(57)【要約】【目的】重量の増加やコストの増大を抑えつつ装置内部や周囲に対する磁界の影響を抑えることが可能な受電装置及び電力伝送システムを提供する。【構成】  送電コイルに対向して配置され、送電コイルから送電された電力を非接触で受電する受電コイルと、受電コイルの中心軸を囲む環状形状を有し、受電コイルのコイル面から送電コイルに対向する方向の平面内に配された環状導体と、を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電コイルに対向して配置され、前記送電コイルから送電された電力を非接触で受電する受電コイルと、
前記受電コイルの中心軸を囲む環状形状を有し、前記受電コイルのコイル面から前記送電コイルに対向する方向の平面内に配された環状導体と、
を有することを特徴とする受電装置。
【請求項２】
前記受電コイルに接続されたキャパシタを有し、
前記受電コイル及び前記キャパシタは、所定の共振周波数で共振する共振回路を構成していることを特徴とする請求項１に記載の受電装置。
【請求項３】
前記環状導体は、前記受電コイルを包含する大きさ及び形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の受電装置。
【請求項４】
前記環状導体は、前記受電コイルに包含される大きさ及び形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の受電装置。
【請求項５】
前記環状導体は円環状の形状を有し、前記受電コイルの直径よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の受電装置。
【請求項６】
前記環状導体は円環状の形状を有し、前記受電コイルの直径よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の受電装置。
【請求項７】
前記環状導体は、前記受電コイルと同一平面内に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の受電装置。
【請求項８】
電力を送電する送電コイルと、
前記送電コイルに対向して配置され、前記送電コイルから送電された電力を非接触で受電する受電コイルと、
前記受電コイルの中心軸を囲む環状形状を有し、前記受電コイルのコイル面を含む平面から前記送電コイルのコイル面を含む平面までの間に位置するように配された環状導体と、
を有することを特徴とする電力伝送システム。
【請求項９】
前記送電コイルに接続された送電側キャパシタと、前記受電コイルに接続された受電側キャパシタと、を有し、
前記送電コイル及び前記送電側キャパシタは、所定の共振周波数で共振する送電側共振回路を構成し、
前記受電コイル及び前記受電側キャパシタは、前記所定の共振周波数で共振する受電側共振回路を構成することを特徴とする請求項８に記載の電力伝送システム。
【請求項１０】
前記環状導体は、前記受電コイルを包含する大きさ及び形状を有することを特徴とする請求項８又は９に記載の電力伝送システム。
【請求項１１】
前記環状導体は、前記受電コイルに包含される大きさ及び形状を有することを特徴とする請求項８又は９に記載の電力伝送システム。
【請求項１２】
前記環状導体は円環状の形状を有し、前記送電コイルの直径及び前記受電コイルの直径よりも大きいことを特徴とする請求項８又は９に記載の電力伝送システム。
【請求項１３】
前記環状導体は円環状の形状を有し、前記送電コイルの直径及び前記受電コイルの直径よりも小さいことを特徴とする請求項８又は９に記載の電力伝送システム。
【請求項１４】
前記環状導体は、前記受電コイルと同一平面内に形成されていることを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか１に記載の電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で電力を受電する受電装置及び非接触で電力を伝送する電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、時計等のウェアラブル機器や電気自動車等への電力供給に際して、非接触で電力を伝送する電力伝送システムが用いられている。かかる電力伝送システムでは、送電装置側のコイル（送電コイル）と受電装置側のコイル（受電コイル）とを対向するように配置し、電力の伝送を行う。電力伝送の方法としては、電磁誘導を用いた電磁誘導方式と、磁界共鳴を用いた磁界共鳴方式とが知られている。電磁誘導方式では、送電コイルに電流を流して磁界を発生させ、誘導磁束を利用して受電コイルに電流を発生させる。磁界共鳴方式では、送電コイル及び受電コイルにキャパシタを接続して共振回路を構成し、送電コイルと受電コイルとを同じ周波数で共振させることにより、受電コイルに電流を生じさせる。
【０００３】
かかる電力伝送システムでは、電力を伝送するために、強力な磁界を発生させる。そこで、発生した磁界が送電装置及び受電装置の周囲に及ぼす影響を低減するため、送電コイルを格納する送電装置のケースや受電コイルを格納する受電装置のケースの表面部に、金属や磁性体等からなる遮蔽シールドを設けて磁界を遮蔽することが考えられた（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５７５９７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような遮蔽シールドは、送電コイルや受電コイルの開口部を塞ぐように設けられる。従って、例えば時計やウェアラブル端末等の電子機器が受電装置である場合、表示部の周辺に受電コイルを配置すると、遮蔽シールドにより表示部が塞がれてしまい、表示部を視認することができない。このため、受電コイルの開口部周辺には表示部を設けることができず、電子機器のデザインが制約されてしまうという問題があった。
【０００６】
また、遮蔽シールドは受電コイルの開口部を塞ぐように設けられるため、材料の使用量が多い。このため、受電装置の重量が増加し、コストが増大してしまうという問題があった。
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、重量の増加やコストの増大を抑えつつ装置内部や周囲に対する磁界の影響を抑えることが可能な受電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】
【０００８】
本発明に係る受電装置は、送電コイルに対向して配置され、前記送電コイルから送電された電力を非接触で受電する受電コイルと、前記受電コイルの中心軸を囲む環状形状を有し、前記受電コイルのコイル面から前記送電コイルに対向する方向の平面内に配された環状導体と、を有することを特徴とすることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る電力伝送システムは、電力を送電する送電コイルと、前記送電コイルに対向して配置され、前記送電コイルから送電された電力を非接触で受電する受電コイルと、前記受電コイルの中心軸を囲む環状形状を有し、前記受電コイルのコイル面を含む平面から前記送電コイルのコイル面を含む平面までの間に位置するように配された環状導体と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、重量の増加やコストの増大を抑えつつ装置内部や周囲に対する磁界の影響を抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の受電装置の構成を模式的に示す図（図１（ａ））及び平面図（図１（ｂ））である。
【図２】本発明の送電装置の構成を模式的に示す図（図２（ａ））及び平面図（図２（ｂ））である。
【図３】送電回路（図３（ａ））及び受電回路（図３（ｂ））の構成を示す回路図である。
【図４】受電コイル、環状導体及び送電コイルの位置関係を模式的に示す斜視図（図４（ａ））、上面図（図４（ｂ））及び断面図（図４（ｃ））である。
【図５】実施例１の電力伝送システムにおいて生じる磁界の磁力線を、環状導体が存在しない場合の磁界の磁力線と比較して示す図である。
【図６】実施例２の受電装置の構成を模式的に示す図（図６（ａ））及び平面図（図６（ｂ））である。
【図７】実施例２の受電コイル、環状導体及び送電コイルの位置関係を模式的に示す上面図（図７（ａ））及び断面図（図７（ｂ））である。
【図８】実施例２の電力伝送システムにおいて生じる磁界の磁力線を、環状導体が存在しない場合の磁界の磁力線と比較して示す図である。
【図９】環状導体が受電装置と同一平面内に形成されている場合の受電装置の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１（ａ）は、受電装置１０の構成を模式的に示す図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の１ａ−１ｂ線に沿った水平方向の断面図（平面図）である。受電装置１０は、例えば時計等の機器であり、本体部１１、受電コイル１２及び環状導体１３を有する。なお、図１（ｂ）では本体部１１の図示を省略している。
【００１４】
本体部１１は、受電回路、液晶表示部（ＬＣＤ）及び回路基板等の電子回路を含む。本体部１１は、受電コイル１２を挟んで環状導体１３と対向する位置に配置されている。受電装置１０における本体部１１の配置領域付近を表側、環状導体１３の配置領域付近を裏側とすると、液晶表示部は、表側の表面部（本体部１１の受電コイル１２と対向する面とは反対側の表面部）に形成されている。また、受電コイル１２側の位置に磁気シールド等を有していてもよい。
【００１５】
受電コイル１２は、例えば円環状のコイル面（開口部）を有する円形コイルである。受電コイル１２は、受電時には後述する送電コイル２１と対向して配置され、図１（ａ）に示すＡ方向から伝送された電力を非接触で受電する。受電コイル１２は、後述するように整流回路や負荷等と接続され、受電回路が構成されている。
【００１６】
環状導体１３は、受電コイル１２の中心軸を囲む円環状の形状を有し、例えば銅やステンレス等の導電性の材料から構成されている。環状導体１３の直径は、受電コイル１２の直径よりも大きい。環状導体１３は、受電コイル１２を介して本体部１１と対向する位置に設けられている。環状導体１３は、Ａ方向から見た場合、電力伝送時に受電コイル１２よりも送電側に近くなる位置に配置されている。
【００１７】
図２（ａ）は、送電装置２０の構造を模式的に示す図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の２ａ−２ｂ線に沿った水平方向の断面図（平面図）である。
【００１８】
送電コイル２１は、円形のコイル面（開口部）を有する円形コイルである。送電コイル２１は、図２（ａ）に示すＢ方向に電力の伝送を行う。送電コイル２１には交流電流源、電力増幅器及び共振キャパシタが接続され、送電回路を構成している。
【００１９】
図３（ａ）は、かかる送電回路２３の構成を示す回路図である。送電回路２３は、交流電流源ＡＣと、電力増幅器ＰＡと、送電側共振回路２２と、を含む。送電側共振回路２２は、直列接続された送電コイル２１及び共振キャパシタＣ１を含む。
【００２０】
交流電流源ＡＣは、例えばＩＳＭ（Industry Science Medical）バンドの周波数帯として用いられる１３．５６ＭＨｚの周波数の交流電流（交流信号）を生成する。電力増幅器ＰＡは、生成された交流電流を増幅して送電側共振回路２２に供給する。送電側共振回路２２は、１３．５６ＭＨｚの共振周波数で共振し、交流磁界を発生させる。
【００２１】
図３（ｂ）は、受電コイル１２を含む受電回路１４の構成を示す回路図である。受電回路１４は、受電側共振回路１５と、整流回路１６と、負荷ＲＸと、を含む。受電側共振回路１５は、並列接続された受電コイル１２及び共振キャパシタＣ２を含む。整流回路１６は、整流ダイオードＤ１〜Ｄ４を含む。
【００２２】
受電側共振回路１５は、送電側共振回路２２の共振により発生した磁界の変動により、送電側共振回路２２と同じ共振周波数、すなわち１３．５６ＭＨｚの共振周波数で共振する。これにより、受電側共振回路１５には、周波数１３．５６ＭＨｚの交流電流が生成される。
【００２３】
受電側共振回路１５は、生成された交流電流を整流回路１６に供給する。整流回路１６は、交流電流を直流電流に変換し、負荷ＲＸに供給する。
【００２４】
負荷ＲＸは、例えば受電装置１０に設けられたバッテリである。すなわち、上記各部の動作により送電回路２３から受電回路１４に電力が伝送され、受電装置１０のバッテリが充電される。
【００２５】
再び図１（ａ）及び（ｂ）を参照すると、環状導体１３は閉じた円環状の導体線からなり、キャパシタは接続されていない。従って、環状導体１３は、一定の浮遊容量を有するものの、その共振周波数は、送電側共振回路２２及び受電側共振回路１５の共振周波数１３．５６ＭＨｚとは大きく異なる。
【００２６】
図４（ａ）は、電力伝送時における受電コイル１２、環状導体１３及び送電コイル２１（以下、これらをまとめて電力伝送システムとも称する）の位置関係を模式的に示す斜視図である。図４（ｂ）は、かかる電力伝送システムの上面図であり、図４（ｃ）は、受電コイル１２の中心軸Ａｘを含む、上面図のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【００２７】
環状導体１３は、受電コイル１２のコイル面から送電コイル２１に対向する方向の平面内に配置されている。すなわち、環状導体１３は、送電コイル２１のコイル面を含む平面と受電コイル１２のコイル面を含む平面との間に、受電コイル１２の中心軸を囲むように配置されている。また、環状導体１３の直径は、受電コイル１２及び送電コイル２１の各々の直径よりも大きい。
【００２８】
図５（ａ）及び（ｂ）は、本実施例において送電コイル２１、受電コイル１２及び環状導体１３の周囲に生成される磁界の磁力線の断面図（図５（ｂ））と、仮に環状導体１３が存在しないとした場合に送電コイル２１及び受電コイル１２の周囲に生成される磁界の磁力線の断面図（図５（ａ））とを比較して、模式的に示す図である。
【００２９】
環状導体１３が存在しない場合、送電コイル２１及び受電コイル１２の周囲には、図５（ａ）に示す破線のように、広く交流磁界が発生する。本発明では、上記の通り送電側共振回路２２及び受電側共振回路１５を同じ周波数（１３．５６ＭＨｚ）で共振させ、所謂磁界共鳴方式を用いて電力の伝送を行っているため、強力な磁界が発生する。従って、送電コイル２１及び受電コイル１２の周囲に形成される磁界の広がりが大きく、受電装置１０の内部や外部等、各コイルの周辺領域に磁界が与える影響が大きい。
【００３０】
これに対し、送電コイル２１のコイル面を含む平面と受電コイル１２のコイル面を含む平面との間に環状導体１３が存在する場合、送電コイル２１により生成される磁界によって、環状導体１３に誘導電流が流れ、環状導体１３の周囲には送電コイル２１が生成する磁界を打ち消す方向に磁界が発生する。従って、送電コイル２１及び受電コイル１２の周囲に形成される磁界の広がりは小さくなり、受電装置１０の内部や外部等、各コイルの周辺領域に磁界が与える影響は小さくなる。
【００３１】
なお、環状導体１３の周囲に生じる磁界は、送電コイル２１及び受電コイル１２の周囲に生じる磁界の広がりを打ち消す働きを有するが、送電回路２３から受電回路１４に伝送される電力量には影響を及ぼさない。
【００３２】
また、上記説明では、環状導体１３の直径が受電コイル１２の直径よりも大きいとしたが、本実施例において、環状導体１３は、受電コイル１２を包含する形状、大きさを有していれば良い。すなわち、受電コイル１２及び環状導体１３の導体面を同一平面内に置いたときに、環状導体１３が受電コイル１２を包含する形状を有していれば良い。
【００３３】
以上のように、本実施例の受電装置１０によれば、送電コイル２１及び受電コイル１２の間で電力伝送時に発生する磁界が、受電装置１０の周辺領域に与える影響を低減することができる。
【００３４】
また、環状導体１３は、受電コイル１２を挟んで本体部１１と対向する位置に配置されているため、受電装置１０の表側の表面部（本体部１１の受電コイル１２と対向する面とは反対側の表面部）に形成された液晶表示部等を視認する際の妨げとならない。また、環状導体１３は形状が環状であり、材料の使用量が少ないため、板状の遮蔽シールドを設けた場合と比べて、受電装置の重量の増加やコストの増大を抑えることができる。
【実施例２】
【００３５】
本実施例の受電装置及び電力伝送システムについて、図６〜図８を参照して説明する。なお、実施例１と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００３６】
図６（ａ）は、本実施例の受電装置３０の構成を模式的に示す図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＷ−Ｗ線に沿った水平方向の断面図（平面図）である。受電装置３０は、例えば時計等の電子機器であり、本体部１１、受電コイル３２及び環状導体３３を有する。なお、図６（ｂ）では本体部１１の図示を省略している。
【００３７】
本実施例の受電装置３０では、環状導体３３の直径の大きさが、実施例１の受電装置１０の環状導体１３の直径の大きさと異なる。すなわち、環状導体３３の直径は、実施例１の場合とは異なり、受電コイル３２の直径よりも小さい。
【００３８】
図７（ａ）は、電力伝送時における受電コイル３２、環状導体３３及び送電コイル２１（電力伝送システム）の位置関係を模式的に示す上面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図であり、受電コイル３２の中心軸Ａｘを含む。
【００３９】
送電コイル２１のコイル面を含む平面と受電コイル３２のコイル面を含む平面との間に、受電コイル３２の中心軸を囲むように、環状導体３３が配置されている。また、環状導体３３の直径は、受電コイル３２及び送電コイル２１の各々の直径よりも小さい。
【００４０】
図８（ａ）及び（ｂ）は、本実施例において送電コイル２１、受電コイル３２及び環状導体３３の周囲に生成される磁界の磁力線の断面図（図８（ｂ））と、仮に環状導体３３が存在しないとした場合に送電コイル２１及び受電コイル３２の周囲に生成される磁界の磁力線の断面図（図８（ａ））とを比較して、模式的に示す図である。
【００４１】
環状導体３３が存在しない場合、送電コイル２１及び受電コイル３２の周囲には、図８（ａ）に示す破線のように、広く交流磁界が発生する。従って、送電コイル２１及び受電コイル３２の周囲に形成される磁界の広がりが大きく、受電装置３０の内部や外部等、各コイルの周辺領域に磁界が与える影響が大きい。
【００４２】
これに対し、送電コイル２１のコイル面を含む平面と受電コイル３２のコイル面を含む平面との間に環状導体３３が存在する場合、送電コイル２１により生成される磁界によって、環状導体３３に誘導電流が流れ、環状導体３３の周囲には送電コイル２１が生成する磁界を打ち消す方向に磁界が発生する。
【００４３】
本実施例では、環状導体３３の環の直径が受電コイル３２及び送電コイル２１の各々の直径よりも小さいため、受電コイル３２及び送電コイル２１の内側領域（中心軸に近い領域）において、受電コイル３２及び送電コイル２１の周辺に生成される磁界の広がりが抑えられる。従って、磁界が送電コイル２１及び受電コイル１２の周囲、特にコイルの内側領域に与える影響が小さくなる。
【００４４】
なお、上記説明では、環状導体３３の直径が受電コイル３２の直径よりも小さいとしたが、本実施例において、環状導体３３は、受電コイル３２に包含される形状、大きさを有していれば良い。すなわち、受電コイル３２及び環状導体３３の導体面を同一平面内に置いたときに、環状導体３３が受電コイル３２に包含される形状を有していれば良い。
【００４５】
以上のように、本実施例の受電装置３０によれば、送電コイル２１及び受電コイル３２の間で電力伝送時に発生する磁界が、受電装置３０の周辺領域、特に受電装置３０の内部に与える影響を低減することができる。これにより、例えば受電装置３０が時計や携帯端末等の精密機器である場合には、磁界が装置内部の精密部品に及ぼす影響を大きく低減することが可能となる。
【００４６】
なお、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施例１及び実施例２では、環状導体１３（３３）が受電コイル１２（３２）のコイル面よりも送電側に近い位置に配置される例について説明した。しかし、例えば図９に示すように、環状導体１３（３３）は受電コイル１２（３２）と同一平面内（例えば、同じレイヤ）に形成されていても良い。
【００４７】
また、上記実施例では、送電コイル及び受電コイルが共通の共振周波数で共振することにより電力を伝送する、磁界共鳴方式を用いた例について説明した。しかし、電磁誘導によって送電コイルから受電コイルに送電を行う電磁誘導方式により電力を伝送するものであっても良い。
【００４８】
また、上記実施例では、送電コイル及び受電コイルが１３．５６ＭＨｚの共振周波数で共振する例について説明したが、周波数帯はこれに限られない。例えば、６．７８ＭＨｚ等の短波の周波数帯でも良いし、１００ｋＨｚ程度の長波の周波帯でも良い。要するに、送電コイル及び受電コイルが同じ共振周波数で共振するように構成されていれば良い。
【００４９】
また、環状導体１３は電気的にフローティングの状態であっても良く、接地されていても良く、何らかの回路に接続されていても良い。
【００５０】
また、上記実施例では、受電コイル１２（３２）、送電コイル２１及び環状導体１３（３３）が円環状の形状を有する場合を例として説明した。しかし、楕円形状、長方形等の矩形形状、多角形環状等の環形状を有していても良い。
【００５１】
受電コイル１２（３２）及び送電コイル２１は、円筒状に巻かれた複数巻のコイルであっても良い。また、環状導体１３（３３）は、複数巻のコイル形状やばね状に形成されていても良い。環状導体１３（３３）は、受電コイル１２（３２）のコイル面から送電コイル２１に対向する方向の平面内に配されていればよいが、例えば受電コイル１２（３２）がｎ巻（ｎ：２以上の整数）のコイルからなるとき、第１巻目のコイル面乃至第ｎ巻目のコイル面のいずれかの面を受電コイル１２（３２）のコイル面として適用することができる。
【００５２】
また、上記実施例では、伝送された電力の供給を受ける負荷ＲＸが受電装置１０のバッテリであり、伝送された電力に基づいて充電を行う例について説明した。しかし、電力伝送の目的は、充電に限られない。例えば、交流信号（交流電流）に変調をかけることにより、伝送される電力を用いて、双方向又は片方向の通信を行うものであっても良い。
【００５３】
また、上記実施例では、環状導体が受電装置に形成される例について説明した。しかし、環状導体は、送電装置に形成されていても良い。要するに、環状導体は、受電コイルのコイル面を含む平面と送電コイルのコイル面を含む平面との間に配置されていれば良い。
【００５４】
また、スイッチ切り替え等により受電コイル及び送電コイルの役割を逆転させ、逆方向の電力伝送が可能なように構成されていても良い。
【００５５】
また、周辺への磁界の影響をより抑えるため、従来用いられている磁性体シートや導体板等を、本発明の環状導体と併用しても良い。
【符号の説明】
【００５６】
１０，３０  受電装置
１１  本体部
１２，３２  受電コイル
１３，３３  環状導体
１４  受電回路
１５  受電側共振回路
１６  整流回路
２０  送電装置
２１  送電コイル
２２  送電側共振回路
２３  送電回路
【図１】
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【図２】
2017099186.tif 000004
【図３】
2017099186.tif 000005
【図４】
2017099186.tif 000006
【図５】
2017099186.tif 000007
【図６】
2017099186.tif 000008
【図７】
2017099186.tif 000009
【図８】
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【図９】
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