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公開番号2021027778
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210222
出願番号2019146680
出願日20190808
発明の名称共振装置、電力伝送装置、及び電力伝送方法
出願人株式会社レーザーシステム
代理人特許業務法人鷲田国際特許事務所
主分類H02J 50/12 20160101AFI20210125BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】2つの共振器間の位置ずれに対応可能とする共振装置を提供すること。
【解決手段】閉曲線線路の一部が開放された構造を呈し、自身と対向して配された自身と相似形の他の共振器211との間で、電磁結合を利用して非接触で高周波の電力又は信号の授受を行う共振器111と、自身の先端に設けられた電極部112aが共振器111の裏面又は表面と対向するように、共振器111の近傍に配設された回路基板120aから共振器111に向けて延在し、電極部112aを介して共振器111との間で電力又は信号の授受を行う入出力線路112と、を備え、電極部112aと共振器111との間の距離又は電極部112aと共振器111との間の電気的な接続位置が、調整可能となっている共振装置。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
閉曲線線路の一部が開放された構造を呈し、自身と対向して配された自身と相似形の他の共振器との間で、電磁結合を利用して非接触で高周波の電力又は信号の授受を行う共振器と、
自身の先端に設けられた電極部が前記共振器の裏面又は表面と対向するように、前記共振器の近傍に配設された回路基板から前記共振器に向けて延在し、前記電極部を介して前記共振器との間で前記電力又は信号の授受を行う入出力線路と、
を備え、
前記電極部と前記共振器との間の距離又は前記電極部と前記共振器との間の電気的な接続位置が、調整可能となっている、
共振装置。
続きを表示(約 1,100 文字)【請求項2】
前記電極部は、前記共振器の裏面又は表面から離間して配設され、容量結合により、前記共振器との間で前記電力又は信号の授受を行う、
請求項1に記載の共振装置。
【請求項3】
前記共振器は、自身の長手方向の中心位置の側面から前記共振器の中心点に向かって延在するように形成された突起部を有し、
前記共振器は、当該突起部にて、支持されている、
請求項1又は2に記載の共振装置。
【請求項4】
前記入出力線路は、前記回路基板の基板面から前記共振器の裏面に向けて延在する同軸線路によって構成されている、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の共振装置。
【請求項5】
前記入出力線路は、前記回路基板の基板面から前記共振器の裏面に向けて延在する金属ピンによって構成されている、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の共振装置。
【請求項6】
前記共振器の周方向における前記電極部と前記共振器との間の位置関係が、調整可能となっている、
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の共振装置。
【請求項7】
前記電極部と前記共振器とが対向する方向における前記電極部と前記共振器との間の距離が、調整可能となっている、
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の共振装置。
【請求項8】
前記共振器と前記他の共振器とは、平面視で、前記共振器における中心点と開放端とを結ぶ線と、前記他の共振器における中心点と開放端とを結ぶ線との間のなす角度が90°以上の角度を有するように配される、
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の共振装置。
【請求項9】
第1及び第2の共振装置を有し、当該第1及び第2の共振装置それぞれが有する共振器の間で、非接触で電力又は信号の授受を行う電力伝送装置であって、
前記第1及び第2の共振装置は、それぞれ、
閉曲線線路の一部が開放された構造を呈し、自身と対向して配された自身と相似形の他の共振器との間で、電磁結合を利用して非接触で高周波の電力又は信号の授受を行う共振器と、
自身の先端に設けられた電極部が前記共振器の裏面又は表面と対向するように、前記共振器の近傍に配設された回路基板から前記共振器に向けて延在し、前記電極部を介して前記共振器との間で前記電力又は信号の授受を行う入出力線路と、
を備え、
前記電極部と前記共振器との間の距離又は前記電極部と前記共振器との間の電気的な接続位置が、調整可能となっている、
電力伝送装置。
【請求項10】
請求項9に記載の電力伝送装置を用いた電力伝送方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、共振装置、電力伝送装置、及び電力伝送方法に関する。
続きを表示(約 5,600 文字)【背景技術】
【0002】
従来、2つのオープンリング共振器を用いて、非接触で高周波の電力や信号(以下、「高周波電力」と総称する)を送受する電力伝送装置が知られている(例えば、特許文献1、非特許文献1を参照)。
【0003】
この種の電力伝送装置は、互いに対向するように配設された送電側のオープンリング共振器と受電側のオープンリング共振器とによって構成される。そして、送電側のオープンリング共振器と受電側のオープンリング共振器とを電磁結合(例えば、磁界共鳴)させることによって、送電側のオープンリング共振器から受電側のオープンリング共振器に高周波電力を送出する。
【0004】
オープンリング共振器は、一般に、送電側のオープンリング共振器と受電側のオープンリング共振器とが、同一の周波数で共振するように構成されており、典型的には、リングの線路長が共振周波数から換算されるλ/2程度となるように構成される。
【0005】
このように構成された電力伝送装置は、非接触で高い伝送効率を得られるため、電子機器が内蔵するバッテリ等への非接触電力伝送の用途、及び、異なる回路基板間での非接触信号伝送の用途等への応用が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
特許第4835334号公報
【非特許文献】
【0007】
I.Awai and A.K.Saha, “Open Ring Resonators Applicable to Wide-band BPF”, Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2006, ISBN:978-4-902339-08-6
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
ところで、この種の電力伝送装置において、一方の共振器と他方の共振器を電磁結合させて非接触で高周波電力を伝送することは、2つの共振器を用いたバンドパスフィルタと等価である。
【0009】
2つのオープンリング共振器を近接して配設した場合、電磁的な相互作用で、オープンリング共振器の基本共振周波数から、高周波側と低周波側に共振周波数の分離が起こることが知られている。つまり、2つのオープンリング共振器の電磁結合の状態により、一方の共振器から他方の共振器に高周波電力を通過させ得る周波数帯域が決まり、当該周波数帯域は、一般に、分離した高周波側の共振周波数と低周波側の共振周波数が、それぞれ、通過帯域の上限と下限になる。但し、当該周波数帯域内で必ずしも均一な伝送効率(即ち、透過率)が実現されるわけではなく、接続条件により当該周波数帯域の中間領域の伝送効率が低下(双峰型の周波数特性とも称される)したり、中間領域にピークを持ち両側で伝送効率の低下が起こる。
【0010】
この点、オープンリング共振器を用いた電力伝送装置においては、送電側の入出力線路から見た共振器のインピーダンス(以下、「共振器の入力インピーダンス」と称する)、及び受電側の入出力線路から見た共振器のインピーダンス(以下、「共振器の出力インピーダンス」と称する)を適切に設定することによって、分離した高周波側の共振周波数と低周波側の共振周波数の間の広帯域に亘って、高い伝送効率で高周波電力の伝送を行うことが可能となる(特許文献1、及び非特許文献1を参照)。これは、いわゆる最大平坦型(バターワース型とも称される)の周波数特性を有するバンドパスフィルタである。
【0011】
この種の電力伝送装置においては、種々の観点から、最大平坦型のバンドパスフィルタのように、広帯域に亘って高い伝送効率を示す周波数特性を実現する要請がある。例えば、広帯域に亘って高い伝送効率を示す周波数特性が得られれば、共振器の使用環境が変化して、分離した高周波側の共振周波数及び低周波側の共振周波数がシフトした態様でも、高い伝送効率で電力伝送を実行することができる。又、これによって、電力伝送の際に使用する周波数を、適宜変化させることも可能となる。
【0012】
特許文献1及び非特許文献1には、オープンリング共振器に対する入出力線路の接続位置を適切に設定することによって、最大平坦型の周波数特性を有する透過特性を実現できることが記載されている。しかしながら、透過特性を双峰型の周波数特性から最大平坦型の周波数特性に変化させるための共振器の入力インピーダンスは、実際には、使用環境等、共振器間の電磁結合の状態(即ち、共振器間の結合係数)に起因して変化する。そのため、特許文献1のように、オープンリング共振器と入出力線路とを同一の回路基板上に作り込む構成では、このような変化に対応することができないという課題がある。
【0013】
本開示は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、共振器間の電磁結合の状態の変化に対応可能とする共振装置、電力伝送装置、及び電力伝送方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0014】
前述した課題を解決する主たる本開示は、
閉曲線線路の一部が開放された構造を呈し、自身と対向して配された自身と相似形の他の共振器との間で、電磁結合を利用して非接触で高周波の電力又は信号の授受を行う共振器と、
自身の先端に設けられた電極部が前記共振器の裏面又は表面と対向するように、前記共振器の近傍に配設された回路基板から前記共振器に向けて延在し、前記電極部を介して前記共振器との間で前記電力又は信号の授受を行う入出力線路と、
を備え、
前記電極部と前記共振器との間の距離又は前記電極部と前記共振器との間の電気的な接続位置が、調整可能となっている、
共振装置である。
【0015】
又、他の局面では、
第1及び第2の共振装置を有し、当該第1及び第2の共振装置それぞれが有する共振器の間で、非接触で電力又は信号の授受を行う電力伝送装置であって、
前記第1及び第2の共振装置は、それぞれ、
閉曲線線路の一部が開放された構造を呈し、自身と対向して配された自身と相似形の他の共振器との間で、電磁結合を利用して非接触で高周波の電力又は信号の授受を行う共振器と、
自身の先端に設けられた電極部が前記共振器の裏面又は表面と対向するように、前記共振器の近傍に配設された回路基板から前記共振器に向けて延在し、前記電極部を介して前記共振器との間で前記電力又は信号の授受を行う入出力線路と、
を備え、
前記電極部と前記共振器との間の距離又は前記電極部と前記共振器との間の電気的な接続位置が、調整可能となっている、
電力伝送装置である。
【0016】
又、他の局面では、
上記の電力伝送装置を用いた電力伝送方法である。
【発明の効果】
【0017】
本開示に係る共振装置によれば、共振器間の電磁結合を利用して非接触で高周波電力の授受を行う際に、共振器間の電磁結合の状態の変化に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
第1の実施形態に係る電力伝送装置の全体構成を示す図
第1の実施形態に係る第1共振装置と第2共振装置の構成の一例を示す側面図
第1の実施形態に係る第1共振器を平面視した図
第1の実施形態に係る第1共振器と第2共振器との位置関係を示す平面図
従来技術に係る共振装置における、共振器と入出力線路の接続状態の一例を示す図
従来技術に係る共振装置における、共振器と入出力線路の接続状態の一例を示す図
第1の実施形態に係る電力伝送装置における、ポート角度と透過率の関係の一例を示す図
第1の実施形態に係る電力伝送装置における、ポート角度と反射率の関係の一例を示す図
第1の実施形態に係る電力伝送装置における、ポート角度と反射特性に係るスミスチャートの一例を示す図
第1の実施形態に係る電力伝送装置の動作の一例を示すフローチャート
第2の実施形態に係る共振装置の構成の一例を示す斜視図
第2の実施形態に係る共振装置を簡易化したモデル図
図9のモデル図を用いた電力伝送装置において、電力伝送を行った際の透過率(S21)及び反射率(S11)を算出したシミュレーション結果
図9のモデル図を用いた電力伝送装置において、電力伝送を行った際の透過率(S21)及び反射率(S11)を算出したシミュレーション結果
第2の実施形態に係る電力伝送装置において、高周波電力を伝送した際に観察される透過特性を、電磁界解析シミュレーションによって算出したシミュレーション結果
第2の実施形態に係る電力伝送装置において、高周波電力を伝送した際に観察される反射特性を、電磁界解析シミュレーションによって算出したシミュレーション結果
第2の実施形態に係る電力伝送装置において、高周波電力を伝送した際に観察される反射特性を、電磁界解析シミュレーションによって算出したシミュレーション結果
第1の実施形態に係る共振装置において、ポート角度の調整により、共振器の入力インピーダンスを調整した際に観察される透過特性を示す図
第2の実施形態に係る共振装置において、電極間距離の調整により、共振器の入力インピーダンスを調整した際に観察される透過特性を示す図
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【0020】
(第1の実施形態)
[電力伝送装置の全体構成]
以下、図1〜図4を参照して、本実施形態に係る電力伝送装置の構成の一例について説明する。本実施形態に係る電力伝送装置は、電気負荷に対する電力伝送に適用されている。
【0021】
図1は、本実施形態に係る電力伝送装置Uの全体構成を示す図である。
【0022】
電力伝送装置Uは、受電装置200と送電装置100とにより構成される。
【0023】
送電装置100は、例えば、電源130(例えば、バッテリ)、当該電源130から供給される電力を用いて高周波電力を生成する発振器120(例えば、半導体発振器、マグネトロン等)、及び、発振器120から取得した高周波電力を、受電装置200の第2共振装置210に送出する第1共振装置110を有している。
【0024】
受電装置200は、例えば、送電装置100の第1共振装置110から高周波電力を受電する第2共振装置210、第2共振装置210が受電した高周波電力を整流する整流回路220、及び、整流回路220で整流された直流電力を使用する電気負荷(例えば、バッテリ)230を有している。
【0025】
尚、受電装置200と送電装置100とは、典型的には、分離した状態で配設されている。受電装置200は、例えば、電気自動車に搭載され、送電装置100は、例えば、給電設備として地面に埋設されている。
【0026】
図2は、本実施形態に係る第1共振装置110と第2共振装置210の構成の一例を示す側面図である。図3は、本実施形態に係る第1共振器111を平面視した図である。図4は、本実施形態に係る第1共振器111と第2共振器211との位置関係を示す平面図である。尚、図4では、第1共振器111及び第2共振器211の突起部(後述する111b等)の図示を省略している。
【0027】
第1共振装置110は、第1共振器111、第1入出力線路112、第1グラウンド板113、第1制御部114、及び、第1駆動部115を備えている。
【0028】
第1共振器111は、第2共振器211が対向して配された際に、当該第2共振器211と電磁結合して、当該第2共振器211との間で、非接触で高周波電力の授受を行う。ここでは、第1共振器111から第2共振器211に対して、高周波電力を送電する。
【0029】
第1共振器111は、閉曲線線路の一部に開放部111aを有する構造(以下、「オープンリング」と称する)を呈している(図3を参照)。即ち、第1共振器111は、長手方向の両端が開放端とされている。第1共振器111は、例えば、開放部111aを有するリング状の金属板にて構成されている。第1共振器111のオープンリングのリング長は、例えば、電位差の最大となる両端が近接するように、送受する高周波電力の波長の1/2の長さ程度に設定される。
【0030】
第1共振器111は、第1入出力線路112と電気的に接続するように配設され、第1入出力線路112を介して、発振器120から高周波電力を取得する。本実施形態に係る第1共振器111は、当該第1共振器111の上面側(即ち、裏面側)において、第1入出力線路112の電極部112aと電気接続するように配設されている。
(【0031】以降は省略されています)

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