JPWO2011077493A1

JPWO2011077493A1 - 無線電力伝送装置及び受電装置

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Publication number: JPWO2011077493A1
Application number: JP2011547085A
Authority: JP
Inventors: 一平柏木; 大舘　紀章; 紀章大舘; 庄木　裕樹; 裕樹庄木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2029-12-25
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Abstract

無線電力伝送装置１は、第２中心軸に対して垂直に導電線を１周以上巻く巻き構造を有する第２自己共振コイル２０２を備えた受電装置２に電力を供給する無線電力伝送装置１であって、第１中心軸に対して垂直に導電線を1周以上巻く巻き構造を有し、第１中心軸上にない前記第２自己共振コイル２０２に電力を供給する第１自己共振コイル１０２と、第１中心軸と直交しない第３中心軸に対して垂直に導電線を1周以上巻く巻き構造を有し、第１中心軸上に配置される第３自己共振コイル３０２とを有する。無線電力伝送装置1に対する受電装置２の配置の自由度を向上させることができる。

Description

本発明は、無線により電力を伝送する無線電力伝送装置及び電力を受け取る受電装置に関する。

最近では、無線電力伝送装置が有する送電コイルと受電装置が有する受電コイルを使用し非接触で電力を伝送する無線電力伝送技術が、ICカード、携帯電話、電動歯ブラシ、シェーバーなど多くの機器に採用されている。

このような無線電力伝送技術として、共振コイルによる共振現象を利用した電力伝送技術が知られている（例えば特許文献１）。

国際公開第２００８／１１８１７８号

特許文献１記載の電力伝送では、送電コイルに対する受電コイルの向きによっては、伝送効率が大幅に劣化する。例えば、送電コイル及び受電コイルがそれぞれ中心軸に対して垂直に導電線を１周以上巻く巻き構造を有する場合、互いの中心軸が直交し、かつ一方の中心軸上に他方が配置される（例えば、送電コイルが受電コイルの中心軸上に配置される）と、送電コイルから受電コイルへの電力伝送が困難になる。

このように、送電コイルから受電コイルへ安定して電力を伝送するためには送電コイルと受電コイルとの位置関係が限定され、受電コイルを有する受電装置の配置が限定される問題があった。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであって、従来では電力伝送が困難な位置に配置された受電装置にも電力伝送が可能とし、受電装置の配置の自由度を向上させることができる無線電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明の一観点による無線電力伝送装置は、第２中心軸に対して垂直に導電線を１周以上巻く巻き構造を有する第２自己共振コイルを備えた受電装置に電力を供給する無線電力伝送装置であって、第１中心軸に対して垂直に導電線を1周以上巻く巻き構造を有し、前記第１中心軸上にない前記第２自己共振コイルに電力を供給する第１自己共振コイルと、前記第１中心軸と直交しない第３中心軸に対して垂直に導電線を1周以上巻く巻き構造を有し、前記第１中心軸上に配置される第３自己共振コイルとを有することを特徴とする。

本発明によれば、受電装置の配置の自由度を向上させることができる無線電力伝送装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係る無線電力伝送システムの構成を示す図。実施例１の第１から第３自己共振コイルの位置関係の一例を示す図。第１、２自己共振コイルの配置を示す図。第１、２自己共振コイルの配置と電力伝送効率との関係のシミュレーション結果を示す図。第３自己共振コイルがない場合の近傍磁界の電磁界シミュレーション結果を示す図。第３自己共振コイルがない場合の周波数と電力伝送効率の関係のシミュレーション結果とを示す図。実施例１の無線電力伝送装置における近傍磁界の電磁界シミュレーション結果を示す図。実施例１の無線電力伝送装置における周波数と電力伝送効率の関係のシミュレーション結果とを示す図。実施例１の変形例１の第１から第４自己共振コイルの位置関係の一例を示す図。実施例２の第１から第３自己共振コイルの位置関係の一例を示す図。実施例２の第１から第３自己共振コイルの位置関係を説明する図。実施例２の第１から第３自己共振コイルの位置関係を説明する図。実施例２の変形例１の第１から第４自己共振コイルの位置関係の一例を示す図。実施例３の第１から第３自己共振コイルの位置関係の一例を示す図。実施例３の無線電力装置と受電装置の適用例を示す図。実施例４の第１から第５自己共振コイルの位置関係の一例を示す図。本発明の実施例５に係る無線電力伝送システムの構成を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

＜実施例１＞
本発明の実施例１に係る無線電力伝送システムを説明する。図１に示す無線電力伝送システムは、無線電力伝送装置１と、この無線電力伝送装置１から電力（エネルギー）が供給される受電装置２を有する。

無線電力伝送装置１は、第１、第３自己共振コイル１０２，３０２を有する。自己共振コイルは、コイルのインダクタと自己の浮遊容量とによって所定の周波数で共振するコイルである。図１では、自己共振コイルをインダクタ及びキャパシタの等価回路で示している。図１の等価回路に示す第１自己共振コイル１０２のインダクタを第１の送電コイル１０２ａと称し、キャパシタを第１のキャパシタ１０２ｂと称する。図１の等価回路に示す第３自己共振コイル３０２のインダクタを第３の送電コイル３０２ａと称し、キャパシタを第３のキャパシタ３０２ｂと称する。

無線電力伝送装置１は、さらに高周波電源１００と第１コイル１０１とを有する。なお、高周波電源１００は、無線電力伝送装置１が有していなくてもよく、例えばコンセントのように外部電源であってもよい。

第１コイル１０１は例えば巻き数が１のコイルである。即ち第１コイルはループ形状をしている。ループ形状を含む平面と垂直であって、ループの中心を通る軸を第１コイルの中心軸と称する。つまり、第１コイル１０１は、該中心軸に対して垂直に導電線を１周巻く巻き構造を有している。第１コイル１０１には高周波電源１００から電力が供給される。

第１自己共振コイル１０２は、例えば巻き数がｎのコイルである（ｎは１以上の整数）。第１自己共振コイル１０２の内部に発生する磁界の向きと平行であって、第１自己共振コイル１０２の中心を通る軸を、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓと称する。第１自己共振コイル１０２は、中心軸１Ｓに対して垂直に導電線をＮ周巻く巻き構造を有している。例えば、第１自己共振コイルが円筒形状をしている場合、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓとは、円筒の高さ方向であって、円の中心を通る軸のことである。なお、第１自己共振コイルは、円筒形状に限られない。例えば、第１自己共振コイル１０２の形状は、四角柱形状、渦巻き形状等であってもよい。

第１自己共振コイル１０２は、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓと第１コイル１０１の中心軸とが一致する、または第１自己共振コイル１０２の中心軸が第１コイル１０１のループ内を通るように配置される。第１自己共振コイル１０２をこのように配置することで、高周波電源１００から第１コイル１０１に電力が供給されると、電磁誘導により第１コイル１０１から第１自己共振コイル１０２へ電力が供給される。第１自己共振コイル１０２へ電力が供給されることで、第１自己共振コイル１０２に電流が流れ、磁場が発生する。

第３自己共振コイル３０２は、例えば巻き数がＭのコイルである（Ｍは１以上の整数）。第３自己共振コイル３０２の内部に発生する磁界の向きと平行であって、第３自己共振コイル３０２の中心を通る軸を、第３自己共振コイル３０２の中心軸３Ｓと称する。第３自己共振コイル３０２は、中心軸３Ｓに対して垂直に導電線をＭ周巻く巻き構造を有している。例えば、第３の自己共振コイル３０２が円筒形状をしている場合、第３自己共振コイル３０２の中心軸とは、円筒の高さ方向であって、円の中心を通る軸のことである。なお、第３自己共振コイル３０２は、円筒形状に限られない。例えば、第３自己共振コイル３０２の形状は、四角柱形状、渦巻き形状等であってもよい。

本実施例では、第３自己共振コイル３０２は、第３自己共振コイル３０２の中心軸３Ｓと第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓとが一致する、又は第３自己共振コイル３０２の中心軸３Ｓが第１自己共振コイル１０２の内部を通るように配置される。第3自己共振コイル３０２は、第1自己共振コイル１０２からの磁場の共振により電力を受け取る。その結果、第3自己共振コイル３０２に電流が流れ、磁場が発生する。なお、第１、第３自己共振コイル１０２，３０２の配置の詳細については後述する。

受電装置２は第２自己共振コイル２０２及び第２コイル２０１を有する。

第２自己共振コイル２０２は、例えば巻き数がＬのコイルである（Ｌは1以上の整数。）第２自己共振コイル２０２の内部に発生する磁界の向きと平行であって、第２自己共振コイル２０２の中心を通る軸を、第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓと称する。第２自己共振コイル２０２は、中心軸２Ｓに対して垂直に導電線をＬ周巻く巻き構造を有している。例えば、第２自己共振コイル２０２が円筒形状をしている場合、第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓとは、円筒の高さ方向であって、円の中心を通る軸のことである。なお、第２自己共振コイル２０２は、円筒形状に限られない。例えば、第２自己共振コイル２０２の形状は、四角柱形状、渦巻き形状等であってもよい。第２自己共振コイル２０２の配置の詳細については後述する。第２自己共振コイル２０２は、第１自己共振コイル１０２及び第３自己共振コイル３０２から磁場の共振により電力を受け取る。

ここで、第２自己共振コイル２０２は、コイルのインダクタと、自己の浮遊容量とによって所定の周波数で共振するコイルである。図１では、自己共振コイルをインダクタ及びキャパシタの等価回路で示している。図１の等価回路に示す第２自己共振コイル２０２のインダクタを第２の送電コイル２０２ａと称し、キャパシタを第２のキャパシタ２０２ｂと称する。

第２コイル２０１は例えば巻き数が１のコイルである。即ち第２コイルはループ形状をしている。ループ形状を含む平面と垂直であって、ループの中心を通る軸を第２コイルの中心軸と称する。つまり、第２コイル２０１は、該中心軸に対して垂直に導電線を１周巻く巻き構造を有している。第２コイル２０１には、第２自己共振コイル２０２から電磁誘導により電力が供給される。
第２コイル２０１に供給された電力は外部の負荷４００に供給される。

次に、本実施例に係る無線電力伝送システムの動作を説明する。まず、無線電力伝送装置１の高周波電源１００は無線周波数帯域の所定の周波数を有する高周波電流を第１コイル１０１に出力する。

高周波電流が第１コイル１０１に流れると、第１コイル１０１の周囲に磁界が発生する。

第１コイル１０１に生じた磁界により第１自己共振コイル１０２に電流が誘起され、第１自己共振コイル１０２に誘導電流が流れる。これにより、第１自己共振コイル１０２の周囲に第１振動磁場が発生する。第１振動磁場はある周波数で振動する磁場である。

第１自己共振コイル１０２の周囲に発生した第１振動磁場により第３自己共振コイル３０２が共振し、第３自己共振コイル３０２に誘導電流が流れる。第３自己共振コイル３０２に電流が流れることで、第３自己共振コイル３０２の周囲に第１振動磁場の周波数と同じ周波数で振動する第２振動磁場が発生する。つまり、第１自己共振コイル１０２から第３自己共振コイル３０２に電力が供給され、第２振動磁場が発生する。第３自己共振コイル３０２の共振周波数は、図１に示した第３の送電コイル３０２ａのインダクタンスと第３のキャパシタ３０２ｂのキャパシタンスの各値により決まる。本実施例では、第３自己共振コイル３０２の共振周波数を第１自己共振コイル１０２の共振周波数と同じにする。

第１振動磁場と第２振動磁場との和の磁場により、第２自己共振コイル２０２が共振し、第２自己共振コイル２０２に電流が流れる。第２自己共振コイル２０２に電流が流れる。第２自己共振コイル２０２に電流が流れることで、第２自己共振コイル２０２の周囲に第１振動磁場及び第２振動磁場の周波数と同じ周波数で振動する第３振動磁場が発生する。つまり、第２自己共振コイル２０２は、第１自己共振コイル１０２及び第３自己共振コイルから電力が供給され、第３振動磁場を発生させる。第２自己共振コイル２０２の共振周波数は、図１に示す第２送電コイル２０２ａのインダクタンスと第２のキャパシタ２０２ｂのキャパシタンスの各値により決まる。本実施例では、第２自己共振コイル２０２の共振周波数を第１自己共振コイル１０２の共振周波数と同じにする。

第３振動磁場により電磁誘導を生じ第２コイル２０１に誘導電流が流れる。

第２コイル２０１に生じた誘導電流は負荷４００に流れ、負荷４００で消費される電力の供給を行うことができる。

本実施例によると、無線電力伝送装置１に、第１自己共振コイル１０２のほかに第１コイル１０１から直接電力を供給しない第３自己共振コイル３０２を設けている。第３自己共振コイル３０２が存在しない場合、互いの中心軸１Ｓ，２Ｓが直交し、かつ一方の中心軸上に他方が配置される（例えば、第２自己共振コイル２０２が第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓ上に配置される）と、第１自己共振コイル１０２から第２自己共振コイル２０２への電力伝送が困難になる。

第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓと第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓとが直交し、かつ第２自己共振コイル２０２が第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓ上に配置されるという本来なら伝送効率が非常に悪い場合にも、本実施例の無線電力伝送システムのように第３自己共振コイル３０２を配置することで、第２自己共振コイル２０２に鎖交する磁力線を増やすことができる。

図２〜図５を用いて、第３自己共振コイル３０２を配置することで、第２自己共振コイル２０２に鎖交する磁力線が増加することについて説明する。

まず、図２を用いて第１〜第３自己共振コイル１０２〜３０２の位置関係の一例を説明する。

図２では、第１自己共振コイル１０２は、第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓ上に配置される。また、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓの中心軸１Ｓと第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓとが互いに直交している。第３自己共振コイル１０３は、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓ上に配置される。第３自己共振コイル３０２の中心軸３Ｓは、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓと一致している。

なお、以降の説明では、図1に示す第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２の位置関係を「直交している」、と表現する。

ここで、図３を用いて従来の場合、すなわち無線電力伝送装置１が、第３自己共振コイル３０２を備えない場合に、第１自己共振コイル１０２に対して第２自己共振コイル２０２の向きが電力伝送効率に与える影響を、説明する。

図３Ａに示すように、第２自己共振コイル２０２を回転させて向きを変えたときの電力伝送効率のシミュレーション結果を図３Ｂに示す。

図３Ｂの横軸は、受電コイル（第２自己共振コイル２０２）を、第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓが第１自己共振コイル１０１の中心軸１Ｓと一致する位置から回転させた回転角度θ［ｄｅｇ］を示す。縦軸はその角度θのときの電力伝送効率を示す。

図３Ｂから回転角度θが９０度近くでは電力伝送効率は急激に低下することがわかる。回転角度が９０度のときは、第２自己共振コイル２０２が第１自己共振コイル１０２に対して直交する向きに設置されたときである。このように、第３自己共振コイル３０２を備えない場合には、第２自己共振コイル２０２が第１自己共振コイル１０２と直交する向きにあるとき、電力伝送効率が急激に劣化してしまう。なお、図３では、第２自己共振コイル２０２を回転した場合の電力伝送効率を示しているが、第２自己共振コイル２０２を固定し、第１自己共振コイル１０２を回転させても図３Ｂと同様の結果が得られる。

図４Ａは第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２が直交しているときの近傍磁界の電磁界シミュレーション結果を示す。図４Ａの矢印（ベクトル）は磁界の向きを、その長さは磁界の強さを示す。

図４Ｂは、周波数に対する電力伝送効率の変化のシミュレーション結果を示す図である。図４Ｂの横軸は周波数（ＭＨｚ）を示し縦軸は電力伝送効率を示す。

図４Ａに示すベクトルは、各地点での電磁場の向きと大きさを示す。図４Ａに示す通り、第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２が直交するとき、第２自己共振コイル２０２の周辺の磁場分布は弱く、電磁結合係数が小さい。また、図４Ｂに示す通り、電力伝送効率は24.8MHz付近で数％であり周波数を変化させても全体的に効率が低いことがわかる。

次に、図５を用いて、実施例１、すなわち第３自己共振コイル３０２を備える場合の無線電力伝送装置1の電力伝送特性を説明する。図５Ａは、図１に示す無線電力伝送システムであって、第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２が直交するときの近傍磁界の電磁界シミュレーション結果を示す。図５Ｂは、電力伝送効率シミュレーション結果である。図５Ｂの横軸は周波数[ＭＨｚ]を、縦軸は電力伝送効率を示す。

図５Ａに示すベクトルは、各地点における磁界の向きと大きさを示す。図５Ａのベクトルと図４Ａのベクトルとを比較すると、第１自己共振コイル１０２及び第２自己共振コイル２０２周辺の磁界の向きが変化していることがわかる。また、図５Ａにおいて、図４Ａと比べて、第２自己共振コイル２０２周辺の磁界が強く、電磁結合係数は高くなる。また図５Ｂに示す通り24.8MHz付近での電力伝送効率は５８％程度となり、図４Ｂに比べて、電力伝送効率が改善されていることが理解される。

以上より、本実施例の無線電力伝送装置1によれば、第３自己共振コイル３０２を設けることにより、第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２が直交する位置に設置されたときにも、高い電力伝送効率を達成することができる。したがって、第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２との位置や向きに関して、より広い範囲で高い電力伝送効率を達成できる。

なお、本実施例では、第３自己共振コイル３０２の中心軸３Ｓが第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓと一致する例を説明したが完全に一致しなくてもよい。例えば、第3自己共振コイル３０２の中心軸３Ｓが第1自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓと平行であっても良い。また、第3自己共振コイル３０２の中心軸３Ｓは、第1自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓの中心軸と平行でなくても、中心軸１Ｓと直交さえしていなければ良い。例えば、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓが第３自己共振コイル３０２の内部を通る程度に、中心軸１Ｓ，３Ｓがずれていてもよい。つまり、第3自己共振コイル３０２が第1自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓ上に配置されればよい。

第３自己共振コイル３０２が、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓ上に設置される場合、第３自己共振コイル３０２の中心軸３Ｓと第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓとが直交しないように前記第１，３自己共振コイル１０２，３０２を配置することが好ましい。

また、第２自己共振コイル２０２は、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓ上であって、かつ中心軸２Ｓが中心軸１Ｓと直交するようには配置されないことが好ましい。

第１〜３自己共振コイル１０２〜３０２は、平面状に形成したコイルを用いてもよい。平面状のコイルを用いると、装置を薄型化することができ、設置スペースを小さくすることができる。また、第１〜第３自己共振コイル１０２〜３０２は互いに物理長の異なるコイルを用いても良い。自己共振コイルの物理長が大きいと電力伝送効率は高くなる。したがって、例えば第２自己共振コイル２０２の物理長が小さいときに、第１自己共振コイル１０２と第３自己共振コイル３０２の一方あるいは両方の物理長を大きくすることにより電力伝送効率を改善することができる。

また、第１〜第３のキャパシタ１０２ｂ〜３０２ｂは、それぞれ第１〜第３の送電コイル１０２ａ〜３０２ａ各々の浮遊容量でなくてもよい。例えば、別途コンデンサを設けても良い。

また、第１コイル１０１を用いず、第１自己共振コイル１０２に高周波電源１００から直接電力を給電しても良い。このように構成すれば、より単純な構成の無線電力伝送装置が得られる。

なお、第１コイル１０１は第１自己共振コイル１０２に近接して設けられ、外部の電源から電力（エネルギー）を受け取り電磁誘導により第１自己共振コイル１０２に電力を供給する機能を有するコイルであり、第２コイル２０１は第２自己共振コイル２０２に近接して設けられ、第２自己共振コイル２０２から電磁誘導により電力を受け取り、外部の負荷に電力を供給する機能を有するコイルである。

例えば図１の無線電力伝送システムの各自己共振コイルを図２のように配置した場合の応用例としてパーソナルコンピュータ（PC）の電源をコンセントに差し込まずに給電するシステムが考えられる。例えば、無線電力伝送装置１を机に設置し、ＰＣに受電装置２を設ける。例えば、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓが机のＰＣを置く面と平行になるよう無線電力伝送装置１を設ける。従来の無線電力伝送システムの場合、机の上にＰＣを置くと、第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２とが直交する可能性が大きくなり、ＰＣに電力が供給できない可能性が大きい。本実施例の無線電力伝送装置１のように、第１自己共振コイル１０２の他に第３自己共振コイル３０２を机に設けることで、ＰＣが机の上のどの位置に置かれても無線電力伝送装置１からＰＣへの電力供給が可能となる。

なお、２つの自己共振コイルが互いに直交に配置されている場合は電力のやり取りができなくなるが、直交しない場合は電力のやり取りが可能である。そのため、図２に示す例以外でも、第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２が直交し、かつ第２自己共振コイル２０２と第３自己共振コイル３０２が直交する場合を除けば、第１〜第３自己共振コイル１０２〜３０２の配置によらず第１自己共振コイル１０２から第２自己共振コイル２０２への電力伝送が可能である。

ここで、第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２が直交するとは、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓ上に第２自己共振コイル２０２が配置され、かつ第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓと第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓが直交する場合と、第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓ上に第１自己共振コイル１０２が配置され、かつ第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓと第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓが直交する場合との両方を含む。

（変形例1）
実施例１の変形例の無線電力伝送装置では、図６に示すように、上記第１、第３自己共振コイル１０２，３０２のほかに更に第４自己共振コイル４０２を備える。その他の構成は図１に示す無線電力伝送システムと同じである。第４自己共振コイル４０２は第３自己共振コイル３０２と同じ構成である。

第１〜第４自己共振コイル１０２〜４０２の位置関係を説明する。第４自己共振コイル４０２は、第１自己共振コイルの中心軸１Ｓ上に配置される。

無線電力伝送装置１が、２つの自己共振コイル、すなわち第１自己共振コイル１０２と第３自己共振コイル３０２を有する場合に比べて、第４自己共振コイル４０２を設けることにより、受電装置２の第２自己共振コイル２０２に鎖交する磁力線を増加させることができる。その結果、中心軸１Ｓ方向に第２自己共振コイル２０２を近づけた場合においても、高い電力伝送効率を達成できる。より広い範囲での高い電力伝送を可能とする。

＜実施例２＞
図７を用いて本発明の実施例２に係る無線電力伝送システムについて説明する。本実施例に係る無線電力伝送システムは、第１〜第３自己共振コイル１０２〜３０２の配置を除き図１に示す無線電力伝送システムと同じ構成である。

実施例２では、図７に示すように、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓと第３自己共振コイル３０２の中心軸３Ｓとが平行になるよう設置される。また、この第３自己共振コイル３０２は第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓ上以外の位置に設置される。図７では第２自己共振コイル２０２は、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓ上に配置されているが、第２自己共振コイル２０２の配置は特に図７に限定されない。

この実施例２の無線電力伝送装置によれば、実施例１の無線電力伝送装置と同様の動作原理により、第３自己共振コイル３０２を設けたことにより、第１自己共振コイル１０２及び第２自己共振コイル２０２周辺の磁界の向きを変えることができる。その結果、第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２が直交する位置に置かれたときにも、高い電力伝送効率を達成することができる。したがって、第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２との位置や向きに関して、より広い範囲で高い電力伝送効率を達成できる。

本実施例においては、図８に示す配置を避けて第１〜第３自己共振コイル１０２〜３０２を配置することが好ましい。すなわち図８に示す配置とは、以下３つの条件すべてを同時に満たす配置である。第１の条件は、受電装置２に設けられる第２自己共振コイル２０２が第３自己共振コイル３０２の中心軸３Ｓ上に配置されることである。第２の条件は、第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓは、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓと垂直かつ第１自己共振コイル１０２を含む平面１Ｐ上に配置されることである。また、第３の条件は、第３自己共振コイル３０２の中心軸３Ｓは、第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓと垂直である位置に配置されることである。

これらの条件を同時に満たすとき、第１自己共振コイル１０２に電流が流れても、第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２との間、及び第３自己共振コイル３０２と第２自己共振コイル２０２との間で、磁場の共振が生じにくいので、第２自己共振コイル２０２に誘起される電流が小さくなり、電力伝送効率が低くなるからである。

また、本実施例においては、図９に示す配置以外の配置を採ることが好ましい。すなわち、図９に示す配置とは、以下３つの条件すべてを同時に満たす配置である。第１の条件は、第２自己共振コイル２０２が、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓ上に配置されることである。また、第２の条件は、第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓが、第３自己共振コイル３０２の中心軸３Ｓと垂直かつ第３自己共振コイル３０２を含む平面３Ｐ上に配置されることである。また、第３の条件は、第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓが、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓと垂直である向きに配置されることである。

この場合にも、第１自己共振コイル１０２及び第３自己共振コイル３０２は、第２自己共振コイル２０２に対して垂直の方向に配置されているので磁場の共振が生じにくく、伝送効率が低くなるからである。

このように、第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２が直交し、かつ第２自己共振コイル２０２と第３自己共振コイル３０２が直交する場合を除けば、第１〜第３自己共振コイル１０２〜３０２の配置によらず第１自己共振コイル１０２から第２自己共振コイル２０２への電力伝送が可能である。つまり、実施例１のように第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓ上に第１自己共振コイル１０２が配置され、中心軸１Ｓと中心軸２Ｓとが直交している場合でも、第３自己共振コイル３０２を第２自己共振コイル２０２と直交しないように配置することで、第１自己共振コイル１０２から第２自己共振コイル２０２への電力供給が可能になる。実施例２でも、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓ上に第２自己共振コイル２０２が配置され、中心軸１Ｓと中心軸２Ｓとが直交している場合でも、第３自己共振コイル３０２を第２自己共振コイル２０２と直交しないように配置することで、第１自己共振コイル１０２から第２自己共振コイル２０２への電力供給が可能になる。

（変形例２）
図１０は、実施例２の変形例に係わる第１〜第４自己共振コイル１０２〜４０２の概略構成を示す図である。

実施形態２の変形例の無線電力伝送装置は、第４自己共振コイル４０２を備える。その他の無線電力伝送システムの構成は実施例２と同じである。

図１０に示す通り、第４自己共振コイル４０２の中心軸４Ｓと第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓは平行に設置される。また、中心軸４Ｓは、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓ上でない位置に設置される。

無線電力伝送装置１には、第１自己共振コイル１０２と第３自己共振コイル３０２のほかに、第４自己共振コイル４０２が設けられる。

したがって、第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２の磁場の共振は少なくても、第３自己共振コイル３０２と第２自己共振コイル２０２の磁場の共振、更に第４自己共振コイル４０２と第２自己共振コイル２０２の磁場の共振が生じるので、直交する位置関係に置かれた第１自己共振コイル１０２と第２自己共振コイル２０２の間の電力伝送効率を、更に高くすることができる。

＜実施例３＞
図１１を用いて本発明の実施例３に係る無線電力伝送システムを説明する。図１１に実施例３の各自己共振コイルの位置関係を示す。無線電力伝送装置は第１自己共振コイル１０２と第３自己共振コイル３０２を有し、受電装置は第２自己共振コイル２０２を有する。図１１に示す無線電力伝送システムは、各自己共振コイルの位置関係を除き、図１に示す無線電力伝送システムと同じ構成である。

図１１に示すように、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓと第３自己共振コイル３０２の中心軸３Ｓとが平行になるよう設置されている。また、第３自己共振コイル３０２が、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓと垂直であると共に第１自己共振コイル１０２を含む平面1Ｐ上に含まれるよう設置される。

この実施例３の無線電力伝送装置によれば、例えば壁面などの同一平面内に第１自己共振コイル１０２と第３自己共振コイル３０２を設置することができ、設置スペースを薄型化することができる。

実施例３の無線電力伝送装置と受電装置の適用例を図１２に示す。図１２において、第１自己共振コイル１０２と第３自己共振コイル３０２を有する無線電力伝送装置３１が壁面に配置され、第２自己共振コイル２０２を有する受電装置３２が例えばテレビジョン受像機３０に内蔵、設置される。

実施例３の無線電力伝送システムによれば、実施例１と同様の効果を達成できる。また、本実施例によれば、第３自己共振コイル３０２を第１自己共振コイル１０２と同じたとえば壁面に配置することで、テレビジョン受像機３０の第２自己共振コイル２０２と第１自己共振コイル１０２とが直交していてもテレビジョン受像機３０に電力を供給することができ、テレビジョン受像機３０の配置の自由度を向上させることができる。

なお、本実施例においては、第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓが、第１自己共振コイル１０２の中心軸１Ｓと垂直かつ第１自己共振コイル１０２を含む平面１Ｐ上に設置されないことが好ましい。

＜実施例４＞
図１３を用いて、本発明の実施例４に係る無線電力伝送システムを説明する。図１３に実施例４の無線電力伝送装置と受電装置における各自己共振コイルの位置関係を示す。無線電力伝送装置には、第１自己共振コイル１０２、第３自己共振コイル３０２、第４自己共振コイル４０２及び第５自己共振コイル５０２を有し、受電装置には第２自己共振コイル２０２を有する。第4自己共振コイル４０２と第5自己共振コイル５０２は、実施例1で説明した第3自己共振コイル３０２と同様の構造を備える。

図１３に示すように、本実施例に係わる無線電力伝送装置では、第１自己共振コイル１０２、第３自己共振コイル３０２、第４自己共振コイル４０２及び第５自己共振コイル502は、それぞれの中心軸１Ｓ、３Ｓ、４Ｓ、５Ｓが異なる向きとなるよう設置されている。

なお、実施例４では、受電装置の自己共振コイルを含めて自己共振コイルが５つの場合を説明したが、５つより多くても、少なくても良い。

実施例４では、各自己共振コイルの中心軸１Ｓ、２Ｓ、３Ｓ、４Ｓ、５Ｓ全てが異なる向きとなるように設置したが、全てが異なる向きである必要はなく、少なくとも２つの中心軸が互いに異なる向きであればよい。

実施例４によれば、自己共振コイルの数を増やし、かつ中心軸が異なるため、磁場を広範囲に変化させることができる。特に、中心軸を異なる向きに配置しているため、受電装置の第２自己共振コイル２０２の中心軸２Ｓの方向がどの向きとなっても、電力伝送効率の劣化を抑えて、安定して電力を伝送することができる。

＜実施例５＞
図１４に本発明の実施例５に係る無線電力伝送システムを説明する。

実施例１〜４では、無線電力伝送装置に自己共振コイルを複数設ける場合を説明したが、受電装置に自己共振コイルを複数設けても良い。

図１４に示す無線電力伝送システムは、無線電力伝送装置１１と、この無線電力伝送装置１１から電力（エネルギー）が供給される受電装置１２を有する。

無線電力伝送装置１１は、第１自己共振コイル１１０２を有する。無線電力伝送装置１１は、さらに高周波電源１１００と第１コイル１１０１とを有する。なお、高周波電源１１００は、無線電力伝送装置１が有していなくてもよく、例えばコンセントのように外部電源であってもよい。

受電装置１２は第２、３自己共振コイル１２０２，１３０２及び第２コイル１２０１を有する。

なお、第３自己共振コイル１３０２が受電装置１２に設けられている点を除き、無線電力伝送システムの動作及び各自己共振コイルの位置関係は、実施例１〜４と同様であるため説明を省略する。

以上のように、第３自己共振コイル１３０２を受電装置１２に設けても、第１〜第４実施例と同様の効果が得られる。

また、実施例１〜５の技術は、コイル間の電磁結合を用いて通信を行う通信装置にも応用可能である。この場合、通信装置間の設置方向が変化し、互いに直交する場合にも、送信電力や受信感度を大幅に高める必要がなく、高効率に通信を行うことができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１、１１、３１・・・無線電力伝送装置、２，１２、３２・・・受電装置、１００、１１００・・・高周波電源、１０１，１１０１・・・第1コイル、１０２、１１０２・・・第１自己共振コイル、１０２ａ、１１０２ａ・・・第１の送電コイル、１０２ｂ，１１０２ｂ・・・第１のキャパシタ、２０１，１２０１・・・第２コイル、２０２，１２０２・・・第２自己共振コイル、２０２ａ、１２０２ａ・・・第２の送電コイル、２０２ｂ，１２０２ｂ・・・第２のキャパシタ、３０２，１３０２・・・第３自己共振コイル、３０２ａ，１３０２ａ・・・第３の送電コイル、３０２ｂ，１３０２ｂ・・・第３のキャパシタ、４００，１４００・・・負荷回路、４０１・・・第４自己共振コイル、５０１・・・第５自己共振コイル、３０・・・テレビジョン受像機。

Claims

第２中心軸に対して垂直に導電線を１周以上巻く巻き構造を有する第２自己共振コイルを備えた受電装置に電力を供給する無線電力伝送装置であって、
第１中心軸に対して垂直に導電線を1周以上巻く巻き構造を有し、前記第１中心軸上にない前記第２自己共振コイルに電力を供給する第１自己共振コイルと、
前記第１中心軸と直交しない第３中心軸に対して垂直に導電線を1周以上巻く巻き構造を有し、前記第１中心軸上に配置される第３自己共振コイルと、
を有することを特徴とする無線電力伝送装置。
前記第３中心軸は、前記第１中心軸と平行または一致することを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送装置。
第２自己共振コイルを備えた受電装置に電力を供給する無線電力伝送装置であって、
第１中心軸に対して垂直に導電線を１周以上巻く巻き構造を有し、前記第２自己共振コイルに電力を供給する第１自己共振コイルと、
第３中心軸に対して垂直に導電線を１周以上巻く巻き構造を有し、前記第１中心軸上以外の位置に設置される第３自己共振コイルと、を備えることを特徴とする無線電力伝送装置。
前記第３中心軸は、前記第１中心軸と平行であり、
前記第３自己共振コイルは、前記第１中心軸と垂直でかつ前記第１自己共振コイルを含む平面上に配置される
ことを特徴とする請求項３記載の無線電力伝送装置。
前記第１自己共振コイルは、前記平面上に配置されない第２自己共振コイルに電力を供給することを特徴とする請求項４記載の無線電力伝送装置。
第２自己共振コイルを備えた受電装置に電力を供給する無線電力伝送装置であって、
第１中心軸に対して垂直に導電線を１周以上巻く巻き構造を有し、前記第２自己共振コイルに電力を供給する第１自己共振コイルと、
互いに異なる第３中心軸に対して垂直に導電線を１周以上巻く巻き構造を有する複数の第３自己共振コイルと、
を有することを特徴とする無線電力伝送装置。
第２中心軸に対して垂直に導電線を１周以上巻く巻き構造を有する第２自己共振コイルを備えた受電装置に電力を伝送する無線電力伝送装置であって、
第１中心軸に対して垂直に導電線を1周以上巻く巻き構造を有し、前記第２自己共振コイルに電力を伝送する第１自己共振コイルと、
第３中心軸に対して垂直に導電線を１周以上巻く巻き構造を有し、前記第１自己共振コイルから供給された電力を前記第２自己共振コイルに伝送する第３自己共振コイルと、を備え、
前記第１及び第３自己共振コイルは、前記第１自己共振コイルと直交しない、又は前記第３自己共振コイルと直交しない位置に配置される第２自己共振コイルに電力を伝送する
ことを特徴とする無線電力伝送装置。
第１中心軸に対して垂直に導電線を１周以上巻く巻き構造を有する第１自己共振コイルを備えた無線電力伝送装置から電力を受け取る受電装置であって、
第３中心軸に対して垂直に導電線を1周以上巻く巻き構造を有し、前記第１自己共振コイルから電力を受け取る第３自己共振コイルと、
第２中心軸に対して垂直に導電線を１周以上巻く巻き構造を有し、前記第１及び第３自己共振コイルから電力を受け取る第２自己共振コイルと、を備え、
前記第２及び第３自己共振コイルは、前記第２自己共振コイルと直交しない、又は前記第３自己共振コイルと直交しない位置に配置される第１自己共振コイルから電力を受け取る
ことを特徴とする受電装置。