JP2011205757A - 電磁界共鳴電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送電コイルと受電コイル間の距離が変化しても、伝送効率を低下させないようにする。
【解決手段】送電コイルと、この送電コイルに送電電力を供給する送電装置と、この送電コイルと電磁界共鳴する受電コイルと、この受電コイルから電力を入力して負荷に電力を供給する受電装置とを有する電磁界共鳴電力伝送装置である。送電コイル１０と受電コイル４０は、送電コイルと受電コイルの間の２つの共鳴周波数を第１組とする第１組の共鳴コイル対と、第１組の共鳴周波数とは、異なる２つの共鳴周波数を第２組とする第２組の共鳴コイル対とを、少なくととも有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、送電コイルと受電コイルとを用いた電磁界共鳴による無線の電力伝送装置に関する。電子機器のバッテリに対する給電のための電力伝送に用いることができる。

非接触による電力伝送方式には、大きくは、次の２つの方式に分類される。第１は、非放射による電力伝送であり、第２は、放射による電力伝送である。第１の方式には、主として、トランスの原理を用いた電磁誘導方式と、近接場（近接場に蓄積される静的エネルギー）の電磁界共鳴による電磁界結合方式とがある。また、第２の方式には、マイクロ波送電による方式と、レーザ送電による方式とがある。本発明は、電磁界共鳴方式を用いた電力伝送装置に関するものである。

電磁誘導方式を用いた電力伝送として、下記特許文献１、２の技術が知られている。特許文献１の技術は、固定部から回転部への電力伝送に、５〜１０ｍｍだけ離間した送電コイルと受電コイルとの一対の電力コイルを用いて非接触で電力を伝送する装置が開示されている。同文献によると、数百ｋＨｚの周波数電力を固定部から回転部へ伝送し、回転部に設置された各種のセンサの検出信号を、電力コイルの外に設けた一対のデータコイルで、回転部から固定部へ、数ＭＨｚの信号で伝送するようにしている。また、固定部の送電コイルの入力インピーダンスが、送電コイルと受電コイルとの間隔により変化するので、送電コイルへの給電効率を向上させるために、送電コイルへ供給する電力の周波数を変化させることが行われている。また、特許文献２においても、一次コイルから無線電力を供給して、一次コイルと電磁結合する２次コイルで受電して、２次コイルに接続されたバッテリーに充電する装置が開示されている。この文献の技術は、２次コイルで発生する磁場を遮蔽する技術である。

電磁界共鳴方式として、最近、注目されている下記非特許文献１に開示の技術が知られている。同非特許文献１の技術は、２ｍ程度離間された、半径２５ｃｍのループ状の強く磁気結合した一対の電磁界共鳴コイルを用いて、９．９ＭＨｚの正弦波電力を伝送できる技術が開示されている。

特開平８−３４０２８５ 特開２００９−２６８３３４

Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances, Andre Kurs, et.al, Science Vol.317, 6 July 2007

上記の特許文献１、２の方法は、コイルの外部に共振回路を設ける方式であり、Ｑ値が小さく、効率の良い電力伝送はできない。この方式は、本質的には、電磁誘導方式であるため、原理的には、結合係数を大きくする方向の技術であり、両コイル間の距離は、５〜１０ｍｍ程度と狭くせざるを得ず、且つ、伝送効率が低くならざるを得ないという問題がある。また、１０ｍｍ以上、距離が離れると、効率の良い伝送ができないばかりか、送電コイルの入力インピーダンスが変化するために、送電周波数の調整が必要である。また、これらの電力伝送方式においては、外部共振回路を用いるため、共振特性は単峰性の特性である。

一方、電磁界結合方式の上記の非特許文献１に開示の技術は、原理的には、自己共振周波数を有するコイル（自己共鳴コイル、self-resonant coil) を用いて、送電コイルと受電コイルを全体としての近接場エネルギーによる電磁界共鳴を用いた方式であり、原理上、Ｑ値が高く、比較的長距離の伝送が可能であり、放射損失が少ないため、伝送効率が高い無線電力伝送方式である。また、電磁界共鳴を用いている関係上、周波数と送電コイルと受電コイルの自己インダクタンスが大きければ、結合係数は小さくとも（原理的には、０に近い状態でも）、高い伝送効率を実現することができる。この結果、非特許文献１によれば、１ｍ程度、両電力コイルを離間させても、９０％以上の伝送効率が実現できている。この共鳴の周波数特性は、双峰性の特性を示す。

しかしながら、非特許文献１の技術を用いて、大電力を送電する場合に、送電コイルと受電コイル間の距離が変化すると、伝送効率が高くなる２つの共振周波数が変化し、送電電力の周波数を伝送効率が最大となる周波数に最適設定していても、両コイル間の距離が長くなると、伝送効率が低下するという問題が発生する。

本発明は、この問題を解決するために成されたものであり、送電コイルと受電コイル間の距離が変化しても、常に、最大の伝送効率が得られるようにすることである。

第１の発明は、自己共振周波数を有する送電コイルと、この送電コイルに送電電力を供給する送電装置と、この送電コイルと電磁結合する自己共振周波数を有する受電コイルと、この受電コイルから、固定された単一の送電周波数の電力を入力して負荷に電力を供給する受電装置とを有する電磁界共鳴電力伝送装置において、送電コイルと受電コイルの少なくとも一方は、複数設けられており、送電コイルと受電コイルの間には、結合係数が最大となる最大結合状態において、３以上の共鳴周波数が存在し、共鳴周波数を、送電コイルと受電コイルとの間の使用可能距離範囲における距離の変化に対して、２以上の共鳴周波数が、順次、送電周波数に一致するように配置したことを特徴とする電磁界共鳴電力伝送装置である。

また、第２の発明は、第１の発明において、送電コイルと受電コイルは、送電コイルと受電コイルの間の最大結合状態において存在する２つの共鳴周波数を第１組とする第１組の共鳴コイル対と、第１組の共鳴周波数とは異なる、最大結合状態において存在する２つの共鳴周波数を第２組とする第２組の共鳴コイル対とを、少なくととも２組以上有することを特徴とする。

上記発明では、送電コイルと受電コイルは、自己共振周波数を有したコイル（外部共振回路を有しない自己共鳴コイル、self-resonant coil）が用いられる。一対の送電コイルと受電コイルの共鳴特性は、結合係数が最大となる最大結合状態から結合係数が零となる状態までの共鳴状態において、２つの共鳴周波数でピークを有する双峰性の特性を有している。本発明は、少なくとも２組の送電コイルと受電コイル対とを用いている。そして、ある組の２つの共鳴周波数は、他の組の２つの共鳴周波数とは異なるように、送電コイルと受電コイルの共鳴特性が設定されている。２つの共鳴周波数の間隔や位置は、送電コイルと受電コイルの自己インダクタンス、相互インダクタンス、線間容量を適正に設定することで行われる。すなわち、コイルの半径、巻き数、線間距離や線間媒体の誘電率や透磁率などを適正に設定することで、共鳴特性を設計することができる。

本発明では、少なくとも異なる３つ、望ましい状態では４つ以上の共鳴周波数が得られる。送電コイルと受電コイルとを１組だけ用いて、送電コイルと受電コイル間の距離が、ある所定値である場合に、送電周波数を、一方の共鳴周波数に設定したとする。この時は、両コイル間の距離がこの所定値である時には、最大の電力伝送効率が得られる。しかし、送電コイルと受電コイルとの間の距離が、この所定値よりも長くなると、２つの共鳴周波数の間隔は狭くなり、この所定値よりも短くなると、２つの共鳴周波数の間隔は広くなる。このため、送電周波数を固定した場合には、両コイル間の距離が所定値から変化すると、伝送効率は、低下する。

ところが、本発明によると、少なくとも異なる３つの共鳴周波数（重なりがなければ、少なくとも４つの共鳴周波数）を有しているために、全体として、共鳴する周波数帯域幅を広くすることができる。この結果、送電コイルと受電コイルとの間隔が変化して、３つの共鳴周波数が変化しても、共鳴周波数が、順次、送電周波数に一致するようになるので、伝送効率が低下することがない。

また、第３の発明は、第２の発明において、最大結合状態において、任意の組である第１組の２つの共鳴周波数は、他の任意の組である第２組の共鳴周波数の２つの共鳴周波数の間に存在することを特徴とする。
この場合には、送電コイルと受電コイルとの間隔が広くなって、それぞれの組の２つの共鳴周波数の間隔が狭くなっても、全体として共鳴周波数帯域が狭くなるだけであり、共鳴周波数が、順次、送電周波数に一致するようになるから、この帯域に送電周波数が存在する限り、送電コイルと受電コイルとの間隔が変化しても、伝送効率は低下しない。

また、第４の発明は、第３の発明において、送電コイルと受電コイルが結合していない時に２つの共鳴周波数が一致する周波数である自己共振周波数は、全ての組において一致することを特徴とする。
すなわち、送電コイルと受電コイル間の距離が長くなり、距離の短い共鳴コイル対から、順次、臨界結合状態になると、各組の２つの共鳴周波数は、順次に、１つの自己共振周波数になる。本発明は、この１つの周波数が、全ての組について等しいようしたものである。各組の共鳴コイル対の自己インダクタンスを、全組で等しくすれば、このことは実現できる。

また、第５の発明は、第３又は第４の発明において、最大結合状態において、各組の共鳴コイル対における相互インダクタンスを、順次、増大させたことを特徴とする。すなわち、共鳴コイル対の相互インダクタンスを、このように、順次、増大させることで、各組の２つの共鳴周波数の間隔を、順次、拡大することができる。
この条件で、さらに、各組の共鳴コイル対の自己インダクタンスを、全組で等しくすれば、第３発明に係る共鳴周波数の配置関係を実現することができる。

第６の発明は、第２の発明において、最大結合状態において、任意の組である第１組の２つの共鳴周波数の間に、残りの全ての組の中の任意の１組である第２組の２つの共鳴周波数のうちの一方の共鳴周波数のみが存在することを特徴とする。
すなわち、ある組の２つの共鳴周波数の間に、他の全ての組の２つの共鳴周波数の一方の共鳴周波数が全て、存在するように配置させたものである。この場合には、送電コイルと受電コイルとの距離が長くなって、臨界結合状態に達した時に、１つの周波数となる自己共振周波数は、各組毎に、異なることになる。送電コイルと受電コイルとの間隔が長くなると、各組の２つの共鳴周波数の間隔が狭くなるだけであるから、最も外側に位置する２つの共鳴周波数の間に、送電周波数が存在する限り、伝送効率の低下が防止される。

第７の発明は、第６の発明において、最大結合状態において、各組の共鳴コイル対の２つの共鳴周波数の間隔は、全組について等しいことを特徴とする。
この状態は、第８の発明のように、最大結合状態において、各組の共鳴コイル対の相互インダクタンスは、全組について等しくすれば、実現できる。

また、第３乃至第５の何れか１つの発明に用いられる共鳴コイル対と、第６乃至第８の何れか１つの発明に用いられる共鳴コイル対とを、混在させても良い。
さらに、第１０の発明のように、最大結合状態において、共鳴コイル対の共鳴周波数を等間隔に配置しても良い。
これらの共鳴周波数の間隔は、なるべく狭くすることにより、距離に対する伝送効率の変動を抑制することができ、送電コイルと受電コイルの間の距離が変化しても、安定した効率の高い送電を実現することができる。

また、各共鳴周波数が異なる共鳴コイル対を多数組設けることで、全体として共鳴周波数の帯域を広帯域化できる。送電コイルと受電コイル対とを多数組、例えば、ｎ組設けることで、２ｎ個の異なる共鳴周波数を得ることができる。その結果、共鳴周波数帯域を拡大することができる。また、各組の２つの共鳴周波数の間隔を狭く設定すれば、全体としての共鳴周波数帯域おける両コイル間の距離に対する伝送効率の変動を抑制することができる。

本装置は、このような、送電コイルから電力を送電して、受電コイルを受電して、電気自動車のバッテリや、電気機器のバッテリなどを充電する方法に用いることができる。

本発明の装置によると、送電コイルと受電コイルとの位置関係に係わらず、一定の送電周波数における伝送効率の低下を抑制することができる。換言すれば、伝送効率を低下させない送電コイルと受電コイルとの間の距離を拡大することができる。

本発明の具体的な実施例１の全体構成を示した構成図。 実施例１の装置におる共鳴周波数の配置を示した伝送効率の周波数特性図。 実施例１の装置におる共鳴周波数と、送電コイルと受電コイルとの間の距離との関係を示した距離特性図。 実施例２の装置におる共鳴周波数の配置を示した伝送効率の周波数特性図。 実施例２の装置におる共鳴周波数と、送電コイルと受電コイルとの間の距離との関係を示した距離特性図。 実施例３の装置におる共鳴周波数の配置を示した伝送効率の周波数特性図。 実施例３の装置におる共鳴周波数と、送電コイルと受電コイルとの間の距離との関係を示した距離特性図。 実施例４の装置におる共鳴周波数の配置を示した伝送効率の周波数特性図。 実施例４の装置におる共鳴周波数の配置を示した伝送効率の周波数特性図。 上記実施例の装置を用いた変形例の装置を示した構成図。 上記実施例の装置を用いた他の変形例の装置を示した構成図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の全体の構成を示している。送電側には、送電コイル１０が設けられている。送電コイル１０は、第１送電コイル１１と、第１送電コイル１１の内側に設けられた第１送電コイル１１より半径の小さな第２送電コイル１３と、これらの送電コイル１１、１３と電磁結合する入力コイル１２とを有している。入力コイル１２は、信号発生装置２１の出力する正弦波を電力増幅する電力増幅器２０（電力トランジスタ）から給電される。また、受電側は、受電コイル４０を有している。この受電コイル４０は、第１送電コイル１１と電磁界結合する第１受電コイル４１と、第２送電コイル１３と電磁結合する第２受電コイル４３と、これらの受電コイル４１、４３に電磁結合し、受電電力を外部へ出力するための出力コイル４２とを有している。出力コイル４２は整流器などの受電装置５０に接続されており、受電電力が整流された後に、バッテリなどの負荷５１に給電される。第２受電コイル４３の半径は、第１受電コイル４１の半径よりも小さく、第２受電コイル４３は、第１受電コイル４１の内側に設けられている。第１送電コイル１１と第１受電コイル４１とで第１組の共鳴コイル対が構成される。また、第２送電コイル１３と第２受電コイル４３とで第２組の共鳴コイル対が構成される。

第１送電コイル１１と第１受電コイル４１とは、電磁界共鳴をするコイル（自己共鳴コイル、self-resonant coil）である。また、第２送電コイル１３と第２受電コイル４３とは、電磁界共鳴をするコイル（自己共鳴コイル、self-resonant coil）である。第１送電コイル１１は、第１受電コイル４１と磁気結合する相互インダクタンスと、漏れインダクタンス（＝自己インダクタンス−相互インダクタンス）と、第１送電コイル１１の形状から等価的に発生する容量とによる共鳴回路を構成している。また、第１受電コイル４１は、第１送電コイル１１と磁気結合する相互インダクタンスと、漏れインダクタンス（＝自己インダクタンス−相互インダクタンス）と、第１受電コイル４１の形状から等価的に発生する容量とによる共振回路を構成している。

同様に、第２送電コイル１３は、第２受電コイル４３と電磁界共鳴する相互インダクタンスと、漏れインダクタンスと、第２送電コイル１３の線間に存在する容量とによる共振回路を構成している。また、第２受電コイル４３は、第２送電コイル１３と電磁界共鳴する相互インダクタンスと、漏れインダクタンスと、第２受電コイル４３の線間に存在する容量とによる共振回路を構成している。

第１送電コイル１１と第１受電コイル４１とは、近接場で電磁界結合した状態にあり、図２に示すように、２つの共鳴周波数ｆ_1L、ｆ_1Uを有した双峰性の共鳴特性を有している。また、第２送電コイル１３と第２受電コイル４３とは、近接場で電磁界結合した状態にあり、図２に示すように、２つの共鳴周波数ｆ_2L、ｆ_2Uを有した双峰性の共鳴特性を有している。なお、４つの共鳴周波数に関して、ｆ_1L＜ｆ_2L＜ｆ_2U＜ｆ_1Uの関係が成立する。すなわち、第２送電コイル１３と第２受電コイル４３から成る第２組の共鳴コイル対の２つの共鳴周波数ｆ_2L、ｆ_2U（ただし、ｆ_2L＜ｆ_2U）は、第１送電コイル１１と第１受電コイル４１から成る第１組の共鳴コイル対の共鳴周波数ｆ_1Lと共鳴周波数ｆ_1U（ただし、ｆ_1L＜ｆ_1U）の間に存在する。この状態は、各コイルの自己インダクタンスと分布容量を等しくして、第１組の共鳴コイル対である第１送電コイル１１と第１受電コイル４１との相互インダクタンスを、第２組の第２送電コイル１３と第２受電コイル４３との相互インダクタンスよりも、大きくすることで実現することができる。

今、本実施例の電力伝送装置において、送電コイル１０と受電コイル４０との間の距離Ｌは、最短距離Ｌ₁ 、最長距離Ｌ₂ との間で、使用されるものとする。すなわち、Ｌ₁ ≦Ｌ≦Ｌ₂ を満たす。通常は、最短距離Ｌ₁ で、最も使用されることが多く、距離Ｌが、最長距離Ｌ₂ まで長くなる場合があるものとする。この状態において、２つの共鳴周波数が内側に存在する第２組の共鳴周波数ｆ_2L、ｆ_2Uのうち伝送効率が高い方の周波数に、送電周波数ｆ_s を設定する。この送電周波数ｆ_s は固定した値である。今、その周波数を共鳴周波数ｆ_2Lとする。距離Ｌが最短距離Ｌ₁ にある通常の使用状態では、最も、伝送効率が高くなっている。図３においては、距離Ｌ₁ とＬ₂ は、送信周波数ｆ_s が、それぞれ、共鳴周波数ｆ_2L、ｆ_1Lに一致する時の距離としているが、実際には、もちろん、距離Ｌ₁ よりもある範囲だけ近い範囲、距離Ｌ₂ よりもある範囲だけ遠い範囲でも、伝送効率は低下するが、電力伝送は可能である。図２、図３に示されているように、送電コイル１０と受電コイル２０との距離Ｌが、最短距離Ｌ₁ より次第に長くなると、２つの共鳴周波数ｆ_1L，ｆ_1Uの間隔と、２つの共鳴周波数ｆ_2L，ｆ_2Uとの間隔は、共に、次第に狭くなり、特性の谷も低くなる。また、第２送電コイル１３と第２受電コイル４３から成る第２組の共鳴コイル対と、第１送電コイル１１と第１受電コイル４１から成る第１組の共鳴コイル対の臨界結合状態における一つの自己共振周波数ｆ₀ は、一致している。これは、第１送電コイル１１、第１受電コイル４１、第２送電コイル１３、第２受電コイル４３の自己インダクタンスと分布容量を、全て等しくすることで実現できる。

距離Ｌが、最短距離Ｌ₁ より次第に長くなると、共鳴周波数ｆ_2Lは、送電周波数ｆ_s よりも高くなり、電力伝送が強い共鳴状態から幾分ずれる。しかし、距離Ｌが、さらに、長くなるにつれて、共鳴周波数ｆ_2Lよりも低い共鳴周波数ｆ_1Lは、次第に、高くなり、送電周波数ｆ_s に接近し、共鳴周波数ｆ_1Lは送電周波数ｆ_s に一致するようになる。第２組の共鳴コイル対しか存在しない場合には、距離Ｌが最短距離Ｌ₁ よりも長くなると、次第に、伝送効率は低下して、電力伝送ができなくなる。しかし、本件発明のように２組の共鳴コイル対を設けることで、送電周波数ｆ_s が共鳴周波数ｆ_1Lに一致するようになり、伝送効率は回復することになる。この結果として、送電可能な距離Ｌを拡大することができる。

実施例１では、４つの共鳴周波数に関して、ｆ_1L＜ｆ_2L＜ｆ_2U＜ｆ_1Uとした。実施例２では、第２送電コイル１３と第２受電コイル４３から成る第２組の共鳴コイル対の２つの共鳴周波数ｆ_2L、ｆ_2U（ただし、ｆ_2L＜ｆ_2U）と、第１送電コイル１１と第１受電コイル４１から成る第１組の共鳴コイル対の共鳴周波数ｆ_1Lと共鳴周波数ｆ_1U（ただし、ｆ_1L＜ｆ_1U）との関係を、図４に示すように、ｆ_1L＜ｆ_2L＜ｆ_1U＜ｆ_2Uに設定している。すなわち、第１組の共鳴コイル対の２つの共鳴周波数ｆ_1L，ｆ_1Uの間に、第２組の共鳴コイル対の２つの共鳴周波数の内の低い方の共鳴週数ｆ_2Lだけを存在させるようにしている。この状態は、次の２つの条件を実現させることで、実現される。第１組の共鳴コイル対である第１送電コイル１１と第１受電コイル４１との相互インダクタンスとコイルの分布容量との積を、第２組の第２送電コイル１３と第２受電コイル４３との相互インダクタンスとそのコイルの分布容量との積を等しくして、第１組と第２組とにおいて、２つの共鳴周波数の間隔を等しくする。また、第１送電コイル１１と第１受電コイル４１との自己インダクタンスと分布容量を等しくし、第２送電コイル１３と第２受電コイル４３との自己インダクタと分布容量を等しくする。そして、第１送電コイル１１と第１受電コイル４１の自己インダクタンスと分布容量との積を、第２送電コイル１３と第２受電コイル４３の自己インダクタンスと分布容量との積よりも大きくすることで実現される。すなわち、自己インダクタンスと分布容量との積が大きい程、臨界結合状態での自己共振周波数は小さくなるので、図５に示されるように、第１組の共振コイル対の自己共振周波数ｆ₁ を第２組の共振コイル対の自己共振周波数ｆ₂ よりも低くすることができる。これらの条件により、図４、５の共鳴周波数の配置と距離特性とを実現することができる。

この場合においても、実施例１と同様に、内側に存在する共鳴周波数ｆ_2L、ｆ_1Uのうち伝送効率が高い方の周波数に、送電周波数ｆ_s を設定する。この送電周波数ｆ_s は固定した値である。今、その周波数を共鳴周波数ｆ_2Lとする。距離Ｌが最短距離Ｌ₁ にある通常の使用状態では、最も、伝送効率が高くなっている。図４、図５に示されているように、送電コイル１０と受電コイル２０との距離Ｌが、最短距離Ｌ₁ より次第に長くなると、２つの共鳴周波数ｆ_1L，ｆ_1Uの間隔と、２つの共鳴周波数ｆ_2L，ｆ_2Uとの間隔は、共に、次第に狭くなり、特性の谷も低くなる。したがって、共鳴周波数ｆ_2Lは、送電周波数ｆ_s よりも高くなり、電力伝送が強い共鳴状態から幾分ずれる。しかし、距離Ｌが、さらに、長くなるにつれて、共鳴周波数ｆ_2Lよりも低い共鳴周波数ｆ_1Lは、次第に、高くなり、送電周波数ｆ_s に接近し、共鳴周波数ｆ_1Lは送電周波数ｆ_s に一致するようになる。第２組の共鳴コイル対しか存在しない場合には、距離Ｌが最短距離Ｌ₁ よりも長くなると、次第に、伝送効率は低下して、電力伝送ができなくなる。しかし、本件発明のように２組の共鳴コイル対を設けることで、送電周波数ｆ_s が共鳴周波数ｆ_1Lに一致するようになり、伝送効率は回復することになる。この結果として、送電可能な距離Ｌを拡大することができる。

本実施例は多数組の共鳴コイル対を用いた場合である。図６に示すように、ｎ組の共鳴コイル対を用いることで、２ｎ個のピークを有した特性が得られる。第１組の共鳴コイル対の２つの共鳴周波数をｆ_1L、ｆ_1U、第２組の共鳴コイル対の２つの共鳴周波数をｆ_2L、ｆ_2U、…、第ｎ組の共鳴コイル対の２つの共鳴周波数をｆ_nL、ｆ_nUとする。実施例１と同様に、図６に示すように、ｆ_1L＜ｆ_2L＜ｆ_3L＜…＜ｆ_nL＜ｆ_nU＜…＜ｆ_3U＜ｆ_2U＜ｆ_1Uとする。共鳴周波数の距離Ｌに対する変化特性は、図７に示すようになる。この状態を実現するのは、実施例１と同様に、各組の共鳴コイル対の自己インダクタンスと分布容量の積を全て等しくして（自己インダクタンス、分布容量を各コイルで等しくする場合を含む）、臨界結合状態での自己共振周波数ｆ₀ を一致させ、各組の共鳴コイル対の相互インダクタンスと分布容量の積を、第１組から順に、減少させれば良い。分布容量を各コイルで等しくした場合には、各組の共鳴コイル対の相互インダクタンスを、第１組から順に、減少させれば良い。２つの共鳴周波数は、１／｛２π［Ｃ（Ｌ＋Ｌ_m ）］^1/2 ｝と、１／｛２π［Ｃ（Ｌ−Ｌ_m ）］^1/2 ｝とで与えられる。Ｌは、ｎ組の共鳴コイル対を配置した状態での各コイルの自己インダクタンス、Ｌ_m は、ｎ組の共鳴コイル対を配置した状態での、各組の共鳴コイル対の相互インダクタンス、各コイルのＣは分布容量である。したがって、ｆ_1L，…，ｆ_nL１，ｆ_1U，…，ｆ_nUを等間隔とするには、各組の相互インダクタンスと分布容量（分布容量を各コイルで等しくる場合には、各組の相互インダクタンスだけを）を、１／｛２π［Ｃ（Ｌ＋Ｌ_m ）］^1/2 ｝と、１／｛２π［Ｃ（Ｌ−Ｌ_m ）］^1/2 ｝とが、等間隔となるように設定すれば良い。また、各組の共鳴コイル対において、自己インダクタンスと分布容量との積ＬＣを、全ての組で等しくすることにより、臨界結合状態での自己共振周波数ｆ₀ を一致させることができる。

この場合には、コイル間距離Ｌが、最短距離Ｌ₁ の時の下帯域の共鳴周波数のうち最大の周波数である第ｎ組の下側の共鳴周波数ｆ_nLに、送電周波数ｆ_s を一致させる。コイル間距離Ｌを、次第に、長くして行くと、順次、共鳴周波数ｆ_n-1L，ｆ_n-2L，…，ｆ_1Lが、送電周波数ｆ_s に一致するようになる。したがって、伝送効率を高く維持できる距離範囲を拡大することができる。このようにして、多数の共鳴周波数を発生させることで、共鳴帯域ｆ_1L−ｆ_1Uにおいて、伝送効率の変動を抑制して、ほぼ一定にすることができる。したがって、２つの共鳴周波数ｆ_1L、ｆ_1Uが一致する距離まで、送電コイル１０と受電コイル４０と離間しても、伝送効率を低下させることがない。

本実施例は多数組の共鳴コイル対を用いた場合である。図８に示すように、ｎ組の共鳴コイル対を用いることで、２ｎ個のピークを有した特性が得られる。また、図８に示すように、実施例２と同様にして、ｆ_1L＜ｆ_2L＜ｆ_3L＜…＜ｆ_nL＜ｆ_1U＜ｆ_2U＜ｆ_3U＜…＜ｆ_nUとする。共鳴周波数の距離特性は、図９に示すようになる。臨界結合状態での、各組の自己共振周波数ｆ₀ ，…ｆ_n は、図９に示すように等間隔とする。自己共振周波数は、１／［２π（ＣＬ）^1/2 ］で与えられる。１／［２π（ＣＬ）^1/2 ］が等間隔となるように、ｎ組の共鳴コイル対が配置された状態における各組の共鳴コイル対の自己インダクタンスＬと分布容量Ｃとを決定すれば良い。各コイルで分布容量を等しくするならば、自己インダクタンスＬだけを変化させることになる。また、２つの共鳴周波数の間隔を、各組の共鳴コイル対で等しくするには、ｎ組の共鳴コイル対が配置された状態における各組の共鳴コイル対の相互インダクタンスＬ_m と分布容量Ｃと積を、全ての組で等しくすれば良い。各コイルで分布容量を等しくした場合には、相互インダクタンスを各組で等しくする。この場合も共鳴帯域ｆ_1L−ｆ_nUにおいて、伝送効率の変動を抑制して、ほぼ一定にすることができる。したがって、２つの共鳴周波数ｆ_1L、ｆ_1Uが一致する距離まで、送電コイル１０と受電コイル４０と離間しても、伝送効率を低下させることがない。

なお、上記実施例では、電力の入力と電力の出力とを、共鳴コイルとは別に、入力コイル１２と出力コイル４１を用いて、電磁誘導により、共鳴コイルに給電し、又は、共鳴コイルから受電電力を出力するようにしている。しかし、入力コイル１２と出力コイル４１を設けることなく、いずれかの送電コイルに直接給電し、何れかの受電コイルから電力を出力するようにしても良い。この場合には、入力コイル１２と出力コイル４１の給電点は、共鳴コイルの共鳴電流が最大となる位置とする。

また、図１０に示すように、上記実施例の共鳴帯域を広帯域にした送電コイル１０、６０と受電コイル４０、７０とを、それぞれの軸が平行でないように、もうけても良い。送電コイル１０と受電コイル４０が、上記実施例の広帯域の共鳴帯域を有した共鳴コイルとなり、送電コイル６０と受電コイル７０が上記実施例の広帯域の共鳴帯域を有した共鳴コイルとなる。この場合には、送電側のコイルと受電側のコイルの向きが変化した場合にも対応が可能となる。

また、図１１に示すように、上記実施例の共鳴帯域を広帯域にした送電コイル１０、６０を軸を平行にして、平面上に異なる位置に配置し、受電コイル４０、７０とを軸を平行にして、平面上に異なる位置に配置しても良い。この場合には、送電側のコイルと受電側のコイルとの対面関係が、平面内で位置ずれを生じても、電磁界共鳴を実現することができる。

本発明は、電気自動車や電子機器などのバッテリへの給電を非接触で行う装置に用いることができる。

１０…送電コイル
１１…第１送電コイル
１３…第２送電コイル
４１…第１受電コイル
４３…第２受電コイル
１２…入力コイル
４１…出力コイル

Claims (10)

1. 自己共振周波数を有する送電コイルと、この送電コイルに送電電力を供給する送電装置と、この送電コイルと電磁結合する自己共振周波数を有する受電コイルと、この受電コイルから、固定された単一の送電周波数の電力を入力して負荷に電力を供給する受電装置とを有する電磁界共鳴電力伝送装置において、
   前記送電コイルと前記受電コイルの少なくとも一方は、複数設けられており、
   前記送電コイルと前記受電コイルの間には、結合係数が最大となる最大結合状態において、３以上の共鳴周波数が存在し、
   前記共鳴周波数を、前記送電コイルと前記受電コイルとの間の使用可能距離範囲における距離の変化に対して、２以上の前記共鳴周波数が、順次、前記送電周波数に一致するように配置した
   ことを特徴とする電磁界共鳴電力伝送装置。
2. 前記送電コイルと前記受電コイルは、前記送電コイルと前記受電コイルの間の前記最大結合状態において存在する２つの共鳴周波数を第１組とする第１組の共鳴コイル対と、前記第１組の前記共鳴周波数とは異なる、前記最大結合状態において存在する２つの共鳴周波数を第２組とする第２組の共鳴コイル対とを、少なくととも２組以上有することを特徴とする請求項１に記載の電磁界共鳴電力伝送装置。
3. 前記最大結合状態において、任意の組である前記第１組の２つの共鳴周波数は、他の任意の組である前記第２組の共鳴周波数の２つの共鳴周波数の間に存在することを特徴とする請求項２に記載の電磁界共鳴電力伝送装置。
4. 前記送電コイルと前記受電コイルが結合していない時に前記２つの共鳴周波数が一致する周波数である自己共振周波数は、全ての組において一致することを特徴とする請求項３に記載の電磁界共鳴電力伝送装置。
5. 前記最大結合状態において、前記各組の共鳴コイル対における相互インダクタンスを、順次、増大させたことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電磁界共鳴電力伝送装置。
6. 前記最大結合状態において、任意の組である前記第１組の２つの共鳴周波数の間に、残りの全ての組の中の任意の１組である前記第２組の２つの共鳴周波数のうちの一方の共鳴周波数のみが存在することを特徴とする請求項２に記載の電磁界共鳴電力伝送装置。
7. 前記最大結合状態において、前記各組の共鳴コイル対の２つの共鳴周波数の間隔は、全組について等しいことを特徴とする請求項６に記載の電磁界共鳴電力伝送装置。
8. 前記最大結合状態において、前記各組の共鳴コイル対の相互インダクタンスは、全組について等しいことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の電磁界共鳴電力伝送装置。
9. 請求項３乃至請求項５の何れか１項に記載の共鳴コイル対と、請求項６乃至請求項８の何れか１項に記載の共鳴コイル対とを、混在させたことを特徴とする電磁界共鳴電力伝送装置。
10. 前記最大結合状態において、複数の前記共鳴周波数を等間隔に配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の電磁界共鳴電力伝送装置。

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