JP5405694B1 - 送電装置、電子機器およびワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】１次側送電コイルと２次側送電コイル間の位置がずれることによる伝送効率低下を抑制する。
【解決手段】本発明の送電装置１は、２次側受電コイル４を有し、２次側受電コイルを介して電力を受電する電子機器２にワイヤレスで電力伝送を行う送電装置であって、１次側送電コイル６と、１次側送電コイルに電力を供給する送電回路部２１と、を備え、１次側送電コイルおよび２次側送電コイルを含む伝送回路部３６において、伝送回路部の入力側の第１のインピーダンスは、１次側送電コイルと２次側送電コイルとの結合係数を用いて伝送回路部の出力側の第２のインピーダンスと整合されることを特徴とする。
【選択図】図９

Description

本発明は、送電装置に受電対象物である電子機器等を着脱可能に装着または接近させ、送電装置から電子機器等に対してワイヤレスで電力伝送するためのワイヤレス電力伝送システムに関するものである。

従来、送電装置に設けた１次側送電用コイルと、受電側である電子機器や車両側に設けた２次側受電用コイルとの間で、両コイル間の電磁誘導作用を利用して電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムがある。ワイヤレス電力伝送では接点部分の露出がないために防水性の確保が容易なことや、電気的接点部分の不良や劣化を気にしなくてよいなどの利点がある。これらの電子機器等に搭載されている１次側送電コイルおよび２次側受電コイルは、コアに巻き線を巻いたものやボビンに巻き線を巻いたものが一般的に用いられている。

そのワイヤレス電力伝送システムは、商用電源からの電圧を高周波インバータ回路により高周波交流電圧に変換して１次側送電コイルに供給することで、この１次側送電コイルに６０〜６００ｋＨｚ程度の高周波の交流磁束を発生させる。そして、電磁誘導作用により、受電側の電子機器内の２次側受電コイルにて該交流磁束により誘起された交流電圧は２次側の整流平滑回路で直流に変換した後に充電部である２次電池に給電される。

従来、送電装置により電子機器等に搭載されている２次電池を充電する際に、電子機器等を送電装置の上に載せて給電する場合、給電効率はその両者の位置関係に密接に関係し、両者の位置にずれが生じると伝送効率が低下した。また１台の送電装置に複数の電子機器等を搭載して給電する場合、優先度を決めたり、分割して給電する方法で電力電送が行われた。

例えば、特許文献１は、ケースの上面プレートに電池内蔵機器が載せられると、この電池内蔵機器の位置を位置検出制御器が検出し、移動機構で電源コイル（１次側送電コイル）を移動させて電池内蔵機器の誘導コイル（２次側受電コイル）に接近させる充電台を開示している（特許文献１参照）。

また、特許文献２は、対応する充電領域に置かれた被充電機器に対して非接触で充電を行う複数の充電手段と、充電領域に置かれた複数の被充電機器に対して、当該複数の被充電機器を充電する際の優先度を設定する設定手段と、複数の被充電機器への電流の供給を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、設定手段によって設定された優先度に基づいて、予め定められた総電流値の範囲内において複数の充電手段のそれぞれに供給する電流の配分を決定する充電器が開示されている。そして、この充電器は、複数の被充電機器を非接触で充電する場合において、充電する際の優先度が高い被充電機器から充電を行う（特許文献２参照）。

特開２００９−２４７１９４号公報 特開２０１０−２６８６１０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された充電台構成は、電源コイルと誘導コイルとの位置合わせを行うために電源コイルを移動させる移動機構が必要となり、コストアップの要因となった。

また、上記特許文献２に記載された充電器は、複数の被充電機器を充電するために、複数の送電コイルおよび送電コイル励振部が必要であり、回路コストの増大につながった。また、１つの送電コイルは１台の被充電機器のみにしか給電できず、１台の送電コイルで複数の被充電機器を同時に給電することができなかった。

本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、１次側送電コイルと２次側受電コイル間で位置合わせをせずに伝送効率の低下を抑制する送電装置、電子機器およびワイヤレス電力伝送システムを提供することを目的とする。また、１つの１次側送電コイルで複数の２次側受電コイルへの給電を可能にする給電装置、電子機器およびワイヤレス電力伝送システムを提供することを目的とする。

本発明の送電装置は、２次側受電コイルを有し、前記２次側受電コイルを介して電力を受電する電子機器にワイヤレスで電力伝送を行う送電装置であって、１次側送電コイルと、前記１次側送電コイルに電力を供給する送電回路部と、を備え、前記１次側送電コイルおよび前記２次側受電コイルを含む伝送回路部において、前記伝送回路部の入力側の第１のインピーダンスは、前記１次側送電コイルと前記２次側受電コイルとの結合係数を用いて前記伝送回路部の出力側の第２のインピーダンスと整合されることを特徴とする。

また、本発明の電子機器は、１次側送電コイルを有し、前記１次側送電コイルを介して電力を伝送する送電装置から電力を受電する電子機器であって、２次側受電コイルと、前記２次側受電コイルを介して電力が供給される受電回路部と、を備え、前記１次側送電コイルおよび前記２次側受電コイルを含む伝送回路部において、前記伝送回路部の出力側の第２のインピーダンスは、前記１次側送電コイルと前記２次側受電コイルとの結合係数を用いて前記伝送回路部の入力側の第１のインピーダンスと整合されることを特徴とする。

また、本発明のワイヤレス電力伝送システムは、ワイヤレスで電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムであって、１次側送電コイルおよび２次側受電コイルを有する伝送回路部と、前記１次側送電コイルの電力を伝送する送電回路部と、前記２次側受電コイルを介して電力を受電する受電回路部と、を備え、前記伝送回路部の入力側の第１のインピーダンスと、前記伝送回路部の出力側の第２のインピーダンスとは、前記１次側送電コイルと前記２次側受電コイルとの結合係数を用いて整合されることを特徴とする。

また、本願発明のワイヤレス電力伝送システムは、１次側送電コイルから非接触で２次側受電コイルを有する電子機器に電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムであって、前記１次側送電コイルは、線状導体を螺旋状に巻回した２次側受電コイルの中心軸に略平行となる軸線周りに線状導体を巻回した縦型ヘリカルコイルであり、前記１次側送電コイルの開口面は、前記２次側受電コイルを複数台載置できる面積を有することを特徴とする。

本発明のワイヤレス電力伝送システムによれば、１次側送電コイルと２次側受電コイルとの結合係数を用いて伝送回路部の入出力側のインピーダンスを整合するため、１次側送電コイルと２次側受電コイル間の位置がずれることによる伝送効率低下を抑制することができる。

また、本発明のワイヤレス電力伝送システムによれば、１次側送電コイルを縦型ヘリカルコイルとすることにより、１次側送電コイルの磁束密度が略均一となるため、１次側送電コイルと２次側受電コイル間で位置合わせをせずに、２次側受電コイルを有する電子機器への電力伝送が可能となる。

本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第１例を示す斜視図 本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第１例を示す断面図 本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第１例を示す平面図 本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第２例を示す斜視図 本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第２例を示す断面図 本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第２例を示す平面図 本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第３例を示す斜視図 本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第３例を示す断面図 本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの回路構成を示す図 本発明の実施例におけるワイヤレス電力伝送システムの平面図 本発明の実施例における２次側受電コイルをＸ軸方向に移動させたときの結合係数の推移を示す図 本発明の実施例における２次側受電コイルをＹ軸方向に移動させたときの結合係数の推移を示す図 本発明の実施例における２次側受電コイルをＸ軸方向に移動させたときの出力電圧の推移を示す図 本発明の実施例における２次側受電コイルをＹ軸方向に移動させたときの出力電圧の推移を示す図 ワイヤレス電力伝送システムの比較例の平面図 ワイヤレス電力伝送システムの比較例の正面図 比較例における２次側受電コイルをＸ軸方向に移動させたときの結合係数の推移を示す図 比較例における２次側受電コイルをＸ軸方向に移動させたときの出力電圧の推移を示す図

上記課題を解決するためになされた第１の発明のワイヤレス電力伝送システムは、１次側送電コイルから非接触で２次側受電コイルを有する電子機器に電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムであって、前記１次側送電コイルは、線状導体を螺旋状に巻回した２次側受電コイルの中心軸に略平行となる軸線周りに線状導体を巻回した縦型ヘリカルコイルであり、前記１次側送電コイルの開口面は、前記２次側受電コイルを複数台載置できる面積を有することを特徴とする。

２次側受電コイルよりも面積の大きい１次側送電コイルから２次側受電コイルを給電する場合、従来の送受電コイルの構成では、伝送効率は電子機器が置かれる位置に依存した。例えば、２次側受電コイルが１次側送電コイルの中央部付近に置かれた場合と、端部付近に置かれた場合とで電力伝送特性が異なった。すなわち、２次側受電コイルが１次側送電コイルの中央部付近に置かれた場合電子機器の受電性は良好であるが、２次側受電コイルが１次側送電コイルの端部付近に置かれた場合、伝送効率が低下した。

そこで、上述の第１の発明のように１次側送電コイルが、線状導体を螺旋状に巻回した２次側受電コイルの中心軸に略平行となる軸線周りに線状導体を巻回した縦型ヘリカルコイルとして構成されることにより、ヘリカルコイル全体で誘導される磁束強度（磁束密度）の差が生じにくくなる。このため、２次側受電コイルが１次側送電コイルの中央部に置かれた場合の両コイル間の結合係数と、２次側受電コイルが１次側送電コイルの端部に置かれた場合の両コイル間の結合係数とに差が生じにくくなる。したがって、２次側受電コイルを有する電子機器を１次側送電コイルの中央部に置いても、端部に置いても、１次側送電コイルおよび２次側受電コイル間の位置合わせをせずに電子機器への給電を行うことができる。

また、第２の発明のワイヤレス電力伝送システムは、前記１次側送電コイルと、前記１次側送電コイルと直列共振回路を構成する１次側コンデンサと、前記２次側受電コイルと、前記２次側受電コイルと直列共振回路を構成する２次側コンデンサと、を有する伝送回路部をさらに備える。

第２の発明によれば、直列共振を構成する２次側受電コイルおよび１次側送電コイルを含む伝送回路部において入出力のインピーダンスの整合を取ることにより、１次側受電コイルと２次側受電コイルとの結合係数の変動が少なくポジショニングフリー給電を行うことを可能とする。

また、第３の発明のワイヤレス電力伝送システムは、前記１次側送電コイルの開口面が長方形形状であり、前記１次側送電コイルの開口面の短辺長は２次側受電コイルの径の４倍以下の長さであり、かつ、前記１次側送電コイルの開口面の長辺長は２次側受電コイルの径の６倍以下の長さである。

１次側送電コイルの開口面の短辺長が２次側受電コイルの径の４倍より長くなると、伝送効率が低下する傾向にある。また、１次側送電コイルの開口面の短辺長が２次側受電コイルの径の４倍以下であったとしても、長辺長が２次側受電コイルの径の６倍よりも大きい長さとなると、１次側送電コイルおよび２次側受電コイル間の結合係数が低下することにより伝送効率が低下する傾向にある。そこで、１次側送電コイルの開口面の短辺長および長辺長と、２次側受電コイルの径とを上述の関係とすることにより、伝送効率の低下を抑制することができる。

また、第４の発明のワイヤレス電力伝送システムは、前記１次側送電コイルに電力を供給する送電回路部と、前記２次側受電コイルを介して電力が供給される受電回路部と、をさらに備え、前記送電回路部から見た伝送回路部のインピーダンスをＺ１とし、前記受電回路部のインピーダンスをＺ２とし、前記１次側送電コイルおよび前記２次側受電コイル間の結合係数をＫとし、前記１次側送電コイルの自己インダクタンスをＬ１とし、前記２次側受電コイルの自己インダクタンスをＬ２とし、前記１次側コンデンサのキャパシタンスをＣ１とし、前記２次側コンデンサのキャパシタンスをＣ２とし、前記１次側送電コイルから送電される交流電力の角周波数をωとする場合、Ｌ１＝Ｚ１／（ω＊Ｋ）およびＬ２＝Ｚ２／（ω＊Ｋ）、Ｃ１＝１／（Ｌ１＊（ω）＾２）、Ｃ２＝１／（Ｌ２＊（ω）＾２）の関係を満たす。

従来は、１次側送電コイルから２次側受電コイルに最大の電力伝送を行うため、送受電コイル間の距離を極めて近接させて、送受電コイル間での結合係数Ｋを大きくしていた（１に近づけていた）。しかし、両コイル間の位置ずれや伝送間距離が離れたりしてその距離変化が生じると、伝送電力が大きく減衰した。

また、１次側送電コイルに対して２次側受電コイルを給電する際、１次側送電コイルと２次側受電コイルを含む伝送回路部と、伝送回路部に電力を供給する送電回路部と、伝送回路部から電力が供給される受電回路部とのインピーダンスの整合が取れていない場合、１次側送電コイルに対する２次側受電コイルの位置によって結合係数の変動が生じる。このため、２次側受電コイルを置く場所（１次側送電コイルと２次側受電コイルとの位置関係）によって、２次側受電コイルを有する電子機器への給電が困難となる。また、単数の１次側送電コイルに対して複数の２次側受電コイルを給電する場合、つまり１台の送電装置から複数の電子機器に送電する際、１次側送電コイルの開口面内でそれぞれの電子機器の置かれる位置により結合係数の変動が生じて、複数の電子機器へ給電を行うことも困難となる。

そこで、上述の第４の発明のように構成することにより、直列共振を構成する１次側送電コイルおよび２次側受電コイルを含む伝送回路部において、受電回路部および送電回路部とのインピーダンス整合を取ることが可能となる。

その結果、２次側受電コイルを有する電子機器が１次側送電コイルの開口面内にどの位置に置かれる場合でも、送電装置は電子機器に必要な供給電力量を１次側送電コイルを介して供給することができる。そして、電子機器は２次側受電コイルを介して受電することができる。すなわち、電子機器の置かれる位置が変わっても、１次側受電コイルと２次側受電コイルとの磁気結合の変動が少なく、ポジショニングフリー給電を実現することができる。

さらには、１次側送電コイルの開口面内に複数の電子機器が置かれる場合でも、送電装置は各電子機器に必要な電力量の総和に見合った供給電力量を１次側送電コイルから供給し、複数の２次側受電コイルにおいて同時に受電することができ、いわゆるマルチ給電をも行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

＜ワイヤレス電力伝送システムの構成＞
本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムは、送電装置１と、２次電池を含む受電装置である電子機器２とを備える。

以下、図１〜８を用いてワイヤレス電力伝送システムの概要について説明する。

図１は本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第１例を示す斜視図、図２は本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第１例を示す断面図、図３は本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第１例を示す平面図である。

図１〜３に示すように、ワイヤレス電力伝送システム１０は、１次側送電コイル６を有する送電装置１と、２次側受電コイル４を有する電子機器２とを備え、複数の２次側受電コイル４は送電装置１の載置台３の上面に載置される。送電装置１は１次側送電コイル６を介して２次側受電コイル４へ送電すると共に、電子機器２は２次側受電コイル４を介して受電し、電力を電子機器２内の２次電池（図示せず）に蓄電する。

なお、以下説明する図１〜８、１０では、簡略的に図示するために、電子機器２として、２次側受電コイル４のみを図示した。すなわち、図１〜８、１０において、２次側受電コイル４を収納する電子機器２の筐体、上記２次電池は省略されている。

１次側送電コイル６は長辺長をＭ（ｍｍ）、短辺長Ｎ（ｍｍ）、高さＨ（ｍｍ）の長方形形状をした縦型のヘリカル型コイルである。高さＨは側面に巻いた一番上に位置する線状導体と一番下に位置する線状導体間の距離である。

平面状に導線を螺旋状に巻回したスパイラル状平面コイルと違い、１次側送電コイル６は立体の絶縁体に銅線等の線状導体をその側面に数回巻回される縦型ヘリカルコイルである。縦型とはその絶縁体の側面に線状導体を下から上に重ねられるように巻回した形態を意味する。この側面に線状導体を巻き回した縦型ヘリカルコイルでは磁束を誘導する軸線方向はＹ軸方向（図２参照）である。また、その巻き方は側面に沿って単線層、または、複数本の線状導体を束ねたリッツ線のような線状導体で巻かれる。送電装置１の小型化や薄型化、また１次側送電コイルのインダクタンス値との兼ね合いで巻き数が適宜決められる。

送電装置１上面の載置台３には線状導体を螺旋状に巻いた平面コイルである２次側受電コイル４を有する電子機器２が載置される。なお、２次側受電コイル４の中心軸と、１次側送電コイル６が磁束を誘導する軸線方向は略平行であることが好ましい。

また、１次側送電コイル６の開口面（つまり、側面に巻かれた線状導体で取り囲まれた領域）は長方形状であり、その短辺長をＮ、長辺長をＭとし、また載置台３に載置された２次側受電コイル４の外径をＱとすると、短辺長Ｎは２次側受電コイル４の外径Ｑの４倍以下の長さであり、かつ、長辺長Ｍは２次側受電コイル外径Ｑの６倍以下の長さとすることが好ましい。

短辺長Ｎが２次側受電コイル４の外径Ｑの４倍よりも長くなると、伝送効率が低下する傾向にある。また、短辺長Ｎが２次側受電コイル外径Ｑの４倍以下であったとしても、長辺長Ｍが２次側受電コイル４の外径Ｑの６倍よりも大きい長さとなると、１次側送電コイル６と２次側受電コイル４間の結合係数が低下することにより伝送効率が低下する傾向にある。そこで好ましくは、短辺長Ｎは２次側受電コイル４の外径Ｑの３倍以下の長さであり、かつ、長辺長Ｍは２次側受電コイル４の外径Ｑの５倍以下、より好ましくは、短辺長Ｎは２次側受電コイル４の外径Ｑの２倍以下の長さであり、かつ、長辺長Ｍは２次側受電コイル４の外径Ｑの３倍以下の長さである。

図４は本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第２例を示す斜視図、図５は本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第２例を示す断面図、図６は本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第２例を示す平面図である。ワイヤレス電力伝送システムの第１例と第２例との相違点は１次側送電コイル６の構成であり、以下の説明において、この相違点以外の詳細な説明は省略する。

図４〜６に示すように、１次側送電コイル６は直径Ｒの円筒形状をした縦型ヘリカルコイルである。高さＨは側面に巻いた一番上に位置する線状導体と一番下に位置する線状導体間の距離である。送電装置１上面の載置台３には線状導体を螺旋状に巻いた平面コイルである２次側受電コイル４が載置される。

１次側送電コイル６の開口面（つまり側面に巻かれた線状導体で取り囲まれた領域）は円形状であり、この１次側送電コイルの開口面の直径をＲとすると、１次側送電コイルの直径Ｒは、上面に載置された２次側受電コイルの外径Ｑの４倍以下の長さとすることが好ましい。好ましくは３倍以下、より好ましくは２倍以下の長さである。

図７は本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第３例を示す斜視図、図８は本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第３例を示す断面図である。

上述したように第１例および第２例のワイヤレス電力伝送システム１０では、１次側送電コイル６が横置きされ、送電装置１の上面に電子機器２が載置されたが、図７、８に示すように、第３例では１次側送電コイル６は机７等の送電装置１の設置面に縦置きされる。

その送電装置１の横側面部には電子機器２を挿入可能な電子機器用ボックス８が設けられる。図７、８では１次側送電コイル６の両側にそれぞれ２箇所ずつ電子機器用ボックス８が設けられる。すなわち、本実施形態では、送電装置１は合計４つの電子機器用ボックス８を有する。例えば業務機器など同じ型の電子機器２を複数台給電する場合などでは、縦に数台の電子機器２を配置でき、机７の上のスペースを有効活用することができる。

また、図７に示すように１次側送電コイル６の両側面に電子機器２を配置して、複数の電子機器２を同時に給電することもできる。これにより、さらに机７の上のスペースを有効活用することができる。また、このように縦置きにすることで、送電装置１と電子機器２との接する面が机７等の設置面に対して略垂直となる。これにより、送電装置１と電子機器２との間に金属の小片等が挟まりこむことを抑制することができる。

次に、図９を用いてワイヤレス電力伝送システム１０の回路構成について説明する。図９は本発明の実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの回路構成を示す図である。

図９に示すように、ワイヤレス電力伝送システム１０は、送電回路部２１、受電回路部２３、伝送回路部３６を備える。伝送回路部３６は、１次側伝送回路部３４および２次側伝送回路部３５を備え、１次側伝送回路部３４は送電装置１に設けられ、２次側伝送回路部３５は電子機器２に設けられる。

送電回路部２１は、電源部２９およびＤＣ／ＡＣインバータ３０を備え、電源部２９は商用電源から供給される交流電圧を所定の直流電圧に変換してＤＣ／ＡＣインバータ３０に供給するＡＣ／ＤＣインバータ（図示せず）を有する。ＤＣ／ＡＣインバータ３０は、この直流電圧を所定の角周波数ωとなる交流電圧に変換して１次側伝送回路部に供給する。

１次側伝送回路部３４は１次側送電コイル６および１次側送電コイル６と直列に接続される１次側コンデンサ２７を備え、１次側送電コイル６および１次側コンデンサ２７は直列共振回路を構成する。また、この直列共振回路により、所定の共振周波数ｆ（＝ω／（２π））で磁束を発振させる。

２次側伝送回路部３５は２次側受電コイル４および２次側受電コイル４と直列に接続される２次側コンデンサ２８を備え、２次側受電コイル４および２次側コンデンサ２８は直列共振回路を構成する。また、この直列共振回路により、１次側送電コイル６からの電磁誘導により２次側受電コイル４に交流電圧が誘起される。そして、この交流電圧は２次側伝送回路部３５から受電回路部２３に供給される。

受電回路部２３は、負荷部３３（図示しない２次電池、給電回路部を含む）、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２および整流回路３１を備える。整流回路３１は２次側伝送回路部３５から供給された交流電圧を平滑化することで直流電圧に変換し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２に供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、この直流電圧を所定の直流電圧に変換して負荷部３３に供給する。この所定の直流電圧は給電回路部（図示せず）を介して２次電池（図示せず）に供給される。

ここで、電源部２９、ＤＣ／ＡＣインバータ３０、伝送回路部３６、整流回路３１、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２、負荷部３３に付加した記号η１からη４は電力伝送効率（％）を示す。その各構成部間に付加したＰ０からＰ４は各部からの出力電力（Ｗ）、Ｖ０からＶ４は出力電圧（Ｖ）、Ｉ０からＩ４は出力電流（Ａ）、Ｚ０からＺ４はインピーダンス（Ω）を表す。以下に求められる伝送ダイヤグラムの各入出力特性の考え方の一例を示す。

負荷部３３へ送る電力はＤＣ／ＤＣコンバータ３２の出力になる。負荷部３３へ送る必要電力を仮にＰ４＝７．５（Ｗ）、電圧Ｖ４＝５（Ｖ）に設定すると、出力電流Ｉ４（＝Ｐ４／Ｖ４）は１．５（Ａ）、出力抵抗Ｚ４（＝Ｖ４／Ｉ４）は、３．３（Ω）となる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の伝送効率を仮にη４＝９２％と仮定すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の入力電力Ｐ３（＝Ｐ４／η４）は、８．２（Ｗ）となる。そのＤＣ／ＤＣコンバータが１０Ｖから５Ｖへの変換を行うと仮定すると入力電圧Ｖ３は１０Ｖとなり、そのときの入力電流Ｉ３（＝Ｐ３／Ｖ３）は０．８（Ａ）、入力抵抗Ｚ３（＝Ｖ３／Ｉ３）は１２．３（Ω）となる。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の入力電力Ｐ３、入力電圧Ｖ３、入力電流Ｉ３、入力抵抗Ｚ３は整流回路３１の出力特性となる。

整流回路３１の伝送効率を仮にη３＝９２％と仮定すると、整流回路３１の入力電力Ｐ２（＝Ｐ３／η３）は８．９（Ｗ）となる。整流回路３１の入力電圧Ｖ２は出力電圧Ｖ３と同じとすると、入力電圧Ｖ２は１０Ｖとなり、そのときの入力電流Ｉ２（＝Ｐ２／Ｖ２）は０．９（Ａ）、入力抵抗Ｚ２（＝Ｖ２／Ｉ２）は１１．３（Ω）となる。整流回路３１の入力電力Ｐ２、入力電圧Ｖ２、入力電流Ｉ２、入力抵抗Ｚ２はそのまま伝送回路部３６の２次側伝送回路部３５の出力特性となる。

伝送回路部３６の伝送効率を仮にη２＝９２％と仮定すると、１次側送電コイルへの入力電力Ｐ１は９．６（Ｗ）となる。１次側コイルと２次側コイルの抵抗が同じとすると、１次側コイルの入力電圧はＶ１＝Ｖ２／（η２）＾１／２から求まり、Ｖ１＝１０．４Ｖとなる。そのときの入力電流Ｉ１は０．９（Ａ）、入力抵抗Ｚ１は１１．３（Ω）となる。１次側送電コイルの入力電力Ｐ１、入力電圧Ｖ１、入力電流Ｉ１、入力抵抗Ｚ１はＤＣ／ＡＣインバータ３０の出力特性である。

ＤＣ／ＡＣインバータ３０の伝送効率を仮にη１＝９２％と仮定すると、ＤＣ／ＡＣインバータ３０の入力電力Ｐ０は１０．５（Ｗ）となる。ＤＣ／ＡＣインバータ３０の入力電圧Ｖ０はＤＣ／ＡＣインバータ３０の出力電圧Ｖ１と同じとすると、Ｖ０＝１０．４Ｖとなる。そのときの入力電流Ｉ０は１．０（Ａ）、入力抵抗Ｚ０は１０．４（Ω）となる。以上の特性を表１に整理する。負荷部３３に最終必要な電力特性から受電回路部２３、伝送回路部３６、送電回路部２１での入出力特性を算定して、必要な入力電源容量を定めることができる。

次に、伝送回路部３６の回路定数の設定について図９に示した構成部を元に説明する。受電回路部２３および送電回路部２１のインピーダンスを考慮して、伝送回路部の定数は決定される。

まず、送電回路部２１の１つであるＤＣ／ＡＣインバータ３０から角周波数ωの交流電力が伝送回路部３６の一部である１次側伝送回路部３４に伝送される。１次側伝送回路部３４の１次側送電コイル６から２次側伝送回路部３５の一部である２次側受電コイル４に電磁誘導により交流電力が２次側受電コイル４に誘起される。

１次側伝送回路部３４は１次側送電コイル６の一端に１次側コンデンサ２７を直列でつないだ直列共振回路を形成する。同様に２次側伝送回路部３５は２次側受電コイル４の一端に２次側コンデンサ２８を直列でつないだ直列共振回路を形成する。

そして、１次側伝送回路部３４に接続した送電回路部２１から見た伝送回路部３６のインピーダンスをＺ１とした場合、１次側送電コイル６の自己インダクタンスＬ１は、送受電コイル間の結合係数Ｋおよび伝送角周波数ωを基にして、
Ｌ１＝Ｚ１／（ω＊Ｋ）
の関係から算定される。

また、１次側コンデンサ２７のキャパシタンスＣ１は、
Ｃ１＝１／（Ｌ１＊（ω）＾２）
の関係から算定される。

同様に、２次側伝送回路部３５に接続した受電回路部２３のインピーダンスがＺ２の場合、２次側受電コイル４の自己インダクタンスＬ２は、
Ｌ２＝Ｚ２／（ω＊Ｋ）
の関係から算定される。

また、２次側コンデンサ２８のキャパシタンスＣ１は、
Ｃ２＝１／（Ｌ２＊（ω）＾２）
の関係から算定される。

以上のように、角周波数ωで共振するように伝送回路部３６における１次側送電コイル６のインダクタンスＬ１、２次側受電コイル４のインダクタンスＬ２、１次側コンデンサ２７のキャパシタンスＣ１、２次側コンデンサ２８のキャパシタンスＣ２が設定される。これにより、直列共振を構成する１次側送電コイル６および２次側受電コイル４を含む伝送回路部３６において、受電回路部２３および送電回路部２１とのインピーダンス整合を取ることが可能となる。

その結果、送電装置１に含まれる１次側送電コイル６の中央部付近から端部付近において電子機器２の置かれる位置が変わっても、１次側送電コイル６と２次側受電コイル４との結合係数の変動が少なく、ポジショニングフリー給電を実現することができる。

また、複数の電子機器２が送電装置１に置かれた場合でも、各電子機器２に必要な電力量の総和に見合った供給電力量を１次側送電コイル６から供給し、その後複数の２次側受電コイル４において同時に受電することができ、いわゆるマルチ給電をも行うことができる。

また、１次側送電コイル６と２次側受電コイル４との間で各々の機器および装置の識別情報をやりとりして、互いに相手方の認証を行ってもよい。そして、送電装置１および電子機器２が互いに相手方を認証できたときに、１次側送電コイル６から２次側受電コイル４に電力伝送が行われ、その伝送された電力により電子機器２の２次電池（図示せず）の充電が行われる。

また、送電装置１の１次側送電コイル６と２次側受電コイル４との相互誘導により、２次側受電コイル４に交流電圧が誘起され２次電池（図示せず）の充電を行う前に、電子機器２が送電装置１の端末載置台に設置されているかどうかを検知することも好ましい。また、電子機器２の機器状態、例えば温度上昇、２次電池の充電状態、２次側受電コイル４に発生する電圧変動等を検知する受電制御部を設けることも好ましい。

以下、本発明に係るワイヤレス電力伝送システム１０についてより具体的な実施例を挙げて説明する。

（実施例１）
図１、９、１０に示すワイヤレス電力伝送システム１０を用いて、送電装置１から電子機器２にワイヤレスで電力伝送を行った。図１０は本発明の実施例におけるワイヤレス電力伝送システムの平面図を示す。１次側送電コイル６は、長辺長Ｍは２４０ｍｍ、単辺長Ｎは１６０ｍｍ、高さＨは１６ｍｍの長方形形状をした縦型ヘリカルコイルである。また、この縦型ヘリカルコイルは径０．８ｍｍの銅線をアクリル基体の側面に２０ターン巻きして構成される。送電装置１の上面に載置された電子機器２の２次側受電コイル４は径０．８ｍｍの銅線を螺旋状に巻き回して構成され、内径１０ｍｍ、外径Ｑは４０ｍｍの平面コイルである。

１次側送電コイル６および２次側受電コイル４間の結合係数Ｋは０．０６３、伝送周波数ｆは１５０ｋＨｚ、送電回路部２１から見た伝送回路部３６のインピーダンスＺ１が１０Ω、受電回路部２３のインピーダンスＺ２が１０Ωの場合、１次側送電コイル６の自己インダクタンスＬ１をＬ１＝Ｚ１／（ω＊Ｋ）の関係から、２次側受電コイル４の自己インダクタンスＬ２をＬ２＝Ｚ２／（ω＊Ｋ）の関係から、１次側コンデンサ２７のキャパシタンスＣ１をＣ１＝１／（Ｌ１＊（ω）＾２）の関係から、２次側コンデンサ２８のキャパシタンスＣ２を、Ｃ２＝１／（Ｌ２＊（ω）＾２）の関係から算定した。この結果、１次側伝送回路部３４の１次側送電コイル６の自己インダクタンスＬ１は１６８．４（μＨ）、１次側コンデンサ２７のキャパシタンスＣ１は６．６８（ｎＦ）、２次側伝送回路部３５の２次側受電コイル４の自己インダクタンスＬ２は１６８．４（μＨ）、２次側コンデンサ２８のキャパシタンスＣ２は６．６８（ｎＦ）と設定される。以上の回路定数を設定して伝送回路を構成し、ベクトルネットワークアナライザー（ＶＮＡ）にて伝送特性の測定値を図１１から図１４に示す。

図１０に示すように、位置Ａでは、２次側受電コイル４は１次側送電コイルの中央部に置かれる。位置Ｂでは、２次側受電コイル４は１次側送電コイルの右側端部に置かれる。長辺長Ｍは２４０ｍｍ、外径Ｑは４０ｍｍであるため、位置ＡをＸ軸のゼロ点とすると、位置ＢではＸ軸上のシフト長は１００ｍｍである。

位置Ｃでは、２次側受電コイル４は１次側送電コイルの上側端部に置かれる。単辺長Ｎは１６０ｍｍ、外径Ｑは４０ｍｍであるため、位置ＡをＹ軸の０点とすると、位置ＣではＹ軸上のシフト長は６０ｍｍである。位置Ｄでは、２次側受電コイル４は１次側送電コイルの右上端部に置かれる。Ｘ軸上のシフト長は１００ｍｍ、Ｙ軸上のシフト長は６０ｍｍである。

次に、Ｘ軸の０点部から、Ｘ軸上の１００ｍｍ地点まで、２次側受電コイル４を移動させたときの各ポイントでの結合係数Ｋの推移を図１１、１２に示し、整流回路３１からの出力電圧（Ｖ３）の推移を図１３、１４に示す。

図１１は、横軸をＸ軸（図１０参照）とし、縦軸を結合係数Ｋとしたときのグラフである。すなわち、１次側送電コイル６のＸ軸の０点部から、Ｘ軸上の右端部に至るまでの２次側受電コイルの載置位置を変えたときの結合係数Ｋの推移を示す。パラメータとしてＹ軸の位置（０ｍｍと６０ｍｍ）を取っている。つまり、図１０において、２次側受電コイル４を位置Ａから位置Ｂまで移動させたとき（Ｙ＝０ｍｍ）、位置Ｃから位置Ｄまで移動させたとき（Ｙ＝６０ｍｍ）のそれぞれの地点での特性を示している。

図１２は、横軸をＹ軸（図１０参照）とし、縦軸を結合係数Ｋとしたときのグラフである。すなわち、１次側送電コイル６のＹ軸の０点部から、Ｙ軸上の上端部に至るまでの２次側受電コイル４の載置位置を変えたときの結合係数Ｋの推移を示す。つまり、図１０において、２次側受電コイル４を位置Ａから位置Ｃまで移動させたときのそれぞれの地点での特性を示している。

図１１、１２に示すように、２次側受電コイル４の載置位置を変えても、結合係数はほとんど変化していない。

図１３は、横軸をＸ軸（図１０参照）とし、縦軸を出力電圧（Ｖ３）としたときのグラフである。すなわち、１次側送電コイル６のＸ軸の０点部から、Ｘ軸上の右端部に至るまでの２次側受電コイル４の載置位置を変えたときの整流回路３１からの出力電圧（Ｖ３）の推移を示す。パラメータとしてＹ軸の位置（０ｍｍと６０ｍｍ）を取っている。つまり、図１０において、２次側受電コイル４を位置Ａから位置Ｂまで移動させたとき（Ｙ＝０ｍｍ）、位置Ｃから位置Ｄまで移動させたとき（Ｙ＝６０ｍｍ）のそれぞれの地点での特性を示している。

図１４は、横軸をＹ軸（図１０参照）とし、縦軸を出力電圧（Ｖ３）としたときのグラフである。すなわち、１次側送電コイル６のＹ軸の０点部から、Ｙ軸上の上端部に至るまでの２次側受電コイル４の載置位置を変えたときの整流回路３１からの出力電圧（Ｖ３）の推移を示す。つまり、図１０において、２次側受電コイル４を位置Ａから位置Ｃまで移動させたときのそれぞれの地点での特性を示している。

このように、２次側受電コイルの載置位置を変えても、整流回路３１からの出力電圧（Ｖ３）はほとんど変化していない。つまり、１次側送電コイル６の載置台３上のフリーな位置に２次側受電コイル４が置かれたとしても、ほとんど同レベルの電力伝送特性が得られる、ポジショニングフリー給電が実現されていることが分かる。

（比較例１）
次に、図１５、１６にワイヤレス電力伝送システムの比較例を示す。図１５はワイヤレス電力伝送システムの比較例の平面図、図１６はワイヤレス電力伝送システムの比較例の正面図を示す。１次側送電コイル６０は、外周部の長辺長Ｍ１は２４０ｍｍ、単辺長Ｎ１は１６０ｍｍ、内周部の長辺長Ｍ２は１１２ｍｍ、単辺長Ｎ２は５１ｍｍであり、径０．８ｍｍの銅線を螺旋状に巻回した平面コイルである。

２次側受電コイル４を位置ＡのＸ軸の０点部から、位置ＢのＸ軸上の１００ｍｍ地点まで２次側受電コイル４を移動させたときの各ポイントでの結合係数Ｋの推移を図１７に示し、整流回路３１からの出力電圧（Ｖ３）の推移を図１８に示す。

図１５、１６に示すように２次側受電コイル４が１次側送電コイル６０の中心点から右端の方へ位置を変えていくと、Ｘ軸方向の端部付近に近づくにつれて、結合係数Ｋが減少し、同様に整流回路３１からの出力電圧（Ｖ３）が低下する傾向にある。つまり、図１５、１６に示す構成では２次側受電コイル４の位置によっては電力伝送効率が低下するため、２次側受電コイル４の置かれる定点位置を決めておかなければならず、いわゆるポジショニングフリーの実現は困難である。これはＹ軸上で位置をシフトさせても同様な傾向である。

以下、さらに上述した実施形態および実施例を補足する。

上述したように、ワイヤレス電力伝送システムは、ωＬ１＝Ｚ１／Ｋ、ωＬ２＝Ｚ２／Ｋの関係式を満たすように設計される。これにより、伝送回路部３６の入出力のインピーダンスが整合される。さらに、このインピーダンス整合には、結合係数Ｋも使用される。従って、図１１、１２に示すように結合係数Ｋが低くても（０．１以下でも）、効率よく電力を伝送することができる。

また、上記式からもわかるように、自己インダクタンスＬ１は入力側インピーダンスＺ１、結合係数Ｋに基づく値である。また、結合係数Ｋは自己インダクタンスＬ１およびＬ２より求められる値である。よって、自己インダクタンスＬ１は、実質的に自己インダクタンスＬ２に基づく値でもある。同様に、自己インダクタンスＬ２は出力側インピーダンスＺ２、結合係数Ｋに基づく値であり、自己インダクタンスＬ１に基づく値でもある。

さらに、１次側送電コイル６は上述したコイル形状に特に限定しないが、縦型のヘリカルコイルである方が好ましい。図１５に示すような平面コイルで形成される１次側送電コイル６０の場合、図１７に示すように、２次側受電コイル４と１次側送電コイル６０との位置関係の変化に伴い結合係数Ｋも変化する。これは、平面コイルは一般的に磁界強度が均一でなく、コイルの中心ほど磁界強度が強いためである。上述したように、伝送回路部３６の入出力側のインピーダンスは結合係数Ｋを用いて整合される。このため、結合係数Ｋが変化することにより図１８に示すように出力電圧Ｖ３は低下する。例えば、２次側受電コイル４が図１５の位置Ａに位置するときの結合係数Ｋを用いてＬ１、Ｌ２を算出しても、２次側受電コイル４が図１５の位置Ｄに位置すれば伝送効率は低下する。すなわち、２次側受電コイル４を載置可能とする１次側送電コイル６０上の領域が限定され、ポジションフリー給電が困難となる。

一方、図１０に示すように、１次側送電コイル６は１次側送電コイルの中心軸方向に線状導体を螺旋状に巻回された縦型のヘリカルコイルである。この場合、図１１、１２に示すように、２次側受電コイル４が移動することによる結合係数Ｋの変化はほとんどない。よって、２次側受電コイル４の載置場所が変化しても入出力のインピーダンスの整合関係をほぼ維持することができる。従って、図１３，１４に示すように安定して出力電圧（Ｖ３）は出力される。すなわち、２次側受電コイル４の載置可能な場所が広がり、ポジションフリー給電を可能とする。

本発明にかかるワイヤレス電力伝送システムは、１次側送電コイルと２次側受電コイル間で位置合わせをせずに伝送効率の低下を抑制し、また、１つの１次側送電コイルで複数の２次側受電コイルへの給電を可能にするので有用である。

１ 送電装置
２ 電子機器
３ 載置台
４ ２次側受電コイル
６ １次側送電コイル
７ 机
８ 電子機器用ボックス
１０ ワイヤレス電力伝送システム
２１ 送電回路部
２３ 受電回路部
２７ １次側コンデンサ
２８ ２次側コンデンサ
２９ 電源部
３０ ＤＣ／ＡＣインバータ
３１ 整流回路
３２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３３ 負荷部
３４ １次側伝送回路部
３５ ２次側伝送回路部
３６ 伝送回路部

Claims (14)

1. ２次側受電コイルを有し、前記２次側受電コイルを介して電力を受電する電子機器にワイヤレスで電力伝送を行う送電装置であって、
   １次側送電コイルと、
   前記１次側送電コイルに電力を供給する送電回路部と、を備え、
   前記１次側送電コイルおよび前記２次側受電コイルを含む伝送回路部において、前記伝送回路部の入力側の第１のインピーダンスは、前記１次側送電コイルと前記２次側受電コイルとの結合係数を用いて前記伝送回路部の出力側の第２のインピーダンスと整合されることを特徴とする送電装置。
2. 請求項１に記載の送電装置であって、
   前記１次側送電コイルの第１のインダクタンスは、前記１次側送電コイルと前記２次側受電コイルとの結合係数に基づく値であることを特徴とする送電装置。
3. 請求項２に記載の送電装置であって、
   前記第１のインダクタンスは、前記２次側受電コイルの第２のインダクタンスに基づく値であることを特徴とする送電装置。
4. 請求項３に記載の送電装置であって、
   前記第１のインダクタンスは、前記第１のインピーダンスに基づく値であることを特徴とする送電装置。
5. 請求項４に記載の送電装置であって、
   前記第１のインダクタンスをＬ１、前記第２のインダクタンスをＬ２、前記第１のインピーダンスをＺ１、前記第２のインピーダンスをＺ２、前記結合係数をＫとし、
   前記送電回路部が前記１次側送電コイルに角周波数ωで交流電力を供給する場合、
   ωＬ１＝Ｚ１／Ｋ、ωＬ２＝Ｚ２／Ｋの関係を満たすことを特徴とする送電装置。
6. 請求項５に記載の送電装置であって、
   前記１次側送電コイルに直列共振回路を構成する１次側コイルをさらに備える送電装置。
7. 請求項１に記載の送電装置であって、
   前記１次側送電コイルは、ヘリカルコイルであることを特徴とする送電装置。
8. 請求項７に記載の送電装置であって、
   前記１次側送電コイルは、前記１次側送電コイルの中心軸方向に線状導体を螺旋状に巻回されることを特徴とする送電装置。
9. 請求項７に記載の送電装置であって、
   前記１次側送電コイルの開口面は、少なくとも前記２次側受電コイルの面積の倍以上であることを特徴とする送電装置。
10. １次側送電コイルを有し、前記１次側送電コイルを介して電力を伝送する送電装置から電力を受電する電子機器であって、
    ２次側受電コイルと、
    前記２次側受電コイルを介して電力が供給される受電回路部と、を備え、
    前記１次側送電コイルおよび前記２次側受電コイルを含む伝送回路部において、前記伝送回路部の出力側の第２のインピーダンスは、前記１次側送電コイルと前記２次側受電コイルとの結合係数を用いて前記伝送回路部の入力側の第１のインピーダンスと整合されることを特徴とする電子機器。
11. ワイヤレスで電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムであって、
    １次側送電コイルおよび２次側受電コイルを有する伝送回路部と、
    前記１次側送電コイルの電力を伝送する送電回路部と、
    前記２次側受電コイルを介して電力を受電する受電回路部と、を備え、
    前記伝送回路部の入力側の第１のインピーダンスと、前記伝送回路部の出力側の第２のインピーダンスとは、前記１次側送電コイルと前記２次側受電コイルとの結合係数を用いて整合されることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
12. 請求項１１に記載のワイヤレス電力伝送システムであって、
    前記１次側送電コイルは、ヘリカルコイルであることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
13. 請求項１２に記載のワイヤレス電力伝送システムであって、
    前記１次側送電コイルは、前記１次側送電コイルの中心軸方向に線状導体を螺旋状に巻回されることを特徴とする送電装置。
14. 請求項１２に記載のワイヤレス電力伝送システムであって、
    前記１次側送電コイルの開口面が長方形形状であり、前記１次側送電コイルの開口面の短辺長は２次側受電コイルの径の４倍以下の長さであり、かつ、前記１次側送電コイルの開口面の長辺長は２次側受電コイルの径の６倍以下の長さであることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。

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