(57)【要約】【課題】共振周波数を調整する際に素子定数の選択自由度が高い非接触送電装置、非接触受電装置及び非接触電力伝送装置を提供する。【解決手段】  非接触送電装置（１０）は、非接触に電力を送る送電コイル（１２）と、送電コイルに接続されて共振回路を構成するコイル部品（１３）及びコンデンサ部品（１４、１５）とを備える。また、非接触受電装置（２０）は、非接触に電力を受ける受電コイル（２２）と、受電コイルに接続されて共振回路を構成するコイル部品（２３）及びコンデンサ部品（２４、２５）とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触に電力を送る送電コイルと、
前記送電コイルに接続されて共振回路を構成するコイル部品及びコンデンサ部品と、
を備えることを特徴とする非接触送電装置。
【請求項２】
非接触に電力を受ける受電コイルと、
前記受電コイルに接続されて共振回路を構成するコイル部品及びコンデンサ部品と、
を備えることを特徴とする非接触受電装置。
【請求項３】
前記コイル部品のインダクタンス値は、前記送電コイルのインダクタンス値の３０％以上６０％以下であることを特徴とする請求項１記載の非接触送電装置。
【請求項４】
前記コイル部品のインダクタンス値は、前記受電コイルのインダクタンス値の３０％以上６０％以下であることを特徴とする請求項２記載の非接触受電装置。
【請求項５】
請求項１記載の非接触送電装置及び請求項２記載の非接触受電装置を備え、
前記送電コイル及び前記受電コイルを、互いに対向させて配置したことを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項６】
請求項３記載の非接触送電装置及び請求項４記載の非接触受電装置を備え、
前記送電コイル及び前記受電コイルを、互いに対向させて配置したことを特徴とする非接触電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触送電装置、非接触受電装置及び非接触電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
以前より、送電コイルと受電コイルとを対向させて非接触に電力を伝送する非接触電力伝送装置がある。非接触電力伝送装置は、送電コイルを含む非接触送電装置と、受電コイルを含む非接触受電装置とを備える。
【０００３】
非接触電力伝送装置においては、電力伝送の周波数が、送電コイルを含んだ共振回路の共振周波数及び受電コイルを含んだ共振回路の共振周波数に近いときに、高い電力伝送効率が得られる。共振周波数は、共振回路のインダクタンス値及び静電容量値によって決まる。
【０００４】
従来の非接触送電装置では、送電コイルのインダクタンス値と、送電コイルに接続されるコンデンサ部品の静電容量値とによって、所望の共振周波数が得られるように構成されるのが一般的であった。また、従来の非接触受電装置では、受電コイルのインダクタンス値と受電コイルに接続されるコンデンサ部品の静電容量値とによって、所望の共振周波数が得られるように構成されるのが一般的であった。
【０００５】
特許文献１には、本発明に関連する先行技術として、可変容量素子と可変インダクタ素子とを備えたアンテナ装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１４７６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の非接触送電装置又は非接触受電装置においては、送電コイル又は受電コイルのインダクタンス値に合わせて、コンデンサ部品の静電容量値が選択されることで、共振周波数が調整される。このため、送電コイル又は受電コイルのインダクタンス値と、電力伝送の共振周波数とが決定されると、コンデンサ部品の静電容量値が１つに決まってしまう。したがって、共振周波数を調整する際に回路の設計自由度が低いという課題がある。このような課題から、例えば電力伝送効率等の別の要因に基づきコンデンサ部品の静電容量値を所定の範囲に抑えたいというような要求が生じても、それに対応できない場合がある。
【０００８】
特許文献１には、送電コイル又は受電コイルに対応する構成要素を備えた装置について開示がない。
【０００９】
本発明は、共振周波数を調整する際に回路の設計自由度が高い非接触送電装置、非接触受電装置及び非接触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】
【００１０】
請求項１記載の発明は、
非接触に電力を送る送電コイルと、
前記送電コイルに接続されて共振回路を構成するコイル部品及びコンデンサ部品と、
を備えることを特徴とする非接触送電装置である。
【００１１】
請求項２記載の発明は、
非接触に電力を受ける受電コイルと、
前記受電コイルに接続されて共振回路を構成するコイル部品及びコンデンサ部品と、
を備えることを特徴とする非接触受電装置である。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の非接触送電装置において、
前記コイル部品のインダクタンス値は、前記送電コイルのインダクタンス値の３０％以上かつ６０％以下であることを特徴としている。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の非接触受電装置において、
前記コイル部品のインダクタンス値は、前記受電コイルのインダクタンス値の３０％以上かつ６０％以下であることを特徴としている。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の非接触送電装置及び請求項２記載の非接触受電装置を備え、
前記送電コイル及び前記受電コイルを、互いに対向させて配置したことを特徴とする非接触電力伝送装置である。
【００１５】
請求項６記載の発明は、請求項３記載の非接触送電装置及び請求項４記載の非接触受電装置を備え、
前記送電コイル及び前記受電コイルを、互いに対向させて配置したことを特徴とする非接触電力伝送装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、共振周波数を調整する際に回路の設計自由度が高い非接触送電装置、非接触受電装置及び非接触電力伝送装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る非接触電力伝送装置を示す構成図である。
【図２】電力伝送部の詳細を示す構成図である。
【図３】比較例Ｂ１の電力伝送効率の周波数特性を示したグラフである。
【図４】比較例Ｂ２、Ｂ３及び実施形態の一設定例Ａ１における電力伝送効率の周波数特性を示したグラフである。
【図５】素子定数の異なる複数の設定例における電力伝送効率の周波数特性を示したグラフである。
【図６】高い効率が得られる複数の設定例における電力伝送効率の周波数特性を示すグラフである。
【図７】素子定数の複数の設定例を比較する表である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る非接触電力伝送装置を示す構成図である。図２は、電力伝送部の詳細を示す構成図である。
【００１９】
本発明の実施形態に係る非接触電力伝送装置１は、送電コイル１２と受電コイル２２とを対向させて非接触に電力を伝送する装置であり、電力を送る非接触送電装置１０と、電力を受ける非接触受電装置２０とを備える。非接触送電装置１０は、送電コイル１２を含む電力伝送部１１と、電源電圧を供給する電源部１９と、電源電圧を所定周波数の電圧に変調して電力伝送部１１へ出力する変調部１８とを備える。非接触受電装置２０は、受電コイル２２を含む電力伝送部２１と、電力伝送部２１が受けた電力を変換（例えば整流と電圧変換）する電力変換部２８と、変換された電力が入力される負荷２９（例えば蓄電装置）とを備える。
【００２０】
非接触送電装置１０の電力伝送部１１は、図２にも示すように、送電コイル１２と、コイル部品１３と、コンデンサ部品１４、１５と、基板１６とを備える。
【００２１】
送電コイル１２は、配線基板に形成された渦巻き状の配線パターンを有し、非接触送電装置１０の外部へ電磁場を発生させることで電力を送る。配線基板は複数の配線層を有し、送電コイル１２は複数層の渦巻き状の配線パターンを有する。複数層の渦巻き状の配線パターンは、配線基板の面に垂直な方向に重なるように配置され、ビアを介して１本に連なるように接続されている。特に制限されないが、送電コイル１２は、８層の渦巻き状の配線パターンから構成され、各層の渦巻き状の配線パターンは、矩形の各辺に沿って延びる４巻の構成であり、最外周の各辺が１０ｍｍ、配線パターンの１本の配線の幅が０．４ｍｍである。配線基板の一方の面には、外部へ発生する電磁場を増幅するための磁性体層が設けられていてもよい。送電コイル１２の配線基板は、電力伝送部１１の基板１６と共通にされてもよいし、基板１６とは別体に構成されかつ基板１６に固定される構成としてもよい。
【００２２】
コイル部品１３は、インダクタンスを有する部品であり、例えばチップコイルなど基板１６に実装される実装部品である。コイル部品１３は、コア（フェライトコア等）を有する構造であってもよいし、コアを持たない空芯構造であってもよい。
【００２３】
コンデンサ部品１４、１５は、静電容量を有する部品であり、例えばチップコンデンサなど基板１６に実装される実装部品である。
【００２４】
コイル部品１３及びコンデンサ部品１４、１５は、送電コイル１２に接続されて共振回路Ｒを構成する。一方のコンデンサ部品１５は、電力伝送部１１の一対の電極ａ１、ａ２間に接続されている。コイル部品１３と、もう一方のコンデンサ部品１４は、送電コイル１２の一端と一方の電極ａ２との間に直列に接続されている。送電コイル１２の他端は電極ａ１に接続されている。コイル部品１３はコンデンサ部品１５よりも送電コイル１２に近い側に接続されている。
【００２５】
共振回路Ｒの共振周波数ｆは、送電コイル１２とコイル部品１３との合成インダクタンス値Ｌ０＝Ｌ＋Ｌ１と、一方のコンデンサ部品１５の静電容量値Ｃ１とから、例えば次式（１）により決定される。Ｌは送電コイル１２のインダクタンス値、Ｌ１はコイル部品１３のインダクタンス値を表わす。他方のコンデンサ部品１４の静電容量値は、一方のコンデンサ部品１５よりも十分に大きい値（例えば３９０ｎＦ）に設定され、共振周波数ｆへの影響は軽微である。
【数１】
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【００２６】
電力伝送部１１の共振回路Ｒの共振周波数ｆは、電力伝送の周波数すなわち変調部１８の変調周波数に対応するように（例えば一致するように）設定される。
【００２７】
非接触受電装置２０の電力伝送部２１は、受電コイル２２と、コイル部品２３と、コンデンサ部品２４、２５と、基板２６とを備える。受電コイル２２は、送電コイル１２と同様の構成を有し、非接触受電装置２０の外部から電磁場を受けることで電力が入力される。受電コイルには、外部から電磁場を増幅して受けるための磁性体層が設けられていてもよい。コイル部品２３、コンデンサ部品２４、２５及び基板２６は、非接触送電装置１０のコイル部品１３、コンデンサ部品１４、１５及び基板１６と、それぞれ同様の構成を有する。
【００２８】
電力伝送部２１の共振回路Ｒの共振周波数ｆは、電力伝送の周波数すなわち非接触送電装置１０の変調部１８の変調周波数に対応するように（例えば一致するように）設定される。
【００２９】
＜素子定数の設定例＞
続いて、コイル部品１３、２３及びコンデンサ部品１５、２５の素子定数の設定例について説明する。図３は、比較例Ｂ１の電力伝送効率の周波数特性を示したグラフである。図４は、比較例Ｂ２、Ｂ３及び実施形態の一設定例Ａ１における電力伝送効率の周波数特性を示したグラフである。これらのグラフ及び後述する図５と図６のグラフは、シミュレーションにより求められた電力伝送効率の周波数特性を示す。縦軸及び横軸はそれぞれ電力伝送の効率及び周波数を表わす。
【００３０】
図３の比較例Ｂ１は、実施形態の非接触電力伝送装置１と異なり、送電コイル１２と受電コイル２２とが５巻の構成であり、コイル部品１３、２３を有さない構成である。比較例Ｂ１は、電力伝送の周波数が１２５ｋＨｚに設定され、この周波数に共振回路Ｒの共振周波数ｆが近づくように、コンデンサ部品１５、２５の静電容量値Ｃ１が６８ｎＦに調整されている。このような調整により、電力伝送の周波数１２５ｋＨｚの近傍に効率のピークが存在する特性が得られる。
【００３１】
図４の比較例Ｂ２は、送電コイル１２と受電コイル２２の巻き数が４巻である点が比較例Ｂ１と異なり、コンデンサ部品１５、２５の静電容量値Ｃ１及びその他の要素が比較例Ｂ１と同様である。比較例Ｂ２の特性は、比較例Ｂ１の特性と比較して、送電コイル１２及び受電コイル２２のインダクタンス値が小さくなる分、共振周波数が高い方へ変化するが、その共振周波数における効率は比較例Ｂ１と同等である。
【００３２】
図４の比較例Ｂ３は、コンデンサ部品１５、２５の静電容量値Ｃ１が比較例Ｂ２と異なり、その他の要素は比較例Ｂ２と同様である。比較例Ｂ３では、共振周波数ｆが１２５ｋＨｚに近づくように、コンデンサ部品１５、２５の静電容量値Ｃ１が８２ｎＦに調整されている。このような調整により、電力伝送の周波数１２５ｋＨｚの近傍に効率のピークを有する特性が得られる。一方、効率を比較すると、比較例Ｂ３の効率は、比較例Ｂ１よりも低い。
【００３３】
図４の設定例Ａ１は、本実施形態の非接触電力伝送装置１において、コイル部品１３、２３とコンデンサ部品１５、２５とを用いて共振周波数ｆを調整した一例である。本実施形態の非接触電力伝送装置１は、比較例Ｂ２及び比較例Ｂ３と同様に、送電コイル１２と受電コイル２２の巻き数が４巻の構成を有する。設定例Ａ１では、共振周波数ｆが電力伝送の周波数１２５ｋＨｚに近づくように、コンデンサ部品１５、２５の静電容量値Ｃ１が６８ｎＦ、コイル部品１３、２３のインダクタンス値Ｌ１が７．５μＨに調整されている。このような調整により、電力伝送の周波数１２５ｋＨｚの近傍に効率のピークを有する特性が得られる。さらに、コイル部品１３、２３のインダクタンス値Ｌ１が加わっていることで、共振周波数の帯域が狭くなり、設定例Ａ１の１２５ｋＨｚにおける効率は、比較例Ｂ１から比較例Ｂ３の効率よりも高い。
【００３４】
ここで、非接触電力伝送装置１の設計時又は製造段階において、送電コイル１２及び受電コイル２２のインダクタンス値が決定され、電力伝送の周波数として設定された１２５ｋＨｚに合うように共振回路Ｒの共振周波数ｆが調整される場合について検討する。このような場合、従来のように、共振周波数ｆを調整するのに静電容量値Ｃ１しか利用できない構成では、比較例Ｂ２及び比較例Ｂ３に示したように、静電容量値Ｃ１をどのように変化させても、電力伝送の周波数１２５ｋＨｚにおいて効率が低下することがある。しかし、本実施形態の非接触電力伝送装置１によれば、コンデンサ部品１５、２５とコイル部品１３、２３とを用いて高い設計自由度で共振回路Ｒの共振周波数ｆを調整できる。そして、例えば設定例Ａ１のような素子定数を選択することで、電力伝送の周波数１２５ｋＨｚにおいて、コイル部品１３、２３を用いない場合より、高い効率を得ることができる。
【００３５】
＜好適な素子定数の設定例＞
次に、高い効率が得られる素子定数の設定例について説明する。図５は、素子定数の異なる複数の設定例における電力伝送効率の周波数特性を示したグラフである。
【００３６】
ここでは、非接触電力伝送装置１の設計時又は製造段階において、送電コイル１２及び受電コイル２２のインダクタンス値が決定され、電力伝送の周波数１２５ｋＨｚに合うように共振回路Ｒの共振周波数ｆを調整する場合を想定する。本実施形態の非接触電力伝送装置１では、共振周波数ｆが一つに決まっても、静電容量値Ｃ１とインダクタンス値Ｌ１との選択の自由度が存在する。
【００３７】
図５の設定例１は、コイル部品１３、２３を用いずに、コンデンサ部品１５、２５だけを用いて周波数１２５ｋＨｚの近傍で効率がよくなるように設定した例である。図５の設定例２から設定例６は、送電コイル１２及び受電コイル２２の各々のインダクタンス値が１６．４μＨである場合に、式（１）の共振周波数ｆが１２４ｋＨｚ〜１２６ｋＨｚとなるように、素子定数を選択した例である。設定例２から設定例６において、コイル部品１３、２３のインダクタンス値は比較的に大きな幅で変化させている。
【００３８】
なお、設定例２〜設定例６の特性において効率のピークは、式（１）で計算された共振周波数ｆと僅かな差異がある（図５を参照）。これはシミュレーションにおいて送電コイル１２及び受電コイル２２の形状を反映させて効率を計算していること等に起因する。この差異は小さく、続いて説明する検討結果に及ぼす影響は軽微であり、無視することができる。
【００３９】
図５の設定例１〜設定例６の特性を比較すると分かるように、電力伝送の周波数１２５ｋＨｚにおける効率は、コンデンサ部品１５、２５の静電容量値Ｃ１が大きすぎても小さすぎても低下する場合がある。同様に、効率は、コイル部品１３、２３のインダクタンス値Ｌ１が小さすぎても大きすぎても低下する場合がある。例えば、設定例３と設定例４のインダクタンス値Ｌ１を１０μＨ又は７．５μＨとした場合には高い効率が得られる。一方、設定例５と設定例６のインダクタンス値Ｌ１を２２μＨ又は１５μＨとした場合には効率が低下する。また、設定例２のインダクタンス値Ｌ１を５．１μＨとした場合には、設定例３と設定例４に比べて僅かに効率が低下する。また、インダクタンス値Ｌ１をゼロとした設定例１では、効率が比較的に大きく低下する。これらのことから、効率を向上させるのに適したインダクタンス値Ｌ１と送電コイル１２および受電コイル２２のインダクタンス値Ｌの組み合わせがあることが分かる。
【００４０】
ここで、効率の高低を表わすパラメータとして、送電コイル１２及び受電コイル２２のインダクタンス値Ｌと、コイル部品１３、２３のインダクタンス値Ｌ１との比率に着目する。仮に、送電コイル１２及び受電コイル２２として別の構成が採用され、送電コイル１２及び受電コイル２２のインダクタンス値Ｌが変わったとする。この場合でも、インダクタンス値Ｌの変化と同様の比率でコイル部品１３、２３のインダクタンス値Ｌ１を変化させれば、効率への影響は大きく変化しないと考えられる。また、効率の絶対値は、送電コイル１２及び受電コイル２２のインダクタンス値Ｌに応じて一律に変化すると考えられる。したがって、パラメータ”Ｌ１／Ｌ”は、送電コイル１２及び受電コイル２２として図２の構成とは別の構成が採用された場合であっても、効率の高低を比較できるパラメータとなると考えられる。
【００４１】
図６は、高い効率が得られる複数の設定例における電力伝送効率の周波数特性を示すグラフである。図７は、素子定数の複数の設定例を比較する表である。
【００４２】
図６のグラフには、図５のグラフから高い効率を有する設定例２、３、４の特性線を抽出し、同様に高い効率が得られる設定例７の特性線をさらに加えている。図５及び図６の特性のうち、電力伝送の周波数１２５ｋＨｚにおける効率値の大小を比較すると、電力伝送時の効率を比較することができる。図７の表の右端の列には、設定例１〜７の効率の高低（１２５ｋＨｚにおける設定例１の効率を基準とした効率の高低）を示している。この結果から、パラメータ”Ｌ１／Ｌ”の値が２９％から９１％のときに、コイル部品１３、２３を用いない設定例１よりも高い効率が得られることが分かる。さらに、図５と図６のグラフから、パラメータ”Ｌ１／Ｌ”の値が３０％以上６０％以下のときに、非常に高い効率が得られることが分かる。
【００４３】
したがって、本実施形態においてコイル部品１３、２３のインダクタンス値Ｌ１は、送電コイル１２及び受電コイル２２のインダクタンス値Ｌの３０％以上かつ６０％以下のように設定される。この設定により、コンデンサ部品のみで共振周波数を調整する場合と比較して非常に高い効率が得られる。
【００４４】
以上のように、本実施形態の非接触送電装置１０によれば、送電コイル１２に加えて、送電コイル１２と接続されて共振回路を構成するコイル部品１３及びコンデンサ部品１５を備える。したがって、送電コイル１２のインダクタンス値と共振周波数とが決まっていても、コイル部品１３のインダクタンス値及びコンデンサ部品１５の静電容量値を選択する自由度が残る。同様に、本実施形態の非接触受電装置２０によれば、受電コイル２２に加えて、受電コイル２２と接続されて共振回路を構成するコイル部品２３及びコンデンサ部品２５を備える。したがって、受電コイル２２のインダクタンス値と共振周波数とが決まっていても、コイル部品２３のインダクタンス値及びコンデンサ部品２５の静電容量値を選択する自由度が残る。したがって、例えばコンデンサ部品１５又はコンデンサ部品２５の静電容量値を所定の範囲に制限したいというような要求が生じたとき、これに対応することができる。
【００４５】
さらに、本実施形態の非接触送電装置１０によれば、コイル部品１３のインダクタンス値Ｌ１が、送電コイル１２のインダクタンス値Ｌの３０％以上かつ６０％以下に設定されている。これにより、コンデンサ部品のみを用いて共振周波数を調整した従来構成と比較して、電力伝送の周波数において高い送電効率を得ることができる。同様に、本実施形態の非接触受電装置２０によれば、コイル部品２３のインダクタンス値Ｌ１が受電コイル２２のインダクタンス値Ｌの３０％以上かつ６０％以下に設定されている。これにより、コンデンサ部品のみを用いて共振周波数を調整した従来構成と比較して、電力伝送の周波数において高い受電効率を得ることができる。本実施形態の非接触電力伝送装置１によれば、非接触送電装置１０及び非接触受電装置２０の両方の効果が奏される。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、非接触送電装置と非接触受電装置の両方に本発明の構成を適用した例を示したが、非接触送電装置及び非接触受電装置のうち一方に本発明が適用されてもよい。このような場合でも、非接触送電装置と非接触受電装置のうち、本発明が適用された方において本発明に係る効果が得られる。
【００４７】
また、上記実施形態では、共振周波数を調整する際のインダクタンス値Ｌ１及び静電容量値Ｃ１の選択自由度を、電力伝送の効率を向上するために利用する例を示した。しかし、インダクタンス値Ｌ１及び静電容量値Ｃ１は、例えば部品コスト、実装面積、ノイズ耐性など、その他の様々な要因を考慮して選択されてもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、送電コイルと受電コイルとが配線基板の配線パターンにより構成される構造例を示したが、例えば導線を渦巻き状又は螺旋状に巻回した構成の送電コイル又は受電コイルが適用されてもよい。また、図１に示した構成のうち、電力伝送部１１より前段の構成、及び電力伝送部２１より後段の構成は一例に過ぎず、適宜変更可能である。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１  非接触電力伝送装置
１０  非接触送電装置
１１、２１  電力伝送部
１２  送電コイル
１３、２３  コイル部品
１４、１５、２４、２５  コンデンサ部品
２０  非接触受電装置
２２  受電コイル
【図１】
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【図２】
2019013078.tif 000005
【図３】
2019013078.tif 000006
【図４】
2019013078.tif 000007
【図５】
2019013078.tif 000008
【図６】
2019013078.tif 000009
【図７】
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