JPWO2016121029A1 - 共振型電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

送信アンテナ５と受信アンテナ６を嵌合配置した送受信部３を複数系統対向して配置し、各々単一周波数の電力を伝送する共振型電力伝送装置であり、系統間に設けられ、送受信部３に対し、送信アンテナ５及び受信アンテナ６のうちの最小外径の１０分の１以上離れて対向して配置された磁性シート７を備えた。

Description

この発明は、送信アンテナと受信アンテナを嵌合配置した送受信部を複数系統対向して配置し、各々単一周波数の電力を伝送する共振型電力伝送装置に関するものである。

従来から、固定した単一周波数のみを使用して、高効率な多重化電力伝送を実現したものが知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に開示された多重化伝送システムでは、送信アンテナと受信アンテナから成る送受信部を複数系統設け、隣接する系統間における結合係数が所定値以下となるように系統間のアンテナ位置を離すことで、相互干渉を低減させている。また、系統間に電磁シールド材を挿入することで、相互干渉を低減させている。

特開２０１４−９０６５０号公報

特許文献１の多重化伝送システムでは、複数系統の送受信部を平面上に並べることを想定している。それに対し、ロータリージョイント又はスリップリング等の回転体に上記の多重化伝送システムを適用した場合には、送受信部の送信アンテナと受信アンテナを嵌合配置し、各系統の送受信部を対向配置することになる。この場合、各系統の送信アンテナ及び受信アンテナが隣接する系統の送信アンテナ及び受信アンテナと対向するため、磁束が結合しやすくなり、相互干渉が増加する。よって、電磁シールド材の配置を適切に設定しないと、各系統の独立した電力伝送、またその電力伝送の高効率化が実現できないという課題があった。また、多重化伝送システムの小型化も実現できない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、送信アンテナと受信アンテナを嵌合配置した送受信部を複数系統対向して配置し、各々単一周波数の電力を伝送する共振型電力伝送装置において、相互干渉を低減することができる共振型電力伝送装置を提供することを目的としている。

この発明に係る共振型電力伝送装置は、送信アンテナと受信アンテナを嵌合配置した送受信部を複数系統対向して配置し、各々単一周波数の電力を伝送する共振型電力伝送装置であり、系統間に設けられ、送受信部に対し、送信アンテナ及び受信アンテナのうちの最小外径の１０分の１以上離れて対向して配置された磁性シートを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、送信アンテナと受信アンテナを嵌合配置した送受信部を複数系統対向して配置し、各々単一周波数の電力を伝送する共振型電力伝送装置において、相互干渉を低減することができる。

この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の効果を説明するために用いた構成を示す図であり、（ａ）送受信部及び磁性シートを示す模式図であり、（ｂ）（ａ）の送受信部を示す正面図であり、（ｃ）（ａ）の側面図である。 図２の構成を用いたシミュレーション結果である。 この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の効果を説明する図であり、（ａ）送受信部を示す模式図であり、（ｂ）シミュレーション結果である。 この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す正面図である。 この発明の実施の形態２に係る共振型電力伝送装置の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態２に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態２に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態２に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態２に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態２に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態３に係る共振型電力伝送装置の各系統の磁界位相を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の構成を示す模式図である。
共振型電力伝送装置は、一次電源１、送信電源回路２、送受信部３及び受信電源回路４から構成されている。また、送受信部３は、ロータリージョイント又はスリップリング等の回転体（不図示）に設けられ、嵌合配置された送信アンテナ５と受信アンテナ６を有している。そして、共振型電力伝送装置は、多重化電力伝送を行うため、送信電源回路２、送信アンテナ５、受信アンテナ６及び受信電源回路４を各々複数系統有している（図１の例では３系統設けた場合を示し、各機能部の符号に接尾記号ａ〜ｃを付している）。また、送受信部３の系統間には、磁性シート７が設けられている。

一次電源１は、直流又は交流の電力を各送信電源回路２へ供給するものである。
送信電源回路２は、一次電源１と送信アンテナ５間に配置され、一次電源１から直流又は交流の電力を入力して、ある単一周波数の交流電力を対となる送信アンテナ５へ供給する機能と、共鳴インピーダンス制御により、対となる送信アンテナ５の共振条件を成立させる機能とを有するものである。この際、共振周波数への同調を行う。

送信アンテナ５は、対となる送信電源回路２を介して一次電源１から供給された電力を、受信アンテナ６に伝送するものである。
受信アンテナ６は、対となる送信アンテナ５からの電力を受信するものである。図１の例では、送信アンテナ５の内側に受信アンテナ６を配置した場合を示しているが、逆に、受信アンテナ６の内側に送信アンテナ５を配置してもよい。この受信アンテナ６により受信された電力は受信電源回路４を介して負荷機器等（不図示）に供給される。
また、送受信部３の電力伝送方式は特に限定されるものではなく、磁界共鳴による方式、電界共鳴による方式、電磁誘導による方式のいずれであってもよい。

受信電源回路４は、受信アンテナ６と負荷機器等間に配置され、入力インピーダンス制御により、対となる受信アンテナ６の共振条件を成立させるものである。この際、共振周波数の同調を行う。

磁性シート７は、送受信部３の系統間の相互干渉を低減するものであり、フェライト又はアモルファス等のように透磁率の実部が高く虚部が低い磁性体をシート状に構成したものである。この磁性シート７は、隣接する送受信部３に対し、その送受信部３の送信アンテナ５及び受信アンテナ６のうちの最小外径の１０分の１以上離れて配置されている（図１の距離Ｌ１）。図１の例では、磁性シート７が、受信アンテナ６の外径の１０分の１以上離して配置されている。また図１の例では、磁性シート７が、送受信部３を軸方向に対して垂直投影した面を含む面を有している。すなわち、磁性シート７が、系統間において、送受信部３全体をカバーするように構成されている。

また、送受信部３からは磁界だけではなく電界も放射される。そこで、この電界が他の系統に漏れることを防ぐため、磁性シート７を２枚のシートから構成し、このシート間に、自由電子を持つ部材（導体）を設けるようにしてもよい。この導体としては、銅及びアルミ等の金属部材、炭素繊維、導電性プラスチック等が挙げられる。また、導体は、例えばシート状、メッシュ状、ループ状等の形状に構成される。

また、送受信部３は、隣接する系統の送受信部３に対し、送信アンテナ５及び受信アンテナ６のうちの最小外径の２分の１以上離して配置されている（図１の距離Ｌ２）。図１の例では、各送受信部３が、受信アンテナ６の外径の２分の１以上離して配置されている。

次に、上記のように構成された共振型電力伝送装置の効果について説明する。
まず、送受信部３の系統間に磁性シート７、又は磁性シート７及び導体を配置したことによる効果について、図２，３を参照しながら説明する。ここでは、図２に示すように、外側に送信アンテナ５ａ〜５ｃをそれぞれ配置し、内側に受信アンテナ６ａ〜６ｃをそれぞれ配置した、３系統の送受信部３ａ〜３ｃを用いた。また、送信アンテナ５ａ〜５ｃと受信アンテナ６ａ〜６ｃの外径は図２（ｂ）に示す通りである。また、送受信部３ａ〜３ｃと磁性シート７との距離は図２（ｃ）に示す通りである。すなわち、図２に示す磁性シート７は、受信アンテナ６ａ〜６ｃの外径の１０分の１以上離して配置されている。また、送受信部３の系統間に、磁性シート７だけではなく、磁性シート７及び導体を設ける場合にも同一条件で配置している。なお、ここでは、磁性シート７としてフェライトを用い、導体として銅板を用いた。

図２に示す条件で、送受信部３ａ〜３ｂの系統間に何も挿入しなかった場合、磁性シート７を配置した場合、磁性シート７及び導体を配置した場合について、各系統での電力伝送効率をシミュレーションした結果を図３に示す。図３において、符号３０１は送受信部３ｂでの電力伝送効率を示し、符号３０２は送受信部３ａ，３ｃでの電力伝送効率を示している。ここで、両端の送受信部３ａ，３ｃは対称に構成されているため、電力伝送効率は等しい。

この図３に示すように、送受信部３ａ〜３ｃの系統間に何も挿入しなかった場合には、各系統での電力伝送効率は低く、また、そのバラつきが大きい。ここで、各系統の電力伝送効率のばらつきが大きいということは、系統間での相互干渉が大きいということを意味している。

一方、送受信部３ａ〜３ｃの系統間に磁性シート７を配置した場合には、送受信部３から放射された磁束がこの磁性シート７に集中し、磁性シート７内を磁気損失なく流れる。その結果、系統間での相互干渉を低減することができる。これにより、各系統での電力伝送効率が向上し、また、そのバラつきが小さくなる。
なお、磁性シート７を送受信部３に対して送信アンテナ５又は受信アンテナ６のうちの最小外径の１０分の１以上離す理由は、磁性シート７を送受信部３に近づけすぎると、送受信部３と磁性シート７との干渉が強くなり、損失が生じるからである。

また、送受信部３ａ〜３ｃの系統間に磁性シート７及び導体を配置した場合には、磁性シート７のみを配置した場合に対し、送受信部３から放射される電界が減少する。その結果、各系統での電力伝送効率がさらに向上し、また、そのバラつきがさらに小さくなる。

また、送受信部３の系統間の距離について、図４を参照しながら説明する。ここでは、図４（ａ）に示すように、外側に送信アンテナ５ａ〜５ｃを配置し、内側に受信アンテナ６ａ〜６ｃを配置した、３系統の送受信部３ａ〜３ｃを用いた。なお、送受信部３の系統間には何も挿入していない状態としている。また、送信アンテナ５ａ〜５ｃと受信アンテナ６ａ〜６ｃの外径は図２（ｂ）と同一である。この図４（ａ）に示す条件で、送受信部３ａ〜３ｃの系統間の距離を変化させた場合について、各系統での電力伝送効率をシミュレーションした結果を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）において、符号４０１は送受信部３ｂでの電力伝送効率を示し、符号４０２は送受信部３ａ，３ｃでの電力伝送効率を示している。ここで、両端の送受信部３ａ，３ｃは対称に構成されているため、電力伝送効率は等しい。

この図４（ｂ）に示すように、送受信部３ａ〜３ｃの系統間の距離を、最小外径である受信アンテナ６の外径の２分の１以上（図４の例では１８ｍｍ以上）離すことで、電力伝送効率が向上する。

以上のように、この実施の形態１によれば、送受信部３の系統間に、送受信部３に対し、送信アンテナ５及び受信アンテナ６のうちの最小外径の１０分の１以上離れて対向して配置された磁性シート７を備えたので、送信アンテナ５と受信アンテナ６を嵌合配置した送受信部３を複数系統対向して配置し、各々単一周波数の電力を伝送する共振型電力伝送装置において、相互干渉を低減することができる。その結果、複数系統の送受信部３において、独立した高効率な電力伝送が可能となる。
また、磁性シート７を２枚のシートから構成し、この２枚のシートの間に、自由電子を持つ導体を設けることで、さらに高効率な電力伝送が可能となる。

なお上記では、磁性シート７が、系統間において、送受信部３全体をカバーするように構成された場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば図５に示すように、磁性シート７が、受信アンテナ６を軸方向に対して垂直投影した面を含む面を有し、この受信アンテナ６に対向して配置されるようにしてもよい。また、例えば図６に示すように、磁性シート７が、送信アンテナ５を軸方向に対して垂直投影した面を含む面を有し、この送信アンテナ５に対向して配置されるようにしてもよい。なお図５，６では、一次電源１、送信電源回路２及び受信電源回路４の図示を省略している。このように、磁性シート７の面積を小さくすることで、特に磁性シート７内に金属板等の導体を設ける場合に、軽量化を図ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、送受信部３の系統間に磁性シート７、又は磁性シート７及び導体を設けることで、系統間の相互干渉を低減する構成について示した。
一方、共振型電力伝送装置では、強度を高める目的で、送受信部３がカバーで覆われる場合がある。このカバーは、樹脂製のもの又は金属製のもの等がある。ここで、カバーが樹脂製の場合には、実施の形態１の構成によって、系統間で独立した高効率な電力伝送を行うことができる。しかしながら、カバーが金属製の場合には、送受信部３からの磁界がこの金属に鎖交して渦電流が発生し、これが電力損失となる。また、この金属によって、送信アンテナ５と受信アンテナ６の共振条件が変化してしまい、高効率な電力伝送ができなくなる。さらに、この金属を介して他の系統との間で相互干渉が生じてしまうため、独立した電力伝送ができなくなる。そこで、実施の形態２では、送受信部３が金属製のカバーで覆われた場合であっても、系統間で独立した高効率な電力伝送を行うことができる構成について説明する。

図７はこの発明の実施の形態２に係る共振型電力伝送装置の構成を示す図である。この図７に示す実施の形態２に係る共振型電力伝送装置は、図１に示す実施の形態１に係る共振型電力伝送装置に第２の磁性シート８を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。なお、以降の図７〜１２では、一次電源１、送信電源回路２及び受信電源回路４の図示を省略している。

第２の磁性シート８は、金属製のカバーによる電力損失を低減するものであり、フェライト又はアモルファス等のように透磁率の実部が高く虚部が低い磁性体をシート状に構成したものである。この第２の磁性シート８は、送受信部３の系統間以外の周囲に設けられ、磁性シート７と同様に、当該送受信部３に対し、その送受信部３の送信アンテナ５及び受信アンテナ６のうちの最小外径の１０分の１以上離れて対向して配置されている。図７の例では、第２の磁性シート８が、受信アンテナ６の外径の１０分の１以上離して配置されている。

なお図７の例では、送受信部３の手前側及び奥側には第２の磁性シート８を設けていないが、図８に示すように、送受信部３に対し、全ての面を磁性シート７，８で覆うようにしてもよい。また、図では、磁性シート７，８間に隙間がない場合を示しているが、隙間があってもよい。

また、磁性シート７の場合と同様に、送受信部３から放射された電界が漏れることを防ぐため、第２の磁性シート８を２枚のシートから構成し、このシート間に、自由電子を持つ部材（導体）を設けるようにしてもよい。この導体としては、銅及びアルミ等の金属部材が挙げられる。また、導体は、例えばシート状、メッシュ状、ループ状等の形状に構成される。

このように、送受信部３の系統間以外の周囲に第２の磁性シート８を配置することで、送受信部３からの磁束が金属製のカバーに到達することを回避することができる。よって、送受信部３が金属製のカバーに覆われることによる電力損失は生じない。

なお、磁性シート７，８の配置は、図７，８に示す配置に限るものではなく、例えば図９〜１２のように配置してもよい。また、図９〜１２に示す例では送受信部３の手前側及び奥側に第２の磁性シート８を設けていないが、設けてもよい。
この図７〜１２に示す例の中では、図９に示す構成にさらに送受信部３の手前側及び奥側にも第２の磁性シート８を配置した場合（送受信部３毎に磁性シート７，８で全ての面を覆った場合）が、電力伝送効率が最も高い。

また、図９に示す配置に対し、図７，８，１０〜１２のように、磁性シート７，８の設置数を減らすことで、図９の場合に対して電力伝送効率は下がるが、部品点数を減らすことができ、軽量化することができる。
また、第２の磁性シート８の配置は、送受信部３から放射された磁束が空間を飛んで隣接する系統の送受信部３に到達するまでの空間距離が長くなるように配置した方がよい。これにより、第２の磁性シート８によって系統間の相互干渉を低減する効果も得られる。

以上のように、この実施の形態２によれば、送受信部３の系統間以外の周囲に、送受信部３に対し、送信アンテナ５及び受信アンテナ６のうちの最小外径の１０分の１以上離れて対向して配置された第２の磁性シート８を備えたので、実施の形態１の効果に加え、送受信部３が金属製のカバーで覆われた場合であっても、系統間で独立した高効率な電力伝送を行うことができる。

また、実施の形態１，２の構成において、導体を設ける箇所は適宜設定可能である。例えば、送受信部３を覆うカバーが金属製の場合には、このカバーに対向する箇所には導体を設ける必要はないため、送受信部３の系統間については磁性シート７及び導体を配置し、それ以外の周囲には第２の磁性シート８のみを配置するようにしてもよい。また、送受信部３を覆うカバーが樹脂製の場合であっても、軽量化のため、送受信部３の系統間以外の周囲のうち、一部の箇所は第２の磁性シート８のみとし、残りの箇所は第２の磁性シート８及び導体を配置するようにしてもよい。

実施の形態３．
実施の形態１，２では、磁性シート７を用いて、系統間の相互干渉を低減する構成について示した。この構成に加え、図１３に示すように、送受信部３の磁界位相を系統間で位相を変えることで、系統間の相互干渉をより低減するようにしてもよい。図１３の例では、図２に示す３系統の送受信部３ａ〜３ｃのうち、送受信部３ａ，３ｃの磁界位相を実線で示し、送受信部３ｂの磁界位相を破線で示し、それぞれ１８０度ずらした場合を示している。

なお、実施の形態１〜３では、送信アンテナ５及び受信アンテナ６を各々単一のコイルから構成する場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、各コイルを、各々例えば給電用コイル及び共鳴用コイルから構成してもよく、２個以上のコイルで構成するようにしてもよい。

また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る共振型電力伝送装置は、相互干渉を低減することができ、送信アンテナと受信アンテナを嵌合配置した送受信部を複数系統対向して配置し、各々単一周波数の電力を伝送する共振型電力伝送装置等に用いるのに適している。

１ 一次電源、２ 送信電源回路、３ 送受信部、４ 受信電源回路、５ 送信アンテナ、６ 受信アンテナ、７ 磁性シート、８ 第２の磁性シート。

Claims (12)

1. 送信アンテナと受信アンテナを嵌合配置した送受信部を複数系統対向して配置し、各々単一周波数の電力を伝送する共振型電力伝送装置において、
   前記系統間に設けられ、前記送受信部に対し、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナのうちの最小外径の１０分の１以上離れて対向して配置された磁性シートを備えた
   ことを特徴とする共振型電力伝送装置。
2. 前記磁性シートは２枚のシートから成り、
   前記２枚のシートの間に、自由電子を持つ導体を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
3. 前記送受信部は、隣接する前記送受信部に対し、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナのうちの最小外径の２分の１以上離れて配置された
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
4. 前記磁性シートは、前記送信アンテナを軸方向に対して垂直投影した面を含む面を有し、当該送信アンテナに対向して配置された
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
5. 前記磁性シートは、前記受信アンテナを軸方向に対して垂直投影した面を含む面を有し、当該受信アンテナに対向して配置された
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
6. 前記送受信部の前記系統間以外の周囲に設けられ、当該送受信部に対し、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナのうちの最小外径の１０分の１以上離れて対向して配置された第２の磁性シートを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
7. 前記第２の磁性シートは２枚のシートから成り、
   前記２枚のシートの間に、自由電子を持つ導体を備えた
   ことを特徴とする請求項６記載の共振型電力伝送装置。
8. 前記送受信部は、磁界共鳴により電力伝送を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
9. 前記送受信部は、電界共鳴により電力伝送を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
10. 前記送受信部は、電磁誘導により電力伝送を行う
    ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
11. 前記送受信部は、隣接する系統間で磁界位相が異なる
    ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
12. 前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、各々２個以上のコイルから構成された
    ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。

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