(57)【要約】      （修正有）【課題】磁気共鳴を用いた非接触電力伝送において、コイル間距離が近い場合の共振周波数の変動を少なくし、伝送効率の劣化を抑える。【解決手段】給電側磁気共鳴コイル１と負荷側磁気共鳴コイル２間に、給電側給電コイル１０１と負荷側給電コイル１０２が入る構成のコイル配置とすることにより、給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイル間の結合に対し、給電側給電コイルや負荷側給電コイルに流れる電流によって発生する磁界が磁気共鳴コイル間の強結合を妨げる方向に働くことで磁気共鳴コイル間の距離が短くなっても磁気共鳴コイル間の結合は強結合とならないため、磁気共鳴周波数がコイル間距離により大きくずれたり、磁気共鳴周波数が２つ現れる現象を抑えることができる。【選択図】図１
2010154700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電側給電コイルと給電側磁気共鳴コイルと負荷側給電コイルと負荷側磁気共鳴コイルを備え、前記給電側給電コイルに前記給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイルの磁気共鳴周波数に等しい周波数の送信電力を供給することで、前記給電側磁気共鳴コイルを励振し、給電側磁気共鳴コイルと前記負荷側磁気共鳴コイルとの磁気共鳴現象を利用して非接触で電力を伝送し、前記負荷側給電コイルより前記給電側磁気共鳴コイルに伝送された送信電力を取り出す非接触電力伝送システムにおいて、
前記給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイル間の伝送距離よりも、前記給電側磁気共鳴コイルと前記負荷側給電コイル間距離のほうが短くなるようにコイルを配置したことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項２】
給電側給電コイルと給電側磁気共鳴コイルと負荷側給電コイルと負荷側磁気共鳴コイルを備え、前記給電側給電コイルに前記給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイルの磁気共鳴周波数に等しい周波数の送信電力を供給することで、前記給電側磁気共鳴コイルを励振し、給電側磁気共鳴コイルと前記負荷側磁気共鳴コイルとの磁気共鳴現象を利用して非接触で電力を伝送し、前記負荷側給電コイルより前記給電側磁気共鳴コイルに伝送された送信電力を取り出す非接触電力伝送システムにおいて、
前記給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイル間の伝送距離よりも、前記給電側給電コイルと前記負荷側磁気共鳴コイル間距離のほうが短くなるようにコイルを配置したことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項３】
請求項１に記載の非接触電力伝送システムにおいて、
前記給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイル間の伝送距離よりも、前記給電側給電コイルと前記負荷側磁気共鳴コイル間距離のほうが短くなるようにコイルを配置したことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか記載の非接触電力伝送システムにおいて、
第1と第2の負荷側給電コイルを設け、前記給電側の磁気共鳴コイルと第1の負荷側給電コイル間距離を前記給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイル間の伝送距離よりも短く、前記給電側の磁気共鳴コイルと第２の負荷側給電コイル間距離を長くなるようにコイルを配置したことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項５】
請求項４記載の非接触電力伝送システムにおいて、
前記第1の負荷側給電コイルと前記第２の負荷側給電コイルに出力される伝送された電力を合成して取り出す電力合成回路を設けたことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項６】
請求項４記載の非接触電力伝送システムにおいて、
前記第1の負荷側給電コイルと前記第２の負荷側給電コイルに出力される伝送電圧を検出し、より高い電圧の給電コイルより電力を取り出す切り替え回路を設けたことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか記載の非接触電力伝送システムにおいて、
前記負荷側給電コイルより出力される磁気共鳴周波数に等しい周波数の伝送電力を直流電力に変換する整流回路を具備し、前記整流回路は、ＭＯＳトランジスタより構成される同期整流回路であることを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項８】
請求項７記載の非接触電力伝送システムにおいて、
前記整流回路は、前記負荷側給電コイルは少なくとも３ターン以上の巻き数のコイルであって、前記コイルに第1と第2のタップを設け、第1のタップに第1のＭＯＳトランジスタのソースを接続し、ゲートを第1のタップ側のコイル端に接続し、ドレインを第1のインダクタを介し第1の直流電圧出力端子に接続し、前記第2のタップに第2のＭＯＳトランジスタのソースに接続するとともに、第2の直流電圧出力端子に接続し、ゲートを第2のタップ側のコイル端に接続し、ドレインを前記第1のＭＯＳトランジスタのドレインと前記第1のインダクタの接続点に接続し、前記第1と第2の直流電圧出力端子間に容量を付加した構成であることを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記給電側給電コイルと前記給電側磁気共鳴コイルは、充電器に備えられ、
前記負荷側給電コイルと前記負荷側磁気共鳴コイルは、充電可能なバッテリを搭載した機器に備えられること、
を特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項１０】
給電側給電コイルおよび給電側磁気共鳴コイルを備えた給電装置と、負荷側給電コイルおよび負荷側磁気共鳴コイルを備えた負荷装置と、を有し、前記給電側給電コイルに前記給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイルの磁気共鳴周波数に等しい周波数の送信電力を供給することで、前記給電側磁気共鳴コイルを励振し、給電側磁気共鳴コイルと前記負荷側磁気共鳴コイルとの磁気共鳴現象を利用して非接触で電力を伝送し、前記負荷側給電コイルより前記給電側磁気共鳴コイルに伝送された送信電力を取り出す非接触電力伝送システムにおける前記負荷装置であって、
前記給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイル間の伝送距離よりも、前記給電側磁気共鳴コイルと前記負荷側給電コイル間距離のほうが短くなるように、前記負荷側給電コイルおよび前記負荷側磁気共鳴コイルを配置したこと
を特徴とする非接触電力伝送システムにおける前記負荷装置。
【請求項１１】
給電側給電コイルおよび給電側磁気共鳴コイルを備えた給電装置と、負荷側給電コイルおよび負荷側磁気共鳴コイルを備えた負荷装置と、を有し、前記給電側給電コイルに前記給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイルの磁気共鳴周波数に等しい周波数の送信電力を供給することで、前記給電側磁気共鳴コイルを励振し、給電側磁気共鳴コイルと前記負荷側磁気共鳴コイルとの磁気共鳴現象を利用して非接触で電力を伝送し、前記負荷側給電コイルより前記給電側磁気共鳴コイルに伝送された送信電力を取り出す非接触電力伝送システムにおける前記負荷装置であって、
前記給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイル間の伝送距離よりも、前記給電側給電コイルと前記負荷側磁気共鳴コイル間距離のほうが短くなるように、前記負荷側給電コイルおよび前記負荷側磁気共鳴コイルを配置したこと
を特徴とする非接触電力伝送システムにおける前記負荷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触電力伝送システム、および該非接触電力伝送システムにおける負荷装置に関する。例えば、磁気共鳴現象を利用した非接触電力伝送手段および装置に関するものであり、非接触ＩＣカードやバッテリを搭載した携帯機器への非接触による充電装置に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特開平１１−１８８１１３号公報がある。該公報には「［課題］送受コイルの距離が変動しても、コイルの共振状態がくずれることがなく、安定した電力伝送を行うことができるようにする。［解決手段］皮膚を挟んで対向配置された送信コイル２１、受信コイル１１と、送信コイル２１と接続されて共振回路を構成する可変コンデンサ２２と、受信コイル１１と接続されて共振回路を構成する可変コンデンサ１２と、送信コイル２１、受信コイル１１における電圧レベルをそれぞれ検出する電圧検出回路２３、１３と、電圧検出回路２３にて検出された電圧レベルを入力とし、該検出電圧レベルが常に最高値をとるように可変コンデンサ２２の容量を可変する容量制御回路２４と、電圧検出回路１３にて検出された電圧レベルを入力とし、該検出電圧レベルが常に最高値をとるように可変コンデンサ１２の容量を可変する容量制御回路１４とを有する。」と記載されている。
【０００３】
また、例えば、Andre Kurs， et al. “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances，”  SCIENCE， VOL 317， pp.83-85， 6 JULY 2007がある。該文献には、「Using self-resonant coils in a strongly coupled regime， we experimentally demonstrated efficient nonradiative power transfer over distances up to 8 times the radius of the coils. We were able to transfer 60 watts with ~40% efficiency over distances in excess of 2 meters. We present a quantitative model describing the power transfer， which matches the experimental results to within 5%. We discuss the practical applicability of this system and suggest directions for further study.」と記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１８８１１３号公報
【非特許文献１】Andre Kurs， et al. “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances，”  SCIENCE， VOL 317， pp.83-85， 6 JULY 2007
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者が検討した技術として、非接触電力伝送手段の技術に関して、たとえば一例として図８に示すような構成のものが考えられる。
【０００６】
図8に示す非接触電力伝送手段は電磁誘導の磁気共鳴現象を利用したものであり、給電側磁気共鳴コイル１と、負荷側磁気共鳴コイル２と、給電側給電コイル３と、負荷側給電コイル４と、発振器５と負荷の電球６より構成され、給電側磁気共鳴コイル１に近接して距離ksに給電側給電コイル３を設けることにより、給電側磁気共鳴コイル１と電磁誘導により結合する。このとき、給電側磁気共鳴コイル１の直径と巻き数で主に決定される共振周波数に等しい周波数で発振器５から給電側給電コイル３に伝送電力を供給すると給電側磁気共鳴コイル１が効率よく励振されるため、給電側磁気共鳴コイル１には共振周波数で大きな電流が流れ、強い磁界が発生する。ここで、給電側磁気共鳴コイル１と同じ共振周波数を有する負荷側磁気共鳴コイル２が給電側磁気共鳴コイル１と強く結合する（磁気共鳴現象）ため、負荷側磁気共鳴コイル２にも大きな電流が流れ、これに近接して距離kDに設けられた負荷側給電コイル４には電磁誘導により起電力が発生する。この現象を一般的には磁気共鳴による非接触電力伝送と呼ばれている。
【０００７】
以上の非接触電力伝送の例として、非特許文献１で記載されている実験内容を以下に示す。
【０００８】
非特許文献１の実験の構成は図８で示した技術の一例と同様な構成であり、給電側磁気共鳴コイル１と負荷側磁気共鳴コイル２の直径は６０ｃｍ、巻き数は５.２５ターンで、このときの磁気共鳴周波数は約１０ＭＨｚとなっている。また、給電側給電コイル３と負荷側給電コイル４は直径５０ｃｍ、給電コイルと磁気共鳴コイル間の各距離ks、kDは１０ｃｍであり、給電側磁気共鳴コイル１と負荷側磁気共鳴コイル２の距離kを１００ｃｍとしたとき、伝送効率は９０％以上、２００ｃｍのときは伝送効率約４５％の実験結果が得られている。一般的な電磁誘導を用いた場合、伝送距離は数ｍｍから数ｃｍ程度で効率は約５０％〜７５％程度であり、これより伝送距離を長くすると伝送効率は大幅に劣化することから、磁気共鳴現象を利用した電力伝送のほうが伝送距離や伝送効率の面で優れているといえる。
【０００９】
また、本発明者が検討した技術として、非接触電力伝送手段の他の技術に関しては、たとえば一例として図９に示すような構成のものが考えられる。
【００１０】
図９に示す非接触電力伝送手段は電磁誘導を利用したものであり、給電側電磁誘導コイル１０と、負荷側電磁誘導コイル１１と、可変容量コンデンサ１２、１３と、平滑用コンデンサ１４と、整流回路１５と、駆動回路１６と負荷回路１７と電圧検出回路１８、１９と、容量制御回路２０、２１から構成されており、整流回路１５は、整流用ダイオード３１、３２、３３、３４からなるブリッジ回路により構成されている。
【００１１】
同図において、駆動回路１６に接続された給電側電磁誘導コイル１０のインダクタンスと、これと並列に接続された可変容量コンデンサ１２の容量値によって決まる共振周波数のときに給電側電磁誘導コイル１０に大きな電流が流れ、強い磁界が発生する。
【００１２】
また、負荷側の電磁誘導コイル１１は整流回路１５に接続されるとともに、可変容量コンデンサ１３が並列に接続されており、給電側電磁誘導コイル１０による磁界の周波数が、負荷側電磁誘導コイル１１のインダクタンスと、これと並列に接続された可変容量コンデンサ１３の容量値によって決まる共振周波数と等しい場合、負荷側電磁誘導コイル１１の両端に発生する電磁誘導電圧が最も大きくなるため、最大の伝送効率となる。また、整流回路１５と平滑用コンデンサ１４により負荷側電磁誘導コイル１１の端子間に出力された伝送電力を直流に変換し負荷回路１７へ電力の供給を行っている。
【００１３】
このとき、給電側電磁誘導コイル１０の両端に発生する電圧が最も高くなるように、電圧検出回路１８で検出したコイルの電圧に対応して、容量制御回路２０により可変容量ダイオード１２の容量値を調整することにより、駆動回路１６からの供給される電力搬送波の周波数と送信側コイルの共振周波数を一致することが可能となっている。
【００１４】
同様に電圧検出回路１９と容量制御回路２１により可変容量ダイオード１３の容量値を調整することにより、負荷側電磁誘導コイル１１においても両端の電圧が最も高くなるように調整可能であることから伝送効率の改善を図ることが可能となっている。
【００１５】
ところで、上記図8で示した技術の非接触電力伝送手段は、電磁誘導の磁気共鳴現象を用いたものであり、上記図９で示した技術は電磁誘導を用いたものである。これらを比較した場合、磁気共鳴現象では給電側磁気共鳴コイルの共振周波数と負荷側磁気共鳴コイルの共振周波数が一致したとき効率の良い電力伝送ができるという点においては電磁誘導と同じである。しかし、磁気共鳴現象による電力伝送の共振周波数の帯域は電磁誘導に比べ狭く、共振周波数の値が少しずれただけで電力が伝送できなくなってしまう。
【００１６】
このため、給電側と負荷側における共振周波数を正確に一致させる必要があるが、図8において、給電側磁気共鳴コイルや負荷側磁気共鳴コイルと並列に図9のように可変容量コンデンサを接続すると可変容量コンデンサの高周波の抵抗損失分等により磁気共鳴コイルのＱ値が下がって伝送効率の低下をまねいてしまうという課題を有していた。
【００１７】
さらに、磁気共鳴現象を用いた電力伝送では、磁気共鳴コイルに何も接続しないことでコイルのＱ値を極力高くし、コイルに流れる電流をできるだけ大きくして強い磁界を発生させているので、電磁誘導方式に比べ長い伝送距離と高い伝送効率が得られる反面、磁気共鳴コイルのＱ値が高いことで給電側と負荷側の磁気共鳴コイルの共振周波数の帯域が狭く、給電側と負荷側で共振周波数を一致させることが難しいという課題を有していた。
【００１８】
また、磁気共鳴現象を用いた電力伝送方式では、電磁誘導方式で比較的高い伝送効率が得られる数ｍｍ〜数ｃｍの距離まで給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイルを近づけた場合、お互いのコイル間結合が強すぎることにより、磁気共鳴現象を妨げるような現象が発生する。
【００１９】
次に、この現象についての詳細を述べる。ある程度距離を離した場合の磁気共鳴周波数をｆとすると磁気共鳴コイル間距離を数ｍｍ〜数ｃｍの距離まで近づけた場合、磁気共鳴の周波数は、ｆ−△ｆとｆ＋△ｆの２点の共鳴周波数を持つようになる。さらに、この△ｆの値は距離が近くなるにつれて大きくなる傾向にある。
【００２０】
このため、磁気共鳴周波数を一定にして電力の伝送を行った場合、磁気共鳴コイル間の距離を短くしていくと、ある距離から磁気共鳴周波数での伝送効率が逆に劣化してしまうという課題を有していた。
【００２１】
さらに、図９で示した技術では、伝送された電力をダイオードより構成される整流回路により直流電圧に変換しているが、ダイオードの順方向の電圧降下は、約０.７Ｖ程度あるので、この電圧降下により発生する電力損失により、非接触電力伝送全体での伝送効率が低下してしまうという課題を有していた。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は上記課題を解決または改善するため、特許請求の範囲に記載の構成を採用した。例えば、上記課題である共鳴周波数を調整するため可変容量コンデンサを付加すると磁気共鳴コイルのＱ値が下がって伝送効率が低下するという課題およびコイル間距離が近い場合に逆に伝送効率が劣化してしまうという課題については、図８で示した技術において、給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイル間の伝送距離よりも、給電側磁気共鳴コイルと負荷側給電コイル間距離が短くなるようにコイルを配置するとともに、給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイル間の伝送距離よりも、給電側給電コイルと負荷側磁気共鳴コイル間距離が短くなるようにコイルを配置する構成とした。
【００２３】
以上の構成とすることにより、給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイルとの間に、給電側給電コイルと負荷側給電コイルが入る構成となるため、給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイル間の結合に対し、給電側給電コイルや負荷側給電コイルに流れる電流によって発生する磁界が磁気共鳴コイル間の強結合を妨げる方向に働くことで磁気共鳴コイル間の距離が短くなっても磁気共鳴コイル間の結合は強結合とならないため、磁気共鳴周波数がコイル間距離により大きくずれたり、磁気共鳴周波数が２つ現れる現象を抑えることができる。
【００２４】
以上のことにより、共振周波数を可変するための可変容量ダイオードは不要となり、磁気共鳴コイルのＱ値を高くできるので、高い伝送効率を保つことができる。さらに磁気共鳴コイル間の結合が強結合とならないため、コイル間距離が近くなった場合の伝送効率の劣化を抑えることができる。
【００２５】
また、例えば、給電側と負荷側で共振周波数を一致させることが難しいという課題については、第1と第2の負荷側給電コイルを設け、給電側の磁気共鳴コイルと第1の負荷側給電コイル間距離を給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイル間の伝送距離よりも短く、給電側磁気共鳴コイルと第２の負荷側給電コイル間距離が長くなるようにコイルを配置するとともに、第１と第2の負荷側給電コイルに出力される伝送電力を合成して取り出す電力合成回路を設ける構成とした。あるいは、第１と第2の負荷側給電コイルに出力される伝送電圧を検出し、より高い電圧の給電コイルより電力を取り出せるようにコイル切り替え回路を設ける構成とした。
【００２６】
以上の構成とすることにより、コイル間距離が近く強結合状態である場合は、第1の負荷側給電コイルから伝送電力を取り出し、ある程度コイル間距離がある場合は、第２の負荷側給電コイルから伝送電力を取り出すことができるので、等価的に負荷側の共振周波数の帯域を広くすることができる。これにより、コイル間距離による伝送効率の劣化を少なくすることができる。
【００２７】
また、例えば、整流回路にダイオードを用いることによる直流電圧に変換する際の電力損失が大きいという課題については、ＭＯＳトランジスタより構成される同期整流回路を用いる構成とした。さらに、ＭＯSトランジスタを用いた整流回路では、整流回路に入力される伝送電力の周波数に同期してＭＯＳトランジスタのゲートをオンオフする必要があるが、この同期信号を負荷側給電コイルにタップを設け、負荷側給電コイルより取り出す構成とした。
【００２８】
以上の構成とすることにより、ダイオードを用いた整流回路では、ダイオードの順方向の電圧降下が約０.７Ｖ程度あるのに対し、ＭＯＳトランジスタのオン時の電圧降下は０.１Ｖ程度であるため、整流回路での電力損失を小さくできるため、伝送効率の高い非接触電力伝送装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明により、上記課題が解決または改善される。例えば、コイル間距離が近い場合の共振周波数の変動による伝送効率の劣化を抑えることができるとともに、ある程度離れたコイル間距離であっても伝送効率の低下の少ない非接触電力伝送手段を得ることができる。さらに、共振周波数を可変する手段を用いないため、簡易な構成で実現可能となる
さらに、例えば、伝送電力を直流に変換する場合にも変換損失の少ない整流回路を用いることで伝送効率の高い非接触電力伝送装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を用いて、実施例を説明する。
【実施例１】
【００３１】
本発明の非接触電力電送装置の第１の実施例を図面によって説明する。
【００３２】
図１は、本発明に使用される磁気共振現象を用いた非接触電力手段の第1の実施例を示した図である。
【００３３】
図において、１は給電側磁気共鳴コイル、２は負荷側磁気共鳴コイル、１０１は給電側給電コイル、１０２は負荷側給電コイル、５は発振器、６は負荷の電球であり、図8の従来技術の一例と比較して、給電側給電コイル１０１は、給電側磁気共鳴コイル１と負荷側磁気共鳴コイル２のコイル間の伝送距離よりも給電側給電コイル１０１と負荷側磁気共鳴コイル２のコイル間距離が短くなるようにコイルを配置している。さらに、負荷側給電コイル１０２は、給電側磁気共鳴コイル１と負荷側磁気共鳴コイル２のコイル間の伝送距離よりも、給電側磁気共鳴コイル１と負荷側給電コイル１０２とのコイル間距離が短くなるようにコイルを配置している。
【００３４】
以上の構成とすることにより、給電側磁気共鳴コイル１と負荷側磁気共鳴コイル２のコイル間に給電側給電コイル１０１と負荷側給電コイル１０２が入る構成となるため、給電側磁気共鳴コイル１と負荷側磁気共鳴コイル２のコイル間の伝送距離が短い場合、これらのコイルの結合が、給電側給電コイル１０１と負荷側給電コイル１０２で生じる磁界により強結合になるのを抑えるため、伝送距離が近い場合でも伝送効率の低下が抑えられる非接触伝送手段を得ることができる。
【００３５】
次に、図2は本発明に使用される磁気共振現象を用いた非接触電力手段の第２の実施例を示した図である。
【００３６】
図において、２０１は電力合成回路、１７は負荷回路、２０７、２０８は伝送電力出力端子であり、電力合成回路２０１は、整流回路２０２、２０３、レギュレータ２０４、２０５、合成回路２０６より構成され、その他、図1に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【００３７】
図において、給電側磁気共鳴コイル１と負荷側磁気共鳴コイル２のコイル間距離よりも給電側磁気共鳴コイル１と負荷側給電コイル１０２のコイル間距離が短くなるように負荷側給電コイル１０２を配置するとともに、給電側磁気共鳴コイル１と負荷側給電コイル４のコイル間距離が長くなるように負荷側給電コイル４を配置する構成となっており、これらの給電コイルは、電力合成回路２０１に接続されている。
【００３８】
さらに、負荷側給電コイル１０２、４は、それぞれ整流回路２０２、２０３を介しスイッチングレギュレータ２０４、２０５に接続され、これらレギュレータ出力は合成回路２０６に接続され、負荷回路１７に接続している。
【００３９】
以上の非接触電力伝送手段では、負荷側給電コイル１０２、４に出力された伝送電力を整流回路２００２、２０３により、それぞれ高周波電力から直流電力に変換された後、スイッチングレギュレータ２０４、２０５に入力される。入力された伝送電力は、スイッチングレギュレータ２０４、２０５によりそれぞれ等しい値の直流電圧に変換出力され、合成回路２０６により合成され、伝送電力出力端子２０７，２０８を介し負荷回路１７に電力が供給される。
【００４０】
以上の実施例では、第1の実施例と同様の効果が得られる上に、給電側磁気共鳴コイル１から異なる距離に負荷側給電コイル１０２、４を設け、これらのコイルから出力される伝送電力を合成して負荷回路１７に供給できるので、等価的に負荷側の共振周波数の帯域を広くすることができる。これにより、コイル間距離による伝送効率の劣化が少ない非接触電力伝送手段を得ることができる。
【００４１】
次に、図３は本発明に使用される磁気共振現象を用いた非接触電力手段の第３の実施例を示した図である。
【００４２】
図において、３０１はコイル切り替え回路であり、切り替え回路３０２、レベル検出回路３０３、制御回路３０４、整流回路３０５、レギュレータ３０６より構成され、その他、図２に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【００４３】
図において、負荷側給電コイル１０２、４は、切り替え回路３０２に接続され、切り替え回路３０２の出力はレベル検出回路３０３と整流回路３０５を介しスイッチングレギュレータ３０６に接続され、負荷回路１７に接続している。
【００４４】
以上の非接触電力伝送手段では、負荷側給電コイル１０２、４に出力された伝送電力を切り替え回路３０２とレベル検出回路３０３により、負荷側給電コイル１０２、４に出力された伝送電力の電圧を比較し、制御回路３０４において、より電圧の高いほうのコイルに切り替える。そして、より電圧値から出力された伝送電力を整流回路３０５により直流電圧に変換し、スイッチングレギュレータ３０６により所望の電圧値に変換され、伝送電力出力端子２０７、２０８を介し、負荷回路１７に供給される。
【００４５】
以上の実施例では、第２の実施例と同様の効果が得られる上に、整流回路やレギュレータが1つで済むのでより簡易な構成でコイル間距離による伝送効率の劣化が少ない非接触電力伝送手段を得ることができる。
【００４６】
次に、図４は本発明に使用される磁気共振現象を用いた非接触電力伝送装置の第１の実施例を示した図である。
【００４７】
図において、４０１は負荷側給電コイル、４０２は送信部電源回路、４０３は電力整流回路、４０４はコンセント、４０５は充電制御回路、４０６はバッテリであり、送信部電源回路４０２は、発振回路５、制御回路４１０、2次側コイル検出回路４１１、電源回路４１２より構成され、電力整流回路４０３は、整流用ＭＯＳトランジスタ４２１、４２２、インダクタ４２３、容量４２４、スイッチングレギュレータ４２５、抵抗４２６、４２７より構成され、その他、図２に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【００４８】
図において、負荷側給電コイル４０１は、少なくとも3ターン以上の巻き数とし、２つの中間タップｔ１、ｔ２を設けており、タップｔ１は電力整流回路４０３のＭＯＳトランジスタ４２１のソースに接続し、ゲートを抵抗４２６を介しタップｔ１側のコイル端に接続し、ドレインをインダクタ４２３を介しスイッチングレギュレータ４２５に接続する。また、タップｔ２にＭＯＳトランジスタ４２２のソースを接続するとともに、スイッチングレギュレータ４２５に接続し、ゲートを抵抗４２７を介しタップｔ２側のコイル端に接続し、ドレインをＭＯＳトランジスタ４２１のドレインとインダクタ４２３の接続点に接続する。さらに、スイッチングレギュレータの入力間に容量４２４を付加するとともに、スイッチングレギュレータ４２５からの出力電力は伝送電力出力端子２０７、２０８を介し充電制御回路４０５に出力される。
【００４９】
送信部電源回路４０２は、コンセント４０４からのＡＣ１００Ｖの電圧を電源回路４１２により、直流電圧に変換し、送信部に必要な電源を供給する。また、２次側コイル検出回路４１１は送信側近辺に負荷側電磁共鳴コイルが置かれたかどうかを検出し、もし近くに、負荷側コイルが置かれているならば、制御回路４１０により、発振器５をオンさせて、電力伝送を開始する。また、電力伝送中に負荷側電磁共鳴コイルを取り去られてしまった場合は、２次側コイル検出回路４１１がそれを検知して制御回路４１０は発振器５をオフ状態とし、不要な電力が放射されないようにしている。
【００５０】
以上のように、発振器５から出力された高周波の伝送電力は給電側磁気共振コイル１と負荷側磁気共振コイル２を介して負荷側給電コイル４０１より出力され、電力整流回路４０３により直流電圧に変換され、充電制御回路４０５に電力を供給することでバッテリ４０６への充電が可能となる。
【００５１】
以上の構成では、整流回路にＭＯＳトランジスタよる同期整流回路を用いることで、従来のダイオードを用いた整流回路よりも整流回路での電力損失を小さくできるため、伝送効率の高い非接触電力伝送装置を得ることができる。
【００５２】
次に、本発明の実施例における効果を図5、図6および図７を参照して説明する。
【００５３】
図５は、図１で示した非接触電力伝送手段の第１の実施例において、給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイルとのコイル間の伝送距離に対する給電側給電コイルから負荷側給電コイルへの通過損失特性の実験結果であり、図６は、図２で示した非接触電力伝送手段の第２の実施例においての給電側給電コイルから負荷側給電コイルへの通過損失特性を図５の結果をもとに予測したシミュレーション値である。また、図７は、図８の従来技術で示した磁気共鳴現象を用いた非接触電力伝送の従来のコイル配置での給電側給電コイルから負荷側給電コイルへの通過損失特性の実験結果である。
【００５４】
なお、これらの実験に用いたコイルは、給電側磁気共鳴コイルおよび負荷側磁気共鳴コイルは周囲長２０ｃｍ、巻き数は１５ターンのコイルで共振周波数は約３３ＭＨｚであり、給電側給電コイルおよび負荷側給電コイルは周囲長１８ｃｍで巻き数は１ターンのコイルである。また、給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイル間の距離は非接触によるバッテリへの充電装置を想定し、１２ｍｍ、１６ｍｍ、２０ｍｍ、２８ｍｍの比較的近距離で測定した値であり、伝送する電力の周波数を２６ＭＨｚから４０ＭＨｚまで振った値である。また、これらの図の横軸は、伝送する電力の周波数、縦軸は順方向利得Ｓ２１である。
【００５５】
図５において、伝送電力周波数を固定とした場合、コイル間距離を１２mmから２８ｍｍまで可変した場合に、通過損失が小さい周波数は３２MHｚ付近と考えられ、その時の損失は、約−３.２dB〜−２.３dBである。
【００５６】
図6ではコイル間距離を１２mmから２８ｍｍまで可変した場合に、通過損失が小さい周波数は３１.８MHｚ付近と考えられ、その時の損失は、約−３.０dB〜−０.７dBである。
【００５７】
図７ではコイル間距離を１２mmから２８ｍｍまで可変した場合に、通過損失が小さい周波数は３１MHｚ付近と考えられ、その時の損失は、約−６.８dB〜−４.０dBである。
【００５８】
以上のことから、従来技術の通過損失特性を示した図７と非接触電力伝送手段の第１の実施例の通過損失を示した図５を比較すると、図５の第１の実施例のほうが通過損失が少なく、損失の変動も少ないことが分かる。これは、従来技術の場合、コイル間距離を短くすると共振点が２つ現れ、コイル間距離によりその共振周波数の変動が大きいためと考えられることから、第１の実施例のほうが伝送効率に優れていることが分かる。
【００５９】
さらに、第１の実施例の通過損失を示した図５と第２の実施例の通過損失を示した図６を比較すると、第２の実施例のほうが通過損失が少なく、負荷側給電コイルを２つ用いて電力合成を行なうことでさらに伝送効率が改善されていることから、等価的に負荷側磁気共鳴コイルの共振周波数の広帯域化が図られているといえる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の非接触電力伝送手段の第１の実施形態の構成を示す構成図である。
【図２】本発明の非接触電力伝送手段の第２の実施形態の動作を示すブロック図である。
【図３】本発明の非接触電力伝送手段の第３の実施形態の動作を示すブロック図である。
【図４】本発明の非接触電力伝送装置の第１実施形態の動作を示すブロック図である。
【図５】本発明の非接触電力伝送手段の第１の実施形態の通過損失特性を示す実験結果である。
【図６】本発明の非接触電力伝送手段の第２の実施形態の通過損失特性を示すシミュレーション結果である。
【図７】図８で示した従来技術での通過損失特性を示す実験結果である。
【図８】磁気共鳴現象を用いた非接触電力伝送の一例を示す構成図である。
【図９】電磁誘導を用いた非接触電力伝送の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６１】
１…給電側磁気共鳴コイル、２…負荷側磁気共鳴コイル、３、１０１…給電側給電コイル、４、１０２、４０１…負荷側給電コイル、５…発振器、６…電球、１０…給電側電磁誘導コイル、１1…負荷側電磁誘導コイル、１２、１３…可変容量コンデンサ、１４…平滑用コンデンサ、１５、２０２、２０３、３０５…整流回路、１６…駆動回路、１７…負荷回路、１８、１９…電圧検出回路、２０、２１…容量制御回路、３１、３２、３３、３４…整流用ダイオード、２０１…電力合成回路、２０４、２０５、３０６、４２５…レギュレータ、２０６…合成回路、２０７、２０８…伝送電力出力端子、３０１…コイル切り替え回路、３０２…切り替え回路、３０３…レベル検出回路、３０４、４１０…制御回路、４０２…送信部電源回路、４０３…電力整流回路、４０４…コンセント、４０５…充電制御回路、４０６…バッテリ、４１１…2次側コイル検出回路、４１２…電源回路、４２１、４２２…整流用ＭＯＳトランジスタ、４２３…インダクタ、４２４…容量、４２６、４２７…抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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