JP6191578B2 - ワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システム - Google Patents

Description

本発明は、受電装置に対して電力をワイヤレスで給電するワイヤレス給電装置と、ワイヤレス給電システムに関する発明である。

磁界結合により電力を給電するワイヤレス給電システムは、例えば携帯機器に内蔵されるバッテリの充電のために利用される。

磁界結合方式によるワイヤレス給電システムは、ワイヤレス給電装置と受電装置とで構成される。ワイヤレス給電装置は、給電コイルとこの給電コイルに高周波電流を通電する給電回路とを備える。受電装置は、給電コイルに流れる電流によって生じた磁界に鎖交する受電コイルと、この受電コイルに生じる電流を整流平滑する受電回路とを備える。（特許文献１，２）

特開２００１−２６８８２３号公報 国際公開２０１４／０５７９５９号

特許文献１には、給電側コイルの周囲を非磁性のケーシングで覆うことが記載されている。しかし、基本的にフェライトコアを有するトランスを用いる非接触給電装置であり、１次コアと２次コアとを正確に対向させる必要がある。

一方、特許文献２に示されるワイヤレス給電装置の構成を利用して、給電コイルを空中に配置せずに、給電コイルを備える「給電台」として机等に載置して使用する場合、給電台が載置される対象物に金属部があると（例えば金属製の机に給電台を載置して使用すると）、給電コイルにより発生される磁界によって、金属部に渦電流が流れる。この渦電流により熱損失（ジュール損）が生じる。すなわち、電力伝送効率が低下する。

本発明は、上記事情を考慮して構成されたものであり、載置台等に誘導される渦電流を抑制して電力伝送効率を高めたワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システムを提供することを目的とする。

（１）本発明のワイヤレス給電装置は、
インダクタンスを有する給電用のループ状導体と、
直流電圧を入力し、交流電圧に変換して前記ループ状導体に印加するインバータ回路と、
前記ループ状導体の一端と前記インバータ回路の少なくとも一端との間に接続されるキャパシタと、
前記ループ状導体が形成する面のうち受電装置の対向面とは反対側の面を覆う金属層と、を備える、
ことを特徴とする。

ループ状導体の、受電装置とは反対側の面が金属層で覆われることで、給電装置を載置する対象物（机など）の材質による、電力伝送効率への影響を受け難くできる。

（２）前記金属層は、アルミニウム、銅、黄銅、青銅、亜鉛のいずれかで構成されることが好ましい。このように、前記金属層が、比透磁率が低く且つ比抵抗の小さい金属であることにより、渦電流損が抑制されて電力伝送効率の低下を防ぐことができる。また、載置対象物の材質に左右され難くなり、ＬＣ共振回路の共振周波数が一定に保たれ、そのことで電力伝送効率の低下が抑えられる。

（３）上記（１）または（２）において、前記金属層と前記ループ状導体との間隔は、前記ループ状導体の導体間の中央（単純にはループ開口の中央）から前記ループ状導体までの距離のうちの最大距離に実質的に等しい関係であることが好ましい。このことにより、給電装置を載置する対象物（机など）からのループ状導体の高さを必要以上に高くすることなく、渦電流を抑制できる。

（４）上記（１）〜（３）において、
前記ループ状導体は、少なくとも一部が前記ループ状導体のループ形成範囲の周囲より内側に凹む凹部を有し、全長が前記給電範囲の周囲長よりも長いことが好ましい。このことにより、ループ状導体の導体間の中央からループ状導体までの距離が短くなって、給電装置を載置する対象物（机など）からのループ状導体の高さを低くできる。

（５）本発明のワイヤレス給電システムは、上記（１）〜（４）に記載のワイヤレス給電装置と磁界結合して電力を受電する受電装置と、で構成される。

（６）上記（５）において、
前記金属層から前記ループ状導体までの高さをｄ１、前記ループ状導体から前記受電装置の受電コイルまでの距離をｄ２、でそれぞれ表すと、ｄ１≧ｄ２の関係であることが好ましい。この構成により、金属層に誘導される渦電流が抑制できる。

本発明によれば、ループ状導体の、受電装置とは反対側の面が金属層で覆われることで、給電装置を載置する対象物の材質による、電力伝送効率への影響を受け難くできる。

図１（Ａ）は第１の実施形態に係るワイヤレス給電装置１０１および受電装置２００の主要部の構成を示す平面図であり、図１（Ｂ）はその正面図である。 図２は第１の実施形態のワイヤレス給電装置と受電装置とを含むワイヤレス給電システムについて示す図である。 図３はワイヤレス給電装置１０１の回路図である。 図４は受電装置２００の回路図である。 図５は、第２の実施形態に係るワイヤレス給電装置のループ状導体の構成を示す図である。図５（Ａ）は給電用ループ状導体１１Ａ，１１Ｂおよび受電装置の受電コイル２１との位置関係の例を示す図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。 図６（Ａ）（Ｂ）は、給電用ループ状導体１１Ａ，１１Ｂを分離して表した平面図である。 図７は第３の実施形態に係るワイヤレス給電装置１０２の回路図である。 図８（Ａ）は給電用ループ状導体１１のうち、ミアンダ形状部の一部と受電コイル２１との結合について示す平面図である。図８（Ｂ）はその正面図である。

以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付す。第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点について説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

《第１の実施形態》
図１（Ａ）は第１の実施形態に係るワイヤレス給電装置１０１および受電装置２００の主要部の構成を示す平面図であり、図１（Ｂ）はその正面図である。

ワイヤレス給電装置１０１は載置対象物（机など）３００に載置される。ワイヤレス給電装置１０１は給電用ループ状導体（以降、単に「ループ状導体」）１１を備え、受電装置２００は受電コイル２１を備える。受電装置２００はワイヤレス給電装置１０１の上面に載置される。その状態で、受電装置２００の受電コイル２１はワイヤレス給電装置１０１のループ状導体１１に対向する。

ループ状導体１１は、本実施形態では１ターンの矩形ループ状である。受電コイル２１も、本実施形態では１ターンの矩形ループ状である。いずれも、複数ターンのループ状のコイルであってもよい。

ワイヤレス給電装置１０１は、ループ状導体１１が形成する面のうち受電装置２００とは反対側の面を覆う金属層１４を備える。すなわち、金属層１４は、ループ状導体１１による給電範囲の裏面の全域を覆う。この金属層１４は、アルミニウム、銅、黄銅、青銅、亜鉛等の、比透磁率が低く、且つ比抵抗が小さい金属材料で構成される。

ループ状導体１１により発生される磁束φは受電コイル２１と鎖交する。このことにより、ループ状導体１１と受電コイル２１は磁界結合する。ここで、金属層１４の金属材料を比透磁率が低く比抵抗の小さい金属とすることで、金属層１４に誘導される渦電流損が最小限に抑えられ、電力伝送効率の低下を防ぐことができる。また、比透磁率が低い所定厚みの金属層が載置対象物（机など）３００との間に介在することにより、載置対象物３００の材質に左右されず、ＬＣ共振回路の共振周波数を一定に保てることで、電力伝送効率の低下を抑えることができる。

なお、上述したアルミニウム、銅、黄銅、青銅、亜鉛に含まれる残留不可避元素や、物性を大きく異ならせることがない程度の他の微量な元素が含まれていても同様の効果を奏することは言うまでもない。

図１（Ｂ）に示す例では、金属層１４とループ状導体１１との間隔は、ループ状導体１１のうち、互いに対向する導体間の中央（矩形ループの中央）からループ状導体１１までの距離のうちの最大距離ｒに実質的に等しい。このことにより、ループ状導体１１により発生される磁界により金属層１４に誘導される渦電流は十分に抑制される。すなわち、載置対象物３００からのループ状導体１１の高さを必要以上に高くすることなく、渦電流を抑制できる。

図２は本実施形態のワイヤレス給電装置と受電装置とを含むワイヤレス給電システムについて示す図である。図２（Ａ）は、受電コイル２１、ループ状導体１１および金属層１４の位置関係を示す概略斜視図、図２（Ｂ）（Ｃ）は、受電コイル２１、ループ状導体１１および金属層１４の位置関係を示す正面図である。

図２（Ｂ）に示されるように、金属層１４からループ状導体１１までの高さをｄ１、ループ状導体１１から受電コイル２１までの距離をｄ２、でそれぞれ表すと、ｄ１≧ｄ２の関係であると、ループ状導体１１により発生される磁束φが金属層１４に達しない範囲で周回する磁束のループ内に受電コイル２１が位置することになる。そのため、金属層１４に生じる渦電流の影響を受け難い状態で、受電コイル２１はループ状導体１１と磁界結合する。

一方、図２（Ｃ）に示されるように、ｄ１＜ｄ２の関係であると、ループ状導体１１により発生される磁束のうち金属層１４に達する磁束φのループ内に受電コイル２１が位置することになる。そのため、金属層１４に生じる渦電流の影響を大きく受ける状態で、受電コイル２１はループ状導体１１と磁界結合する。

このように、金属層１４からループ状導体１１までの高さｄ１を、ループ状導体１１から受電コイル２１までの距離をｄ２より高くしておくことで、金属層に誘導される渦電流は抑制される。

図３はワイヤレス給電装置１０１の回路図である。このワイヤレス給電装置１０１は、インバータ回路１３、直流電源９、ループ状導体１１およびキャパシタ１２の直列回路を備える。ループ状導体１１とキャパシタ１２とでＬＣ共振回路が構成される。インバータ回路１３はハイサイドスイッチＱ１、ローサイドスイッチＱ２、これらをオン・オフ制御するコントローラ／ドライバ回路を備えている。コントローラ／ドライバ回路はハイサイドスイッチＱ１およびローサイドスイッチＱ２を上記ＬＣ共振回路の共振周波数で交互にオン・オフする。これにより共振型インバータ回路として作用し、ループ状導体１１に流れる電流によって交番磁界が発生する。

図４は受電装置２００の回路図である。受電コイル２１とキャパシタ２２とでＬＣ共振回路が構成される。このＬＣ共振回路の共振電圧がダイオードＤおよびキャパシタＣ１により整流平滑され、レギュレータ回路ＲＥＧおよびキャパシタＣ２で定電圧化され、負荷へ供給される。

《第２の実施形態》
図５は、第２の実施形態に係るワイヤレス給電装置のループ状導体の構成を示す図である。図５（Ａ）はループ状導体１１Ａ，１１Ｂおよび受電装置の受電コイル２１との位置関係の例を示す図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。また、図６（Ａ）（Ｂ）は、ループ状導体１１Ａ，１１Ｂを分離して表した平面図である。ループ状導体１１Ａは全体で１つのループ状導体であるが、３つの矩形状部を備える。同様に、ループ状導体１１Ｂは全体で１つのループ状導体であるが、３つの矩形状部を備える。

２つのループ状導体１１Ａ，１１Ｂは並列接続または直列接続されて、インバータ回路に接続される。インバータ回路から出力される電流の或る半サイクルのタイミングで、ループ状導体１１Ａ，１１Ｂに、図６（Ａ）（Ｂ）に示される向きに電流が流れると、それによって、図５（Ａ）（Ｂ）に示すような磁束φが生じる。図５（Ａ）において、磁束の向きはドット記号とクロス記号で表される。ループ状導体１１Ａ，１１Ｂに受電コイル２１が対向することによって、ループ状導体１１Ａ，１１Ｂと受電コイル２１とは磁界結合する。

ループ状導体１１Ａは、少なくとも一部がループ状導体１１Ａのループ形成範囲の周囲より内側に凹む凹部ＤＰを有し、全長が前記給電範囲の周囲長よりも長い。これにより、ループ状導体１１Ａを構成する複数の導体部のうち、或る導体部からそれに隣接して対向する導体部までの間隔が狭くなる。そのため、この間隔の中央からそれら導体部までの距離が短くなって、給電装置を載置する対象物（机など）からのループ状導体の高さを低くできる。図５（Ａ）（Ｂ）に示される例では、導体部１１Ａ２からそれに隣接して対向する導体部１１Ａ３までの間隔の中央からそれら導体部までの距離ｒが短くなって、載置対象物３００からのループ状導体１１Ａの高さｒを低くできる。上述のことは、ループ状導体１１Ｂに関しても同様である。

図５（Ｂ）に表されるように、金属層１４とループ状導体１１Ａとの間隔ｒは、ループ状導体１１Ａのうち、互いに対向する導体間の中央（矩形状部の中央）からループ状導体１１Ａまでの距離のうちの最大距離ｒに実質的に等しい。上述の関係は金属層１４とループ状導体１１Ｂとの関係についても同様である。このことにより、ループ状導体１１Ａにより発生される磁界により金属層１４に誘導される渦電流は十分に抑制される。すなわち、載置対象物３００に対するループ状導体１１Ａ，１１Ｂの必要な高さをより低くして、渦電流を抑制できる。

《第３の実施形態》
図７は第３の実施形態に係るワイヤレス給電装置１０２の回路図である。このワイヤレス給電装置１０２は、ループ状導体１１が形成された絶縁体からなる基板１０を備えている。図７に表されるように、ループ状導体１１はミアンダ形状部を備えている。その他の構成は第１の実施形態で示したとおりである。

図８（Ａ）は上記ループ状導体１１のうち、ミアンダ形状部の一部と受電コイル２１との結合について示す平面図である。図８（Ｂ）はその正面図である。

上記給電用ループ状導体１１のミアンダ形状部は、長経路部１１Ｌと短経路部１１Ｓの組合せからなる。

受電装置２００は、受電コイル２１、キャパシタ２２および受電回路２３を含む。受電コイル２１とキャパシタ２２とでＬＣ共振回路が構成され、その共振周波数はインバータ回路１３の駆動周波数、および給電装置側のＬＣ共振回路の共振周波数に等しい。図８（Ａ）において、クロス記号およびドット記号はループ状導体１１に流れる電流により生じる磁界の方向を表している。この例では、受電装置２００の受電コイル２１が形成するループ内に、平面視で２本の長経路部１１Ｌが入る。そのため、受電コイル２１は２本の長経路部１１Ｌによる磁束と鎖交して強く結合する。

図８（Ｂ）に表されるように、金属層１４とループ状導体の長経路部１１Ｌとの間隔ｒは、ループ状導体の長経路部１１Ｌのうち、互いに対向する導体間の中央からループ状導体の長経路部１１Ｌまでの距離のうちの最大距離ｒに実質的に等しい。このことにより、ループ状導体の長経路部１１Ｌにより発生される磁界により金属層１４に誘導される渦電流は十分に抑制される。

ループ状導体１１は、少なくとも一部がループ状導体１１のループ形成範囲の周囲より内側に凹む凹部ＤＰを有し、全長が前記給電範囲の周囲長よりも長い。ことにより、ループ状導体１１を構成する複数の長経路部１１Ｌのうち、或る長経路部１１Ｌからそれに隣接して対向する長経路部１１Ｌまでの間隔が狭くなる。そのため、この間隔の中央からそれら長経路部１１Ｌまでの距離が短くなって、給電装置を載置する対象物（机など）からのループ状導体の高さを低くできる。図８（Ａ）（Ｂ）に示される例では、長経路部１１Ｌからそれに隣接して対向する導体部長経路部１１Ｌまでの間隔の中央からそれら導体部までの距離ｒが短くなって、載置対象物３００に対するループ状導体１１の必要な高さｒを低くできる。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能であることは明らかである。例えば異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Ｃ１，Ｃ２…キャパシタ
Ｄ…ダイオード
Ｑ１…ハイサイドスイッチ
Ｑ２…ローサイドスイッチ
ＲＥＧ…レギュレータ回路
９…直流電源
１０…基板
１１，１１Ａ，１１Ｂ…給電用ループ状導体
１１Ｌ…長経路部
１１Ｓ…短経路部
１２…キャパシタ
１３…インバータ回路
１４…金属層
２１…受電コイル
２２…キャパシタ
２３…受電回路
１０１，１０２…ワイヤレス給電装置
２００…受電装置
３００…載置対象物

Claims (5)

1. インダクタンスを有し、複数の矩形状部を有する給電用の２つのループ状導体と、
   直流電圧を入力し、交流電圧に変換して前記２つのループ状導体に印加するインバータ回路と、
   前記２つのループ状導体のいずれかの一端と前記インバータ回路の少なくとも一端との間に接続されるキャパシタと、
   前記２つのループ状導体が形成する面のうち受電装置の対向面とは反対側の面を覆う金属層と、を備え、
   一方の前記ループ状導体は、少なくとも一部が前記一方のループ状導体のループ形成範囲の周囲よりも内側に凹む凹部を有し、全長が前記ループ形成範囲の周囲よりも長く、
   前記一方のループ状導体の前記凹部には、他方の前記ループ状導体の前記矩形状部が位置し、
   前記一方のループ状導体と前記他方のループ状導体とは、前記一方のループ状導体の前記凹部に流れる電流と、前記他方のループ状導体の前記矩形状部に流れる電流とが同じ向きになるように、並列接続または直列接続される、
   ことを特徴とする、ワイヤレス給電装置。
2. 前記金属層は、アルミニウム、銅、黄銅、青銅、亜鉛のいずれかで構成される、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
3. 前記金属層と前記ループ状導体との間隔は、前記ループ状導体の導体間の中央から前記ループ状導体までの距離のうちの最大距離に実質的に等しい、請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置。
4. 請求項１から３のいずれか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と磁界結合して電力を受電する受電装置と、で構成される、ワイヤレス給電システム。
5. 前記金属層から前記ループ状導体までの高さをｄ１、前記ループ状導体から前記受電装置の受電コイルまでの距離をｄ２、でそれぞれ表すと、ｄ１≧ｄ２の関係である、請求項４に記載のワイヤレス給電システム。

Images