以下、発明を実施するための実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付す。
(第1の実施形態)
図1(a)は、一実施形態に係る電力伝送装置の構成を示すブロック図である。図1(b)は、送電装置と受電装置を概略的に示す斜視図である。図1(a)に示すように、電力伝送装置は、電力を送電する送電装置10と、送電された電力を受電する受電装置20とを備える。送電装置10と受電装置20とは、磁界共鳴方式または電磁誘導方式等の電磁結合を利用した方式により電力を伝送する。以下、磁界共鳴方式または電磁誘導方式により電力を伝送する場合について説明する。
送電装置10は、電力を発生する交流電源11と、共振用コンデンサ12と送電コイル13及び14で構成される共振素子15とを備える。交流電源11は、送電用の共振素子15の自己共振周波数と同一、或いはほぼ同一の周波数の交流電力を発生し、共振素子15に供給する。交流電源11は、目的とする周波数の交流電力を発生させるための発振回路と、発振回路の出力を増幅する電力増幅回路を含む。もしくは、交流電源11は、スイッチング電源の構成とし、発振回路の出力でスイッチング素子をオン/オフする構成とすることもできる。
尚、交流電源11には、送電装置10の外部に設けたACアダプタ等から直流の電力が供給されるようになっている。或いは、外部からAC100Vを送電装置10に供給し、送電装置10内にACアダプタまたはAC/DC変換部を設けて、直流電力を交流電源11に供給するようにしてもよい。
受電装置20は、共振用コンデンサ21と受電コイル22から構成される共振素子23と、交流を直流に変換する整流回路24と、負荷回路25とを備える。受電用の共振素子23の自己共振周波数は、送電用の共振素子15の自己共振周波数と同一、或いはほぼ同一であり、互いに電磁結合することで、送電側から受電側に効率よく電力を伝送する。
負荷回路25は、携帯端末やポータブル端末、ポータブルプリンタ等の電子機器の回路であり、受電装置20で受電した電力は、電子機器の動作や、電子機器が内蔵するバッテリーの充電等に利用される。一般的に、負荷回路25は直流電力で動作するため、負荷回路25に直流電力を供給するために、受電用の共振素子23に誘起した交流電力を整流して直流電力に変換する整流回路24を設けている。
尚、共振用コンデンサ12、21は必ずしも電子部品で構成する必要はなく、コイルの形状やコイルのインダクタンス値によっては、コイルの線間容量等で代用することもできる。
また、共振用コンデンサ12はコイル13、14と直列に配置し、共振用コンデンサ21はコイル22と直列に配置してそれぞれ直列共振回路を構成しているが、それぞれの共振用コンデンサは、コイルと並列に配置するようにして並列共振回路の構成としても良い。
図1(a)の電力伝送装置では、図1(b)に示すように、送電装置10の送電コイル13、14に受電コイル22を重ねることで受電装置20に電力を伝送することになる。即ち、送電コイル13、14に電流を流すことにより、送電コイル13、14に磁界が発生する。一方、受電コイル22には電磁結合の作用により、受電コイル22に電流が流れ、その電流を整流することで電力を得ることができる。
図1(b)において、送電装置10は、受電装置20を載置するL字型の本体である筐体16を有し、筐体16内のL字型の壁面に送電コイル13と14をほぼ直交するように配置している。また受電装置20は、方形状の本体である筐体26を有し、送電装置10上に置くことができる。受電装置20の筐体26内の、送電コイル13、14と対向する面に、ほぼ90度に折り曲げた受電コイル22を配置している。
図2は、送電コイル13、14と受電コイル22の構成を概略的に示す斜視図である。図2(a)は、送電コイル13、14を示し、図2(b)は、受電コイル22を示す。図2(a)に示すように、送電コイル13及び送電コイル14は、送電装置10のL字型の2つの面17、18(第1、第2の面)に対応させて本体(筐体16)内に配置し、直列に接続する。送電コイル13及び14から引き出した線の端部A、A’は、図1(a)の送電装置10内の端子A−A’に相当する。尚、端部AとA’は、入れ替わっても構わない。また、送電コイル13及び14は、2つの面17、18に単一の銅線、または複数本で構成するリッツ線などを巻いたものである。或いは、リジッドまたはフレキシブルな印刷基板に形成したプリントコイルなどであっても良い。
受電コイル22は、図2(b)に示すように、1つのコイルをほぼ90度に湾曲、または折り曲げた形状であり、受電装置20の2つの面27、28(第3、第4の面)に対応させて本体(筐体26)内に配置する。受電コイル22から引き出した線の端部B、B’は、図1(a)に示した受電装置20内のB−B’に相当する。尚、端部BとB’は、入れ替わっても構わない。また、受電コイル22は、単一の銅線、または複数本で構成するリッツ線などを巻いたものの他、フレキシブルな印刷基板に形成したプリントコイルなどであっても良い。
送電装置10から受電装置20に非接触で電力伝送を行う場合には、図2(a)に示す送電コイル13、14と、図2(b)に示す受電コイル22が対向して重なるように、送電装置10の筐体16の上に、受電装置20を載置する。送電装置10は、隣接する第1の面17と第2の面18で受電装置20を支える。
図3は、送電装置10の上に、受電装置20を載置したときの、送電コイル13、14と受電コイル22との位置関係を示す断面図である。図3において、送電コイル13、14は、送電装置10の2つの隣接する面17、18に配置し、受電コイル22は、受電装置20の2つの面27、28に配置する。送電装置10の面17と面18とが交わる交点を図2(a)、図3の点Pで示す。
図3から分かるように、送電装置10は厚みを持った、例えば樹脂製の筐体16を有している。面17や面18の厚みは、受電装置20を支えるために十分な強度を持つ必要がある。受電装置20の重さにもよるが、重さが500g〜1kg程度のポータブル機器のような受電装置20を載せる場合、面17は一般的な樹脂であれば2〜3mm程度の厚さは必要である。通常は、安全性や耐久性等を考慮して、送電コイル13、14は、筐体16の面17、18の内側にそれぞれ配置する。
受電装置20は、筐体26を有し、受電コイル22は送電コイル13、14に対向する筐体26の面27、28に沿って配置する。図3に示す例では、受電コイル22は面27、28に沿って筐体26内に設置しているが、筐体26内に限らず、筐体26の外側に受電コイル22を設け、受電コイル22を例えば保護フィルムで覆う等の絶縁処理を施してもよい。
受電コイル22は、図2(b)に示すように、1つのコイルを湾曲、または折り曲げたものであるが、折り曲げ部分29は、面27と面28とが交わる角度、即ち直角に曲げても良いし、図3に示すように適当な円弧を付けて曲げるか、湾曲させても良い。
図3で示すように、送電コイル13及び14は、面17と面18の交点Pから、それぞれ面17、面18に沿って適当な距離L1、L2だけ離して配置し、送電コイル13と14とが互いに接触もしくは密着しないように配置する。また図3に示すように、送電コイル13、14と受電コイル22とが最も近接する位置において、送電コイル13の点Pから面17に沿って最も離れた部分Qは、受電コイル22の面27に沿って点Pから最も離れた部分Rよりも距離L3だけ離れた位置にある。
同様に、送電コイル14の点Pから面18に沿って最も離れた部分Sは、受電コイル22の面28に沿って点Pから最も離れた部分Tよりも距離L4だけ離れた位置にある。したがって、送電コイル13及び14と受電コイル22とが最も近接する状態においては、送電コイル13及び14の方が受電コイル22よりも点Pから離れた位置にある。
尚、距離L1、L2及びL3、L4についての最適な距離は、使用する送電コイル13、14及び受電コイル22の大きさ等によって変わるが、点Pから適当な距離L1、L2だけ離れた位置に送電コイル13、14を設置し、また、距離L3、L4を確保する必要がある。
次に、実施形態に係る電力伝送装置の動作について説明する。図3に示した送電コイル13、14と受電コイル22との位置関係は、通常の使用、即ち充電台である送電装置10に、充電される側のポータブル機器である受電装置20を最も近接するように置いたときの様子を示している。例えば、ポータブル機器を持ち運びや保護のためのソフトケースやキャリングケース等のケース類に入れたまま充電台に置くと、ケース類の厚み分だけ送電コイル13、14と受電コイル22との距離が離れることになる。
従来であれば、送電コイルと受電コイルとの距離が変わると、結合係数kが変化し、回路定数を変化させなければ、受電装置20が受電できる電力量や電力伝送効率も変化していた。従来では、大抵は、ある距離において受電できる電力値が最大となり、距離が離れたり近づくと受電できる電力量は低下する。
本実施形態では、コイル間の距離が変化しても結合係数kがほとんど変化しないので、受電できる電力量や電力伝送効率もほとんど変化しない。以下、その理由について述べる。
図4は、送電コイル13、14と受電コイル22との距離が変化した場合に、結合係数kに与える影響について説明する図である。図4では、送電コイル13、14と受電コイル22の位置関係のみを示しており、送電装置10及び受電装置20の筐体等は省略している。
先に述べたように、受電装置20を直接、送電装置10の上に置いた場合や、受電装置20をケース類に入れて送電装置10に置いた場合等で、受電コイル22の位置が矢印Yの方向に変化する。例えば送電コイル13、14に対して受電コイル22の位置がP1、P2、P3のように変化して相対距離が変わった場合について説明する。
図4において、先ず、受電コイル22と送電コイル13とが対向する部分から考えてみる。位置P1の場合には、送電コイル13と受電コイル22との距離(垂直方向)はH1で、位置P1〜P3の中では最も近距離となる。送電コイル13に対向する受電コイル22の面積は、送電コイル13に対向する受電コイル22の長さをJ1とし、受電コイル22の幅をm(図2(b)参照)とすると、J1×mとなる。
同様に、位置P2、P3の場合には、送電コイル13と受電コイル22との距離(垂直方向)はそれぞれH2、H3となり、送電コイル13に対向する受電コイル22の面積はそれぞれJ2×m、J3×mとなる。ここで、図2に示すように、受電コイル22の幅mが、送電コイル13の幅n1よりも短いものとすると、(1)式の関係が得られる。
H1<H2<H3、J1<J2<J3、J1×m<J2×m<J3×m…(1)
次に受電コイル22と送電コイル14とが対向する部分について考えてみる。受電コイル22が位置P1にある場合には、送電コイル14と受電コイル22との距離(水平方向)はW1で、位置P1〜P3の中では最も近距離となる。送電コイル14に対向する受電コイル22の面積は、送電コイル14に対向する受電コイル22の長さをK1とすると、K1×mとなる。同様に、位置P2、P3の場合には、送電コイル14に対向する受電コイル22の長さはK2、K3、送電コイル14と受電コイル22との距離(水平方向)はそれぞれW2、W3となり、送電コイル14に対向する受電コイル22の面積はそれぞれK2×m、K3×mとなる。ここで、図2に示すように、受電コイル22の幅mが、送電コイル14の幅n2よりも小さいものとすると、(2)式の関係が得られる。
W1<W2<W3、K1<K2<K3、K1×m<K2×m<K3×m…(2)
以上の関係を一覧にまとめると、図5(a)のようになる。図5(a)において、距離Hは送電コイル13と受電コイル22との距離、対向面積(13−22)は、送電コイル13に対向する受電コイル22の面積、距離Wは送電コイル14と受電コイル22との距離、対向面積(14−22)は、送電コイル14に対向する受電コイル22の面積を示す。
一般に、コイル間の距離が近いほど、また、対向するコイルの面積が大きいほど、結合係数kは大きくなる傾向にある。そこで、定性的ではあるが、受電コイル22の位置がP2の場合の距離、対向面積を基準(○)とし、結合係数kが大きくなる要素は(◎)、小さくなる要素は(△)として表現すると、図5(a)は、(1)式及び(2)式の関係から図5(b)のように書き換えることができる。
図5(b)に示すように、受電コイル22の位置がP1にある場合のように、距離H及びWが小さくなると結合係数kが大きくなるが、その反面、対向面積(13−22)及び(14−22)の和が小さくなることにより結合係数kが小さくなるため、結果として相殺されて結合係数kは受電コイル22の位置が変わっても殆ど変わらない。また受電コイル22の位置がP3にある場合のように、距離H及びWが大きくなると結合係数kが小さくなるが、その反面、対向面積(13−22)及び(14−22)の和が大きくなることにより結合係数kが大きくなるため、結果として相殺されて、結合係数kは受電コイル22の位置が変わっても殆ど変わらない。つまり、送電コイル13、14と受電コイル22間の距離が変化すると、送電コイル13、14と受電コイル22の対向面積は相補的に変化する。
したがって、図4に示すように、受電コイル22の位置が送電コイル13、14に対してP1〜P3のように位置を変えても、結合係数kがほとんど変化しない電力伝送装置を提供することができる。
次に、図6に示すように、受電コイル22を送電コイル13に沿って水平方向に動かした場合の結合係数kの変化について説明する。受電コイル22と送電コイル13間の距離H1(垂直方向)は一定とする。
図7(a)は、受電コイル22が送電コイル13及び14に最も近づく位置P1から、送電コイル13に沿って動き、位置P4、P5になった場合の、送電コイル13と受電コイル22との距離H、送電コイル13に対向する受電コイル22の対向面積(13−22)、送電コイル14と受電コイル22との距離W、送電コイル14に対向する受電コイル22の対向面積(14−22)をそれぞれ示す。尚、受電コイルの位置P1は、図4に示す位置P1と同じである。
受電コイル22は、送電コイル13に沿って点Pから離れる方向に動かすため、距離HはH1で一定であり、また対向面積(14−22)もK1×mで一定である。したがって、変化するパラメータは対向面積(13−22)と距離Wとなり、(3)式が得られる。
J1<J4<J5、W1<W4<W5、J1×m<J4×m<J5×m…(3)
受電コイル22の位置がP4の場合の距離H、Wと、対向面積(13−22、14−22)を基準(○)とし、結合係数kが大きくなる要素は(◎)、小さくなる要素は(△)として表現すると、図7(a)は、(3)式の関係から、図7(b)のように書き換えることができる。
図7(b)に示すように、受電コイル22の位置がP1にある場合のように、対向面積(13−22)が小さくなると結合係数kが小さくなるが、その反面、距離Wが小さくなることで結合係数kが大きくなるため、結果として相殺されて結合係数kは受電コイル22の位置が変わっても殆ど変わらない。また受電コイル22の位置がP5にある場合のように、対向面積(13−22)が大きくなると結合係数kが大きくなるが、その反面、距離Wが大きくなることにより結合係数kが小さくなるため、結果として相殺されて、結合係数kは受電コイル22の位置が変わっても殆ど変わらない。
したがって、図6に示すように、受電コイル22が送電コイル13、14に対して、P1、P4、P5のように位置を変えても、結合係数kがほとんど変化しない電力伝送装置を提供することができる。
同様の考え方で、受電コイル22を垂直方向に移動させた場合には、距離Hが小さくなると結合係数kが大きくなるが、その反面、対向面積(14−22)が小さくなるため、結果として相殺されて結合係数kは受電コイル22の位置が変わっても殆ど変わらない。また距離Hが大きくなると結合係数kが小さくなるが、その反面、対向面積(14−22)が大きくなることにより結合係数kが大きくなるため、結果として相殺されて、結合係数kは受電コイル22の位置が変わっても殆ど変わらない。
上述したように、第1の実施形態によれば、受電コイル22の位置が、送電コイル13、14に対して水平及び垂直方向に移動しても、水平方向または垂直方向のみに移動しても、結合係数kがほとんど変化しない電力伝送装置を提供することができる。
次に、従来の場合の結合係数kと、本実施形態における電力伝送装置との結合係数kを、実際に測定して比較した結果を、図8〜図11を用いて説明する。
図8(a)は、非接触で電力伝送を行う一般的な電力伝送装置の構成を示している。送電装置30は交流電源31、共振用コンデンサ32、送電コイル33等から成る。また受電装置40は、受電コイル41、共振用コンデンサ42、整流回路43、負荷回路44等から成る。図8(b)は、送電コイル33と受電コイル41の一例を示し、例えば平板状の送電コイル33と受電コイル41を対向して配置している。
結合係数kは、自己インダクタンスLopen と漏れインダクタンスLsc を実測し、式(4)により求めることができる。
図9は、電力伝送装置での結合係数kの測定系を示す図である。図9に示すように、一方のコイル51をLCRメータ等の測定器50に接続し、他方のコイル52の両端53、54が開放の場合の、自己インダクタンスLopenと、両端53、54を短絡したときの漏れインダクタンスLscとをそれぞれ測定器50で測定し、式(4)により結合係数kを求める。
図8(b)に示す、平板状の送電コイル33と受電コイル41との間隔、即ち送受コイル間の距離を変化させたときの結合係数kの測定結果を図10の点線Bに示す。ここで、使用した送電コイル33及び受電コイル41のサイズは、渦巻き状のコイルパターンの外形寸法が直径約100mmで、100kHzで測定した場合のインダクタンス値は約2.5μHである。
送受コイル間距離が10mmのときの結合係数kは0.42で、送受コイル間距離が長くなるにしたがって結合係数kは減少し、送受コイル間の距離が30mmのときには結合係数kは0.21まで低下する。送受コイル間距離が10mm〜30mmの範囲において、結合係数kは、0.315±33%の範囲で変化する。送受コイル間の距離が20mm程度(コイルの直径の20%の距離に相当)の変化で、結合係数kが±33%の範囲で変化するのは、コイルの直径(100mm)と送受コイル間距離(20mm)との比率(20%)からみて、ごく一般的と考えられる。
一方、第1の実施形態における電力伝送装置の送電コイル13、14と受電コイル22を使用した場合の結合係数kの変化を測定した結果を、図10の実線Aに示す。送電コイル13、14は、図2(a)に示すような形状で、例えば銅線でコイルを形成し、いずれも渦巻き状のコイルパターンの外形寸法が約120mm×70mmで、コイルの幅n1=n2=120mmである。100kHzで測定した場合のインダクタンス値はそれぞれ約1.25μHで、送電コイル13と送電コイル14とを直列に接続し、合計約2.5μHとなっている。
受電コイル22は、図2(b)に示すような形状で、1つの平面にしたときの渦巻き状のコイルパターンの外形寸法が約100mm×100mmで、これを1つの面が約50mm×100mmとなるように略直角に折り曲げる。折り曲げ部29については、適当なR(円弧)を持たせている。受電コイル22も、例えば銅線等で形成する。尚、図2(b)の受電コイル22の幅mは100mmである。送電コイル13、14を配置したときの断面図は、図3に示すようになっているが、面17と面18とが交わる点Pからの距離L1、L2は、いずれも20mm程度としている。尚、送電コイル13と送電コイル14の長さL13、L14は、それぞれ70mmである。
簡単化のために、受電コイル22を動かす方向は、図4に示すY方向のみとし、受電コイル22と送電コイル13との距離Hは、受電コイル22と送電コイル14との距離Wにそれぞれ等しいものとする。したがって、送受コイル間の距離が10mmの場合は、距離Hと、距離Wはともに10mm、送受コイル間の距離が30mmの場合は、距離Hと、距離Wはともに30mm、などとなる。
図10の実線Aに示す結果のように、本実施形態の構成では、送受コイル間距離が10mm〜30mmの範囲で変化しても、結合係数kは0.13〜0.16の範囲でしか変化せず、0.145±10%となっている。したがって、従来の特性Bよりも、結合係数kの変化率は約1/3になっており、結合係数kの変化率が大幅に減少していることがわかる。
次に、図10に示したように、コイル間の距離の変化によって結合係数kが変化した場合に、受電装置20または40で受電できる電力がどのように変化するかを、図11を用いて説明する。
受電できる電力とは、受電装置20、40が送電装置10、30から非接触で電力を受電し、整流回路24、43で交流を直流に整流した後の電力を指す。負荷回路25、44の代わりに電子負荷等の測定装置を用いて、受電電力を測定する。また測定では、外部から送電装置10、30内の交流電源11、31に供給する電圧は一定の電圧、例えば直流24Vを印加する。
図11の点線Bは、従来の構成(図8)の場合の測定結果であり、コイル間の距離が20mmのときに受電電力が26Wで最大となるが、コイル間の距離が20mmよりも近づく、或いは20mmよりも遠ざかると急激に受電電力は低下し、コイル間距離が10mm及び30mmでは5W程度の受電電力しか得られない結果となった。図示していないが、電力伝送効率もコイル間距離が20mmのときに最大となり、コイル間距離が20mmからずれると電力伝送効率は大きく低下する傾向にある。
言い換えると、コイル間距離が20mmから±10mmずれた位置において、受電電力はコイル間の距離が20mmのときの約20%に低下する。また、例えば負荷回路44を動作させるために20Wの電力が必要な場合には、コイル間距離は20mm±2.5mm程度の非常に狭い範囲に抑える必要がある。
一方、図11の実線Aは、本実施形態の電力伝送装置の構成における測定結果であり、コイル間の距離が10mm〜30mmにおいて、20W〜27W程度の受電電力が得られている。言い換えると、コイル間距離が、20mm±10mmの範囲で変化しても、受電電力はコイル間距離が20mmのときの104%〜77%の範囲でしか変化しない。従来の特性Bと比較すると、コイル間の距離の変化に対する受電電力の変化が、非常に緩やかな特性が得られている。図示していないが、電力伝送効率に関してもコイル間距離が20mm±10mmの範囲でほとんど変化しない値が得られている。
図11の特性Aが得られる理由は、図10の特性Aに示したように、コイル間距離が変化しても結合係数kがほとんど変化しない特性によるもので、コイル間の距離が長くなるに従って受電電力が多少低下する傾向はみられるが、低下の割合は僅かであり、コイル間距離が10mm〜30mmにおいて20W以上の受電電力が得られる。したがって、例えば負荷回路25の動作に20Wの電力が必要な場合には、コイル間距離が10mm〜30mmの範囲で使うことが可能となり、±2.5mmの範囲でしか使えなかった従来例よりも大幅に改善できる。
また従来、結合係数kの変化に応じて回路定数を変化させるような制御回路なしでは想定できなかったような、コイル間距離の変化に対して非常に安定した受電電力特性が得られる。同時に、電力伝送効率を高い値で維持することも可能になる。
尚、上述した実施形態では、送電コイル13及び送電コイル14を直列に接続する例を示した。図1に示した共振素子15の共振に必要なインダクタンス値をLとすると、コイルを直列に接続することで、送電コイル13及び送電コイル14のインダクタンス値は、L/2ずつで済む。ただし、L/2ずつに限定する必要はなく、送電コイル13と送電コイル14のインダクタンス値の和がLになっていればよい。
図12は、送電コイル13と送電コイル14を並列に接続した例を示す。送電コイル13と送電コイル14を並列に接続しても、直列接続の場合と同様に、コイル間距離が変化しても結合係数kが変化しにくい特性が得られる。但し、図1の端子Aからみたインダクタンス値が、直列接続の場合と同様のインダクタンス値Lとなるためには、送電コイル13と送電コイル14のインダクタンス値は、直列接続の場合の4倍(送電コイル13と送電コイル14でそれぞれ2L)とする必要がある。したがって、送電コイル13と送電コイル14を直列に接続する方がコイルの巻き数を少なく済ませられるという利点がある。
一方、受電コイル22においても、図2(b)に示したような、1つのコイルを折り曲げた形状以外に、2つのコイルを直列または並列に接続し、例えば図13(a)、(b)に示すような構成とすることもできる。
図13(a)は、受電コイル22として、2つのコイル221、222を直列に接続した例である。図13(b)は、受電コイル22として、2つのコイル223、224を並列に接続した例である。図13(a)、(b)のいずれも、図1に示した共振用コンデンサ21と受電コイル221、222(または223、224)から構成される共振素子23の自己共振周波数は、送電用の共振素子15の自己共振周波数とほぼ同じになるように、各コイルのインダクタンス値や共振用コンデンサ21の値を調整する。
図14は、受電コイル22を2つのコイルで構成し、直列または並列に接続したときの、送電コイル13、14との位置関係を示す図である。図14の位置関係は、基本的に図3と同様であり、受電コイル221、222(又は223、224)が送電コイル13、14に最も近接する場合において、送電コイル13に対向する受電コイル221(又は223)は、距離L5、L6だけずれるように、点P側にずらして配置する。
また、送電コイル14に対向する受電コイル222(又は224)は、距離L7、L8だけずれるように、点P側にずらして配置する。図14のように送電コイル及び受電コイルを配置することで、コイル間距離が変化しても結合係数kが変化しにくい特性が得られる。
次に、電力伝送装置の送電コイル13、14及び受電コイル22の巻き方または接続方法の制約について説明する。
図15は、送電コイル13、14及び受電コイル22に発生する磁界と電流の向きを表したものである。送電コイル13と14は、直列に接続しており、送電コイル13の内周端を送電コイル14の外周端に接続している。尚、送電コイル13、14には交流の電流が供給されるため、時間とともに電流の向きは変わっていくが、ここではある瞬間における動作について説明する。
送電コイル13、14には、ある時点では、交流電源11から、矢印IA1〜IA5の向きに電流が供給される。送電コイル13を流れるIA1、IA2の向きの電流により、送電コイル13には矢印B1で示す向きの磁界が発生し、送電コイル14を流れるIA3、IA4の向きの電流により送電コイル14には矢印B2で示す向きの磁界が発生する。
図3に示したように、送電コイル13、14に受電コイル22を重ねて電力伝送することになるが、このとき受電コイル22には、電磁結合の作用により送電コイル13、14で発生した磁界B1及びB2とは逆向きのB3、B4で示す磁界が発生し、受電コイル22には矢印Ia1〜Ia5の向きに電流が流れる。尚、電流Ia1〜Ia5の向きは、端部B、B’から見て一方向となっており、互いに打ち消す方向にはなっていない。
このように、受電コイル22に発生する電流の向きが一方向になるように、送電コイル13、14のコイルの巻く方向、又は電流の流れる向きを考慮して設置することで、受電コイル22を介して電力を取り出すことができる。換言すると、ある時点においては、送電コイル13、14に流れる電流によって発生する磁界が、どちらも送電コイル13及び14から受電コイル22側の向き、即ちB1及びB2で示す磁界の向きになるように、送電コイル13、14の巻く向きや接続方法を決定する。
尚、送電コイル13、14に流れる電流は交流であるので、別の時点において電流は逆向きになり、送電コイル13、14に流れる電流によって送電コイル13及び14から発生する磁界は、図15に示す磁界B1、B2の向きとは逆向きになる。但し、磁界B1、B2の向きが、どちらか一方のみ逆向きになるということはない。
図16は、受電コイル22から電力を取り出せない一例を示す。図16において、送電コイル13と14は直列に接続しているが、送電コイル13の内周端を送電コイル14の内周端に接続したものである。図16では、送電コイル14に流れる電流の向きが、図15に示す例と逆向きになっている。即ち、送電コイル13に流れる電流の向きIB1〜IB3は、図15に示した電流の向きIA1、IA5と同じ向きであるが、送電コイル14に流れる電流の向きIB4〜IB6は、図15に示した送電コイル14に流れる電流の向きIA3、IA4とは逆向きになっている。
したがって、IB1〜IB3の向きの電流によって送電コイル13に発生する磁界B1は図15と同じ向きであるが、IB4〜IB6の向きの電流によって送電コイル14に発生する磁界B5は、図15に示す例(磁界B2)と逆向きになる。
送電コイル13、14に受電コイル22を重ねて電力伝送しようとする場合、受電コイル22には、電磁結合の作用で送電コイル13及び14により発生した磁界を打ち消すように、受電コイル22から送電コイル13に向かう磁界B3が発生し、Ib1〜Ib3の向きの電流が流れようとする。同時に、送電コイル14から受電コイル22に向かう磁界B6が発生し、Ic1〜Ic3の向きの電流が流れようとする。しかし、受電コイル22に発生する電流の向きIb1〜Ib3と電流の向きIc1〜Ic3は、逆向きであるため、打ち消しあってしまい、端部B、B’から電流を取り出すことができない。
したがって、単一のコイルで受電コイル22を構成する場合においては、送電コイル13及び14から発生する磁界の向きは、ある時点においては送電コイル13及び14から受電コイル22が置かれる側の向き、即ち磁界B1、B2の向きになり、また別の時点においては、磁界B1、B2とは逆の向きになるように、送電コイル13、14に電流を流す必要がある。また送電コイル13、14の巻き方、もしくは送電コイル13と14の接続の仕方を決める必要がある。
また受電コイル22が図13に示したように、2つのコイル221、222(又は223、224)を接続して成る場合には、受電コイル221、222(又は223、224)の向きや接続方法を変えることで、受電コイル22から電力が取り出せるようにする必要がある。
図17は、受電コイル22として2つのコイル221、222を用いた場合を例示しており、受電コイル221、222を直列に接続し、コイル221の内周端をコイル222の内周端に接続している。また送電コイル13、14には、図16に示したような、磁界B1、B5が発生するものとすると、電磁結合によって磁界B3、B6が発生し、Id1〜Id7の向きの電流が流れる。このとき、受電コイル221、222に発生する電流の向きは一方向となり、打ち消しあう方向にはならないため、受電した電力を端部B、B’から取り出すことができる。
受電コイル221、222のコイルの巻き方向や、接続の仕方はいくつかあるが、結局は、送電コイル13、14によって発生する磁界によって、受電コイルに生ずる電流の向きが、打ち消しあう方向にならないようにすることが重要である。
尚、送電コイル13及び送電コイル14は、図3で説明したように、面17、18よりも筐体16の内側に配置する例を述べたが、図18に示すような配置にすることもできる。
図18は、送電コイル13及び送電コイル14を面17、18に対して傾斜させて筐体16内に配置した例である。つまり、送電コイル13と送電コイル13に対向する受電コイル22との間隔は一定である必要はなく、例えば、面17と面18との交点Pに近い部分での送電コイル13と受電コイル22との間隔をH6とし、交点Pから遠い部分での送電コイル13と受電コイル22との間隔をHH7としたとき、H6>H7としている。換言すると、交点Pに近づくほど、送電コイル13と受電コイル22との間隔が離れるように、送電コイル13を配置する。
同様に、送電コイル14についても、送電コイル14に対向する受電コイル22との間隔は一定である必要はなく、例えば、交点Pに近い部分での送電コイル14と受電コイル22との間隔をW6とし、交点Pから遠い部分での送電コイル14と受電コイル22との間隔をW7としたとき、W6>W7としている。換言すると、交点Pに近づくほど、送電コイル14と受電コイル22との間隔が離れるように、送電コイル14を配置する。
また、送電コイル13、14の交点Pから遠い側の端部Q、Sは、受電コイル22の端部R、Tよりも外側、即ち点Pから離れた位置にあるように、送電コイル13、14を配置する。送電コイル13と送電コイル14との相対角度θ0は、90度よりも小さい値となっている。
図18のように、送電コイル13及び14を配置することにより、送電コイル13、14と受電コイル22との距離が変動しても、結合係数kが変化しにくい電力伝送装置を提供することができる。
尚、図18では、送電コイル13及び送電コイル14の両方を、受電コイル22に対して斜めになるように設置する例を示したが、送電コイル13と14の一方を斜めに配置し、他方を受電コイル22と略平行となるように設置してもよい。
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、送電装置10の筐体の形状を変えたものである。送電装置10上に、受電装置20を置く場合、受電装置20が適正な位置に置かれれば、適正な結合係数kが得られ、正常に電力伝送が行える(図3参照)。
しかしながら、送電装置10に対して受電装置20の位置が大きくずれる場合がある。例えば図19に示すように、受電装置20がX方向に大きくずれて置かれ、受電コイル22の面17に沿った端部Rが、送電コイル13の端部Qに対して交点Pと逆方向に離れた場合には、送電コイル13と受電コイル22とが対向する面積が小さくなり、また送電コイル14と受電コイル22との距離が大きく離れてしまう。このため結合係数kは、適正値(図10の例で約0.15)よりも20%以上小さくなり、結果として電力伝送可能な電力が小さくなる。
第2の実施形態では、受電装置20の置き方のずれによって正常に電力伝送が行えなくなることを避けるために、送電装置10の構成を図20に示すような形状にしている。
図20は、第2の実施形態における送電装置10を示す斜視図である。即ち、送電装置10は、筐体16の面17Aと面18Aのなす角度が略直角であり、面17Aを水平面に対して傾け、面18Aを垂直面から傾けている。面17Aと面18Aと接する部分(交点Pの部分)は低い位置にあり、それぞれの面17A、18Aに沿って送電コイル13及び14を配置している。
送電装置10にポータブル機器等の受電装置20を載せると、面17Aが水平面に対して傾斜しているため、受電装置20は自重により面17Aに沿って面18Aの方向に滑り、面18Aに接した状態になる。
図21は、図20の送電装置10に受電装置20を載せたときの断面図である。 受電装置20は、受電コイル22、整流回路24、負荷回路25等を備え、受電装置20の底面と側面が、送電装置10の面17Aと面18Aにそれぞれ接する。
送電装置10の面17Aの水平面に対する角度θ1は、受電装置20を送電装置10に載せたときに、自然に面17Aに沿って滑り落ちる程度の角度がよく、送電装置10や受電装置20の材質にもよるが、20度〜30度以上の角度が良い。面18Aの水平面に対する角度θ2は、90度−θ1であり、60度〜70度以下の角度となる。一例として、角度θ1及びθ2がともに45度の場合や、θ1が30度でθ2が60度、θ1が60度でθ2が30度等の例が挙げられるが、他の角度の組み合わせでも構わない。尚、面17Aと面18Aとの角度は直角に限らず、受電装置20の形状に合わせた角度としても良い。
また、ポータブル機器等の受電装置20は、持ち運びや保護等のために、ソフトケースやキャリングケース等のケース類に入れて使うことがしばしばある。第2の実施形態では、ケース類に受電装置20を入れた状態でも、送電コイル13、14と受電コイル22との位置関係を適切に保つことが可能となる。
図22は、受電装置20をソフトケース60に入れて送電装置10に載置した状態を示す断面図である。送電装置10の面17Aが傾斜していることから、ソフトケース60に入れられた受電装置20は、面17Aに沿って滑り落ち、面18Aにソフトケース60が接した状態で置かれる。
送電コイル13、14と受電コイル22との位置関係は、結合係数kが適正な値になるような位置関係、即ち送電コイル13、14と受電コイル22とが離れ過ぎず、また送電コイル13、14と対向する受電コイル22の面積も十分確保された状態となっている。したがって、送電装置10から受電装置20に対して、良好な効率で電力を伝送することができる。
図23は、第2の実施形態の変形例を示す斜視図である。即ち、送電装置10は、筐体16の面17Aを水平面に対して傾け、面18Aを垂直面から傾けている点は図20と同じである。さらに受電装置20の幅方向(矢印Z方向)の位置を規制するため筐体16にガイド面19A、19Bを設けている。
図23では、送電装置10にポータブル機器等の受電装置20を載せると、面17Aが水平面に対して傾斜しているため、受電装置20は自重により面17Aに沿って面18Aの方向に滑り、面18Aに接した状態になる。また受電装置20の両サイドはガイド面19A、19Bによってガイドされ、位置決めされる。したがって、送電コイル13、14と受電コイル22は、結合係数kが適正な値になるような位置関係に正確に保たれる。
以上述べた少なくとも一つの実施形態によれば、送電装置10と受電装置20の共振素子間の距離が変動しても結合係数kがほとんど変動しない非接触電力伝送装置を提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を述べたが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。