JP5439416B2 - 無線電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、無線電力伝送装置に関する。

近年、送電コイルと受電コイルとを使用して非接触で電力を伝送する無線電力伝送技術がある。一般的に無線電力伝送技術は、送電コイルと受電コイルとの向きが重要となり、コイルの位置合わせを必要とする。

この位置合わせを必要としない手法として、液体で満たされた筐体内部に受電装置を入れ、筐体内に配置された送電アンテナから受電装置へエネルギーを伝送する手法がある。

特開２００９−２５３９９８号公報

しかしながら、受電装置の位置を変えるためには、液体を撹拌させる必要がある。さらに受電装置は、液体内に入れることが可能な材質でなければならない。
本開示は、様々な受電装置に容易に無線電力伝送を行うことができる無線電力伝送装置を提供することを目的とする。

本実施形態に係る無線電力伝送装置は、筐体と複数の送電コイルとを含む。筐体は、電力を受電する受電コイルを含む受電装置を格納可能である。複数の送電コイルは、前記筐体の内部に配置され、前記受電コイルと電磁結合することにより前記受電装置に電力伝送を行う。複数の送電コイルのうちの少なくとも２つの送電コイルは、送電コイルの巻き軸方向が異なる。

（ａ）第１の実施形態に係る無線電力伝送装置の斜視図と、（ｂ）ｘ軸方向からの平面図。 受電装置の一例を示す図。 受電装置の別例を示す図。 （ａ）送電コイルが３以上である場合の無線電力伝送装置の斜視図と、（ｂ）ｘ軸方向からの平面図。 第２の実施形態に係る無線電力伝送装置を示す図。 第３の実施形態に係る無線電力伝送装置を示す図。 本変形例に係る受信装置を示すブロック図。 本変形例に係る無線電力伝送装置を示す図。 本変形例の別例に係る無線電力伝送装置を示す図。 無線電力伝送装置の第１の利用例を示す図。 無線電力伝送装置の第２の利用例を示す図。 無線電力伝送装置の第３の利用例を示す図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る無線電力伝送装置について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の参照符号を付した部分は同様の動作を行うものとして、重複する説明を適宜省略する。
（第１の実施形態）
本実施形態に係る無線電力伝送装置について図１を参照して説明する。図１（ａ）は、無線電力伝送装置の斜視図であり、図１（ｂ）は、無線電力伝送装置をｘ軸方向から見た図である。
本実施形態に係る無線電力伝送装置１００は、筐体１０１、送電コイル１０２、および送電回路１０３を含む。なお、図１の例では、送電コイル１０２の数が２つであるが、これに限らず、２つ以上あってもよい。

筐体１０１は、例えば金属導体で形成され、後述する受電装置を挿入するための開口部１０４を有する。筐体１０１は、筐体１０１外への電波の漏えいを抑圧するためには全て金属導体で形成されることが望ましいが、送電コイル１０２の巻き軸方向の延長線と交わる筐体１０１の面に、送電コイル１０２を正射影した面上の領域のうち、送電コイルに近い領域が少なくとも導体で形成されればよい。巻き軸方向とは、コイルが巻かれることにより形成される平面に垂直な方向である。具体的には、図１（ｂ）を参照すると、送電コイル１０２−１の巻き軸方向の延長線と交わる筐体１０１の面に、送電コイル１０２−１を正射影した領域が領域１０５−１および領域１０５−２である。同様に、送電コイル１０２−２の巻き軸方向の延長線と交わる筐体１０１の面に、送電コイル１０２−２を正射影した領域が領域１０５−３および領域１０５−４となる。これらの領域のうち、領域１０５−１と領域１０５−３とを少なくとも導体で形成すればよい。

なお、筐体１０１は、図１の例では直方体であるが、どのような形状であってもよい。また、開口部１０４についても同様に、図１の例では矩形であるが、受電装置を挿入できる形状であればどのような形状であってもよく、受電装置のサイズに合わせて設計してもよい。また、開口部１０４には、金属導体により開閉可能な蓋が取り付けられてもよい。金属導体による蓋により、さらに筐体１０１外への電波の漏えいを抑圧することができる。

送電コイル１０２は、巻き数がｎ（ｎは１以上の整数）のコイルであり、筐体１０１の内部に複数配置される。また、複数の送電コイルのうち図１の例では、送電コイル１０２−１および送電コイル１０２−２の２つのコイルが、コイルの巻き軸方向に互いに直交するように筐体１０１の内面に配置される。なお、送電コイル１０２は、筐体１０１の内面と接してもよいし、離れていてもよい。具体的には、図１（ｂ）に示すように、筐体１０１内の上面に送電コイル１０２−１を配置し、上面と垂直な側面に送電コイル１０２−２を配置する。すなわち、送電コイル１０２−１の巻き軸方向は垂直方向（Ｚ軸方向）となり、送電コイル１０２−２の巻き軸方向は水平方向（ｙ軸方向）となるので、互いに巻き軸方向が直交する。
なお、送電コイル１０２は円筒形であるが、これに限らず、四角柱形状、平面スパイラル形状、平面角型スパイラル形状などであってもよい。

送電回路１０３は、外部電源（図示せず）と送電コイル１０２とに接続され、外部電源から電力を受け取り、低周波から高周波に変換して送電コイル１０２に電力を供給する。図１（ａ）に示す例では、送電コイル１０２−１に送電回路１０３−１を、送電コイル１０２−２に送電回路１０３−２をそれぞれ接続し、送電回路１０３−１および１０３−２が送電コイル１０２−１および１０２−２へそれぞれ電力を供給する。

次に、受電装置の一例について図２および図３を参照して説明する。
図２に示す受電装置２００は、受電コイル２０１を含む。受電コイル２０１は、受電装置２００の上面に配置され、受電コイル２０１の巻き軸方向は垂直方向（ｚ軸方向）となる。
図３に示す受電装置３００も同様に、受電コイル３０１を含む。受電コイル３０１は、受電装置３００の側面に配置され、受電コイル３０１の巻き軸方向は水平方向（ｙ軸方向）となる。

ここで、図２に示す受電装置２００を図１に示す無線電力伝送装置１００の中に挿入した場合を想定して説明する。
この場合、無線電力伝送装置１００の筐体１０１内の上面に配置される送電コイル１０２−１と受電装置２００の受電コイル２０１とは、コイル同士が対向し、互いのコイルの巻き軸方向が平行となりＺ軸方向となる。この結果、送電コイル１０２−１と受電コイル２０１とは、電磁的に強く結合（以下、単に結合ともいう）することができ、送電コイル１０２−１から受電コイル２０１へ無線電力伝送が可能となる。

一方、筐体１０１の側面に配置された送電コイル１０２−２の巻き軸方向はｙ軸方向であり、受電コイル２０１の巻き軸方向はｚ軸方向なので、互いのコイルの巻き軸方向が直交する。したがって、送電コイル１０２−２と受電コイル２０１とは結合しない。
同様に、図３に示す受電装置３００を無線電力伝送装置１００の筐体１０１に挿入した場合は、筐体１０１の側面に配置された送電コイル１０２−２と受電コイル３０１との巻き軸方向が平行となるため結合して無線電力伝送される。一方、筐体１０１の上面に配置された送電コイル１０２−１と受電コイル３０１とは結合しない。

なお、２つの送電コイル１０２の巻き軸方向を直交させると、ｚ軸方向およびｙ軸方向に巻き軸方向が向いている受電装置に対して高い電力伝送効率が得られるため、送電コイルの数が２つである場合は互いの送電コイルの巻き軸方向を直交させることが望ましい。しかし、２つの送電コイルの巻き軸方向を互いに直交させなくとも、無線電力伝送が可能である。すなわち、少なくとも２つの送電コイルの巻き軸方向を異ならせる、すなわち互いに平行とならないように配置されていれば、どのような向きに設置された受電装置に対しても無線電力伝送が可能である。但し、この場合、電力の伝送効率は低下する。
次に、送電コイル１０２の数が３つ以上である場合の一例について図４を参照して説明する。図１と同様に、（ａ）が無線電力伝送装置４００の斜視図を示し、（ｂ）がｘ軸方向の平面図を示す。
図４では、送電コイル１０２が４つ（１０２−１から１０２−４まで）である場合を示す。送電コイル１０２の数が３つ以上である場合は、複数の送電コイル１０２のうち、３つの送電コイルの巻き軸方向が互いに直交するように配置すればよい。図４の例では、送電コイル１０２−１がｚ軸方向、送電コイル１０２−２および１０２−４がｙ軸方向、および送電コイル１０２−３がｘ軸方向にそれぞれ巻き軸方向が向いている。このようにすることで、３軸方向にそれぞれ受電コイルの巻き軸方向が向けられた受電装置に対して、高い電力伝送効率を得ることができる。なお、残りの送電コイル１０２は、どのような向きに配置してもよい。

以上に示した第１の実施形態によれば、少なくとも２つの送電コイルの巻き軸方向が異なるように配置することで、受電装置の受電コイルの向きに関わらず、無線電力伝送をすることができる。よって、筐体内における受電装置の設置場所の自由度を増やすことができ、様々な受電装置に容易に無線電力伝送することができる。

（第２の実施形態）
図１では送電コイルごとに送電回路を接続し電力供給をしていたが、１カ所の送電回路から送電する送電コイルを切り替えて無線電力伝送を行う点が異なる。

第２の実施形態に係る無線電力伝送装置について図５を参照して説明する。
第２の実施形態に係る無線電力伝送装置５００は、筐体１０１、送電コイル１０２−１および１０２−２、切替回路５０１、および送電回路１０３を含む。

切替回路５０１は、送電回路１０３から電力を受け取り、無線電力伝送を行うべき送電コイルに電力を供給するため、スイッチを切り替える。こうすることで、それぞれに送電回路を設ける必要がなく、回路規模を小さくしつつ無線電力伝送を行う送電コイルを選択することができる。
具体的には、例えばユーザが受電装置を置いた向きを把握している場合を想定する。このとき、受電装置の受電コイルに対向する送電コイルから電力を伝送するように、ユーザがスイッチなどにより電力供給を切り替えれば、無駄な電力消費を抑制しつつ、効率的に無線電力伝送を行うことができる。
また、無線電力伝送装置５００における判定部（図示せず）が、ある送電コイルからの受電装置への伝送効率が閾値以下であると判定した場合に、切替回路５０１が他の送電コイルに電力供給するように切り替える。この動作を繰り返すことにより、最も効率よく無線電力伝送を行うことができる送電コイルを検出することもできる。

以上に示した第２の実施形態によれば、切替回路により、無線電力伝送を行う送電コイルを選択することができ、効率的に無線電力伝送を行うことができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、切替回路に接続される送電コイルの数を制限する点が異なる。全ての送電コイルへの接続を切替回路でおこなうと、切替回路の構成が複雑になる。接続可能な送電コイルの数を削減すれば、切替回路の構成を簡略化できる。

第３の実施形態に係る無線電力伝送装置について図６を参照して説明する。
第３の実施形態に係る無線電力伝送装置６００は、筐体１０１、送電コイル１０２−１および１０２−２、切替回路６０１、および送電回路１０３を含む。

切替回路６０１は、無線電力伝送装置６００に設置される送電コイル１０２のうち、少なくとも１つは送電コイル１０２に接続しない。

この場合、切替回路６０１に接続されない送電コイル１０２からは直接、電力が伝送されない。まず、切替回路６０１で接続された送電コイル１０２は切替回路６０１に接続されない送電コイル１０２に結合する。その後、切替回路６０１に接続されない送電コイル１０２ではエネルギーが損失せずに電力を中継する役割を果たして、受電装置へ無線電力伝送されることとなる。この結果、全ての送電コイルへ切替回路が接続する場合と同等の効果が得られる。

切替回路６０１に接続された送電コイル１０２から無線電力伝送され、切替回路６０１で接続されない送電コイル１０２へ結合する条件として、以下の（１）または（２）の少なくともどちらか一方を満たせばよい。
（１）切替回路６０１に接続された送電コイルと、切替回路６０１に接続されない送電コイルとの巻き軸方向が直交しないこと。
（２）切替回路６０１に接続された送電コイルの巻き軸方向の延長上に、切替回路６０１で接続されない送電コイルが存在しないこと。

以上に示した第３の実施形態によれば、回路の構成を小さくしつつ、任意の位置に置かれた受電装置に無線電力を伝送することができる。

（第１の実施形態から第３の実施形態に係る変形例）
本変形例では、受電装置と、外部と通信を行う通信部とを含む受信装置に無線電力伝送を行う場合を想定する。

本変形例に係る受信装置について図７を参照して説明する。
本変形例に係る受信装置７００は、受電コイル７０１、受電部７０２、通信部７０３を含む。
受電コイル７０１および受電部７０２は、上述の受電装置２００または受電装置３００と同様の動作を行い、無線電力伝送装置から電力を受電する。

通信部７０３は、特定の周波数帯を用いてデータを通信する。なお、通信部７０３にアンテナを含み、データを送受信してもよく、受電コイルを共用して受電コイル７０１を用いてデータの送受信を行ってもよい。

次に、本変形例に係る無線電力伝送装置について図８を参照して説明する。なお、図８では第１の実施形態に係る無線電力伝送装置１００を例に説明するが、第１の実施形態から第３の実施形態までのいずれの無線電力伝送装置でもよい。

本変形例に係る無線電力伝送装置８００は、無線電力伝送装置１００は、筐体１０１、送電コイル１０２、送電回路１０３、および周波数選択性透過窓８０１を含む。
周波数選択性透過窓８０１は、筐体１０１の一部に設けられ、任意の周波数の電波を通過させる。例えば、周波数選択性透過窓８０１は、パッチまたはスロットを周期的に配置することにより形成する。例えばパッチにより周波数選択性透過窓８０１を形成する場合は、筐体１０１の一部に窓（開口部）を設け、開口部分に用いる周波数に合わせてサイズ、個数を調整した導体によるパッチを周期的に配列すればよい。
また、無線電力伝送に用いる周波数と周波数選択性透過窓８０１を透過する周波数とが異なるように設計すれば、無線電力伝送の電波が筐体外へ漏えいすることを抑圧することができる。

さらに、周波数選択性透過窓８０１の代わりに筐体の内外にアンテナを設けてもよい。
変形例の別例について図９を参照して説明する。
変形例の別例に係る無線電力伝送装置９００は、筐体１０１、送電コイル１０２、送電回路１０３、第１アンテナ９０１、および第２アンテナ９０２を含む。
第１アンテナ９０１は、筐体１０１の内側に配置され、受信装置７００から受信した電波を第２アンテナ９０２へ伝送する。また、第２アンテナ９０２から受け取った電波を受信装置７００へ送信する。

第２アンテナ９０２は、筐体１０１の外側に配置され、第１アンテナ９０１から受け取った電波を外部へ放射する。また、受信した電波を第１アンテナ９０１へ伝送する。第１アンテナ９０１および第２アンテナ９０２によれば、周波数選択性透過窓８０１と同様の効果を得ることができる。
なお、筐体１０１として透明な材料を用いれば、着信ランプなどの受電装置の確認をすることもできる。

さらに、無線電力伝送装置の筐体内部に温度センサを設置し、所定の温度以上となった場合に、送電コイルからの無線電力伝送を停止するようにしてもよい。こうすることで、装置の温度上昇を抑えることができ、過充電などによる素子の破壊を抑制することができる。

また、無線電力伝送装置の筐体内部に重量メータを設置し、重量メータの値が一定期間閾値以上となったときに無線電力伝送を開始するようにしてもよい。こうすることで、筐体内部に受電装置を挿入しただけで無線電力伝送を開始することができ、ユーザが電力伝送開始のスイッチを押下するなど別の処理を要することなく、簡易に無線電力伝送を行うことができる。

ここで、無線電力伝送装置の利用例を図１０から図１２を参照して説明する。
図１０は、無線電力伝送装置をＴＶ台に内蔵する場合を示す。ＴＶ１００１を設置するＴＶ台１００２に内蔵し、無線電力伝送装置の開口部が正面に向くように設置するなどすればよい。図１１は、棚１１０１に無線電力伝送装置を載置する例であり、開口部をユーザが出し入れしやすい向きに設置すればよい。図１２は、ソファー１２０１に無線電力伝送装置を併設する場合を示す。無線電力伝送装置の開口部を上面に向けることで、ユーザが受電装置を挿入しやすくなる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００，４００，５００，６００，８００，９００・・・無線電力伝送装置、１０１・・・筐体、１０２−１〜１０２−４・・・送電コイル、１０３−１〜１０３−４・・・送電回路、１０４・・・開口部、１０５−１〜１０５−４・・・領域、２００，３００・・・受電装置、２０１，３０１，７０１・・・受電コイル、５０１，６０１・・・切替回路、７００・・・受信装置、７０２・・・受電部、７０３・・・通信部、８０１・・・周波数選択性透過窓、９０１，９０２・・・アンテナ、１００１・・・ＴＶ、１００２・・・ＴＶ台、１１０１・・・棚、１２０１・・・ソファー。

Claims (8)

1. 電力を受電する受電コイルを含む受電装置を格納可能な筐体と、
   前記筐体の内部に配置され、前記受電コイルと電磁結合することにより前記受電装置に電力伝送を行う複数の送電コイルと、を具備し、
   複数の送電コイルのうちの少なくとも２つの送電コイルは、送電コイルの巻き軸方向が異なり、
   無線電力伝送に用いる第１の周波数と異なる第２の周波数の電波を透過させ、かつ前記第１の周波数の電波の透過を抑圧する透過窓が、前記筐体に形成されることを特徴とする無線電力伝送装置。
2. 前記筐体は、前記送電コイルの巻き軸方向の延長線と交わる該筐体の面に該送電コイルを正射影した領域部分のうちの、該送電コイルに近い領域部分は少なくとも導体で形成することを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送装置。
3. 複数の送電コイルのうちの２つの送電コイルの巻き軸方向は、互いに直交することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線電力伝送装置。
4. 複数の送電コイルのうちの３つの送電コイルの巻き軸方向は、それぞれ直交することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線電力伝送装置。
5. 複数の送電コイルのうちの特定の送電コイルへ電力の供給を切り替え可能な切替回路をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の無線電力伝送装置。
6. 複数の送電コイルに、前記切替回路に接続される第１送電コイルと、該切替回路に接続されない第２送電コイルとが含まれる場合、該第２送電コイルは、該第１送電コイルの巻き軸方向と該第２送電コイルの巻き軸方向とが直交しないことと、前記第１送電コイルの巻き軸方向の延長上に該第２送電コイルが配置されないことと、の少なくともどちらか一方を満たすことを特徴とする請求項５に記載の無線電力伝送装置。
7. 前記筐体内の物体の重量を計測する重量メータをさらに具備し、
   前記重量メータにより計測された値が閾値以上である場合、無線電力伝送を行うことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の無線電力伝送装置。
8. 前記第２の周波数は、前記受電装置がデータ通信を行なうために用いる周波数帯であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の無線電力伝送装置。

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