JPWO2012132841A1 - 給電装置、給電システムおよび電子機器 - Google Patents

給電装置、給電システムおよび電子機器 Download PDF

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Abstract

磁界を用いて機器間で電力伝送を行う際に、機器の位置に対応した伝送効率制御を可能とする給電装置、給電システムおよび電子機器を提供する。給電装置は、磁界を用いて電力伝送を行うための送電コイルと、1または複数の共振器を含む補助共振部とを有する送電部を備えている。電力伝送の際の送電コイルを用いた主共振動作における主共振周波数と、共振器における補助共振周波数とが、互いに異なっている。このような共振周波数の差異の調整により、給電装置(送電側)と電子機器(受電側)との相対的位置と、電力伝送の際の伝送効率との関係(対応特性)が変化する。

Description

本開示は、電子機器に対して非接触に電力供給(電力伝送)を行う給電システム、ならびにそのような給電システムに適用される給電装置および電子機器に関する。
近年、例えば携帯電話機や携帯音楽プレーヤー等のCE機器(Consumer Electronics Device:民生用電子機器)に対し、非接触に電力供給(電力伝送)を行う給電システム(非接触給電システム、ワイヤレス充電システム)が注目を集めている。これにより、ACアダプタのような電源装置のコネクタを機器に挿す(接続する)ことによって充電を開始するのはなく、電子機器(2次側機器)を充電トレー(1次側機器)上に置くだけで充電を開始することができる。すなわち、電子機器と充電トレーと間での端子接続が不要となる。
このようにして非接触で電力供給を行う方式としては、電磁誘導方式が良く知られている。また、最近では、電磁共鳴現象を利用した磁界共鳴方式と呼ばれる方式を用いた非接触給電システムが注目されている。
現在、既に広く用いられている電磁誘導方式の非接触給電システムでは、給電元(送電コイル)と給電先(受電コイル)とで磁束を共有する必要がある。このため、効率良く電力供給を行うには、給電元と給電先とを極近接して配置する必要があり、結合の軸合わせも重要となる。
一方、電磁共鳴現象を用いた非接触給電システムでは、電磁共鳴現象という原理から、電磁誘導方式よりも距離を離して電力伝送することができ、かつ、多少軸合わせが悪くても伝送効率があまり落ちないという利点がある。なお、この電磁共鳴現象には、磁界共鳴方式の他に電界共鳴方式がある。この磁界共鳴型を用いた非接触給電システム(例えば、特許文献1,2参照)では、厳密な軸合わせが必要なく、かつ給電距離を長くすることも可能となる。
特開2008−136311号公報 特表2009−504115号公報
ところで、導電性の線材などを巻き線したコイルでは、一般に、コイル端に近くなるのに応じて磁力線(磁束)の分布が密となり、磁界が強くなる。一方、逆にコイル端から遠くなるのに応じて磁力線の分布が疎となり、磁界が弱くなる。そのため、平面状に線材が巻回されているスパイラルコイルなどでは、コイルの内径が十分大きい場合、コイルの内端に位置する導体付近で磁界が最も強くなると共に、コイルの中心部付近では磁界が比較的弱くなる。このように、コイルから発生する磁力線の分布は、一般に不均一となる。
ここで、上記した磁界(磁界共鳴等)を用いた非接触給電システムにおいて、電力伝送の際の1次側機器(送電側)と2次側機器(受電側)との相対的位置の自由度(例えば、1次側機器の給電面上での2次側機器の配置自由度)を向上させたい場合、以下の手法が挙げられる。すなわち、送電コイル等の内径を大きくし、磁力線が分布可能な領域を広げるという手法である。
しかしながら、例えば受電コイルの内径に対して送電コイルの内径が比較的大きい場合、上記したように、送電コイルの内部領域における磁力線分布(磁束密度分布)が不均一となる。したがって、非接触給電の際の給電効率(伝送効率)が、1次側機器と2次側機器との相対的位置(例えば2次側機器の配置)に依存して不均一になってしまうという問題があった。
これらのことから、磁界を用いた電力伝送(非接触給電)の際に、機器の位置に対応した伝送効率制御(例えば、上記した相対的位置に応じた伝送効率分布の不均一性の低減など)を可能とする手法の提案が望まれる。
したがって、磁界を用いて機器間で電力伝送を行う際に、機器の位置に対応した伝送効率制御を可能とする給電装置、給電システムおよび電子機器を提供することが望ましい。
本開示の一実施の形態の給電装置は、磁界を用いて電力伝送を行うための送電コイルと、1または複数の共振器を含む補助共振部とを有する送電部を備え、電力伝送の際の送電コイルを用いた主共振動作における主共振周波数と、共振器における補助共振周波数とが、互いに異なっているものである。
本開示の一実施の形態の給電システムは、1または複数の電子機器と、この電子機器に対して電力伝送を行う給電装置とを備えたものである。給電装置は、磁界を用いて電力伝送を行うための送電コイルを含む送電部を有し、電子機器は、送電部から伝送された電力を受け取るための受電コイルを含む受電部を有している。給電装置内、電子機器内、ならびに、給電装置および電子機器とは別体である他の装置内のうちの少なくとも1つに、電力伝送の際の送電コイルまたは受電コイルを用いた主共振動作における主共振周波数とは周波数の異なる補助共振周波数を示す、1または複数の共振器を含む補助共振部が設けられている。
本開示の一実施の形態の電子機器は、磁界を用いて伝送された電力を受け取るための受電コイルと、1または複数の共振器を含む補助共振部とを有する受電部を備え、電力伝送の際の受電コイルを用いた主共振動作における主共振周波数と、共振器における補助共振周波数とが、互いに異なっているものである。
本開示の一実施の形態の給電装置、給電システムおよび電子機器では、磁界を用いた電力伝送の際の主共振動作における主共振周波数と、補助共振部内の1または複数の共振器における補助共振周波数とが、互いに異なっている。したがって、このような共振周波数の差異の調整により、給電装置(送電側)と電子機器(受電側)との相対的位置と、電力伝送の際の伝送効率との関係(位置特性)が変化する。
本開示の一実施の形態の給電装置、給電システムおよび電子機器では、上記補助共振周波数が、上記主共振周波数よりも高い周波数となっているようにしてもよい。このように構成した場合、上記相対的位置の変化に対する伝送効率の変動(相対的位置に依存した伝送効率の不均一性)が低減される。すなわち、補助共振周波数と主共振周波数とが互いに等しい場合と比べ、相対的位置に応じた伝送効率分布の平坦化(均一化)が図られる。
本開示の一実施の形態の給電装置、給電システムおよび電子機器によれば、磁界を用いた電力伝送の際の主共振動作における主共振周波数と、補助共振部内の1または複数の共振器における補助共振周波数とが互いに異なっているようにしたので、共振周波数の差異を調整することによって、送電側および受電側の相対的位置と電力伝送の際の伝送効率との関係を変化させることができる。よって、磁界を用いて機器間で電力伝送を行う際に、機器の位置に対応した伝送効率制御を行うことが可能となる。
本開示の第1の実施の形態に係る給電システムの外観構成例を表す斜視図である。 図1に示した給電システムの詳細構成例を表すブロック図である。 図1に示した送電部および受電部の概略構成例を表す模式図である。 図3に示した送電部の詳細構成例を表す斜視図および平面図である。 図3に示した送電部の他の詳細構成例を表す平面図である。 図3に示した送電部における共振周波数同士の関係について説明するための図である。 比較例1に係る給電システムの概略構成および電力伝送特性を表す図である。 比較例2に係る給電システムにおける送電部の概略構成および電力伝送特性を表す図である。 第1の実施の形態の実施例に係るデータの一例を表す特性図である。 第1の実施の形態の実施例に係るデータの他の例を表す特性図である。 第1の実施の形態の実施例に係るデータの他の例を表す特性図である。 第2の実施の形態に係る給電システムの概略構成例を表す模式図である。 図12に示した送電部の詳細構成例を表す平面図である。 図12に示した送電部における共振周波数同士の関係について説明するための図である。 第2の実施の形態の実施例に係るデータの一例を表す特性図である。 第3の実施の形態に係る給電システムの概略構成例を表す模式図である。 比較例3に係る給電システムの概略構成例を表す模式図である。 第4の実施の形態に係る給電システムの概略構成例を表す模式図である。 第4の実施の形態に係る給電システムの他の概略構成例を表す模式図である。 第5の実施の形態に係る給電システムの概略構成例を表す模式図である。 第5の実施の形態に係る給電システムの他の概略構成例を表す模式図である。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。

1.第1の実施の形態(1次側機器内に、1つの共振器を有する補助共振部を設けた例)
2.第2の実施の形態(1次側機器内に、複数の共振器を有する補助共振部を設けた例)
3.第3の実施の形態(2次側機器内に補助共振部を設けた例)
4.第4の実施の形態(1次側機器内および2次側機器内に補助共振部を設けた例)
5.第5の実施の形態(補助共振部を1次側機器・2次側機器とは別体として設けた例)
6.変形例
<第1の実施の形態>
[給電システム4の全体構成]
図1は、本開示の第1の実施の形態に係る給電システム(給電システム4)の外観構成例を表したものであり、図2は、この給電システム4のブロック構成例を表したものである。給電システム4は、磁界を用いて(磁気共鳴等を利用して;以下同様)、非接触に電力伝送(電力供給,給電)を行うシステム(非接触型の給電システム)である。この給電システム4は、給電装置1(1次側機器)と、1または複数の電子機器(ここでは2つの電子機器2A,2B;2次側機器)とを備えている。
この給電システム4では、例えば図1に示したように、給電装置1における給電面(送電面)S1上に電子機器2A,2Bが置かれる(または近接する)ことにより、給電装置1から電子機器2A,2Bに対して電力伝送が行われるようになっている。ここでは、複数の電子機器2A,2Bに対して同時もしくは時分割的(順次)に電力伝送を行う場合を考慮して、給電装置1は、給電面S1の面積が給電対象の電子機器2A,2B等よりも大きなマット形状(トレー状)となっている。
(給電装置1)
給電装置1は、上記したように、磁界を用いて電子機器2A,2Bに対して電力伝送を行うもの(充電トレー)である。この給電装置1は、例えば図2に示したように、送電部110、高周波電力発生回路111、インピーダンス整合回路112および共振用キャパシタC1(容量素子)を有する送電装置11を備えている。
送電部110は、後述する送電コイル(1次側コイル)L1等を含んで構成されている。送電部110は、この送電コイルL1および共振用キャパシタC1を利用して、電子機器2A,2B(詳細には、後述する受電部210)に対して磁界を用いた電力伝送を行うものである。具体的には、送電部110は、給電面S1から電子機器2A,2Bへ向けて磁界(磁束)を放射する機能を有している。なお、この送電部110の詳細構成については、後述する(図3〜図6)。
高周波電力発生回路111は、例えば給電装置1の外部の電力供給源9から供給される電力を用いて、電力伝送を行うための所定の高周波電力(交流信号)を発生する回路である。
インピーダンス整合回路112は、電力伝送を行う際のインピーダンス整合を行う回路である。これにより、電力伝送の際の効率(伝送効率)が向上するようになっている。なお、送電コイルL1や後述する受電コイルL2、共振用キャパシタC1,C2等の構成次第では、このインピーダンス整合回路112を設けないようにしてもよい。
共振用キャパシタC1は、送電コイルL1とともにLC共振器(主共振器,主共振回路)を構成するための容量素子であり、送電コイルL1に対して、電気的に直接、並列、もしくは直列と並列とを組み合わせた接続となるように配置されている。この送電コイルL1と共振用キャパシタC1とからなるLC共振器により、高周波電力発生回路111において発生された高周波電力と略同一もしくは近傍の周波数からなる共振周波数(主共振周波数)f1による共振動作(主共振動作)がなされるようになっている。また、そのような共振周波数f1となるように、共振用キャパシタC1の容量値が設定されている。ただし、送電コイルL1内における線間容量や、送電コイルL1と後述する受電コイルL2との間の容量等から構成される寄生容量成分(浮遊容量成分)を用いた主共振動作によって、上記の共振周波数f1が実現されるのであれば、この共振用キャパシタC1を設けないようにしてもよい。
(電子機器2A,2B)
電子機器2A,2Bは、例えば、テレビ受像機に代表される据え置き型電子機器や、携帯電話やデジタルカメラに代表される、充電池(バッテリー)を含む携帯型の電子機器等からなる。この電子機器は、例えば図2に示したように、受電装置21と、この受電装置21から供給される電力に基づいて所定の動作(電子機器としての機能を発揮させる動作)を行う負荷22とを備えている。また、受電装置21は、受電部210、インピーダンス整合回路212、整流回路213、電圧安定化回路214、バッテリー215および共振用キャパシタ(容量素子)C2を有している。
受電部210は、後述する受電コイル(2次側コイル)L2を含んで構成されている。受電部210は、この受電コイルL2および共振用キャパシタC2を利用して、給電装置1内の送電部110から伝送された電力を受け取る機能を有している。なお、この受電部210の詳細構成については、後述する(図3)。
インピーダンス整合回路212は、上記したインピーダンス整合回路112と同様に、電力伝送を行う際のインピーダンス整合を行う回路である。なお、送電コイルL1や後述する受電コイルL2、共振用キャパシタC1,C2等の構成次第では、このインピーダンス整合回路212も設けないようにしてもよい。
整流回路213は、受電部210から供給された電力(交流電力)を整流し、直流電力を生成する回路である。
電圧安定化回路214は、整流回路213から供給される直流電力に基づいて所定の電圧安定化動作を行い、バッテリー215や負荷22内のバッテリー(図示せず)に対して充電を行うための回路である。
バッテリー215は、電圧安定化回路214による充電に応じて電力を貯蔵するものであり、例えばリチウムイオン電池等の充電池(2次電池)を用いて構成されている。なお、負荷22内のバッテリーのみを用いる場合等には、このバッテリー215は必ずしも設けられていなくともよい。
共振用キャパシタC2は、受電コイルL2とともにLC共振器(主共振器,主共振回路)を構成するための容量素子であり、受電コイルL2に対して、電気的に直接、並列、もしくは直列と並列とを組み合わせた接続となるように配置されている。この受電コイルL2と共振用キャパシタC2とからなるLC共振器により、高周波電力発生回路111において発生された高周波電力と略同一もしくは近傍の周波数からなる共振周波数f2による共振動作がなされるようになっている。すなわち、送電コイルL1と共振用キャパシタC1とからなる送電装置11内のLC共振器と、受電コイルL2と共振用キャパシタC2とからなる受電装置21内のLC共振器とは、互いに略同一の共振周波数(f1≒f2)で主共振動作を行うようになっている。また、そのような共振周波数f2となるように、共振用キャパシタC2の容量値が設定されている。ただし、受電コイルL2内における線間容量や、送電コイルL1と受電コイルL2との間の容量等から構成される寄生容量成分を用いた主共振動作によって、上記の共振周波数f2が実現されるのであれば、この共振用キャパシタC2もまた設けないようにしてもよい。
[送電部110および受電部210の詳細構成]
図3は、送電部110および受電部210の概略構成を模式的に表したものである。送電部110は、送電コイルL1および補助共振部3を有し、受電部210は、受電コイルL2を有している。
送電コイルL1は、上記したように、磁界を用いて電力伝送を行う(磁束を発生させる)ためのコイルである。一方、受電コイルL2は、送電部110から伝送された(磁束から)電力を受け取るためのコイルである。
補助共振部3は、所定の共振動作(補助共振動作)を行うものであり、ここでは、1つの補助コイルL3と1つの共振用キャパシタC3(容量素子)とからなる1つのLC共振器(補助共振器,補助共振回路)を有している。以下では、この補助共振部3内のLC共振器における補助共振動作の際の共振周波数(補助共振周波数)を、f3とする。なお、この補助共振部3における共振用キャパシタC3についても、所定の寄生容量成分を代わりに用いる場合等には設けないようにしてもよい。
(送電部110の詳細構成)
図4は、送電部110の詳細構成例を表したものであり、図4(A)は斜視構成例を、図4(B)は平面構成例(X−Y平面構成例)をそれぞれ示す。送電部110では、平板状のシールド板110S上に、上記した送電コイルL1および補助コイルL3が、互いに絶縁(物理的および電気的に絶縁)されるように配設されている。
シールド板110Sは、受電コイルL2との結合(磁気結合)がなされない領域(ここでは下方側)への不要な磁束漏れを防ぐためのものであり、磁性体や導電性材料等からなる。ただし、場合によっては、このようなシールド板110Sを設けないようにしてもよい。
ここで、送電部110では、送電コイルL1と補助コイルL3とが、略同一面(ここでは、シールド板110Sの表面(同一平面))内に配設されている。ただし、このような配置構成には限られず、例えば、送電コイルL1のコイル面からその垂直方向(Z軸方向)に沿ってずらした平面上に、補助コイルL3を配置するようにしてもよい。すなわち、送電コイルL1と補助コイルL3とが、互いに異なる平面内に配置されていてもよい。そのように配置した場合、補助共振部3の設計(配置)の自由度が向上する。一方で、図4に示したように、送電コイルL1と補助コイルL3とを略同一面内に配置した場合には、送電部110の薄型化が図られる。以下では、これらのコイル同士が同一平面内に配置されている例を用いて説明する。
また、図4に示したように、送電コイルL1の中心点CP1と補助コイルL3の中心点CP3とは、互いに略同軸(Z軸)上(ここでは、略同一点)に位置している。これにより、送電コイルL1と補助コイルL3とを含んで構成される送電部110の構造が、X軸方向とY軸方向とにおいてほぼ対称となるため、後述する相対的位置(ここでは給電装置1に対する電子機器2A,2Bの配置位置)に応じた伝送効率分布の平坦化(均一化)を図り易くすることが可能となっている。そして、補助コイルL3の内径φ3は、送電コイルL1の内径φ1よりも小さくなっている(φ3<φ1)。これにより、補助コイルL3がない場合には比較的弱かった送電コイルL1の中心部付近での磁界を、補強することが可能となっている。このようにして、送電コイルL1と補助コイルL3とは、互いに内径の異なる同心円状となるように形成されている。
なお、送電部110における送電コイルL1および補助コイルL3の構成は、図4(A),(B)に示したものには限られない。例えば、図4(A),(B)に示したように、送電コイルL1および補助コイルL3における各巻き線が密に巻回されているのではなく、例えば図5に示したように、これらの各巻き線が疎に巻回されている(線材間に所定の空隙が設けられている)ようにしてもよい。また、送電コイルL1および補助コイルL3はそれぞれ、例えば、時計回りに巻回されたコイルであっても、反時計回りに巻き線されたコイルであってもよく、巻回方向を統一させる必要はない。更に、送電コイルL1の中心点CP1と補助コイルL3の中心点CP3とが、互いに同軸上に位置しないようにずらして配置してもよい。その場合には、後述する相対的位置(ここでは給電装置1に対する電子機器2A,2Bの配置位置)に応じた伝送効率分布に対して、意図的な高低をつけることが可能となる。加えて、補助コイルL3の内径φ3が、送電コイルL1の内径φ1と同等以上(φ3≧φ1)としてもよい。その場合には、伝送効率の最大値自体は下がるものの、比較的高い伝送効率により非接触給電可能な領域を拡げることが可能となる。
(共振周波数f1,f3の関係)
ここで本実施の形態では、図6(A),(B)に示したように、電力伝送の際の送電コイルL1を用いた主共振動作における共振周波数f1(≒f2)と、補助共振部3内のLC共振器における共振周波数f3とが、互いに異なっている(f1≠f3)。
具体的には、例えば図6(A)に示したように、共振周波数f3が共振周波数f1(≒f2)よりも高い周波数となっている(f3>f1)。あるいは、例えば図6(B)に示したように、共振周波数f3が、共振周波数f1(≒f2)よりも低い周波数となっている(f3<f1)。
このとき、詳細は後述するが、共振周波数f3は、例えば、共振周波数f1(≒f2)の1.1倍以上かつ5.0倍以下(1.1≦(f3/f1)≦5.0)であることが望ましく、1.25倍以上かつ3.00倍以下(1.25≦(f3/f1)≦3.00)であることが更に望ましい。これにより、後述する相対的位置(ここでは給電装置1に対する電子機器2A,2Bの配置位置)に応じた伝送効率分布の平坦化(均一化)が図り易くなるからである。
[給電システム4の作用・効果]
(1.全体動作の概要)
この給電システム4では、給電装置1において、高周波電力発生回路111が送電部110内の送電コイルL1および共振用キャパシタC1(LC共振器)に対して、電力伝送を行うための所定の高周波電力(交流信号)を供給する。これにより、送電部110内の送電コイルL1において磁界(磁束)が発生する。このとき、給電装置1の上面(給電面S1)に、給電対象(充電対象)としての電子機器2A,2Bが置かれる(または近接する)と、給電装置1内の送電コイルL1と電子機器2A,2B内の受電コイルL2とが、給電面S1付近にて近接する。
このように、磁界(磁束)を発生している送電コイルL1に近接して受電コイルL2が配置されると、送電コイルL1から発生されている磁束に誘起されて、受電コイルL2に起電力が生じる。換言すると、電磁誘導または磁気共鳴により、送電コイルL1および受電コイルL2のそれぞれに鎖交して磁界が発生する。これにより、送電コイルL1側(1次側、給電装置1側、送電部110側)から受電コイルL2側(2次側、電子機器2A,2B側、受電部210側)に対して、電力伝送がなされる(図2中に示した電力P1参照)。このとき、給電装置1側では、送電コイルL1と共振用キャパシタC1とを用いた主共振動作(共振周波数f1)が行われると共に、電子機器2A,2B側では、受電コイルL2と共振用キャパシタC2とを用いた主共振動作(共振周波数f2≒f1)が行われる。
すると、電子機器2A,2Bでは、受電コイルL2において受け取った交流電力が整流回路213および電圧安定化回路214へ供給され、以下の充電動作がなされる。すなわち、この交流電力が整流回路213によって所定の直流電力に変換された後、電圧安定化回路214によってこの直流電力に基づく電圧安定化動作がなされ、バッテリー215または負荷22内のバッテリー(図示せず)への充電がなされる。このようにして、電子機器2A,2Bにおいて、受電部210において受け取った電力に基づく充電動作がなされる。
すなわち、本実施の形態では、電子機器2A,2Bの充電に際し、例えばACアダプタ等への端子接続が不要であり、給電装置1の給電面S1上に置く(近接させる)だけで、容易に充電を開始させることができる(非接触給電がなされる)。これは、ユーザにおける負担軽減に繋がる。
(2.補助共振部3の作用)
次に、本実施の形態における特徴的部分の1つである補助共振部3の作用について、比較例(比較例1,2)と比較しつつ詳細に説明する。
(比較例1)
図7は、比較例1に係る給電システム(給電システム104)の概略構成(図7(A))および電力伝送特性(図7(B))を表したものである。この比較例1の給電システム104は、給電システム4と同様に磁界を用いて非接触に電力伝送を行うシステムである(図7(A)中の電力P101参照)。給電システム104は、送電装置101を有する給電装置(図示せず)と、受電装置21を有する電子機器(図示せず)とを備えている。
送電装置101は、図7(A)に示したように、送電コイルL1を有しているものの、送電装置11とは異なり、補助共振部3を有していない。このことから、比較例1では以下の問題が生じる。すなわち、例えば図7(B)に示したように、送電コイルL1の内部領域における磁力線分布(磁束密度分布)が不均一となり、電力伝送(非接触給電)の際の給電効率(伝送効率)が、1次側機器と2次側機器との相対的位置(ここでは2次側機器の位置)に依存して不均一になってしまう。これは、以下の理由によるものである。すなわち、導電性の線材などを巻き線したコイルでは、一般に、コイル端に近くなるのに応じて磁力線(磁束)の分布が密となり、磁界が強くなる。一方、逆にコイル端から遠くなるのに応じて磁力線の分布が疎となり、磁界が弱くなる。そのため、平面状に線材が巻回されているスパイラルコイルなどでは、コイルの内径が十分大きい場合、コイルの内端に位置する導体付近で磁界が最も強くなると共に、コイルの中心部付近では磁界が比較的弱くなる(図7(B)中の磁束密度分布参照)。このようにして比較例1では、送電コイルL1による磁束密度分布が不均一となるのである。
これにより比較例1では、電力伝送の際の伝送効率が、1次側機器と2次側機器との相対的位置(ここでは2次側機器の位置)に依存して不均一になってしまう。これは、電力伝送の際の相対的位置の自由度(ここでは、1次側機器の給電面上での2次側機器の配置自由度)の低下を招き、ユーザの利便性が損なわれることになる。なお、以下では、このような1次側機器(給電装置,送電側)と2次側機器(電子機器,受電側)との相対的位置と、電力伝送の際の伝送効率との関係を、「位置特性」と規定して説明する。
(比較例2)
一方、比較例2に係る給電システムでは、例えば図8(A)に示した平面構成(X−Y平面構成)からなる送電部201Aを用いて、電力伝送(非接触給電)を行っている。この送電部201Aは、外周コイルL201Aおよび内周コイルL201Bの2つのコイル(分割コイル)からなる送電コイルL201を有している。すなわち、この送電コイルL201では、外周コイルL201Aおよび内周コイルL201Bが、互いに所定の距離(内径差)を隔てて配置されている。ただし、この送電コイルL201では、前述した本実施の形態の送電コイルL1および補助コイルL3(物理的および電気的に絶縁されている)とは異なり、外周コイルL201Aと内周コイルL201Bとが、物理的および電気的に接続されている(絶縁されていない)。
このような分割コイルからなる送電コイルL201を用いることにより、送電部201Aでは、例えば図8(B)中の磁束密度分布に示したように、分割コイルを用いない場合(例えば内周コイルL201Bがない場合)と比べ、磁束密度分布がある程度均一化される(図中の2重線の矢印参照)。これは、図8(B)中の実線および破線の矢印で示したように、内周コイルL201Bの内部領域において、外周コイルL201Aにより発生される磁束の方向と、内周コイルL201Bにより発生される磁束の方向とが、同一(ここではZ軸上の正方向)となるように設定されているためである。
ところが、このような磁束の方向の設定に起因して、比較例2の給電システムでは、電力伝送の際の相対的位置(ここでは2次側機器(受電コイル)の位置)によって、伝送効率が著しく低下してしまう配置領域(不感帯)が存在し得るという問題がある。これは、詳細には以下の理由によるものである。すなわち、まず、内周コイルL201Bの内部領域に受電コイルが配置されている場合、この領域では上記したように、外周コイルL201Aによる磁束の方向と内周コイルL201Bによる磁束の方向とが、互いに同一(Z軸上の正方向)となっている。したがって、内周コイルL201Bの存在によって、受電コイルではより多くの磁束が通過することになる。そのため、上記したように、内周コイルL201Bの内部領域(コイル中心部付近)における磁束密度の減少がある程度緩和される。
一方で、受電コイルが外周コイルL201Aと内周コイルL201Bとの間隙領域内に配置されている場合、外周コイルL201Aによる磁束の方向と内周コイルL201Bによる磁束の方向とが同じにならず、一部逆向きとなる。極端な例で説明すると、図8(B)中の実線および破線の矢印で示したように、外周コイルL201Aによる磁束の方向と内周コイルL201Bによる磁束の方向とが、全て逆向きとなってしまう。この場合、磁束(磁力線)が等価的に一部相殺されることとなるため、外周コイルL201Aの内端付近では、磁束密度の増大がある程度抑えられる。ただし、受電コイルを等価的に通過する磁束の向きは、受電コイル付近における、外周コイルL201Aから生じた磁力線の磁束密度と内周コイルL201Bから生じた磁力線の磁束密度とのバランスによって決まる。そして、上記したようにこれらの磁束の向き(磁束密度)が完全に等しくなる位置に受電コイルが配置されている場合、磁束が等価的に相殺されて受電コイルを通過しなくなるため、伝送効率が極端に低下してしまい、非接触給電がほぼ不可能となる。
このようにして比較例2の給電システムでは、電力伝送の際の相対的位置(2次側機器の位置)によって、伝送効率が著しく低下してしまう配置領域(不感帯)が存在し得るのである。なお、比較例2のような分割コイルを送電コイルとして用いた場合、外周コイルおよび内周コイルにはそれぞれ同一の高周波電力が印加されることになるため、このような不感帯発生の問題を避けることはできない。
(本実施の形態)
これに対して本実施の形態では、例えば図3〜図5に示したよう構成の補助コイルL3(送電コイルL1とは物理的および電気的に絶縁されている)を含む補助共振部3を送電部110内に設けることにより、例えば上記比較例2における問題を解消している。
具体的には、本実施の形態では図6(A),(B)に示したように、磁界を用いた電力伝送の際の主共振動作における共振周波数f1(≒f2)と、補助共振部3内のLC共振器における共振周波数f3とが、互いに異なっている(f1≠f3)。したがって、このような共振周波数f1,f3の差異の調整によって、給電装置1と電子機器2A,2Bとの相対的位置(ここでは電子機器2A,2Bの位置)と、電力伝送の際の伝送効率との関係(位置特性)が変化する。つまり、補助共振部3内での補助共振動作を利用して、電力伝送の際の主共振動作(伝送効率の位置分布)を制御している。
このとき、例えば図6(A)に示したように、共振周波数f3が共振周波数f1よりも高い周波数となるように設定した場合(f3>f1)には、上記相対的位置の変化に対する伝送効率の変動(相対的位置に依存した伝送効率の不均一性)が低減される。すなわち、共振周波数f1,f3が互いに等しい場合(上記比較例2の場合に対応)と比べ、相対的位置に応じた伝送効率分布の平坦化(均一化)が図られる。これは詳細には、伝送効率を決定する主要なパラメータの1つである結合係数(磁気結合係数)が、相対的位置が変化しても変動しにくくなる(結合係数が相対的位置にほとんど依存しなくなる)ためである。また、別の観点から見ると、補助共振動作の共振周波数f3において、相対的位置に依存した不感帯(伝送効率が極端に低い配置領域)が存在したとしても、主共振動作の共振周波数f1とは異なっている(f1≠f3)ことから、電力伝送には影響を及ぼさないのである。
一方で、例えば図6(B)に示したように、共振周波数f3が共振周波数f1よりも低い周波数となるように設定した場合(f3<f1)には、上記相対的位置の変化に対する伝送効率の分布が、任意に制御され得る。具体的には、例えば、伝送効率が相対的に高い領域と相対的に低い領域とを選択的に設ける(給電面S1上の選択的な領域で電力伝送を行う)といったことが実現し得る。
(第1の実施の形態の実施例)
ここで、図9〜図11は、本実施の形態の実施例に係る各種データを示したものである。この実施例では、図4(A),(B)に示した構成の送電部110を用いた。具体的には、送電コイルL1の内径φ1=120mm、補助コイルL3の内径φ3=60mm、補助コイルL3における巻き数n3=5、共振周波数f3=2×f1とした。そして、外径φ=10mmの受電コイルL2を、送電コイルL1の上面から垂直方向(Z軸方向)へ6mmほど離して配置した。なお、電子機器2A,2B側では、共振周波数f2≒f1となるように設定した。
まず、図9(A)は、受電コイルL2の配置による伝送特性変化の一例を表したものである。具体的には、受電コイルL2を上記した位置を基準として、水平方向(X−Y平面内)に移動させた場合(移動長d)の伝送特性を測定したものである。移動長d=0mmの位置は、送電コイルL1および補助コイルL3の中心点CP1,CP3に対する垂直軸上の点に対応している。ここで、縦軸のS21(Sパラメータ)とは、給電効率(伝送効率)と関連するパラメータである。この図9(A)により、受電コイルL2の位置(移動長d)が変化しても、電力伝送の際の共振周波数f1付近の周波数(1×f1)では、S21(伝送効率)がほとんど変化しないことが分かる(図中の符号G11参照)。一方、補助共振部3における共振周波数f2付近の周波数(2×f1)では、S21(伝送効率)が大きく変化しており(図中の符号G12参照)、極端にS21(伝送効率)が低下する配置(不感帯に対応)が存在することが分かる。
また、図9(B)は、受電コイルL2の配置による位相特性変化の一例を表したものである。この図9(B)により、電力伝送の際の共振周波数f1付近の周波数(1×f1)では、位相変化がほとんどない(図中の符号G21参照)のに対し、補助共振部3における共振周波数f2付近の周波数(2×f1)では、位相が大きく変化している(位相が逆転している)ことが分かる(図中の符号G22参照)。
これらの図9(A),(B)における結果から、上記比較例2で説明した分割コイルを用いた場合、電力伝送の際の共振周波数f1付近の周波数(1×f1)では、受電コイルL2の配置によって、位相逆転および極端な伝送効率低下が生じてしまうことが分かる。すなわち、仮に共振周波数f1,f3を等しく(f1=f3)した場合には、電力伝送における不感帯が発生してしまうと言える。
次いで、図10(A)は、補助共振部3の有無による位置特性(ここでは、受電コイルL2の移動長dと伝送効率との関係を示す特性)変化の一例を表したものである。この図10(A)により、補助共振部3を設けることによって、送電コイルL1と補助コイルL3との間隙領域内での伝送効率が向上し(図中の矢印参照)、ほぼ均一な伝送効率分布が得られていることが分かる。
また、図10(B),(C)は、補助共振動作の共振周波数f3を変化させた場合((f3/f1)=0.50〜3.00の範囲内で変化させた場合)の位置特性変化の一例を表したものである。これらの図により、伝送効率分布の均一化の観点では、共振周波数f3は、共振周波数f1よりも大きければよく(f3>f1)、また、共振周波数f1の1.1倍以上かつ5.0倍以下程度であることが望ましく、1.25倍以上かつ3.00倍以下程度であることが更に望ましいことが分かる。更に、この例では共振周波数f3=2×f1の場合に、最も伝送効率分布の均一化が図られていることが分かる(図10(B)中の実線の矢印参照)。一方で、振周波数f3が逆に共振周波数f1よりも低い周波数である場合(f3<f1)には、例えば図10(B)中の破線の矢印で示したように、受電コイルL2の配置(移動長d)に対する伝送効率分布が、任意に制御され得る。例えば、f3=0.50×f1の場合、補助コイルL3の内部領域では伝送効率が相対的に低くなり、補助コイルL3と送電コイルL1との間隙領域では伝送効率が相対的に高くなる。このため、給電面S1上の選択的な領域(ここでは補助コイルL3と送電コイルL1との間隙領域)で電力伝送を行うといったことが実現し得る。なお、このような共振周波数f3を変化させた場合の位置特性変化の度合いは、送電コイルL1および補助コイルL3の構成や配置、給電装置1の筺体内部での周囲金属や周囲磁性材による影響、電子機器2A,2Bの筺体に用いられている金属や磁性材から受ける影響等に依存する。したがって、これらの影響も考慮して、最適な共振周波数f3の値を設定すればよい。つまり、図9(A),(B)で説明したような位相逆転および極端な伝送効率低下が、電力伝送の際の共振周波数f1の周波数付近で生じないような周波数に、共振周波数f3を設定するようにすればよいと言える。
次に、図11(A)は、補助コイルL3の内径φ3を変化させた場合の位置特性変化の一例を、図11(B)は、補助コイルL3における巻き数n3を変化させた場合の位置特性変化の一例を、それぞれ表したものである。これらの図11(A),(B)により、補助コイルL3における内径φ3や巻き数n3などを変えることにより、位置特性を若干変化させることが可能であると分かる。具体的には、図11(A)により、補助コイルL3の内径φ3が大きくなるのに応じて、伝送効率が若干向上することが分かる。また、図11(B)により、補助コイルL3における巻き数n3が多くなるのに応じて、伝送効率が若干向上することが分かる。以上のことから、補助コイルL3の形状やその配置、そして共振周波数f3などが、位置特性を変化させる(伝送効率分布を均一化する)際のパラメータであると言え、特に共振周波数f3が重要なパラメータである分かる。
以上のように本実施の形態では、磁界を用いた電力伝送の際の主共振動作における共振周波数f1と、補助共振部3内のLC共振器における共振周波数f3とが互いに異なっているようにしたので、これらの共振周波数f1,f3の差異を調整することによって、送電側(給電装置1)および受電側(電子機器2A,2B)の相対的位置と電力伝送の際の伝送効率との関係(位置特性)を変化させることができる。よって、磁界を用いて機器間で電力伝送(非接触給電)を行う際に、機器の位置に対応した伝送効率制御を行うことが可能となる。
特に、共振周波数f3が共振周波数f1よりも高い周波数となるように設定した場合(f3>f1)には、上記相対的位置の変化に対する伝送効率の変動(相対的位置に依存した伝送効率の不均一性)を低減することができる。すなわち、共振周波数f1,f3が互いに等しい場合(上記比較例2の場合に対応)と比べ、相対的位置に応じた伝送効率分布の平坦化(均一化)を図ることが可能となる。よって、給電面S1上の広範囲な領域において不感帯がなく、ほぼ均一な伝送効率が取得可能な非接触給電システムを構築することが可能となる。また、これにより、非接触給電の際の給電安定性の向上や、2次側機器(電子機器2A,2B)の配置自由度の向上、異種金属の検出能力向上などの効果を得ることも可能となる。
更に、補助コイルL3の内径φ3が、送電コイルL1の内径φ1よりも小さくなっているようにした場合(φ3<φ1)には、以下の効果が得られる。すなわち、補助コイルL3がない場合には比較的弱かった送電コイルL1の中心部付近での磁界を補強することができ、相対的位置に応じた伝送効率分布を更に均一化することが可能となる。
続いて、本開示の他の実施の形態(第2〜第5の実施の形態)について説明する。なお、上記第1の実施の形態と同一の構成要素については同一符号を付し、その説明を適宜省略する。
<第2の実施の形態>
[給電システム4Aの構成]
図12は、第2の実施の形態に係る給電システム(給電システム4A)の概略構成例を表したものである。本実施の形態の給電システム4Aは、給電システム4と同様に磁界を用いて非接触に電力伝送を行うシステムであり、送電装置11Aを有する給電装置(図示せず)と、受電装置21を有する1または複数の電子機器(図示せず)とを備えている。すなわち、この給電システム4Aは、給電システム4において、送電装置11の代わりに送電装置11Aを備えたものであり、他の構成は同様となっている。
送電装置11Aは、送電コイルL1および補助共振部3Aを有する送電部110Aを備えている。補助共振部3Aは、補助共振部3とは異なり、複数(ここでは2つ)の補助コイルL31,L32と、複数(ここでは2つ)の共振用キャパシタC31,C32(容量素子)とからなる複数(ここでは2つ)のLC共振器を有している。具体的には、補助コイルL31と共振用キャパシタC31とにより1つのLC共振器が構成され、補助コイルL32と共振用キャパシタC32とにより1つのLC共振器が構成されている。以下では、補助コイルL31と共振用キャパシタC31とからなるLC共振器における補助共振動作の際の共振周波数(補助共振周波数)を、f31とする。また、補助コイルL32と共振用キャパシタC32とからなるLC共振器における補助共振動作の際の共振周波数(補助共振周波数)を、f32とする。なお、この補助共振部3Aにおける共振用キャパシタC31,C32についても、所定の寄生容量成分を代わりに用いる場合等には設けないようにしてもよい。
(送電部110Aの詳細構成)
図13は、送電部110Aの詳細構成例(X−Y平面構成例)を表したものである。送電部110Aでは、シールド板110S上に、上記した送電コイルL1および2つの補助コイルL31,L32が、互いに絶縁(物理的および電気的に絶縁)されるように配設されている。ただし、2つの補助コイルL31,L32同士は、場合によっては絶縁されてなくてもよい(物理的および電気的に繋がっていてもよい)。
この送電部110Aでは、送電コイルL1と各補助コイルL31,L32とが、略同一面(ここでは、シールド板110Sの表面(同一平面))内に配設されている。ただし、このような配置構成には限られず、例えば、送電コイルL1のコイル面からその垂直方向(Z軸方向)に沿ってずらした平面上に、補助コイルL31,L32を配置するようにしてもよい。すなわち、送電コイルL1および補助コイルL31,L32が、互いに異なる平面内に配置されていてもよい。そのように配置した場合、補助共振部3Aの設計(配置)の自由度が向上する。一方で、図13に示したように、送電コイルL1と各補助コイルL31,L32とを略同一面内に配置した場合には、送電部110Aの薄型化が図られる。以下では、これらのコイル同士が同一平面内に配置されている例を用いて説明する。
また、図13に示したように、送電コイルL1の中心点CP1と、補助コイルL31の中心点CP31と、補助コイルL32の中心点CP32とは、互いに略同軸(Z軸)上(ここでは、略同一点)に位置している。これにより、送電コイルL1と補助コイルL31,L32とを含んで構成される送電部110Aの構造が、X軸方向とY軸方向とにおいてほぼ対称となるため、上述した相対的位置に応じた伝送効率分布の均一化を図り易くすることが可能となっている。そして、補助コイルL31,L32の内径φ31(φ31x,φ31y),φ32(φ32x,φ32y)はそれぞれ、送電コイルL1の内径φ1(φ1x,φ1y)よりも小さくなっている((φ31x,φ32x)<φ1x、(φ31y,φ32y)<φ1y)。また、それと共に、各補助コイルL31,L32の内径φ31(φ31x,φ31y),φ32(φ32x,φ32y)は、互いに異なっている(φ31x≠φ32x、φ31y≠φ32y)。これにより、補助コイルL31,L32がない場合には比較的弱かった送電コイルL1の中心部付近での磁界を、段階的に補強することができ、上述した相対的位置に応じた伝送効率分布の均一化を図り易くすることが可能となっている。このようにして、送電コイルL1、補助コイルL31および補助コイルL32は、互いに内径の異なる同心円状となるように形成されている。
更に、送電コイルL1と最外側の補助コイル(補助コイルL31)との内径の差分値(内径差,間隔)と、隣接する補助コイルL31,L32同士の内径の差分値とが、送電コイルL1側(外周側)から中心点CP1等(内周側)へ向かうに従って、徐々に大きくなっている。具体的には、(φ1x−φ31x)=内径差g1x、(φ1y−φ31y)=内径差g1y、(φ31x−φ32x)=内径差g2x、(φ31y−φ32y)=内径差g2yとすると、g2x>g1x,g2y>g1yがそれぞれ成り立つ。
加えて、例えば図13に示したように、送電コイルL1および各補助コイルL31,L32がそれぞれ、異方性を示す内面形状(例えば、惰円形状,長方形状,長円形状など)を有する場合には、上記した各内径差について、以下の条件も満たすようにするのが望ましい。具体的には、送電コイルL1と最外側の補助コイルL31との内径の差分値と、隣接する補助コイルL31,L32同士の内径の差分値とがそれぞれ、上記異方性を示す内面形状における短手方向(ここではX軸方向)よりも長手方向(ここではY軸方向)において大きくなっていることが望ましい。すなわち、g1y>g1x,g2y>g2xが成り立つことが望ましい。これにより、上述した相対的位置に応じた伝送効率分布の均一化を、より一層効果的に図ることが可能となるからである。
なお、送電部110Aにおける送電コイルL1および補助コイルL31,L32の構成もまた、第1の実施の形態で説明した送電部110の場合と同様に、図13に示したものには限られず、他の構成としてもよい。すなわち、例えば、送電コイルL1および各補助コイルL31,L32がそれぞれ、等方性を示す内面形状(円形等)を有するようにしてもよい。また、各内径差について、上記した関係の少なくとも一部が成り立たないようにしてもよい。
(共振周波数f1,f31,f32の関係)
ここで、本実施の形態においても第1の実施の形態と同様に、磁界を用いた電力伝送の際の主共振動作における共振周波数f1(≒f2)と、補助共振部3A内のLC共振器における共振周波数f31,f32とが、互いに異なっている(f1≠(f31,f32))。具体的には、例えば図14(A)に示したように、共振周波数f31,f32がそれぞれ、共振周波数f1(≒f2)よりも高い周波数となっている((f31,f32)>f1)。あるいは、例えば図14(B)に示したように、共振周波数f31,f32がそれぞれ、共振周波数f1(≒f2)よりも低い周波数となっている((f31,f32)<f1)。
また、これらの場合において、複数(ここでは2つ)のLC共振器における各共振周波数f31,f32は、等しくなっていてもよいし(f31=f32)、互いに異なっているようにしてもよい(f31≠f31:f31<f32またはf31>f32)。
[給電システム4Aの作用・効果]
本実施の形態の給電システム4Aでは、磁界を用いた電力伝送の際の主共振動作における共振周波数f1と、補助共振部3A内のLC共振器における共振周波数f31,f32とが互いに異なっているようにしたので、第1の実施の形態と同様の作用により同様の効果を得ることが可能である。すなわち、磁界を用いて機器間で電力伝送(非接触給電)を行う際に、機器の位置に対応した伝送効率制御を行うことが可能となる。また、共振周波数f31,f32が共振周波数f1よりも高い周波数となるように設定した場合((f31,f32)>f1)には、相対的位置の変化に対する伝送効率の変動(相対的位置に依存した伝送効率の不均一性)を低減することが可能となる。
特に本実施の形態では、補助共振部3Aが、複数の補助コイルL31,L32と、複数の共振用キャパシタC31,C32とからなる複数のLC共振器を有するようにしたので、送電コイルL1の内部領域が特に広い場合に上記効果の利点が大きいと言える。
(第2の実施の形態の実施例)
ここで、図15は、本実施の形態の実施例に係るデータを示したもの(補助共振部3Aの有無による位置特性変化の一例)である。この実施例では、図13に示した構成の送電部110Aを用い、送電コイルL1における長手方向の内径φ1y=188mm、短手方向の内径φ1x=119mmとした。また、補助コイルL31では、長手方向の内径φ31y=141mm、短手方向の内径φ31x=92mmとし、補助コイルL32では、長手方向の内径φ32y=75mm、短手方向の内径φ32x=46mmとした。
図15により、補助共振部3Aを設けることによって、送電コイルL1と補助コイルL31,L32との間隙領域内での伝送効率が向上し(図中の矢印参照)、ほぼ均一な伝送効率分布が得られていることが分かる。また、本実施例では第1の実施の形態の実施例よりも送電コイルL1の内部領域が広い(内径が大きい)ため、図10(A)に示した結果と比べ、伝送効率分布均一化の改善効果が大きいことが分かる。
<第3の実施の形態>
[給電システム4B,4Cの構成]
図16(A),(B)は、第3の実施の形態に係る給電システム(給電システム4B,4C)の概略構成例を表したものである。本実施の形態の給電システム4B,4Cはそれぞれ、給電システム4と同様に磁界を用いて非接触に電力伝送を行うシステムである。
ただし、本実施の形態では第1および第2の実施の形態とは異なり、給電対象である電子機器(2次側機器)が、給電装置(1次側機器)よりも大きなものとなっている。すなわち、給電装置における送電面(給電面)よりも、電子機器における受電面のほうが大きくなっている場合に対応する。
図16(A)に示した給電システム4Bは、送電装置11Bを有する給電装置(図示せず)と、受電装置21Bを有する1または複数の電子機器(図示せず)とを備えている。送電装置11Bは、送電コイルL1を有する送電部110Bを備え、受電装置21Bは、受電コイルL2および補助共振部3を有する受電部210Bを備えている。すなわち、この受電部210Bは、1つの補助コイルL3と1つの共振用キャパシタC3とからなる1つのLC共振器を有している。
一方、図16(B)に示した給電システム4Cは、送電装置11Bを有する給電装置(図示せず)と、受電装置21Cを有する1または複数の電子機器(図示せず)とを備えている。受電装置21Cは、受電コイルL2および補助共振部3Aを有する受電部210Cを備えている。すなわち、この受電部210Cは、2つの補助コイルL31,L32と、2つの共振用キャパシタC31,C32とからなる2つのLC共振器を有している。
ここで、本実施の形態における補助共振部3,3Aの構成は、基本的には第1および第2の実施の形態において説明したものと同様となっている。また、受電装置21B,21Cにおける主共振動作の際の共振周波数f2(≒f1)と、補助共振部3,3A内のLC共振器における共振周波数f3,f31,f32とが、互いに異なっている(f2≠(ff3,f31,f32))。具体的には、例えば共振周波数f3,f31,f32が、共振周波数f2(≒f1)よりも高い周波数となっている((f3,f31,f32)>f2)。あるいは、例えば共振周波数f3,f31,f32が、共振周波数f2(≒f1)よりも低い周波数となっている((f3,f31,f32)<f2)。
[給電システム4B,4Cの作用・効果]
本実施の形態の給電システム4B,4Cでは、補助共振部3,3Aを設けるようにしたので、第1,第2の実施の形態と同様の作用により同様の効果を得ることが可能である。すなわち、磁界を用いて機器間で電力伝送(非接触給電)を行う際に、機器の位置に対応した伝送効率制御を行うことが可能となる。また、共振周波数f3,f31,f32が共振周波数f2(≒f1)よりも高い周波数となるように設定した場合((f3,f31,f32)>f1)には、相対的位置の変化に対する伝送効率の変動(相対的位置に依存した伝送効率の不均一性)を低減することが可能となる。
特に、本実施の形態では、受電装置21B,21C側(電子機器側)に補助共振部3,3Aを設けるようにしたので、電子機器の受電面内における給電装置の配置位置(相対的位置)に依存した伝送効率の不均一性を低減することが可能となる。
すなわち、例えば図17に示した比較例3に係る給電システム(給電システム304)のように、受電部302Aを有する受電装置302側(電子機器側)に補助共振部3,3Aが設けられていない場合と比べ、電子機器の受電面内における給電装置の配置位置に依存した伝送効率の不均一性を低減することが可能となる。
<第4の実施の形態>
[給電システム4D,4E,4F,4Gの構成]
図18(A),(B)および図19(A),(B)は、第4の実施の形態に係る給電システム(給電システム4D,4E,4F,4G)の概略構成例を表したものである。本実施の形態の給電システム4D,4E,4F,4Gはそれぞれ、給電システム4と同様に磁界を用いて非接触に電力伝送を行うシステムである。
ただし、本実施の形態では第1〜第3の実施の形態とは異なり、給電装置(1次側機器)および電子機器(2次側機器)の双方において、比較的大きな送電面(給電面)および受電面を有している場合に対応する。
図18(A)に示した給電システム4Dは、送電装置11を有する給電装置(図示せず)と、受電装置21Bを有する1または複数の電子機器(図示せず)とを備えている。送電装置11は、送電コイルL1および補助共振部3を有する送電部110を備え、受電装置21Bは、受電コイルL2および補助共振部3を有する受電部210Bを備えている。すなわち、送電装置11および受電装置21Bの双方が、1つの補助コイルL3と1つの共振用キャパシタC3とからなる1つのLC共振器を有する補助共振部3を備えている。
図18(B)に示した給電システム4Eは、送電装置11Aを有する給電装置(図示せず)と、受電装置21Cを有する1または複数の電子機器(図示せず)とを備えている。送電装置11Aは、送電コイルL1および補助共振部3Aを有する送電部110Aを備え、受電装置21Cは、受電コイルL2および補助共振部3Aを有する受電部210Cを備えている。すなわち、送電装置11Aおよび受電装置21Cの双方が、2つの補助コイルL31,L32と2つの共振用キャパシタC31,C32とからなる2つのLC共振器を有する補助共振部3Aを備えている。
図19(A)に示した給電システム4Fは、送電装置11Aを有する給電装置(図示せず)と、受電装置21Bを有する1または複数の電子機器(図示せず)とを備えている。送電装置11Aは、送電コイルL1および補助共振部3Aを有する送電部110Aを備え、受電装置21Bは、受電コイルL2および補助共振部3を有する受電部210Bを備えている。すなわち、送電装置11Aが、2つの補助コイルL31,L32と2つの共振用キャパシタC31,C32とからなる2つのLC共振器を有する補助共振部3Aを備える一方、受電装置21Bが、1つの補助コイルL3と1つの共振用キャパシタC3とからなる1つのLC共振器を有する補助共振部3を備えている。
図19(B)に示した給電システム4Gは、送電装置11を有する給電装置(図示せず)と、受電装置21Cを有する1または複数の電子機器(図示せず)とを備えている。送電装置11は、送電コイルL1および補助共振部3を有する送電部110を備え、受電装置21Cは、受電コイルL2および補助共振部3Aを有する受電部210Cを備えている。すなわち、送電装置11が、1つの補助コイルL3と1つの共振用キャパシタC3とからなる1つのLC共振器を有する補助共振部3を備える一方、受電装置21Cが、2つの補助コイルL31,L32と2つの共振用キャパシタC31,C32とからなる2つのLC共振器を有する補助共振部3Aを備えている。
ここで、本実施の形態における補助共振部3,3Aの構成は、基本的には第1〜第3の実施の形態において説明したものと同様となっている。
[給電システム4D,4E,4F,4Gの作用・効果]
本実施の形態の給電システム4D,4E,4F,4Gでは、補助共振部3,3Aを設けるようにしたので、第1〜第3の実施の形態と同様の作用により同様の効果を得ることが可能である。すなわち、磁界を用いて機器間で電力伝送(非接触給電)を行う際に、機器の位置に対応した伝送効率制御を行うことが可能となる。また、共振周波数f3,f31,f32が共振周波数f1,f2よりも高い周波数となるように設定した場合((f3,f31,f32)>(f1,f2))には、相対的位置の変化に対する伝送効率の変動(相対的位置に依存した伝送効率の不均一性)を低減することが可能となる。
特に、本実施の形態では、送電装置(給電装置)側および受電装置(電子機器)側の双方に補助共振部3,3Aを設けるようにしたので、給電装置の送電面(給電面)における電子機器の配置位置、および電子機器の受電面内における給電装置の配置位置(相対的位置)に依存した伝送効率の不均一性をそれぞれ低減することが可能となる。
<第5の実施の形態>
[給電システム4H,4I,4J,4Kの構成]
図20(A),(B)および図21(A),(B)は、第5の実施の形態に係る給電システム(給電システム4H,4I,4J,4K)の概略構成例を表したものである。本実施の形態の給電システム4H,4I,4J,4Kはそれぞれ、給電システム4と同様に磁界を用いて非接触に電力伝送を行うシステムである。
ただし、本実施の形態では第1〜第4の実施の形態とは異なり、給電装置(1次側機器)および電子機器(2次側機器)とは別体の他の装置(後述する補助装置41または補助装置41A)内に、補助共振部3または補助共振部3Aが設けられている。すなわち、本実施の形態の給電システムは、給電装置と、1または複数の電子機器と、補助共振部を有する補助装置とを備えたものとなっている。
図20(A)に示した給電システム4Hは、送電装置11Hを有する給電装置(図示せず)と、受電装置21を有する1または複数の電子機器(図示せず)と、補助共振部3を有する補助装置41とを備えている。また、送電装置11Hは、送電コイルL1を有する送電部110Hを備え、受電装置21は、受電コイルL2を有する受電部210を備えている。すなわち、給電装置(送電装置11H)および電子機器(受電装置21)とは別体である補助装置41が、1つの補助コイルL3と1つの共振用キャパシタC3とからなる1つのLC共振器を有する補助共振部3を備えている。なお、送電装置11Hおよび送電部110Hはそれぞれ、前述した送電装置101および送電部101Aと同様の構成となっている。
図20(B)に示した給電システム4Iは、送電装置11Hを有する給電装置(図示せず)と、受電装置21を有する1または複数の電子機器(図示せず)と、補助共振部3Aを有する補助装置41Aとを備えている。すなわち、給電装置(送電装置11H)および電子機器(受電装置21)とは別体である補助装置41Aが、2つの補助コイルL31,L32と2つの共振用キャパシタC31,C32とからなる2つのLC共振器を有する補助共振部3Aを備えている。
図21(A)に示した給電システム4Jは、送電装置11Bを有する給電装置(図示せず)と、受電装置21Jを有する1または複数の電子機器(図示せず)と、補助共振部3を有する補助装置41とを備えている。また、送電装置11Bは、送電コイルL1を有する送電部110Bを備え、受電装置21Jは、受電コイルL2を有する受電部210Jを備えている。すなわち、給電装置(送電装置11B)および電子機器(受電装置21J)とは別体である補助装置41が、1つの補助コイルL3と1つの共振用キャパシタC3とからなる1つのLC共振器を有する補助共振部3を備えている。なお、受電装置21Jおよび受電部210Jはそれぞれ、前述した受電装置302および受電部302Aと同様の構成となっている。
図21(B)に示した給電システム4Kは、送電装置11Bを有する給電装置(図示せず)と、受電装置21Jを有する1または複数の電子機器(図示せず)と、補助共振部3Aを有する補助装置41Aとを備えている。すなわち、給電装置(送電装置11B)および電子機器(受電装置21J)とは別体である補助装置41Aが、2つの補助コイルL31,L32と2つの共振用キャパシタC31,C32とからなる2つのLC共振器を有する補助共振部3Aを備えている。
[給電システム4H,4I,4J,4Kの作用・効果]
本実施の形態の給電システム4H,4I,4J,4Kでは、補助共振部3,3Aを設けるようにしたので、第1〜第4の実施の形態と同様の作用により同様の効果を得ることが可能である。すなわち、磁界を用いて機器間で電力伝送(非接触給電)を行う際に、機器の位置に対応した伝送効率制御を行うことが可能となる。また、共振周波数f3,f31,f32が共振周波数f1,f2よりも高い周波数となるように設定した場合((f3,f31,f32)>(f1,f2))には、相対的位置の変化に対する伝送効率の変動(相対的位置に依存した伝送効率の不均一性)を低減することが可能となる。
特に、本実施の形態では、給電装置および電子機器とは別体である他の装置(補助装置41,41A)内に、補助共振部3または補助共振部3Aを設けるようにしたので、従来(既存)の非接触給電システムにおいて補助装置41,41Aを追加するだけで、上記の効果を得ることが可能となる。
<変形例>
以上、いくつかの実施の形態を挙げて本技術を説明したが、本技術はこれらの実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、補助共振部内に1つまたは2つのLC共振器を含む場合について説明したが、そのような場合には限られず、補助共振部内に3つ以上のLC共振器を含んでいるようにしてもよい。また、上記実施の形態等では、各コイル(送電コイル、受電コイル、補助コイル)をスパイラル形状(平面形状)としているが、例えばスパイラルコイルを2層で折り返すように配置するα巻き形状や、更なる多層のスパイラル形状、厚み方向に巻線が巻回しているヘリカル形状などによって、各コイルを構成してもよい。例えば、これらの形状によって送電コイルを構成すれば、送電コイル上面(給電面)のほぼ全域で伝送効率の均一化を図ることが可能となる。また、各コイル(送電コイル、受電コイル、補助コイル)は、導電性を有する線材により構成された巻き線コイルだけではなく、プリント基板やフレキシブルプリント基板などにより構成された、導電性を有するパターンコイルであってもよい。なお、コイル形状の補助コイルの代わりに、ループ形状の導電性ループを用いてLC共振器を構成してもよい。
また、各共振用キャパシタ(特に、補助共振部内の共振用キャパシタ)としては、固定の静電容量値を用いる場合には限られず、静電容量値が可変にできるような構成(例えば、スイッチ等によって、複数の容量素子の接続経路を切り替える構成等)としてもよい。そのような構成とした場合、静電容量値の調整によって、共振周波数の制御(最適化)を行うことが可能となる。
更に、上記実施の形態等で説明した補助共振部は、給電装置内、電子機器内、ならびに、給電装置および電子機器とは別体である他の装置内のうちの少なくとも1つに設けられていればよい。
加えて、上記実施の形態では、給電装置および電子機器等の各構成要素を具体的に挙げて説明したが、全ての構成要素を備える必要はなく、また、他の構成要素を更に備えていてもよい。例えば、給電装置(送電装置)や電子機器(受電装置)内に、通信機能や何かしらの制御機能、表示機能、2次側機器を認証する機能、2次側機器が1次側機器上にあることを判別する機能、異種金属などの混入を検知する機能、などを搭載するようにしてもよい。
また、上記実施の形態では、給電システム内に複数(2つ)の電子機器が設けられている場合を例に挙げて説明したが、この場合には限られず、給電システム内に1つの電子機器のみが設けられているようにしてもよい。
更に、上記実施の形態では、給電装置の一例として、携帯電話機等の小型の電子機器(CE機器)向けの充電トレーを挙げて説明したが、給電装置としてはそのような家庭用の充電トレーには限定されず、様々な電子機器の充電器として適用可能である。また、必ずしもトレーである必要はなく、例えば、いわゆるクレードル等の電子機器用のスタンドであってもよい。
なお、本技術は以下のような構成を取ることも可能である。
(1)
磁界を用いて電力伝送を行うための送電コイルと、1または複数の共振器を含む補助共振部とを有する送電部を備え、
前記電力伝送の際の前記送電コイルを用いた主共振動作における主共振周波数と、前記共振器における補助共振周波数とが、互いに異なっている
給電装置。
(2)
前記補助共振周波数が、前記主共振周波数よりも高い周波数である
前記(1)に記載の給電装置。
(3)
前記補助共振周波数が、前記主共振周波数よりも低い周波数である
前記(1)に記載の給電装置。
(4)
前記補助共振部は、補助コイルを含む1つの共振器を有する
前記(1)ないし(3)のいずれかに記載の給電装置。
(5)
前記補助コイルの内径が、前記送電コイルの内径よりも小さい
前記(4)に記載の給電装置。
(6)
前記送電コイルの中心点と前記補助コイルの中心点とが、互いに略同軸上に位置する
前記(4)または(5)に記載の給電装置。
(7)
前記送電コイルと前記補助コイルとが、略同一面内に配設されている
前記(4)ないし(6)のいずれかに記載の給電装置。
(8)
前記補助共振部は、各々が補助コイルを含む複数の共振器を有する
前記(1)ないし(3)のいずれかに記載の給電装置。
(9)
前記複数の共振器における各補助コイルの内径が、前記送電コイルの内径よりも小さくなっていると共に、各補助コイルの内径が互いに異なっている
前記(8)に記載の給電装置。
(10)
前記送電コイルの中心点と各補助コイルの中心点とが、互いに略同軸上に位置する
前記(9)に記載の給電装置。
(11)
前記送電コイルと最外側の補助コイルとの内径の差分値と、隣接する補助コイル同士の内径の差分値とが、前記送電コイル側から前記中心点へ向かうに従って、徐々に大きくなっている
前記(10)に記載の給電装置。
(12)
前記送電コイルおよび各補助コイルがそれぞれ、異方性を示す内面形状を有し、
前記送電コイルと最外側の補助コイルとの内径の差分値と、隣接する補助コイル同士の内径の差分値とがそれぞれ、前記内面形状における短手方向よりも長手方向において大きくなっている
前記(10)または(11)に記載の給電装置。
(13)
前記送電コイルと、前記複数の共振器における各補助コイルとが、略同一面内に配設されている
前記(8)ないし(12)のいずれかに記載の給電装置。
(14)
前記複数の共振器における各補助共振周波数が、互いに異なっている
前記(8)ないし(13)のいずれかに記載の給電装置。
(15)
前記送電コイルと前記補助コイルとが、電気的に絶縁されている
前記(4)ないし(14)のいずれかに記載の給電装置。
(16)
前記送電コイルと、所定の容量素子または寄生容量成分とを用いて、前記主共振動作が行われる
前記(1)ないし(15)のいずれかに記載の給電装置。
(17)
1または複数の電子機器と、
前記電子機器に対して電力伝送を行う給電装置と
を備え、
前記給電装置は、磁界を用いて前記電力伝送を行うための送電コイルを含む送電部を有し、
前記電子機器は、前記送電部から伝送された電力を受け取るための受電コイルを含む受電部を有し、
前記給電装置内、前記電子機器内、ならびに、前記給電装置および前記電子機器とは別体である他の装置内のうちの少なくとも1つに、
前記電力伝送の際の前記送電コイルまたは前記受電コイルを用いた主共振動作における主共振周波数とは周波数の異なる補助共振周波数を示す、1または複数の共振器を含む補助共振部が設けられている
給電システム。
(18)
前記補助共振部が、前記他の装置としての補助装置内に設けられている
前記(17)に記載の給電システム。
(19)
磁界を用いて伝送された電力を受け取るための受電コイルと、1または複数の共振器を含む補助共振部とを有する受電部を備え、
前記電力伝送の際の前記受電コイルを用いた主共振動作における主共振周波数と、前記共振器における補助共振周波数とが、互いに異なっている
電子機器。
(20)
前記受電コイルと、所定の容量素子または寄生容量成分とを用いて、前記主共振動作が行われる
前記(19)に記載の電子機器。
本出願は、日本国特許庁において2011年3月29日に出願された日本特許出願番号2011−073074号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。

Claims (20)

  1. 磁界を用いて電力伝送を行うための送電コイルと、1または複数の共振器を含む補助共振部とを有する送電部を備え、
    前記電力伝送の際の前記送電コイルを用いた主共振動作における主共振周波数と、前記共振器における補助共振周波数とが、互いに異なっている
    給電装置。
  2. 前記補助共振周波数が、前記主共振周波数よりも高い周波数である
    請求項1に記載の給電装置。
  3. 前記補助共振周波数が、前記主共振周波数よりも低い周波数である
    請求項1に記載の給電装置。
  4. 前記補助共振部は、補助コイルを含む1つの共振器を有する
    請求項1に記載の給電装置。
  5. 前記補助コイルの内径が、前記送電コイルの内径よりも小さい
    請求項4に記載の給電装置。
  6. 前記送電コイルの中心点と前記補助コイルの中心点とが、互いに略同軸上に位置する
    請求項4に記載の給電装置。
  7. 前記送電コイルと前記補助コイルとが、略同一面内に配設されている
    請求項4に記載の給電装置。
  8. 前記補助共振部は、各々が補助コイルを含む複数の共振器を有する
    請求項1に記載の給電装置。
  9. 前記複数の共振器における各補助コイルの内径が、前記送電コイルの内径よりも小さくなっていると共に、各補助コイルの内径が互いに異なっている
    請求項8に記載の給電装置。
  10. 前記送電コイルの中心点と各補助コイルの中心点とが、互いに略同軸上に位置する
    請求項9に記載の給電装置。
  11. 前記送電コイルと最外側の補助コイルとの内径の差分値と、隣接する補助コイル同士の内径の差分値とが、前記送電コイル側から前記中心点へ向かうに従って、徐々に大きくなっている
    請求項10に記載の給電装置。
  12. 前記送電コイルおよび各補助コイルがそれぞれ、異方性を示す内面形状を有し、
    前記送電コイルと最外側の補助コイルとの内径の差分値と、隣接する補助コイル同士の内径の差分値とがそれぞれ、前記内面形状における短手方向よりも長手方向において大きくなっている
    請求項10に記載の給電装置。
  13. 前記送電コイルと、前記複数の共振器における各補助コイルとが、略同一面内に配設されている
    請求項8に記載の給電装置。
  14. 前記複数の共振器における各補助共振周波数が、互いに異なっている
    請求項8に記載の給電装置。
  15. 前記送電コイルと前記補助コイルとが、電気的に絶縁されている
    請求項4に記載の給電装置。
  16. 前記送電コイルと、所定の容量素子または寄生容量成分とを用いて、前記主共振動作が行われる
    請求項1に記載の給電装置。
  17. 1または複数の電子機器と、
    前記電子機器に対して電力伝送を行う給電装置と
    を備え、
    前記給電装置は、磁界を用いて前記電力伝送を行うための送電コイルを含む送電部を有し、
    前記電子機器は、前記送電部から伝送された電力を受け取るための受電コイルを含む受電部を有し、
    前記給電装置内、前記電子機器内、ならびに、前記給電装置および前記電子機器とは別体である他の装置内のうちの少なくとも1つに、
    前記電力伝送の際の前記送電コイルまたは前記受電コイルを用いた主共振動作における主共振周波数とは周波数の異なる補助共振周波数を示す、1または複数の共振器を含む補助共振部が設けられている
    給電システム。
  18. 前記補助共振部が、前記他の装置としての補助装置内に設けられている
    請求項17に記載の給電システム。
  19. 磁界を用いて伝送された電力を受け取るための受電コイルと、1または複数の共振器を含む補助共振部とを有する受電部を備え、
    前記電力伝送の際の前記受電コイルを用いた主共振動作における主共振周波数と、前記共振器における補助共振周波数とが、互いに異なっている
    電子機器。
  20. 前記受電コイルと、所定の容量素子または寄生容量成分とを用いて、前記主共振動作が行われる
    請求項19に記載の電子機器。
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