JP6347805B2

JP6347805B2 - 無線電力伝送システム及び送電装置

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Publication number: JP6347805B2
Application number: JP2016130602A
Authority: JP
Inventors: 淳守田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-06-27
Anticipated expiration: 2036-06-30
Also published as: JP2018007396A

Description

本発明は、無線で電力を伝送するシステムに関する。

近年、移動する機器に対して無線で電力を伝送する無線電力伝送システムが提案されている。特許文献１には、プリンタの筺体に設置された狭長なコイル状の送電アンテナから、プリンタ内で移動するプリントヘッドに設置されたコイル状の受電アンテナへ、無線で電力を伝送することが記載されている。

特開２０１３−０１４０５６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の２つのアンテナの間で無線電力伝送を行った場合に、２つのアンテナの位置関係によっては電力伝送の効率が低下する虞がある。例えば、送電アンテナの端部付近に受電アンテナが位置する場合と、送電アンテナの中間部付近に受電アンテナが位置する場合とで、アンテナ間の結合係数が異なる場合が考えられる。そのため、これら２つの場合の一方における電力伝送の効率が高くなるように回路を設計すると、もう一方の場合において電力伝送の効率が低下してしまうことが考えられる。本発明は上記課題に鑑み、２つのアンテナの間で無線電力伝送を行う場合の、当該２つのアンテナの位置関係に基づく電力伝送の効率低下を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る無線電力伝送システムは、例えば以下の構成を
有する。すなわち、第１アンテナと、前記第１アンテナとの間で無線による電力伝送を行う第２アンテナであって、所定方向における長さが前記第１アンテナよりも短い第２アンテナと、前記第１アンテナに対する前記第２アンテナの位置を前記所定方向に移動させる移動制御手段とを有し、前記所定方向における前記第１アンテナの少なくとも一方の端部と当該端部に対向する位置における前記第２アンテナとの距離が、前記第１アンテナの端部を除く中間部と当該中間部に対向する位置における前記第２アンテナとの距離よりも長い。

本発明によれば、２つのアンテナの間で無線電力伝送を行う場合の、当該２つのアンテナの位置関係に基づく電力伝送の効率低下を抑制することができる。

実施形態に係る無線電力伝送システム１００のシステム構成を示す図である。実施形態に係る送電アンテナ１１０及び受電アンテナ１２０の回路構成について説明するための回路図である。従来の無線電力伝送システムにおける送電アンテナ１１０及び受電アンテナ１１０について説明するための図である。従来の無線電力伝送システムにおけるコイル間の相対位置と結合係数の関係について説明するための図である。実施形態に係る送電アンテナ１１０及び受電アンテナ１２０について説明するための図である。実施形態に係るコイル間の相対位置と結合係数との関係について説明するための図である。結合係数の最大値と最小値の差について説明するための図である。実施形態に係る送電アンテナ１１０及び受電アンテナ１２０について説明するための図である。実施形態に係る送電アンテナ１１０及び受電アンテナ１２０について説明するための図である。実施形態に係る送電アンテナ１１０及び受電アンテナ１２０について説明するための図である。実施形態に係る送電アンテナ１１０及び受電アンテナ１２０について説明するための図である。実施形態に係るコイル間の相対位置と結合係数との関係について説明するための図である。結合係数の最大値と最小値の差について説明するための図である。実施形態に係る送電アンテナ１１０及び受電アンテナ１２０について説明するための図である。実施形態に係るコイル間の相対位置と結合係数との関係について説明するための図である。実施形態に係る送電アンテナ１１０及び受電アンテナ１２０について説明するための図である。

＜第１実施形態＞
［システム構成］
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る無線電力伝送システム１００（以降、システム１００）のシステム構成を示す図である。なお図１は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸により定義される座標系１７０のＹ軸方向から無線電力伝送システム１００を見た場合の図である。

システム１００は、送電部１０１、受電部１０２、制御部１０３、プリントヘッド１０４、駆動部１０５、電源部１０６、レール１５０、伝送路１３０、伝送路１３１、伝送路１６０及び伝送路１６１を有する。また、送電部１０１は送電アンテナ１１０及び送電器１１１を有し、受電部１０２は受電アンテナ１２０及び受電器１２１を有する。

本実施形態では、システム１００はプリンタに含まれ、送電アンテナ１１０から受電アンテナ１２０へ伝送される電力は、プリンタ内のプリントヘッド１０４においてインクの吐出を制御するために使用される。例えば、プリントヘッド１０４がピエゾ方式によるインク吐出を行う場合、伝送された電力は圧電素子への電圧の印加に使用される。また例えば、プリントヘッド１０４がサーマル方式によるインク吐出を行う場合、伝送された電力はヒーターによる加熱のために使用される。この吐出制御によって、プリンタに装着されたインクタンクからプリントヘッド１０４へ供給されるインクが、プリンタ内を搬送される用紙等の記録媒体に対して吐出され、記録媒体上に画像が形成される。ここで、プリントヘッド１０４が例えば記録媒体の搬送方向と垂直な方向に移動してインクの吐出を行うことによって、記録媒体の全体に画像を形成することが可能となる。具体的には、プリントヘッド１０４の移動及びインクの吐出と用紙の搬送とが交互に繰り返されながらプリントが行われる。

ただし、システム１００の適用先はこれに限定されるものではない。システム１００は例えば、工場で用いられる自動搬送車（ＡＶＧ：ＡｕｔｏｍａｔｉｃＧｕｉｄｅｄＶｅｈｉｃｌｅ）への電力伝送など、所定の方向に移動し電力供給が必要な移動体全般への電力伝送に適用できる。システム１００を自動搬送車への電力伝送に適用する場合、地面に設置された送電部１０１から自動搬送車が有する受電部１０２へ無線で電力を伝送するなどの方法がある。なお、システム１００をプリンタ以外に適用する場合、システム１００はプリントヘッド１０４やレール１５０、駆動部１０５などを含まなくてよい。

また、本実施形態において、送電アンテナ１１０から受電アンテナ１２０への電力伝送には電磁誘導方式又は磁界共鳴方式が用いられる。なお、電磁誘導方式と磁界共鳴方式とが選択的に用いられてもよいし、その他の方式が用いられてもよい。

本実施形態において送電アンテナ１１０はコイル状であり、同じくコイル状の受電アンテナ１２０との間で無線電力伝送を行う。送電アンテナ１１０及び受電アンテナ１２０は、例えばＦＲ４（ＦｒａｍｅＲｅｔａｒｄａｎｔＴｙｐｅ４）のような誘電体基板上にコイルが存在する構成であってもよいし、リッツ線が巻かれて形成されるコイルにより構成されていてもよい。またこれに限らず、コイルを有するその他の構成であってもよい。送電器１１１は、電磁誘導方式や磁界共鳴方式の無線電力伝送に用いられる公知の送電回路を有する。具体的には、送電器１１１は、電源部１０６から供給される直流電圧を、スイッチング回路を用いて送電に適した周波数の交流電圧へ変換し、送電アンテナ１１０を構成するコイルに対して印加する。つまり、送電部１０１は、送電器１１１において直流電圧を交流電圧へ変換し、送電アンテナ１１０において交流磁界を生成する。

システム１００内には、送電アンテナ１１０を構成するコイルと受電アンテナ１２０を構成するコイルの２つのコイルが存在し、送電アンテナ１１０を構成するコイルは受電アンテナ１２０を構成するコイルへ無線送電を行うコイルである。以下では、送電アンテナ１１０を構成するコイルを送電コイルと記載し、受電アンテナ１２０を構成するコイルを受電コイルと記載する。なお、システム１００内のコイルの数はこれに限らず、１つの送電用コイルと複数の受電用コイルが存在してもよいし、複数の送電用コイルと１つの受電用コイルが存在してもよいし、複数の送電用コイルと複数の受電用コイルが存在してもよい。

受電コイルは、座標系１７０におけるＺ軸方向から見た場合に送電コイルと少なくとも一部が重なるように位置する。なお、受電部１０２はプリントヘッド１０４と物理的に結合しているため、受電コイルはレール１５０上をスライドするプリントヘッド１０４と連動してＸ軸方向に移動可能である。即ち、受電コイルは送電コイルに対する位置がＸ軸方向において可変である。また、送電コイルは受電コイルよりもＸ軸方向における長さが長いものとする。より具体的には、送電コイルが形成する輪は、受電コイルが形成する輪よりも、受電コイルが移動する方向における外径の長さが長い。なお、受電コイルのＹ軸方向の長さは、コイル間の結合係数を高くするという目的から、送電コイルのＹ軸方向の長さと同等である。ただしこれに限らず、受電コイルと送電コイルのＹ軸方向の長さが異なっていてもよい。図５に、本実施形態に係る送電コイル５０１と受電コイル５０２の例を示す。図５の詳細については後述する。

受電器１２１は、電磁誘導方式や磁界共鳴方式の無線電力伝送に用いられる公知の受電回路を有し、送電器１１１による電圧の印加に応じて送電コイルから送信された電力を受電コイルによって受信する。より具体的には、受電器１２１は、受電アンテナ１２０において交流磁界から生じた交流電圧を、整流回路を用いて直流電圧へ変換し、さらに電圧変換回路を用いて適切な電圧へ変換し、伝送路１６１を介してプリントヘッド１０４へ電力供給する。つまり、受電部１０２は、送電部１０１により生成された交流磁界に基づいて受電アンテナ１２０において受電し、受電器１２１において交流電圧を直流電圧へ変換し、電力を出力する。上記の構成により、プリントヘッド１０４への無線での電力供給が実現される。

制御部１０３は、伝送路１３０を介してプリントヘッド１０４と接続され、プリントヘッド１０４を制御する。また制御部１０３は、伝送路１３１を介して駆動部１０５と接続され、駆動部１０５を制御する。プリントヘッド１０４は、伝送路１３０を介して制御部１０３から伝送される制御信号に基づいてインク等を吐出し、紙などの媒体に文字や画を記録する。駆動部１０５は、伝送路１３１を介して制御部１０３から伝送される制御信号に基づいて、プリントヘッド１０４をレール１５０に沿って移動させる。電源部１０６は、送電部１０１、制御部１０３及び駆動部１０５の各々に適した直流電圧を商用電源（不図示）などから生成し、伝送路１６０を介して電力供給する。

なお、本実施形態では、受電部１０２により受信された電力はプリントヘッド１０４によるインクの吐出制御のために使用され、プリントヘッド１０４の移動は電源部１０６から供給される電力を用いて駆動部１０５により行われるものとして説明する。ただしこれに限らず、プリントヘッド１０４自身がレール１５０に沿って移動するための機構を有し、受電部１０２により受信された電力がプリントヘッド１０４の移動のために使用されても良い。

なお、伝送路１３０、伝送路１３１、伝送路１６０及び伝送路１６１は、有線の伝送路であってもよいし無線の伝送路であってもよい。ただし、プリントヘッド１０４の移動に伴ってケーブルが摩耗してしまうことを回避するために、特に伝送路１３０は無線化することが望ましい。無線の伝送路は、Ｗｉ−Ｆｉなどの標準規格に従った技術により実現してもよいし、独自の無線技術により実現してもよい。

［高効率な電力伝送の条件］
無線電力伝送を行う場合に、伝送の効率を高めるためには、送電側と受電側のアンテナにおけるインピーダンス整合が求められる。特に、上記のような受電アンテナ１２０が移動するシステム１００において効率の良い電力伝送を実現するためには、受電アンテナ１２０が移動してもインピーダンスの整合が大きく崩れないことが求められる。

図２は、送電部１０１と受電部１０２の等価回路を示す図である。送電アンテナ１１０は、インダクタ２０１、抵抗成分２０２、及びインダクタ２０１と共振するコンデンサ２０３からなり、受電アンテナ１２０は、インダクタ２０４、抵抗成分２０５、及びインダクタ２０４と共振するコンデンサ２０６からなる。また、抵抗成分２０７は受電器１２１の入力インピーダンスに対応し、電源２０８は送電器１１１に対応する。

図２に示した回路構成において、最も効率の良い電力伝送を実現するためには、下記の数１に示す条件が満たされる必要がある。すなわち、数１に示す条件が満たされる場合、インピーダンスが整合している。

数１において、Ｒは受電器１２１の入力インピーダンスを表し、ｒ_２は受電アンテナ１２０の抵抗成分２０５を表し、ｆ_ｍ ^２は送電アンテナ１１０のＱ値と受電アンテナ１２０のＱ値とコイル間の結合係数の２乗との積である。本実施形態では、ｒ_２、送電アンテナ１１０のＱ値、受電アンテナ１２０のＱ値、及び入力インピーダンスＲが一定であるものとする。数１から分かるように、受電アンテナ１２０が移動して送電コイルと受電コイルとの位置関係が変化することによってコイル間の結合係数が大きく変化すると、インピーダンスの整合が大きく崩れて電力伝送の効率が低下してしまう。

そこで、本実施形態におけるシステム１００は、受電アンテナ１２０の移動に伴う結合係数の変化量が小さい送電アンテナ１１０を用いる。このような送電アンテナ１１０の構成の詳細については後述する。このような構成によれば、例えば送電部１０１や受電部１０２にインピーダンスを動的に調整するための回路を追加する方法と比較して、回路を追加する必要がないためシステム１００のサイズを小さく抑えられる。そのため、小型の機器にシステム１００を搭載することができる。

［アンテナの構成］
図３は、従来技術により実現される送電コイル３０１と座標系１７０におけるＸ軸方向に移動可能な受電コイル３０２の例を示す図である。また図４は、図３に示した送電コイル３０１からＺ軸方向に所定間隔離れた位置を受電コイル３０２がＸ軸方向に移動した際の、結合係数の変化に関するシミュレーション結果を示す図である。縦軸はコイル間の結合係数を表し、横軸はコイル間のＸ軸方向における相対距離（図３のａに対応）を表している。なお、図４のシミュレーションにおいては、送電コイル３０１のＸ軸方向の長さは８００ｍｍとし、Ｙ軸方向の幅は７０ｍｍとしている。また、受電コイル３０２のＸ軸方向の長さは１００ｍｍとし、Ｙ軸方向の幅は７０ｍｍとしている。また、送電コイル３０１と受電コイル３０２の巻き数はそれぞれ１ｔｕｒｎ（１巻き）としている。

図４から分かるように、受電コイル３０２が送電コイル３０１の端部付近に位置する場合には結合係数が高く、受電コイル３０２が送電コイル３０１の中心部に近づくのに伴って結合係数が低下する。図４において、結合係数の最大値と最小値の差は０．０１６５程度である。このように、受電コイル３０２の位置が変わることで結合係数が変化するため、例えば結合係数が最大値となる場合にインピーダンスが整合するように回路を設計すると、結合係数が最小値となる場合にインピーダンスの整合が大きく崩れてしまう。

一方、図５は、本実施形態に係るシステム１００に含まれる、結合係数の変化が抑制される形状の送電コイル５０１と受電コイル５０２の例を示す図である。なお、受電コイル５０２の形状は図３の受電コイル３０２と同様である。送電コイル５０１は、導体部分５０３、導体部分５０４、導体部分５０５、導体部分５０６、導体部分５０７、導体部分５０８、導体部分５０９及び導体部分５１０という、複数の直線状の部分を有する。

図５に示すように、送電コイル５０１は、座標系１７０のＸ軸方向に略平行な長辺を有する狭長なコイルである。また、導体部分５０５、導体部分５０６、導体部分５０７、導体部分５０８、導体部分５０９及び導体部分５１０は、導体部分５０３及び導体部分５０４と比べて、Ｚ軸方向における受電コイル５０２との距離が長い。すなわち、送電コイル５０１は、Ｘ軸方向における端部と当該端部に最も接近した受電コイル５０２との距離が、Ｘ軸方向における中間部と当該中間部に最も接近した受電コイル５０２との距離よりも長い形状をしている。

図５において、送電コイル５０１のＸ軸方向における端部とは、導体部分５０５、導体部分５０６、導体部分５０７及び導体部分５０８に対応する部分である。即ち、送電コイル５０１のＸ軸方向における端部とは、送電コイル５０１のＸ軸方向における端に存在する導体部分５０９又は導体部分５１０から送電コイル５０１の内部に向かって所定距離内の範囲に対応する部分である。また、送電コイル５０１のＸ軸方向における端部は、受電コイル５０２がＸ軸方向における可動範囲の端に移動した際に、Ｚ軸方向から見て受電コイル５０２と重なる送電コイル５０１の一部分でもある。送電コイル５０１のＸ軸方向における中間部とは、送電コイル５０１の端部以外の部分であり、導体部分５０３及び導体部分５０４に対応する部分である。即ち、送電コイル５０１のＸ軸方向における中間部とは、送電コイル５０１のＸ軸方向における端から所定距離以上離れた部分である。当該所定距離（端部の長さ）の決め方によってコイル間の結合係数の安定性が異なるが、これについては図７を用いて後述する。

受電コイル５０２は、受電コイル５０２に囲まれた面と送電コイル５０１に囲まれた面がＺ軸方向から見て少なくとも一部重なるように、送電コイル５０１付近をＸ軸方向に移動する。図６は、受電コイル５０２がＸ軸方向に移動した際の、結合係数の変化に関するシミュレーション結果を示す図である。縦軸はコイル間の結合係数を表し、横軸はコイル間のＸ軸方向における相対距離（図５のｂに対応）を表している。なお、図３の送電コイル３０１と同様、送電コイル５０１のＸ軸方向の長さは８００ｍｍとし、Ｙ軸方向の幅は７０ｍｍとしている。ここで送電コイル５０１の長さとは、導体部分５０９と導体部分５１０との間のＸ軸方向の距離（図５のｃに対応）である。また、導体部分５０５、導体部分５０６、導体部分５０７及び導体部分５０８の長さはそれぞれ５０ｍｍとしている。また、受電コイル５０２のＸ軸方向の長さは１００ｍｍとし、Ｙ軸方向の幅は７０ｍｍとしている。送電コイル５０１と受電コイル５０２の巻き数はそれぞれ１ｔｕｒｎとしている。

図６から分かるように、受電コイル５０２が送電コイル５０１の端部付近に位置する場合には結合係数が高く、受電コイル５０２が送電コイル５０１の中心部に近づくのに伴って結合係数が低下する。ただし、受電コイル５０２が送電コイル５０１の端部付近に位置する場合のコイル間の結合係数は、図４に示した同様の場合における従来のコイル間の結合係数と比較して値が小さい。そして図６においては、結合係数の最大値と最小値の差が０．０１０程度である。つまり、従来の送電コイル３０１の代わりに本実施形態に係る送電コイル５０１を使用することで、受電コイル５０２の移動に伴う結合係数の変化量を小さくすることができる。その結果、２つのコイルの位置関係に基づく電力伝送の効率低下を抑制することができる。

図７は、送電コイル５０１の長さを８００ｍｍに固定し、送電コイル５０１のＸ軸方向における端部の長さ（図５のｄに対応）を０ｍｍから３００ｍｍまで変化させた場合の、結合係数の最大値と最小値の差の変化に関するシミュレーション結果を示す。図７から分かるように、送電コイル５０１の端部の長さが５０ｍｍ〜２００ｍｍの場合に、結合係数の最大値と最小値の差が小さい。さらに、送電コイル５０１の端部の長さが８０ｍｍ〜１４０ｍｍの場合に、結合係数の最大値と最小値の差が特に小さい。なお、送電コイル５０１の端部の長さと結合係数の最大値と最小値の差との関係は、受電コイル５０２のＸ軸方向の長さに基づいて定まる。即ち、送電コイル５０１の端部が、受電コイル５０２のＸ軸方向における長さの大凡１／２倍以上且つ２倍以下の長さを有する場合に、コイル間の結合係数が安定する。さらに、送電コイル５０１の端部が、受電コイル５０２のＸ軸方向における長さの大凡４／５倍以上且つ７／５倍以下の長さを有する場合に、コイル間の結合係数が特に安定する。

なお、図５に示した送電コイル５０１は、送電コイル５０１と受電コイル５０２との、受電コイル５０２が存在する平面に垂直な方向（Ｚ軸方向）における距離が、送電コイル５０１のＸ軸方向における中間部よりも端部において長い形状をしている。一方、図８のように、送電コイル８０１と受電コイル５０２との、受電コイル５０２が存在する平面に平行で且つＸ軸方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）における距離が、送電コイル８０１のＸ軸方向における中間部よりも端部において大きくてもよい。このような形状の送電コイル８０１を用いても、送電コイル５０１を用いる場合と同様の効果を得ることができる。特に、システム１００を搭載する機器の制約により送電アンテナ１１０のＺ軸方向の幅を小さく抑えなければならない場合には、送電コイル８０１を用いることが有効である。なお送電コイルは、送電コイルと受電コイルとの、Ｚ軸方向における距離とＹ軸方向における距離の両方が、送電コイルのＸ軸方向における中間部よりも端部において長い形状をしていてもよい。

また、図５に示した送電コイル５０１は、Ｘ軸方向における端部と中間部の境界がＺ軸方向に階段状に折れ曲がった形状をしている。送電コイル５０１のＸ軸方向における端部と中間部の境界は、送電コイル５０１のＸ軸方向における端に存在する導体部分５０９又は導体部分５１０から送電コイル５０１の内部に向かって所定距離離れた部分である。ただし、送電コイル５０１の形状はこれに限らない。例えば、図９に示すように、送電コイル９０１のＸ軸方向における端部がＺ軸方向に曲線状に曲がっていてもよい。また例えば、図１０に示すように、送電コイル１００１の端部が中間部と平行でなくなるように、端部と中間部の境界が折れ曲がっていてもよい。このような送電コイル９０１や送電コイル１００１を用いても、送電コイル５０１を用いる場合と同様の効果を得ることができる。ただし、送電コイル５０１を用いる場合には、Ｘ軸方向において送電コイル５０１上（Ｚ軸方向から見て図５のｃの範囲内）に受電コイル５０２の全体が含まれる状況において結合係数が安定する。一方、送電コイル１００１を用いる場合には、Ｘ軸方向において送電コイル１００１の中間部上（Ｚ軸方向から見て図１０のｅの範囲内）に受電コイル５０２の全体が含まれる状況において結合係数が安定する。

また、図５に示した送電コイル５０１は、送電コイル５０１と受電コイル５０２との距離が、Ｘ軸方向における中間部よりも両端部において長い形状をしている。ただしこれに限らず、送電コイル５０１は、Ｘ軸方向における何れか一方の端部において受電コイル５０２との距離が中間部よりも長い形状であってもよい。例えば、導体部分５０３と導体部分５０６との境界及び導体部分５０４と導体部分５０５との境界は図５のように折れ曲がっており、導体部分５０３と導体部分５０７との境界及び導体部分５０４と導体部分５０８との境界は直線状につながっていてもよい。このような形状の送電コイル５０１を用いる場合、送電コイル５０１のＸ軸方向における端部のうち受電コイル５０２との距離が長い一方の端部において、従来の送電コイル３０１を用いる場合よりもコイル間の結合係数を小さく抑えることができる。図８、図９及び図１０に示した各送電コイルに関しても同様である。

なお、本実施形態に係るシステム１００においては、送電コイル５０１から受電コイル５０２へ送電が行われるが、これに限らず、コイルの送電側と受電側が入れ替わってもよい。すなわち、送電アンテナ１１０が図５の受電コイル５０２と同様の形状のコイルにより構成され、受電アンテナ１２０が図５の送電コイル５０１と同様の形状のコイルにより構成され、送電アンテナ１１０から受電アンテナ１２０へ送電が行われてもよい。この構成によれば、受電コイル３０２と同様の形状のコイルにより構成される送電アンテナ１１０から送電コイル３０１と同様の形状のコイルにより構成される受電アンテナ１２０へ送電を行う場合と比較して、２つのコイルの位置関係に基づく電力伝送の効率低下を抑制できる。図８、図９及び図１０に示した各送電コイルに関しても同様である。

また、本実施形態では、送電アンテナ１１０がプリンタに固定されており、受電アンテナ１２０がプリントヘッド１０４と共にＸ軸方向に移動する場合について説明した。ただしこれに限らず、送電コイルと受電コイルとの位置関係が所定方向において可変であれば、本実施形態を適用できる。例えば、受電アンテナ１２０が固定されており送電アンテナ１１０が移動可能であってもよいし、送電アンテナ１１０と受電アンテナ１２０の両方が移動可能であってもよい。

また、本実施形態では送電アンテナ１１０及び受電アンテナ１２０がコイル状である場合について説明したが、これに限らず、送電アンテナ１１０及び受電アンテナ１２０が平板状であってもよい。即ち、図５、図８、図９及び図１０の説明において、送電アンテナ１１０及び受電アンテナ１２０は線状の導体が巻かれたコイルであるものとして説明したが、同様の輪郭を有し平面に形成された板状の導体であってもよい。このような送電アンテナ１１０及び受電アンテナ１２０を用いる場合でも、図３で説明したコイルと同様の輪郭を有する平板状のアンテナを用いて無線電力伝送を行う場合と比較して、２つのアンテナの位置関係に基づく電力伝送の効率低下を抑制できる。

以上説明したように、本実施形態に係るシステム１００は、第１アンテナに対する位置が所定方向において可変である第２アンテナと、第２アンテナとの間で無線による電力伝送を行うための第１アンテナとを有する。またシステム１００は、第１アンテナと第２アンテナとのうち無線送電を行う一方のアンテナに対して電圧を印加し、電圧の印加に応じて一方のアンテナから送信された電力を他方のアンテナによって受信する。ここで第１アンテナは、第２アンテナよりも該所定方向における長さが長い。また第１アンテナは、該所定方向における少なくとも一方の端部と当該端部に最も接近した第２アンテナとの距離が、該所定方向における中間部と当該中間部に最も接近した第２アンテナとの距離よりも長い形状である。これにより、第１アンテナと第２アンテナとの位置関係の変化に伴うアンテナ間の結合係数の変化量を小さくすることができる。その結果、２つのアンテナの間で無線電力伝送を行う場合の、当該２つのアンテナの位置関係に基づく電力伝送の効率低下を抑制することができる。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、送電コイルの端部と受電コイルとの距離が送電コイルの中間部と受電コイルとの距離より長い送電コイルを用いることで、受電コイルが送電コイルの端部付近に位置する場合に結合係数が大きくなるのを抑制する方法について述べた。一方、第２実施形態では、受電コイルが送電コイルの中間部付近に位置する場合の結合係数を増大させ、受電コイルが送電コイルの端部付近に位置する場合の結合係数との差を小さくする構成について述べる。本実施形態に係るシステム１００において、送電アンテナ１１０以外の構成は第１実施形態で説明したものと同様である。以下では、送電アンテナ１１０に関する本実施形態と第１実施形態との差異を中心に説明する。

図１１を用いて、本実施形態に係る送電アンテナ１１０について説明する。送電アンテナ１１０は、送電コイル１１０１により構成され、近傍に磁性体１１０３が位置する。本実施形態においては、送電コイル１１０１が設置された基板に、座標系１７０におけるＸ軸方向に略平行な長辺を有するシート状のフェライトが磁性体１１０３として貼付される。ただし、磁性体１１０３の形状や素材はこれに限定されない。なお、送電コイル１１０１及び受電コイル１１０２はそれぞれ、図３を用いて説明した送電コイル３０１及び受電コイル３０２と同様の形状である。

図１１に示すように送電コイル１１０１は、Ｘ軸方向に略平行な長辺を有する狭長なコイルである。また、磁性体１１０３は、送電コイル１１０１よりもＸ軸方向の長さが短く、基板上において送電コイル１１０１の端部に対応する部分には貼付されない。そのため、送電コイル１１０１に囲まれた面のうち送電コイル１１０１の端部に対応する部分は、Ｚ軸方向から見て磁性体１１０３と重ならない。すなわち磁性体１１０３は、送電コイル１１０１のＸ軸方向における端部の近傍には位置せず、送電コイル１１０１のＸ軸方向における中間部の近傍に位置する。

本実施形態において、送電コイル１１０１のＸ軸方向における端部とは、図１１のｇに対応する部分であり、送電コイル１１０１のＸ軸方向における端から送電コイル１１０１の内部に向かって所定距離内の範囲に対応する部分である。また、送電コイル１１０１のＸ軸方向における端部は、受電コイル１１０２がＸ軸方向における可動範囲の端に移動した際に、Ｚ軸方向から見て受電コイル１１０２と重なる送電コイル１１０１の一部分でもある。送電コイル１１０１のＸ軸方向における中間部とは、図１１の送電コイル１１０１のうちｇに対応する部分を除いた部分であり、送電コイル１１０１のＸ軸方向における中心部から所定距離内の範囲に対応する部分である。当該所定距離（端部の長さ）の決め方によってコイル間の結合係数の安定性が異なるが、これについては図１３を用いて後述する。

また本実施形態では、磁性体１１０３が送電コイル１１０１の端部の近傍に位置せず中間部の近傍に位置する状況として、基板上において送電コイル１１０１の中間部に対応する部分にのみ磁性体１１０３が貼付される場合を想定する。ただしこれに限らず、送電コイル１１０１の端部と磁性体１１０３との間の距離が、中間部と磁性体１１０３との間の距離よりも大きくなるように、磁性体１１０３が設置されればよい。例えば、送電コイル１１０１が設置された基板と磁性体１１０３とが接していなくてもよい。

受電コイル１１０２は、受電コイル１１０２に囲まれた面と送電コイル１１０１に囲まれた面がＺ軸方向から見て少なくとも一部重なるように、送電コイル１１０１付近をＸ軸方向に移動する。図１２は、受電コイル１１０２がＸ軸方向に移動した際の、結合係数の変化に関するシミュレーション結果を示す図である。縦軸はコイル間の結合係数を表し、横軸はコイル間のＸ軸方向における相対距離（図１１のｆに対応）を表している。なお、図３の送電コイル３０１と同様、送電コイル１１０１のＸ軸方向の長さは８００ｍｍとし、Ｙ軸方向の幅は７０ｍｍとしている。また、受電コイル１１０２のＸ軸方向の長さは１００ｍｍとし、Ｙ軸方向の幅は７０ｍｍとしている。送電コイル１１０１と受電コイル１１０２の巻き数はそれぞれ１ｔｕｒｎとしている。

図１２から分かるように、受電コイル１１０２が送電コイル１１０１の端部付近に位置する場合には結合係数が高く、受電コイル１１０２が送電コイル１１０１の中心部に近づくのに伴って結合係数が低下する。ただし、受電コイル１１０２が送電コイルの１１０１の中央部付近に位置する場合の結合係数は、図４に示した同様の場合における従来のコイル間の結合係数と比較して長い。そして図１２においては、結合係数の最大値と最小値の差が０．０１０程度である。つまり、従来の送電アンテナ１１０の代わりに、磁性体１１０３が送電コイル１１０１の端部の近傍には位置せず中間部の近傍に位置する送電アンテナ１１０を使用することで、受電コイル１１０２の移動に伴う結合係数の変化量を小さくすることができる。その結果、２つのコイルの位置関係に基づく電力伝送の効率低下を抑制することができる。なお、本実施形態における従来の送電アンテナ１１０とは、送電コイル３０１の近傍に磁性体が位置しない送電アンテナ１１０である。

図１３は、送電コイル１１０１の長さを８００ｍｍに固定し、送電コイル５０１のＸ軸方向における端部の長さ（図１１のｇに対応）を０ｍｍから３００ｍｍまで変化させた場合の、結合係数の最大値と最小値の差の変化に関するシミュレーション結果を示す。図１３から分かるように、送電コイル１１０１の端部の長さが５０ｍｍ〜２００ｍｍの場合に、結合係数の最大値と最小値の差が小さい。さらに、送電コイル１１０１の端部の長さが７５ｍｍ〜１２５ｍｍの場合に、結合係数の最大値と最小値の差が特に小さい。なお、端部の長さと結合係数の最大値と最小値の差との関係は、受電コイル１１０２のＸ軸方向の長さに基づいて定まる。即ち、送電コイル１１０１の端部が、受電コイル１１０２のＸ軸方向における長さの大凡１／２倍以上且つ２倍以下の長さを有する場合に、コイル間の結合係数が安定する。さらに、送電コイル１１０１の端部が、受電コイル１１０２のＸ軸方向における長さの大凡３／４倍以上且つ５／４倍以下の長さを有する場合に、コイル間の結合係数が特に安定する。

なお、図１１を用いて説明した送電アンテナ１１０においては、送電コイル１１０１の両端部の近傍には磁性体１１０３が位置せず、送電コイル１１０１の中間部の近傍に磁性体１１０３が位置している。そのため、磁性体１１０３のＸ軸方向における長さは送電コイル１１０１のＸ軸方向における長さよりも短い。ただしこれに限らず、送電コイル１１０１の何れか一方の端部の近傍には磁性体１１０３が位置せず、他方の端部と中間部との近傍に磁性体１１０３が位置していてもよい。即ち、送電コイル１１０１が設置された基板上において、送電コイル１１０１の一方の端部以外に対応する部分に磁性体１１０３が貼付されてもよい。このような構成の送電アンテナ１１０を用いる場合、従来の送電アンテナ１１０を用いる場合と比べて、送電コイル１１０１の端部のうち近傍に磁性体１１０３が位置しない一方の端部における結合係数と、中間部における結合係数との差を小さく抑えられる。

また、本実施形態で説明した送電アンテナ１１０の構成と、第１実施形態で説明した送電コイルの形状とを、併せて採用してもよい。例えば図１４に示すように、図５を用いて説明した送電コイル５０１のＸ軸方向における端部の近傍に磁性体１１０３が位置し、送電コイル５０１のＸ軸方向における中間部の近傍に磁性体１１０３が位置する送電アンテナ１１０を用いてもよい。このような構成の送電アンテナ１１０を用いることにより、図５や図１１で説明した送電アンテナ１１０を用いる場合と比べて、コイル間の結合係数をさらに安定させることができ、無線電力伝送の効率低下をさらに抑制することができる。

図１５は、図１４に示した構成の送電アンテナ１１０を用いた場合の、コイル間の相対距離と結合係数の関係に関するシミュレーション結果を示す図である。図１５においては、結合係数の最大値と最小値の差が０．００９程度である。なお、図８、図９及び図１０に示した各送電コイルについても同様に、Ｘ軸方向における中間部の近傍に磁性体１１０３を設置し、Ｘ軸方向における端部の近傍には磁性体１１０３を設置しないことで、無線電力伝送の効率低下を更に抑制することができる。

なお本実施形態では、送電コイル１１０１が設置される基板上において送電コイル１１０１のＸ軸方向における端部に対応する位置には磁性体を貼付しない場合を中心に説明した。ただしこれに限らず、基板上において送電コイル１１０１の端部に対応する位置に、透磁率が低い磁性体を貼付してもよい。すなわち、送電コイル１１０１のＸ軸方向における中間部の近傍に位置する磁性体１１０３よりも透磁率が低い別の磁性体が、送電コイル１１０１のＸ軸方向における端部の近傍に位置する送電アンテナ１１０を用いてもよい。

このような構成の送電アンテナ１１０について、図１６を用いて説明する。送電コイル１１０１の近傍には、磁性体１１０３に加え、磁性体１６０１及び磁性体１６０２が位置する。図１６に示すように、送電コイル１１０１に囲まれる面のうちＸ軸方向における端部に対応する部分は、座標系１７０におけるＺ軸方向から見て磁性体１６０１又は磁性体１６０２と重なる。磁性体１６０１及び磁性体１６０２は、ともに磁性体１１０３と比べて透磁率が低い。なお、本実施形態では磁性体１６０１と磁性体１６０２の透磁率が同等であるものとするが、磁性体１６０１と磁性体１６０２の透磁率が異なっていてもよい。また、送電コイル１１０１のＸ軸方向における一方の端部の近傍に磁性体１１０３が位置する場合には、もう一方の端部の近傍に磁性体１６０１又は磁性体１６０２が位置すればよい。

このような構成の送電アンテナ１１０を用いても、従来の送電アンテナ１１０を用いる場合よりも、受電コイル１１０２の移動に伴う結合係数の変化量を小さくすることができ、２つのコイルの位置関係に基づく電力伝送の効率低下を抑制できる。さらに、送電コイル１１０１付近に金属の物体が存在する場合には、送電コイル１１０１全体の近傍に磁性体が位置することで、送電コイル１１０１から生じる交流磁界が金属に与える影響を低減することができる。また、交流磁界の影響により金属に発生する渦電流を低減できるため、渦電流の影響で無線電力伝送の効率が低下することを抑制できる。

なお、第１実施形態で説明したのと同様に、本実施形態に係るシステム１００においても、コイルの送電側と受電側が入れ替わってもよい。また、受電アンテナ１２０の代わりに送電アンテナ１１０が移動可能であってもよいし、送電アンテナ１１０と受電アンテナ１２０の両方が移動可能であってもよい。

以上説明したように、本実施形態に係るシステム１００は、第１アンテナに対する位置が所定方向において可変である第２アンテナと、第２アンテナとの間で無線による電力伝送を行うための第１アンテナとを有する。ここで第１アンテナは、第２アンテナよりも該所定方向における長さが長い。またシステム１００は、第１アンテナの該所定方向における少なくとも一方の端部の近傍には位置せず、第１アンテナの該所定方向における中間部の近傍に位置する磁性体を有する。そしてシステム１００は、第１アンテナと第２アンテナとのうち無線送電を行う一方のアンテナに対して電圧を印加し、電圧の印加に応じて一方のアンテナから送信された電力を他方のアンテナによって受信する。これにより、第１アンテナと第２アンテナとの位置関係の変化に伴うアンテナ間の結合係数の変化量を小さくすることができる。その結果、２つのアンテナの間で無線電力伝送を行う場合の、当該２つのアンテナの位置関係に基づく電力伝送の効率低下を抑制することができる。

なお、上記の各実施形態においては、送電コイルと受電コイルの巻き数が何れも１ｔｕｒｎである場合のシミュレーション結果を基に説明を行った。ただし、送電コイル及び受電コイルの巻き数は１ｔｕｒｎに限定されるものではない。また、送電コイルと受電コイルの巻き数が異なっていてもよい。このような場合においても、送電コイルと受電コイルの位置関係に基づく電力伝送の効率低下を従来よりも抑制できる。

また、上記の各実施形態においては、座標系１７０のＺ軸方向から見て受電コイルに囲まれる面の全体が送電コイルに囲まれる面と重なる範囲内において、受電コイルが移動する場合のシミュレーション結果を基に説明を行った。ただし、Ｚ軸方向から見て受電コイルに囲まれる面の一部が送電コイルに囲まれる面と重ならない範囲まで受電コイルが移動してもよい。

また、上記の各実施形態においては、送電コイルと受電コイルが何れも直線状の導体部分から構成される場合を中心に説明を行ったが、送電コイルと受電コイルの形状はこれに限らない。例えば、送電コイルと受電コイルの少なくとも何れかが円形や楕円形であってもよい。

１００無線電力伝送システム
１１０送電アンテナ
１１１送電器
１２０受電アンテナ
１２１受電器

Claims

第１アンテナと、
前記第１アンテナとの間で無線による電力伝送を行う第２アンテナであって、所定方向における長さが前記第１アンテナよりも短い第２アンテナと、
前記第１アンテナに対する前記第２アンテナの位置を前記所定方向に移動させる移動制御手段とを有し、
前記所定方向における前記第１アンテナの少なくとも一方の端部と当該端部に対向する位置における前記第２アンテナとの距離が、前記第１アンテナの端部を除く中間部と当該中間部に対向する位置における前記第２アンテナとの距離よりも長いことを特徴とする無線電力伝送システム。
前記第１アンテナの前記少なくとも一方の端部と当該端部に対向する位置における前記第２アンテナとの距離であって前記第２アンテナが存在する平面に垂直な第１方向における距離が、前記第１アンテナの中間部と当該中間部に対向する位置における前記第２アンテナとの前記第１方向における距離よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送システム。
前記第１アンテナの前記少なくとも一方の端部と当該端部に対向する位置における前記第２アンテナとの距離であって前記第２アンテナが存在する平面に平行で且つ前記所定方向に垂直な第２方向における距離が、前記第１アンテナの中間部と当該中間部に対向する位置における前記第２アンテナとの前記第２方向における距離よりも長いことを特徴とする請求項１又は２に記載の無線電力伝送システム。
前記所定方向における前記第１アンテナの少なくとも一方の端部の近傍には位置しない磁性体であって、前記第１アンテナの中間部の近傍に位置する磁性体を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の無線電力伝送システム。
第１アンテナと、
前記第１アンテナとの間で無線による電力伝送を行う第２アンテナであって、所定方向における長さが前記第１アンテナよりも短い第２アンテナと、
前記第１アンテナに対する前記第２アンテナの位置を前記所定方向に移動させる移動制御手段と、
前記所定方向における前記第１アンテナの少なくとも一方の端部の近傍には位置しない磁性体であって、前記第１アンテナの端部を除く中間部の近傍に位置する磁性体とを有することを特徴とする無線電力伝送システム。
前記磁性体よりも透磁率が低い別の磁性体であって、前記第１アンテナの前記少なくとも一方の端部の近傍に位置する別の磁性体を有することを特徴とする請求項５に記載の無線電力伝送システム。
前記第１アンテナに対して電圧を印加する印加手段と、
前記印加手段による前記第１アンテナに対する電圧の印加に応じて前記第２アンテナに発生する電力を、プリンタが有するプリントヘッドへ出力する出力手段とを有し、
前記移動制御手段は、前記第２アンテナを前記プリントヘッドと連動させて前記所定方向に移動させることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の無線電力伝送システム。
前記所定方向における前記第１アンテナの端部の長さは、前記第１アンテナの端部と前記第２アンテナとが対向しない場合であり、且つ、前記第１アンテナの中間部と前記第２アンテナとが対向する場合において、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの間の結合係数が所定の範囲内の値となる長さであることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の無線電力伝送システム。
前記所定方向における前記第１アンテナの端部の長さは、前記所定方向における前記第２アンテナの長さの１／２倍以上且つ２倍以下の長さであることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の無線電力伝送システム。
前記第１アンテナ及び前記第２アンテナは、線状の導体が巻かれたコイル又は板状の導体であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の無線電力伝送システム。
第１アンテナに対する位置が所定方向において可変である第２アンテナへ無線送電するための第１アンテナであって、前記所定方向における長さが前記第２アンテナよりも長い第１アンテナと、
前記無線送電のために前記第１アンテナに対して電圧を印加する印加手段とを有し、
前記所定方向における前記第１アンテナの少なくとも一方の端部と当該端部に対向する位置における前記第２アンテナとの距離が、前記第１アンテナの端部を除く中間部と当該中間部に対向する位置における前記第２アンテナとの距離よりも長いことを特徴とする送電装置。
前記所定方向における前記第１アンテナの少なくとも一方の端部の近傍には位置しない磁性体であって、前記第１アンテナの中間部の近傍に位置する磁性体を有することを特徴とする請求項１１に記載の送電装置。
第１アンテナに対する位置が所定方向において可変である第２アンテナへ無線送電するための第１アンテナであって、前記所定方向における長さが前記第２アンテナよりも長い第１アンテナと、
前記所定方向における前記第１アンテナの少なくとも一方の端部の近傍には位置しない磁性体であって、前記第１アンテナの端部を除く中間部の近傍に位置する磁性体と、
前記無線送電のために前記第１アンテナに対して電圧を印加する印加手段とを有する
ことを特徴とする送電装置。
前記磁性体よりも透磁率が低い別の磁性体であって、前記第１アンテナの前記少なくとも一方の端部の近傍に位置する別の磁性体を有することを特徴とする請求項１３に記載の送電装置。