JP6065838B2

JP6065838B2 - 無線給電システム及び無線給電方法

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Publication number: JP6065838B2
Application number: JP2013534571A
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Inventors: 正芳辻; 服部　渉; 渉服部; 田能村　昌宏; 昌宏田能村; 周平吉田
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Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2017-01-25
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Description

本発明は、無線により電力を伝送する無線給電システム及び無線給電方法に関する。

無線による電力伝送は、非接触充電技術とも呼ばれ、今日では様々な製品に適用されている。無線による電力伝送の方式としては、電磁誘導や電波を利用した形態が知られている。電磁誘導方式は、１８３１年のファラデーの法則発見に端を発し、１８３６年にはトランスが発明されている。電磁誘導方式での伝送距離は数ｍｍ以下で、動作周波数は数百ＫＨｚ以下の場合が多い。電磁誘導方式は、送電電力量は設計によるが、伝送距離が短く磁界が周囲に漏れないことが特徴である。無線による電力伝送ではコネクタが不要であり、防水性を容易に高めることができるので、例えば電動歯ブラシやシェーバーの充電器などの製品に採用されている。

一方、電波（マイクロ波）方式は、１８８８年のヘルツによる電磁波の存在の確認、１９０４年のテスラによる無線電力伝送実験計画（１５０ｋＨｚ、１ＭＷ）以降、研究開発が続けられている。近年では、電波（マイクロ波）方式は、無線での物品管理システム（ＲＦ−ＩＤ）等にも適用されている。電波（マイクロ波）方式は電波を利用するので、電磁界を周囲に放射し、エネルギーが拡散する。そのため、長距離（〜数十ｍ）の電力伝送が可能である反面、受電する伝送効率は数％程度以下と小さいことが特徴である。なお、伝送効率とは、送電器が送出する電力と受電器が受ける電力との比、つまり空間での電力伝送率のことを指す。

無線による電力伝送技術への主たる要望は、より長距離に、且つ、より高効率に送電することである。２００６年にマサチューセッツ工科大学（ＭＩＴ：Massachusetts Institute of Technology）で磁界共鳴方式による無線給電技術が提案された（特許文献１）。磁界共鳴方式では、送電側及び受電側にそれぞれ２つのコイルを配置し、各コイルのインダクタンス（Ｌ）を大きくとることで、共鳴現象を発生させ、より長距離で高効率な電力送電を実現している。

この磁界共鳴方式では、共振周波数が１０ＭＨｚで、コイル間の距離が２ｍである場合に、４５％程度の伝送効率を達成している（非特許文献１）。送電システム全体の伝送効率は、送電装置（主に増幅器）の効率である３７．５％と、受電装置（主に整流器）の効率である９０％を含めた全体の積となるため、約１５％となる。つまり、送電システムへの投入電力が４００Ｗである場合に、２ｍ先の６０Ｗの電灯を点灯させることができる。このように、電磁誘導方式より長距離かつ比較的高効率な給電ができる点が、磁界共鳴方式の特長である。

なお、電磁誘導方式としては、送受電コイルが形成する電磁場内に受電体を配置する例が開示されている（特許文献２）。この例では、送受電コイルにはそれぞれ交流電源装置が接続されており、送受電の交替が可能である。また、電磁場形成のエネルギーは、受電体が受電できるエネルギー以外は損失となる。なお、電磁場形成が電磁誘導方式であるため、その送受電コイル間の距離は大きくできず、概ね磁界共鳴方式の１／１０程度の極短距離となる。

他にも、磁界共鳴方式として、主送電装置に対し、２つ以上の受電装置があり、別途電力回収用の補助受電装置を有する構成が開示されている（特許文献３）。ここでは、主として２つ以上の受電装置への磁界共鳴型給電を目的としており、共鳴周波数を一致させることが受電の条件となる。この例は、１つの送電装置から複数の受電装置への１対多の磁界共鳴方式での給電システムである。この構成では、複数の受電装置を配置した場合に、各受電装置間の距離をある一定以上に保たなければならない。その理由は、受電装置同士が近づくと、各受電装置に装備されている共振器間の結合が強くなり、各受電装置の共振周波数が設定値からずれ、受電装置への伝送効率が急激に悪化するためである。各受電装置の共振周波数のずれが実用上無視できるような最小受電体間距離は、送受電器や受電装置の設計によるが、いずれにしても受電装置間の距離に制約が生じる。

特表２００９−５０１５１０号公報特表２００３−５０２９９２号公報特開２０１０−２３９８３８号公報

Marin Soljacic et al., "Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances", SCIENCE, Vol. 317, No. 5834, pp. 83-86.

しかし、発明者らは、上述の磁界共鳴方式には以下に述べる欠点が有ることを見出した。上述のように、磁界共鳴方式は、共鳴現象を利用した長距離化が可能とはいえ、送受電コイル間で磁束が届く範囲でしか電力伝送はできず、その範囲は一般的に共振波長の１／２０程度である。この伝送距離は、送受電コイルの直径ともほぼ一致する。言い換えれば、磁界共鳴方式の実効的な伝送距離は、送受電コイルの直径程度となる。例えば、共振周波数が１０ＭＨｚの場合、波長は３０ｍであるから、伝送距離は、その１／２０の１．５ｍとなる。上述のＭＩＴの実験では、コイル径は０．６ｍであり、１．５ｍよりも小さい。よって、送受電コイル間の伝送効率は、コイル間隔１ｍで９０％、コイル間隔２ｍで４５％であった。

磁界共鳴方式において伝送距離の延伸を図るには、共振周波数の低周波化、すなわち波長を長くすればよい。しかし、波長を長くすると、コイルの直径も大きくなってしまう。特に、受電側コイルは、実装される機器の大きさとも密接に関連するため、数メートル以上の直径を持つ受電コイルの実装は適用先がほとんどないのが現状である。よって、携帯機器等の比較的小型の装置に搭載可能な、給電距離が数ｍ以上の距離の伝送が可能で、かつ高効率の無線給電技術の開発が望まれている。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、長距離かつ高効率な電力の空間伝送が可能な無線給電システム及び無線給電方法を提供することにある。

本発明の一態様である無線給電システムは、電磁波を発生させる送電器と、電界又は磁界の共鳴現象を利用して前記送電器から受ける電磁波により電力が供給される受電器と、前記送電器と前記受電器とにより形成される電磁場中に挿入され、前記電磁場により受電する受電体と、を備えるものである。

本発明の一態様である無線給電方法は、送電器と受電器との間に、電界又は磁界の共鳴現象を利用して電磁場を発生させ、前記電磁場中に受電体を挿入することにより、前記受電体に受電させるものである。

本発明によれば、長距離かつ高効率な電力の空間伝送が可能な無線給電システム及び無線給電方法を提供することができる。

実施の形態１にかかる無線給電システム１００の構成を模式的に示す正面図である。磁界共鳴方式による空間内電磁場形成の３次元シミュレーション結果の一例を示すグラフである。実施の形態１にかかる無線給電システム１００の構成を模式的に示すブロック図である。実施例１にかかる無線給電システム１００１の構成例を模式的に示す正面図である。実施の形態２にかかる無線給電システム２００の構成を模式的に示す正面図である。実施例２にかかる無線給電システム２００１の構成例を模式的に示す正面図である。実施の形態３にかかる無線給電システム３００の構成を模式的に示す正面図である。実施例３にかかる無線給電システム３００１の構成例を模式的に示す正面図である。実施の形態４にかかる無線給電システム４００の構成を模式的に示す正面図である。実施例４にかかる無線給電システム４００１の構成例を模式的に示す正面図である。実施の形態５にかかる無線給電システム５００の構成を模式的に示す正面図である。実施例５にかかる無線給電システム５００１の構成例を模式的に示す正面図である。実施例６にかかる無線給電システム６００１の構成例を模式的に示す正面図である。実施例７にかかる無線給電システム７００１の構成例を模式的に示す正面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

実施の形態１
まず、本発明の実施の形態１にかかる無線給電システム１００について説明する。図１は、実施の形態１にかかる無線給電システム１００の構成を模式的に示す正面図である。図１に示すように、無線給電システム１００は、送電器１０１及び受電器１０２を有する。送電器１０１は、無線で電力を送電する装置である。受電器１０２は、送電器１０１からの電力を受電する装置である。無線給電システム１００では、送電器１０１と受電器１０２との間の電力伝送により、送電器１０１と受電器１０２との間の空間に電磁場が形成される。つまり、送電器１０１と受電器１０２との間では、磁気共鳴により電力伝送が行われる。なお、図１には、無線給電システム１００により生成される磁力線１１０を模式的に表示している。また、図１では、送電器１０１と受電器１０２との間で電磁波が伝送され、電磁場が形成されていることを示すために、代表として磁力線１１０を表示している。よって、送電器１０１と受電器１０２との間には磁力線１１０のみが存在するわけではない。以下、特に断らない限り、磁力線１１０は、上述のように、送電器１０１と受電器１０２との間の電磁場を表すものとして取り扱う。

送電器１０１は、電源装置１０３、送電用一次コイル１０４、送電用二次コイル１０５を有する。送電用コイルは、磁気エネルギーを貯め、送電用コイルと受電用コイルとの間に、強い電磁場を形成する役目を果たす。なお、送電用二次コイル１０５は、送電用一次コイル１０４とは電気的に分離されており、かつ電気的に浮遊している。

受電器１０２は、受電用二次コイル１０６、受電用一次コイル１０７を有する。受電用一次コイル１０７で収集された電力は、帰還ループ１１１を経て、送電器１０１の電源装置１０３に戻される。受電用一次コイル１０７は、受電用二次コイル１０６とは電気的に分離されており、かつ電気的に浮遊している。

なお、送電器１０１の送電用一次コイル１０４及び送電用二次コイル１０５、受電器１０２の受電用二次コイル１０６及び受電用一次コイル１０７の共振周波数は、一致している。

無線給電システム１００からの電力供給を受ける受電体１０８は、送電器１０１と受電器１０２との間の空間１２０に挿入される。受電体１０８は、自己の要求する電源仕様での受電が可能な受電コイル１０９を有している。空間１２０には磁力線１１０が存在するので、受電体１０８は、電磁誘導方式による電力の供給を受けることができる。つまり、受電体１０８は、送電器１０１と受電器１０２との間で伝送される電力のうち、その一部を受電コイル１０９で受電する。この場合、受電する電力量は、受電コイル１０９により決定される。特に、受電量は受電コイル１０９に大きく依存する。なお、受電体１０８に整流回路が設けられる場合には、整流回路により受電体１０８の仕様に合う電力を受電することが可能である。

なお、受電体１０８が有する受電コイル１０９は複数であってもよく、各コイルで得られた電力を合成して、受電電力とすることができる。また、空間１２０内に挿入される受電体１０８は１つに限られず、複数個の受電体を挿入することも可能である。この場合は、各受電体が自己の受電コイル１０９を用いて、電磁場からそれぞれ受電することができる。

受電体１０８は、電磁場が形成された空間内に受電体１０８が存在する限り、空間内の位置にかかわらず、常に受電が可能である。つまり、空間１２０を受電体１０８が移動している場合でも、静止時と同様に受電が可能である。受電体１０８がバッテリーを内蔵している場合には、電磁場が形成された空間内に受電体１０８が存在する限り、受電体１０８はバッテリーを充電することができる。

また、受電体１０８が有する受電コイル１０９は、送電器１０１及び受電器１０２のコイルよりもコイル径が小さい場合が多い。そのため、受電コイル１０９の受電電力は、受電体１０８を直接駆動する電圧電流に満たない場合がある。この場合でも、受電体１０８が継続的に受電を行うことにより、バッテリーの消耗を遅らせ、受電体１０８又は受電体１０８が搭載される機器の使用可能時間を延伸することが可能となる。

受電体１０８で受電されない残りの電力は、受電器１０２に入力することとなる。受電器１０２に入力した電力は、帰還ループ１１１を経て、送電器１０１の電源装置１０３に戻される。

なお、送電器１０１、受電器１０２及び受電体１０８以外に、無線給電システム１００に設けられる増幅回路、整流回路及び制御回路等の他の構成要素については、既知の構成要素であり、かつ、本実施の形態にかかる無線給電システム１００の理解には直接関係しないので、説明を省略する。

続いて、無線給電システム１００の動作について説明する。無線給電システム１００では、空間における電磁場形成機能は送電器１０１及び受電器１０２が受け持ち、受電機能は受電体１０８が受け持つ。すなわち、送電器１０１及び受電器１０２により、空間１２０は、磁力線１１０を有する磁場が形成される。受電体は、形成された磁場中に挿入され、磁力線１１０を利用した電磁誘導方式により、受電することが可能である。

また、受電体１０８で受電されなかった電力は、受電器１０２で受電され、送電器１０１の電源装置１０３に戻される。すなわち、受電体１０８に受電されなった電力は、回収されるので、電磁場形成のためのエネルギー消費を最小化することができる。よって、受電体１０８に注目した場合には、高効率の電力伝送を実現することができる。

図２は、磁界共鳴方式による空間内電磁場形成の３次元シミュレーション結果の一例を示すグラフである。図２は、共振周波数を１ＭＨｚ（波長３００ｍ）、送電器及び受電器のコイルの直径を１５ｍ、コイル間の距離を１７ｍとした場合の、送電器と受電器との間の伝送効率及び磁界強度分布を示している。図２に示すように、１５ｍ程度の長距離電送においても共振周波数の選択及びコイル径の設計により、高効率電送が可能である（図２の点Ａ）。また、送電器と送電器から５ｍの位置（図２の点Ｂ）との間でも９０％の伝送効率を確保できる（図２の点Ｂ）。

図２の点Ｂは、送電器から５ｍの位置に、直径１５ｍコイルを有する受電体を置いた場合の例であるが、任意の受電体をこの位置に置いた場合、受電体に設けられた受電コイルの特性により、受電体の受電量が決定される。また、送電器と受電器の距離を近付けるほど、両者間の空間の磁界強度は高くなり、換言すれば、点Ｂの位置の受電体は、より大きな受電量を得ることができる。

よって、無線給電システム１００によれば、空間における電磁場形成機能（送電器１０１及び受電器１０２）と受電機能（受電体１０８）を分離することにより、遠距離かつ高効率の電力空間伝送を実現することができる。

また、磁界共鳴方式では、送電側コイルと受電側コイルの共振周波数が一致している必要がある。よって、例えば、送電側コイルと受電側コイルの共振周波数とが一致するように、各コイルを設計、製作する必要がある。または、送電側コイル及び受電側コイルの少なくとも一方が、共振周波数を一致させる調節機構を有している必要がある。この場合は、送電側コイルと受電側コイルの共振周波数が調節機構により一致したときのみしか、高伝送効率の給電ができないという制限がある。これに対し、無線給電システム１００では、電磁場形成機能と受電機能が分離され、かつ、受電体は電磁誘導方式で受電する。従って、各受電体ごとに共振周波数を考慮することなく、高効率に受電することが可能であり、上述の磁界共鳴方式の問題点を克服することができる。

なお、本実施の形態にかかる無線給電システム１００の構成は、以下のようにブロック化することが可能である。図３は、実施の形態１にかかる無線給電システム１００の構成を模式的に示すブロック図である。すなわち、無線給電システム１００は、送電器１０１及び受電器１０２を有し、送電器１０１と受電器１０２との間の電力伝送により、送電器１０１と受電器１０２との間の空間１２０に電磁場が形成される。つまり、送電器１０１と受電器１０２との間では、磁気共鳴により電力伝送が行われる。なお、図３には、図１と同様に、無線給電システム１００により生成される磁力線１１０を模式的に表示している。

送電器１０１及び受電器１０２の共振周波数は、一致している。受電体１０８は、送電器１０１と受電器１０２との間の空間１２０に挿入される。空間１２０には磁力線１１０が存在するので、受電体１０８は、電磁誘導方式による電力の供給を受けることができる。つまり、受電体１０８は、送電器１０１と受電器１０２との間で伝送される電力の一部について、受電体１０８の仕様に合う電力として受電することが可能である。

受電体１０８で受電されなかった電力は、受電器１０２で受電され、送電器１０１に戻される。すなわち、受電体１０８に受電されなった電力は回収されるので、電磁場形成のためのエネルギー消費を最小化することができる。よって、受電体１０８に注目した場合には、高効率の電力伝送を実現することができる。

実施例１
本発明の実施例１にかかる無線給電システムについて説明する。実施例１は、無線給電システム１００を建築物内の部屋に適用した場合の実施例である、無線給電システム１００１にかかるものである。図４は、実施例１にかかる無線給電システム１００１の構成例を模式的に示す正面図である。図４に示すように、送電器１０１は部屋２０１の天井裏に配置され、受電器１０２は部屋２０１の床下に配置される。図面の簡略化のため、図４では、磁力線１１０を破線で表示している。本実施例では、送電器１０１及び受電器１０２のコイルの直径は１５ｍ、コイル間の距離は５ｍである。また、共振周波数は１ＭＨｚである。送電用一次コイル１０４及び受電用一次コイル１０７は円形単層巻き、送電用二次コイル１０５及び受電用二次コイル１０６は円形スパイラル型で５．７５回巻きのコイルを用いた。送電用一次コイル１０４と送電用二次コイル１０５との間、及び、受電用二次コイル１０６と受電用一次コイル１０７との間は、共鳴状態が最高となる距離で固定した。送電器１０１への印加電力は１００Ｗである。実施例１では、コイル間の距離が５ｍであるので、図２に示す結果の通り、コイル間が１７ｍである場合に比べ、コイル間の磁界エネルギーは大きくなる。

図４では、受電体として、ノートパソコン１１２と携帯電話１１３とが、部屋２０１の内部に置かれている。ノートパソコン１１２は、テーブル２０２の上に置かれている。携帯電話１１３はカバン２０３の中に入れられている。ノートパソコン１１２には、ディスプレイ裏に直径１５ｃｍの受電コイルが設けられている。携帯電話１１３には、直径３ｃｍの受電コイルが設けられている。ノートパソコン１１２と携帯電話１１３とは、部屋２０１の内部に形成されている磁力線１１０から、それぞれに設けられた受電コイルを用いて受電することができる。この条件下で、ノートパソコン１１２では、８ｍＷの受電量が得られる。一方、携帯電話１１３では、１ｍＷの受電量が得られる。

実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２にかかる無線給電システム２００について説明する。無線給電システム２００は、無線給電システム１００の変形例である。図５は、実施の形態２にかかる無線給電システム２００の構成を模式的に示す正面図である。図５に示すように、送電器１０１は空間１２０を囲むように配置される。無線給電システム２００のその他の構成は、無線給電システム１００と同様であるので、説明を省略する。

無線給電システム２００では、送電器１０１の位置が異なるものの、無線給電システム１００と同様に、送電器１０１と受電器１０２との間の空間の電磁場を高めることができる。これにより、空間１２０に挿入される受電体１０８は、高効率での受電が可能となる。

実施例２
本発明の実施例２にかかる無線給電システムについて説明する。実施例２は、無線給電システム２００を建築物内の部屋に適用した場合の実施例である、無線給電システム２００１にかかるものである。図６は、実施例２にかかる無線給電システム２００１の構成例を模式的に示す正面図である。図６に示すように、送電器１０１は部屋２０１の側壁を囲むように配置され、受電器１０２は部屋２０１の床下に配置される。実施例１と同様、実施例２における共振周波数は１ＭＨｚ、送電器１０１及び受電器１０２のコイルの直径は、１５ｍである。送電器１０１と受電器１０２とのコイル間の距離は、１．５ｍであり、実施例１と比べて、磁界エネルギーは大きくなる。なお、送電器１０１と受電器１０２が有するコイルの形式は、実施例１と同様である。送電器１０１への印加電力は１００Ｗである。実施例２では、実施例１と同様に、送電器１０１と受電器１０２との間の部屋２０１内の電磁場を高めることができる。これにより、部屋２０１の内部に置かれた受電体は、高効率での受電が可能となる。

図６では、実施例１と同様に、部屋２０１の内部にノートパソコン１１２と携帯電話１１３とが置かれている。ノートパソコン１１２は、テーブル２０２の上に置かれている。携帯電話１１３はカバン２０３の中に入れられている。これらの受電体は、空間（部屋２０１の内部）に形成されている電磁場から、実施例１と同様に、自身に設けられたコイルを用いて受電することができる。受電する電力量は、各受電体に設けられたコイルにより決定され、整流回路により自らの仕様に合う電力を受電することが可能である。

ノートパソコン１１２及び携帯電話１１３の受電コイルについては、実施例１と同様であるので、説明を省略する。この条件下で、ノートパソコン１１２では、９ｍＷの受電量が得られる。一方、携帯電話１１３では、１．２ｍＷの受電量が得られる。

実施の形態３
次に、本発明の実施の形態３にかかる無線給電システム３００について説明する。無線給電システム３００は、無線給電システム１００の変形例である。図７は、実施の形態３にかかる無線給電システム３００の構成を模式的に示す正面図である。図７に示すように、無線給電システム３００は、無線給電システム１００にリピーターコイル１１４を追加した構成を有する。リピーターコイル１１４は、電気的に浮遊している。

リピーターコイル１１４は、送電器１０１と受電器１０２との間に、送電器１０１と受電器１０２と平行に、かつ空間１２０を囲むように配置される。換言すれば、リピーターコイル１１４は、磁力線１１０に対して、垂直な平面に沿って配置される。ここで、リピーターコイル１１４は、磁力線１１０に対して、厳密に垂直な平面に沿って配置されなくてもよい。リピーターコイル１１４の環を磁力線が通過する程度であれば、磁力線１１０に対して傾斜していてもよい。無線給電システム３００のその他の構成は、無線給電システム１００と同様であるので、説明を省略する。

無線給電システム３００では、リピーターコイル１１４により、空間１２０のリピーターコイル１１４近傍の磁界エネルギーを高めることができる。これにより、空間１２０に挿入される受電体１０８は、高効率での受電が可能となる。特に、リピーターコイル１１４を、受電体１０８の存在確率が高い領域を囲むように配置すれば、最も効率的な受電が可能となる。

実施例３
本発明の実施例３にかかる無線給電システムについて説明する。実施例３は、無線給電システム３００を建築物内の部屋に適用した場合の実施例である、無線給電システム３００１にかかるものである。図８は、実施例３にかかる無線給電システム３００１の構成例を模式的に示す正面図である。図８に示すように、実施例３では、受電体の位置近傍の部屋側面（壁）に、リピーターコイル１１４が配置される。リピーターコイル１１４と受電器１０２との距離は、１ｍである。実施例１と同様、実施例３における共振周波数は１ＭＨｚである。送電器１０１及び受電器１０２のコイルの直径は１５ｍであり、送電器１０１と受電器１０２とのコイル間の距離は５ｍである。送電器１０１と受電器１０２が有するコイルの形式及び大きさは、実施例１と同様である。送電器１０１への印加電力は１００Ｗである。実施例３では、実施例１と同様に、送電器１０１と受電器１０２との間の部屋２０１の電磁場を高めることができる。これにより、部屋２０１の内部に置かれた受電体は、高効率での受電が可能となる。

実施例３では、実施例１と同様に、部屋２０１の内部にノートパソコン１１２と携帯電話１１３とが置かれている。ノートパソコン１１２は、テーブル２０２の上に置かれている。携帯電話１１３はカバン２０３の中に入れられている。これらの受電体は、空間（部屋２０１の内部）に形成されている電磁場から、実施例１と同様に、自身に設けられたコイルを用いて受電することができる。受電する電力量は、実施例１と同様に、各受電体に設けられたコイルにより決定され、整流回路により自らの仕様に合う電力を受電することが可能である。

実施例３では、リピーターコイル１１４を追加したことにより、リピーターコイル１１４近傍での磁界強度を高めることができる。即ち、リピーターコイル１１４の近傍にある受電体に、より効率的に給電することが可能である。特に、受電体であるノートパソコンや携帯電話が使用される可能性の高い位置にリピーターコイル１１４を配置することが効果的である。通常、ノートパソコンはテーブルなどの上に置かれて使用される。携帯電話は、起立した、若しくは座っているユーザが頭部付近に携帯電話を保持して使用すると考えられる。本実施例では、リピーターコイル１１４は床から１ｍの位置に配置されている。よって、上述のようなノートパソコン及び携帯電話の使用状態においても、効率的な給電が可能である。

実施の形態４
次に、本発明の実施の形態４にかかる無線給電システム４００について説明する。無線給電システム４００は、無線給電システム１００の変形例である。図９は、実施の形態４にかかる無線給電システム４００の構成を模式的に示す正面図である。図９に示すように、無線給電システム４００は、送電器１０１及び受電器１０２を対向配置ではなく、並べて配置している。一般に、磁界共鳴方式では、コイルを並列に配置しても、対向配置の場合と同様、電磁場を形成することができる。

送電器１０１及び受電器１０２は、ともに空間１２０の下側に並んで配置される。送電器１０１から上方に出た磁力線１１０は、その後水平方向に進み、最後に下方に向かって受電器１０２に到達する。無線給電システム４００のその他の構成は、無線給電システム１００と同様であるので、説明を省略する。

無線給電システム４００では、送電器１０１及び受電器１０２を空間１２０の下側に並べて配置することで、電磁場の形成範囲を、空間１２０の下側領域に限定することが可能である。特に、送電器１０１から送出される電磁波の位相差を利用した送電を行うことにより、空間１２０内の特定の領域に強い電磁場を形成することができる。無線給電システム４００で形成した強い電磁場を利用することにより、受電体１０８に高効率な給電を行うことが可能である。

実施例４
次に、本発明の実施例４にかかる無線給電システムについて説明する。実施例４は、無線給電システム４００を建築物の部屋に適用した場合の他の実施例である、無線給電システム４００１にかかるものである。図１０は、実施例４にかかる無線給電システム４００１の構成例を模式的に示す正面図である。図１０に示すように、送電器１０１及び受電器１０２は、部屋２０１の床下に並んで配置される。実施例４における送電器１０１及び受電器１０２の共振周波数は、実施例１と同様、１ＭＨｚである。送電器１０１及び受電器１０２のコイルの直径は、１５ｍである。並列配置された送電器１０１及び受電器１０２のコイル間は、水平歩行に５ｍ離隔している。コイル間の距離を５ｍとした場合、送電器１０１と受電器１０２との間の空間では、図２に示すように、９０％以上の伝送効率を確保することができるが、これは２つのコイルが対向配置される場合だけでなく、図６のように並列に配置される場合でも同様である。

なお、送電器１０１と受電器１０２が有するコイルの形式は、実施例１と同様である。送電器１０１への印加電力は１００Ｗである。実施例４では、実施例１と同様に、送電器１０１と受電器１０２との間の空間の電磁場を高めることができる。これにより、その間に挿入した部屋２０１の内部に置かれた受電体は、高効率での受電が可能となる。

実施例４では、床下に並列配置された送電器１０１及び受電器１０２を用いて、位相差を利用した送電を行うことにより、形成される電磁場を床面から約１ｍ程度に制限することができる。且つ、その領域の電磁場強度を高く保つことが可能である。

実施例４では、実施例１と同様に、部屋２０１の内部にノートパソコン１１２と携帯電話１１３とが置かれている。ノートパソコン１１２は、テーブル２０２の上に置かれている。携帯電話１１３はカバン２０３の中に入れられている。これらの受電体は、空間（部屋２０１の内部）に形成されている電磁場から、実施例１と同様に、自身に設けられたコイルを用いて受電することができる。受電する電力量は、実施例１と同様に、各受電体に設けられたコイルにより決定され、整流回路により自らの仕様に合う電力を受電することが可能である。

ノートパソコン１１２及び携帯電話１１３の受電コイルについては、実施例１と同様であるので、説明を省略する。この条件下で、ノートパソコン１１２では、７ｍＷの受電量が得られる。一方、携帯電話１１３では、０．９ｍＷの受電量が得られる。

実施の形態５
次に、本発明の実施の形態５にかかる無線給電システム５００について説明する。無線給電システム５００は、無線給電システム１００の変形例である。図１１は、実施の形態５にかかる無線給電システム５００の構成を模式的に示す正面図である。図１１に示すように、送電器１０１は、複数の送電用一次コイル１０４及び送電用二次コイル１０５を有する。受電器１０２は、複数の受電用二次コイル１０６及び受電用一次コイル１０７を有する。図１１では、送電器１０１及び受電器１０２が、各コイルを２個ずつ有する例について具体的に説明する。

無線給電システム５００は、送電器１０１が空間１２０の上方に配置される。受電器１０２は、空間１２０の下方に配置される。無線給電システム５００のその他の構成は、無線給電システム１００と同様であるので、説明を省略する。

無線給電システム５００では、送電器１０１及び受電器１０２の各コイルが複数個有り、受電体１０８のコイルは送電器１０１の各コイルから送出される電磁波から受電することができる。しかしながら、送電器１０１と受電器１０２の各コイルの距離が異なる場合、同相の電磁波を送出すると、受電体１０８の位置によっては、電磁波の位相がずれてしまい、電磁波の和である受電量が小さくなる場合がある。よって、受電体１０８への距離差を考慮した位相差給電を行うことにより、受電体１０８の受電電力の最大化を行うものである。換言すれば、位相差給電を好適に行うことにより、電界集中領域１１５を形成することができる。

また、位相差給電を行うことにより、受電電力の大きい領域と小さい領域とを意図的に設定することも可能である。例えば、建築物のフロア全体に無線給電システム５００を組み込む場合に、フロア中央部に吹抜けがあると、吹抜けに受電体１０８が存在することは考え難い。この場合、吹抜けでの電磁場を弱くし、その周囲の電磁場を強くするなどの設定を行うことで、効率的な給電環境を構築することが可能である。

実施例５
次に、本発明の実施例５にかかる無線給電システムについて説明する。実施例５は、無線給電システム５００を建築物の部屋に適用した場合の他の実施例である、無線給電システム５００１にかかるものであり。図１２は、実施例５にかかる無線給電システム５００１の構成例を模式的に示す正面図である。図１２に示すように、送電器１０１では、２組の送電用一次コイル１０４及び送電用二次コイル１０５が、部屋２０１の天井裏に並んで配置される。受電器１０２では、２組の受電用二次コイル１０６及び受電用一次コイル１０７が、部屋２０１の床下に並んで配置される。実施例１と同様、実施例５における共振周波数は、１ＭＨｚである。送電器１０１及び受電器１０２のコイルの直径は、１５ｍである。なお、対向する送電器１０１及び受電器１０２間の距離は、５ｍである。また、並列配置された送電器１０１のコイル同士及び受電器１０２のコイル同士の水平方向の距離は、５ｍである。送電器１０１及び受電器１０２が有するコイルの形式は、実施例１と同様である。各送電器１０１への印加電力はそれぞれ５０Ｗである。

実施例５では、部屋２０１の内部にノートパソコン１１２が置かれている。ノートパソコン１１２は、テーブル２０２の上に置かれている。なお、図１２に示すように、ノートパソコン１１２は、部屋２０１内の磁力線１１０が集中する領域に置かれている。ノートパソコン１１２は、空間（部屋２０１の内部）に形成されている電磁場から、実施例１と同様に、自身に設けられたコイルを用いて受電することができる。受電する電力量は、実施例１と同様に、各受電体に設けられたコイルにより決定され、整流回路により自らの仕様に合う電力を受電することが可能である。

ノートパソコン１１２の受電コイルについては、実施例１と同様であるので、説明を省略する。この条件下で、ノートパソコン１１２では、８ｍＷの受電量が得られる。

その他の実施例
実施例６
次に、本発明の実施例６にかかる無線給電システムついて説明する。本実施例にかかる無線給電システム６００１は、無線給電システム１００の応用例である。すなわち、無線給電システム６００１は、複数台の電気自動車に一括給電を行うものである。図１３は、実施例６にかかる無線給電システム６００１の構成例を模式的に示す正面図である。図１３に示すように、無線給電システム６００１は、空間１２０に相当する車庫２０４内に、複数台の電気自動車２０５が格納されている。これらの電気自動車２０５は受電体１０８に相当し、各電気自動車２０５には受電コイル（不図示）が内蔵されている。

実施例１と同様、実施例６における共振周波数は、１ＭＨｚである。送電器１０１及び受電器１０２のコイルの直径は、２５ｍである。送電器１０１及び受電器１０２間の距離は、３ｍである。送電器１０１及び受電器１０２が有するコイルの形式は、実施例１と同様である。

実施例６では、複数台の電気自動車２０５に一括給電を行うことができる。この際、車庫２０４内を無人状態にし、強い電磁場を形成することで、電気自動車２０５に対して効率的な給電を行うことができる。無人状態での強い電磁場を利用することで、電気自動車の充電完了までに要する時間を短縮することができる。特に、送電器１０１及び受電器１０２のコイルに、超電導コイルを用いることにより、車庫２０４内に強い電磁場を形成することができる。

つまり、無線給電システム６００１は、例えば、タクシーなどの業務用電気自動車群（ＥＶ）への大型車庫での一括給電や、レンタル電気自転車への保管車庫での一括給電等に適用することが可能である。なお、本実施例は、電気自動車のみならず、電気自転車などのバッテリーとモータにより駆動する他の輸送用機器への給電に適用することが可能である。

実施例７
次に、本発明の実施例７にかかる無線給電システムついて説明する。本実施例にかかる無線給電システム７００１は、無線給電システム１００の応用例である。すなわち、無線給電システム７００１は、認証用無線タグ等の携帯可能な機器に一括給電を行うものである。図１４は、実施例７にかかる無線給電システム７００１の構成例を模式的に示す正面図である。図１４に示すように、無線給電システム７００１は、空間１２０に相当する給電箱２０６内に、複数個の認証用無線タグ２０７が格納されている。これらの認証用無線タグ２０７は受電体１０８に相当し、各認証用無線タグ２０７には受電コイル（不図示）が内蔵されている。

実施例７における共振周波数は、１０ＭＨｚである。送電器１０１及び受電器１０２のコイルの直径は、２０ｃｍである。送電器１０１及び受電器１０２間の距離は、１５ｃｍである。送電器１０１及び受電器１０２が有するコイルの形式は、実施例１と同様である。

実施例７では、複数個の認証用無線タグ２０７に一括給電を行うことができる。よって、認証用無線タグ２０７を使用しない時に、認証用無線タグ２０７を給電箱２０６に保管するだけで、自動的に認証用無線タグ２０７を充電することが可能である。

また、送電器１０１及び受電器１０２のコイルの直径は２０ｃｍ、送電器１０１及び受電器１０２間の距離は１５ｃｍであるので、給電箱のサイズも２０ｃｍ前後とすることができる。よって、無線給電システム７００１は、人力により搬送可能なシステムとして構成することができる。これにより、無線給電システム７００１は、利用場所が限定されることなく、適宜移動したり、又は屋内の適当な位置に設置して利用することが可能である。

なお、無線給電システム７００１は、認証用無線タグ２０７のみならず、給電箱２０６に格納可能な携帯電話、携帯音楽プレーヤー、デジタルカメラなど、充電可能なバッテリーを有する機器を一括充電する用途にも応用が可能である。また、無線給電システム７００１は、給電箱２０６を大型化して保管棚とすることで、授業が無い放課後などを利用して、学校の教室内で用いられる複数台の教育用端末等を一括給電する場合にも適用できる。

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態１〜４において、送電器１０１及び受電器１０２は、それぞれ２個以上配置されていてもよい。また、実施の形態５においては、送電器１０１及び受電器１０２は、それぞれ３個以上配置されていてもよい。さらに、実施の形態１〜５では、送電器１０１及び受電器１０２の個数は、同じでなくともよい。同様に、送電器１０１及び受電器１０２は複数のコイルが配置されてもよい。また、対応する送電器１０１及び受電器１０２のコイルの個数は同じでなくともよい。

送電器１０１の送電用一次コイル１０４及び送電用二次コイル１０５、受電器１０２の受電用二次コイル１０６及び受電用一次コイル１０７は、直線の導電体、曲線の導電体または直線と曲線からなる導電体で構成されてもよい。また、各コイルは、一般的なスパイラル型だけではなく、平板コイルやシール型などの、種々の形式のコイルを用いることが可能である。

また、送電器１０１の送電用一次コイル１０４及び送電用二次コイル１０５、受電器１０２の受電用二次コイル１０６及び受電用一次コイル１０７は、インダクタと容量とにより構成されてもよい。

受電体１０８は、形成された電磁場内に２個以上存在してもよい。また、受電体１０８には、複数の受電コイル１０９が配置されていてもよい。受電体に複数の受電コイルが配置される場合には、各受電コイルで得られた電力を合成して、受電体の駆動電力として使用することも可能である。

上述の実施の形態及び実施例において、受電体の例としてノートパソコン、携帯電話、電気自動車及び認証用無線タグを挙げたが、受電体はこれらの装置及び機器には限られない。例えば、コイルを含む受電機能を有する装置を受電ユニットとして構成し、ノートパソコン、携帯電話、電気自動車及び認証用無線タグなどの装置及び機器に搭載して使用することができる。このような受電ユニットを構成することにより、様々な装置及び機器への搭載が可能となる。また、既に存在する装置及び機器に、後付けで受電ユニットを搭載することも可能である。

実施例１〜６では、送電器及び受電器を床下及び天井裏に配置したが、これは例示に過ぎない。例えば、送電器及び受電器を、床上及び天井の直下に設置することも可能である。この場合には、既に存在する部屋に、工事により無線給電システムを導入することが可能である。また、送電器及び受電器を、部屋又は車庫の壁面の内側又は外側に設置することも可能である。同様に、実施例７についても、送電器及び受電器を給電箱の内部に設置することも可能であるし、給電箱の側壁の内側又は外側に設置することも可能である。また、送電器及び受電器は、複数の部屋にまたがって配置されてもよいし、ビル内のフロア全体にわたって配置してもよい。

上述の実施の空間において、空間１２０を満たす媒質は特に限定されない。例えば、空間１２０は真空でもよいし、大気又は窒素等の特定の気体で満たされてもよい。また、淡水や海水などの液体で満たされても良い。すなわち、空間１２０内に受電体１０８を挿入可能であるならば、空間１２０は、媒質で満たされてもよい。

上述の実施例では、空間１２０の相当する部屋２０１、車庫２０４及び給電箱２０６について説明したが、これらは例示に過ぎない。すなわち、上述の実施の形態にかかる無線給電システムは、空間１２０に相当する建造物及び箱型構造物などの、任意の閉空間構造物に適用することが可能である。

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１１年９月２１日に出願された日本出願特願２０１１−２０５８９３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００、２００、３００、４００、５００無線給電システム
１０１送電器
１０２受電器
１０３電源装置
１０４送電用一次コイル
１０５送電用二次コイル
１０６受電用二次コイル
１０７受電用一次コイル
１０８受電体
１０９受電コイル
１１０磁力線
１１１帰還ループ
１１２ノートパソコン
１１３携帯電話
１１４リピーターコイル
１１５電界集中領域
１２０空間
２０１部屋
２０２テーブル
２０３カバン
２０４車庫
２０５電気自動車
２０５電気自動車
２０６給電箱
２０７認証用無線タグ
１００１、２００１、３００１、４００１、５００１、６００１、７００１無線給電システム

Claims

電源装置と、前記電源装置と接続する送電用一次コイルと、前記送電用一次コイルと分離された送電用二次コイルと、を有し、電磁波を発生させる送電器と、
受電用二次コイルと、前記受電用二次コイルと分離された受電用一次コイルと、を有し、電界又は磁界の共鳴現象を利用して前記送電器から受電する受電器と、
前記送電器と前記受電器との間で伝送される電力のうち少なくとも一部を受電する受電体と、を有し、
前記送電器及び前記受電器の共振周波数は、前記受電体の共振周波数と異なる、
無線給電システム。
前記受電器が受電した電力前記送電器へ帰還させる帰還ループを更に有する、請求項１に記載の無線給電システム。
前記送電器の共振周波数と前記受電器の共振周波数とが等しい、請求項１または２に記載の無線給電システム。
前記送電器は、同一平面に沿って並列に配列する複数の送電用コイルを有し、
前記受電器は、同一平面に沿って並列に配列する複数の受電用コイルを有する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の無線給電システム。
複数の前記送電用コイルは、それぞれ位相の異なる電磁波を送出する、請求項４に記載の無線給電システム。
前記送電器と前記受電器とが所定の距離で対向して配置される、
請求項１から５のいずれか１項に記載の無線給電システム。
前記送電器と前記受電器とが同一平面に沿って並列に配置される、
請求項１から５のいずれか１項に記載の無線給電システム。
前記送電器と前記受電器との間に挿入されたリピーターコイルを更に有する、
請求項１から７のいずれか１項に記載の無線給電システム。
前記リピーターコイルは、前記送電器と前記受電器との間に形成される電磁場の磁力線に垂直な平面に配置される、
請求項８に記載の無線給電システム。
前記リピーターコイルは電気的に浮遊している、
請求項８または９に記載の無線給電システム。
前記受電体は少なくとも１個の受電用コイルを有する、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の無線給電システム。
前記受電体は他の機器に組み込み可能であり、
組み込まれる前記他の機器に電力を供給する、
請求項１から１１のいずれか１項に記載の無線給電システム。
複数の前記受電体が、前記送電器と前記受電器との間で伝送される電力のうち少なくとも一部を受電する、
請求項１から１２のいずれか１項に記載の無線給電システム。
前記送電器と前記受電器との間に配置された閉空間構造物をさらに有し、
前記閉空間構造物の内部に複数の前記受電体が挿入される、
請求項６に記載の無線給電システム。
複数の前記受電体が、前記送電器から一括して電力の供給を受ける、
請求項６に記載の無線給電システム。
前記送電器と前記受電器とは磁気共鳴により電力伝送を行い、前記受電体は電磁誘導方式により前記受電器から受電する、請求項１から１５のいずれか一項に記載の無線給電システム。
電源装置と、前記電源装置と接続する送電用一次コイルと、前記送電用一次コイルと分離された送電用二次コイルと、を有する送電器と、
受電用二次コイルと、前記受電用二次コイルと分離された受電用一次コイルと、を有する受電器と、を有する無線給電システムの給電方法であって、
前記送電器と前記受電器との間に電界又は磁界の共鳴現象を利用して電磁場を発生させ、
前記電磁場中に受電体を挿入することにより、前記受電体に受電させ、
前記送電器及び前記受電器の共振周波数は、前記受電体の共振周波数と異なる、
無線給電方法。