JP6164720B2

JP6164720B2 - 結合共振器型の無線電力伝送システム

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Publication number: JP6164720B2
Application number: JP2012245861A
Authority: JP
Inventors: 粟井　郁雄; 郁雄粟井; 綱四郎橋本
Original assignee: Ryutech Corporation
Current assignee: Ryutech Corporation
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2032-11-07
Also published as: JP2014096872A

Description

本発明は、非放射電磁界による共振器間結合を用いて無線で電力伝送を行う結合共振器型の無線電力伝送システムに関する。

近年、結合共振器型の無線電力伝送システムは、送電側共振器から受電側共振器に、ある程度の距離があっても高効率の電力伝送が可能であるため、非常に注目されている。

結合共振器型の無線電力伝送システムに関しては、これまでに種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、送信側と受信側のいずれにも設けられたループ状の導体などの共振器に共振を起こさせて電力伝送を行う無線電力伝送システムの基本的な構成が記載されている。特許文献２には、送電側共振器のコイルと受電側共振器のコイルに共振を起こさせて電力伝送を行う無線電力伝送システムにおいて、送電側共振器と受電側共振器との間の距離を検出し、それに基づいて共振周波数を変更するものが記載されている。

特表２００９−５０１５１０号公報特開２０１０−２３９７６９号公報

ところで、送電側共振器と受電側共振器との間には、通常、物や人などが存在する。物や人などはほぼ誘電体として振る舞い、送電側共振器と受電側共振器との間の空間の特性（電磁気的な特性）はその誘電体の影響を受ける。そして、その誘電体或いは受電側共振器が動くと、誘電体の有無又は位置の変化により、或いは、受電側共振器の位置の変化により、送電側共振器と受電側共振器との間の空間の特性は時間的に変化する。その変化により、送電側共振器と受電側共振器の共振周波数がそれぞれ変化し、伝送効率が低下し易くなる。

しかしながら、特許文献１、２を含め従来から提案されている結合共振器型の無線電力伝送システムは、送電側共振器と受電側共振器との間の誘電体の影響が考慮されていないことが多い。

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、送電側共振器と受電側共振器との間の誘電体の影響が少なく、電力の伝送効率の低下を抑制できる結合共振器型の無線電力伝送システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の結合共振器型の無線電力伝送システムは、第１のコイル及び第２のコイルと、コンデンサと、を有して構成され、該第１のコイル及び該第２のコイルは、スパイラルコイルであって、それらの間が容量結合によって電界強度が大きく、それらの外方の電界強度が小さくなるように、近接して配置され、該第１のコイルの両端のうちの一つと該第２のコイルの両端のうちの一つが該コンデンサを介して、該第１のコイルの両端のうちの他の一つと該第２のコイルの両端のうちの他の一つがコンデンサを介さずに、それぞれ接続され、但し、該第１のコイルの内端と該第２のコイルの内端がコンデンサを介さずに接続されるものを除いた、少なくとも１個の送電側共振器と、該少なくとも１個の送電側共振器の内の一の送電側共振器の励振を制御する制御器と、前記一の送電側共振器の前記両コイルの外方に配置されて、前記一の送電側共振器から伝送される電力を受電する受電側共振器と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る結合共振器型の無線電力伝送システムによれば、送電側共振器の両コイルの外方の電界強度を小さくすることができるので、送電側共振器と受電側共振器との間の誘電体の影響が少なく、電力の伝送効率の低下の抑制が可能になる。

本発明の実施形態に係る結合共振器型の無線電力伝送システムの構成のブロック図である。同上の結合共振器型の無線電力伝送システムの一の送電側共振器を示すもので、（ａ）は一の送電側共振器及び制御器の配線図、（ｂ）は一の送電側共振器を構成するコイルの概略正面図、（ｃ）は２個のコイルの概略側面図である。同上の結合共振器型の無線電力伝送システムの一の送電側共振器の配線の変形例の２つの場合を示す配線図である。同上の結合共振器型の無線電力伝送システムの他の送電側共振器を示すもので、（ａ）は他の送電側共振器の配線図、（ｂ）は他の送電側共振器を構成するコイルの概略正面図、（ｃ）は２個のコイルの概略側面図である。同上の結合共振器型の無線電力伝送システムの一の送電側共振器と制御器の配線の変形例を示す配線図である。同上の結合共振器型の無線電力伝送システムの受電側共振器を拡大して示すもので、（ａ）は受電側共振器及び負荷回路の配線図、（ｂ）は受電側共振器を構成するコイルの概略正面図、（ｃ）は２個のコイルの概略側面図である。同上の結合共振器型の無線電力伝送システムの受電側共振器と負荷回路の配線の変形例を示す配線図である。同上の結合共振器型の無線電力伝送システムの奇モードの電界分布と磁界分布を示すもので、（ａ）は電界分布、（ｂ）は磁界分布、の簡略波形図である。同上の結合共振器型の無線電力伝送システムの送電側共振器のコイル巻き数に対するインダクタンス値と容量値の変化を示す特性図である。同上の結合共振器型の無線電力伝送システムの一の送電側共振器と他の送電側共振器の間の電界強度と磁界強度を示すもので、（ａ）は電界強度、（ｂ）は磁界強度、の特性図である。同上の結合共振器型の無線電力伝送システムの一の送電側共振器と他の送電側共振器の間の電界強度を示すもう１つの特性図である。同上の結合共振器型の無線電力伝送システムの共振周波数シフト量のシミュレーション及び実験の構成を示す模式図である。図１２の構成を用いたシミュレーションの結果を示す特性図である。図１２の構成を用いた実際のサンプルによる実験の結果を示す特性図である。図１２の構成を用いた実際のサンプルによる実験の結果を示す別の特性図である。同上の結合共振器型の無線電力伝送システムの受電側共振器の実験の構成を示す模式図である。図１６の構成を用いた実際のサンプルによる実験の結果を示す特性図である。図１６の構成を用いた実際のサンプルによる実験の結果を示す別の特性図である。同上の結合共振器型の無線電力伝送システム全体の実験の構成を示す模式図である。図１９の構成を用いた実際のサンプルによる実験の結果を示す特性図である。同上の結合共振器型の無線電力伝送システムの変形例を示すブロック図である。

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結合共振器型の無線電力伝送システム１は、図１に示すように、２個の送電側共振器、すなわち一の送電側共振器２及び他の送電側共振器３と、制御器４と、１個の受電側共振器５と、負荷回路６と、を備えている。

一の送電側共振器２は、図２（ａ）に示すように、近接して配置された２個のコイル（第１のコイル２１及び第２のコイル２２）とコンデンサ２３とを有して構成されている。両コイル２１、２２は、同じ向きの磁界が生じるように配置される。両コイル２１、２２は、実質的に同じ巻き数で同じ大きさのものを用いればよいが、巻き数又は大きさが違っていても構わない。また、両コイル２１、２２は、図２（ｂ）に示すように、電気導線が平面的でスパイラル状に巻かれて形成されるコイル、すなわちスパイラルコイルとすることができる。その場合、両コイル２１、２２は、図２（ｃ）に示すように、所定距離Ａだけ離して互いに略平行に配置され、スパイラルの中心軸（ｚ軸）が略一致するように配置される。

第１のコイル２１及び第２のコイル２２の接続については、第１のコイル２１の両端のうちの一つと第２のコイル２２の両端のうちの一つがコンデンサ２３を介して、第１のコイル２１の両端のうちの他の一つと第２のコイル２２の両端のうちの他の一つがコンデンサを介さずに、それぞれ電気的に接続されるようにする。より詳細には、図２（ａ）に示すように、第１のコイル２１と第２のコイル２２の電気導線が巻かれる向きを同じにして、第１のコイル２１の一端２１ａと第２のコイル２２の他端２２ｂがコンデンサ２３を介して、第１のコイル２１の他端２１ｂと第２のコイル２２の一端２２ａがコンデンサを介さずに、それぞれ接続される。或いは、図３（ａ）に示すように、第１のコイル２１の一端２１ａと第２のコイル２２の他端２２ｂがコンデンサを介さずに、第１のコイル２１の他端２１ｂと第２のコイル２２の一端２２ａがコンデンサ２３を介して、それぞれ接続されるようにすることも可能である。また、或いは、図３（ｂ）に示すように、第１のコイル２１と第２のコイル２２の電気導線が巻かれる向きを逆にして、第１のコイル２１の一端２１ａと第２のコイル２２の一端２２ａがコンデンサ２３を介して、第１のコイル２１の他端２１ｂと第２のコイル２２の他端２２ｂがコンデンサを介さずに、それぞれ接続されるようにすることも可能である。また、或いは、図示しないが、第１のコイル２１及び第２のコイル２２のその他の接続方法も可能である。

他の送電側共振器３も、一の送電側共振器２と同様の構成である。すなわち、他の送電側共振器３は、図４（ａ）に示すように、近接して配置された２個のコイル（第１のコイル３１及び第２のコイル３２）とコンデンサ３３とを有して構成されている。両コイル３１、３２は、同じ向きの磁界が生じるように配置される。両コイル３１、３２は、実質的に同じ巻き数で同じ大きさのものを用いればよい。また、両コイル３１、３２は、図４（ｂ）に示すように、スパイラルコイルとすることができる。その場合、両コイル３１、３２は、図４（ｃ）に示すように、所定距離Ａ’だけ離して互いに略平行に配置され、スパイラルの中心軸（ｚ軸）が略一致するように配置される。第１のコイル３１及び第２のコイル３２の接続については、第１のコイル３１の両端のうちの一つと第２のコイル３２の両端のうちの一つがコンデンサ３３を介して、第１のコイル３１の両端のうちの他の一つと第２のコイル３２の両端のうちの他の一つがコンデンサを介さずに、それぞれ電気的に接続されるようにする。第１のコイル３１及び第２のコイル３２の具体的な接続方法については、上記の一の送電側共振器２の第１のコイル２１及び第２のコイル２２の場合と同様な複数の接続方法が可能である。

一の送電側共振器２と他の送電側共振器３は、それらの中心軸が略一致するように、所定の距離Ｂだけ離して、対向して配置されている。

制御器４は、一の送電側共振器２の励振を制御するものである。制御器４は、詳細には、図１及び図２（ａ）に示すように、高周波電源４１と結合ループ４２を有して構成される。高周波電源４１は、インピーダンスの整合を行う結合ループ４２を介して一の送電側共振器２を励振する。つまり、高周波電源４１はその出力信号を結合ループ４２に出力し、結合ループ４２は一の送電側共振器２に電磁界結合している。結合ループ４２は、他の公知のインピーダンス整合手段で置き換えることも可能である。また、図５に示すように、一の送電側共振器２の回路に高周波電源４１の出力端子を電気的に直結し、両コイル２１、２２の巻き数やコンデンサ２３の容量値などを調整してインピーダンス整合を行うことで、結合ループ４２などのインピーダンス整合手段を省略できる場合もある。

他の送電側共振器３は、制御器４又は他の制御器によって励振されることはなく、後述するように一の送電側共振器２が発生する電磁界を受けてそれによって励振される。

受電側共振器５は、２個の送電側共振器２、３よりも通常は小型であるが、２個の送電側共振器２、３と同様の構成である。すなわち、受電側共振器５は、図６（ａ）に示すように、近接して配置された２個のコイル（第１のコイル５１及び第２のコイル５２）とコンデンサ５３とを有して構成されている。両コイル５１、５２は、同じ向きの磁界が生じるように配置される。両コイル５１、５２は、実質的に同じ巻き数で同じ大きさのものを用いればよい。また、両コイル５１、５２は、図６（ｂ）に示すように、スパイラルコイルとすることができる。その場合、両コイル５１、５２は、図６（ｃ）に示すように、所定距離Ａ’’だけ離して互いに略平行に配置され、スパイラルの中心軸が略一致するように配置される。第１のコイル５１及び第２のコイル５２の接続については、第１のコイル５１の両端のうちの一つと第２のコイル５２の両端のうちの一つがコンデンサ２３を介して、第１のコイル５１の両端のうちの他の一つと第２のコイル５２の両端のうちの他の一つがコンデンサを介さずに、それぞれ電気的に接続されるようにする。第１のコイル５１及び第２のコイル５２の具体的な接続方法については、上記の一の送電側共振器２の第１のコイル２１及び第２のコイル２２の場合と同様な複数の接続方法が可能である。

受電側共振器５は、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の外方及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の外方で、送電側共振器２と送電側共振器３の間に配置されて、送電側共振器２及び送電側共振器３から伝送される電力を受電するものである。受電側共振器５と一の送電側共振器２の間の距離及び受電側共振器５と他の送電側共振器３の間の距離は、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の間の距離Ａ及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の間の距離Ａ’、及び受電側共振器５の両コイル５１、５２の間の距離Ａ’’）よりも、非常に大きい。受電側共振器５は、移動可能なものとすることができる。

受電側共振器５には、負荷回路６が結合している。負荷回路６は、詳細には、結合ループ６１と、負荷６２と、を有して構成されている。結合ループ６１は、受電側共振器３に電磁界結合しており、インピーダンスの整合を行う。後述するように一の送電側共振器２と他の送電側共振器３から受電側共振器５に伝送された電力は、結合ループ６１を介して、負荷６２に供給される。負荷６２は、通信分野における携帯機器の充電回路や医療分野における体内の自走式マイクロカプセルの電源回路など、機器の所要の機能のための回路である。なお、結合ループ６１は、他の公知のインピーダンス整合手段で置き換えることも可能である。また、図７に示すように、受電側共振器２の回路に負荷６２の入力端子を電気的に直結し、両コイル５１、５２の巻き数やコンデンサ５３の容量値などを調整してインピーダンス整合を行うことで、結合ループ６１などのインピーダンス整合手段を省略できる場合もある。

このような構成の結合共振器型の無線電力伝送システム１では、制御器４によって励振された一の送電側共振器２は、周囲の領域（特に中心軸の方向）に電磁界（非放射電磁界）を発生させる。そうすると、他の送電側共振器３は、一の送電側共振器２が発生する電磁界に結合して励振される。そして、他の送電側共振器３も周囲の領域（特に中心軸の方向）に電磁界を発生させる。それにより、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間に分布する電磁界は、一の送電側共振器２が発生する電磁界と他の送電側共振器３が発生する電磁界が合成されたものとなる。

一の送電側共振器２と他の送電側共振器３のように複数の共振器によって分布する電磁界は、複数の共振モードを有するものになり、それらの共振モードそれぞれに対応する周波数が少しだけ異なる複数の共振周波数が発生する。一の送電側共振器２と他の送電側共振器３によって分布する電磁界は、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の電界が逆相で共振する奇モードと同相で共振する偶モードを有する。奇モードの共振周波数は、偶モードの共振周波数よりも低い周波数である。

奇モードの電界分布Ｅ１は、近似的には、一の送電側共振器２単体からの電界分布Ｅ２と他の送電側共振器３単体からの電界分布Ｅ３の和となり、そして、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の電界が逆相であるので、図８（ａ）に示すように、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の中央では０となり半分の領域で正値、もう半分の領域で負値となる。奇モードの磁界分布Ｈ１は、近似的には、一の送電側共振器２単体からの磁界分布Ｈ２と他の送電側共振器３からの磁界分布Ｈ３の和となり、そして、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の磁界が同相であるので、図８（ｂ）に示すように、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の中央では若干強度が下がるが、一の送電側共振器２から他の送電側共振器３にかけて変化が少ないものとなる。

また、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間に配置される受電側共振器５は、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３によって分布する電磁界に結合して共振し、それによって一の送電側共振器２と他の送電側共振器３から電力伝送が行われる。この電磁界による共振器間結合に主に影響を与えるのは磁界である。

従って、奇モードを用いて結合共振器型の無線電力伝送システム１を構成すると、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間で場所による依存性が少なく、しかも低い周波数で電力伝送が可能になる。

次に、２個のコイル２１、２２を互いに近接配置して一の送電側共振器２を構成し、２個のコイル３１、３２を互いに近接配置して他の送電側共振器３を構成したことによる電界の閉じ込めの効果について説明する。

一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間のいずれかの箇所に誘電体が存在すると、磁界よりも電界の方が影響を受けやすい。電界が影響を受けると、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の共振周波数がシフトし、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３から受電側共振器５への電力の伝送効率が低下することになる。

一の送電側共振器２の近接配置した第１のコイル２１と第２のコイル２２の間は、容量結合によって電界強度が大きく、そのため、両コイル２１、２２の外方は電界強度が小さくなる。両コイル２１、２２の外方の磁界強度は、両コイル２１、２２の合わせた巻き数の単一のコイルの場合と余り変わらない。他の送電側共振器３についても同様である。このように、一の送電側共振器２及び他の送電側共振器３の内部で、電界の閉じ込めが生じる。

従って、両コイル２１、２２の外方及び両コイル３１、３２の外方の一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間の電界強度は小さくなっているので、受電側共振器５と一の送電側共振器２の間或いは受電側共振器５と他の送電側共振器３の間に誘電体が存在してもその影響が少なく、一の送電側共振器２及び他の送電側共振器３の共振周波数がシフトして一の送電側共振器２と他の送電側共振器３から受電側共振器５への電力の伝送効率が低下すること、を抑制することができる。

次に、第１のコイル５１及び第２のコイル５２を互いに近接配置して受電側共振器５を構成したことによる電界の閉じ込めの効果について説明する。

受電側共振器５は、その周囲に誘電体が存在すると、磁界よりも電界の方が影響を受けやすい。電界が影響を受けると、受電側共振器５の共振周波数がシフトし、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３から受電側共振器５への電力の伝送効率が低下することになる。

受電側共振器５が共振するとき、受電側共振器５の近接配置した第１のコイル５１と第２のコイル５２の間は、容量結合によって電界強度が大きく、そのため、両コイル５１、５２の外方は受電側共振器５によって生じる電界の強度が小さくなる。両コイル５１、５２の外方の受電側共振器５によって生じる磁界の強度は、両コイル２１、２２の合わせた巻き数の単一のコイルの場合と余り変わらない。このように、受電側共振器５の内部で、電界の閉じ込めが生じる。

従って、受電側共振器５の両コイル５１、５２の外方の受電側共振器５によって生じる電界強度は小さくなっているので、受電側共振器５と一の送電側共振器２の間或いは受電側共振器５と他の送電側共振器３の間に誘電体が存在したとしても受電側共振器５の周囲の誘電体の影響が少なく、受電側共振器５の共振周波数がシフトして一の送電側共振器２と他の送電側共振器３から受電側共振器５への電力の伝送効率が低下すること、を抑制することができる。

次に、本願発明者が行った一の送電側共振器２と他の送電側共振器３についてのシミュレーションと実際のサンプルを用いた実験について述べる。

一の送電側共振器２の励振は、１Ｗの電力を入力し、第１のコイル２１及び第２のコイル２２の巻き数によらずその反射係数Ｓ１１がいつも−１ｄＢになるよう結合ループ４２の配置等を調整し、同じ量の電力が一の送電側共振器２に伝わるようにした。一の送電側共振器の両コイル２１、２２と他の送電側共振器３の両コイル３１、３２は、直径を３０ｃｍとした。また、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間の距離Ｂは２０ｃｍとした。一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の中心軸をＺ軸とし、それらの中心の位置を座標値０とした。共振は前述した奇モードを用い、共振周波数は１ＭＨｚとした。また、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２と他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の巻き数を変化させたときは、それらのインダクタンス値が図９の曲線ａに示すように変わるので、共振周波数を合わせるために、コンデンサ２３とコンデンサ３３の容量値を図９の曲線ｂに示すように変化させた。

シミュレーションによる一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間の中心軸（ｚ軸）上の電界強度を図１０（ａ）に、磁界強度を図１０（ｂ）にそれぞれ示す。シミュレーションソフトは、ＷＩＰＬ−Ｄを使用した。図１０（ａ）に示す電界強度は絶対値表示であり、負値は正値に変更されている。後述する電界強度を示す全ての図においても同様の表示を行う。図１０（ａ）の曲線ｃ１と図１０（ｂ）の曲線ｅ１は、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の総巻き数と他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の総巻き数が１５回のものの特性を示している。図１０（ａ）の曲線ｃ２と図１０（ｂ）の曲線ｅ２は、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の総巻き数と他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の総巻き数が２５回のものの特性を示している。このとき、一の送電側共振器２の２個の両コイル２１、２２の互いの距離Ａと他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の互いの距離Ａ’を２ｍｍとしている。図１０（ａ）の曲線ｄ１、ｄ２と図１０（ｂ）の曲線ｆ１、ｆ２は、比較例であり、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３がそれぞれ単一のコイルで構成されたものの特性を示している。曲線ｄ１と曲線ｆ１は、一の送電側共振器２の単一のコイルの巻き数と他の送電側共振器３の単一のコイルの巻き数が１５回のものの特性を示している。曲線ｄ２と曲線ｆ２は、一の送電側共振器２の単一のコイルの巻き数と他の送電側共振器３の単一のコイルの巻き数が２５回のものの特性を示している。

図１０（ａ）の曲線ｃ１と曲線ｄ１及び曲線ｃ２と曲線ｄ２を比べると、一の送電側共振器２を両コイル２１、２２で構成し、他の送電側共振器３を両コイル３１、３２で構成した方が、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３をそれぞれ単一コイルで構成するよりも、電界強度が小さくなっている。一方、図１０（ｂ）の曲線ｅ１と曲線ｆ１及び曲線ｅ２と曲線ｆ２を比べると、一の送電側共振器２を両コイル２１、２２で構成し、他の送電側共振器３を両コイル３１、３２で構成した方が、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３をそれぞれ単一コイルで構成するよりも、磁界強度が大きくなっている。これより、一の送電側共振器２を両コイル２１、２２で構成し、他の送電側共振器３を両コイル３１、３２で構成すると、一の送電側共振器２及び他の送電側共振器３の内部で電界の閉じ込めが生じて、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間の電界強度は小さくなる一方、磁界強度は小さくはならないことが分かる。

また、図１０（ａ）の曲線ｃ１と曲線ｃ２を比べ、図１０（ｂ）の曲線ｅ１と曲線ｅ２を比べると、総巻き数が少ないほど、電界強度が小さく磁界強度も小さくなる傾向がある。

一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の互いの距離Ａ及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の互いの距離Ａ’を変えたときの一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間の中心軸（ｚ軸）上の電界強度を図１１に示す。曲線ｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４はそれぞれ、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の互いの距離Ａ及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の互いの距離Ａ’が１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍとしたときの特性を示している。このとき、一の送電側共振器の両コイル２１、２２の総巻き数と他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の総巻き数を１５回としている。図１１によると、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の互いの距離Ａ及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の互いの距離Ａ’が短いほど、電界強度が小さくなる傾向がある。これより、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の互いの距離Ａ及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の互いの距離Ａ’を短くした方が、より電界の閉じ込めを大きくすることができることがわかる。なお、磁界に関しては、図示は省略するが、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の互いの距離Ａ及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の互いの距離Ａ’を変えても、ほとんど違いがなかった。

次に、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３に関して本願発明者が行った別のシミュレーションについて述べる。一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間に、図１２に示すように、誘電体７が配置されたときのそれが配置されないときに対する一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の共振周波数のシフト量を計算した。誘電体７は、中心軸方向が１８ｃｍ、それに直交する方向が１０ｃｍの大きさのものである。図１３の曲線ｈは、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の総巻き数と他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の総巻き数を１５回とし、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の互いの距離Ａ及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の互いの距離Ａ’を２ｍｍとして、誘電体７の誘電率に対する共振周波数のシフト量の依存性の特性を示している。曲線ｉは、比較例であり、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３がそれぞれ単一のコイルで構成して、誘電体７の誘電率に対する共振周波数のシフト量の依存性の特性を示している。

曲線ｈと曲線ｉを比べると、一の送電側共振器２を両コイル２１、２２で構成し、他の送電側共振器３を両コイル３１、３２で構成した方が、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３をそれぞれ単一コイルで構成するよりも、共振周波数のシフト量が少なくなっている。これより、一の送電側共振器２を両コイル２１、２２で構成し、他の送電側共振器３を両コイル３１、３２で構成することにより、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間で誘電体の誘電率が変化、つまり誘電体の有無又は位置などの状態が変化しても、一の送電側共振器２及び他の送電側共振器３の共振周波数のシフトが抑制されることが分かる。

次に、本願発明者が行った実際のサンプルを用いた一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の実験について述べる。一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間に、前述した図１２に示したように、誘電体７として水が入ったプラスチック容器が配置されたときのそれが配置されないときに対する一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の共振周波数のシフト量を測定した。図１４の曲線ｊ１、ｊ２、ｊ３はそれぞれ、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の総巻き数と他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の総巻き数が７．５回のもの、１５回のもの、２２回のものについて、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の互いの距離Ａ及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の互いの距離Ａ’に対する共振周波数のシフト量の依存性の特性を示している。曲線ｊ１、ｊ２、ｊ３のそれぞれにおいて、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の互いの距離Ａ及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の互いの距離Ａ’が０のときの値は、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３がそれぞれ単一のコイルで構成されたものを用いた場合のものを示している。

図１４によると、一の送電側共振器２を両コイル２１、２２で構成し、他の送電側共振器３を両コイル３１、３２で構成した方が、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３をそれぞれ単一コイルで構成するよりも、共振周波数のシフト量が少なくなっている。これより、一の送電側共振器２を両コイル２１、２２で構成し、他の送電側共振器３を両コイル３１、３２で構成することにより、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間の誘電体の有無による一の送電側共振器２及び他の送電側共振器３の共振周波数のシフトが抑制されることが分かる。

また、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の互いの距離Ａ及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の互いの距離Ａ’を短くするほど共振周波数のシフト量が少なくなり、巻き数を少なくするほど共振周波数のシフト量が少なくなる傾向がある。

図１５に示すのは、無負荷Ｑ値の測定値である。これは、一の送電側共振器２を両コイル２１、２２で構成し、他の送電側共振器３を両コイル３１、３２で構成することによって、無負荷Ｑ値が低下しないことを示すためのものである。図１５の曲線ｋ１、ｋ２、ｋ３はそれぞれ、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の総巻き数と他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の総巻き数が７．５回のもの、１５回のもの、２２回のものについて、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の互いの距離Ａ及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の互いの距離Ａ’に対する無負荷Ｑ値の依存性の特性を示している。曲線ｋ１、ｋ２、ｋ３のそれぞれにおいて、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の互いの距離Ａ及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の互いの距離Ａ’が０のときの値は、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３がそれぞれ単一のコイルで構成されたものを用いた場合のものを示している。図１５によると、一の送電側共振器２を両コイル２１、２２で構成し、他の送電側共振器３を両コイル３１、３２で構成した方が、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３をそれぞれ単一コイルで構成するよりも、無負荷Ｑ値は良くなっている。また、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の互いの距離Ａ及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の互いの距離Ａ’を変えると、無負荷Ｑ値は若干変化し、巻き数を増やすほど無負荷Ｑ値は良くなる傾向がある。

次に、本願発明者が行った実際のサンプルを用いた受電側共振器５の実験について述べる。受電側共振器５の両コイル５１、５２は、直径が３ｃｍとした。共振周波数は１ＭＨｚとした。また、受電側共振器５の両コイル５１、５２の巻き数を変化させたときは、共振周波数を合わせるために、コンデンサ５３の容量値を変化させた。

受電側共振器５の両側に、図１６に示すように、誘電体として水が入ったプラスチック容器７Ａ、７Ｂが配置されたときと、それが配置されないときに対する受電側共振器５の共振周波数のシフト量を測定した。水が入ったプラスチック容器７Ａ、７Ｂは、中心軸方向が９ｃｍ、それに直交する方向が１０ｃｍの大きさのものである。図１７の曲線ｍ１、ｍ２、ｍ３はそれぞれ、受電側共振器５の両コイル５１、５２の総巻き数が４回のもの、８回のもの、１５回のものについて、受電側共振器５の両コイル５１、５２の互いの距離Ａ’’に対する共振周波数のシフト量の依存性の特性を示している。曲線ｍ１、ｍ２、ｍ３のそれぞれにおいて、受電側共振器５の両コイル５１、５２の互いの距離Ａ’’が０のときの値は、受電側共振器５が単一のコイルで構成されたものを用いた場合のものを示している。

図１７によると、受電側共振器５を両コイル５１、５２の互いの距離Ａ’’が１ｍｍ近傍として構成すると、受電側共振器５を単一コイルで構成するよりも、共振周波数のシフト量が少なくなっている。これより、受電側共振器５を両コイル５１、５２で構成することにより、受電側共振器５の周囲の誘電体の有無による受電側共振器５の共振周波数のシフトが抑制可能であることが分かる。

また、送受電側共振器５を両コイル５１、５２の互いの距離Ａ’’を短くするほど共振周波数のシフト量が少なくなり、巻き数を増やすほど共振周波数のシフト量が小さくなる傾向がある。

図１８に示すのは、無負荷Ｑ値の測定値である。これは、受電側共振器５を両コイル５１、５２で構成することによって、無負荷Ｑ値が低下しないことを示すためのものである。図１８の曲線ｎ１、ｎ２、ｎ３はそれぞれ、受電側共振器５の両コイル５１、５２の総巻き数が４回のもの、８回のもの、１５回のものについて、受電側共振器５の両コイル５１、５２の互いの距離Ａ’’に対する無負荷Ｑ値の依存性の特性を示している。曲線ｎ１、ｎ２、ｎ３のそれぞれにおいて、受電側共振器５の両コイル５１、５２の互いの距離Ａ’’が０のときの値は、受電側共振器５がそれぞれ単一のコイルで構成されたものを用いた場合のものである。図１８によると、受電側共振器５を両コイル５１、５２で構成した方が、受電側共振器５を単一コイルで構成するよりも、無負荷Ｑ値は良くなっている。また、受電側共振器５の両コイル５１、５２の互いの距離Ａ’’を変えても、無負荷Ｑ値はほとんど変化せず、巻き数を増やすほど無負荷Ｑ値は良くなる傾向がある。

次に、本願発明者が行った実際のサンプルを用いた結合共振器型の無線電力伝送システム１全体の実験について述べる。ここでは、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の総巻き数と他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の総巻き数を１５回とし、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の互いの距離Ａ及び他の送電側共振器３の両コイル３１、３２の互いの距離Ａ’を２ｍｍとし、受電側共振器５の両コイル５１、５２の総巻き数を１５回とし、受電側共振器５の両コイル５１、５２の互いの距離Ａ’’を１ｍｍとした。測定は、一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間の中央、すなわち中心軸（ｚ軸）の座標値が０の箇所で行った。

一の送電側共振器２と他の送電側共振器３の間において、受電側共振器５の両側に、図１９に示すように、誘電体７として水が入ったプラスチック容器７Ａ、７Ｂが配置されたときの伝送効率Ｓ２１の周波数依存性を図２０の曲線ｏに示す。曲線ｐは、そのプラスチック容器７Ａ、７Ｂが配置されないときの伝送効率Ｓ２１の周波数依存性を示している。曲線ｏと曲線ｐはほぼ重なっており、伝送効率Ｓ２１について誘電体７の影響はほとんどないことが分かる。

このように、本願発明者が行った上記のシミュレーションと上記の実際のサンプルを用いた実験により、結合共振器型の無線電力伝送システム１によれば、受電側共振器５と一の送電側共振器２の間或いは受電側共振器５と他の送電側共振器３の間に誘電体が存在しても、その誘電体の影響が少なく、伝送効率の低下の抑制が可能になることが分かる。

以上、本発明の実施形態に係る無線電力伝送システム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。例えば、結合共振器型の無線電力伝送システム１は、構成を簡略化する場合は、図２１に示すように、他の送電側共振器３を省略した結合共振器型の無線電力伝送システム１’に変形することも可能である。この場合、磁界は図８（ｂ）に示した磁界分布Ｈ２のように変化が比較的大きいものとなるが、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の外方の電界強度は小さくなるので、一の送電側共振器２の両コイル２１、２２の外方に配置された受電側共振器５に電力を伝送するとき、受電側共振器５と一の送電側共振器２の間に誘電体が存在してもその影響が少なく、一の送電側共振器２の共振周波数がシフトして一の送電側共振器２から受電側共振器５への電力の伝送効率が低下すること、を抑制することができる。

また、上記の結合共振器型の無線電力伝送システム１は、受電側共振器５とともに或いはそれにかえて他の構成のいろいろな受電側共振器（例えば、ソレノイド型コイル共振器など）を使用することも可能である。

また、受電側共振器５は、他の結合共振器型の無線電力伝送システムにも使用可能である。この場合、受電側共振器５の周囲に誘電体が存在したとしても、上記と同様な効果が期待できる。

１結合共振器型の無線電力伝送システム
２一の送電側共振器
２１送電側共振器２を構成する第１のコイル
２１ａ、２１ｂ第１のコイルの両端
２２送電側共振器２を構成する第２のコイル
２２ａ、２２ｂ第１のコイルの両端
２３送電側共振器２を構成するコンデンサ
３他の送電側共振器
３１送電側共振器３を構成する第１のコイル
３２送電側共振器３を構成する第２のコイル
３３送電側共振器３を構成するコンデンサ
４制御器
５受電側共振器
５１受電側共振器５を構成する第１のコイル
５２受電側共振器５を構成する第２のコイル
５３受電側共振器５を構成するコンデンサ
６負荷回路

Claims

第１のコイル及び第２のコイルと、コンデンサと、を有して構成され、該第１のコイル及び該第２のコイルは、スパイラルコイルであって、それらの間が容量結合によって電界強度が大きく、それらの外方の電界強度が小さくなるように、近接して配置され、該第１のコイルの両端のうちの一つと該第２のコイルの両端のうちの一つが該コンデンサを介して、該第１のコイルの両端のうちの他の一つと該第２のコイルの両端のうちの他の一つがコンデンサを介さずに、それぞれ接続され、但し、該第１のコイルの内端と該第２のコイルの内端がコンデンサを介さずに接続されるものを除いた、少なくとも１個の送電側共振器と、
該少なくとも１個の送電側共振器の内の一の送電側共振器の励振を制御する制御器と、
前記一の送電側共振器の前記両コイルの外方に配置されて、前記一の送電側共振器から伝送される電力を受電する受電側共振器と、
を備えることを特徴とする結合共振器型の無線電力伝送システム。