JP2016054623A - ワイヤレス送電装置およびワイヤレス給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】フェライト板等の磁界源遮蔽部材を設けることによる装置の大型化およびコストアップの問題を回避する。また、渦電流による電力伝送効率の低下および発熱の問題を低減する。
【解決手段】ワイヤレス送電装置は、ワイヤレス受電装置の受電コイルに対して磁界結合する送電コイル１０と、この送電コイル１０に接続される送電回路９と、を備える。送電コイル１０は、巻回軸が同軸で、且つコイル開口の大きさが実質的に等しい、第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３を含む。第２コイル１２は第１コイル１１を基準にワイヤレス受電装置側に配置され、第３コイル１３はそれとは反対側に配置される。送電回路９は、第１コイル１１、第２コイル１２、第３コイル１３に通電する電流を位相制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ワイヤレス受電装置に対して電力をワイヤレスで送電するワイヤレス送電装置と、ワイヤレス給電システムに関する発明である。

磁界結合により電力を給電するワイヤレス給電システムは、例えば携帯機器に内蔵されるバッテリの充電のために利用される。

磁界結合方式によるワイヤレス給電システムは、ワイヤレス送電装置とワイヤレス受電装置とで構成される。ワイヤレス送電装置は、送電コイルとこの送電コイルに高周波電流を通電する送電回路とを備える。ワイヤレス受電装置は、送電コイルに流れる電流によって生じた磁界に鎖交する受電コイルと、この受電コイルに生じる電流を整流平滑する受電回路とを備える。

上記磁界結合方式のワイヤレス給電システムでは、送電コイルから送電コイルのコイル巻回軸に沿って両方向に磁界強度の高い領域が広がる。そこで、ワイヤレス電力伝送を安全に行うためには、送電コイルの上下のうち、受電コイルとは反対側に磁界遮蔽を設けることが重要である（非特許文献１）。

非特許文献１に記載されるように、低周波数から中周波数の磁界源の遮蔽には、透磁率の高い物質で磁束を仕切る方法と、ファラディの法則による対抗磁束を発生させる方法とがある。

WIRELESS POWER CONSORTIUM"遮蔽有効度"、[online]、［平成２６年７月１６日検索］、インターネット＜URL:http://www.wirelesspowerconsortium.com/jp/technology/shielding-effectiveness.html＞

非特許文献１に記載されるように、透磁率の高い物質で磁束を仕切る方法では、充分な厚さのフェライト板を設ける必要があり、厚さが足りないと、磁束が自由空間に漏れる。したがって、磁界遮蔽を十分な状態にするためには、厚いフェライト板が用いられる。そのため、送電装置の小型化に限界がある。また、高価なフェライト板が必要であるためコストも嵩む。また、銅シートで覆うことで銅シート内に渦電流を発生させる方法では、渦電流による導体損失が生じて電力伝送効率が低下する。さらに、この渦電流による損失で発熱が生じる。

上記磁界源の遮蔽が充分でないと、送電装置内のバッテリや何らかの導体部に渦電流が流れるだけでなく、送電装置の載置部の導体部（例えば、スチールデスクの天板等）にも流れる。いずれの場合にも電力損失および発熱の問題が生じる。

本発明は上記事情を考慮して構成されたものである。

（１）本発明のワイヤレス送電装置は、
ワイヤレス受電装置の受電コイルに対して磁界結合する送電コイルと、この送電コイルに接続される送電回路と、を備え、
前記送電コイルは、巻回軸が同軸で、且つコイル開口の大きさが実質的に等しい、第１コイル、第２コイルおよび第３コイルを含み、
前記第２コイルは前記第１コイルを基準に前記ワイヤレス受電装置側に配置され、
前記第３コイルは前記第１コイルを基準に前記ワイヤレス受電装置とは反対側に配置され、
前記送電回路は、実質的に正弦波状の第１電流を前記第１コイルに通電し、第１電流の位相を基準として０°を含む第１位相範囲および１８０°を含む第２位相範囲で、前記第１電流とは逆極性の第２電流を前記第２コイルに通電し、第１電流の位相を基準として９０°を含む第３位相範囲および２７０°を含む第４位相範囲で、前記第１電流とは逆極性の第３電流を前記第３コイルに通電する、ように構成される。

（２）上記（１）において、前記送電回路は、前記第２コイルへの通電と第３コイルへの通電を相補的に行われることが好ましい。

（３）上記（１）または（２）において、前記第１位相範囲は０°±４５°であり、前記第２位相範囲は１８０°±４５°であり、前記第３位相範囲は９０°±４５°であり、前記第４位相範囲は２７０°±４５°であることが好ましい。

（４）本発明のワイヤレス給電システムは、上記（１）〜（３）のいずれかに記載のワイヤレス送電装置と、前記ワイヤレス送電装置の前記送電コイルと磁界結合する受電コイルを有するワイヤレス受電装置と、を備える。

本発明によれば、フェライト板等の磁界源遮蔽部材を設けることによる装置の大型化およびコストアップの問題が低減される。また、渦電流による電力伝送効率の低下および発熱の問題が低減される。

図１は本発明の実施形態に係るワイヤレス送電装置を備えたワイヤレス給電システムの使用状態での断面図である。 図２は送電コイル１０の構成を示す概略斜視図である。 図３は送電コイル１０に対する送電回路９の接続構造を示す図である。 図４は、第１コイル１１に流れる第１電流Ｉ１、第２コイル１２に流れる第２電流Ｉ２および第３コイル１３に流れる第３電流Ｉ３の波形図である。 図５は、本実施形態に係る送電コイルによる磁界強度の分布を濃淡で表した図（コンター図）である。 図６は、送電コイル１０にコイル巻回軸（ｚ軸）に沿った座標を示す図である。 図７は、ｚ軸上の磁界強度の分布を示す図である。 図８は、ｚ軸上での正領域での磁界強度と負領域での磁界強度との比率を示す図である。 図９は、比較例の送電コイルによる、位相９０°での磁界強度の分布を濃淡で表した図（コンター図）である。

図１は本発明の実施形態に係るワイヤレス送電装置を備えたワイヤレス給電システムの使用状態での断面図である。ワイヤレス給電システム３０１はワイヤレス送電装置１０１とワイヤレス受電装置２０１とで構成される。ワイヤレス受電装置２０１は受電コイル２０を備え、ワイヤレス送電装置１０１は送電コイル１０を備える。ワイヤレス受電装置２０１はワイヤレス送電装置１０１の上面に載置される。その状態で、ワイヤレス受電装置２０１の受電コイル２０はワイヤレス送電装置１０１の送電コイル１０に対向する。

図２は送電コイル１０の構成を示す概略斜視図である。送電コイル１０は第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３で構成される。第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３は、それらの巻回軸が実質的に同軸である。図２中に一点鎖線で示すｚ軸が巻回軸である。また、第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３は、それらのコイル開口の大きさが実質的に等しい。ここで「実質的に同軸」、「実質的に等しい」、とは、後述する単一指向性効果を奏する程度に同等であるという意味である。

図２において、第１コイル１１はｚ軸の原点にあり、＋ｚ方向にワイヤレス受電装置が位置する。第２コイル１２は第１コイル１１を基準にワイヤレス受電装置側（＋ｚ方向）に配置され、第３コイル１３は第１コイル１１を基準にワイヤレス受電装置とは反対側（−ｚ方向）に配置される。

第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３の寸法は、それぞれ３０mm×３０mmであり、第１コイル１１と第２コイル１２との間隔、および第２コイル１２と第３コイル１３との間隔は、４mmである。

第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３は、それぞれ１ターンまたは複数ターンのループ状コイルである。複数ターンである場合は、コイル導体はコイル開口の面に沿って、スパイラル状に配置されてもよい。また、厚み方向に沿って、ヘリカル状に配置されてもよい。

図３は、送電コイル１０に対する送電回路９の接続構造を示す図である。送電回路９は第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３に対して、後述する所定波形の電流を通電する（駆動する）。

図４は、第１コイル１１に流れる第１電流Ｉ１、第２コイル１２に流れる第２電流Ｉ２および第３コイル１３に流れる第３電流Ｉ３の波形図である。ここでは周期波形の１周期分について表す。図４の横軸の数値は位相角[deg]、縦軸の数値は正規化電流値である。第１電流Ｉ１は実質的に正弦波状である。上記正規化電流値は、第１電流Ｉ１のピーク値を１とする。上記正弦波状周期波形の周波数は数10kHzから数10MHzの範囲である。

第２電流Ｉ２は、第１電流Ｉ１の位相を基準とする０°を含む第１位相範囲Ｐ１および１８０°を含む第２位相範囲Ｐ２で、第１電流Ｉ１とは逆極性の電流である。この例では、第１位相範囲Ｐ１は０°±４５°の範囲、すなわち（−４５°）３１５°〜４５°である。また、第２位相範囲Ｐ２は１８０°±４５°の範囲、すなわち１３５°〜２２５°である。

第３電流Ｉ３は、第１電流Ｉ１の位相を基準とする９０°を含む第３位相範囲Ｐ３および２７０°を含む第４位相範囲Ｐ４で、第１電流Ｉ１とは逆極性の電流である。この例では、第３位相範囲Ｐ３は９０°±４５°の範囲、すなわち４５°〜１３５°である。また、第４位相範囲Ｐ４は２７０°±４５°の範囲、すなわち２２５°〜３１５°である。

図９は、比較例の送電コイルによる、位相９０°での磁界強度の分布を濃淡で表した図（コンター図）である。この比較例の送電コイルは第１コイル１１のみで構成される。このように、単一のコイルに正弦波状の電流を通電した場合には、磁界強度の等値線は送電コイルのｚ軸に沿って正負対称形となる。

図５は、本実施形態に係る送電コイルによる磁界強度の分布を濃淡で表した図（コンター図）である。ここでは、第１コイル１１に流れる第１電流Ｉ１の位相を基準とする０°，９０°，１８０°での磁界強度の分布を表す。これらの図中に表れる３本の横線は第１コイル１１，第２コイル１２，第３コイル１３の位置および大きさを示す。

図５、図９は、最大強度を赤、最低強度を青とするコンター図をモノクロームに変換した図であるので、磁界強度とイメージの濃度とはリニアーには対応していない。３つのコイル１１，１２，１３の周囲の磁界強度が最も高く、そこから遠ざかるにつれて磁界強度は低くなる。

このシミュレーションでの給電条件は次のとおりである。

［表１］給電条件〈0deg〉
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
電流値 位相[deg]
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
第２コイル １．０ １８０
第１コイル １．０ ０
第３コイル ０ ０
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［表２］給電条件〈90deg〉
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
電流値 位相[deg]
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
第２コイル ０ ０
第１コイル １．０ ０
第３コイル １．６ １８０
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
また、電流強度比は次のとおりである。

［表３］電流強度比〈0deg〉
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
電流比 第１コイルに対する位相差[deg]
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
第２コイル ０．７ ０
第１コイル １．０ ０
第３コイル ０．２ １８０
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
［表４］電流強度比〈90deg〉
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
電流比 第１コイルに対する位相差[deg]
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
第２コイル ０．１ １８０
第１コイル １．０ ０
第３コイル ０．７ ０
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
上記各表から明らかなように、第３コイル１３（磁界を放射させない側のコイル）に第１コイル１１よりも強い電力を供給する場合でも、その第３コイル１３に流れる電流は第１コイル１１に流れる電流より小さい。これは、コイルの形状、距離によって定まる第１コイル、第２コイル、第３コイルの相互結合条件に対して、磁界を放射させない側の第３コイルに実質的に流れる電流が小さくなるように、各位相範囲の電力の供給条件が制御できていることを示している。

いずれの位相でも、第１コイル１１を基準とする第２コイル１２側に磁界強度のピークの中心がシフトしている。すなわち、図２に示した＋ｚ方向への磁界放射の指向性が生じる。この効果を本明細書では「単一指向性効果」という。

ここで、上記磁界放射の指向性が生じる作用について示す。図６は、送電コイル１０にコイル巻回軸（ｚ軸）に沿った座標を示す図である。図７は、ｚ軸上の磁界強度の分布を示す図である。０°と９０°のいずれでも、ｚ軸上で原点０から5mm離れた位置にピークが生じる。

図７に示したように、磁界強度分布のピークが＋ｚ軸方向にシフトするのは、コイルの相互結合条件に対して、それぞれのコイルへの電力供給条件を変えることにより、３つのコイルに流れる電流によって形成される合成磁場が、−ｚ方向は打ち消しあって弱まり、＋ｚ方向は重ねあって強めあう。

図８は、上記ｚ軸上の正領域での磁界強度と負領域での磁界強度との比率を示す図である。図８に示す「コイル方式Ｓ３」は本実施形態の特性である。「コイル方式Ｓ２」「コイル方式Ｓ３」はいずれも比較例の特性である。「コイル方式Ｓ１」は第１コイル１１のみ通電（駆動）し、第２コイル１２および第３コイル１３を通電しない場合の特性である。「コイル方式Ｓ２」は、第１コイル１１と第２コイル１２を通電（駆動）し、第３コイル１３を通電しない場合の特性である。

図８において、値「Ｍ１」はｚ軸上の＋１mmでの磁界強度に対する−１mmでの磁界強度の比である。値「Ｍ５」はｚ軸上の＋５mmでの磁界強度に対する−５mmでの磁界強度の比である。値「Ｍ１００」はｚ軸上の原点から＋１００mmまでの磁界強度の積分値に対する、原点から−１００mmまでの磁界強度の積分値の比である。

図８に示されるように、第１コイル１１のみ駆動した場合や第１コイル１１と第２コイル１２だけを駆動した場合には、ｚ軸に沿った正領域と負領域について非対称性は認められない。これに対し、本実施形態のワイヤレス送電装置では、ｚ軸の原点から±１mmの２点での磁界強度の比、±５mmの２点での磁界強度の比、原点から＋１００mmまでの磁界強度の積分値と原点から＋１００mmまでの磁界強度の積分値との比、いずれについても、ｚ軸に沿った正領域での磁界強度より負領域での磁界強度が低い。すなわち、磁界放射特性に単一指向性が生じる。

なお、以上に示した実施形態では、第１コイル１１、第２コイル１２，第３コイル１３のそれぞれが矩形状である例を示したが、これらは一例である。円形、楕円形、長円形であってもよいし、ヘリカル形状やスパイラル形状であってもよい。また、三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形であってもよい。多角形の角に丸みがあってもよい。さらに、直線と曲線を含む形状や線が立体的に交差するような形状であってもよい。

また、以上に示した実施形態では、第１コイル１１、第２コイル１２，第３コイル１３のそれぞれのループ面が実質的に平面を形成する例を示したが、これらは一例である。第１コイル１１、第２コイル１２，第３コイル１３のそれぞれの巻回軸が同軸で、且つコイル開口の大きさが実質的に等しいとみなすことができれば、それらのループ面は曲面を形成してもよい。

また、以上に示した実施形態では、第１コイル１１、第２コイル１２，第３コイル１３
で送電コイル１０を構成した例を示したが、その他の目的にためにその他のコイルと共に送電コイルを構成してもよい。すなわち第４コイルなどを備えてもよい。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能であることは明らかである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Ｉ１…第１電流
Ｉ２…第２電流
Ｉ３…第３電流
Ｐ１…第１位相範囲
Ｐ２…第２位相範囲
Ｐ３…第３位相範囲
Ｐ４…第４位相範囲
９…送電回路
１０…送電コイル
１１…第１コイル
１２…第２コイル
１３…第３コイル
２０…受電コイル
１０１…ワイヤレス送電装置
２０１…ワイヤレス受電装置
３０１…ワイヤレス給電システム

Claims (4)

1. ワイヤレス受電装置の受電コイルに対して磁界結合する送電コイルと、この送電コイルに接続される送電回路と、を備え、
   前記送電コイルは、巻回軸が同軸で、且つコイル開口の大きさが実質的に等しい、第１コイル、第２コイルおよび第３コイルを含み、
   前記第２コイルは前記第１コイルを基準に前記ワイヤレス受電装置側に配置され、
   前記第３コイルは前記第１コイルを基準に前記ワイヤレス受電装置とは反対側に配置され、
   前記送電回路は、実質的に正弦波状の第１電流を前記第１コイルに通電し、
   第１電流の位相を基準として０°を含む第１位相範囲および１８０°を含む第２位相範囲で、前記第１電流とは逆極性の第２電流を前記第２コイルに通電し、
   第１電流の位相を基準として９０°を含む第３位相範囲および２７０°を含む第４位相範囲で、前記第１電流とは逆極性の第３電流を前記第３コイルに通電する、
   ワイヤレス送電装置。
2. 前記送電回路は、前記第２コイルへの通電と第３コイルへの通電を相補的に行う、請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
3. 前記第１位相範囲は０°±４５°であり、前記第２位相範囲は１８０°±４５°であり、前記第３位相範囲は９０°±４５°であり、前記第４位相範囲は２７０°±４５°である、請求項１または２に記載のワイヤレス送電装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のワイヤレス送電装置と、前記ワイヤレス送電装置の前記送電コイルと磁界結合する受電コイルを有するワイヤレス受電装置と、を備えたワイヤレス給電システム。