JP2015128347A - 無線受電装置、無線送電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送電装置から受電装置に電力を伝送する効率を向上させる無線給電装置を提供する。
【解決手段】
無線受電装置は、第１の受電コイルと、第１の受電コイルの巻線と平行に隣接させる巻線を有する第２の受電コイルとを備え、送電装置から無線給電を受ける。
【選択図】図６

Description

本発明は、無線受電装置、無線送電装置に関する。

従来、ループアンテナと、自己共振コイルとを備えた無線電力伝送装置がある（例えば、特許文献１を参照）。

また、エキサイト回路のエキサイトコイルが給電コイルと磁気結合しているワイヤレス給電装置がある（例えば、特許文献２を参照）。

また、コイル及びキャパシタを含む共振回路を有する非接触電力伝送システムを構成する送電装置又は受電装置がある（例えば、特許文献３乃至５を参照）。

さらに、直列共振回路部と並列共振回路部とで構成される共振型インバータがある（例えば、特許文献６を参照）。

特開２０１２−１４３０７４号公報 特開２０１２−２３９５７号公報 特開２０１１−２２９３６０号公報 特表２０１０−５１１３１６号公報 特開２０１３−２７２５５号公報 特開２０１１−６７５９０号公報

しかし、従来の無線給電装置は、送電装置から受電装置に電力を伝送する効率が低い場合があった。

そこで、本発明は、送電装置から受電装置に電力を伝送する効率を向上させる無線給電装置を提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、無線受電装置は、第１の受電コイルと、前記第１の受電コイルの巻線と平行に隣接させる巻線を有する第２の受電コイルとを備え、送電装置から無線給電を受ける。

本発明の実施形態によれば、送電装置から受電装置に電力を伝送する効率を向上させる無線給電装置を提供することができる。

受電装置のコイルと送電装置のコイルの第１の関係を示す図 第１の受電コイルと第２の受電コイルが重ね合わせられていることを示す図 受電装置のコイルと送電装置のコイルの第２の関係を示す図 第１の受電コイルの巻線と第２の受電コイルの巻線とがバイファイラ巻にされていることを示す図 シングルループコイルを用いた受電側回路を示す図 第１の実施形態における受電側回路を示す図 第２の実施形態における受電側回路を示す図 第３の実施形態における受電側回路を示す図 送受電装置の効率を測定する実験装置におけるループコイルの配置を示す図 第４の実施形態における受電側回路を示す図 送受電装置の効率を測定する実験装置におけるループコイルの配置を示す図 伝送効率測定方法を示す図 第１の実施形態における伝送ロスを示す図 第２の実施形態における伝送ロスを示す図 第３の実施形態における伝送ロスを示す図 第４の実施形態における伝送ロスを示す図 第１乃至第３の実施形態におけるループコイルの伝送効率を示す図 第４の実施形態におけるループコイルの伝送効率を示す図 第１乃至第４の実施形態におけるループコイルの伝送効率（Ｌｏｇ表記）を示す図 スパイラルコイルの外観を説明する図 ２つのスパイラルコイルを平行に隣接させた状態を説明する図 シングルスパイラルコイルを用いた受電側回路を示す図 第５の実施形態における受電側回路を示す図 第６の実施形態における受電側回路を示す図 第５の実施形態におけるコイル間距離０．１ｍでの伝送ロスを示す図 第５の実施形態におけるコイル間距離０．２ｍでの伝送ロスを示す図 第５および第６の実施形態におけるスパイラルコイルの伝送効率を示す図 第５および第６の実施形態におけるスパイラルコイルの伝送効率（Ｌｏｇ表記）を示す図

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
［ループコイルを用いた実施形態］
ループコイルを用いた実施形態について説明する。

先ず、図１および図２を用いて、無線給電装置の無線送電装置又は無線受電装置における、二重化したループコイルのコイル間の第１の関係を説明する。図１は、受電装置のコイルと送電装置のコイルの第１の関係を示す図である。ここで、第１の関係とは、以下に説明するとおり、第１の受電コイルと第２の受電コイルが重ね合わされ、二重化ループコイルを形成する関係である。

図１において、給電装置は、無線受電装置として受電装置１と無線送電装置として送電装置２とを備える。受電装置１は、二重化コイルを成す、第１の受電コイルであるコイル１１と第２の受電コイルであるコイル１２を備える。また、送電装置２は、二重化コイルを成す、第１の送電コイルであるコイル２１と第２の送電コイルであるコイル２２を備える。受電装置１は、コイル１１およびコイル１２が送電装置２のコイル２１およびコイル２２から電磁誘導を受けることにより、送電装置２から電力の電送（給電）を受ける。

コイル１１は巻線端点ＡおよびＢを有するループコイルの巻線の束である。また、コイル１２は巻線端点ＣおよびＤを有するループコイルの巻線の束である。コイル１１とコイル１２は、コイル１１とコイル１２を重ね合わせることにより、平行に隣接されて二重化ループコイルを形成している。コイル１１の巻線端点ＡおよびＢとコイル１２の巻線端点ＣおよびＤは、コイル１１とコイル１２が同極性になるように図示しない回路に接続される。コイル１１とコイル１２を重ね合わせることにより、コイル１１とコイル１２とを平行に隣接させて磁気的に密に結合することができる。ここで、磁気的に密に結合するとは、第１の受電コイルと第２の受電コイルの結合係数ｋが０．５０以上のことをいう。なお、コイル１１とコイル１２は鉄心を用いない空芯によって磁気的に結合されている。鉄心を用いないことにより鉄損が発生しない。

また、本実施形態では、コイル１１とコイル１２のループの径（外径、内径）を同じにすることにより、漏れ磁束を小さくして結合係数を向上させることができる。しかし、例えば、コイル１１とコイル１２の巻線の外径または内径を異にしてコイル１１とコイル１２を重ね合わせてもよい。

送電装置２におけるコイル２１およびコイル２２は、受電装置１におけるコイル１１およびコイル１２と同様に、巻線の束同士を対向させて重ね合わせることにより平行に隣接されている。したがって、送電装置２においてもコイル２１とコイル２２とを磁気的に密に結合することができる。送電装置２においても、コイル２１の巻線端点ＥおよびＦ、ならびにコイル２２の巻線端点ＧおよびＦは同極性になるように図示しない回路に接続される。

次に、図２を用いて、図１で説明した受電装置１のコイル１１の巻線とコイル１２の巻線の詳細を説明する。図２は、第１の受電コイルと第２の受電コイルとが対向していることを示す図である。

図２において、コイル１１は、巻線端点Ａが巻き始めであり、巻線端点Ｂが巻き終わりである。一方、コイル１２は、巻線端点Ｃが巻き始めのであり、巻線端点Ｄが巻き終わりである。コイル１２のループはコイル１１のループと同じ巻方向に巻かれている。コイル１１とコイル１２はそれぞれ対向して重ね合わせられ、二重化ループコイルを形成する。

次に、図３および図４を用いて、受電装置１又は送電装置２における、二重化コイルのコイル間の第２の関係を説明する。図３は、受電装置１のコイルと送電装置２のコイルの第２の関係を示す図である。ここで、第２の関係とは、以下に説明するとおり、二重化コイルを形成する第１の受電コイルの巻線と第２の受電コイルの巻線とがバイファイラ巻きで二重化ループコイルとされる関係である。

図３において、受電装置１は、受電コイル３１を備える。送電装置２は送電コイル４１を備える。

受電コイル３１は、巻線端点Ａを巻始め、巻線端点Ｂを巻き終わりとする第１の受電コイルの巻線と、巻線端点Ｃを巻始め、巻線端点Ｄを巻き終わりとする第２の受電コイルの巻線とをバイファイラ巻にすることにより形成されるループコイルである。受電コイル３１の詳細を、図４を用いて説明する。図４は、第１の受電コイルの巻線と第２の受電コイルの巻線とがバイファイラ巻にされていることを示す図である。なお、送電装置２における送電コイル４１も、受電コイル３１と同様の方法によりバイファイラ巻きで形成される二重化ループコイルであるため、送電コイル４１についての説明は省略する。

図４（ａ）において、受電コイル３１の第１の受電コイルの巻線３１１と第２の受電コイルの巻線３１２は、巻線端点Ａおよび巻線端点Ｃから同時に巻かれて二重化ループコイルを形成する。図４（ｂ）は、図３のイ−イ’の断面図である。ループ状のコイルはループの直径の距離で離れた２つの巻線の列を有するが、図４（ｂ）ではそのうち１列分の巻線の列のみについて図示している。図４（ｂ）において、第１の受電コイルの巻線３１１は白丸で、第２の受電コイルの巻線３１２は黒丸で示し、第１の受電コイルの巻線３１１と第２の受電コイルの巻線３１２とが交互に巻かれていることを説明している。

第１の受電コイルの巻線３１１と第２の受電コイルの巻線３１２は、巻線端点Ａと巻線端点Ｃから同時に巻かれる。したがって、第１の受電コイルの巻線３１１と第２の受電コイルの巻線３１２は、巻線端点Ｂおよび巻線端点Ｄまで、図４（ａ）図示下方向に交互に巻かれる。なお、図４（ｂ）は、巻き方を説明するために巻数を３回に簡略化して説明したが、コイル３１は、同様の巻き方で、例えば数十回、あるいは数百回巻かれて形成される。

次に、図５から図８を用いて、第１の実施形態から第３の実施形態における給電装置の回路を説明する。図５は、受電装置１側にシングルループコイルを用いた場合を示す図であり、第１の実施形態から第３の実施形態との比較のために説明する。図６は、第１の実施形態における受電側回路を示す図である。図７は、第２の実施形態における受電側回路を示す図である。図８は、第３の実施形態における受電側回路を示す図である。

図６から図８で説明する第１の実施形態から第３の実施形態では、図３で説明したバイファイラ巻で形成された二重化ループコイルを使用する。

図５において、受電装置１は、電源ｅ、キャパシタＣ１００、およびインダクタＬ１００を備える。キャパシタＣ１００およびインダクタＬ１００は直列共振回路を形成する。受電装置１は、インダクタＬ２００、キャパシタＣ２００およびレジスタＲ１を備える。インダクタＬ２００およびキャパシタＣ２００は直列共振回路を形成する。

電源ｅは後述するトラッキングジェネレータによって出力周波数を変更することができる。キャパシタＣ１００およびキャパシタＣ２００は、例えば４７ｐＦのコンデンサを使用する。

レジスタＲ１は、図５図示上端がキャパシタＣ２００に接続され、図示下端は接地される。レジスタＲ１は、例えば５０Ωの抵抗を使用する。

インダクタＬ１００とインダクタＬ２００は、黒丸のマークで図示するとおり、同じ極性の向きである。

図５の受電装置１側で点線で囲った部分は、受電装置１の回路Ｓ２００を示す。一方、図６から図８で説明する第１の実施形態から第３の実施形態においては、点線で示す回路Ｓ２００の代わりに、回路Ｓ１から回路Ｓ３の回路を使用する。

図６において、第１の実施形態における回路Ｓ１は、第１の受電コイルとしてインダクタＬ１１、キャパシタＣ１１、第２の受電コイルとしてインダクタＬ１２、およびキャパシタＣ１２を備える。回路Ｓ１において、インダクタＬ１１とインダクタＬ１２は図示する極性の向きにおいて、バイファイラ巻で二重化ループコイルを形成する。第１の実施形態では、インダクタＬ１１とインダクタＬ１２は結合係数ｋ＝０．６１で磁気的に密に結合されている。

インダクタＬ１１とキャパシタＣ１１は並列共振回路を形成している。また、インダクタＬ１２とキャパシタＣ１２は直列共振回路を形成している。インダクタＬ１１とキャパシタＣ１１は、図６図示下端を接地して、図示上端をインダクタＬ１２の図示左端に接続する。キャパシタＣ１１およびキャパシタＣ１２は、例えば４７ｐＦのコンデンサを使用する。

図７において、第２の実施形態における回路Ｓ２は、第１の受電コイルとしてインダクタＬ２１、第２の受電コイルとしてインダクタＬ２２、およびキャパシタＣ２１を備える。回路Ｓ２において、インダクタＬ２１とインダクタＬ２２は図７に図示する極性の向きにおいて、バイファイラ巻で二重化ループコイルを形成する。インダクタＬ２１は、図７図示下側の端点を接地して、図示上側の端点を開放することにより無負荷状態となる。第２の実施形態では、インダクタＬ２１とインダクタＬ２２は結合係数ｋ＝０．６１で磁気的に密に結合されている。

インダクタＬ２２とキャパシタＣ２１は並列共振回路を形成する。インダクタＬ２２とキャパシタＣ２１は、図７図示下端を開放して、図示上端を抵抗Ｒ１に接続する。キャパシタＣ２１は、例えば４７ｐＦのコンデンサを使用する。

図８において、第３の実施形態における回路Ｓ３は、第１の受電コイルとしてインダクタＬ３１、キャパシタＣ３１、第２の受電コイルとしてインダクタＬ３２およびキャパシタＣ３２を備える。回路Ｓ３において、インダクタＬ３１とインダクタＬ３２は図８に図示する極性の向きにおいて、バイファイラ巻で二重化ループコイルを形成する。第３の実施形態では、インダクタＬ３１とインダクタＬ３２は結合係数ｋ＝０．８１で磁気的に密に結合されている。

インダクタＬ３１とキャパシタＣ３１は並列共振回路を形成する。インダクタＬ３１とキャパシタＣ３１は、図８図示下端および図示上端を開放する。インダクタＬ３２とキャパシタＣ３２は直列共振回路を形成する。インダクタＬ３２の図８図示下端は接地され、キャパシタＣ３２の図示右端はレジスタＲ１に接続される。キャパシタＣ３１およびキャパシタＣ３２は、例えば４７ｐＦのコンデンサを使用する。

次に、図９を用いて、第１の実施形態から第３の実施形態による受電装置の電送効率を求めるための実験装置におけるループコイルの配置について説明する。図９は、第１の実施形態から第３の実施形態の受電装置に用いられるループコイルを受電側コイルとして配置した例を示す図である。

図９において、実験装置では、図６から図８で説明した送電装置２の送電側のコイルＬ１００と受電装置１の受電側のコイル（Ｌ１１とＬ１２、Ｌ２１とＬ２２、あるいはＬ３１とＬ３２）の二つのコイルを、コイル間距離を調整可能に平行に固定できる。送電側のコイルは、巻線として直径１ｍｍのＵＥＷ（polyurethane enameled copper wire：ポリウレタンエナメル銅線）を使用し、直径１００ｍｍのループとしてターン数３（３Ｔ（Turn））のループコイルとする。受電側のコイルは、送電側と同じＵＥＷを直径１００ｍｍのバイファイラ巻として、３Ｔ×２重のループコイルとする。送電側のコイルと受電側のコイルには、図６から図８で説明した回路が接続される。なお、図９で説明した実験装置を用いた第１の実施形態から第３の実施形態による受電装置の電送効率の測定結果は後述する。

次に、図１０を用いて、第４の実施形態における給電装置の回路を説明する。図１０では、受電装置１を第３の実施形態で説明した回路Ｓ３の回路を使用しており、第４の実施形態における送電装置２においても回路Ｓ３と同様の回路構成の回路Ｓ４を使用する。

図１０において、送電装置２の回路Ｓ４は、受電装置１の回路Ｓ３と図示左右対称に形成される。回路Ｓ４は、キャパシタＣ４１、第１の送電コイルとしてインダクタＬ４１、キャパシタＣ４２、および第２の送電コイルとしてインダクタＬ４２を備える。回路Ｓ４において、インダクタＬ４１とインダクタＬ４２は図１０に図示する極性の向きにおいて、バイファイラ巻で二重化ループコイルを形成する。第４の実施形態では、インダクタＬ４１とインダクタＬ４２は結合係数ｋ＝０．８１で磁気的に密に結合されている。

キャパシタＣ４１とインダクタＬ４１は直列共振回路を形成している。また、キャパシタＣ４２とインダクタＬ４２は並列共振回路を形成している。キャパシタＣ４１の図１０図示左端は電源ｅに接続され、インダクタＬ４１の図示下端は接地される。また、キャパシタＣ４２とインダクタＬ４２は、図１０図示下端および図示上端を開放する。キャパシタＣ４１およびキャパシタＣ４２は、例えば４７ｐＦのコンデンサを使用する。

次に、図１１を用いて、第４の実施形態の電送効率を求めるための実験装置におけるループコイルの配置について説明する。図１１は、第４の実施形態におけるループコイルを配置した例を示す図である。

図１１において、実験装置では、図１０で説明した送電装置２の送電側のコイル（Ｌ４１とＬ４２）と受電装置１の受電側のコイル（Ｌ３１とＬ３２）の二つのコイルを、コイル間距離を調整可能に平行に固定できる。図１１は、図９で説明した受電側のコイルと同じ巻線の束を送電側のコイルおよび受電側のコイルの両方に使用する。送電側のコイルと受電側のコイルには、図１０で説明した回路が接続される。

次に、図１２を用いて、第１の実施例から第４の実施例における伝送効率の測定方法を説明する。図１２は、伝送効率測定方法を示す図である。

図１２において、スペクトラムアナライザ（以下、「スペアナ」を省略する。）は、入力インピーダンスが５０Ωの機種を使用する。電源ｅにトラッキングジェネレータ（以下、「ＴＧ」と省略する。）を使用して、スペアナのスイープと同期した周波数の信号を出力する。測定は、基準レベルを−１０ｄＢとして、送電側コイルと受電側コイルの間での伝送ロスｓ（ｄＢ）を、ＴＧが出力する信号の周波数を１１ＭＨｚ〜１６ＭＨｚの間で変化させて行う。伝送効率η（％）は、伝送ロスｓ（ｄＢ）から次式で算出される。

η＝１０^{（ｓ／１０）}×１００・・・（式１）
伝送ロスは、図９および図１１で説明したコイル間距離を、０．０２５ｍ、０．０５ｍ、０．１０ｍ、０．１５ｍ、０．２０ｍ、０．２５ｍと移動させてそれぞれ測定する。

次に、図１３〜図１６を用いて、スペアナの表示から伝送ロスを測定する方法を説明する。図１３は、第１の実施形態における伝送ロスの測定を示す図である。図１４は、第２の実施形態における伝送ロスの測定を示す図である。図１５は、第３の実施形態における伝送ロスの測定を示す図である。図１６は、第４の実施形態における伝送ロスの測定を示す図である。

図１３は、コイル間距離を０．１ｍとしたときの第１の実施形態の伝送ロスを示している。グラフの縦軸は伝送ロス（ｄＢ）を示し、横軸は周波数（ＭＨｚ）を示す。図１３では、図５で説明したシングルスパイラルコイルを使用した回路Ｓ２００の回路による伝送ロスを、同じ周波数の範囲での第１の実施形態における回路Ｓ１による伝送ロスと比較するために図示している。回路Ｓ１の測定結果はグラフに「Ｓ１」で図示し、回路Ｓ２００の測定結果はグラフに「Ｓ２００」で図示する。なお、図１４から図１６においても、回路Ｓ２００の伝送ロスを比較のために表示している。

図１３に示す第１の実施形態の回路Ｓ１では、コイル間距離０．１ｍにおいて、１３．５６ＭＨｚのときに約−１０．０ｄＢの伝送ロスが測定された。伝送効率は、伝送ロスの測定値を式１に代入して求める。伝送ロスが−１０．０ｄＢのとき、効率ηは１０％として求められる。

伝送ロスの測定結果より、回路Ｓ１の伝送ロスは回路Ｓ２００の伝送ロスと比較して共振周波数である１３．３５ＭＨｚの前後にて低減されることが確認できる。回路Ｓ２００の伝送ロスのグラフは測定された周波数範囲内にてなだらかな曲線となるのに対して、回路Ｓ１の伝送ロスのグラフは、共振周波数前後で回路Ｓ２００のグラフに比べて鋭く立ち上がり、共振周波数にてピークを持っている。ピークにおいて、回路Ｓ１の伝送ロスは回路Ｓ２００の伝送ロスと比較して約４ｄＢ低減されることが確認できる。

第１の実施形態による回路Ｓ１の伝送ロスの測定は、コイル間距離を上述したとおり、０．２５ｍ、０．０５ｍ、０．１０ｍ、０．１５ｍ、０．２０ｍ、０．２５ｍと移動させて順次行う。

なお、１３．５６ＭＨｚは、国際電気通信連合により割り当てられたＩＳＭ（Industry Science Medical）バンドによる周波数であり、本実施形態では、１３．５６ＭＨｚでの使用を前提にした共振回路の時定数を設定している。また、ここで説明する測定は、全て電波暗室内にて行われている。

図１４は、コイル間距離を０．１ｍとしたときの第２の実施形態の伝送ロスを示している。図１４に「Ｓ２」で示す第２の実施形態の回路Ｓ２を用いた場合では、コイル間距離０．１０ｍにおいて、周波数１３．５６ＭＨｚのときに約−４．０ｄＢの伝送ロスが測定された。伝送ロスが−４．０ｄＢのとき、式１から伝送効率ηは約４０％と算出される。回路Ｓ２の伝送ロスは回路Ｓ２００と比較して約９ｄＢ低減される。

図１５は、コイル間距離を０．１ｍとしたときの第３の実施形態の伝送ロスを示している。図１５に「Ｓ３」で示す第３の実施形態の回路Ｓ３を用いた場合では、コイル間距離０．１０ｍにおいて、周波数１３．５６ＭＨｚのときに約−７．０ｄＢの伝送ロスが測定された。伝送ロスが−７．０ｄＢのとき、式１から伝送効率ηは約２０％と算出される。回路Ｓ３の伝送ロスは回路Ｓ２００と比較して約６ｄＢ低減がされる。

図１６は、コイル間距離を０．１ｍとしたときの第４の実施形態の伝送ロスを示している。図１６に「Ｓ４」で示す第４の実施形態の回路Ｓ４を用いた場合では、コイル間距離０．１０ｍにおいて、周波数１３．５６ＭＨｚのときに約−３．７ｄＢの伝送ロスが測定された。伝送ロスが−３．７ｄＢのとき、式１から伝送効率ηは約４２％と算出される。回路Ｓ４の伝送ロスは回路Ｓ２００と比較して約１０ｄＢ低減がされる。

次に、図１７を用いて、第１の実施形態から第３の実施形態においてコイル間距離を変えた場合の伝送効率を説明する。また、図１８を用いて、第４の実施形態においてコイル間距離を変えた場合の伝送効率を説明する。さらに、図１９を用いて、図１７および図１８で示す測定結果の縦軸をＬｏｇ（対数）表記したときの伝送効率を説明する。

図１７は、第１乃至第３の実施形態におけるループコイルの伝送効率を示す図である。図１８は、第４の実施形態におけるループコイルの伝送効率を示す図である。図１９は、第１乃至第４の実施形態におけるループコイルの伝送効率（Ｌｏｇ表記）を示す図である。

図１７および図１８は、図１３から図１６で示した測定方法によって上述したコイル間距離にて伝送ロス（ｓ）をそれぞれ測定し、式１に基づき算出された伝送効率ηをグラフで示したものである。図１７および図１８のグラフの横軸はコイル間距離（ｍ）を示し、縦軸は伝送効率η（％）を示す。

図１７において、グラフの点線は、比較のための回路Ｓ２００を用いた場合の伝送効率（「Ｓ２００」で図示）である。第１の実施形態による回路Ｓ１の伝送効率（「Ｓ１」で図示）と第３の実施形態による回路Ｓ３の伝送効率（「Ｓ３」で図示）は、全てのコイル間距離に対して、回路Ｓ２００の伝送効率に対して伝送効率が向上している。また、回路Ｓ３は回路Ｓ１よりも伝送効率が上回っている。回路Ｓ１と回路Ｓ３は、コイル間距離が０．２５ｍから小さくなるにつれて伝送効率が向上し、コイル間距離が約０．１２ｍより小さくなると急激に伝送効率が上昇する。また、コイル間距離が０．０７〜０．０８ｍ程度の時にグラフに変曲点を持ち、その後コイル間距離が小さくなるとグラフの傾きが徐々になだらかになる。

一方、第２の実施形態による回路Ｓ２の伝送効率（「Ｓ２」で図示）は、コイル間距離が０．２５ｍから小さくなるにつれて回路Ｓ１および回路Ｓ３の伝送効率に比べて大きく向上している。回路Ｓ２の伝送効率はコイル間距離が約０．１２ｍのときに変曲点を持ち、約０．０８ｍのときに最大値を持つ。回路Ｓ２は、コイル間距離がおおよそ０．０７〜０．０８ｍまでは回路Ｓ１又は回路Ｓ３よりも高い伝送効率を示している。

図１８において、第４の実施形態における受電側コイルの回路Ｓ３の回路と送電側コイルの回路Ｓ４の回路を組み合わせた伝送効率（「Ｓ３＋Ｓ４」で図示）は、コイル間距離が約０．０５ｍのときに最大値を有し、コイル間距離がそれより小さくなると伝送効率が低下することを示している。

図１９において、第１の実施形態から第４の実施形態では、コイル間距離によって伝送効率が変わることを示している。また、伝送効率が最も高くなるコイル間距離は、実施形態によって異なることを示している。例えば、コイル間距離が約０．１２ｍより大きい場合には第２の実施形態における伝送効率が他の実施形態に比べて大きくなる。コイル間距離が約０．０５ｍから０．１２ｍまでは、第４の実施形態における伝送効率が最も大きくなる。また、コイル間距離が０．０５ｍより小さい場合には第３の実施形態における伝送効率が最も大きくなる。なお、コイル間距離が約０．０２５ｍより小さい場合には、第３の実施形態における伝送効率とシングルループコイルを用いた回路Ｓ２００の伝送効率の差が小さくなる。以上の結果から、受電装置１と送電装置２のコイル間距離によって最適な実施の形態が異なる場合があることが考察される。
［スパイラルコイルを用いた実施形態］
次に、スパイラルコイルを用いた実施形態について説明する。スパイラルコイルの形状を、図２０および図２１を用いて説明する。図２０は、スパイラルコイルの外観を説明する図である。図２１は、伝送特性を測定する実験装置において、２つのスパイラルコイルを平行に隣接させた状態を説明する図である。

図２０において、スパイラルコイルは巻線として直径１ｍｍのＵＥＷを使用し、巻線間のピッチを１０ｍｍとして、１０回（ターン）スパイラルさせることにより外径を２００ｍｍのスパイラルコイルを形成する。本実施形態において、送電装置２のスパイラルコイルは巻線１本によるシングルスパイラルコイルである。送電装置２のスパイラルコイルは送電側樹脂板に固定される。

一方、受電装置１のスパイラルコイルは、送電装置２のスパイラルコイルと同じＵＥＷを使用し、２本の巻線をバイファイラ巻きによって二重化した二重化スパイラルコイルである。バイファイラ巻きにされた２本の巻線は結合係数ｋ＝０．７７で磁気的に密に結合される。受電装置１のスパイラルコイルは送電装置２と同様に受電側樹脂板に固定される。

図２１に図示した実験装置では、図２０で説明した送電側樹脂板と受電側樹脂板を平行に固定することにより、送電側のスパイラルコイルと受電側スパイラルコイルを平行に固定することができる。また、実験装置は、樹脂板を移動することによってコイル間距離を調整することができる。送電側スパイラルコイルと受電側スパイラルコイルには、図２２から図２４で説明する回路がそれぞれ接続される。

次に、図２２から図２４を用いて、第５の実施形態および第６の実施形態における給電装置の回路を説明する。図２２は、送電装置２、受電装置１ともにシングルスパイラルコイルを用いた場合を示す回路であり、第５の実施形態および第６の実施形態との比較のために説明する。第５の実施形態と第６の実施形態では、受電装置１の回路を二重化スパイラルコイルとする。図２３は、第５の実施形態における受電側回路を示す図である。図２４は、第６の実施形態における受電側回路を示す図である。

図２３および図２４で説明する第５の実施形態と第６の実施形態では、図２０および図２１で説明したバイファイラ巻で形成された二重化スパイラルコイルを使用する。

図２２において、送電装置２は、電源ｅ、キャパシタＣ１０１、およびインダクタＬ１０１を備える。キャパシタＣ１０１およびインダクタＬ１０１は直列共振回路を形成する。受電装置１は、インダクタＬ２０１、キャパシタＣ２０１およびレジスタＲ２を備える。インダクタＬ２０１およびキャパシタＣ２０１は直列共振回路を形成する。

電源ｅはＴＧによって出力周波数を変更することができる。キャパシタＣ１０１およびキャパシタＣ２０１は、例えば３２０ｐＦのコンデンサを使用する。

レジスタＲ２は、図２２図示上端がキャパシタＣ２０１に接続され、図示下端は接地される。レジスタＲ２は、例えば５０Ωの抵抗を使用する。

図２２の点線で囲った部分は受電装置１の回路Ｓ２０１を示す。図２３および図２４で説明する第５の実施形態と第６の実施形態においては、点線で示す回路Ｓ２０１の代わりに、回路Ｓ５および回路Ｓ６の回路を使用する。

図２３において、第５の実施形態における回路Ｓ５は、二重化スパイラルコイルを用いている点以外は、図６で説明した第１の実施形態の回路Ｓ１と同様の回路である。回路Ｓ５は、第１の受電コイルとしてインダクタＬ５１、キャパシタＣ５１、第２の受電コイルとしてインダクタＬ５２、およびキャパシタＣ５２を備える。回路Ｓ５において、インダクタＬ５１とインダクタＬ５２は図２３に図示する極性の向きにおいて、バイファイラ巻で二重化スパイラルコイルを形成する。第５の実施形態では、インダクタＬ５１とインダクタＬ５２は結合係数ｋ＝０．７７で磁気的に密に結合されている。

インダクタＬ５１とキャパシタＣ５１は並列共振回路を形成している。また、インダクタＬ５２とキャパシタＣ５２は直列共振回路を形成している。インダクタＬ５１とキャパシタＣ５１は、図２３図示下端を接地して、図示上端をインダクタＬ５２の図示左端に接続する。キャパシタＣ５１およびキャパシタＣ５２は、例えば３２０ｐＦのコンデンサを使用する。

図２４において、第６の実施形態における回路Ｓ６は、図７で説明した第２の実施形態の回路Ｓ２と回路図上は同じ構成を有する。回路Ｓ６は、第１の受電コイルとしてインダクタＬ６１、第２の受電コイルとしてインダクタＬ６２、およびキャパシタＣ６１を備える。回路Ｓ６において、インダクタＬ６１とインダクタＬ６２は図２４に図示する極性の向きにおいて、バイファイラ巻で二重化スパイラルコイルを形成する。インダクタＬ６１は、図２４図示下側の端点を接地して、図示上側の端点を開放することにより無負荷状態となる。第６の実施形態では、インダクタＬ６１とインダクタＬ６２は結合係数ｋ＝０．７７で磁気的に密に結合されている。

インダクタＬ６２とキャパシタＣ６１は並列共振回路を形成する。インダクタＬ６２とキャパシタＣ６１は、図２４図示下端を開放して、図示上端を抵抗Ｒ２に接続する。キャパシタＣ６１は、例えば３２０ｐＦのコンデンサを使用する。

次に、図２５および図２６を用いて、スペアナの表示から伝送ロスを測定する方法を説明する。図２５は、第５の実施形態におけるコイル間距離０．１０ｍでの伝送ロスを示す図である。図２６は、第５の実施形態におけるコイル間距離０．２０ｍでの伝送ロスを示す図である。

図２５に示す第５の実施形態の回路Ｓ５では、コイル間距離０．１０ｍにおいて、周波数１３．５６ＭＨｚのときに約−０．９ｄＢの伝送ロスが測定された。伝送ロスが−０．９ｄＢのとき、式１から伝送効率ηは約８１％と算出される。回路Ｓ５の伝送ロスは回路Ｓ２０１の伝送ロスと比較して約３．６ｄＢ低減される。

図２６に示す例では、コイル間距離０．２０ｍにおいて、周波数１３．５６ＭＨｚのときに約−１０ｄＢの伝送ロスが測定された。伝送ロスが−１０ｄＢのとき、式１から伝送効率ηは約１０％と算出される。回路Ｓ５の伝送ロスは回路Ｓ２０１の伝送ロスと比較して約６．０ｄＢ低減される。

次に、図２７および図２８を用いて、第５の実施形態および第６の実施形態においてコイル間距離を変えた場合の測定結果を説明する。

図２７は、第５の実施形態および第６の実施形態におけるスパイラルコイルの伝送効率および共振周波数の変化を示す図である。

図２７は、第５の実施形態および第６の実施形態において、コイル間距離を０．０５ｍ、０．１０ｍ、０．２０ｍ、および０．４０ｍとしてそれぞれ伝送ロスを測定し、式１に基づき算出した伝送効率を示したものである。図２７の横軸はコイル間距離（ｍ）を示し、左縦軸は伝送効率η（％）を示す。また、図２７の右縦軸は、共振周波数の変化Δｆ（％）を示す。図２７の上部に図示するグラフが共振周波数変化を示し、下部に図示するグラフが伝送効率を示す。共振周波数の変化は、コイル間距離が無限大のとき、すなわち送電コイルと受電コイルとの相互インダクタンスが０のときを基準（周波数変化０％）にして、コイル間距離ｄを近づけたときの共振周波数の変化を測定している。

図２７において、「Ｓ２０１」で示すグラフは、比較のための回路Ｓ２０１の伝送効率である。「Ｓ５」で示す第５の実施形態における伝送効率は、コイル間距離が約０．０９ｍにて約８２％の効率となりピークを示し、コイル間距離が約０．０９ｍより小さくなると低下する。「Ｓ６」で示す第６の実施形態における伝送効率は、コイル間距離が約０．１０ｍにて約４２％の効率となりピークを示し、コイル間距離が約０．１０ｍより小さくなると低下する。

ここで、回路Ｓ５、回路Ｓ６の伝送効率を比較すると、コイル間距離がおおよそ０．１６ｍより大きいときは、回路Ｓ６の伝送効率が回路Ｓ２０１および回路Ｓ５より高くなる。コイル間距離がおおよそ０．０７ｍ〜０．１６ｍのときは、回路Ｓ５の伝送効率が回路Ｓ２０１および回路Ｓ６より高くなる。さらに、コイル間距離がおおよそ０．０７ｍより小さいときは、回路Ｓ２０１の伝送効率が回路Ｓ５および回路Ｓ６より高くなる。

共振周波数の変化Δｆは、コイル間距離が約０．１ｍより小さくなると大きくなり、回路Ｓ６の変化より回路Ｓ５および回路Ｓ２０１の方が共振周波数の変化が大きい。

図２８は、図２７で示した第５の実施形態および第６の実施形態におけるスパイラルコイルの伝送効率をＬｏｇ表記で示す図である。

図２８において、コイル間距離が０．２ｍより大きくなるときには、伝送効率は回路Ｓ６、回路Ｓ５、回路Ｓ２０１の順で高くなる。

以上、第１の実施形態から第６の実施形態において、受電装置１における受電コイルの二重化について説明した。この中で、第４の実施形態は、送電装置２においても送電コイルを二重化した。上記の実施形態の二重化コイルは、送電装置２における送電コイルにおいても適用が可能である。

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 受電装置
２ 送電装置
１１、１２、２１、２２ コイル
３１ 受電コイル
４１ 送電コイル

Claims (7)

1. 第１の受電コイルと、
   前記第１の受電コイルの巻線と平行に隣接させる巻線を有する第２の受電コイルと
   を備え、送電装置から無線給電を受ける無線受電装置。
2. 前記第１の受電コイルの巻線と前記第２の受電コイルの巻線とはバイファイラ巻きにされている、請求項１に記載の無線受電装置。
3. 前記第１の受電コイルと前記第２の受電コイルとが重ね合わせられている、請求項１に記載の無線受電装置。
4. 前記第１の受電コイルと前記第２の受電コイルは磁気的に密に結合される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の無線受電装置。
5. 前記第１の受電コイルと並列共振回路を構成する第１のコンデンサと、前記第２の受電コイルと直列共振回路を構成する第２のコンデンサとを更に備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の無線受電装置。
6. 前記第１の受電コイルは無負荷状態である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の無線受電装置。
7. 第１の送電コイルと、
   前記第１の送電コイルの巻線と平行に隣接させる巻線を有する第２の送電コイルと
   を備え、受電装置に無線給電を行う無線送電装置。