JP7782569B2 - アンテナ装置、及び非接触電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、非接触電力伝送システムに関連するものである。

磁界結合や電界結合でワイヤレス電力伝送を行う共振型のアンテナは、電波を送受信するアンテナに比べて高い伝送効率で電力を伝送することができる。そのため、バッテリーレスの非接触ＩＣカードや、スマートフォンのワイヤレス充電、あるいは電気自動車への電力供給に用いられている。

しかし、磁界結合や電界結合を用いる共振型のアンテナは、アンテナ間距離が変わるとアンテナのインピーダンスが変化し反射が大きくなるため、アンテナ間距離によっては伝送効率が低下することが知られている。

この問題を解決するための技術として、例えば、特許文献１には、電力送受信状態の検出手段によってインピーダンス整合条件を満足しているか否かを判定し、この結果に応じてインピーダンス整合条件を切り替える技術が開示されている。

特開２００１－２３８３７２号公報

しかしながら、従来技術にように能動的に結合状態の検出を行って、切り替え制御を行うためには、そもそも、それを実施するための電力が必要であり、効率よく電力伝送を行うことができなくなる。また、回路が複雑になり部品点数や基板サイズが大きくなるという問題もある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、アンテナ間の距離が変わってもインピーダンスの変化が少なく、広い範囲にわたって高い伝送効率で電力伝送することができる非接触電力伝送システムを実現することを目的とする。

開示の技術によれば、非接触電力伝送システムにおいて使用されるアンテナ装置であって、
第１インピーダンスを有する第１共振アンテナと、
前記第１インピーダンスと異なる第２インピーダンスを有する第２共振アンテナとを備え、
前記アンテナ装置は、前記非接触電力伝送システムにおける送受電回路に接続されており、前記第１インピーダンスは、前記送受電回路のインピーダンスよりも高く、前記第２インピーダンスは、前記送受電回路のインピーダンスよりも低い
アンテナ装置が提供される。

開示の技術によれば、アンテナ間の距離が変わってもインピーダンスの変化が少なく、広い範囲にわたって高い伝送効率で電力伝送することができる非接触電力伝送システムを実現することが可能となる。

非接触電力伝送システムの基本的な構成例を示す図である。 ＬＣ並列共振回路を用いた磁界アンテナにおける自身の反射を示す図である。 ＬＣ直列共振回路を用いた磁界アンテナにおける自身の反射を示す図である。 ＬＣ並列共振回路を用いる送電アンテナ１１及び受電アンテナ２１を示す図である。 ＬＣ直列共振回路を用いる送電アンテナ１１及び受電アンテナ２１を示す図である。 単独で高インピーダンスのアンテナを用いた場合のアンテナ間距離とインピーダンスとの関係を示す図である。 単独で低インピーダンスのアンテナを用いた場合のアンテナ間距離とインピーダンスとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。 高インピーダンスのアンテナと低インピーダンスのアンテナを並列に接続したアンテナを用いた場合のアンテナ間距離とインピーダンスとの関係を示す図である。 ＬＣ直列共振の磁界アンテナと、電極間の電界結合を利用した電界アンテナとを備えるアンテナ装置の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態（本実施の形態）を説明する。以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。

（非接触電力伝送システムの構成例、課題）
図１に、非接触電力伝送システムの基本的な構成例を示す。図１に示すように、非接触電力伝送システムにおいて、送電側は、送電アンテナ１１、整合回路１２、インバータ１３、電源１４を備える。受電側は、受電アンテナ２１、整合回路２２、整流回路２３、負荷２４を備える。

非接触電力伝送システムは、図１に示すように、結合系を構成する対向する送電アンテナ１１と受電アンテナ２１の間で、非接触で電力の伝送を行う。送電アンテナ１１及び受電アンテナ２１として、コイルからなる磁界アンテナ、あるいは電極からなる電界アンテナが用いられる。送電アンテナ１１と受電アンテナ２１はいずれも共振型のアンテナである。共振型のアンテナを「共振アンテナ」と呼んでもよい。

非接触電力伝送システムにおいて、相手が近くにあるかどうかにかかわらず一定の電波を放射し続ける遠方界のアンテナとは異なり、アンテナ間の共振を利用した近傍界の磁界結合アンテナ、あるいは電界結合アンテナは、相手が近くにないときは空中に電力を放射せず、行き場を失った電力はアンテナで反射して送電回路側に戻される。

図２は、ＬＣ並列共振回路を用いた磁界アンテナにおける上記現象を示す図である。図２に示すように、ＬＣ並列共振回路を用いた磁界アンテナでは位相が反転せずに電力が反射するため、アンテナを自由端のように見なすことができ、アンテナは高インピーダンスになる。

一方、図３に示すように、ＬＣ直列共振回路を用いた磁界アンテナでは、位相が反転して電力が反射するため、アンテナを固定端のように見なすことができ、アンテナは低インピーダンスになる。

共振アンテナの近くに対向するアンテナがある場合、例えば、磁界結合の送電アンテナ１１が作った磁界が受電アンテナ２１の共振を励起し、共振した受電アンテナ２１によってまた新たな磁界が送電アンテナ１１付近に作られる。

そのため図４（ＬＣ並列共振回路を用いる場合）、図５（ＬＣ直列共振回路を用いる場合）に示すように、送電アンテナ１１自身の反射と対向するアンテナ２１からの反射が同時に観測される。対向するアンテナからの反射は、自身の反射とは符号が逆で、アンテナ間距離が近いほど大きくなる。

その結果、アンテナのインピーダンスは、図６、図７に示すように、アンテナ間距離によって変化する。図６は、単独で高インピーダンスのアンテナのケースを示し、図７は、単独で低インピーダンスのアンテナのケースを示す。

すなわち、図６に示すような単独で高インピーダンスのアンテナのケースでは、アンテナ間距離が小さくなるにつれて対向するアンテナからの反射が大きくなり、ある距離で自身の反射と対向するアンテナからの反射が打ち消しあって、インピーダンス整合が取れた状態になるが、さらにアンテナ間距離が近づくと、反射波の符号が反転し、インピーダンスはさらに低下して反射が増大する。また、単独で低インピーダンスのアンテナのケースでは、図７に示すようにアンテナ間距離が小さくなるにつれてインピーダンスが増加する。

いずれにしても、アンテナと送電回路のインピーダンスが一致して反射が抑えられたときにしか効率よく電力伝送できないため、図６や図７に示すように動作可能なアンテナ間距離は狭い範囲に限定される。

（本実施の形態におけるアンテナ装置及び非接触電力伝送システムの構成例）
図８は、本実施の形態におけるアンテナ装置１００の構成例を示す図である。図８に示すように、アンテナ装置１００は、高インピーダンスのアンテナ１１０と低インピーダンスのアンテナ１２０を並列に接続した構成を有する。図８に示す例では、高インピーダンスのアンテナ１１０は、ＬＣ並列共振の磁界アンテナであり、低インピーダンスのアンテナ１２０は、ＬＣ直列共振の磁界アンテナである。

図６に示したとおり、高インピーダンスのアンテナ１１０はアンテナ間距離が小さくなるにつれてインピーダンスが低下し、逆に、図７に示したとおり、低インピーダンスのアンテナ１２０はアンテナ間距離が小さくなるにつれてインピーダンスが増加する。

図９は、アンテナ１１０とアンテナ１２０を並列に接続して合成されたインピーダンスとアンテナ間距離との関係を示す図である。図９の破線に示すようにアンテナ間距離に対するインピーダンスの変化が小さく、広いアンテナ間距離にわたって効率よく動作させることが可能になる。

また、図８に示したように、２つの共振アンテナ１１０、１２０の中心が同じ位置にあるように各アンテナを配置することで、２つのアンテナ１１０、１２０で対向するアンテナとのアンテナ間距離が同じになるため、設計がしやすくなるという利点がある。

なお、「同じ位置」とは、非接触電力伝送システムにおいて、２つの共振アンテナ１１０、１２０からなるアンテナ装置と対向する側のアンテナ装置から見て、２つの共振アンテナ１１０、１２０の中心が同じ位置である、ことであってもよい。また、「同じ位置」とは、２つのアンテナの中心が厳密に同じでなくてもよく、例えば、ある閾値以下のずれであれば「同じ位置」であると見なしてもよい。

本実施の形態における非接触電力伝送システム用のアンテナとしては、図８に示すようにコイル間の磁界結合を利用した磁界アンテナの他に、電極間の電界結合を利用した電界アンテナを用いることとしてもよい。

また、図１０に示すアンテナ装置２００の構成を用いることとしてもよい。図１０に示すアンテナ装置２００は、低インピーダンスアンテナとしてＬＣ直列共振の磁界アンテナ２２０を備え、高インピーダンスアンテナとして、電極間の電界結合を利用した電界アンテナ２１０を備える。

図１１は、本実施の形態における非接触電力伝送システムの構成例を示す。この非接触電力伝送システムは、送電側において、高インピーダンスアンテナ３１０、低インピーダンスアンテナ３２０、整合回路３３０、インバータ３４０、電源３５０を備え、受電側において、高インピーダンスアンテナ４１０、低インピーダンスアンテナ４２０、整合回路４３０、整流回路４４０、負荷４５０を備える。高インピーダンスアンテナ３１０と低インピーダンスアンテナ３２０は並列に接続され、高インピーダンスアンテナ４１０と低インピーダンスアンテナ４２０も並列に接続される。

高インピーダンスアンテナ３１０と低インピーダンスアンテナ３２０のうち、高インピーダンスアンテナ３１０は接続される送受電回路（例：整合回路３３０）のインピーダンスよりも高いインピーダンスを持ち、低インピーダンスアンテナ３２０は当該送受電回路のインピーダンスよりも低いインピーダンスを持つ。

また、高インピーダンスアンテナ４１０と低インピーダンスアンテナ４２０のうち、高インピーダンスアンテナ４１０は接続される送受電回路（例：整合回路４３０）のインピーダンスよりも高いインピーダンスを持ち、低インピーダンスアンテナ４２０は当該送受電回路のインピーダンスよりも低いインピーダンスを持つ。

図１１の構成例のように、送電側と受電側のそれぞれにおいて、インピーダンスの異なる２つの共振アンテナを並列に接続することで、アンテナ間距離の変化に対するそれぞれのアンテナのインピーダンスの変化を相殺させることができ、アンテナ間距離の変化に対するインピーダンスの変化が少なくなるようにすることができる。

なお、アンテナの種類、形状、配置、等はこれまで例に挙げたものに限られない。また、電力伝送のみを目的とする非接触電力伝送システムに限らず、電力伝送と通信を同時に行う非接触ＩＣカードシステムにも、本発明に係る技術を適用することが可能である。電力伝送と通信を同時に行う非接触ＩＣカードシステムは、「非接触電力伝送システム」の例である。

（実施の形態の効果）
以上説明した本実施の形態に係る技術により、非接触電力伝送システムにおいて、対向するアンテナのアンテナ間距離に対するアンテナのインピーダンスの変化の度合いを緩和して、アンテナ間距離が変化してもインピーダンス整合の状態を保ち、反射を低く抑えて、広い距離範囲にわたって効率よく電力が送れるようになる。

また、能動的に結合状態の検出や制御を行う必要がないため、消費電力を低減し、回路の部品点数を減らして基板を小型化することができる。

（付記）
本明細書には、少なくとも下記各項のアンテナ装置、及び非接触電力伝送システムが開示されている。
（第１項）
非接触電力伝送システムにおいて使用されるアンテナ装置であって、
第１インピーダンスを有する第１共振アンテナと、
前記第１インピーダンスと異なる第２インピーダンスを有する第２共振アンテナと
を備えるアンテナ装置。
（第２項）
前記第１共振アンテナと前記第２共振アンテナとが並列に接続されている
第１項に記載のアンテナ装置。
（第３項）
前記第１共振アンテナの中心と前記第２共振アンテナの中心とが同じ位置になるように前記第１共振アンテナと前記第２共振アンテナが配置されている
第１項又は第２項に記載のアンテナ装置。
（第４項）
前記アンテナ装置は、前記非接触電力伝送システムにおける送受電回路に接続されており、前記第１インピーダンスは、前記送受電回路のインピーダンスよりも高く、前記第２インピーダンスは、前記送受電回路のインピーダンスよりも低い
第１項ないし第３項のうちいずれか１項に記載のアンテナ装置。
（第５項）
第１項ないし第４項のうちいずれか１項に記載のアンテナ装置である第１のアンテナ装置と、第１項ないし第４項のうちいずれか１項に記載のアンテナ装置である第２のアンテナ装置とを対向させて配置した非接触電力伝送システム。

以上、本実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１１ 送電アンテナ
１２ 整合回路
１３ インバータ
１４ 電源
２１ 受電アンテナ
２２ 整合回路
２３ 整流回路
２４ 負荷
１００ アンテナ装置
１１０ 高インピーダンスアンテナ
１２０ 低インピーダンスアンテナ
２００ アンテナ装置
２２０ 磁界アンテナ
２１０ 電界アンテナ
３１０ 高インピーダンスアンテナ
３２０ 低インピーダンスアンテナ
３３０ 整合回路
３４０ インバータ
３５０ 電源
４１０ 高インピーダンスアンテナ
４２０ 低インピーダンスアンテナ
４３０ 整合回路
４４０ 整流回路
４５０ 負荷

Claims (4)

1. 非接触電力伝送システムにおいて使用されるアンテナ装置であって、
   第１インピーダンスを有する第１共振アンテナと、
   前記第１インピーダンスと異なる第２インピーダンスを有する第２共振アンテナとを備え、
   前記アンテナ装置は、前記非接触電力伝送システムにおける送受電回路に接続されており、前記第１インピーダンスは、前記送受電回路のインピーダンスよりも高く、前記第２インピーダンスは、前記送受電回路のインピーダンスよりも低い
   アンテナ装置。
2. 前記第１共振アンテナと前記第２共振アンテナとが並列に接続されている
   請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１共振アンテナの中心と前記第２共振アンテナの中心とが同じ位置になるように前記第１共振アンテナと前記第２共振アンテナが配置されている
   請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載のアンテナ装置である第１のアンテナ装置と、請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載のアンテナ装置である第２のアンテナ装置とを対向させて配置した非接触電力伝送システム。