JP7617809B2

JP7617809B2 - 電界型無線電力伝送結合器及び電界型無線電力伝送システム

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Publication number: JP7617809B2
Application number: JP2021078295A
Authority: JP
Inventors: 大輝小原
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2025-01-20
Anticipated expiration: 2041-05-06
Also published as: JP2022172504A

Description

本発明は、電界型無線電力伝送結合器及び電界型無線電力伝送システムに関する。

従来、携帯電話や電気自動車等の普及に伴い、無線で電力を供給する、電界型無線電力伝送システムの開発が積極的になされている。送電側の電極と受電側の電極とからなるカプラにて電界を通して無線で電力伝送する技術が提案されるに至っている。この種の技術が記載されるものとして特許文献１がある。

：特許第５５９０２３７号公報

負荷インピーダンスが、例えば消費電力の変化に伴って、変化した場合に、電源出力におけるリアクタンス成分が生じる。インピーダンスの不整合が生じ、電源から見ると力率が悪い負荷が接続されることになり、多くの配電が必要となる或いは伝送効率が低下するという問題が生じていた。

本発明は、負荷のインピーダンスが変化しても伝送効率の低下が抑えられる電界型無線電力伝送結合器及び電界型無線電力伝送システムを提供することを目的とする。

本発明にかかる電界型無線電力伝送結合器は、第１の送電側伝送線、第２の送電側伝送線、第１の受電側伝送線及び第２の受電側伝送線と、第１の送電側伝送線と第２の送電側伝送線とを結ぶ送電側コンデンサと、第１の受電側伝送線と第２の受電側伝送線とを結ぶ受電側コンデンサと、第１の送電側電極、第２の送電側電極、第１の受電側電極及び第２の受電側電極を有し、第１の送電側電極と第２の送電側電極との間に電界の形成に伴う送電側の浮遊容量を形成するとともに、第１の受電側電極と第２の受電側電極との間に電界の形成に伴う受電側の浮遊容量を形成し、第１の送電側電極と第１の受電側電極とで容量を形成する第１のカップリング部を有し、第２の送電側電極と第２の受電側電極とで容量を形成する第２のカップリング部を有するカプラと、を備え、第１のカップリング部の容量値と第２のカップリング部の容量値とに基づいて算出される代表値と、送電側コンデンサの容量値と送電側の浮遊容量の容量値との和と、受電側コンデンサの容量値と受電側の浮遊容量の容量値との和と、の内の何れか１つを基準値として、他の２つの値と基準値との差が基準値の±１０％以内に収まるように構成される。

本発明によれば、負荷のインピーダンスが変化しても伝送効率の低下が抑えられた電界型無線電力伝送結合器及び電界型無線電力伝送システムを提供できる。

本発明の一実施形態にかかる電界型無線電力伝送結合器及び電界型無線電力伝送システム回路構成の模式図である。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：５０オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）と同一）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：２５オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）と同一）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：１００オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）と同一）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：１００オーム、電源インピーダンス：１０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）と同一）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：５０オーム、電源インピーダンス：１０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）と同一）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：２５オーム、電源インピーダンス：１０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）と同一）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：５０オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より５％大きい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：２５オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より５％大きい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。スミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：１００オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より５％大きい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：５０オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より５％小さい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：２５オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より５％小さい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：１００オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より５％小さい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：５０オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より１０％大きい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：２５オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より１０％大きい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。スミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：１００オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より１０％大きい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：５０オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より１０％小さい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：２５オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より１０％小さい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：１００オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より１０％小さい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：５０オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より２０％大きい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：２５オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より２０％大きい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。スミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：１００オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より２０％大きい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：５０オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より２０％小さい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：２５オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より２０％小さい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。本発明の一実施形態（負荷インピーダンス：１００オーム、電源インピーダンス：５０オーム、送電側コンデンサ及び受電側コンデンサの容量がカップリング部の容量（基準値）より２０％小さい）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。比較例１（負荷インピーダンス：５０オーム、電源インピーダンス：５０オーム）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。比較例２（負荷インピーダンス：２５オーム、電源インピーダンス：５０オーム）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。比較例３（負荷インピーダンス：１００オーム、電源インピーダンス：５０オーム）にかかる電界型無線電力伝送システムの伝送状態を示すスミスチャートである。

以下、本発明の実施の形態にかかる電界型無線電力伝送結合器及び電界型無線電力伝送システムについて図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同一構成要素には同一符号を付す。

以下、実施の形態に係る電界型無線電力伝送結合器３及び電界型無線電力伝送システムＳを図１から図２８を参照して説明する。

図１に示すように、本本発明の一実施形態にかかる電界型無線電力伝送システムＳは、無線送電装置１と無線受電装置２とを有する。無線送電装置１は、送電側カプラ本体部３０１と送電側リアクタンス調整回路３１と電源４とを有する。無線受電装置２は、受電側カプラ本体部３０２と受電側リアクタンス調整回路３２と負荷５とを有する。

送電側カプラ本体部３０１は第１の送電側電極１１と第２の送電側電極１２とを有する。受電側カプラ本体部３０２は第１の受電側電極２１と第２の受電側電極２２とを有する。送電側カプラ本体部３０１と受電側カプラ本体部３０２とによりカプラ３００が構成される。

第１の送電側電極１１と第１の受電側電極２１とが容量を形成して第１のカップリング部Ｃｍ１を構成し、第２の送電側電極１２と第２の受電側電極２２とが容量を形成して第２のカップリング部Ｃｍ２を構成する

第１の送電側電極１１と第２の送電側電極１２との間に電界の形成に伴う送電側の浮遊容量Ｃ１１が形成されるとともに、第１の受電側電極２１と第２の受電側電極２２との間に電界の形成に伴う受電側の浮遊容量Ｃ２１が形成される。

電界型無線電力伝送結合器３は、第１の送電側伝送線１０１、第２の送電側伝送線１０２、第１の受電側伝送線２０１及び第２の受電側伝送線２０２と、カプラ３００と、第１の送電側伝送線１０１と第２の送電側伝送線１０２とを結ぶ送電側コンデンサＣ１２と、第１の受電側伝送線２０１と第２の受電側伝送線２０２とを結ぶ受電側コンデンサＣ２２とを有する。

第１の送電側電極１１、第２の送電側電極１２、第１の受電側電極２１、第２の受電側電極２２は、平板電極であることが好ましいが、これに限られない。

第１の送電側電極１１は第１の送電側伝送線１０１及び第１の送電側コイルＬ１１をこの順に介して電源４の第１の出力端４０１に接続される。第２の送電側電極１２は第２の送電側伝送線１０２及び第２の送電側コイルＬ１２をこの順に介して電源４の第２の出力端４０２に接続される。第１の送電側伝送線１０１と第２の送電側伝送線１０２とは、送電側コンデンサＣ１２を介して接続されている。第１の送電側コイルＬ１１、第２の送電側コイルＬ１２、送電側コンデンサＣ１２によって送電側リアクタンス調整回路３１が形成されている。

第１の受電側電極２１は第１の受電側伝送線２０１及び第１の受電側コイルＬ２１をこの順に介して負荷５の第１の入力端５０１に接続される。第２の受電側電極２２は第２の受電側伝送線２０２及び第２の受電側コイルＬ２２をこの順に介して負荷５における第２の入力端５０２に接続される。第１の受電側伝送線２０１と第２の受電側伝送線２０２とは、受電側コンデンサＣ２２を介して接続されている。第１の受電側コイルＬ２１、第２の受電側コイルＬ２２、受電側コンデンサＣ２２によって受電側リアクタンス調整回路３２が形成されている。

上記のように、コイルとコンデンサとが設けられる容量結合型の無線電力伝送方式は、電界方式と称されるものである。

図１に示す電源４からは交流が送電される。プラスの電圧が送出されて、第１の送電側電極１１に電源からプラス電荷が蓄積されると、第１のカップリング部Ｃｍ１を介して、第１の受電側電極２１にマイナス電荷が誘起される。そして、マイナス電圧が受電側に伝達される。マイナスの電圧が送出されて、第１の送電側電極１１に電源からマイナス電荷が蓄積されると、第１のカップリング部Ｃｍ１を介して、第１の受電側電極２１にプラス電荷が誘起される。そして、プラス電圧が受電側に伝達される。そして、交流電力が受電側に伝達される。第２の送電側電極１２と第２の受電側電極２２との間においても同様に交流電力が伝達される。以上のように、送電側からの電力は、第１のカップリング部Ｃｍ１及び第２のカップリング部Ｃｍ２を通して、受電側装置に伝達される。そして、第２の負荷５２に電力が供給される。

負荷５とは、例えば蓄電池であり、産業機器や携帯電子機器等に採用されている。産業機器としては、電気自動車、携帯電子機器としては、ラップトップパソコン、スマートフォン、携帯音楽プレーヤ等が挙げられる。

送電側の浮遊容量Ｃ１１の容量値をｃ１１、送電側コンデンサＣ１２の容量値をｃ１２、第１のカップリング部Ｃｍ１の容量値をｃｍ１、第２のカップリング部Ｃｍ２の容量値をｃｍ２、受電側の浮遊容量Ｃ２１の容量値をｃ２１、受電側コンデンサＣ２２の容量値をｃ２２とする。

本発明の第１の実施の形態にかかる電界型無線電力伝送結合器３及び電界型無線電力伝送システムＳにおいて、式（１）が満たされる。但し、後述するように、完全に等号が満たされる必要はない。
ｃ１１＋ｃ１２＝（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２＝ｃ２１＋ｃ２２（式１）

また、電界型無線電力伝送結合器３及び電界型無線電力伝送システムＳにおいて、式（２）が満たされることが好ましい。但し、後述するように、完全に等号が満たされる必要はない。
ｃｍ１＝ｃｍ２（式２）
この場合には、電界型無線電力伝送結合器３及び電界型無線電力伝送システムＳにおいて、式（３）が満たされる。但し、後述するように、完全に等号が満たされる必要はない。
ｃ１１＋ｃ１２＝ｃｍ１＝ｃｍ２＝ｃ２１＋ｃ２２（式３）

送電側リアクタンス調整回路３１が有する第１の送電側コイルＬ１１及び第２の送電側コイルＬ１２のインダクタンスが最適化され、且つ、受電側リアクタンス調整回路３２が有する第１の受電側コイルＬ２１及び第２の受電側コイルＬ２２のインダクタンスが最適化される。そして、電界型無線電力伝送システムＳにおいて、電源４のインピーダンスと電源４から見た電界型無線電力伝送システムＳのインピーダンスとが一致する。

図２から７は、式１、式２、式３が厳密に満たされる場合における電力伝送の様子をスミスチャートにて示す。

図２から４は、負荷５の初期のインピーダンスが５０オーム、電源４のインピーダンスが５０オームの場合におけるインピーダンスの様子を示す。

図２は、負荷５のインピーダンスが５０オーム、電源のインピーダンスが５０オームの場合におけるインピーダンスの様子を示している。図２中のプロット点は、図１中の負荷５の第１の入力端５０１、ａからｄの場所、及び電源４の第１の出力端４０１におけるインピーダンスの状態を示している。ａは第１の受電側コイルＬ２１の電源側、ｂは第１の受電側電極２１の負荷５側、ｃは第１の送電側電極１１の電源側、ｄは第１の送電側コイルＬ１１の負荷５側をそれぞれ表す。

負荷５の第１の入力端５０１においては、負荷インピーダンスが５０オームのため、スミスチャートの中央に状態がプロットされる。第１の受電側コイルＬ２１によりリアクタンスが生じ、図１のａ点においては、図２に示すようにスミスチャート上で大きく右下に移動する（ａ点）。更に、受電側コンデンサＣ２２及び受電側の浮遊容量Ｃ２１の影響で、右上に移動する（ｂ点）。次に、第１のカップリング部Ｃｍ１の影響で上方に移動し（ｃ点）、送電側の浮遊容量Ｃ１１及び送電側コンデンサＣ１２の影響で左上に移動し（ｄ）、第１の送電側コイルＬ１１の影響で、電源のインピーダンスが５０オームに合致するように移動する。

即ち、電源のインピーダンスと電源から見た電界型無線電力伝送システムのインピーダンスが一致して５０オームである。

伝送効率は、電源４の第１の出力端４０１における出力の力率で見積もることが出来る。力率は伝送される電力における電圧と電流との位相差θの余弦（ｃｏｓθ）である。力率が１の場合に有効に使える電力が最大となる。力率が小さい場合には、同じ電力を供給しようとすると電圧を上げざるを得なくなり、伝送効率が下がる。以下、力率を適宜用いて効率を論じる。

図２に示されるように、電源４の第１の出力端４０１において虚部はなく、力率は１であり、最大効率が実現される。

図３に負荷５のインピーダンスが２５オームに低減した場合の影響を示す。負荷５が２５オームのため、スミスチャートの０．５の位置に負荷５はプロットされる。負荷５が低減されたにも関わらず電源４の第１の出力端４０１におけるプロット点は、スミスチャートの横軸線上に位置する。即ち、電源４の第１の出力端４０１において、リアクタンス或いは虚部が生じていない。図３に示されるように、電源４の第１の出力端４０１において力率は１であり、最大効率が実現される。

図４に負荷５のインピーダンスが１００オームに増加した場合の影響を示す。負荷５が１００オームのため、スミスチャートの２の位置に負荷５の第１の入力端５０１のインピーダンスはプロットされる。負荷５が低減されたにも関わらず電源４の第１の出力端４０１におけるプロット点は、スミスチャートの横軸線上に位置する。即ち、電源４の第１の出力端４０１において、リアクタンス或いは虚部が生じていない。図４に示されるように、電源４の第１の出力端４０１において力率は１であり、最大効率が実現される。

図５から７に、負荷５の初期のインピーダンスが１００オーム、電源のインピーダンスが１０オームの場合について、負荷５のインピーダンスが１００オームから５０オーム、２５オームと変化した場合のインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。

図５は、負荷５のインピーダンスが１００オーム、電源のインピーダンスが１０オームの場合におけるインピーダンスの様子を示している。図５中のプロット点は、図１中の負荷５の第１の入力端５０１、ａからｄの場所、及び電源４の第１の出力端４０１におけるインピーダンスを示している。ａは第１の受電側コイルＬ２１の電源側、ｂは第１の受電側電極２１の負荷５側、ｃは第１の送電側電極１１の電源側、ｄは第１の送電側コイルＬ１１の負荷５側をそれぞれ表す。

負荷５の第１の入力端５０１においては、負荷インピーダンスが１００オームのため、スミスチャートの２（即ち５０オームの２倍）に状態がプロットされる。第１の受電側コイルＬ２１によりリアクタンスが生じ、図５のａ点においては、図５に示すようにスミスチャート上で右上に移動する（ａ点）。更に、受電側コンデンサＣ２２及び受電側の浮遊容量Ｃ２１の影響で、下方に移動する（ｂ点）。次に、第１のカップリング部Ｃｍ１の影響で右方に移動し（ｃ点）、送電側の浮遊容量Ｃ１１及び送電側コンデンサＣ１２の影響で左下に移動し（ｄ）、第１の送電側コイルＬ１１のインダクタンスを調整してあることから、電源４のインピーダンスが１０オームに合致するように移動する。

即ち、電源４のインピーダンスと電源４から見た電界型無線電力伝送システムＳのインピーダンスが一致して１０オームである。図５に示されるように、電源４の第１の出力端４０１において虚部はなく、力率は１であり、最大効率が実現される。

図６に負荷５のインピーダンスが５０オームに低減した場合の影響を示す。負荷５のインピーダンスが５０オームのため、スミスチャートの１の位置に負荷５の第１の入力端５０１のインピーダンスはプロットされる。負荷５のインピーダンスが低減されたにも関わらず電源４の第１の出力端４０１におけるインピーダンスのプロット点は、スミスチャートの横軸線上に位置する。即ち、電源４の第１の出力端４０１において、リアクタンス或いは虚部が生じていない。図６に示されるように、電源４の第１の出力端４０１において、力率は１であり、最大効率が実現される。

図７に負荷５のインピーダンスが２５オームに更に低減した場合の影響を示す。負荷５のインピーダンスが２５オームのため、スミスチャートの０．５の位置に負荷５の第１の入力端５０１におけるインピーダンスはプロットされる。負荷５のインピーダンスが低減されたにも関わらず電源４の第１の出力端４０１におけるインピーダンスのプロット点は、スミスチャートの横軸線上に位置する。即ち、電源４の第１の出力端４０１において、リアクタンス或いは虚部が生じていない。図７に示されるように、電源４の第１の出力端４０１において、力率は１であり、最大効率が実現される。

式（１）（２）（３）において、単純に等号で結んでいるが、完全に一致する必要はなく、±１０％以内の差であることが好ましい。一般的に力率には０．９以上であることが求められるが、この条件が満たされる。図８から図２５を用いて説明する。

式１が再掲される。
ｃ１１＋ｃ１２＝（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２＝ｃ２１＋ｃ２２（式１）
ｃ１１、ｃ１２、ｃ２１、ｃ２２、ｃｍ１、ｃｍ２の値が変動し、式１の等号が完全には成り立たない場合について検証する。ｃ１１＋ｃ１２＝ｃ２１＋ｃ２２とし、ｃ１１＋ｃ１２の値を（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２の値に比べて５％から２０％変動させる。

この変動は、式１が満たされるようにシステムが構築されている場合に、例えば、製造工程でのバラツキ、或いは、製造業者間でのバラツキ、或いは、標準条件としての逸脱許容範囲などに相当する。

図８は、負荷５のインピーダンスが５０オーム、電源インピーダンスが５０オーム、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２より５％大きい場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図９は、図８の条件のうち負荷５のインピーダンスが２５オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図１０は、図８の条件のうち負荷５のインピーダンスが１００オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。

負荷５のインピーダンスが５０オームの場合には、図８に示すように、力率は０．９９９８である。負荷５のインピーダンスが２５オームの場合には、図９に示すように力率は０．９８６５である。負荷５のインピーダンスが１００オームの場合には、図１０に示すように力率は０．９７７である。

図１１は、負荷５のインピーダンスが５０オーム、電源インピーダンスが５０オーム、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２より５％小さい場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図１２は、図１１の条件のうち負荷５のインピーダンスが２５オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図１３は、図１１の条件のうち負荷５のインピーダンスが１００オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。

負荷５のインピーダンスが５０オームの場合には、図１１に示すように、力率は０．９９９９である。負荷５のインピーダンスが２５オームの場合には、図１２に示すように力率は０．９８０２である。負荷５のインピーダンスが１００オームの場合には、図１３に示すように力率は０．９８７４である。

図１４は、負荷５のインピーダンスが５０オーム、電源インピーダンスが５０オーム、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２より１０％大きい場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図１５は、図１４の条件のうち負荷５のインピーダンスが２５オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図１６は、図１４の条件のうち負荷５のインピーダンスが１００オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。

負荷５のインピーダンスが５０オームの場合には、図１４に示すように、力率は０．９９５７である。負荷５のインピーダンスが２５オームの場合には、図１５に示すように力率は０．９６４５である。負荷５のインピーダンスが１００オームの場合には、図１６に示すように力率は０．８９２５である。

図１７は、負荷５のインピーダンスが５０オーム、電源インピーダンスが５０オーム、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２より１０％小さい場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図１８は、図１７の条件のうち負荷５のインピーダンスが２５オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図１９は、図１７の条件のうち負荷５のインピーダンスが１００オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。

負荷５のインピーダンスが５０オームの場合には、図１７に示すように、力率は０．９９８３である。負荷５のインピーダンスが２５オームの場合には、図１８に示すように力率は０．９２２３である。負荷５のインピーダンスが１００オームの場合には、図１９に示すように力率は０．９６５０である。

図２０は、負荷５のインピーダンスが５０オーム、電源インピーダンスが５０オーム、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２より２０％大きい場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図２１は、図２０の条件のうち負荷５のインピーダンスが２５オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図２２は、図２０の条件のうち負荷５のインピーダンスが１００オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。

負荷５のインピーダンスが５０オームの場合には、図２０に示すように、力率は０．９１２７である。負荷５のインピーダンスが２５オームの場合には、図２１に示すように力率は０．９７８１である。負荷５のインピーダンスが１００オームの場合には、図２２に示すように力率は０．６００２である。

図２３は、負荷５のインピーダンスが５０オーム、電源インピーダンスが５０オーム、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２より２０％小さい場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図２４は、図２３の条件のうち負荷５のインピーダンスが２５オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図２５は、図２３の条件のうち負荷５のインピーダンスが１００オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。

負荷５のインピーダンスが５０オームの場合には、図２３に示すように、力率は０．９８４３である。負荷５のインピーダンスが２５オームの場合には、図２４に示すように力率は０．７７０４である。負荷５のインピーダンスが１００オームの場合には、図２５に示すように力率は０．９３２６である。

一般的に力率として０．９以上が要求される。上記の例においては、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２に比して２０％の差異があり、且つ、負荷５のインピーダンスが２５オーム或いは１００オームと変動した場合において、少なくとも、力率が０．９を切る組み合わせ条件が含まれる。このことから、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２に比して±１０％以内であることが好ましく、式１の等号は、±１０％以内であることを意味していると言える。

（比較例）
比較例を図２６から図２８に示す。式（１）が満たされず、容量値が３０％程度等号から外れる場合について示す。

負荷５の初期のインピーダンスは５０オーム、電源のインピーダンスは５０オームである。電源４のインピーダンスと電源４から見た電界型無線電力伝送システムＳのインピーダンスが一致して５０オームとなるように、送電側リアクタンス調整回路３１及び受電側リアクタンス調整回路３２は調整されてなる。

ところで、本発明の実施の形態における図８、図１１、図１４、図１７、図２０、図２３に示す伝送状態においては、負荷５のインピーダンスが５０オームであるにも拘らず力率は１には近いものの１ではない。最適された状態から意図的に条件が外された状態であるため、このような現象が生じる。比較例では、負荷５のインピーダンスが５０オームである場合において最適化されており、力率は１であることに留意することが必要である。

比較例において、負荷５のインピーダンスが初期の５０オームから、２５オーム或いは１００オームに変動する場合について、インピーダンスの様子がスミスチャートにて示される。

図２６は、負荷５のインピーダンスが５０オームの場合におけるインピーダンスの様子を示している。図２６中のプロット点は、図１中の負荷５の第１の入力端５０１、ａからｄの場所、及び電源４の第１の出力端４０１におけるインピーダンスを示している。ａは第１の受電側コイルＬ２１の電源側、ｂは第１の受電側電極２１の負荷５側、ｃは第１の送電側電極１１の電源側、ｄは第１の送電側コイルＬ１１の負荷５側をそれぞれ表す。

負荷５の第１の入力端５０１においては、負荷インピーダンスが５０オームのため、スミスチャートの１にインピーダンスがプロットされる。第１の受電側コイルＬ２１によりリアクタンスが生じ、図５のａ点においては、図２６に示すようにスミスチャート上で右下に移動する（ａ点）。更に、受電側コンデンサＣ２２及び受電側の浮遊容量Ｃ２１の影響で、右上に移動する（ｂ点）。次に、第１のカップリング部Ｃｍ１の影響で上方に移動し（ｃ点）、送電側の浮遊容量Ｃ１１及び送電側コンデンサＣ１２の影響で左上に移動し（ｄ）、第１の送電側コイルＬ１１のインダクタンスを調整してあることから、電源のインピーダンスである５０オームに合致するように移動する。

図５に示したプロットと図２６に示したプロットとを比べると大きな違いはない。何れの場合にも電源４の第１の出力端４０１でインピーダンスが一致するように、図１に示す送電側リアクタンス調整回路３１及び受電側リアクタンス調整回路３２を調整したからである。

図２７に負荷５のインピーダンスが２５オームに低減した場合の影響を示す。負荷５のインピーダンスが２５オームのため、スミスチャートの０．５の位置に負荷５のインピーダンスはプロットされる。第１の受電側コイルＬ２１によりリアクタンスが生じ、図２７のａ点においては、図２７に示すようにスミスチャート上で右上に移動する（ａ点）。更に、受電側コンデンサＣ２２及び受電側の浮遊容量Ｃ２１の影響で、右下に移動する（ｂ点）。次に、第１のカップリング部Ｃｍ１の影響で左下方向に移動し（ｃ点）、送電側の浮遊容量Ｃ１１及び送電側コンデンサＣ１２の影響で左下に移動し（ｄ）、第１の送電側コイルＬ１１の影響で、左上に移動する。

図６とは異なり、電源４の第１の出力端４０１におけるインピーダンスのプロット点は、スミスチャートの横軸線から大きく外れた上方に位置する。即ち、電源４の第１の出力端４０１において、リアクタンス或いは虚部が生じる。即ち、力率の悪化が生じる。力率は０．８２２６である。

図２８に負荷５のインピーダンスが１００オームに増加した場合の影響を示す。負荷５が１００オームのため、スミスチャートの２の位置に負荷５のインピーダンスはプロットされる。第１の受電側コイルＬ２１によりリアクタンスが生じ、図２８のａ点においては、スミスチャート上で右上に移動する（ａ点）。更に、受電側コンデンサＣ２２及び受電側の浮遊容量Ｃ２１の影響で、右下に移動する（ｂ点）。次に、第１のカップリング部Ｃｍ１の影響で右下方向に移動し（ｃ点）、送電側の浮遊容量Ｃ１１及び送電側コンデンサＣ１２の影響で左下に移動し（ｄ）、第１の送電側コイルＬ１１の影響で、左方向に移動する。

図７とは異なり、電源４の第１の出力端４０１におけるインピーダンスのプロット点は、スミスチャートの横軸線から大きく外れた下方に位置する。即ち、電源４の第１の出力端４０１において、リアクタンス或いは虚部が生じる。即ち、力率の悪化が生じる。力率は０．８２２６である。

図２６、図２７及び図２８の結果をまとめる。負荷インピーダンス５が５０オームの場合に対して、第１の出力のインピーダンスが５０オームとなるように、即ち力率が１となるように、第１の送電側コイルＬ１１、第２の送電側コイルＬ１２等を調整してなる。しかしながら、この調整にもかかわらず、負荷インピーダンス５が２５オームと減った場合にも１００オームと増えた場合にも力率は０．９を切り、伝送効率の低下は問題となるレベルである。

以上説明したように、電界型無線電力伝送システムが式（１）を満たしてなることにより、負荷インピーダンスの変動に対して、力率の悪化が抑えられる。そして、これにより、負荷５のインピーダンスが変動した場合にあっても、高い伝送効率が維持される。

送電側の浮遊容量Ｃ１１及び受電側の浮遊容量Ｃ２１は系によっては第１のカップリング部Ｃｍ１或いは第２のカップリング部Ｃｍ２に比して１／１０以下のように小さい場合がある。このような場合には、式（１）において、送電側の浮遊容量Ｃ１１の容量値ｃ１１及び受電側の浮遊容量Ｃ２１の容量値ｃ２１を無視することが出来る。

以上説明した実施形態にかかる電界型無線電力伝送結合器によれば以下のような効果を奏する。

電界型無線電力伝送結合器３は、第１の送電側伝送線１０１、第２の送電側伝送線１０２、第１の受電側伝送線２０１及び第２の受電側伝送線２０２と、第１の送電側伝送線１０１と第２の送電側伝送線１０２とを結ぶ送電側コンデンサＣ１２と、第１の受電側伝送線２０１と第２の受電側伝送線２０２とを結ぶ受電側コンデンサＣ２２と、第１の送電側電極１１、第２の送電側電極１２、第１の受電側電極２１及び第２の受電側電極２２を有し、第１の送電側電極１１と第２の送電側電極１２との間に電界の形成に伴う送電側の浮遊容量Ｃ１１を形成するとともに、第１の受電側電極２１と第２の受電側電極２２との間に電界の形成に伴う受電側の浮遊容量Ｃ２１を形成し、第１の送電側電極１１と第１の受電側電極２１とで容量を形成する第１のカップリング部Ｃｍ１を有し、第２の送電側電極１２と第２の受電側電極２２とで容量を形成する第２のカップリング部Ｃｍ２を有するカプラ３と、を備え、第１のカップリング部Ｃｍ１の容量値と第２のカップリング部Ｃｍ２の容量値とに基づいて算出される第１のカップリング部Ｃｍ１と第２のカップリング部Ｃｍ２の大きさを示す代表値と、送電側コンデンサＣ１２の容量値と送電側の浮遊容量Ｃ１１の容量値との和と、受電側コンデンサＣ２２の容量値と受電側の浮遊容量Ｃ２１の容量値との和と、の内の何れか１つを基準値として、他の２つの値と基準値との差が基準値の１０％以内に収まるように構成される。

負荷５のインピーダンスが変動した場合にあっても、高い伝送効率が維持される。

電界型無線電力伝送結合器３にあって、第１のカップリング部Ｃｍ１の容量値と第２のカップリング部Ｃｍ２の容量値とに基づいて算出される代表値と、送電側コンデンサＣ１２の容量値と送電側の浮遊容量Ｃ１１の容量値との和と、受電側コンデンサＣ２２の容量値と受電側の浮遊容量Ｃ２１の容量値との和と、が等しいように構成される。

負荷５のインピーダンスが変動した場合にあっても、伝送効率の低下がより確実に抑えられる。

電界型無線電力伝送結合器３にあって、第１のカップリング部Ｃｍ１の容量値と第２のカップリング部Ｃｍ２の容量値とに基づいて算出される代表値は、第１のカップリング部Ｃｍ１の容量値と第２のカップリング部Ｃｍ２の容量値との平均値である。

第１のカップリング部Ｃｍ１を構成する第１の送電側電極１１と第１の受電側電極との間の距離、及び、第２のカップリング部Ｃｍ２を構成する第２の送電側電極１２と第２の受電側電極２２との間の距離が変動する場合において、伝送効率の低下が抑えられる。

電界型無線電力伝送結合器３にあって、第１のカップリング部Ｃｍ１の容量値と第２のカップリング部Ｃｍ２の容量値とが等しい。

第１のカップリング部Ｃｍ１と第２のカップリング部Ｃｍ２とが同一の構造体により構成される。部品の共通化を図ることが出来る。電界型無線電力伝送結合器３の構成が対称となるため、インピーダンスの整合を取りやすくなる。

電界型無線電力伝送システムＳが上記の電界型無線電力伝送結合器３を具備してなる。

本開示は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。即ち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１無線送電装置、２無線受電装置、３電界型無線電力伝送結合器、４電源、５負荷、１１第１の送電側電極、１２第２の送電側電極、２１第１の受電側電極、２２第２の受電側電極、１０１第１の送電側伝送線、１０２第２の送電側伝送線、２０１第１の受電側伝送線、２０２第２の受電側伝送線、Ｃ１１送電側の浮遊容量、３００カプラ、Ｃ１２送電側コンデンサ、Ｃ２１受電側の浮遊容量、Ｃ２２受電側コンデンサ、Ｃｍ１第１のカップリング部、Ｃｍ２第２のカップリング部、Ｓ電界型無線電力伝送システム

Claims

第１の送電側伝送線、第２の送電側伝送線、第１の受電側伝送線及び第２の受電側伝送線と、
前記第１の送電側伝送線と前記第２の送電側伝送線とを結ぶ送電側コンデンサと、
前記第１の受電側伝送線と前記第２の受電側伝送線とを結ぶ受電側コンデンサと、
第１の送電側電極、第２の送電側電極、第１の受電側電極及び第２の受電側電極を有し、前記第１の送電側電極と第２の送電側電極との間に電界の形成に伴う送電側の浮遊容量を形成するとともに、第１の受電側電極と第２の受電側電極との間に電界の形成に伴う受電側の浮遊容量を形成し、第１の送電側電極と第１の受電側電極とで容量を形成する第１のカップリング部を有し、第２の送電側電極と第２の受電側電極とで容量を形成する第２のカップリング部を有するカプラと、
を備え、
前記第１のカップリング部の容量値と前記第２のカップリング部の容量値とに基づいて算出されるカップリング部の容量値の大きさを示す代表値と、
前記送電側コンデンサの容量値と前記送電側の浮遊容量の容量値との和と、
前記受電側コンデンサの容量値と前記受電側の浮遊容量の容量値との和と、
の内の何れか１つを基準値として、他の２つの値と基準値との差が基準値の１０％以内に収まるように構成される電界型無線電力伝送結合器。
前記代表値と、
前記送電側コンデンサの容量値と前記送電側の浮遊容量の容量値との和と、
前記受電側コンデンサの容量値と前記受電側の浮遊容量の容量値との和と、
が等しいように構成される請求項１に記載の電界型無線電力伝送結合器。
前記代表値が前記第１のカップリング部の容量値と前記第２のカップリング部の容量値との代表値である請求項１又は請求項２に記載の電界型無線電力伝送結合器。
前記第１のカップリング部の前記容量値と前記第２のカップリング部の前記容量値とが等しい請求項１から３の何れか１項に記載の電界型無線電力伝送結合器。
請求項１から４の何れか１項に記載の電界型無線電力伝送結合器を備える電界型無線電力伝送システム。