(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気導線が平面的でスパイラル状に巻かれて形成される送信側スパイラルコイルを有した送信側共振器を含む送信側電子装置と、
電気導線が平面的でスパイラル状に巻かれて形成されるものであって、直径が前記送信側スパイラルコイルの７分の１以下である受信側スパイラルコイルを有した受信側共振器を含む移動可能な受信側電子装置と、を備えてなり、
前記送信側スパイラルコイルは、周辺領域とその周辺領域の内側に位置して前記電気導線の線間ピッチが異なる内方領域を有しており、
前記受信側スパイラルコイルは、前記送信側スパイラルコイルの周辺領域より前記電気導線が密に巻かれているとともに両端間にコンデンサが設けられており、
前記送信側共振器が所定の共振周波数で共振し、前記受信側共振器が前記送信側共振器の共振周波数で共振することによって、前記送信側電子装置から前記受信側電子装置に無線で電力を伝送することを特徴とする無線電力伝送システム。
【請求項２】
請求項１に記載の無線電力伝送システムにおいて、
前記送信側スパイラルコイルは、前記周辺領域と前記内方領域に連続して設けられており、前記周辺領域では前記電気導線が密に巻かれており、前記内方領域では前記電気導線が疎に巻かれていることを特徴とする無線電力伝送システム。
【請求項３】
請求項２に記載の無線電力伝送システムにおいて、
前記送信側スパイラルコイルは、前記周辺領域の半径方向の長さは、前記内方領域の半径の９分の１以下になっていることを特徴とする無線電力伝送システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、
前記送信側スパイラルコイルは、１／２波長で共振する両端開放のものであることを特徴とする無線電力伝送システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、
前記受信側共振器は、前記受信側スパイラルコイルの電気導線の線間ピッチが前記送信側スパイラルコイルの電気導線の線間ピッチの２分の１以下になっていることを特徴とする無線電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振方式の無線電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、送信側電子装置から受信側電子装置へ電力を無線（無接触）で伝送する無線電力伝送システムの研究開発が盛んに行われている。無線電力伝送システムは、機械的な接触を必要としないため、耐久性が高く、騒音が少ないなどの利点がある。このような無線電力伝送システムには、遠方まで伝播する電磁波を用いて行うものと、遠方に伝播せず近傍にしか存在しない電磁場（エバネセント界）による結合を用いて行うものと、がある。後者の電磁場による結合を用いて行うものは、電力を受信する受信側電子装置が存在すれば電力の送信側電子装置との結合に応じて、送信側電子装置が有する電力（エネルギー）が受信側電子装置に伝送されるものであって、主に、電磁誘導方式と共振方式が提唱されている。
【０００３】
共振方式の無線電力伝送システムは、送信側電子装置に設けられた送信側共振器の共振周波数と受信側電子装置に設けられた受信側共振器の共振周波数を一致させ、共振している送信側共振器からの電磁場によって受信側共振器に共振を起こさせて電力を伝送するものである。この方式は、通常、電磁誘導方式に比べて伝送効率を高くすることができ、また、共振しない周辺の物体に影響がないようにできる。共振方式の無線電力伝送システムとして、例えば、特許文献１には、並列に結合したヘリカルコイルとコンデンサを送信側共振器及び受信側共振器としたものが記載されている。この特許文献１では、送信側共振器と受信側共振器の構造と大きさを同じにすることで、それらの共振周波数を一致させている。
【０００４】
また、特許文献２には、直径が大きいヘリカルコイルを送信側共振器とし、直径が小さいスパイラルコイルを受信側共振器としたものが記載されている。この特許文献２では、送信側共振器と受信側共振器の構造と大きさを異ならせ、かつ、それらの共振周波数を一致させるようにしている。そして、特許文献２では、受信側共振器をスパイラルコイルにして、それの占める体積を比較的小さくすることで、携帯可能な通信端末機やコンピュータなどの受信側電子装置を小型化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許公開２００９／００１５０７５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７９２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、固定設置される送信側電子装置と、携帯されて移動する受信側電子装置と、からなる無線電力伝送システムを考えた場合、受信側電子装置は、できるだけ小型化することが望まれる。加えて、送信側電子装置は、できるだけ広い範囲で十分な電力が受信側電子装置に伝送されるように、例えば電力を送信する面積を大きくしたり、場所による電力伝送のばらつきを少なくしたりするのが好ましい。
【０００７】
しかしながら、電力を送信する面積を大きくするために、特許文献１、２に記載のヘリカルコイルを用いて送信側共振器を構成したとすると、送信側共振器が厚くなって送信側電子装置全体の大型化を招来する。また、受信側電子装置については、特許文献１に記載のヘリカルコイルを用いて受信側共振器を構成したとすると、やはり受信側電子装置の大型化を招来し、携帯可能な程度の小型化は難しい。また、特許文献２に記載のスパイラルコイルを用いれば、受信側電子装置のかなりの程度の小型化は可能と考えられるが、更なる小型化へのニーズは高いと考えられる。
【０００８】
本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、送信側電子装置について電力を送信する面積を大きくしたときでも装置全体の大型化を抑制し、しかも、受信側電子装置の場所による電力伝送のばらつきが少なく、更に、受信側電子装置が携帯に好適なように、より小型化された無線電力伝送システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の無線電力伝送システムは、電気導線が平面的でスパイラル状に巻かれて形成される送信側スパイラルコイルを有した送信側共振器を含む送信側電子装置と、電気導線が平面的でスパイラル状に巻かれて形成されるものであって、直径が前記送信側スパイラルコイルの７分の１以下である受信側スパイラルコイルを有した受信側共振器を含む移動可能な受信側電子装置と、を備えてなり、前記送信側スパイラルコイルは、周辺領域とその周辺領域の内側に位置して前記電気導線の線間ピッチが異なる内方領域を有しており、前記受信側スパイラルコイルは、前記送信側スパイラルコイルの周辺領域より前記電気導線が密に巻かれているとともに両端間にコンデンサが設けられており、前記送信側共振器が所定の共振周波数で共振し、前記受信側共振器が前記送信側共振器の共振周波数で共振することによって、前記送信側電子装置から前記受信側電子装置に無線で電力を伝送することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の無線電力伝送システムは、請求項１に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記送信側スパイラルコイルは、前記周辺領域と前記内方領域に連続して設けられており、前記周辺領域では前記電気導線が密に巻かれており、前記内方領域では前記電気導線が疎に巻かれていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の無線電力伝送システムは、請求項２に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記送信側スパイラルコイルは、前記周辺領域の半径方向の長さは、前記内方領域の半径の９分の１以下になっていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の無線電力伝送システムは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記送信側スパイラルコイルは、１／２波長で共振する両端開放のものであることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の無線電力伝送システムは、請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記受信側共振器は、前記受信側スパイラルコイルの電気導線の線間ピッチが前記送信側スパイラルコイルの電気導線の線間ピッチの２分の１以下になっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、無線電力伝送システムにおいて、送信側電子装置の送信側共振器及び受信側電子装置の受信側共振器にスパイラルコイルを用い、その送信側スパイラルコイルの周辺領域と内方領域とで電気導線の線間ピッチが異なっており、受信側スパイラルコイルの電気導線は送信側スパイラルコイルよりも密に巻かれているので、送信側電子装置について、電力を送信する面積を大きくしたときでも装置全体の大型化を抑制し、しかも、受信側電子装置の場所による電力伝送のばらつきを少なくし、更に、受信側電子装置を携帯に好適なように、より小型化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成を示す模式図である。
【図２】同上の無線電力伝送システムの送信側スパイラルコイルの例を示す平面図である。
【図３】同上の無線電力伝送システムの送信側スパイラルコイルの別の例を示す平面図である。
【図４】参考としての送信側スパイラルコイルの別の例を示す平面図である。
【図５】同上の無線電力伝送システムの受信側共振器の例を示すものであって、（ａ）が平面図、（ｂ）が拡大平面図である。
【図６】同上の無線電力伝送システムのための実験構成を示す模式図である。
【図７】同上の無線電力伝送システムの電力の伝送特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための好ましい形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る無線電力伝送システム１は、図１に模式的に示すように、送信側電子装置２と受信側電子装置３を備えており、電磁波を用いずに、電磁場（エバネセント界）による結合を用いて、送信側電子装置２から受信側電子装置３へ電力を無線で伝送するものである。この無線電力伝送システム１は、送信側電子装置２が、床や壁への埋め込みなどによって固定設置され、受信側電子装置３が、携帯されて移動しながらでも電力の伝送が行えるようなシステムに好適に応用される。
【００１７】
送信側電子装置２は、図１に示すように、所定の周波数で共振する送信側共振器２１を含むものであり、この送信側共振器２１は、電気導線２１ａａが平面的でスパイラル状に巻かれて形成される送信側スパイラルコイル２１ａを有している。
【００１８】
送信側スパイラルコイル２１ａは、図２及び図３に示すようなものであり、図４に示すような、スパイラルの中心からスパイラルの最外側までにわたって電気導線２１ａａの全ての線間ピッチｇを一定に保って巻いてある、所謂、均等巻のスパイラルコイルではない。すなわち、送信側スパイラルコイル２１ａは、周辺領域Ｎ（図２及び図３中、破線で示す同心円同士の間の領域）とその周辺領域Ｎの内側に位置してスパイラルの中心を含む内方領域Ｍとで、電気導線２１ａａの有無又は線間ピッチｇが異なっている。
【００１９】
図２に示す送信側スパイラルコイル２１ａは、周辺領域Ｎと周辺領域Ｎの内側に位置する内方領域Ｍの２つの領域に分かれており、スパイラルの内方端からスパイラルの外方端に至る電気導線２１ａａが周辺領域Ｎのみに設けられている、すなわち、エッジワイズ巻のスパイラルコイル（ｅｄｇｅ−ｗｉｓｅ  ｓｐｉｒａｌ  ｃｏｉｌ）になっている。そして、電気導線２１ａａは、密に（短い線間ピッチｇで）巻かれている。より詳しくは、エッジワイズ巻の送信側スパイラルコイル２１ａは、通常、周辺領域Ｎの半径方向の長さ（電気導線２１ａａの最内側から最外側までの半径方向の長さ）ｎが、内方領域Ｍの半径（スパイラルの中心から電気導線２１ａａの最内側までの半径方向の長さ）ｍよりも小さくなっている。図２に示すこの送信側スパイラルコイル２１ａは、長さｎが長さｍの６分の１以下になっているものである。
【００２０】
図３に示す送信側スパイラルコイル２１ａは、周辺領域Ｎと内方領域Ｍの２つの領域に分かれており、周辺領域Ｎから内方領域Ｍにも連続して設けられており、周辺領域Ｎでは電気導線２１ａａが密に巻かれており、内方領域Ｍでは電気導線２１ａａが疎に（周辺領域Ｎよりも大きな線間ピッチｇで）均等巻で巻かれている、すなわち、エッジワイズ巻＋均等巻のスパイラルコイルになっている。図３に示すこの送信側スパイラルコイル２１ａは、周辺領域Ｎの半径方向の長さｎは、内方領域Ｍの半径方向の長さｍの９分の１以下になっているものである。
【００２１】
送信側スパイラルコイル２１ａは、その共振方式、すなわち共振波長や両端の処理などは限定されるものではないが、図２及び図３に示すような１／２波長で共振する両端開放のものを用いれば、電力を送信する面積を大きくするのに有利であり、また、設置のし易さやエネルギー損失が少ないなどの点からも好ましい。
【００２２】
なお、送信側共振器２１に電力の送信信号を送って、それを共振させるためには、図１に示すように、送信側スパイラルコイル２１ａと電磁場で結合した送信側結合ループ２２を用いることができる。送信側結合ループ２２には、送信信号生成回路２３からの高周波数の電力の送信信号が入力される。送信側結合ループ２２に入力された電力の送信信号は、インピーダンスが整合されて送信側共振器２１に送られる。
【００２３】
次に、受信側電子装置３について説明する。受信側電子装置３は、送信側共振器２１と同じ共振周波数で共振する受信側共振器３１を含むものであり、この受信側共振器３１は、送信側共振器２１と同様、電気導線３１ａａが平面的でスパイラル状に巻かれて形成される受信側スパイラルコイル３１ａを有している。この受信側スパイラルコイル３１ａは、送信側スパイラルコイル２１ａよりもスパイラルの直径が小さい。
【００２４】
受信側スパイラルコイル３１ａは、直径を小さくするために、図５に示すように、電気導線３１ａａが送信側スパイラルコイル２１ａの電気導線２１ａａよりも密に巻かれており、従って、電気導線３１ａａの線間ピッチｇ’が電気導線２１ａａの線間ピッチｇよりも小さい（例えば、２分の１以下）。受信側共振器３１は、受信側スパイラルコイル３１ａの直径を更に小さくするために、受信側スパイラルコイル３１ａの両端間にコンデンサ３１ｂが設けられているようにすることが好ましい。コンデンサ３１ｂを付加すると、受信側共振器３１の共振周波数ｆ（Ｈｚ）は、受信側スパイラルコイル３１ａのインダクタンスＬとコンデンサ３１ｂのキャパシタンスＣによって、ｆ＝１／（２π√（ＬＣ））の式に従うようになるため、インダクタンスＬが小さく、すなわち、受信側スパイラルコイル３１ａの電気導線３１ａａが短くて済むからである。図５に示すこの受信側スパイラルコイル３１ａの直径は、コンデンサ３１ｂを付加することによって、送信側スパイラルコイル２１ａの直径の７分の１以下になっているものである。
【００２５】
なお、図５に示す受信側スパイラルコイル３１ａは、エッジワイズ巻に近いものとなっているが、受信側スパイラルコイル３１ａは、密に巻く以外は、巻き方が特に限定されるものではない。
【００２６】
なお、共振した受信側共振器３１から電力の送信信号を負荷回路３３に伝送するためには、図１に示すように、受信側スパイラルコイル３１ａと電磁場で結合した受信側結合ループ３２を用いることができる。電力の送信信号は、受信側スパイラルコイル３１ａから受信側結合ループ３２を介してインピーダンスの整合がされて、負荷回路３３に伝送される。負荷回路３３は、携帯される通信端末機やコンピュータなどの受信側電子装置３の機能を発揮するため回路である。
【００２７】
以上説明した構成の無線電力伝送システム１では、送信側共振器２１が所定の周波数で共振し、その電磁場によって受信側共振器３１が共振する。それによって、送信側共振器２１から受信側共振器３１に、すなわち、送信側電子装置２から受信側電子装置３に無線で電力が伝送される。
【００２８】
送信側共振器２１は、電気導線２１ａａが平面的でスパイラル状に巻かれて形成される送信側スパイラルコイル２１ａを用いているので、電力を送信する面積を大きくしたときでも、厚みは大きくはならないために装置全体の大型化を抑制することができる。また、受信側電子装置３は、受信側スパイラルコイル３１ａを小さくすることができるので、全体を携帯に好適なように、より小型化することができる。
【００２９】
また、送信側スパイラルコイル２１ａは、電気導線２１ａａが平面的でスパイラル状に巻かれて形成されたものであるので、スパイラルコイルを均等巻以外のものとすることが容易に可能である。そして、送信側スパイラルコイル２１ａは、図２及び図３に示すように、周辺領域Ｎと内方領域Ｍとで電気導線２１ａａの有無又は線間ピッチｇが異なっているようにすることで、以下の実験例に示すように、移動する受信側電子装置３の場所による電力伝送のばらつきを少なくすることができる。
【００３０】
次に、無線電力伝送システム１の実験例を示す。この実験例は、実験が可能なように送信側スパイラルコイル２１ａの直径は比較的小さいもの（２３．７ｃｍ）を用いている。また、この実験例は、送信側共振器２１と受信側共振器３１の共振周波数をともに約２５ＭＨｚとして、図６に示すように、送信側結合ループ２２の入力端子ｉに約２５ＭＨｚの電力の送信信号を入力させて、受信側スパイラルコイル３１ａを（すなわち、受信側共振器３１及び受信側結合ループ３２を）送信側スパイラルコイル２１ａの中心軸Ａから横方向（中心軸Ａの垂直方向）（図６におけるＸ方向）にずらして送信側共振器２１と受信側共振器３１の結合係数（伝送される電力の割合）を受信側結合ループ３２で測定したものである。
【００３１】
送信側共振器２１の送信側スパイラルコイル２１ａは、エッジワイズ巻（図２に示したもの）、エッジワイズ巻＋均等巻（図３に示したもの）、均等巻き（図４に示したもの）の３種類を用いた。エッジワイズ巻のものは、線間ピッチｇが０．４ｃｍ、巻数が４．１ターンとし、エッジワイズ巻＋均等巻のものは、エッジワイズ巻の部分は線間ピッチｇが０．４ｃｍ、巻数が２．７ターン、均等巻の部分は線間ピッチｇが２．０ｃｍ、巻数が５．３ターンとし、均等巻のものは、線間ピッチｇが１．０ｃｍ、巻数が１１．４ターンとしている。
【００３２】
受信側共振器３１は、図５に示したものであり、受信側スパイラルコイル３１ａは、直径が３．１ｃｍ、線間ピッチｇ’が０．２ｃｍ、巻数が４．５ターンであり、コンデンサ３１ｂのキャパシタンスが６８ｐＦである。なお、受信側スパイラルコイル３１ａのインダクタンスは、０．６μＨとなっている。
【００３３】
図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、送信側スパイラルコイル２１ａと受信側スパイラルコイル３１ａの間の距離ｄを２ｃｍ、４ｃｍ、６ｃｍとして測定した結果を示すものである。横軸が中心軸Ａからの距離（ずれ）、縦軸が結合係数である。図中の曲線ａ、ｂ、ｃはそれぞれ、エッジワイズ巻、エッジワイズ巻＋均等巻、均等巻のスパイラルコイルを用いた結果を示している。
【００３４】
図より、エッジワイズ巻（曲線ａ）とエッジワイズ巻＋均等巻（曲線ｂ）は、均等巻（曲線ｃ）に比べて、中心軸Ａからの距離に対する結合係数の変化が少なく、結合係数が安定していることが分かる。具体的には、距離ｄが２ｃｍ、４ｃｍ、６ｃｍいずれの場合でも、中心軸Ａからの距離が約６ｃｍ以上で、均等巻（曲線ｃ）は結合係数が急激に下がっているが、エッジワイズ巻（曲線ａ）及びエッジワイズ巻＋均等巻（曲線ｂ）は、ほぼ一定を保っているか、又は、均等巻（曲線ｃ）ほどは下がっていない。よって、エッジワイズ巻或いはエッジワイズ巻＋均等巻の送信側スパイラルコイル２１ａを用いると、均等巻のスパイラルコイル２１ａを用いた場合に比べて、受信側スパイラルコイル３１ａ、すなわち受信側電子装置３の場所による電力伝送のばらつきを少なくすることができる。なお、エッジワイズ巻（曲線ａ）とエッジワイズ巻＋均等巻（曲線ｂ）とを比較すると、特性の差が見られるため、この差をもってどちらかの選択を決定することも可能である。
【００３５】
また、この実験例の送信側スパイラルコイル２１ａの直径は比較的小さいものであるが、この実験例の結果をスケーリング則により、送信側スパイラルコイル２１ａの直径を大きくして、電力を送信する面積が大きいものに適用することができる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムについて説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、周辺領域Ｎと内方領域Ｍとで電気導線２１ａａの有無又は線間ピッチｇが異なっているようにした送信側スパイラルコイル２１ａは、システムに応じた最適化も可能であり、エッジワイズ巻或いはエッジワイズ巻＋均等巻の他に、例えば、周辺領域Ｎと内方領域Ｍの両方又は片方を、周辺に向かうにつれて徐々に密になるように巻いたり、或いは、場合によっては、周辺に向かうにつれて徐々に疎になるように巻いたりするなども可能である。
【００３７】
また、上記の送信側結合ループ２２は、図１に示す本実施形態では、送信側共振器２１と距離をおいて異なる平面上に配置されているが、送信側結合ループ２２のループの大きさを適切に選ぶことにより、送信側共振器２１と送信側結合ループ２２を同一平面上に配置しながらインピーダンスの整合を行うことも可能である。そうすることによって、送信側電子装置２の大型化を更に抑制することができる。同様に、上記の受信側結合ループ３２は、図１に示す本実施形態では、受信側共振器３１と距離をおいて異なる平面上に配置されているが、受信側結合ループ３２のループの大きさを適切に選ぶことにより、受信側共振器３１と受信側結合ループ３２を同一平面上に配置しながらインピーダンスの整合を行うことも可能である。そうすることによって、受信側電子装置３を更に小型化することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１    無線電力伝送システム
２    送信側電子装置
２１  送信側共振器
２１ａ  送信側スパイラルコイル
２１ａａ  送信側スパイラルコイルの電気導線
３    受信側電子装置
３１  受信側共振器
３１ａ  受信側スパイラルコイル
３１ａａ  受信側スパイラルコイルの電気導線
３１ｂ  コンデンサ
Ｍ    送信側スパイラルコイルの内方領域
Ｎ    送信側スパイラルコイルの周辺領域
ｇ    送信側スパイラルコイルの電気導線の線間ピッチ
ｇ’  受信側スパイラルコイルの電気導線の線間ピッチ
【図１】
0006024013.tif 000002
【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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