========================= THE 15th IEEE Hiroshima Student Symposium(a) 電気スパイラル共振器対を用いた共鳴型無線給電システムに関する一検討
A study on Resonant-Type Wireless Power Transfer System with Paired Spirals
江藤 悟
Satoru Etoh

堀田 昌志
Masashi Hotta

羽野 光夫
Mitsuo Hano

山口大学大学院理工学研究科
1.

まえがき

本 WPT システムにおいて各要素における共振器間距共鳴型無線給電(Wireless Power Transfer; WPT)シス離に対する電力伝送効率を測定した結果を図 3 に示す．

テムは，電気自動車(EV)やカプセル型医療機器への送なお，各伝送距離に対して電力伝送効率が最大となる様電や水中移動体などへの中距離給電に有効と考えられにループ－スパイラル間距離 a によりシステムの整合をる[1]．当研究室でも，送受信端にそれぞれ 1 個のルー取っている．同図より，共振器間距離が大きくなると電プコイルとスパイラル共振器を配置した磁気共鳴型力伝送効率が低下している事がわかる．これはスパイラ

WPT システムについて検討し，本システムでは帯域通ルコイルが有するモードの電磁界分布に起因するもの過フィルタの設計手法に基づく設計理論によりシステであると考えられる．

ム整合条件等を求める事ができる事や WPT システム
内の構成要素に配置ずれが存在する場合においても，

Loop CoilSpiral Resonator

Loop Coil

システム整合条件を再度見直して調整する事で電力伝送効率を大幅に改善できる事を示してきた[2]，[3]．
しかしながら，本 WPT システムは共振器間の共鳴現象を利用している事を考えれば，電力伝送効率は各共振器が有するモードの電磁界分布に依存すると考えda

られ，伝送距離が長くなると電力伝送効率が顕著に低下した．

a

図 2．従来の共鳴型 WPT システム

そこで，本研究ではシステムに用いる共振器に二枚のスパイラルコイルを重ねて構成したスパイラル共振

100.0
電力伝送効率（％）

器対(Paired Spiral)を用いる事で共振器のモードが持つ電磁界分布形状を操作し，伝送距離に対する電力伝送効率の低下を抑制できるか否かについて検討する．
2.

無線給電システムの構成
まず，これまでに当研究室で検討してきた共鳴型 WPTシステム(以下では，従来のシステムと呼ぶ)は，1.0mm

80.060.0
40.0
20.00.0径の軟銅線を用いて作製した図 1(a)に示す様な直径017.5cm の送受信用ループコイル(Loop Coil)と共振周波10203040

共振器間距離; d (cm)数が 19.9MHz となるように調整した同図(b)に示す様な

図3. 従来のWPTシステムにおける電力伝送特性

線間ピッチ p=10mm，スパイラル直径 27.0cm のスパイラル共振器を図 2 に示す様に配置したものである．
なお，システムの各構成要素は位置固定のために厚さ 1.0cm，3.

縦横 50×50cm の発泡スチロール板(実測比誘電率 1.01)

スパイラル共振器対を用いた WPT システムの構築とその電力伝送効率に貼り付けて設置している．

従来の WPT システムでは図 1 に示す様にシングルスパイラル共振器を用いてきたが，共振周波数が等しpい共振器を対にして用いる事で伝送距離に対する電力伝送効率を改善できる事が示されている[4]．そこで本
研究では，共振周波数は等しいが線間ピッチとスパイラル直径の異なる二種類のスパイラル共振器を対にしたスパイラル共振器対を用いた場合の電力伝送特性に(a)

ループコイル

図 1.

ついて詳細に検討を行う．

(b) スパイラル共振器(線間ピッチ p=10mm)

今回用いたスパイラル共振器対は，図 1(b)に示した
線間ピッチ 10mm，スパイラル直径 27.0cm のスパイラ

WPT システムの構成要素

ルコイルと図 4 に示す様な共振周波数が等しく
3

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19.9MHz となる様に調整した線間ピッチ p=5mm，スパまず，共振器対内における 5mm ピッチスパイラル

イラル直径 19.5cm のスパイラルコイルを間隔 g 隔ててと 10mm ピッチスパイラルの配置について検討する．

重ね合わせたものである．なお，二つのスパイラルコ

図 6 はスパイラル 1 に 10mm ピッチスパイラルを，イルは中心軸が一致する様に調整している．以下では，スパイラル 2 に 5mm ピッチスパイラルを配置した場

このスパイラル共振器対を図 5 に示す様に送受信側に合とスパイラル 1 に 5mm ピッチスパイラルを，スパそれぞれ配置した WPT システムの特性を考察する．

イラル 2 に 10mm ピッチスパイラルを配置した場合のなお，以下では，同図中に示す様に各スパイラル共振電力伝送特性の測定結果である．ただし，測定では全器対のループコイル側をスパイラル 1，システム内側てスパイラル間距離 g=1cm としている．
同図より，スパイラル 1 に 10mm ピッチを，スパイラル 2 に 5mm ピッチを配置した場合に安定して高い電力伝送効率で示す事がわかる．そこで，以下の検討ではスパイラル 1 に 10mm ピッチ，スパイラル 2 に 5mmピッチを配置して検討を行う事にする．
次に，スパイラルの巻き方向の組み合わせに関するをスパイラル 2 と呼ぶ事にする．

p

検討を行う．ここで，巻き方向とは入力側，出力側ともにループコイル側からスパイラルを見たときのスパイラル外周から中心に向かう巻き方向であり， WPT
図 4.

システム内に存在する 4 個のスパイラルに対して，表スパイラル共振器

1 に示す 4 種類の巻き方向組み合わせを適用した場合(線間ピッチ p=5mm)における電力伝送特性の測定結果を図 7 に示す．ここでも，全てスパイラル間距離 g=1cm としている．
表 1.

スパイラルの巻き方向の組み合わせ

巻き方向

Port2
Port 1
Spiral 1

Spiral 2

Spiral 1

Loop CoilLoop Coil組み合わせ

スパイラル 1スパイラル 2

A左巻き

左巻き

B

左巻き

右巻き

C

右巻き

左巻き

D

右巻き

右巻き

同図より，パターン D，すなわち，スパイラル 1 および 2 が共に送受信側の各ループコイルから見て右巻きとすると電力伝送効率が顕著に向上している．また，その改善度は伝送距離が長くなるに従ってきわめて大きくなっている．
更に，スパイラル共振器対を構成するスパイラル 1および 2 のスパイラル間隔 g を変化させた場合の電力

aggd

Paired Spiral

伝送特性について検討した．測定にあたっては，スパa

イラル 1 を 10mm ピッチ，スパイラル 2 を 5mm ピッPaired Spiral

チとし，スパイラルの巻き方向は表 1 中のパターン D

図 5. スパイラル共振器対を用いた WPT システム(規格の異なるスパイラルを使用)の巻き方向とした．図 8 に g を 1cm から 4cm まで変化させたときの電力伝送効率の測定結果を示す．
100.0
電力伝送効率（％）

電力伝送効率（％）の伝送効率

100.0
90.0
80.0
70.060.0

Spiral2に5mm pitch

50.0

Spiral1に5mm pitch

40.0010203080.060.0A40.0

BC20.0D0.0400

共振器間距離; d (cm)

1020共振器間距離; d

図6.スパイラル共振器対の配置構成による電力伝送効率の変化

30(cm)

図7．巻き方向による電力伝送効率の変化

440========================= THE 15th IEEE Hiroshima Student Symposium
同図より，スパイラル共振器対内のスパイラル間隔なのは，スパイラル 1 および 2 が共に送受信側各ルー

g を変化させると，g が 1cm の場合よりも 2cm およびプコイルから見て右巻きの場合である事を示した．

3cm の場合の方が伝送距離の長いところで電力伝送効

さらに，スパイラル 1 および 2 の間隔 g を変化させ率がわずかに上昇している．しかし，g を 4cm まで広て電力伝送特性を測定し，スパイラル共振器対を構成げると全体的に電力伝送効率は低下している．すなわ

する場合には，共振器間隔も重要な設計パラメータのち，スパイラル共振器対を構成する際にはスパイラル一つとして考えるべきである事も示した．

間隔 g も適切に設計しなければならないと考えられる．

今後の課題として，スパイラル共振器対近傍での電最後に，今回検討を行った共振器対を用いた WPT磁界分布をシミュレータ等で解析し，本研究で得られシステムと従来のシングルスパイラルを用いたシステた結果の詳細な物理的検証を行う事および様々な形状ムの電力伝送特性の比較を行った結果を図 9 に示す．

を持つスパイラルコイルを組み合わせた共振器対を用

同図中の実線は，図 8 中のスパイラル間隔 g=2cm およいた場合の電力伝送特性を検討し，外部環境条件に対び 3cm としたスパイラル共振器対を用いた場合の結果応した共振器対を見いだす事等が挙げられる．

である．また，点線は共振器対構成に用いた線間ピッ

参考文献
吉田隆 編，“ワイヤレス・エネルギー伝送技術[1]の最前線,”株式会社エヌ・ティー・エス，2011．
[2]
小森，粟井，“共鳴型ワイヤレス給電システムの簡易設計，”信学技報，WPT2010-01，pp.1-7,2010-04．
[3]
結城亨, 堀田昌志, 羽野光夫, 粟井郁雄, “共鳴型無線給電システムの伝送効率改善に関する検討, ”第 13 回 HISS 論文集, no.B-3, pp.220-223,2011-11.
[4]
粟井，澤原，石崎“デュアルスパイラル共振器の作る電磁界とその WPT システムへの応用，”
信学技報，WPT2012-20, pp.29-34, 2012-08.

チ p=5mm および 10mm のシングルスパイラルを単体で用いた従来システムの結果を示している．
同図より，シングルスパイラルを用いた場合には，線間ピッチが 5mm のスパイラルを用いた方が近距離では電力伝送効率が高くなっているが，伝送距離が長くなるに従って急激に効率低下が見られる．これは，スパイラルを密に巻く事でスパイラル近傍に分布する電磁界強度は強くなったが，スパイラル直径が小さくなった為に電磁界分布の空間的な拡がりが抑制されたためであると思われる．この点に関しては，今後電磁界シミュレータ等によって各スパイラルコイルおよびスパイラル共振器対における固有モードの電磁界分布

電力伝送効率（％）

を求める事で詳細な原因究明を行っていきたいと考えている．
さらに，スパイラル共振器対をシステムの共振器として用いた場合の電力伝送効率は，シングルスパイラ
ルと比較すると，伝送距離が短い場合でも従来システムの効率と同程度で，伝送距離が長くなった場合でも高い効率を維持している．これを電磁界分布の観点から考察すれば，スパイラル共振器対のモードが持つ電100.0
90.0
80.0
g=1cm
g=2cm
g=3cm
g=4cm

70.060.0磁界分布は，伝送方向に拡がりが広くなったのではな

10いかと思われる．この確認のためには，左記に述べた
電磁界シミュレータによる解析と共にシステム内での2030共振器間距離; d (cm)40

図8 ．スパイラル間距離 gと電力伝送効率の変化

構成要素の位置ずれの影響を調べれば良いのではないかと考えられる．

100.0

あとがき

電力伝送効率 (％)

4.

本研究では，スパイラル共振器対を用いた共鳴型無線給電システムについて検討し，スパイラル共振器対を用いたシステムでは電力伝送効率が今回測定した伝送距離の範囲においては，伝送距離にあまり依存せず，安定して高い効率を示す事を確認した．
また，今回の実験に用いたシステムの仕様では，送80.060.0Single Spiral; p=5mm
Single Spiral; p=10mm

40.0

Paired Spiral; g=2cm

受信様ループコイルに近いスパイラル 1 に 10mm ピッPaired Spiral; g=3cm
20.0チ（直径が大きい）を，システム内側のスパイラル 20に 5mm ピッチ（直径が小さい）のスパイラルを用い102030

共振器間距離； d (cm)た場合の方が高効率であり，電力伝送距離が長くなっ

図9．従来システム(Single Spiral)と共振器対を用いたシステムの電力伝送効率比較ても電力伝送効率の低下が少ない事が分かった．
次に，システムの向上のため効率の良いスパイラルの巻き方向の組み合わせについて検討し，最も高効率

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