(57)【要約】【課題】電場・磁場共鳴型のワイヤレス電力伝送の送信コイルを小型化する。【解決手段】送信コイルＬ１は、ワイヤレス給電装置に実装され、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信する。送信コイルＬ１は、ループコイル３０および磁性体４０を備える。磁性体４０は、ループコイル３０のある部分を覆う。たとえばループコイル３０は実質的に平行な第１辺３２および第２辺３４を有してもよい。磁性体４０は、ループコイル３０の第１辺３２を覆ってもよい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置の送信コイルであって、
ループコイルと、
前記ループコイルの部分を覆う磁性体と、
を備えることを特徴とする送信コイル。
【請求項２】
前記ループコイルは、実質的に平行な第１辺および第２辺を有し、
前記磁性体は、前記ループコイルの前記第１辺を覆うことを特徴とする請求項１に記載の送信コイル。
【請求項３】
前記ループコイルは長方形状を有し、前記第１辺、第２辺は長辺をなすことを特徴とする請求項２に記載の送信コイル。
【請求項４】
電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置の送信コイルであって、
第１ループコイルと、
第２ループコイルと、
前記第１ループコイルのうち、前記第２ループコイルから遠い部分を覆う第１磁性体と、
前記第２ループコイルのうち、前記第１ループコイルから遠い部分を覆う第２磁性体と、
を備えることを特徴とする送信コイル。
【請求項５】
前記第１ループコイルは、実質的に平行な第１辺および第２辺を有し、
前記第２ループコイルは、実質的に平行な第３辺および第４辺を有し、
前記第１磁性体は、前記第１辺、前記第２辺のうち、前記第２ループコイルから遠い一方を覆い、
前記第２磁性体は、前記第３辺、前記第４辺のうち、前記第１ループコイルから遠い一方を覆うことを特徴とする請求項４に記載の送信コイル。
【請求項６】
前記第１、第２ループコイルはそれぞれ長方形状を有し、前記第１辺、第２辺、第３辺、第４辺は長辺をなすことを特徴とする請求項５に記載の送信コイル。
【請求項７】
電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置の送信コイルであって、
ソレノイドコイルと、
前記ソレノイドコイルのある部分を覆う磁性体と、
を備えることを特徴とする送信コイル。
【請求項８】
前記ソレノイドコイルの断面は、実質的に平行な第１辺および第２辺を有し、
前記磁性体は、前記ソレノイドコイルの前記第１辺に対応する部分を覆うことを特徴とする請求項７に記載の送信コイル。
【請求項９】
前記ソレノイドコイルの断面は長方形状を有し、前記第１辺、第２辺は長辺をなすことを特徴とする請求項８に記載の送信コイル。
【請求項１０】
電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置の送信コイルであって、
アンテナコイルと、
前記アンテナコイルの部分を覆う磁性体と、
を備えることを特徴とする送信コイル。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれかに記載の送信コイルと、
前記送信コイルと直列に設けられた共振用キャパシタと、
前記送信コイルおよび前記共振用キャパシタが形成する共振回路に駆動信号を供給する電源と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のワイヤレス給電装置と、
前記ワイヤレス給電装置からの電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話端末やノート型コンピュータなどの電子機器、あるいは電気自動車に対する給電技術として、ワイヤレス（非接触）電力伝送が着目されている。ワイヤレス電力伝送は、主に電磁誘導型、電波受信型、電場・磁場共鳴型、の３つに分類される。
【０００３】
電磁誘導型は短距離（数ｃｍ以内）において利用され、数百ｋＨｚ以下の帯域で数百Ｗの電力を伝送することができる。電力の利用効率は６０〜９８％程度となっている。
数ｍ以上の比較的長い距離に給電する場合、電波受信型が利用される。電波受信型では、中波〜マイクロ波の帯域で数Ｗ以下の電力を伝送することができるが、電力の利用効率は低い。数ｍ程度の中距離を、比較的高い効率で給電する手法として、電場・磁場共鳴型が着目されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
図１は、ワイヤレス給電システムの一例を示す図である。ワイヤレス給電システム１１００は、ワイヤレス給電装置１２００およびワイヤレス受電装置１３００を備える。
【０００５】
ワイヤレス給電装置１２００は、送信コイルＬ１、共振用キャパシタＣ１および交流電源１０を備える。交流電源１０は、送信周波数ｆ１を有する電気信号Ｓ２を発生する。共振用キャパシタＣ１および送信コイルＬ１は共振回路を構成しており、その共振周波数は、電気信号Ｓ２の周波数にチューニングされている。送信コイルＬ１からは、電力信号Ｓ１が送出される。
【０００６】
ワイヤレス受電装置１３００は、受信コイルＬ２、共振用キャパシタＣ２および負荷回路２０を備える。共振用キャパシタＣ２、受信コイルＬ２および負荷回路２０は共振回路を構成しており、その共振周波数は、電力信号Ｓ１の周波数にチューニングされる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic、「Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer」、ANNALS of PHYSICS Vol. 323, pp.34-48, 2008, Jan.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図２は、ループコイルが発生する磁界を示す図である。ループコイル３０は、対向する２つの辺３２、３４を有する。第１辺３２と第２辺３４には、互いに逆向きの電流が流れる。第１辺３２上の電流要素Ｉｄｓ、第２辺３４上の電流要素Ｉｄｓが位置Ｐに発生する磁界ｄＨは、ビオ・サバールの法則によって式（１）で与えられる。
【数１】
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【０００９】
ループコイル３０の幅（直径）ｘが十分に大きい場合、ｒｄ＞＞ｒが成り立つため、位置Ｐにおける磁界Ｈは、第２辺３４に流れる電流による成分が支配的となる。一方、ループコイル３０の幅ｘが小さいと、ｒｄ≒ｒとなり、第１辺３２に流れる電流が発生する磁界成分と、第２辺３４に流れる電流が発生する磁界成分がキャンセルしあうため、Ｐ点の磁界は小さくなってしまう。
【００１０】
このことから、磁場共鳴方式の伝送距離は、送信コイルＬ１の直径に比例すると言え、伝送距離を伸ばそうとすると送信コイルＬ１の直径ｘを大きくする必要がある。たとえば送信コイルＬ１の直径ｘの２倍程度が伝送距離となる場合、２ｍの伝送距離を実現するために必要な送信コイルＬ１の直径は１ｍとなり、設置場所に制約が生ずる。ワイヤレス電力伝送を普及させるには、送信コイルの小型化が必要となる。
【００１１】
アンテナを小型化するためには２つの手法が存在する。ひとつは、送信波長に対して短いアンテナを設け、その容量性インピーダンスをキャンセルするために誘電性インピーダンスをアンテナに接続し、インピーダンスマッチングを行う手法である。もうひとつは誘電率、透磁率の大きな材料を用いて、波長短縮を利用する方法である。しかしながらこれらの手法は、放射電磁界を利用する電波受信型においてのみ適用でき、近傍界を用いた電場・磁場共鳴型に適用することはできない。
【００１２】
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、電場・磁場共鳴型のワイヤレス電力伝送の送信コイルの小型化にある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のある態様は、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置の送信コイルに関する。送信コイルは、ループコイルと、ループコイルの部分を覆う磁性体と、を備える。
ループコイルの対向し合う２つの部分には逆向きの電流が流れ、それらが、ループコイルから離れた受電アンテナの位置に発生する磁界は互いに打ち消し合う。ここでループコイルのある部分を磁性体で覆うことにより、その部分を受電アンテナの位置から仮想的に遠ざけることができ、その位置における磁界を、磁性体が存在しない場合に比べて強めることができる。言い換えれば、同じ強度の磁界を発生するために必要なループコイルのサイズを、磁性体で覆わないループコイルと比べて小さくできる。
【００１４】
ループコイルは、実質的に平行な第１辺および第２辺を有してもよい。磁性体は、ループコイルの第１辺を覆ってもよい。
【００１５】
本発明の別の態様もまた、送信コイルである。この送信コイルは、第１ループコイルと、第２ループコイルと、第１ループコイルの第２ループコイルから遠い部分を覆う第１磁性体と、第２ループコイルの第１ループコイルから遠い部分を覆う第２磁性体と、を備える。
【００１６】
この送信コイルでは、第１ループコイルの磁性体によって覆われていない部分と、第２ループコイルの磁性体に覆われていない部分によって、強い磁界を発生することができる。
【００１７】
第１ループコイルは、実質的に平行な第１辺および第２辺を有してもよい。第２ループコイルは、実質的に平行な第３辺および第４辺を有してもよい。第１磁性体は、第１辺、第２辺のうち、第２ループコイルから遠い一方を覆ってもよい。第２磁性体は、第３辺、第４辺のうち、第１ループコイルから遠い一方を覆ってもよい。
【００１８】
本発明のさらに別の態様もまた、送信コイルである。この送信コイルは、ソレノイドコイルと、ソレノイドコイルの部分を覆う磁性体と、を備える。
ソレノイドコイルの断面が実質的に平行な第１辺および第２辺を有してもよい。磁性体は、ソレノイドコイルの第１辺に対応する部分を覆ってもよい。
【００１９】
この態様では、断面の第１辺を磁性体で覆うことにより、第１辺を受電アンテナの位置から仮想的に遠ざけることができ、その位置における磁界を、磁性体が存在しない場合に比べて強めることができる。言い換えれば、同じ強度の磁界を発生するために必要なループコイルのサイズを、磁性体で覆わないループコイルと比べて小さくできる。
【００２０】
本発明のさらに別の態様は、ワイヤレス給電装置である。この給電装置は、上述のいずれかの態様の送信コイルと、送信コイルと直列に設けられた共振用キャパシタと、送信コイルおよび共振用キャパシタが形成する共振回路に駆動信号を供給する電源と、を備える。
【００２１】
本発明のさらに別の態様は、ワイヤレス給電システムである。このワイヤレス給電システムは、上述のワイヤレス給電装置と、ワイヤレス給電装置からの電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、を備える。
【００２２】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、あるいは、上述の構成要素などの再配置は、本発明の態様に含まれる。さらに、この欄の記載は必ずしも全ての不可欠な特徴を記述しているとは限らず、したがって、本発明は、上述の特徴のサブコンビネーションであり得る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ワイヤレス給電システムの一例を示す図である。
【図２】ループコイルが発生する磁界を示す図である。
【図３】実施の形態に係るワイヤレス給電装置の送信コイルの構成を示す図である。
【図４】図３の送信コイルと等価なループコイルを示す図である。
【図５】シミュレーションに用いた送信コイルを示す図である。
【図６】図６（ａ）は、図５のループコイルが発生する磁界を、図６（ｂ）は、図５の磁性体の透磁率を空気と同じ値としたときの磁界を示す図である。
【図７】図７（ａ）は、複数のループコイルを備える送信コイルを示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の送信コイルの等価回路図である。
【図８】図８（ａ）は、変形例に係る送信コイルの斜視図であり、図８（ｂ）は送信コイルの上方断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００２５】
本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【００２６】
図３は、実施の形態に係るワイヤレス給電装置の送信コイルの構成を示す図である。この送信コイルＬ１は、図１に示すようなワイヤレス給電装置に利用可能である。
【００２７】
送信コイルＬ１は、ループコイル３０と、ループコイル３０のある部分を覆う磁性体４０を備える。具体的にはループコイル３０は、実質的に平行な第１辺３２および第２辺３４を有する。第１辺３２と第２辺３４の距離をｘとする。ループコイル３０は、長方形状を有し、第１辺３２および第２辺３４はその長辺である。磁性体４０は、ループコイル３０の第１辺３２を覆うように形成される。たとえば磁性体４０は直径φの円柱形状を有し、その中心線と第１辺３２が一致するように形成される。なお磁性体４０の形状は特に限定されず、直方体、楕円など別の形状であってもよい。
【００２８】
以上が送信コイルＬ１の構成である。続いてその動作を説明する。
【００２９】
図４は、図３の送信コイルＬ１と等価なループコイル３０を示す図である。磁性体による空間圧縮の効果により、第２辺３４から距離ｘ離れた磁性体４０に覆われた第１辺３２は、第２辺３４から距離（ｘ＋Δｘ）離れた磁性体に覆われない第１辺３３と等価とみなすことができる。つまり第１辺３２を磁性体４０で覆うことにより、第１辺３２を仮想的にもとの位置から距離ΔＸだけ遠ざけることができる。磁性体４０の透磁率をμとするとき、Δｘ≒√μ・φ／２となる。一例として、ｘ＝３０ｍｍ、φ＝１０ｍｍ、μ＝５００のとき、Δｘ＝１１２ｍｍとなり、実効的なループコイル３０の幅ｘ’は、１４２ｍｍとなる。伝送距離は幅ｘ’程度であるから、わずか幅３０ｍｍのループコイル３０を用いて、１４２ｍｍの伝送距離を実現することができる。
【００３０】
実施の形態に係るループコイル３０のシミュレーション結果を示す。図５は、シミュレーションに用いた送信コイルＬ１を示す図である。図５において磁性体４０は四角柱形状を有している。図６（ａ）は、図５のループコイル３０が発生する磁界を、図６（ｂ）は、図５の磁性体４０の透磁率μを空気と同じ値としたときの磁界を示す図である。図６（ａ）、（ｂ）は、図５に示される観測平面の磁界を示す。
【００３１】
はじめに図６（ｂ）を参照する。図６（ｂ）は、磁性体４０を設けない場合と等価と考えることができ、この場合、第１辺３２および第２辺３４を中心として、対称な磁界が生成される。図６（ａ）を参照すると、磁性体４０を設けることにより、第１辺３２よりも右側に磁界が集中し、磁界の伝送距離が図６（ｂ）よりも長くなっていることが分かる。
【００３２】
このように、磁性体４０でループコイル３０の第１辺３２を覆うことにより、ループコイル３０の実効的な幅ｘを、実際の幅ｘよりも広げることができる。言い換えれば、長い伝送距離を、従来よりも幅（直径）が短いループコイル３０で実現することができ、ループコイル３０を小型化することができる。
【００３３】
ループコイル３０を小型化することにより、設置性が高まり、また運搬コストなども低減することができる。
【００３４】
図７（ａ）は、複数のループコイル３０を備える送信コイルＬ１ｃを示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の送信コイルＬ１ｃの等価回路図である。送信コイルＬ１ｃは、２つの送信コイルＬ１ａ、Ｌ１ｂを備える。送信コイルＬ１ａ、Ｌ１ｂそれぞれの構成は、上述したとおりである。すなわち、第１送信コイルＬ１ａは、第１ループコイル３０ａ、第１磁性体４０ａを備える。第１ループコイル３０ａは、実質的に平行な第１辺３２ａおよび第２辺３４ａを有する。第１磁性体４０ａは、第１辺３２ａ、第２辺３４ａのうち、第２ループコイル３０ｂから遠い一方３２ａを覆う。
【００３５】
第２送信コイルＬ１ｂは、第２ループコイル３０ｂ、第２磁性体４０ｂを備える。第２ループコイル３０ｂは、実質的に平行な第３辺３２ｂおよび第４辺３４ｂを有する。
第３辺３２ｂ、第４辺３４ｂは、第１ループコイル３０ａの第１辺３２ａおよび第２辺３４ａと実質的に同一平面であり、かつ実質的に平行に配置されることが望ましい。
第２磁性体４０ｂは、第３辺３２ｂ、第４辺３４ｂのうち、第１ループコイル３０ａから遠い一方３４ｂを覆う。
【００３６】
第１ループコイル３０ａ、第２ループコイル３０ｂはそれぞれ長方形状を有し、第１辺３２ａ、第２辺３４ａ、第３辺３２ｂ、第４辺３４ｂは長辺であってもよい。
【００３７】
図７（ａ）の送信コイルＬ１ｃは、図７（ｂ）に示すように、第２辺３４ａおよび第３辺３２ｂを対辺とするループコイル３０ｃと等価とみなすことができる。ループコイル３０ａと３０ｂは独立しており、別々に設置可能であるため、それらの距離ｘは長くとることができる。たとえばループコイル３０ａを部屋のひとつのコーナーに、ループコイル３０ｂを部屋の別のコーナーに設置すれば、ｘ＝２〜３ｍとなる。
【００３８】
幅２〜３ｍのループコイルを部屋に設置する場合、大規模な工事が必要となるが、図７（ａ）の送信コイルＬ１ｃの場合、送信コイルＬ１ａ、Ｌ１ｂを部屋の異なる位置に設置するだけで済むため、設置性が格段に高くなる。
【００３９】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【００４０】
実施の形態では、ループコイル３０を用いた送信コイルＬ１を説明したが、コイルの形状はそれに限定されない。図８（ａ）は、変形例に係る送信コイルＬ１ｄの斜視図であり、図８（ｂ）は送信コイルＬ１ｄの上方断面図である。送信コイルＬ１ｄは、ソレノイドコイル３６と、磁性体４０と、を備える。ソレノイドコイル３６は、その断面が実質的に平行な第１辺３８および第２辺３９を有する。磁性体４０は、ソレノイドコイル３６の第１辺３８に対応する部分を覆う。
【００４１】
以上が送信コイルＬ１ｄの構成である。この送信コイルＬ１ｄでは、ソレノイドコイル３６の磁性体４０に覆われた部分が発生する磁界が弱められ、磁性体４０を設けない場合に比べて、伝送距離を長くすることができる。あるいは送信コイルＬ１ｄを小型化できる。
【００４２】
図３の送信コイルＬ１において、ループコイル３０の形状は矩形には限定されず、任意の形状でよく、ループコイルの部分を磁性体４０で覆うことにより、磁界の伝送距離を長くし、あるいは送信コイルＬ１を小型化できる。たとえばループコイル３０が円形の場合、中心角αに対応する円弧の部分を磁性体４０で覆ってもよい。
【００４３】
同様にソレノイドコイル３６の断面形状は矩形には限定されず、任意の形状でよく、ソレノイドコイルの部分を磁性体４０で覆うことにより、磁界の伝送距離を長くし、あるいは送信コイルＬ１を小型化できる。
【００４４】
実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【００４５】
１００…ワイヤレス給電システム、２００…ワイヤレス給電装置、３００…ワイヤレス受電装置、１０…交流電源、Ｌ１…送信コイル、Ｌ２…受信コイル、３０…ループコイル、３２…第１辺、３４…第２辺、３６…ソレノイドコイル、４０…磁性体、Ｃ１…共振用キャパシタ、Ｓ１…電力信号、Ｓ２…電気信号。
【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７】
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【図８】
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【図６】
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【国際調査報告】
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