(57)【要約】【課題】  共鳴法を用いた非接触給電において発生する不要輻射を低減可能な非接触給電装置を提供することを目的とする。【解決手段】  送電側外部接続コイルを介して送電側ＬＣ共振部コイルに電力が伝送される際に生じる送電側全体の磁束と、受電側ＬＣ共振部コイルを介して受電側ＬＣ共振部コイルに電力が伝送される際に生じる受電側全体の磁束とが互いに打ち消しあうようにそれぞれのコイルの巻き線方向を制御し、非接触給電装置から生じる不要輻射を低減することができる。【選択図】図１
2014050302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源回路と、
前記電源回路から供給される電力が伝送される送電側外部接続コイルと、
前記送電側外部接続コイルに磁気的に結合された送電側ＬＣ共振部コイルと、
前記送電側ＬＣ共振部コイルに対向して配置され前記電力が伝送される受電側ＬＣ共振部コイルと、
前記受電側ＬＣ共振部と磁気的に結合された受電側外部接続コイルと、
前記受電側外部接続コイルを介して前記電力が伝送される受電回路と、を備え、
前記送電側ＬＣ共振部コイルと前記受電側ＬＣ共振部コイルとの巻き線方向が反対であり、
前記送電側ＬＣ共振部コイルと前記送電側外部接続コイルとの巻き線方向とが同一であり、
前記受電側ＬＣ共振部コイルと前記受電側外部接続コイルとの巻き線方向とが同一であることを特徴とする非接触給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触給電による電力伝送における不要輻射（漏洩電磁界）を低減可能な非接触給電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、送電方法として、電源コードや送電ケーブルを用いない非接触電力伝送が注目されている。この非接触電力伝送おいては、主に電磁誘導を用いた電力伝送および共鳴法による電力伝送の２つの技術が知られている。
【０００３】
これらの技術のうち、共鳴法による電力伝送は一対の共振コイルを電磁場において共鳴させ、電磁場を介して電力伝送する非接触の伝送技術であり、数ｋＷといった比較的大きな電力を数ｍ離れた距離を伝送することも可能である。
【０００４】
そのため、共振コイルを含むコイルユニットの周囲に発生する電磁界は、他の電子機器などに対しては電磁ノイズとなる場合があり、たとえば無線通信機器の障害となることがある。また、電磁場内に導電体がある場合は、電磁界による電磁誘導によって導電体が加熱されることもあり、電子機器の故障を引き起こす原因にもなりかねない。
【０００５】
従って、共鳴法を用いた電力伝送においては、電力の伝送方向以外に発生する不要輻射をできるだけ抑えることが望まれている。
【０００６】
たとえば、特許文献１には、漏洩電磁界をできるだけ小さくするため、高周波電源から供給された高周波電力を一次自己共振コイルから二次自己共振コイルに供給する際、一次自己共振コイルおよび二次自己共振コイルに互いに逆向きの電流が流れるように周波数を設定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１４７２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術においては、一次自己共振コイルもしくは二次自己共振コイルのいずれか一方のコイルから発生する電磁界の向きと他方のコイルから発生する電磁界の向きとが互いに逆位相となるため、一次自己共振コイルと二次自己共振コイルとの間に発生する漏洩磁界は低減できるものの、一次コイルから一次自己共振コイルに高周波電力を供給した際に生じる電磁界や、電力を受けた二次自己共振コイルが二次コイルに高周波電力を発生させる際に生じる電磁界は、不要輻射として外部に漏洩してしまうおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、共鳴法を用いた非接触給電において発生する不要輻射を低減可能な非接触給電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】
【００１０】
本発明による非接触給電装置は、電源回路と、前記電源回路から供給される電力が伝送される送電側外部接続コイルと、前記送電側外部接続コイルに磁気的に結合された送電側ＬＣ共振部コイルと、前記送電側ＬＣ共振部コイルに対向して配置され前記電力が伝送される受電側ＬＣ共振部コイルと、前記受電側ＬＣ共振部と磁気的に結合された受電側外部接続コイルと、前記受電側外部接続コイルを介して前記電力が伝送される受電回路と、を備え、前記送電側ＬＣ共振部コイルと前記受電側ＬＣ共振部コイルとの巻き線方向が反対であり、前記送電側ＬＣ共振部コイルと前記送電側外部接続コイルとの巻き線方向とが同一であり、前記受電側ＬＣ共振部コイルと前記受電側外部接続コイルとの巻き線方向とが同一であることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、送電側外部接続コイルを介して送電側ＬＣ共振部コイルに電力が伝送される際に生じる送電側全体の磁束と、受電側ＬＣ共振部コイルを介して受電側ＬＣ共振部コイルに電力が伝送される際に生じる受電側全体の磁束とが互いに打ち消しあい、非接触給電装置から生じる不要輻射を全体的に低減できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、共鳴法を用いた非接触給電において発生する不要輻射を低減可能な非接触給電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態にかかる非接触給電装置の構成図である。
【図２】送電側ＬＣ共振部コイルと受電側ＬＣ共振部コイルとの離間距離を変えた時の共振周波数の変化を示す図である。
【図３】送電側ＬＣ共振部コイルと受電側ＬＣ共振部コイルの巻き線方向を反対とし、送電側ＬＣ共振部コイルと送電側外部接続コイルとの巻き線方向および受電側ＬＣ共振部コイルと受電側外部接続コイルの巻き線方向を同一とした状態で、送電側ＬＣ共振部コイルと受電側ＬＣ共振部コイルの離間距離を１０ｃｍとしたときの受電部インピーダンスと磁界強度の関係を示す図である。
【図４】送電側ＬＣ共振部コイルと受電側ＬＣ共振部コイルの巻き線方向を同一とし、送電側ＬＣ共振部コイルと送電側外部接続コイルとの巻き線方向および受電側ＬＣ共振部コイルと受電側外部接続コイルの巻き線方向を同一とした状態で、送電側ＬＣ共振部コイルと受電側ＬＣ共振部コイルの離間距離を１０ｃｍとしたときの受電部インピーダンスと磁界強度の関係を示す図である。
【図５】送電側ＬＣ共振部コイルと受電側ＬＣ共振部コイルの巻き線方向を同一とし、送電側ＬＣ共振部コイルと送電側外部接続コイルとの巻き線方向および受電側ＬＣ共振部コイルと受電側外部接続コイルの巻き線方向を反対とした状態で、送電側ＬＣ共振部コイルと受電側ＬＣ共振部コイルの離間距離を１０ｃｍとしたときの受電部インピーダンスと磁界強度の関係を示す図である。
【図６】送電側ＬＣ共振部コイルと受電側ＬＣ共振部コイルの巻き線方向を反対とし、送電側ＬＣ共振部コイルと送電側外部接続コイルとの巻き線方向を同一、受電側ＬＣ共振部コイルと受電側外部接続コイルの巻き線方向を反対とした状態で、送電側ＬＣ共振部コイルと受電側ＬＣ共振部コイルの離間距離を１０ｃｍとしたときの受電部インピーダンスと磁界強度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は本発明の実施形態にかかる非接触給電装置１の構成図である。電源回路１０２には送電側外部接続コイル１０３が接続され、この送電側外部接続回路１０３に送電側ＬＣ共振部コイル１０１が磁気的に結合している。送電側ＬＣ共振部コイル１０１には、たとえばキャパシタンス成分を有するコンデンサ等が接続され、送電側ＬＣ共振部１１を形成する。この送電側ＬＣ共振部１１と、送電側外部接続コイル１０３とで送電側ＬＣ共振器１０を形成する。
【００１５】
受電回路２０２には、受電側外部接続コイル２０３が接続され、この受電側外部接続回路２０３に受電側ＬＣ共振部コイル２０１が磁気的に結合している。受電側共振部コイル２０１には、たとえばキャパシタンス成分を有するコンデンサ等が接続され、受電側ＬＣ共振部２１を形成する。この受電側ＬＣ共振部２１と、受電側外部接続コイル２０３とで受電側ＬＣ共振器２０を形成する。
【００１６】
送電側ＬＣ共振部コイル１０１と受電側ＬＣ共振部コイル２０１とは、対向するように配置され、電気的な接続をすることなく離間している。
【００１７】
この非接触給電装置１における不要輻射の低減は、以下のように達成される。
【００１８】
電源回路１０２から送電側外部接続コイル１０３供給された電力は、磁気的に結合している送電側ＬＣ共振部コイル１０１に供給される。このとき、送電側外部接続コイル１０３と送電側ＬＣ共振部コイル１０１との巻き線方向が同一であるため、送電側ＬＣ共振器１０には一方向のみの磁束が発生する。
【００１９】
送電側ＬＣ共振部コイル１０１が受けた電力は、対向する位置に離間して配置された受電側ＬＣ共振部コイル２０１と同じ共振周波数で磁気的に共鳴するため、この電力を受け取ることになる。
【００２０】
次に、受電側ＬＣ共振部コイル２０１は、この受け取った電力を磁気的に結合した受電側外部接続コイル２０３を経由し、受電回路２０２に供給する。このとき、受電側外部接続コイル２０３と受電側ＬＣ共振部コイル２０１との巻き線方向は同一であり、なおかつ受電側ＬＣ共振部コイル２０１と送電側ＬＣ共振部コイル１０１との巻き線方向は反対となっているため、受電側ＬＣ共振器２０には送電側ＬＣ共振器１０と反対の方向に磁束が発生する。
【００２１】
そのため、送電側ＬＣ共振器１０と受電側ＬＣ共振器２０は逆位相となり、非接触給電装置１全体の不要輻射を低減することができる。
【００２２】
図１においては、電源回路１０２と送電側外部接続コイル１０３とは直接接続されているが、それらの間にインピーダンスを変換する回路を介しても良い。同様に受電回路２０２と受電側外部接続コイル２０３とは直接接続されていてもよいし、それらの間にインピーダンスを変換する回路を介しても良い。インピーダンスを変換する回路を介することによって、伝送されずに反射によって電源回路に戻った電力や、コイルの抵抗成分が不要輻射とならないように吸収できる。
【００２３】
次に、図２を用いて送電側ＬＣ共振部コイル１０１と受電側ＬＣ共振部コイル２０１との離間距離を変えた時の共振周波数の変化を説明する。
【００２４】
図２において、横軸は周波数、縦軸はインピーダンスを示しており、曲線は送電側外部接続コイル１０３又は受電側外部接続コイル２０３から測定したインピーダンスの周波数特性を表している。図２の（ａ）から（ｄ）は、送電側ＬＣ共振器１０と受電側ＬＣ共振器２０との距離が離れた状態から次第に近づいたときの、インピーダンスの周波数特性である。
【００２５】
図２（ａ）は送電側ＬＣ共振器１０と受電側ＬＣ共振器２０とが十分に離れ、互いのＬＣ共振器の影響を受けない状態を示している。このように送電側ＬＣ共振器１０と受電側ＬＣ共振器２０が十分離れた状態では、結合係数ｋとコイルのＱ（Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｆａｃｔｏｒ）との積が１より小さくなり、送受電コイル間の電力伝送が十分に行われない。
【００２６】
図２（ｂ）は送電側ＬＣ共振器１０と受電側ＬＣ共振器２０が近づき、送電側ＬＣ共振器１０と受電側ＬＣ共振器２０とが臨界結合の状態にあることを示している。臨界結合状態とは、コイルのＱと結合係数ｋとの積が１に等しい状態を言い、良好な伝送ができることが知られている。
【００２７】
さらに、送電側ＬＣ共振器１０と受電側ＬＣ共振器２０とを近づけていくと、図２（ｃ）、（ｄ）のように次第に共振周波数が分離していく。
【００２８】
図２（ｃ）、（ｄ）は、コイルのＱと結合係数ｋとの積が１より大きい状態を示している。つまり、ｋＱ＞１の状態にあると、送受電ＬＣ共振器は、点線で示す自己共振周波を中心に低い周波数のピーク５０１と高い周波数のピーク５０２の２つのピークを有することになる。これは、互いに相手のＬＣ共振器の影響を受けていることを示している。
【００２９】
この２つのピークの共振周波数のうち、低い方の周波数をｆ１、高い方の周波数をｆ２としたとき、送電側ＬＣ共振器１０に接続された電源回路１０２は、ｆ１、ｆ２の少なくともどちらかの周波数成分を有する交流電力を送電側ＬＣ共振器１０に伝送することなる。
【実施例】
【００３０】
［実施例１］
図１の非接触給電装置において、送電側ＬＣ共振部コイル１０１と受電側ＬＣ共振部コイル２０１を、内径１２０ｍｍ、外径２６０ｍｍ、ターン数７回で構成した平面コイルとし、それぞれのコイルの両端に７ｐＦのコンデンサを接続した。このとき、送電側ＬＣ共振部コイル１０１と受電側ＬＣ共振部コイル１０３とは巻き線方向を反対にした。
【００３１】
送電側外部接続コイル１０３として、ターン数１回のコイル（外部接続コイル）を、送電側ＬＣ共振部コイル１０１と同一平面上であって、かつ、送電側ＬＣ共振部コイル１０１の内周から、その巻き軸方向に１０ｍｍ離れた円周上に配置した。このとき、送電側外部接続コイル１０３の巻き線方向は、送電側ＬＣ共振コイル１０１の巻き線方向と同一にした。
【００３２】
受電側外部接続コイル２０３として、ターン数１回のコイル（外部接続コイル）を、受電側ＬＣ共振部コイル２０１と同一平面上であって、かつ受電側ＬＣ共振部コイル２０１の内周から、その巻き軸方向に１０ｍｍ離れた円周上に配置した。このとき、受電側外部接続コイル２０３の巻き線方向は、受電側ＬＣ共振コイル２０１の巻き線方向と同一にした。
【００３３】
本実施例では、送受電側ＬＣ共振部コイルや送受電側外部接続コイルの形状は、いずれも円形の平面状に巻かれた渦巻状コイルとしたが、これに限らず四角形状、多角形形状のコイルでもよいし、棒状の磁性体や円柱状の空芯にソレノイド状に巻かれたコイルでもよい。
【００３４】
本実施例では、巻き線として銅製の単線を用いたが、撚り線、平角線を用いても構わないし、回路基板上に配置された導体パターンを用いても構わない。また、巻き線の線種は銅線に限らず、アルミ線、アルミ銅クラッド線でもよい。
【００３５】
また、送電側ＬＣ共振器１０および受電側ＬＣ共振器２０の単独での共振周波数をそれぞれ１２ＭＨｚとなるよう設定した。そして、図２（ｃ）、（ｄ）に示される２つの共振周波数のピーク５０１，５０２が現われるように、送電側共振部コイル１０１と受電側共振部コイルとの離間距離は１０ｃｍとした。
【００３６】
磁界強度（Ａ／ｍ）は、ループアンテナを用い、送電側ＬＣ共振器１０から半径３ｍの円周上で最大の磁界強度（Ａ／ｍ）を測定した。つまり、この磁界強度（Ａ／ｍ）の値が、送電側ＬＣ共振器１０の周囲での不要輻射を示すことになる。
【００３７】
このように構成された非接触給電装置において、送電部インピーダンス（Ｚ）を０．１Ω〜２００Ω、受電部インピーダンスを０．１Ω〜１００Ωの範囲において、インピーダンスの値を変化させながら、電源回路１０２から１０Ｗの電力を受電回路２０２に送電したときの磁界強度（不要輻射）（Ａ／ｍ）を測定した結果を図３に示す。
【００３８】
図３（ａ）は、２つのピークの共振周波数のうち、低い側の共振周波数ｆ１を用いて送受電を行ったときの受電部インピーダンスに対する磁界強度（Ａ／ｍ）を示し、図３（ｂ）は、２つのピークの共振周波数のうち、高い側の共振周波数ｆ２を用いて送受電を行ったときの受電部インピーダンスに対する磁界強度（Ａ／ｍ）を示している。
【００３９】
図３（ａ）、（ｂ）の結果から分かるとおり、いずれも送電部インピーダンス（Ｚ）が低く、受電部インピーダンスが      およそ１０Ωでの磁界強度（Ａ／ｍ）が最も弱くなった。この磁界強度（Ａ／ｍ）の値は、送電側ＬＣ共振器１０に発生した磁束と受電側ＬＣ共振器２０に発生した磁束が互いに打ち消され、不要輻射として漏洩した磁束とみることができる。このとき、共振周波数ｆ１よりもｆ２で送受電を行った方が、磁界強度（Ａ／ｍ）はより弱くなることが分かる。
【００４０】
［比較例１］
送電側ＬＣ共振部コイル１０１と受電側ＬＣ共振部コイル２０１の巻き線方向を同一とし、送電側ＬＣ共振部コイル１０１と送電側外部接続コイル１０３との巻き線方向および受電側ＬＣ共振部コイル２０１と受電側外部接続コイル２０３の巻き線方向を同一とした状態で、実施例１と同様に、送電部インピーダンス（Ｚ）を０．１Ω〜２００Ω、受電部インピーダンスを０．１Ω〜１００Ωの範囲において、インピーダンスの値を変化させながら、電源回路１０２から１０Ｗの電力を受電回路２０２に送電したときの磁界強度（不要輻射）（Ａ／ｍ）を測定した結果を図４に示す。
【００４１】
図４（ａ）は、２つのピークの共振周波数のうち、低い側の共振周波数ｆ１を用いて送受電を行ったときの受電部インピーダンスに対する磁界強度（Ａ／ｍ）を示し、図４（ｂ）は、２つのピークの共振周波数のうち、高い側の共振周波数ｆ２を用いて送受電を行ったときの受電部インピーダンスに対する磁界強度（Ａ／ｍ）を示している。
【００４２】
比較例１においては、すべてのコイルの巻き線方向が同一であるため、送電側ＬＣ共振部コイル、受電側ＬＣ共振部コイル、送電側外部接続コイルおよび受電側外部接続コイルのいずれのコイル間にも磁束を打ち消しあう関係が存在していない。
【００４３】
従って実施例１と比較すると、共振周波数がｆ１、ｆ２いずれの場合であっても、磁界強度（Ａ／ｍ）は強くなっている。ただし、実施例１と同様に共振周波数ｆ１よりもｆ２で送受電を行った方が、磁界強度（Ａ／ｍ）は弱くなっていることが分かる。
【００４４】
［比較例２］
次に、送電側ＬＣ共振部コイル１０１と受電側ＬＣ共振部コイル２０１の巻き線方向を同一とし、送電側ＬＣ共振部コイル１０１と送電側外部接続コイル１０３との巻き線方向および受電側ＬＣ共振部コイル２０１と受電側外部接続コイル２０３の巻き線方向とを反対とした状態で、実施例１と同様に、送電部インピーダンス（Ｚ）を０．１Ω〜２００Ω、受電部インピーダンスを０．１Ω〜１００Ωの範囲において、インピーダンスの値を変化させながら、電源回路１０２から１０Ｗの電力を受電回路２０２に送電したときの磁界強度（不要輻射）（Ａ／ｍ）を測定した結果を図５に示す。
【００４５】
図５（ａ）は、２つのピークの共振周波数のうち、低い側の共振周波数ｆ１を用いて送受電を行ったときの受電部インピーダンスに対する磁界強度（Ａ／ｍ）を示し、図５（ｂ）は、２つのピークの共振周波数のうち、高い側の共振周波数ｆ２を用いて送受電を行ったときの受電部インピーダンスに対する磁界強度（Ａ／ｍ）を示している。
【００４６】
比較例２においては、送電側ＬＣ共振コイル１０１と受電側ＬＣ共振コイルとが巻き線方向が同一で、送電側外部接続コイル１０３と受電側外部接続コイル２０３とがいずれも送受電ＬＣ共振部コイルとは反対の巻き線方向となっている。つまり、送受電ＬＣ共振部コイルと送受電外部接続コイルとの巻き線方向が反対になっているため、双方に発生する磁束は一部が打ち消されあうものの、打ち消されない磁束は不要輻射となって漏洩すると考えられる。
【００４７】
実施例１と比較すると、比較例１と同様に共振周波数がｆ１、ｆ２いずれの場合であっても、磁界強度（Ａ／ｍ）は強くなっている。ただし、実施例１と同様に共振周波数ｆ１よりもｆ２で送受電を行った方が、磁界強度（Ａ／ｍ）は弱くなっていることが分かる。
【００４８】
［比較例３］
送電側ＬＣ共振部コイルと受電側ＬＣ共振部コイルの巻き線方向を反対とし、送電側ＬＣ共振部コイルと送電側外部接続コイルとの巻き線方向を同一、受電側ＬＣ共振部コイルと受電側外部接続コイルの巻き線方向を反対とした状態で、実施例１と同様に、インピーダンスの値を変化させながら、電源回路１０２から１０Ｗの電力を受電回路２０２に送電したときの磁界強度（不要輻射）（Ａ／ｍ）を測定した結果を図６に示す。
【００４９】
図６（ａ）は、２つのピークの共振周波数のうち、低い側の共振周波数ｆ１を用いて送受電を行ったときの受電部インピーダンスに対する磁界強度（Ａ／ｍ）を示し、図６（ｂ）は、２つのピークの共振周波数のうち、高い側の共振周波数ｆ２を用いて送受電を行ったときの受電部インピーダンスに対する磁界強度（Ａ／ｍ）を示している。
【００５０】
比較例３においては、送電ＬＣ共振部コイル１０１と送電外部接続コイル１０３と受電側外部接続コイル２０３の巻き線方向が同一で、受電側ＬＣ共振部コイル２０１の巻き線方向のみが反対になっているため、両方向に発生する磁束は一部が打ち消されあうものの、打ち消されない磁束は不要輻射となって漏洩すると考えられる。
【００５１】
実施例１と比較すると、比較例１、２と同様に共振周波数がｆ１、ｆ２いずれの場合であっても、磁界強度（Ａ／ｍ）は強くなっている。ただし、実施例１と同様に共振周波数ｆ１よりもｆ２で送受電を行った方が、磁界強度（Ａ／ｍ）は弱くなっていることが分かる。これは図３に従って説明したとおり、送電側ＬＣ共振器１０と受電側ＬＣ共振器との間の送受電が、２つの共振周波数のピークが現われる距離において行われる場合、共振周波数の高いｆ２を用いた方が、より本発明の効果が得られることを示している。
【００５２】
この様に送電側ＬＣ共振部コイルと受電側ＬＣ共振部コイルおよび各々の外部接続コイルの巻き線方向を制御することにより、発生する磁束の打消し効果を得ることができ不要輻射の低減がなされる。
【００５３】
以上のように、本発明に係る非接触給電装置は、小電力品や大電力品などに関わり無く使え、電気自動車やハイブリッド自動車への給電や携帯電話、モバイルフォン、携帯情報機器、家電機器、工作機械、工業用搬送機器、工作機械、大型移動用車両等の駆動系への給電や車両間の給電等に有用である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  送電側ＬＣ共振器
１１  送電側ＬＣ共振部
２０  受電側ＬＣ共振器
２１  受電側ＬＣ共振部
１０１  送電側ＬＣ共振部コイル
１０２  電源回路
１０３  送電側外部接続コイル
２０１  受電側ＬＣ共振部コイル
２０２  受電回路
２０３  受電側外部接続コイル
【図１】
2014050302.tif 000003
【図２】
2014050302.tif 000004
【図３】
2014050302.tif 000005
【図４】
2014050302.tif 000006
【図５】
2014050302.tif 000007
【図６】
2014050302.tif 000008