JP6361367B2 - 受電装置及び給電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、受電装置及び給電装置に関する。
電源コードを用いずに電力を伝送する技術、いわゆる、ワイヤレス電力伝送技術が注目されつつある。ワイヤレス電力伝送技術は、給電機器から受電機器へ、非接触で電力を供給できることから、電車、電気自動車等の輸送機器、家電製品、電子機器、無線通信機器、玩具、といったさまざまな製品への応用が期待されている。
ワイヤレス電力伝送装置においては、通常、給電装置の給電部を構成する一次コイルと受電装置の受電部を構成する二次コイルとを対峙させ、給電装置から受電装置に電力を供給する。一次コイル及び二次コイルは、給電装置及び受電装置の特定箇所に配置されることが多く、受電装置を充電するには、受電装置と給電装置の特定箇所を、互いに対向させる必要がある。
受電装置の配置の観点で、特許文献1には、使用者が送電機器と受電機器の位置関係を気にすることなく、無造作にこれらの機器を配置できるよう、送電機器及び受電機器それぞれに、複数の送電側コイル及び受電側コイルの設けられた電力供給システムが開示されている。上記電力供給システムにおいては、上記複数の送電側コイル及び受電側コイルのうち、電力の伝送効率が最も良くなる送電側コイル及び受電側コイルが作動するように、信号を出力する回路が設けられている。
また、電力伝送効率の観点で、特許文献2には、充電台から携帯機器へ電力が搬送され易いように、湾曲した誘導コイルを内蔵し、その形状に沿うように背面が湾曲した携帯機器と、底面が湾曲した充電台と、が開示されている。
特開2005−110399号公報 特開2009−268248号公報
しかしながら、特許文献1に記載された電力供給システムにおいて、複数の送電側コイル及び受電側コイルを用いて送電及び受電モジュールを形成する場合、配線の数や制御機器の数が増えることにより、回路が複雑化する、機器が肥大化する、コストがかかる等の問題があった。
また、特許文献2に記載された携帯機器と充電台は、携帯機器側の誘導コイルと充電台側の電源コイルとの位置ずれを抑制できるものの、携帯機器における誘導コイルが対向する面以外の面を充電台に対向させても、携帯機器を充電することはできず、携帯機器の配置の仕方に制限がある。
そこで、本発明は、受電装置の給電装置に対する配置の自由度、及び、給電装置の受電装置に対する配置の自由度を持たせることにより使用者の利便性を向上させ、機器の肥大化を抑制せしめる受電装置及び給電装置を提供することを目的とする。
本発明は、給電コイルを含む給電装置から、ワイヤレスで電力が伝送される受電装置であって、受電装置は、複数の表面を有し、内部に受電コイルを備え、受電コイルは、導線が巻回された巻線部と、巻線部によって囲まれた、対向する二つの開口端を有する開口部とを含み、二つの開口端のうち少なくとも一つの開口端の端面が、受電装置の二以上の表面に対して非平行(ただし、垂直を除く)に配置されることによって、受電装置の二以上の表面に、給電装置からの電力を受電可能な受電領域が形成される、受電装置を提供する。
本発明に係る受電装置が上記構造を有することにより、受電装置は、一つの受電コイルに対して、二以上の表面を介して磁束を鎖交させることができる。したがって、一つの受電コイルに対して受電装置の一面が電力の受け取り面となる場合であって、複数の受電コイルを用いて受電装置の複数の面を電力の受け取り面とする場合に比べて、受電コイルに接続する配線等の簡素化や制御機器の数の低減ができる。また、給電装置の給電領域が特定の部位である場合であっても、受電装置の配置に自由度を持たせて電力を伝送できる。
ここで、受電コイルは平面状コイルであるとよい。受電コイルが平面状コイルであることにより、給電装置に含まれる給電コイルから発生した磁束は、受電装置の受電領域の形成されるいずれの表面を介しても、受電コイルの平面を通過するように鎖交する。これにより、電流は、平面状の受電コイル内を、一方向だけに流れるように発生するため、受電装置の受電領域の形成されるいずれの表面を介して受電装置に給電した場合にも、受電コイルは給電コイルから発生した磁束によって効率よく電流が得られ、給電装置から電力伝送効率を高く受電できる。
また、受電コイルは、湾曲又は屈曲しており、かつ、受電装置の複数の表面のうち、給電装置が配置されることとなる一以上の表面に対して反対側に向かって突出する突出部を有する、又は、受電装置の複数の表面のうち、給電装置が配置されることとなる一以上の表面に向かって突出する突出部を有するとよい。
受電コイルが湾曲又は屈曲していることにより、受電領域が形成される受電装置が有する二以上の表面と、受電コイルとの相対的な位置関係が、受電装置の表面に対応して変化する。このような受電装置においては、受電装置の表面によって受電コイルに鎖交する磁束の量が変化することとなり、給電装置に対向させる受電装置の表面を変えることにより、給電装置から受電する電力量を変化させることができる。
さらに、受電コイルが、受電装置の複数の表面のうち、給電装置が配置されることとなる一以上の表面に対して反対側に向かって突出する突出部を有する、又は、受電装置の複数の表面のうち、給電装置が配置されることとなる一以上の表面に向かって突出する突出部を有することにより、給電コイルから発生する磁束は、受電コイルの湾曲面又は屈曲面を通過するように鎖交する。これにより、電流は、湾曲又は屈曲した受電コイル内を、一方向だけに流れるように発生するため、受電装置は、給電コイルから発生した磁束によって効率よく電流が得られる表面を有することとなる。ゆえに、電力伝送効率の高い受電装置を得ることができる。
なお、本発明においては、受電コイルの配置について、「給電装置が配置されることとなる一以上の表面に対して反対側に向かって突出する突出部を有する」、又は、「給電装置が配置されることとなる一以上の表面に向かって突出する突出部を有する」と規定しているが、突出部が、給電装置が配置されることとなる一以上の表面に対して反対側に向かって、又は、それらの表面に向かって突出している場合だけでなく、突出部が、給電装置が配置されることとなる一以上の表面と、当該表面に隣接する表面であって給電装置が配置されることとはならない表面との境界部分に対して反対側に向かって、又は、それらの部分向かって突出している場合も含む。
また、受電コイルは、湾曲又は屈曲しており、かつ、受電装置の複数の表面のうち、給電装置が配置されることとなる一以上の表面に対して反対側に向かって突出する突出部を有するとよい。
受電コイルが湾曲又は屈曲していることにより、受電領域が形成される受電装置が有する二以上の表面と、受電コイルとの相対的な位置関係が、受電装置の表面に対応して変化する。このような受電装置においては、受電装置の表面によって受電コイルに鎖交する磁束の量が変化することとなり、給電装置に対向させる受電装置の表面を変えることにより、給電装置から受電する電力量を変化させることができる。
さらに、給電装置に含まれる給電コイルから発生する磁束は、給電コイルの開口部において、中央部から巻線部へ向けて密になる傾向がある。また、給電コイルから受電コイルに向かう磁束のうち、給電コイルの中央部以外で発生する磁束のベクトルは、受電コイルの外側へ広がっていく向きを持つ。そのため、上記構造を有する受電コイルと、給電装置に含まれる給電コイルとが対峙するように受電装置と給電装置とを配置した場合、給電コイルから発生する磁束は、受電コイルに鎖交し易い。これにより、受電装置は、給電コイルから発生する磁束をより効率的に受けることができる表面を有することとなり、さらに電力伝送効率の高い受電装置を得ることができる。
また、本発明は、受電コイルを含む受電装置へ、ワイヤレスで電力を伝送する給電装置であって、給電装置は、複数の表面を有し、内部に給電コイルを備え、給電コイルは、導線が巻回された巻線部と、巻線部によって囲まれた、対向する二つの開口端を有する開口部とを含み、二つの開口端のうち少なくとも一つの開口端の端面が、給電装置の二以上の表面に対して非平行(ただし、垂直を除く)に配置されることによって、給電装置の二以上の表面に、受電装置へ電力伝送可能な給電領域が形成される、給電装置を提供する。
本発明に係る給電装置が上記構造を有することにより、給電装置は、一つの給電コイルに対して、二以上の表面を介して磁束を鎖交させることができる。したがって、一つの給電コイルに対して給電装置の一面が電力の供給面となる場合であって、複数の給電コイルを用いて給電装置の複数の面を電力の供給面とする場合に比べて、給電コイルに接続する配線等の簡素化や制御機器の数の低減ができる。また、受電装置の受電領域が特定の部位である場合であっても、給電装置の配置に自由度を持たせて電力を伝送できる。
ここで、給電コイルは平面状コイルであるとよい。給電コイルが平面状コイルであることにより、発生した磁束同士が打ち消し合うことがない。そのため、給電コイル内において、磁束の大きさが低減されることのない状態で、受電装置へ電力を伝送できる。
また、給電コイルは、湾曲又は屈曲しており、かつ、給電装置の複数の表面のうち、受電装置が配置されることとなる一以上の表面に向かって突出する突出部を有する、又は、給電装置の複数の表面のうち、受電装置が配置されることとなる一以上の表面に対して反対側に向かって突出する突出部を有するとよい。
給電コイルが湾曲又は屈曲していることにより、給電領域が形成される給電装置が有する二以上の表面と、給電コイルとの相対的な位置関係が、給電装置の表面に対応して変化する。このような給電装置においては、給電領域が形成される給電装置の表面における磁束の量が、給電装置の表面に対応して変化することとなり、受電装置に対向させる給電装置の表面を変えることにより、受電装置へ伝送する電力量を変化させることができる。
さらに、給電コイルは、湾曲又は屈曲しており、かつ、給電装置の複数の表面のうち、受電装置が配置されることとなる一以上の表面に向かって突出する突出部を有する、又は、給電装置の複数の表面のうち、受電装置が配置されることとなる一以上の表面に対して反対側に向かって突出する突出部を有することにより、給電コイルから発生する磁束の大部分が給電に寄与することとなる。これにより、給電装置は、給電コイルから発生する磁束を効率的に受電装置へ伝送することができる表面を有することとなり、電力伝送効率の高い給電装置を得ることができる。
なお、本発明においては、給電コイルの配置について、「受電装置が配置されることとなる一以上の表面に向かって突出する突出部を有する」、又は、「受電装置が配置されることとなる一以上の表面に対して反対側に向かって突出する突出部を有する」と規定しているが、突出部が、受電装置が配置されることとなる一以上の表面に向かって、又は、それらの表面に対して反対側に向かって突出している場合だけでなく、突出部が、受電装置が配置されることとなる一以上の表面と、当該表面に隣接する表面であって受電装置が配置されることとはならない表面との境界部分に向かって、又は、それらの部分に対して反対側に向かって突出している場合も含む。
また、給電コイルは、湾曲又は屈曲しており、かつ、給電装置の複数の表面のうち、受電装置が配置されることとなる一以上の表面に向かって突出する突出部を有するとよい。
給電コイルが湾曲又は屈曲していることにより、給電領域が形成される給電装置が有する二以上の表面と、給電コイルとの相対的な位置関係が、給電装置の表面に対応して変化する。このような給電装置においては、給電領域が形成される給電装置の表面における磁束の量が、給電装置の表面に対応して変化することとなり、受電装置に対向させる給電装置の表面を変えることにより、受電装置へ伝送する電力量を変化させることができる。
また磁束は、給電コイルの有する湾曲面又は屈曲面に対して垂直方向に発生するため、給電コイルが上記構造を有することにより、給電コイル内で発生した磁束同士が打ち消し合うことがない。そのため、給電コイル内において、磁束の大きさが低減されることのない状態で、受電装置へ電力を伝送でき、給電装置は、給電コイルから発生する磁束をより一層効率的に受電装置へ伝送することができる表面を有することとなる。これにより、さらに電力伝送効率の高い給電装置を得ることができる。
本発明によれば、受電装置の給電装置に対する配置の自由度、及び、給電装置の受電装置に対する配置の自由度を持たせることにより使用者の利便性を向上させ、機器の肥大化を抑制せしめる受電装置及び給電装置を提供することができる。
本発明に係る受電装置を備えた、第一実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を示す斜視図である。 第一実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線I−Iに沿った断面図である。 給電部及び受電部の結合様式の一例を示す模式図である。 本発明に係る受電装置を備えた、第二実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を示す斜視図である。 第二実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線IV−IVに沿った断面図である。 本発明に係る受電装置を備えた、第三実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を示す斜視図である。 第三実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線VI−VIに沿った断面図である。 本発明に係る給電装置を備えた、第四実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を示す斜視図である。 第四実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線VIII−VIIIに沿った断面図である。 本発明に係る給電装置を備えた、第五実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を示す斜視図である。 第五実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線X−Xに沿った断面図である。 本発明に係る給電装置を備えた、第六実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を示す斜視図である。 第六実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線XII−XIIに沿った断面図である。 本発明の受電装置が電気自動車である一態様を示す断面図である。 本発明の受電装置が電気自動車である他の態様を示す断面図である。 本発明の給電装置が電気自動車用給電装置である一態様を示す断面図である。 本発明の給電装置が電気自動車用給電装置である他の態様を示す断面図である。 給電部及び受電部の結合様式の他の一例を示す模式図である。
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
(受電装置)
[第一実施形態]
図1は、本発明に係る受電装置を備えた、第一実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の斜視図であり、図2は、第一実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線I−Iに沿った断面図である。図1及び2に示す、第一実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置1は、本発明に係る受電装置9と、給電装置11と、を備える。受電装置9は、受電装置本体部6並びに、受電装置本体部6の内部に設けられた、磁場を受けて電流を発生させる受電部5、受電部5で発生した交流電流を直流電流に変換する整流器12、及び、整流器12で変換された直流電流を蓄積又は消費するバッテリやLED等の負荷装置13を有する。給電装置11は、給電装置本体部4並びに、給電装置本体部4の内部に設けられた、直流電流を蓄積するバッテリ(図示せず)、バッテリから受け取った直流電流を交流電流に変換する駆動回路(図示せず)、及び、駆動回路で変換された交流電流によって磁場を発生する給電部3を有する。受電部5は受電コイルL2から、給電部3は給電コイルL1からそれぞれ構成され、受電コイルL2と給電コイルL1とが電磁的に結合することによって、給電装置11から受電装置9へワイヤレスで電力が伝送される。
図3は、給電部及び受電部の結合様式の一例を示す模式図である。給電装置11においては、交流電源30(上記バッテリ及び駆動回路に相当)から電流が給電コイルL1に流れることにより、給電コイルL1の内部から周囲にわたって磁界が発生する。受電装置9は、受電コイルL2が給電コイルL1に対峙するように給電装置11と隣り合って配置されており、給電コイルL1から発生した磁界によって、受電コイルL2に電流が流れる。整流器12によって発生した電流を整流し、これにより受電装置9に電力が供給される。給電コイルL1から発生する磁界の強さは、給電コイルL1に流れる電流の大きさ、給電コイルL1の大きさ、巻き数等に応じて異なる。また、受電コイルL2に誘起される磁界の強さや電流の大きさは、給電コイルL1から発生する磁界の強さ、受電コイルL2の大きさ、巻き数等に応じて異なる。受電装置9に適切な量の電力が供給されるよう、給電コイルL1に流れる電流等の上記パラメータは調整されている。
図1及び2に示すように、受電装置9は、六つの表面S1,S2,S3,S4,S5,S6を有する直方体である。受電装置9は、受電装置本体部6と、受電コイルL2が樹脂8等によってパッケージングされた受電部パッケージ10と、を有する。受電部パッケージ10は外形形状が直方体であり、受電装置本体部6に内蔵されている。受電装置本体部6の外形は、受電装置9の外形に対応する。
本実施形態において、受電コイルL2は平面状コイルである。受電コイルL2は、導線が巻回された巻線部51と、巻線部51によって囲まれた、対向する二つの開口端を有する開口部52とを含む。具体的に、受電コイルL2は、開口部52の開口端及び当該開口端を囲む巻線部51の表面によって形成された、対向する二つの受電面を主面として構成されている。受電コイルL2に磁束が鎖交すると、巻線部51に電流が発生する。より具体的には、開口部52は、受電コイルL2の、例えば、中央部に設けられており、開口部52に磁束が鎖交すると、巻線部51に電流が発生する。
巻線部51に電流が発生する現象について、特に、開口部52に鎖交する磁束の影響が大きく、そのため、後に詳述するように、開口部52が有する二つの開口端のうち少なくとも一つの開口端の端面が、受電装置9の二以上の表面に対して非平行(ただし、垂直を除く)に配置されることによって、受電装置9の二以上の表面に、給電装置11からの電力を受電可能な受電領域が形成される。
受電コイルL2は、一方の開口端の端面(第一の開口端の端面s1)から他方の開口端の端面(第二の開口端の端面s2)までの長さが、受電面を形成する辺よりも短い平面状コイルを特に好適に用いることができる。受電コイルL2は、例えば、単層の巻回導線から構成された平面状コイル、垂直方向に積層された巻回導線から構成された平面状コイル、又は、これらの形状を組み合わせた平面状コイルである。
図2において、給電コイルL1で発生した磁束は受電コイルL2へ向かう。受電コイルL2が平面状コイルであることにより、受電コイルL2に給電コイルL1が対峙するように、受電装置9と給電装置11とを対向配置させると、給電装置11に含まれる給電コイルL1から発生した磁束は、受電コイルL2の平面を通過するように鎖交する。これにより、電流は、平面状の受電コイルL2内を、一方向だけに流れるように発生する。そのため、受電装置9は、後述する受電領域の形成されたいずれの表面を介しても、電力伝送効率を十分に維持した状態で、給電装置から受電できる。
受電コイルL2は、開口部52における、第一の開口端の端面s1及び第二の開口端の端面s2の少なくとも一方が、受電装置9の複数の表面のうち二以上の表面(本実施形態においては六面S1,S2,S3,S4,S5,S6)に対して非平行(ただし、垂直を除く)に配置されている。これにより、受電装置9の上記二以上の表面(本実施形態においては、整流器12、負荷装置13の位置のみを考慮すると、五面S1,S2,S3,S5,S6)に、給電装置11からの電力を受電可能な受電領域が形成される。ここで、受電装置9の二以上の表面に形成される「受電領域」とは、「給電コイルL1から発生した受電コイルL2へ鎖交することになる磁束が透過する領域」である。受電コイルL2に給電コイルL1が対峙するように、受電装置9と給電装置11とを対向配置させると、給電コイルL1と受電コイルL2とが電磁誘導し、受電装置9の表面S3に形成された受電領域を介して、給電装置11から受電装置9に電力が伝送される。受電装置9においては、表面S1、S2、S5及びS6にも受電領域が形成されるため、表面S3だけでなく、表面S1、S2、S5又はS6を介しても、受電装置9に給電することができる。
給電装置11から受電装置9への電力伝送効率の観点から、第一の開口端の端面s1及び第二の開口端の端面s2は、受電装置9の受電に最も適した表面(最も広い受電領域を有することになる表面、給電装置の表面に対し最も安定した状態で接することができる表面等)に対し、なす角が、0°より大きく90°より小さい角度となるよう傾斜させるのがよく、0°より大きく45°より小さい角度となるように傾斜させることがさらによい。複数の表面における電力伝送効率のばらつきを低減できる観点では、なす角は、30°以上60°以下であることが好ましく、35°以上55°以下であることがより好ましく、40°以上50°以下であることがさらに好ましい。
本実施形態に係る受電装置9によれば、複数のコイルを用いることなく複数面から受電でき、受電装置9の受電時の配置に自由度を持たせることができる。一つの受電コイルL2を用いて、受電装置9の二以上の表面に受電領域を形成する際、給電コイルL1と受電コイルL2との結合係数を大きくして外部への不要輻射を低減するために、受電領域が形成されることとなる受電装置9の表面から、第一の開口端の端面s1までの平均距離は、短いことが好ましい。
本実施形態においては、受電コイルL2が一つであるため、複数の面からの給電を行うべく複数のコイルを用いた時に比べ、コイルから引き出される配線の数、配線に接続する制御機器の数等を減らすことができ、受電装置9の大きさの制限もなくなる。コイルの数は一つに限定されず、複数含むことによって、さらに、受電装置9の配置に自由度を持たせて給電することができる。
本実施形態において、受電コイルL2は平面状コイルであるが、第一の開口端の端面s1及び第二の開口端の端面s2のうち少なくとも一つが、受電装置9の複数の表面のうち二以上の表面に対して非平行に配置可能である限り、巻線部51の一部に湾曲部分や傾斜部分が含まれていてもよい。
受電コイルL2の材質は、特に限定されない。例えば、銅等の電気伝導率の高い材料を用いるとよい。受電コイルL2の外形形状は矩形形状に限られず、正方形形状、ひし形形状、五角形以上の角を有する多角形形状、円形形状、楕円形形状等が挙げられる。受電コイルL2の内径形状は、外形形状に沿う形状であることが好ましい。
電力伝送効率の観点から、受電コイルL2に含まれる開口部52には、磁性体コアが設けられていてもよい。
受電コイルL2の大きさは、受電装置9に適切な量の電力を供給できれば特に制限はないが、給電コイルL1の位置が、最適な受電位置からずれた場合における電力伝送効率の低下を防ぐ観点から、受電コイルL2の給電コイルL1との対向面における外輪郭が、給電コイルL1の受電コイルL2との対向面における外輪郭よりも外側に位置することが好ましい。
受電装置9、受電装置本体部6は直方体であるが、これに限られない。受電装置9、受電装置本体部6は、複数の表面を有していればよく、例えば、異なる法線ベクトルを有する二以上の平面を有するもの、又は、二つ以上の曲面を有するもの、又は、曲面と平面を両方有するものが挙げられる。
受電装置9の大きさは、給電装置から充電可能であれば特に制限はなく、例えば、図1、2に示すように、移動可能な小型の機器であっても、車両等の移動体であっても、給電装置との対向面が床のような規模のものであってもよい。
[第二実施形態]
図4は、本発明に係る受電装置を備えた、第二実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を示す斜視図であり、図5は、第二実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線IV−IVに沿った断面図である。第二実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置40は、第一実施形態における受電装置9の受電コイルL2の形状を、平面形状から湾曲形状に変えたものである。すなわち、本実施形態における湾曲形状の受電コイルL2は、第一実施形態における平面状の受電コイルL2を弓なりに曲げたものであって、少なくとも、一つの湾曲した突出部と当該突出部を挟む二つの平面部とから構成される。したがって、本実施形態においては、第一実施形態と異なる部分について説明し、重複する説明は省略する。なお、本発明において、「湾曲する」とは、受電面の接線の傾きが正から負に、または負から正に、連続的に変化することを意味する。
受電コイルL2は、湾曲した開口部52を有し、第一の開口端の端面s1及び第二の開口端の端面s2の少なくとも一方が、受電装置9の複数の表面のうち二以上の表面(本実施形態においては六面S1,S2,S3,S4,S5,S6)に対して非平行に配置されている。ただし、二面S5,S6に対して垂直に配置されている。
本実施形態において、受電コイルL2は、湾曲し、かつ、受電装置9の複数の表面(S1,S2,S3,S4,S5,S6)のうち、給電装置11が配置されることとなる一表面(S3)に対して反対側に向かって突出する突出部を有する。ここで、給電装置11が配置されることとなる表面について、図5に示すように、受電装置9の内部には、受電部パッケージ10以外に、整流器12、負荷装置13、受電装置9本体(電子機器等に相当)の機能を発揮させるための構成部材(図示せず)等が搭載されるため、給電装置11は、受電装置9のあらゆる表面から給電が可能なわけではない。すなわち、「給電装置11が配置されることとなる表面」とは、「受電部パッケージ10が他の構成部材を介することなく直接的に対向した表面」を意味する。本実施形態において、「給電装置11が配置されることとなる表面」とは、整流器12、負荷装置13の位置のみを考慮すると、表面S1,S2,S3に相当し、また、これらの表面に、給電装置11からの電力を受電可能な受電領域が形成される。
図5において、給電コイルL1で発生した磁束は受電コイルL2へ向かう。受電面が湾曲していることにより、受電領域が形成される受電装置9が有する二以上の表面と、受電コイルL2との相対的な位置関係が、受電装置9の表面に対応して変化する。このような受電装置9においては、受電装置の表面S1,S2,S3の違いによって、受電コイルL2に鎖交する磁束の量が変化することとなり、給電装置11に対向させる受電装置9の表面を変えることにより、給電装置11から受電する電力量を変化させることができる。
さらに、給電装置11に含まれる給電コイルL1から発生する磁束は、給電コイルの開口部において、中央部から巻線部へ向けて密になる傾向がある。また、給電コイルL1から受電コイルL2に向かう磁束のうち、給電コイルL1の巻線部側で発生する磁束のベクトルは、受電コイルL2の外側へ広がっていく向きを持つ。そのため、磁束の方向に向かって突出する突出部を有する受電コイルL2と、給電装置11に含まれる給電コイルL1とが対峙するように受電装置9と給電装置11とを配置した場合、給電コイルL1から発生する磁束は、受電コイルL2に鎖交し易い。これにより、受電装置9は、給電コイルL1から発生する磁束を効率的に受ける表面を有することができ、電力伝送効率が特に高い受電装置9を得ることができる。
具体的には、図4、5に示すように、表面S3を介して受電装置9の充電する場合、受電コイルL2は、受電装置9の複数の表面のうち、給電装置11が配置されることとなる一表面S3に対して反対側に向かって突出する突出部を有しているため、受電装置9は、受電コイルL2の大きさ、巻き数等の条件、及び給電装置側の条件を同一とした場合に、給電装置11から最も大きな電力量を受け取る表面を有することができる。本実施形態において、一つの受電コイルL2が一つの突出部を有しているが、これに限られず、複数の突出部を有していてもよい。
受電コイルL2において、上述の二つの平面部のなす角は、特に制限はないが、なす角が、90°より大きく180°より小さいことが好ましく、135°より大きく180°より小さいことがより好ましい。
また、本実施形態に係る受電装置9によれば、受電コイルL2によって、受電装置9の複数の表面S1,S2及びS3からの受電が可能となる。これにより、受電装置9を回転させ、表面S1又はS2を介して受電装置9を給電装置11上に載置しても、給電コイルL1と受電コイルL2との誘電結合により給電される。すなわち、複数のコイルを用いずに複数面から受電装置9へ給電ができ、受電装置9の配置に自由度を持たせて給電することができる。
また、受電コイルL2が一つであるため、複数の面からの給電を行うべく複数のコイルを用いた時に比べ、コイルから引き出される配線の数、配線に接続する制御機器の数等を減らすことができ、受電装置9の大きさの制限もなくなる。ただし、コイルの数は一つに限定されず、複数含むことによって、さらに、受電装置9の配置に自由度を持たせて給電することができる。
なお、本実施形態において、受電コイルL2は、湾曲し、かつ、受電装置9の複数の表面(S1,S2,S3,S4,S5,S6)のうち、給電装置11が配置されることとなる一表面(S3)に対して反対側に向かって突出する突出部を有しているが、給電コイルL1から発生する磁束から効率よく電流を発生できるという観点からは、受電コイルL2は、給電装置11が配置されることとなる一表面(S3)に向かって突出する突出部を有していてもよい。
受電コイルL2が、給電装置11が配置されることとなる一表面(S3)に対して反対側に向かって突出する突出部を有する、又は、受電装置9の複数の表面のうち、給電装置11が配置されることとなる一表面(S3)に向かって突出する突出部を有することにより、給電コイルL1から発生する磁束は、受電コイルL2の一つの受電面に対して同じ方向から通過するように鎖交する。例えば、受電コイルL2が、給電装置11が配置されることとなる一表面に対して、一方の平面部が他方の平面部を介するように向かい合うと(例えば、表面S1又はS2を介して給電装置11が配置された場合)、給電コイルL1から発生する磁束は、受電コイルL2の一つの受電面を基準として、一方の平面部と他方の平面部とにおいて、互いに異なる方向から通過するように鎖交する。この場合、受電コイルL2の一方の平面部と他方の平面部とにおいては、互いに反対向きの電流が発生するのである。これに対して、本実施形態において、表面S3を介して給電装置11が配置された受電コイルL2に発生する電流は、一方向だけに流れるように発生するため、受電装置9は、給電コイルL1から発生した磁束によって効率よく電流が得られる表面を有することとなる。ゆえに、電力伝送効率の高い受電装置9を得ることができる。
なお、受電コイルL2の配置に関して、受電コイルL2は、給電装置11が配置されることとなる一表面(S3)に対して反対側に向かって突出する突出部を有する、又は、その表面(S3)に向かって突出する突出部を有するような配置に限定されることはなく、例えば、給電装置11が配置されることとなる一表面(S3)と、当該表面(S3)に隣接する表面であって給電装置11が配置されることとはならない表面(S1又はS2)との境界部分に向かって、又は、それらの部分に対して反対側に向かって突出しているような配置も含まれる。
また、受電装置9は、一つの表面S3を介して給電装置11と接しているが、一つの表面を介するだけでなく、複数の表面を介して給電装置11と接していてもよい。
[第三実施形態]
図6は、本発明に係る受電装置を備えた、第三実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を示す斜視図であり、図7は、第三実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線VI−VIに沿った断面図である。第三実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置60は、第一実施形態における受電装置9の受電コイルL2の形状を、平面形状から屈曲形状に変えたものである。すなわち、本実施形態における屈曲形状の受電コイルL2は、第一実施形態における平面状の受電コイルL2を折り曲げたものであって、少なくとも、一つの屈曲した突出部と、当該突出部を挟む二つの平面部とから構成される。したがって、本実施形態においては、第一実施形態と異なる部分について説明し、重複する説明は省略する。
受電コイルL2は、屈曲した開口部52を有し、第一の開口端の端面s1及び第二の開口端の端面s2の少なくとも一方が、受電装置9の複数の表面のうち二以上の表面(本実施形態においては六面S1,S2,S3,S4,S5,S6)に対して非平行に配置され、二面S5,S6に対して垂直に配置されている。
受電コイルL2の折れ曲がり方は特に限定されず、例えば、図6,7に示すように、断面において、丸みを有する凸部を有する形状でもよく、角張った凸部を有する形状でもよい。凸部は、一つの受電コイルL2において一つに限られず、複数存在していてもよい。
本実施形態において、受電コイルL2は、屈曲し、かつ、受電装置9の複数の表面(S1,S2,S3,S4,S5,S6)のうち、給電装置が配置されることとなる一表面(S3)に対して反対側に向かって突出する突出部を有する。ここで、給電装置11が配置されることとなる表面について、図7に示すように、受電装置9の内部には、受電部パッケージ10以外に、整流器12、負荷装置13、受電装置9本体(電子機器等に相当)の機能を発揮させるための構成部材(図示せず)等が搭載されるため、給電装置11は、受電装置9のあらゆる表面から給電が可能なわけではない。すなわち、「給電装置11が配置されることとなる表面」とは、「受電部パッケージ10が他の構成部材を介することなく直接的に対向した表面」を意味する。本実施形態において、「給電装置11が配置されることとなる表面」とは、整流器12、負荷装置13の位置のみを考慮すると、表面S1,S2,S3に相当し、また、これらの表面に、給電装置11からの電力を受電可能な受電領域が形成される。
図7において、給電コイルL1で発生した磁束は受電コイルL2へ向かう。受電面が屈曲していることにより、受電領域が形成される受電装置9が有する二以上の表面と、受電コイルL2との相対的な位置関係が、受電装置9の表面に対応して変化する。このような受電装置9においては、受電装置の表面S1,S2,S3の違いによって、受電コイルL2に鎖交する磁束の量が変化することとなり、給電装置11に対向させる受電装置9の表面を変えることにより、給電装置11から受電する電力量を変化させることができる。
さらに、給電装置11に含まれる給電コイルL1から発生する磁束は、給電コイルの開口部において、中央部から巻線部へ向けて密になる傾向がある。また、給電コイルL1から受電コイルL2に向かう磁束のうち、給電コイルL1の巻線部側で発生する磁束のベクトルは、受電コイルL2の外側へ広がっていく向きを持つ。そのため、磁束の方向に向かって突出する突出部を有する受電コイルL2と、給電装置11に含まれる給電コイルL1とが対峙するように受電装置9と給電装置11とを配置した場合、給電コイルL1から発生する磁束は、受電コイルL2に鎖交し易い。これにより、受電装置9は、給電コイルから発生する磁束を効率的に受ける表面を有することができ、電力伝送効率の特に高い受電装置を得ることができる。
具体的には、図6、7に示すように、表面S3を介して受電装置9を充電する場合、受電コイルL2は、受電装置9の複数の表面のうち、給電装置11が配置されることとなる一表面S3に対して反対側に向かって突出する突出部を有しているため、受電装置9は、受電コイルL2の大きさ、巻き数等の条件、及び給電装置側の条件を同一とした場合に、給電装置11から、最も大きな電力量を受け取ることができる。本実施形態において、一つの受電コイルL2が一つの突出部を有しているが、これに限られず、複数の突出部を有していてもよい。
受電コイルL2の突出部の角度は、特に制限はないが、上述の二つの平面部のなす角が90°より大きく180°より小さいことが好ましく、135°より大きく180°より小さいことがより好ましい。
また、本実施形態に係る受電装置9によれば、受電コイルL2によって、受電装置9の複数の表面S1,S2及びS3からの受電が可能となる。これにより、受電装置9を回転させ、表面S1又はS2を介して受電装置9を給電装置11上に載置しても、給電コイルL1と受電コイルL2との誘電結合により給電される。すなわち、複数のコイルを用いずに複数面から受電装置9へ給電ができ、受電装置9の配置に自由度を持たせて給電することができる。
また、受電コイルL2が一つであるため、複数の面からの給電を行うべく複数のコイルを用いた時に比べ、コイルから引き出される配線の数、配線に接続する制御機器の数等を減らすことができ、受電装置9の大きさの制限もなくなる。ただし、コイルの数は一つに限定されず、複数含むことによって、さらに、受電装置9の配置に自由度を持たせて給電することができる。
なお、本実施形態において、受電コイルL2は、屈曲し、かつ、受電装置9の複数の表面(S1,S2,S3,S4,S5,S6)のうち、給電装置11が配置されることとなる一表面(S3)に対して反対側に向かって突出する突出部を有しているが、給電コイルL1から発生する磁束から効率よく電流を発生できるという観点からは、受電コイルL2は、給電装置11が配置されることとなる一表面(S3)に向かって突出する突出部を有していてもよい。
受電コイルL2が、給電装置11が配置されることとなる一表面(S3)に対して反対側に向かって突出する突出部を有する、又は、受電装置9の複数の表面のうち、給電装置11が配置されることとなる一表面(S3)に向かって突出する突出部を有することにより、給電コイルL1から発生する磁束は、受電コイルL2の一つの受電面に対して同じ方向から通過するように鎖交する。例えば、受電コイルL2が、給電装置11が配置されることとなる一表面に対して、一方の平面部が他方の平面部を介するように向かい合うと(例えば、表面S1又はS2を介して給電装置11が配置された場合)、給電コイルL1から発生する磁束は、受電コイルL2の一つの受電面を基準として、一方の平面部と他方の平面部とにおいて、互いに異なる方向から通過するように鎖交する。この場合、受電コイルL2の一方の平面部と他方の平面部とにおいては、互いに反対向きの電流が発生するのである。これに対して、本実施形態において、表面S3を介して給電装置11が配置された受電コイルL2に発生する電流は、一方向だけに流れるように発生するため、受電装置9は、給電コイルL1から発生した磁束によって効率よく電流が得られる表面を有することとなる。ゆえに、電力伝送効率の高い受電装置9を得ることができる。
なお、受電コイルL2の配置に関して、受電コイルL2は、給電装置11が配置されることとなる一表面(S3)に対して反対側に向かって突出する突出部を有する、又は、その表面(S3)に向かって突出する突出部を有するような配置に限定されることはなく、例えば、給電装置11が配置されることとなる一表面(S3)と、当該表面(S3)に隣接する表面であって給電装置11が配置されることとはならない表面(S1又はS2)との境界部分に向かって、又は、それらの部分に対して反対側に向かって突出しているような配置も含まれる。
また、受電装置9は、一つの表面S3を介して給電装置11と接しているが、一つの表面を介するだけでなく、複数の表面を介して給電装置11と接していてもよい。
(給電装置)
[第四実施形態]
図8は、本発明の給電装置を備える、第四実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の斜視図であり、図9は、第四実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線VIII−VIIIに沿った断面図である。図8及び9に示す、第四実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置80は、受電装置9と、本発明に係る給電装置11と、を備える。受電装置9は、受電装置本体部6並びに、受電装置本体部6の内部に設けられた、磁場を受けて電流を発生させる受電部5、受電部5で発生した交流電流を直流電流に変換する整流器(図示せず)、及び、整流器で変換された直流電流を蓄積又は消費するバッテリやLED等の負荷装置(図示せず)を有する。給電装置11は、給電装置本体部4並びに、給電装置本体部4の内部に設けられた、直流電流を蓄積するバッテリ15、バッテリ15から受け取った直流電流を交流電流に変換する駆動回路14、及び、駆動回路14で変換された交流電流によって磁場を発生する給電部3を有する。受電部5は受電コイルL2から、給電部3は給電コイルL1からそれぞれ構成され、受電コイルL2と給電コイルL1とが電磁的に結合することによって、給電装置11から受電装置9へワイヤレスで電力が伝送される。
図8及び9に示すように、給電装置11は、六つの表面S10,S20,S30,S40,S50,S60を有する直方体である。給電装置11は、給電装置本体部4と、給電コイルL1が樹脂8等によってパッケージングされた給電部パッケージ50と、を有する。給電部パッケージ50は外形形状が直方体であり、給電装置本体部4に内蔵されている。受電装置本体部4の外形は、給電装置11の外形に対応する。
本実施形態において、給電コイルL1は平面状コイルである。給電コイルL1は、導線が巻回された巻線部31と、巻線部31によって囲まれた、対向する二つの開口端を有する開口部32とを含む。具体的に、給電コイルL1は、開口部32の開口端及び当該開口端を囲む巻線部31の表面によって形成された、対向する二つの給電面を主面として構成されている。巻線部31に交流電流が流れると、給電コイルL1に鎖交する磁束が発生する。より具体的には、開口部32は、例えば、給電コイルL1の中央部に設けられており、開口部32には、密度の高い磁束が発生する。開口部32において、磁束は、中央部から巻線部31へ向けて密になる傾向がある。巻線部31に電流が流れて開口部32に密度の高い磁束が発生することから、後に詳述するように、開口部32が有する二つの開口端のうち少なくとも一つの開口端の端面が、給電装置11の二以上の表面に対して非平行(ただし、垂直を除く)に配置されることによって、給電装置11の二以上の表面に、受電装置9へ電力を伝送可能な給電領域が形成される。
給電コイルL1は、一方の開口端の端面(第一の開口端の端面s10)から他方の開口端の端面(第二の開口端の端面s20)までの長さが、給電面を形成する辺よりも短い平面状コイルを特に好適に用いることができる。給電コイルL1は、例えば、単層の巻回導線から構成された平面状コイル、垂直方向に積層された巻回導線から構成された平面状コイル、又は、これらの形状を組み合わせた平面状コイルである。
図9において、給電コイルL1で発生した磁束は受電コイルL2へ向かう。給電コイルL1が平面状コイルであることにより、発生した磁束同士が打ち消し合うことがない。そのため、給電コイルL1内において、磁束の大きさが低減されることのない状態で、受電装置9へ電力を伝送できる。
給電コイルL1は、開口部32における、第一の開口端の端面s10及び第二の開口端の端面s20の少なくとも一方が、給電装置9の複数の表面のうち二以上の表面(本実施形態においては六面S10,S20,S30,S40,S50,S60)に対して非平行(ただし、垂直を除く)に配置されており、これにより、給電装置11の上記二以上の表面(本実施形態においては駆動回路14、バッテリ15の位置のみを考慮すると、五面S10,S20,S40,S50,S60)に、受電装置9へ電力を伝送可能な給電領域が形成される。ここで、給電装置11の二以上の表面に形成される「給電領域」とは、「給電コイルL1から発生した磁束が鎖交する領域」である。給電コイルL1と受電コイルL2とが対峙するように受電装置9と給電装置11とを対向配置させると、給電コイルL1と受電コイルL2とが電磁誘導し、当該給電領域を介して給電装置11から受電装置9に電力が伝送される。このような給電装置11においては、表面S10、S20、S50及びS60にも給電領域が形成されるため、図示した表面S40だけでなく、表面S10、S20、S50又はS60を介しても、受電装置9に給電することができる。
給電装置11から受電装置9への電力伝送効率の観点から、第一の開口端の端面s10及び第二の開口端の端面s20は、給電装置11の給電に最も適した表面(最も広い給電領域を有することになる表面、受電装置の表面に対し最も安定した状態で接することができる表面等)に対し、なす角が、0°より大きく90°より小さい角度となるよう傾斜させるのがよく、0°より大きく45°より小さい角度となるように傾斜させることがさらによい。複数の表面における電力伝送効率のばらつきを低減できる観点では、なす角は、30°以上60°以下であることが好ましく、35°以上55°以下であることがより好ましく、40°以上50°以下であることがさらに好ましい。
本実施形態に係る給電装置11によれば、複数のコイルを用いずに複数面から受電装置9へ給電ができ、受電装置9の配置に自由度を持たせて給電することができる。一つの給電コイルL1を用いて、給電装置11の二以上の表面に給電領域を形成する際、給電コイルL1と受電コイルL2との結合係数を大きくして外部への不要輻射を低減するために、給電領域が形成されることとなる給電装置11の表面から、第一の開口端の端面s10までの平均距離は、短いことが好ましい。
本実施形態においては、給電コイルL1が一つであるため、複数の面からの給電を行うべく複数のコイルを用いた時に比べ、コイルから引き出される配線の数、配線に接続する制御機器の数等を減らすことができ、給電装置11の大きさの制限もなくなる。コイルの数は一つに限定されず、複数含むことによって、さらに、受電装置9の配置に自由度を持たせて給電することができる。
本実施形態において、給電コイルL1は平面状コイルであるが、第一の開口端の端面s10及び第二の開口端の端面s20のうち少なくとも一つが、給電装置11の複数の表面のうち二以上の表面に対して非平行に配置可能である限り、巻線部31の一部に湾曲部分や傾斜部分が含まれていてもよい。
給電コイルL1の材質は、特に限定されない。例えば、銅等の電気伝導率の高い材料を用いるとよい。給電コイルL1の外形形状は矩形形状に限られず、正方形形状、ひし形形状、五角形以上の角を有する多角形形状、円形形状、楕円形形状等が挙げられる。受電コイルL2の内径形状は、外形形状に沿う形状であることが好ましい。
電力伝送効率の観点から、給電コイルL1に含まれる開口部32には、磁性体コアが設けられていてもよい。
給電コイルL1の大きさは、受電装置9に適切な量の電力を供給できれば特に制限はないが、給電コイルL1の位置が、最適な受電位置からずれた場合における電力伝送効率の低下を防ぐ観点から、給電コイルL1の受電コイルL2との対向面における外輪郭が、受電コイルL2の給電コイルL1との対向面における外輪郭よりも内側に位置することが好ましい。
給電装置11、給電装置本体部4は直方体であるが、これに限られない。給電装置11、給電装置本体部4は、複数の表面を有していればよく、例えば、異なる法線ベクトルを有する二以上の平面を有するもの、又は、二つ以上の曲面を有するもの、又は、曲面と平面を両方有するものが挙げられる。
給電装置11の大きさは、受電装置に給電可能であれば特に制限はなく、例えば、図8、9に示すように、受電装置9との対向面が床といった規模のものでもよく、移動可能な小型の機器であってもよい。
[第五実施形態]
図10は、本発明の給電装置を備える、第五実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を示す斜視図であり、図11は、第五実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線X−Xに沿った断面図である。第五実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置100は、第四実施形態における給電装置11の給電コイルL1の形状を、平面形状から湾曲形状に変えたものである。すなわち、本実施形態における湾曲形状の給電コイルL1は、第四実施形態における平面状の給電コイルL1を弓なりに曲げたものであって、少なくとも、一つの湾曲した突出部と、当該突出部を挟む二つの平面部とから構成される。したがって、本実施形態においては、第四実施形態と異なる部分について説明し、重複する説明は省略する。なお、本発明において、「湾曲する」とは、給電面の接線の傾きが正から負に、または負から正に、連続的に変化することを意味する。
給電コイルL1は、湾曲した開口部32を有し、第一の開口端の端面s10及び第二の開口端の端面s20の少なくとも一方が、給電装置11の複数の表面のうち二以上の表面(本実施形態においては六面S10,S20,S30,S40,S50,S60)に対して非平行に配置されている。ただし、二面S50,S60に対しては垂直に配置されている。
本実施形態において、給電コイルL1は、湾曲し、かつ、給電装置11の複数の表面(S10,S20,S30,S40,S50,S60)のうち、受電装置9が配置されることとなる一表面(S40)に向かって突出する突出部を有する。ここで、受電装置9が配置されることとなる表面について、図11に示すように、給電装置11の内部には、給電部パッケージ50以外に、駆動回路14、バッテリ15、受電装置9本体(電子機器等に相当)に給電するためのその他の機能を発揮させるための構成部材(図示せず)等が搭載されるため、受電装置9は、給電装置11のあらゆる表面から給電が可能なわけではない。すなわち、「受電装置9が配置されることとなる表面」とは、「給電部パッケージ50が他の構成部材を介することなく直接的に対向した表面」を意味する。本実施形態において、「受電装置9が配置されることとなる表面」とは、駆動回路14、バッテリ15の位置のみを考慮すると、表面S10,S20,S40に相当する。また、これらの表面に、受電装置9へ電力を伝送可能な給電領域が形成される。
図11において、給電コイルL1で発生した磁束は受電コイルL2へ向かう。給電面が湾曲していることにより、給電領域が形成される給電装置11が有する二以上の表面と、給電コイルL1との相対的な位置関係が、給電装置11の表面に対応して変化する。このような給電装置11においては、給電装置の表面S10,S20,S40の違いに対応して、給電領域が形成される給電装置11の表面における磁束の量が変化することとなり、受電装置9に対向させる給電装置11の表面を変えることにより、受電装置9へ伝送する電力量を変化させることができる。
さらに、給電コイルL1から発生する磁束は、給電コイルL1の給電面に対して垂直方向に発生するため、給電コイルが上記構造を有することにより、給電コイルL1内で発生した磁束同士が打ち消し合うことがない。そのため、給電装置11は、給電コイルL1内において、磁束の大きさが低減されることのない状態で、受電装置9へ特に効率よく電力を伝送できる表面を有することとなる。
具体的には、図10、11に示すように、表面S40を介して受電装置9へ充電する場合、給電コイルL1は、給電装置11の複数の表面のうち、受電装置9が配置されることとなる一表面S40に向かって突出する突出部を有しているため、給電装置11は、給電コイルL1に与える交流電流の大きさ等他の条件を同一にした場合に、受電装置9へ最も大きな電力量を伝送することができる。本実施形態において、一つの給電コイルL1が一つの突出部を有しているが、これに限られず、複数の突出部を有していてもよい。
給電コイルL1において、上述の二つの平面部のなす角は、特に制限はないが、90°より大きく180°より小さいことが好ましく、135°より大きく180°より小さいことがより好ましい。
また、本実施形態に係る給電装置11によれば、給電コイルL1によって、給電装置11の複数の表面S10,S20及びS40に給電領域が形成され、当該領域からの電力伝送が可能となる。これにより、給電装置11を回転させ、表面S10,S20を介して受電装置9を給電装置11上に載置しても、給電コイルL1と受電コイルL2との誘電結合により給電される。すなわち、複数のコイルを用いずに複数面から受電装置9へ給電ができ、給電装置11の配置に自由度を持たせて給電することができる。
また、給電コイルL1が一つであるため、複数の面からの給電を行うべく複数のコイルを用いた時に比べ、コイルから引き出される配線の数、配線に接続する制御機器の数等を減らすことができ、給電装置11の大きさの制限もなくなる。ただし、コイルの数は一つに限定されず、複数含むことによって、さらに、給電装置11の配置に自由度を持たせて給電することができる。
本実施形態において、給電コイルL1は、湾曲し、かつ、給電装置11の複数の表面(S10,S20,S30,S40,S50,S60,)のうち、受電装置9が配置されることとなる一表面(S40)に向かって突出する突出部を有しているが、給電面から発生する磁束の大部分が給電に寄与することとなるという観点からは、受電装置9が配置されることとなる一表面(S40)とは反対側に向かって突出する突出部を有していてもよい。
例えば、給電コイルL1が、受電装置9が配置されることとなる一表面に対して、一方の平面部が他方の平面部を介するように向かい合うと(例えば、表面S10又はS20を介して受電装置9が配置された場合)、実質的に、S10又はS20と対峙している平面部(ここでは、他方の平面部)から発生する磁束が、受電装置9への電力伝送に寄与することとなる。これにより、受電コイルL2において発生する電流も小さくなる。これに対して、本実施形態によれば、二つの平面部から発生する磁束が、受電装置9への電力伝送に寄与することとなるため、受電コイルL2により大きな電流を発生せしめることの可能な表面を有する給電装置11を提供することができる。
なお、給電コイルL1の配置に関して、給電コイルL1は、受電装置11が配置されることとなる一表面(S40)に向かって突出する突出部を有する、又は、その表面(S40)に対して反対側に向かって突出する突出部を有するような配置に限定されることはなく、例えば、受電装置9が配置されることとなる一表面(S40)と、当該表面(S40)に隣接する表面であって受電装置9が配置されることとはならない表面(S10又はS20)との境界部分に向かって、又は、それらの部分に対して反対側に向かって突出しているような配置も含まれる。
また、給電装置11は、一つの表面S40を介して受電装置9と接しているが、一つの表面を介するだけでなく、複数の表面を介して受電装置9と接していてもよい。
[第六実施形態]
図12は、本発明の給電装置を備える、第六実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を示す斜視図であり、図13は、第六実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の切断線XII−XIIに沿った断面図である。第六実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置120は、第四実施形態における給電装置11の給電コイルL1の形状を、平面形状から屈曲形状に変えたものである。すなわち、本実施形態における屈曲形状の給電コイルL1は、第四実施形態における平面状の給電コイルL1を折り曲げたものであって、少なくとも、一つの屈曲した突出部と、当該突出部を挟む二つの平面部とから構成される。したがって、本実施形態においては、第四実施形態と異なる部分について説明し、重複する説明は省略する。
給電コイルL1は、屈曲した開口部32を有し、第一の開口端の端面s10及び第二の開口端の端面s20の少なくとも一方が、給電装置11の複数の表面のうち二以上の表面(本実施形態においては六面S10,S20,S30,S40,S50,S60)に対して非平行に配置されている。ただし、二面S50,S60に対しては垂直に配置されている。
給電コイルL1の折れ曲がり方は特に限定されず、例えば、図12,13に示すように、断面において、丸みを有する凸部を有する形状でもよく、角張った凸部を有する形状でもよい。凸部は、一つの受電コイルL2において一つに限られず、複数存在していてもよい。
本実施形態において、給電コイルL1は、屈曲し、かつ、給電装置11の複数の表面(S10,S20,S30,S40,S50,S60)のうち、受電装置9が配置されることとなる一表面(S40)に向かって突出する突出部を有する。ここで、受電装置9が配置されることとなる表面について、図13に示すように、給電装置11の内部には、給電部パッケージ50以外に、駆動回路14、バッテリ15、受電装置9本体(電子機器等に相当)に給電するためのその他の機能を発揮させるための構成部材(図示せず)等が搭載されるため、受電装置9は、給電装置11のあらゆる表面から給電が可能なわけではない。すなわち、「受電装置9が配置されることとなる表面」とは、「給電部パッケージ50が他の構成部材を介することなく直接的に対向した表面」を意味する。本実施形態において、「受電装置9が配置されることとなる表面」とは、駆動回路14、バッテリ15の位置のみを考慮すると、表面S10,S20,S40に相当する。また、これらの表面に、受電装置9へ電力を伝送可能な給電領域が形成される。
図13において、給電コイルL1で発生した磁束は受電コイルL2へ向かう。給電面が屈曲していることにより、給電領域が形成される給電装置11が有する二以上の表面と、給電コイルL1との相対的な位置関係が、給電装置11の表面に対応して変化する。このような給電装置11においては、電装置の表面S10,S20,S40の違いに対応して、給電領域が形成される給電装置11の表面における磁束の量が変化することとなり、受電装置9に対向させる給電装置11の表面を変えることにより、受電装置9へ伝送する電力量を変化させることができる。
さらに、給電コイルL1から発生する磁束は、給電コイルL1の給電面に対して垂直方向に発生するため、給電コイルが上記構造を有することにより、給電コイルL1内で発生した磁束同士が打ち消し合うことがない。そのため、給電装置11は、給電コイルL1内において、磁束の大きさが低減されることのない状態で、受電装置9へ特に効率よく電力を伝送できる表面を有することとなる。
具体的には、図12、13に示すように、表面S40を介して受電装置9へ充電する場合、給電コイルL1は、給電装置11の複数の表面のうち、受電装置9が配置されることとなる一表面S40に向かって突出する突出部を有しているため、給電装置11は、給電コイルL1に与える交流電流の大きさ等他の条件を同一にした場合に、受電装置9へ最も大きな電力量を伝送することができる。本実施形態において、一つの給電コイルL1が一つの突出部を有しているが、これに限られず、複数の突出部を有していてもよい。
給電コイルL1の突出部の角度は、特に制限はないが、上述の二つの平面部のなす角が90°より大きく180°より小さいことが好ましく、135°より大きく180°より小さいことがより好ましい。
また、本実施形態に係る給電装置11によれば、給電コイルL1によって、給電装置11の複数の表面S10,S20及びS40に給電領域が形成され、当該領域からの電力伝送が可能となる。これにより、給電装置11を回転させ、表面S10,S20を介して受電装置9を給電装置11上に載置しても、給電コイルL1と受電コイルL2との誘電結合により給電される。すなわち、複数のコイルを用いずに複数面から受電装置9へ給電ができ、給電装置11の配置に自由度を持たせて給電することができる。
また、給電コイルL1が一つであるため、複数の面からの給電を行うべく複数のコイルを用いた時に比べ、コイルから引き出される配線の数、配線に接続する制御機器の数等を減らすことができ、給電装置11の大きさの制限もなくなる。ただし、コイルの数は一つに限定されず、複数含むことによって、さらに、給電装置11の配置に自由度を持たせて給電することができる。
本実施形態において、給電コイルL1は、屈曲し、かつ、給電装置11の複数の表面(S10,S20,S30,S40,S50,S60)のうち、受電装置9が配置されることとなる一表面(S40)に向かって突出する突出部を有しているが、給電面から発生する磁束の大部分が給電に寄与することとなるという観点からは、受電装置9が配置されることとなる一表面(S40)とは反対側に向かって突出する突出部を有していてもよい。
例えば、給電コイルL1が、受電装置9が配置されることとなる一表面に対して、一方の平面部が他方の平面部を介するように向かい合うと(例えば、表面S10又はS20を介して受電装置9が配置された場合)、実質的に、S10又はS20と対峙している平面部(ここでは、他方の平面部)から発生する磁束が、受電装置9への電力伝送に寄与することとなる。これにより、受電コイルL2において発生する電流も小さくなり、電力伝送効率が低下する。これに対して、本実施形態によれば、二つの平面部から発生する磁束が、受電装置9への電力伝送に寄与することとなるため、受電コイルL2により大きな電流を発生せしめることの可能な表面を有する給電装置11を提供することができる。
なお、給電コイルL1の配置に関して、給電コイルL1は、受電装置11が配置されることとなる一表面(S40)に向かって突出する突出部を有する、又は、その表面(S40)に対して反対側に向かって突出する突出部を有するような配置に限定されることはなく、例えば、受電装置9が配置されることとなる一表面(S40)と、当該表面(S40)に隣接する表面であって受電装置9が配置されることとはならない表面(S10又はS20)との境界部分に向かって、又は、それらの部分に対して反対側に向かって突出しているような配置も含まれる。
また、給電装置11は、一つの表面S40を介して受電装置9と接しているが、一つの表面を介するだけでなく、複数の表面を介して受電装置9と接していてもよい。
以上、第一〜第六実施形態においては、受電部5又は給電部3に1種類のコイルを用いる形態について説明したが、異なる形状のコイルを組み合わせて用いてもよい。コイルの形状は、二つの開口端のうち少なくとも一つの開口端の端面が、受電装置9又は給電装置11の二以上の表面に対して非平行となるように配置されれば特に限定されず、上記実施形態で説明した以外の形状であってもよい。
受電装置9が携帯電話等の小型の電子機器の場合、一つの給電装置11において複数の受電装置9を充電できる。また、給電装置11の構造を、例えば、車内の小物入れスペースに適用すると、携帯電話等の小型の電子機器を、その配置の仕方を気にせずに無造作に置いておくだけで、これらの充電が可能である。また、スペース上の制約がある場合であっても、受電装置9や給電装置11の配置方向に制限なく充電が可能となる。ただし、用途はこれに限定されず、後述のように、受電装置9を電気自動車とすることができ(図14、15)、給電装置11を電気自動車用給電装置とすることもできる(図16、17)。
図14は、本発明の受電装置が電気自動車である一態様を示す断面図である。電気自動車9の前方において受電コイルL2が設けられている。受電コイルL2は、導線が巻回された巻線部と、巻線部によって囲まれた、対向する二つの開口端を有する開口部とを含み、二つの開口端のうち少なくとも一つの開口端の端面が、電気自動車9の二つの表面S2,S3に対して非平行(ただし、垂直を除く)に配置される。これにより、電気自動車9の二つの表面S2,S3に、給電装置11からの電力を受電可能な受電領域が形成される。なお、本態様において、受電コイルL2は平面状コイルである。本態様によれば、給電装置11において、平面状の給電コイルL1が給電装置本体部4の底面S30に沿って設けられている場合であっても、また、給電装置本体部4の側面S20に沿って設けられている場合であっても、電気自動車9は充電される。
図15は、本発明の受電装置が電気自動車である他の一態様を示す断面図である。電気自動車9の前方において受電コイルL2が設けられ、受電コイルL2は屈曲している。本態様における受電コイルL2は、上記の態様における受電コイルL2を折り曲げたものである。本態様によれば、給電装置11において、平面状の給電コイルL1が給電装置本体部4の底面S30に沿って設けられている場合であっても、また、給電装置本体部4の側面S20に沿って設けられている場合であっても、電気自動車9は充電される。なお、本態様における受電コイルL2は屈曲しているが、湾曲した受電コイルL2を用いても同様の効果が得られる。
上記態様によれば、受電コイルL2の数を増やすことなく給電装置11の電気自動車9に対する配置に自由度を持たせることが可能となる。受電コイルL2を、電気自動車9の前方だけでなく後方に配置することができ、その場合には、底面S3及び後面S1に沿うように配置するとよい。また、受電コイルL2を、電気自動車9の前方又は後方に配置した場合、底面S3及び前面S2、又は底面S3及び後面S1に沿うように配置するだけでなく、底面S3及び側面に沿うように配置することによっても、同様の効果が得られる。
図16は、本発明の給電装置が電気自動車用給電装置である一態様を示す断面図である。受電コイルL2は、電気自動車9の前方及び後方に設けられている。給電コイルL1は、導線が巻回された巻線部と、巻線部によって囲まれた、対向する二つの開口端を有する開口部とを含み、二つの開口端のうち少なくとも一つの開口端の端面が、給電装置11の二以上の表面に対して非平行(ただし、垂直を除く)に配置される。これにより、給電装置11の二以上の表面に、受電装置9へ電力を伝送可能な給電領域が形成される。なお、本態様において、給電コイルL1は平面状コイルである。側面S10側に、給電装置11を機能させるための装置が配置されているとした場合、給電装置11の有する、少なくとも側面S20、上面S40、底面S30から受電コイルL2への給電が可能となる。例えば、給電装置11が、電気自動車9の車両底部へ移動可能な装置である場合には、電気自動車9の受電コイルL2が前方又は後方に設けられた場合だけでなく、車両底部に設けられた場合にも、給電が可能である。
図17は、本発明の受電装置が電気自動車である他の一態様を示す断面図である。給電コイルL1は屈曲している。本態様における給電コイルL1は、上記の態様における給電コイルL1を折り曲げたものである。本態様によれば、給電装置11の有する、少なくとも側面S20、上面S40、及び底面S30から受電コイルL2への電力伝送が可能となる。なお、本態様における給電コイルL2は屈曲しているが、受電面が湾曲した受電コイルL2を用いても同様の効果が得られる。
上記態様により、給電コイルL1の数を増やすことなく給電装置11の電気自動車9に対する配置に自由度を持たせることが可能となる。また、給電コイルL1は、側面S20、上面S40、又は底面S30に沿うように配置するだけでなく、その他の面に沿うように配置することによっても、同様の効果が得られる。
以上、本発明における受電装置、及び、給電装置の好適な実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。第一〜第六実施形態においては、受電装置9又は給電装置11のいずれかに、コイルの配置の仕方に特徴がある装置を用いていたが、第一〜第三実施形態に係る受電装置9と、第四〜第六実施形態に係る給電装置11とを、組み合わせてワイヤレス電力伝送装置を構成することもできる。
[変形態様]
受電部5又は給電部3は、上記実施形態においてはコイルを用いているが、コイルの代わりに、電極を用いてもよい。以下、コイルの代わりに、電極を用いた場合について簡単に説明する。なお、第一〜第六実施形態と重複する説明は省略する。
図18は、給電部3及び受電部5の結合様式の他の一例を示す模式図である。給電装置11においては、交流電源30から得られた電流が、給電電極E1に流れることにより給電電極E1に電荷が蓄積される。受電装置9は、受電電極E2が給電電極E1に対峙するように給電装置11と隣り合って配置されており、給電電極E1に蓄積した電荷によって、受電電極E2に電荷が誘起される。整流器12は発生した電流を整流し、これにより受電装置9に電力が供給される。給電電極E1に発生する電界の強さは、給電電極E1に流れる電流の大きさ、給電電極E1の受電電極E2との対向面の大きさ、受電電極E2との対向面間の距離等に応じて異なる。また、充電電極E2に誘起する電気量は、給電電極E1に発生する電界の強さ、受電電極E2の給電電極E1との対向面の大きさ、給電電極E1との対向面間の距離等に応じて異なる。受電装置9に適切な量の電力が供給されるよう、受電電極E1及び給電電極E2に流れる電流等の上記パラメータは調整されている。
(受電装置)
本変形態様に係る受電装置9は、二以上の給電電極E1を含む給電装置11から、ワイヤレスで電力が伝送される受電装置9であって、受電装置9は、複数の表面を有し、内部に二以上の受電電極E2を備え、受電電極E2は、導電体によって形成された受電面を有し、受電電極E2の少なくとも一つは、当該受電電極の有する受電面が受電装置9の表面の少なくとも一つに対して向かい合うように配置され、上記受電電極E2以外の受電電極の少なくとも一つは、当該受電電極E2の有する受電面が、受電装置9の二以上の表面に対して非平行となるように配置され、受電装置9の上記二以上の表面に、給電装置11からの電力を受電可能な受電領域が形成される。ここで、「受電電極の受電面」とは、「電極の最も面積の広い面」を意味する。
本変形態様に係る受電装置9においては、受電装置9の二以上の表面に対して非平行に配置された少なくとも一つの受電電極E2と、受電装置9の少なくとも一つの表面に対して向かい合って配置された少なくとも一つの受電電極E2との組み合わせによって、受電装置9の上記二以上の表面を介して給電装置11との電気的結合が可能となる。したがって、一つの受電電極E2の有する受電面に対して、受電装置9の一面が電力の受け取り面となる場合であって、複数の受電電極E2を用いて受電装置9の複数の面を電力の受け取り面とする場合に比べて、受電電極E2に接続する配線等を簡素化でき、制御機器の数も低減することができる。また、給電装置11の給電領域が特定の部位である場合であっても、受電装置の配置に自由度を持たせて電力を伝送できる。
(給電装置)
本変形態様に係る給電装置11は、二以上の受電電極E2を含む受電装置9へワイヤレスで電力を伝送する給電電極E1を含む給電装置11であって、給電装置11は、複数の表面を有し、内部に二以上の給電電極E1を備え、給電電極E1は、導電体よって形成された給電面を有し、給電電極E1の少なくとも一つは、当該給電電極E1の有する給電面が給電装置11の表面の少なくとも一つに対して向かい合うように配置され、上記給電電極E1以外の給電電極E1の少なくとも一つは、当該給電電極E1の有する給電面が、給電装置11の二以上の表面に対して非平行となるように配置され、給電装置11の上記二以上の表面に受電装置9へ電力を伝送可能な給電領域が形成される。ここで、「給電電極の受電面」とは、「電極の最も面積の広い面」を意味する。
本変形態様に係る給電装置11においては、給電装置11の複数の表面に対して非平行に配置された少なくとも一つの給電電極E1と、給電装置11の少なくとも一つの表面に対して向かい合って配置された少なくとも一つの給電電極E1との組み合わせによって、給電装置11の二以上の表面を介して受電装置9との電気的結合が可能となる。したがって、一つの給電電極E1の有する給電面に対して、複数の表面を介して受電装置9との電気的結合が可能となる。したがって、一つの給電電極E1の有する給電面に対して、給電装置11の一面が電力の供給面となる場合であって、複数の給電電極E1を用いて給電装置11の複数の面を電力の供給面とする場合に比べて、給電電極E1に接続する配線等を簡素化や、制御機器の数の低減ができる。また、受電装置9の受電領域が特定の部位である場合であっても、給電装置11の配置に自由度を持たせて電力を伝送できる。
給電電極E1及び受電電極E2は、平面形状である場合には、シート状、板状等、給電極E1の給電面又は受電電極E2の受電面の面積を十分に確保できる形状が好ましい。正方形形状、矩形形状、五角形以上の多角形形状、円形形状、楕円形形状等のシートや板を用いることができる。湾曲形状又は屈曲形状等である場合には、上記シート状、板状のものを、弓なりに曲げたり、折り曲げたりして、湾曲形状、L字形状、コの字形等の屈曲形状としたものを用いることができる。また、異なる形状の複数の電極を組み合わせて配置してもよい。給電電極E1及び受電電極E2は、例えば、金属板、金属箔、金属ワイヤ等で形成することができる。
給電電極E1と、受電電極E2との対向面間の距離は、受電装置9に適切な量の電力を供給できれば特に制限はないが、電力伝送効率の観点から、当該距離を短くするのがよい。
給電電極E1と受電電極E2との電界結合により、受電装置9は給電装置11より電力を伝送される。受電装置9又は給電装置11を回転させ、表面S3又はS40以外の面を介して給電電極E1と受電電極とが対向するよう配置させても、給電電極E1と受電電極E2との電界結合により給電される。すなわち、本変形態様に係る受電装置9又は給電装置11を用いたワイヤレス給電システムによれば、受電装置9又は給電装置11の複数の表面で給電すべく複数の給電電極E1や受電電極E2を用いずとも、一つの給電電極E1又は受電電極E2のみで、受電装置9の配置に自由度を持たせて給電することができる。
また、給電電極E1,受電電極E2として複数の電極を用いた時に比べ、電極から引き出される配線の数、配線に接続する制御機器の数等を減らすことができ、これらの条件から受電装置9又は給電装置11の大きさが制限されることがなくなる。
1,40,60,80,100,120…ワイヤレス電力伝送装置、3…給電部、4…給電装置本体部、5…受電部、6…受電装置本体部、8…樹脂、9…受電装置、10…受電部パッケージ、11…給電装置、12…整流器、13…負荷装置、14…駆動回路、15…バッテリ、30…交流電源、50…給電部パッケージ、31,51…巻線部、32,52…開口部、L1…給電コイル、L2…受電コイル、S1,S2,S3,S4,S5,S6…受電装置の表面、S10,S20,S30,S40,S50,S60…給電装置の表面、s1,s10…第一の開口端の端面、s2,s20…第二の開口端の端面。

Claims (6)

  1. 給電コイルを含む給電装置から、ワイヤレスで電力が伝送される受電装置であって、
    前記受電装置は、複数の表面を有し、内部に受電コイルを備え、
    前記受電コイルは、湾曲又は屈曲しており、導線が巻回された巻線部と、前記巻線部によって囲まれた、対向する二つの開口端を有する開口部とを含み、かつ、前記受電装置の前記複数の表面のうち、前記給電装置が配置されることとなる一以上の表面に対して反対側に向かって突出する突出部を有し、又は、前記受電装置の前記複数の表面のうち、前記給電装置が配置されることとなる一以上の表面に向かって突出する突出部を有し、
    前記二つの開口端のうち少なくとも一つの開口端の端面が、前記受電装置の二以上の表面に対して非平行(ただし、垂直を除く)に配置されることによって、前記受電装置の二以上の表面に、前記給電装置からの電力を受電可能な受電領域が形成される、受電装置。
  2. 前記受電コイルは平面状コイルである、請求項1記載の受電装置。
  3. 前記受電コイルは、湾曲又は屈曲しており、かつ、前記受電装置の前記複数の表面のうち、前記給電装置が配置されることとなる一以上の表面に対して反対側に向かって突出する突出部を有する、請求項1記載の受電装置。
  4. 受電コイルを含む受電装置へ、ワイヤレスで電力を伝送する給電装置であって、
    前記給電装置は、複数の表面を有し、内部に給電コイルを備え、
    前記給電コイルは、湾曲又は屈曲しており、導線が巻回された巻線部と、前記巻線部によって囲まれた、対向する二つの開口端を有する開口部とを含み、かつ、前記給電装置の前記複数の表面のうち、前記受電装置が配置されることとなる一以上の表面に向かって突出する突出部を有し、又は、前記給電装置の前記複数の表面のうち、前記受電装置が配置されることとなる一以上の表面に対して反対側に向かって突出する突出部を有し、
    前記二つの開口端のうち少なくとも一つの開口端の端面が、前記給電装置の前記二以上の表面に対して非平行(ただし、垂直を除く)に配置されることによって、前記給電装置の前記二以上の表面に、前記受電装置へ電力伝送可能な給電領域が形成される、給電装置。
  5. 前記給電コイルは平面状コイルである、請求項記載の給電装置。
  6. 前記給電コイルは、湾曲又は屈曲しており、かつ、前記給電装置の前記複数の表面のうち、前記受電装置が配置されることとなる一以上の表面に向かって突出する突出部を有する、請求項記載の給電装置。
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