WO2014069093A1 - 無線電力伝送による多重化伝送システム及び送信側多重化伝送装置 - Google Patents

Abstract

　単一周波数の電力を供給する一次送信電源１と、一次送信電源１からの電力を無線伝送する複数系統の送信アンテナ５、及び、対となる送信アンテナ５からの電力を受信する複数系統の受信アンテナ６からなる送受信部３と、対となる送信アンテナ５の共振条件を成立させる複数系統の送信電源回路２と、対となる受信アンテナ６の共振条件を成立させる複数系統の受信電源回路４とを備え、各送信電源回路２は、隣接する系統間の送信アンテナ５への各電力に対し、電圧又は電流の位相をずらして、波が重なる期間がない半波共振波形を出力する。

Description

無線電力伝送による多重化伝送システム及び送信側多重化伝送装置

　この発明は、非接触で電力を多重化して伝送する無線電力伝送による多重化伝送システム及び送信側多重化伝送装置に関するものである。

　従来から、無線電力伝送装置において、共振磁界の位相差を９０度以上１８０度以下の範囲でずらして伝送する複数の電力伝送部を備えることで、昇圧しながら電力伝送を可能とする構成が知られている（例えば特許文献１参照）。

国際公開ＷＯ２０１２／０４６４５３号

　しかしながら、特許文献１の装置では、電圧の昇圧化を目的としており、多重化伝送による問題が考慮されていない。すなわち、この装置では、各系統のアンテナ間において共有磁束が発生するため、複数のアンテナ間で相互干渉を引き起こすという課題がある。また、共振磁界の位相差が１８０度に近づくに従い、アンテナ間の磁束方向が反転して打ち消しあうため、電力伝送できるエネルギー量が小さくなるという課題もある。
　そのため、従来の装置において多重化伝送を行う場合には、各系統のアンテナ間の距離を近づけることが困難である。そして、アンテナ間の相互干渉の影響を小さくするためには、各系統を伝送距離以上離して設置するか、各系統の磁束を分離するための磁気シールド対策を行う必要がある。よって、無線電力伝送システムとして小型化できない、また、磁気シールド対策などのコストがかかるという課題があった。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、小型かつ安価な構成で、非接触で電力を多重化して伝送することができる無線電力伝送による多重化伝送システム及び送信側多重化伝送装置を提供することを目的としている。

　この発明に係る無線電力伝送による多重化伝送システムは、単一周波数の電力を供給する一次送信電源と、一次送信電源からの電力を無線伝送する複数系統の送信アンテナ、及び、対となる送信アンテナからの電力を受信する複数系統の受信アンテナからなる送受信部と、対となる送信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の送信電源回路と、対となる受信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の受信電源回路とを備え、各送信電源回路は、隣接する系統間の送信アンテナへの各電力に対し、電圧又は電流の位相をずらして、波が重なる期間がない半波共振波形を出力するものである。

　この発明によれば、上記のように構成したので、固定した一つの送信周波数により高効率な多重化電力伝送を可能となり、電波法の規制を満足した設計を行うことが容易に可能となる。その結果、送信電力の大電力化や電磁シールド構造の簡易化などが可能となり、複雑な設計を必要としない低コストの製品化を実現できる。また、各系統間のアンテナ距離を近づけることによる相互干渉の問題を防ぐことが可能になるため、装置を小型化することが可能である。

この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送による多重化伝送システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における送信アンテナの電圧／電流波形の例を示す模式図である。 この発明の実施の形態１における系統ごとの送信アンテナ及び受信アンテナ間の磁束方向の例を示す図である。 この発明の実施の形態１における送信アンテナの電圧／電流波形の別の例を示す模式図である。

　以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
　図１はこの発明の実施の形態１に係る無線電力伝送による多重化伝送システムの構成を示す図である。
　無線電力伝送による多重化伝送システムは、電気信号を含む複数系統の電力を並列に無線伝送する装置である。この無線電力伝送による多重化伝送システムは、図１に示すように、一次送信電源１、送信電源回路２、送受信部３及び受信電源回路４から構成されている。また、送受信部３は、送信アンテナ５及び受信アンテナ６を有している。そして、多重化伝送システムは、多重化伝送を行うため、送信電源回路２、送信アンテナ５、受信アンテナ６及び受信電源回路４を各々複数系統有している（図１の例では２系統設けた場合を示し、各機能部の符号に接尾記号ａ，ｂを付している）。図１に示す多重化伝送システムにおいて、一次送信電源１、送信電源回路２及び送信アンテナ５は送信側多重化伝送装置を構成し、受信アンテナ６及び受信電源回路４は受信側多重化伝送装置を構成する。

　一次送信電源１は、各送信電源回路２を介して各送信アンテナ５に対し、単一周波数の電力を供給するものである。
　送信電源回路２は、一次送信電源１と送信アンテナ５間に配置され、共鳴インピーダンス制御により、対となる送信アンテナ５の共振条件を成立させるものである。この際、共振周波数への同調を行うとともに、送信アンテナ５に入力される電力の波形制御を行う。この波形制御の詳細については後述する。

　送信アンテナ５は、対となる送信電源回路２を介して一次送信電源１から供給された電力を、受信アンテナ６に無線伝送するものである。
　受信アンテナ６は、対となる送信アンテナ５からの電力を受信するものである。この受信アンテナ６により受信された電力は受信電源回路４を介して負荷機器等（不図示）に供給される。

　受信電源回路４は、受信アンテナ６と負荷機器等間に配置され、入力インピーダンス制御により、対となる受信アンテナ６の共振条件を成立させるものである。この際、共振周波数（図１に示すｆｏ１＝ｆｏ２）の同調を行う。
　なお、送受信部３の無線伝送方式は特に限定されるものではなく、磁界共鳴による方式、電界共鳴による方式、電磁誘導による方式のいずれであってもよい。

　次に、送信電源回路２による電力の波形制御について図２，３を用いて説明する。図２はこの発明の実施の形態１における送信アンテナ５に入力される電力の電圧／電流波形の例を示す模式図であり、図３はその際の系統ごとの送信アンテナ５と受信アンテナ６間の磁束方向の例を示す図である。
　各送信電源回路２は、図２に示すように、隣接する系統間において、一次送信電源１から各送信アンテナ５への電力に対し、電圧または電流の位相をずらして、波が重なる期間がない（すなわち、デットタイムが０％以上である）半波共振波形となるよう波形制御を行う。また、これとともに、振幅制御及びデューティ制御を行うことで電力レベルの調整を行う。なお、図２に示す例では、第１の系統の送信アンテナ５ａへの電力に対しては正方向の半波共振波形とし、第２の系統の送信アンテナ５ｂへの電力に対しては負方向の半波共振波形としている。

　これにより、図３に示すように、第１の系統の磁束方向と第２の系統の磁束方向が反対方向となる。また、デットタイムが０％以上に制御されているため、エネルギー伝送時に両系統で磁束が発生することがなく、磁束の打ち消しあいも発生しない。よって、各系統における相互干渉を回避することができ、多重化電力伝送が可能となる。

　なお、図２の例では、互いに方向が異なる半波共振波形とした場合を示したが、図４に示すように、同一方向の半波共振波形を用いるようにしてもよい。ただし、この場合には、系統間の相互干渉は回避することができるが、図２の場合と比べて系統間のアンテナ距離を近づけることは困難となる。

　以上のように、この実施の形態１によれば、各送信電源回路２にて、隣接する系統間の送信アンテナ５への各電力に対し、電圧又は電流の位相をずらして、波が重なる期間がない半波共振波形とするように構成したので、固定した一つの送信周波数により高効率な多重化電力伝送を可能となり、ＩＳＭ帯などを使用することにより電波法の規制を満足した設計を行うことが容易に可能となる。その結果、送信電力の大電力化や電磁シールド構造の簡易化などが可能となり、複雑な設計を必要としない低コストの製品化を実現できる。また、系統間のアンテナ距離を近づけることによる相互干渉の問題を防ぐことが可能になるため、装置を小型化することが可能である。さらに、単一系統の無線電力伝送装置を近距離に複数個設置する場合においても、各送信電源間の電圧と電流の位相制御を同様に行うことで、各系統における相互干渉の問題を回避することが可能である。

　なお、実施の形態１では、送信アンテナ５及び受信アンテナ６を各々単一のコイルから構成する場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、各コイルを、各々例えば給電用コイル及び共鳴用コイルから構成してもよく、２個以上のコイルで構成するようにしてもよい。

　また、受信アンテナ６では、対となる送信アンテナ５間の距離や負荷電流・負荷インピーダンス等によって共振条件が変化する。そこで、受信側回路４にて、このような伝送状況の変化に応じて、受信アンテナ６に対して成立させる共振条件を可変とする機能を追加してもよい。また同様に、送信側回路２にて送信アンテナ５の共振条件を可変とする機能を追加するようにしてもよい。さらに、両回路２，４に各アンテナ５，６の共振条件を可変とする機能を追加するようにしてもよい。

　また、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

　この発明に係る無線電力伝送による多重化伝送システムは、各送信電源回路にて、隣接する系統間の送信アンテナへの各電力に対し、電圧又は電流の位相をずらして、波が重なる期間がない半波共振波形とするように構成し、固定した一つの送信周波数により高効率な多重化電力伝送が可能となるので、ＩＳＭ帯などを使用する無線電力伝送や小型の装置を用いた無線電力伝送に用いるのに適している。

　１　一次送信電源、２，２ａ，２ｂ　送信電源回路、３　送受信部、４，４ａ，４ｂ　受信電源回路、５，５ａ，５ｂ　送信アンテナ、６，６ａ，６ｂ　受信アンテナ。

Claims (8)

1. 　単一周波数の電力を供給する一次送信電源と、
   　前記一次送信電源からの電力を無線伝送する複数系統の送信アンテナ、及び、対となる前記送信アンテナからの電力を受信する複数系統の受信アンテナからなる送受信部と、
   　対となる前記送信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の送信電源回路と、
   　対となる前記受信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の受信電源回路とを備え、
   　前記各送信電源回路は、隣接する前記系統間の送信アンテナへの各電力に対し、電圧又は電流の位相をずらして、波が重なる期間がない半波共振波形を出力する
   　ことを特徴とする無線電力伝送による多重化伝送システム。
2. 　前記送受信部は、磁界共鳴により無線伝送を行うことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
3. 　前記送受信部は、電界共鳴により無線伝送を行うことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
4. 　前記送受信部は、電磁誘導により無線伝送を行うことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
5. 　前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、各々２個以上のコイルから構成されたことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
6. 　前記受信電源回路は、前記受信アンテナの伝送状況に応じて前記受信アンテナの共振条件を可変することを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
7. 　前記送信電源回路は、前記送信アンテナの伝送状況に応じて前記送信アンテナの共振条件を可変することを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
8. 　単一周波数の電力を供給する一次送信電源と、
   　前記一次送信電源からの電力を無線伝送する複数系統の送信アンテナと、
   　対となる前記送信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の送信電源回路とを備え、
   　前記各送信電源回路は、隣接する前記系統間の送信アンテナへの各電力に対し、電圧又は電流の位相をずらして、波が重なる期間がない半波共振波形を出力する
   　ことを特徴とする無線電力伝送による送信側多重化伝送装置。

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