第13回 IEEE広島支部学生シンポジウム論文集
2011/11/12-13 広島大学東広島キャンパス(a)電気電磁波工学

共鳴型無線給電システムの伝送効率改善に関する検討
Setup Tolerance for Resonant-type Wireless Power Transfer
結城 亨
Tohru Yuki

1.

堀田 昌志
Masashi Hotta
山口大学理工学研究科

羽野 光夫
粟井 郁雄†
Mitsuo Hano
Ikuo Awai††（株）リューテック
2.1 Ｑ値の測定

まえがき
昨今，非接触型の無線給電システム構築に関する研共振器の無負荷Ｑ及びループコイルと共振器間の外究が活発に行われており，電磁誘導方式などを利用し部Ｑを測定するために図 1 中のループコイルとスパイたシステムが製品化さている．電磁誘導方式は，近距ラル共振器を 1 組だけ用いて図 2 に示す様に測定系を離送電においては優れた送電効率を実現できるが，構築した．

送・受信部が離れるにつれて，受信部に到達する磁界が広がり，強度も弱くなりため実用的な給電可能距離を延ばすことは困難である[1]．これに対して，送・受信部間に共振器を配置して，この共振器間の共鳴を利用して送電する共鳴型無線給電システムが提案され，aフィルタ設計理論に基づいて効率的なシステムを構築可能であることが示されている[2]．本システムでは，

図 2 Ｑ値の測定系適切な設計を行うことにより，電磁誘導方式に比べてfQ1 f0 fQ2実用的送電距離を延ばすことが可能である．本研究では，実用性の観点から，共鳴型無線給電システム中のS11 [dB]共振器に位置ずれが発生した場合でも，設計理論に基づいて適切に各部のパラメータを設定すれば伝送効率を大幅に改善できることを報告する．
2.

－L1

無線給電システムの設計
本研究では，まず 1.0mm 径の銅線を用い，直径 17.5cm－L0の送受信用ループコイルと，線間距離 1.0cm で均等巻きした直径 25.5cm（共振周波数 21.5MHz）のスパイラル

周波数共振器をそれぞれ 1 組ずつ作製し，位置固定のために，

図3

それらを厚さ 1.0cm の発泡スチロール板に貼りつけて，S11 周波数特性からの各値の読み方

図 1 に示す様に配置することで共鳴型無線給電システム

この測定系によって振幅反射係数 S11 を測定するとを構築した．この際，2 つのスパイラル共振器は一方向

図 3 に示す様な周波数特性が得られた．この S11 の最から見たとき，スパイラルの巻き方向が互いに逆方向に小値を-L0 とし，そのときの周波数を共振周波数 f0 としなる様に配置した．また，各特性の測定には本システムて，次式より L1 を求める．の Port 1 及び 2 はベクトルネットワークアナライザ(VNA)に接続して行う．

(2.1)

本システムを設計する上で必要となるパラメータはループコイルとスパイラル共振器からなる共振系の無そして，同図に示す様に周波数特性曲線上において負荷Ｑ，外部Ｑ及び共振器間の結合係数である．本章でS11 が-L1 となる 2 点の周波数 fQ1 及び fQ2（但し fQ1<fQ2）

はそれらの特性の測定法及びシステムの整合についてを読み取り，次式から共振系の負荷Ｑ(QL)を得る．

説明する。

(2.2)
次に，VNA の表示モードをスミスチャート型に切り替えて S11 の軌跡を観測する．その軌跡がチャートの原点を取り囲んでいれば(2.3)式を，囲んでいなければ(2.4)式を用いてe を求める．
ada(2.3)

図 1 測定系

220

(2.7)(2.4)

図 5 に示す 2 つのスパイラル共振の器間の距離を以上の手順から求まった QL およびe を用いることd[cm]としたときの測定結果を図 7 に示す．同図より，で，無負荷Ｑ(Qu)および外部Ｑ(Qe)を次式より求めるこ

共振器間距離 d の増加にともない結合係数は低下してとができる．

いくことがわかる．
(2.5)
(2.6)

図 4 に，ループコイルとスパイラル共振器間の距離a[cm]を変化させた時の各Ｑ値を測定した結果を示す．
d(a)より，距離 a の増加に伴い無負荷Ｑも増加するが，十分に大きくなると変化が見られなくなることがわか

図 5 結合係数の測定系

る．無負荷Ｑは本来スパイラル共振器内での損失に関係した値なので，無負荷Ｑに変化が見られる距離ではループコイルによって共振器の共振に影響があるもの
S21 [dB]と考えられる．また，(b)より距離 a の増加に伴い外部Ｑも増加していることがわかる．

fc1

図6200

S21 の共振周波数の分離

11000051015
距離 a [cm](a)20250.10.01

無負荷Ｑ0.001

1000001000
外部Ｑ： Qe

fc2
周波数300結合係数 k

無負荷Ｑ： Qu400

10203040
共振器間距離 d [cm]5060

図 7 共振器間結合係数1002.3 伝送効率
本システムはその等価回路を考慮すれば，2 段帯域

10通過フィルタ(BPF)に相当すると考えられる．従って，回路の整合は外部Ｑと共振器間の結合係数との間に次1051015
距離 a [cm]20式の関係がある時成立すると考えられる．

25(2.8)(b) 外部Ｑ

そこで，外部Ｑの逆数を外部ｋ(ke)という値でおき，外図 4 共振系のＱ値の測定結果部ｋと結合係数の値が一致するときのループ－スパイ2.2 結合係数

ラル間距離 a と共振器間距離 d を選択することで，整次に，２つのスパイラル共振器間の結合係数を求め合のとれた伝送効率の良いシステムを実現できると考るために図 5 に示す様に a=15.0cm で一定とし，共振えられる．図 4(b)の外部Ｑから外部ｋを求めた結果を器間距離 d を変化させる測定系を用いて振幅透過係数

図 8 に示す．同図より，例えば，a=1.0cm としたときS21 を観測した．その結果，図 6 に示す様に 2 つに分離の外部ｋは ke=0.15 である．そこで，図 7 の結果からした共振周波数 fc1 及び fc2(但し fc1<fc2)が観測された．

結合係数 k が 0.15 となる共振器間距離 d を読み取るとこの共振周波数より結合係数 k を次式として求めた．

d=13.0cm であることがわかる．

221c=10.0cm の場合において a1 を変化させたときの結果0.16である．同図を見ると，c=6.0cm の場合 a1=3.0cm 付近で，c=10.0cm の場合 a1=5.0cm 付近で伝送効率が極大

0.12
外部ｋ： ke値をとっており，位置ずれによって a1 に最適値が存在することを確認できる．また，同様の傾向が図 10 中で0.08示した各位置ずれ量の場合において確認できた．

0.0400510152025

距離 a [cm]
図 8 外部ｋ整合のとれたシステムにおいて，その伝送損失は以下の式によって表せる[3]．
(2.9)
この式中の w は比帯域であり，本システムが相当するバターワース型の 2 段 BPF においては比帯域 w と結合係数 k との間に以下の関係がある．
(2.10)
したがって，測定した無負荷Ｑと結合係数から伝送

図 9 送受信間に位置ずれの生じたシステム損失を求めることができ，同時にシステムの伝送効率の理論値を導くことができる．a=1.0cm 及び d=13.0cmとしたシステムにおける伝送効率の理論値と実際にシ100ステムを構築して測定した結果を表 1 に示す．

80

伝送効率[%]

理論値

測定値

92.3

93.5

伝送効率[%]

表 1 伝送効率

この結果より伝送効率の理論値と測定値は比較的良く一致している．
3.

60
4020

位置ずれと伝送効率の改善

0

これまで説明してきたシステムは送信側と受信側の02468
位置ずれ c [cm]

中心軸が一致していることを前提としてきた．しかし，無線給電システムの実用性の観点から考えれば送信側

1012

図 10 位置ずれの変化に対する伝送効率と受信側はそれぞれ別系統のシステムに属することが多く，両者の中心軸間に図 9 に示す様な位置ずれを含100む場合が多いと考えられる．そこで本研究では，送信側と受信側との間で位置ずれがある場合におけるシス80
伝送効率[%]

テムの伝送効率とその改善法を検討する．
位置ずれが存在しない場合において整合のとれているループ－スパイラル間距離 a=a1=1.0cm，共振器間距
離 d=13.0cm のシステムにおいて送・受信部の中心軸間に位置ずれが生じたときの伝送効率を測定した．そ6040c=10.0cm
c=6.0cm

20の結果を図 10 に示す．同図より，位置ずれが大きくなるに従って伝送効率が低下していることがわかる．

00

次に，位置ずれが存在するシステムで，送信側のループ－スパイラル間距離 a を 1.0cm で固定したまま受1234567

受信側ループ・スパイラル間距離 a1 [cm]

信側の a1 を変化させて伝送効率測定を行った．その結図 11 a1 の変化に対する伝送効率果を図 11 に示す．なお．同図は位置ずれ c=6.0cm 及び2228各位置ずれ量における伝送効率改善の結果をまとめ4.

あとがきたものと，図 10 にも示した a1=1.0cm に固定したとき

本研究では，共鳴型無線給電システムについて検討の伝送効率とを比較したものを図 12 に示す．同図を見した．システムの送・受信部の中心軸間に位置ずれがると，位置ずれによる伝送効率の低下を a1 の調整によ生じることはシステムの実現において問題となることって改善できたことがわかる．また，同図の最適値がが考えられる．そのためにまず，提案されているフィ得られた際の a1 の値を表 2 に示す．

ルタ理論によるシステム設計法に基づき実際にシステムを構築し，そのシステムにおける伝送効率が理論値100とよく一致していることを確認した．そして，共鳴型無線給電システム内に位置ずれが生じた場合，その伝伝送効率[%]

80送効率が低下することを確認した．最後に，フィルタ60

設計理論に基づく調整を行うことで伝送効率の改善が可能であることを実験的に示した．

40

今後は，共振器の形状の最適化により更なる高効率a1調整による最大値

伝送及び伝送距離の延長を目指したい．

20

a1=1.0cm
参考文献
吉田隆 編，“ワイヤレス・エネルギー伝送技術の[1]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，WPT2010-01，2010．
[3]
粟井，小森，石田，石崎，“共鳴型ワイヤレス電力伝送に用いる共振器の比較検討”，信学総大，BS-9-8， 2010．

002468位置ずれ c [cm]1012

図 12 受信側の調整による効率改善
表 2 位置ずれ量に対する a1 の最適値
c [cm]

a1 [cm]

2.0

2.0

4.0

2.06.0

3.0

8.0

4.0

10.05.0223