WO2022168401A1 - 無線電力伝送システムおよび無線電力伝送システム用の共振周波数調整部 - Google Patents

無線電力伝送システムおよび無線電力伝送システム用の共振周波数調整部 Download PDF

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WO2022168401A1
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power transmission
resonance frequency
wireless power
transmission system
transmission line
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PCT/JP2021/042458
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洋昌 佐伯
昌也 田村
鈴鹿 赤井
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株式会社村田製作所
国立大学法人豊橋技術科学大学
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    • H02J50/90—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving detection or optimisation of position, e.g. alignment

Definitions

  • the present invention relates to a wireless power transmission system and a resonance frequency adjustment unit for the wireless power transmission system. Specifically, the present invention relates to a wireless power transmission system using a power transmitter for transmitting high-frequency electromagnetic waves.
  • the wireless power transmission system of the present invention utilizes a space surrounded by walls, such as inside a warehouse, inside a factory, or inside a vehicle.
  • the present invention relates to a structure and an electronic device for supplying wireless power by introducing electromagnetic waves having a frequency set to .
  • Non-Patent Document 1 discloses a wireless power transmission system in which a space surrounded by metal is regarded as a resonator, an electromagnetic wave is emitted from a power transmitting unit at a resonance frequency unique to the resonator, and power is transmitted to a power receiver in the resonator. It is Non-Patent Document 1 describes in detail the relationship between the size of the resonator and the resonance frequency with respect to the resonance mode.
  • Non-Patent Document 2 discloses a wireless power transmission system in which a space surrounded by metal is regarded as a resonator, an electromagnetic wave is emitted from a power transmission unit at a resonance frequency unique to the resonator, and power is transmitted to a power receiver in the resonator. It is Non-Patent Document 2 describes that the resonance frequency changes depending on the inclusions of the resonator.
  • a space surrounded by conductors is regarded as a resonator, and wireless power transmission is performed using electromagnetic waves set to a resonance frequency determined by the dimensions and resonance mode of the resonator.
  • the frequency to be used differs according to the size of the resonator, and there is a problem that the circuit of the power transmission section must be redesigned each time.
  • Non-Patent Document 1 describes in detail the relationship between the size of the resonator and the resonance frequency with respect to the resonance mode. From this, it can be seen that when the resonance mode, that is, the electromagnetic field distribution in the resonator is determined, the resonance frequency is uniquely determined corresponding to the size of the resonator. However, since the size of the space in which the wireless power transmission system is used varies depending on the purpose of use and the environment, the power transmission frequency must be adjusted for each environment. Therefore, the circuit of the power transmission section must adopt a different design for each usage environment, which is industrially undesirable.
  • Non-Patent Document 2 studies are being made on wireless power transmission via electromagnetic waves to a power receiver attached to a rat confined in a metal cavity resonator.
  • the authors of Non-Patent Document 2 found that the resonance frequency peculiar to the resonator before confining the rat was 346.6 MHz for both the measured value and the calculated value, while the resonance frequency after confining the rat was 335.0 MHz. It is clarified in the above-mentioned literature that it has changed. This change in resonance frequency is due to the fact that the relative dielectric constant of the substance that constitutes the body of the rat is different from that of air. That is, the resonance frequency is changed by inserting an object made of a material different from air into the resonator, not limited to rats.
  • the placement of IOT devices and other objects in the resonator is not necessarily constant. is not limited. That is, the resonance frequency is expected to change from time to time.
  • the frequency of the electromagnetic wave transmitted from the power transmitter must match the resonant frequency of the resonator. There is a problem that a circuit must be constructed.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and it is necessary to change the power transmission frequency regardless of the size of the resonator, or regardless of the arrangement, number, or material of objects in the resonator.
  • An object of the present invention is to provide a wireless power transmission system that does not
  • a further object of the present invention is to provide a resonance frequency adjuster for the wireless power transmission system.
  • a wireless power transmission system includes a structure entirely surrounded by an electromagnetic wave shielding member having appropriate conductivity and frequency selectivity, at least one power receiving unit, at least one power transmitting unit, and at least one a resonance frequency adjuster, wherein the resonance frequency adjuster includes at least one conductive protrusion having an open end, and a transmission line connected to the other end of the conductive protrusion that is not the open end.
  • the open end of the conductive protrusion is disposed inside the structure, and the other end of the transmission line that is not connected to the conductive protrusion is the electromagnetic wave shield forming the wall surface of the structure. It is electrically connected to the member.
  • a resonant frequency adjustment unit for a wireless power transmission system includes a structure entirely surrounded by an electromagnetic wave shielding member having appropriate conductivity and frequency selectivity, at least one power receiving unit, and at least one power transmitting unit.
  • a resonant frequency adjuster for a wireless power transfer system said resonant frequency adjuster comprising at least one conductive protrusion having an open end for placement inside said structure; a transmission line connected to the other end that is not the open end of the conductive projection, and the other end that is not connected to the conductive projection is electrically connected to the electromagnetic wave shielding member forming the wall surface of the structure. and a transmission line for
  • a constant frequency is obtained regardless of the size of the resonator or regardless of objects present inside the resonator.
  • Wireless power transmission can be performed using the resonance frequency.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an example of a wireless power transmission system according to the present invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram of an example of a power receiver 6 in the power receiver 3 according to the present invention
  • FIG. 4 is a schematic diagram of another example of the power receiver 6 in the power receiver 3 according to the present invention.
  • FIG. It is the structure of the power transmission section 4 according to the present invention.
  • 1 is a schematic diagram of an example of a power transmitter 10 in a power transmission section 4 according to the present invention
  • FIG. FIG. 3 is a schematic diagram of an example of a resonance frequency adjustment section 5 according to the present invention
  • FIG. 5 is a schematic diagram of another example of the resonance frequency adjustment unit 5 according to the present invention
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an example of a wireless power transmission system according to the present invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram of an example of a power receiver 6 in the power receiver 3 according to the present invention
  • FIG. 4 is a schematic diagram of another example of the power receiver
  • FIG. 10 is a schematic diagram of still another example of the resonance frequency adjuster 5 according to the present invention. It is an example of the electric field intensity distribution in the space surrounded by the electromagnetic wave shielding member 2 .
  • 1 is a schematic diagram of a power receiver 18 according to Example 1 of the present invention;
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a wireless power transmission system 19 according to Example 1 of the present invention;
  • FIG. 5 is a graph showing changes in resonance frequency due to settings of the resonance frequency adjuster 5 according to Example 1 of the present invention.
  • It is a schematic diagram of the wireless power transmission system 22 which concerns on Example 2 of this invention.
  • 9 is a graph showing changes in resonance frequency due to settings of the resonance frequency adjuster 5 according to Example 2 of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of electric field intensity distribution in the wireless power transmission system 23 according to Example 3 of the present invention
  • 5 is a schematic diagram of the electric field strength distribution in the wireless power transmission system 23 before installing the resonance frequency adjuster 5.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the resonance frequency and the mounting position of the resonance frequency adjuster 5 in the wireless power transmission system 23.
  • FIG. 4 is a graph showing the rate of change of the resonance frequency with respect to the relative electric field intensity at the position where the open end of the conductive protrusion 15 is arranged in the wireless power transmission system 23.
  • FIG. FIG. 5 is a schematic diagram of a wireless power transmission system 24 according to Example 4 of the present invention;
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a resonance frequency adjuster 5 according to Example 4 of the present invention
  • 4 is a graph showing the relationship between the resonance frequency and the line length of the resonance frequency adjuster 5 in the wireless power transmission system 24.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship of resonance frequency to element parameters in the wireless power transmission system 24.
  • terms indicating the relationship between elements for example, “perpendicular”, “parallel”, “perpendicular”, etc.
  • terms indicating the shape of elements are not expressions expressing only strict meanings, but substantially It is an expression that means that a difference of approximately several percent is also included, for example, a range equivalent to each other.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an example of a wireless power transmission system according to the present invention.
  • a wireless power transmission system 1 has a structure that is entirely surrounded by an electromagnetic wave shielding member 2 having appropriate conductivity and frequency selectivity as a resonator, and includes at least one power receiving unit 3 and , at least one power transmission unit 4, and at least one resonance frequency adjustment unit 5 in the structure. That is, the wireless power transmission system 1 refers to the entire structure that realizes wireless power transmission. Note that the shape of the structure is not limited to a rectangular parallelepiped shape. may be
  • the electromagnetic wave shielding member 2 is not particularly limited as long as it has conductivity, but metal materials such as copper, aluminum, iron, stainless steel, and nickel are preferred. Alternatively, conductive oxide materials such as zinc oxide, titanium oxide, and indium tin oxide (ITO), graphite, organic conductive materials, and the like can be used. These may be composed of multiple layers of the above members. Also, an alloy or mixture may be used as long as it has conductivity. In addition, the shape may be plate-like, mesh-like, film-like, porous, etc., as long as it operates as an electromagnetic wave shielding member at the frequency of power supply. The electromagnetic wave shielding member 2 only needs to have an electromagnetic wave shielding function for frequencies used for wireless power transmission, and may have electromagnetic wave permeability for frequencies used for wireless communication, for example. That is, it suffices if it has an appropriate frequency selectivity.
  • the power receiving unit 3 consists of a power receiver 6 .
  • the configuration of the power receiver 6 will be described with reference to FIGS. 2A and 2B.
  • the power receiver 6 is composed of, for example, an electric wiring section 7 or 9 serving as an antenna and a rectifier circuit 8 .
  • a switch, a matching circuit, or the like may be attached as necessary.
  • a dipole antenna 7, a loop antenna 9, or the like is typically suitable for the antenna.
  • the dipole antenna 7 may be bent as appropriate.
  • an inverted F-shaped structure may be employed in which a portion of the wiring is short-circuited to the ground or the reference potential portion of the power receiving portion 3 . It is also possible to adjust the corresponding frequency by inserting a capacitor or an inductor into a part of the antenna wiring. These are appropriately selected according to the resonance frequency derived from the resonator formed by the electromagnetic wave shielding member 2 .
  • the configuration of the power transmission unit 4 will be explained using FIG.
  • the power transmission section 4 includes a power transmitter 10 , a matching circuit 11 and a high frequency power source 12 .
  • the matching circuit 11 is connected between the power transmitter 10 and the high frequency power supply 12 .
  • the matching circuit 11 is adjusted to achieve impedance matching with the resonator at a preset transmission frequency.
  • the configuration of the power transmitter 10 will be explained using FIG.
  • the power transmitter 10 is composed of, for example, a metal rod 13 and a power transmission antenna wiring 14 arranged perpendicular thereto. It is preferable that the metal bar 13 is installed substantially perpendicular to the electromagnetic wave shielding member 2 . At this time, the metal rod 13 is installed so as not to make electrical contact with the electromagnetic wave shielding member 2, and penetrates through the electromagnetic wave shielding member 2 to electrically connect the matching circuit 11 installed outside the resonator (structure). connected to If the reference potential of the matching circuit 11 and the high-frequency power supply 12 and the reference potential of the electromagnetic wave shielding member 2 are substantially the same, they may be connected via a connector such as an SMA (Sub Miniature Type A) terminal as appropriate.
  • SMA Sub Miniature Type A
  • the power transmission antenna wiring 14 may be wired on a printed circuit board or the like, but the wiring may be performed by bending the metal rod 13 . Moreover, the power transmission antenna wiring 14 may be bent as appropriate within the plane in which it is wired.
  • the power transmission antenna wiring 14 is generally parallel to the wall surface of the resonator made of the electromagnetic wave shielding member 2 when power is transmitted using an electric field, and on the wall surface of the resonator made of the electromagnetic wave shielding member 2 when power is transmitted using a magnetic field. It is preferably formed generally perpendicular to the.
  • the resonance frequency adjuster 5 is composed of a conductive protrusion 15 and a transmission line 16 .
  • the open end of the conductive protrusion 15 is arranged inside the resonator (structure).
  • the protrusion means a shape in which the open end protrudes toward the inside of the resonator from the electromagnetic wave shielding member 2, and the shapes thereof are rod-like, wire-like, umbrella-like, mushroom-like, and conical. , a pyramid shape, a loop shape, or the like.
  • wiring may be performed on a printed circuit board or the like, and the wiring may be protruded to be used as a substitute.
  • the conductive protrusion 15 may be protected with a member such as resin.
  • the other end of the conductive protrusion 15 that is not the open end is connected to the transmission line 16 .
  • the transmission line 16 preferably has an impedance of 50 ⁇ , for example, by adopting a stripline structure.
  • the other end of the transmission line 16 that is not connected to the conductive protrusion 15 is electrically connected to the electromagnetic wave shielding member 2 .
  • the transmission line 16 may have an element 17 in the middle of its electrical path.
  • the element 17 is an inductor or a capacitor, and includes stubs, capacitors, inductors, varactor diodes, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) elements, and the like. Depending on the inductance or capacitance value of element 17, the resonance frequency can be adjusted. In particular, it is preferable to use an element whose inductance value or capacitance value can be controlled by an electric signal input from the outside. That is, element 17 is preferably a variable inductor or variable capacitor.
  • the protruding open end of the conductive protrusion 15 must be present inside the resonator, but the portion other than the open end of the conductive protrusion 15, the transmission line 16, and the element 17 (however, the element 17 is optional) ) may be placed inside the resonator as shown in FIGS. 5A and 5B or outside the resonator as shown in FIG. 5C.
  • the resonance frequency adjustment unit 5 configured as described above can be used for all wireless power transmission systems using the resonance mode.
  • Equation 1 the resonance frequency f r is given by Equation 1.
  • v is the speed of light
  • ⁇ r is the relative permeability
  • ⁇ r is the relative permittivity
  • m, n, and p are integers.
  • the electrical line length in the X-axis direction is reduced from the original length of the resonator, a, from the conductive protrusion 15, the transmission line 16, and the element 17 (however, the element 17 is arbitrary) to becomes a value obtained by adding the electrical length a'.
  • This will shift the resonant frequency to a lower frequency f r '.
  • f r ' is represented by Equation 2.
  • Equation 2 it is understood that even if the size a of the resonator takes an arbitrary value, the resonance frequency f r ' will be constant if the value of a' is adjusted so that the value of a+a' is constant. can. In other words, it is understood that a constant transmission frequency can be used regardless of the size a of the resonator by adjusting the electrical lengths of the conductive projection 15, the transmission line 16, and the element 17 (however, the element 17 is arbitrary). can.
  • the resonance frequency is the frequency f r '' shift to At this time, f r ′′ is expressed as in Equation 3.
  • the resonance frequency f r '' can be controlled to be constant by adjusting a' so as to correspond to it. is understandable. That is, by making it possible to adjust the electrical lengths of the conductive protrusion 15, the transmission line 16, and the element 17 (however, the element 17 is optional), even if an object other than air enters the resonator, a constant power transmission can be achieved. Wireless power transmission using frequency becomes possible.
  • the space surrounded by the electromagnetic wave shielding member 2 is separated from the power transmission unit 4 by a distance of ⁇ /20 or more ( ⁇ is the wavelength of the electromagnetic wave radiated from the power transmission unit 4).
  • ⁇ is the wavelength of the electromagnetic wave radiated from the power transmission unit 4.
  • the open end of the conductive protrusion 15 is arranged at a position where the relative electric field strength is 0.2 or more and 1 or less. It is more preferable that the open end of the conductive protrusion 15 is arranged at a position where is 0.33 or more and 1 or less.
  • the resonance frequency adjuster 5 By arranging the open end of the conductive protrusion 15 at a position where the relative electric field strength inside the resonator is 0.2 or more, the effect of changing the resonance frequency can be sufficiently obtained. Even when the resonance frequency adjuster 5 is arranged at a position where the amount of change in the resonance frequency is small, the amount of change in the resonance frequency can be adjusted by the electrical length of the transmission line 16 or the element 17 . Therefore, regardless of the arrangement of the resonance frequency adjuster 5, it is possible to adjust the resonance frequency.
  • FIG. 6 shows the electric field strength distribution before installation of the resonance frequency adjuster 5 as seen from directly above the resonator (the XY plane at the length c/2 in the Z-axis direction).
  • a dashed line indicates a position at a distance of ⁇ /20 from the power transmission unit 4 (for example, the metal rod 13 or the power transmission antenna wiring 14), and the maximum electric field strength ( , indicated by point A) is defined as unity.
  • the open end of the conductive protrusion 15 constituting the resonance frequency adjuster 5 should be placed at a position where the relative electric field strength is 0.2 or more and 1 or less (for example, a position surrounded by a circle in FIG. 6). Just do it.
  • the resonance frequency adjuster 5 After the resonance frequency adjuster 5 is installed, the electric field intensity around the resonance frequency adjuster 5 increases, so the electric field intensity distribution before the resonance frequency adjuster 5 is always used as a reference.
  • the resonance mode is TE (0np), and it is preferable that the resonance frequency adjuster 5 is installed on the wall surface of the structure orthogonal to the direction in which the order becomes zero when n and p are integers. .
  • the wireless power transmission system of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various applications and modifications can be made within the scope of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the power receiver 18 according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of the wireless power transmission system 19 according to Example 1 of the present invention.
  • Example 1 a power transmitter 10 shown in FIG. 4, a power receiver 18 shown in FIG. 7, and an electromagnetic wave shielding member 2 comprising an aluminum framework, a zinc mesh wall surface, and an aluminum floor surface are shown in FIG. Consider the wireless power transfer system 19 shown.
  • the wireless power transmission system 19 has a shape with a gabled roof.
  • the length a in the X-axis direction is 1500 mm
  • the length b in the Y-axis direction is 1800 mm.
  • the height of the vertical wall is 1500mm, and the height including the gable roof is 1960mm.
  • the resonance frequency adjustment unit 5 is installed on the YZ plane
  • the power transmitter 10 of the power transmission unit 4 is installed on the YZ plane facing the resonance frequency adjustment unit 5 .
  • the power receiver 18 of the power receiving unit 3 is installed at a central position in the XY plane at a height of 1000 mm from the floor surface.
  • the power receiver 18 consists of a metal wire 20 connecting between the printed circuit board wiring 21 and the rectifier circuit 8 .
  • the power receiver 18 has two printed circuit board wirings 21, and the direction in which they appear to overlap when projected is defined here as the power receiving antenna direction.
  • a 10 k ⁇ load resistor was connected to the rectifying circuit of the power receiver 18 for evaluation.
  • the conductive protrusion 15 attached to the resonance frequency adjuster 5 was composed of a Cu rod with a diameter of 1 mm ⁇ and a length of 600 mm.
  • a trimmer capacitor was used as the element 17, and the capacitance values (also referred to as element values or element parameters) were adjusted to 18 pF and 27 pF, respectively.
  • the power receiver 18 is installed so that the direction of the power receiving antenna is in the X-axis direction, and the frequency of the electromagnetic wave emitted from the power transmitter 10 is adjusted so that the voltage generated across the load resistance is maximized. was adjusted and the resonance frequency was measured.
  • FIG. 9 shows the case where the resonance frequency adjuster 5 is not attached, the case where the resonance frequency adjuster 5 is attached and the element value of the element 17 is set to 18 pF, and the case where the resonance frequency adjuster 5 is attached and the element 17 shows the measurement result of the resonance frequency when the element value of 17 is set to 27 pF. It can be seen from FIG. 9 that the resonance frequency is shifted to a lower frequency by attaching the resonance frequency adjuster 5, and that the resonance frequency can be controlled by adjusting the capacitance value of the element 17.
  • FIG. 9 shows the case where the resonance frequency adjuster 5 is not attached, the case where the resonance frequency adjuster 5 is attached and the element value of the element 17 is set to 18 pF, and the case where the resonance frequency adjuster 5 is attached and the element 17 shows the measurement result of the resonance frequency when the element value of 17 is set to 27 pF.
  • the resonance frequency can be freely controlled by installing the resonance frequency adjustment unit 5 on the wall surface of the resonator and then adjusting the electrical length of the resonance frequency adjustment unit 5 .
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a wireless power transmission system 22 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the power transmitter 10 shown in FIG. 4, the power receiver 18 shown in FIG. 7, and the electromagnetic wave shielding member 2 made up of an aluminum frame, a zinc mesh wall surface, and an aluminum floor surface are shown in FIG.
  • the wireless power transfer system 22 shown the wireless power transfer system 22 shown.
  • the resonance frequency adjuster 5 is installed on the YZ plane, whereas in the wireless power transmission system 22 of the second embodiment, the resonance frequency adjuster 5 is installed on the ZX plane.
  • FIG. 11 shows the result of measuring the resonance frequency under the same conditions as in Example 1 using the wireless power transmission system 22 prepared as described above. As shown in FIG. 11, when the resonance frequency adjuster 5 is placed on the ZX plane, it is clear that the resonance frequency is constant regardless of the presence or absence of the resonance frequency adjuster 5 and regardless of the capacitance value of the element 17. became.
  • FIG. 12A is a schematic diagram of electric field strength distribution in the wireless power transmission system 23 according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12B is a schematic diagram of the electric field intensity distribution in the wireless power transmission system 23 before the resonance frequency adjuster 5 is installed.
  • the resonator provided for the wireless power transmission system 23 has a rectangular parallelepiped shape with a length in the X-axis direction of 500 mm, a length in the Y-axis direction of 600 mm, and a length in the Z-axis direction of 400 mm.
  • the resonance frequency adjustment section 5 is installed on the YZ plane, and the power transmission section 4 is installed on the YZ plane facing the resonance frequency adjustment section 5 .
  • the resonance frequency was measured when the resonance frequency adjustment section 5 was moved in the Y-axis direction, with the position where the above-mentioned relative electric field strength is maximum as 0.
  • FIG. 13 shows the relationship between the resonance frequency and the mounting position of the resonance frequency adjustment unit 5 in the wireless power transmission system 23 .
  • the broken line indicates the resonance frequency when the resonance frequency adjuster 5 is not attached.
  • the resonance frequency can be shifted to a lower frequency than when the resonance frequency adjuster 5 is not attached.
  • FIG. 14 shows the change rate of the resonance frequency with respect to the relative electric field strength at the position where the open end of the conductive protrusion 15 is arranged in the wireless power transmission system 23 .
  • the rate of change of the resonance frequency is the rate of change obtained by standardizing the resonance frequency when the resonance frequency adjuster 5 is attached based on the resonance frequency when the resonance frequency adjuster 5 is not attached. is the same as the resonance frequency when the resonance frequency adjuster 5 is not attached, the result is 0.
  • the resonance frequency changes is found to occur.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of a wireless power transmission system 24 according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the resonator provided for the wireless power transmission system 24 has a rectangular parallelepiped shape with a length in the X-axis direction of 500 mm, a length in the Y-axis direction of 600 mm, and a length in the Z-axis direction of 400 mm.
  • the resonance frequency adjustment section 5 is installed on the YZ plane, and the power transmission section 4 is installed on the YZ plane facing the resonance frequency adjustment section 5 .
  • FIG. 16 is a schematic diagram of the resonance frequency adjustment unit 5 according to Example 4 of the present invention.
  • the conductive protrusion 15 has a total length of 90 mm and protrudes inward from the electromagnetic wave shielding member 2 by 80 mm.
  • the resonance frequency was measured when the length of the transmission line 16 was changed.
  • the line lengths of the resonance frequency adjuster 5 were set to 110 mm, 140 mm, and 170 mm, respectively.
  • FIG. 17 shows the relationship between the resonance frequency and the line length of the resonance frequency adjustment unit 5 in the wireless power transmission system 24 .
  • the broken line indicates the resonance frequency when the resonance frequency adjuster 5 is not attached.
  • the resonance frequency can be shifted to a lower frequency than when the resonance frequency adjuster 5 is not attached.
  • the resonance frequency was measured when the element 17 was attached to the transmission line 16 with the line length of the resonance frequency adjustment unit 5 fixed at 110 mm.
  • a capacitor or an inductor was used for element 17 .
  • FIG. 18 shows the relationship between the resonance frequency and the element parameters in the wireless power transmission system 24 .
  • the broken line indicates the resonance frequency when the resonance frequency adjuster 5 is not attached.
  • the resonance frequency can be controlled by adjusting the capacitance value or inductance value of the element 17.

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Abstract

無線電力伝送システム１は、適宜な導電率および周波数選択性を有する電磁波遮蔽部材２によって全体が包囲された構造体と、少なくとも１つの受電部３と、少なくとも１つの送電部４と、少なくとも１つの共振周波数調整部５と、を備え、共振周波数調整部５は、開放端を有する少なくとも１つの導電性突起部１５と、導電性突起部１５の開放端でない他端に接続されている伝送線路１６と、を備え、導電性突起部１５の開放端は、上記構造体の内側に配置され、導電性突起部１５との接続部ではない伝送線路１６の他端は、上記構造体の壁面をなす電磁波遮蔽部材２と電気的に接続されている。

Description

無線電力伝送システムおよび無線電力伝送システム用の共振周波数調整部
　本発明は、無線電力伝送システムおよび無線電力伝送システム用の共振周波数調整部に関する。具体的には、本発明は、高周波電磁波を送電する送電器を用いる無線電力伝送システムに関するものである。本発明の無線電力伝送システムは、倉庫内、工場内、車両内部など、壁面で囲まれた空間を利用するものであり、その空間のサイズや空間内に内包される物体に関わらず、あらかじめ任意に設定した周波数の電磁波を導入することで、無線電力を供給するための構造および電子機器に関する。
　近年、ＩＯＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ）デバイスの爆発的な増加に伴って、これらへの電力供給方法に課題が生じている。膨大なデバイスへの配線接続は困難であり、また、電池を電源とする場合には消耗した電池の交換に多大な労力を要する問題がある。これらを解決するために、無線にて電力を伝送する技術が期待されている。
　非特許文献１には、金属で囲まれた空間内を共振器に見立て、共振器固有の共振周波数で送電部から電磁波を照射し、共振器内の受電器へ送電する無線電力伝送システムが開示されている。非特許文献１には、共振器のサイズおよび共振モードに対する共振周波数の関係が詳細に記載されている。
　非特許文献２には、金属で囲まれた空間内を共振器に見立て、共振器固有の共振周波数で送電部から電磁波を照射し、共振器内の受電器へ送電する無線電力伝送システムが開示されている。非特許文献２には、共振器の内包物によって共振周波数が変化する旨の記載がある。　
Ｓ．Ｒａｈｉｍｉｚａｄｅｈ，Ｓ．Ｋｏｒｈｕｍｍｅｌ，Ｂ．Ｋａｓｌｏｎ，Ｚ．Ｐｏｐｏｖｉｃ，"Ｓｃａｌａｂｌｅ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｐｏｗｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｉｎ　ａｎ　ｏｖｅｒ－ｍｏｄｅｄ　ｃａｖｉｔｙ，"　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　Ｐａｐｅｒ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ（ＷＰＴ），２０１３　ＩＥＥＥ Ｈ．Ｍｅｉ，Ｋ．Ａ．Ｔｈａｎｃｋｓｔｏｎ，Ｒ．Ａ．Ｂｅｒｃｉｃｈ，Ｊ．Ｇ．Ｒ．Ｊｅｆｆｅｒｙｓ，ａｎｄ　Ｐ．Ｐ．Ｉｒａｚｏｑｕｉ，"Ｃａｖｉｔｙ　Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｆｒｅｅｌｙ　Ｍｏｖｉｎｇ　Ａｎｉｍａｌ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，"　ＩＥＥＥ　Ｂｉｏｍｅｄ．Ｅｎｇ．，Ｖｏｌ．６４，Ｎｏ．４，ｐｐ．７７５－７８５　Ｊｕｎｅ　２０１６
　従来の無線電力伝送システムでは、導電体で包囲された空間を共振器に見立て、共振器の寸法と共振モードによって決定される共振周波数に設定した電磁波を利用して、無線電力伝送が行われている。従って、無線電力伝送システムは、共振器のサイズに応じて利用周波数が異なり、送電部の回路をそのつど設計し直さなければならない課題があった。
　例えば、非特許文献１では、共振器の大きさと共振モードに対する共振周波数の関係が詳細に記載されている。ここから、共振モード、すなわち共振器内の電磁界分布を決定すると、共振器の大きさに対応して共振周波数が一義的に決定されることがわかる。しかし、無線電力伝送システムが利用される空間の大きさは、利用の目的や環境によって異なるため、送電周波数はその環境ごとに調整を余儀なくされる。従って、送電部の回路は、利用環境ごとにひとつひとつ異なる設計を採用する必要があり、工業的に望ましくない。
　また、高い電力伝送効率を実現するためには、共振器内に存在する物体の大きさや形状や個数や材質に応じて、送電器から送信する電磁波の周波数を調整する必要がある。そのため、送電部の回路構成が複雑となるほか、送電部のインピーダンス不整合が生じる課題がある。
　例えば、非特許文献２では、金属製空洞共振器内に閉じ込めたラットに取り付けられた受電器に対して、電磁波を介して無線電力伝送を行う検討がなされている。非特許文献２の筆者らは、ラットを閉じ込める前の共振器固有の共振周波数が実測値および計算値ともに３４６．６ＭＨｚであったのに対し、ラットを閉じ込めた後の共振周波数が３３５．０ＭＨｚに変化していることを、上記文献中で明らかにしている。この共振周波数の変化はラットの体を構成する物質の比誘電率が空気とは異なることに起因するものである。すなわちラットに限らず、共振器の中に空気とは異なる材質からなる物体を入れることによって、共振周波数は変化することとなる。
　工場や倉庫などの空間を共振器と見立て、実使用環境でのＩＯＴデバイスへの無線電力伝送するシステムを想定したとき、共振器内のＩＯＴデバイスの配置や、その他の物体の配置は必ずしも一定とは限らない。すなわち共振周波数はその時々で変化すると予想される。送電器から送信される電磁波の周波数は、共振器の共振周波数と合致させる必要があるため、前述の使用環境では、共振器の共振周波数を適宜検出し、適切な周波数に調整しながら送電する複雑な回路を構築しなければならない課題がある。
　加えて、共振器と送電部のインピーダンス整合は周波数ごとに最適条件が変化するため、送電に使用する周波数が変化すると、整合回路と共振器との間でインピーダンス不整合が生じ、送電効率が低下する課題がある。
　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、共振器の大きさに関わらず、あるいは、共振器内の物体の配置、個数、材質に関わらず、送電周波数を変化させる必要のない無線電力伝送システムを提供することを目的とする。さらに、本発明は、上記無線電力伝送システム用の共振周波数調整部を提供することを目的とする。
　本発明に係る無線電力伝送システムは、適宜な導電率および周波数選択性を有する電磁波遮蔽部材によって全体が包囲された構造体と、少なくとも１つの受電部と、少なくとも１つの送電部と、少なくとも１つの共振周波数調整部と、を備え、上記共振周波数調整部は、開放端を有する少なくとも１つの導電性突起部と、上記導電性突起部の開放端でない他端に接続されている伝送線路と、を備え、上記導電性突起部の開放端は、上記構造体の内側に配置され、上記導電性突起部との接続部ではない上記伝送線路の他端は、上記構造体の壁面をなす上記電磁波遮蔽部材と電気的に接続されている。
　本発明に係る無線電力伝送システム用の共振周波数調整部は、適宜な導電率および周波数選択性を有する電磁波遮蔽部材によって全体が包囲された構造体と、少なくとも１つの受電部と、少なくとも１つの送電部とを備える無線電力伝送システム用の共振周波数調整部であって、上記共振周波数調整部は、上記構造体の内側に配置するための開放端を有する少なくとも１つの導電性突起部と、上記導電性突起部の開放端でない他端に接続されている伝送線路であり、上記導電性突起部との接続部ではない他端を、上記構造体の壁面をなす上記電磁波遮蔽部材と電気的に接続するための伝送線路と、を備える。
　本発明によれば、導電性突起部および伝送線路を備える共振周波数調整部を利用することによって、共振器の大きさに関わらず、あるいは、共振器の内部に存在する物体に関わらず、一定の共振周波数を利用して無線電力伝送を行うことができる。
本発明に係る無線電力伝送システムの一例の構成図である。 本発明に係る受電部３における受電器６の一例の模式図である。 本発明に係る受電部３における受電器６の別の一例の模式図である。 本発明に係る送電部４の構造である。 本発明に係る送電部４における送電器１０の一例の模式図である。 本発明に係る共振周波数調整部５の一例の模式図である。 本発明に係る共振周波数調整部５の別の一例の模式図である。 本発明に係る共振周波数調整部５のさらに別の一例の模式図である。 電磁波遮蔽部材２によって包囲された空間における電界強度分布の一例である。 本発明の実施例１に係る受電器１８の模式図である。 本発明の実施例１に係る無線電力伝送システム１９の模式図である。 本発明の実施例１に係る共振周波数調整部５の設定による共振周波数の変化を示すグラフである。 本発明の実施例２に係る無線電力伝送システム２２の模式図である。 本発明の実施例２に係る共振周波数調整部５の設定による共振周波数の変化を示すグラフである。 本発明の実施例３に係る無線電力伝送システム２３における電界強度分布の模式図である。 共振周波数調整部５を設置する前の無線電力伝送システム２３における電界強度分布の模式図である。 無線電力伝送システム２３における、共振周波数調整部５の取付位置に対する、共振周波数の関係を示すグラフである。 無線電力伝送システム２３における、導電性突起部１５の開放端が配置される位置の相対電界強度に対する、共振周波数の変化率を示すグラフである。 本発明の実施例４に係る無線電力伝送システム２４の模式図である。 本発明の実施例４に係る共振周波数調整部５の模式図である。 無線電力伝送システム２４における、共振周波数調整部５の線路長に対する、共振周波数の関係を示すグラフである。 無線電力伝送システム２４における、素子パラメータに対する、共振周波数の関係を示すグラフである。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
　本明細書において、要素間の関係性を示す用語（例えば「垂直」、「平行」、「直交」など）、および、要素の形状を示す用語は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。
　図１は本発明に係る無線電力伝送システムの一例の構成図である。図１において、無線電力伝送システム１は、適宜な導電率および周波数選択性を有する電磁波遮蔽部材２によって全体が包囲された構造体を共振器に見立て、その内部に、少なくとも１つの受電部３と、少なくとも１つの送電部４とを備え、さらに、上記構造体に少なくとも１つの共振周波数調整部５を備える。すなわち、無線電力伝送システム１は無線電力伝送を実現する構造物の全体を指している。なお、構造体の形状は直方体形状に限定されるものではなく、例えば、ＺＸ面が五角形である五角柱形状、ＺＸ面が台形である四角柱形状、ＺＸ面が半円である半円柱形状などであってもよい。
　電磁波遮蔽部材２は導電性を有していれば特に限定されないが、好ましくは銅、アルミニウム、鉄、ステンレス、ニッケルなどの金属材料が挙げられる。あるいは、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの導電性酸化物材料、グラファイト、有機導電材料などが挙げられる。これらは上記部材からなる複数の層で構成されてもよい。また、導電性を有していれば合金または混合物であっても構わない。加えて、電力供給する周波数において電磁波遮蔽部材として動作するのであれば、形状は板状、メッシュ状、膜状、ポーラス状などであってもよい。なお、電磁波遮蔽部材２は、無線電力伝送に供する周波数に対してのみ電磁波遮蔽機能を有していればよく、例えば無線通信用の周波数に対しては電磁波透過能を持ってもよい。すなわち、適宜な周波数選択性を有していればよい。
　受電部３は受電器６からなる。受電器６の構成について図２Ａおよび図２Ｂを用いて説明する。受電器６は、例えば、アンテナとなる電気配線部７または９と、整流回路８とから構成される。必要に応じてスイッチ、整合回路等を取り付けてもよい。アンテナは代表的にはダイポールアンテナ７、ループアンテナ９などが適している。ダイポールアンテナ７は適宜折り曲げてもよい。また、グラウンドあるいは受電部３の基準電位となる部分に配線の一部を短絡させた逆Ｆ型構造を採用してもよい。アンテナ配線の一部にキャパシタまたはインダクタを挿入することで対応周波数を調整することも可能である。これらは、電磁波遮蔽部材２で形成される共振器に由来した共振周波数に応じて、適切に選択される。
　送電部４の構成について図３を用いて説明する。送電部４は、送電器１０と整合回路１１と高周波電源１２とからなる。整合回路１１は、送電器１０と高周波電源１２の間に接続される。整合回路１１はあらかじめ設定された送電周波数において共振器とインピーダンス整合を取るように調整されている。
　送電器１０の構成について図４を用いて説明する。送電器１０は、例えば、金属棒１３とそれに垂直方向に配置された送電アンテナ配線１４とからなる。金属棒１３は電磁波遮蔽部材２に対して概ね垂直に設置されることが好ましい。このとき、金属棒１３は、電磁波遮蔽部材２と電気的に接触しないように設置されつつ、電磁波遮蔽部材２を貫通して共振器（構造体）の外側に設置された整合回路１１に電気的に接続される。なお、整合回路１１および高周波電源１２の基準電位と電磁波遮蔽部材２の基準電位がほぼ同じである場合、接続に当たってはＳＭＡ（Ｓｕｂ　Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ　Ｔｙｐｅ　Ａ）端子などのコネクタを適宜介してもよい。整合回路１１および高周波電源１２の基準電位と電磁波遮蔽部材２の基準電位が異なる場合、受電器６と同じようにダイポールアンテナ（図示せず）またはループアンテナ（図示せず）を用いることで同等の効果を得ることができる。送電アンテナ配線１４はプリント基板などの上に配線してもよいが、金属棒１３を折り曲げて配線としても構わない。また、送電アンテナ配線１４は配線される面内において適宜折り曲げてもよい。送電アンテナ配線１４は、電界を用いて送電する場合は電磁波遮蔽部材２からなる共振器の壁面に対して概ね平行に、磁界を用いて送電する場合は電磁波遮蔽部材２からなる共振器の壁面に対して概ね垂直に形成されることが好ましい。
　共振周波数調整部５の構成について図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃを用いて説明する。共振周波数調整部５は導電性突起部１５と伝送線路１６とからなる。導電性突起部１５の開放端は共振器（構造体）の内側に配置されている。ここで突起とは、電磁波遮蔽部材２よりも共振器の内側に向けて開放端を突き出した形状であることを指しており、その形状はロッド状、ワイヤー状、傘状、マッシュルーム状、円錐状、角錐状、ループ状などであってもよい。また、プリント基板などの上に配線し、それを突き出して代用してもよい。突起形状の保護や安全対策などの目的で、導電性突起部１５が樹脂などの部材で保護されていてもよい。導電性突起部１５の開放端でない他端は、伝送線路１６に接続される。伝送線路１６は例えばストリップライン構造を採用するなどの手段によって、インピーダンスを５０Ωに調整すると好ましい。伝送線路１６の、導電性突起部１５と接続していない他端は、電磁波遮蔽部材２と電気的に接続される。
　伝送線路１６は、その電気的経路の途中に素子１７を有してもよい。素子１７はインダクタまたはキャパシタであり、スタブ、コンデンサ、インダクタ、バラクタダイオード、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）素子などが挙げられる。素子１７のインダクタンス値またはキャパシタンス値に応じて、共振周波数を調整できる。特に、外部より入力される電気信号によってインダクタンス値またはキャパシタンス値を制御できる素子が好ましい。すなわち、素子１７は可変インダクタまたは可変キャパシタであることが好ましい。
　なお、導電性突起部１５の突き出した開放端は、共振器の内側に存在する必要があるが、導電性突起部１５の開放端以外の部分や伝送線路１６、素子１７（ただし素子１７は任意）は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように共振器の内側に設置されてもよく、図５Ｃに示すように共振器の外側に設置されてもよい。
　以上のような構成からなる共振周波数調整部５は、共振モードを利用した無線電力伝送システムの全般に対して利用が可能である。
　ここで、共振周波数調整部５を伴わない共振器について考える。共振器の水平方向の長さがａ（Ｘ軸方向）およびｂ（Ｙ軸方向）であり、垂直方向の長さがｃ（Ｚ軸方向）である場合、共振周波数ｆｒは数式１のように決定することができる。
［数式１］
　ｆｒ＝ｖ／（２π×（μｒ×εｒ）１／２）×｛（ｍπ／ａ）２＋（ｎπ／ｂ）２＋（ｐπ／ｃ）２｝１／２
　ここで、ｖは光速、μｒは比透磁率、εｒは比誘電率、ｍ、ｎ、ｐはそれぞれ整数を示している。
　例えば、ｍ＝０、ｎ＝１、ｐ＝１となるＴＥ（０１１）モードを共振モードとして選択し、モード次数がゼロとなるＸ軸方向と直交する面である共振器のＹＺ面に共振周波数調整部５を設置する場合を考える。このように設置すると、Ｘ軸方向の電気的な線路長は、もともとの共振器の長さであるａに、導電性突起部１５と伝送線路１６と素子１７（ただし素子１７は任意）とからなる電気長ａ’を加えた値となる。これによって、共振周波数は低周波数ｆｒ’にシフトすることとなる。このときｆｒ’は数式２のように表される。
［数式２］
　ｆｒ’＝ｖ／（２π×（μｒ×εｒ）１／２）×｛（ｍπ／（ａ＋ａ’））２＋（ｎπ／ｂ）２＋（ｐπ／ｃ）２｝１／２
　数式２より、共振器のサイズａが任意の値を取ったとしても、ａ＋ａ’の値が一定となるようにａ’の値を調整すれば、共振周波数ｆｒ’は一定となることが理解できる。すなわち導電性突起部１５と伝送線路１６と素子１７（ただし素子１７は任意）の電気長を調整できるようにすることで、共振器のサイズａに関わらず、一定の送電周波数を利用できることが理解できる。
　また、共振器の内部に空気以外の物体が入ることで共振器内の比透磁率、比誘電率の平均値がμｒ’、εｒ’に変化した場合、共振周波数は周波数ｆｒ’’にシフトする。このときｆｒ’’は数式３のように表される。
［数式３］
　ｆｒ’’＝ｖ／（２π×（μｒ’×εｒ’）１／２）×｛（ｍπ／（ａ＋ａ’））２＋（ｎπ／ｂ）２＋（ｐπ／ｃ）２｝１／２
　数式３より、比透磁率、比誘電率の平均値がμｒ’、εｒ’に変化した場合、それに対応するようにａ’を調整すれば、共振周波数ｆｒ’’は一定に制御できることが理解できる。すなわち導電性突起部１５と伝送線路１６と素子１７（ただし素子１７は任意）の電気長を調整できるようにすることで、共振器の内部に空気以外の物体が入ったとしても、一定の送電周波数を利用した無線電力伝送が可能となる。
　共振周波数調整部５の配置については、電磁波遮蔽部材２によって包囲された空間のうち、送電部４からλ／２０以上（λは送電部４から放射される電磁波の波長である）の距離が離れた空間内における最大電界強度を１と定義した際に、相対電界強度が０．２以上１以下である位置に、導電性突起部１５の開放端が配置されていることが好ましく、相対電界強度が０．３３以上１以下である位置に、導電性突起部１５の開放端が配置されていることがより好ましい。共振器の内部における相対電界強度が０．２以上となる位置に導電性突起部１５の開放端を配置することで、共振周波数を変化させる効果が十分に得られる。なお、共振周波数の変化量が小さい位置に共振周波数調整部５を配置した場合であっても、伝送線路１６または素子１７の電気長によって共振周波数の変化量を調整することができる。従って、共振周波数調整部５の配置に関わらず、共振周波数を調整することが可能である。
　電磁波遮蔽部材２によって包囲された空間における電界強度分布の一例を図６に示す。図６では、共振周波数調整部５を設置する前の電界強度分布を共振器の真上（Ｚ軸方向の長さｃ／２におけるＸＹ面）から見た図を示している。送電部４（例えば金属棒１３または送電アンテナ配線１４）からλ／２０の距離が離れた位置を破線で示しており、この破線上および破線よりも外側の空間内における最大電界強度（図６中、点Ａで示す）の大きさを１と定義する。その場合、相対電界強度が０．２以上１以下である位置（例えば、図６において円で囲まれた位置）に、共振周波数調整部５を構成する導電性突起部１５の開放端を配置すればよい。なお、共振周波数調整部５を設置した後は、共振周波数調整部５の周辺における電界強度が上昇するため、必ず共振周波数調整部５を設置する前の電界強度分布を基準とする。
　特に、ＴＥ基底モード共振を利用する場合には、モード次数がゼロとなる軸と直交する共振器の壁面に共振周波数調整部５を設置するとより効果的に機能を発現する。従って、共振モードがＴＥ（０ｎｐ）であり、ｎおよびｐがそれぞれ整数であるときの次数がゼロとなる方位に直交する構造体の壁面に、共振周波数調整部５が設置されていることが好ましい。
　本発明の無線電力伝送システムは上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内において、種々の応用、変更を加えることが可能である。
　以下、本発明の無線電力伝送システムをより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
［実施例１］
　図７は本発明の実施例１に係る受電器１８の模式図である。図８は本発明の実施例１に係る無線電力伝送システム１９の模式図である。
　実施例１では、図４に示す送電器１０と、図７に示す受電器１８と、アルミニウムからなる骨組みと亜鉛メッシュ壁面とアルミニウム床面からなる電磁波遮蔽部材２とから構成される、図８に示す無線電力伝送システム１９を考える。
　無線電力伝送システム１９は切妻屋根を持った形状をしている。Ｘ軸方向の長さａは１５００ｍｍ、Ｙ軸方向の長さｂは１８００ｍｍである。垂直に立った壁部分の高さは１５００ｍｍ、切妻屋根も含めた高さは１９６０ｍｍである。共振周波数調整部５はＹＺ面上に設置されており、送電部４の送電器１０は共振周波数調整部５と対向するＹＺ面上に設置されている。また、受電部３の受電器１８は床面から１０００ｍｍの高さでＸＹ面内の中央位置に設置されている。
　受電器１８はプリント基板配線２１と整流回路８との間をつなぐ金属ワイヤー２０からなる。受電器１８はプリント基板配線２１を２つ有しており、これらを投影させて重なるように見える方向を、受電アンテナ方向としてここでは定義する。なお、受電器１８の整流回路には１０ｋΩの負荷抵抗を接続して評価を行った。
　また、共振周波数調整部５に取り付けられている、導電性突起部１５は直径１ｍｍΦ、長さ６００ｍｍのＣｕロッドで構成した。伝送線路１６は、インピーダンス５０Ωのマイクロストリップライン（配線長Ｌ＝３０ｍｍ）の構成で作製した。素子１７にはトリマーコンデンサを利用し、キャパシタンス値（素子値または素子パラメータともいう）を１８ｐＦと２７ｐＦに調整したものをそれぞれ利用した。
　無線電力伝送システム１９において、受電アンテナ方向がＸ軸方向となるように受電器１８を設置し、負荷抵抗の両端に発生する電圧が最大となるように、送電器１０より照射される電磁波の周波数を調整し、共振周波数の測定を行った。
　図９は、共振周波数調整部５を取り付けなかったときと、共振周波数調整部５を取り付けた上で素子１７の素子値を１８ｐＦに設定したときと、共振周波数調整部５を取り付けた上で素子１７の素子値を２７ｐＦに設定したときの共振周波数の測定結果を示している。図９から、共振周波数調整部５を取り付けることによって、共振周波数は低周波数にシフトし、さらに素子１７のキャパシタンス値を調整することによって、共振周波数を制御できることが判る。
　このように、共振周波数調整部５を共振器の壁面に設置した上で、共振周波数調整部５の電気長を調整することによって、自由に共振周波数を制御することができる。これによって、共振器のサイズや内包物に関わらず、一定の周波数で無線電力伝送可能なシステムを提供することが可能となる。
［実施例２］
　図１０は本発明の実施例２に係る無線電力伝送システム２２の模式図である。
　実施例２では、図４に示す送電器１０と、図７に示す受電器１８と、アルミニウムからなる骨組みと亜鉛メッシュ壁面とアルミニウム床面からなる電磁波遮蔽部材２とから構成される、図１０に示す無線電力伝送システム２２を考える。実施例１の無線電力伝送システム１９では共振周波数調整部５がＹＺ面上に設置されたのに対し、実施例２の無線電力伝送システム２２では共振周波数調整部５がＺＸ面上に設置されている。
　以上のように用意した無線電力伝送システム２２を用いて、実施例１と同様の条件で共振周波数を測定した結果を図１１に示す。図１１に示すように、共振周波数調整部５をＺＸ面上に設置した場合には、共振周波数調整部５の有無や、素子１７のキャパシタンス値に関わらず、共振周波数が一定となることが明らかとなった。
　実施例１および実施例２の結果から、ＴＥ基底モード共振を利用する場合には、共振周波数調整部５の設置位置は、共振モードのモード次数がゼロとなる軸と直交する共振器の壁面であることが好ましいことが判る。
［実施例３］
　図１２Ａは本発明の実施例３に係る無線電力伝送システム２３における電界強度分布の模式図である。図１２Ｂは共振周波数調整部５を設置する前の無線電力伝送システム２３における電界強度分布の模式図である。無線電力伝送システム２３に供される共振器は、Ｘ軸方向の長さが５００ｍｍ、Ｙ軸方向の長さが６００ｍｍ、Ｚ軸方向の長さが４００ｍｍの直方体形状をしている。共振周波数調整部５はＹＺ面上に設置されており、送電部４は共振周波数調整部５と対向するＹＺ面上に設置されている。
　送電部４と対向するＹＺ面において、上述した相対電界強度が最大となる位置を０として、共振周波数調整部５をＹ軸方向に移動させたときの共振周波数を測定した。
　無線電力伝送システム２３における、共振周波数調整部５の取付位置に対する、共振周波数の関係を図１３に示す。図１３では、共振周波数調整部５を取り付けなかったときの共振周波数を破線で示している。図１３に示すように、共振周波数調整部５を取り付ける位置に関わらず、共振周波数調整部５を取り付けない場合に比べて共振周波数を低周波数にシフトできることが判る。
　さらに、無線電力伝送システム２３における、導電性突起部１５の開放端が配置される位置の相対電界強度に対する、共振周波数の変化率を図１４に示す。共振周波数の変化率は、共振周波数調整部５を取り付けなかったときの共振周波数を基準として、共振周波数調整部５を取り付けたときの共振周波数を規格化した変化率であり、共振周波数調整部５を取り付けたときの共振周波数が共振周波数調整部５を取り付けなかったときの共振周波数と同じ場合は０となる。図１４に示すように、素子１７としてインダクタおよびキャパシタのいずれを取り付けた場合においても、相対電界強度が０．２以上である位置に導電性突起部１５の開放端を配置すると、共振周波数に変化が生じることが判る。
［実施例４］
　図１５は本発明の実施例４に係る無線電力伝送システム２４の模式図である。無線電力伝送システム２４に供される共振器は、Ｘ軸方向の長さが５００ｍｍ、Ｙ軸方向の長さが６００ｍｍ、Ｚ軸方向の長さが４００ｍｍの直方体形状をしている。共振周波数調整部５はＹＺ面上に設置されており、送電部４は共振周波数調整部５と対向するＹＺ面上に設置されている。
　図１６は本発明の実施例４に係る共振周波数調整部５の模式図である。導電性突起部１５は全長が９０ｍｍであり、電磁波遮蔽部材２から内側に向けて８０ｍｍ突き出している。伝送線路１６の長さを変化させたときの共振周波数を測定した。伝送線路１６の長さを１０ｍｍ、４０ｍｍまたは７０ｍｍに変化させることで、共振周波数調整部５の線路長をそれぞれ１１０ｍｍ、１４０ｍｍおよび１７０ｍｍとした。
　無線電力伝送システム２４における、共振周波数調整部５の線路長に対する、共振周波数の関係を図１７に示す。図１７では、共振周波数調整部５を取り付けなかったときの共振周波数を破線で示している。図１７に示すように、共振周波数調整部５の線路長に関わらず、共振周波数調整部５を取り付けない場合に比べて共振周波数を低周波数にシフトできることが判る。特に、共振周波数調整部５の線路長が長くなるほど、共振周波数の変化量が大きくなる。
　また、共振周波数調整部５の線路長を１１０ｍｍに固定して、伝送線路１６に素子１７を取り付けたときの共振周波数を測定した。素子１７にはキャパシタまたはインダクタを利用した。素子パラメータであるキャパシタンス値（ｐＦ）またはインダクタンス値（ｎＨ）を変化させた。
　無線電力伝送システム２４における、素子パラメータに対する、共振周波数の関係を図１８に示す。図１８では、共振周波数調整部５を取り付けなかったときの共振周波数を破線で示している。図１８に示すように、素子１７のキャパシタンス値またはインダクタンス値を調整することによって、共振周波数を制御できることが判る。
　１、１９、２２、２３、２４　無線電力伝送システム
　２　電磁波遮蔽部材
　３　受電部
　４　送電部
　５　共振周波数調整部
　６、１８　受電器
　７　ダイポールアンテナ（電気配線部）
　８　整流回路
　９　ループアンテナ（電気配線部）
　１０　送電器
　１１　整合回路
　１２　高周波電源
　１３　金属棒
　１４　送電アンテナ配線
　１５　導電性突起部
　１６　伝送線路
　１７　素子
　２０　金属ワイヤー
　２１　プリント基板配線

Claims (11)

  1. 　適宜な導電率および周波数選択性を有する電磁波遮蔽部材によって全体が包囲された構造体と、少なくとも１つの受電部と、少なくとも１つの送電部と、少なくとも１つの共振周波数調整部と、を備え、
    　前記共振周波数調整部は、開放端を有する少なくとも１つの導電性突起部と、前記導電性突起部の開放端でない他端に接続されている伝送線路と、を備え、
    　前記導電性突起部の開放端は、前記構造体の内側に配置され、
    　前記導電性突起部との接続部ではない前記伝送線路の他端は、前記構造体の壁面をなす前記電磁波遮蔽部材と電気的に接続されている、無線電力伝送システム。
  2. 　前記導電性突起部の他端および前記伝送線路は、前記構造体の内側に設置されている、請求項１に記載の無線電力伝送システム。
  3. 　前記導電性突起部の他端および前記伝送線路は、前記構造体の外側に設置されている、請求項１に記載の無線電力伝送システム。
  4. 　前記伝送線路には、インダクタまたはキャパシタが取り付けられている、請求項１～３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
  5. 　前記伝送線路には、可変インダクタまたは可変キャパシタが取り付けられている、請求項１～３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
  6. 　前記電磁波遮蔽部材によって全体が包囲された空間のうち、前記送電部からλ／２０以上（λは前記送電部から放射される電磁波の波長である）の距離が離れた空間内における最大電界強度を１と定義した際に、相対電界強度が０．２以上１以下である位置に、前記導電性突起部の開放端が配置されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
  7. 　前記相対電界強度が０．３３以上１以下である位置に、前記導電性突起部の開放端が配置されている、請求項６に記載の無線電力伝送システム。
  8. 　共振モードがＴＥ（０ｎｐ）であり、ｎおよびｐがそれぞれ整数であるときの次数がゼロとなる方位に直交する前記構造体の壁面に、前記共振周波数調整部が設置されている、請求項１～７のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
  9. 　適宜な導電率および周波数選択性を有する電磁波遮蔽部材によって全体が包囲された構造体と、少なくとも１つの受電部と、少なくとも１つの送電部とを備える無線電力伝送システム用の共振周波数調整部であって、
    　前記共振周波数調整部は、前記構造体の内側に配置するための開放端を有する少なくとも１つの導電性突起部と、前記導電性突起部の開放端でない他端に接続されている伝送線路であり、前記導電性突起部との接続部ではない他端を、前記構造体の壁面をなす前記電磁波遮蔽部材と電気的に接続するための伝送線路と、を備える、無線電力伝送システム用の共振周波数調整部。
  10. 　前記伝送線路には、インダクタまたはキャパシタが取り付けられている、請求項９に記載の共振周波数調整部。
  11. 　前記伝送線路には、可変インダクタまたは可変キャパシタが取り付けられている、請求項９に記載の共振周波数調整部。
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