JP5353376B2

JP5353376B2 - 無線電力装置、無線電力受信方法

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Publication number: JP5353376B2
Application number: JP2009085281A
Authority: JP
Inventors: 聡下川
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010239777A; US8482159B2; US20100244583A1

Description

本願の開示は、無線電力装置、無線電力受信方法に関する。

無線で電力（エネルギー）を伝送する方式として、電磁誘導方式、電波方式、磁界共鳴方式（特許文献に開示）などがあった。磁界共鳴方式は、互いに離間配置した送電コイルから受電コイルへ、磁界エネルギーを用いて電力を送信する方式である。受電コイルで受信した電力は、電磁誘導方式により電力取出コイルへ送られる。電力取出コイルへ送られた電力は、電子機器やバッテリーなどの負荷へ供給される。

特表２００９−５０１５１０号公報

しかしながら特許文献に開示された技術では、送電コイルと受電コイルとの結合強度（例えばコイル間の距離）が変化すると、無線電力装置全体の送電効率を低下させてしまうことがある。

すなわち、受電コイルと電力取出コイルとの結合強度に対して送電コイルと受電コイルとの結合強度が低くなりすぎると、送電コイルから受電コイルへ供給される電力が低下し、受電コイルにおける電力が低下しすぎることがある。また、受電コイルと電力取出コイルとの結合強度に対して送電コイルと受電コイルとの結合強度が高くなりすぎると、受電コイルにおいて電力が高くなりすぎ、受電コイルが発熱して損失が生じる。

本願に開示する無線電力装置及び無線電力受信方法は、送電コイルと受電コイルとの結合強度の変化に応じて、無線電力装置全体の送電効率を高めることを目的としている。

本願に開示する無線電力装置は、送電コイルとの間で生じる磁界共鳴を用いて、前記送電コイルから電力を磁界エネルギーとして受信する受電コイルと、前記受電コイルから電磁誘導で電力を取り出す電力取出コイルとを備えた、無線電力装置であって、前記電力取出コイルに流れる電流を検出する検出部と、前記検出部で検出した電流に基づき、前記電力取出コイルと前記受電コイルとの結合強度を制御する制御部とを備えたものである。

本願に開示する無線電力受信方法は、送電コイルと受電コイルとの間で生じる磁界共鳴を用いて、前記送電コイルから前記受電コイルへ電力を磁界エネルギーとして供給し、前記受電コイルから電力取出コイルへ電磁誘導で電力を取り出す、無線電力受信方法であって、前記電力取出コイルに流れる電流を検出し、前記検出部で検出した電流の振幅に基づき、前記電力取出コイルと前記受電コイルとの結合強度を制御する。

本願の開示によれば、送電コイルと受電コイルとの結合強度の変化に応じて、装置全体の送電効率を高めることができる。

無線電力装置の基本概念を示す模式図無線電力装置のブロック図共鳴コイル間の送電距離、受電コイル−電力取出コイル間の結合強度、および送電効率の関係を示す特性図変位可能な電力取出コイルを備えた受電装置側コイルの断面図複数の電力取出コイルを備えた受電装置側コイルの断面図複数の電力取出コイルを備えた受電装置側コイルの断面図巻線数を可変可能な電力取出コイルの断面図制御部の具体構成を示すブロック図制御部の具体構成を示すブロック図電力供給時の動作を示すフローチャート

無線電力装置において、前記制御部は、前記電力取出コイルに流れる電流が大きくなると、前記電力取出コイルと前記受電コイルとの結合強度を高くし、前記電流取出コイルに流れる電流が小さくなると、前記電力取出コイルと前記受電コイルとの結合強度を低くするよう制御する構成とすることができる。このような構成とすることにより、送電コイルと受電コイルとの結合強度が高くなった時に受電コイルと電力取出コイルとの結合強度を高くし、送電コイルと受電コイルとの結合強度が低くなった時に受電コイルと電力取出コイルとの結合強度を低くすることができる。したがって、受電コイルにおける電力の過剰な上昇及び低下による無線電力装置全体の送電効率が低下するのを防ぐことができる。

無線電力装置は、前記受電コイルと前記電力取出コイルとの結合強度を変えるよう前記電力取出コイルを変位可能な駆動部を、さらに備え、前記制御部は、前記検出部で検出した電流に基づき、前記電力取出コイルを変位させるよう前記駆動部を制御する構成とすることができる。

無線電力装置において、前記電力取出コイルは、前記受電コイルに対する結合強度がそれぞれ異なる複数のコイルと、前記複数のコイルのうち少なくとも一つを選択可能な切換部とを備え、前記制御部は、前記検出部で検出した電流に基づき、前記切換部を切り換え制御する構成とすることができる。

無線電力受信方法は、前記電力取出コイルに流れる電流が大きくなると、前記電力取出コイルと前記受電コイルとの結合強度を高くし、前記電流取出コイルに流れる電流が小さくなると、前記電力取出コイルと前記受電コイルとの結合強度を低くする方法とすることができる。このような方法とすることにより、送電コイルと受電コイルとの結合強度が高くなった時に受電コイルと電力取出コイルとの結合強度を高くし、送電コイルと受電コイルとの結合強度が低くなった時に受電コイルと電力取出コイルとの結合強度を低くすることができる。したがって、受電コイルにおける電力の過剰な上昇及び低下による無線電力装置全体の送電効率が低下するのを防ぐことができる。

無線電力受信方法は、前記電力取出コイルを変位させて、前記受電コイルと前記電力取出コイルとの結合強度を可変する方法とすることができる。

無線電力受信方法は、前記受電コイルとの結合強度が互いに異なる複数の電力取出コイルのうち、少なくとも一つを選択して、前記受電コイルと前記電力取出コイルとの結合強度を可変する方法とすることができる。

（実施の形態）
〔１．無線電力装置の構成〕
無線電力装置の方式として、電磁誘導方式、電波方式、磁界共鳴方式がある。電磁誘導方式は、大きな電力を伝送可能である反面、伝送距離を長くすることが困難である。一方、電波方式は、伝送距離を長くできる反面、伝送可能な電力を大きくすることが困難である。磁界共鳴方式は、電力の伝送距離を電磁誘導方式よりも長くすることができるとともに、電波方式よりも大きな電力を伝送可能である。

磁界共鳴方式は、互いに同一の共振周波数を有する送電コイルと受電コイルとを離間させて配置し、送電コイルに前記共振周波数と同一の周波数の電流を流す。これにより、送電コイルと受電コイルとの間の磁界が振動し、送電コイルと受電コイルとの間で共鳴現象が生じる。このような共鳴現象を発生させることにより、送電コイルと受電コイルとの間に発生する磁界を介して、送電コイルから受電コイルに電力を供給することができる。このような磁界共鳴方式による無線電力装置によれば、電力の供給効率を数十％程度とすることができるとともに、装置間の離間距離を数十ｃｍ以上に離すことができる。

なお、ここでいう「共振周波数が同一」とは、完全な同一に限られない。シミュレーションなど、仮想の世界において、複数の共振回路の共振周波数が一致することはあっても、現実では複数の共振回路の共振周波数が一致することはほとんどない。したがって、共振周波数が同一とは、実質的に同一という事を表す。この実質的に同一の範囲は、Ｑ値によって決定する。この実質的に同一の範囲は、Ｑ値が高ければ高い程狭まる。また実質的に同一の範囲は、Ｑ値が低ければ広がる。実質的に同一の範囲の目安は、例えば、共振点の値が半値となる周波数範囲である。または、実質的に同一の範囲は、目標とする効率を達成する周波数範囲とすることもできる。他の表現をするならば、実質的に同一の範囲は、コイルを離した位置関係で、電磁誘導よりも高い効率で電力が伝送できる周波数範囲と言うこともできる。なお、このような周波数の同一の範囲は説明するまでもなく当業者の常識の範囲内で決定する事項である。しかし、しばしば当業者の常識を有さない技術者が参照する場合がある。上記の説明はこのような場合を考慮して記載するのであって、この説明により発明の広がりを制限するものではない。

送電コイルと受電コイルとの間の電力供給効率を高めるためには、電力損失を小さくし、かつ送電コイル及び受電コイルの結合強度を大きくすることが好ましい。電力損失は、各共振コイルの内部損失や放射損失を抑えることで、小さくすることができる。一方、結合強度は、各共振コイルの形状や、２つの共振コイルの位置関係に大きく影響する。２つの共振コイルの位置決めを行うには、周知の機械的ガイドや光学センサー等の利用が考えられるが、いずれも結合強度を最大化するための手法としては間接的であり、最適な位置決め操作を実現することは困難と考えられる。

図１は、無線電力装置の基本概念を示す模式図である。

送電コイル１は、両端が開放されたコイルである。送電コイル１は、Ｑ値を高めるために電気回路を接続していない。送電コイル１は、浮遊容量によるコンデンサを有する。これによって、送電コイル１は、ＬＣ共振回路となる。なお、コンデンサは浮遊容量方式に限らず、コイルの両端にコンデンサで接続してＬＣ共振回路を実現しても良い。共振の鋭さを表すＱ値は、コイルの純抵抗と放射抵抗により決まり、これらの値が小さい程大きな値を得ることができる。また共振周波数ｆはインダクタンスＬとコンデンサの容量Ｃから、例えば、以下の式１により求めることができる。

ｆ＝１／（２π√（ＬＣ））・・・（式１）
送電コイル１は、図示しない電力供給コイルから、電磁誘導により電力が供給される。送電コイル１と電力供給コイルは、電磁誘導により電力が供給できる程度の近距離に配置する。送電コイル１と電力供給コイルとを電磁誘導を用いて無線接続する事で、電力供給コイルに接続する発振回路が電力供給コイルの共振特性に影響を及ぼしにくくなる。そのため、発振回路の設計自由度を向上させる事が可能となる。電力供給コイルは、図示しない電源に発振回路を介してケーブルで接続されており、発振回路から所定周波数の交流電力が供給される。送電コイル１に、送電コイル１及び受電コイル２の共振周波数と同一の共振周波数を有する電流（エネルギーＥ１）を入力することにより、送電コイル１の周辺に磁界が発生し、受電コイル２との間で共鳴現象が発生する。これにより、送電コイル１から受電コイル２へ電力を供給することができる。受電コイル２は、送電コイル１から供給された電力（エネルギーＥ２）を負荷へ供給することができる。

受電コイル２は、両端が開放されたコイルである。受電コイル２は、送電コイル１と同様にＱ値を高めるために電気回路を接続していない。受電コイル２は、送電コイル１と同様にＬＣ共振回路となる。受電コイル２は、図示しない電力取出コイルから、電磁誘導により電力を取り出される。受電コイル２と電力取出コイルは、電磁誘導により電力が取り出せる程度の近距離に配置してある。電力取出コイルは、電力を消費する負荷に接続されている。電力取出コイルと負荷との間には、電力を取り出して負荷で消費する電力に変換する出力回路を接続する。出力回路は、負荷に印加可能な電圧に変換する回路であり、例えばトランスやＡＣ−ＤＣコンバータである。受電コイル２も、送電コイル１と同様の構成であり、コイル部およびコンデンサを有している。受電コイル２の共振周波数は、送電コイル１の共振周波数ｆに一致している。このような受電コイル２は、これに近接した送電コイル１と共振周波数が同調させられることで磁界共鳴モードを生じる。受電コイル２は、送電コイル１からの電力を無線で供給される。受電コイル２に供給された電力は、例えば電力取出コイルと整流回路を経由して負荷に有線で供給される。

送電コイル１と受電コイル２との間で送電を行う場合、その送電効率は以下の式２で表される性能指標に依存する。

性能指標＝κ／√（Ｇ１・Ｇ２）・・・（式２）
κ：単位時間当たりのエネルギー流の大きさ（共振コイル間の結合強度）
Ｇ１：送電コイル１の単位時間当たりのエネルギー損失
Ｇ２：受電コイル２の単位時間当たりのエネルギー損失
上記式２より、送電コイル１と受電コイル２との間のエネルギー送電効率を高めるためには、エネルギー損失Ｇ１及びＧ２を小さくし、かつ結合強度κを大きくすることが必要である。エネルギー損失Ｇ１及びＧ２は、送電コイル１及び受電コイル２の内部損失や放射損失を抑えることで、小さくすることができる。一方、結合強度κは、送電コイル１及び受電コイル２の形状や、送電コイル１及び受電コイル２の位置関係も大きく影響する。すなわち、コイル間の間隙寸法が大きくなるほど結合強度κは低下し、間隙寸法が小さくなるほど結合強度κは上昇する。また、両コイルの相対位置が、電力送電方向Ａに対して交差する方向にずれた場合（いわゆる軸ズレ）も、結合強度κは変動する。

図２は、上述したような磁界共鳴方式を用いた無線電力装置の一例である充電システムのブロック図である。なお、図２における破線は、無線接続されていることを示す。図２に示す無線電力装置は、送電装置１０と受電装置２０とを備えている。

送電装置１０は、交流電源１１、電力供給コイル１２、送電コイル１３を備えている。送電コイル１３は、電力供給コイル１２から、電磁誘導により電力が供給される。送電コイル１３と電力供給コイル１２は、電磁誘導により電力が供給できる程度の近距離に配置する。送電コイル１３と電力供給コイル１２とを電磁誘導を用いて無線接続する事で、電力供給コイル１２に接続する発振回路が電力供給コイル１２の共振周波数に影響を及ぼしにくくなる。そのため、発振回路の設計自由度を向上させる事が可能となる。電力供給コイル１２は、交流電源１１に含まれる発振回路に有線接続されており、発振回路から所定周波数の交流電力が供給される。送電コイル１３に、送電コイル１３及び受電コイル２１の共振周波数と同一の共振周波数を有する電流を入力することにより、送電コイル１３の周辺に磁界が発生し、受電コイル２１との間で共鳴現象が発生する。これにより、送電コイル１３から受電コイル２１へ、磁界エネルギーとして電力を供給することができる。なお、電力供給コイル１２と送電コイル１３とは互いに共振関係にない方が、送電コイル１３と受電コイル２１間の共鳴に干渉しない（影響を及ぼさない）ため好ましい。

受電装置２０は、受電コイル２１、電力取出コイル２２、整流回路２３、バッテリー２４、電流検出素子２５、制御部２６を備えている。受電コイル２１は、送電コイル１３と同じ共振周波数を有する。受電コイル２１は、送電コイル１３との間に生じる磁界エネルギーを介して、電力を受け取ることができる。受電コイル２１と電力取出コイル２２は、電磁誘導により電力が取り出せる程度の近距離に配置してある。電力取出コイル２２は、整流回路２３を介してバッテリー２４に接続されている。バッテリー２４は、充電池であり、負荷の一例である。電力取出コイル２２の近傍には、電流検出素子２５が配されている。電流検出素子２５は、電力取出コイル２２に流れる電流を検出することができる。電流検出素子２５は、例えば送電コイル１３に流れる電流によって発生した磁界エネルギーを検出し、検出した磁界エネルギーを電流波形に変換して出力するホールセンサーで実現することができる。電流検出素子２５は、検出した電流の波形を制御部２６に出力する。制御部２６は、電流検出素子２５から送られる電流波形に基づき、電流の振幅を測定する。制御部２６は、測定した振幅に基づき、受電コイル２１と電力取出コイル２２との結合強度を可変制御することができる。制御部２６の具体構成については後述する。

図３は、共鳴コイル（送電コイル１３と受電コイル２１）間の送電距離、受電コイル２１及び電力取出コイル２２間の結合強度、および無線電力装置の送電効率の関係を示す。図３における実線特性κ１は、受電コイル２１及び電力取出コイル２２が強結合状態にある時の送電効率特性を示す。破線特性κ２は、受電コイル２１及び電力取出コイル２２が中結合状態にある時の送電効率特性を示す。一点鎖線特性κ３は、受電コイル２１及び電力取出コイル２２が弱結合状態にある時の送電効率特性を示す。

なお、「強結合状態」とは、例えば、送電コイル１３と受電コイル２１との結合強度κとエネルギー損失Ｇとの関係κ／Ｇが１よりも大きい場合を指す。「中結合状態」とは、例えばκ／Ｇが１の場合を指す。「弱結合状態」とは、例えばκ／Ｇが１未満の場合を指す。これらの結合状態の定義は一例である。また、図３における「共鳴コイル間の送電距離」は、送電コイル１３と受電コイル２１との結合強度の一例であり、送電距離の他に、送電コイル１３及び受電コイル２１の姿勢（角度）等も結合強度に影響を与える。また、「送電効率」とは、交流電源１１からバッテリー２４（負荷）までの電力消費分である。

図３に示すように、送電コイル１３と受電コイル２１との送電距離が短い場合（送電コイル１３と受電コイル２１とが強結合状態にある場合）は、特性κ１に示すように受電コイル２１と電力取出コイル２２との結合を強める方が、システム全体の送電効率を高めることができる。すなわち、送電コイル１３と受電コイル２１とが強結合状態にある場合、送電コイル１３から受電コイル２１に多くの電力が送られる。この状態において、受電コイル２１と電力取出コイル２２とが弱結合状態になっていると、電力取出コイル２２による受電コイル２１からの電力の取出量が少なくなる。受電コイル２１からの電力の取出量が少なくなると、受電コイル２１における電力が高くなり、発熱による損失が生じることがある。そこで、本実施の形態では、送電コイル１３と受電コイル２１とが強結合状態になっている時は、受電コイル２１と電力取出コイル２２とを強結合状態にする。これにより、電力取出コイル２２は受電コイル２１からの電力の取出量を大きくすることができ、受電コイル２１における発熱損失を抑えることができる。したがって、システム全体の送電効率を高めることができる。

一方、送電コイル１３と受電コイル２１との送電距離が長い場合（送電コイル１３と受電コイル２１とが弱結合状態にある場合）は、特性κ３に示すように受電コイル２１と電力取出コイル２２との結合を弱める方が、無線電力装置全体の送電効率を高めることができる。すなわち、送電コイル１３と受電コイル２１とが弱結合状態にある場合、送電コイル１３から受電コイル２１に送られる電力は小さくなる。この状態において、受電コイル２１と電力取出コイル２２とが強結合状態になっていると、受電コイル２１に蓄積される電力が低くなりすぎる場合がある。よって、無線電力装置全体の送電効率は低下する。そこで本実施の形態では、送電コイル１３と受電コイル２１とが弱結合状態になっている時は、受電コイル２１と電力取出コイル２２とを弱結合状態にする。これにより、電力取出コイル２２が受電コイル２１から取り出そうとする電力は小さくなり、受電コイル２１において電力が低下しすぎるのを防ぐことができる。したがって、無線電力装置全体の送電効率を高めることができる。

以上のように、送電装置１０と受電装置２０との間で磁界共鳴方式を用いて送電を行う場合、送電コイル１３と受電コイル２１との結合強度（例えば距離）に応じて受電コイル２１と電力取出コイル２２との結合強度を変化させることが、無線電力装置全体の送電効率を向上できるため好ましい。なお、送電コイル１３と受電コイル２１との結合強度は、送電コイル１３と受電コイル２１との距離に限らず、送電装置１０または受電装置２０の設置姿勢や設置角度等によっても変化する。本実施の形態では、コイルの結合強度は距離によって変化することとして説明している。

図４Ａ〜図４Ｄは、受電コイルと電力取出コイルとの結合強度を変化させる具体例を示す。図４Ａ〜図４Ｃは、受電コイルと電力取出コイルの断面図である。図４Ｄは、電力取出コイルの模式図である。図４Ａ〜図４Ｃにおける受電コイル、および図４Ａと図４Ｂに示す電力供給コイルは、実際は螺旋状に巻かれることもあるが、ここでは断面表記を簡略化している。

図４Ａは、受電コイル２１内に電力取出コイル２２ａを配置した構造である。電力取出コイル２２ａは、モータなどの駆動部により、図４Ａに示す位置（実線表記した位置）から矢印Ｂに示す方向へ変位可能である。図４Ａにおける破線円は、電力取出コイル２２ａが実線表記した位置から矢印Ｂに示す方向へ変位した時の位置の一例を示す。電力取出コイル２２ａを矢印Ｂに示す方向へ変位可能としたことにより、受電コイル２１と電力取出コイル２２ａとの間隙を変化させることができる。受電コイル２１と電力取出コイル２２ａとの間隙を変化させることにより、受電コイル２１と電力取出コイル２２ａとの結合強度を変化させることができる。例えば、電力取出コイル２２ａが図４Ａにおける実線位置にある時の受電コイル２１と電力取出コイル２２ａとの結合強度をκ１１とし、電力取出コイル２２ａが図４Ａにおける破線円位置にある時の受電コイル２１と電力取出コイル２２ａとの結合強度をκ１２とした時、結合強度κ１２は結合強度κ１１よりも高い。

なお、図４Ａに示す電力取出コイル２２ａは、受電コイル２１に対する同軸位置（実線で示す位置）から破線円に示す位置までの間において、段階的または連続的に変位可能とすることができる。電力取出コイル２２の位置を連続的に変位可能とすることで、受電コイル２１と電力取出コイル２２ａとの結合強度を細かく設定することができる。また、電力取出コイル２２ａの変位方向は、矢印Ｂに示す方向に限らず、少なくとも受電コイル２１と電力取出コイル２２ａとの間隙を変えることができる方向であればよい。電力取出コイル２２ａの変位方向は、受電コイル２１の中心軸に略直交する方向であることが好ましい。

図４Ｂは、受電コイル２１内に複数の電力取出コイル２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを配置した構造である。受電コイル２１，電力取出コイル２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、同軸位置に配されている。電力取出コイル２２ｃは、電力取出コイル２２ｂ内に配されている。電力取出コイル２２ｄは、電力取出コイル２２ｃ内に配されている。したがって、受電コイル２１と電力取出コイル２２ｂとの距離が最も短く、受電コイル２１と電力取出コイル２２ｄとの距離が最も長い。電力取出コイル２２ｂ〜２２ｄには、それぞれスイッチ２７ａが接続されている。スイッチ２７ａは、電力取出コイル２２ｂ〜２２ｄのうち少なくとも一つの電力取出コイルを通電状態にするように切り換えることができる。スイッチ２７ａの切り換え制御は、制御部２６（図２参照）によって行われる。図４Ｂにおいて、電力取出コイル２２ｄが通電状態にある時の受電コイル２１と電力取出コイル２２ｄとの結合強度をκ２１とし、電力取出コイル２２ｃが通電状態にある時の受電コイル２１と電力取出コイル２２ｃとの結合強度をκ２２とし、電力取出コイル２２ｂが通電状態にある時の受電コイル２１と電力取出コイル２２ｂとの結合強度をκ２３とした時、結合強度は、
κ２１＜κ２２＜κ２３
の関係にある。なお、図４Ｂに示す電力取出コイルは３個備えたが、少なくとも複数の電力取出コイルを同軸配置し、スイッチにより通電状態を切り換え可能な構成であればよい。

図４Ｃは、受電コイル２１内に断面形状が略矩形の電力取出コイル２２ｅを備えている。電力取出コイル２２ｅは、内側コイル部２２ｆと外側コイル部２２ｇとを備えている。内側コイル部２２ｆと外側コイル部２２ｇとは、一方の端部が電気的に接続されており、他方の端部がスイッチ２７ｂ及び２７ｃにより接続／遮断可能である。内側コイル部２２ｆは、外側コイル部２２ｇの内側に配されている。スイッチ２７ｂ及び２７ｃが端子ａ側に接続されることにより、内側コイル部２２ｆが通電状態となる。内側コイル部２２ｆが通電状態となることで、受電コイル２１と電力取出コイル２２ｅとの結合強度はκ３１となる。スイッチ２７ｂ及び２７ｃが端子ｂ側に接続されることにより、外側コイル部２２ｇが通電状態となる。外側コイル部２２ｇが通電状態となることで、受電コイル２１と電力取出コイル２２ｅとの結合強度はκ３２となる。結合強度κ３２は、結合強度κ３１よりも高い。なお、図４Ｃに示す電力取出コイル２２ｅは、２つのコイル部（内側コイル部２２ｆ、外側コイル部２２ｇ）を備えているが、受電コイル２１に対する結合強度が異なる３つ以上のコイル部を備え、スイッチ２７ｂ及び２７ｃにより選択的に通電される構成としてもよい。

図４Ｄは、螺旋状の電力取出コイル２２ｈの端部にそれぞれ端子ａと端子ｚとを備え、端子ａと端子ｚとの間に端子ｂを備えている。端子ａと端子ｂとは、スイッチ２７ｄにより選択的に通電される。スイッチ２７ｄが端子ａ側に接続されることで、電力取出コイル２２ｈの全体を通電状態にすることができ、このときのインダクタンスはＬ１となる。スイッチ２７ｄが端子ｂ側に接続されることで、電力取出コイル２２ｈの端子ｂから端子ｃまでの間の部分を通電状態にすることができ、このときのインダクタンスはＬ２となる。このように、スイッチ２７ｄを切り換えることで電力取出コイル２２ｈのインダクタンスを変化させることができるので、受電コイル２１との結合強度を変化させることができる。受電コイル２１の巻数、形状、配置関係は不変であるため、電力取出コイル２２ｈのインダクタンスを変化させることで、受電コイル２１と電力取出コイル２２ｈとの結合強度を変化させることができる。

図５Ａは、制御部２６の具体構成を示す。図５Ａに示す制御部２６は、図４Ａに示す電力取出コイル２２ａを備えた受電装置２０に搭載することができる。図５Ａに示す制御部２６は、電流検出回路２６ａ、制御回路２６ｂ、モータドライバ２６ｃを備えている。電流検出回路２６ａは、電流検出素子２５から送られる電流波形に基づき電流振幅を測定する。電流振幅は、制御回路２６ｂに送られる。制御回路２６ｂは、電流検出回路２６ａから送られる電流振幅を蓄積し、今回測定された電流振幅と前回測定された電流振幅とを比較する。制御回路２６ｂは、電流振幅の比較の結果、電力取出コイル２２を変位させる必要があると判断した場合は、モータドライバ２６ｃに制御信号を送る。モータドライバ２６ｃは、制御回路２６ｂから送られる制御信号に基づき、モータ２８にモータ駆動電流を送る。モータ２８は、モータドライバ２６ｃから送られるモータ駆動電流により動作し、電力取出コイル２２ａを矢印Ｂまたはに示す方向へ変位させる。

図５Ｂは、制御部２６の具体構成を示す。図５Ｂに示す制御部２６は、図４Ｂ〜図４Ｄに示す電力取出コイルを備えた受電装置２０に搭載することができる。図５Ｂに示す制御部２６は、電流検出回路２６ａ、制御回路２６ｂ、スイッチング回路２６ｄを備えている。電流検出回路２６ａは、電流検出素子２５から送られる電流波形に基づき電流振幅を測定する。電流振幅は、制御回路２６ｂに送られる。制御回路２６ｂは、電流検出回路２６ａから送られる電流振幅を蓄積し、今回測定された電流振幅と前回測定された電流振幅とを比較する。制御回路２６ｂは、電流振幅の比較の結果、電力取出コイル２２を変位させる必要があると判断した場合は、スイッチング回路２６ｄに制御信号を送る。スイッチング回路２６ｄは、制御回路２６ｂから送られる制御信号に基づき、スイッチ２７を切り換え制御する。

〔２．無線電力装置の動作〕
図２に示す無線電力装置において、交流電源１１から出力される電流は電力供給コイル１２に入力される。電力供給コイル１２は、電流が入力されることにより電磁界を発生させ、電磁エネルギーを用いて送電コイル１３に電力を供給する。送電コイル１３に電力を供給することにより、送電コイル１３と受電コイル２１との間に磁界が発生する。送電コイル１３と受電コイル２１とは、同じ共振周波数を有するため、両者の間に磁界共鳴が生じる。これにより、送電コイル１３から受電コイル２１へ電力を供給することができる。

電力取出コイル２２は、電磁誘導により受電コイル２１から電力を取り出すことができる。電力取出コイル２２によって取り出された電力は、整流回路２３を介して、バッテリー２４等の負荷へ供給される。

ここで、送電装置１０と受電装置２０とは、離間しているため、互いの相対位置が変動することがある。送電装置１０と受電装置２０との相対位置が変動し、送電コイル１３と受電コイル２１との結合強度が変動すると、図２に示すように無線電力装置全体の送電効率も変動する。

例えば、受電コイル２１と電力取出コイル２２とが中結合状態の時に、送電コイル１３と受電コイル２１との結合強度が中結合状態（図２における中距離に相当）から強結合状態に変化した場合（図２における近距離に相当）、送電効率が大幅に低下する。これは、電力取出コイル２２により受電コイル２１から取り出される電力よりも、受電コイル２１に蓄積される電力の方が大きくなることにより、受電コイル２１において発熱損失が生じるからである。一方、送電コイル１３と受電コイル２１との結合強度が中結合状態から弱結合状態に変化した場合（図２における遠距離に相当）も、送電効率が大幅に低下する。これは、受電コイル２１に蓄積される電力よりも、電力取出コイル２２により受電コイル２１から取り出される電力の方が大きくなることにより、受電コイル２１における電力が低下するからである。このように、受電コイル２１と電力取出コイル２２との結合強度が一定であると、送電コイル１３と受電コイル２１との結合強度が変動した際に、無線電力装置全体の送電効率が低下することがある。

そこで本実施の形態では、電力取出コイル２２に流れる電流を検出して、その電流振幅に応じて受電コイル２１と電力取出コイル２２との結合強度を変化させている。すなわち、送電コイル１３と受電コイル２１との結合強度に応じて、受電コイル２１と電力取出コイル２２との結合強度を変化させている。

図６は、無線電力装置の制御フローを示す。なお、制御部２６は、図５Ａ及び図５Ｂのうちいずれの構成であってもよいが、以下の説明では図５Ａに示す制御部２６を受電装置２０に備えていることとしている。

まず、送電装置１０から受電装置２０へ電力を供給する前に、制御部２６は、モータ２８にモータ駆動電流を送り、電力取出コイル２２が初期位置に位置するよう制御する。電力取出コイル２２の初期位置は、例えば図４Ａにおける実線位置とする（Ｓ１）。

次に、送電装置１０から受電装置２０へ電力を供給する。具体的な電力供給動作は、前述したので省略する。受電コイル２１に供給された電力は、電磁誘導により電力取出コイル２２に供給される。電力取出コイル２２に供給された電力は、整流回路２４を介してバッテリー２５に供給される（Ｓ２）。

次に、電流検出素子２５は、電力取出コイル２２に流れる電流を検出し、電流波形を電流検出回路２６ａに送る。電流検出回路２６ａは、電流検出素子２５から送られる電流波形に基づき、電流の振幅を測定する。電流検出回路２６ａは、測定した振幅を制御回路２６ｂに送る（Ｓ３）。

次に、制御回路２６ｂは、電流検出回路２６ａで実行された電流測定の回数をカウントする（Ｓ４）。制御回路２６ｂは、もし今回の電流測定が１回目である場合（Ｓ４におけるＮＯ判断）は、測定された振幅を記憶し（Ｓ８）、モータドライバ２６ｃに制御信号を出力する。モータドライバ２６ｃは、制御回路２６ｂから送られる制御信号に基づき、モータ２８にモータ駆動電流を送る。モータ２８は、モータドライバ２６ｃから送られるモータ駆動電流に基づき駆動し、電力取出コイル２２（具体構成は、図４Ａに示す電力取出コイル２２ａ）を矢印Ｂに示す方向へ変位させる。これにより、受電コイル２１と電力取出コイル２２との結合強度が高くなる。なお、電力取出コイル２２の変位量は、制御回路２６ｂにおいて電流振幅と変位量とをテーブル化して持っておくことが好ましい。

次に、電流検出回路２６ａは、再度電流検出素子２５から電流波形を取得し、電流振幅を制御回路２６ｂに出力する（Ｓ３）。

次に、制御回路２６ｂは、電流検出回路２６ａで実行された電流測定の回数が２回目であると判断し（Ｓ４におけるＹＥＳ判断）、今回測定した電流振幅と前回測定した電流振幅とを比較する（Ｓ５）。制御回路２６ｂは、今回測定した電流振幅が前回測定した電流振幅よりも大きくなったと判断した場合は（Ｓ５におけるＮＯ判断）、今回測定した電流振幅を記憶し（Ｓ８）、以降上記と同様の処理を実行する。一方、制御回路２６ｂは、今回測定した電流振幅が前回測定した電流振幅よりも小さくなったと判断した場合は（Ｓ５におけるＹＥＳ判断）、電力取出コイル２２を直前の状態に戻す制御を行う。具体的には、Ｓ９において矢印Ｂに示す方向へ変位させた電力取出コイル２２を、元の位置に戻す制御を行う（Ｓ６）。すなわち、送電コイル１３と受電コイル２１との結合強度が高くなると電力取出コイル２２に流れる電流の振幅が大きくなるため（Ｓ５におけるＮＯ判断）、その場合は受電コイル２１と電力取出コイル２２との結合強度を高くする。また、送電コイル１３と受電コイル２１との結合強度が低くなると電流取出コイル２２に流れる電流の振幅が小さくなるため（Ｓ５におけるＹＥＳ判断）、受電コイル２１と電力取出コイル２２との結合強度を低くする。

以上により電力取出コイル２２の最適位置を決定することができる（Ｓ７）。これにより、送電コイル１３と受電コイル２１との結合強度に適した、受電コイル２１と電力取出コイル２２との結合強度に設定して、電力を負荷へ供給することができる。

〔３．実施の形態の効果、他〕
実施の形態にかかる無線電力装置は、送電コイル１３と受電コイル２１との結合状態に応じて、受電コイル２１と電力取出コイル２２との結合状態を変化させている。すなわち、送電コイル１３と受電コイル２１とが強結合状態の場合は、受電コイル２１と電力取出コイル２２とを強結合状態にし、送電コイル１３と受電コイル２１とが弱結合状態の場合は、受電コイル２１と電力取出コイル２２とを弱結合状態にする。このような構成とすることにより、受電コイル２１から電力取出コイル２２に供給される電力の過剰な低下や、受電コイル２１における発熱損失を抑えることができる。したがって、無線電力装置全体の送電効率を最適化することができる。

なお、本実施の形態にかかる無線電力装置は、携帯電話端末やデジタルカメラなど充電池により駆動する機器の充電装置に有用である。また、充電装置に限らず、送電装置と、送電装置から供給される電力を消費しながら駆動する受電装置とを備えたシステムにも有用である。すなわち、受電装置に充電機能を備えていないシステムにも有用である。

また、図４Ａ〜図４Ｄは、受電コイル２１と電力取出コイル２２との結合状態を可変する構造の例であり、少なくとも受電コイル２１と電力取出コイル２２との結合状態を可変できればこれらの構造に限らない。例えば、電力取出コイル２２に可変インダクタンスを設けて、電力取出コイル２２の共振周波数を変更可能にする構成としてもよい。

また、本実施の形態における送電コイル１３は、本発明の送電コイルの一例である。本実施の形態における受電コイル２１は、本発明の受電コイルの一例である。本実施の形態における電力取出コイル２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅは、本発明の電力取出コイルの一例である。本実施の形態における電流検出素子２５は、本発明の検出部の一例である。本実施の形態における制御部２６は、本発明の制御部の一例である。本実施の形態におけるモータ２８は、本発明の駆動部の一例である。本実施の形態におけるスイッチ２７は、本発明の切換部の一例である。

本発明は、送信装置から受信装置へ無線で電力を供給できる無線電力装置に有用である。

１０送電装置
１１交流電源
１２電力供給コイル
１３送電コイル
２０受電装置
２１受電コイル
２２電力取出コイル
２５電流検出素子
２６制御部
２７スイッチ
２８モータ

Claims

送電コイルとの間で生じる磁界共鳴を用いて、前記送電コイルから電力を磁界エネルギーとして受信する受電コイルと、
前記受電コイルから電磁誘導で電力を取り出す電力取出コイルとを備えた、無線電力装置であって、
前記電力取出コイルに流れる電流を検出する検出部と、
前記検出部で検出した電流に基づき、前記電力取出コイルと前記受電コイルとの結合強度を制御する制御部とを備えた、無線電力装置。
前記制御部は、
前記電力取出コイルに流れる電流が大きくなると、前記電力取出コイルと前記受電コイルとの結合強度を高くし、前記電力取出コイルに流れる電流が小さくなると、前記電力取出コイルと前記受電コイルとの結合強度を低くするよう制御する、請求項１記載の無線電力装置。
前記受電コイルと前記電力取出コイルとの結合強度を変えるよう前記電力取出コイルを変位可能な駆動部を、さらに備え、
前記制御部は、前記検出部で検出した電流に基づき、前記電力取出コイルを変位させるよう前記駆動部を制御する、請求項１または２記載の無線電力装置。
前記電力取出コイルは、
前記受電コイルに対する結合強度がそれぞれ異なる複数のコイルと、
前記複数のコイルのうち少なくとも一つを選択可能な切換部とを備え、
前記制御部は、前記検出部で検出した電流に基づき、前記切換部を切り換え制御する、請求項１または２記載の無線電力装置。
送電コイルと受電コイルとの間で生じる磁界共鳴を用いて、前記送電コイルから前記受電コイルへ電力を磁界エネルギーとして供給し、
前記受電コイルから電力取出コイルへ電磁誘導で電力を取り出す、無線電力受信方法であって、
前記電力取出コイルに流れる電流を検出し、
前記検出した電流の振幅に基づき、前記電力取出コイルと前記受電コイルとの結合強度を制御する、無線電力受信方法。
前記電力取出コイルに流れる電流が大きくなると、前記電力取出コイルと前記受電コイルとの結合強度を高くし、
前記電力取出コイルに流れる電流が小さくなると、前記電力取出コイルと前記受電コイルとの結合強度を低くする、請求項５記載の無線電力受信方法。
前記電力取出コイルを変位させて、前記受電コイルと前記電力取出コイルとの結合強度を制御する、請求項５または６記載の無線電力受信方法。
前記受電コイルとの結合強度が互いに異なる複数の電力取出コイルのうち、少なくとも一つを選択して、前記受電コイルと前記電力取出コイルとの結合強度を制御する、請求項５または６記載の無線電力受信方法。