(57)【要約】【課題】磁界共鳴を用いた非接触電力伝送装置において、受電側の電力伝送効率を向上させる。【解決手段】本発明の非接触電力伝送装置の受電装置は、受電コイルとループコイルを備え、前記ループコイルの向い合う外周端の間の長さのうち最長の長さをＬ１とし、前記受電コイルの向い合う外周端の間の長さのうち最長の長さをＬ２としたとき、Ｌ１／Ｌ２が０．４以上かつ１．０未満であることを特徴とする。その結果、ループコイルの大きさは受電コイルの面上に発生する磁界強度の符号が反転する範囲前後に制限され、ループコイルが電力を受電する時に磁界強度が相殺することを防止することができ、受電側の電力伝送効率を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、
受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、
前記送電コイルと前記受電コイルの間の磁界共鳴作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
前記受電装置はループコイルを備え、
前記受電コイル及び前記ループコイルは導体を中心軸に対して巻回して形成され、
前記ループコイルの中心軸は前記受電コイルの中心軸と一致するように配置され、
前記ループコイルの向い合う外周端の間の長さのうち最長の長さをＬ１とし、
前記受電コイルの向い合う外周端の間の長さのうち最長の長さをＬ２としたとき、
Ｌ１／Ｌ２が０．４以上かつ１．０未満であることを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記Ｌ１／Ｌ２が０．６以上かつ０．８以下であることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項３】
前記受電コイル及び前記ループコイルは円形の平面コイルであり、前記Ｌ１は前記ループコイルの直径であり、前記Ｌ２は前記受電コイルの直径であることを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項４】
送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、
受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、
前記送電コイルと前記受電コイルの間の磁界共鳴作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
前記受電装置はループコイルを備え、
前記受電コイル及び前記ループコイルは導体を中心軸に対して巻回して形成され、
前記ループコイルの中心軸は前記受電コイルの中心軸と一致するように配置され、
前記ループコイルの外周端と、前記非接触電力伝送装置の電力伝送時に前記受電コイルの面上に発生する磁界の向きが反転する位置とが、略一致することを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項５】
前記受電コイル及び前記ループコイルは円形の平面コイルであり、前記ループコイルの半径と、前記受電コイルの中心軸から前記磁界の向きが反転する位置までの長さが、略一致することを特徴とする請求項４に記載の非接触電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電装置と受電装置の間の電力伝送を非接触（ワイヤレス）で行う非接触電力伝送技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で電力を伝送する方法（以下無線給電と呼ぶ）として、電磁誘導による電磁誘導方式、電界または磁界の共振を利用した共鳴給電方式、及びマイクロ波を利用したマイクロ波送電方式が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導方式である。これは技術的には相互誘導におよそ位置付けすることができ、従来から様々な検討がされているため安価な回路で構成できるという優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。そこで最近、共振を利用して電力を数ｍ先まで伝送する共鳴給電方式が提案され、この技術を利用した製品開発が、電機メーカー、自動車メーカーを中心に進められている。
【０００３】
図７は、従来の磁界共鳴を利用した非接触電力伝送装置１１０の概略図である。送電側は、送電コイル３０（送電用共鳴コイルとして動作）とコンデンサ４０を組み合わせた送電コイルユニットを備えている。受電側は、受電コイル５０（受電用共鳴コイルとして動作）とコンデンサ８０とループコイル６１を組み合わせた受電コイルユニットを備えている。送電コイル３０には送電回路１１が接続され、ＤＣ電源１０の電力を送電可能な高周波電力に変換して供給する。受電側のループコイル６１には、受電回路８１を介して負荷として電子負荷８２が接続されている。
【０００４】
このような共鳴給電方式により非接触で電力を送受電する場合、送電コイルユニットに対して受電コイルユニットが適切に配置されていないと、効率良く電力を伝送することができない場合が多い。特に、携帯機器に受電装置２により充電される２次電池が搭載される場合には、受電コイルユニットと２次電池パックとの間に、電磁波の影響を少なくする為のシールド材（電波吸収体含む）が挿入されていることが多い。このようなケースでは、携帯型の受電コイルユニットの裏表を間違って置いた時には、送電コイルユニットと受電コイルユニットとの間にシールド材が介在することになり、伝送効率が大幅に低下し電力伝送が困難になる。
【０００５】
上記のような課題に対応するため、例えば特許文献１に開示された非接触電力伝送装置では、補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に備え、前記送電補助装置と前記送電装置を互いに対向させて配置した状態で、前記送電コイルと前記補助コイルの間に、前記受電コイルを配置するための受電空間を形成している。
【０００６】
特許文献１によれば、送電コイルと補助コイルの間に形成された受電空間に受電コイルを配置する構成により、受電装置に共振周波数を調整する手段を要することなく、送電装置と受電装置間の電力伝送効率の距離に対する依存性が、長い距離範囲に亘って平坦となり、電力伝送可能距離を拡大することができる。
【０００７】
その結果、送電装置に対して受電装置の受電に適する面が適正に対向していない等、送電コイルに対して受電コイルが適切に配置されていない場合であっても、効率的な電力伝送が可能である。また、送電コイルに対して受電コイルの大きさが小さい場合においても、電力伝送効率の低下、電力伝送可能距離の低下などを抑制することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−８５４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に示すような磁界共鳴を利用した非接触電力伝送装置においても、近年、伝送電力量を増加させる要求が強くなる傾向にある。送電する電力量を大きくする場合には、電力伝送時の損失をできるだけ低減し、電力伝送効率をできるだけ高めることが非常に重要な課題となる。電力伝送時の損失が大きくなると、節電の観点から問題であることは言うまでもないが、さらに、非接触電力伝送装置が発熱して、例えば非接触電力伝送装置の電気回路が熱暴走するなどの問題も発生する。
【００１０】
特許文献１は、送電装置に対して受電装置の受電に適する面が適正に対向していない等、送電コイルに対して受電コイルが適切に配置されていない場合であっても、効率的な電力伝送を実現できる観点で高効率の電力伝送を実現できている。一方、本発明では受電コイルとループコイルの大きさの関係により、特許文献１とは異なる観点で課題の解決を図ることを目的とする。
【００１１】
特許文献１においては、図７に示した従来の磁界共鳴を利用した非接触電力伝送装置と同様に、受電コイルとループコイルの大きさを同一にしている。今回、発明者らは、電力伝送時における受電コイルの面上の磁界強度分布を解析し、磁界強度分布からループコイルの大きさの関係を適切に定めることにより、電力伝送時の損失を大幅に低減できることを見出した。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送装置は、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、前記送電コイルと前記受電コイルの間の磁界共鳴作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、前記受電装置はループコイルを備え、前記受電コイル及び前記ループコイルは導体を中心軸に対して巻回した平面状をなし、前記ループコイルの中心軸は前記受電コイルの中心軸と一致するように配置され、前記ループコイルの向い合う外周端の間の長さのうち最長の長さをＬ１とし、前記受電コイルの向い合う外周端の間の長さのうち最長の長さをＬ２としたとき、Ｌ１／Ｌ２が０．４以上かつ１．０未満であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の非接触電力伝送装置は、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、前記送電コイルと前記受電コイルの間の磁界共鳴作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、前記受電装置はループコイルを備え、前記受電コイル及び前記ループコイルは導体を中心軸に対して巻回した平面状をなし、前記ループコイルの中心軸は前記受電コイルの中心軸と一致するように配置され、前記ループコイルの外周端と、前記非接触電力伝送装置の電力伝送時に前記受電コイルの面上に発生する磁界の向きが反転する位置とが、略一致することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電力伝送時の損失を大幅に低減でき、高い効率で非接触電力伝送が可能となる。その結果、電力の伝送損失に起因する非接触電力伝送装置の発熱を抑制できるとともに、電力も節電することができる。本発明の構成は、大電力伝送時における節電の効果が大きく、有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の磁界共鳴を利用した非接触電力伝送装置の概略図である。
【図２】（Ａ）は本発明の非接触電力伝送装置における受電部の断面図であり、（Ｂ）は従来の非接触電力伝送装置における受電部の断面図である。
【図３】本発明の送電コイル、受電コイル及びループコイルの正面図の概略図である。
【図４】本発明の受電コイルの面上における磁界強度分布である。
【図５】本発明の非接触電力伝送装置と従来の非接触電力伝送装置において電力伝送効率を比較した図である。
【図６】本発明の非接触電力伝送装置において、ループコイルの大きさを種々に変えた場合の電力伝送効率の向上分を測定した結果を示す図である。
【図７】従来の磁界共鳴を利用した非接触電力伝送装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態における非接触電力伝送装置の構成について、図面を参照しながら詳説する。
【００１７】
図１は、本発明の非接触電力伝送装置１００の概略図を示す。非接触電力伝送装置は、送電側と受電側に分けることができ、初めに送電側の構成について説明する。ＤＣ電源１０から送電回路１１に供給された電力は、送電回路１１で共鳴給電のための所定の周波数の高周波電力に変換される。送電回路１１は、高周波電力を送電コイル３０に供給する。なお、フェライト板２０は、送電コイル３０から発生する電磁波ノイズがＤＣ電源１０や送電回路１１に漏洩することを防止する。送電コイル３０はコンデンサ４０に接続されており、送電コイル３０とコンデンサ４０で送電側共振ユニットを構成し、さらにフェライト板２０を加えて送電部９０を構成する。
【００１８】
次に、受電側の構成について説明する。受電コイル５０はコンデンサ８０に接続されており、受電コイル５０とコンデンサ８０で受電側共振ユニットを構成し、さらにループコイル６０とフェライト板７０を加えて受電部９１を構成する。共鳴方式に基づく非接触電力伝送では、送電側共振ユニットと受電側共振ユニットが磁気的に共鳴することにより、高効率の非接触電力伝送が可能になる。
【００１９】
送電部９０の送電コイル３０から送られた電力は、受電部９１の受電コイル５０が受電する。受電コイル５０とループコイル６０は電磁誘導で結合しており、受電コイル５０が受電した電力は、ループコイル６０に伝えられる。ループコイル６０が受けた高周波電力は、整流回路を含む受電回路８１に供給されＡＣ−ＤＣ変換など所定の電気的処理を経た後、電子負荷８２に供給される。なお、フェライト板７０は、受電コイル５０から発生する電磁波ノイズが受電回路８１や電子負荷８２に漏洩することを防止する。
【００２０】
図３に概略を示したように、送電コイル３０及び受電コイル５０は円形の平面コイルで、中心軸に対して銅線が内側から外側にかけてスパイラル状に巻かれている。銅線には、太さが０．２ｍｍの素線を５０本束ねてよったリッツ線を用い、そのリッツ線の太さは約１．６ｍｍである。それを密に４６回巻きし、直径が１８０ｍｍの円形にした。中心部の銅線が巻かれていない空きスペースの直径は、約３０ｍｍである。送電コイル３０及び受電コイル５０はプラスチック製の板に貼り付けられ固定されている。
【００２１】
上記の送電コイル３０及び受電コイル５０を用いて図１に示した非接触電力伝送装置を構成した。受電コイル５０の１００ｋＨｚにおけるインダクタンスは３０７μＨであり、これに容量が８２５０ｐＦのコンデンサ８０を接続し、共振周波数が１００ｋＨｚの受電側共振ユニットとしている。一方、送電コイル３０の１００ｋＨｚにおけるインダクタンスも３０７μＨであり、容量が８２５０ｐＦのコンデンサ４０を接続し、共振周波数が１００ｋＨｚの送電側共振ユニットとしている。送電コイル３０と受電コイル５０の間の距離は１００ｍｍとした。
【００２２】
図３に概略を示したように、本発明のループコイル６０は円形の平面コイルで、中心軸に対して銅線が内側から外側にかけてスパイラル状に巻かれている。送電コイル３０及び受電コイル５０と同様のリッツ線を中心軸に対してピッチ５．０ｍｍで１０回巻きし、直径が１３０ｍｍの円形にした。このループコイル６０の直径は、送電コイル３０及び受電コイル５０の直径１８０ｍｍに比べて小さい。ループコイル６０の直径を１３０ｍｍとした理由は後に詳説する。
【００２３】
なお、フェライト板２０及び７０は、１００ｋＨｚにおける比透磁率が２２００のＭｎＺｎ系材料から成り、直径が１８０ｍｍの円形で厚さが１ｍｍの板状のものを用いた。
【００２４】
一方、図７は、従来の非接触電力伝送装置１１０の概略図を示す。図３に概略を示したように、従来技術のループコイル６１は、受電コイル５０の直径と同じ１８０ｍｍである。ループコイル６１も本発明のループコイル６０と同様の円形の平面コイルで、中心軸に対して銅線が内側から外側にかけてスパイラル状に巻かれている。送電コイル３０、受電コイル５０及びループコイル６０と同様のリッツ線を中心軸に対してピッチ７．０ｍｍで１０回巻きし、直径が１８０ｍｍの円形にした。
【００２５】
本発明のループコイル６０と比較例のループコイル６１は共に円形状で巻回数が同じであるが、巻ピッチが異なり直径が相違する。すなわち、図１と図７では、ループコイルの直径が異なるだけで他の構成は同じである。
【００２６】
図２（Ａ）は、本発明の受電部９１を構成する受電コイル５０、ループコイル６０及びフェライト板７０の断面を示した概略図である。図２（Ｂ）は従来の受電部９２を構成する受電コイル５０、ループコイル６１及びフェライト板７０の断面を示した概略図である。なお、受電コイル５０とループコイル６０の中心軸は一致させている。本発明は、受電コイル５０とループコイル６０の直径方向の大きさの関係に特徴を有する。以下、詳細に説明する。
【００２７】
まず、図７の従来の非接触電力伝送装置１１０において電力伝送の実験を行った。共振周波数１００ｋＨｚで２５Ｗの電力を送電し、電子負荷８２の電圧を最適化したところ、受電電力が１６Ｗで、電力伝送効率は６４％であった。
【００２８】
この電力伝送効率が６４％の状態において、受電コイル５０の面上における磁界強度分布を測定した。磁界強度は磁界測定用プローブにて測定した。結果を図４に示す。図４の横軸は磁界強度を測定した受電コイル５０の中心からの半径位置を示し、縦軸はその位置で測定された磁界強度を示す。なお、磁界強度は規格化した値である。図４に示したように、受電コイル５０の面上の磁界強度において、受電コイル５０の半径位置６５ｍｍで磁界の向きが反転していることがわかった。
【００２９】
前記したように、受電コイル５０とループコイル６１は電磁誘導結合しており、受電コイル５０に発生した磁界をループコイル６１が受けることによって、受電コイル５０からループコイル６１に電力が伝わる。電力は、ループコイル６１が受ける磁界強度に依存する。そのため、図４のように受電コイル５０の面上にプラス方向磁界とマイナス方向磁界が共存する場合には、ループコイル６１でそのすべてを電磁誘導結合により受電してしまうと、磁界強度が相殺されて受電電力が低減してしまう。このように、ループコイル６１が受電コイル５０と同じ大きさの従来の非接触電力伝送装置では、受電側で電力伝送効率が低減してしまうという問題を発見した。
【００３０】
本発明では、前記受電時の磁界強度の相殺を防止するために、受電コイル５０の面上の磁界の向きが反転する半径位置６５ｍｍの大きさのループコイル６０を用いた。すなわち、本発明におけるループコイル６０の直径は、前記半径位置６５ｍｍの倍の１３０ｍｍであり、このループコイル６０を用いることにより、ループコイル６０内で磁界の相殺が発生しないようにした。したがって、本発明において、受電コイル５０、ループコイル６０及びフェライト板７０の断面は、おおよそ図２（Ａ）のような関係になる。
【００３１】
次に、ループコイル６０を採用した図１の本発明の非接触電力伝送装置１００においても電力伝送の実験を行った。
【００３２】
図５は、図１の本発明の非接触電力伝送装置１００と、図７の従来の非接触電力伝送装置１１０において、電力伝送効率を比較した結果を示す。図５のグラフにおいて、横軸は電子負荷８２における負荷電圧を示し、縦軸は非接触電力伝送装置１００及び１１０の電力伝送効率を示す。塗りつぶしのプロット点が本発明の非接触電力伝送装置１００における測定結果を示し、白抜きのプロット点が従来の非接触電力伝送装置１１０における測定結果を示す。
【００３３】
図５からわかるように、負荷電圧に係わらず、本発明の非接触電力伝送装置１００の電力伝送効率が、従来の非接触電力伝送装置１１０の電力伝送効率よりも高くなっていることが分かる。最大の電力伝送効率を比較すると、本発明の非接触電力伝送装置１００では８０％であり、従来の非接触電力伝送装置１１０では６４％である。前記したように、本発明の非接触電力伝送装置１００と従来の非接触電力伝送装置１１０の差異は、ループコイル６０と６１の違いのみである。すなわち、本発明のループコイル６０を用いた場合は、従来のループコイル６１を用いた場合に比べ、１６％も電力伝送効率を向上させることができたことになる。これは、ループコイル６０内で磁界強度の相殺が発生しないため、電力伝送効率が向上した効果である。
【００３４】
図４に示したように、受電コイル５０の面上の磁界反転半径位置は６５ｍｍである。そこで、その磁界反転半径位置よりも外周端が大きくなるループコイルや、逆に小さくなるループコイルを準備し、それぞれのループコイルを用いた場合の電力伝送効率を測定した。
【００３５】
図６は、図１に示した本発明の非接触電力伝送装置１００において、ループコイル６０の大きさを種々に変えた場合の電力伝送効率の向上分を測定した結果を示す。具体的には、直径が６０ｍｍ、７０ｍｍ、８０ｍｍ、９０ｍｍ、１００ｍｍ、１１０ｍｍ、１２０ｍｍ、１３０ｍｍ、１４０ｍｍ、１５０ｍｍ、１６０ｍｍ、１７０ｍｍ、１８０ｍｍの１３種類のループコイル６０を準備した。受電コイル５０の直径は１８０ｍｍである。横軸は、ループコイル６０の直径Ｌ１と受電コイル５０の直径Ｌ２の比、Ｌ１／Ｌ２（以下、ループコイル直径比と記す。）であり、縦軸は、上記各サイズのループコイル６０を用いた場合の電力伝送効率の向上分である。電力伝送効率は、ループコイル６０の直径と受電コイル５０の直径が１８０ｍｍで同じ場合の電力伝送効率を基準効率とした。したがって、電力伝送効率の向上分は、上記各サイズのループコイル６０を用いた場合の電力伝送効率から前記基準効率を引いた値である。
【００３６】
図６から、ループコイル直径比Ｌ１／Ｌ２が０．４以上かつ１．０未満の場合に電力伝送効率が向上することがわかる。さらに、電力伝送効率の向上分が１０％以上となるのは、ループコイル直径比Ｌ１／Ｌ２が０．６以上かつ０．８以下であることがわかる。さらに、電力伝送効率の向上分が最大になるのは、ループコイル直径比が約０．７の場合である。これは、ループコイル１６０の直径が１３０ｍｍの場合に相当する。前述のとおり、磁界反転半径位置は６５ｍｍであり、ループコイル６０の直径が１３０ｍｍであるので、電力伝送効率の向上分が最大になるのは、ループコイル６０の外周端が磁界反転位置とほぼ一致する場合であることがわかる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、送電コイル３０、受電コイル５０、ループコイル６０及び６１として、図３に示した平面上で渦巻き状に巻回された円形の場合を示したが、これらのコイルの形は円形に限るものではない。例えば、四角形や八角形の多角形にしたり、あるいは楕円形にしたりしてもよい。その場合、前述のコイルの直径Ｌ１やＬ２に相当する長さは、コイルの向い合う外周端の間の長さのうち最長の長さに相当する。なお、本発明の非接触電力伝送装置１００では、送電コイル３０と受電コイル５０は同じ大きさとしたが、送電コイル３０と受電コイル５０の大きさは異なっていてもよい。
【００３８】
さらに、本実施の形態では、送電コイル３０にコンデンサ４０を接続し、受電コイル５０にコンデンサ８０を接続する構成としたが、コンデンサを接続せずコイル線の線間に生じる浮遊容量を用いて共振させてもよい。
【００３９】
また、本実施の形態では、非接触電力伝送装置１００の送電側にループコイルを用いず、送電回路１１と送電コイル３０を接続したが、送電側にも受電側と同様にループコイルを用い、送電コイルとループコイルを電磁誘導結合させ、そのループコイルと送電回路１１とを接続してもよい。
【００４０】
なお、図２では、受電コイル５０とループコイル６０を重ねた構成にしているが、受電コイル５０とループコイル６０の間に空間を設け、受電コイル５０とループコイル６０の磁気的な結合状態を調整できるようにしてもよい。
【００４１】
また、本実施の形態では、受電コイルと同じ直径のフェライト板を用いたが、フェライト７０の大きさは受電コイル５０やループコイル６０の大きさに依存せず自由に設計でき、フェライト７０を用いなくてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１０  ＤＣ電源
１１  送電回路
２０  フェライト板
３０  送電コイル
４０  コンデンサ
５０  受電コイル
６０  ループコイル
６１  ループコイル
７０  フェライト板
８０  コンデンサ
８１  受電回路
８２  電子負荷
９０  送電部
９１  受電部
９２  受電部
１００  本発明の非接触電力伝送装置
１１０  従来の非接触電力伝送装置
【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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