JP6378006B2 - 電力伝送装置及び送電装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する電力伝送装置及びコイル装置に関する。

近年、非接触で電力を伝送する装置が普及している。非接触電力伝送装置は、電力を送電する送電装置と、送電電力を受け取る受電装置とを含んでいる。電力を送電装置から受電装置に非接触で伝送する方式として、電磁誘導方式、磁界共鳴方式または電界結合方式等が知られている。受電装置は自機を駆動する駆動回路や、受電装置に搭載した２次電池の充電回路等の負荷回路を備えている。

受電装置に接続される携帯端末やノートパソコン等の電子機器に非接触で電力を伝送する場合に、電磁誘導方式や電界結合方式を利用すると、一般的には、送電装置と受電装置とを伝送可能領域内にてほぼ密着させる必要がある。一方、磁界共鳴方式を利用すると、送電装置と受電装置とを密着させる必要がなく、例えば送電装置から受電装置を数ｃｍ程度離しても電力の伝送を行うことができる。したがって、受電装置を置く位置に自由度があり、使い勝手に優れるという点で磁界共鳴方式が注目されている。

磁界共鳴方式は、送電装置に設けられたコイルとコンデンサから成る送電側共振素子（共鳴素子ともいう）と、受電装置に設けられたコイルとコンデンサから成る受電側共振素子とが電気的に結合することで、電力を伝送することができる。電磁誘導方式においても、送電側のコイルと受電側のコイルの結合だけではなく、送電側と受電側の双方に共振用のコンデンサを設け、送電側及び受電側の素子を共振結合させることで、電力を伝送する距離を伸ばそうとする試みもなされてきている。結果、磁界共鳴方式と電磁誘導方式との区別がなくなってきている。

非接触で電力を伝送する効率（電力伝送効率）に影響を与えるパラメータとして、送電装置及び受電装置の共振素子間の結合係数ｋがある。送電装置と受電装置の共振素子間の距離が変動すると、通常、結合係数ｋは変動する。例えば、共振素子間の距離が離れると、結合係数ｋは小さくなる。回路のインピーダンスが固定であれば、結合係数ｋの変化に伴って電力伝送効率や伝送できる電力が変化する。

送電装置と受電装置の共振素子間の距離の変動に伴って結合係数ｋが変化しても、電力伝送効率を高く維持する方法として、インピーダンスを可変できるインピーダンス調整手段を設け、結合係数ｋの変化に応じて、送電装置や受電装置のインピーダンスを変化させる技術が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に開示された技術では、結合係数ｋが変動した場合に自動的にインピーダンス制御を行うための回路が新たに必要であり、制御も複雑になるという問題点があった。

送電コイルと受電コイルの位置が多少ずれても電力伝送が行えるようにした装置として、送電コイルに大径のコイルを使い、受電コイルに小径のコイルを使った非接触充電装置が知られている（特許文献２参照）。特許文献２に開示された技術では、受電コイルが送電コイルに対して垂直方向に位置がずれて、送電コイルと受電コイルとの間の距離が広がると、急激に結合係数ｋが小さくなる。結合係数ｋが低下するため、電力伝送効率が悪化して所望の電力を送ることができなくなるという問題点があった。

特開２０１１−５０１４０公報 特開２００８−３０１５５３公報

送電コイルに対して受電コイルの位置が変動しても結合係数ｋの変動を抑えた非接触電力伝送装置及び送電装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、実施形態の電力伝送装置は、送電コイルと、前記送電コイルを含む共振素子に交流電力を供給する交流電源を含む送電装置と、
磁界結合により非接触で電力を受電する受電コイルと、前記受電コイルを含む共振素子に誘起する交流電力を整流する整流回路を含む送電装置と、を有し、
前記送電コイル又は受電コイルの一方は、中心部に順方向伝送線路と逆方向伝送線路とが交互に配置された第１領域と、前記第１の領域を囲み、前記第１領域の順方向線路に電気的に接続される順方向線路が設けられた第２の領域とを有する第１の平面状のコイルパターンを備え、
前記送電コイル又は受電コイルの他方は、前記第１領域に対向して配される平面状の第２のコイルパターンを備えている。

第１の実施形態に係る電力伝送装置の構成を示す回路ブロック図。 第１の実施形態に係る電力伝送装置の構成を示す斜視図。 第１の実施形態における送電コイルと受電コイルを含むコイル装置を概略的に示す斜視図。 第１の実施形態おけるコイル装置の形状と寸法の一例を示す平面図。 第１の実施形態おける送電装置と受電装置の位置関係を示す断面図。 第１の実施形態おける送電装置と受電装置の他の位置関係を示す断面図。 一般的な電力伝送装置の送電コイルを示す平面図。 第１の実施形態に係る電力伝送装置での結合係数ｋの測定系を示す説明図。 第１の実施形態における送受コイル間距離と結合係数ｋの関係を示す特性図。 一般的な送電コイルと受電コイルのコイルパターンの位置関係を示す断面図。 第１の実施形態おける送電コイルと受電コイルのコイルパターンの位置関係を示す断面図。 第１の実施形態において受電コイルを水平移動した状態を示す平面図。 第１の実施形態における水平方向のズレ量と結合係数ｋの関係を示す特性図。 第１の実施形態おけるコイルパターンの一例を示す平面図。 第１の実施形態おけるコイルパターンの一例を示す平面図。 第１の実施形態おけるコイルパターンの一例を示す平面図。 第１の実施形態おけるコイルパターンの一例を示す平面図。 第１の実施形態おけるコイルパターンの一例を示す平面図。 第１の実施形態おけるコイルパターンの一例を示す平面図。 第２の実施形態に係る電力伝送装置の構成を示す斜視図。

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は、第１の実施形態に係る電力伝送装置の全体構成を示す回路ブロック図である。図２は、電力伝送装置を構成する送電装置と受電装置を概略的に示す斜視図である。図１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、送電装置１０から送電された電力を受電する受電装置２０とを備えている。送電装置１０と受電装置２０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で構成される共振素子１４とを有している。交流電源１１は、送電用の共振素子１４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１４に供給する。具体的には、交流電源１１は、６．７８ＭＨｚの交流電力を発生させる発振回路と、発振回路の出力を増幅する電力増幅回路で構成されている。送電装置１０の外部に設けたＡＣアダプタから送電装置１０内の交流電源１１に直流の電力が供給され、交流電源１１内の発振回路や電力増幅回路が動作するようになっている。

発振回路と電力増幅回路で構成される交流電源１１に替えて、交流電源１１をスイッチング電源にすることもできる。スイッチング電源からなる交流電源１１は発振回路の出力でスイッチング素子をオン／オフする構成になっている。スイッチング素子のオン／オフにより、共振素子１４を動作させる。

ＡＣアダプタを外部に設け交流電源１１に直流の電力を供給する代わりに、送電装置１０内にＡＣアダプタまたはＡＣ／ＤＣ変換部を設けることも可能である。外部からＡＣ１００Ｖを送電装置１０に供給し、送電装置１０内のＡＣアダプタまたはＡＣ／ＤＣ変換部によって生成する直流電力を交流電源１１に供給する。この場合、交流電源１１により共振素子１４を動作させる。

動作周波数は６．７８ＭＨｚを例示したが、必要に応じて動作周波数を変更可能である。他の動作周波数として１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚなどが利用される。

受電装置２０は、共振用コンデンサ２１と受電コイル２２で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とを有している。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１４の自己共振周波数と同一またはほぼ同一とし、互いに磁界結合することで、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、携帯端末やタブレット端末等の電子機器の回路である。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。一般に負荷回路２５は直流電力で動作する。負荷回路２５に直流電力を供給するために、受電装置２０には受電用の共振素子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が設けられている。図１では、受電装置２０は負荷回路２５を含む構成となっている。しかし、受電装置２０は必ずしも負荷回路２５を含む構成に限定されるものではなく、負荷回路２５を受電装置２０の外部に設けて、整流回路２４で発生する直流電力を負荷回路２５に供給する構成にすることも可能である。

送電装置１０、受電装置２０において、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い。共振用コンデンサ１２、２１に相当する静電容量は、コイルの形状やコイルのインダクタンス値によって、コイル線間の静電容量で代用することもできる。また、共振用コンデンサ１２と送電コイル１３は直列に接続され、共振用コンデンサ２１と受電コイル２２も直列にされた直列共振回路を構成している。直列共振回路に替えて、それぞれの共振用コンデンサとコイルを並列に接続し並列共振回路にすることも可能である。

図１の電力伝送装置では、図２に示すように、送電装置１０の送電コイル１３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。即ち、送電コイル１３に交流電流を流すことにより、送電コイル１３に磁界が発生する。一方、受電コイル２２には磁界結合の作用により、受電コイル２２に交流電流が流れ、その電流を整流することで電力を得ることができる。

図２に示すように、送電装置１０の筐体１５は、受電装置２０を載置可能な平面を有している。送電装置１０は、送電コイル１３が筐体１５の平面下部に配置された、構成になっている。受電装置２０の筐体２６は、送電装置１０の平面上に載置可能な平面を有している。受電装置２０を送電装置１０上に載置した時に、送電コイル１３に受電コイル２２が対向するように、受電コイル２２が筐体２６内に配置されている。

図３は、送電コイル１３と受電コイル２２を含む電力伝送のためのコイル装置を概略的に示す斜視図である。送電コイル１３と受電コイル２２の位置関係と構成をわかり易くするために、筐体１５および筐体２６を除いて送電コイル１３と受電コイル２２のみを図示している。

送電コイル１３は、プリント基板１７上に形成された四角形状のコイルパターン１３１（第１のコイルパターン）で構成されている。プリント基板１７として、３５μｍ厚の銅箔を有するガラス・エポキシ（ＦＲ−４）基板を用いている。銅箔を図示する所望な形状にエッチングし、送電コイル１３用のコイルパターンを形成した。

送電コイル１３用コイルパターンのＡ１１（コイルパターン開始端）とＡ１２（コイルパターン終端）の２点間に電流を流すことで、磁束を発生させる。コイルパターンの中心部の領域１８（図４に示すＷ１３とＬ１３で囲む領域）では、順方向配線パターンと逆方向配線パターンが形成されている。コイルパターン開始端Ａ１１からプリント基板１７の外周部に沿って配線された巻線パターンにそって中心部へ向かうコイルパターンを順方向配線パターンと呼んでいる。逆方向配線パターンとは、順方向配線パターンとは逆に、コイル中心部から外周部へ向かって巻かれたパターンを表している。すなわち、図３に示すように、順方向配線パターンに沿ってＣＷ方向（時計の針の回転方向）に電流が流れる場合、逆方向配線パターンにはＣＣＷ方向（反時計方向）に電流が流れることになる。逆方向配線パターンは、中心から外周部へ向かうばかりでなく、順方向配線パターンを流れる電流と逆向きに電流が流れかつ順方向配線パターンに近接して設けられた配線パターンで、順方向配線パターンの発生する磁束を逆方向配線パターンの発生する磁束で打ち消すように機能する。

送電コイル１３の中心部の領域１８は、順方向配線パターンの２つの配線間に逆方向配線パターンの配線が配置された構成になっている。図３では３ターン分の順方向配線パターンが、３ターン分の逆方向配線パターンの間に配置された構成になっている。中心部の領域１８では、順方向配線パターンと逆方向配線パターンが相互に入り込んで、２つのパターンが発生する合成磁束が発生する。すなわち、領域１８では、順方向に流れる電流から発生する磁束と、逆方向に流れる電流から発生する磁束とが合成され、磁束は打ち消しあう状態になる。

磁束が打ち消されている中心部の領域１８においては、送電コイル１３から発生する磁束が少なくなるため、受電コイル２２との磁束による結合は小さくなる。送電コイル１３のコイルパターン１３１は、領域１８を囲み６ターンの平面状のパターンで構成されている。領域１８の外側に形成されたコイルパターン１３１は順方向配線パターンになっている。この外側に形成されたコイルパターン１３１が発生する磁束は、逆方向配線パターンの影響を受けることなく、受電コイルと磁束による結合を起こす。そのため、外側に形成されたコイルパターン１３１が発生する磁束は、磁束が打ち消されている中心部の領域１８で発生する磁束に比べ、受電コイル２２と強く結合する。

受電コイル２２はプリント基板２７上に形成された四角形状のコイルパターン２２１で構成されている。プリント基板２７として、３５μｍ厚の銅箔を有するガラス・エポキシ（ＦＲ−４）基板を用いている。銅箔を図示する所望な形状にエッチングし、受電コイル２２用のコイルパターンを形成した。受電コイル２２は順方向配線パターンで６ターンになっている。受電コイル２２の外形は送電コイル１３の中心部領域１８の大きさよりも少し小さくなっている。

送電コイル１３と受電コイル２２は、ガラス・エポキシのプリント基板上の銅箔をパターニングして形成したコイルパターンに替えて、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）のフレキシブル基板にコイルパターンを形成することもできる。また、銅箔に替えて、銅線やリッツ線を巻いて平面状のコイルを形成するようにしてもよい。

図４は、第１の実施形態におけるコイル装置の具体的な形状を示す平面図である。図４（ａ）に示すように、送電コイル１３はプリント基板１７に形成された始点Ａ１１から終点Ａ１２までのコイルパターン１３１で形成されている。送電コイル１３の外形は、Ｌ１１＝Ｗ１１＝１５３ｍｍの正方形となっている。始点Ａ１１から中心部の領域１８の開始点Ａ１３まで、領域１８を囲んで約６ターンの順方向配線コイルパターンが形成されている。この領域１８を囲む順方向配線コイルパターンの幅Ｄ１１は３ｍｍ、隣接するコイルパターンとの間隙Ｅ１１は３ｍｍになっている。

中心部の領域１８には、順方向配線コイルパターンが点Ａ１３から中心点Ａ１４まで約３ターン、パターン幅Ｄ１３は３ｍｍ、隣接するコイルパターンとの間隙Ｅ１３は３ｍｍで、形成されている。中心部の領域１８には、さらに中心点Ａ１４で折り返し逆方向配線コイルパターンが中心点Ａ１４から終点Ａ１２まで約４ターン、パターン幅Ｄ１２は３ｍｍ、隣接するコイルパターンとの間隙Ｅ１２は３ｍｍで、形成されている。形成した送電コイル１３のインダクタンス値は、約８．３７μＨである。

中心部の領域１８において、点Ａ１３から中心点Ａ１４までの順方向配線コイルパターンが、中心点Ａ１４で逆方向配線コイルパターンに連続的に繋がっている。Ａ１３からＡ１４までの順方向配線コイルパターンが、Ａ１４からＡ１２までの逆方向配線コイルパターンの配線間に、配置された構成になっている。図４では、順方向配線コイルパターンと逆方向配線コイルパターンは、角部を除き、ほぼ平行な直線パターンで交互に配置された構成になっている。順方向配線コイルパターンと逆方向配線コイルパターンを平行に配置することで、順方向と逆方向配線コイルパターンを非平行に配する構成に比べ、略方形の中心部領域１８内で磁束発生を抑制できる。

送電コイル１３の中心部の領域１８では、順方向配線のコイルがＷ１２＝Ｌ１２＝６９ｍｍになっている。順方向配線のコイル面積は、Ｌ１２×Ｗ１２＝４７６１ｍｍ^２になる。逆方向配線のコイルがＷ１３＝Ｌ１３＝８１．５ｍｍになっている。逆方向配線のコイル面積は、Ｌ１３×Ｗ１３＝６６４２．２５ｍｍ^２になる。送電コイル１３の外形面積は、Ｌ１１×Ｗ１１＝１５３×１５３＝２３４０９ｍｍ^２であり、領域１８の面積が送電コイル１３の外形面積に占める割合は、６６４２．２５／２３４０９×１００＝２８．３７％（≒３０％）となっている。

図４（ｂ）は受電コイル２２の、具体的な形状を示す図である。受電コイル２２は、プリント基板２７に形成されたコイルパターン２２１を有し、受電コイル２２の外形は、Ｌ２１＝Ｗ２１＝６３ｍｍの正方形となっている。コイルパターン幅Ｄ２１は３ｍｍ、隣接するコイルパターンとの間隙Ｅ２１は２ｍｍで、約６ターン巻いた形状になっている。インダクタンス値は約１．２８μＨである。受電コイル２２の面積は、Ｌ２１×Ｗ２１＝６３×６３＝３９６９ｍｍ^２であり、送電コイル１３の領域１８の面積よりも小さくなっている。

第１の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５は、送電装置１０と受電装置２０の断面図である。図５（ａ）は、受電装置２０の筐体２６が送電装置１０の筐体１５の上部に離間して配された様子を示している。図５（ｂ）は、受電装置２０の筐体２６が送電装置１０の筐体１５に接して配置された状態を示し、送電コイル１３と受電コイル２２との距離は最も小さく、近接している状態である。送電コイル１３は、筐体１５内の上面に沿って設けられ、受電コイル２２は筐体２６内の下面に沿って設けられている。送電コイル１３から受電コイル２２に非接触で効率よく電力を伝送するには、できるだけ送電コイル１３と受電コイル２２が近接するように配置されることが望ましい。

図６は、送電装置１０と受電装置２０の他の断面図である。図６（ａ）は、受電装置２０の筐体２６を、保護などの目的でカバー２６２に入れた場合を示す。送電コイル１３と受電コイル２２との距離は、図５（ｂ）に対して、カバー２６２の厚さ分だけ増えている。カバー２６２の厚さは、受電装置２０が携帯端末やタブレット端末等である場合を想定すると、５ｍｍ程度の厚さである。図６（ｂ）は、携帯端末やタブレット端末等を鞄２６４に入れて持ち歩き、鞄２６４に入れたまま、送電装置１０の筐体１５に置いて充電する場合を想定している。カバー２６２と鞄２６４の厚み分だけ、送電コイル１３と受電コイル２２との距離が増えることになる。図５（ｂ）に比べると、１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度距離が増えることが想定される。

図７は、順方向配線コイルパターンのみで構成された従来のコイルパターン４１１を有する送電コイル４１を示している。言い換えれば、図３で示す領域１８の逆方向配線コイルパターンと順方向配線コイルパターンの組み合せ部を有しないコイルパターン４１１になっている。外形サイズは、Ｌ４１＝Ｗ４１＝１５３ｍｍで、第１の実施形態の送電コイル１３と同一である。

順方向配線コイルパターンのみで構成されたコイルパターン４１１では、送電コイルと受電コイルとの距離が数ｍｍ変化しても、結合係数ｋが大きく変化する。結合係数ｋの変化を減少させるために、送電コイルと受電コイルのインピーダンスを制御する必要がある。インピーダンスを制御しない状況においては、ある距離において受電できる電力量が最大となり、その距離よりも離間しても、接近しても受電できる電力量は低下するような特性になる。

図４で示す送電コイル１３と受電コイル２２とを組合せた場合と、図７で示す送電コイル４１と受電コイル２２とを組合せた場合において、コイル間の距離が変化したときに結合係数ｋがどのように変化するかを比較する。コイル間の距離とは、平面状の送電コイル１３と平面状の受電コイル２２を平行に配置した時、送電コイル１３の法線方向における、受電コイル２２までの距離を示す。

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（１）により求めることができる。

図８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８に示すように、一方のコイル５１を測定器５３（ＬＣＲメータ）に接続し、他方のコイル５２の両端５４，５５が開放の場合の、自己インダクタンスＬopenと、両端５４，５５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５３で測定する。漏れインダクタンスＬscと自己インダクタンスＬopenを用いて、式（１）により結合係数ｋを求める。

図９は、送電コイルと受電コイルとの間の距離（送受コイル間距離）を変えたときの結合係数ｋの特性を表した図である。横軸は送受電コイル間距離（ｍｍ）を表し、縦軸は結合係数ｋを表している。図９の実線Ｃは、第１の実施形態の送電コイル１３と受電コイル２２を用いた場合の特性を示し、破線Ｄは、図７の送電コイル４１と受電コイル２２を用いた場合の特性を示している。第１の実施形態の送電コイル１３を用いた場合は、送電コイル１３と受電コイル２２間の距離（送受コイル間距離）を２ｍｍから６０ｍｍまで変化させると、結合係数ｋは緩やかに減少する。これに対して、送電コイル４１を用いた場合は、送電コイル４１と受電コイル２２間の距離が３０ｍｍより近くなるほど、結合係数ｋの変化の割合が大きくなり、３０ｍｍより離れるほど結合係数ｋの変化が緩やかになっている。また送受コイル間距離が３０ｍｍから６０ｍｍ程度では、送電コイル４１と受電コイル２２の結合係数ｋは第１の実施形態の場合の結合係数ｋに近づくことが分かる。

前述した図５、図６に示すように、実際の機器の充電で使用する場合は、送受コイル間距離が約２０ｍｍ以下の場合が多い。送受コイル間距離が２ｍｍから２０ｍｍに変化したときの結合係数ｋの変化率を算出すると、第１の実施形態（実線Ｃ）では、０．１６１／０．２０５＝０．７８５となる。つまり、送受コイル間距離が２０ｍｍのときの結合係数ｋの値は、送受コイル間距離が２ｍｍのときの値の約８０％になっている。これに対し、破線Ｄにおいて、送受コイル間距離が２ｍｍから２０ｍｍに変化したときの結合係数ｋの変化率を算出すると、０．２５１／０．４８６＝０．５１６となり、送受コイル間距離が２０ｍｍのときの結合係数ｋの値は、送受コイル間距離が２ｍｍのときの値の約５０％まで減少している。

このように、第１の実施形態の送電コイル１３を使うことで、送受コイル間距離の変化に対して、結合係数ｋの変化を緩やかにすることができる。この結果、受電できる電力量や電力伝送効率の変化を抑制でき、インピーダンス制御などの複雑な制御を不要にすることができる。

図１０、図１１を参照して、結合係数ｋの変化の様子を模式的に説明する。図１０は、順方向配線コイルパターン４１１のみで形成された送電コイル４１（図７）と受電コイル２２１を使用した場合を示し、図１１は、第１の実施形態に係る送電コイル１３と受電コイル２２１を使用した場合を示している。

図１０の送電コイル４１を使用した場合を考える。送電コイル４１と受電コイル２２とが、図１０（ａ）に示すように近接して対向する場合は、送電コイルパターン４１１と受電コイル２２１同士が強く結合するために、結合係数ｋは高い値となる。図１０中、点線で囲んだ楕円の部分は、コイル同士が電磁的に結合している様子を模式的に示している。送電コイル４１と受電コイル２２が、図１０（ｂ）に示すように離間すると、（ａ）の場合に比較して結合係数ｋは弱くなり、距離に応じて減少していく（図９参照）。特に（ａ）のように、強くコイル同士が結合している状況においては、送受コイル間距離が少し変化するだけで、結合係数ｋが大きく変化する傾向にある。

次に、図１１を参照して、送電コイル１３と受電コイル２２を使用した場合を説明する。図１１（ａ）は送電コイル１３と受電コイル２２を近接配置された状況を示し、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に比べ、送電コイル１３と受電コイル２２は離間している状況を示している。図１１（ａ）（ｂ）では、受電コイル２２は送電コイル１３の順方向配線パターンと逆方向配線パターンからなる領域１８に対向している。図１１（ａ）に示すように近接して置かれると、コイルパターン１３１とコイルパターン２２１は、破線楕円で示すように、主にコイルの縁の部分で結合するため、その結合は強くなく、結果として、コイル同士が近接していても、結合係数ｋは大きな値にならない。図１１（ｂ）に示すように、送電コイル１３と受電コイル２２とが離れると、破線楕円で示すように、コイルの縁の部分で結合するが、結合に寄与するコイルパターンの面積は、定性的に図１１（ａ）の結合に寄与するコイルパターンの面積よりも広くなる。つまり、コイル間の距離が離れることによる結合の低下分は、結合に寄与するコイルパターンの面積が広くなることにより、ある程度補償される。その結果、送受コイル間距離が離れると結合係数ｋは小さくなる傾向にあるが、その変化は図９の実線Ｃに示すように緩やかになる。

以上、平面状の送電コイル１３の法線方向における、受電コイル２２との距離が変化する場合について述べた。中心領域に順方向配線コイルパターンと逆方向配線コイルパターンの組合せを有する送電コイルでは、受電コイル２２が送電コイル１３の平面に沿って位置が変化しても、結合係数ｋの変化を小さくすることができる。

前述したように、受電コイルパターン２２１が送電コイルパターン１３１に近接して置かれると、破線楕円で示すように、主にコイルの縁の部分で結合する。コイルパターン２２１が中心部領域１８に比べ大きくなり過ぎると、コイル縁部での結合が強くなりすぎる。コイル縁部での結合が強すぎると、送電コイルと受電コイルが離間した場合、結合係数ｋの変化が大きくなる傾向になる。そのため、受電コイル２２の外形は送電コイル１３の中心部領域１８の大きさよりも少し小さくなっている。

図１２は、図４に示した受電コイル２２と送電コイル１３の組合せで、受電コイル２２を送電コイル１３の平面に沿って矢印Ｘの方向に距離δだけ移動させた様子を示している。図１３の実線Ｃは、受電コイル２２を矢印Ｘ方向に動かした場合の結合係数ｋの変化特性を示す。図１３の破線Ｄは、比較のために、順方向配線コイルパターン４１１のみで形成された送電コイル４１（図７参照）と受電コイル２２を用い、受電コイル２２を矢印Ｘ方向に移動させた時の結合係数ｋの変化特性を示す。コイル４１は、１３回巻き程度でインダクタンス値は約１５．３３５μＨである。

図１３では、受電コイル２２を送電コイル１３に沿って動かした量を、水平方向ズレ量（δ）と記している。横軸は水平方向ズレ量（δｍｍ）を表し、縦軸は結合係数ｋを表している。破線Ｄでは、送電コイル４１の中心から受電コイル２２の水平方向ズレ量が大きくなるにしたがって、送電コイル４１と受電コイル２２が対向する面積が減少し、結合係数ｋが大きく減少する。これに対して、実線Ｃでは、４０ｍｍのズレまで結合係数ｋはほとんど変化せず、５０ｍｍ程度のズレ量でも結合係数ｋは多少低下する程度である。

受電コイル２２が送電コイル１３のコイル面に沿って移動しても結合係数ｋの変化が少ない理由は、中心部領域１８の端部で受電コイル２２と磁気的に結合しやすく、磁束の結合に寄与する送電コイル１３と受電コイル２２の面積の変化が小さいためと考えられる。第１の実施形態の場合であれば、受電コイル２２が送電コイル１３からはみ出さないような範囲であれば、結合係数ｋの変化を小さくすることができる。

第１の実施形態では、送電コイル１３及び受電コイル２２は略正方形状の例を示している。正方形に限定する必要はなく、長方形等の四角形や多角形状（六角形、八角形など）にすることも可能である。また、円形とすることもできるが、受電コイル２２を送電コイル１３に沿って動かす場合の許容量を考慮すると、多角形状の方が望ましい。送電コイル基板１７を多層のプリント基板にし、1層目に順方向のパターンを配線し、１層目の中心領域に相当する２層目に逆方向のパターンを配線しても、図１４で示すコイルパターンと同様な効果が得られる。当然、1層目に逆方向のパターンを配線して、２層目に順方向のパターンを配線することも可能である。また、送電コイル基板１７を両面プリント基板にし、一方の面に順方向のパターンを配線し、その面の中心領域に相当する他方の面に逆方向のパターンを配線しても、図１４で示すコイルパターンと同様な効果が得られる。

図１４乃至図１９を参照して、他の送電コイルのパターンを例示する。

図１４は第２の送電コイルパターンを示している。第２の送電コイルパターンでは、順方向配線のコイルパターンＡ３１−Ａ３２、さらにＡ３２-Ａ３５間のパターン、Ａ３５-Ａ３３間、Ａ３３-Ａ３４間のパターンが連続している。Ａ３２-Ａ３５間のパターンは順方向配線、Ａ３５-Ａ３３間は逆方向配線、Ａ３３-Ａ３４間は順方向配線のパターンが、混在した構成になっている。Ａ３１とＡ３４間に通電し、誘導磁界を発生させている。このように、中心領域で複数の順方向配線と逆方向配線パターンを混在させても、同様な効果を得ることができる。

図１５は第３の送電コイルパターンを示している。第３の送電コイルパターンは、Ａ４１を始点とし、Ａ４８が終点になっている。Ａ４２、Ａ４３、Ａ４４、Ａ４５、Ａ４６、Ａ４７は、順方向配線のコイルパターンと逆方向配線のコイルパターンの折り返し点になっている。第３の送電コイルパターンでは、第１のコイルパターンと同様、中心領域において隣接する配線でコイルを流れる電流の方向が逆になっている。そのため、このコイルパターン配線を用いても、第１のコイルパターンと同様の効果が得られる。ここで、折り返し点Ａ４２、Ａ４３、Ａ４４、Ａ４５、Ａ４６、Ａ４７の箇所は限定するものではない。

図１６は第４の送電コイルパターンを示している。第４の送電コイルパターンは、Ａ５１を始点とし、Ａ６６が終点になっている。送電コイルパターンの中心領域はジグザグに配線したパターンを有している。Ａ５３−Ａ５４、Ａ５５−Ａ５６、Ａ５７−Ａ５８、Ａ５９−Ａ６０、Ａ６１−Ａ６２、Ａ６３−Ａ６４、Ａ６５−Ａ６６は、順方向配線のコイルパターンになっている。Ａ５２−Ａ５３、Ａ５４−Ａ５５、Ａ５６−Ａ５７、Ａ５８−Ａ５９、Ａ６０−Ａ６１、Ａ６２−Ａ６３、Ａ６４−Ａ６５は、逆方向配線のコイルパターンになっている。第４の送電コイルパターンでは、中心領域でコイルパターンがジグザグに配置されているので、第１のコイルパターンと同様、中心領域において隣接する配線でコイルを流れる電流の方向が逆になっている。そのため、このコイルパターン配線を用いても、第１のコイルパターンと同様の効果が得られる。

図１７は第５の送電コイルパターンを示している。第５の送電コイルパターンは、Ａ７１を始点とし、Ａ８６が終点になっている。Ａ７１とＡ８６間に通電して磁界を発生させている。図１６に似て、送電コイルパターンの中心領域はジグザグに配線したパターンを有している。Ａ７３−Ａ７４、Ａ７５−Ａ７６、Ａ７７−Ａ７８、Ａ７９−Ａ８０、Ａ８１−Ａ８２、Ａ８３−Ａ８４、Ａ８５−Ａ８６は、順方向配線のコイルパターンになっている。Ａ７２−Ａ７３、Ａ７４−Ａ７５、Ａ７６−Ａ７７、Ａ７８−Ａ７９、Ａ８０−Ａ８１、Ａ８２−Ａ８３、Ａ８４−Ａ８５は、逆方向配線のコイルパターンになっている。第５の送電コイルパターンでも、中心領域でコイルパターンがジグザグに配置されているので、第１のコイルパターンと同様、中心領域において隣接する配線でコイルを流れる電流の方向が逆になっている。そのため、このコイルパターン配線を用いても、第１のコイルパターンと同様の効果が得られる。

図１８は第６の送電コイルパターンを示している。第６の送電コイルパターンは、Ａ９０を始点とし、Ａ９１が終点になっている。中心領域では略星形にコイルパターンが配置されている。Ａ９３−Ａ９４、Ａ９５−Ａ９６、Ａ９７−Ａ９８、Ａ９９−Ａ１００、Ａ１０１−Ａ１０２、Ａ１０３−Ａ１０４、Ａ１０５−Ａ１０６は、順方向配線のコイルパターンになっている。Ａ９２−Ａ９３、Ａ９４−Ａ９５、Ａ９６−Ａ９７、Ａ９８−Ａ９９、Ａ１００−Ａ１０１、Ａ１０２−Ａ１０３、Ａ１０４−Ａ１０５、Ａ１０６−Ａ９１は、逆方向配線のコイルパターンになっている。このコイルパターン配線を用いても、中心領域で順方向配線と逆方向配線の合成磁束とすることができ、第１のコイルパターンと同じように中心領域において、磁束が抑制された効果が得られる。

図１９は第７の送電コイルパターンを示している。第７の送電コイルパターンは、Ａ１１０を始点とし、Ａ１１２が終点になっている。Ａ１１０、Ａ１１２間に通電して送電用の磁束を発生させている。中心領域では円形にコイルパターンが配置され、Ａ１１１を境に、順方向配線コイルパターンと逆方向配線コイルパターンが形成されている。このコイルパターン配線を用いても、中心領域で順方向配線と逆方向配線の合成磁束とすることができ、第１のコイルパターンと同じように磁束抑制効果が得られる。中心領域のコイルパターンは円形に限らず、多角形（六角形、八角形など）にすることも可能である。

尚、第１の実施形態で示したコイルの寸法は、一例として示したに過ぎず、それらの数値に限定するものではない。また領域１８の送電コイル全体に占める割合は約３０％と述べたが、３０％に限定するものではなく、３０％〜7０％程度の範囲でも同様の効果を得ることができる。また領域１８の順方向配線と逆方向配線のコイルパターン幅を３ｍｍと述べたが、３ｍｍに限定するものではなく、たとえば０．１ｍｍ〜５ｍｍ程度の範囲でも同様の効果が得ることができる。また領域１８の隣接する順方向配線のコイルパターンと逆方向配線のコイルパターンとの間隙を３ｍｍと述べたが、３ｍｍに限定するものではなく、たとえば０．１ｍｍ〜５ｍｍ程度の範囲でも同様の効果が得ることができる。

（第２の実施形態）

図２０を参照して第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、送電装置１０の送電コイル１３は順方向配線パターンのみで形成され、受電装置２０の受電コイル２２は順方向配線パターンに、順方向配線と逆方向配線パターンの組合せを加えた構成である。言い換えれば、受電コイル２２は、プリント基板上に形成されたコイルパターン２２１で成り、その中心部の領域２８は、順方向配線パターンと逆方向配線パターンによる領域となっている。コイルパターン２２１は、領域２８の周辺部に、順方向配線パターンが外縁部から数ターン形成されている。なお、図２０の受電コイル２２として、図４、図１４乃至図１９の送電コイルパターンと同様なコイルパターンを適用することができる。

コイルパターン１３１で成る送電コイル１３は、外形が領域２８の大きさにほぼ等しいか、あるいは領域２８よりも小さい大きさで、プリント基板上に形成されている。送電コイル１３は、筐体１５内の上面に沿って設けられ、受電コイル２２は筐体２６内の下面に沿って設けられる。送電コイル１３から受電コイル２２に非接触で電力を伝送するために、できるだけ送電コイル１３と受電コイル２２が近接するように配置されている。

第２の実施形態にあっても、第１の実施形態で示すように、送電コイル１３と受電コイル２２間の距離が変動しても、結合係数ｋが変動しにくい構成となっている。

第１第２実施形態における受電装置２０は、例えばバッテリー装置、アダプタ、端末本体に適用できる。バッテリー装置の場合は、装置にコイル２２と整流回路２４を設け、さらに負荷回路２５として充電回路とバッテリーを設けて一体化した構成になる。そのバッテリー装置を充電台（送電装置１０）に置くことでバッテリーを充電することができる。アダプタの場合は、コイルと整流回路とを一体化してアダプタとし、端末本体とアダプタとを接続するような使い方となる。また、受電装置２０が端末本体である場合は、端末の内部にコイルと整流回路を設けて端末と一体化するような場合である。端末は、携帯電話やスマートフォン、ハンディターミナル、モバイルプリンタ、タブレット、ノートパソコン等である。

以上述べた実施形態によれば、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の変動を抑えることができ、インピーダンス制御が不要で、電力伝送効率を高く維持できる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。

１０…送電装置
１１…交流電源
１３…送電コイル
１３１，２２１…コイルパターン
１４、２３…共振素子
１５、２６…筐体
１７、２７…基板
１８、２８…中心部の領域
２０…受電装置
２２…受電コイル
２４…整流回路

Claims (5)

1. 送電コイルと、前記送電コイルを含む共振素子に交流電力を供給する交流電源を含む送電装置と、
   磁界結合により非接触で電力を受電する受電コイルと、前記受電コイルを含む共振素子に誘起する交流電力を整流する整流回路を含む送電装置と、を有し、
   前記送電コイル又は受電コイルの一方は、中心部に順方向伝送線路と逆方向伝送線路とが交互に配置された第１領域と、前記第１の領域を囲み、前記第１領域の順方向線路に電気的に接続される順方向線路が設けられた第２の領域とを有する第１の平面状のコイルパターンを備え、
   前記送電コイル又は受電コイルの他方は、前記第１領域に対向して配される平面状の第２のコイルパターンを備えている電力伝送装置。
2. 前記第１の領域に設けられた順方向伝送線路と逆方向伝送線路は平行に配置されている請求項１記載の電力伝送装置。
3. 前記第２のコイルパターンの大きさは、前記第１領域の大きさより小さい請求項１または請求項２記載の電力伝送装置。
4. 前記第１領域の面積は、前記第１のコイルパターンの外形面積の３０〜7０％である請求項１乃至３のいずれか１に記載の電力伝送装置。
5. 中心部に順方向伝送線路と逆方向伝送線路とが交互に配置された第１領域と、前記第１の領域を囲み、前記第１領域の順方向線路に電気的に接続される順方向線路が設けられた第２の領域とを有する平面状のコイルパターンを備える送電コイルと、
   前記送電コイルを含む共振素子に交流電力を供給する交流電源と、を有する受電装置に対して磁界結合により非接触で電力を伝送する送電装置。

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