WO2023119429A1 - アンテナ装置、無線電力伝送装置、及び無線電力伝送システム - Google Patents

アンテナ装置、無線電力伝送装置、及び無線電力伝送システム Download PDF

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    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type

Definitions

  • the present invention relates to a technique for wirelessly transmitting power, and particularly to a technique effective in wirelessly transmitting power over a relatively long transmission distance of several meters or more without using a cable. .
  • Patent Document 1 discloses a method (3) using magnetic field resonance or electric field resonance.
  • microwaves radio waves propagate while diffusing in space, so the transmission efficiency decreases as the distance increases.
  • the resonance phenomenon due to the resonance of the antennas on both the power transmission side and the power reception side is used, so if the distance between the antennas changes (that is, if the distance between the antennas is too short), or too far away), the transmission efficiency drops due to the condition of resonance.
  • the present invention has been made in view of the above points, and aims to provide a technique for performing wireless power transmission more efficiently than the conventional technique.
  • an antenna device for wireless power transmission is provided.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a system that performs wireless power transmission using surface waves;
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an antenna device of Example 1;
  • FIG. FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a resonator;
  • 1 is a diagram showing a configuration of an antenna device of Example 1;
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a wireless power transmission system of Example 1;
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the antenna device of Example 2;
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the antenna device of Example 2;
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the configuration of a wireless power transmission system of Example 3;
  • wireless power transmission using surface waves is performed. That is, the energy radiated from the power transmitting antenna is wirelessly transmitted to the power receiving antenna in the form of a surface wave.
  • Antennas for both power transmission and power reception can use antennas of the same shape for transmitting and receiving surface waves.
  • An antenna may also be called an "antenna device”.
  • a surface wave is an electromagnetic wave that propagates on a two-dimensional plane along the interface of two media with different dielectric constants. Since the power (energy) of surface waves is concentrated near the interface and does not spread in the three-dimensional height direction, power can be transmitted with high efficiency between antennas near the interface.
  • Air and metal floor are examples of two media with different dielectric constants that form the interface through which surface waves propagate.
  • power can be efficiently wirelessly transmitted between devices placed on floors covered with metal panels in offices, factories, and the like.
  • Fig. 1 shows a configuration example of a system that performs wireless power transmission using surface waves.
  • a power transmitting antenna 100 and a power receiving antenna 200 which are antennas having the same shape for transmitting and receiving surface waves, are provided.
  • surface waves propagate along the interface between medium A and medium B, which are two media with different dielectric constants, whereby power is wirelessly transmitted from power transmitting antenna 100 to power receiving antenna 200. .
  • Example 1 In general, when an antenna resonates, both radio waves radiated into a three-dimensional space and surface waves radiated into a two-dimensional plane can be generated. In order to increase the transmission efficiency of wireless power transmission on a two-dimensional plane, it is desirable for the antenna to radiate less radio waves into a three-dimensional space and to radiate more surface waves on a two-dimensional plane.
  • the structure shown in FIG. 2 realizes an antenna that reduces radiation of radio waves to a three-dimensional space and increases radiation of surface waves on a two-dimensional plane.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the antenna of Example 1.
  • FIG. 2 shows an image of a cross section of the antenna taken along a plane perpendicular to the plane of the electrodes.
  • the antenna of Example 1 includes an electrode 11 for emitting surface waves to the front medium (medium A) and an electrode 12 for coupling with the floor (medium B).
  • the electrode 12 Since the electrode 12 is strongly coupled with the medium B on the floor, it is installed parallel to the floor so as to face the floor. Since the electrode 11 radiates a surface wave in a direction parallel to the interface, it is installed so as to face a direction parallel to the interface (that is, perpendicular to the electrode 12 parallel to the floor). It should be noted that “parallel” and “perpendicular” in the present embodiment may not be strictly “parallel” and “perpendicular”. For example, an orientation that deviates from “parallel” within a certain threshold may be regarded as “parallel.” Also, an orientation that deviates from "vertical” within a certain threshold may be regarded as "perpendicular".
  • the electrodes 11 and 12 are connected by a coil (primary coil 13).
  • a secondary coil 14 connected to the coaxial cable 15 is also provided.
  • the electrodes 11 and 12 and the primary coil 13 constitute one resonator and have a unique resonance frequency.
  • the sizes of the electrodes and coils are adjusted so that the resonance frequency of this resonator matches the frequency of the high-frequency power supply to be transmitted. Note that “match” does not have to be strictly “match”. For example, even if it deviates from “match” within a certain threshold range, it may be regarded as "match”.
  • FIG. 3 shows a resonator formed by electrodes 11, 12, and primary coil 13.
  • the resonator shown in FIG. 3 resonates, charges are accumulated in the electrodes 11 and 12 and the voltage amplitude between the electrodes 11 and 12 increases, creating a strong electric field around the electrodes.
  • FIG. 4 An example of the arrangement of the primary coil 13 and the secondary coil 14 is shown in FIG. In the example shown in FIG. 4, by winding the secondary coil 14 over the primary coil 13, it is possible to input/output power to/from the resonator.
  • FIG. 5 shows a configuration example in which the antenna 100 is connected to a power transmission circuit and the antenna 200 is connected to a power reception circuit. Note that both the power transmission circuit and the power reception circuit may be called a power transmission/reception circuit.
  • a device including an antenna and a power transmission/reception circuit may also be called a wireless power transmission device. Also, as shown in FIG. 5, a system including a plurality of wireless power transmission devices may be called a wireless power transmission system.
  • the power transmission circuit has a matching circuit 101, an inverter 102, and a power supply 103.
  • the power receiving circuit has a matching circuit 201 , a converter 202 and a load 203 .
  • the matching circuit 101 of the power transmission circuit performs impedance matching between the antenna 100 and the inverter 102 .
  • a matching circuit 201 of the power receiving circuit performs impedance matching between the antenna 200 and the converter 202 .
  • the matching circuits 101 and 201 can suppress reflection and improve the transmission efficiency of the entire wireless power transmission system.
  • Example 2 Next, Example 2 will be described.
  • the electrodes at both ends become “antinodes of resonance with maximum potential amplitude", and the vicinity of the center of the resonator becomes “resonance node with minimum potential amplitude”. Therefore, as shown in FIG. 6, the ground line 16 of the coaxial cable for feeding may be connected to a position where the potential is zero and becomes a resonance node (position between the primary coils 13A and 13B).
  • FIG. 7 shows a diagram of the antenna shown in FIG. 6 viewed obliquely from above.
  • Example 3 Next, Example 3 will be described.
  • the antenna used in the third embodiment may be the antenna described in the first embodiment or the antenna described in the second embodiment.
  • Wireless power transmission technology using surface waves allows power to be confined within a two-dimensional plane without being diffused in the three-dimensional height direction. It has the advantage of higher transmission efficiency than power transmission technology.
  • Fig. 8 shows a system configuration example that utilizes the advantage of being able to bend the power transmission path along the interface.
  • the components of the system are the same as those shown in FIG.
  • the example of FIG. 8 shows the case where the other party to which power is to be sent is on the horizon or beyond the horizon line and cannot be seen by the other party. Even in such a case, it is possible to transmit power from antenna 100 to antenna 200, which could not be realized by conventional wireless power transmission techniques using lasers or microwaves.
  • the antenna device for wireless power transmission includes two electrodes facing perpendicular to each other, a coil connecting them, and another coil magnetically coupled to the coil. and configured to be connected to a power transmission/reception circuit via the other coil.
  • the two electrodes and the coil that connects them are resonators that resonate at the output frequency of the power transmission circuit for wireless power transmission.
  • the resonator and the ground of the power transmission/reception circuit may be connected by a ground line.
  • the antenna device configured as described above, it is possible to suppress the radiation of radio waves into a three-dimensional space and efficiently transmit and receive surface waves propagating on a two-dimensional plane.
  • power since power is confined on a two-dimensional plane and transmitted, power can be transmitted more efficiently than conventional wireless power transmission technology that radiates power in three-dimensional spatial directions.
  • the power will also be transmitted while bending along the interface, so power can be transmitted even if the other party is not directly visible.
  • This specification discloses at least an antenna device, a wireless power transmission device, and a wireless power transmission system according to the following items.
  • (Section 1) two electrodes oriented perpendicular to each other; a first coil connecting the two electrodes; and a second coil magnetically coupled to the first coil.
  • (Section 2) 2. The antenna device according to claim 1, wherein the two electrodes and the first coil configure a resonator that resonates at an output frequency of a power transmission/reception circuit for wireless power transmission.
  • (Section 3) 3.
  • the antenna device according to claim 2 wherein the resonator and the ground of the power transmitting/receiving circuit are connected by a ground wire.
  • Wireless power transmission comprising: the antenna device according to any one of items 1 to 4; and a power transmission/reception circuit connected to the antenna device via the second coil in the antenna device.
  • a wireless power transmission system comprising: a power transmission side wireless power transmission device that is the wireless power transmission device according to claim 5; and a power reception side wireless power transmission device that is the wireless power transmission device according to claim 5.

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Abstract

無線電力伝送用のアンテナ装置において、互いに垂直な方向を向いた２枚の電極と、前記２枚の電極を接続する第１のコイルと、前記第１のコイルに磁界結合する第２のコイルとを備える。

Description

アンテナ装置、無線電力伝送装置、及び無線電力伝送システム
　本発明は、無線で電力を伝送する技術に関連し、特に伝送距離が数ｍ以上の比較的長い距離にわたってケーブルを使わずに無線で電力伝送を行う場合に有効な技術に関連するものである。
　例えば、電力を供給するためのケーブルの敷設が困難な２点間で、無線で電力を伝送する方法として、従来技術では、（１）レーザーを用いる方法、（２）マイクロ波を用いる方法、（３）磁界共鳴、あるいは電界共鳴を用いる方法、及び、（４）電磁誘導を用いる方法、などが提案されている。
　例えば特許文献１には、（３）の磁界共鳴、あるいは電界共鳴を用いる方法が開示されている。
特開２０１２－６０８５０号公報
　２点間において無線で電力を伝送する従来技術における（１）のレーザーを用いる方法では、直線的なビームによって電力を伝送するため、相手が見える位置になければ電力を送ることができない。電力を伝送する相手との間にレーザーを妨げる障害物があってはならないし、相手の場所が移動した場合、相手の位置に合わせてレーザービームを追尾する必要があるなど、使用上の制約がある。
　（２）のマイクロ波を用いる方法では、マイクロ波（電波）が空間中を拡散しながら伝搬するため、距離が大きくなると伝送効率が低下する。
　（３）の磁界共鳴、あるいは電界共鳴を用いる方法では、送電側と受電側の双方のアンテナの共振による共鳴現象を利用するため、アンテナ間距離が変わると（つまり、アンテナ間距離が近すぎても遠すぎても）共鳴の条件から外れて伝送効率が低下する。
　（４）の電磁誘導を用いる方法では、伝送距離が短いため、ほぼ接触させることができるような位置でしか電力を送ることができない。
　本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、従来技術よりも、効率良く無線による電力伝送を行うための技術を提供することを目的とする。
　開示の技術によれば、互いに垂直な方向を向いた２枚の電極と、
　前記２枚の電極を接続する第１のコイルと、
　前記第１のコイルに磁界結合する第２のコイルと
　を備える無線電力伝送用のアンテナ装置が提供される。
　開示の技術によれば、従来技術よりも、効率良く無線による電力伝送を行うための技術が提供される。
表面波を使用した無線電力伝送を行うシステムの例を示す図である。 実施例１のアンテナ装置の構成を示す図である。 共振器の構成を示す図である。 実施例１のアンテナ装置の構成を示す図である。 実施例１の無線電力伝送システムの構成を示す図である。 実施例２のアンテナ装置の構成を示す図である。 実施例２のアンテナ装置の構成を示す図である。 実施例３の無線電力伝送システムの構成を示す図である。
　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。
　（実施の形態の概要）
　本実施の形態では、表面波を使用した無線電力伝送を行う。すなわち、送電用のアンテナから放射したエネルギーを表面波の形で受電用のアンテナまで無線で伝送する。送電用と受電用のアンテナは、どちらも表面波を送受する同じ形状のアンテナを用いることができる。なお、アンテナを「アンテナ装置」と呼んでもよい。
　表面波とは、誘電率の異なる２つの媒体の界面に沿って２次元平面上を伝搬する電磁界の波のことである。表面波の電力（エネルギー）が界面付近に集中し３次元の高さ方向に拡散することがないため、界面付近にあるアンテナ同士で高い効率で電力を伝送することができる。
　表面波が伝搬する界面を形成する誘電率の異なる２つの媒体として、「空気と金属床」、「空気と大地（グランド）」、「空気と海水面」などがある。例えば、事務所や工場、等の金属パネルが敷かれた床の上に置かれた機器同士で、効率よく電力を無線伝送することができる。
　図１に、表面波を使用した無線電力伝送を行うシステムの構成例を示す。図１に示すように、表面波を送受する同じ形状のアンテナである送電アンテナ１００と受電アンテナ２００が備えられる。図１の例では、誘電率の異なる２つの媒体である媒体Ａと媒体Ｂの界面に沿って表面波が伝搬することで、送電アンテナ１００から受電アンテナ２００に対して無線で電力伝送が行われる。
　以下、アンテナの構造等について、実施例１～３を用いて詳細に説明する。
　（実施例１）
　一般的に、アンテナが共振するとき、３次元空間に放射される電波と、２次元平面内に放射される表面波の両方が発生しうる。２次元平面上での無線電力伝送の伝送効率を上げるためには、アンテナは３次元空間への電波の放射を少なくし、２次元平面上の表面波の放射を大きくすることが望ましい。
　本実施の形態では、３次元空間への電波の放射を少なくし、２次元平面上の表面波の放射を大きくするアンテナを、図２に示す構造で実現している。
　図２は、実施例１のアンテナの構成を示す図である。図２は、電極の面と垂直な面でアンテナを切った断面のイメージを示している。
　図２に示すように、実施例１のアンテナは、正面の媒体（媒体Ａ）に表面波を放出するための電極１１と、床（媒体Ｂ）と結合するための電極１２を含む。
　電極１２は床の媒体Ｂと強く結合するため、床と正対するように床と平行に設置される。電極１１は界面に平行な向きに表面波を放射するため、界面に平行な向きを向くように（つまり、床と平行な電極１２とは垂直になるように）設置される。なお、本実施の形態における「平行」、「垂直」とは、厳密に「平行」、「垂直」でなくてもよい。例えば、「平行」からある閾値以内の範囲でずれた向きでも「平行」と見なしてもよい。また、「垂直」からある閾値以内の範囲でずれた向きでも「垂直」と見なしてもよい。
　電極１１と電極１２はコイル（１次コイル１３）で接続される。また、同軸ケーブル１５に接続される２次コイル１４が備えられる。
　電極１１と電極１２、及び１次コイル１３は１個の共振器を構成し固有の共振周波数を持つ。この共振器の共振周波数は送電される高周波電源の周波数と一致するように、電極及びコイルのサイズが調整される。なお、「一致」とは、厳密に「一致」でなくてもよい。例えば、「一致」からある閾値以内の範囲でずれた場合でも「一致」と見なしてもよい。
　図３に、電極１１、電極１２、および１次コイル１３で形成される共振器を示す。図３に示す共振器が共振するとき、電極１１と電極１２には電荷が蓄えられて電極１１と電極１２の間の電圧振幅が大きくなり、電極の周囲に強い電界を作り出す。
　更に、１次コイル１３には大きな電流が流れ、１次コイル１３の中央で電流の振幅が最大になる。
　このとき、１次コイル１３と２次コイル１４を非接触で磁気的に結合させることで、共振器の共振周波数に影響を与えることなく、共振器に電力を入力したり、あるいは共振器から電力を取り出したりすることができる。
　１次コイル１３と２次コイル１４の配置の例を図４に示す。図４に示す例では、１次コイル１３の上から２次コイル１４を巻きつけることによって、共振器への電力の入出力を可能としている。
　アンテナは、同軸ケーブル１５等の伝送線路を介して、送電回路あるいは受電回路に接続される。アンテナ１００が送電回路に接続され、アンテナ２００が受電回路に接続される場合の構成例を図５に示す。なお、送電回路及び受電回路はいずれも、送受電回路と呼んでもよい。また、アンテナと送受電回路を備える装置を無線電力伝送装置と呼んでもよい。また、図５に示すように、複数の無線電力伝送装置を備えるシステムを無線電力伝送システムと呼んでもよい。
　図５に示すように、送電回路は、整合回路１０１、インバータ１０２、及び電源１０３を有する。受電回路は、整合回路２０１、コンバータ２０２、及び負荷２０３を有する。
　送電回路の整合回路１０１は、アンテナ１００とインバータ１０２のインピーダンス整合を行う。受電回路の整合回路２０１は、アンテナ２００とコンバータ２０２のインピーダンス整合を行う。整合回路１０１、２０１により、反射を抑制して無線電力伝送システム全体の伝送効率を向上させることができる。
　（実施例２）
　次に、実施例２を説明する。アンテナ内部の共振器が共振するとき、両端の電極が「電位の振幅が最大の共振の腹」になり、共振器の中央付近が「電位の振幅が最小の共振の節」になる。そこで、図６に示すように、電位がゼロで共振の節となる位置（一次コイル１３Ａと一次コイル１３Ｂの間の位置）に、給電用の同軸ケーブルのグランド線１６を接続してもよい。
　こうすることで、共振器と送受電回路のグランドの電位が一致し、伝送効率が向上する。図７に、図６に示すアンテナを斜め上方から見た図を示す。
　（実施例３）
　次に、実施例３を説明する。実施例３で使用するアンテナは実施例１で説明したアンテナであってもよいし、実施例２で説明したアンテナであってもよい。
　表面波を使用した無線電力伝送技術により、電力を３次元の高さ方向には拡散させず２次元平面内に閉じ込めておくことができるため、３次元空間に対して電力を送電する従来の無線電力伝送技術に比べて伝送効率が高いというメリットがある。
　更に、表面波は２つの誘電率の異なる媒体の界面に沿って伝搬するという性質から、界面が屈曲している場合に、界面に沿って電力の伝送経路を曲げることができるというメリットもある。
　図８に、界面に沿って電力の伝送経路を曲げることができるというメリットを活用したシステム構成例を示す。システムの構成要素は図５に示したものと同じである。図８の例では、電力を送りたい相手が地平線、あるいは水平線の向こう側にあって互いに相手を目視することができない場合を示している。このような場合であっても、アンテナ１００からアンテナ２００へ電力を送ることが可能であり、これはレーザーやマイクロ波を使用した従来の無線電力伝送技術では実現できなかったことである。
　（実施の形態のまとめ、効果について）
　以上説明したとおり、本実施の形態では、無線電力伝送用のアンテナ装置を、互いに垂直な方向を向いた２枚の電極と、それらをつなぐコイルと、そのコイルに磁界結合するもう一つのコイルを備え、当該もう一つのコイルを介して送受電回路に接続されるように構成した。
　また、上記の２枚の電極とそれらをつなぐコイルは、無線電力伝送用の送電回路の出力周波数で共振する共振器となっている。上記の共振器と、送受電回路のグランドがグランド線によって接続されていることとしてもよい。
　上記のように構成したアンテナ装置によれば、３次元空間への電波の放射を抑え、２次元平面上を伝搬する表面波を効率よく送受することができる。
　また、電力を２次元平面上に閉じ込めて伝送するため、３次元空間方向に電力を放射する従来の無線電力伝送技術に比べて、効率よく電力伝送を行うことができる。
　更に、表面波が伝搬する界面が曲がっていても、その界面にそって電力も曲がりながら伝搬するため、相手が直接見える位置になくても電力伝送を行うことができる。
　（付記）
　本明細書には、少なくとも下記各項のアンテナ装置、無線電力伝送装置、及び無線電力伝送システムが開示されている。
（第１項）
　互いに垂直な方向を向いた２枚の電極と、
　前記２枚の電極を接続する第１のコイルと、
　前記第１のコイルに磁界結合する第２のコイルと
　を備える無線電力伝送用のアンテナ装置。
（第２項）
　前記２枚の電極と前記第１のコイルは、無線電力伝送用の送受電回路の出力周波数で共振する共振器を構成する
　第１項に記載のアンテナ装置。
（第３項）
　前記共振器と、前記送受電回路のグランドがグランド線によって接続されている
　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、表面波により電力を送電する、又は、表面波により送電された電力を受電する
　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項に記載の前記アンテナ装置と、前記アンテナ装置における前記第２のコイルを介して前記アンテナ装置に接続される送受電回路と、を備える無線電力伝送装置。
（第６項）
　第５項に記載の無線電力伝送装置である送電側の無線電力伝送装置と、第５項に記載の無線電力伝送装置である受電側の無線電力伝送装置と、を備える無線電力伝送システム。
　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　電極
１２　電極
１３　１次コイル
１４　２次コイル
１５　同軸ケーブル
１６　グランド線
１００　アンテナ
１０１　整合回路
１０２　インバータ
１０３　電源
２００　アンテナ
２０１　整合回路
２０２　コンバータ
２０３　負荷

Claims (6)

  1. 　互いに垂直な方向を向いた２枚の電極と、
    　前記２枚の電極を接続する第１のコイルと、
    　前記第１のコイルに磁界結合する第２のコイルと
    　を備える無線電力伝送用のアンテナ装置。
  2. 　前記２枚の電極と前記第１のコイルは、無線電力伝送用の送受電回路の出力周波数で共振する共振器を構成する
    　請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 　前記共振器と、前記送受電回路のグランドがグランド線によって接続されている
    　請求項２に記載のアンテナ装置。
  4. 　前記アンテナ装置は、表面波により電力を送電する、又は、表面波により送電された電力を受電する
    　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。
  5. 　請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の前記アンテナ装置と、前記アンテナ装置における前記第２のコイルを介して前記アンテナ装置に接続される送受電回路と、を備える無線電力伝送装置。
  6. 　請求項５に記載の無線電力伝送装置である送電側の無線電力伝送装置と、請求項５に記載の無線電力伝送装置である受電側の無線電力伝送装置と、を備える無線電力伝送システム。
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