JP5836287B2 - 電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する電力伝送装置に関する。

近年、非接触にて電力を伝送する装置が普及している。電力伝送装置は、電力を送電する送電装置と、送電電力を受け取る受電装置とを含む。電力伝送装置は、電磁誘導方式、磁界共鳴方式または電界結合方式等を利用して、電力を非接触で送電装置から受電装置に伝送する。受電装置は自機を駆動する駆動回路や、受電装置に搭載した２次電池の充電回路等の負荷回路を備えている。

携帯端末やノートパソコン等の電子機器に非接触で電力（数十ワット程度までの電力）を伝送する場合に、電磁誘導方式や電界結合方式を利用すると、一般的には、送電装置と受電装置とを伝送可能領域内にてほぼ密着させる必要がある。一方、磁界共鳴方式を利用すると、送電装置と受電装置とを密着させる必要がなく、例えば送電装置から数ｃｍ程度、受電装置を離しても電力の伝送を行うことができる。したがって、受電装置を置く位置に自由度があり、使い勝手に優れるという点で磁界共鳴方式が注目されている。

磁界共鳴方式は、送電装置に設けられたコイルとコンデンサから成る共振素子（共鳴素子ともいう）と、受電装置に設けられたコイルとコンデンサから成る共振素子とが結合することで、電力を伝送することができる。電磁誘導方式においても、送電側のコイルと受電側のコイルの結合だけではなく、送電側と受電側の双方に共振用のコンデンサを設け、送電側及び受電側の素子を共振結合させることで、電力を伝送する距離を伸ばそうとする試みもなされてきており、磁界共鳴方式と電磁誘導方式との区別がなくなってきている。

また電力伝送効率に影響を与えるパラメータとして、送電装置及び受電装置の共振素子間の結合係数ｋがある。送電装置と受電装置の共振素子間の距離が変動すると、通常は結合係数ｋも変動する。例えば、共振素子間の距離が離れると、結合係数ｋは小さくなる。回路のインピーダンスが固定であれば、結合係数ｋの変化に伴って電力伝送効率は変化する。

送電装置と受電装置の共振素子間の距離の変動に伴って結合係数ｋが変化しても、電力伝送効率を高く維持する方法として、インピーダンスを可変できるインピーダンス調整手段を設け、結合係数ｋの変化に応じて、送電装置や受電装置のインピーダンスを変化させる技術が知られている。

しかしながら、当該技術では、結合係数ｋが変動した場合に自動的にインピーダンス制御を行うための回路が新たに必要であり、制御も複雑になるという問題点があった。

特開２０１１−５０１４０号公報

発明が解決しようとする課題は、送電装置の送電コイルと受電装置の受電コイル間の距離が変動しても結合係数ｋの変動を抑えた非接触式の電力伝送装置を提供することにある。

実施形態に係る電力伝送装置は、送電装置から受電装置へ非接触で電力伝送を行う電力伝送装置であって、前記送電装置は、隣接する第１の面と第２の面で前記受電装置を支える本体と、前記第１の面と前記第２の面に対応させて、前記本体内に配置された送電コイルと、前記送電コイルを含む共振素子に交流電力を供給する交流電源と、を備え、前記受電装置は、前記第１、第２の面にそれぞれ対向する第３、第４の面を有する本体と、前記第３、第４の面に対応させて、前記本体内に配置された受電コイルと、前記受電コイルを含む共振素子に誘起する交流電力を整流する整流回路と、を備え、前記送電コイルは、前記第１の面と前記第２の面が交差する位置から予め設定した距離だけ離して、前記第１の面と前記第２の面に対応させて配置され、前記送電コイルと前記受電コイル間の距離が接近するほど、前記送電コイルと前記受電コイルの対向面積の和が減少し、前記送電コイルと前記受電コイル間の距離が離れるほど、前記送電コイルと前記受電コイルの対向面積の和が増加するように構成されてなる。

第１の実施形態に係る電力伝送装置の構成を示すブロック図と斜視図。 第１の実施形態における送電コイルと受電コイルの構成を概略的に示す斜視図。 第１の実施形態おける送電コイルと受電コイルの位置関係を示す断面図。 第１の実施形態における送電コイルと受電コイルの位置が変化したときの動作を示す説明図。 図４における送電コイルと受電コイル間の距離と、対向面積の関係を示す説明図。 第１の実施形態における送電コイルと受電コイルの位置が変化したときの他の動作を示す説明図。 図６における送電コイルと受電コイル間の距離と、対向面積の関係を示す説明図。 一般的な電力伝送装置の構成を示すブロック図とコイルの構成図。 第１の実施形態に係る電力伝送装置での結合係数ｋの測定系を示す図。 第１の実施形態と一般例における送・受コイル間の距離と結合係数ｋの関係を示す特性図。 第１の実施形態と一般例における送・受コイル間の距離と受電電力の関係を示す特性図。 第１の実施形態における送電コイルの変形例を示す斜視図。 第１の実施形態における受電コイルの変形例を示す斜視図。 第１の実施形態の変形例での送電コイルと受電コイルの位置関係を示す断面図。 第１の実施形態における送電コイルと受電コイルの磁界と電流の向きを示す説明図。 送電コイルと受電コイルの磁界と電流の向きを示す他の説明図。 第１の実施形態の変形例における受電コイルの磁界と電流の向きを示す説明図。 第１の実施形態の変形例における送電コイルと受電コイルの配置を示す断面図。 第１の実施形態における送電コイルと受電コイルの位置関係の他の例を示す断面図。 第２の実施形態に係る電力伝送装置における送電装置を示す斜視図。 第２の実施形態における送電装置と受電装置を示す構成図。 第２の実施形態における送電装置と受電装置の他の例を示す構成図。 第２の実施形態の変形例における送電装置と受電装置を示す斜視図。

以下、発明を実施するための実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付す。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、一実施形態に係る電力伝送装置の構成を示すブロック図である。図１（ｂ）は、送電装置と受電装置を概略的に示す斜視図である。図１（ａ）に示すように、電力伝送装置は、電力を送電する送電装置１０と、送電された電力を受電する受電装置２０とを備える。送電装置１０と受電装置２０とは、磁界共鳴方式または電磁誘導方式等の電磁結合を利用した方式により電力を伝送する。以下、磁界共鳴方式または電磁誘導方式により電力を伝送する場合について説明する。

送電装置１０は、電力を発生する交流電源１１と、共振用コンデンサ１２と送電コイル１３及び１４で構成される共振素子１５とを備える。交流電源１１は、送電用の共振素子１５の自己共振周波数と同一、或いはほぼ同一の周波数の交流電力を発生し、共振素子１５に供給する。交流電源１１は、目的とする周波数の交流電力を発生させるための発振回路と、発振回路の出力を増幅する電力増幅回路を含む。もしくは、交流電源１１は、スイッチング電源の構成とし、発振回路の出力でスイッチング素子をオン／オフする構成とすることもできる。

尚、交流電源１１には、送電装置１０の外部に設けたＡＣアダプタ等から直流の電力が供給されるようになっている。或いは、外部からＡＣ１００Ｖを送電装置１０に供給し、送電装置１０内にＡＣアダプタまたはＡＣ／ＤＣ変換部を設けて、直流電力を交流電源１１に供給するようにしてもよい。

受電装置２０は、共振用コンデンサ２１と受電コイル２２から構成される共振素子２３と、交流を直流に変換する整流回路２４と、負荷回路２５とを備える。受電用の共振素子２３の自己共振周波数は、送電用の共振素子１５の自己共振周波数と同一、或いはほぼ同一であり、互いに電磁結合することで、送電側から受電側に効率よく電力を伝送する。

負荷回路２５は、携帯端末やポータブル端末、ポータブルプリンタ等の電子機器の回路であり、受電装置２０で受電した電力は、電子機器の動作や、電子機器が内蔵するバッテリーの充電等に利用される。一般的に、負荷回路２５は直流電力で動作するため、負荷回路２５に直流電力を供給するために、受電用の共振素子２３に誘起した交流電力を整流して直流電力に変換する整流回路２４を設けている。

尚、共振用コンデンサ１２、２１は必ずしも電子部品で構成する必要はなく、コイルの形状やコイルのインダクタンス値によっては、コイルの線間容量等で代用することもできる。

また、共振用コンデンサ１２はコイル１３、１４と直列に配置し、共振用コンデンサ２２はコイル２２と直列に配置してそれぞれ直列共振回路を構成しているが、それぞれの共振用コンデンサは、コイルと並列に配置するようにして並列共振回路の構成としても良い。

図１（ａ）の電力伝送装置では、図１（ｂ）に示すように、送電装置１０の送電コイル１３、１４に受電コイル２２を重ねることで受電装置２０に電力を伝送することになる。即ち、送電コイル１３、１４に電流を流すことにより、送電コイル１３、１４に磁界が発生する。一方、受電コイル２２には電磁結合の作用により、受電コイル２２に電流が流れ、その電流を整流することで電力を得ることができる。

図１（ｂ）において、送電装置１０は、受電装置２０を載置するＬ字型の本体である筐体１６を有し、筐体１６内のＬ字型の壁面に送電コイル１３と１４をほぼ直交するように配置している。また受電装置２０は、方形状の本体である筐体２６を有し、送電装置１０上に置くことができる。受電装置２０の筐体２６内の、送電コイル１３、１４と対向する面に、ほぼ９０度に折り曲げた受電コイル２２を配置している。

図２は、送電コイル１３、１４と受電コイル２２の構成を概略的に示す斜視図である。図２（ａ）は、送電コイル１３、１４を示し、図２（ｂ）は、受電コイル２２を示す。図２（ａ）に示すように、送電コイル１３及び送電コイル１４は、送電装置１０のＬ字型の２つの面１７、１８（第１、第２の面）に対応させて本体（筐体１６）内に配置し、直列に接続する。送電コイル１３及び１４から引き出した線の端部Ａ、Ａ’は、図１（ａ）の送電装置１０内の端子Ａ−Ａ’に相当する。尚、端部ＡとＡ’は、入れ替わっても構わない。また、送電コイル１３及び１４は、２つの面１７、１８に単一の銅線、または複数本で構成するリッツ線などを巻いたものである。或いは、リジッドまたはフレキシブルな印刷基板に形成したプリントコイルなどであっても良い。

受電コイル２２は、図２（ｂ）に示すように、１つのコイルをほぼ９０度に湾曲、または折り曲げた形状であり、受電装置２０の２つの面２７、２８（第３、第４の面）に対応させて本体（筐体２６）内に配置する。受電コイル２２から引き出した線の端部Ｂ、Ｂ’は、図１（ａ）に示した受電装置２０内のＢ−Ｂ’に相当する。尚、端部ＢとＢ’は、入れ替わっても構わない。また、受電コイル２２は、単一の銅線、または複数本で構成するリッツ線などを巻いたものの他、フレキシブルな印刷基板に形成したプリントコイルなどであっても良い。

送電装置１０から受電装置２０に非接触で電力伝送を行う場合には、図２（ａ）に示す送電コイル１３、１４と、図２（ｂ）に示す受電コイル２２が対向して重なるように、送電装置１０の筐体１６の上に、受電装置２０を載置する。送電装置１０は、隣接する第１の面１７と第２の面１８で受電装置２０を支える。

図３は、送電装置１０の上に、受電装置２０を載置したときの、送電コイル１３、１４と受電コイル２２との位置関係を示す断面図である。図３において、送電コイル１３、１４は、送電装置１０の２つの隣接する面１７、１８に配置し、受電コイル２２は、受電装置２０の２つの面２７、２８に配置する。送電装置１０の面１７と面１８とが交わる交点を図２（ａ）、図３の点Ｐで示す。

図３から分かるように、送電装置１０は厚みを持った、例えば樹脂製の筐体１６を有している。面１７や面１８の厚みは、受電装置２０を支えるために十分な強度を持つ必要がある。受電装置２０の重さにもよるが、重さが５００ｇ〜１ｋｇ程度のポータブル機器のような受電装置２０を載せる場合、面１７は一般的な樹脂であれば２〜３ｍｍ程度の厚さは必要である。通常は、安全性や耐久性等を考慮して、送電コイル１３、１４は、筐体１６の面１７、１８の内側にそれぞれ配置する。

受電装置２０は、筐体２６を有し、受電コイル２２は送電コイル１３、１４に対向する筐体２６の面２７、２８に沿って配置する。図３に示す例では、受電コイル２２は面２７、２８に沿って筐体２６内に設置しているが、筐体２６内に限らず、筐体２６の外側に受電コイル２２を設け、受電コイル２２を例えば保護フィルムで覆う等の絶縁処理を施してもよい。

受電コイル２２は、図２（ｂ）に示すように、１つのコイルを湾曲、または折り曲げたものであるが、折り曲げ部分２９は、面２７と面２８とが交わる角度、即ち直角に曲げても良いし、図３に示すように適当な円弧を付けて曲げるか、湾曲させても良い。

図３で示すように、送電コイル１３及び１４は、面１７と面１８の交点Ｐから、それぞれ面１７、面１８に沿って適当な距離Ｌ１、Ｌ２だけ離して配置し、送電コイル１３と１４とが互いに接触もしくは密着しないように配置する。また図３に示すように、送電コイル１３、１４と受電コイル２２とが最も近接する位置において、送電コイル１３の点Ｐから面１７に沿って最も離れた部分Ｑは、受電コイル２２の面２７に沿って点Ｐから最も離れた部分Ｒよりも距離Ｌ３だけ離れた位置にある。

同様に、送電コイル１４の点Ｐから面１８に沿って最も離れた部分Ｓは、受電コイル２２の面２８に沿って点Ｐから最も離れた部分Ｔよりも距離Ｌ４だけ離れた位置にある。したがって、送電コイル１３及び１４と受電コイル２２とが最も近接する状態においては、送電コイル１３及び１４の方が受電コイル２２よりも点Ｐから離れた位置にある。

尚、距離Ｌ１、Ｌ２及びＬ３、Ｌ４についての最適な距離は、使用する送電コイル１３、１４及び受電コイル２２の大きさ等によって変わるが、点Ｐから適当な距離Ｌ１、Ｌ２だけ離れた位置に送電コイル１３、１４を設置し、また、距離Ｌ３、Ｌ４を確保する必要がある。

次に、実施形態に係る電力伝送装置の動作について説明する。図３に示した送電コイル１３、１４と受電コイル２２との位置関係は、通常の使用、即ち充電台である送電装置１０に、充電される側のポータブル機器である受電装置２０を最も近接するように置いたときの様子を示している。例えば、ポータブル機器を持ち運びや保護のためのソフトケースやキャリングケース等のケース類に入れたまま充電台に置くと、ケース類の厚み分だけ送電コイル１３、１４と受電コイル２２との距離が離れることになる。

従来であれば、送電コイルと受電コイルとの距離が変わると、結合係数ｋが変化し、回路定数を変化させなければ、受電装置２０が受電できる電力量や電力伝送効率も変化していた。従来では、大抵は、ある距離において受電できる電力値が最大となり、距離が離れたり近づくと受電できる電力量は低下する。

本実施形態では、コイル間の距離が変化しても結合係数ｋがほとんど変化しないので、受電できる電力量や電力伝送効率もほとんど変化しない。以下、その理由について述べる。

図４は、送電コイル１３、１４と受電コイル２２との距離が変化した場合に、結合係数ｋに与える影響について説明する図である。図４では、送電コイル１３、１４と受電コイル２２の位置関係のみを示しており、送電装置１０及び受電装置２０の筐体等は省略している。

先に述べたように、受電装置２０を直接、送電装置１０の上に置いた場合や、受電装置２０をケース類に入れて送電装置１０に置いた場合等で、受電コイル２２の位置が矢印Ｙの方向に変化する。例えば送電コイル１３、１４に対して受電コイル２２の位置がＰ１、Ｐ２、Ｐ３のように変化して相対距離が変わった場合について説明する。

図４において、先ず、受電コイル２２と送電コイル１３とが対向する部分から考えてみる。位置Ｐ１の場合には、送電コイル１３と受電コイル２２との距離（垂直方向）はＨ１で、位置Ｐ１〜Ｐ３の中では最も近距離となる。送電コイル１３に対向する受電コイル２２の面積は、送電コイル１３に対向する受電コイル２２の長さをＪ１とし、受電コイル２２の幅をｍ（図２（ｂ）参照）とすると、Ｊ１×ｍとなる。

同様に、位置Ｐ２、Ｐ３の場合には、送電コイル１３と受電コイル２２との距離（垂直方向）はそれぞれＨ２、Ｈ３となり、送電コイル１３に対向する受電コイル２２の面積はそれぞれＪ２×ｍ、Ｊ３×ｍとなる。ここで、図２に示すように、受電コイル２２の幅ｍが、送電コイル１３の幅ｎ１よりも短いものとすると、（１）式の関係が得られる。

Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３、Ｊ１＜Ｊ２＜Ｊ３、Ｊ１×ｍ＜Ｊ２×ｍ＜Ｊ３×ｍ…（１）
次に受電コイル２２と送電コイル１４とが対向する部分について考えてみる。受電コイル２２が位置Ｐ１にある場合には、送電コイル１４と受電コイル２２との距離（水平方向）はＷ１で、位置Ｐ１〜Ｐ３の中では最も近距離となる。送電コイル１４に対向する受電コイル２２の面積は、送電コイル１４に対向する受電コイル２２の長さをＫ１とすると、Ｋ１×ｍとなる。同様に、位置Ｐ２、Ｐ３の場合には、送電コイル１４に対向する受電コイル２２の長さはＫ２、Ｋ３、送電コイル１４と受電コイル２２との距離（水平方向）はそれぞれＷ２、Ｗ３となり、送電コイル１４に対向する受電コイル２２の面積はそれぞれＫ２×ｍ、Ｋ３×ｍとなる。ここで、図２に示すように、受電コイル２２の幅ｍが、送電コイル１４の幅ｎ２よりも小さいものとすると、（２）式の関係が得られる。

Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３、Ｋ１＜Ｋ２＜Ｋ３、Ｋ１×ｍ＜Ｋ２×ｍ＜Ｋ３×ｍ…（２）
以上の関係を一覧にまとめると、図５（ａ）のようになる。図５（ａ）において、距離Ｈは送電コイル１３と受電コイル２２との距離、対向面積（１３−２２）は、送電コイル１３に対向する受電コイル２２の面積、距離Ｗは送電コイル１４と受電コイル２２との距離、対向面積(１４−２２)は、送電コイル１４に対向する受電コイル２２の面積を示す。

一般に、コイル間の距離が近いほど、また、対向するコイルの面積が大きいほど、結合係数ｋは大きくなる傾向にある。そこで、定性的ではあるが、受電コイル２２の位置がＰ２の場合の距離、対向面積を基準（○）とし、結合係数ｋが大きくなる要素は（◎）、小さくなる要素は（△）として表現すると、図５（ａ）は、（１）式及び（２）式の関係から図５（ｂ）のように書き換えることができる。

図５（ｂ）に示すように、受電コイル２２の位置がＰ１にある場合のように、距離Ｈ及びＷが小さくなると結合係数ｋが大きくなるが、その反面、対向面積（１３−２２）及び（１４−２２）の和が小さくなることにより結合係数ｋが小さくなるため、結果として相殺されて結合係数ｋは受電コイル２２の位置が変わっても殆ど変わらない。また受電コイル２２の位置がＰ３にある場合のように、距離Ｈ及びＷが大きくなると結合係数ｋが小さくなるが、その反面、対向面積（１３−２２）及び（１４−２２）の和が大きくなることにより結合係数ｋが大きくなるため、結果として相殺されて、結合係数ｋは受電コイル２２の位置が変わっても殆ど変わらない。つまり、送電コイル１３、１４と受電コイル２２間の距離が変化すると、送電コイル１３、１４と受電コイル２２の対向面積は相補的に変化する。

したがって、図４に示すように、受電コイル２２の位置が送電コイル１３、１４に対してＰ１〜Ｐ３のように位置を変えても、結合係数ｋがほとんど変化しない電力伝送装置を提供することができる。

次に、図６に示すように、受電コイル２２を送電コイル１３に沿って水平方向に動かした場合の結合係数ｋの変化について説明する。受電コイル２２と送電コイル１３間の距離Ｈ１（垂直方向）は一定とする。

図７（ａ）は、受電コイル２２が送電コイル１３及び１４に最も近づく位置Ｐ１から、送電コイル１３に沿って動き、位置Ｐ４、Ｐ５になった場合の、送電コイル１３と受電コイル２２との距離Ｈ、送電コイル１３に対向する受電コイル２２の対向面積（１３−２２）、送電コイル１４と受電コイル２２との距離Ｗ、送電コイル１４に対向する受電コイル２２の対向面積（１４−２２）をそれぞれ示す。尚、受電コイルの位置Ｐ１は、図４に示す位置Ｐ１と同じである。

受電コイル２２は、送電コイル１３に沿って点Ｐから離れる方向に動かすため、距離ＨはＨ１で一定であり、また対向面積（１４−２２）もＫ１×ｍで一定である。したがって、変化するパラメータは対向面積（１３−２２）と距離Ｗとなり、（３）式が得られる。

Ｊ１＜Ｊ４＜Ｊ５、Ｗ１＜Ｗ４＜Ｗ５、Ｊ１×ｍ＜Ｊ４×ｍ＜Ｊ５×ｍ…（３）
受電コイル２２の位置がＰ４の場合の距離Ｈ、Ｗと、対向面積（１３−２２、１４−２２）を基準（○）とし、結合係数ｋが大きくなる要素は（◎）、小さくなる要素は（△）として表現すると、図７（ａ）は、（３）式の関係から、図７（ｂ）のように書き換えることができる。

図７（ｂ）に示すように、受電コイル２２の位置がＰ１にある場合のように、対向面積（１３−２２）が小さくなると結合係数ｋが小さくなるが、その反面、距離Ｗが小さくなることで結合係数ｋが大きくなるため、結果として相殺されて結合係数ｋは受電コイル２２の位置が変わっても殆ど変わらない。また受電コイル２２の位置がＰ５にある場合のように、対向面積（１３−２２）が大きくなると結合係数ｋが大きくなるが、その反面、距離Ｗが大きくなることにより結合係数ｋが小さくなるため、結果として相殺されて、結合係数ｋは受電コイル２２の位置が変わっても殆ど変わらない。

したがって、図６に示すように、受電コイル２２が送電コイル１３、１４に対して、Ｐ１、Ｐ４、Ｐ５のように位置を変えても、結合係数ｋがほとんど変化しない電力伝送装置を提供することができる。

同様の考え方で、受電コイル２２を垂直方向に移動させた場合には、距離Ｈが小さくなると結合係数ｋが大きくなるが、その反面、対向面積（１４−２２）が小さくなるため、結果として相殺されて結合係数ｋは受電コイル２２の位置が変わっても殆ど変わらない。また距離Ｈが大きくなると結合係数ｋが小さくなるが、その反面、対向面積（１４−２２）が大きくなることにより結合係数ｋが大きくなるため、結果として相殺されて、結合係数ｋは受電コイル２２の位置が変わっても殆ど変わらない。

上述したように、第１の実施形態によれば、受電コイル２２の位置が、送電コイル１３、１４に対して水平及び垂直方向に移動しても、水平方向または垂直方向のみに移動しても、結合係数ｋがほとんど変化しない電力伝送装置を提供することができる。

次に、従来の場合の結合係数ｋと、本実施形態における電力伝送装置との結合係数ｋを、実際に測定して比較した結果を、図８〜図１１を用いて説明する。

図８（ａ）は、非接触で電力伝送を行う一般的な電力伝送装置の構成を示している。送電装置３０は交流電源３１、共振用コンデンサ３２、送電コイル３３等から成る。また受電装置４０は、受電コイル４１、共振用コンデンサ４２、整流回路４３、負荷回路４４等から成る。図８（ｂ）は、送電コイル３３と受電コイル４１の一例を示し、例えば平板状の送電コイル３３と受電コイル４１を対向して配置している。

結合係数ｋは、自己インダクタンスＬopen と漏れインダクタンスＬsc を実測し、式（４）により求めることができる。

図９は、電力伝送装置での結合係数ｋの測定系を示す図である。図９に示すように、一方のコイル５１をＬＣＲメータ等の測定器５０に接続し、他方のコイル５２の両端５３、５４が開放の場合の、自己インダクタンスＬopenと、両端５３、５４を短絡したときの漏れインダクタンスＬscとをそれぞれ測定器５０で測定し、式（４）により結合係数ｋを求める。

図８（ｂ）に示す、平板状の送電コイル３３と受電コイル４１との間隔、即ち送受コイル間の距離を変化させたときの結合係数ｋの測定結果を図１０の点線Ｂに示す。ここで、使用した送電コイル３３及び受電コイル４１のサイズは、渦巻き状のコイルパターンの外形寸法が直径約１００ｍｍで、１００ｋＨｚで測定した場合のインダクタンス値は約２．５μＨである。

送受コイル間距離が１０ｍｍのときの結合係数ｋは０．４２で、送受コイル間距離が長くなるにしたがって結合係数ｋは減少し、送受コイル間の距離が３０ｍｍのときには結合係数ｋは０．２１まで低下する。送受コイル間距離が１０ｍｍ〜３０ｍｍの範囲において、結合係数ｋは、０．３１５±３３％の範囲で変化する。送受コイル間の距離が２０ｍｍ程度（コイルの直径の２０％の距離に相当）の変化で、結合係数ｋが±３３％の範囲で変化するのは、コイルの直径（１００ｍｍ）と送受コイル間距離（２０ｍｍ）との比率（２０％）からみて、ごく一般的と考えられる。

一方、第１の実施形態における電力伝送装置の送電コイル１３、１４と受電コイル２２を使用した場合の結合係数ｋの変化を測定した結果を、図１０の実線Ａに示す。送電コイル１３、１４は、図２（ａ）に示すような形状で、例えば銅線でコイルを形成し、いずれも渦巻き状のコイルパターンの外形寸法が約１２０ｍｍ×７０ｍｍで、コイルの幅ｎ１＝ｎ２＝１２０ｍｍである。１００ｋＨｚで測定した場合のインダクタンス値はそれぞれ約１．２５μＨで、送電コイル１３と送電コイル１４とを直列に接続し、合計約２．５μＨとなっている。

受電コイル２２は、図２（ｂ）に示すような形状で、１つの平面にしたときの渦巻き状のコイルパターンの外形寸法が約１００ｍｍ×１００ｍｍで、これを１つの面が約５０ｍｍ×１００ｍｍとなるように略直角に折り曲げる。折り曲げ部２９については、適当なＲ（円弧）を持たせている。受電コイル２２も、例えば銅線等で形成する。尚、図２（ｂ）の受電コイル２２の幅ｍは１００ｍｍである。送電コイル１３、１４を配置したときの断面図は、図３に示すようになっているが、面１７と面１８とが交わる点Ｐからの距離Ｌ１、Ｌ２は、いずれも２０ｍｍ程度としている。尚、送電コイル１３と送電コイル１４の長さＬ１３、Ｌ１４は、それぞれ７０ｍｍである。

簡単化のために、受電コイル２２を動かす方向は、図４に示すＹ方向のみとし、受電コイル２２と送電コイル１３との距離Ｈは、受電コイル２２と送電コイル１４との距離Ｗにそれぞれ等しいものとする。したがって、送受コイル間の距離が１０ｍｍの場合は、距離Ｈと、距離Ｗはともに１０ｍｍ、送受コイル間の距離が３０ｍｍの場合は、距離Ｈと、距離Ｗはともに３０ｍｍ、などとなる。

図１０の実線Ａに示す結果のように、本実施形態の構成では、送受コイル間距離が１０ｍｍ〜３０ｍｍの範囲で変化しても、結合係数ｋは０．１３〜０．１６の範囲でしか変化せず、０．１４５±１０％となっている。したがって、従来の特性Ｂよりも、結合係数ｋの変化率は約１／３になっており、結合係数ｋの変化率が大幅に減少していることがわかる。

次に、図１０に示したように、コイル間の距離の変化によって結合係数ｋが変化した場合に、受電装置２０または４０で受電できる電力がどのように変化するかを、図１１を用いて説明する。

受電できる電力とは、受電装置２０、４０が送電装置１０、３０から非接触で電力を受電し、整流回路２４、４３で交流を直流に整流した後の電力を指す。負荷回路２５、４４の代わりに電子負荷等の測定装置を用いて、受電電力を測定する。また測定では、外部から送電装置１０、３０内の交流電源１１、３１に供給する電圧は一定の電圧、例えば直流２４Ｖを印加する。

図１１の点線Ｂは、従来の構成（図８）の場合の測定結果であり、コイル間の距離が２０ｍｍのときに受電電力が２６Ｗで最大となるが、コイル間の距離が２０ｍｍよりも近づく、或いは２０ｍｍよりも遠ざかると急激に受電電力は低下し、コイル間距離が１０ｍｍ及び３０ｍｍでは５Ｗ程度の受電電力しか得られない結果となった。図示していないが、電力伝送効率もコイル間距離が２０ｍｍのときに最大となり、コイル間距離が２０ｍｍからずれると電力伝送効率は大きく低下する傾向にある。

言い換えると、コイル間距離が２０ｍｍから±１０ｍｍずれた位置において、受電電力はコイル間の距離が２０ｍｍのときの約２０％に低下する。また、例えば負荷回路４４を動作させるために２０Ｗの電力が必要な場合には、コイル間距離は２０ｍｍ±２．５ｍｍ程度の非常に狭い範囲に抑える必要がある。

一方、図１１の実線Ａは、本実施形態の電力伝送装置の構成における測定結果であり、コイル間の距離が１０ｍｍ〜３０ｍｍにおいて、２０Ｗ〜２７Ｗ程度の受電電力が得られている。言い換えると、コイル間距離が、２０ｍｍ±１０ｍｍの範囲で変化しても、受電電力はコイル間距離が２０ｍｍのときの１０４％〜７７％の範囲でしか変化しない。従来の特性Ｂと比較すると、コイル間の距離の変化に対する受電電力の変化が、非常に緩やかな特性が得られている。図示していないが、電力伝送効率に関してもコイル間距離が２０ｍｍ±１０ｍｍの範囲でほとんど変化しない値が得られている。

図１１の特性Ａが得られる理由は、図１０の特性Ａに示したように、コイル間距離が変化しても結合係数ｋがほとんど変化しない特性によるもので、コイル間の距離が長くなるに従って受電電力が多少低下する傾向はみられるが、低下の割合は僅かであり、コイル間距離が１０ｍｍ〜３０ｍｍにおいて２０Ｗ以上の受電電力が得られる。したがって、例えば負荷回路２５の動作に２０Ｗの電力が必要な場合には、コイル間距離が１０ｍｍ〜３０ｍｍの範囲で使うことが可能となり、±２．５ｍｍの範囲でしか使えなかった従来例よりも大幅に改善できる。

また従来、結合係数ｋの変化に応じて回路定数を変化させるような制御回路なしでは想定できなかったような、コイル間距離の変化に対して非常に安定した受電電力特性が得られる。同時に、電力伝送効率を高い値で維持することも可能になる。

尚、上述した実施形態では、送電コイル１３及び送電コイル１４を直列に接続する例を示した。図１に示した共振素子１５の共振に必要なインダクタンス値をＬとすると、コイルを直列に接続することで、送電コイル１３及び送電コイル１４のインダクタンス値は、Ｌ／２ずつで済む。ただし、Ｌ／２ずつに限定する必要はなく、送電コイル１３と送電コイル１４のインダクタンス値の和がＬになっていればよい。

図１２は、送電コイル１３と送電コイル１４を並列に接続した例を示す。送電コイル１３と送電コイル１４を並列に接続しても、直列接続の場合と同様に、コイル間距離が変化しても結合係数ｋが変化しにくい特性が得られる。但し、図１の端子Ａからみたインダクタンス値が、直列接続の場合と同様のインダクタンス値Ｌとなるためには、送電コイル１３と送電コイル１４のインダクタンス値は、直列接続の場合の４倍（送電コイル１３と送電コイル１４でそれぞれ２Ｌ）とする必要がある。したがって、送電コイル１３と送電コイル１４を直列に接続する方がコイルの巻き数を少なく済ませられるという利点がある。

一方、受電コイル２２においても、図２（ｂ）に示したような、１つのコイルを折り曲げた形状以外に、２つのコイルを直列または並列に接続し、例えば図１３（ａ）、（ｂ）に示すような構成とすることもできる。

図１３（ａ）は、受電コイル２２として、２つのコイル２２１、２２２を直列に接続した例である。図１３（ｂ）は、受電コイル２２として、２つのコイル２２３、２２４を並列に接続した例である。図１３（ａ）、（ｂ）のいずれも、図１に示した共振用コンデンサ２１と受電コイル２２１、２２２（または２２３、２２４）から構成される共振素子２３の自己共振周波数は、送電用の共振素子１５の自己共振周波数とほぼ同じになるように、各コイルのインダクタンス値や共振用コンデンサ２１の値を調整する。

図１４は、受電コイル２２を２つのコイルで構成し、直列または並列に接続したときの、送電コイル１３、１４との位置関係を示す図である。図１４の位置関係は、基本的に図３と同様であり、受電コイル２２１、２２２（又は２２３、２２４）が送電コイル１３、１４に最も近接する場合において、送電コイル１３に対向する受電コイル２２１（又は２２３）は、距離Ｌ５、Ｌ６だけずれるように、点Ｐ側にずらして配置する。

また、送電コイル１４に対向する受電コイル２２２（又は２２４）は、距離Ｌ７、Ｌ８だけずれるように、点Ｐ側にずらして配置する。図１４のように送電コイル及び受電コイルを配置することで、コイル間距離が変化しても結合係数ｋが変化しにくい特性が得られる。

次に、電力伝送装置の送電コイル１３、１４及び受電コイル２２の巻き方または接続方法の制約について説明する。

図１５は、送電コイル１３、１４及び受電コイル２２に発生する磁界と電流の向きを表したものである。送電コイル１３と１４は、直列に接続しており、送電コイル１３の内周端を送電コイル１４の外周端に接続している。尚、送電コイル１３、１４には交流の電流が供給されるため、時間とともに電流の向きは変わっていくが、ここではある瞬間における動作について説明する。

送電コイル１３、１４には、ある時点では、交流電源１１から、矢印ＩＡ１〜ＩＡ５の向きに電流が供給される。送電コイル１３を流れるＩＡ１、ＩＡ２の向きの電流により、送電コイル１３には矢印Ｂ１で示す向きの磁界が発生し、送電コイル１４を流れるＩＡ３、ＩＡ４の向きの電流により送電コイル１４には矢印Ｂ２で示す向きの磁界が発生する。

図３に示したように、送電コイル１３、１４に受電コイル２２を重ねて電力伝送することになるが、このとき受電コイル２２には、電磁結合の作用により送電コイル１３、１４で発生した磁界Ｂ１及びＢ２とは逆向きのＢ３、Ｂ４で示す磁界が発生し、受電コイル２２には矢印Ｉａ１〜Ｉａ５の向きに電流が流れる。尚、電流Ｉａ１〜Ｉａ５の向きは、端部Ｂ、Ｂ’から見て一方向となっており、互いに打ち消す方向にはなっていない。

このように、受電コイル２２に発生する電流の向きが一方向になるように、送電コイル１３、１４のコイルの巻く方向、又は電流の流れる向きを考慮して設置することで、受電コイル２２を介して電力を取り出すことができる。換言すると、ある時点においては、送電コイル１３、１４に流れる電流によって発生する磁界が、どちらも送電コイル１３及び１４から受電コイル２２側の向き、即ちＢ１及びＢ２で示す磁界の向きになるように、送電コイル１３、１４の巻く向きや接続方法を決定する。

尚、送電コイル１３、１４に流れる電流は交流であるので、別の時点において電流は逆向きになり、送電コイル１３、１４に流れる電流によって送電コイル１３及び１４から発生する磁界は、図１５に示す磁界Ｂ１、Ｂ２の向きとは逆向きになる。但し、磁界Ｂ１、Ｂ２の向きが、どちらか一方のみ逆向きになるということはない。

図１６は、受電コイル２２から電力を取り出せない一例を示す。図１６において、送電コイル１３と１４は直列に接続しているが、送電コイル１３の内周端を送電コイル１４の内周端に接続したものである。図１６では、送電コイル１４に流れる電流の向きが、図１５に示す例と逆向きになっている。即ち、送電コイル１３に流れる電流の向きＩＢ１〜ＩＢ３は、図１５に示した電流の向きＩＡ１、ＩＡ５と同じ向きであるが、送電コイル１４に流れる電流の向きＩＢ４〜ＩＢ６は、図１５に示した送電コイル１４に流れる電流の向きＩＡ３、ＩＡ４とは逆向きになっている。

したがって、ＩＢ１〜ＩＢ３の向きの電流によって送電コイル１３に発生する磁界Ｂ１は図１５と同じ向きであるが、ＩＢ４〜ＩＢ６の向きの電流によって送電コイル１４に発生する磁界Ｂ５は、図１５に示す例（磁界Ｂ２）と逆向きになる。

送電コイル１３、１４に受電コイル２２を重ねて電力伝送しようとする場合、受電コイル２２には、電磁結合の作用で送電コイル１３及び１４により発生した磁界を打ち消すように、受電コイル２２から送電コイル１３に向かう磁界Ｂ３が発生し、Ｉｂ１〜Ｉｂ３の向きの電流が流れようとする。同時に、送電コイル１４から受電コイル２２に向かう磁界Ｂ６が発生し、Ｉｃ１〜Ｉｃ３の向きの電流が流れようとする。しかし、受電コイル２２に発生する電流の向きＩｂ１〜Ｉｂ３と電流の向きＩｃ１〜Ｉｃ３は、逆向きであるため、打ち消しあってしまい、端部Ｂ、Ｂ’から電流を取り出すことができない。

したがって、単一のコイルで受電コイル２２を構成する場合においては、送電コイル１３及び１４から発生する磁界の向きは、ある時点においては送電コイル１３及び１４から受電コイル２２が置かれる側の向き、即ち磁界Ｂ１、Ｂ２の向きになり、また別の時点においては、磁界Ｂ１、Ｂ２とは逆の向きになるように、送電コイル１３、１４に電流を流す必要がある。また送電コイル１３、１４の巻き方、もしくは送電コイル１３と１４の接続の仕方を決める必要がある。

また受電コイル２２が図１３に示したように、２つのコイル２２１、２２２（又は２２３、２２４）を接続して成る場合には、受電コイル２２１、２２２（又は２２３、２２４）の向きや接続方法を変えることで、受電コイル２２から電力が取り出せるようにする必要がある。

図１７は、受電コイル２２として２つのコイル２２１、２２２を用いた場合を例示しており、受電コイル２２１、２２２を直列に接続し、コイル２２１の内周端をコイル２２２の内周端に接続している。また送電コイル１３、１４には、図１６に示したような、磁界Ｂ１、Ｂ５が発生するものとすると、電磁結合によって磁界Ｂ３、Ｂ６が発生し、Ｉｄ１〜Ｉｄ７の向きの電流が流れる。このとき、受電コイル２２１、２２２に発生する電流の向きは一方向となり、打ち消しあう方向にはならないため、受電した電力を端部Ｂ、Ｂ’から取り出すことができる。

受電コイル２２１、２２２のコイルの巻き方向や、接続の仕方はいくつかあるが、結局は、送電コイル１３、１４によって発生する磁界によって、受電コイルに生ずる電流の向きが、打ち消しあう方向にならないようにすることが重要である。

尚、送電コイル１３及び送電コイル１４は、図３で説明したように、面１７、１８よりも筐体１６の内側に配置する例を述べたが、図１８に示すような配置にすることもできる。

図１８は、送電コイル１３及び送電コイル１４を面１７、１８に対して傾斜させて筐体１６内に配置した例である。つまり、送電コイル１３と送電コイル１３に対向する受電コイル２２との間隔は一定である必要はなく、例えば、面１７と面１８との交点Ｐに近い部分での送電コイル１３と受電コイル２２との間隔をＨ６とし、交点Ｐから遠い部分での送電コイル１３と受電コイル２２との間隔をＨＨ７としたとき、Ｈ６＞Ｈ７としている。換言すると、交点Ｐに近づくほど、送電コイル１３と受電コイル２２との間隔が離れるように、送電コイル１３を配置する。

同様に、送電コイル１４についても、送電コイル１４に対向する受電コイル２２との間隔は一定である必要はなく、例えば、交点Ｐに近い部分での送電コイル１４と受電コイル２２との間隔をＷ６とし、交点Ｐから遠い部分での送電コイル１４と受電コイル２２との間隔をＷ７としたとき、Ｗ６＞Ｗ７としている。換言すると、交点Ｐに近づくほど、送電コイル１４と受電コイル２２との間隔が離れるように、送電コイル１４を配置する。

また、送電コイル１３、１４の交点Ｐから遠い側の端部Ｑ、Ｓは、受電コイル２２の端部Ｒ、Ｔよりも外側、即ち点Ｐから離れた位置にあるように、送電コイル１３、１４を配置する。送電コイル１３と送電コイル１４との相対角度θ０は、９０度よりも小さい値となっている。

図１８のように、送電コイル１３及び１４を配置することにより、送電コイル１３、１４と受電コイル２２との距離が変動しても、結合係数ｋが変化しにくい電力伝送装置を提供することができる。

尚、図１８では、送電コイル１３及び送電コイル１４の両方を、受電コイル２２に対して斜めになるように設置する例を示したが、送電コイル１３と１４の一方を斜めに配置し、他方を受電コイル２２と略平行となるように設置してもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、送電装置１０の筐体の形状を変えたものである。送電装置１０上に、受電装置２０を置く場合、受電装置２０が適正な位置に置かれれば、適正な結合係数ｋが得られ、正常に電力伝送が行える（図３参照）。

しかしながら、送電装置１０に対して受電装置２０の位置が大きくずれる場合がある。例えば図１９に示すように、受電装置２０がＸ方向に大きくずれて置かれ、受電コイル２２の面１７に沿った端部Ｒが、送電コイル１３の端部Ｑに対して交点Ｐと逆方向に離れた場合には、送電コイル１３と受電コイル２２とが対向する面積が小さくなり、また送電コイル１４と受電コイル２２との距離が大きく離れてしまう。このため結合係数ｋは、適正値（図１０の例で約０．１５）よりも２０％以上小さくなり、結果として電力伝送可能な電力が小さくなる。

第２の実施形態では、受電装置２０の置き方のずれによって正常に電力伝送が行えなくなることを避けるために、送電装置１０の構成を図２０に示すような形状にしている。

図２０は、第２の実施形態における送電装置１０を示す斜視図である。即ち、送電装置１０は、筐体１６の面１７Ａと面１８Ａのなす角度が略直角であり、面１７Ａを水平面に対して傾け、面１８Ａを垂直面から傾けている。面１７Ａと面１８Ａと接する部分（交点Ｐの部分）は低い位置にあり、それぞれの面１７Ａ、１８Ａに沿って送電コイル１３及び１４を配置している。

送電装置１０にポータブル機器等の受電装置２０を載せると、面１７Ａが水平面に対して傾斜しているため、受電装置２０は自重により面１７Ａに沿って面１８Ａの方向に滑り、面１８Ａに接した状態になる。

図２１は、図２０の送電装置１０に受電装置２０を載せたときの断面図である。 受電装置２０は、受電コイル２２、整流回路２４、負荷回路２５等を備え、受電装置２０の底面と側面が、送電装置１０の面１７Ａと面１８Ａにそれぞれ接する。

送電装置１０の面１７Ａの水平面に対する角度θ１は、受電装置２０を送電装置１０に載せたときに、自然に面１７Ａに沿って滑り落ちる程度の角度がよく、送電装置１０や受電装置２０の材質にもよるが、２０度〜３０度以上の角度が良い。面１８Ａの水平面に対する角度θ２は、９０度−θ１であり、６０度〜７０度以下の角度となる。一例として、角度θ１及びθ２がともに４５度の場合や、θ１が３０度でθ２が６０度、θ１が６０度でθ２が３０度等の例が挙げられるが、他の角度の組み合わせでも構わない。尚、面１７Ａと面１８Ａとの角度は直角に限らず、受電装置２０の形状に合わせた角度としても良い。

また、ポータブル機器等の受電装置２０は、持ち運びや保護等のために、ソフトケースやキャリングケース等のケース類に入れて使うことがしばしばある。第２の実施形態では、ケース類に受電装置２０を入れた状態でも、送電コイル１３、１４と受電コイル２２との位置関係を適切に保つことが可能となる。

図２２は、受電装置２０をソフトケース６０に入れて送電装置１０に載置した状態を示す断面図である。送電装置１０の面１７Ａが傾斜していることから、ソフトケース６０に入れられた受電装置２０は、面１７Ａに沿って滑り落ち、面１８Ａにソフトケース６０が接した状態で置かれる。

送電コイル１３、１４と受電コイル２２との位置関係は、結合係数ｋが適正な値になるような位置関係、即ち送電コイル１３、１４と受電コイル２２とが離れ過ぎず、また送電コイル１３、１４と対向する受電コイル２２の面積も十分確保された状態となっている。したがって、送電装置１０から受電装置２０に対して、良好な効率で電力を伝送することができる。

図２３は、第２の実施形態の変形例を示す斜視図である。即ち、送電装置１０は、筐体１６の面１７Ａを水平面に対して傾け、面１８Ａを垂直面から傾けている点は図２０と同じである。さらに受電装置２０の幅方向（矢印Ｚ方向）の位置を規制するため筐体１６にガイド面１９Ａ、１９Ｂを設けている。

図２３では、送電装置１０にポータブル機器等の受電装置２０を載せると、面１７Ａが水平面に対して傾斜しているため、受電装置２０は自重により面１７Ａに沿って面１８Ａの方向に滑り、面１８Ａに接した状態になる。また受電装置２０の両サイドはガイド面１９Ａ、１９Ｂによってガイドされ、位置決めされる。したがって、送電コイル１３、１４と受電コイル２２は、結合係数ｋが適正な値になるような位置関係に正確に保たれる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態によれば、送電装置１０と受電装置２０の共振素子間の距離が変動しても結合係数ｋがほとんど変動しない非接触電力伝送装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を述べたが、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。これらの実施形態は、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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１０…送電装置
１１…交流電源
１２…共振用コンデンサ
１３、１４…送電コイル
１５、２３…共振素子
１６、２６…筐体（本体）
１７、１７Ａ…送電コイル１３の配置面
１８、１８Ａ…送電コイル１４の配置面
１９Ａ、１９Ｂ…ガイド面
２０…受電装置
２１…共振用コンデンサ
２２、２２１、２２２、２２３、２２４…受電コイル
２４…整流回路
２５…負荷回路
６０…ケース

Claims (4)

1. 送電装置から受電装置へ非接触で電力伝送を行う電力伝送装置であって、
   前記送電装置は、隣接する第１の面と第２の面で前記受電装置を支える本体と、前記第１の面と前記第２の面に対応させて、前記本体内に配置された送電コイルと、前記送電コイルを含む共振素子に交流電力を供給する交流電源と、を備え、
   前記受電装置は、前記第１、第２の面にそれぞれ対向する第３、第４の面を有する本体と、前記第３、第４の面に対応させて、前記本体内に配置された受電コイルと、前記受電コイルを含む共振素子に誘起する交流電力を整流する整流回路と、を備え、
   前記送電コイルは、前記第１の面と前記第２の面が交差する位置から予め設定した距離だけ離して、前記第１の面と前記第２の面に対応させて配置され、前記送電コイルと前記受電コイル間の距離が接近するほど、前記送電コイルと前記受電コイルの対向面積の和が減少し、前記送電コイルと前記受電コイル間の距離が離れるほど、前記送電コイルと前記受電コイルの対向面積の和が増加するように構成された電力伝送装置。
2. 前記受電コイルは、前記第３の面及び前記第４の面に沿うように、１つのコイルを湾曲させ、
   前記送電コイルを流れる電流によって発生する磁界により、前記受電コイルに発生する電流の向きが一方向になるように、前記送電コイルを接続する請求項１記載の電力伝送装置。
3. 前記送電コイルが、相対角度が９０度以下になるように前記第１の面及び前記第２の面に配置された請求項１記載の電力伝送装置。
4. 前記送電装置は、前記受電装置を載置する前記第１の面と前記第２の面がほぼ直角をなし、前記第１の面と前記第２の面の交差する部分に向けて次第に低くなるように、前記第１の面を水平面に対して予め設定した角度で傾斜させた請求項１記載の電力伝送装置。

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