(57)【要約】  送電装置の送電コイルと受電装置の受電共振コイルの距離が近い状態においても必要な伝送電力を実現する。  送電装置（１０）は、磁界共鳴を生じる共振周波数において共振する受電共振コイル（２１）に対し、電源部（１１）から供給された電力を磁界エネルギーとして送電する、受電共振コイル（２１）と共振点が異なる送電コイル（１２）を有している。受電装置（２０）は、共振周波数において送電コイル（１２）から送電される、磁界エネルギーを受電する受電共振コイル（２１）を有している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界共鳴を生じる共振周波数において共振する受電共振コイルに対し、電源部から供給された電力を磁界エネルギーとして送電する前記受電共振コイルと共振点が異なる送電コイル、
を有することを特徴とする送電装置。
【請求項２】
前記送電コイルは、前記電源部が接続されて前記電力が供給されることを特徴とする請求の範囲第１項記載の送電装置。
【請求項３】
磁界共鳴を生じる共振周波数において共振する受電共振コイルに対し、電源部から供給された電力を磁界エネルギーとして送電する前記受電共振コイルと共振点が異なる送電コイル、を有する送電装置と、
前記共振周波数において前記送電コイルから送電される前記磁界エネルギーを受電する前記受電共振コイル、を有する受電装置と、
を有することを特徴とする電力伝送装置。
【請求項４】
前記送電コイルは、前記電源部が接続されて前記電力が供給されることを特徴とする請求の範囲第３項記載の電力伝送装置。
【請求項５】
前記送電コイルから送出される磁界エネルギーと共鳴するコイルは一つであることを特徴とする請求の範囲第３項記載の電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件は、無線で電力を供給する送電装置および電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線による電力供給技術としては、一般的に、電磁誘導を利用した技術、電波を利用した技術が知られている。これに対し、近年、磁界共鳴を利用した技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
磁界共鳴による無線電力供給技術では、例えば、送電装置に共振周波数ｆｒ１を有する送電共振コイルが設けられると共に、受電装置に共振周波数ｆｒ２を有する受電共振コイルが設けられる。これらのコイルの共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２を同調させ、サイズや配置を適切に調整することにより、送電装置と受電装置との間に磁界共鳴によるエネルギー転送可能な磁界の結合状態が生じる。これにより、送電装置の送電共振コイルから受電装置の受電共振コイルへ、無線により電力が伝送される。このような無線電力供給技術によれば、電力の伝送効率（エネルギー転送効率）を数十％程度とすることができ、送電装置と受電装置との間の距離を比較的大きく、例えば、数十ｃｍ程度の共振器に対して数十ｃｍ以上とすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００９−５０１５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、磁界共鳴による無線電力供給では、送電装置の送電共振コイルと受電装置の受電共振コイルとの間の距離が近づくと伝送電力が低下するという問題点があった。
本件はこのような点に鑑みてなされたものであり、送電装置の送電コイルと受電装置の受電共振コイルの距離が近いほど伝送電力を大きくする送電装置および電力伝送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、送電装置が提供される。この送電装置は、磁界共鳴を生じる共振周波数において共振する受電共振コイルに対し、電源部から供給された電力を磁界エネルギーとして送電する前記受電共振コイルと共振点が異なる送電コイル、を有する。【０００７】
また、上記課題を解決するために、電力伝送装置が提供される。この電力伝送装置は、磁界共鳴を生じる共振周波数において共振する受電共振コイルに対し、電源部から供給された電力を磁界エネルギーとして送電する前記受電共振コイルと共振点が異なる送電コイル、を有する送電装置と、前記共振周波数において前記送電コイルから送電される前記磁界エネルギーを受電する前記受電共振コイル、を有する受電装置と、を有する。
【発明の効果】
【０００８】
開示の送電装置および電力伝送装置によれば、送電コイルと受電共振コイルとの距離が近いほど伝送電力を大きくすることができる。
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態に係る電力伝送装置を示した図である。
【図２】送電コイルと受電共振コイルとの間の距離と伝送電力との関係を示した図である。
【図３】電力伝送装置の適用例を示した図である。
【図４】電力伝送装置の別の適用例を示した図である。
【図５】磁界共鳴システムを示した図である。
【図６】送電共振コイルと受信共振コイルの等価回路を示した図である。
【図７】送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が最適である場合における伝送周波数と伝送電力との関係を示した図である。
【図８】送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が最適距離よりも短い場合における伝送周波数と伝送電力との関係を示した図である。
【図９】送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離と伝送電力との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
まず、磁界共鳴による無線電力供給において、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離と伝送電力との関係について説明する。その後、本実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図５は、磁界共鳴システムを示した図である。図５に示すように磁界共鳴システムは、電源部１０１、電力供給コイル１０２、および送電共振コイル１０３を備えた送電装置１００と、受電共振コイル１１１、電力取出コイル１１２、および負荷１１３を備えた受電装置１１０とを有している。
【００１２】
電源部１０１は、電力供給コイル１０２に電力を供給する。電源部１０１は、例えば、コルピッツ発振回路であり、送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１の共振周波数で発振する。
【００１３】
電力供給コイル１０２には、電源部１０１が接続されている。電力供給コイル１０２は、電源部１０１の電力を電磁誘導により送電共振コイル１０３に供給する。
送電共振コイル１０３は、例えば、両端が解放されたインダクタンスＬを有するヘリカル型コイルである。送電共振コイル１０３は、浮遊容量による容量を有している。これにより、送電共振コイル１０３は、ＬＣ共振回路となる。なお、図５では、浮遊容量による容量を想定しているが、コンデンサ素子を送電共振コイル１０３に挿入する場合もある。
【００１４】
受電共振コイル１１１も送電共振コイル１０３と同様に、例えば、両端が解放されたインダクタンスＬを有するヘリカル型コイルである。受電共振コイル１１１も送電共振コイル１０３と同様に浮遊容量による容量を有し、または、コンデンサ素子を挿入する場合もある。これにより、受電共振コイル１１１は、ＬＣ共振回路となる。
【００１５】
送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１の共振周波数は、同一となるように設定する。これにより、電力は、送電共振コイル１０３から受電共振コイル１１１へ、磁界共鳴を用いて磁界エネルギーとして送電される。
【００１６】
受電共振コイル１１１は、電磁誘導により電力取出コイル１１２に電力を供給する。電力取出コイル１１２には、例えば、バッテリなどの負荷１１３が接続され、受信した電力を充電することができる。
【００１７】
図６は、送電共振コイルと受信共振コイルの等価回路を示した図である。送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１は、上述したように、インダクタンスＬと浮遊容量による容量Ｃを有する。または、送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１には、コンデンサ素子が接続される場合もある。これにより、送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１の等価回路は、図６に示すようなＬＣ共振回路となり、共振周波数ｆは、次の式（１）で示される。
【００１８】
ｆ＝１／｛２π（ＬＣ）1/2｝  …（１）
従って、送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１の共振周波数を合わせるには、それぞれのコイルのＬとＣの積を同じになるようにする。
【００１９】
図７は、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が最適である場合における伝送周波数と伝送電力との関係を示した図である。図７において、横軸は周波数を示し、縦軸は伝送電力（ｄＢ）を示す。伝送周波数は、送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１の共振周波数である。
【００２０】
送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１との間の距離が最適である場合、伝送電力は、図７の波形Ｗ１０１に示すようになる。すなわち、伝送電力は、伝送周波数の変化に応じて変化し、伝送周波数が共振周波数ｆの近傍において伝送電力が最大となる。
【００２１】
なお、図７においては、波形Ｗ１０１の頂点の近傍の形状がやや歪んでいる。これは、送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１における共振周波数以外の種々の条件に依存するものである。このため、図７では、伝送周波数が共振周波数ｆである場合に、伝送電力が最大となっていない。しかし、理想的には、伝送電力は、点線で示すように伝送周波数が共振周波数ｆである場合に最大となると考えてよい。
【００２２】
図８は、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が最適距離よりも短い場合における伝送周波数と伝送電力との関係を示した図である。図８において、横軸は周波数を示し、縦軸は伝送電力（ｄＢ）を示す。なお、図８には、図７に示した最適距離時の波形Ｗ１０１も示している。
【００２３】
送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１との間の距離が最適距離よりも短い場合、伝送電力は、図８の波形Ｗ１０２に示すようになる。すなわち、図８の波形Ｗ１０２における伝送電力の大きさは、２つのピークを持つようになり、いわゆるスプリットの状態となる。従って、送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１との間の距離が最適距離よりも短い場合において、伝送周波数が共振周波数ｆであると伝送電力が低下する。
【００２４】
図９は、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離と伝送電力との関係を示した図である。図９において、横軸は送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１との間の距離を示し、縦軸は規格化伝送電力（％）を示す。なお、伝送周波数は、共振周波数ｆで一定であり、送電共振コイル１０３への電力の供給は１００％で一定である。
【００２５】
伝送電力は、図９に示すように送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１との間の距離であるコイル距離の変化に応じて変化する。すなわち、伝送電力は、コイル距離が最適距離ｄ０である場合に最大となる。つまり、伝送電力が最大となるときのコイル距離が、送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１の共振周波数ｆにおける最適距離ｄ０である。
【００２６】
コイル距離が最適距離ｄ０より短い場合、すなわち、図９に示す領域ａにおいては、伝送電力は、コイル距離が最適距離ｄ０より短くなるにつれて低下する。これは、図８に示す波形Ｗ１０２の場合に相当する。また、コイル距離が最適距離ｄ０より長い場合、すなわち、領域ｂにおいては、伝送電力は、コイル距離が最適距離ｄ０より長くなるにつれて低下する。これは、図７に示す波形Ｗ１０１の場合に相当する。
【００２７】
以上より、磁界共鳴による無線電力供給システムにおいて、送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１とのコイル距離が最適距離ｄ０から変動した場合、伝送電力が低下する。例えば、図９に示すように、送電共振コイル１０３と受電共振コイル１１１のコイル距離が近づくと電力の伝送電力は低下する。
【００２８】
図１は、本実施の形態に係る電力伝送装置を示した図である。図１に示すように、電力伝送装置は、電源部１１および送電コイル１２を備えた送電装置１０と、受電共振コイル２１、電力取出コイル２２、および負荷２３を備えた受電装置２０とを有している。なお、受電装置２０の受電共振コイル２１、電力取出コイル２２、および負荷２３は、図５で示した受電装置１１０の受電共振コイル１１１、電力取出コイル１１２、および負荷１１３と同様であり、その詳細な説明は省略する。
【００２９】
電源部１１は、送電コイル１２に電力を供給する。電源部１１は、例えば、コルピッツ発振回路であり、受電共振コイル２１の共振周波数で発振する。
送電コイル１２には、電源部１１が接続されている。送電コイル１２は、電源部１１の電力を磁界エネルギーにより受電共振コイル２１に供給する。
【００３０】
受電共振コイル２１は、図５で説明したように、浮遊容量によりまたはコンデンサ素子の挿入によりＬＣ共振回路となっている。従って、受電共振コイル２１は、例えば、図５に示した送電装置１００の送電共振コイル１０３と共振周波数が同じに設定されていれば磁界共鳴を生じ、送電装置１００から高い伝送効率で電力を受電することができる。
【００３１】
一方、送電コイル１２は、理想的にはインダクタ成分のみを有し、ＬＣ共振回路とはなっていない。しかし、送電コイル１２は、実際は非常に小さな浮遊容量が存在し、また、接続される電源部１１によって容量が含まれるため、ＬＣ共振回路となっている。このため、送電コイル１２は、浮遊容量を積極的に利用し、またはコンデンサ素子が挿入されてＬＣ共振回路を形成する受電共振コイル２１とは、異なる共振周波数を有している。これにより、送電コイル１２と受電共振コイル２１は、図５に示す磁界共鳴を利用せずに電力を送受信している。
【００３２】
また、図１の電力伝送装置で、送電コイル１２から最適距離ｄ０以内（図９に示す領域ａ）に存在し、送電コイル１２から送出される磁界エネルギーに共鳴する共振回路は１つであり、その共振回路は、受電共振コイル２１のみである。領域ａに存在する共振回路を受電共振コイル２１のみとすることで、図８で示すような、共振周波数での伝送電力の減少を防ぐことができる。また、領域ａに存在する共振回路を受電共振コイル２１とすることで、電磁誘導よりも伝送電力が高くなると共に、電磁誘導よりも位置や姿勢の自由度が広がる。さらに好適には、領域ａよりも近い領域である、図２で示す実線と破線が交差する距離以内の範囲（以下、最適範囲と言う）に、共振回路が１つになるように設計することが望ましい。最適範囲は、言い換えると、共振コイルが２つある状態よりも、共振コイルが１つである方が、伝送電力が多くなる範囲である。ここで言う、共振コイルの個数とは、送信コイルから送出される１つの周波数の磁界エネルギーに共鳴する共振回路の個数である。
【００３３】
図２は、送電コイルと受電共振コイルとの間の距離と伝送電力との関係を示した図である。図２において、横軸は送電コイル１２と受電共振コイル２１との間の距離を示し、縦軸は規格化伝送電力（％）を示す。なお、伝送周波数は、受電共振コイル２１の共振周波数ｆで一定であり、送電コイル１２への電力の供給は一定である。また、図２には、図１の受電装置２０が、図５の送電装置１００から電力を受電した場合のコイル距離と伝送電力の関係を点線で示している。
【００３４】
伝送電力は、図２の波形Ｗ１に示すように、送電コイル１２と受電共振コイル２１との間の距離であるコイル距離の変化に応じて変化する。すなわち、図１の電力伝送装置の伝送電力は、コイル距離が０である場合に最大となる。そして、伝送電力は、コイル距離が長くなるにつれて低下する。
【００３５】
このように、送電装置１０は、磁界共鳴を生じさせる共振周波数において共振する受電共振コイル２１に対し、電源部１１から供給された電力を磁界エネルギーとして送電する、受電共振コイル２１と共振点が異なる送電コイル１２を有する。これにより、受電装置２０は、送電コイル１２と受電共振コイル２１のコイル距離が近いほど電力の伝送電力が向上する。
【００３６】
図３は、電力伝送装置の適用例を示した図である。図３には、充電器３０と電子機器４０が示してある。電子機器４０は、例えば、携帯電話やノートパソコンである。
充電器３０は、電子機器４０を乗せる充電台３１を有している。充電台３１は、図１で示した送電装置１０を有している。図３の充電台３１には、図１の送電コイル１２しか示していないが、電源部１１も有している。
【００３７】
電子機器４０は、図１で示した受電装置２０を有している。図３の電子機器４０には、図１の受電共振コイル２１と電力取出コイル２２しか示していないが、負荷２３も有している。以下では、電子機器４０の負荷２３は、バッテリとして説明する。
【００３８】
電子機器４０のバッテリを充電するには、電子機器４０を充電器３０の充電台３１に置く。これにより、充電器３０の送電コイル１２と電子機器４０の受電共振コイル２１の距離は、例えば、数ｍｍと近距離となり、電力の伝送電力は、図２で説明したように大きくなる。よって、十分な電力伝送によって電子機器４０のバッテリを充電することができる。
【００３９】
また、電子機器４０の受電共振コイル２１の共振周波数は、図５の送電共振コイル１０３と同一の共振周波数に設定されている。これによって、電子機器４０は、以下で説明するように、図５の送電装置１００を有する充電器からも電力を受信することができる。
【００４０】
図４は、電力伝送装置の別の適用例を示した図である。図４には、充電器５０と電子機器４０が示してある。電子機器４０は、図３と同様であり、その詳細な説明は省略する。
充電器５０は、図５で示した送電装置１００を有している。図４の充電器５０には、図５の電力供給コイル１０２と送電共振コイル１０３しか示していないが、電源部１０１も有している。
【００４１】
上述したように、電子機器４０の受電共振コイル２１の共振周波数は、充電器５０の送電共振コイル１０３の共振周波数と同一に設定されている。従って、図９で説明したように、伝送電力は、最適距離ｄ０のとき最大となる。すなわち、図４の電力伝送装置では、例えば、数１００ｍｍの離れた距離での電力送電が可能である。
【００４２】
このように、充電器３０，５０は、磁界共鳴を生じさせる共振周波数において共振する電子機器４０の受電共振コイル２１に対し、電源部１１から供給された電力を磁界エネルギーとして送電する、受電共振コイル２１と共振点が異なる送電コイル１２を有する。これにより、電子機器４０は、磁界共鳴により電力を受電できる受電装置２０を改造または変更することなく、例えば、図３に示したように充電器３０の充電台３１に置いて（近距離で）バッテリを充電することができ、また、例えば、図４で示したように充電器５０から離れて（遠距離で）バッテリを充電することができる。
【００４３】
また、磁界共鳴により電力を受電できる電子機器４０は、図３の充電器に対応するために改造または変更をしなくて済み、また、送電装置１０，１００に応じた回路を備えずに済むので、コストの上昇を抑制することができる。また、受電装置２０の軽量化を図ることができる。
【００４４】
なお、図３では、充電台３１は水平であり、その上に電子機器４０を置くように説明したが、これに限るものではない。例えば、充電台３１が垂直であり、電子機器４０を充電台３１に接触して保持できるようにしてもよい。すなわち、送電装置１０の送電コイル１２と受電装置２０の受電共振コイル２１ができる限り近距離となっていればよい。
【００４５】
上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  送電装置
１１  電源部
１２  送電コイル
２０  受電装置
２１  受電共振コイル
２２  電力取出コイル
２３  負荷
【図１】
2011064879.tif 000003
【図２】
2011064879.tif 000004
【図３】
2011064879.tif 000005
【図４】
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【図５】
2011064879.tif 000007
【図６】
2011064879.tif 000008
【図７】
2011064879.tif 000009
【図８】
2011064879.tif 000010
【図９】
2011064879.tif 000011
【国際調査報告】
2011064879.tif 000012
2011064879.tif 000013
2011064879.tif 000014
2011064879.tif 000015