JP2012191699A - 磁界共鳴を利用した無線電力伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁界共鳴を利用して無線により電力を伝送する場合の、送電コイルと受電コイルの中心軸間の位置ずれに起因する電力の伝送効率の低下を抑制する。
【解決手段】共振コイルを備えた送電コイル１から共振コイルを備えた受電コイル２へ、所定の共振周波数における磁界共鳴を用いて電力を伝送する。送電コイルのコイル中心と受電コイルのコイル中心を通る直線として定義されるコイル中心連結線７に対して、送電コイルまたは受電コイルの中心軸が成す角として傾き角θを定義し、受電コイルの中心軸５と送電コイルのコイル中心４との間の距離、または送電コイルの中心軸３と受電コイルのコイル中心６との間の距離として定義される位置ずれ量が存在したとき、送電コイル及び受電コイルの少なくとも一方の中心軸の方向を、傾き角θが小さくなる向きに調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁界共鳴を利用して無線（ワイヤレス）で電力を伝送する無線電力伝送方法に関する。

無線で電力を伝送する方法として、電磁誘導（数１００ｋＨｚ）による電磁誘導型、電場または磁場共鳴を介したＬＣ共振器間伝送による電界・磁界共鳴型、電波（数ＧＨｚ）によるマイクロ波送電型、可視光領域の電磁波（光）によるレーザ送電型が知られている。この中で既に実用化しているのは、電磁誘導型である。これは簡易な回路で実現可能（トランス方式）であるなどの優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。

そこで、近年、近距離伝送（〜２ｍ）可能な電界・磁界共鳴型の電力伝送技術が注目を浴びてきた。このうち、電界共鳴型の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。この点から磁界共鳴型に対する注目度が上昇してきている。

例えば特許文献１には、磁界共鳴型の無線電力伝送に関する基本的な方法について開示されている。特許文献２には、磁界共鳴型の無線電力伝送において、共鳴回路に供給する電気信号の周波数を単峰特性の最大利得に対応する周波数に設定した場合に、共鳴回路間の距離が近くなり過ぎたときの電力の伝送効率の低下を抑制する技術について開示されている。

このような磁界共鳴型の無線電力伝送では、基本的には、例えば図１０に示すような装置が用いられる。すなわち、対向配置された送電用共鳴コイル（以下送電コイルと記す）１と、受電用共鳴コイル２（以下受電コイルと記す）とが組合わせて用いられる。送電コイル１は、電力を供給する送電装置（図示省略）に設けられており、受電コイル２は、電力供給装置から供給される電力を受ける受電装置（図示省略）に設けられている。

特表2009−501510号公報 特開2010−200563号公報

磁界共鳴による電力伝送を行うために、送電コイル１および受電コイル２はそれぞれ共振コイルを含んで構成され、送電側と受電側の共振コイル間の磁界共鳴を介して電力が無線伝送される。また、共振コイルに対して給電し、あるいは共振コイルから給電を受けるために、例えば、各共振コイルに隣接させてループコイルが配置される。送電側のループコイルには高周波電力が供給され、ループコイルと共振コイルの間では電磁誘導により電力が伝送される。磁界共鳴により受電側の共振コイルに伝送された高周波電力は、電磁誘導によりループコイルに伝送され、負荷に供給される。従って、以下の説明において、送電コイル１および受電コイル２とは、共振コイルを含む送電側及び受電側のコイル構造を意味する。

図１０（ａ）では、送電コイル１の中心軸と受電コイル２の中心軸が一致し、一直線になるように送電コイル１と受電コイル２が配置されている。磁界共鳴を利用した電力伝送方法においては、このように、送電コイル１の中心軸と受電コイル２の中心軸が一致するように配置されることが望ましい。

これに対して、図１０（ｂ）には、送電コイル１の中心軸と受電コイル２の中心軸が一致せず、中心軸に直交する方向にずれ（位置ずれ）がある場合が示される。このように、送電コイル１と受電コイル２が、中心軸間に位置ずれをもって配置された場合、図１０（ａ）のように中心軸が一致している場合に比べて、電力の伝送効率が低下してしまう問題が発生する。

従って本発明は、磁界共鳴を利用して無線により電力を伝送する場合の、送電コイルと受電コイルの中心軸間の位置ずれに起因する、電力の伝送効率の低下を抑制することが可能な無線電力伝送方法を提供することを目的とする。

本発明の無線電力伝送方法は、共振コイルを備えた送電コイルから共振コイルを備えた受電コイルへ、所定の共振周波数における磁界共鳴を利用して電力を伝送する方法である。

そして、上記課題を解決するために、本発明の無線電力伝送方法は、前記送電コイルのコイル中心と前記受電コイルのコイル中心を通る直線として定義されるコイル中心連結線に対して、前記送電コイルまたは前記受電コイルの中心軸が成す角として傾き角θを定義し、前記受電コイルの中心軸と前記送電コイルのコイル中心との間の距離、または前記送電コイルの中心軸と前記受電コイルのコイル中心との間の距離として定義される位置ずれ量が存在したとき、前記送電コイル及び前記受電コイルの少なくとも一方の前記中心軸の方向を、前記傾き角θが小さくなる向きに調整することを特徴とする。

本発明によれば、送電コイル及び受電コイルの少なくとも一方の中心軸を調整することにより、受電コイルと送電コイルの間に存在する位置ずれ量に起因する電力伝送効率の低下を、容易に低減させることができる。

本発明の実施の形態１における無線電力伝送方法を説明する正面図 同無線電力伝送方法における、送電コイルと受電コイルの間の電力伝送効率と位置ずれ量の関係を示す図 同無線電力伝送方法における送電コイルと受電コイルの調整例を示す正面図 同無線電力伝送方法における、送電コイルと受電コイルの間の電力伝送効率と、送電コイルの傾き角θの関係を示す図 同無線電力伝送方法の他の条件下における、送電コイルと受電コイルの間の電力伝送効率と、送電コイルの傾き角θの関係を示す図 同無線電力伝送方法における１／ｔａｎθｃ（θcは臨界角）と位置ずれ量ｄの関係を示す図 実施の形態２おける電力伝送方法を説明するためのブロック図 実施の形態２おける電力伝送方法の他の態様を説明するためのブロック図 実施の形態３おける電力伝送方法を説明する正面図 同電力伝送方法における送電コイルと受電コイルの間の電力伝送効率と位置ずれ量の関係を示す図 従来例の磁界共鳴を利用した無線電力伝送方法における送電コイルと受電コイルの配置例を示す正面図

本発明の無線電力伝送方法は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、前記送電コイル及び前記受電コイルの双方の前記中心軸の方向を、前記傾き角θが小さくなる向きに調整することが好ましい。

その場合、前記送電コイル及び前記受電コイルの一方の前記中心軸の方向を前記傾き角θが小さくなる向きに調整し、次に、他方を前記傾き角θが小さくなる向きに調整することができる。

以上のように、本発明の無線電力伝送方法においては、送電コイルのコイル中心の方向に受電コイルの中心軸を傾けても良いし、受電コイルのコイル中心の方向に送電コイルの中心軸を傾けても良い。また、送電コイルのコイル中心の方向に受電コイルの中心軸を傾け、かつ受電コイルのコイル中心の方向に送電コイルの中心軸を傾けてもよい。

また、前記送電コイルの前記中心軸が成す前記傾き角θとして定義される傾き角θ１が、下記（式１）を満足する範囲内になるように、前記送電コイルの中心軸の方向を調整することが好ましい。

０≦θ１≦ｔａｎ^-1（（Ｒ１×ｇ１）／（ｇ１²＋ｄ１²−Ｒ１×ｄ１））・・・（１）
ここで、Ｒ１：受電コイルの半径、ｇ１：送電コイルのコイル中心を通り受電コイルの中心軸と直交する直線と、受電コイルのコイル中心との間の距離、ｄ１：受電コイルの中心軸と送電コイルのコイル中心との間の距離である。

また、前記受電コイルの前記中心軸が成す前記傾き角θとして定義される傾き角θ２が、下記（式２）を満足する範囲内になるように、前記受電コイルの中心軸の方向を調整することが好ましい。

０≦θ２≦ｔａｎ^-1（（Ｒ２×ｇ２）／（ｇ２²＋ｄ２²−Ｒ２×ｄ２））・・・（２）
ここで、Ｒ２：送電コイルの半径、ｇ２：受電コイルのコイル中心を通り送電コイルの中心軸と直交する直線と、送電コイルのコイル中心との間の距離、ｄ２：送電コイルの中心軸と受電コイルのコイル中心との間の距離である。

また、前記送電コイルのコイル中心に対する前記受電コイルのコイル中心の相対位置を検出し、前記送電コイル及び前記受電コイルの少なくとも一方の前記中心軸の方向を、検出された相対位置に応じて調整してもよい。

また、前記送電コイルから前記受電コイルへ伝送される電力を検出し、前記送電コイル及び前記受電コイルの少なくとも一方の前記中心軸の方向を、検出される電力が大きくなる向きに調整してもよい。

以下、図面に基づき、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１における無線電力伝送方法を説明するための正面図である。送電コイル１及び受電コイル２の構造は、図１０を参照して説明した従来例と同様である。本実施の形態では、送電コイル１及び受電コイル２として、太さ２ｍｍの銅線を半径１５ｃｍのヘリカル形状に５ｍｍピッチで５回巻いたものを用いる。送電コイル１及び受電コイル２は、インダクタンスとキャパシタンスを有する共鳴素子であり、送電コイル１と受電コイル２の夫々の共鳴周波数（共振周波数）は、両者とも１７．５ＭＨｚで一致している。この送電コイル１から受電コイル２に対して、磁界共鳴により電力が伝送される。

送電コイル１について、その巻回の中心である軸を中心軸３とし、中心軸３の方向における送電コイル１の長さの中心をコイル中心４と記述する。同様に、受電コイル２についての用語として、中心軸５及びコイル中心６を用いる。コイル中心４、６を通る直線を、コイル中心連結線７として定義する。

送電コイル１と受電コイル２の間に、図１０（ｂ）に示したような位置ずれが発生した場合、位置ずれ量ｄ１を、受電コイル２の中心軸５と送電コイル１のコイル中心４との間の距離、位置ずれ量ｄ２を、送電コイル１の中心軸３と受電コイル２のコイル中心６との間の距離として定義する。

図１０（ｂ）に示した系において、位置ずれ量ｄ１に対する電力伝送効率の変化の関係を調べるために行った実験について説明する。位置ずれ量ｄ１が０ｃｍの場合における、送電コイル１のコイル中心４と受電コイル２のコイル中心６の距離は２０ｃｍに設定した。

実験は、位置ずれ量ｄ１を「０ｃｍ」、「５ｃｍ」、「１０ｃｍ」、「１２．５ｃｍ」、「１５ｃｍ」、「１７．５ｃｍ」、「２０ｃｍ」、「２２．５ｃｍ」、「２５ｃｍ」と変化させて行った。その各位置ずれ量ｄ１において、送電コイル１から受電コイル２への電力伝送効率を、ベクトルネットワークアナライザー（ＶＮＡ）を用いて測定した。測定結果を図２に破線Ａで示す。図２では、縦軸を送電コイル１から受電コイル２への電力伝送効率とし、横軸を位置ずれ量ｄ１としている。位置ずれ量ｄ１が０ｃｍの場合は９３％であった電力伝送効率が、位置ずれ量ｄ１が１０ｃｍで８５％に低減し、位置ずれ量ｄ１が１５ｃｍで７２％に低下、位置ずれ量ｄ１が２０ｃｍでは４５％にまで減衰する。

図１は、送電コイル１の中心軸３と受電コイル２の中心軸５が一致しない図１０（ｂ）の状態から、送電コイル１の中心軸３を受電コイル２のコイル中心６の方向に傾けて、送電コイル１の中心軸３がコイル中心連結線７とほぼ一致するように調整した場合を示している。位置ずれ量ｄ１を、「０ｃｍ」、「５ｃｍ」、「１０ｃｍ」、「１２．５ｃｍ」、「１５ｃｍ」、「１７．５ｃｍ」、「２０ｃｍ」、「２２．５ｃｍ」、「２５ｃｍ」と変化させ、その各位置ずれ量ｄ１を維持した状態において、図１のように送電コイル１の中心軸３を傾けて、送電コイル１から受電コイル２への電力伝送効率を測定した結果を、図２に実線Ｂで示す。

位置ずれ量ｄ１が０ｃｍの場合の電力伝送効率が９３％であったのに対して、位置ずれ量ｄ１が１０ｃｍのときは８８％、位置ずれ量ｄ１が１５ｃｍのときは７９％、位置ずれ量ｄ１が２０ｃｍのときは６０％の電力伝送効率が得られた。このように、図２の実線Ｂで示された電力伝送効率は、どの位置ずれ量ｄ１においても、図２の破線Ａで示された電力伝送効率に比べて大きな値になることがわかる。すなわち、送電コイル１の中心軸３を、コイル中心連結線７とほぼ一致するように傾けたことによって、送電コイル１から受電コイル２への電力伝送効率の位置ずれによる減衰を抑制することができた。

次に、コイル中心連結線７に対する送電コイル１の中心軸３の一致度合、すなわちコイル中心連結線７と中心軸３が成す角度について、電力伝送効率の減衰の許容範囲に抑制可能な範囲を求めるために行った実験について説明する。

ここで、図３を参照して、送電コイル１または受電コイル２の傾き角θについて定義する。図３は、図１０（ｂ）の状態から、送電コイル１の中心軸３を受電コイル２のコイル中心６の方向に傾けて、コイル中心連結線７に対して送電コイル１の中心軸３が成す角度がθとなった状態を示す。この角度θを送電コイル１の傾き角と定義する。受電コイル１の傾き角も同様に定義される。すなわち、傾き角θは、コイル中心連結線７に対して送電コイル１の中心軸が成す角θ１、または受電コイル２の中心軸が成す角θ２として表わされる。

位置ずれ量ｄについては、受電コイル２の中心軸５と送電コイル１のコイル中心４との間の距離として位置ずれ量ｄ１が表され、送電コイル１の中心軸３と受電コイル２のコイル中心６との間の距離として位置ずれ量ｄ２が表される。

上述のように、位置ずれ量ｄ（ｄ１またはｄ２）が存在する場合に、送電コイル１の中心軸３及び受電コイル２の中心軸５の少なくとも一方の方向を、傾き角θが小さくなる向きに調整することにより、送電コイル１から受電コイル２への電力伝送効率の位置ずれによる減衰を抑制することができる。

次に、電力伝送効率の減衰の許容範囲を決める臨界角θｃについて、図３を参照して説明する。図３は上述のとおり、図１０（ｂ）の状態から、送電コイル１の中心軸３を受電コイル２のコイル中心６の方向に傾けて、送電コイル１の傾き角をθとした状態を示す。図３のヘリカル形状の送電コイル１及び受電コイル２は、図１に記載した送電コイル１及び受電コイル２と全く同じものであり、太さ２ｍｍの銅線を半径１５ｃｍのヘリカル形状に５ｍｍピッチで５回巻いたものである。

位置ずれ量ｄが０ｃｍの場合における、送電コイル１のコイル中心４と受電コイル２のコイル中心６の距離ｇは２０ｃｍである。この距離ｇは、送電コイル１のコイル中心４を通り受電コイル２の中心軸５に直交する直線と、受電コイル２のコイル中心６との間の距離である。以後、この距離ｇをギャップ長ｇ１と呼ぶ。同様に、受電コイル２のコイル中心６を通り送電コイル１の中心軸３と直交する直線と、送電コイル１のコイル中心４との間の距離を、ギャップ長ｇ２と呼ぶ。なお、ギャップ長ｇ１とギャップ長ｇ２に共通する説明の場合には、ギャップ長ｇと記す。

ギャップ長ｇ１が２０ｃｍの場合における、電力伝送効率と送電コイル１の傾き角θ１の関係を調べた結果を、図４Ａに示す。図４Ａ中には、位置ずれ量ｄ１が２０ｃｍ（実線Ｃ１）、２５ｃｍ（破線Ｄ１）、３０ｃｍ（一点鎖線Ｅ１）の各々の場合の結果が示されている。また、ギャップ長ｇ１が１５ｃｍの場合における電力伝送効率の傾き角θ１依存性を図４Ｂに示す。図４Ｂ中にも、位置ずれ量ｄ１が２０ｃｍ（実線Ｃ２）、２５ｃｍ（破線Ｄ２）、３０ｃｍ（一点鎖線Ｅ２）の各々の場合の結果が示されている。これらのデータでは、いずれの場合も、図中に矢印で示した臨界角θｃ以上の傾き角θ１の場合に、伝送効率が急激に低下する傾向を示す。逆に言えば、送電コイル１の中心軸３が、コイル中心連結線７からこの臨界角θｃまでずれても、伝送効率は大幅には劣化しない。従って、送電コイル１と受電コイル２の位置ずれによる電力伝送効率の減衰を抑制するためには、傾き角θ１が０からθｃまでの範囲内になるように、送電コイル１の中心軸を傾ければ良いと言える。

次に、種々の位置ずれ量ｄやギャップ長ｇにおいて臨界角θｃの測定を行い、臨界角θｃと位置ずれ量ｄの関係を調べた。ここで、臨界角θｃを、図４Ａ，図４Ｂのような電力伝送効率の傾き角θ依存性において、伝送効率の値が、傾き角θ＝０の時の伝送効率から３％低下した値になる角度と定義する。図５に、調べた結果から得られた１／ｔａｎθｃと位置ずれ量ｄの関係の一例を示す。図５には、ギャップ長ｇが１０ｃｍ（実線Ｆ）、１５ｃｍ（破線Ｇ）、２０ｃｍ（一点鎖線Ｈ）の各々の場合の結果が示されている。このように得られた曲線を、次式の２次式へ最小二乗法によりフィッティングし、２次式の係数Ｘ、Ｙ、Ｚを求めた。

１／ｔａｎθｃ＝Ｘ×ｄ²＋Ｙ×ｄ＋Ｚ
臨界角θｃを支配する因子としては、位置ずれ量ｄとギャップ長ｇ以外に、受電コイル２の半径Ｒも関係すると考え、求めたＸ、Ｙ、Ｚの値の夫々と、ギャップ長ｇ、半径Ｒとの関係を検討した。

その結果、Ｘ＝１／（Ｒ×ｇ）、Ｙ＝−１／ｇ、Ｚ＝ｇ／Ｒであることを見出し、次式を得た。

１／ｔａｎθｃ＝ｄ²／（Ｒ×ｇ）−ｄ／ｇ＋ｇ／Ｒ
この式を変形すると、臨界角θｃは下記の（３）式で表されることが判る。

θｃ＝ｔａｎ^-1（（Ｒ×ｇ）／（ｇ²＋ｄ²−Ｒ×ｄ）） ・・・・・（３）
この臨界角θｃを表す（式３）に基づけば、位置ずれによる電力伝送効率の劣化を実用的に十分な範囲に抑制するためには、送電コイル１の中心軸３の方向を調整して、送電コイル１の中心軸３が成す傾き角θ１が、０≦θ１≦θｃを満足するように、すなわち、上述の（式１）を満足するように調整すればよい。

あるいは、送電コイル１の中心軸３の方向ではなく、受電コイル２の中心軸５の方向を調整して、受電コイル２の中心軸５が成す傾き角θ２が、０≦θ２≦θｃを満足するように、すなわち、上述の（式２）を満足するように調整してもよい。

なお、上記送電コイル１と受電コイル２の構成では、線間容量がキャパシタンスの役割を果たしているが、送電コイル１または受電コイル２、またはその両方にコンデンサを接続し、そのコンデンサにキャパシタンスの役割を担わせた構成とすることも可能である。また、図１にはヘリカル形状のコイルを用いた場合が示されているが、例えばスパイラル形状のような、他の形状のコイルとすることも可能である。また、図１のヘリカル形状コイルは空芯コイルとしたが、鉄芯などの磁性材料を付加したコイルとしても良い。

さらに、図１には、送電コイル１と受電コイル２の寸法（コイルの径、長さ）が一致している構成を示したが、互いに寸法を異ならせた場合でも、本実施の形態の効果を、同様に得ることが可能である。

＜実施の形態２＞
実施の形態２における無線電力伝送方法について、図６を参照して説明する。図６は、本実施の形態の電力伝送方法を説明するためのブロック図である。本実施の形態は、実施の形態１の無線電力伝送方法を実施するための、より具体的な構成に関するものである。

図６において、送電装置１０には送電コイル１が装着され、受電装置１１には受電コイル２が装着されている。所定の高周波電力が、駆動回路１２から送電コイル１に供給され、磁界共鳴により受電コイル２に無線伝送されて、負荷回路１３に供給される。

送電コイル１には傾き調整装置１４が取付けられており、傾き角θを調整できるようになっている。送電装置１０には、受電コイル２の位置を検出する位置センサー１５、及び位置センサー１５の検出出力が供給される制御回路１６が設けられている。傾き調整装置１４による調整動作は、位置センサー１５が検出する受電コイル２の位置に基づき、制御回路１６が出力する制御信号により制御される。同様に、受電コイル２にも傾き調整装置１７が取付けられており、傾き角θを調整できるようになっている。傾き調整装置１７による調整動作は、位置センサー１８が検出する送電コイル１の位置に基づき、制御回路１９が出力する制御信号により制御される。

傾き調整装置１４による傾き角θを調整する動作は、例えば、コイル中心の周りに中心軸を回動させることにより行うことができる。すなわち、送電コイル１を、コイル中心で自在継手のような構造により支持し、調整すべき角度に応じて送電コイル１を回転させる駆動力を加える構成とする。傾き調整装置１７についても同様である。位置センサー１５は、例えば、受電コイル２に対してレーザ光を照射し、反射光に基づいて受電コイル２の位置や、姿勢を検出する構成とすることができる。あるいは、撮像装置により受電コイル２を撮影し、パターン認識により受電コイル２の位置を検出することも可能である。位置センサー１８も同様である。

制御回路１６は、位置センサー１５の検出出力により、送電コイル１のコイル中心に対する受電コイル２のコイル中心の相対位置を検出することができる。検出した相対位置に基づき、傾き調整装置１４を制御して送電コイル１の中心軸の方向を調整し、傾き角θを小さくすることができる。制御回路１９の動作も同様である。なお、以上のような傾き調整装置による傾き角θの調整機能は、送電装置１０または受電装置１１のいずれか一方にのみ設けても、相応の効果を得ることが可能である。

図７は、本実施の形態の電力伝送方法の他の態様を説明するブロック図である。この構成は、概ね図６の構成と同様であり、同一の要素については同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを省略する。この態様の構成は、図６における位置センサー１５、１８に代えて磁界強度センサー２２、２４を用いたものである。

磁界強度センサー２２は、送電コイル１の近傍の磁界強度を計測し、磁界強度に対応した検出信号を出力する。駆動回路１２から一定の周波数と振幅の高周波電力を供給して送電コイル１を駆動している場合、送電コイル１と受電コイル２の中心軸の一致度が高いほど、磁界共鳴によって送電コイル１が送出する磁界エネルギーは強くなる。すなわち、磁界強度センサー２２が検出する送電コイル１の近傍の磁界強度は、中心軸の一致度と対応する。磁界強度センサー２２が検出する磁界強度が強くなるように、傾き調整装置１４を制御して送電コイル１の中心軸の方向を調整することにより、傾き角θを小さくすることができる。磁界強度センサー２４によって受電コイル２の近傍の磁界強度を検出しても、同様の効果が得られる。従って、制御回路２５は、磁界強度センサー２４が検出する磁界強度が強くなるように、傾き調整装置１７を制御して受電コイル２の中心軸の方向を調整することにより、傾き角θを小さくすることができる。

磁界強度は、送電コイル１から受電コイル２へ伝送される電力の大きさを検出するためのパラメータの一例である。すなわち、他の方法で伝送される電力の大きさを検出し、検出電力が大きくなるように送電コイル１または受電コイル２の傾きを調整しても、傾き角θを小さくすることが可能である。

＜実施の形態３＞
図８は、実施の形態３における無線電力伝送方法を説明するための正面図である。実施の形態における送電コイル１及び受電コイル２の詳細は、図１に記載した送電コイル１及び受電コイル２と全く同じである。

図１０（ｂ）に示した系と同様に、送電コイル１の中心軸３と受電コイル２の中心軸５が一致せず、位置ずれしている場合について、送電コイル１から受電コイル２への電力伝送効率を測定した結果を図９に破線Ｊで示す。位置ずれ量が０ｃｍの場合における、送電コイル１の中心と受電コイル２の中心の距離は２０ｃｍである。位置ずれ量ｄを、「０ｃｍ」、「５ｃｍ」、「１０ｃｍ」、「１２．５ｃｍ」、「１５ｃｍ」、「１７．５ｃｍ」、「２０ｃｍ」、「２２．５ｃｍ」、「２５ｃｍ」と変化させ、その各位置ずれ量において、送電コイル１から受電コイル２への電力伝送効率を測定した。図９では、縦軸を送電コイル１から受電コイル２への電力伝送効率とし、横軸を位置ずれ量ｄとしている。

図８は、送電コイル１の中心軸３と受電コイル２の中心軸５が一致しない図１０（ｂ）の状態にあった送電コイル１の中心軸３を、コイル中心連結線７とほぼ一致するように傾け、かつ受電コイル２の中心軸５を、コイル中心連結線７とほぼ一致するように傾けた場合を示す。

位置ずれ量ｄを、「０ｃｍ」、「５ｃｍ」、「１０ｃｍ」、「１２．５ｃｍ」、「１５ｃｍ」、「１７．５ｃｍ」、「２０ｃｍ」、「２２．５ｃｍ」、「２５ｃｍ」と変化させ、その各位置ずれの状態において、図８のように、送電コイル１の中心軸３と受電コイル２の中心軸５の両方を傾けて、送電コイル１から受電コイル２への電力伝送効率を測定した結果を、図９に実線Ｋで示す。

位置ずれ量０ｃｍの場合の電力伝送効率が９３％であったのに対して、位置ずれ量ｄが１０ｃｍのときで９０％、位置ずれ量ｄが１５ｃｍのときで８３％、位置ずれ量ｄが２０ｃｍのときで７０％の電力伝送効率が得られた。このように、図９の実線Ｋで示された電力伝送効率は、どの位置ずれ量においても、図９の破線Ｊで示された電力伝送効率に比べて大きな値になることがわかる。すなわち、送電コイル１の中心軸３と受電コイル２の中心軸５の両方を、コイル中心連結線７とほぼ一致するように傾けたことによって、送電コイル１から受電コイル２への電力伝送効率の位置ずれによる減衰を大幅に抑制することができる。

送電コイル１の中心軸３と受電コイル２の中心軸５の両方を、コイル中心連結線７とほぼ一致するするように傾けるためには、まず、送電コイル１及び受電コイル２の一方の中心軸の方向を傾き角θが小さくなる向きに調整し、次に、他方を傾き角θが小さくなる向きに調整するように操作すればよい。

本発明の無線電力伝送方法は、磁界共鳴を利用した電力伝送における、送電コイルと受電コイルの中心軸間の位置ずれに起因する電力の伝送効率の低下を抑制することが可能であり、携帯電話やデジタルカメラ等のモバイル機器、ＴＶや電気自動車などの無線電力伝送に有用である。

１ 送電コイル
２ 受電コイル
３、５ 中心軸
４、６ コイル中心
７ コイル中心連結線
１０、２０ 送電装置
１１、２１ 受電装置
１２ 駆動回路
１３ 負荷回路
１４、１７ 傾き調整装置
１５、１８ 位置センサー
１６、１９、２３、２５ 制御回路
２２、２４ 磁界強度センサー
ｄ 位置ずれ量
θ 傾き角

Claims (7)

1. 共振コイルを備えた送電コイルから共振コイルを備えた受電コイルへ、所定の共振周波数における磁界共鳴を利用して電力を伝送する無線電力伝送方法であって、
   前記送電コイルのコイル中心と前記受電コイルのコイル中心を通る直線として定義されるコイル中心連結線に対して、前記送電コイルまたは前記受電コイルの中心軸が成す角として傾き角θを定義し、
   前記受電コイルの中心軸と前記送電コイルのコイル中心との間の距離、または前記送電コイルの中心軸と前記受電コイルのコイル中心との間の距離として定義される位置ずれ量が存在したとき、
   前記送電コイル及び前記受電コイルの少なくとも一方の前記中心軸の方向を、前記傾き角θが小さくなる向きに調整することを特徴とする無線電力伝送方法。
2. 前記送電コイル及び前記受電コイルの双方の前記中心軸の方向を、前記傾き角θが小さくなる向きに調整する請求項１に記載の無線電力伝送方法。
3. 前記送電コイル及び前記受電コイルの一方の前記中心軸の方向を前記傾き角θが小さくなる向きに調整し、次に、他方を前記傾き角θが小さくなる向きに調整する請求項２に記載の無線電力伝送方法。
4. 前記送電コイルの前記中心軸が成す前記傾き角θとして定義される傾き角θ１が、下記（式１）を満足する範囲内になるように、前記送電コイルの中心軸の方向を調整する請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線電力伝送方法。
   ０≦θ１≦ｔａｎ^-1（（Ｒ１×ｇ１）／（ｇ１²＋ｄ１²−Ｒ１×ｄ１））・・・（１）
   Ｒ１：受電コイルの半径
   ｇ１：送電コイルのコイル中心を通り受電コイルの中心軸と直交する直線と、受電コイルのコイル中心との間の距離
   ｄ１：受電コイルの中心軸と送電コイルのコイル中心との間の距離
5. 前記受電コイルの前記中心軸が成す前記傾き角θとして定義される傾き角θ２が、下記（式２）を満足する範囲内になるように、前記受電コイルの中心軸の方向を調整する請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線電力伝送方法。
   ０≦θ２≦ｔａｎ^-1（（Ｒ２×ｇ２）／（ｇ２²＋ｄ２²−Ｒ２×ｄ２））・・・（２）
   Ｒ２：送電コイルの半径
   ｇ２：受電コイルのコイル中心を通り送電コイルの中心軸と直交する直線と、送電コイルのコイル中心との間の距離
   ｄ２：送電コイルの中心軸と受電コイルのコイル中心との間の距離
6. 前記送電コイルのコイル中心に対する前記受電コイルのコイル中心の相対位置を検出し、前記送電コイル及び前記受電コイルの少なくとも一方の前記中心軸の方向を、検出された相対位置に応じて調整する請求項１〜５のいずれか１項に記載の無線電力伝送方法。
7. 前記送電コイルから前記受電コイルへ伝送される電力を検出し、前記送電コイル及び前記受電コイルの少なくとも一方の前記中心軸の方向を、検出される電力が大きくなる向きに調整する請求項１〜５のいずれか１項に記載の無線電力伝送方法。

Images