WO2013150784A1

WO2013150784A1 - コイルユニット及びコイルユニットを備える電力伝送装置

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Publication number: WO2013150784A1
Application number: PCT/JP2013/002293
Authority: WO
Inventors: 湯浅　安仁; 太志出口; 立松　英樹; 克也岡本; 江口　和弘
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2013-10-10
Also published as: JP2013214613A

Abstract

　線間での近接効果を抑制して抵抗損失を抑えるとともに、磁束の指向性を高め、コイルのインダクタンスを高くして、コイルのＱ値を上げることができるコイルユニット。コイルユニット（１００）は、線状導体（１１０）の線間に磁性体（１２０）を介在させた平面渦巻きコイル（１１１）と、平面渦巻きコイル（１１１）の送受電面と反対の面を覆う磁性体シート（１３０）と、を備える。線状導体（１１０）の断面最大長さをＷｃ、線間磁性体（１２０）の幅をＷｇとした場合、０．２≦Ｗｇ／Ｗｃ≦３．５である。また、線間磁性体（１２０）の透磁率は、１０００[Ｈ／ｍ]以上３０００[Ｈ／ｍ]以下、かつ、磁性体シート（１３０）の透磁率は、５０[Ｈ／ｍ]以上５００[Ｈ／ｍ]以下である。

Description

コイルユニット及びコイルユニットを備える電力伝送装置

　本発明は、コイルユニット及びコイルユニットを備える電力伝送装置に関し、例えば送電装置から電子機器等に対して電磁誘導により非接触で電力を伝送するコイルユニット及び電力伝送装置に関する。

　従来、ワイヤレス電力伝送装置として、送電装置に設けた１次側送電用コイルと、受電側である電子機器や車両側に設けた２次側受電用コイルとの間で、両コイル間の電磁誘導作用を利用して電力伝送を行うワイヤレス電力伝送装置がある。ワイヤレス電力伝送では接点部分の露出がないために防水性の確保が容易なことや、電気的接点部分の不良や劣化を気にしなくてもよく、電力送電装置と電力受電機器の着脱を容易に行うことができるなどの利点がある。

　これらの電子機器等に搭載されている１次側送電コイル及び２次側受電コイルは、コアに巻き線を巻いたものやボビンに巻き線を巻いたものが一般的に用いられている。近年、受電側の携帯電子機器に対して、小型化、薄型化、高機能化が要求されている。これらの要求に対して、送電装置及び受電側の電子機器に設ける送受電のコイルとして平面コイルを用いることが提案されている。

　上記ワイヤレス電力伝送装置は、１次側送電コイルと２次側受電コイルを電磁誘導結合が効率化できるように対向して備える。商用電源からの電圧を高周波インバータ回路により高周波交流電圧に変換して１次側送電コイルに加えることで、この１次側送電コイルに６０～６００ｋＨｚの高周波の交流磁束が発生する。そして、電磁誘導作用により、受電側の電子機器内の２次側受電コイルにて該交流磁束により誘起された交流電圧が、２次側の整流平滑回路で直流に変換した後に充電手段である２次電池に給電される。

　送受電のコイルとして用いられるコイルは、ワイヤレス電力伝送装置を小型化するため、スパイラルで平面状に構成された平面コイルを用いることにより、小型化、薄型化される。しかし、それを平面化した場合にはコアの使用ができないので、コイルから発生する磁界による不要輻射の抑制、及び電力伝送の効率化を図る必要がある。

　特許文献１には、電力伝送の効率化を図るため１次側送電用平面コイル及び２次側受電平面コイルは、その両者が対向する面の反対側の面に、磁性シートをそれぞれ設ける装置が記載されている。

　上記特許文献１に記載のワイヤレス電力伝送装置は、装置を小型化するため、小型化されたコイルが約６０～６００ｋＨｚの高周波で用いられる。そして、１次側送電用平面コイル及び２次側受電平面コイルには、その両者が対向する面の反対側の面に、磁性シートがそれぞれ設けられている。これによりコイルから発生する磁界による不要輻射を抑制することができる。

特開２００６－４２５１９号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の電力伝送装置は、単に磁性シートを配置するだけであったため、コイル線間での近接効果を抑制することが十分にできない。また、特許文献１に記載の電力伝送装置は、発生する磁束強度を高めてワイヤレス電力電送効率の低下を抑えること、及び、発生する磁束が受電側の２次コイルとの電磁結合をより強くすることについても十分にできない。

　本発明の目的は、線間での近接効果を抑制して抵抗損失を抑えるとともに、磁束の指向性を高め、コイルのインダクタンスを高くして、コイルのＱ値を上げることができるコイルユニット及びコイルユニットを備える電力伝送装置を提供することである。

　本発明に係るコイルユニットは、線状導体をスパイラル状に巻回して形成された平面コイルと、前記線状導体の線間に介在された第１の磁性体と、前記平面コイルの一側の面を覆って設けられた第２の磁性体と、を備える構成を採る。

　本発明に係る電力伝送装置は、上記コイルユニットを用いて構成され、前記平面コイルの前記第２の磁性体との対向面とは反対側の面が送電側の面に配置された送電コイルと、該送電コイルに電力を供給する送電部と、を含む構成を採る。

　本発明に係る電力伝送装置は、上記コイルユニットを用いて構成され、前記平面コイルの前記第２の磁性体との対向面とは反対側の面が受電側の面に配置された受電コイルと、該受電コイルで受電された電力を出力する受電装置と、を含む構成を採る。

　本発明によれば、線間での近接効果を抑制して抵抗損失を抑えるとともに、磁束の指向性を高め、コイルのインダクタンスを高くして、コイルのＱ値を上げることができる。また、電力電送効率の低下を抑え、高効率での送電側・受電側コイル間での長距離の電力伝送を実現することができる。さらに、送電側・受電側コイル間の少々の位置ずれがあったとしても、電力電送効率が大きく低下することがない電力伝送装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係るコイルユニットの構成を示す斜視図上記実施の形態１に係るコイルユニットの構成を示す平面図図２のＡ－Ａ’矢視断面図上記実施の形態１に係るコイルユニットの線状導体の他の構成を示す断面図上記実施の形態１に係るコイルユニットの線状導体の他の構成を示す断面図上記実施の形態１に係るコイルユニットを送電装置の１次側送電コイルと電子機器の２次側受電コイルとして用いた構成を示す断面図上記実施の形態１に係るコイルユニットの電力伝送効率を測定する回路図上記実施の形態１に係るコイルユニットの磁束発生経路の磁束発生をシミュレーションにより示す図上記実施の形態１に係るコイルユニットの磁束発生経路の磁束発生をシミュレーションにより示す図上記実施の形態１に係るコイルユニットの伝送特性を示す図上記実施の形態１に係るコイルユニットの伝送特性を示す図上記実施の形態１に係るコイルユニットの伝送特性を示す図上記実施の形態１に係るコイルユニットの伝送特性を示す図上記実施の形態１に係るコイルユニットの伝送特性を示す図上記実施の形態１に係るコイルユニットの伝送特性を示す図本発明の実施の形態２に係るコイルユニットを備えるワイヤレス電力伝送装置の電子機器と送電装置の主要構成図上記実施の形態２に係るコイルユニットを備えるワイヤレス電力伝送装置の構成を示す図

　以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

　（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１に係るコイルユニットの構成を示す斜視図である。図２は、本実施の形態に係るコイルユニットの平面図、図３は、図２のＡ－Ａ’矢視断面図である。以下、本発明に係るコイルユニットを、ワイヤレス電力伝送装置に適用される平面コイルで具現化した例で説明する。

　図１乃至図３に示すように、コイルユニット１００は、１次側送電コイル又は２次側受電コイルである。

　コイルユニット１００は、線状導体１１０をスパイラル状（渦巻き状）に巻回して形成され、線状導体１１０の線間に線間磁性体１２０（第１の磁性体）を介在させた平面渦巻きコイル１１１と、平面渦巻きコイル１１１の一方の面を覆う磁性体シート１３０（第２の磁性体）と、線状導体１１０の始端１１０ａに接続された始端端子１４０と、線状導体１１０の終端１１０ｂに接続された終端端子１５０と、を備える。

　ここで、平面渦巻きコイル１１１は、線状導体１１０が巻き回されて形成されたものである。平面渦巻きコイル１１１は、線状導体１１０と線間磁性体１２０とを一緒に巻き回して作製される。あるいは、平面渦巻きコイル１１１は、線状導体１１０の線間に線間磁性体１２０を挿入することにより作製される。

　磁性体シート１３０は、平面渦巻きコイル１１１の送受電面と反対の面に設けた磁性体層であり、線状導体１１０が発生する磁界による不要輻射を抑制する。磁性体シート１３０は、ケイ素鋼板、アモルファス金属などの磁性材料からなる。

　コイルユニット１００の構成についてより詳細に説明する。

　一般的に電力伝送コイルには、数十～数百ｋＨｚの高周波電流が印加される。１本の単線を巻回してコイルを形成した線状導体１１０に高周波電流を流す場合、近接する２本以上の線状導体１１０に平行して同じ向きの電流が流れると、導体断面の電流分布は中心軸側に偏った形となり、コイルユニット１００の抵抗値が増大し、損失が増大するといういわゆる近接効果が現れやすくなる傾向にある。

　コイルユニット１００を構成する線状導体１１０間に一定の間隙を設けることで、線間での近接効果を抑制することができる。これにより、コイルユニット１００の抵抗値を低減することができ、抵抗損失を抑えることができる。しかし、コイルユニット１００のインダクタンスも減少する傾向にあり、コイルユニット１００のＱ値を高めるには限界がある。

　（１）コイルユニット１００は、線状導体１１０間に高透磁率の線間磁性体１２０を介在させる。これにより、磁界が線間磁性体１２０に集中し、隣り合う導線パターン間での磁束の干渉を抑制することができる。これにより、近接効果が抑制されるとともに、線状導体１１０での抵抗値増大を防げるとともに、コイルユニット１００のインダクタンスを高めることができ、コイルユニット１００のＱ値を高めることに寄与する。そして、発生する磁束が線間の線間磁性体１２０に集中するので、その集中した磁束が受電側の２次コイルとの電磁結合をより強くすることができる。

　（２）コイルユニット１００は、平面渦巻きコイル１１１を形成する線状導体１１０の断面最大長さをＷｃ、線状導体１１０の間に介在させた磁性体１２０の幅をＷｇとした場合、以下の関係を満たす構成とする。
　０．２≦Ｗｇ／Ｗｃ≦３．５

　線間磁性体１２０の幅Ｗｇを線状導体１１０の断面最大長さＷｃの０．２倍以上、３．５倍以下とする構成とすることにより、近接効果を抑制する効果と、発生する磁界を線間磁性体１２０に集中させて受電側の２次コイルとの電磁結合をより強いものとする効果を両立させる。０．２倍よりも短くすると近接効果抑制効果が弱まり、３．５倍よりも大きくなると、発生する磁界を線間磁性体１２０に集中させる効果が弱まる傾向にある。

　（３）コイルユニット１００は、平面渦巻きコイル１１１の送受電面と反対の面に磁性体シート１３０を設ける。

　この構成により、コイルユニット１００のインダクタンスを高めることができ、コイルユニット１００のＱ値を高め、発生する磁束が線間磁性体１２０に集中するので、その集中した磁束が受電側の２次コイルとの電磁結合をより強くすることができる。また、コイルユニット１００の伝送面と反対側に低透磁率の磁性体（第２の磁性体）を設けることにより、コイルユニット１００から発生した磁束の漏れを低減して磁気シールド効果を発揮できる。さらに、高周波成分のコイルユニット間での結合係数を高めて電送効率を向上することができ、低ノイズ化を図ることができる。その結果、磁束の指向性を高め、伝播損失の低減を図ることができる。

　（４）コイルユニット１００の線間磁性体１２０の透磁率は、磁性体シート１３０の透磁率よりも高い。具体的には、線間磁性体１２０の磁性体の透磁率は、１０００[Ｈ／ｍ]以上３０００[Ｈ／ｍ]以下であり、磁性体シート１３０の磁性体の透磁率は、５０[Ｈ／ｍ]以上５００[Ｈ／ｍ]以下である。

　線間磁性体１２０よりも透磁率の低い磁性シート１３０をコイルユニット１００の送受電面と反対側に設ける構成により、発生する磁界を線間磁性体１２０に集中させて近接効果を抑制し、線状導体１１０での抵抗値増大を防ぐとともに、集中した磁束が受電側の２次コイルとの電磁結合をより強くすることができる。そして、コイルユニット１００から発生した磁束の漏れを低減して磁気シールド効果を発揮できるとともに、磁束の指向性を高めて電送効率を上げることができる。

　線間磁性体１２０の透磁率が１０００[Ｈ／ｍ]よりも小さいと、線状導体１１０での抵抗値増大を防ぐ効果が発揮されにくく、また、受電側の２次コイルとの電磁結合をより強くする効果が弱まる傾向がある。また、線間磁性体１２０の透磁率が３０００[Ｈ／ｍ]よりも大きいと、磁性シート１３０自体の材料コストが上がる。

　磁性体シート１３０の透磁率が５０[Ｈ／ｍ]よりも小さいと、コイルユニット１００における電力伝送方向へのインダクタンス特性を高める効果が弱くなる傾向がある。磁性体シート１３０の透磁率が５００[Ｈ／ｍ]よりも大きいと、電力伝送方向外での面の磁気シールド機能が弱まる傾向がある。

　以下、本実施の形態のコイルユニット１００の具体的な構造について説明する。

　図２に示すように、コイルの素線である線状導体１１０を始端端子１４０から終端端子１５０までスパイラル状に巻回して円形状にコイルユニット１００を形成した。このとき、コイルユニット１００を形成する線状導体１１０間に一定の線間隙を保持した形で巻回し、その間隙に線間磁性体１２０を存在させた。

　図３に示すように、コイルユニット１００は、線状導体１１０と、その隣接する線状導体１１０間に一定の間隙を設け、その間隙に線間磁性体１２０を介在させる。さらに、送受電面の方向とは逆の面に磁性体シート１３０を設ける。

　線状導体１１０は、一定の太さを有する素線１本から構成される場合や、矩形状のものや、細い素線を複数本並べたものや、複数の素線を束ねたリッツ線の構成とすることができる。

　図３では、好ましい一つの構成として、正方形のような矩形状の線状導体１１０を使用した構成を示す。単位断面積当たりの導線の占めうる領域が多くなり、コイルユニット１００のインダクタンスを高める効果が得られる。そして、矩形状の線間磁性体１２０間に高透磁率の線間磁性体１２０を介在させることで、コイルユニット１００のインダクタンスを高めることができる。また、磁界が線間磁性体１２０により集中する効果が得られ、これにより近接効果が抑制され、線状導体１１０での抵抗値増大を防ぐ効果を得ることができる。

　図４及び図５は、本実施の形態の他のコイルユニットの線状導体の構成を示す断面図である。

　図４に示すように、コイルユニット１００Ａは、１本の素線からなる線状導体１１０Ａを有する。

　また、図５に示すように、コイルユニット１００Ｂは、細い素線を複数本並べた線状導体１１０Ｂを有する。図５では、線状導体１１０Ｂは、４本を平行に配置した素線である。また、線状導体１１０Ｂとして、複数の素線を束ねて巻き回したリッツ線の構成とすることも好ましい。

　本実施の形態のコイルユニット１００は、線状導体１１０間にフェライト等の線間磁性体１２０を介在させる構成を採る。この構成により、コイルユニット１００のインダクタンスを増加させることができる。また、コイルユニット１００の抵抗損失を低減でき、コイルユニット１００のＱ値を向上させて、電送効率を改善することができる。

　ここで、線状導体１１０の断面横幅長さＷｃと、線状導体１１０の間に介在させる線間磁性体１２０の幅Ｗｇについて説明する。

　本実施の形態のコイルユニット１００は、コイルを形成する線状導体１１０の断面横幅長さをＷｃ、線状導体１１０の間に介在させる線間磁性体１２０の幅をＷｇとすると、以下の関係をみたす構成とすることが好ましい。
　０．２≦Ｗｇ／Ｗｃ≦３．５

　線間磁性体１２０の幅Ｗｇを線状導体１１０の断面最大長さＷｃの０．２倍以上で、３．５倍以下とする構成とすることにより、近接効果を抑制してコイルユニット１００の損失抵抗を低減させるとともに、コイルユニット１００のインダクタンスをより高める効果を発揮させる範囲を明確にした。発生する磁界を線間磁性体１２０に集中させて受電側の２次コイルとの電磁結合をより強くする。０．２倍よりも短くすると近接効果抑制効果が弱まり、３．５倍よりも大きくなると、コイルユニット１００インダクタンスが低下して発生する磁界を線間磁性体１２０に集中させる効果が弱まる傾向にある。好ましくは、線間磁性体１２０の幅Ｗｇを線状導体１１０の断面最大長さＷｃの０．４倍以上で、２．５倍以下、より好ましくは線間磁性体１２０の幅Ｗｇを線状導体１１０の断面最大長さＷｃの０．６倍以上で、１．５倍以下である。

　また、線間磁性体１２０の透磁率は、１０００[Ｈ／ｍ]以上、磁性体シート１３０の透磁率は、５０[Ｈ／ｍ]以上５００[Ｈ／ｍ]以下の構成とすることが好ましい。

　この構成により、発生する磁界を線間磁性体１２０に集中させて近接効果を抑制し、線状導体１１０での抵抗値増大を防ぐとともに、集中した磁束が受電側の２次コイルとの電磁結合をより強いものとできる。そして、コイルユニット１００から発生した磁束の漏れを低減して磁気シールド効果を発揮できるとともに、磁束の指向性を高めて電送効率を上げる構成を明確にした。

　線間磁性体１２０の透磁率が１０００よりも小さいと線状導体１１０での抵抗値増大を防ぐ効果が発揮されにくく、また、受電側の２次コイルとの電磁結合をより強くする効果が弱まる傾向にある。磁性体シート１３０の透磁率が５０[Ｈ／ｍ]よりも小さいと、コイルユニット１００における電力伝送方向へのインダクタンス特性を高める効果が弱くなる傾向になる。磁性体シート１３０の透磁率が５００[Ｈ／ｍ]よりも大きいと、電力伝送方向外での面の磁気シールド機能が弱まる傾向になる。

　また、線間磁性体１２０の透磁率は、３０００[Ｈ／ｍ]以下とすることが好ましい。３０００[Ｈ／ｍ]よりも大きいと、電送効率が低下する傾向にある。

　また、磁性体としては、Ｎｉ－Ｚｎ系のフェライト、Ｍｎ－Ｚｎ系のフェライト、Ｍｇ－Ｚｎ系のフェライトシート等が使用可能である。アモルファス金属も磁性シートとして用いることができる。磁性体としてフェライトを使用する場合は、コイルユニット１００の交流抵抗を低下させる点で有利である。磁性体としてアモルファス金属を使用する場合はコイルユニット１００を薄型化することができる。

　また、電力伝送用の１次送電コイルから発生した磁束が、線間磁性体１２０内を通り、反対面にまで通過することなく線間磁性体１２０端部から前面に出て行く。その前面から放出された磁束は受電側の２次受電コイルへと収束される。磁性体材料としては、鉄の酸化物を含んだ化合物の結晶体が集まってできたフェライト、特に比抵抗が大きく、フェライト内部での渦電流損失の少ないＮｉ－Ｚｎ系フェライトを用いることが好ましい。また、樹脂中に磁性体であるフェライト粒子を分散させたグリーンシートのような構造のものは透磁率（μ）を低くすることができる。

　次に、本実施の形態のコイルユニット１００の製造方法について説明する。

　まず、磁性体シート１３０全面にドライフィルムレジストを塗布し、配線パターン以外の部分を熱硬化又は紫外線硬化を施し、エッチング処理により、非箇所を除去する。その後、シリカ微粒子によるサンドブラスト処理することにより、幅０．１～１ｍｍ程度の螺旋状の溝を設けることができる。その溝に線状導体１１０を挿入し固定する。そして電力電送方向とは逆の面に一定の厚さと透磁率を持つ磁性体シート１３０を接着等で固定して、コイルユニット１００を得ることができる。

　また、フェライト基板に一定の深さの凹部を形成するため、その形状の非磁性絶縁体（誘電体等）を未焼成の磁性材料に埋め込み、フェライト基板を焼成する。その後この非磁性絶縁体をサンドブラスト（パウダービーム）、レーザ、エッチング等の処理により除去する。除去された凹の螺旋状パターンに線状導体１１０を挿入し固定することができる。あるいは、線状導体１１０を挿入する代わりに、フェライト基板全表面に対して、めっき、蒸着、スパッタ等の処理を行うことによりＣｕ等の導体層を形成する。続いて、凹部の溝のみに導体が残るように表面を研磨して、溝部の導体以外を削除して螺旋状導体を形成してコイル部とする。その後、電力電送方向とは逆の面に一定の厚さと透磁率を持つフェライト磁性粉入りのエポキシ樹脂を、スクリーン印刷法等により磁性体シート１３０をコイル上に塗布して、熱硬化させ（例えば約１５０℃）、コイル上に一定の厚さのフェライト磁性粉入りエポキシ樹脂層を形成することができる。

　次に、コイルユニット１００を、送電装置の１次側送電コイル、又は電子機器の２次側受電コイルとして用いる場合について説明する。

　図１に示すように、コイルユニット１００は、平面渦巻きコイルである線状導体１１０と、線状導体１１０の線間に介在させた線間磁性体１２０と、線状導体１１０及び線間磁性体１２０の一方の面を覆う磁性体シート１３０と、始端端子１４０と、終端端子１５０と、を備える。

　始端端子１４０及び終端端子１５０は、図示しない送電回路部又は受電回路部に電気的に接続される。コイルユニット１００から生成される磁束は、紙面に垂直なＺ軸方向に向かう。

　図６は、コイルユニット２００を、送電装置の１次側送電コイル２１０と電子機器の２次側受電コイル２２０として用いた構成を示す断面図である。

　図６に示すように、コイルユニット２００は、電磁誘導により電力を送電する１次側送電コイル２１０と、１次側送電コイル２１０からの電力を受電する２次側受電コイル２２０と、１次側送電コイル２１０を収容する送電装置のハウジング２３０と、２次側受電コイル２２０を収容する電子機器のハウジング２４０と、を備える。

　１次側送電コイル２１０は、線状導体１１０をスパイラル状（渦巻き状）に巻回して形成され、線状導体１１０の線間に磁性体１２０を介在させた平面渦巻きコイル１１１と、平面渦巻きコイル１１１の一方の面を覆う磁性体シート１３０Ａと、を備える。１次側送電コイル２１０は、送電装置のハウジング２３０の内面に磁性体シート１３０Ａ側が収容されるように設置されている。

　２次側受電コイル２２０は、線状導体１１０をスパイラル状に巻回して形成され、線状導体１１０の線間に磁性体１２０を介在させた平面渦巻きコイル１１１と、線状導体１１０の線間に介在された線間磁性体１２０と、平面渦巻きコイル１１１の一方の面を覆う磁性体シート１３０Ｂと、を備える。

　以上の構成において、送電装置のハウジング２３０と電子機器のハウジング２４０とが近接して電磁誘導結合することにより、ワイヤレスで電力伝送を行うことができる。

　以下、本発明に係るワイヤレス電力伝送についてより具体的な実施例を挙げて説明する。

　[実施例１]
　図１に示すコイルユニット１００を使用してワイヤレス電力伝送を評価した。スイッチング周波数は１５０ｋＨｚ、１次側送電コイルと２次側受電コイルとの伝送距離は４０ｍｍ、送電装置からの送電電力は２０Ｗ、という条件で評価を行った。

　図７は、コイルユニット１００の電力伝送効率を測定する回路図である。

　図７の測定回路２５０において、電力伝送効率（η＝Ｖ_２×Ｉ_２／Ｖ_１×Ｉ_１）を測定した。

　測定回路２５０は、送電側が定電圧電源２５１、送電回路２５２及び１次側送電コイル２１０を備え、受電側が２次側受電コイル２２０、受電回路２５３、及び負荷２５４を備える。

　定電圧電源２５１により定電圧源供給される電流（Ｉ_１）、電圧（Ｖ_１）を、送電回路２５２を通じて１次側送電コイル２１０に送る。そして、電磁誘導により２次側受電コイル２２０に誘起された電圧を、受電回路２５３を通じて、電流（Ｉ_２）、負荷２５４にかかる電圧（Ｖ_２）から電力電送効率を測定した。

　表１は、比較例１－３と本実施例１におけるコイル特性を示す。Ｗｃ[ｍｍ]は、コイルユニット１００の横幅の最大長さ、この場合は導線の直径を示す。Ｗｇ[ｍｍ]は、コイルユニット１００を構成する近接する線状導体１１０間の間隙又はその間隙に介在させる線間磁性体１２０の幅を示す。コイルユニット１００が円形の場合は、内径Ｒ１[ｍｍ]、外径Ｄ１[ｍｍ]、矩形状コイルの場合は内径は、Ｎ１、外径はＭ１に相当する。Ｒｅ[Ω]は、コイルユニット１００の抵抗、Ｑはコイルユニット１００のＱ値、η[％]は電力電送の伝送効率を示す。

　比較例１は、従来のコイルユニットである。このコイルユニットは、スパイラル状に直径０．６ｍｍの線状導体を巻き回した構成である。

　比較例２は、上記従来のコイルユニットにおいて、電力電送面と反対側に透磁率２２００[Ｈ／ｍ]の厚さ０．８ｍｍの磁性体シート１３を配置した構成である。

　比較例３は、従来の他のコイルユニットである。このコイルユニットは、エポキシ樹脂の基板上にスパイラル状のパターンの溝を形成し、溝にスパイラル状に直径０．６ｍｍの線状導体を巻き回し、隣接する線状導体間に一定の間隙Ｗｇを設けた構成である。

　実施例１は、図２及び図３に示すコイルユニット１００のコイル特性である。コイルユニット１００は、透磁率４００の磁性体シート１３０の上にスパイラル状に直径０．６ｍｍの線状導体１１０を巻き回して平面コイルを形成し、隣接する線状導体１１０間の間隙Ｗｇに透磁率２８００[Ｈ／ｍ]の厚さ０．８ｍｍの線間磁性体１２０を介在させた構成である。

　上述したように、コイルユニット１００は、まず、磁性体シート１３０全面にドライフィルムレジストを塗布し、配線パターン以外の部分を紫外線硬化を施し、エッチング処理により、配線箇所部を除去する。その後、シリカ微粒子によるサンドブラスト処理することにより、幅０．６ｍｍの螺旋状の溝を設ける。その溝に線状導体１１０を挿入し固定する。そして電力電送方向とは逆の面に０．８ｍｍの厚さの磁性体シート１３０を接着等で固定して、図３に示したコイルユニット１００を得た。

　表１に示すように、比較例２では、コイルユニット１００の電送面と逆の面に磁性体シート１３０を配置すると、コイルインダクタンスは増加する。しかしながら、コイルユニット１０の損失抵抗が増加し、その結果、コイルユニット１００のＱ値が低下し、電送効率を下げてしまう。比較例３では、近接する線状導体１１０間に一定の間隙を設けることにより、コイルインダクタンスは減少する。近接効果の抑制によりコイルユニット２００の損失抵抗が減少し、コイルユニット１００のＱ値が高くなり、電送効率の向上につながっている。

　上記比較例１－３に対して、本実施例１のコイルユニット１００は、近接する線状導体１１０間に線間磁性体１２０を介在させることにより、コイルの損失抵抗は増加するものの、コイルインダクタンスは増加し、コイルのＱ値が高くなることで、電送効率が改善する効果が得られている。

　図８及び図９は、コイルユニットの磁束発生経路の磁束発生をシミュレーションにより示す図である。図８は、比較例３のコイルユニット２００の線状導体１１０間に一定の間隙を設けた場合の磁束発生経路の磁束発生を示す。図９は、本実施例１のコイルユニット１００の磁性体シート１３０の上にスパイラル状に線状導体１１０を巻き回し、近接する線状導体１１０間の間隙に線間磁性体１２０を介在させた場合の磁束発生経路の磁束発生を示す。

　図９に示すように、コイルユニット１００付近から強い磁束の発生が見られ、それが上方に誘導されている状態が観察される。

　表２は、コイルユニット１００のＷｇを変えたときのコイル特性を示す。Ｎ１、Ｍ１は、図２に示す内辺長、外辺長である。

　図１０は、コイルユニット１００の伝送特性を示す図である。横軸は線状導体１１０の断面最大幅長Ｗｃに対する線間磁性体１２０の幅Ｗｇの割合（Ｗｇ／Ｗｃ）、縦軸は各実施例のコイルユニット１００の抵抗値Ｒｅ[Ω]を示す。

　図１０に示すように、Ｗｇ／Ｗｃの増加に伴い、つまり、線状導体１１０の断面最大幅長Ｗｃに対して、近接する線状導体１１０間の間隔に介在する線間磁性体１２０の幅Ｗｇを大きくするに従い、コイルユニット１００の抵抗値が減少する傾向にある。近接する線状導体１１０間での近接効果の抑制の効果と考えられる。

　図１１は、コイルユニット１００の伝送特性を示す図である。横軸はＷｇ／Ｗｃ、縦軸は各コイルのＱ値を示す。

　図１１に示すように、Ｗｇ／Ｗｃの増加に伴い、コイルユニット１００のインダクタンスの低下が抑えられ、コイル抵抗の減少により、コイルＱ値は上昇する。一定のＷｇ／Ｗｃからやや減少する傾向にあるが、全体として高いコイルのＱ値を維持している。

　図１２は、コイルユニット１００の伝送特性を示す図である。横軸はＷｇ／Ｗｃ、縦軸は電送効率を示す。

　図１２に示すように、コイルのＱ値と似た傾向を示しており、全体的に、高い電送効率を保持することが可能となる。

　このように、本実施例１のコイルユニット１００は、前述した比較例１－３に対して、近接する線状導体１１０間に間隙を設け線間磁性体１２０を介在させることにより、コイルの損失抵抗はやや増加する傾向にあるものの、コイルインダクタンスは増加し、コイルＱ値が高くなることで、電送効率が改善する効果が得られている。

　表３は、図３における線間磁性体１２０の透磁率（μ１）及び磁性体Ｂの透磁率（μ２）を変えたときのコイルユニット１００の特性を示す。

　図１３は、コイルユニット１００の伝送特性を示す図である。横軸は線間磁性体１２０の透磁率と磁性体シート１３０の透磁率（μ１／μ２）の値、縦軸はコイルの抵抗値Ｒｅ(Ω)を示す。

　図１３に示すように、透磁率の増加に伴い、コイルの抵抗値がやや増加する傾向にある。

　図１４は、コイルユニット１００の伝送特性を示す図である。横軸は線間磁性体１２０の透磁率と磁性体シート１３０の透磁率（μ１／μ２）の値、縦軸は各コイルのＱ値を示す。

　図１４に示すように、μ１／μ２が一定の高い値である場合には、コイルの高いインダクタンス値が支配的になり、高いコイルＱ値を保持する傾向にある。μ１／μ２が下がることで、やや減少する傾向にあるが、全体として高いコイルのＱ値を維持している。

　図１５は、コイルユニット１００の伝送特性を示す図である。横軸は線間磁性体１２０の透磁率と磁性体シート１３０の透磁率（μ１／μ２）の値、縦軸は電送効率を示す。

　図１５に示すように、コイルのＱ値と似た傾向を示しており、全体的に、高い電送効率を保持することが可能となる。

　このように、近接する線状導体１１０間に間隙を設け、線間磁性体１２０を介在させ、一定の透磁率を有する線間磁性体１２０を使用することにより、高いコイルインダクタンスにより、高いコイルＱ値を保持でき、電送効率が向上する効果が得られる。

　以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、コイルユニット１００は、線状導体１１０をスパイラル状の平面曲線状に巻回して形成され、線状導体１１０の線間に磁性体１２０を介在させた平面渦巻きコイル１１１と、平面渦巻きコイル１１１の送受電面と反対の面を覆う磁性体シート１３０と、を備える。線状導体１１０の断面最大長さをＷｃ、線間磁性体１２０の幅をＷｇとした場合、０．２≦Ｗｇ／Ｗｃ≦３．５である。また、線間磁性体１２０の透磁率は、１０００[Ｈ／ｍ]以上３０００[Ｈ／ｍ]以下、かつ、磁性体シート１３０の透磁率は、５０[Ｈ／ｍ]以上５００[Ｈ／ｍ]以下である。

　この構成により、以下の効果を得ることができる。

　（１）近接する線状導体同士において、導体断面の電流分布は中心軸側に偏った形となり、コイルの抵抗値が増大しやすい傾向にある。そこで、コイルを構成する線状導体１１０間に一定の間隙を設けることで、線間での近接効果を抑制して抵抗損失を抑えることができる。

　（２）線状導体１１０の線間に高透磁率の線間磁性体１２０を介在させることで、磁界が磁線間磁性体１２０に集中する。これにより近接効果が抑制され、線状導体１１０での抵抗値増大を防ぐことができる。また、発生する磁束が線間磁性体１２０に集中し、その集中した磁束が受電側の２次コイルとの電磁結合をより強くすることができる。

　（３）線状導体１１０間に介在させた線間磁性体１２０よりも透磁率の低い磁性体シート１３０で、線状導体１１０の送受電面と反対側の面を覆うことで、線状導体１１０から発生した磁束の漏れを低減して磁気シールド効果を発揮することができる。また、磁束の指向性を高め、コイルのインダクタンスを高くすることができる。その結果、コイル伝送特性のＱ値を上げることが可能になり、伝播損失の低減を図ることができる。

　以上のことから、コイルユニット１００は、高出力のワイヤレス電力伝送に使用しても、電力電送効率の低下を抑えることができ、１次側・２次側コイル間での長距離の電力伝送が可能となる。また、１次側・２次側コイル間に少しの位置ずれがあったとしても、電力電送効率が大きく低下することがないという優れた効果を奏する。

　（実施の形態２）
　実施の形態１では、コイルユニット１００について説明した。

　実施の形態２は、コイルユニット１００を備えるワイヤレス電力伝送装置について説明する。

　図１６及び図１７は、本発明の実施の形態２のコイルユニットを備えるワイヤレス電力伝送装置の構成を示す図である。図１６は、上記ワイヤレス電力伝送装置の電子機器と送電装置の主要構成図、図１７は、充電装置と電子機器端末間でのワイヤレス電力伝送の制御回路図である。図６と同一構成部分には同一符号を付している。

　図１６及び図１７に示すように、ワイヤレス電力伝送装置３００は、送電装置３１０と、受電装置である電子機器３２０と、を含んで構成される。

　送電装置３１０と電子機器３２０とは、電磁誘導結合することにより、ワイヤレスで電力伝送を行うワイヤレス電力伝送装置を形成する。

　<送電装置３１０>
　送電装置３１０は、電子機器３２０が載置されて、電子機器３２０の２次電池３２１の充電を行う充電装置である。

　送電装置３１０は、１次側送電コイル２１０と、送電制御部３１２と、送電回路部３１３と、を備える。

　１次側送電コイル２１０は、電子機器３２０の２次電池３２１の充電を行う際の送電側のワイヤレス電力伝送コイルである。１次側送電コイル２１０は、本実施例１のコイルユニット１００を用いる。

　送電制御部３１２は、１次側送電コイル２１０へ電力供給とその制御を行う。

　<電子機器３２０>
　電子機器３２０は、受電側の電子機器である。ここでは、電子機器内の負荷として蓄電用の２次電池３２１を内蔵する電子機器に適用している。

　電子機器３２０は、２次側受電コイル２２０と、２次電池３２１と、充電制御回路３２２と、を含む回路基板を備える。

　２次側受電コイル２２０は、２次電池３２１の充電を行う際の受電側となる受電側のワイヤレス電力伝送コイルであり、本実施例１のコイルユニット１００を用いる。

　２次電池３２１は、端末の動作電力を発生する。

　次に、ワイヤレス電力伝送装置３００の動作を説明する。

　電子機器３２０の２次側受電コイル２２０が、送電装置３１０の１次側送電コイル２１０に接近することで、両コイルの電磁誘導結合により２次側受電コイル２２０に交流電圧が誘起される。誘起された交流電圧は、受電回路部３２３に供給される。

　商用電源３１１である１００[Ｖ]の交流電圧を、図示しないＡＣ／ＤＣコンバータにより所定の直流電圧に変換し、その直流電圧を所定の周波数の交流電圧を生成して、その生成された交流電圧を送電回路部３１３に送る。生成された交流電圧は、送電回路部３１３から１次側送電コイル２１０に供給され、１次側送電コイル２１０を所定の共振周波数で発振させる。共振コンデンサの容量は、電力伝送の信号の搬送波周波数Ｆ[Ｈｚ]と、コイルのインダクタンスから決定することができ、Ｆ＝１／２π√ＬＣ、で与えられる。

　一方、電子機器３２０では、送電装置３１０の１次側送電コイル２１０の発振によって２次側受電コイル２２０に交流電圧が誘起される。誘起された交流電圧は、図示しない整流回路を通じて整流され、平滑回路にて平滑化した直流電圧により２次電池３２１の充電を行う。

　ここで、送電装置３１０の１次側送電コイル２１０の発振によって２次側受電コイル２２０に交流電圧が誘起され２次電池３２１の充電を行う前に、受電装置である電子機器３２０が送電装置３１０の端末載置台に設置されていることを検知する。

　まず、送電装置３１０の端末載置台に電子機器３２０が置かれ、電子機器３２０の２次側受電コイル２２０と送電装置３１０の１次側送電コイル２１０とが近接配置される。この近接配置により、負荷インピーダンスが変化して、１次側送電コイル２１０に電圧又は電流値の変動が生じる。送電制御部３１２は、上記変動値を予め定めておいた値と比較して、充電対象である電子機器３２０が存在することを検知する。

　同様に、受電側である電子機器３２０でも、送電装置３１０の端末載置台に電子機器３２０が置かれて、２次側受電コイル２２０と１次側送電コイル２１０とが近接配置されることで、負荷インピーダンスが変化することにより１次側送電コイル２１０に生じた電圧又は電流値の変動を検知する。受電制御回路３２２は、上記変動値を予め定めておいた値と比較して、電子機器３２０が充電装置である送電装置３１０の載置台に置かれたことを検知する。

　電子機器３２０が、送電装置３１０の載置台に置かれる際、コイル同士が適切な近接配置に置かれることにより高効率の電力伝送がなされる。しかし、電子機器３２０が不適切な位置に置かれると、電力電送効率は低下する傾向にある。そのため、適切な位置関係に置かれているかどうかをユーザに何らかの方法で通知し、適切な位置に置くように促すことが好ましい。

　本実施の形態のワイヤレス電力伝送装置３００は、両コイル間の少々の位置ずれがあったとしても、電力電送効率が大きく低下することがないため、比較的ラフな位置決めであっても一定の電力電送効率が得られる。

　また、本実施の形態のワイヤレス電力伝送装置３００は、送電装置３１０と電子機器３２０とは、１次側送電コイル２１０と２次側受電コイル２２０を介して双方の機器に関する情報信号の伝達が可能である。例えば、１次側送電コイル２１０と２次側受電コイル２２０とが近接配置され、そのときの電圧変動を検出して、適切な配置を検知した場合、１次側送電コイル２１０及び２次側受電コイル２２０間で各々の機器及び装置の識別情報をやりとりして、互いに相手方の認証を行う。そして、１次側送電コイル２１０と２次側受電コイル２２０とが適切な近接配置された検知し、各々の機器及び装置が互いに相手方を認証できた場合に、１次側送電コイル２１０から２次側受電コイル２２０に電力伝送が行われ、その伝送された電力により電子機器３２０の２次電池３２１の充電が行われる。

　次に、送電装置３１０と電子機器３２０間でのワイヤレス電力伝送の制御について説明する。

　図１７に示すように、送電装置３１０は、送電制御部３１２、送電回路部３１２、及び１次側送電コイル２１０を備える。

　商用電源３１１から供給される交流電圧は、図示しないＡＣ／ＤＣコンバータを通じて所定の直流電圧に変換される。この直流電圧は、送電制御部３１２を介して送電回路部３１２へ供給される。

　送電回路部３１３は、少なくともドライバ及び共振回路（いずれも図示略）を有している。ドライバは、送電制御部３１２による制御によって、ＡＣ／ＤＣコンバータからの直流電圧を所定の周波数を有する交流電圧に変換する。共振回路は、コンデンサの容量ＣとコイルのインダクタンスＬからなる共振回路により、ドライバからの交流電圧に応じて共振する。これにより、１次側送電コイル２１０を所定の共振周波数で発振させる。

　また、送電回路部３１３は、送電制御部３１２から供給される装置の状態や認証のための情報を含んだ変調信号を電力伝送用の交流信号に重畳するか又は、その情報のみを単独で電子機器３２０への情報送信も行うことが可能である。

　送電制御部３１２は、送電装置３１０から電子機器３２０へ充電電力を伝送する場合には、送電回路部３１３のドライバを制御し、ドライバから１次側送電コイル２１０へ所定の周波数の交流電圧を供給させる。また、送電制御部３１２は、送電装置３１０の載置台へ電子機器３２０の接近配置や移動により１次側送電コイル２１０に発生する電圧又は電流変動を検知する。そして、送電装置３１０の載置台へ電子機器３２０の接近配置や移動の検知に基づいて、ドライバから１次側送電コイル２１０への交流電圧の供給と停止の制御などを行う。さらに、送電制御部３１２は、送電装置３１０と電子機器３２０間での各々の機器状態の情報を送信する変復調回路（図示略）を有している。機器の状態の情報に応じて変調した信号を生成して送信を行うことにより、１次側送電コイル２１０から、２次側受電コイル２２０へ情報送信が行われる。

　逆に、電子機器３２０から機器情報の受信を行う場合、電子機器３２０から送られてきた変調信号を取り出し、変復調回路で変調信号の復調が行われ、電子機器３２０から送られる情報の受信が行われる。

　一方、電子機器３２０は、２次側受電コイル２２０、受電回路部３２３、受電制御部３２４、充電制御回路３２２、及び２次電池３２１を、主に備える。

　受電回路部３２３は、１次側送電コイル２１０からの電磁誘導により２次側受電コイル２２０に誘起された交流電圧を直流電圧に変換する整流回路（図示略）と、整流回路から送られた直流電圧を電子機器３２０の充電で使用される所定電圧に変換するレギュレータ（図示略）から構成される。また送電装置３１０へ機器状態の情報を送るための２次側受電コイル２２０の共振回路とドライバ（いずれも図示略）を備えている。

　レギュレータにより、所定電圧に変換された直流電圧は、受電制御部３２４に送られる。受電制御部３２４は、受電回路部３２３が受電した電力を、充電制御回路３２２へ送り、２次電池３２１の充電を行う。また、受電制御部３２４は、電子機器３２０の機器状態、例えば温度上昇、２次電池３２１の充電状態、２次側受電コイル２２０に発生する電圧変動等を検出する。さらに、受電制御部３２４は、送電装置３１０へ機器情報に応じた変調した信号を受電回路部３２３へ送る変復調回路（図示略）を備える。

　受電回路部３２３の発振回路は、電子機器３２０から送電装置３１０へ情報伝送を行う際、ドライバは受電制御部３２４により、共振回路を共振させることにより、２次側受電コイル２２０を所定の共振周波数で発振させる。ドライバは、受電制御部３２４から供給される情報送信用の変調信号を送信する。

　送電装置３１０と電子機器３２０間での情報信号の送受信は、単純なビット通信でもあってもよいし、コード化通信であってもよい。

　また、本実施の形態では、送電装置３１０は、負荷インピーダンスの変化に基づく電圧値が予め定めた所定の電圧値にならなかった時や、相互の機器間での識別認証ができなかった時は何らかの異常な状態にあるものとして、１次側送電コイル２１０への電力供給を行わないように制御される。

　また、本実施の形態では、１次側送電コイル２１０と２次側受電コイル２２０の両コイルが、電磁誘導結合により２次側受電コイル２２０に交流電圧が誘起され、受電回路部３２３に供給され、電子機器３２０の２次電池３２１の充電が行われている場合、送電装置３１０と電気機器２との間で、１次側送電コイル２１０及び２次側受電コイル２２０を介して２次電池３２１の充電情報の送信が行われる。例えば、２次電池３２１の充電の継続が必要な場合は、１次側送電コイル２１０からの電力伝送を継続する。また、２次電池３２１の充電が完了した場合は、電力伝送を停止する。また何らかの異常を示す情報が供給されたような場合にも電力伝送を停止する制御を行う。

　なお、本実施の形態では、コイルユニットを充電装置及び電子機器、またワイヤレス電力伝送装置に用いた例について説明したが、コイルユニットは、携帯端末等どのような電子機器に適用してもよい。電磁誘導により非接触で電力を伝送する機器であれば、どのような装置でもよく、例えば携帯電話機等の携帯端末装置に適用してもよい。当然のことながら、コイルユニットは、送電コイル又は受電コイルのいずれであってもよい。

　以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。

　また、上記各実施の形態では、コイルユニット及び電力伝送装置という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、コイルユニットは平面コイル、送電コイル又は受電コイル、電力伝送装置はワイヤレス電力伝送装置、非接触電力伝送システム等であってもよい。

　さらに、上記コイルユニットを構成する各部、例えば線状導体、線間磁性体、磁性体シート等の種類・形状、取付方法などは前述した実施の形態に限られない。また、線状導体は、スパイラル状に巻回して形成されていればよく、形状は円形のほか、矩形を含む多角形でもよい。

　２０１２年４月２日出願の特願２０１２－０８３９６０の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

　本発明のコイルユニット及び電力伝送装置は、例えば充電装置などの送電装置に受電対象物である電子機器等を着脱可能に装着又は接近させ、送電装置から電子機器等に対して電磁誘導により非接触で電力伝送するためのコイルユニット及びコイルユニットを備える電力伝送装置全般に適用することが可能である。

　１００、１００Ａ、１００Ｂ、２００　コイルユニット
　１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ　線状導体
　１１１　平面渦巻きコイル
　１２０　線間磁性体（第１の磁性体）
　１３０、１３０Ａ、１３０Ｂ　磁性体シート（第２の磁性体）
　１４０　始端端子
　１５０　終端端子
　２１０　１次側送電コイル
　２２０　２次側受電コイル
　３００　ワイヤレス電力伝送装置
　３１０　送電装置
　３１２　送電制御部
　３１３　送電回路部
　３２０　電子機器
　３２１　２次電池
　３２２　充電制御回路
　３２３　受電回路部
　３２４　受電制御部

Claims

　線状導体をスパイラル状に巻回して形成された平面コイルと、
　前記線状導体の線間に介在された第１の磁性体と、
　前記平面コイルの一側の面を覆って設けられた第２の磁性体と、
　を備えるコイルユニット。
　前記線状導体の断面最大長さをＷｃ、前記第１の磁性体の幅をＷｇとした場合、以下の関係を満たす、
　請求項１記載のコイルユニット。
　０．２≦Ｗｇ／Ｗｃ≦３．５
　前記第１の磁性体の透磁率は、前記第２の磁性体の透磁率よりも高い、請求項１記載のコイルユニット。
　前記第１の磁性体の透磁率は、１０００[Ｈ／ｍ]以上３０００[Ｈ／ｍ]以下、かつ、前記第２の磁性体の透磁率は、５０[Ｈ／ｍ]以上５００[Ｈ／ｍ]以下である、請求項３記載のコイルユニット。
　請求項１に記載のコイルユニットを用いて構成され、前記平面コイルの前記第２の磁性体との対向面とは反対側の面が送電側の面に配置された送電コイルと、該送電コイルに電力を供給する送電部と、
　を含む電力伝送装置。
　請求項１に記載のコイルユニットを用いて構成され、前記平面コイルの前記第２の磁性体との対向面とは反対側の面が受電側の面に配置された受電コイルと、該受電コイルで受電された電力を出力する受電装置と、
　を含む電力伝送装置。