JP2012222989A

JP2012222989A - 無線電力供給システム

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Publication number: JP2012222989A
Application number: JP2011087537A
Authority: JP
Inventors: Takezo Hatanaka; 武蔵畑中; Nao Tsuda; 尚津田
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2012-11-12
Anticipated expiration: 2031-04-11
Also published as: US20140035386A1; SG10201602721PA; EP2698898A4; KR20140022870A; CN103460556A; EP2698898B1; TWI555294B; CN103460556B; TW201251257A; SG194160A1; EP2698898A1; JP5968596B2; WO2012141028A1

Abstract

【課題】従来のように共振周波数を変更する制御装置や、２つの共振器間の結合強度を変化させる制御装置や、給電コイルと給電共振コイルとの距離及び受電コイルと受電共振コイルとの距離を調整する制御装置を使用せずに、２つの共振器間の磁気結合を安定した状態に維持して、送電効率を安定させた状態で電力を送電可能な空間領域を広げることができる無線電力供給システムを提供する。
【解決手段】給電共振コイル１０５と受電共振コイル１０８とを共振させることによって、給電共振コイル１０５から受電共振コイル１０８に電力を磁界エネルギーとして送電する無線電力供給システム１０１に関して、給電共振コイル１０５のコイル径Ｄに対して受電共振コイル１０８のコイル径Ｅを小さくする。そして、給電共振コイル１０５と受電共振コイル１０８との間の磁気結合を安定した状態に維持して、送電効率を安定させた状態で送電可能な空間領域を広げる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁界共鳴状態を創出することにより非接触で電力を送電する無線電力供給システムに関する。

従来、無線による電力供給技術としては、電磁誘導を利用した技術、電波を利用した技術が知られている。これに加えて、近年、磁界共鳴状態を利用した無線電力供給技術が提案されている。

この磁界共鳴状態（磁気共鳴、磁場共鳴、磁界共振とも言われる）を利用した電力供給技術は、共振する２つの共振器間で磁場を結合させることにより、エネルギー（電力）の送電を可能とする技術である。このような磁界共鳴状態を利用した無線電力供給技術によれば、電磁誘導を利用した無線電力供給技術に比べて、エネルギー（電力）の送電距離を長くすることができる。

しかしながら、上記のような磁界共鳴状態を利用した電力供給技術において、２つの共振器間の磁気結合が不安定となり、送電効率を低下させてしまう問題がある。

このような問題を解決すべく、例えば、特許文献１には、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が変動した場合でも、送電共振コイルの共振周波数及び受電共振コイルの共振周波数を変更することにより、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の結合強度を逐次変更して共鳴状態を維持することで送電装置から受電装置への電力の送電効率の低下を防止することができる無線電力供給システムが開示されている。また、特許文献２には、送電コイルと受電コイルとの結合強度を変化させることによって、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が開示されている。さらに、特許文献３には、給電コイルと受電コイルの間に給電共振コイルと受電共振コイルを設け、非接触で電力を供給するに際して、給電共振コイルと受電共振コイルと間の距離ｃを検出し、この距離ｃに応じて給電効率が最大となるように給電コイルと給電共振コイルとの距離ａ、及び受電コイルと受電共振コイルとの距離ｂを可変調整する給電システムが開示されている。

特開２０１０−２３９７６９特開２０１０−２３９７７７特開２０１０−１２４５２２

確かに、上記に開示された技術によって送電効率の低下を防止することができる。しかしながら、上記開示技術では、共振周波数を変更する制御装置や、２つの共振器間の結合強度を変化させる制御装置や、給電コイルと給電共振コイルとの距離及び受電コイルと受電共振コイルとの距離を調整する制御装置が必要となり、構成が複雑になるうえにコストが増大してしまう。

そこで、本発明の目的は、従来のように共振周波数を変更する制御装置や、２つの共振器間の結合強度を変化させる制御装置や、給電コイルと給電共振コイルとの距離及び受電コイルと受電共振コイルとの距離を調整する制御装置を使用せずに、２つの共振器間の磁気結合を安定した状態に維持して、送電効率を安定させた状態で電力を送電可能な空間領域を広げることができる無線電力供給システムを提供することにある。

上記課題を解決するための発明の一つは、給電共振コイルと受電共振コイルとを共振させることによって、前記給電共振コイルから前記受電共振コイルに電力を磁界エネルギーとして送電する無線電力供給システムであって、前記給電共振コイルのコイル径に対して前記受電共振コイルのコイル径を小さくしたことを特徴とするものである。

上記の構成によれば、給電共振コイルのコイル径に対して受電共振コイルのコイル径を小さくした空間領域においては、送電周波数等を調整しなくても、給電共振コイルと受電共振コイルとの磁気結合を安定した状態で維持することができる。即ち、従来のように、給電共振コイルと受電共振コイルとが同一径の場合には、安定した磁気結合となる距離の範囲が極めて狭かったため、送電周波数等を調整することがよく行われていたが、本発明によれば、従来よりも広い距離において磁気結合の安定が維持されるため、送電周波数等を調整する作業を不要にすることができる。これにより、給電共振コイルから受電共振コイルへ送電する際に、送電効率を安定させた状態で送電可能な空間領域を広げることができる。

また、上記課題を解決するための発明の一つは、前記給電共振コイルのコイル径と前記受電共振コイルのコイル径との比が、１００：７から１００：１５までの範囲内であることを特徴とする無線電力供給システムである。

上記の構成によれば、給電共振コイルのコイル径と受電共振コイルのコイル径との比を、１００：７から１００：１５までの範囲内で構成することにより、給電共振コイルと受電共振コイルとの磁気結合をより安定した状態で維持することができる。即ち、従来よりも、より広い距離において磁気結合の安定が維持される。これにより、給電共振コイルから受電共振コイルへ送電する際に、送電効率を安定させた状態で送電可能な空間領域をより広げることができる。

また、上記課題を解決するための発明の一つは、交流の電力を供給する電力供給部と、前記電力供給部に接続され、前記給電共振コイルに対して電磁誘導により前記電力を供給する給電コイルと、前記受電共振コイルから電磁誘導により前記電力が供給される受電コイルと、前記受電コイルに接続された電力受給部とを備えていることを特徴とする無線電力供給システムである。

上記の構成によれば、電力供給部から供給された電力を給電コイルから給電共振コイルに送電するに際して、送電磁界共鳴状態を創出することなく電磁誘導を用いることにより電力を送電することができる。また、同様に、受電した電力を受電共振コイルから受電コイルに送電するに際して、送電磁界共鳴状態を創出することなく電磁誘導を用いることにより電力を送電して電力受給部に出力することができる。これにより、給電コイルと給電共振コイルとの間、及び、受電共振コイルと受電コイルとの間で、共振周波数で同調させる必要がなくなるので設計の簡易化が図れる。

また、上記課題を解決するための発明の一つは、給電共振コイルと受電共振コイルとを共振させることによって、給電共振コイルから受電共振コイルに電力を磁界エネルギーとして送電する無線電力供給方法であって、前記給電共振コイルのコイル径に対して前記受電共振コイルのコイル径を小さくしたことを特徴とするものである。

上記の方法によれば、給電共振コイルのコイル径に対して受電共振コイルのコイル径を小さくした空間領域においては、送電周波数等を調整しなくても、給電共振コイルと受電共振コイルとの磁気結合を安定した状態で維持することができる。即ち、従来のように、給電共振コイルと受電共振コイルとが同一径の場合には、安定した磁気結合となる距離の範囲が極めて狭かったため、送電周波数等を調整することがよく行われていたが、本発明によれば、従来よりも広い距離において磁気結合の安定が維持されるため、送電周波数等を調整する作業を不要にすることができる。これにより、給電共振コイルから受電共振コイルへ送電する際に、送電効率を安定させた状態で送電可能な空間領域を広げることができる。

従来のように共振周波数を変更する制御装置や、２つの共振器間の結合強度を変化させる制御装置や、給電コイルと給電共振コイルとの距離及び受電コイルと受電共振コイルとの距離を調整する制御装置を使用せずに、２つの共振器間の磁気結合を安定した状態に維持して、送電効率の低下を防止することができる無線電力供給システムを提供することができる。

本発明に係る無線電力供給システムの説明図である。実施例に係る無線電力供給システムの構成図である。実施例に係る挿入損失の測定例である。実施例において、距離Ｃを変化させた場合の結合係数ｋをプロットしたグラフである。比較例１に関して、給電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離を変動させた場合における送電効率を示したグラフである。実施例１に関して、給電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離を変動させた場合における送電効率を示したグラフである。実施例２に関して、給電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離を変動させた場合における送電効率を示したグラフである。実施形態１に係る無線電力供給システムの説明図である。

まず、以下に本発明に係る無線電力供給システム及び無線電力供給方法の概要を図１に基づいて説明する。

本発明に係る無線電力供給システム１０１は、給電共振コイル１０５と受電共振コイル１０８とを共振させることによって、給電共振コイル１０５から受電共振コイル１０８に電力を磁界エネルギーとして送電するにあたって、給電共振コイル１０５のコイル径Ｄに対して受電共振コイル１０８のコイル径Ｅを小さくしたことを特徴とするものである。

ここで、給電共振コイル１０５及び受電共振コイル１０８とは、例えば、コイルを使用した共振器であり、スパイラル型やソレノイド型やループ型などのコイルが挙げられる。共振とは、給電共振コイル１０５及び受電共振コイル１０８が共振周波数において同調することをいう（例えば、交流電源１０６から、給電共振コイル１０５及び受電共振コイル１０８が有する共振周波数と同一の周波数の電力が出力されることにより実現される）。なお、コイル径とは、コイルの径方向における長さをいう。

これにより、給電共振コイル１０５と受電共振コイル１０８との間においては、送電周波数等の調整をしなくても、給電共振コイル１０５と受電共振コイル１０８との間の磁気結合を安定した状態で維持することができる。即ち、従来のように、給電共振コイル１０５及び受電共振コイル１０８が同一径の場合には、安定した磁気結合となる距離の範囲が極めて狭かったため、送電周波数等を調整することがよく行われていたが、本構成によれば、従来よりも広い距離において磁気結合の安定が維持されるため、送電周波数等を調整する作業を不要にすることができる。これにより、給電共振コイル１０５から受電共振コイル１０８へ送電する際に、送電効率を安定させた状態で送電可能な空間領域を広げることができ、ひいては、任意の場所に持ち運ばれるバッテリ等を備えた電力受給部１０９への給電のように、無線電力供給システムの用途を広げることができる。

（実施例）
次に、上記で説明した無線電力供給システム１０１を簡易な構成で実現した無線電力供給システム１について説明する。

（無線電力供給システム１の構成）
図２に示した無線電力供給システム１は、送電装置１０と受電装置１２とを含むシステムであり、送電装置１０から受電装置１２に電力を磁界エネルギーとして送電する。送電装置１０は、図２に示すように、その内部に給電コイル４と、給電共振コイル５とを有する。そして、給電コイル４には交流電源の代わりにネットワークアナライザ２０（アジレント・テクノロジー株式会社製）の出力端子２１を接続する。また、受電装置１２は、その内部に受電コイル７と、受電共振コイル８とを有する。そして、受電コイル７には、電力受給部の代わりにネットワークアナライザ２０の入力端子２２を接続している。

ネットワークアナライザ２０は、任意の周波数で交流電力を出力端子２１から給電コイル４に出力可能としている。また、ネットワークアナライザ２０は、受電コイル７から入力端子２２に入力された電力を測定可能としている。更に、ネットワークアナライザ２０は、詳細は後述するが、図３に示す挿入損失『Ｓ２１』や、図４に示す結合係数や、送電効率を測定可能としている。

給電コイル４は、ネットワークアナライザ２０から得られた電力を電磁誘導によって給電共振コイル５に供給する役割を果たす。この給電コイル４は、線径１ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を１回巻にして、本実施例及び比較例に合わせた給電コイル径に設定している。ここで、給電コイル４と給電共振コイル５との間の距離をＡとして、本実施例及び比較例では、給電コイル４と給電共振コイル５との間の距離Ａを所定の値に固定している。

受電コイル７は、給電共振コイル５から受電共振コイル８に磁界エネルギーとして送電された電力を電磁誘導によってネットワークアナライザ２０の入力端子２２に出力する役割を果たす。この受電コイル７は、線径１ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を１回巻にして、本実施例及び比較例に合わせた受電コイル径に設定している。ここで、受電共振コイル８と受電コイル７との間の距離をＢとして、本実施例及び比較例では、受電コイル７と受電共振コイル８との間の距離Ｂを所定の値に固定している。

給電共振コイル５及び受電共振コイル８は、それぞれＬＣ共振回路であり、磁界共鳴状態を創出する役割を果たす。なお、本実施形態では、ＬＣ共振回路のコンデンサ成分については素子によって実現しているが、コイルの両端を開放し、浮遊容量によって実現してもよい。このＬＣ共振回路では、インダクタンスをＬ、コンデンサ容量をＣとすると、（式１）によって定まるｆが共振周波数となる。
ｆ＝１／（２π√（ＬＣ））・・・（式１）

また、給電共振コイル５は、本実施例及び比較例に合わせた給電共振コイル径に設定しており、線径１ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を給電共振コイル径に合わせて複数回巻いている。また、受電共振コイル８は、本実施例及び比較例に合わせた受電共振コイル径に設定しており、線径１ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を受電共振コイル径に合わせて複数回巻いている。そして、図２に示すように、給電共振コイル径をコイル径Ｄとし、受電共振コイル径をコイル径Ｅとする。また、給電共振コイル５及び受電共振コイル８は、（式１）によって定まる共振周波数ｆを同一とする必要があるため、共振周波数を１５．３ＭＨｚとしている。

上記のように、給電共振コイル５の共振周波数と受電共振コイル８の共振周波数とを同一値とした場合、給電共振コイル５と受電共振コイル８との間に磁界共鳴状態を創出することができる。給電共振コイル５が共振した状態で磁界共鳴状態が創出されると、給電共振コイル５から受電共振コイル８に電力を磁界エネルギーとして送電することができる。

また、給電共振コイル５と受電共振コイル８との間の距離をＣとしている。そして、この距離Ｃを本実施例及び比較例に合わせて変化させる。

（測定方法）
次に、ネットワークアナライザ２０を使用して、給電共振コイル５と受電共振コイル８との間の距離Ｃを変化させた場合の結合係数ｋを、給電共振コイル５のコイル径１００ｍｍφに固定したうえで受電共振コイル８のコイル径Ｅを１３ｍｍφ、２５ｍｍφ、５５ｍｍφ、１００ｍｍφに変えてそれぞれ測定する。ここで、結合係数ｋとは、給電共振コイル５と受電共振コイル８の結合の強さを表す指標である。

まず、上記結合係数ｋを測定するにあたって、例えば、受電共振コイル８のコイル径Ｅを１００ｍｍφにして、距離Ｃを０から１６０ｍｍに変化させながら、挿入損失『Ｓ２１』を測定する。同様に、受電共振コイル８のコイル径を１３ｍｍφ、２５ｍｍφ、５５ｍｍφに変えて挿入損失『Ｓ２１』を測定する。この際、図３のグラフに示すように、横軸を出力端子２１から出力される周波数とし、縦軸を挿入損失『Ｓ２１』として測定する。

なお、給電コイル４と給電共振コイル５との結合が強いと、給電共振コイル５と受電共振コイル８との間の結合状態に影響を与えてしまい正確な測定ができないため、給電コイル４と給電共振コイル５との間の距離Ａは、給電共振コイル５が十分に励振でき、給電共振コイル５の磁界を生成させ、かつ、給電コイル４と給電共振コイル５とができるだけ結合しない距離に保持する必要がある。また、同様の理由で受電共振コイル８と受電コイル７との間の距離Ｂも、受電共振コイル８が十分に励振でき、受電共振コイル８の磁界を生成させ、かつ、受電共振コイル８と受電コイル７とができるだけ結合しない距離に保持する必要がある。

ここで、挿入損失『Ｓ２１』とは、出力端子２１から信号を入力したときの入力端子２２を通過する信号を表しており、デシベル表示され、数値が大きいほど送電効率が高いことを表す。また、送電効率とは、出力端子２１から給電共振コイル５に供給される電力に対する入力端子２２に出力される電力の比率のことをいう。即ち、挿入損失『Ｓ２１』が高いほど、送電効率が高くなることを意味する。

このように測定された挿入損失『Ｓ２１』の測定波形は低周波側と高周波側とにピークが分離する。分離したピークのうち、高周波側の周波数をｆ_e、低周波側の周波数をｆ_mとして表す。そうすると、結合係数ｋは、（式２）によって求められる。

ｋ＝（ｆ_e ²−ｆ_m ²）/（ｆ_e ²＋ｆ_m ²）・・・（式２）

そして、距離Ｃを変化させた場合の結合係数ｋを、受電共振コイル８のコイル径を１３ｍｍφ、２５ｍｍφ、５５ｍｍφ、１００ｍｍφに変えて測定した結果を図４にプロットする。

図４の測定結果を見ると、給電共振コイル５のコイル径Ｄのサイズに対して、受電共振コイル８のコイル径Ｅのサイズを小さくしていくと、距離Ｃに対する結合係数ｋの上下変動が小さくなり安定していくことがわかる。

また、給電共振コイル５のコイル径Ｄと受電共振コイル８とコイル径Ｅとの比を変えて、給電共振コイル５と受電共振コイル８との間の距離Ｃの変化に伴う送電効率の変化を測定した。なお、給電共振コイル５の中心軸と受電共振コイル８の中心軸とは一致させて測定する。また、給電コイル４と給電共振コイル５との間の距離Ａ、及び、受電コイル７と受電共振コイル８との間の距離Ｂは各実施例及び比較例に合わせて固定されているものとする。また、ネットワークアナライザ２０から送電される送電周波数は、給電共振コイル５及び受電共振コイル８の共振周波数を含むものである。そして、送電効率は、給電共振コイル５及び受電共振コイル８の共振周波数と同じ１５．３ＭＨｚにおいて、出力端子２１から給電共振コイル５に供給される電力を入力端子２２に出力される電力の比率を計測したものである。即ち、送電効率は、送電周波数を１５．３ＭＨｚとして、給電共振コイル５及び受電共振コイル８を共振させて、共振する給電共振コイル５から受電共振コイル８に電力を送電した場合の電力の損失割合を計る目安となる。

（比較例１）
比較例１に係る無線電力供給システムでは、給電コイル４の給電コイル径を１００ｍｍφに設定し、給電共振コイル５はコイル径Ｄが１００ｍｍφになるように線径１ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を３回巻にし、給電コイル４と給電共振コイル５との間の距離Ａを１７ｍｍに設定する。また、受電コイル７の受電コイル径を１００ｍｍφに設定し、受電共振コイル８はコイル径Ｅが１００ｍｍφになるように線径１ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を３回巻にし、受電コイル７と受電共振コイル８との間の距離Ｂを１７ｍｍに設定する。そして、上記設定により、比較例１に係る無線電力供給システムにおいて、給電共振コイル５と受電共振コイル８との間の距離Ｃの変化に伴う送電効率の変化を測定した（コイル径Ｄ：コイル径Ｅ＝１００：１００）。すると、図５のグラフのように、給電共振コイル５と受電共振コイル８との間が近い場所では（送電効率が最大となる距離Ｃ＝Ｐより左側）、送電効率が低くなっている。これは、距離Ｃが０の地点から送電効率が最大となる距離Ｐの間での送電効率が低い値から高い値に変化しているため、送電効率が安定していないことを意味している。

（実施例１）
次に、実施例１に係る無線電力供給システムでは、給電コイル４の給電コイル径を１００ｍｍφに設定し、給電共振コイル５はコイル径Ｄが１００ｍｍφになるように線径１ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を３回巻にし、給電コイル４と給電共振コイル５との間の距離Ａを１０ｍｍに設定する。また、受電コイル７の受電コイル径を１３ｍｍφに設定し、受電共振コイル８はコイル径Ｅが１３ｍｍφになるように線径１ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を１３回巻にし、受電コイル７と受電共振コイル８との間の距離Ｂを１ｍｍに設定する。そして、上記設定により、実施例１に係る無線電力供給システムにおいて、給電共振コイル５と受電共振コイル８との間の距離Ｃの変化に伴う送電効率の変化を測定した（コイル径Ｄ：コイル径Ｅ＝１００：１３）。すると、図６のグラフが示すように、距離Ｃが０の地点から距離Ｐの間での送電効率が滑らかに下降していることから比較例１に比べて送電効率がより安定していることがわかる。これは、距離Ｃが０の地点から距離Ｐの間では、所定の電力を送電するに際して、特許文献１や特許文献３に挙げたように、送電周波数の可変制御や給電コイル４と給電共振コイル５との間の距離Ａ、及び、受電コイル７と受電共振コイル８との間の距離Ｂの可変制御を必要とせずに、一定の効率で電力を送電することができることを意味している。

（実施例２）
次に、実施例２に係る無線電力供給システムでは、給電コイル４の給電コイル径を３２０ｍｍφに設定し、給電共振コイル５はコイル径Ｄが３２０ｍｍφになるように線径１ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を２回巻にし、給電コイル４と給電共振コイル５との間の距離Ａを１１０ｍｍに設定する。また、受電コイル７の受電コイル径を２５ｍｍφに設定し、受電共振コイル８はコイル径Ｅが２５ｍｍφになるように線径１ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を１１回巻にし、受電コイル７と受電共振コイル８との間の距離Ｂを１ｍｍに設定する。そして、上記設定により、実施例２に係る無線電力供給システムにおいて、給電共振コイル５と受電共振コイル８との間の距離Ｃの変化に伴う送電効率の変化を測定した（コイル径Ｄ：コイル径Ｅ＝１００：７．８）。すると、図７のグラフが示すように、距離Ｃが０の地点から距離Ｐの間での送電効率が滑らかに下降していることから比較例１に比べて送電効率がより安定していることがわかる。これは、距離Ｃが０の地点から距離Ｐの間では、所定の電力を送電するに際して、特許文献１や特許文献３に挙げたように、送電周波数の可変制御や給電コイル４と給電共振コイル５との間の距離Ａ、及び、受電コイル７と受電共振コイル８との間の距離Ｂの可変制御を必要とせずに、一定の効率で電力を送電することができることを意味している。

上記比較例と実施例を比較・参照すると、給電共振コイル５のコイル径Ｄに対して、受電共振コイル８のコイル径Ｅを小さくすることで、給電共振コイル５と受電共振コイル８との間が近い場所での距離Ｃの変化に伴う送電効率の低下を防止していることがわかる。即ち、実施例に係る無線電力供給システム１では、比較例に比べて、広い範囲で磁気結合が安定化することにより送電効率が安定することがわかる。これは、例えば、受電共振コイル８に接続されたバッテリに充電する際に、送電効率を安定させた状態で送電可能な空間領域を広げることができることを意味している。

これにより、給電共振コイル５のコイル径Ｄに対して受電共振コイル８のコイル径Ｅを小さくすることで、交流電源から出力する周波数や、給電コイル４と給電共振コイル５との間の距離をＡ、及び、受電コイル７と受電共振コイル８との間の距離Ｂを調整しなくても、給電共振コイル５及び受電共振コイル８の間の磁気結合が安定した状態を維持することができる。即ち、従来のように、給電共振コイル５及び受電共振コイル８が同一径の場合には、安定した磁気結合となる距離の範囲が極めて狭かったため、交流電源から出力する周波数や、距離Ａ及び距離Ｂを調整することがよく行われていたが、本発明によれば、従来よりも広い距離において磁気結合の安定が維持されるため、周波数や距離Ａ及び距離Ｂを調整する作業を不要にすることができ、ひいては、任意の場所に持ち運ばれるバッテリ等の家電機器への給電のように、無線電力供給システムの用途を広げることができる。

また、上記実施例を参照すると、給電共振コイル５のコイル径Ｄと受電共振コイル８のコイル径Ｅとの比が、１００：７から１００：１５までの範囲内にある場合には、給電共振コイル５と受電共振コイル８との間の距離Ｃの変化に伴う送電効率の低下をより効果的に防止していることがわかる。即ち、距離Ｃが０の地点から距離Ｐの間での送電効率が滑らかに下降していることから比較例１に比べて送電効率がより安定していることがわかる。これは、距離Ｃが０の地点から距離Ｐの間では、所定の電力を送電するに際して、特許文献１や特許文献３に挙げたように、送電周波数の可変制御や給電コイル４と給電共振コイル５との間の距離Ａ、及び、受電コイル７と受電共振コイル８との間の距離Ｂの可変制御を必要とせずに、一定の効率で電力を送電することができることを意味している。これは、例えば、受電共振コイル８に接続されたバッテリに充電する際に、送電効率をより安定させた状態で送電可能な空間領域をより広げることができることを意味している。

このように上記実施例に示した無線電力供給システム１の測定結果の存在により本発明が十分に実現できることがわかる。

（実施形態１）
具体例として、上記実施例で説明した本発明に係る無線電力供給システムを実施形態１に係る無線電力供給システム２０１にあてはめて説明する。

（無線電力供給システム２０１の構成）
図８は、実施形態１に係る無線電力供給システム２０１の説明図である。図８に示した無線電力供給システム２０１は、オフィス２２０の壁に掛けられた送電装置２１０と、机２２１に置かれた携帯電話２１２などの受電装置から構成される。送電装置２１０は、交流電源２０６と、交流電源２０６に接続された給電コイル２０４と、給電共振コイル２０５から構成されている。また、携帯電話２１２などの受電装置は、電力受給部２０９と、電力受給部２０９に接続された受電コイル２０７と、受電共振コイル２０８から構成されている。

給電コイル２０４は、交流電源２０６から得られた電力を電磁誘導によって給電共振コイル２０５に供給する役割を果たす。ここで、給電コイル２０４と給電共振コイル２０５との間の距離をＡとする。そして、給電コイル２０４及び給電共振コイル２０５は、給電コイル２０４と給電共振コイル２０５との間の距離Ａを固定したうえで同一の平面基板２０２に配置されている。

このように、給電コイル２０４を介し、電磁誘導によって給電共振コイル２０５に電力を送電させることにより、給電共振コイル２０５と他の回路との電気的な接続が不要となり、給電共振コイル２０５を任意に、かつ、高精度に設計することができるようになる。

受電コイル２０７は、給電共振コイル２０５から受電共振コイル２０８に磁界エネルギーとして送電された電力を電磁誘導によって電力受給部２０９に出力する役割を果たす。ここで、受電共振コイル２０８と受電コイル２０７との間の距離をＢとする。そして、受電共振コイル２０８及び受電コイル２０７は、受電共振コイル２０８と受電コイル２０７との間の距離Ｂを固定したうえで同一の平面基板２０３に配置されている。

そして、磁界共鳴状態下で受電共振コイル２０８に送電された電力は、受電共振コイル２０８から受電コイル２０７に電磁誘導によってエネルギーが移動する。受電コイル２０７は、電力受給部２０９に電気的に接続されており、電磁誘導によって受電コイル２０７に移動したエネルギーは電力として電力受給部２０９に出力される。

このように受電コイル２０７を介し、電磁誘導によって受電共振コイル２０８から電力受給部２０９に電力を送電することで、受電共振コイル２０８と他の回路との電気的な接続が不要となり、受電共振コイル２０８を任意に、かつ、高精度に設計することができるようになる。

給電共振コイル２０５及び受電共振コイル２０８は、それぞれＬＣ共振回路であり、磁界共鳴状態を創出する役割を果たす。なお、本実施形態では、ＬＣ共振回路のコンデンサ成分については素子によって実現しているが、コイルの両端を開放し、浮遊容量によって実現してもよい。このＬＣ共振回路では、インダクタンスをＬ、コンデンサ容量をＣとすると、（式１）によって定まるｆが共振周波数となる。

また、給電共振コイル２０５及び受電共振コイル２０８は、（式１）によって定まる共振周波数ｆを同一としている。

また、給電共振コイル２０５及び受電共振コイル２０８は、絶縁被膜付の銅線材によって形成されている。そして、実施例同様に、給電共振コイル２０５のコイル径Ｄと受電共振コイル２０８のコイル径Ｅとの比が、１００：１３となるように設計されている。

上記のように、給電共振コイル２０５の共振周波数と受電共振コイル２０８の共振周波数とを同一値とした場合、給電共振コイル２０５と受電共振コイル２０８との間に磁界共鳴状態を創出することができる。給電共振コイル２０５が共振した状態で磁界共鳴状態が創出されると、給電共振コイル２０５から受電共振コイル２０８に電力を磁界エネルギーとして送電することができる。

また、給電共振コイル２０５と受電共振コイル２０８との間の距離をＣとして、図８に示すように、送電装置２１０の給電共振コイル２０５と携帯電話２１２の受電共振コイル２０８との間の距離Ｃが、Ｘとなるように配置している。また、距離Ｃは、給電共振コイル２０５のコイル面と受電共振コイル２０８のコイル面同士が直交しないように対向配置した場合のコイル面同士の間の直線距離のことをいう。

交流電源２０６は、給電共振コイル２０５及び受電共振コイル２０８の共振周波数と同一の周波数で交流電力を出力する。

電力受給部２０９は、受電コイル２０７に接続された整流回路と、整流回路に接続された充電制御装置と、充電制御装置に接続されたバッテリを備えている。電力受給部２０９は、受電コイル２０７から送電された電力を整流回路及び充電制御装置を介してバッテリに蓄電する役割を果たす。なお、バッテリとしては、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池やその他の二次電池が挙げられる。また、充電制御装置は、バッテリの充電に必要な有効電力が入力された場合に充電するように制御する役割を果たす。故に、有効電力よりも少ない電力が入力された場合にはバッテリには充電されないように構成されている。なお、本実施形態では、交流電源２０６から給電コイル２０４に供給される電力に対する受電コイル２０７から電力受給部２０９に出力される電力の比率（送電効率）が４５％以上であればバッテリの充電に必要な有効電力が入力されるものとする（図８の実線２５０参照）。

（動作）
このように構成された無線電力供給システム２０１では、交流電源２０６から供給される電力が、給電コイル２０４と給電共振コイル２０５との間の電磁誘導、給電共振コイル２０５と受電共振コイル２０８との間の磁界共鳴状態を利用した送電、受電共振コイル２０８と受電コイル２０７との間の電磁誘導を経て、送電装置２１０の給電共振コイル２０５と受電共振コイル２０８との間の距離ＣがＸとなるように配置された携帯電話２１２の電力受給部２０９が備えるバッテリに供給される。

このように携帯電話２１２のバッテリに充電がなされるのは、送電装置２１０の給電共振コイル２０５と受電共振コイル２０８との間の距離Ｃが０からＸまでの空間領域Ｆにおいては、給電共振コイル２０５のコイル径Ｄと受電共振コイル２０８のコイル径Ｅとの比が１００：１３の関係を満たすことで、給電共振コイル２０５と受電共振コイル２０８との間の磁気結合を安定した状態に維持することができ、送電効率を４５％以上とすることができるからである。即ち、空間領域Ｆでは、給電共振コイル２０５から受電共振コイル２０８へ送電する際に、送電効率を４５％以上に安定させた状態に維持することができる。

なお、図８では、比較のため給電共振コイル２０５のコイル径Ｄと受電共振コイル２０８のコイル径Ｅとの比が、１００：１００となるように設計された場合（コイル径Ｄとコイル径Ｅが同一径の場合）の距離Ｃに対する送電効率を点線２６０で示している。この場合、有効電力以上で送電される空間領域Ｇは、空間領域Ｆに比べて狭くなっている。即ち、受電共振コイル２０８のコイル径Ｅを給電共振コイル２０５のコイル径Ｄよりも小さくした方が、給電共振コイル２０５から受電共振コイル２０８へ送電する際に、送電効率を安定させた状態で送電可能な給電共振コイル２０５と受電共振コイル２０８との間の空間領域Ｆをより広げることができる。

一方、空間領域Ｆ以外の領域において携帯電話２１２のバッテリに充電がなされないのは、送電効率が４５％未満となりバッテリの充電に必要な有効電力を確保できないことによる。

（無線電力供給方法）
これを、無線電力供給方法として説明すると、まず、送電装置２１０がオフィス２２０の壁に固定されているとして、送電装置２１０の給電共振コイル２０５のコイル径Ｄと受電共振コイル２０８のコイル径Ｅとの比が１００：１３の関係を満たした携帯電話２１２を空間領域Ｆ内に入るように机２２１の上に置く。すると、交流電源２０６から供給される電力が、給電コイル２０４と給電共振コイル２０５との間の電磁誘導、給電共振コイル２０５と受電共振コイル２０８との間の磁界共鳴状態を利用した送電、受電共振コイル２０８と受電コイル２０７との間の電磁誘導を経て、電力受給部２０９が備えるバッテリの充電に必要な有効電力としてバッテリに供給される。

上記の構成によれば、送電装置２１０の給電共振コイル２０５と受電共振コイル２０８との間の距離Ｃが０からＸまでの空間領域Ｆにおいては、給電共振コイル２０５のコイル径Ｄと受電共振コイル２０８のコイル径Ｅとの比が１００：１３の関係を満たことで、給電共振コイル２０５と受電共振コイル２０８との間の磁気結合を安定した状態に維持することができ、送電効率をバッテリの充電に必要な有効電力を確保できる４５％以上とすることができる。即ち、従来のように、送電装置２１０の給電共振コイル２０５と受電共振コイル２０８が同一径の場合には、安定した磁気結合となる空間領域が極めて狭かったため、送電周波数や給電コイル２０４と給電共振コイル２０５との間の距離を調整することがよく行われていたが、上記構成によれば、従来よりも広い空間領域において磁気結合の安定が維持されるため、送電周波数や給電コイル２０４と給電共振コイル２０５との間の距離を調整する装置・作業を不要にすることができる。これにより、給電共振コイル２０５から受電共振コイル２０８へ送電する際に、送電効率を安定させた状態で送電可能な給電共振コイル２０５と受電共振コイル２０８との間の空間領域Ｆを広げることができ、ひいては、任意の場所に持ち運ばれる携帯電話２１２等のバッテリへの給電のように、無線電力供給システムの用途を広げることができる。

また、交流電源２０６から供給された電力を給電コイル２０４から給電共振コイル２０５に送電するに際して、送電磁界共鳴状態を創出することなく電磁誘導を用いることにより電力を送電することができる。また、同様に、受電した電力を受電共振コイル２０８から受電コイル２０７に送電するに際して、送電磁界共鳴状態を創出することなく電磁誘導を用いることにより電力を送電して電力受給部２０９に出力することができる。これにより、給電コイル２０４と給電共振コイル２０５との間、及び、受電共振コイル２０８と受電コイル２０７との間で、共振周波数で同調させる必要がなくなるので設計の簡易化が図れる。

また、給電コイル２０４及び給電共振コイル２０５は、給電コイル２０４と給電共振コイル２０５との間の距離Ａを固定したうえで同一の平面基板２０２に配置されている。同様に、受電共振コイル２０８及び受電コイル２０７も、受電共振コイル２０８と受電コイル２０７との間の距離Ｂを固定したうえで同一の平面基板２０３に配置されている。このため、給電コイル２０４と給電共振コイル２０５、及び、受電共振コイル２０８と受電コイル２０７とを分離する必要がなく一体形成することができる。これにより、無線電力供給システム２０１製作時の部品数を削減することができる。

以上の詳細な説明では、本発明をより容易に理解できるように、特徴的部分を中心に説明したが、本発明は、以上の詳細な説明に記載する実施形態に限定されず、その他の実施形態にも適用することができ、その適用範囲は可能な限り広く解釈されるべきである。また、本明細書において用いた用語及び語法は、本発明を的確に説明するために用いたものであり、本発明の解釈を制限するために用いたものではない。また、当業者であれば、本明細書に記載された発明の概念から、本発明の概念に含まれる他の構成、システム、方法等を推考することは容易であると思われる。従って、請求の範囲の記載は、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で均等な構成を含むものであるとみなされるべきである。また、本発明の目的及び本発明の効果を充分に理解するために、すでに開示されている文献等を充分に参酌することが望まれる。

１０１無線電力供給システム
１０４給電コイル
１０５給電共振コイル
１０６交流電源
１０７受電コイル
１０８受電共振コイル
１０９電力受給部
Ｄ給電共振コイルのコイル径
Ｅ受電共振コイルのコイル径

Claims

給電共振コイルと受電共振コイルとを共振させることによって、前記給電共振コイルから前記受電共振コイルに電力を磁界エネルギーとして送電する無線電力供給システムであって、
前記給電共振コイルのコイル径に対して前記受電共振コイルのコイル径を小さくしたことを特徴とする無線電力供給システム。
前記給電共振コイルのコイル径と前記受電共振コイルのコイル径との比が、１００：７から１００：１５までの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の無線電力供給システム。
交流の電力を供給する電力供給部と、
前記電力供給部に接続され、前記給電共振コイルに対して電磁誘導により前記電力を供給する給電コイルと、
前記受電共振コイルから電磁誘導により前記電力が供給される受電コイルと、
前記受電コイルに接続された電力受給部と、
を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の無線電力供給システム。
給電共振コイルと受電共振コイルとを共振させることによって、給電共振コイルから受電共振コイルに電力を磁界エネルギーとして送電する無線電力供給方法であって、
前記給電共振コイルのコイル径に対して前記受電共振コイルのコイル径を小さくしたことを特徴とする無線電力供給方法。