JP7043012B2 - 送電コイル、受電コイル、および無線給電システム - Google Patents

Description

本発明は、磁界共鳴方式より非接触で送電を行う無線給電システムに関する。

近年、非接触で電力を伝送する無線給電技術がさかんに研究、開発されている。無線給電方式は各種提案されており、電磁誘導方式や磁界共鳴方式などがある。中でも磁界共鳴方式が注目されている。磁界共鳴方式は、送電コイルと受電コイルの相対的な配置の自由度が高く、送電コイルの影響範囲内であれば、複数の受電コイルを配置することが可能である。

特許文献１には、磁界共鳴方式の無線給電システムが記載され、送電コイルに、コイル導体の間隔が密な領域と疎な領域とを設けることが記載されている。また、コイルに生じる寄生容量がコイル導体の間隔やコイル導体間の電位差によって決まることが記載されている。そして、送電コイルと外部回路とを接続する領域を、コイル導体の間隔が疎な領域とすることで、寄生容量の影響を避けることが記載されている。

国際公開第２０１７／１６９７０８号

磁界共鳴方式の無線給電システムに用いる送電装置では、送電コイルのインダクタンスＬと、コンデンサの容量Ｃによって共振周波数を設定し、受電装置においても同様に共振周波数を設定する。高周波帯域では、インダクタンスＬが大きく、容量Ｃは小さくなるため、コンデンサの容量Ｃの調整には厳密さが必要となる。

しかし、送電コイルや受電コイルの形状や配置により、コイル内に寄生容量が発生してインダクタンスＬのずれが生じ、送電効率の低下を引き起こしてしまう場合がある。

そこで本発明の目的は、磁界共鳴方式の無線給電システムにおいて、送電コイルまたは受電コイルに生じる容量を制御可能とすることである。

本発明は、磁界共鳴方式より非接触で電力を送電する線材からなる送電コイルにおいて、２本の前記線材が前記送電コイルの直径の１／１０以下の距離に近接する近接部と、前記近接部における２本の前記線材の間隔を所定距離に制御する制御部と、を有し、前記制御部は、２本の前記線材の間隔を可変とする、ことを特徴とする送電コイルである。

また本発明は、磁界共鳴方式より非接触で電力を受電する線材からなる受電コイルにおいて、２本の前記線材が前記受電コイルの直径の１／１０以下の距離に近接する近接部と、前記近接部における２本の前記線材の間隔を所定距離に制御する制御部と、を有し、前記制御部は、２本の前記線材の間隔を可変とする、ことを特徴とする受電コイルである。
また本発明は、磁界共鳴方式より非接触で電力を送電する線材からなる送電コイルと、前記送電コイルから非接触で電力を受電する２つの受電コイルと、を有した無線給電システムにおいて、前記送電コイルは、それぞれの前記受電コイルの周りに配置された２つの作用部と、２つの前記作用部を接続する２本の線材であって、その２本の前記線材が前記送電コイルの直径の１／１０以下の距離に近接する連結部と、前記連結部における２本の前記線材の間に配置され、その２本の前記線材の間隔を所定距離に固定するスペーサと、を有することを特徴とする無線給電システムである。

本発明において、制御部は、２本の前記線材の間隔を所定距離に固定するものであってもよい。送電コイルまたは受電コイルの寄生容量が変動しないようにすることができ、送電コイルや受電コイルの形状や配置のずれなどが生じたとしても、コイルのインダクタンスの変動を抑制することができ、送電効率の低下を抑制することができる。

また本発明において、制御部は、２本の前記線材の間隔を可変とするものであってもよい。送電コイルまたは受電コイルの寄生容量を調整することができ、送電コイルや受電コイルの形状や配置のずれなどが生じてコイルのインダクタンスが変動しても、インダクタンスの調整が可能であり、送電側回路または受電側回路の共振周波数のずれを補正することができる。これにより、送電効率または受電効率を意図的に変動させることも可能となる。

本発明によれば、送電コイルあるいは受電コイルの寄生容量の調整を行うことができる。

実施例１の無線給電システムの構成を示した図。 実施例１の無線給電システムにおける受電コイル１Ａ、１Ｂ、送電コイル２の形状、配置を示した図。 実施例２の無線給電システムにおける受電コイル１Ａ、１Ｂ、送電コイル２の形状、配置を示した図。 制御部２０２の構成を示した図。 制御部２０２の変形例を示した図。 制御部２０２の変形例を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の無線給電システムの構成を示した図である。図１のように、実施例１の無線給電システムは、２つの受電コイル１Ａ、１Ｂと、１つの送電コイル２と、送電コイル２に接続された交流電源３、回路４と、受電コイル１Ａ、１Ｂにそれぞれ接続された回路５Ａ、５Ｂとを有している。

（無線給電システムの構成）
実施例１の無線給電システムは、１つの送電コイル２から、２つの受電コイル１Ａ、１Ｂへと磁界共鳴方式により非接触で電力を伝送するシステムである。送電電力の出力は、たとえば１０Ｗ以下である。

交流電源３は、送電コイル２に交流電流を供給する電源である。その周波数は、たとえば５００ｋＨｚ～１５ＭＨｚである。回路４は、送電側の共振周波数を設定するための回路であり、キャパシタの容量やインダクタのインダクタンスによって所定の周波数となるように設定されている。また、回路５Ａ、５Ｂは、受電側の共振周波数を送電側の共振周波数と整合させるための回路であり、キャパシタの容量やインダクタのインダクタンスによって所定の周波数となるように設定されている。回路５Ａ、５Ｂには図示しない負荷が接続されている。負荷が直流駆動の機器であれば、受電電力を直流に変換して負荷に供給している。負荷は、たとえば発光素子である。

受電コイル１Ａ、１Ｂおよび送電コイル２は、線材によって構成されている。線材は導電性材料であれば任意であり、たとえばリッツ線、銅単線を用いる。また、線材に限らず、ＦＰＣなどプリント基板上へのパターン印刷で構成してもよい。

次に、受電コイル１Ａ、１Ｂおよび送電コイル２の形状や配置について、図２を参照に説明する。図２では、コイル１巻分の形状を示しており、送電コイル２の１巻分が成す平面に垂直な方向から見た図である。説明の簡便のため、図２に示すように座標系を定める。

（受電コイル１Ａ、１Ｂの構成）
まず、受電コイル１Ａ、１Ｂについて説明する。受電コイル１Ａ、１Ｂは、図２に示すように、ｘ軸方向に所定の間隔を開けて配置されている。その間隔は、受電コイル１Ａと受電コイル１Ｂとの干渉が十分に低減された範囲であれば任意である。また、受電コイル１Ａ、１Ｂの軸方向はｚ軸方向で一致しており、受電コイル１Ａ、１Ｂの成す平面と送電コイル２の成す平面とが同一平面となるように配置されている。

受電コイル１Ａ、１Ｂは、線材を円形に巻いた円形コイルである。軸方向はｚ軸方向である。受電コイル１Ａ、１Ｂの中心部には円柱状のフェライトコア１０Ａ、１０Ｂがそれぞれ挿入されている。受電コイル１Ａ、１Ｂの断面積は１２ｍｍ2 、巻き数は４．５巻き、コイルの軸方向の長さ（ｚ軸方向の長さ）は６．５ｍｍである。また、フェライトコア１０Ａ、１０Ｂの直径は８ｍｍ、長さは７ｍｍである。

なお、受電コイル１Ａ、１Ｂの断面積や巻き数は、実施例１で示した値に限られるものではなく、受電電力、受電効率などに応じて設定される。たとえば、送電電力が１０Ｗ以下の場合、受電コイル１Ａ、１Ｂのｘ軸方向およびｙ軸方向の幅（コイルの直径）は３～２００ｍｍ、コイルの軸方向の長さ（ｚ軸方向の長さ）は１～２０ｍｍとすることが好ましい。受電効率を向上させることができ、また受電電力差をより低減することができる。

また、受電コイル１Ａ、１Ｂの形状は円形に限らず、正方形、長方形、などの形状であってもよい。また、受電コイル１Ａと受電コイル１Ｂとで異なる形状であってもよい。ただし、受電コイル１Ａと受電コイル１Ｂとでの受電電力差の制御を容易とする点で、同一形状とすることが好ましい。

また、受電コイル１Ａ、１Ｂはコア材を必ずしも必要とするものではなく、空心コイルとしてもよい。ただし、受電コイル１Ａ、１Ｂの断面積を２０ｍｍ2 以下とする場合には、受電効率向上の点からフェライトコアを用いることが好ましい。

また、受電コイル１Ａ、１Ｂの成す平面は、必ずしも送電コイル２の成す平面と同一平面である必要はなく、送電コイル２からの電力を受電できる範囲であれば、送電コイル２の成す平面とは平行な異なる面であってよいし、角度を成した面であってもよい。また、受電コイル１Ａの成す平面と受電コイル１Ｂの成す平面とでは、平行な異なる面であってもよいし、角度を成していてもよい。

また、受電コイル１Ａ、１Ｂの巻き方向は左巻き、右巻きのいずれでもよく、受電コイル１Ａと受電コイル１Ｂとで巻き方向を変えてもよい。

（送電コイル２の構成）
次に、送電コイル２について説明する。送電コイル２は、軸方向がｚ軸方向となるように複数回巻かれた線材であり、各巻きごとに、図２に示すように、２つの作用部２０Ａ、２０Ｂと、作用部２０Ａと作用部２０Ｂとを接続する連結部２１と、によって構成されていて、全体として瓢箪型あるいはメガネ型の形状である。作用部２０Ａ、２０Ｂ、連結部２１のそれぞれについて、図２中において点線で囲うことによりその部分を明示している。送電コイル２の巻き数は、送電電力や送電効率などに応じて適宜設定され、たとえば１～３巻きである。また、巻き方向は左巻き、右巻きのいずれでもよい。

作用部２０Ａは、受電コイル１Ａへの送電に主として寄与する部分であり、作用部２０Ｂは、受電コイル１Ｂへの送電に主として寄与する部分である。作用部２０Ａ、２０Ｂは、断面形状が矩形となる線材の部分であり、ｘ軸方向に間隔を開けて配置されている。また、作用部２０Ａの成す面と作用部２０Ｂの成す面は同一面である。また、作用部２０Ａ、２０Ｂは各辺をｘ軸方向、ｙ軸方向に揃えて配置されている。また、作用部２０Ａの中心に受電コイル１Ａが、作用部２０Ｂの中心に受電コイル１Ｂが来るように配置されている。作用部２０Ａ、２０Ｂのｘ軸方向の幅は１４０ｍｍ、ｙ軸方向の幅は９０ｍｍである。

このように作用部２０Ａ、２０Ｂが、受電コイル１Ａ、１Ｂの四方を囲うように配置されている。つまり、受電コイル１Ａ、１Ｂの中心に対して＋ｘ方向、－ｘ方向、＋ｙ方向、－ｙ方向のそれぞれに、作用部２０Ａ、２０Ｂの各辺が等距離に位置している。そのため、作用部２０Ａ、２０Ｂの各辺から生じる磁界強度の分布が均一となり、受電コイル１Ａ、１Ｂが受電する電力も差が小さくなる。

なお、受電コイル１Ａ、１Ｂが受電する電力の差をより低減するために、受電コイル１Ａ、１Ｂの中心から作用部２０Ａ、２０Ｂまでの最長距離と最短距離との差が、作用部２０Ａ、２０Ｂの直径（作用部２０Ａ、２０Ｂの外接円の直径）の８倍以下となるようにするとよい。

また、受電コイル１Ａ、１Ｂの断面積は、作用部２０Ａ、２０Ｂの断面積の１／２以下に設定されている。このように受電コイル１Ａ、１Ｂの断面積あるいは作用部２０Ａ、２０Ｂの断面積を設定することで、作用部２０Ａ、２０Ｂからの受電電力差を抑制することができる。より好ましくは作用部２０Ａ、２０Ｂの断面積の１／５０以下である。

なお、実施例１では、作用部２０Ａ、２０Ｂの平面パターンを矩形としたが、受電コイル１Ａ、１Ｂの四方を囲う形状であれば任意の形状でよく、作用部２０Ａの平面パターンと作用部２０Ｂの平面パターンとで異なる形状、異なる大きさとしてもよい。たとえば、作用部２０Ａ、２０Ｂの平面パターンは、正方形、長方形、菱形、円、半円、楕円、多角形、などである。送電コイル２を筐体に巻き付けて実装する場合には、その筐体の形状に合わせた形状としてもよい。

また、実施例１では作用部２０Ａの成す面と作用部２０Ｂの成す面を同一平面としているが、受電コイル１Ａ、１Ｂに送電可能な範囲であれば、平行な異なる面としてもよいし、角度を成していてもよい。

また、受電コイル１Ａ、１Ｂは、必ずしも作用部２０Ａ、２０Ｂの中心でなくともよいが、受電電力差を抑制する観点からなるべく中心付近が好ましい。

連結部２１は、作用部２０Ａと作用部２０Ｂとを接続する部分であり、ｘ軸方向に延びる２本の直線状の線材２１ａ、２１ｂである。作用部２０Ａと作用部２０Ｂとが対向する側において、作用部２０Ａの角部のうち一方とそれに対向する作用部２０Ｂの角部とが連結部２１によって連結されている。ここで連結部分は、線材が分岐することなく、作用部２０Ａ、２０Ｂ、および連結部２１の全体で一筆となるように連結されていれば任意である。連結部２１の２本の直線のうち一方（線材２１ｂ）は、作用部２０Ａ、２０Ｂの一辺と連続して一つの直線を成している。

連結部２１には、連結部２１を構成する２本の線材２１ａ、２１ｂの間隔が所定距離から変動しないように固定する制御部２２が設けられている。制御部２２は、短辺が２本の線材の間隔と等しく、長辺が連結部２１の長さ（ｘ軸方向の幅）と等しい長方形状のスペーサである。制御部２２は、送電コイル２の特性に影響を与えない部材（非導電性で低誘電率の材料）であれば任意である。たとえば、発泡性樹脂を用いることができる。なお、送電コイル２が２巻き以上である場合には、１つのスペーサによって各巻きごとの連結部１２をまとめて固定してもよい。

実施例１の無線給電システムにおける送電コイル２は、線材で構成されているため、送電コイル２の変形や配置ずれによってコイルのインダクタンスの変化が起きる。特に、送電コイル２の連結部２１は、２本の線材２１ａ、２１ｂが近接しており、連結部２１により送電コイル２に寄生容量が発生してコイルのインダクタンスに大きな影響を与える。そこで実施例１の送電コイル２では、制御部２２によって連結部２１を構成する２本の線材２１ａ、２１ｂの間隔を固定することで寄生容量が変動しないようにしている。そして、これによりコイルのインダクタンスの変動を抑制し、送電効率が低下しないようにしている。

なお、制御部２２は、スペーサ以外の方法によって２本の線材の間隔を所定距離に固定するものであってもよい。たとえば、線材を巻き付ける筐体に溝や突起を設け、そこに線材をはめ込むことで固定してもよい。また、筐体に接着剤や接着テープで固定するものであってもよいし、２本の線材２１ａ、２１ｂ同士を接着テープ、接着剤などによって固定するものであってもよい。線材が絶縁材により被覆されているものであれば、２本の線材２１ａ、２１ｂの間隔を０に固定するものであってもよい。間隔を０とする場合には、２本の線材２１ａ、２１ｂを二重螺旋状に縒り合わせてもよい。

連結部２１の２本の線材２１ａ、２１ｂの間隔は、送電コイル２の直径（送電コイル２全体の内接円の直径）に比べて十分に小さければ任意の間隔でよく、たとえば送電コイル２の直径の１／１０以下であればよい。実施例１においては、０～１５ｍｍに固定することが好ましい。

送電コイル２全体としての形状、大きさは特に限定されないが、送電電力が１０Ｗ以下である場合、ｘ軸方向およびｙ軸方向の幅（コイルの直径）は１０～４００ｍｍ、コイルの軸方向の長さ（ｚ軸方向の長さ）は１～１００ｍｍとすることが好ましい。受電効率を向上させることができ、また受電電力差をより低減することができる。また、この場合、作用部２０Ａ、２０Ｂおよび連結部２１の形状、大きさは、全体として上記大きさに収まる範囲であれば任意である。

また、実施例１では、回路４と接続する２本の線材を作用部２０Ａから引き出しているが、引き出し位置は任意でよく、連結部２１から引き出してもよい。

以上、実施例１の無線給電システムでは、送電コイル２の連結部２１に、その連結部２１の２本の線材２１ａ、２１ｂの間隔を固定する制御部２２を設けており、制御部２２によって送電コイル２の寄生容量が変動しないようにしている。したがって、送電コイル２の形状や配置のずれなどが生じたとしても、コイルのインダクタンスの変動が抑制されており、送電効率の低下が抑制されている。

図３は、実施例２の無線給電システムにおける、受電コイル１Ａ、１Ｂ、送電コイル２の形状、配置を示した図である。実施例２の無線給電システムは、図３のように、送電コイル２の連結部２１に設けられた制御部２２を、下記制御部２０２に置き換えたものである。他の構成は実施例１と同様である。

制御部２０２は、連結部２１を構成する２本の線材の間隔を可変とする装置である。制御部２０２は、送電コイル２の特性に影響を与えない部材であれば任意である。図４のように、制御部２０２は、２つの突起部２０３Ａ、２０３Ｂと、歯車２０４とを有している。

突起部２０３Ａ、Ｂは、細長い長方形状である。突起部２０３Ａの一端は連結部２１を構成する２本の線材の一方（２１ａとする）に固定され、突起部２０３Ａの他端は他方の線材（２１ｂとする）側に突出している。また、突起部２０３Ｂの一端は線材２１ｂに固定され、突起部２０３Ｂの他端は線材２１ａ側に突出している。また、突起部２０３Ａ、２０３Ｂは一定間隔を開けて配置されている。また、突起部２０３Ａ、２０３Ｂの向かい合う側の辺には、鋸歯２０５が設けられている。

歯車２０４は、突起部２０３Ａと突起部２０３Ｂとが向かい合う空間部分に配置され、歯車２０４の歯と突起部２０３Ａ、２０３Ｂの歯とが噛み合うように配置されている。

制御部２０２では、歯車２０４を回転させることにより、これと噛み合う突起部２０３Ａ、２０３Ｂが互いに離れる方向、あるいは互いに近づく方向に移動する。これに伴い、突起部２０３Ａ、２０３Ｂが接続された線材２１ａ、２１ｂも互いに離れる方向、あるいは近づく方向に引っ張られる。この結果、線材２１ａ、２１ｂの間隔を制御することができる。

なお、制御部２０２は、上記の機構に限らず、２本の線材２１ａ、２１ｂの間隔を可変とする機構であれば任意でよい。また、２本の線材２１ａ、２１ｂの全領域にわたって間隔を可変とする必要はなく、一部分のみ間隔が可変であればよい。

たとえば、図５のようにリンク機構を設けたものであってもよい。リンク機構は、３本の棒状体２１０Ａ、Ｂ、Ｃを端部で回転可能に直列的に連結したものである。棒状体２１０Ａの一端は線材２１ａに回転可能に連結され、棒状体２１０Ａの他端は棒状体２１０Ｂの一端に回転可能に連結されている。また、棒状体２１０Ｃの一端は線材２１ｂに回転可能に連結され、棒状体２１０Ｃの他端は棒状体２１０Ｂの他端に回転可能に連結されている。

棒状体２１０Ｂの中央には、回転軸２１１が接続されている。この回転軸２１１を回転させることにより、リンク機構を動作させ、線材２１ａ、２１ｂの間隔を制御可能としている。

また、図６（ａ）のように、円錐スクリュー２２０Ａ、２２０Ｂを設けた構成であってもよい。円錐スクリュー２２０Ａ、２２０Ｂは、円錐形状の回転体であり、その円錐の軸が線材２１ａ、ｂが成す平面に対して垂直となるように配置されている。また、円錐スクリュー２２０Ａ、Ｂを回転させることにより、その軸方向に円錐スクリュー２２０Ａ、２２０Ｂが移動可能となっている。また、円錐スクリュー２２０Ａは、線材２１ａと線材２１ｂが向かい合う側とは反対側において線材２１ａと接し、円錐スクリュー２２０Ｂは、線材２１ａと線材２１ｂが向かい合う側とは反対側において線材２１ｂと接している。

図６（ｂ）、（ｃ）のように、円錐スクリュー２２０Ａ、２２０Ｂを回転させると、線材２１ａ、ｂが成す平面における円錐スクリュー２２０Ａ、２２０Ｂの断面の直径が変化し、直径が大きくなると、円錐スクリュー２２０Ａ、２２０Ｂに接する線材２１ａ、２１ｂは、円錐スクリュー２２０Ａ、２２０Ｂによって互いに向かい合う側へと引っ張られる。このようにして、線材２１ａ、２１ｂの間隔を制御可能としている。

以上、実施例２の無線給電システムでは、送電コイル２の連結部２１に、その連結部２１の２本の線材の間隔を可変とする制御部２０２を設けており、制御部２０２によって送電コイル２の寄生容量を調整可能としている。したがって、送電コイル２の形状や配置のずれなどが生じてコイルのインダクタンスが変動しても、インダクタンスの調整が可能であり、送電側回路の共振周波数のずれを補正することができる。これにより、送電効率を意図的に変動させることも可能となる。

（変形例）
実施例１、２は、送電コイル２の２つの作用部２０Ａ、Ｂの連結部２１に寄生容量を固定、可変とする制御部を設けたものであったが、送電コイル２に２本の線材が近接する近接部を有し、その近接部に制御部を設けた構成であれば任意である。ここで近接部は、２本の線材が十分に近接している領域であり、送電コイルの直径の１／１０以下に近接している領域である。２本の線材が平行である必要もない。また、近接部を複数有する場合には、それぞれに制御部を設けてもよい。

実施例１、２は、送電コイル２側に制御部を設けて、近接部（連結部２１）による寄生容量を固定、あるいは調整するものであったが、受電コイル１Ａ、１Ｂ側にも同様の構成を設け、受電コイル１Ａ、１Ｂの寄生容量を固定、調整するようにしてもよい。もちろん、送電コイル２と受電コイル１Ａ、１Ｂの双方について寄生容量を固定、調整するようにしてもよい。

本発明の無線給電システムは、各種電気機器への無線給電に利用することができる。

１Ａ、１Ｂ：受電コイル
２：送電コイル
３：交流電源
４、５Ａ、５Ｂ：回路
２０Ａ、２０Ｂ：作用部
２１：連結部
２２、２０２：制御部

Claims (6)

1. 磁界共鳴方式より非接触で電力を送電する線材からなる送電コイルにおいて、
   ２本の前記線材が前記送電コイルの直径の１／１０以下の距離に近接する近接部と、
   前記近接部における２本の前記線材の間隔を所定距離に制御する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、２本の前記線材の間隔を可変とする、
   ことを特徴とする送電コイル。
2. 磁界共鳴方式より非接触で電力を受電する線材からなる受電コイルにおいて、
   ２本の前記線材が前記受電コイルの直径の１／１０以下の距離に近接する近接部と、
   前記近接部における２本の前記線材の間隔を所定距離に制御する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、２本の前記線材の間隔を可変とする、
   ことを特徴とする受電コイル。
3. 磁界共鳴方式より非接触で電力を送電する請求項１に記載の送電コイルと、
   前記送電コイルから非接触で電力を受電する受電コイルと、
   を有することを特徴とする無線給電システム。
4. 磁界共鳴方式より非接触で電力を送電する送電コイルと、
   前記送電コイルから非接触で電力を受電する請求項２に記載の受電コイルと、
   を有することを特徴とする無線給電システム。
5. 磁界共鳴方式より非接触で電力を送電する請求項１に記載の送電コイルと、
   前記送電コイルから非接触で電力を受電する請求項２に記載の受電コイルと、
   を有することを特徴とする無線給電システム。
6. 磁界共鳴方式より非接触で電力を送電する線材からなる送電コイルと、前記送電コイルから非接触で電力を受電する２つの受電コイルと、を有した無線給電システムにおいて、
   前記送電コイルは、
   それぞれの前記受電コイルの周りに配置された２つの作用部と、
   ２つの前記作用部を接続する２本の線材であって、その２本の前記線材が前記送電コイルの直径の１／１０以下の距離に近接する連結部と、
   前記連結部における２本の前記線材の間に配置され、その２本の前記線材の間隔を所定距離に固定するスペーサと、
   を有することを特徴とする無線給電システム。

Images