JPWO2013114576A1 - 電力伝送装置、電力伝送システム、及び電力伝送方法 - Google Patents

Abstract

電力伝送装置は、送電又は受電回路と、送電又は受電回路に有線で接続される一のコイルと、一のコイルと電磁誘導で選択的に結合される互いに径の異なる複数の共振コイルと、複数の共振コイルの位置を制御する位置制御装置とを含み、位置制御装置は、複数の共振コイルのうちの１つの共振コイルの軸方向を選択的に前記一のコイルの軸方向に一致させる。

Description

本願開示は、一般に電力供給システムに関し、詳しくは無線で電力を供給する無線電力供給システムに関する。

空間的に離れた２点間で送電ケーブルを用いることなく電力伝送を行なうワイヤレス電力伝送技術の１つとして、磁界共鳴現象を用いて電力伝送を行う磁気共鳴電力伝送技術がある。磁気共鳴電力伝送では、キャパシタ及びインダクタによる共振機能をもつコイル（ＬＣ共振コイル）を、送電側と受電側とに設ける。送電側及び受電側のＬＣ共振コイルは、互いに共振周波数が一致しており、この共振周波数の高周波交流磁界を媒介として、送電側から受電側に電力を伝送する。

磁気共鳴電力伝送では、共振を利用しない電磁誘導現象に基づくワイヤレス電力伝送に比べ、送受電コイル間距離（コイル面に直交する方向の距離）や受電側の位置ずれマージン（コイル面に平行な方向のずれ）を大きく設けることができる。またサイズの異なるコイル間でも高効率で電力伝送が可能である。

一般的に、径の小さな共振コイルでは、比較的近い距離での送電効率がよく、比較的遠い距離での送電効率は劣化する。それに対して径の大きな共振コイルでは、比較的遠い距離での送電効率がよく、比較的近い距離での送電効率は劣化する。送電機器と受電機器との距離が一定であるならば、その距離で最適になる共振コイルの設計が可能である。しかし送受信間の距離が固定でない場合には、最適距離からのずれ量に応じて、送電効率が劣化するという問題がある。

特開２００８−２８３７９１号公報 特開２０１０−１４８１７４号公報

以上を鑑みると、送受信間の距離が変動しても送電効率が劣化しない電力伝送装置、電力伝送システム、及び電力伝送方法が望まれる。

電力伝送装置は、送電又は受電回路と、前記送電又は受電回路に有線で接続される一のコイルと、前記一のコイルと電磁誘導で選択的に結合される互いに径の異なる複数の共振コイルと、前記複数の共振コイルの位置を制御する位置制御装置とを含み、前記位置制御装置は、前記複数の共振コイルのうちの１つの共振コイルの軸方向を選択的に前記一のコイルの軸方向に一致させることを特徴とする。

電力伝送システムは、送電器と、前記送電器から磁気共鳴により電力を受信する受電器とを含み、前記送電器及び前記受電器の少なくとも一方は、送電又は受電回路と、前記送電又は受電回路に有線で接続される一のコイルと、前記一のコイルと電磁誘導で選択的に結合される互いに径の異なる複数の共振コイルと、前記複数の共振コイルの位置を制御する位置制御装置とを含み、前記位置制御装置は、前記複数の共振コイルのうちの１つの共振コイルの軸方向を選択的に前記一のコイルの軸方向に一致させることを特徴とする。

電力伝送方法は、互いに径の異なる複数の共振コイルのうちの１つの共振コイルを選択し、前記１つの共振コイルの軸方向を選択的に一のコイルの軸方向に一致させ、前記１つの共振コイル以外の共振コイルの軸方向を前記一のコイルの軸方向と直交させ、前記一のコイルに有線接続を介して交流電力を供給し、前記一のコイルから前記１つの共振コイルに電磁誘電により交流電力を供給し、前記１つの共振コイルから受信側の共振コイルに磁気共鳴により電力を伝送する各段階を含むことを特徴とする。

本願開示の少なくとも１つの実施例によれば、送受信間の距離が変動しても送電効率が劣化しない電力伝送装置、電力伝送システム、又は電力伝送方法を提供することができる。

磁気共鳴電力伝送システムの構成の一例を示す図である。 コイル並びに共振コイルの位置制御について説明するための斜視図である。 図２に示すコイル並びに共振コイルの配置を上（Ｚ軸の正方向）から見た平面図である。 コイル並びに共振コイルの別の配置例について説明するための斜視図である。 送電側のコイルと受電側のコイルとを示す図である。 送電距離と電力伝送効率との間の関係を示す図である。 送電側に３つの共振コイルが設けられた構成の一例を示す図である。 送電距離と電力伝送効率との間の関係を示す図である。 受電側に複数の共振コイルを設けた場合の送電側のコイルと受電側のコイルとを示す図である。 送電距離と電力伝送効率との間の関係を示す図である。 送電側に複数の共振コイルが設けられた電力伝送システムにおける送電器と受電器との詳細な構成の一例を示すブロック図である。 図１１に示す電力伝送システムの動作の一例を示すフローチャートである。 受電側に複数の共振コイルが設けられた電力伝送システムにおける送電器と受電器との詳細な構成の一例を示すブロック図である。 図１３に示す電力伝送システムの動作の一例を示すフローチャートである。

以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。なお以下の各図において、同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。

図１は、磁気共鳴電力伝送システムの構成の一例を示す図である。図１に示す電力伝送システム１０は、発振回路１１、コイル１２、共振コイル１３−１及び１３−２、容量１４−１及び１４−２、共振コイル１５、容量１６、コイル１７、整流回路１８、並びにバッテリ１９を含む。発振回路１１、コイル１２、共振コイル１３−１及び１３−２、並びに容量１４−１及び１４−２が、送電器に相当する。共振コイル１５、容量１６、コイル１７、整流回路１８、並びにバッテリ１９が受電器に相当する。受電器が送電器から磁気共鳴により電力を受信する電力伝送システム１０において、送電器及び受電器の少なくとも一方は、複数の共振コイルを含んでよい。図１に示す電力伝送システム１０では、一例として、送電器側に複数の共振コイル１３−１及び１３−２を設けた構成が示される。電力伝送システム１０はこの構成に限定されるものではなく、受電器側に複数の共振コイルが設けられていてもよく、送電器側と受電器側との両方において複数の共振コイルが設けられていてもよい。またこのようにして設けられる複数の共振コイルの数は、２個である必要はなく、３個又はそれ以上の複数の共振コイルが設けられてよい。

発振回路１１は、所望の発振周波数で発振する。コイル１２は、送電回路である発振回路１１に有線で接続されている。発振回路１１は、上記発振周波数の交流電力を有線接続を介してコイル１２に供給する。コイル１２は、径の互いに異なる複数の共振コイル１３−１及び共振コイル１３−２の１つと電磁誘導で選択的に結合され、結合した共振コイルに電力を供給する。

共振コイル１３−１には容量１４−１が接続されており、共振コイル１３−１と容量１４−１とが共振回路として機能する。同様に、共振コイル１３−２には容量１４−２が接続されており、共振コイル１３−２と容量１４−２とが共振回路として機能する。更に、共振コイル１５には容量１６が接続されており、共振コイル１５と容量１６とが共振回路として機能する。各共振回路は、互いに同一の共振周波数を有してよい。発振回路１１は、この共振周波数を有する交流電力をコイル１２に供給してよい。なお図１に示す例では、コイルに接続される各容量はコンデンサ（容量素子）として示されるが、この構成に限定されるものではない。各容量は、対応する各コイルが有する浮遊容量でもよい。各コイルの巻数は特定の巻数に限定されない。各コイルの巻数は、一巻きでもよいし、複数回巻きでもよい。また各コイルは、ヘリカルコイルであってもスパイラルコイルであってもよい。但し後述するように、各コイルは実質的に平板状であることが好ましい。即ち、複数回巻きのヘリカルコイルである場合には、コイル径に対してコイルの軸方向の長さが十分に短いことが好ましい。

共振コイル１３−１を流れる電流が共振周波数で振動することにより、磁気結合を介して、同一の共振周波数を有する共振コイル１５にも共振周波数で振動する電流が流れる。共振コイル１３−１を含む共振回路と共振コイル１５を含む共振回路とが双方共に共振することにより、それぞれの共振回路に大きな電流が流れ、電力が送電側から受電側に効率的に伝送される。即ち、共振コイル１３−１から共振コイル１５へと、磁気共鳴により電力が伝送される。

共振コイル１５は、コイル１７と電磁誘導で結合され、コイル１７に交流電力を供給する。コイル１７は、受電回路である整流回路１８に有線で接続されている。コイル１７は、交流電力を有線接続を介して整流回路１８に供給する。整流回路１８は交流電力を整流して直流電圧を生成し、当該直流電圧をバッテリ１９に印加することにより、バッテリ１９を充電する。

図２は、コイル１２並びに共振コイル１３−１及び１３−２の位置制御について説明するための斜視図である。コイル１２並びに共振コイル１３−１及び１３−２は、位置制御装置２０に固定されている。共振コイル１３−１及び１３−２に接続される容量は図示を省略してある。位置制御装置２０は、制御回路により駆動されるモータ（例えばステッピングモータ）を内蔵してよく、モータの駆動力によりコイル１２又は共振コイル１３−１及び１３−２を同一の回転軸Ａの周りに回転させる。図２において、回転軸Ａの方向はＺ軸の方向に一致している。

位置制御装置２０は、複数の共振コイル１３−１及び１３−２の位置を制御し、複数の共振コイル１３−１及び１３−２のうちの１つの共振コイル（図２の配置例では共振コイル１３−２）の軸方向を、選択的にコイル１２の軸方向に一致させる。また位置制御装置２０は、複数の共振コイル１３−１及び１３−２のうちの前記１つの共振コイル（図２の配置例では共振コイル１３−２）以外の共振コイル（図２の配置例では共振コイル１３−１）の軸方向をコイル１２の軸方向と直交するように位置させる。

図３は、図２に示すコイル１２並びに共振コイル１３−１及び１３−２の配置を上（Ｚ軸の正方向）から見た平面図である。図３に示すように、この配置例では、コイル１２と共振コイル１３−２との軸方向が、Ｙ軸方向に一致しており、共振コイル１３−１の軸方向が、Ｘ軸方向に一致している。

なお前述のように、各コイルの巻数は、一巻きでもよいし、複数回巻きでもよい。またコイルの軸方向とは、複数回巻きのヘリカルコイルの場合であれば、コイル線が巻き付けられる仮想的或いは実体のある円筒形状又は角柱形状の中心軸の延びる方向であり、コイル中を通過する磁束の方向に一致する。またスパイラルコイルの場合であれば、軸方向とは、スパイラルを含む平面に垂直な方向であり、コイルを含む平面におけるコイル中心部を通過する磁束の方向に一致する。一巻きのコイルである場合には、軸方向とは、一巻きのコイルを含む平面に垂直な方向であり、コイルを含む平面におけるコイル中心部を通過する磁束の方向に一致する。ここで、各コイルはヘリカルコイルであってもよいが、軸方向の長さが長いコイルの場合には、図２のようにコイルを回転させた場合に互いに物理的に接触してしまう可能性があるとともに、磁束の流れに干渉することになる。従って、各コイルは実質的に平板状であることが好ましい。即ち、複数回巻きのヘリカルコイルである場合には、コイル径に対してコイルの軸方向の長さが十分に短いことが好ましい。コイル１２と複数の共振コイル１３−１及び１３−２が平板状コイルである場合、位置制御装置２０は、複数の共振コイル１３−１及び１３−２のうちの１つの共振コイル（図２及び３の例では１３−２）を選択的にコイル１２と同一平面上に位置させてよい。また位置制御装置２０は、複数の共振コイル１３−１及び１３−２のうちの前記１つの共振コイル以外の共振コイル（図２及び３の例では１３−１）をコイル１２と直交平面上に位置させてよい。

また図２及び図３に示す例では、各コイルは同一回転軸周りを回転するが、各コイルの回転軸は同一でなくともよいが、共振コイルの回転軸はコイル１２と平行な方向（図３ではＸ方向）の中心付近が望ましい。コイル１２と垂直な方向（図３ではＹ方向）はどこでもよい。

図２及び図３に示す配置例のように、コイル１２と共振コイル１３−２との軸方向が一致することにより、コイル１２を通過する磁束が共振コイル１３−２を通過し、両コイルが電磁誘導により結合される。即ち、コイル１２に交流電力を供給することにより、コイル１２から共振コイル１３−２に電力を伝送することができる。またコイル１２と共振コイル１３−１との軸方向が直交することにより、コイル１２を通過する磁束が共振コイル１３−１を通過せず、両コイルが電磁誘導により結合されない。即ち、コイル１２に交流電力を供給しても、コイル１２から共振コイル１３−１には電力が伝送されない。

図４は、コイル１２並びに共振コイル１３−１及び１３−２の別の配置例について説明するための斜視図である。図４では、位置制御装置２０の図示を省略し、回転軸Ａ及び各コイルの位置関係のみを示してある。図４に示す配置例では、複数の共振コイル１３−１及び１３−２の位置を制御し、複数の共振コイル１３−１及び１３−２のうちの１つの共振コイル１３−１の軸方向を、選択的にコイル１２の軸方向に一致させている。また複数の共振コイル１３−１及び１３−２のうちの前記１つの共振コイル１３−１以外の共振コイル１３−２の軸方向をコイル１２の軸方向と直交するように位置させている。

図４に示す配置例のように、コイル１２と共振コイル１３−１との軸方向が一致することにより、コイル１２を通過する磁束が共振コイル１３−１を通過し、両コイルが電磁誘導により結合される。即ち、コイル１２に交流電力を供給することにより、コイル１２から共振コイル１３−１に電力を伝送することができる。またコイル１２と共振コイル１３−２との軸方向が直交することにより、コイル１２を通過する磁束が共振コイル１３−２を通過せず、両コイルが電磁誘導により結合されない。即ち、コイル１２に交流電力を供給しても、コイル１２から共振コイル１３−２には電力が伝送されない。

このようにして、コイル１２は、径の互いに異なる複数の共振コイル１３−１及び共振コイル１３−２のうちの１つと電磁誘導で選択的に結合され、結合した共振コイルに電力を供給する。この選択的に結合された共振コイルを介して、磁気共鳴により、受電側の共振コイルに電力が伝送される。

図５は、送電側のコイルと受電側のコイルとを示す図である。図５に示す例では、コイル１２の軸方向が共振コイル１３−２の軸方向と一致し、且つ、共振コイル１３−１の軸方向と直交するように、送電側の各コイルが配置されている。これらの送電側のコイルから距離をおいて、受電側のコイルである共振コイル１５とコイル１７とが配置される。共振コイル１５とコイル１７とは、図示されるように、互いの軸方向が一致してよい。共振コイル１５とコイル１７とが共に平板状である場合、共振コイル１５とコイル１７とは、図示されるように、同一平面上に位置されてよい。このような送電側及び受電側のコイル配置により、送電側のコイル１２は、複数の共振コイル１３−１及び１３−２のうちの１つと電磁誘導で選択的に結合され、選択結合された送電側の共振コイルから磁気共鳴により受電側の共振コイル１５に電力が伝送される。更に受電側の共振コイル１５から受電側のコイル１７に電力が伝送され、コイル１７から受電回路（図１の整流回路１８）に電力が供給される。

このように、径の異なる複数の共振コイルのうちの１つを選択的に用いて磁気共鳴電力伝送を行うことで、送電器と受電器との距離に応じて適切な径の共振コイルを選択して効率の良い電力伝送を実現することができる。即ち、送電器と受電器との距離に応じて伝送効率の良いコイル径が異なるところ、適切な径の共振コイルを選択することにより、送電器と受電器との距離に関わらず良好な電力伝送効率を実現することができる。

図６は、送電距離と電力伝送効率との間の関係を示す図である。図６に示す電力伝送効率は、計算機シミュレーションにより得られたものである。計算機シミュレーションの条件は以下の通りである。コイル１２は、線径１ｍｍの導線をコイル径２６mmになるように１巻きしたものである。共振コイル１３−１は、線径２ｍｍの導線をコイル径２０mm（最外径）になるようにピッチ３ｍｍの間隔で３巻きしたものである。共振コイル１３−２は、線径１ｍｍの導線をコイル径６０mmになるように１巻きしたものである。共振コイル１５は、線径２ｍｍの導線をコイル径２０mm（最外径）になるようにピッチ３ｍｍの間隔で３巻きしたものである。コイル１７は、線径１ｍｍの導線をコイル径２６mmになるように１巻きしたものである。また共振周波数は２ＭＨｚであるとした。なお送電距離は、共振コイル１３−１又は１３−２の中心と共振コイル１５の中心との間の距離である。

図６に示す送電距離と電力伝送効率との間の関係において、径２０ｍｍの共振コイル１３−１から径２０ｍｍの共振コイル１５に電力伝送する場合には、特性曲線３１に示されるように、比較的短い距離において電力伝送効率が高くなっている。また径６０ｍｍの共振コイル１３−２から径２０ｍｍの共振コイル１５に電力伝送する場合には、特性曲線３２に示されるように、比較的長い距離において電力伝送効率が高くなっている。従って、送電距離の長さに応じて、複数の共振コイル１３−１及び１３−２のうちの適切な方を選択し、磁気共鳴電力伝送に用いればよい。即ち、送電距離が比較的短いときには、共振コイル１３−１を選択し、磁気共鳴電力伝送に用いればよい。また送電距離が比較的長いときには、共振コイル１３−２を選択し、磁気共鳴電力伝送に用いればよい。

図７は、送電側に３つの共振コイルが設けられた構成の一例を示す図である。図７の例では、コイル１２並びに共振コイル１３−１及び１３−２に加え、共振コイル１３−２よりも径の大きな共振コイル１３−３が設けられている。共振コイル１３−１乃至１３−３は、回転軸Ａの周りにそれぞれ独立に回転可能でよい。

このように、径の異なる複数の共振コイルとして３つの共振コイルを設けた場合であっても、送電器と受電器との距離に応じて１つの共振コイルを選択して磁気共鳴電力伝送を行うことで、効率の良い電力伝送を実現することができる。即ち、送電器と受電器との距離に応じて伝送効率の良いコイル径が異なるところ、適切な径の共振コイルを選択することにより、送電器と受電器との距離に関わらず良好な電力伝送効率を実現することができる。

図８は、送電距離と電力伝送効率との間の関係を示す図である。図８に示す電力伝送効率は、図６に示す場合と同様の計算機シミュレーションにより得られた電力伝送効率である。計算機シミュレーションの条件としては、図６の場合と同一のシミュレーション条件に加え、共振コイル１３−３として、線径２ｍｍの導線をコイル径８０mmになるように１巻きしたものを用いている。

図８に示す送電距離と電力伝送効率との間の関係において、径２０ｍｍの共振コイル１３−１から径２０ｍｍの共振コイル１５に電力伝送する場合には、特性曲線３１に示されるように、比較的短い距離において電力伝送効率が高くなっている。また径６０ｍｍの共振コイル１３−２から径２０ｍｍの共振コイル１５に電力伝送する場合には、特性曲線３２に示されるように、中程度の距離において電力伝送効率が高くなっている。また径８０ｍｍの共振コイル１３−３から径２０ｍｍの共振コイル１５に電力伝送する場合には、特性曲線３３に示されるように、比較的長い距離において電力伝送効率が高くなっている。従って、送電距離の長さに応じて、複数の共振コイル１３−１乃至１３−３のうちの適切な１つを選択し、磁気共鳴電力伝送に用いればよい。即ち、送電距離が比較的短いときには、共振コイル１３−１を選択し、磁気共鳴電力伝送に用いればよい。また送電距離が中程度のときには、共振コイル１３−２を選択し、磁気共鳴電力伝送に用いればよい。また送電距離が比較的長いときには、共振コイル１３−３を選択し、磁気共鳴電力伝送に用いればよい。

図９は、受電側に複数の共振コイルを設けた場合の送電側のコイルと受電側のコイルとを示す図である。この構成例において、送電側には、コイル１２及び１つの共振コイル１３が設けられる。また受電側には、コイル１７及び２つの共振コイル１５−１及び１５−２が設けられる。コイル１２と共振コイル１３とは、図示されるように、互いの軸方向が一致してよい。コイル１２と共振コイル１３とが共に平板状である場合、コイル１２と共振コイル１３とは、図示されるように、同一平面上に位置されてよい。

コイル１７並びに共振コイル１５−１及び１５−２は、位置制御装置４０に固定されている。位置制御装置４０は、制御回路により駆動されるモータ（例えばステッピングモータ）を内蔵してよく、モータの駆動力によりコイル１７又は共振コイル１５−１及び１５−２を同一の回転軸Ｂの周りに回転させる。位置制御装置４０は、複数の共振コイル１５−１及び１５−２の位置を制御し、複数の共振コイル１５−１及び１５−２のうちの１つの共振コイル（図９の配置例では共振コイル１５−２）の軸方向を、選択的にコイル１７の軸方向に一致させる。また位置制御装置４０は、複数の共振コイル１５−１及び１５−２のうちの前記１つの共振コイル（図９の配置例では共振コイル１５−２）以外の共振コイル（図９の配置例では共振コイル１５−１）の軸方向をコイル１７の軸方向と直交するように位置させる。

上記のような送電側及び受電側のコイル配置により、送電側のコイル１２は、共振コイル１３と電磁誘導で結合され、送電側の共振コイル１３から磁気共鳴により受電側の複数の共振コイル１５−１及び１５−２に電力が伝送される。更に受電側の複数の共振コイル１５−１及び１５−２の一方が選択的にコイル１７と電磁誘導で結合され、受電側のコイル１７に電力が伝送される。更に、コイル１７から受電回路（図１の整流回路１８）に電力が供給される。

このように、径の異なる複数の共振コイルのうちの１つを選択的に用いて磁気共鳴電力伝送を行うことで、送電器と受電器との距離に応じて適切な径の共振コイルを選択して効率の良い電力伝送を実現することができる。即ち、送電器と受電器との距離に応じて伝送効率の良いコイル径が異なるところ、適切な径の共振コイルを選択することにより、送電器と受電器との距離に関わらず良好な電力伝送効率を実現することができる。

図１０は、送電距離と電力伝送効率との間の関係を示す図である。図６に示す電力伝送効率は、計算機シミュレーションにより得られたものである。計算機シミュレーションの条件は以下の通りである。コイル１２は、線径１ｍｍの導線をコイル径２６mmになるように１巻きしたものである。共振コイル１３は、線径１ｍｍの導線をコイル径６０mmになるように１巻きしたものである。共振コイル１５−１は、線径２ｍｍの導線をコイル径２０mm（最外径）になるようにピッチ３ｍｍの間隔で３巻きしたものである。共振コイル１５−２は、線径１ｍｍの導線をコイル径６０mm（最外径）になるようにピッチ３ｍｍの間隔で３巻きしたものである。コイル１７は、線径１ｍｍの導線をコイル径２６mmになるように１巻きしたものである。また共振周波数は２ＭＨｚであるとした。なお送電距離は、共振コイル１３の中心と共振コイル１５−１又は１５−２の中心との間の距離である。

図１０に示す送電距離と電力伝送効率との間の関係において、径６０ｍｍの共振コイル１３から径２０ｍｍの共振コイル１５−１に電力伝送する場合には、特性曲線４１に示されるように、比較的短い距離において電力伝送効率が高くなっている。また径６０ｍｍの共振コイル１３から径６０ｍｍの共振コイル１５−２に電力伝送する場合には、特性曲線４２に示されるように、比較的長い距離において電力伝送効率が高くなっている。従って、送電距離の長さに応じて、複数の共振コイル１５−１及び１５−２のうちの適切な方を選択し、磁気共鳴電力伝送に用いればよい。即ち、送電距離が比較的短いときには、共振コイル１５−１を選択し、磁気共鳴電力伝送に用いればよい。また送電距離が比較的長いときには、共振コイル１５−２を選択し、磁気共鳴電力伝送に用いればよい。

図１１は、送電側に複数の共振コイルが設けられた電力伝送システムにおける送電器と受電器との詳細な構成の一例を示すブロック図である。図１１の電力伝送システムは、送電器５０と受電器５１とを含む。送電器５０は、コイル１２、共振コイル１３−１及び１３−２、電源６１、発振器６２、増幅器６３、無線通信器６４、制御部６５、モータ駆動部６６、及びモータ６７を含む。受電器５１は、共振コイル１５、コイル１７、受電回路７１、バッテリー７２、無線通信器７３、及び制御部７４を含む。

コイル１２並びに共振コイル１３−１及び１３−２は、図１に示されるコイル１２並びに共振コイル１３−１及び１３−２に相当する。また発振器６２及び増幅器６３は、図１に示される発振回路１１に相当する。またモータ駆動部６６及びモータ６７は、図２の位置制御装置２０に相当する。図１１において、電源６１から供給される電源電圧に基づいて発振器６２が発振し、発振信号を増幅器６３により増幅する。増幅された発振信号が、交流電力として、有線結合を介してコイル１２に供給される。図１１の例では、モータ駆動部６６により駆動されるモータ６７によりコイル１２の角度位置が調整され、共振コイル１３−１及び１３−２の位置は固定であってよい。この角度調整により、コイル１２は、共振コイル１３−１及び１３−２の一方と軸方向が一致し、且つ、残りの一方と軸方向が直交するように位置される。なお、モータ６７により共振コイル１３−１及び１３−２の角度位置が調整され、コイル１２の位置は固定である構成であってもよい。モータ駆動部６６は制御部６５により制御される。無線通信器６４は、受電器５１の無線通信器７３との間で、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ(登録商標)等による無線通信を行う。制御部６５は、無線通信器６４が無線通信により受電器５１から得たデータを受け取り、このデータに基づいてモータ駆動部６６を制御する。

受電器５１において、共振コイル１５及びコイル１７は、図１に示される共振コイル１５及びコイル１７に相当する。また受電回路７１は、図１に示される整流回路１８に相当する。共振コイル１５が、送電器５０側の共振コイル１３−１又は１３−２から電力を受信し、電磁誘導を介してこの電力をコイル１７に伝送する。受電回路７１は、有線結合を介してコイル１７から交流電力を受け取り、交流電力を直流電圧に変換してバッテリー７２に供給する。これによりバッテリー７２が充電される。また受電回路７１は、受信した電力の電力受電量を検出し、電力受電量の検出値を制御部７４に通知する。制御部７４は、無線通信器７３を制御し、電力受電量の検出値を示すデータを無線通信器７３から送信する。またバッテリー７２は、電池の充電状態を監視しており、充電が完了すると、充電完了通知を制御部７４に通知する。制御部７４は、無線通信器７３を制御し、充電完了を示すデータを無線通信器７３から送信する。

送電器５０側の制御部６５は、受電器５１の無線通信器７３から無線通信器６４を介して受け取った電力受電量の検出値を示すデータに応じて、モータ駆動部６６を制御する。この制御により、検出された電力受電量に応じて、適切な共振コイルが複数の共振コイル１３−１及び１３−２から選択される。即ち、送電器５０及び受電器５１間の距離に応じて、適切な共振コイルが選択される。また制御部６５は、受電器５１の無線通信器７３から無線通信器６４を介して受け取った充電完了を示すデータに応答して、発振器６２の発振動作を停止させる。この制御により、バッテリの充電が完了すると、交流電力の送信を終了させることができる。

また制御部６５は、受電器５１の無線通信器７３から無線通信器６４を介して受け取った電力受電量の検出値を示すデータに応じて、発振器６２の発振動作を継続又は停止させる。電力受電量の検出値を示すデータが所定時間以上継続してゼロの電力受電量を示す場合、発振器６２の発振動作を停止させ、交流電力の送信を終了させてよい。また制御部６５は、受電器５１の無線通信器７３から所定時間以上継続して何らのデータも受信しない場合、発振器６２の発振動作を停止させてよい。これらの制御により、受電器５１が電力伝送範囲の外に置かれた場合に、発振器６２の発振動作を停止させ、無駄な交流電力の送信を終了させることができる。

図１２は、図１１に示す電力伝送システムの動作の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１で、受電器５１が送電器５０から電力伝送可能な範囲内に置かれたか否かを検出する。例えば、人手による送電器５０に対するスイッチ操作等により、受電器５１が電力伝送可能範囲に置かれたことを送電器５０に知らせてよい。また或いは、受電器５１と送電器５０との間のＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信手段により、受電器５１が電力伝送可能範囲に置かれたか否かを検出してよい。受電器５１が電力伝送可能範囲内に置かれたことを検出するまではステップＳ１の判定を繰り返す。受電器５１が電力伝送可能範囲内に置かれたことを検出した場合（ステップＳ１でＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。ステップＳ２で、コイルＢ（例えば図２の共振コイル１３−１）から受電器５１に電力伝送し、受電器５１により電力受電量を検出し、送電器５０の制御部６５が無線によるデータ通信を介して電力受電量を確認する。更にステップＳ３で、コイルＡ（例えば図２の共振コイル１３−２）から受電器５１に電力伝送し、受電器５１により電力受電量を検出し、送電器５０の制御部６５が無線によるデータ通信を介して電力受電量を確認する。

ステップＳ４で、電力受電量を比較し、コイルＡの場合の電力受電量がコイルＢの場合の電力受電量よりも大きいか否かを判定する。ステップＳ４での判定結果がＹＥＳの場合には、コイルＡ（例えば図２の共振コイル１３−２）を選択して、コイルＡから受電器５１に電力伝送する。またステップＳ４での判定結果がＮＯの場合には、コイルＢ（例えば図２の共振コイル１３−１）を選択し、コイルＢから受電器５１に電力伝送する。

ステップＳ７で、受電器５１が送電器５０から電力伝送可能な範囲内に存在するか否かを検出する。受電器５１が送電器５０から電力伝送可能な範囲内に存在する場合（ステップＳ７でＹＥＳ）、ステップＳ８でバッテリが満充電されたか否かを判定する。満充電されていない場合（ステップＳ８でＮＯ）、ステップＳ７に戻り以降の処理を繰り返す。

受電器５１が送電器５０から電力伝送可能な範囲内に存在しない場合（ステップＳ７でＮＯ）、又は、ステップＳ８でバッテリが満充電されたと判定された場合（ステップＳ８でＹＥＳ）、ステップＳ９で送電器５０からの電力伝送を停止する。

図１３は、受電側に複数の共振コイルが設けられた電力伝送システムにおける送電器と受電器との詳細な構成の一例を示すブロック図である。図１１の電力伝送システムは、送電器５０Ａと受電器５１Ａとを含む。送電器５０Ａは、コイル１２、共振コイル１３、電源６１、発振器６２、増幅器６３、無線通信器６４、及び制御部６５を含む。受電器５１Ａは、共振コイル１５−１及び１５−２、コイル１７、受電回路７１、バッテリー７２、無線通信器７３、制御部７４、モータ駆動部７５、及びモータ７６を含む。図１３において、図１１と同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。

図１１の電力伝送システムの構成と異なり、図１３の電力伝送システムでは、受電側に複数の共振コイルが設けられており、これに伴い、モータ駆動部７５及びモータ７６が受電器５１Ａに設けられている。送電器５０Ａにモータ駆動部及びモータは設けられていない。図１３の例では、モータ駆動部７５により駆動されるモータ７６によりコイル１７の角度位置が調整され、共振コイル１５−１及び１５−２の位置は固定であってよい。この角度調整により、コイル１７は、共振コイル１５−１及び１５−２の一方と軸方向が一致し、且つ、残りの一方と軸方向が直交するように位置される。なお、モータ７６により共振コイル１５−１及び１５−２の角度位置が調整され、コイル１７の位置は固定である構成であってもよい。モータ駆動部７５は制御部７４により制御される。モータ駆動部７５及びモータ７６は、図９の位置制御装置４０に相当する。

共振コイル１５−１又は１５−２が、送電器５０Ａ側の共振コイル１３から電力を受信し、電磁誘導を介してこの電力をコイル１７に伝送する。受電回路７１は、有線結合を介してコイル１７から交流電力を受け取り、交流電力を直流電圧に変換してバッテリー７２に供給する。これによりバッテリー７２が充電される。また受電回路７１は、受信した電力の電力受電量を検出し、電力受電量の検出値を制御部７４に通知する。制御部７４は、電力受電量の検出値に応じて、モータ駆動部７５を制御する。この制御により、検出された電力受電量に応じて、適切な共振コイルが複数の共振コイル１５−１及び１５−２から選択される。即ち、送電器５０Ａ及び受電器５１Ａ間の距離に応じて、適切な共振コイルが選択される。

図１４は、図１３に示す電力伝送システムの動作の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１で、受電器５１Ａが送電器５０Ａから電力伝送可能な範囲内に置かれたか否かを検出する。例えば、人手による送電器５０Ａに対するスイッチ操作等により、受電器５１Ａが電力伝送可能範囲に置かれたことを送電器５０Ａに知らせてよい。また或いは、受電器５１Ａと送電器５０Ａとの間のＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信手段により、受電器５１Ａが電力伝送可能範囲に置かれたか否かを検出してよい。受電器５１Ａが電力伝送可能範囲内に置かれたことを検出するまではステップＳ１の判定を繰り返す。受電器５１Ａが電力伝送可能範囲内に置かれたことを検出した場合（ステップＳ１でＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。ステップＳ２で、コイルＡＡ（例えば図９の共振コイル１５−２）により受電器５１Ａが電力を受電し、電力受電量を検出し、受電器５１Ａの制御部７４が電力受電量を確認する。更にステップＳ３で、コイルＢＢ（例えば図９の共振コイル１５−１）により受電器５１Ａが電力を受電し、電力受電量を検出し、受電器５１Ａの制御部７４が電力受電量を確認する。

ステップＳ４で、電力受電量を比較し、コイルＡＡの場合の電力受電量がコイルＢＢの場合の電力受電量よりも大きいか否かを判定する。ステップＳ４での判定結果がＹＥＳの場合には、コイルＡＡ（例えば図９の共振コイル１５−２）を選択し、コイルＡＡにより受電器５１Ａが電力を受け取る。またステップＳ４での判定結果がＮＯの場合には、コイルＢＢ（例えば図９の共振コイル１５−１）を選択し、コイルＢＢにより受電器５１Ａが電力を受け取る。

ステップＳ７で、受電器５１Ａが送電器５０Ａから電力伝送可能な範囲内に存在するか否かを検出する。受電器５１Ａが送電器５０Ａから電力伝送可能な範囲内に存在する場合（ステップＳ７でＹＥＳ）、ステップＳ８でバッテリが満充電されたか否かを判定する。満充電されていない場合（ステップＳ８でＮＯ）、ステップＳ７に戻り以降の処理を繰り返す。

受電器５１Ａが送電器５０Ａから電力伝送可能な範囲内に存在しない場合（ステップＳ７でＮＯ）、又は、ステップＳ８でバッテリが満充電されたと判定された場合（ステップＳ８でＹＥＳ）、ステップＳ９で送電器５０Ａからの電力伝送を停止する。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、受電器側が共振コイルのみの場合や、送電器側が共振コイルのみの場合など、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。

１０ 電力伝送システム
１１ 発振回路
１２ コイル
１３−１及び１３−２ 共振コイル
１４−１及び１４−２ 容量
１５ 共振コイル
１６ 容量
１７ コイル
１８ 整流回路
１９ バッテリ
２０，４０ 位置制御装置

Claims (11)

1. 送電又は受電回路と、
   前記送電又は受電回路に有線で接続される一のコイルと、
   前記一のコイルと電磁誘導で選択的に結合される互いに径の異なる複数の共振コイルと、
   前記複数の共振コイルの位置を制御する位置制御装置と、
   を含み、前記位置制御装置は、前記複数の共振コイルのうちの１つの共振コイルの軸方向を選択的に前記一のコイルの軸方向に一致させることを特徴とする電力伝送装置。
2. 前記位置制御装置は、前記複数の共振コイルのうちの前記１つの共振コイル以外の共振コイルの軸方向を前記一のコイルの軸方向と直交するように位置させることを特徴とする請求項１記載の電力伝送装置。
3. 前記一のコイルと前記複数の共振コイルは平板状コイルであり、前記位置制御装置は、前記複数の共振コイルのうちの前記１つの共振コイルを選択的に前記一のコイルと同一平面上に位置させ、前記複数の共振コイルのうちの前記１つの共振コイル以外の共振コイルを前記一のコイルと直交平面上に位置させることを特徴とする請求項１又は２記載の電力伝送装置。
4. 前記一のコイルと前記複数の共振コイルは平板状コイルであり、前記位置制御装置により、同一の回転軸周りに回転するように位置が制御されることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の電力伝送装置。
5. 送電器と、
   前記送電器から磁気共鳴により電力を受信する受電器と、
   を含み、前記送電器及び前記受電器の少なくとも一方は、
   送電又は受電回路と、
   前記送電又は受電回路に有線で接続される一のコイルと、
   前記一のコイルと電磁誘導で選択的に結合される互いに径の異なる複数の共振コイルと、
   前記複数の共振コイルの位置を制御する位置制御装置と、
   を含み、前記位置制御装置は、前記複数の共振コイルのうちの１つの共振コイルの軸方向を選択的に前記一のコイルの軸方向に一致させることを特徴とする電力伝送システム。
6. 前記受電回路は電力受電量を検出し、前記１つの共振コイルは前記検出された電力受電量に応じて前記複数の共振コイルのうちから選択されることを特徴とする請求項５記載の電力伝送システム。
7. 前記送電器及び前記受電器の各々は互いに通信する無線通信装置を更に含み、前記無線通信装置を介して前記検出された電力受電量を示すデータを前記受電器から前記送電器に送信することを特徴とする請求項５又は６記載の電力伝送システム。
8. 前記位置制御装置は、前記複数の共振コイルのうちの前記１つの共振コイル以外の共振コイルの軸方向を前記一のコイルの軸方向と直交するように位置させることを特徴とする請求項５乃至７何れか一項記載の電力伝送システム。
9. 前記一のコイルと前記複数の共振コイルは平板状コイルであり、前記位置制御装置は、前記複数の共振コイルのうちの前記１つの共振コイルを選択的に前記一のコイルと同一平面上に位置させ、前記複数の共振コイルのうちの前記１つの共振コイル以外の共振コイルを前記一のコイルと直交平面上に位置させることを特徴とする請求項５乃至８何れか一項記載の電力伝送システム。
10. 互いに径の異なる複数の共振コイルのうちの１つの共振コイルを選択し、
    前記１つの共振コイルの軸方向を選択的に一のコイルの軸方向に一致させ、
    前記１つの共振コイル以外の共振コイルの軸方向を前記一のコイルの軸方向と直交させ、
    前記一のコイルに有線接続を介して交流電力を供給し、
    前記一のコイルから前記１つの共振コイルに電磁誘電により交流電力を供給し、
    前記１つの共振コイルから受信側の共振コイルに磁気共鳴により電力を伝送する
    各段階を含むことを特徴とする電力伝送方法。
11. 互いに径の異なる複数の共振コイルのうちの１つの共振コイルを選択し、
    前記１つの共振コイルの軸方向を選択的に二のコイルの軸方向に一致させ、
    前記１つの共振コイル以外の共振コイルの軸方向を前記二のコイルの軸方向と直交させ、
    前記１つの共振コイルから前記二のコイルに電磁誘電により交流電力を供給し、
    送信側の共振コイルから受信側の共振コイルに磁気共鳴により電力を伝送する
    各段階を含むことを特徴とする電力伝送方法。

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