JP7207355B2 - 無線送電システム - Google Patents

Description

本発明は、電力を無線送電する無線送電システムに関する。特に、筐体内で電磁波により送電するものに関する。

筐体内に送信アンテナ、受信アンテナを設け、筐体内に共振モードを形成し、その共振周波数で電磁波を送信することにより電力を伝送する技術が知られている。

特許文献１には、送電部と受電部を電磁波反射材からなる筐体で全面覆い、筐体内部に共振モードを形成し、その共振周波数を送電周波数に設定することで、筐体内での送電を実現する無線電力伝送システムが記載されている。また、筐体の内壁面に棒状、ヘリカル状などの形状であってリアクタンス可変なインピーダンス可変プローブを設け、送電部と受電部との間のインピーダンス整合を図ることが記載されている。

特許文献２には、閉空間内に共振器を設けて共振モードを形成し、その共振周波数で電力伝送を行うシステムが記載されている。

特許文献３には、導波管の内側に突出する同調ネジを設け、その同調ネジを回して突出量を調整することで導波管の共振周波数を調整することが記載されている。

非特許文献１には、一面が開放された直方体の箱状の金属筐体内に送信アンテナと受信アンテナを設け、マイクロ波による電力伝送を行うことが記載され、受信アンテナを２本用いることで効率が向上することが記載されている。

特開２０１９－４１５２９号公報 米国特許出願公開第２０１８／００９７４０２号明細書 国際公開第９５／０１６５８号

池田 琢磨 他，"金属閉空間内におけるマイクロ波無線電力伝送の受信ダイバーシチによる効率向上に関する検討"，２０１９年電子情報通信学会ソサイエティ大会

特許文献１～３、非特許文献１では、筐体内に共振モードを形成する必要がある。しかし、筐体の大きさや形状などによっては共振モードを形成できない場合があった。また、共振モードを形成できたとしても、形成した共振モードの共振周波数と送受電の電磁波の周波数を一致させる必要がある。しかし、筐体の大きさや形状、筐体内の導電部材の存在などによって共振周波数の調整範囲は限られ、所望の周波数の電磁波で送電することは困難であった。

そこで本発明の目的は、筐体の形状や大きさを問わず、所望の周波数で送電可能な無線送電システムを実現することである。

本発明は、所定周波数の電磁波を送信する送信アンテナと、送信アンテナからの電磁波を受信する受信アンテナと、送信アンテナから受信アンテナへと電力を中継する中継体と、内部空間を有し、内部空間に送信アンテナ、受信アンテナ、および中継体が配置された筐体とを有し、送信アンテナと中継体、および中継体と受信アンテナが電磁界結合されていて、中継体と筐体とで分布定数回路を形成し、中継体は電磁波を伝搬させて中継することを特徴とする無線送電システムである。

筐体は、内部空間を送信アンテナが配置された側と受信アンテナが配置された側とに分離する隔壁を有し、隔壁は、その隔壁を貫通する貫通孔を有し、中継体は、貫通孔を介して送信アンテナが配置された側の内部空間から受信アンテナが配置された側の内部空間にわたって配置されていてもよい。

筐体の内壁面と中継体との距離は５ｍｍ以上であってもよい。

中継体は、２以上の部分に分離されていてもよい。

筐体の内部空間には、導体からなる物体が配置されており、物体と中継体との距離は５ｍｍ以上であってもよい。

本発明の無線送電システムによれば、任意の形状、大きさの筐体内において、所望の周波数で送電することができる。

実施例１の無線送電システムの構成を示した図。 変形例の無線送電システムの構成を示した図。 特性インピーダンスＺ０のグラフ。 変形例の無線送電システムの構成を示した図。 変形例の無線送電システムの構成を示した図。 実施例１の無線送電システムの簡易モデルを示した図。 簡易モデルの等価回路を示した図。 伝送効率｜Ｓ２１｜を示したグラフ。 伝送効率｜Ｓ２１｜を示したグラフ。 比較例の無線送電システムの解析モデルを示した図。 伝送効率｜Ｓ２１｜を示したグラフ。 実施例１の無線送電システムの解析モデルを示した図。 伝送効率｜Ｓ２１｜を示したグラフ。 実施例１の無線送電システムの解析モデルを示した図。 伝送効率｜Ｓ２１｜を示したグラフ。 実施例１の無線送電システムの解析モデルを示した図。 伝送効率｜Ｓ２１｜を示したグラフ。 実施例１の無線送電システムの解析モデルを示した図。 伝送効率｜Ｓ２１｜を示したグラフ。 実施例１の無線送電システムの電子機器への適用を示した図。 実施例２の無線送電システムの構成を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の無線送電システムの構成を示した図である。図１のように、実施例１の無線送電システムは、送信アンテナ１０と、受信アンテナ１１と、中継体１２と、筐体１３と、によって構成されている。

送信アンテナ１０は、所定周波数の電磁波を放射するアンテナであり、受信アンテナ１１は所定周波数の電磁波を受信するアンテナである。送信アンテナ１０および受信アンテナ１１により電磁波を送受することにより、無線で電力を伝送する。送信アンテナ１０や受信アンテナ１１は任意の形状のアンテナでよく、ダイポールアンテナやモノポールアンテナなどの線状アンテナや、板状アンテナ、スロットアンテナなどであってもよい。また、ループアンテナなどの磁界アンテナでもよい。

中継体１２は、送信アンテナ１０から受信アンテナ１１へと電磁波を中継するものである。中継体１２は線状の導体であり、一端は送信アンテナ１０の近傍に離間して配置され、他端は受信アンテナ１１の近傍に離間して配置されている。このような配置とするために、中継体１２は適宜曲げられていてもよい。送信アンテナ１０と中継体１２、および中継体１２と受信アンテナ１１は電磁界接合しており、これにより送信アンテナ１０から受信アンテナ１１へと高効率に電力伝送が可能となっている。ここで、電磁界結合は、電界結合、磁界結合、電界と磁界の複合的な結合のいずれも意味するものとする。中継体１２を送信アンテナ１０や受信アンテナ１１と電磁界接合させるためには、送信アンテナ１０および受信アンテナ１１のインダクタンスやキャパシタンスを調整すればよい。たとえば、送信アンテナ１０や受信アンテナ１１のアンテナ形状を変形したり、集中定数素子を付加するなどによって調整することができる。

なお、実施例１では中継体１２の形状を線状としているが、送信アンテナ１０や受信アンテナ１１と電磁界接合できるのであれば任意の形状でよく、たとえば平板状、円筒状としてもよい。ただし、送信アンテナ１０や受信アンテナ１１を磁界アンテナとしている場合には、中継体１２の形状をループ状とすればよい。

また、中継体１２と送信アンテナ１０の離間距離は、中継体１２と送信アンテナ１０とが電磁界結合可能な範囲であれば任意の距離でよい。中継体１２と受信アンテナ１１の離間距離についても同様である。

また、中継体１２は１本の導体で構成されている必要はなく、複数に分離していてもよい。その場合も、それらの中継体１２同士が電磁界結合していれば、それら複数の中継体１２間で電力を中継して、送信アンテナ１０から受信アンテナ１１へと送電が可能である。中継体１２を複数に分離して構成することで、筐体１３内において送信アンテナ１０から受信アンテナ１１までの経路に制約がある場合や、中継体１２の位置、大きさなどに制約がある場合においても、電力の中継が可能となる。また、中継体１２を複数に分離することで、個々の中継体１２の形状を単純化できる。図２には、中継体１２を２つに分離した中継体１２Ａ、１２Ｂで構成した例を示す。中継体１２Ａ、Ｂは直線状の導体であり、所定距離を空けて平行に配置されている。

また、中継体１２の材料は導体である必要はなく、送信アンテナ１０や受信アンテナ１１と電磁界結合可能であれば任意の材料でよい。たとえば樹脂材料で構成されていてもよい。

筐体１３は、導体からなり、中空の直方体状である。筐体１３の内部には送信アンテナ１０、受信アンテナ１１、および中継体１２が配置されている。

筐体１３の内壁面と中継体１２との距離は、５ｍｍ以上であることが好ましい。その理由は次の通りである。筐体１３と中継体１２は分布定数回路を形成し、その構造はマイクロストリップラインと近似できる。その特性インピーダンスＺ０は図３のグラフのようになる。ここで、筐体１３の内壁面から中継体１２までの距離をｈ、中継体１２の厚さをｔ、幅をｗとする。また、筐体１３の内壁面と中継体１２の間の空間は比誘電率εｒ＝１とする。また、ｗ＝ｔ＝０．５、１、２ｍｍとする。

図３のように、特性インピーダンスＺ０は、ｈ＝０～５ｍｍでは急峻に増加するが、ｈが５ｍｍ以上ではゆるやかに増加する。つまり、ｈが５ｍｍ以上であれば、ｈに多少の変動があっても特性インピーダンスＺ０の変動は小さい。そのため、中継体１２の位置、姿勢などに多少の変動があっても安定した高効率の無線送電が可能となる。もちろん、送信アンテナ１０と受信アンテナ１１間でインピーダンス整合が取れていれば、ｈは５ｍｍ未満でもよく、筐体１３の内壁面と中継体１２とが接していてもよい。

なお、実施例１では筐体１３を導体としているが、一部ないし全部が絶縁体で構成されていてもよい。たとえば樹脂材料で構成されていてもよい。また、筐体１３の形状も直方体状である必要はなく、送信アンテナ１０、受信アンテナ１１、および中継体１２を内包可能な内部空間を有した形状であれば任意の形状でよい。

また、筐体１３内に導体からなる隔壁１４が設けられ、内部空間が送信アンテナ１０が配置されている側と受信アンテナ１１が配置されている側とで分離されていてもよい。このような場合、その隔壁１４に貫通孔１５を設け、その貫通孔１５に中継体１２を通し、中継体１２が送信側の内部空間と受信側の内部空間の両方に位置するように配置すればよい（図４参照）。送信側と受信側が隔てられていたとしても、中継体１２を介して送信アンテナ１０から受信アンテナ１１へと送電が可能となる。中継体１２は、隔壁１４や貫通孔１５側面と接触していてもよい。接触している場合であっても、送信アンテナ１０と受信アンテナ１１間でインピーダンス整合が取れていればよい。

また、筐体１３内には送信アンテナ１０、受信アンテナ１１、および中継体１２以外の導体からなる物体１６が内包されていてもよい（図５参照）。物体１６の形状、大きさは、筐体１３に内包可能であって、物体１６と中継体１２との距離を十分に離すことが可能な範囲で任意に設定することができる。物体１６と中継体１２との距離が十分に離れていれば、中継体１２の特性インピーダンスＺ０の変動は小さいので、物体１６が内包されていても安定した高効率の無線送電が可能である。物体１６と中継体１２との距離は５ｍｍ以上とすることが好ましい。

なお、物体１６と中継体１２とが十分に離れていない場合や物体１６と中継体１２とが接している場合であっても、送信アンテナ１０や受信アンテナ１１のキャパシタンスやインダクタンスを調整してインピーダンス整合を取ることにより、高効率な送電が可能である。

以上、実施例１の無線送電システムでは、中継体１２が送信アンテナ１０および受信アンテナ１１と電磁界結合しているので、高効率な送電が可能である。また、実施例１の無線送電システムは、従来のような筐体１３内の共振モードの形成を利用するものではないので、筐体１３の形状や大きさに影響を受けず所望の周波数で送電することができる。

次に、実施例１の無線送電システムに関する各種シミュレーション結果について、図を参照に説明する。

図６は、実施例１の無線送電システムの簡易モデルであり、図７はその等価回路である。図６、７のように、筐体１３を平板の筐体壁に簡易化し、その筐体壁上に送信アンテナ１０と受信アンテナ１１を設け、さらに送信アンテナ１０と受信アンテナ１１上に直線状の中継体１２を設けたモデルとした。送信アンテナ１０と受信アンテナ１１は浮遊容量Ｃ’で中継体１２と結合しているものとし、送信アンテナ１０および受信アンテナ１１のインダクタンスをＬ、キャパシタンスをＣとし、中継体１２と筐体壁で構成される分布定数回路の特性インピーダンスをＺ０とした。また、送信アンテナ１０の入力ポート１からその入力側を見たインピーダンスをＺ１、受信アンテナ１１の出力ポート２からその出力側を見たインピーダンスをＺ２とした。

図８は、図７の等価回路において、伝送効率｜Ｓ２１｜をシミュレーションにより算出した結果を示したグラフである。ここで、送電周波数を３．５ＧＨｚに設定し、Ｃ＝０．１ｐＦ、Ｌ＝１５ｎＨ、Ｃ’＝０．０７ｐＦ、中継体１２の長さをλ（３．５ＧＨｚ換算で約７０ｍｍ）、Ｚ１＝Ｚ２＝５０Ωとした。また、Ｚ０は５０、２００、４００Ωと変化させた。図８（ａ）はＺ０＝５０Ω、図８（ｂ）はＺ０＝２００Ω、図８（ｃ）はＺ０＝４００Ωである。図８の結果、３．５ＧＨｚではＺ０を２００～４００Ωの範囲で変化させても高効率を維持できることがわかった。

図９は、図７の等価回路において、伝送効率｜Ｓ２１｜をシミュレーションにより算出した結果を示したグラフである。Ｚ０を３００Ωとし、中継体１２の長さを０．５λ、λ、２λ（３．５ＧＨｚ換算で約３５、７０、１４０ｍｍ）と変化させた場合である。図９（ａ）が中継体１２の長さ０．５λ、図９（ｂ）がλ、図９（ｃ）が２λの場合である。その他の設定は図８と同様とした。図９のように、中継体１２の長さを変えることで共振周波数は変化しているが、中継体１２がいずれの長さの場合であっても、インピーダンス整合を行った送電周波数３．５ＧＨｚでは高効率を維持できていることがわかった。これは、中継体１２の特性インピーダンスＺ０が中継体１２の長さによらず、変化しないためである。また、図８、９の結果から、中継体１２の位置や姿勢などに多少の変動があったとしても、高効率な送電が可能であることがわかった。

次に、無線送電システムのより具体的なモデルについて解析を行った。図１０は、比較例の無線送電システムの解析モデルである。比較例の無線送電システムは、実施例１の無線送電システムから中継体１２を省いたものである。図１０のように、筐体１３は４３×１８×１５２ｍｍの直方体の箱状の導体とした。また、送信アンテナ１０および受信アンテナ１１は長さ１９ｍｍのＬ型モノポールアンテナとし、送信アンテナ１０と受信アンテナ１１の離間距離は１４０ｍｍとした。送信アンテナ１０および受信アンテナ１１の線路方向は筐体１３の長軸方向とした。

図１１は、図１０に示した比較例の無線送電システムの伝送効率｜Ｓ２１｜をシミュレーションにより算出した結果を示したグラフである。図１１のように、中継体１２を設けていない場合、伝送効率｜Ｓ２１｜は低く、３．５ＧＨｚでは－９０ｄＢであった。

次に、図１２に示すように、図１０の解析モデルに中継体１２を付加して実施例１の無線送電システムの解析モデルとした。中継体１２は直線状の導体であり、長さは４０、８０、１４０ｍｍとした。インピーダンス整合は３．５ＧＨｚで行った。

図１３は、図１２に示した実施例１の無線送電システムの伝送効率｜Ｓ２１｜をシミュレーションにより算出した結果を示したグラフである。図１３（ａ）は中継体１２の長さを４０ｍｍ、図１３（ｂ）は８０ｍｍ、図１３（ｃ）は１４０ｍｍとした場合である。図１３のように、中継体１２が長くなると共振周波数が変化し、中継体１２が長くなるほど共振ピークが増えていくが、送電周波数の３．５ＧＨｚにおいては中継体１２の長さによらず伝送効率｜Ｓ２１｜が高かった。この結果、中継体１２を設けることで高効率な送電が可能であることがわかった。また、中継体１２の特性インピーダンスＺ０はその線路長によらないため、線路長が変わっても３．５ＧＨｚにおける伝送効率｜Ｓ２１｜は高かった。

次に、図１４に示すように、図１０の解析モデルにおいて、筐体１３内部に導体からなる直方体状の物体１６を挿入した。物体１６の大きさは２０×１４×１００ｍｍとした。また、この物体１６と中継体１２との距離は７．５ｍｍとした。このようなモデルについて伝送効率｜Ｓ２１｜を算出した。図１５は、伝送効率｜Ｓ２１｜を算出した結果を示したグラフである。図１５のように、送電周波数の３．５ＧＨｚにおいて高い伝送効率｜Ｓ２１｜を有していた。この結果、物体１６と中継体１２とが十分に離れていれば、筐体１３内部に物体１６を挿入したとしても中継体１２の特性インピーダンスＺ０の変動は小さく、高効率な送電が可能であることがわかった。

次に、図１６に示すように、図１０の解析モデルにおいて、筐体１３内部の中間位置に隔壁１４を設け、内部空間を送信アンテナ１０側と受信アンテナ１１側とで２つに分離した。隔壁１４には貫通孔１５を設けて中継体１２を通し、送信側の内部空間から受信側の内部空間にわたって中継体１２を配置した。このようなモデルについて伝送効率｜Ｓ２１｜を算出した。図１７は、伝送効率｜Ｓ２１｜を算出した結果を示したグラフである。図１７のように、送電周波数の３．５ＧＨｚにおいて高い伝送効率｜Ｓ２１｜を有していることがわかった。この結果、隔壁１４により内部空間が送信側と受信側とで分離されている場合であっても、中継体１２を介して高効率の無線送電が可能であることがわかった。

次に、図１８に示すように、図１０の解析モデルにおいて、中継体１２を１本の直線状の導体から、２本の直線状の導体へと替えた。２本の導体の長さは８０ｍｍとし、間隔を空けて平行に配置した。このようなモデルについて伝送効率｜Ｓ２１｜を算出した。図１９は、伝送効率｜Ｓ２１｜を算出した結果を示したグラフである。図１９のように、送電周波数の３．５ＧＨｚにおいて高い伝送効率｜Ｓ２１｜を有していることがわかった。この結果、中継体１２を２つに分離しても、中継体１２同士が浮遊容量を介して電磁界結合していれば、中継体１２を介して無線送電が可能であることがわかった。

図２１は、実施例２の無線送電システムの構成を示した図である。実施例２の無線送電システムは、図４の無線送電システムにおいて、送信アンテナ１０、受信アンテナ１１、中継体１２をヘリカル状としたものである。ただし、中継体１２のうち中央部（隔壁１４の貫通孔１５に通す部分）は直線状のままとし、貫通孔１５の直径が小さくても通せるようにしている。貫通孔１５の直径が十分に大きければ、中継体１２全体をヘリカル状としてもよい。

実施例２のように、送信アンテナ１０、受信アンテナ１１、および中継体１２をヘリカル状とすることにより、それらを小型にすることができる。そのため、筐体１３の内部空間の体積が、送信アンテナ１０、受信アンテナ１１、および中継体１２によって圧迫されるのを低減することができる。

（変形例）
本発明の無線送電システムでは、送電周波数は任意の周波数に設定できるが、特に１ＧＨｚ以上の送電周波数において好適である。筐体内に共振モードを形成する従来の方法では１ＧＨｚ以上で効率的に無線送電することは難しかったが、本発明ではこのような周波数であっても高効率な送電が可能である。

実施例１、２では送信アンテナ１０、受信アンテナ１１をそれぞれ１つとして１対１の送電を行うものとしたが、１対多、多対１、多対多の送電であってもよい。

本発明の無線送電システムは、電子機器の筐体内部においてセンサなどへの無線給電を行う場合に好適である。図２０は、本発明の無線送電システムを電子機器に適用した例を示している。図２０（ａ）は、電子機器の筐体１３に入れる各種部品を示し、図２０（ｂ）は各種部品を筐体１３に入れた状態を示している。

図２０のように、受信アンテナ１１は基板１００上に設けられている。この基板１００を筐体１３内の底面に配置する。次に、筐体１３内には導体からなる複数の物体１６を配置する。次に、筐体１３の側面にコの字型の線状の導体からなる中継体１２Ａを張り付け、中継体１２Ａを受信アンテナ１１の近傍に配置する。次に、筐体１３内に隔壁１４を入れ、隔壁１４下方の受信アンテナ１１側の空間と隔壁１４上方の空間とを分離する。隔壁１４には貫通孔１５が設けられており、その貫通孔１５にはコの字型の線状の導体からなる中継体１２Ｂを通す。これにより中継体１２Ａの近傍に中継体１２Ｂを配置する。さらに、隔壁１４上に基板１０１を配置する。基板上には送信アンテナ１０が設けられている。これにより、中継体１２Ｂの近傍に送信アンテナ１０を配置する。その後、筐体１３に封をする。ここで、送信アンテナ１０と中継体１２Ｂとが電磁界結合し、中継体１２Ｂと中継体１２Ａとが電磁界結合し、中継体１２Ａと受信アンテナ１１とが電磁界結合するように、インピーダンス整合を行う。

以上により、複数の物体１６や隔壁１４が存在する複雑な内部空間を有した電子機器の筐体１３内においても、送信アンテナ１０から受信アンテナ１１へと中継体１２Ａ、１２Ｂを介して送電することができる。また、中継体１２を中継体１２Ａ、１２Ｂの２つに分離しているので、筐体１３内部空間が複雑でも容易に電力を中継でき、また、それぞれの形状をコの字型の線状に単純化できる。

本発明は、電子機器などの筐体内での無線送電などに利用することができる。

１０：送信アンテナ
１１：受信アンテナ
１２：中継体
１３：筐体
１４：隔壁
１５：貫通孔
１６：物体

Claims (5)

1. 所定周波数の電磁波を送信する送信アンテナと、
   前記送信アンテナからの電磁波を受信する受信アンテナと、
   前記送信アンテナから前記受信アンテナへと電力を中継する中継体と、
   内部空間を有し、前記内部空間に前記送信アンテナ、前記受信アンテナ、および前記中継体が配置された筐体と、
   を有し、
   前記送信アンテナと前記中継体、および前記中継体と前記受信アンテナが電磁界結合されていて、
   前記中継体と前記筐体とで分布定数回路を形成し、前記中継体は電磁波を伝搬させて中継する、
   ことを特徴とする無線送電システム。
2. 前記筐体は、前記内部空間を前記送信アンテナが配置された側と前記受信アンテナが配置された側とに分離する隔壁を有し、
   前記隔壁は、その隔壁を貫通する貫通孔を有し、
   前記中継体は、前記貫通孔を介して前記送信アンテナが配置された側の前記内部空間から前記受信アンテナが配置された側の前記内部空間にわたって配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線送電システム。
3. 前記筐体の内壁面と前記中継体との距離は５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線送電システム。
4. 前記中継体は、２以上の部分に分離されている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の無線送電システム。
5. 前記筐体の前記内部空間には、導体からなる物体が配置されており、
   前記物体と前記中継体との距離は５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の無線送電システム。

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