WO2013002241A1

WO2013002241A1 - 給電システム

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Publication number: WO2013002241A1
Application number: PCT/JP2012/066333
Authority: WO
Inventors: 雅充大川; 田中　信吾; 範高田口
Original assignee: 矢崎総業株式会社
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2013-01-03
Also published as: EP2728710A1; CN103782480A; EP2728710A4; EP2728710B1

Abstract

非接触給電システムの給電側コイルと受電側コイルとの横ずれに起因する伝送効率の低下を抑制する。給電部には、電力が供給される給電側ヘリカルコイル３３が設けられている。受電部には、給電側ヘリカルコイル３３と電磁共鳴して給電側ヘリカルコイル３３からの電力を受電する受電側ヘリカルコイル５１が設けられている。この給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１との中心軸Ｚ１、Ｚ２が互いにずれた位置で給電部及び受電部のインピーダンスが整合されている。製品毎の伝送効率のばらつきを低減した非接触給電システムを提供する。給電側ヘリカルコイル３２及び受電側ヘリカルコイル５１の巻数を、３巻き以上６巻き以下、好ましくは３巻き以上５巻き以下とする。

Description

給電システム

　本発明は、給電システムに係り、特に、給電側コイルから受電側コイルに非接触で電力を供給する給電システムに関するものである。

　上述した給電システムとして、例えば図１５に示すものが知られている（例えば非特許文献１、２）。同図に示すように、給電システム１は、給電手段としての給電部３と、受電手段としての受電部５と、を備えている。上記給電部３は、電力が供給される給電側ループアンテナ３２と、給電側ループアンテナ３２に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置され、給電側ループアンテナ３２に電磁結合された給電側コイルとしての給電側ヘリカルコイル３３と、が設けられている。

　上記受電部５は、給電側ヘリカルコイル３３に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置されると電磁共鳴する受電側コイルとしての受電側ヘリカルコイル５１と、この受電側ヘリカルコイル５１に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置され当該受電側ヘリカルコイル５１に電磁結合された受電側ループアンテナ５２と、が設けられている。給電側ヘリカルコイル３３に電力が送られると、その電力が磁界の共鳴によって受電側ヘリカルコイル５１にワイヤレスで送られる。

　さらに、受電側ヘリカルコイル５１に電力が送られると、その電力が電磁誘導によって受電側ループアンテナ５２に送られ、この受電側ループアンテナ５２に接続されたバッテリなどの負荷に供給される。上述した給電システム１によれば、給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１との電磁共鳴により非接触で給電側から受電側に電力を供給することができる。

　そして、上述した受電部５を自動車４に設け、給電部３を道路２などに設けることにより、上述した給電システム１を利用してワイヤレスで自動車４に搭載されたバッテリに電力を供給することが考えられている。

　上述した給電側システム１においては、給電側ヘリカルコイル３３の中心軸Ｚ１と、受電側ヘリカルコイル５１の中心軸Ｚ２と、が一直線状に並んだ横ずれｘ＝０の状態で、伝送効率が最も良くなるように給電部３、受電部５のインピーダンスを調整している（即ち、給電部３と受電部５とのインピーダンスを整合させている）。

　しかしながら、上述した給電システム１においては、給電側ヘリカルコイル３３の中心軸Ｚ１と、受電側ヘリカルコイル５１の中心軸Ｚ２と、が同軸となるように、自動車４を停車させることは難しく、図１５に示すように、中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘ（＞０）が生じることがある。

　本発明者らは、中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘ＝０の状態で給電部３及び受電部５のインピーダンスを整合した図１５に示す給電システム１である従来品について、横ずれｘを０～０．３７５Ｄ（Ｄ＝給電側ヘリカルコイル３３、受電側ヘリカルコイル５１の直径）の範囲で変化させたときの伝送効率をシミュレーションした。結果を図４中において黒丸でプロットした。

　同図に示すように、横ずれｘが０のときは伝送効率が９８％程度あるのに対して、横ずれｘが０．３７５Ｄのときは８２％まで下がってしまう、という問題があった。

　また、図１６に示すように、給電側ヘリカルコイル３３及び受電側ヘリカルコイル５１の両端にキャパシタＣ１、Ｃ２が接続された給電システム１も提案されている。上述したキャパシタＣ１、Ｃ２は、この共鳴周波数を調整するためのものであり、給電側ヘリカルコイル３３及び受電側ヘリカルコイル５１の巻線数Ｎに応じて所望の共鳴周波数ｆ０が得られるような値に設定されている。このようにキャパシタＣ１、Ｃ２を設ける給電システム１においては、通常は、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１を１巻きにして設けている。

　しかしながら、上述した従来技術の給電システム１では、製品によっては共鳴周波数ｆ０での伝送効率が低下してしまうものがある、という問題があった。この原因について発明者らが鋭意探求した結果、図に示すグラフからも明らかなように、キャパシタＣ１、Ｃ２のばらつきが原因であることが分かった。一般に市販のキャパシタはその容量が±５％乃至±１０％程度が補償されているので、キャパシタＣ１、Ｃ２のバラツキとしては、この程度が見込まれる。図１７は、キャパシタＣ１、Ｃ２の容量が±５％、±１０％ばらついたときの共鳴周波数ｆ０付近の伝送効率についてシミュレーションした結果である。

　同図からも明らかなように、キャパシタＣ１、Ｃ２の容量Ｃが所望の容量Ｃｓであり誤差がない従来品ａ１及び誤差があっても±５％程度である従来品ａ２、ａ３の場合、共振周波数ｆ０での伝送効率は９０％以上あるのに対して、±１０％の誤差がある従来品ａ４、ａ５の場合、共振周波数ｆ０での伝送効率は５０％程度に低下してしまう。

A.Kurs,A.Karalis,R.Moffatt,J.D.Joannopoulos,P.Fisher,M.Soljacic,"Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances",Science,Vol.317,pp.83-86,July6,2007 M.Soljacic,A.Karalis,J.Joannopoulos,A.Kurs,R.Moffatt,P.fisgeR,"電力を無線伝送する技術を開発　実験で６０Ｗの電球を点灯"、日経エレクトロニクス,3Dec.2007

　そこで、本発明は、給電側コイルと受電側コイルとの横ずれに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電手段から受電手段へ高効率で電力を供給することができる給電システムを提供することを課題とする。

　また、本発明は、キャパシタのばらつきに起因する伝送効率の低下を抑制した給電システムを提供することを課題とする。

　上述した課題を解決するための請求項１記載の発明は、電力が供給される給電側コイルが設けられた給電手段と、前記給電側コイルと電磁共鳴して前記給電側コイルからの電力を受電する受電側コイルが設けられた受電手段と、を備えた給電システムにおいて、前記給電側コイルと前記受電側コイルとの中心軸が互いにずれた位置で前記給電手段及び前記受電手段のインピーダンスが整合されていることを特徴とする給電システムに存する。

　請求項２記載の発明は、前記給電側コイル及び前記受電側コイルは、円形に巻いて設けられていることを特徴とする請求項１に記載の給電システムに存する。

　請求項３記載の発明は、電力が供給される給電側コイルと、前記給電側コイルと電磁共鳴して前記給電側コイルからの電力を受電する受電側コイルと、前記給電側コイル及び前記受電側コイルの両端にそれぞれ接続された共鳴周波数調整用のキャパシタと、を備えた給電システムにおいて、前記給電側コイル及び前記受電側コイルの巻数が、３巻き以上６巻き以下に設けられていることを特徴とする給電システムに存する。

　請求項４記載の発明は、前記給電側コイル及び前記受電側コイルの巻数が、３巻き以上５巻き以下に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の給電システムに存する。

　以上説明した請求項１記載の発明によれば、給電側コイルと受電側コイルとの中心軸が互いにずれた位置で給電手段及び受電手段のインピーダンスが整合されているので、給電側コイルと受電側コイルとの横ずれに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電手段から受電手段へ高効率で電力を供給することができる。

　請求項２記載の発明によれば、給電側コイル及び受電側コイルが円形に巻いて設けられているので、伝送効率の異方性をなくすことができる。

　請求項３記載の発明によれば、給電側コイル及び受電側コイルの巻数が、３巻き以上６巻き以下に設けられているので、キャパシタの容量に最大±１０％の誤差があったとしても所望の共鳴周波数での伝送効率を８０％以上にすることができ、キャパシタのばらつきに起因する伝送効率の低下を抑制できる。

　請求項４記載の発明によれば、給電側コイル及び受電側コイルの巻数が、３巻き以上５巻き以下に設けられているので、位置ズレが０．５Ｄ（Ｄは給電側、受電側コイルの直径）あったとしても共鳴周波数での伝送効率を６０％以上にすることができる。

本発明の第１実施形態における給電システムを示す図である。図１に示す給電システムを構成する給電側ループアンテナ、給電側ヘリカルコイル、受電側ヘリカルコイル及び受電側ループアンテナの斜視図である。（Ａ）は本発明の最も伝送効率が良くなる位置を説明するための図であり、（Ｂ）は従来の最も伝送効率が良くなる位置を説明するための図である。中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘ＝０で給電部及び受電部のインピーダンスを整合した従来品と、中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘを０．０６２５Ｄ、０．１２５Ｄ、０．１８７５Ｄ、０．２５Ｄ、０．３１２５Ｄ、０．３７５Ｄとした状態で給電部及び受電部のインピーダンスを整合した本発明品Ａ～Ｆと、について各々、中心軸Ｚ１、Ｚ２のずれが０～０．３７５Ｄの範囲で変動したときの伝送効率を示すグラフである。本発明の第２実施形態における給電システムを示す図である。図５に示す給電システムを構成する給電側ループアンテナ、給電側ヘリカルコイル、受電側ヘリカルコイル及び受電側ループアンテナの斜視図である。Ｎ＝２とした給電システムである比較品ａであって、Ｃ＝Ｃｓの比較品ａ１、Ｃ＝Ｃｓ±５％の比較品ａ２、ａ３、Ｃ＝Ｃｓ±１０％の比較品ａ４、ａ５、それぞれについて共鳴周波数ｆ０での伝送効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。Ｎ＝３とした給電システムである本発明品ａであって、Ｃ＝Ｃｓの本発明品ａ１、Ｃ＝Ｃｓ±５％の本発明品ａ２、ａ３、Ｃ＝Ｃｓ±１０％の本発明品ａ４、ａ５、それぞれについて共鳴周波数ｆ０での伝送効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。Ｎ＝４とした給電システムである本発明品ｂであって、Ｃ＝Ｃｓの本発明品ｂ１、Ｃ＝Ｃｓ±５％の本発明品ｂ２、ｂ３、Ｃ＝Ｃｓ±１０％の本発明品ｂ４、ｂ５、それぞれについて共鳴周波数ｆ０での伝送効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。Ｎ＝５とした給電システムである本発明品ｃであって、Ｃ＝Ｃｓの本発明品ｃ１、Ｃ＝Ｃｓ±５％の本発明品ｃ２、ｃ３、Ｃ＝Ｃｓ±１０％の本発明品ｃ４、ｃ５、それぞれについて共鳴周波数ｆ０での伝送効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。給電側、受電側ヘリカルコイルの巻線を１～８に変化させたときの共鳴周波数ｆ０付近の伝送効率の最高値、最低値をシミュレーションした結果を示すグラフである。給電側、受電側ヘリカルコイルの位置ズレを説明するための図である。給電側、受電側ヘリカルコイルの巻数を１～５．７に変化させたときの共鳴周波数ｆ０付近での伝送効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。給電側、受電側ヘリカルコイルの巻数を１～８に変化させた給電システムにおいて、０～０．７５Ｄの位置ズレｘが発生したときの共鳴周波数ｆ０付近の伝送効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。従来の給電システムを示す図である。従来の給電システムを示す図である。Ｎ＝１とした給電システムである従来品ａであって、Ｃ＝Ｃｓの従来品ａ１、Ｃ＝Ｃｓ±５％の従来品ａ２、ａ３、Ｃ＝Ｃｓ±１０％の従来品ａ４、ａ５、それぞれについて共鳴周波数ｆ０での伝送効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。

第１実施形態
　以下、本発明の第１実施形態における給電システムを図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態における給電システムを示す図である。図２は、図１に示す給電システムを構成する給電側ループアンテナ、給電側ヘリカルコイル、受電側ヘリカルコイル及び受電側ループアンテナの斜視図である。同図に示すように、給電システム１は、道路２上などに設けられた給電手段としての給電部３と、自動車４の腹部分などに設けられた受電手段としての受電部５と、を備えている。

　上記給電部３は、直流電源６から供給される直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器３１と、ＤＣ／ＡＣ変換器３１により変換された交流電力が供給される給電側ループアンテナ３２と、給電側ループアンテナ３２に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置され、給電側ループアンテナ３２に電磁結合された給電側コイルとしての給電側ヘリカルコイル３３と、給電側ヘリカルコイル３３に並列接続されたキャパシタＣ１と、が設けられている。

　上記給電側ループアンテナ３２は、円ループ状に設けられていて、その中心軸が道路２から自動車４の腹部分に向かう方向、即ち鉛直方向に沿うように配置されている。この給電側ループアンテナ３２の両端には、ＤＣ／ＡＣ変換器３１が接続されていて、上述したようにＤＣ／ＡＣ変換器３１により変換された交流電力が供給される。

　上記給電側ヘリカルコイル３３は、例えば巻線を円形のヘリカル状に巻いて構成されている。本実施形態においては、給電側ヘリカルコイル３３は、その巻数が２巻に設けられている。また、給電側ヘリカルコイル３３は、上記給電側ループアンテナ３２の自動車４側に、給電側ループアンテナ３２と同軸上に配置されている。上記給電側ループアンテナ３２と給電側ヘリカルコイル３３とは、互いに電磁結合できる範囲内、即ち、給電側ループアンテナ３２に交流電力が供給され、交流電流が流れると給電側ヘリカルコイル３３に電磁誘導が発生するような範囲内で、互いに離間して設けられている。上記キャパシタＣ１は、共鳴周波数を調整するために設けられている。

　上記受電部５は、給電側ヘリカルコイル３３と電磁共鳴する受電側コイルとしての受電側ヘリカルコイル５１と、この受電側ヘリカルコイル５１に対してその中心軸方向に対向するように配置され、受電側ヘリカルコイル５１に電磁結合された受電側ループアンテナ５２と、受電側ループアンテナ５２が受電した交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換器５３と、受電側ヘリカルコイル５１に並列接続されたキャパシタＣ２と、が設けられている。

　上記受電側ループアンテナ５２には、ＡＣ／ＤＣ変換器５３を介して車載バッテリなどの負荷７が接続されている。また、受電側ループアンテナ５２は、円形のループ状に設けられていて、その中心軸が自動車４の腹部分から道路２に向かう方向、即ち鉛直方向に沿うように配置されている。また、本実施形態においては、図２に示すように、上記受電側ループアンテナ５２は、上述した給電側ループアンテナ３２と同じ径に設けられているが、本発明はこれに限ったものではなく、例えば、受電側ループアンテナ５２の径が、上述した給電側ループアンテナ３２の径よりも小さく設けられていても良い。

　上記受電側ヘリカルコイル５１は、例えば巻線を円形のヘリカルコイル状に巻いて構成されている。本実施形態においては、受電側ヘリカルコイル５１は、給電側ヘリカルコイル３３と同様に、その巻数が２巻に設けられている。また、上記受電側ヘリカルコイル５１は、上述した給電側ヘリカルコイル３３と同じ径に設けられているが、本発明はこれに限ったものではなく、例えば、受電側ヘリカルコイル５１の径が、上述した給電側ヘリカルコイル３３の径よりも小さく設けられていてもよい。

　また、受電側ヘリカルコイル５１は、上述した受電側ループアンテナ５２の道路２側に、受電側ループアンテナ５２と同軸上に配置されている。これにより、受電側ループアンテナ５２と受電側ヘリカルコイル５１とは、互いに電磁結合する範囲内、即ち、受電側ヘリカルコイル５１に交流電流が流れると受電側ループアンテナ５２に誘導電流が発生する範囲内に、互いに離間して設けられている。上記キャパシタＣ２は、キャパシタＣ１と同様に、共鳴周波数を調整するために設けられている。これらキャパシタＣ１、Ｃ２は、給電側ヘリカルコイル３３及び受電側ヘリカルコイル５１の共鳴周波数が所望の周波数ｆ０（例えば１０ＭＨｚ）となるように容量が予め調整されている。

　上述した給電システム１によれば、自動車４の受電部５が道路２に設けた給電部３に近づいて給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１とが中心軸方向に互いに間隔を空けて対向したとき、給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１とが電磁共鳴して給電部３から受電部５に非接触で電力を供給できる。

　詳しく説明すると、上記給電側ループアンテナ３２に交流電力が供給されると、その電力が電磁誘導により給電側ヘリカルコイル３３に送られる。即ち、給電側ヘリカルコイル３３には、給電側ループアンテナ３２を介して電力が供給される。給電側ヘリカルコイル３３に電力が送られると、その電力が磁界の共鳴によって受電側ヘリカルコイル５１にワイヤレスで送られる。さらに、受電側ヘリカルコイル５１に電力が送られると、その電力が電磁誘導によって受電側ループアンテナ５２に送られ、この受電側ループアンテナ５２に接続された負荷７にＡＣ／ＤＣ変換器５３を介して供給される。

　これら給電システム１は、図３（Ａ）に示すように、給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１との中心軸Ｚ１、Ｚ２がｘだけ（＞０）横ずれした位置で最も伝送効率が高くなるように給電部３及び受電部５のインピーダンスが調整されている（即ち、給電部３及び受電部５のインピーダンスが整合されている）。この中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘは、中心軸方向に給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１とが互いに重なる範囲内でずらされている。

　給電部３及び受電部５のインピーダンスを整合させる方法としては、例えば給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１や給電側、受電側ループアンテナ３２、５２の両端に整合器を設け、この整合器を用いてインピーダンスを調整したり、ＤＣ／ＡＣ変換器３１、ＡＣ／ＤＣ変換器５３のインピーダンスを調整することが考えられる。

　図３（Ｂ）に示す従来のように中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘ＝０の位置で給電部３及び受電部５のインピーダンスを整合した場合、中心軸Ｚ１上の点Ｐが最も効率良く、受電側ヘリカルコイル５１の中心軸Ｚ２がこの点Ｐから離れるに従って伝送効率が低下してしまう。

　これに対して、図３（Ａ）に示すように給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１との中心軸Ｚ１、Ｚ２がｘだけ横ずれした位置で給電部３及び受電部５のインピーダンスを整合すると、中心軸Ｚ１を中心とした半径ｘの円Ｒ上が最も効率良く、受電側ヘリカルコイル５１の中心軸Ｚ２がこの円Ｒから離れるに従って伝送効率が低下する。図３（Ａ）及び（Ｂ）を比較しても明らかなように、従来は点Ｐの一点のみが最も伝送効率が良かったが、本実施形態では、円Ｒ上が最も伝送効率が良い点となる。このため、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１との位置ずれｘに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電部３から受電部５へ高効率で電力を供給することができる。

　次に、本発明者らは、図３（Ｂ）に示すように中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘ＝０で給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１のインピーダンスを整合した従来品と、図３（Ａ）に示すように中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれを０．０６２５Ｄ、０．１２５Ｄ、０．１８７５Ｄ、０．２５Ｄ、０．３１２５Ｄ、０．３７５Ｄとした状態で給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１のインピーダンスを整合した本発明品Ａ～Ｆと、について中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘが０～０．３７５Ｄの範囲で変動するときの伝送効率をシミュレーションした。結果を図４に示す。

　同図に示すように、従来品は、横ずれｘ＝０のときの伝送効率が９８％であるが、横ずれｘ＝０．３７５Ｄのときは８２％まで低下してしまう。これに対して、横ずれｘ＝０．０６２５Ｄ、０．１２５Ｄでインピーダンス整合した従来品Ａ、Ｂは、ずれｘ＝０．３７５Ｄのときは約８５％までに低下を抑えることができる。また、横ずれｘ＝０．１８７５Ｄでインピーダンス整合した本発明品Ｃは、横ずれｘ＝０のときの伝送効率が９７．５％と若干低下してしまうが、横ずれｘ＝０．３７５Ｄのときは８９％近くまで低下を押さえることができる。

　また、横ずれｘ＝０．２５Ｄでインピーダンス整合した本発明品Ｄは、横ずれｘ＝０のときの伝送効率が９５．５％であるが、横ずれｘ＝０．３７５Ｄのときは９２％と伝送効率の低下を大きく抑えることができる。また、横ずれｘ＝０．３１２５Ｄでインピーダンス整合した本発明品Ｅは、横ずれｘ＝０のときの伝送効率が９１％まで低下してしまうが、横ずれｘ＝０．３７５Ｄのときは９６％まで大きくすることができる。

　さらに、横ずれｘ＝０．３７５Ｄでインピーダンス整合した本発明品Ｆは、横ずれｘ＝０のときの伝送効率が８４％まで低下してしまうが、横ずれ０.３７５Ｄのときは９８％まで大きくすることができる。以上のことから明らかなように従来品では、０～０．３７５Ｄの範囲で横ずれｘが生じると伝送効率が８２％まで低下してしまうのに対して、本発明品Ａ～Ｆは、０～０．３７５Ｄの範囲で横ずれｘが生じたとしても８４％以上の伝送効率を得ることができ、横ずれに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電部３から受電部５へ高効率で電力を供給することができることが分かった。

　また、上述した実施形態によれば、給電側ヘリカルコイル３３及び受電側ヘリカルコイル５１は、円形に巻いて設けられているので、伝送効率の異方性をなくすことができる。

　なお、上述した実施形態によれば、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１は円形に巻いて設けられていたが、本発明はこれに限ったものではない。給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の形状としては、円形でなくてもよく、四角形や三角形であってもよい。

第２実施形態
　以下、本発明の第２実施形態における給電システムを図５及び図６に基づいて説明する。図５は、本発明の第２実施形態における給電システムを示す図である。図６は、図５に示す給電システムを構成する給電側ループアンテナ、給電側ヘリカルコイル、受電側ヘリカルコイル及び受電側ループアンテナの斜視図である。同図に示すように、給電システム１は、道路２上などに設けられた給電部３と、自動車４の腹部分などに設けられた受電部５と、を備えている。

　上記給電部３は、交流電力が供給される給電側ループアンテナ３２と、給電側ループアンテナ３２に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置され、給電側ループアンテナ３２に電磁結合された給電側ヘリカルコイル３３と、給電側ヘリカルコイル３３にの両端に接続されたキャパシタＣ１（図６）と、が設けられてる。

　上記給電側ループアンテナ３２は、導線を円ループ状に巻いて構成されていて、その中心軸Ｚ１が道路２から自動車４の腹部分に向かう方向、即ち鉛直方向に沿うように配置されている。この給電側ループアンテナ３２の両端には、交流電源Ｖが接続されていて、この交流電源Ｖからの交流電力が供給されている。

　上記給電側ヘリカルコイル３３は、例えば導線を円形のヘリカル状に巻いて構成されている。図５及び図６に示す例では、給電側ヘリカルコイル３３の巻線は、５巻きに設けられているが、第２実施形態ではこれに限ったものではなく、３巻き以上６巻き以下であればよい。この給電側ヘリカルコイル３３の両端には、図６に示すように、共鳴周波数調整用のキャパシタＣ１が接続されている。

　また、この給電側ヘリカルコイル３３は、上記給電側ループアンテナ３２よりも自動車４側に給電側ループアンテナ３２と同軸上に配置されている。上記給電側ループアンテナ３２と給電側ヘリカルコイル３３とは、互いに電磁結合できる範囲内、即ち、給電側ループアンテナ３２に交流電力が供給され、交流電流が流れると給電側ヘリカルコイル３３に電磁誘導が発生するような範囲内で、互いに離間して設けられている。

　上記受電部５は、給電側ヘリカルコイル３３に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置されると電磁共鳴する受電側ヘリカルコイル５１と、この受電側ヘリカルコイル５１に対してその中心軸方向に対向するように配置され、受電側ヘリカルコイル５１に電磁結合された受電側ループアンテナ５２と、受電側ヘリカルコイル５１の両端に接続されたキャパシタＣ２と、が設けられている。

　上記受電側ループアンテナ５２は、導線を円形のループ状に巻いて構成されていて、その中心軸Ｚ２が自動車４の腹部分から道路２に向かう方向、即ち鉛直方向に沿うように配置されている。この受電側ループアンテナ５２の両端には、車載バッテリなどの負荷７が接続されている。また、本実施形態においては、上記受電側ループアンテナ５２は、上述した給電側ループアンテナ３２と同じ径に設けられているが、本発明はこれに限ったものではなく、例えば、受電側ループアンテナ５２の径が、上述した給電側ループアンテナ３２の径よりも小さく設けられていてもよい。

　上記受電側ヘリカルコイル５１は、例えば導線を円形のヘリカル状に巻いて構成されている。図５及び図６に示す例では、受電側ヘリカルコイル５１の巻数Ｎは、給電側ヘリカルコイル３３と同じで５巻きに設けられているが、本発明はこれに限ったものではなく、３巻き以上６巻き以下であればよい。また、本実施形態においては、上記受電側ヘリカルコイル５１は、上述した給電側ヘリカルコイル３３と同じ径に設けられているが、本発明はこれに限ったものではなく、例えば、受電側ヘリカルコイル５１の径が、上述した給電側ヘリカルコイル３３の径よりも小さく設けられていても良い。

　上記受電側ヘリカルコイル５１の両端には、図６に示すように、共鳴周波数調整用のキャパシタＣ２が接続されている。これらキャパシタＣ１、Ｃ２は、共鳴周波数を調整するために設けられていて、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の容量Ｃは、共鳴周波数が所望の共鳴周波数ｆ０となる容量Ｃｓに設定されている。

　また、受電側ヘリカルコイル５１は、上述した受電側ループアンテナ５２の道路２側に、受電側ループアンテナ５２と同軸上に配置されている。これにより、受電側ループアンテナ５２と受電側ヘリカルコイル５１とは、互いに電磁結合する範囲内、即ち、受電側ヘリカルコイル５１に交流電流が流れると受電側ループアンテナ５２に誘導電流が発生する範囲内に、互いに離間して設けられている。

　上述した給電システム１によれば、自動車４の受電部５が道路２に設けた給電部３に近づいて給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１とが中心軸方向に互いに間隔を空けて対向したときに、給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１とが電磁共鳴して給電部３から受電部５に非接触で電力を供給できる。

　詳しく説明すると、上記給電側ループアンテナ３２に交流電流が供給されると、その電力が電磁誘導により給電側ヘリカルコイル３３に送られる。即ち、給電側ヘリカルコイル３３には、給電側ループアンテナ３２を介して電力が供給される。給電側ヘリカルコイル３３に電力が送られると、その電力が磁界の共鳴によって受電側ヘリカルコイル５１にワイヤレスで送られる。さらに、受電側ヘリカルコイル５１に電力が送られると、その電力が電磁誘導によって受電側ループアンテナ５２に送られ、この受電側ループアンテナ５２に接続された負荷７に供給される。

　上述した給電システム１によれば、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の巻数が、３巻き以上６巻き以下に設けられているので、キャパシタＣ１、Ｃ２の容量に最大±１０％の誤差があったとしても所望の共鳴周波数ｆ０での伝送効率を８０％以上にすることができ、キャパシタＣ１、Ｃ２のばらつきに起因する伝送効率の低下を抑制できる。

　次に、本発明者らは、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の巻数Ｎ＝２とした給電システム１である比較品ａであって、キャパシタＣ１、Ｃ２の容量Ｃ＝Ｃｓで誤差のない比較品ａ１と、Ｃ＝Ｃｓ±５％であり、±５％の誤差のある比較品ａ２、ａ３と、Ｃ＝Ｃｓ±１０％であり、±１０％の誤差のある比較品ａ４、ａ５と、のそれぞれについて、共鳴周波数ｆ０付近での伝送効率をシミュレーションした。結果を図７に示す。

　また、本発明者らは、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の巻数Ｎ＝３、４、５とした給電システム１である本発明品ａ、ｂ、ｃであって、キャパシタＣ１、Ｃ２の容量Ｃ＝Ｃｓで誤差のない本発明品ａ１、ｂ１、ｃ１と、Ｃ＝Ｃｓ±５％で±５％の誤差がある本発明品ａ２、ａ３、ｂ２、ｂ３、ｃ２、ｃ３と、Ｃ＝Ｃｓ±１０％で±１０％の誤差がある本発明品ａ４、ａ５、ｂ４、ｂ５、ｃ４、ｃ５と、のそれぞれについて、共鳴周波数ｆ０付近での伝送効率をシミュレーションして、上記効果を確認した。結果を図８～図１０に示す。

　図１７に示すように、キャパシタＣ１、Ｃ２の容量Ｃの誤差がない従来品ａ１（Ｎ＝１）は、共鳴周波数ｆ０での伝送効率を９４％であるのに対して、誤差が±５％の従来品ａ２、ａ３（Ｎ＝１）は、伝送効率が９０％程度と、４％程度低下してしまう。さらに、誤差が大きい誤差±１０％の従来品ａ４、ａ５（Ｎ＝１）は、その伝送効率が５０％程度となり、４４％も低下してしまう。

　これに対して、図７に示すように、キャパシタＣ１、Ｃ２の容量Ｃの誤差がない比較品ａ１（Ｎ＝２）は、共鳴周波数ｆ０での伝送効率が９８％であるのに対して、誤差が±５％の比較品ａ２、ａ３（Ｎ＝２）は、伝送効率が９５％と、３％程度の低下に抑えることができると分かった。しかも、誤差が大きい誤差±１０％の比較品ａ４、ａ５（Ｎ＝２）でも、伝送効率７２％を確保することができ、比較品ａ１に比べて伝送効率の低下を２０％程度に抑えることができ、従来品ａ４、ａ５よりも伝送効率の向上を図ることができることが分かった。

　また、図８に示すように、キャパシタＣ１、Ｃ２の容量Ｃの誤差がない本発明品ａ１（Ｎ＝３）及び誤差が±５％の本発明品ａ２、ａ３（Ｎ＝３）の両者とも、共鳴周波数ｆ０での伝送効率が９８％であり、±５％程度の誤差であればほとんど伝送効率が低下しないことが分かった。しかも、誤差が大きい誤差±１０％の本発明品ａ４、ａ５（Ｎ＝３）でも、伝送効率８７％を確保することができ、本発明品ａ１に比べて伝送効率の低下を１０％程度に抑えることができ、従来品ａ４、ａ５よりも伝送効率の向上を図ることができることが分かった。

　また、図９に示すように、キャパシタＣ１、Ｃ２の容量Ｃの誤差がない本発明品ｂ１（Ｎ＝４）及び誤差が±５％の本発明品ｂ２、ｂ３（Ｎ＝４）の両者とも、共鳴周波数ｆ０での伝送効率が９８％であり、±５％程度の誤差であればほとんど伝送効率が低下しないことが分かった。しかも、誤差が大きい誤差±１０％の比較品ａ４、ａ５（Ｎ＝２）でも、伝送効率９６％を確保することができ、本発明品ａ１に比べて伝送効率の低下を２％程度に抑えることができ、従来品ａ４、ａ５よりも伝送効率の向上を図ることができることが分かった。

　また、図１０に示すように、キャパシタＣ１、Ｃ２の容量Ｃの誤差がない本発明品ｃ１（Ｎ＝５）、誤差が±５％の本発明品ｃ２、ｃ３及び誤差が±１０％の本発明品Ｃ４、ｃ５は、何れも共鳴周波数ｆ０での伝送効率が９８％であり、±１０％程度の誤差であればほとんど伝送効率が低下しないことが分かった。

　即ち、図８～図１０からも明らかなように、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の巻数Ｎを増やすに従って、キャパシタＣ１、Ｃ２の容量Ｃの誤差に起因する伝送効率の低下を抑制できることが分かった。

　また、本発明者らは、図５及び図６に示す給電システム１において給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の巻数Ｎを１～８に変化させたときの共鳴周波数ｆ０付近の伝送効率の最高値（Ｃ＝Ｃｓのときの値）、最低値（Ｃ＝Ｃｓ±１０％のときの値）をシミュレーションした。結果を図１１に示す。図１１からも明らかなように、キャパシタＣ１、Ｃ２の巻数Ｎを増やすに従って、キャパシタＣ１、Ｃ２の容量Ｃの誤差に起因する伝送効率の低下を抑制できることが分かった。ただし、Ｎ＝６よりも大きくなると、共振周波数ｆ０が変化するため、伝送効率は大幅に低下してしまう。

　これは、以下のようにして説明できる。一般に共鳴周波数ｆ０は、下記の式（１）で与えられる。
ｆ０＝１／（２π×ｓｑｒｔ（Ｌ×（Ｃｓ＋Ｃｐ））［Ｈｚ］　…（１）
Ｌ＝給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１のインダクタ、Ｃｓ＝キャパシタＣ１、Ｃ２の容量（集中定数キャパシタ）、Ｃｐ＝給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の寄生キャパシタ。

　給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の巻数Ｎが増大すると、上記寄生キャパシタＣｐが増大し、またインダクタＬも増大するため、結果的に集中定数キャパシタＣｓが小さくなる。このため、集中定数キャパシタＣｓが式（１）における共鳴周波数ｆ０に寄与する割合が減少するため、集中定数キャパシタＣｓのばらつきの影響が共鳴周波数ｆ０に影響しなくなったと考えられる。

　また、図１１からも明らかなように、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の巻数Ｎを、３巻き以上６巻き以下に設けることにより、キャパシタＣ１、Ｃ２の容量に最大±１０％の誤差があったとしても所望の共鳴周波数ｆ０での伝送効率を８０％以上にすることができ、キャパシタＣ１、Ｃ２のばらつきに起因する伝送効率の低下を抑制できることが分かった。

　なお、上述した実施形態では、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の巻数Ｎを３巻き以上６巻き以下に設けていたが、巻線Ｎを３巻き以上５巻き以下に設ける方が広い範囲で高い伝送効率を得るのにより好適である。また、図１２に示す給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の位置ズレｘに対してより好適である。図１２に示すように、位置ズレｘとは、給電側ヘリカルコイル３３の中心軸Ｚ１と受電側ヘリカルコイル５１の中心軸Ｚ２とのずれ量である。

　まず、本発明者らは、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の巻線Ｎを１～５．７に変化させたときの共鳴周波数ｆ０付近での伝送効率をシミュレーションして、効果を確認した。結果を図１３に示す。同図からも明らかなように巻数Ｎを増やすに従って、高伝送効率の周波数帯域が増えることが分かった。

　次に、本発明者らは、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の巻数Ｎが１～８の給電システム１において、０～０．７５Ｄ（Ｄ＝給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の直径）の位置ズレｘが発生したときの共鳴周波数ｆ０付近の伝送効率をシミュレーションして、効果を確認した。結果を図１４に示す。

　図１４からも明らかなように、巻数Ｎ＝１の従来品に比べ、巻数Ｎを増やすに従って、位置ズレｘに起因する伝送効率の低下を抑えることができることが分かった。ただし、Ｎ＝６よりも大きくなると、共振周波数ｆ０が変化するため、伝送効率は大幅に低下してしまう。

　また、図１４からも明らかなように、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の巻数Ｎが、３巻き以上５巻き以下に設けられているので、位置ズレｘが０．５Ｄあったとしても共鳴周波数ｆ０での伝送効率を６０％以上にすることができることが分かった。

　また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

　１　給電システム
　３　給電部（給電手段）
　５　受電部（受電手段）
　３３　給電側ヘリカルコイル（受電側コイル）
　５１　受電側ヘリカルコイル（受電側コイル）
　Ｃ１　キャパシタ
　Ｃ２　キャパシタ

Claims

　電力が供給される給電側コイルが設けられた給電手段と、前記給電側コイルと電磁共鳴して前記給電側コイルからの電力を受電する受電側コイルが設けられた受電手段と、を備えた給電システムにおいて、
　前記給電側コイルと前記受電側コイルとの中心軸が互いにずれた位置で前記給電手段及び前記受電手段のインピーダンスが整合されている
　ことを特徴とする給電システム。
　前記給電側コイル及び前記受電側コイルは、円形に巻いて設けられている
　ことを特徴とする請求項１に記載の給電システム。
　電力が供給される給電側コイルと、前記給電側コイルと電磁共鳴して前記給電側コイルからの電力を受電する受電側コイルと、前記給電側コイル及び前記受電側コイルの両端にそれぞれ接続された共鳴周波数調整用のキャパシタと、を備えた給電システムにおいて、
　前記給電側コイル及び前記受電側コイルの巻数が、３巻き以上６巻き以下に設けられている
　ことを特徴とする給電システム。
　前記給電側コイル及び前記受電側コイルの巻数が、３巻き以上５巻き以下に設けられている
　ことを特徴とする請求項３に記載の給電システム。