JP2014087125A - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝送効率の低下抑制に対する送電共振コイルと受電共振コイル間の相対角度の尤度が大きく、角度補正手段を用いることなく実用上十分に高い伝送効率の獲得を可能とする。
【解決手段】送電共振コイル３ｂを含む送電コイルユニット３を有する送電装置１と、受電共振コイル４ｂを含む受電コイルユニット４を有する受電装置２とを備え、送電共振コイルと受電共振コイルの間の磁界共鳴を介して送電装置から受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置。送電共振コイルまたは受電共振コイルのいずれか一方の共振コイルは、立体的に屈曲または湾曲した立体形状を有し、他方の共振コイルは平面形状を有する。立体形状の共振コイルは、コイルの巻き線の屈曲または湾曲部分により規定される部分平面領域が、少なくとも３箇所存在するように構成され、平面形状の共振コイルの平面に対する、各々の部分平面領域の平面の方向が互いに異なっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、送電コイルと受電コイル間の相互作用を介して非接触（ワイヤレス）で電力を伝送する非接触電力伝送装置に関する。

非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導（数１００ｋＨｚ以下）による電磁誘導型、電界または磁界共鳴を介したＬＣ共振間伝送による電界・磁界共鳴型、電波（数ＧＨｚ）によるマイクロ波送電型、あるいは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されているのは、電磁誘導型である。これは簡易な回路（トランス方式）で実現可能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、最近になって近距離伝送（〜２ｍ）が可能な電界・磁界共鳴型の電力伝送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。

このような電磁誘導型や磁界共鳴型の構成により非接触で電力を送受電する場合、送電器に対して受電器が適切に配置されていないと、効率良く電力を伝送することは困難である。例えば、特許文献１に記載されているような磁界共鳴型の送受電装置は、電磁誘導を用いた送受電装置よりも比較的位置決め尤度が高いと言われているが、実用上、受電器に対する何らかの位置決め装置が必要である。

特許文献１には、給電施設に設けられた送電コイル（送電共振コイル）から、車両等の移動体に設けられた受電コイル（受電共振コイル）に非接触で電力を供給する際に、送電共振コイルと受電共振コイルの相互の位置関係を適切に調整するための構成が開示されている。すなわち、送電共振コイルの位置を検出するとともに、移動体の位置を検出し、送電共振コイルの位置及び移動体の位置に基づき、送電共振コイルが発生する磁界ベクトルの向きを算出する。これにより、磁界ベクトルの向きに一致するように、送電共振コイルあるいは受電共振コイルの向きを調整することで、任意の位置において高効率で給電を行うことを可能とする。

但し、特許文献１に記載されているような角度補正機構は、自動車等の大型機器には設置を許容出来るが、小型機器の場合は、装置スペースおよび装置コストの観点から、設置を許容できない。一方、小型機器に受電装置を組み込む場合、機器の形状によっては、送電装置の送電共振コイルと受電装置の受電共振コイルの角度が大きく傾く可能性がある。コスト増の許容値が小さい小型の民生機器に関しては、角度に対する尤度が少ない規制部材を配置する事により、コストを抑制した角度設定が可能である。しかし、受電共振コイルを備えた機器を決まった場所に正確に装着する操作を必要とするため、装置使用者の負担が大きい。近年、機器取り扱いに関してはユニバーサル化が叫ばれており、低コストでかつ使用者の負担が小さい機器構成が望まれる。

そこで特許文献２には、受電共振コイルの形状を改良して、小型機器に適した簡単な構成により、電子機器と充電装置の位置関係に関わりなく、効率よく充電を行うことを可能とする方法が開示されている。すなわち、直方体または立方体形状の鉄心（強磁性体コア）の隣接する３面の外周にコイルを巻いて受電共振コイルとし、鉄心各面に垂直な方向に関して電磁誘導により非接触で電力伝送を行うように構成する。

受電共振コイルの巻き線ループは、ｘ軸ｙ軸平面、ｙ軸ｚ軸平面、ｚ軸ｘ軸平面の全ての平面に対して投影面積を有することになる。これにより、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向夫々の３軸方向からの電磁界が受電共振コイルのループと必ず交差するため、３軸方向で受電可能となる。すなわち、受電共振コイルの設置時の姿勢に依らない安定した受電が可能である。

特開２０１０−９８８９６号公報 特開２０１０−８０８５１号公報

しかしながら、特許文献２のように、受電共振コイルに強磁性体コアを用いた構成において、送電共振コイルにコアを用いない場合には、送電側の磁力線密度が足りず、高効率の送電は期待できない。また、送電共振コイルにコアを用いた場合、コア同士が十分に近接できるコア各面に垂直な方向に関しては高効率での送電が可能であるが、ギャップが大きいと、高効率な送電が困難であることが、一般に知られている。

すなわち、ギャップにより送電側と受電側の磁気抵抗が大きくなり、見掛けの透磁率が大幅に下がるため、コアがない場合と同様に受電側に有効に磁力線を伝達できず、高効率な送電が困難である。

このように、コアを用いた電磁誘導の場合、三次元的にコイルを巻くことで、複数の方向において高効率を得られる可能性はあるが、高効率が得られる方向はコアの形状に依存する。また、特許文献２のような直方体または立方体のコアにおいては、各面に垂直な三方向のみに高効率の得られる方向が限定される。

本発明は、伝送効率の低下抑制に対する送電共振コイルと受電共振コイル間の相対角度の尤度が大きく、角度補正手段を備えることなく実用上十分に高い伝送効率が得られる非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明の非接触電力伝送装置は、送電共振コイルを含む送電コイルユニットを有する送電装置と、受電共振コイルを含む受電コイルユニットを有する受電装置とを備え、前記送電共振コイルと前記受電共振コイルの間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する。前記送電共振コイルまたは前記受電共振コイルのいずれか一方の共振コイルは、立体的に屈曲または湾曲した立体形状を有し、他方の共振コイルは平面形状を有する。前記立体形状の共振コイルは、コイルの巻き線の屈曲または湾曲部分により規定される部分平面領域が、少なくとも３箇所存在するように構成され、前記平面形状の共振コイルの平面に対する、各々の前記部分平面領域の平面の方向が互いに異なっている。

上記構成の非接触電力伝送装置によれば、一方の共振コイルの立体形状に、少なくとも３箇所の面方向の異なる部分平面領域が存在することにより、送電共振コイルと受電共振コイルの相対角度が変化しても、平面形状の共振コイルに対する投影面積の変化が少なく、電力の伝送効率の変化が少ない相対角度の範囲が拡大される。従って、角度補正手段を備えることなく、実用上十分に高い伝送効率が得られる。これにより、小型で低コストかつ高効率な使い勝手の良い非接触電力伝送装置が得られる。

実施の形態１における非接触電力伝送装置の構成を概念的に示す図 同非接触電力伝送装置を構成する送電コイルユニット及び受電コイルユニットの形状の一例を示す正面図 同非接触電力伝送装置を構成する送電コイルユニットの形状の一例を示す斜視図 同非接触電力伝送装置を構成する受電共振コイルの形状の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図 同非接触電力伝送装置の受電コイルユニットを構成する受電コイルと受電共振コイルを積層配置した屈曲加工前の形状を示す斜視図 同非接触電力伝送装置の図５Ａに示した受電コイルと受電共振コイルの積層体を屈曲加工した後の形状を示す斜視図 同非接触電力伝送装置の受電コイルユニットを構成する受電コイル及び受電共振コイルを一枚の基板上に形成した屈曲加工前の形状を示す斜視図 同非接触電力伝送装置の図６Ａに示した受電コイル及び受電共振コイルの構造体を屈曲加工した後の形状を示す斜視図 同非接触電力伝送装置における送電コイルユニットに対して受電コイルユニットを傾けたときの、傾き角と電力伝送効率の関係を示す図 同非接触電力伝送装置における受電コイルユニットを傾けるときの回動中心軸の方向を説明する図 同非接触電力伝送装置の送電距離と伝送効率の関係を示す図 実施の形態２における非接触電力伝送装置を構成する送電コイルユニット及び受電コイルユニットの構造及び配置を示す斜視図 同非接触電力伝送装置における送電コイルユニットに対して受電コイルユニットを傾けたときの、傾き角と電力伝送効率の関係を示す図 比較例１の非接触電力伝送装置を構成する送電コイルユニット及び受電コイルユニットの構造及び配置を示す斜視図 同非接触電力伝送装置の受電コイルユニットの傾き角と伝送効率の関係を示す図 比較例２の非接触電力伝送装置を構成する送電コイルユニット及び受電コイルユニットの構造及び配置を示す斜視図 同非接触電力伝送装置の受電コイルユニットの第１方向における傾き角と伝送効率の関係の一例を示す図 同非接触電力伝送装置の受電コイルユニットの第２方向における傾き角と伝送効率の関係の一例を示す図 同非接触電力伝送装置の受電コイルユニットの第３方向における傾き角と伝送効率の関係の一例を示す図 実施の形態３における非接触電力伝送装置送電コイルユニット及び受電コイルユニットの構造及び配置を示す斜視図 同非接触電力伝送装置を構成する受電コイルと受電共振コイルを積層配置した受電コイルユニットの屈曲加工前の形状を示す斜視図 同非接触電力伝送装置の図１８Ａに示した受電コイル及び受電共振コイルの積層体の屈曲加工後の形状を示す斜視図 同非接触電力伝送装置を構成する受電コイル及び受電共振コイルを一枚の基板上に形成した受電コイルユニットの屈曲加工前の形状を示す斜視図 同非接触電力伝送装置の図１９Ａに示した受電コイル及び受電共振コイルの構造体を屈曲加工した後の形状を示す斜視図 同非接触電力伝送装置における送電コイルユニットに対して受電コイルユニットを傾けたときの、傾き角と電力伝送効率の関係を示す図

本発明の非接触電力伝送装置は、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、前記平面形状の共振コイルの平面に対する前記立体形状の共振コイルの投影領域は、前記平面形状の共振コイルの領域内に含まれる構成とすることができる。

また、前記立体形状の共振コイルは、平面形状が六角形のコイルを屈曲または湾曲させた形状であって、前記六角形の１個の頂点に隣接する一対の頂点を結んだ第１対角線、及び前記一対の頂点に隣接する一対の頂点を結んだ第２対角線を境界として屈曲または湾曲した、Ｚ字型の側面形状を有する構成とすることができる。この場合、前記Ｚ字型の側面形状の屈曲または湾曲の角度を９０度とすることができる。

また、前記立体形状の共振コイルは、六面体の一頂点の周りで隣接する３面を展開したＬ字型平面の外形線に沿ったループを、前記六面体の前記３面に沿わせて屈曲させた形状を有する構成とすることができる。

また、前記送電コイルユニット及び前記受電コイルユニットはそれぞれ、基板上に形成された導電層パターンにより構成され、前記立体形状の共振コイルは、前記基板とともに屈曲または湾曲している構成とすることができる。

また、前記送電コイルユニットは、前記送電共振コイル、及び前記送電共振コイルと同様の形状を有し電磁誘導により前記送電共振コイルに給電する給電コイルにより構成され、前記受電コイルユニットは、前記受電共振コイル、及び前記受電共振コイルと同様の形状を有し電磁誘導により前記受電共振コイルから受電する受電コイルにより構成され、前記送電共振コイル及び前記給電コイルは、それぞれ異なる前記基板上に形成されて互いに重ね合わされており、前記受電共振コイル及び前記受電コイルは、それぞれ異なる前記基板上に形成されて互いに重ね合わされており、前記立体形状の共振コイルと組み合わされた前記給電コイルまたは前記受電コイルは、前記基板とともに屈曲または湾曲している構成とすることができる。

また、前記送電コイルユニットは、前記送電共振コイル、及び前記送電共振コイルと同様の形状を有し電磁誘導により前記送電共振コイルに給電する給電コイルにより構成され、前記受電コイルユニットは、前記受電共振コイル、及び前記受電共振コイルと同様の形状を有し電磁誘導により前記受電共振コイルから受電する受電コイルにより構成され、前記送電共振コイル及び前記給電コイルは、同一の前記基板上に前記給電コイルが前記送電共振コイルを包囲するように形成されており、前記受電共振コイル及び前記受電コイルは、同一の前記基板上に前記受電コイルが前記受電共振コイルを包囲するように形成されており、前記立体形状の共振コイルと組み合わされた前記給電コイルまたは前記受電コイルは、前記基板とともに屈曲または湾曲している構成とすることができる。

以下、本発明の実施の形態における非接触電力伝送装置について、図面を参照しながら説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１における非接触電力伝送装置を構成する、送電装置１及び受電装置２の概略構成を示す図である。送電装置１は、給電コイル３ａと送電共振コイル３ｂを組み合わせた送電コイルユニット３を備えている。受電装置２は、受電コイル４ａと受電共振コイル４ｂを組み合わせた受電コイルユニット４を備えている。送電装置１の給電コイル３ａには高周波電力ドライバー５が接続され、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）６の電力を送電可能な高周波電力に変換して供給する。受電装置２の受電コイル４ａには、整流器７を介して負荷の一例として、充電池８が接続されている。

給電コイル３ａは、高周波電力ドライバー５から供給される周波数ｆ０の高周波電力により励起され、電磁誘導により送電共振コイル３ｂに高周波電力を伝送する。送電共振コイル３ｂは給電コイル３ａから出力された高周波電力により磁界を発生させる。送電共振コイル３ｂに供給された高周波電力は、磁界共鳴により受電共振コイル４ｂに非接触で伝送される。伝送された高周波電力は、受電共振コイル４ｂから電磁誘導により受電コイル４ａへ伝送され、整流器７により整流されて充電池８に供給される。

なお、給電コイル３ａ、受電コイル４ａは、必ずしも必要ではなく、送電コイルユニット３を送電共振コイル３ｂのみにより、受電装置２を受電共振コイル４ｂのみにより構成することも可能である。その場合の送電共振コイル３ｂに対する給電、及び受電共振コイル４ｂからの受電には、周知のどのような構成を採ってもよい。

送電共振コイル３ｂにはキャパシタ９が接続されており、これにより送電共振器が構成される。また、受電共振コイル４ｂの両端間にもキャパシタ１０が接続されており、受電共振器が構成される。キャパシタ９、１０は、送電共振器および受電共振器の共振周波数を調整するために設けられる。但し、必ずしも、図示したように回路素子として可変コンデンサを設けた構成には限定されず、固定コンデンサを接続してもよいし、あるいは浮遊容量を利用した構成としてもよい。また受電装置２は、整流器の出力を、ＤＣ／ＤＣコンバータにより電圧を調整して供給する構成とすることもできる。

図１に示した非接触電力伝送装置の構成は、基本的には従来例の装置と同様であるが、本実施の形態は、送電コイルユニット３および受電コイルユニット４の構成が、従来例とは異なる特徴を有する。図１では、送電コイルユニット３および受電コイルユニット４の形状は概念的に描かれているが、実際には、以下に説明するような形状を有する。

図２は、本実施の形態の送電コイルユニット３及び受電コイルユニット４の基本的な構成を示す正面図である。送電コイルユニット３の斜視図を、図３に示す。送電コイルユニット３を構成する給電コイル３ａ及び送電共振コイル３ｂは、ともに八角形の平面形状のループを形成し、給電コイル３ａの上に送電共振コイル３ｂを重ねて構成されている。給電コイル３ａは１ターン、送電共振コイル３ｂは複数ターン巻かれている。

一方、図２から判るように、受電コイルユニット４は、立体形状を有する。受電共振コイル４ｂの形状の一例を、図４に示す。同図において、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。受電共振コイル４ｂは、図４（ａ）に示すように、基本的には平面形状が六角形であり、頂点１１ａ〜１１ｆを形成している。そして、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、側面形状が例えば、頂点１１ｂと１１ｆを結んだ第１対角線、及び１１ｃと１１ｅを結んだ第２対角線を境界として、Ｚ字型に屈曲した立体形状になっている。屈曲の角度αは、一例としては９０度である。受電コイル４ａは、受電共振コイル４ｂと同様な形状と外形寸法を有し、図２に示したように、受電共振コイル４ｂの外側に沿って配置されている。

上述の立体形状によれば、受電共振コイル４ｂでは、頂点１１ｂ、１１ｄ、１１ｆの屈曲部分を挟む各々２本の稜線は、それぞれ異なる３箇所の部分平面領域Ａ〜Ｃを規定している。例えば部分平面領域Ａは、頂点１１ｂの屈曲部分を挟む、稜線１１ａ−１１ｃ及び稜線１１ｂ−１１ｃにより規定される。これらの部分平面領域Ａ〜Ｃの平面の方向は、平面形状の送電共振コイル３ｂの平面に対して互いに異なっている。これによって、後述するような効果が得られる。

また、図２に示したように、平面形状の送電共振コイル３ｂの平面に対する、立体形状の受電共振コイル４ｂの投影領域は、送電共振コイル３ｂの領域内に含まれている。言い換えれば、送電共振コイル３ｂの平面に垂直な方向で見た受電共振コイル４ｂの外形寸法は、送電共振コイル３ｂの外形寸法よりも小さい。

なお、屈曲箇所では、明瞭な角を形成せずに湾曲した状態になっていてもよい。従って、以下の説明で「屈曲」との記載は、湾曲して曲がっている態様も含むものとする。

また、受電共振コイル４ｂ（受電コイル４ａも同様）は、あらかじめ屈曲させた基材に線材を沿わせて巻回することにより、湾曲した形状とすることができる。あるいは、製造を容易にするためには、受電コイルユニット４を塑性変形可能な平面基板上に平面コイルとして形成した後、屈曲加工する方法を採ることが望ましい。平面コイルは、例えば、基板上に金属膜を形成し、エッチングによりパターニングした導電層パターンとして作製することができる。そのような態様の例を図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂに示す。

図５Ａ、図５Ｂの態様は、受電コイル４ａと、受電共振コイル４ｂをそれぞれ、異なる基板上に形成したものである。図５Ａは、屈曲させる前の形状である。受電コイル４ａは基板１２上に形成され、受電共振コイル４ｂは基板１３上に形成されて、互いに重ねられる。図５Ｂは、屈曲させた後の形状である。屈曲加工は、例えば図５Ａの状態の両共振コイル４ａ、４ｂを垂直に立てて、最下点になった頂点１１ａに隣接する２つの頂点１１ｂ、１１ｆを境として、その下側の稜線を手前に９０度屈曲させる。更に、最上点になった頂点１１ｄに隣接する２つの頂点１１ｃ、１１ｅを境として、その上側の稜線を奥側に９０度屈曲させる。

また、受電コイル４ａと受電側の負荷とのインピーダンス整合がとれている場合や、受電コイル４ａと負荷との間に整合回路を設けている場合は、図６Ａ、図６Ｂに示すように同じ基板１４上に、受電共振コイル４ｂと受電コイル４ａを形成した構成とすることができる。屈曲加工は、図５Ｂの場合と同様でもよいが、図６Ｂには、別の態様を示す。すなわち、基板１４を水平に載置し、左側の頂点１１ａに隣接する２つの頂点１１ｂ、１１ｆを境として、その左側の稜線を下方に９０度屈曲させる。更に、右側の頂点１１ｄに隣接する２つの頂点１１ｃ、１１ｅを境として、その右側の稜線を上方に９０度屈曲させる。

以上のように、受電共振コイル４ｂを屈曲あるいは湾曲させた形状とすることにより、送電コイルユニット３に対して、受電コイルユニット４が傾いた状態になったときの伝送効率の劣化を抑制することができる。何故ならば、受電コイルユニット４が傾いても、受電共振コイル４ｂの送電共振コイル３ｂに対する投影面積の変化は小さいからである。

すなわち、図４（ａ）に示したように、受電共振コイル４ｂには、３つの異なる部分平面領域Ａ〜Ｃが存在する。これらの部分平面領域Ａ〜Ｃは、送電共振コイル３ｂを含む平面に対して、平面の方向が互いに異なる。このため、受電コイルユニット４がどのように傾いても、送電共振コイル３ｂに対する部分平面領域Ａ〜Ｃの投影面積には、減少する部分と増大する部分が発生し、受電共振コイル４ｂの送電共振コイル３ｂに対する投影面積の変化は小さい。この結果、送電共振コイル３ｂが形成する磁束が受電共振コイル４ｂに鎖交する磁束の量は、傾きの変化の影響を受け難くなり、伝送効率の劣化が抑制される。

送電コイルユニット３に対して、受電コイルユニット４を様々な方向の中心軸の周りに回動させたときの伝送効率の変化を比較した結果を、図７Ａに示す。図中、凡例の角度θ（＝０°，４５°，１３５°）は、図７Ｂにおける、ＸＹ平面上の回動中心軸１５とＹ軸のなす角度θである。給電コイル３ａと送電共振コイル３ｂの外接円の直径はφ７０ｍｍ、受電コイル４ａ及び受電共振コイル４ｂの一辺の長さは２０ｍｍとした。

送電コイルユニット３と受電コイルユニット４の距離を、図２に示したように、受電コイルユニット４の上下方向における中央部で測定した平均距離Ｄｍにより表す。平均距離Ｄｍ＝２０ｍｍで一定に維持して、回動中心軸１５の周りに受電コイルユニット４を回動させた。図７Ａから判るように、いずれの回動中心軸１５の周りに回動させても、傾斜角度が±５０度以下の範囲内であれば、実質的に一定の伝送効率が得られている。傾斜角度が±５０度の範囲を若干超えても同等の効果が得られ、±６０度以下であれば、伝送効率の変化幅は実用上十分に範囲に抑制されることが判る。

次に、送電コイルユニット３と受電コイルユニット４の平均距離Ｄｍを変化させて、受電コイルユニット４を傾けたときの電力伝送効率の変化の様子を、図８に示す。平均距離Ｄｍを変化させた値は、図中の凡例に示したとおり、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍ、３５ｍｍである。この場合、送電コイルユニット３と受電コイルユニット４の平均距離Ｄｍが離れるほど、傾き角度に対する尤度は減少する傾向はあるが、傾き角０度の伝送効率と比べて伝送効率が半分になる角度は、±６０度以上である。

なお、上述の構成においては、立体形状を、平面状に形成したコイルを二箇所の境界線で屈曲させて形成した例を示したが、屈曲の境界は、二箇所を超えても良い。

以上のように、本実施の形態によれば、送電共振コイルまたは受電共振コイルのいずれか一方の共振コイルは、立体的に屈曲または湾曲した立体形状を有し、他方の共振コイルは平面形状を有する。立体形状は、コイルの巻き線の屈曲または湾曲部分により規定される部分平面領域が、少なくとも３箇所存在するように構成され、平面形状の共振コイルの平面に対する、各々の部分平面領域の平面の方向が互いに異なるように構成される。

＜実施の形態２＞
実施の形態２における非接触電力伝送装置について、図９を参照して説明する。非接触電力伝送装置としての構成は、基本的には図１に示した実施の形態１の装置と同様であり、送電コイルユニットおよび受電コイルユニットの構成が、実施の形態１とは相違する。

図９は、送電コイルユニット１６及び受電コイルユニット１７の構成の一例を示す斜視図である。送電コイルユニット１６は立体形状を有し、受電コイルユニット１７は平面形状を有して外形が送電コイルユニット１６よりも大きい。

給電コイル１６ａ及び送電共振コイル１６ｂは、実施の形態１における受電コイル４ａ及び受電共振コイル４ｂと同様の形状を有し、平面形状が六角形で、側面形状がＺ字型に屈曲している。屈曲の角度αは、９０度である。受電コイル１７ａ及び受電共振コイル１７ｂは、実施の形態１における送電コイルユニット３の給電コイル３ａ及び送電共振コイル３ｂと同様の平面形状を有する。

また、平面形状の受電共振コイル１７ｂの平面に対する、立体形状の送電共振コイル１６ｂの投影領域は、受電共振コイル１７ｂの領域内に含まれている。

送電コイルユニット１６に対して、受電コイルユニット１７を様々な方向の中心軸の周りに回動させたときの伝送効率の変化を比較した結果を、図１０に図示する。図中凡例の角度θ（＝０°，４５°，１３５°）は、図７Ｂに示した角度と同様、ＸＹ平面上の回動中心軸１５とＹ軸のなす角度θを示している。給電コイル１６ａと送電共振コイル１６ｂの一辺の長さは２０ｍｍ、受電コイル１７ａ及び受電共振コイル１７ｂの外接円の直径はφ７０ｍｍとした。

送電コイルユニット１６と受電コイルユニット１７の距離を、図４に示した態様と同様、送電コイルユニット１６の上下方向における中央部で測定した平均距離Ｄｍにより表す。平均距離Ｄｍを４０ｍｍで一定に維持して、回動中心軸１５の周りに受電コイルユニット１７を回動させた。

この場合、受電コイルユニット１７を５０度以上傾けると、送電共振コイル１６ｂと受電共振コイル１７ｂが物理的に干渉してしまうので、±５０度の範囲内で測定を行った。測定した範囲では伝送効率の変化はほとんどなかった。

送電コイルユニット１６、及び受電コイルユニット１７の具体的な構造、屈曲、湾曲のさせ方は、実施の形態１の場合と同様の種々の態様を採ることができる。

＜比較例１＞
上述の各実施の形態による効果を検証するための、比較例１の非接触電力伝送装置に関する測定について説明する。比較例１の非接触電力伝送装置の基本的な構成は上述の実施の形態と同様であり、送電コイルユニットおよび受電コイルユニットの構成が実施の形態とは異なる。

比較例１の送電コイルユニットおよび受電コイルユニットの構成は、図１１に示すとおりとした。この例では、実施の形態１と同様の平面形状の送電コイルユニット３を用い、また、小型の平面形状の受電コイルユニット１８を用いた。給電コイル３ａおよび送電共振コイル３ｂの外接円の直径はφ７０ｍｍ、受電コイル１８ａおよび受電共振コイル１８ｂの外接円の直径はφ２０ｍｍとした。

送電コイルユニット３と受電コイルユニット１８の距離を変化させ、また、送電コイルユニット３に対して受電コイルユニット１８を傾けたときの、伝送効率の変化の様子を、図１２に図示した。

受電コイルユニット１８を傾けたとき、実施の形態１〜２の場合とは異なり、電力伝送効率が変化しない領域が存在せず、受電コイルユニット１８の傾き角の増大に応じて電力伝送効率が減少する。傾き角０度の場合の伝送効率と比べて伝送効率が半分になる角度は、±５０度程度である。従って、上述の各実施の形態の装置の場合の伝送効率は、この比較例１と比べて、受電コイルユニットの傾きによる影響が抑制されていることが判る。

＜比較例２＞
上述の各実施の形態による効果を検証するための、比較例１の非接触電力伝送装置に関する測定について説明する。比較例２の非接触電力伝送装置の基本的な構成は上述の実施の形態と同様であり、送電コイルユニットおよび受電コイルユニットの構成が、実施の形態とは異なる。

比較例２の送電コイルユニットおよび受電コイルユニットの構成は、図１３に示すとおりとした。この例では、実施の形態２と同様、送電コイルユニット１９は平面形状が六角形の立体形状であり、受電コイルユニット１８が平面形状である。但し、実施の形態２とは異なり、送電コイルユニット１９の外形の方が、受電コイルユニット１８の外形よりも大きい。

給電コイル１９ａおよび送電共振コイル１９ｂの一辺は５０ｍｍ、受電コイル１８ａおよび受電共振コイル１８ｂの外接円の直径はφ２０ｍｍとした。

送電コイルユニット１９と受電コイルユニット１８の平均距離Ｄｍを変化させ、また、送電コイルユニット１９に対して受電コイルユニット１８を傾けたときの、電力伝送効率の変化の様子を、図１４〜図１６に示す。

図１３に示したＹ軸を中心として受電コイルユニット１８を回動させたときの、送電コイルユニット１９に対する受電コイルユニット１８の傾き角と伝送効率の関係を、図１４に示す。平均距離Ｄｍ＝５、１０、１５、２０ｍｍの場合について示した。比較例１の場合と同様に、傾き角０度の場合の伝送効率と比べて伝送効率が半分になる角度は、±５０度程度であることが判る。

次に、図１３に示したＸ軸を中心として受電コイルユニット１８を回動させたときの、送電コイルユニット１９に対する受電コイルユニット１８の傾き角と伝送効率の関係を、図１５に示す。平均距離Ｄｍ＝５、１０、１５、２０ｍｍの場合について示した。比較例１の場合と同様に、傾き角０度の場合の伝送効率と比べて伝送効率が半分になる角度は、±５０度程度である。

次に、図１３に示したＸ軸からβ＝４５度傾けた軸を中心として受電コイルユニット１８を回動させたときの、送電コイルユニット１９に対する受電コイルユニット１８の傾き角と伝送効率の関係を、図１６に示す。平均距離Ｄｍ＝５、１５、２０ｍｍの場合について示した。図１４、図１５に示した場合と比べて、傾き角依存は若干良好であるが、傾き角０度の場合の伝送効率と比べて伝送効率が半分になる角度は、±６０度未満である。

以上のことから、上述の各実施の形態の装置の場合の伝送効率は、比較例２と比べて、受電コイルユニットの傾きによる影響が低減されていることが判る。

＜実施の形態３＞
実施の形態３における非接触電力伝送装置について、図１７、図１８Ａ、図１８Ｂ、図１９Ａ、図１９Ｂを参照して説明する。非接触電力伝送装置としての構成は、基本的には図１に示した実施の形態１の装置と同様であり、送電コイルユニットおよび受電コイルユニットの構成が、実施の形態１及び２とは相違する。

図１７は、本実施の形態の送電コイルユニット３及び受電コイルユニット２０の基本的な構成を示す斜視図である。送電コイルユニット３は実施の形態１の構成と同様であり、給電コイル３ａ及び送電共振コイル３ｂは平面形状を有する。受電コイルユニット２０は、立体形状を有する。立体形状を形成するための屈曲構造が、実施の形態１とは相違する。

但し、本実施の形態においても、受電コイル２０ａ及び受電共振コイル２０ｂの立体形状は、上述の実施の形態と同様の条件を満足するように設定される。すなわち、受電共振コイル２０ｂの巻き線の屈曲または湾曲部分により規定される部分平面領域が、少なくとも３箇所存在するように構成される。そして、送電共振コイル３ｂの平面に対する、受電共振コイル２０ｂの各々の部分平面領域の平面の方向が互いに異なるように構成されている。

また、図１７に示されるように、平面形状の送電共振コイル３ｂの平面に対する、立体形状の受電共振コイル２０ｂの投影領域は、送電共振コイル３ｂの領域内に含まれている。すなわち、送電共振コイル３ｂの平面に垂直な方向で見た受電共振コイル２０ｂの外形寸法は、送電共振コイル３ｂの外形寸法よりも小さい。

具体的には、受電コイルユニット２０の基本構造は、図１７に示すように、六面体の一頂点の周りで隣接する３面の稜線に沿わせて、巻き線のループを形成した形状を有する。より正確には、その３面を展開したＬ字型平面の外形線に沿ったループを、元の六面体の位置に戻した当該３面に沿わせて屈曲させた状態のコイル形状を有する。

この受電コイルユニット２０を作製するには、実施の形態１、２と同様、受電コイルユニット２０を塑性変形可能な平面基板上に平面コイルとして形成した後、屈曲加工する方法を採ることが望ましい。そのような態様の例を図１８Ａ、図１８Ｂ、図１９Ａ、図１９Ｂに示す。

図１８Ａ、図１８Ｂの例は、受電コイル２０ａ及び受電共振コイル２０ｂをそれぞれ、異なる平面基板上に形成したものである。図１８Ａは、屈曲させる前の形状であり、Ｌ字型である。受電コイル２０ａは塑性変形可能な基板２１上に形成され、受電共振コイル２０ｂは塑性変形可能な基板２２上に形成されて、互いに重ねられている。図１８Ｂは、屈曲させた後の形状である。屈曲加工は、六面体の３面を画定する稜線のうち、Ｌ字型の内部を横切る２箇所の稜線を境界として９０度に折り曲げるものである。

受電コイル２０ａと受電側の負荷とのインピーダンス整合がとれている場合や、受電コイル２０ａと負荷との間に整合回路を設けている場合、図１９Ａ、図１９Ｂに示すように同じ基板２３上に、受電共振コイル２０ｂと受電コイル２０ａを形成しても良い。屈曲加工は、図１８Ｂの場合と同様でよい。

受電コイルユニット２０を様々な方向の中心軸の周りに回動させたときの伝送効率を比較した結果を、図２０に示す。給電電コイルと給電側共振コイルの直径はφ７０、受電コイルおよび受電共振コイルの一辺の長さは２０ｍｍである。２０ｍｍの距離で送電コイルと受電コイルの平均距離が変化しないようにコイル中心に対して回動させた。

Ｌ字型のコイルの内側部分がコイルを折り曲げたときにパターンの折り返し部分となるため、実施の形態１に比べて３ポイントほど効率が低下するが、図示したように、いずれの方向の中心軸の周りに回動させても±６０度以上の範囲でほぼ同程度の効率が得られている。

本発明の非接触電力伝送装置によれば、伝送効率の低下抑制に対する送電共振コイルと受電共振コイル間の相対角度の尤度が大きく、角度補正手段を用いることなく実用上十分に高い伝送効率が得られる。従って、携帯電話や補聴器等の小型機器、ＴＶや電気自動車などでの非接触電力伝送に好適である。

１ 送電装置
２ 受電装置
３、１６ 送電コイルユニット
３ａ、１６ａ 給電コイル
３ｂ、１６ｂ 送電共振コイル
４、１７ 受電コイルユニット
４ａ、１７ａ 受電コイル
４ｂ、１７ｂ 受電共振コイル
５ 高周波電力ドライバー
６ 交流電源
７ 整流器
８ 充電池
９、１０ キャパシタ
１１ａ〜１１ｆ 頂点
１２、１３、１４ 基板
１５ 回動中心軸

Claims (8)

1. 送電共振コイルを含む送電コイルユニットを有する送電装置と、
   受電共振コイルを含む受電コイルユニットを有する受電装置とを備え、
   前記送電共振コイルと前記受電共振コイルの間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
   前記送電共振コイルまたは前記受電共振コイルのいずれか一方の共振コイルは、立体的に屈曲または湾曲した立体形状を有し、他方の共振コイルは平面形状を有し、
   前記立体形状の共振コイルは、コイルの巻き線の屈曲または湾曲部分により規定される部分平面領域が、少なくとも３箇所存在するように構成され、
   前記平面形状の共振コイルの平面に対する、各々の前記部分平面領域の平面の方向が互いに異なっていることを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記平面形状の共振コイルの平面に対する前記立体形状の共振コイルの投影領域は、前記平面形状の共振コイルの領域内に含まれる請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記立体形状の共振コイルは、平面形状が六角形のコイルを屈曲または湾曲させた形状であって、
   前記六角形の１個の頂点に隣接する一対の頂点を結んだ第１対角線、及び前記一対の頂点に隣接する一対の頂点を結んだ第２対角線を境界として屈曲または湾曲した、Ｚ字型の側面形状を有する請求項１または２に記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記Ｚ字型の側面形状の屈曲または湾曲の角度が９０度である請求項３に記載の非接触電力伝送装置。
5. 前記立体形状の共振コイルは、六面体の一頂点の周りで隣接する３面を展開したＬ字型平面の外形線に沿ったループを、前記六面体の前記３面に沿わせて屈曲させた形状を有する請求項１または２に記載の非接触電力伝送装置。
6. 前記送電コイルユニット及び前記受電コイルユニットはそれぞれ、基板上に形成された導電層パターンにより構成され、
   前記立体形状の共振コイルは、前記基板とともに屈曲または湾曲している請求項１〜５のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。
7. 前記送電コイルユニットは、前記送電共振コイル、及び前記送電共振コイルと同様の形状を有し電磁誘導により前記送電共振コイルに給電する給電コイルにより構成され、
   前記受電コイルユニットは、前記受電共振コイル、及び前記受電共振コイルと同様の形状を有し電磁誘導により前記受電共振コイルから受電する受電コイルにより構成され、
   前記送電共振コイル及び前記給電コイルは、それぞれ異なる前記基板上に形成されて互いに重ね合わされており、
   前記受電共振コイル及び前記受電コイルは、それぞれ異なる前記基板上に形成されて互いに重ね合わされており、
   前記立体形状の共振コイルと組み合わされた前記給電コイルまたは前記受電コイルは、前記基板とともに屈曲または湾曲している請求項６に記載の非接触電力伝送装置。
8. 前記送電コイルユニットは、前記送電共振コイル、及び前記送電共振コイルと同様の形状を有し電磁誘導により前記送電共振コイルに給電する給電コイルにより構成され、
   前記受電コイルユニットは、前記受電共振コイル、及び前記受電共振コイルと同様の形状を有し電磁誘導により前記受電共振コイルから受電する受電コイルにより構成され、
   前記送電共振コイル及び前記給電コイルは、同一の前記基板上に前記給電コイルが前記送電共振コイルを包囲するように形成されており、
   前記受電共振コイル及び前記受電コイルは、同一の前記基板上に前記受電コイルが前記受電共振コイルを包囲するように形成されており、
   前記立体形状の共振コイルと組み合わされた前記給電コイルまたは前記受電コイルは、前記基板とともに屈曲または湾曲している請求項６に記載の非接触電力伝送装置。

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