JP2017108481A - 送電装置及び電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【目的】受電コイルと送電コイルとの相対的な配置状態にかかわらず効率よく電力伝送を行うことが可能な送電装置及び電力伝送システムを提供する。【構成】送電装置は、駆動回路と、駆動回路により駆動される第１の送電コイルと、第１の送電コイルの外側に配置された第２の送電コイルと、第１の送電コイルの内側に配置された第３の送電コイルと、第１の送電コイルと前記第２の送電コイル及び前記第３の送電コイルの一方との間の接続切替をなす切替回路と、有し、受電コイルに非接触で電力を送電する。【選択図】図４

Description

本発明は、非接触で電力を送電する送電装置及び電力伝送システムに関する。

近年、腕時計等のウェアラブル機器や電気自動車等への電力供給に際して、非接触で電力を伝送する電力伝送システムが用いられている。かかる電力伝送システムでは、送電装置側のコイル（送電コイル）に電流を流すことにより発生する電磁界を利用して、受電装置側のコイル（受電コイル）に電力の伝送を行う。その際、受電コイルが送電コイルで生成される磁界の磁束を多く捉えられるようにするため、送電コイル及び受電コイルは平行且つ対向するように配置される場合が多い。

また、送電コイルからの磁束を多く捉えることができるよう、受電コイルは開口部の面積が大きくなるように形成されることが望ましい。そのため、例えば受電装置が腕時計等の機器である場合、通常、受電コイルは文字盤と平行に搭載される（例えば、特許文献１）。

特開２００５−１６０２５３号公報

上記のように、受電装置である腕時計において受電コイルが文字盤と平行に搭載されている場合、受電コイルを送電コイルと平行に配置した状態で受電することができるように、腕時計の文字盤側又は裏蓋側を送電装置に近接させて受電を行う。しかし、文字盤側を送電装置に近接させた場合、受電動作の最中は文字盤を視認することができない。一方、腕時計の裏蓋は、ステンレス等の金属で出来ている場合が多い。従って、金属製の裏蓋側を送電装置に近接させて電力伝送を行った場合、裏蓋において渦電流が発生し、効率よく受電を行うことができない。また、腕時計のバンド部分の種類によっては、バンドの接続部が完全に分かれる構造を有していないため、裏蓋側を下にして平置きにすることができない場合がある。このため、受電コイルを送電コイルと平行に配置した状態で受電することが困難であるという問題があった。

上記課題を解決するため、本発明は、受電コイルと送電コイルとの相対的な配置状態にかかわらず効率よく電力伝送を行うことが可能な送電装置及び電力伝送システムを提供することを目的とする。

本発明に係る送電装置は、受電コイルに非接触で電力を送電する送電装置であって、駆動回路と、前記駆動回路により駆動される第１の送電コイルと、前記第１の送電コイルの外側に配置された第２の送電コイルと、前記第１の送電コイルの内側に配置された第３の送電コイルと、前記第１の送電コイルと前記第２の送電コイル及び前記第３の送電コイルの一方との間の接続切替をなす切替回路と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る送電装置は、受電コイルに非接触で電力を送電する送電装置であって、平面状の第１の送電コイルと、前記第１の送電コイルの外側に配置された平面状の第２の送電コイルと、を有し、前記第１の送電コイルのコイル面を含む平面及び前記第２の送電コイルのコイル面を含む平面が交わる交線方向において、前記第２の送電コイルの開口部の径は前記第１の送電コイルの開口部の径よりも大なることを特徴とする。

また、本発明に係る送電装置は、受電コイルに非接触で電力を送電する送電装置であって、第１の平面内にコイル面があるように配置された平面状の第１の送電コイルと、前記第１の送電コイルの外側且つ前記第１の平面と角度φ（０°＜φ＜１８０°）をなす第２の平面内にコイル面があるように配置された平面状の第２の送電コイルと、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る電力伝送システムは、平面状の第１の送電コイルと、前記第１の送電コイルの外側に配置された平面状の第２の送電コイルと、前記第１の送電コイル及び前記第２の送電コイルと非接触に配置された平面状の受電コイルと、を有し、前記第１の送電コイルのコイル面を含む平面及び前記第２の送電コイルのコイル面を含む平面が交わる交線方向において、前記第２の送電コイルの開口部の径は前記第１の送電コイルの開口部の径よりも大きく、前記受電コイルの開口部の径は前記第１の送電コイルの開口部の径及び前記第２の送電コイルの開口部の径の中間の大きさを有することを特徴とする。

本発明によれば、受電コイルと送電コイルとの相対的な配置状態にかかわらず効率よく電力伝送を行うことが可能な送電装置及び電力伝送システムを提供することが可能となる。

本発明の送電装置（ａ）及び電力伝送システム（ｃ）の構成と、送電時に発生する交流磁界の磁力線（ｂ）（ｄ）を模式的に示す図である。 送電回路（ａ）及び受電回路（ｂ）の構成を示す回路図である。 受電装置としての腕時計ＷＴが、送電装置の筐体上に配置される例を模式的に示す図である。 実施例２における送電装置（ａ）及び送電時に発生する交流磁界の磁力線（ｂ）（ｃ）を模式的に示す図である。 実施例２の送電回路の構成を示す回路図である。 自動切り替え機能を有する送電回路の構成を示す回路図である。 基準値格納部に格納される基準テーブルの例を示す図である。 実施例２の送電回路の他の構成を示す回路図である。 実施例３の送電コイル及び受電コイルの構成（ａ）と送電時に発生する交流磁界の磁力線（ｂ）を、実施例１の場合（ｃ）（ｄ）と比較して示す図である。 実施例４の送電装置（ａ）及び電力伝送システム（ｂ）の構成を示す図である。 実施例４の送電装置により生成される磁界の磁力線を、受電装置が磁性体シートを有しない場合（ａ）と有する場合（ｂ）について模式的に示すである。 実施例４において第１、第２の送電コイルのコイル面が所定の角度をなす場合の例を示す図である。 実施例４において第１、第２の送電コイルが回転対称の環状のコイル形状を有する場合の例を示す図である。 実施例４において第２の送電コイルが２つのサブコイルからなる場合の例を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明の送電装置１０が有する送電コイル及び送電時に発生する交流磁界の磁力線を模式的に示す図である。送電装置１０は、受電コイルに対して非接触で電力を送電する。送電装置１０は、第１の送電コイル１１及び第２の送電コイル１２を有する。

第１の送電コイル１１及び第２の送電コイル１２は、導線を平面上で螺旋状、渦巻状等に変形させて形成された平面コイル又は平面状コイルである。また、以下の説明では、平面コイル又は平面状コイルによって形成された面をコイル面と称する。なお、ここで平面コイル又は平面状コイルとは、完全に平坦なもののみならず、導線の厚さに応じた高さを有するもの、又は平面的に配置可能な厚さ（高さ）を有するものを含む。

第１の送電コイル１１及び第２の送電コイル１２は、例えば、略長方形の環状のコイル形状を有する。第２の送電コイル１２は、第１の送電コイル１１の外側に、そのコイル面が第１の送電コイル１１のコイル面と同一平面内となるように配置されている。第１の送電コイル１１及び第２の送電コイル１２は、駆動回路１５により駆動される。第１の送電コイル１１及び第２の送電コイル１２のコイル面に垂直な方向から見た場合、すなわち上面視において、送電時には、第１の送電コイル１１及び第２の送電コイル１２には反対方向（例えば、反時計回りと時計回り）に電流が流れる。

図２（ａ）は、第１の送電コイル１１及び第２の送電コイル１２を含む送電回路１３の構成を示す回路図である。送電回路１３は、送電側共振回路１４、駆動回路１５及び電力増幅器ＰＡを含む。送電側共振回路１４は、第１の送電コイル１１、第２の送電コイル１２、第１の共振キャパシタＣ１及び第２の共振キャパシタＣ２を含む。

駆動回路１５は、第１の送電コイル１１及び第２の送電コイル１２に駆動電力を供給する駆動回路であり、例えば交流電流源から構成される。駆動回路１５は、例えばＩＳＭ（Industry Science Medical）バンドの周波数帯として用いられる１３．５６ＭＨｚの周波数の交流電流（交流信号）を駆動電流として生成する。電力増幅器ＰＡは、生成された交流電流を増幅して送電側共振回路１４に供給する。

送電側共振回路１４は、直列に接続された第１の送電コイル１１及び第２の送電コイル１２と、これに並列接続された第１の共振キャパシタＣ１と、第１の送電コイル１１及び第２の送電コイル１２に直列に接続された第２の共振キャパシタＣ２と、を含む。送電側共振回路１４は、１３．５６ＭＨｚの共振周波数で共振し、交流磁界を発生させる。

再び図１（ａ）を参照すると、送電側共振回路１４が共振することにより、第１の送電コイル１１の開口部（磁束がコイルを通過するコイルの内側）から第２の送電コイル１２の開口部に向かって、破線で示すような磁力線の交流磁界が発生する。図１（ｂ）は、第１の送電コイル１１のコイル面に平行な方向（図１（ａ）のＸ方向）から見た交流磁界の磁力線を示す図である。磁力線は、破線で示すように、第１の送電コイル１１から第２の送電コイル１２に向かって半円を描くような形状となる。

図１（ｃ）は、受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル１１のコイル面とが所定の角度（例えば、垂直）となるように受電コイル２１が配置された場合の、第１の送電コイル１１、第２の送電コイル１２及び受電コイル２１（以下、これらをまとめて電力伝送システムとも称する）の位置関係を模式的に示す図である。受電コイル２１は、平面コイル又は平面状コイルであり、略長方形の環状のコイル形状を有する。受電コイル２１は、例えば受信装置である腕時計等の内部に文字盤と平行に設けられている。

図２（ｂ）は、受電コイル２１を含む受電回路２２の構成を示す回路図である。受電回路２２は、受電側共振回路２３と、整流回路２４と、負荷ＲＸと、を含む。受電側共振回路２３は、並列接続された受電コイル２１及び共振キャパシタＣＸを含む。整流回路２４は、整流ダイオードＤ１〜Ｄ４を含む。

受電側共振回路２３は、送電側共振回路１４の共振により発生した磁界の変動により、送電側共振回路１４と同じ共振周波数、すなわち１３．５６ＭＨｚの共振周波数で共振する。これにより、受電側共振回路２３には、周波数１３．５６ＭＨｚの交流電流が生成される。

受電側共振回路２３は、生成された交流電流を整流回路２４に供給する。整流回路２４は、交流電流を直流電流に変換し、負荷ＲＸに供給する。

負荷ＲＸは、例えば受電装置に設けられたバッテリである。すなわち、上記各部の動作により送電回路１３から受電回路２２に電力が伝送され、受電装置のバッテリが充電される。

図１（ｄ）は、第１の送電コイル１１のコイル面に平行な方向（図１（ｃ）のＸ方向）から見た、図１（ｃ）の電力伝送システムにおいて生成される交流磁界の磁力線と受電コイル２１との関係を示す図である。受電コイル２１は、コイル面が磁力線と垂直になるため、多くの磁束を捉えることができる。

以上のように、本実施例の送電装置１０では、第１の送電コイル１１の開口部から第２の送電コイル１２の開口部に向かって半円を描くような磁力線の交流磁界が生成される。従って、受電コイル２１が、第１の送電コイル１１及び第２の送電コイル１２と垂直に配置された場合であっても、効率よく磁束を捉えることが可能となる。

図３（ａ）及び（ｂ）は、受電コイル２１を含む受電装置が腕時計ＷＴである場合に、第１の送電コイル１１及び第２の送電コイル１２を含む送電装置１０の筐体１６上に配置される例を模式的に示す図である。このように、腕時計ＷＴを送電装置１０の筐体１６上に平置き（すなわち、文字盤又は裏蓋を筐体上面と平行に配置）することなく、文字盤を第１の送電コイル１１及び第２の送電コイル１２と垂直にした状態で配置して受電することができる。

なお、上記説明では、受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル１１のコイル面とが垂直になるように配置された場合を例として説明したが、受電コイル２１が効率よく磁束を捉えることができるのは、垂直に配置された場合に限られない。第１の送電コイル１１から第２の送電コイル１２に向かって半円を描くような磁力線の交流磁界が生成されるため、受電コイル２１は、受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル１１のコイル面との間の角度θが、０°≦θ≦１８０°のいずれの場合であっても、磁束を効率よく捉えることができる。

すなわち、本発明によれば、受電コイルを送電コイルに対して様々な角度に配置して受電させることができる。また、受電コイルと送電コイルとの相対的な配置状態にかかわらず効率よく電力伝送を行うことが可能となる。

本実施例の送電装置及び電力伝送システムについて、図４〜図８を参照して説明する。なお、受電コイル及び受電回路の構成は実施例１のものと同様であり、同一又は等価な構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。

図４（ａ）は、本実施例の送電装置３０及び電力伝送システム（送電コイル及び受電コイル）を模式的に示す図である。送電装置３０は、第１の送電コイル３１、第２の送電コイル３２及び第３の送電コイル３３を含む。

第１の送電コイル３１及び第２の送電コイル３２は、平面コイル又は平面状コイルであり、コイル面が同一平面内にあるように配置されている。また、第１の送電コイル３１及び第２の送電コイル３２は、略長方形の環状の形状を有するコイルである。第２の送電コイル３２は、第１の送電コイル３１の外側に配置されている。

第３の送電コイル３３は、平面コイル又は平面状コイルであり、コイル面が第１の送電コイル３１のコイル面と同一平面内にあるように配置されている。第３の送電コイル３３は、第１の送電コイル３１よりも小さい略長方形の環状の形状を有するコイルであり、第１の送電コイル３１の内側（開口部の内側）に配置されている。

第２の送電コイル３２及び第３の送電コイル３３は、後述する送電回路における切り替え動作によっていずれか一方のみが選択され、第１の送電コイル３１とともに交流磁界を生成する。第１の送電コイル３１及び第２の送電コイル３２を用いた送電時には、第１の送電コイル３１及び第２の送電コイル３２のコイル面に垂直な方向から見た場合、第１の送電コイル３１及び第２の送電コイル３２には反対方向（例えば、反時計回りと時計回り）に電流が流れる。第１の送電コイル３１及び第３の送電コイル３３を用いた送電時には、第１の送電コイル３１及び第３の送電コイル３３のコイル面に垂直な方向から見た場合、第１の送電コイル３１及び第３の送電コイル３３には同じ方向（例えば、ともに反時計回り）に電流が流れる。

図５は、第１の送電コイル３１、第２の送電コイル３２及び第３の送電コイル３３を含む送電回路３４の構成を示す回路図である。送電回路３４は、送電側共振回路３５、駆動回路３６、電力増幅器ＰＡ及び接続切替部３７を含む。

駆動回路３６は、第１の送電コイル３１、第２の送電コイル３２及び第３の送電コイル３３に駆動電力を供給する駆動回路であり、例えば交流電流源から構成される。駆動回路３６は、例えばＩＳＭバンドの周波数帯として用いられる１３．５６ＭＨｚの周波数の交流電流（交流信号）を生成する。電力増幅器ＰＡは、生成された交流電流を増幅して送電側共振回路３５に供給する。

駆動回路３６及び電力増幅器ＰＡは、スイッチＳＷ０を介して接続されている。スイッチＳＷ０は、接続切替部３７の切り替え動作に応じてオン又はオフとなる。電力伝送時には、スイッチＳＷ０がオンに制御され、駆動回路３６は、電力増幅器ＰＡ及び第１の送電コイル３１と接続される。電力伝送の停止時には、スイッチＳＷ０がオフに制御され、駆動回路３６は、電力増幅器ＰＡ及び第１の送電コイル３１と非接続となる。

送電側共振回路３５は、第１の送電コイル３１、第２の送電コイル３２、第３の送電コイル３３、第１の共振キャパシタＣ１、第２の共振キャパシタＣ２、第３の共振キャパシタＣ３及び第４の共振キャパシタＣ４を含む。

第２の送電コイル３２及び第１の共振キャパシタＣ１は、スイッチＳＷ１を介して接地電位に接続されている。スイッチＳＷ１がオンの場合、第２の送電コイル３２及び第１の共振キャパシタＣ１は、接地電位に接続されるとともに、駆動回路３６及び第１の送電コイル３１と直列に接続された状態となる。スイッチＳＷ１がオフの場合、第２の送電コイル３２及び第１の共振キャパシタＣ１は、接地電位とは非接続となり、電気的にフローティング状態となる。

第３の送電コイル３３及び第２の共振キャパシタＣ２は、スイッチＳＷ２を介して接地電位に接続されている。スイッチＳＷ２がオンの場合、第３の送電コイル３３及び第２の共振キャパシタＣ２は、接地電位に接続されるとともに、駆動回路３６及び第１の送電コイル３１と直列に接続された状態となる。スイッチＳＷ２がオフの場合、第３の送電コイル３３及び第２の共振キャパシタＣ２は、接地電位とは非接続となり、電気的にフローティング状態となる。

スイッチＳＷ１及びＳＷ２は、接続切替部３７の切替動作に応じて、相補的にオン又はオフとなる。すなわち、第１の送電コイル３１は、第２の送電コイル３２及び第１の共振キャパシタＣ１と第３の送電コイル３３及び第２の共振キャパシタＣ２とのいずれか一方を介して、接地電位に接続される。

第３の共振キャパシタＣ３は、スイッチＳＷ３を介して接地電位に接続されている。スイッチＳＷ３がオンの場合、第３の共振キャパシタＣ３は接地電位に接続され、第１の送電コイル３１と並列に接続された状態となる。スイッチＳＷ３がオフの場合、第３の共振キャパシタＣ３は接地電位とは切り離され、電気的にフローティング状態となる。第４の共振キャパシタＣ４は、第１の送電コイル３１と並列に接続されるとともに、接地電位に接続されている。

接続切替部３７は、スイッチＳＷ０、スイッチＳＷ１、ＳＷ２及びＳＷ３をオン又はオフに切り替える切替回路である。その際、接続切替部３７は、スイッチＳＷ１及びＳＷ３を同じ状態となるようにオン又はオフさせ、スイッチＳＷ１及びＳＷ２を相補的にオン又はオフさせる。従って、スイッチＳＷ１，ＳＷ２及びＳＷ３は、ＳＷ１及びＳＷ３がオンでＳＷ２がオフの状態（第１状態）、又はＳＷ１及びＳＷ３がオフでＳＷ２がオンの状態（第２状態）のいずれかとなる。

上記の第１状態（スイッチＳＷ１及びＳＷ３がオン、スイッチＳＷ２がオフ）では、第１の送電コイル３１、第２の送電コイル３２及び第１の共振キャパシタＣ１が直列に接続され、第３の共振キャパシタＣ３及び第４の共振キャパシタＣ４が並列に接続された状態となる。従って、送電側共振回路３５は、駆動回路３６及び電力増幅器ＰＡに直列に接続された第１の送電コイル３１、第２の送電コイル３２及び第１の共振キャパシタＣ１と、並列に接続された第３の共振キャパシタＣ３及び第４の共振キャパシタＣ４と、を含む回路構成となる。

一方、上記の第２状態（スイッチＳＷ１及びＳＷ３がオフ、スイッチＳＷ２がオン）では、第１の送電コイル３１、第３の送電コイル３３及び第２の共振キャパシタＣ２が直列に接続され、第４の共振キャパシタＣ４がこれに並列に接続された状態となる。従って、送電側共振回路３５は、駆動回路３６及び電力増幅器ＰＡに直列に接続された第１の送電コイル３１、第２の送電コイル３２及び第１の共振キャパシタＣ１と、並列に接続された第４の共振キャパシタＣ４と、を含む回路構成となる。

以上のように、接続切替部３７は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の切り替え動作により、第１の送電コイル３１と第２の送電コイル３２及び第３の送電コイル３３のいずれか一方とを切り替えて接続する。

第１の送電コイル３１が第２の送電コイル３２と接続された場合、送電回路３４によって生成される交流磁界の磁力線は、図４（ｂ）に破線で示すように、第１の送電コイル３１の開口部から第２の送電コイル３２の開口部に向かって半円を描くような形状となる。従って、例えば受電コイル２１のコイル面が第１の送電コイル３１及び第２の送電コイル３２のコイル面とのなす角度が垂直な場合や垂直に近い角度である場合に、受電コイル２１は磁束を多く捉えることが可能となる。

これに対し、第１の送電コイル３１が第３の送電コイル３３と接続された場合、送電回路３４によって生成される交流磁界の磁力線は、図４（ｃ）に破線で示すように、第１の送電コイル３１の開口部と第３の送電コイル３３の開口部とを貫くような形状となる。従って、例えば受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル３１のコイル面とのなす角度が平行に近い場合に、受電コイル２１は磁束を多く捉えることが可能となる。

この構成によれば、受電コイル２１の配置状態に応じて、第１の送電コイル３１の接続先を第２の送電コイル３２又は第３の送電コイル３３に選択的に切り替え、効率よく受電を行うことができる。接続切替は、例えばユーザ等が外部から接続切替部３７を操作してスイッチＳＷ１、ＳＷ２及びＳＷ３をオン又はオフさせることにより行うことができる。

また、接続切替部３７が、ユーザの操作によらず、自動的に接続切替を行う構成としても良い。例えば、送電回路３４のコイル部分である第１の送電コイル３１及び第２の送電コイル３２、又は第１の送電コイル３１及び第３の送電コイル３３（以下、これらを総称して単に送電コイルと称する）を流れる電流値又は電圧値を測定し、その測定結果に応じて、接続切替を行う構成とすることができる。すなわち、受電コイル２１と送電コイルとの間の磁界結合の強度が高い場合、受電コイル２１はより多くの磁束を捉えることができる。そして、磁界結合の強度に応じて送電コイルを駆動する駆動電流や駆動電圧の値が変化するため、電流値又は電圧値を測定することにより、磁界結合の強度が高いか否か（すなわち、受電コイル２１が磁束を多く捉えることができる配置状態にあるか否か）を判定して、接続切替を行うのである。

図６は、かかる自動切替が可能に構成された送電回路３４の構成を示す図である。図６の送電回路３４は、図５で示した構成に加えて、抵抗Ｒ１と、電圧変換部ＡＤＣ１及びＡＤＣ２と、測定部３８と、基準値格納部３９と、を有する。

抵抗Ｒ１は、電力増幅器ＰＡと第１の送電コイル３１及び第４の共振キャパシタＣ４の接続点との間に接続されている。電圧変換部ＡＤＣ１及びＡＤＣ２は、抵抗Ｒ１の両端に接続されており、抵抗Ｒ１の両端にかかる交流電圧を直流電圧に変換して測定部３８に供給する。

測定部３８は、電圧変換部ＡＤＣ１及びＡＤＣ２から供給された抵抗Ｒ１の両端にかかる電圧値（直流電圧値）を測定する。そして、測定部３８は、測定した電圧値と抵抗Ｒ１の抵抗値とに基づいて、抵抗Ｒ１に流れる電流量を送電コイルを駆動する駆動電流の電流値として得る。測定部３８は、この電圧値及び電流値を、電圧測定値Ｖｍ及び電流測定値Ｉｍとして接続切替部３７に供給する。

基準値格納部３９は、第１の送電コイル３１の接続先を、第２の送電コイル３２又は第３の送電コイル３３のどちらに切り替えた場合に磁界結合の強度が大となるかを判定するための基準値を含む判定テーブルを格納する。

図７は、基準値格納部３９が格納する判定テーブルの例を示す図である。この判定テーブルには、予め測定された抵抗Ｒ１における電圧値及び電流値が、受電コイル２１と第１の送電コイル３１との位置関係に対応付けて基準電圧値Ｖｒ及び基準電圧値Ｉｒとして格納されている。

Ｖｒ１（０）及びＩｒ１（０）は、第１状態（スイッチＳＷ１及びＳＷ３がオン、スイッチＳＷ２がオフ）において、受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル３１のコイル面とが平行（すなわち、各々のコイル面とのなす角度度θが０°）である場合における、基準電圧値及び基準電流値である。同様に、Ｖｒ１（９０）及びＩｒ１（９０）は、受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル３１のコイル面とが垂直（すなわち、各々のコイル面のなす角度θが９０°）である場合の、基準電圧値及び基準電流値である。Ｖｒ１（４５）及びＩｒ１（４５）は、受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル３１のコイル面とのなす角度θが４５°である場合の、基準電圧値及び基準電流値である。

Ｖｒ２（０）及びＩｒ２（０）は、第２状態（スイッチＳＷ１及びＳＷ３がオフ、スイッチＳＷ２がオン）において、受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル３１のコイル面とが平行（角度θが０°）である場合の、基準電圧値及び基準電流値である。同様に、Ｖｒ２（９０）及びＩｒ２（９０）は受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル３１のコイル面とが垂直（角度θが９０°）である場合の、基準電圧値及び基準電流値である。Ｖｒ２（４５）及びＩｒ２（４５）は、受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル３１のコイル面とがなす角度θが４５°である場合の、基準電圧値及び基準電流値である。

また、Ｖｒ１（ｘ）及びＩｒ１（ｘ）と、Ｖｒ２（ｘ）及びＩｒ２（ｘ）とは、一定以上の電力を受電可能な受電コイル２１の配置位置の限界における電圧値及び電流値の基準値である。すなわち、電圧値及び電流値が当該基準値に満たない場合、十分な電力伝送を行うことができないという限界値を示すものである。

接続切替部３７は、測定部３８から供給された電圧測定値Ｖｍ及び電流測定値Ｉｍと、基準値格納部３９の基準テーブルに格納されている基準電圧値Ｖｒ及び基準電流値Ｉｒとに基づいて、受電コイル２１と第１の送電コイル３１との位置関係を判定し、接続切替を行う。

例えば、接続切替部３７は、第１状態（スイッチＳＷ１及びＳＷ３がオン、スイッチＳＷ２がオフ）において、電圧測定値Ｖｍ及び電流測定値ＩｍがＶｒ１（９０）及びＩｒ１（９０）よりもＶｒ１（０）及びＩｒ１（０）に近い場合、受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル３１のコイル面とのなす角度が平行に近いと判定して、接続を第２状態（スイッチＳＷ１及びＳＷ３をオフ、スイッチＳＷ２をオン）に切り替える。一方、電圧測定値Ｖｍ及び電流測定値ＩｍがＶｒ１（９０）及びＩｒ１（９０）に近い場合、受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル３１のコイル面とのなす角度が垂直に近いと判定して、切り替えを行わない。

また、接続切替部３７は、第２状態（スイッチＳＷ２がオン、スイッチＳＷ１及びＳＷ３がオフ）において、電圧測定値Ｖｍ及び電流測定値ＩｍがＶｒ２（０）及びＩｒ２（０）よりもＶｒ２（９０）及びＩｒ２（９０）に近い場合、受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル３１のコイル面とのなす角度が垂直に近いと判定して、接続を第１状態（スイッチＳＷ１及びＳＷ３をオン、スイッチＳＷ２をオフ）に切り替える。一方、電圧測定値Ｖｍ及び電流測定値ＩｍがＶｒ２（０）及びＩｒ２（０）に近い場合、受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル３１のコイル面とのなす角度が平行に近いと判定して、切り替えを行わない。

また、接続切替部３７は、第１状態で電圧測定値Ｖｍ及び電流測定値ＩｍがＶｒ１（ｘ）及びＩｒ１（ｘ）に満たない場合、又は第２状態で電圧測定値Ｖｍ及び電流測定値ＩｍがＶｒ２（ｘ）及びＩｒ２（ｘ）に満たない場合、一定以上の電力を伝送可能な位置に受電コイル２１が配置されていない（例えば、第１の送電コイル３１と大きく離れている等）と判定し、スイッチＳＷ０をオフに切り替える。これにより、送電回路３４による送電が停止される。

従って、図６の構成を有する送電回路３４によれば、抵抗Ｒ１の両端における電圧及び電流の測定値に基づいて、受電コイル２１が磁束を多く捉えることができる配置状態にあるかどうかを判定し、第１の送電コイル３１の接続先を第２の送電コイル３２又は第３の送電コイル３３に自動的に切り替えることができる。

なお、上記説明では、電圧測定値及び電流測定値の両方に基づいて接続切替を行う例について説明したが、電圧測定値又は電流測定値のいずれか一方を用いて接続切替を行っても良い。

以上のように、本実施例の送電装置３０によれば、受電コイル２１の配置状態に応じて送電側のコイルの接続を切り替え、効率よく電力伝送を行うことができる。

なお、送電回路３４における送電側共振回路３５は、図５及び図６に示した回路構成に限られず、例えば図８に示す回路構成を有するものであっても良い。すなわち、図５に示した送電側共振回路３５とは異なり、第３の共振キャパシタＣ３に接続されて設けられたスイッチＳＷ３は、第３の共振キャパシタＣ３の接続先を第４の共振キャパシタＣ４及び接地電位のいずれか一方に切り替える。スイッチＳＷ３により第３の共振キャパシタＣ３と第４の共振キャパシタＣ４とが接続された場合、第３の共振キャパシタＣ３は第４の共振キャパシタＣ４を介して接地電位に接続された状態となる。スイッチＳＷ３により第３の共振キャパシタと接地電位とが接続された場合、第３の共振キャパシタＣ３は第４の共振キャパシタＣ４を介さずに接地電位に接続された状態となる。かかる構成においても、スイッチＳＷ３の切り替えをスイッチＳＷ１及びＳＷ２の切り替えと連動して行うことにより、受電コイル２１の配置状態に応じて、第１の送電コイル３１の接続先を第２の送電コイル３２又は第３の送電コイル３３に選択的に切り替え、効率よく電力伝送を行うことができる。

本実施例の送電装置及び電力伝送システムについて、図９を参照して説明する。なお、送電回路、受電回路及び受電コイルの構成は実施例１のものと同様であるため、同じ符号を付し、説明を省略する。

図９（ａ）は、本実施例の送電装置４０及び電力伝送システム（送電コイル及び受電コイル）を模式的に示す図である。送電装置４０は、第１の送電コイル４１、第２の送電コイル４２を有する。なお、ここでは受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル４１のコイル面とのなす角度が例えば垂直となるように受電コイル２１が配置された場合の例を示している。

第１の送電コイル４１及び第２の送電コイル４２は、平面コイル又は平面状コイルである。第１の送電コイル４１及び第２の送電コイル４２は、各々のコイル面を含む平面が所定の角度φ（０°＜φ＜１８０°）をなすように配置されている。すなわち、第１の送電コイル４１はコイル面が第１の平面内にあるように配置され、第２の送電コイル４２は第１の平面と所定の角度φをなす第２の平面内にコイル面があるように配置されている。第１の送電コイル４１の開口部から第２の送電コイル４２の開口部に向かって、破線で示すような弧を描く磁力線の交流磁界が発生する。

図９（ｂ）は、第１の送電コイル４１のコイル面に平行な方向（図９（ａ）のＸ方向）から見た交流磁界の磁力線を示す図である。一方、図９（ｃ）及び図９（ｄ）は、実施例１と同様に第１の送電コイルのコイル面及び第２の送電コイルのコイル面が同一平面内にある場合における交流磁界の磁力線及び受電コイル２１の例を、比較のために示す図である。

本実施例では、第１の送電コイル４１のコイル面と第２の送電コイル４２のコイル面とのなす角度が角度φ（０°＜φ＜１８０°）であるため、図９（ｂ）に破線で示すように、交流磁界の磁力線の広がりが、第１の送電コイル４１及び第２の送電コイル４２のコイル面が同一平面内にある場合の交流磁界（図９（ｄ））の磁力線の広がりと比べて小さい。すなわち、本実施例の第１の送電コイル４１及び第２の送電コイル４２により生成される交流磁界は、実施例１のように第１の送電コイルのコイル面及び第２の送電コイルのコイル面が同一平面内にある場合に生成される交流磁界と比べて、磁束密度が大きい。従って、受電コイル２１は磁束を多く捉えることができる。

以上のように、本実施例の送電装置４０によれば、磁束密度の大きい交流磁界が生成されるため、効率よく電力伝送を行うことができる。

なお、上記説明では、受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル４１のコイル面とが垂直になるように配置された場合を例として説明したが、受電コイル２１が効率よく磁束を捉えることができるのは、垂直に配置された場合に限られない。第１の送電コイル４１から第２の送電コイル４２に向かって磁力線の広がりが小さい交流磁界が生成されるため、受電コイル２１は、受電コイル２１のコイル面と第１の送電コイル４１のコイル面との間の角度θが、０°≦θ≦１８０°のいずれの場合であっても、磁束を効率よく捉えることができるのである。

本実施例の送電装置及び電力伝送システムについて、図１０〜図１４を参照して説明する。なお、送電回路及び受電回路の構成は実施例１のものと同様であるため、同じ符号を付し、説明を省略する。

図１０（ａ）は、本実施例の送電装置５０の送電コイルの構成を模式的に示す図である。送電装置５０は、第１の送電コイル５１及び第２の送電コイル５２を有する。

第１の送電コイル５１及び第２の送電コイル５２は、平面コイル又は平面状コイルである。また、第１の送電コイル５１及び第２の送電コイル５２は、略長方形の環状のコイル形状を有し、同一平面に並置されている。第１の送電コイル５１及び第２の送電コイル５２のコイル面に垂直な方向から見た場合、送電時には、第１の送電コイル５１及び第２の送電コイル５２には反対方向（例えば、反時計回りと時計回り）に電流が流れる。

第２の送電コイル５２の開口部の径は、第１の送電コイル５１及び第２の送電コイル５２の並置方向に垂直な方向において、第１の送電コイル５１の開口部の径よりも大きい。すなわち、第２の送電コイル５２の開口部の径（内径、図中にＷ２で示す）は、第１の送電コイル５１の開口部の径（図中にＷ１で示す）よりも大きい。ここで、開口部とは、磁束がコイルの内側を通過する部分（内径部）を指す。

図１０（ｂ）は、受電コイル６１のコイル面と第１の送電コイル５１のコイル面とが所定の角度をなす状態（例えば、垂直）となるように受電コイル６１が配置された場合の、第１の送電コイル５１、第２の送電コイル５２及び受電コイル６１（電力伝送システム）の位置関係を模式的に示す図である。

受電コイル６１は、平面コイル又は平面状コイルであり、略長方形の環状のコイル形状を有する。受電コイル６１の開口部の径（図中、Ｗ３で示す）は、第１の送電コイル５１の開口部の径Ｗ１よりも大きく、第２の送電コイル５２の開口部の径Ｗ２よりも小さい。すなわち、受電コイル６１の開口部の径は、第１の送電コイル５１の開口部の径及び第２の送電コイル５２の開口部の径の中間の大きさを有する。

受電コイル６１は、例えば受信装置である腕時計等の内部に文字盤と平行に設けられている。また、受電コイル６１の受電面（第１の送電コイル５１側の面）の裏側（すなわち、第２の送電コイル５２側の面）には、磁性体シートが設けられていても良い。図１１（ａ）及び（ｂ）は、第１の送電コイル５１のコイル面に垂直な方向から見た交流磁界の磁力線を、磁性体シートが設けられていない場合（図１１（ａ））、磁性体シート６２が設けられている場合（図１１（ｂ））のそれぞれについて模式的に示す図である。

磁性体シートが設けられていない場合、図１１（ａ）に破線矢印で示すように、第１の送電コイル５１の開口部から受電コイル６１を通過して第２の送電コイル５２の開口部に向かう磁力線の交流磁界が生成される。

一方、受電コイル６１の受電面の裏側（背面）に磁性体シート６２が設けられている場合、図１１（ｂ）に破線矢印で示すように、第１の送電コイル５１の開口部から磁性体シート６２を避けるように受電コイル６１の端部を通って第２の送電コイル５２の開口部に向かう磁力線の交流磁界が生成される。すなわち、第２の送電コイル５２の開口部の径Ｗ２が第１の送電コイル５１の開口部の径Ｗ１よりも大きく形成されているため、受電コイル６１の受電面の裏側に磁性体シート６２が設けられている場合であっても、交流磁界の磁力線が第２の送電コイル５２の開口部に到達することができる。

このように、本実施例の送電装置５０では、第２の送電コイル５２の開口部の径Ｗ２が第１の送電コイル５１の開口部の径Ｗ１よりも大きく形成されているため、受電コイル６１の受電面の裏側に磁性体シート６２が設けられている場合であっても、交流磁界を遮断することなく電力伝送を行うことができる。

なお、第１の送電コイル５１、第２の送電コイル５２及び受電コイル６１のコイル形状は略長方形に限られず、環状のコイル形状であれば良い。また、第１の送電コイル５１及び第２の送電コイル５２は、上記のように同一平面に並置されている場合に限られず、実施例３のようにコイル面が所定の角度φ（０°＜φ＜１８０°）をなすように配置されていても良い。

図１２は、第１の送電コイル５１のコイル面と第２の送電コイル５２のコイル面とが角度φをなす場合の例を模式的に示す図である。第１の送電コイル５１のコイル面を含む平面を平面Ｐ１、第２の送電コイル５２のコイル面を含む平面を平面Ｐ２とすると、平面Ｐ１と平面Ｐ２とが交わる交線方向であるＬＸ方向において、第２の送電コイル５２の開口部の径Ｗ２は、第１の送電コイル５１の開口部の径Ｗ１よりも大きい。

このように、第１の送電コイル５１及び第２の送電コイル５２の各々のコイル面が同一平面内にあるように配置されているか所定の角度φをなすように配置されているかにかかわらず、第２の送電コイル５２の開口部は、第１の送電コイル５１のコイル面を含む平面及び第２の送電コイル５２のコイル面を含む平面が交わる交線方向において、第１の送電コイル５１の開口部よりも大なる径を有するものであれば良い。

また、図１３は、第１、第２の送電コイルが、楕円を含む円形状、多角形状等の回転対称の環状形状を有する場合における、第１、第２の送電コイルと交差方向ＬＸとの位置関係を示す図である。第１の送電コイル５１及び第２の送電コイル５２は、楕円を含む円形状、多角形状等の回転対称の環状形状を有し、その開口部も回転対称形状を有している。第１の送電コイル５１の回転中心をＯ１、第２の送電コイル５２の回転対称中心をＯ２とすると、第１の送電コイル５１及び第２の送電コイル５２は、Ｏ１及びＯ２を結ぶ直線が交差方向ＬＸに垂直であるように配置されている。

なお、第２の送電コイル５２は、図１０乃至１３において示したように、その開口部の径Ｗ２が第１の送電コイル５１の開口部の径Ｗ１よりも大きい１つのコイルからなる場合に限られず、２つのサブコイルから構成されていても良い。例えば、図１４に示すように、第２の送電コイル５２が第１サブコイル５２ａ及び第２サブコイル５２ｂから構成されている場合、第１サブコイル５２ａの開口部の径をＷ４、第２サブコイル５２ｂの開口部の径をＷ５、第１サブコイル５２ａの開口部から第２サブコイル５２ｂとの開口部までの間の距離をＤとすると、これらの和（Ｗ４＋Ｄ＋Ｗ５）を上記の「径Ｗ２」として適用することができる。すなわち、第１サブコイル５２ａの開口部のうち第２のサブコイル５１ｂから最も遠い位置と、第２サブコイル５２ｂの開口部のうち第１サブコイル５２ａから最も遠い位置との間の距離が、第１の送電コイル５１の開口部の径より大きくなるように配置されれば良い。

この構成においても、受電コイル６１の受電面の裏側に磁性体シート６２が設けられている場合、図に破線矢印で示すように、第１の送電コイル５１の開口部から磁性体シート６２を避けるように受電コイル６１の端部を通って、第２の送電コイル５２の第１サブコイル５２ａ及び第２サブコイル５２ｂの開口部に向かうような磁力線の交流磁界が生成される。すなわち、受電コイル６１の裏側に磁性体シート６２が設けられている場合であっても、交流磁界の磁力線が第２の送電コイル５２の開口部に到達することができ、交流磁界を遮断することなく電力伝送を行うことが可能となる。

また、図１１（ｂ）及び図１４では、磁性体シート６２が設けられた受電コイル６１が第１の送電コイル５１及び第２の送電コイル５２（第１サブコイル５２ａ及び第２サブコイル５２ｂ）の中間に位置するように配置されている。しかし、受電コイル６１及び磁性体シート６２の配置位置はこれに限定されない。例えば、受電コイル６１及び磁性体シート６２は、第１の送電コイル５１に近い位置に配置されても良く、第２の送電コイル５２（第１サブコイル５２ａ及び第２サブコイル５２ｂ）に近い位置に配置されても良い。

以上のように、本発明によれば、受電コイルと送電コイルとの相対的な配置状態にかかわらず効率よく電力伝送を行うことが可能な送電装置及び電力伝送システムを提供することが可能となる。

なお、上記実施例は適宜、組み合わせて適用しても良い。例えば、実施例２において、第１の送電コイル３１及び第３の送電コイル３３のコイル面と第２の送電コイル３２のコイル面とが、実施例３のように傾斜している（すなわち、角度φをなす）ように構成しても良い。同様に、実施例２において、実施例４のように、第２の送電コイル３２の開口部が第１の送電コイル３１の開口部より大きい径を有するように構成しても良い。

なお、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施例では、送電コイル（第１、第２、第３の送電コイル）及び受電コイルが略長方形の環状の形状を有するコイルである例について説明した。しかし、コイルの形状はこれに限られない。例えば、円形状、楕円形状、正方形その他の多角形の環状形状を有していても良い。また、送電コイル及び受電コイルは、複数巻のコイルであっても良い。

また、上記実施例では、送電コイル（第１の送電コイル、第２の送電コイル、第３の送電コイル）及び受電コイルが１３．５６ＭＨｚの共振周波数で共振する例について説明したが、周波数帯はこれに限られない。例えば、６．７８ＭＨｚ等の短波の周波数帯でも良いし、１００ｋＨｚ程度の長波の周波帯でも良い。要するに、送電コイル及び受電コイルが同じ共振周波数で共振するように構成されていれば良い。

また、上記実施例では、送電コイル及び受電コイルが共通の共振周波数で共振することにより電力を伝送する、磁界共鳴方式を用いた例について説明した。しかし、電磁誘導によって送電コイルから受電コイルに送電を行う電磁誘導方式により電力を伝送するものであっても良い。

また、上記実施例では、伝送された電力の供給を受ける負荷ＲＸが受電装置のバッテリであり、伝送された電力に基づいて充電を行う例について説明した。しかし、電力伝送の目的は、充電に限られない。例えば、交流信号（交流電流）に変調をかけることにより、伝送される電力を用いて、双方向又は片方向の通信を行うものであっても良い。

１０ 送電装置
１１ 第１の送電コイル
１２ 第２の送電コイル
１３ 送電回路
１４ 送電側共振回路
１６ 筐体
２１ 受電コイル
２２ 受電回路
２３ 受電側共振回路
２４ 整流回路
３０ 送電装置
３１ 第１の送電コイル
３２ 第２の送電コイル
３３ 第３の送電コイル
３４ 送電回路
３５ 送電側共振回路
３６ 駆動回路
３７ 接続切替部
３８ 測定部
３９ 基準値格納部
４０ 送電装置
４１ 第１の送電コイル
４２ 第２の送電コイル
５０ 送電装置
５１ 第１の送電コイル
５２ 第２の送電コイル
５２ａ 第１サブコイル
５２ｂ 第２サブコイル
６１ 受電コイル

Claims (14)

1. 受電コイルに非接触で電力を送電する送電装置であって、
   駆動回路と、
   前記駆動回路により駆動される第１の送電コイルと、
   前記第１の送電コイルの外側に配置された第２の送電コイルと、
   前記第１の送電コイルの内側に配置された第３の送電コイルと、
   前記第１の送電コイルと前記第２の送電コイル及び前記第３の送電コイルの一方との間の接続切替をなす切替回路と、
   を有することを特徴とする送電装置。
2. 前記駆動回路の駆動電流又は駆動電圧を測定する測定部を有し、
   前記切替回路は、前記測定部の測定結果に応じて、前記接続切替をなすことを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
3. 前記駆動電流又は前記駆動電圧の基準値を格納する格納部を有し、
   前記切替回路は、前記測定部の測定結果を前記基準値と比較し、その比較結果に基づいて、前記接続切替をなすことを特徴とする請求項２に記載の送電装置。
4. 前記第１、第２及び第３の送電コイルは平面状コイルであり、
   前記第２の送電コイルは、コイル面が前記第１の送電コイルのコイル面と同一平面内にあるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の送電装置。
5. 前記第３の送電コイルは、コイル面が前記第１の送電コイルのコイル面と同一平面内にあるように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の送電装置。
6. 受電コイルに非接触で電力を送電する送電装置であって、
   平面状の第１の送電コイルと、
   前記第１の送電コイルの外側に配置された平面状の第２の送電コイルと、を有し、
   前記第１の送電コイルのコイル面を含む平面及び前記第２の送電コイルのコイル面を含む平面が交わる交線方向において、前記第２の送電コイルの開口部の径は前記第１の送電コイルの開口部の径よりも大なることを特徴とする送電装置。
7. 前記第２の送電コイルは、同一平面内に配された第１サブコイルと第２サブコイルとを有することを特徴とする請求項６に記載の送電装置。
8. 前記第１及び第２の送電コイルは回転対称形状を有し、
   前記第１及び第２の送電コイルの回転中心を結ぶ直線が前記交線方向に垂直であるように配置されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の送電装置。
9. 受電コイルに非接触で電力を送電する送電装置であって、
   第１の平面内にコイル面があるように配置された平面状の第１の送電コイルと、
   前記第１の送電コイルの外側且つ前記第１の平面と角度φ（０°＜φ＜１８０°）をなす第２の平面内にコイル面があるように配置された平面状の第２の送電コイルと、
   を有することを特徴とする送電装置。
10. 前記第２の送電コイルの開口部の径は、前記第１の送電コイルのコイル面を含む平面及び前記第２の送電コイルのコイル面を含む平面が交わる交線方向において、前記第１の送電コイルの開口部の径よりも大なることを特徴とする請求項９に記載の送電装置。
11. 前記第２の送電コイルは、同一平面内に配された第１サブコイルと第２サブコイルとを有することを特徴とする請求項１０に記載の送電装置。
12. 平面状の第１の送電コイルと、
    前記第１の送電コイルの外側に配置された平面状の第２の送電コイルと、
    前記第１の送電コイル及び前記第２の送電コイルと非接触に配置された平面状の受電コイルと、を有し、
    前記第１の送電コイルのコイル面を含む平面及び前記第２の送電コイルのコイル面を含む平面が交わる交線方向において、前記第２の送電コイルの開口部の径は前記第１の送電コイルの開口部の径よりも大きく、前記受電コイルの開口部の径は前記第１の送電コイルの開口部の径及び前記第２の送電コイルの開口部の径の中間の大きさを有することを特徴とする電力伝送システム。
13. 前記第２の送電コイルは、同一平面内に配された第１サブコイルと第２サブコイルとを有することを特徴とする請求項１２に記載の電力伝送システム。
14. 前記第１の送電コイルは、第１の平面内にコイル面があるように配置され、
    前記第２の送電コイルは、前記第１の平面と角度φ（０°＜φ＜１８０°）をなす第２の平面内にコイル面があるように配置されていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の電力伝送システム。

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