JP2014204452A - 受電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成により伝送効率を増減させる。【解決手段】給電モジュール２１との間で共振する共振現象により電力が供給される受電共振コイル１１１と、受電共振コイル１１１から電力を受け取る受電コイル１１２と、共振時の磁界結合を増減するように受電共振コイル１１１に対して径方向に少なくとも一部が重複配置された磁性部材１７とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で電力を受電する受電装置に関する。

近年、ノート型ＰＣ、タブレット型ＰＣ、デジタルカメラ、携帯電話など人が携帯しながら使用できる電子機器が急速に普及してきている。そして、これらの電子機器の多くには充電池が搭載されており、定期的な充電が必要とされる。この電子機器の充電池への充電作業を簡易にするために、給電装置と電子機器に搭載された受電装置との間で無線による電力伝送を利用した給電技術（磁界を変化させて電力伝送を行う無線電力伝送技術）により、充電池を充電する機器が増えつつある。

例えば、無線電力伝送技術としては、コイル間の電磁誘導を利用して電力伝送を行う技術や（例えば、特許文献１参照）、給電装置及び受電装置が備える共振器（コイル）間の共振現象を利用して磁場を結合させることにより電力伝送を行う技術が挙げられる（例えば、特許文献２参照）。

このような無線電力伝送技術では、無線による伝送をする際に、有線による電力伝送に比べて大きな伝送ロスが発生してしまうため、この伝送ロスを減らして、伝送効率（給電装置が送電する電力に対する受電装置が受電する電力の比率）を向上させることが大きな課題となっている。

このような課題を解決すべく、例えば、特許文献２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伝送効率を高めることができる無線電力伝送装置が開示されている。また、特許文献３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、装置全体の伝送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４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。

特許第４６２４７６８号公報 特開２０１０−２３９７６９号公報 特開２０１０−２３９７７７号公報 特開２０１０−１２４５２２号公報

確かに、上記に開示された技術によって伝送効率を向上させることができる。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、より簡易な構成により伝送効率を増減させることができる受電装置を提供することにある。

本発明は、受電装置であって、給電モジュールとの間で共振する共振現象により電力が供給される受電共振コイルと、前記受電共振コイルから電力を受け取る受電コイルと、前記共振時の磁界結合を増減するように前記受電共振コイルに対して径方向に少なくとも一部が重複配置された磁性部材とを有する。

上記の構成によれば、磁性部材が共振時における受電共振コイルと給電モジュールとの間の磁界結合を増減するため、給電モジュールと受電共振コイルとの距離を変更することで磁界結合を増減する場合よりも磁界結合の設定を容易に行うことができる。この結果、給電モジュールを備えた給電装置及び受電装置のサイズや形状に制約を受け、これらのサイズや形状の構造的仕様の変更ができない場合のように、給電モジュールと受電共振コイルとの距離を変更できない場合においても、磁性部材により磁界結合を増減させることによって、受電装置に要求される給電時の伝送効率の仕様を容易に満足させることができ、ひいては短時間での充電を可能にしたり、急速充電による過熱等を防止することが可能になる。

本発明における前記磁性部材は、前記受電共振コイルの内周側に配置されていてもよい。

上記の構成によれば、共振時における受電共振コイルと給電モジュールとの間の磁界結合を高めることができる。

本発明において、前記受電共振コイルは、前記給電モジュールのコイル径と同一のコイル径を有し、前記給電モジュールに対向配置されており、
前記磁性部材は、前記受電共振コイルの内周面に沿った円筒形状に形成され、前記受電共振コイルの前記給電モジュール側の一方端位置が前記給電モジュールの一方端位置にコイル軸方向において一致されていてもよい。

上記の構成によれば、受電共振コイルの内周面に沿って配置された円筒形状の磁性部材により共振時における受電共振コイルと給電モジュールとの間の磁界結合を一層高めることができる。

本発明において、前記受電共振コイルは、前記給電モジュールのコイル径と同一のコイル径を有し、前記給電モジュールに対向配置されており、
前記受電コイルは、前記受電共振コイルのコイル軸に対して一致するコイル軸を有するように、前記給電モジュール側とは反対側に配置されており、
前記磁性部材は、
前記受電共振コイル及び前記受電コイルの内周面に沿った円筒形状に形成され、
前記受電共振コイルの前記給電モジュール側の一方端位置が前記受電共振コイルの一方端位置にコイル軸方向において一致され、
前記給電モジュール側とは反対側の他方端位置が前記受電コイルの他方端位置にコイル軸方向において一致された内側円筒部と、
前記円筒部の他方端に設けられ、前記受電コイルの他方端面に対向するように形成された円盤部とを有してもよい。

上記の構成によれば、受電共振コイルの内周面に沿って配置された円筒形状の内側円筒部及び受電コイルに対向配置された円盤部との磁性部材により共振時における受電共振コイルと給電モジュールとの間の磁界結合を一層高めることができる。

本発明における前記受電共振コイルは、前記給電モジュールに供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値が、共振周波数よりも低い駆動周波数帯域及び前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域にそれぞれピークを有する前記共振現象により電力が供給されてもよい。

上記の構成によれば、低い駆動周波数帯域のピーク周波数において給電モジュールに流れる電流の向きと受電共振コイルに流れる電流の向きとを同じにした同相の電流が流れるように設定した場合と、電流の向きを逆にした逆相に設定した場合とで磁界空間が出現する位置を変えることができるため、部品の配置の自由度を高めることができる。

本発明における受電装置は、さらに、他の部位よりも小さな磁界強度となるように前記共振現象により形成された磁界空間に配置された電子部品を有してもよい。

上記の構成によれば、共振現象により電力が供給される受電共振コイルを受電装置が備えることによって、給電時において受電共振コイルの内側位置や近傍位置に磁界の小さな空間部分を出現させ、この空間部分を電子部品の配置場所として有効利用している。これにより、電子部品の配置場所の確保が難しい携帯機器等の各種の機器においても、電子部品の配置場所を容易に確保し、ひいては機器の小型化を実現することを可能にする受電装置として適用することができる。

簡易な構成により伝送効率を向上させることができる。

本発明に係る受電装置を備えた給電システムの概略説明図である。 結合係数を測定する説明図である。 磁性部材と結合係数との関係を示す説明図である。

以下に実施形態に係る受電装置を説明する。
（受電装置１：概要）
図１に示すように、受電装置１は、共振時の磁界結合を増減するように受電モジュール１１に配置された磁性部材１７を有している。これにより、受電装置１は、磁性部材１７が共振時における受電モジュール１１と給電モジュール２１との間の磁界結合を増減することによって、受電装置１及び給電装置２のサイズや形状の構造的仕様の変更ができない場合のように、給電モジュール２１と受電モジュール１１との距離を変更できない場合においても、受電装置１に要求される給電時の伝送効率の仕様を容易に満足させることができ、ひいては短時間での充電を可能にしたり、急速充電による過熱等を防止することができる。

さらに、受電装置１は、共振現象を利用した給電時において受電モジュール１１の内側位置や近傍位置に磁界の小さな磁界空間を出現させ、この磁界空間を電子部品１３の配置場所とした構成を有している。これにより、受電装置１は、磁界空間に配置された電子部品１３における磁界に起因する渦電流の発生が抑制されることにより誤動作や所定温度以上の発熱が防止される結果、小型化が可能になっている。

具体的に説明すると、受電装置１は、給電モジュール２１との間で共振する共振現象により電力が供給される受電共振コイル１１１と、受電共振コイル１１１から電力を受け取る受電コイル１１２と、共振時の磁界結合を高めるように受電共振コイル１１１に対して径方向に少なくとも一部が重複配置された磁性部材１７とを有している。さらに、受電装置１は、他の部位よりも小さな磁界強度となるように共振現象により形成された磁界空間に配置された電子部品１３を有している。

ここで、給電モジュール２１は、受電モジュール１１に対して共振現象により電力を供給するように、受電共振コイル１１１との間で共振する給電共振コイル２１１と、給電共振コイル２１１に電力を供給する給電コイル２１２とを備えている。受電モジュール１１における受電共振コイル１１１及び受電コイル１１２と、給電モジュール２１における受電共振コイル１１１及び受電コイル１１２とは、スパイラル型やソレノイド型、ループ型のコイル（絶縁被膜付の銅線材等）を用いることができる。共振現象とは、２つ以上のコイルが共振周波数において同調することをいう。

受電装置１は、電力の供給により作動する全ての種類の機器が該当する。即ち、例えば、携帯機器や据え置き型の機器、自動車等の車両機器が受電装置１となる。携帯機器は、ハンドヘルド機器及びウェアラブル機器（人体装着機器）の何れの機器も含む。

具体的には、携帯機器は、ポータブルコンピュータ（ラップトップ、ノートパソコン、タブレットＰＣ等）や、カメラ、音響機器・ＡＶ機器（携帯音楽プレーヤー、ＩＣレコーダー、ポータブルＤＶＤプレーヤー等）、計算機（ポケットコンピュータ、電卓）、ゲーム機、コンピュータ周辺機器（携帯プリンター、携帯スキャナ、携帯モデム等）、専用情報機器（電子辞書、電子手帳、電子書籍、ポータブルデータターミナル等）、携帯通信端末、音声通信端末（携帯電話、ＰＨＳ、衛星電話、第三者無線、アマチュア無線、特定小電力無線・パーソナル無線・市民ラジオ等）、データ通信端末（携帯電話・ＰＨＳ（フィーチャーフォン・スマートフォン）、ポケットベル等）、放送受信機（テレビ・ラジオ）、携帯ラジオ、携帯テレビ、ワンセグ、その他機器（腕時計、懐中時計）、補聴器、ハンドヘルドＧＰＳ、防犯ブザー、懐中電灯・ペンライト、電池パック、人工内耳システムの体外装置（サウンドプロセッサ、オーディオプロセッサ）等を例示することができる。

（受電装置１：磁性部材１７）
磁性部材１７は、磁性材料により形成されている。例えば、磁性材料としては、純Ｆｅ、Ｆｅ−ＳｉやＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ（センダスト）、Ｆｅ−Ｎｉ（パーマロイ）、ソフトフェライト、Ｆｅ基アモルファス、Ｃｏ基アモルファス、Ｆｅ−Ｃｏ（パーメンジュール）等の軟磁性材料が例示される。

また、磁性部材１７は、上記の磁性材料の磁性粉末が分散された樹脂により形成されていてもよい。樹脂は、熱硬化性樹脂でも熱可塑性樹脂でもよい。例えば、熱硬化性樹脂であれば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ビニルエステル樹脂、シアノエステル樹脂、マレイミド樹脂、シリコン樹脂などが挙げられる。また、熱可塑性樹脂であれば、アクリル系樹脂、酢酸ビニル系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂などが挙げられる。

磁性部材１７は、少なくとも受電共振コイル１１１の内周側に配置されている。受電共振コイル１１１の内周側に配置された磁性部材１７は、共振時における受電共振コイル１１１と給電モジュール２１（給電共振コイル２１１）との間の磁界結合を高める（増大させる）ように作用する。

また、受電共振コイル１１１が給電モジュール２１のコイル径と同一のコイル径を有し、給電モジュール２１に対向配置されている場合において、磁界結合を高める場合は、下記のように磁性部材１７が配置されていることが好ましい。

即ち、磁性部材１７は、受電共振コイル１１１の内周面に沿った円筒形状に形成され、受電共振コイル１１１の給電モジュール２１側の一方端位置が受電モジュール１１の一方端位置にコイル軸方向において一致されていることが好ましい。この場合には、受電共振コイル１１１の内周面に沿って配置された円筒形状の磁性部材１７により共振時における受電共振コイル１１１と給電モジュール２１との間の磁界結合を高めることができると共に、磁界空間を受電共振コイル１１１の内側位置まで拡大することができる。

また、受電共振コイル１１１が給電モジュール２１のコイル径と同一のコイル径を有し、給電モジュール２１に対向配置され、且つ、受電コイル１１２が受電共振コイル１１１のコイル軸に対して一致するコイル軸を有するように、給電モジュール２１側とは反対側に配置されている場合において、磁界結合を高める場合は、下記のように磁性部材１７が配置されていることが好ましい。

即ち、磁性部材１７は、受電共振コイル１１１及び受電コイル１１２の内周面に沿った円筒形状に形成され、受電共振コイル１１１の給電モジュール２１側の一方端位置が受電共振コイル１１１の一方端位置にコイル軸方向において一致され、給電モジュール２１側とは反対側の他方端位置が受電コイル１１２の他方端位置にコイル軸方向において一致された円筒部と、円筒部の他方端に設けられ、受電コイル１１２の他方端面に対向するように形成された円盤部とを有することが好ましい。この場合には、受電共振コイル１１１の内周面に沿って配置された円筒形状の円筒部及び受電コイル１１２に対向配置された円盤部との磁性部材１７により共振時における受電共振コイル１１１と給電モジュール２１（給電共振コイル２１１）との間の磁界結合を一層高めることができると共に、磁界空間を受電共振コイルの内側位置まで拡大することができる。

尚、本実施形態においては、磁性部材１７が円筒形状に形成されているが、これに限定されるものではなく、点状や棒状であってもよい。また、本実施形態においては、共振時の磁界結合を高めるように磁性部材１７を配置しているが、磁性部材１７の配置により共振時の磁界結合を低下させるように磁性部材１７を配置してもよい。

具体的に説明すると、磁性部材１７は、受電共振コイル１１１及び受電コイル１１２の外周面に沿った円筒形状に形成され、受電共振コイル１１１の給電モジュール２１側の一方端位置が受電共振コイル１１１の一方端位置にコイル軸方向において一致され、給電モジュール２１側とは反対側の他方端位置が受電コイル１１２の他方端位置にコイル軸方向において一致された外側円筒部を有しても良い。この場合には、磁界結合の程度（結合係数）を減少させることが可能になる。

このように、受電装置１は、磁性部材１７の配置や形状、サイズ等の磁性部材条件を調整することにより磁界結合の程度（結合係数）が任意の値に変更可能にされてもよい。これにより、受電装置１は、給電モジュール２１及び受電モジュール１１間の距離を一定に維持しつつ、磁性部材１７の磁性部材条件を調整することにより磁界結合の程度を容易に任意の値に変更することができる。この結果、給電装置２及び受電装置１のサイズや形状に制約を受け、これらのサイズや形状の構造的仕様の変更ができない場合のように、充電装置２（給電共振コイル２１１）と受電装置１（受電共振コイル１１１）との距離を変更できない場合においても、磁性部材１７により磁界結合を増減させることによって、受電装置１に要求される給電時の伝送効率の仕様を容易に満足させることができ、ひいては短時間での充電を可能にしたり、急速充電による過熱等を防止することが可能になる。

（受電装置１：電子部品１３等）
上記の受電装置１は、電子回路を有する１以上の電子部品１３と、作動電力を供給する電池１４とを有している。さらに、受電装置１は、スピーカや発光部品、表示器等の出力部１５と、マイクやスイッチ等の入力部１６とを有している。具体的には、受電装置１は、ＡＣ／ＤＣ変換部１３１や充電部１３２、制御部１３３等の電子部品１３を有している。これらの電子部品１３の少なくとも一部は、他の部位よりも小さな磁界強度となるように共振現象により形成された磁界空間に配置されている。

ＡＣ／ＤＣ変換部１３１は、受電モジュール１１に給電された交流電力を直流電力に変換する機能を有している。充電部１３２は、電池１４に対して充電する機能を有している。制御部１３３は、出力部１５及び入力部１６に接続されており、出力部１５に対して制御信号を出力する機能と、入力部１６からの入力信号を受信する機能と、受電装置１の使用目的に応じた各種の情報やデータを処理する機能とを有している。尚、本実施形態においては、説明の便宜上、電子部品１３とは別に、電池１４や出力部１５、入力部１６を記載しているが、電子部品１３が電池１４や出力部１５、入力部１６を含むものであってもよい。即ち、電池１４や出力部１５、入力部１６が磁界空間に配置されていてもよい。

充電部１３２により充電される電池１４は、充電可能な二次電池からなっている。電池１４としては、鉛蓄電池やリチウムイオン二次電池、リチウムイオンポリマー二次電池、ニッケル・水素蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・鉄蓄電池、ニッケル・亜鉛蓄電池、酸化銀・亜鉛蓄電池等を例示することができる。尚、電池１４は、二次電池でなくキャパシタであってもよい。

（給電装置２）
上記のように構成された受電装置１は、給電装置２とで給電システム３を構成している。給電装置２は、受電装置１の受電モジュール１１に対して共振現象により電力を供給する給電モジュール２１を備えている。給電モジュール２１は、給電共振コイル２１１及び給電コイル２１２を備えている。給電装置２は、給電モジュール２１に交流電力を供給する電源部２２と、電源部２２を制御する制御部２３とを有している。

（磁界空間）
次に、主に受電装置１において電子部品１３の配置場所とされる『磁界空間』について詳細に説明する。

受電装置１は、『磁界空間』を所望位置に形成するように構成されている。磁界空間の所望位置への形成は、給電装置２との位置関係や給電状態、内部構成等の給電条件を設定することにより実現することができる。さらに、磁界空間の所望位置への形成は、給電モジュール２１の給電共振コイル２１１と受電モジュール１１の受電共振コイル１１１との結合係数を増減可能な磁性部材条件を設定することにより実現することができる。

例えば、受電装置１は、給電装置２の給電モジュール２１における給電共振コイル２１１から受電モジュール１１における受電共振コイル１１１に共振現象により電力を供給する際に、給電モジュール２１における給電共振コイル２１１と受電モジュール１１における受電共振コイル１１１との間の所望位置に、この所望位置以外の磁界強度よりも小さな磁界強度を有する磁界空間を形成するように構成されていてもよい。この場合には、受電モジュール１１の給電装置２側の近傍位置に磁界空間を出現させることができる。

『磁界空間』の形成方法を詳細に説明すると、給電装置２の給電モジュール２１における給電共振コイル２１１から受電装置１の受電モジュール１１における受電共振コイル１１１に対して共振現象により電力を供給するときに、給電モジュール２１における給電共振コイル２１１に流れる電流の向きと受電モジュール１１における受電共振コイル１１１に流れる電流の向きとが、逆向きになるように、給電モジュール２１における給電共振コイル２１１に供給する電力の周波数を設定する方法が例示される。

上記の形成方法によれば、共振現象を利用した電力伝送を行う際に、給電モジュール２１における給電共振コイル２１１と受電モジュール１１における受電共振コイル１１１を近接配置することにより、給電共振コイル２１１と受電共振コイル１１１との結合の強さを表す結合係数が高くなる。このように結合係数が高い状態で、伝送特性（給電コイル２１２から受電コイル１１２に電力を送電する際の送電効率の指標となる値、もしくは、給電モジュール２１から受電モジュール１１に電力に電力を送電する際の送電効率の指標となる値）を計測すると、そ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。そして、この高周波側のピーク付近の周波数に、給電共振コイル２１１に供給する電力の周波数を設定することにより、給電共振コイル２１１に流れる電流の向きと受電共振コイル１１１に流れる電流の向きとが逆向きになり、給電共振コイル２１１の内周側に発生する磁界と受電共振コイル１１１の内周側に発生する磁界とが打ち消し合うことにより、給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１の内周側に、磁界による影響が低減されて、給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１の内周側以外の磁界強度よりも小さな磁界強度を有する磁界空間を形成することができる。

また、『磁界空間』の他の形成方法として、給電共振コイル２１１から受電共振コイル１１１に対して共振現象により電力を供給するときに、給電共振コイル２１１に流れる電流の向きと受電共振コイル１１１に流れる電流の向きとが、同じ向きになるように、給電共振コイル２１１に供給する電力の周波数を設定する方法が例示される。

上記の形成方法によれば、共振現象を利用した電力伝送を行う際に、給電共振コイル２１１と受電共振コイル１１１とを近接配置することにより、給電共振コイル２１１と受電共振コイル１１１との結合の強さを表す結合係数が高くなる。このように結合係数が高い状態で、伝送特性を計測すると、そ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。そして、この低周波側のピーク付近の周波数に、給電共振コイル２１１に供給する電力の周波数を設定することにより、給電共振コイル２１１に流れる電流の向きと受電共振コイル１１１に流れる電流の向きとが同じ向きになり、給電共振コイル２１１の外周側に発生する磁界と受電共振コイル１１１の外周側に発生する磁界とが打ち消し合うことにより、給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１の外周側に、磁界による影響が低減されて、給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１の外周側以外の磁界強度よりも小さな磁界強度を有する磁界空間を形成することができる。

また、『磁界空間』は、給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１に関する調整パラメータを変化させて、給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１の間に発生する磁界結合の強度に基づいて大きさが設定されてもよい。例えば、給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１との間に発生する磁界結合を相対的に弱めることにより磁界空間の大きさを拡大することができる。一方、給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１との間に発生する磁界結合を相対的に強めることにより磁界空間の大きさを小さくすることができる。これにより、受電装置１のサイズに最適な磁界空間を形成することができる。

尚、給電共振コイル２１１の配置関係、及び、受電共振コイル１１１の配置関係を調整パラメータとし、この調整パラメータを変化させて、給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１の間に発生する磁界結合の強度を変更することより、磁界空間の大きさを変更してもよい。

また、『磁界空間』は、給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１の形状を調整パラメータとし、これらのコイルの形状を所望の形状に変化させて、給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１の間及び周辺に発生する磁界結合の強度を変更することより、形状が所望の形状に設定されてもよい。この場合には、給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１を所望の形状にすることにより、磁界強度が相対的に弱い磁界空間をコイルの形状に沿った所望の形状で形成することができる。

また、『磁界空間』は、給電共振コイル２１１と給電コイル２１２との間の第１距離、及び、受電コイル１１２と受電共振コイル１１１との間の第２距離の少なくとも一つを調整パラメータとし、この調整パラメータに基づいて、大きさが設定されてもよい。例えば、給電共振コイル２１１と給電コイル２１２との間の第１距離、及び、受電コイル１１２と受電共振コイル１１１との間の第２距離を相対的に短くすることにより、磁界結合を相対的に弱めて磁界空間の大きさを拡大することができる。一方、給電共振コイル２１１と給電コイル２１２との間の第１距離、及び、受電コイル１１２と受電共振コイル１１１との間の第２距離を相対的に長くすることにより、磁界結合を相対的に強めて磁界空間の大きさを小さくすることができる。

また、『磁界空間』は、受電共振コイルにおいて、給電モジュール２１に供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値が、共振周波数よりも低い駆動周波数帯域及び共振周波数よりも高い駆動周波数帯域にそれぞれピークを有する共振現象により電力が供給されることで形成されてもよい。この場合には、低い駆動周波数帯域のピーク周波数において給電モジュール２１の給電共振コイル２１１に流れる電流の向きと受電共振コイル１１１に流れる電流の向きとを同じにした同相の電流が流れるように設定した場合と、電流の向きを逆にした逆相に設定した場合とで磁界空間が出現する位置を変えることができる。

さらに、『磁界空間』は、受電共振コイル１１１及び給電共振コイル２１１の対向面を除いた少なくとも一部の面を覆うように磁性部材１７を配置し、給電共振コイル２１１と受電共振コイル１１１との間で磁界を変化させて電力伝送を行うことで、所望位置に当該所望位置以外の磁界強度よりも小さな磁界強度を有する磁界空間を形成してもよい。

磁性部材１７は、受電共振コイル１１１の内周面を覆うように配置されていてもよい。この場合には、受電共振コイル１１１の内周側で発生する磁界を遮断して、受電共振コイル１１１の内周側に比較的に小さな磁界強度を有する磁界空間を形成することができる。

また、磁性部材１７は、給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１の対向面とは反対側の面を覆うように配置されていてもよい。この場合には、受電共振コイル１１１の対向面とは反対側の面付近で発生する磁界を遮断して、受電共振コイル１１１の対向面とは反対側の面付近に比較的小さな磁界強度を有する磁界空間を形成することができる。

このように、受電装置１は、上述の磁界空間の形成方法の１以上の組み合わせに基づいて、受電モジュール１１の内側や近傍の所望位置に磁界強度の小さな磁界空間を意図的に形成することが可能になっていると共に、磁界空間の大きさや形状を設定することが可能になっている。即ち、受電装置１は、受電モジュール１１の設置態様及び磁性部材条件の少なくとも一方の操作により所望の磁界空間を形成することが可能になっている。

（結合係数の調査）
次に、上記で説明した受電装置１において、各種の磁性部材１７を用いた場合における給電モジュール２１の給電共振コイル２１１と受電モジュール１１の受電共振コイル１１１との間における結合係数ｋ_２３を調査した。

（結合係数測定システム）
先ず、図２に示すように、給電コイル２１２に交流電源の代わりにネットワークアナライザ３１（アジレント・テクノロジー株式会社製）の出力端子を接続する。また、受電コイル１１２に電力受給部の代わりにネットワークアナライザ３１の入力端子を接続する。

ネットワークアナライザ３１は、任意の周波数で交流電力を出力端子から給電コイル２１２に出力可能としている。また、ネットワークアナライザ３１は、受電コイル１１２から入力端子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３１は、挿入損失『Ｓ２１』や結合係数、送電効率を測定可能としている。

給電コイル２１２は、ネットワークアナライザ３１から得られた電力を電磁誘導によって給電共振コイル２１１に供給する役割を果たす。給電コイル２１２は、線径０．４ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を１回巻にして、１１ｍｍφのコイル径で設定されている。給電共振コイル２１１は、線径０．４ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を使用して、１１ｍｍφのコイル径及び１０ｍｍのコイル長に設定されている。尚、給電共振コイル２１１は、磁性部材厚み４５０μｍが内周側に配置され、自己インダクタンスＬは１０．９μＨ及び抵抗値は１．８Ωである。

受電コイル１１２は、給電共振コイル２１１から受電共振コイル１１１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３１の入力端子に出力する役割を果たす。受電コイル１１２は、線径０．４ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を１回巻にして、１１ｍｍφのコイル径で設定されている。受電共振コイル１１１は、線径０．２ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を使用して、１１ｍｍφのコイル径及び１．４ｍｍのコイル長にそれぞれ設定されている。

給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１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。尚、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）

給電共振コイル２１１及び受電共振コイル１１１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１ＭＨｚとしている。

上記のように、給電共振コイル２１１の共振周波数と受電共振コイル１１１の共振周波数とを同一値とした場合、給電共振コイル２１１と受電共振コイル１１１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２１１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２１１から受電共振コイル１１１に電力を磁界エネルギーとして送電することができる。

（結合係数測定方法）
次に、上記のように構成された結合係数測定システムのネットワークアナライザ３１を使用して、磁性部材１７の有無や配置を変更し、給電共振コイル２１１と受電共振コイル１１１との間の結合係数ｋ_２３をそれぞれ測定する。ここで、結合係数ｋ_２３とは、給電共振コイル２１１と受電共振コイル１１１の結合の強さを表す指標である。

先ず、上記結合係数ｋ_２３を測定するにあたって、挿入損失『Ｓ２１』を測定する。横軸を出力端子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。

尚、給電コイル２１２と給電共振コイル２１１との結合が強いと、給電共振コイル２１１と受電共振コイル１１１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２１２と給電共振コイル２１１との間の給電側距離は、給電共振コイル２１１が十分に励振でき、給電共振コイル２１１の磁界を生成させ、かつ、給電コイル２１２と給電共振コイル２１１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１１１と受電コイル１１２との間の受電側距離も、受電共振コイル１１１が十分に励振でき、受電共振コイル１１１の磁界を生成させ、かつ、受電共振コイル１１１と受電コイル１１２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、出力端子から信号を入力したときの入力端子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、出力端子から給電共振コイル２１１に供給される電力に対する入力端子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_Ｈ、低周波側の周波数をｆ_Ｌとして表す。そうすると、結合係数ｋ_２３は、（式２）によって求められる。
ｋ_２３＝（ｆ_Ｈ ²−ｆ_Ｌ ²）/（ｆ_Ｈ ²＋ｆ_Ｌ ²）・・・（式２）

（結合係数測定結果）
上記の結合係数測定システムにおいて、様々な形態（配置や形状）の磁性部材１７を用いて結合係数ｋ_２３を測定した結果を示す。

図３（ａ）に示すように、受電共振コイル１１１だけで磁性部材１７が存在しない場合は、結合係数ｋ_２３が０.１７であった。また、図３（ｂ）に示すように、受電共振コイル１１１の内周側に内側円筒部１７１が配置された磁性部材１７の場合は、結合係数ｋ_２３が０.１８であった。図３（ｃ）に示すように、受電共振コイル１１１の外周側に外側円筒部１７２が配置された磁性部材１７の場合は、結合係数ｋ_２３が０.１１であった。

図３（ｄ）に示すように、受電共振コイル１１１の内周側及び外周側に内側円筒部１７１及び外側円筒部１７２がそれぞれ配置された磁性部材１７の場合は、結合係数ｋ_２３が０.１１であった。図３（ｅ）に示すように、受電共振コイル１１１の内周側及び外周側に内側円筒部１７１及び外側円筒部１７２がそれぞれ配置され、さらに、内側円筒部１７１及び外側円筒部１７２の他方端に円盤部１７３が配置された磁性部材１７の場合は、結合係数ｋ_２３が０.１２であった。図３（ｆ）に示すように、受電共振コイル１１１の内周側に内側円筒部１７１が配置され、さらに、内側円筒部１７１の他方端に円盤部１７３が配置された磁性部材１７の場合は、結合係数ｋ_２３が０.１９であった。

上記の測定結果から、給電共振コイル２１１と受電共振コイル１１１との距離を変更しなくても、磁性部材１７の形態により結合係数ｋ_２３を増減可能であることが判明した。具体的に説明すると、内側円筒部１７１及び円盤部１７３は結合係数ｋ_２３の増大に寄与する一方、外側円筒部１７２は結合係数ｋ_２３の減少に寄与することが判明した。これにより、内側円筒部１７１と外側円筒部１７２との１以上を組み合わせ、さらに円盤部１７３を組み合わせることによって、結合係数ｋ_２３を増減できることが判明した。

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・実施例に限定されず、その他の実施形態・実施例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。

１ 受電装置
２ 給電装置
３ 給電システム
１１ 受電モジュール
１１１ 受電共振コイル
１１２ 受電コイル
２１ 給電モジュール
２１１ 給電共振コイル
２１２ 給電コイル
１７ 磁性部材
１７１ 内側円筒部
１７２ 外側円筒部
１７３ 円盤部

Claims (6)

1. 給電モジュールとの間で共振する共振現象により電力が供給される受電共振コイルと、
   前記受電共振コイルから電力を受け取る受電コイルと、
   前記共振時の磁界結合を増減するように前記受電共振コイルに対して径方向に少なくとも一部が重複配置された磁性部材と
   を有することを特徴とする受電装置。
2. 前記磁性部材は、前記受電共振コイルの内周側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の受電装置。
3. 前記受電共振コイルは、前記給電モジュールのコイル径と同一のコイル径を有し、前記給電モジュールに対向配置されており、
   前記磁性部材は、前記受電共振コイルの内周面に沿った円筒形状に形成され、前記受電共振コイルの前記給電モジュール側の一方端位置が前記給電モジュールの一方端位置にコイル軸方向において一致されていることを特徴とする請求項２に記載の受電装置。
4. 前記受電共振コイルは、前記給電モジュールのコイル径と同一のコイル径を有し、前記給電モジュールに対向配置されており、
   前記受電コイルは、前記受電共振コイルのコイル軸に対して一致するコイル軸を有するように、前記給電モジュール側とは反対側に配置されており、
   前記磁性部材は、
   前記受電共振コイル及び前記受電コイルの内周面に沿った円筒形状に形成され、
   前記受電共振コイルの前記給電モジュール側の一方端位置が前記受電共振コイルの一方端位置にコイル軸方向において一致され、
   前記給電モジュール側とは反対側の他方端位置が前記受電コイルの他方端位置にコイル軸方向において一致された内側円筒部と、
   前記円筒部の他方端に設けられ、前記受電コイルの他方端面に対向するように形成された円盤部と
   を有することを特徴とする請求項２に記載の受電装置。
5. 前記受電共振コイルは、
   前記給電モジュールに供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値が、共振周波数よりも低い駆動周波数帯域及び前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域にそれぞれピークを有する前記共振現象により電力が供給されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の受電装置。
6. さらに、他の部位よりも小さな磁界強度となるように前記共振現象により形成された磁界空間に配置された電子部品を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の受電装置。
   

Images