(57)【要約】【課題】電力伝送に利用されるコイルからの磁束を遮断するための保護コイルに生じる損失を軽減できる電力伝送装置を提供する。【解決手段】電力伝送装置（２、３）は、非接触にて他の装置との間で電力を伝送するための電力伝送用コイル（１２、２１）と、電力伝送用コイルへ電力を供給するか、あるいは、電力伝送用コイルにより受電した電力を負荷回路へ出力するための送受電回路（１１、２３）と、電力伝送用コイルと送受電回路との間に配置され、電力伝送用コイルにより生じた磁束が送受電回路へ達することを抑制する保護コイル２４とを有する。保護コイル２４は、電力伝送用コイルと送受電回路との間に配置される基板２６上に設けられた導体の配線パターンにより形成される空芯コイル３１と、空芯コイル３１と直列に接続される少なくとも一つのコアコイル３２とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触にて他の装置との間で電力を伝送するための電力伝送用コイルと、
前記電力伝送用コイルへ電力を供給するか、あるいは、前記電力伝送用コイルにより受電した電力を負荷回路へ出力するための送受電回路と、
前記電力伝送用コイルと前記送受電回路との間に配置され、前記電力伝送用コイルにより生じた磁束が前記送受電回路へ達することを抑制する保護コイルと、
を有し、
前記保護コイルは、
前記電力伝送用コイルと前記送受電回路との間に配置される基板上に設けられた導体の配線パターンにより形成される空芯コイルと、
前記空芯コイルと直列に接続される少なくとも一つのコアコイルと、
を有する電力伝送装置。
【請求項２】
前記少なくとも一つのコアコイルは、前記基板上で前記空芯コイルの巻き線の内側に配置される、請求項１に記載の電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触にて電力を伝送するための電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、金属の接点などを介さずに、空間を通じて電力を伝送する、いわゆる非接触給電（ワイヤレス給電とも呼ばれる）技術が研究されている。
【０００３】
非接触給電技術を利用した給電装置（以下、単に非接触給電装置と呼ぶ）では、一次側（送電側）のコイルを流れる電流に対して、二次側（受電側）のコイルを含む共振回路が共振することで電力が伝送される。その電力伝送において、送電側のコイルを流れる電流または受電側のコイルを流れる電流により磁束が生じる。そこで、生じた磁束がそれらコイルの周囲へ漏洩することを抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
例えば、特許文献１には、磁束結合領域において磁気結合磁束を生成しまたは受け取るように構成され、第１層に配置された第１のコイル、及び第２のコイルを含む誘導電力伝送磁束結合装置において、第２のコイルの少なくとも一部は第２層に配置され、第１のコイルによる磁束を反射する磁束を生成するように構成されることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１７−５３０５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、第１のコイルによる磁束を反射する磁束を生成する第２のコイルの一部に対する鎖交磁束が大きくなると、その第２のコイルの一部に生じる損失が大きくなり過ぎてその第２のコイルの一部が発熱を生じる危険性がある。
【０００７】
そこで、本発明は、電力伝送に利用されるコイルからの磁束を遮断するための保護コイルに生じる損失を軽減できる電力伝送装置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】
【０００８】
本発明の一つの形態として、電力伝送装置が提供される。この電力伝送装置は、非接触にて他の装置との間で電力を伝送するための電力伝送用コイルと、電力伝送用コイルへ電力を供給するか、あるいは、電力伝送用コイルにより受電した電力を負荷回路へ出力するための送受電回路と、電力伝送用コイルと送受電回路との間に配置され、電力伝送用コイルにより生じた磁束が送受電回路へ達することを抑制する保護コイルとを有し、保護コイルは、電力伝送用コイルと送受電回路との間に配置される基板上に設けられた導体の配線パターンにより形成される空芯コイルと、空芯コイルと直列に接続される少なくとも一つのコアコイルとを有する。
本発明に係る電力伝送装置は、このような構成を有することにより、電力伝送用コイルからの磁束を遮断するための保護コイルに生じる損失を軽減することができる。
【０００９】
この電力伝送装置において、保護コイルが有する少なくとも一つのコアコイルは、基板上で空芯コイルの巻き線の内側に配置されることが好ましい。
これにより、コアコイルに空芯コイルの外径が制限されることが無くなるので、空芯コイルの直径を大きくすることが容易となる。そのため、送受電回路側から見たときに、空芯コイルの外径内に電力伝送用コイルの外径が含まれるように保護コイルを配置することが容易となり、その結果として、保護コイルは、電力伝送用コイルからの磁束が送受電回路に達することをより抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一つの実施形態に係る電力伝送装置を含む非接触給電装置の概略構成図である。
【図２】受信コイル及び保護コイルの配置の一例を示す図である。
【図３】保護コイルの概略平面図である。
【図４】保護コイルの回路図である。
【図５】（ａ）は、比較例として、保護コイルが無い場合における、受信コイルにより生じる磁界のシミュレーション結果の一例を示す図である。（ｂ）は、本実施形態による、受信コイルにより生じる磁界のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図６】（ａ）は、比較例として、保護コイルが空芯コイルのみで構成される場合における、保護コイルに流れる電流密度に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。（ｂ）は、本実施形態による、保護コイルに流れる電流密度に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一つの実施形態による電力伝送装置を含む非接触給電装置を、図を参照しつつ説明する。この非接触給電装置では、電力伝送装置の一例である、受電側の装置（以下、単に受電装置と呼ぶ）が、送電側の装置（以下、単に送電装置と呼ぶ）から電力を受電する受信コイルと、受信コイルとともに共振回路を構成するコンデンサ及び受電した電力を整流するための整流回路といった受電用の回路が設けられる基板との間に、受信コイルからの磁束を遮断するための保護コイルを有する。そして保護コイルは、受電用の回路が設けられる基板とは別の基板上の導体の配線パターンとして形成される空芯コイルと、空芯コイルに直列に接続されるコアコイルとを有する。このように、この非接触給電装置は、空芯コイルを基板上のパターンで形成することで保護コイルが大型化することを避けつつ、コアコイルを空芯コイルに接続することで、保護コイルの自己インダクタンスを大きくして、保護コイルに生じる損失を軽減する。
【００１２】
図１は、本発明の一つの実施形態に係る電力伝送装置を含む非接触給電装置の概略構成図である。図１に示されるように、非接触給電装置１は、送電装置２と、送電装置２から空間を介して非接触で電力伝送される受電装置３とを有する。送電装置２は、電力供給回路１１と、送信コイル１２とを有する。一方、受電装置３は、受信コイル２１と、共振コンデンサ２２と、受電回路２３と、保護コイル２４とを有する。非接触給電装置１は、例えば、いわゆる一次直列二次直列共振コンデンサ方式（ＳＳ方式）、または一次直列二次並列共振コンデンサ方式（ＳＰ方式）の非接触給電装置とすることができる。あるいは、非接触給電装置１は、一次側の共振を利用せず、二次側において受信コイルと共振コンデンサとが直列共振する方式（ＮＳ方式）、または、一次側の共振を利用せず、二次側において受信コイルと共振コンデンサとが並列共振する方式（ＮＰ方式）の非接触給電装置であってもよい。
【００１３】
先ず、送電装置２について説明する。
電力供給回路１１は、交流電力を送信コイル１２へ供給する。そのために、電力供給回路１１は、例えば、直流電力を供給する直流電源と、直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して送信コイル１２へ供給するインバータ回路と、インバータ回路を制御する制御回路とを有する。インバータ回路は、４個のスイッチング素子（例えば、MOSFET）がフルブリッジ状に接続されるフルブリッジインバータであってもよく、あるいは、２個のスイッチング素子がハーフブリッジ状に接続されるハーフブリッジインバータであってもよい。制御回路は、送信コイル１２に供給される交流電力の周波数が所定の周波数（例えば、受電装置３の共振回路が共振する周波数）となるように、インバータ回路が有する各スイッチング素子のオン／オフの切り替えを制御する。電力供給回路１１は、さらに、直流電源とインバータ回路との間に、ＤＣ−ＤＣコンバータを有してもよい。あるいは、電力供給回路１１は、直流電源の代わりに、交流電源と接続され、交流電源からの交流電力を整流する整流回路と、整流回路と接続され、整流回路から出力される脈流電力を直流電力に変換する力率改善回路とを有していてもよい。この場合には、制御回路は、例えば、受電装置３が受電する電力の電圧を一定に保つために、力率改善回路を制御して、インバータ回路へ供給される直流電力の電圧を調整してもよい。
【００１４】
送信コイル１２は、電力供給回路１１から供給された交流電力を、空間を介して受電装置３の受信コイル２１へ伝送する。なお、送電装置２は、送信コイル１２と電力供給回路１１のインバータ回路との間に、送信コイル１２と直列に接続されるコンデンサを有してもよい。このコンデンサは、直流電力を遮断するためのものであってもよく、あるいは、送信コイル１２に供給される交流電力の周波数において送信コイル１２とともに共振する共振回路を構成するためのものであってもよい。
【００１５】
なお、送電装置２は、受電装置３による受電状況を表す信号を受信する通信器をさらに有してもよい。この場合には、電力供給回路１１の制御回路は、受電状況に応じて、送信コイル１２に供給される交流電力の周波数を変更するよう、インバータ回路の各スイッチング素子のオン／オフの切り替えタイミングを変更してもよい。
【００１６】
次に、電力伝送装置の一例である受電装置３について説明する。
受信コイル２１は、電力伝送用コイルの一例であり、共振コンデンサ２２とともに共振回路を構成し、送電装置２の送信コイル１２に流れる交流電流と共振することで、送信コイル１２から電力を受信する。そのために、共振コンデンサ２２は、受信コイル２１と直列に接続されてもよく、あるいは、受信コイル２１と並列に接続されてもよい。そして受信コイル２１と共振コンデンサ２２とにより形成される共振回路から出力される交流電力は、受電回路２３へ出力される。なお、受信コイル２１の巻き数と、送信コイル１２の巻き数は同じでもよく、あるいは、互いに異なっていてもよい。
【００１７】
受電回路２３は、送受電回路の一例であり、受信コイル２１と共振コンデンサ２２とにより形成される共振回路からの交流電力を直流電力に変換して、直流電力を受電回路２３と接続される負荷回路（図示せず）へ出力する。そのために、受電回路２３は、例えば、共振回路からの交流電力を脈流電力に変換する全波整流回路と、全波整流回路から出力される脈流電力を平滑化して負荷回路へ出力するための平滑コンデンサとを有する。さらに、受電回路２３は、負荷回路へ出力される電圧を測定するための電圧計、電圧計により測定された電圧など、受電状況を表す信号を送電装置２へ送信するための通信器、負荷回路と受電回路２３との接続または切断を切り替えるためのスイッチング素子、及び、そのスイッチング素子のオン／オフの切り替えを制御する制御回路などを有してもよい。
【００１８】
保護コイル２４は、受信コイル２１からの磁束を遮断して、その磁束が受電回路２３へ達することを抑制する。
図２は、受信コイル２１及び保護コイル２４の配置の一例を示す図である。また、図３は、保護コイル２４の概略平面図である。さらに、図４は、保護コイル２４の回路図である。
【００１９】
図２に示されるように、保護コイル２４は、受信コイル２１と、共振コンデンサ２２及び受電回路２３が設けられる回路基板２５との間に配置された基板２６上に設けられる。すなわち、保護コイル２４は、送電装置２と受電装置３との位置関係が、矢印２０１に示されるように送電装置２から受電装置３への電力伝送が可能な位置関係となっている場合において、受信コイル２１を挟んで送信コイル１２の反対側に位置する。そして保護コイル２４の中心軸方向と、受信コイル２１の中心軸方向とは略平行となるように保護コイル２４は配置される。これにより、保護コイル２４は、受信コイル２１からの磁束により、レンツの法則に従って、その磁束を打ち消す方向に流れる電流を発生させる。その結果、保護コイル２４は、発生した電流により生じる磁場により、受信コイル２１からの磁束を遮断して、その磁束が回路基板２５に達することを抑制する。そのため、保護コイル２４を有することにより、受信コイル２１と回路基板２５間の間隔を狭くすることができる。したがって、受電装置３は小型化できる。なお、回路基板２５及び基板２６は、何れも絶縁体で構成されればよい。
【００２０】
図３及び図４に示されるように、保護コイル２４は、基板２６上に設けられ、空芯コイル３１と、空芯コイル３１と直列に接続される、少なくとも一つのコアコイル３２を有する。なお、図３及び図４に示される例では、保護コイル２４は、直列に接続される二つのコアコイル３２を有するが、コアコイル３２の数は２個に限られず、１個または３個以上であってもよい。
【００２１】
空芯コイル３１は、コアを有さないコイルであり、基板２６上に設けられた導体の配線パターンにより形成される。空芯コイル３１は、その中心軸の方向が受信コイル２１の中心軸の方向と略平行となるように設けられる。さらに、空芯コイル３１の中心軸と直交する平面における、空芯コイル３１の直径は、受信コイル２１の中心軸と直交する平面における、受信コイル２１の直径よりも大きいことが好ましい。さらにまた、空芯コイル３１は、回路基板２５側から、回路基板２５の垂直方向に沿って見たときに、空芯コイル３１の外径よりも内側に受信コイル２１の外径が含まれるように配置されることが好ましい。これにより、空芯コイル３１は、受信コイル２１からの磁束が回路基板２５に達しないように、その磁束を良好に遮断することができる。
【００２２】
コアコイル３２は、空芯コイル３１と直列に接続され、かつ、基板２６上に配置される。コアコイル３２は、コアに巻き線が巻き付けられた構造を有するコイルである。そのため、コアコイル３２は、巻き数をそれほど大きくしなくても、空芯コイル３１の自己インダクタンスよりも大きい自己インダクタンスを持つことができる。そのため、保護コイル２４は、空芯コイル３１と直列に接続されるコアコイル３２を有することで、コアコイル３２を有さない場合と比較して、自己インダクタンスを大きくすることができる。その結果として、受信コイル２１からの磁束により生じる保護コイル２４の損失が軽減される。
【００２３】
磁束がコイルを鎖交することにより生じるコイルの損失Wは、次式で与えられる。
【数１】
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ここで、iは、コイルに流れる電流であり、Rは、コイルの巻き線抵抗である。また、Nは、コイルの巻き数であり、Lは、コイルの自己インダクタンスであり、Φは、コイルと鎖交する磁束の大きさである。（１）式から明らかなように、自己インダクタンスLが大きいほど、損失Wは小さくなる。したがって、空芯コイルのみで構成される保護コイルの損失は、空芯コイルそのものの自己インダクタンスに応じたものとなる。しかし、空芯コイルでは、自己インダクタンスを大きくするためには、巻き数を大きくすることが求められる。そのため、損失を軽減するには、保護コイルが大型化してしまう。さらに、巻き数が大きくなると、上記の実施形態のように、空芯コイルを基板上の導体の配線パターンで形成することが困難となる。
【００２４】
一方、本実施形態では、保護コイル２４は、空芯コイル３１と直列に接続される少なくとも一つのコアコイル３２を有している。そのため、（１）式における、自己インダクタンスLは、空芯コイル３１の自己インダクタンスLaと各コアコイル３２の自己インダクタンスの和Lcsumとの和(La+Lcsum)となる。したがって、空芯コイルのみで構成される保護コイルと比較して、受信コイル２１からの磁束により生じる、本実施形態による保護コイル２４の損失は軽減される。例えば、空芯コイル３１と直列に接続される各コアコイル３２の自己インダクタンスの和Lcsumが、空芯コイル３１の自己インダクタンスLaの４倍である場合、（１）式より、保護コイルが空芯コイル３１のみで構成される場合と比較して、損失Wが1/25に軽減される。
【００２５】
図２及び図３に示されるように、コアコイル３２は、空芯コイル３１の内側に配置されることが好ましい。これにより、基板２６の面積を大きくすることなく、回路基板２５側から、回路基板２５の垂直方向に沿って見たときに、空芯コイル３１の外径よりも内側に受信コイル２１の外径が含まれるように空芯コイル３１を配置することが容易となる。しかし、基板２６上において、空芯コイル３１の外側にコアコイル３２を配置するスペースが有る場合には、コアコイル３２は、空芯コイル３１の外側に配置されてもよい。また、コアコイル３２は、空芯コイル３１が設けられる基板２６とは別個の基板上に配置されてもよい。例えば、コアコイル３２は、回路基板２５上に配置されてもよい。さらに、コアコイル３２の中心軸方向については特に制限は無い。例えば、コアコイル３２の中心軸と受信コイル２１の中心軸とが略平行となるように、コアコイル３２は配置される。あるいは、コアコイル３２の中心軸と受信コイル２１の中心軸とが略直交するように、コアコイル３２は配置されてもよい。
【００２６】
図５（ａ）は、比較例として、保護コイルが無い場合における、受信コイルにより生じる磁界のシミュレーション結果の一例を示す図である。図５（ｂ）は、本実施形態による、受信コイルにより生じる磁界のシミュレーション結果の一例を示す図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示される磁界５０１、５０２は、黒いところほど、磁界が強いことを表す。なお、このシミュレーションにおいて、送信コイル１２のインダクタンスを66μH、受信コイル２１のインダクタンスを220μH、共振コンデンサ２２の静電容量を16.5nF、送信コイル１２と受信コイル２１間の結合度を0.67とした。また、送信コイル１２に印加される交流電力の電圧を100Vとし、送信コイル１２に印加される交流電力の周波数を85kHzとした。さらに、保護コイル２４全体のインダクタンスを3500μHとし、空芯コイル３１のインダクタンスを500μHとし、保護コイル２４が有する二つのコアコイル３２のそれぞれのインダクタンスを1500μHとした。そして送信コイル１２と受信コイル２１間の距離を10mmとし、受信コイル２１と保護コイル２４間の距離を5mmとした。
【００２７】
図５（ａ）に示される磁界５０１と比較して、図５（ｂ）に示される磁界５０２では、受信コイル２１の送信コイル１２が位置する方と反対側、特に、保護コイル２４よりも受信コイル２１から離れた位置において、磁界が弱くなっていることが分かる。このように、保護コイル２４が設けられることで、受信コイル２１からの磁束が遮断されることが分かる。
【００２８】
図６（ａ）は、比較例として、保護コイルが空芯コイルのみで構成される場合における、空芯コイルに流れる電流密度に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。図６（ｂ）は、本実施形態による、空芯コイルに流れる電流密度に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。なお、図６（ｂ）において、コアコイル３２の図示は省略される。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示される電流密度分布６０１、６０２は、黒いところほど、電流密度が高いことを表す。なお、このシミュレーションの条件（各コイルのインダクタンス、結合度など）は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示される磁界のシミュレーションと同じ条件とした。
【００２９】
図６（ａ）に示される電流密度分布６０１と比較して、図６（ｂ）に示される電流密度分布６０２では、空芯コイル３１に流れる電流密度が小さくなっていることが分かる。その結果として、本実施形態によれば、空芯コイル３１に流れる電流による保護コイル２４の発熱が抑制されることが分かる。
【００３０】
以上に説明してきたように、この非接触給電装置の受電装置は、受信コイルと受電回路が設けられる回路基板との間に、受信コイルからの磁束を遮断するための保護コイルを有する。そのため、受電装置は、受信コイルからの磁束が回路基板に達することを抑制できる。さらに、保護コイルは、回路基板とは別個の基板上の導体の配線パターンにより形成される空芯コイルと、空芯コイルと直列に接続されるコアコイルとを有する。このように、この非接触給電装置は、空芯コイルを基板上のパターンで形成することで保護コイルが大型化することを避けつつ、コアコイルを空芯コイルに接続することで、保護コイル全体の自己インダクタンスを大きくして、保護コイルに生じる損失を軽減することができる。
【００３１】
変形例によれば、送電装置２も、送信コイル１２と、電力供給回路１１が設けられる回路基板との間に配置される基板上に、上記の実施形態による受電装置が有する保護コイルと同様の保護コイルを有してもよい。この場合、送電装置２は、電力伝送装置の他の一例となる。また、送信コイル１２は、電力伝送用コイルの他の一例となり、電力供給回路は、送受電回路の他の一例となる。これにより、送電装置は、送信コイルによる磁束が、電力供給回路が設けられる回路基板に達することを抑制できる。
【００３２】
このように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００３３】
１    非接触給電装置
２    送電装置
１１    電力供給回路
１２    送信コイル
３    受電装置
２１    受信コイル
２２    共振コンデンサ
２３    受電回路
２４    保護コイル
２５    回路基板
２６    基板
３１    空芯コイル
３２    コアコイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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