JP2011151989A - ワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】磁界共鳴型においてより広帯域な周波数特性を得ることが可能で、容易に給電範囲を変更あるいは拡大することが可能なワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システムを提供する。
【解決手段】ワイヤレス給電装置１００は、シート状本体１１０と、電力が給電され、その電力を送電する送電側共振コイル２１２と、送電される電力を、磁界共鳴関係をもって受電して送電可能な少なくとも一つの中継コイル４１と、を含み、送電側共振コイルおよび上記中継コイルはシート状に形成され、送電側共振コイルおよび中継コイルは、シート状本体に、所定の間隔をおいて配置される。
【選択図】図１７

Description

本発明は、非接触（ワイヤレス）で電力の供給、受電を行う非接触給電方式の中継コイルを有するワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システムに関するものである。

ワイヤレス（無線）で電力の供給を行う方式として電磁誘導方式が知られている。
また、近年、電磁共鳴現象を利用した磁界共鳴方式と呼ばれる方式を用いたワイヤレス給電、および充電システムが注目されている。

現在、既に広く用いられている電磁誘導方式の非接触給電方式は、給電元と給電先（受電側）とで磁束を共有する必要があり、効率良く電力を送るには給電元と給電先とを極近接して配置する必要があり、結合の軸合わせも重要である。

一方、電磁共鳴現象を用いた非接触給電方式は、電磁共鳴現象という原理から、電磁誘導方式よりも距離を離して電力伝送することができ、かつ、多少軸合わせが悪くても伝送効率があまり落ちないという利点がある。
なお、電磁共鳴現象には磁界共鳴方式の他に電界共鳴方式がある。

たとえば特許文献１には、磁界共鳴方式を採用したワイヤレス給電システムが開示されている。

この特許文献１に開示される技術では、給電回路と接続された給電コイルから、電磁誘導により共振コイル（共鳴コイルともいう）に電力が伝達される構成を有し、周波数の調整が共振コイルに接続されたキャパシタおよび抵抗によって行われる。

近年、磁界の共振現象を利用した磁界共鳴方式を採用して２ｍ離れて６０Ｗの電力伝送を実現した無線電力伝送技術が報告されている。
また、磁界共鳴方式を採用して、６０Ｗの電力を伝送し、５０ｃｍ離れた電子機器を駆動する高効率な「ワイヤレス給電システム」の開発が報告されている。

特開２００１−１８５９３９号公報

上述したように、磁界共鳴型ワイヤレス給電（電力伝送）システムは磁界により電力を伝送する点においては電磁誘導と同様であるが、磁界共鳴型では共鳴現象を利用することで電磁誘導型と比較して凡そ十倍程度の伝送距離が得られる。

しかし、そのような性能を得るには優れた共振器、すなわち高いＱ値を持った共振器が必要となる。
Ｑ値が高いと言うことはシャープな周波数特性を持つことを意味し、帯域幅とはトレードオフの関係となる。そして狭い帯域幅は以下のような欠点に繋がる。

１）搬送波の周波数がずれると伝送効率が著しく低下する。
２）周囲環境の変化や温度変化により共振器の共振周波数がずれると伝送効率が著しく低下する。
３）共振点以外の周波数では電力が伝送できない。
予め設定した共振周波数以外で電力を伝送するには共振周波数を変更する必要がある。よって何らかの定数の設定変更が必要となる。
その結果、機構的に複雑になり、共振器のＱ値の低下など電気的特性の劣化に繋がる。

以上のように、磁界共鳴型電力伝送システムは基本的にふたつの共振器を持ち、条件によっては単独の共振器の周波数特性と比較して広い帯域幅が得られるが、磁界共鳴型の本質として各共振器は高いＱ値を持つ必要があり、より広い帯域幅が望まれる。

そして、磁界共鳴型のワイヤレス給電装置では、送電コイルと効率良く共鳴する範囲であれば給電コイルを動かせるため、送受電コイル間の位置ずれによる伝送効率の劣化を気にせずに給電コイルの設置が可能である。
ただし、磁界が共鳴する範囲は送電コイルから近い範囲に限られるため、送電コイルの周囲でのワイヤレス給電にとどまっている。
そのため、受電装置のレイアウトを変更する際は、送電コイルの位置も動かす必要がある。

本発明は、磁界共鳴型においてより広帯域な周波数特性を得ることが可能で、容易に給電範囲を変更あるいは拡大することが可能なワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システムを提供することにある。

本発明の第１の観点のワイヤレス給電装置は、シート状本体と、電力が給電され、当該電力を送電する送電側共振コイルと、上記送電される電力を、磁界共鳴関係をもって受電して送電可能な少なくとも一つの中継コイルと、を含み、上記送電側共振コイルおよび上記中継コイルはシート状に形成され、上記送電側共振コイルおよび上記中継コイルは、上記シート状本体に、所定の間隔をおいて配置される。

本発明の第２の観点のワイヤレス給電システムは、電力が給電され、当該電力を送電する送電側共振コイルおよび上記送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電して送電可能な少なくとも一つの中継コイルを含むワイヤレス給電装置と、上記磁界共鳴関係をもって上記中継コイルから送電された電力を受電可能な受電装置と、を有し、上記ワイヤレス給電装置は、シート状本体を含み、上記送電側共振コイルおよび上記中継コイルはシート状に形成され、上記送電側共振コイルおよび上記中継コイルは、上記シート状本体に、所定の間隔をおいて配置される。

本発明によれば、磁界共鳴型においてより広帯域な周波数特性を得ることができ、容易に給電範囲を変更あるいは拡大することができる。

本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。 本実施形態に係る中継コイルシートを１つ用いたワイヤレス給電システムの等価ブロックを示す図である。 本実施形態に係る中継コイルシートを１つ用いたワイヤレス給電システムの等価回路を示す図である。 本実施形態に係る中継コイルシートを２つ用いたワイヤレス給電システムの等価ブロックを示す図である。 本実施形態に係る中継コイルシートを２つ用いたワイヤレス給電システムの等価回路を示す図である。 共振コイルの第１の配置例を示す図である。 図６（Ａ）〜（Ｃ）の共振コイルの配置に対応した周波数に対する伝送特性を示す図である。 図６（Ａ）〜（Ｃ）の共振コイルの配置に対応した伝送効率と周波数を具体的に示す図である。 本実施形態に係る中継コイルシートの第２の配置例と給電範囲を説明するための図である。 本実施形態に係る中継コイルシートの第３の配置例と給電範囲を説明するための図である。 本実施形態において送電側共振コイル周辺に中継コイルシートを複数配置したときの伝送特性の第１の改善方法を説明するための図である。 図１１の送電に寄与しない中継コイルのすべてをショートさせたときとショートさせないときの周波数に対する伝送特性を示す図である。 図１１の送電に寄与しない中継コイルのすべてをショートさせたときとショートさせないときの伝送効率と周波数を具体的に示す図である。 本実施形態において送電側共振コイル周辺に中継コイルシートを複数配置したときの伝送特性の第２の改善方法を説明するための図である。 図１１の送電に寄与しない中継コイルのすべてに金属シートを配置させたときと配置させないときの周波数に対する伝送特性を示す図である。 図１４の送電に寄与しない中継コイルのすべてに金属シートを配置させたときと配置させないときの伝送効率と周波数を具体的に示す図である。 本実施形態に係るワイヤレス給電装置の構成例を示す図である。 図１７のワイヤレス給電装置において中継コイルを介してとり得る送電（給電）経路を説明するための図である。 図１７のワイヤレス給電装置おいて形成される送電経路の一例を示す図である。 送電に寄与しない不要なコイルの特性を、スイッチ等を用いて変更させる例を示す図である。 図１７のワイヤレス給電装置おいて形成される送電経路の他の例を示す図である。 中継コイルの周波数を変更する例を示す図である。 コイルのシュート機能による周波数変化の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．ワイヤレス給電システムの基本構成例
２．中継コイルシートを１つ用いたワイヤレス給電システムの全体的な動作概要
３．中継コイルシートを２つ用いたワイヤレス給電システムの全体的な動作概要
４．中継コイルシートの第１の配置例
５．中継コイルシートの第２および第３の配置例と給電範囲
６．中継コイルシートを複数配置したときの伝送特性の第１の改善方法
７．中継コイルシートを複数配置したときの伝送特性の第２の改善方法
８．送電側コイルシートおよび複数の中継コイルシートを有するワイヤレス給電装置

＜１．ワイヤレス給電システムの基本構成例＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。

本ワイヤレス給電システム１０は、給電装置２０、受電装置３０、および中継コイルシート４０を有する。

給電装置２０は、送電コイル部２１、および発振器ＯＳＣを含む高周波電力生成部２２を含んで構成されている。

送電コイル部２１は、給電素子としての給電コイル２１１、および共振素子としての共振コイル２１２を有する。
共振コイルは共鳴コイルとも呼ぶが、本実施形態においては共振コイルと呼ぶこととする。

給電コイル２１１は、たとえば交流（ＡＣ）電流が給電されるループコイルにより形成される。
共振コイル２１２は、共振器ＴＸ１として機能し、給電コイル２１１と電磁誘導により結合する空芯コイルにより形成され、給電コイル２１１により給電されたＡＣ電力をワイヤレスで効率良く伝送する。
なお、給電側において、給電コイル２１１と共振コイル２１２とは電磁誘導により強く結合している。

高周波電力生成部２２は、ワイヤレス電力伝送のための高周波電力（ＡＣ電力）を発生する。
高周波電力生成部２２で発生された高周波電力は、送電コイル部２１の給電コイル２１１に給電（印加）される。

受電装置３０は、受電コイル部３１、検波回路３２、および受電した電力の供給先である負荷３３を含んで構成されている。

受電コイル部３１は、給電素子としての給電コイル３１１、および共振素子としての共振（共鳴）コイル３１２を有する。

給電コイル３１１は、共振コイル３１２から電磁誘導によって交流電流が給電される。
共振コイル３１２は、給電コイル３１１と電磁誘導により結合する空芯コイルにより形成され、給電装置２０の共振コイル２１２または中継コイルシート４０の中継コイル４１と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり効率良く受電する。
共振コイル３１２は、受電側共振器ＲＸ１として機能する。

なお、給電コイル３１１の負荷端におけるインピーダンス整合機能を有する図示しない整合回路が配置される。

検波回路３２は、受電した交流電力を整流して直流（ＤＣ）電力として、図示しない電圧安定化回路において、供給されるＤＣ電力を、供給先である電子機器の仕様に応じたＤＣ電圧に変換して、その安定化したＤＣ電圧をＬＥＤ等の負荷３３に供給する。

中継コイルシート４０は、給電装置２０の共振コイル２１２あるいは受電装置３０の共振コイル３１２と同様の中継コイル（共振コイル）４１をシート状として構成されている。
このシート状の中継コイル（共振コイル）４１は携帯自在であり、給電装置２０の共振コイル２１２とは受電装置３０の共振コイル３１２との間に１つ（または複数）配置することが可能である。この配置方法については後で詳述する。
中継コイルシート４０の共振コイル４１と給電装置２０の共振コイル２１２とは、磁界共鳴関係をもって結合可能であり、共振コイル４１は中継段の共振器ＭＸ１として機能する。
中継コイルシート４０の共振コイル４１と受電装置３０の共振コイル３１２とは、磁界共鳴関係をもって結合可能である。
中継コイルシート４０の共振コイル４１は、共振コイル２１２等と同様に空芯コイルにより形成され、受電装置３０の共振コイル３１２と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送する。

中継コイルシート４０は、たとえば矩形状のシートとして形成される。
後で図解して示すように、本実施形態の中継コイルシート４０は、送電側共振コイル２１２と同じ周波数に共鳴しているコイルをシート状にして収納し、配線なしで並べるだけで中継して電力を受電コイルに送電でき、給電範囲のレイアウトが容易に変えられる。
中継コイルシート４０は、送電側共振コイル２１２と同じ周波数に共鳴しているコイルをシート状にして収納し、互いに着脱可能な固定できる構造としてコイル間の距離を一定にすることにより、伝送特性を安定させるようにすることが可能である。
中継コイルシート４０は、送電側共振コイル２１２から受電側共振コイル３１２までの電力が供給される経路以外に中継コイルがある場合、使用していない中継コイル４１の端部をショートさせることが可能である。
これにより、中継コイルとしての機能を停止し、必要な経路への電力供給の効率を向上させることができる。
また、本実施形態においては、送電側共振コイル２１２から受電側共振コイル３１２までの電力が供給される経路以外に中継コイル４１がある場合、使用していない中継コイルシート４０の上に金属または磁性体を含んだシールド用シートを置くことが可能である。
これにより、中継コイル４１としての機能を停止し、必要な経路への電力供給の効率を向上させることができる中継コイルの無効化シートとして機能させることが可能である。

＜２．中継コイルシートを１つ用いた本ワイヤレス給電システム１０の全体的な動作概要＞
次に、中継コイルシートを１つ用いた本ワイヤレス給電システム１０の全体的な動作概要について説明する。
図２は、本実施形態に係る中継コイルシートを１つ用いたワイヤレス給電システムの等価ブロックを示す図である。
図３は、本実施形態に係る中継コイルシートを１つ用いたワイヤレス給電システムの等価回路を示す図である。

給電側共振器ＴＸ１は、コイルＬ１とその浮遊容量またはコイルＬ１と並列接続されたキャパシタＣ１とにより共振回路ＲＣ１を構成する。
同様に、中継段の共振器ＭＸ１は、等価的に、コイルＬ２１とその浮遊容量またはコイルＬ２１と並列接続されたキャパシタＣ２とにより、第１の共振回路ＲＣ２１を構成する。
また、中継段の共振器ＭＸ１は、等価的に、コイルＬ２２とその浮遊容量またはコイルＬ２２と並列接続されたキャパシタＣ２とにより、第２の共振回路ＲＣ２２を構成する。
受電側共振器ＲＸ１は、コイルＬ３とその浮遊容量またはコイルＬ３と並列接続されたキャパシタＣ３とにより共振回路ＲＣ３を構成する。

このように、本第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０は、３つの共振器ＴＸ１、ＭＸ１、ＲＸ１を含んで構成される。

給電装置２０側において、高周波電力生成部２２の発振器ＯＳＣにおいて発生されたＡＣ電力は、給電コイル２１１に給電され、給電コイル２１１を介し、電磁誘導による結合で共振コイル２１２に伝送される。
そして、共振コイル２１２と共振コイル４１とは、磁界共鳴関係をもって結合しており、共振コイル２１２が共振コイル４１に伝達される。
この場合、共振器ＴＸ１と給電（結合）コイル２１１は誘導結合していて信号の伝達と同時にトランスＴ１として機能してインピーダンス変換を行う（トランス動作）。
給電（結合）コイル２１１は発振器ＯＳＣの出力に接続され、発振器ＯＳＣによりドライブすることで共振器ＴＸ１は励起される。
励起された共振器ＴＸ１の周辺にはコイルが形成する誘導磁界が発生し、次段（中継段）に近接して配置された共振器ＭＸ１がこの誘導時間を拾い上げ、エネルギーが伝達される。
これにより、中継段の共振器ＭＸ１が励起され、共振器ＭＸ１の周辺にはコイルが形成する誘導磁界が発生する。
そして、この中継段の共振器ＭＸ１に受電側の共振器ＲＸ１が近接（たとえば数十ｃｍ）配置されることで、受電装置３０でこの誘導磁界が拾い上げられ、エネルギーが伝達される。
共振器ＲＸ１に励起された電力は給電装置２０と同様に給電（結合）コイル３１１に伝達されて、最終的に高周波電力が検波回路３２を通して直流電力へと変換される。

このように、給電装置２０の共振器ＴＸ１と、受電装置３０の共振器ＲＸ１との間に中継段の共振器ＭＸ１を挿入して多段化することで帯域を調整可能で、適切な設計を行うことで広帯域化が可能となる。

＜３．中継コイルシートを２つ用いた本ワイヤレス給電システム１０Ａの全体的な動作概要＞
次に、中継コイルシートを２つ用いた本ワイヤレス給電システム１０Ａの全体的な動作概要について説明する。
図４は、本実施形態に係る中継コイルシートを２つ用いたワイヤレス給電システムの等価ブロックを示す図である。
図５は、本実施形態に係る中継コイルシートを２つ用いたワイヤレス給電システムの等価回路を示す図である。

給電側共振器ＴＸ１は、コイルＬ１とその浮遊容量またはコイルＬ１と並列接続されたキャパシタＣ１とにより共振回路ＲＣ１を構成する。
同様に、中継段の共振器ＭＸ１は、等価的に、コイルＬ２１とその浮遊容量またはコイルＬ２１と並列接続されたキャパシタＣ２とにより、第１の共振回路ＲＣ２１を構成する。
また、中継段の共振器ＭＸ１は、等価的に、コイルＬ２２とその浮遊容量またはコイルＬ２２と並列接続されたキャパシタＣ２とにより、第２の共振回路ＲＣ２２を構成する。
同様に、中継段の共振器ＭＸ２は、等価的に、コイルＬ４１とその浮遊容量またはコイルＬ４１と並列接続されたキャパシタＣ４とにより、第１の共振回路ＲＣ４１を構成する。
また、中継段の共振器ＭＸ２は、等価的に、コイルＬ４２とその浮遊容量またはコイルＬ４２と並列接続されたキャパシタＣ４とにより、第２の共振回路ＲＣ４２を構成する。
受電側共振器ＲＸ１は、コイルＬ３とその浮遊容量またはコイルＬ３と並列接続されたキャパシタＣ３とにより共振回路ＲＣ３を構成する。

このように、このワイヤレス給電システム１０Ａは、４つの共振器ＴＸ１、ＭＸ１、ＭＸ２、ＲＸ１を含んで構成される。

給電装置２０側において、高周波電力生成部２２の発振器ＯＳＣにおいて発生されたＡＣ電力は、給電コイル２１１に給電され、給電コイル２１１を介し、電磁誘導による結合で共振コイル２１２に伝送される。
そして、共振コイル２１２と中継コイルシート４０−１の中継（共振）コイル４１−１とは、磁界共鳴関係をもって結合しており、共振コイル２１２の電力が中継（共振）コイル４１−１に伝達される。
この場合、共振器ＴＸ１と給電（結合）コイル２１１は誘導結合していて信号の伝達と同時にトランスＴ１として機能してインピーダンス変換を行う（トランス動作）。
給電（結合）コイル２１１は発振器ＯＳＣの出力に接続され、発振器ＯＳＣによりドライブすることで共振器ＴＸ１は励起される。
励起された共振器ＴＸ１の周辺にはコイルが形成する誘導磁界が発生し、次段（中継段）に近接して配置された共振器ＭＸ１がこの誘導時間を拾い上げ、エネルギーが伝達される。
これにより、中継段の共振器ＭＸ１が励起され、共振器ＭＸ１の周辺にはコイルが形成する誘導磁界が発生する。
そして、この中継段の共振器ＭＸ１に受電側の共振器ＭＸ２を形成する中継コイル（共振コイル）４１−２が近接（たとえば数十ｃｍ）配置されることで、受電装置３０でこの誘導磁界が拾い上げられ、エネルギーが伝達される。
すなわち、受電装置３０でこの誘導磁界が拾い上げられ、共振コイル３１２にエネルギーが伝達される。
これにより、中継段の共振器ＭＸ２が励起され、共振器ＭＸ２の周辺にはコイルが形成する誘導磁界が発生する。
そして、共振コイル３１２と中継コイルシート４０−２の中継（共振）コイル４１−２とは、磁界共鳴関係をもって結合し、中継（共振）コイル４１−２の電力が共振コイル３１２に伝達される。
これにより、共振コイル３１２により形成される共振器ＲＸ１に励起された電力は給電装置２０と同様に給電（結合）コイル３１１に伝達されて、最終的に高周波電力が検波回路３２を通して直流電力へと変換される。

このように、給電装置２０の共振器ＴＸ１と、受電装置３０の共振器ＲＸ１との間に中継段の共振器ＭＸ１、ＭＸ２を挿入して多段化することで帯域を調整可能で、適切な設計を行うことで広帯域化が可能となる。
本ワイヤレス給電システム１０Ａにおいては、中継段の共振器ＭＸ１，ＭＸ２を形成する中継コイルシート４０−１，４０−２が給電装置２０と受電装置３０間の送電（給電）経路に配置される。

なお、ここでは４共振器までの多段化例を挙げたがさらに段数を上げることも可能で、その場合、更なる広帯域化が可能となる。

＜４．中継コイルシートの第１の配置例＞
上述したように、本ワイヤレス給電システム１０においては、給電範囲を可変にするための中継コイルシートを適用する。
このように、本ワイヤレス給電システム１０においては、送電側共振コイル２１２と受電側共振コイル３１２の間に、同じ周波数で共鳴しているシート状に形成された中継コイル４１を配置する。これにより、用いることで電力は中継され伝送距離は伸ばす、または伝送効率をあげることができる。

図６（Ａ）〜（Ｃ）は、共振コイルの配置例を示す図である。
図７は、図６（Ａ）〜（Ｃ）の共振コイルの配置に対応した周波数に対する伝送特性を示す図である。
図７において、横軸が周波数を示す、縦軸が伝送効率を示している。
図８は、図６（Ａ）〜（Ｃ）の共振コイルの配置に対応した伝送効率と周波数を具体的に示す図である。

図６（Ａ）は、送電側共振コイル２１２と受電側共振コイル３１２を隣接して並べた配置である。
送電側共振コイル２１２の周囲で近距離であれば良好な伝送特性を示す。
この場合、図８に示すように、伝送効率は９４．５％で、周波数は１３．１ＭＨｚであある。

図６（Ｂ）は、送電側共振コイル２１２と受電側共振コイル３１２の距離を離した場合の配置である。
距離が離れるにしたがって伝送ロスが増加するために、実用は難しい。
この場合、図８に示すように、伝送効率は２．９％で、周波数は１３．０ＭＨｚである。

図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）の送電側共振コイル２１２と受電側共振コイル３１２の間に２つの中継コイル４１−１，４１−２を配置した状態である。
この場合、送電側共振コイル２１２からの電力が中継コイル４１−１，４１−２を介して受電側共振コイル３１２に伝えられるので、送電側共振コイル２１２から離れた位置にある受電側共振コイル３１２に伝送ロスが小さい状態で送電することができる。
伝送ロスを小さい状態で送電するためには、それぞれの中継コイル４１は一定の距離で近い位置に配置することが必要であり、距離が遠い配置が間にあると伝送ロスが大きくなる。
この場合、図８に示すように伝送効率は８８．２％で、周波数は１３．１ＭＨｚである。

＜５．中継コイルシートの第２および第３の配置例と給電範囲＞
図９は、本実施形態に係る中継コイルシートの第２の配置例と給電範囲を説明するための図である。
図１０は、本実施形態に係る中継コイルシートの第３の配置例と給電範囲を説明するための図である。

図９および図１０に示すように、中継コイルシート４０は矩形状のシートとして形成されており、直線上だけでなく途中で曲げて配置しても良く、受電側共振コイル３１２は中継コイル４１の側面、あるいは上に配置しても効率よく伝送することができる。
中継コイル４１の配置を変えることで給電できる範囲が変更できるため、送電側共振コイル２１２の位置を動かすことなくレイアウトを変更することができる。
また、互いに着脱可能な固定できる構造とすることで、コイル間の距離を一定に保持可能である。

＜６．中継コイルシートを複数配置したときの伝送特性の第１の改善方法＞
図１１は、本実施形態において送電側共振コイル周辺に中継コイルシートを複数配置したときの伝送特性の第１の改善方法を説明するための図である。
図１２は、図１１の送電に寄与しない中継コイルのすべてをショートさせたときとショートさせないときの周波数に対する伝送特性を示す図である。
図１２において、横軸が周波数を示す、縦軸が伝送効率を示している。図１２中のＡで示す曲線がショートさせたときの特性を示し、Ｂで示す曲線がショートさせていないときの特性を示している。
図１３は、図１１の送電に寄与しない中継コイルのすべてをショートさせたときとショートさせないときの伝送効率と周波数を具体的に示す図である。

図１１に示すように、中継コイルを予め多く配置すると、送電側共振コイル２１２から受電側共振コイル３１２までの送電経路以外にも中継コイル４１−２〜４１−４が存在することがある。
このような場合、使用する周波数特性が変化して伝送特性が劣化することがある。図１３に示すように、送電に寄与しない中継コイルのすべてをショートさせていないときの伝送効率は７９．１％である。
これに対して、送電に寄与しない中継コイルのすべてをショートさせたときの伝送効率は８９．６％であり、伝送特性の改善を図ることができる。
このように、伝送に不要な経路に置かれた中継コイルの端部をショートする機能を持たせることによって、図１２および図１３に示すように、伝送特性の改善をすることができる。

＜７．中継コイルシートを複数配置したときの伝送特性の第２の改善方法＞
図１４は、本実施形態において送電側共振コイル周辺に中継コイルシートを複数配置したときの伝送特性の第２の改善方法を説明するための図である。
図１５は、図１１の送電に寄与しない中継コイルのすべてに金属シートを配置させたときと配置させないときの周波数に対する伝送特性を示す図である。
図１５において、横軸が周波数を示す、縦軸が伝送効率を示している。図１５中のＡで示す曲線が金属シートを配置させたときの特性を示し、Ｂで示す曲線が配置させていないときの特性を示している。
図１６は、図１４の送電に寄与しない中継コイルのすべてに金属シートを配置させたときと配置させないときの伝送効率と周波数を具体的に示す図である。

図１４に示すように、中継コイルを予め多く配置すると、送電側共振コイル２１２から受電側共振コイル３１２までの送電経路以外にも中継コイル４１−２〜４１−４が存在することがある。
このような場合、使用する周波数特性が変化して伝送特性が劣化することがある。図１６に示すように、送電に寄与しない中継コイルのすべてに金属シート（シールド用シート）４２−１〜４２−３を配置さていないときの伝送効率は７９．１％である。
これに対して、送電に寄与しない中継コイルのすべてに金属シートを配置させたときの伝送効率は８９．６％であり、伝送特性の改善を図ることができる。
このように、伝送に不要な経路に置かれた中継コイルの上に金属または磁性体を含んだシールド機能を有するシートを置くことで、図１５および図１６に示すように、中継コイルとしての機能を停止し、伝送特性の改善をすることができる。

＜８．送電側コイルシートおよび複数の中継コイルシートを有するワイヤレス給電装置＞
図１７は、本実施形態に係るワイヤレス給電装置の構成例を示す図である。

図１７のワイヤレス給電装置１００は、たとえば樹脂性の非導電性シート状本体１１０に、上記したように、シート状に形成された１つの送電コイルシート２１Ｂと複数ｎの中継コイルシート４０−１〜４０−ｎを着脱自在に構成されている。
本例では、ｎ＝５である。
なお、送電コイルシート２１Ｂは固定で、中継コイルシートを着脱可能に取り付けることも可能である。
送電コイルシート２１Ｂは、電源コードＰＣＤを介して図示しない交流電源に接続される。

本例においては、送電コイルシート２１Ｂは、給電コイル２１１と共振コイル２１２を略同心状の矩形のシートとなるように形成されている。

シート状本体１１０は、略長方形状に形成され、送電コイルシート２１Ｂおよび中継コイルシート４０−１〜４０−２を着脱自在に配置可能なコイル着脱部１１１〜１１６が、３行２列のマトリクス状に形成されている。
隣接する取り付け部１１１〜１１６の間隔は一定に設定されている。
これにより、ワイヤレス給電装置１００は、上述した互いに着脱可能な固定できる構造が実現されており、コイル間の距離を一定に保持可能であり、伝送効率を安定させることが可能となっている。

図１７の例では、シート状本体１１０において、コイル着脱部１１１〜１１６は、矩形状に形成されるコイルシートの４隅を挿入して簡易的に固定可能な挿入部１２１〜１２４がそれぞれ形成されている。
挿入部１２１〜１２４は、たとえば所定の厚さを有するシート状本体１１０の表面１１０ａに切り込みを入れ、その内側に空隙を設けることにより形成される。

図１７の例では、シート状本体１１０において、コイル着脱部１１１には、中継コイルシート４０−１が配置され、コイル着脱部１１２には、中継コイルシート４０−２が配置されている。
コイル着脱部１１３には、送電コイルシート２１Ｂが配置され、コイル着脱部１１４には、中継コイルシート４０−３が配置されている。
コイル着脱部１１５には、中継コイルシート４０−４が配置され、コイル着脱部１１６には中継コイルシート４０−５が配置されている。

図１８は、図１７のワイヤレス給電装置において中継コイルを介してとり得る送電（給電）経路を説明するための図である。

図１７のワイヤレス給電装置１００で中継コイルを介する送電経路は、送電コイルシート２１Ｂから１つの中継コイルシートを介する送電経路は次の通りである。
送電コイルシート２１Ｂから中継コイルシート４０−１を介して図示しない受電側共振コイルに磁界共鳴により給電する経路ＰＴ１→ＰＴ１１またはＰＴ１２が存在する。
送電コイルシート２１Ｂから中継コイルシート４０−３を介して図示しない受電側共振コイルに磁界共鳴により給電する経路ＰＴ２→ＰＴ２１が存在する。
送電コイルシート２１Ｂから中継コイルシート４０−４を介して図示しない受電側共振コイルに磁界共鳴により給電する経路ＰＴ３→ＰＴ３１またはＰＴ３２が存在する。

図１７のワイヤレス給電装置１００で中継コイルを介する送電経路は、送電コイルシート２１Ｂから２つの中継コイルシートを介する送電経路は次の通りである。
送電コイルシート２１Ｂから中継コイルシート４０−１，４１−２を介して図示しない受電側共振コイルに磁界共鳴により給電する経路ＰＴ１→ＰＴ１３→ＰＴ１３１またはＰＴ１３２が存在する。
送電コイルシート２１Ｂから中継コイルシート４０−３，４１−２を介して図示しない受電側共振コイルに磁界共鳴により給電する経路ＰＴ２→ＰＴ２２→ＰＴ２２１またはＰＴ２２２が存在する。
送電コイルシート２１Ｂから中継コイルシート４０−３，４１−５を介して図示しない受電側共振コイルに磁界共鳴により給電する経路ＰＴ２→ＰＴ２３→ＰＴ２３１またはＰＴ２３２が存在する。
送電コイルシート２１Ｂから中継コイルシート４０−４，４１−５を介して図示しない受電側共振コイルに磁界共鳴により給電する経路ＰＴ３→ＰＴ３３→ＰＴ３３１またはＰＴ３３２が存在する。

このように、図１７のワイヤレス給電装置１００は、複数の送電（給電）経路を形成可能である。
図１９は、図１７のワイヤレス給電装置おいて形成される送電経路の一例を示す図である。

図１９の例における送電経路は、送電コイルシート２１Ｂから中継コイルシート４０−１，４１−２を介して受電側共振コイル３１２に磁界共鳴により給電する経路ＰＴ１→ＰＴ１３→ＰＴ１３１を介する。
この例では、中継コイルシート４０−３，４０−４，４０−５における中継コイル４１−３，４１−４，４１−５は送電に寄与しない。
この場合、送電に不要なコイルの特性を変更させる。
具体的には、たとえば第１の改善方法で説明したように、送電に寄与しない中継コイル４１−３，４１−４，４１−５の各両端同士をスイッチ等でショートさせる。

図２０は、送電に寄与しない不要なコイルの特性を、スイッチ等を用いて変更させる例を示す図である。

図２０に示すように、コイルの先端同士をスイッチＳＷ１でショートさせることで、共振コイルとして機能しなくなり、中継機能が停止される。
ショートさせる具体的な方法としては、図２０中に拡大して示しているように、スイッチＳＷ１をスライドさせて切り替えるように構成可能である。
あるいは、略コの字型の金具を後から取り付けてコイルの先端同士をショートさせるように構成することも可能である。

図２１は、図１７のワイヤレス給電装置おいて形成される送電経路の他の例を示す図である。

図２１の例における送電経路は、図１９に示す経路に加えて、送電コイルシート２１Ｂから中継コイルシート４０−４，４１−５を介し受電側共振コイルに磁界共鳴により給電する経路ＰＴ３→ＰＴ３３→ＰＴ３３１を介する。
この例では、２つの送電経路が形成されるが、中継コイル４１−４，４１−５における周波数をスイッチで変更して複数経路による送電を可能にする。

図２２は、中継コイルの周波数を変更する例を示す図である。

図２１の例の場合、送電コイルシート２１Ｂから中継コイルシート４０−１，４１−２を介して受電側共振コイル３１２に磁界共鳴により給電する経路ＰＴ１→ＰＴ１３→ＰＴ１３１における周波数はｆ１に設定されている。
送電コイルシート２１Ｂから中継コイルシート４０−４，４１−５を介し受電側共振コイルに磁界共鳴により給電する経路ＰＴ３→ＰＴ３３→ＰＴ３３１における周波数をｆ２にスイッチＳＷ２で変更する。
具体的には、中継コイル４１−４，４１−５の途中をスイッチＳＷ２で接続させることで周波数をｆ１からｆ２に変更することが可能となる。
この場合、図示しない電源側において周波数を切り替えて送電コイルシート２１Ｂに対して送電される。

図２３は、コイルのシュート機能による周波数変化の一例を示す図である。
図２３において、横軸が周波数ｆを、縦軸が相対レベルを示している。
図２３中、Ａで示す曲線がショートさせない周波数ｆ１の特性を示し、Ｂで示す曲線がショートさせて周波数ｆ２に変更した場合の特性を示している。
この例では、周波数ｆ１は１３ＭＨｚであり、周波数ｆ２は２１ＭＨｚである。

図２３に示すように、周波数変更機能により、使用する帯域外に周波数が変化することから、他のコイルへの影響を減少させることができる。

なお、図２１の例において、中継コイルシート４０−３における中継コイル４１−３は送電に寄与しない。
この場合、上述したように、送電に不要なコイル４１−３の特性を変更させる。
具体的には、送電に寄与しない中継コイル４１−３の各両端同士をスイッチ等でショートさせる。

以上、送電コイルと中継コイルを一つのシート状本体１１０に収容可能なワイヤレス給電装置１００について説明した。
この例では、中継コイルシートを５個も用いた例であるが、その数は任意に選択可能である。
また、このワイヤレス給電装置１００では各コイルシートを着脱自在に形成されていることが、たとえばフィルム状のシートでラミネートして固定するような構成も採用可能である。
このワイヤレス給電装置１００では、隣接する取り付け部１１１〜１１６の間隔は一定に設定されて、コイル間の距離を一定に保持可能であり、伝送効率を安定させることが可能となっている。
ただし、仕様に合わせて取り付け部の間隔を任意に設定することも可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
すなわち、共振コイルの並べ方によって給電範囲を変えられるため、給電装置を設置した後からでもレイアウトの変更が容易にできる。
展示会での展示物や店舗での商品のレイアウトを変更する際に、中継コイルを内蔵したシート状のクロスやじゅうたん等を並べなおすことで電源の配線を気にすることがなくワイヤレスで給電することができる。
コイルをシート状にして着脱可能な構造にすることによって、中継するコイル間の距離を一定にでき、伝送効率を安定させるとともに、レイアウトもし易くなる。
このように、本実施形態によれば、磁界共鳴型のワイヤレス給電システムにおいて、送電コイルと同じ周波数に共鳴している中継コイルを水平方向に並べられるようにシート状にして中継動作させることで給電範囲を変更、または拡大できる。

また、本実施形態によれば、磁界共鳴型の長い伝送距離の実現に必須の共振器の高い性能（Ｑ値）を維持したまま広帯域化が可能となる。
搬送波の周波数がずれても伝送効率の低下を防止することができる。したがって、給電装置内の発振器の周波数精度は低くて済む。また、温度変化や電源変動による周波数変動の影響を受けずに済む。
共振器の共振周波数は周囲環境や接続される回路のパラメータ変動で変化するが、帯域が広いためにこれらの変動による影響を受けずに済む。
本実施形態では磁界共鳴型でありながら広い帯域を持つのでデータの重畳も容易に行うことができる。
共振器の段数を４つ以上に増やすことでさらなる広帯域化も可能となる。

１０，１０Ａ・・・ワイヤレス給電システム、２０・・・給電装置、２１・・・送電コイル部、２１１・・・給電コイル、２１２・・・共振（共鳴）コイル、２２・・・高周波電力生成部、３０・・・受電装置、３１・・・受電コイル部、３２・・・整流回路、３３・・・負荷、４０，４０−１，４０−２，４０−３，４０−４，４０−５・・・中継コイルシート，４１−１，４１−２，４１−３，４１−４，４１−５・・・中継コイル（共振コイル）、１００・・・ワイヤレス給電装置、１１０・・・シート状本体。

Claims (8)

1. シート状本体と、
   電力が給電され、当該電力を送電する送電側共振コイルと、
   上記送電される電力を、磁界共鳴関係をもって受電して送電可能な少なくとも一つの中継コイルと、を含み、
   上記送電側共振コイルおよび上記中継コイルはシート状に形成され、
   上記送電側共振コイルおよび上記中継コイルは、
   上記シート状本体に、所定の間隔をおいて配置される
   ワイヤレス給電装置。
2. 上記中継コイルに隣接して、当該中継コイルと互いに磁界共鳴関係をもって結合するシート状に形成されたさらに少なくとも一つの中継コイルを有する
   請求項１記載のワイヤレス給電装置。
3. 上記シート状本体は、
   コイル間の距離を一定に保持可能である
   請求項１または２記載のワイヤレス給電装置。
4. 上記シート状本体は、
   送電コイルシートおよび中継コイルシートのうち少なくとも中継コイルシートを着脱可能な取り付け部を有する
   請求項１から３のいずれか一に記載のワイヤレス給電装置。
5. 上記シート状本体は、
   複数の中継コイルシートが配置されて、複数の送電経路を形成可能であり、
   送電側共振コイルから受電側共振コイルまでの電力が供給される経路以外に配置される場合、当該経路以外に配置される中継コイルは、その端部をショートさせることが可能である
   請求項１から４のいずれか一に記載のワイヤレス給電装置。
6. 上記シート状本体は、
   複数の中継コイルシートが配置されて、複数の送電経路を形成可能であり、
   送電側共振コイルから受電側共振コイルまでの電力が供給される一の経路以外に配置される場合、少なくとも当該一の経路以外に配置される他の経路の中継コイルは、中継する電力の周波数を変更可能である
   請求項１から５のいずれか一に記載のワイヤレス給電装置。
7. 上記他の経路の中継コイルは、コイル途中をショートさせることにより周波数を変更可能である
   請求項６記載のワイヤレス給電装置。
8. 電力が給電され、当該電力を送電する送電側共振コイルおよび上記送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電して送電可能な少なくとも一つの中継コイルを含むワイヤレス給電装置と、
   上記磁界共鳴関係をもって上記中継コイルから送電された電力を受電可能な受電装置と、を有し、
   上記ワイヤレス給電装置は、
   シート状本体を含み、
   上記送電側共振コイルおよび上記中継コイルはシート状に形成され、
   上記送電側共振コイルおよび上記中継コイルは、
   上記シート状本体に、所定の間隔をおいて配置される
   ワイヤレス給電システム。

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