JP2014220889A - ワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】給電効率を維持することが可能なワイヤレス給電システム及びワイヤレス給電方法を提供することを目的としている。
【解決手段】給電装置と受電装置からなり、給電装置から受電装置に電力を供給するワイヤレス給電システムによるワイヤレス給電方法であって、前記給電装置は、高周波発振器を有する交流電源と、前記高周波発振器に接続された共振回路と、前記共振回路に接続されており、高分子材料をマトリックスとした複合材料からなる１００ｋＨｚにおける比誘電率が５以上である伝送シートが設けられた送電電極と、前記共振回路が共振するように前記共振回路のインピーダンスが調整されるインピーダンス調整回路と、を有し、前記受電電極と前記給電電極とが対向して伝送シートを介して配置されたとき、前記給電装置から前記受電装置へ電力を供給する。
【選択図】図４

Description

本発明は、受電装置に電力を供給するワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システムに関する。

近年では、充放電可能な二次電池等により駆動される携帯端末が普及している。また近年ではさらに、環境問題やエネルギー資源の問題を鑑み、電池やキャパシタ等の蓄電装置を搭載した電気自動車等の電気エネルギーを用いた交通手段の研究開発が行われている。

このような機器の電池に対する給電方式として、金属接点や金属コネクタなどを用いない無接点方式で、相互誘導を利用して給電を行うワイヤレス給電方式が注目されている。

ワイヤレス給電方式の一つとして、電界結合方式がある。電界結合方式は、ＬＣ共振現象を用いて静電容量を持つ結合部に電流を流して蓄電装置に電力を供給する方式であり、直列共振を用いる場合と並列共振を用いる場合とがある。

電界結合方式において直列共振を用いた場合、発振周波数又はインダクタンスを調整し、共振条件を維持する。電界結合方式において並列共振を用いた場合、接合容量が共振回路に含まれないため、接合容量が変化しても共振回路の周波数に与える影響は少なくなる。

図１は、並列共振を用いた従来のワイヤレス給電システムの例を示す図である。図１に示すワイヤレス給電システム１０は、給電装置２０と受電装置３０を有する。給電装置２０は、交流電源２１と、コイルＬ１１と並列共振回路２２と、送電電極２３、２４とを有する。受電装置３０は、並列共振回路３１と、負荷３２と、受電電極３３、３４とを有する。

ワイヤレス給電システム１０では、送信電極２３、２４と受電電極３３、３４とが近接すると、両電極間に生じる電界により給電装置２０から受電装置３０へ電力が供給される。

特開２０１０−１４８２８７号公報 特開２０１０−１９３６９２号公報 特開２０１０−２１３５５４号公報 特許第４９６２５６０号公報

電界結合方式において並列共振を用いる際に、受電側の機器が変わると負荷の変動によりインピーダンスが変化し、給電効率が著しく低下する。

本発明は、上記事情を鑑みてこれらを解決すべく成されたものであり、給電効率を維持することが可能なワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システムを提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成すべく、以下の如き構成を採用した。

本発明は、給電装置と受電装置からなり、給電装置から受電装置に電力を供給するワイヤレス給電システムによるワイヤレス給電方法であって、前記給電装置は、高周波発振器を有する交流電源と、前記高周波発振器に接続された共振回路と、前記共振回路に接続された送電電極と、前記共振回路が共振するように前記共振回路のインピーダンスを調整するインピーダンス調整回路と、を有し、前記受電装置は受電電極を有し、前記受電電極と前記送電電極とが対向して近接して配置されたとき、前記給電装置から前記受電装置へ電力を供給する。

本発明によれば、受電側の負荷の変動に対して給電効率を維持することができる。

並列共振を用いた従来のワイヤレス給電システムの例を示す図である。 本実施形態のワイヤレス給電システムの概要を説明する図である。 ワイヤレス給電システムに含まれる各装置の構成を説明する図である。 送電部と受電部を説明する図である。 インピーダンスの調整を説明する第一の図である。 インピーダンスの調整を説明する第二の図である。 インピーダンスの調整を説明する第三の図である。

本発明のシステムは、給電装置と受電装置からなるワイヤレス給電システムであり、給電装置に共振回路と、共振回路が共振するように共振回路のインピーダンスを調整するインピーダンス調整回路が設けられており、受電側に負荷の変動があっても共振回路が共振するように調整されることにより受電装置に十分な電力を受電装置へ給電する。さらに、給電装置の送電電極に高分子材料等からなる１００ｋＨｚにおける比誘電率が５以上である伝送シートを、受電電極と対向する側に設けてもよい。本発明における高周波とは、１００ｋＨｚ以上の周波数のことをいう。

以下に図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
ただし、この形態に限定するものではない。図２は、本実施形態のワイヤレス給電システムの概要を説明する図である。

本実施例のワイヤレス給電システム１００は、給電装置２００と受電装置３００とを含む。本実施形態のワイヤレス給電システム１００では、電界結合方式により給電装置２００から受電装置３００へ電力を供給する。具体的には給電装置２００は、交流電源２１０と、インピーダンス調整回路２７０とを有し、前記受電電極と前記送電電極とが対向するよう配置されたとき、前記給電装置から前記受電装置へ電力を供給する受電装置３００へ電力を供給する。前記送電電極の前記受電電極と対向する側に伝送シート５００が設けられていてもよく、この場合伝送シート５００を介して受電装置３００へ電力を供給する。

電界結合方式とは、非接触電力伝送において用いられる方式の一種で、送電側と受電側にそれぞれ電極を設置し、電極が近接したときに発生する「電界」を利用してエネルギーを伝送する技術のことである。

図３は、ワイヤレス給電システムに含まれる各装置の構成を説明する図である。

本実施形態の給電装置２００は、交流電源２１０、共振回路２２０、および送電電極２４０、２４１からなる送電部２３０、２３１を有する。本実施形態の給電装置２００では、交流電源２１０から共振回路２２０に交流電流が供給される。共振回路２２０は、送電部２３０、２３１に接続されている。送電部２３０、２３１には伝送シートが設けられていてもよく、伝送シート５００が設けられている態様として示した。

本実施形態の共振回路２２０は、コイルＬ１２と、インピーダンス調整回路２７０とを有する。本実施形態のワイヤレス給電システム１００では、給電装置２００の有するインピーダンス調整回路２７０により、共振回路２２０が共振するように調整される。すなわち本実施形態では、送電部２３０、２３１に含まれる送電電極２４０、２４１と受電電極３１０、３１１の相対関係（位置、数、静電容量等を含む）にしたがって、共振回路２２０の周波数が共振するよう調整される。

本実施形態のインピーダンス調整回路２７０は、静電容量成分を調整することで、共振回路２２０のインピーダンスを調整しても良い。インピーダンス調整回路２７０は、例えば静電容量可変手段Ｃ１２により静電容量成分を調整しても良い。静電容量可変手段Ｃ１２は、例えばバリキャップ等であっても良い。バリキャップであれば、その端子に加える電圧によってインピーダンスが調整される。インピーダンスの調整は、給電電力量を検知してフィードバックにより自動的にインピーダンス調整回路２７０が行っても良い。

また本実施形態のインピーダンス調整回路２７０は、リアクタンスを調整することで共振回路２２０のインピーダンスを調整しても良い。この場合インピーダンス調整回路２７０は、静電容量可変手段Ｃ１２の代わりに、リアクタンスが可変である可変コイルを有する。

本実施形態のワイヤレス給電システムは、送電電極と受電電極が近接して対向することにより電界結合方式によって非接触電力伝送を可能としているが、送電電極と受電電極が直接接触して導通する状態となった場合において自動的に有接点の接触型電力伝送への切り替えを行う回路が前記インピーダンス調整回路に付随して設けられていてもよい。

本実施形態のインピーダンス調整回路２７０によるインピーダンスの調整については詳細を後述する。

本実施形態の受電装置３００は、整流回路３２０と、負荷３２１と、受電電極３１０、３１１と、コイルＬ１３とを有する。

本実施形態の受電装置３００では、受電電極３１０、３１１が送電部２３０、２３１に近接することにより生じる交流電力を、整流回路３２０により整流して負荷３２１へ供給しても良い。

本実施形態のコイルＬ１３は、給電装置２００から受電装置３００に供給された電力が、給電装置２００側に反射されるのを防ぐ反射防止フィルタである。本実施形態では、コイルＬ１３は受電電極３１０側に設けられているが、受電電極３１１側に設けられてもよく、受電電極３１０側、受電電極３１１側両方に設けられても構わない。尚、本実施形態では、コイルＬ１３は受電装置３００が有する構成としたが、これに限定されない。反射防止フィルタの機能を果たすコイルＬ１３は、例えば給電装置２００に設けられていても良い。また反射防止フィルタの役割を果たす素子は、コンデンサであっても良い。

以下に図４を参照して本実施形態の送電部２３０、２３１と受電電極３１０、３１１について説明する。図４は、送電部と受電部を説明する図である。送電部には伝送シートが設けられている態様として示した。

本実施形態の給電装置２００において、送電部２３０は、送電電極２４０、伝送シート５００Ａを有する。また本実施形態の送電部２３１は、送電電極２４１、伝送シート５００Ｂを有する。尚、図４に示す伝送シート５００Ａ、５００Ｂは、送電部２３０、２３１のそれぞれと対応するように分割されているものとしたが、これに限定されない。本実施形態の伝送シート５００は、例えば図２、図３に示すように伝送シート５００は分割されておらず、送電部２３０、２３１により共有されていても良い。

本実施形態の送電電極２４０、２４１は、例えば金、銀、銅、アルミ等の金属電極でありコスト面等から銅、アルミが好適である。また、これらの材料であれば、板、フィルム、蒸着、メッキ等で形成することができる。厚みに制限はないが、例えば、１０ｎｍ以上のアルミ蒸着膜を使用した方が、電流量がある程度大きくても送電効率が低下し難く好ましい。一方、厚さが５ｍｍ以下の材料を使用した方が軽くなり好ましい。

本実施形態の伝送シート５００Ａ，５００Ｂは、高分子材料をマトリックスとした複合材料からなり１００ｋＨｚにおける比誘電率が５以上である。

高分子材料は特に制限はないが、ポリイミド、シリコーン樹脂、フッ素ポリマー、ポリウレタン、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、エポキシ樹脂、ナイロン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリスチレン、ポリ乳酸、種々のエンジニアリングプラスチック、天然ゴム、合成ゴムなどが好ましく、天然ゴムおよび合成ゴムであることがより好ましい。合成ゴムの例としては、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、エチレン酢酸ビニルゴム、およびエピクロロヒドリンゴムが挙げられ、好ましくはエチレン・プロピレンゴム、ブチルゴムおよびニトリルゴムである。これら高分子材料は１種単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

高い比誘電率の複合材料は、高分子材料からなるマトリクス中に導電性フィラーを含有させて得ることができる。導電性フィラーとしては例えば、金、銀、銅、アルミなどの金属粒子(紛体を含む)および繊維状物、炭素材料、導電性セラミックなどが挙げられ、好ましくは炭素材料と金属材料である。炭素材料の例としては、黒鉛、アセチレンブラックおよびケッチェンブラックなどの導電性カーボンブラック；フラーレン；カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、グラフェンおよび気相成長炭素繊維などの炭素繊維が挙げられ、好ましくは炭素繊維である。

高分子材料からなるマトリクスに導電性フィラーを含有させる方法には特に制限はなく、機械的な混練や高分子材料溶液を調整して混合し、溶剤を蒸散させてもよい。溶液における混合を行う場合には、機械式ホモジナイザーなどを用いることが効果的であり、特に超音波ホモジナイザーが好ましい。

導電性フィラーの混合量は、複合材料が導電性を示さない程度に混合方法と併せて調整することができる。複合材料が導電性を示さない限り、導電性フィラーの混合量を多くすると、複合材料の比誘電率を大きくすることができる。

このような複合材料を成形して比誘電率５以上の伝送シートを得る。成形の方法には圧縮成形を好適に用いることができる。

以下に本実施形態における伝送シート５００Ａの比誘電率の求め方について説明する。本実施形態では、測定装置をアジレント社製の４１９２Ａとし、電極を銅（金メッキ；５．０ｃｍ×５．０ｃｍ×１ｍｍ）、測定時の室内の温度を２５℃、湿度を６０％とし、電極に挟んだ伝送シート５００Ａの１００ｋＨｚでの静電容量を測定した。そして本実施形態では、測定した静電容量を以下に示す式（１）にあてはめて計算した。

比誘電率ε＝εｓ×ε０＝Ｃ×Ｌ／Ｓ 式（１）
尚、式（１）において、Ｃは伝送シート５００Ａの静電容量、Ｓは送電電極２４０の面積（受電電極３１０の面積と同じ）、Ｌは送信電極２４０から受電電極３１０までの距離、ε０は真空の誘電率であり８．８５×１０^−１２、εｓは測定対象（即ち５００Ａ）の誘電率である。尚伝送シート５００Ｂについても同様の方法で比誘電率を計算した。

本実施形態の給電装置２００では、この伝送シート５００Ａ、５００Ｂを送電部２３０、２３１に設けることにより、十分な電力を受電装置３００へ供給できる。

尚、本実施形態では送電電極２４０、２４１の上層に伝送シート５００Ａ，５００Ｂを形成する構成としたが、伝送シート５００Ａ，５００Ｂは送電電極２４０、２４１上に形成されなくても良い。すなわち本実施形態の送電部２３０、２３１は、送電電極２４０、２４１を有していれば良い。

本実施形態の受電装置３００は、例えば二次電池等が搭載された携帯端末等であり、給電装置２００により電力が供給される装置である。本実施形態の受電装置３００は受電電極３１０、３１１を有する。本実施形態の受電電極３１０、３１１は、例えば厚さ１ｍｍの銅電極である。本実施形態の負荷３２１は、例えば携帯端末に搭載された回路等であっても良いし、携帯端末に搭載された二次電池等であっても良い。

本実施形態のワイヤレス給電システム１００において、送電部２３０、２３１に受電電極３１０、３１１が近接すると、両電極によりコンデンサが形成される。本実施形態では、上述したインピーダンス調整回路２７０を有することで、受電側に負荷の変動があっても受電装置に十分な電力を受電装置へ給電することができる。

次に図５、図６、図７を参照して本実施形態のワイヤレス給電システム１００においてインピーダンスの調整を行った場合について説明する。

図５は、インピーダンスの調整を説明する第一の図である。図５は、給電装置２００と、給電装置２００に設けられた複数の送電部２３０、２３１を説明する図である。図５では同一平面内に送電部２３０、２３１が８つずつ設けられた様子を示している。

図６は、インピーダンスの調整を説明する第二の図である。図６は、図５で示した給電装置２００の送電部２３０、２３１（図６では点線で示した位置）上に載せられる複数の受電装置３００を示している。図６では、複数の受電装置３００を受電装置３０１〜３０４として示す。受電装置３０１は、５０Ωの負荷を有するものとして図示したが、負荷は、受電装置３０２〜３０４として図示したように例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）等、受電装置に実装されうる部品であっても良い。

図６に示す状態Ｔ１は、送電電極に受電装置３０１を載せた場合を示している。また図６に示す状態Ｔ２は、受電装置３０１に加えて二番目の受電装置３０２を載せた場合を示している。同様に状態Ｔ３は、受電装置３０１に加えて二番目及び三番目の受電装置３０２、３０３を載せた場合を示している。状態Ｔ４は、受電装置３０１に加えて二番目から四番目の受電装置３０２、３０３、３０４を加えた場合を示している。

図７は、インピーダンスの調整を説明する第三の図である。図７は複数の受電装置を給電装置に載せたときの周波数特性を示す図である。

例えば、図５に示すように配置された８つの送電部２３０、２３１上に、図６に示すように１個から４個までの個数を変えてそれぞれ５０Ωの負荷を有する受電装置３００を載せた場合、給電装置２００の周波数と出力電力との関係を示すグラフが図７である。

図７の周波数特性Ｓ２１は、送電部２３０、２３１上に受電装置３０１を一台載せた場合（図６の状態Ｔ１の場合）の共振回路２２０の周波数特性であり、周波数特性Ｓ２２は、送電部２３０、２３１上に受電装置３０１、３０２を載せた場合（図６の状態Ｔ２の場合）の共振回路２２０の周波数特性である。また周波数特性Ｓ２３は、送電部２３０、２３１上に受電装置３０１〜３０３を載せた場合（図６の状態Ｔ３の場合）の共振回路２２０の周波数特性であり、周波数特性Ｓ２４は、送電部２３０、２３１上に受電装置３０１〜３０４を載せた場合（図６の状態Ｔ４の場合）の共振回路２２０の周波数特性である。

本実施形態のインピーダンス調整回路２７０は、送電部２３０、２３１上に受電装置３０１が１台載せられると、共振回路２２０が共振するように（すなわち、伝送される電力量が最大となるように）、インピーダンスが調整される。周波数特性Ｓ２１では、共振回路２２０の同調点Ｐ１１の周波数は６．７８ＭＨｚであった。

次に、１台目の受電装置３０１に加えて給電装置２００に２台目の受電装置３０２が載せられると、静電容量が増える。よってインピーダンス調整回路２７０は、前記同様にインピーダンスを再度調整し、共振回路２２０を共振させる。周波数特性Ｓ２２では、共振回路２２０の同調点Ｐ１２の周波数は６．２６ＭＨｚ程度であった。

同様にして、インピーダンス調整回路２７０は、２台目、３台目の受電装置３０２、３０３が給電装置２００に載せられた場合と、２台目、３台目、４台目の受電装置３０２、３０３、３０４が給電装置２００に載せられた場合についても、改めてインピーダンスを調整し、共振回路２００を共振させる。

１台目の受電装置３０１に加えて２台目、３台目の受電装置３０２、３０３が給電装置２００に載せられた場合の周波数特性Ｓ２３では、同調点Ｐ１３の周波数は５．７８ＭＨｚ程度であった。１台目の受電装置３０１に加えて２台目、３台目、４台目の受電装置３０２〜３０４が給電装置２００に載せられた場合の周波数特性Ｓ２４では、同調点Ｐ１４の周波数は５．２５ＭＨｚ程度であった。

以上のように本実施形態では、給電装置２００上に載せられる受電装置３００の各状態（Ｔ１〜Ｔ４）によりインピーダンスが変化した場合でも、インピーダンスの変化に合わせて共振回路２２０が共振するよう調整される。

また本実施形態では、給電装置２００側においてのみインピーダンスを調整すれば良いため、汎用性が高く、調整が簡便且つ敏速である。

以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。特に、本明細書では、一例として周波数６．７８ＭＨｚを用いて説明したが、１００ｋＨｚ以上の要望される高周波であれば、本実施形態と同様のワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システムを提供することができる。

１００ ワイヤレス給電システム
２００ 給電装置
２１０ 交流電源
２１１ 高周波発振器
２２０ 共振回路
２３０、２３１ 送電部
２４０、２４１ 送電電極
２７０ インピーダンス調整回路
３００ 受電装置
３１０、３１１ 受電電極
５００ 伝送シート

Claims (8)

1. 給電装置と受電装置からなり、給電装置から受電装置に電力を供給するワイヤレス給電システムであって、
   前記給電装置は、
   高周波発振器を有する交流電源と、
   前記高周波発振器に接続された共振回路と、
   前記共振回路に接続された送電電極と、
   前記共振回路が共振するように前記共振回路のインピーダンスが調整されるインピーダンス調整回路と、を有し、
   前記受電装置は受電電極を有し、
   前記受電電極と前記送電電極とが対向するよう配置されたとき、前記給電装置から前記受電装置へ電力を供給するワイヤレス給電システム。
2. 前記送電電極は、高分子材料をマトリックスとした複合材料からなる１００ｋＨｚにおける比誘電率が５以上である伝送シートが、前記受電電極と対向する側に設けられている請求項１記載のワイヤレス給電システム。
3. 前記共振回路は、並列共振回路である請求項１又は２記載のワイヤレス給電システム。
4. 前記インピーダンス調整回路は、前記共振回路に含まれるコイルと並列に接続されたコンデンサを有し、
   前記コンデンサの静電容量を制御する手順を有する請求項１ないし３の何れか一項に記載のワイヤレス給電システム。
5. 前記受電装置に設けられたフィルタにより、前記受電装置に供給された電力が前記受電装置から前記給電装置へ反射することを防止する請求項１ないし４の何れか一項に記載のワイヤレス給電システム。
6. 前記高周波発振器は、周波数が３ＭＨｚ以上の交流電流を出力する請求項１ないし５の何れか一項に記載のワイヤレス給電システム。
7. 前記送電電極から複数の前記受電装置に対して給電する場合に、
   前記インピーダンス調整回路により、前記複数の受電装置に対応して前記インピーダンスを調整する請求項１ないし６の何れか一項に記載のワイヤレス給電システム。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載のワイヤレス給電システムを用い、給電装置から受電装置に電力を供給するワイヤレス給電方法。

Images