特許 5971703 無線電力伝送装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5971703

(24)【登録日】2016年7月22日

(45)【発行日】2016年8月17日

(54)【発明の名称】無線電力伝送装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20160804BHJP

   H02J 50/20 20160101ALI20160804BHJP

   H02J 50/70 20160101ALI20160804BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/12

   H02J50/20

   H02J50/70

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2012-136420(P2012-136420)

(22)【出願日】2012年6月15日

(65)【公開番号】特開2014-3773(P2014-3773A)

(43)【公開日】2014年1月9日

【審査請求日】2015年6月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】514235905

【氏名又は名称】石崎 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100121337

【弁理士】

【氏名又は名称】藤河 恒生

(72)【発明者】

【氏名】石崎 俊雄

【審査官】 大手 昌也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０７００４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１２２９１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２３８０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２１７６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０１６４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０６２４１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０７−２１２１０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１４６４９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／０４６５４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 西川健太, 石崎俊雄，セラミック誘電体共振器を用いた無線電力伝送システムの伝搬モードの研究，電子情報通信学会技術研究報告，日本，一般財団法人 電子情報通信学会，２０１３年 ５月２３日，Vol.113, No.70，41-45

【文献】 藤山義祥，マイクロ波誘電体共振器を用いたワイヤレス電力伝送，電子情報通信学会通信ソサイエティ大会講演論文集，日本，一般財団法人電子情報通信学会通信ソサイエティ，２０１２年 ８月２８日，Vol.1，55

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ５０／００−５０／９０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

結合端子に結合している送電側共振器と受電側共振器を備え、該送電側共振器から該受電側共振器に非放射電磁界と放射電磁界を用いて電力伝送する無線電力伝送装置であって、
前記送電側共振器と前記受電側共振器のうち少なくとも一方は、遮蔽ケースによって略全体が覆われた誘電体共振器で構成され、
前記遮蔽ケースは、放射電磁界を閉じ込め、近・中距離においては主に非放射電磁界の結合による電力伝送を行い遠距離においては主に放射電磁界の結合による電力伝送を行うように非放射電磁界と放射電磁界の量を決める形状及びサイズの開口部を有し、
結合される結合端子は、前記遮蔽ケースの外部に電気的に通じていることを特徴とする無線電力伝送装置。

【請求項2】

前記送電側共振器と前記受電側共振器のうちの少なくとも一方は、ＴＥ_０１δ型の誘電体共振器であることを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送装置。

【請求項3】

前記送電側共振器と前記受電側共振器のうちの少なくとも一方を覆う前記遮蔽ケースは、金属製の６面体であり、
該遮蔽ケースの前記開口部は、該６面体の１面の一部を開口したものであり、磁界ベクトルの方向の開口の長さを直交する方向の長さより短くした形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の無線電力伝送装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線で電力伝送する無線電力伝送装置に関する。

【背景技術】

【0002】

無線電力伝送には、磁気誘導方式、共振型結合方式、放射電磁波方式などがある。これらの中で、非放射電磁界結合を用いる共振型結合方式は、近・中距離の電力伝送となるが、受電側が存在すればそれとの結合に応じて送電側の電力が伝送されるので、高い電力伝送効率を得ることができる。そのため、共振型結合方式は、近年、非常に注目を集めている。

【0003】

図６は従来の共振型結合方式の無線電力伝送装置の基本構成を示す図である。無線電力伝送装置１０１では、外部から供給される電力（高周波交流電力）は、結合ループなどのインピーダンス整合手段１２２ａを含む結合端子１２２を介して、金属導線をコイル状に巻いて構成される送電側共振器１０２に供給される。そして、その電力は、送電側共振器１０２と受電側共振器１０３の間の伝送距離ｓに応じた結合係数ｋで電磁界結合していて、金属導線をコイル状に巻いて構成される受電側共振器１０３に伝送される。その後、同じく結合ループなどのインピーダンス整合手段１３２ａを含む結合端子１３２を介して外部の負荷に電力が供給される。この際の最大電力伝送効率は、共振器間の結合係数ｋと共振器の良さを示す無負荷Ｑ値の積によって決まることが知られている。

【0004】

電力伝送効率の更なる向上のため、従来より、さまざまな構造の提案がなされている。例えば、特許文献１には、インピーダンス整合手段と送電側共振器との間又は受電側共振器とインピーダンス整合手段との間に、別のインダクタ或いはコンデンサを配置して、無負荷Ｑ値を高くしようとするものが記載されている。また、特許文献２には、送電側共振器及び受電側共振器のそれぞれのコイル状の金属導線を、互いに誘電率の異なる２個の誘電体で挟んで支持し、誘電率の低い方の誘電体を相手の共振器に対向させることにより、電力伝送効率を向上させようとするものが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１−１４２７２４号公報

【特許文献2】特開２０１１−２１１７９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１及び特許文献２を含め従来の無線電力伝送装置では、送電側共振器及び受電側共振器は金属導線（通常は、銅線）をコイル状に巻いて構成されており、金属の導電率で決まる抵抗損のため、無負荷Ｑ値の向上には限界がある。例えば、この場合の無負荷Ｑ値は、大きくても数百〜一千のオーダーである。

【0007】

また、共振型結合方式の無線電力伝送装置での結合係数ｋは、受電側共振器の近傍の非放射電磁界との相互作用によって決まるものであるため、送電側共振器と受電側共振器の間の距離が大きくなると、指数関数的に小さくなることは避けられないことであり、電力伝送の可能な距離には限界がある。

【0008】

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、無負荷Ｑ値を向上させて電力伝送効率を向上させることができ、また、電力伝送の可能な距離を大きくすることができる無線電力伝送装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、請求項１に記載の無線電力伝送装置は、結合端子に結合している送電側共振器と受電側共振器を備え、該送電側共振器から該受電側共振器に非放射電磁界と放射電磁界を用いて電力伝送する無線電力伝送装置であって、前記送電側共振器と前記受電側共振器のうち少なくとも一方は、遮蔽ケースによって略全体が覆われた誘電体共振器で構成され、前記遮蔽ケースは、放射電磁界を閉じ込め、近・中距離においては主に非放射電磁界の結合による電力伝送を行い遠距離においては主に放射電磁界の結合による電力伝送を行うように非放射電磁界と放射電磁界の量を決める形状及びサイズの開口部を有し、結合される結合端子は、前記遮蔽ケースの外部に電気的に通じていることを特徴とする。

【0010】

請求項２に記載の無線電力伝送装置は、請求項１に記載の無線電力伝送装置において、前記送電側共振器と前記受電側共振器のうちの少なくとも一方は、ＴＥ_０１δ型の誘電体共振器であることを特徴とする。

【0011】

請求項３に記載の無線電力伝送装置は、請求項１又は２に記載の無線電力伝送装置において、前記送電側共振器と前記受電側共振器のうちの少なくとも一方を覆う前記遮蔽ケースは、金属製の６面体であり、該遮蔽ケースの前記開口部は、該６面体の１面の一部を開口したものであり、磁界ベクトルの方向の開口の長さを直交する方向の長さより短くした形状であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明の無線電力伝送装置によれば、無負荷Ｑ値を向上させ、電力伝送効率を向上させることができ、また、電力伝送の可能な距離を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成を示す斜視図である。

【図2】同上の無線電力伝送装置の送電側共振器（及び受電側共振器）を示す斜視図である。

【図3】同上の無線電力伝送装置の送電側共振器（及び受電側共振器）の無負荷Ｑ値についての特性図である。

【図4】同上の無線電力伝送装置の構成の変形例を示す斜視図である。

【図5】同上の無線電力伝送装置の無負荷Ｑ値と結合係数ｋとの積についての特性図である。

【図6】従来の無線電力伝送装置の構成を模式的に示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る無線電力伝送装置１は、図１に示すように、送電側共振器２と受電側共振器３を備え、送電側共振器２から受電側共振器３に電磁界を用いて電力伝送するものである。送電側共振器２と受電側共振器３はそれぞれ、後述する結合端子２２、３２に結合している。この無線電力伝送装置１では、送電側共振器２の構造及びその近傍の構造と受電側共振器３の構造及びその近傍の構造とが実質的に同様なものとなっている。

【0015】

送電側共振器２は、誘電体共振器で構成されている。この誘電体共振器は、誘電正接（ｔａｎδ）が低ければ、その材料が限定されるものではないが、セラミック製であるのが好ましい。誘電正接が低い程、高い無負荷Ｑ値が得られる。セラミック製のものは、誘電正接が極めて低いものがすでに公知である。

【0016】

送電側共振器２の形状及び大きさは、使用する共振周波数及び共振モードに応じたものである。図１に示すこの実施形態では、ＴＥ_０１δモードを共振モードとして使用しているＴＥ_０１δ型の誘電体共振器なので、中心軸近傍をくり抜いた円柱形状となっている。共振周波数は、例えば、約２．４ＧＨｚとすることができる。この場合の電磁界分布は、図２に示すように、電界ベクトルが円柱形状の円周方向に発生して分布し、磁界ベクトルは電界ベクトルに直交して送電側共振器２の内部と外部に発生して分布する。なお、使用する共振周波数及び共振モード、及びそれに応じた送電側共振器２の形状及び大きさは、限定されるものではなく、所望の特性に合わせて種々のものを適用することが可能である。

【0017】

送電側共振器２は、遮蔽ケース２１によって覆われている。遮蔽ケース２１には、一部に電磁界が通過する開口部２１ａを有している。この遮蔽ケース２１は、開口部２１ａの部分を除いて送電側共振器２のほぼ全体を覆う。詳細には、遮蔽ケース２１は、金属製の６面体（直方体或いは立方体）であり、開口部２１ａはこの６面体の１面の一部を開口したものである。また、開口部２１ａは、送電側共振器２と受電側共振器３の間の位置に設けられている。なお、図１においては、遮蔽ケース２１（及び後述する遮蔽ケース３１）を透視して内部を描いている。

【0018】

遮蔽ケース２１は、開口部２１ａ以外の部分において、放射電磁界（電磁波）を閉じ込めるものである。誘電体共振器で構成される送電側共振器２は、非放射電磁界とともに放射電磁界を多く発生するので、放射電磁界を閉じ込めないと、電力（エネルギー）が周囲に放射されて無負荷Ｑ値が急激に下がるからである。

【0019】

遮蔽ケース２１の開口部２１ａは、非放射電磁界と放射電磁界が通過する。遮蔽ケース２１の開口部２１ａは、適切な量に放射電磁界を抑制するように、形状及びサイズを決めることになる。開口部２１ａを通過する非放射電磁界と放射電磁界を含む電磁界の量は、後述する実験結果に示すように、開口部２１ａのサイズ（面積）だけではなく、その形状にも依存する。

【0020】

送電側共振器２は、上述したように結合端子２２に結合しており、結合端子２２は、遮蔽ケース２１の外部に電気的に通じている。詳細には、結合端子２２は、遮蔽ケース２１の内側に設けられ、磁界などによって送電側共振器２と結合する結合ループ２２ａと、その結合ループ２２ａに電気的に接続され、外部から電力（高周波交流電力）が供給され得る外部端子部２２ｂと、を有している。

【0021】

送電側共振器２は、それよりも低い誘電率の支持台２３により、遮蔽ケース２１に接しないように保持されている。支持台２３は、セラミック製とすることができる。

【0022】

このような送電側共振器２は、結合端子２２を介して外部からの電力に励振され、非放射電磁界と放射電磁界を発生する。送電側共振器２は、セラミック製のような誘電正接が極めて低い材料を用いることにより、損失が格段に少なくすることができ、無負荷Ｑ値を向上（例えば、数万のオーダーに）することが可能である。その結果、電力伝送効率を向上させることができる。

【0023】

また、送電側共振器２は、適切な量の放射電磁界が非放射電磁界に加えられることにより、電力伝送の可能な距離を大きくすることができる。受電側共振器３は、非放射電磁界が強い近・中距離に位置していると、非放射電磁界に主に結合して最適な（電力伝送効率の高い）電力伝送が可能である。受電側共振器３は、非放射電磁界が微弱になる遠距離に位置していると、そこに伝播する放射電磁界に主に結合してある程度の（少なくとも最低限の）電力伝送が可能になる。その結果、電力伝送の可能な距離を大きくすることができる。

【0024】

次に、受電側共振器３を説明する。受電側共振器３は、上述したように、送電側共振器２と実質的に同様の構造であり、受電側共振器３の近傍の構造も送電側共振器２の近傍と実質的に同様の構造である。すなわち、受電側共振器３は、送電側共振器２と同様の誘電体共振器で構成されており、遮蔽ケース２１と同様の遮蔽ケース３１によって覆われている。遮蔽ケース３１は、開口部２１ａと同様の開口部３１ａを有している。開口部３１ａは、送電側共振器２と受電側共振器３の間の位置に設けられている。受電側共振器３は、結合端子２２と同様の結合端子３２に結合している。結合端子３２は、結合ループ２２ａと同様の結合ループ３２ａと、外部端子部２２ｂと同様であって外部に電力（高周波交流電力）を出力し得る外部端子部３２ｂと、を有している。受電側共振器３は、支持台２３と同様の支持台３３により保持されている。

【0025】

受電側共振器３には、送電側共振器２からの距離に応じて非放射電磁界又は放射電磁界を用いて電力伝送される。受電側共振器３に伝送された電力は、結合端子３２を介して外部の負荷に供給される。負荷は、通信端末機などの機器の所要の機能を発揮するための回路である。受電側共振器３は、送電側共振器２と同様に、セラミック製のような誘電正接が極めて低い材料を用いることにより、損失を格段に少なくすることができ、無負荷Ｑ値を向上（例えば、数万のオーダーに）することが可能である。その結果、電力伝送効率を向上させることができる。

【0026】

また、受電側共振器３は、一部に開口部３１ａを有する遮蔽ケース３１で誘電体共振器を覆うことで、電力伝送の電磁界が放射電磁界のときでも適切な量を受電し易くすることにより、電力伝送の可能な距離を大きくすることができる。

【0027】

次に、本願発明者によるシミュレーションとサンプルの実験について述べる。送電側共振器２と受電側共振器３はともに、中心軸近傍をくり抜いた円柱形状とし、大きさは、外径Ａ、Ａ’を２５ｍｍ、長手方向の長さＢ、Ｂ’を１０ｍｍとしている。また、共振周波数が約２．４ＧＨｚのＴＥ_０１δモードを共振モードとして使用している。遮蔽ケース２１と遮蔽ケース３１はともに、金属製の６面体とし、開口部２１ａ、３１ａが形成される一面は互いに対面させている。遮蔽ケース２１、３１の開口部２１ａ、３１ａが形成される一面は、送電側共振器２及び受電側共振器３の円柱形状の長手方向と同じ方向の辺の長さＣ、Ｃ’が５０ｍｍ、それと垂直な方向の辺の長さＤ、Ｄ’が８０ｍｍとしている。また、この一面に対して垂直な方向の辺の長さＥ、Ｅ’は８０ｍｍとしている。

【0028】

図３は、送電側共振器２（又は受電側共振器３）の無負荷Ｑ値（Ｑｕ）について、遮蔽ケース２１（又は３１）の一面に対する開口部２１ａ（又は３１ａ）の開口率（面積比）との関係を示すシミュレーション実験の結果である。図３の曲線ａ（実線）は、遮蔽ケース２１（又は３１）の１００％開放された一面を、水平方向に長い２個の金属板でもって上端部及び下端部を塞いで、図１に示すように開口部２１ａ（又は３１ａ）を形成した場合のものである。曲線ｂ（破線）は、遮蔽ケース２１（又は３１）の１００％開放された一面を、垂直方向に長い２個の金属板でもって左端部及び右端部を塞いで、図４に示すように開口部２１ａ（又は３１ａ）を形成した場合のものである。曲線ａは、開口率を減少させるに従って、負荷Ｑ値が増加し、２万程度までに増加している。これより、磁界ベクトルの方向の開口の長さを短くすることによって放射が抑えられ、高い無負荷Ｑ値が得られていることがわかる。一方、曲線ｂは、顕著な変化は見られない。

【0029】

図５は、無負荷Ｑ値（Ｑｕ）と結合係数ｋとの積（ｋ・Ｑｕ）について、遮蔽ケース２１と遮蔽ケース３１の距離ｓ’に対する変化を示すシミュレーションとサンプルの実験の結果である。図５（ａ）の曲線ｃ（破線）と曲線ｄ（実線）はそれぞれ、遮蔽ケース２１の一面に対する開口部２１ａの開口率（及び遮蔽ケース３１の一面に対する開口部３１ａの開口率）が１００％の場合のシミュレーションとサンプルの実験のものである。図５（ｂ）の曲線ｅ（破線）と曲線ｆ（実線）はそれぞれ、水平方向に長い２個の金属板でもって上端部及び下端部を塞いで、遮蔽ケース２１の一面に対する開口部２１ａの開口率（及び遮蔽ケース３１の一面に対する開口部３１ａの開口率）を６４％にした場合のシミュレーションとサンプルの実験のものである。

【0030】

この実験結果によると、遮蔽ケース２１と遮蔽ケース３１の距離ｓ’が大きくなるに従って、無負荷Ｑ値Ｑｕと結合係数ｋとの積の値は急激に減少するが、距離ｓ’が大体２〜３ｃｍのところから、減少の傾きが緩やかになる。これは、距離ｓ’が大体２〜３ｃｍまでは非放射電磁界の結合による伝送が主であるのに対して、それ以上では放射電磁界の結合による伝送が主となることを示している。これにより、電力伝送の可能な距離を大きくできることが分かる。

【0031】

なお、このような無線電力伝送装置１は、送電側共振器２と受電側共振器３のうち一方の共振器及びその近傍の構造だけを残し、他方の共振器及びその近傍の構造を他の構造のものに置き換えることも場合によっては可能である。送電側共振器２の方だけを残した場合は、上述したように、送電側共振器２の無負荷Ｑ値を向上させて、電力伝送効率を向上させることができ、また、非放射電磁界と放射電磁界を用いて電力伝送の可能な距離を大きくすることができる。また、受電側共振器３の方だけを残した場合は、上述したように、受電側共振器３の無負荷Ｑ値を向上させて、電力伝送効率を向上させることができ、また、電力伝送の電磁界が放射電磁界のときでも適切な量を受電し易くすることにより、電力伝送の可能な距離を大きくすることができる。

【0032】

また、このような無線電力伝送装置１による無線電力伝送方式、すなわち、近・中距離においては主に非放射電磁界の結合による最適な電力伝送を行い、遠距離においては主に放射電磁界の結合によるある程度の（少なくとも最低限の）電力伝送を行う方式は、近・中距離の電力伝送効率を維持しながら電力伝送の可能な距離を大きくすることができる非常に有用な方式である。この方式の実現には、送電側共振器２と受電側共振器３に誘電体共振器を用いるが、非放射電磁界の結合による電力伝送と放射電磁界の結合による電力伝送をともに行えるのならば、他の共振器を用いることも場合によっては可能である。いずれの場合でも、送電側共振器２と受電側共振器３のうち少なくとも一方は、上記の遮蔽ケース２１（又は３１）によって覆われ、上記の結合端子２２（又は３２）に結合されるのが好ましい。

【0033】

以上、本発明の実施形態に係る無線電力伝送装置について説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。

【符号の説明】

【0034】

１ 無線電力伝送装置
２ 送電側共振器
２１ 送電側の遮蔽ケース
２１ａ 送電側の遮蔽ケースの開口部
２２ 送電側の結合端子
２３ 送電側の支持台
３ 受電側共振器
３１ 受電側の遮蔽ケース
３１ａ 受電側の遮蔽ケースの開口部
３２ 受電側の結合端子
３３ 受電側の支持台

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】