(57)【要約】【課題】所望とする電気的特性を得るための調整を簡便に行うことが可能な共鳴コイルを提供する。【解決手段】本発明の共鳴コイル１００は、他のコイルと電磁場を介して共鳴することにより前記コイルへ送電するか、又は前記コイルから受電する共鳴コイル１００であって、第１開放端部１４１と第２開放端部１４２を有するコイル部１１０と、前記第１の開放端部と前記第２開放端部１４２との間に設けられた第１タップ１５１と、前記第２開放端部１４２と前記第１タップ１５１との間に設けられた第２タップ１５２と、を有し、前記第１タップ１５１の位置と、前記第２タップ１５２の位置とを変更可能に構成したことを特徴とする。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁場を介して共鳴することにより電気エネルギーを送受信する共鳴コイルであって、
第１開放端部と第２開放端部を有するコイル部と、
前記コイル部に設けられた第１タップ部と、
前記第２開放端部と前記第１タップ部との間に設けられた第２タップ部と、を有し、
前記第１タップ部の位置と、前記第２タップ部の位置とを変更可能に構成したことを特徴とする共鳴コイル。
【請求項２】
前記第１タップ部の位置と、前記第２タップ部の位置とは、前記共鳴コイルが利用される系において電力伝送効率が最大となるように設定することを特徴とする請求項１に記載の共鳴コイル。
【請求項３】
前記第１タップ部の位置と、前記第２タップ部の位置とは、前記共鳴コイルのインピーダンスが所定の値となるように設定することを特徴とする請求項１に記載の共鳴コイル。
【請求項４】
前記第１タップ部と前記第２タップ部との間が、前記コイル部の１ターンの整数倍であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の共鳴コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送に用いられる共鳴コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電源コードなどを用いることなく、ワイヤレスで電力（電気エネルギー）を伝送する技術の開発が盛んとなっている。ワイヤレスで電力を伝送する方式の中でも、特に注目されている技術として、磁気共鳴方式と呼ばれるものがある。この磁気共鳴方式は２００７年にマサチューセッツ工科大学の研究グループが提案したものであり、これに関連する技術は、例えば、特許文献１（特表２００９−５０１５１０号公報）に開示されている。
【０００３】
磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムは、送電用共鳴コイルの共振周波数と、受電用共鳴コイルの共振周波数とを同一とすることで、送電用共鳴コイルから受電用共鳴コイルに対し、効率的にエネルギー伝達を行うものであり、電力伝送距離を数十ｃｍ〜数ｍとすることが可能であることが大きな特徴の一つである。
【０００４】
図９は従来のワイヤレス電力伝送システムの構成例を示す図である。図９に示す電力伝送システムの概略について説明する。電源１０からの電源を得て、インバーターなどからなる電力供給部２０において伝送用の交流波形が作られ、これがインピーダンス整合器３０に入力される。インピーダンス整合器３０によってインピーダンスマッチングがとられた波形は電力伝送路５０を介して送電用共鳴コイル２００に供給される。図９に示すように送電用共鳴コイル２００は、電力が供給される一端部と開放端部を有するヘリカルコイルのペアから構成されている。
【０００５】
送電用共鳴コイル２００と対称の関係を有する受電用共鳴コイル２００’は、磁気共鳴により送電用共鳴コイル２００からの電力を受電する。受電された電力は電力伝送路５０を介してインピーダンス整合器６０を経て、整流器７０で整流され負荷８０に供給される。
【特許文献１】特表２００９−５０１５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述した従来の電力伝送システムで用いられる共鳴コイル２００、２００’においては、所望とする電気的特性を得るための調整が困難である、という問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するために、請求項１に係る発明は、電磁場を介して共鳴することにより電気エネルギーを送受信する共鳴コイルであって、第１開放端部と第２開放端部を有するコイル部と、前記コイル部に設けられた第１タップ部と、前記第２開放端部と前記第１タップ部との間に設けられた第２タップ部と、を有し、前記第１タップ部の位置と、前記第２タップ部の位置とを変更可能に構成したことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の共鳴コイルにおいて、前記第１タップ部の位置と、前記第２タップ部の位置とは、前記共鳴コイルが利用される系において電力伝送効率が最大となるように設定することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載の共鳴コイルにおいて、前記第１タップ部の位置と、前記第２タップ部の位置とは、前記共鳴コイルのインピーダンスが所定の値となるように設定することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の共鳴コイルにおいて、前記第１タップ部と前記第２タップ部との間が、前記コイル部の１ターンの整数倍であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る共鳴コイルによれば、所望とする電気的特性を得るための調整を簡便に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る共鳴コイルが用いられた電力伝送システムのブロック構成の概略を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る共鳴コイルの応用例を示す図である。
【図３】不平衡タイプの共鳴コイルの構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る共鳴コイルの構成を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る共鳴コイルの等価回路を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る共鳴コイルにおけるタップ位置変更に伴うインピーダンス特性の変化を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る共鳴コイルの変形例の構成を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る共鳴コイルにおけるタップ位置変更機構の一例を示す図である。
【図９】従来のワイヤレス電力伝送システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施の形態に係る共鳴コイルが用いられた電力伝送システムのブロック構成の概略を示す図であり、図２は本発明の実施の形態に係る共鳴コイルの応用例を示す図である。
【００１４】
本発明に関連するような共鳴コイルは、例えば図２に示すような電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両への給電のためのシステムに用いるのに好適であるが、その他のシステムにおける電力伝送にももちろん用いることが可能である。
【００１５】
図２に示す共鳴コイルの応用例では、地面部分に送電用の共鳴コイル１００を設けておき、ＥＶやＨＥＶなどの車両側に設けられた受電用の共鳴コイル１００’を設けるようにしておく。車両側への給電を行う際には、車両は共鳴コイル１００の中心軸と共鳴コイル１００’の中心軸とが略重なるように車両位置を調整して、共鳴コイル１００から共鳴コイル１００’を介して電力を受電して不図示の車両搭載の蓄電装置などに蓄電するように構成することが好ましい。
【００１６】
図１は共鳴コイルが適用された一般的な電力伝送システムのブロック構成であるが、このようなシステムにおける負荷６０の部分を、蓄電装置にすることにより上記したような車両用給電システムとして用いることが可能となる。次に、図１に示す電力伝送システムについて説明する。インバーターなどからなる電力供給部２０においては、電源１０からの電力を得て、伝送用の交流電力に変換され、これがインピーダンス整合器３０に入力される。電力供給部２０から出力される交流電力の周波数は数百ｋＨｚ〜数十ＭＨｚである。インピーダンス整合器３０は、バリアブルコンデンサとバリアブルインダクターとから構成されるＬＣ回路であり、このインピーダンス整合器３０によってインピーダンスマッ
チングがとられた波形はフィーダー線などの電力伝送路５０を介して送電用の共鳴コイル１００に供給される。図１に示すように送電用の共鳴コイル１００は、２つの開放端部を有するヘリカルコイルに給電タップが設けられた構造となっている。
【００１７】
上記の送電用の共鳴コイル１００と対称の関係を有する受電用の共鳴コイル１００’は、磁気共鳴方式により共鳴コイル１００からの電力を受電する。共鳴コイル１００’で受電された電力は電力伝送路５０を介してインピーダンス整合器６０を経て、整流器７０で整流され負荷８０に供給されるようになっている。
【００１８】
なお、本実施形態に係る共鳴コイル１００は、平衡回路、不平衡回路のいずれにも利用することが可能である。すなわち、図１に示す回路構成にバランなどの平衡−不平衡変換器を適宜利用することも可能である。本実施例では平衡タイプの共鳴コイル１００で説明をするが、本発明に係る共鳴コイル１００は、不平衡タイプの共鳴コイル１００にも適用可能である。例えば、不平衡タイプの共鳴コイル１００としては、例えば図３のようなものを挙げることができる。図３は不平衡タイプの共鳴コイル１００の構成例を示す図である。図３に示す不平衡タイプの共鳴コイル１００においては、第１開放端１４１及び第１タップ１５１が一致しており、かつ、この一致点がグランド接続され、第２タップ１５２に給電が行われるか、或いは、第２タップ１５２から電力を取り出すような構成となっている。
【００１９】
また、不平衡タイプの共鳴コイル１００においては、第２開放端１４２及び第２タップ１５２が一致しており、かつ、この一致点がグランド接続され、第１タップ１５１に給電が行われるか、或いは、第１タップ１５１から電力を取り出すような構成としてもよい。なお、タップや開放端の考え方については以下に説明する。
【００２０】
なお、図３に示す不平衡タイプの共鳴コイル１００においては、位置変更が可能な「第１タップ部１５１」が「第１開放端部１４１」へと移動していき、極限状態となったとき、すなわち、「第１タップ部１５１」がちょうど「第１の開放端部１４１」と重なった状態にあるものと考える。すなわち、図３に示す不平衡タイプの共鳴コイル１００も、特許請求の範囲に内包されるものとする。
【００２１】
次に、本実施形態に係る平衡タイプの共鳴コイルについてより詳しく説明する。図４は本発明の実施の形態に係る共鳴コイルの構成を説明する図である。なお、以下、共鳴コイル１００と共鳴コイル１００’とは対称関係であることを除いて構成に特段の相違がないので、共鳴コイル１００を例として説明する。また、図４においては、図１に示す平衡タイプの共鳴コイル１００に基づいた説明を行う。
【００２２】
共鳴コイル１００は、第１開放端１４１と第２開放端１４２とを有するコイル部１１０を主要な構成要素としている。このコイル部１１０を構成する導電材料としてはリッツ線などを用いることが可能である。このようなコイル部１１０に対して、第１開放端１４１と第２開放端１４２との間には第１タップ１５１が、また、第２開放端１４２と第１タップ１５１との間には第２タップ１５２が設けられるようになっている。第１タップ１５１と第２タップ１５２には電力伝送路５０が接続され、これら第１タップ１５１と第２タップ１５２に対し電力を供給したり、第１タップ１５１と第２タップ１５２から受電した電力を取り出したりするようになっている。
【００２３】
また、第１タップ１５１と第１開放端１４１との間のコイルと、第２タップ１５２と第２開放端１４２との間のコイルとは、互いにコイル長が同じとなるように、第１タップ１５１の位置と第２タップ１５２の位置とが設定されるようになっている。
【００２４】
コイル部１１０における、上記のような第１タップ１５１の位置と第２タップ１５２の位置とは、本実施形態に係る共鳴コイル１００では、不図示の手段によって変更可能な構成となっている。このような構成であるために、本実施形態に係る共鳴コイル１００によれば、所望とする電気的特性を得るための調整が容易となるというメリットを享受することができる。
【００２５】
なお、第１タップ１５１と第２タップ１５２の中点は常時電圧がゼロとなる点であるため図７に示すように接地してもかまわない。
【００２６】
図４（Ａ）は第１タップ１５１と第２タップ１５２との間のコイルが１ターン分となるようにそれぞれのタップ位置が設定されている場合を示しており、図４（Ｂ）は第１タップ１５１と第２タップ１５２との間のコイルが３ターン分となるようにそれぞれのタップ位置が設定されている場合を示している。本実施形態に係る共鳴コイルは、このようなタップ位置の設定を変更するのみで、その電気的特性の変更を容易に行うことが可能となる。
【００２７】
なお、フィーダー線などの電力伝送路５０から共鳴コイル１００への給電や、共鳴コイル１００からの受電を行う上では、第１タップ１５１と第２タップ１５２との間は、コイル部１１０の１ターンの整数倍であることが望ましい。ただし、第１タップ１５１と第２タップ１５２との間は、コイル部１１０の１ターンの整数倍に合致するようにするだけでなく所定長さ（例えば、±２０ｃｍ）の範囲で設定しても良い。
【００２８】
図４に示すようにタップ位置を変更することで、それぞれの等価回路を図５に示すように変更することが可能となる。図５は本発明の実施の形態に係る共鳴コイルの等価回路を示す図であり、図５（Ａ）は図４（Ａ）に対応する等価回路であり、図５（Ｂ）は図４（Ｂ）に対応する等価回路である。
【００２９】
図４（Ａ）における第１タップ１５１と第１開放端１４１との間のコイルと、第２タップ１５２と第２開放端１４２との間のコイルとが形成する等価回路が並列接続されたＬ11とＣ11であり、第１タップ１５１と第２タップ１５２との間のコイルが形成する等価回路が並列接続されたＬ21である。
【００３０】
一方、図４（Ｂ）における第１タップ１５１と第１開放端１４１との間のコイルと、第２タップ１５２と第２開放端１４２との間のコイルとが形成する等価回路が並列接続されたＬ12とＣ12であり、第１タップ１５１と第２タップ１５２との間のコイルが形成する等価回路が並列接続されたＬ22である。
【００３１】
なお、いずれの等価回路においても、Ｃ成分はコイル線間の浮游容量である。また、図５において描かれている回路素子の大きさはインダクタンス値や容量値に概略比例するものである。
【００３２】
また、図５（Ａ）が図４（Ａ）に対応する等価回路であり、図５（Ｂ）が図４（Ｂ）に対応する等価回路であることは、インピーダンス特性を解析することによって得られた知見である。
【００３３】
図４及び図５からもわかるように、例えばタップ位置を図４（Ａ）から図４（Ｂ）に変更することによって、Ｌ21をそれより大きなＬ22に変更することが可能となり、また、Ｌ11をそれより小さなＬ12に変更することが可能となり、Ｃ11をそれより小さなＣ12に変更することが可能となる。
【００３４】
図６は本発明の実施の形態に係る共鳴コイルにおけるタップ位置変更に伴うインピーダンス特性の変化を示す図である。図６（Ａ）はインピーダンス特性の全体を示す図であり、図６（Ｂ）はインピーダンスの虚数部が軸と交わる箇所を拡大した図である。図において、実線はインピーダンスの実数部を示しており、点線はタップ位置変更前のインピーダンスの虚数部を示しており、一点鎖線はタップ位置変更後のインピーダンスの虚数部を示している。
【００３５】
本実施形態に係る共鳴コイルによれば、例えば、図６に示すように、インピーダンスの（虚数部）＝０となる共振点を変更することが可能となり、所望とする電気的特性を容易に変更することが可能であることがわかる。
【００３６】
ここで、本実施形態に係る共鳴コイル１００において、第１タップ１５１と第２タップ１５２のタップ位置を設定する際の考え方を示す。このような考え方の一つとしては、第１タップ１５１の位置と、第２タップ１５２の位置とは、図１に示されるような共鳴コイル１００が利用される系において全体の電力伝送効率が最大となるように設定する、ということを挙げることができる。すなわち、図１に示す系において、電力供給部２０におけるインバーター効率、共鳴コイル１００−共鳴コイル１００’間のワイヤレス伝送効率、電力伝送線路５０の伝送線路効率、インピーダンス整合器３０、インピーダンス整合器６０におけるインピーダンス整合器効率を含む総合的な効率が最大となるように、第１タップ１５１の位置と、第２タップ１５２の位置とを設定する、という考え方である。このような本実施形態に係る共鳴コイル１００によれば、共鳴コイル１００が利用される系において、最大の電力伝送効率を得ることが可能となる。
【００３７】
次に、本実施形態に係る共鳴コイル１００において、第１タップ１５１と第２タップ１５２のタップ位置を設定する際における、上記と異なる考え方を示す。このような考え方の一つとしては、第１タップ１５１の位置と、第２タップ１５２の位置とは、共鳴コイル１００のインピーダンスが所定の値となるように設定する、ということを挙げることができる。すなわち、共鳴コイル１００のインピーダンスが、電力伝送線路５０として汎用的に利用されるフィーダー線のインピーダンス（例えば、５０Ωや７５Ω）と一致するような所定値となるように、第１タップ１５１の位置と、第２タップ１５２の位置とを設定する、という考え方である。第１タップ１５１と第２タップ１５２のタップ位置を設定によって、共鳴コイル１００のインピーダンスが所定の値（電力伝送線路５０のインピーダンスと同値）となるように設定されていると、電力伝送線路５０から共鳴コイル１００への給電や、共鳴コイル１００から電力伝送線路５０への給電において、共鳴コイル１００と電力伝送線路５０との間の損失が最小となる、というメリットがある。
【００３８】
次に、本実施形態に係る共鳴コイル１００における第１タップ１５１と第２タップ１５２のタップ位置を変更する手段の具体例を説明する。図８は本発明の実施の形態に係る共鳴コイルにおけるタップ位置変更機構の一例を示す図である。
【００３９】
図８において、１９１は第１摺動子、１９２は第２摺動子をそれぞれ示しており、第１摺動子１９１、第２摺動子１９２のそれぞれが不図示の電力伝送線路５０と接続されることによって、第１摺動子１９１、第２摺動子１９２がそれぞれ第１タップ１５１、第２タップ１５２として機能する。
【００４０】
第１摺動子１９１、第２摺動子１９２は共に導電性部材で構成され、不図示の機構によって、コイル部１１０に電気接触しつつ、コイル部１１０との接触位置を変更することができるようになっている。また、前記不図示の機構によって、第１摺動子１９１がａ方向に移動する際には、第２摺動子１９２がａ’方向に移動し、第１摺動子１９１がｂ方向に移動する際には、第２摺動子１９２がｂ’方向に移動するようになっている。
【００４１】
以上、本発明に係る共鳴コイルによれば、所望とする電気的特性を得るための調整を簡便に行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００４２】
１０・・・電源、２０・・・電力供給部、３０・・・インピーダンス整合器、５０・・・電力伝送線路、６０・・・インピーダンス整合器、７０・・・整流器、８０・・・負荷、１００、１００’・・・共鳴コイル、１１０・・・コイル部、１４１・・・第１開放端、１４２・・・第２開放端、１５１・・・第１タップ、１５２・・・第２タップ、１９１・・・第１摺動子、１９２・・・第２摺動子
【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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