ウェアラブルデバイスにおける電界結合型ワイヤレス電力伝送技術の検討
製品・機能評価課 室 慧悟、奈須野雅明
1. 緒言

2.2 伝送部評価

近年、様々なウェアラブルデバイスが開発されている。

2.2.1 伝送効率

現在のウェアラブルデバイスは小型の内蔵電池により動伝送部は Fig. 2 のように二端子対回路とみなすことが作するため、頻繁に充電を行う必要があり、使用者の負担できる。そして伝送効率(η)を Eq. (1)のように有効電力比となっている。電源管理の負担を低減するため、ワイヤレで定義する。Pin 、PL はそれぞれ負荷を含んだ伝送部、負1)ス電力伝送(WPT)技術の適用が望まれている 。近距離で荷のみの有効電力である。の WPT 技術としては磁界結合型と電界結合型が挙げられる。電界結合型では磁界結合型と比べ、周囲の導体への誘導加熱の恐れがない等の利点がある一方で伝送距離が比較的短いという欠点があった。近年、ヘリカル共振器を利用した WPT 技術が提案され、電界結合型においても長距離への電力伝送の可能性が示された 2)。
本研究では電界結合型 WPT 技術のウェアラブルデバ

Fig. 2 Circuit diagram of WPT

イスへの適用について調査した。
η=
2. 実験方法
2.1 伝送部作製
エナメル線を用いてループコイル、ヘリカルコイルを作製し、アルミニウム材の電極に接続することで伝送部を作製した。伝送部の概略図を Fig. 1 に示す。伝送部における各部品の値を Table 1 に示す。

12.2.2 最適化条件
伝送効率について最適化を行うために Roberts の「共役影像インピーダンス」理論を用いる 3)。まず、Fig. 2 についてポート 1 を送電側、ポート 2 を受電側として究極利得(Ultimate Gain)を適用すると Eq. (2)となる。PS は電源におTXけるインピーダンスに対する有効電力である。

RX

Loop CoilLoop CoilSL

Helical Coil

PLPin

Helical CoilFig. 1 Schematic representation of capacitive WPTsystem
Table 1 Components of WPT system
Wire diameter
0.6mm

G21 =PLPS2

この究極利得となる条件は同時に共役整合となることである(Fig. 3)。

𝑍𝑍� � 𝑍𝑍� � 𝑅𝑅� � 𝑗𝑗𝑋𝑋�
𝑍𝑍� � 𝑅𝑅� � 𝑗𝑗𝑋𝑋�

Two-port
Network

Two-port
Network𝑍𝑍� � 𝑅𝑅� � 𝑗𝑗𝑋𝑋�

𝑍𝑍� � 𝑍𝑍� � 𝑅𝑅� � 𝑗𝑗𝑋𝑋�

Coil diameter

82mm

Electrode

150mm×100mm×1mm

Distance Between Electrodes

30mmは究極利得に等しい。したがって、二端子対回路のパラメ

Wire length (Loop Coil)

360mmータが判明しているとき、最適な電源および負荷のインピ

Wire length (Helical Coil)

1,850mmーダンスを算出できる。Roberts の理論では Z パラメータ

Fig. 3 Conjugate image impedance matching
このとき、PS =Pin が成り立つため、最適時の伝送効率(ηopt )を用いている。Z パラメータの各値について

富山県產業技術硏究開発センタｰ硏究報吿 No.37 (2023)

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Zmn =Rmn +jXmn (m, n=1, 2)とおく。

Rc Xc
R11 R22

Rc +jXc = Z12 Z21
Eq. (3)-(5)を用いて最適時のZS 、ZL 、ηopt を表す。

り、電源および負荷の最適インピーダンスはそれぞれ、(3)

ZL =24.4-33.2jΩ、ZS =28.2-27.7jΩと求められた。伝送距離に対してηmax は減少しているが、fmax は伝送距離が 60mm

(4)
(5)

ZS =R11 θR +jθX -jx11(6)ZL =R22 θR +jθX -jx22(7)Z21 (1-θR +jθX )ηopt =G21 =Z12 (1+θR +jθX )(8)以降、21. 7MHz 付近の値となっている。これは送受信部の電極間における相互キャパシタンスの値が小さくかつその変化が緩やかになったためと考えられる。
22.090807021.0■ f max

60

20.5

5020.040

2.2.3 測定方法

21.5

〇 ηmaxf max [MHz]θX =X2c
1R11 R22

η max [%]

θR =

R2c
1R11 R22

伝送距離 20mm のとき、最大となる伝送効率は 85%であ

2468

1019.5

伝送部の測定にはベクトルネットワークアナライザ

d [cm](Agilent Tech., E5071C)を用いた。測定範囲は 10M~40MHz

Fig. 5 Maximum efficiency and frequency vs. distance

で伝送距離( )を 20~100mm と変化させ、S パラメータを取得した(Fig. 4)。得られた S パラメータを Z パラメータ

4. 結言に変換して各値を算出した。

ループコイル、ヘリカルコイル、電極からなる電界結合型ワイヤレス電力伝送の伝送部を作製した。伝送部の評価はネットワークアナライザを用いて実施した。得られたデータをRobertsの理論を用いることでその伝送部に対する電源および負荷の最適なインピーダンスを算出することできた。本研究で作製した伝送部は伝送距離 20mmのとき 85%の伝送効率が期待できる。
参考文献

Fig. 4 Experimental setup

1)宮村騎久也, 宮路祐一, 大村 廉: 研究報告高齢社会
デザイン, 9(2017) no. 13, pp. 1-6

3. 実験結果および考察
最適時の伝送効率(ηopt )を算出し、測定範囲内で最大となる伝送効率をηmax とし、そのときの周波数をfmax とおく。

2)大矢根蒼, 山本真義: 電子情報通信学会和文論文誌 B,104(2021) pp. 309-311
3)S. Roberts: Proc. IRE, 34(1946) pp. 198-204

Fig. 5 に伝送距離に対するηmax およびfmax の変化を示す。

キーワード：ワイヤレス、電界結合、ウェアラブル

Examination of Capacitive Power Transfer Applying to Wearable Devices
Product and Function Evaluating Section; Keigo MURO, Masaaki NASUNOPower supply management is a bottleneck for wearable device users. Wireless Power Transfer (WPT) has emerged as apromising technology to this problem lately. The conjugate image theory is applied to determine this optimal network as afunction of the characteristics of the capacitive WPT system. The prototype WPT circuit is expected to achieve >85% efficiency
at the transition distance of 2cm.

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Reports of the Toyama Industrial Technology R&D Center No.37 (2023)