非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法
【課題】送電コイルに対して受電コイルが適切に配置されていない場合であっても、受電装置内に調整回路を設けることなく効率的な電力伝送を可能とする。
【解決手段】送電コイル４ａ及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置１と、受電コイル４ｂ及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置２とを備えた非接触電力伝送装置。補助コイル１１及び共振容量１１により構成された補助共振器を有する送電補助装置９を更に備え、送電補助装置と送電装置を互いに対向させて配置した状態で、送電コイルと補助コイルの間に、受電コイルを配置するための受電空間１５が形成される。
【解決手段】送電コイル４ａ及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置１と、受電コイル４ｂ及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置２とを備えた非接触電力伝送装置。補助コイル１１及び共振容量１１により構成された補助共振器を有する送電補助装置９を更に備え、送電補助装置と送電装置を互いに対向させて配置した状態で、送電コイルと補助コイルの間に、受電コイルを配置するための受電空間１５が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電装置に具備された送電コイルと受電装置に具備された受電コイルを介して、非接触（ワイヤレス）で電力の伝送を行う非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導（数１００ｋＨｚ）による電磁誘導型、電界または磁界共鳴を介したＬＣ共振間伝送による電界・磁界共鳴型、電波（数ＧＨｚ）によるマイクロ波送電型、あるいは可視光領域の電磁波（光）によるレーザ送電型が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導型である。これは簡易な回路（トランス方式）で実現可能であるなどの優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。
【０００３】
そこで、最近になって近距離伝送（〜２ｍ）が可能な電界・磁界共鳴型の電力伝送が注目を浴びてきた。このうち、電界共鳴型の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。この点から磁界共鳴型に対する注目度が上昇してきている。
【０００４】
図１７は、従来の磁界共鳴を利用した電力伝送装置の構成例の概略を示した正面図である。送電装置１は、ループコイル３ａと送電コイル４ａ（送電用共鳴コイルとして動作）を組み合わせた送電コイルユニットを備えている。受電装置２は、ループコイル３ｂと受電コイル４ｂ（受電用共鳴コイルとして動作）を組み合わせた受電コイルユニットを備えている。送電装置１のループコイル３ａには高周波電力ドライバー５が接続され、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）６の電力を送電可能な高周波電力に変換して供給する。受電装置２のループコイル３ｂには、整流器７を介して負荷として例えば充電池８が接続されている。
【０００５】
ループコイル３ａは、高周波電力ドライバー５から供給される電気信号により励起され、電磁誘導により送電コイル４ａに電気信号を伝送する誘電素子である。送電コイル４ａはループコイル３ａから出力された電気信号に基づいて磁界を発生させる。この送電コイル４ａは、共振周波数ｆ０＝１／｛２π（ＬＣ）1/2｝（Ｌは送電側の送電コイル４ａのインダクタンスで、Ｃは浮遊容量を示す）において磁界強度が最大となる。送電コイル４ａに供給された電力は、磁界共鳴により受電コイル４ｂに非接触で伝送される。伝送された電力は、受電コイル４ｂから電磁誘導によりループコイル３ｂへ伝送され、整流器７により整流されて充電池８に供給される。この場合、送電コイル４ａと受電コイル４ｂの共振周波数は同一に設定される。
【０００６】
また、このような電磁誘導型や磁界共鳴型により非接触で電力を送受電する場合、送電コイルユニットに対して受電コイルユニットが適切に配置されていないと、効率良く電力を伝送することができない場合が多い。特に、携帯機器に受電装置２により充電される２次電池が搭載される場合には、受電コイルユニットと２次電池パックとの間に、電磁波の影響を少なくする為のシールド材（電波吸収体含む）が挿入されていることが多い。このようなケースでは、携帯型の受電コイルユニットの裏表を間違って置いた時には、送電コイルユニットと受電コイルユニットとの間にシールド材が介在することになり、伝送効率が大幅に低下し電力伝送が困難になる。
【０００７】
そこで、特許文献１には、電力を供給する送電コイルユニットに対して、受電コイルユニットの受電に適する面が正しく対向しているか否かを検出する表裏検出部（磁気センサ使用）を設け、対向していない場合には使用者に通知するようにした充電システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２０７０１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の技術においては、電力を供給する送電装置に対して受電装置の受電に適する面が正しく対向していない場合には、音などで使用者に通知するだけで、最終的には使用者が正しい位置に直す必要があり、操作が煩雑となっていた。しかも、特許文献１の技術では、受電装置側に磁気センサーを設けて表裏の判断をするため、受電装置の形状が小さい場合（耳入れタイプの補聴器など）には、受電装置内には充電機能以外の機能を付加することは困難である。
【００１０】
また、送電コイルユニットに対して受電コイルユニットが小さい場合には、電力伝送効率低下、電力伝送可能距離の低下などが生じる。更に、送電コイルユニットと受電コイルユニット間の距離などの状態変化により結合係数などが変化した場合にも、共振周波数を合わせるために受電装置内に調整回路を設けることが望ましいが、上述のとおり、受電装置内に充電機能以外の機能を付加することは困難である。
【００１１】
本発明は、このような従来技術における問題点を解決するものであり、送電装置に対して受電装置の受電に適する面が適正に対向していない等、送電コイルユニットに対して受電コイルユニットが適切に配置されていない場合であっても、受電装置内に調整回路を設けることなく効率的な電力伝送を可能とする非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、送電コイルユニットに対して受電コイルユニットの大きさが小さい場合においても、電力伝送効率の低下、電力伝送可能距離の低下などを抑制することが可能な非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の非接触電力伝送装置は、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送するように構成される。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送装置は、補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に備え、前記送電補助装置と前記送電装置を互いに対向させて配置した状態で、前記送電コイルと前記補助コイルの間に、前記受電コイルを配置するための受電空間が形成されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の非接触電力伝送方法は、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを用い、前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する方法であって、補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に用い、前記送電補助装置を前記送電装置と対向させて配置して、前記送電コイルと前記補助コイルの間に受電空間を形成し、前記受電空間内に前記受電コイルを配置して電力伝送を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、送電コイルと補助コイルの間に形成された受電空間に受電コイルを配置する構成により、受電装置に共振周波数を調整する手段を要することなく、送電装置と受電装置間の電力伝送効率の距離に対する依存性が、長い距離範囲に亘って平坦となり、電力伝送可能距離を拡大することができる。
【００１７】
従って、送電装置に対して受電装置の受電に適する面が適正に対向していない等、送電コイルに対して受電コイルが適切に配置されていない場合であっても、効率的な電力伝送が可能である。また、送電コイルに対して受電コイルの大きさが小さい場合においても、電力伝送効率の低下、電力伝送可能距離の低下などを抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態１における非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図
【図２】同非接触電力伝送装置における受電装置の構成を示す模式断面図
【図３Ａ】同非接触電力伝送装置の送電側共振系のＶＮＡ測定時における各要素の配置を示す模式断面図
【図３Ｂ】図３Ａの配置で測定した送電側共振系の共振周波数の、補助共振器の共振周波数ｆ３に対する依存性を示すグラフ
【図３Ｃ】図３Ａの配置で行った、補助共振器の共振周波数ｆ３の３つの値に対するＶＮＡ測定の出力波形図
【図４Ａ】同非接触電力伝送装置のＶＮＡ測定時における各要素の配置を示す模式断面図
【図４Ｂ】図４Ａの配置で測定した電力伝送効率の共振周波数ｆ３に対する依存性を示すグラフ
【図５】同非接触電力伝送装置における送電共振器、受電共振器、及び補助共振器の共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の関係の設定例に対する、送電側共振系の共振周波数ｆｔＬ、ｆｔＨの関係を示す図
【図６】共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の関係の他の設定例に対する、送電側共振系の共振周波数ｆｔＬ、ｆｔＨの関係を示す図
【図７Ａ】送電コイルと受電コイル間の距離に対する電力伝送効率の依存性の、受電装置の姿勢の相違に応じた変化を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図７Ｂ】図７Ａの配置に補助コイルを加えた配置を示す模式断面図
【図７Ｃ】図７Ａ及び図７Ｂの配置での、電力伝送効率の送受電コイル間の距離に対する依存性を示すグラフ
【図８Ａ】受電装置の図７Ａとは異なる姿勢での電力伝送効率の、送受電コイル間の距離に対する依存性を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図８Ｂ】図８Ａの配置に補助コイルを加えた配置を示す模式断面図
【図８Ｃ】図８Ａ及び図８Ｂの配置での電力伝送効率の、送受電コイル間の距離Ｘに対する依存性を示すグラフ
【図９Ａ】送受電コイル間の電力伝送効率の、送電コイルと受電コイルの径方向のずれの距離に対する依存性を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図９Ｂ】図９Ａの配置での電力伝送効率の、送受電コイルの径方向距離Ｒに対する依存性を示すグラフ
【図１０Ａ】共振周波数ｆ３に対する電力伝送効率の依存性の、送受電コイル間の距離に応じた変化を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図１０Ｂ】図１０Ａの配置での、送受電コイル間の距離Ｘに応じた共振周波数ｆ３に対する電力伝送効率の依存性の変化を示すグラフ
【図１１Ａ】実際の受電装置での受電電力の、共振周波数ｆ３に対する依存性を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図１１Ｂ】図１１Ａの配置での受電電力の、送受電コイル間の距離Ｘに応じた共振周波数ｆ３に対する依存性の変化を示すグラフ
【図１２Ａ】送受電コイル間の距離に対する受電電力の依存性を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図１２Ｂ】図１２Ａの配置で共振周波数ｆ３＝１４ＭＨｚとしたときの、受電電力の送受電コイル間の距離に対する依存性を示すグラフ
【図１３Ａ】通常とは異なる受電装置の姿勢での受電電力の、送受電コイル間の距離に対する依存性を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図１３Ｂ】図１３Ａの配置で共振周波数ｆ３＝１４ＭＨｚとしたときの受電電力の、送受電コイル間の距離に対する依存性を示すグラフ
【図１４Ａ】実際の受電装置での受電電力に対する、送電コイルと受電コイルの径方向のずれ量の影響を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図１４Ｂ】図１３Ａの配置での、送受電コイル４ａ、４ｂ間の距離Ｘに応じた受電電力の径方向距離Ｒに対する依存性の変化を示すグラフ
【図１５】実施の形態２における非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図
【図１６】実施の形態３における非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図
【図１７】従来技術における非接触電力伝送装置の構成を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、上記構成を基本として、以下のような態様を採ることができる。
【００２０】
すなわち、上記構成の非接触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間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送するように構成することができる。
【００２１】
また、前記送電共振器と前記補助共振器が構成する送電側共振系の共振周波数ｆｔが、前記受電共振器の共振周波数ｆ２と一致するように、前記補助共振器の共振周波数ｆ３が設定されていることが好ましい。
【００２２】
また前記送電補助装置の前記共振容量として調整用可変コンデンサを設け、前記調整用可変コンデンサを調整することにより前記補助共振器の共振周波数ｆ３が設定される構成とすることができる。
【００２３】
また、前記送電コイルの直径ｄ１と、受電コイルの直径ｄ２と、補助コイルの直径ｄ３が、ｄ１＞ｄ２、かつｄ２＜ｄ３の関係を満足することが好ましい。この関係を保っていれば電力伝送可能距離の増大等の効果が得られる。特に、ｄ１＝ｄ３、かつｄ１＞ｄ２の関係を満足することが好ましい。それにより、伝送効率特性（受電可能範囲の拡大など）の向上について大きな効果が得られる。もちろん、円形のコイルに限らず、四角形のコイル等をそれぞれ配置した形態でも、同様の効果は得られる。
【００２４】
また、前記送電コイルの中心軸と、前記補助コイルの中心軸と、前記受電コイルの中心軸が、同一軸上にあることが好ましい。
【００２５】
また、前記送電共振器の共振周波数ｆ１と、前記受電共振器の共振周波数ｆ２と、前記補助共振器の共振周波数ｆ３が、ｆ１＝ｆ２＜ｆ３、またはｆ３＜ｆ１＝ｆ２の関係になるように設定された構成とすることができる。
【００２６】
また、前記送電共振器の共振周波数ｆ１と、前記受電共振器の共振周波数ｆ２と、前記補助共振器の共振周波数ｆ３が、ｆ２＜ｆ１＝ｆ３、またはｆ１＝ｆ３＜ｆ２の関係になるように設定された構成とすることができる。
【００２７】
また、前記送電装置及び前記送電補助装置を保持し、前記送電装置と前記送電補助装置の相互の位置関係を、前記受電空間が形成されるように設定することが可能な筐体を備え、前記受電装置を前記受電空間に対して着脱可能に装着することが可能であり、前記筐体に前記送電装置から前記受電装置への電力伝送状態を維持するためのインターロック機能を備え、電力伝送時には、前記送電コイルと前記受電コイルの周囲が電磁シールドされた状態になるように前記インターロック機能により維持されている構成とすることができる。
【００２８】
この構成において、前記筐体に開閉自在の蓋を備え、前記筐体の蓋が閉まった状態で、前記送電コイルから前記受電コイルへ電力伝送を行うように構成することができる。
【００２９】
上記構成の非接触電力伝送方法において、前記補助共振器を構成する共振容量として可変容量を用い、前記受電空間内に前記受電コイルを配置して前記可変容量を調整することにより、電力伝送の効率を調整することができる。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３１】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１における磁界共鳴型の非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図である。なお、図１７に示した従来例の非接触電力伝送装置と同様の要素については、同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを簡略化する。
【００３２】
この非接触電力伝送装置は、従来例の送電装置１と受電装置２に送電補助装置９を加えて構成され、送電装置１と送電補助装置９の間の空間に受電装置２が配置された状態で非接触電力伝送を行うように構成されている。送電装置１は、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）の電力を送電可能な高周波電力に変換して電力を伝送し、受電装置２は電力を受け取る。送電補助装置９は、電力伝送時における、送電装置１に関わる共振系の共振周波数を、受電装置２の共振系の共振周波数に対して、適切な関係に設定する機能を有する。
【００３３】
送電装置１は、送電用のループコイル３ａと送電コイル４ａが組合わされた送電コイルユニット、及び交流電源（ＡＣ１００Ｖ）６の電力を送電可能な高周波電力に変換する高周波電力ドライバー５を備えている。場合によっては、送電用のループコイル３ａは無くても良い。なお、本発明は、磁界共鳴に限らず、電磁誘導等による電力伝送装置にも適用可能であり、送電コイル４ａ及び後述の受電コイル４ｂは、電力伝送の方式に適合させたものが用いられる。
【００３４】
送電コイル４ａには共振容量１０が接続されて、送電共振器を構成している。共振容量１０としては、回路素子として可変コンデンサあるいは固定コンデンサを接続してもよいし、浮遊容量を利用した構成としてもよい。従って、以下の図では、共振容量１０の図示を省略する。なお、以下の記載においては、送電共振器の単独での共振周波数ｆ１を、図示との関係が判り易いように「送電装置１の共振周波数ｆ１」と記述する。
【００３５】
送電補助装置９は、補助コイル１１と共振容量としての調整用コンデンサ１２を有し、両要素により補助共振器が構成されている。なお、以下の記載においては、補助共振器の単独での共振周波数ｆ３を、図示との関係が判り易いように「送電補助装置９の共振周波数ｆ３」と記述する。調整用コンデンサ１２は、容量値が後述のように設定された固定コンデンサを用いても、あるいは可変コンデンサを用いて常に再調整可能としてもよい。
【００３６】
また図示は省略されているが、必要に応じて送電コイル４ａの反射電力、共振周波数、流れる電流、あるいは電圧などをモニターする手段や、送電装置１、受電装置２及び送電補助装置９の相互間で情報のやり取りをするための回路等を含むことができる。そのような構成を採用する場合は、調整用コンデンサ１２を可変コンデンサとし、容量値を自動的に制御可能とすることもできる。
【００３７】
受電装置２には、図２に示すように、受電コイル４ｂとループコイル３ｂが組合わされた受電コイルユニットが配置されている。ループコイル３ｂで得られた電力は、少なくとも整流回路７を経由して充電池８に蓄えられる。受電コイル４ｂには共振容量１３が接続されて、受電共振器を構成している。共振容量１３としては、回路素子として可変コンデンサあるいは固定コンデンサを接続してもよいし、浮遊容量を利用した構成としてもよい。従って、以下の図では、共振容量１３の図示を省略する。なお、以下の記載においては、受電共振器の単独での共振周波数ｆ２を、図示との関係が判り易いように「受電装置２の共振周波数ｆ２」と記述する。
【００３８】
充電池８として小型電池（コイン電池など）を用いた場合には、ループコイル３ｂと充電池８を重ね合わせて設置面積を小さくするのが好ましい(例えば、コイルオン電池など)。この場合、ループコイル３ｂから充電池８に磁束が漏れて渦電流が発生し損失（渦電流損）となるので、このループコイル３ｂと充電池８の間に、伝送時の共振周波数において高透磁率を有する電波吸収体１４を配置することが望ましい。この場合、トータルの厚さを薄くするために、電波吸収体１４を挟んでループコイル３ｂと充電池８とを密着させても良い。
【００３９】
図１に示したように、送電補助装置９と送電装置１を対向させて配置することにより、送電コイル４ａと補助コイル１１の間に受電空間１５が形成され、その受電空間１５に受電コイル４ｂを含む受電装置２が配置される。
【００４０】
本実施の形態では、送電装置１におけるループコイル３ａと送電コイル４ａは、図１７に示したものと機能は同じであるが、薄型化のために、直径１ｍｍ程度のＣｕコイル（被覆あり）を同一平面上にスパイラル状に巻いた平面コイルを用いる。更に、受電装置２におけるループコイル３ｂと受電コイル４ｂは、図１７に示したものと機能は同じであるが、小型化のために、厚さ０．４ｍｍの薄型プリント基板に、厚さ７０μｍ程度のＣｕ箔を同一平面上にスパイラル状に形成した薄膜コイルにより構成する。更に、基板の厚さを薄くするために、基板の両面に受電用のループコイル３ｂと受電コイル４ｂをそれぞれ別に形成しても良い。
【００４１】
本実施の形態の非接触電力伝送装置の特徴である送電補助装置９の機能について、より詳細に説明する。上記構成によれば、送電コイル４ａと補助コイル１１の結合により、送電コイル４ａを含む送電共振器と補助コイル１１を含む補助共振器による共振系が構成され、以下の記載では、これを送電側共振系と称する。また、送電側共振系の共振周波数をｆｔと記述する。
【００４２】
本実施の形態における非接触電力伝送装置の図１に示した構成によれば、送電補助装置９が無い場合に比べて、後述するように、電力伝送可能距離を拡大させるなどの効果が得られる。これは、送電コイル４ａに対して補助コイル１１を対向配置することにより、送電コイル４ａからの磁束の到達距離が長くなるためと思われる。これにより、送電装置１に対して受電装置２の受電に適する面が適正に対向していない等、送電コイル４ａに対して受電コイル４ｂが適切に配置されていない場合であっても、受電装置２内に調整回路を設けることなく効率的な電力伝送が可能となる。
【００４３】
一方、図１に示したような構成においては、送電装置１の共振周波数は、補助コイル１１の磁気的な影響を受けて、初期に設定した単独の共振周波数ｆ１とは異なっている。しかし、補助コイル１１に接続される調整用コンデンサ１２の容量値Ｃを調整して送電補助装置９の共振周波数ｆ３を適切に設定することにより、送電側共振系の共振周波数ｆｔを受電装置２の共振周波数ｆ２と一致させることができる。これにより、送電コイル４ａからの電力伝送効率を実用上十分な程度に維持して、電力伝送可能距離を拡大させるなどの効果が得られる。
【００４４】
調整用コンデンサ１２の容量値Ｃの設定は、共振周波数ｆｔが共振周波数ｆ２と一致するように行うことが望ましいが、完全に一致させなくとも相応の効果が得られる。すなわち、送電側共振系の共振周波数ｆｔのピークが、送電装置１の共振周波数ｆ１と比べて、受電装置２の共振周波数ｆ２に近づくように、送電補助装置９の共振周波数ｆ３を設定すればよい。このような調整による効果を十分に得るためには、送電補助装置９を構成する補助コイル１１は、送電コイル４ａの直径とほぼ同じとし、両者のコイルの中心軸もほぼ同軸に配置することが望ましい。
【００４５】
但し、電力伝送可能距離の増大等の効果は、送電コイル４ａの直径をｄ１、受電コイル４ｂの直径をｄ２、補助コイル１１の直径をｄ３としたとき、ｄ１＞ｄ２、かつｄ２＜ｄ３の関係を満足すれば、相応に得られる。これは、送電コイル４ａの直径ｄ１が受電コイル４ｂの直径ｄ２よりも大きければ、補助コイル１１との間の磁束を利用することができ、また、補助コイル１１の直径ｄ３が受電コイル４ｂの直径ｄ２よりも大きければ、送電コイル４ａとの間の磁束を利用することができるためである。
【００４６】
ここで、補助コイル１１の影響を調べる為に、微小電力によるＶＮＡ（ベクトルネットワークアナライザ）測定を行った結果について説明する。送電装置１の共振周波数ｆ１、受電装置２の共振周波数ｆ２は、共振容量として設けられた固定コンデンサの容量値により設定した。具体的には、ｆ１＝ｆ２＝１２.１ＭＨｚとした。
【００４７】
先ず、送電補助装置９の共振周波数ｆ３を変化させたときの、送電側共振系の共振周波数の変化を調べた結果を示す。図３Ａに、各コイルの配置の一例を示す。すなわち、送電コイル４ａと補助コイル１１を対向させて３０ｍｍ長さの受電空間を形成するように配置し、ループコイル３ａにＶＮＡ１６を接続した。また、補助コイル１１には調整用コンデンサ１２として調整用可変コンデンサ１２ａを接続し、共振周波数ｆ３を可変とした。
【００４８】
この配置におけるＶＮＡ測定結果を図３Ｂに示す。図３Ｂは、横軸に送電補助装置９の共振周波数ｆ３をとり、縦軸にＶＮＡ測定時における送電側共振系の共振周波数ｆｔの値をプロットしたものである。また、共振周波数ｆ３が、９ＭＨｚ、１２．１ＭＨｚ及び１６ＭＨｚの場合におけるＶＮＡ測定の出力波形図を図３Ｃに示す。
【００４９】
例えば、ｆ３をｆ１と同じ共振周波数（１２.１ＭＨｚ）に調整した場合には、図３Ｃ（ｂ）の波形図に示すように、１２.１ＭＨｚを中心にして二つの共振周波数が現れる（密結合）。左の低周波側の共振周波数をｆｔＬ、右の高周波側の共振周波数をｆｔＨと記述する。図３Ｂには、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する特性線と、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する特性線が記載されている。
【００５０】
送電補助装置９の共振周波数ｆ３を９ＭＨzから２０ＭＨｚまで変化させていくと、低周波側の共振周波数ｆｔＬは徐々に高周波側へシフトして、最終的にはｆ１やｆ２と同じ１２.１ＭＨｚに近づいていき、図３Ｃ（ｃ）に示すように、信号も大きくなってくる。高周波側の共振周波数ｆｔＨも段々と高周波側へシフトしていくものの、低周波側の共振周波数ｆｔＬとの差が大きくなっていき、信号も小さくなりゼロに近づいていく。
【００５１】
一方、共振周波数ｆ３を低周波側へ変化させていくと、高周波側の共振周波数ｆｔＨが徐々に低周波側へシフトして、最終的にはｆ１と同じ１２.１ＭＨｚに近づいてゆく。但し、信号は低周波側の共振周波数ｆｔＬの場合に比べると、図３Ｃ（ａ）に示すように、あまり大きくはならない。低周波側の共振周波数ｆｔＬも段々と低周波側へシフトしてゆき、高周波側の共振周波数ｆｔＨとの差が大きくなっていき、信号も小さくなりゼロに近づいていく。
【００５２】
次に、各コイルを図４Ａに示すように配置して、送電補助装置９の共振周波数ｆ３を変化させたときの電力伝送効率の変化を調べた結果を示す。図４Ａの配置は、図３Ａの配置における送電コイル４ａと補助コイル１１の間の受電空間中に、受電コイル４ｂとループコイル３ｂを配置したものである。ループコイル３ａ、３ｂにＶＮＡ１６を接続した。なお、ここで言う電力伝送効率とは、送電コイル４ａと受電コイル４ｂ間での数値であり、回路などの効率は含まない。
【００５３】
この配置におけるＶＮＡ測定結果を図４Ｂに示す。図４Ｂにも、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する特性線と、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する特性線が記載されている。図４Ｂから判るように、例えば、ｆ１＝ｆ２＝ｆ３＝１２.１ＭＨｚの場合（矢印で示す）には、電力伝送効率は約４４％と小さい。ｆ３をこれよりも大きくしていくと、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する電力伝送効率が大きくなっていく。ｆ３＝１６ＭＨｚの場合には約６４％の電力伝送効率が得られる。
【００５４】
以上のように、送電補助装置９の共振周波数ｆ３をｆ１及びｆ２よりも大きくすることにより、電力伝送時の共振周波数ｆｔを共振周波数ｆ２に近づけることができ、それにより、その時の電力伝送効率も大きくできる。
【００５５】
一方、共振周波数ｆ３を低周波側へ変化させていくと、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する電力伝送効率が大きくなっていく。ｆ３＝５ＭＨｚの場合には約４６％の電力伝送効率が得られる。但し、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する電力伝送効率の最大領域に比べると、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する電力伝送効率の最大領域における値は小さい。
【００５６】
図５及び図６は、共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の関係の設定例に対する、送電側共振系の共振周波数ｆｔの関係を示す図である。
【００５７】
図５は、ｆ１＝ｆ２に設定する場合を示す。この場合は、（ａ）に示すようにｆ１＞ｆ３の範囲でｆ３を適切に設定することにより、ｆｔＨをｆ２に一致させ、あるいは十分に近接させることができる。ｆｔＨをｆ２に十分に近接させるとは、図４Ｂに示したように、共振周波数ｆｔがｆ２に一致している場合と実用上同等の電力伝送効率が得られる程度まで、共振周波数ｆｔがｆ２に近接している状態にすることを意味する。なお、以下の記載において、共振周波数ｆｔがｆ２に一致しているとは、共振周波数ｆｔがｆ２に十分に近接している場合も含むものとする。図５（ｂ）は、上述のように、ｆ１＝ｆ２＝ｆ３に設定することにより、ｆｔがｆ２に一致しない場合を示す。また、（ｃ）に示すようにｆ１＜ｆ３の範囲でｆ３を適切に設定することにより、ｆｔＬをｆ２に一致させることができる（上述の例）。
【００５８】
図６は、ｆ１＝ｆ３に設定する場合を示す。ここで、ｆ１＝ｆ３＞ｆ２の範囲においては、送電用共振コイル４ａと補助コイル１１との距離を適切に設定することにより、ｆｔＬをｆ２に一致させることができる。あるいは、図示しないが、ｆ１＝ｆ３＜ｆ２の範囲においても、送電用共振コイル４ａと補助コイル１１との距離を適切に設定することにより、ｆｔＨをｆ２に一致させることができる。
【００５９】
以上のように、送電補助装置９の共振周波数ｆ３が受電装置２の共振周波数ｆ２と異なっていれば（ｆ３≠ｆ２）、送電側共振系の共振周波数ｆｔをｆ２に一致させる相応の効果が得られる。但し、ｆ３＞ｆ２の関係を満足することが好ましい。
【００６０】
次に、送電装置１に対して、受電装置２である例えば携帯型受電装置の裏表を間違って配置した場合の、本実施の形態による効果について調べた結果について説明する。携帯型受電装置の裏表を間違って置いた場合の特性を調べるために、図７Ａ、図７Ｂに示すように、送電コイル４ａに近い側に受電コイル４ｂを配置した場合と、図８Ａ、図８Ｂに示すように、送電コイル４ａに近い側に充電池８を配置した場合とについてＶＮＡ測定を行った。比較の為に、補助コイル１１が無い従来と同じ構成（図７Ａ、図８Ａ）の場合と、補助コイル１１を設けた実施例の構成（図７Ｂ、図８Ｂ）について測定を行った。
【００６１】
ＶＮＡ測定では、対向配置した送電コイル４ａと補助コイル１１の中心軸における相互間の距離を３０ｍｍで固定とし、両者のコイル間に受電装置２を配置して、送電コイル４ａと受電コイル４ｂの間の距離Ｘを変化させて、コイル間の電力伝送効率を調べた。送電コイル４ａと補助コイル１１の直径は約７０ｍｍ、受電コイル４ｂの直径は約２０ｍｍとした（両コイル４ａ、１１の直径は、以降の他の実験でも同様である）。電力伝送時の送電側共振系の共振周波数ｆｔＬ及び受電側の共振周波数ｆ２が１２.１ＭＨｚになるように、補助コイル１１に取り付けた調整用可変コンデンサ１２ａを調整した。
【００６２】
図７Ｃは、受電コイル４ｂが送電コイル４ａ側に配置された場合における、送電コイル４ａと受電コイル４ｂの中心軸における相互間の距離に対する電力伝送効率の依存性を示す。補助コイル１１が無い従来配置の場合（Ａ）では、受電コイル４ｂの位置が送電コイル４ａから遠くなるほど電力伝送効率が低下し、中心での共鳴コイル間距離（Ｘ）がＸ＝２５ｍｍでは、Ｘ＝５ｍｍに対して伝送効率が約１０％も低下している。それに比べて、補助コイル１１を設けた本実施の形態の構成（Ｂ）ではＸ＝２５ｍｍでも２〜３％の低下に留まっている。
【００６３】
図８Ｃは、充電池８が送電コイル４ａ側に配置された場合における、送電コイル４ａと充電池８の中心軸における相互間の距離Ｘに対する電力伝送効率の依存性を示す。補助コイル１１が無い従来配置の場合（Ａ）では、距離が近いＸ＝５ｍｍにおいても充電池８の影響を受け電力伝送効率が約数％と低い。更に充電池８の位置が送電コイル４ａから遠ざかると電力伝送効率が大幅に低下し、Ｘ＝２５ｍｍではＸ＝５ｍｍの値に比べて約３０％も低下している。それに比べて補助コイル１１を設けた本実施の形態の構成（Ｂ）では、Ｘ＝２５ｍｍでも５％以内の低下である。これは受電コイル４ｂが送電コイル４ａ及び補助コイル１１の直径よりも小さい為、対向配置した送電コイル４ａと補助コイル１１との間で磁束が流れやすく、結果的に電力伝送効率や電力伝送可能距離などの特性が従来配置構成に比べて向上したものと思われる。
【００６４】
ここで図７Ｃと図８Ｃに示す結果について注目すべき点は、補助コイル１１を設けて共振周波数を適合させることにより、送電コイル４ａに対する受電装置２の受電に適する面の配置に関わらず、ほぼ平坦な距離依存性を示すということである。すなわち、図７Ｃ（Ｂ）のように、受電コイル４ｂが送電コイル４ａ側に配置された場合、または図８Ｃ（Ｂ）のように、受電装置２の充電池８が送電コイル４ａ側に配置された場合のどちらにおいても、対向配置した送電コイル４ａと補助コイル１１との間の空間に受電装置２がある限り、ほぼ平坦な距離依存性を示す。
【００６５】
これによれば、従来の課題であった携帯型受電装置の裏表を間違って置いた場合においても、従来のように裏表を逆転させる操作を行うことなく、置いたそのままの状態で確実な電力伝送が可能である（片側伝送可能）。更に、受電装置２の後ろ側に送電補助装置９を配置し、電力伝送時における受電共振器の共振周波数ｆ２と送電側共振系の共振周波数ｆｔを合わせることにより、送電補助装置９が無い従来構成の場合に比べて、大幅に電力伝送可能距離を長くすることができる。
【００６６】
また、従来、磁界共鳴型を利用した非接触電力伝送装置においては、送電共振器の共振周波数を例えば１２.１ＭＨｚにした場合、受電共振器の共振周波数も１２.１ＭＨｚにする必要があった。しかし、受電装置２が小さい場合には、受電コイル４ｂの形状も小さくなり（Ｌが小さくなる）、結果として受電装置２側で電力伝送時の共振周波数に合わせること難しい場合がある。これに対して、本実施の形態では、送電補助装置９の調整用コンデンサを制御することにより、送電側共振系と受電共振器の共振周波数を合わせることが可能となる。従って、受電共振器の共振周波数と送電共振器の共振周波数を合わせる手段を、受電装置２に設けることが不要になるなど、本実施の形態は、受電装置２が小さい場合に特に有効となる。
【００６７】
次に、送電コイル４ａの中心軸と受電コイル４ｂの中心軸が径方向にずれた場合の、電力伝送効率の変化を測定した実験の結果について、図９Ａ、図９Ｂを参照して説明する。図９Ａは、実験に用いた各コイルの配置を示す。軸方向における配置は、図７Ｂの場合と同様であり、受電コイル４ｂが送電コイル４ａに近い側に配置されている。
【００６８】
送電コイル４ａと補助コイル１１の中心軸における相互間の距離を３０ｍｍ、送電コイル４ａと受電コイル４ｂの相互間の距離を１５ｍｍで固定とした。送電コイル４ａの中心軸と受電コイル４ｂの中心軸の間の径方向における距離Ｒを変化させて、送受電コイル４ａ、４ｂ間の電力伝送効率をＮＶＡ１６により測定した。
【００６９】
図９Ｂに、送受電コイル４ａ、４ｂ間の電力伝送効率の、送電コイル４ａと受電コイル４ｂの中心軸間の径方向距離Ｒに対する依存性を示す。この実験結果から、径方向距離Ｒが２０ｍｍ以下であれば、電力伝送効率が一定で高効率であることが判る。
【００７０】
次に、送受電コイル４ａ、４ｂ間の電力伝送効率の、送電補助装置９の共振周波数ｆ３に対する依存性を、送受電コイル４ａ、４ｂ間の距離を変化させて測定した結果について、図１０Ａ、図１０Ｂを参照して説明する。図１０Ａは、実験に用いた各コイルの配置を示す。基本的には図９Ａと同様の配置であるが、送電コイル４ａと補助コイル１１の距離を５０ｍｍと広くし、送電コイル４ａから受電コイル４ｂまでの距離Ｘを変化させて、電力伝送効率の共振周波数ｆ３に対する依存性を測定した。
【００７１】
図１０Ｂに、実験結果を示す。この結果から、距離Ｘの変化に伴う、電力伝送効率の共振周波数ｆ３に対する依存性の変化が、低周波側の共振周波数ｆｔＬと高周波側の共振周波数ｆｔＨの間では大きく異なることが判る。特に、共振周波数ｆｔＬの方が、距離Ｘの変化に伴う電力伝送効率の差が少なく、実用上好ましいことが判る。
【００７２】
次に、実際の受電装置における受電電力の、共振周波数ｆ３に対する依存性を測定した結果について、図１１Ａ、図１１Ｂを参照して説明する。図１１Ａは、実験に用いた電力伝送の各要素の配置を示す。各コイルの配置は、図１０Ａの場合と同様であるが、送電コイル４ａに高周波電力ドライバー５を接続し、ループコイル３ｂに整流回路７を接続した。また、送電コイル４ａと補助コイル１１の距離を５０ｍｍと広くし、送電コイル４ａから受電コイル４ｂまでの距離Ｘを変化させて、電力伝送を行い、整流回路７の出力電力を測定した。
【００７３】
図１１Ｂは、整流回路７の出力電力の、送受電コイル４ａ、４ｂ間の距離Ｘに応じた共振周波数ｆ３に対する依存性の変化を示す。この測定結果は、図１０Ｂに示したＶＮＡ１６による電力伝送効率の測定結果と同様の傾向を示している。図１１Ｂの特性線は、図１０Ｂに示した各々の距離Ｘでの共振周波数ｆ３に対する依存性の特性線において、電力伝送効率が最も高い箇所に対応している。この図から、すべての距離Ｘにおいて、受電電力が同等でかつ高い共振周波数ｆ３（＝１４ＭＨｚ）が存在することが判る。
【００７４】
共振周波数ｆ３をこのような特定の値に設定することにより、距離Ｘの変化に関わらず、常に高い受電電力を得ることが可能である。但し、この場合でも、高周波電力ドライバー５の共振周波数ｆ０が重要になってくる。すなわち、図５に示した設定の場合であれば、ｆ０＝ｆ１＝ｆ２≠ｆ３とすることが好ましく、より好ましくは、ｆ０＝ｆ１＝ｆ２＜ｆ３とする。また、図６に示した設定の場合であれば、ｆ０＝ｆ２＝ｆｔ≠ｆ１＝ｆ３とすることが好ましく、より好ましくは、ｆ０＝ｆ２＝ｆｔL＜ｆ１＝ｆ３とする。
【００７５】
次に、図１１Ａと同様の図１２Ａに示す配置での電力伝送について、共振周波数ｆ３＝１４ＭＨｚで一定としたときの、受電電力の送受電コイル４ａ、４ｂ間の距離Ｘに対する依存性を測定した結果について説明する。測定結果を示す図１２Ｂから判るように、この場合は、距離Ｘに関わらず、受電電力は略一定である（変化幅が１割以内）。すなわち、共振周波数ｆ３を、図１１Ｂの実験結果に示されるような特定の周波数に設定することにより、距離Ｘが変化しても常に一定の受電電力が得られる。
【００７６】
同様に、共振周波数ｆ３＝１４ＭＨｚで一定としたときの、受電電力の距離Ｘに対する依存性を、受電装置の姿勢を図１２Ａの場合とは異ならせて行った結果について、図１３Ａ、図１３Ｂを参照して説明する。すなわち、図１３Ａに示すように、充電池８を送電コイル４ａ側に配置し、送電コイル４ａと充電池８の中心軸における相互間の距離Ｘを変化させた。共振周波数ｆ３＝１４ＭＨｚで一定とし、受電電力の距離Ｘに対する依存性を測定した。測定結果を示す図１３Ｂから判るように、この場合も、距離Ｘに関わらず、受電電力は略一定である（変化幅が１割以内）。
【００７７】
次に、実際の受電装置における受電電力に対する、送電コイル４ａの中心軸と受電コイル４ｂの中心軸の間の径方向のずれ量の影響を測定した結果について、図１４Ａ、図１４Ｂを参照して説明する。測定に用いた図１４Ａに示す各要素の配置は、図１１Ａの配置と同様とである。送電コイル４ａと受電コイル４ｂの径方向における距離Ｒ、及び送受電コイル４ａ、４ｂ間の距離Ｘを変化させて測定を行った。
【００７８】
図１４Ｂに、送受電コイル４ａ、４ｂ間の距離Ｘに応じた、受電電力の径方向距離Ｒに対する依存性の変化を示す。この図から判るように、距離Ｘ＝５０ｍｍ以下、径方向距離Ｒ＝１５ｍｍ以下（直径３０ｍｍの範囲内）の領域では、一様な受電電力が得られる（変化幅が１割程度）。
【００７９】
＜実施の形態２＞
図１５は、実施の形態２における非接触電力伝送装置を示す断面図である。この非接触電力伝送装置は、化粧箱タイプ（オルゴール型とも言う）をした筐体１７と、開閉自在の蓋１８を備え、筐体１７の下側の内部に送電装置１が保持され、蓋１８に送電補助装置９が保持されている。送電装置１の上部に受電装置２を置く為の台座１９が設けられ、その台座１９上に受電装置２（例えば、携帯電話や補聴器など）を装着することができる。そして蓋１８を閉じることにより、送電装置１と送電補助装置９の間に受電装置２が配置される。この形態で非接触電力伝送が行われる。
【００８０】
筐体１７には、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）から受けた電力を電力伝送可能な電力に変換する高周波電力ドライバー５、インピーダンス整合を取るための制御回路２０等が設けられている。また、送電装置１と送電補助装置９が配置された領域を包囲して、電磁シールド材２１が配置されている。蓋１８を閉じた状態では、送電装置１と送電補助装置９及び受電装置２の周囲は完全に電磁シールドされることになり、電力伝送時における電磁波が人体に影響することが防止され、安全である。
【００８１】
磁界共鳴により電力を伝送する場合、実用に際して伝送周波数としては数ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚ帯を活用することが考えられる。電界共鳴型に比べて人体への影響が少ないとはいえ、送電パワーの値によっては人体への影響も考慮しなければならない。そこで本実施の形態のように、非接触電力伝送中に電磁波を外部に漏らさないために、送受電空間を囲むようにコイル全体を電磁波シールドすることが望ましい。即ち、化粧箱タイプの筐体においては、電磁気的に閉じられた空間内に、送電装置１及び受電装置２の共鳴コイルや、送電補助装置９の補助コイルを配置し、外部への電磁波の漏洩を防ぐ構成とする。
【００８２】
筐体１７の表面にはディスプレイやＬＥＤなどの表示器２２が必要に応じて設けられている。主に、携帯電話などの充電状態やメールなどの着信情報を表示するためである。また、筐体１７にはインターロック用突起２３が設けられており、受電装置２が受電空間に配置されたのち、蓋1８を完全に閉めた状態でないと送電が始まらないように構成されている。
【００８３】
共鳴型電力伝送においては、共振周波数において磁界強度が最大となる。また制御回路２０は、受電装置２の位置や共振周波数が変わった時に、結合係数やＱ値などを制御して高い伝送効率を得るための回路、受電装置２や送電補助装置９との情報のやり取りをするための回路、あるいは受電装置２の位置情報を得るための回路等を含んでもよい。
【００８４】
本実施の形態の非接触電力伝送装置は、送電補助装置９に設けられている調整用コンデンサの設定により、電力伝送時における送電側共振系と受電共振器の共振周波数が合わされていることが特徴である。蓋１８を閉じた状態で、補助コイル１１が所定の位置に配置され、その状態で送電側共振系の共振周波数と受電共振器の共振周波数が同じになるように調整用コンデンサが調整されている。従って、蓋１８をした時に直ちに充電を開始することが可能である。あるいは、蓋１８を閉じた後に、調整用コンデンサが自動、あるいは手動で調整される構成とすることもできる。
【００８５】
本実施の形態では、化粧箱タイプの筐体１７を用いたが、他に、机の引き出し型などでも同様な効果が得られる。
【００８６】
＜実施の形態３＞
図１６は、実施の形態３における非接触電力伝送装置を示す断面図である。図１５の構成と同様の要素については、同一の参照番号を付して説明の繰り返しを省略する。
【００８７】
この非接触電力伝送装置は、筐体２４が縦挿入型に構成された例である。すなわち、受電装置２を備えた装置の一例である携帯電話２６を挿入する収容部は、筐体２４の空洞部２４ａと蓋２５の凹部２５ａにより形成されるが、空洞部２４ａは、携帯電話２６を縦に挿入できる形態を有する。実施の形態２の場合と同様、インターロック機構２７が設けられ、蓋２５を完全に閉めた状態でないと送電が始まらないように構成されている。
【００８８】
このような構成によれば、装置をハンディタイプにして携帯電話２６等の受電装置を出し入れし易ようにすることができる。
【００８９】
また、以上の実施の形態では、受電装置２として携帯電話などの小型の装置を例として説明したが、電気自動車などの大型の受電装置にも本発明を適用可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の非接触電力伝送装置は、受電装置が小さい場合においても、非接触電力伝送を、良好な状態で長い距離まで安定に行うことができるので、携帯電話や補聴器等の小型機器、ＴＶや電気自動車などに対する非接触電力伝送に好適である。
【符号の説明】
【００９１】
１ 送電装置
２ 受電装置
３ａ、３ｂ ループコイル
４ａ 送電コイル
４ｂ 受電コイル
５ 高周波電力ドライバー
６ 交流電源
７ 整流回路
８ 充電池
９ 送電補助装置
１０、１３ 共振容量
１１ 補助コイル
１２ 調整用コンデンサ
１２ａ 調整用可変コンデンサ
１４ 電波吸収体
１５ 受電空間
１６ ＶＮＡ
１７、２４ 筐体
１８、２５ 蓋
１９ 台座
２０ 制御回路
２１ 電磁シールド材
２２ 表示器
２３ インターロック用突起
２４ａ 空洞部
２５ 凹部
２６ 携帯電話
２７ インターロック機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電装置に具備された送電コイルと受電装置に具備された受電コイルを介して、非接触（ワイヤレス）で電力の伝送を行う非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導（数１００ｋＨｚ）による電磁誘導型、電界または磁界共鳴を介したＬＣ共振間伝送による電界・磁界共鳴型、電波（数ＧＨｚ）によるマイクロ波送電型、あるいは可視光領域の電磁波（光）によるレーザ送電型が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導型である。これは簡易な回路（トランス方式）で実現可能であるなどの優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。
【０００３】
そこで、最近になって近距離伝送（〜２ｍ）が可能な電界・磁界共鳴型の電力伝送が注目を浴びてきた。このうち、電界共鳴型の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。この点から磁界共鳴型に対する注目度が上昇してきている。
【０００４】
図１７は、従来の磁界共鳴を利用した電力伝送装置の構成例の概略を示した正面図である。送電装置１は、ループコイル３ａと送電コイル４ａ（送電用共鳴コイルとして動作）を組み合わせた送電コイルユニットを備えている。受電装置２は、ループコイル３ｂと受電コイル４ｂ（受電用共鳴コイルとして動作）を組み合わせた受電コイルユニットを備えている。送電装置１のループコイル３ａには高周波電力ドライバー５が接続され、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）６の電力を送電可能な高周波電力に変換して供給する。受電装置２のループコイル３ｂには、整流器７を介して負荷として例えば充電池８が接続されている。
【０００５】
ループコイル３ａは、高周波電力ドライバー５から供給される電気信号により励起され、電磁誘導により送電コイル４ａに電気信号を伝送する誘電素子である。送電コイル４ａはループコイル３ａから出力された電気信号に基づいて磁界を発生させる。この送電コイル４ａは、共振周波数ｆ０＝１／｛２π（ＬＣ）1/2｝（Ｌは送電側の送電コイル４ａのインダクタンスで、Ｃは浮遊容量を示す）において磁界強度が最大となる。送電コイル４ａに供給された電力は、磁界共鳴により受電コイル４ｂに非接触で伝送される。伝送された電力は、受電コイル４ｂから電磁誘導によりループコイル３ｂへ伝送され、整流器７により整流されて充電池８に供給される。この場合、送電コイル４ａと受電コイル４ｂの共振周波数は同一に設定される。
【０００６】
また、このような電磁誘導型や磁界共鳴型により非接触で電力を送受電する場合、送電コイルユニットに対して受電コイルユニットが適切に配置されていないと、効率良く電力を伝送することができない場合が多い。特に、携帯機器に受電装置２により充電される２次電池が搭載される場合には、受電コイルユニットと２次電池パックとの間に、電磁波の影響を少なくする為のシールド材（電波吸収体含む）が挿入されていることが多い。このようなケースでは、携帯型の受電コイルユニットの裏表を間違って置いた時には、送電コイルユニットと受電コイルユニットとの間にシールド材が介在することになり、伝送効率が大幅に低下し電力伝送が困難になる。
【０００７】
そこで、特許文献１には、電力を供給する送電コイルユニットに対して、受電コイルユニットの受電に適する面が正しく対向しているか否かを検出する表裏検出部（磁気センサ使用）を設け、対向していない場合には使用者に通知するようにした充電システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２０７０１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の技術においては、電力を供給する送電装置に対して受電装置の受電に適する面が正しく対向していない場合には、音などで使用者に通知するだけで、最終的には使用者が正しい位置に直す必要があり、操作が煩雑となっていた。しかも、特許文献１の技術では、受電装置側に磁気センサーを設けて表裏の判断をするため、受電装置の形状が小さい場合（耳入れタイプの補聴器など）には、受電装置内には充電機能以外の機能を付加することは困難である。
【００１０】
また、送電コイルユニットに対して受電コイルユニットが小さい場合には、電力伝送効率低下、電力伝送可能距離の低下などが生じる。更に、送電コイルユニットと受電コイルユニット間の距離などの状態変化により結合係数などが変化した場合にも、共振周波数を合わせるために受電装置内に調整回路を設けることが望ましいが、上述のとおり、受電装置内に充電機能以外の機能を付加することは困難である。
【００１１】
本発明は、このような従来技術における問題点を解決するものであり、送電装置に対して受電装置の受電に適する面が適正に対向していない等、送電コイルユニットに対して受電コイルユニットが適切に配置されていない場合であっても、受電装置内に調整回路を設けることなく効率的な電力伝送を可能とする非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、送電コイルユニットに対して受電コイルユニットの大きさが小さい場合においても、電力伝送効率の低下、電力伝送可能距離の低下などを抑制することが可能な非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の非接触電力伝送装置は、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送するように構成される。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送装置は、補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に備え、前記送電補助装置と前記送電装置を互いに対向させて配置した状態で、前記送電コイルと前記補助コイルの間に、前記受電コイルを配置するための受電空間が形成されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の非接触電力伝送方法は、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを用い、前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する方法であって、補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に用い、前記送電補助装置を前記送電装置と対向させて配置して、前記送電コイルと前記補助コイルの間に受電空間を形成し、前記受電空間内に前記受電コイルを配置して電力伝送を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、送電コイルと補助コイルの間に形成された受電空間に受電コイルを配置する構成により、受電装置に共振周波数を調整する手段を要することなく、送電装置と受電装置間の電力伝送効率の距離に対する依存性が、長い距離範囲に亘って平坦となり、電力伝送可能距離を拡大することができる。
【００１７】
従って、送電装置に対して受電装置の受電に適する面が適正に対向していない等、送電コイルに対して受電コイルが適切に配置されていない場合であっても、効率的な電力伝送が可能である。また、送電コイルに対して受電コイルの大きさが小さい場合においても、電力伝送効率の低下、電力伝送可能距離の低下などを抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態１における非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図
【図２】同非接触電力伝送装置における受電装置の構成を示す模式断面図
【図３Ａ】同非接触電力伝送装置の送電側共振系のＶＮＡ測定時における各要素の配置を示す模式断面図
【図３Ｂ】図３Ａの配置で測定した送電側共振系の共振周波数の、補助共振器の共振周波数ｆ３に対する依存性を示すグラフ
【図３Ｃ】図３Ａの配置で行った、補助共振器の共振周波数ｆ３の３つの値に対するＶＮＡ測定の出力波形図
【図４Ａ】同非接触電力伝送装置のＶＮＡ測定時における各要素の配置を示す模式断面図
【図４Ｂ】図４Ａの配置で測定した電力伝送効率の共振周波数ｆ３に対する依存性を示すグラフ
【図５】同非接触電力伝送装置における送電共振器、受電共振器、及び補助共振器の共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の関係の設定例に対する、送電側共振系の共振周波数ｆｔＬ、ｆｔＨの関係を示す図
【図６】共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の関係の他の設定例に対する、送電側共振系の共振周波数ｆｔＬ、ｆｔＨの関係を示す図
【図７Ａ】送電コイルと受電コイル間の距離に対する電力伝送効率の依存性の、受電装置の姿勢の相違に応じた変化を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図７Ｂ】図７Ａの配置に補助コイルを加えた配置を示す模式断面図
【図７Ｃ】図７Ａ及び図７Ｂの配置での、電力伝送効率の送受電コイル間の距離に対する依存性を示すグラフ
【図８Ａ】受電装置の図７Ａとは異なる姿勢での電力伝送効率の、送受電コイル間の距離に対する依存性を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図８Ｂ】図８Ａの配置に補助コイルを加えた配置を示す模式断面図
【図８Ｃ】図８Ａ及び図８Ｂの配置での電力伝送効率の、送受電コイル間の距離Ｘに対する依存性を示すグラフ
【図９Ａ】送受電コイル間の電力伝送効率の、送電コイルと受電コイルの径方向のずれの距離に対する依存性を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図９Ｂ】図９Ａの配置での電力伝送効率の、送受電コイルの径方向距離Ｒに対する依存性を示すグラフ
【図１０Ａ】共振周波数ｆ３に対する電力伝送効率の依存性の、送受電コイル間の距離に応じた変化を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図１０Ｂ】図１０Ａの配置での、送受電コイル間の距離Ｘに応じた共振周波数ｆ３に対する電力伝送効率の依存性の変化を示すグラフ
【図１１Ａ】実際の受電装置での受電電力の、共振周波数ｆ３に対する依存性を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図１１Ｂ】図１１Ａの配置での受電電力の、送受電コイル間の距離Ｘに応じた共振周波数ｆ３に対する依存性の変化を示すグラフ
【図１２Ａ】送受電コイル間の距離に対する受電電力の依存性を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図１２Ｂ】図１２Ａの配置で共振周波数ｆ３＝１４ＭＨｚとしたときの、受電電力の送受電コイル間の距離に対する依存性を示すグラフ
【図１３Ａ】通常とは異なる受電装置の姿勢での受電電力の、送受電コイル間の距離に対する依存性を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図１３Ｂ】図１３Ａの配置で共振周波数ｆ３＝１４ＭＨｚとしたときの受電電力の、送受電コイル間の距離に対する依存性を示すグラフ
【図１４Ａ】実際の受電装置での受電電力に対する、送電コイルと受電コイルの径方向のずれ量の影響を測定するための各要素の配置を示す模式断面図
【図１４Ｂ】図１３Ａの配置での、送受電コイル４ａ、４ｂ間の距離Ｘに応じた受電電力の径方向距離Ｒに対する依存性の変化を示すグラフ
【図１５】実施の形態２における非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図
【図１６】実施の形態３における非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図
【図１７】従来技術における非接触電力伝送装置の構成を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、上記構成を基本として、以下のような態様を採ることができる。
【００２０】
すなわち、上記構成の非接触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間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送するように構成することができる。
【００２１】
また、前記送電共振器と前記補助共振器が構成する送電側共振系の共振周波数ｆｔが、前記受電共振器の共振周波数ｆ２と一致するように、前記補助共振器の共振周波数ｆ３が設定されていることが好ましい。
【００２２】
また前記送電補助装置の前記共振容量として調整用可変コンデンサを設け、前記調整用可変コンデンサを調整することにより前記補助共振器の共振周波数ｆ３が設定される構成とすることができる。
【００２３】
また、前記送電コイルの直径ｄ１と、受電コイルの直径ｄ２と、補助コイルの直径ｄ３が、ｄ１＞ｄ２、かつｄ２＜ｄ３の関係を満足することが好ましい。この関係を保っていれば電力伝送可能距離の増大等の効果が得られる。特に、ｄ１＝ｄ３、かつｄ１＞ｄ２の関係を満足することが好ましい。それにより、伝送効率特性（受電可能範囲の拡大など）の向上について大きな効果が得られる。もちろん、円形のコイルに限らず、四角形のコイル等をそれぞれ配置した形態でも、同様の効果は得られる。
【００２４】
また、前記送電コイルの中心軸と、前記補助コイルの中心軸と、前記受電コイルの中心軸が、同一軸上にあることが好ましい。
【００２５】
また、前記送電共振器の共振周波数ｆ１と、前記受電共振器の共振周波数ｆ２と、前記補助共振器の共振周波数ｆ３が、ｆ１＝ｆ２＜ｆ３、またはｆ３＜ｆ１＝ｆ２の関係になるように設定された構成とすることができる。
【００２６】
また、前記送電共振器の共振周波数ｆ１と、前記受電共振器の共振周波数ｆ２と、前記補助共振器の共振周波数ｆ３が、ｆ２＜ｆ１＝ｆ３、またはｆ１＝ｆ３＜ｆ２の関係になるように設定された構成とすることができる。
【００２７】
また、前記送電装置及び前記送電補助装置を保持し、前記送電装置と前記送電補助装置の相互の位置関係を、前記受電空間が形成されるように設定することが可能な筐体を備え、前記受電装置を前記受電空間に対して着脱可能に装着することが可能であり、前記筐体に前記送電装置から前記受電装置への電力伝送状態を維持するためのインターロック機能を備え、電力伝送時には、前記送電コイルと前記受電コイルの周囲が電磁シールドされた状態になるように前記インターロック機能により維持されている構成とすることができる。
【００２８】
この構成において、前記筐体に開閉自在の蓋を備え、前記筐体の蓋が閉まった状態で、前記送電コイルから前記受電コイルへ電力伝送を行うように構成することができる。
【００２９】
上記構成の非接触電力伝送方法において、前記補助共振器を構成する共振容量として可変容量を用い、前記受電空間内に前記受電コイルを配置して前記可変容量を調整することにより、電力伝送の効率を調整することができる。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３１】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１における磁界共鳴型の非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図である。なお、図１７に示した従来例の非接触電力伝送装置と同様の要素については、同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを簡略化する。
【００３２】
この非接触電力伝送装置は、従来例の送電装置１と受電装置２に送電補助装置９を加えて構成され、送電装置１と送電補助装置９の間の空間に受電装置２が配置された状態で非接触電力伝送を行うように構成されている。送電装置１は、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）の電力を送電可能な高周波電力に変換して電力を伝送し、受電装置２は電力を受け取る。送電補助装置９は、電力伝送時における、送電装置１に関わる共振系の共振周波数を、受電装置２の共振系の共振周波数に対して、適切な関係に設定する機能を有する。
【００３３】
送電装置１は、送電用のループコイル３ａと送電コイル４ａが組合わされた送電コイルユニット、及び交流電源（ＡＣ１００Ｖ）６の電力を送電可能な高周波電力に変換する高周波電力ドライバー５を備えている。場合によっては、送電用のループコイル３ａは無くても良い。なお、本発明は、磁界共鳴に限らず、電磁誘導等による電力伝送装置にも適用可能であり、送電コイル４ａ及び後述の受電コイル４ｂは、電力伝送の方式に適合させたものが用いられる。
【００３４】
送電コイル４ａには共振容量１０が接続されて、送電共振器を構成している。共振容量１０としては、回路素子として可変コンデンサあるいは固定コンデンサを接続してもよいし、浮遊容量を利用した構成としてもよい。従って、以下の図では、共振容量１０の図示を省略する。なお、以下の記載においては、送電共振器の単独での共振周波数ｆ１を、図示との関係が判り易いように「送電装置１の共振周波数ｆ１」と記述する。
【００３５】
送電補助装置９は、補助コイル１１と共振容量としての調整用コンデンサ１２を有し、両要素により補助共振器が構成されている。なお、以下の記載においては、補助共振器の単独での共振周波数ｆ３を、図示との関係が判り易いように「送電補助装置９の共振周波数ｆ３」と記述する。調整用コンデンサ１２は、容量値が後述のように設定された固定コンデンサを用いても、あるいは可変コンデンサを用いて常に再調整可能としてもよい。
【００３６】
また図示は省略されているが、必要に応じて送電コイル４ａの反射電力、共振周波数、流れる電流、あるいは電圧などをモニターする手段や、送電装置１、受電装置２及び送電補助装置９の相互間で情報のやり取りをするための回路等を含むことができる。そのような構成を採用する場合は、調整用コンデンサ１２を可変コンデンサとし、容量値を自動的に制御可能とすることもできる。
【００３７】
受電装置２には、図２に示すように、受電コイル４ｂとループコイル３ｂが組合わされた受電コイルユニットが配置されている。ループコイル３ｂで得られた電力は、少なくとも整流回路７を経由して充電池８に蓄えられる。受電コイル４ｂには共振容量１３が接続されて、受電共振器を構成している。共振容量１３としては、回路素子として可変コンデンサあるいは固定コンデンサを接続してもよいし、浮遊容量を利用した構成としてもよい。従って、以下の図では、共振容量１３の図示を省略する。なお、以下の記載においては、受電共振器の単独での共振周波数ｆ２を、図示との関係が判り易いように「受電装置２の共振周波数ｆ２」と記述する。
【００３８】
充電池８として小型電池（コイン電池など）を用いた場合には、ループコイル３ｂと充電池８を重ね合わせて設置面積を小さくするのが好ましい(例えば、コイルオン電池など)。この場合、ループコイル３ｂから充電池８に磁束が漏れて渦電流が発生し損失（渦電流損）となるので、このループコイル３ｂと充電池８の間に、伝送時の共振周波数において高透磁率を有する電波吸収体１４を配置することが望ましい。この場合、トータルの厚さを薄くするために、電波吸収体１４を挟んでループコイル３ｂと充電池８とを密着させても良い。
【００３９】
図１に示したように、送電補助装置９と送電装置１を対向させて配置することにより、送電コイル４ａと補助コイル１１の間に受電空間１５が形成され、その受電空間１５に受電コイル４ｂを含む受電装置２が配置される。
【００４０】
本実施の形態では、送電装置１におけるループコイル３ａと送電コイル４ａは、図１７に示したものと機能は同じであるが、薄型化のために、直径１ｍｍ程度のＣｕコイル（被覆あり）を同一平面上にスパイラル状に巻いた平面コイルを用いる。更に、受電装置２におけるループコイル３ｂと受電コイル４ｂは、図１７に示したものと機能は同じであるが、小型化のために、厚さ０．４ｍｍの薄型プリント基板に、厚さ７０μｍ程度のＣｕ箔を同一平面上にスパイラル状に形成した薄膜コイルにより構成する。更に、基板の厚さを薄くするために、基板の両面に受電用のループコイル３ｂと受電コイル４ｂをそれぞれ別に形成しても良い。
【００４１】
本実施の形態の非接触電力伝送装置の特徴である送電補助装置９の機能について、より詳細に説明する。上記構成によれば、送電コイル４ａと補助コイル１１の結合により、送電コイル４ａを含む送電共振器と補助コイル１１を含む補助共振器による共振系が構成され、以下の記載では、これを送電側共振系と称する。また、送電側共振系の共振周波数をｆｔと記述する。
【００４２】
本実施の形態における非接触電力伝送装置の図１に示した構成によれば、送電補助装置９が無い場合に比べて、後述するように、電力伝送可能距離を拡大させるなどの効果が得られる。これは、送電コイル４ａに対して補助コイル１１を対向配置することにより、送電コイル４ａからの磁束の到達距離が長くなるためと思われる。これにより、送電装置１に対して受電装置２の受電に適する面が適正に対向していない等、送電コイル４ａに対して受電コイル４ｂが適切に配置されていない場合であっても、受電装置２内に調整回路を設けることなく効率的な電力伝送が可能となる。
【００４３】
一方、図１に示したような構成においては、送電装置１の共振周波数は、補助コイル１１の磁気的な影響を受けて、初期に設定した単独の共振周波数ｆ１とは異なっている。しかし、補助コイル１１に接続される調整用コンデンサ１２の容量値Ｃを調整して送電補助装置９の共振周波数ｆ３を適切に設定することにより、送電側共振系の共振周波数ｆｔを受電装置２の共振周波数ｆ２と一致させることができる。これにより、送電コイル４ａからの電力伝送効率を実用上十分な程度に維持して、電力伝送可能距離を拡大させるなどの効果が得られる。
【００４４】
調整用コンデンサ１２の容量値Ｃの設定は、共振周波数ｆｔが共振周波数ｆ２と一致するように行うことが望ましいが、完全に一致させなくとも相応の効果が得られる。すなわち、送電側共振系の共振周波数ｆｔのピークが、送電装置１の共振周波数ｆ１と比べて、受電装置２の共振周波数ｆ２に近づくように、送電補助装置９の共振周波数ｆ３を設定すればよい。このような調整による効果を十分に得るためには、送電補助装置９を構成する補助コイル１１は、送電コイル４ａの直径とほぼ同じとし、両者のコイルの中心軸もほぼ同軸に配置することが望ましい。
【００４５】
但し、電力伝送可能距離の増大等の効果は、送電コイル４ａの直径をｄ１、受電コイル４ｂの直径をｄ２、補助コイル１１の直径をｄ３としたとき、ｄ１＞ｄ２、かつｄ２＜ｄ３の関係を満足すれば、相応に得られる。これは、送電コイル４ａの直径ｄ１が受電コイル４ｂの直径ｄ２よりも大きければ、補助コイル１１との間の磁束を利用することができ、また、補助コイル１１の直径ｄ３が受電コイル４ｂの直径ｄ２よりも大きければ、送電コイル４ａとの間の磁束を利用することができるためである。
【００４６】
ここで、補助コイル１１の影響を調べる為に、微小電力によるＶＮＡ（ベクトルネットワークアナライザ）測定を行った結果について説明する。送電装置１の共振周波数ｆ１、受電装置２の共振周波数ｆ２は、共振容量として設けられた固定コンデンサの容量値により設定した。具体的には、ｆ１＝ｆ２＝１２.１ＭＨｚとした。
【００４７】
先ず、送電補助装置９の共振周波数ｆ３を変化させたときの、送電側共振系の共振周波数の変化を調べた結果を示す。図３Ａに、各コイルの配置の一例を示す。すなわち、送電コイル４ａと補助コイル１１を対向させて３０ｍｍ長さの受電空間を形成するように配置し、ループコイル３ａにＶＮＡ１６を接続した。また、補助コイル１１には調整用コンデンサ１２として調整用可変コンデンサ１２ａを接続し、共振周波数ｆ３を可変とした。
【００４８】
この配置におけるＶＮＡ測定結果を図３Ｂに示す。図３Ｂは、横軸に送電補助装置９の共振周波数ｆ３をとり、縦軸にＶＮＡ測定時における送電側共振系の共振周波数ｆｔの値をプロットしたものである。また、共振周波数ｆ３が、９ＭＨｚ、１２．１ＭＨｚ及び１６ＭＨｚの場合におけるＶＮＡ測定の出力波形図を図３Ｃに示す。
【００４９】
例えば、ｆ３をｆ１と同じ共振周波数（１２.１ＭＨｚ）に調整した場合には、図３Ｃ（ｂ）の波形図に示すように、１２.１ＭＨｚを中心にして二つの共振周波数が現れる（密結合）。左の低周波側の共振周波数をｆｔＬ、右の高周波側の共振周波数をｆｔＨと記述する。図３Ｂには、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する特性線と、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する特性線が記載されている。
【００５０】
送電補助装置９の共振周波数ｆ３を９ＭＨzから２０ＭＨｚまで変化させていくと、低周波側の共振周波数ｆｔＬは徐々に高周波側へシフトして、最終的にはｆ１やｆ２と同じ１２.１ＭＨｚに近づいていき、図３Ｃ（ｃ）に示すように、信号も大きくなってくる。高周波側の共振周波数ｆｔＨも段々と高周波側へシフトしていくものの、低周波側の共振周波数ｆｔＬとの差が大きくなっていき、信号も小さくなりゼロに近づいていく。
【００５１】
一方、共振周波数ｆ３を低周波側へ変化させていくと、高周波側の共振周波数ｆｔＨが徐々に低周波側へシフトして、最終的にはｆ１と同じ１２.１ＭＨｚに近づいてゆく。但し、信号は低周波側の共振周波数ｆｔＬの場合に比べると、図３Ｃ（ａ）に示すように、あまり大きくはならない。低周波側の共振周波数ｆｔＬも段々と低周波側へシフトしてゆき、高周波側の共振周波数ｆｔＨとの差が大きくなっていき、信号も小さくなりゼロに近づいていく。
【００５２】
次に、各コイルを図４Ａに示すように配置して、送電補助装置９の共振周波数ｆ３を変化させたときの電力伝送効率の変化を調べた結果を示す。図４Ａの配置は、図３Ａの配置における送電コイル４ａと補助コイル１１の間の受電空間中に、受電コイル４ｂとループコイル３ｂを配置したものである。ループコイル３ａ、３ｂにＶＮＡ１６を接続した。なお、ここで言う電力伝送効率とは、送電コイル４ａと受電コイル４ｂ間での数値であり、回路などの効率は含まない。
【００５３】
この配置におけるＶＮＡ測定結果を図４Ｂに示す。図４Ｂにも、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する特性線と、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する特性線が記載されている。図４Ｂから判るように、例えば、ｆ１＝ｆ２＝ｆ３＝１２.１ＭＨｚの場合（矢印で示す）には、電力伝送効率は約４４％と小さい。ｆ３をこれよりも大きくしていくと、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する電力伝送効率が大きくなっていく。ｆ３＝１６ＭＨｚの場合には約６４％の電力伝送効率が得られる。
【００５４】
以上のように、送電補助装置９の共振周波数ｆ３をｆ１及びｆ２よりも大きくすることにより、電力伝送時の共振周波数ｆｔを共振周波数ｆ２に近づけることができ、それにより、その時の電力伝送効率も大きくできる。
【００５５】
一方、共振周波数ｆ３を低周波側へ変化させていくと、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する電力伝送効率が大きくなっていく。ｆ３＝５ＭＨｚの場合には約４６％の電力伝送効率が得られる。但し、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する電力伝送効率の最大領域に比べると、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する電力伝送効率の最大領域における値は小さい。
【００５６】
図５及び図６は、共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の関係の設定例に対する、送電側共振系の共振周波数ｆｔの関係を示す図である。
【００５７】
図５は、ｆ１＝ｆ２に設定する場合を示す。この場合は、（ａ）に示すようにｆ１＞ｆ３の範囲でｆ３を適切に設定することにより、ｆｔＨをｆ２に一致させ、あるいは十分に近接させることができる。ｆｔＨをｆ２に十分に近接させるとは、図４Ｂに示したように、共振周波数ｆｔがｆ２に一致している場合と実用上同等の電力伝送効率が得られる程度まで、共振周波数ｆｔがｆ２に近接している状態にすることを意味する。なお、以下の記載において、共振周波数ｆｔがｆ２に一致しているとは、共振周波数ｆｔがｆ２に十分に近接している場合も含むものとする。図５（ｂ）は、上述のように、ｆ１＝ｆ２＝ｆ３に設定することにより、ｆｔがｆ２に一致しない場合を示す。また、（ｃ）に示すようにｆ１＜ｆ３の範囲でｆ３を適切に設定することにより、ｆｔＬをｆ２に一致させることができる（上述の例）。
【００５８】
図６は、ｆ１＝ｆ３に設定する場合を示す。ここで、ｆ１＝ｆ３＞ｆ２の範囲においては、送電用共振コイル４ａと補助コイル１１との距離を適切に設定することにより、ｆｔＬをｆ２に一致させることができる。あるいは、図示しないが、ｆ１＝ｆ３＜ｆ２の範囲においても、送電用共振コイル４ａと補助コイル１１との距離を適切に設定することにより、ｆｔＨをｆ２に一致させることができる。
【００５９】
以上のように、送電補助装置９の共振周波数ｆ３が受電装置２の共振周波数ｆ２と異なっていれば（ｆ３≠ｆ２）、送電側共振系の共振周波数ｆｔをｆ２に一致させる相応の効果が得られる。但し、ｆ３＞ｆ２の関係を満足することが好ましい。
【００６０】
次に、送電装置１に対して、受電装置２である例えば携帯型受電装置の裏表を間違って配置した場合の、本実施の形態による効果について調べた結果について説明する。携帯型受電装置の裏表を間違って置いた場合の特性を調べるために、図７Ａ、図７Ｂに示すように、送電コイル４ａに近い側に受電コイル４ｂを配置した場合と、図８Ａ、図８Ｂに示すように、送電コイル４ａに近い側に充電池８を配置した場合とについてＶＮＡ測定を行った。比較の為に、補助コイル１１が無い従来と同じ構成（図７Ａ、図８Ａ）の場合と、補助コイル１１を設けた実施例の構成（図７Ｂ、図８Ｂ）について測定を行った。
【００６１】
ＶＮＡ測定では、対向配置した送電コイル４ａと補助コイル１１の中心軸における相互間の距離を３０ｍｍで固定とし、両者のコイル間に受電装置２を配置して、送電コイル４ａと受電コイル４ｂの間の距離Ｘを変化させて、コイル間の電力伝送効率を調べた。送電コイル４ａと補助コイル１１の直径は約７０ｍｍ、受電コイル４ｂの直径は約２０ｍｍとした（両コイル４ａ、１１の直径は、以降の他の実験でも同様である）。電力伝送時の送電側共振系の共振周波数ｆｔＬ及び受電側の共振周波数ｆ２が１２.１ＭＨｚになるように、補助コイル１１に取り付けた調整用可変コンデンサ１２ａを調整した。
【００６２】
図７Ｃは、受電コイル４ｂが送電コイル４ａ側に配置された場合における、送電コイル４ａと受電コイル４ｂの中心軸における相互間の距離に対する電力伝送効率の依存性を示す。補助コイル１１が無い従来配置の場合（Ａ）では、受電コイル４ｂの位置が送電コイル４ａから遠くなるほど電力伝送効率が低下し、中心での共鳴コイル間距離（Ｘ）がＸ＝２５ｍｍでは、Ｘ＝５ｍｍに対して伝送効率が約１０％も低下している。それに比べて、補助コイル１１を設けた本実施の形態の構成（Ｂ）ではＸ＝２５ｍｍでも２〜３％の低下に留まっている。
【００６３】
図８Ｃは、充電池８が送電コイル４ａ側に配置された場合における、送電コイル４ａと充電池８の中心軸における相互間の距離Ｘに対する電力伝送効率の依存性を示す。補助コイル１１が無い従来配置の場合（Ａ）では、距離が近いＸ＝５ｍｍにおいても充電池８の影響を受け電力伝送効率が約数％と低い。更に充電池８の位置が送電コイル４ａから遠ざかると電力伝送効率が大幅に低下し、Ｘ＝２５ｍｍではＸ＝５ｍｍの値に比べて約３０％も低下している。それに比べて補助コイル１１を設けた本実施の形態の構成（Ｂ）では、Ｘ＝２５ｍｍでも５％以内の低下である。これは受電コイル４ｂが送電コイル４ａ及び補助コイル１１の直径よりも小さい為、対向配置した送電コイル４ａと補助コイル１１との間で磁束が流れやすく、結果的に電力伝送効率や電力伝送可能距離などの特性が従来配置構成に比べて向上したものと思われる。
【００６４】
ここで図７Ｃと図８Ｃに示す結果について注目すべき点は、補助コイル１１を設けて共振周波数を適合させることにより、送電コイル４ａに対する受電装置２の受電に適する面の配置に関わらず、ほぼ平坦な距離依存性を示すということである。すなわち、図７Ｃ（Ｂ）のように、受電コイル４ｂが送電コイル４ａ側に配置された場合、または図８Ｃ（Ｂ）のように、受電装置２の充電池８が送電コイル４ａ側に配置された場合のどちらにおいても、対向配置した送電コイル４ａと補助コイル１１との間の空間に受電装置２がある限り、ほぼ平坦な距離依存性を示す。
【００６５】
これによれば、従来の課題であった携帯型受電装置の裏表を間違って置いた場合においても、従来のように裏表を逆転させる操作を行うことなく、置いたそのままの状態で確実な電力伝送が可能である（片側伝送可能）。更に、受電装置２の後ろ側に送電補助装置９を配置し、電力伝送時における受電共振器の共振周波数ｆ２と送電側共振系の共振周波数ｆｔを合わせることにより、送電補助装置９が無い従来構成の場合に比べて、大幅に電力伝送可能距離を長くすることができる。
【００６６】
また、従来、磁界共鳴型を利用した非接触電力伝送装置においては、送電共振器の共振周波数を例えば１２.１ＭＨｚにした場合、受電共振器の共振周波数も１２.１ＭＨｚにする必要があった。しかし、受電装置２が小さい場合には、受電コイル４ｂの形状も小さくなり（Ｌが小さくなる）、結果として受電装置２側で電力伝送時の共振周波数に合わせること難しい場合がある。これに対して、本実施の形態では、送電補助装置９の調整用コンデンサを制御することにより、送電側共振系と受電共振器の共振周波数を合わせることが可能となる。従って、受電共振器の共振周波数と送電共振器の共振周波数を合わせる手段を、受電装置２に設けることが不要になるなど、本実施の形態は、受電装置２が小さい場合に特に有効となる。
【００６７】
次に、送電コイル４ａの中心軸と受電コイル４ｂの中心軸が径方向にずれた場合の、電力伝送効率の変化を測定した実験の結果について、図９Ａ、図９Ｂを参照して説明する。図９Ａは、実験に用いた各コイルの配置を示す。軸方向における配置は、図７Ｂの場合と同様であり、受電コイル４ｂが送電コイル４ａに近い側に配置されている。
【００６８】
送電コイル４ａと補助コイル１１の中心軸における相互間の距離を３０ｍｍ、送電コイル４ａと受電コイル４ｂの相互間の距離を１５ｍｍで固定とした。送電コイル４ａの中心軸と受電コイル４ｂの中心軸の間の径方向における距離Ｒを変化させて、送受電コイル４ａ、４ｂ間の電力伝送効率をＮＶＡ１６により測定した。
【００６９】
図９Ｂに、送受電コイル４ａ、４ｂ間の電力伝送効率の、送電コイル４ａと受電コイル４ｂの中心軸間の径方向距離Ｒに対する依存性を示す。この実験結果から、径方向距離Ｒが２０ｍｍ以下であれば、電力伝送効率が一定で高効率であることが判る。
【００７０】
次に、送受電コイル４ａ、４ｂ間の電力伝送効率の、送電補助装置９の共振周波数ｆ３に対する依存性を、送受電コイル４ａ、４ｂ間の距離を変化させて測定した結果について、図１０Ａ、図１０Ｂを参照して説明する。図１０Ａは、実験に用いた各コイルの配置を示す。基本的には図９Ａと同様の配置であるが、送電コイル４ａと補助コイル１１の距離を５０ｍｍと広くし、送電コイル４ａから受電コイル４ｂまでの距離Ｘを変化させて、電力伝送効率の共振周波数ｆ３に対する依存性を測定した。
【００７１】
図１０Ｂに、実験結果を示す。この結果から、距離Ｘの変化に伴う、電力伝送効率の共振周波数ｆ３に対する依存性の変化が、低周波側の共振周波数ｆｔＬと高周波側の共振周波数ｆｔＨの間では大きく異なることが判る。特に、共振周波数ｆｔＬの方が、距離Ｘの変化に伴う電力伝送効率の差が少なく、実用上好ましいことが判る。
【００７２】
次に、実際の受電装置における受電電力の、共振周波数ｆ３に対する依存性を測定した結果について、図１１Ａ、図１１Ｂを参照して説明する。図１１Ａは、実験に用いた電力伝送の各要素の配置を示す。各コイルの配置は、図１０Ａの場合と同様であるが、送電コイル４ａに高周波電力ドライバー５を接続し、ループコイル３ｂに整流回路７を接続した。また、送電コイル４ａと補助コイル１１の距離を５０ｍｍと広くし、送電コイル４ａから受電コイル４ｂまでの距離Ｘを変化させて、電力伝送を行い、整流回路７の出力電力を測定した。
【００７３】
図１１Ｂは、整流回路７の出力電力の、送受電コイル４ａ、４ｂ間の距離Ｘに応じた共振周波数ｆ３に対する依存性の変化を示す。この測定結果は、図１０Ｂに示したＶＮＡ１６による電力伝送効率の測定結果と同様の傾向を示している。図１１Ｂの特性線は、図１０Ｂに示した各々の距離Ｘでの共振周波数ｆ３に対する依存性の特性線において、電力伝送効率が最も高い箇所に対応している。この図から、すべての距離Ｘにおいて、受電電力が同等でかつ高い共振周波数ｆ３（＝１４ＭＨｚ）が存在することが判る。
【００７４】
共振周波数ｆ３をこのような特定の値に設定することにより、距離Ｘの変化に関わらず、常に高い受電電力を得ることが可能である。但し、この場合でも、高周波電力ドライバー５の共振周波数ｆ０が重要になってくる。すなわち、図５に示した設定の場合であれば、ｆ０＝ｆ１＝ｆ２≠ｆ３とすることが好ましく、より好ましくは、ｆ０＝ｆ１＝ｆ２＜ｆ３とする。また、図６に示した設定の場合であれば、ｆ０＝ｆ２＝ｆｔ≠ｆ１＝ｆ３とすることが好ましく、より好ましくは、ｆ０＝ｆ２＝ｆｔL＜ｆ１＝ｆ３とする。
【００７５】
次に、図１１Ａと同様の図１２Ａに示す配置での電力伝送について、共振周波数ｆ３＝１４ＭＨｚで一定としたときの、受電電力の送受電コイル４ａ、４ｂ間の距離Ｘに対する依存性を測定した結果について説明する。測定結果を示す図１２Ｂから判るように、この場合は、距離Ｘに関わらず、受電電力は略一定である（変化幅が１割以内）。すなわち、共振周波数ｆ３を、図１１Ｂの実験結果に示されるような特定の周波数に設定することにより、距離Ｘが変化しても常に一定の受電電力が得られる。
【００７６】
同様に、共振周波数ｆ３＝１４ＭＨｚで一定としたときの、受電電力の距離Ｘに対する依存性を、受電装置の姿勢を図１２Ａの場合とは異ならせて行った結果について、図１３Ａ、図１３Ｂを参照して説明する。すなわち、図１３Ａに示すように、充電池８を送電コイル４ａ側に配置し、送電コイル４ａと充電池８の中心軸における相互間の距離Ｘを変化させた。共振周波数ｆ３＝１４ＭＨｚで一定とし、受電電力の距離Ｘに対する依存性を測定した。測定結果を示す図１３Ｂから判るように、この場合も、距離Ｘに関わらず、受電電力は略一定である（変化幅が１割以内）。
【００７７】
次に、実際の受電装置における受電電力に対する、送電コイル４ａの中心軸と受電コイル４ｂの中心軸の間の径方向のずれ量の影響を測定した結果について、図１４Ａ、図１４Ｂを参照して説明する。測定に用いた図１４Ａに示す各要素の配置は、図１１Ａの配置と同様とである。送電コイル４ａと受電コイル４ｂの径方向における距離Ｒ、及び送受電コイル４ａ、４ｂ間の距離Ｘを変化させて測定を行った。
【００７８】
図１４Ｂに、送受電コイル４ａ、４ｂ間の距離Ｘに応じた、受電電力の径方向距離Ｒに対する依存性の変化を示す。この図から判るように、距離Ｘ＝５０ｍｍ以下、径方向距離Ｒ＝１５ｍｍ以下（直径３０ｍｍの範囲内）の領域では、一様な受電電力が得られる（変化幅が１割程度）。
【００７９】
＜実施の形態２＞
図１５は、実施の形態２における非接触電力伝送装置を示す断面図である。この非接触電力伝送装置は、化粧箱タイプ（オルゴール型とも言う）をした筐体１７と、開閉自在の蓋１８を備え、筐体１７の下側の内部に送電装置１が保持され、蓋１８に送電補助装置９が保持されている。送電装置１の上部に受電装置２を置く為の台座１９が設けられ、その台座１９上に受電装置２（例えば、携帯電話や補聴器など）を装着することができる。そして蓋１８を閉じることにより、送電装置１と送電補助装置９の間に受電装置２が配置される。この形態で非接触電力伝送が行われる。
【００８０】
筐体１７には、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）から受けた電力を電力伝送可能な電力に変換する高周波電力ドライバー５、インピーダンス整合を取るための制御回路２０等が設けられている。また、送電装置１と送電補助装置９が配置された領域を包囲して、電磁シールド材２１が配置されている。蓋１８を閉じた状態では、送電装置１と送電補助装置９及び受電装置２の周囲は完全に電磁シールドされることになり、電力伝送時における電磁波が人体に影響することが防止され、安全である。
【００８１】
磁界共鳴により電力を伝送する場合、実用に際して伝送周波数としては数ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚ帯を活用することが考えられる。電界共鳴型に比べて人体への影響が少ないとはいえ、送電パワーの値によっては人体への影響も考慮しなければならない。そこで本実施の形態のように、非接触電力伝送中に電磁波を外部に漏らさないために、送受電空間を囲むようにコイル全体を電磁波シールドすることが望ましい。即ち、化粧箱タイプの筐体においては、電磁気的に閉じられた空間内に、送電装置１及び受電装置２の共鳴コイルや、送電補助装置９の補助コイルを配置し、外部への電磁波の漏洩を防ぐ構成とする。
【００８２】
筐体１７の表面にはディスプレイやＬＥＤなどの表示器２２が必要に応じて設けられている。主に、携帯電話などの充電状態やメールなどの着信情報を表示するためである。また、筐体１７にはインターロック用突起２３が設けられており、受電装置２が受電空間に配置されたのち、蓋1８を完全に閉めた状態でないと送電が始まらないように構成されている。
【００８３】
共鳴型電力伝送においては、共振周波数において磁界強度が最大となる。また制御回路２０は、受電装置２の位置や共振周波数が変わった時に、結合係数やＱ値などを制御して高い伝送効率を得るための回路、受電装置２や送電補助装置９との情報のやり取りをするための回路、あるいは受電装置２の位置情報を得るための回路等を含んでもよい。
【００８４】
本実施の形態の非接触電力伝送装置は、送電補助装置９に設けられている調整用コンデンサの設定により、電力伝送時における送電側共振系と受電共振器の共振周波数が合わされていることが特徴である。蓋１８を閉じた状態で、補助コイル１１が所定の位置に配置され、その状態で送電側共振系の共振周波数と受電共振器の共振周波数が同じになるように調整用コンデンサが調整されている。従って、蓋１８をした時に直ちに充電を開始することが可能である。あるいは、蓋１８を閉じた後に、調整用コンデンサが自動、あるいは手動で調整される構成とすることもできる。
【００８５】
本実施の形態では、化粧箱タイプの筐体１７を用いたが、他に、机の引き出し型などでも同様な効果が得られる。
【００８６】
＜実施の形態３＞
図１６は、実施の形態３における非接触電力伝送装置を示す断面図である。図１５の構成と同様の要素については、同一の参照番号を付して説明の繰り返しを省略する。
【００８７】
この非接触電力伝送装置は、筐体２４が縦挿入型に構成された例である。すなわち、受電装置２を備えた装置の一例である携帯電話２６を挿入する収容部は、筐体２４の空洞部２４ａと蓋２５の凹部２５ａにより形成されるが、空洞部２４ａは、携帯電話２６を縦に挿入できる形態を有する。実施の形態２の場合と同様、インターロック機構２７が設けられ、蓋２５を完全に閉めた状態でないと送電が始まらないように構成されている。
【００８８】
このような構成によれば、装置をハンディタイプにして携帯電話２６等の受電装置を出し入れし易ようにすることができる。
【００８９】
また、以上の実施の形態では、受電装置２として携帯電話などの小型の装置を例として説明したが、電気自動車などの大型の受電装置にも本発明を適用可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の非接触電力伝送装置は、受電装置が小さい場合においても、非接触電力伝送を、良好な状態で長い距離まで安定に行うことができるので、携帯電話や補聴器等の小型機器、ＴＶや電気自動車などに対する非接触電力伝送に好適である。
【符号の説明】
【００９１】
１ 送電装置
２ 受電装置
３ａ、３ｂ ループコイル
４ａ 送電コイル
４ｂ 受電コイル
５ 高周波電力ドライバー
６ 交流電源
７ 整流回路
８ 充電池
９ 送電補助装置
１０、１３ 共振容量
１１ 補助コイル
１２ 調整用コンデンサ
１２ａ 調整用可変コンデンサ
１４ 電波吸収体
１５ 受電空間
１６ ＶＮＡ
１７、２４ 筐体
１８、２５ 蓋
１９ 台座
２０ 制御回路
２１ 電磁シールド材
２２ 表示器
２３ インターロック用突起
２４ａ 空洞部
２５ 凹部
２６ 携帯電話
２７ インターロック機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、
受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、
前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に備え、
前記送電補助装置と前記送電装置を互いに対向させて配置した状態で、前記送電コイルと前記補助コイルの間に、前記受電コイルを配置するための受電空間が形成されることを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記送電コイルと前記受電コイルの間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送するように構成された請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項３】
前記送電共振器と前記補助共振器が構成する送電側共振系の共振周波数ｆｔが、前記受電共振器の共振周波数ｆ２と一致するように、前記補助共振器の共振周波数ｆ３が設定されている請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項４】
前記送電補助装置の前記共振容量として調整用可変コンデンサを設け、前記調整用可変コンデンサを調整することにより前記補助共振器の共振周波数ｆ３が設定される請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項５】
前記送電コイルの直径ｄ１と、受電コイルの直径ｄ２と、補助コイルの直径ｄ３が、ｄ１＞ｄ２、かつｄ２＜ｄ３の関係を満足する請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項６】
ｄ１＝ｄ３、かつｄ１＞ｄ２の関係を満足する請求項５記載の非接触電力伝送装置。
【請求項７】
前記送電コイルの中心軸と、前記補助コイルの中心軸と、前記受電コイルの中心軸が、同一軸上にある請求項５記載の非接触電力伝送装置。
【請求項８】
前記送電共振器の共振周波数ｆ１と、前記受電共振器の共振周波数ｆ２と、前記補助共振器の共振周波数ｆ３が、ｆ１＝ｆ２＜ｆ３、またはｆ３＜ｆ１＝ｆ２の関係になるように設定された請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項９】
前記送電共振器の共振周波数ｆ１と、前記受電共振器の共振周波数ｆ２と、前記補助共振器の共振周波数ｆ３が、ｆ２＜ｆ１＝ｆ３、またはｆ１＝ｆ３＜ｆ２の関係になるように設定された請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項１０】
前記送電装置及び前記送電補助装置を保持し、前記送電装置と前記送電補助装置の相互の位置関係を、前記受電空間が形成されるように設定することが可能な筐体を備え、
前記受電装置を前記受電空間に対して着脱可能に装着することが可能であり、
前記筐体に前記送電装置から前記受電装置への電力伝送状態を維持するためのインターロック機能を備え、
電力伝送時には、前記送電コイルと前記受電コイルの周囲が電磁シールドされた状態になるように前記インターロック機能により維持されている請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項１１】
前記筐体に開閉自在の蓋を備え、前記筐体の蓋が閉まった状態で、前記送電コイルから前記受電コイルへ電力伝送を行うように構成された請求項１０記載の非接触電力伝送装置。
【請求項１２】
送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを用い、前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送方法において、
補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に用い、
前記送電補助装置を前記送電装置と対向させて配置して、前記送電コイルと前記補助コイルの間に受電空間を形成し、前記受電空間内に前記受電コイルを配置して電力伝送を行うことを特徴とする非接触電力伝送方法。
【請求項１３】
前記補助共振器を構成する共振容量として可変容量を用い、
前記受電空間内に前記受電コイルを配置して前記可変容量を調整することにより、電力伝送の効率を調整する請求項１２に記載の非接触電力伝送方法。
【請求項１】
送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、
受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、
前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に備え、
前記送電補助装置と前記送電装置を互いに対向させて配置した状態で、前記送電コイルと前記補助コイルの間に、前記受電コイルを配置するための受電空間が形成されることを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記送電コイルと前記受電コイルの間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送するように構成された請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項３】
前記送電共振器と前記補助共振器が構成する送電側共振系の共振周波数ｆｔが、前記受電共振器の共振周波数ｆ２と一致するように、前記補助共振器の共振周波数ｆ３が設定されている請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項４】
前記送電補助装置の前記共振容量として調整用可変コンデンサを設け、前記調整用可変コンデンサを調整することにより前記補助共振器の共振周波数ｆ３が設定される請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項５】
前記送電コイルの直径ｄ１と、受電コイルの直径ｄ２と、補助コイルの直径ｄ３が、ｄ１＞ｄ２、かつｄ２＜ｄ３の関係を満足する請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項６】
ｄ１＝ｄ３、かつｄ１＞ｄ２の関係を満足する請求項５記載の非接触電力伝送装置。
【請求項７】
前記送電コイルの中心軸と、前記補助コイルの中心軸と、前記受電コイルの中心軸が、同一軸上にある請求項５記載の非接触電力伝送装置。
【請求項８】
前記送電共振器の共振周波数ｆ１と、前記受電共振器の共振周波数ｆ２と、前記補助共振器の共振周波数ｆ３が、ｆ１＝ｆ２＜ｆ３、またはｆ３＜ｆ１＝ｆ２の関係になるように設定された請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項９】
前記送電共振器の共振周波数ｆ１と、前記受電共振器の共振周波数ｆ２と、前記補助共振器の共振周波数ｆ３が、ｆ２＜ｆ１＝ｆ３、またはｆ１＝ｆ３＜ｆ２の関係になるように設定された請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項１０】
前記送電装置及び前記送電補助装置を保持し、前記送電装置と前記送電補助装置の相互の位置関係を、前記受電空間が形成されるように設定することが可能な筐体を備え、
前記受電装置を前記受電空間に対して着脱可能に装着することが可能であり、
前記筐体に前記送電装置から前記受電装置への電力伝送状態を維持するためのインターロック機能を備え、
電力伝送時には、前記送電コイルと前記受電コイルの周囲が電磁シールドされた状態になるように前記インターロック機能により維持されている請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項１１】
前記筐体に開閉自在の蓋を備え、前記筐体の蓋が閉まった状態で、前記送電コイルから前記受電コイルへ電力伝送を行うように構成された請求項１０記載の非接触電力伝送装置。
【請求項１２】
送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを用い、前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送方法において、
補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に用い、
前記送電補助装置を前記送電装置と対向させて配置して、前記送電コイルと前記補助コイルの間に受電空間を形成し、前記受電空間内に前記受電コイルを配置して電力伝送を行うことを特徴とする非接触電力伝送方法。
【請求項１３】
前記補助共振器を構成する共振容量として可変容量を用い、
前記受電空間内に前記受電コイルを配置して前記可変容量を調整することにより、電力伝送の効率を調整する請求項１２に記載の非接触電力伝送方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−８５４３６（Ｐ２０１３−８５４３６Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８３８０３（Ｐ２０１１−２８３８０３）
【出願日】平成２３年１２月２６日（２０１１．１２．２６）
【出願人】（０００００５８１０）日立マクセル株式会社 (2,366)
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月２６日（２０１１．１２．２６）
【出願人】（０００００５８１０）日立マクセル株式会社 (2,366)
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