JP2018153025A - 送電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 異なる規格に準拠する２つの送電コイルにおける相互インダクタンスの影響を低減させて、充電効率の良い送電装置を提供する。【解決手段】 給電面６０に載置された受電装置ＲＤへ無線で電力を伝送する送電装置１００であって、第１の伝送方式で電力を伝送する第１送電コイル１０と、第１送電コイルの外周側であって、給電面に対して第１送電コイルより近い位置に配置され、第２の伝送方式で電力を伝送する第２送電コイル２０と、を備え、第２送電コイルのコイル面に垂直な線Ｐ２は、給電面側において、第１送電コイルの中心軸線Ｐ１と所定の角度θで交わる送電装置１００。【選択図】 図２

Description

本発明は、受電装置へ無線で電力を伝送する送電装置に関し、特に２種類の異なるコイルを共存させて非接触で電力を伝送する送電装置に関する。

従来から、受電装置へ無線で電力を伝送する送電装置が提案されている。例えば、特許文献１は、２つの伝送方式に対応でき、且つ、送電装置から受電装置への伝送効率の低下を抑制できる無線電力伝送システムを開示する。この無線電力伝送システムは、送電コイルと受電コイルとの磁界結合を利用して、送電装置から受電装置に無線で電力を伝送する。送電装置は、送電用の電気信号を生成する送電回路と、第１の伝送方式に対応した第１送電コイルと、第２の伝送方式に対応した第２送電コイルと、第１送電コイルがその上に載置される第１磁性体と、第２送電コイルがその上に載置される第２磁性体と、受電装置がその上に載置される給電面と、を有する。そして、第１磁性体の第１取付面と第２磁性体の第２取付面とは、給電面の下側に位置し、給電面と平行な同一の平面上に配置されている。この送電装置では、第１送電コイルが発生させた磁束を第１磁性体の内部に集中させて、第１送電コイルと第２送電コイルとの磁界結合を抑制することができる。また、第２送電コイルが発生させた磁束を第２磁性体の内部に集中させて、第１送電コイルと第２送電コイルとの磁界結合を抑制することができる。

特開２０１５−１４４５０８号公報

近年、スマートフォンなどの携帯端末が普及する中で、非接触で充電を行うための規格が複数登場してきている。たとえば、Ｑｉ規格、ＰＭＡ規格、Ａ４ＷＰ規格などであり、互いに、ハード・ソフト両面において互換性のあるものとないものがある。Ｑｉ規格とＰＭＡ規格は、電磁誘導方式を採用しており、ハード（送電コイル）を共用することが可能である。一方、Ａ４ＷＰ規格は、磁界共鳴方式を採用しており、送電コイルにおいてＱｉ規格等とは互換性がなく、専用の送電コイルが必要になる。使用者の使いやすさを考慮した場合、１台の非接触充電器にて複数の規格に対応できることが好まれる。

しかし、Ｑｉ規格／ＰＭＡ規格に準拠した送電コイルとＡ４ＷＰ規格に準拠した送電コイルの両方を小型化された機器の中で配置すると、相互インダクタンスの影響でコイルが互いに干渉し合うことで、インダクタンス値が変動し、充電の性能を低下させる原因となる。この性能低下は、Ａ４ＷＰ規格のような磁界共鳴方式の場合に顕著に表れることが判っている。

本発明は、かかる事情を鑑みて考案されたものであり、異なる規格に準拠する２つの送電コイルにおける相互インダクタンスの影響を低減させて、充電効率の良い送電装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、給電面に載置された受電装置へ無線で電力を伝送する送電装置であって、第１の伝送方式で電力を伝送する第１送電コイルと、第１送電コイルの外周側であって、給電面に対して第１送電コイルより近い位置に配置され、第２の伝送方式で電力を伝送する第２送電コイルと、を備え、第２送電コイルのコイル面に垂直な線は、給電面側において、第１送電コイルの中心軸線と所定の角度で交わる送電装置が提供される。
これによれば、第２送電コイルのコイル面に垂直な線が給電面側において第１送電コイルの中心軸線と所定の角度で交わることで、第２送電コイルが発生させる磁束が第１送電コイルを鎖交しないようにすると共に受電装置に磁束を集中させることができ、相互インダクタンスの影響を低減させて、充電効率の良い送電装置を提供することができる。

さらに、第１送電コイルは、電磁誘導方式に対応したコイルであり、第２送電コイルは、磁界共鳴方式に対応したコイルであることを特徴としてもよい。
これによれば、磁界共鳴方式および電磁誘導方式の両方の規格に準拠した充電装置において、磁界共鳴方式のコイル面に垂直な線が給電面側において電磁誘導方式のコイルの中心軸線と所定の角度で交わることで、磁界共鳴方式のコイルが発生させる磁束が電磁誘導方式のコイルを鎖交しないようすると共に受電装置に磁束を集中させることができ、相互インダクタンスの影響を低減させて、磁界共鳴方式の送電コイルによる充電において充電効率の良い送電装置を提供することができる。

さらに、所定の角度は、概ね３０度〜４５度であることを特徴としてもよい。
これによれば、所定の角度が概ね３０度〜４５度であることで、効率よく相互インダクタンスの影響を低減させて、磁界共鳴方式の送電コイルによる充電において充電効率の良い送電装置を提供することができる。

以上説明したように、本発明によれば、異なる規格に準拠する２つの充電用コイルにおける相互インダクタンスの影響を低減させて、充電効率の良い送電装置を提供できる。

本発明に係る第一実施例の送電装置の、（Ａ）平面図（給電面を含まず）、（Ｂ）側面図（給電面を含まず）。 本発明に係る第一実施例の送電装置の、図１におけるＡ−Ａ断面図（給電面を含む）。 従来技術の送電装置における、（Ａ）磁界共鳴コイルが発生させた磁束により電磁誘導コイルに電流が流れることを示す模式図、（Ｂ）電磁誘導コイルに電流が流れることにより受電装置との間に結合が発生することを示す模式図。

以下では、図面を参照しながら、本発明に係る実施例について説明する。まず、図３を参照して、従来技術の送電装置１００Ｚについて説明する。なお、本図では、送電装置１００Ｚの筐体を図示せず、筐体の内部に収納されるコイル等を中心に図示したものである。送電装置１００Ｚは、スマートフォン等の受電装置ＲＤへ無線で電力を伝送する送電装置である。受電装置ＲＤは、内部に送電装置１００Ｚの伝送方式に適用可能な受電機能を有しており、送電装置１００Ｚの筐体の給電面６０に載置されることで、送電装置１００Ｚから給電を受けて充電される。

送電装置１００Ｚは、電磁誘導方式で電力を伝送する第１送電コイル１０と、磁界共鳴方式で電力を伝送する第２送電コイル２０とを備える。電磁誘導方式とは、送電側のコイルが発生させる磁場の変化に伴って生ずる電磁誘導により、受電側のコイルに起電力を発生させて電力を伝送する方式である。磁界共鳴方式とは、送電側のコイルの周波数と受電側のコイルの周波数を合わせて、送電側のコイルに電流が流れることにより発生した磁場の振動が同じ周波数で共振する受電側の共振回路に伝わることにより、電力を伝送する方式である。

電磁誘導方式は、磁束の大きさが電力の伝送効率に大きく影響し、送電側と受電側のコイルの結合係数の大きさが送電電力の大小を決めることになる。結合係数の大きさは、両コイル間の距離やコイル中心位置の一致度などにより影響を受ける。磁界共鳴方式は、磁束が小さくてもよく、その代わり送電側と受電側のコイル（アンテナ）におけるピーキー性能（所定の周波数に対して鋭敏に反応する性質）の高さが伝送効率に大きく影響する。磁界共鳴方式では、磁束の大きさは伝送効率にあまり関係がないため、送電側のコイルと受電側のコイルが離れていても送電が可能であるとの特徴がある一方で、周囲のコイルや磁束の影響を受け易い。すなわち、磁界共鳴方式の伝送効率においては、送電側のコイルの共振周波数と受電側のコイルの共振周波数をどれだけ一致させることができるかが重要となる。

特に、送電装置１００Ｚのような、電磁誘導方式の第１送電コイル１０と磁界共鳴方式の第２送電コイル２０とを備える送電装置では、送電側のコイルと受電側のコイルの相互インダクタンスの影響を受けることとなる。すなわち、磁界共鳴方式の第２送電コイル２０の近傍には、自身の電磁誘導方式の第１送電コイル１０と共に、電磁誘導方式における伝送効率を高めるために近傍に接近した受電装置ＲＤの受電コイルも存在するからである。

本図に示すように、送電装置１００Ｚにおいて、電磁誘導方式の第１送電コイル１０と磁界共鳴方式の第２送電コイル２０は、給電面６０の近傍すなわち受電装置ＲＤの近傍に位置し、受電装置ＲＤの受電側のコイルからの距離は、両者とも概ね同じ距離である。本図（Ａ）は、磁界共鳴方式の第２送電コイル２０に電流を流すことにより、上向きの磁束ＭＬが発生したことを示す。そうすると、この磁束ＭＬが電磁誘導方式の第１送電コイル１０に鎖交し、この鎖交した分だけ電磁誘導方式の第１送電コイル１０に電流ＣＲが流れてしまう。

そうすると、本図（Ｂ）に示すように、電磁誘導方式の第１送電コイル１０と受電装置ＲＤの受電側のコイルの間に結合が発生する。かかる結合が発生すると、相互インダクタンスが変化し、受電側のコイルの共振周波数が変動してしまうため、ピーキー性能が高いが故、磁界共鳴方式の第２送電コイル２０における伝送効率が低下することとなる。また、受電装置ＲＤのスマートフォンなどが、給電面６０で移動するなどし、第１送電コイル１０／第２送電コイル２０と受電側のコイルの距離が変動することでも相互インダクタンスは変動することがある。上述したような相互インダクタンスの変動が生ずると、受電装置ＲＤに対する送電装置１００Ｚの充電の性能を低下させる原因となる。

＜第一実施例＞
図１および図２を参照し、本実施例における送電装置１００を説明する。なお、図１は、送電装置１００のケースを図示せず、内部のコイル等のみを示す。送電装置１００は、携帯端末などの受電装置ＲＤに無線で電力を伝送する装置であり、受電装置ＲＤを載置する給電面６０を有する。送電装置１００は、携帯端末などの受電装置ＲＤに対して無線で給電する所謂ワイヤレス充電方式として、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ付近の周波数の電磁波を使用した電磁誘導方式と、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚ付近の周波数の電磁波を使用した磁界共鳴方式の両方を含む。

送電装置１００は、かかる２種類のワイヤレス充電方式に対応するため、電磁誘導方式（第１の伝送方式）で電力を伝送する第１送電コイル１０と、磁界共鳴方式（第２の伝送方式）で電力を伝送する第２送電コイル２０とを備える。送電装置１００は、より具体的には、平面視矩形の制御基板４０と、制御基板４０上に矩形板状に磁界を強めるための磁性体３０と、磁性体３０の給電面６０側に積層するようにして設けられた第１送電コイル１０と、制御基板４０の端部から延在して給電面６０の方へ角度θをなして近づくように形成され、制御基板４０と電気的に接続された第２送電コイル基板２１と、第２送電コイル基板２１上に設けられた磁性体３１と、磁性体３１の給電面６０側に積層するように設けられた第２送電コイル２０を備える。

制御基板４０と第２送電コイル基板２１と含めた全体の外形は、矩形の皿状をなす。皿状の底の部分が、制御基板４０であり、縁の部分が、第２送電コイル基板２１である。第１送電コイル１０は、底の部分すなわち制御基板４０の範囲ほぼ全体を占めるような大きさで設けられ、第２送電コイル２０は、縁の部分すなわち第２送電コイル基板２１に設けられる。第２送電コイル２０は、第２送電コイル２０が磁力線ＭＬを発生させた場合に、その磁力線ＭＬが第１送電コイル１０を鎖交することが少ないので、第２送電コイル基板２１の中でも縁に近い部分に設けられることが好ましい。

第２送電コイル２０の給電面６０からの位置は、第１送電コイル１０の給電面６０からの位置に比して近い位置に配置されると共に、第２送電コイル２０は、第１送電コイル１０のコイルより外周側に位置する。なお、磁性体３０および磁性体３１は、フェライトなどの透磁率１以上の材料から構成され、その平面視形状は、第１送電コイル１０および第２送電コイル２０の形状とほぼ同じである。

第１送電コイル１０は、制御基板４０上に形成された導体の配線パターンにより方形環状に巻回されたスパイラルコイルである。第２送電コイル２０は、第２送電コイル基板２１上に形成された導体の配線パターンにより方形に形成されたアンテナであり、磁束の強さで結合する第１送電コイル１０とは異なり、磁界共鳴のため必ずしも何回も巻回する必要はない。第２送電コイル２０は、自分のインダクタンスと浮遊容量とによって、所定の周波数で共振するようになっている。

送電装置１００は、さらに、制御基板４０または第２送電コイル基板２１上に、第１送電コイル１０および第２送電コイル２０に対して電気信号を生成する送電回路（図示せず）を備える。送電回路は、内部に、インバータ回路等の回路で構成された、第１送電コイル１０に対応した第１送電回路と第２送電コイル２０に対応した第２送電回路とを有している。第１送電回路は、電磁誘導方式に対応した送電用の電気信号を発生させる。電磁誘導方式に対応した電気信号としては、通常、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ付近の周波数の交流の電気信号が用いられる。第２送電回路は、磁気共鳴方式に対応した送電用の電気信号を発生させる。磁気共鳴方式に対応した電気信号としては、通常、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚ付近の周波数の交流の電気信号が用いられる。

尚、制御基板４０は、送電回路以外にも検波回路、制御回路、スイッチ等（図示せず）を有しており、所定の制御信号や操作に基づいて、電磁誘導方式と磁気共鳴方式とのうちのどちらの伝送方式で伝送を行うかを選択できるようになっている。送電回路は、発生させた電気信号を、選択された方式の第１送電コイル１０または第２送電コイル２０に印加する。なお、検波回路は、給電面６０付近に設置され、受電装置ＲＤの信号を検波することで、受電装置ＲＤが電磁誘導方式の受電装置なのか磁界共鳴方式の受電装置なのかを、たとえば受信した信号の周波数により判別する。また、送電回路は、必要に応じて、第１送電コイル１０および第２送電コイル２０に同時に印加することができる。

図２に示すように、第２送電コイル２０のコイル面に垂直な線Ｐ２は、給電面６０側において、第１送電コイル１０の中心軸線Ｐ１と所定の角度で交わるように構成されている。従来技術では、第２送電コイル２０のコイル面に垂直な線Ｐ２と第１送電コイル１０の中心軸線Ｐ１は平行をなすが、平行である場合は、第２送電コイル２０からの磁力線ＭＬを受電装置ＲＤに鎖交させようとすると、第１送電コイル１０にも鎖交することになってしまっていた。

しかし、本発明にかかる送電装置１００のように、線Ｐ２と中心軸線Ｐ１が所定の角度θで交わるように構成すると、第２送電コイル２０が発生させる磁力線ＭＬが第１送電コイル１０に鎖交しないように弱くしても、受電装置ＲＤに磁力線ＭＬを集中させることができ、効率よく充電することができる。なお、所定の角度θは、実験で確認したところ、概ね３０度〜４５度が好ましく、効率がよい。

このように、磁界共鳴方式および電磁誘導方式の両方の規格に準拠した充電装置において、磁界共鳴方式のコイル面に垂直な線が給電面側において電磁誘導方式のコイルの中心軸線と所定の角度で交わることで、磁界共鳴方式のコイルが発生させる磁束が電磁誘導方式のコイルを鎖交しないようすると共に受電装置に磁束を集中させることができ、相互インダクタンスの影響を低減させて、磁界共鳴方式の送電コイルによる充電において充電効率の良い送電装置を提供することができる。

なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

ＲＤ 受電装置（携帯端末）
１００ 送電装置
１０ 第１送電コイル（電磁誘導方式コイル）
２０ 第２送電コイル（磁界共鳴方式コイル）
２１ 第２送電コイル基板
３０ 磁性体
４０ 制御基板
６０ 給電面
ＭＬ 磁力線

Claims (3)

1. 給電面に載置された受電装置へ無線で電力を伝送する送電装置であって、
   第１の伝送方式で電力を伝送する第１送電コイルと、
   前記第１送電コイルの外周側であって、前記給電面に対して前記第１送電コイルより近い位置に配置され、第２の伝送方式で電力を伝送する第２送電コイルと、
   を備え、
   前記第２送電コイルのコイル面に垂直な線は、前記給電面側において、前記第１送電コイルの中心軸線と所定の角度で交わる、
   送電装置。
2. 前記第１送電コイルは、電磁誘導方式に対応したコイルであり、
   前記第２送電コイルは、磁界共鳴方式に対応したコイルであることを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
3. 前記所定の角度は、略３０度〜４５度であることを特徴とする請求項２に記載の送電装置。