JP2016019337A - 送電装置、受電装置、及び電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送電コイルと受電コイルとの間の位置ずれによる電力伝送効率の低下を抑制する送電装置、受電装置、及び電力伝送装置を提供する。
【解決手段】一実施形態に係る電力伝送装置は、送電装置と受電装置とを備える。送電（受電）装置は、送電（受電）筐体と、送電（受電）コイルとを備える。送電（受電）筐体は、第１送電（受電）面及び第２送電（受電）面を有する。送電（受電）コイルは、第１送電部（受電）及び第２送電（受電）部を有する。電力伝送時における受電コイルの送電コイルに対する基準位置は、第１（第２）受電部と第１（第２）送電部とが対向するように設定される。基準位置における第１対向面積と第２対向面積とは、第１送電面に垂直な方向に受電装置を移動させた場合の磁気的な結合の強さの変化が、第２送電面に垂直な方向に受電装置を移動させた場合の磁気的な結合の強さの変化よりも小さくなるように設定される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、送電装置、受電装置、及び電力伝送装置に関する。

近年、電磁誘導方式や磁界共鳴方式等を利用して、非接触で送電装置から受電装置に電力を伝送する電力伝送装置が普及している。これらの電力伝送装置では、電力伝送効率は、送電コイルと受電コイルとの間の距離や位置関係に依存して変化する。このため、電力を伝送する際に、送電コイルと受電コイルとの間に位置ずれが生じると、電力伝送効率が低下するという問題があった。

特開２０１３−０８５３５０号公報

送電コイルと受電コイルとの間の位置ずれによる電力伝送効率の低下を抑制する送電装置、受電装置、及び電力伝送装置を提供する。

一実施形態に係る電力伝送装置は、送電装置と、受電装置とを備える。送電装置は、送電筐体と、送電コイルとを備える。送電筐体は、第１送電面及び第１送電面に対して傾斜した第２送電面を有する。送電コイルは、送電筐体内の第１送電面側に配置された第１送電部及び送電筐体内の第２送電面側に配置された第２送電部を有する。受電装置は、受電筐体と、受電コイルとを備える。受電筐体は、第１受電面及び第１受電面に対して傾斜した第２受電面を有する。受電コイルは、受電筐体内の第１受電面側に配置された第１受電部及び受電筐体内の第２受電面側に配置された第２受電部を有する。電力伝送時における受電コイルの送電コイルに対する基準位置は、第１受電部と第１送電部とが対向し、第２受電部と第２送電部とが対向するように設定される。基準位置における第１受電部と第１送電部との第１対向面積と、基準位置における第２受電部と第２送電部との第２対向面積とは、第１送電面に垂直な方向に受電装置を移動させた場合の送電コイルと前記受電コイルとの磁気的な結合の強さの変化が、第２送電面に垂直な方向に受電装置を移動させた場合の送電コイルと受電コイルとの磁気的な結合の強さの変化よりも小さくなるように設定される。

一実施形態に係る電力伝送装置の概略構成を示す斜視図。 送電装置の回路構成を示す図。 （ａ）は送電コイルの一例を示す斜視図、（ｂ）は送電装置のＸＺ平面断面図。 （ａ）は送電コイルの一例を示す斜視図、（ｂ）は送電装置のＸＺ平面断面図。 （ａ）は送電コイルの一例を示す斜視図、（ｂ）は送電装置のＸＺ平面断面図。 （ａ）は送電コイルの一例を示す斜視図、（ｂ）は送電装置のＸＺ平面断面図。 受電装置の回路構成を示す図。 （ａ）は受電コイルの一例を示す斜視図、（ｂ）は受電装置のＸＺ平面断面図。 （ａ）は受電コイルの一例を示す斜視図、（ｂ）は受電装置のＸＺ平面断面図。 （ａ）は受電コイルの一例を示す斜視図、（ｂ）は受電装置のＸＺ平面断面図。 （ａ）は受電コイルの一例を示す斜視図、（ｂ）は受電装置のＸＺ平面断面図。 電力伝送時における電力伝送装置の概略構成を示す斜視図。 図１２の電力伝送装置のＸＺ平面断面図。 受電コイルの配置がそれぞれ異なる受電装置のＸＺ平面断面図。 図１４の受電装置を有する電力伝送装置の相互インダクタンスを示すグラフ。 受電コイルの位置ずれを説明する電力伝送装置のＸＺ平面断面図。 図１６の電力伝送装置の相互インダクタンスを示すグラフ。 対向面積を説明する送電コイル及び受電コイルの概略斜視図。 対向面積を説明する送電コイル及び受電コイルの概略斜視図。 対向面積を説明する送電コイル及び受電コイルの概略斜視図。 相互インダクタンス及び抑制範囲の設定方法を説明する電力伝送装置のＸＺ平面断面図。 図２１の電力伝送装置の相互インダクタンスを示すグラフ。 図２２の相互インダクタンスの変動幅を示す表。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（電力伝送装置の構成）
一実施形態に係る送電装置、受電装置、及び電力伝送装置の構成について、図１〜図２３を参照して説明する。本実施形態に係る電力伝送装置は、磁界共鳴方式や電磁誘導方式を利用して、送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する。図１は、本実施形態に係る電力伝送装置の概略構成を示す斜視図である。以下では、図１の斜視図における横方向をＸ方向、奥行き方向をＹ方向、縦方向をＺ方向とする。図１に示すように、この電力伝送装置は、送電装置１０と受電装置２０とを備える。

（送電装置の構成）
まず、送電装置１０の構成について説明する。送電装置１０は、受電装置２０に非接触で電力を送電する。ここで、図２は、送電装置１０の回路構成を示す図である。図１及び図２に示すように、送電装置１０は、送電筐体１１と、交流電源１２と、コンデンサ１３と、送電コイル１４と、を備える。

送電筐体１１は、送電装置１０の本体である。送電筐体１１は、第１送電面１５と、第１送電面１５に対して傾斜した第２送電面１６とを有する。第１送電面１５及び第２送電面１６は、いずれも筐体１１の表面であり、一辺を共有して交差している。図１において、第２送電面１６は、第１送電面１５に対して直交しているが、これに限られず、第１送電面１５に対して任意の角度で交差させることができる。受電装置２０への送電の際、受電装置２０は、第１送電面１５及び第２送電面１６の少なくとも一方に載置される。

交流電源１２は、所定の周波数の電力を発生させ、コンデンサ１３及び送電コイル１４に供給する。交流電源１２は、送電筐体１１の内部又は外部に設けられる。交流電源１２は、発振回路と、電力増幅回路とを備える。交流電源１２は、送電筐体１１の外部に設けられた直流電源から直流電力を供給され、発振回路により所望の周波数の交流電力を発生させる。そして、発生させた交流電力を電力増幅回路によって増幅し、コンデンサ１３及び送電コイル１４に供給する。なお、交流電源１２は、スイッチング電源であってもよい。

コンデンサ１３は、送電筐体１１の内側に配置され、送電コイル１４とともに共振回路を形成する。この共振回路の共振周波数は、交流電源１２の周波数と略一致する。図２において、コンデンサ１３は、送電コイル１４と直列に接続され、直列共振回路を構成しているが、送電コイル１４と並列に接続され、並列共振回路を構成してもよい。また、コンデンサ１３として、容量素子が用いられてもよいし、送電コイル１４の線間容量等が用いられてもよい。

送電コイル１４は、送電筐体１１の内側に配置され、コンデンサ１３とともに共振回路を形成する平面コイルである。送電コイル１４は、銅線、アルミ線、リッツ線などからなる平面コイルであってもよいし、リジッド又はフレキシブルなプリント基板の表面に形成されたプリントコイルであってもよい。いずれの場合も、送電コイル１４は、第１送電部１７と、第２送電部１８とを備える。

第１送電部１７は、送電コイル１４のうち、送電筐体１１内の第１送電面１５側に配置された送電コイル１４の部分のことである。送電筐体１１内の第１送電面１５側に配置された送電コイル１４の部分とは、送電筐体１１の第１送電面１５上に正投影図が形成される送電コイル１４の部分のことをいう。ここでいう正投影図とは、第１送電面１５に対して垂直な方向から投影した送電コイル１４の投影図のことである。

送電コイル１４の第１送電部１７は、送電筐体１１の第１送電面１５を介して、受電装置２０に送電する。したがって、第１送電部１７の送電方向は、第１送電部１７から第１送電面１５へ向かう方向となる。

第２送電部１８は、送電コイル１４のうち、送電筐体１１内の第２送電面１６側に配置された送電コイル１４の部分のことである。送電筐体１１内の第２送電面１６側に配置された送電コイル１４の部分とは、送電筐体１１の第２送電面１６上に正投影図が形成される送電コイル１４の部分のことをいう。ここでいう正投影図とは、第２送電面１６に対して垂直な方向から投影した送電コイル１４の投影図のことである。

送電コイル１４の第２送電部１８は、送電筐体１１の第２送電面１６を介して、受電装置２０に送電する。したがって、第２送電部１８の送電方向は、第２送電部１８から第２送電面１６へ向かう方向となる。

ここで、図３（ａ）は、送電コイル１４の一例を示す斜視図である。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）の送電コイル１４を備える送電装置１０のＸＺ平面断面図である。図３（ａ）の送電コイル１４は、送電方向における磁場の位相が一致するように、電気的に接続された２つの平面コイル１４ａ，１４ｂにより形成される。

平面コイル１４ａは、図３（ｂ）に示すように、送電筐体１１の第１送電面１５側に配置されている。すなわち、平面コイル１４ａは、正投影図が第１送電面１５上に形成される。したがって、この送電コイル１４において、第１送電部１７は、平面コイル１４ａである。図３（ｂ）において、矢印Ａ_１は、第１送電部１７の送電方向を示す。

平面コイル１４ｂは、図３（ｂ）に示すように、送電筐体１１の第２送電面１６側に配置されている。すなわち、平面コイル１４ｂは、正投影図が第２送電面１６上に形成される。したがって、この送電コイル１４において、第２送電部１８は、平面コイル１４ｂである。図３（ｂ）において、矢印Ａ_２は、第２送電部１８の送電方向を示す。

平面コイル１４ａ，１４ｂは、図３（ｂ）に示すように、第１送電部１７と第２送電部１８とが直行するように配置されているが、これに限られず、第１送電部１７と第２送電部１８とが任意の角度で交差するように配置することができる。

なお、平面コイル１４ａは、送電筐体１１の第１送電面１５側に配置されない部分を含んでもよい。この場合、平面コイル１４ａのうち、送電筐体１１の第１送電面１５側に配置された部分が第１送電部１７となる。同様に、平面コイル１４ｂは、送電筐体１１の第２送電面１６側に配置されない部分を含んでもよい。この場合、平面コイル１４ｂのうち、送電筐体１１の第２送電面１６側に配置された部分が第２送電部１８となる。

図４（ａ）は、送電コイル１４の他の例を示す斜視図である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）の送電コイル１４を備える送電装置１０のＸＺ平面断面図である。図４（ａ）の送電コイル１４は、１つの屈曲した平面コイルにより形成される。

この送電コイル１４では、図４（ｂ）に示すように、屈曲した送電コイル１４の折れ線の一方側の面の一部が第１送電部１７となり、他方側の面の一部が第２送電部１８となる。図４（ｂ）において、第１送電部１７及び第２送電部１８は、太線により示されている。

図５（ａ）は、送電コイル１４の他の例を示す斜視図である。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）の送電コイル１４を備える送電装置１０のＸＺ平面断面図である。図５（ａ）の送電コイル１４は、１つの湾曲した平面コイルにより形成される。

この送電コイル１４では、図５（ｂ）に示すように、湾曲した送電コイル１４の一部が第１送電部１７となり、他の一部が第２送電部１８となる。図５（ｂ）において、第１送電部１７及び第２送電部１８は、太線により示されている。

図６（ａ）は、送電コイル１４の他の例を示す斜視図である。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）の送電コイル１４を備える送電装置１０のＸＺ平面断面図である。図６（ａ）の送電コイル１４は、１つの平板状の平面コイルにより形成される。

この送電コイル１４では、図６（ｂ）に示すように、平板状の送電コイル１４の一部が第１送電部１７となり、他の一部が第２送電部１８となる。図６（ｂ）において、第１送電部１７及び第２送電部１８は、太線により示されている。

（受電装置の構成）
次に、受電装置２０の構成について説明する。受電装置２０は、送電装置１０から非接触で電力を受電する。ここで、図７は、受電装置２０の回路構成を示す図である。図１及び図７に示すように、受電装置２０は、受電筐体２１と、コンデンサ２２と、受電コイル２３と、整流回路２４と、負荷回路２５と、を備える。

受電筐体２１は、受電装置２０の本体である。受電筐体２１は、第１受電面２６と、第１受電面２６に対して傾斜した第２受電面２７とを有する。第１受電面２６及び第２受電面２７は、いずれも筐体２１の表面であり、一辺を共有して交差している。図１において、第２受電面２７は、第１受電面２６に対して直交しているが、これに限られず、第１受電面２６に対して任意の角度で交差させることができる。送電装置１０からの受電の際、受電装置２０は、第１送電面１５及び第２送電面１６の少なくとも一方に載置される。この際、受電装置２０は、第１受電面２６が送電装置１０の第１送電面１５と対向し、第２受電面２７が送電装置１０の第２送電面１６と対向するように配置される。

コンデンサ２は、受電筐体２１の内側に配置され、受電コイル２３とともに共振回路を形成する。この共振回路の共振周波数は、送電装置１０の共振回路の周波数と略一致する。図７において、コンデンサ２２は、受電コイル２３と直列に接続され、直列共振回路を構成しているが、受電コイル２３と並列に接続され、並列共振回路を構成してもよい。また、コンデンサ２２として、容量素子が用いられてもよいし、受電コイル２３の線間容量等が用いられてもよい。

受電コイル２３は、受電筐体２１の内側に配置され、コンデンサ２２とともに共振回路を形成する平面コイルである。受電コイル２３は、銅線、アルミ線、リッツ線などからなる平面コイルであってもよいし、リジッド又はフレキシブルなプリント基板の表面に形成されたプリントコイルであってもよい。いずれの場合も、受電コイル２３は、第１受電部２８と、第２受電部２９とを備える。

第１受電部２８は、受電コイル２３のうち、受電筐体２１内の第１受電面２６側に配置された受電コイル２３の部分のことである。受電筐体２１内の第１受電面２６側に配置された受電コイル２３の部分とは、受電筐体２１の第１受電面２６上に正投影図が形成される受電コイル２３の部分のことをいう。ここでいう正投影図とは、第１受電面２６に対して垂直な方向から投影した受電コイル２３の投影図のことである。

受電コイル２３の第１受電部２８は、受電筐体２１の第１受電面２６を介して、送電装置１０から受電する。したがって、第１受電部２８の受電方向は、第１受電面２６から第１受電部２８へ向かう方向となる。

第２受電部２９は、受電コイル２３のうち、受電筐体２１内の第１受電面２７側に配置された受電コイル２３の部分のことである。受電筐体２１内の第２受電面２７側に配置された受電コイル２３の部分とは、受電筐体２１の第２受電面２７上に正投影図が形成される受電コイル２３の部分のことをいう。ここでいう正投影図とは、第２受電面２７に対して垂直な方向から投影した受電コイル２３の投影図のことである。

受電コイル２３の第２受電部２９は、受電筐体２１の第２受電面２７を介して、送電装置１０から受電する。したがって、第２受電部２９の受電方向は、第２受電面２７から第２受電部２９へ向かう方向となる。

ここで、図８（ａ）は、受電コイル２３の一例を示す斜視図である。また、図８（ｂ）は、図８（ａ）の受電コイル２３を備える受電装置２０のＸＺ平面断面図である。図８（ａ）の受電コイル２３は、受電方向における磁場の位相が一致するように、電気的に接続された２つの平面コイル２３ａ，２３ｂにより形成される。

平面コイル２３ａは、図８（ｂ）に示すように、受電筐体２１の第１受電面２６側に配置されている。すなわち、平面コイル２３ａは、正投影図が第１受電面２６上に形成される。したがって、この受電コイル２３において、第１受電部２８は、平面コイル２３ａである。図８（ｂ）において、矢印Ｂ_１は、第１受電部２８の受電方向を示す。

平面コイル２３ｂは、図８（ｂ）に示すように、受電筐体２１の第２受電面２７側に配置されている。すなわち、平面コイル２３ｂは、正投影図が第２受電面２７上に形成される。したがって、この受電コイル２３において、第２受電部２９は、平面コイル２３ｂである。図８（ｂ）において、矢印Ｂ_２は、第２受電部２９の送電方向を示す。

平面コイル２３ａ，２３ｂは、図８（ｂ）に示すように、第１受電部２８と第２受電部２９とが直行するように配置されているが、これに限られず、第１受電部２８と第２受電部２９とが任意の角度で交差するように配置することができる。

図９（ａ）は、受電コイル２３の他の例を示す斜視図である。また、図９（ｂ）は、図９（ａ）の受電コイル２３を備える受電装置２０のＸＺ平面断面図である。図９（ａ）の受電コイル２３は、１つの屈曲した平面コイルにより形成される。

この受電コイル２３では、図９（ｂ）に示すように、屈曲した受電コイル２３の折れ線の一方側の面が第１受電部２８となり、他方側の面が第２受電部２９となる。

図１０（ａ）は、受電コイル２３の他の例を示す斜視図である。また、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の受電コイル２３を備える受電装置２０のＸＺ平面断面図である。図１０（ａ）の受電コイル２３は、１つの湾曲した平面コイルにより形成される。

この受電コイル２３では、図１０（ｂ）に示すように、湾曲した受電コイル２３の全体が、第１受電部２８及び第２受電部２９となる。すなわち、第１受電部２８及び第２受電部２９は一致する。

図１１（ａ）は、受電コイル２３の他の例を示す斜視図である。また、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の受電コイル２３を備える受電装置２０のＸＺ平面断面図である。図１１（ａ）の受電コイル２３は、１つの平板状の平面コイルにより形成される。

この受電コイル２３では、図１１（ｂ）に示すように、平板状の受電コイル２３の全体が、第１受電部２８及び第２受電部２９となる。すなわち、第１受電部２８及び第２受電部２９は一致する。

整流回路２４は、コンデンサ２２と受電コイル２３とからなる共振回路を介して受電した交流電力を直流に変換する。整流回路２４は、インバータ回路により構成することができる。

負荷回路２５は、受電装置２０が備える電子機器の回路である。整流回路２４により整流された直流電力は、負荷回路２５の動作や、電子機器が内蔵するバッテリの充電に利用される。負荷回路２５が交流電力で動作可能な場合には、受電装置２０は、整流回路２４を備えない構成も可能である。

（電力伝送装置の動作）
次に、本実施形態に係る電力伝送装置の動作について、図１２〜図２３を参照して説明する。図１２は、電力伝送時の電力伝送装置を示す斜視図である。また、図１３は、図１２のＸＺ平面断面図である。

以下の説明において、送電装置１０は、２つの平面コイル１４ａ，１４ｂからなる送電コイル１４を備え、受電装置２０は、１つの屈曲した平面コイルからなる受電コイル２３を備えるものとする。しかしながら、送電コイル１４及び受電コイル２３の組合せはこれに限られず、送電コイル１４及び受電コイル２３の上述の各形状の中から、任意の組合せを選択することができる。

この電力伝送装置では、図１２に示すように、受電装置２０が送電装置１０上の基準位置に配置された状態で、電力伝送が行われる。基準位置とは、電力伝送時における受電コイル２３の送電コイル１４に対する位置として、予め定められた位置のことである。

基準位置は、送電コイル１４の第１送電部１７と受電コイル２３の第１受電部２８とが対向するように設定される。すなわち、送電筐体１１の第１送電面１５と受電筐体２１の第１受電面２６とが対向するように設定される。このため、受電装置２０を基準位置に配置すると、第１送電部１７から第１受電部２８への電力伝送が可能となる。

基準位置は、図１３に示すように、送電筐体１１の第１送電面１５と受電筐体２１の第１受電面２６とが接するように設定されるのが好ましい。例えば、基準位置は、第１送電部１７と第１受電部２８の距離と第２送電部１８と第２受電部２９の距離の合計が最小となるように設定される。これにより、第１送電部１７と第１受電部２８との間の距離を小さくし、第１送電部１７と第１受電部２８との間の電力伝送効率を向上させることができる。

また、基準位置は、送電コイル１４の第２送電部１８と受電コイル２３の第２受電部２９とが対向するように設定される。すなわち、送電筐体１１の第２送電面１６と受電筐体２１の第２受電面２７とが対向するように設定される。このため、受電装置２０を基準位置に配置すると、第２送電部１８から第２受電部２９への電力伝送が可能となる。

基準位置は、図１３に示すように、送電筐体１１の第２送電面１６と受電筐体２１の第２受電面２７とが接するように設定されるのが好ましい。これにより、第２送電部１８と第２受電部２９との間の距離を小さくし、第２送電部１８と第２受電部２９との間の電力伝送効率を向上させることができる。

電力を伝送する場合、受電コイル２３が基準位置に配置されるように、受電装置２０を送電装置１０上で配置する。この状態で、送電装置１０の交流電源１２が、コンデンサ１３及び送電コイル１４からなる共振回路に交流電力を供給すると、送電コイル１４は、交流磁界を発生させる。

受電コイル２３は、この交流磁界を介して送電コイル１４と磁気的に結合し、コンデンサ２２と受電コイル２３とからなる受電装置２０の共振回路に交流電流が流れる。受電装置２０の整流回路２４は、共振回路に流れる交流電流を直流電流に変換し、変換された直流電流が負荷回路２５に供給される。こうして、送電装置１０から受電装置２０への電力伝送が実現される。

この電力伝送装置では、送電装置１０上に配置された受電装置２０の位置ずれや、送電装置１０及び受電装置２０の設計誤差が原因となり、電力伝送の際に、受電コイル２３が基準位置に対してずれた位置に配置される恐れがある。しかしながら、この電力伝送装置は、このような受電コイル２３の位置ずれが生じた場合であっても、電力伝送効率の低下を抑制することができる。以下でその理由について説明する。

ここで、図１４に示すように、受電装置２０の受電筐体２１内における受電コイル２３の位置が異なる５つのＣａｓｅについて考える。図１４の各Ｃａｓｅでは、受電装置２０内において受電コイル２３が配置される位置が異なっている。このため、各Ｃａｓｅの受電装置２０を送電装置１０上の同一の位置に配置すると、送電コイル１４に対する受電コイル２３の位置が各Ｃａｓｅで異なった位置となる。これは、受電装置２０の設計誤差により、受電コイル２３の位置ずれが生じる場合を想定している。例えば、Ｃａｓｅ３における送電コイル１４に対する受電コイル２３の位置が基準位置であるとすると、Ｃａｓｅ１，２，４，５では、受電コイル２３の位置ずれが生じる。

図１４の各Ｃａｓｅにおいて、第１受電面２６と第１受電部２８との間の距離を第１距離、第２受電面２７と第２受電部２９との間の距離を第２距離とすると、Ｃａｓｅ１では、第１距離が１０ｍｍであり、第２距離が１０ｍｍである。Ｃａｓｅ２では、第１距離が１０ｍｍであり、第２距離が１５ｍｍである。Ｃａｓｅ３では、第１距離が２０ｍｍであり、第２距離が２０ｍｍである。Ｃａｓｅ４では、第１距離が２０ｍｍであり、第２距離が２５ｍｍである。Ｃａｓｅ５では、第１距離が２０ｍｍであり、第２距離が３０ｍｍである。

図１５は、各Ｃａｓｅにおける送電コイル１４と受電コイル２３との間の相互インダクタンス（μＨ）を示すグラフである。相互インダクタンスは、送電コイル１４と受電コイル２３との間の磁気的な結合の強さを示すパラメータである。なお、相互インダクタンスの代わりに結合係数ｋを用いても、以下と同様の議論が成り立つ。

図１５では、送電装置１０と受電装置２０との間の相互インダクタンスＭと、第１送電部１７と第１受電部２８との間の相互インダクタンスＭ１３と、第２送電部１８と第２受電部２９との間の相互インダクタンスＭ２３と、相互インダクタンスＭ１３，Ｍ２３の合計値Ｍ１３＋Ｍ２３が示されている。

相互インダクタンスＭ１３，Ｍ２３は、便宜的に、送電コイル１４の平面コイル１４ａ，１４ｂを分離して計測した値である。これは、平面コイル１４ａ，１４ｂが接続された状態で計測すると、平面コイル１４ａ，１４ｂが発生させる磁場が互いに干渉し、個々の相互インダクタンスを計測できないためである。すなわち、相互インダクタンスＭ１３は、平面コイル１４ｂが磁場を発生させない状態で計測した、平面コイル１４ａと第１受電部２８との間の相互インダクタンスである。また、相互インダクタンスＭ２３は、平面コイル１４ａが磁場を発生させない状態で計測した、平面コイル１４ｂと第２受電部２９との間の相互インダクタンスである。

図１５によれば、送電コイル１４と受電コイル２３との間の相互インダクタンスＭは、相互インダクタンスＭ１３＋Ｍ２３と略等しい（Ｍ≒Ｍ１３＋Ｍ２３）。これは、相互インダクタンスＭは、相互インダクタンスＭ１３と相互インダクタンスＭ２３との和であることを示している。

また、図１５によれば、相互インダクタンスＭは、受電コイル２３の位置ずれに応じた変化が小さく、いずれのＣａｓｅでも略同様の値である。これは、図１５に示すように、相互インダクタンスＭ１３が大きく（小さく）なると、相互インダクタンスＭ２３が小さく（大きく）なるためであると考えられる。

このように、本実施形態に係る電力伝送装置では、第１送電部１７（平面コイル１４ａ）と第１受電部２８との間の磁気的な結合と、第２送電部１８（平面コイル１４ｂ）と第２受電部２９との間の磁気的な結合と、がそれぞれ形成されることにより、受電コイル２３の位置ずれが発生した場合であっても、送電コイル１４と受電コイル２３との間の相互インダクタンスＭの変化が抑制される。

電力伝送装置の電力伝送効率は、送電コイル１４と受電コイル２３との間の磁気的な結合の強さに依存するため、相互インダクタンスＭの変化が抑制されると、電力伝送効率の変化も抑制される。したがって、この電力伝送装置では、受電コイル２３の位置ずれが生じた場合であっても、電力伝送効率の低下を抑制することができる。

ここで、受電コイル２３の位置ずれと相互インダクタンスＭとの関係についてさらに詳細に説明する。以下では、所定方向における受電コイル２３の位置ずれの大きさ（距離）と、相互インダクタンスＭとの関係について説明する。

図１６は、電力伝送装置のＸＺ平面断面図である。図１６では、第１送電部１７、第２送電部１８、第１受電部２８、及び第２受電部２９のみが示されており、電力伝送装置の他の構成は省略されている。図１６のＸＺ平面は、Ｘ軸が第２送電部１８を通り、Ｚ軸が第１送電部１７を通るように設定されている。また、図１６において、受電コイル２３の基準位置は（２０，２０）であり、第１受電部２８のＺ方向の大きさは５０ｍｍ、第２受電部２９のＸ方向の大きさは５０ｍｍ、第１受電部２８及び第２受電部２９のＹ方向の大きさは同一である。

以下の説明において、受電コイル２３の位置は、第１受電部２８と第２受電部２９との交点ＰのＸＺ座標（Ｘ，Ｚ）で表すものとする。また、受電コイル２３の位置ずれの大きさ、すなわち、基準位置から点Ｐまでの距離を、位置ずれ距離という。

図１７は、図１６の受電コイル２３を、Ｘ方向の位置を一定（２０ｍｍ）としたまま、Ｚ方向の位置を２０ｍｍから６０ｍｍまでずらした際の相互インダクタンスを示すグラフである。図１７において、縦軸は相互インダクタンス、横軸は受電コイル２３の位置を示す。上述の通り、相互インダクタンスＭはＭ１３＋Ｍ２３と略等しいため、以下では、Ｍ１３＋Ｍ２３を相互インダクタンスＭと称する。

図１６に示すように、受電コイル２３の位置ずれ距離が大きくなると、第２送電部１８と第２受電部２９との間の距離が大きくなる。このため、第２送電部１８と第２受電部２９との間の相互インダクタンスＭ２３は、図１７に示すように、位置ずれの大きくなるほど低下する。

これに対して、第１送電部１７と第１受電部２８との間の相互インダクタンス１３は、図１７に示すように、基準位置（Ｚ＝２０ｍｍ）から所定の範囲（Ｚ≦４０ｍｍ）では、相互インダクタンスＭ２３の低下を補うように上昇し、その後、低下する。相互インダクタンスＭ１３が最大となる位置ずれ距離を、最大位置ずれ距離という。

このため、相互インダクタンスＭ１３，Ｍ２３の和である相互インダクタンスＭは、図１７に示すように、基準位置から最大位置ずれ距離までの範囲において、変化を抑制される。相互インダクタンスＭの変化が抑制される範囲を以下では抑制範囲と称する。すなわち、抑制範囲とは、位置ずれ距離が０である基準位置から、最大位置ずれ距離までの範囲である。図１７の場合、抑制範囲は、位置ずれ距離が０ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲となる。受電コイル２３がこの抑制範囲内に配置された場合、相互インダクタンスＭの変化が抑制されるため、電力伝送効率の低下が抑制される。したがって、効率的に電力伝送を行うことができる。

相互インダクタンスＭ及び抑制範囲は、第１送電部１７と第１受電部２８との対向面積（第１対向面積）Ｓ_１と、第２送電部１８と第２受電部２９との対向面積（第２対向面積）Ｓ_２と、に応じて変化する。したがって、対向面積Ｓ_１，Ｓ_２を調整することにより、相互インダクタンスＭ及び抑制範囲を所望の値に設定することができる。

対向面積Ｓ_１とは、基準位置において第１送電部１７上に形成される第１受電部２８の正投影図の面積のことである。ここでいう正投影図とは、第１送電部１７の主たる送電方向から、主たる送電方向に対して垂直な平面上に投影した第１受電部２８の投影図のことである。図１８に示すように、第１送電部１７が平板状の場合、正投影図は、第１送電部１７に対して垂直な方向から投影した第１受電部２８の投影図２８′となる。対向面積Ｓ_１は、投影図２８′の面積である。

対向面積Ｓ_１は、第１送電部１７及び第１受電部２８の、面積、形状、及び配置を調整することにより設定することができる。例えば、図１９に示すように、第１受電部２８をＺ軸に対して角度θだけ傾斜させることにより、対向面積Ｓ_１を設定してもよい。また、図２０に示すように、第１受電部２８を屈曲させることにより、対向面積Ｓ_１を設定してもよい。さらに、第１送電部１７を傾斜させたり屈曲させたりすることにより、対向面積Ｓ_１を設定してもよい。

対向面積Ｓ_２とは、基準位置において第２送電部１８上に形成される第２受電部２９の正投影図の面積のことである。ここでいう正投影図とは、第２送電部１８の主たる送電方向から、主たる送電方向と垂直な平面上に投影した第２受電部２９の投影図のことである。図１８に示すように、第２送電部１８が平板状の場合、正投影図は、第２送電部１８に対して垂直な方向から投影した第２受電部２９の投影図２９′となる。対向面積Ｓ_２は、投影図２９′の面積である。

対向面積Ｓ_２は、第２送電部１８及び第２受電部２９の、面積、形状、及び配置を調整することにより設定することができる。対向面積Ｓ_１と同様、第２送電部１８及び第２受電部２９を、Ｘ軸に対して傾斜させたり、屈曲させたりすることにより、対向面積Ｓ_２を設定してもよい。

以下で、対向面積Ｓ_１，Ｓ_２による相互インダクタンスＭ及び抑制範囲の設定方法について、図２１〜図２３を参照して説明する。

ここで、図２１は、電力伝送装置のＸＺ平面断面図である。図２１において、受電コイル２３ａは、第１受電部２８のＺ方向の大きさが４０ｍｍ、第２受電部２９のＸ方向の大きさが６０ｍｍである。受電装置２３ｂは、第１受電部２８のＺ方向の大きさが５０ｍｍ、第２受電部２９のＸ方向の大きさが５０ｍｍである。すなわち、受電コイル２３ｂは、図１６の受電コイル２３と同様である。受電装置２３ｃは、第１受電部２８のＺ方向の大きさが６０ｍｍ、第２受電部２９のＸ方向の大きさが４０ｍｍである。受電コイル２３ａ，２３ｂ，２３ｃのＹ方向の大きさは同様である。

また、図２１において、基準位置における受電コイル２３ａ，２３ｂ，２３ｃの対向面積Ｓ_１の比が４：５：６となり、対向面積Ｓ_２の比が６：５：４となるように、送電コイル１４は設計されている。

図２２は、図２１の受電コイル２３ａ，２３ｂ，２３ｃを、Ｘ方向の位置を一定（２０ｍｍ）としたまま、Ｚ方向の位置を２０ｍｍから６０ｍｍまでずらした際の相互インダクタンスを示すグラフである。図２２において、４０×６０は受電コイル２３ａの相互インダクタンスを示し、５０×５０は受電コイル２３ａの相互インダクタンスを示し、６０×４０は受電コイル２３ａの相互インダクタンスを示す。

まず、対向面積Ｓ_１を用いた抑制範囲の設定方法について説明する。対向面積Ｓ_１の大きさは、第１送電部１７と第１受電部２８との間の磁気的な結合の強さに相関する。具体的には、図２２に示すように、対向面積Ｓ_１が小さいほど相互インダクタンスＭ１３が小さくなり、対向面積Ｓ_１が大きいほど相互インダクタンスＭ１３が大きくなる。このため、対向面積Ｓ_１が最小の受電コイル２３ａの相互インダクタンスＭ１３が最小となり、対向面積Ｓ_１が最大の受電コイル２３ｃの相互インダクタンスＭ１３が最大となっている。

また、図２２に示すように、対向面積Ｓ_１の大きさは、相互インダクタンスＭ１３が最大となる最大位置ずれ距離に相関する。具体的には、対向面積Ｓ_１が小さいほど最大位置ずれ距離が大きくなり、対向面積Ｓ_１が大きいほど最大位置ずれ距離が小さくなる。このため、対向面積Ｓ_１が最小の受電コイル２３ａの最大位置ずれ距離が最大（３０ｍｍ）となり、対向面積Ｓ_１が最大の受電コイル２３ｃの最大位置ずれ距離が最小（１０ｍｍ）となっている。

したがって、対向面積Ｓ_１を調整することにより、最大位置ずれ距離、すなわち、抑制範囲を任意の範囲に設定することができる。例えば、３０ｍｍ以内の受電装置２０の位置ずれが予想される場合、最大位置ずれ距離が３０ｍｍとなるように対向面積Ｓ_１を調整すればよい。これにより、受電装置２０の位置ずれが生じた場合であっても、電力伝送効率の低下を抑制することができる。

図２３は、図２２のグラフから算出された相互インダクタンスＭの変動幅を示す表である。図２３において、受電装置２０の位置の範囲毎に、相互インダクタンスＭの最大値Ｍｍａｘ、最小値Ｍｍｉｎ、及び変動幅が示されている。図２３に示すように、相互インダクタンスＭの変動幅は、対向面積Ｓ_１が最小の受電コイル２３ａが最小となっている。これは、上述の通り、対向面積Ｓ_１が小さいことにより、抑制範囲が広くなり、相互インダクタンスＭの低下が抑制されたことを示している。

なお、受電装置２０がＸ方向に位置ずれする場合には、対向面積Ｓ_２を調整することにより、抑制範囲を設定すればよい。

次に、対向面積Ｓ_２を用いた相互インダクタンスＭの設定方法について説明する。対向面積Ｓ_２の大きさは、第２送電部１８と第２受電部２９との間の磁気的な結合の強さに相関する。具体的には、図２２に示すように、対向面積Ｓ_２が小さいほど相互インダクタンスＭ２３が小さくなり、対向面積Ｓ_２が大きいほど相互インダクタンスＭ２３が大きくなる。このため、対向面積Ｓ_２が最大の受電コイル２３ａの相互インダクタンスＭ２３が最大となり、対向面積Ｓ_２が最小の受電コイル２３ｃの相互インダクタンスＭ２３が最小となっている。

上述の通り、相互インダクタンスＭは、相互インダクタンスＭ１３と相互インダクタンスＭ２３との和である。したがって、対向面積Ｓ_１，Ｓ_２のいずれを調整しても、相互インダクタンスＭを任意の値に設定することができる。しかしながら、例えば、対向面積Ｓ_１によって抑制範囲を設定する場合、所望の抑制範囲に応じて対向面積Ｓ_１が制約されるため、対向面積Ｓ_１を調整することにより相互インダクタンスＭを設定することが困難となる。このような場合であっても、対向面積Ｓ_２を調整することにより、相互インダクタンスＭを任意の値に設定することができる。

なお、受電装置２０がＸ方向に位置ずれする場合には、対向面積Ｓ_１を調整することにより、相互インダクタンスＭを設定すればよい。

以上説明した通り、本実施形態に係る電力伝送装置によれば、対向面積Ｓ_１，Ｓ_２を調整することにより、相互インダクタンスＭ及び抑制範囲を任意の値に設定することができる。これにより、相互インダクタンスＭの低下を抑制し、電力伝送効率の低下を抑制することができる。

また、主たる位置ずれ方向が予め決まっている場合には、当該位置ずれ方向の抑制範囲が広くなるように、対向面積Ｓ_１，Ｓ_２を設定するのが好ましい。主たる位置ずれ方向とは、上述のＸ方向及びＺ方向のうち、受電装置２０の位置ずれ距離が大きい方向のことである。

例えば、図１２に示すように、受電装置２０を送電装置１０上に載置した状態で電力伝送が行われる場合、第１送電面１５に垂直なＸ方向の位置ずれは、第２送電面１６に垂直なＺ方向の位置ずれよりも大きいことが予想されるため、主たる位置ずれ方向はＸ方向と考えられる。このような場合には、Ｘ方向の抑制範囲が広くなるように対向面積Ｓ_１を大きくし、対向面積Ｓ_２を小さくするのが好ましい。これにより、受電装置２０がＸ方向に移動した際の相互インダクタンスＭの変化が、受電装置２０がＺ方向に移動した際の相互インダクタンスＭの変化より小さくなり、Ｘ方向の位置ずれによる電力伝送効率の低下が抑制される。位置ずれにより生じる電力伝送効率の低下は、主たる位置ずれ方向の位置ずれに大きく依存するため、対向面積Ｓ_１，Ｓ_２を上述のように設定することにより、位置ずれにより生じる電力伝送効率の低下を効果的に抑制することができる。

これは、例えば、受電コイル２０が１つの平面コイルを屈曲又は湾曲して形成されている場合、平面コイルを屈曲又は湾曲させる位置を調整することにより、第２受電部２９の面積を第１受電部２８の面積より小さくし、対向面積Ｓ_２が対向面積Ｓ_１より小さくなるように調整することにより、容易に実現できる。

送電コイル１０が１つの平面コイルを屈曲又は湾曲して形成されている場合も同様であり、平面コイルを屈曲又は湾曲させる位置を調整することにより、第２送電部１８の面積を第１送電部１７の面積より小さくし、対向面積Ｓ_２が対向面積Ｓ_１より小さくなるように調整することにより、容易に実現できる。これにより、受電コイル２３の位置ずれによる電力伝送効率の低下を抑制することができる。

なお、受電装置２０上に送電装置１０を載置して電力伝送を実行する構成も可能である。例えば、図１における送電装置１０の形状と受電装置２０の形状とが逆であってもよい。

なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、各実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０：送電装置、１１：送電筐体、１２：交流電源、１３：コンデンサ、１４：送電コイル、１５：第１送電面、１６：第２送電面、１７：第１送電部、１８：第２送電部、２０：受電装置、２１：受電筐体、２２：コンデンサ、２３：受電コイル、２４：整流回路、２５：負荷回路、２６：第１受電面、２７：第２受電面、２８：第１受電部、２９：第２受電部

Claims (13)

1. 第１送電面及び前記第１送電面に対して傾斜した第２送電面を有する送電筐体と、
   前記送電筐体内の前記第１送電面側に配置された第１送電部及び前記送電筐体内の前記第２送電面側に配置された第２送電部を有する送電コイルと、
   を備える送電装置と、
   第１受電面及び前記第１受電面に対して傾斜した第２受電面を有する受電筐体と、
   前記受電筐体内の前記第１受電面側に配置された第１受電部及び前記受電筐体内の前記第２受電面側に配置された第２受電部を有する受電コイルと、
   を備える受電装置と、備え、
   電力伝送時における前記受電コイルの前記送電コイルに対する基準位置は、前記第１受電部と前記第１送電部とが対向し、前記第２受電部と前記第２送電部とが対向するように設定され、
   前記基準位置における前記第１受電部と前記第１送電部との第１対向面積と、前記基準位置における前記第２受電部と前記第２送電部との第２対向面積とは、前記第１送電面に垂直な方向に前記受電装置を移動させた場合の前記送電コイルと前記受電コイルとの磁気的な結合の強さの変化が、前記第２送電面に垂直な方向に前記受電装置を移動させた場合の前記送電コイルと前記受電コイルとの磁気的な結合の強さの変化よりも小さくなるように設定される
   電力伝送装置。
2. 前記基準位置は、前記第１送電面と前記第１受電面とが接し、前記第２送電面と前記第２受電面とが接するように設定される
   請求項１に記載の電力伝送装置。
3. 前記受電コイル及び前記送電コイルの少なくとも一方は、電気的に接続された２つの平面コイルにより形成される
   請求項１又は請求項２に記載の電力伝送装置。
4. 前記受電コイル及び前記送電コイルの少なくとも一方は、１つの平板状の平面コイル、１つの屈曲した平面コイル、又は１つの湾曲した平面コイルにより形成される
   請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力伝送装置。
5. 前記第１対向面積は、前記基準位置において前記第１送電部上に形成される前記第１受電部の投影図の面積である
   請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電力伝送装置。
6. 前記第２対向面積は、前記基準位置において前記第２送電部上に形成される前記第２受電部の投影図の面積である
   請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電力伝送装置。
7. 前記磁気的な結合の強さは、前記受電コイルと前記送電コイルとの間の相互インダクタンス又は結合係数である
   請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電力伝送装置。
8. 第１受電面及び前記第１受電面に対して傾斜した第２受電面を有する受電筐体と、
   前記受電筐体内の前記第１受電面側に配置された第１受電部及び前記受電筐体内の前記第２受電面側に配置された第２受電部を有する受電コイルと、
   を備え、
   前記第１受電部の面積と第２受電部の面積とが異なる
   受電装置。
9. 前記受電コイルは、電気的に接続された２つの平面コイルにより形成される
   請求項８に記載の受電装置。
10. 前記受電コイルは、１つの平板状の平面コイル、１つの屈曲した平面コイル、又は１つの湾曲した平面コイルにより形成される
    請求項８に記載の受電装置。
11. 第１送電面及び前記第１送電面に対して傾斜した第２送電面を有する送電筐体と、
    前記送電筐体内の前記第１送電面側に配置された第１送電部及び前記送電筐体内の前記第２送電面側に配置された第２送電部を有する送電コイルと、
    を備え、
    前記第１送電部の面積と第２送電部の面積とが異なる
    送電装置。
12. 前記送電コイルは、電気的に接続された２つの平面コイルにより形成される
    請求項１１に記載の送電装置。
13. 前記送電コイルは、１つの平板状の平面コイル、１つの屈曲した平面コイル、又は１つの湾曲した平面コイルにより形成される
    請求項１１に記載の送電装置。

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