(57)【要約】【課題】広範囲に電力供給が可能であり、しかも電界を小さくできるワイヤレス電力供給装置を提供する。【解決手段】このワイヤレス電力供給装置１は、平面的にスパイラル状に巻かれた主コイル４１、及び、主コイル４１の外周部の近傍にその外周部に接続されることなくソレノイド状に巻かれた副コイル４２、を有する送電側共振器４と、送電側共振器４の励振を制御する送信側制御器５と、を備えてなる。主コイル４１は、絶縁板４５の裏面に設けられ、副コイル４２は、絶縁板４５の側面にソレノイド状に巻かれている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面的にスパイラル状に巻かれた主コイル、及び、該主コイルの外周部の近傍にその外周部に接続されることなくソレノイド状又は平面的にスパイラル状に巻かれた副コイル、を有する送電側共振器と、
該送電側共振器の励振を制御する送信側制御器と、
を備えてなることを特徴とするワイヤレス電力供給装置。
【請求項２】
請求項１に記載のワイヤレス電力供給装置において、
前記主コイルは、絶縁板の裏面に設けられ、
前記副コイルは、前記絶縁板の側面にソレノイド状に巻かれていることを特徴とするワイヤレス電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受電側装置に無線で電力供給を行い得るワイヤレス電力供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁界は、放射電磁界（電磁波）と非放射電磁界（エバネッセント場）に分類できる。非放射電磁界を用いて送電側装置から受電側装置に無線で電力を供給するワイヤレス電力供給システムには、結合共振器型、電磁誘導型、容量結合型などがある。この中で、結合共振器型のワイヤレス電力供給システムでは、送電側装置の送電側共振器と受電側装置の受電側共振器を電磁界を介して共振させることにより電力を伝送することで、簡便な構成で高効率の電力供給を可能としている。
【０００３】
特許文献１と特許文献２は、本願発明者が発明者の一人であり、それらには結合共振器型のワイヤレス電力供給システムに関する技術が記載されている。特許文献１には、送電側装置において２個の送電側共振器が互いに対向し一方にだけ交流電流が供給されており、受電側装置の受電側共振器はそれらの間に配置されるものが開示されている。互いに対向する２個の送電側共振器を用いることで、高伝送効率で受電側装置に電力供給を行うことができる。
【０００４】
また、特許文献２には、送電側装置において２個のコイルが近接して平行に配置され接続されることで１個の送電側共振器が構成されるものが開示されている。それにより、２個のコイルにより周囲の誘電体の影響を受けやすい電界を送電側共振器の中に閉じ込めて小さくし、主に磁界により受電側装置に電力供給を行うことで、伝送効率の低下を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−０３９６６５号公報
【特許文献２】特開２０１４−０９６８７２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、ワイヤレス電力供給システムは、様々な応用形態が考えられる。その中には、例えば、電力供給マットに送電側共振器を配置し、受電側共振器の位置が電力供給マットの中心部であっても周辺部であっても広範囲に電力供給を行おうとする応用形態もある。このような電力供給マットは、人体の手などが触れるか或いは極めて近くに来る機会が多い。
【０００７】
電磁界は、人体への長期的な影響は未解明ではあるが、人体への影響の面からは小さくするのが望ましい。これに対し、電力供給の面からは、送電側共振器と受電側共振器の間の電磁界は、ある程度大きい方が望ましい。そこで、本願発明者は、特許文献２に示したように電界を小さくすることが、人体への影響の面と電力供給の面の両方を考慮すると、非常に有効であると思料し、本願発明を案出した。
【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、ワイヤレス電力供給システムに用いられるワイヤレス電力供給装置（送電側装置）であって、広範囲に電力供給が可能であり、しかも電界を小さくできるもの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に記載のワイヤレス電力供給装置は、平面的にスパイラル状に巻かれた主コイル、及び、該主コイルの外周部の近傍にその外周部に接続されることなくソレノイド状又は平面的にスパイラル状に巻かれた副コイル、を有する送電側共振器と、該送電側共振器の励振を制御する送信側制御器と、を備えてなることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載のワイヤレス電力供給装置は、請求項１に記載のワイヤレス電力供給装置において、前記主コイルは、絶縁板の裏面に設けられ、前記副コイルは、前記絶縁板の側面にソレノイド状に巻かれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のワイヤレス電力供給装置によれば、広範囲に電力供給が可能であり、しかも電界を小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るワイヤレス電力供給装置の全体構成を示す側面図である。
【図２】同上のワイヤレス電力供給装置の送電側共振器の構成を示すものであって、（ａ）が底面図、（ｂ）が側面図である。
【図３】同上のワイヤレス電力供給装置の送電側共振器の構成の一部を拡大して示す側面視断面図である。
【図４】２個のコイルによって発生する奇モードの電磁界を説明するための模式図であって、（ａ）が電界を示すもの、（ｂ）が磁界を示すものである。
【図５】同上のワイヤレス電力供給装置の磁場の様子を模式的に示す側面図であって、（ａ）が副コイルを有する場合のもの、（ｂ）が副コイルを省いた場合のものである。
【図６】実験結果の電界分布を示す特性図であって、（ａ）が本発明の実施形態に係るワイヤレス電力供給装置のもの、（ｂ）が従来技術のワイヤレス電力供給装置のものである。
【図７】実験結果の磁界分布を示す特性図であって、（ａ）が本発明の実施形態に係るワイヤレス電力供給装置のもの、（ｂ）が従来技術のワイヤレス電力供給装置のものである。
【図８】実験結果の結合係数を示す特性図であって、（ａ）が本発明の実施形態に係るワイヤレス電力供給装置のもの、（ｂ）が従来技術のワイヤレス電力供給装置のものである。
【図９】実験で用いた受電側共振器を示す底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための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ワイヤレス電力供給装置１は、図１に示すように、ワイヤレス電力供給システム３に用いられる。ワイヤレス電力供給システム３は、ワイヤレス電力供給装置１と、それから無線で電力供給を受け得る受電側装置２と、を含む。ワイヤレス電力供給装置１は、例えば、電力供給マットとすることができる。電力供給マットは、表面（受電側装置２が配置される側の面）が平らでその中央部であっても周辺部であっても広範囲に受電側装置２に電力供給を行うことができるものである。
【００１４】
ワイヤレス電力供給装置１は、送電側共振器４と送信側制御器５とを備えている。その送電側共振器４は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、主コイル４１と副コイル４２とを有している。
【００１５】
主コイル４１は、絶縁膜で被覆した電気導線が平面的にスパイラル状に巻かれたものである。主コイル４１は、矩形状に巻かれたものとすることができる（図２（ａ）参照）。その他、円形状や多角形状（例えば、六角形状）に巻かれたものや更に複雑な形状に巻かれたものにすることも可能である。また、図２（ａ）に示す主コイル４１において、中央部では疎に巻き、周辺部では密に巻いているのは、主コイル４１から発生する磁界の強度の均一化の目的のためである。また、主コイル４１には、両端（内端及び外端）の間にコンデンサ４３を接続して共振周波数を調整することができる。
【００１６】
副コイル４２は、絶縁膜で被覆した電気導線がソレノイド状に巻かれたものである（図２（ｂ）参照）。副コイル４２は、主コイル４１の外周部の近傍であって（図３参照））、受電側装置２が配置される側に向かって設けられている。また、副コイル４２は、主コイル４１の外周部のいずれの箇所にも接続（電気的に接続）されない。また、副コイル４２には、両端（主コイル４１に近い端及び主コイル４１から遠い端）の間にコンデンサ４４を接続して共振周波数を調整することができる（図２（ｂ）参照）。
【００１７】
このような送電側共振器４は、絶縁板４５（例えば、ポリエチレン製など）を用いて、絶縁板４５の裏面上に主コイル４１を配置し、また、絶縁板４５の側面に副コイル４２を配置すると、主コイル４１と副コイル４２が配置し易い。
【００１８】
送信側制御器５は、送電側共振器４の励振を制御するものである。送信側制御器５は、詳細には、高周波電源５ａと結合ループ５ｂを有する（図１参照）。高周波電源５ａは、インピーダンスの整合を行う結合ループ５ｂを介して送電側共振器４の主コイル４１を励振する。つまり、高周波電源５ａはその出力信号を結合ループ５ｂに出力し、結合ループ５ｂは主コイル４１に電磁誘導結合している。結合ループ５ｂは、それを変形したり、他の公知のインピーダンス整合手段で置き換えたりすることも可能である。例えば、結合ループ５ｂにコンデンサを直列接続して送電側共振器４の共振周波数（より詳細には、後述する奇モードの共振周波数）に合わせて共振させるという手段がある。このようにすれば、結合ループ５ｂと主コイル４１との結合強度の調整を主コイル４１と副コイル４２の間の距離を変えることによって容易に実現でき、更には、受電側装置２が複数になった場合の負荷の増加への対応も容易になる。
【００１９】
このようなワイヤレス電力供給装置１では、送信側制御器５によって励振された主コイル４１ は、周囲の領域 に電磁界（非放射電磁界）を発生させる。そうすると、副コイル４２は、主コイル４１が発生する電磁界に結合して励振される。そして、副コイル４２も周囲の領域に電磁界（非放射電磁界）を発生させる。それにより、主コイル４１と副コイル４２によって発生し分布する電磁界は、主コイル４１が発生する電磁界と副コイル４２が発生する電磁界が合成されたものとなる。
【００２０】
一般に、２個のコイル（図４（ａ）、（ｂ）中Ｃ１、Ｃ２で示す。）によって発生し分布する電磁界では、周波数が互いに少しだけ異なる２個の共振モード、すなわち、２個のコイルによって発生した電界が互いに逆相である奇モードの共振モードと互いに同相である偶モードの共振モード、を有することになる。ここで、奇モードの共振モードでは、図４（ａ）に示すように、２個のコイルによって発生した電界（図中のＥ１及びＥ２）が合成されて、それらは逆相であるので、合成された電界（図中のＥ３）は小さくなる。なお、奇モードの共振周波数は、偶モードの共振周波数よりも低い周波数である。
【００２１】
従って、送電側共振器４は主コイル４１と副コイル４２を有するので、主コイル４１の電界に副コイル４２の電界が合成され、奇モードの共振モードを用いると（奇モードの共振モードを用いて電力供給を行うと）、ワイヤレス電力供給装置１から生じる電界は小さいものとなる。また、合成された電界の方向は、奇モードの共振モードでは、多くの箇所で主コイル４１に平行な方向に近づく。それにより、奇モードの共振モードを用いると、電界が実質的に到達する距離（主コイル４１からの距離）を短くすることができる。
【００２２】
また、一般に、奇モードの共振モードでは、２個のコイルによって発生した磁界は互いに同相であり、偶モードの共振モードでは磁界は互いに逆相である。そして、奇モードの共振モードでは、図４（ｂ）に示すように、２個のコイルによって発生した磁界（図中のＨ１及びＨ２）が合成される（図中のＨ３）。  
【００２３】
送電側共振器４は主コイル４１と副コイル４２を有するので、主コイル４１の磁界に副コイル４２の磁界が合成され、図５（ａ）に示すように、奇モードの共振モードでは、合成された磁界（矢印で示す。）は、周辺部（主コイル４１の周辺部）における磁界の方向が垂直方向（中央部の磁界の方向）に近づく。それにより、受電側装置２への電力供給の伝送効率を一様化することができる（場所による差を少なくすることができる）。その結果、広範囲に電力供給が可能になる。なお、図５（ｂ）は、送電側共振器４が含むのは主コイル４１だけで副コイル４２は含まないようにした場合の磁界を示したものである。
【００２４】
このように、ワイヤレス電力供給装置１は、広範囲に電力供給が可能であり、しかも電界を小さくできる。
【００２５】
従って、ワイヤレス電力供給装置１が電力供給マットならば、電界を小さくしつつ、その表面の中央部に受電側装置２が有っても或いは周辺部に受電側装置２が有っても広範囲に電力供給を行うことができる。
【００２６】
次に、ワイヤレス電力供給装置１の特性を従来技術のワイヤレス電力供給装置１０１と比較しながら以下説明する。従来技術のワイヤレス電力供給装置１０１は、ワイヤレス電力供給装置１の副コイル４２が省かれたものとした。ワイヤレス電力供給装置１とワイヤレス電力供給装置１０１の以下示す特性は、実験によるものである。主コイル４１と副コイル４２に用いられる電気導線の直径は、１ｍｍとした。
【００２７】
主コイル４１は、矩形に巻き、中央部のピッチを２０ｍｍ、周辺部のピッチを２ｍｍにして５０ｃｍ×５０ｃｍの大きさとした。主コイル４１には、８６ｐＦのコンデンサ４３を接続した。副コイル４２は、３巻のソレノイド状に密着して巻いたものとし、できるだけ主コイル４１に近づけた。副コイル４２には、１．７４ｎＦのコンデンサ４４を接続した。主コイル４１はポリエチレン製の絶縁板４５（５ｍｍの厚さ）の裏面上に配置し、副コイル４２は絶縁板４５の側面に配置した。ワイヤレス電力供給装置１は、奇モードの共振モードを用いその共振周波数は５０９．９ｋＨｚとし、ワイヤレス電力供給装置１０１は共振周波数６３６．０ｋＨｚとした。送信側制御器５の高周波電源５ａからは、０．５Ｗの電力が出力されるようにした。
【００２８】
図６（ａ）に示すのは、ワイヤレス電力供給装置１の電界分布であり、図６（ｂ）に示すのは、ワイヤレス電力供給装置１０１の電界分布である。図中の曲線ａ、ａ’は、絶縁板４５（主コイル４１と副コイル４２が配置された絶縁板４５）からの距離が０ｃｍのところの電界強度であり、曲線ｂ、ｂ’は、絶縁板４５からの距離が１ｃｍのところの電界強度であり、曲線ｃ、ｃ’は、絶縁板４５からの距離が２ｃｍのところの電界強度である。
【００２９】
ワイヤレス電力供給装置１では、主コイル４１の周辺部（主コイル４１の中心からの距離が２５ｃｍの近傍）では電界が増加しているが、全体にわたってワイヤレス電力供給装置１０１よりも電界は小さくなっている。
【００３０】
図７（ａ）に示すのは、ワイヤレス電力供給装置１の磁界分布であり、図７（ｂ）に示すのは、ワイヤレス電力供給装置１０１の磁界分布である。図中の曲線ｄ、ｄ’は、絶縁板４５からの距離が０ｃｍのところの磁界強度であり、曲線ｅ、ｅ’は、絶縁板４５からの距離が１ｃｍのところの磁界強度であり、曲線ｆ、ｆ’は、絶縁板４５からの距離が２ｃｍのところの磁界強度である。
【００３１】
ワイヤレス電力供給装置１では、ワイヤレス電力供給装置１０１よりも磁界強度が均一化されている。
【００３２】
図８（ａ）に示すのは、ワイヤレス電力供給装置１と受電側装置２の間の結合係数であり、図８（ｂ）に示すのは、ワイヤレス電力供給装置１０１と受電側装置２の間の結合係数である。受電側装置２の受電側共振器６のコイル６１は、直径０．２ｍｍの電気導線をピッチ１．２ｍｍで、図９に示すように、矩形に巻いて５ｃｍ×５ｃｍの大きさとした。コイル６１には、５．０５ｎＦのコンデンサ６２を接続した。図８（ａ）、（ｂ）中の曲線ｇ、ｇ’は、絶縁板４５からの距離が０ｃｍのところの結合係数であり、曲線ｈ、ｈ’は、絶縁板４５からの距離が１ｃｍのところの結合係数であり、曲線ｉ、ｉ’は、絶縁板４５からの距離が２ｃｍのところの結合係数である。
【００３３】
ワイヤレス電力供給装置１では、結合係数は極めて良好な一様性を示している。従って、広範囲に電力供給が可能であることが分かる。なお、ワイヤレス電力供給装置１０１では、結合係数はワイヤレス電力供給装置１よりも一様性が良くない。
【００３４】
以上、本発明の実施形態に係るワイヤレス電力供給装置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、副コイル４２は、電界分布、磁界分布、それに応じて結合係数は、上述したものから少し変わってくるが、平面的にスパイラル状に巻かれるようにすることも可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１    ワイヤレス電力供給装置
２    受電側装置
３    ワイヤレス電力供給システム
４    送電側共振器
４１  主コイル
４２  副コイル
４５  絶縁板
５    送信側制御器
【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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【図８】
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【図９】
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