特許 6032366 ワイヤレス電力伝送システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6032366

(24)【登録日】2016年11月4日

(45)【発行日】2016年11月24日

(54)【発明の名称】ワイヤレス電力伝送システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/05 20160101AFI20161114BHJP

   H02J 50/12 20160101ALI20161114BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/05

   H02J50/12

【請求項の数】7

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-525199(P2015-525199)

(86)(22)【出願日】2014年6月30日

(86)【国際出願番号】JP2014067325

(87)【国際公開番号】WO2015002126

(87)【国際公開日】20150108

【審査請求日】2015年7月6日

(31)【優先権主張番号】特願2013-137683(P2013-137683)

(32)【優先日】2013年7月1日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000970

【氏名又は名称】特許業務法人 楓国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】市川 敬一

【審査官】 坂東 博司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１３５０６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−７００８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表昭６３−５０３２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−９５８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ５０／０５

Ｈ０２Ｊ ５０／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

送電側第１電極および送電側第２電極と、
前記送電側第１電極および前記送電側第２電極に交流電圧を印加する交流電圧印加回路と、
を有する送電装置と、
前記送電側第１電極に対向する受電側第１電極と、
前記送電側第２電極に対向する受電側第２電極と、
前記送電側第１電極および前記送電側第２電極に対向して、容量結合により前記受電側第１電極および前記受電側第２電極に誘起される電圧を負荷に供給する受電側回路と、
を有する受電装置と、
を備え、
前記送電装置は、第１端が前記送電側第１電極に繋がり、第２端が前記送電側第２電極に繋がっている送電側コイルを有し、
前記受電装置は、第１端が前記受電側第１電極に繋がり、第２端が前記受電側第２電極に繋がっている受電側コイルを有し、
前記送電側第１電極、前記送電側第２電極及び前記送電側コイルは互いに離間し、
前記受電側第１電極、前記受電側第２電極及び前記受電側コイルは互いに離間し、
前記送電側コイルには前記受電側コイルに生じる磁束が鎖交し、前記受電側コイルには前記送電側コイルに生じる磁束が鎖交して、前記送電側コイルおよび前記受電側コイルは磁界結合する、
ワイヤレス電力伝送システム。

【請求項2】

前記送電側第１電極は前記受電側第１電極に対向し、前記送電側第２電極は前記受電側第２電極に対向し、
前記送電側コイルおよび前記受電側コイルは、コイル巻回軸が同方向となるように設けられ、かつ、前記送電側第２電極から前記送電側コイル経由で前記送電側第１電極へ電流が流れたときに前記送電側コイルに生じる磁界の向きと、前記受電側第１電極から前記受電側コイル経由で前記受電側第２電極へ電流が流れたときに前記受電側コイルに生じる磁界の向きが同方向となるように巻回されている、請求項１に記載のワイヤレス電力伝送システム。

【請求項3】

前記送電側コイルおよび前記受電側コイルは面状コイルであって、間隙をおいて対向する、請求項１または２に記載のワイヤレス電力伝送システム。

【請求項4】

前記送電側第１電極、前記送電側第２電極および前記送電側コイルは同一平面に沿って設けられ、
前記受電側第１電極、前記受電側第２電極および前記受電側コイルは同一平面に沿って設けられている、
請求項３に記載のワイヤレス電力伝送システム。

【請求項5】

前記送電側コイルは前記送電側第１電極を囲むように形成され、
前記送電側第２電極は前記送電側コイルを囲むように形成され、
前記受電側コイルは前記受電側第１電極を囲むように形成され、
前記受電側第２電極は前記受電側コイルを囲むように形成されている、
請求項１から４の何れかに記載のワイヤレス電力伝送システム。

【請求項6】

前記送電側第１電極および前記送電側第２電極は、間に前記送電側コイルを介在させて、対向配置され、
前記受電側第１電極および前記受電側第２電極は、間に前記受電側コイルを介在させて、対向配置されている、
請求項１または２に記載のワイヤレス電力伝送システム。

【請求項7】

前記送電側第１電極および前記送電側第２電極、並びに、前記受電側第１電極および前記受電側第２電極は、渦電流発生を抑制する形状である、
請求項６に記載のワイヤレス電力伝送システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、送電装置から受電装置へ電力をワイヤレス伝送するワイヤレス電力伝送システムに関する。

【背景技術】

【0002】

代表的なワイヤレス電力伝送システムとして、送電装置の一次コイルから受電装置の二次コイルへ磁界を利用して電力を伝送する磁界結合方式の電力伝送システムが知られている。このシステムでは、磁界結合で電力を伝送する場合、各コイルを通る磁束の大きさが起電力に大きく影響するため、一次コイルと二次コイルとの相対位置関係に高い精度が要求される。また、コイルを利用するため、装置の小型化が難しい。

【0003】

一方、特許文献１，２に開示されているような電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムも知られている。このシステムでは、送電装置の結合電極から受電装置の結合電極に電界を介して電力が伝送される。この方式は、結合電極の相対位置精度が比較的緩く、また、結合電極の小型化及び薄型化が可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２００９−５３１００９号公報

【特許文献2】特開２００９−２９６８５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、ワイヤレス電力伝送システムにおける受電装置としては、携帯電話機、ノート型ＰＣまたはタブレット端末などの電子機器が挙げられる。そして、ワイヤレス電力伝送システムは、これら電子機器の二次電池をワイヤレスで充電する用法が挙げられる。受電装置が、二次電池の充電容量が大きいタブレット端末などの場合、電力伝送を効率よく行わないと、充電時間が長くなるといった問題がある。

【0006】

そこで、本発明の目的は、電力伝送を効率よく行えるワイヤレス電力伝送システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係るワイヤレス電力伝送システムは、送電側第１電極および送電側第２電極と、前記送電側第１電極および前記送電側第２電極に交流電圧を印加する交流電圧印加回路と、を有する送電装置と、前記送電側第１電極に対向する受電側第１電極と、前記送電側第２電極に対向する受電側第２電極と、前記送電側第１電極および前記送電側第２電極に対向して、容量結合により前記受電側第１電極および前記受電側第２電極に誘起される電圧を負荷に供給する受電側回路と、を有する受電装置と、を備え、前記送電装置は、第１端が前記送電側第１電極に繋がり、第２端が前記送電側第２電極に繋がっている送電側コイルを有し、前記受電装置は、第１端が前記受電側第１電極に繋がり、第２端が前記受電側第２電極に繋がっている受電側コイルを有し、前記送電側コイルには前記受電側コイルに生じる磁束が鎖交し、前記受電側コイルには前記送電側コイルに生じる磁束が鎖交して、前記送電側コイルおよび前記受電側コイルは磁界結合することを特徴とする。

【0008】

この構成では、電界結合および磁界結合を併用することで、送電装置と受電装置との結合度を高くすることができ、送電装置から受電装置への電力伝送効率を高めることができる。

【0009】

前記送電側第１電極は前記受電側第１電極に対向し、前記送電側第２電極は前記受電側第２電極に対向し、前記送電側コイルおよび前記受電側コイルは、コイル巻回軸が同方向となるように設けられ、かつ、前記送電側第２電極から前記送電コイル経由で前記送電側第１電極へ電流が流れたときに前記送電側コイルに生じる磁界の向きと、前記受電側第１電極から前記受電側コイル経由で前記受電側第２電極へ電流が流れたときに前記受電側コイルに生じる磁界の向きが同方向となるように巻回されていることが好ましい。

【0010】

この構成では、送電装置と受電装置との結合度をより高くすることができ、送電装置から受電装置への電力伝送効率をより高めることができる。

【0011】

前記送電側コイルおよび前記受電側コイルは面状コイルであって、間隙をおいて対向する構成が好ましい。

【0012】

この構成では、送電側コイルおよび受電側コイルを平面状にすることで、送電装置および受電装置の薄型化を実現できる。

【0013】

前記送電側第１電極、前記送電側第２電極および前記送電側コイルは同一平面に沿って設けられ、前記受電側第１電極、前記受電側第２電極および前記受電側コイルは同一平面に沿って設けられている構成が好ましい。

【0014】

この構成では、送電装置および受電装置の薄型化を実現できる。

【0015】

前記送電側第２電極は前記送電装置の基準電位に接続され、前記送電側コイルは前記送電側第１電極を囲むように形成され、前記送電側第２電極は前記送電側コイルを囲むように形成され、前記受電側第２電極は前記受電装置の基準電位に接続され、前記受電側コイルは前記受電側第１電極を囲むように形成され、前記受電側第２電極は前記受電側コイルを囲むように形成されている構成が好ましい。

【0016】

この構成では、送電装置では、送電側第１電極からの不要輻射を送電側第２電極で抑制でき、受電装置は、受電側第１電極からの不要輻射を受電側第２電極で抑制できる。

【0017】

前記送電側第１電極および前記送電側第２電極は、間に前記送電側コイルを介在させて、対向配置され、前記受電側第１電極および前記受電側第２電極は、間に前記受電側コイルを介在させて、対向配置されている構成が好ましい。

【0018】

この構成では、受電装置および送電装置において、各電極およびコイルの占有面積を小さくできる。

【0019】

前記送電側第１電極および前記送電側第２電極、並びに、前記受電側第１電極および前記受電側第２電極は、渦電流発生を抑制する形状であることが好ましい。

【0020】

この構成では、各電極で渦電流発生を抑制することで、電極に生じる渦電流によって磁界が打ち消されることを防止できる。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、電界結合および磁界結合を併用することで、送電装置から受電装置への電力伝送効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】２つの共振回路の相互結合を説明するための回路図

【図2】結合係数の相関関係を示す図

【図3】結合部分の入力インピーダンスの周波数特性の測定結果を示す図

【図4】実施形態１に係るワイヤレス電力伝送システムの送電装置および受電装置を示す斜視図

【図5】受電装置を送電装置に載置した際の、アクティブ電極、パッシブ電極および平面コイルの位置関係を説明するための断面図

【図6A】ワイヤレス電力伝送システムの回路

【図6B】ワイヤレス電力伝送システムの回路の別の例を示す図

【図6C】ワイヤレス電力伝送システムの回路の別の例を示す図

【図6D】ワイヤレス電力伝送システムの回路の別の例を示す図

【図6E】ワイヤレス電力伝送システムの回路の別の例を示す図

【図6F】ワイヤレス電力伝送システムの回路の別の例を示す図

【図7】実施形態２に係るワイヤレス電力伝送システムの送電装置および受電装置を示す斜視図

【図8】受電装置を送電装置に載置した際の、アクティブ電極、パッシブ電極および平面コイルの位置関係を説明するための断面図

【図9】実施形態３に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図

【図10A】送電側コイルの構成を説明するための図

【図10B】送電側コイルの構成の別の例を示す図

【図10C】送電側コイルの構成の別の例を示す図

【図10D】送電側コイルの構成の別の例を示す図

【図10E】送電側コイルの構成の別の例を示す図

【図10F】送電側コイルの構成の別の例を示す図

【図11】受電装置を送電装置に載置した際の送電側コイルおよび受電側コイルの位置関係を説明するための断面図

【図12】実施形態４に係るワイヤレス電力伝送システムの送電装置および受電装置を示す斜視図

【図13】受電装置を送電装置に載置した際の、アクティブ電極、パッシブ電極および平面コイルの位置関係を説明するための断面図

【図14】ワイヤレス電力伝送システムの回路図

【発明を実施するための形態】

【0023】

まず、２つの共振回路の相互結合について説明する。図１は、２つの共振回路の相互結合を説明するための回路図である。

【0024】

図１に示すように、コイルＬ１とキャパシタＣ１とを有するＬＣ共振回路１、および、コイルＬ２とキャパシタＣ２とを有するＬＣ共振回路２は、アクティブ電極Ａ１，Ａ２が対向し、パッシブ電極Ｐ１，Ｐ２が対向して電界結合する。この電界結合の結合係数はｋｅとする。また、ＬＣ共振回路１，２は、コイルＬ１，Ｌ２が磁界結合する。この磁界結合の結合係数はｋｍとする。電圧Ｖ１,Ｖ２と電流Ｉ１,Ｉ２の向きを、図１に示す方向に定め、結合しているコイルの向きをドット（点）で定めて符号を決める。結合係数ｋｍは−１＜ｋｍ＜１の値を採り得る（図１はｋｍが正の場合の電流および電圧を規定している）。簡単のためＬＣ共振回路１，２を構成するコイルＬ１，Ｌ２は同じ値とし、キャパシタＣ１，Ｃ２も同じ値とする。

【0025】

ここで、電界結合および磁界結合を併用して２つのＬＣ共振回路１，２を結合させる場合の結合係数をｋ、電界結合のみ用いた場合の結合係数をｋｅ、磁界結合のみ用いた場合の結合係数をｋｍで表すと、ｋ＝（ｋｅ−ｋｍ）／（１−ｋｅ・ｋｍ）の関係を有する。電界および磁界を併用することによって電界結合単独、磁界結合単独の結合係数よりも高くするためには、以下の式（１）及び式（２）を両立させる必要がある。
｜ｋ｜＞ｋｅ（０＜ｋｅ＜１）・・・（１）
｜ｋ｜＞｜ｋｍ｜（−１＜ｋｍ＜１（ｋｍ≠０））・・・（２）
ここで、結合係数ｋ、ｋｍには負の値が含まれるので絶対値で表記する。結合係数ｋの分子の符号で場合分けを行い、式（１）および式（２）を両立する条件を求める。

【0026】

ｋｅ−ｋｍ＞０の場合、式（１）を満たす条件は、ｋｍ＜０、０＜ｋｅ＜１である。式（２）を満たす条件は、ｋｍ＜０、０＜ｋｅ＜１、または、ｋｍ＞０、ｋｅ＞２ｋｍ／（１＋ｋｍ^２）である。したがって、式（１）および式（２）を両立する条件は、ｋｍ＜０、０＜ｋｅ＜１である。

【0027】

ｋｅ−ｋｍ＝０の場合、式（１）および式（２）を満たす解はない。

【0028】

ｋｅ−ｋｍ＜０の場合、式（１）を満たす条件は、ｋｍ＞２ｋｅ／（１＋ｋｅ^２）である。しかし、式（２）を満たす条件は無い。したがって、式（１）および式（２）を両立する条件が無い。

【0029】

したがって、図１に記載した結合共振系の場合、−１＜ｋｍ＜０にコイルの結合構造を定めると、電界結合および磁界結合を併用して２つの共振回路を結合させた場合の結合度は、電界結合のみを用いた場合、および、磁界結合を用いた場合よりも高くなる。

【0030】

図２は結合係数の相関関係を示す図である。図２に示すように、−１＜ｋｍ＜０の条件の場合、結合係数ｋは、磁界結合によって、電界結合の結合係数ｋｅよりも増大する。

【0031】

図３は、図１の回路について、結合部分の入力インピーダンスの周波数特性の測定結果を示す図である。図３では、０＜ｋｍ＜１の場合、および、−１＜ｋｍ＜０の場合それぞれにおける周波数特性の測定結果を示す。図３に示す共振周波数ｆ１、共振周波数ｆ２は、送電側の共振回路と受電側の共振回路が結合した時に生成される結合共振周波数である。

【0032】

図３から読み取れるように、０＜ｋｍ＜１の場合、共振周波数ｆ１は１１．５６ＭＨｚ、ｆ２は１２．２２ＭＨｚである。また、−１＜ｋｍ＜０の場合、共振周波数ｆ１は６．６２ＭＨｚ、ｆ２は１９．５４ＭＨｚである。ここで、結合係数ｋを共振周波数ｆ１、ｆ２で表すと、ｋ＝（ｆ２^２−ｆ１^２）／（ｆ２^２＋ｆ１^２）と表すことができる。そして、０＜ｋｍ＜１の場合の結合係数ｋは０．０６であり、−１＜ｋｍ＜０の場合の結合係数ｋは０．７９である。また、図３に示していないが、磁界結合のみを用いた場合の共振周波数ｆ１，ｆ２は、１１．５６および１９．４４であり、結合係数ｋｍは０．４８である。また、電界結合のみを用いた場合の共振周波数ｆ１，ｆ２は、８．８および１４．２２であり、結合係数ｋｅは０．４５である。

【0033】

すなわち、−１＜ｋｍ＜０の場合の方が、結合係数ｋが高い。２つの共振系それぞれに電源、あるいは、負荷を接続することで、電力伝送系を構成することができる。２つの共振系を結合させて構成した電力伝送系では、共振回路間の結合係数が高いほど伝送効率が高い。したがって、本共振系を用いて構成した電力伝送系の電力伝送効率は高くなる。ここでは、同一等価回路で現象を説明するために負のｋｍを用いたが、以下の各実施形態では、磁界結合係数ｋｍは正として説明する。

【0034】

（実施形態１）
図４は、実施形態１に係るワイヤレス電力伝送システム３０１の送電装置および受電装置を示す斜視図である。送電装置１０１および受電装置２０１それぞれの筐体内部には、アクティブ電極１１，２１、パッシブ電極１２，２２および平面コイル１３，２３が設けられていて、図１はそれらを透視した図である。

【0035】

ワイヤレス電力伝送システム３０１の受電装置２０１は、二次電池と充電回路等を含めたバッテリモジュールを備えた携帯電子機器である。携帯電子機器としては携帯電話機、携帯音楽プレーヤ、ノート型ＰＣ、デジタルカメラなどが挙げられる。受電装置２０１は送電装置１０１に載置され、送電装置１０１は受電装置２０１の二次電池を充電する。

【0036】

送電装置１０１は、設置面に対して略水平となる載置面１０１Ａと、載置面１０１Ａに対して略垂直となる背もたれ面１０１Ｂとを有している。載置面１０１Ａには受電装置２０１が載置され、背もたれ面１０１Ｂは、載置された受電装置２０１の傾倒を防止する。送電装置１０１の内部には、背もたれ面１０１Ｂに沿って円形状のアクティブ電極１１およびパッシブ電極１２と、円環状の平面コイル１３とが設けられている。

【0037】

アクティブ電極１１は、本発明に係る送電側第１電極または送電側第２電極に相当し、パッシブ電極１２は、本発明に係る送電側第２電極または送電側第１電極に相当する。また、平面コイル１３は、本発明に係る送電側コイルに相当する。

【0038】

受電装置２０１は略直方体状の筐体を備え、その筐体の前面には、例えば、不図示の液晶パネルが設けられている。受電装置２０１は、背面が送電装置１０１の背もたれ面１０１Ｂと面接触するようにして載置面１０１Ａに載置される。受電装置２０１の内部には、背面に沿って、円形状のアクティブ電極２１およびパッシブ電極２２と、円環状の平面コイル２３とが設けられている。

【0039】

アクティブ電極２１は、本発明に係る受電側第１電極または受電側第２電極に相当し、パッシブ電極２２は、本発明に係る受電側第２電極または受電側第１電極に相当する。また、平面コイル２３は、本発明に係る受電側コイルに相当する。

【0040】

アクティブ電極１１，２１はそれぞれ同じ径を有し、パッシブ電極１２，２２もそれぞれ同じ径を有している。また、平面コイル１３，２３は、それぞれ同じ外径を有し、かつ、同じ径のコイル開口１３Ａ，２３Ａを有している。

【0041】

図５は、受電装置２０１を送電装置１０１に載置した際の、アクティブ電極１１，２１、パッシブ電極１２，２２および平面コイル１３，２３の位置関係を説明するための断面図である。図５に示すように、送電装置１０１に受電装置２０１を載置した場合、アクティブ電極１１，２１、パッシブ電極１２，２２、平面コイル１３，２３それぞれは、中心軸を一致させて間隙をおいて対向する。図３の場合、平面コイル１３，２３それぞれに電流が流れた場合、コイル開口１３Ａ，２３Ａの面に対して垂直方向に磁界が発生する。

【0042】

送電装置１０１において、アクティブ電極１１およびパッシブ電極１２は、高周波発振回路ＯＳＣが発生した、例えば１００ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚの高周波電圧が印加される。これにより、アクティブ電極１１，２１が容量結合し、パッシブ電極１２，２２も容量結合する。受電装置２０１において、容量結合によりアクティブ電極２１およびパッシブ電極２２に電圧が誘起され、その電圧は受電側回路２０により降圧、整流および平滑される。

【0043】

また、送電装置１０１において、アクティブ電極１１およびパッシブ電極１２への電圧印加時に、平面コイル１３に電流が流れ、平面コイル１３に磁界が発生する。この磁界が平面コイル２３に鎖交することで、平面コイル２３に電流が流れる。さらに、アクティブ電極２１およびパッシブ電極２２に電圧が誘起されることにより、平面コイル２３に電流が流れ、これにより平面コイル２３にも磁界が発生する。すなわち、平面コイル２３を鎖交する磁界は強められる。そして、平面コイル１３，２３に同方向に磁界が発生することで、平面コイル１３，２３は磁界結合する。

【0044】

このように、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム３０１では、送電装置１０１に受電装置２０１を載置した場合、容量結合と磁界結合との組み合わせにより、送電装置１０１から受電装置２０１へ電力が伝送される。

【0045】

図６Ａはワイヤレス電力伝送システム３０１の回路である。

【0046】

送電装置１０１は、高周波発振器ＯＳＣおよび昇圧トランスＴＧを備えている。昇圧トランスＴＧは、高周波電圧発生回路ＯＳＣの発生する電圧を昇圧してアクティブ電極１１とパッシブ電極１２との間に印加する。キャパシタＣ１１は、アクティブ電極１１およびパッシブ電極１２の間に形成される浮遊容量、または実部品である。平面コイル１３は、キャパシタＣ１１と共に直列共振回路を構成している。

【0047】

受電装置２０１は、アクティブ電極２１およびパッシブ電極２２に誘起された電圧を降圧する降圧トランスＴＬと、降圧した交流電圧を直流電圧に変換する整流回路２０Ａと、負荷ＲＬに対して規定の直流電圧を出力するＤＣ−ＤＣコンバータ２０Ｂとを備えている。キャパシタＣ２１は、アクティブ電極２１およびパッシブ電極２２の間に形成される浮遊容量、または実部品である。平面コイル２３は、キャパシタＣ２１と共に直列共振回路を構成している。

【0048】

このワイヤレス電力伝送システム３０１において、受電装置２０１が送電装置１０１に載置され、送電装置１０１のアクティブ電極１１およびパッシブ電極１２間に電圧が印加されることで、対向配置となったアクティブ電極１１，２１同士、および、パッシブ電極１２，２２同士がそれぞれに電界が生じて容量結合する。そして、この電界を介して電力が送電装置１０１から受電装置２０１へ伝送される。受電装置２０１では、電力伝送により誘起される交流電圧が降圧された後、整流および平滑され、負荷ＲＬに印加される。

【0049】

以上のように、ワイヤレス電力伝送システム３０１は、電界結合および磁界結合を併用した電力伝送系であって、その電力伝送効率は高い。また、この場合に、平面コイル１３，２３は、コイル巻回軸が同方向となるように設けられ、かつ、パッシブ電極１２から平面コイル１３経由でアクティブ電極１１へ電流が流れたときに平面コイル１３に生じる磁界の向きと、アクティブ電極２１から平面コイル２３経由でパッシブ電極２２へ電流が流れたときに平面コイル２３に生じる磁界の向きが同方向となるように巻回されているので、結合係数ｋを大きくすることができる。その結果、効率のよい電力伝送が実現できる。

【0050】

なお、ワイヤレス電力伝送システム３０１の回路は、図６Ａの構成に限定されない。図６Ｂ〜図６Ｆは、ワイヤレス電力伝送システム３０１の回路の別の例を示す図である。

【0051】

図６Ｂでは、送電装置１０１の平面コイル１３は、一端がアクティブ電極１１に接続され、他端がパッシブ電極１２に接続されている。平面コイル１３は、キャパシタＣ１１と並列共振回路を構成している。また、受電装置２０１の平面コイル２３は、図６Ａと同様に、キャパシタＣ２１と共に直列共振回路を構成している。

【0052】

図６Ｃでは、送電装置１０１の平面コイル１３は、図６Ａと同様に、キャパシタＣ１１と並列共振回路を構成している。また、受電装置２０１の平面コイル２３は、一端がアクティブ電極２１に接続され、他端がパッシブ電極２２に接続されている。そして、平面コイル２３は、キャパシタＣ２１と共に並列共振回路を構成している。

【0053】

図６Ｄでは、送電装置１０１の平面コイル１３は、図６Ｂと同様に、キャパシタＣ１１と並列共振回路を構成している。また、受電装置２０１の平面コイル２３は、図６Ｃと同様に、キャパシタＣ２１と共に並列共振回路を構成している。

【0054】

図６Ｅは、送電装置１０１のアクティブ電極１１と、受電装置２０１のアクティブ電極２１とが対向し、送電装置１０１のパッシブ電極１２と、受電装置２０１のパッシブ電極２２とが対向して結合する構成を示す。ただし、受電装置２０１のアクティブ電極２１とパッシブ電極２２は、図６Aとは接続位置が逆である。この場合、送電装置１０１の平面コイル１３は、図６Ａと同様に接続されている。受電装置２０１の平面コイル２３は、図６Ａとは接続方向が逆、すなわち、電流が流れたときに極性が図６Ａとは反対となるよう、接続されている。

【0055】

図６Ｆでは、送電装置１０１において、昇圧トランスＴＧの二次コイルを、送電装置１０１の平面コイル１３として利用している。また、受電装置２０１において、降圧トランスＴＬの一次コイルを、平面コイル２３として利用している。

【0056】

（実施形態２）
以下に、本発明に係る実施形態２について説明する。本実施形態では、送電装置および受電装置それぞれが備えるアクティブ電極およびパッシブ電極の形状が実施形態１と相違する。以下、その相違点について説明する。

【0057】

図７は、実施形態２に係るワイヤレス電力伝送システム３０２の送電装置１０２および受電装置２０２を示す斜視図である。図８は、受電装置２０２を送電装置１０２に載置した際の、アクティブ電極１４，２４、パッシブ電極１５，２５および平面コイル１３，２３の位置関係を説明するための断面図である。

【0058】

送電装置１０２は、背もたれ面１０１Ｂに沿って設けられた、平面コイル１３と、円形状のアクティブ電極１４と、円環状のパッシブ電極１５とを備えている。平面コイル１３、アクティブ電極１４およびパッシブ電極１５は中心軸を一致させて設けられている。また、アクティブ電極１４は平面コイル１３の内側に配置され、かつ、平面コイル１３およびアクティブ電極１４はパッシブ電極１５の内側に配置されている。パッシブ電極１５が、平面コイル１３およびアクティブ電極１４を囲むことで、平面コイル１３およびアクティブ電極１４から出る不要輻射を抑制できる。

【0059】

受電装置２０２は、筐体の背面に沿って設けられた平面コイル２３と、円形状のアクティブ電極２４と、円環状のパッシブ電極２５とを備えている。平面コイル２３、アクティブ電極２４およびパッシブ電極２５は中心軸を一致させて設けられている。また、アクティブ電極２４は平面コイル２３の内側に配置され、かつ、平面コイル２３およびアクティブ電極２４はパッシブ電極２５の内側に配置されている。パッシブ電極２５が、平面コイル２３およびアクティブ電極２４を囲むことで、平面コイル２３およびアクティブ電極２４から出る不要輻射を抑制できる。なお、アクティブ電極１４，２４、パッシブ電極１５，２５はそれぞれ同じ径を有している。

【0060】

送電装置１０２に受電装置２０２を載置した場合、アクティブ電極１４，２４、パッシブ電極１５，２５それぞれは、間隙をおいて対向する。また、平面コイル１３は、コイル開口１３Ａが平面コイル２３のコイル開口２３Ａと一致して、平面コイル２３と間隙をおいて対向する。

【0061】

実施形態２に係るワイヤレス電力伝送システム３０２では、実施形態１と同様に、電界結合および磁界結合を併用して、送電装置１０２と受電装置２０２とを結合させた場合の結合度を高くしている。これにより、送電装置１０２から受電装置２０２への高い電力伝送効率を実現している。

【0062】

なお、本実施形態に係るアクティブ電極１４，２４、パッシブ電極１５，２５は、例えば櫛歯状の電極であることが好ましい。アクティブ電極１４，２４は平面コイル１３，２３のコイル開口に配置されているため、アクティブ電極１４，２４が平板電極である場合、平面コイル１３，２３から生じる磁界を遮るように渦電流が発生する。このため、アクティブ電極１４，２４を櫛歯状とすることで、渦電流の発生を抑制し、平面コイル１３，２３から生じる磁界が打ち消されないようにできる。パッシブ電極１５，２５も、渦電流損を抑制するという点で、上記と同じである。

【0063】

（実施形態３）
以下に、本発明に係る実施形態３について説明する。本実施形態では、送電装置および受電装置それぞれが備える磁界結合するコイル、および、アクティブ電極およびパッシブ電極の構成が、実施形態１と相違する。以下、その相違点について説明する。

【0064】

図９は、実施形態３に係るワイヤレス電力伝送システム３０３の回路図である。

【0065】

本実施形態では、送電装置１０３において、アクティブ電極１６およびパッシブ電極１７には、第１のコイル１８Ａと第２のコイル１８Ｂとが接続されている。第１のコイル１８Ａおよび第２のコイル１８Ｂは、キャパシタＣ１１などと共にＬＣ共振回路を構成している。第１のコイル１８Ａと第２のコイル１８Ｂとは、昇圧トランスＴＧの二次コイルＬ１２に接続されていて、第１のコイル１８Ａ、第２のコイル１８Ｂおよび二次コイルＬ１２は、一つのコイル（以下、送電側コイルという。）を構成している。アクティブ電極１６およびパッシブ電極１７は、この送電側コイルにより構成されている。すなわち、一つの送電側コイルには、アクティブ電極１６、パッシブ電極１７、第１のコイル１８Ａ、第２のコイル１８Ｂ、および二次コイルＬ１２が構成されている。

【0066】

図１０Ａは、送電側コイルの構成を説明するための図である。送電側コイル１９は、前記のように、第１のコイル１８Ａ、第２のコイル１８Ｂ、および昇圧トランスＴＧの二次コイルＬ１２とで構成されている。送電側コイル１９における二次コイルＬ１２の周囲には、昇圧トランスＴＧの一次コイルＬ１１が設けられていて、一次コイルＬ１２と二次コイルＬ１２とが磁界結合する。

【0067】

また、送電側コイル１９の両端のコイル開口には、櫛歯状に電極が形成されていて、アクティブ電極１６とパッシブ電極１７とが形成されている。アクティブ電極１６とパッシブ電極１７とが形成された送電側コイル１９の両端は、平面視でアクティブ電極１６よりパッシブ電極１７が大きくなるように形成されている。アクティブ電極１６とパッシブ電極１７とが櫛歯状の平板電極としてあることで渦電流の発生を抑制し、送電側コイル１９から生じる磁界が打ち消されないようにできる。

【0068】

なお、送電側コイル１９の両端のコイル開口の構成は、図１０Ａに示す構成に限定されず、渦電流の発生を抑制できる形状であればよい。図１０Ｂ〜図１０Ｆは、送電側コイルの構成の別の例を示す図である。なお、図１０Ｂ〜図１０Ｆは、アクティブ電極１６の変形例の平面視である。なお、図１０Ｂ〜図１０Ｆは、アクティブ電極１６の構成のみを示しているが、パッシブ電極１７もアクティブ電極１６と同様にいずれの構成でも良い。

【0069】

図１０Ｂに示すように、アクティブ電極１６は櫛歯状に電極が形成されていてもよい。また、図１０Ｃに示すように、アクティブ電極１６は、円形状の外周から内側に向かって放射状に電極が形成されていてもよい。さらに、図１０Ｄに示すように、アクティブ電極１６は、内から外側に向かって放射状に電極が形成されていてもよい。図１０Ｅに示すように、アクティブ電極１６はミアンダ状に形成されていてもよい。図１０Ｆに示すように、アクティブ電極１６は葉脈状に形成されていてもよい。

【0070】

なお、渦電流の発生が抑制される形状とは、送電側コイル１９の巻回軸から平面視で、アクティブ電極１６及びパッシブ電極１７それぞれは、導体が一様に広がった平板状でなく、線状の導体が折れ曲がり、または、組み合わされ、かつ、その線状の導体に閉ループが形成されない形状を言う。

【0071】

図９に戻り、受電装置２０３において、アクティブ電極２６およびパッシブ電極２７には、第１のコイル２８Ａと第２のコイル２８Ｂとが接続されている。第１のコイル２８Ａおよび第２のコイル２８Ｂは、キャパシタＣ２１などと共にＬＣ共振回路を構成している。第１のコイル２８Ａと第２のコイル２８Ｂとは、降圧トランスＴＬの一次コイルＬ２１に接続されていて、第１のコイル２８Ａ、第２のコイル２８Ｂおよび一次コイルＬ２１は、一つのコイル（以下、受電側コイルという。）を形成している。そして、アクティブ電極２６およびパッシブ電極２７は、この受電側コイルにより構成されている。受電側コイルの構成は、図８で示した送電側コイル１９と同様であるため、説明は省略する。

【0072】

図１１は、受電装置２０３を送電装置１０３に載置した際の送電側コイルおよび受電側コイルの位置関係を説明するための断面図である。

【0073】

送電側コイル１９と受電側コイル２９とは、送電装置１０３に受電装置２０３を載置した場合、それぞれの巻回軸がほぼ一致するよう設けられている。また、送電側コイル１９は、アクティブ電極１６が受電装置２０３側となるように設けられ、受電側コイル２９は、アクティブ電極２６が送電装置１０３側となるように設けられている。すなわち、アクティブ電極１６，２６は間隙をおいて対向し、パッシブ電極１７，２７は、間にアクティブ電極１６，２６が介在して対向している。また、送電側コイル１９と受電側コイル２９とは、それぞれに電流が流れたときに発生する磁界が同方向となるようにされている。

【0074】

送電装置１０３において、高周波発振回路ＯＳＣが発生した電圧は、図９、図１０に示す昇圧コイルの一次コイルＬ１１を介して送電側コイル１９に印加される。そして、アクティブ電極１６，２６が容量結合し、パッシブ電極１７，２７も容量結合して、送電装置１０３から受電装置２０３へ電力が伝送される。また、第１のコイル１８Ａ、第２のコイル１８Ｂおよび二次コイルＬ１２と、第１のコイル２８Ａ、第２のコイル２８Ｂおよび一次コイルＬ２１とからは同方向に磁界が発生し、送電側コイル１９および受電側コイル２９は磁界結合する。この磁界結合の結合度は、実施形態１，２で説明したように高い。したがって、送電装置１０３と受電装置２０３との間では効率のよい電力伝送を実現できる。

【0075】

なお、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム３０３では、送電装置１０３は第１のコイル１８Ａおよび第２のコイル１８Ｂを備え、受電装置２０３は第１のコイル２８Ａおよび第２のコイル２８Ｂを備えているが、この構成に限定されない。例えば、送電装置１０３は第１のコイル１８Ａのみを備え、第１のコイル１８Ａが受電装置２０３の第１のコイル２８Ａおよび第２のコイル２８Ｂと磁界結合する構成であってもよい。また、送電装置１０３は第１のコイル１８Ａのみを備え、受電装置２０３は第２のコイル２８Ｂのみを備え、第１のコイル１８Ａと第２のコイル２８Ｂとが磁界結合する構成であってもよい。

【0076】

（実施形態４）
図１２は、実施形態４に係るワイヤレス電力伝送システム３０４の送電装置１０４および受電装置２０４を示す斜視図である。図１３は、受電装置２０４を送電装置１０４に載置した際の、アクティブ電極１１，２１、パッシブ電極１２，２２および平面コイル３１，３２，３３，３４の位置関係を説明するための断面図である。図１４は、ワイヤレス電力伝送システム３０４の回路図である。

【0077】

送電装置１０４は、背もたれ面１０１Ｂに沿って設けられた円形状のアクティブ電極１１およびパッシブ電極１２と、円環状の平面コイル３１，３２とを備えている。アクティブ電極１１と平面コイル３１とは中心軸を一致させて、かつ、アクティブ電極１１が平面コイル３１の内側に位置するように設けられている。また、パッシブ電極１２と平面コイル３２とは中心軸を一致させて、かつ、パッシブ電極１２が平面コイル３２の内側に位置するように設けられている。

【0078】

受電装置２０４は、筐体の背面に沿って設けられた円形状のアクティブ電極２１およびパッシブ電極２２と、円環状の平面コイル３３，３４とを備えている。平面コイル３３，３４は、それぞれ平面コイル３１，３２と同じ径を有している。アクティブ電極２１と平面コイル３３とは中心軸を一致させて、かつ、アクティブ電極１１が平面コイル３３の内側に位置するように設けられている。また、パッシブ電極１２と平面コイル３４とは中心軸を一致させて、かつ、パッシブ電極１２が平面コイル３４の内側に位置するように設けられている。

【0079】

送電装置１０４に受電装置２０４を載置した場合、アクティブ電極１１および平面コイル３１は、アクティブ電極２１および平面コイル３３と間隙をおいて対向し、パッシブ電極１２および平面コイル３２は、パッシブ電極２２および平面コイル３４と間隙をおいて対向する。このとき、対向する平面コイル３１，３３から発生する磁界は同方向となり、対向する平面コイル３２，３４から発生する磁界も同方向となる。

【0080】

なお、アクティブ電極１１，２１およびパッシブ電極１２，２２は、実施形態２，３で説明したように、渦電流の発生を抑制するため櫛歯状とすることが好ましい。

【0081】

実施形態４に係るワイヤレス電力伝送システム３０４では、実施形態１と同様に、電界結合および磁界結合を併用して、送電装置１０４と受電装置２０４とを結合させた場合の結合度を高くしている。これにより、送電装置１０４から受電装置２０４への高い電力伝送効率を実現している。また、電力伝送部の回路構成の対称性を高めることができ、ノイズが少ないシステムを構成できる。

【0082】

なお、本実施形態では、アクティブ電極１１，２１を囲む平面コイル３１，３３が磁界結合し、パッシブ電極１２，２２を囲む平面コイル３２，３４が磁界結合する構成としているが、平面コイル３１，３４が磁界結合し、平面コイル３２，３３が磁界結合する構成であってもよい。

【符号の説明】

【0083】

１１，１４，１６−アクティブ電極（送電側第１電極、送電側第２電極）
１２，１５，１７−パッシブ電極（送電側第２電極、送電側第１電極）
１３−平面コイル（送電側コイル、面状コイル）
１８Ａ−第１のコイル
１８Ｂ−第２のコイル
１９−送電側コイル
２０−受電側回路
２１，２４，２６−アクティブ電極（受電側第１電極、受電側第２電極）
２２，２５，２７−パッシブ電極（受電側第２電極、受電側第１電極）
２３−平面コイル（受電側コイル）
２８Ａ−第１のコイル
２８Ｂ−第２のコイル
２９−受電側コイル
１０１，１０２，１０３，１０４−送電装置
２０１，２０２，２０３，２０４−受電装置
３０１，３０２，３０３，３０４−ワイヤレス電力伝送システム
ＯＳＣ−高周波発振回路（交流電圧印加回路）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図6E】

【図6F】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図10D】

【図10E】

【図10F】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】