(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１共振器を有する送電装置と、第２共振器を有する受電装置と、を備え、前記第１共振器を構成する第１コイルと前記第２共振器を構成する第２コイルとを互いに対向して配設し、前記第１共振器と前記第２共振器との間の電磁界結合を利用して、電力伝送する結合共振型無線電力伝送システムであって、
前記第１コイル及び前記第２コイルの形状は、前記第１コイル及び／又は前記第２コイルの移動可能方向に対応して設定され、且つ、前記第１コイル及び／又は前記第２コイルの移動に伴って前記第１コイルと前記第２コイルとの位置関係に変化があった場合にも、前記第１コイルと前記第２コイルとの間で形成される相互インダクタンスが変化しないように設定されており、
前記第１コイルと前記第２コイルとは、同一の回転軸を持つ互いに異なる回転曲面上に対向するように巻回され、少なくとも一方が、前記回転軸を中心に回転可能となっている、
無線電力伝送システム。
【請求項２】
前記第１コイル及び前記第２コイルの形状は、前記第１コイル及び／又は前記第２コイルの移動に伴って前記第１コイルと前記第２コイルとの位置関係に変化があった場合にも、  前記第１コイルのコイル巻線に囲繞された磁束生成断面領域と、前記第２コイルのコイル巻線に囲繞された磁束生成断面領域との対向する面積が略一定となるように設定されている、
請求項１に記載の無線電力伝送システム。
【請求項３】
前記第１コイル及び前記第２コイルは、前記回転軸を中心とする円に沿って同一方向に巻回された２本の導線が、一端で接続され、且つ、他端で給電される構造を有する、
請求項１又は２に記載の無線電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、結合共振型無線電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で給電を行う方法として、２つのコイル間の電磁誘導を用いる方法は古くから知られている。一般に、結合を強めるために磁性体を用いるものはトランスとして使われている。
【０００３】
近年、送電装置及び受電装置それぞれに、コイルとキャパシタと組み合わせて構成した同一の共振周波数を有する共振器を設け、２つの共振器を共鳴させることで遠距離送電を可能とする結合共振型無線電力伝送システム（以下、「無線電力伝送システム」と略称する）が注目されている（後述する図１を参照）。非特許文献１によると、この種の無線電力伝送システムでは、直径５０ｃｍで数周のコイルを用いて、１ｍ程度の距離を１０ＭＨｚ程度の正弦波信号を効率よく送電できるとされている。
【０００４】
尚、無線電力伝送システムでは、通常、送電装置の共振器を構成するコイルと受電装置の共振器を構成するコイルとを向かい合わせて送電を行うが、送電装置側の共振器と受電装置側の共振器の共振周波数が同じであれば、送電装置のコイルと受電装置のコイルとで大きさや形状が異なっていても電力伝送を行うことができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Andre Kurs, et.al, “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances”, Science Vol.317, 6 July 2007
【非特許文献２】T. Ohira, “Angular expression of maximum power transfer efficiency in reciprocal two-port systems”, 2014 IEEE Wireless Power Transfer Conference, 2014, pp.228-230, doi: 10.1109/WPT.2014.6839568
【非特許文献３】Ikuo Awai, et.al, “Superiority of BPF theory for design of coupled resonator WPT systems”, Published in Asia-Pacific Microwave Conference 2011, Date of Conference: 5-8 Dec.2011, INSPEC Accession Number: 12656013
【非特許文献４】I. Awai, K. Hori, Y. Okuyama and Y. Ohno, “Non-contact Signal Transmission Based on Open Ring Resonator BPF”, 2008 38th European Microwave Conference, Amsterdam, 2008, pp.1410-1413, doi: 10.1109/EUMC.2008.4751729.
【非特許文献５】Y. Zhang and Z. Zhao, “Frequency Splitting Analysis of Two-Coil Resonant Wireless Power Transfer”, in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol.13, pp.400-402, 2014
【非特許文献６】A. P. Sample, D. T. Meyer and J. R. Smith, “Analysis, Experimental Results, and Range Adaptation of Magnetically Coupled Resonators for Wireless Power Transfer”, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.58, no.2, pp.544-554, Feb. 2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、２つの共振器間で共鳴を用いて非接触給電をする場合、高い伝送効率を得るためには、共振器自身のＱ値（ここでは、共振器を構成するＬＣＲ回路から定まるＱ値を表す。無負荷Ｑと称され、Ｑｕと記述される。）が高いことと、２つの共振器間の電磁結合の強さを表す結合係数ｋ（以下、「ｋ値」とも称する）が高いことが必要である。この指標は、ｋＱｕ積として表され、２つの共振器間の伝送効率の最大値は、結合係数ｋと内部Ｑｕの積であるｋＱｕ積が大きいほど、高くなることが知られている（例えば、非特許文献２を参照）。
【０００７】
しかしながら、ｋＱｕ積が高いことは伝送効率が極大値を持つための必要条件であって、十分条件ではない。実際の無線電力伝送においては、電力伝送効率を高くするためには、共振器での反射を防ぐ必要があり、そのためには共振器へ電力を送ったり取り出したりする電源や負荷による外部Ｑ（Ｑｅｘｔと記述される。）の値が１／ｋとなることが必要であることが非特許文献３および４に示されている。
【０００８】
即ち、この条件（Ｑｅｘｔ＝１／ｋ）を充足しなければ、たとえ、２つの共振器間の電磁結合が高いｋ値となっていても効率のピークは共振器固有の共振周波数から外れ、本来の共振周波数では反射のため伝送効率が低下することになる。これは“周波数分離”（非特許文献５，６）と呼ばれる現象である。
【０００９】
しかしながら、電気自動車への給電や携帯機器の充電などでは、予定された位置に再現性よくコイルを置くことは困難である。そのため、従来技術に係る無線電力伝送システムでは、毎回、ｋ値が異なる状況下で、電力伝送を実施する態様となっている。この際、外部Ｑを１／ｋに合わせるように電源と負荷のインピーダンスを設定し直せば伝送効率を高い値に戻すことが出来るが、ｋ値が変わるごとに電源や負荷のインピーダンスを変更することは、実際には、極めて困難である。特に、動いているものへの給電は、コイルの位置関係が常に変化するので、かかる手法では、常時高効率に給電することは不可能である。
【００１０】
本開示は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、コイルの位置が変動してしまう場合でも、安定的に高効率の伝送を実現することを可能とする結合共振型無線電力伝送システム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】
【００１１】
前述した課題を解決する主たる本開示は、
第１共振器を有する送電装置と、第２共振器を有する受電装置と、を備え、前記第１共振器を構成する第１コイルと前記第２共振器を構成する第２コイルとを互いに対向して配設し、前記第１共振器と前記第２共振器との間の電磁界結合を利用して、電力伝送する結合共振型無線電力伝送システムであって、
前記第１コイル及び前記第２コイルの形状は、前記第１コイル及び／又は前記第２コイルの移動可能方向に対応して設定され、且つ、前記第１コイル及び／又は前記第２コイルの移動に伴って前記第１コイルと前記第２コイルとの位置関係に変化があった場合にも、前記第１コイルと前記第２コイルとの間で形成される相互インダクタンスが変化しないように設定されている、
無線電力伝送システムである。
【発明の効果】
【００１２】
本開示に係る結合共振型無線電力伝送システムによれば、コイルの位置が変動してしまう場合でも、安定的に高効率の伝送を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本開示に係る無線電力伝送システムの構成例を示す図
【図２】本開示に係る無線電力伝送システムの第１態様に係るコイル組構造の具体例を示す図
【図３Ａ】検証実験のためのシミュレーションに用いたコイル組構造を示す図
【図３Ｂ】検証実験のためのシミュレーションに用いたコイル組構造を示す図
【図３Ｃ】検証実験のためのシミュレーションに用いたコイル組構造を示す図
【図４】図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃのコイル組構造それぞれのｋＱｕ積の位置ずれ依存性について算出したシミュレーション結果を示す図
【図５】図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃのコイル組構造それぞれの伝送効率の周波数依存性について算出したシミュレーション結果を示す図
【図６】図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃのコイル組構造それぞれの伝送効率の位置ずれ耐性について算出したシミュレーション結果を示す図
【図７】第１態様に係るコイル組構造の変形例を示す図
【図８】本開示に係る無線電力伝送システムの第２態様に係るコイル組構造の具体例を示す図
【図９】検証実験のためのシミュレーションに用いたコイルを示す図
【図１０】図９のコイルを用いたコイル組構造のｋＱｕ積及び伝送効率の回転角度依存性について算出したシミュレーション結果を示す図
【図１１】第２態様に係るコイル組構造の変形例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１５】
本開示に係る無線電力伝送システムは、送電装置及び受電装置それぞれに、コイルとキャパシタと組み合わせて構成した同一の共振周波数を有する共振器（即ち、ＬＣ共振器）を設け、２つの共振器を共鳴させることで遠距離送電を可能とする結合共振型無線電力伝送システムを基本構成とする。
【００１６】
図１は、本開示に係る無線電力伝送システムＵの構成例を示す図である。本開示に係る無線電力伝送システムＵは、送電装置Ｕａと受電装置Ｕｂとを有する。そして、送電装置Ｕａは、コイル１（以下、送電用コイル１とも称する）とキャパシタ３とで構成される共振器と、当該共振器に対して交流電力を送出する電源５と、を有する。又、受電装置Ｕｂは、コイル２（以下、受電用コイル２とも称する）とキャパシタ４とで構成される共振器と、当該共振器から交流電力を取得する負荷６と、を有する。
【００１７】
本願の発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、従来技術に係る無線電力伝送システムでは、毎回、ｋ値が異なる状況下で、電力伝送を実施する態様となっている点を問題視し、２つのコイルの位置関係が変わっても伝送効率を落とさないためには、Ｑｅｘｔ＝１／ｋを保つように、結合係数ｋを一定に保ち得るコイル組構造を考案すればよい、という技術的思想に想到した。
【００１８】
本開示に係る無線電力伝送システムに適用する共振器のコイル組構造の基本的な概念は、以下の通りである。２つの共振器間の結合係数ｋは、２つの共振器それぞれを構成するコイル間の相互インダクタンスで決まる。このとき、一方のコイルで生成された磁力線が、他方のコイルの導線に起電力を起こすことで相互インダクタンスが形成される。そのため、磁力線が逃げないようにコイル面を出来るだけ近づけ、コイル面同士が出来るだけ重なるようにすることが望ましい。その中で２つのコイルの位置関係が変化した場合にも、一方のコイルと他方のコイルとの間で形成される相互インダクタンスが変わらないコイル組構造を取ればよいことになる。
【００１９】
具体的には、２つのコイルの形状が、２つのコイルの位置関係が変化した場合にも、一方のコイルのコイル巻線に囲繞された磁束生成断面領域と、他方のコイルのコイル巻線に囲繞された磁束生成断面領域との対向する面積が略一定となるように、設定されればよい。尚、かかるコイル組構造は、２つのコイルの位置関係が変化した場合にも、２つのコイルいずれにおいても主磁束が通過する領域の面積が略一定となるようなコイル組構造とも言える。
【００２０】
但し、２つのコイルの位置関係の変化の態様が完全に自由である場合、相互インダクタンスを常時一定に維持し得るコイル組構造は、現実的には不可能である。そのため、本開示のコイル組構造は、無線電力伝送システムの適用対象に依拠した２つのコイルの位置関係の変化の拘束条件を考慮した上で、設定されている。
【００２１】
無線電力伝送で重要となる使い方の一つは、電気自動車への給電である。無線電力伝送システムを電気自動車に適用する場合、通常、受電用コイル２が電気自動車の車体底部に水平に配設され、送電用コイル１が路面に水平に配設される。自動車は路面を移動するが、路面と車体との距離（即ち、送電用コイル１と受電用コイル２の間の距離）はタイヤで支えられるために比較的正確に距離が保てる。それに対し、前後方向や左右方向は自由に移動でき、電力伝送時には、位置合わせを行う必要が生じる。前後方向の位置あわせは路面に溝を付けるなどして、タイヤを一定の位置におくことで可能であるが、特に、左右方向の位置あわせは運転者のハンドル操作技能によるところが大きく、位置あわせが不正確となる傾向にある。
【００２２】
このように、送電用コイル１又は受電用コイル２が水平な一方向に平行移動する態様においては、コイル組構造としては、以下のような構成が好ましい。即ち、送電用コイル１と受電用コイル２とは、それぞれ、互いに平行な第１平面及び第２平面において互いに対向するように巻回され、送電用コイル１及び受電用コイル２の一方は、自身を構成する導線が互いに対向する領域の少なくとも一部に平行延在部を有し、送電用コイル１及び受電用コイル２の他方は、前記平行延在部の延在方向に沿った平行移動が可能となっているコイル組構造である（以下、「第１態様に係るコイル組構造」と称する）（図２を参照）。これによって、相互インダクタンスの変化がなく、結合係数ｋがほぼ一定に保たれ高い伝送効率を維持することができる。
【００２３】
無線電力伝送の他の重要な応用は、回転体への給電である。この際、無線電力伝送システムをロボットアームなどに適用する場合には連続的に回転する機器に給電することも必要となる。無線電力伝送システムをロボットアームなどに適用する場合には、典型的には、送電用コイル１又は受電用コイル２の平行移動については、考慮する必要はなく、専ら送電用コイル１と受電用コイル２との相対的な回転位置のみを考慮すればよい。
【００２４】
このように、送電用コイル１と受電用コイル２との相対的な回転位置のみが変化する態様においては、コイル組構造としては、以下のような構成が好ましい。即ち、送電用コイル１と受電用コイル２とが、同一の回転軸を持つ互いに異なる回転曲面上又は平面上に対向するように巻回され、少なくとも一方が、前記回転軸を中心に回転可能となっているコイル組構造である（以下、「第２態様に係るコイル組構造」と称する）（図８を参照）。これによって、相互インダクタンスの変化がなく、結合係数ｋがほぼ一定に保たれ高い伝送効率を維持することができる。特に、このとき、送電用コイル１及び受電用コイル２は、それぞれ、前記回転軸を中心とする２つの円に沿って同一方向に巻回された２本の導線が、一端で接続され、且つ、他端で給電される構造を有するものとするのが好ましい。
【００２５】
尚、図１では、直列共振型の共振器（直列共振回路で構成された共振器を表す。以下同じ）を用いた無線電力伝送システムＵの構成例を示しているが、本開示に係るコイル組構造は、直列共振型の共振器を用いた無線電力伝送システムＵに限らず、並列共振型の共振器（並列共振回路で構成された共振器を表す。以下同じ）を用いた無線電力伝送システムＵにも適用可能である。
【００２６】
本開示に係る無線電力伝送システムＵでは、送電側の共振器と受電側の共振器を共鳴させる必要があるため、第１態様に係るコイル組構造及び第２態様に係るコイル組構造、いずれを採用する場合にも、前提として、２つの必要条件を有する。第１は、送電装置Ｕａの共振器と受電装置Ｕｂの共振器とで共振周波数が一致していることであり、第２は、送電装置Ｕａの共振器及び受電装置Ｕｂの共振器のいずれにおいても、外部Ｑが１／ｋになっていることである。
【００２７】
この第１条件と第２条件は、具体的には、以下の設計思想で各回路部品の設計パラメータを設定することで、充足可能である。
【００２８】
共振器のコイルのインダクタンスをＬ０、キャパシタの容量をＣ０とすると、共振周波数ｆ０は以下の式（１）のように表される。
【数１】
0006933868.tif 000002
【００２９】
適当なＣ０を選ぶことで、送電側の共振器と受電側の共振器をともに共振周波数をｆ０に合わせることができる。
【００３０】
次に、共振器インピーダンスＺ０を以下の式（２）のように定義する。
【数２】
0006933868.tif 000003
【００３１】
共振器は、一般に、信号源や負荷の接続法により、直列共振型と並列共振型に分けられる。周波数ｆ０における電源５及び負荷６のインピーダンスをＺＦとすると外部Ｑ、Ｑｅｘｔは、共振器が直列共振型の場合、以下の式（３）の値となる。
【数３】
0006933868.tif 000004
【００３２】
一方、共振器が並列共振型の場合、外部Ｑ、Ｑｅｘｔは、以下の式（４）の値となる。
【数４】
0006933868.tif 000005
【００３３】
上記式（３）より、共振器が直列共振型の場合、以下の式（５）が、外部Ｑを１／ｋにするための条件であると言える。
【数５】
0006933868.tif 000006
【００３４】
一方、上記式（４）より、共振器が並列共振型の場合、以下の式（６）が、外部Ｑを１／ｋにするための条件であると言える。
【数６】
0006933868.tif 000007
【００３５】
次に、上記で説明したコイル組構造の具体的な実施態様を示す。
【実施例１】
【００３６】
図２は、本開示に係る無線電力伝送システムＵの第１態様に係るコイル組構造（即ち、平行移動する移動体に適用されるコイル組構造）の具体例を示す図である。
【００３７】
本実施例では、送電用コイル１と受電用コイル２とは、互いに平行な第１平面及び第２平面において互いに対向するように巻回されている。そして、送電用コイル１が、平行延在部１ａ（コイル巻線を構成する導線部が互いに対向する領域が平行に延在する部位を意味する。以下同じ）を有し、受電用コイル２が、送電用コイル１の平行延在部１ａが延在する方向に沿って平行移動可能となっている。
【００３８】
尚、本実施例では、送電用コイル１と受電用コイル２とが、それぞれ、略矩形状に巻回された態様を示している。送電用コイル１の矩形状の縦横比は、送電用コイル１が平行延在部１ａを有する分だけ、受電用コイル２の矩形状の縦横比よりも大きくなっている。かかる構成によって、受電用コイル２が送電用コイル１の平行延在部１ａが延在する方向に沿って平行移動した場合でも、送電用コイル１と受電用コイル２との重なり面積が変化しない。つまり、受電用コイル２が送電用コイル１の平行延在部１ａが延在する方向に沿って平行移動した場合でも、送電用コイル１のコイル巻線に囲繞された磁束生成断面領域と、受電用コイル２のコイル巻線に囲繞された磁束生成断面領域との対向する面積が略一定となり、送電用コイル１と受電用コイル２いずれにおいても主磁束が通過する領域の面積が略一定となる。
【００３９】
ここで、第１態様に係るコイル組構造の位置ずれ耐性について検証したシミュレーションの結果を示す。
【００４０】
図３Ａ〜図３Ｃは、本シミュレーションに用いたコイル組構造を示す図である。
【００４１】
図３Ａに示すコイル組構造は、本開示に係るコイル組構造に相当するコイル組構造である。図３Ａに示すコイル組構造は、上記した平行延在部１ａに相当する部分を有する横長の矩形状のコイル（以下、「横長コイル」と称する）Ｐ１と、上記した平行延在部１ａに相当する部分を有しない横幅が短く正方形に近い矩形状のコイル（以下、「短コイル」と称する）Ｐ２の組み合わせで構成されている。
【００４２】
図３Ｂに示すコイル組構造は、比較例１に係るコイル組構造である。図３Ｂに示すコイル組構造では、２つのコイルＱ１、Ｑ２は、共に上記の短コイルで、両コイルで向きが９０°異なって配設されている。
【００４３】
図３Ｃに示すコイル組構造は、比較例２に係るコイル組構造である。図３Ｃに示すコイル組構造は、図３Ａの横長コイルと同一の横長コイルＲ１と、図３Ａの横長コイルよりも縦幅を長くした横長コイルＲ２とで構成され、両コイルで長手方向を揃えて配設された構造となっている。
【００４４】
尚、本シミュレーションを行うにあたって、以下の条件を設定した。まず、横長コイルＰ１、Ｒ１としては、幅１００ｍｍ、長さ８００ｍｍ、線の太さは２０ｍｍで、厚さ１ｍｍのアルミ板で形成されたものを想定した。又、短コイルＰ２、Ｑ１、Ｑ２としては、幅１６０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、線の太さは２０ｍｍで厚さ１ｍｍのアルミ板で形成されたものを想定した。又、図３Ｃの横長コイルＲ２としては、幅１６０ｍｍ、長さ８００ｍｍ、線の太さは２０ｍｍで、厚さ１ｍｍのアルミ板で形成されたものを想定した。そして、すべてのコイルＰ１、Ｐ２、Ｑ１、Ｑ２、Ｒ１、Ｒ２で、線路の下側５０ｍｍの位置にグランド板を設置した。
【００４５】
コイルＰ１、Ｐ２、Ｑ１、Ｑ２、Ｒ１、Ｒ２のインダクタンスはそれぞれの形状で決まるため異なる値を持つ。そこで、共振周波数が１０ＭＨｚとなるようにキャパシタ３の値を調整した。具体的には、横長コイルＰ１、Ｒ１では共振周波数が１０ＭＨｚとなるキャパシタ３のキャパシタンスは２３６．８ｐＦであり、その結果インダクタンスは１．０７μＨと推定される。又、短コイルＰ２、Ｑ１、Ｑ２では、キャパシタ３のキャパシタンスは１７９．２ｐＦであり、その結果インダクタンスは１．４１μＨということが判る。又、横長コイルＲ３では、これに接続するキャパシタ３のキャパシタンスを２１６ｐＦで共振周波数が１０ＭＨｚとなり、インダクタンスは１．１７μＨで有ることが判る。尚、この際、横長コイルＰ１、Ｒ１の特性インピーダンスは６７．２Ω、短コイルＰ２、Ｑ１、Ｑ２の特性インピーダンスは８８．８Ω、横長コイルＲ３の特性インピーダンスは７３．６Ωと計算される。
【００４６】
図４は、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃのコイル組構造それぞれのｋＱｕ積の位置ずれ依存性について算出したシミュレーション結果を示す図である。図４では、横軸が２つのコイルの横方向への中心位置のずれ量（図３Ａのｄｘを参照）を表す。
【００４７】
図４中の各グラフは、以下を表す。
グラフ２５：図３Ａのコイル組構造を用いた場合のｋＱｕ積の位置ずれ依存性
グラフ２６：図３Ｂのコイル組構造を用いた場合のｋＱｕ積の位置ずれ依存性
グラフ２７：図３Ｃのコイル組構造を用いた場合のｋＱｕ積の位置ずれ依存性
但し、いずれもコイル間距離を５０ｍｍとし、送電周波数を１０ＭＨｚとした。
【００４８】
コイルの中心位置が一致している場合のｋＱｕ積は、図３Ａに示すコイル組構造の場合で４０．９、図３Ｂに示すコイル組構造の場合で１３１．８、図３Ｃに示すコイル組構造の場合で１０６．５であった。共振器単独でのＺパラメータ解析から、各共振器の無負荷Ｑ（Ｑｕ）は長さ８００ｍｍの横長コイルで４５０程度，１００ｍｍの短コイルで８３０程度と見積もられる。これから、ｋ値はおよそ、図３Ａに示すコイル組構造の場合が０．０６４、図３Ｂに示すコイル組構造の場合が０．１６、図３Ｃに示すコイル組構造の場合が０．２４程度と見積もられる。
【００４９】
尚、上記演算結果を踏まえると、最平坦特性になるインピーダンスは、式（３）から、図３Ａに示すコイル組構造の場合には、電源５のインピーダンスが４．２７Ωで、負荷６のインピーダンスが５．６４Ωのときである。又、図３Ｂに示すコイル組構造の場合には、電源５のインピーダンス及び負荷６のインピーダンスがともに１４．１Ωのときである。又、図３Ｃに示すコイル組構造の場合には、電源５のインピーダンスが１５．６Ωで、負荷６のインピーダンスが１７．４Ωのときである。この結果は、別途の電磁界解析シミュレーションにより、最平坦特性となるように電源５及び負荷６のインピーダンスをフィッティングで求めた場合に得られる電源５及び負荷６のインピーダンスと略同一の値であった。
【００５０】
図５は、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃのコイル組構造それぞれの伝送効率の周波数依存性について算出したシミュレーション結果を示す図である。尚、ここでは、いずれも、２つのコイルの横方向への中心位置のずれ量をゼロ（ｄｘ＝０）として、最平坦特性が得られるように、電源５及び負荷６のインピーダンスを設定した上で、シミュレーションを行っている。
【００５１】
図５中の各グラフは、以下を表す。
グラフ２１：図３Ａのコイル組構造を用いた場合の伝送効率の周波数依存性
グラフ２２：図３Ｂのコイル組構造を用いた場合の伝送効率の周波数依存性
グラフ２３：図３Ｃのコイル組構造を用いた場合の伝送効率の周波数依存性
【００５２】
図５のグラフ２１、２２、２３から、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃのコイル組構造のいずれにおいても、共振周波数１０ＭＨｚ付近で効率が最高値を保つ最平坦特性が得られていることが分かる。尚、伝送効率が高効率となっている周波数帯域は、ｋ値に比例していると言える。
【００５３】
図６は、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃのコイル組構造それぞれの伝送効率の位置ずれ耐性について算出したシミュレーション結果を示す図である。尚、このシミュレーションでは、電源５及び負荷６のインピーダンスを固定したままとし、２つのコイルの横方向への中心位置のずれ量（ｄｘ）を変化させた場合の１０ＭＨｚでの伝送効率を示している。
【００５４】
図６中の各グラフは、以下を表す。
グラフ２８：図３Ａのコイル組構造を用いた場合の伝送効率の位置ずれ依存性
グラフ２９：図３Ｂのコイル組構造を用いた場合の伝送効率の位置ずれ依存性
グラフ３０：図３Ｃのコイル組構造を用いた場合の伝送効率の位置ずれ依存性
【００５５】
図３Ｂのコイル組構造を用いた場合、グラフ２９で示すように、ピークのｋＱｕ積が大きいために、伝送効率の最大値は９８．５％と最も高いが、効率が９５％以上の位置ずれ量の範囲はコイル幅の±５０ｍｍ程度に限られる。又、図３Ｃのコイル組構造を用いた場合、グラフ３０で示すように、最高効率は９８％と高いが、高効率が得られる位置ずれ量の範囲は±８０ｍｍ程度と狭い。一方、図３Ａのコイル組構造を用いた場合、グラフ２８で示すように、９５％程度の効率であるが、高効率が得られる位置ずれ量の範囲は±３００ｍｍ程度ある。
【００５６】
以上のように、本開示に係るコイル組構造（例えば、図３Ａ）を採用することで、給電位置の許容範囲を大幅に拡大することが出来ることが分かる。
【００５７】
（変形例）
図７は、第１態様に係るコイル組構造の変形例を示す図である。
【００５８】
変形例に係るコイル組構造は、位置ずれに対する耐性を、平面的に拡大したものである。即ち、変形例に係るコイル組構造は、送電用コイル１又は受電用コイル２が、水平面内の一方向のみでなく、水平面内の互いに異なる二方向（図７では、水平面内の互いに直交するＸ方向とＹ方向）に移動する態様においても、ｋ値を一定に保持することが可能である。
【００５９】
具体的には、変形例に係るコイル組構造においては、送電用コイル１が、平行延在部１ａを有し、受電用コイル２が、送電用コイル１の平行延在部１ａが延在する方向に沿って平行移動可能となっている。加えて、受電用コイル２が、平行延在部２ａを有し、送電用コイル１が、受電用コイル２の平行延在部２ａが延在する方向に沿って平行移動可能となっている。
【００６０】
かかる構成によって、受電用コイル２が送電用コイル１の平行延在部１ａが延在する方向に沿って平行移動した場合、及び、送電用コイル１が受電用コイル２の平行延在部２ａが延在する方向に沿って平行移動した場合のいずれの場合でも、送電用コイル１と受電用コイル２との重なり面積が変化しない。つまり、送電用コイル１と受電用コイル２いずれにおいても主磁束が通過する領域の面積が略一定となる。
【００６１】
尚、その他の好ましい変形例として、送電用コイル１及び／又は受電用コイル２を構成するコイル巻線を、絶縁層を挟んで多層化した薄層導体板によって構成した態様が挙げられる。かかる構成によれば、送電用コイル１及び／又は受電用コイル２自体の電気抵抗率を低下させ、Ｑｕ値を上げることが可能であり、これによって、伝送効率を高めることが可能である。
【実施例２】
【００６２】
図８は、本開示に係る無線電力伝送システムＵの第２態様に係るコイル組構造（即ち、回転体に適用されるコイル組構造）の具体例を示す図である。
【００６３】
本実施例では、送電用コイル１と受電用コイル２とは、同一の回転軸Ｔ０を持つ互いに異なる平面上に対向するように巻回され、少なくとも一方が、当該回転軸Ｔ０を中心に回転可能となっている。
【００６４】
より詳細には、送電用コイル１及び受電用コイル２は、同一の回転軸Ｔ０を中心とする２つの円に沿って同一方向に巻回された２本の導線が、一端（図８の１ｂ、２ｂ）で接続され、且つ、他端（図８の１ｃ、２ｃ）で給電される構造を有する。同心円状の２本の導線を２カ所で動径方向に接続することで周回状となり、コイルとなる。この際、同心円状の２本の導線で囲まれた領域が、コイルの磁界生成断面領域となる。
【００６５】
尚、動径方向の２つの接続部をつなぐ円周部は、磁界を回転軸全周に生成する必要があるため回転軸を少なくとも１回は周回する必要がある。磁界分布は、動径方向接続部１ｂ、２ｂで大きく変化し、その変化の方向は、２本の導線それぞれの動径方向接続部１ｂ、２ｂで反対となるので、２本の導線それぞれの動径方向接続部１ｂ、２ｂを、回転軸Ｔ０から見て同じ角度位置に設定して、その変化を互いに打ち消すようにすることが望ましい。このようにしても、動径方向接続部１ｂ、２ｂは磁界分布の特異点となるため、磁力線密度を均一に形成するには、コイル円周部が回転軸Ｔ０に対して１以上の整数回周回させる方が望ましい。
【００６６】
このようなコイル２つを、同心円の中心軸が一致するようにして重ね合わせ、一方を固定し、他方を回転体に設置する。このようにすることで、コイルの重なりあわせの面積は、コイルが回転してもほぼ一定となり、均一な相互インダクタンス、すなわち一定の結合係数を実現できる。換言すると、これによって、２つのコイルの位置関係が変化した場合にも、一方のコイルのコイル巻線に囲繞された磁束生成断面領域と、他方のコイルのコイル巻線に囲繞された磁束生成断面領域との対向する面積が略一定となり、２つのコイルいずれにおいても主磁束が通過する領域の面積が略一定となる。
【００６７】
ここで、第２態様に係るコイル組構造の位置ずれ耐性について検証したシミュレーションの結果を示す。
【００６８】
図９は、本シミュレーションに用いたコイルＳ１を示す図である。尚、本シミュレーションでは、図９に示すコイルＳ１を２個用意することで、第２態様に係るコイル組構造を構成した。
【００６９】
図９に示すコイルＳ１は、プリント板上に作成されている。当該プリント板は、誘電率４．４、厚さ４．２ｍｍの基板で、その両面に、厚さ３５μｍの銅箔が設置されている。表面側に図９のような１周のコイルＳ１を形成し、裏面は全面グランド板となっている。ここで、コイルＳ１の外周側の円は半径１２０ｍｍの円、内周側の円は半径８０ｍｍの円で線幅は８ｍｍである。入出力部と折り返し部の間で、並走する線路がほぼ１周している。尚、この並走する線路に囲まれた部分にメインの磁力線が発生することになる。
【００７０】
本シミュレーションでは、図９に示すコイルＳ１の共振周波数が２０ＭＨｚとなるように共振器を構成するキャパシタンスを調整したところ１１１ｐＦとなった。これからコイルのインダクタンスは０．５７μＨと推定される。また共振器の特性インピーダンスは７１．７Ωとなる。本シミュレーションでは、電源５と負荷６のインピーダンスを６０Ωに設定した時に周波数特性を最平坦特性とすることが出来た。（５）式を用いるとｋ値は０．８４と推定される。
【００７１】
本シミュレーションでは、図９に示すコイルＳ１を持つ２枚のプリント板を、円周の中心を合わせて重ね、その距離を４ｍｍに保ったままで回転させた。
【００７２】
図１０は、図９のコイルを用いたコイル組構造のｋＱｕ積及び伝送効率の回転角度依存性について算出したシミュレーション結果を示す図である。
【００７３】
図１０では、横軸が２つのコイル間の回転角度のずれ量を表す。本シミュレーションでは、送電周波数を共振周波数付近に設定して、回転角度を１°ずつ変化させながら、２つの共振器を用いて無線電力伝送を実施した場合のｋＱｕ積及び伝送効率を算出した。尚、図１０の横軸１８０°の位置は、２つのコイルの動径方向接続部が重なる位置である。
【００７４】
図１０中の各グラフは、以下を表す。
グラフ７３：伝送効率のコイル間の回転角度依存性
グラフ７４：ｋＱｕ積のコイル間の回転角度依存性
【００７５】
図１０から、本実施例のコイル組構造を用いることで、２つのコイルの回転角度のずれ量が０°〜３６０°の範囲全域で、高い伝送効率（９７．２〜９７．６％）を維持できることが分かる。尚、ｋＱｕ値についても、２つのコイルの回転角度のずれ量が０°〜３６０°の範囲全域で、高い値（７９〜８３）が維持できていることが分かる。尚、２つのコイルの回転角度のずれ量が２００°付近では、２つのコイルの動径方向接続部が重なり、ｋＱｕ値がわずかに増加しているが、この程度の変化であれば、周波数分離の程度も小さく、伝送効率への影響はわずかである。
【００７６】
（変形例）
図１１は、第２態様に係るコイル組構造の変形例を示す図である。
【００７７】
変形例に係るコイル組構造は、送電用コイル１と受電用コイル２とは、同一の回転軸Ｔ０を持つ互いに異なる回転曲面上に対向するように巻回され、少なくとも一方が、当該回転軸Ｔ０を中心に回転可能となっている。かかる構成によっても、図９に示したコイル組構造と同様の特性を実現することが可能である。
【００７８】
＜効果＞
以上のように、本開示に係る無線電力伝送システムは、
第１共振器を有する送電装置と、第２共振器を有する受電装置と、を備え、前記第１共振器を構成する第１コイルと前記第２共振器を構成する第２コイルとを互いに対向して配設し、前記第１共振器と前記第２共振器との間の電磁界結合を利用して、電力伝送する結合共振型無線電力伝送システムであって、
前記第１コイル及び前記第２コイルの形状は、前記第１コイル及び／又は前記第２コイルの移動可能方向に対応して設定され、且つ、前記第１コイル及び／又は前記第２コイルの移動に伴って前記第１コイルと前記第２コイルとの位置関係に変化があった場合にも、前記第１コイルと前記第２コイルとの間で形成される相互インダクタンスが変化しないように設定されている。
【００７９】
従って、本開示に係る無線電力伝送システムによれば、コイルの位置ずれによる効率の低下を抑制することが可能である。
【００８０】
例えば、上記した第１態様に係るコイル組構造を用いることによって（図２を参照）、電気自動車の給電に関しては、路面の送電装置と車体床面にある受電装置との間の水平方向の位置決めの要求精度を１０ｃｍから数１０ｃｍに広げることが可能となる。これにより、例えば、一般的なユーザーの駐車の位置決め精度でほぼ問題なく無線電力伝送を行うことが可能となる。
【００８１】
又、例えば、上記した第２態様に係るコイル組構造を用いることによって（図８を参照）、回転体への高効率給電が可能とる。これにより、例えば、ロボットなど機械的回転機構を持つ装置にさらに電動工具を取りつけることができ、ロボットの動作範囲の拡大が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本開示に係る結合共振型無線電力伝送システムによれば、コイルの位置が変動してしまう場合でも、安定的に高効率の伝送を実現することが可能である。
【符号の説明】
【００８３】
Ｕ  無線電力伝送システム
Ｕａ  送電装置
Ｕｂ  受電装置
１  送電装置のコイル
２  受電装置のコイル
３  送電装置のキャパシタ
４  受電装置のキャパシタ
５  電源
６  負荷
【要約】
【課題】コイルの位置が変動してしまう場合でも、安定的に高効率の伝送を実現することを可能とする無線電力伝送システムを提供すること。
【解決手段】第１共振器を有する送電装置と、第２共振器を有する受電装置と、を備え、前記第１共振器を構成する第１コイルと前記第２共振器を構成する第２コイルとを互いに対向して配設し、前記第１共振器と前記第２共振器との間の電磁界結合を利用して電力伝送する無線電力伝送システムであって、前記第１コイル及び前記第２コイルの形状は、前記第１コイル及び／又は前記第２コイルの移動可能方向に対応して設定され、且つ、前記第１コイル及び／又は前記第２コイルの移動に伴って前記第１コイルと前記第２コイルとの位置関係に変化があった場合にも、前記第１コイルと前記第２コイルとの間で形成される相互インダクタンスが変化しないように設定されている、無線電力伝送システム。
【選択図】図２【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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