(57)【要約】【課題】磁性体や金属シールド等を使用せずに、漏洩電磁界を抑制することができる電磁誘導方式非接触電力伝送コイル及び電磁誘導方式非接触電力伝送装置を提供すること。【解決手段】導体が同一平面上で渦巻き状に巻かれた一対の送電側コイル及び受電側コイルを有する伝送コイルを備え、送電側コイルに電流を流すことによる電磁誘導で受電側コイルに電力伝送を行う電磁誘導方式非接触電力伝送コイルであって、二組の伝送コイル（５１及び５３と、５２及び５４）を備え、二組の伝送コイル（５１及び５３と、５２及び５４）における二つの送電側コイル（５１、５２）は、それぞれの導体が同一平面になるように、互いに間隔を空けて配置され、導体を流れる電流が互いに逆回りに流れるように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体が同一平面上で渦巻き状に巻かれた一対の送電側コイル及び受電側コイルを有する伝送コイルを備え、前記送電側コイルに電流を流すことによる電磁誘導で受電側コイルに電力伝送を行う電磁誘導方式非接触電力伝送コイルであって、
二組の前記伝送コイルを備え、
前記二組の前記伝送コイルにおける二つの前記送電側コイルは、各々の前記導体が同一平面になるように、互いに間隔を空けて配置され、前記導体を流れる電流が互いに逆回りに流れるように構成されている
ことを特徴とする電磁誘導方式非接触電力伝送コイル。
【請求項２】
請求項１記載の電磁誘導方式非接触電力伝送コイルにおいて、
前記二つの送電側コイルは、各々の前記導体が互いに逆回りの渦巻き形状に形成されている
ことを特徴とする電磁誘導方式非接触電力伝送コイル。
【請求項３】
送電側コイル及び受電側コイルを有する伝送コイルを備え、前記送電側コイルに電流を流すことによる電磁誘導で受電側コイルに電力伝送を行う電磁誘導方式非接触電力伝送装置であって、
前記伝送コイルは、請求項１または２記載の電磁誘導方式非接触電力伝送コイルである
ことを特徴とする電磁誘導方式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、電磁誘導方式非接触電力伝送コイル及び電磁誘導方式非接触電力伝送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘導方式の非接触電力伝送は、送電側コイル及び受電側コイルからなる伝送コイルを備え、送電側コイルに電流を流すことで周囲の磁束が変化し、磁束変化の影響を受けた受電側コイルに誘導電流が流れ、電力が伝送される原理である。そのため、送信する電力量が大きくなるにつれて磁束変化も大きくなることから、伝送コイルから漏洩する電磁界が周囲の機器や人体に悪影響を及ぼすおそれがある。漏洩電磁界を抑制する方法の一つとしては、磁性体や金属シールド等を使用することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０９３１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、この方法では周囲への影響を抑えることは可能だが、コスト増加や伝送システム全体の重量が増加してしまうデメリットがある。
【０００５】
そこで、本発明は、磁性体や金属シールド等を使用せずに、漏洩電磁界を抑制することができる電磁誘導方式非接触電力伝送コイル及び電磁誘導方式非接触電力伝送装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するための請求項１記載の発明は、導体が同一平面上で渦巻き状に巻かれた一対の送電側コイル及び受電側コイルを有する伝送コイルを備え、前記送電側コイルに電流を流すことによる電磁誘導で受電側コイルに電力伝送を行う電磁誘導方式非接触電力伝送コイルであって、二組の前記伝送コイル（５１及び５３と、５２及び５４）を備え、前記二組の前記伝送コイル（５１及び５３と、５２及び５４）における二つの前記送電側コイル（５１、５２）は、それぞれの前記導体が同一平面になるように、互いに間隔を空けて配置され、前記導体を流れる電流が互いに逆回りに流れるように構成されていることを特徴とする。
【０００７】
上述した課題を解決するための請求項２記載の発明は、請求項１記載の電磁誘導方式非接触電力伝送コイルにおいて、前記二つの送電側コイル（５１、５２）は、それぞれ、前記導体が互いに逆回りの渦巻き形状に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
上述した課題を解決するための請求項３記載の発明は、送電側コイル及び受電側コイルを有する伝送コイルを備え、前記送電側コイルに電流を流すことによる電磁誘導で受電側コイルに電力伝送を行う電磁誘導方式非接触電力伝送装置であって、前記伝送コイルは、請求項１または２記載の電磁誘導方式非接触電力伝送コイルであることを特徴とする。
【０００９】
なお、上述の課題を解決するための手段の説明におけるかっこ書きの参照符号は、以下の、発明を実施するための形態の説明における構成要素の参照符号に対応しているが、これらは、特許請求の範囲の解釈を限定するものではない。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１記載の発明によれば、二組の前記伝送コイルを備え、二組の伝送コイルにおける二つの送電側コイルは、それぞれの導体が同一平面になるように、互いに間隔を空けて配置され、導体を流れる電流が互いに逆回りに流れるように構成されているので、周囲への不要な電磁界の発生を磁性体や金属シールド等を使用せずに軽減することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、二つの送電側コイルは、それぞれ、導体が互いに逆回りの渦巻き形状に形成されているので、各導体に互いに逆回りの電流が流れることにより、周囲への不要な電磁界の発生を磁性体や金属シールド等を使用せずに軽減することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、送電側コイル及び受電側コイルを有する伝送コイルを備え、送電側コイルに電流を流すことによる電磁誘導で受電側コイルに電力伝送を行う電磁誘導方式非接触電力伝送装置であって、伝送コイルは、請求項１から３のいずれか１項に記載の電磁誘導方式非接触電力伝送コイルであるので、周囲への不要な電磁界の発生を磁性体や金属シールド等を使用せずに軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】、本発明及び従来方式の電磁誘導方式非接触電力伝送コイルを示し、（Ａ）は本発明の一実施形態の構成図、（Ｂ）従来方式の構成図である。
【図２】本発明の電磁誘導方式非接触電力伝送コイルにおける電流の向きと磁束の方向を説明する図であり、（Ａ）は概略平面図、（Ｂ）は概略正面図である。
【図３】遠方界（電界）の電界強度特性を可視化した立体グラフに示し、（Ａ）は本発明の伝送コイルの特性図、（Ｂ）は従来方式の伝送コイルの特性図である。
【図４】図５で示す極座標系で表される遠方界の、円周角（ｘ軸からはじまるｚ軸回りの角度）φ＝９０°の時、原点からの距離ｒかつｚ軸からの角度θ＝−１８０〜＋１８０までの範囲での電界強度（ｄＢＶ／ｍ）の数値をプロットした本発明及び従来方式の伝送コイルの電界強度特性グラフである。
【図５】極座標系を示す図である。
【図６】図７で示すデカルト座標系で表される近傍界の、ｙｚ断面でｚ＝０のとき近傍磁界の磁界強度（ｄＢＡ／ｍ）の数値をプロットした本発明及び従来方式の伝送コイルの磁界強度特性図である。
【図７】デカルト座標系を示す図である。
【図８】送電側コイルと受電側コイル間で非接触伝送を行った際の伝送周波数の変化に対する伝送特性を示すグラフである。
【図９】本発明に係る電磁誘導方式非接触電力伝送装置の一実施形態の構成を示す説明図である。
【図１０】本発明に係る電磁誘導方式非接触電力伝送装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（電磁誘導式非接触電力伝送コイルの実施形態）
図１（Ａ）は、本発明に係る電磁誘導方式非接触電力伝送コイルの一実施形態の構成図である。図１において、電磁誘導方式非接触電力伝送コイル５０は、所定の間隔を空けて重ね合わせた、一対の送電側コイル（１次側コイル）５１（５２）及び受電側コイル（２次側コイル）５３（５４）を有する伝送コイルを二組備えている。送電側コイル５１（５２）は、導体が同一平面上で渦巻き状に巻かれた平面コイルであり、導体の一端部であるリード端子５１ａ（５２ａ）と他端部であるリード端子５１ｂ（５２ｂ）を有する。受電側コイル５３（５４）は、送電側コイルと同様に、導体が同一平面上で渦巻き状に巻かれた平面コイルであり、導体の一端部であるリード端子５３ａ（５４ａ）と他端部であるリード端子５３ｂ（５４ｂ）を有する。
【００１５】
二組の伝送コイルは、二つの送電側コイル５１及び５２のそれぞれの導体が互いに同一平面となるように所定の間隔を空けて横に並べた並列配置され、二つの受電側コイル５３及び５４は、それぞれ、対応する送電側コイル５１及び５２に所定の間隔を空けて重ね合わされ、リード端子部分を除く全体（送電側コイル５１、５２及び受電側コイル５３、５４）が、樹脂パッケージングによる封印や樹脂筐体によるサンドイッチ固定等の固定手段（図示しない）で固定されている。電磁誘導方式非接触電力伝送コイル５０を構成する各コイル５１〜５４は、例えば、６０ｍｍ×１００ｍｍの同一寸法の角形平面コイル形状を有し、送電側コイル５１及び５２の並列配置の所定間隔は、例えば１０ｍｍとされる。
【００１６】
電磁誘導方式非接触電力伝送コイル５０は、送電側伝送コイル５１、５２から受電側コイル５３、５４へ電磁誘導による電力伝送を行う際に、図２（Ａ）における矢印で示すように、２つの送電側コイル５１、５２に流す電流の向きを互いに逆回り（例えば、送電側コイル５１では右回り、送電側コイル５２では左回り）にし、磁束の向きを図２（Ｂ）における矢印で示すように互いに逆に発生させる。すなわち、一方の送電側コイル（例えば、送電側コイル５１）は、一端部（リード端子５１ａ）から他端部（リード端子５１ｂ）へ右回りの渦巻き状に導体を巻いた角形平面コイル形状に形成されており、一端部（リード端子５１ａ）から他端部（リード端子５１ｂ）に向かう方向に電流が流され、他方の送電側コイル（例えば、送電側コイル５２）は、一端部（リード端子５２ａ）から他端部（リード端子５２ｂ）へ左回りの渦巻き状に導体を巻いた角形平面コイル形状に形成されており、一端部（リード端子５２ａ）から他端部（リード端子５２ｂ）に向かう方向に電流が流される。このように、送電側コイル５１と送電側コイル５２において、互いに逆回りの渦巻き形状に形成された導体を互いに逆回りに流れる電流によって、互いに逆向きに発生する磁束同士が打ち消し合い、それにより、周囲に発生する不要な電磁界の漏洩を軽減することができる。
【００１７】
本発明の伝送コイルの構成による効果の検証を電磁界シミュレーター（ＦＥＫＯ）を用いて行った。
【００１８】
本発明の伝送コイルと比較するために図１（Ｂ）に示した従来構造の伝送コイル６０は、角形平面コイル形状に形成され、所定の間隔を空けて重ね合わせた構造を有する、一対の送電側コイル（１次側コイル）６１及び受電側コイル（２次側コイル）６２からなる。送電側コイル６１は、リード端子６１ａ及び６１ｂを有し、受電側コイル６２は、リード端子６２ａ及び６２ｂを有する。伝送コイル６０は、全体が図示しない樹脂パッケージングによる封印、樹脂筐体によるサンドイッチ固定等の固定手段で固定されている。伝送コイル６０は、図１（Ａ）に示す本発明の伝送コイルと同一サイズになるように１３０ｍｍ×１００ｍｍの寸法になっている。
【００１９】
上記従来構造の伝送コイルと本発明の伝送コイルの漏洩電磁界の違いを電磁界シミュレーター（ＦＥＫＯ）を用いて確認した。シミュレーション条件は、送電側コイル（１次側コイル）と受電側コイル（２次側コイル）間の電力伝送に使用する周波数は８００ｋＨｚ、直列接続した二組の送電側コイル（１次側コイル）５１、５２への印加電圧Ｖを、それぞれ１Ｖずつの合計２Ｖ、図１（Ｂ）の従来方式の１次側コイルには１．４１Ｖ（電力を基準に条件をそろえるため、送電側コイル（１次側コイル）５１、５２、６１の入力インピーダンス（Ｒ）は、全て５０Ωであるので、本発明及び従来方式の１次側コイル共に、電力Ｐ＝Ｖ2  ／Ｒにより０．０４Ｗの電力が入力されたことになる。）印加し、条件をそろえた。
【００２０】
シミュレーション結果について、まず遠方界（電界）の電界強度を可視化した立体グラフを図３に示す。図３（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、３次元座標系における本発明及び従来方式の伝送コイルにおける電界強度の立体グラフである。図３（Ｂ）に示す従来方式の伝送コイルでは、球状の最も外側の輪郭はおおよそ−６０ｄＢＶの電界強度を示しており、図３（Ａ）に示す本発明方式の伝送コイルでは、球状の最も外側の輪郭はおおよそ−１１０ｄＢＶの電界強度を示しており、図３（Ａ）及び（Ｂ）を比べると、明らかに本発明のコイルの方が電界強度が小さくなっているのが分かる。
【００２１】
図４は、図５で示す極座標系で表される遠方界の、円周角（ｘ軸からはじまるｚ軸回りの角度）φ＝９０°の時、原点からの距離ｒかつｚ軸からの角度θ＝−１８０〜＋１８０までの範囲での電界強度（ｄＢＶ／ｍ）の数値をプロットした電界強度特性グラフである。
【００２２】
図４における、図１（Ａ）に示す構成の本発明の伝送コイルの電界強度特性Ａと、図１（Ｂ）に示す構成の従来方式の伝送コイルの電界強度特性Ｂとの比較により、本発明の伝送コイルを用いることにより、従来方式の伝送コイルより最大で約５０ｄＢの電界を抑制できていることが分かった。
【００２３】
図６は、図７で示すデカルト座標系で表される近傍界の、ｙｚ断面でｚ＝０のとき近傍磁界の磁界強度（ｄＢＡ／ｍ）の数値をプロットした磁界強度特性図である。図６における、図１（Ａ）に示す構成の本発明の伝送コイルの電界強度特性Ａと、図１（Ｂ）に示す構成の従来方式の伝送コイルの電界強度特性Ｂとの比較により、本発明の伝送コイルを用いることにより、従来方式の伝送コイルより最大で約５０ｄＢの周囲への漏電磁界を軽減することができていることが分かった。
【００２４】
図８は、送電側コイル５１、５２と受電側コイル５３、５４間で電磁誘導による非接触電力伝送を行った際の伝送周波数の変化に対する伝送特性（伝送効率特性Ａ及び反射特性Ｂ）への影響の調査結果を示す。シミュレーションを行った伝送周波数８００ｋＨｚにおいて、伝送率が９８％、反射特性についてもほぼ０％に近い良好な結果を示し、送電側コイル５１、５２と受電側コイル間で非接触給電を行うことによる伝送特性への悪影響（効率の低下、反射の増大）はほとんど表れなかった。
【００２５】
以上説明したように、本発明の電磁誘導方式非接触電力伝送コイルによれば、２つの送電側コイル５１、５２を並列配置し、２つの送電側コイル５１、５２で発生する磁界の方向が互いに逆向きになるように構成することで、互いの磁束が打ち消し合い、周囲への不要な電磁界の発生を、従来のような磁性体や金属シールド等を使用せずに軽減することができる。
【００２６】
なお、上述の実施形態に係る電磁誘導方式非接触電力伝送コイルでは、一対の送電側コイル及び受電側コイルを有する、二組の伝送コイルの全体が、リード端子を除いて固定手段で覆われているが、変形例として、並列配置された２つの送電側コイル５１、５２のみを、リード端子を除いて樹脂パッケージング等の固定手段で覆われたものとしても良い。この場合、対応する二つの受電側コイル５３、５４は、同様に樹脂パッケージング等の固定手段で覆われた別体とされる。
【００２７】
また、送電側コイル及び受電側コイルは角形平面コイル形状とされているが、これに限らず、円形平面コイル形状等の他の形状とすることもできる。
【００２８】
また、送電側コイルと受電側コイルは同一寸法とされているが、異なる寸法でも良く、例えば受電側コイルを小さくしても良い。
【００２９】
（非接触電力伝送装置の実施形態）
次に、上述した本発明の電磁誘導方式非接触電力伝送コイルを用いた、本発明に係る非接触電力伝送装置の一実施形態について、図９及び図１０を参照して説明する。
【００３０】
図９は、本発明に係る電磁誘導方式非接触電力伝送装置の一実施形態の構成を示す説明図である。なお、この実施形態では、送電側コイルと受電側コイルが、それぞれ、別体になっている電磁誘導方式非接触電力伝送コイルを使用した場合について説明する。
【００３１】
同図に示すように、本実施形態に係る電磁誘導方式非接触電力伝送装置１０は、電気自動車５に設けられる受電装置１２と、電気自動車５の外部に設けられ、受電装置１２に交流電力を供給する給電装置１１と、を備えており、給電装置１１より出力される交流電力を非接触（ワイヤレス）で受電装置１２に送信する。給電装置１１は、電力送信用の通信コイル２４を備えており、該通信コイル２４に交流電力が供給されると、この交流電力は、受電装置１２に設けられている電力受信用の通信コイル３１に伝達される。
【００３２】
電気自動車５に設けられる受電装置１２は、充電時に電気自動車５を給電装置１１の所定位置に置いたときに、電力送信用の通信コイル２４と接近する電力受信用の通信コイル３１と、整流器３３と、を備えている。更に、直流電力が充電されるバッテリ３５と、該バッテリ３５の電圧を降圧してサブバッテリ４１に供給するＤＣ／ＤＣコンバータ４２と、バッテリ３５の出力電力を交流電力に変換するインバータ４３と、該インバータ４３より出力される交流電力により駆動するモータ４４を備えている。
【００３３】
図１０は、本発明の実施形態に係る電磁誘導方式非接触電力伝送装置１０のブロック図であり、給電装置１１、及び電気自動車５に搭載される受電装置１２を備えている。
【００３４】
給電装置１１は、電力伝送用のキャリア信号を出力するキャリア発振器２１と、該キャリア発振器２１より出力されるキャリア信号（即ち、交流電力）を増幅する電力増幅器２３、及び電力増幅器２３で増幅された交流電力を出力する通信コイル２４を備えている。通信コイル２４として、上述した送電側コイル５１、５２を直列接続して用いている。すなわち、送電側コイル５１のリード端子５１ｂ及び送電側コイル５２のリード端子５２ａを接続し、送電側コイル５１のリード端子５１ａ及び送電側コイル５２のリード端子５２ｂを、それぞれ、電力増幅器２３の一方及び他方の出力端子に接続する。
【００３５】
キャリア発振器２１は、電力伝送用の交流信号として例えば周波数８００［ｋＨｚ］の交流電力を出力する。
【００３６】
電力増幅器２３は、キャリア発信器２１より出力された交流電力を増幅する。そして、増幅した交流電力を通信コイル２４（送電側コイル５１、５２）に出力する。通信コイル２４（送電側コイル５１、５２）は、受電装置１２に設けられる通信コイル３１にワイヤレスで交流電力を伝送する。
【００３７】
また、受電装置１２は、電力送信用の通信コイル２４（送電側コイル５１、５２）より送信される交流電力を受信する電力受信用の通信コイル３１と、この通信コイル３１で受信された交流電力を整流して、直流電圧を生成する整流器３３と、を備える。また、車両駆動用のモータ４４（図９参照）に電力を供給するバッテリ３５を備え、該バッテリ３５は、整流器３３より出力される直流電力により充電される。通信コイル３１として、上述した伝送コイルの受電側コイル５３、５４を直列接続して用いている。すなわち、受電側コイル５３のリード端子５３ｂ及び受電側コイル５４のリード端子５４ａを接続し、受電側コイル５３のリード端子５３ａ及び受電側コイル５４のリード端子５４ｂを、それぞれ、整流器３３の一方及び他方の入力端子に接続する。
【００３８】
次に、本発明の電磁誘導方式非接触電力伝送装置の動作について説明する。図９に示すように、電気自動車５が給電装置１１の所定位置に置かれ、給電装置１１に設けられる通信コイル２４（送電側コイル５１、５２）と、電気自動車５の受電装置１２に設けられる通信コイル３１（受電側コイル５３、５４）が対向する位置となると、バッテリ３５への充電を行うことができる。
【００３９】
充電が開始されると、図１０に示すキャリア発振器２１より、周波数８００［ｋＨｚ］の交流電力が出力される。
【００４０】
そして、キャリア発信器２１より出力された交流電力は、電力増幅器２３にて増幅される。増幅された交流電力は、通信コイル２４（送電側コイル５１、５２）、通信コイル３１（受電側コイル５３、５４）を介して受電装置１２に伝送されることになる。
【００４１】
受電装置１２に伝送された交流電力は、通信コイル３１（受電側コイル５３、５４）から整流器３３に出力される。
【００４２】
そして、整流器３３では、交流電力を整流して所定電圧の直流電力に変換し、この電力をバッテリ３５に供給して、該バッテリ３５を充電する。これにより、バッテリ３５を充電することができる。
【００４３】
以上説明したように、本発明の電磁誘導方式非接触電力伝送装置によれば、給電用の通信コイルとして本発明の電磁誘導方式非接触電力伝送コイルを用いることにより、周囲への漏洩電磁界の発生を軽減した電磁誘導方式非接触電力伝送装置を提供することができる。
【００４４】
以上の通り、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。
【００４５】
例えば、上述の実施形態では、図２に示すように、送電側コイル５１及び５２は、各々の導体が互いに逆回りの渦巻き状に形成されているが、これに代えて、各々の導体が同じ方向に回る渦巻き状に形成し、かつ導体を流れる電流が互いに逆回りに流れるようにしてもよい。
【００４６】
また、上述の実施形態では、送電側コイル（１次側コイル）と受電側コイル（２次側コイル）間の電力伝送に使用する周波数は８００ｋＨｚとしているが、これに限らず、他の周波数でも同様に漏洩電磁界の軽減効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４７】
５０  伝送コイル（電磁誘導式非接触電力伝送コイル）
５１、５２  送電側コイル
５３、５４  受電側コイル
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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