JP5705079B2 - 非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法 - Google Patents

Description

本発明は、送電コイルと受電コイル間の電力の伝送を、磁界共鳴を介して非接触（ワイヤレス）で行う非接触電力伝送装置に関する。

非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導（数１００ｋＨｚ）による電磁誘導型、電界または磁界共鳴を介したＬＣ共振間伝送による電界・磁界共鳴型、電波（数ＧＨｚ）によるマイクロ波送電型、あるいは可視光領域の電磁波（光）によるレーザ送電型が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導型である。これは簡易な回路（トランス方式）で実現可能であるなどの優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。

そこで、最近になって近距離伝送（〜２ｍ）が可能な電界・磁界共鳴型の電力伝送が注目を浴びてきた。このうち、電界共鳴型の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。この点から磁界共鳴型に対する注目度が上昇してきている。

図７は、従来の磁界共鳴を利用した電力伝送装置の構成例の概略を示した正面図である。送電装置１は、ループコイル３ａと送電用共鳴コイル４ａを組み合わせた送電コイル、受電装置２は、ループコイル３ｂと受電用共鳴コイル４ｂを組み合わせた受電コイルを備えている。送電装置１のループコイル３ａには高周波電力ドライバー５が接続され、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）６の電力を送電可能な高周波電力に変換して供給する。受電装置２のループコイル３ｂには、整流器７を介して負荷として例えば充電池８が接続されている。

ループコイル３ａは、高周波電力ドライバー５から供給される電気信号により励起され、電磁誘導により送電用共鳴コイル４ａに電気信号を伝送する誘電素子である。送電用共鳴コイル４ａはループコイル３ａから出力された電気信号に基づいて磁界を発生させる。この送電用共鳴コイル４ａは、共振周波数ｆ０＝１／｛２π（ＬＣ）^1/2｝（Ｌは送電側の送電用共鳴コイル４ａのインダクタンスで、Ｃは浮遊容量を示す）において磁界強度が最大となる。送電用共鳴コイル４ａに供給された電力は、磁界共鳴により受電用共鳴コイル４ｂに非接触で伝送される。伝送された電力は、受電用共鳴コイル４ｂから電磁誘導によりループコイル３ｂへ伝送され、整流器７により整流されて充電池８に供給される。この場合、送電用共鳴コイル４ａと受電装置２の共振周波数は同一に設定される。

このような磁界共鳴型の非接触電力伝送において、一つの送電装置に対して複数の受電装置を設け、その中から特定の受電装置を選択的に充電する方法が、特許文献１に開示されている。すなわち、送電装置は共振周波数を可変する機構を有し、複数の受電装置はそれぞれ固有の共振周波数を有し、送電装置の共振周波数を変えることにより、それぞれ異なる固有の共振周波数を有する受電装置に対して選択的に送電することができる。

特開２０１０−６３２４５号公報

特許文献１に開示された技術においては、送電装置の共振周波数を個々の受電装置の固有の共振周波数に合わせるための可変機構として、例えば、コイルの線長をリレー開閉によって切り換えることにより共鳴コイルのインダクタンスを可変とする構造を用いる。あるいは、送電装置の共振周波数の可変機構として、アクチュエータにより物理的に共振コイルの全長を切り換える構造を用いる。

更には、他の従来技術として、送電装置の交流電源の発振周波数を受電先の受電装置の共振周波数に切り換えることにより、それぞれ異なる固有の共振周波数を有する受電装置に対して選択的に送電することも検討されている。

しかしながら、このような従来技術による送電装置の共振周波数の可変方法では、装置の構造及び制御が複雑化したり、送電装置の小型化が難しい問題があった。

本発明は、このような従来技術における問題点を解決するものであり、簡単な構成で特定の受電装置に対して選択的に電力伝送が可能な非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法を提供することを目的とする。

本発明の非接触電力伝送装置は、基本構成として、送電用共鳴コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電用共鳴コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルの間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する。

上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送装置は、補助コイル及び共振容量により構成され、共振周波数ｆ３が可変である補助共振器を有する送電補助装置を更に備え、前記送電補助装置を前記送電装置と対向させて配置して、前記送電用共鳴コイルと前記補助コイルの間に、前記受電用共鳴コイルが配置される受電空間を形成可能であり、前記共振周波数ｆ３を調整することにより、前記送電共振器と前記補助共振器が構成する送電側共振系の共振周波数ｆｔを調整可能であることを特徴とする。

本発明の非接触電力伝送方法は、送電用共鳴コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電用共鳴コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを用い、前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルの間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する方法であって、補助コイル及び共振容量により構成され、共振周波数ｆ３が可変である補助共振器を有する送電補助装置を更に用い、前記送電補助装置を前記送電装置と対向させて配置して、前記送電用共鳴コイルと前記補助コイルの間に形成された受電空間に前記受電用共鳴コイルを配置し、前記共振周波数ｆ３を調整することにより、前記送電共振器と前記補助共振器が構成する送電側共振系の共振周波数ｆｔを調整して電力伝送を行うことを特徴とする。

本発明によれば、送電装置と受電装置の他に送電補助装置を設け、送電装置と送電補助装置の間の受電空間に受電装置を配置することにより、送電側共振系の共振周波数を送電補助装置により調整することが可能であり、複数の受電装置のうちの、固有の共振周波数を持つ特定の受電装置に対して選択的に非接触電力伝送が可能となる。

また、受電装置の受電共鳴コイルの位置によらず、電力伝送効率がほぼ平坦な距離依存性が得られる。更に、送電補助装置が無い場合に比べて大幅に電力伝送可能距離を長くすることができる。

実施の形態１における非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図 同非接触電力伝送装置の送電側共振系に対するＶＮＡ（ベクトルネットワークアナライザ）による測定時の各要素装置の配置を示す模式断面図 同非接触電力伝送装置の送電側共振系について、補助共振器の共振周波数ｆ３に対する共振周波数ｆｔの推移を示すグラフ 同非接触電力伝送装置の送電側共振系について、補助共振器の共振周波数ｆ３の３つの値の各々におけるＶＮＡ測定の出力を示す波形図 同非接触電力伝送装置に対するＶＮＡ測定時の各要素装置の配置を示す模式断面図 同非接触電力伝送装置について、補助共振器の共振周波数ｆ３に対する電力伝送効率の依存性を示すグラフ 同非接触電力伝送装置に対する送電共振器の共振周波数ｆ１を変化させたＶＮＡ測定時の各要素装置の配置を示す模式断面図 同非接触電力伝送装置について、電力伝送効率の送電共振器の共振周波数ｆ１に対する依存性を示すグラフ 実施の形態２における非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図 同非接触電力伝送装置の平面図 同非接触電力伝送装置について、図５Ａの配置における一方の受電装置への電力伝送効率の送電共振器の共振周波数ｆ１に対する依存性を示すグラフ 同非接触電力伝送装置について、図５Ａの配置における他方の受電装置への電力伝送効率の送電共振器の共振周波数ｆ１に対する依存性を示すグラフ 実施の形態３における非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図 従来技術における非接触電力伝送装置の構成を示す断面図

本発明の非接触電力伝送装置は、上記構成を基本として、以下のような態様を採ることができる。

すなわち、前記送電補助装置の前記共振容量が可変コンデンサにより構成され、前記可変コンデンサを調整することにより前記補助共振器の共振周波数ｆ３を調整可能である構成とすることができる。

また、前記送電補助装置の前記共振容量がそれぞれ異なる容量値を有する複数の固定コンデンサにより構成され、前記補助コイルに選択的に接続される前記固定コンデンサを切り替えることにより、前記補助共振器の共振周波数ｆ３を調整可能である構成とすることができる。

また、前記送電用共鳴コイルの直径ｄ１と、受電用共鳴コイルの直径ｄ２と、補助コイルの直径ｄ３が、ｄ１＞ｄ２、かつｄ２＜ｄ３の関係を満足することが好ましい。この関係を保っていれば電力伝送可能距離の増大等の効果が得られる。特に、ｄ１＝ｄ３、かつｄ１＞ｄ２の関係を満足することが好ましい。それにより、伝送効率特性（受電可能範囲の拡大など）の向上について大きな効果が得られる。もちろん、円形のコイルに限らず、四角形のコイル等をそれぞれ配置した形態でも、同様の効果は得られる。

また、前記送電用共鳴コイルの中心軸と、前記補助コイルの中心軸と、前記受電用共鳴コイルの中心軸が、同一軸上にあることが好ましい。

また、１台の前記送電装置に対して１台の前記受電装置が配置され、ｆ１≠ｆ３の条件で前記共振周波数ｆ３が設定される構成とすることができる。この場合、ｆ１＜ｆ３の条件で前記共振周波数ｆ３が設定されることが好ましい。

また、１台の前記送電装置に対して複数台の前記受電装置が配置され、複数台の前記受電装置の受電共振器の共振周波数ｆ２はすべて異なり、かつｆ２≠ｆ３である構成とすることができる。

また、１台の前記送電装置に対して複数台の前記受電装置が配置され、複数台の前記受電装置の受電共振器の少なくとも一部は前記共振周波数ｆ２が互いに異なり、かつｆ１≠ｆ２である構成とすることができる。

また、前記送電装置及び前記送電補助装置を保持し、前記送電装置と前記送電補助装置の相互の位置関係を、前記受電空間が形成されるように設定することが可能な筐体を備え、前記受電装置を前記受電空間に対して着脱可能に装着することが可能であり、少なくとも前記送電用共鳴コイル、前記補助コイル、及び前記受電用共鳴コイルの周囲が前記筐体内で電磁シールドされている状態で電力伝送を行う構成とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１における磁界共鳴型の非接触電力伝送装置の構成を示す断面図である。なお、図７に示した従来例の非接触電力伝送装置と同様の要素については、同一の参照番号を付して説明の繰り返しを簡略化する。ここでは、送電装置１と受電装置２がそれぞれ１つずつの場合に関して説明する。

この非接触電力伝送装置は、従来例の送電装置１と受電装置２に送電補助装置９を加えて構成され、送電装置１と送電補助装置９の間の受電空間に受電装置２が配置された状態で非接触電力伝送が行われる。送電装置１は、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）の電力を送電可能な高周波電力に変換して電力を伝送し、受電装置２は電力を受け取る。送電補助装置９は、電力伝送時における、送電装置１に関わる共振系の共振周波数を、受電装置２の共振系の共振周波数に対して適切な関係に調整する機能を有する。

送電装置１は、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）６の電力を送電可能な高周波電力に変換する高周波電力ドライバー５、送電用のループコイル３ａ、及び送電用共鳴コイル４ａを備えている。場合によっては、送電用のループコイル３ａは無くても良い。すなわち、他の周知の構成により給電することも可能である。図示は省略するが、送電用共鳴コイル４ａには共振容量が接続されて、送電共振器を構成している。共振容量としては、回路素子として可変コンデンサーあるいは固定コンデンサを接続してもよいし、浮遊容量を利用した構成としてもよい。なお、以下の記載においては、送電共振器の単独での共振周波数ｆ１を、図示との関係が判り易いように「送電装置１の共振周波数ｆ１」と記述する。

送電補助装置９は、補助コイル（空芯コイルなど）１０と調整用コンデンサ１１を有し、両要素により補助共振器が構成されている。調整用コンデンサ１１は、容量値が可変である可変コンデンサにより構成され、以下の記載では、調整用バリコン１１と称する。但し、調整用コンデンサ１１としては、可変コンデンサに代えてそれぞれ異なる容量値を有する複数の固定コンデンサを用い、補助コイル１０に対して選択的にいずれかの固定コンデンサを接続して、容量値を変更する構成とすることもできる。なお、以下の記載においては、補助共振器の単独での共振周波数ｆ３を、図示との関係が判り易いように「送電補助装置９の共振周波数ｆ３」と記述する。

また図示は省略されているが、必要に応じて送電用共鳴コイル４ａの反射電力、共振周波数、流れる電流、あるいは電圧などをモニターする手段や、送電装置１、受電装置２及び送電補助装置９の相互間で情報のやり取りをするための回路等を含むことができる。そのような構成を採用する場合は、調整用バリコン１１の容量値を自動的に制御可能とすることもできる。

受電装置２には、受電コイルとして受電用共鳴コイル４ｂとループコイル３ｂが組合わされて配置されている。ループコイル３ｂで得られた電力は、少なくとも整流回路７を経由して充電池８に蓄えられる。図示は省略するが、受電用共鳴コイル４ｂには共振容量が接続されて、受電共振器を構成している。共振容量としては、回路素子として可変コンデンサーあるいは固定コンデンサを接続してもよいし、浮遊容量を利用した構成としてもよい。なお、以下の記載においては、受電共振器の単独での共振周波数ｆ２を、図示との関係が判り易いように「受電装置２の共振周波数ｆ２」と記述する。

充電池８として小型電池（コイン電池など）を用いた場合には、ループコイル３ｂと充電池８を重ね合わせて設置面積を小さくするのが好ましい(例えば、コイルオン電池など)。この場合、ループコイル３ｂから充電池８に磁束が漏れて渦電流が発生し損失（渦電流損）となるので、このループコイル３ｂと充電池８の間に、伝送時の共振周波数において高透磁率を有する電波吸収体を配置することが望ましい。また、トータルの厚さを薄くするために、電波吸収体を挟んでループコイル３ｂと充電池８とを密着させても良い。

以上のように、送電補助装置９と送電装置１を対向させて配置することにより、送電用共鳴コイル４ａと補助コイル１０の間に受電空間が形成され、その受電空間に、受電装置２の受電用共鳴コイル４ｂが配置される。

本実施の形態では、送電装置１におけるループコイル３ａと送電用共鳴コイル４ａは、図７に示したものと機能は同じであるが、薄型化のために、例えば、直径１ｍｍ程度のＣｕコイル（リッツ線、被覆あり）を同一平面上にスパイラル状に巻いた平面コイルを用いる（直径は７０ｍｍΦ）。更に受電装置２におけるループコイル３ｂと受電用共鳴コイル４ｂは、図７に示したものと機能は同じであるが、小型化のために、例えば、厚さ０.４ｍｍの薄型プリント基板に、厚さ７０μｍ程度のＣｕ箔を同一平面上にスパイラル状に形成した薄膜コイルにより構成する（直径は２０ｍｍΦ）。このように送電側のコイルの直径を大きく、受電側の直径を小さくすることにより、電力伝送可能距離を伸ばすことができる。また、基板の厚さを薄くするために、基板の両面に受電用のループコイル３ｂと受電用共鳴コイル４ｂをそれぞれ別に形成しても良い。

本実施の形態の非接触電力伝送装置の特徴である送電補助装置９の機能について、より詳細に説明する。上記構成によれば、送電用共鳴コイル４ａと補助コイル１０の結合により、送電用共鳴コイル４ａを含む送電共振器と補助コイル１０を含む補助共振器による共振系が構成され、以下の記載では、これを送電側共振系と称する。また、送電側共振系の共振周波数をｆｔと記述する。

本実施の形態の構成によれば、送電補助装置９が無い場合に比べて、電力伝送可能な距離が拡大する。これは、送電用共鳴コイル４ａに対して補助コイル１０を対向配置することにより、送電用共鳴コイル４ａからの磁束の到達距離が長くなるためと思われる。これにより、送電装置１に対して受電装置２の受電に適する面が適正に対向していない等、送電用共鳴コイル４ａに対して受電用共鳴コイル４ｂが適切に配置されていない場合であっても、受電装置２内に調整回路を設けることなく効率的な電力伝送が可能となる。

一方、図１に示したような構成においては、送電用共鳴コイル４ａと補助コイル１０との距離が短い場合には両者間の結合状態が強くなり（密結合状態）、送電共振器と補助共振器による送電側共振系の共振周波数は二つに分かれる（双峰特性）。即ち、送電補助装置９を対向させることにより、送電用共鳴コイル４ａの固有の共振周波数の両側に二つのピークが現れて移動する。これに対して、補助コイル１０に接続される調整用バリコン１１の容量値Ｃを調整して送電補助装置９の共振周波数ｆ３を適切に設定することにより、送電側共振系の共振周波数ｆｔを受電装置２の共振周波数ｆ２と一致させることができる。これにより、送電用共鳴コイル４ａからの電力伝送効率を実用上十分な程度に維持して、電力伝送可能距離などの特性を向上させることができる。

調整用バリコン１１の容量値Ｃの調整は、共振周波数ｆｔが共振周波数ｆ２と一致するように行うことが望ましいが、完全に一致させなくとも相応の効果が得られる。すなわち、送電側共振系の共振周波数ｆｔのピークが、送電装置１の共振周波数ｆ１と比べて、受電装置２の共振周波数ｆ２に十分に近づくように、送電補助装置９の共振周波数ｆ３を調整すればよい。すなわち、共振周波数ｆｔをｆ２に一致させるとは、共振周波数ｆｔがｆ２に一致している場合と実用上同等の電力伝送効率が得られる程度まで、共振周波数ｆｔがｆ２に近接している場合も含む意味で用いられる。

このような調整による効果を十分に得るためには、送電補助装置９を構成する補助コイル１０は、送電用共鳴コイル４ａの直径とほぼ同じとし、両者のコイルの中心軸もほぼ同軸に配置することが望ましい。但し、電力伝送可能距離の増大等の効果は、送電用共鳴コイル４ａの直径をｄ１、受電用共鳴コイル４ｂの直径をｄ２、補助コイル１０の直径をｄ３としたとき、ｄ１＞ｄ２、かつｄ２＜ｄ３の関係を満足すれば、相応に得られる。これは、送電用共鳴コイル４ａの直径ｄ１が受電用共鳴コイル４ｂの直径ｄ２よりも大きければ、補助コイル１０との間の磁束を利用することができ、また、補助コイル１０の直径ｄ３が受電用共鳴コイル４ｂの直径ｄ２よりも大きければ、送電用共鳴コイル４ａとの間の磁束を利用することができるためである。

ここで、補助コイル１０の影響を調べるために、微小電力によるＶＮＡ（ベクトルネットワークアナライザ）測定を行った結果について説明する。送電装置１の共振周波数ｆ１は、共振容量として設けられた固定コンデンサの容量値により設定した。具体的には、ｆ１＝１２.１ＭＨｚとした。

先ず、送電補助装置９の共振周波数ｆ３を変化させたときの、送電側共振系の共振周波数の変化を調べた結果について説明する。図２Ａに、各コイルの配置の一例を示す。すなわち、送電用共鳴コイル４ａと補助コイル１０を対向させて３０ｍｍ長さの受電空間を形成するように配置し、ループコイル３ａにＶＮＡを接続した。共振周波数ｆ３は、調整用バリコン１１の調整により可変である。

この配置におけるＶＮＡ測定結果を図２Ｂに示す。図２Ｂは、横軸に送電補助装置９の共振周波数ｆ３をとり、縦軸にＶＮＡ測定時における送電側共振系の共振周波数ｆｔの値をプロットしたものである。また、共振周波数ｆ３が、９ＭＨｚ、１２．１ＭＨｚ及び１６ＭＨｚの場合におけるＶＮＡ測定の出力波形図を図２Ｃに示す。

例えば、ｆ３をｆ１と同じ共振周波数（１２.１ＭＨｚ）に調整した場合には、図２Ｃ（ｂ）の波形図に示すように、１２.１ＭＨｚをほぼ中心にして二つの共振周波数が現れる（密結合状態）。低周波側の左の共振周波数をｆｔＬ、高周波側の右の共振周波数をｆｔＨと記述する。図２Ｂには、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する特性線と、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する特性線が記載されている。

送電補助装置９の共振周波数ｆ３を変化させていくと、低周波側の共振周波数ｆｔＬは徐々に高周波側へシフトして、最終的にはｆ１と同じ１２.１ＭＨｚに近づいていき、図２Ｃ（ｃ）に示すように、信号も大きくなってくる。高周波側の共振周波数ｆｔＨも段々と高周波側へシフトしていくものの、低周波側の共振周波数ｆｔＬとの差が大きくなっていき、信号レベルも小さくなりゼロに近づいていく。このように、補助共振器の単体での共振周波数ｆ３を種々変化させることにより、送電側共振系の共振周波数ｆｔを変化させることが可能となる。

一方、共振周波数ｆ３を低周波側へ変化させていくと、高周波側の共振周波数ｆｔＨが徐々に低周波側へシフトして、最終的にはｆ１と同じ１２.１ＭＨｚに近づいてゆく。但し、信号は低周波側の共振周波数ｆｔＬの場合に比べると、図２Ｃ（ａ）に示すように、あまり大きくはならない。低周波側の共振周波数ｆｔＬも段々と低周波側へシフトしてゆき、高周波側の共振周波数ｆｔＨとの差が大きくなっていき、信号も小さくなりゼロに近づいていく。

次に、図３Ａに示す各コイルの配置により、送電補助装置９の共振周波数ｆ３を変化させたときの電力伝送効率の変化を調べた結果を示す。図３Ａの配置は、図２Ａの配置における送電用共鳴コイル４ａと補助コイル１０の間の受電空間中に、受電用共鳴コイル４ｂとループコイル３ｂを配置したものである。ループコイル３ａ、３ｂにＶＮＡを接続した。なお、ここで言う電力伝送効率とは、送電用共鳴コイル４ａと受電用共鳴コイル４ｂ間での数値であり、回路などの効率は含まない。受電装置２の共振周波数はｆ２は、共振容量として設けられた固定コンデンサの容量値により設定し、具体的には、ｆ２＝ｆ１＝１２.１ＭＨｚとした。

この配置におけるＶＮＡ測定結果を図３Ｂに示す。図３Ｂには、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する特性線と、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する特性線が記載されている。図３Ｂから判るように、例えば、ｆ１＝ｆ２＝ｆ３＝１２.１ＭＨｚの場合（矢印で示す）には、電力伝送効率は約４４％と小さい。ｆ３をこれよりも大きくしていくと、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する電力伝送効率も大きくなっていく。ｆ３＝１６ＭＨｚの場合には約６４％の電力伝送効率が得られる。

以上のように、送電補助装置９の共振周波数ｆ３をｆ１及びｆ２よりも大きくすることにより、電力伝送時の共振周波数ｆｔを共振周波数ｆ２に近づけることができ、それにより、その時の電力伝送効率も大きくできる。

一方、共振周波数ｆ３を低周波側へ変化させていくと、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する電力伝送効率が大きくなっていく。ｆ３＝５ＭＨｚの場合には約４６％の電力伝送効率が得られる。これにより、送電補助装置９の共振周波数ｆ３をｆ１及びｆ２よりも小さくすることにより、電力伝送時の共振周波数ｆｔを共振周波数ｆ２に近づけることができ、それにより、その時の電力伝送効率も大きくできる。但し、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する電力伝送効率の最大領域に比べると、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する電力伝送効率の最大領域における値は小さい。

以上のことから、送電装置が１台で受電コイルも１台の場合には、電力伝送時における各装置の個々の共振周波数は、ｆ１≠ｆ３の関係となるように設定する。特に、ｆ１＜ｆ３となる場合が、電力伝送効率の面から好ましい。受電装置２の共振周波数ｆ２は、送電装置１の共振周波数ｆ１と同じ方が好ましいが、場合によっては異なっていても良い。

図２Ｂ及び図３Ｂのように得られた結果によれば、送電側共振系の共振周波数ｆｔは、送電補助装置９の共振周波数ｆ３の調整により、送電装置１の共振周波数ｆ１の値に関わらず容易に変化させることができる。それにより、送電側共振系の共振周波数ｆｔを、受電装置２の共振周波数ｆ２に合わせることが容易である。

そこで、図４Ａに示す各コイルの配置により、送電装置１の共振周波数ｆ１と、受電装置２の共振周波数ｆ２とが異なった場合での特性を調べた。図４Ａの配置は、図２Ａの配置における送電用共鳴コイル４ａと補助コイル１０の間の受電空間中に、受電用共鳴コイル４ｂとループコイル３ｂを配置したものである。ループコイル３ａ、３ｂにＶＮＡを接続した。

ここでは、受電装置２の固有の共振周波数ｆ２を１１.８５ＭＨｚで固定とし、送電装置１の共振周波数ｆ１を変化させた。送電装置１の共振周波数ｆ１を変化させるために、送電用共鳴コイル４ａの両端に、送電共振器の共振容量である固定コンデンサとは別に可変コンデンサ（以下「バリコン」と記述する）１２を接続した。このバリコン１２を手動で調整することにより、送電装置１の共振周波数ｆ１を変化させた。

送電装置１の共振周波数ｆ１は受電装置２の共振周波数ｆ２である１１.８５ＭＨｚを基準に、±２ＭＨzの範囲内で１ＭＨz間隔で変化させた。そして、送電装置１の共振周波数ｆ１の各々において、受電装置２の共振周波数ｆ２での電力伝送効率が最大（共振周波数は１１.８５ＭＨｚ）となるように、送電補助装置９の調整用バリコン１１を操作して共振周波数ｆ３を調整した。実験の結果を図４Ｂに示す。

図４Ｂにおいて、横軸は送電装置１の共振周波数ｆ１の値、縦軸は送電装置１と受電装置２間の電力伝送効率である。この図から、送電装置１の共振周波数ｆ１と受電装置２の共振周波数ｆ２とが同じ場合（ｆ１＝ｆ２＝１１.８５ＭＨｚ）において電力伝送効率が最大となっていることが分かる。しかし、送電装置１の共振周波数ｆ１を１２.８５ＭＨｚと１ＭＨｚ大きくした場合（丸印）においても（ｆ１≠ｆ２）、電力伝送効率は５０％以上と、大きな値が得られている。即ち、固有の共振周波数が異なる送電装置１と受電装置２を用いて電力伝送を行ったとしても、送電補助装置９を用いて送電側共振系の共振周波数ｆｔを調整する（受電装置２の共振周波数ｆ２に近づける）ことにより、高効率の電力伝送が可能なことが判る。

なお、非接触電力伝送装置の構成としては、上述の実験とは異なり、送電装置１の共振周波数ｆ１は固定であり、受電装置２の共振周波数ｆ２が変化する。当然ながら、この場合も、送電補助装置９を用いて送電側共振系の共振周波数ｆｔを調整する（受電装置２の共振周波数ｆ２に近づける）ことにより、高効率の電力伝送が可能である。

＜実施の形態２＞
実施の形態２における磁界共鳴型の非接触電力伝送装置について、図５Ａ〜５Ｄを参照して説明する。本実施の形態では、実施の形態１の場合と同様の作用に基づく構成を用いる。すなわち、図４Ａに示した配置と同様、送電装置１と送電補助装置９の間の受電空間中に、受電装置の受電用共鳴コイル４ｂとループコイル３ｂが配置される。従って、図４Ａに示した配置の説明で述べた要素と同様の要素については、同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを簡略化する。

図５Ａ、５Ｂには、各コイルの配置の一例が示される。図５Ａは模式断面図である。図５Ｂは、図５Ａにおける受電用共鳴コイル４ｂの左側から調整コイル１０の方向を見た正面図である。この構成では、２つの受電装置Ａ、Ｂ（図示せず）における受電用共鳴コイル４ｂＡ、４ｂＢが、受電空間内に並列に配置されている。受電用共鳴コイル４ｂＡ、４ｂＢは十分に小さいので、送電用共鳴コイル４ａや調整コイル１０の円環中に、二つの受電用共鳴コイル４ｂＡ、４ｂＢが包囲された状態に配置されている。

本実施の形態の構成を用いれば、送電装置１を含む送電側共振系の共振周波数ｆｔを、送電補助装置９を用いて受電装置Ａ、Ｂの共振周波数に合わせることが可能である。受電装置が２台を超える複数台配置される場合も、同様な効果を得ることができる。受電用共鳴コイル４ｂＡ、４ｂＢを含む受電共振器は、共振周波数が同一であってもよいし、互いに異なる共振周波数を有するように構成されてもよい。

共振周波数が略同一の受電装置Ａ、Ｂを用いた場合には、同時の電力伝送による充電が可能であり、共振周波数が異なる受電装置Ａ、Ｂを用いた場合には、選択的な電力伝送による充電が可能となる。以下の説明では、固有の共振周波数が異なる二つの受電装置を用いた場合を例として、一つの送電装置１による選択的な電力伝送の動作について説明する。図５Ａ、５Ｂに示した構成において、受電用共鳴コイル４ｂＡを含む受電装置Ａの固有の共振周波数ｆ２Ａを１２ＭＨｚ、受電用共鳴コイル４ｂＢを含む受電装置Ｂの固有の共振周波数ｆ２Ｂを１３.６ＭＨｚに設定する場合を例として説明する。

図５Ａ、５Ｂに示した状態に配置した後、まず受電用共鳴コイル４ｂＢを無負荷の状態として、受電用共鳴コイル４ｂＡにのみＶＮＡを接続した。それにより、送電用共鳴コイル４ａと受電用共鳴コイル４ｂＡ間で電力伝送特性を調べた。ここでは図４Ａ、４Ｂを参照して説明した方法と同様の方法で測定を行った。

まず、受電装置Ａの固有の共振周波数ｆ２Ａを１２ＭＨｚで固定とし、送電装置１の共振周波数ｆ１を変化させた。送電装置１の共振周波数ｆ１を変化させるために、送電用共鳴コイル４ａの両端に、送電共振器の共振容量である固定コンデンサとは別にバリコン１２を接続した。このバリコン１２を手動で調整することにより、送電装置１の共振周波数ｆ１を変化させた。そして、送電装置１の共振周波数ｆ１の各々において、受電装置Ａの共振周波数ｆ２Ａでの電力伝送効率が最大（共振周波数は１２ＭＨｚ）となるように、調整用バリコン１１を操作して送電補助装置９の共振周波数ｆ３を調整した。実験の結果を図５Ｃに示す。

図５Ｃにおいて、横軸は送電装置１の共振周波数ｆ１の値、縦軸は送電用共鳴コイル４ａと受電用共鳴コイル４ｂ間の電力伝送効率である。この図から、送電装置１の共振周波数ｆ１と受電装置Ａの共振周波数ｆ２Ａとが同じ場合（ｆ１＝ｆ２＝１２ＭＨｚ）において電力伝送効率が最大となっていることが分かる。但し、ｆ２≠ｆ３である。

一方、送電装置１の共振周波数ｆ１を１３ＭＨｚと１ＭＨｚ大きくした場合においても（ｆ１≠ｆ２）、電力伝送効率は６０％以上と、大きな値が得られている。即ち、固有の共振周波数が異なる送電装置１と受電装置Ａを用いて電力伝送を行った場合に、送電補助装置９を用いて送電側共振系の共振周波数ｆｔを調整する（受電装置Ａの共振周波数ｆ２Ａに近づける）ことにより、高効率の電力伝送が可能なことが判る。但し、ｆ２≠ｆ３である。

次に、送電用共鳴コイル４ａと受電用共鳴コイル４ｂＢ間での電力伝送特性を調べるために、受電用共鳴コイル４ｂＡを無負荷の状態として、受電用共鳴コイル４ｂＢにのみＶＮＡを接続した。即ち、受電用共鳴コイル４ｂＢの固有の共振周波数ｆ２Ｂを１３.６ＭＨｚで固定とし、送電装置１の共振周波数ｆ１をバリコン１２により変化させた。そして、送電装置１の共振周波数ｆ１の各々において、受電装置Ｂの共振周波数ｆ２Ｂでの電力伝送効率が最大（共振周波数は１３.６ＭＨｚ）となるように、送電補助装置９の調整用バリコン１１を操作して送電補助装置９の共振周波数ｆ３を調整した。実験の結果を図５Ｄに示す。

図５Ｄにおいて、横軸は送電装置１の共振周波数ｆ１の値、縦軸は送電用共鳴コイル４ａと受電用共鳴コイル４ｂ間の電力伝送効率である。この図から、送電装置１の共振周波数ｆ１と受電装置Ｂの共振周波数ｆ２Ｂとが同じ場合（ｆ１＝ｆ２＝１３.６ＭＨｚ）において電力伝送効率が最大となっていることが分かる。しかし、送電装置１の共振周波数ｆ１が受電装置Ｂの共振周波数ｆ２Ｂと異なっていても、（ｆ１≠ｆ２）、電力伝送効率は６０％以上と、大きな値が得られている。即ち、固有の共振周波数が異なる送電装置１と受電装置Ｂを用いて電力伝送を行った場合に、送電補助装置９を用いて送電側共振系の共振周波数ｆｔを調整する（受電装置Ｂの共振周波数ｆ２Ｂに近づける）ことにより、高効率の電力伝送が可能なことが判る。

以上の結果から、送電装置１の共振周波数ｆ１を１３.２ＭＨｚに固定し（図の丸印）、受電装置Ａの共振周波数ｆ２Ａまたは受電装置Ｂの共振周波数ｆ２Ｂに合わせることにより、どちらの場合でも電力伝送効率６０％以上を得ることができることが判る。この場合には、送電装置１の共振周波数ｆ１と、受電装置Ａ、Ｂの共振周波数ｆ２Ａ、ｆ２Ｂが異なっても良い（ｆ１≠ｆ２Ａ≠ｆ２Ｂ）。

以上のように、本実施の形態の非接触電力伝送装置によれば、例えば、受電装置Ａの固有の共振周波数ｆ２Ａ＝１２ＭＨｚと受電装置Ｂの固有の共振周波数ｆ２Ｂ＝１３.６ＭＨｚの間の共振周波数となるように送電装置１の共振周波数ｆ１を設定し、送電補助装置９の調整用バリコン１１を受電装置Ａ、Ｂの一方の共振周波数に合わせることにより、選択的な電力伝送が可能である。

本実施の形態により、一つの送電装置に対して複数の受電装置を配置し、その受電装置の中から特定の一つの受電装置のみに電力伝送を行う選択的な電力伝送の場合、例えば受電装置が二つの場合における各装置の個々の共振周波数の値は、例えば次の通りに設定する。すなわち、それぞれの共振周波数はｆ２Ａ≠ｆ２Ｂ≠ｆ３の関係に設定する。送電装置１のの共振周波数ｆ１は、受電装置の共振周波数ｆ２Ａ及びｆ２Ｂのどちらかと同じでもかまわないが、異なっている方が送電装置１の共振周波数ｆ１を調整しなくてすむために好ましい。この場合、送電装置１の共振周波数ｆ１は、受電装置Ａ、Ｂの共振周波数ｆ２Ａとｆ２Ｂの間の周波数帯域にあることが望ましい。

なお、実施の形態において、送電装置に対向して複数の受電装置を並列に配置する場合、種々の受電装置の共振コイルが重ならないようにすることが望ましい。

＜実施の形態３＞
図６は、実施の形態３における磁界共鳴型の非接触電力伝送装置を示す断面図である。この非接触電力伝送装置は、化粧箱タイプ（あるいはオルゴール型）をした筐体１３と、開閉自在の蓋１４を備え、筐体１３の下側の内部に送電装置１が保持され、蓋１４に送電補助装置９が保持されている。送電装置１の上部に受電装置２を置くための台座１５が設けられ、その台座１５上に受電装置２（例えば、携帯電話や補聴器など）を装着することができる。そして蓋１４を閉じることにより、送電装置１と送電補助装置９の間に受電装置２が配置される。この形態で非接触電力伝送が行われる。

筐体１３には、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）から受けた電力を電力伝送可能な電力に変換する高周波電力ドライバー５、インピーダンス整合を取るための制御回路１６等が設けられている。また、送電装置１と送電補助装置９が配置された領域を包囲して、電磁シールド材１７が配置されている。蓋１４を閉じた状態では、送電装置１と送電補助装置９及び受電装置２の周囲は完全に電磁シールドされることになり、電磁波が人体に影響することが防止され、安全である。

磁界共鳴により電力を伝送する場合、実用に際して伝送周波数としては数ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚ帯を活用することが考えられる。電界共鳴型に比べて人体への影響が少ないとはいえ、送電パワーの値によっては人体への影響も考慮しなければならない。そこで本実施の形態のように、非接触電力伝送中に電磁波を外部に漏らさないために、送受電空間を囲むようにコイル全体を電磁シールドすることが望ましい。即ち、化粧箱タイプの筐体においては、電磁気的に閉じられた空間内に、送電装置１及び受電装置２の共鳴コイルや、送電補助装置９の補助コイルを配置し、外部への電磁波の漏洩を防ぐ構成とする。

筐体１３の表面にはディスプレイやＬＥＤなどの表示器１８が必要に応じて設けられている。主に、携帯電話などの充電状態やメールなどの着信情報を表示するためである。また、インターロック機能用の突起１９が設けられ、蓋１４を完全に閉めた状態でないと送電が始まらないように構成されている。

共鳴型電力伝送においては、共振周波数において磁界強度が最大となる。また制御回路１６は、受電装置２や送電補助装置９との情報のやり取りをするための回路、あるいは受電装置２の位置情報を得るための回路等を含んでもよい。

本実施の形態の非接触電力伝送装置は、送電補助装置９に設けられている調整用バリコンを調整して、電力伝送時における送電側共振系と受電共振器の共振周波数を整合させることが特徴である。予め蓋１４を閉じた状態で、補助コイル１０が所定の位置に配置され、その状態で送電側共振系の共振周波数と受電共振器の共振周波数が同じになるように調整用バリコンを調整しておくと、蓋１４をした時に直ちに充電を開始することが可能である。あるいは、蓋１４を閉じた後に、調整用バリコンが自動、あるいは手動で調整される構成とすることもできる。

本実施の形態では、化粧箱タイプの筐体１３を用いたが、他に、ボックスタイプや机の引き出し型などでも同様な効果が得られる。すなわち、化粧箱タイプの場合、蓋をした状態では外部との電波のやり取りが難しいので、その場合には、受電装置の挿入口が開いたボックスタイプの筐体とし、この挿入口以外はすべて電磁シールドを設けた構成とすればよい。ただし、ボックスタイプでは受電装置の挿入口があるために、外部への電磁波の漏洩が多少あると考えられるが、この挿入口に電波吸収体のシートを取り付けるなどすれば、人体への影響は低減される。

また、以上の実施の形態では、受電装置２として携帯電話などの小型の装置を例として説明したが、電気自動車などの大型の受電装置にも本発明を適用可能であることは言うまでもない。

本発明の非接触電力伝送装置は、特定の受電装置に対して選択的に非接触電力伝送が可能であり、また、受電器が小さい場合においても良好な電力伝送を長い距離まで安定にできるので、携帯電話や補聴器等の小型機器、ＴＶや電気自動車などへの非接触電力伝送に好適である。

１ 送電装置
２ 受電装置
３ａ、３ｂ ループコイル
４ａ 送電用共鳴コイル
４ｂ、４ｂＡ、４ｂＢ 受電用共鳴コイル
５ 高周波電力ドライバー
６ 交流電源
７ 整流回路
８ 充電池
９ 送電補助装置
１０ 補助コイル
１１ 調整用コンデンサ（調整用バリコン）
１２ バリコン
１３ 筐体
１４ 蓋
１５ 台座
１６ 制御回路
１７ 電磁シールド材
１８ 表示器
１９ インターロック用突起

Claims (12)

1. 送電用共鳴コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、
   受電用共鳴コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、
   前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルの間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
   補助コイル及び共振容量により構成され、共振周波数ｆ３が可変である補助共振器を有する送電補助装置を更に備え、
   前記送電補助装置を前記送電装置と対向させて配置して、前記送電用共鳴コイルと前記補助コイルの間に、前記受電用共鳴コイルが配置される受電空間を形成可能であり、
   前記共振周波数ｆ３を調整することにより、前記送電共振器と前記補助共振器が構成する送電側共振系の共振周波数ｆｔを調整可能であることを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記送電補助装置の前記共振容量が可変コンデンサにより構成され、前記可変コンデンサを調整することにより前記補助共振器の共振周波数ｆ３を調整可能である請求項１記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記送電補助装置の前記共振容量がそれぞれ異なる容量値を有する複数の固定コンデンサにより構成され、前記補助コイルに選択的に接続される前記固定コンデンサを切り替えることにより、前記補助共振器の共振周波数ｆ３を調整可能である請求項１記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記送電用共鳴コイルの直径ｄ１、受電用共鳴コイルの直径ｄ２、及び補助コイルの直径ｄ３が、ｄ１＞ｄ２、かつｄ２＜ｄ３の関係を満足する請求項１記載の非接触電力伝送装置。
5. ｄ１＝ｄ３、かつｄ１＞ｄ２の関係を満足する請求項４記載の非接触電力伝送装置。
6. 前記送電用共鳴コイルの中心軸と、前記補助コイルの中心軸と、前記受電用共鳴コイルの中心軸が、同一軸上にある請求項４記載の非接触電力伝送装置。
7. １台の前記送電装置に対して１台の前記受電装置が配置され、前記送電共振器の共振周波数ｆ１に対して、ｆ１≠ｆ３の条件で前記共振周波数ｆ３が設定される請求項１記載の非接触電力伝送装置。
8. ｆ１＜ｆ３の条件で前記共振周波数ｆ３が設定される請求項７記載の非接触電力伝送装置。
9. １台の前記送電装置に対して複数台の前記受電装置が配置され、複数台の前記受電装置の受電共振器の共振周波数ｆ２はすべて異なり、かつｆ２≠ｆ３である請求項１記載の非接触電力伝送装置。
10. １台の前記送電装置に対して複数台の前記受電装置が配置され、複数台の前記受電装置の受電共振器の共振周波数ｆ２は、少なくとも一部において互いに異なり、かつ、前記送電共振器の共振周波数ｆ１に対して、ｆ１≠ｆ２である請求項１記載の非接触電力伝送装置。
11. 前記送電装置及び前記送電補助装置を保持し、前記送電装置と前記送電補助装置の相互の位置関係を、前記受電空間が形成されるように設定することが可能な筐体を備え、
    前記受電装置を前記受電空間に対して着脱可能に装着することが可能であり、
    少なくとも前記送電用共鳴コイル、前記補助コイル、及び前記受電用共鳴コイルの周囲が前記筐体内で電磁シールドされている状態で電力伝送を行う請求項１記載の非接触電力伝送装置。
12. 送電用共鳴コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電用共鳴コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを用い、前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルの間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送方法において、
    補助コイル及び共振容量により構成され、共振周波数ｆ３が可変である補助共振器を有する送電補助装置を更に用い、
    前記送電補助装置を前記送電装置と対向させて配置して、前記送電用共鳴コイルと前記補助コイルの間に形成された受電空間に前記受電用共鳴コイルを配置し、
    前記共振周波数ｆ３を調整することにより、前記送電共振器と前記補助共振器が構成する送電側共振系の共振周波数ｆｔを調整して電力伝送を行うことを特徴とする非接触電力伝送方法。

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