JP5994771B2 - ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置、ワイヤレス電力伝送システムおよびコイル - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス給電に関し、特に、そのパワー制御に関する。

電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）の３種類に大別できる。

電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）は、電動シェーバーなどの身近な家電製品において一般的に利用されているが、近距離でしか使えないという課題がある。電波を利用するタイプ（Ｂ）は、遠距離で使えるが電力が小さいという課題がある。共振現象を利用するタイプ（Ｃ）は、比較的新しい技術であり、数ｍ程度の中距離でも高い電力伝送効率を実現できることから特に期待されている。たとえば、ＥＶ（Electric Vehicle）の車両下部に受電コイルを埋め込み、地中の給電コイルから非接触にて電力を送り込むという案も検討されている。以下、タイプ（Ｃ）を「磁場共振型」とよぶ。

磁場共振型は、マサチューセッツ工科大学が２００６年に発表した理論をベースとしている（特許文献１参照）。特許文献１では、４つのコイルを用意している。これらのコイルを給電側から順に「エキサイトコイル」、「給電コイル」、「受電コイル」、「ロードコイル」とよぶことにする。エキサイトコイルと給電コイルは近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。同様に、受電コイルとロードコイルも近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。これらの距離に比べると、給電コイルから受電コイルまでの距離は「中距離」であり、比較的大きい。このシステムの目的は、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電することである。

エキサイトコイルに交流電力を供給すると、電磁誘導の原理により給電コイルにも電流が流れる。給電コイルが磁場を発生させ、給電コイルと受電コイルが磁気的に共振すると、受電コイルには大きな電流が流れる。電磁誘導の原理によりロードコイルにも電流が流れ、ロードコイルと直列接続される負荷から電力が取り出される。磁場共振現象を利用することにより、給電コイルから受電コイルの距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる（特許文献２〜４参照）。

米国公開２００８／０２７８２６４号公報 特開２００６−２３００３２号公報 国際公開２００６／０２２３６５号公報 米国公開２００９／００７２６２９号公報 特開２０１０−１４１９７７号公報 特開２０１０−１３０８７８号公報 特開２０１０−２３９７７７号公報 特開２０１０−６３２４５号公報 特開２０１１−１９２９１号公報 特開２０１０−９８２５７公報 特開２０１１−９７６７１公報 特開２０１０−９８８９６公報 特開２０１０−１２４５２２公報

本発明者は、ワイヤレス給電の利用可能性を拡げるためには、給電電力の大きさや給電方向を制御する仕組みが必要であると考える。特許文献５では、受電側の入力インピーダンスを可変キャパシタによって調整することにより、受電電力の大きさを調整している。特許文献６〜８においても、可変キャパシタや可変インダクタにより給電や受電を制御しているが、いずれも構成が複雑にならざるをえない。

特許文献１０、１１では楕円形状の給電コイルと楕円形状の受電コイルを長軸同士が直交するように配置している。これは、給電コイルと受電コイルが水平方向にずれたときに電力伝送効率が変化するのを抑制するためである。特許文献１２では給電コイルの位置および受電コイルの位置に応じて、給電コイルまたは受電コイルの向きを変化させている。特許文献１３では給電コイルと受電コイルのコイル間距離に応じて、給電コイルに対するエキサイトコイルの角度や受電コイルに対するロードコイルの角度を変化させている。

本発明は、磁場結合型のワイヤレス給電において、給電電力の大きさをより簡易な構成にて実現することを主たる目的とする。

本発明にかかるワイヤレス給電装置は、給電コイルと受電コイルの磁場結合に基づき、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電するための装置である。この装置は、回転可能に形成される給電コイルと、給電コイルに交流電力を供給することにより、給電コイルから受電コイルに交流電力を給電させる送電制御回路を備える。給電コイルは、周方向における磁気特性が不均一となるように形成される。

ここでいう不均一化とは、コイル平面における磁束密度が一様とならないように、コイル平面の一部における磁場を局所的に増加させたり、あるいは、低減させることをいう。コイルの形状や材質を部分的に変化させることにより、このような不均一化が可能となる。このような不均一型の給電コイルを回転させると、給電コイルと受電コイルの間の相互インダクタンスが変化するため、結果として、給電電力の大きさ、あるいは、給電方向も変化する。なお、ここでいう回転可能とは、給電コイル全体が回転することを必須条件とするものではない。たとえば、コイルの一部の部品が回転することであってもよい。いずれにしても、周方向における磁気特性が不均一な給電コイルによる磁場の分布状態を変化させることができればよい。

給電コイルの周縁の一部のみに磁性体を配置することにより、給電コイルの周方向における磁気特性を不均一化してもよい。この場合には、給電コイルと磁性体を一体化して回転させてもよいし、磁性体のみを回転させてもよい。更に、給電コイルや受電コイルに対する磁性体の位置を変更しても、磁気特性を変化させることができる。たとえば、給電コイルの一部に取り付けられた磁性体をいったん取り外し、別の部分に取り付ければ、結果として給電コイルの磁気特性を変化させることもできる。

送電制御回路は、給電コイルを回転させることにより、給電コイルから受電コイルに供給される交流電力を調整してもよい。

本発明にかかるワイヤレス受電装置は、給電コイルと受電コイルの磁場結合に基づき、給電コイルからワイヤレスにて送電される交流電力を受電コイルにて受電する装置である。この装置は、回転可能に形成される受電コイルと、受電コイルと磁場結合することにより受電コイルから交流電力を受電するロードコイルと、ロードコイルから交流電力を供給される負荷とを含むロード回路を備える。受電コイルは、周方向における磁気特性が不均一となるように形成される。

受電コイルの周縁の一部のみに磁性体を配置することにより、受電コイルの周方向における磁気特性を不均一化してもよい。

受電コイルを回転させることにより、受電コイルが受電する交流電力を調整する受電調整回路、を更に備えてもよい。

本発明にかかるワイヤレス電力伝送システムは、給電コイルと受電コイルの磁場結合に基づき、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電するためのシステムである。このシステムはワイヤレス給電装置およびワイヤレス受電装置を備える。ワイヤレス給電装置は、給電コイルと、給電コイルに交流電力を供給することにより、給電コイルから受電コイルに交流電力を給電させる送電制御回路を含む。ワイヤレス受電装置は、受電コイルと、受電コイルと磁場結合することにより受電コイルから交流電力を受電するロードコイルと、ロードコイルから交流電力を供給される負荷とを含むロード回路を含む。給電コイルおよび受電コイルの双方または一方は、回転可能に形成され、かつ、周方向における磁気特性が不均一な不均一型コイルとして形成される。

受電コイルを不均一型のコイルとして形成しておき、ワイヤレス受電装置は、受電コイルを回転させることにより受電コイルが受電する交流電力を調整してもよい。

給電コイルを不均一型のコイルとして形成しておき、送電制御回路は、給電コイルを回転させることにより、給電コイルから受電コイルに供給される交流電力を調整してもよい。

１つのワイヤレス給電装置に対して複数のワイヤレス受電装置を設けてもよい。この場合、１つの給電コイルから供給される交流電力を一以上の受電コイルにより受電してもよい。

本発明にかかるコイルは、周方向における磁気特性が不均一となるように構成される。コイルの周縁の一部のみに磁性体を配置することにより、周方向における磁気特性を不均一化してもよい。たとえば、コイルの周縁の内側または外側に沿って円弧状の磁性体を配置することにより、周方向における磁気特性を不均一化してもよい。

本発明にかかるワイヤレス給電装置は、給電コイルと受電コイルの磁場結合に基づき、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電する。この装置は、回転可能に形成される給電コイルと、給電コイルに交流電力を供給することにより、給電コイルから受電コイルに交流電力を給電させる送電制御回路と、を備える。送電制御回路は、更に、給電コイルを巻線方向に沿って回転させて給電コイルと受電コイルの対向面積を変化させることにより、給電コイルから受電コイルへ供給される交流電力を調整する。

このように給電コイルから発生して受電コイルを通過する磁束を給電コイルの回転によって変化させれば、電力伝送効率を制御できる。

本発明にかかるワイヤレス受電装置は、給電コイルと受電コイルの磁場結合に基づき、給電コイルからワイヤレスにて送電される交流電力を受電コイルにて受電する装置である。この装置は、回転可能に形成される受電コイルと、受電コイルが受電する交流電力を出力する受電制御回路と、を備える。受電制御回路は、更に、受電コイルを巻線方向に沿って回転させて給電コイルと受電コイルの対向面積を変化させることにより、受電コイルが受電する交流電力を調整する。

本発明にかかるワイヤレス電力伝送システムは、給電コイルと受電コイルの磁場結合に基づき、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電する。このシステムは、ワイヤレス給電装置およびワイヤレス受電装置を備える。ワイヤレス給電装置は、給電コイルと、給電コイルに交流電力を供給することにより、給電コイルから前記受電コイルに前記交流電力を給電させる送電制御回路と、を含む。ワイヤレス受電装置は、受電コイルと、受電コイルが受電する交流電力を出力する受電制御回路と、を備える。給電コイルおよび受電コイルの双方または一方は、回転可能に形成される。送電制御回路および受電制御回路の双方または一方は、送電コイルおよび受電コイルの双方または一方をその巻線方向に沿って回転させて給電コイルと受電コイルの対向面積を変化させることにより、受電コイルが受電する交流電力を調整する。

本発明によれば、磁場結合型のワイヤレス給電において、給電電力の大きさを簡易な構成にて制御しやすくなる。

第１〜第３、第５実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの原理図である。 給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の両方に磁性体を設置した場合の各コイルの斜視図である。 第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの模式図である。 給電コイルの回転角度と電力伝送効率の関係を示すグラフである。 給電側磁性体Ｆ２が設置される給電コイルＬ２と受電側磁性体Ｆ３が設置される受電コイルＬ３を水平方向に移動させた場合におけるコイル間距離と電力伝送効率の関係を示すグラフである。 図５の磁性体あり回転あり特性に対応する表である。 磁性体あり・回転ありの場合における給電の駆動周波数と電力伝送効率の関係を示すグラフである。 磁性体あり・回転なしの場合における給電の駆動周波数と電力伝送効率の関係を示すグラフである。 給電側磁性体Ｆ２が設置される給電コイルＬ２と受電側磁性体Ｆ３が設置される受電コイルＬ３を垂直方向に移動させた場合におけるコイル間距離と電力伝送効率の関係を示すグラフである。 図９の磁性体あり回転あり特性に対応する表である。 給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の一方に磁性体を設置した場合の各コイルの斜視図である。 給電側磁性体Ｆ２なしの給電コイルＬ２と受電側磁性体Ｆ３が設置される受電コイルＬ３を水平方向に移動させた場合におけるコイル間距離と電力伝送効率の関係を示すグラフである。 第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの模式図である。 １つのワイヤレス給電装置から複数のワイヤレス受電装置に給電する場合のワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。 １つの給電コイルＬ２と２つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂを対向させたときの各コイルの配置図（−９０度）である。 １つの給電コイルＬ２と２つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂを対向させたときの各コイルの配置図（−４５度）である。 １つの給電コイルＬ２と２つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂを対向させたときの各コイルの配置図（０度）である。 １つの給電コイルＬ２と２つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂを対向させたときの各コイルの配置図（９０度）である。 １つの給電コイルＬ２と２つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂを対向させた場合における給電コイルＬ２の回転角度と電力伝送効率の関係を示すグラフである。 １つの給電コイルＬ２と３つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂ、Ｌ３ｃを対向させたときの各コイルの配置図である。 １つの給電コイルＬ２と４つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂ、Ｌ３ｃ、Ｌ３ｄを対向させたときの各コイルの配置図である。 第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの模式図である。 給電コイルＬ２、中継コイルＬ５、受電コイルＬ３の配置図である。 第４実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの原理図である。 第４実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図の一例である。 第４実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図の別例である。 第１構成例におけるコイルの構成図である。 第２構成例におけるコイルの構成図である。 第３構成例におけるコイルの構成図である。 第４構成例におけるコイルの構成図である。 第５構成例におけるコイルの構成図である。 第６構成例におけるコイルの構成図である。 第７構成例におけるコイルの構成図である。 第８構成例におけるコイルの構成図である。 第９構成例におけるコイルの構成図である。 第１０構成例におけるコイルの構成図である。 第１１構成例におけるコイルの構成図である。 第１２構成例におけるコイルの構成図である。 第１３構成例におけるコイルの構成図である。 第１４構成例におけるコイルの構成図である。 第５実施形態におけるコイルの斜視図である。 受電コイルＬ３を垂直方向に移動させた場合におけるコイル間距離と電力伝送効率の関係を示すグラフである。 図４２の回転あり特性に対応する表である。 受電コイルＬ３を水平方向に移動させた場合におけるコイル間距離と電力伝送効率の関係を示すグラフである。 受電コイルの移動にともなう給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の対向面積の変化を示す模式図である。 第１５構成例におけるコイルの構成図である。 第１６構成例におけるコイルの構成図である。 第１７構成例におけるコイルの構成図である。 第１８構成例におけるコイルの構成図である。 第１９構成例におけるコイルの構成図である。 第２０構成例におけるコイルの構成図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。

図１は、第１、第２、第３、第５実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の原理図である。第１、第２、第３、第５実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、ワイヤレス給電装置１１６とワイヤレス受電装置１１８を含む。ワイヤレス給電装置１１６は給電ＬＣ共振回路３００を含む。ワイヤレス受電装置１１８は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。そして、受電コイル回路１３０により受電ＬＣ共振回路３０２が形成される。

給電ＬＣ共振回路３００は、キャパシタＣ２と給電コイルＬ２を含む。受電ＬＣ共振回路３０２は、キャパシタＣ３と受電コイルＬ３を含む。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の磁場結合を無視できるほど両者が充分に離れた状態において給電ＬＣ共振回路３００および受電ＬＣ共振回路３０２それぞれの共振周波数が同一となるように、キャパシタＣ２、給電コイルＬ２、キャパシタＣ３、受電コイルＬ３が設定される。この共通の共振周波数をｆｒ０とする。

給電コイルＬ２と受電コイルＬ３を充分に磁場結合できる程度に近づけた状態では、給電ＬＣ共振回路３００、受電ＬＣ共振回路３０２およびその間に発生する相互インダクタンスにより新たな共振回路が形成される。この新共振回路は、相互インダクタンスの影響により２つの共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２を有する（ｆｒ１＜ｆｒ０＜ｆｒ２）。ワイヤレス給電装置１１６が、給電源ＶＧから共振周波数ｆｒ１にて交流電力を給電ＬＣ共振回路３００に供給すると、新共振回路の一部である給電ＬＣ共振回路３００は共振点１（共振周波数ｆｒ１）で共振する。給電ＬＣ共振回路３００が共振すると、給電コイルＬ２は共振周波数ｆｒ１の交流磁場を発生させる。同じく新共振回路の一部である受電ＬＣ共振回路３０２もこの交流磁場により共振する。給電ＬＣ共振回路３００と受電ＬＣ共振回路３０２が同一の共振周波数ｆｒ１にて共振するとき、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３に最大の電力伝送効率にてワイヤレス給電がなされる。ワイヤレス受電装置１１８の負荷ＬＤから受電電力が出力電力として取り出される。なお、新共振回路は、共振点１（共振周波数ｆｒ１）だけでなく共振点２（共振周波数ｆｒ２）でも共振可能である。

この原理図に示すワイヤレス給電装置１１６はエキサイトコイルを含んでいないが、エキサイトコイルを含む場合でも基本的な原理は同じである。

図２は、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の両方に磁性体を設置した場合の各コイルの斜視図である。同図右方向、いいかえれば、給電方向にｚ軸を設定する。以降の図においても同様である。本実施形態における給電コイルＬ２および受電コイルＬ３はともに円形コイルである。給電コイルＬ２の内部には給電側磁性体Ｆ２が設置される。受電コイルＬ３の内部には受電側磁性体Ｆ３が設置される。本実施形態における給電側磁性体Ｆ２と受電側磁性体Ｆ３の材質はどちらもフェライトであるが、他の磁性材料であってもよい。

給電側磁性体Ｆ２と受電側磁性体Ｆ３は、共に、円弧形状を有する。給電側磁性体Ｆ２は給電コイルＬ２の内側面の一部のみを覆い、受電側磁性体Ｆ３は受電コイルＬ３の内側面の一部のみを覆う。この結果、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は、ｘｙ平面上における、いいかえれば、周方向における磁気特性が不均一となる。具体的には、給電コイルＬ２の磁場は、給電側磁性体Ｆ２近辺において局所的に大きくなる。受電コイルＬ３も同様であり、受電側磁性体Ｆ３近辺において局所的に大きな磁場が発生する。詳しくは後述するが、図２に示すように給電側磁性体Ｆ２と受電側磁性体Ｆ３を正対しているとき、電力伝送効率が最大となる。

［第１実施形態］
図３は、第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの模式図である。送電制御回路２００は、交流電源として機能し、駆動周波数ｆｏの交流電力を給電コイルＬ２に供給する。第１実施形態における送電制御回路２００は、単なる給電源ＶＧ（図１）として機能する。駆動周波数ｆｏは固定周波数であってもよい。たとえば、駆動周波数ｆｏは共振周波数ｆｒ１と同一となるように設定されてもよい。もちろん、送電制御回路２００は駆動周波数ｆｏを変更できてもよい。

ワイヤレス受電装置１１８は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。受電コイル回路１３０においては、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３により受電ＬＣ共振回路３０２が形成される（図１参照）。給電コイルＬ２が共振周波数ｆｒ１にて交流磁場を発生させると、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３が磁場結合し、受電コイル回路１３０に交流電流が流れる。給電コイルＬ２が発生させる交流磁場によってワイヤレス給電装置１１６と受電コイル回路１３０はどちらも共振する。

ロード回路１４０は、ロードコイルＬ４と負荷ＬＤが直列接続された回路である。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は互いに向かい合っている。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４の距離はほぼゼロである。このため、受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は電磁的に強く結合（電磁誘導による結合）している。受電コイルＬ３に交流電流が流れることにより、ロード回路１４０に起電力が発生し、ロード回路１４０にも交流電流が流れる。

ワイヤレス給電装置１１６の給電コイルＬ２から送電された交流電力は、ワイヤレス受電装置１１８の受電コイルＬ３により受電され、負荷ＬＤから取り出される。

第１実施形態における送電制御回路２００は、単なる交流電源であるため、既知の技術の応用により形成されればよい。

第１実施形態における受電コイルＬ３は、回転可能に形成される。受電制御回路２０２は、負荷ＬＤの電力を計測し、その計測結果に応じて受電コイルＬ３を回転させる。たとえば、受電電力の目標値をあらかじめ受電制御回路２０２に設定しておく。受電制御回路２０２は、受電コイルＬ３を回転させながら、負荷ＬＤに供給される電力（受電電力）を計測する。受電コイルＬ３を回転させると給電側磁性体Ｆ２と受電側磁性体Ｆ３の距離が変化する。受電コイルＬ３の回転により、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の相互インダクタンスが変化するため、電力伝送効率も変化する。受電制御回路２０２は、受電電力が目標値と一致したとき受電コイルＬ３の回転を停止させればよい。このような制御方法によれば、ワイヤレス受電装置１１８において、受電コイルＬ３を回転させるというシンプルな構成にて受電電力を調整できる。

受電制御回路２０２は、負荷ＬＤの電力を既知の電力計測方式により検知すればよい。あるいは、特願２０１０−１８２８３０号に記載されているように、負荷ＬＤに印加される電圧値を制御目標としてもよい。

なお、受電コイルＬ３ではなく、給電コイルＬ２を回転させてもよいし、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の両方を回転させてもよい。給電コイルＬ２を回転させる場合には、受電制御回路２０２は受電コイルＬ３ではなく給電コイルＬ２を回転させるように変更すればよい。なお、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は同一サイズや同一形状である必要はない。また、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は対向設置である必要はなく、並列設置されてもよい。

図４は、給電コイルＬ２の回転角度と電力伝送効率の関係を示すグラフである。給電側磁性体Ｆ２と受電側磁性体Ｆ３が正対するときの回転角度を０度としている。このグラフは、給電コイルＬ２を回転させた場合の電力伝送効率を示しているが、受電コイルＬ３を回転させる場合も同様である。回転角度０度における電力伝送効率は約５９％となっている。給電コイルＬ２を回転させ、給電側磁性体Ｆ２と受電側磁性体Ｆ３がずれるほど、電力伝送効率は低下している。

図５は、給電側磁性体Ｆ２が設置される給電コイルＬ２と受電側磁性体Ｆ３が設置される受電コイルＬ３を水平方向に移動させた場合におけるコイル間距離と電力伝送効率の関係を示すグラフである。横軸は、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３を水平方向（たとえば、ｘ方向）にずらした場合のコイル間距離を示す。ここでは、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３とが正対している場合に、コイル間距離（給電コイルＬ２と受電コイルＬ３との間の距離）を０ｍｍとしている。たとえば、給電コイルＬ２に対して受電コイルＬ３をｘ軸と平行に４０ｍｍずらした場合のコイル間距離を４０ｍｍとする。この例においては、給電側磁性体Ｆ２を設置しない給電コイルＬ２（以下、「通常型の給電コイルＬ２」ともよぶ）と受電側磁性体Ｆ３を設置しない受電コイルＬ３（以下、「通常型の受電コイルＬ３」ともよぶ）のコイル間距離が４０ｍｍのときの電力伝送効率が最大となるように駆動周波数ｆｏが設定されている。したがって、通常型の給電コイルＬ２と通常型の受電コイルＬ３とのコイル間距離に対する電力伝送効率特性を示す磁性体なし特性２０４では、コイル間距離４０ｍｍのとき電力伝送効率が最大となる。コイル間距離が４０ｍｍからずれると電力伝送効率は急低下している。

磁性体あり回転なし特性２０６は、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３に給電側磁性体Ｆ２、受電側磁性体Ｆ３を設置するが（以下、「不均一型の給電コイルＬ２」「不均一型の受電コイルＬ３」ともよぶ）、給電コイルＬ２も受電コイルＬ３も共に回転はさせない場合の電力伝送効率特性を示す。この場合にも、コイル間距離が４０ｍｍからずれると電力伝送効率が急低下する。

図６は、図５の磁性体あり回転あり特性２０８に対応する表である。磁性体あり回転あり特性２０８は、給電コイルＬ２（不均一型）を水平方向に移動させるときに、受電コイルＬ３（不均一型）も回転させて受電電力を安定させる場合の電力伝送効率特性を示す。コイル間距離が４０ｍｍのときの回転角度を０度に設定している。磁性体あり回転あり特性２０８によれば、コイル間距離が２０ｍｍから４５ｍｍくらいまで６０％近い電力伝送効率を維持できている。これは、コイル間距離の変化にともなう電力伝送効率の低下を、受電コイルＬ３（不均一型）の回転により補償しているためである。

たとえば、コイル間距離が４０ｍｍ、回転角度０度の状態から、コイル間距離を３５ｍｍに変更したとする。給電コイルＬ２および受電コイルＬ３を回転させなければ（磁性体あり回転なし特性２０６）、給電側磁性体Ｆ２と受電側磁性体Ｆ３も５ｍｍ分近づくため、共振周波数特性が大きく変化し、電力伝送効率は低下する。しかし、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３を近づけるときに、給電側磁性体Ｆ２と受電側磁性体Ｆ３が離れる方向に受電コイルＬ３を回転させてやれば、給電側磁性体Ｆ２と受電側磁性体Ｆ３の距離はそれほど変化しないため、電力伝送効率を維持しやすくなる。すなわち、距離の変化による影響を回転によって減殺または相殺することが可能となる。この結果、距離の変化に強いワイヤレス給電が可能となる。

図７は、磁性体あり・回転ありの場合における給電の駆動周波数と電力伝送効率の関係を示すグラフである。図１に関連して説明したように、ワイヤレス電力伝送システム１００は、共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２において電力伝送効率が最大となる。図７に示す３本の曲線は、異なるコイル間距離（近距離、中距離、長距離）のそれぞれに対応し、駆動周波数ｆｏと電力伝送効率の関係を示している。図５、図６に関連して説明したように、コイル間距離の変化を受電コイルＬ３の回転によって補償できるため、コイル間距離に対して共振周波数特性が安定する。図７によれば、共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２は、コイル間距離によってあまり変化していない。

図８は、磁性体あり・回転なしの場合における給電の駆動周波数と電力伝送効率の関係を示すグラフである。図８は、受電コイルＬ３を回転させない場合の駆動周波数ｆｏと電力伝送効率の関係を示している。図８に示す３本の曲線は、図７の３つのコイル間距離に対応する。図８によれば、コイル間距離の変化を受電コイルＬ３の回転によって補償できないため、共振周波数特性がコイル間距離に大きく依存している。すなわち、共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２は、コイル間距離によって大きく変化している。

図９は、給電側磁性体Ｆ２が設置される給電コイルＬ２と受電側磁性体Ｆ３が設置される受電コイルＬ３を垂直方向に移動させた場合におけるコイル間距離と電力伝送効率の関係を示すグラフである。横軸は、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３を垂直方向（ｚ方向）にずらした場合のコイル間距離を示す。ここでは、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３とが対向して接しているときのコイル間距離を０ｍｍとしている。たとえば、給電コイルＬ２に対して、受電コイルＬ３をｚ軸方向に２０ｍｍずらした場合に、コイル間距離を２０ｍｍとする。この例においては、通常型の給電コイルＬ２と通常型の受電コイルＬ３のコイル間距離が２０ｍｍのときに電力伝送効率が最大となるように駆動周波数ｆｏを固定している。したがって、磁性体なし特性２０４では、コイル間距離２０ｍｍのとき電力伝送効率が最大となり、コイル間距離が２０ｍｍからずれると電力伝送効率は急低下している。

磁性体あり回転なし特性２０６は、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３に給電側磁性体Ｆ２、受電側磁性体Ｆ３を設置するが、給電コイルＬ２も受電コイルＬ３をも共に回転させない場合の特性を示す。この場合にも、コイル間距離が２０ｍｍからずれると電力伝送効率が急低下する。

図１０は、図９の磁性体あり回転あり特性２０８に対応する表である。磁性体あり回転あり特性２０８は、不均一型の給電コイルＬ２を垂直方向に移動させるときに、不均一型の受電コイルＬ３も回転させて受電電力を安定させる場合の制御特性を示す。コイル間距離が２０ｍｍのときの回転角度を０度に設定している。磁性体あり回転あり特性２０８によれば、コイル間距離が１２ｍｍから２０ｍｍくらいまで６０％近い電力伝送効率を維持できている。すなわち、垂直方向（給電方向）の距離の変化による影響も受電コイルＬ３の回転によって減殺または相殺することが可能となる。

図１１は、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の一方に磁性体を設置した場合の各コイルの斜視図である。図１１における給電コイルＬ２の内部には、給電側磁性体Ｆ２は設置されていない。受電コイルＬ３の内部には、図２と同じく受電側磁性体Ｆ３が設置される。すなわち、給電コイルＬ２は通常型、受電コイルＬ３は不均一型である。このように、給電コイルＬ２および受電コイルＬ３の一方のみ、周方向の磁気特性を不均一化してもよい。この場合にも、不均一型のコイルを回転させることにより、相互インダクタンスを調整できる。

図１２は、給電側磁性体Ｆ２なしの給電コイルＬ２と受電側磁性体Ｆ３が設置される受電コイルＬ３を水平方向に移動させた場合におけるコイル間距離と電力伝送効率の関係を示すグラフである。横軸は、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３を水平方向（たとえば、ｘ方向）にずらした場合のコイル間距離を示す。この例においては、通常型の給電コイルＬ２と通常型の受電コイルＬ３のコイル間距離が４０ｍｍのときに電力伝送効率が最大となるように駆動周波数ｆｏを設定している。したがって、磁性体なし特性２０４では、コイル間距離４０ｍｍのとき電力伝送効率が最大となり、コイル間距離が４０ｍｍからずれると電力伝送効率は急低下している。

磁性体あり回転なし特性２０６は、受電コイルＬ３に受電側磁性体Ｆ３を設置するが、受電コイルＬ３を回転させない場合の特性を示す。この場合にも、コイル間距離が４０ｍｍからずれると電力伝送効率が急低下する。

磁性体あり回転あり特性２０８は、通常型の給電コイルＬ２を水平方向に移動させるときに、不均一型の受電コイルＬ３を回転させて受電電力を安定させる場合の制御特性を示す。コイル間距離が４０ｍｍのときの回転角度を０度に設定している。磁性体あり回転あり特性２０８によれば、コイル間距離が２０ｍｍから４０ｍｍくらいまで４０％以上の電力伝送効率を維持できる。このように、給電コイルＬ２に給電側磁性体Ｆ２を設置せず、受電コイルＬ３に受電側磁性体Ｆ３を設置する場合も、距離の変化による影響を受電コイルＬ３の回転によって減殺または相殺できる。ただし、一方のコイルを通常型とした場合、両方のコイルを不均一型とする場合に比べて全体としての電力伝送効率は低下している。

［第２実施形態］
図１３は、第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの模式図である。第２実施形態においては、受電制御回路２０２ではなく、送電制御回路２００が不均一型の給電コイルＬ２を回転させることにより、給電電力を制御する。給電コイルＬ２の内部には、給電側磁性体Ｆ２が設置される。受電コイルＬ３の内部には、受電側磁性体Ｆ３が設置されないものとする。したがって、給電コイルＬ２の周方向における磁気特性が不均一となるが、受電コイルＬ３の周方向における磁気特性は均一となっている。

送電制御回路２００は、交流電源として機能し、駆動周波数ｆｏの交流電力を給電コイルＬ２に供給する。第２実施形態における送電制御回路２００は、給電源ＶＧ（図１）として機能するだけでなく、給電コイルＬ２を回転させる機能も備える。駆動周波数ｆｏは固定周波数であってもよいし、可変周波数であってもよい。

不均一型の給電コイルＬ２は、回転可能に形成される。送電制御回路２００は、給電コイルＬ２からの反射電力を計測し、その計測結果に応じて給電コイルＬ２を回転させる。具体的には、送電制御回路２００はネットワークアナライザ等により反射電力を計測すればよい。電力伝送効率が高いほど反射電力は小さくなる。

反射電力の目標値をあらかじめ送電制御回路２００に設定しておく。送電制御回路２００は、給電コイルＬ２を回転させながら、反射電力を計測する。送電制御回路２００は、反射電力が目標値と一致したとき給電コイルＬ２の回転を中止させる。このような制御方法によれば、ワイヤレス給電装置１１６において、給電コイルＬ２を回転させるというシンプルな構成にて給電電力や受電電力を調整できる。

なお、送電制御回路２００は、給電コイルＬ２の電流位相と電圧位相を計測し、その位相のずれを制御目標としてもよい。共振時においては電流位相と電圧位相は一致するため、位相のずれは０となる。したがって、位相のずれの大きさを計測することにより、共振状態からの乖離の大きさを測ることができる。具体的には、特願２０１０−１４７５３８に記載の方法にて位相差を検出すればよい。

図１４は、１つのワイヤレス給電装置１１６から複数のワイヤレス受電装置１１８に給電する場合のワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。図１４に示すように１つのワイヤレス給電装置１１６に対して複数のワイヤレス受電装置１１８を設置してもよい。図１４では、２つのワイヤレス受電装置１１８の受電コイル回路１３０ａ、１３０ｂのみを示している。送電制御回路２００は、給電コイルＬ２を回転させることにより、２つの受電コイル回路１３０ａ、１３０ｂへの給電配分を変化させることもできる。詳細を以降に述べる。

図１５は、１つの給電コイルＬ２と２つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂを対向させたときの各コイルの配置図（−９０度）である。図１５〜図１８、図２０、図２１は、給電コイルＬ２と２つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂをｚ軸方向からみたときの配置図である。

給電側磁性体Ｆ２の円弧の長さは、給電コイルＬ２の内周の約１／４である。同様に、受電側磁性体Ｆ３ａ、Ｆ３ｂの円弧の長さは、受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂの内周の約１／４である。送電制御回路２００は、給電コイルＬ２をｚ軸を中心軸として時計回りに回転させる。ｘ軸方向を回転角度０度としているため、図１５は回転角度−９０度を示している。回転角度−９０度のとき、給電側磁性体Ｆ２と受電側磁性体Ｆ３ａは対向しているが、給電側磁性体Ｆ２と受電側磁性体Ｆ３ｂは大きく離れている。この結果、受電コイルＬ３ａの受電電力は大きくなるが、受電コイルＬ３ｂの受電電力は小さくなる。

図１６は、１つの給電コイルＬ２と２つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂを対向させたときの各コイルの配置図（−４５度）である。図１６は、図１５の状態から給電コイルＬ２を時計回りに４５度回転させたときの状態（回転角度−４５度）を示している。回転角度−４５度のとき、給電側磁性体Ｆ２と受電側磁性体Ｆ３ａはすこしずれるので、受電コイルＬ３ａの受電電力は若干低下する。しかし、受電側磁性体Ｆ３ｂと給電側磁性体Ｆ２ａは依然として離れているため、受電コイルＬ３ｂはほとんど受電しない。

図１７は、１つの給電コイルＬ２と２つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂを対向させたときの各コイルの配置図（０度）である。図１７は、図１６の状態から給電コイルＬ２を時計回りに４５度回転させたときの状態（回転角度０度）を示している。給電側磁性体Ｆ２は、受電側磁性体Ｆ３ａ、Ｆ３ｂのいずれからも離れているので受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂはどちらもほとんど受電しない。

図１８は、１つの給電コイルＬ２と２つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂを対向させたときの各コイルの配置図（９０度）である。図１８は、図１７の状態から給電コイルＬ２を時計回りに更に９０度回転させたときの状態（回転角度９０度）を示している。給電側磁性体Ｆ２は、受電側磁性体Ｆ３ｂと対向するため、受電コイルＬ３ｂの受電電力が大きくなる。

図１９は、１つの給電コイルＬ２と２つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂを対向させた場合における給電コイルＬ２の回転角度と電力伝送効率の関係を示すグラフである。横軸は給電コイルＬ２の回転角度を示し、縦軸は受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂそれぞれに対する電力伝送効率を示す。図１５から図１８に関連して説明したように、給電コイルＬ２を回転させるにつれて、受電コイルＬ３ａの受電電力が減少し、受電コイルＬ３ｂの受電電力が増加している。すなわち、給電コイルＬ２の回転により、受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂに対して選択的に給電できる。このような制御方法によれば、ワイヤレス給電装置１１６において、給電コイルＬ２を回転させるというシンプルな構成にて給電方向を調整できる。

図２０は、１つの給電コイルＬ２と３つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂ、Ｌ３ｃを対向させたときの各コイルの配置図である。図２０に示すように１つの給電コイルＬ２に対して３つの受電コイルＬ３を対向させてもよい。図２０の場合には、給電コイルＬ２を１２０度回転させるごとにより、３つの受電コイルＬ３ａ〜Ｌ３ｃから給電対象を選択できる。

図２１は、１つの給電コイルＬ２と４つの受電コイルＬ３ａ、Ｌ３ｂ、Ｌ３ｃ、Ｌ３ｄを対向させたときの各コイルの配置図である。図２１に示すように１つの給電コイルＬ２に対して４つの受電コイルＬ３を対向させてもよい。図２１の場合には、給電コイルＬ２を９０度回転させるごとにより、４つの受電コイルＬ３ａ〜Ｌ３ｄから給電対象を選択できる。もちろん、１つの給電コイルＬ２に対して５つ以上の受電コイルＬ３を対向させてもよい。

［第３実施形態］
図２２は、第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の模式図である。第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００には、中継装置２１０が追加される。受電コイルＬ３には受電側磁性体Ｆ３が設置されている。その他の点は第２実施形態と同様である。

中継装置２１０は、受電コイルＬ３と同一の共振特性をもつＬＣ共振回路であり、中継コイルＬ５とキャパシタＣ５を含む。中継コイルＬ５には、給電側磁性体Ｆ２や受電側磁性体Ｆ３と同様の設置方法にて、中継側磁性体Ｆ５が配置される。ワイヤレス給電装置１１６から給電された交流電力は、いったん中継コイルＬ５により受電される。すなわち、中継装置２１０は、ワイヤレス給電装置１１６の給電コイルＬ５から給電された交流電力を、ワイヤレス受電装置１１８の受電コイルＬ３に受け渡す機能を有する。中継コイルＬ５は更に、受電コイルＬ３に給電する。中継装置２１０をワイヤレス給電装置１１６と受電コイル回路１３０の間に介在させることにより、給電コイルＬ２から、中継コイルＬ５、受電コイルＬ３の順に電力をリレー伝送してもよい。また、複数の中継装置２１０をワイヤレス給電装置１１６と受電コイル回路１３０の間に介在させてもよい。

図２３は、給電コイルＬ２、中継コイルＬ５ａ、Ｌ５ｂ、受電コイルＬ３の配置図である。図２３は、給電コイルＬ２と２つの中継コイルＬ５ａ、Ｌ５ｂ、受電コイルＬ３をｚ軸方向からみたときの配置図である。図２３のように、中継コイルＬ５は、中継コイルＬ５ａ、Ｌ５ｂのような複数のコイルの集合であってもよい。

送電制御回路２００は、給電コイルＬ２を回転させる。図２３の場合、給電側磁性体Ｆ２は、中継側磁性体Ｆ５ｂよりも中継側磁性体Ｆ５ａに近い。このため、給電コイルＬ２の給電電力は、中継コイルＬ５ｂを経由するルートよりも中継コイルＬ５ａを経由するルートから受電コイルＬ３に電送される。このように、複数の中継コイルＬ５を有するワイヤレス電力伝送システム１００においては、給電コイルＬ２の回転角度により電力伝送ルートを制御できる。複数の伝送ルートのうち、より給電環境のよい伝送ルートを選ぶという制御が可能である。

なお、給電コイルＬ２に限らず、中継装置２１０の中継コイルＬ５や受電コイル回路１３０の受電コイルＬ３を回転させてもよい。

［第４実施形態］
図２４は、第４実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の原理図である。第４実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００も、ワイヤレス給電装置１１６とワイヤレス受電装置１１８を含む。ただし、ワイヤレス受電装置１１８は受電ＬＣ共振回路３０２を含むが、ワイヤレス給電装置１１６は給電ＬＣ共振回路３００を含まない。すなわち、給電コイルＬ２は、ＬＣ共振回路の一部とはなっていない。より具体的には、給電コイルＬ２は、ワイヤレス給電装置１１６に含まれる他の回路要素とは共振回路を形成しない。給電コイルＬ２に対しては、直列・並列のいずれにもキャパシタが挿入されない。したがって、電力を伝送するときの周波数においては、給電コイルＬ２は非共振となる。

給電源ＶＧは、共振周波数ｆｒ１の交流電流を給電コイルＬ２に供給する。給電コイルＬ２は共振しないが、共振周波数ｆｒ１の交流磁場を発生させる。受電ＬＣ共振回路３０２は、この交流磁場により共振する。この結果、受電ＬＣ共振回路３０２には大きな交流電流が流れる。検討の結果、ワイヤレス給電装置１１６においては必ずしもＬＣ共振回路を形成する必要がないことが判明した。給電コイルＬ２は、給電ＬＣ共振回路の一部ではないため、ワイヤレス給電装置１１６としては共振周波数ｆｒ１にて共振状態には移らない。一般的には、磁場共振型のワイヤレス給電は、給電側と受電側双方に共振回路を形成し、それぞれの共振回路を同一の共振周波数ｆｒ１（＝ｆｒ０）で共振させることにより、大電力の送電が可能となると解釈されている。しかし、給電ＬＣ共振回路３００を含まないワイヤレス給電装置１１６であっても、ワイヤレス受電装置１１８が受電ＬＣ共振回路３０２を含んでさえいれば、磁場共振型のワイヤレス給電を実現可能であることがわかった。

給電コイルＬ２と受電側コイルＬ３とが磁場結合しても、キャパシタＣ２が省略されているため新たな共振回路（共振回路同士の結合による新たな共振回路）が形成されない。この場合、給電コイルＬ２と受電側コイルＬ３との磁場結合は、その結合が強くなればなるほど受電ＬＣ共振回路３０２の共振周波数に影響を及ぼす。この共振周波数、すなわち共振周波数ｆｒ１近傍の周波数の交流電流を給電コイルＬ２に供給することにより、磁場共振型のワイヤレス給電が実現可能となる。また、キャパシタＣ２が不要であるためサイズやコスト面でも有利となる。

図２５は、第４実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図の一例である。図２５に示す第４実施形態のワイヤレス電力伝送システム１００においては、キャパシタＣ２が省略されている。その他の点は、図３に示した第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００と同様である。

図２６は、第４実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図の別例である。図２６に示す第４実施形態のワイヤレス電力伝送システム１００においても、キャパシタＣ２が省略されている。その他の点は、図１３に示した第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００と同様である。なお、図２２に示した第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００においても、キャパシタＣ２を省略可能である。

以降においては、コイル（給電コイルＬ２、受電コイルＬ３、中継コイルＬ５）の周方向における磁気特性を不均一化させるためのさまざまな構成について説明する。図２７から図４０は、いずれもコイルをｚ軸方向からみたときの配置図である。

図２７は、第１構成例におけるコイルＬの構成図である。同図に示すように、第１構成例においては、円弧状の磁性体ＦがコイルＬの内側面ではなく外側面側に設置されている。

図２８は、第２構成例におけるコイルＬの構成図である。第２構成例においては、３つの磁性体Ｆａ〜Ｆｃと３つの樹脂Ｒａ〜Ｒｃが交互につながるリングがコイルＬの内側面に設置されている。磁性体Ｆａ〜Ｆｃ近辺は磁界が強く、樹脂Ｒａ〜Ｒｃ近辺は磁界が弱くなるため、コイルＬの周方向の磁気特性が不均一化される。

図２９は、第３構成例におけるコイルＬの構成図である。第３構成例においては、第２構成例における磁性体Ｆと樹脂ＲがつながったリングがコイルＬの内側面ではなく外側面側に設置されている。

図３０は、第４構成例におけるコイルＬの構成図である。第４構成例においては、４つの磁性体Ｆａ〜Ｆｄと４つの樹脂Ｒａ〜Ｒｄが交互につながるリングがコイルＬの内側面に設置されている。

図３１は、第５構成例におけるコイルＬの構成図である。第５構成例においては、第４構成例における磁性体Ｆと樹脂ＲがつながったリングがコイルＬの内側面ではなく外側面側に設置されている。

図３２は、第６構成例におけるコイルＬの構成図である。第６構成例においては、コイルＬが楕円形状となっている。そして、コイルＬの内側面の一部に円弧状の磁性体Ｆが配置される。給電コイルＬ２が楕円形状であるため、長軸側の磁場は短軸側の磁場よりも強くなる。更に、磁性体Ｆを配置することにより、磁界特性がいっそう不均一化される。

図３３は、第７構成例におけるコイルＬの構成図である。第７構成例においては、コイルＬが正方形となっている。そして、コイルＬの一辺の内側面に板状の磁性体Ｆが配置される。

図３４は、第８構成例におけるコイルＬの構成図である。第８構成例においては、コイルＬが六角形となっている。そして、コイルＬの一辺の内側面に板状の磁性体Ｆが配置される。

図３５は、第９構成例におけるコイルＬの構成図である。第９構成例においては、コイルＬが八角形となっている。そして、コイルＬの二辺の内側面に板状の磁性体Ｆが配置される。このように、給電コイルＬ２を真円形状以外、たとえば、楕円形や正方形、長方形として形成することにより、磁界特性を不均一化することができる。磁性体ＦはコイルＬの内側面側に限らず、外側面側に設置されてもよい。また、楕円形等の真円形状以外の給電コイルＬ２（あるいは受電コイルＬ３）を利用するときには磁性体Ｆすら必須ではない。真円形状以外のコイルは回転方向における磁気特性が均一ではないため、コイルを回転させることにより磁気特性を積極的に変化させることができるためである。

図３６は、第１０構成例におけるコイルＬの構成図である。第１０構成例においては、円弧状ではなく扇形の磁性体ＦがコイルＬの内側面に配置される。

図３７は、第１１構成例におけるコイルＬの構成図である。第１１構成例においては、コイルＬの内部が３種類の扇形の磁性体Ｆａ〜Ｆｃによって覆われている。磁性体Ｆａ〜Ｆｃの透磁率は互いに異なる。このような構成の場合にも、コイルＬの周方向における磁気特性が不均一化される。

図３８は、第１２構成例におけるコイルＬの構成図である。第１２構成例においては、コイルＬの内部が４種類の扇形の磁性体Ｆａ〜Ｆｄによって覆われている。磁性体Ｆａ〜Ｆｄの透磁率も互いに異なる。

図３９は、第１３構成例におけるコイルＬの構成図である。第１３構成例においては、コイルＬの内部に扇形の金属板Ｍが設置される。フェライトのような磁性材料や、樹脂のようなほとんど磁性をもたない材料に限らず、さまざまな材料をコイルＬの一部に配置することにより、コイルＬの磁気特性を不均一化することができる。

図４０は、第１４構成例におけるコイルＬの構成図である。第１４構成例においては、コイルＬの円周の一部が金属板Ｍによって覆われている。

［第５実施形態］
図４１は、第５実施形態における給電コイルＬ２および受電コイルＬ３の配置を示す斜視図である。同図上方向、いいかえれば、給電方向にｚ軸を設定する。第５実施形態における給電コイルＬ２および受電コイルＬ３の形状はともに楕円形である。第１〜第４実施形態においては給電側磁性体Ｆ２や受電側磁性体Ｆ３により不均一型の給電コイルＬ２や受電コイルＬ３を形成したが、第５実施形態においてはコイルそのものを非真円形状（楕円形状や多角形形状など）で形成することにより、給電コイルＬ２や受電コイルＬ３の周方向における磁気特性を不均一化している。

第５実施形態においても、図１、図３に示したシステム構成によりワイヤレス給電装置１１６とワイヤレス受電装置１１８を構成する。ただし、給電コイルＬ２に給電側磁性体Ｆ２、受電コイルＬ３に受電側磁性体Ｆ３を設置するのではなく、図４１に示すような楕円形状の給電コイルＬ２、受電コイルＬ３を使用する。受電制御回路２０２は、楕円形状の受電コイルＬ３をｚ軸方向（給電方向）を中心として回転させる。

受電制御回路２０２は、負荷ＬＤの電力を計測し、その計測結果に応じて受電コイルＬ３を回転させる。たとえば、受電電力の目標値をあらかじめ受電制御回路２０２に設定しておく。受電制御回路２０２は、受電コイルＬ３を回転させながら、負荷ＬＤに供給される電力（受電電力）を計測する。受電コイルＬ３を回転させると給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の対向面積が変化する（図４５に関連して後に詳述する）。受電コイルＬ３の回転により、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の相互インダクタンスが変化するため、電力伝送効率も変化する。受電制御回路２０２は、受電電力が目標値と一致したとき、いいかえれば電力伝送効率が目標値に達したとき受電コイルＬ３の回転を停止させればよい。このような制御方法によれば、ワイヤレス受電装置１１８において、受電コイルＬ３を回転させるというシンプルな構成にて受電電力を調整できる。なお、受電コイルＬ３ではなく、給電コイルＬ２を回転させてもよいし、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の両方を回転させてもよい。送電制御回路２００は、給電コイルＬ２からの反射電力（送電制御回路２００への反射電力）や給電コイルＬ２の給電電力（電流と電圧）を計測してもよい。送電制御回路２００はその計測結果を受電制御回路２０２に通知し、計測結果に応じて受電制御回路２０２は受電コイルＬ３を回転させてもよい。受電制御回路２０２は、給電コイルＬ２からの給電電力が目標値と一致したとき、受電コイルＬ３の回転を停止させればよい。いずれにしても、給電コイルＬ２および受電コイルＬ３の双方または一方を回転させることにより給電コイルＬ２の給電電力または受電コイルＬ３の受電電力を制御すればよい。上述のように、送電制御回路２００や受電制御回路２０２は、給電コイルＬ２の電流位相と電圧位相を計測し、その位相のずれを制御目標としてもよい。送電制御回路２００や受電制御回路２０２は、受電コイルＬ３の電流位相と電圧位相を計測してもよい。位相のずれと給電電力または受電電力が相関するためである。

図４２は、第５実施形態において給電コイルＬ２と受電コイルＬ３を垂直方向に移動させた場合におけるコイル間距離と電力伝送効率の関係を示すグラフである。横軸は、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３を垂直方向（ｚ方向）にずらした場合のコイル間距離を示す。ここでは、給電コイルＬ２が受電コイルＬ３と接しているときのコイル間距離（給電コイルＬ２と受電コイルＬ３との間の距離）を０ｍｍとしている。コイル間距離が０ｍｍのときの電力伝送効率が最大となるように駆動周波数ｆｏが設定されている。受電コイルＬ３を回転させないときの電力伝送効率特性を示す回転なし特性２１４では、コイル間距離０ｍｍのとき電力伝送効率が最大となり、コイル間距離が大きくなるにつれて電力伝送効率は低下する。回転あり特性２１２は、受電コイルＬ３を垂直方向に移動させるときに、受電コイルＬ３を回転させた場合の電力伝送効率特性を示す。

図４３は、図４２の回転あり特性２１２に対応する表である。回転あり特性２１２は、受電コイルＬ３を垂直方向に移動させるときに、受電コイルＬ３を回転させて受電電力を安定させる場合の電力伝送効率特性を示す。コイル間距離が０ｍｍのときの回転角度を９０度に設定している。ここでいう９０度とは、給電コイルＬ２の長軸と受電コイルＬ３の長軸が直交する状態を示す。詳細は後述するが、回転角度９０度では給電方向（ｚ軸方向）からみたときの給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の対向面積（重なり）がもっとも小さくなり、回転角度０度のときに対向面積がもっとも大きくなる。したがって、回転角度を０度に近づけるほど、電力伝送効率が高くなる。回転あり特性２１２によれば、コイル間距離が０ｍｍから７ｍｍくらいまで８０％程度の電力伝送効率を維持できている。これは、コイル間距離の変化にともなう電力伝送効率の低下を、受電コイルＬ３の回転により補償しているためである。

図４４は、第５実施形態において給電コイルＬ２と受電コイルＬ３を水平方向に移動させた場合におけるコイル間距離と電力伝送効率の関係を示すグラフである。横軸は、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３を水平方向（たとえば、ｘ方向）にずらした場合のコイル間距離を示す。ここでは、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の中心軸が一致したときのコイル間距離（給電コイルＬ２と受電コイルＬ３との間の距離）を０ｍｍとしている。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３のコイル間距離が０ｍｍのときの電力伝送効率が最大となるように駆動周波数ｆｏが設定されている。受電コイルＬ３を回転させないときの電力伝送効率特性を示す回転なし特性２１４では、コイル間距離０ｍｍのとき電力伝送効率が最大となり、コイル間距離が１６ｍｍ以上となると電力伝送効率が低下しはじめる。一方、回転あり特性２１２では、コイル間距離が２８ｍｍ程度となるまでは電力伝送効率はほとんど変化しない。

図４５は、受電コイルの移動にともなう給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の対向面積の変化を示す模式図である。図４５の上図では、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の中心軸が一致している。受電コイルＬ３の回転角度は９０度である。すなわち、給電コイルＬ２の長軸と受電コイルＬ３の長軸は直交しているため、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の対向面積（図４５の斜線部分）は小さい。

図４５の下図に示すように受電コイルＬ３をｘ軸方向に移動させたとする。このとき、受電制御回路２０２は受電コイルＬ３の移動量に応じて受電コイルＬ３を回転させる。回転角度が０度に近づくほど対向面積は大きくなるが、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３が離れていくため、実質的には対向面積は変化しない。すなわち、受電コイルＬ３の移動にともなう対向面積の減少を受電コイルＬ３の回転によって補償している。結果として、電力伝送効率を安定維持しやすくなる。

第５実施形態においても、図７および図８に関連して説明したようにコイル移動量に対して共振周波数特性を安定化させることができる。受電コイルＬ３を回転させるときには、図７に示すように共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２のコイル移動量による変化が抑制される。受電コイルＬ３を回転させないときには、図８に示したように共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２はコイル移動量に応じて大きく変化する。

受電制御回路２０２は、受電コイルＬ３が移動するときその移動量を計測してもよい。あるいは、受電コイルＬ３の位置を既知のセンサで計測し、その位置変化により移動量を計測してもよい。なお、受電コイルＬ３ではなく給電コイルＬ２が移動するときには、送電制御回路２００が給電コイルＬ２の移動量を計測し、その計測結果を受電制御回路２０２に送信してもよい。

図１３に関連して説明したように、受電コイルＬ３ではなく給電コイルＬ２を送電制御回路２００が回転させてもよい。この場合には、送電制御回路２００は給電コイルＬ２からの反射電力や、給電コイルＬ２を流れる電流と電圧とを計測し、給電コイルＬ２からの給電電力の変化に応じて給電コイルＬ２を回転させればよい。上述のように、受電電力やコイル間距離に応じて給電コイルＬ２を回転させればよい。また、第５実施形態は、図２４のように給電コイルＬ２をキャパシタＣ２と共振させない構成にも適用可能である。図２５、図２６に関しても同様である。

以降においては、第５実施形態におけるコイル（給電コイルＬ２、受電コイルＬ３）のさまざまな構成について説明する。図４６から図５１は、いずれもコイルをｚ軸方向からみたときの配置図である。

図４６は第１５構成例におけるコイルＬの構成図である。同図に示すように、第１５構成例においては、コイルは三角形となっている。

図４７は第１６構成例におけるコイルＬの構成図である。同図に示すように、第１６構成例においては、コイルは四角形となっている。

図４８は第１７構成例におけるコイルＬの構成図である。同図に示すように、第１７構成例においては、コイルは五角形となっている。

図４９は第１８構成例におけるコイルＬの構成図である。同図に示すように、第１８構成例においては、コイルは六角形となっている。

図５０は第１９構成例におけるコイルＬの構成図である。同図に示すように、第１９構成例においては、コイルは三日月形となっている。

図５１は第２０構成例におけるコイルＬの構成図である。同図に示すように、第２０構成例においては、コイルは星形となっている。

このように、給電コイルＬ２や受電コイルＬ３は、多角形や楕円形のような非真円形状として形成されればよい。なお、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の双方が非真円形状である必要はない。たとえば、受電コイルＬ３を回転制御対象とするときには、給電コイルＬ２を真円形状、受電コイルＬ３を非真円形状として形成してもよい。非真円形状を有するコイルを回転させれば給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の対向面積を変化させることができるからである。同様に、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の双方を楕円形状とする必要はない。たとえば、給電コイルＬ２を五角形、受電コイルＬ３を楕円形として形成してもよい。

以上、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００について説明した。ワイヤレス電力伝送システム１００によれば、給電コイルＬ２や受電コイルＬ３、中継コイルＬ５などの各種コイルの回転角度を制御することにより、電力伝送効率や電力の伝送方向を制御できる。先行文献に示されるような複雑な電気回路が不要であるため、シンプルな構成にてワイヤレス給電の電力制御が可能となる。これは、周方向における磁気特性が不均一となるように構成されたコイルを利用することにより、コイルの回転と磁界の強さを相関させることができるためである。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

ワイヤレス電力伝送システム１００において伝送される「交流電力」は、エネルギーに限らず、信号として伝送されてもよい。アナログ信号やデジタル信号をワイヤレスにて送電する場合にも、本発明におけるワイヤレス電力伝送方法を適用可能である。

給電コイルＬ２等のコイルの回転方向は、ｚ軸を中心として回転する必要はない。ｘ軸やｙ軸などの任意の軸を中心として回転させてもよい。

本実施形態においては、磁場の共振現象を利用する「磁場共振型」を対象として説明したが、本発明においては磁場の共振は必須要件ではない。たとえば、「磁場共振型」と同様に給電コイルと受電コイルとが磁場結合（誘導結合）する、上述の（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）にも適用可能である。

Claims (24)

1. 給電コイルと受電コイルの磁場の共振現象による磁場結合に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス給電するための装置であって、
   回転可能に形成される前記給電コイルと、
   前記給電コイルに交流電力を供給することにより、前記給電コイルから前記受電コイルに前記交流電力を給電させる送電制御回路と、を備え、
   前記給電コイルは、周方向における磁気特性が不均一となるように形成されたコイルであることを特徴とするワイヤレス給電装置。
2. 前記給電コイルの周縁の一部のみに磁性体を配置することにより、前記給電コイルの周方向における磁気特性が不均一化されることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
3. 前記送電制御回路は、前記給電コイルを回転させることにより、前記給電コイルから前記受電コイルに供給される交流電力を調整することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
4. 給電コイルと受電コイルの磁場の共振現象による磁場結合に基づき、前記給電コイルからワイヤレスにて送電される交流電力を受電コイルにて受電する装置であって、
   回転可能に形成される前記受電コイルと、
   前記受電コイルと磁場結合することにより前記受電コイルから前記交流電力を受電するロードコイルと、前記ロードコイルから前記交流電力を供給される負荷とを含むロード回路と、を備え、
   前記受電コイルは、周方向における磁気特性が不均一となるように形成されたコイルであることを特徴とするワイヤレス受電装置。
5. 前記受電コイルの周縁の一部のみに磁性体を配置することにより、前記受電コイルの周方向における磁気特性が不均一化されることを特徴とする請求項４に記載のワイヤレス受電装置。
6. 前記受電コイルを回転させることにより、前記受電コイルが受電する交流電力を調整する受電調整回路、を更に備えることを特徴とする請求項４に記載のワイヤレス受電装置。
7. 給電コイルと受電コイルの磁場の共振現象による磁場結合に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス給電するためのシステムであって、ワイヤレス給電装置およびワイヤレス受電装置を備え、
   前記ワイヤレス給電装置は、
   前記給電コイルと、
   前記給電コイルに交流電力を供給することにより、前記給電コイルから前記受電コイルに前記交流電力を給電させる送電制御回路と、を含み、
   前記ワイヤレス受電装置は、
   前記受電コイルと、
   前記受電コイルと磁場結合することにより前記受電コイルから前記交流電力を受電するロードコイルと、前記ロードコイルから前記交流電力を供給される負荷とを含むロード回路と、を含み、
   前記給電コイルおよび前記受電コイルの双方または一方は、回転可能に形成され、かつ、周方向における磁気特性が不均一な不均一型コイルとして形成されることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
8. 前記受電コイルは前記不均一型のコイルとして形成され、
   前記ワイヤレス受電装置は、前記受電コイルを回転させることにより前記受電コイルが受電する交流電力を調整する受電調整回路、を更に含むことを特徴とする請求項７に記載のワイヤレス電力伝送システム。
9. 前記給電コイルは前記不均一型のコイルとして形成され、
   前記送電制御回路は、前記給電コイルを回転させることにより、前記給電コイルから前記受電コイルに供給される交流電力を調整することを特徴とする請求項７に記載のワイヤレス電力伝送システム。
10. １つの前記ワイヤレス給電装置に対して複数の前記ワイヤレス受電装置が設けられ、１つの前記給電コイルから供給される交流電力を一以上の前記受電コイルにより受電することを特徴とする請求項７に記載のワイヤレス電力伝送システム。
11. 給電コイルと受電コイルの磁場結合に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス給電するための装置であって、
    回転可能に形成される前記給電コイルと、
    前記給電コイルに交流電力を供給することにより、前記給電コイルから前記受電コイルに前記交流電力を給電させる送電制御回路と、を備え、
    前記給電コイルは、前記給電コイルの周縁の一部のみに磁性体を配置することにより、前記給電コイルの周方向における磁気特性が不均一となるように形成されたコイルであることを特徴とするワイヤレス給電装置。
12. 給電コイルと受電コイルの磁場結合に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス給電するための装置であって、
    回転可能に形成される前記給電コイルと、
    前記給電コイルに交流電力を供給することにより、前記給電コイルから前記受電コイルに前記交流電力を給電させる送電制御回路と、を備え、
    前記送電制御回路は、更に、前記給電コイルを巻線方向に沿って回転させて前記給電コイルと前記受電コイルの対向面積を変化させることにより、前記給電コイルから前記受電コイルへ供給される前記交流電力を調整することを特徴とするワイヤレス給電装置。
13. 前記給電コイルは、非真円形状として形成されることを特徴とする請求項１２に記載のワイヤレス給電装置。
14. 前記給電コイルは、楕円形状または多角形形状として形成されることを特徴とする請求項１３に記載のワイヤレス給電装置。
15. 前記送電制御回路は、前記給電コイルの給電電力または前記受電コイルの受電電力に応じて前記給電コイルの回転量を調整することを特徴とする請求項１２に記載のワイヤレス給電装置。
16. 前記送電制御回路は、前記給電コイルの給電電力または前記受電コイルの受電電力が所定目標値と一致するまで前記給電コイルを回転させることを特徴とする請求項１５に記載のワイヤレス給電装置。
17. 前記送電制御回路は、前記給電コイルから前記受電コイルまでの距離に応じて前記給電コイルの回転量を調整することを特徴とする請求項１２に記載のワイヤレス給電装置。
18. 給電コイルと受電コイルの磁場結合に基づき、前記給電コイルからワイヤレスにて送電
    される交流電力を受電コイルにて受電する装置であって、
    回転可能に形成される前記受電コイルと、
    前記受電コイルが受電する交流電力を出力する受電制御回路と、を備え、
    前記受電制御回路は、更に、前記受電コイルを巻線方向に沿って回転させて前記給電コイルと前記受電コイルの対向面積を変化させることにより、前記受電コイルが受電する前記交流電力を調整することを特徴とするワイヤレス受電装置。
19. 前記受電コイルは、非真円形状として形成されることを特徴とする請求項１８に記載のワイヤレス受電装置。
20. 前記受電コイルは、楕円形状または多角形形状として形成されることを特徴とする請求項１９に記載のワイヤレス受電装置。
21. 前記受電制御回路は、前記受電コイルが受電する前記交流電力に応じて前記受電コイルの回転量を調整することを特徴とする請求項１８に記載のワイヤレス受電装置。
22. 前記受電制御回路は、前記給電コイルの給電電力または前記受電コイルの受電電力が所定目標値と一致するまで前記受電コイルを回転させることを特徴とする請求項１８に記載のワイヤレス受電装置。
23. 前記受電制御回路は、前記給電コイルから前記受電コイルまでの距離に応じて前記受電コイルの回転量を調整することを特徴とする請求項１８に記載のワイヤレス受電装置。
24. 給電コイルと受電コイルの磁場結合に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス給電するためのシステムであって、ワイヤレス給電装置およびワイヤレス受電装置を備え、
    前記ワイヤレス給電装置は、
    前記給電コイルと、
    前記給電コイルに交流電力を供給することにより、前記給電コイルから前記受電コイルに前記交流電力を給電させる送電制御回路と、を含み、
    前記ワイヤレス受電装置は、
    前記受電コイルと、
    前記受電コイルが受電する交流電力を出力する受電制御回路と、を備え、
    前記給電コイルおよび前記受電コイルの双方または一方は、回転可能に形成され、
    前記送電制御回路および前記受電制御回路の双方または一方は、前記給電コイルおよび前記受電コイルの双方または一方をその巻線方向に沿って回転させて前記給電コイルと前記受電コイルの対向面積を変化させることにより、前記受電コイルが受電する前記交流電力を調整することを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。

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