(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主に磁場の共鳴を利用して送電側の共振器から受電側の共振器に電力を伝送する無線給電システムに用いられる共振器において、
導体で形成され、離間して配置される複数のコイルを備え、
前記複数のコイル全体を等価回路で表したとき、前記等価回路の共振周波数と反共振周波数とに関係する第１の容量成分と、前記反共振周波数に関係する成分である第２の容量成分とが、前記共振周波数におけるＱ値が１００以上になるような所定の値である、共振器。
【請求項２】
請求項１に記載の共振器において、
前記等価回路は、インダクタ成分と抵抗成分と前記第１の容量成分とが直列に接続されている直列回路と、前記直列回路に並列に接続されている前記第２の容量成分と、によって表される、共振器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の共振器において、
前記第１の容量成分に対する前記第２の容量成分の比が、０．８以上になるように、前記複数のコイルが構成されている、共振器。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の共振器において、さらに、
前記複数のコイルの間に配置される第１の誘電体部を備える、共振器。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の共振器において、さらに、
前記複数のコイルのうちの少なくとも１つは、当該コイルを構成する線材の間に配置される第２の誘電体部を備える、共振器。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の共振器において、
前記複数のコイルのうちの少なくとも１つは、断面が四角状の線材によって形成される、共振器。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の共振器において、
前記複数のコイルは、少なくとも、互いに隣り合って配置される第１と第２のコイルを含み、
前記第１と第２のコイルは、前記第１のコイルを構成する第１の線材の巻き方向と、前記第２のコイルを構成する第２の線材の巻き方向と、が一致するとともに、前記第１と第２の線材同士が近接した状態で並列に延伸する部位を有するように配置されており、
前記第１と第２のコイルには、前記第１と第２の線材が並列に延伸している部位において、前記第１と第２の線材に流れる電流の向きが同じになるように電流が流される、共振器。
【請求項８】
請求項７に記載の共振器において、
前記第１と第２のコイルは、スパイラルコイルであり、
前記第１のコイルは、第２のコイルに積層されており、
前記第１と第２のコイルの積層方向に沿って見たときに、前記第１と第２の線材が並列に延伸している部位において、前記第１と第２の線材同士が互いに重なり合う、共振器。
【請求項９】
請求項７に記載の共振器において、
前記第１と第２のコイルは、ソレノイドコイルであり、
前記第２のコイルは、前記第１のコイルの内側に配置されており、
前記第１と第２のコイルの径方向に見たときに、前記第１と第２の線材が並列に延伸している部位において、前記第１と第２の線材同士が互いに重なり合う、共振器。
【請求項１０】
主に磁場の共鳴を利用して送電側の共振器から受電側の共振器に電力を伝送する無線給電システムに用いられる共振器において、
導体で形成され、離間して配置される複数のコイルを備え、
前記複数のコイル全体を等価回路で表したとき、前記等価回路の共振周波数と反共振周波数とに関係する第１の容量成分に対する前記反共振周波数に関係する成分である第２の容量成分の比の値が、０．８以上になるように、前記複数のコイルが構成されている、共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線給電システムに用いられる共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁場の共鳴を利用することによって、送電側の共振器から受電側の共振器へと、無線で電力を伝送する磁界共振結合方式の無線給電システムが知られている。例えば、特許文献１には、磁界共振結合方式の無線給電システムに用いられる共振器において、車両側から受け付けた制御信号に基づいて、共振コイルの容量を変更することで、共振器の共振周波数を変更する車両用給電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９-１０６１３６号公報
【特許文献２】特表２００９-５０１５１０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】松木英敏、他、「非接触電力伝送技術の最前線」、シーエムシー出版、ｐ．７（２００９年８月）
【非特許文献２】藤枝智之、鈴木雅美、「磁界共鳴方式電力伝送用低損失アンテナの検討」、ＰＩＯＮＥＥＲ  Ｒ＆Ｄ、Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．１／２０１２、ｐ．１１−１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された技術によれば、共振器の共振周波数を変更できる。しかしながら、無線給電システムにおいては、共振器の共振周波数を所定の値に設定した上で、さらに、共振コイルをより小型化したいという要望があった。また、共振器のコイルの巻数を増加させると、交流抵抗が上昇して、無線給電システムの電力の伝送効率が低下してしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の第一形態によれば、主に磁場の共鳴を利用して送電側の共振器から受電側の共振器に電力を伝送する無線給電システムに用いられる共振器が提供される。前記共振器は、導体で形成され、離間して配置される複数のコイルを備え、前記複数のコイル全体を等価回路で表したとき、前記等価回路の共振周波数と反共振周波数とに関係する第１の容量成分と、前記反共振周波数に関係する成分である第２の容量成分とが、前記共振周波数におけるＱ値が１００以上になるような所定の値であってよい。この形態の共振器によれば、共振器を小型化しつつ、無線給電システムにおける電力の伝送効率の低下を抑制できる。
【０００８】
（２）上記形態の共振器において、前記等価回路は、インダクタ成分と抵抗成分と前記第１の容量成分とが直列に接続されている直列回路と、前記直列回路に並列に接続されている前記第２の容量成分と、によって表されてもよい。この形態の共振器によれば、共振器の共振周波数におけるＱ値の値をより適切に設定できる。
【０００９】
（３）上記形態の共振器において、前記第１の容量成分に対する前記第２の容量成分の比が、０．８以上になるように、前記複数のコイルが構成されてもよい。この形態の共振器によれば、高いＱ値が得られるため、電力の高い伝送効率を実現できる。
【００１０】
（４）上記形態の共振器において、さらに、前記複数のコイルの間に配置される第１の誘電体部を備えてもよい。この形態の共振器によれば、複数のコイルの層間の浮遊容量を大きくしつつ、コイルの巻数を小さくできるため、共振器を小型化できる。また、共振器に発生する電界の外部への漏洩を抑制できる。
【００１１】
（５）上記形態の共振器において、さらに；前記複数のコイルのうちの少なくとも１つは、当該コイルを構成する線材の間に配置される第２の誘電体部を備えてもよい。この形態の共振器によれば、線材間の浮遊容量を大きくしつつ、コイルの巻数を小さくできるため、共振器を小型化できる。また、共振器に発生する電界の外部への漏洩を抑制できる。
【００１２】
（６）上記形態の共振器において、前記複数のコイルのうちの少なくとも１つは、断面が四角状の線材によって形成されてもよい。この形態の共振器によれば、線材の線間または複数のコイルの層間における浮遊容量を大きくでき、コイルの巻数を小さくできるため、共振器を小型化できる。また、共振器に発生する電界の外部への漏洩を抑制できる。
【００１３】
（７）上記形態の共振器において、前記複数のコイルは、少なくとも、互いに隣り合って配置される第１と第２のコイルを含み、前記第１と第２のコイルは、前記第１のコイルを構成する第１の線材の巻き方向と、前記第２のコイルを構成する第２の線材の巻き方向と、が一致するとともに、前記第１と第２の線材同士が近接した状態で並列に延伸する部位を有するように配置されており、前記第１と第２のコイルには、前記第１と第２の線材が並列に延伸している部位において、前記第１と第２の線材に流れる電流の向きが同じになるように電流が流されてよい。この形態の共振器によれば、交流抵抗成分の増大を抑制でき、無線給電システムにおける電力の伝送効率の低下を抑制できる。
【００１４】
（８）上記形態の共振器において、前記第１と第２のコイルは、スパイラルコイルであり、前記第１のコイルは、第２のコイルに積層されており、前記第１と第２のコイルの積層方向に沿って見たときに、前記第１と第２の線材が並列に延伸している部位において、前記第１と第２の線材同士が互いに重なり合ってよい。この形態の共振器によれば、スパイラルコイルによって構成される共振器における交流抵抗成分の増大を抑制できる。
【００１５】
（９）上記形態の共振器において、前記第１と第２のコイルは、ソレノイドコイルであり、前記第２のコイルは、前記第１のコイルの内側に配置されており、前記第１と第２のコイルの径方向に見たときに、前記第１と第２の線材が並列に延伸している部位において、前記第１と第２の線材同士が互いに重なり合ってよい。この形態の共振器によれば、ソレノイドコイルによって構成される共振器における交流抵抗成分の増大を抑制できる。
【００１６】
（１０）本発明の第二形態によれば、共振器が提供される。前記共振器は、磁場の共鳴を利用して送電側の共振器から受電側の共振器に電力を伝送する無線給電システムに用いられてよい。前記共振器は、導体で形成され、離間して配置される複数のコイルを備え、前記複数のコイルは、少なくとも、互いに隣り合って配置される第１と第２のコイルを含み、前記第１と第２のコイルは、前記第１のコイルを構成する第１の線材の巻き方向と、前記第２のコイルを構成する第２の線材の巻き方向と、が一致するとともに、前記第１と第２の線材同士が近接した状態で並列に延伸する部位を有するように配置されており、前記第１と第２のコイルには、前記第１と第２の線材が並列に延伸している部位において、前記第１と第２の線材に流れる電流の向きが同じになるように電流が流されてよい。この形態の共振器によれば、第１と第２のコイルの間における交流抵抗成分の増大が抑制され、無線給電システムにおける電力の伝送効率の低下を抑制できる。
【００１７】
（１１）本発明の第三形態によれば、主に磁場の共鳴を利用して送電側の共振器から受電側の共振器に電力を伝送する無線給電システムに用いられる共振器が提供される。前記共振器は、導体で形成され、離間して配置される複数のコイルを備え、前記複数のコイル全体を等価回路で表したとき、前記等価回路の共振周波数と反共振周波数とに関係する第１の容量成分に対する前記反共振周波数に関係する成分である第２の容量成分の比の値が、０．８以上になるように、前記複数のコイルが構成されてよい。この形態の共振器によれば、共振器を小型化しつつ、無線給電システムにおける電力の伝送効率の低下を抑制できる。
【００１８】
本発明は、共振器以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、共振器を用いた無線給電システム、共振器の製造方法、無線給電システムの制御方法等の形態で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態における無線給電システムの構成を示す概略ブロック図である。
【図２】送電側共振器に用いられる２層コイルの構成を示す説明図である。
【図３】送電側共振器に用いられる２層コイルの構成を示す説明図である。
【図４】２層コイルのＢ１−Ｂ１断面（図２）の一部を示す概略断面図である。
【図５】外側コイルおよび内側コイルの周辺に発生する電気力線を説明するための概略図である。
【図６】２層コイルを用いた送電側共振器を含む等価回路の一例を示す説明図である。
【図７】単層コイルのインピーダンスの特性を示す説明図である。
【図８】単層コイルのインピーダンスの特性を示す説明図である。
【図９】単層コイルのインピーダンスの特性を示す説明図である。
【図１０】単層コイルのインピーダンスの特性を示す説明図である。
【図１１】比較例としての単層コイルの構成を示す説明図である。
【図１２】比較例としての単層コイルの構成を示す説明図である。
【図１３】２層コイルと単層コイルとにおける１つのコイルの巻数に対しての共振器等価回路の各パラメータの変化を示す説明図である。
【図１４】２層コイルと単層コイルとにおける１つのコイルの巻数に対しての共振器等価回路の各パラメータの変化を示す説明図である。
【図１５】２層コイルと単層コイルとにおける１つのコイルの巻数に対しての共振器等価回路の各パラメータの変化を示す説明図である。
【図１６】２層コイルと単層コイルとにおける１つのコイルの巻数に対しての共振器等価回路の各パラメータの変化を示す説明図である。
【図１７】２層コイルと単層コイルとにおける１つのコイルの巻数に対しての共振器等価回路の各パラメータの変化を示す説明図である。
【図１８】２層コイルと単層コイルとにおける１つのコイルの巻数に対しての共振器等価回路の各パラメータの変化を示す説明図である。
【図１９】結合係数とＱ値との積に対する最大伝送効率の変化を表すグラフを示す説明図である。
【図２０】共振器等価回路における各パラメータを調整した実施例１の２層コイルの共振周波数における交流抵抗とＱ値との関係を示す説明図である。
【図２１】第２実施形態における２層コイルのＢ１−Ｂ１断面（図２）の一部を示す概略断面図である。
【図２２】第３実施形態における２層コイルのＢ１−Ｂ１断面（図２）の一部を示す概略断面図である。
【図２３】第４実施形態における２層コイルのＢ１−Ｂ１断面（図２）の一部を示す概略断面図である。
【図２４】第５実施形態における２層コイルのＢ１−Ｂ１断面（図２）の一部を示す説明図である。
【図２５】第６実施形態における２層コイルの構成を示す概略斜視図。
【図２６】第６実施形態における２層コイルを分解して示す概略分解斜視図。
【図２７】第６実施形態における２層コイルを示す概略平面図。
【図２８】参考例としての２層コイルを示す概略平面図。
【図２９】第６実施形態の２層コイルと参考例の２層コイルのインピーダンスの特性を示す説明図。
【図３０】第６実施形態の２層コイルと参考例の２層コイルのインピーダンスの特性を示す説明図。
【図３１】第７実施形態における２層コイルを示す概略斜視図。
【図３２】第７実施形態における２層コイルを分解して示す概略分解斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明の実施の形態を実施形態に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．無線給電システムの構成：
Ａ−２．２層コイルの構成：
Ａ−３．２層コイルの等価回路：
Ａ−４．単層コイルにおけるインピーダンス特性：
Ａ−５．２層コイルと単層コイルとの比較：
Ａ−６．電力の伝送効率と第１の容量および第２の容量との関係：
Ｂ．第２実施形態：
Ｃ．第３実施形態：
Ｄ．第４実施形態：
Ｅ．第５実施形態：
Ｆ．第６実施形態：
Ｇ．第７実施形態：
Ｈ．変形例：
【００２１】
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．無線給電システムの構成：
図１は、本実施形態における無線給電システム１００の構成を示す概略ブロック図である。無線給電システム１００は、送電装置１と、受電装置２とを備えている。無線給電システム１００では、磁界共振結合方式によって、送電装置１から受電装置２へと非接触（無線）で電力が伝送される。
【００２２】
送電装置１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０と、高周波電源１１と、整合回路１２と、送電側共振器１３と、無線通信部１４と、制御部１５とを備えている。ＡＣ／ＤＣコンバータ１０は、商用電源等から供給される交流電力を直流電力に変換して、高周波電源１１へと供給する。高周波電源１１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０から供給される直流電力を用いて、所定の周波数の高周波電力を発生させ、整合回路１２へと供給する。整合回路１２は、出力側としての高周波電源１１のインピーダンスと、受け側の送電側共振器１３のインピーダンスとを合わせるインピーダンス整合を行なう。送電側共振器１３は、整合回路１２から高周波電力の供給を受け、所定の周波数で共振して電磁界エネルギーを生成する。本実施形態では、送電側共振器１３は、２つのソレノイドコイルを外側と内側とに層状に重ね合わせた２層コイルと、２層コイルを支持する樹脂等の支持部材（図示せず）と、を備える。本実施形態における２層コイルは、請求項における複数のコイルに相当する。送電側共振器１３の構成および機能の詳細については後述する。
【００２３】
無線通信部１４は、送電装置１と受電装置２との間でやり取りされる情報を、無線により伝送する。無線通信部１４は、例えば、送受信回路およびアンテナによって構成される。制御部１５は、高周波電源１１と、整合回路１２と、無線通信部１４と、を制御する。制御部１５は、例えば、無線給電システムにおける所定の処理を実行するプロセッサと、データおよびプログラムを記憶するメモリと、によって構成される。制御部１５が行なう制御の詳細については後述する。
【００２４】
受電装置２は、送電装置１の送電側共振器１３との磁界共振結合によって高周波電力を発生させる。受電装置２は、受電側共振器２０と、整合回路２１と、整流器２２と、バッテリ２３と、負荷回路２４と、無線通信部２５と、制御部２６と、を備えている。受電側共振器２０は、送電装置１の送電側共振器１３によって生成された電磁界エネルギーの所定の周波数に共振することによって、高周波電力を発生する。
【００２５】
整合回路２１は、受電側共振器２０のインピーダンスと、受け側の整流器２２のインピーダンスと、を合わせるインピーダンス整合を行なう。整流器２２は、整合回路２１を介して、受電側共振器２０において発生した高周波電力の供給を受ける。整流器２２は、その高周波電力を整流して直流電力に変換し、バッテリ２３へと供給する。バッテリ２３は、整流器２２から供給された直流電力を蓄える二次電池である。負荷回路２４は、バッテリ２３から供給された放電電流を動力源として動作する。負荷回路２４は、例えば、受電装置２に接続される携帯電話などに搭載されている回路であってもよい。
【００２６】
無線通信部２５は、送電装置１の無線通信部１４との間で、情報を、無線により相互に伝送する。無線通信部２５は、例えば、送受信回路およびアンテナによって構成される。制御部２６は、整合回路２１と、整流器２２と、バッテリ２３と、負荷回路２４と、無線通信部２５とを制御する。制御部２６は、例えば、無線給電システムにおける所定の処理を実行するプロセッサと、データおよびプログラムを記憶するメモリと、によって構成される。
【００２７】
次に、無線給電システム１００における送電装置１の送電側共振器１３と受電装置２の受電側共振器２０との構造および動作の詳細について説明する。送電側共振器１３および受電側共振器２０は、所定の共振周波数の高周波電力と磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルを有する。送電側共振器１３の共振コイルと受電側共振器２０の共振コイルとは、互いに所定の距離が離れた位置において対向するように配置されると共に磁気的に結合された状態で用いられる。このような状態で、送電側共振器１３に高周波電力が加えられると、磁界共振結合によって、送電側共振器１３において生成された磁界エネルギーが受電側共振器２０に伝送される。受電側共振器２０は、伝送された磁界エネルギーによって、高周波電力を発生させる。整流器２２は、受電側共振器２０によって発生した高周波電力を直流電流に変換し、バッテリ２３は、変換された直流電流を蓄える。以上のように、送電装置１から受電装置２への非接触の電力伝送が行なわれる。
【００２８】
本実施形態の無線給電システム１００では、送電装置１の制御部１５と、受電装置２の制御部２６と、が協働することによって、送電装置１から受電装置２への電力の伝送が実行される。制御部１５は、無線通信部１４を介して、受電装置２の無線通信部２５が受信可能な信号を発信する。制御部２６は、無線通信部２５を介して、無線通信部１４によって発信された信号を受信すると、受電装置２が電力を受電可能な状態であることを示す信号を無線通信部１４へと送信する。制御部１５は、無線通信部１４を介して、受電装置２が受電可能な状態であることを受信すると、高周波電源１１を用いて所定の高周波電力を発生させる。受電装置２の制御部２６は、受電側共振器２０に高周波電力が伝送されると、整流器２２を用いて、高周波電力を直流電力へと変換する。制御部２６は、変換された直流電力を、バッテリ２３に蓄えたり、負荷回路２４に給電したりする。
【００２９】
Ａ−２．２層コイルの構成：
図２および図３は、送電側共振器１３に用いられる２層コイル３０の構成を示す説明図である。図２には、２層コイル３０の斜視図が示されている。また、図３には、２層コイル３０を矢視Ａ１（図２）の方向に視た平面図が示されている。２層コイル３０は、外側コイル３２と、内側コイル３４と、外側コイル３２と内側コイル３４との層間に配置された誘電体３６と、によって構成されている。なお、図２では、外側コイル３２と内側コイル３４との位置関係を分かりやすくするために、誘電体３６の図示が省略されている。
【００３０】
図２および図３に示すように、外側コイル３２は、導体である導線（線材）が中心軸ＯＬを中心として、同一の略長方形形状を連続して描くように、らせん状、すなわち、弦巻状に巻かれて形成されたソレノイドコイルである。なお、図２および図３では、矢視Ａ１の方向および外側コイル３２の中心軸ＯＬに平行な軸をＹ軸とし、Ｙ軸に直交して２層コイル３０の厚さ方向（短辺に沿った方向）に平行な軸をＺ軸とし、Ｙ軸およびＺ軸に直交する軸をＸ軸として図示されている。図２に示すように、外側コイル３２では、導線は、Ｙ軸方向に視たときに、中心軸ＯＬを中心に反時計回りに周回しながらＹ軸方向に延びている。また、外側コイル３２を構成する導線の直径はＤ１である。外側コイル３２においてＹ軸方向に隣接する２つの導線間の距離は、ｔ１である。図３に示すように、外側コイル３２のＸ軸に平行な方向（長辺に沿った方向）における内径は、Ｌ１である。また、外側コイル３２のＺ軸に平行な方向（短辺に沿った方向）における内径は、Ｈ１である。
【００３１】
内側コイル３４は、外側コイル３２の内側において、外側コイル３２に対して所定の間隔をあけて、導線がらせん状に巻かれて形成されたソレノイドコイルである。内側コイル３４では、導線は、外側コイル３２と同様に、中心軸ＯＬを中心として、略長方形形状を連続して描くように、らせん状に巻かれている。内側コイル３４では、導線は、Ｙ軸方向に視たときに、外側コイル３２とは逆方向の時計回に周回しつつＹ軸方向に延びている。内側コイル３４は、外側コイル３２との間の離間距離が全周にわたってｔ２となるように形成されている。内側コイル３４における導線の直径は、外側コイル３２と同じく、Ｄ１である。内側コイル３４においてＹ軸方向に隣接する２つの導線間の距離は、外側コイル３２と同じく、ｔ１である。図３に示すように、内側コイル３４のＸ軸に平行な方向（長辺に沿った方向）における内径は、Ｌ２である。また、内側コイル３４のＺ軸に平行な方向（短辺に沿った方向）における内径は、Ｈ２である。外側コイル３２および内側コイル３４の各種寸法によって設定される送電側共振器１３の共振周波数等の詳細については、後述する。
【００３２】
図４は、２層コイル３０のＢ１−Ｂ１断面（図２）の一部を示す概略断面図である。図４では、図２では図示が省略されていた誘電体３６が図示されている。誘電体３６は、中心軸ＯＬを中心とする略長方形形状の開口断面を有する筒状の部材である。誘電体３６は、外側コイル３２と内側コイル３３との間に配置されている。外側コイル３２は誘電体３２の外周に巻かれており、内側コイル３４は誘電体３６の内周に巻かれている。本実施形態では、誘電体３６は、セラミックス材料によって形成されている。誘電体３６の厚さは、外側コイル３２と内側コイル３４との層間の離間距離と同じｔ２である。２層コイル３０では、外側コイル３２と内側コイル３４との層間には、誘電体３６が配置されていることによって大きな浮遊容量が生じる。
【００３３】
図５は、外側コイル３２および内側コイル３４の周辺に発生する電気力線を説明するための概略図である。図５には、外側コイル３２および内側コイル３４に交流電力が加えられたときに、外側コイル３２および内側コイル３４の周辺に発生する電気力線が複数の矢印ＣＳによって概略的に示されている。なお、図５では、誘電体３６の図示が省略されている。外側コイル３２の導線と内側コイル３４の導線とは、巻いてある方向が逆である。また、外側コイル３２と内側コイル３４には、同じ側の端部から交流電力が印加される。そのため、外側コイル３２によって外側コイル３２の内側に発生する磁界の向きと、内側コイル３４によって内側コイル３４の外側に発生する磁界の向きと、が中心軸ＯＬに沿った方向において同じになる。したがって外側コイル３２と内側コイル３４との層間の磁界はより強くなる。２層コイル３０によって発生する磁界が強くなることで、単層のコイルと比較して大きなインダクタンスを得ることができ、小さな巻数で大きなインダクタンスを得ることが可能となる。
【００３４】
Ａ−３．２層コイルの等価回路：
図６は、２層コイル３０を用いた送電側共振器１３を含む等価回路の一例を示す説明図である。図６には、送電装置１における送電側共振器１３および高周波電源１１が示されている。高周波電源１１は、発振器１１ａおよびインピーダンスＺｏの直列回路に相当し、送電側共振器１３は、共振器等価回路１３ａに相当する。共振器等価回路１３ａは、インダクタンスＬと第１の容量Ｃ１と抵抗Ｒとの直列回路１３ｂと、当該直列回路１３ｂに並列に接続された第２の容量Ｃ２とによって構成される。共振器等価回路１３ａの端子から見たインピーダンスＺは、次の式（１）式で表される。
【００３５】
【数１】
0006567329.tif 000002
【００３６】
式（１）において、虚部が０である条件を満たす周波数が共振周波数および反共振周波数であるため、式（１）を解くことによって、共振周波数Ｆ１および反共振周波数Ｆ２が得られる。共振器等価回路１３ａにおける共振周波数Ｆ１が下記（２）式で表され、反共振周波数Ｆ２が下記（３）式で表される。
【００３７】
【数２】
0006567329.tif 000003
【００３８】
（２）式および（３）式に示すように、共振器等価回路１３ａの共振周波数Ｆ１は、インダクタンスＬと第１の容量Ｃ１とによって算出され、反共振周波数Ｆ２は、インダクタンスＬと第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２とによって算出される。すなわち、共振器等価回路１３ａにおいて、第１の容量Ｃ１は、共振周波数Ｆ１および反共振周波数Ｆ２に影響するパラメータであり、第２の容量Ｃ２は、反共振周波数Ｆ２に影響し、共振周波数Ｆ１には影響しないパラメータである。詳細については後述するが、本実施形態では、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２とのそれぞれのパラメータを設定することにより、送電側共振器１３の共振周波数Ｆ１における交流抵抗を制御する。なお、本実施形態における共振器等価回路１３ａは、本発明における等価回路の下位概念の一例である。本発明における等価回路は、異なる構成の回路として表されてもよい。第１の容量Ｃ１は、本発明における第１の容量成分の下位概念に相当し、第２の容量Ｃ２は、第２の容量成分の下位概念に相当する。また、インダクタンスＬは、インダクタ成分の下位概念に相当し、抵抗Ｒは、抵抗成分の下位概念に相当する。本実施形態では、送電側共振器１３に用いられる２層コイル３０と受電側共振器２０に用いられる２層コイル３０とは同じであるが、他の実施形態では、送電側共振器１３と受電側共振器２０とに用いられるコイルは、共振周波数Ｆ１が同じであれば、異なる構成を有していてもよい。
【００３９】
共振器等価回路１３ａのインダクタンスＬは、２層コイル３０のサイズや巻数に応じて決まる。ここで、送電側共振器１３から受電側共振器２０への伝送効率ηは、次の（４）式のｆｏｍ（figure of merit）で決まり、ｆｏｍの値が大きいほど伝送効率ηは高くなる。
【００４０】
【数３】
0006567329.tif 000004
【００４１】
（４）式において、結合係数ｋは、送電側共振器１３の２層コイル３０と受電側共振器２０の２層コイル３０との間隔（エアギャップ）に応じて変化し、２つの２層コイル３０の間隔が大きくなるほど低下する。すなわち、結合係数ｋは、各２層コイル３０の配置の制約に応じて決まる。これに対し、上述のＱ値Ｑ１、Ｑ値Ｑ２は、各２層コイル３０の構成によって決まり、それらの値を高く設定すれば、ｆｏｍが大きくなり、伝送効率ηを向上させることができる。一般に、角周波数ωにおける２層コイル３０のＱ値は、（５）式により与えられる。
【００４２】
【数４】
0006567329.tif 000005
【００４３】
Ａ−４．単層コイルにおけるインピーダンス特性：
図７から図１０までの各図は、単層コイルのインピーダンスの特性を示す説明図である。図７には、所定の導線で所定の巻数Ｎ１である単層コイルについての周波数にと交流抵抗との関係を表す曲線ＬＮ１と、周波数とリアクタンスとの関係を表す曲線ＬＮ２とが示されている。曲線ＬＮ１は、（１）式における実部のパラメータの変化の軌跡を表し、曲線ＬＮ２は、（１）式における虚部のパラメータの変化の軌跡を表す。図８には、図７におけるＸ１部の拡大図が示されている。上述したように、（１）式における虚部のリアクタンスが０になる周波数が共振周波数Ｆ１１および反共振周波数Ｆ１２である。図８に示すように、巻数Ｎ１の単層コイルの共振周波数Ｆ１１における交流抵抗は、交流抵抗Ｒｆ１である。
【００４４】
図９には、図７に示した単層コイルに対して、巻数Ｎ１よりも増やした巻数Ｎ２の単層コイルにおいて、周波数に対する交流抵抗の変化を表す曲線ＬＮ３と、周波数に対するリアクタンスの変化を表す曲線ＬＮ４とが示されている。図１０には、図９におけるＸ２部の拡大図が示されている。図１０に示すように、巻数Ｎ２の単層コイルの共振周波数Ｆ２１における交流抵抗は、交流抵抗Ｒｆ２である。図８および図１０から理解できるように、巻数Ｎ２の交流抵抗Ｒｆ２は、巻数Ｎ１の交流抵抗Ｒｆ１よりも大きい。ここで、（１）式および図８と図１０から理解できるように、単層コイルにおいては、巻数が巻数Ｎ１から巻数Ｎ２へと増えることで、共振周波数の値と反共振周波数の値とが近づく。また、図８および図１０の交流抵抗の変化を表す曲線ＬＮ１，ＬＮ３に示されているように、周波数に対する交流抵抗の値は、反共振周波数の値を最大値として、反共振周波数の値から離れた値の周波数になるほど、０に近づく。言い換えれば、周波数に対する交流抵抗の値は、反共振周波数の値に近づくほど大きくなる。すなわち、単層コイルにおいては、巻数が増加すると、共振周波数Ｆ２１と反共振周波数Ｆ２２とが近づき、共振周波数Ｆ２１における交流抵抗Ｒｆ２が増加する。共振周波数Ｆ２１における交流抵抗Ｒｆ２が増加すると、磁界共振結合方式による電力の伝送効率が低下する。
【００４５】
Ａ−５．２層コイルと単層コイルとの比較：
次に、本実施形態の２層コイル３０と比較例としての単層コイル４０とを比較して、共振周波数Ｆ１に関連する各パラメータについて説明する。図１１および図１２は、比較例としての単層コイル４０の構成を示す説明図である。図１１には、単層コイル４０の斜視図が示されている。また、図１２には、単層コイル４０を矢視Ａ２（図１１）の方向に視た平面図が示されている。単層コイル４０の構成は、本実施形態の２層コイル３０において、外側コイル３２および誘電体３６を省略した構成に相当する。すなわち、単層コイル４０は、２層コイル３０を構成する内側コイル３４のみから構成されるソレノイドコイルに相当する。図１１に示すように、単層コイル４０の導線の直径は、内側コイル３４と同じく、Ｄ１である。また、単層コイル４０においてＹ軸方向に隣接する２つの導線間の距離は、内側コイル３４と同じく、ｔ１である。また、図１２に示すように、単層コイル４０のＸ軸に平行な方向（長辺に沿った方向）における内径は、Ｌ２である。単層コイル４０のＺ軸に平行な方向（短辺に沿った方向）における内径は、Ｈ２である。
【００４６】
図１３から図１８までの各図は、２層コイル３０ａと単層コイルとにおける１つのコイルの巻数に対しての共振器等価回路１３ａの各パラメータの変化を示す説明図である。なお、以下の説明における２層コイル３０ａは、比較例の単層コイル４０との比較を容易にするために、便宜上、本実施形態の２層コイル３０から誘電体３６を省略したものである。すなわち、２層コイル３０ａの構成は、本実施形態の２層コイル３０に対して、誘電体３６を有さない点のみが異なり、その他の点については本実施形態の２層コイル３０と同じである。
【００４７】
図１３には、１つのコイルの巻数を変化させた場合における２層コイル３０ａの第１の容量Ｃ１の変化を表す曲線ＷＣ１および単層コイル４０の第１の容量Ｃ１の変化を表すＳＣ１が示されている。また、図１４には、１つのコイルの巻数を変化させた場合における２層コイル３０ａの第２の容量Ｃ２の変化を表す曲線ＷＣ２および単層コイル４０の第２の容量Ｃ２の変化を表す曲線ＳＣ２が示されている。２層コイル３０ａでは、外側コイル３２と内側コイル３４のそれぞれの巻数は同じである。図１３および図１４では、２層コイル３０ａにおける外側コイル３２および内側コイル３４の巻数と、単層コイル４０の巻数と、が共通の横軸で示されている。図１３に示すように、２層コイル３０ａでは、外側コイル３２および内側コイル３４の巻数を増加させると、受電側共振器２０の第１の容量Ｃ１は、単調に増加する（曲線ＷＣ１）。一方、単層コイル４０の巻数を増加させると、単層コイル４０の第１の容量Ｃ１は、徐々に減少する（曲線ＳＣ１）。図１４に示すように、２層コイル３０ａでは、コイルの巻数を増加させると、２層コイル３０ａの第２の容量Ｃ２は、単調に増加する（曲線ＷＣ２）。一方、単層コイル４０の巻数を増加させると、単層コイル４０の第２の容量Ｃ２はわずかに上に凸の曲線を描くように増加する（曲線ＳＣ２）。
【００４８】
図１５には、１つのコイルの巻数を変化させた場合において、（２）式を用いて算出した２層コイル３０ａの共振周波数Ｆ１の変化を表す曲線ＷＦ１および単層コイル４０の共振周波数Ｆ１の変化を表す曲線ＳＦ１が示されている。図１５に示すように、２層コイル３０ａおよび単層コイル４０の共振周波数Ｆ１は、コイルの巻数が増加すると、下に凸の曲線を描くように減少する。コイルの巻数が同じ場合には、２層コイル３０ａの共振周波数Ｆ１は、コイルの巻数にかかわらず、常に単層コイル４０の共振周波数Ｆ１よりも低くなる。
【００４９】
図１６には、１つのコイルの巻数を変化させた場合の共振周波数Ｆ１における２層コイル３０ａの交流抵抗Ｒｆ１の変化を表す曲線ＷＲ１および単層コイル４０の交流抵抗Ｒｆ１の変化を表す曲線ＳＲ１が示されている。図１６に示すように、２層コイル３０ａの曲線ＷＲ１および単層コイル４０の曲線ＳＲ１はいずれも、コイルの巻数が増加すると、交流抵抗Ｒｆ１が増加する変化を示している。しかし、２層コイル３０ａの曲線ＷＲ１と単層コイル４０の曲線ＳＲ１とでは、コイルの巻数に対する交流抵抗Ｒｆ１の増加の仕方が異なっている。２層コイル３０ａの曲線ＷＲ１では、交流抵抗Ｒｆ１がコイルの巻数に対してほぼ一次関数のように単調、かつ、緩やかに増加するのに対して、単層コイル４０の曲線ＳＲ１では、コイルの巻数に対して交流抵抗Ｒｆ１が急激に増加する。
【００５０】
図１７には、１つのコイルの巻数を変化させた場合において、２層コイル３０ａの周波数比ＷＦＲと、単層コイル４０の周波数比ＳＦＲと、が示されている。ここで、「周波数比」とは、反共振周波数Ｆ２から共振周波数Ｆ１を引いた値を、共振周波数Ｆ１で除した値である（（Ｆ２−Ｆ１）／Ｆ１）。図１７に示すように、２層コイル３０ａの周波数比ＷＦＲは、コイルの巻数が増加すると、緩やかに増加し、その増加率は次第に小さくなっていく。一方、単層コイル４０の周波数比ＳＦＲは、コイルの巻数が増加すると、０に向かって急激に減少した後に、０に近づくように緩やかに減少する。このように、２層コイル３０ａと単層コイル４０とでは、コイルの巻数を増加させたときの周波数比の変化方向や変化の仕方が異なっている。また、以下に説明するように、その違いにより、２層コイル３０ａは、単層コイル４０と比較して、共振周波数Ｆ１における交流抵抗Ｒｆ１が小さくなり、Ｑ値が高くなるため、無線給電システム１００において、高い電力の伝送効率を得ることができる。
【００５１】
図１８には、１つのコイルの巻数を変化させた場合の共振周波数Ｆ１における２層コイル３０ａのＱ値の変化を表す曲線ＷＱおよび単層コイル４０のＱ値の変化を表す曲線ＳＱが示されている。図１８に示されているように、２層コイル３０ａのＱ値および単層コイル４０のＱ値はそれぞれ、コイルの巻数の増加に対して、下に凸の曲線を描いて減少する。ただし、２層コイル３０ａの方が、単層コイル４０よりも、コイルの巻数に対するＱ値の減少が緩やかであり、Ｑ値の変化幅も小さい。また、コイルの巻数がある値より大きくなると、２層コイル３０ａのＱ値の方が単層コイル４０のＱ値よりも高くなる。上述した（４）式に示されているように、伝送効率ηは、送電側共振器１３のＱ値Ｑ１と受電側共振器２０のＱ値Ｑ１との積によって算出される。従って、コイルの巻数を増加させていった場合、２層コイル３０ａの方が、単層コイル４０よりも伝送効率ηの減少幅が小さく、その低下が抑制されることになる。
【００５２】
Ａ−６．電力の伝送効率と第１の容量および第２の容量との関係：
次に、電力の伝送効率ηを向上させるための第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２の設定について説明する。伝送効率ηの最大値である最大伝送効率ηｍａｘと送電側共振器１３のＱ値であるＱ１および受電側共振器２０のＱ値であるＱ２との関係は、次の（６）、（７）式で表される。
【００５３】
【数５】
0006567329.tif 000006
【００５４】
本実施形態では、送電側共振器１３のＱ値であるＱ１と受電側共振器２０のＱ値であるＱ２とを同じになるように設定するため、Ｑ２＝Ｑ１として上記の（７）式を解くと、αは、結合係数ｋとＱ１との積の二乗で表される。よって、最大伝送効率ηｍａｘは、結合係数ｋとＱ１との積（ｋ・Ｑ１）の関数として表すことができる。
【００５５】
図１９は、結合係数ｋとＱ１との積ｋ・Ｑ１と最大伝送効率ηｍａｘとの関係を表す曲線ＬＮ５を示す説明図である。図１９に示すように、最大伝送効率ηｍａｘは、積ｋ・Ｑ１が増加するほど、大きくなる。本実施形態では、最大伝送効率ηｍａｘが９０以上になるように積ｋ・Ｑ１を設定する。図１９に示すように、最大伝送効率ηｍａｘが９０になるのは、積ｋ・Ｑ１が２０のときである。ここで、結合係数ｋは、コイルの構造や、送電側共振器１３と受電側共振器２０との距離によって決定される。結合係数ｋが０．２の場合、最大伝送効率ηｍａｘを９０以上にするためには、Ｑ１が１００以上であることが望ましい。
【００５６】
図２０は、実施例１の２層コイル３０を用いたときの共振周波数Ｆ１における交流抵抗Ｒｆ１とＱ１との関係を示す説明図である。実施例１では、２層コイル３０の導線の直径Ｄ１や誘電体３６の寸法などを変化させることによって、共振器等価回路１３ａの各パラメータＬ，Ｃ１，Ｒ，Ｃ２を、Ｌ＝９８０（ｕＨ）、Ｃ１＝３９２０（ｐＦ）、Ｒ＝１．８（Ω）、Ｃ２＝３７００（ｐＦ）に設定した。図２０には、実施例１の２層コイル３０を用いたときの共振周波数Ｆ１における交流抵抗Ｒｆ１に対するＱ値Ｑ１の変化を表す曲線ＬＮ６が示されている。
【００５７】
図２０に示されているように、Ｑ１は、共振周波数Ｆ１における交流抵抗Ｒｆ１が大きくなるほど、減少する。また、Ｑ１が１００以上になるのは、共振周波数Ｆ１における交流抵抗Ｒｆ１が５．０オーム（Ω）以下の抵抗値のときである。ここで、上記の（１）式を用いて、虚部が０となるときのインピーダンスＺが５．０Ω以下となる第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２との関係を求める。（１）式を解くと共振周波数Ｆ１１，Ｆ１２が求まる。また、図８および図１０で示されているように、共振周波数Ｆ１１，Ｆ１２に対しては、交流抵抗Ｒｆ１，Ｒｆ２が求まる。実施例１の２層コイル３０では、第１の容量Ｃ１を第２の容量Ｃ２で除した値である容量比Ｃｒが０．８以上であれば、共振周波数Ｆ１１における交流抵抗Ｒｆ１が５．０Ω以下になる。
【００５８】
以上説明したように、２層コイル３０を共振器等価回路１３ａとして表したときに、共振周波数Ｆ１および反共振周波数Ｆ２に影響する第１の容量Ｃ１と、反共振周波数Ｆ２のみに影響する第２の容量Ｃ２とを、Ｑ値が所定の値以上になるように調整することによって、無線給電システム１００における電力の伝送効率の低下を抑制することができる。本実施形態では、２層コイル３０が、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２との容量比Ｃｒが０．８以上になるように構成されている。つまり、本実施形態では、２層コイル３０の第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２とが、共振周波数Ｆ１１における交流抵抗Ｒｆ１が５．０Ω以下となり、Ｑ値が１００以上となる値になっている。そのため、本実施形態ので無線給電システム１００では、その電力の伝送効率の低下が抑制される。
【００５９】
加えて、本実施形態では、外側コイル３２と内側コイル３４との層間に誘電体３６を配置することで、外側コイル３２と内側コイル３４との層間の浮遊容量が大きくされているため、２層コイル３０の巻数を小さくでき、共振器を小型化できる。また、共振器に発生する電界の外部への漏洩を抑制できる。
【００６０】
Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態では、第１実施形態で説明した誘電体３６とは構成が異なる誘電体３８を備える２層コイル３０ｂについて説明する。図２１は、第２実施形態における２層コイル３０ｂのＢ１−Ｂ１断面（図２）の一部を示す概略断面図である。図２１に示すように、２層コイル３０ｂは、第１実施形態の２層コイル３０に含まれる外側コイル３２および内側コイル３４と、誘電体３８と、を有している。第２実施形態の２層コイル３０ｂでは、後述する第７実施形態における２層コイル６０と同様に、外側コイル３２と内側コイル３４とは、導線の巻き方向が互いに反対向きになるように配置されている。そのため、図２１に示されているように、外側コイル３２を構成する導線と、内側コイル３４を構成する導線とは、Ｚ軸方向において位置が揃っている。誘電体３８は、外側コイル３２の線材の間（以下、線間とも言う）と、内側コイル３４の線材の間（以下、線間とも言う）と、に配置される。外側コイル３２の線間に配置された誘電体３８と、内側コイル３４の線間に配置された誘電体３８とは一体的に形成されている。誘電体３８は、Ｙ軸方向に延びる筒形状を有しており、Ｙ軸に直交するＸＺ平面における断面が、外側コイル３２と内側コイル３４と同様に、矩形枠形状である。誘電体３８は、Ｚ軸方向における幅が、少なくとも、２・Ｄ１＋ｔ２であり、Ｙ軸方向における厚さがｔ１である。誘電体３８は、第１実施形態の誘電体３６と同じように、セラミックス材料によって形成されている。誘電体３８を有することによって、２層コイル３０ｂは、外側コイル３２の線間および内側コイル３４の線間において、大きな容量成分を有することができる。また、共振器に発生する電界の外部への漏洩を抑制できる。第２実施形態における誘電体３８は、本発明における第２の誘電体部の下位概念に相当する。なお、誘電体３８は、外側コイル３２または内側コイル３４の線間に配置されていれば良く、外側コイル３２の線間に配置された誘電体３８と、内側コイル３４の線間に配置された誘電体３８とは別体として形成されていても良い。
【００６１】
Ｃ．第３実施形態：
第３実施形態の２層コイル３０ｃでは、外側コイル３２の線材に対する内側コイル３４の線材の相対位置が異なっており、２つの誘電体３８ａ，３８ｂが配置されている。図２２は、第３実施形態の２層コイル３０ｃにおけるＢ１−Ｂ１断面（図２）の一部を示す概略断面図である。図２２に示すように、２層コイル３０ｃは、第１実施形態の２層コイル３０と同様な外側コイル３２と、外側コイル３２の内側に配置され、第１実施形態の内側コイル３４よりも径がわずかに大きい内側コイル３４ａと、を有している。内側コイル３４ａの線材は、第２実施形態の内側コイル３４と同じ直径Ｄ１を有する導線であり、ＹＺ平面において、Ｚ方向に外側コイル３２の線材と重複しない位置に配置される。外側コイル３２と内側コイル３４ａとの層間の間隔ｔ３は、第２実施形態におけるｔ２よりも小さい。外側コイル３２の線間には誘電体３８ａが配置され、内側コイル３４ａの線間には誘電体３８ｂが配置されている。誘電体３８ａ，３８ｂは、第２実施形態の誘電体３８と同じように、セラミックス材料によって形成されている。なお、第３実施形態では、外側コイル３２と内側コイル３４ａとの層間には誘電体は配置されていない。誘電体３８ａ，３８ｂは、略矩形状の断面を有しており、のＹ軸に沿った長さはｔ１であり、誘電体３８ａ，３８ｂのＺ軸に沿った長さは、外側コイル３２および内側コイル３４ａの導線の直径と同じＤ１である。誘電体３８ａは、外側コイル３２の線材に平行に配置可能なように、中心軸ＯＬを中心としてらせん状に巻かれた形状を有している。同じように、誘電体３８ｂは、内側コイル３４ａの線材に平行に配置可能なように、中心軸ＯＬを中心としてらせん状に巻かれた形状を有している。
【００６２】
Ｄ．第４実施形態：
第４実施形態の２層コイル３０ｄでは、導線の外側に誘電体層３９がコーティングされている。図２３は、第４実施形態の２層コイル３０ｄにおけるＢ１−Ｂ１断面（図２）の一部を示す概略断面図である。図２３に示すように、２層コイル３０ｄは、外側コイル３１と、内側コイル３３と、を有している。外側コイル３１は、外側が誘電体層３９によってコーティングされた線材によって構成されている点以外は、第１実施形態の外側コイル３２と同じである。内側コイル３３は、外側が誘電体層３９によってコーティングされた線材によって構成されている点以外は、第３実施形態の内側コイル３４ａと同じである。外側コイル３１と内側コイル３３とは、それぞれの誘電体層３９同士が接するように配置されている。図２３に示すように、外側コイル３１および内側コイル３３における誘電体層３９の厚さはそれぞれ、ｔ４である。また、外側コイル３１と内側コイル３３との層間の間隔は、第３実施形態と同じく、ｔ３である。誘電体層３９の厚さｔ４は、外側コイル３１と内側コイル３３との層間の長さｔ３の半分である。
【００６３】
Ｅ．第５実施形態：
第５実施形態では、２層コイル３０ｅを構成する導線の断面が円形状ではなく、矩形状（略四角形状）に形成されている。図２４は、第５実施形態における２層コイル３０ｅのＢ１−Ｂ１断面（図２）の一部を示す説明図である。図２４に示すように、２層コイル３０ｅは、外側コイル３２ａと、内側コイル３４ｂとを有している。外側コイル３２ａおよび内側コイル３４ｂの導線は、第１実施形態と異なり、矩形状の断面を有している。外側コイル３２ａおよび内側コイル３４ｂの導線の断面は、一辺の長さがそれぞれＤ１の略正方形形状を有している。外側コイル３２ａおよび内側コイル３４ｂの線間の距離は、ｔ３である。また、外側コイル３２ａと内側コイル３４ｂとの層間の距離も、外側コイル３２ａおよび内側コイル３４ｂの線間と同様に、ｔ３である。第５実施形態の共振器では、２層コイル３０ｅにおける外側コイル３２ａおよび内側コイル３４ｂの導線の断面が矩形状であるため、外側コイル３２ａおよび内側コイル３４ｂのそれぞれの線間における浮遊容量と、外側コイル３２ａと内側コイル３４ｂとの層間における浮遊容量の両方を大きくできる。これにより、２層コイル３０ｅの巻数を小さくできるため、共振器を小型化できる。また、共振器に発生する電界の外部への漏洩を抑制できる。
【００６４】
Ｆ．第６実施形態：
図２５〜図２７を参照して、本発明における第６実施形態における共振器が有する２層コイル５０の構成を説明する。図２５は、第６実施形態における２層コイル５０の構成を示す概略斜視図である。図２６は、第６実施形態における２層コイル５０の２つのコイル５１，５２を分解して示す概略分解斜視図である。図２７は、第６実施形態における２層コイル５０を、中心軸ＯＬに沿って、第１のコイル５１から第２のコイル５２に向かう方向に視たときの概略平面図である。図２５〜図２７には、２層コイル５０の中心軸ＯＬが一点鎖線で図示されている。また、図２６および図２７では、便宜上、接続端子５３の図示が省略されている。
【００６５】
第６実施形態の共振器は、第１実施形態で説明した磁界共振結合方式の無線給電システム１００において、送電側共振器１３および受電側共振器２０として用いられる。第６実施形態の共振器は、樹脂製の筐体（図示は省略）内に２層コイル５０が収容された構成を有している。２層コイル５０は、第１と第２のコイル５１，５２と、接続端子５３と、を備える（図２５）。
【００６６】
第１のコイル５１は、導線が中心軸ＯＬを中心として、中心軸ＯＬに直交する径方向に、渦巻き状に巻かれたスパイラルコイルによって構成されている（図２５，図２６）。第１のコイル５１を構成する導線の断面は、略四角形状を有している。第１のコイル５１の導線は、例えば、第５実施形態で説明した導線のように、一辺の長さがＤ１の略正方形形状に構成されていてもよい。第１のコイル５１では、導線は、径方向に隣り合う導線同士の間の距離ｔ５がほぼ一定に保たれるように巻かれている（図２５）。
【００６７】
第２のコイル５２は、第１のコイル５１とほぼ同じ構成を有している（図２６）。第１と第２のコイル５１，５２は、中心軸ＯＬに沿った方向に、樹脂部材やセラミック部材などの絶縁部材によって支持されることにより、所定の間隔ｔ６を空けて積層される（図２５）。２層コイル５０では、第１と第２のコイル５１，５２の導線の巻き方向が一致している。また、第１と第２のコイル５１，５２を構成する導線は、近接した状態で並列に延伸しており、中心軸ＯＬに沿って見たときに、第１と第２のコイル５１，５２の導線は互いに重なり合う（図２７）。
【００６８】
２層コイル５０では、第１と第２のコイル５１，５２の間に、例えば、厚みｔ６以下の円板状の誘電体が配置されてもよい。また、第１と第２のコイル５１，５２のそれぞれにおける導線の間にも誘電体が配置されてもよい。こうした誘電体によって、上記の各実施形態で説明したように、第１と第２のコイル５１，５２の間に生じる容量成分を増大させることができる。
【００６９】
接続端子５３は、整合回路１２，２１（図１）と、２層コイル５０の各コイル５１，５２と、を電気的に接続する。接続端子５３は、第１のコイル５１の外周側に位置している導線の端部に接続されているとともに、第２のコイル５２の内周側に位置している導線の端部に接続されている。第１のコイル５１の内周側に位置している導線および第２のコイル５２の外周側に位置している端部はそれぞれ開放されている。
【００７０】
第６実施形態の２層コイル５０では、第１と第２のコイル５１，５２は、互いに電気的に直列に接続されており、並列に延伸している第１と第２のコイル５１，５２のそれぞれの導線に流れる電流の向きは、互いに同じ向きになる。従って、第１と第２のコイル５１，５２のそれぞれにおいて発生する磁界の向きは、互いに一致することになる。そのため、第６実施形態の２層コイル５０によれば、少ない巻数で大きなインダクタンスを得ることが可能である。
【００７１】
図２８は、参考例としての２層コイル５０ａを、第１のコイル５１から第２のコイル５２に向かう方向に、中心軸ＯＬに沿って視たときの概略平面図である。図２８では、便宜上、第１のコイル５１が実線で図示され、第２のコイル５２が一点鎖線で図示されている。参考例の２層コイル５０ａは、第１のコイル５１の導線の巻き方向と、第２のコイル５２の導線の巻き方向とが反対向きになっている点以外は、第６実施形態の２層コイル５０とほぼ同じ構成を有している。
【００７２】
参考例の２層コイル５０ａでは、第１と第２のコイル５１，５２における導線の巻き方向が異なっているため、それぞれの導線が並列には延伸していない。参考例の２層コイル５０ａでは、中心軸ＯＬに沿った方向に視たときに、ほとんどの部位において第１と第２のコイル５１，５２の導線は互いにずれて配置されている。参考例の２層コイル５０ａでは、第１と第２のコイル５１，５２はいずれも、外周側に位置している導線の端部に接続端子部が接続される（図示は省略）。そのため、参考例の２層コイル５０ａにおいても、第６実施形態の２層コイル５０と同様に、第１と第２のコイル５１，５２のそれぞれにおいて発生する磁界の向きは、互いに一致する。
【００７３】
図２９および図３０は、第６実施形態の２層コイル５０と参考例の２層コイル５０ａにおけるインピーダンスの特性を示す説明図である。図２９には、数値解析結果に基づくグラフが図示されており、図３０には、試作した試験体において計測された実測値に基づくグラフが図示されている。具体的には、図２９の（ａ）欄には、第６実施形態の２層コイル５０についての周波数に対する交流抵抗の変化を表す曲線Ｒａ１と、周波数に対するリアクタンスの変化を表す曲線Ｒｂ１と、が示されている。また、図２９の（ｂ）欄には、参考例の２層コイル５０ａについての周波数に対する交流抵抗の変化を表す曲線Ｒａ２と、周波数に対するリアクタンスの変化を表す曲線Ｒｂ２と、が示されている。同様に、図３０の（ａ）欄には、第６実施形態の２層コイル５０についての周波数に対する交流抵抗の変化を表す曲線Ｒａ３と、周波数に対するリアクタンスの変化を表す曲線Ｒｂ３と、が示されている。また、図３０の（ｂ）欄には、参考例の２層コイル５０ａについての周波数に対する交流抵抗の変化を表す曲線Ｒａ４と、周波数に対するリアクタンスの変化を表す曲線Ｒｂ４と、が示されている。
【００７４】
ここで、第１実施形態において、図７〜図１０を参照して説明したのと同様に、図２９および図３０の各グラフにおける各曲線Ｒａ１〜Ｒａ４は、（１）式における実部のパラメータの変化の軌跡を表している。また、曲線Ｒｂ１〜Ｒｂ４は、（１）式における虚部のパラメータの変化の軌跡を表している。さらに、（１）式における虚部のリアクタンスが０になる周波数が、共振周波数ＦＲおよび反共振周波数ＦＡである。
【００７５】
第６実施形態の２層コイル５０における共振周波数ＦＲと、参考例の２層コイル５０ａにおける共振周波数ＦＲと、比較すると、両者にはほとんど差が生じていない。これに対して、第６実施形態の２層コイル５０における反共振周波数ＦＡは、参考例の２層コイル５０ａにおける反共振周波数ＦＡよりも著しく大きくなっている。これは、図２９における数値解析結果に基づくグラフにおいても、図３０における実測値に基づくグラフにおいても同様である。このように、２つのコイル５０，５０ａの間において反共振周波数ＦＡに差が生じた理由は、第６実施形態の２層コイル５０の方が、参考例の２層コイル５０ａよりも、各コイル５１，５２の導線の配置位置が揃っており、導線間に余分な容量が生じてしまうことが抑制されているためであると推察される。
【００７６】
第１実施形態においても説明したように、共振周波数Ｆｒと反共振周波数Ｆａとが近づくほど、共振周波数Ｆｒにおける交流抵抗は増加してしまう。第６実施形態の２層コイル５０であれば、上述したように、参考例の２層コイル５０ａよりも、共振周波数ＦＲと反共振周波数ＦＡとの差が大きくなっており、共振周波数Ｆｒにおける交流抵抗が小さくなる。従って、第６実施形態の２層コイル５０を備える共振器であれば、無線給電システム１００における電力の伝送効率の低下を、さらに抑制することができる。その他に、第６実施形態の共振器であれば、上記の各実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
【００７７】
Ｇ．第７実施形態：
図３１および図３２を参照して、第７実施形態における共振器が有する２層コイル６０の構成を説明する。図３１は、第７実施形態における２層コイル６０を示す概略斜視図である。図３２は、第７実施形態における２層コイル６０を、２つのコイル６１，６２に分解して示す概略分解斜視図である。図３１および図３２には、図２と同様に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸および中心軸ＯＬが図示されている。
【００７８】
第７実施形態の共振器は、第１実施形態で説明した磁界共振結合方式の無線給電システム１００において、送電側共振器１３および受電側共振器２０として用いられる。第７実施形態の共振器は、樹脂製の筐体（図示は省略）内に２層コイル６０が収容された構成を有している。第７実施形態における２層コイル６０は、外側コイル６１と、内側コイル６２と、を有している（図２５，図２６）。
【００７９】
外側コイル６１および内側コイル６２は、導線が、中心軸ＯＬを中心として、略長方形形状を連続して描くように、らせん状に巻かれて形成されたソレノイドコイルである。内側コイル６２は、外側コイル６１の内部に所定の間隔を有して収容される。外側コイル６１および内側コイル６２の間には、第１実施形態の２層コイル３０と同様に誘電体３６が配置されてもよい。
【００８０】
外側コイル６１と内側コイル６２とは直径が同じ導線によって構成されている。外側コイル６１と内側コイル６２とでは、導線が巻かれる方向が同じであり、導線が巻かれるピッチ、すなわち、中心軸ＯＬに沿った方向において隣り合う導線同士の間の距離もほぼ同じである。また、外側コイル６１と内側コイル６２とでは導線の巻数もほぼ同じである。第７実施形態の２層コイル６０では、外側コイル６１の導線と内側コイル６２の導線とが巻き方向に並列に延伸しており、中心軸ＯＬに直交する方向に視たときに、外側コイル６１の導線と内側コイル６２の導線とが重なり合う。
【００８１】
第７実施形態の２層コイル６０では、外側コイル６１と内側コイル６２とはそれぞれ、接続端子に接続される導線の端部が、中心軸ＯＬに沿った方向において互いに反対の側に位置している。そのため、互いに並列に延伸している外側コイル６１の導線と内側コイルの導線とには、それぞれ同じ向きの電流が流れる。これによって、各コイル６１，６２によって、各コイル６１，６２において発生する磁界の向きは互いに一致することになる。
【００８２】
第７実施形態の２層コイル６０であっても、第６実施形態の２層コイル５０と同様に、各コイル６１，６２の導線の巻き方向が一致していることによって、各コイル６１，６２の導線の配置位置が揃っている。従って、第６実施形態の２層コイル５０と同様に、共振周波数ＦＲにおける交流抵抗の増加が抑制される。よって、２層コイル６０を備える第７実施形態の共振器によれば、無線給電システム１００における電力の伝送効率の低下を抑制できる。その他に、第７実施形態の共振器であれば、上記の各実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
【００８３】
Ｈ．変形例：
Ｈ１．変形例１
上記実施形態では、複数のコイルとして、２層コイルを例に挙げて説明したが、他の実施形態では、３層以上のコイルであってもよい。例えば、第１実施形態の２層コイル３０の内側コイル３４の内側に、さらに、中心軸ＯＬを中心として外側コイル３２と同じ方向に巻かれたコイルを用いた３層コイルであってもよい。第５実施形態における２層コイル５０のように、第１と第２のコイル５１，５２がスパイラルコイルによって構成されている場合には、第１のコイル５１または第２のコイル５２に第３のスパイラルコイルが積層されてもよい。
【００８４】
Ｈ２．変形例２：
上記実施形態では、２層コイルを構成する各コイルにおける導線の材料や断面形状、巻数が同じであったが、各コイルの構成は、互いに異なっていてもよく、それぞれに種々の変形が可能である。例えば、２層コイルを構成する２つのコイル同士で導線の巻数が異なっていてもよいし、導線の太さや断面形状が異なっていてもよい。また、コイルが巻かれる中心軸が同じ中心軸ＯＬでなくてもよい。また、各コイルにおいて、導線は矩形形状や円形形状以外の形状を描くように巻かれていてもよい。コイルの導線の断面形状についても、円状や矩形状に限られず、略三角形状などの他の形状であってもよい。第５実施形態のように、複数のコイルとして、スパイラルコイルが用いられてもよい。形状が互いに異なる複数のコイルが組み合わされて用いられてもよい。
【００８５】
Ｈ３．変形例３：
上記実施形態では、誘電体の配置について一例を挙げて説明したが、誘電体の配置構成については、種々の変形が可能である。例えば、複数のコイルのそれぞれの線間および層間に誘電体が配置されてもよいし、一部に配置されてもよい。また、外側コイルのさらに外側や、内側コイルのさらに内側に誘電体が配置されてもよい。第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態において説明した誘電体の構成は、それぞれ第５実施形態や第６実施形態に適用されてもよい。
【００８６】
Ｈ４．変形例４：
上記の第１実施形態では、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２の容量比Ｃｒが０．８以上になるように２層コイル３０を構成することによって、Ｑ値を１００以上にしている。これに対して、２層コイル３０は、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２の容量比Ｃｒが０．８以上になるように構成されていればよく、それによって、Ｑ値が１００以上になっていなくてもよい。
【００８７】
Ｈ５．変形例５：
上記の第１実施形態では、２層コイル３０は、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２の容量比Ｃｒが０．８以上になるように構成されている。これに対して、２層コイル３０は、容量比Ｃｒが０．８以上になっていなくてもよく、Ｑ値が１００以上になるような第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２とを有していれば良い。
【００８８】
Ｈ６．変形例６：
上記第５実施形態および第６実施形態の構成において、第１実施形態で説明したように、２層コイル５０，６０は、Ｑ値が１００以上になるような第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２を有するように構成されていてもよい。あるいは、２層コイル５０，６０は、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２の容量比Ｃｒが０．８以上になるように構成されていてもよい。
【００８９】
Ｈ７．変形例７：
上記第５実施形態においては、中心軸ＯＬに沿って見たときに、２つのコイル５１，５２の導線が互いに重なりあっている。これに対して、中心軸ＯＬに沿って見たときに、２つのコイル５１，５２の導線は完全に重なり合っていなくてもよく、わずかにずれていてもよい。２つのコイル５１，５２の導線は近接した状態で並列に延伸している部位を有していればよい。第６実施形態の２層コイル６０においても同様である。
【００９０】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行なうことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００９１】
１…送電装置
２…受電装置
１１…高周波電源
１１ａ…発振器
１２…整合回路
１３…送電側共振器
１３ａ…共振器等価回路
１３ｂ…直列回路
１４…無線通信部
１５…制御部
２０…受電側共振器
２１…整合回路
２２…整流器
２３…バッテリ
２４…負荷回路
２５…無線通信部
２６…制御部
３１，３２，３２ａ…外側コイル
３３，３４，３４ａ，３４ｂ…内側コイル
３６，３８，３８ａ，３８ｂ，３９…誘電体
４０…単層コイル
５０，５０ａ，６０…２層コイル
５１，５２，６１，６２…コイル
５３…接続端子
１００…無線給電システム
Ｌ…インダクタンス
Ｒ…抵抗
Ｚ，Ｚｏ…インピーダンス
ｋ…結合係数
ｋＱ１…積
η…伝送効率
ηｍａｘ…最大伝送効率
Ｃ１…第１の容量
Ｃ２…第２の容量
Ｃｒ…容量比
Ｆ１，Ｆ１１，Ｆ２１…共振周波数
Ｆ２，Ｆ１２…反共振周波数
Ｒｆ１，Ｒｆ２…交流抵抗
Ｎ１，Ｎ２…巻数
ＯＬ…中心軸
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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