非接触式電力伝送に関する改良

今日の携帯型装置の多くは、再充電可能な「二次」電池を組み込み、定期的に新しい電池を購入しなければならないというユーザのコストと不便さを省く。これらの装置の例には、携帯電話機、ラップトップコンピュータ、携帯情報端末のPalm 500シリーズ、電気カミソリ、及び、電動歯ブラシが含まれる。これらの装置の一部において、電池は、直接的な電気接続ではなく、電磁誘導によって再充電される。それらの例として、ブラウンのOral B Plakコントロール電動歯ブラシ、パナソニックのDigital Cordless Phone Solution KX-PH15AL、及び、パナソニックのマルチヘッド髭剃りES70/40シリーズが挙げられる。

これらの装置のそれぞれは、典型的に、電源コンセント、カーシガレットライター用電源、又は、その他の電源から電力を取得し、その電力を二次電池の充電に適した形態へ変換するアダプタ又は充電器を有する。これらの装置に給電し充電する従来の手段に伴って以下の多数の問題が生じる。

二次電池

一度放電しても外部の電源から放電時と逆の方向に電流を流すこと（充電）により、再び放電前の状態に戻り、何度も繰り返し使用できる電池

・各装置内の電池と電池への接続手段の両方の特性が製造者毎に、ならびに、装置毎に著しく変化する。したがって、複数台のこのような装置を所有するユーザは、複数台の異なるアダプタを所有しなければならない。ユーザが旅行に出かけるとき、旅行中にこれらの装置を使用することを望むならば、ユーザは収集した充電器を持ち運ばなければならないであろう。

・アダプタ及び充電器は、ユーザが小型コネクタを装置に差し込むこと、又は、装置を正確に位置を合わせてスタンドに設置することをしばしば要求するので、不便を生じる。ユーザが装置を充電器の押し込み又は設置に失敗し、装置が電力を使い果たしたならば、装置は役に立たなくなり、装置に局部的に記憶された重要なデータが失われることさえある。

・さらに、殆どのアダプタ及び充電器は電源ソケットに差し込まなければならないので、複数台が同時に使用されるならば、それらはプラグストリップの空間を占領し、面倒で紛らわしい線のもつれを生じる。

・従来の装置再充電方法の問題の他に、開放型の電気接点を有する装置は実用上の問題点がある。例えば、装置は、接点を腐食させ、又は、短絡させる可能性があるので湿った環境では使用不可であり、また、電気スパークを生じる可能性があるので可燃性ガス環境でも使用不可である。

電磁誘導式充電を使用する充電器は、開放型電気接点を使用する必要性を取り除くので、アダプタ及び装置を密封し、湿った環境で使用することを可能にする（例えば、上記の電動歯ブラシは浴室で使用できるように設計される。）。しかし、このような充電器は、これ以外のすべての上記問題がある。例えば、装置は、装置及び充電器が所定の相対位置になるように、依然として充電器へ正確に設置する必要がある（図１ａ及び１ｂを参照のこと）。アダプタは、ある種の装置の製造とモデルのため特別に設計され、同時に１台の装置しか充電できない。その結果として、ユーザは、様々なアダプタの収集品を所有し管理し続けなければならない。

様々な形状及び特性のバッテリパックが装置から取り外され、単一の装置を使用して充電することができるような（Maha MH-C777プラス・ユニバーサル・チャージャのような）万能充電器も存在する。これらの万能充電器は、装置毎に異なる充電器を用意する必要性を取り除くが、最初にバッテリパックを取り外し、次に、充電器を調整し、バッテリパックを充電器に、又は、充電器と相対的に正確に位置合わせを行う必要があるという意味で、ユーザにとってより多くの不便さをもたらす。その上、充電器が使用しなければならないバッテリパック金属接点の正確なペアを決定するために時間をかける必要がある。

装置が一次側の空洞に設置されたとき、一次側の誘導コイルが二次装置の水平誘導コイルと位置が合うように無接点バッテリ充電の手段を設けることは、米国特許第３，９３８，０１８号の「電磁誘導式充電システム」から知られている。この空洞は、この設計を用いて優れたカップリングが一次コイルと二次コイルとの間で確実に実現されるために必要である相対的な精密位置合わせを保証する。

無接点バッテリ充電システムは、また、米国特許第５，９５９，４３３号の「万能電磁誘導式バッテリ充電器システム」から知られている。開示されたバッテリ充電器は、携帯電話機又はラップトップコンピュータに属するバッテリパックに電流を誘導する磁束線を生じる単一の充電用コイルを含む。

コイルのペアを含む電子装置用充電装置は、米国特許第４，８７３，６７７号の「電子装置用充電装置」から知られている。このコイルのペアは逆位相で動作するように設計され、磁束線は一方のコイルからもう一方のコイルへ結合される。時計のような電子装置は電力を受信するためこれらの二つのコイルの上に配置される。

再充電可能バッテリを充電する電磁誘導式充電器は米国特許第５，９５２，８１４号の「電磁誘導式充電装置及び電子装置」から知られている。電子装置の外部ケーシングの形状は充電器の内部形状と合致するので、一次コイルと二次コイルの正確な位置合わせが可能になる。

電磁誘電式に再充電される代用バッテリパックは米国特許第６，２０６，１１５号の「バッテリ代用パック」から知られている。

電力を電磁誘導式にコンベアへ伝送する手段は国際特許公開第００／６１４００号の「電力を電磁誘導式に伝送する装置」から知られている。

道路内の平坦な一次側の系列から電気自動車に電磁誘導式給電するシステムは国際特許公開第９５／１１５４５号から知られている。

電気自動車

バッテリーから出力される電気エネルギーによって、動作するバッテリーエンジンを用いる自動車

二次装置が一次ユニットと軸方向に位置合わせされることを要求する電磁誘導式電力伝送システムの制限を解決するため、明らかな解決策として、一次ユニットは広い領域の上に電磁場を放射する能力を備えるように、単一の電磁誘導式電力伝送システムを使用することが提案される（図２ａを参照のこと。）。ユーザは、再充電されるべき１台以上の装置を一次ユニットのレンジ内に設置するだけでよく、装置を正確に設置する必要がない。例えば、この一次ユニットは、広い領域を取り囲むコイルにより構成される。電流がコイルの中を流れるとき、広い領域の上に広がる電磁場が作り出され、装置はこの領域のどこに設置してもよい。理論的に実施可能であるとしても、この方法は多数の欠点がある。第一に、電磁放射の強度が規制限界によって抑制される。すなわち、この方法は、限定されたレートの電力伝送しかサポートできない。その上、多数の物体が強い磁場の存在による影響を受ける。例えば、クレジットカードに記憶されたデータは破壊され、金属製の物体は、望ましくない加熱効果を生ずる渦電流が内部に誘起される。さらに、従来のコイルを具備する二次装置（図２ａを参照のこと）が印刷回路基板の銅面のような金属板又は電池の金属製缶と接触して設置されたならば、カップリングは著しく低下する可能性がある。

回路基板

エポキシ系もしくはガラス系の基材の表面に銅、銀等の回路パターンをエッチングにより形成し、その後にその回路パターンが形成された基材をプレス型によって打ち抜いて所望の形に形成されるもの

強い磁場の生成を防止するため、コイルのアレイ（図３を参照のこと）を使用し、必要なコイルだけを作動することが提案される。この方法は、日本応用磁気学会の論文誌（２００１年１１月２９日発行）に、「デスク型非接触電力電送システムのコイル形状に関する基礎的検討」という題名で発表されている。多重コイルの考え方を具現化する場合、検出メカニズムは、一次ユニットに対する二次装置の相対位置を検出する。制御システムは、次に、局部的な方式で電力を二次装置へ配給するため適切なコイルを作動する。この方法は先に列挙した問題に対する解決策を提供するが、複雑で費用のかかる態様で解決する。一次側の磁場を局在化できる程度はコイルの個数、したがって、使用される駆動回路の個数（すなわち、一次ユニットの「分解能」）によって制限される。多重コイルシステムに伴って発生するコストは、この考え方の商業的なアプリケーションを大幅に制限する。また、非一様磁場分布が欠点である。すべてのコイルが一次ユニットで作動されるとき、それらは、磁場分布がコイルの中心で最小になる大型コイルと等価なものになる。

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図3

別の方式は米国特許第５，５１９，２６２号の「近距離電力カップリングシステム」に概要が示され、それによれば、一次ユニットは、多数の細い誘導コイル（又は、代替的に容量板）が平坦なプレートの一端から他端へ並べられ、正弦波の活動がプレート上で移動するように位相シフトされた方式で駆動される多数の垂直磁場を生成する。受信装置は、プレート上での位置とは無関係に常に少なくとも１個のピックアップから電力を集めることができるように並べられた２個の垂直磁場ピックアップを有する。この方式は、また、装置の動きの自由度を提供するが、複雑な二次装置を必要とし、分解能が固定され、磁束のリターンパスが空中を通ることが欠点である。

従来技術の解決策は、何れも上記の問題のすべてを十分に解決することができない。以下のすべての特徴を用いて電力を携帯型装置へ伝送する能力を備え、実施するための費用効果が優れている解決策があれば好都合である。

・汎用性：単一の一次ユニットは種々の二次装置にそれぞれの電力必要量で電力を供給可能であり、これにより、様々なアダプタ及び充電器を収集することが不要である。

・利便性：単一の一次ユニットは二次装置をアクティブ状態である近傍のどこに設置してもよく、これにより、アダプタ又は充電器に対して二次装置を正確に差し込むこと、又は、設置することが不要である。

・多重ロード：単一の一次ユニットは、多数の二次装置へ同時にそれぞれの電力必要量で電力を供給可能である。

・種々の環境で使用するためのフレキシビリティ：単一の一次ユニットは、直接的な電気接点が必要とされないように二次装置へ電力を供給可能であり、これにより、二次装置と一次ユニット自体は湿った環境、ガス環境、クリーン環境、及び、その他の異常な環境で使用できる。

・低電磁放射：一次ユニットは、発生される磁場の強度及びサイズを最小限に抑えるような態様で電力を配給する。

さらに、携帯型機器は増加し、すべての携帯型機器は給電するためにバッテリが必要であることがわかる。一次電池、又は、一次電池のバッテリは、一旦使用されると捨てられるので、費用がかかり、環境に優しくない。二次電池又はバッテリは、再充電可能であり、繰り返し使用可能である。

二次電池

一度放電しても外部の電源から放電時と逆の方向に電流を流すこと（充電）により、再び放電前の状態に戻り、何度も繰り返し使用できる電池

殆どの携帯型装置は、ＡＡ、ＡＡＡ、Ｃ、Ｄ及びＰＰ３のような業界標準サイズ及び電圧の電池のための容器を有する。これは、ユーザが種々のタイプの一次電池と二次電池のどちらを使用するかを選択する余地を残す。消耗すると、二次電池は、典型的に、装置から取り外され、別個の再充電ユニットに入れられる。或いは、一部の携帯型装置は再充電回路を内蔵し、その装置が外部電源へ差し込まれた後、電池を元の場所で再充電することが可能である。

二次電池

一度放電しても外部の電源から放電時と逆の方向に電流を流すこと（充電）により、再び放電前の状態に戻り、何度も繰り返し使用できる電池

再充電するため電池を装置から取り外すか、又は、元の場所で充電するため装置を外部電源へ差し込まなければならないことはユーザにとって不便である。電池の取り外しと装置の差し込みの何れも行うことなく、ある種の非接触手段を用いてセルを再充電可能であることは非常に好ましいであろう。

一部の携帯型装置、例えば、ブラウンのOral B Plakコントロール歯ブラシは、再充電器から電磁誘導式に電力を受信する機能を備えている。このような携帯型装置は、典型的に、装置に内蔵された特注の専用電力受信モジュールを有し、この受信モジュールが（取り外し可能、若しくは、取り外しできない）内部標準電池又はバッテリと連動する。

直接的な電気伝導接触を必要とすることなく電力を電送するシステム及び方法を提供する。電源と、電流が中を流れるときに電磁場を発生する少なくとも一つの導体及び表面の周囲の範囲内に画成された充電領域を有する実質的に層状である充電表面とを具備し、少なくとも一つの導体によって発生された電磁力線が充電領域の範囲内で表面の平面と実質的に平行であるか、又は、表面に対して少なくとも４５°以下の角度範囲に入るように少なくとも一つの導体が配置された一次ユニットが設けられ、コアの周りに巻かれた少なくとも一つの導体を含む少なくとも一つの二次装置が設けられる。電磁場は、充電領域の上に広がり、充電領域に対して実質的に平行、若しくは、ほぼ平行であるので、携帯電話機などのような薄型の二次装置とのカップリングは充電領域の様々な方向で改良される。ａ

・制御ユニット：制御ユニットは、電磁場を発生する手段のインダクタンスが二次装置の存在によって変化する場合に、回路の共振を維持する機能を提供する

電磁誘導式充電を使用する充電器は、開放型電気接点を使用する必要性を取り除くので、アダプタ及び装置を密封し、湿った環境で使用することを可能にする