JP5807685B2 - 受電装置及び電力供給システム - Google Patents

Description

本願開示は、一般に電力供給システムに関し、詳しくはワイヤレスで電力を供給するワイヤレス電力供給システムに関する。

空間的に離れた２点間で送電ケーブルを用いることなく電力伝送を行なうワイヤレス電力伝送技術の１つとして、磁界共鳴現象を用いて電力伝送を行う電力伝送技術がある。磁界共鳴電力伝送では、キャパシタ及びインダクタによる共振機能をもつコイル（ＬＣ共振コイル）を、送電側と受電側とに設ける。送電側及び受電側のＬＣ共振コイルは、互いに共振周波数が一致しており、この共振周波数の高周波交流磁界を媒介として、送電側から受電側に電力を伝送する。

磁界共鳴電力伝送では、共鳴を利用しない電磁誘導現象に基づくワイヤレス電力伝送に比べ、送電距離（コイル面に直交する方向の距離）や受電側の位置ずれマージン（コイル面に平行な方向のずれ）を大きく設けることができる。またサイズの異なるコイル間でも高効率で電力伝送が可能である。

共鳴を利用しない電磁誘導現象を用いたワイヤレス充電は、充電池の充電器に利用され、既に市販もされている。この充電器では、電磁誘導現象を介して電力電送をするために、送電側コイルと受電側コイルとの厳密な位置合わせが必要になる。例えば、充電台に設けられた凹部に対し、充電池の負極が当該凹部の底面と向かい合うように充電池を設置する等の厳密な位置合わせが行われる。しかしながら、複数の電池を一度に充電したい場合に、充電台に設けられた複数の凹部に対し、個々の電池を上記のように逐一位置合わせすることは大変に煩わしい。

電磁誘導現象の代わりに磁界共鳴現象を用いると、充電台に対する厳密な位置合わせを行なわずに、ワイヤレスでの効率的な充電が可能になる。また複数の電池を一度に充電したい場合、電磁誘導現象を利用するのであれば個々の電池に対して個別に送電コイルを設ける必要があるが、磁界共鳴現象を利用すれば大きな送電コイル１個から複数の受電側コイルに効率よく電力伝送しての充電が可能になる。

充電池の形状は円筒形が一般的であり、受電面積を大きくするためには、受電側コイルを充電池の側面に設けることが望ましい。また複数の充電池の姿勢や位置を気にすることなく充電するためには、水平に置かれた充電台の面全体に大きな送電側コイルを配置し、その充電台の面の上に充電池を横置きにする構成が考えられる。この際、効率よく受電するためには、充電台に内蔵された送電側コイルと充電池に内蔵された受電側コイルとが、略対向する位置関係になることが好ましい。しかしながら、充電池の側面の特定の位置に受電側コイルを設けたのでは、円筒形である充電池は容易に転がるために、受電側コイルと送電側コイルとが対向した状態で充電池を静止させることは困難である。

特開２０１０−１９３７０１号公報 特開２００４−２６０９１７号公報

以上を鑑みると、円筒の側面に設けられた受電側コイルを適切な方向に向けることができる受電装置が望まれる。

受電装置は、受電回路と、円筒形状を有する第１の部材と、前記第１の部材の円筒側面に設けられ前記受電回路に有線接続された受電コイルと、前記第１の部材の円筒中心軸周りの回転方向に前記円筒側面に沿って自由に移動可能に設けられた共振コイルとを含み、前記受電コイルと前記共振コイルとが電磁誘導で結合することを特徴とする。

電力供給システムは、送電器と、前記送電器から磁界共鳴により電力を受信する受電器とを含み、前記受電器は、受電回路と、円筒形状を有する第１の部材と、前記第１の部材の円筒側面に設けられ前記受電回路に有線接続された受電コイルと、前記第１の部材の円筒中心軸周りの回転方向に前記円筒側面に沿って自由に移動可能に設けられた共振コイルとを含み、前記受電コイルと前記共振コイルとが電磁誘導で結合することを特徴とする。

本願開示の少なくとも１つの実施例によれば、受電装置において、受電側の共振コイルが円筒側面に沿って自由に移動可能に設けられるので、適切な方向に受電側の共振コイルを向けることができる。また受電回路に有線接続される受電コイルと前記共振コイルとが電磁誘導で結合するので、移動可能な共振コイルに対して電気的な接続を設ける必要がなく、スムーズな移動を担保することができる。

磁界共鳴電力伝送システムの構成の一例を示す図である。 電力伝送システムの実施例を示す図である。 送電器の構成の一例を示す図である。 充電池における共振コイルの配置を模式的に示した図である。 充電池の断面の構成の概略を示した断面図である。 説明のために円筒側面を平面に展開した形で受電コイル及び共振コイルの位置関係を示した図である。 受電コイルの変形例を示す図である。 追加された受電コイルの技術的意義を説明するための図である。 切換回路を含む受電回路の構成の一例を示す図である。 図９に示す切換回路の構成の一例を示す図である。 切換回路を含む受電回路の構成の別の一例を示す図である。 図１１に示す切換回路の構成の一例を示す図である。 受電回路の構成の別の一例を示す図である。 受電コイルの更なる変形例を示す図である。 充電池の断面構成において共振コイルを移動可能とする機構を示した断面図である。 説明のために円筒側面を平面に展開した形で共振コイルを移動可能とする機構を示した図である。 充電池の断面構成において共振コイルを移動可能とする別の機構を示した断面図である。 図１７に示す移動機構を示す充電池の斜視図である。 ガイド溝を用いる場合の移動機構の一例を示す図である。 ガイド溝、支持部材、及び支点部材を用いる場合の移動機構の一例を示す図である。 ガイド溝、支持部材、及び支点部材を用いる場合の移動機構の別の一例を示す図である。 ガイド溝、支持部材、及び支点部材を用いる場合の移動機構の更に別の一例を示す図である。 磁性シールドの配置の一例について説明するための図である。 磁性シールドの配置の別の例について説明するための図である。 一般的な受電ユニットの構成の一例を示す図である。 図２５の受電ユニットを用いた電子機器の構成の一例を示す図である。 図２６の受電ユニットの内部構成を横方向から見た図である。 受電ユニットの共振コイルの方向制御を行う機構を示す図である。 図２６に示す電子機器の構成の変形例を示す図である。 切換回路により電力を分配する構成の一例を示す図である。 充電池に電力を供給するための受電器の構成の別の一例を示す図である。 図３１に示す格納容器を展開して示す図である。 図３２に示す格納容器において共振コイルを移動可能とする機構を示した図である。

以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。なお以下の各図において、同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。

図１は、磁界共鳴電力伝送システムの構成の一例を示す図である。図１に示す電力伝送システム１０は、送電回路１１、送電コイル１２、共振コイル１３、容量１４、共振コイル１５、容量１６、受電コイル１７、及び受電回路１８を含む。送電回路１１、送電コイル１２、共振コイル１３、及び容量１４が、送電器に相当する。共振コイル１５、容量１６、受電コイル１７、及び受電回路１８が受電器に相当する。

送電回路１１は、所望の発振周波数で発振する交流電力を生成する。送電コイル１２は、送電回路１１に有線で接続されている。送電回路１１は、上記発振周波数の交流電力を有線接続を介して送電コイル１２に供給する。送電コイル１２は、共振コイル１３と電磁誘導で結合され、共振コイル１３に電力を供給する。

共振コイル１３には容量１４が接続されており、共振コイル１３と容量１４とが共振回路として機能する。共振コイル１５には容量１６が接続されており、共振コイル１５と容量１６とが共振回路として機能する。各共振回路は、互いに同一の共振周波数を有してよい。送電回路１１は、この共振周波数を有する交流電力を送電コイル１２に供給してよい。なお図１に示す例では、コイルに接続される各容量はコンデンサ（容量素子）として示されるが、この構成に限定されるものではない。各容量は、対応する各コイルが有する浮遊容量でもよい。各コイルの巻数は特定の巻数に限定されない。各コイルの巻数は、一巻きでもよいし、複数回巻きでもよい。また各コイルは、ヘリカルコイルであってもスパイラルコイルであってもよいが、受信側のコイルについては、後述するように実質的に平板状であることが好ましい。

共振コイル１３を流れる電流が共振周波数で振動することにより、磁気結合を介して、同一の共振周波数を有する共振コイル１５にも共振周波数で振動する電流が流れる。共振コイル１３を含む共振回路と共振コイル１５を含む共振回路とが双方共に共振することにより、それぞれの共振回路に大きな電流が流れ、電力が送電側から受電側に効率的に伝送される。即ち、共振コイル１３から共振コイル１５へと、磁界共鳴により電力が伝送される。

共振コイル１５は、受電コイル１７と電磁誘導で結合され、受電コイル１７に交流電力を供給する。受電コイル１７は、受電回路１８に有線で接続されている。受電コイル１７は、交流電力を有線接続を介して受電回路１８に供給する。受電回路１８は交流電力を整流して直流電圧を生成し、当該直流電圧をバッテリ等の負荷に印加する。

図２は、電力伝送システムの実施例を示す図である。図２に示す電力伝送システムは、送電器２０、プラグ２１、電気コード２２、及び、受電器を含む充電池２４−１乃至２４−５を含み、磁界共鳴により充電池２４−１乃至２４−５を充電する。プラグ２１は商用電源のコンセントに差し込まれ、電気コード２２を介して送電器２０に電源を供給する。平板上の送電器２０は、平板面の全体に亘り配置された共振コイル１３を含む。この共振コイル１３は、図１の共振コイル１３に相当し、送電器２０に内蔵される発振器及びコイル（図１に示す送電回路１１及び送電コイル１２に相当する）から、交流電力を供給される。

充電池２４−１乃至２４−５の各々は、図１に示す共振コイル１５、容量１６、受電コイル１７、及び受電回路１８に相当する回路部品を含む。充電池２４−１乃至２４−５の各々において、共振コイルが、磁界共鳴により送電器２０の共振コイル１３から電力を受信する。充電時において、円柱形状の充電池２４−１乃至２４−５の各々は、送電器２０の平板面上に横に置かれる姿勢であればよく、特にその水平方向の向きや上下方向の向き（転がり角）については限定されない。

図３は、送電器２０の構成の一例を示す図である。送電器２０は、送電回路１１、送電コイル１２、共振コイル１３、及び容量１４を含む。各回路要素の機能及び動作は、図１を参照して説明したとおりである。送電回路１１は、発振回路１１Ａ及び整合器１１Ｂを含む。共振コイル１３は、線径１ｍｍの導線をコイル径８０mm（最外径）になるようにピッチ２ｍｍ（導線間隔１ｍｍ）で３巻きしたものである。

図４は、充電池２４−１における共振コイルの配置を模式的に示した図である。図５は、充電池２４−１の断面の構成の概略を示した断面図である。図５の断面図は、充電池２４−１の円筒形状の中心軸に垂直な断面に沿ってとったものである。他の充電池２４−２乃至２４−５についても、充電池２４−１と同様の構成であってよい。図４において、充電池２４−１の円筒側面２７に、受電用の共振コイル１５が設けられている。この共振コイル１５は、図１の共振コイル１５に相当する。なお実際には図５に示されるように、共振コイル１５は、充電池２４−１の外周面をなす円筒側面２７の内側に設けられている。

充電池２４−１は、充電池の本体である充電池セル３０、共振コイル１５、受電コイル１７、及び円筒側面２７を含む。充電池セル３０は円筒形状（円柱形状）を有し、円筒側面２７は、その内部の空洞に充電池セル３０を収容した円筒形状を有する。なお円筒形状とは、内部が空洞である形状と、内部が充填された円柱形状との両方を指す。充電池セル３０は、電池の本体部分であり、充電用の化学物質を充填した金属製の円筒形状の容器、並びに円筒の上下底面の位置に設けられた正極及び負極を有する。受電コイル１７は、充電池セル３０の円筒側面に設けられ、受電回路（図１の受電回路１８参照）に有線接続される。共振コイル１５は、充電池セル３０の円筒中心軸周りの回転方向に円筒側面に沿って自由に移動可能に設けられる。即ち、図５において、共振コイル１５は、点線２９で示す曲面に沿って自由に移動可能に設けられる。前述のように、共振コイル１５及び受電コイル１７は、スパイラルコイル等の平板状であることが好ましく、充電池セル３０の円筒側面の曲率に応じて適宜曲げられた形状で、充電池２４−１内部に配置される。なお受電コイル１７と共振コイル１５とが電磁誘導で結合することにより、外部から共振コイル１５が受信した交流電力を受電コイル１７に供給し、受電コイル１７から更に受電回路に電力を有線にて供給する。

共振コイル１５が円筒側面に沿って自由に移動可能であるので、充電池２４−１の転がり姿勢に関わらず、共振コイル１５が重力により下方向を向くように位置される。即ち、充電池２４−１の転がり姿勢に関わらず、点線２９が示す曲面上で一番低い位置に共振コイル１５が移動してその位置に静止する。この一番低い位置において、共振コイル１５は下方向を向くことになる。なおコイルの方向とは、コイルの軸方向のことを意味する。ここでコイルの軸方向とは、スパイラルコイルの場合であれば、スパイラルコイルを含む平面（曲げられた平面）にコイル中心部において垂直な方向であり、コイルを含む平面におけるコイル中心部を通過する磁束の方向に一致する。一巻きのコイルである場合には、軸方向とは、一巻きのコイルを含む平面（曲げられた平面）にコイル中心部において垂直な方向であり、コイルを含む平面におけるコイル中心部を通過する磁束の方向に一致する。また充電池２４−１の転がり姿勢とは、充電池２４−１の円筒側面２７が水平面に接するように充電池２４−１を横倒し状態で水平面上に置いたときの、充電池２４−１の転がり方向の回転姿勢（上方向に向くのが円筒側面上の何れの点であるか）を意味する。

なお受電コイル１７は、円筒側面２７の円筒側面（内側）に設けられてもよい。また共振コイル１５は、充電池セル３０の円筒中心軸周りの回転方向に円筒側面２７の円筒側面内側に沿って自由に移動可能に設けられると考えてもよい。この場合、受電コイル１７は、点線２９で示す共振コイル１５が移動する曲面よりも外側に位置していてよい。

図６は、説明のために円筒側面を平面に展開した形で受電コイル１７及び共振コイル１５の位置関係を示した図である。図６において、展開された円筒側面３２は、例えば充電池セル３０の円筒側面（外側）である。或いは、展開された円筒側面３２は、円筒側面２７の円筒側面（内側）であってもよい。受電コイル１７は、円筒側面３２全体を覆うように設置されている。共振コイル１５及びコンデンサ１６は支持板（基板）３１上に形成されており、この支持板３１が矢印で示す方向（即ち円筒中心軸周りの回転方向）に自由に移動可能に設けられる。

受電コイル１７と共振コイル１５とが電磁誘導で結合することにより、外部から共振コイル１５が受信した交流電力を受電コイル１７に供給し、受電コイル１７から更に受電回路に電力を有線にて供給する。受電回路は、整流素子３５、ＤＣ−ＤＣコンバータ３６、及び負荷３７を含む。整流素子３５は、受電コイル１７からの交流電力を整流して直流電圧を生成する。ＤＣ−ＤＣコンバータ３６は、整流素子３５により生成された直流電圧を所定の直流電圧に変換する。変換後の所定の直流電圧が負荷３７に印加される。この例の場合、負荷３７は充電池セル３０であり、直流電圧印加により充電池セル３０が充電される。受電コイル１７は円筒側面３２全体に亘り設けられているので、共振コイル１５の位置に関わらず（即ち充電池２４−１の転がり姿勢に関わらず）、受電コイル１７と共振コイル１５とが電磁誘導で結合される。なお受電回路は、充電池２４−１内部の適切な位置に設けられる。

図７は、受電コイルの変形例を示す図である。図７において、図６と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。図７に示す構成においては、受電コイルとして、図６に示す受電コイル１７に加え更に受電コイル１７Ａが設けられている。即ち、互いに部分的に重なり合う複数のコイルである受電コイル１７と受電コイル１７Ａとが設けられている。ここで複数のコイルが互いに部分的に重なり合う状態とは、一方のコイル内部に存在する磁束の一部が他方のコイルの内部に存在するように、複数のコイルが空間的に配置されている状態のことである。受電コイル１７と受電コイル１７Ａとは切換回路４０に接続されている。切換回路４０は、複数のコイルのうちの１つを負荷３７（図６参照）に選択的に接続するように機能する。

図８は、追加された受電コイル１７Ａの技術的意義を説明するための図である。図８において、境界線３２Ａは、図７に示される展開された円筒側面３２を、その左右両端を繋ぎ合わせることにより展開前の状態に戻した場合に、それら左右両端が重なり合った線を示す。図８に示されるように、境界線３２Ａの位置は、受電コイル１７の外部にある。従って、この境界線３２Ａの位置に共振コイル１５が位置してしまうと、受電コイル１７と共振コイル１５との電磁誘導結合が十分でなく、十分な電力を受信できない可能性がある。そこで追加の受電コイル１７Ａを設けることにより、共振コイル１５が境界線３２Ａの位置に移動した場合でも、受電コイル１７Ａを介して十分な電力を受信できるようにする。

図９は、切換回路を含む受電回路の構成の一例を示す図である。図９に示す構成では、受電コイル１７及び受電コイル１７Ａが切換回路４０に接続される。切換回路４０は、受電コイル１７及び受電コイル１７Ａの一方を選択して、選択した一方のコイルを整流素子３５に接続する。整流素子３５は、選択接続された受電コイルからの交流電力を整流して直流電圧を生成する。ＤＣ−ＤＣコンバータ３６は、整流素子３５により生成された直流電圧を所定の直流電圧に変換する。変換後の所定の直流電圧が負荷３７に印加される。

図１０は、図９に示す切換回路の構成の一例を示す図である。切換回路４０は、抵抗素子Ｒ１及びＲ２、電圧器４１及び４２、並びに比較接続回路４３を含む。抵抗素子Ｒ１及びＲ２並びに電圧器４１及び４２は、複数のコイル１７及び１７Ａの各々が供給する電力を検出する検出回路として機能する。比較接続回路４３は、電圧器４１が検出する抵抗素子Ｒ１の両端間の電圧に基づいて求められる受電コイル１７の電力と、電圧器４２が検出する抵抗素子Ｒ１の両端間の電圧に基づいて求められる受電コイル１７Ａの電力とを比較する。比較接続回路４３は、このようにして検出した電力を複数のコイル間で比較し、比較の結果に応じて電力最大であるコイルを選択的に整流素子３５（最終的には負荷３７）に接続する。例えば、受電コイル１７の電力が受電コイル１７Ａの電力よりも大きい場合、比較接続回路４３は受電コイル１７を選択して整流素子３５に接続する。逆に、受電コイル１７Ａの電力が受電コイル１７の電力よりも大きい場合、比較接続回路４３は受電コイル１７Ａを選択して整流素子３５に接続する。

図１１は、切換回路を含む受電回路の構成の別の一例を示す図である。図１１に示す構成では、受電コイル１７が整流素子３５Ａに接続され、受電コイル１７Ａが整流素子３５Ｂに接続される。整流素子３５Ａは受電コイル１７からの交流電力を整流して直流電圧を生成し、整流素子３５Ｂは受電コイル１７Ａからの交流電力を整流して直流電圧を生成する。整流素子３５Ａ及び整流素子３５Ｂが生成したそれぞれの直流電圧は、切換回路４０Ａに供給される。切換回路４０Ａは、整流素子３５Ａ及び整流素子３５Ｂが生成したそれぞれの直流電圧の一方を選択して、選択した一方の直流電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ３６に供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ３６は、供給された直流電圧を所定の直流電圧に変換する。変換後の所定の直流電圧が負荷３７に印加される。

図１２は、図１１に示す切換回路の構成の一例を示す図である。図１２において、図１１０と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。切換回路４０Ａは、切換回路４０と原理的には殆ど同一であるが、切換回路４０の場合には検出される電力が交流電力であるのに対して、切換回路４０Ａの場合には検出される電力が直流電力であるのが異なる。比較接続回路４３Ａは、検出した直流電力を複数のコイル間で比較し、比較の結果に応じて電力最大であるコイルの出力（整流後の直流電圧）を選択的にＤＣ−ＤＣコンバータ３６（最終的には負荷３７）に接続する。

図１３は、受電回路の構成の別の一例を示す図である。図１３に示す構成では、図１２に示す構成で用いられる切換回路４０Ａを合成回路４０Ｂで置き換えてある。それ以外の構成は図１２と図１３とで同一である。整流素子３５Ａ及び整流素子３５Ｂが生成したそれぞれの直流電圧は、交流電圧と異なり位相を考慮する必要がないので、最大電圧を選択する代りに、全ての電圧を足し合わせて得られる総和の電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ３６に出力してよい。合成回路４０Ｂは、整流素子３５Ａ及び整流素子３５Ｂが生成したそれぞれの直流電圧を足し合わせ、その総和に等しい直流電圧を出力する。

図１４は、受電コイルの更なる変形例を示す図である。図１４において、図６及び図７と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。図１４に示す構成においては、受電コイルとして、受電コイル１７−１乃至１７−３及び受電コイル１７Ａ−１乃至１７Ａ−３が設けられている。即ち、互いに部分的に重なり合う複数のコイルである受電コイル１７−１乃至１７−３及び受電コイル１７Ａ−１乃至１７Ａ−３が設けられている。これらの受電コイルは切換回路４０Ｂに接続されている。切換回路４０Ｂは、複数のコイルのうちの１つを負荷３７（図６参照）に選択的に接続するように機能する。切換回路４０Ｂの構成は、入力側に接続されるコイルの数が異なることを除いて、図１０に示す切換回路４０の構成と同一であってよい。

図１４のように、円筒側面３２の周方向（円筒中心軸周りの回転方向）における受電コイルのコイル長を短くすることで、伝送効率を向上させることができる。これは、共振コイル１５と受電コイル（１７−１〜１７−３及び１７Ａ−１〜１７Ａ−３）との間の結合が電磁誘導を介した結合であり、電力伝送するコイル間でのコイル径の違いが電力伝送効率に大きく影響するためである。具体的には、共振コイル１５の周方向の長さと受電コイルの周方向の長さとが略等しくなるときに、電力伝送効率は最大となる。

図１５は、充電池の断面構成において共振コイルを移動可能とする機構を示した断面図である。図１６は、説明のために円筒側面を平面に展開した形で共振コイルを移動可能とする機構を示した図である。図１５において、図５と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。また図１６において、図６と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。

図１５において、共振コイル１５を点線２９で示す曲面に沿って移動可能とするために、ガイド溝５０が設けられる。図１６に示されるように、共振コイル１５を支持する支持板３１に対して、この支持板３１を円筒側面３２に沿ってガイドするガイド溝５０が、円筒側面３２の上端及び下端近くに一本ずつ設けられている。この２本のガイド溝５０に支持板３１の上端部及び下端部が嵌り込むことにより、支持板３１をガイド溝５０により支持しながら、円筒側面３２に沿って移動させることができる。この際、支持板３１はその上端部及び下端部においてガイド溝５０と接触するだけであるので、摩擦を少なくして、スムーズな移動動作を実現することができる。

図１７は、充電池の断面構成において共振コイルを移動可能とする別の機構を示した断面図である。図１８は、図１７に示す移動機構を示す充電池の斜視図である。図１７において、図５と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。

図１７において、共振コイル１５を点線２９で示す曲面に沿って移動可能とするために、共振コイル１５を支持する支持部材５１が設けられる。支持部材５１は、円筒中心軸から半径方向に延び、先端において共振コイル１５を支持する。図１８に示すように、支持部材５１を円筒中心軸上（充電池セル３０の中心軸上）で回動可能に支持する支点部材５２が設けられる。支点部材５２は充電池セル３０の上下の底面に１つずつ設けられ、これら２つの支点部材５２に支持部材５１が回動可能に接続される。なお支持部材５１の先端には共振コイル１５を直接に固定してもよいが、図１８に示すように、共振コイル１５を支持する支持板３１を固定してよい。

図１９は、ガイド溝を用いる場合の移動機構の一例を示す図である。図１９には、充電池の円筒中心軸に垂直な方向にとった断面における移動機構の構造を示す。ガイド溝５０にはめ込まれた支持板３１の上端及び下端に対して複数の玉５５を設け、玉軸受け（ボールベアリング）と同様の機構により摩擦を少なくし、支持板３１のガイド溝５０に対する相対運動を容易にする。玉５５は、支持板３１の上端及び下端に設けてもよいし、或いはガイド溝５０の外周側に設けてもよい。ガイド溝５０側に設ける場合には、ガイド溝５０の全周に亘り玉５５を設ける必要がある。

図２０は、ガイド溝５０、支持部材５１、及び支点部材５２を用いる場合の移動機構の一例を示す図である。図２０には、充電池の円筒中心軸に垂直な方向にとった断面における移動機構の構造を示す。ガイド溝５０にはめ込まれた支持板３１の上端及び下端に対して複数の玉５５を設け、玉軸受け（ボールベアリング）と同様の機構により摩擦を少なくし、支持板３１のガイド溝５０に対する相対運動を容易にする。更に、支点部材５２に回動可能に取り付けられ支点部材５２から半径方向に延びる支持部材５１を設け、この支持部材５１の先端に支持板３１を固定している。

図２１は、ガイド溝５０、支持部材５１、及び支点部材５２を用いる場合の移動機構の別の一例を示す図である。図２１には、充電池の円筒中心軸に垂直な方向にとった断面における移動機構の構造を示す。中心軸５３に固定され中心軸５３から半径方向に延びる支持部材５１を設け、この支持部材５１の先端に支持板３１を固定してよい。中心軸５３の周りには、複数の玉５５を設け、玉軸受け（ボールベアリング）の機構により摩擦を少なくし、中心軸５３の回転運動を容易にする。この場合、玉軸受けの部分が支点部材として機能することになる。

図２２は、ガイド溝５０、支持部材５１、及び支点部材５２を用いる場合の移動機構の更に別の一例を示す図である。図２２には、充電池の円筒中心軸に垂直な方向にとった断面における移動機構の構造を示す。ガイド溝５０にはめ込まれた支持板３１の上端及び下端に対して複数の玉５５を設け、玉軸受け（ボールベアリング）と同様の機構により摩擦を少なくし、支持板３１のガイド溝５０に対する相対運動を容易にする。更に、中心軸５３に固定され中心軸５３から半径方向に延びる支持部材５１を設け、この支持部材５１の先端に支持板３１を固定してある。中心軸５３の周りには、複数の玉５５を設け、玉軸受け（ボールベアリング）の機構により摩擦を少なくし、中心軸５３の回転運動を容易にする。

図２３は、磁性シールドの配置の一例について説明するための図である。図２３には、充電池の円筒中心軸に垂直な方向にとった断面の構造を示す。なお図５と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。また図２３において、磁性シールドの説明に必要でない要素はその図示を省略してある。

充電池セル３０と、受電コイル１７及び共振コイル１５との間には、磁性シールド６０が設けられる。充電池セル３０には、金属材料が使用されている。この金属材料により電力伝送用の電磁界のエネルギーが消費されると電力伝送効率が低下するので、これを防ぐために、受電コイル１７及び共振コイル１５と充電池セル３０との間に磁性シールド６０を配置する。磁性シールド６０は、透磁率（複素透磁率実部）が大きく磁気損失（複素透磁率虚部）が小さい材料で構成されるので、磁界が磁性シールド６０に沿うように分布する。従って、磁界が充電池セル３０の金属材料に到達することがなく、電力ロスが発生しない。なお受電回路（図１の１８）も磁性シールド６０の内側に配置されてよい。

図２４は、磁性シールドの配置の別の例について説明するための図である。図２３は、図６に示すように受電コイル１７のみが設けられている構成に対応するものであるが、図２４は、図１４に示すように受電コイル１７−１乃至１７−３及び１７Ａ−１乃至１７Ａ−３が設けられている構成に対応する。このように受電コイルの構成に関わらず、磁性シールド６０を設けることにより、充電池セル３０の金属材料を磁界からシールドすることができる。

図２５は、一般的な受電ユニットの構成の一例を示す図である。図２５において、図１８と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。図２５において、受電ユニット７０は、非磁性であり絶縁体からなる円柱部材７１、支持部材５１、支点部材５２、及び支持板３１を含む。支点部材５２が円柱部材７１の上下の底面に１つずつ設けられ、これら２つの支点部材５２に支持部材５１が回動可能に接続される。支持部材５１は、円筒中心軸から半径方向に延び、先端において共振コイル１５を支持する。なお支持部材５１の先端には共振コイル１５を直接に固定してもよいが、共振コイル１５を支持する支持板３１を固定してよい。この構成において、支持部材５１を円筒中心軸周りに適宜回転させることにより、支持板３１に支持される共振コイル１５を所望の方向に向けることができる。なお図２５では図示を省略しているが、充電池セル３０の円筒側面に受電コイル１７が設けられている図１７に示される構成と同様に、円柱部材７１の円筒側面には受電コイル１７が設けられている。

図２６は、図２５の受電ユニットを用いた電子機器の構成の一例を示す図である。図２７は、図２６の受電ユニットの内部構成を横方向から見た図である。図２６及び図２７に示される電子機器７２は、１つ又は複数の受電ユニット７０及び充電池７３を含む。各受電ユニット７０は、図２５に示される構成を有し、受信した電力を充電池７３に供給する。これにより、電子機器の充電池７３に充電することができる。各受電ユニット７０において、支持部材５１を動かすことにより、共振コイル１５を受信電力量が最大となる所望の方向に向けて、効率的な電力受信を可能とする。なお複数の受電ユニット７０は、円筒中心軸が異なる方向に向けられた受電ユニット７０を含んでよい。例えば図２６に示される電子機器７２の場合、図面水平横方向に円筒中心軸が揃った２つの受電ユニット７０と、図面垂直縦方向に円筒中心軸が揃った２つの受電ユニット７０とが設けられている。このように異なる方向に設置された受電ユニット７０において更に支持部材５１の移動により共振コイル１５の方向を調整することで、電子機器７２に対して任意の方向に位置する送電器からの効率的な受電を可能にする。

図２８は、受電ユニット７０の共振コイル１５の方向制御を行う機構を示す図である。図２８において、受電ユニット７０の受電コイル１７から受信した交流電力は、抵抗素子Ｒ３及び電圧計７４を介して演算回路７５に供給される。演算回路７５は、電圧計７４により計測された電圧値に基づいて受信電力を計算する。また演算回路７５は、受け取った交流電力をそのまま整流素子７６に供給する。整流素子７６は、交流電力を整流して直流電圧を生成する。ＤＣ−ＤＣコンバータ７７は、整流素子７６により生成された直流電圧を所定の直流電圧に変換する。変換後の所定の直流電圧が充電池７３に印加される。

演算回路７５は、計算した受信電力に応じた制御信号をモータ７８に供給する。モータ７８は、供給された制御信号に応じて回転軸７９を回転させ、回転軸７９の回転角を調整する。回転軸７９には、図２５に示す支持部材５１が固定されており、回転軸７９の回転角の調整により共振コイル１５の方向を調整する。この調整動作を介して、演算回路７５は、受信電力が最大となるように共振コイル１５の方向を調整する。

図２９は、図２６に示す電子機器の構成の変形例を示す図である。図２９において、図２６と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。図２９に示す電子機器７２Ａは、図２６に示す電子機器７２の構成に加え、駆動回路８０及び切換回路８１を含む。駆動回路８０は、受電ユニット７０及び充電池７３から供給される電源電圧を駆動電力として動作する。駆動回路８０が駆動することにより、電子機器７２Ａに備えられている機能（例えば通信機能や音楽再生機能等）を提供する。切換回路８１は、充電池７３の充電残量に応じて、受電ユニット７０からの電力を、駆動回路８０のみ、又は、充電池７３のみ、又は、駆動回路８０及び充電池７３の両方へ供給する。

図３０は、切換回路８１により電力を分配する構成の一例を示す図である。図３０において、充電量判断部８１Ａ及び切換スイッチ８１Ｂが、図２９に示す切換回路８１に相当する。図３０には明示的には示されないが、充電池７３から駆動回路８０に駆動電圧を供給する経路が設けられており、例えば受電ユニット７０が受電していない場合、駆動回路８０は充電池７３からの駆動電圧により駆動する。受電ユニット７０が受電している場合、充電量判断部８１Ａは、充電池７３の端子電圧に基づいて充電残量を判定し、この判定結果に基づいて切換スイッチ８１Ｂの接続を制御する。例えば充電池７３の充電残量が２０％未満の場合、切換スイッチ８１Ｂの切換により、受電ユニット７０からの電力の全てが充電池７３に供給される。また例えば充電池７３の充電残量が２０％以上１００％未満の場合、切換スイッチ８１Ｂの切換により、受電ユニット７０からの電力が充電池７３及び駆動回路８０の両方に供給される。また例えば充電池７３の充電残量が１００％の場合、切換スイッチ８１Ｂの切換により、受電ユニット７０からの電力の全てが駆動回路８０に供給される。

図３１は、充電池に電力を供給するための受電器の構成の別の一例を示す図である。図３１に示す構成では、受電器を内蔵する格納容器に、受電器を含まない従来の市販の充電池８５を着脱自在な形で格納する構成となっている。格納容器は、円筒側面８８、上部底面８６、下部底面８７、正極端子８９、及び負極端子９０を含む。格納容器内部に充電池８５が格納された状態において、充電池８５の正極が格納容器の正極端子８９に接触し、充電池８５の負極が格納容器の負極端子９０に接触する。

充電池８５を格納容器に出し入れするために、例えば下部底面８７が開閉可能な蓋の構造となっていてよい。この場合、下部底面８７を開けて格納容器内部に充電池８５を挿入し、その後、下部底面８７を閉じて充填器として用いることになる。このように内部に充電池８５を格納した格納容器を、例えば図２に示す充電池２４−１と同様に、送電器２０の平板面上に置くことにより、格納容器に内蔵される受電器に送電器から電力を送信し、充電池８５を充電することができる。

図３２は、図３１に示す格納容器を展開して示す図である。格納容器は、円筒側面８８、上部底面８６、下部底面８７、正極端子８９、及び負極端子９０に加え、受電コイル１７、共振コイル１５及びコンデンサ１６を搭載した支持板３１、整流素子９１、及びＤＣ−ＤＣコンバータ９２を含む。受電コイル１７は、円筒側面８８の内面全体を覆うように設置されている。共振コイル１５及びコンデンサ１６は支持板（基板）３１上に形成されており、この支持板３１が矢印で示す方向（即ち円筒中心軸周りの回転方向）に自由に移動可能に設けられる。

共振コイル１５が円筒側面８８の内面に沿って自由に移動可能であるので、格納容器の転がり姿勢に関わらず、共振コイル１５が重力により下方向を向くように位置される。即ち、格納容器の転がり姿勢に関わらず、一番低い位置に共振コイル１５が移動してその位置に静止する。この一番低い位置において、共振コイル１５は下方向を向くことになる。

受電コイル１７と共振コイル１５とが電磁誘導で結合することにより、外部から共振コイル１５が受信した交流電力を受電コイル１７に供給し、受電コイル１７から更に整流素子９１に電力を有線にて供給する。整流素子９１は、受電コイル１７からの交流電力を整流して直流電圧を生成する。ＤＣ−ＤＣコンバータ９２は、整流素子９１により生成された直流電圧を所定の直流電圧に変換する。変換後の所定の直流電圧が、正極端子８９及び負極端子９０を介して、格納容器内部に格納された充電池８５に供給される。受電コイル１７は円筒側面８８の内面全体に亘り設けられているので、共振コイル１５の位置に関わらず（即ち格納容器の転がり姿勢に関わらず）、受電コイル１７と共振コイル１５とが電磁誘導で結合される。なお整流素子９１及びＤＣ−ＤＣコンバータ９２は、例えば下部底面８７の内部或いはその表面等に設けられてよい。また図３２に示す格納容器において、受電コイルの構成は、例えば図７や図１４等に示すように、複数の受電コイルが設けられている構成であってよい。

図３３は、図３２に示す格納容器において共振コイルを移動可能とする機構を示した図である。図３３において、図３２と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。

共振コイル１５を円筒側面８８の内面に沿って移動可能とするために、ガイド溝９５が設けられる。より具体的には、共振コイル１５を支持する支持板３１に対して、この支持板３１を円筒側面８８の内面に沿ってガイドするガイド溝９５が、円筒側面８８の上端及び下端近くに一本ずつ設けられる。この２本のガイド溝９５に支持板３１の上端部及び下端部が嵌り込むことにより、支持板３１をガイド溝９５により支持しながら、円筒側面８８の内面に沿って移動させることができる。この際、支持板３１はその上端部及び下端部においてガイド溝９５と接触するだけであるので、摩擦を少なくして、スムーズな移動動作を実現することができる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。

１１ 送電回路
１２ 送電コイル
１３ 共振コイル
１４ 容量
１５ 共振コイル
１６ 容量
１７ 受電コイル
１８ 受電回路
２０ 送電器
２１ プラグ
２２ 電気コード
２４−１〜２４−５ 充電池
２７ 円筒側面
３０ 充電池セル

Claims (10)

1. 受電回路と、
   円筒形状を有する第１の部材と、
   前記第１の部材の円筒側面に設けられ前記受電回路に有線接続された受電コイルと、
   前記第１の部材の円筒中心軸周りの回転方向に前記円筒側面に沿って自由に移動可能に設けられた共振コイルと
   を含み、前記受電コイルと前記共振コイルとが電磁誘導で結合することを特徴とする受電装置。
2. 前記受電コイルは互いに部分的に重なり合う複数のコイルを含み、
   前記受電回路は、
   負荷と、
   前記複数のコイルのうちの１つを前記負荷に選択的に接続する切換回路と
   を含むことを特徴とする請求項１記載の受電装置。
3. 前記切換回路は、
   前記複数のコイルの各々が供給する電力を検出する検出回路と、
   前記検出回路が検出した電力を前記複数のコイル間で比較し、該比較の結果に応じて電力最大であるコイルの出力を選択的に前記負荷に接続する比較接続回路と
   を含むことを特徴とする請求項２記載の受電装置。
4. 内部の空洞に前記第１の部材を収容した円筒形状を有する第２の部材を更に含み、
   前記第１の部材は充電池セルであり、
   前記受電コイル及び前記共振コイルは前記第２の部材と前記充電池セルとの間に設けられることを特徴とする請求項１乃至３何れか一項記載の受電装置。
5. 前記第１の部材と前記受電コイル及び前記共振コイルとの間に設けられる磁性シールドを更に含むことを特徴とする請求項１乃至４何れか一項記載の受電装置。
6. 前記円筒中心軸から半径方向に延び、先端において前記共振コイルを支持する支持部材と、
   前記支持部材を前記円筒中心軸上で回動可能に支持する支点部材と
   を更に含むことを特徴とする請求項１乃至５何れか一項記載の受電装置。
7. 前記共振コイルを支持する支持板と、
   前記支持板を前記円筒側面に沿ってガイドするガイド溝と
   を更に含むことを特徴とする請求項１乃至５何れか一項記載の受電装置。
8. 前記第１の部材は中空の円筒であり、前記受電コイルは前記第１の部材の円筒側面の内面に設けられ、前記共振コイルは前記円筒側面の内面に沿って自由に移動可能に設けられることを特徴とする請求項１乃至３何れか一項記載の受電装置。
9. 前記第１の部材は、内部の中空の空間に円柱形の充電池を着脱自在に格納可能であることを特徴とする請求項８記載の受電装置。
10. 送電器と、
    前記送電器から磁界共鳴により電力を受信する受電器と、
    を含み、前記受電器は、
    受電回路と、
    円筒形状を有する第１の部材と、
    前記第１の部材の円筒側面に設けられ前記受電回路に有線接続された受電コイルと、
    前記第１の部材の円筒中心軸周りの回転方向に前記円筒側面に沿って自由に移動可能に設けられた共振コイルと
    を含み、前記受電コイルと前記共振コイルとが電磁誘導で結合することを特徴とする電力供給システム。

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