JP6044865B2 - 誘導電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、電力を無線誘導手段を介して空間を越えて電気装置に給電する誘導電力伝送システムに関する。

誘導電力伝送システムは、空間を隔てて対向する給電コイルから受電コイルに電力を供給することで、それらの装置同士の電気端子同士を接触させずに電力を伝送するので、電気端子の接点の接触不良が発生しない利点がある。その利点を生かして、歯ブラシや携帯電話などに誘導電力伝送システムが使用されている。

この誘導電力伝送システムの電力伝送の効率を改善するために、特許文献１では、電源装置に接続した給電コイルに電磁誘導で結合する受電コイルに、給電電流に共鳴する共振回路を接続し、その受電コイルで電力を受信する。その受電コイルに被給電装置を電気接続して被給電装置が電力を消費する。被給電装置の受電コイルは、電源装置に接続した給電コイルから物理的に間隔をあけて配置し、大気を通じて誘導結合させる。しかし、１つの給電コイルから１つの受電コイルに電力を送電するシステムでは、受電コイルの位置が給電コイルの近傍に限定される問題があった。

この問題を解決するために、特許文献２では、複数の給電コイルで送電アレイを構成し、その送電アレイから受電コイルに電力を送電することで受電コイルの設置位置の自由度を増すシステムが提案されている。

特開２０１０−０１１６５４号公報 特開２００３−２２４９３７号公報

特許文献２の技術では、受電コイルの近くに位置して電力を受電コイルに送電する給電コイル以外の給電コイルは、それらを電源装置に電気接続させたままにしておくと、給電コイルで電力を損失する。そのため、受電コイルが近くに無い給電コイルは電源装置との電気接続を切る必要があった。

しかし、給電コイル毎に、電源装置との電気接続を切るスイッチを設けると、そのスイッチの設置がシステムのコストを上げる問題があった。

そのため、本発明の解決すべき課題は、複数の給電コイルから成る送電アレイから受電コイルに電力を送電するシステムにおいて、給電コイルでの電力の損失を抑制しつつ、スイッチ数を低減して製造コストを下げた誘導電力伝送システムを得ることにある。

この課題を解決するために、本発明は、電源回路から交流電力を供給する一対の給電線に複数の給電コイル系を並列に接続し、前記給電コイル系はループ状の給電コイルと給電系コンデンサから成り、前記一対の給電線と前記給電コイルと前記給電系コンデンサが直列に接続され、かつ、ループ状の受電コイルと受電系コンデンサと負荷回路が直列に接続された受電コイル系の受電コイルを前記複数の給電コイル系の１つの給電コイルに接近させ、前記電源回路から供給した交流電力を、前記１つの給電コイルと前記受電コイルを経由して前記負荷回路に伝送して消費させる誘導電力伝送システムであって、
前記１つの給電コイルの自己インダクタンスをＬＢとし前記受電コイルの自己インダクタンスをＬＵとし前記１つの給電コイルと前記受電コイルの相互インダクタンスをＭとし前記交流電力の角周波数をωとし、前記１つの給電コイルに流す電流をＩｂとし前記受電コイルに流す電流をＩｕとし、ＬＢ・Ｉｂ ^２ ＜ＬＵ・Ｉｕ ^２ であらわす関係式を満足させて、（前記負荷回路の入力インピーダンスｒ２）＝（ωＭ）・（Ｉｂ／Ｉｕ）であらわす関係式を満足させる入力インピーダンスｒ２を持つ前記負荷回路に前記電源回路から供給した交流電力を消費させることを特徴とする誘導電力伝送システムである。
また、本発明は、電源回路から交流電力を供給する一対の給電線に複数の給電コイル系を並列に接続し、前記給電コイル系はループ状の給電コイルと給電系コンデンサから成り、前記一対の給電線と前記給電コイルと前記給電系コンデンサが直列に接続され、かつ、ループ状の受電コイルと受電系コンデンサと負荷回路が並列に接続された受電コイル系の受電コイルを前記複数の給電コイル系の１つの給電コイルに接近させ、前記電源回路から供給した交流電力を、前記１つの給電コイルと前記受電コイルを経由して前記負荷回路に伝送して消費させる誘導電力伝送システムであって、
前記１つの給電コイルの自己インダクタンスをＬＢとし前記受電コイルの自己インダクタンスをＬＵとし前記１つの給電コイルと前記受電コイルの相互インダクタンスをＭとし前記受電系コンデンサの容量をＣＵとし前記交流電力の角周波数をωとし、前記１つの給電コイルに流す電流をＩｂとし前記受電コイルに流す電流をＩｕとし、（Ｉｂ／Ｉｕ） ^２ ＜（ＬＵ／ＬＢ）であらわす関係式を満足させて、（前記負荷回路の入力インピーダンスｒ４）＝｛ＬＵ／（ωＭ・ＣＵ）｝・（Ｉｕ／Ｉｂ）であらわす関係式を満足させる入力インピーダンスｒ４を持つ前記負荷回路に前記電源回路から供給した交流電力を消費させることを特徴とする誘導電力伝送システムである。

本発明は、これにより、給電コイルＬＢの近くに受電コイルＬＵが接近する場合にのみ、インピーダンスを整合させて電力を効率良く送電できる効果がある。そして、受電コイルＬＵが近くに無い給電コイルＬＢによる電力の損失を少なくできる効果がある。

また、本発明は、電源回路から交流電力を供給する一対の給電線に複数の給電コイル系を並列に接続し、前記給電コイル系はループ状の給電コイルと給電系コンデンサから成り、該給電系コンデンサと該給電コイルと前記一対の給電線が並列に接続され、かつ、ループ状の受電コイルと受電系コンデンサと負荷回路が並列に接続された受電コイル系の受電コイルを前記複数の給電コイル系の１つの給電コイルに接近させ、前記電源回路から供給した交流電力を、前記１つの給電コイルと前記受電コイルを経由して前記負荷回路に伝送して消費させる誘導電力伝送システムであって、
前記１つの給電コイルの自己インダクタンスをＬＢとし前記受電コイルの自己インダクタンスをＬＵとし前記１つの給電コイルと前記受電コイルの相互インダクタンスをＭとし前記受電系コンデンサの容量をＣＵとし前記交流電力の角周波数をωとし、前記１つの給電コイルに流す電流をＩｂとし前記受電コイルに流す電流をＩｕとし、（Ｉｂ／Ｉｕ） ^２ ＜（ＬＵ／ＬＢ）であらわす関係式を満足させて、（前記負荷回路の入力インピーダンスｒ４）＝｛ＬＵ／（ωＭ・ＣＵ）｝・（Ｉｕ／Ｉｂ）であらわす関係式を満足させる入力インピーダンスｒ４を持つ前記負荷回路に前記電源回路から供給した交流電力を消費させることを特徴とする誘導電力伝送システムである。

また、本発明は、電源回路から交流電力を供給する一対の給電線に複数の給電コイル系を並列に接続し、前記給電コイル系はループ状の給電コイルと給電系コンデンサから成り、該給電系コンデンサと該給電コイルと前記一対の給電線が並列に接続され、かつ、ループ状の受電コイルと受電系コンデンサと負荷回路が直列に接続された受電コイル系の受電コイルを前記複数の給電コイル系の１つの給電コイルに接近させ、前記電源回路から供給した交流電力を、前記１つの給電コイルと前記受電コイルを経由して前記負荷回路に伝送して消費させる誘導電力伝送システムであって、
前記１つの給電コイルの自己インダクタンスをＬＢとし前記受電コイルの自己インダクタンスをＬＵとし前記１つの給電コイルと前記受電コイルの相互インダクタンスをＭとし前記交流電力の角周波数をωとし、前記１つの給電コイルに流す電流をＩｂとし前記受電コイルに流す電流をＩｕとし、ＬＢ・Ｉｂ ^２ ＜ＬＵ・Ｉｕ ^２ であらわす関係式を満足させて、（前記負荷回路の入力インピーダンスｒ２）＝（ωＭ）・（Ｉｂ／Ｉｕ）であらわす関係式を満足させる入力インピーダンスｒ２を持つ前記負荷回路に前記電源回路から供給した交流電力を消費させることを特徴とする誘導電力伝送システムである。

本発明の誘導電力伝送システムは、給電コイルＬＢと受電コイルＬＵを接近させて電力を伝送させる場合に、電源回路の出力インピーダンスと負荷回路の入力インピーダンスを整合させる。そして、その際に、給電コイルＬＢに流れる電流が給電コイルＬＢに発生させる磁界のエネルギーよりも、受電コイルＬＵに流れる電流が受電コイルＬＵに発生させる磁界のエネルギーの方を大きくするように電源回路ＳＣの出力インピーダンスを設定する。それにより、給電コイルＬＢの近くに受電コイルＬＵが接近する場合にのみ、インピーダンスを整合させて電力を効率良く送電できる効果がある。そして、受電コイルＬＵが近くに無い給電コイルＬＢによる電力の損失を少なくできる効果がある。

本発明の第１の実施形態の誘導電力伝送システムの１つの給電コイルと受電コイルの関係を示す図である。 （ａ）本発明の第１の実施形態の誘導電力伝送システムの受電コイルの平面図である。（ｂ）同、給電コイルと受電コイルの側面図である。（ｃ）同、給電コイルの平面図である。 （ａ）本発明の第１の実施形態の変形例１の受電コイルの平面図である。（ｂ）同、給電コイルと受電コイルの側面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例１の電力伝送効率をあらわすＳパラメータ（Ｓ２１）のグラフである。 本発明の第１の実施形態の変形例１の給電コイルからの電力損失をあらわすＳパラメータ（Ｓ１１）のグラフである。 （ａ）本発明の第１の実施形態の変形例２の誘導電力伝送システムの受電コイルの平面図である。（ｂ）同、給電コイルと受電コイルの側面図である。（ｃ）同、給電コイルの平面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例２の電力伝送効率をあらわすＳパラメータ（Ｓ２１）のグラフである（その１）。 本発明の第１の実施形態の変形例２の電力伝送効率をあらわすＳパラメータ（Ｓ２１）のグラフである（その２）。 本発明の第１の実施形態の変形例２の電力伝送効率をあらわすＳパラメータ（Ｓ２１）のグラフである（その３）。 本発明の第２の実施形態の誘導電力伝送システムの給電コイルの平面図である。 本発明の第３の実施形態の誘導電力伝送システムの構成図である。 （ａ）本発明の第３の実施形態の誘導電力伝送システムの受電コイルの平面図である。（ｂ）同、給電コイルと受電コイルの側面図である。（ｃ）同、給電コイルの平面図である。

＜第１の実施形態＞
図１に、本発明の第１の実施形態の誘導電力伝送システムの１つの給電コイルＬＢと受電コイルＬＵの関係を示す。誘導電力伝送システムは、給電コイルＬＢから受電コイルＬＵに電力を送電する。その給電コイルＬＢの一端に電源回路ＳＣを接続し、他端に給電系コンデンサＣを接続する。受電コイルＬＵの一端に負荷回路ＬＤを接続し、他端に受電系コンデンサＣＵを接続する。このように構成して、電源回路ＳＣから負荷回路ＬＤに非接触で電力を供給する。ここで、給電コイルＬＢと電源回路ＳＣと給電系コンデンサＣは直列に接続されていれば十分であり、例えば、電源回路ＳＣと給電系コンデンサＣを隣接させても良い。受電コイルＬＵも同様であり、受電コイルＬＵと受電系コンデンサＣＵを隣接させても良い。

図２（ａ）の平面図に、受電コイルＬＵとそれに接続する受電系コンデンサＣＵと負荷回路ＬＤを示す。図２（ｂ）の側面図に、受電コイルＬＵと給電コイルＬＢと、給電コイルに、電源回路ＳＣからの電力を供給する給電線ＬＡ１とＬＡ２の側面の配置の構成を示す。図２（ｃ）の平面図に、複数の、給電コイルＬＢとそれに接続する給電系コンデンサＣを示し、また、給電コイルに電源回路ＳＣからの電力を供給する給電線ＬＡ１とＬＡ２を示す。

給電コイル系は、図２（ｃ）の平面図のように、給電系コンデンサＣｉとループ状の給電コイルＬＢｉが給電線ＬＡ１とＬＡ２に直列に接続され、その給電コイル系が複数、並列に給電線ＬＡ（ＬＡ１及びＬＡ２）に接続されている。

受電コイル系は、図２（ａ）の平面図のように、１つのループ状の受電コイルＬＵと受電系コンデンサＣＵが負荷回路ＬＤに直列に接続されている。

図２（ｂ）の側面図のように、給電コイルＬＢと受電コイルＬＵの間の距離は、受電コイルＬＵの直径以下の距離にして給電コイルＬＢと受電コイルＬＵを配置する。

（変形例１）
図２（ａ）に示した受電コイルＬＵ、及び、図２（ｃ）に示した給電コイルＬＢｉの構造は、図２のように複数巻きのコイルを用いる以外に、図３の平面図のように１巻きのコイルを用いることもできる。つまり、図３のように、断面が平板状の１巻きのコイルの給電コイルＬＢと給電系コンデンサＣと給電線ＬＡ１とＬＡ２を直列に接続した回路を用いることもできる。また、受電コイルＬＵと受電系コンデンサＣＵと負荷回路ＬＤを直列に接続した回路を用いる。

（インピーダンスの整合条件）
ループ状の給電コイルＬＢｉと給電系コンデンサＣｉの直列回路から成る給電コイル系の共振周波数ｆと、ループ状の受電コイルＬＵと受電系コンデンサＣＵの直列回路から成る受電コイル系の共振周波数ｆを等しくする。そして、給電線ＬＡ（ＬＡ１とＬＡ２）に電源回路ＳＣが供給する電流の周波数をその共振周波数ｆに等しくする。

すなわち、給電コイルＬＢｉのインダクタンスをＬＢとし、給電系コンデンサＣｉの容量をＣとし、受電コイルＬＵのインダクタンスをＬＵとし、受電系コンデンサＣＵの容量をＣＵとすると、
（式１） ＬＢ×Ｃ＝ＬＵ×ＣＵ＝１／ω^２
にする。そして、電源回路ＳＣが供給する電流の角周波数をωにする。ここで、角周波数ω＝２πｆである（ｆは共振周波数）。

そして、給電コイルＬＢｉと受電コイルＬＵを接近させて電力を送電する場合の給電コイルＬＢｉと受電コイルＬＵの相互インダクタンスをＭであらわす。このとき、給電コイルＬＢｉに給電線ＬＡ（ＬＡ１とＬＡ２）を介して接続する電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を、あるパラメータαに関して、
（式２） ｒ１＝ωＭ・α
にする。また、受電コイルＬＵに直列に接続する負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を、
（式３） ｒ２＝ωＭ／α
にする。このようにインピーダンスを設定することで、給電コイルＬＢｉと受電コイルＬＵが接近した場合にインピーダンスを整合させて、電力を効率良く伝送できる。

すなわち、パラメータαの値にかかわらず、
（式４） ｒ１・ｒ２＝（ωＭ）^２
の条件を満足させる。これにより、インピーダンスが整合して、電力が効率良く伝送できる。

（インピーダンスの設定条件）
ここで、自己インダクタンスＬＢの給電コイルＬＢｉに電流Ｉｂを流し、受電コイルＬＵに電流Ｉｕが流れる場合に、以下の式５の関係を成り立たせて電力を伝送する。
（式５） ＬＢ・Ｉｂ^２＜ＬＵ・Ｉｕ^２

この式５の関係を成り立たせると、給電コイルＬＢｉに電流Ｉｂが流れて給電コイルＬＢｉが蓄積する磁界のエネルギーよりも、受電コイルＬＵに電流Ｉｕが流れて受電コイルＬＵに蓄積される磁界のエネルギーの方が大きくなる。

この場合に、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１と負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２は以下の式６と式７になる。
（式６） ｒ１＝ωＭ・Ｉｕ／Ｉｂ
（式７） ｒ２＝ωＭ・Ｉｂ／Ｉｕ

式６及び式７を式２及び式３と比較して、式５と等価な条件をあらわすと、以下の式８の条件になる。
（式８） ｒ１／ｒ２＝α^２＝（Ｉｕ／Ｉｂ）^２＞ＬＢ／ＬＵ
この式８のように、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１と負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２の比を、給電コイルＬＢｉと受電コイルＬＵの自己インダクタンスの比よりも大きく設定する。

なお、式８の限界の条件である、ｒ１／ｒ２＝ＬＢ／ＬＵの場合は、給電コイルＬＢから受電コイルＬＵへの電力の伝送効率が高い周波数の範囲が最も広くなる。その場合に対して、抵抗比ｒ１／ｒ２が４倍大きい場合では、未だ、電力の伝送効率が高い周波数の領域が残っている。

また、式８からα^２＞ＬＢ／ＬＵが得られ、それを式２に代入し、更に式１を用いることで、式８に等価な以下の式９が導かれる。
（式９） ｒ１＞ｋ・√（ＬＢ／Ｃ）
ｋ≡Ｍ／√（ＬＢ・ＬＵ）
ここで、ｋは給電コイルＬＢｉと受電コイルＬＵの電磁誘導の結合係数である。すなわち、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１をｋ・√（ＬＢ／Ｃ）よりも大きくすることで、電源回路ＳＣが給電コイルＬＢ２に流す電流Ｉｂを小さくし、その電流に共鳴する受電コイルＬＵに流れる電流Ｉｕを大きくする。

このように負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を小さくし、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１をｋ・√（ＬＢ／Ｃ）より大きくすることにより、受電コイルＬＵが近くに無い給電コイルＬＢと電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１の不整合が大きくなる。それにより、受電コイルＬＵが近くに無い給電コイルＬＢによる電力の損失が少なくなる効果がある。これを以下で説明する。

近くに受電コイルＬＵが接近していない給電コイルＬＢ１及びＬＢ３からは、受電コイルＬＵに電力が伝送されない。それらの給電コイルＬＢ１及びＬＢ３は、小さな値ではあるが、導体抵抗を持つ。

もし、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１の値を小さくし、給電コイルＬＢの小さな値の導体抵抗に整合させれば、それらのアンテナで電力が大きく損失する。逆に、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１の値を大きくすれば、給電コイルＬＢの導体抵抗との不整合が大きくなり、電源回路ＳＣがそれらの給電コイルに供給する電力が少なくなる。それにより、それらの給電コイルＬＢの導体抵抗による電力の損失が小さくなる効果がある。

このように、給電コイルＬＢの近くに受電コイルＬＵが接近する場合にのみ、インピーダンスを整合させる。これにより、受電コイルＬＵが接近した給電コイルＬＢからのみ、受電コイルＬＵに大きな電力を送電することができる効果がある。そして、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を高くすることで、受電コイルＬＵが近くに無い給電コイルＬＢと電源回路ＳＣとのインピーダンスの不整合を大きくする。これにより、受電コイルＬＵから離れた位置の給電コイルＬＢでの電力損失を小さくできる効果がある。

（給電コイルと受電コイルの径が同じ場合）
例えば、同じ大きさの直径を持つ給電コイルＬＢｉと受電コイルＬＵを用いる。そして、給電コイルＬＢｉのコイルの巻き数をｎとし電流をＩｂとし、受電コイルＬＵのコイルの巻き数をｍとし電流をＩｕとする。この場合、給電コイルＬＢｉの自己インダクタンスＬＢと受電コイルＬＵの自己インダクタンスＬＵの比は、以下の式１０になる。
（式１０） ＬＢ／ＬＵ＝ｎ^２／ｍ^２

この場合は、式８の条件は、以下の式１１の条件になる。
（式１１） （Ｉｕ／Ｉｂ）＞（ｎ／ｍ）
この式１１の意味は、給電コイルＬＢのコイルに流れる電流Ｉｂをコイルの巻き数ｎだけ加え合わせた電流の束よりも、受電コイルＬＵのコイルに流れる電流Ｉｕをコイルの巻き数ｍだけ加え合わせた電流の束の電流の方を大きくすることである。

図３には、給電コイルＬＢと受電コイルＬＵがｎ＝ｍ＝１の１巻きの同じ形のコイルで、給電コイルＬＢと受電コイルＬＵの形を同じにし、両者のインダクタンスが同じ場合の例を示す。この場合は、インピーダンスを制御する式８の条件は、単純に、ｒ１＞ｒ２になり、また、給電コイルＬＢのコイルに流れる電流Ｉｂよりも受電コイルＬＵのコイルに流れる電流Ｉｕの方を大きくする。

図３の場合では、給電コイルＬＢを直径３４０ｍｍで幅が５０ｍｍ、厚さが１ｍｍの銅製の１巻きのコイルにする。ここで、そのコイルに接続する給電系コンデンサＣの容量Ｃ＝０．４μＦにする。また、受電コイルＬＵの形状を給電コイルＬＢと同じにし、受電コイルＬＵに接続する受電系コンデンサＣＵの容量ＣＵ＝０．４μＦにする。この給電コイルＬＢと受電コイルＬＵを対向させて、コイル間隔ｈ＝１００ｍｍを隔てて接近した位置に配置する。

この場合に、給電コイル系及び受電コイル系は各々３４０ｋＨｚで共振する。ここで、インピーダンス整合条件の式４、及び、インピーダンスを制御する条件の式８（及び式９）の関係を満足させるべく、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を０．６Ωにし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を０．１４Ωにする。

すると、給電コイルＬＢと受電コイルＬＵの間に、図４のグラフの周波数特性の伝送効率で電力が伝送される。すなわち、３４０ｋＨｚにおいて、０．０７７ｄＢの損失（２％の損失）のみで、電力が給電コイルＬＢから受電コイルＬＵに効率良く送電される。

一方、受電コイルＬＵから離れた位置にある給電コイルＬＢについては、図５の周波数特性のグラフが示す割合で電力が損失する。すなわち、３４０ｋＨｚにおいて、電力が０．０５５ｄＢ損失する。これは、１．３％の電力が給電コイルＬＢの抵抗で消費されて損失することを示している。この場合の給電コイルＬＢの出力インピーダンスｒ１は０．６Ωに設定したが、もし、ｒ１をこの半分の０．３Ωにすると、損失はこの２倍に増す。こうして、式８に従って、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１＝０．６Ωを負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２＝０．１４Ωよりも大きく設定することで、給電コイルＬＢによる電力の損失を少なくできる効果がある。

（変形例２）
変形例２の誘導電力伝送システムとして、図６のように、図３のコイルと同様に幅は５０ｍｍのコイルで、ただし、受電コイルＬＵの径を３５０ｍｍにし、更に、給電コイルＬＢを細長い長方形状にする。

この場合の受電コイルＬＵのインダクタンスＬＵは５９４ｎＨあり、一方、給電コイルＬＢのインダクタンスＬＢは５６４５ｎＨある。そして、給電コイルＬＢと受電コイルＬＵのコイル間隔ｈを変形例１の２倍の２００ｍｍにする。また、給電コイルＬＢの端部間を結ぶ給電系コンデンサＣの容量Ｃを２１００ｐＦにし、受電コイルＬＵの両端を結ぶ受電系コンデンサＣＵの容量ＣＵを０．０２μＦにする。この場合に、給電コイル系及び受電コイル系は各々１．４６ＭＨｚで共振する。

ここで、インピーダンス整合条件の式４、及び、インピーダンスを制御する条件の式８（及び式９）の関係を満足させるべく、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を２．１Ωより大きくし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を０．２３Ωより小さくする。

もし、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を２．１Ωにし負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を０．２３Ωにすると、コイル間の電力伝送効率の周波数特性が図７のグラフのようになる。この場合の電力の伝送効率が１００％に近い周波数の幅が最も広い。図８のグラフは、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を図７のグラフの場合の約２倍（√４．５倍）にし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を約２分の１（√４．５分の１）にした場合の、コイル間の電力伝送効率の周波数特性をあらわす。図８では、電力の伝送効率が１００％に近い周波数の幅が図７よりも狭まる。

図９のグラフは、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を図７の条件の約２分の１（√４．５分の１）にし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を約２倍（√４．５倍）にした場合の、コイル間の電力伝送効率の周波数特性をあらわす。図９のグラフは図８のグラフとほとんど同じである。結局、図７のグラフの場合が、すなわち、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を２．１Ωにし負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を０．２３Ωにした場合が、電力の伝送効率が１００％に近くになる周波数の幅が最も広い。

図８のグラフの場合では、インピーダンスを制御する条件の式８（及び式９）の関係を満足させるべく、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を２．１Ωより大きくし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を０．２３Ωより小さくする場合に、電力の伝送効率を１００％近くにできる周波数の範囲が存在した。

この場合に、以下の式８ａ及び式９ａの範囲内のインピーダンスであれば、電力の伝送効率を１００％近くにできる周波数の範囲が存在する。すなわち、その範囲内で、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を最大値にすると、電力の伝送効率が１００％に近い周波数の幅は図７よりも狭まるが、図８のように、１００％近い伝送効率が得られる周波数がまだ無くならずに存在している。
（式８ａ） ４・ＬＢ／ＬＵ≧ｒ１／ｒ２＞ＬＢ／ＬＵ
（式９ａ） ２ｋ・√（ＬＢ／Ｃ）≧ｒ１＞ｋ・√（ＬＢ／Ｃ）
そのため、ｒ１を、ｋ・√（ＬＢ／Ｃ）より大きくし、かつ、２ｋ・√（ＬＢ／Ｃ）以下にすることが望ましい。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態の給電コイル群の底面図を図１０に示す。第２の実施形態も第１の実施形態と同様に、式４と式８（及び式９）の関係を成り立たせる。

第２の実施形態が第１の実施形態と相違する点は、以下の構成である。第２の実施形態では、給電コイル系は、ループ状の給電コイルＬＢ１と給電系コンデンサＣ１の直列回路の配線と、ループ状の給電コイルＬＢ２と給電系コンデンサＣ２の直列回路の配線と、ループ状の給電コイルＬＢ３と給電系コンデンサＣ３の直列回路の配線を並列に、スイッチング素子ＳＷ１を介して、給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２に接続する。すなわち、スイッチング素子ＳＷｉが、給電コイルＬＢの群と給電線ＬＡ（ＬＡ１及びＬＡ２）との接続の開閉を制御する。

すなわち、スイッチング素子ＳＷｉは、受電コイルＬＵの近くに給電コイルＬＢの群が無い場合に、それらの給電コイルＬＢを給電線ＬＡ１から切り離す。それにより、給電線ＬＡから切り離された給電コイルＬＢでの電力の損失を防止する。

このように、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、給電コイルＬＢの近くに受電コイルＬＵが接近する場合にのみ、式４を満足させてインピーダンスを整合させることで、受電コイルＬＵが接近した給電コイルＬＢからのみ、受電コイルＬＵに大きな電力を送電することができる効果がある。また、式８（及び式９）に従って電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を高くすることで、受電コイルＬＵが近くに無い給電コイルＬＢと電源回路ＳＣとのインピーダンスの不整合を大きくする。そうすることで、受電コイルＬＵから離れた位置の給電コイルＬＢによる電力損失を小さくできる効果がある。そして、本実施形態は更に、スイッチング素子ＳＷｉによって、受電コイルＬＵの近くに無い給電コイルＬＢの群を給電線ＬＡから切り離すことで、給電コイル群での電力の損失を無くすことができる効果がある。

なお、本発明の給電コイルＬＢと受電コイルＬＵの寸法は、以上の実施形態で示した寸法に限定されず、無線電力伝送の用途に応じて自由に設定して用いることができる。また、アンテナの形状は、単純なコイル形状に限定されず、例えばクロソイド（コルニューの渦線）状の形状に配線することもできる。更に、空気で隔てたコイル間隔ｈを絶縁体に置き換えた構成にすることも可能である。

＜第３の実施形態＞
図１１に第３の実施形態の誘導電力伝送システムの構成を示し、図１２にその給電コイルＬＢと受電コイルの平面図と側面図を示す。図１１のように、給電コイルＬＢに給電系コンデンサＣを接続し、その給電系コンデンサＣに並列に電源回路ＳＣを接続する。また、受電コイルＬＵに受電系コンデンサＣＵを接続し、その受電系コンデンサＣＵに並列に負荷回路ＬＤを接続する。このように構成して、電源回路ＳＣから負荷回路ＬＤに非接触で電力を供給する。

図１２（ａ）の平面図に、受電コイルＬＵとそれに接続する受電系コンデンサＣＵと負荷回路ＬＤを示す。図１２（ｂ）の側面図に、受電コイルＬＵと給電コイルＬＢと、給電コイルに、電源回路ＳＣからの電力を供給する給電線ＬＡ１とＬＡ２の側面の配置の構成を示す。図１２（ｃ）の平面図に、給電コイルＬＢとそれに接続する給電系コンデンサＣと、給電コイルに電源回路ＳＣからの電力を供給する給電線ＬＡ１とＬＡ２を示す。

給電コイル系は、図１２（ｃ）の平面図のように、複数の給電系コンデンサＣｉとループ状の給電コイルＬＢｉが接続された回路の給電系コンデンサＣｉの両端子に給電線ＬＡ１とＬＡ２が接続されている。

受電コイル系は、図１２（ａ）の平面図のように、１つのループ状の受電コイルＬＵと受電系コンデンサＣＵが接続された回路の受電系コンデンサＣＵに並列に負荷回路ＬＤが接続されている。

図１２（ｂ）の側面図のように、給電コイルＬＢと受電コイルＬＵの間のコイル間隔ｈは、受電コイルＬＵの直径以下の距離にして給電コイルＬＢと受電コイルＬＵを配置する。

（インピーダンスの整合条件）
第３の実施形態においても、自己インダクタンスＬＢの給電コイルＬＢｉと容量Ｃの給電系コンデンサＣｉから成る給電コイル系の回路の共振周波数ｆと、自己インダクタンスＬＵの受電コイルＬＵと容量ＣＵの受電系コンデンサＣＵから成る受電コイル系の回路の共振周波数ｆを等しくし、電源回路ＳＣが供給する電流の周波数をその共振周波数ｆに等しくする。

そして、給電コイルＬＢｉと受電コイルＬＵを接近させて電力を送電する場合の、給電コイルＬＢｉと受電コイルＬＵの相互インダクタンスをＭであらわす。このとき、給電系コンデンサＣｉに給電線ＬＡを介して並列に接続する電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ３を、あるパラメータαに関して、
（式１２） ｒ３＝ＬＢ／（α・ωＭ・Ｃ）
にする。また、受電系コンデンサＣＵに並列に接続する負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ４を、
（式１３） ｒ４＝α・ＬＵ／（ωＭ・ＣＵ）
にする。この式１２と式１３は、給電コイルＬＢｉと受電コイルＬＵが接近した場合にインピーダンスが整合される条件を与える近似式である。この式１２と式１３を満足させることで、電力を概ね効率良く伝送できる。

この式１２と式１３でインピーダンスを整合させるためには、パラメータαの値にかかわらず、
（式１４） ｒ３・ｒ４＝（ω／ｋ）^２ＬＢ・ＬＵ
の条件を満足させれば良い。ここでｋはコイル間の電磁誘導の結合係数である。これにより、給電コイルＬＢｉと受電コイルＬＵが接近した場合にインピーダンスが整合して、電力が効率良く伝送できる。

（インピーダンスの設定条件）
第３の実施形態においても、給電コイルＬＢと受電コイルＬＵを接近させて電力を伝送させる場合に、インピーダンスを制御すべき式５の関係を成り立たせる。そして、その電力の伝送の際に給電コイルＬＢに流れる電流が給電コイルＬＢに発生させる磁界のエネルギーよりも、受電コイルＬＵに流れる電流が受電コイルＬＵに発生させる磁界のエネルギーの方を大きくするように電源回路ＳＣの出力インピーダンスを設定する。

この場合に、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ３と負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ４は以下の式１５と１６になる。
（式１５） ｒ３＝｛ＬＢ／（ωＭ・Ｃ）｝・Ｉｂ／Ｉｕ
（式１６） ｒ４＝｛ＬＵ／（ωＭ・ＣＵ）｝・Ｉｕ／Ｉｂ

式１５、１６を式１２、１３と比較して、式５の条件と等価な条件をあらわすと、以下の式１７の条件式が得られる。
（式１７） （ｒ３／ｒ４）（ＬＵ／ＬＢ）（Ｃ／ＣＵ）＝（１／α）^２＝（Ｉｂ／Ｉｕ）^２＜ＬＵ／ＬＢ

この式１７（及び式５）の条件に等価な以下の式１８も得られる。
（式１８） （ｒ３／ｒ４）＜（ＣＵ／Ｃ）
この式１８のように、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ３と負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ４の比を、受電コイル系の受電系コンデンサＣＵの容量ＣＵと給電コイル系の給電系コンデンサＣｉの容量Ｃの比よりも小さく設定する。

また、式１７からα＞√（ＬＢ／ＬＵ）が得られ、それを式１２に代入し、更に式１を用いることで、式１７（及び式１８及び式４）に等価な以下の式１９が導かれる。
（式１９） ｒ３＜１／（ｋ・ωＣ）＝√（ＬＢ／Ｃ）／ｋ
ここで、ｋは給電コイルＬＢ２と受電コイルＬＵの電磁誘導の結合係数である。

こうして、式１４のインピーダンス整合条件を満足させつつ、式１９に従って、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ３を√（ＬＢ／Ｃ）／ｋよりも小さく設定する。これにより、第１の実施形態と同様に、給電コイルＬＢ２に流れる電流Ｉｂを小さくし、その電流に共鳴する受電コイルＬＵに流れる電流Ｉｕを大きくすることができる。

このように給電系コンデンサＣｉに並列に接続する電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ３を√（ＬＢ／Ｃ）／ｋよりも小さく設定することにより、受電コイルＬＵが近くに無い給電コイルＬＢと電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ３の不整合が大きくなる。それにより、第１の実施形態と同様に、受電コイルＬＵが近くに無い給電コイルＬＢによる電力の損失を少なくできる効果がある。

なお、式１９の条件は、図１１の回路構成の場合に限らず、受電コイル系が図１の回路の場合であっても、受電コイルＬＵが近くに無い給電コイルＬＢと電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ３の不整合を大きくする条件として用いることができる。

このように、給電コイルＬＢの近くに受電コイルＬＵが接近する場合にのみ、式１４を満足させてインピーダンスを整合させて給電コイルＬＢから受電コイルＬＵに大きな電力を送電することができる効果がある。そして、式１８（及び式１９）の条件により、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ３を√（ＬＢ／Ｃ）／ｋよりも小さく設定することで、受電コイルＬＵが近くに無い給電コイルＬＢと電源回路ＳＣとのインピーダンスの不整合を大きくする。これにより、受電コイルＬＵから離れた位置の給電コイルＬＢによる電力損失を小さくできる効果がある。

＜第４の実施形態＞
第４の実施形態は、図１のように給電コイルＬＢと給電系コンデンサＣと、出力インピーダンスｒ１の電源回路ＳＣを直列に接続し、一方、図１１のように受電コイルＬＵに受電系コンデンサＣＵを接続し、その受電系コンデンサＣＵに並列に入力インピーダンスｒ４の負荷回路ＬＤを接続して、電源回路ＳＣから負荷回路ＬＤに非接触で電力を供給する誘導電力伝送システムを構成する。

（インピーダンスの整合条件）
この場合に、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１と負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ４は、あるパラメータαに関して、式２と式１３の関係を満たし、更に、式６と式１６の関係を満たす。

給電コイルＬＢｉと受電コイルＬＵが接近した場合の両コイルの電磁誘導の結合係数をｋとすると、その場合にインピーダンスを整合させるために、パラメータαの値にかかわらず、
（式２０） ｒ１／ｒ４＝ｋ^２ＬＢ／ＬＵ
の条件を満足させる。これにより、インピーダンスが整合して、電力が効率良く伝送できる。

（インピーダンスの設定条件）
第４の実施形態においても、式５の条件を成り立たせて、給電コイルＬＢｉに電流Ｉｂを流して給電コイルＬＢｉが蓄積する磁界のエネルギーよりも、受電コイルＬＵに電流Ｉｕが流れて受電コイルＬＵに蓄積される磁界のエネルギーの方を大きくする。

第４の実施形態で、式５の条件に等価な条件は式９になり、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１＞ｋ・√（ＬＢ／Ｃ）が条件になる。すなわち、この式９の条件は、第１の実施形態における図１の回路構成の場合に限らず、第４の実施形態において受電コイル系が図１１の回路の場合であっても、受電コイルＬＵが近くに無い給電コイルＬＢと電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１の不整合を大きくする条件として用いることができる。

こうして、式２０のインピーダンス整合条件を満足させつつ、式９に従って、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１をｋ・√（ＬＢ／Ｃ）よりも大きく設定する。これにより、第１の実施形態と同様に、給電コイルＬＢ２に流れる電流Ｉｂを小さくし、その電流に共鳴する受電コイルＬＵに流れる電流Ｉｕを大きくする。

このように、式２０のインピーダンス整合条件を満足させることで、第１の実施形態と同様に、給電コイルＬＢの近くに受電コイルＬＵが接近する場合にのみ、インピーダンスを整合させ、給電コイルＬＢから受電コイルＬＵに大きな電力を送電することができる効果がある。そして、式９の条件を満足させて、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１をｋ・√（ＬＢ／Ｃ）よりも大きく設定することで、受電コイルＬＵが近くに無い給電コイルＬＢと電源回路ＳＣとのインピーダンスの不整合を大きくする。これにより、受電コイルＬＵから離れた位置の給電コイルＬＢでの電力損失を小さくできる効果がある。

なお、本発明は、複数の給電コイルＬＢと１つの受電コイルＬＵで構成する誘導電力伝送回路に限定されず、複数の給電コイルＬＢの他に、受電コイルＬＵについても、スイッチで負荷回路ＬＤへの電気接続を切り替えるならば、複数の受電コイルＬＵも用いることが可能である。

また、本発明では、給電コイルＬＢと受電コイルの役割を交代した回路を構成することもできる。すなわち、複数の受電コイルＬＵを用い、１つの給電コイルＬＢを用いた誘導電力伝送回路を構成することもできる。この場合の動作条件は、コイルの電流に関する式５の不等号の向きを逆にし、電源回路ＳＣと負荷回路ＬＤのインピーダンスに関する式８の不等号の向きを逆にした条件で誘導電力伝送回路を動作させる。

本発明は、生体への非侵襲なシステム構成で、生体内に埋め込んだ電子装置にエネルギーを供給する用途に適用できる。また、ディスプレイ装置等に家屋の壁を隔てて誘導エネルギーを供給する用途に適用できる。また、車両などに電力供給設備から非接触で電力を供給する用途に適用できる。また、半導体集積回路内で集積回路の配線層間で非接触で電力あるいは電気信号を伝送する用途に適用できる。

Ｃ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６・・・給電系コンデンサ
ＣＵ・・・受電系コンデンサ
ｆ・・・周波数
ｈ・・・コイル間隔
ＬＡ１、ＬＡ２・・・給電線
ＬＢ、ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３、ＬＢ４、ＬＢ５、ＬＢ６・・・給電コイル
ＬＤ・・・負荷回路
ＬＵ・・・受電コイル
ｒ１、ｒ３・・・電源回路の出力インピーダンス
ｒ２、ｒ４・・・負荷回路の入力インピーダンス
ＳＣ・・・電源回路
ＳＷ１、ＳＷ２・・・スイッチング素子

Claims (4)

1. 電源回路から交流電力を供給する一対の給電線に複数の給電コイル系を並列に接続し、前記給電コイル系はループ状の給電コイルと給電系コンデンサから成り、前記一対の給電線と前記給電コイルと前記給電系コンデンサが直列に接続され、かつ、ループ状の受電コイルと受電系コンデンサと負荷回路が直列に接続された受電コイル系の受電コイルを前記複数の給電コイル系の１つの給電コイルに接近させ、前記電源回路から供給した交流電力を、前記１つの給電コイルと前記受電コイルを経由して前記負荷回路に伝送して消費させる誘導電力伝送システムであって、
   前記１つの給電コイルの自己インダクタンスをＬＢとし前記受電コイルの自己インダクタンスをＬＵとし前記１つの給電コイルと前記受電コイルの相互インダクタンスをＭとし前記交流電力の角周波数をωとし、前記１つの給電コイルに流す電流をＩｂとし前記受電コイルに流す電流をＩｕとし、ＬＢ・Ｉｂ ^２ ＜ＬＵ・Ｉｕ ^２ であらわす関係式を満足させて、（前記負荷回路の入力インピーダンスｒ２）＝（ωＭ）・（Ｉｂ／Ｉｕ）であらわす関係式を満足させる入力インピーダンスｒ２を持つ前記負荷回路に前記電源回路から供給した交流電力を消費させることを特徴とする誘導電力伝送システム。
2. 電源回路から交流電力を供給する一対の給電線に複数の給電コイル系を並列に接続し、前記給電コイル系はループ状の給電コイルと給電系コンデンサから成り、前記一対の給電線と前記給電コイルと前記給電系コンデンサが直列に接続され、かつ、ループ状の受電コイルと受電系コンデンサと負荷回路が並列に接続された受電コイル系の受電コイルを前記複数の給電コイル系の１つの給電コイルに接近させ、前記電源回路から供給した交流電力を、前記１つの給電コイルと前記受電コイルを経由して前記負荷回路に伝送して消費させる誘導電力伝送システムであって、
   前記１つの給電コイルの自己インダクタンスをＬＢとし前記受電コイルの自己インダクタンスをＬＵとし前記１つの給電コイルと前記受電コイルの相互インダクタンスをＭとし前記受電系コンデンサの容量をＣＵとし前記交流電力の角周波数をωとし、前記１つの給電コイルに流す電流をＩｂとし前記受電コイルに流す電流をＩｕとし、（Ｉｂ／Ｉｕ） ^２ ＜（ＬＵ／ＬＢ）であらわす関係式を満足させて、（前記負荷回路の入力インピーダンスｒ４）＝｛ＬＵ／（ωＭ・ＣＵ）｝・（Ｉｕ／Ｉｂ）であらわす関係式を満足させる入力インピーダンスｒ４を持つ前記負荷回路に前記電源回路から供給した交流電力を消費させることを特徴とする誘導電力伝送システム。
3. 電源回路から交流電力を供給する一対の給電線に複数の給電コイル系を並列に接続し、前記給電コイル系はループ状の給電コイルと給電系コンデンサから成り、該給電系コンデンサと該給電コイルと前記一対の給電線が並列に接続され、かつ、ループ状の受電コイルと受電系コンデンサと負荷回路が並列に接続された受電コイル系の受電コイルを前記複数の給電コイル系の１つの給電コイルに接近させ、前記電源回路から供給した交流電力を、前記１つの給電コイルと前記受電コイルを経由して前記負荷回路に伝送して消費させる誘導電力伝送システムであって、
   前記１つの給電コイルの自己インダクタンスをＬＢとし前記受電コイルの自己インダクタンスをＬＵとし前記１つの給電コイルと前記受電コイルの相互インダクタンスをＭとし前記受電系コンデンサの容量をＣＵとし前記交流電力の角周波数をωとし、前記１つの給電コイルに流す電流をＩｂとし前記受電コイルに流す電流をＩｕとし、（Ｉｂ／Ｉｕ） ^２ ＜（ＬＵ／ＬＢ）であらわす関係式を満足させて、（前記負荷回路の入力インピーダンスｒ４）＝｛ＬＵ／（ωＭ・ＣＵ）｝・（Ｉｕ／Ｉｂ）であらわす関係式を満足させる入力インピーダンスｒ４を持つ前記負荷回路に前記電源回路から供給した交流電力を消費させることを特徴とする誘導電力伝送システム。
4. 電源回路から交流電力を供給する一対の給電線に複数の給電コイル系を並列に接続し、前記給電コイル系はループ状の給電コイルと給電系コンデンサから成り、該給電系コンデンサと該給電コイルと前記一対の給電線が並列に接続され、かつ、ループ状の受電コイルと受電系コンデンサと負荷回路が直列に接続された受電コイル系の受電コイルを前記複数の給電コイル系の１つの給電コイルに接近させ、前記電源回路から供給した交流電力を、前記１つの給電コイルと前記受電コイルを経由して前記負荷回路に伝送して消費させる誘導電力伝送システムであって、
   前記１つの給電コイルの自己インダクタンスをＬＢとし前記受電コイルの自己インダクタンスをＬＵとし前記１つの給電コイルと前記受電コイルの相互インダクタンスをＭとし前記交流電力の角周波数をωとし、前記１つの給電コイルに流す電流をＩｂとし前記受電コイルに流す電流をＩｕとし、ＬＢ・Ｉｂ ^２ ＜ＬＵ・Ｉｕ ^２ であらわす関係式を満足させて、（前記負荷回路の入力インピーダンスｒ２）＝（ωＭ）・（Ｉｂ／Ｉｕ）であらわす関係式を満足させる入力インピーダンスｒ２を持つ前記負荷回路に前記電源回路から供給した交流電力を消費させることを特徴とする誘導電力伝送システム。

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