WO2017159330A1

WO2017159330A1 - 送電装置、受電装置およびワイヤレス給電システム

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Publication number: WO2017159330A1
Application number: PCT/JP2017/007603
Authority: WO
Inventors: 達也細谷
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2017-09-21
Also published as: JP6696563B2; US20180323655A1; US10910880B2; JPWO2017159330A1

Abstract

送電コイル（１０）はコイル開口（ＡＰ）を有し、送電コイル（１０）に接続される送電回路（１）と、送電コイル（１０）のコイル開口（ＡＰ）に対向して配置される、導電性または磁性の送電コイル近接部材（１１）と、送電コイル（１０）に対して送電コイル近接部材（１１）が配置される側とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して送電コイル（１０）と結合する中継コイル（２０）と、を備え、送電コイル（１０）と送電コイル近接部材（１１）との最短距離を（ｄｔ１）、送電コイル（１０）と中継コイル（２０）との最短距離を（ｄｔ２）、でそれぞれ表すとき、ｄｔ２≦ｄｔ１の関係にある。

Description

送電装置、受電装置およびワイヤレス給電システム

　本発明は、電力の送電装置、受電装置、およびそれらで構成されるワイヤレス給電システムに関する発明である。

　電磁誘導方式、磁界共鳴方式、直流共鳴方式等の磁界結合型のワイヤレス給電システムにおいては、送電装置の送電コイルと受電装置の受電コイルとが磁界を介して結合することで給電が行われる。例えば特許文献１には、直流共鳴方式の給電システムの一例が示されている。

国際公開第２０１４／０５７９５９号

　上記送電装置と受電装置は、それらが所定の位置関係に配置されることで、送電装置が備える送電コイルと、受電装置が備える受電コイルとが磁界結合するように構成されている。

　しかし、送電装置の近傍または送電装置の内部に、アルミニウム製や鉄製等の導電性部材や磁性部材が設けられることがある。使用形態によっては、このような導電性部材や磁性部材が受電コイルよりも送電コイルに近接配置される状態がある。このような状態では、上記導電性部材や磁性部材が送電コイルにより生じる磁束から磁界エネルギーを奪い、ジュール熱などに変換されて、エネルギー損失となることで、給電効率を低下し、場合によってはワイヤレス給電ができなくなる。

　そこで、本発明の目的は、送電コイルまたは受電コイルに面状の導電性部材や磁性部材が近接することによって導電性部材や磁性部材において発生する渦電流などに起因するエネルギー損失によるシステムにおける電力損失の増加や電力効率の低下が抑制された、送電装置、受電装置、およびそれらで構成されるワイヤレス給電システムを提供することにある。

（１）本発明の送電装置は、
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムの送電装置において、
　前記送電コイルはコイル開口を有し、
　前記送電コイルに接続される送電回路と、
　前記送電コイルの前記コイル開口に対向して配置される、平面状または曲面状の面状部を有し、前記ワイヤレス給電システムの動作による磁界によって渦電流が流れる、導電性または磁性の送電コイル近接部材と、
　前記送電コイルに対して前記送電コイル近接部材が配置される側とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記送電コイルと結合する中継コイルと、
　を備え、
　前記送電コイルと前記送電コイル近接部材との最短距離をｄｔ１、前記送電コイルと前記中継コイルとの最短距離をｄｔ２、でそれぞれ表すとき、ｄｔ２≦ｄｔ１の関係にある。

　上記構成により、送電コイルより発生する磁束のうち送電コイル近接部材に達しない磁束が中継コイルに鎖交することができるので、送電コイル近接部材の影響を大きく受けることなく、中継コイルを介して、送電コイルから受電コイルへの給電が可能となる。

（２）本発明の送電装置は、
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムの送電装置であって、
　前記送電コイルはコイル開口を有し、
　前記送電コイルに接続される送電回路と、
　前記送電コイルを収容し、前記送電コイルの前記コイル開口と対向する内面と、前記内面の裏側に位置する外面と、を有する筐体と、
　前記送電コイルに対して前記筐体の前記内面とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記送電コイルと結合する中継コイルと、
を備え、
　前記送電コイルと前記筐体の前記外面との最短距離をｄｔ１’、前記送電コイルと前記中継コイルとの最短距離をｄｔ２、でそれぞれ表すとき、ｄｔ２≦ｄｔ１’の関係にある。

　上記構成により、送電装置を例えば金属板に載置しても、送電コイルが発生する磁束のうち、金属板に達しない磁束が中継コイルに鎖交するので、上記金属板の影響を大きく受けることなく、中継コイルを介して、送電コイルから受電コイルへの給電が可能となる。

（３）上記（１）または（２）において、前記中継コイルに接続されて、前記中継コイルとともに共振回路を構成する共振キャパシタを備えることが好ましい。

（４）また、前記共振回路の共振周波数は、前記送電コイルから形成される交番磁界の周波数に等しいことが好ましい。これにより、共振周波数において中継コイルに流れる電流が増大し、電力効率が高まる。

（５）本発明の受電装置は、
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムの受電装置において、
　前記受電コイルはコイル開口を有し、
　前記受電コイルに接続される受電回路と、
　前記受電コイルの前記コイル開口に対向して配置される、平面状または曲面状の面状部を有し、前記ワイヤレス給電システムの動作による磁界によって渦電流が流れる、導電性または磁性の受電コイル近接部材と、
　前記受電コイルに対して前記受電コイル近接部材が配置される側とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記受電コイルと結合する中継コイルと、
　を備え、
　前記受電コイルと前記受電コイル近接部材との最短距離をｄｒ１、前記受電コイルと前記中継コイルとの最短距離をｄｒ２、でそれぞれ表すとき、ｄｒ２≦ｄｒ１の関係にある。

　上記構成により、受電コイルに鎖交する磁束のうち、受電コイル近接部材に達しない磁束が中継コイルに鎖交するので、受電コイル近接部材の影響を大きく受けることなく、中継コイルを介して、送電コイルから受電コイルへの給電が可能となる。

（６）本発明の受電装置は、
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムの受電装置において、
　前記受電コイルはコイル開口を有し、
　前記受電コイルに接続される受電回路と、
　前記受電コイルを収容し、前記受電コイルの前記コイル開口と対向する内面と、前記内面の裏側に位置する外面と、を有する筐体と、
　前記受電コイルに対して前記筐体の前記内面とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記受電コイルと結合する中継コイルと、
を備え、
　前記受電コイルと前記筐体の前記外面との距離をｄｒ１’、前記受電コイルと前記中継コイルとの距離をｄｒ２、でそれぞれ表すとき、ｄｒ２≦ｄｒ１’の関係にある。

　上記構成により、受電装置に例えば金属板が近接配置されても、受電コイルの磁束が金属板に達しない状態で、その磁束が中継コイルに鎖交するので、上記金属板の影響を大きく受けることなく、中継コイルを介して、送電コイルから受電コイルへの給電が可能となる。

（７）上記（５）または（６）において、前記中継コイルに接続されて、前記中継コイルとともに共振回路を構成する共振キャパシタを備えることが好ましい。

（８）また、前記共振回路の共振周波数は、前記送電コイルから形成される交番磁界の周波数に等しく設定することが好ましい。これにより、共振周波数において中継コイルに流れる共振電流が増大し、電力効率を高めることができる。

（９）本発明のワイヤレス給電システムは、
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
　前記送電コイルはコイル開口を有し、
　前記送電装置は、前記送電コイルに接続される送電回路と、前記送電コイルの前記コイル開口に対向して配置される、平面状または曲面状の面状部を有し、前記ワイヤレス給電システムの動作による磁界によって渦電流が流れる、導電性または磁性の送電コイル近接部材と、前記送電コイルに対して前記送電コイル近接部材が配置される側とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記送電コイルと結合する中継コイルと、を備え、
　前記送電コイルと前記送電コイル近接部材との距離をｄｔ１、前記送電コイルと前記中継コイルとの距離をｄｔ２、でそれぞれ表すとき、ｄｔ２≦ｄｔ１の関係にある。

　上記構成により、送電コイルが発生する磁束のうち、送電コイル近接部材に達しない磁束が中継コイルに鎖交するので、送電コイル近接部材の影響を大きく受けることなく、中継コイルを介して、送電コイルから受電コイルへの給電が可能となる。

（１０）本発明のワイヤレス給電システムは、
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムであって、
　前記送電コイルはコイル開口を有し、
　前記送電装置は、前記送電コイルに接続される送電回路と、前記送電コイルを収容し、前記送電コイルの前記コイル開口と対向する内面と、前記内面の裏側に位置する外面と、を有する筐体と、前記送電コイルに対して前記筐体の前記内面とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記送電コイルと結合する中継コイルと、を備え、
　前記送電コイルと前記筐体の前記外面との距離をｄｔ１’、前記送電コイルと前記中継コイルとの距離をｄｔ２、でそれぞれ表すとき、ｄｔ２≦ｄｔ１’の関係にある。

（１１）上記（９）または（１０）において、序数をｎ（１以上の整数）で表すと、前記中継コイルは、第ｎ中継コイルと、前記第ｎ中継コイルよりも前記送電コイルから更に遠方に位置する第（ｎ＋１）中継コイルと、を含み、前記第ｎ中継コイルから前記第（ｎ＋１）中継コイルまでの距離をｄｔ（ｎ＋２）で表し、前記第ｎ中継コイルよりも前記送電コイル側に位置する第（ｎ－１）中継コイルから前記第ｎ中継コイルまでの距離、または前記送電コイルから前記第ｎ中継コイルまでの距離をｄｔ（ｎ＋１）で表すとき、ｄｔ（ｎ＋２）≦ｄｔ（ｎ＋１）の関係にあることが好ましい。これにより、複数の中継コイルを介して効率良く給電できる。

（１２）本発明のワイヤレス給電システムは、
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
　前記受電コイルはコイル開口を有し、
　前記受電装置は、前記送電コイルに接続される受電回路と、前記受電コイルの前記コイル開口に対向して配置される、平面状または曲面状の面状部を有し、前記ワイヤレス給電システムの動作による磁界によって渦電流が流れる、導電性または磁性の受電コイル近接部材と、前記受電コイルに対して前記受電コイル近接部材が配置される側とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記受電コイルと結合する中継コイルと、を備え、
　前記受電コイルと前記受電コイル近接部材との距離をｄｒ１、前記受電コイルと前記中継コイルとの距離をｄｒ２、でそれぞれ表すとき、ｄｒ２≦ｄｒ１の関係にある。

（１３）本発明のワイヤレス給電システムは、
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
　前記受電コイルはコイル開口を有し、
　前記受電装置は、前記送電コイルに接続される受電回路と、前記受電コイルを収容し、前記受電コイルの前記コイル開口と対向する内面と、前記内面の裏側に位置する外面と、を有する筐体と、前記受電コイルに対して前記筐体の前記内面とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記受電コイルと結合する中継コイルと、を備え、
　前記受電コイルと前記筐体の前記外面との距離をｄｒ１’、前記受電コイルと前記中継コイルとの距離をｄｒ２、でそれぞれ表すとき、ｄｒ２≦ｄｒ１’の関係にある。

（１４）上記（８）から（１３）のいずれかにおいて、前記中継コイルに接続されて、前記中継コイルとともに共振回路を構成する共振キャパシタを備えることが好ましい。

（１５）また、前記共振回路の共振周波数は、前記送電コイルから形成される交番磁界の周波数に等しいことが好ましい。これにより、共振周波数において中継コイルに流れる電流が増大し、ワイヤレス給電の電力効率が高まる。

　本発明によれば、送電コイルまたは受電コイルに面状の導電性部材や磁性部材が近接することによって導電性部材や磁性部材において発生する渦電流などに起因するエネルギー損失によるシステムにおける電力損失の増加や電力効率の低下が抑制された、送電装置、受電装置、およびそれらで構成されるワイヤレス給電システムが得られる。

図１は第１の実施形態に係る送電装置およびワイヤレス給電システム４０１Ａの構成を示す図である。図２は本実施形態に係る別のワイヤレス給電システム４０１Ｂの構成を示す図である。図３は第１の実施形態のワイヤレス給電システム４０１Ａの回路図である。図４は図３の各部の波形図である。図５は第２の実施形態に係る送電装置１０２の構成を示す図である。図６は第３の実施形態に係るワイヤレス給電システム４０３の構成を示す図である。図７は第４の実施形態に係るワイヤレス給電システム４０４の構成を示す図である。図８は第５の実施形態に係るワイヤレス給電システム４０５の構成を示す図である。

　以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

《第１の実施形態》
　図１は第１の実施形態に係る送電装置およびワイヤレス給電システム４０１Ａの構成を示す図である。このワイヤレス給電システム４０１Ａは、送電コイル１０を備える送電装置から、送電コイル１０に対して少なくとも磁界結合する受電コイル３０を備える受電装置へ、少なくとも磁界共鳴方式で高周波電力を供給するワイヤレス給電システムである。

　図１に表れているように、ワイヤレス給電システム４０１Ａは、それぞれ円形ループ状の送電コイル１０、中継コイル２０および受電コイル３０を備える。中継コイル２０は送電コイル１０と受電コイル３０との間に配置されている。送電コイル１０、中継コイル２０および受電コイル３０のコイル開口は互いに対向している。すなわち、送電コイル１０、中継コイル２０および受電コイル３０のそれぞれの巻回軸は一致または平行関係にある。

　送電コイル１０には送電回路１が接続されていて、受電コイル３０には受電回路３が接続されている。送電コイル１０と中継コイル２０とは少なくとも磁界結合し、中継コイル２０と受電コイル３０とは少なくとも磁界結合する。したがって、送電コイル１０と受電コイル３０とは中継コイル２０を介して少なくとも磁界結合する。

　送電コイル１０はコイル開口ＡＰを有し、この送電コイル１０のコイル開口ＡＰに対向して送電コイル近接部材１１が配置されている。送電コイル近接部材１１は導電性または磁性の部材である。例えば、鉄板、ステンレススチール板、アルミニウム板等である。この送電コイル近接部材１１は、後に示すように、送電装置の筐体内または筐体外に存在する。筐体内の場合には、例えば、シールド板、バッテリーパック、回路基板のグランド導体パターン等である。筐体外の場合には、例えばスチールデスクや、掌等の人体の一部である。

　中継コイル２０は、送電コイル１０に対して送電コイル近接部材１１が配置される側とは反対側に配置されている。

　ここで、送電コイル１０と送電コイル近接部材１１との最短距離をｄｔ１、送電コイル１０と中継コイル２０との最短距離をｄｔ２、でそれぞれ表すとき、ｄｔ２≦ｄｔ１の関係にある。上記「最短距離」とは、二つのコイルを微小区間に区分し、それぞれの微小区間同士の距離のうちの最小距離のことである。

　図１において磁束φ１は送電コイル１０が発生する磁束の経路を代表的に表している。上記構成により、送電コイル１０が発生する磁束のうち送電コイル近接部材１１に達しない磁束φ１は中継コイル２０に鎖交する。仮にｄｔ２＞ｄｔ１の関係であると、送電コイル１０から発生した磁束のうち、中継コイル２０に鎖交しようとする磁束は送電コイル近接部材１１に達してしまう。送電コイル近接部材１１が導電性を有する場合、ｄｔ２＞ｄｔ１の関係であると、送電コイル近接部材１１に渦電流が流れて、送電コイル近接部材１１でエネルギー損失が生じ、送電コイル１０から中継コイル２０への給電効率は極めて低くなる。また、送電コイル近接部材１１が磁性を有し、ｄｔ２＞ｄｔ１の関係であると、送電コイル近接部材１１でヒステリシス損が発生して、送電コイル１０から中継コイル２０への給電効率は極めて低くなる。送電コイル近接部材１１が導電性且つ磁性を有する場合には、上記渦電流損もヒステリシス損も生じる。

　本実施形態の上記ｄｔ２≦ｄｔ１の関係であれば、上述の送電コイル近接部材１１の影響を大きく受けることなく、中継コイル２０は送電コイル１０と結合する。したがって、中継コイル２０を介して、送電コイル１０から受電コイル３０へ高効率の給電が可能となる。

　図２は本実施形態に係る別のワイヤレス給電システム４０１Ｂの構成を示す図である。このワイヤレス給電システム４０１Ｂは、送電装置１０１と受電装置３０１とで構成される。

　送電装置１０１は非磁性および絶縁性の筐体１２を備える。この筐体１２内に送電回路１、送電コイル１０、中継コイル２０および送電コイル近接部材１１が収容されている。この送電コイル近接部材１１は例えば、シールド板、バッテリーパック、回路基板のグランド導体パターン等である。

　受電装置３０１は非磁性および絶縁性の筐体３２を備え、この筐体３２内に受電回路３および受電コイル３０が収容されている。図２は、送電装置１０１の載置面に受電装置３０１が載置された状態である。

　送電コイル１０と送電コイル近接部材１１との最短距離をｄｔ１、送電コイル１０と中継コイル２０との最短距離をｄｔ２、でそれぞれ表すとき、ｄｔ２≦ｄｔ１の関係にある。この例のように、送電コイル近接部材１１が送電装置に含まれる場合であっても、上記ｄｔ２≦ｄｔ１の関係とすることにより、上述の送電コイル近接部材１１の影響を大きく受けることなく、中継コイル２０は送電コイル１０と結合する。したがって、中継コイル２０を介して、送電コイル１０から受電コイル３０へ高効率の給電が可能となる。

　上記送電コイル近接部材１１は、送電装置１０１の下面に配置されているため、シールド板として作用する。すなわち、送電装置１０１を例えばスチールデスクなどに載置しても、送電コイル１０は、送電コイル近接部材１１より下方のスチールデスクなど影響を受けにくく、安定した特性が得られる。

　なお、送電コイル近接部材１１は筐体１２の一部であってもよい。

　図３は第１の実施形態のワイヤレス給電システム４０１Ａの回路図である。

　ワイヤレス給電システム４０１Ａは、送電回路１の入力部に入力電源Viを備え、受電回路３の負荷Roへ安定した直流のエネルギーをワイヤレスで供給するシステムである。

　送電回路１は、送電コイル１０と、共振キャパシタCrと、スイッチ素子Q1，Q2と、これらスイッチ素子Q1，Q2を制御するスイッチング制御回路１Ｃを含む送電側スイッチング回路とを備えている。

　送電コイル１０と共振キャパシタCrとで「送電側共振回路」が構成されている。

　スイッチ素子Q1、逆並列ダイオードDds1および寄生キャパシタCds1の並列接続回路でスイッチ回路S1が構成されている。同様に、スイッチ素子Q2、逆並列ダイオードDds2および寄生キャパシタCds2の並列接続回路でスイッチ回路S2が構成されている。以下、逆並列ダイオード（寄生ダイオード）を単に「ダイオード」という。

　スイッチング制御回路１Ｃは送電側共振回路に接続され、スイッチ回路S1，S2を所定のスイッチング周波数で交互にオンオフさせることにより、直流電源を送電側共振回路に断続的に加えて送電側共振回路に共振電流を発生させる。

　この例では、送電側スイッチング回路は２つのスイッチ回路S1，S2を備えたハーフブリッジ回路を構成している。

　中継コイル２０と共振キャパシタCrrとで「中継側共振回路」が構成されている。なお、図１、図２では、中継コイル２０に接続される共振キャパシタCrrの図示を省略している。

　受電回路３は、受電コイル３０と、共振キャパシタCrsと、スイッチ素子Q3，Q4と、スイッチ素子Q3，Q4を制御するスイッチング制御回路３Ｃを含む受電側スイッチング回路と、平滑キャパシタCoとを備えている。

　受電コイル３０と、それに等価的に直列に接続された共振キャパシタCrsとで「受電側共振回路」が構成されている。

　スイッチ素子Q3、ダイオードDds3およびキャパシタCds3の並列接続回路でスイッチ回路S3が構成されている。同様に、スイッチ素子Q4、ダイオードDds4およびキャパシタCds4の並列接続回路でスイッチ回路S4が構成されている。

　スイッチング制御回路３Ｃは受電コイル３０に流れる電流を検出し、その極性反転に同期してスイッチ素子Q3，Q4を交互にオンオフする。これにより、受電側共振回路に流れる共振電流が電流の流れる方向の変化に同期して整流されて、負荷に電流が供給される。これらのスイッチ回路S3，S4およびスイッチング制御回路３Ｃで受電側整流回路が構成されている。平滑キャパシタCoは受電側整流回路で整流された電圧を平滑する。

　送電側のスイッチング制御回路１Ｃは入力電源Viを電源にして動作する。受電側のスイッチング制御回路３Ｃは、受電側共振回路に発生する電圧、負荷への出力電圧、または別途設けられた電力供給源などを電源にして動作する。

　上記送電側共振回路の共振周波数は、スイッチング制御回路１Ｃのスイッチング周波数に等しいか、その近傍である。また、送電側共振回路の共振周波数、中継側共振回路の共振周波数、受電側共振回路の共振周波数、はそれぞれ等しいか、それらの近傍である。送電側共振回路、中継側共振回路および受電側共振回路は互いに結合して複共振が生じるので、複共振周波数は上記スイッチング周波数とは異なる場合がある。但し、ワイヤレスで給電される交番磁界の周波数（システムの動作周波数）はスイッチング周波数であるので、中継側共振回路単体での共振周波数は上記システムの動作周波数に、基本的には一致する。

　中継コイル２０と共振キャパシタCrrとで共振回路が構成されている。送電コイル１０と中継コイル２０とは電磁界共鳴結合し、中継コイル２０と送電コイル１０とは電磁界共鳴結合する。このように、送電コイル１０と受電コイル３０との間に中継コイル２０を配置することで、送電回路１と受電回路３との給電可能最大距離が拡大される。

　送電コイル１０、中継コイル２０および受電コイル３０はいずれも、等価的には、理想トランス、相互インダクタンスおよび漏れインダクタンスで構成された回路として表される。

　送電コイル１０と中継コイル２０との間に等価的に形成される相互インダクタンスで磁界共鳴結合が生じ、中継コイル２０と受電コイル３０との間に等価的に形成される相互インダクタンスで磁界共鳴結合が生じて、送電回路１から受電回路３へ電力が供給される。送電回路１から給電されずに反射したエネルギー（無効電力）は送電側共振回路に共振エネルギーとして保存される。また、受電回路３が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギー（無効電力）も受電側共振回路に共振エネルギーとして保存される。

　送電回路１が例えば、６～14MHzで0.1～80Wの電力を2～50mmの距離でワイヤレス給電する場合、送電コイル１０は例えば半径は25mm以上75mm以下、導体線の線径は1mm以上2mm以下のオーダーである。

　送電コイル１０、中継コイル２０および受電コイル３０は、金属線をループ状に成形することで、または回路基板にループ状の導体パターンを形成することで構成できる。

　次に、図３に示したワイヤレス給電システム４０１Ａの詳細な動作を、図４を参照して説明する。図４は図３の各部の波形図である。

　送電コイル１０の相互インダクタンスをLm、送電コイル１０の漏れインダクタンスをLr、受電コイル３０の相互インダクタンスをLms、受電コイル３０の漏れインダクタンスをLrsとする。また、スイッチ素子Q1，Q2のゲート・ソース間電圧をvgs1，vgs2、ドレイン・ソース間電圧をvds1，vds2とする。

　スイッチ素子Q1，Q2は、両スイッチ素子がオフとなる短いデットタイムを挟んで交互にオンオフされ、デットタイム期間にQ1，Q2に流れる電流をそれぞれ転流させてZVS動作を行う。1スイッチング周期における各状態での動作は次のとおりである。

(1) 状態１　時刻t1～t2
　先ず、ダイオードDds1が導通する。ダイオードDds1の導通期間においてスイッチ素子Q1をターンオンすることでZVS動作が行われ、スイッチ素子Q1は導通する。送電コイル１０と受電コイル３０との間に相互誘導によって等価的な相互インダクタンスLm，Lmsが形成され、Cr，Lr，Lm，Lms，Crs，Lrsからなる複共振回路において、送電共振回路と受電共振回路とが共鳴して、相互インダクタンスLm，Lmsに共振電流が流れ、電磁界共鳴結合を形成して、送電回路から受電回路へ電力が供給される。送電側では、キャパシタCr、漏れインダクタンスLrに共振電流が流れる。受電側では、キャパシタCrsおよび漏れインダクタンスLrsに共振電流が流れ、スイッチ素子Q3，Q4により整流されて負荷に電力が供給される。

　スイッチ素子Q1がターンオフすると状態２となる。

(2) 状態２　時刻t2～t3
　送電回路１側では、漏れインダクタンスLrに流れていた電流irにより、寄生キャパシタCds1が充電され、寄生キャパシタCds2は放電される。電圧vds1が入力電圧Viの電圧になり、電圧vds2が0VになるとダイオードDds2が導通して状態３となる。

(3) 状態３　時刻t3～t4
　先ず、ダイオードDds2が導通する。ダイオードDds2の導通期間においてスイッチ素子Q2をターンオンすることでZVS動作が行われ、スイッチ素子Q2は導通する。送電コイル１０と受電コイル３０との間に相互誘導によって等価的な相互インダクタンスLm，Lmsが形成され、Cr，Lr，Lm，Lms，Crs，Lrsからなる複共振回路において、送電共振回路と受電共振回路とが共鳴して、相互インダクタンスLm，Lmsに共振電流が流れ、電磁界共鳴結合を形成して送電回路から受電回路へ電力が供給される。送電側では、キャパシタCr、漏れインダクタンスLrに共振電流が流れる。受電側では、キャパシタCrs、漏れインダクタンスLrsに共振電流が流れ、スイッチ素子Q3，Q4により整流されて負荷に電力が供給される。

　スイッチ素子Q2がターンオフすると状態４となる。

(4) 状態４　時刻t4～t1
　送電回路１側では、漏れインダクタンスLrに流れていた電流irにより、寄生キャパシタCds1は放電され、寄生キャパシタCds2は充電される。電圧vds1が0V、電圧vds2が入力電源Viの電圧になるとダイオードDds1は導通して再び状態１となる。

　以後、状態１～４を周期的に繰り返す。

《第２の実施形態》
　第２の実施形態では、筐体の外部に送電コイル近接部材がある送電装置の例を示す。

　図５は第２の実施形態に係る送電装置１０２の構成を示す図である。送電装置１０２は非磁性および絶縁性の筐体１２を備える。この筐体１２内に送電回路１、送電コイル１０および中継コイル２０が収容されている。この送電装置１０２の上部には、図２に示した例と同様に、受電装置が載置される。

　送電コイル近接部材１１は例えばスチールデスク等、導電性または磁性の部材である。図５はこのスチールデスクに送電装置１０２が載置されている状態である。

　筐体１２は、送電コイルのコイル開口ＡＰと対向する内面１２ＩＦと、内面１２ＩＦの裏側に位置する外面１２ＯＦとを有する。

　送電コイル１０と筐体１２の外面１２ＯＦとの最短距離をｄｔ１’、送電コイル１０と中継コイル２０との最短距離をｄｔ２、でそれぞれ表すとき、ｄｔ２≦ｄｔ１’の関係にある。送電コイル１０と送電コイル近接部材１１との最短距離ｄｔ１は、上記ｄｔ１’より必ず大きいので、ｄｔ２≦ｄｔ１という関係でもある。

　上記構成により、送電コイル１０の発生した磁束のうち、送電コイル近接部材１１に達しない磁束が中継コイル２０に鎖交するので、上記送電コイル近接部材１１の影響を大きく受けることなく、中継コイル２０を介して、送電コイル１０から受電コイルへの給電が可能となる。

《第３の実施形態》
　第３の実施形態では、複数の中継コイルを有するワイヤレス給電システムの例を示す。

　図６は第３の実施形態に係るワイヤレス給電システム４０３の構成を示す図である。このワイヤレス給電システム４０３は、送電コイル１０を備える送電装置から、受電コイル３０を備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムである。

　図６に表れているように、ワイヤレス給電システム４０３は、それぞれ円形ループ状の送電コイル１０、中継コイル２０Ａ，２０Ｂおよび受電コイル３０を備える。中継コイル２０Ａ，２０Ｂは送電コイル１０と受電コイル３０との間に配置されている。送電コイル１０、中継コイル２０Ａ，２０Ｂおよび受電コイル３０のコイル開口は互いに対向している。すなわち、送電コイル１０、中継コイル２０Ａ，２０Ｂおよび受電コイル３０のそれぞれの巻回軸は一致または平行関係にある。

　送電コイル１０には送電回路１が接続されていて、受電コイル３０には受電回路３が接続されている。送電コイル１０と中継コイル２０Ａとは少なくとも磁界結合し、中継コイル２０Ａと中継コイル２０Ｂとは少なくとも磁界結合し、中継コイル２０Ｂと受電コイル３０とは少なくとも磁界結合する。したがって、送電コイル１０と受電コイル３０とは中継コイル２０Ａ，２０Ｂを介して少なくとも磁界結合する。

　送電コイル１０はコイル開口ＡＰを有し、この送電コイル１０のコイル開口ＡＰに対向して送電コイル近接部材１１が配置されている。送電コイル近接部材１１は導電性または磁性の部材である。例えば、鉄板、ステンレススチール板、アルミニウム板等である。

　中継コイル２０Ａ，２０Ｂは、送電コイル１０に対して送電コイル近接部材１１が配置される側とは反対側に配置されている。

　ここで、送電コイル１０と送電コイル近接部材１１との最短距離をｄｔ１、送電コイル１０と中継コイル２０Ａとの最短距離をｄｔ２、中継コイル２０Ａと中継コイル２０Ｂとの最短距離をｄｔ３、でそれぞれ表すとき、ｄｔ２≦ｄｔ１、且つｄｔ３≦ｄｔ２の関係にある。

　図６において、磁束φ１は送電コイル１０が発生する磁束の経路、磁束φ２Ａは中継コイル２０Ａが発生する磁束の経路、磁束φ２Ｂは中継コイル２０Ｂが発生する磁束の経路、をそれぞれ代表的に表している。

　送電コイル近接部材１１、送電コイル１０、および送電コイル１０に近接する中継コイル２０Ａの位置関係は、第１、第２の実施形態で示した関係と同様に、ｄｔ２≦ｄｔ１であるので、送電コイル近接部材１１の影響を大きく受けることなく、中継コイル２０Ａは送電コイル１０と結合する。

　中継コイル２０Ａと中継コイル２０Ｂとの最短距離ｄｔ３が中継コイル２０Ａと送電コイル１０との最短距離ｄｔ２と等しければ、送電コイル１０と中継コイル２０Ａとの結合係数と、中継コイル２０Ａと中継コイル２０Ｂとの結合係数が等しくなる。このことにより、送電コイル１０から２番目の中継コイル２０Ｂまでの距離が効率よく離れ、距離あたりのエネルギー供給効率を大きく確保できる。但し、各コイルでの導体損失が生じるので、送電コイルから離れたコイルである程、コイル間の間隔が狭くした方が、距離あたりのエネルギー供給効率を確保できる傾向にある。そのため、ｄｔ３＝ｄｔ２ではなく、上記のとおりｄｔ３≦ｄｔ２の関係であることが好ましい。

　図６に示した例では２つの中継コイル２０Ａ，２０Ｂを備えたが、３つ以上の中継コイルを備える場合にも同様に適用できる。一般的に記述すると、序数をｎ（１以上の整数）で表すと、第ｎ中継コイルと、第ｎ中継コイルよりも送電コイル１０から更に遠方に位置する第（ｎ＋１）中継コイルを含む場合、第ｎ中継コイルから第（ｎ＋１）中継コイルまでの距離をｄｔ（ｎ＋２）で表し、第ｎ中継コイルよりも送電コイル側に位置する第（ｎ－１）中継コイルから第ｎ中継コイルまでの距離、または送電コイルから第ｎ中継コイルまでの距離をｄｔ（ｎ＋１）で表すとき、ｄｔ（ｎ＋２）≦ｄｔ（ｎ＋１）の関係にあることが好ましい。

《第４の実施形態》
　第４の実施形態では、受電コイル近接部材が存在するワイヤレス給電システムについて示す。

　図７は第４の実施形態に係るワイヤレス給電システム４０４の構成を示す図である。図７に表れているように、ワイヤレス給電システム４０４は、それぞれ円形ループ状の送電コイル１０、中継コイル２０および受電コイル３０を備える。中継コイル２０は送電コイル１０と受電コイル３０との間に配置されている。送電コイル１０、中継コイル２０および受電コイル３０のコイル開口は互いに対向している。すなわち、送電コイル１０、中継コイル２０および受電コイル３０のそれぞれの巻回軸は一致または平行関係にある。

　受電コイル３０はコイル開口ＡＰを有し、この受電コイル３０のコイル開口ＡＰに対向して受電コイル近接部材３１が配置されている。受電コイル近接部材３１は導電性または磁性の部材である。例えば、鉄板、ステンレススチール板、アルミニウム板等である。

　中継コイル２０は、受電コイル３０に対して受電コイル近接部材３１が配置される側とは反対側に配置されている。

　ここで、受電コイル３０と受電コイル近接部材３１との最短距離をｄｒ１、受電コイル３０と中継コイル２０との最短距離をｄｒ２、でそれぞれ表すとき、ｄｒ２≦ｄｒ１の関係にある。磁束φ３は受電コイル３０に鎖交する磁束の経路を代表的に表している。

　上記構成により、受電コイル３０に鎖交する磁束のうち、受電コイル近接部材３１に達しない磁束が中継コイル２０に鎖交するので、受電コイル近接部材３１の影響を大きく受けることなく、受電コイル３０は中継コイル２０を介して、受電が可能となる。

《第５の実施形態》
　第５の実施形態では、送電コイル近接部材および受電コイル近接部材を含むワイヤレス給電システムについて示す。

　図８は第５の実施形態に係るワイヤレス給電システム４０５の構成を示す図である。この例では、中継コイル２０を備える中継装置２０５が、送電装置１０５および受電装置３０５とは別個に設けられている。中継装置２０５は非磁性および絶縁性の筐体２２を備え、この筐体２２内に中継コイル２０および共振キャパシタ（不図示）が収容されている。図８は、送電装置１０５の載置面に中継装置２０５が載置され、この中継装置２０５の載置面に受電装置３０５が載置された状態を表している。

　ここで、送電コイル１０と送電コイル近接部材１１との最短距離をｄｔ１、送電コイル１０と中継コイル２０との最短距離をｄｔ２、でそれぞれ表すとき、ｄｔ２≦ｄｔ１の関係にある。また、受電コイル３０と受電コイル近接部材３１との最短距離をｄｒ１、受電コイル３０と中継コイル２０との最短距離をｄｒ２、でそれぞれ表すとき、ｄｒ２≦ｄｒ１の関係にある。

　上記構成により、送電コイル１０が発生する磁束のうち、送電コイル近接部材１１に達しない磁束が中継コイル２０に鎖交するので、送電コイル近接部材１１の影響を大きく受けることはない。また、受電コイル３０に鎖交する磁束のうち、受電コイル近接部材３１に達しない磁束が中継コイル２０に鎖交するので、受電コイル近接部材３１の影響を大きく受けることはない。したがって、送電コイル近接部材１１および受電コイル近接部材３１の影響を大きく受けることなく、送電コイル１０から受電コイル３０への中継コイル２０を介する給電が可能となる。

　なお、以上に示した各実施形態では、送電コイル１０、中継コイル２０，２０Ａ，２０Ｂ、受電コイル３０のいずれも、同一径で、それぞれの巻回軸が一致または平行関係にある例を示したが、送電コイル１０、中継コイル２０，２０Ａ，２０Ｂ、受電コイル３０はこれらの関係に限らない。近接するコイル同士が非平行である場合でも、径が異なる場合でも、また、巻回軸が同軸でない場合でも、更には巻回軸が「ねじれの位置」の関係にあっても同様に適用できる。

　また、送電コイル１０、中継コイル２０，２０Ａ，２０Ｂ、受電コイル３０のいずれについても、コイル開口面は平面であるものに限らず、曲面を形成するものであってもよい。例えば、フレキシブル基材にコイル導体パターンが形成された、シート状のコイルが曲面に沿って配置されてもよい。

　また、送電コイル近接部材の形状は平面状に限らず、曲面状であってもよいし、一部が平面状または一部が曲面状であってもよい。例えば、送電コイル近接部材１１は、送電コイル１０のコイル開口に対向する面が円柱側面形状を有していてもよい。同様に、受電コイル近接部材３１は、受電コイル３０のコイル開口に対向する面が円柱側面形状を有していてもよい。

　上記送電コイル近接部材、送電コイル、中継コイル、受電コイル、および受電コイル近接部材の形状が上述のいずれの大きさ・形状であっても、距離を規定する二つの部材を微小区間に区分し、それぞれの微小区間同士の距離のうちの最小距離を上記「最短距離」と定義し、この「最短距離」について上記条件を満足することで同様の作用効果を奏する。

　最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

ＡＰ…コイル開口
Q1，Q2，Q3，Q4…スイッチ素子
Ro…負荷
S1，S2，S3，S4…スイッチ回路
Vi…入力電源
１…送電回路
１Ｃ…スイッチング制御回路
３…受電回路
３Ｃ…スイッチング制御回路
１０…送電コイル
１１…送電コイル近接部材
１２…筐体
１２ＩＦ…筐体の内面
１２ＯＦ…筐体の外面
２０，２０Ａ，２０Ｂ…中継コイル
２２…筐体
３０…受電コイル
３１…受電コイル近接部材
１０１，１０２，１０５…送電装置
２０５…中継装置
３０１，３０５…受電装置
４０１Ａ，４０１Ｂ…ワイヤレス給電システム
４０３，４０４，４０５…ワイヤレス給電システム

Claims

　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムの送電装置において、
　前記送電コイルはコイル開口を有し、
　前記送電コイルに接続される送電回路と、
　前記送電コイルの前記コイル開口に対向して配置される、平面状または曲面状の面状部を有し、前記ワイヤレス給電システムの動作による磁界によって渦電流が流れる、導電性または磁性の送電コイル近接部材と、
　前記送電コイルに対して前記送電コイル近接部材が配置される側とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記送電コイルと結合する中継コイルと、
　を備え、
　前記送電コイルと前記送電コイル近接部材との最短距離をｄｔ１、前記送電コイルと前記中継コイルとの最短距離をｄｔ２、でそれぞれ表すとき、ｄｔ２≦ｄｔ１の関係にある、送電装置。
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムの送電装置において、
　前記送電コイルはコイル開口を有し、
　前記送電コイルに接続される送電回路と、
　前記送電コイルを収容し、前記送電コイルの前記コイル開口と対向する内面と、前記内面の裏側に位置する外面と、を有する筐体と、
　前記送電コイルに対して前記筐体の前記内面とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記送電コイルと結合する中継コイルと、
　を備え、
　前記送電コイルと前記筐体の前記外面との最短距離をｄｔ１’、前記送電コイルと前記中継コイルとの最短距離をｄｔ２、でそれぞれ表すとき、ｄｔ２≦ｄｔ１’の関係にある、送電装置。
　前記中継コイルに接続されて、前記中継コイルとともに共振回路を構成する共振キャパシタを備える、請求項１または２に記載の送電装置。
　前記共振回路の共振周波数は、前記送電コイルから形成される交番磁界の周波数に等しい、請求項３に記載の送電装置。
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムの受電装置において、
　前記受電コイルはコイル開口を有し、
　前記受電コイルに接続される受電回路と、
　前記受電コイルの前記コイル開口に対向して配置される、平面状または曲面状の面状部を有し、前記ワイヤレス給電システムの動作による磁界によって渦電流が流れる、導電性または磁性の受電コイル近接部材と、
　前記受電コイルに対して前記受電コイル近接部材が配置される側とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記受電コイルと結合する中継コイルと、
　を備え、
　前記受電コイルと前記受電コイル近接部材との最短距離をｄｒ１、前記受電コイルと前記中継コイルとの最短距離をｄｒ２、でそれぞれ表すとき、ｄｒ２≦ｄｒ１の関係にある、受電装置。
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムの受電装置において、
　前記受電コイルはコイル開口を有し、
　前記受電コイルに接続される受電回路と、
　前記受電コイルを収容し、前記受電コイルの前記コイル開口と対向する内面と、前記内面の裏側に位置する外面と、を有する筐体と、
　前記受電コイルに対して前記筐体の前記内面とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記受電コイルと結合する中継コイルと、
　を備え、
　前記受電コイルと前記筐体の前記外面との距離をｄｒ１’、前記受電コイルと前記中継コイルとの距離をｄｒ２、でそれぞれ表すとき、ｄｒ２≦ｄｒ１’の関係にある、受電装置。
　前記中継コイルに接続されて、前記中継コイルとともに共振回路を構成する共振キャパシタを備える、請求項５または６に記載の受電装置。
　前記共振回路の共振周波数は、前記送電コイルから形成される交番磁界の周波数に等しい、請求項７に記載の受電装置。
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
　前記送電コイルはコイル開口を有し、
　前記送電装置は、前記送電コイルに接続される送電回路と、前記送電コイルの前記コイル開口に対向して配置される、平面状または曲面状の面状部を有し、前記ワイヤレス給電システムの動作による磁界によって渦電流が流れる、導電性または磁性の送電コイル近接部材と、前記送電コイルに対して前記送電コイル近接部材が配置される側とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記送電コイルと結合する中継コイルと、を備え、
　前記送電コイルと前記送電コイル近接部材との距離をｄｔ１、前記送電コイルと前記中継コイルとの距離をｄｔ２、でそれぞれ表すとき、ｄｔ２≦ｄｔ１の関係にある、ワイヤレス給電システム。
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
　前記送電コイルはコイル開口を有し、
　前記送電装置は、前記送電コイルに接続される送電回路と、前記送電コイルを収容し、前記送電コイルの前記コイル開口と対向する内面と、前記内面の裏側に位置する外面と、を有する筐体と、前記送電コイルに対して前記筐体の前記内面とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記送電コイルと結合する中継コイルと、を備え、
　前記送電コイルと前記筐体の前記外面との距離をｄｔ１’、前記送電コイルと前記中継コイルとの距離をｄｔ２、でそれぞれ表すとき、ｄｔ２≦ｄｔ１’の関係にある、ワイヤレス給電システム。
　序数をｎ（１以上の整数）で表すと、
　前記中継コイルは、第ｎ中継コイルと、前記第ｎ中継コイルよりも前記送電コイルから更に遠方に位置する第（ｎ＋１）中継コイルと、を含み、
　前記第ｎ中継コイルから前記第（ｎ＋１）中継コイルまでの距離をｄｔ（ｎ＋２）で表し、
　前記第ｎ中継コイルよりも前記送電コイル側に位置する第（ｎ－１）中継コイルから前記第ｎ中継コイルまでの距離、または前記送電コイルから前記第ｎ中継コイルまでの距離をｄｔ（ｎ＋１）で表すとき、ｄｔ（ｎ＋２）≦ｄｔ（ｎ＋１）の関係にある、請求項９または１０に記載のワイヤレス給電システム。
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
　前記受電コイルはコイル開口を有し、
　前記受電装置は、前記送電コイルに接続される受電回路と、前記受電コイルの前記コイル開口に対向して配置される、平面状または曲面状の面状部を有し、前記ワイヤレス給電システムの動作による磁界によって渦電流が流れる、導電性または磁性の受電コイル近接部材と、前記受電コイルに対して前記受電コイル近接部材が配置される側とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記受電コイルと結合する中継コイルと、を備え、
　前記受電コイルと前記受電コイル近接部材との距離をｄｒ１、前記受電コイルと前記中継コイルとの距離をｄｒ２、でそれぞれ表すとき、ｄｒ２≦ｄｒ１の関係にある、ワイヤレス給電システム。
　送電コイルを備える送電装置から、前記送電コイルに対して少なくとも磁界結合する受電コイルを備える受電装置へ、ワイヤレスで高周波電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
　前記受電コイルはコイル開口を有し、
　前記受電装置は、前記送電コイルに接続される受電回路と、前記受電コイルを収容し、前記受電コイルの前記コイル開口と対向する内面と、前記内面の裏側に位置する外面と、を有する筐体と、前記受電コイルに対して前記筐体の前記内面とは反対側に配置され、少なくとも磁界を介して前記受電コイルと結合する中継コイルと、を備え、
　前記受電コイルと前記筐体の前記外面との距離をｄｒ１’、前記受電コイルと前記中継コイルとの距離をｄｒ２、でそれぞれ表すとき、ｄｒ２≦ｄｒ１’の関係にある、ワイヤレス給電システム。
　前記中継コイルに接続されて、前記中継コイルとともに共振回路を構成する共振キャパシタを備える、請求項９から１３のいずれかに記載のワイヤレス給電システム。
　前記共振回路の共振周波数は、前記送電コイルから形成される交番磁界の周波数に等しい、請求項１４に記載のワイヤレス給電システム。