JPWO2014132518A1

JPWO2014132518A1 - 送電装置および受電装置

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Publication number: JPWO2014132518A1
Application number: JP2015502722A
Authority: JP
Inventors: 博宣高橋
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2033-12-04
Also published as: JP5979301B2; WO2014132518A1; US20150372505A1

Abstract

送電装置（１００）は、筐体（１１０）、アクティブ電極（１２０）、パッシブ電極（１３０）、第１誘電体（１４０）および第２誘電体（１５０）を備える。筐体（１１０）は、送電装置（１００）の外壁を形成する。アクティブ電極（１２０）は、筐体（１１０）内に配される。パッシブ電極（１３０）は、筐体（１１０）内においてアクティブ電極（１２０）に近接して配される。第１誘電体（１４０）は、筐体（１１０）とアクティブ電極（１２０）との間に配される。第２誘電体（１５０）は、筐体（１１０）とパッシブ電極（１３０）との間に配される。第２誘電体（１５０）の誘電率は、第１誘電体（１４０）の誘電率よりも高い。これにより、パッシブ電極の面積を過度に大きくすることなくパッシブ電極間の容量値を確保する。

Description

本発明は、非接触方式で電力を伝送するワイヤレス電力伝送システムに関する。

代表的なワイヤレス電力伝送システムとして、送電装置の一次コイルから受電装置の二次コイルへ磁界を利用して電力を伝送する磁界結合方式のものが知られている。このワイヤレス電力伝送システムでは、磁界結合で電力を伝送する場合、各コイルを通る磁束の大きさが起電力に大きく影響するため、一次コイルと二次コイルとの相対位置関係に高い精度が要求される。また、コイルを利用するため、各装置の小型化が難しい。

一方、特許文献１に開示されているような電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムも知られている。このワイヤレス電力伝送システムでは、送電装置の結合電極から受電装置の結合電極に電界を介して電力が伝送される。電界結合方式は、結合電極の相対位置精度が磁界結合方式よりも緩く、また、結合電極の小型化及び薄型化が可能である。

国際公開第２０１１／１４８８０３号パンフレット

電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムの結合電極は、アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される。電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムにおいて高い電力伝送効率を得るには、電界結合係数を極力高めることが重要である。そのため、送電装置側のアクティブ電極と受電装置側のアクティブ電極との対向面積を大きくし、送電装置側のパッシブ電極と受電装置側のパッシブ電極との対向面積を大きくすることが有効である。また、送電装置に受電装置が接している状態で、アクティブ電極同士の間隙およびパッシブ電極同士の間隙を狭くするため、各電極表面の絶縁層の厚みを薄くすることも有効である。

しかし、受電装置のパッシブ電極の電位は、ＤＣ的またはＡＣ的に受電装置の基準電位であることが一般的に好都合である。この場合、受電装置の基準電位を安定化する意味で、受電装置のパッシブ電極の電位を安定化する必要がある。そのためには、送電装置側のパッシブ電極と受電装置側のパッシブ電極との間に生じる容量が、送電装置側のアクティブ電極と受電装置側のアクティブ電極との間に生じる容量より大きいことが条件となる。すなわち、送電装置のパッシブ電極と受電装置のパッシブ電極との対向面積を確保することで、アクティブ電極同士の対向面積は相対的に小さくなる。したがって、送電装置と受電装置との限られた対向面積で高い結合係数を確保しつつ受電装置の基準電位の安定化を図ることは困難であった。

そこで、本発明の目的は、上記課題に鑑み、パッシブ電極の面積を過度に大きくすることなくパッシブ電極間の容量値を確保できるようにしたワイヤレス電力伝送システムにおける送電装置および受電装置を提供することにある。

本発明に係るワイヤレス電力伝送システムにおける送電装置は、送電側アクティブ電極および送電側パッシブ電極を内部に配する筐体と、この筐体と送電側アクティブ電極との間に配される第１誘電体と、前記筐体と送電側パッシブ電極との間に配される第２誘電体と、を備え、第２誘電体の誘電率は第１誘電体の誘電率よりも高い。

この構成では、パッシブ電極間の静電容量値を第２誘電体の誘電率で稼ぐことができる。すなわち、パッシブ電極の面積を増大することなくパッシブ電極間の静電容量値を増大することができる。したがって、小型でありながら電力伝送効率の高い送電装置が構成できる。

また、この構成では、アクティブ電極間の静電容量値に比べてパッシブ電極間の静電容量値をより増大させることができるため、パッシブ電極間の電圧変動値を抑えることができる。したがって、送電装置のパッシブ電極の電位を安定化できる。

本発明に係るワイヤレス電力伝送システムにおける受電装置は、受電側アクティブ電極および受電側パッシブ電極を内部に配する筐体と、この筐体と受電側アクティブ電極との間に配される第１誘電体と、前記筐体と送電側パッシブ電極との間に配される第２誘電体と、を備え、第２誘電体の誘電率は第１誘電体の誘電率よりも高い。

この構成では、パッシブ電極間の静電容量値を第２誘電体の誘電率で稼ぐことができる。すなわち、パッシブ電極の面積を増大することなくパッシブ電極間の静電容量値を増大することができる。したがって、小型でありながら電力伝送効率の高い受電装置が構成できる。

また、この構成では、アクティブ電極間の静電容量値に比べてパッシブ電極間の静電容量値をより増大させることができるため、パッシブ電極間の電圧変動値を抑えることができる。したがって、受電装置のパッシブ電極の電位を安定化できる。

本発明に係る送電装置または受電装置は、パッシブ電極の面積を増大することなくパッシブ電極間の静電容量値を増大することができる。

本発明の第１実施形態に係る受電装置を送電装置に載置した場合における両装置のパッシブ電極間が容量結合したときの等価回路図である。本発明の第1実施形態に係る受電装置を送電装置に載置した場合における両装置のアクティブ電極間およびパッシブ電極間の電圧波形を示す図である。本発明の第１実施形態に係る送電装置および受電装置の構成を示す側面断面図である。本発明の第１実施形態に係る送電装置の構成を示す平面図である。本発明の第１実施形態に係る送電装置の構成を示すＡ−Ａ断面図である。本発明の第１実施形態に係る受電装置の構成を示す平面図である。本発明の第１実施形態に係る受電装置の構成を示すＢ−Ｂ断面図である。本発明の第１実施形態に係る送電装置の構成の別の例を示す平面図である。本発明の第１実施形態に係る送電装置の構成の別の例を示す平面図である。本発明の第２実施形態に係る送電装置および受電装置の構成を示す側面断面図である。本発明の第３実施形態に係る送電装置および受電装置の構成を示す側面断面図である。

以下、本発明の実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を、図面を参照しつつ詳細に説明する。

まず、本発明の第１実施形態について説明する。

図１は、受電装置を送電装置に載置した場合における両装置のパッシブ電極間が容量結合したときの等価回路図である。

送電装置１００は、入力電源１０６および交流電力発生回路１０７を備えている。入力電源１０６は、１００Ｖ〜２３０Ｖの交流電圧から変換した５Ｖ、１２Ｖ等の直流電圧電源であり、交流電力発生回路１０７へ出力する。交流電力発生回路１０７は、インバータ１０８、昇圧トランスＴＧ及びインダクタＬＧ等により構成され、送電側アクティブ電極１２０および送電側パッシブ電極１３０の間に高周波高電圧を印加する。この電圧の周波数は例えば１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲である。

受電装置２００の受電側アクティブ電極２２０と受電側パッシブ電極２３０との間には、インダクタＬＬ、降圧トランスＴＬおよび負荷ＲＬによる負荷回路２０５が接続されている。負荷ＲＬは、図示しない整流平滑回路及び二次電池で構成されている。

図２は、受電装置を送電装置に載置した場合における両装置のアクティブ電極間およびパッシブ電極間の電圧波形を示す図である。

受電装置２００と送電装置１００の送受対向面同士を対向させると、アクティブ電極１２０，２２０間が容量結合し、パッシブ電極１３０，２３０間が容量結合する。これにより、アクティブ電極１２０，２２０間に所定の電圧Ｖ１が印加され、パッシブ電極１３０，２３０間に所定の電圧Ｖ２が印加される。

アクティブ電極１２０，２２０間に生じる容量（Ｃ１）を通る電荷＝パッシブ電極１３０，２３０間に生じる容量（Ｃ２）を通る電荷＝Ｑとすると、Ｑ＝Ｃ１・Ｖ１＝Ｃ２・Ｖ２である。したがって、Ｃ１＜Ｃ２ならばＶ１＞Ｖ２となる。

すなわち、アクティブ電極１２０，２２０間の容量に比べてパッシブ電極１３０，２３０間の容量を大きくすると、パッシブ電極間電圧Ｖ２は小さくなり、受電装置２００の基準電位（パッシブ電極２３０の電位）変動は小さくなる。

図３は、送電装置および受電装置の構成を示す側面断面図である。図４は、送電装置の構成を示す平面図である。図５は、送電装置の構成を示すＡ−Ａ断面図である。

送電装置１００は、筐体１１０、アクティブ電極１２０、パッシブ電極１３０、第１誘電体１４０および第２誘電体１５０を備える。

筐体１１０の上面は平板状に形成されている。筐体１１０は、例えば、ポリカーボネート樹脂や高剛性グレードのＡＢＳ等、剛性の高い素材で構成される。

アクティブ電極１２０は、筐体１１０内に配される。アクティブ電極１２０は、平面視において矩形状を呈する。アクティブ電極１２０は、銅やアルミニウム等の金属体で構成される。アクティブ電極１２０は、筐体１１０内において接着剤１２２で固着している。アクティブ電極１２０およびパッシブ電極１３０は交流電力発生回路１０７と電気的に接続されている。

パッシブ電極１３０は、筐体１１０内においてアクティブ電極１２０に近接して配されている。具体的には、パッシブ電極１３０は、平面視において、アクティブ電極１２０に対して所定距離だけ離間してアクティブ電極１２０を囲むように配されている。パッシブ電極１３０は、銅やアルミニウム等の金属体で構成される。パッシブ電極１３０は、筐体１１０内において接着剤１３２で固着している。

第１誘電体１４０は、筐体１１０とアクティブ電極１２０との間に配されている。第１誘電体１４０は、筐体１１０に対して接着剤等で固着している。第１誘電体１４０は、例えば、セラミック等の絶縁体から構成される。第１誘電体１４０の誘電率は１００未満である。例えばアクティブ電極１２０−２２０間に生じる容量の単位面積当たりの容量は０．０４６ｐＦ／ｍｍ^２程度であり、アクティブ電極１２０の面積が９００ｍｍ^２としてその面積すべてにおいてアクティブ電極２２０と対向する場合、アクティブ電極１２０−２２０間に生じる容量は４１ｐＦ程度である。

第２誘電体１５０は、筐体１１０とパッシブ電極１３０との間に配されている。第２誘電体１５０は、筐体１１０に対して接着剤等で固着している。第２誘電体１５０は、第１誘電体１４０の誘電率よりも誘電率が高い材料で構成される。第２誘電体１５０の誘電率は、第１誘電体１４０の誘電率の１００倍以上であることが好ましい。例えばパッシブ電極１３０−２３０間に生じる容量の単位面積当たりの容量は６．６７ｐＦ／ｍｍ^２程度であり、パッシブ電極１３０の面積が５４１４ｍｍ^２としてその面積すべてにおいてパッシブ電極２３０と対向する場合、パッシブ電極１３０−２３０間に生じる容量は３．６ｎＦ程度である。

この構成では、パッシブ電極１３０，２３０間の容量値を第２誘電体１５０の誘電率で稼ぐことができる。すなわち、パッシブ電極１３０の面積を増大することなくパッシブ電極１３０，２３０間の静電容量値を増大することができる。したがって、送電装置１００および受電装置２００の大型化を抑制することができる。

また、この構成では、アクティブ電極１２０，２２０間の容量値に比べてパッシブ電極１３０，２３０間の容量値を大きくしているため、パッシブ電極１３０，２３０間に掛かる電圧は小さくなる。したがって、パッシブ電極１３０，２３０の電位を安定させることができる。

図６は、受電装置の構成を示す平面図である。図７は、受電装置の構成を示すＢ−Ｂ断面図である。

受電装置２００は、筐体２１０、アクティブ電極２２０、パッシブ電極２３０、第１誘電体２４０および第２誘電体２５０を備える。受電装置２００は、例えば、携帯電話、タブレットＰＣ、ノート型ＰＣなどの電子機器が装着されて使用されるものである。

筐体２１０の下面は平板状に形成されている。筐体２１０は剛性が高い素材で構成されている。筐体１１０は、例えば、ポリカーボネート樹脂や高剛性グレードのＡＢＳ等で構成される。

アクティブ電極２２０は、筐体２１０内に配されている。アクティブ電極２２０は、平面視において矩形状を呈する。アクティブ電極２２０は、銅やアルミニウム等の金属体で構成される。アクティブ電極２２０は、筐体２１０内において接着剤等で固着されている。アクティブ電極２２０およびパッシブ電極２３０には負荷回路２０５の一部２０５Ｐが接続されている。この負荷回路の一部２０５Ｐは図１に示した負荷回路２０５のうち負荷ＲＬ以外の部分であり、タブレットＰＣのコネクタに刺さるプラグまたはレセプタクルを備えている。

パッシブ電極２３０は、筐体２１０内においてアクティブ電極２２０に近接して配される。具体的には、パッシブ電極２３０は、平面視において、アクティブ電極２２０に対して所定距離だけ離間してアクティブ電極２２０を囲むように配される。パッシブ電極２３０は、銅やアルミニウム等の金属体で構成される。パッシブ電極２３０は、筐体２１０内において接着剤等で固着している。

第１誘電体２４０は、筐体２１０とアクティブ電極２２０との間に配されている。第１誘電体２４０は、筐体２１０に対して接着剤等で固着されている。第１誘電体２４０は、例えば、セラミック等の絶縁体から構成される。第１誘電体２４０の誘電率は、１００未満である。

第２誘電体２５０は、筐体２１０とパッシブ電極２３０との間に配されている。第２誘電体２５０は、筐体２１０に対して接着剤等で固着されている。第２誘電体２５０は、第１誘電体２４０の誘電率よりも誘電率が高い材料で構成される。第２誘電体２５０の誘電率は、第１誘電体２４０の誘電率の１００倍以上であることが好ましい。

この構成では、パッシブ電極２３０，１３０間の容量値を第２誘電体２５０の誘電率で稼ぐことができる。すなわち、パッシブ電極２３０の面積を増大することなくパッシブ電極２３０，１３０間の容量値を増大することができる。したがって、受電装置２００の大型化を抑制することができる。

また、この構成では、アクティブ電極２２０，１２０間の容量値に比べてパッシブ電極２３０，１３０間の容量値を増大させているため、パッシブ電極２３０，１３０間に掛かる電圧は小さくなる。したがって、パッシブ電極２３０，１３０間の電位を安定させることができる。

図８および図９は、送電装置の構成の別の例を示す平面図である。

パッシブ電極１３０は、平面視において、アクティブ電極１２０を完全に囲っていなくてもよい。また、パッシブ電極１３０は、平面視において、アクティブ電極１２０を挟んで対向して配されていてもよい。このように、アクティブ電極１２０およびパッシブ電極１３０の配置は特に限定されない。

また、第２誘電体１５０の厚みは、第１誘電体１４０の厚みと同じであると好ましい。

この構成では、送電装置１００の製造が容易となり、送電装置１００全体としてコストダウンをすることができる。

さらに、第２誘電体２５０の厚みは、第１誘電体２４０の厚みと同じであると好ましい。

この構成では、受電装置２００の製造が容易となり、受電装置２００全体としてコストダウンをすることができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態以降の各実施形態においては、第１実施形態で説明した内容を適宜省略する。

図１０は、送電装置および受電装置の構成を示す側面断面図である。

送電装置１００は、第１実施形態の構成に加えて、筐体１１０と第２誘電体１５０との間に配された導電性ゴム１６０をさらに備える。導電性ゴム１６０は本発明の導電体に相当する。

この構成では、筐体１１０とパッシブ電極１３０との間に導電性ゴム１６０が配されているため、筐体１１０とパッシブ電極１３０との間の距離が確保される。すなわち、パッシブ電極１３０とパッシブ電極２３０との間の距離が確保される。したがって、パッシブ電極１３０とパッシブ電極２３０との間で放電が発生することを抑制することができる。

また、この構成では、導電性ゴム１６０は所定の導電性を有するため、静電容量素子として考えた場合、導電性ゴム１６０はパッシブ電極１３０の一部と考えることができる。すなわち、パッシブ電極１３０とパッシブ電極２３０との電極間距離は、筐体１１０，２１０の厚みと第２誘電体１５０，２５０の厚みを足したもののみであるので、静電容量を発生させる電極間距離が実質的に短くなる。したがって、パッシブ電極１３０とパッシブ電極２３０との間で大きな静電容量を発生させることができるため、放電が発生することを抑制しつつ、パッシブ電極１３０ー２３０間の所定の容量を得ることができる。

また、上記では、導電ゴム１６０は筺体１１０と第２誘電体１５０との間に配されているが、筺体１１０と第１誘電体１４０との間に配されていてもよい。

導電性ゴム１６０は、第２誘電体１５０よりも柔らかい素材で構成されると好ましい。そのことにより、導電性ゴム１６０はクッション材の機能を有するため、第２誘電体１５０に対する衝撃を吸収することで第２誘電体１５０を保護することができる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図１１は、送電装置および受電装置の構成を示す側面断面図である。

筐体１１０は、金属材料から構成されている。筐体１１０の外表面は、金属酸化物で被覆されている。例えばアルミニウム基材の表面を酸化処理（アルマイト処理）することで絶縁膜を形成している。この構成では、金属酸化物の厚みは例えば２０μｍ〜３０μｍ程度である。

また上記では、筺体１１０の外表面が金属酸化物で被覆されているが、筺体２１０の外表面が金属酸化物で被覆されていてもよい。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００−送電装置
１１０−筐体
１２０−アクティブ電極
１３０−パッシブ電極
１４０−第１誘電体
１５０−第２誘電体
１６０−導電性ゴム（導電体）
２００−受電装置
２１０−筐体
２２０−アクティブ電極
２３０−パッシブ電極
２４０−第１誘電体
２５０−第２誘電体

筐体２１０の下面は平板状に形成されている。筐体２１０は剛性が高い素材で構成されている。筐体２１０は、例えば、ポリカーボネート樹脂や高剛性グレードのＡＢＳ等で構成される。

Claims

送受対向面に沿って設けられている送電側アクティブ電極および送電側パッシブ電極と、第１端が前記送電側アクティブ電極に接続され、第２端が前記送電側パッシブ電極に接続された交流電力発生回路と、を有する送電装置と、
送受対向面に沿って設けられている受電側アクティブ電極および受電側パッシブ電極と、第１端が前記受電側アクティブ電極に接続され、第２端が前記受電側パッシブ電極に接続された負荷回路と、を有する受電装置と、
を備えるワイヤレス電力伝送システムにおける送電装置において、
前記送電側アクティブ電極および前記送電側パッシブ電極を内部に配する筐体と、
前記筐体と前記送電側アクティブ電極との間に配される第１誘電体と、
前記筐体と前記送電側パッシブ電極との間に配される第２誘電体と、
を備え、
前記第２誘電体の誘電率は、前記第１誘電体の誘電率よりも高い、
送電装置。
前記第２誘電体の厚みは、前記第１誘電体の厚みと同じである、
請求項１に記載の送電装置。
前記筐体と前記第１誘電体または前記第２誘電体との間に配された導電体
をさらに備える、請求項１または２に記載の送電装置。
前記筐体は、金属材料から構成され、
前記筐体の外表面は、金属酸化物で被覆されている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の送電装置。
送受対向面に沿って設けられている送電側アクティブ電極および送電側パッシブ電極と、第１端が前記送電側アクティブ電極に接続され、第２端が前記送電側パッシブ電極に接続された交流電力発生回路と、を有する送電装置と、
送受対向面に沿って設けられている受電側アクティブ電極および受電側パッシブ電極と、第１端が前記受電側アクティブ電極に接続され、第２端が前記受電側パッシブ電極に接続された負荷回路と、を有する受電装置と、
を備えるワイヤレス電力伝送システムにおける受電装置において、
前記受電側アクティブ電極および前記受電側パッシブ電極を内部に配する筐体と、
前記筐体と前記受電側アクティブ電極との間に配される第１誘電体と、
前記筐体と前記受電側パッシブ電極との間に配される第２誘電体と、
を備え、
前記第２誘電体の誘電率は、前記第１誘電体の誘電率よりも高い、
受電装置。
前記第２誘電体の厚みは、前記第１誘電体の厚みと同じである、
請求項５に記載の受電装置。
前記筐体と前記第１誘電体または前記第２誘電体との間に配された導電体
をさらに備える、請求項５または６に記載の受電装置。
前記筐体は、金属材料から構成され、
前記筐体の外表面は、金属酸化物で被覆されている、
請求項５〜７のいずれか１項に記載の受電装置。