JP2012039674A

JP2012039674A - 共鳴コイル

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Publication number: JP2012039674A
Application number: JP2010174411A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yamakawa; 博幸山川; Naoki Ushiki; 直樹牛来; Yasuo Ito; 泰雄伊藤
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2010-08-03
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2012-02-23

Abstract

【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、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、コイル部１２０と、前記コイル部１２０の一端と接続されるキャパシタ１３０と、前記キャパシタ１３０が前記コイル部１２０と接続されていない端部に設けられる第１電気接続端子１５１と、前記コイル部１２０と前記キャパシタ１３０との接続部に設けられる第２電気接続端子１５２と、を有することを特徴とする。
【選択図】図６

Description

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。

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。

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。

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。

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。
特表２００９−５０１５１０号公報

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。

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、コイル部と、前記コイル部と接続されるキャパシタと、前記コイル部と接続されていない前記キャパシタの端部に設けられるとともに、基準となる電位に接続される第１電気接続端子と、前記コイル部と接続されている前記キャパシタの端部に設けられるとともに、電力を給電される第２電気接続端子と、を有することを特徴とする。

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、前記キャパシタは、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選択されることを特徴とする。

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、前記キャパシタは、前記共鳴コイルが利用される系において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選択されることを特徴とする。

また、請求項４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電気接続端子と前記第２電気接続端子に電力を給電するか、又は前記第１電気接続端子と前記第２電気接続端子からの電力を伝送する電力伝送線路を有し、前記キャパシタは、インピーダンスが、前記電力伝送線路のインピーダンスと同じになるように選択されることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項１に記載の共鳴コイルにおいて、前記キャパシタは、前記共鳴コイルのＱが、所定の値となるように選択されることを特徴とする。

また、請求項６に係る発明は、請求項１に記載の共鳴コイルにおいて、前記キャパシタは、前記共鳴コイルの共振点が、所定の値となるように選択されることを特徴とする。

また、請求項７に係る発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の共鳴コイルにおいて、前記キャパシタには、キャパシタンスを変更可能なキャパシタが用いられることを特徴とする。

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。

また、本発明に係る共鳴コイルによれば、共鳴コイル１００と電力伝送路５０との間の損失を最小化することができ、電力伝送路５０から共鳴コイルに効率的に電力を給電したり、或いは、共鳴コイルで受電した電力を効率的に伝送したりすることが可能となる。

また、本発明に係る共鳴コイルによれば、所望とする共鳴コイル１００のＱや共振点の調整を簡便に行うことが可能となる。

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。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。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。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。本発明の実施の形態に係る共鳴コイルにおけるキャパシタの変更に伴うインピーダンス特性の変化を示す図である。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。本発明の実施の形態に係る共鳴コイルにおける電気接続端子間に設けるキャパシタの変形例を示す図である。本発明の他の実施形態に係る共鳴コイルの構成を説明する図である。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、本実施形態に係る共鳴コイルについてより詳しく説明する。図３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。

共鳴コイル１００は、第１開放端１４１から第１電気接続端子１５１までの第１コイル部１１０と、第２電気接続端子１５２から第２開放端１４２までの第２コイル部１２０と、第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間のキャパシタとから構成されている。第１コイル部１１０、第２コイル部１２０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。

第１電気接続端子１５１においては、第１コイル部１１０とキャパシタ１３０の一端とが、また、第２電気接続端子１５２においては、第２コイル部１２０とキャパシタ１３０の他端とが、それぞれ接続されるようになっている。

第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２には電力伝送路５０が接続され、これら第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２に対し電力を供給したり、第１電
気接続端子１５１と第２電気接続端子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。

また、第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間に設けられるキャパシタ１３０は、所望とする電気的特性に応じて、適宜選択可能に構成されている。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。

図３（Ａ）は第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間に設けられるキャパシタ１３０が第１のキャパシタンスとなるように設定されている場合を示しており、図３（Ｂ）は第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間に設けられるキャパシタ１３１が第１のキャパシタンスより大きい第２のキャパシタンスとなるように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、このようにキャパシタを選択するのみで、その電気的特性の変更を容易に行うことが可能となる。

図３に示すように、第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間のキャパシタを選択することで、それぞれの等価回路を図４に示すように変更することが可能となる。図４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４（Ａ）は図３（Ａ）に対応する等価回路であり、図４（Ｂ）は図３（Ｂ）に対応する等価回路である。

図３（Ａ）における第１コイル部１１０と、第２コイル部１２０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電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間のキャパシタ１３０が形成する等価回路が並列接続されたＣ₂₁である。

一方、図３（Ｂ）における第１コイル部１１０と、第２コイル部１２０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電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間のキャパシタ１３１が形成する等価回路が並列接続されたＣ₂₂である。

なお、いずれの場合においても、第１コイル部１１０と、第２コイル部１２０とが形成する等価回路におけるＣ成分はコイル線間の浮游容量である。また、図４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。

また、図４（Ａ）が図３（Ａ）に対応する等価回路であり、図４（Ｂ）が図３（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。

図３及び図４からもわかるように、例えばキャパシタを図３（Ａ）から図３（Ｂ）に変更することによって、Ｌ₁₁とＣ₁₁とを変更することなく、Ｃ₂₁をそれより大きなＣ₂₂に変更することが可能とる。

図５は本発明の実施の形態に係る共鳴コイルにおけるキャパシタの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５（Ａ）はインピーダンス特性の全体を示す図であり、図５（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、点線はキャパシタの変更前のインピーダンスの虚数部を示しており、一点鎖線はキャパシタの変更後のインピーダンスの虚数部を示している。

本実施形態に係る共鳴コイルによれば、例えば、図５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。

次に、上記のような共鳴コイル１００の変形例について説明する。図６は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。先にも説明したように、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。図６は不平衡回路において用いる不平衡タイプの共鳴コイル１００である。図６に係る共鳴コイル１００は、第１コイル部１１０を省略し、第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２に電力伝送路５０を接続する構成となっている。第１コイル部１１０を省略するように構成するので、以下の実施形態においては、序数をなくし、「第２コイル部１２０」を単に「コイル部１２０」と呼ぶものとする。すなわち、図６に示す実施形態は、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、コイル部１２０と、前記コイル部１２０の一端と接続されるキャパシタ１３０と、前記キャパシタ１３０が前記コイル部１２０と接続されていない端部に設けられる第１電気接続端子１５１と、前記コイル部１２０と前記キャパシタ１３０との接続部に設けられる第２電気接続端子１５２と、を有することを特徴としている。

上記の第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２には、電力伝送路５０が接続され、これら第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２に対し電力を供給したり、第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子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。図６に示す変形例は不平衡回路に用いる不平衡タイプのコイルであるので、第１電気接続端子１５１又は第２電気接続端子１５２のいずれかはグランド接続されるようになっている。なお、ここで、グランドは基準となる電位の一例を示している。

図６（Ａ）は第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間に設けられるキャパシタ１３０が第１のキャパシタンスとなるキャパシタが選択されている場合を示しており、図６（Ｂ）は第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間に設けられるキャパシタ１３１が第１のキャパシタンスより大きい第２のキャパシタンスとなるキャパシタが選択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、このようにキャパシタを選択するのみで、その電気的特性の変更を容易に行うことが可能となる。

図６に示すような変形例に係る本実施形態に係る共鳴コイルにおいても、キャパシタが変更・選択されることによって、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。

ここで、本実施形態に係る共鳴コイル１００において、第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間のキャパシタを選択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、キャパシタは、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選択する、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、キャパシタを選択する、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。

次に、本実施形態に係る共鳴コイル１００において、第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間のキャパシタを選択する際における、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、キャパシタは、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選択する、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、例えば、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、キャパシタを選択する、という考え方である。このように共鳴コイル１００のインピーダンスが所定の値（例えば、電力伝送線路５０のインピーダンスと同値）となるようにキャパシタが選択されていると、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、というメリットなどがある。

ここで、本実施形態に係る共鳴コイル１００において、第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間のキャパシタを選択する際における、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、キャパシタは、共鳴コイル１００のインピーダンスが、電力伝送線路５０のインピーダンスと同じになるように選択する、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）と一致するように、キャパシタを選択する、という考え方である。共鳴コイル１００のインピーダンスが、電力伝送線路５０のインピーダンスと同じになるようにキャパシタが選択されていると、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。

ここで、本実施形態に係る共鳴コイル１００において、第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間のキャパシタを選択する際における、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、キャパシタは、共鳴コイル１００のＱが所定の値（より具体的には最も高い値）となるように選択する、ということを挙げることができる。ここで、共鳴コイル１００のＱはＱｕａｌｉｔｙｆａｃｔｏｒのことである。共鳴コイル１００のＱが高い値となるようにキャパシタが選択されていると、共鳴コイル１００の共振現象の際において損失を最小に抑制することができる、というメリットがある。

ここで、本実施形態に係る共鳴コイル１００において、第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間のキャパシタを選択する際における、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、キャパシタは、共鳴コイル１００の共振点が、所定の値となるように選択する、ということを挙げることができる。図１で考えると、送電側の共鳴コイル１００の共振点と受電側の共鳴コイル１００’の共振点とが一致しているときに、エネルギー伝送効率が最も高くなるので、このような実施形態によれば、ワイヤレス伝送効率を最大化することが可能となる。

次に、本実施形態に係る共鳴コイル１００における第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間に設けるキャパシタの変形例を説明する。図７は本発明の実施の形態に係る共鳴コイルにおける電気接続端子間に設けるキャパシタの変形例を示す図である。

図７に示す変形例においては、キャパシタ１３３として、キャパシタンスを変更可能なキャパシタ素子（バリアブルコンデンサーなど）が設けられている。このようなキャパシタ１３３によっても、共鳴コイル１００の種々の電気的特性を能動的に変更することが可能となり、これまで説明した実施形態と同様の効果を享受することができる。

次に、本発明の他の実施形態に係る共鳴コイル１００について説明する。図８は本発明の他の実施形態に係る共鳴コイル１００の構成を説明する図である。これまで説明してきた共鳴コイル１００は、一方向に伸びる仮想のコイル軸を中心として螺旋状に巻かれた形状のコイルであったが、他の実施形態に係る共鳴コイル１００は、所定の平面Ｐ内に渦巻き状に巻かれた形状をなしている。

他の実施形態に係る共鳴コイル１００は、渦巻き最内周側の第１電気接続端子１５１から第２電気接続端子１５２までの間に形成されるキャパシタ１３４と、第２電気接続端子１５２から渦巻き最外周側の第２開放端１４２までのコイル部１２０とから構成されている。コイル部１２０は平面Ｐ内に構成される渦巻き状コイルであり、これらのコイルを構成する導電材料としては、例えばリッツ線などを用いることが可能である。

第１電気接続端子１５１においてはキャパシタ１３４の一端が、また、第２電気接続端子１５２においては、コイル部１２０とキャパシタ１３４の他端が、それぞれ接続されるようになっている。

他の実施形態に係る共鳴コイル１００においては、第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２には電力伝送路５０が接続され、これら第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２に対し電力を供給したり、第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子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。

また、第１電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２との間に設けられるキャパシタ１３４は、所望とする電気的特性に応じて、適宜選択可能に構成されている。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。また、本実施形態に係る共鳴コイル１００によっても、これまで説明した実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

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電気接続端子１５１と第２電気接続端子１５２とは、近接していることが望ましい。

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・・・第１コイル部、１２０・・・第２コイル部（コイル部）、１３０、１３１、１３３、１３４・・・キャパシタ、１４１・・・第１開放端、１４２・・・第２開放端、１５１・・・第１電気接続端子、１５２・・・第２電気接続端子

Claims

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、
コイル部と、
前記コイル部と接続されるキャパシタと、
前記コイル部と接続されていない前記キャパシタの端部に設けられるとともに、基準となる電位に接続される第１電気接続端子と、
前記コイル部と接続されている前記キャパシタの端部に設けられるとともに、電力を給電される第２電気接続端子と、を有することを特徴とする共鳴コイル。
前記キャパシタは、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選択されることを特徴とする請求項１に記載の共鳴コイル。
前記キャパシタは、前記共鳴コイルが利用される系において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選択されることを特徴とする請求項１に記載の共鳴コイル。
前記第１電気接続端子と前記第２電気接続端子に電力を給電するか、又は前記第１電気接続端子と前記第２電気接続端子からの電力を伝送する電力伝送線路を有し、
前記キャパシタは、前記共鳴コイルのインピーダンスが、前記電力伝送線路のインピーダンスと同じになるように選択されることを特徴とする請求項１に記載の共鳴コイル。
前記キャパシタは、前記共鳴コイルのＱが、所定の値となるように選択されることを特徴とする請求項１に記載の共鳴コイル。
前記キャパシタは、前記共鳴コイルの共振点が、所定の値となるように選択されることを特徴とする請求項１に記載の共鳴コイル。
前記キャパシタには、キャパシタンスを変更可能なキャパシタが用いられることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の共鳴コイル。