JP5221111B2 - A power transmission coil, a power transmission device, a power reception coil, a power reception device, and a power transmission device. - Google Patents

A power transmission coil, a power transmission device, a power reception coil, a power reception device, and a power transmission device. Download PDF

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Description

この発明は送電部と受電部が分離可能な電力伝送装置に関し、特に箔状導体を渦巻状に卷回して構成された送電コイル、前記送電コイルを装備した送電装置、前記送電コイルから相互誘導作用により電力を受電する受電コイル、前記受電コイルを装備した受電装置、ならびに、送電装置と受電装置から成る電力伝送装置に関する。
The present invention relates to a power transmission device in which a power transmission unit and a power reception unit can be separated, and in particular, a power transmission coil configured by winding a foil-like conductor in a spiral shape, a power transmission device equipped with the power transmission coil, and a mutual induction effect from the power transmission coil The present invention relates to a power receiving coil that receives power by the power receiving device, a power receiving device equipped with the power receiving coil, and a power transmission device including a power transmitting device and a power receiving device .

例えば、電力を伝送する電力伝送装置には、本願の図124に示すように送電コイル1と受電コイル2とを分離可能に構成したものが知られている。すなわち、送電コイル1と、受電コイル2とを対向して配置する。直流電源12からの直流電力を交流電力に変換する電力変換手段である交流電源3bを含む送電部3から、キャパシタ13を介して送電コイル1に交流電流を流すと、相互誘導作用により受電コイル2に起電力が誘起され、前記起電力による電流が受電部4の負荷RLに流れ、電力伝送が行われる。送電コイル1は、箔状導体を渦巻き状に巻回して構成される。送電コイル1に交流電流を流すと、相互誘導作用により受電コイル2に起電力が誘起されるのは、送電コイルと受電コイルとが変成器を構成しているからで、本願に関連する変成器の一次側のインピーダンスを求めた理論式などが特開平11−274989号公報(特許文献8)などに記載されている。
For example, as a power transmission device that transmits power, a configuration in which the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 are separable as shown in FIG. 124 of the present application is known. That is, the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 are arranged to face each other. When an alternating current is passed through the power transmission coil 1 via the capacitor 13 from the power transmission unit 3 including the AC power source 3b which is a power conversion means for converting DC power from the DC power source 12 into AC power, the power receiving coil 2 is caused by mutual induction. An electromotive force is induced in the current, and a current due to the electromotive force flows through the load RL of the power receiving unit 4 to perform power transmission. The power transmission coil 1 is configured by winding a foil-like conductor in a spiral shape. When an alternating current is passed through the power transmission coil 1, the electromotive force is induced in the power reception coil 2 due to the mutual inductive action because the power transmission coil and the power reception coil constitute a transformer. A theoretical formula for obtaining the primary impedance is described in Japanese Patent Laid-Open No. 11-274899 (Patent Document 8).

しかしながら、箔状導体を用いたコイル(以下、「箔導体コイル」と表記する)を使い、大電力を高効率で伝送可能な電力伝送装置は、現在に至るも実施されていない。導線を用いたコイルを使い、大電力を高効率で伝送可能な電力伝送装置の先行文献も存在はするが、やはり、それらも、まだ実施には至っていない。   However, a power transmission device that uses a coil using a foil conductor (hereinafter referred to as “foil conductor coil”) and can transmit a large amount of power with high efficiency has not yet been implemented. Although there are prior literatures on power transmission devices that can use a coil using a conductive wire to transmit large power with high efficiency, they have not yet been put into practice.

導体の形状から、導線に比べ、箔導体コイルは表皮効果が低減されるものと思われる。しかし、箔導体コイルの直流抵抗を低下させるには、導体断面積を大きくするために導体幅を広くしなければならず、コイル全体の面積が大きくなる。そのため、薄型化が可能という利点を持っていながら、箔導体コイルを用いた大電力を高効率で伝送可能な電力伝送装置については、その作用効果が、まだ明確に把握されていないようである。   From the shape of the conductor, it is considered that the skin effect of the foil conductor coil is reduced compared to the conductive wire. However, in order to reduce the DC resistance of the foil conductor coil, the conductor width must be increased in order to increase the conductor cross-sectional area, and the area of the entire coil increases. Therefore, it seems that the effect of the power transmission device that can transmit a large amount of power with high efficiency using the foil conductor coil is not yet clearly understood while having the advantage of being thin.

箔導体コイルを使用した電力伝送装置に関しては、実公昭51−12929号公報(特許文献1)が本分野で最も古い特許文献の一つとなっている。この特許文献1には、受電側に装備するコイルとして、プリント基板上に箔状導体を渦巻状に形成したコイルが記載されている。以下、箔導体コイルを用いた電力伝送装置を構成する要素別に、従来技術を列挙してゆく。   Regarding a power transmission device using a foil conductor coil, Japanese Utility Model Publication No. 51-12929 (Patent Document 1) is one of the oldest patent documents in this field. Patent Document 1 describes a coil in which a foil-like conductor is spirally formed on a printed circuit board as a coil to be provided on the power receiving side. Hereinafter, prior arts will be listed for each element constituting a power transmission device using a foil conductor coil.

最初に、本願では、引用する文献によって、使用されている用語が異なるため、まず用語について説明しておく。本願の図124の送電部3、送電コイル1を含む部分を、送電側、給電側、1次側、入力側等と表記し、送電コイル1を、送電コイル、送電用コイル、1次コイル、1次側コイル等と表記する。また、本願の図124の受電部4、受電コイル2を含む部分を、受電側、2次側、出力側等と表記し、受電コイル2を、受電コイル、受電用コイル、2次コイル、2次側コイル等と表記する。次に、コイルやキャパシタの等価回路中に直列に存在する抵抗成分は、通常ESRと表記されており、日本語では等価直列抵抗(Equivalent Series Resistance)と呼ばれている。本願では、ESRの周波数特性に言及するので「実効直列抵抗」(Effective Series Resistance)に表記を統一しておく。さらに、容量性素子であるキャパシタは、通常日本語ではコンデンサと表記されている。本願では引用文献を含め、全てキャパシタに表記を統一しておく。そして、電力伝送装置の送電部に含まれる直流電源を交流に変換する手段を交流電源と表記する。さらに、コイルとキャパシタとを直列接続した回路を、LC直列回路、LC直列共振回路、あるいは単に直列回路等と表記する。また、「対向」という表記は、送電コイル1と受電コイル2とが相互誘導可能な状態に配置されている場合を指す。すなわち、両コイルが誘導結合している状態である。よって、対向という表記は、両コイルが誘導結合しているという表記と同義である。   First, in the present application, the terminology used is different depending on the cited document, so the terminology will be described first. A portion including the power transmission unit 3 and the power transmission coil 1 in FIG. 124 of the present application is expressed as a power transmission side, a power feeding side, a primary side, an input side, and the like. Indicated as primary coil. In addition, the part including the power receiving unit 4 and the power receiving coil 2 in FIG. 124 of the present application is referred to as a power receiving side, a secondary side, an output side, and the like, and the power receiving coil 2 is a power receiving coil, a power receiving coil, a secondary coil, 2 Indicated as secondary coil. Next, a resistance component existing in series in an equivalent circuit of a coil or a capacitor is generally expressed as ESR, and is called Equivalent Series Resistance in Japanese. In this application, reference is made to “Effective Series Resistance” because the frequency characteristics of ESR are referred to. Furthermore, a capacitor which is a capacitive element is usually written as a capacitor in Japanese. In the present application, the notation is unified for all capacitors, including cited references. And the means to convert the direct-current power contained in the power transmission part of an electric power transmission apparatus into alternating current is described with alternating current power. Further, a circuit in which a coil and a capacitor are connected in series is referred to as an LC series circuit, an LC series resonance circuit, or simply a series circuit. The notation “opposite” refers to the case where the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 are arranged in a mutually inducible state. That is, both coils are inductively coupled. Therefore, the notation of facing is synonymous with the notation that both coils are inductively coupled.

箔状導体を渦巻き状に巻回して構成されるコイル、および箔導体コイルの性能改善を目的とした従来技術については、多くの特許文献がある。   There are many patent documents regarding coils configured by winding a foil-like conductor in a spiral shape and conventional techniques for improving the performance of the foil conductor coil.

例えば、箔状導体を使ったコイルの一例が、特開平7−37728号公報(特許文献2)に記載されている。この特許文献2に記載されたコイルは、絶縁体上に渦巻き状に巻回する箔状導体の幅を、内周部よりも外周部において広くし、1ターン当りの抵抗値と銅損を同一にして、コイル面全体の発熱を均一にしようと意図しているものである。   For example, an example of a coil using a foil conductor is described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-37728 (Patent Document 2). In the coil described in Patent Document 2, the width of the foil-like conductor wound spirally on the insulator is wider at the outer peripheral portion than the inner peripheral portion, and the resistance value per turn and the copper loss are the same. Thus, the heat generation of the entire coil surface is intended to be uniform.

一方、コイルの基本的な特性として、表皮効果、渦電流損などにより、周波数が上昇すると、コイルの実効直列抵抗が増加することが知られている。その対応策として、特許文献2と同一の出願人が、特開平5−243060号公報(特許文献3)を出願している。特許文献3には、直流抵抗の低い主巻線と、交流抵抗が低い副巻線を一緒に巻回し、主巻線と副巻線をインダクタンスが消失しないように接続することにより、周波数の上昇による、コイルの実効直列抵抗の増加を回避する方法が記載されている。そして、特許文献3には、コイルの実効直列抵抗と周波数の関係を示す図が記載されている。   On the other hand, as a basic characteristic of the coil, it is known that the effective series resistance of the coil increases as the frequency increases due to skin effect, eddy current loss, and the like. As a countermeasure, the same applicant as Patent Document 2 has filed Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-243060 (Patent Document 3). In Patent Document 3, a main winding having a low DC resistance and a sub winding having a low AC resistance are wound together, and the main winding and the sub winding are connected so as not to lose the inductance, thereby increasing the frequency. Describes a method for avoiding an increase in the effective series resistance of the coil. Patent Document 3 describes a relationship between the effective series resistance of the coil and the frequency.

また、本願の図124に示すような構成の電力伝送装置において、送電コイル1に直列接続されるキャパシタ13は、力率の改善を目的として装備されている。特性がよいキャパシタ単体の発明に関しては、多数の特許が出願されているものの、前記した電力伝送装置の力率改善用に適したキャパシタの構成や特性について言及した文献は殆ど見られない。特開2002−353050号公報(特許文献4)に、誘電正接の低いフィルムキャパシタ等を使用することが記載されている程度である。   In addition, in the power transmission device configured as shown in FIG. 124 of the present application, the capacitor 13 connected in series to the power transmission coil 1 is equipped for the purpose of improving the power factor. With respect to the invention of a single capacitor having good characteristics, although many patents have been filed, there are hardly any references referring to the configuration and characteristics of a capacitor suitable for improving the power factor of the power transmission device described above. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-353050 (Patent Document 4) describes the use of a film capacitor having a low dielectric loss tangent.

また、特許文献4には、箔状導体を平板渦巻き状に巻回した空芯コイルに金属体が近接したときの性能劣化防止方法として、反磁性金属を使用することが記載されている。   Patent Document 4 describes the use of a diamagnetic metal as a method for preventing performance deterioration when a metal body comes close to an air-core coil in which a foil-like conductor is wound in a flat spiral shape.

しかし、キャパシタを用いて力率改善を行うには、交流電源の回路構成と特性の規定が重要となるが、電力伝送装置に使用するのに適した交流電源の回路構成と特性等について言及した文献は殆ど見られない。   However, in order to improve the power factor using a capacitor, it is important to define the circuit configuration and characteristics of the AC power supply. However, the circuit configuration and characteristics of the AC power supply suitable for use in the power transmission device are mentioned. There is almost no literature.

電力伝送装置に使用する交流電源に関しては、特開2002−49428号公報(特許文献5)に、インピーダンス変換部の概要が記載されている。また、特開平11−224822号公報(特許文献6)に、直流−交流変換回路を用いた交流電源で、該交流電源が階段状の正弦波に近い波形を生成する方法が記載されている程度である。   Regarding the AC power supply used in the power transmission device, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-49428 (Patent Document 5) describes an outline of the impedance conversion unit. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-224822 (Patent Document 6) describes a method in which an AC power source using a DC-AC converter circuit generates a waveform close to a stepped sine wave. It is.

交流電源、キャパシタについて言及しているのは、上記の特許文献程度であるが、箔導体コイルを使用した電力伝送装置についても、箔導体コイルを特徴とする先行文献は殆ど存在しない。前述した特許文献1も、箔導体コイルの具体的な構成や特性には言及していない。本願に近い先行技術として、特表2005−525705号公報(特許文献7)に、「送電コイル」として箔導体コイルを使用した電力伝送装置が開示されている。
The AC power supply and the capacitor are referred to only in the above-mentioned patent documents, but there is almost no prior document characterized by the foil conductor coil in the power transmission device using the foil conductor coil. The above-mentioned Patent Document 1 also does not mention the specific configuration and characteristics of the foil conductor coil. As prior art closer to the present, especially table 20 05-525705 (Patent Document 7), a power transmission apparatus using a foil conductor coil as "power transmission coil" is disclosed.

しかしながら、本発明の要旨である、伝送可能な電力や電力伝送効率は低いものの、箔導体コイルを用いた電力伝送装置の送電装置から箔導体コイルと誘導結合可能な構成を持つコイルを装備した受電部に長距離の電力伝送を行うことが可能である先行文献は存在しない。ICカードに内蔵されたコイルに長距離の電力伝送を行う先行技術は存在するが、いずれも数十MHz以上の電磁波を使用している(例えば、特開平10−322248号公報など)。しかし、これらは、本発明のように1MHz以下の周波数において、50cm以上の距離で電力伝送が可能なものではない。したがって、上記したような作用効果についての記載がある先行文献の記載は省略する。
実公昭51−12929号公報(請求の範囲、第3図) 特開平7−37728号公報(段落番号0012〜0014、図1) 特開平5−243060号公報(段落番号0010〜0011、0014、請求項1、図2、図9) 特開2002−353050号公報(段落番号0016、0017、0019〜0022、図4) 特開2002−49428号公報(請求項1、段落番号0006、0025、図1) 特開平11−224822号公報(請求項1、段落番号0002から0004,0025) 特表2005−525705号公報(請求項1、段落番号0018、0043、0063、0120、図2a、図6a、図6c) 特開平11−274989号公報(段落番号、0018〜0021、4〜6式)
However, although it is the gist of the present invention, the power that can be transmitted and the power transmission efficiency are low, the power receiving device equipped with the coil having a configuration that can be inductively coupled with the foil conductor coil from the power transmission device of the power transmission device using the foil conductor coil. There is no prior document that can perform long-distance power transmission in the section. Although there are prior arts that perform long-distance power transmission to a coil built in an IC card, all use electromagnetic waves of several tens of MHz or more (for example, JP-A-10-32248). However, these are not capable of transmitting power at a distance of 50 cm or more at a frequency of 1 MHz or less as in the present invention. Therefore, the description of the prior art documents that describe the above-described effects is omitted.
Japanese Utility Model Publication No. 51-12929 (claims, FIG. 3) Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-37728 (paragraph numbers 0012 to 0014, FIG. 1) JP-A-5-243060 (paragraph numbers 0010 to 0011, 0014, claims 1, 2 and 9) JP 2002-353050 A (paragraph numbers 0016, 0017, 0019 to 0022, FIG. 4) JP 2002-49428 A (Claim 1, paragraph numbers 0006, 0025, FIG. 1) JP-A-11-224822 (Claim 1, paragraph numbers 0002 to 0004,0025) JP 2005-525705 A (Claim 1, paragraph numbers 0018, 0043, 0063, 0120, FIG. 2a, FIG. 6a, FIG. 6c) JP-A-11-27489 (paragraph numbers, 0018 to 0021, 4 to 6 formulas)

以下、上記した従来の技術を改良する構成要素別に、従来技術の課題を明確にする。   Hereinafter, the problems of the conventional technology will be clarified for each component that improves the conventional technology described above.

箔導体コイルを使った電力伝送装置として、当時の技術レベルから見て実際に実用化の可能性があったのは、特許文献1などがある。特許文献1が出願された1974年(昭和49年)当時は、まだ通信機器、電話交換機などに真空管が使用されており、半導体素子には高速なものがなく、特許文献1には、数10kHzの周波数で駆動される電力伝送装置の実施例が記載されている。   As a power transmission device using a foil conductor coil, there has been a possibility of practical application from the technical level at that time, such as Patent Document 1. At the time of 1974 (Showa 49) when Patent Document 1 was filed, vacuum tubes were still used for communication equipment, telephone exchanges, etc., and there were no high-speed semiconductor elements. An embodiment of a power transmission device driven at a frequency of is described.

しかしながら、電力伝送手段である送電コイルと受電コイルは、変成器を構成している。1次コイルと2次コイルが分離不能ではあるが、50Hz〜60Hzの商用電源用に設計された変圧器が、任意の周波数、例えば、5Hz、あるいは10kHzで使用できないことは明らかである。すなわち、電力伝送手段である変成器には、使用可能な周波数の下限および上限が存在する。数10kHzと表記されているのは、電力伝送用コイルとして使用可能な周波数範囲を特定していない。このように、特許文献1に限らず、電力伝送用コイルとして使用可能な周波数範囲について考察した従来技術は存在しない。   However, the power transmission coil and the power reception coil, which are power transmission means, constitute a transformer. Although the primary and secondary coils are inseparable, it is clear that transformers designed for commercial power supplies of 50-60 Hz cannot be used at any frequency, for example 5 Hz or 10 kHz. That is, the transformer which is a power transmission means has a lower limit and an upper limit of usable frequencies. The notation of several tens of kHz does not specify a frequency range that can be used as a power transmission coil. As described above, there is no conventional technique that considers the frequency range that can be used as the power transmission coil, not limited to Patent Document 1.

次に、特許文献2に記載されているコイルは、箔状導体を平板渦巻き状に巻回したコイルにおいて、外周部の導体幅を内周部よりも広くすることにより、1ターンあたりの抵抗値を同一とし、1ターン当りの銅損を同一とする作用効果を意図している。   Next, the coil described in Patent Document 2 is a coil in which a foil-like conductor is wound in a flat spiral shape, and the resistance value per turn is increased by making the conductor width of the outer peripheral part wider than that of the inner peripheral part. Are intended to be the same, and the copper loss per turn is the same.

特許文献2には、箔導体コイルに磁性材板を装備した実施例が記載されているが、特許文献2の請求項1には、磁性材板を装備しない場合が含まれている。ただし、後に請求項は補正され、磁性材板を装備した場合のみに限定されている(特許第3359099号)。特許文献2を参照し、空芯の場合について考察してみると、外周部の銅箔幅を広くした場合、1ターンの導体体積は、外周部の方が内周部よりも大きくなり、導体表面積も増える。その結果、外周部の熱放散状態がよくなるのは自明であり、1ターンの銅損(ジュール損)が一定なら、外周部の温度上昇は内周部よりも低くなる。したがって、少なくとも空芯の場合には、特許文献2に記載されているような作用効果は期待できない。   Patent Document 2 describes an embodiment in which a foil conductor coil is equipped with a magnetic material plate. However, Claim 1 of Patent Document 2 includes a case where the magnetic material plate is not equipped. However, the claims are later amended and limited only to the case where a magnetic material plate is provided (Japanese Patent No. 3359099). When considering the case of an air core with reference to Patent Document 2, when the copper foil width of the outer peripheral portion is widened, the conductor volume of one turn is larger in the outer peripheral portion than in the inner peripheral portion, and the conductor The surface area also increases. As a result, it is obvious that the heat dissipation state of the outer peripheral portion is improved. If the copper loss (Joule loss) for one turn is constant, the temperature rise of the outer peripheral portion is lower than that of the inner peripheral portion. Therefore, at least in the case of an air core, the effect as described in Patent Document 2 cannot be expected.

しかも、特許文献2の段落番号0015より、特許文献2に記載されている銅損は、金属銅の導電率より計算した直流抵抗によるものである。また、特許文献2の段落番号0018には、「静磁界計算プログラム」、「直流のインダクタンス」と明記されている。よって、特許文献2に記載されたインダクタンスや実効直列抵抗は、少なくとも交流による実測値ではない。その計算値ですら、抵抗値の減少率は12%(88%に減少)である。そして、インダクタンスは98%に減少し、殆ど変化が無いと記載されている。   And from paragraph number 0015 of patent document 2, the copper loss described in patent document 2 is based on DC resistance calculated from the electrical conductivity of metallic copper. Further, paragraph number 0018 of Patent Document 2 specifies “static magnetic field calculation program” and “DC inductance”. Therefore, the inductance and effective series resistance described in Patent Document 2 are not actually measured values based on AC. Even with the calculated value, the decrease rate of the resistance value is 12% (decrease to 88%). The inductance is reduced to 98% and it is described that there is almost no change.

しかし、特許文献3の図9を参照すると、コイルの構成は異なるものの、単層巻きのコイルでも、200kHzにおける実効直列抵抗は、直流抵抗の2倍になっている。また、同じくコイルの構成は異なるものの、特許文献3の図2を参照すると、実施例として改善されたコイル単体の実効直列抵抗の周波数特性ですら、100Hzのときの約4mΩに比べ、100kHzのときには、約15mΩと、約4倍になっている。このように、特許文献2の段落番号0019に記載されている、12%の改善率が、周波数が高い領域での実効直列抵抗の減少率になるとしても、特許文献2の実施例に記載されたコイルでは、高周波数領域での実効直列抵抗による電力損失を低減する効果は殆ど無い。   However, referring to FIG. 9 of Patent Document 3, although the coil configuration is different, the effective series resistance at 200 kHz is twice the DC resistance even in a single-layer coil. In addition, although the coil configuration is also different, referring to FIG. 2 of Patent Document 3, even the frequency characteristics of the effective series resistance of the coil improved as an example, at 100 kHz compared to about 4 mΩ at 100 Hz. About 15 mΩ, which is about 4 times. Thus, even if the improvement rate of 12% described in paragraph No. 0019 of Patent Document 2 is a reduction rate of effective series resistance in a high frequency region, it is described in the example of Patent Document 2. In the coil, there is almost no effect of reducing the power loss due to the effective series resistance in the high frequency region.

また、特許文献2に記載のコイルの特定的構成は、コイルの外径、巻数などが変化したときに、同等の効果が得られるとは限らない。そのうえ、コイルの実効直列抵抗と周波数の関係が、コイルの構成(例えば巻線の層数)により変化することは、特許文献3の図9より明らかである。さらに、上記の実効直列抵抗やインダクタンスの変化率は、比で記載されているに過ぎず、実際の値は不明である。効果の実測値を計算値で補足するならともかく、効果が実測値として示されていない場合、その効果は証明されたとは言えない。   In addition, the specific configuration of the coil described in Patent Document 2 does not always provide the same effect when the outer diameter, the number of turns, and the like of the coil change. In addition, it is clear from FIG. 9 of Patent Document 3 that the relationship between the effective series resistance of the coil and the frequency changes depending on the configuration of the coil (for example, the number of winding layers). Furthermore, the effective series resistance and the rate of change of the inductance are merely described as ratios, and the actual values are unknown. Regardless of supplementing the actual measured value of the effect with the calculated value, if the effect is not shown as the actual measured value, it cannot be said that the effect has been proved.

そのうえ、特許文献2と、特許文献3の出願人は同一である。実際に電力伝送用の箔導体コイルとして必要な特性は、特許文献3に記載の実効直列抵抗の周波数特性である。直流抵抗を低減しても、電力伝送用に適した箔導体コイルは実現できない。また、特許文献2の段落番号0029〜0030には、「スキンデプス」、「渦電流」と、箔導体コイルの実効直列抵抗を増加させる要因が記載されている。それにもかかわらず、特許文献2には、周波数の上昇による実効直列抵抗の増加に関しては、何ら記載されていない。   Moreover, the applicants of Patent Document 2 and Patent Document 3 are the same. A characteristic actually required as a foil conductor coil for power transmission is a frequency characteristic of an effective series resistance described in Patent Document 3. Even if the DC resistance is reduced, a foil conductor coil suitable for power transmission cannot be realized. Further, paragraph numbers 0029 to 0030 of Patent Document 2 describe “skin depth”, “eddy current”, and factors that increase the effective series resistance of the foil conductor coil. Nevertheless, Patent Document 2 does not describe anything about an increase in effective series resistance due to an increase in frequency.

特許文献2と同様、箔導体を巻回して構成されるコイルにおいて、箔導体の幅を、内周部と外周部で異ならせる先行文献は多数存在する。しかし、これらの先行文献には、コイルの重要な特性であるインダクタンスに関する記載が殆ど見られない。特許文献2のように実測値が示されていない場合、コイルのQが低下していないとは判断できない。コイルのQが低下するような構成規定では、性能のよいコイルが実現できたとは言えない。   Similar to Patent Document 2, in a coil configured by winding a foil conductor, there are many prior documents in which the width of the foil conductor is different between the inner peripheral portion and the outer peripheral portion. However, in these prior documents, there is almost no description regarding inductance, which is an important characteristic of the coil. When the actual measurement value is not shown as in Patent Document 2, it cannot be determined that the Q of the coil is not lowered. It cannot be said that a coil with good performance could be realized with a configuration rule that lowers the Q of the coil.

導線で構成されたコイルとは異なり、箔導体コイルにおいては、導体断面積に比して、導体の周長が長いので、表皮効果の影響は低減できる。しかし、箔厚が薄いため、直流抵抗が増加するという問題点がある。そのため、箔幅を広くして直流抵抗の増加を防いでいる。しかし、箔幅を広くすると、巻回数が少なくなり、インダクタンスが減少してしまうという問題が発生する。そのため、箔導体間の間隔を可能な限り狭くし、巻回数を多くしてインダクタンスを確保している。しかし、箔導体間の間隔を狭くすると、箔導体に流れる交流電流により生成される磁束が、殆ど全て隣接する箔導体を貫通する。これにより、渦電流損によるコイルの実効直列抵抗が増加してしまう。渦電流損は、導体体積に比例する。よって、箔厚は薄いものの、箔幅が広いため、渦電流損の影響は大きくなる。そして、これらの課題を明確化し、解決手段と効果を明示した先行技術は存在しない。   Unlike a coil composed of a conductive wire, in a foil conductor coil, the circumference of the conductor is longer than the conductor cross-sectional area, so that the influence of the skin effect can be reduced. However, since the foil thickness is thin, there is a problem that the direct current resistance increases. For this reason, the foil width is widened to prevent an increase in DC resistance. However, when the foil width is widened, the number of windings is reduced and the inductance is reduced. For this reason, the distance between the foil conductors is made as narrow as possible, and the number of turns is increased to ensure the inductance. However, when the distance between the foil conductors is narrowed, almost all the magnetic flux generated by the alternating current flowing through the foil conductors passes through the adjacent foil conductors. This increases the effective series resistance of the coil due to eddy current loss. Eddy current loss is proportional to the conductor volume. Therefore, although the foil thickness is thin, the influence of eddy current loss increases because the foil width is wide. There is no prior art that clarifies these issues and clearly indicates the solution means and effects.

上記のように、箔導体コイルの作用効果は明確にされておらず、これが、電力伝送性能のよい電力伝送装置が実現できていない第1の課題となっている。   As described above, the effect of the foil conductor coil is not clarified, and this is a first problem in which a power transmission device with good power transmission performance cannot be realized.

さらに、特許文献2では、箔導体コイルの両面に磁性材を装備している。しかし、このような構成のコイルは、磁束が磁性材により遮蔽されるので、電力伝送用には使えない。本願発明者が追試したところ、箔導体コイルの両面に磁性材を装備した場合、インダクタンスは上昇するが、実効直列抵抗も大幅に上昇するのが確認されている。後述するが、本発明において重要なのは、実効直列抵抗による電力損失を回避することである。これらは、電力伝送手段である変成器においても同様であり、特許文献2に記載のトランスは、適切な構成であるとは言えない。また、特許文献2の段落番号0029〜0030には、磁性材を積層構造とすることが記載されている。しかし、本願発明者が検証した限りにおいて、本発明の磁性材を積層構造とする作用効果は、特許文献2に記載の作用効果とは異なっている。その詳細については後述する。   Furthermore, in patent document 2, the magnetic material is equipped on both surfaces of the foil conductor coil. However, the coil having such a configuration cannot be used for power transmission because the magnetic flux is shielded by the magnetic material. As a result of further trial by the inventor of the present application, when the magnetic material is provided on both surfaces of the foil conductor coil, it has been confirmed that although the inductance increases, the effective series resistance also significantly increases. As will be described later, what is important in the present invention is to avoid power loss due to effective series resistance. The same applies to a transformer as a power transmission means, and the transformer described in Patent Document 2 cannot be said to have an appropriate configuration. Further, paragraph numbers 0029 to 0030 of Patent Document 2 describe that the magnetic material has a laminated structure. However, as long as the inventors of the present application have verified, the function and effect of the magnetic material of the present invention having a laminated structure is different from the function and effect described in Patent Document 2. Details thereof will be described later.

なお、空芯コイルに金属体が近接したときに、コイルのインダクタンスや実効直列抵抗が変動することが、特許文献4の段落番号0019〜0021に記載されている。電力伝送装置においては、コイルのインダクタンスや実効直列抵抗が変動すると安定して電力が送れない。特に力率改善用のキャパシタを装備した場合、交流電源から見た送電コイルのリアクタンスがゼロとなる周波数、あるいはインピーダンスが極小となる周波数が変動するため、送電電力も変動してしまう。   In Patent Document 4, paragraph numbers 0019 to 0021 describe that the inductance and effective series resistance of the coil fluctuate when a metal body is close to the air-core coil. In the power transmission device, when the inductance of the coil and the effective series resistance fluctuate, power cannot be sent stably. In particular, when a power factor improving capacitor is equipped, the frequency at which the reactance of the power transmission coil is zero or the frequency at which the impedance is minimized as viewed from the AC power source fluctuates.

特許文献4の段落番号0019〜0021には、空芯コイルに金属体が近接したときに、空芯コイルの特性変動を防ぐために、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)の反磁性金属をコイル間に装備すると記載されているが、コイル間に装備するという記載は、コイルの対向面の反対側に装備する、との誤りであると推察される。しかも、重金属である一般に使用されていない原子番号82のビスマスが記載されているのに、82よりも原子番号が小さい原子番号57の反磁性金属であるランタン(La)や、ビスマスよりも一般に知られている原子番号79の反磁性金属である貴金属の金(Au)が記載されていない。   Paragraph Nos. 0019 to 0021 of Patent Document 4 include copper (Cu), zinc (Zn), lead (Pb), bismuth in order to prevent fluctuations in the characteristics of the air core coil when a metal body comes close to the air core coil. Although it is described that the diamagnetic metal of (Bi) is provided between the coils, it is assumed that the description that the diamagnetic metal is provided between the coils is an error that the diamagnetic metal is provided on the opposite side of the opposing surface of the coil. Moreover, although bismuth having an atomic number of 82, which is a heavy metal and not generally used, is described, it is generally known than lanthanum (La), which is a diamagnetic metal having an atomic number of 57 smaller than 82, or bismuth. No noble metal gold (Au), which is a diamagnetic metal having an atomic number of 79, is described.

そのうえ、特許文献4には、反磁性金属と他の金属(常磁性金属、強磁性金属)を装備することによる性能比較が何も記載されておらず、空芯コイルに金属体が近接したときの影響が、反磁性金属と他の金属とでどのように異なるかの比較、あるいは実際に空芯コイルに金属体が近接したときの影響を回避できる作用効果についても全く記載されていない。本願発明者の検証によると、空芯コイルに金属体が近接したときの影響であるインダクタンスの減少や実効直列抵抗の増大を排除するため、コイルに装備する金属板として必要な要因は、金属板の磁気的性質ではなく、単に金属板の厚さによるものであることが実験により確認されており、その詳細については実験データを参照して後述する。   Moreover, Patent Document 4 does not describe any performance comparison by installing a diamagnetic metal and another metal (paramagnetic metal, ferromagnetic metal), and when the metal body is close to the air-core coil. There is no description of how the influence of the difference between the diamagnetic metal and the other metal is different, or the effect of avoiding the influence when the metal body actually approaches the air-core coil. According to the inventor's verification, in order to eliminate the decrease in inductance and the increase in effective series resistance, which are the effects when a metal body comes close to the air-core coil, the necessary factor as the metal plate equipped in the coil is the metal plate It has been confirmed by experiments that this is not due to the magnetic properties but merely due to the thickness of the metal plate, and details thereof will be described later with reference to experimental data.

図125は、図124のように構成された電力伝送装置の送電コイルの等価回路図で、Leは、送電コイルのリアクタンス、Reは送電コイルの実効直列抵抗、C1は力率改善用キャパシタ、Rcは力率改善用キャパシタの実効直列抵抗を表す。   125 is an equivalent circuit diagram of the power transmission coil of the power transmission device configured as shown in FIG. 124, where Le is the reactance of the power transmission coil, Re is the effective series resistance of the power transmission coil, C1 is the capacitor for power factor improvement, Rc Represents the effective series resistance of the power factor correction capacitor.

そして、特許文献4の段落番号0017には、送電コイル1の残留リアクタンスLeを打ち消して、力率の改善(特許文献4では共振用と記載されている)を行うキャパシタとして、誘電正接tanδが小さいキャパシタ、ポリスチレンやポリプロピレンを誘電体とするキャパシタを使用することが記載されている。しかしながら、ポリスチレンやポリプロピレンを誘電体とするキャパシタは、他の誘電体を用いたキャパシタよりいかなる周波数でも誘電正接tanδが小さいとは限らない。   In paragraph No. 0017 of Patent Document 4, the dielectric loss tangent tan δ is small as a capacitor for canceling the residual reactance Le of the power transmission coil 1 and improving the power factor (described as being for resonance in Patent Document 4). It is described that a capacitor and a capacitor having a dielectric material such as polystyrene or polypropylene are used. However, a capacitor using polystyrene or polypropylene as a dielectric does not always have a smaller dielectric loss tangent tan δ at any frequency than a capacitor using other dielectrics.

さらに、本願発明者が追試したところ、一部のポリスチレンキャパシタは発熱のため使用できなかった。また、ポリプロピレンキャパシタは、構成によって電力伝送性能が異なるうえ、静電容量と周波数によっては、電力伝送性能が低下する現象が見られた。   Furthermore, when the inventors of the present application made additional trials, some polystyrene capacitors could not be used due to heat generation. In addition, the polypropylene capacitor has different power transmission performance depending on the configuration, and a phenomenon in which the power transmission performance decreases depending on the capacitance and frequency is observed.

図126は、キャパシタの等価回路を表す図である。図126において、Xcはキャパシタのリアクタンス、Rcはキャパシタの実効直列抵抗、Lcはキャパシタの寄生インダクタンスを表す。   FIG. 126 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a capacitor. In FIG. 126, Xc represents the reactance of the capacitor, Rc represents the effective series resistance of the capacitor, and Lc represents the parasitic inductance of the capacitor.

誘電正接tanδは、キャパシタのQを使い、tanδ=1/Q(無単位)、と定義されている。キャパシタのQは、キャパシタのQを計測する周波数において、キャパシタのリアクタンスをXc、キャパシタの実効直列抵抗をRc、とすると、Q=Xc/Rc、で表される。JISの規定によると、キャパシタの誘電正接tanδは、静電容量により、1kHzまたは1MHzで計測される。静電容量をC(F)とすると、キャパシタのリアクタンスXc(Ω)は、Xc=1/ωC(Ω)、であり、リアクタンスXcは、角周波数ω(ω=2πf、fは周波数(Hz))と静電容量Cの積の逆数となっている。   The dielectric loss tangent tan δ is defined as tan δ = 1 / Q (no unit) using the Q of the capacitor. The Q of the capacitor is represented by Q = Xc / Rc, where Xc is the reactance of the capacitor and Rc is the effective series resistance of the capacitor at the frequency at which the Q of the capacitor is measured. According to JIS regulations, the dielectric loss tangent tan δ of a capacitor is measured at 1 kHz or 1 MHz by capacitance. When the capacitance is C (F), the reactance Xc (Ω) of the capacitor is Xc = 1 / ωC (Ω), and the reactance Xc is an angular frequency ω (ω = 2πf, f is a frequency (Hz). ) And the capacitance C.

図126の記号を使うと、誘電正接tanδは、tanδ=ωC・Rc=Rc・Xc、となる。また、キャパシタの静電容量Cは、通常、10−6F以下である。よって、1kHzのような低い周波数においては、ωCの値が、10−6以下と、非常に小さな値となる。一方、キャパシタの実効直列抵抗Rcは、キャパシタの種類や静電容量によっても異なるが、1kHzでは、通常、10Ω以下である。したがって、通常、キャパシタの誘電正接tanδの値は、後述するJISの規定値である、0.001、以下となっている。 Using the symbols in FIG. 126, the dielectric loss tangent tan δ is tan δ = ωC · Rc = Rc · Xc. The capacitance C of the capacitor is usually 10 −6 F or less. Therefore, at a low frequency such as 1 kHz, the value of ωC is a very small value of 10 −6 or less. On the other hand, the effective series resistance Rc of the capacitor differs depending on the type of capacitor and the capacitance, but is usually 10Ω or less at 1 kHz. Therefore, normally, the value of the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor is 0.001 or less, which is a JIS prescribed value described later.

一般に、高周波数領域で実効直列抵抗Rc(Ω)が低いキャパシタは、セラミックキャパシタである。したがって、セラミックキャパシタはQが高く、誘電正接tanδも低い。実際に本願発明者が、静電容量0.1μFの積層セラミックキャパシタのQを1MHzにて実測したところ、Q≒18であり、tanδ=1/18≒0.055、正接角δは、δ≒3度であった。   In general, a capacitor having a low effective series resistance Rc (Ω) in a high frequency region is a ceramic capacitor. Therefore, the ceramic capacitor has a high Q and a low dielectric loss tangent tan δ. The inventors of the present invention actually measured the Q of a multilayer ceramic capacitor having a capacitance of 0.1 μF at 1 MHz, where Q≈18, tan δ = 1 / 18≈0.055, and the tangent angle δ is δ≈ It was 3 degrees.

また、後述する電力伝送性能が良いポリプロピレンキャパシタとは異なる構成の、静電容量0.1μFのポリプロピレンキャパシタのQを1MHzにて実測したところ、Q≒5であり、tanδ=1/5≒0.2、正接角δは、δ≒11.3度であった。すなわち、高周波数領域での誘電正接tanδを比較する限りにおいては、セラミックキャパシタの方が、ポリプロピレンキャパシタよりも特性がよい。しかし、本願発明者が実験検証した限りにおいては、積層セラミックキャパシタは、ポリプロピレンキャパシタより電力伝送性能が悪い。   Further, when the Q of a polypropylene capacitor having a capacitance of 0.1 μF, which is different from a polypropylene capacitor having a good power transmission performance described later, was measured at 1 MHz, Q≈5 and tan δ = 1 / 5≈0. 2. The tangent angle δ was δ≈11.3 degrees. That is, as long as the dielectric loss tangent tan δ in the high frequency region is compared, the ceramic capacitor has better characteristics than the polypropylene capacitor. However, as far as the inventor of the present application experimentally verified, the multilayer ceramic capacitor has a lower power transmission performance than the polypropylene capacitor.

特許文献4には、単に「誘電正接が小さい」と記載されているだけである。JISの規定に準ずるとしたなら、前述したように、1kHzにてフィルムキャパシタの誘電正接を計測して性能比較をするだけで、電力伝送装置に最適なキャパシタが選べることになる。しかし、後述するが、キャパシタの誘電体や誘電正接のみでは、電力伝送装置に最適なキャパシタは選べない。すなわち、周波数特性を勘案した具体的な誘電正接の値、具体的な静電容量、両者の関係、および誘電正接以外の特性要因を規定する必要がある。   Patent Document 4 simply describes that “dielectric loss tangent is small”. If it conforms to the JIS regulations, as described above, an optimum capacitor for the power transmission device can be selected simply by measuring the dielectric loss tangent of the film capacitor at 1 kHz and comparing the performance. However, as will be described later, the optimum capacitor for the power transmission device cannot be selected only by the dielectric or tangent of the capacitor. That is, it is necessary to specify a specific value of dielectric loss tangent considering frequency characteristics, a specific capacitance, a relationship between both, and a characteristic factor other than the dielectric loss tangent.

したがって、電力伝送装置の力率改善用に使用するキャパシタの誘電正接tanδは、誘電体(キャパシタの種類)、静電容量、周波数特性等を勘案して誘電正接tanδの値を規定する必要がある。なお、誘電正接tanδの周波数特性については後述する。   Therefore, the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor used for improving the power factor of the power transmission device needs to be determined in consideration of the dielectric (capacitor type), capacitance, frequency characteristics, and the like. . The frequency characteristics of the dielectric loss tangent tan δ will be described later.

また、特許文献4の段落番号0018、請求項3には、コイルの両端に2個のキャパシタを接続する手法が記載されている。これらは、特開2005−6396号公報の図1、特開2005−6459号公報の図1、特開2005−6460号公報の図1などにも記載されている。しかし、この回路構成は、キャパシタの耐電圧を上昇させる作用効果はあるが、この回路構成と電力伝送性能との相関について言及した先行文献は存在しない。この回路構成の詳細な作用効果についても後述する。   Further, paragraph number 0018 and claim 3 of Patent Document 4 describe a method of connecting two capacitors to both ends of a coil. These are also described in FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-6396, FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-6459, FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-6460, and the like. However, although this circuit configuration has the effect of increasing the withstand voltage of the capacitor, there is no prior document that mentions the correlation between this circuit configuration and power transmission performance. Detailed operational effects of this circuit configuration will also be described later.

すなわち、従来の技術では、電力伝送装置の力率改善用に使用するキャパシタの構成や特性、電力伝送装置の力率改善用キャパシタを使用する回路構成と作用効果が全く明確にされておらず、そのために、電力伝送性能のよい電力伝送装置が実現できていない。換言すれば、高周波電力回路に使用する性能のよいキャパシタを選ぶこと、およびその使用条件を規定することができない。これが、本分野における第2の課題となっている。   That is, in the conventional technology, the configuration and characteristics of the capacitor used for power factor improvement of the power transmission device, the circuit configuration and the operation effect using the power factor improvement capacitor of the power transmission device are not clarified at all, Therefore, a power transmission device with good power transmission performance cannot be realized. In other words, it is not possible to select a capacitor with good performance for use in the high-frequency power circuit and to define its use conditions. This is the second problem in this field.

また、図125から、前記したように、直列共振回路では、交流電源の電圧をVs(V)、共振周波数をfr(Hz)、送電コイルの実効直列抵抗をRw(Ω)、キャパシタの実効直列抵抗をRc(Ω)、とすると、共振点で、Ir=Vs/(Rw+Rc)(A)、なる大電流がキャパシタに流れるが、特許文献4には、キャパシタの通過可能電流についての記載も全く見られない。   125, as described above, in the series resonance circuit, the voltage of the AC power supply is Vs (V), the resonance frequency is fr (Hz), the effective series resistance of the power transmission coil is Rw (Ω), and the effective series of the capacitors. When the resistance is Rc (Ω), a large current Ir = Vs / (Rw + Rc) (A) flows through the capacitor at the resonance point. However, Patent Document 4 completely describes the current that can be passed through the capacitor. can not see.

さらに、特許文献4には、受電部単体の共振周波数を送電部単体の共振周波数よりも低く設定すると記載されている。本発明は、特許文献4とは作用効果が異なり、本発明の電力伝送装置の送電部は単純な直列共振回路となる。そのため、送電コイルと力率改善用キャパシタで構成されるLC直列回路のQを、Qrとすると、キャパシタには交流電源電圧のQr倍の電圧が印加される。したがって、キャパシタの耐電圧、耐電流に関する性能規定は極めて重要となる。その詳細については後述する。   Further, Patent Document 4 describes that the resonance frequency of the power receiving unit alone is set lower than the resonance frequency of the power transmission unit alone. The effect of the present invention is different from that of Patent Document 4, and the power transmission unit of the power transmission device of the present invention is a simple series resonance circuit. Therefore, when Qr of the LC series circuit composed of the power transmission coil and the power factor correction capacitor is Qr, a voltage Qr times the AC power supply voltage is applied to the capacitor. Therefore, performance specifications regarding the withstand voltage and the withstand current of the capacitor are extremely important. Details thereof will be described later.

そのうえ、特許文献4の図2は、双方向に電流を流せる交流電源の構成になっておらず、コイルとキャパシタを直列接続した回路を駆動できないので、特許文献4の図2の回路は動作しない。   In addition, FIG. 2 of Patent Document 4 does not have an AC power source configuration that allows current to flow in both directions, and cannot drive a circuit in which a coil and a capacitor are connected in series. Therefore, the circuit of FIG. .

上記のように、従来の技術では、電力伝送性能を向上させる最適な特性を持つ力率改善用のキャパシタと電力伝送用のコイルと組合せた直列回路を駆動する最適な特性を持つ回路が実現できていないのが、本技術分野におけるその他の課題となっている。   As described above, the conventional technology can realize a circuit having an optimum characteristic for driving a series circuit in which a power factor improving capacitor having an optimum characteristic for improving power transmission performance and a power transmission coil are combined. Not yet another challenge in this area of technology.

次に、特許文献5の図1には、インピーダンス変換部として、インダクタとキャパシタのみで構成される回路が記載されている。しかし、この回路は無線送信機の出力段のインピーダンス変換に使われる、π−L型回路として公知である(例えば、リニア・アンプハンドブック、米田治雄、P48、CQ出版社、1972年7月15日、参照)。また、この例では、送電コイルから交流電源を見た場合において、送電コイルのインピーダンスと、交流電源のインピーダンスの整合が取れているに過ぎない。インピーダンス変換に用いられているのは、インダクタやキャパシタなどの受動素子である。これらの受動素子は、インピーダンス変換用のフィルタとして機能しているが、受動素子を使ったフィルタ回路では損失が発生するのは公知である(例えば、リニア・アンプハンドブック、米田治雄 P43、CQ出版社、1972年7月15日、参照)。したがって、特許文献5に記載されている作用効果である、交流電圧源を交流電流源に変換する際、あるいはその逆の場合に、LCフィルタ部において、電力損失の発生は避けられない。   Next, FIG. 1 of Patent Document 5 describes a circuit including only an inductor and a capacitor as an impedance converter. However, this circuit is known as a π-L type circuit used for impedance conversion of the output stage of a wireless transmitter (for example, Linear Amplifier Handbook, Haruo Yoneda, P48, CQ Publisher, July 15, 1972). ,reference). In this example, when the AC power source is viewed from the power transmission coil, the impedance of the power transmission coil and the impedance of the AC power source are merely matched. Passive elements such as inductors and capacitors are used for impedance conversion. These passive elements function as impedance conversion filters, but it is known that loss occurs in a filter circuit using passive elements (for example, Linear Amplifier Handbook, Haruo Yoneda P43, CQ Publishing Co., Ltd.) , July 15, 1972). Therefore, when the AC voltage source is converted into an AC current source, which is the effect described in Patent Document 5, or vice versa, the occurrence of power loss is unavoidable in the LC filter unit.

なお、特許文献5に記載されているイミタンスは、インピーダンス、アドミタンス、リアクタンス、サセプタンス、レジスタンス、コンダクタンスなどを総称するもので、特許文献5に記載のイミタンス変換は、インピーダンス変換と同義である。   The immittance described in Patent Document 5 is a generic term for impedance, admittance, reactance, susceptance, resistance, conductance, and the like, and the immittance conversion described in Patent Document 5 is synonymous with impedance conversion.

特許文献6には、コイルLに双方向に電流を流せる交流電源の出力部の回路構成例が記載されているが、特許文献6の段落番号0003には、スイッチング素子として使用できるものは、20KHz程度が限度であり、PWM制御を行うのは困難であることが記載されている。一方、特許文献6の段落番号0009、図1、図6には、実質的にPWM制御である方式が記載されている。しかも、特許文献6の図6のような波形で特許文献6の図1の回路を駆動したときに、特許文献6の図6に示されている波形のゼロ点は、ハイインピーダンスであって、ゼロ電位ではない。   Patent Document 6 describes a circuit configuration example of an output portion of an AC power source that can cause a current to flow bidirectionally through the coil L. Paragraph No. 0003 of Patent Document 6 describes a circuit that can be used as a switching element of 20 KHz. It is described that the degree is a limit and it is difficult to perform PWM control. On the other hand, paragraph No. 0009, FIG. 1, and FIG. 6 of Patent Document 6 describe a system that is substantially PWM control. Moreover, when the circuit of FIG. 1 of Patent Document 6 is driven with a waveform like FIG. 6 of Patent Document 6, the zero point of the waveform shown in FIG. 6 of Patent Document 6 is high impedance, It is not zero potential.

また、特許文献6の段落番号0014、図9より、E1>E2、である。例えば、特許文献6の図10にて、Q2、Q3、Q6、Q7がONになっているときには、特許文献6の図9では、E1正極→Q7→D3→E2正極→E2負極→D2→Q6→E1負極、の経路を通じて、E1の正極からE2を介し、E1の負極に短絡電流が流れてしまう。そのため、直流電源E1、E2からの電流は出力に接続されたコイルに流れず、特許文献6の図9の回路は動作しない。特許文献6の図9に対応する波形である特許文献6の図10、図12は、プロットされたグラフから見ても、特許文献6の図9が動作すると仮定してコンピュータでシミュレーションしたものと思われ、実測値であるとは考えられない。また、前記したように、特許文献6の図9の回路においては、特許文献6の図10のような出力波形は得られない。そのうえ、特許文献6には、コイル駆動回路の特性が全く明示されておらず、直流−交流変換効率についても言及されていない。   Further, from paragraph number 0014 of Patent Document 6 and FIG. 9, E1> E2. For example, in FIG. 10 of Patent Document 6, when Q2, Q3, Q6, and Q7 are ON, in FIG. 9 of Patent Document 6, E1 positive electrode → Q7 → D3 → E2 positive electrode → E2 negative electrode → D2 → Q6. → A short-circuit current flows from the positive electrode of E1 through E2 to the negative electrode of E1 through the path of E1 negative electrode. Therefore, the current from the DC power supplies E1 and E2 does not flow through the coil connected to the output, and the circuit of FIG. 9 in Patent Document 6 does not operate. FIGS. 10 and 12 of Patent Document 6 corresponding to FIG. 9 of Patent Document 6 are simulated by a computer on the assumption that FIG. 9 of Patent Document 6 operates even when viewed from the plotted graph. It seems that it is not actually measured value. Further, as described above, in the circuit of FIG. 9 of Patent Document 6, an output waveform as shown in FIG. 10 of Patent Document 6 cannot be obtained. Moreover, Patent Document 6 does not clearly show the characteristics of the coil drive circuit and does not mention the DC-AC conversion efficiency.

箔導体コイルを使用した電力伝送装置の一例として、特許文献7の段落番号0043には、箔状導体を平板渦巻き状に形成したコイルを使用することが記載されている。箔状導体の巻回法を工夫することにより、送電コイルよりも小さい複数の受電コイルが、送電コイル上のどの位置に置かれていても、受電装置が必要とする電力を伝送できると記載されている(特許文献7、段落番号0018)。しかし、特許文献7の図6aを参照すると、隣接する導線間の間隙が広い部分に広い幅の箔状導体を形成しても、隣接する導線間の間隙が狭い部分は、必然的に導線幅が狭くなるのでコイルの実効直列抵抗が高くなる。   As an example of a power transmission device using a foil conductor coil, paragraph number 0043 of Patent Document 7 describes using a coil in which a foil conductor is formed in a flat spiral shape. It is described that by devising the winding method of the foil conductor, the power required by the power receiving device can be transmitted no matter where the multiple power receiving coils smaller than the power transmitting coil are placed. (Patent Document 7, paragraph number 0018). However, referring to FIG. 6a of Patent Document 7, even if a wide foil-like conductor is formed in a portion where the gap between adjacent conductors is wide, the portion where the gap between adjacent conductors is narrow inevitably becomes the conductor width. Becomes narrower, the effective series resistance of the coil becomes higher.

また、特許文献7の図6cは、特許文献2の図2に記載されているように公知であり、特許文献7が従来例としている図2と同じ構成である。特許文献7の段落番号0063、0120には、作用効果として、磁力線が回転することにより、受電コイルの送電コイルに対する方向が、どのような角度であっても受電コイルは送電コイルが発生する磁束を補足できるとしているが、これには最低でも2個の送電コイルが必要となる。   Moreover, FIG. 6c of patent document 7 is well-known as described in FIG. 2 of patent document 2, and is the same structure as FIG. 2 which patent document 7 uses as a prior art example. In paragraph Nos. 0063 and 0120 of Patent Document 7, as a function and effect, the magnetic field lines rotate, so that the receiving coil generates magnetic flux generated by the transmitting coil regardless of the angle of the direction of the receiving coil with respect to the transmitting coil. Although it can be supplemented, this requires at least two power transmission coils.

しかも、2個のコイルが発生する磁界が直交するようにコイルを配置し、それぞれのコイルに位相差が90度ずれている電流を流せば、両コイルに流れる電流により発生する磁場が回転することは、電磁気学の公知理論であり、例えば、磁気バブルメモリーの駆動コイルとして使われている(一例として、特開昭59-44713号公報、2ページ右下1〜10行目参照)。したがって、特許文献7の請求項1に記載された、1個のコイルを使用した送電コイルの構成では、前記したどのような角度であっても受電コイルが送電コイルの発生する磁束を捕捉できるという作用効果は達成できない。   In addition, if the coils are arranged so that the magnetic fields generated by the two coils are orthogonal to each other, and a current having a phase difference of 90 degrees is passed through each coil, the magnetic fields generated by the currents flowing through both coils will rotate. Is a known theory of electromagnetism, and is used, for example, as a drive coil for a magnetic bubble memory (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 59-44713, page 2, lower right, lines 1 to 10). Therefore, in the configuration of the power transmission coil using one coil described in claim 1 of Patent Document 7, the power reception coil can capture the magnetic flux generated by the power transmission coil at any angle as described above. The effect cannot be achieved.

上記に述べてきたように、電磁気学の理論や回路理論との整合がとれていない従来の技術では、分離可能なコイル間で電力伝送を行う相互誘導作用の理論を適用できず、さらに、電力伝送装置を構成するコイル、コイルを組合せた変成器、キャパシタ、交流電源の特性が前記理論から乖離している。この乖離点および乖離に起因する問題点が明確になっていないことが本分野の課題となっており、現在も解決はなされていない。   As described above, the conventional technology that is not consistent with electromagnetic theory or circuit theory cannot apply the theory of mutual induction that transmits power between separable coils. The characteristics of the coil constituting the transmission device, the transformer combined with the coil, the capacitor, and the AC power supply deviate from the above theory. This divergence point and the problems caused by the divergence are not clear, and this is an issue in this field, and no solution has been made.

また、箔状導体を平板渦巻き状に巻回して構成されるコイル、該コイルを使った電力伝送装置においては、様々な案が提示されているが、上記のように、種々の課題が存在するため、まだ実用化には至っていない。   In addition, various proposals have been presented for a coil configured by winding a foil-like conductor into a flat spiral, and a power transmission device using the coil, but there are various problems as described above. Therefore, it has not yet reached practical use.

しかしながら、本願発明者の検証によると、大電力を高効率で伝送するのは難しいが、特許文献7とは異なり、箔状導体を使った送電コイルは、送電コイルを中心として、全方向の広い範囲に磁束を形成することができる。そのため、少なくとも長距離の電力伝送や、送電コイルを中心として広い範囲に電力を伝送することが可能となる。   However, according to the inventor's verification, it is difficult to transmit large power with high efficiency, but unlike Patent Document 7, a power transmission coil using a foil-like conductor is wide in all directions, centering on the power transmission coil. Magnetic flux can be formed in the range. For this reason, it is possible to transmit power over a wide range at least for long-distance power transmission and centering on the power transmission coil.

また、箔状導体を平板渦巻き状に巻回して構成されるコイルを送電コイルとして用いることにより、送電コイルよりも小さい受電コイルが、送電コイル上のどの位置に置かれていても、受電装置が必要とする電力を伝送することができる。あるいは、送電コイルと受電コイルの相対角度がどのような状態であっても、電力を伝送可能であるという効果が確認されている。そして、このような性能を持つ電力伝送装置は、従来の数十MHz帯の電磁波を使った長距離伝送が可能な電力伝送装置よりも、性能を向上することが可能となる。しかし、上記したような作用効果について言及した従来技術は全く存在しない。   In addition, by using a coil configured by winding a foil-like conductor in a flat spiral shape as a power transmission coil, the power reception device can be placed in any position on the power transmission coil where the power reception coil smaller than the power transmission coil is placed. Necessary power can be transmitted. Alternatively, it has been confirmed that power can be transmitted regardless of the relative angle between the power transmission coil and the power reception coil. And the power transmission device with such performance can improve performance over the conventional power transmission device capable of long-distance transmission using electromagnetic waves of several tens of MHz. However, there is no prior art that mentions the above-described effects.

前記のような性能を持つ電力伝送装置は、例えば、非接触ICカードをポケットに入れたまま改札機を通過可能な自動改札システム、その他、インテリア、ゲーム、玩具など、2次電池を内蔵しない受電部や、小容量の2次電池あるいは電気2重層キャパシタを内蔵した受電部に長距離の電力伝送を行うなど、種々の応用用途がある。   The power transmission device having the above-mentioned performance is, for example, an automatic ticket gate system that can pass through a ticket gate machine with a non-contact IC card in a pocket, and other power receiving devices that do not incorporate a secondary battery such as interiors, games, and toys. There are various application uses such as long-distance power transmission to a power receiving unit incorporating a secondary battery or a small capacity secondary battery or an electric double layer capacitor.

すなわち、従来の技術では、要求される電力伝送装置の仕様に合わせて最適化された、箔状導体を平板渦巻き状に巻回して構成されるコイルが実現できていない。また、従来の技術では、箔状導体で形成された電力伝送用コイルのみならず、前記コイルを駆動する最適な周辺回路を持つ電力伝送性能が良好な電力伝送装置も実現できていない。   That is, in the conventional technology, a coil configured by winding a foil-like conductor into a flat spiral shape that is optimized in accordance with the required specification of the power transmission device cannot be realized. In addition, in the prior art, not only a power transmission coil formed of a foil-like conductor but also a power transmission device with good power transmission performance having an optimal peripheral circuit for driving the coil cannot be realized.

そのため、まず上述した第1の課題である電力伝送性能のよい箔導体コイルを実現し、その作動条件を規定しなければならない。次に、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの特性と構成を規定し、電力伝送装置の力率改善用に適したキャパシタを選ぶという第2の課題を解決しなければならない。
そこで、この発明の目的は、箔導体で構成した長距離の電力伝送が可能な送電コイル、送電コイルと最適なキャパシタを装備した送電装置、最適な受電コイル及び受電装置、送電装置と受電装置とから成る電力伝送装置を実現することである。
Therefore, first, a foil conductor coil with good power transmission performance, which is the first problem described above, must be realized and its operating conditions must be defined. Next, the second problem of defining the characteristics and configuration of the power factor improving capacitor of the power transmission device and selecting a capacitor suitable for improving the power factor of the power transmission device must be solved.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a power transmission coil configured with a foil conductor capable of long-distance power transmission, a power transmission device equipped with a power transmission coil and an optimal capacitor, an optimal power reception coil and power reception device, a power transmission device and a power reception device, and To realize a power transmission device comprising:

この発明は、送電部と受電部が分離可能に構成され、相互誘導作用により、送電部から受電部に電力を伝送する電力伝送装置の送電部に使用される送電コイルであって、送電コイルは、絶縁材料上に箔状導体を渦巻状に卷回して空芯状に構成された空芯コイルであり、送電コイル単体時の実効直列抵抗をRw(Ω)、送電コイルの実効直列抵抗の変化を検知するために、送電コイルと同一のコイルを、送電コイルに対向させて変成器を構成し、送電コイルに対向させた同一のコイルの両端を短絡したときの、送電コイルの実効直列抵抗をRs(Ω)、とすると、送電コイルが、Rs≧Rw、なる関係を満足する最高周波数f1(Hz)が、少なくとも200kHz以上となるように、所定の箔状導体を用い、所定の卷回数あるいは卷回法で所定の外径、内径に構成されている。 The present invention is a power transmission coil used in a power transmission unit of a power transmission device in which a power transmission unit and a power reception unit are configured to be separable and transmit power from the power transmission unit to the power reception unit by mutual inductive action. This is an air-core coil that is formed into an air-core shape by winding a foil-like conductor in a spiral shape on an insulating material. The effective series resistance of the power transmission coil alone is Rw (Ω), and the change in the effective series resistance of the power transmission coil In order to detect this, the transformer coil is configured with the same coil as the power transmission coil facing the power transmission coil, and the effective series resistance of the power transmission coil when both ends of the same coil opposed to the power transmission coil are short-circuited. If Rs (Ω), the power transmission coil uses a predetermined foil conductor so that the maximum frequency f1 (Hz) satisfying the relationship Rs ≧ Rw is at least 200 kHz, Specified by the winding method The outer diameter and the inner diameter are configured.

絶縁材料上に箔状導体を卷回して構成されたコイルを2個使用し、上記のような計測法によってコイルを選択することにより、電力伝送性能のよい送電コイルが実現できる。A power transmission coil with good power transmission performance can be realized by using two coils formed by winding a foil-like conductor on an insulating material and selecting the coils by the measurement method as described above.

具体的には、箔状導体の厚さをt、幅をHとしたときに、少なくとも幅Hが厚さtの10倍以上であり、幅Hが1mm以上であり、送電コイルは、絶縁材料上に、絶縁材料と箔状導体の幅Hが接するように、箔状導体を単層渦巻き状に巻回してあり、少なくとも送電コイルの最大外形寸法が幅Hの10倍以上で、送電コイルの最小外形が10cm以上であり、かつ、箔状導体の巻き数が4以上である。Specifically, when the thickness of the foil-shaped conductor is t and the width is H, at least the width H is 10 times the thickness t and the width H is 1 mm or more. The foil conductor is wound in a single layer spiral so that the insulating material and the width H of the foil conductor are in contact with each other, and at least the maximum outer dimension of the power transmission coil is 10 times the width H or more. The minimum outer shape is 10 cm or more, and the number of windings of the foil-shaped conductor is 4 or more.

具体的には、箔状導体の厚さtが、0.3mm以下、10μm以上であり、隣接する箔状導体の導体間に、5×t、以上の間隙が設けられている。Specifically, the thickness t of the foil conductor is 0.3 mm or less and 10 μm or more, and a gap of 5 × t or more is provided between the conductors of adjacent foil conductors.

送電コイルを上記のように構成することにより、電力伝送性能のよい送電コイルが実現できる。具体的には箔導体の厚みと幅などを規定することにより、表皮効果の影響を低減でき、箔状導体の厚さtが所定の厚みを有することにより、直流抵抗を低減できる。By configuring the power transmission coil as described above, a power transmission coil with good power transmission performance can be realized. Specifically, the influence of the skin effect can be reduced by defining the thickness and width of the foil conductor, and the direct current resistance can be reduced when the thickness t of the foil conductor has a predetermined thickness.

より具体的には、送電コイルの最外周部における隣接する各箔状導体間に設ける間隙の幅をw1、送電コイルの最内周部における隣接する各箔状導体間に設ける間隙の幅をw2、とすると、w2>w1>0、であって、最外周部から内周部に行くに従い、間隙の幅がw1より増加し、間隙の幅w2が、少なくとも、5×t、以上である。More specifically, the width of the gap provided between adjacent foil-shaped conductors in the outermost peripheral portion of the power transmission coil is w1, and the width of the gap provided between adjacent foil-shaped conductors in the innermost peripheral portion of the power transmission coil is w2. Then, w2> w1> 0, and the width of the gap increases from w1 as it goes from the outermost periphery to the inner periphery, and the width w2 of the gap is at least 5 × t or more.

この例では、中心部の磁束密度が高く、外周部の磁束密度が低いので、内周部に空白を設けるとともに内周部を疎に巻回し、外周部を密に巻回することで、コイル面上の磁束密度を均一にできる。In this example, since the magnetic flux density in the center is high and the magnetic flux density in the outer periphery is low, a blank is provided in the inner periphery, the inner periphery is loosely wound, and the outer periphery is densely wound. The magnetic flux density on the surface can be made uniform.

好ましくは、箔状導体間に、少なくとも1本の結合線を卷回し、結合線を、電気的には空芯のコイルの電力伝送用箔状導体と絶縁すると共に、電磁的には空芯のコイルの電力伝送用箔状導体と蜜結合変成器と同等の状態となるように構成されている。Preferably, at least one coupling wire is wound between the foil conductors, the coupling wire is electrically insulated from the foil conductor for power transmission of the air core coil, and electromagnetically the air core It is comprised so that it may be in the state equivalent to the foil-like conductor for power transmission of a coil, and a honey-couple transformer.

このような結合線を設けることにより、結合線を信号伝送や送電コイルの作動状態の検知、自励発振などに利用できる。By providing such a coupling line, the coupling line can be used for signal transmission, detection of the operating state of the power transmission coil, self-excited oscillation, and the like.

好ましくは、送電コイルは、コイルを形成する導体の一部に導線を使用するか、Preferably, the power transmission coil uses a conductive wire as a part of a conductor forming the coil, or
コイルを形成する箔状導体の一部の幅Hが、他の部分とは異なるか、Whether the width H of a part of the foil-shaped conductor forming the coil is different from other parts,
あるいは、コイルを形成する箔状導体の少なくとも一部が、少なくとも2本の電気的に分離された箔状導体から成る。Alternatively, at least a part of the foil conductor forming the coil is composed of at least two electrically separated foil conductors.

箔状導体の幅が太いほど、箔状導体が生成する磁束が幅Hに垂直な方向に広がる作用効果があるため、外周部を太くすることにより、コイル面上での磁束を均一にし、かつ、電力伝送距離を長くすることができる。2本の電気的に分離された箔状導体を使用することにより、コイルの直流抵抗を低くして磁束の上方への広がりを抑えることができる。The thicker the foil-shaped conductor, the more effective the magnetic flux generated by the foil-shaped conductor spreads in the direction perpendicular to the width H. By thickening the outer peripheral portion, the magnetic flux on the coil surface is made uniform, and The power transmission distance can be increased. By using two electrically separated foil-like conductors, the DC resistance of the coil can be lowered and the upward spreading of the magnetic flux can be suppressed.

好ましくは、受電コイルの面積が、送電コイルの面積の1/4以下である場合で、受電コイルは、短辺と長辺とを有する長方形状であって、送電コイルと受電コイルとが対向して配置され、短辺に対して直角方向に巻回された短辺と交差する箔導体の本数と、長辺に対して直角方向に巻回された長辺と交差する箔導体の本数の値が近接するように、箔状導体が巻回される。Preferably, the area of the power receiving coil is ¼ or less of the area of the power transmitting coil, and the power receiving coil has a rectangular shape having a short side and a long side, and the power transmitting coil and the power receiving coil face each other. The number of foil conductors intersecting the short side wound in a direction perpendicular to the short side and the number of foil conductors intersecting the long side wound in the direction perpendicular to the long side The foil-like conductor is wound so that they are close to each other.

この例では、受電用コイルに対向する送電用コイルにおいて、受電コイルの磁束補足面積内に含まれる箔状導体の本数を多くすることにより、送電用コイル全面で、受電用コイルに必要な電力を送ることができる。In this example, in the power transmission coil facing the power reception coil, the power required for the power reception coil is increased over the entire surface of the power transmission coil by increasing the number of foil conductors included in the magnetic flux supplement area of the power reception coil. Can send.

好ましくは、送電コイルは、コイルを形成する箔状導体の一部または全部が、箔状導体の巻回面に対し角度を持って巻かれている。Preferably, in the power transmission coil, a part or all of the foil conductor forming the coil is wound at an angle with respect to the winding surface of the foil conductor.

この例では、箔状導体の巻回面に対し角度を持たせることにより、磁束方向、磁束強度を変化させ、長距離、無方向、単一方向など、種々の性能を持つ送電装置のコイルを実現できる。In this example, by giving an angle to the winding surface of the foil conductor, the magnetic flux direction and magnetic flux intensity are changed, and the coil of the power transmission device having various performances such as long distance, non-direction, single direction, etc. realizable.

好ましくは、絶縁材料の箔状導体の巻回面の反対側に、少なくとも1枚の磁性材板を備えている。Preferably, at least one magnetic material plate is provided on the side opposite to the winding surface of the foil conductor of the insulating material.

磁性材シート、または磁性材板を使用することで、不要輻射による電波障害を軽減することができる。By using a magnetic material sheet or a magnetic material plate, it is possible to reduce radio wave interference due to unnecessary radiation.

好ましくは、先の発明の送電コイルに金属が近接したときの影響を遮蔽し、送電コイルの特性変動を防止するための金属板を備えているか、あるいは送電コイルが金属材料上に設置される場合において、送電コイルの空芯コイルを形成した絶縁材料の箔状導体卷回面の反対側に、磁性材板、絶縁材料の少なくとも1つが装備される場合に、Preferably, when a metal plate is provided to shield the influence when a metal comes close to the power transmission coil of the previous invention and to prevent fluctuations in the characteristics of the power transmission coil, or when the power transmission coil is installed on a metal material In the case where at least one of the magnetic material plate and the insulating material is equipped on the opposite side of the foil-shaped conductor winding surface of the insulating material forming the air-core coil of the power transmission coil,
・磁性材板1枚のみを含むか、・ Include only one magnetic material plate,
・所定の厚さMが(10mm)以下であるか、Whether the predetermined thickness M is (10 mm) or less,
・送電コイルの外径をD(mm)とし、Mが、M>D/10である、空気を含む絶縁材であるときには、When the outer diameter of the power transmission coil is D (mm) and M is an insulating material including air, where M> D / 10,
金属板または金属材料は、0.1mm以上の厚さM(mm)の常磁性または反磁性の磁気的性質を持つ、金属または合金から成る金属板であり、The metal plate or the metal material is a metal plate made of a metal or an alloy having a paramagnetic or diamagnetic magnetic property with a thickness M (mm) of 0.1 mm or more,
・少なくとも2枚以上の磁性材板を含むか、・ Contain at least two or more magnetic plates
・1枚の磁性材板と所定の厚さ(10mm)以下の絶縁材であるか、-One magnetic material plate and an insulating material having a predetermined thickness (10 mm) or less,
・所定の厚さ(10mm)以上の絶縁材のみであるであるときには、-When it is only an insulating material having a predetermined thickness (10 mm) or more,
金属板または金属材料は、0.01mm以上の厚さM(mm)の任意の磁気的性質を持つ、金属または合金から成る金属板または金属材料である。The metal plate or metal material is a metal plate or metal material made of a metal or an alloy having an arbitrary magnetic property with a thickness M (mm) of 0.01 mm or more.

この例では、送電コイルに、磁性材板を装備することにより、送電コイルのインダクタンスを増加させることができる。また、不要輻射による電波障害を軽減することができる。磁性材板の寸法を、送電コイルの寸法よりも大きくすることにより、さらに送電コイルのインダクタンスを増加させ、不要輻射による電波障害を軽減することができる。また、空気を含む絶縁材を使用することにより、周波数が高くなったときのコイルの実効直列抵抗の増加を抑えることができる。In this example, the inductance of the power transmission coil can be increased by equipping the power transmission coil with a magnetic material plate. In addition, radio wave interference due to unnecessary radiation can be reduced. By making the size of the magnetic material plate larger than the size of the power transmission coil, it is possible to further increase the inductance of the power transmission coil and reduce radio wave interference due to unnecessary radiation. Further, by using an insulating material containing air, it is possible to suppress an increase in the effective series resistance of the coil when the frequency is increased.

さらに、送電コイルのインダクタンスの変化を防止するために、送電コイルの内周部の導線端から送電コイル外部に取り出す導線を、箔状導体の卷回面に固定して送電コイルの2端子の内、一方の端子とするか、箔状導体が卷回されている絶縁材料の裏面に、箔状導体を用いて内周部からの取り出し線を固定形成し、送電コイルの2端子の内、一方の端子とするか、箔状導体が形成された絶縁材料の裏面に金属板が装備されているには、送電コイルの内周部の導線端をコイルの中心部で金属板に接続し、金属板を送電コイルの2端子の内、一方の端子とする。Furthermore, in order to prevent a change in the inductance of the power transmission coil, a lead wire taken out of the power transmission coil from the conductive wire end of the inner peripheral portion of the power transmission coil is fixed to the winding surface of the foil conductor, and the two of the two terminals of the power transmission coil are fixed. The lead wire from the inner periphery is fixedly formed on the back surface of the insulating material on which the foil conductor is wound using the foil conductor, and one of the two terminals of the power transmission coil If the metal plate is equipped on the back side of the insulating material on which the foil-like conductor is formed, the conductor wire end of the inner periphery of the power transmission coil is connected to the metal plate at the center of the coil. Let the plate be one of the two terminals of the power transmission coil.

寸法の大きい箔導体コイルの中心から、コイル外部に取り出す電線は、コイルの一部として、インダクタンスを変化させる。コイルの中心部の導線端から取り出す電線は、箔導体コイルの卷回面に対し、上記のいずれかの方法により、取り出し線の位置関係を固定しておくことにより、コイルのインダクタンスの変動変動が防止できる。An electric wire taken out from the center of the foil conductor coil having a large size changes the inductance as a part of the coil. The electric wire taken out from the end of the conductive wire at the center of the coil is subject to fluctuations in the inductance of the coil by fixing the positional relationship of the outgoing wire to the winding surface of the foil conductor coil by any of the above methods. Can be prevented.

好ましくは、送電コイルの外形寸法よりも大きい金属性の枠を含み、金属性枠の一部が、送電コイルの巻回面の一部と重なっている。Preferably, a metal frame larger than the outer dimension of the power transmission coil is included, and a part of the metal frame overlaps a part of the winding surface of the power transmission coil.

この例では、送電コイルの上面のみならず、金属性の枠の外側にある受電コイルにまで電力を伝送できる。このように、送電コイルの面積以上の広範囲に、磁束を広げることができるようになる。金属枠は鉄などの強磁性金属を使うのが好ましい。In this example, power can be transmitted not only to the upper surface of the power transmission coil but also to the power reception coil outside the metallic frame. Thus, the magnetic flux can be spread over a wide range that is greater than the area of the power transmission coil. The metal frame is preferably made of a ferromagnetic metal such as iron.

この発明の他の局面は、先の発明の送電コイルと、直流電力を交流電力に変換する電力変換手段から成る交流電源と、送電コイルの正のリアクタンスを打ち消すためのキャパシタ(13)と、を少なくとも含む送電装置であって、交流電源の出力と、基準コイルとの間にキャパシタ(13)を直列接続し、基準コイルには他のコイルを対向させず、送電部単体で直列共振回路を構成したときに、キャパシタのリアクタンスXcと、送電コイルのリアクタンスXiが等しくなる周波数(直列共振周波数)をfr(Hz)とし、交流電源の出力周波数をfrに設定したときに、frにおいて、直列共振回路のQをQr、直列共振回路に共振電流が流れているときの、交流電源の出力電圧をVt、キャパシタの両端電圧をVc、VtをVcに昇圧する昇圧比Hを、H=Vc/Vt、とすると、キャパシタ(13)が、H≧0.9×Qr、なる条件を満足している。 In another aspect of the present invention, there is provided a power transmission coil according to the previous invention, an AC power source comprising power conversion means for converting DC power into AC power, and a capacitor (13) for canceling the positive reactance of the power transmission coil. A power transmission device including at least a capacitor (13) connected in series between an output of an AC power source and a reference coil, and a series resonance circuit is configured by a single power transmission unit without facing another coil to the reference coil When the frequency (series resonance frequency) at which the reactance Xc of the capacitor and the reactance Xi of the power transmission coil become equal is fr (Hz) and the output frequency of the AC power supply is set to fr, When Q is Qr, the output voltage of the AC power source is boosted to Vt, the voltage across the capacitor is Vc, and Vt is boosted to Vc when the resonant current is flowing through the series resonant circuit. Up ratio H, H = Vc / Vt, and when the capacitor (13), which satisfies the H ≧ 0.9 × Qr, following condition.

直列共振回路のQ、Qrは、基準コイルのQをQi、キャパシタのQをQcとすると、1/Qr=1/Qi+1/Qc、なる関係にある。直列共振周波数では、基準コイルとキャパシタのリアクタンスがゼロとなり、基準コイルの両端とキャパシタの両端には、交流電源電圧のQr倍の電圧が発生する。これは、直列共振回路の昇圧効果と呼ばれている。この昇圧作用を利用してキャパシタを選び、送電装置に装備することにより、性能の良い送電装置が実現できる。Q and Qr of the series resonant circuit have a relationship of 1 / Qr = 1 / Qi + 1 / Qc, where Qi of the reference coil is Qi and Q of the capacitor is Qc. At the series resonance frequency, the reactance of the reference coil and the capacitor becomes zero, and a voltage Qr times the AC power supply voltage is generated at both ends of the reference coil and the capacitor. This is called the boosting effect of the series resonance circuit. A power transmission device with good performance can be realized by selecting a capacitor using this boosting action and installing the capacitor in the power transmission device.

この発明の他の例は、先の発明の送電コイルと、交流電源の出力と、基準コイルとの間にキャパシタ(13)を直列接続し、基準コイルには他のコイルを対向させず、送電部単体で直列共振回路を構成したときに、交流電源の出力電圧は、ゼロ電位と所定の電位との間で電圧が変化する、デューティ50%の方形波であって、キャパシタのリアクタンスXcと、基準コイルのリアクタンスXiが等しくなる周波数(直列共振周波数)をfr(Hz)とし、frにおいて、コイルの実効直列抵抗をRi(Ω)、交流電源の出力インピーダンスZs(Ω)、とすると、Zs<(Ri/5)を満足しており、キャパシタの直流電流遮断作用により、キャパシタ両端の交流電圧波形の正のピーク値と負のピーク値は、ゼロ電位に対して対称になるところ、実際の直列共振回路では、キャパシタ両端の交流電圧波形がゼロ点からシフトし、交流電源の出力周波数がfrに設定されたときの、キャパシタ1個を交流電源のGND端子と、基準コイルとに直列接続したキャパシタの両端電圧のゼロ電位に対する正のピーク値Vpと負のピーク値Vnの比を、S=Vp/Vn、キャパシタと同一(種類、構成、静電容量の全てが同一)のキャパシタ1個を交流電源の他方の端子と、基準コイルとに直列接続したキャパシタの両端電圧のゼロ電位に対する正のピーク値Vpと、負のピーク値Vnの比を、S1=Vp/Vn、交流電源のGND端子と送電コイルの一方の端子の間にキャパシタを直列接続すると共に、交流電源の他方の端子と送電コイルの他方の端子の間にキャパシタと同一のキャパシタを直列接続したときの、他方の端子に接続したキャパシタの両端電圧のゼロ電位に対する正のピーク値Vpと、負のピーク値Vnの比を、Sn=Vn/Vp、としたときに、キャパシタ(13)が、
1)キャパシタの静電容量をC(μF)、係数αを、α=log(C/0.001μF)(但し、C≧0.01μFで、α≧1;C<0.01μFのときは、α=1)所定係数Bを、B=1+0.06α(無単位)、としたときに、キャパシタ(13)が、S≦B、なる関係を満足しているか、
2)あるいは、キャパシタ(13)が、以下の全ての条件
・Fa=(Sp−1)/(S−1)<0.75、
・Fb=(Sp−1)/(S1−1)<0.75、
・Fc=(Sn−1)/(S−1)<0.75、
・Fd=(Sn−1)/(S1−1)<0.75、
を満足するかの、少なくともいずれか一方の条件を満足しており、上記2)の条件を満足している場合には、交流電源のGND端子と送電コイルの一方の端子との間にキャパシタ(13)を直列接続すると共に、交流電源の他方の端子と送電コイルの他方の端子との間に、キャパシタ(13)が直列接続されている。
In another example of the present invention, a capacitor (13) is connected in series between the power transmission coil of the previous invention, the output of the AC power source, and the reference coil, and the other coil is not opposed to the reference coil. When the series resonance circuit is configured as a single unit, the output voltage of the AC power supply is a square wave with a duty of 50%, the voltage of which changes between a zero potential and a predetermined potential, and the reactance Xc of the capacitor, If the frequency (series resonance frequency) at which the reactance Xi of the reference coil becomes equal is fr (Hz), and the effective series resistance of the coil is Ri (Ω) and the output impedance Zs (Ω) of the AC power supply at fr, then Zs < (Ri / 5) is satisfied, and the positive peak value and the negative peak value of the AC voltage waveform at both ends of the capacitor are symmetric with respect to zero potential due to the DC current blocking action of the capacitor. In an actual series resonance circuit, when the AC voltage waveform across the capacitor is shifted from the zero point and the output frequency of the AC power supply is set to fr, one capacitor is connected to the GND terminal of the AC power supply and the reference coil. Capacitor whose ratio of positive peak value Vp and negative peak value Vn with respect to zero potential at both ends of capacitors connected in series is S = Vp / Vn, which is the same as the capacitor (the type, configuration and capacitance are all the same) The ratio of the positive peak value Vp to the zero potential of the voltage across the capacitor connected in series with the other terminal of the AC power supply and the reference coil, and the negative peak value Vn is S1 = Vp / Vn, AC power supply A capacitor is connected in series between the GND terminal of the power supply and one terminal of the power transmission coil, and the same capacitor as the capacitor is connected between the other terminal of the AC power source and the other terminal of the power transmission coil. When the ratio of the positive peak value Vp to the zero potential of the voltage across the capacitor connected to the other terminal when connected in columns and the negative peak value Vn is Sn = Vn / Vp, the capacitor (13 )But,
1) The capacitance of the capacitor is C (μF), and the coefficient α is α = log (C / 0.001 μF) (where C ≧ 0.01 μF, α ≧ 1; C <0.01 μF, α = 1) When the predetermined coefficient B is B = 1 + 0.06α (no unit), whether the capacitor (13) satisfies the relationship S ≦ B,
2) Alternatively, the capacitor (13) has all the following conditions: Fa = (Sp-1) / (S-1) <0.75,
Fb = (Sp-1) / (S1-1) <0.75,
Fc = (Sn-1) / (S-1) <0.75,
Fd = (Sn-1) / (S1-1) <0.75,
If at least one of the conditions is satisfied, and the condition 2) is satisfied, a capacitor (between the GND terminal of the AC power supply and one terminal of the power transmission coil) is satisfied. 13) are connected in series, and a capacitor (13) is connected in series between the other terminal of the AC power supply and the other terminal of the power transmission coil.

この例では、キャパシタの直流電流遮断作用により、キャパシタの両端の電圧波形は、ゼロ点に対して対称になるが、実際の直列共振回路(送電回路)では、キャパシタの電圧波形がゼロ点からシフトする。このキャパシタの両端電圧のゼロ点に対する非対称性を利用して、電力伝送特性のよいキャパシタを選択できる。また、誘電正接tanδの規定では除外できない電力伝送性能の悪いキャパシタを、規定数値外に掃き出すことができる。よって、より正確に電力伝送性能の良いキャパシタを選ぶことができる。その結果、電力伝送性能のよい電力伝送装置を実現できる。さらに、キャパシタをコイルの両端に、接続すると、Vp/Vnの値が1に近づき、電力伝送性能を良くすることができる。In this example, the voltage waveform at both ends of the capacitor is symmetric with respect to the zero point due to the DC current blocking action of the capacitor, but in an actual series resonance circuit (power transmission circuit), the voltage waveform of the capacitor is shifted from the zero point. To do. A capacitor having good power transmission characteristics can be selected by utilizing the asymmetry of the voltage across the capacitor with respect to the zero point. In addition, capacitors with poor power transmission performance that cannot be excluded by the definition of dielectric loss tangent tan δ can be swept out of the specified value. Therefore, it is possible to select a capacitor with good power transmission performance more accurately. As a result, a power transmission device with good power transmission performance can be realized. Furthermore, when a capacitor is connected to both ends of the coil, the value of Vp / Vn approaches 1 and the power transmission performance can be improved.

この発明のさらに他の例は、先の発明の送電コイルと、キャパシタ(13)の2端子のうち、一方の端子Aに正の電圧を印加し、他方の端子Bに負の電圧を印加したときの誘電吸収をKp、他方の端子Bに正の電圧を印加し、一方の端子Aに正の電圧を印加したときの誘電吸収をKn、KpとKnの比である、Krを、Kp≧Kn、であるときには、Kr=Kp/Kn、Kp<Kn、であるときには、Kr=Kn/Kp、とすると、キャパシタ(13)が、1≦Kr<1.5、なる条件を満足している。 In still another example of the present invention , a positive voltage is applied to one terminal A and a negative voltage is applied to the other terminal B of the power transmission coil of the previous invention and the two terminals of the capacitor (13). Dielectric absorption when Kp is positive, a positive voltage is applied to the other terminal B, and a positive voltage is applied to one terminal A is Kn, and Kr is the ratio of Kp and Kn, Kp ≧ Kp ≧ When Kn, Kr = Kp / Kn, and Kp <Kn, when Kr = Kn / Kp, the capacitor (13) satisfies the condition 1 ≦ Kr <1.5. .

誘電吸収は、キャパシタの直流特性であり、JISでは無極性のキャパシタにて規定がある。無極性のキャパシタの2端子の内、一方の端子に正の電圧を印加して計測した誘電吸収Kpと、他方の端子に正の電圧を印加して計測した誘電吸収Knの値は異なっており、このキャパシタの誘電吸収の非対称性を規定することにより、より正確に電力伝送性能の良いキャパシタを選択することができる。その結果、電力伝送性能のよい電力伝送装置を実現できる。Dielectric absorption is a direct current characteristic of a capacitor, and is specified by a nonpolar capacitor in JIS. The dielectric absorption Kp measured by applying a positive voltage to one of the two terminals of the nonpolar capacitor is different from the dielectric absorption Kn measured by applying a positive voltage to the other terminal. By defining the asymmetry of dielectric absorption of this capacitor, it is possible to select a capacitor with better power transmission performance more accurately. As a result, a power transmission device with good power transmission performance can be realized.

好ましくは、KpまたはKnの少なくともいずれか一方の値が1%以下である。Preferably, at least one value of Kp or Kn is 1% or less.

誘電吸収の非対称性の規定を満足するキャパシタであれば、誘電吸収値は低いほど性能はよい。ただし、Kpが0.1%で、Knが1%であるような、1≦Kr<1.5を満足しないキャパシタは性能がよくないが、誘電吸収の対象性がよいキャパシタは、誘電吸収の数値も低い場合が多い。If the capacitor satisfies the definition of dielectric asymmetry, the lower the dielectric absorption value, the better the performance. However, a capacitor that does not satisfy 1 ≦ Kr <1.5, such as Kp of 0.1% and Kn of 1%, does not perform well, but a capacitor that has good dielectric absorption characteristics does not have dielectric absorption. The numbers are often low.

この発明のさらに他の例は、先の発明の送電コイルと、キャパシタ(13)を含む積分回路を構成したときに、積分回路は、基準パルス発生手段と、所定の同一値の定電流を正逆双方向に流せる電流源と、積分回路の出力電圧をゼロにする初期化手段と、正逆積分時間を計測するための基準パルスを、少なくとも、N=1000カウント以上計測するパルス数計測手段と、を含み、
1)初期化手段により、積分回路の出力電圧をゼロとしたときに、パルス数計測手段のパルス計測値がゼロに初期化された後、キャパシタに、正方向の定電流Ipを所定時間T(S)の間流し、所定時間Tの経過後、キャパシタに、|Ip|=|In|である負方向の所定の定電流Inを流したときに、積分回路の出力電圧がゼロとなるまでの時間をTn、所定時間Tのパルスカウント数をN、キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間Tnのパルスカウント数をNn、
2)初期化手段により、積分回路の出力電圧をゼロとしたときに、パルス数計測手段のパルス計測値がゼロに初期化された後、キャパシタに、逆方向の定電流Inを所定時間Tの間流し、所定時間Tの経過後、キャパシタに、|Ip|=|In|である正方向の所定の定電流Ipを流したときに、積分回路の出力がゼロとなるまでの時間をTp、所定時間Tのパルスカウント数をN、キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間Tnのパルスカウント数をNp、としたときに、NnとNpとの差の絶対値、|Nn−Np|が、0.003×Nカウント以下のキャパシタ(13)である。
In still another example of the present invention, when an integrating circuit including the power transmission coil of the previous invention and a capacitor (13) is configured, the integrating circuit positively outputs a reference pulse generating means and a constant current of a predetermined same value. A current source capable of flowing in opposite directions, an initializing means for setting the output voltage of the integrating circuit to zero, and a pulse number measuring means for measuring at least N = 1000 counts as a reference pulse for measuring the forward / reverse integration time Including,
1) When the initialization unit sets the output voltage of the integration circuit to zero, the pulse measurement value of the pulse number measurement unit is initialized to zero, and then a constant current Ip in the positive direction is applied to the capacitor for a predetermined time T ( S), and after the elapse of a predetermined time T, when a predetermined constant current In in the negative direction of | Ip | = | In | is passed through the capacitor, the output voltage of the integrating circuit becomes zero. Time is Tn, pulse count is N for a predetermined time T, pulse count is Tn for time Tn until the voltage across the capacitor becomes zero,
2) When the output voltage of the integration circuit is set to zero by the initialization means, the pulse measurement value of the pulse number measurement means is initialized to zero, and then a constant current In in the reverse direction is applied to the capacitor for a predetermined time T. When a predetermined constant current Ip in the positive direction of | Ip | = | In | is passed through the capacitor after a lapse of a predetermined time T, the time until the output of the integrating circuit becomes zero is Tp, When the pulse count for the predetermined time T is N and the pulse count for the time Tn until the voltage across the capacitor becomes zero is Np, the absolute value of the difference between Nn and Np, | Nn−Np | , 0.003 × N capacitors or less (13).

この例では、JISに規定する誘電吸収の計測法に比べて、短時間で電力伝送性能のよいキャパシタを選択できる。この作用を、キャパシタによる積分回路の非対称性とする。In this example, it is possible to select a capacitor with good power transmission performance in a short time compared to the dielectric absorption measurement method defined in JIS. This action is defined as the asymmetry of the integrating circuit by the capacitor.
上述した各々のキャパシタ選択法は、いずれも電力伝送性能と相関があり、1つまたは2つ以上の選択法を利用することにより、電力伝送性能のよいキャパシタが得られる。Each of the above-described capacitor selection methods has a correlation with the power transmission performance, and a capacitor with good power transmission performance can be obtained by using one or more selection methods.

より好ましくは、NとNnとの差の絶対値、|N−Nn|と、NとNpとの差の絶対値、|N−Np|との内、少なくともいずれか一方が、0.004×Nカウント以下のキャパシタ(13)である。More preferably, at least one of the absolute value of the difference between N and Nn, | N−Nn |, the absolute value of the difference between N and Np, and | N−Np | is 0.004 × Capacitor (13) with N counts or less.

上述したキャパシタによる積分回路の非対称性と共に、キャパシタで構成した積分回路によるキャパシタの充電時間と放電時間の比を規定し、計測値が規定値よりも小さければ、より好ましい。In addition to the asymmetry of the integration circuit using the capacitor described above, it is more preferable if the ratio between the charging time and the discharging time of the capacitor using the integration circuit constituted by the capacitor is specified and the measured value is smaller than the specified value.

さらに、送電装置の作動条件の規定として、送電コイル単体時の実効直列抵抗を、Rw(Ω)、送電コイルと誘導結合が可能な構成の受電コイルを送電コイルに対向させて変成器を構成し、受電コイルの両端を短絡したときの、送電コイルの実効直列抵抗をRs(Ω)、送電コイルが、Rs≧Rw、なる関係を満足する最高周波数をf1(Hz)、とすると、交流電源の出力周波数fa(Hz)を、f1以下に設定できるように、キャパシタ(13)の静電容量を選び、交流電源により送電コイルを駆動して、送電部から受電部に電力を伝送する。
Further, as the prescribed operating conditions of the power transmitting device, the effective series resistance in the electricity transmission coil alone, Rw (Omega), constitutes a transformer with a power receiving coil of the inductive coupling is configurable to face the power transmission coil and the power transmitting coil If the effective series resistance of the power transmission coil when the both ends of the power reception coil are short-circuited is Rs (Ω), and the power transmission coil is Rs ≧ Rw, the maximum frequency satisfying the relationship of f1 (Hz) The capacitance of the capacitor (13) is selected so that the output frequency fa (Hz) can be set to f1 or less, the power transmission coil is driven by the AC power source, and the power is transmitted from the power transmission unit to the power reception unit.

この例では、送電コイルと受電コイルにより決まる、送電コイルが、Rs≧Rw、なる関係を満足する最高周波数f1以下で、交流電源により送電コイルを駆動することによって、性能のよい送電装置が実現できる。In this example, the power transmission coil determined by the power transmission coil and the power reception coil has a maximum frequency f1 that satisfies the relationship of Rs ≧ Rw, and the power transmission coil is driven by an AC power supply, thereby realizing a high-performance power transmission device. .

好ましくは、先の発明の送電装置の送電コイルに対向する受電コイルの両端を開放したときの、送電コイルの実効直列抵抗をRn(Ω)、送電コイルが、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数をf2(Hz)、とすると、送電コイルを駆動する周波数fd(Hz)を、f2(Hz)以下の周波数に設定する。 Preferably, when both ends of the power receiving coil facing the power transmission coil of the power transmission device of the previous invention are opened, the effective series resistance of the power transmission coil is Rn (Ω), and the power transmission coil has a relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw. If the satisfied maximum frequency is f2 (Hz), the frequency fd (Hz) for driving the power transmission coil is set to a frequency equal to or lower than f2 (Hz).

この例では、電力を伝送する周波数において、Rs≧Rn≧Rw、を満足することにより、さらに実効直列抵抗Rw(Ω)の小さいコイルを選別でき、かつ電力伝送に最適な周波数範囲を規定できる。また、コイル単体、コイルを対向させた変成器のいずれもが理想的な理論上の特性に近づき、電力伝送性能を、従来よりも向上させることが可能となる。In this example, by satisfying Rs ≧ Rn ≧ Rw at the frequency at which power is transmitted, a coil having a smaller effective series resistance Rw (Ω) can be selected, and an optimum frequency range for power transmission can be defined. Further, both the single coil and the transformer with the coils facing each other approach the ideal theoretical characteristics, and the power transmission performance can be improved as compared with the conventional one.

好ましくは、熱抵抗をθi(℃/W)、送電コイルの許容動作温度をTw(℃)、送電コイルが設置される場所の周囲温度をTa(℃)、電力を伝送しているときに、送電コイルに流れる交流電流をIa(A)、としたときに、fd(Hz)において、Rw≦(Tw−Ta)/(Ia2×θi)、なる関係を、送電コイルが満足するように、送電部から受電部に電力を伝送する。Preferably, the thermal resistance is θi (° C./W), the allowable operating temperature of the power transmission coil is Tw (° C.), the ambient temperature of the place where the power transmission coil is installed is Ta (° C.), Assuming that the alternating current flowing through the power transmission coil is Ia (A), at fd (Hz), power transmission is performed so that the power transmission coil satisfies the relationship Rw ≦ (Tw−Ta) / (Ia2 × θi). The power is transmitted from the unit to the power receiving unit.

このように、実効直列抵抗Rw(Ω)と交流電流Ia(A)による熱条件を規定することで、少なくとも一方のコイルの交流電流Iaの上限、あるいは一方のコイルの実効直列抵抗Rwを決めるターン数の上限と、実効直列抵抗Rw(Ω)が小さい周波数領域を規定できる。In this way, by defining the thermal conditions based on the effective series resistance Rw (Ω) and the alternating current Ia (A), a turn that determines the upper limit of the alternating current Ia of at least one coil or the effective series resistance Rw of one coil. The upper limit of the number and the frequency region where the effective series resistance Rw (Ω) is small can be defined.

好ましくは、交流電源の出力周波数faを、キャパシタのリアクタンスXcと送電コイルのリアクタンスXiが等しくなる周波数(直列共振周波数)fr(Hz)に設定し、交流電源により送電コイルが駆動され、fa(Hz)における送電コイル単体の実効直列抵抗をRw(Ω)、fa(Hz)におけるキャパシタの実効直列抵抗をRc(Ω)、fa(Hz)における交流電源の出力インピーダンスをZs(Ω)、としたときに、交流電源が少なくとも、Zs≦(Rw+Rc)×4、を満足しいる。Preferably, the output frequency fa of the AC power supply is set to a frequency (series resonance frequency) fr (Hz) at which the reactance Xc of the capacitor and the reactance Xi of the power transmission coil are equal, and the power transmission coil is driven by the AC power supply, fa (Hz ), Rw (Ω) is the effective series resistance of the power transmission coil alone, Rc (Ω) is the effective series resistance of the capacitor at fa (Hz), and Zs (Ω) is the output impedance of the AC power supply at fa (Hz). In addition, the AC power supply satisfies at least Zs ≦ (Rw + Rc) × 4.

この例では、交流電源の出力インピーダンスによる電力損失を回避する。各実効直列抵抗とZsの関係は、Zs<Rc<Ri、となるのが望ましい。In this example, power loss due to the output impedance of the AC power supply is avoided. The relationship between each effective series resistance and Zs is preferably Zs <Rc <Ri.

この発明の他の局面は、先の発明の送電装置から電力を受電する受電コイルであって、受電コイルは磁束補足面積Snを持つように空芯上に形成され、Snは送電コイルの面積よりも小さく、Snは、送電コイルの面積の略2%以上であり、送電コイル単体の実効直列抵抗をRw、受電コイルを短絡して、送電コイルに対向させたときの、送電コイルの実効直列抵抗を、Rs、としたときに、送電コイルが、Rs≧Rw、なる関係を満足する周波数f1が、1MHz以上となるように選ばれている。Another aspect of the present invention is a power receiving coil that receives power from the power transmitting device of the previous invention, wherein the power receiving coil is formed on an air core so as to have a magnetic flux supplement area Sn, and Sn is greater than an area of the power transmitting coil. Sn is approximately 2% or more of the area of the power transmission coil, the effective series resistance of the power transmission coil when the power transmission coil itself is Rw, the power reception coil is short-circuited, and is opposed to the power transmission coil. Is selected so that the frequency f1 that satisfies the relationship of Rs ≧ Rw is 1 MHz or more.

短絡した受電コイルを送電コイル対向させ、送電コイルの実効直列抵抗の周波数特性を計測することにより、送電コイルに適した受電コイルが得られ、双方のコイルから成る電力伝送手段である変成器としての特性を向上できる。By measuring the frequency characteristics of the effective series resistance of the power transmission coil with the shorted power reception coil facing the power transmission coil, a power reception coil suitable for the power transmission coil is obtained, and as a transformer that is a power transmission means composed of both coils. The characteristics can be improved.

この発明のさらに他の局面は、受電装置であって、先の発明の受電コイルと、負荷とを少なくとも含む。Still another aspect of the present invention is a power receiving device, which includes at least the power receiving coil of the previous invention and a load.

先の発明の受電コイルは、送電コイルから受電した電力を適切に負荷に供給でき、受電コイルと負荷とを少なくともふくむように構成すれば、本発明の受電装置が実現できる。The power receiving coil of the present invention can appropriately supply the power received from the power transmitting coil to the load, and the power receiving device of the present invention can be realized if the power receiving coil and the load are included at least.

好ましくは、受電コイルは、その最大外形寸法が送電コイルの最小外寸よりも小さく選ばれており、受電コイルは、送電コイル近辺の任意の位置に、送電コイルの巻回面に対して任意の角度、任意の方向で設置され、受電コイルに接続されている負荷が動作するのに一定以上の電圧を必要とする場合であって、コイル単体での起電力が不足する場合においては、受電コイルに並列にキャパシタが接続され、受電コイルとキャパシタが並列接続された2端子のリアクタンス、あるいはインピーダンスが極大値となる点が交流電源周波数fsに近接するよう、キャパシタのキャパシタンスが選ばれており、受電コイルに接続されている負荷が動作するのに一定以上の電流を必要とする場合であって、コイル単体での誘導電流が不足する場合においては、受電コイルと負荷の間に、直列にキャパシタが接続され、受電コイルとキャパシタが直列接続された2端子のリアクタンスがゼロ、あるいはインピーダンスが極小値となる点が、交流電源周波数fsに近接するよう、キャパシタの静電容量が選ばれている。Preferably, the power receiving coil is selected such that the maximum outer dimension is smaller than the minimum outer dimension of the power transmission coil, and the power receiving coil is arbitrarily positioned with respect to the winding surface of the power transmission coil at an arbitrary position in the vicinity of the power transmission coil. If the voltage set above a certain level is required to operate the load connected to the receiving coil at an angle and in any direction, and the electromotive force of the coil alone is insufficient, the receiving coil The capacitance of the capacitor is selected so that the reactance of the two terminals in which the power receiving coil and the capacitor are connected in parallel, or the point where the impedance becomes a maximum value is close to the AC power supply frequency fs. When a certain current or more is required for the load connected to the coil to operate, and the induced current in the coil alone is insufficient. The capacitor is connected in series between the power receiving coil and the load, and the point where the reactance of the two terminals where the power receiving coil and the capacitor are connected in series is zero or the impedance is a minimum value is close to the AC power supply frequency fs. Thus, the capacitance of the capacitor is selected.

この発明では、受電コイルに並列にキャパシタが接続されることにより、高い動作電圧が必用な負荷に長距離の電力伝送が可能な受電装置が実現できる。あるいは、前記受電コイルと負荷の間に、直列にキャパシタが接続されることにより、高い動作電流が必用な負荷に長距離の電力伝送が可能な受電装置が実現できる。In the present invention, a power receiving device capable of transmitting power over a long distance to a load that requires a high operating voltage can be realized by connecting a capacitor in parallel to the power receiving coil. Alternatively, by connecting a capacitor in series between the power receiving coil and the load, a power receiving device capable of transmitting power over a long distance to a load that requires a high operating current can be realized.

この発明のさらに他の局面は、電力伝送装置であって、先の発明の送電装置と受電装置とから成る。Still another aspect of the present invention is a power transmission device, which includes the power transmission device and the power reception device of the previous invention.

先の発明の送電装置と受電装置とを組み合わせて、電力伝送装置を構成することによって、1MHz以下の低周波数領域であっても、送電コイルよりも磁束補足面積が小さい受電コイルに、送電コイル上にて、送電コイルの外径寸法程度の距離で、受電コイルの磁束補足面が送電コイルの卷回面と任意の角度であっても、電力を伝送できる。By configuring the power transmission device by combining the power transmission device and the power reception device of the previous invention, even in a low frequency region of 1 MHz or less, the power reception coil having a smaller magnetic flux supplement area than the power transmission coil Thus, electric power can be transmitted even when the magnetic flux supplementing surface of the power receiving coil is at an arbitrary angle with respect to the winding surface of the power transmitting coil at a distance of about the outer diameter of the power transmitting coil.

本発明によれば、箔状導体の幅Hを広くすることにより、コイルにより広い面積の送電コイルを実現でき、送電コイルの上面に、広い範囲に渡り、磁束が形成されるので、送電コイル面から離れたところまでの長距離の電力伝送が可能となる。   According to the present invention, by increasing the width H of the foil conductor, a power transmission coil having a larger area can be realized by the coil, and a magnetic flux is formed over a wide range on the upper surface of the power transmission coil. Long-distance power transmission to a place away from the vehicle becomes possible.

また、送電コイルの巻回面と受電コイルの巻回面が平行でなく、任意の角度や位置関係であっても、電力を伝送できる。   Moreover, even if the winding surface of a power transmission coil and the winding surface of a receiving coil are not parallel, and it is arbitrary angles and positional relationship, electric power can be transmitted.

また、新たに考案されたコイルの選別法によって、箔導体で形成した長距離の電力伝送が可能な送電コイルが実現でき、この送電コイルと、新たに考案されたキャパシタの選択法により選択されたキャパシタとを装備し、交流電源の出力周波数を規定値に設定することにより、長距離の電力伝送が可能な送電装置が実現できる。さらに、前述したコイルの選別法によって、長距離伝送に適した受電コイルが実現でき、この受電コイルを装備した受電装置、及び受電装置と送電装置とから成る電力伝送装置が実現できる。In addition, a newly devised coil selection method can realize a long-distance power transmission coil formed of foil conductors, which was selected by this transmission coil and the newly devised capacitor selection method. A power transmission device capable of long-distance power transmission can be realized by providing a capacitor and setting the output frequency of the AC power supply to a specified value. Furthermore, a power receiving coil suitable for long-distance transmission can be realized by the above-described coil selection method, and a power receiving device equipped with the power receiving coil and a power transmission device including the power receiving device and the power transmitting device can be realized.

さらに、面積比の大きいコイル間で電力を伝送するので、送電コイルと受電コイルとの結合係数が小さい。そのため、送電コイルが受電側の影響を受けないので、交流電源は、送電コイルとキャパシタとで決まる、リアクタンスがゼロとなる周波数に固定しておけばよく、フィードバック制御や、交流電源と送電コイルの電圧位相を比較して、受電側の状態を検知し、交流電源の交流電圧や周波数を調整するような複雑な手段を必要としない。したがって、電力伝送装置を低コストで実現することが可能となる。   Furthermore, since electric power is transmitted between coils having a large area ratio, the coupling coefficient between the power transmitting coil and the power receiving coil is small. For this reason, since the power transmission coil is not affected by the power receiving side, the AC power source may be fixed at a frequency determined by the power transmission coil and the capacitor so that the reactance is zero, and feedback control, AC power source and power transmission coil Complicating means such as comparing the voltage phase, detecting the state of the power receiving side, and adjusting the AC voltage and frequency of the AC power supply is not required. Therefore, the power transmission device can be realized at low cost.

(電力伝送用コイルの構成による電力伝送特性の違いについての説明)
電力伝送用に適したコイルの一例として、平面渦巻き状に巻回されたコイルがある。コイルを構成する導体は、通常、導体断面が円形、または正方形のものが使われる。これらを「導線コイル」と表記する。電力伝送装置においては、送電コイルと受電コイルが分離可能である。そこで、本願発明者は、図124に示す電力伝送装置にて、以下に示すように各種のコイルを組合せ、実際に電力伝送試験を行ってみた。
(1)送電コイル:導線コイル 受電コイル:導線コイル
(2)送電コイル:箔導体コイル 受電コイル:導線コイル
(3)送電コイル:導線コイル 受電コイル:箔導体コイル
(4)送電コイル:箔導体コイル 受電コイル:箔導体コイル
その結果、上記(1)の導線コイルの組合せでは、良好な電力伝送性能が得られている。本願発明者は、その結果をまとめ、PCT2007/JP2007/061012として出願済である。一方、送電コイルまたは受電コイルの少なくとも一方に箔導体コイルを使用した場合は、上記(1)の場合より電力伝送性能が低下するのを見出した。
(Explanation of differences in power transmission characteristics depending on the configuration of the power transmission coil)
An example of a coil suitable for power transmission is a coil wound in a plane spiral shape. As a conductor constituting the coil, a conductor having a circular or square cross section is usually used. These are referred to as “conductor coils”. In the power transmission device, the power transmission coil and the power reception coil can be separated. Therefore, the inventor of the present application combined the various coils as shown below with the power transmission device shown in FIG. 124 and actually performed a power transmission test.
(1) Power transmission coil: Conductive coil Power receiving coil: Conductive coil (2) Power transmission coil: Foil conductor coil Power receiving coil: Conductive coil (3) Power transmission coil: Conductive coil Power receiving coil: Foil conductive coil (4) Power transmission coil: Foil conductive coil Power receiving coil: foil conductor coil As a result, in the combination of the conductive coil of (1) above, good power transmission performance is obtained. The inventor of the present application summarized the results and has filed an application as PCT2007 / JP2007 / 061012. On the other hand, when a foil conductor coil is used for at least one of the power transmission coil or the power reception coil, it has been found that the power transmission performance is lower than in the case (1).

実測に使用した導線コイル、箔導体コイルは、実効直列抵抗が大きい。そこで、負過電流を減らすため、100V、40Wの白熱電球を負荷として使用した。この場合、負荷電流IL(A)は、IL=40W/100V=0.4A、となる。負荷抵抗値RL(Ω)は、RL=100V/0.4A=250Ω、となり、各コイルの実効直列抵抗、数Ωに比べ十分に大きい。よって、少なくとも受電コイルの実効直列抵抗による電力損失は、負荷の消費電力に比べ、40×(7/250)≒1W、と十分に小さくなる。   Conductive coils and foil conductor coils used for actual measurement have a large effective series resistance. Therefore, in order to reduce the negative overcurrent, an incandescent bulb of 100V and 40W was used as a load. In this case, the load current IL (A) is IL = 40 W / 100 V = 0.4 A. The load resistance value RL (Ω) is RL = 100V / 0.4A = 250Ω, which is sufficiently larger than the effective series resistance of each coil, which is several Ω. Therefore, at least the power loss due to the effective series resistance of the power receiving coil is sufficiently small as 40 × (7/250) ≈1 W compared to the power consumption of the load.

しかしながら、箔導体コイルは構造上放熱性がよいにもかかわらず、発熱を起こし、伝送可能な電力に上限があるのを見出した。このように、箔導体コイルは、大電圧、小電流で使用しない限り、導線コイルに比べ、電力伝送性能が劣るのが分かる。さらに、上記の箔導体コイルは、導線コイルよりも外径が大きい。したがって、限られた面積のコイルで、大電力を高効率で伝送するには、箔導体コイルは適していない。しかし、高電圧、小電流で使用する場合は、箔導体コイルでも大電力を伝送可能である。この場合の箔導体コイルの作用効果は、導線コイルの作用効果とは異なる。その詳細については後述する。   However, although the foil conductor coil is structurally good in heat dissipation, it has been found that heat is generated and there is an upper limit to the power that can be transmitted. Thus, it can be seen that the power transmission performance of the foil conductor coil is inferior to that of the conductor coil unless the foil conductor coil is used at a large voltage and a small current. Further, the foil conductor coil has a larger outer diameter than the conductor coil. Therefore, the foil conductor coil is not suitable for transmitting a large amount of power with high efficiency with a limited area coil. However, when used at a high voltage and a small current, a large electric power can be transmitted even with a foil conductor coil. The effect of the foil conductor coil in this case is different from the effect of the conductive wire coil. Details thereof will be described later.

(箔導体コイルの他の作用効果について)
本願発明者は、前述した特許文献7のように、送電部のコイルを受電部のコイルよりも大きくしてみた。そして、高抵抗値の負荷が接続された受電コイルに電力を伝送するため、A5サイズ程度から、60cmm角の正方形まで、種々の箔導体コイルを作成した。その結果、上記のように寸法の大きい送電用の箔導体コイルは、送電コイルよりも小さい受電コイルに長距離で電力が伝送可能なことを見出した。さらに、受電コイルの磁束補足面が送電コイルの巻回面と平行になっていなくても、受電コイルが電力を受電できることを見出した。このように、箔導体コイルで構成した送電部は、コイルを中心として広い範囲に磁束を形成できる。この作用効果は、特許文献7のように、コイル表面に近いところに、コイル面に略平行に磁束を生成させる作用効果とは全く異なる。前述した作用効果は、大電力を高効率で伝送可能なものではない。しかし、本発明では、相互誘導作用により、1MHz以下の周波数領域でも、長距離の電力伝送ができる。送電コイルの大きさや構成にもよるが、送電コイルを中心として50cm以上の長距離の電力伝送が可能となる。従来、このような箔導体コイルの作用効果について言及した従来技術は存在しなかった。
(Other effects of foil conductor coil)
The inventor of the present application tried to make the coil of the power transmission unit larger than the coil of the power reception unit as in Patent Document 7 described above. And in order to transmit electric power to the receiving coil to which the load of high resistance value was connected, various foil conductor coils were made from about A5 size to a square of 60 cm square. As a result, it has been found that the foil conductor coil for power transmission having a large size as described above can transmit power over a long distance to a power receiving coil smaller than the power transmission coil. Furthermore, it has been found that the power receiving coil can receive power even if the magnetic flux supplement surface of the power receiving coil is not parallel to the winding surface of the power transmitting coil. As described above, the power transmission unit configured by the foil conductor coil can form a magnetic flux in a wide range around the coil. This function and effect is completely different from the function and effect of generating magnetic flux substantially parallel to the coil surface near the coil surface as in Patent Document 7. The effects described above are not capable of transmitting large power with high efficiency. However, in the present invention, long-distance power transmission is possible even in a frequency region of 1 MHz or less due to mutual induction. Depending on the size and configuration of the power transmission coil, power transmission over a long distance of 50 cm or more is possible with the power transmission coil as the center. Conventionally, there has been no prior art referring to the function and effect of such a foil conductor coil.

以下、上述した本発明の電力伝送装置について詳しく説明してゆく。   Hereinafter, the above-described power transmission device of the present invention will be described in detail.

(電力伝送装置の構成の説明)
図1は、この発明の一実施形態に係る電力伝送装置100のブロック図である。図1において、電力伝送装置100は、送電装置として作動する送電部3と、受電装置として作動する受電部4とを含む。送電部3は、直流電源12と、送電制御回路3aと、送電コイル1とを含む。受電装置4は、受電コイル2と、受電制御回路4aと、負荷RLとを含む。送電コイル1と、受電コイル2とは対向して配置される。
(Description of configuration of power transmission device)
FIG. 1 is a block diagram of a power transmission device 100 according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a power transmission device 100 includes a power transmission unit 3 that operates as a power transmission device and a power reception unit 4 that operates as a power reception device. The power transmission unit 3 includes a DC power source 12, a power transmission control circuit 3a, and a power transmission coil 1. The power receiving device 4 includes a power receiving coil 2, a power receiving control circuit 4a, and a load RL. The power transmission coil 1 and the power reception coil 2 are disposed to face each other.

なお、送電部3と、受電部4とは分離可能に構成されている。送電部3と、受電部4とが結合されたときには、送電コイル1と受電コイル2とが対向して配置されるので、送電コイル1と受電コイル2とは変成器として作用する。   The power transmission unit 3 and the power reception unit 4 are configured to be separable. When the power transmission unit 3 and the power reception unit 4 are coupled, the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 are arranged to face each other, so that the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 function as a transformer.

送電部3の送電制御回路3aは、直流電源12を交流電力に変換するインバータ回路などの電力変換手段として作動する交流電源3bを少なくとも含む。送電コイル1に力率改善用キャパシタ13が直列に接続された直列回路を、交流電源3bにより後述する所定の周波数以下で駆動して受電部4に電力を伝送する。受電部4は受電コイル2により送電コイル1から送電された電力を受電する。受電制御回路4aは受電した電力を負荷RLに供給する。受電制御回路4aには、交流電力を直流電力に変換する整流回路等が含まれている。負荷RLが白熱電球、LEDなどの交流電力で動作するものは、受電制御回路4aを省略し、負荷RLを受電コイル2に直結することもできる。   The power transmission control circuit 3a of the power transmission unit 3 includes at least an AC power source 3b that operates as power conversion means such as an inverter circuit that converts the DC power source 12 into AC power. A series circuit in which the power factor improving capacitor 13 is connected in series to the power transmission coil 1 is driven by an AC power source 3 b at a predetermined frequency or lower to transmit power to the power receiving unit 4. The power reception unit 4 receives the power transmitted from the power transmission coil 1 by the power reception coil 2. The power reception control circuit 4a supplies the received power to the load RL. The power reception control circuit 4a includes a rectifier circuit that converts AC power into DC power. When the load RL operates with AC power such as an incandescent lamp or LED, the power receiving control circuit 4a can be omitted and the load RL can be directly connected to the power receiving coil 2.

図1に示す電力伝送装置100の送電部3は、送電コイル1に力率改善用キャパシタ13が直列に接続された直列回路を、交流電源3bより交流電力を供給して駆動するように構成されている。交流電源3bの出力周波数fa(Hz)は、送電コイル1のインダクタンスL1(H)と、力率改善用キャパシタ13の静電容量C1(F)とで決まる、前記直列回路のリアクタンスがゼロとなる周波数frx(Hz)、あるいは、前記直列回路のインピーダンスが極小となる周波数frz(Hz)に近接して設定される。   The power transmission unit 3 of the power transmission device 100 illustrated in FIG. 1 is configured to drive a series circuit in which a power factor improving capacitor 13 is connected in series to the power transmission coil 1 by supplying AC power from an AC power source 3b. ing. The output frequency fa (Hz) of the AC power supply 3b is determined by the inductance L1 (H) of the power transmission coil 1 and the capacitance C1 (F) of the power factor correction capacitor 13, and the reactance of the series circuit becomes zero. It is set close to the frequency frx (Hz) or the frequency frz (Hz) at which the impedance of the series circuit is minimized.

なお、ここで交流とは、出力端子に接続されたコイルに、正方向、逆方向に電流が流せるものを言う。以降、直流電源12を交流電力に変換する電源変換手段を交流電源3bと表記する。そして、交流電源3bの出力周波数をfa(Hz)と表記する。さらに、送電コイル1が交流電源3bによって駆動される周波数をfd(Hz)と表記する。また、受電コイル2が電力を受電する周波数をfj(Hz)と表記する。この場合、当然、fa=fd=fj(Hz)である。fa、fd、fjは全て電力伝送に使用される周波数である。faとfdは、どちらも送電部3の周波数であり、作用効果も駆動部と被駆動部の違いだけである。しかし、fdとfjの作用効果は異なるので、以下に説明しておく。また、後述する実施形態において、電力を伝送する周波数をfs(Hz)、と定義しているが、fsも、fa、fd、fjと等しい。   In addition, alternating current means what can send an electric current through the coil connected to the output terminal to the forward direction and a reverse direction. Hereinafter, the power conversion means for converting the DC power supply 12 into AC power is referred to as AC power supply 3b. The output frequency of the AC power supply 3b is expressed as fa (Hz). Further, the frequency at which the power transmission coil 1 is driven by the AC power supply 3b is denoted as fd (Hz). The frequency at which the power receiving coil 2 receives power is denoted as fj (Hz). In this case, naturally, fa = fd = fj (Hz). fa, fd, and fj are frequencies used for power transmission. Both fa and fd are the frequencies of the power transmission unit 3, and the operational effect is also only the difference between the drive unit and the driven unit. However, the operational effects of fd and fj are different and will be described below. In the embodiment described later, the frequency for transmitting power is defined as fs (Hz), but fs is also equal to fa, fd, and fj.

(電力伝送装置の動作の説明)
図1に示す対向する送電コイル1および受電コイル2は空芯コイルであり、そのうち、送電コイル単体の実効直列抵抗をRw(Ω)、とする。送電コイル1に対向する受電コイル2を短絡したときの、送電コイル1の実効直列抵抗をRs(Ω)とする。後述するが、周波数が低い場合、RwとRsの関係は、Rs>Rw、となっている。一方で、周波数が高くなると、RwとRsの関係は、Rs<Rw、となっている。Rs<Rw、となる周波数は、コイルにより異なる。すなわち、Rs≧Rw、の関係を満足する周波数には上限が存在し、コイルによって上限値は異なる。前述したが、この上限値が、電力伝送性能のよいコイルを選ぶ基準となり、電力伝送装置を構成するコイルを使用可能な周波数領域を規定でき、電力伝送性能のよい電力伝送装置を実現できるものである。
(Description of operation of power transmission device)
The opposing power transmission coil 1 and power reception coil 2 shown in FIG. 1 are air-core coils, of which the effective series resistance of the power transmission coil alone is Rw (Ω). The effective series resistance of the power transmission coil 1 when the power reception coil 2 facing the power transmission coil 1 is short-circuited is Rs (Ω). As will be described later, when the frequency is low, the relationship between Rw and Rs is Rs> Rw. On the other hand, when the frequency increases, the relationship between Rw and Rs is Rs <Rw. The frequency satisfying Rs <Rw varies depending on the coil. That is, there is an upper limit for the frequency satisfying the relationship of Rs ≧ Rw, and the upper limit value varies depending on the coil. As described above, this upper limit value serves as a criterion for selecting a coil with good power transmission performance, can define a frequency region in which the coil constituting the power transmission device can be used, and can realize a power transmission device with good power transmission performance. is there.

そこで、この発明の一実施形態に係る電力伝送装置100は、送電コイル1が、Rs≧Rw、を満足する最高周波数をf1(Hz)、としたときに、送電部30に含まれる交流電源の出力周波数fa(Hz)をf1(Hz)以下の周波数領域に設定し、受電部40に電力を伝送する。fa(Hz)を上記のように設定すると、送電コイル1が、周波数fd=fa(Hz)で駆動される。また、受電コイル2が受電する周波数fjは、fj≦f1、の条件を満足する。すなわち、送電コイル1は、fd≦f1、の条件を満足する。当然のことながら、送電コイル1は、fd(Hz)にて、Rs≧Rw、の関係を満足する。また、受電コイル2が電力を受電する周波数fj(Hz)は、f1(Hz)以下であることを条件とする。すなわち、受電コイルは、fj≦f1、の条件を満足する。当然のことながら、受電コイル2は、fj(Hz)にて、Rs≧Rw、の関係を満足する。   Therefore, in the power transmission device 100 according to the embodiment of the present invention, when the power transmission coil 1 has the highest frequency satisfying Rs ≧ Rw as f1 (Hz), the AC power supply included in the power transmission unit 30 The output frequency fa (Hz) is set to a frequency region of f1 (Hz) or less, and power is transmitted to the power receiving unit 40. When fa (Hz) is set as described above, the power transmission coil 1 is driven at the frequency fd = fa (Hz). The frequency fj received by the power receiving coil 2 satisfies the condition of fj ≦ f1. That is, the power transmission coil 1 satisfies the condition of fd ≦ f1. As a matter of course, the power transmission coil 1 satisfies the relationship of Rs ≧ Rw at fd (Hz). Further, the frequency fj (Hz) at which the power receiving coil 2 receives power is conditional on being f1 (Hz) or less. That is, the power receiving coil satisfies the condition of fj ≦ f1. As a matter of course, the power receiving coil 2 satisfies the relationship of Rs ≧ Rw at fj (Hz).

前述したように、送電コイルの「駆動周波数fd(Hz)はf1(Hz)以下に設定される」という表記は、送電コイルの駆動周波数fd(Hz)が、「fd≦f1、の条件を満足する」のと同義である。「fd≦f1、の条件を満足する」という表記は、送電コイルが、「fd(Hz)にて、Rs≧Rw、の関係を満足している」という表記と同義である。また、受電コイルが「電力を受電する周波数fj(Hz)は、f1(Hz)以下であることを条件とする」という表記は、受電コイルが電力を受電する周波数fj(Hz)が、「fj≦f1、の条件を満足する」という表記と同義である。   As described above, the notation that “the driving frequency fd (Hz) is set to f1 (Hz) or lower” of the power transmission coil indicates that the driving frequency fd (Hz) of the power transmission coil satisfies the condition “fd ≦ f1”. It is synonymous with “Yes”. The expression “satisfying the condition of fd ≦ f1” is synonymous with the expression “the power transmission coil satisfies the relationship of Rs ≧ Rw at fd (Hz)”. In addition, the notation that the power receiving coil receives the power “frequency fj (Hz) is equal to or less than f1 (Hz)” indicates that the frequency fj (Hz) at which the power receiving coil receives power is “fj”. ≦ satisfying f1 ”.

「fj≦f1、の条件を満足する」という表記は、受電コイルが、「fj(Hz)にて、Rs≧Rw、の関係を満足している」という表記と同義である。受電部40においては、受電電力の周波数を設定できないので、受電コイル2が電力を受電する周波数fj(Hz)を定義し、受電コイル2と送電コイル1とにより決まる受電コイル1のf1が、fj以上であることを条件としている。以降、上記のいずれかの表記により、電力伝送装置が満足すべき条件を規定する。   The expression “satisfying the condition of fj ≦ f1” is synonymous with the expression “the power receiving coil satisfies the relationship of Rs ≧ Rw at fj (Hz)”. Since the frequency of the received power cannot be set in the power receiving unit 40, the frequency fj (Hz) at which the power receiving coil 2 receives power is defined, and f1 of the power receiving coil 1 determined by the power receiving coil 2 and the power transmitting coil 1 is fj. That is the condition. Hereinafter, the conditions that the power transmission apparatus should satisfy are defined by any of the above-described notations.

さらに、送電コイル1に対向する受電コイル2を開放したときの、送電コイル1の実効直列抵抗をRn(Ω)とする。そして、Rs≧Rn≧Rw、を満足する最高周波数をf2(Hz)とする。後述するが、f2(Hz)は、f1(Hz)よりも低くなる。電力伝送装置100は、送電制御回路30aに含まれる交流電源3bの出力周波数fa(Hz)をf2(Hz)以下の周波数領域に設定し、電力を受電部40に伝送する。fa(Hz)を上記のように設定すると、送電コイル1が、周波数fd=fa(Hz)で駆動される。すなわち、送電コイル1は、fd≦f2、の条件を満足する。当然のことながら、送電コイル1は、fd(Hz)にて、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する。このときの、受電コイル2が電力を受電する周波数fj(Hz)は、f2(Hz)以下であることを条件とする。すなわち、受電コイル2は、fj≦f1、の条件を満足する。当然のことながら、受電コイル2は、fj(Hz)にて、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する。以下、前述したf1とfdの関係、またはf1とfjの関係と同様にして、いずれかの表記にて、f2とfdの関係、またはf2とfjの関係を規定する。   Furthermore, let Rn (Ω) be the effective series resistance of the power transmission coil 1 when the power reception coil 2 facing the power transmission coil 1 is opened. A maximum frequency satisfying Rs ≧ Rn ≧ Rw is defined as f2 (Hz). As will be described later, f2 (Hz) is lower than f1 (Hz). The power transmission device 100 sets the output frequency fa (Hz) of the AC power supply 3b included in the power transmission control circuit 30a to a frequency region of f2 (Hz) or less, and transmits power to the power receiving unit 40. When fa (Hz) is set as described above, the power transmission coil 1 is driven at the frequency fd = fa (Hz). That is, the power transmission coil 1 satisfies the condition of fd ≦ f2. As a matter of course, the power transmission coil 1 satisfies the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw at fd (Hz). At this time, the frequency fj (Hz) at which the power receiving coil 2 receives power is conditional on being f2 (Hz) or less. That is, the power receiving coil 2 satisfies the condition of fj ≦ f1. As a matter of course, the power receiving coil 2 satisfies the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw at fj (Hz). Hereinafter, similarly to the relationship between f1 and fd or the relationship between f1 and fj described above, the relationship between f2 and fd or the relationship between f2 and fj is defined by any notation.

さらに、前記コイルの熱抵抗をθi(℃/W)、前記コイルの許容動作温度をTw(℃)、前記コイルが設置される場所の周囲温度をTa(℃)、電力を伝送しているときに前記コイルに流れる交流電流をIa(A)、としたときに、(Tw−Ta)≧θi(Rw×Ia)、の関係を満足している。 Furthermore, when the thermal resistance of the coil is θi (° C./W), the allowable operating temperature of the coil is Tw (° C.), the ambient temperature of the place where the coil is installed is Ta (° C.), and power is transmitted. When the alternating current flowing through the coil is Ia (A), the relationship of (Tw−Ta) ≧ θi (Rw × Ia 2 ) is satisfied.

(送電部に使われるコイルの具体例:実施形態1)
図2は、この発明の一実施形態における電力伝送装置の送電部に使用される送電コイルの一例である箔導体コイル10aを示す斜視図であり、図3は、図2に示した箔導体コイル10aの線A−Aに沿う断面を拡大して示す図である。
(Specific example of coil used in power transmission unit: Embodiment 1)
2 is a perspective view showing a foil conductor coil 10a which is an example of a power transmission coil used in the power transmission unit of the power transmission device according to the embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a foil conductor coil shown in FIG. It is a figure which expands and shows the cross section along line AA of 10a.

図1において、箔導体コイル10aは、正方形状の絶縁材料からなる板状部材20の平坦面22上に箔状導体30を外側から内側に向けて反時計方向に、平板で空芯単層になるように正方形状で渦巻き状に形成したものである。なお、箔導体コイル10aの中心部には、箔導体が巻回されていない空白部が設けてある。   In FIG. 1, a foil conductor coil 10a is formed as a flat single-layered air core on a flat surface 22 of a plate-like member 20 made of a square-shaped insulating material in a counterclockwise direction from the outside toward the inside. It is formed in a square shape and a spiral shape. In addition, the blank part in which the foil conductor is not wound is provided in the center part of the foil conductor coil 10a.

箔状導体30は、図2に示すように、電流が流れる方向に交差する断面が近似的に矩形、より好ましくは長方形であり、矩形の一辺の長さ(厚み)をt(mm)とし、一辺に交差する一辺の長さ(幅)をH(mm)としたとき、少なくとも幅Hは厚みtの10倍以上であり、幅Hは1mm以上に選ばれている。各箔状導体30は、幅Hを示す一辺が板状部材20と接しており、隣接する各箔状導体30は、少なくとも0.1mm以上の間隔w、または箔導体の幅をHとしたときに、w=H/40(mm)以上の間隔を有しており、少なくとも外形の最小外寸d1は幅Hの15倍以上になるように構成される。さらに、箔導体コイル10aは、巻き数が4ターン以上であり、自己インダクタンスが少なくとも2μH以上である条件を満足している。   As shown in FIG. 2, the foil-shaped conductor 30 has a cross section that intersects the direction in which the current flows approximately rectangular, more preferably rectangular, and the length (thickness) of one side of the rectangle is t (mm). When the length (width) of one side intersecting one side is H (mm), at least the width H is 10 times or more the thickness t, and the width H is selected to be 1 mm or more. Each foil conductor 30 is in contact with the plate-like member 20 on one side indicating the width H, and the adjacent foil conductors 30 have an interval w of at least 0.1 mm or a width H of the foil conductor. In addition, there is an interval of w = H / 40 (mm) or more, and at least the minimum outer dimension d1 of the outer shape is configured to be 15 times or more of the width H. Furthermore, the foil conductor coil 10a satisfies the condition that the number of turns is 4 turns or more and the self-inductance is at least 2 μH or more.

箔状導体30の断面の形状を長方形とし、幅Hと厚みtの比、H/tを10以上と規定しているのは、箔状導体30の表面積Sfと体積Vfとの比、Sf/Vfを大きくし、表皮効果の影響を低減するためである。さらに、幅Hが0.5mm以上に選ばれているのは、コイルの直流抵抗の増加を抑制するためである。好ましくは、幅Hが1mm以上に選ばれている。   The shape of the cross section of the foil-shaped conductor 30 is rectangular, the ratio of the width H to the thickness t, and H / t being defined as 10 or more, the ratio of the surface area Sf of the foil-shaped conductor 30 to the volume Vf, Sf / This is to increase Vf and reduce the influence of the skin effect. Furthermore, the reason why the width H is selected to be 0.5 mm or more is to suppress an increase in the DC resistance of the coil. Preferably, the width H is selected to be 1 mm or more.

前述したように、箔導体コイルは、隣接する箔導体間の間隔を可能な限り狭くして、コイルの直流抵抗を低下させると共に、インダクタンスを確保している。しかしながら、このような構成のコイルは、渦電流損により、周波数の上昇とともに、コイル単体の実効直列抵抗Rwが増加する。したがって、隣接する箔導体の間に、上述した間隔wを設ける。これにより、渦電流損による箔導体の実効直列抵抗の増加を回避できる。   As described above, in the foil conductor coil, the distance between adjacent foil conductors is reduced as much as possible to reduce the direct current resistance of the coil and ensure the inductance. However, the effective series resistance Rw of a single coil increases with an increase in frequency due to eddy current loss in the coil having such a configuration. Therefore, the above-described interval w is provided between adjacent foil conductors. Thereby, an increase in the effective series resistance of the foil conductor due to eddy current loss can be avoided.

送電コイルの最小外形が10cm以上であるのは、広範囲に磁束を生成させるためであり、箔状導体30の厚さtが、0.3mm以下に選ばれており、隣接する箔状導体間の間隔をS、としたときに、箔状導体の幅Hが、H≦w×40を満足しているのは、隣接する箔状導体30が生成する磁束経路に存在する導体の距離を短くし、渦電流損を低減するためである。このような構成のコイルとすることにより、広い面積の送電コイルを実現でき、送電コイルの上面に、広い範囲に渡り、磁束が形成されるので、送電コイル面から離れた、長距離の電力伝送が可能となる。   The minimum outer shape of the power transmission coil is 10 cm or more in order to generate magnetic flux over a wide range, and the thickness t of the foil conductor 30 is selected to be 0.3 mm or less, and between adjacent foil conductors. When the spacing is S, the width H of the foil conductor satisfies H ≦ w × 40 because the distance between the conductors existing in the magnetic flux path generated by the adjacent foil conductor 30 is shortened. This is to reduce eddy current loss. By adopting such a coil configuration, a large-area power transmission coil can be realized, and a magnetic flux is formed over a wide range on the top surface of the power transmission coil, so long-distance power transmission away from the power transmission coil surface. Is possible.

図2に示すように、箔状導体30の中心部の内周側の端部には、被覆電線40の一端が半田付けなどにより電気的に接続されており、箔状導体30の外周側の端部には、被覆電線50の一端が半田付けなどにより電気的に接続されている。被覆電線40は接着剤などにより板状部材20上に固定される。ただし、接着剤によることなく、金具などによって被覆電線40を板状部材20上に固定してもよい。   As shown in FIG. 2, one end of the covered electric wire 40 is electrically connected to the inner peripheral end of the central portion of the foil conductor 30 by soldering or the like. One end of the covered electric wire 50 is electrically connected to the end portion by soldering or the like. The covered electric wire 40 is fixed on the plate-like member 20 with an adhesive or the like. However, you may fix the covered electric wire 40 on the plate-shaped member 20 with a metal fitting etc., without using an adhesive agent.

巻回数が少なく、大きな面積のコイルを実現した場合、コイルの導体から引き出す電線自体が持つインダクタンスと、コイルの導体との相対的位置関係による相互インダクタンスが無視できなくなり、電線端から見たコイルの自己インダクタンスが該電線とコイル間の相対的位置により変動する。そこで、この実施形態では、箔状導体30の中心側の一端を被覆電線40の一端に接続し、被覆電線40を板状部材20に固定する。このようにコイルを構成することにより、被覆電線40と箔状導体30との相対位置が変動することがないので、コイルの自己インダクタンスを一定にすることができる。   When a large-area coil is realized with a small number of turns, the inductance of the wire itself drawn from the coil conductor and the mutual inductance due to the relative positional relationship between the coil conductor cannot be ignored, and the coil viewed from the end of the wire cannot be ignored. The self-inductance varies depending on the relative position between the wire and the coil. Therefore, in this embodiment, one end on the center side of the foil-like conductor 30 is connected to one end of the covered electric wire 40, and the covered electric wire 40 is fixed to the plate-like member 20. By configuring the coil in this way, the relative position between the covered electric wire 40 and the foil-shaped conductor 30 does not vary, so that the self-inductance of the coil can be made constant.

あるいは、コイルの中心部より箔状導体が巻回されている板状部材20の裏面に電線を出し、コイルの最外周部の巻き終わりの位置に近接するように、板状部材20の裏面に箔状導体30を貼り付け、コイル外に接続する電線をそこから引き出すようにしてもよい。   Alternatively, an electric wire is taken out from the center of the coil to the back surface of the plate-like member 20 around which the foil-like conductor is wound, and on the back surface of the plate-like member 20 so as to be close to the winding end position of the outermost periphery of the coil. The foil-like conductor 30 may be attached, and the electric wire connected to the outside of the coil may be drawn from there.

なお、箔導体コイル10aを送電用のコイルとして用いる場合には、被覆電線40、50は、図示しない交流電源に接続されるが、被覆電線40、50の長さを適宜選ぶことによりインダクタンスを調整できる。これは、被覆電線40、50の少なくとも一方にキャパシタを直列に接続して交流電源に接続する場合も同様で、交流電源から見た、コイルとキャパシタのリアクタンスがゼロとなる点を、被覆電線40、50の長さにより調整できるという利点がある。   When the foil conductor coil 10a is used as a power transmission coil, the covered wires 40 and 50 are connected to an AC power source (not shown), but the inductance is adjusted by appropriately selecting the length of the covered wires 40 and 50. it can. This also applies to the case where a capacitor is connected in series to at least one of the covered wires 40 and 50 and connected to an AC power source. The point where the reactance of the coil and the capacitor is zero as viewed from the AC power source is as follows. , There is an advantage that it can be adjusted by the length of 50.

このように構成された箔導体コイル10aは、図1に示した電力伝送装置の送電コイル1として用いることができる。   The foil conductor coil 10a configured as described above can be used as the power transmission coil 1 of the power transmission device shown in FIG.

(受電コイルについての説明)
図4および図5は、電力伝送装置の受電側に設けられる受電コイルの例を示す。図4は、平板円形渦巻き状に巻かれた受電コイル20aを示し、図5は、円筒状に巻かれた受電コイル20bを示す。図4の受電コイル20aの面を囲むように磁束補足面Smが形成されている。図5では、円筒状に巻回された受電コイル20bの巻回面の内側が、磁束補足面Snとして形成されている。以下、Sm,Snは、任意の構成のコイルの磁束補足面とその面積を表す。
(Description of power receiving coil)
4 and 5 show examples of the power receiving coil provided on the power receiving side of the power transmission device. FIG. 4 shows the power receiving coil 20a wound in a flat plate spiral shape, and FIG. 5 shows the power receiving coil 20b wound in a cylindrical shape. A magnetic flux supplement surface Sm is formed so as to surround the surface of the power receiving coil 20a of FIG. In FIG. 5, the inner side of the winding surface of the power receiving coil 20b wound in a cylindrical shape is formed as the magnetic flux supplement surface Sn. Hereinafter, Sm and Sn represent a magnetic flux supplement surface and an area of a coil having an arbitrary configuration.

図3に示した箔状導体30の幅Hを広くすることにより、箔導体コイル10aにより広い面積の送電コイルLpを実現でき、送電コイルLpの上面に、広い範囲に渡り、磁束が形成されるので、送電コイル面から離れたところまでの長距離の電力伝送が可能となり、箔導体コイル10aの巻回面と、図4、図5などに示す任意の構成の受電コイルの磁束補足面Sm,Snが平行になっていなくとも、受電コイルに電力が伝送可能である。   By increasing the width H of the foil conductor 30 shown in FIG. 3, the foil conductor coil 10a can realize a power transmission coil Lp having a large area, and a magnetic flux is formed over a wide range on the upper surface of the power transmission coil Lp. Therefore, long-distance power transmission to a place away from the power transmission coil surface is possible, and the winding surface of the foil conductor coil 10a and the magnetic flux supplement surface Sm of the power reception coil of any configuration shown in FIGS. Even if Sn is not parallel, power can be transmitted to the power receiving coil.

最小外寸d1が幅Hの15倍以上に、箔状導体30の巻数が4ターン以上に選ばれているのは、箔導体コイル10aが、広い範囲に磁束を形成するためである。   The reason why the minimum outer dimension d1 is selected to be 15 times the width H or more and the number of turns of the foil conductor 30 is selected to be 4 turns or more is that the foil conductor coil 10a forms a magnetic flux in a wide range.

(送電コイルに関する特性の説明)
そして、箔導体コイル10a単体での実効抵抗をRw(Ω)とし、箔導体コイル10aと誘導結合可能な任意の構成の1個以上の他のコイルを、図2に示した箔導体コイル10aに近接させ、近接する他のコイルの全てを短絡したときの、箔導体コイル10aの実効直列抵抗をRs(Ω)、Rs≧Rw、を満足する最高周波数をf1(Hz)、としたときに、前記f1が100kHz以上となるように、他のコイルが選ばれており、箔導体コイル10aは、f1(Hz)以下の周波数であるfd(Hz)において駆動される。
(Description of characteristics related to power transmission coil)
The effective resistance of the foil conductor coil 10a alone is Rw (Ω), and one or more other coils having an arbitrary configuration that can be inductively coupled to the foil conductor coil 10a are connected to the foil conductor coil 10a shown in FIG. When the maximum frequency satisfying Rs (Ω) and Rs ≧ Rw is f1 (Hz) when the effective series resistance of the foil conductor coil 10a is short-circuited and close to all other adjacent coils, Another coil is selected so that f1 is 100 kHz or more, and the foil conductor coil 10a is driven at fd (Hz), which is a frequency of f1 (Hz) or less.

さらに、箔導体コイル10a単体での実効抵抗をRw(Ω)とし、任意の構成の1個以上の他のコイルを、図2に示した箔導体コイル10aに近接させ、近接する他のコイルを開放したときの、箔導体コイル10aの実効抵抗をRn(Ω)、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数をf2(Hz)、としたときに、f2以下の周波数領域において箔導体コイル10aは、f1(Hz)以下の周波数であるfd(Hz)において駆動される。これにより、箔導体コイル10aと、任意の構成の他のコイルを組合せた変成器は理論上の理想的な状態に近づけることができるので電力伝送効率を高めることができる。   Furthermore, the effective resistance of the foil conductor coil 10a alone is Rw (Ω), and one or more other coils having an arbitrary configuration are brought close to the foil conductor coil 10a shown in FIG. When the effective resistance of the foil conductor coil 10a when opened is Rn (Ω) and the maximum frequency satisfying Rs> Rn ≧ Rw is f2 (Hz), the foil conductor coil 10a is in a frequency region below f2. Is driven at fd (Hz), which is a frequency equal to or lower than f1 (Hz). Thereby, since the transformer which combined the foil conductor coil 10a and the other coil of arbitrary structures can be brought close to a theoretical ideal state, power transmission efficiency can be improved.

また、箔導体コイル10aに開放した箔導体コイル10aと同一の他のコイルを対向させたときの、箔導体コイル10aの実効直列抵抗をRn1(Ω)、箔導体コイル10aが、Rs1≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数をf2o(Hz)、とすると、箔導体コイル10aは、f2o≧50kHz、の関係を満足している。換言すれば、箔導体コイル10aは、50kHzにおいて、Rs1≧Rn≧Rw、の関係を満足している。   Further, when another coil identical to the opened foil conductor coil 10a is opposed to the foil conductor coil 10a, the effective series resistance of the foil conductor coil 10a is Rn1 (Ω), and the foil conductor coil 10a has Rs1 ≧ Rn ≧ Assuming that the highest frequency satisfying the relationship of Rw is f2o (Hz), the foil conductor coil 10a satisfies the relationship of f2o ≧ 50 kHz. In other words, the foil conductor coil 10a satisfies the relationship of Rs1 ≧ Rn ≧ Rw at 50 kHz.

さらに、前記コイルの熱抵抗をθi(℃/W)、前記コイルの許容動作温度をTw(℃)、前記コイルが設置される場所の周囲温度をTa(℃)、電力を伝送しているときに前記コイルに流れる交流電流をIa(A)、としたときに、(Tw−Ta)≧θi(Rw×Ia)、を満足している。 Furthermore, when the thermal resistance of the coil is θi (° C./W), the allowable operating temperature of the coil is Tw (° C.), the ambient temperature of the place where the coil is installed is Ta (° C.), and power is transmitted. (Tw−Ta) ≧ θi (Rw × Ia 2 ) is satisfied, where Ia (A) is the alternating current flowing through the coil.

次に、前述してきた満足すべき条件、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数f2(Hz)、(Tw−Ta)≧θi(Rw×Ia2)、につき説明する。なお、この説明は、他の実施形態においても同じ作用効果をもつので、以降に記載の実施形態においては、説明を省略する。   Next, the highest frequency f1 (Hz) satisfying the relationship of Rs ≧ Rw, the satisfactory condition described above, and the highest frequency f2 (Hz) satisfying the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw, (Tw−Ta) ≧ θi (Rw × Ia2) will be described. In addition, since this description has the same effect also in other embodiment, description is abbreviate | omitted in embodiment described below.

まず、Rs≧Rw、Rs≧Rn≧Rw、の関係につき説明する。ここでは、回路理論を引用するので、送電コイルを1次側コイル、受電コイルを2次側コイルと表記する。   First, the relationship of Rs ≧ Rw and Rs ≧ Rn ≧ Rw will be described. Here, since the circuit theory is cited, the power transmission coil is expressed as a primary coil, and the power reception coil is expressed as a secondary coil.

(等価回路の説明)
図6は、変成器の等価回路を表す図である。図7は空芯コイル単体の実効直列抵抗を明示した等価回路を示し、図8は1次側コイルの実効直列抵抗R1と、2次側コイルの実効直列抵抗R2を明示した変成器単体の等価回路を表す図である。図9は、図8において2次側コイルが短絡されたときの変成器の等価回路を表す図である。図10は、図8において2次側コイルに負荷抵抗RLが接続されたときの変成器の等価回路を表す図である。
(Explanation of equivalent circuit)
FIG. 6 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the transformer. FIG. 7 shows an equivalent circuit that clearly shows the effective series resistance of the air-core coil alone, and FIG. 8 shows the equivalent circuit of the transformer that clearly shows the effective series resistance R1 of the primary coil and the effective series resistance R2 of the secondary coil. It is a figure showing a circuit. FIG. 9 is a diagram showing an equivalent circuit of the transformer when the secondary coil is short-circuited in FIG. FIG. 10 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the transformer when the load resistance RL is connected to the secondary coil in FIG.

最初に、Rw、Rn、Rsの理論上の関係を求めるため、変成器の1次側のインピーダンス、Z1を求めておく。図6において、L1は1次側コイルのインダクタンス、L2は2次側コイルのインダクタンス、Mは1次側コイルと2次側コイル間の相互インダクタンス、V1は1次側コイルの両端電圧、V2は2次側コイル(負荷抵抗RL)の両端電圧、I1は1次側コイルに流れる電流、I2は2次側コイルに流れる電流、RLは負荷抵抗(純抵抗)、Z1は1次側の入力インピーダンスを表す。   First, in order to obtain the theoretical relationship between Rw, Rn, and Rs, the impedance on the primary side of the transformer, Z1, is obtained. In FIG. 6, L1 is the inductance of the primary coil, L2 is the inductance of the secondary coil, M is the mutual inductance between the primary coil and the secondary coil, V1 is the voltage across the primary coil, and V2 is The voltage across the secondary coil (load resistance RL), I1 is the current flowing through the primary coil, I2 is the current flowing through the secondary coil, RL is the load resistance (pure resistance), and Z1 is the primary input impedance Represents.

図6に示す等価回路において、下記の回路方程式が成立し、下記の連立方程式を解くことにより、Z1の純抵抗成分(実効抵抗)とリアクタンス成分(インダクタンス)を求めることができる。下記に、図6の回路方程式を記す。なお、j=−1であり、ωは角周波数(ω=2πf、fは周波数(Hz))である。 In the equivalent circuit shown in FIG. 6, the following circuit equation is established, and the pure resistance component (effective resistance) and reactance component (inductance) of Z1 can be obtained by solving the following simultaneous equations. The circuit equation of FIG. 6 is described below. Note that j 2 = −1, and ω is an angular frequency (ω = 2πf, f is a frequency (Hz)).

V1=jωL1・I1+jωM・I2・・・(1)
V2=jωM・I1+jωL2・I2・・・(2)
V2=−RL・I2・・・(3)
求めたいのは、Z1=V1/I1、である。したがって、上記の3つの連立方程式から、V2、I2を消去すればよい。
V1 = jωL1 · I1 + jωM · I2 (1)
V2 = jωM · I1 + jωL2 · I2 (2)
V2 = −RL · I2 (3)
What we want to find is Z1 = V1 / I1. Therefore, V2 and I2 may be eliminated from the above three simultaneous equations.

上記の連立方程式の(3)式を(2)式に代入し、V2を消去すると、
0=jωM・I1+(jωL2+RL)I2
となり、上式をI2について解き、上記連立方程式の(1)式に代入し、I2を消去すると、
V1=(jωL1+ω/(jωL2+RL))I1
となり、Z1=V1/I1、であるので、上式より、Z1は、
Z1=jωL1+ω/(jωL2+RL)、となる。
Substituting equation (3) of the above simultaneous equations into equation (2) and eliminating V2,
0 = jωM · I1 + (jωL2 + RL) I2
When the above equation is solved with respect to I2 and substituted into the above equation (1), and I2 is eliminated,
V1 = (jωL1 + ω 2 M 2 / (jωL2 + RL)) I1
Since Z1 = V1 / I1, from the above equation, Z1 is
Z1 = jωL1 + ω 2 M 2 / (jωL2 + RL).

実際の変成器は1次側コイルに実効抵抗R1、2次側コイルに実効抵抗R2を持つので、図9の回路を考え、RL=R2として、1次側コイルにR1を付加すると、
Z1=(R1+jωL1+ω/(jωL2+R2)
となる。上式の、ω/(jωL2+R2)に、(−jωL2+R2)/(−jωL2+R2)=1を掛けると、
Z1=(R1+R2・ω/(ωL2+R2))
+jω(L1−L・ωM2/(ωL2+R2))、となって、
=ω/(ωL2+R2)とすると、Z1は、
Z1=(R1+AR2)+jω(L1−AL2)・・・(4)
となる。ω>0、M≧0、L2>0、R2>0、なので、明らかに、A≧0、である。すなわち、図8において、1次側コイルの入力インピーダンスZ1は、
Z1=R1+jωL1・・・(5)
であり、(5)式と(4)式を比較すれば明らかなように、図9のように、変成器の2次側コイルが短絡されたときには、1次側コイルの実効抵抗R1が増加し、インダクタンスL1が減少するのが分かる。上記は、前述した「大学課程電気回路(1)」大野克郎、西哲生共著、オーム社発行(平成13年8月20日、初版、昭和43年6月30日)に記載されている既知の回路理論である。
Since an actual transformer has an effective resistance R1 on the primary coil and an effective resistance R2 on the secondary coil, considering the circuit of FIG. 9, if R1 is added to the primary coil with RL = R2,
Z1 = (R1 + jωL1 + ω 2 M 2 / (jωL2 + R2)
It becomes. In the above equation, ω 2 M 2 / (jωL2 + R2) is multiplied by (−jωL2 + R2) / (− jωL2 + R2) = 1.
Z1 = (R1 + R2 · ω 2 M 2 / (ω 2 L2 2 + R2 2 ))
+ Jω (L1-L 2 · ω 2 M2 / (ω 2 L2 2 + R2 2 )),
If A 2 = ω 2 M 2 / (ω 2 L2 2 + R2 2 ), then Z1 is
Z1 = (R1 + A 2 R2) + jω (L1−A 2 L2) (4)
It becomes. Since ω 2 > 0, M 2 ≧ 0, L2 2 > 0, and R2 2 > 0, obviously, A 2 ≧ 0. That is, in FIG. 8, the input impedance Z1 of the primary coil is
Z1 = R1 + jωL1 (5)
As is clear from the comparison between the equations (5) and (4), as shown in FIG. 9, when the secondary coil of the transformer is short-circuited, the effective resistance R1 of the primary coil increases. It can be seen that the inductance L1 decreases. The above-mentioned is known in the above-mentioned “University Course Electrical Circuit (1)” written by Katsuro Ohno and Tetsuo Nishi, published by Ohmsha (August 20, 2001, first edition, June 30, 1968) Circuit theory.

上記(5)式と(4)式は、Rs≧Rw、Rs≧Rn≧Rw、の条件を説明し、Rw、Rn、Rsの関係を説明するのに引用する基本式である。   The above formulas (5) and (4) are basic formulas used to explain the conditions of Rs ≧ Rw, Rs ≧ Rn ≧ Rw, and to explain the relationship between Rw, Rn, and Rs.

次に、図2に示した箔導体コイル10aに関して、具体的な例について説明する。一部重複するが、記号の定義を明確にしておく。Rwは、箔導体コイル10a単体の実効抵抗(図7のR1)、Rnは、箔導体コイル10aに他の空芯コイルが対向し、対向した空芯コイルが開放されているときの箔導体コイル10aの実効抵抗(図8のR1)、Rsは、箔導体コイル10aに他の空芯コイルが対向し、対向した空芯コイルが短絡されているときの箔導体コイル10aの実効抵抗(図9のR1)、krは、前記、RwとRsより近似的に求めた両コイル間の結合係数である。   Next, a specific example of the foil conductor coil 10a shown in FIG. 2 will be described. There are some overlaps, but the definition of the symbol is clear. Rw is the effective resistance of the foil conductor coil 10a alone (R1 in FIG. 7), and Rn is the foil conductor coil when another air core coil faces the foil conductor coil 10a and the facing air core coil is open. The effective resistance of 10a (R1 in FIG. 8) and Rs are the effective resistance of the foil conductor coil 10a when another air core coil faces the foil conductor coil 10a and the facing air core coil is short-circuited (FIG. 9). R1) and kr are coupling coefficients between the coils approximately obtained from Rw and Rs.

また、箔導体コイル10a単体のインダクタンスをLw、箔導体コイル10aに他の空芯コイルが対向し、対向した空芯コイルが短絡されているときの箔導体コイル10aのインダクタンスをLsとしたときに、LwとLsから近似的に求められる結合係数をkiと表記する。krと、kiの近似的な求め方については後述する。   Further, when the inductance of the foil conductor coil 10a alone is Lw, and when the other air-core coil faces the foil conductor coil 10a and the opposed air-core coil is short-circuited, the inductance of the foil conductor coil 10a is Ls. , A coupling coefficient approximately obtained from Lw and Ls is expressed as ki. An approximate method for obtaining kr and ki will be described later.

なお、L1がコイル自体を示すときには、L1は記号とし、インダクタンスの数値を示すときは、L1(H)として単位を付記する。これは、R1、Rw等の抵抗についても同様とする。ただし、Rs≧Rw、など等号や不等号で記載されている場合、Rw等を数式中に記載したときや計算に用いている旨の記載があるときの前後にRw等が記載してある場合、「Rwは、2Ω」等の具体的な数値と単位がRw等の直後に記載されている場合、特性図の説明等で数値であることが明らかな場合等は、単位の付記を省略している。   When L1 indicates the coil itself, L1 is a symbol, and when L1 is a numerical value of inductance, a unit is added as L1 (H). The same applies to resistors such as R1 and Rw. However, when Rs ≧ Rw, etc. are described with an equal sign or an inequality sign, when Rw is described before or after the description that Rw etc. is used in the calculation or when it is used for calculation , “Rw is 2Ω”, etc. When the unit and the unit are described immediately after Rw, etc., when it is clear that it is a numerical value in the explanation of the characteristic diagram, etc., the unit addition is omitted. ing.

そして、Rs≧Rw、の条件を満足する最高周波数をf1(Hz)、Rs≧Rn≧Rw、の条件を満足する最高周波数をf2(Hz)と表記する。単に、f1、f2と表記されている場合、f1は、Rs≧Rw、の条件を満足する最高周波数(Hz)、f2は、Rs≧Rn≧Rw、の条件を満足する最高周波数(Hz)を示す。   The highest frequency that satisfies the condition of Rs ≧ Rw is expressed as f1 (Hz), and the highest frequency that satisfies the condition of Rs ≧ Rn ≧ Rw is expressed as f2 (Hz). When f1 and f2 are simply written, f1 is the highest frequency (Hz) that satisfies the condition of Rs ≧ Rw, and f2 is the highest frequency (Hz) that satisfies the condition of Rs ≧ Rn ≧ Rw. Show.

本発明においては、送電コイルと受電コイル間の結合係数が低い場合が多い。よって、Rs=Rw、となる場合もある。例えば、送電コイルの面積に比べ、受電コイルの面積が2%程度となる場合などである。あるいは、送電コイルと受電コイルの距離が離れている場合などがある。したがって、Rs≧Rw、の条件を満足する最高周波数をf1(Hz)、とすると、前記fd(Hz)、fa(Hz)、fj(Hz)、は、f1(Hz)と同じであってもよい。よって、fd(Hz)、fa(Hz)、fj(Hz)と、f1(Hz)、f2(Hz)、の関係は、f1「未満」と表記せず、f1「以下」と表記している。   In the present invention, the coupling coefficient between the power transmission coil and the power reception coil is often low. Therefore, there are cases where Rs = Rw. For example, there is a case where the area of the power receiving coil is about 2% compared to the area of the power transmitting coil. Alternatively, there are cases where the distance between the power transmission coil and the power reception coil is long. Therefore, if the highest frequency satisfying the condition of Rs ≧ Rw is f1 (Hz), the fd (Hz), fa (Hz), and fj (Hz) are the same as f1 (Hz). Good. Therefore, the relationship between fd (Hz), fa (Hz), fj (Hz) and f1 (Hz), f2 (Hz) is not expressed as f1 “less than”, but is expressed as f1 “below”. .

まず、Rs≧Rw、の条件について説明する。上述したように、回路理論上、図8のように構成された変成器と、図9のように構成された変成器では、Rs>Rn=R1=Rw、の関係が成り立つ。しかし、後述する、Rw,Rs、Rnと周波数の関係を示す特性図を参照すると、周波数が高い領域では、Rs>Rn=R1=Rw、の関係を満足しておらず、Rs<Rw、となっている。前述した(4)式において、Aは、
=ω/(ωL2+R2)、であり、
前述したように、A≧0、である。したがって、図8、図9に示す変成器の1次側インピーダンスの純抵抗成分は、2次側短絡時には、
Rs=(R1+AR2)=(Rw+AR2)≧Rw、となり、
2次側開放時には、Rn=R1=Rw、となる。
First, the condition of Rs ≧ Rw will be described. As described above, the relationship of Rs> Rn = R1 = Rw is established between the transformer configured as shown in FIG. 8 and the transformer configured as shown in FIG. 9 in circuit theory. However, referring to a characteristic diagram showing the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency, which will be described later, in the high frequency region, the relationship of Rs> Rn = R1 = Rw is not satisfied, and Rs <Rw, It has become. In the above-described equation (4), A 2 is
A 2 = ω 2 M 2 / (ω 2 L2 2 + R2 2 ),
As described above, A 2 ≧ 0. Therefore, the pure resistance component of the primary side impedance of the transformer shown in FIG. 8 and FIG.
Rs = (R1 + A 2 R2) = (Rw + A 2 R2) ≧ Rw,
When the secondary side is opened, Rn = R1 = Rw.

上述したように、回路理論に従うなら、Rs≧Rw、とならなければならないが、実測結果から、前記の不等式、Rs≧Rw、が、高周波数領域になると成立しない。   As described above, if the circuit theory is followed, Rs ≧ Rw must be satisfied, but from the actual measurement result, the above inequality, Rs ≧ Rw, does not hold when in the high frequency region.

再度、上記Aについて見てみると、
=ω/(ωL2+R2)、であり、Rs≧Rw、が成立しないのは、高周波数領域なので、Aにおいて、ωL2>>R2、が成り立ち、
≒ω/ωL2=M/L2、となる。
Again, if you look for the above A 2,
Since A 2 = ω 2 M 2 / (ω 2 L2 2 + R2 2 ) and Rs ≧ Rw does not hold because it is in the high frequency region, in A 2 ω 2 L2 2 >> R2 2 holds ,
A 2 ≈ω 2 M 2 / ω 2 L2 2 = M 2 / L2 2 .

既知の回路理論によると、1次コイルと2次コイルの結合係数をkとすると、
=kL1・L2、の関係が成り立つ。1次コイルと2次コイルが同一の場合は、
L1=L2=Lw、R1=R2=Rwであるので、
=M/L2=kL1・L2/L2=kLw/L2、となる。
According to the known circuit theory, if the coupling coefficient between the primary coil and the secondary coil is k,
The relationship of M 2 = k 2 L1 · L2 is established. If the primary and secondary coils are the same,
Since L1 = L2 = Lw and R1 = R2 = Rw,
A 2 = M 2 / L 2 2 = k 2 L1 · L2 / L2 2 = k 2 Lw / L2.

このようにして、既知のLw(H)とL2(H)から近似的に結合係数の2乗、kを求めることができる。例えば、1次側、2次側共に、コイル10Aを使用した場合、Lw=L2、Rw=R2、となるので、
Rs≒Rw+kRw、kRw=Rs−Rw、k=(Rs−Rw)/Rw・・(6)
Ls≒Lw―kLw、kLw=Lw−Ls、k=(Lw−Ls)/Lw・・(7)
として、近似的に結合計数kの2乗を求めることができ、結合係数kは上記(6)式、(7)式の右辺の平方根を取ることにより求められる。ここで、上記(6)式の右辺の平方根を取ることにより求められた結合係数をkrと表記し、(7)式の右辺の平方根を取ることにより求められた結合係数をkiと表記する。
In this manner, the square of approximately coupling coefficient from known Lw (H) and L2 (H), can be obtained k 2. For example, when the coil 10A is used on both the primary side and the secondary side, Lw = L2, Rw = R2,
Rs≈Rw + k 2 Rw, k 2 Rw = Rs−Rw, k 2 = (Rs−Rw) / Rw (6)
Ls≈Lw−k 2 Lw, k 2 Lw = Lw−Ls, k 2 = (Lw−Ls) / Lw (7)
As a result, the square of the coupling coefficient k can be approximately calculated, and the coupling coefficient k is determined by taking the square root of the right side of the above equations (6) and (7). Here, the coupling coefficient obtained by taking the square root of the right side of the equation (6) is denoted as kr, and the coupling coefficient obtained by taking the square root of the right side of the equation (7) is denoted by ki.

kr=√((Rs−Rw)/Rw)、
ki=√((Lw−Ls)/Lw)、
として、krを、Rw、Rsから、kiを、Lw、Lsから近似的に求められる。上記、(6)式、(7)式は、1次側コイル、2次側コイルに同一のコイルを使用する場合であり、1次側コイルと2次側コイルが異なる場合は、
Rs≒Rw+kR2、kR2=Rs−Rw、k=(Rs−Rw)/R2・・(8)
Ls≒Lw―kL2、kL2=Lw−Ls、k=(Lw−Ls)/L2・・(9)
kr=√((Rs−Rw)/R2)、
ki=√((Lw−Ls)/L2)、
として、近似的に結合係数を求めることができる。なお、R2(Ω)は、図9における受電コイル2の実効直列抵抗であり、L2(H)は、図9における受電コイル2の自己インダクタンスである。
kr = √ ((Rs−Rw) / Rw),
ki = √ ((Lw−Ls) / Lw),
Kr is approximately obtained from Rw and Rs, and ki is approximately calculated from Lw and Ls. The above formulas (6) and (7) are for the case where the same coil is used for the primary side coil and the secondary side coil, and when the primary side coil and the secondary side coil are different,
Rs≈Rw + k 2 R2, k 2 R2 = Rs−Rw, k 2 = (Rs−Rw) / R2 (8)
Ls≈Lw−k 2 L2, k 2 L2 = Lw−Ls, k 2 = (Lw−Ls) / L2 (9)
kr = √ ((Rs−Rw) / R2),
ki = √ ((Lw−Ls) / L2),
As a result, the coupling coefficient can be obtained approximately. Note that R2 (Ω) is the effective series resistance of the power receiving coil 2 in FIG. 9, and L2 (H) is the self-inductance of the power receiving coil 2 in FIG.

(6)式のRw、(8)式のR2は、どちらも正の値であり、(6)式、(8)式において、Rs≧Rw、を満足しないと、(6)式、(8)式の右辺が負になる。この場合、kr<0、となって、数学的には結合係数krが虚数になってしまう。実際に2個のコイルが対向して誘導結合しているのに、結合係数が虚数になることは有り得ず、電磁気学の相互誘導理論や回路理論上も、虚数の結合係数などというものは存在しない。 Rw in the expression (6) and R2 in the expression (8) are both positive values. In the expressions (6) and (8), if Rs ≧ Rw is not satisfied, the expression (6), (8 ) The right side of the expression is negative. In this case, kr 2 <0, and mathematically, the coupling coefficient kr becomes an imaginary number. Although the two coils are actually inductively coupled opposite to each other, the coupling coefficient cannot be imaginary, and there are imaginary coupling coefficients in electromagnetic induction and circuit theory. do not do.

Rs−Rw≧0、すなわち、Rs≧Rw、は満足すべき条件で、この条件を満足する最高周波数をf1(Hz)としたときに、送電コイル1はf1(Hz)以下の周波数領域にて送電用に使用されることを条件としている。したがって、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)が高いコイルを選ぶのが好ましい。   Rs−Rw ≧ 0, that is, Rs ≧ Rw is a condition that should be satisfied, and when the highest frequency that satisfies this condition is f1 (Hz), the power transmission coil 1 is in a frequency region below f1 (Hz). It must be used for power transmission. Therefore, it is preferable to select a coil having a high maximum frequency f1 (Hz) that satisfies the relationship of Rs ≧ Rw.

しかしながら、本願は、面積の大きい送電コイルから面積の小さい受電コイルに長距離の電力伝送が可能な電力伝送装置に関する発明を本旨としている。特定の限られた条件下では面積比が1:3程度以下の箔導体コイル間、あるいは箔導体コイルと導線コイル間で、ある程度(概ね30W程度)の電力を80%程度の伝送効率で伝送はできる。しかし、同一面積の箔導体コイル間で、大電力を高効率で伝送するのは困難である。一方、導線コイルにおいては、同一のコイル間で、大電力を高効率で伝送できる。そこで、断面が円形の単導線を平面渦巻き状に巻回したコイルと、箔状導体を平面渦巻き状に巻回したコイルの作用効果の違いを、以下に示す。   However, the present application is directed to an invention relating to a power transmission device capable of transmitting power over a long distance from a power transmission coil having a large area to a power reception coil having a small area. Under certain limited conditions, a certain amount of power (approximately 30W) can be transmitted with a transmission efficiency of about 80% between foil conductor coils having an area ratio of about 1: 3 or less, or between foil conductor coils and conductor coils. it can. However, it is difficult to transmit high power with high efficiency between foil conductor coils of the same area. On the other hand, in a conducting wire coil, large power can be transmitted with high efficiency between the same coils. Therefore, the difference in action and effect between a coil obtained by winding a single conductor wire having a circular cross section in a plane spiral shape and a coil obtained by winding a foil-like conductor in a plane spiral shape will be described below.

(各コイルの仕様と特性)
表1は、本発明の作用効果を示すために引用するデータにおける各コイルの仕様を示す図であり、導線コイルであるコイル1Aからコイル1C、および箔導体コイルであるコイル10Aからコイル10F、導線で形成された受電コイルであるコイル1Jの、各コイルの仕様が記載されている。
(Specifications and characteristics of each coil)
Table 1 is a diagram showing the specifications of each coil in the data cited in order to show the operation and effect of the present invention. The coils 1A to 1C are conductive coils, and the coils 10A to 10F are foil conductor coils. The specifications of each coil of the coil 1J, which is a power receiving coil formed in (1), are described.

(コイル1Aから1Cの特性)
図11は、1mmの単導線を外径70mmに、25ターン密接巻きしたコイル1Aの、Rw,Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。
図12は、0.6mmの単導線を外径70mmに40ターン密接巻きしたコイル1Bの、Rw,Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。図13は、0.3mmの単導線を外径70mmに70ターン密接巻きしたコイル1Cの、Rw,Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。
(Characteristics of coils 1A to 1C)
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency of a coil 1A in which a single conductor of 1 mm is closely wound with an outer diameter of 70 mm and 25 turns.
FIG. 12 is a diagram showing a relationship between Rw, Rs, Rn and frequency of a coil 1B in which a 0.6 mm single conductor wire is closely wound with an outer diameter of 70 mm for 40 turns. FIG. 13 is a diagram showing the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency of a coil 1C in which a single conductor of 0.3 mm is closely wound with an outer diameter of 70 mm for 70 turns.

図11から図13において、周波数10kHzのときの、各コイル単体の実効直列抵抗をRw1、周波数1MHzのときの、各コイル単体の実効直列抵抗をRw2とする。実効直列抵抗の増加率s1を、s1=Rw2/Rw1、とする。s1とf1は、
コイル1Aでは、s1=3.8Ω/0.08Ω=47.5、f1≒70kHz
コイル1Bでは、s1=7.4Ω/0.36Ω=20.5、f1≒210kHz
コイル1Cでは、s1=14.4Ω/1.7Ω=8.47、f1=820kHz
s1とf1を掛けると、
コイル1Aでは、s1×f1=48.7×70=3325
コイル1Bでは、s1×f1=22.1×210=4313
コイル1Cでは、s1×f1=8.47×820=6945
導線外径をd(mm)とし、d×10の対数を取り、上記、s1×f1に掛けると、
コイル1Aでは、2681×log(10)=3325
コイル1Aでは、4258×log(6)=4258×0.77=3359
コイル1Aでは、6945×log(3)=6945×0.47=3313
のように、単導線では、f1とs1にほぼ完全な相関が見られる。さらに、上記に求めた、s1×f1、に線径d(mm)を掛けると、
コイル1Aでは、2681×1=2681
コイル1Bでは、4258×0.6=2555
コイル1Cでは、6945×0.3=2083
のように、略同一の値となっている。
11 to 13, let Rw1 be the effective series resistance of each coil when the frequency is 10 kHz, and Rw2 the effective series resistance of each coil when the frequency is 1 MHz. The increase rate s1 of the effective series resistance is s1 = Rw2 / Rw1. s1 and f1 are
In the coil 1A, s1 = 3.8Ω / 0.08Ω = 47.5, f1≈70 kHz
In the coil 1B, s1 = 7.4Ω / 0.36Ω = 20.5, f1≈210 kHz
In the coil 1C, s1 = 14.4Ω / 1.7Ω = 8.47, f1 = 820 kHz
Multiplying s1 and f1,
In the coil 1A, s1 × f1 = 48.7 × 70 = 3325
In the coil 1B, s1 × f1 = 22.1 × 210 = 4313
In the coil 1C, s1 × f1 = 8.47 × 820 = 6945
When the conductor outer diameter is d (mm), the logarithm of d × 10 is taken and multiplied by the above s1 × f1,
In the coil 1A, 2681 × log (10) = 3325
In coil 1A, 4258 × log (6) = 4258 × 0.77 = 3359
In the coil 1A, 6945 × log (3) = 6945 × 0.47 = 3313
As shown, the single conductor shows almost perfect correlation between f1 and s1. Furthermore, when multiplying s1 × f1 obtained above by the wire diameter d (mm),
In the coil 1A, 2681 × 1 = 2681
In coil 1B, 4258 × 0.6 = 2555
In the coil 1C, 6945 × 0.3 = 2 083
As shown, the values are substantially the same.

上述のごとく、単導線で平面渦巻き状に形成したコイルは、線径dが太くなるに従い、f1(Hz)が低下し、周波数による実効直列抵抗の増加率s1も大きいことが分かる。このように、単導線で平面渦巻状に形成したコイルでは、線径d、f1、s1には相関が見られる。   As described above, it can be seen that the coil formed of a single conductor in a plane spiral shape has a decrease in f1 (Hz) as the wire diameter d increases and the increase rate s1 of the effective series resistance depending on the frequency is large. Thus, in the coil formed in a plane spiral shape with a single conductor, there is a correlation between the wire diameters d, f1, and s1.

(コイル10A〜10Eの特性)
図14は、同一のA4サイズのプリント基板に、箔厚70μmの銅箔を、箔幅H=10mm、間隙w=2mmで、6ターン巻回したコイル10Aを2個使用した場合の、Rw、Rs、Rnと、周波数の関係を示す図である。図15は、同一のプリント基板に、箔厚70μmの銅箔を、箔幅H=7mm、間隙w=2mmで、8ターン巻回したコイル10Bを2個使用した場合の、Rw、Rs、Rnと、周波数の関係を示す図である。なお、図14、図15には、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数であるf1(Hz)と、Rs≧Rn≧Rw、を満足する最高周波数であるf2(Hz)、が明記されている。
(Characteristics of coils 10A to 10E)
FIG. 14 shows a case in which two coils 10A, each of which is a six-turn winding of a copper foil having a foil thickness of 70 μm, with a foil width H = 10 mm and a gap w = 2 mm, are used on the same A4 size printed circuit board. It is a figure which shows the relationship between Rs and Rn and a frequency. FIG. 15 shows Rw, Rs, Rn in the case where two coils 10B wound with 8 turns of copper foil having a thickness of 70 μm, with a foil width H = 7 mm and a gap w = 2 mm are used on the same printed circuit board. It is a figure which shows the relationship of a frequency. In FIG. 14 and FIG. 15, f1 (Hz) which is the highest frequency satisfying the relationship of Rs ≧ Rw and f2 (Hz) which is the highest frequency satisfying Rs ≧ Rn ≧ Rw are specified. ing.

図14に示すコイル10A、図15に示すコイル10B共に、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数であるf1(Hz)は、約350kHz、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数であるf2(Hz)は、約130kHzである。すなわち、同一寸法でコイルを作成しても、箔幅の違いにより、f1(Hz)、f2(Hz)に差異が見られない。さらに、10kHzにおける各コイル単体の実効直列抵抗Rwと1MHzにおける各コイル単体の実効直列抵抗Rwの比s1を見てみる。コイル10Aでは、0.33/0.11=3、であり、コイル10Bでは、0.57/0.19=3、となっている。両コイルの実効直列抵抗の増加率s1は、いずれも約3倍となっており、両コイルに差異は見られない。一方、コイル1Cのs1は、約8である。しかし、コイル1Cが、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数であるf1(Hz)は、約820kHz、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数であるf2(Hz)は、約250kHzである。f1(Hz)、f2(Hz)ともに、コイル10A、コイル10Bよりも高い。このように、Rs≧Rw、を満足する最高周波数であるf1(Hz)、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数であるf2(Hz)については、導線コイルと箔導体コイルでは異なっているのが分かる。   In both the coil 10A shown in FIG. 14 and the coil 10B shown in FIG. 15, the maximum frequency f1 (Hz) that satisfies the relationship of Rs ≧ Rw is about 350 kHz, and the maximum frequency that satisfies the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw. F2 (Hz) is about 130 kHz. That is, even if coils are formed with the same dimensions, no difference is observed in f1 (Hz) and f2 (Hz) due to the difference in foil width. Further, the ratio s1 between the effective series resistance Rw of each coil unit at 10 kHz and the effective series resistance Rw of each coil unit at 1 MHz will be examined. In the coil 10A, 0.33 / 0.11 = 3, and in the coil 10B, 0.57 / 0.19 = 3. The increase rate s1 of the effective series resistance of both coils is about 3 times, and no difference is seen between the two coils. On the other hand, s1 of the coil 1C is about 8. However, the maximum frequency f1 (Hz) that the coil 1C satisfies the relationship of Rs ≧ Rw is about 820 kHz, and the maximum frequency f2 (Hz) that satisfies the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw is about 250 kHz. Both f1 (Hz) and f2 (Hz) are higher than the coils 10A and 10B. As described above, the maximum frequency f1 (Hz) satisfying Rs ≧ Rw and the maximum frequency f2 (Hz) satisfying the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw are different between the conductor coil and the foil conductor coil. I understand that.

導線コイルにおいては、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数であるf1(Hz)、が電力伝送に使用可能な周波数の上限であることが分かっている。また、対向するコイルを選ぶことによって、前記f1(Hz)を上昇させることができ、電力伝送性能を向上させることができる。その詳細については、PCT2007/JP2007/061012に記載してある。しかし、対向するコイルとの差異、導線コイルとの作用効果の違いはあるが、f1が350kHz前後のコイル10A、コイル10Bであっても、実際には1MHz以上の周波数で使用可能である。ただし、2個のコイル10A間、2個のコイル10B間で電力の伝送を行う場合には、Rs≧Rw、を満足する最高周波数であるf1(Hz)である約350kHzが電力伝送に使用可能な最高周波数となる。   In the conductor coil, it has been found that f1 (Hz), which is the highest frequency that satisfies the relationship of Rs ≧ Rw, is the upper limit of the frequency that can be used for power transmission. Further, by selecting the opposing coil, the f1 (Hz) can be increased, and the power transmission performance can be improved. Details thereof are described in PCT2007 / JP2007 / 061012. However, although there are differences between the opposing coils and the effects of the conductive wire coils, even if the coils 10A and 10B have f1 of around 350 kHz, they can actually be used at a frequency of 1 MHz or more. However, when power is transmitted between the two coils 10A and between the two coils 10B, about 350 kHz which is f1 (Hz) which is the highest frequency satisfying Rs ≧ Rw can be used for power transmission. The highest frequency.

次に、本願発明者は、コイル10Aと巻回数を同一とし、箔幅Hのみを7mmとして、隣接する箔導体の間隔wを5mmに広げた、コイル10Cを2個使い、コイル10Cの、Rw、Rs、Rnの周波数特性を計測してみた。   Next, the inventor of the present application uses two coils 10C in which the number of turns is the same as that of the coil 10A, only the foil width H is 7 mm, and the interval w between adjacent foil conductors is increased to 5 mm. , Rs, Rn frequency characteristics were measured.

図16は、2個のコイル10Cを対向させたときの、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。   FIG. 16 is a diagram showing the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency when two coils 10C are opposed to each other.

図16によると、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数であるf1(Hz)は、約3.2MHzに上昇しているのが分かる。また、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数であるf2(Hz)は、1MHzに上昇している。   According to FIG. 16, it can be seen that f1 (Hz), which is the highest frequency that satisfies the relationship of Rs ≧ Rw, has increased to about 3.2 MHz. Moreover, f2 (Hz) which is the highest frequency satisfying the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw is increased to 1 MHz.

コイル10Aのf1は約350kHz、f2は約120kHzであるから、f1は約9倍、f2も約9倍に上昇している。なお、コイル単体のインダクタンスLw(H)は、コイル10Aが7.1μH、コイル10Cが約7.7μHとなっている。巻回数が同一であるので、コイル単体のインダクタンスは、コイル10Aとコイル10Cはほぼ等しくなっている。ただし、箔厚と箔幅の差異により、実効直列抵抗は、コイル10Aの方が小さくなっている。   Since f1 of the coil 10A is about 350 kHz and f2 is about 120 kHz, f1 rises about 9 times and f2 also rises about 9 times. Note that the inductance Lw (H) of the single coil is 7.1 μH for the coil 10A and about 7.7 μH for the coil 10C. Since the number of turns is the same, the coil 10A and the coil 10C have substantially the same inductance. However, the effective series resistance of the coil 10A is smaller due to the difference in foil thickness and foil width.

上記の結果から、同一の箔導体コイル2個を使用した場合、Rs≧Rw、を満足する最高周波数であるf1(Hz)は、隣接する箔導体の間隔wのみで決まり、巻回数や箔幅とは相関が無いように思われる。しかし、同一のコイルを対向させた場合のf1を比較するのみでは、適切な箔導体コイルを選択することはできない。実際には、f1は低いが、実効直列抵抗の低いコイル10Aは、コイル10Cよりも電力伝送性能がよい。この点については後述する。次に、箔厚について考察してみる。   From the above results, when two identical foil conductor coils are used, f1 (Hz) which is the highest frequency satisfying Rs ≧ Rw is determined only by the interval w between adjacent foil conductors, and the number of turns and foil width Seems to have no correlation. However, an appropriate foil conductor coil cannot be selected only by comparing f1 when the same coil is opposed. Actually, the coil 10A having a low effective series resistance although f1 is low has better power transmission performance than the coil 10C. This point will be described later. Next, consider the foil thickness.

図17は、コイル10Cの銅箔に、半田を盛り、約0.3mmの箔厚に仕上げたコイル10Dに、コイル10Cを対向させた場合の、コイル10Dの、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。図18は、コイル10Cに、コイル10Dを対向させた場合の、コイル10Cの、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。図19は、コイル10A単体の実効直列抵抗Rw、コイル10C単体の実効直列抵抗Rw、コイル10D単体の実効直列抵抗Rw、と周波数の関係を示す図である。   FIG. 17 shows the frequency of Rw, Rs, Rn and the frequency of the coil 10D when the coil 10C is opposed to the coil 10D in which the copper foil of the coil 10C is soldered and finished to a foil thickness of about 0.3 mm. It is a figure which shows a relationship. FIG. 18 is a diagram illustrating the relationship between Rw, Rs, and Rn and the frequency of the coil 10C when the coil 10D is opposed to the coil 10C. FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the effective series resistance Rw of the coil 10A alone, the effective series resistance Rw of the coil 10C alone, the effective series resistance Rw of the coil 10D alone, and the frequency.

まず、図19を参照すると、コイル10Dは、コイル10Aと同等にまではコイル単体の実効直列抵抗Rwは低下していないが、コイル10Cよりは改善されているのが分かる。コイル10Aとコイル10Dの実効直列抵抗Rwの差は、直流抵抗の違いである。半田は比抵抗が大きい。コイル10Aは70μmの箔厚であり、コイル10Dに0.1mm程度の箔厚の銅箔を使用すれば、コイル10Aとほぼ同等の直流抵抗が得られる。   First, referring to FIG. 19, it can be seen that the effective series resistance Rw of the coil alone is not lowered until the coil 10D is equivalent to the coil 10A, but is improved over the coil 10C. The difference in effective series resistance Rw between the coil 10A and the coil 10D is a difference in DC resistance. Solder has a large specific resistance. The coil 10A has a foil thickness of 70 μm. If a copper foil having a foil thickness of about 0.1 mm is used for the coil 10D, a DC resistance substantially equal to that of the coil 10A can be obtained.

次に、図16を参照すると、図15と同等に、Rs≧Rn≧Rw、を満足する最高周波数であるf2(Hz)は、1MHz前後に存在する。Rs≧Rw、を満足する最高周波数であるf1(Hz)は、図16では2.3MHzであるが、図17では4MHz以上となっているので、図示されていない。これは、コイル10Dを作成する際、半田付けの際の熱により、基板の平面性が崩れ、近接対向の距離が、図16よりも長くなっているからと推察される。この傾向は、図18において、コイル10Cにコイル10Dを対向させた場合も同様である。図16から図18より、Rs≧Rw、を満足する最高周波数であるf1(Hz)を上昇させるとともに、コイル単体の実効直列抵抗Rwを低下させるには、箔幅Hを狭くして箔厚tを厚くし、隣接する箔導体間の間隔wを広くすればよい。すなわち、箔幅Hの10分の1程度までは、箔厚tを厚くし、隣接する箔導体間の間隔wを広くすればよいことが分かる。この規定を満足していれば、箔厚tは0.3mm程度にまで厚くすることができる。   Next, referring to FIG. 16, as in FIG. 15, the maximum frequency f2 (Hz) that satisfies Rs ≧ Rn ≧ Rw exists around 1 MHz. The maximum frequency f1 (Hz) that satisfies Rs ≧ Rw is 2.3 MHz in FIG. 16 but is 4 MHz or more in FIG. 17 and is not shown. This is presumably because when the coil 10D is formed, the flatness of the substrate is broken due to heat during soldering, and the distance between adjacent faces is longer than that in FIG. This tendency is the same when the coil 10D is opposed to the coil 10C in FIG. From FIG. 16 to FIG. 18, in order to increase f1 (Hz) which is the highest frequency satisfying Rs ≧ Rw, and to decrease the effective series resistance Rw of a single coil, the foil width t is reduced by reducing the foil thickness t. And the interval w between adjacent foil conductors may be widened. That is, it can be seen that up to about one-tenth of the foil width H, the foil thickness t is increased and the interval w between adjacent foil conductors is increased. If this rule is satisfied, the foil thickness t can be increased to about 0.3 mm.

次に、受電コイルとして使用可能な箔導体コイルの実施形態について説明する。   Next, an embodiment of a foil conductor coil that can be used as a power receiving coil will be described.

図20は、箔幅0.5mm、間隙0.5mmで、40ターン巻回したコイル10Eを2個使用した場合の、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。図21は、比較例として作成した箔幅4mm、間隙0.1mmで15ターン巻回したコイル10Fを2個使用した場合の、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。   FIG. 20 is a diagram showing the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency when two coils 10E wound with 40 turns with a foil width of 0.5 mm and a gap of 0.5 mm are used. FIG. 21 is a diagram showing the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency when using two coils 10F wound for 15 turns with a foil width of 4 mm and a gap of 0.1 mm prepared as a comparative example.

図20を参照すると、コイル10Eは、Rs≧Rw、Rs≧Rn≧Rw、の関係を、4MHz以上まで満足している。これは、箔幅Hに比べ、間隙wが広いからと推察できる。図21を参照すると、コイル10Fが、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)は、150kHzとなっておいる。また、コイル10Fが、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数であるf2(Hz)は、25kHzとなっている。本発明の電力伝送装置100は、受電コイル2を送電コイル1に近接対向させるものではなく、受電コイル2が送電コイル1と離れていてもよい。よって、電波障害の関係上、250kHz以下の周波数領域で電力を伝送するのが好ましい。したがって、送電コイル1が、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)であって、送電コイルを使用可能な上限は、最低でも200kHz以上となっている必要がある。コイル10Fを2個使用した場合は、いずれのコイルも送電コイルとして使用できず、この場合、コイル10Fは比較例となる。   Referring to FIG. 20, the coil 10E satisfies the relationship of Rs ≧ Rw and Rs ≧ Rn ≧ Rw up to 4 MHz or more. It can be inferred that this is because the gap w is wider than the foil width H. Referring to FIG. 21, the maximum frequency f1 (Hz) at which the coil 10F satisfies the relationship Rs ≧ Rw is 150 kHz. The maximum frequency f2 (Hz) at which the coil 10F satisfies the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw is 25 kHz. The power transmission device 100 of the present invention does not cause the power receiving coil 2 to be close to and opposed to the power transmitting coil 1, and the power receiving coil 2 may be separated from the power transmitting coil 1. Therefore, it is preferable to transmit power in a frequency region of 250 kHz or less because of radio interference. Therefore, it is necessary that the power transmission coil 1 has the highest frequency f1 (Hz) that satisfies the relationship of Rs ≧ Rw, and the upper limit for using the power transmission coil is at least 200 kHz. When two coils 10F are used, none of the coils can be used as a power transmission coil. In this case, the coil 10F is a comparative example.

一方で、コイル10Fを他のコイルと対向させた場合の特性は、かなり変化する。   On the other hand, the characteristics when the coil 10F is opposed to another coil change considerably.

図22は、送電コイルにコイル10F、受電コイルにコイル10Eを使った場合、送電コイル10Fの、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。   FIG. 22 is a diagram showing a relationship between Rw, Rs, Rn and frequency of the power transmission coil 10F when the coil 10F is used as the power transmission coil and the coil 10E is used as the power reception coil.

図21において、コイル10Fが、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)は、130kHzであるが、図22では、コイル10Fが、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)は、2.3MHzにまで上昇している。同様に、図21において、コイル10Fが、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数をf2(Hz)は、25kHzであるが、図22では、コイル10Fが、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数f2(Hz)は、1.2MHzにまで上昇している。このように、箔導体コイルにおいては、対向するコイルを選ぶことにより、f1、f2を大幅に上昇させることができる。この作用効果は、導線コイルに対向させるコイルを箔導体コイルとしたときも同様で、導線コイルのf1、f2を大幅に大幅に上昇させることができる。導線コイルと箔導体コイルの組合せの例については後述する。   In FIG. 21, the maximum frequency f1 (Hz) at which the coil 10F satisfies the relationship Rs ≧ Rw is 130 kHz, but in FIG. 22, the maximum frequency f1 at which the coil 10F satisfies the relationship Rs ≧ Rw. (Hz) has risen to 2.3 MHz. Similarly, in FIG. 21, the maximum frequency f2 (Hz) at which the coil 10F satisfies the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw is 25 kHz, but in FIG. 22, the coil 10F has Rs ≧ Rn ≧ Rw, The maximum frequency f2 (Hz) that satisfies the above relationship has increased to 1.2 MHz. Thus, in the foil conductor coil, f1 and f2 can be significantly increased by selecting an opposing coil. This effect is the same when the coil opposed to the conductor coil is a foil conductor coil, and f1 and f2 of the conductor coil can be significantly increased. An example of a combination of a conductive wire coil and a foil conductor coil will be described later.

以降、送電コイルとして、同一のコイルを組合せた場合に、Rs≧Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)が最も低いコイル10Aと、同一のコイルを組合せた場合に送電コイルとして使用できないコイル10Fを組合せて特性を見てみる。   Thereafter, when the same coil is combined as the power transmission coil, the coil 10A having the lowest maximum frequency f1 (Hz) satisfying Rs ≧ Rw and the coil 10F that cannot be used as the power transmission coil when the same coil is combined. Let's see the characteristics by combining.

図23は、送電コイルにコイル10A、受電コイルにコイル10Fを使った場合、コイル10Aの、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。図24は、送電コイルにコイル10A、受電コイルにコイル10Fを使った場合、コイル10Fの、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。   FIG. 23 is a diagram illustrating a relationship between Rw, Rs, and Rn and the frequency of the coil 10A when the coil 10A is used as the power transmission coil and the coil 10F is used as the power reception coil. FIG. 24 is a diagram illustrating the relationship between Rw, Rs, and Rn and the frequency of the coil 10F when the coil 10A is used as the power transmission coil and the coil 10F is used as the power reception coil.

図23では、コイル10Aが、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)は、1MHz以上となっている。図24でも、コイル10Fが、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)は、1MHz以上となっている。電力伝送に使用する周波数を1MHzとすると、コイル10Aとコイル10Fを組合せた場合、いずれのコイルも、f1が1MHz以上となり、所定条件を満足する。ただし、コイル10Fをコイル10Aに上に設置する場所によっては、f1が1MHz以下となる場合もある。しかし、コイル10A面上に短絡したコイル10Fを設置したときに、コイル10AのRsがRwよりも大きい箇所があれば、所定条件を満足していることになる。   In FIG. 23, the maximum frequency f1 (Hz) at which the coil 10A satisfies the relationship of Rs ≧ Rw is 1 MHz or more. Also in FIG. 24, the maximum frequency f1 (Hz) at which the coil 10F satisfies the relationship of Rs ≧ Rw is 1 MHz or more. Assuming that the frequency used for power transmission is 1 MHz, when the coil 10A and the coil 10F are combined, f1 of each coil is 1 MHz or more, which satisfies a predetermined condition. However, depending on the place where the coil 10F is installed on the coil 10A, f1 may be 1 MHz or less. However, when the short-circuited coil 10F is installed on the surface of the coil 10A, if there is a location where Rs of the coil 10A is larger than Rw, the predetermined condition is satisfied.

このように、同一のコイルを組合せた場合には所定条件、例えば、f1が1MHzを満足しない送電コイルと、同一のコイルを組合せた場合には所定条件、例えば、f1が1MHzを満足しない受電コイルを組合せることにより、送電コイルは所定条件を満足する。また、受電コイルも所定条件を満足する。これは、送電コイルと受電コイルの面積比が大きいからと推察される。導線コイルにおいては、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)が70kHzの直径が70mmのコイル1Aと、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)が200kHzの直径が70mmのコイル1Cを組合せた場合、コイル1Aのf1は、70kHz、コイル1Cのf1は200kHzと変化は無い。このように、箔導体コイルは、導線コイルとは異なる特性を持つ。   Thus, a predetermined condition when the same coil is combined, for example, a power transmission coil where f1 does not satisfy 1 MHz, and a predetermined condition when the same coil is combined, such as a power receiving coil where f1 does not satisfy 1 MHz. By combining these, the power transmission coil satisfies a predetermined condition. The power receiving coil also satisfies a predetermined condition. This is presumed to be because the area ratio between the power transmission coil and the power reception coil is large. In the conductive wire coil, the maximum frequency f1 (Hz) satisfying the relationship of Rs ≧ Rw is 70 mm in diameter and the coil 1A having a diameter of 70 mm and the maximum frequency f1 (Hz) satisfying the relationship of Rs ≧ Rw is 200 kHz in diameter. When the coil 1C having a length of 70 mm is combined, the f1 of the coil 1A is 70 kHz, and the f1 of the coil 1C is not changed to 200 kHz. Thus, the foil conductor coil has different characteristics from the conductor coil.

そして、図25に、0.3mmの単導線で構成した、長さが短いソレノイド形状のコイル10Jを受電コイルとしたときの、送電コイル、コイル10Aの、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す。   And in FIG. 25, the relationship between Rw, Rs, Rn and the frequency of the power transmission coil, the coil 10A when the solenoid coil 10J having a short length made of a single conductor of 0.3 mm is used as the power receiving coil. Show.

図23から図25は、図22に示すコイル10Fと同等にして、コイル10Aが、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)が、図13よりも大幅に上昇しているのが分かる。このように、送電コイルを基準とし、受電コイルを選ぶことにより、送電コイルが、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)を上昇させることができる。具体的には、f1を、200kHz以上にすることができる。いずれの図にも、2MHzから4MHzの間に、f2が存在するが、f1は、4MHz以上になる。   23 to 25 are equivalent to the coil 10F shown in FIG. 22, and the maximum frequency f1 (Hz) at which the coil 10A satisfies the relationship of Rs ≧ Rw is significantly higher than that in FIG. I understand. Thus, by selecting the power receiving coil with reference to the power transmitting coil, the power transmitting coil can increase the maximum frequency f1 (Hz) that satisfies the relationship of Rs ≧ Rw. Specifically, f1 can be set to 200 kHz or more. In any figure, f2 exists between 2 MHz and 4 MHz, but f1 is 4 MHz or more.

箔状導体を平面渦巻状に巻回したコイル単体は、実効直列抵抗の周波数特性がよく、コイルのQも非常に高いので、送電用に用いることができる。特にキャパシタを使い、直列共振回路を形成すると、送電コイルに交流の大電流を流すことができ、前記の大電流は送電コイルを中心として広い範囲に磁束を形成することができる。その結果、送電コイルから距離が離れた任意の構成のコイルに、電力を伝送可能となる。   A single coil in which a foil-like conductor is wound in a plane spiral shape has good frequency characteristics of effective series resistance, and the coil has a very high Q, so that it can be used for power transmission. In particular, when a series resonant circuit is formed using a capacitor, an alternating current can be passed through the power transmission coil, and the large current can form a magnetic flux in a wide range around the power transmission coil. As a result, electric power can be transmitted to a coil having an arbitrary configuration that is separated from the power transmission coil.

(Rs≧Rn≧Rw、の関係について)
次に、Rs≧Rn≧Rw、のについて説明する。前述したように、回路理論に従うなら、Rs>Rn=Rw、の関係を満足していないといけないが、Rs≧Rw、の関係と同じく、周波数が上昇すると、RnはRwよりも大きくなるのが、図11〜図24より分かる。すなわち、周波数が以上に上昇すると、RnはRsよりも大きくなる。f1とf2の関係は、例えば、図22を参照すると、f1>f2、となっている。この関係は、全てのコイルにおいて成り立つ。
(Relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw)
Next, Rs ≧ Rn ≧ Rw will be described. As described above, if the circuit theory is followed, the relationship of Rs> Rn = Rw must be satisfied, but as with the relationship of Rs ≧ Rw, when the frequency increases, Rn becomes larger than Rw. From FIG. 11 to FIG. That is, when the frequency increases above, Rn becomes larger than Rs. For example, referring to FIG. 22, the relationship between f1 and f2 is f1> f2. This relationship holds for all coils.

この例では、図22から明らかなように、Rs≧Rn≧Rw、の条件を満足する最高周波数をf2(Hz)としたときに、コイル10Aはf2以下の周波数にて、送電用に使用することを条件としている。   In this example, as is apparent from FIG. 22, when the maximum frequency satisfying the condition of Rs ≧ Rn ≧ Rw is f2 (Hz), the coil 10A is used for power transmission at a frequency equal to or lower than f2. It is a condition.

Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数をf2(Hz)としたときに、コイル10Cを、f2以下の周波数で送電用に使用することにより、コイル10C、コイル10Cにコイル10Aを対向(電磁的に結合)させた変成器ともに、理論上の理想的な状態に近づき、電力伝送性能を向上させることができる。   When the maximum frequency satisfying the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw is set to f2 (Hz), the coil 10C is opposed to the coil 10C and the coil 10C by using the coil 10C for power transmission at a frequency equal to or lower than f2. Both (electromagnetically coupled) transformers approach the ideal ideal state and can improve power transmission performance.

また、図22には、f1とf2が明示してあるが、f1が高いほど、コイルが理論上の理想的な状態で使用できるf2も高い。本発明の箔状導体コイルは、広い範囲に磁束を形成できるが、コイルを駆動する周波数が高いほど、より広い範囲に磁束を広げることができる。したがって、前記f1、f2、が高いコイルを選ぶのが好ましい。   In FIG. 22, f1 and f2 are clearly shown. As f1 is higher, f2 that can be used in a theoretically ideal state is higher. Although the foil-like conductor coil of the present invention can form magnetic flux in a wide range, the higher the frequency for driving the coil, the wider the magnetic flux can be spread. Therefore, it is preferable to select a coil having high f1 and f2.

前述したように、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)以下で送電コイルを駆動する、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数f2(Hz)以下で送電コイルを駆動する、といったコイルを使用可能な周波数の規定は、従来の技術ではできなかった。   As described above, the power transmission coil is driven at the maximum frequency f1 (Hz) or less satisfying the relationship of Rs ≧ Rw, and the power transmission coil is operated at the maximum frequency f2 (Hz) or less satisfying the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw. The conventional technology cannot define the frequency at which the coil can be used, such as driving.

(コイルの熱条件の規定について)
次に、(Tw−Ta)≧θi(Rw×Ia)、の条件について説明する。
(Regarding the regulation of coil thermal conditions)
Next, the condition of (Tw−Ta) ≧ θi (Rw × Ia 2 ) will be described.

上述したように、交流電源の出力周波数fs(Hz)は、送電コイル単体のインダクタンスとキャパシタのキャパシタンスで決まるリアクタンスがゼロとなる点(共振点)に設定されている。すなわち、送電コイルを流れる電流は、fs(Hz)における送電コイルの実効直列抵抗Rwにより全て消費され、Rwにより、(Rw×Ia)Wの電力がジュール損として熱に変換される。 As described above, the output frequency fs (Hz) of the AC power supply is set to a point (resonance point) where the reactance determined by the inductance of the power transmission coil alone and the capacitance of the capacitor becomes zero. That is, the current flowing through the power transmission coil is all consumed by the effective series resistance Rw of the power transmission coil at fs (Hz), and the power of (Rw × Ia 2 ) W is converted into heat as Joule loss by Rw.

この発明を実施する場合において、コイルの熱抵抗θi(℃/W)は、コイルの構造や設置条件により決まる。しかし、本発明における箔状導体を使用した送電コイルは、導体面積が広いうえ、ソレノイドやスパイラル状のコイルとは異なり、導体の表面が全て空気に接しているので、放熱性は極めて高い。   In implementing this invention, the thermal resistance θi (° C./W) of the coil is determined by the coil structure and installation conditions. However, the power transmission coil using the foil-like conductor in the present invention has a large conductor area, and unlike the solenoid or spiral coil, the entire surface of the conductor is in contact with air.

通常、物体は、温度が高くなるほど、周囲に多くの熱を放散するので、正確には熱拡散方程式を解く必要があるが、種々の構造を持つコイルにつき、比熱等の熱定数を加味して熱拡散方程式を解くのは困難であるので、下記の方法により簡易的に熱抵抗θi(℃/W)を求める。   Normally, the higher the temperature, the more heat is dissipated to the surroundings. Therefore, it is necessary to solve the heat diffusion equation accurately. However, for coils with various structures, heat constants such as specific heat are taken into account. Since it is difficult to solve the thermal diffusion equation, the thermal resistance θi (° C./W) is simply obtained by the following method.

まず、送電コイルが設置される場所にて、初期状態のコイル温度T1(℃)を求めておく。前記コイルに、直流の定電流Id(A)を流して、前記コイルの両端電圧Vd(V)を計測し、Pd=Vd×Id(W)として、前記コイルの消費電力を求める。金属導線は温度が上がると抵抗値が増加し、コイルの両端電圧Vdが上昇するので、Vdはペンレコーダー等で記録して平均値を求めるか、A/D変換器等で逐次Vdをモニターし、平均値を取るのが望ましい。熱平衡に達したら、コイル温度T2(℃)を測定する。熱抵抗θi(℃/W)は、θi=(T2−T1)/Pd(℃/W)として求められる。この測定は、Idの電流値を変えて数回測定し、平均値として求めるのが好ましい。   First, an initial coil temperature T1 (° C.) is obtained at a place where the power transmission coil is installed. A DC constant current Id (A) is passed through the coil, the voltage Vd (V) across the coil is measured, and the power consumption of the coil is determined as Pd = Vd × Id (W). Since the resistance value of the metal wire increases as the temperature rises, the voltage Vd across the coil rises, so Vd is recorded with a pen recorder or the like to obtain an average value, or the Vd is monitored successively with an A / D converter or the like. It is desirable to take an average value. When the thermal equilibrium is reached, the coil temperature T2 (° C.) is measured. The thermal resistance θi (° C./W) is obtained as θi = (T2−T1) / Pd (° C./W). This measurement is preferably performed as an average value by measuring several times while changing the current value of Id.

このようにして求められた熱抵抗θi(℃/W)に、実際の使用条件下でのコイルの実効直列抵抗Rw(Ω)とコイルに流れる電流Ia(A)により決まる、実効直列抵抗Rwが消費する電力、Rw×Ia(W)を掛けると、実際の使用条件下でのコイルの温度上昇値、Tr(℃)が求められる。Tr=θi×Rw×Ia(℃)となり、コイルが動作可能な温度をTw(℃)、コイルが設置される場所の周囲温度をTa(℃)とすると、Tr=Tw−Taとなり、不等式、(Tw−Ta)≧θi×Rw×Ia(℃)を満足しないと、コイルの使用可能温度を越えるので、本発明の実施が困難になる。 The thus obtained thermal resistance θi (° C./W) has an effective series resistance Rw determined by the effective series resistance Rw (Ω) of the coil under actual use conditions and the current Ia (A) flowing through the coil. When the consumed power, Rw × Ia 2 (W), is multiplied, the coil temperature rise value under actual use conditions, Tr (° C.) is obtained. Tr = θi × Rw × Ia 2 (° C.) If the temperature at which the coil can be operated is Tw (° C.) and the ambient temperature of the place where the coil is installed is Ta (° C.), Tr = Tw−Ta. If (Tw−Ta) ≧ θi × Rw × Ia 2 (° C.) is not satisfied, the usable temperature of the coil will be exceeded, making it difficult to implement the present invention.

前記不等式は、RwまたはIaの条件を規定している。電力が伝送される周波数fsにおいて、実効直列抵抗Rwは、送電コイル単体で実測して求められる変数、送電コイルに流れる電流Ia(A)も実測して求められる変数で、他の、Tw(℃)、Ta(℃)、θi(℃/W)は既知の定数となる。したがって、Rw(Ω)が求められれば、Ia(A)の上限値が規定され、逆にIa(A)が決められれば、Rwの上限値が規定される。Raは、直流抵抗Rd(Ω)と交流抵抗Ra(Ω)の和であり、RdとRwは直接実測することが可能なので、Ia(A)を決定することにより、巻き数により増加する、実効直列抵抗Rw(Ω)の上限値を規定でき、実効直列抵抗Rw(Ω)と周波数の関係から、電力が伝送可能な周波数範囲を規定することができる。   The inequality defines the condition of Rw or Ia. At the frequency fs at which power is transmitted, the effective series resistance Rw is a variable obtained by actual measurement of the power transmission coil alone, a variable obtained by actual measurement of the current Ia (A) flowing through the power transmission coil, and other Tw (° C. ), Ta (° C.), and θi (° C./W) are known constants. Therefore, if Rw (Ω) is obtained, the upper limit value of Ia (A) is defined, and conversely if Ia (A) is determined, the upper limit value of Rw is defined. Ra is the sum of the direct current resistance Rd (Ω) and the alternating current resistance Ra (Ω), and Rd and Rw can be directly measured. Therefore, by determining Ia (A), the effective value increases with the number of turns. The upper limit value of the series resistance Rw (Ω) can be defined, and the frequency range in which power can be transmitted can be defined from the relationship between the effective series resistance Rw (Ω) and the frequency.

すなわち、1V×10Aと、10V×1Aは、どちらも同じ10Wの電力であるが、コイルの実効直列抵抗による電力損失は、10Aの場合は、1Aの100倍となる。電力ではなく、コイルに流れる電流Ia(A)を考慮し、コイルの実効直列抵抗による電力損失を規定しないと、送電コイルでの電力伝送効率を改善することはできない。   That is, both 1V × 10A and 10V × 1A have the same 10 W power, but the power loss due to the effective series resistance of the coil is 100 times that of 1A in the case of 10A. The power transmission efficiency in the power transmission coil cannot be improved unless the power loss due to the effective series resistance of the coil is specified in consideration of the current Ia (A) flowing through the coil, not the power.

しかし、本発明の一実施形態の図1のコイル10aであるコイル10Aに、1MHzの周波数で、実効値約3Aの交流電流を流しても、コイルの構成上、コイル自体の放熱性が非常に良いので、コイルの発熱は殆ど観測されていない。   However, even if an alternating current having an effective value of about 3 A is passed through the coil 10A, which is the coil 10a of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention, at a frequency of 1 MHz, the heat dissipation of the coil itself is very high due to the configuration of the coil. As it is good, almost no coil heat is observed.

なお、受電コイルについては、特に構成は限定されず、ソレノイドやスパイラル、ハネカム、ミアンダ状など任意の構成のコイルが使用できる。本発明は送電コイルから受電コイルに長距離伝送を行うもので、受電コイルの受電電力が少ないため、特にコイルの構成や特性を規定する必要はない。図4、図5に示す受電コイルは、受電コイルの磁束補足面を表しており、前記磁束補足面と、図2に示す送電コイルの箔状導体巻回面に対する角度が平行ではなく、任意の角度であっても電力を伝送可能であるという、従来の技術では実現できなかった優れた効果を奏する。   The configuration of the power receiving coil is not particularly limited, and a coil having an arbitrary configuration such as a solenoid, spiral, honeycomb, or meander shape can be used. The present invention performs long-distance transmission from the power transmission coil to the power reception coil, and since the power received by the power reception coil is small, it is not particularly necessary to define the configuration and characteristics of the coil. The power receiving coil shown in FIGS. 4 and 5 represents a magnetic flux supplement surface of the power receiving coil, and the angle between the magnetic flux supplement surface and the foil-like conductor winding surface of the power transmission coil shown in FIG. Even if it is an angle, there is an excellent effect that power can be transmitted, which cannot be realized by the conventional technology.

なお、上述したが、コイル10E、コイル10Fは、図3に示す構成の受電コイルの一実施形態であり、コイル10Jは、図4に示す構成の受電コイルの一実施形態である。前述したように、受電コイルの構成により、送電コイルを駆動可能な周波数領域が決まる。   As described above, the coil 10E and the coil 10F are an embodiment of the power receiving coil configured as shown in FIG. 3, and the coil 10J is an embodiment of the power receiving coil configured as shown in FIG. As described above, the frequency region in which the power transmission coil can be driven is determined by the configuration of the power reception coil.

(導線コイルと箔導体コイルの特性の違いについて)
同一のコイルを2個使用し、前述した、Rs≧Rw、の条件を満足する最高周波数f1(Hz)、Rs≧Rn≧Rw、の条件を満足する最高周波数f2(Hz)を求めた場合について説明する。
(Difference in characteristics between conductive coil and foil conductor coil)
When two identical coils are used and the maximum frequency f1 (Hz) satisfying the condition of Rs ≧ Rw and the maximum frequency f2 (Hz) satisfying the condition of Rs ≧ Rn ≧ Rw are obtained. explain.

導線コイルにおいては、同一のコイルを2個使用した場合に求めたf1とf2は、他の導線コイルと組合せてもそれほど変化しない。例えば、図11に示す、導線コイル1Aのf1は約67kHz、f2は約25kHzである。コイル1Aと同じく直径が70mmで、同一のコイルを2個使用した場合のf1が3.2MHz、f2が780kHzのコイル1Dがある。コイル1Dをコイル1Aに対向させても、コイル1Aのf1は110kHz、f2は88kHzと、コイル1Aのf1、f2は余り上昇しない。導線コイルの場合、一旦コイルの構成が決まってしまうと、Rw、Rs、Rnの周波数特性がほぼ決まってしまうようである。また、同一のコイル2個を用いて計測したf1が低いコイルを、f1が高いコイルに対向させると、f1が高いコイルのf1は低くなる。本願発明者が種々のコイルを用いて計測した限りにおいて、この相関に反する特性を持つコイルは存在しない。   In the conductor coil, f1 and f2 obtained when two identical coils are used do not change so much even when combined with other conductor coils. For example, f1 of the conductive wire coil 1A shown in FIG. 11 is about 67 kHz, and f2 is about 25 kHz. As with the coil 1A, there is a coil 1D having a diameter of 70 mm and f1 of 3.2 MHz and f2 of 780 kHz when two identical coils are used. Even if the coil 1D is opposed to the coil 1A, the f1 of the coil 1A is 110 kHz, the f2 is 88 kHz, and the f1 and f2 of the coil 1A do not rise so much. In the case of a conductor coil, once the coil configuration is determined, the frequency characteristics of Rw, Rs, and Rn are almost determined. In addition, when a coil having a low f1 measured using two identical coils is opposed to a coil having a high f1, the f1 of a coil having a high f1 becomes low. As long as the inventors measured using various coils, there is no coil having characteristics contrary to this correlation.

一方、箔導体コイルにおいては、同一のコイルで計測したf1が低くとも、対向するコイルを変えることにより、f1が大きく上昇するのが確認されている。この箔導体コイルの特性は、導線コイルと組合せた場合においても同じである。前述した、導線コイルであるコイル1Aに、箔導体コイルであるコイル10Fを組合せた場合、導線コイル、コイル1Aのf1は大きく上昇する。   On the other hand, in the foil conductor coil, even if f1 measured by the same coil is low, it has been confirmed that f1 is greatly increased by changing the opposing coil. The characteristics of this foil conductor coil are the same even when combined with a conductor coil. When the coil 1F, which is a foil conductor coil, is combined with the coil 1A, which is a conductive coil, as described above, f1 of the conductive coil and the coil 1A greatly increases.

図26は、コイル1Aにコイル10Fを対向させた場合の、コイル1Aの、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。   FIG. 26 is a diagram illustrating the relationship between Rw, Rs, and Rn and the frequency of the coil 1A when the coil 10F is opposed to the coil 1A.

図26を参照すると、コイル1Aが、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)は、1.25MHzにまで上昇しているのが分かる。しかしながら、コイル1A単体の実効直列抵抗Rwの周波数特性は悪い。また、コイル10Fの直流抵抗も大きい。したがって、前述した、(Tw−Ta)≧θi×Rw×Ia(℃)、の熱条件の規定により、コイル10Aとコイル10J間で大電力の電力伝送は困難になる。この場合は、コイル10Fを送電側コイルに使用し、キャパシタを除いて100V×0.2A=20W程度の電力を投入する。電力伝送周波数を100kHz程度とすると、コイル10Aの実効直列抵抗Rwは、0.5Ω程度となる。この条件では、受電側コイルであるコイル10Aより、20V×0.9A=18W程度の電力が取り出せる。このように、箔導体コイルを用いた場合には、作動条件を細かく規定しないと、大電力を高効率で伝送できない。従来は、単に大電力を高効率で伝送することのみに的を絞っており、前述したように、コイルに流れる電流とコイルの実効直列抵抗による電力損失が全く考慮されていない。 Referring to FIG. 26, it can be seen that the maximum frequency f1 (Hz) at which the coil 1A satisfies the relationship of Rs ≧ Rw has increased to 1.25 MHz. However, the frequency characteristic of the effective series resistance Rw of the coil 1A alone is poor. Further, the DC resistance of the coil 10F is large. Therefore, due to the above-described definition of the thermal condition of (Tw−Ta) ≧ θi × Rw × Ia 2 (° C.), it is difficult to transmit a large amount of power between the coil 10A and the coil 10J. In this case, the coil 10F is used as a power transmission side coil, and power of about 100 V × 0.2 A = 20 W is input except for the capacitor. When the power transmission frequency is about 100 kHz, the effective series resistance Rw of the coil 10A is about 0.5Ω. Under this condition, power of about 20 V × 0.9 A = 18 W can be extracted from the coil 10 </ b> A that is a power receiving side coil. Thus, when the foil conductor coil is used, high power cannot be transmitted with high efficiency unless the operating conditions are specified in detail. Conventionally, only the high power is transmitted with high efficiency, and as described above, the power loss due to the current flowing through the coil and the effective series resistance of the coil is not considered at all.

さらに、箔導体コイルにおいては、同一のコイルを用いた場合、f1が300kHzのコイルと、f1が200kHzのコイルがあったとする。f1が300kHzのコイルと、f1が200kHzのコイルを組合せると、いずれのコイルにおいてもf1が上昇するという効果が確認されている。例えば、f1が共に約350kHzのコイル10Aに、コイル10Bを対向させた場合、コイル10Aのf1は500kHz以上に上昇する。コイル10Aにコイル10Cを対向させると、コイル10Aのf1は1MHz以上に上昇する。   Furthermore, in the foil conductor coil, when the same coil is used, it is assumed that there are a coil with f1 of 300 kHz and a coil with f1 of 200 kHz. It has been confirmed that when a coil having f1 of 300 kHz and a coil having f1 of 200 kHz are combined, f1 increases in any coil. For example, when the coil 10B is opposed to the coil 10A having both f1 of about 350 kHz, the f1 of the coil 10A rises to 500 kHz or more. When the coil 10C is opposed to the coil 10A, f1 of the coil 10A rises to 1 MHz or more.

したがって、箔導体コイルを使用する場合、「同一の箔導体コイルを用いない」という条件を満足していればよい。この条件を満足するならば、少なくとも、本願の要旨である面積の大きい送電用の箔導体コイルから、導線コイルを含む送電コイルと誘導結合可能な構成の受電コイルに、長距離の電力が伝送できるようになる。あるいは、特定の条件下において、大電力を高効率で伝送できる。   Therefore, when using a foil conductor coil, it is only necessary to satisfy the condition that “the same foil conductor coil is not used”. If this condition is satisfied, at least long-distance power can be transmitted from the large-area power transmission foil conductor coil, which is the gist of the present application, to the power receiving coil that can be inductively coupled to the power transmitting coil including the conductive wire coil. It becomes like this. Alternatively, high power can be transmitted with high efficiency under specific conditions.

箔導体コイルは、導線を巻回したコイルに比べ、コイル単体の実効直列抵抗Rwの周波数特性が良好である。例えば、コイル10Cの特性図である図16より、Rwの周波数特性が良好な箔導体コイルを2個対向させた変成器は、RsとRwの比より結合係数も高い。また、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数f2(Hz)、も高い。しかし、本願発明者が、コイル10Cを2個用いて電力伝送試験を行ったところ、コイル面積が広いにもかかわらず、良好な電力伝送性能は得られなかった。断定はできないが、箔導体コイルを用いた変成器の実用化が難航しているのは、この点が一つの原因であると思われる。   The foil conductor coil has better frequency characteristics of the effective series resistance Rw of the coil alone than the coil around which the conductive wire is wound. For example, from FIG. 16, which is a characteristic diagram of the coil 10C, a transformer in which two foil conductor coils having good frequency characteristics of Rw are opposed to each other has a higher coupling coefficient than the ratio of Rs and Rw. Further, the highest frequency f1 (Hz) satisfying the relationship of Rs ≧ Rw and the highest frequency f2 (Hz) satisfying the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw are also high. However, when the inventor of the present application conducted a power transmission test using two coils 10C, good power transmission performance was not obtained despite the large coil area. Although it cannot be determined, this point seems to be one of the reasons why the practical application of transformers using foil conductor coils is difficult.

以下に、本発明を実際に実施した例を示す。本実施形態におけるコイル10aの一例であるコイル10Bを使用し、キャパシタを介して周波数1MHzの実効値5Vの方形波でコイル10Bを駆動する。駆動電流は約1.5Aである。同一のコイルを使用した場合のf1が約70kHzである前述したコイル1Aに接続されたLEDを、コイル10aの上面約40cmで点灯させることができる。念のため、コイル10A、コイル1Aの、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を確認しておく。   The following is an example of actual implementation of the present invention. The coil 10B which is an example of the coil 10a in this embodiment is used, and the coil 10B is driven by a square wave having an effective value of 5 V at a frequency of 1 MHz through a capacitor. The drive current is about 1.5A. When the same coil is used, the LED connected to the coil 1A, which has f1 of about 70 kHz, can be lit at about 40 cm on the upper surface of the coil 10a. As a precaution, the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency of the coil 10A and the coil 1A is confirmed.

図27は、コイル1Aをコイル10Aに対向させたときの、コイル10AのRw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。図28は、コイル10Aをコイル1Aに対向させたときの、コイル1AのRw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。   FIG. 27 is a diagram illustrating a relationship between Rw, Rs, and Rn of the coil 10A and the frequency when the coil 1A is opposed to the coil 10A. FIG. 28 is a diagram illustrating a relationship between Rw, Rs, and Rn of the coil 1A and the frequency when the coil 10A is opposed to the coil 1A.

図27を参照すると、コイル10Aが、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)は、4MHz以上に上昇しており、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数f2(Hz)も1.2MHz以上に上昇しているのが分かる。図28を参照すると、コイル1Aが、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)は、2.8MHzに上昇しており、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数f2(Hz)は、700kHzに上昇しているのが分かる。
Referring to FIG. 27, the maximum frequency f1 (Hz) at which the coil 10A satisfies the relationship of Rs ≧ Rw is increased to 4 MHz or more, and the maximum frequency f2 (at which the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw is satisfied) Hz) is also rising to 1.2 MHz or higher. Referring to FIG. 28, the maximum frequency f1 (Hz) that the coil 1A satisfies the relationship of Rs ≧ Rw is increased to 2.8 MHz, and the maximum frequency f2 that satisfies the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw. It can be seen that (Hz) rises to 700 kHz.

このように、箔導体コイルを使うと、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数f2(Hz)を上昇させることができる。同一のコイルでは、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)、が70kHzのコイル1Aであっても、受電コイルとして、1MHz以上で使用できるようになる。   Thus, when the foil conductor coil is used, the maximum frequency f1 (Hz) satisfying the relationship of Rs ≧ Rw and the maximum frequency f2 (Hz) satisfying the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw can be increased. . In the same coil, even if the maximum frequency f1 (Hz) that satisfies the relationship of Rs ≧ Rw is 70 kHz, the coil 1A can be used as a power receiving coil at 1 MHz or more.

ここで、f1を100kHzと規定した根拠を説明しておく。電力伝送に使用可能な最高周波数は、最も低い国(フランス)では120kHzである。実際には構成部品のバラツキがあるので、電力伝送周波数を120kHzに設定すると、120kHzを越える場合もある。そこで約20%の余裕を見て、最低限100kHzにて、Rs>Rw、を満足するように規定している。また、f2については、f2<f1、となるので、f1の半分の数値である50kHzを目安として規定している。   Here, the grounds for defining f1 as 100 kHz will be described. The highest frequency that can be used for power transmission is 120 kHz in the lowest country (France). Actually, there are variations in the components, so if the power transmission frequency is set to 120 kHz, it may exceed 120 kHz. Therefore, it is defined that Rs> Rw is satisfied at a minimum of 100 kHz with an allowance of about 20%. For f2, since f2 <f1, 50 kHz, which is half the value of f1, is defined as a guide.

ただし、電波が完全に遮蔽された空間内や、非常に公共性が高い場合などは、1MHzを越える周波数が使われている。例えば、ラッシュ時の自動改札機などである。したがって、上記の規定にかかわらず、f1、f2は高いほど好ましい。   However, a frequency exceeding 1 MHz is used in a space where radio waves are completely shielded, or when the public property is very high. For example, an automatic ticket gate at rush hour. Therefore, regardless of the above definition, f1 and f2 are preferably as high as possible.

(コイルを使用可能な周波数範囲について)
なお、コイルを電力伝送に使用可能な周波数の上限は、Rs≧Rw、の関係を満足する最高周波数f1(Hz)、Rs≧Rn≧Rw、の関係を満足する最高周波数f2(Hz)、より求めることができるが、コイルを使用可能な周波数の下限について説明する。コイルとしての性能は、Qで表される。コイルのQは、周波数によっても異なる。コイル単体に交流電流を印加したときに、コイルに流れる電流と電圧の位相差θが80度以下となる周波数がコイルを使用できる下限の周波数となる。図14には、コイル10Aの位相角が明示されており、コイル10Aにおいては、10kHzが使用可能な下限となっている。
(Regarding the frequency range in which the coil can be used)
The upper limit of the frequency at which the coil can be used for power transmission is the highest frequency f1 (Hz) that satisfies the relationship of Rs ≧ Rw, and the highest frequency f2 (Hz) that satisfies the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw. Although it can obtain | require, the lower limit of the frequency which can use a coil is demonstrated. The performance as a coil is represented by Q. The Q of the coil varies depending on the frequency. When an alternating current is applied to a single coil, the frequency at which the phase difference θ between the current flowing through the coil and the voltage is 80 degrees or less is the lower limit frequency at which the coil can be used. FIG. 14 clearly shows the phase angle of the coil 10 </ b> A, and 10 kHz is a lower limit for using the coil 10 </ b> A.

Qとθの関係は、tanθ=Q、となっており、tan80度=5.67、となるので、コイルのQが、約5.5以上である周波数以上であればよい。コイルのQは、前述してきた記号を使用すると、Q=ωL/Rw、となる。したがって、Rwを低下させ、インダクタンスを確保することにより、広い周波数範囲で使用可能となる。コイルを使用できる下限の周波数において、Rwは、ほぼコイルの直流抵抗となるので、インダクタンスを確保しておくことが重要となる。f1が高く、高周波数まで使用可能なコイルであっても、インダクタンスが小さいと、Qが5.5以下となる周波数も高くなる。コイルの直流抵抗を低下させ、インダクタンスを確保する方法については後述する。上記のように、本発明は、従来の技術では選択できなかった電力伝送性能のよいコイルを選び、該コイルを使用可能な周波数範囲をして電力伝送性能のよい電力伝送装置が実現できるという極めて優れた効果を奏するものである。   The relationship between Q and θ is tan θ = Q, and tan 80 degrees = 5.67. Therefore, it is sufficient that the coil Q has a frequency equal to or higher than about 5.5 or more. The Q of the coil becomes Q = ωL / Rw when the symbols described above are used. Therefore, by reducing Rw and securing the inductance, it can be used in a wide frequency range. At the lower limit frequency at which the coil can be used, Rw is almost the direct current resistance of the coil, so it is important to ensure the inductance. Even if the coil has a high f1 and can be used up to a high frequency, if the inductance is small, the frequency at which Q is 5.5 or less is also high. A method for reducing the DC resistance of the coil and securing the inductance will be described later. As described above, the present invention can realize a power transmission device with good power transmission performance by selecting a coil with good power transmission performance that could not be selected by the conventional technology and setting the frequency range in which the coil can be used. It has an excellent effect.

(他の実施形態のコイルの説明:実施形態2)
図29は、この発明の他の実施形態における送電装置のコイル10bを示す図である。図2に示した箔導体コイル10aは、板状部材20と箔状導体30を正方形状に形成したのに対して、図29に示した箔導体コイル10bは、円板状の板状部材20a上に箔状導体30aを円形渦巻き状に形成したものである。箔状導体30aの厚みや幅などの条件は、図2および図3の説明と同じである。
(Description of Coil of Other Embodiment: Embodiment 2)
FIG. 29 is a diagram showing a coil 10b of a power transmission device according to another embodiment of the present invention. The foil conductor coil 10a shown in FIG. 2 has a plate-like member 20 and a foil-like conductor 30 formed in a square shape, whereas the foil conductor coil 10b shown in FIG. 29 has a disk-like plate-like member 20a. The foil conductor 30a is formed in a circular spiral on the top. Conditions such as the thickness and width of the foil-like conductor 30a are the same as those described in FIGS.

なお、この発明における箔導体コイルは、図2に示した正方形状の箔導体コイル10aや図29に示した円形状の箔導体コイル10bに限ることなく、楕円形状や多角形状などの種々の形状に形成することが可能である。また、図2に示すコイル10aにおいて、図2のA−A断面である正方形の辺の中心部を広げることや、狭くすることもできる。その作用効果は、後述する実施形態と同じく、前記コイル面上の磁束方向や強度を変化させることができる。   The foil conductor coil according to the present invention is not limited to the square foil conductor coil 10a shown in FIG. 2 or the circular foil conductor coil 10b shown in FIG. 29, but various shapes such as an elliptical shape and a polygonal shape. Can be formed. Moreover, in the coil 10a shown in FIG. 2, the center part of the square side which is AA cross section of FIG. 2 can be expanded or narrowed. The effect can change the magnetic flux direction and intensity | strength on the said coil surface similarly to embodiment mentioned later.

(傘型コイルの説明:実施形態3)
図30は、板状部材20bを断面が傘形状に形成し、板状部材20b上に箔状導体30bを形成して箔導体コイル10cを構成したものである。なお、図30において、板状部材20bの上面に接する2つの線d2,d3がなす角度は、180度から90度の間に設定するのが望ましい。板状部材20bを断面傘型形状にするために、全体を円錐形状あるいは角錐形状にすることができる。
(Description of Umbrella Coil: Embodiment 3)
In FIG. 30, the plate-like member 20b is formed in an umbrella shape in cross section, and the foil-like conductor 30b is formed on the plate-like member 20b to constitute the foil conductor coil 10c. In FIG. 30, the angle formed by the two lines d2 and d3 in contact with the upper surface of the plate-like member 20b is preferably set between 180 degrees and 90 degrees. In order to make the plate-shaped member 20b an umbrella-shaped cross section, the whole can be formed into a conical shape or a pyramid shape.

(コイルの他の構成の説明:実施形態4)
図31は、この発明のさらに他の実施形態の送電装置のコイル10dを示す図である。この実施形態では、箔状導体30bの内周部側を疎に巻回し、外周部側を密にするために、それぞれの間隔が内周部側がへ行くほど広くなり、外周側がへ行くほど狭くなるように箔状導体30bを板状部材20上に形成したものである。すなわち、内周部における隣接する箔状導体30b,30bは、比較的広い間隔w1を有して巻回されているのに対して、外周部にいくほど隣接する箔状導体30b,30bは、順次接近して最外周では狭い間隔w2を有して巻回されている。そして、間隔w1≧0.5mmであり、w2≧w1を満足し、間隔w2は箔状導体の幅Hの2倍以上に選ばれている。
(Description of other configuration of coil: Embodiment 4)
FIG. 31 is a diagram showing a coil 10d of a power transmission device according to still another embodiment of the present invention. In this embodiment, in order to sparsely wind the inner peripheral part side of the foil-like conductor 30b and to dense the outer peripheral part side, each interval becomes wider toward the inner peripheral part side and narrower toward the outer peripheral side. In this way, the foil-like conductor 30b is formed on the plate-like member 20. That is, the adjacent foil conductors 30b and 30b in the inner peripheral portion are wound with a relatively wide interval w1, whereas the adjacent foil conductors 30b and 30b in the outer peripheral portion are The coils are sequentially approached and wound with a small interval w2 on the outermost periphery. The interval w1 ≧ 0.5 mm is satisfied, and w2 ≧ w1 is satisfied. The interval w2 is selected to be twice or more the width H of the foil conductor.

特許文献2の段落番号0028の記載より、平板渦巻き形状のコイルにおいては、中心部の磁束密度が高く、外周部の磁束密度が低いので、内周部に空白を設けるとともに内周部を疎に巻回し、外周部を密に巻回することで、コイル面上の磁束密度を均一にできる。   From the description in paragraph No. 0028 of Patent Document 2, the flat spiral coil has a high magnetic flux density in the central part and a low magnetic flux density in the outer peripheral part, so that a blank is provided in the inner peripheral part and the inner peripheral part is made sparse. By winding and winding the outer peripheral portion densely, the magnetic flux density on the coil surface can be made uniform.

図32は、この発明の他の実施形態における送電装置のコイルを示し、図2の線A−Aに相当する部分の断面を拡大して示す図である。この図32に示した実施形態は、外周部に行くほどコイルの巻回面に対して箔状導体30が垂直になるように構成したものである。特許文献7の図8e,8fには、外周部に行くほど銅箔の長辺を巻回面に対して垂直にする方法が開示されているが、銅箔がオーバーラップする部分で静電容量を持ってしまうため、高周波での動作が難しくなる。この実施形態では、誘電体(絶縁体)が隣接または対向する箔状導体間に存在しないことを特徴としており、箔状導体30の上面に誘電率が高い樹脂などが存在せず、空気層しか存在しないように構成されている。   FIG. 32 shows a coil of a power transmission device according to another embodiment of the present invention, and is an enlarged view showing a cross section of a portion corresponding to line AA in FIG. The embodiment shown in FIG. 32 is configured such that the foil-like conductor 30 is perpendicular to the winding surface of the coil as it goes to the outer peripheral portion. 8e and 8f of Patent Document 7 disclose a method in which the long side of the copper foil is perpendicular to the winding surface as it goes to the outer peripheral portion. This makes it difficult to operate at high frequencies. This embodiment is characterized in that a dielectric (insulator) does not exist between adjacent or opposing foil conductors, and there is no resin or the like having a high dielectric constant on the upper surface of the foil conductor 30, and only an air layer is present. It is configured not to exist.

図32(A)に示した例は、板状部材21の平坦面22から外周部分を傾斜させて傾斜面23を形成し、さらに傾斜面23に隣接して先端部分を平坦面23に対して直角となる直角面24を形成したものである。そして、平坦面22と、傾斜面23と、直角面24にそれぞれ箔状導体30を形成する。なお、傾斜面23を形成せずに、平坦面23の最外周から直角に立ち上がる直角面24を形成してもよい。   In the example shown in FIG. 32A, the outer peripheral portion is inclined from the flat surface 22 of the plate-shaped member 21 to form the inclined surface 23, and the tip portion is adjacent to the inclined surface 23 with respect to the flat surface 23. A right-angle surface 24 that is a right angle is formed. Then, the foil conductors 30 are formed on the flat surface 22, the inclined surface 23, and the right-angled surface 24, respectively. Instead of forming the inclined surface 23, a right-angle surface 24 that rises at a right angle from the outermost periphery of the flat surface 23 may be formed.

図32(B)に示した例は、板状部材21に渦巻き状の溝26を形成し、各溝26の互いに対向する側壁のうち、内周側を向く外周側の側壁にそれぞれ所定の同じ角度の傾斜面27を形成し、その傾斜面27に箔状導体30を形成したものである。   In the example shown in FIG. 32 (B), a spiral groove 26 is formed in the plate-like member 21, and among the opposing side walls of each groove 26, the same outer side walls facing the inner peripheral side are respectively the same as each other. An inclined surface 27 having an angle is formed, and a foil-like conductor 30 is formed on the inclined surface 27.

図32(C)に示した例は、板状部材21に渦巻き状の溝29を形成し、複数の溝29の底面に対してほぼ直角なそれぞれが互いに対向する側壁のうち、外周側の側壁面31に箔状導体30を形成したものである。   In the example shown in FIG. 32C, a spiral groove 29 is formed in the plate-like member 21, and the outer peripheral side of the side walls that are substantially perpendicular to the bottom surfaces of the plurality of grooves 29 are opposed to each other. A foil conductor 30 is formed on the wall 31.

図32(D)に示した例は、平坦面32から外周部に向かうにつれて緩やかに立ち上がる傾斜角度の傾斜面33と、溝34の内側を向く面が平坦面32に対して急峻な角度を有する傾斜面35と、最外周では溝36の内側を向く面が直角になる側壁面37とをそれぞれ内周側を向くように板状部材21に形成したものである。各傾斜面33,35と側壁面37とには箔状導体30を形成する。   In the example shown in FIG. 32 (D), the inclined surface 33 with an inclination angle that gradually rises from the flat surface 32 toward the outer peripheral portion, and the surface facing the inside of the groove 34 has a steep angle with respect to the flat surface 32. The inclined surface 35 and the side wall surface 37 whose surface facing the inside of the groove 36 at the outermost periphery is a right angle are formed on the plate member 21 so as to face the inner peripheral side. A foil-like conductor 30 is formed on each of the inclined surfaces 33 and 35 and the side wall surface 37.

図32(E)に示した例は、中心側の傾斜面40の角度が緩やかで外周に向かうにつれて傾斜面41〜44の傾斜角度が急峻になり、最外周は直角になる側壁面45を、内周側を向くように形成したものである。各面41〜45には箔状導体30を形成する。   In the example shown in FIG. 32E, the angle of the inclined surface 40 on the center side is gentle and the inclination angle of the inclined surfaces 41 to 44 becomes steeper toward the outer periphery, and the side wall surface 45 whose outermost periphery is a right angle. It is formed so as to face the inner peripheral side. A foil-like conductor 30 is formed on each surface 41 to 45.

図33は、図2に示したコイル10aの断面図である図3のコイル面上における磁束の方向と強度を表した図である。図33において、磁束の方向は、平坦面22に対する角度で表され、磁束の強度は、両矢線の長さで表される。また、図33は、無誘導負荷抵抗を接続した図4の平板渦巻き状コイル20aの磁束補足面Smを、図3のA−A断面に対し、垂直に種々の角度で対向させ、負荷抵抗の両端電圧が最大となる磁束補足面Smに垂直な角度を磁束の方向とし、負荷抵抗の両端電圧を磁束の強度として図示したものである。図33より明らかなように、コイル10aの中心部では、平坦面22に対し垂直方向に近い向きの磁束が発生しており、コイル10aの外周部では、平坦面22に対し平行に近い向きの磁束が発生しているのが分かる。   33 is a diagram showing the direction and strength of the magnetic flux on the coil surface of FIG. 3, which is a cross-sectional view of the coil 10a shown in FIG. In FIG. 33, the direction of the magnetic flux is represented by an angle with respect to the flat surface 22, and the strength of the magnetic flux is represented by the length of a double arrow line. Further, FIG. 33 shows the load resistance of the flat plate spiral coil 20a of FIG. 4 to which the non-inductive load resistance is connected is perpendicularly opposed to the AA cross section of FIG. 3 at various angles. The angle perpendicular to the magnetic flux supplementing surface Sm where the voltage at both ends is maximum is taken as the direction of the magnetic flux, and the voltage across the load resistance is shown as the strength of the magnetic flux. As is clear from FIG. 33, a magnetic flux is generated in a direction close to the vertical direction with respect to the flat surface 22 in the central portion of the coil 10a, and in a direction close to parallel to the flat surface 22 in the outer peripheral portion of the coil 10a. It can be seen that magnetic flux is generated.

図34は、この発明の他の実施形態における送電装置のコイルを示し、図2の線A−Aに相当する部分の断面に存在する箔状導体の1つを拡大して示す図である。図34(A)は、箔状導体30の一部が平坦部22に接しており、一部が平坦面22に対し角度αを持っている。図34(B)は、箔状導体の一部が平坦部22に接しており、中央部が平坦面22に対し角度α、先端部が平坦面22に対し角度βを持っている。この場合においては、α>βである。これに対して、図34(C)は、α<βの場合を示す。さらに、図34(D)は、βが180度よりも大きな場合を示す。図34(E)は、箔状導体30の全部が平坦部22に接しておらず、平坦面22に対する角度αを持つ部分と、角度βを持つ場合を示す。さらに、箔状導体30は、図34(F)に示すように、円弧のような形状をしていてもよく、円弧の湾曲方向は、図34(G)のように、図34(F)と反対方向でもよい。図34(H)のように、円弧の一部は、図34(A)と同じく、一部が平坦部22に接していてもよく、あるいは円弧を構成する曲線は楕円、双曲線、放物線など、任意の曲線の一部であってもよい。前記したように、箔状導体を平坦面22に対して角度を持たせて巻回する方法は、図34に図示したものに限らず、種々の実施形態が存在する。   FIG. 34 shows a coil of a power transmission device according to another embodiment of the present invention, and is an enlarged view showing one of the foil conductors present in the cross section of the portion corresponding to line AA in FIG. In FIG. 34A, a part of the foil-like conductor 30 is in contact with the flat part 22, and a part has an angle α with respect to the flat surface 22. In FIG. 34B, a part of the foil conductor is in contact with the flat portion 22, the central portion has an angle α with respect to the flat surface 22, and the tip portion has an angle β with respect to the flat surface 22. In this case, α> β. On the other hand, FIG. 34C shows a case where α <β. Further, FIG. 34D shows a case where β is larger than 180 degrees. FIG. 34E shows a case where the foil conductor 30 is not entirely in contact with the flat portion 22 and has a portion having an angle α with respect to the flat surface 22 and an angle β. Further, the foil-like conductor 30 may have a circular arc shape as shown in FIG. 34 (F), and the arc bending direction is as shown in FIG. 34 (G). It may be in the opposite direction. As shown in FIG. 34 (H), a part of the arc may be in contact with the flat portion 22 as in FIG. 34 (A), or the curve constituting the arc may be an ellipse, hyperbola, parabola, etc. It may be part of an arbitrary curve. As described above, the method of winding the foil conductor with an angle with respect to the flat surface 22 is not limited to that illustrated in FIG. 34, and there are various embodiments.

図35は、導体を流れる電流により発生する磁束Φを示す図である。図35より、導体を流れる電流により発生する磁束Φは、図35(A)のように、断面が円形の導線51では円形の磁束が発生しているが、図35(B)のように、断面が長方形の導線52になると、幅Hに垂直な方向に長径を持つ長円形か楕円形の形をしているものと思われ、図35(C)のように、幅Hと厚さtの比である、H/t、が大きくなるほど、楕円の長径が長くなると思われる。数ターン巻いたコイルを構成する各箔状導体が発生する磁束Φを合成すると、図33のような磁束の方向、強度になると考えられる。したがって、コイル10aを形成する箔状導体の一部、または全部の幅を変えて平坦面22に巻くことにより、あるいは、箔状導体の一部、または全部を、平坦面22に対し角度をつけて巻くことにより、図33の磁束強度、方向を変化させることが可能となる。例えば、図32(A)のような構成とすることにより、コイルの外周部で、平坦面22の垂直方向に対する磁束強度を増加させることができ、コイル上の全面で、平坦面22に垂直な方向の磁束強度を均一に近づけることができる。図2のような構成のコイルでは、平板渦巻き状に巻かれた受電コイルの平面が、平坦面22と平行になっている場合、コイル面上のどの部分でも、受電コイルが必要とする電力を伝送可能となる。   FIG. 35 is a diagram showing the magnetic flux Φ generated by the current flowing through the conductor. From FIG. 35, the magnetic flux Φ generated by the current flowing through the conductor generates a circular magnetic flux in the conducting wire 51 having a circular cross section as shown in FIG. 35A, but as shown in FIG. When the cross section of the conductor wire 52 is rectangular, it is assumed that the conductor wire 52 has an oval or elliptical shape having a major axis in the direction perpendicular to the width H. As shown in FIG. As the ratio of H / t increases, the major axis of the ellipse seems to be longer. When the magnetic flux Φ generated by each foil conductor constituting a coil wound several turns is synthesized, it is considered that the direction and strength of the magnetic flux as shown in FIG. 33 are obtained. Therefore, a part or all of the foil-shaped conductor forming the coil 10a is wound around the flat surface 22 while changing the width thereof, or a part or all of the foil-shaped conductor is angled with respect to the flat surface 22. It is possible to change the magnetic flux intensity and direction of FIG. For example, with the configuration as shown in FIG. 32A, the magnetic flux intensity in the vertical direction of the flat surface 22 can be increased at the outer periphery of the coil, and the entire surface on the coil is perpendicular to the flat surface 22. The magnetic flux intensity in the direction can be made close to uniform. In the coil having the configuration as shown in FIG. 2, when the plane of the power receiving coil wound in a flat spiral is parallel to the flat surface 22, the power required by the power receiving coil is obtained at any part on the coil surface. Transmission is possible.

(コイルの他の構成の説明:実施形態5)
前述の図32(A)〜(E)では、箔状導体の巻回面に対し、箔状導体の一部または全部が角度を持って巻かれている実施形態を示したが、巻回面と角度を持って巻かれている箔状導体の巻回面との垂直位置関係など、実施形態は多岐に渡る。図34のように、箔状導体の巻回面に対し、箔状導体の一部または全部が角度を持って巻かれることにより、図33に図示した磁束方向、磁束強度を変化させ、長距離、無方向、単一方向など、種々の性能を持つ送電装置のコイルを実現できる。
(Description of other configuration of coil: Embodiment 5)
In FIGS. 32A to 32E described above, the embodiment in which a part or all of the foil conductor is wound at an angle with respect to the winding surface of the foil conductor is shown. There are a wide variety of embodiments, such as the vertical positional relationship with the winding surface of the foil-like conductor wound at an angle. As shown in FIG. 34, a part or all of the foil conductor is wound at an angle with respect to the winding surface of the foil conductor, thereby changing the magnetic flux direction and magnetic flux intensity shown in FIG. A coil of a power transmission device having various performances such as non-direction and single direction can be realized.

前述したように図33は、図2のA−A線に対する磁束の強度と方向を示したが、図2のA−A線以外では、磁束の強度と方向が変わってくる。そのため、平坦面22と箔状導体30との角度は、図34に示すような種々の実施形態を、図2の巻回面に対して採用することにより、要求される性能を持つ送電コイルを実現できる。この作用効果は、後述する他の実施形態においても同様であり、コイルの形状が円形でない場合には、図34のような実施形態により、要求される性能を持つ送電コイルを実現できる。   As described above, FIG. 33 shows the intensity and direction of the magnetic flux with respect to the line AA in FIG. 2, but the intensity and direction of the magnetic flux changes except for the line AA in FIG. Therefore, the angle between the flat surface 22 and the foil-like conductor 30 is determined by adopting various embodiments as shown in FIG. 34 with respect to the winding surface of FIG. realizable. This effect is the same in other embodiments described later, and when the shape of the coil is not circular, the embodiment shown in FIG. 34 can realize a power transmission coil having the required performance.

図36は、本発明の他の実施形態における送電コイル10eを示す図であり、図37は図36の線B−Bに沿う断面図である。   36 is a view showing a power transmission coil 10e according to another embodiment of the present invention, and FIG. 37 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.

図36に示した送電コイル10eは、図2に示した送電コイル10aの箔状導体30のうち、点線で示す部分を平坦面22に対してある角度を有するように形成したものである。図2に示した送電コイル10aは、広い範囲に磁束を広けることができ、長距離の電力伝送や、平板渦巻き状に巻かれた受電コイルの平面と送電コイルLpと平坦面22と平行になっていない場合でも電力を伝送可能である。   A power transmission coil 10e shown in FIG. 36 is formed such that a portion indicated by a dotted line in the foil-like conductor 30 of the power transmission coil 10a shown in FIG. The power transmission coil 10a shown in FIG. 2 can spread magnetic flux over a wide range, and can transmit power over a long distance, parallel to the plane of the power reception coil wound in a flat spiral, the power transmission coil Lp, and the flat surface 22. Even if not, power can be transmitted.

したがって、図34に示したように、箔状導体を平坦面22と角度を持つように巻くことにより、必要とする性能を実現できる。平坦面22と角度をつける箔状導体は、1ターンではなく、図36に示すように、一部でもよい。その他、図34の断面図に限らず、種々の実施形態が存在する。ただし、図38のように、箔状導体30間に誘電率の高い絶縁体30aが存在するような巻き方は好ましくない。   Therefore, as shown in FIG. 34, the required performance can be realized by winding the foil conductor so as to have an angle with the flat surface 22. The foil-like conductor that forms an angle with the flat surface 22 may be a part as shown in FIG. 36 instead of one turn. In addition to the cross-sectional view of FIG. 34, various embodiments exist. However, a winding method in which an insulator 30a having a high dielectric constant exists between the foil conductors 30 as shown in FIG. 38 is not preferable.

(コイルの他の構成の説明:実施形態6)
図39は、この発明のさらに他の実施形態における送電装置のコイル10fを示す図である。
(Description of other configuration of coil: Embodiment 6)
FIG. 39 is a diagram showing a coil 10f of a power transmission device according to still another embodiment of the present invention.

図39において、コイル10fを形成する箔状導体の一部55の幅Hが、箔状導体の他の部分56の幅Hより広くなっている。特許文献2では、箔状導体を巻回して形成されたコイルの直流抵抗を低減する作用効果を意図し、1ターンの抵抗値を同一とするために外周部の導箔幅Hを太くしているが、導箔の幅が太いほど、該導箔が生成する磁束が幅Hに垂直な方向に広がる作用効果があるため、外周部を太くすることにより、コイル面上での磁束を均一にし、かつ、電力伝送距離を長くすることができる。   In FIG. 39, the width H of the part 55 of the foil conductor forming the coil 10f is wider than the width H of the other part 56 of the foil conductor. In Patent Document 2, the effect of reducing the DC resistance of a coil formed by winding a foil-like conductor is intended, and in order to make the resistance value of one turn the same, the conductive foil width H of the outer peripheral portion is increased. However, the thicker the conductive foil, the more effective the magnetic flux generated by the conductive foil spreads in the direction perpendicular to the width H. Therefore, by thickening the outer periphery, the magnetic flux on the coil surface is made uniform. In addition, the power transmission distance can be increased.

また、図39において、箔状導体の一部55の箔状導体の厚さtよりも、他部分56の箔状導体の厚さtを厚くして、直流抵抗を減らすことができる。   Further, in FIG. 39, the DC resistance can be reduced by making the thickness t of the foil conductor of the other portion 56 thicker than the thickness t of the foil conductor of the portion 55 of the foil conductor.

図40は、この発明のさらに他の実施形態における送電装置のコイル10gを示す図である。図40において、箔導体コイル10gは、板状部材60上に、帯状の比較的長さの短い箔状導体61,61…を複数平行に配置し、最も内周側の箔状導体61の一端に導線62の一端を接続し、導線62の他端を隣接する箔状導体61の他端に接続し、平行に配置されている箔状導体61に導線62を順次接続して渦巻き状に巻回したものである。箔状導体61の断面形状などの条件は図2の説明と同じである。   FIG. 40 is a diagram showing a coil 10g of a power transmission device according to still another embodiment of the present invention. 40, the foil conductor coil 10g has a plurality of strip-like foil-like conductors 61, 61,... Arranged in parallel on a plate-like member 60, and one end of the innermost circumferential foil-like conductor 61. One end of the conducting wire 62 is connected to the other end, the other end of the conducting wire 62 is connected to the other end of the adjacent foil-like conductor 61, and the conducting wire 62 is sequentially connected to the foil-like conductor 61 arranged in parallel to be wound in a spiral shape. It is a turn. The conditions such as the cross-sectional shape of the foil conductor 61 are the same as in the description of FIG.

導線62は、導線を複数本まとめ絶縁被覆を施した導線(ビニール線)か、絶縁被覆が施された導線を複数本撚った撚り導線(リッツ線)が用いられており、周波数の上昇によるコイルの実効抵抗の増加を抑えることができる。また、導線62として、前記ビニール線やリッツ線を撚った導線を用いることにより、磁束を打ち消し、コイル面上の磁束密度を均一にできる。さらに、図33で説明した両矢線のように、箔状導体に対して直角方向と上方に磁束が形成されるので、図4に示した平板渦巻き状の受電コイル20aの磁束補足面Smと、図2に示したコイル10aの相対位置が特定の場合に電力伝送が可能とできる。   As the conducting wire 62, a conducting wire (vinyl wire) obtained by collecting a plurality of conducting wires and applying an insulation coating, or a twisted conducting wire (Litz wire) obtained by twisting a plurality of conducting wires provided with an insulating coating is used. An increase in the effective resistance of the coil can be suppressed. Further, by using a lead wire twisted with the vinyl wire or the litz wire as the lead wire 62, the magnetic flux can be canceled and the magnetic flux density on the coil surface can be made uniform. Further, as indicated by the double-headed arrow described in FIG. 33, a magnetic flux is formed in a direction perpendicular to the foil-like conductor and upward, so that the magnetic flux supplement surface Sm of the flat spiral power receiving coil 20a shown in FIG. 2 can transmit power when the relative position of the coil 10a shown in FIG. 2 is specific.

図41は、この発明のさらに他の実施形態における送電装置のコイル10hを示す図である。この実施形態は、複数の箔状導体63を逆コ字状に形成し、複数の導線64をコ字状に形成し、これらの箔状導体63と導線64とを組合せることで渦巻き状の箔導体コイル10hを構成したものである。   FIG. 41 is a diagram showing a coil 10h of a power transmission device according to still another embodiment of the present invention. In this embodiment, a plurality of foil conductors 63 are formed in an inverted U shape, a plurality of conductors 64 are formed in a U shape, and the foil conductors 63 and the conductors 64 are combined to form a spiral shape. The foil conductor coil 10h is configured.

図42は、この発明のさらに他の実施形態における送電装置のコイル10iを示す図である。この実施形態は、図2に示した箔導体コイル10aの外周側を箔状導体65で構成し、箔状導体65の内周部に導線66の一端を接続し、内周部分を導線66で構成し、渦巻き状の箔導体コイル10iを構成したものである。   FIG. 42 is a diagram showing a coil 10i of a power transmission device according to still another embodiment of the present invention. In this embodiment, the outer peripheral side of the foil conductor coil 10 a shown in FIG. 2 is constituted by a foil-like conductor 65, one end of a conductor 66 is connected to the inner circumference of the foil-like conductor 65, and the inner circumference is a conductor 66. A spiral foil conductor coil 10i is configured.

図40、図41および図42の実施形態においても、図39の実施形態と同様の効果を奏することができる。   In the embodiment of FIGS. 40, 41 and 42, the same effect as that of the embodiment of FIG. 39 can be obtained.

(コイルの他の構成の説明:実施形態7)
図43は、この発明のさらに他の実施形態における送電装置のコイル10jを示す図である。この実施形態のコイル10jは、図2に示した箔導体コイル10aの内周側の箔状導体30に対応する箔状導体66を2本に分割し、外周部を分割しない箔状導体67で形成したものである。上述のとおり、箔状導体の幅Hが広いほど、箔状導体を流れる電流により形成される磁束は幅Hに対して垂直方向に広がる。コイルの直流抵抗を低くしたいが、磁束の上方への広がりを抑えたい箇所には、2本以上の箔状導体を平行して配置し、角や1ターンごとに、まとめて半田68等で接続する。これらは、前記した図39のコイルを形成する箔状導体の一部の幅を変える実施形態と同じ作用効果を持つ。
(Description of other configuration of coil: Embodiment 7)
FIG. 43 is a diagram showing a coil 10j of the power transmission device according to still another embodiment of the present invention. The coil 10j of this embodiment is a foil conductor 67 that divides the foil conductor 66 corresponding to the foil conductor 30 on the inner peripheral side of the foil conductor coil 10a shown in FIG. Formed. As described above, as the width H of the foil conductor is wider, the magnetic flux formed by the current flowing through the foil conductor spreads in the direction perpendicular to the width H. Place two or more foil-shaped conductors in parallel at locations where you want to reduce the DC resistance of the coil but want to suppress the spread of the magnetic flux upward, and connect them with solder 68 etc. at the corners and one turn at a time. To do. These have the same effects as the embodiment in which the width of a part of the foil-like conductor forming the coil of FIG. 39 is changed.

(コイルの他の構成の説明:実施形態8)
前記した図39〜図43の実施形態は、磁束の広がる方向や、コイル面上での磁束の強度や方向を変化させる作用効果があるので、送電コイルを形成する導体の一部としていずれか1つの実施形態を用いてもよく、複数の実施形態を併用することもできる。
(Description of other configuration of coil: Embodiment 8)
The embodiment of FIGS. 39 to 43 described above has an effect of changing the direction in which the magnetic flux spreads and the intensity and direction of the magnetic flux on the coil surface, and thus any one of the conductors forming the power transmission coil is used. One embodiment may be used, and a plurality of embodiments may be used in combination.

(コイルの他の構成の説明:実施形態9)
図44は、この発明のさらに他の実施形態における送電装置のコイル10kを示す図である。この実施形態は、図2に示した箔導体コイル10aの箔状導体30間を部分的に密および疎にしたものである。すなわち、図2に示した箔導体コイル10aと同様にして、絶縁部材2上に箔状導体30c,30dが渦巻き状に形成されるが、図44においては、水平部分の箔状導体30c間の間隔を広くして疎巻き部分71とし、垂直部分の箔状導体30d間の間隔を狭くして蜜巻き部分72として構成される。
(Description of other configuration of coil: Embodiment 9)
FIG. 44 is a diagram showing a coil 10k of a power transmission device according to still another embodiment of the present invention. In this embodiment, the foil conductors 30 of the foil conductor coil 10a shown in FIG. 2 are partially dense and sparse. That is, the foil conductors 30c and 30d are spirally formed on the insulating member 2 in the same manner as the foil conductor coil 10a shown in FIG. 2, but in FIG. 44, between the foil conductors 30c in the horizontal portion. The sparsely wound portion 71 is formed by widening the interval, and the beeswound portion 72 is configured by narrowing the interval between the foil-like conductors 30d in the vertical portion.

すなわち、コイル10kから電力を受ける受電コイルは、長さの異なる短辺と長辺とを有している。受電コイルの面積が、送電コイルの面積の略1/4以下である場合で、受電コイル短辺に対して直角方向に巻回された短辺と交差する箔状導体の本数と、長辺と直角方向に巻回された長編と交差する箔状導体の本数の値が近接するように、送電コイルを構成する箔状導体が巻回される。   That is, the power receiving coil that receives power from the coil 10k has short sides and long sides having different lengths. In the case where the area of the power receiving coil is approximately ¼ or less of the area of the power transmitting coil, the number of foil conductors intersecting the short side wound in the direction perpendicular to the short side of the power receiving coil, and the long side The foil conductors constituting the power transmission coil are wound so that the value of the number of the foil conductors intersecting with the long film wound in the perpendicular direction is close.

このようにして構成された箔導体コイル10kは送電コイルLpとして用いられ、この箔導体コイル10kに対して、図44の疎巻き部分71に1点鎖線で示す受電用コイル73が対向して配置されるか、あるいは蜜巻き部分72に1点鎖線で示す受電用コイル74が対向して配置される。受電用コイル73は、短辺の最小外形がM1、長辺の最小外形がM2の寸法を有する長方形状に形成されている。この実施形態の場合、受電用コイル73に比べて受電用コイル74の方が受電コイルの巻回面断面積、または磁束補足面に入る送電コイルの箔状導体の本数が多くなるので、得られる受電電力が、送電コイル面上のどの位置でもほぼ均一に近くなるという特徴がある。   The thus configured foil conductor coil 10k is used as a power transmission coil Lp, and a power receiving coil 73 indicated by a one-dot chain line is disposed opposite to the foil conductor coil 10k in the loosely wound portion 71 of FIG. Alternatively, a power receiving coil 74 indicated by a one-dot chain line is arranged opposite to the bead winding portion 72. The power receiving coil 73 is formed in a rectangular shape having a minimum outer dimension of M1 on the short side and a minimum outer dimension of M2 on the long side. In the case of this embodiment, the power receiving coil 74 can be obtained because the power receiving coil 74 has a larger number of foil-like conductors of the power transmitting coil that enters the winding surface cross-sectional area of the power receiving coil or the magnetic flux supplement surface than the power receiving coil 73. The received power is characterized by being almost uniform at any position on the surface of the power transmission coil.

図45は、図44に示した実施形態における送電用コイルと受電用コイルとの対応関係を示す図である。図44に示した送電用コイル10kは正方形に形成されているが、図45に示すように送電用コイル75を長方形状に形成した場合、その面積をS1とし、長方形の短辺をb1とする。これに対して、受電用コイル76は長方形状であり、送電用コイル75よりも小さな面積S2を有しており、その長方形の短辺をb2としたとき、b1がb2よりも大きく選ばれている。受電用コイル76が、送電用コイル75の箔状導体が最も多い部分に対向するように配置される。   FIG. 45 is a diagram illustrating a correspondence relationship between the power transmission coil and the power reception coil in the embodiment illustrated in FIG. 44. Although the power transmission coil 10k shown in FIG. 44 is formed in a square shape, when the power transmission coil 75 is formed in a rectangular shape as shown in FIG. 45, the area is S1, and the short side of the rectangle is b1. . On the other hand, the power receiving coil 76 is rectangular and has a smaller area S2 than the power transmitting coil 75, and b1 is selected to be larger than b2 when the short side of the rectangle is b2. Yes. The power receiving coil 76 is disposed so as to face the portion of the power transmitting coil 75 having the largest number of foil conductors.

すなわち、より具体的には、図44に示すように、受電用コイル73は送電用コイル10kの疎巻き部分71に対向しており、受電用コイル74は蜜巻き部分72に対向しており、それぞれ箔状導体30bの多い部分に対向するように配置されている。   That is, more specifically, as shown in FIG. 44, the power receiving coil 73 is opposed to the loosely wound portion 71 of the power transmitting coil 10k, and the power receiving coil 74 is opposed to the honeycomb wound portion 72, Each of them is arranged so as to face a portion where the foil conductor 30b is large.

このような巻回法とすると、送電コイル10kの中心部に箔導体が巻回されていない空白部が生じる。そのため、受電コイル73が送電コイル10kの中心部に配置されているときには受電コイル73の磁束補足面内に配される送電コイル10kの箔導体の本数は少なくなる。しかし、送電コイル10kの中心部は磁束密度が高く、受電コイルは相互誘導作用により十分な起電力を出力できる。受電コイル73が送電コイル10kの中心部から外周部に移動すると、受電コイル73の磁束補足面Sm内に位置する送電コイル10kの箔導体の本数が多くなる。このことにより、受電コイルの起電力を確保できる。
With such a winding method, a blank portion in which the foil conductor is not wound is generated at the center of the power transmission coil 10k. Therefore, when the power receiving coil 73 is disposed at the center of the power transmitting coil 10k, the number of foil conductors of the power transmitting coil 10k disposed in the magnetic flux supplement surface of the power receiving coil 73 is reduced. However, the central portion of the power transmission coil 10k has a high magnetic flux density, and the power reception coil can output a sufficient electromotive force due to the mutual induction action. When the power receiving coil 73 moves from the central portion of the power transmitting coil 10k to the outer peripheral portion, the number of foil conductors of the power transmitting coil 10k located in the magnetic flux supplement surface Sm of the power receiving coil 73 increases. Thereby, the electromotive force of a receiving coil is securable.

このように、受電用コイル73,74が円形や正多角形以外の形状の場合、送電用コイル10kの箔状導体30bのうち、受電用コイル73,74に対向する複数の部分が生成する磁束は、それぞれ同じである。したがって、受電用コイル73,74に対向する送電用コイル10kにおける箔状導体30bの面積あたりの本数を多くすることで、送電用コイル10k全面で、受電用コイル73,74に必要な電力を送ることができる。   Thus, when the power receiving coils 73 and 74 have a shape other than a circle or a regular polygon, a magnetic flux generated by a plurality of portions facing the power receiving coils 73 and 74 in the foil conductor 30b of the power transmitting coil 10k. Are the same. Therefore, by increasing the number of foil-shaped conductors 30b per area in the power transmission coil 10k facing the power reception coils 73 and 74, necessary power is sent to the power reception coils 73 and 74 over the entire surface of the power transmission coil 10k. be able to.

なお、受電コイル73、受電コイル74を含む受電装置は、箔導体コイル10kを含む送電装置に対応する受電装置の実施形態となる。   The power receiving device including the power receiving coil 73 and the power receiving coil 74 is an embodiment of the power receiving device corresponding to the power transmitting device including the foil conductor coil 10k.

より具体的には、例えば、筐体に受電用コイル73を装備してコードレスマウスとし、箔導体コイル10kをマウスパッドに装備することにより、電池を必要としないコードレスマウスが実現できる。このコードレスマウスは、箔導体コイル10kのどの位置に置かれても、受電用コイル73の面積内に含まれる箔導体コイル10kを形成する箔導体の本数が多くなるので、コードレスマウスが動作するのに必要とする起電力を箔導体コイル10kのどの位置においても確保できる。   More specifically, for example, a cordless mouse that does not require a battery can be realized by mounting the power receiving coil 73 on the casing to form a cordless mouse and mounting the foil conductor coil 10k on the mouse pad. Since the number of foil conductors forming the foil conductor coil 10k included in the area of the power receiving coil 73 is increased regardless of the position of the foil conductor coil 10k, the cordless mouse operates. Can be ensured at any position of the foil conductor coil 10k.

通常、マウスは、縦長の形状となっている。よって、マウスに内蔵される受電コイルの形状も縦長となる。現在、市販されているマウスパッドに内蔵された送電コイルからマウスに内蔵された受電コイルに電力を伝送するコードレスマウスは、送電コイルが導線で構成されており、マウスパッドの端面に巻回されている。したがって、マウスパッドの形状も縦長にならざるを得ない。本方式を採用することにより、マウスパッドの横の寸法を縦の寸法よりも長くできる。   Usually, a mouse has a vertically long shape. Therefore, the shape of the power reception coil built in the mouse is also vertically long. Currently, a cordless mouse that transmits power from a power transmission coil built into a commercially available mouse pad to a power reception coil built into the mouse has a power transmission coil composed of a conductive wire that is wound around the end face of the mouse pad. Yes. Therefore, the shape of the mouse pad has to be vertically long. By adopting this method, the horizontal dimension of the mouse pad can be made longer than the vertical dimension.

なお、現状市販されている上記方式のマウスパッドは、金属製机上では使用できない。本発明の箔導体コイルは、金属製机上でも使用できる。その詳細については後述する。   In addition, the mouse pad of the said system currently marketed cannot be used on a metal desk. The foil conductor coil of the present invention can also be used on a metal desk. Details thereof will be described later.

送電用コイル10kと受電用コイル73,74が同一寸法または、面積が近い箔状導体同士の場合には、高効率、大電力の伝送は不可能ではないが、困難なことが実験上確認されている。しかし、大面積の送電コイルに、約1/5以下の面積の箔状導体で構成されたコイルが近接し、結合係数が増加すると、送電側が影響を受ける。   When the power transmitting coil 10k and the power receiving coils 73 and 74 are the same size or foil-like conductors having similar areas, high efficiency and high power transmission is not impossible, but it has been experimentally confirmed that it is difficult. ing. However, when a coil composed of a foil-like conductor having an area of about 1/5 or less comes close to a large-area power transmission coil and the coupling coefficient increases, the power transmission side is affected.

(コイルの他の構成の説明:実施形態10)
図46は、この発明の一実施形態における送電装置のコイルに金属枠を近接させた例を示す図である。金属枠80の一部の上面に、送電用コイル75を配置したものである。図46(A)は、コイル10aを金属枠80の面上面に配置した例を示し、図46(B)はコイル10aを金属枠80内でコイル10aと金属枠80とが平行になるように配置した例を示す。図46(A)に示すような構成とすることにより、図3に示した平板渦巻き状の受電コイル20aの磁束補足面Smが、金属枠80の平坦面と平行である場合は、コイル10a上のみならず、少なくとも金属枠80の内側であれば、金属枠80の平坦面の上方20cm程度にまで電力が伝送可能である。
(Description of other configuration of coil: Embodiment 10)
FIG. 46 is a diagram showing an example in which a metal frame is brought close to the coil of the power transmission device according to the embodiment of the present invention. A power transmission coil 75 is disposed on a part of the upper surface of the metal frame 80. 46A shows an example in which the coil 10a is arranged on the upper surface of the metal frame 80, and FIG. 46B shows the coil 10a in the metal frame 80 so that the coil 10a and the metal frame 80 are parallel to each other. An example of arrangement is shown. 46A, when the magnetic flux supplementing surface Sm of the flat plate spiral receiving coil 20a shown in FIG. 3 is parallel to the flat surface of the metal frame 80, Not only that, but at least inside the metal frame 80, power can be transmitted up to about 20 cm above the flat surface of the metal frame 80.

さらに、図46(B)に示すように、受電コイル20aの磁束補足面Smが、金属枠80の平坦面と同一平面上にある場合は、コイル10aから1m以上離れたところまで電力伝送が可能となる。このように、金属枠80は、コイル10aの面積以上に電力伝送距離を延ばす作用を持つ。具体的には、B4サイズのコイル10aを使い、金属枠80の寸法を60cm×2mとする。この場合、金属枠80の平坦面と同一平面上では、金属枠内なら送電コイルから2m離れた受電コイルに電力を伝送できる。   Furthermore, as shown in FIG. 46 (B), when the magnetic flux supplement surface Sm of the power receiving coil 20a is on the same plane as the flat surface of the metal frame 80, power transmission is possible up to a distance of 1 m or more from the coil 10a. It becomes. Thus, the metal frame 80 has an effect of extending the power transmission distance beyond the area of the coil 10a. Specifically, the size of the metal frame 80 is set to 60 cm × 2 m using a B4 size coil 10a. In this case, on the same plane as the flat surface of the metal frame 80, electric power can be transmitted to the power receiving coil that is 2 m away from the power transmitting coil within the metal frame.

あるいは、金属枠を図46(B)に示すような構成とすることにより、コイル10aの平坦面と直角の面にまで受電コイル20aの磁束補足面に電力を伝送できる。   Alternatively, by configuring the metal frame as shown in FIG. 46B, electric power can be transmitted to the magnetic flux supplement surface of the power receiving coil 20a up to a plane perpendicular to the flat surface of the coil 10a.

金属枠80の材質としては、強磁性金属、例えば鉄を使うのが好ましい。また、金属枠80の形状は、平板状、角パイプ状、Lアングル状などのものが使える。例えば、現在の自動改札機に使用されている通過センサーを装備している枠を、上記金属枠80として使用できる。この自動改札機内で、ICカードに内蔵されたコイルに、50mW程度の電力を伝送できる。起電力を確保するため、受電コイルの巻回数を増やす必要は有るが、直径が30μm程度の導線を、50ターン程度巻回すれば、体積的にも問題はない。   As the material of the metal frame 80, it is preferable to use a ferromagnetic metal such as iron. Further, the metal frame 80 may have a flat plate shape, a square pipe shape, an L angle shape, or the like. For example, a frame equipped with a passage sensor used in current automatic ticket gates can be used as the metal frame 80. Within this automatic ticket gate, power of about 50 mW can be transmitted to the coil built in the IC card. In order to secure an electromotive force, it is necessary to increase the number of windings of the power receiving coil, but if a conductive wire having a diameter of about 30 μm is wound about 50 turns, there is no problem in volume.

このようにして、10W程度の送電電力で、50mW程度の受電電力の電力伝送を、伝送距離を1m以上にまで延ばすことができる。50mW程度の電力は、現状使用されているICカード等を動作させるのに十分な電力である。このように、本実施形態は、従来の技術では実現が不可能であった、極めて優れた効果を奏する。   Thus, the transmission distance of the received power of about 50 mW can be extended to 1 m or more with the transmitted power of about 10 W. The power of about 50 mW is sufficient for operating an IC card or the like currently used. As described above, this embodiment has an extremely excellent effect that cannot be realized by the conventional technique.

(箔導体コイルのインダクタンスを確保するコイル構成)
図47は、インダクタンスを確保するコイル10mの構造を示す図である。図47において、遮蔽板としての磁性材板91は、コイル90に対向する一方面側に、少なくとも1枚装備される。このようにコイル90の一方面側に磁性材板91を少なくとも1枚装備することにより、コイ90のインダクタンスが確保できる。このようなコイル10mの構成は、特許文献2のような、箔導体コイルの両面に磁性材板を装備した場合とは異なり、インダクタンスは20%程度しか増加しない。しかし、箔導体コイルの実効直列抵抗は殆ど増加しない。箔幅Hを広くし、間隙wを広くした箔導体コイルに、図47のように磁性材板を装備することにより、インダクタンスを確保することができる。これにより、低い周波数にてコイルのQを確保でき、コイルを使用可能な周波数範囲が広がる。
(Coil configuration to ensure the inductance of the foil conductor coil)
FIG. 47 is a diagram showing the structure of the coil 10m for ensuring the inductance. In FIG. 47, at least one magnetic material plate 91 as a shielding plate is provided on one side facing the coil 90. Thus, by providing at least one magnetic material plate 91 on one surface side of the coil 90, the inductance of the carp 90 can be ensured. Such a configuration of the coil 10m is different from the case of providing a magnetic material plate on both surfaces of the foil conductor coil as in Patent Document 2, and the inductance increases only by about 20%. However, the effective series resistance of the foil conductor coil hardly increases. By providing a foil conductor coil having a wide foil width H and a wide gap w with a magnetic material plate as shown in FIG. 47, inductance can be ensured. Thereby, the Q of the coil can be secured at a low frequency, and the frequency range in which the coil can be used is expanded.

上述したように、コイル10mにおいて、コイル90には、空芯状態での送電コイル単体の実効直列抵抗をRwa(Ω)、空芯状態での送電コイルに対向する受電コイルを短絡したときの、送電コイルの実効直列抵抗をRsa(Ω)、とすると、100kHzにて、Rsa>Rwa、を満足する送電コイルを使用する。例えば、コイル90には、上述してきた本発明の実施形態であるコイル10aからコイル10kを使用する。   As described above, in the coil 10m, in the coil 90, the effective series resistance of the power transmission coil alone in the air core state is Rwa (Ω), and the power reception coil facing the power transmission coil in the air core state is short-circuited. When the effective series resistance of the power transmission coil is Rsa (Ω), a power transmission coil that satisfies Rsa> Rwa is used at 100 kHz. For example, the coil 90 uses the coils 10a to 10k according to the embodiment of the present invention described above.

さらに、磁性材板91を装備したコイル10mを送電コイルとしたときに、100kHzにて、コイル10mが、Rsa>Rwa、を満足しているのが好ましい。   Furthermore, when the coil 10m equipped with the magnetic material plate 91 is a power transmission coil, it is preferable that the coil 10m satisfies Rsa> Rwa at 100 kHz.

コイル10mが、Rsa>Rwa、を満足する最高周波数をf1(Hz)とすると、コイル10mを装備した電力伝送装置100は、f1(Hz)以下の周波数で電力を伝送する。   Assuming that the maximum frequency at which the coil 10m satisfies Rsa> Rwa is f1 (Hz), the power transmission device 100 equipped with the coil 10m transmits power at a frequency of f1 (Hz) or less.

コイル10mが、電力伝送装置100の送電コイル1である場合、コイル10mは、図1に示した交流電源3bにより、f1(Hz)以下の周波数fa(Hz)で駆動される。   When the coil 10m is the power transmission coil 1 of the power transmission device 100, the coil 10m is driven at a frequency fa (Hz) equal to or less than f1 (Hz) by the AC power source 3b illustrated in FIG.

電力伝送装置100の送電部3に含まれる交流電源3bの出力周波数fa(Hz)は、f1(Hz)以下の周波数に設定される。   The output frequency fa (Hz) of the AC power supply 3b included in the power transmission unit 3 of the power transmission device 100 is set to a frequency of f1 (Hz) or less.

電力伝送装置100の送電部3が、コイル10mを含む場合、コイル10mを含む送電部3は、本発明の電力伝送装置の送電装置になる。   When the power transmission unit 3 of the power transmission device 100 includes the coil 10m, the power transmission unit 3 including the coil 10m is a power transmission device of the power transmission device of the present invention.

(インダクタンスを確保するコイルの他の構成について)
図48は、コイル90と磁性材板91との間に、絶縁板92を設けたコイル10nを示す図である。図48において、絶縁板92は、周波数が高くなったときのコイル10nの実効直列抵抗Rwa(Ω)の増加を抑えることができる。また、周波数が高くなったときのコイル10nのQの低下を防止できる。
(About other coil configurations to ensure inductance)
FIG. 48 is a diagram showing a coil 10 n in which an insulating plate 92 is provided between the coil 90 and the magnetic material plate 91. In FIG. 48, the insulating plate 92 can suppress an increase in the effective series resistance Rwa (Ω) of the coil 10n when the frequency is increased. Further, it is possible to prevent the Q of the coil 10n from being lowered when the frequency is increased.

図49は、コイル90の一方面側に2層の磁性材板911と磁性材板912を設けたコイル10pを示す図である。図49において、コイル10pは磁性材板911と磁性材板912とを設けたことによって、コイル10mの構成に比べ、コイル90のインダクタンスを高め、コイルのQを高くすることができる。   FIG. 49 is a diagram showing a coil 10p in which two layers of a magnetic material plate 911 and a magnetic material plate 912 are provided on one surface side of the coil 90. FIG. In FIG. 49, the coil 10p is provided with the magnetic material plate 911 and the magnetic material plate 912, so that the inductance of the coil 90 can be increased and the Q of the coil can be increased as compared with the configuration of the coil 10m.

図50は、図49に示すコイル10pを構成する2枚の磁性材板911,912の間に、空気を含む厚みがI(mm)の絶縁板92を設けたコイル10qを示す図である。図50において、絶縁板92は、周波数が高くなったときのコイル10qの実効直列抵抗Rwa(Ω)の増加を抑えることができる。また、周波数が高くなったときのコイル10qのQの低下を防止できる。このような構成は、コイルの厚さが増すが、送電コイルに使うのに適している。特に、送電コイルは、電気エネルギーを磁気エネルギーに変換しており、インダクタンスを確保するには、送電コイルにて対応するのが好ましい。絶縁板92の厚さI(mm)は、磁性材板911または912の厚さの半分以上であるのが好ましい。絶縁板92の作用効果については、前述した通りである。   FIG. 50 is a diagram showing a coil 10q in which an insulating plate 92 having a thickness of I (mm) including air is provided between two magnetic material plates 911 and 912 constituting the coil 10p shown in FIG. In FIG. 50, the insulating plate 92 can suppress an increase in the effective series resistance Rwa (Ω) of the coil 10q when the frequency is increased. Further, it is possible to prevent the Q of the coil 10q from being lowered when the frequency is increased. Such a configuration increases the thickness of the coil but is suitable for use in a power transmission coil. In particular, the power transmission coil converts electrical energy into magnetic energy, and it is preferable to use the power transmission coil to ensure inductance. The thickness I (mm) of the insulating plate 92 is preferably half or more than the thickness of the magnetic material plate 911 or 912. The effect of the insulating plate 92 is as described above.

(金属体が近接したときに、コイルの特性変動を防止するコイルの構成について)
図51は、コイル90に金属体が近接したときに、コイル90の特性変動を防止するコイル10rの構造を示す図である。図51において、金属板95は厚みM(mm)を有し、コイル90の一方面側に絶縁板92を、所定距離G(mm)を介してコイル90に対向して装備される。金属板95の寸法は、コイル90の寸法と同等以上で、コイル90の全面に対向するように配置される。コイル90には、例えば、上述してきた本発明の実施形態であるコイル10aからコイル10kが使用される。所定距離G(mm)は、絶縁板92の厚みと同じであり、所定距離Gは10mmあるいはコイル外径Dの10%以上に選ばれている。コイル90の特性変動が少ないので所定距離G(mm)は長いほど好ましい。送電コイルに、図51のように金属板95を装備することにより、コイル90に他の金属体が近接したときに、特性変動を防止可能なコイルが実現できる。
(Regarding the coil configuration that prevents fluctuations in coil characteristics when a metal object is in close proximity)
FIG. 51 is a diagram illustrating the structure of the coil 10r that prevents the fluctuation of the characteristics of the coil 90 when a metal body approaches the coil 90. FIG. In FIG. 51, a metal plate 95 has a thickness M (mm), and an insulating plate 92 is provided on one side of the coil 90 so as to face the coil 90 via a predetermined distance G (mm). The dimension of the metal plate 95 is equal to or greater than the dimension of the coil 90 and is disposed so as to face the entire surface of the coil 90. For the coil 90, for example, the coils 10a to 10k according to the embodiment of the present invention described above are used. The predetermined distance G (mm) is the same as the thickness of the insulating plate 92, and the predetermined distance G is selected to be 10 mm or 10% or more of the coil outer diameter D. Since the characteristic variation of the coil 90 is small, the longer the predetermined distance G (mm) is, the better. When the power transmission coil is equipped with the metal plate 95 as shown in FIG. 51, a coil capable of preventing characteristic fluctuations when another metal body is in proximity to the coil 90 can be realized.

(金属体の近接影響を防止し、インダクタンスを増加させるコイルの構成について)
図52は、金属体の近接影響を防止し、インダクタンスを増加させるコイル10sの構成を示す図である。図52では、図51において、絶縁板92のコイル90に対向する面の反対側に配置される金属板95との間に設けられる所定距離G(mm)の間隔に代わって、磁性材板91が設けられる。コイル90には、例えば、上述してきた本発明の実施形態であるコイル10aからコイル10kが使用される。金属板95は、反磁性または常磁性の磁気的性質を持つ金属または合金であって、厚さが0.1mm以上に選ばれている。金属板95は、磁性材板91と同等の寸法である。
(About the coil configuration that prevents the proximity effect of the metal body and increases the inductance)
FIG. 52 is a diagram showing the configuration of the coil 10s that prevents the proximity effect of the metal body and increases the inductance. 52, in FIG. 51, a magnetic material plate 91 is used instead of a predetermined distance G (mm) provided between the insulating plate 92 and the metal plate 95 disposed on the opposite side of the surface facing the coil 90. Is provided. For the coil 90, for example, the coils 10a to 10k according to the embodiment of the present invention described above are used. The metal plate 95 is a metal or alloy having diamagnetic or paramagnetic magnetic properties, and the thickness is selected to be 0.1 mm or more. The metal plate 95 has the same dimensions as the magnetic material plate 91.

図53は、本発明のその他の実施形態である金属体の近接影響を防止し、インダクタンスを増加させるコイル10tの構成を示す図である。図53においては、絶縁板92が、コイル90に対向する面に設けられ、絶縁板92のコイル90の対向する反対側面に磁性材板91と金属板95とが設けられる。絶縁板92の作用効果については、前述した通りである。金属板95は、反磁性または常磁性の磁気的性質を持つ金属または合金であって、厚さが0.1mm以上に選ばれている。   FIG. 53 is a diagram showing a configuration of a coil 10t that prevents the proximity effect of the metal body and increases the inductance according to another embodiment of the present invention. In FIG. 53, the insulating plate 92 is provided on the surface facing the coil 90, and the magnetic material plate 91 and the metal plate 95 are provided on the opposite side surface of the insulating plate 92 facing the coil 90. The effect of the insulating plate 92 is as described above. The metal plate 95 is a metal or alloy having diamagnetic or paramagnetic magnetic properties, and the thickness is selected to be 0.1 mm or more.

図54は、本発明のその他の実施形態である金属体の近接影響を防止し、インダクタンスを増加させるコイル10uの構成を示す図である。図54においては、絶縁板92が、磁性材板91と金属板95との間に設けられる。絶縁板92の作用効果については、前述した通りである。金属板95は、反磁性または常磁性の磁気的性質を持つ金属または合金であって、厚さが0.1mm以上に選ばれている。   FIG. 54 is a diagram showing a configuration of a coil 10u that prevents the proximity effect of the metal body and increases the inductance according to another embodiment of the present invention. In FIG. 54, the insulating plate 92 is provided between the magnetic material plate 91 and the metal plate 95. The effect of the insulating plate 92 is as described above. The metal plate 95 is a metal or alloy having diamagnetic or paramagnetic magnetic properties, and the thickness is selected to be 0.1 mm or more.

図55は、本発明のその他の実施形態である金属体の近接影響を防止し、インダクタンスを増加させるコイル10vの構成を示す図である。図55においては、コイル90の一方面側に、磁性材板911、磁性材板912が設けられる。2枚の磁性材板911,912を設けることにより、コイル90のインダクタンスを高め、コイル90のQを高くできる。また、2枚の磁性材板911,912を設けることにより、磁性材板912側に設ける金属板95の種類や厚さによるコイル特性の変動を軽減できる。そのため、金属板95は、前述してきたコイル10rからコイル10うとは異なり、その磁気的性質や厚さは任意のものが選べる。金属板95に、反磁性または常磁性の磁気的性質を持つ金属または合金であって、厚さが0.01mm以上のものを使用すれば、より好ましい。コイル90には、例えば、上述してきた本発明の実施形態であるコイル10aからコイル10kが使用される。   FIG. 55 is a diagram showing a configuration of a coil 10v that prevents the proximity effect of the metal body and increases the inductance according to another embodiment of the present invention. In FIG. 55, a magnetic material plate 911 and a magnetic material plate 912 are provided on one side of the coil 90. By providing the two magnetic material plates 911 and 912, the inductance of the coil 90 can be increased and the Q of the coil 90 can be increased. Further, by providing the two magnetic material plates 911 and 912, fluctuations in coil characteristics due to the type and thickness of the metal plate 95 provided on the magnetic material plate 912 side can be reduced. Therefore, the metal plate 95 can have any magnetic property and thickness different from the coil 10r to the coil 10 described above. More preferably, the metal plate 95 is a metal or alloy having diamagnetic or paramagnetic magnetic properties and having a thickness of 0.01 mm or more. For the coil 90, for example, the coils 10a to 10k according to the embodiment of the present invention described above are used.

図56は、本発明のその他の実施形態である金属体の近接影響を防止し、インダクタンスを増加させるコイル10wの構成を示す図である。図56においては、コイル90の一方側に磁性材板911が設けられる。絶縁板92が、磁性材板911と磁性材板912との間に設けられ、磁性材板912側に金属板95が設けられる。絶縁板92の作用効果については、前述した通りである。金属板95は、磁性材板911,912と同等の寸法である。絶縁板92の厚さI(mm)は、コイル10qと同様に選ばれる。   FIG. 56 is a diagram showing a configuration of a coil 10w that prevents the proximity effect of the metal body and increases the inductance according to another embodiment of the present invention. In FIG. 56, a magnetic material plate 911 is provided on one side of the coil 90. An insulating plate 92 is provided between the magnetic material plate 911 and the magnetic material plate 912, and a metal plate 95 is provided on the magnetic material plate 912 side. The effect of the insulating plate 92 is as described above. The metal plate 95 has the same dimensions as the magnetic material plates 911 and 912. The thickness I (mm) of the insulating plate 92 is selected similarly to the coil 10q.

図57は、本発明のその他の実施形態である金属体の近接影響を防止し、インダクタンスを増加させるコイル10xの構成を示す図である。図57においては、絶縁板92が、磁性材板912と金属板95との間に設けられる。絶縁板92の作用効果については、前述した通りである。金属板95は、磁性材板912と同等の寸法である。   FIG. 57 is a diagram showing a configuration of a coil 10x that prevents the proximity effect of the metal body and increases the inductance according to another embodiment of the present invention. In FIG. 57, the insulating plate 92 is provided between the magnetic material plate 912 and the metal plate 95. The effect of the insulating plate 92 is as described above. The metal plate 95 has the same dimensions as the magnetic material plate 912.

図58は、本発明のその他の実施形態である金属体の近接影響を防止し、インダクタンスを増加させるコイル10yの構成を示す図である。図58においては、絶縁板92が、コイル90の一方面側に設けられる。絶縁板92に磁性材板911,912、金属板95に設けられる。絶縁板92の作用効果については、前述した通りである。金属板95は、磁性材板911,912と同等の寸法である。   FIG. 58 is a diagram showing a configuration of a coil 10y that prevents the proximity effect of the metal body and increases the inductance according to another embodiment of the present invention. In FIG. 58, the insulating plate 92 is provided on one side of the coil 90. The insulating plate 92 is provided with magnetic material plates 911 and 912 and a metal plate 95. The effect of the insulating plate 92 is as described above. The metal plate 95 has the same dimensions as the magnetic material plates 911 and 912.

3枚以上の磁性材板を使用した場合も、絶縁材を装備する場所は、図56に示すように複数の磁性材板911,912の間、コイル90と磁性材板91の間、磁性材板91と金属板95の間など、種々の実施形態がある。絶縁板92の作用効果は、前述した通りである。   Even when three or more magnetic material plates are used, the place where the insulating material is provided is between the plurality of magnetic material plates 911 and 912, between the coil 90 and the magnetic material plate 91, as shown in FIG. There are various embodiments, such as between the plate 91 and the metal plate 95. The effect of the insulating plate 92 is as described above.

上述したように、コイル10mからコイル10yにおいて、コイル90には、空芯状態での送電コイル単体の実効直列抵抗をRwa(Ω)、空芯状態での送電コイルに対向する受電コイルを短絡したときの、送電コイルの実効直列抵抗をRsa(Ω)、とすると、100kHzにて、Rsa>Rwa、を満足する送電コイルを使用する。例えば、コイル90には、上述してきた本発明の実施形態であるコイル10aからコイル10kを使用する。   As described above, in the coils 10m to 10y, the coil 90 is short-circuited to the coil 90 with the effective series resistance of the power transmission coil alone in the air-core state being Rwa (Ω) and the power-receiving coil facing the power transmission coil in the air-core state. When the effective series resistance of the power transmission coil is Rsa (Ω), a power transmission coil satisfying Rsa> Rwa is used at 100 kHz. For example, the coil 90 uses the coils 10a to 10k according to the embodiment of the present invention described above.

さらに、磁性材板91または911,912と金属板95のいずれかを装備したコイル10mからコイル10yを送電コイルとしたときに、100kHzにてコイル10mからコイル10yが、Rsa>Rwa、を満足しているのが好ましい。   Furthermore, when the coil 10y from the coil 10m equipped with either the magnetic material plate 91 or 911, 912 and the metal plate 95 is used as the power transmission coil, the coil 10m to the coil 10y satisfies Rsa> Rwa at 100 kHz. It is preferable.

コイル10mからコイル10yが、Rsa>Rwa、を満足する最高周波数をf1(Hz)とすると、コイル1mからコイル1yを装備した電力伝送装置100は、f1(Hz)以下の周波数で電力を伝送する。   Assuming that the maximum frequency satisfying Rsa> Rwa from coil 10m to coil 10y is f1 (Hz), power transmission device 100 equipped with coil 1y from coil 1m transmits power at a frequency of f1 (Hz) or less. .

コイル10mからコイル10yが、電力伝送装置100の送電コイル1である場合、コイル10mからコイル10yは、図1に示した交流電源3bにより、f1(Hz)以下の周波数fa(Hz)で駆動される。   When the coil 10m to the coil 10y are the power transmission coil 1 of the power transmission device 100, the coil 10m to the coil 10y are driven by the AC power source 3b shown in FIG. 1 at a frequency fa (Hz) equal to or less than f1 (Hz). The

電力伝送装置100の送電部3に含まれる交流電源3bの出力周波数fa(Hz)は、f1(Hz)以下の周波数に設定される。   The output frequency fa (Hz) of the AC power supply 3b included in the power transmission unit 3 of the power transmission device 100 is set to a frequency of f1 (Hz) or less.

さらに、コイル10mからコイル10yが、電力伝送装置100の受電コイル2である場合、コイル10mからコイル10yが電力を受電する周波数fj(Hz)は、f1(Hz)以下であることを条件とする。   Furthermore, when the coil 10m to the coil 10y are the power receiving coil 2 of the power transmission device 100, the frequency fj (Hz) at which the coil 10y receives power from the coil 10m is f1 (Hz) or less. .

電力伝送装置100の送電部3が、コイル10mからコイル10yを含む場合、コイル10mからコイル10yを含む送電部3は、本発明の実施形態の電力伝送装置の送電装置になる。   When the power transmission unit 3 of the power transmission device 100 includes the coil 10m to the coil 10y, the power transmission unit 3 including the coil 10m to the coil 10y becomes the power transmission device of the power transmission device according to the embodiment of the present invention.

上述してきた金属板95か、磁性材板91または911,912の少なくとも一方を装備したコイルである、コイル10mからコイル10yの詳細な作用効果については、以降に詳述する。   Detailed operational effects of the coils 10m to 10y, which are coils equipped with at least one of the metal plate 95 and the magnetic material plates 91, 911, and 912 described above, will be described in detail later.

(コイル10mからコイル10yの特性について)
図59は、図47に示すコイル10m、図48に示すコイル10nとして、それぞれ図21に示したコイル10Fを使用したときの、各コイルにおける実効直列抵抗Rw(Ω)の周波数との関係を示す図である。
(Characteristics of coil 10m to coil 10y)
FIG. 59 shows the relationship between the effective series resistance Rw (Ω) in each coil when the coil 10F shown in FIG. 21 is used as the coil 10m shown in FIG. 47 and the coil 10n shown in FIG. FIG.

図60は、コイル10m,10nとして、それぞれコイル10Fを使用したときにおける各コイルのQの周波数との関係を示す図である。   FIG. 60 is a diagram showing the relationship between the Q frequency of each coil when the coil 10F is used as each of the coils 10m and 10n.

図59より明らかなように、コイル90に絶縁板92と磁性材板91を装備したコイル10nと、コイル90に磁性材板91を装備したコイル10mを比較すれば、例えば、1MHzにおける実効直列抵抗Rw(Ω)は、コイル10nの方が低い。このように、絶縁板92をコイル90に装備することにより、高周波数領域でのコイルの実効直列抵抗Rw(Ω)を低くすることができる。この傾向は、コイル90に磁性材板911,絶縁板92,磁性材板912を装備したコイル10qと、コイル90に磁性材板911,912を装備したコイル10pとを比較しても同じである。   As is clear from FIG. 59, when the coil 10n having the coil 90 equipped with the insulating plate 92 and the magnetic material plate 91 and the coil 10m having the coil 90 equipped with the magnetic material plate 91 are compared, for example, the effective series resistance at 1 MHz. Rw (Ω) is lower in the coil 10n. As described above, by mounting the insulating plate 92 on the coil 90, the effective series resistance Rw (Ω) of the coil in the high frequency region can be lowered. This tendency is the same even when the coil 10q in which the coil 90 is equipped with the magnetic material plate 911, the insulating plate 92, and the magnetic material plate 912 is compared with the coil 10p in which the coil 90 is equipped with the magnetic material plates 911 and 912. .

また、図59より明らかなように、コイル90に絶縁板92と磁性材板91とを装備したコイル10nは、例えば、1MHzにおけるコイルのQが、磁性材板91のみを装備したコイル10mよりも高い。図59、図60から明らかなように、絶縁板92をコイル90に装備しても、100kHzの周波数では、実効直列抵抗Rw(Ω)やQの差異は殆ど無い。このように、絶縁板92をコイル90に装備することにより、高周波数領域でのコイルのQを高くすることができる。この絶縁板92の作用効果は、前述した磁性材板91または911,912を装備しているコイル10sからコイル10yにおいても同様である。よって、コイル10sからコイル10、10wから10yについては、絶縁板92に関する説明を省略する。   Further, as is apparent from FIG. 59, the coil 10n having the coil 90 equipped with the insulating plate 92 and the magnetic material plate 91 has a coil Q at 1 MHz having a Q higher than that of the coil 10m equipped with only the magnetic material plate 91, for example. high. As is apparent from FIGS. 59 and 60, even if the insulating plate 92 is provided in the coil 90, there is almost no difference in effective series resistance Rw (Ω) and Q at a frequency of 100 kHz. Thus, by providing the coil 90 with the insulating plate 92, the Q of the coil in the high frequency region can be increased. The effect of the insulating plate 92 is the same in the coil 10s to the coil 10y equipped with the magnetic material plate 91 or 911, 912 described above. Therefore, the description regarding the insulating plate 92 is omitted for the coils 10s to 10 and 10w to 10y.

(各種金属板がコイルに対向したときの説明)
図61は、コイル10Fを使用して各種の金属板を近接対向させたときの、コイル10F単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、コイル10F単体のインダクタンスLw(μH)を示す特性図である。
(Explanation when various metal plates face the coil)
FIG. 61 is a characteristic diagram showing the effective series resistance Rw (Ω) of the single coil 10F and the inductance Lw (μH) of the single coil 10F when various metal plates are closely opposed using the coil 10F. .

図61に表記してあるが、構成(1)のコイルは、コイル10F単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、インダクタンスLw(μH)を表している。構成(2)のコイルは、後述する磁性材板を装備した場合に使用するので空欄としている。構成(3)のコイルは、コイル10Fに厚さ12μmのアルミ(Al)ホイルを近接させた状態である。構成(4)のコイルは、コイル10Fに厚さ0.1mmのアルミ板を近接させた状態である。構成(5)のコイルは、コイル10Fに厚さ0.5mmのアルミ板を近接させた状態である。構成(6)のコイルは、コイル10Fに厚さ3mmのアルミ板を近接させた状態である。構成(7)のコイルは、コイル10Fに厚さ35μmの銅箔(Cu)を近接させた状態である。構成(8)のコイルは、コイル10Fに厚さ0.1mmの銅板を近接させた状態である。構成(9)のコイルは、コイル10Fに厚さ0.5mmの銅板を近接させた状態である。構成(10)のコイルは、コイル10Fに厚さ0.5mmの鉄板(Fe)を近接させた状態である。図61には、構成(1)のコイル10F単体の特性と比較するため、構成(3)から構成(10)のコイルの、100kHzにおける実効直列抵抗Rw(Ω)と、インダクタンスLw(μH)が棒グラフで示してある。   As shown in FIG. 61, the coil of the configuration (1) represents the effective series resistance Rw (Ω) and the inductance Lw (μH) of the coil 10F alone. The coil of the configuration (2) is left blank because it is used when a magnetic material plate described later is provided. The coil of the configuration (3) is in a state where an aluminum (Al) foil having a thickness of 12 μm is brought close to the coil 10F. The coil of the configuration (4) is in a state in which an aluminum plate having a thickness of 0.1 mm is brought close to the coil 10F. The coil of the configuration (5) is in a state in which an aluminum plate having a thickness of 0.5 mm is brought close to the coil 10F. The coil of the configuration (6) is in a state in which an aluminum plate having a thickness of 3 mm is brought close to the coil 10F. The coil having the configuration (7) is in a state in which a copper foil (Cu) having a thickness of 35 μm is brought close to the coil 10F. The coil of the configuration (8) is in a state in which a copper plate having a thickness of 0.1 mm is brought close to the coil 10F. The coil of the configuration (9) is in a state in which a copper plate having a thickness of 0.5 mm is brought close to the coil 10F. The coil of the configuration (10) is in a state in which an iron plate (Fe) having a thickness of 0.5 mm is brought close to the coil 10F. In FIG. 61, the effective series resistance Rw (Ω) and the inductance Lw (μH) at 100 kHz of the coils of the configurations (3) to (10) are compared with the characteristics of the coil 10F alone of the configuration (1). It is shown as a bar graph.

(金属板近接影響を排除したコイルの構成と特性について)
図62は、コイル10Fに10mmの間隔を設けて各種の金属板を近接させたときの、コイル10Fa単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、コイル10Fa単体のインダクタンスLw(μH)を示す特性図である。その他の構成で、コイル10Faに装備する金属板は、前述したものと同じである。コイル10Faは、図51に示すコイル10rの一実施形態である。
(Construction and characteristics of the coil excluding the influence of proximity to the metal plate)
FIG. 62 is a characteristic diagram showing the effective series resistance Rw (Ω) of the coil 10Fa alone and the inductance Lw (μH) of the coil 10Fa alone when various metal plates are brought close to the coil 10F with an interval of 10 mm. It is. In other configurations, the metal plate provided in the coil 10Fa is the same as described above. Coil 10Fa is an embodiment of coil 10r shown in FIG.

図63は、1枚の磁性材板91を設けたコイル10Fに各種の金属板を近接させたときの、コイル10Fb単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、コイル10Fb単体のインダクタンスLw(μH)を示す特性図である。構成(2)のコイルは、コイル10Fbに磁性材板91を1枚装備し、金属板を近接させていない状態である。その他の構成で、コイル10Fに装備する金属板は、前述したものと同じである。コイル10Fbは、図47に示すコイル10mの一実施形態である。   FIG. 63 shows the effective series resistance Rw (Ω) of the coil 10Fb alone and the inductance Lw (μH) of the coil 10Fb alone when various metal plates are brought close to the coil 10F on which the single magnetic material plate 91 is provided. FIG. The coil of the configuration (2) is in a state in which one magnetic material plate 91 is provided in the coil 10Fb and no metal plate is brought close to the coil 10Fb. In other configurations, the metal plate provided in the coil 10F is the same as described above. Coil 10Fb is an embodiment of coil 10m shown in FIG.

図64は、コイル10Fに2枚の磁性材板911,912を設けたコイル10Fcに各種の金属板を近接させたときの、コイル10Fc単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、コイル10F単体のインダクタンスLw(μH)を示す特性図である。構成(2)のコイルは、コイル10Fcに2枚の磁性材板911,912を装備し、金属板を近接させていない状態である。その他の構成で、コイル10Fcに装備する金属板は、前述したものと同じである。コイル10Fcは、図55に示すコイル1vの一実施形態である。   FIG. 64 shows the effective series resistance Rw (Ω) of the coil 10 Fc alone and the coil 10 F alone when various metal plates are brought close to the coil 10 Fc in which the two magnetic material plates 911 and 912 are provided on the coil 10 F. It is a characteristic view which shows inductance Lw ((micro | micron | mu) H). The coil of the configuration (2) is in a state where the coil 10Fc is equipped with two magnetic material plates 911 and 912 and the metal plates are not brought close to each other. In other configurations, the metal plate provided in the coil 10Fc is the same as that described above. The coil 10Fc is an embodiment of the coil 1v shown in FIG.

図61から図64は、図20に示すコイル10F単体の実効直列抵抗Rw(Ω)の周波数特性を参考にし、実効直列抵抗Rw(Ω)がコイル10Fの直流抵抗とほぼ等しい100kHzを選んで計測してある。   61 to 64, the frequency characteristics of the effective series resistance Rw (Ω) of the coil 10F alone shown in FIG. 20 is referred to, and the measurement is performed by selecting 100 kHz where the effective series resistance Rw (Ω) is substantially equal to the DC resistance of the coil 10F. It is.

まず、図61に示す特性図を検討する。コイル10F単体の構成では、実効直列抵抗Rwは約1.2Ω、インダクタンスLwは約13μHであることが、図61より分かる。12μmのアルミホイルを近接対向させた構成(3)のコイル10Fでは、実効直列抵抗Rwが3Ω以上となり、インダクタンスLwは約4μHに減少している。常磁性金属である各種の厚さのアルミニウム板をコイル10Fに対向させた、構成(4)から構成(6)の特性図を見ると、アルミニウムの厚さが0.1mm以上では、厚さが増加するに従い、コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)は減少し、インダクタンスLw(μH)が増加しているのが分かる。この傾向は、反磁性金属である銅をコイル10Eに対向させた、構成(8)、構成(9)のコイルでも同じである。銅板の厚さが薄いと、コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)は減少し、インダクタンスLw(μH)も低下する。銅板の厚さが0.5mm程度になると、コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)は構成(5)の0.5mmのアルミ板と大差ない特性になっている。強磁性金属である0.5mmの鉄板をコイル10Fに近接対向させた場合は、構成(3)のアルミホイルを近接対向させたときと同じく、空芯状態に比べ、実効直列抵抗Rw(Ω)が2.5倍以上となり、インダクタンスLwは約5.5μHに減少している。すなわち、強磁性金属を除き、特許文献4に記載のような金属の磁気的な性質により、コイル特性が変動するのではなく、平面空芯渦巻状に巻回されたコイルに近接対向する金属板の厚さによって、コイル特性が変動する。   First, the characteristic diagram shown in FIG. 61 will be examined. FIG. 61 shows that the effective series resistance Rw is about 1.2Ω and the inductance Lw is about 13 μH in the configuration of the coil 10F alone. In the coil 10F having the configuration (3) in which 12 μm aluminum foils are closely opposed to each other, the effective series resistance Rw is 3Ω or more, and the inductance Lw is reduced to about 4 μH. When the characteristic diagrams of the configuration (4) to the configuration (6) in which the aluminum plate of various thicknesses which are paramagnetic metals are opposed to the coil 10F are seen, when the aluminum thickness is 0.1 mm or more, the thickness is As the value increases, the effective series resistance Rw (Ω) of the coil decreases and the inductance Lw (μH) increases. This tendency is the same in the coils of configurations (8) and (9) in which copper, which is a diamagnetic metal, is opposed to the coil 10E. When the copper plate is thin, the effective series resistance Rw (Ω) of the coil decreases and the inductance Lw (μH) also decreases. When the thickness of the copper plate is about 0.5 mm, the effective series resistance Rw (Ω) of the coil has characteristics that are not significantly different from the 0.5 mm aluminum plate of the configuration (5). When a 0.5 mm iron plate, which is a ferromagnetic metal, is placed close to the coil 10F, the effective series resistance Rw (Ω) is the same as when the aluminum foil in the configuration (3) is placed close to the coil 10F. Is 2.5 times or more, and the inductance Lw is reduced to about 5.5 μH. That is, except for the ferromagnetic metal, the coil characteristics are not changed due to the magnetic properties of the metal as described in Patent Document 4, but the metal plate that is in close proximity to the coil wound in a plane air-core spiral shape. Coil characteristics vary depending on the thickness of the coil.

図61に示す構成(3)から構成(10)の各コイルは、空芯状態と比べ、実効直列抵抗Rw(Ω)が過大となり、インダクタンスLw(μH)は過小となる。したがって、図61に示す構成(3)から構成(10)の各コイルは、実際には電力伝送装置のコイルとしては使用できない。図61は、以降に示す図62から図65と比較するデータである。なお、図61において、構成(3)のアルミホイル、構成(7)の銅箔、構成(10)の鉄板を装備した場合に実効直列抵抗の増加率が大きい。しかし、導線コイルにおいては、図61に比べ、構成(3)、構成(7)、構成(10)における実効直列抵抗の増加率は遥かに大きい。箔導体コイルにおいては、構成(3)、構成(7)、構成(10)における実効直列抵抗の増加率が小さい。これらについては後述する。なお、構成(7)の35μm厚の銅箔の実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率が、構成(3)の厚さが12μmのアルミホイルの実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率よりも少ないのは、厚さが原因と推察される。   In the coils of configurations (3) to (10) shown in FIG. 61, the effective series resistance Rw (Ω) is excessive and the inductance Lw (μH) is excessive compared to the air-core state. Therefore, the coils of configurations (3) to (10) shown in FIG. 61 cannot actually be used as coils of the power transmission device. FIG. 61 shows data to be compared with FIGS. 62 to 65 shown below. In FIG. 61, when the aluminum foil having the configuration (3), the copper foil having the configuration (7), and the iron plate having the configuration (10) are provided, the increase rate of the effective series resistance is large. However, in the conductive wire coil, the increase rate of the effective series resistance in the configuration (3), the configuration (7), and the configuration (10) is much larger than that in FIG. In the foil conductor coil, the increase rate of the effective series resistance in the configurations (3), (7), and (10) is small. These will be described later. The increase rate of the effective series resistance Rw (Ω) of the 35 μm-thick copper foil of the configuration (7) is higher than the increase rate of the effective series resistance Rw (Ω) of the aluminum foil of the configuration (3) having a thickness of 12 μm. The reason for the small number is probably due to the thickness.

図62は、図51に示すコイル10rとして、コイル10Fに10mmの絶縁物を介して、図61に示した各種の金属板を対向させた前述のコイル10Faの特性である。図61と比較しても明らかなように、図62では、実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率、インダクタンスLw(μH)の減少率も少ない。コイル10Faの特性は、10mmの絶縁物を介することにより、大きく改善されているのが分かる。特にインダクタンスLwの値は、空芯状態の約13.7μHに比べ、約10μHにまでしか低下していない。Lw(μH)の値は、各構成ともにほぼ同一となっており、電力伝送装置に使用可能である。しかし、構成(3)の12μm厚のアルミホイルや、構成(7)の35μm厚の銅箔、構成(10)の強磁性体である0.5mmの鉄板がコイル10Fに対向したときには、コイル10Fの実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率が大きく、Rw(Ω)による電力損失が発生するので、このような構成は、電力伝送装置に使用するのに適していない。   FIG. 62 shows the characteristics of the above-described coil 10Fa in which the various metal plates shown in FIG. 61 are opposed to the coil 10F via a 10 mm insulator as the coil 10r shown in FIG. As is clear from FIG. 61, in FIG. 62, the increase rate of the effective series resistance Rw (Ω) and the decrease rate of the inductance Lw (μH) are also small. It can be seen that the characteristics of the coil 10Fa are greatly improved by using an insulator of 10 mm. In particular, the value of the inductance Lw has decreased only to about 10 μH compared to about 13.7 μH in the air-core state. The value of Lw (μH) is almost the same in each configuration, and can be used for a power transmission device. However, when the 12 μm thick aluminum foil of the configuration (3), the 35 μm thick copper foil of the configuration (7), and the 0.5 mm iron plate as the ferromagnetic material of the configuration (10) face the coil 10F, the coil 10F Since the increase rate of the effective series resistance Rw (Ω) is large and power loss due to Rw (Ω) occurs, such a configuration is not suitable for use in a power transmission device.

すなわち、図62を参照すると、コイルと金属間に一定の所定距離G(mm)を設ける手段を装備し、金属板として、35μm以上の、反磁性または常磁性の磁気的性質を持つ金属または合金を使用することにより、空芯コイルに近接する金属体の影響を排除できる。なお、図62に示す構成(1)および構成(2)以外の構成において、金属板のコイル対向面と反対側に、鉄などの強磁性金属を含む各種金属を近接させたが、インダクタンスLw(μH)の変化も、実効直列抵抗Rw(Ω)は構成(3)では若干変化するが、それ以外の構成では、全く観測されていない。また、電力伝送性能に変化も無い。   That is, referring to FIG. 62, a metal or alloy having means for providing a certain predetermined distance G (mm) between the coil and the metal and having a diamagnetic or paramagnetic magnetic property of 35 μm or more is provided as the metal plate. By using this, it is possible to eliminate the influence of a metal body close to the air-core coil. In the configurations other than the configurations (1) and (2) shown in FIG. 62, various metals including a ferromagnetic metal such as iron are brought close to the opposite side of the metal plate to the coil facing surface. As for the change in μH), the effective series resistance Rw (Ω) slightly changes in the configuration (3), but is not observed at all in the other configurations. In addition, there is no change in power transmission performance.

特許文献4の段落番号0022には、磁界型空中線(コイル)よりも寸法が小さい金属板を使用してもよいと記載されている。しかし、導線を平面渦巻き状に巻回して構成されるコイルの金属体近接影響を排除するには、前述した所定距離G(mm)を設け、強磁性体以外であって、厚さが0.1mm以上であるコイルの寸法と同等の寸法の金属または合金の板材を装備しなければならない。   In paragraph No. 0022 of Patent Document 4, it is described that a metal plate having a size smaller than that of the magnetic field type antenna (coil) may be used. However, in order to eliminate the influence of the proximity of the metal body of the coil formed by winding the conducting wire in a plane spiral shape, the above-mentioned predetermined distance G (mm) is provided, and the thickness is 0. It must be equipped with a metal or alloy plate of the same size as the coil that is 1 mm or more.

なお、特許文献4の段落番号0022には金属板を分割する旨の記載がある。本願発明者が、コイル10Faを使用した構成(8)のコイルにて、0.1mmの銅箔を分割して100kHzにて特性を計測したところ、Lw=13.1μH、Rw=1,31.Ωであった。この構成は、銅板を分割しないときの、Lw=12.5μH、Rw=1.33Ωに比べると特性はよい。これは、前述したが、金属体の体積に比例して増加する渦電流損が減少するためと推察される。そのことは、特許文献4の段落番号0022にも記載されている。しかし、前記の0.1mmの銅箔を分割して装備した構成では、銅板のコイルの反対面に0.5mm厚の鉄板を近接させると、Lwが12.3μHに減少し、Rwが1.38Ωに増加した。銅板を分割しないと、銅板を分割した場合に比べ、インダクタンスLw(μH)の値は小さいが、実効直列抵抗Rw(Ω)の値が小さく、銅板のコイルの反対面に0.5mm厚の鉄板を近接させても、Lw(μH)、Rw(Ω)共に全く変化はなかった。したがって、特許文献4の段落番号0022に記載されている金属板を分割するような実施形態、金属板の寸法をコイルの寸法よりも小さくする実施形態では、特許文献4の段落番号0022に記載されているコイルに金属体が近接したときのコイル特性の変動を排除するという作用効果は期待できない。   Note that paragraph number 0022 of Patent Document 4 describes that the metal plate is divided. When the inventor of the present application divided a 0.1 mm copper foil and measured the characteristics at 100 kHz with the coil having the configuration (8) using the coil 10 Fa, Lw = 13.1 μH, Rw = 1, 31. Ω. This configuration has better characteristics than Lw = 12.5 μH and Rw = 1.33Ω when the copper plate is not divided. As described above, this is presumably because the eddy current loss that increases in proportion to the volume of the metal body decreases. This is also described in paragraph No. 0022 of Patent Document 4. However, in the configuration in which the 0.1 mm copper foil is divided and installed, when a 0.5 mm thick iron plate is brought close to the opposite surface of the copper plate coil, the Lw decreases to 12.3 μH and the Rw becomes 1. Increased to 38Ω. If the copper plate is not divided, the inductance Lw (μH) is smaller than the divided copper plate, but the effective series resistance Rw (Ω) is small. There was no change in both Lw (μH) and Rw (Ω) even when they were close to each other. Therefore, in an embodiment in which the metal plate described in paragraph No. 0022 of Patent Document 4 is divided and an embodiment in which the dimension of the metal plate is made smaller than the dimension of the coil, it is described in Paragraph No. 0022 of Patent Document 4. The effect of eliminating the fluctuation of the coil characteristics when the metal body is close to the coil is not expected.

以上のように、図51に示すコイル10rの実施形態では、コイルと金属板の間に、コイルと金属板の距離を一定とする手段を備えることにより、金属板の裏面に他の金属体が近接しても、コイル10rのインダクタンスLw、実効直列抵抗Rwの変動を排除できる。図51に示すコイル10rは、コイルの裏面に一定間隔で金属板を設置できる送電部に適している。送電部がスチール製机上に置かれたときに、コイル10rのインダクタンスLw、実効直列抵抗Rwの変動を排除し、所定の電力伝送性能を維持できる。所定距離Gは、コイル10Fにおいては、10mmで良好な結果が得られている。しかし、所定距離G(mm)は、コイルの外径Dにより異なってくる。箔導体コイルは導線コイルと異なり、金属板の近接影響を受けにくい。コイル10Fの外径Dは100mmなので、余裕を見て、例えば、G≧D/50=2mm、として所定距離G(mm)を決める。箔導体コイルは、導線コイルに比べ、金属板の近接による特性変動が少ない。箔導体コイルにおいては、箔幅H、箔厚tなどにより、所定距離Gを求めるのが好ましい。   As described above, in the embodiment of the coil 10r shown in FIG. 51, by providing a means for making the distance between the coil and the metal plate constant between the coil and the metal plate, another metal body comes close to the back surface of the metal plate. However, fluctuations in the inductance Lw and effective series resistance Rw of the coil 10r can be eliminated. A coil 10r shown in FIG. 51 is suitable for a power transmission unit in which metal plates can be installed at regular intervals on the back surface of the coil. When the power transmission unit is placed on a steel desk, fluctuations in the inductance Lw and effective series resistance Rw of the coil 10r can be eliminated, and predetermined power transmission performance can be maintained. The predetermined distance G is 10 mm in the coil 10F, and good results are obtained. However, the predetermined distance G (mm) varies depending on the outer diameter D of the coil. Unlike the conductive coil, the foil conductor coil is not easily affected by the proximity of the metal plate. Since the outer diameter D of the coil 10F is 100 mm, the predetermined distance G (mm) is determined by, for example, G ≧ D / 50 = 2 mm with a margin. The foil conductor coil has less characteristic variation due to the proximity of the metal plate than the conductive coil. In the foil conductor coil, it is preferable to obtain the predetermined distance G based on the foil width H, the foil thickness t, and the like.

前述した市販のコードレスマウスは、導線コイルを使用している。前述したように、導線コイルは、金属体の影響を受けやすい。箔導体コイルを用い、マウスパッドを。図51〜図57に示すようなコイル10rからコイル10xのような構成とすることにより、金属製机上でも、非金属製机上でも、電力伝送性能に変化が無い電力伝送用のマウスパッドを実現できる。なお、箔導体の巻回法は、図44に示したものを採用する。これにより、マウスパッド上のどの位置にマウスが置かれていても、マウスが動作するのに必要な電力を送電でき、金属製机上でも、非金属製机上でも使用可能なマウスパッドを実現できる。   The above-described commercially available cordless mouse uses a conductive coil. As described above, the conductive wire coil is easily affected by the metal body. Use a foil conductor coil and a mouse pad. By configuring the coils 10r to 10x as shown in FIGS. 51 to 57, it is possible to realize a mouse pad for power transmission that has no change in power transmission performance on a metal desk or a non-metal desk. . The foil conductor winding method shown in FIG. 44 is adopted. This makes it possible to transmit power necessary for the mouse to operate regardless of where the mouse is placed on the mouse pad, and to realize a mouse pad that can be used on a metal desk or a non-metal desk.

次に、図52に示すコイル10sの実施形態の特性図である図63について考察する。図63の構成(2)は、コイル10Fに0.3mm厚の磁性材板を取り付けたコイル10Eb単体の実効直列抵抗Rw(Ω)とインダクタンスLw(μH)を示している。コイル10Fb単体では、空芯状態のコイル10F単体に比べ、インダクタンスLw(μH)が増加しており、実効直列抵抗Rw(Ω)は殆ど変化していない。コイル10Fbのコイルの反対面に図61、図62と同等の金属板を装備した構成(3)から構成(10)の各コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)とインダクタンスLw(μH)が図示されている。構成(3)から構成(10)において、インダクタンスLwの値はほぼ同一となっている。しかし、図63を見れば明らかなように、図62と同等にして、12μmの厚さのアルミホイルを装備した構成(3)、35μmの厚さの銅箔を装備した構成(7)、0.5mmの厚さの鉄板を装備した構成(10)のコイルは、実効直列抵抗Rw(Ω)が高くなっている。   Next, consider FIG. 63, which is a characteristic diagram of the embodiment of the coil 10s shown in FIG. The configuration (2) in FIG. 63 shows the effective series resistance Rw (Ω) and the inductance Lw (μH) of the coil 10Eb alone in which a magnetic material plate having a thickness of 0.3 mm is attached to the coil 10F. In the coil 10Fb alone, the inductance Lw (μH) is increased and the effective series resistance Rw (Ω) is hardly changed compared to the coil 10F alone in the air-core state. The effective series resistance Rw (Ω) and the inductance Lw (μH) of each coil of the configuration (3) to the configuration (10) in which the same metal plate as that of FIGS. 61 and 62 is provided on the opposite surface of the coil 10Fb are shown. ing. In the configurations (3) to (10), the value of the inductance Lw is almost the same. However, as is apparent from FIG. 63, as in FIG. 62, a configuration (3) equipped with a 12 μm thick aluminum foil, a configuration (7) equipped with a 35 μm thick copper foil, 0 The coil of the configuration (10) equipped with a steel plate having a thickness of 0.5 mm has a high effective series resistance Rw (Ω).

さらに、本発明のその他の実施形態である図54に示す構成のコイル10uの各構成の特性を、図64を参照して検討してみる。図54に示す構成のコイル10uには、2枚の磁性材板911,912が装備されている。2枚の磁性材板911,912は、絶縁層を設けて重ねるのが好ましい。図64を参照すると、コイル10FFに磁性材板2枚を装備したコイル10Fc単体の特性は、構成(2)で示され、インダクタンスLwは、約20μHと、空芯状態の約13μHに比べ、約1.6倍になっている。図63と比較すると、構成(3)から構成(10)の全てにおいて、インダクタンスLwは18μHを越えている。さらに、構成(3)から構成(10)の全てにおいて、インダクタンスLw(μH)の値は、ほぼ同一である。そして、図63と比較すると、構成(3)の12μm厚のアルミホイルや、構成(7)の35μm厚の銅箔、構成(10)の強磁性体である0.5mmの鉄板がコイル10Fcに対向しても、実効直列抵抗Rw(Ω)の変化が殆ど無いという特徴が見られる。すなわち、磁性材板を2枚重ねて装備することにより、コイルは、磁性材板のコイル対向面の反対側に装備する金属の磁気的性質や厚さの影響を受けなくなる。図54に示す構成のコイル1uのような構成とすることにより、アルミ箔のような薄い金属で、前述した金属体の近接影響を排除できる。   Furthermore, the characteristics of each component of the coil 10u having the configuration shown in FIG. 54, which is another embodiment of the present invention, will be examined with reference to FIG. The coil 10u having the configuration shown in FIG. 54 is equipped with two magnetic material plates 911 and 912. The two magnetic material plates 911 and 912 are preferably stacked with an insulating layer. Referring to FIG. 64, the characteristics of the coil 10Fc alone in which the coil 10FF is provided with two magnetic material plates are shown in the configuration (2), and the inductance Lw is about 20 μH, which is about 20 μH compared to about 13 μH in the air-core state. 1.6 times. Compared to FIG. 63, in all of the configurations (3) to (10), the inductance Lw exceeds 18 μH. Further, in all of the configurations (3) to (10), the value of the inductance Lw (μH) is substantially the same. Compared with FIG. 63, the 12 μm-thick aluminum foil of the configuration (3), the 35 μm-thick copper foil of the configuration (7), and the 0.5 mm iron plate as the ferromagnetic material of the configuration (10) are used as the coil 10Fc. Even when facing each other, there is a feature that there is almost no change in the effective series resistance Rw (Ω). That is, by mounting two magnetic material plates on top of each other, the coil is not affected by the magnetic properties or thickness of the metal provided on the opposite side of the coil facing surface of the magnetic material plate. With the configuration like the coil 1u having the configuration shown in FIG. 54, the above-described proximity effect of the metal body can be eliminated with a thin metal such as an aluminum foil.

なお、磁性材板としては、厚さが0.01mmから1.5mm、構成としては、磁性材粉をバインダーで固めたもの、アモルファス系、フェライト系等、種々のものを試験した。金属板の違いによる特性は、前述した図57から図59と同一であった。また、コイル1m、コイル1vの構成で、インダクタンスの増加が大きいものは、実効直列抵抗の増加も大きかった。100kHzにおいて、いずれの磁性材板でも、インダクタンスの増加率と実効直列抵抗の増加率は、ほぼ同等であった。後述するように、これらの実測結果は、この構成規定が、一般性を持つことを示している。   In addition, as the magnetic material plate, a thickness of 0.01 mm to 1.5 mm and various configurations such as a magnetic material powder solidified with a binder, an amorphous type, and a ferrite type were tested. The characteristics due to the difference in the metal plates were the same as those in FIGS. 57 to 59 described above. Further, in the configuration of the coil 1m and the coil 1v, when the increase in inductance was large, the increase in effective series resistance was also large. At 100 kHz, the increase rate of the inductance and the increase rate of the effective series resistance were almost equal for any magnetic material plate. As will be described later, these actual measurement results indicate that this configuration rule has generality.

前述した受電用コイル73を装備してコードレスマウスとし、箔導体コイル10kをマウスパッドとする実施形態において、箔導体コイル10kを図51から図58のような構成とすることにより、マウスパッドが絶縁性の机上、金属製の机上のいずれに設置されても、電力伝送性能が変化することなく、コードレスマウスに必用な電力を送れる。   In the embodiment in which the power receiving coil 73 is equipped to form a cordless mouse and the foil conductor coil 10k is a mouse pad, the mouse pad is insulated by configuring the foil conductor coil 10k as shown in FIGS. The power transmission performance can be sent to the cordless mouse without changing the power transmission performance regardless of whether it is installed on a desk or metal desk.

(電力伝送用コイルの構成規定が一般性を持つことについての説明)
前述したように、コイルの特定的構成を規定するだけでは、性能のよいコイルを実現できない。しかし、本実施形態におけるコイルの特定的構成は、コイルの線種、巻き方、外径などにかかわらず、同じ作用効果を呈する。すなわち、本実施形態におけるコイルの特定的構成は、コイルの線種、巻き方、外径などにかかわらず、コイル裏面に金属体が近接したときの、コイル特性の変動を抑える効果がある。その例を以下に示す。
(Explanation that the power transmission coil configuration rules are general)
As described above, a coil with good performance cannot be realized simply by defining a specific configuration of the coil. However, the specific configuration of the coil in the present embodiment exhibits the same effects regardless of the coil type, winding method, outer diameter, and the like. That is, the specific configuration of the coil in the present embodiment has an effect of suppressing fluctuations in coil characteristics when a metal body is close to the back surface of the coil regardless of the wire type, winding method, outer diameter, and the like of the coil. An example is shown below.

図65は、図20に示したコイル10Fを、図51に示すコイル10rと同等の構成において、図62と同じく、実効直列抵抗Rw(Ω)とインダクタンスLw(μH)を計測した特性図である。図65においては、コイル10Fと金属板間の間隔は5mmに設定して計測してある。   FIG. 65 is a characteristic diagram in which the effective series resistance Rw (Ω) and the inductance Lw (μH) are measured for the coil 10F shown in FIG. 20 in the same configuration as the coil 10r shown in FIG. . In FIG. 65, the interval between the coil 10F and the metal plate is set to 5 mm and measured.

図66は、図21に示したコイル10Eを、図51に示すコイル10rと同等の構成において、図65と同じく、実効直列抵抗Rw(Ω)とインダクタンスLw(μH)を計測した特性図である。図66においては、コイル10Eと金属板間の間隔は10mmに設定して計測してある。   FIG. 66 is a characteristic diagram in which the effective series resistance Rw (Ω) and the inductance Lw (μH) are measured for the coil 10E shown in FIG. 21 in the same configuration as the coil 10r shown in FIG. 51, as in FIG. . In FIG. 66, the interval between the coil 10E and the metal plate is set to 10 mm and measured.

図62、図65、図66を比較すると、図51に示す構成のコイル10rにおいて、金属板95として、アルミホイルを用いて構成した例(3)、銅箔を用いて構成して例(7)、鉄板を用いて構成した例(10)のコイルでは、いずれも実効直列抵抗Rw(Ω)が、他の構成のコイルよりも増加しているのが分かる。   When comparing FIG. 62, FIG. 65, and FIG. 66, in the coil 10r having the configuration shown in FIG. 51, the metal plate 95 is configured using an aluminum foil as an example (3), and is configured using a copper foil as an example (7). ), It can be seen that the effective series resistance Rw (Ω) of each of the coils of the example (10) configured using the iron plate is increased as compared with the coils of other configurations.

この傾向は、コイル10E、コイル10F共に、図52に示すコイル10sの構成、図54に示すコイル10uの構成においても同様である。すなわち、コイルと金属板の間に所定距離G(mm)のみを設けた場合、コイル90と金属板95との間に磁性材板を1枚設けた場合では、金属板95としてアルミホイルを用いて構成した例(3)、銅箔を用いて構成した例(7)、鉄板を用いて構成した例(10)のコイルでは、いずれも実効直列抵抗Rw(Ω)が、他の構成のコイルよりも増加する。コイル90と金属板95の間に磁性板を2枚以上設けた場合は、金属板95の種類や厚さにより、実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率が図63のように殆ど無い。   This tendency is the same for both the coil 10E and the coil 10F in the configuration of the coil 10s shown in FIG. 52 and the configuration of the coil 10u shown in FIG. That is, when only a predetermined distance G (mm) is provided between the coil and the metal plate, when one magnetic material plate is provided between the coil 90 and the metal plate 95, the metal plate 95 is configured using an aluminum foil. In the example (3), the example (7) configured using the copper foil, and the example (10) configured using the iron plate, the effective series resistance Rw (Ω) is higher than that of the coil having the other configuration. To increase. When two or more magnetic plates are provided between the coil 90 and the metal plate 95, there is almost no increase in the effective series resistance Rw (Ω) as shown in FIG. 63 depending on the type and thickness of the metal plate 95.

図51に示す構成のコイル10rの作用効果は、特許文献4に記載のように、コイルの対向面と反対側に金属体が近接したときに、コイル特性の変動を防ぐものである。図52に示す構成のコイル10s、図55に示す構成のコイル10vの作用効果も、コイルの対向面と反対側に金属体が近接したときの、コイル特性の変動を防ぐものである。図52に示す構成のコイル10s、図55に示す構成のコイル10vの他の作用効果として、インダクタンスを確保がある。インダクタンスを確保するためには、図55に示すコイル10vの構成が好ましい。前述したように、コイル10vは、金属板の材質や厚さの影響を殆ど受けない。したがって、図49に示すコイル10pであっても、金属体の近接影響を排除可能である。   The effect of the coil 10r having the configuration shown in FIG. 51 is to prevent fluctuations in coil characteristics when a metal body is close to the opposite side of the coil facing surface, as described in Patent Document 4. The operational effects of the coil 10s having the configuration shown in FIG. 52 and the coil 10v having the configuration shown in FIG. 55 also prevent fluctuations in coil characteristics when a metal body is close to the opposite side of the opposing surface of the coil. As another effect of the coil 10s having the configuration shown in FIG. 52 and the coil 10v having the configuration shown in FIG. In order to ensure the inductance, the configuration of the coil 10v shown in FIG. 55 is preferable. As described above, the coil 10v is hardly affected by the material and thickness of the metal plate. Therefore, even if it is the coil 10p shown in FIG. 49, the proximity | contact effect of a metal body can be excluded.

図62から図64においては、金属板と磁性材板、および絶縁板から構成されるコイル10t、コイル10u、コイル10v、コイル10w、コイル10x、コイル10yのデータは省略してある。これは、図62から図64に示すのと同様に、金属板95の作用効果が同一だからである。このような構成のコイルは、図59、図60に示すように、高周波数領域での実効直列抵抗Rw(Ω)の増加を抑え、Qを高める作用効果がある。実測上も、高周波数領域になると、前述した各コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)が、コイル10s、コイル10vに比べ、低下し、各コイルのQが、コイル10s、コイル10vに比べ、上昇するのが確認されている。   In FIGS. 62 to 64, data of the coil 10t, the coil 10u, the coil 10v, the coil 10w, the coil 10x, and the coil 10y that are formed of the metal plate, the magnetic material plate, and the insulating plate are omitted. This is because the effect of the metal plate 95 is the same as shown in FIGS. As shown in FIGS. 59 and 60, the coil having such a configuration has an effect of suppressing the increase of the effective series resistance Rw (Ω) in the high frequency region and increasing the Q. In actual measurement, in the high frequency region, the effective series resistance Rw (Ω) of each coil described above decreases compared to the coils 10s and 10v, and the Q of each coil increases compared to the coils 10s and 10v. Has been confirmed to do.

なお、図51に示すコイル10rの一例であるコイル10Eaは、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1が、10MHz以上、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2が、2MHz以上であり、磁性材板の影響が無く、金属体近接によるコイル特性の変化防止以外の作用効果は、コイル1Aからコイル10Eと全く同じなので、対向するコイルの間隔に関する説明を省略する。   Note that the coil 10Ea, which is an example of the coil 10r shown in FIG. 51, has a maximum frequency f1 satisfying Rs> Rw of 10 MHz or more and a maximum frequency f2 satisfying Rs> Rn ≧ Rw of 2 MHz or more. Since there is no influence of the magnetic material plate and the effects other than the prevention of the change of the coil characteristics due to the proximity of the metal body are the same as those of the coils 1A to 10E, the description about the interval between the opposing coils is omitted.

なお、言うまでもないが、コイル10mからコイル10yのコイル90には、空芯状態での送電コイル単体の実効直列抵抗をRw(Ω)、空芯状態での送電コイルに対向する受電コイルを短絡したときの、送電コイルの実効直列抵抗をRs(Ω)、とすると、100kHzにて、Rs>Rw、を満足する送電コイルを使用する。例えば、コイル90には、上述してきた本発明の実施形態であるコイル10Aからコイル10Dを使用する。   Needless to say, the coil 90 from the coil 10m to the coil 10y has an effective series resistance Rw (Ω) of the power transmission coil alone in the air core state, and a power receiving coil facing the power transmission coil in the air core state is short-circuited. When the effective series resistance of the power transmission coil is Rs (Ω), a power transmission coil that satisfies Rs> Rw at 100 kHz is used. For example, as the coil 90, the coils 10A to 10D according to the embodiment of the present invention described above are used.

さらに、磁性材板91または511,912を装備したコイル10sからコイル10yを送電コイルとしたときに、100kHzにてコイル10sからコイル10yが、Rs>Rw、を満足しているのが好ましい。   Furthermore, when the coil 10s equipped with the magnetic material plate 91 or 511, 912 is used as the power transmission coil, it is preferable that the coil 10s to the coil 10y satisfy Rs> Rw at 100 kHz.

コイル10mからコイル10yが、Rs≧Rw、を満足する最高周波数をf1(Hz)とすると、コイル10mからコイル10yを装備した電力伝送装置100は、f1(Hz)以下の周波数で電力を伝送する。   Assuming that the maximum frequency satisfying Rs ≧ Rw from coil 10m to coil 10y is f1 (Hz), power transmission device 100 equipped with coil 10m to coil 10y transmits power at a frequency of f1 (Hz) or less. .

コイル10mからコイル10yが、電力伝送装置100の送電コイル1である場合、コイル10mからコイル10yは、図1に示した交流電源3bにより、f1(Hz)以下の周波数であるfd(Hz)で駆動される。   When the coil 10m to the coil 10y are the power transmission coil 1 of the power transmission apparatus 100, the coil 10m to the coil 10y are fd (Hz) having a frequency equal to or lower than f1 (Hz) by the AC power source 3b illustrated in FIG. Driven.

電力伝送装置100の送電部3に含まれる交流電源3bの出力周波数fa(Hz)は、f1(Hz)以下の周波数に設定される。   The output frequency fa (Hz) of the AC power supply 3b included in the power transmission unit 3 of the power transmission device 100 is set to a frequency of f1 (Hz) or less.

さらに、前述してきた実施形態のコイル10s、コイル10vを送電コイルとし、同一のコイルを受電コイルとして、送電コイル単体のインダクタンスをLwa(H)、両コイルを誘導結合させたときに、受電コイルが短絡されているときの、送電コイルのインダクタンスをLsa(H)、とすると、コイル10s、コイル10vが、100kHzにて、Lwa>Lsa、を満足しており、かつ、f1(Hz)以下の周波数領域であって、電力伝送に使用される周波数にて、Lwa>Lsa、を満足しているのが好ましい。   Furthermore, when the coil 10s and the coil 10v of the embodiment described above are used as a power transmission coil, the same coil is used as a power reception coil, the inductance of a single power transmission coil is Lwa (H), and both coils are inductively coupled. Assuming that the inductance of the power transmission coil when short-circuited is Lsa (H), the coil 10s and the coil 10v satisfy Lwa> Lsa at 100 kHz and have a frequency of f1 (Hz) or less. It is preferable that Lwa> Lsa is satisfied at the frequency used for power transmission.

前述してきたコイル10mからコイル10yを送電コイルとし、対向している受電コイルを開放したときの各コイルの実効直列抵抗をRna(Ω)、Rsa>Rna≧Rwa、を満足する最高周波数f2a(Hz)とすると、送電コイルは、f2a(Hz)以下の周波数領域で使用されるのが好ましい。   The maximum frequency f2a (Hz) satisfying Rna (Ω) and Rsa> Rna ≧ Rwa as the effective series resistance of each coil when the coil 10y to the coil 10y described above are used as the power transmission coil and the opposite power receiving coil is opened. ), The power transmission coil is preferably used in a frequency region of f2a (Hz) or less.

そして、前述してきたコイル10s、コイル10vを送電コイルとし、対向している受電コイルを開放したときの一方コイルのインダクタンスをLn、とすると、少なくとも、Ln>Lw>Ls、の関係を100kHzにて満足し、f1(Hz)以下の周波数領域であって、電力伝送に使用される周波数fa(Hz)にて、コイル10s、コイル10vが、Ln>Lw>Ls、の関係を満足しているのが好ましい。   When the coil 10s and the coil 10v described above are used as a power transmission coil and the inductance of one coil when the opposing power receiving coil is opened is Ln, the relationship of at least Ln> Lw> Ls is 100 kHz. Satisfactory, and in the frequency region below f1 (Hz), the coil 10s and the coil 10v satisfy the relationship Ln> Lw> Ls at the frequency fa (Hz) used for power transmission. Is preferred.

より好ましくは、コイル10mからコイル10yが、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2(Hz)とすると、コイル10mからコイル10yは、f2(Hz)以下の周波数領域で使用され、f2(Hz)以下の周波数領域において、Ln>Lw>Ls、の関係を満足している。   More preferably, when the coil 10m to the coil 10y have a maximum frequency f2 (Hz) satisfying Rs> Rn ≧ Rw, the coil 10m to the coil 10y are used in a frequency region of f2 (Hz) or less, and f2 ( Hz), the following relationship is satisfied: Ln> Lw> Ls.

なお、前述した熱条件の規定は、前述した方法と同様の手法にて熱抵抗θiを求めることにより満足できる。   The above-mentioned definition of the thermal condition can be satisfied by obtaining the thermal resistance θi by the same method as that described above.

電力伝送装置100の送電部3が、コイル10mからコイル10yを含む場合、コイル10mからコイル10yを含む送電部3は、本発明の電力伝送装置の送電装置になる。   When the power transmission unit 3 of the power transmission device 100 includes the coil 10m to the coil 10y, the power transmission unit 3 including the coil 10m to the coil 10y becomes the power transmission device of the power transmission device of the present invention.

(金属板をコイル中心の線に接続する場合の説明)
図67は、図51に示すコイル10rから図58に示すコイル10yにおいて、コイル内周部から取り出す線を、コイルに装備された金属板を使用する図である。
(Explanation when connecting the metal plate to the coil center wire)
67 is a diagram in which a metal plate mounted on a coil is used as a wire to be taken out from the inner periphery of the coil in the coil 10r shown in FIG. 51 to the coil 10y shown in FIG.

コイル10mからコイル10yの構成のコイル90では、コイル90の中心から外へ取り出す導線は、導線の太さ分厚くなる。図67においては、図51に示すコイル10rの絶縁板92の中心に、導線貫通穴を設け、コイル内周部の導線901を金属板95に接続してある。コイル90の外周部の端部902を一方の端子とし、金属板95の端部951を他方の端子とする。導線901と金属板95との接続方法は、半田付け、溶接など種々の手法が使用できる。この構成は、絶縁板のみならず、磁性材板にも適用可能である。   In the coil 90 having the configuration of the coil 10m to the coil 10y, the conducting wire taken out from the center of the coil 90 is thicker by the thickness of the conducting wire. 67, a conductive wire through hole is provided at the center of the insulating plate 92 of the coil 10r shown in FIG. 51, and the conductive wire 901 at the inner periphery of the coil is connected to the metal plate 95. An end 902 of the outer peripheral portion of the coil 90 is used as one terminal, and an end 951 of the metal plate 95 is used as the other terminal. As a method for connecting the conductive wire 901 and the metal plate 95, various methods such as soldering and welding can be used. This configuration is applicable not only to an insulating plate but also to a magnetic material plate.

(コイルに結合線を設ける実施例)
図68は、図47から図58に示す各構成のコイルの箔導体の間に、細い箔状導体を巻回し、その巻回線を結合線30dとして取り出した場合のコイルの図である。なお、この例では、図29に示した円形渦巻き状に箔状導体30aを巻回した例について示しているが、図2に示した正方形状に箔状導体30を巻回したものであってもよい。
(Example in which a coupling wire is provided in a coil)
FIG. 68 is a diagram of the coil when a thin foil-like conductor is wound between the foil conductors of the coils shown in FIGS. 47 to 58 and the winding line is taken out as a coupling wire 30d. In this example, the foil conductor 30a is wound in the circular spiral shape shown in FIG. 29. However, the foil conductor 30 is wound in the square shape shown in FIG. Also good.

図68に示す、結合線30dは、コイルの作動状態を検知するのに用いることができる。あるいは、信号伝送用に使用することができる。また、反転アンプを使用して正帰還をかけることにより、自励発振を行うことができる。特に本発明における電力伝送装置の送電部は、単純な直列共振回路となっており、自励発振回路とすることにより、自動的に送電コイルが駆動される周波数は最適値に調整される。   68 can be used to detect the operating state of the coil. Alternatively, it can be used for signal transmission. In addition, self-excited oscillation can be performed by applying positive feedback using an inverting amplifier. In particular, the power transmission unit of the power transmission device according to the present invention is a simple series resonance circuit, and by using a self-excited oscillation circuit, the frequency at which the power transmission coil is automatically driven is adjusted to an optimum value.

結合線30dは、送電コイル1とほぼ密結合状態にある。また巻線比は1:1である。よって、結合線30dには、送電コイル1と同一の振幅、位相の交流電圧が現れる。この結合線30dは後述する本発明のその他の実施形態における送電部と受電部間の信号伝送機能、送電コイルに金属体が近接したときの検知、負荷が接続された受電コイルが近接したときの判別に利用できる。   The coupling line 30d is in a substantially tightly coupled state with the power transmission coil 1. The winding ratio is 1: 1. Therefore, an AC voltage having the same amplitude and phase as that of the power transmission coil 1 appears in the coupling line 30d. This coupling line 30d is a signal transmission function between a power transmission unit and a power reception unit in other embodiments of the present invention described later, detection when a metal body is close to the power transmission coil, and when a power reception coil to which a load is connected is close Can be used for discrimination.

前述した図68の実施形態を適用する場合には、内周部の箔導体をまとめて金属板95に接続し、外周部から取り出す箔導体を電力伝送用と結合線30aに分割する。あるいは、結合線30aを、共通線と接続せずに取り出し、4端子構成のコイルとしてもよい。この場合、送電コイルと結合線が絶縁されているので、信号検知、自励発振などに用いる場合、回路構成の自由度が増す。   When the embodiment of FIG. 68 described above is applied, the foil conductors in the inner peripheral portion are collectively connected to the metal plate 95, and the foil conductor taken out from the outer peripheral portion is divided into the power transmission and the coupling line 30a. Alternatively, the coupling wire 30a may be taken out without being connected to the common line and may be a four-terminal coil. In this case, since the power transmission coil and the coupling line are insulated, the degree of freedom in circuit configuration increases when used for signal detection, self-excited oscillation, and the like.

(電力伝送用コイルの実施例)
図47に示すコイル10mから図58に示すコイル10yは、前述した電力伝送装置に使用される電力伝送用コイルの実施例でもある。
(Example of coil for power transmission)
A coil 10m shown in FIG. 47 to a coil 10y shown in FIG. 58 are also examples of the power transmission coil used in the power transmission device described above.

(電力伝送用コイルの駆動条件)
なお、空芯コイルであっても、磁性材板を装備していても、上述したf1(Hz)、f2(Hz)が高くなるようにして、f1(Hz)またはf2(Hz)以下で送電コイルを駆動するコイルの駆動条件を規定しないと、性能のよい電力伝送装置は実現できない。
(Power transmission coil drive conditions)
In addition, even if it is an air-core coil or equipped with a magnetic material plate, the above-described f1 (Hz) and f2 (Hz) are increased so that power is transmitted at f1 (Hz) or lower than f2 (Hz). A power transmission device with good performance cannot be realized unless the driving conditions of the coil for driving the coil are defined.

(実施形態15)
好ましくは、絶縁材料裏面に、箔導体を渦巻状に巻回した受電コイルを備え、送電コイルおよび受電コイルの巻回面の箔導体総面積をSc、送電コイルおよび受電コイルの巻回面の間隙の総面積をSi、とすると、Si>Sc、を満足し、受電コイルを開放したときの、送電コイルの実効直列抵抗をRn(Ω)、受電コイルを短絡したときの、送電コイルの実効直列抵抗をRs(Ω)、Rs≧Rn、を満足する最高周波数をf3(Hz)、としたときに、f3以下の周波数領域で使用される。
(Embodiment 15)
Preferably, a receiving coil having a foil conductor wound in a spiral shape is provided on the back surface of the insulating material, and Sc is a total area of the foil conductors on the winding surface of the power transmission coil and the power receiving coil, and a gap between the winding surfaces of the power transmission coil and the power receiving coil If Si is the total area, satisfying Si> Sc, the effective series resistance of the power transmission coil when the power reception coil is opened is Rn (Ω), and the effective series of the power transmission coil when the power reception coil is short-circuited When the maximum frequency satisfying Rs (Ω) and Rs ≧ Rn is f3 (Hz), it is used in the frequency region below f3.

この構成は、送電コイルと受電コイルが分離不能な変成器としても使用できる。この構成においては、前述してきた磁性体を用いる構成が適用できる。なお、変成器として用いる場合には、箔導体コイルの両面に磁性材板を設ける。前述したように、箔導体コイルと磁性材板の間に絶縁板を設けることにより、実効直列抵抗の増加を低減できるように構成するのが好ましい。   This configuration can also be used as a transformer in which the power transmission coil and the power reception coil cannot be separated. In this configuration, the configuration using the magnetic material described above can be applied. When used as a transformer, magnetic material plates are provided on both sides of the foil conductor coil. As described above, it is preferable that an increase in effective series resistance can be reduced by providing an insulating plate between the foil conductor coil and the magnetic material plate.

(本発明に用いる金属に関する説明)
この発明の実施形態において、導線を形成する導体の材質は特に限定されないが、本実施形態にて述べている各コイルは、全て導体に銅を用いている。導体として比抵抗が小さい銅を使うのが好ましいが、比抵抗が小さい他の金属、あるいは合金を導体として使うこともできる。
(Explanation regarding metals used in the present invention)
In the embodiment of the present invention, the material of the conductor forming the conducting wire is not particularly limited, but all the coils described in this embodiment use copper as the conductor. Although copper having a small specific resistance is preferably used as the conductor, other metals or alloys having a small specific resistance can also be used as the conductor.

また、金属の磁気的性質には、反磁性、常磁性、強磁性以外にも、反強磁性などがある。しかし、本願において着目しているのは、コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)を増加させる磁気的性質である。コイルに装備する金属板は、単に永久磁石に吸着する金属または合金以外のものであればよい。   In addition to diamagnetism, paramagnetism, and ferromagnetism, the magnetic properties of metals include antiferromagnetism. However, attention is focused on the magnetic property that increases the effective series resistance Rw (Ω) of the coil. The metal plate mounted on the coil may be anything other than a metal or alloy that is simply attracted to the permanent magnet.

本願発明者は、チタン、真鍮、ステンレスなどの各種金属を使用して実測を行った。0.1mmの厚さのチタン板は、0.1mm厚のアルミ板と同じ特性変動を示した。0.5mmの厚さの真鍮板は、0.5mm厚の銅板と同じ特性変動を示した。0.5mmの厚さの永久磁石に吸着するステンレス板は、0.5mm厚の鉄板よりも特性劣化を起した。このように、永久磁石に吸着するか、吸着しないかで金属板を選べばよい。   The inventor of the present application made measurements using various metals such as titanium, brass, and stainless steel. The 0.1 mm thick titanium plate showed the same characteristic variation as the 0.1 mm thick aluminum plate. A brass plate with a thickness of 0.5 mm showed the same characteristic variation as a copper plate with a thickness of 0.5 mm. The stainless steel plate adsorbed on the 0.5 mm thick permanent magnet caused characteristic deterioration more than the 0.5 mm thick iron plate. Thus, the metal plate may be selected depending on whether it is attracted to the permanent magnet or not.

(コイルの特性計測に用いた計測器)
なお、上記に説明した各コイルの実効直列抵抗やインダクタンスの測定には、1MHzまでは、アジレント社のLCRメータ、4284A、1〜10MHzの測定には、ヒューレットパッカード社のLCRメータ、4275Aを使用した。なお、1〜10MHzの計測は、1、2、4、10MHzの各点でしか計測できないので、例えば、4MHzにて、Rs≧Rwを満足し、10MHzにて、Rs>Rw、を満足しない場合は、補間により、Rs≧Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)を推定している。
(Measurement device used for measuring coil characteristics)
The effective series resistance and inductance of each coil described above were measured up to 1 MHz using an Agilent LCR meter, and 4284A, 1 to 10 MHz were measured using a Hewlett Packard LCR meter, 4275A. . In addition, since the measurement of 1 to 10 MHz can be performed only at each point of 1, 2, 4, and 10 MHz, for example, when Rs ≧ Rw is satisfied at 4 MHz and Rs> Rw is not satisfied at 10 MHz. Estimates the maximum frequency f1 (Hz) satisfying Rs ≧ Rw by interpolation.

図69は、本発明における電力伝送装置の実施形態の一例である回路構成を表す図である。電力伝送装置100dは、電力を送電するための送電部3dと、この送電部3dから送電される電力を受電する受電部4dとを含む。   FIG. 69 is a diagram illustrating a circuit configuration that is an example of an embodiment of a power transmission device according to the present invention. The power transmission device 100d includes a power transmission unit 3d for transmitting power and a power reception unit 4d for receiving power transmitted from the power transmission unit 3d.

図69に示した電力伝送装置100dは、送電コイルLpと、キャパシタCpと、交流電源Vと、受電コイルLrと、キャパシタCmと、負荷をRLとを含み、交流電源Vと送電コイルLpとの間に直列にキャパシタCpが接続されている。受電用コイルLrは任意の形状で送電コイルLpから電力を受電して負荷RLに供給する。キャパシタCpは、送電コイルLpのリアクタンスを打ち消すために送電コイルLpに直列接続されている。交流電源Vの出力周波数fa(Hz)は、送電コイルLpとキャパシタCpで決まるリアクタンスがゼロとなる点、あるいはインピーダンスが極小となる点に近接して設定される。   69 includes a power transmission coil Lp, a capacitor Cp, an AC power supply V, a power receiving coil Lr, a capacitor Cm, and a load RL. The power transmission device 100d illustrated in FIG. 69 includes an AC power supply V and a power transmission coil Lp. A capacitor Cp is connected in series between them. The power receiving coil Lr receives power from the power transmitting coil Lp in an arbitrary shape and supplies the power to the load RL. The capacitor Cp is connected in series with the power transmission coil Lp in order to cancel the reactance of the power transmission coil Lp. The output frequency fa (Hz) of the AC power supply V is set close to the point where the reactance determined by the power transmission coil Lp and the capacitor Cp becomes zero or the point where the impedance becomes minimum.

図69に示した受電部4dは、キャパシタCmは受電コイルLrに並列接続されている。受電コイルLrと、キャパシタCmで決まるサセプタンスがゼロとなる周波数、あるいはインピーダンスが極大となる周波数を交流電源Vの出力周波数と同一に設定する。これにより、並列共振作用によって、受電コイルLrの両端にはキャパシタCrを装備しないときよりも大きな電圧が発生するので、負荷が必要とする電圧を受電側で得ることができる。   In the power receiving unit 4d shown in FIG. 69, the capacitor Cm is connected in parallel to the power receiving coil Lr. The frequency at which the susceptance determined by the power receiving coil Lr and the capacitor Cm is zero or the frequency at which the impedance is maximized is set to be the same as the output frequency of the AC power supply V. Thereby, a voltage larger than that when the capacitor Cr is not provided at both ends of the power receiving coil Lr is generated by the parallel resonance action, so that the voltage required by the load can be obtained on the power receiving side.

図69に示した受電部4dは、負荷RLが動作するのに電流よりも電圧が必要となる場合に使うことが可能である。特に、青色LEDなど、順方向電圧が高く、動作電流が低い負荷を装備した受電側装置に長距離の電力を伝送するのに適用可能である。   The power receiving unit 4d illustrated in FIG. 69 can be used when a voltage is required rather than a current to operate the load RL. In particular, the present invention is applicable to transmitting power over a long distance to a power receiving side device equipped with a load having a high forward voltage and a low operating current, such as a blue LED.

図70は、本発明における電力伝送装置における他の実施形態の一例である回路構成を表す図である。電力伝送装置100eは、電力を送電するための送電部3eと、送電部3eから送電される電力を受電する受電部4eとを含む。   FIG. 70 is a diagram illustrating a circuit configuration which is an example of another embodiment of the power transmission device according to the present invention. The power transmission device 100e includes a power transmission unit 3e for transmitting power and a power reception unit 4e for receiving power transmitted from the power transmission unit 3e.

この図70に示した電力伝送装置100eは、負荷RLが動作するのに電圧よりも電流が必要となる場合に使われる回路構成である。受電コイルLrに直列にキャパシタCnを接続し、受電コイルLrとキャパシタCnで決まるリアクタンスがゼロとなる周波数、あるいはインピーダンスが極小となる周波数を交流電源Vの出力周波数と同一に設定する。共振作用によって、受電コイルLrと、キャパシタCnの直列回路の両端のインピーダンスが低下し、キャパシタCnを装備しないときよりも大きな電流を負荷RLに流せる。したがって、負荷RLが必要とする電流を受電側で得ることができる。この図70に示した受電部4eは、モーターなど起動時の動作電圧が低くとも、起動電流が必要な負荷を装備した受電側装置に長距離の電力を伝送するのに適用可能である。   The power transmission device 100e shown in FIG. 70 has a circuit configuration that is used when a current rather than a voltage is required to operate the load RL. The capacitor Cn is connected in series to the power receiving coil Lr, and the frequency at which the reactance determined by the power receiving coil Lr and the capacitor Cn becomes zero or the frequency at which the impedance is minimized is set to be the same as the output frequency of the AC power supply V. Due to the resonance action, the impedances at both ends of the series circuit of the power receiving coil Lr and the capacitor Cn are reduced, and a larger current can be supplied to the load RL than when the capacitor Cn is not provided. Therefore, the current required by the load RL can be obtained on the power receiving side. The power receiving unit 4e shown in FIG. 70 can be applied to transmit power over a long distance to a power receiving side device equipped with a load that requires a starting current even when the operating voltage of the motor or the like is low.

図69、図70に示した実施形態において、受電側に装備するキャパシタCm,Cnは、この発明で規定する送電側用のキャパシタCpに用いられるものを使用する必要はなく、負荷RLが開放状態、短絡状態にならない限りにおいて、一般に用いられるキャパシタでよい。これは、図69の実施形態において、負荷RLが開放状態となると、キャパシタCmの両端に高電圧が発生し、キャパシタCmの動作可能電圧を越えることがあり、図70において負荷RLが短絡状態となると、キャパシタCnの両端に高電圧が発生し、キャパシタCnの動作可能電圧を越えることがあるからである。   In the embodiment shown in FIGS. 69 and 70, it is not necessary to use the capacitors Cm and Cn provided on the power receiving side that are used for the power transmission side capacitor Cp defined in the present invention, and the load RL is in an open state. As long as it is not short-circuited, a generally used capacitor may be used. In the embodiment of FIG. 69, when the load RL is in an open state, a high voltage is generated across the capacitor Cm, which may exceed the operable voltage of the capacitor Cm. In FIG. This is because a high voltage is generated at both ends of the capacitor Cn and may exceed the operable voltage of the capacitor Cn.

図71は、図69または図70の受電側の回路構成を示す図である。なお、交流電源Vにより、キャパシタCpが直列接続された送電コイルLpがドライブされるため、図69の受電側回路は、図71に示すように、ON時間が数nS程度のダイオードD21〜D24を4個ブリッジとする整流回路を装備するのが好ましい。図69、図70に示す実施形態のように、送電コイルLpと受電コイルLrが近接しており、かつ、図5に示した筒状コイル20bの磁束補足面Snと、平坦面22が平行で、結合係数が高い場合にも、受電側回路は、ON時間が数nSオーダーのダイオードD21〜D24を4個ブリッジとする整流回路を装備し、平滑用のキャパシタCdを設けるのが好ましい。Dzは過大電圧によるキャパシタCd、ダイオードD21〜D24、負荷RLなどの破損を防止するための、電圧制限用ツェナーダイオードである。   71 is a diagram illustrating a circuit configuration on the power receiving side of FIG. 69 or 70. In addition, since the power transmission coil Lp in which the capacitor Cp is connected in series is driven by the AC power source V, the power receiving side circuit of FIG. 69 includes diodes D21 to D24 whose ON time is about several nS as shown in FIG. It is preferable to equip a rectifier circuit with four bridges. 69 and 70, the power transmitting coil Lp and the power receiving coil Lr are close to each other, and the magnetic flux supplement surface Sn of the cylindrical coil 20b illustrated in FIG. 5 and the flat surface 22 are parallel to each other. Even when the coupling coefficient is high, it is preferable that the power receiving side circuit is equipped with a rectifier circuit having four diodes D21 to D24 with ON times on the order of several nS as bridges, and provided with a smoothing capacitor Cd. Dz is a voltage limiting Zener diode for preventing damage to the capacitor Cd, the diodes D21 to D24, the load RL and the like due to an excessive voltage.

なお、前述した図2に示した実施形態の一例であるコイル10aは、高電圧が必用な負荷用の受電コイルに使用でき、図29に示したコイル10bは、電流が必用な負荷用の受電コイルに使用できる。ただし、負荷の条件により、適切な構成の受電コイルを選ぶことが必要である。   The coil 10a as an example of the embodiment shown in FIG. 2 described above can be used as a power receiving coil for a load that requires a high voltage, and the coil 10b shown in FIG. 29 receives a power for a load that requires a current. Can be used for coils. However, it is necessary to select a receiving coil with an appropriate configuration depending on the load conditions.

(電力伝送装置の実施形態)
図69を参照し、上記に述べてきた、交流電源、箔状導体を用いた送電コイル、キャパシタを装備した送電部3d、3eから、受電部4d,4eに数十cm以上の伝送距離で、電力を伝送できる電力伝送装置が実現できる。
(Embodiment of power transmission device)
With reference to FIG. 69, the AC power source, the power transmission coil using the foil conductor, and the power transmission units 3d and 3e equipped with the capacitor to the power reception units 4d and 4e with a transmission distance of several tens of cm or more, A power transmission device capable of transmitting power can be realized.

図72は、図1に示す送電制御回路3aに含まれる交流電源3bの一例を示す図である。図72において、交流電源3bは、制御回路3cと、スイッチング素子Q1、Q2とを含む。制御回路3cには、直流電源12から直流電圧Vd(V)が供給されており、制御回路3cは、スイッチング素子Q1、Q2の各ゲートに制御信号を交互に与える。スイッチング素子Q1のドレインには直流電圧Vd(V)が供給されており、スイッチング素子Q1のソースとスイッチング素子Q2のドレインは、キャパシタC1の一方の電極に共通接続されている。スイッチング素子Q2のソースはGND(接地)に接続されている。   72 is a diagram showing an example of an AC power supply 3b included in the power transmission control circuit 3a shown in FIG. In FIG. 72, AC power supply 3b includes a control circuit 3c and switching elements Q1 and Q2. The control circuit 3c is supplied with a DC voltage Vd (V) from the DC power supply 12, and the control circuit 3c alternately applies control signals to the gates of the switching elements Q1 and Q2. A DC voltage Vd (V) is supplied to the drain of the switching element Q1, and the source of the switching element Q1 and the drain of the switching element Q2 are commonly connected to one electrode of the capacitor C1. The source of the switching element Q2 is connected to GND (ground).

制御回路3cは、スイッチング素子Q1、Q2を交互に導通させて、キャパシタC1を介して送電コイル1に非正弦波である方形波を供給する。この方形波は、Vd(V)とGNDとの間でレベルが変化する、デューティ50%、振幅Vd(V)の波形である。キャパシタC1と送電コイル1は、図1に図示していない受電部を含め、図125の等価回路のようなLC直列共振回路を構成しているので、方形波信号に基づいて共振する。そして、振幅がVL(V)の正弦波交流が送電コイル1から図1に示した受電コイル2に伝送されて負荷RLに供給される。後述するが、振幅VL(V)は振幅Vd(V)よりも数倍から数十倍に昇圧される。   The control circuit 3c alternately turns on the switching elements Q1 and Q2, and supplies a square wave that is a non-sinusoidal wave to the power transmission coil 1 via the capacitor C1. This square wave is a waveform having a duty of 50% and an amplitude Vd (V), the level of which changes between Vd (V) and GND. Since the capacitor C1 and the power transmission coil 1 constitute an LC series resonance circuit such as the equivalent circuit of FIG. 125 including the power reception unit not shown in FIG. 1, the capacitor C1 and the power transmission coil 1 resonate based on the square wave signal. Then, a sine wave alternating current with an amplitude of VL (V) is transmitted from the power transmission coil 1 to the power reception coil 2 shown in FIG. 1 and supplied to the load RL. As will be described later, the amplitude VL (V) is boosted several to several tens of times higher than the amplitude Vd (V).

(LC直列共振回路の説明)
図73は、LC直列共振回路の特性を計測する回路図である。図73において、交流電源3bの交流電力出力端とGNDとの間には、基準コイルLsと、計測用キャパシタCxと、抵抗R2とが接続される。計測用キャパシタCxの両端には、オシロスコープ85が接続され、キャパシタCxの両端電圧が計測される。R2は0.1Ω程度の抵抗で、R2の両端電圧を計測することにより、LC直列共振回路に流れる交流電流を計測する、交流電源3bは、評価しようとするキャパシタCxのリアクタンスXcと、基準コイルLs単体のリアクタンスXiが等しくなるように、出力周波数が設定される。
(Description of LC series resonance circuit)
FIG. 73 is a circuit diagram for measuring the characteristics of the LC series resonance circuit. In FIG. 73, a reference coil Ls, a measurement capacitor Cx, and a resistor R2 are connected between the AC power output terminal of the AC power supply 3b and GND. An oscilloscope 85 is connected to both ends of the measurement capacitor Cx, and the voltage across the capacitor Cx is measured. R2 is a resistance of about 0.1Ω and measures the AC current flowing through the LC series resonance circuit by measuring the voltage across R2, and the AC power supply 3b has a reactance Xc of the capacitor Cx to be evaluated and a reference coil The output frequency is set so that reactance Xi of Ls alone is equal.

図74は、図73のLC直列共振回路の特性を計測する回路を構成する各素子の純抵抗成分(実効直列抵抗)を含む等価回路図である。図74において、Rc(Ω)はキャパシタCの実効直列抵抗、Riは送電コイル1の実効直列抵抗、Rm(Ω)は、コイル1の実効直列抵抗Riと、キャパシタCの実効直列抵抗Rcとの加算値(Ri+Rc)(Ω)であり、出力インピーダンスZs(Ω)は交流電源3bの出力インピーダンスを示す。   74 is an equivalent circuit diagram including a pure resistance component (effective series resistance) of each element constituting the circuit for measuring the characteristics of the LC series resonance circuit of FIG. In FIG. 74, Rc (Ω) is the effective series resistance of the capacitor C, Ri is the effective series resistance of the power transmission coil 1, and Rm (Ω) is the effective series resistance Ri of the coil 1 and the effective series resistance Rc of the capacitor C. The added value (Ri + Rc) (Ω), and the output impedance Zs (Ω) indicates the output impedance of the AC power supply 3b.

(キャパシタの説明)
まず、本願発明者は、図1の回路にて、キャパシタ以外の構成要素である交流電源3bと、送電コイル1、受電コイル2、負荷RLに全て同一のものを使い、周波数を同一として電力伝送試験を行ってみた。その結果、静電容量が同一のキャパシタを用いても、キャパシタの誘電体や構成が異なることによって、電力伝送性能が異なるのを見出した。また、同一の誘電体により構成されたキャパシタであっても、キャパシタの構成によって、電力伝送性能が異なるのを見出した。さらに、送電コイル1を変え、キャパシタの誘電体と構成が全く同一であっても、静電容量によって電力伝送性能が異なるのを見出した。
(Description of capacitor)
First, the inventor of the present application uses the same AC power source 3b, which is a component other than the capacitor, and the power transmission coil 1, the power reception coil 2, and the load RL in the circuit of FIG. I tried the test. As a result, it has been found that even when capacitors having the same capacitance are used, the power transmission performance differs depending on the capacitor dielectric and configuration. Moreover, even if it was the capacitor comprised by the same dielectric material, it discovered that electric power transmission performance differed with the structure of a capacitor. Furthermore, even if the power transmission coil 1 is changed and the configuration is exactly the same as the dielectric of the capacitor, it has been found that the power transmission performance varies depending on the capacitance.

そこで、本願発明者は、0.01μFの17種のキャパシタC1a〜C1sを用意し、まずLCRメータにて、キャパシタの特性を計測した。C1a,C1bはポリスチレン(PS)、C1c,C1gはポリプロピレン(PP)、C1dはポリカーボネート(PC)、C1e,C1fはポリフェニレンスルフィド(PPS)、C1j,C1qはポリエチレン(PE),C1h,C1m,C1r,C1sはセラミック(CE)、C1i,C1k、C1n,C1pはポリエチレンテレフタレート(PET)、をそれぞれ誘電体としている。   Therefore, the present inventor prepared 17 types of capacitors C1a to C1s of 0.01 μF, and first measured the characteristics of the capacitors with an LCR meter. C1a and C1b are polystyrene (PS), C1c and C1g are polypropylene (PP), C1d is polycarbonate (PC), C1e and C1f are polyphenylene sulfide (PPS), C1j and C1q are polyethylene (PE), C1h, C1m, C1r, C1s is made of ceramic (CE), C1i, C1k, C1n, and C1p are made of polyethylene terephthalate (PET) as dielectrics.

これらのキャパシタの特性を、100kHzにおいて実効直列抵抗Rcの低い順に並べ替えたものが表2になる。なお、表2に示す各キャパシタは、各5個程度を実測し、平均値を求め、平均値に近いキャパシタの特性値を記載したものである。ただし、特性が計測不能なキャパシタ、計測値に再現性が無いキャパシタ、電力伝送性能が著しく悪いキャパシタなど、基礎データとならないキャパシタは、表2から除外してある。また、前述した発熱のために使用できないポリスチレンキャパシタ、電力伝送性能の著しく悪いポリプロピレンキャパシタなども表2から除外してある。   Table 2 shows the characteristics of these capacitors rearranged in descending order of the effective series resistance Rc at 100 kHz. In addition, about each capacitor shown in Table 2, about 5 each is measured, an average value is calculated | required, and the characteristic value of the capacitor close | similar to an average value is described. However, capacitors that do not serve as basic data, such as capacitors whose characteristics cannot be measured, capacitors whose measurement values are not reproducible, and capacitors whose power transmission performance is extremely poor, are excluded from Table 2. Further, the above-described polystyrene capacitors that cannot be used due to heat generation and polypropylene capacitors that have extremely poor power transmission performance are also excluded from Table 2.

表2で、Cはキャパシタの静電容量を表し、単位はnFである。Rcは各周波数におけるキャパシタの実効直列抵抗を表し、Xcは各周波数におけるキャパシタのリアクタンスを表し、単位はΩである。Qは各周波数におけるキャパシタのQを表し、無単位である。tanδは各周波数におけるキャパシタの誘電正接を表し、無単位である。
In Table 2, C represents the capacitance of the capacitor, and its unit is nF . Rc represents the effective series resistance of the capacitor at each frequency, Xc represents the reactance of the capacitor at each frequency, and the unit is Ω. Q represents the Q of the capacitor at each frequency and is unitless. tan δ represents the dielectric loss tangent of the capacitor at each frequency and is unitless.

なお、表2には記載していないが、ポリエチレンナフタレート(PEN)を誘電体とするキャパシタについても、電力伝送性能を計測してある。ポリエチレンナフタレートキャパシタの電力伝送性能については、後述する。   In addition, although not described in Table 2, the power transmission performance is also measured for a capacitor using polyethylene naphthalate (PEN) as a dielectric. The power transmission performance of the polyethylene naphthalate capacitor will be described later.

これらのキャパシタの周波数特性については、使用可能な周波数領域を、実例を挙げて後述する。表2を基礎データとし、キャパシタの特性につき考察する。最初に、JISに規定されている本発明の実施形態に関連するキャパシタの特性を表3に記載しておく。   Regarding the frequency characteristics of these capacitors, usable frequency regions will be described later with examples. Using Table 2 as basic data, the characteristics of the capacitor will be discussed. First, the characteristics of the capacitor related to the embodiment of the present invention defined in JIS are listed in Table 3.

(キャパシタの特性計測の原理)
まず、キャパシタの特性を計測する原理について説明しておく。図75は、キャパシタの静電容量を計測する計測回路の原理回路図の一例で、LCRメータにおける静電容量の計測方法の一例を示す原理図である。
(Principle of capacitor characteristic measurement)
First, the principle of measuring capacitor characteristics will be described. FIG. 75 is an example of a principle circuit diagram of a measurement circuit that measures the capacitance of a capacitor, and is a principle diagram showing an example of a capacitance measurement method in an LCR meter.

図75の回路構成のLCRメータは、交流定電流源86と交流電圧計87とを含む。図75においてRzはプローブなどをキャパシタCの端子に電気的に接触させたときの接触抵抗である。交流定電流源86から交流定電流I(A)をキャパシタCに流し、キャパシタCの両端電圧V(V)を交流電圧計87で計測することにより、キャパシタCの静電容量を計測する。キャパシタCの両端電圧V(V)を正確に計測できるよう、いわゆる4端子計測法という手法が使われている。これは、微小電流や微小電圧を計測するときに、図75に示す接触抵抗Rz(Ω)などの影響を排除するためである。   The LCR meter having the circuit configuration of FIG. 75 includes an AC constant current source 86 and an AC voltmeter 87. In FIG. 75, Rz is a contact resistance when a probe or the like is brought into electrical contact with the terminal of the capacitor C. The capacitance of the capacitor C is measured by flowing an AC constant current I (A) from the AC constant current source 86 to the capacitor C and measuring the voltage V (V) across the capacitor C with an AC voltmeter 87. A so-called four-terminal measurement method is used so that the voltage V (V) across the capacitor C can be accurately measured. This is to eliminate the influence of the contact resistance Rz (Ω) shown in FIG. 75 when measuring a minute current or minute voltage.

なお、図示していないが、図75に示すLCRメータは、交流定電流源86の位相と交流電圧計87にて計測した電圧位相との位相差θを検知する手段を備えている。よって、図75に示すLCRメータは、複素インピーダンスを計測できる。   Although not shown, the LCR meter shown in FIG. 75 includes means for detecting a phase difference θ between the phase of the AC constant current source 86 and the voltage phase measured by the AC voltmeter 87. Therefore, the LCR meter shown in FIG. 75 can measure complex impedance.

キャパシタのリアクタンスXc(Ω)は、インピーダンスZ(Ω)であるので、
Xc(Ω)=Z(Ω)=V(V)/I(A)、として求められる。キャパシタCの静電容量C(F)を計測する角周波数をωとすると、C(F)=Xc(Ω)/ω、として静電容量C(F)が求められる。実際には、Zは複素インピーダンスであり、電流I(A)の位相は電圧V(V)の位相よりもθ(0度≦θ≦90度)進んでいる。したがって、キャパシタのリアクタンスXc(Ω)は、Xc(Ω)=Z・sinθ(Ω)、として求められる。また、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)は、Rc(Ω)=Z・cosθ(Ω)、として求められる。よって、C(F)=Xc(Ω)/ω=Z(Ω)・sinθ/ωとなる。上式より明らかなように、キャパシタのQは、Q=Xc(Ω)/Rc(Ω)、であるので、Q=(Z・sinθ/Z・cosθ)=tanθ、となる。Qは、電圧Vと電流Iの数値には関係なく、電流Iと電圧Vの位相差、θだけの関数となっている。位相差θは、θ=tan−1(Q)、として求められる。
Since the reactance Xc (Ω) of the capacitor is impedance Z (Ω),
Xc (Ω) = Z (Ω) = V (V) / I (A). When the angular frequency for measuring the capacitance C (F) of the capacitor C is ω, the capacitance C (F) is obtained as C (F) = Xc (Ω) / ω. Actually, Z is a complex impedance, and the phase of the current I (A) is advanced by θ (0 ° ≦ θ ≦ 90 °) from the phase of the voltage V (V). Therefore, the reactance Xc (Ω) of the capacitor is obtained as Xc (Ω) = Z · sin θ (Ω). The effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor is obtained as Rc (Ω) = Z · cos θ (Ω). Therefore, C (F) = Xc (Ω) / ω = Z (Ω) · sin θ / ω. As apparent from the above equation, the Q of the capacitor is Q = Xc (Ω) / Rc (Ω), so that Q = (Z · sin θ / Z · cos θ) = tan θ. Q is a function of only the phase difference, θ, between the current I and the voltage V, regardless of the numerical values of the voltage V and the current I. The phase difference θ is obtained as θ = tan−1 (Q).

(静電容量の時間変化の説明)
図76は、図75に示したLCRメータにて、電力伝送性能が悪いポリエチレンテレフタレートキャパシタC1n、セラミックキャパシタC1rの静電容量を計測したときの、計測開始時間から5分間の静電容量の変動を示すグラフである。
(Explanation of time change of capacitance)
FIG. 76 shows the fluctuation of the capacitance for 5 minutes from the measurement start time when the capacitance of the polyethylene terephthalate capacitor C1n and the ceramic capacitor C1r having poor power transmission performance is measured by the LCR meter shown in FIG. It is a graph to show.

本願発明者が図75に示したLCRメータにて、電力伝送性能が悪いキャパシタの静電容量を計測したところ、静電容量の表示が安定せず、一定表示となるまでに数分の時間を要した。図72,図73のLC直列回路においても、キャパシタには交流電流Ic(A)が流れている。したがって、Icが流れた瞬間からキャパシタの静電容量が安定するまでに相当の時間がかかる。これは、図72,図73の回路において、リアクタンスがゼロとなる周波数が時間と共に変動することを示している。すなわち、図72,図73の回路に表2に示したポリエチレンテレフタレートキャパシタC1n、セラミックキャパシタC1rを使うと、電流Ic(A)が変動したときに安定して動作させることができない。これは、実際に図72,図73の回路で確認するまでもなく、数桁の分解能がある一般のLCRメータで静電容量を計測し、静電容量値が安定するまでの時間を見れば簡単に分かることである。   When the inventor of the present application measured the capacitance of a capacitor having poor power transmission performance with the LCR meter shown in FIG. 75, the capacitance display was not stable, and it took several minutes until a constant display was obtained. It cost. Also in the LC series circuit of FIGS. 72 and 73, an alternating current Ic (A) flows through the capacitor. Accordingly, it takes a considerable time from the moment when Ic flows until the capacitance of the capacitor is stabilized. This indicates that in the circuits of FIGS. 72 and 73, the frequency at which the reactance becomes zero varies with time. That is, when the polyethylene terephthalate capacitor C1n and the ceramic capacitor C1r shown in Table 2 are used in the circuits of FIGS. 72 and 73, the circuit cannot be stably operated when the current Ic (A) fluctuates. If this is not actually confirmed by the circuits shown in FIGS. 72 and 73, the capacitance is measured with a general LCR meter having a resolution of several digits, and the time until the capacitance value is stabilized is seen. It is easy to understand.

実測結果から見ると、5秒程度以下で安定しないキャパシタは電力伝送性能が悪い。すなわち、計測開始から5秒後以降の計測数値が±0.1%以上変動しない必要がある。あるいは、5分間の計測時間で静電容量の変動率が、1%以下、計測開始から1分間の計測時間で静電容量の変動率が0.2%以下である必要がある。   From the actual measurement results, a capacitor that is not stable in about 5 seconds or less has poor power transmission performance. That is, it is necessary that the measured numerical value after 5 seconds from the start of measurement does not vary by ± 0.1% or more. Alternatively, it is necessary that the variation rate of capacitance is 1% or less in a measurement time of 5 minutes, and the variation rate of capacitance is 0.2% or less in a measurement time of 1 minute from the start of measurement.

図75の回路構成のLCRメータにおいては、前述したように、いわゆる4端子計測法という手法が使われている。このような微小電流や微小電圧を用いて静電容量を計測しても、静電容量を安定して計測できない。したがって、図73のように、計測した静電容量が安定していないキャパシタは、図69,図70の回路においても静電容量が安定せず、電力伝送性能が悪く、かつ電力伝送性能が変動する。   In the LCR meter having the circuit configuration of FIG. 75, as described above, a so-called four-terminal measurement method is used. Even if the capacitance is measured using such a minute current or minute voltage, the capacitance cannot be measured stably. Therefore, as shown in FIG. 73, a capacitor whose measured capacitance is not stable is not stable even in the circuits of FIGS. 69 and 70, power transmission performance is poor, and power transmission performance varies. To do.

強誘電体、例えば一部のセラミックキャパシタの温度特性は非常に悪く、70℃程度になると、静電容量が半分程度になる場合もあることが一般に知られている。このような、静電容量が温度により大きく変動する特性を持つキャパシタも、当然のことながら、本発明には使用できない。ただし、セラミックを誘電体とするキャパシタであっても、静電容量の温度特性がよいものもある。目安として、25℃のときの静電容量を基準とし、0℃から85℃の間で、静電容量の温度変化が、±5%以下であるのが、最低限満足しないとならない条件となる。   It is generally known that the temperature characteristics of a ferroelectric substance, for example, some ceramic capacitors, are very poor, and if the temperature is about 70 ° C., the capacitance may be about half. Such a capacitor having the characteristic that the capacitance greatly varies depending on the temperature cannot be used in the present invention. However, even a capacitor using ceramic as a dielectric has a good capacitance temperature characteristic. As a guide, the capacitance at 25 ° C. is used as a reference, and the temperature change of the capacitance between 0 ° C. and 85 ° C. is ± 5% or less. .

(昇圧比の説明)
次に、図74に示した直列共振回路を構成する基本回路の動作を説明する。図74において、ωL(Ω)=(1/ωC)(Ω)、となる周波数ωで、回路に流れる電流I(A)は最大値Ir(A)となる。これは、図125で、キャパシタC1と残留インダクタンスLeが共に短絡された状態である。
(Explanation of boost ratio)
Next, the operation of the basic circuit constituting the series resonant circuit shown in FIG. 74 will be described. In FIG. 74, the current I (A) flowing through the circuit becomes the maximum value Ir (A) at the frequency ω where ωL (Ω) = (1 / ωC) (Ω). This is a state where the capacitor C1 and the residual inductance Le are both short-circuited in FIG.

以降、共振周波数、または共振点と表記する場合、ωL(Ω)=(1/ωC)(Ω)、となる周波数を指すものとする。すなわち、直列共振回路において、コイルのリアクタンスXi(Ω)とキャパシタのリアクタンスXc(Ω)が、Xi(Ω)=Xc(Ω)、となる周波数frである。本願発明者は、交流電源3bと、送電コイル1に同一のものを使い、キャパシタを種々用意して、最大値Ir(A)を計測した。図74において、送電コイル1は、平面空芯状に構成されたものが使用されている。200kHzにおける交流電源3bの出力インピーダンスZsは、0.2Ωである。交流電源3bの開放出力電圧Vo(V)は実効値、1V(2Vp−p)に固定してある。交流電源3bの出力インピーダンスZs(Ω)は、交流電源3bの開放出力電圧のピーク値をVo(V)、交流電源3bの出力に2Ωの無誘導抵抗を接続したときの交流電源3bの出力電圧のピーク値をVt(V)とし、Zs(Ω)=2(Ω)×(Vo−Vt)(V)/Vo(V)、として求めてある。   Henceforth, when expressing with a resonance frequency or a resonance point, it shall refer to the frequency used as (omega) L (ohm) = (1 / omegaC) (ohm). That is, in the series resonance circuit, the reactance Xi (Ω) of the coil and the reactance Xc (Ω) of the capacitor are frequencies fr where Xi (Ω) = Xc (Ω). The inventor of the present application used the same AC power source 3b and the power transmission coil 1, prepared various capacitors, and measured the maximum value Ir (A). In FIG. 74, the power transmission coil 1 configured in a plane air-core shape is used. The output impedance Zs of the AC power supply 3b at 200 kHz is 0.2Ω. The open output voltage Vo (V) of the AC power supply 3b is fixed at an effective value of 1 V (2 Vp-p). The output impedance Zs (Ω) of the AC power supply 3b is the output voltage of the AC power supply 3b when the peak value of the open output voltage of the AC power supply 3b is Vo (V) and a non-inductive resistance of 2Ω is connected to the output of the AC power supply 3b. The peak value of V is determined as Vt (V), and Zs (Ω) = 2 (Ω) × (Vo−Vt) (V) / Vo (V).

同じく、200kHzにおける送電コイル1単体の実効直列抵抗Riは1.35Ω、インダクタンスは約60μH、リアクタンスXiは80Ωである。したがって、キャパシタの実効直列抵抗をRc(Ω)とすると、回路に流れる電流I(A)の最大値Ir(A)は、
Ir(A)=Vo(V)/(Zs(Ω)+Rw(Ω)+Rc(Ω))、となる。そして、送電コイル1の両端電圧Vi(V)は、Vi(V)=Xi(Ω)×Ir(A)、となる。すなわち、交流電源3bの出力インピーダンスZs(Ω)が十分に低く、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)が、Rc(Ω)<<Ri(Ω)、を満足しているならば、送電コイル1単体のQをQiとすると、送電コイル1の両端には、
Vi(V)=Vo(V)×Qi、の電圧が発生する。このQiを昇圧比Hと呼ぶ。実際には、キャパシタのQ、Qcを勘案し、直列共振回路のQ、Qrは、
1/Qr=1/Qc+1/Qi、なる関係にある。Qc>>Qi、が成立しない場合、昇圧比Hは、H=Qr、となる。上述したが、ωL1(Ω)=1/ωC1(Ω)、となる周波数では、コイルのリアクタンスXi(Ω)とキャパシタCのリアクタンスXc(Ω)が等しくなる。よって、キャパシタの両端電圧Vc(V)は、Vi(V)と等しくなる。本願発明者は、表2に示す、公称値0.01μFの各種キャパシタを使い、キャパシタの両端電圧Vc(V)、および前述した昇圧比H、H=Vc(V)/Vo(V)、をオシロスコープ85にて計測してみた。
Similarly, the effective series resistance Ri of the power transmission coil 1 alone at 200 kHz is 1.35Ω, the inductance is about 60 μH, and the reactance Xi is 80Ω. Therefore, when the effective series resistance of the capacitor is Rc (Ω), the maximum value Ir (A) of the current I (A) flowing through the circuit is
Ir (A) = Vo (V) / (Zs (Ω) + Rw (Ω) + Rc (Ω)). And the both-ends voltage Vi (V) of the power transmission coil 1 becomes Vi (V) = Xi (Ω) × Ir (A). That is, if the output impedance Zs (Ω) of the AC power supply 3b is sufficiently low and the effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor satisfies Rc (Ω) << Ri (Ω), the power transmission coil 1 If the single Q is Qi, both ends of the power transmission coil 1 are
A voltage of Vi (V) = Vo (V) × Qi is generated. This Qi is called a boost ratio H. Actually, considering the Q and Qc of the capacitor, the Q and Qr of the series resonant circuit are
1 / Qr = 1 / Qc + 1 / Qi. When Qc >> Qi is not established, the step-up ratio H is H = Qr. As described above, at the frequency where ωL1 (Ω) = 1 / ωC1 (Ω), the reactance Xi (Ω) of the coil and the reactance Xc (Ω) of the capacitor C are equal. Therefore, the voltage Vc (V) across the capacitor becomes equal to Vi (V). The inventor of the present application uses various capacitors having a nominal value of 0.01 μF shown in Table 2, and sets the voltage Vc (V) between both ends of the capacitor and the boost ratio H and H = Vc (V) / Vo (V) described above. I measured it with an oscilloscope 85.

図77は、表2に示した200kHzにおける各キャパシタの実効直列抵抗RcをX軸とし、昇圧比Hと駆動回路電流Id(mA)をY軸としたグラフである。図77に示す特性上の黒点は各キャパシタにおける昇圧比の実測値H,駆動回路電流IDを示している。図77において、Htは、Qrより計算した昇圧比の理論値である。なお、黒点は各キャパシタの計測値であり、中間点は、グラフにより補間している。   FIG. 77 is a graph with the effective series resistance Rc of each capacitor at 200 kHz shown in Table 2 as the X axis and the step-up ratio H and the drive circuit current Id (mA) as the Y axis. The black dots on the characteristics shown in FIG. 77 indicate the actual measurement value H of the boost ratio and the drive circuit current ID in each capacitor. In FIG. 77, Ht is a theoretical value of the step-up ratio calculated from Qr. In addition, a black point is a measured value of each capacitor, and an intermediate point is interpolated by a graph.

図78は、図77の回路に直列に抵抗R3を付加した回路図である。図78に示すR3の作用については後述する。交流電源3bの出力インピーダンスZs(Ω)は、0.2Ωと極めて低い。しかし、本実施形態においては、コイルの実効直列抵抗Ri(Ω)、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)、が2Ω以下であり、Zsを無視できない。そこで、Zsを考慮しなくて済むよう、LC直列回路に接続される交流電源の出力電圧をVt(V)とする。Vt(V)は前記Vo(V)よりも小さくなるが、Vt(V)を計測すれば、LC直列回路に流れる電流を、Zs(Ω)に関係なく計算することができる。以下、Vt(V)とVo(V)を、実施形態によって使い分けることにする。   FIG. 78 is a circuit diagram in which a resistor R3 is added in series to the circuit of FIG. The action of R3 shown in FIG. 78 will be described later. The output impedance Zs (Ω) of the AC power supply 3b is as extremely low as 0.2Ω. However, in this embodiment, the effective series resistance Ri (Ω) of the coil and the effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor are 2Ω or less, and Zs cannot be ignored. Therefore, the output voltage of the AC power source connected to the LC series circuit is set to Vt (V) so that Zs need not be considered. Vt (V) is smaller than Vo (V), but if Vt (V) is measured, the current flowing through the LC series circuit can be calculated regardless of Zs (Ω). Hereinafter, Vt (V) and Vo (V) will be properly used according to the embodiment.

図77より、キャパシタにより昇圧比Hが異なることが分かる。直列共振点では、リアクタンス成分がゼロとなり、純抵抗成分である実効直列抵抗Rm(Ω)のみとなる。それによって、コイルの両端に発生する電圧Vi(V)は、
Vi(V)=Ir(A)×Xi(Ω)、となる。
From FIG. 77, it can be seen that the boost ratio H differs depending on the capacitor. At the series resonance point, the reactance component becomes zero and only the effective series resistance Rm (Ω) which is a pure resistance component. Thereby, the voltage Vi (V) generated at both ends of the coil is
Vi (V) = Ir (A) × Xi (Ω).

キャパシタの両端に発生する電圧Vc(V)は、
Vc(V)=Ir(A)×Xc(Ω)、となる。
The voltage Vc (V) generated across the capacitor is
Vc (V) = Ir (A) × Xc (Ω).

直列共振点では、Xi(Ω)=Xc(Ω)であるので、Vi(V)=Vc(V)、である。Vi(V)とVc(V)は、共に位相が180度ずれており、かつ、振幅が等しいので、図78のA点とB点間の電圧は、理論上ゼロとなる。すなわち、A点とB点間は短絡と同じ状態になる。実際には、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)とコイルの実効直列抵抗Ri(Ω)が存在するので、A点とB点間には正弦波の残留電圧が発生する。   Since Xi (Ω) = Xc (Ω) at the series resonance point, Vi (V) = Vc (V). Since Vi (V) and Vc (V) are both 180 degrees out of phase and have the same amplitude, the voltage between point A and point B in FIG. 78 is theoretically zero. That is, the point A and the point B are in the same state as a short circuit. Actually, since there is an effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor and an effective series resistance Ri (Ω) of the coil, a sine wave residual voltage is generated between the points A and B.

電流Ir(A)=Vo(V)/(Zs(Ω)+Ri(Ω)+Rc(Ω))、に、
Zs=0.2Ω、Ri=1.35Ω、を代入すると、
Zs+Ri+Rc=Rc+1.55Ω、となり、Rc≒0Ω、なら、共振周波数における回路電流Ir(A)は、理論上、Ir=1V/1.55Ω=666mA、となる。
Current Ir (A) = Vo (V) / (Zs (Ω) + Ri (Ω) + Rc (Ω)),
Substituting Zs = 0.2Ω and Ri = 1.35Ω,
Zs + Ri + Rc = Rc + 1.55Ω, and if Rc≈0Ω, the circuit current Ir (A) at the resonance frequency is theoretically Ir = 1V / 1.55Ω = 666 mA.

図73の回路において、R2を0.1Ωの交流電流計測用抵抗とし、表2の実効直列抵抗Rc(Ω)が0.01ΩのポリスチレンキャパシタC1aを使い、図73に示すように、オシロスコープ85で、R2の両端電圧の極大値を計測すると83mVであった。よって、図73の回路には、尖頭値、83mV/0.1Ω=830mA、の電流が流れていることになる。すなわち、830/√2=586mAの実効電流が流れていることになり、ほぼ理論通りの結果が得られた。理論値666mAと、実測値586mAの差異は、交流電流計測用抵抗R2が回路に直列に付加されたからと推察される。   In the circuit of FIG. 73, R2 is a resistance for AC current measurement of 0.1Ω, and a polystyrene capacitor C1a having an effective series resistance Rc (Ω) of Table 2 of 0.01Ω is used, as shown in FIG. The maximum value of the voltage across R2 was 83 mV. Therefore, a current of peak value, 83 mV / 0.1Ω = 830 mA flows in the circuit of FIG. That is, an effective current of 830 / √2 = 586 mA is flowing, and a result almost as expected is obtained. The difference between the theoretical value 666 mA and the actually measured value 586 mA is presumed to be because the AC current measuring resistor R2 is added in series to the circuit.

図74の回路中の実効直列抵抗Rm(Ω)は、Rm=Ri+Rc=1.55Ωである。共振点にて、実効直列抵抗Rmが消費する電力Prは、
Pr=0.586(A)×1.55(Ω)=0.52W、になる。直流電源12の出力電圧は2V、出力電流は0.26Aで、出力電力は、2V×0.26A=0.52W、となり、ほぼ理論と合致する結果が得られている。
The effective series resistance Rm (Ω) in the circuit of FIG. 74 is Rm = Ri + Rc = 1.55Ω. At the resonance point, the power Pr consumed by the effective series resistance Rm is
Pr = 0.586 (A) 2 × 1.55 (Ω) = 0.52 W. The output voltage of the DC power supply 12 is 2 V, the output current is 0.26 A, and the output power is 2 V × 0.26 A = 0.52 W, which is a result that almost agrees with the theory.

しかしながら、表2の一部のキャパシタは、60p
Ir(A)=Vo(V)/(Zs(Ω)+Ri(Ω)+Rc(Ω))、の関係、および、
Ir(A)=Vt(V)/(Ri(Ω)+Rc(Ω))=Vt(V)/(Rm(Ω))、の関係、を満足していない。また、昇圧比Hについても、直列共振回路のQをQrとしたときに、1/Qr=1/Qc+1/Qi、の関係から求められる昇圧比Hの理論値を満足していない。すなわち、H≠Qr、となっている。
However, some capacitors in Table 2 are 60p
Ir (A) = Vo (V) / (Zs (Ω) + Ri (Ω) + Rc (Ω)), and
The relationship Ir (A) = Vt (V) / (Ri (Ω) + Rc (Ω)) = Vt (V) / (Rm (Ω)) is not satisfied. Further, the boost ratio H does not satisfy the theoretical value of the boost ratio H obtained from the relationship 1 / Qr = 1 / Qc + 1 / Qi, where Q is Q of the series resonance circuit. That is, H ≠ Qr.

実例を示すと、例えば表3のセラミックキャパシタC1rは、200kHzにおける実効直列抵抗Rcが1.57Ωとなっている。したがって、Zs+Rw+Rcは、
Zs+Rw+Rc=0.2+1.35+1.57=3.12Ω、となる。
For example, the ceramic capacitor C1r in Table 3 has an effective series resistance Rc of 1.57Ω at 200 kHz. Therefore, Zs + Rw + Rc is
Zs + Rw + Rc = 0.2 + 1.35 + 1.57 = 3.12Ω.

図74において、理論上の共振点における回路電流Itは、実効値で、
It=1V/3.12Ω=320mAとなる。
In FIG. 74, the circuit current It at the theoretical resonance point is an effective value,
It = 1V / 3.12Ω = 320 mA.

よって、図74の理論上の消費電力Pt、Pt=I2R(W)、は、
Pt=IR=0.32A×0.32A×3.12Ω=0.32W、となる。
Therefore, the theoretical power consumption Pt, Pt = I2R (W) in FIG.
Pt = I 2 R = 0.32A × 0.32A × 3.12Ω = 0.32W.

一方、図69の駆動回路の実測電流は、63mAであり、図74の回路に投入される電力は、
2V×0.063A=0.126W、となる。すなわち、理論上は、0.32Wを消費するべき図70の回路が、実測上は、0.126Wしか消費していない。
On the other hand, the actual measurement current of the drive circuit of FIG. 69 is 63 mA, and the power input to the circuit of FIG.
2V × 0.063A = 0.126W. That is, theoretically, the circuit of FIG. 70 that should consume 0.32 W consumes only 0.126 W in actual measurement.

また、この電力から図72の回路電流Iを逆算すると、
I=√(P/R)=√(0.126W/3.12Ω)=200mAとなる。
In addition, when the circuit current I in FIG.
I = √ (P / R) = √ (0.126 W / 3.12Ω) = 200 mA.

理論値Itは320mAであるが、実測値Iは、200mAとなっている。   The theoretical value It is 320 mA, but the actual measurement value I is 200 mA.

理論値から計算したキャパシタの両端電圧Vcは、実効値で、
Vc=75.4Ω×0.32A=23.17V、となる。
The voltage Vc across the capacitor calculated from the theoretical value is an effective value,
Vc = 75.4Ω × 0.32A = 23.17V.

理論上の昇圧比Htは、Ht=23.17/1=23.17となるが、実測した昇圧比Hは10.8程度しかない。昇圧比Ht、Hを、キャパシタ電圧を示すものとする。   The theoretical boost ratio Ht is Ht = 23.17 / 1 = 23.17, but the actually measured boost ratio H is only about 10.8. The step-up ratios Ht and H represent the capacitor voltage.

以上の結果をまとめると、理論値と実測値の比は、
電流では、200mA/320mA=0.625
電圧では、10.8/23.17=0.466
電力では、126mW/320mW=0.394
となる。いずれも理論値よりも小さい値となっている。しかし、後述するが、理論値よりも大きくなる場合もある。これは、キャパシタの静電容量が、0.01μFではなく、表2より、最大で、±10%程度の偏差があり、共振周波数が200kHzよりずれているからと推察される。図70の直列共振回路を利用し、このようにしてキャパシタの性能を判断することができる。
Summarizing the above results, the ratio between theoretical and measured values is
In current, 200 mA / 320 mA = 0.625
In voltage, 10.8 / 23.17 = 0.466
In power, 126mW / 320mW = 0.394
It becomes. Both values are smaller than the theoretical values. However, as will be described later, it may be larger than the theoretical value. This is presumed that the capacitance of the capacitor is not 0.01 μF, and from Table 2, there is a maximum deviation of about ± 10%, and the resonance frequency is shifted from 200 kHz. Using the series resonance circuit of FIG. 70, the performance of the capacitor can be determined in this way.

図77には、理論上の昇圧比Ht=Qrがプロットされている。なお、図77で、セラミックキャパシタC1hは、実効直列抵抗Rcから計算した理論値とずれている。これは、セラミックキャパシタC1rを参照し前述した理論値と合致しないキャパシタで、以下の規定を満足していない。これについては後述する。   In FIG. 77, the theoretical boost ratio Ht = Qr is plotted. In FIG. 77, the ceramic capacitor C1h deviates from the theoretical value calculated from the effective series resistance Rc. This is a capacitor that does not match the theoretical value described above with reference to the ceramic capacitor C1r, and does not satisfy the following rules. This will be described later.

以上の実験結果より、理論上の昇圧比Htと、実測した昇圧比Hの比、H/Htが、
H/Ht>0.9、の条件を満足すれば、後述する所定の電力伝送性能を確保できる。
From the above experimental results, the theoretical step-up ratio Ht and the ratio of the actually measured step-up ratio H, H / Ht,
If the condition of H / Ht> 0.9 is satisfied, predetermined power transmission performance described later can be ensured.

図77を参照すると、H/Ht>1、となるキャパシタも存在する。前述したように、それらのキャパシタの静電容量が0.01μFよりも小さく、共振周波数が高くなる。コイルは同一であるため、コイルのリアクタンスXi(Ω)が大きくなる。その結果、キャパシタのリアクタンスXi(Ω)も大きくなる。共振点での駆動回路電流IDr(A)は、コイルの実効直列抵抗Ri(Ω)と、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)のみで決まる。よって、駆動回路電流IDr(A)は同一なので、キャパシタの両端電圧、
Vc(V)=Xc(Ω)×IDr(A)、が大きくなるからと推察される。
Referring to FIG. 77, there is a capacitor where H / Ht> 1. As described above, the capacitance of these capacitors is smaller than 0.01 μF, and the resonance frequency is increased. Since the coils are the same, the reactance Xi (Ω) of the coils is increased. As a result, the reactance Xi (Ω) of the capacitor also increases. The drive circuit current IDr (A) at the resonance point is determined only by the effective series resistance Ri (Ω) of the coil and the effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor. Therefore, since the drive circuit current IDr (A) is the same, the voltage across the capacitor,
It is assumed that Vc (V) = Xc (Ω) × IDr (A) increases.

ここで、It(A)=Vt(V)/(Ri(Ω)+Rc(Ω))、とすると、上記の実験結果から、理論上の回路電流Itと実測した回路電流Irの比、Ir/Itが、
Ir(A)/It(A)>0.9、の条件を満足すれば、後述する所定の電力伝送性能を確保できる。これは、直列共振点において、交流電源3bの出力電圧をVt(V)、キャパシタの両端電圧をVc(V)、とすると、Vc(V)/Vt(V)>0.9、の条件を満足するのと等価である。前述したが、H=Vc(V)/Vt(V)である。よって、Vc(V)/Vt(V)>0.9、の条件は、実測した昇圧比をHとし、LC直列回路のQをQrとすると、H>0.9×Qr、と等価である。共振周波数の差異によっては、H>Ht、となることがある。しかし、通常はHt>H、であるので、特にHの上限を規定する必要はない。図77の実測結果からは、H>Ht、となる場合、Hは、Htの1.2倍程度であった。なお、昇圧比Hのシンボルを定義した関係上、Htを定義しているが、Ht=Qrである。これは、前述した理論の通りである。
Here, if It (A) = Vt (V) / (Ri (Ω) + Rc (Ω)), the ratio of the theoretical circuit current It to the actually measured circuit current Ir, Ir / It is
If the condition of Ir (A) / It (A)> 0.9 is satisfied, predetermined power transmission performance described later can be ensured. This is because, at the series resonance point, when the output voltage of the AC power supply 3b is Vt (V) and the voltage across the capacitor is Vc (V), the condition of Vc (V) / Vt (V)> 0.9 is satisfied. It is equivalent to being satisfied. As described above, H = Vc (V) / Vt (V). Therefore, the condition of Vc (V) / Vt (V)> 0.9 is equivalent to H> 0.9 × Qr, where H is the actually measured boost ratio and Qr is the Q of the LC series circuit. . Depending on the difference in resonance frequency, H> Ht may be satisfied. However, since normally Ht> H, it is not necessary to specify the upper limit of H in particular. From the actual measurement result of FIG. 77, when H> Ht, H was about 1.2 times Ht. Note that Ht is defined because the symbol of the boost ratio H is defined, but Ht = Qr. This is the same as the theory described above.

そして、理論上の回路電力Ptと実測した回路電力Pの比、P/Ptが、
0.8<P/Pt、の条件を満足すれば、後述する所定の電力伝送性能を確保できる。
The ratio of theoretical circuit power Pt to measured circuit power P, P / Pt,
If the condition of 0.8 <P / Pt is satisfied, predetermined power transmission performance described later can be ensured.

上述した、H/Ht、I/It、P/Pt、と電力伝送性能の相関については、実例を挙げて後述する。次に、1/Qr=1/Qc+1/Qi、を計算してみる。   The above-described correlation between H / Ht, I / It, P / Pt, and power transmission performance will be described later with examples. Next, 1 / Qr = 1 / Qc + 1 / Qi is calculated.

表2より、セラミックキャパシタC1rの200kHzにおける、Xc=72.4Ω、共振点では、Xc(Ω)=Xi(Ω)、であるから、
Qi=Xi/Ri=72.4Ω/1.35Ω=53.62、
Qc=Xc/Rc=72.4Ω/1.57Ω=46.11
1/Qi+1/Qc=1/53.62+1/46.11=0.04
Qr=1/0.041=24.8、となり、
上記に求めた理論上の昇圧比Ht=23.17との若干の差異が出るが、上記に求めた理論上の昇圧比Htは、交流電源の出力インピーダンスZsを加味しており、出力インピーダンスZsを除外して計算すると、Ri+Rc=1.35Ω+1.57Ω=2.92Ω、Ir=Vt(V)/(Ri(Ω)+Rc(Ω))=1V/2.92Ω=0.342A、
Vc=72.4Ω×0.342A=24.8V、となり、Ht=Qr、となる。上述したように、実際の昇圧比Hは、10.8であり、キャパシタC1rは、理論上の相関、
1/Qr=1/Qc+1/Qi、の関係を満足していない。
From Table 2, Xc = 72.4Ω at 200 kHz of the ceramic capacitor C1r, and Xc (Ω) = Xi (Ω) at the resonance point.
Qi = Xi / Ri = 72.4Ω / 1.35Ω = 53.62
Qc = Xc / Rc = 72.4Ω / 1.57Ω = 46.11
1 / Qi + 1 / Qc = 1 / 53.62 + 1 / 46.11 = 0.04
Qr = 1 / 0.041 = 24.8.
Although there is a slight difference from the theoretical boost ratio Ht = 23.17 obtained above, the theoretical boost ratio Ht obtained above takes into account the output impedance Zs of the AC power supply, and the output impedance Zs. , Ri + Rc = 1.35Ω + 1.57Ω = 2.92Ω, Ir = Vt (V) / (Ri (Ω) + Rc (Ω)) = 1V / 2.92Ω = 0.342A,
Vc = 72.4Ω × 0.342A = 24.8V, and Ht = Qr. As described above, the actual boost ratio H is 10.8, and the capacitor C1r has a theoretical correlation,
The relationship 1 / Qr = 1 / Qc + 1 / Qi is not satisfied.

上記に述べてきたように、キャパシタ自体に交流電流が流れるような、図1、図72の回路構成に使われるキャパシタの特性については、従来、理論値と実験値の差異などが全く検討されておらず、先行文献も存在していない。   As described above, regarding the characteristics of the capacitor used in the circuit configuration of FIGS. 1 and 72 in which an alternating current flows in the capacitor itself, the difference between the theoretical value and the experimental value has been completely studied. There is no prior literature.

図77と計算より、昇圧比Hが理論値と合致するキャパシタもあれば、キャパシタによっては、昇圧比Hが理論値Htと異なることが分かった。そこで、本願発明者は、図73において、キャパシタの両端電圧を、再度オシロスコープ85にて計測してみた。   From FIG. 77 and the calculation, it was found that if there is a capacitor whose boost ratio H matches the theoretical value, the boost ratio H differs from the theoretical value Ht depending on the capacitor. Therefore, the inventor of the present application measured the voltage across the capacitor with the oscilloscope 85 again in FIG.

(キャパシタの性能評価方法、性能評価装置の実施例の説明)
図79は、図73の共振点における、表3のポリプロピレンキャパシタC1c両端の交流電圧波形である。図80は、表2に示すセラミックキャパシタC1r両端の交流電圧波形である。図81は、図78の回路において、R3を30Ω程度としたときのセラミックキャパシタC1r両端の交流電圧波形である。
(Explanation of Examples of Capacitor Performance Evaluation Method and Performance Evaluation Device)
79 is an AC voltage waveform across the polypropylene capacitor C1c of Table 3 at the resonance point of FIG. FIG. 80 is an AC voltage waveform across the ceramic capacitor C1r shown in Table 2. FIG. 81 is an AC voltage waveform across the ceramic capacitor C1r when R3 is about 30Ω in the circuit of FIG.

図79,図80は、図73におけるR2を取り除き、図73のGNDを基準として各キャパシタの両端電圧を計測したものである。なお、オシロスコープ85のGNDは、図73のように、交流電源3bのGNDと接続しなければならない。これは、後述するGNDに対する正のピーク値Vp、負のピーク値Vnを計測し、VpとVnの比、Vp/Vn、を求めたときに、Vp/Vn>1、となるようにするためである。逆接続すると、Vp/Vn<1、となり、数値規定から外れてしまう。また、オシロスコープ85のGNDは、低インピーダンス点に接続しないと、観測波形が不安定になるからでもある。   79 and 80 are obtained by measuring the voltage across each capacitor with reference to GND in FIG. 73 with R2 in FIG. 73 removed. The GND of the oscilloscope 85 must be connected to the GND of the AC power supply 3b as shown in FIG. This is because when a positive peak value Vp and a negative peak value Vn with respect to GND, which will be described later, are measured and a ratio of Vp and Vn, Vp / Vn, is obtained, Vp / Vn> 1. It is. When reverse connection is established, Vp / Vn <1, which is not within the numerical value specification. Also, if the ground of the oscilloscope 85 is not connected to a low impedance point, the observed waveform becomes unstable.

図79と図80を比較すれば分かるように、図79では、ポリプロピレンキャパシタC1cの両端電圧波形がゼロ点(図73のGND)に対し、正負ともにほぼ対称である。一方、図81では、セラミックキャパシタC1rの両端電圧波形が、ゼロ点に対しプラス方向にシフトしており、正負非対称の波形になっている。すなわち、セラミックキャパシタC1rの両端電圧波形には、正の直流成分が含まれている。このような現象は、前述した図78の回路において、30Ω程度の無誘導抵抗R3を直列に挿入するとさらに顕著となる。この、ゼロ点に対し大きくプラス方向にシフトしている波形が、図81である。ポリプロピレンキャパシタC1cの両端電圧を、図81と同一の条件で計測した場合、正方向へのシフトは、非常に少ないのが、実験上確認されている。   As can be seen from a comparison between FIG. 79 and FIG. 80, in FIG. 79, the voltage waveform across the polypropylene capacitor C <b> 1 c is almost symmetrical with respect to the zero point (GND in FIG. 73). On the other hand, in FIG. 81, the voltage waveform at both ends of the ceramic capacitor C1r is shifted in the plus direction with respect to the zero point, and has a positive and negative asymmetric waveform. That is, a positive DC component is included in the voltage waveform across the ceramic capacitor C1r. Such a phenomenon becomes more prominent when a non-inductive resistor R3 of about 30Ω is inserted in series in the circuit of FIG. 78 described above. FIG. 81 shows a waveform that is largely shifted in the positive direction with respect to the zero point. It has been experimentally confirmed that when the voltage across the polypropylene capacitor C1c is measured under the same conditions as in FIG. 81, there is very little shift in the positive direction.

図82は、表2に示す各キャパシタの、200kHzにおける実効直列抵抗RcをX軸とし、正弦波からのシフト比SをY軸としたグラフである。図82を見ると、黒点に示す各キャパシタの実効直列抵抗Rcと、正弦波からのシフト比Sとに相関は見られない。   FIG. 82 is a graph of the capacitors shown in Table 2 with the effective series resistance Rc at 200 kHz as the X axis and the shift ratio S from the sine wave as the Y axis. As shown in FIG. 82, there is no correlation between the effective series resistance Rc of each capacitor indicated by a black dot and the shift ratio S from the sine wave.

図83は、表2に示す各キャパシタの、ゼロ点からのシフト比をX軸とし、Y軸を電力伝送性能としたグラフである。図84は、表2に示す各キャパシタの、200kHzにおける実効直列抵抗RcをX軸とし、Y軸を電力伝送性能としたグラフである。図85は、表2に示す各キャパシタの、誘電正接tanδをX軸とし、Y軸を電力伝送性能としたグラフである。   FIG. 83 is a graph in which the shift ratio from the zero point of each capacitor shown in Table 2 is taken as the X axis, and the Y axis is taken as the power transmission performance. FIG. 84 is a graph of the capacitors shown in Table 2 with the effective series resistance Rc at 200 kHz as the X axis and the Y axis as the power transmission performance. FIG. 85 is a graph of each capacitor shown in Table 2 with the dielectric loss tangent tan δ as the X axis and the Y axis as the power transmission performance.

図83から図85において、電力伝送性能は、2次側電力P2(W)と、伝送効率ηで示される。2次側電力P2は、受電側の交流電圧を一定とし、送電コイル1、受電コイル2、両コイルの相対位置、負荷抵抗値を同一とし、2次側に伝送可能な最大電力P2(W)を示す。伝送効率ηは、送電側に投入される直流電力Pd(W)と負荷抵抗の両端をオシロスコープ85によりモニターし、負荷抵抗の両端のp−p電圧Vp(V)から求めた交流電圧の実効値Ve(V)、Ve=Vp/2√2(V)、より計算した負荷電力Ps(W)の比η、η=PsW/PdW、である。また、2次側電力P2は3.25W以上、電力伝送効率ηは80%以上を基準とし、この基準を満足するX軸の条件を規定している。以下の説明で、電力伝送性能は、2次側電力P2と、伝送効率ηとを意味するものとする。   83 to 85, the power transmission performance is indicated by secondary side power P2 (W) and transmission efficiency η. The secondary power P2 is the maximum power P2 (W) that can be transmitted to the secondary side with the AC voltage on the power receiving side being constant, the power transmission coil 1, the power receiving coil 2, the relative position of both coils, and the load resistance value being the same. Indicates. The transmission efficiency η is the effective value of the AC voltage obtained by monitoring the both ends of the DC power Pd (W) input to the power transmission side and the load resistance with the oscilloscope 85 and calculating from the pp voltage Vp (V) at both ends of the load resistance. Ve (V), Ve = Vp / 2√2 (V), the ratio η of the load power Ps (W) calculated from the above, η = PsW / PdW. The secondary power P2 is 3.25 W or more and the power transmission efficiency η is 80% or more as a reference, and the X-axis condition that satisfies this criterion is defined. In the following description, power transmission performance means secondary power P2 and transmission efficiency η.

上記の基準は、電力伝送装置の電力損失が、図74のZs、Rc、Riに起因して発生し、4W前後の電力伝送では、1Wの電力損失が実用化の上限だからである。この条件から計算すると、電力伝送効率は75%となる。また、コイルの大きさは異なるが、誘導加熱器(電磁調理器)の電気エネルギーを熱エネルギーに変換する効率は85%程度である。したがって、75%と85%の中間値として、80%の伝送効率を規定している。2次側に伝送可能な最大電力は、約4.1Wである。よって、伝送効率が80%より、4.1×0.8≒3.25W、として2次側の電力下限を規定している。   The above criteria is because the power loss of the power transmission device occurs due to Zs, Rc, and Ri in FIG. 74, and the power loss of 1 W is the upper limit for practical use in power transmission around 4 W. When calculated from this condition, the power transmission efficiency is 75%. Moreover, although the magnitude | sizes of a coil differ, the efficiency which converts the electrical energy of an induction heater (electromagnetic cooking device) into heat energy is about 85%. Therefore, 80% transmission efficiency is defined as an intermediate value between 75% and 85%. The maximum power that can be transmitted to the secondary side is about 4.1 W. Therefore, from the 80% transmission efficiency, the secondary power lower limit is defined as 4.1 × 0.8≈3.25 W.

ゼロ電位とプラス電位の方形波としたような、交流電源3bの出力の電圧の時間平均値がゼロではなく、直流成分が含まれている場合、図73、図78の回路において、キャパシタの両端電圧Vc(V)はゼロ電位に対し、プラス側にシフトした正弦波となる。さらに、図78の回路において、R3を、Xc=80Ωよりも大きい値、例えば、100Ω程度とすると、直列共振回路のQが低下し、波形が三角波に近づくとともに、キャパシタの両端電圧波形の極小値がゼロ電位よりも高くなる。   When the time average value of the output voltage of the AC power supply 3b is not zero and includes a DC component, such as a square wave of zero potential and plus potential, both ends of the capacitor in the circuits of FIGS. 73 and 78. The voltage Vc (V) is a sine wave shifted to the plus side with respect to the zero potential. Further, in the circuit of FIG. 78, when R3 is a value larger than Xc = 80Ω, for example, about 100Ω, the Q of the series resonant circuit decreases, the waveform approaches a triangular wave, and the minimum value of the voltage waveform across the capacitor Becomes higher than zero potential.

実際には、図73において、コイル1の実効直列抵抗Ri(Ω)、および交流電源の出力インピーダンスZs(Ω)をゼロにすることは困難である。よって、キャパシタのリアクタンスXc(Ω)、またはコイル1のリアクタンスXi(Ω)と、コイル1の実効直列抵抗Ri(Ω)、交流電源の出力インピーダンスZs(Ω)を計測しておき、キャパシタ両端の波形を観測する。   In practice, in FIG. 73, it is difficult to make the effective series resistance Ri (Ω) of the coil 1 and the output impedance Zs (Ω) of the AC power supply zero. Therefore, the reactance Xc (Ω) of the capacitor or the reactance Xi (Ω) of the coil 1, the effective series resistance Ri (Ω) of the coil 1, and the output impedance Zs (Ω) of the AC power source are measured in advance. Observe the waveform.

キャパシタに印加される電圧Vc(V)に比べ、キャパシタに流れる電流Ic(A)は90度進んでいる。Vc(V)とIc(A)の瞬時値を掛けて、一周期積分すればVcとIcの積はゼロとなる。すなわち、リアクタンス性素子であるキャパシタは、交流電力を消費しない。キャパシタに印加される電流に、図81のような直流電圧Vjが重畳されているとする。この場合において、VcとIcの瞬時値を掛けて、一周期積分してみる。   Compared with the voltage Vc (V) applied to the capacitor, the current Ic (A) flowing through the capacitor is advanced by 90 degrees. Multiplying the instantaneous values of Vc (V) and Ic (A) and integrating for one period, the product of Vc and Ic becomes zero. That is, the capacitor which is a reactive element does not consume AC power. It is assumed that a DC voltage Vj as shown in FIG. 81 is superimposed on the current applied to the capacitor. In this case, multiply the instantaneous value of Vc and Ic and integrate for one period.

Vc=Vj+Vm・sinφ(V)、Ic=cosφ(A)、として、
Vc×Ic=(Vj+Vm・sinφ)×cosφ(W)
=Vj・cosφ+Vm・sinφ・cosφ(W)
=Vj・cosφ+Vm・(1/2)sin2φ(W)
となり、φを独立変数として、Vj・cosφ、と、Vm・sin2φ、を0から2πまで定積分すれば、いずれもゼロになるのは、数学上自明である。すなわち、キャパシタに印加される交流電圧に直流成分が重畳されていても、キャパシタは電力を消費しない。これが、キャパシタが直流電流を遮断し、交流電流のみを通過させる作用である。
Vc = Vj + Vm · sinφ (V), Ic = cosφ (A),
Vc × Ic = (Vj + Vm · sinφ) × cosφ (W)
= Vj · cos φ + Vm · sin φ · cos φ (W)
= Vj · cosφ + Vm · (1/2) sin2φ (W)
Mathematically, if φ is an independent variable and Vj · cos φ and Vm · sin 2φ are definitely integrated from 0 to 2π, both become zero. That is, even if a DC component is superimposed on an AC voltage applied to the capacitor, the capacitor does not consume power. This is the effect that the capacitor blocks the direct current and allows only the alternating current to pass.

したがって、図78において、直流電流が流れる抵抗R3の両端電圧および送電コイル1の両端電圧は、ゼロ点(図70のGND)に対しほぼ対称である。一方、キャパシタCの両端電圧は、図80,図81に示すように、ゼロ点に対しシフトしている。   Therefore, in FIG. 78, the both-ends voltage of resistance R3 through which a direct current flows and the both-ends voltage of power transmission coil 1 are substantially symmetrical with respect to the zero point (GND in FIG. 70). On the other hand, the voltage across the capacitor C is shifted with respect to the zero point as shown in FIGS.

上記の回路理論を前提とすると、キャパシタ両端の交流電圧波形Vcがゼロ点に対してシフト比Sは、以下のようにして求められる。まず、直列回路中の全ての実効直列抵抗の和をRr、共振周波数におけるキャパシタのリアクタンスをXcr(Ω)、位相角をθ(度)、キャパシタの両端電圧のp−p値をVp(V)、ゼロ点よりのシフト値をVm(V)とすると、前述したように、
tan−1(Xcr/Rr)=θ(度)、
Vm=Vcp×(1/2)cosθ(V)、となる。
Assuming the above circuit theory, the shift ratio S is obtained as follows with respect to the zero point of the AC voltage waveform Vc across the capacitor. First, the sum of all effective series resistances in the series circuit is Rr, the reactance of the capacitor at the resonance frequency is Xcr (Ω), the phase angle is θ (degrees), and the pp value of the voltage across the capacitor is Vp (V). Assuming that the shift value from the zero point is Vm (V), as described above,
tan −1 (Xcr / Rr) = θ (degrees),
Vm = Vcp × (½) cos θ (V).

上式に、前述した200kHzにおけるリアクタンス、Xc=Xi=80Ω、実効直列抵抗、Ri=1.35Ω、交流電源の出力インピーダンス、Zs=0.2Ω、直列回路中の全ての実効直列抵抗の和、Rr=1.55Ωを代入してみると、
tan−1(Xcr/Rr)=tan−1(80/1.55)=88.89度
Vm=Vcp×(1/2)cos88.89度=(Vcp/2)・0.0193
Vm=Vcp×0.00968、となる。
In the above equation, reactance at 200 kHz, Xc = Xi = 80Ω, effective series resistance, Ri = 1.35Ω, output impedance of AC power supply, Zs = 0.2Ω, sum of all effective series resistances in the series circuit, Substituting Rr = 1.55Ω,
tan −1 (Xcr / Rr) = tan −1 (80 / 1.55) = 88.89 degrees Vm = Vcp × (½) cos 88.89 degrees = (Vcp / 2) · 0.0193
Vm = Vcp × 0.00968.

したがって、理想的なキャパシタを使用した場合には、キャパシタの正のピーク値の絶対値をVp、負のピーク値の絶対値をVn、とすると、
Vp=(Vp−Vn)×1.00968(V)
Vn=(Vp−Vn)×0.9903(V)
が理論上の値となる。VpとVnの比、Vp/Vnは、
Vp/Vn=1.00968/0.9903=1.0195、となる。
Therefore, when an ideal capacitor is used, assuming that the absolute value of the positive peak value of the capacitor is Vp and the absolute value of the negative peak value is Vn,
Vp = (Vp−Vn) × 1.000968 (V)
Vn = (Vp−Vn) × 0.9903 (V)
Is the theoretical value. The ratio of Vp and Vn, Vp / Vn is
Vp / Vn = 1.00968 / 0.9903 = 1.0195.

念のため、上記のシフト値をp−pではなく、実効値で計算してみる。   As a precaution, the above shift value is calculated using an effective value instead of pp.

Vp=((Vp−Vn)/2√2)×1.00968(V)
Vn=((Vp−Vn)/2√2)×0.9903(V)
となり、((Vp−Vn)/2√2)は定数となる。よって、Vp(V)とVn(V)の比、Vp/Vn(無単位)は、Vp/Vn=1.0195、と変わらない。
Vp = ((Vp−Vn) / 2√2) × 1.000968 (V)
Vn = ((Vp−Vn) / 2√2) × 0.9903 (V)
((Vp−Vn) / 2√2) is a constant. Therefore, the ratio of Vp (V) to Vn (V), Vp / Vn (no unit), remains the same as Vp / Vn = 1.0195.

キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)が、Rc<<Rr、を満足する場合は、有効数字と計測誤差を勘案し、前記のVpとVnの比、Vp/Vn、が、Vp/Vn<1.02、を満足していればよい。前述した表2においては、C1c、C1f、など、一部のキャパシタのみが、Vp/Vn<1.02、を満足しているにすぎない。   When the effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor satisfies Rc << Rr, the ratio of Vp to Vn, Vp / Vn, is Vp / Vn <1, taking into account significant figures and measurement errors. .02 should be satisfied. In Table 2 described above, only some capacitors such as C1c and C1f satisfy Vp / Vn <1.02.

一方、Rc>0.1Ω、程度になると、Rcの影響が出てくるので、表3のデータから、Rcの平均値として若干の余裕を見て、Rc=1.5Ω、Rr=3Ω、として上式にて再計算してみると、
tan−1(80/3)=87.85度
Vcp×(1/2)cos87.85=Vcp・0.0187
Vp=(Vp−(Vn))×1.0187(V)
Vn=(Vp−(Vn))×0.9812(V)
VpとVnの比、Vp/Vnは、
Vp/Vn=1.0187/0.9812=1.0381、となる。
On the other hand, when Rc> 0.1Ω, the effect of Rc comes out. From the data in Table 3, with a slight margin as the average value of Rc, Rc = 1.5Ω, Rr = 3Ω Recalculating with the above formula,
tan −1 (80/3) = 87.85 degrees Vcp × (1/2) cos 87.85 = Vcp · 0.0187
Vp = (Vp− (Vn)) × 1.0187 (V)
Vn = (Vp− (Vn)) × 0.9812 (V)
The ratio of Vp and Vn, Vp / Vn is
Vp / Vn = 1.0187 / 0.9812 = 1.0381.

このように、キャパシタの実効抵抗を考慮し、前述した表2において、有効数字と計測誤差を勘案すると、1<Vp/Vn<1.04、となるが、この条件を満足するキャパシタも、C1e、C1a、C1bしかない。すなわち、単にキャパシタの実効直列抵抗Rcのみが原因となって、このようなゼロ電位に対する非対称性が起こっているとは思えない。ゼロ電位に対する波形の非対称性が起こっているのは、Rc以外の要因によるものと考えざるを得ない。例えば、図126に示すLcなどが考えられる。したがって、図73においては、シフト比Sが、S<1.06、の条件から、P2>3.25W,η>80%、であるという電力伝送性能の規定を満足しているキャパシタを選ばざるを得ない。   In this way, in consideration of the effective resistance of the capacitor and taking into account significant figures and measurement errors in Table 2 described above, 1 <Vp / Vn <1.04. However, a capacitor that satisfies this condition is also C1e. , C1a and C1b only. That is, it cannot be considered that this asymmetry with respect to the zero potential is caused only by the effective series resistance Rc of the capacitor. It must be considered that the waveform asymmetry with respect to zero potential is caused by factors other than Rc. For example, Lc shown in FIG. 126 can be considered. Therefore, in FIG. 73, a capacitor that satisfies the power transmission performance definition that P2> 3.25 W and η> 80% from the condition that the shift ratio S is S <1.06 is selected. I do not get.

なお、図73に示したキャパシタCxの両端に積分回路Giを接続すると、積分回路Giの出力電圧Vgは、Vg=Vp−Vn、となって、シフト比Sに比例する。オシロスコープ85により、シフト比Sを計測するには、計測精度に限界がある。しかし、キャパシタの電圧波形の振幅値Vp(V)、Vn(V)は、オシロスコープ85でほぼ正確に計測できる。シフト比Sを、S=Vg/Vn+1=(Vp−Vn+Vn)/Vn=Vp/Vn、とすると、より正確なシフト比Sが求められる。あるいは、キャパシタの両端に正負のピークホールド回路を設けてVp,Vnを求めるようにしてもよい。   When the integration circuit Gi is connected to both ends of the capacitor Cx shown in FIG. 73, the output voltage Vg of the integration circuit Gi is Vg = Vp−Vn and is proportional to the shift ratio S. In order to measure the shift ratio S with the oscilloscope 85, there is a limit to the measurement accuracy. However, the amplitude values Vp (V) and Vn (V) of the voltage waveform of the capacitor can be measured with the oscilloscope 85 almost accurately. If the shift ratio S is S = Vg / Vn + 1 = (Vp−Vn + Vn) / Vn = Vp / Vn, a more accurate shift ratio S is obtained. Alternatively, positive and negative peak hold circuits may be provided at both ends of the capacitor to obtain Vp and Vn.

また、図73に示したオシロスコープ85は、正のピーク値Vpと、負のピーク値Vnとを計測する手段を構成している。すなわち、上述した各計測手段は、本発明の高周波電力回路用キャパシタの評価装置について説明しているものである。   The oscilloscope 85 shown in FIG. 73 constitutes a means for measuring the positive peak value Vp and the negative peak value Vn. That is, each measuring means described above describes the evaluation apparatus for a capacitor for a high-frequency power circuit according to the present invention.

上記の規定にかかわらず、2次側電力は高いほど良く、伝送効率も高いほど良いのは言うまでもない。ポリプロピレンキャパシタC1cを使用した場合、図70の送電側電力は、4.5W、2次側交流電力は、4.1Wである。出力インピーダンスZsとコイルの実効直列抵抗Riの和は1.55Ω、送電側電圧は実効値1Vである。よって、出力インピーダンスZsとコイルの実効直列抵抗Riにより、P=1V2/1.55Ω=0.65W、のジュール損が発生している。すなわち、計算上の伝送効率は100%以上となっている。0.25Wの余剰が出るのは、2次側の波形が完全な正弦波になっておらず、p−pの電圧値を2√2で割っても、正確な実効値にならないからと推察される。すなわち、ポリプロピレンキャパシタC1cを使用した場合、電力伝送系(送受電コイル2間)の伝送効率は、交流電源3bの出力インピーダンスZsとキャパシタの実効直列抵抗Rcによる電力損失を除くと、100%に極めて近いものと思われる。   It goes without saying that the higher the secondary power, the better the transmission efficiency, regardless of the above rules. When the polypropylene capacitor C1c is used, the power transmission side power in FIG. 70 is 4.5 W, and the secondary side AC power is 4.1 W. The sum of the output impedance Zs and the effective series resistance Ri of the coil is 1.55Ω, and the power transmission side voltage is an effective value of 1V. Therefore, the Joule loss of P = 1V2 / 1.55Ω = 0.65W is generated by the output impedance Zs and the effective series resistance Ri of the coil. That is, the calculated transmission efficiency is 100% or more. The surplus of 0.25 W appears because the waveform on the secondary side is not a perfect sine wave, and the pp voltage value divided by 2√2 does not give an accurate effective value. Is done. That is, when the polypropylene capacitor C1c is used, the transmission efficiency of the power transmission system (between the power receiving and receiving coil 2) is extremely 100% excluding the power loss due to the output impedance Zs of the AC power supply 3b and the effective series resistance Rc of the capacitor. It seems close.

図83から明らかなように、図80に示すような、ゼロ電位に対し、正負が非対称なキャパシタ、すなわち、Vp/Vn、が1よりも大きくなるにつれて、電力伝送性能は悪くなる。一方、Vp/Vn、が1に近いキャパシタは、電力伝送性能がよい。   As is clear from FIG. 83, as the capacitor having asymmetrical positive / negative, that is, Vp / Vn, as shown in FIG. 80 becomes larger than 1, the power transmission performance deteriorates. On the other hand, a capacitor with Vp / Vn close to 1 has good power transmission performance.

そして、図83においては、Vp/Vn、が1よりも大きくなるのに従い、電力伝送特性のカーブが単調減少しているのが分かる。図80を参照するならば、ゼロ電位と正電位の方形波で、図73の回路を駆動したときの、キャパシタの正弦波電圧波形が、ゼロ点からシフト比Sが、1.06以下であることが必要となる。しかし、規定値、1.06は、前述したように、0.01μFのキャパシタを使用し、200kHzで計測したものである。この条件では、キャパシタC1cと基準コイルを使ったときの、Vp/Vn、の値は1.02である。しかし、静電容量が0.47μFのキャパシタC1cと同一のキャパシタと、別の基準コイルを使い、50kHzにて計測したところ、Vp=22.8V、Vn=20.7V、Vp/Vn=1.1、となった。   In FIG. 83, it can be seen that as Vp / Vn becomes larger than 1, the curve of the power transmission characteristic monotonously decreases. Referring to FIG. 80, when the circuit of FIG. 73 is driven with a square wave of zero potential and positive potential, the sine wave voltage waveform of the capacitor has a shift ratio S of 1.06 or less from the zero point. It will be necessary. However, the specified value, 1.06, was measured at 200 kHz using a 0.01 μF capacitor as described above. Under this condition, the value of Vp / Vn when using the capacitor C1c and the reference coil is 1.02. However, when the same capacitance as the capacitor C1c having a capacitance of 0.47 μF and another reference coil were used and measured at 50 kHz, Vp = 22.8V, Vn = 20.7V, Vp / Vn = 1. 1

基準コイルと周波数にもよるが、本願発明者が種々の実験を行ったところ、静電容量をC(μF)、とし、係数γを、γ=log(C/0.001)、とすると、規定値は、1+0.06×γ、として、近似可能なことが分かった。一例を示すと、0.47μFでは、γ=log(0.47/0.001)=log(470)=2.67、となる。規定値は、1+0.06×γ=1+0.162=1.162、となる。   Depending on the reference coil and frequency, the present inventor has conducted various experiments. As a result, when the capacitance is C (μF) and the coefficient γ is γ = log (C / 0.001), It was found that the specified value can be approximated as 1 + 0.06 × γ. As an example, at 0.47 μF, γ = log (0.47 / 0.001) = log (470) = 2.67. The specified value is 1 + 0.06 × γ = 1 + 0.162 = 1.162.

100kHzで、0.1μFのキャパシタC1iと同じポリエチレンテレフタレートキャパシタを使った場合、Vp=16.5V、Vn=15.1V、Vp/Vn=1.09、である。γは、γ=log(0.1/0.001)=log(100)=2、となる。よって、規定値は、1+0.06×α=1+0.12=1.12、となる。静電容量が、0.01μFでは、γ=log(0.01/0.001)=log(10)=1、となる。したがって、規定値は、1+0.06×γ=1+0.06=1.06、となる。静電容量が、0.01μF以下のときは、規定値を1.06とする。   When the same polyethylene terephthalate capacitor as the 0.1 μF capacitor C1i is used at 100 kHz, Vp = 16.5V, Vn = 15.1V, and Vp / Vn = 1.09. γ becomes γ = log (0.1 / 0.001) = log (100) = 2. Therefore, the specified value is 1 + 0.06 × α = 1 + 0.12 = 1.12. When the capacitance is 0.01 μF, γ = log (0.01 / 0.001) = log (10) = 1. Therefore, the specified value is 1 + 0.06 × γ = 1 + 0.06 = 1.06. When the capacitance is 0.01 μF or less, the specified value is 1.06.

したがって、所定係数をBとし、キャパシタの静電容量をC(μF)、としたときに、C(μF)<0.01、のときには、B=1.06、となる。C(μF)>0.01、のときには、所定係数Bは、B=1+0.06×log(C/0.001)、となる。   Therefore, when the predetermined coefficient is B and the capacitance of the capacitor is C (μF), when C (μF) <0.01, B = 1.06. When C (μF)> 0.01, the predetermined coefficient B is B = 1 + 0.06 × log (C / 0.001).

また、基準コイルや電力伝送の周波数によっても、前記した、Vp/Vn、の値は異なってくる。したがって、キャパシタの静電容量から、前述してきた計算式により、所定係数Bを求める。そして、実際に使用する送電コイル1単体を使い、電力伝送に使用する周波数において、キャパシタの両端電圧のVp、Vnを計測する。この条件において、所定計数をBとしたとき、キャパシタが、Vp/Vn≦B、の条件を満足していればよい。   The value of Vp / Vn described above also varies depending on the reference coil and the frequency of power transmission. Therefore, the predetermined coefficient B is obtained from the capacitance of the capacitor by the above-described calculation formula. Then, using the power transmission coil 1 that is actually used, Vp and Vn of the voltage across the capacitor are measured at the frequency used for power transmission. Under this condition, when the predetermined count is B, the capacitor only needs to satisfy the condition of Vp / Vn ≦ B.

一方、図87においては、前述したように、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)の増加に従い、電力伝送特性のカーブが減少した後、実行直列抵抗Rcが1.4Ω付近で上昇して下降するような単調特異点が見られる。図88においても、キャパシタの誘電正接tanδの増加に従い、電力伝送特性のカーブが単調減少しておらず、特異点が見られる。しかし、図84、図85共に、キャパシタとしての特性と電力伝送性能の相関から、特性規定を行うことは可能である。図84においては、キャパシタの実効直列抵抗Rcが、1.55Ω以下であれば、前述の電力伝送性能基準を満足している。上記の、1.55Ωは、送電コイル1単体の実効直列抵抗Ri=1.35Ω、と、交流電源3bの出力インピーダンスZs=0.2Ωを足したものとなる。   On the other hand, in FIG. 87, as described above, as the effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor increases, the effective series resistance Rc increases and decreases around 1.4Ω after the power transmission characteristic curve decreases. Such monotonic singularities are seen. Also in FIG. 88, as the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor increases, the curve of the power transmission characteristic does not monotonously decrease and a singular point is seen. However, in both FIG. 84 and FIG. 85, it is possible to define the characteristics from the correlation between the characteristics as a capacitor and the power transmission performance. In FIG. 84, when the effective series resistance Rc of the capacitor is 1.55Ω or less, the above-described power transmission performance standard is satisfied. The above 1.55Ω is obtained by adding the effective series resistance Ri = 1.35Ω of the power transmission coil 1 alone and the output impedance Zs = 0.2Ω of the AC power supply 3b.

ただし、図84は、静電容量0.01μF、周波数200kHzでのデータである。よって、周波数と静電容量を勘案したリアクタンスが式中にある誘電正接tanδにより規定するのが好ましい。図82を参照する限りにおいて、電力伝送性能と誘電正接の関係は、図83のグラフのように、X値の増加と共に、電力伝送性能が単調減少しておらず、特異点が見られるが、所定の最低周波数、例えば、100kHz、200kHzなどにおいて、キャパシタの誘電正接tanδが2%以下であることは、最低限満足すべき条件となる。しかし、キャパシタの誘電正接tanδが2%以下の領域に、2次側電力3.25W以上、伝送効率80%以上という前述した基準値を満足しない特異点が存在する。よって、キャパシタの誘電正接tanδが1%または0.5%以下であればより好ましい。   However, FIG. 84 shows data at a capacitance of 0.01 μF and a frequency of 200 kHz. Therefore, it is preferable that the reactance considering the frequency and the capacitance is defined by the dielectric loss tangent tan δ in the equation. As far as FIG. 82 is referred to, the relationship between the power transmission performance and the dielectric loss tangent is not monotonously decreased as the X value increases, as shown in the graph of FIG. At a predetermined minimum frequency, for example, 100 kHz, 200 kHz, etc., the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor is 2% or less, which is a minimum satisfactory condition. However, there is a singular point that does not satisfy the above-described reference values, such as a secondary power of 3.25 W or more and a transmission efficiency of 80% or more in a region where the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor is 2% or less. Therefore, the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor is more preferably 1% or 0.5% or less.

図86は、電力伝送性能が悪いセラミックキャパシタC1rと同じ種類のキャパシタで、静電容量が異なるキャパシタの実効直列抵抗Rcの周波数特性を示すグラフである。   FIG. 86 is a graph showing the frequency characteristics of the effective series resistance Rc of a capacitor of the same type as the ceramic capacitor C1r having poor power transmission performance but having a different capacitance.

図87は、電力伝送性能が悪いセラミックキャパシタC1rと同じ種類のキャパシタで、静電容量が異なるキャパシタの誘電正接tanδの周波数特性を示すグラフである。   FIG. 87 is a graph showing the frequency characteristic of the dielectric loss tangent tan δ of a capacitor of the same type as the ceramic capacitor C1r having poor power transmission performance but having a different capacitance.

図88は、電力伝送性能がよいポリプロピレンキャパシタC1cと同じ種類のキャパシタで、静電容量が異なるキャパシタの実効直列抵抗Rcの周波数特性を示すグラフである。   FIG. 88 is a graph showing the frequency characteristics of the effective series resistance Rc of a capacitor of the same type as the polypropylene capacitor C1c with good power transmission performance and a different capacitance.

図89は、電力伝送性能がよいポリプロピレンキャパシタC1cと同じ種類のキャパシタで、静電容量が異なるキャパシタの誘電正接tanδの周波数特性を示すグラフである。   FIG. 89 is a graph showing the frequency characteristic of the dielectric loss tangent tan δ of a capacitor of the same type as the polypropylene capacitor C1c with good power transmission performance and a different capacitance.

図87、図89を参照する限りにおいて、キャパシタの誘電体と静電容量により、誘電正接tanδの周波数特性が異なるのが分かる。比誘電率の高い誘電体を使ったセラミックキャパシタC1rは、図87に示すように低周波数領域では、静電容量の大きいキャパシタの誘電正接tanδが小さい。しかし、高周波数領域になると、静電容量の大きいキャパシタの誘電正接tanδは大きくなっている。すなわち、高誘電体を使ったキャパシタでは、静電容量が小さいほど、周波数の上昇に伴う誘電正接tanδの増加率が小さい。一方、図89を参照すると、比誘電率の低い誘電体を使ったポリプロピレンキャパシタC1cは、ほぼ全ての周波数領域で、静電容量の大きいキャパシタの誘電正接tanδが大きい。図87、図89は前述した実測結果と一致している。すなわち、静電容量や電力伝送装置の作動周波数によって、キャパシタの種類を選ぶ必要がある。   As far as FIG. 87 and FIG. 89 are referred to, it can be seen that the frequency characteristic of the dielectric loss tangent tan δ differs depending on the dielectric and capacitance of the capacitor. As shown in FIG. 87, the ceramic capacitor C1r using a dielectric having a high relative dielectric constant has a small dielectric loss tangent tan δ of a capacitor having a large capacitance in the low frequency region. However, in the high frequency region, the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor having a large capacitance is large. That is, in a capacitor using a high dielectric, the increase rate of the dielectric loss tangent tan δ accompanying the increase in frequency is smaller as the capacitance is smaller. On the other hand, referring to FIG. 89, the polypropylene capacitor C1c using a dielectric having a low relative dielectric constant has a large dielectric loss tangent tan δ of a capacitor having a large capacitance in almost all frequency regions. 87 and 89 coincide with the actual measurement results described above. That is, it is necessary to select the type of capacitor according to the capacitance and the operating frequency of the power transmission device.

図87を参照すると、比誘電率の高い誘電体で構成されたセラミックキャパシタC1rでは、200kHzにおいて、静電容量が、0.47μFのキャパシタのみが、誘電正接tanδが1%以下である。その一方で、図89を参照すると、比誘電率の低い誘電体で構成されたポリプロピレンキャパシタC1cでは、200kHzにおいて、0.01μFから0.47μFの静電容量で、誘電正接tanδが1%以下になっている。   Referring to FIG. 87, in the ceramic capacitor C1r made of a dielectric material having a high relative dielectric constant, only a capacitor having a capacitance of 0.47 μF at 200 kHz has a dielectric loss tangent tan δ of 1% or less. On the other hand, referring to FIG. 89, the polypropylene capacitor C1c formed of a dielectric material having a low relative dielectric constant has a capacitance of 0.01 μF to 0.47 μF and a dielectric loss tangent tan δ of 1% or less at 200 kHz. It has become.

最初に述べたが、力率を改善するとは、正のリアクタンスを打ち消すことである。そして、LC直列回路は、方形波、三角波、鋸波などの非正弦波波形を正弦波に戻す作用を持つ。それには、LC回路のQが高くないとならず、目安として、キャパシタは少なくとも10以上のQが必要となる。表2に示すように、100kHzにおいて、Qが1000や10000を越えるキャパシタならともかく、Qが数十のキャパシタは、上述してきたような、特性を満足するようなものを選ぶ必要がある。   As mentioned at the outset, to improve the power factor is to cancel the positive reactance. The LC series circuit has a function of returning a non-sinusoidal waveform such as a square wave, a triangular wave, and a sawtooth wave to a sine wave. For that purpose, the Q of the LC circuit must be high, and as a rule, the capacitor needs a Q of at least 10 or more. As shown in Table 2, it is necessary to select a capacitor satisfying the characteristics as described above for a capacitor having a Q of several tens, regardless of a capacitor having a Q exceeding 1000 or 10,000 at 100 kHz.

前述したキャパシタの実効直列抵抗RcをX軸、電力伝送性能をY軸とした図84、キャパシタの誘電正接tanδをX軸、電力伝送性能をY軸とした図85においては、キャパシタC1hが規定領域内に入っている。一方、図83のグラフでは、キャパシタC1hが全て規定領域外となっている。このように、本発明においては、キャパシタの実効直列抵抗Rc、キャパシタの誘電正接tanδのみでは規定できない電力伝送性能が悪いキャパシタを除外できる。このような規定により、電力伝送性能が良いキャパシタを選んで、電力伝送装置を構成する。その結果、電力伝送性能が良い電力伝送装置が実現できるという、極めて優れた効果を奏する。   In FIG. 84 where the effective series resistance Rc of the capacitor is the X axis and the power transmission performance is the Y axis, and in FIG. 85 where the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor is the X axis and the power transmission performance is the Y axis, the capacitor C1h is in the specified region. Inside. On the other hand, in the graph of FIG. 83, all the capacitors C1h are outside the specified region. Thus, in the present invention, it is possible to exclude capacitors having poor power transmission performance that cannot be defined only by the effective series resistance Rc of the capacitor and the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor. According to such a rule, a capacitor having good power transmission performance is selected to configure the power transmission device. As a result, there is an extremely excellent effect that a power transmission device with good power transmission performance can be realized.

また、図88より、周波数が20kHz程度の低周波数領域になると、キャパシタの実効直列抵抗Rcは、数Ω〜数十Ωとなり、実効直列抵抗Rcによる電力損失が増大する。よって、静電容量が0.01μFのキャパシタを電力伝送に使用可能な周波数は、20kHz程度を下限とするのが好ましい。ただし、静電容量が0.1μF以上のキャパシタになると、10kHzでも実効直列抵抗Rcがほぼ電力損失を起さない程度の値まで低下する。しかし、実効直列抵抗Rc(Ω)の存在は、電力伝送性能を劣化させる。よって、送電コイル1の実効直列抵抗をRi(Ω)とすると、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)が少なくとも、Ri(Ω)>Rc(Ω)、を満足する最低周波数以上で電力伝送を行うのが好ましい。前述した、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)は、キャパシタを使用可能な最低周波数の規定に関するものである。キャパシタを使用可能な最高周波数については、キャパシタのインピーダンスの周波数特性を示して後述する。   88, when the frequency is in a low frequency region of about 20 kHz, the effective series resistance Rc of the capacitor is several Ω to several tens Ω, and the power loss due to the effective series resistance Rc increases. Therefore, it is preferable that the lower limit of the frequency at which a capacitor having a capacitance of 0.01 μF can be used for power transmission is about 20 kHz. However, when the capacitor has a capacitance of 0.1 μF or more, the effective series resistance Rc is reduced to a value that causes almost no power loss even at 10 kHz. However, the presence of the effective series resistance Rc (Ω) deteriorates the power transmission performance. Therefore, when the effective series resistance of the power transmission coil 1 is Ri (Ω), power transmission is performed at a minimum frequency that satisfies at least Ri (Ω)> Rc (Ω) as the effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor. Is preferred. The effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor described above relates to the definition of the lowest frequency at which the capacitor can be used. The maximum frequency at which the capacitor can be used will be described later by showing the frequency characteristics of the capacitor impedance.

(誘電吸収の説明)
次に、電力伝送性能と相関を持つ要因の1つとして、キャパシタの誘電吸収が考えられる。誘電吸収は、キャパシタの直流特性である。誘電吸収の原因には種々の説があるが、一説として、キャパシタの両端子に長時間、直流電圧Vw(V)が印加されている間に、誘電体の分極が起こると考えられている。キャパシタに直流電圧が印加されなくなり、キャパシタの両端子を短絡してキャパシタに蓄積された電荷を放電する。放電後にキャパシタを開放すると、キャパシタの両端に開放電圧Vb(V)が発生する。Vw(V)とキャパシタのVb(V)の比を誘電吸収Kとし、K=Vb(V)/Vw(V)、とする。Kが小さいほど、キャパシタの特性はよい。なお、誘電吸収Kは常に1より小さい正の値であり、無単位の数値である。
(Explanation of dielectric absorption)
Next, as one of factors having a correlation with the power transmission performance, the dielectric absorption of the capacitor can be considered. Dielectric absorption is a direct current characteristic of the capacitor. There are various theories about the cause of the dielectric absorption. As one theory, it is considered that the dielectric polarization occurs while the DC voltage Vw (V) is applied to both terminals of the capacitor for a long time. A DC voltage is no longer applied to the capacitor, and both terminals of the capacitor are short-circuited to discharge the charge accumulated in the capacitor. When the capacitor is opened after discharging, an open circuit voltage Vb (V) is generated across the capacitor. The ratio of Vw (V) to the capacitor Vb (V) is the dielectric absorption K, and K = Vb (V) / Vw (V). The smaller the K, the better the capacitor characteristics. The dielectric absorption K is always a positive value smaller than 1 and is a unitless numerical value.

(コイルの両端にキャパシタを各1個装備した場合の説明)
なお、特許文献4の段落0018には、共振周波数に必要な2倍の静電容量を持つキャパシタを、コイルの両端に各1個装備することが記載されている。前述したが、その他の特許文献にも同様の記載がある。先の発明で、基準コイルを使い、キャパシタの両端電圧Vp、Vnを計測したときに、Vp、Vnがゼロ点からシフト比Sにより、キャパシタの性能判断ができることを既述した。本願発明者は、この点に着目し、基準コイルに1個キャパシタを装備した場合と、基準コイルの両端に2個のキャパシタを装備した場合の双方において、Vp、Vn、S=Vp/Vn、および電力伝送性能を計測してみた。
(Explanation when one capacitor is installed at each end of the coil)
In paragraph 0018 of Patent Document 4, it is described that a capacitor having twice the capacitance necessary for the resonance frequency is provided at each end of the coil. As described above, other patent documents have similar descriptions. In the previous invention, it has already been described that when a reference coil is used to measure the voltages Vp and Vn across a capacitor, the performance of the capacitor can be judged by the shift ratio S from the zero point of Vp and Vn. The inventor of the present application pays attention to this point, and Vp, Vn, S = Vp / Vn, both when the reference coil is equipped with one capacitor and when two capacitors are provided at both ends of the reference coil. And I measured the power transmission performance.

図73では、スイッチング素子Q2のソース(Vdの−端子)をオシロスコープ85のGNDに接続し、基準コイルLsとキャパシタCxの接続点をオシロスコープ85の信号入力端子に接続した。前述したが、Vp、Vnを計測するときには、R2を短絡してある。このように接続することにより、Vp>Vn、となり、S=Vp/Vn>1、となる。   In FIG. 73, the source (Vd-terminal) of the switching element Q2 is connected to the GND of the oscilloscope 85, and the connection point between the reference coil Ls and the capacitor Cx is connected to the signal input terminal of the oscilloscope 85. As described above, when measuring Vp and Vn, R2 is short-circuited. By connecting in this way, Vp> Vn and S = Vp / Vn> 1.

図90は、キャパシタをVOUTH側に接続した場合の、キャパシタ両端電圧をオシロスコープで計測する場合の接続図である。図91は、キャパシタを送電コイル1の両端に各1個接続した場合の、各キャパシタ両端電圧をオシロスコープで計測する場合の接続図である。   FIG. 90 is a connection diagram for measuring the voltage across the capacitor with an oscilloscope when the capacitor is connected to the VOUTH side. FIG. 91 is a connection diagram in the case where each capacitor voltage is measured with an oscilloscope when one capacitor is connected to each end of the power transmission coil 1.

図90および図91に示した交流電源3bの出力は、インピーダンスの低い端子VOUTHおよびVOUTLで示している。図90に示す交流電源3bの端子VOUTHおよびVOUTLには、キャパシタCxと送電コイル1の直列回路が接続されている。オシロスコープ85のGNDは、交流電源3bのVOUTHまたはVOUTLに接続される。オシロスコープ85の電圧入力INは、キャパシタCxと送電コイル1との接続点に接続される。   The output of the AC power supply 3b shown in FIGS. 90 and 91 is indicated by terminals VOUTH and VOUTL having low impedance. A series circuit of the capacitor Cx and the power transmission coil 1 is connected to terminals VOUTH and VOUTL of the AC power supply 3b shown in FIG. The GND of the oscilloscope 85 is connected to VOUTH or VOUTL of the AC power supply 3b. A voltage input IN of the oscilloscope 85 is connected to a connection point between the capacitor Cx and the power transmission coil 1.

図91においては、交流電源3bの端子VOUTHおよびVOUTLには、キャパシタCx1と送電コイル1とキャパシタCx2の直列回路が接続されている。同一のオシロスコープ85a,85bで同時に2個のキャパシタCx1,Cx2のキャパシタ電圧を計測すると、交流電源3bの出力OUTHとOUTLがオシロスコープ85a,85bのGNDを介して短絡されるので、各キャパシタCx1,Cx2のVp、Vnを個別に計測する必要がある。   In FIG. 91, a series circuit of a capacitor Cx1, a power transmission coil 1, and a capacitor Cx2 is connected to terminals VOUTH and VOUTL of the AC power supply 3b. When the capacitor voltages of the two capacitors Cx1 and Cx2 are simultaneously measured by the same oscilloscope 85a and 85b, the outputs OUTH and OUTL of the AC power supply 3b are short-circuited via the GND of the oscilloscopes 85a and 85b. It is necessary to measure Vp and Vn separately.

キャパシタCxの両端電圧を計測するには、オシロスコープ85a,85bのGNDを基準電圧点に接続する必要がある。図73で、キャパシタCxとコイルLsを入れ替えて、キャパシタCxの一方の端子をスイッチング素子Q1のドレイン(Vdの+端子)に接続する。基準コイルLsの一方の端子は、スイッチング素子Q2のソース(Vdの−端子)に接続する。キャパシタCxの他方の端子とコイルLsの他方の端子を接続して、LC直列共振回路を構成する。スイッチング素子Q1のドレイン(Vdの+端子)をオシロスコープ85のGNDに接続し、基準コイルLsとキャパシタCxの接続点をオシロスコープ85の信号入力端子に接続する。このようにオシロスコープ85を、図73で、キャパシタCxとコイルLsを入れ替えたLC直列共振回路のCxの両端電圧を計測すると、Vn>VP、となる。そこで、シフト比をS1とし、S1=Vn/Vp>1とする。   In order to measure the voltage across the capacitor Cx, it is necessary to connect the GND of the oscilloscopes 85a and 85b to the reference voltage point. In FIG. 73, the capacitor Cx and the coil Ls are interchanged, and one terminal of the capacitor Cx is connected to the drain (+ terminal of Vd) of the switching element Q1. One terminal of the reference coil Ls is connected to the source of the switching element Q2 (the negative terminal of Vd). An LC series resonance circuit is configured by connecting the other terminal of the capacitor Cx and the other terminal of the coil Ls. The drain of the switching element Q1 (+ terminal of Vd) is connected to the GND of the oscilloscope 85, and the connection point of the reference coil Ls and the capacitor Cx is connected to the signal input terminal of the oscilloscope 85. In this way, when the oscilloscope 85 measures the voltage across Cx of the LC series resonance circuit in which the capacitor Cx and the coil Ls are interchanged in FIG. 73, Vn> VP. Therefore, the shift ratio is S1, and S1 = Vn / Vp> 1.

基準コイルLsの両端に2個のキャパシタCx1,Cx2を装備した場合に、Vp、Vnを計測するには、オシロスコープ85の接続法を前述したように変更すればよい。基準コイルLsの両端に2個のキャパシタCx1,Cx2を装備し、オシロスコープ85の接続法を前述したように変更した場合においては、Vp<Vnとなるので、Sn=Vn/Vp>1、としてSnを定義する。基準コイルの両端に2個のキャパシタを装備した場合であって、図73と同じオシロスコープ85の接続法とした場合、Sp=Vp/Vn、とする。S=Vp/Vn、S1=Vn/Vpは、基準コイルにキャパシタを1個装備した場合のシフト比とする。   When two capacitors Cx1 and Cx2 are provided at both ends of the reference coil Ls, in order to measure Vp and Vn, the connection method of the oscilloscope 85 may be changed as described above. When two capacitors Cx1 and Cx2 are provided at both ends of the reference coil Ls and the connection method of the oscilloscope 85 is changed as described above, Vp <Vn, so that Sn = Vn / Vp> 1 and Sn Define When two capacitors are provided at both ends of the reference coil and the connection method of the oscilloscope 85 is the same as that in FIG. 73, Sp = Vp / Vn. S = Vp / Vn and S1 = Vn / Vp are the shift ratios when one capacitor is installed in the reference coil.

本願発明者は、表2に記載のキャパシタを2個並列接続し、静電容量が0.02μFの合成キャパシタを2個作成した。この合成キャパシタを直列接続した静電容量が0.01μFの合成キャパシタ1個を使用した場合と、静電容量が0.02μFの合成キャパシタを基準コイルの両端に接続した場合の、Vp、Vn、S、S1、Sp、Snを計測した。表2に記載の各キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)は、静電容量が0.01μFの合成キャパシタでは、Rc(Ω)の半分になる。しかし、静電容量が0.02μFの合成キャパシタを2個直列接続した静電容量が0.01μFの合成キャパシタでは、Rc(Ω)は表2に記載のRc(Ω)と等しくなる。このような条件で、Vp、Vn、S、Sp、Snを計測すると、単体キャパシタ1個を使用した場合と同じ条件となる。   The inventor of the present application connected two capacitors shown in Table 2 in parallel to create two composite capacitors having a capacitance of 0.02 μF. Vp, Vn, when using one synthetic capacitor having a capacitance of 0.01 μF with this synthetic capacitor connected in series and when connecting a synthetic capacitor with a capacitance of 0.02 μF to both ends of the reference coil S, S1, Sp, and Sn were measured. The effective series resistance Rc (Ω) of each capacitor described in Table 2 is half of Rc (Ω) in a synthetic capacitor having a capacitance of 0.01 μF. However, Rc (Ω) is equal to Rc (Ω) described in Table 2 in the case of a synthetic capacitor having a capacitance of 0.01 μF in which two synthetic capacitors having a capacitance of 0.02 μF are connected in series. When Vp, Vn, S, Sp, and Sn are measured under such conditions, the conditions are the same as when one single capacitor is used.

計測の結果、いずれのキャパシタでも、SpとSnはほぼ等しかった。また、SとS1もほぼ等しかった。しかし、Spは、Sに比べ小さい場合が多かった。概略の実験結果として(Sp−1)/(S−1)の値が0.75以下であれば、キャパシタの電力伝送性能はコイルにキャパシタを1個装備した場合より、コイル両端に各1個を装備した方がよかった。例えば、S=1.08で、Sp=1.05なら、
(Sp−1)/(S−1)=0.05/0.08=0.625<0.75、となり、条件を満足する。
As a result of measurement, Sp and Sn were almost equal in any capacitor. Also, S and S1 were almost equal. However, Sp was often smaller than S. As a general experimental result, if the value of (Sp-1) / (S-1) is 0.75 or less, the power transmission performance of the capacitor is one at each end of the coil than when one capacitor is installed in the coil. It was better to equip. For example, if S = 1.08 and Sp = 1.05,
(Sp-1) / (S-1) = 0.05 / 0.08 = 0.625 <0.75, which satisfies the conditions.

S=1.1、Sp=1.08なら、
(Sp−1)/(S−1)=0.08/0.1=0.8>0.75、となり、条件を満足しない。(Sp−1)/(S−1)=Faとすると、
Fb=(Sp−1)/(S1−1)
Fc=(Sn−1)/(S−1)
Fd=(Sn−1)/(S1−1)
と規定しても同等の結果が得られる。FaからFdのいずれかが0.75以下であればよい。この選別方法は、単にS=Vp/Vn、の値を計測し、所定数値B以下であるという選別方法に比べ、基準コイル、静電容量、周波数などに依存しない選別方法となる。
If S = 1.1 and Sp = 1.08,
(Sp-1) / (S-1) = 0.08 / 0.1 = 0.8> 0.75, which does not satisfy the condition. If (Sp-1) / (S-1) = Fa,
Fb = (Sp-1) / (S1-1)
Fc = (Sn-1) / (S-1)
Fd = (Sn-1) / (S1-1)
The equivalent result can be obtained. Any of Fa to Fd may be 0.75 or less. This sorting method is a sorting method that does not depend on the reference coil, capacitance, frequency, or the like as compared with the sorting method in which the value of S = Vp / Vn is simply measured and is equal to or less than the predetermined numerical value B.

コイルの両端に各1個のキャパシタを接続するのは、Vp/Vn、の値が1に近くなるという作用効果によるものと推察される。この原因として、図125の等価回路において、キャパシタC1に流れる交流電流値により、実効直列抵抗Re(Ω)が変動している可能性が考えられる。あるいは、前述したように、キャパシタの等価直列インダクタンスLcの影響による可能性も考えられる。しかし、キャパシタ両端電圧の基準電圧よりのシフト比Sが1に近いほど電力伝送性能がよいという相関は、図示するまでもなく、図83より明らかである。送電コイル1の両端にキャパシタを各1個接続することにより、シフト比Sが低下し、1に近づいている上記の実験結果から、送電コイル1の両端にキャパシタを各1個接続することにより、電力伝送性能を向上できると言える。従来例においては、これらの作用効果が全く明確にされていない。   It is presumed that the connection of one capacitor to each end of the coil is due to the effect that the value of Vp / Vn is close to 1. As a cause of this, there is a possibility that the effective series resistance Re (Ω) varies in the equivalent circuit of FIG. 125 due to the value of the alternating current flowing through the capacitor C1. Or as mentioned above, the possibility of the influence of the equivalent series inductance Lc of a capacitor is also considered. However, the correlation that the power transmission performance is better as the shift ratio S from the reference voltage of the voltage across the capacitor is closer to 1 is clear from FIG. By connecting one capacitor to each end of the power transmission coil 1, the shift ratio S is reduced, and from the above experimental results approaching 1, by connecting one capacitor to each end of the power transmission coil 1, It can be said that the power transmission performance can be improved. In the conventional example, these effects are not clarified at all.

なお、0.02μFのキャパシタを2個使用し、2個のキャパシタをコイルの両端に接続した場合と、0.01μFのキャパシタを1個使用した場合とも比較してある。キャパシタを2個使用した場合、Vp/Vnの値が1に近づき、電力伝送性能が向上した。コイル、キャパシタともに、実効直列抵抗を持ち、VpとVnの対称性と電力伝送性能に相関が見られるところから、図91のような接続法は、VpとVnの「対称性」を改善している可能性があるものと思われる。   In addition, the case where two capacitors of 0.02 μF are used and the two capacitors are connected to both ends of the coil is compared with the case where one capacitor of 0.01 μF is used. When two capacitors were used, the value of Vp / Vn approached 1 and the power transmission performance was improved. Since both the coil and the capacitor have effective series resistance and there is a correlation between the symmetry of Vp and Vn and the power transmission performance, the connection method as shown in FIG. 91 improves the “symmetry” of Vp and Vn. There seems to be a possibility.

本実施形態の要旨は、基準コイルに1個のキャパシタを直列接続した場合に比べ、基準コイルの両端に各1個のキャパシタを接続した場合に、Vp/Vn、の値が1に近づくキャパシタを選ぶことにより、電力伝送性能がよい電力伝送装置が実現できるという意図である。また、同一の構成のキャパシタであれば、送電コイルの両端に各1個のキャパシタを接続することにより、電力伝送性能を向上させることが可能という意図もある。送電コイルの両端に各1個のキャパシタを接続することによる作用効果を、このように明確化した従来技術は存在しない。   The gist of the present embodiment is that a capacitor whose Vp / Vn value approaches 1 when one capacitor is connected to both ends of the reference coil as compared with the case where one capacitor is connected in series to the reference coil. By selecting, it is intended that a power transmission device with good power transmission performance can be realized. In addition, if the capacitors have the same configuration, there is an intention that the power transmission performance can be improved by connecting one capacitor to each end of the power transmission coil. There is no prior art that clarifies the effect of connecting one capacitor to each end of the power transmission coil in this way.

なお、キャパシタに印加される電圧の関係上、2個のキャパシタに同一の静電容量を持つものを使用するのが好ましい。しかし、公称値が20%以内の静電容量であれば、本実施形態に適用可能である。例えば、一方に0.01μFの公称値のキャパシタを用いた場合、他方のキャパシタには、0.0082μF〜0.12μFの公称値のキャパシタが使用できる。ただし、公称値は、5〜10%程度以下のキャパシタを使用する。   Note that it is preferable to use two capacitors having the same capacitance because of the voltage applied to the capacitors. However, any capacitance with a nominal value within 20% is applicable to this embodiment. For example, when a capacitor having a nominal value of 0.01 μF is used on one side, a capacitor having a nominal value of 0.0082 μF to 0.12 μF can be used as the other capacitor. However, the nominal value uses a capacitor of about 5 to 10% or less.

図92は、キャパシタの誘電吸収を計測する回路図である。   FIG. 92 is a circuit diagram for measuring the dielectric absorption of the capacitor.

図92には、オペアンプによるインピーダンス変換回路が示してある。本願発明者は、図92のような、入力インピーダンスが、1010Ω以上のインピーダンス変換回路を作成し、一般に使用されているディジタルテスターで誘電吸収が計測できるようにした。図92において、インピーダンス変換回路として作動するオペアンプ111の反転入力端子と出力端子とが接続されており、オペアンプ111の出力端子とGND間に直流電圧計112が接続されている。オペアンプ111と直流電圧計112は入力インピーダンスが、1012Ω以上の電子式直流電圧計として作動する。一般に使用されているディジタルテスターなどは、入力インピーダンスが数MΩであり、誘電吸収の正確な計測ができない。   FIG. 92 shows an impedance conversion circuit using an operational amplifier. The inventor of the present application has created an impedance conversion circuit having an input impedance of 1010Ω or more as shown in FIG. 92, so that dielectric absorption can be measured with a digital tester generally used. In FIG. 92, an inverting input terminal and an output terminal of an operational amplifier 111 operating as an impedance conversion circuit are connected, and a DC voltmeter 112 is connected between the output terminal of the operational amplifier 111 and GND. The operational amplifier 111 and the DC voltmeter 112 operate as an electronic DC voltmeter having an input impedance of 1012Ω or more. Generally used digital testers and the like have an input impedance of several MΩ and cannot accurately measure dielectric absorption.

スイッチ113は、計測用のキャパシタCに電荷を蓄積する直流電圧Vw=V1(V)を印加するために設けられており、スイッチ114は5Ω±10%の精度を有する抵抗R4を介してキャパシタCに蓄積された電荷を放電するために設けられており、スイッチ115はキャパシタCに蓄積した電荷をオペアンプ111の非反転入力端子に与えて誘電吸収Kを測定するために設けられている。オペアンプ111は非反転入力端子のバイアス電流が1pA程度で、入力インピーダンスが1012Ω程度のハイインピーダンスのものが使用される。 The switch 113 is provided to apply a DC voltage Vw = V1 (V) for accumulating electric charge to the measurement capacitor C. The switch 114 is connected to the capacitor C via a resistor R4 having an accuracy of 5Ω ± 10%. The switch 115 is provided to measure the dielectric absorption K by applying the charge accumulated in the capacitor C to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 111. The operational amplifier 111 has a high impedance with a non-inverting input terminal bias current of about 1 pA and an input impedance of about 10 12 Ω.

図92に示す計測回路で誘電吸収を計測する手順は、JISに規定されているが、以下に説明する。まず、スイッチ113を閉じてキャパシタCの定格電圧の±10%の電圧、Vw=V1(V)、をキャパシタCに1時間印加する。その後、スイッチ113を開いて、スイッチ114を閉じ、抵抗R4を10秒間キャパシタCの両端に接続してキャパシタCに蓄えられている電荷を放電する。10秒間の放電後、スイッチ114を開いてキャパシタCを開放し、スイッチ115を閉じてキャパシタCの両端電圧Vb(V)をオペアンプ111に与え、電圧計112で15分間計測する。15分間の計測時間でのキャパシタの両端電圧の最大値をVb(V)とする。誘電吸収Kは、K=Vb/Vw、として求められる。   The procedure for measuring dielectric absorption with the measuring circuit shown in FIG. 92 is defined in JIS, but will be described below. First, the switch 113 is closed and a voltage of ± 10% of the rated voltage of the capacitor C, Vw = V1 (V), is applied to the capacitor C for 1 hour. Thereafter, the switch 113 is opened, the switch 114 is closed, and the resistor R4 is connected to both ends of the capacitor C for 10 seconds to discharge the charge stored in the capacitor C. After discharging for 10 seconds, the switch 114 is opened to open the capacitor C, the switch 115 is closed to apply the voltage Vb (V) across the capacitor C to the operational amplifier 111, and the voltmeter 112 measures it for 15 minutes. The maximum value of the voltage across the capacitor in the measurement time of 15 minutes is defined as Vb (V). The dielectric absorption K is obtained as K = Vb / Vw.

本願発明者は、無極性であるキャパシタの一方の端子に正の電圧を印加し、誘電吸収Kを計測した。その後、一方の端子に負の電圧を印加し、誘電吸収Kを計測したところ、一方の端子に正の電圧を印加して誘電吸収Kを計測した場合とは異なる結果が得られた。後述するが、誘電吸収の非対称性は、電力伝送性能と相関がある。以降、一方の端子、例えば、図92に示すキャパシタCのAの端子に正の電圧を印加して計測した誘電吸収をKpと表記する。そして、一方の端子に負の電圧を印加して計測した誘電吸収をKnと表記する。例えば、図92に示すキャパシタCのBの端子に正の電圧を印加して計測した誘電吸収をKnと表記する。   The inventor of the present application measured a dielectric absorption K by applying a positive voltage to one terminal of a nonpolar capacitor. After that, when a negative voltage was applied to one terminal and the dielectric absorption K was measured, a result different from the case where the dielectric absorption K was measured by applying a positive voltage to one terminal was obtained. As will be described later, the asymmetry of dielectric absorption correlates with the power transmission performance. Hereinafter, dielectric absorption measured by applying a positive voltage to one terminal, for example, the terminal A of the capacitor C shown in FIG. 92 will be denoted as Kp. The dielectric absorption measured by applying a negative voltage to one terminal is expressed as Kn. For example, the dielectric absorption measured by applying a positive voltage to the B terminal of the capacitor C shown in FIG. 92 is expressed as Kn.

表3に示すように、JISでは、誘電吸収は無極性の直流用キャパシタのみに規定があり、その規定値は0.1%である。しかし、本発明の実施形態においては、無極性のキャパシタに交流電圧を印加し、交流電流を流す。誘電吸収は直流特性であり、直流ではキャパシタのインピーダンスは理論上無限大になる。図92に示すオペアンプ111の入力端子には、微小ではあるが、バイアス電流が流れる。JISの規定によると、キャパシタの絶縁抵抗は、1GΩ〜30GΩとなっている。バイアス電流値が1pA程度のオペアンプを使用しても、前記バイアス電流によりキャパシタが蓄電され、オペアンプ111の出力端子電圧の絶対値は、時間と共に上昇する。そのため、図92のオペアンプ111の非反転入力端子には200MΩの高抵抗RhをGND間に取り付けている。   As shown in Table 3, in JIS, dielectric absorption is specified only for nonpolar DC capacitors, and the specified value is 0.1%. However, in the embodiment of the present invention, an AC voltage is applied to a nonpolar capacitor to pass an AC current. Dielectric absorption is a direct current characteristic, and the impedance of a capacitor is theoretically infinite at direct current. A bias current flows through the input terminal of the operational amplifier 111 shown in FIG. According to JIS regulations, the insulation resistance of the capacitor is 1 GΩ to 30 GΩ. Even when an operational amplifier having a bias current value of about 1 pA is used, the capacitor is charged by the bias current, and the absolute value of the output terminal voltage of the operational amplifier 111 increases with time. Therefore, a high resistance Rh of 200 MΩ is attached between the GND at the non-inverting input terminal of the operational amplifier 111 in FIG.

また、キャパシタの定格電圧が100V程度になると、実測が危険となる。よって、キャパシタCの定格電圧にかかわらず、20Vの電圧をキャパシタCに印加した。キャパシタCに印加する電圧が高いと、誘電体内の電界強度が高くなり、誘電体分極を起しやすくなる。そのため、実測値は0.25%以下に収まっているが、5倍程度の余裕をみておく必要がある。したがって、電力伝送装置のキャパシタCとしては、誘電吸収Kが、少なくとも1%以下でないとならない。実際に、本願発明者が、空中配線で回路を構成して、回路全体の絶縁抵抗を、1012Ω以上にし、キャパシタC1mに、定格電圧100Vを印加して誘電吸収を計測したら、約0.93%であった。これは、図93に示す実測値である0.18%の5倍に相当している。 Further, when the rated voltage of the capacitor is about 100V, actual measurement becomes dangerous. Therefore, a voltage of 20 V was applied to the capacitor C regardless of the rated voltage of the capacitor C. When the voltage applied to the capacitor C is high, the electric field strength in the dielectric increases and dielectric polarization is likely to occur. Therefore, the actual measurement value is within 0.25%, but it is necessary to allow a margin of about 5 times. Therefore, as the capacitor C of the power transmission device, the dielectric absorption K must be at least 1% or less. Actually, when the inventor of the present application forms a circuit with aerial wiring, the insulation resistance of the entire circuit is set to 10 12 Ω or more, the rated voltage of 100 V is applied to the capacitor C1m, and the dielectric absorption is measured. 93%. This corresponds to five times the actual measurement value shown in FIG.

図93より明らかなように、誘電吸収Kpが小さいキャパシタは電力伝送性がよく、誘電吸収Kpが大きいキャパシタは電力伝送性が悪いことが分かる。さらに、本願発明者は、前述したように、図92の回路において、正の電圧が印加されているキャパシタCの端子Aと、負の電圧が印加されているキャパシタCの端子Bとを入れ替えてみた。   As can be seen from FIG. 93, a capacitor having a small dielectric absorption Kp has good power transmission, and a capacitor having a large dielectric absorption Kp has poor power transmission. Further, as described above, the inventor of the present application switches the terminal A of the capacitor C to which a positive voltage is applied and the terminal B of the capacitor C to which a negative voltage is applied in the circuit of FIG. saw.

図94は、図92において、キャパシタの端子Aと端子Bを入れ替えて誘電吸収Knを計測し、KnをX軸とし、電力伝送性能をY軸としたグラフである。図95は、表2に示す各キャパシタの前記誘電吸収KpとKnの比KrをX軸とし、電力伝送性能をY軸としたグラフである。比Krは、Kp>Kn、のときは、Kr=Kp/Kn、Kn>Kp、のときは、Kr=Kn/Kp、とし、Kr>1、となるように規定してある。   FIG. 94 is a graph in which the dielectric absorption Kn is measured by replacing the terminal A and the terminal B of the capacitor in FIG. 92, Kn is the X axis, and the power transmission performance is the Y axis. FIG. 95 is a graph with the ratio Kr of the dielectric absorption Kp and Kn of each capacitor shown in Table 2 as the X axis and the power transmission performance as the Y axis. The ratio Kr is defined such that when Kp> Kn, Kr = Kp / Kn, and when Kn> Kp, Kr = Kn / Kp, and Kr> 1.

図95によれば、誘電吸収の非対称性が明らかに見られる。電力伝送性能のよいキャパシタは、誘電吸収の非対称性が小さい。換言すれば、比Krの値が1に近い。電力伝送性能の悪いキャパシタは、誘電吸収の非対称性が大きい。換言すれば、比Krの値が1より大きい。このようにして、電力伝送性能がよいキャパシタを選ぶことができる。   According to FIG. 95, the asymmetry of the dielectric absorption is clearly seen. A capacitor with good power transmission performance has low dielectric absorption asymmetry. In other words, the value of the ratio Kr is close to 1. A capacitor having poor power transmission performance has a large asymmetry of dielectric absorption. In other words, the value of the ratio Kr is greater than 1. In this way, a capacitor with good power transmission performance can be selected.

すなわち、図92に示すキャパシタCの一方の端子Aと他方の端子Bを入れ替えると、誘電吸収KpとKnとが、異なる値となる結果が得られている。これは、昇圧比が最も小さいセラミックキャパシタC1r、において顕著である。また、図95より明らかなように、比Krが1に近いキャパシタは電力伝送性がよく、比Krが1より大きいキャパシタは電力伝送性が悪いことが分かる。図95のKrと電力伝送性能との相関から見ると、前記Kpと前記Knの比であるKr、Kr=Kp/Kn、は、1<Kp/Kn<1.5、の範囲内に入っていないといけないのが分かる。   That is, when one terminal A and the other terminal B of the capacitor C shown in FIG. 92 are interchanged, the dielectric absorption Kp and Kn have different values. This is remarkable in the ceramic capacitor C1r having the smallest step-up ratio. As can be seen from FIG. 95, a capacitor with a ratio Kr close to 1 has good power transmission, and a capacitor with a ratio Kr larger than 1 has poor power transmission. From the correlation between Kr and power transmission performance in FIG. 95, the ratio of Kp to Kn, Kr, Kr = Kp / Kn, is in the range of 1 <Kp / Kn <1.5. I understand that it is necessary.

(キャパシタの温度上昇に関する実施例の説明)
図96は、キャパシタCの性能を判断する回路構成図である。図96の交流電源122は、周波数を可変でき、交流電流計123で出力電流Iaを計測でき、交流電圧計124で出力電圧Vt(V)が計測できるように構成されている。キャパシCに交流電圧Vt(V)を印加すると、キャパシタに無効電力による電流Ia(A)、が流れる。Ia(A)=Vt(V)/Xc(Ω)、である。図97は、前述した図73に示したLCRの直列共振回路を構成することにより、キャパシタCxに電流を流す回路図である。
(Explanation of the embodiment regarding the temperature rise of the capacitor)
FIG. 96 is a circuit configuration diagram for determining the performance of the capacitor C. The AC power supply 122 in FIG. 96 is configured such that the frequency can be varied, the output current Ia can be measured by the AC ammeter 123, and the output voltage Vt (V) can be measured by the AC voltmeter 124. When an AC voltage Vt (V) is applied to the capacitor C, a current Ia (A) due to reactive power flows through the capacitor. Ia (A) = Vt (V) / Xc (Ω). FIG. 97 is a circuit diagram for causing a current to flow through the capacitor Cx by configuring the LCR series resonant circuit shown in FIG. 73 described above.

図98は、図96、図97の回路において、周波数200kHz、実効値0.5Aの交流電流をキャパシタに流したときの、キャパシタの上昇温度をX軸とし、電力伝送性能をY軸としたグラフである。正確な温度を計測するため、キャパシタの温度は、赤外線式の非接触型温度計で計測してある。   FIG. 98 is a graph in which, in the circuits of FIGS. 96 and 97, when an alternating current having a frequency of 200 kHz and an effective value of 0.5 A is passed through the capacitor, the rising temperature of the capacitor is taken as the X axis and the power transmission performance is taken as the Y axis. It is. In order to measure an accurate temperature, the temperature of the capacitor is measured with an infrared non-contact type thermometer.

図98から明らかなように、キャパシタCの温度が高くなると、電力伝送性能が悪くなる。キャパシタの温度上昇が10℃以下であれば所定の電力伝送性能が得られるのが分かる。キャパシタの温度上昇が5℃以下であれば、より好ましい。   As is clear from FIG. 98, when the temperature of the capacitor C increases, the power transmission performance deteriorates. It can be seen that a predetermined power transmission performance can be obtained if the temperature rise of the capacitor is 10 ° C. or less. It is more preferable if the temperature rise of the capacitor is 5 ° C. or less.

(性能評価方法、性能評価装置の説明)
図99(A)は、キャパシタの性能を計測する例を示すブロック図であり、図99(B)は、図99(A)に示す二重積分式のA/D変換器125に含まれる積分回路128を示す図である。
(Description of performance evaluation method and performance evaluation device)
99A is a block diagram showing an example of measuring the performance of a capacitor, and FIG. 99B is an integration included in the double integration type A / D converter 125 shown in FIG. 99A. FIG.

パルス数計測手段およびAD変換手段として作動するA/D変換器125には、図99(B)に示す積分回路が含まれている。オペアンプ128の反転入力端子bと出力端子aとの間に積分キャパシタCxが接続されており、積分キャパシタCxは抵抗Rtの一端とオペアンプ128の反転入力端子に接続され、抵抗Rtの他端は入力端VINに接続されている。オペアンプ128の非反転入力端子はGNDに接続されている。   The A / D converter 125 operating as the pulse number measuring means and the AD converting means includes an integrating circuit shown in FIG. An integrating capacitor Cx is connected between the inverting input terminal b and the output terminal a of the operational amplifier 128. The integrating capacitor Cx is connected to one end of the resistor Rt and the inverting input terminal of the operational amplifier 128, and the other end of the resistor Rt is input. It is connected to the end VIN. The non-inverting input terminal of the operational amplifier 128 is connected to GND.

基準電圧Vrefは、A/D変換器125の基準電圧入力REF_HIとREF_LOに接続されている。A/D変換器125には表示器126が接続されている。測定電圧入力端子IN_HIとIN_LOにはスイッチ127が接続されている。スイッチ127は測定電圧入力端子IN_HIとIN_LOに、基準電圧Vref,反転基準電圧−Vrefを与えるかあるいは短絡状態にするかを切換える。短絡状態に切換えたとき、スイッチ127は積分キャパシタの両端電圧をゼロにする初期化手段として作動する。   The reference voltage Vref is connected to the reference voltage inputs REF_HI and REF_LO of the A / D converter 125. A display 126 is connected to the A / D converter 125. A switch 127 is connected to the measurement voltage input terminals IN_HI and IN_LO. The switch 127 switches whether the reference voltage Vref and the inverted reference voltage −Vref are applied to the measurement voltage input terminals IN_HI and IN_LO, or the short circuit state. When switched to the short-circuit state, the switch 127 operates as an initialization means for setting the voltage across the integrating capacitor to zero.

この実施形態では、A/D変換器125は、積分キャパシタCxが初期化された後、積分キャパシタCxに正方向の定電流Ipを所定の時間Tの間に流し、所定の時間T経過後に積分キャパシタCxに負方向の所定の定電流Inを流し、積分キャパシタCxの両端電圧がゼロになるまでの時間をTnとすると、Ip=Inのときの所定時間Tのパルス数をカウントする。そして、所定時間Tのパルスカウント数をN、積分キャパシタCxの両端電圧がゼロとなるまでの時間Tnのパルスカウント数をNn、としたときに、NnとNとの差の絶対値が、0.004×Nカウント以下のキャパシタを選択する。   In this embodiment, the A / D converter 125 causes the constant current Ip in the positive direction to flow through the integration capacitor Cx for a predetermined time T after the integration capacitor Cx is initialized, and integrates after the predetermined time T elapses. When a predetermined constant current In in the negative direction is passed through the capacitor Cx and the time until the voltage across the integrating capacitor Cx becomes zero is Tn, the number of pulses at the predetermined time T when Ip = In is counted. When the pulse count for the predetermined time T is N and the pulse count for the time Tn until the voltage across the integration capacitor Cx becomes zero is Nn, the absolute value of the difference between Nn and N is 0. Select a capacitor of .004 × N count or less.

A/D変換器125として、二重積分式A/D変換器を使用し、A/D変換器125の基準電圧と入力電圧を同一とする。A/D変換器125の出力、例えば表示が、理論値1からの乖離を見ることにより、電力伝送措置に使用され力率キャパシタの性能を判断できる。このA/D変換器125は、1000カウント以上の分解能を持つ。この分解能1000は前記理論値1に対する分解能である。すなわち、カウント数が999ならば、理論値1との乖離は、0.001になる。したがって、カウント数をNとし、0.004×Nカウント以下の偏差(デジット)であれば、キャパシタの力率改善性能はよい。なお、カウント数Nは、例えば10000であればより正確な判断ができる。また、上記の理論値1は、2のn乗のビット数、例えば11ビットなら、2047などであってもよい。   A double integration type A / D converter is used as the A / D converter 125, and the reference voltage and the input voltage of the A / D converter 125 are the same. When the output, for example, the display of the A / D converter 125 shows a deviation from the theoretical value 1, the performance of the power factor capacitor used for the power transmission measure can be determined. The A / D converter 125 has a resolution of 1000 counts or more. This resolution 1000 is the resolution for the theoretical value 1. That is, if the count number is 999, the deviation from the theoretical value 1 is 0.001. Therefore, if the count number is N and the deviation (digit) is 0.004 × N count or less, the power factor improvement performance of the capacitor is good. If the count number N is, for example, 10,000, a more accurate determination can be made. The theoretical value 1 may be 2 n bits, for example, 2047 if it is 11 bits.

さらに、キャパシタに、負方向の定電流Inを所定時間Tの間流し、所定時間Tの経過後に、キャパシタに、正方向の所定の定電流Ipを流し、キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間をTp、とすると、|Ip|=|In|、であって、Tのパルスカウント数をN、Tpのパルスカウント数をNp、としたときに、NpとNとの差の絶対値が0.004×Nカウント以下のキャパシタを選ぶ。   Further, a constant current In in the negative direction is passed through the capacitor for a predetermined time T, and after a predetermined time T has elapsed, a predetermined constant current Ip in the positive direction is passed through the capacitor until the voltage across the capacitor becomes zero. If the time is Tp, and | Ip | = | In |, where the pulse count number of T is N and the pulse count number of Tp is Np, the absolute value of the difference between Np and N is Select a capacitor of 0.004 x N counts or less.

この例では、A/D変換器125の基準電圧と入力電圧を同一とする際、入力電圧の極性を反転させる。先に誘電吸収にて述べたように、無極性のキャパシタであっても、正の同一電圧と負の同一電圧をA/D変換器に加えたときに、表示が異なる。上記の方法により、正確にキャパシタの力率改善性能を判断ができる。   In this example, when the reference voltage of the A / D converter 125 is the same as the input voltage, the polarity of the input voltage is inverted. As described above in terms of dielectric absorption, even a nonpolar capacitor has a different display when the same positive voltage and the same negative voltage are applied to the A / D converter. By the above method, the power factor improvement performance of the capacitor can be accurately determined.

さらに、NpとNnの差の絶対値が、0.003×Nカウント以下であれば、キャパシタの力率改善性能はよい。   Furthermore, if the absolute value of the difference between Np and Nn is 0.003 × N counts or less, the power factor improvement performance of the capacitor is good.

この例では、NpとNnの差の絶対値を比較することにより、さらに正確にキャパシタの力率改善性能の判断ができる。   In this example, the power factor improvement performance of the capacitor can be determined more accurately by comparing the absolute values of the differences between Np and Nn.

図100は、A/D変換器125の積分回路出力Voを示す波形である。   FIG. 100 is a waveform showing the integration circuit output Vo of the A / D converter 125.

図99(B)に示すA/D変換器125において、差動入力である測定電圧入力端子IN_HIとIN_LO間の電圧をVmとすると、積分電流Ii(A)は、
Ii(A)=Vm(V)/Rt(Ω)、となる。A/D変換器125の出力は表示器126に表示される。入力信号積分の時間は、1000カウントの固定値になっている。したがって、図100に示すピーク電圧Vpeak(V)は、Vm(V)に比例して高くなる。積分キャパシタCxとVpeakの関係は、Vpeak(V)=Ii(A)/Cx(F)、となる。これは、入力信号積分の時間が一定であるからである。1000カウントの入力信号積分後、A/D変換器125内部で逆積分に切換えられる。電流源として作動する基準電圧Vrefにより生成される電流Iref(A)、Iref(A)=Vref(V)/Rt(Ω)により、一定の負の傾きにより、Vpeakから逆積分を行う。逆積分の時間をカウントし、積分回路の出力がゼロとなったときのカウント値を、4桁のディジタル値として表示する。
In the A / D converter 125 shown in FIG. 99 (B), when the voltage between the measurement voltage input terminals IN_HI and IN_LO, which are differential inputs, is Vm, the integrated current Ii (A) is
Ii (A) = Vm (V) / Rt (Ω). The output of the A / D converter 125 is displayed on the display 126. The input signal integration time is a fixed value of 1000 counts. Therefore, the peak voltage Vpeak (V) shown in FIG. 100 increases in proportion to Vm (V). The relationship between the integration capacitor Cx and Vpeak is Vpeak (V) = Ii (A) / Cx (F). This is because the input signal integration time is constant. After 1000 counts of input signal integration, switching to inverse integration is performed within the A / D converter 125. Inverse integration is performed from Vpeak with a constant negative slope according to currents Iref (A) and Iref (A) = Vref (V) / Rt (Ω) generated by reference voltage Vref operating as a current source. The counter integration time is counted, and the count value when the output of the integration circuit becomes zero is displayed as a 4-digit digital value.

図99(A),(B)に示すキャパシタCxとして理想的なものを使用したものとし、A/D変換器125の測定電圧入力端子IN_NIとIN_LOに入力される電圧をVinとすると、A/D変換器125出力の表示器126に表示される表示Dは、D=1000×(Vin/Vref)となる。この場合において、Vin=Vref、であるので、表示Dは常に1000となる。すなわち、理想的なキャパシタでは、図100に示す入力電圧積分波形と、基準電圧逆積分波形とはピーク電圧Vpeakを境にして対称になるはずである。しかし、電力伝送性能の悪いキャパシタでは、入力電圧積分波形と、基準電圧逆積分波形とはピーク電圧Vpeakを境にして対称にならず、積分時間のカウント数に偏差を生じる。この偏差が所定値以内であるか否かを判別すれば、キャパシタの電力伝送性能の良し悪しを区別できる。以下、具体的に説明する。   Assuming that an ideal capacitor Cx shown in FIGS. 99A and 99B is used, and assuming that the voltage input to the measurement voltage input terminals IN_NI and IN_LO of the A / D converter 125 is Vin, A / The display D displayed on the display 126 of the D converter 125 output is D = 1000 × (Vin / Vref). In this case, since Vin = Vref, the display D is always 1000. That is, in an ideal capacitor, the input voltage integration waveform shown in FIG. 100 and the reference voltage inverse integration waveform should be symmetric with respect to the peak voltage Vpeak. However, in a capacitor with poor power transmission performance, the input voltage integration waveform and the reference voltage inverse integration waveform are not symmetrical with respect to the peak voltage Vpeak, and a deviation occurs in the count number of integration time. If it is determined whether or not the deviation is within a predetermined value, it is possible to distinguish whether the power transmission performance of the capacitor is good or bad. This will be specifically described below.

図99(A)に示すように、スイッチ127がA側に切換えられているときには、入力Vinには基準電圧Vrefが入力される。このとき、表示器126の表示Dpは、1000となる。スイッチ127がB側に切換えられているときには、A/D変換器125の入力は短絡される。このとき、表示器126の表示Dzは、±0となる。スイッチ127がC側に切換えられているときには、入力Vinには基準電圧−Vrefが入力される。このとき、表示器126の表示Dnは、−1000となる。このような機能を持つ二重積分式A/D変換器125の一例として、インターシル社のICL7106などがある。本実施形態では、ICL7106の改良版であるICL7136を使用した。さらに精密な計測を行ないたい場合は、±19999の分解能を持つICL7135、表示器ではなく、データをコンピュータに取り込んで計測させるには、±12Bitの分解能を持つ、ICL7109などがある。いずれも二重積分式のA/D変換器であり、二重積分式以外のA/D変換器は本発明には使用できない。なお、上述した二重積分式のA/D変換器以外であっても、動作原理が同等のものは、本発明に使用可能である。   As shown in FIG. 99A, when the switch 127 is switched to the A side, the reference voltage Vref is input to the input Vin. At this time, the display Dp of the display 126 is 1000. When the switch 127 is switched to the B side, the input of the A / D converter 125 is short-circuited. At this time, the display Dz of the display 126 is ± 0. When the switch 127 is switched to the C side, the reference voltage −Vref is input to the input Vin. At this time, the display Dn of the display 126 becomes −1000. An example of the double integration type A / D converter 125 having such a function is ICL7106 manufactured by Intersil Corporation. In this embodiment, ICL7136, which is an improved version of ICL7106, is used. In order to perform more precise measurement, there are ICL7135 having a resolution of ± 19999, ICL7109 having a resolution of ± 12 bits in order to take data into a computer instead of a display and measure it. Both are double integration type A / D converters, and A / D converters other than the double integration type cannot be used in the present invention. It should be noted that, other than the double integration type A / D converter described above, those having the same operation principle can be used in the present invention.

図99(A)のように回路を構成することにより、基準電源Vrefが変動しても、上述した理論値が常に表示される。したがって、この理論値からの乖離を見ることにより、キャパシタの性能を判断できる。図99(A),(B)には図示していないが、二重積分型A/D変換器125は、積分回路を構成するオペアンプ128のオフセット電圧をキャンセルする回路(オートゼロ回路)が付加されている。このオートゼロ回路は、通常、積分回路のオフセット電圧を50μV以下に自動調整する。したがって、Vrefが100mV以上なら、スイッチ77がBの点にあるときは、表示は必ずゼロとなる。なお、Vrefは200mVに設定して計測した。ただし、二重積分式のA/D変換器125は、ノイズの影響を受けやすいため、配線や金属ケースによるシールド等、実装に十分気をつけないと、表示が安定せず、正確な計測が難しくなるので注意を要する。   By configuring the circuit as shown in FIG. 99A, the above-described theoretical value is always displayed even if the reference power supply Vref varies. Therefore, the performance of the capacitor can be determined by seeing the deviation from this theoretical value. Although not shown in FIGS. 99A and 99B, the double integration type A / D converter 125 is provided with a circuit (auto zero circuit) for canceling the offset voltage of the operational amplifier 128 constituting the integration circuit. ing. This auto-zero circuit usually automatically adjusts the offset voltage of the integrating circuit to 50 μV or less. Therefore, if Vref is 100 mV or more, the display is always zero when the switch 77 is at the point B. In addition, Vref was set to 200 mV and measured. However, the double-integration A / D converter 125 is susceptible to noise, so the display will not be stable and accurate measurement will not be possible without careful attention to mounting, such as shielding by wiring and metal cases. Be careful as it becomes difficult.

図101は、表2に示す各キャパシタをA/D変換125に接続し、スイッチ127をB点としたときの、各キャパシタのゼロ点からのずれの絶対値(単位デジット)をX軸とし、電力伝送性能をY軸としたグラフである。図101では、0デジットと1デジット表示を繰り返しているときは、0デジットとし、1デジットの表示のときを1デジットとしてある。後述するDp、Dnを計測する際には、ゼロ点からのずれを補正してある。図101にプロットされている表2に示す各キャパシタの電力伝送性能と、デジット値を比較すると、キャパシタの違いによる入力短絡時の表示値と電力伝送性能の間に、特に関係は無いものと思われる。   In FIG. 101, each capacitor shown in Table 2 is connected to the A / D converter 125, and when the switch 127 is a point B, the absolute value (unit digit) of the deviation from the zero point of each capacitor is taken as the X axis. It is a graph which made electric power transmission performance a Y-axis. In FIG. 101, when 0 digit and 1 digit display are repeated, 0 digit is set, and when 1 digit is displayed, 1 digit is set. When measuring Dp and Dn, which will be described later, the deviation from the zero point is corrected. When comparing the power transmission performance of each capacitor shown in Table 2 plotted in FIG. 101 and the digit value, there is no particular relationship between the displayed value and the power transmission performance when the input is short-circuited due to the difference in the capacitor. It is.

まず、図99(A)に示すスイッチ127をB側に切換えられているものとし、A/D変換器125の入力電圧をゼロとする。このときの表示を補正値としてDzとする。0表示と1表示を均等に繰り返しているときは、Dz=+0.5とする。−0表示と−1表示を均等に繰り返しているときは、Dz=−0.5とする。このDzを、Dp、Dnを計測するときに差引いて補正する。なお、Dp、Dnの計測においても、0999表示と1000表示を均等に繰り返しているときは、999.5を計測値としている。   First, the switch 127 shown in FIG. 99A is switched to the B side, and the input voltage of the A / D converter 125 is set to zero. The display at this time is Dz as a correction value. When 0 display and 1 display are repeated equally, Dz = + 0.5. When −0 display and −1 display are repeated equally, Dz = −0.5. This Dz is corrected by subtracting when measuring Dp and Dn. In the measurement of Dp and Dn, 999.5 is used as the measurement value when 0999 display and 1000 display are repeated equally.

図102は、図99に示すスイッチ127がA側に切換えられているものとし、入力電圧=基準電圧Vrefとしたときの、理論上の表示1000と、実際の表示Dpの第1の偏差(デジット)の絶対値をX軸とし、電力伝送性能をY軸としたグラフである。図103は、図99において、スイッチ127をCの位置にし、入力電圧=−基準電圧としたときの、理論上の表示−1000と、実際の表示Dnの第2の偏差(デジット)の絶対値をX軸とし、電力伝送性能をY軸としたグラフである。図104は、実際の表示DpとDnの表示の絶対値の差(デジット)の絶対値をX軸とし、電力伝送性能をY軸としたグラフである。   In FIG. 102, it is assumed that the switch 127 shown in FIG. 99 is switched to the A side, and the first deviation (digit) of the theoretical display 1000 and the actual display Dp when the input voltage = the reference voltage Vref is set. ) On the X axis, and the power transmission performance on the Y axis. FIG. 103 shows the absolute value of the second deviation (digit) of the theoretical display −1000 and the actual display Dn when the switch 127 is set to the position C in FIG. 99 and the input voltage = −reference voltage. Is a graph with X-axis and power transmission performance as Y-axis. FIG. 104 is a graph in which the absolute value of the difference (digit) between the absolute values of the actual displays Dp and Dn is the X axis, and the power transmission performance is the Y axis.

表2に示すキャパシタをA/D変換器125に接続する。A/D変換器125の表示の絶対値が、正、負共に、0996から1002の間であれば、該キャパシタは性能がよいと判断できる。図101、図102において、最大4デジットの幅を設けたのは、通常、A/D変換器125は、±1デジットの基本誤差を持つからである。また、2次側電力3.25W、伝送効率η80%以上の規定を満足する値(デジット)でもある。   The capacitors shown in Table 2 are connected to the A / D converter 125. If the absolute value of the display of the A / D converter 125 is between 0996 and 1002, both positive and negative, it can be determined that the capacitor has good performance. In FIG. 101 and FIG. 102, the reason why the maximum width of 4 digits is provided is that the A / D converter 125 normally has a basic error of ± 1 digit. It is also a value (digit) that satisfies the requirements of secondary power 3.25 W and transmission efficiency η 80% or more.

実際の表示Dp、Dnの双方が計測できれば、図102より、A/D変換器125の表示において、実際の表示DpとDnの差の絶対値が、3デジット以内であれば、所定の電力伝送性能が得られるのが分かる。例えば、実際Dpの表示が1001であったならば、Dnの表示値は、0998<Dn<1004、を満足していればよい。あるいは、基準電源Vrefとは別の精密電源を使い、A/D変換器125の表示が、1990になるように、入力電圧を設定してもよい。この場合、実際の表示DpとDnの差が、6デジット以内であれば、所定の電力伝送性能が得られる。この6デジットは、
3×(1990/1000)≒6デジットとして規定されているものである。
If both the actual displays Dp and Dn can be measured, as shown in FIG. 102, if the absolute value of the difference between the actual displays Dp and Dn is within 3 digits in the display of the A / D converter 125, the predetermined power transmission You can see the performance. For example, if the display of Dp is actually 1001, the display value of Dn only needs to satisfy 0998 <Dn <1004. Alternatively, a precision power supply different from the reference power supply Vref may be used, and the input voltage may be set so that the display of the A / D converter 125 becomes 1990. In this case, if the difference between the actual displays Dp and Dn is within 6 digits, a predetermined power transmission performance can be obtained. These 6 digits are
It is specified as 3 × (1990/1000) ≈6 digits.

前述の式は、最大カウント値、19999カウントのA/D変換器125を使用した場合について説明しているが、例えば、最大カウント値、19999カウントのA/D変換器を使用した場合で、の回路構成の場合、3×(10000/1000)≒30デジットが規定値となる。これは、前述したDp、Dnの場合も同様であり、19999カウントのA/D変換器を使用した場合、規定値は40デジット以下になる。   The above formula describes the case where the A / D converter 125 with the maximum count value and 19999 counts is used. For example, when the A / D converter with the maximum count value and 19999 counts is used, In the case of a circuit configuration, 3 × (10000/1000) ≈30 digits is the specified value. This is the same for Dp and Dn described above. When an A / D converter with 19999 counts is used, the specified value is 40 digits or less.

誘電吸収を計測する場合に比べ、2重積分式のA/D変換器125を用いることにより、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断が、短時間で行える。上記に説明してきたように、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能は、キャパシタの直流特性でも判断できる。2重積分式のA/D変換器以外にも、V/Fコンバータ(電圧周波数変換器)、F/Vコンバータ(周波数電圧変換器)、VCO(電圧制御発振器)、サンプル・ホールドアンプ(瞬間電圧値保持回路)、RMS/DC変換器(交流実効値‐直流変換器)、タイマーなどのアナログ回路、アナログIC等、キャパシタを使用する回路を使い、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断が可能である。   Compared with the case where dielectric absorption is measured, by using the double integral type A / D converter 125, the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device can be judged in a short time. As described above, the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device can also be determined from the DC characteristics of the capacitor. In addition to the double integration type A / D converter, V / F converter (voltage frequency converter), F / V converter (frequency voltage converter), VCO (voltage controlled oscillator), sample hold amplifier (instantaneous voltage) Value holding circuit), RMS / DC converter (AC RMS-DC converter), analog circuits such as timers, analog ICs, etc., and circuits that use capacitors, judge the performance of power factor improvement capacitors for power transmission devices Is possible.

V/Fコンバータでは、例えば、入力電圧と出力周波数の直線性を見ることにより、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断ができる。このようなICの一例として、アナログデバイセズ(Analog Devices)社のAD654などがある。   In the V / F converter, for example, the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device can be judged by looking at the linearity of the input voltage and the output frequency. An example of such an IC is AD654 from Analog Devices.

F/Vコンバータでは、例えば、入力周波数と出力電圧の直線性を見ることにより、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断ができる。このようなICの一例として、ナショナルセミコンダクター(National Semiconductor)社のLM2907などがある。   In the F / V converter, for example, the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device can be judged by looking at the linearity of the input frequency and the output voltage. An example of such an IC is LM2907 from National Semiconductor.

VCOでも、例えば、入力電圧と出力周波数の直線性を見ることにより、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断ができる。このようなICの一例として、C−MOS4046(各社製)などがある。   Even in a VCO, for example, the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device can be judged by looking at the linearity of the input voltage and the output frequency. An example of such an IC is C-MOS 4046 (manufactured by each company).

サンプル・ホールドアンプでは、例えば、一定の直流電圧を入力し、出力電圧と入力電圧の差を見ることにより、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断ができる。このようなICの一例として、アナログデバイセズ社のAD585などがある。   In the sample and hold amplifier, for example, the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device can be judged by inputting a constant DC voltage and looking at the difference between the output voltage and the input voltage. An example of such an IC is Analog Devices' AD585.

RMS/DC変換器では、例えば、交流電力を熱変換して、正確な交流電力を計測し、RMS/DC変換器の出力と比較することにより、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断ができる。このようなICの一例として、アナログデバイセズ社のAD637などがある。   In the RMS / DC converter, for example, the AC power is thermally converted, the accurate AC power is measured, and compared with the output of the RMS / DC converter, thereby determining the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device. Can do. An example of such an IC is AD637 from Analog Devices.

タイマーでは、例えば、各種のキャパシタを装備させ、出力を周波数カウンタで計測して比較することにより、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断ができる。このようなICの一例として、タイマーIC555(各社製)などがある。   In the timer, for example, it is possible to judge the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device by installing various capacitors and measuring and comparing the output with a frequency counter. An example of such an IC is a timer IC 555 (manufactured by each company).

上記に述べたようなアナログICにおいて、キャパシタはいずれも各ICの精度や機能に影響するものである。したがって、上記のようなICにて複数のキャパシタで精度や機能を比較すれば、二重積分式A/D変換器と同様にして、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断ができる。なお、上記に述べたアナログICは一例であり、その他にも、キャパシタの性能を判断できるアナログICは多種存在する。   In the analog IC as described above, any capacitor affects the accuracy and function of each IC. Therefore, if the accuracy and function of a plurality of capacitors are compared in the IC as described above, the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device can be judged in the same manner as the double integration type A / D converter. The analog IC described above is an example, and there are many other analog ICs that can determine the performance of the capacitor.

このように、所定周波数における誘電正接、ゼロ電位に対する対称性、昇圧比H、キャパシタに交流電流が流れたときの静電容量の安定性、誘電吸収、誘電吸収の対称性、二重積分式A/D変換器125の実際の表示Dp、Dnの理論値からのずれ、DpとDnの表示差を規定することにより、電力伝送装置の力率改善用に最適なキャパシタを選ぶことができるようになる。このようなキャパシタを電力伝送装置の力率改善に用いることにより、従来の技術では実現が困難であった電力伝送性能がよい電力伝送装置が実現可能となる。   Thus, dielectric loss tangent at a predetermined frequency, symmetry with respect to zero potential, step-up ratio H, stability of capacitance when an alternating current flows through the capacitor, dielectric absorption, symmetry of dielectric absorption, double integral formula A By defining the actual display Dp of D / D converter 125, the deviation from the theoretical value of Dn, and the display difference between Dp and Dn, an optimum capacitor can be selected for improving the power factor of the power transmission device. Become. By using such a capacitor to improve the power factor of the power transmission device, it is possible to realize a power transmission device with good power transmission performance that was difficult to realize with the conventional technology.

次に、全く同一の誘電体を使用し、全く同一の構成のキャパシタについて、静電容量の違いによる電力伝送性能の違いについて検討してみる。   Next, the difference in power transmission performance due to the difference in capacitance will be examined for capacitors having exactly the same configuration using the same dielectric.

図105は、電力伝送特性の最も良いポリプロピレンキャパシタC1cと誘電体と構成が同一で静電容量が異なるキャパシタにおける、各キャパシタの複素インピーダンスの絶対値|Z|の周波数特性を示す図である。図106は、電力伝送特性の最も悪いセラミックキャパシタC1rと誘電体と構成が同一で静電容量が異なるキャパシタにおける、各キャパシタの複素インピーダンスの絶対値|Z|の周波数特性を示す図である。   FIG. 105 is a diagram showing the frequency characteristic of the absolute value | Z | of the complex impedance of each capacitor in a capacitor having the same configuration and different capacitance from the polypropylene capacitor C1c having the best power transmission characteristics. FIG. 106 is a diagram illustrating the frequency characteristics of the absolute value | Z | of the complex impedance of each capacitor in a capacitor having the same configuration and different capacitance from the ceramic capacitor C1r having the worst power transfer characteristics.

キャパシタの複素インピーダンスZを、Z=Rc+jωC=Rc+Xc、とすると、
|Z|は、|Z|=√(Rc2+Xc2)(Ω)、で表される。
If the complex impedance Z of the capacitor is Z = Rc + jωC = Rc + Xc,
| Z | is represented by | Z | = √ (Rc2 + Xc2) (Ω).

図105、図106を参照すると、周波数が上昇するにつれ、|Z|が減少してゆくのが分かる。静電容量の大きいキャパシタでは、1MHz〜2MHz近辺で|Z|が極小値Zb(Ω)となっている。それ以上の周波数では|Z|が増加しているのが分かる。図105、図106には、0.47μFのキャパシタの位相角θがプロットされている。|Z|が極小値Zb(Ω)となる周波数fb(Hz)以上では、位相角θが180度移動しており、キャパシタはインダクタとして動作するのが分かる。したがって、|Z|が極小値となる周波数fb(Hz)が、該キャパシタを使用可能な最高周波数となる。周波数fbは、図125の等価回路において、キャパシタの静電容量Cと等価直列インダクタンスLeとで決まる直列共振点になる。後述するが、キャパシタを並列接続すると、実効直列抵抗Rc、等価直列インダクタンスLeの双方が低下する。そのため、キャパシタに大電流を流すことができ、発熱も抑えられる。   Referring to FIGS. 105 and 106, it can be seen that | Z | decreases as the frequency increases. In a capacitor having a large capacitance, | Z | is a minimum value Zb (Ω) in the vicinity of 1 MHz to 2 MHz. It can be seen that | Z | increases at higher frequencies. 105 and 106, the phase angle θ of the capacitor of 0.47 μF is plotted. At a frequency fb (Hz) or more at which | Z | is the minimum value Zb (Ω), the phase angle θ is shifted by 180 degrees, and it can be seen that the capacitor operates as an inductor. Therefore, the frequency fb (Hz) at which | Z | becomes the minimum value is the highest frequency at which the capacitor can be used. The frequency fb is a series resonance point determined by the capacitance C of the capacitor and the equivalent series inductance Le in the equivalent circuit of FIG. As will be described later, when the capacitors are connected in parallel, both the effective series resistance Rc and the equivalent series inductance Le decrease. Therefore, a large current can flow through the capacitor and heat generation can be suppressed.

図105、図106を参照すると、誘電体、構造、特性が異なるポリプロピレンキャパシタC1cとセラミックキャパシタC1rは、同一の静電容量であれば、|Z|(Ω)が極小値となる周波数がほぼ等しくなっているのが分かる。このように、キャパシタのインピーダンス|Z|(Ω)の周波数特性を見ることにより、該キャパシタを使用可能な最高周波数が分かる。またはキャパシタに流れる電流とキャパシタの両端電圧の位相差θの周波数特性を見ることにより、該キャパシタを使用可能な最高周波数fb(Hz)が分かる。   Referring to FIGS. 105 and 106, polypropylene capacitors C1c and ceramic capacitors C1r having different dielectric materials, structures, and characteristics have substantially the same frequency at which | Z | (Ω) becomes a minimum value if they have the same capacitance. You can see that Thus, by looking at the frequency characteristic of the impedance | Z | (Ω) of the capacitor, the maximum frequency at which the capacitor can be used is known. Alternatively, by looking at the frequency characteristic of the phase difference θ between the current flowing through the capacitor and the voltage across the capacitor, the maximum frequency fb (Hz) at which the capacitor can be used can be found.

なお、電力伝送に使用される周波数は、最高周波数fb(Hz)以下であるなら、任意の周波数でよい。しかし、任意の周波数でキャパシタの特性規定はできない。よって、静電容量Ca(F)が決まったキャパシタにて、最高周波数fb(Hz)を求める。最高周波数fb(Hz)の最も低い値を基準とし、fb/2(Hz)以下の周波数において、上述したキャパシタの特性を計測し、前述した規定を満足しているかを確認すればよい。あるいは、200kHz、500kHzなどの、最高周波数fb以下の同一周波数を計測用周波数とし、異なるキャパシタの性能比較をしてもよい。このようにして、キャパシタ以外の構成要素、電力伝送周波数が変わったときでも、電力伝送性能を確保できる。上記の実測結果より、単体キャパシタとして使用可能なのは、0.47μF程度が上限と考えられる。後述するが、0.47μF以上の静電容量が必用な場合は、0.47μF以下の静電容量を持つキャパシタを並列接続するのが好ましい。   The frequency used for power transmission may be any frequency as long as it is equal to or lower than the maximum frequency fb (Hz). However, capacitor characteristics cannot be defined at any frequency. Therefore, the maximum frequency fb (Hz) is obtained with a capacitor having a predetermined capacitance Ca (F). The characteristic of the capacitor described above may be measured at a frequency equal to or lower than fb / 2 (Hz) with the lowest value of the maximum frequency fb (Hz) as a reference, and it may be confirmed whether or not the above-mentioned regulation is satisfied. Alternatively, the same frequency, such as 200 kHz or 500 kHz, that is equal to or lower than the maximum frequency fb may be used as a measurement frequency, and performance comparison of different capacitors may be performed. In this way, even when the components other than the capacitor and the power transmission frequency are changed, the power transmission performance can be ensured. From the above measurement results, the upper limit is about 0.47 μF that can be used as a single capacitor. As will be described later, when a capacitance of 0.47 μF or more is necessary, it is preferable to connect capacitors having a capacitance of 0.47 μF or less in parallel.

一般に実効直列抵抗Rcの最小値は、図105、図106における、インピーダンスの極小値と捉えられている。しかし、図86、図88と比較する限りにおいて、図105、図106との一致は見られない。しかし、これらは、定義と計測法の差異だけである。本発明は、キャパシタの実効直列抵抗や誘電正接tanδだけでは規定できない電力伝送装置の力率改善用に適したキャパシタを選び、電力伝送性能の良い電力伝送装置を実現するものである。前述したように、キャパシタ両端の正弦波電圧のゼロ点からのシフト比S、誘電正接の具体的数値、誘電吸収、二重積分型A/D変換器などによるキャパシタ特性の計測は、電力伝送周波数に関係なく、性能のよいキャパシタを選べる。その後に、図86、図87、図88、図89、図105、図106の周波数特性を計測し、キャパシタを使用可能な周波数の目安とするのが好ましい。   In general, the minimum value of the effective series resistance Rc is regarded as a minimum value of impedance in FIGS. 105 and 106. However, as long as it is compared with FIGS. 86 and 88, the coincidence with FIGS. 105 and 106 is not seen. However, these are only differences between the definition and the measurement method. The present invention realizes a power transmission device with good power transmission performance by selecting a capacitor suitable for power factor improvement of a power transmission device that cannot be defined only by the effective series resistance of the capacitor or the dielectric loss tangent tan δ. As described above, the measurement of the capacitor characteristics using the shift ratio S from the zero point of the sine wave voltage across the capacitor, the specific value of the dielectric tangent, the dielectric absorption, the double integral type A / D converter, etc. Capacitors with good performance can be selected regardless of Thereafter, the frequency characteristics shown in FIGS. 86, 87, 88, 89, 105, and 106 are preferably measured and used as an indication of the frequency at which the capacitor can be used.

(キャパシタの構成の説明)
図107、図108は本発明の実施形態である具体的なキャパシタの構成を示す図である。電力伝送装置の回路構成図である、図1の、キャパシタC1は、図107(A),(B)、図108(A),(B)に示すように、誘電材料136と金属箔135を巻回されて構成されるか、あるいは誘電材料136と金属箔135とを交互に積層して構成されており、誘電材料と金属箔からなる単層1cm当りの静電容量が1000pF以下のものを使用するのが好ましい。なお、図107において、金属箔の代わりに、誘電体フィルムに金属を蒸着させて電極を形成した構成のものであってもよい。このような構成のキャパシタは、メタライズドキャパシタと呼ばれ、誘電体フィルムにピンホールが生じても、ピンホールの周囲にある金属蒸着層が蒸発して正規の特性に戻る。この機能は、自己回復作用、または自己回復機能と呼ばれている。
(Description of capacitor configuration)
107 and 108 are diagrams showing specific capacitor configurations according to the embodiment of the present invention. The capacitor C1 in FIG. 1 which is a circuit configuration diagram of the power transmission device includes a dielectric material 136 and a metal foil 135 as shown in FIGS. 107 (A), (B), 108 (A), and (B). Constructed by winding, or by alternately laminating dielectric material 136 and metal foil 135, and having a capacitance of 1000 pF or less per 1 cm 2 of single layer made of dielectric material and metal foil Is preferably used. In FIG. 107, instead of the metal foil, an electrode may be formed by depositing metal on a dielectric film. A capacitor having such a configuration is called a metallized capacitor, and even if a pinhole is generated in the dielectric film, the metal vapor deposition layer around the pinhole is evaporated to return to a normal characteristic. This function is called self-healing action or self-healing function.

本発明の実施形態においては、絶縁抵抗が高く、耐電圧の高い誘電体を導間隙に設置したキャパシタが使用され、導箔2枚と誘電材料で構成される1cm当りの静電容量が、1000pF以下に選ばれている。誘電体を用いたキャパシタでは、静電容量値によりキャパシタの構造により特性が異なってくる。空気は、絶縁破壊が起こる電圧が、1000V/mm程度と低い。そのため、絶縁破壊が起こる電圧が高い誘電体を用いたキャパシタを使用せざるを得ない。例えば、フィルムキャパシタに用いるプラスチックフィルムの絶縁破壊電圧は、1000V/μm程度と、空気の約1000倍になっている。 In the embodiment of the present invention, a capacitor in which a dielectric having a high insulation resistance and a high withstand voltage is installed in the conductive gap is used, and the capacitance per 1 cm 2 composed of two conductive foils and a dielectric material is 1000 pF or less is selected. A capacitor using a dielectric has different characteristics depending on the structure of the capacitor depending on the capacitance value. The voltage at which dielectric breakdown occurs is as low as about 1000 V / mm. Therefore, a capacitor using a dielectric having a high voltage that causes dielectric breakdown must be used. For example, the dielectric breakdown voltage of a plastic film used for a film capacitor is about 1000 V / μm, which is about 1000 times that of air.

また、本願発明者が、本発明の実施形態の交流電源とコイルを使い、種々のキャパシタを使って実験を行ったところ、誘電体がプラスチックフィルムであって、かつ図107や図108の構成のキャパシタは、電力伝送性能がよかった。しかし、数百〜千V以上の動作可能電圧を持つ、例えばチタン酸バリウムを誘電体とするキャパシタC1zなどは、プラスチックフィルムを誘電体とするキャパシタよりも電力伝送性能がよい場合もあった。前記C1zは直径数cm以上の円板状で、誘電材料が厚く、形状が大きくはなるが、静電容量値と円板面積から逆算すると、単層1cm当りの静電容量は200pF程度以下となっており、前記の規定、単層1cm当りの静電容量1000pF以下という条件を満足していた。したがって、電力伝送装置に使用するキャパシタとしては、単位面積当りの静電容量を規定することが重要となる。後述するが、単位面積あたりの静電容量を規定するのは、極板間隔、誘電体の比誘電率の一方が決まれば、他方を決定する条件になる。 In addition, when the inventor of the present application conducted an experiment using various capacitors using the AC power source and the coil according to the embodiment of the present invention, the dielectric was a plastic film and the structure shown in FIGS. 107 and 108 was used. The capacitor had good power transmission performance. However, a capacitor C1z having an operable voltage of several hundred to 1,000 V or more, for example, using barium titanate as a dielectric, may have better power transmission performance than a capacitor using a plastic film as a dielectric. The C1z is a disk having a diameter of several centimeters or more, and the dielectric material is thick and the shape is large. However, when calculated backward from the capacitance value and the disk area, the capacitance per 1 cm 2 of the single layer is about 200 pF or less. Thus, the above-mentioned condition of the electrostatic capacity of 1000 pF or less per 1 cm 2 of the single layer was satisfied. Therefore, it is important to define the capacitance per unit area as a capacitor used in the power transmission device. As will be described later, the electrostatic capacity per unit area is defined as a condition for determining the other when one of the electrode plate interval and the relative dielectric constant of the dielectric is determined.

本願発明者が、実際に図107(B)の箔状導体とフィルムを巻回した構成で、表2の中で最も電力伝送性能がよいポリプロピレンキャパシタC1cと誘電体が同一の、静電容量が0.47μFのキャパシタを分解し、表面積と公称容量から逆算したところ、単層面積1cm当りの静電容量が、約1000pF以下であった。以下に実測結果を示す。 The inventor of the present application actually wound the foil-like conductor and film of FIG. 107 (B), and has the same dielectric capacity as that of the polypropylene capacitor C1c having the best power transmission performance in Table 2. When a 0.47 μF capacitor was disassembled and back-calculated from the surface area and nominal capacity, the capacitance per 1 cm 2 of single layer area was about 1000 pF or less. The actual measurement results are shown below.

0.47μFの、キャパシタC1cと同じ構成のポリプロピレンキャパシタを分解し、極板寸法を測ったら、約2cm×250cm、であった。   When a polypropylene capacitor having the same configuration as the capacitor C1c of 0.47 μF was disassembled and the electrode plate dimensions were measured, it was about 2 cm × 250 cm.

極板面積Scは、Sc=2cm×250cm=500cm、になる。 The electrode plate area Sc is Sc = 2 cm × 250 cm = 500 cm 2 .

静電容量は、0.47μF=470000pFなので、1cm当りの静電容量は、
470000pF/500cm=940pF/cm2になる。
Since the capacitance is 0.47 μF = 470000 pF, the capacitance per 1 cm 2 is
470000 pF / 500 cm 2 = 940 pF / cm 2 .

静電容量Cは、C=εo・εs・S/d、表される。ここで、εoは真空中の誘電率で、εo=8.85×10−12(F/m)の物理定数である。εsは比誘電率(無単位)、Sは極板の面積(m2)、dは極板間の距離(m)を表す。上式を変形し、
d=εo・εs・S/C、として、上記の定数、実測値を代入すると、
d=8.85×10−12(F/m)・εs・10−4/(940×10−12F)
d=(8.85/940)・εs・10−4m=εs・9.41×10−7m、
寸法測定誤差等を勘案し、9.41×10−7mを、1×10−6mとすると、
d=εs・1×10−6m=εs・μm、となる、資料によると、キャパシタC1cと同じ誘電体フィルムの比誘電率εsは、1.5〜4となっており、極板間の距離dは、最低でも1.5μmは必要となる。本願発明者が実験した限りにおいて、最も電力伝送性能のよいポリプロピレンキャパシタC1cは、同一の静電容量においては、体積が大きい部類に入る。すなわち、キャパシタの電力伝送性能は、体積に比例してよくなる傾向を持つ。よって、極板面積Sを小さくできる比誘電率は、上限を4とするのが好ましい。
The capacitance C is expressed as C = εo · εs · S / d. Here, εo is a dielectric constant in vacuum, and is a physical constant of εo = 8.85 × 10 −12 (F / m). εs is a relative dielectric constant (no unit), S is an area (m2) of the electrode plates, and d is a distance (m) between the electrode plates. Transform the above formula,
Substituting the above constants and measured values as d = εo · εs · S / C,
d = 8.85 × 10 −12 (F / m) · εs · 10 −4 m 2 / (940 × 10 −12 F)
d = (8.85 / 940) · εs · 10 −4 m = εs · 9.41 × 10 −7 m
Considering dimensional measurement error etc., if 9.41 × 10 −7 m is 1 × 10 −6 m,
According to the data, d = εs · 1 × 10 −6 m = εs · μm, the relative dielectric constant εs of the same dielectric film as that of the capacitor C1c is 1.5 to 4, and between the electrode plates The distance d is required to be at least 1.5 μm. As far as the inventors of the present application have experimented, the polypropylene capacitor C1c having the best power transmission performance falls into a category with a large volume for the same capacitance. That is, the power transmission performance of the capacitor tends to improve in proportion to the volume. Therefore, it is preferable that the upper limit of the relative dielectric constant capable of reducing the electrode plate area S is 4.

なお、マイクロメーターで実測した前記誘電体フィルムの厚さは、約3μmであった。したがって、前記の誘導式、d=εs・μm、より、前記誘電体フィルムの比誘電率εsは約3と推定され、資料の数値と一致している。   The thickness of the dielectric film measured with a micrometer was about 3 μm. Therefore, the dielectric constant εs of the dielectric film is estimated to be about 3 from the above-described induction formula, d = εs · μm, which is consistent with the numerical value of the material.

(キャパシタの誘電体の説明)
キャパシタの誘電体は、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンナフタレートの各ポリマー、一般式が、CRCQ、で表されるオレフィン系のモノマーであって、CRCQ、中のR、Qは、Hを含む官能基からなるモノマーの付加重合体であるポリマー、あるいは上記に記載の各ポリマーのうち、少なくとも2つの混合物から構成されている。
(Description of capacitor dielectric)
The capacitor dielectric is a polymer of polyimide, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polysulfone, polyphenylene sulfide, polyethylene naphthalate, an olefin monomer represented by a general formula CR 2 CQ 2 , and CR 2 CQ 2 , R and Q are composed of a polymer which is an addition polymer of a monomer having a functional group containing H, or a mixture of at least two of the above-described polymers.

ここで、R、Qは、H(水素)を含む官能基、例えば、Cl(塩素)、のような単原子、CH3(メチル基)、のような官能基、C(フェニル基)、のような官能基などを指す。例えば、CRCQ、中のR、Q全てがHの場合、モノマーはエチレン、ポリマーはポリエチレンとなる。CRCQ、中のR、Q全てがFの場合、モノマーはテトラフルオロエチレン、ポリマーはポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標))となる。CRCQ、中のRの1つがフェニル基、他のRとQ全てがHの場合、モノマーはスチレン、ポリマーはポリスチレンとなる。CRCQ、中のR全てがH、Q全てがFの場合、モノマーはフッ化ビニリデン、ポリマーはポリフッ化ビニリデンとなる。CRCQ、中のR、Qの内1つがCH、残りのQとRが全てHの場合、モノマーはプロピレン、ポリマーはポリプロピレンとなる。このような誘電材料を選び、キャパシタを適切に構成することにより、前述した電力伝送装置の力率改善に適切な特性を持つキャパシタが得られる。例えば、誘電吸収特性および誘電吸収特性の対称性がよいキャパシタが得られる。 Here, R and Q are functional groups containing H (hydrogen), for example, a single atom such as Cl (chlorine), a functional group such as CH3 (methyl group), or C 6 H 5 (phenyl group). , And the like. For example, when all of R 2 and Q in CR 2 CQ 2 are H, the monomer is ethylene and the polymer is polyethylene. When all of R and Q in CR 2 CQ 2 are F, the monomer is tetrafluoroethylene, and the polymer is polytetrafluoroethylene (Teflon (registered trademark)). When one of R in CR 2 CQ 2 is a phenyl group and the other R and Q are all H, the monomer is styrene and the polymer is polystyrene. When all of R in CR 2 CQ 2 are H and all of Q are F, the monomer is vinylidene fluoride and the polymer is polyvinylidene fluoride. In CR 2 CQ 2 , when one of R and Q in CH 2 is CH 3 and the remaining Q and R are all H, the monomer is propylene and the polymer is polypropylene. By selecting such a dielectric material and appropriately configuring the capacitor, a capacitor having characteristics suitable for improving the power factor of the power transmission device described above can be obtained. For example, a capacitor having good dielectric absorption characteristics and good symmetry of dielectric absorption characteristics can be obtained.

なお、上記の表記は、IUPAC(国際純正・応用化学連合)により定められている正式な化合物命名法ではない。上記の表記は、一般に使用されている化合物名である。   The above notation is not an official compound nomenclature established by IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). The above notation is a commonly used compound name.

本願発明者が実験した限りにおいて、静電容量が0.01μF、上述した電力伝送回路条件で、伝送電力が4W程度では、ポリプロピレン(PP)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリスチレン(PS)、ポリカーボネート(PC)のフィルムを誘電体とするキャパシタの順に、電力伝送性能がよかった。ただし、ポリプロピレン(PP)を誘電体とする構成が異なるキャパシタは、ポリエチレンナフタレート(PEN)のフィルムを誘電体とするキャパシタよりも、電力伝送性能が劣るものもある。次に、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレン(PE)を誘電体とするキャパシタが、電力伝送性能がよかった。ポリエチレンテレフタレート(PET)を誘電体とするキャパシタは、前述したポリエチレン(PE)を誘電体とするキャパシタよりは性能が劣る。   As far as the inventors of the present application have experimented, if the capacitance is 0.01 μF and the transmission power is about 4 W under the above-mentioned power transmission circuit conditions, polypropylene (PP), polyphenylene sulfide (PPS), polystyrene (PS), polycarbonate ( The power transmission performance was good in the order of the capacitor using the PC) film as a dielectric. However, a capacitor having a different configuration using polypropylene (PP) as a dielectric has a lower power transmission performance than a capacitor using a polyethylene naphthalate (PEN) film as a dielectric. Next, a capacitor using polyethylene naphthalate (PEN) or polyethylene (PE) as a dielectric had good power transmission performance. A capacitor using polyethylene terephthalate (PET) as a dielectric is inferior in performance to a capacitor using polyethylene (PE) as a dielectric.

ただし、前述したように、ポリスチレンキャパシタは、構成によっては、発熱が起こり、本発明に使用できない場合もある。このようなポリスチレンキャパシタは、実効直列抵抗Rc、誘電正接tanδの特性は、最高性能に近かった。しかし、前述した、ゼロ点からのシフト値S、Vp(V)/Vn(V)、の値が、ポリエチレンキャパシタよりも大きかった。したがって、上記のキャパシタの誘電体による電力伝送性能はあくまで実験結果であり、上述した特性規定に従い、キャパシタを選ぶことが重要になる。   However, as described above, the polystyrene capacitor may generate heat depending on the configuration and may not be used in the present invention. In such a polystyrene capacitor, the characteristics of the effective series resistance Rc and the dielectric loss tangent tan δ are close to the maximum performance. However, the shift values S and Vp (V) / Vn (V) from the zero point described above were larger than the polyethylene capacitor. Therefore, the power transmission performance by the dielectric of the capacitor is only an experimental result, and it is important to select the capacitor in accordance with the above-mentioned characteristic definition.

なお、前述したように、強誘電体を誘電体とする、例えばセラミックキャパシタなどは、誘電正接、静電容量の安定性、静電容量の温度特性、誘電吸収など、本発明における電力伝送装置の電力伝送性能を左右するキャパシタとしての性能がいずれも悪く、電力伝送装置の力率改善用キャパシタには適していない。ただし、前述したように、静電容量が増加すると、比誘電率が小さい誘電体を用いたキャパシタと大差ない電力伝送性能が得られる。全く同一の誘電体を使い、全く同一の構造のキャパシタであっても、静電容量によって、電力伝送性能が異なってくる。また、前記キャパシタの静電容量により、使用可能な周波数の上限が存在するのは前述したとおりである。周波数にもよるが、目安としては、0.1μF程度以上の静電容量になると、フィルムキャパシタとセラミックキャパシタとの電力伝送性能に、著しい差異が見られなくなるようである。   Note that, as described above, a ferroelectric capacitor as a dielectric, for example, a ceramic capacitor, has a dielectric loss tangent, capacitance stability, capacitance temperature characteristics, dielectric absorption, etc. The performance as a capacitor that affects the power transmission performance is poor, and it is not suitable for a power factor improving capacitor of a power transmission device. However, as described above, when the capacitance increases, power transmission performance that is not significantly different from a capacitor using a dielectric having a small relative dielectric constant can be obtained. Even if the capacitors have exactly the same structure using the same dielectric, the power transmission performance differs depending on the capacitance. Further, as described above, there is an upper limit of the usable frequency due to the capacitance of the capacitor. Although it depends on the frequency, as a guideline, when the capacitance is about 0.1 μF or more, it seems that no significant difference is seen in the power transmission performance between the film capacitor and the ceramic capacitor.

なお、表2を参照すると、200kHzにおける実効直列抵抗Rcの値は、ポリスチレンキャパシタC1aで0.01Ω、ポリプロピレンキャパシタC1cで0.03Ωとなっている。すなわち、実効直列抵抗Rcの値で比較する限りにおいては、ポリスチレンキャパシタC1aの方が性能がよい。同じく、誘電正接tanδ、Q、の値で比較する限りにおいては、ポリスチレンキャパシタC1aの方が性能がよい。しかし、前述したVp/Vnの値、誘電吸収K、誘電吸収Kp、Kpの対称性Kr、実際の電力伝送性能などは、ポリプロピレンキャパシタC1cの方がよい。したがって、単に誘電正接tanδやQのみでは、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断はできない。前述した、所定周波数において、キャパシタの誘電正接tanδが所定数値以下であるのは、必要条件に過ぎない。図83〜図85、図93〜図95、図102〜図105等のY軸に示すキャパシタ特性の数値が大きい(グラフの上側に位置する)キャパシタを選ぶ必要がある。   Referring to Table 2, the effective series resistance Rc at 200 kHz is 0.01Ω for the polystyrene capacitor C1a and 0.03Ω for the polypropylene capacitor C1c. That is, as long as the comparison is made with the value of the effective series resistance Rc, the performance of the polystyrene capacitor C1a is better. Similarly, as long as the values of the dielectric loss tangent tan δ, Q are compared, the performance of the polystyrene capacitor C1a is better. However, the value of Vp / Vn, the dielectric absorption K, the dielectric absorption Kp, the symmetry Kr of Kp, the actual power transmission performance, etc. are better for the polypropylene capacitor C1c. Therefore, it is not possible to judge the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device only by the dielectric loss tangent tan δ or Q. It is only a necessary condition that the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor is equal to or less than a predetermined value at the predetermined frequency. It is necessary to select a capacitor having a large numerical value of the capacitor characteristic shown on the Y-axis (located on the upper side of the graph) in FIGS. 83 to 85, 93 to 95, 102 to 105, and the like.

図1に示す回路構成の電力伝送装置では、ポリプロピレンキャパシタC1cのように電力伝送性能がよいキャパシタを使用しても、送電制御回路3a、送電コイル1、受電コイル2、両コイルの相対位置、負荷抵抗値などの構成要素を適切に選ばないと、図83等に示すような、電力伝送性能は得られない。実際に、図83では、キャパシタ以外の構成要素を全く同一にしてあるが、キャパシタにより電力伝送性能は異なっている。したがって、キャパシタ以外の構成要素が変わったときに、電力伝送性能を維持するには、本発明の力率改善用キャパシタを電力伝送装置に装備する必要がある。キャパシタ以外の構成要素、特にコイルと2次側の負荷抵抗値は、電力伝送性能に大きな影響を与える。しかし、本発明の実施形態においては、静電容量が決まれば、電力伝送性能のよいキャパシタを上述の規定に基づき、一義的に選ぶことができる。特に、正弦波のゼロ点からのシフト値S、誘電吸収K、誘電吸収の対称性Krにより選ばれたキャパシタは、キャパシタ以外の構成要素が変化しても、常に他のキャパシタよりも優れた電力伝送性能を維持できる。このようなキャパシタを装備することにより、電力伝送性能がよい電力伝送装置が実現できる。   In the power transmission device having the circuit configuration shown in FIG. 1, even if a capacitor having good power transmission performance such as a polypropylene capacitor C1c is used, the power transmission control circuit 3a, the power transmission coil 1, the power reception coil 2, the relative position of both coils, the load Unless a component such as a resistance value is appropriately selected, power transmission performance as shown in FIG. 83 or the like cannot be obtained. Actually, in FIG. 83, the constituent elements other than the capacitor are exactly the same, but the power transmission performance differs depending on the capacitor. Therefore, in order to maintain the power transmission performance when the components other than the capacitor are changed, it is necessary to equip the power transmission device with the power factor improving capacitor of the present invention. Components other than the capacitor, particularly the coil and the load resistance value on the secondary side, have a great influence on the power transmission performance. However, in the embodiment of the present invention, if the capacitance is determined, a capacitor with good power transmission performance can be uniquely selected based on the above-mentioned rules. In particular, the capacitor selected by the shift value S from the zero point of the sine wave, the dielectric absorption K, and the symmetry Kr of dielectric absorption is always superior to other capacitors even if the components other than the capacitor change. Transmission performance can be maintained. By installing such a capacitor, a power transmission device with good power transmission performance can be realized.

なお、前述した図104、図105に示す計測により、キャパシタを使用可能な上限が規定できる。そして、図83〜図85、図93〜図95、図98、図101〜図104などのY軸に示す特性がよい(グラフの上側に位置する)キャパシタを選ぶ。同一の誘電体を用いたキャパシタであっても、電力伝送性能が異なることは上述した通りである。当然、キャパシタの誘電体、構成により、電力伝送性能は異なる。しかし、実装上、常に最高性能のキャパシタが使えるとは限らない。表面実装構造のキャパシタは、実装時の耐熱性が要求される。誘電体が誘電体の融点(正確にはガラス転移点であり、軟化点と表記される場合もあるが、融点と表記しておく)を越える温度下にさらされると、変形が起こり、静電容量が変動してしまう。   Note that the upper limit for using the capacitor can be defined by the measurement shown in FIGS. 104 and 105 described above. Then, capacitors having good characteristics shown on the Y axis (located on the upper side of the graph) such as those shown in FIGS. 83 to 85, 93 to 95, 98, and 101 to 104 are selected. As described above, the capacitors using the same dielectric have different power transmission performance. Naturally, the power transmission performance varies depending on the dielectric and configuration of the capacitor. However, it is not always possible to use the highest performance capacitor for mounting. Surface mount capacitors require heat resistance during mounting. When a dielectric is exposed to a temperature that exceeds the melting point of the dielectric (exactly the glass transition point, sometimes expressed as the softening point, it is expressed as the melting point), deformation occurs and electrostatic Capacity will fluctuate.

このような用途には、若干電力伝送性能は劣るが、融点の高いポリフェニレンスルフィドキャパシタを選ぶ。あるいは、キャパシタの物理的な寸法が大きいために実装が困難な場合がある。このような場合は、物理的な寸法が大きいポリスチレンキャパシタやポリカーボネートキャパシタの代わりに、物理的な寸法が小さいポリエチレンナフタレートキャパシタを選ぶ。後述するが、交流電流が流れることによりキャパシタが発熱する。このような場合、キャパシタを並列接続してキャパシタの通過可能電流を確保する。並列接続したキャパシタは、単体キャパシタよりも特性がよくなるので、前述したキャパシタの特性は並列接続した合成キャパシタにて計測する。これは、キャパシタを並列接続することにより、少なくとも実効直列抵抗Rcを低下させることができるからである。   For such applications, a polyphenylene sulfide capacitor having a high melting point is selected although the power transmission performance is slightly inferior. Alternatively, the mounting may be difficult due to the large physical dimensions of the capacitor. In such a case, a polyethylene naphthalate capacitor having a small physical dimension is selected instead of a polystyrene capacitor or a polycarbonate capacitor having a large physical dimension. As will be described later, the capacitor generates heat when an alternating current flows. In such a case, the capacitors are connected in parallel to ensure a current that can be passed through the capacitor. Since the capacitor connected in parallel has better characteristics than the single capacitor, the characteristics of the capacitor described above are measured by a composite capacitor connected in parallel. This is because at least the effective series resistance Rc can be reduced by connecting capacitors in parallel.

また、セラミックキャパシタは、耐熱性がよく、静電容量が0.1μF以上になると、フィルムキャパシタとそれほど差異のない電力伝送性能を持つ。したがって、静電容量が0.1μF以上のセラミックキャパシタを直列、並列、直並列に接続することにより、耐熱性と寸法小型化の双方を満足できる。さらに、動作可能電圧、通過可能電流を増加させることができる。ただし、セラミックキャパシタも、上述してきたような規定を満足する必要がある。ただし、前述した規定を満足していれば、静電容量が0.1μF以下であってもよい。一般的には、リード形状のセラミックキャパシタよりも、チップ形状(表面実装用)のセラミックキャパシタの方が、前述してきた特性がよい。チップ型形状のキャパシタの方が性能はよいのは、フィルムキャパシタにおいても見られる。   Moreover, the ceramic capacitor has good heat resistance, and has a power transmission performance that is not so different from that of a film capacitor when the capacitance is 0.1 μF or more. Therefore, by connecting ceramic capacitors having an electrostatic capacity of 0.1 μF or more in series, parallel, and series-parallel, both heat resistance and size reduction can be satisfied. Furthermore, the operable voltage and the passable current can be increased. However, the ceramic capacitor needs to satisfy the above-mentioned regulations. However, the capacitance may be 0.1 μF or less as long as the above-described regulations are satisfied. In general, a chip-shaped (for surface mounting) ceramic capacitor has better characteristics as described above than a lead-shaped ceramic capacitor. The performance of the chip-shaped capacitor is better for the film capacitor.

上記に述べたようなキャパシタの使用法を採用することにより、各種仕様に応じた、電力伝送性能のよい電力伝送装置が実現できる。そして、キャパシタに流れる電流に応じ、キャパシタを選ぶ。前述してきた電力伝送性能の良いキャパシタは、一般に高価である。前述した方法でキャパシタを選ぶことにより、電力伝送措置が必要とする性能に応じ、安価なキャパシタを用いることもできる。上記に述べてきた本発明の実施例は、単に誘電正接や誘電体を記載している特許文献4では、規定すらできないものである。   By adopting the method of using the capacitor as described above, it is possible to realize a power transmission device with good power transmission performance according to various specifications. A capacitor is selected according to the current flowing through the capacitor. The above-described capacitor having good power transmission performance is generally expensive. By selecting a capacitor by the above-described method, an inexpensive capacitor can be used according to the performance required by the power transmission measure. The embodiment of the present invention described above cannot be defined even in Patent Document 4 which simply describes a dielectric loss tangent or a dielectric.

(回路構成の実施例)
図109は、本発明の電力伝送装置の他の実施形態を示す図であり、送電コイル1には、直流電源12とスイッチング素子Q3が直列接続されており、スイッチング素子Q3は、制御回路201の制御により、図110(A)のような駆動波形VGにて送電コイル1に単方向のパルス電流を流すと、送電コイル1の両端には図110(B)に示す電圧波形VL(V)が現れる。
(Example of circuit configuration)
FIG. 109 is a diagram showing another embodiment of the power transmission device of the present invention. A DC power source 12 and a switching element Q3 are connected in series to the power transmission coil 1, and the switching element Q3 is connected to the control circuit 201. When a unidirectional pulse current is passed through the power transmission coil 1 with the drive waveform VG as shown in FIG. 110 (A) by control, the voltage waveform VL (V) shown in FIG. appear.

図109において、送電コイル1に並列にキャパシタC3を接続し、無負荷時の回路電流を減少させるとともに、送電コイル1の電圧、電流波形を正弦波に近づけるのが好ましい。駆動波形VGにて、スイッチング素子Q3を駆動する。駆動波形の周期(周波数)は一定で、スイッチング素子Q3をONにする時間のみを変化可能としている。このような構成とすることにより、送電コイル1に流れる電流が飽和するのを防止し、送電コイル1による電力損失を防いでいる。   In FIG. 109, it is preferable to connect a capacitor C3 in parallel to the power transmission coil 1 to reduce the circuit current when there is no load and to bring the voltage and current waveform of the power transmission coil 1 closer to a sine wave. The switching element Q3 is driven with the drive waveform VG. The period (frequency) of the drive waveform is constant, and only the time for turning on the switching element Q3 can be changed. By setting it as such a structure, it is prevented that the electric current which flows into the power transmission coil 1 is saturated, and the power loss by the power transmission coil 1 is prevented.

また、送電コイル1に並列にキャパシタC3を装備することにより、送電コイル1の電圧波形、電流波形を正弦波に近づけ、送電コイル1による電力損失を防止できる。送電コイル1に並列に装備するキャパシタC3は、前述したような実施形態に規定の特性を持つものに限定されないが、前述したような特性を持つものを使うとより好ましい。あるいは、図109に示すスイッチング素子Q3がOFFとなったときに、図110(B)に示す電圧波形VLに示されている逆起電力による負のスパイク電圧を防止するためにも、送電コイル1に並列にキャパシタC3を接続するのが好ましい。   In addition, by installing the capacitor C3 in parallel with the power transmission coil 1, the voltage waveform and current waveform of the power transmission coil 1 can be brought close to a sine wave, and power loss due to the power transmission coil 1 can be prevented. The capacitor C3 provided in parallel with the power transmission coil 1 is not limited to the capacitor having the characteristics specified in the embodiment as described above, but it is more preferable to use a capacitor having the characteristics as described above. Alternatively, in order to prevent the negative spike voltage due to the counter electromotive force shown in the voltage waveform VL shown in FIG. 110 (B) when the switching element Q3 shown in FIG. It is preferable to connect a capacitor C3 in parallel.

なお、図109に示す実施形態では、必ず受電コイル2にキャパシタC2を装備しなければならない。ただし、受電コイル2にキャパシタC2を装備していれば、送電コイル1の送電制御回路3a(駆動回路)は、図109に示すものに限られない。図72に示す実施形態のもの、正弦波出力など、種々のものが適用できる。図72に示す実施形態の交流電源3bを使用する場合、デューティが50%に固定されておらず、デューティが可変可能なものを使うのが好ましい。また、正弦波で送電コイル1を駆動すると、受電コイル2が送電コイル1と誘導結合していないときに、送電コイル1は全く実効電力を消費しない。これは、送電コイル1に供給される電力が全て無効電力になるからである。よって、電力を伝送していない場合であって、送電コイル1単体に交流電力が供給されていても、送電コイル1は全く発熱しない利点がある。   In the embodiment shown in FIG. 109, the power receiving coil 2 must be equipped with the capacitor C2. However, if the power receiving coil 2 is equipped with the capacitor C2, the power transmission control circuit 3a (drive circuit) of the power transmission coil 1 is not limited to that shown in FIG. Various things such as the embodiment shown in FIG. 72 and a sine wave output can be applied. When the AC power supply 3b of the embodiment shown in FIG. 72 is used, it is preferable to use a power supply whose duty is not fixed at 50% and whose duty is variable. Further, when the power transmission coil 1 is driven by a sine wave, the power transmission coil 1 does not consume any effective power when the power reception coil 2 is not inductively coupled to the power transmission coil 1. This is because all the power supplied to the power transmission coil 1 becomes reactive power. Therefore, there is an advantage that the power transmission coil 1 does not generate any heat even when AC power is supplied to the power transmission coil 1 alone even when power is not transmitted.

図111は、本発明のその他の実施形態を示す図であり、回路構成は図1と同一で、受電コイル2と負荷RLとの間に直列にキャパシタC2が装備されている。図111のような回路構成とすると、負荷抵抗値RLの変動による送電側のインピーダンス変動を、図1の回路構成に比べて小さくすることができる。図111のC1、C2は、いずれも本発明の実施形態におけるキャパシタが使用される。ただし、図111のC2は、主として受電機器など実装スペースが小さいところに装備される。また、図111の回路構成では、前述したように所定の電力を伝送可能な周波数範囲が広いので、通過可能電流を満足していれば、キャパシタC2は、必ずしも上記実施形態に記載したキャパシタを使用しなくともよい。   FIG. 111 is a diagram showing another embodiment of the present invention. The circuit configuration is the same as that in FIG. 1, and a capacitor C2 is provided in series between the power receiving coil 2 and the load RL. With the circuit configuration as shown in FIG. 111, the impedance variation on the power transmission side due to the variation in the load resistance value RL can be reduced as compared with the circuit configuration of FIG. The capacitors in the embodiment of the present invention are used for C1 and C2 in FIG. However, C2 in FIG. 111 is mainly installed in a small mounting space such as a power receiving device. In the circuit configuration of FIG. 111, since the frequency range in which predetermined power can be transmitted is wide as described above, the capacitor described in the above embodiment is not necessarily used as the capacitor C2 if the passable current is satisfied. You don't have to.

(キャパシタを装備する箇所による2端子等価回路の説明)
図112は、送電コイル1にキャパシタを直列に装備した場合の等価回路および簡略化した2端子の等価回路図である。
(Explanation of two-terminal equivalent circuit depending on where the capacitor is equipped)
FIG. 112 is an equivalent circuit diagram in the case where the power transmission coil 1 is equipped with a capacitor in series and a simplified two-terminal equivalent circuit diagram.

(送電側にキャパシタを装備した場合の説明)
送電コイル1にキャパシタC1を直列接続した等価回路は、図112(A)に示され、簡略化した2端子の等価回路は、図112(B)に示すようにキャパシタC1と、残留インダクタンスLeと、抵抗Rxの直列回路でされる。送電コイル1のインダクタンスはL1、受電コイル2のインダクタンスはL2で示される。これは図124と同じである。
(Explanation when a capacitor is installed on the power transmission side)
An equivalent circuit in which the capacitor C1 is connected in series to the power transmission coil 1 is shown in FIG. 112 (A), and a simplified two-terminal equivalent circuit is shown in FIG. 112 (B). The capacitor C1, the residual inductance Le, and , A series circuit of resistors Rx. The inductance of the power transmission coil 1 is indicated by L1, and the inductance of the power reception coil 2 is indicated by L2. This is the same as FIG.

導線コイルを使用した場合においては、相互インダクタンスMを考慮して、図112(B)の2端子等価回路を検討する必要がある。しかし、本発明の電力伝送装置において、送電コイル1を駆動する周波数fd(Hz)は、送電コイルのインダクタンスL1(H)と、キャパシタの静電容量C1(F)で決まる直列共振点fr(Hz)に設定しておけばよい。ただし、図45に示すように、送電コイルと受電コイル間の相互インダクタンスが無視できない場合は、前述した(4)式から、送電コイルのインダクタンスが減少する。そのような条件で作動するときは、送電コイルのインダクタンスが減少を勘案し、送電コイル1を駆動する周波数fd(Hz)を、前期fr(Hz)よりも高く設定しておく。   When a conducting coil is used, it is necessary to consider the two-terminal equivalent circuit of FIG. However, in the power transmission device of the present invention, the frequency fd (Hz) for driving the power transmission coil 1 is the series resonance point fr (Hz) determined by the inductance L1 (H) of the power transmission coil and the capacitance C1 (F) of the capacitor. ). However, as shown in FIG. 45, when the mutual inductance between the power transmission coil and the power reception coil cannot be ignored, the inductance of the power transmission coil decreases from the above-described equation (4). When operating under such conditions, the frequency fd (Hz) for driving the power transmission coil 1 is set higher than the previous period fr (Hz) in consideration of the decrease in inductance of the power transmission coil.

(キャパシタ複数接続の実施例)
なお、前述したが、図124に示す直列回路では、キャパシタの両端に電源電圧Vt以上の電圧が発生する昇圧効果が起こる。図124の等価回路と同じ、図1、図109、図111、の回路構成において、本発明の実施形態に述べたキャパシタの動作可能電圧が低い場合、キャパシタの動作可能電圧を確保するため、同種または異種の複数のキャパシタを直列に接続してもよい。また、本発明の実施形態に述べたキャパシタの通過可能電流が低い場合、キャパシタの通過可能電流を確保するため、同種または異種の複数のキャパシタを並列に接続してもよい。あるいは、キャパシタの動作可能電圧、通過可能電流の双方を確保するため、同種または異種の複数のキャパシタを直並列に接続してもよい。なお、前述したが、キャパシタを並列に接続するのは、キャパシタの通過可能電流を確保して、キャパシタの発熱を、5℃〜10℃以下に抑えるためである。
(Example of connecting multiple capacitors)
As described above, in the series circuit shown in FIG. 124, a boosting effect is generated in which a voltage equal to or higher than the power supply voltage Vt is generated across the capacitor. In the circuit configurations of FIGS. 1, 109, and 111, which are the same as the equivalent circuit of FIG. 124, when the operable voltage of the capacitor described in the embodiment of the present invention is low, the same type is used to ensure the operable voltage of the capacitor. Alternatively, a plurality of different types of capacitors may be connected in series. In addition, when the passable current of the capacitor described in the embodiment of the present invention is low, a plurality of same or different types of capacitors may be connected in parallel in order to secure the passable current of the capacitor. Alternatively, in order to secure both the operable voltage and the passable current of the capacitor, a plurality of capacitors of the same type or different types may be connected in series and parallel. As described above, the capacitors are connected in parallel in order to secure a current that can be passed through the capacitor and to suppress the heat generation of the capacitor to 5 ° C. to 10 ° C. or less.

好ましくは、キャパシタを直並列に接続する場合、直列接続するキャパシタの数と、並列に接続するキャパシタの数を同一にする。図116は、キャパシタを直並列に接続する場合の接続図である。図116(A)、図116(B)、図116(C)は、直列接続するキャパシタの数を3、並列に接続するキャパシタの数を2とした場合の接続例である。   Preferably, when capacitors are connected in series and parallel, the number of capacitors connected in series is the same as the number of capacitors connected in parallel. FIG. 116 is a connection diagram when capacitors are connected in series and parallel. 116A, 116B, and 116C are connection examples when the number of capacitors connected in series is three and the number of capacitors connected in parallel is two.

そして、直列、並列に接続するキャパシタCdの値を±20%以内にするのは、各キャパシタCdに印加される電圧、各キャパシタCdに流れる電流をできる限り均一に近づけるためである。1%以下の精度を持つキャパシタも存在するが、これらは高価である。一般のキャパシタに表記されている静電容量は、5〜10%程度の偏差を持つため、キャパシタCdの公称値は、約±20%以内に選べばよい。例えば、0.01μFを基準とすると、上限は0.012μF、下限は、0.0082μFとなる。同一の公称値を持つキャパシタをCd全てに使用すれば、より好ましい。なお、同一の種類、公称値のキャパシタを直並列に接続する場合、図116(D)のような接続をすると、キャパシタCd1に過大電圧が印加されるので、このような接続法を使用しないよう、キャパシタを直並列に接続する場合、直列接続するキャパシタの数と、並列に接続するキャパシタの数を同一とする規定を設けてある。   The reason why the value of the capacitor Cd connected in series and in parallel is within ± 20% is to make the voltage applied to each capacitor Cd and the current flowing through each capacitor Cd as close as possible. There are capacitors with an accuracy of 1% or less, but these are expensive. Since the capacitance described in a general capacitor has a deviation of about 5 to 10%, the nominal value of the capacitor Cd may be selected within about ± 20%. For example, on the basis of 0.01 μF, the upper limit is 0.012 μF, and the lower limit is 0.0082 μF. More preferably, capacitors having the same nominal value are used for all Cd. When capacitors of the same type and nominal value are connected in series and parallel, an excessive voltage is applied to the capacitor Cd1 when the connection is made as shown in FIG. 116D, so that such a connection method is not used. When capacitors are connected in series and parallel, there is provided a rule that the number of capacitors connected in series is the same as the number of capacitors connected in parallel.

さらに精密な調整が必要な場合は、図116(E)に示すようにキャパシタCcを用いて行う。キャパシタの静電容量を微調整するために、単体キャパシタCd、合成キャパシタCp、または合成キャパシタCpを構成するCdに並列に接続するキャパシタCcは、この発明の実施形態の特性規定を必ずしも満足する必要はないが、満足しているのが好ましい。ただし、並列に接続するキャパシタCcも、交流電源の出力周波数が、前記LpとCとで決まる、リアクタンスがゼロとなる点に設定されているときの、並列に接続するキャパシタCcに印加される交流電圧Vc(V)より高い動作可能電圧性能をCcが有しており、かつ、並列に接続するキャパシタCcに流れる交流電流Ia(A)より高い通過可能電流性能を並列に接続するキャパシタCcが有していることを条件としている。なお、合成キャパシタCpは、図112の各図に示す左右端双方の端子から成るものを指す。   If more precise adjustment is required, the capacitor Cc is used as shown in FIG. In order to finely adjust the capacitance of the capacitor, the single capacitor Cd, the composite capacitor Cp, or the capacitor Cc connected in parallel to the Cd constituting the composite capacitor Cp must always satisfy the characteristic definition of the embodiment of the present invention. No, but preferably satisfied. However, the capacitor Cc connected in parallel is also connected to the capacitor Cc connected in parallel when the output frequency of the AC power supply is set to a point where the reactance is zero determined by Lp and C. Cc has an operable voltage performance higher than the voltage Vc (V), and a capacitor Cc connected in parallel with a passable current performance higher than the AC current Ia (A) flowing in the capacitor Cc connected in parallel. It is a condition that it is doing. Note that the composite capacitor Cp is composed of terminals on both the left and right ends shown in each drawing of FIG.

コイルとキャパシタの直列回路のリアクタンスがゼロとなる点では、共振作用により、キャパシタに、Ia(A)なる電流が流れ、Vr(V)=Vs(V)×Qr、なる電圧が印加されるので、キャパシタの実効直列抵抗Rcは十分に低いものを選び、熱条件を満足する周波数を電力伝送に選ぶことが重要である。   At the point where the reactance of the series circuit of the coil and the capacitor becomes zero, the current Ia (A) flows through the capacitor due to the resonance action, and the voltage Vr (V) = Vs (V) × Qr is applied. It is important that the effective series resistance Rc of the capacitor is selected to be sufficiently low, and the frequency satisfying the thermal condition is selected for power transmission.

なお、キャパシタの両端電圧Vc(V)は、図1の回路において、最大電力を伝送しているときに実測すればよい。実測後、両端電圧Vc(V)がキャパシタの動作可能電圧を越えているときには、前述したように、キャパシタを直列に接続する。同じく、キャパシタに流れる電流は、図1の回路において、最大電力を伝送しているときに実測する。キャパシタが通過可能な交流電流は、リップル電流として規定されている場合もある。しかし、規定が無い場合には、前述したように、キャパシタの温度上昇を計測する。温度上昇が10℃を越えているときは、キャパシタを並列接続する。キャパシタの動作可能電圧、通過可能電流の双方を越えているときには、キャパシタを直並列に接続する。キャパシタを直列、並列、直並列に接続する場合、合成キャパシタの静電容量が所定値となるよう、合成キャパシタを構成するCdの値を選ぶ。そして、上述した特性規定は、前記合成キャパシタにて計測する。   The voltage Vc (V) across the capacitor may be measured when the maximum power is transmitted in the circuit of FIG. After the actual measurement, when the voltage Vc (V) at both ends exceeds the operable voltage of the capacitor, the capacitors are connected in series as described above. Similarly, the current flowing in the capacitor is measured when the maximum power is transmitted in the circuit of FIG. The alternating current that can be passed through the capacitor may be defined as a ripple current. However, if there is no regulation, the temperature rise of the capacitor is measured as described above. When the temperature rise exceeds 10 ° C., capacitors are connected in parallel. When both the operable voltage and the passable current of the capacitor are exceeded, the capacitors are connected in series and parallel. When the capacitors are connected in series, parallel, and series-parallel, the value of Cd constituting the composite capacitor is selected so that the capacitance of the composite capacitor becomes a predetermined value. And the above-mentioned characteristic definition is measured by the synthetic capacitor.

また、上記に説明した各キャパシタの実効抵抗やインダクタンスの測定には、ヒューレットパッカード社のLCRメータ、4275Aを使用した。なお、計測は、1、2、4、10の各点でしか計測できないので、中間点は、グラフにより補間している。交流波形計測には、ケンウッドのオシロスコープ、CS−5370を使用した。交流波の図には、ピーク値をカーソルで計測後にグラフに数値として記入してある。CS−5370は、電力伝送性能の計測にも使用している。例えば、受電コイル2に接続された無誘導負荷抵抗の両端電圧を計測し、無誘導負荷抵抗に伝達されている実効電力を求めている。   Further, an LCR meter 4275A manufactured by Hewlett-Packard Company was used for measuring the effective resistance and inductance of each capacitor described above. In addition, since measurement can be performed only at each point of 1, 2, 4, and 10, intermediate points are interpolated by a graph. A Kenwood oscilloscope, CS-5370, was used for AC waveform measurement. In the AC wave diagram, the peak value is measured with the cursor and entered as a numerical value on the graph. CS-5370 is also used for measuring power transmission performance. For example, the voltage across the non-inductive load resistor connected to the power receiving coil 2 is measured, and the effective power transmitted to the non-inductive load resistor is obtained.

(電力伝送装置の交流電源の実施形態)
図114は、この発明の一実施形態の電力伝送装置の送電部を示す回路図である。図114において、送電部31は、交流電源3bと、箔状導体を平板渦巻き状に巻回して構成される一次コイルである送電コイルLpと、交流電源3bと送電コイルLpとの間に直列接続された送電キャパシタCpとを含み、送電コイルLpから、図示しない受電コイルLrに電力を伝送する。以下、前記電力伝送装置の送電部を含む部分を送電装置と表記する。
(Embodiment of AC power supply of power transmission device)
FIG. 114 is a circuit diagram showing a power transmission unit of the power transmission device according to the embodiment of the present invention. In FIG. 114, a power transmission unit 31 is connected in series between an AC power source 3b, a power transmission coil Lp that is a primary coil configured by winding a foil-like conductor into a flat spiral, and an AC power source 3b and the power transmission coil Lp. The power transmission capacitor Cp is included, and power is transmitted from the power transmission coil Lp to the power reception coil Lr (not shown). Hereinafter, a portion including the power transmission unit of the power transmission device is referred to as a power transmission device.

交流電源3bは、少なくとも1つの直流電源Vdと、制御手段としての制御回路3cと、例えばパワーMOS−FETを使用した第1および第2の半導体素子としてのスイッチング素子Qa,Qbと、出力端子T1,T2とを備える。共通の端子としての第1の端子である出力端子T1と、第2の端子としての出力端子T2間には送電キャパシタCpと送電コイルLpとの直列回路が接続されている。出力端子T1には、スイッチング素子Qa,Qbのドレインと、制御回路3の制御端子FBとが接続されている。制御回路3cには、直流電源Vdから+電圧と接地電圧(0V)とが与えられている。スイッチング素子Qaのソースには、制御回路3cから+電圧が与えられており、スイッチング素子Qbのソースは出力端子T2に接続されているとともに、制御回路3cから接地電位(0V)が与えられている。   The AC power supply 3b includes at least one DC power supply Vd, a control circuit 3c as control means, switching elements Qa and Qb as first and second semiconductor elements using, for example, a power MOS-FET, and an output terminal T1. , T2. A series circuit of a power transmission capacitor Cp and a power transmission coil Lp is connected between an output terminal T1, which is a first terminal as a common terminal, and an output terminal T2, which is a second terminal. The drains of the switching elements Qa and Qb and the control terminal FB of the control circuit 3 are connected to the output terminal T1. The control circuit 3c is supplied with a positive voltage and a ground voltage (0 V) from the DC power supply Vd. A + voltage is applied to the source of the switching element Qa from the control circuit 3c, the source of the switching element Qb is connected to the output terminal T2, and a ground potential (0 V) is applied from the control circuit 3c. .

制御回路3cの制御端子Gaからスイッチング素子Qaのゲートに制御信号が与えられており、制御回路3cの制御端子Gbからスイッチング素子Qbのゲートに制御信号が与えられている。スイッチング素子Qa,Qbはコンプリメンタリ接続された構成となっているが、これに限らず、スイッチング素子Qa、Qbの双方をN−ChのFETを使用し、Qaのソース、Qbのドレインを接続するように構成してもよい。また、伝送電力、電力伝送に使用する周波数によっては、バイポーラトランジスタやIGBTを使用することもできる。これは、後述する他の実施形態においても同様である。なお、図114において、電力伝送に使用する周波数をfs(Hz)とすると、Zsはfsにおける交流電源3bの出力インピーダンスであり、Rcはfsにおける送電キャパシタCp単体の実効直列抵抗であり、Rwはfsにおける送電コイルLp単体の実効直列抵抗である。   A control signal is supplied from the control terminal Ga of the control circuit 3c to the gate of the switching element Qa, and a control signal is supplied from the control terminal Gb of the control circuit 3c to the gate of the switching element Qb. The switching elements Qa and Qb are configured to be connected in a complementary manner. However, the present invention is not limited to this, and both the switching elements Qa and Qb use N-Ch FETs to connect the source of Qa and the drain of Qb. You may comprise. Moreover, a bipolar transistor and IGBT can also be used depending on the transmission power and the frequency used for power transmission. The same applies to other embodiments described later. In FIG. 114, if the frequency used for power transmission is fs (Hz), Zs is the output impedance of the AC power supply 3b at fs, Rc is the effective series resistance of the power transmission capacitor Cp alone at fs, and Rw is It is the effective series resistance of the power transmission coil Lp alone at fs.

図114に示す交流電源3bの周波数は、図114の送電コイルLp、キャパシタCで決まる、交流電源3bから見た、前記送電コイルLpと前記キャパシタCの直列回路のリアクタンスがゼロとなる周波数か、それよりも若干周波数が高い、前記直列回路のインピーダンスが極小となる点に近接して設定されるのが好ましい。   114 is the frequency at which the reactance of the series circuit of the power transmission coil Lp and the capacitor C determined by the power transmission coil Lp and the capacitor C in FIG. It is preferably set close to the point where the frequency is slightly higher than that, and the impedance of the series circuit is minimized.

これは、前記(4)式から、負荷が接続された受電コイルが、結合係数が高い状態で送電コイルに対向すると、送電側のインダクタンスが減少するため、送電側のリアクタンスがゼロとなる周波数は、図114に記載の前記Lp単体と前記Cの直列回路のリアクタンスがゼロとなる周波数よりも高くなるからである。受電コイルが対向すると、送電コイルのインダクタンスが減少する。   This is because, from the equation (4), when the power receiving coil connected to the load faces the power transmitting coil in a state where the coupling coefficient is high, the inductance on the power transmitting side decreases, so the frequency at which the reactance on the power transmitting side becomes zero is This is because the reactance of the Lp simple substance and the series circuit of C shown in FIG. 114 becomes higher than the frequency at which the reactance becomes zero. When the power receiving coil faces, the inductance of the power transmitting coil decreases.

図115は、図114に示したスイッチング素子Qa,Qbの制御信号と、出力端子T1,T2間に出力される電圧Voutの波形を示す図であり。図116は出力端子T1,T2間に出力される正弦波信号の波形図である。   FIG. 115 is a diagram showing the control signal of switching elements Qa and Qb shown in FIG. 114 and the waveform of voltage Vout output between output terminals T1 and T2. FIG. 116 is a waveform diagram of a sine wave signal output between the output terminals T1 and T2.

図115(A)に示すように制御回路3cの制御端子Gaから出力される制御信号がOFFからONに変化すると、スイッチング素子Qaが導通して、出力端子T1,T2間の電位が図115(C)に示すように、直流電源Vdの+Vdのレベルまで上昇し、出力端子T1から電流Ifが流し出される。図115(C)に示す時間t1(S)を経過すると、制御端子Gaから出力される制御信号がOFFになり、スイッチング素子Qaが非導通になる。   When the control signal output from the control terminal Ga of the control circuit 3c changes from OFF to ON as shown in FIG. 115 (A), the switching element Qa becomes conductive, and the potential between the output terminals T1 and T2 is changed to FIG. As shown in C), the voltage rises to the level of + Vd of the DC power supply Vd, and the current If flows out from the output terminal T1. When time t1 (S) shown in FIG. 115C elapses, the control signal output from the control terminal Ga is turned OFF, and the switching element Qa is turned off.

その後、時間t3(S)を経過すると、図115(B)に示すように、制御端子Gbから出力される制御信号がOFFからONに変化する。これにより、スイッチング素子Qbが導通して出力端子T1が接地電位になり、出力端子T1にコイルに蓄えられたエネルギーからの電流Irが引き込まれる。時間t2(S)を経過すると、制御端子Gbから出力される制御信号がONからOFFに変化し、スイッチング素子Qbが非導通になる。   Thereafter, when time t3 (S) elapses, the control signal output from the control terminal Gb changes from OFF to ON, as shown in FIG. As a result, the switching element Qb becomes conductive, the output terminal T1 becomes the ground potential, and the current Ir from the energy stored in the coil is drawn into the output terminal T1. When time t2 (S) elapses, the control signal output from the control terminal Gb changes from ON to OFF, and the switching element Qb becomes non-conductive.

このように、出力端子T1から電流を流し出す時間t1(S)と、出力端子T1から電流を引き込む時間t2(S)が交互に存在するように、スイッチング素子Qa,Qbのゲートが制御回路3cにより制御され、出力端子T1とT2との間に尖頭値が0Vと+Vdの間で変化する方形波が出力される。   As described above, the gates of the switching elements Qa and Qb are connected to the control circuit 3c so that the time t1 (S) for flowing current from the output terminal T1 and the time t2 (S) for drawing current from the output terminal T1 are alternately present. And a square wave whose peak value changes between 0 V and + Vd is output between the output terminals T1 and T2.

通常、スイッチング素子は、ON時間とOFF時間が非対称のため、スイッチング素子Qaを導通させ、スイッチング素子Qbを非導通にする信号を、同時にそれぞれのゲートに加えると、スイッチング素子Qa,Qbの双方が、短時間ではあるが、同時に導通してしまうことがある。このため、直流電源Vdが短絡され、スイッチング素子Qa,Qbを通して過大電流が流れ、スイッチング素子Qa,QbのON抵抗が電力を消費し、スイッチング素子Qa,Qbが発熱する。   Normally, since the ON time and OFF time of the switching element are asymmetric, when a signal for turning on the switching element Qa and turning off the switching element Qb is applied to each gate at the same time, both the switching elements Qa and Qb Although it is a short time, it may become conductive at the same time. Therefore, the DC power supply Vd is short-circuited, an excessive current flows through the switching elements Qa and Qb, the ON resistance of the switching elements Qa and Qb consumes power, and the switching elements Qa and Qb generate heat.

この状態を回避するため、スイッチング素子Qbを非導通にする信号をスイッチング素子Qbのゲートに加え、スイッチング素子Qbが完全に非導通になってからスイッチング素子Qaを導通させる信号をスイッチング素子Qaのゲートに加える。そのため、スイッチング素子Qa,Qbの双方が非導通になり、出力端子T1の出力がハイインピーダンスとなる時間t3≧0(S)を設けている。   In order to avoid this state, a signal for turning off the switching element Qb is applied to the gate of the switching element Qb, and a signal for turning on the switching element Qa after the switching element Qb is completely turned off is supplied to the gate of the switching element Qa. Add to. Therefore, a time t3 ≧ 0 (S) in which both the switching elements Qa and Qb are turned off and the output of the output terminal T1 becomes high impedance is provided.

出力端子T1から電流を流し出している時間t1(S)、出力端子T1に電流を引き込んでいる時間t2(S)に対し、t3(S)の時間を調整することにより、リアクタンス性素子の作用により、回路電圧、電流が正弦波に近づくので、送電コイルLpを適切に駆動し、前記送電コイルLpが十分な磁束を発生させることができるだけの交流電流を、送電コイルLpに流すことができる。また、t3(S)の時間を増減することにより、送電コイルLpに供給する電力を調整できる。   By adjusting the time t3 (S) with respect to the time t1 (S) during which current is flowing out from the output terminal T1 and the time t2 (S) during which current is drawn into the output terminal T1, the action of the reactive element is achieved. As a result, the circuit voltage and current approach a sine wave, so that the power transmission coil Lp can be appropriately driven, and an alternating current that can generate sufficient magnetic flux through the power transmission coil Lp can flow through the power transmission coil Lp. Moreover, the electric power supplied to the power transmission coil Lp can be adjusted by increasing / decreasing the time of t3 (S).

なお、図114、図115に示した実施形態では、電源出力がハイインピーダンスとなる時間、t3を設けているが、スイッチング素子、Qa、Qb、のスイッチング速度が、前記t1、t2に比較して十分に高速、概ね50倍以上である場合には、特に、前記t3を設ける必要は無い。前記t3を設けないことにより、制御回路3cを簡略化し、コストダウンを図れる。例えば、出力電流が1A程度である場合には、スイッチング素子、Qa、Qb、に高速のスイッチング速度を持つものが使用でき、かつ、後述する、Zs≦(Rw+Rc)、の条件を満足することができるので、前記t3を設けなくともよい。   In the embodiment shown in FIGS. 114 and 115, t3 is provided for the time when the power supply output becomes high impedance. However, the switching speed of the switching elements Qa and Qb is higher than that of t1 and t2. When the speed is sufficiently high, approximately 50 times or more, it is not particularly necessary to provide t3. By not providing t3, the control circuit 3c can be simplified and the cost can be reduced. For example, when the output current is about 1 A, the switching element, Qa, Qb, having a high switching speed can be used, and the condition of Zs ≦ (Rw + Rc) described later may be satisfied. Therefore, it is not necessary to provide the t3.

図114に示した交流電源3bの、交流電力を伝送する周波数fs(Hz)における出力インピーダンスZs(Ω)は、前記fsにおける、前記送電コイルLp単体の実効直列抵抗をRw(Ω)、前記fsにおける、前記送電キャパシタCp単体の実効直列抵抗をRc(Ω)、としたときに、少なくとも、Zs≦(Rw+Rc)、の条件を満足している。   The output impedance Zs (Ω) at the frequency fs (Hz) for transmitting AC power of the AC power supply 3b shown in FIG. 114 is the effective series resistance of the power transmission coil Lp alone at fs, Rw (Ω), and the fs. When the effective series resistance of the power transmission capacitor Cp alone is Rc (Ω), at least the condition of Zs ≦ (Rw + Rc) is satisfied.

この条件を満足しないと、実効直列抵抗RwとRcによる電力損失よりも、交流電源2の内部インピーダンスZsによる損失の方が大きくなり、交流電源3bから効率良く送電コイルLpに電力を送れなくなる。   If this condition is not satisfied, the loss due to the internal impedance Zs of the AC power supply 2 becomes larger than the power loss due to the effective series resistances Rw and Rc, and power cannot be efficiently transmitted from the AC power supply 3b to the power transmission coil Lp.

なお、Zs=Rw+Rcのときは、いわゆる最大電力供給の法則に従う内部インピーダンスZsを持つ電源から負荷に最大電力を供給可能な条件で、特殊な場合に使うことができる。ただし、Zs>(Rw+Rc)、となると、出力インピーダンスZsが消費する電力が、Rw+Rcが消費する電力を上回るうえ、負荷に供給可能な電力が減少するので、Zs=(Rw+Rc)、を満足するように留意しなければならない。   When Zs = Rw + Rc, it can be used in a special case under the condition that the maximum power can be supplied from the power source having the internal impedance Zs according to the so-called maximum power supply law. However, when Zs> (Rw + Rc), the power consumed by the output impedance Zs exceeds the power consumed by Rw + Rc, and the power that can be supplied to the load decreases, so that Zs = (Rw + Rc) is satisfied. You must keep in mind.

しかし、本発明の作用効果は、長距離の電力伝送であり、電力伝送効率の向上を目的とはしていない。よって、概ね、Zsは、(Rw+Rc)の4倍程度以下であれば、発明として実施は可能である。この場合、交流電源の電力のうち、20%程度しか送電コイルに供給できない。しかし、本発明の作用効果を実現するには、交流電源内部で電力損失があっても、問題は無い。ただし、この場合は、交流電源に供給する直流電源の電源容量が過大となる。したがって、Zsの値はできる限り小さい方が好ましい。   However, the operational effect of the present invention is long-distance power transmission, and is not intended to improve power transmission efficiency. Therefore, in general, the invention can be implemented as long as Zs is about 4 times or less of (Rw + Rc). In this case, only about 20% of the AC power can be supplied to the power transmission coil. However, in order to realize the effect of the present invention, there is no problem even if there is a power loss inside the AC power supply. However, in this case, the power source capacity of the DC power source supplied to the AC power source becomes excessive. Therefore, the value of Zs is preferably as small as possible.

好ましくは、図114において、Zs<<(Rw+Rc)、を満足する。   Preferably, in FIG. 114, Zs << (Rw + Rc) is satisfied.

例えば、交流電源3bの開放電圧を、Vs、Zs=0.1Ω、Rw+Rc=0.9Ω、とすると、直列共振点での負荷電流Irは、
Ir=Vs/(Zs+Rw+Rc)(A)、となり、負荷電力Prは、
Pr=Ir×(Rw+Rc)(W)、となる。
For example, if the open circuit voltage of the AC power supply 3b is Vs, Zs = 0.1Ω, Rw + Rc = 0.9Ω, the load current Ir at the series resonance point is
Ir = Vs / (Zs + Rw + Rc) (A), and the load power Pr is
Pr = Ir 2 × (Rw + Rc) (W).

交流電源2のZsで消費される電力Pdは、上記と同様に、
Pd=Ir×Zs(W)、となり、
負荷電力、Prは、Pr=0.9×Ir(W)となって、
交流電源3b内で消費される電力、Pdは、Pd=0.1×Ir(W)となる。
The power Pd consumed by Zs of the AC power source 2 is the same as above.
Pd = Ir 2 × Zs (W)
The load power, Pr, is Pr = 0.9 × Ir 2 (W),
The power consumed in the AC power supply 3b, Pd, is Pd = 0.1 × Ir 2 (W).

すなわち、交流電源3bから出力される電力、(0.1+0.9)×Ir(W)、のうち、90%が送電コイルとキャパシタの直列回路に伝達されることになり、交流電源2内部での損失となる電力は10%になる。すなわち、前記Zs、Rw、Rc、のシンボルを使うと、交流電源2から送電コイルへの電力伝達効率、ηtは、
ηt=(Rw+Rc)/(Zs+Rw+Rc)
=1/(Zs/((Rw+Rc)+1))、となるので、
Zs<<(Rw+Rc)、を満足し、Zs/(Rw+Rc)、の値が小さいほど、前記ηt、が高くなるのが分かる。
That is, 90% of the electric power output from the AC power supply 3b, (0.1 + 0.9) × Ir 2 (W), is transmitted to the series circuit of the power transmission coil and the capacitor, and the AC power supply 2 inside The power that becomes the loss at 10% is 10%. That is, using the symbols Zs, Rw, Rc, the power transmission efficiency from the AC power source 2 to the power transmission coil, ηt,
ηt = (Rw + Rc) / (Zs + Rw + Rc)
= 1 / (Zs / ((Rw + Rc) +1)),
It is understood that the above-mentioned ηt increases as the value of Zs / (Rw + Rc) is satisfied and Zs << (Rw + Rc) is satisfied.

したがって、好ましくは、Zs/(Rw+Rc)≦4、(Zsの損失20%)、
より好ましくは、Zs/(Rw+Rc)≦9、(Zsの損失10%)、
さらに好ましくは、Zs/(Rw+Rc)≦19、(Zsの損失5%)、を満足する。
Therefore, preferably, Zs / (Rw + Rc) ≦ 4, (Zs loss 20%),
More preferably, Zs / (Rw + Rc) ≦ 9, (Zs loss 10%),
More preferably, it satisfies Zs / (Rw + Rc) ≦ 19 and (Zs loss 5%).

交流電源からLC直列回路を見ると、共振点で、純抵抗、Rw+Rc、となるが、方形波でLC直列回路を駆動する場合においては、方形波は、奇数倍の高調波成分を持つので、波形に歪が生じる。   Looking at the LC series circuit from the AC power source, it becomes a pure resistance, Rw + Rc at the resonance point. However, when the LC series circuit is driven by a square wave, the square wave has a harmonic component that is an odd multiple, Distortion occurs in the waveform.

したがって、Zs/(Rw+Rc)、の値は可能な限り低い方が好ましい。この交流電源の特性は、本発明においても、また、他の構成の大電力を高効率で伝送可能なコイルにおいても、交流電源の重要な特性規定となるが、相互誘導作用、変成器について十分に把握されていない従来の技術では、交流電源の特性については全く言及されていない。   Therefore, the value of Zs / (Rw + Rc) is preferably as low as possible. The characteristics of the AC power supply are important characteristics of the AC power supply in the present invention and also in a coil capable of transmitting high power of other configurations with high efficiency. In the conventional technology not yet understood, the characteristics of the AC power supply are not mentioned at all.

アンテナのような単体で固有の共振周波数と固有インピーダンスを持つものに対しては、送信機内部で、送信機の出力インピーダンスをアンテナのインピーダンスに変換する必要があるが、本発明は相互誘導作用を利用しており、特定の波長(周波数)の電磁波を空中に放出する、あるいは特定の波長(周波数)の電磁波を捉えるという機能を持ったアンテナとは根本的に作用効果が異なっている。すなわち、アンテナの場合、送信機の出力インピーダンスとアンテナの固有インピーダンスが一致していないと、定在波による損失が発生してしまう。一方、理想的なコイル単体には、固有の共振周波数も固有インピーダンスも存在しないので、インピーダンス整合も必要なく、定在波も発生しない。   It is necessary to convert the output impedance of the transmitter into the impedance of the antenna inside the transmitter for a single unit such as an antenna having a specific resonance frequency and specific impedance. It has a fundamentally different operational effect from an antenna having a function of emitting electromagnetic waves of a specific wavelength (frequency) into the air or capturing electromagnetic waves of a specific wavelength (frequency). That is, in the case of an antenna, if the output impedance of the transmitter does not match the intrinsic impedance of the antenna, loss due to standing waves occurs. On the other hand, since an ideal coil alone has neither a specific resonance frequency nor a specific impedance, impedance matching is not required and no standing wave is generated.

相互誘導作用を利用しているコイルを使う限りにおいては、前述したように、送信機から供給される電力の半分が損失となるような、アンテナの固有インピーダンスとの整合を取る(インピーダンス変換を行う)必要はない。リアクタンスがゼロとなる電力伝送に使用する周波数fs(Hz)において、コイルの実効抵抗をRw(Ω)、キャパシタの実効抵抗をRc(Ω)として、(Rw+Rc)よりも十分に低い内部インピーダンスZsを持つ交流電源を用いることにより、交流電源から送電コイルに電力を伝達する効率を、理論上は、100%に近くすることができる。   As long as the coil using the mutual induction action is used, as described above, matching with the intrinsic impedance of the antenna is performed so that half of the power supplied from the transmitter is lost (impedance conversion is performed). No need. At a frequency fs (Hz) used for power transmission at which reactance is zero, an effective impedance of the coil is Rw (Ω), an effective resistance of the capacitor is Rc (Ω), and the internal impedance Zs is sufficiently lower than (Rw + Rc). By using an alternating current power supply, the efficiency of transmitting power from the alternating current power supply to the power transmission coil can theoretically be close to 100%.

相互誘導作用とアンテナの作用とは動作原理が根本的に異なるのであるが、両者が混同され、前記相違点について明確に言及した従来技術も存在しない。例えば、特開2000−348152号公報には、相互誘導作用により電力を受電するループ状コイルを「アンテナ」と記載しており、コイルとアンテナの明確な区別が行われていない。   The mutual induction action and the action of the antenna are fundamentally different in operation principle, but both are confused, and there is no prior art that explicitly mentions the difference. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-348152, a loop-shaped coil that receives power by mutual induction is described as “antenna”, and the coil and the antenna are not clearly distinguished.

なお、図114の制御回路3cは、各スイッチング素子Qa,Qbを導通−非導通にするのみならず、各スイッチング素子Qa,Qbのゲート電圧を制御し、図116に示すように、正弦波を発生させることも可能である。図116に示した正弦波は、出力電圧がゼロか最大値以外の点では、QaとQbの双方が導通しているので、交流電源の出力インピーダンスZsを小さくし、出力端子T1−T2間に流れる電流を確保しようとすると、スイッチング素子QaとQbのON抵抗を通じて、直流電源Vdを短絡する電流が流れ、スイッチング素子QaとQbのON抵抗による損失が発生する。このような場合は、前記出力インピーダンスZsを計算上で求められないので、電力を伝送する周波数fsにおいて、図114の出力端子T1−T2間に、例えば無誘導抵抗R(Ω)を接続したときの出力端子T1−T2間の電圧をVr、出力端子T1−T2間を開放したときの電圧をVnとすると、
Vn=Vd、Vr=Vd(R/(R+Zs))、となるので、
Vr=Vn/(R/(R+Zs))、R+Zs=Vn/(R・Vr)
Zs=Vn/(R・Vr)−R
例えば、R=1Ωなら、Zs=Vn/(Vr)−1(Ω)
R=2Ωなら、Zs=Vn/(2・Vr)−2(Ω)
として、出力インピーダンスZsを求める。これは、図116に限らず、図115の方形波、後述する図122に示す階段波でも同じで、出力インピーダンスZsは周波数により変動するため、電力を伝送する周波数fs(Hz)において計測する。これは、他の実施形態においても同様である。
The control circuit 3c of FIG. 114 not only makes the switching elements Qa and Qb conductive / non-conductive, but also controls the gate voltages of the switching elements Qa and Qb, and generates a sine wave as shown in FIG. It can also be generated. In the sine wave shown in FIG. 116, since Qa and Qb are both conducting at a point where the output voltage is zero or other than the maximum value, the output impedance Zs of the AC power source is reduced, and the output terminal T1-T2 is connected. If an attempt is made to secure a flowing current, a current that short-circuits the DC power supply Vd flows through the ON resistances of the switching elements Qa and Qb, and a loss due to the ON resistances of the switching elements Qa and Qb occurs. In such a case, since the output impedance Zs cannot be obtained by calculation, for example, when a non-inductive resistor R (Ω) is connected between the output terminals T1 and T2 in FIG. 114 at the frequency fs at which power is transmitted. When the voltage between the output terminals T1 and T2 is Vr, and the voltage when the output terminals T1 and T2 are opened is Vn,
Since Vn = Vd and Vr = Vd (R / (R + Zs)),
Vr = Vn / (R / (R + Zs)), R + Zs = Vn / (R · Vr)
Zs = Vn / (R · Vr) −R
For example, if R = 1Ω, Zs = Vn / (Vr) −1 (Ω)
If R = 2Ω, Zs = Vn / (2 · Vr) −2 (Ω)
As a result, output impedance Zs is obtained. This is not limited to FIG. 116, and is the same for the square wave of FIG. 115 and the stepped wave shown in FIG. 122, which will be described later, and the output impedance Zs varies depending on the frequency. The same applies to other embodiments.

また、正弦波を発生させる交流電源の出力インピーダンスを低下させる方法の一例は、特開平5−22048号公報、特開平5−22049号公報などに開示されているが、正弦波を用いる利点は、素子や回路に対し回路理論が適用可能で、実測値と、理論上の数値との乖離を測定できることにある。出力インピーダンスZsが低い正弦波出力の電源は、前述したキャパシタの実効抵抗を計測するのにも必要となる。ただし、前記した方法で、前記正弦波出力交流電源の出力インピーダンスZsを計測しておく必要がある。   An example of a method for reducing the output impedance of an AC power source that generates a sine wave is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 5-22048 and 5-22049, but the advantage of using a sine wave is Circuit theory can be applied to elements and circuits, and the difference between measured values and theoretical values can be measured. A power supply with a sine wave output having a low output impedance Zs is also required to measure the effective resistance of the capacitor. However, it is necessary to measure the output impedance Zs of the sine wave output AC power supply by the method described above.

この場合において、第1、第2の半導体素子は、バイアス点によってはA級動作となるので、直流―交流変換効率は低下するが、非飽和領域で使用するため、高速のスイッチング特性を持たない半導体素子でも、出力インピーダンスを低くすることができる。   In this case, since the first and second semiconductor elements operate in class A depending on the bias point, the DC-AC conversion efficiency is lowered, but since they are used in the non-saturation region, they do not have high-speed switching characteristics. Even in a semiconductor element, the output impedance can be lowered.

なお、B級動作、C級動作とすることにより、A級動作よも出力インピーダンスは多少高くなり、出力波形に歪みが生じるが、直流―交流変換効率を上げることができる。LC直列回路は、波形を正弦波に戻す作用があり、特に共振点近辺では前記作用が強く、B級動作、C級動作を採用することもできる。なお、交流電源の出力周波数が低い場合には、D級動作を採用することにより、直流―交流変換効率をさらに上げることができる。   Note that the class B operation and the class C operation make the output impedance somewhat higher than the class A operation and cause distortion in the output waveform, but the DC-AC conversion efficiency can be increased. The LC series circuit has a function of returning the waveform to a sine wave, and the action is particularly strong in the vicinity of the resonance point, and a class B operation or a class C operation can also be adopted. When the output frequency of the AC power supply is low, the DC-AC conversion efficiency can be further increased by adopting the class D operation.

前述したように、本発明は、電力伝送効率は低くとも、長距離の電力伝送を可能とするものであるので、直流−交流変換効率が問題とならず、出力インピーダンスを下げてコイルに十分な電流を流すためであれば、インピーダンス変換器等を用い出力インピーダンスを下げる手法や、図114などのように、交流電源の出力からフィードバック制御をかけて出力インピーダンスを下げる手法を用いることもできる。図114において、スイッチング素子Qa、QbのON抵抗が大きく、T1の出力インピーダンスZsが大きい場合でも、Zsは、Zs=ΔE/ΔI、で定義されるため、出力電流ΔIが変化しても、出力電圧が一定で、ΔEがゼロであれば、理論上Zsはゼロになる。実際には、Zsはゼロとはならないが、理論上ゼロとなるのは、オペアンプや定電圧電源の動作原理として知られている。この実際のZsは、前述したように、交流電源の端子が開放状態のときと、無誘導抵抗を接続したときの出力電圧の差から求められる。   As described above, the present invention enables long-distance power transmission even if the power transmission efficiency is low. Therefore, the DC-AC conversion efficiency does not become a problem, and the output impedance is lowered and sufficient for the coil. In order to flow current, a technique of lowering the output impedance using an impedance converter or the like, or a technique of lowering the output impedance by performing feedback control from the output of the AC power source as shown in FIG. In FIG. 114, even when the ON resistances of the switching elements Qa and Qb are large and the output impedance Zs of T1 is large, Zs is defined as Zs = ΔE / ΔI. If the voltage is constant and ΔE is zero, Zs is theoretically zero. Actually, Zs does not become zero, but theoretically it is known as the operating principle of an operational amplifier or a constant voltage power supply. As described above, the actual Zs is obtained from the difference in output voltage between when the AC power supply terminal is open and when a non-inductive resistor is connected.

図117は、この発明の他の実施形態における送電部32を示す回路図である。図114〜図116に示した実施形態では、交流電源3bから尖頭値が0Vと+Vdの間で変化する方形波を出力するようにしたのに対して、図117に示した実施形態は、交流電源3b1から尖頭値が、−Vdと+Vdの間で変化する方形波を出力するように構成したものである。   FIG. 117 is a circuit diagram showing a power transmission section 32 in another embodiment of the present invention. In the embodiment shown in FIGS. 114 to 116, a square wave whose peak value changes between 0 V and + Vd is output from the AC power supply 3b, whereas the embodiment shown in FIG. The AC power supply 3b1 is configured to output a square wave whose peak value changes between −Vd and + Vd.

すなわち、制御回路3cは、図114に示した制御回路3cと同様にして、制御端子Ga,Gbから制御信号を出力するとともに、制御端子Gc,Gdからも制御信号を出力する。制御端子Gc,Gdから出力された制御信号は、スイッチング素子Qc,Qdのゲートに与えられる。なお、スイッチング素子Qc,Qdも、例えばパワーMOS−FETが使用される。   That is, the control circuit 3c outputs control signals from the control terminals Ga and Gb and also outputs control signals from the control terminals Gc and Gd in the same manner as the control circuit 3c shown in FIG. Control signals output from the control terminals Gc and Gd are given to the gates of the switching elements Qc and Qd. For example, power MOS-FETs are used for the switching elements Qc and Qd.

スイッチング素子Qc,Qdのドレインは、制御回路3cの制御端子FB2に接続されるとともに出力端子T2に接続されている。スイッチング素子Qcのソースはスイッチング素子Qaのソースに接続されており、スイッチング素子Qdのソースは、スイッチング素子Qbのソースに接続されている。スイッチング素子Qa,Qcと制御回路3aとの接続は、図117と同じである。スイッチング素子Qa,Qcは電流Ifを流し出し、スイッチング素子Qb,Qdは電流Irを引き込む作用をなす。   The drains of the switching elements Qc and Qd are connected to the control terminal FB2 of the control circuit 3c and to the output terminal T2. The source of the switching element Qc is connected to the source of the switching element Qa, and the source of the switching element Qd is connected to the source of the switching element Qb. Connections between the switching elements Qa and Qc and the control circuit 3a are the same as those in FIG. The switching elements Qa and Qc cause the current If to flow, and the switching elements Qb and Qd function to draw the current Ir.

図118は、図117のスイッチング素子Qa〜Qdのゲートを制御する波形と、出力端子T1,T2間に出力される出力波形を示している。   118 shows a waveform for controlling the gates of switching elements Qa to Qd in FIG. 117 and an output waveform output between output terminals T1 and T2.

図118(A),(D)に示すように制御信号Ga,GdがOFFからONに変化すると、スイッチング素子Qa,Qdが導通し、時間t1(S)の間だけ直流電源Vdの+端子から電圧+Vdが制御回路3cからスイッチング素子Qaを介して出力端子T1に出力される。T1からCp、Lp、出力端子T2を通り、スイッチング素子Qdから制御回路3cを介して直流電源Vdの−端子に、Ifの方向に電流が流れる。時間t1(S)経過後に制御信号Ga,GdがOFFになるので、スイッチング素子Qa,Qdが非導通になり、時間t3(S)の間ハイインピーダンス状態となる。その後、図118(B),(C)に示すように、制御信号Gb,GcがOFFからONに変化する。すると、スイッチング素子Qb,Qcが導通し、時間t2(S)の間だけ直流電源Vdの+端子から電圧+Vdが制御回路3cからスイッチング素子Qcを介して出力端子T2に出力され、出力端子T2からCp、Lp、出力端子T1を通り、スイッチング素子Qbから制御回路3cを介して直流電源Vdの−端子に、Irの方向に電流が流れる。すなわち、時間t1には、出力端子T1は+Vd、出力端子T2はGNDとなり、時間t2には、出力端子T1はGND、出力端子T2は+Vdとなり、この動作を繰り返すことにより、出力端子T1,T2間には図118(E)に示すように、+Vd、−Vdの2値を取る、尖頭値が出力電圧Voutとして出力される。これにより、図115(C)に示した出力電圧Voutに比べて2倍の振幅の方形波が得られるので、送電コイルLpと送電キャパシタCpの直列回路のリアクタンスがゼロとなった点で、前記直列回路に大きな電流を流すことができる。   As shown in FIGS. 118A and 118D, when the control signals Ga and Gd change from OFF to ON, the switching elements Qa and Qd become conductive, and from the positive terminal of the DC power source Vd only for the time t1 (S). The voltage + Vd is output from the control circuit 3c to the output terminal T1 via the switching element Qa. A current flows in the direction of If from T1 to Cp, Lp, the output terminal T2, and from the switching element Qd to the negative terminal of the DC power supply Vd via the control circuit 3c. Since the control signals Ga and Gd are turned OFF after the elapse of time t1 (S), the switching elements Qa and Qd are turned off, and are in a high impedance state during the time t3 (S). Thereafter, as shown in FIGS. 118B and 118C, the control signals Gb and Gc change from OFF to ON. Then, the switching elements Qb and Qc become conductive, and the voltage + Vd is output from the + terminal of the DC power supply Vd to the output terminal T2 from the control circuit 3c via the switching element Qc only during time t2 (S) and from the output terminal T2. A current flows in the direction of Ir from Cp, Lp and the output terminal T1 to the negative terminal of the DC power supply Vd from the switching element Qb via the control circuit 3c. That is, at time t1, the output terminal T1 becomes + Vd and the output terminal T2 becomes GND, and at time t2, the output terminal T1 becomes GND and the output terminal T2 becomes + Vd. By repeating this operation, the output terminals T1 and T2 In the meantime, as shown in FIG. 118 (E), a peak value having two values of + Vd and -Vd is output as the output voltage Vout. As a result, a square wave having an amplitude twice that of the output voltage Vout shown in FIG. 115 (C) is obtained, so that the reactance of the series circuit of the power transmission coil Lp and the power transmission capacitor Cp becomes zero. A large current can be passed through the series circuit.

そして、これらの実施形態では、交流電源3bの出力周波数は、送電コイルLpと前記送電キャパシタCpとで決まる、リアクタンスがゼロ、あるいはインピーダンスが極小となるとなる点に近接して設定されている。   In these embodiments, the output frequency of the AC power supply 3b is set close to the point where the reactance is zero or the impedance is minimized, which is determined by the power transmission coil Lp and the power transmission capacitor Cp.

送電コイルLpと送電キャパシタCpとで決まる、リアクタンスがゼロの点は直列共振点であるが、実際のコイルやキャパシタは、実効直列抵抗、実効並列抵抗を持つので、リアクタンスがゼロの点と、インピーダンスが極小となるとなる点は、わずかに異なっており、インピーダンスが極小となるとなる点はリアクタンスがゼロの点よりも若干高い。そして、前記周波数fsは、前述したコイルを使用可能な周波数領域であるf1以下の周波数である。fsをf1以下に設定する作用効果については、コイルに関する実施形態にて既述したとおりである。   The point where the reactance is zero, which is determined by the power transmission coil Lp and the power transmission capacitor Cp, is a series resonance point. However, since an actual coil or capacitor has an effective series resistance or an effective parallel resistance, the point where the reactance is zero and the impedance Is slightly different, and the point where the impedance is minimized is slightly higher than the point where the reactance is zero. The frequency fs is a frequency equal to or less than f1, which is a frequency region in which the above-described coil can be used. The effect of setting fs to f1 or less is as described in the embodiment relating to the coil.

図114および図117に示した実施形態における送電部31,32は、送電コイルLpの周囲に広範囲に渡り磁束を形成することができ、送電コイルLpの面積よりも小さい面積の任意の構成を持つ受電コイルLrに、長距離の電力伝送が可能な送電装置であるという作用効果を持つ。   The power transmission units 31 and 32 in the embodiment shown in FIGS. 114 and 117 can form a magnetic flux over a wide range around the power transmission coil Lp, and have an arbitrary configuration with an area smaller than the area of the power transmission coil Lp. The power receiving coil Lr has the effect of being a power transmission device capable of transmitting power over a long distance.

この場合においては、両コイル間の結合係数が小さいので、受電側の影響を送電側が受けないため、送電コイルLpに流れる交流電流が最大となるよう、交流電源3b,3b1の周波数は、送電コイルLpと送電キャパシタCpとで決まる、リアクタンスがゼロ、あるいはインピーダンスが極小となる点に近接して設定すればよく、キャパシタを用いて力率改善を行っている従来の送電装置のように、複雑な制御回路を必要としない。   In this case, since the coupling coefficient between the two coils is small, the power transmission side is not affected by the power reception side, so the frequency of the AC power supplies 3b and 3b1 is set so that the AC current flowing through the power transmission coil Lp is maximized. It may be set close to the point where the reactance determined by Lp and the power transmission capacitor Cp is zero or the impedance is minimized, and it is complicated as in a conventional power transmission device that uses a capacitor to improve the power factor. No control circuit is required.

また、これらの実施形態では、各素子の熱抵抗をθq(℃/W)、各素子の動作可能温度をTq(℃)、各素子が設置される場所の周囲温度をTa(℃)、各素子に流れる平均実効電流をIa(A)、とすると、各素子QのON抵抗をRq(Ω)、としたときには、各素子全てが、(Tq−Ta)≧θq(Rq×Ia)、を満足し、各スイッチング素子Qa,Qb,Qc,Qdの両端電圧をVq(V)、としたときには、各素子全てが、(Tq−Ta)≧θq(Vq×Ia)、を満足している。 In these embodiments, the thermal resistance of each element is θq (° C./W), the operable temperature of each element is Tq (° C.), the ambient temperature of the place where each element is installed is Ta (° C.), If the average effective current flowing through the element is Ia (A), and the ON resistance of each element Q is Rq (Ω), then all the elements are (Tq−Ta) ≧ θq (Rq × Ia 2 ), When the voltage across the switching elements Qa, Qb, Qc, and Qd is Vq (V), all the elements satisfy (Tq−Ta) ≧ θq (Vq × Ia). .

上記、(Tq−Ta)≧θq(Rq×Ia)、(Tq−Ta)≧θq(Vq×Ia)、の条件は、送電コイルLpにおいても規定されている熱条件であり、回路あるいは素子が使用可能な熱条件を規定しているものである。 The above conditions (Tq−Ta) ≧ θq (Rq × Ia 2 ) and (Tq−Ta) ≧ θq (Vq × Ia) are thermal conditions that are also defined in the power transmission coil Lp. Regulates the usable thermal conditions.

コイルの熱抵抗、θi、を、直流定電流源を用いて計測する方法を既述したが、まず、半導体素子の熱抵抗、θq、について説明する。通常、熱抵抗は、素子の材質、形状等を勘案して熱拡散方程式を解く必要がある。しかし、前述したように、熱拡散方程式を解くのは困難な場合が多いので、初期の素子温度をTaとし、素子に一定の電力P(W)を消費させ、熱平衡の定常状態になった時の温度とTaの温度差をTrとし、
θq=Tr/P(℃/W)、として、近似的に熱抵抗を求める。
The method for measuring the thermal resistance of the coil, θi, using a DC constant current source has already been described. First, the thermal resistance of the semiconductor element, θq, will be described. Usually, the thermal resistance needs to solve the thermal diffusion equation in consideration of the material and shape of the element. However, as described above, since it is often difficult to solve the thermal diffusion equation, when the initial element temperature is Ta, the element consumes a certain amount of power P (W), and a steady state of thermal equilibrium is reached. The difference in temperature between Ta and Ta is Tr,
Assuming that θq = Tr / P (° C./W), the thermal resistance is approximately obtained.

トランジスタやFETのような能動素子の場合は、単体では熱抵抗θqが非常に大きく、50〜90(℃/W)となるが、放熱板を装備することにより、熱抵抗を数℃/W、以下に低下させることが可能である。トランジスタやFETのような能動素子では、規格が定められており、実際に熱抵抗を実験により求めずとも、単体での熱抵抗が規定されている場合が多く、また放熱板としてどのような形状、寸法のものが必要であるかについても、規定されている場合が多い。   In the case of an active element such as a transistor or FET, the thermal resistance θq is very large as a single unit and is 50 to 90 (° C./W). However, by providing a heat sink, the thermal resistance is several ° C./W, It can be reduced to: For active devices such as transistors and FETs, standards are defined, and the thermal resistance of a single unit is often specified without actually determining the thermal resistance by experiment, and what shape is used as a heat sink In many cases, it is also specified whether or not dimensions are required.

簡便には、TO−220のパッケージであれば、ほぼ同一の熱抵抗を持つので、放熱板に取り付けた出力電圧が5Vである7805の三端子レギュレーターU1(図示せず)の出力に5Ωの抵抗を接続すれば、U1の出力には1Aの定電流が流れるので、入力電圧を15Vとすると、前記7805で消費される電力Pは、P=(15−5)V×1A約10Wとなる。熱平衡となる定常状態で、前記7805の温度が30℃上昇すれば、熱抵抗θqは、θq=30℃/10W=3(℃/W)となる。   For simplicity, since the TO-220 package has almost the same thermal resistance, it has a resistance of 5Ω on the output of the 7805 three-terminal regulator U1 (not shown) with an output voltage of 5V attached to the heat sink. Since a constant current of 1 A flows through the output of U1, if the input voltage is 15 V, the power P consumed by the 7805 is P = (15−5) V × 1A of about 10 W. If the temperature of 7805 rises by 30 ° C. in a steady state where thermal equilibrium is achieved, the thermal resistance θq becomes θq = 30 ° C./10 W = 3 (° C./W).

FETの場合には、ON抵抗Rqとドレイン−ソース間に流れる電流Iaの二乗を掛けたものが、素子の損失Pq(W)となるので、このようにして求めた熱抵抗θqに、損失Pqを掛けると、素子の温度上昇値Tr(℃)が求められる。Tr=θq×Rq×Ia(℃)となり、素子が動作可能な温度をTw(℃)、素子が設置される場所の周囲温度をTa(℃)とすると、Tr=Tw−Taとなり、不等式、(Tw−Ta)≧θq(Rw×Ia)を満足しないと、素子の使用可能温度を越えてしまい、この実施形態を実施するのが困難になる。 In the case of the FET, the product of the ON resistance Rq and the square of the current Ia flowing between the drain and source is the element loss Pq (W). Therefore, the thermal resistance θq thus obtained is added to the loss Pq. , The element temperature rise value Tr (° C.) is obtained. Tr = θq × Rq × Ia 2 (° C.), where Tw (° C.) is the temperature at which the element can be operated, and Ta (° C.) is the ambient temperature where the element is installed, Tr = Tw−Ta. If (Tw−Ta) ≧ θq (Rw × Ia 2 ) is not satisfied, the usable temperature of the element is exceeded, making it difficult to implement this embodiment.

同様に、バイポーラトランジスタの場合は、コレクタ−エミッタ間の飽和電圧、Vq(V)と、コレクタ−エミッタ間に流れる電流Ia(A)を掛けたものが、素子の損失Pq(W)となるので、熱抵抗θqに、Pqを掛けると、素子の温度上昇値Tr(℃)が求められる。FETの場合と同様に、Tr=Tw−Taとなり、不等式、
(Tq−Ta)≧θq(Vq×Ia)を満足しないとならない。
Similarly, in the case of a bipolar transistor, the element loss Pq (W) is obtained by multiplying the collector-emitter saturation voltage, Vq (V), and the current Ia (A) flowing between the collector and emitter. When the thermal resistance θq is multiplied by Pq, the temperature rise value Tr (° C.) of the element is obtained. As in the case of FET, Tr = Tw−Ta, and the inequality,
(Tq−Ta) ≧ θq (Vq × Ia) must be satisfied.

図119は、特許文献6の図9の問題点を解決した実施形態の一例を示す送電部33の交流電源3b2の回路構成を示す図である。図119において、交流電源3b2はスイッチング素子Q1〜Q4と、リバースダイオードD1〜D4と、ダイオードD11〜D14とを含む。スイッチング素子Q1〜Q4の各ドレインと各ソース間には、それぞれ寄生のリバースダイオードD1〜D4が存在しており、各ドレインはダイオードD11〜D14を介して出力端子T1に接続されている。出力端子T2は接地されている。   FIG. 119 is a diagram illustrating a circuit configuration of the AC power supply 3b2 of the power transmission unit 33 illustrating an example of an embodiment in which the problem of FIG. 9 of Patent Document 6 is solved. In FIG. 119, AC power supply 3b2 includes switching elements Q1 to Q4, reverse diodes D1 to D4, and diodes D11 to D14. Parasitic reverse diodes D1 to D4 exist between the drains and the sources of the switching elements Q1 to Q4, respectively, and the drains are connected to the output terminal T1 via the diodes D11 to D14. The output terminal T2 is grounded.

スイッチング素子Q1〜Q4が導通したときに直流電源V1〜V4が、リバースダイオードダイオードD11〜D14により短絡するのを阻止する。直流電源V1とV2,V3とV4は、それぞれ直列接続されており、直流電源V2の−側と直流電源V3の+側は接地されている。スイッチング素子Q1,Q2の各ソースは直流電源V1,V2の+側に接続されており、スイッチング素子Q3,Q4の各ソースは直流電源V3,V4の−側に接続されている。スイッチング素子Q1〜Q4の各ゲートには図示しない制御回路から制御信号G1〜G4が与えられている。   When the switching elements Q1 to Q4 are turned on, the DC power sources V1 to V4 are prevented from being short-circuited by the reverse diode diodes D11 to D14. The DC power sources V1 and V2, V3, and V4 are connected in series, and the negative side of the DC power source V2 and the positive side of the DC power source V3 are grounded. Each source of switching elements Q1, Q2 is connected to the + side of DC power supplies V1, V2, and each source of switching elements Q3, Q4 is connected to the-side of DC power supplies V3, V4. Control signals G1 to G4 are given to the gates of the switching elements Q1 to Q4 from a control circuit (not shown).

図120は、図119に示したスイッチング素子Q1〜Q4の制御信号と、出力端子T1,T2間に出力される電圧Voutの波形を示す図である。   120 is a diagram showing a control signal of switching elements Q1 to Q4 shown in FIG. 119 and a waveform of voltage Vout output between output terminals T1 and T2.

図120(A)に示すように制御信号G1がOFFからONになるとスイッチング素子Q1が導通し、直流電源V1とV2の加算された電圧+V×2がスイッチング素子Q1を介して出力端子T1に出力される。図120(B)に示すように制御信号G2がONすると、スイッチング素子Q2が導通して、直流電源V2の直流電圧+Vがスイッチング素子Q2を介して出力端子T1に出力される。   As shown in FIG. 120 (A), when the control signal G1 is turned from OFF to ON, the switching element Q1 becomes conductive, and a voltage + V × 2 obtained by adding the DC power sources V1 and V2 is output to the output terminal T1 through the switching element Q1. Is done. As shown in FIG. 120 (B), when the control signal G2 is turned ON, the switching element Q2 is turned on, and the DC voltage + V of the DC power supply V2 is output to the output terminal T1 via the switching element Q2.

図120(C)に示すように制御信号G3がONすると、スイッチング素子Q3が導通して、直流電源V3の直流電圧−Vがスイッチング素子Q3を介して出力端子T1に出力される。図120(D)に示すように制御信号G4がONすると、スイッチング素子Q4が導通して、直流電源V3とV4の加算された電圧−V×2がスイッチング素子Q4を介して出力端子T1に出力される。   As shown in FIG. 120C, when the control signal G3 is turned ON, the switching element Q3 is turned on, and the DC voltage −V of the DC power source V3 is output to the output terminal T1 via the switching element Q3. As shown in FIG. 120D, when the control signal G4 is turned ON, the switching element Q4 is turned on, and the added voltage −V × 2 of the DC power sources V3 and V4 is output to the output terminal T1 via the switching element Q4. Is done.

したがって、出力端子T1,T2間には、図120(E)に示すように、正弦波に近い階段波形が得られるとともに、スイッチング素子Q1〜Q4は、導通−非導通のみの動作なので、直流電源V1〜V4からの直流電力を交流電力に変換する効率を極めて高くすることができる。   Therefore, as shown in FIG. 120 (E), a staircase waveform close to a sine wave is obtained between the output terminals T1 and T2, and the switching elements Q1 to Q4 operate only in conduction and non-conduction, so that the DC power supply The efficiency of converting DC power from V1 to V4 into AC power can be made extremely high.

なお、各制御信号G1〜G4がON,OFFする間の時間ta,tb,tcはハイインピーダンスになっており、t3=ta+tb+tcとすると、出力端子T1,T2間に、+の電位が現れる時間t1と、−の電位が現れる時間t2は、t3<t1、t3<t2になるように選ばれる。   Note that the times ta, tb, and tc during which the control signals G1 to G4 are turned on and off are in high impedance, and when t3 = ta + tb + tc, the time t1 at which a potential of + appears between the output terminals T1 and T2. The time t2 when the potential of − appears is selected so that t3 <t1 and t3 <t2.

図121は、図119の交流電源3b2を変形した送電部34の一例を示す回路構成を表す図である。この実施形態は、接地の基準電位を設けた例で、出力端子T1が接地電位に接続され、出力端子T1とT2の間がハイインピーダンスとならないように構成したものである。   FIG. 121 is a diagram illustrating a circuit configuration illustrating an example of the power transmission unit 34 obtained by modifying the AC power supply 3b2 of FIG. 119. This embodiment is an example in which a ground reference potential is provided, and is configured such that the output terminal T1 is connected to the ground potential and the output terminals T1 and T2 do not become high impedance.

図121は、図119と同様にして、交流電源3b2が、スイッチング素子Q1〜Q6と、リバースダイオードD1〜D6と、ダイオードD11〜D16とを含む。スイッチング素子Q1〜Q6の各ドレインと各ソース間には、それぞれリバースダイオードD1〜D6が接続されており、各ドレインはダイオードD11〜D16を介して出力端子T1に接続されている。出力端子T2は接地されている。   121, as in FIG. 119, AC power supply 3b2 includes switching elements Q1 to Q6, reverse diodes D1 to D6, and diodes D11 to D16. Reverse diodes D1 to D6 are connected between the drains and the sources of the switching elements Q1 to Q6, respectively, and the drains are connected to the output terminal T1 via the diodes D11 to D16. The output terminal T2 is grounded.

直流電源V1〜V4は、それぞれ直列接続されており、直流電源V2の−側と直流電源V3の+側は接地されている。スイッチング素子Q1,Q2の各ソースは、それぞれ直流電源V1,V2の+側に接続されており、スイッチング素子Q3,Q4の各ソースは、それぞれ接地され、スイッチング素子Q5,Q6の各ソースは、直流電源V3,V4の−側にそれぞれ接続されている。スイッチング素子Q1〜Q6の各ゲートには図示しない制御回路から制御信号G1〜G6が与えられている。   The DC power sources V1 to V4 are respectively connected in series, and the negative side of the DC power source V2 and the positive side of the DC power source V3 are grounded. The sources of switching elements Q1 and Q2 are connected to the + side of DC power supplies V1 and V2, respectively. The sources of switching elements Q3 and Q4 are grounded. The sources of switching elements Q5 and Q6 are connected to DC. The power sources V3 and V4 are respectively connected to the negative side. Control signals G1 to G6 are given to the gates of the switching elements Q1 to Q6 from a control circuit (not shown).

図122は、図121に示したスイッチング素子Q1〜Q6の制御信号と、出力端子T1,T2間に出力される電圧Voutの波形を示す図である。図122(A)に示すように制御信号G1がOFFからONになるとスイッチング素子Q1が導通し、直流電源V1とV2の加算された電圧+2Vがスイッチング素子Q1を介して出力端子T1に出力される。図122(B)に示すように制御信号G2がONすると、スイッチング素子Q2が導通して、直流電源V2の直流電圧+Vがスイッチング素子Q2を介して出力端子T1に出力される。   122 is a diagram showing a control signal of switching elements Q1 to Q6 shown in FIG. 121 and a waveform of voltage Vout output between output terminals T1 and T2. As shown in FIG. 122 (A), when the control signal G1 is turned from OFF to ON, the switching element Q1 becomes conductive, and a voltage + 2V obtained by adding the DC power sources V1 and V2 is output to the output terminal T1 through the switching element Q1. . When the control signal G2 is turned on as shown in FIG. 122 (B), the switching element Q2 is turned on, and the DC voltage + V of the DC power supply V2 is output to the output terminal T1 via the switching element Q2.

図122(C)に示すように制御信号G3がONすると、スイッチング素子Q3が導通して接地電位がスイッチング素子Q3を介して出力端子T1に出力される。図122(D)に示すように制御信号G4がONすると、スイッチング素子Q4が導通して接地電位がスイッチング素子Q4を介して出力端子T1に出力される。図122(E)に示すように、制御信号G5がONすると、スイッチング素子Q5が導通し、直流電源V3の直流電圧−Vがスイッチング素子Q5を介して出力端子T1に出力される。図122(F)に示すように制御信号G6がONすると、スイッチング素子Q6が導通して、直流電源V3とV4の加算された電圧−2Vがスイッチング素子Q6を介して出力端子T1に出力される。   As shown in FIG. 122C, when the control signal G3 is turned ON, the switching element Q3 becomes conductive, and the ground potential is output to the output terminal T1 via the switching element Q3. As shown in FIG. 122D, when the control signal G4 is turned ON, the switching element Q4 is turned on, and the ground potential is output to the output terminal T1 via the switching element Q4. As shown in FIG. 122 (E), when the control signal G5 is turned ON, the switching element Q5 becomes conductive, and the DC voltage −V of the DC power supply V3 is output to the output terminal T1 via the switching element Q5. When control signal G6 is turned on as shown in FIG. 122 (F), switching element Q6 is turned on, and voltage -2V obtained by adding DC power supplies V3 and V4 is output to output terminal T1 via switching element Q6. .

したがって、出力端子T1,T2間には、図122(G)に示すように、正弦波に近い階段波形が得られるとともに、スイッチング素子Q1〜Q6は、導通−非導通のみの動作なので、直流電源V1〜V4からの直流電圧を交流電源に変換する効率を極めて高くすることができ、半導体素子に装備する放熱板の寸法を小さくするか、あるいは半導体素子単体で使用することができる。   Therefore, as shown in FIG. 122 (G), a staircase waveform close to a sine wave is obtained between the output terminals T1 and T2, and the switching elements Q1 to Q6 operate only in conduction and non-conduction, so that the DC power supply The efficiency of converting the DC voltage from V1 to V4 into the AC power source can be extremely increased, and the size of the heat sink provided in the semiconductor element can be reduced, or the semiconductor element can be used alone.

なお、各制御信号G1〜G6がON,OFFする間の時間ta,tb,tc,td,te,tfはハイインピーダンスになっており、t3=ta+tb+tc+td+te+tfとすると、出力端子T1,T2間に+の電位が現れる時間t1(S)と、−の電位が現れる時間t2(S)は、t3<t1、t3<t2になるように選ばれる。   Note that the times ta, tb, tc, td, te, and tf during which the control signals G1 to G6 are turned on and off are in a high impedance state. The time t1 (S) at which the potential appears and the time t2 (S) at which the − potential appears are selected so that t3 <t1 and t3 <t2.

図119、図121の実施形態の交流電源において、出力周波数fo(Hz)は、図120、図122の、t1、t2、t3より、p=t1+t2+t3(S)、とすると、fo=1/p、となり、foを、前記送電コイルLpと前記送電キャパシタCpとで決まる、リアクタンスがゼロ、あるいはインピーダンスが極小となるとなる点に近接して設定する。   In the AC power supply of the embodiment of FIGS. 119 and 121, the output frequency fo (Hz) is fo = 1 / p, assuming that t = t1 + t2 + t3 (S) from t1, t2, and t3 in FIGS. And fo is set close to a point determined by the power transmission coil Lp and the power transmission capacitor Cp, where the reactance is zero or the impedance is minimized.

上記の実施形態において、本発明の送電コイルは、要求される性能に基づき設計されるので、インダクタンスは固定値となるが、交流電源の周波数と、キャパシタのキャパシタンスは可変できるので、コイルを駆動する概略の周波数を決めておき、交流電源、キャパシタのどちらかで、リアクタンスがゼロ、あるいはインピーダンスが極小となるとなる点に設定すれば良い。   In the above embodiment, since the power transmission coil of the present invention is designed based on the required performance, the inductance is a fixed value, but the frequency of the AC power supply and the capacitance of the capacitor can be varied, so the coil is driven. An approximate frequency may be determined and set to a point where reactance is zero or impedance is minimized with either an AC power supply or a capacitor.

また、交流電源の出力周波数を可変可能とし、共振周波数fr近辺で交流電源の周波数を可変すると、コイルに流れる電流が変化するので、コイルに供給する電力を調整することができる。送電部は、単純な直列共振回路であり、負荷の影響が少なく、受電コイルと送電コイルの結合係数も小さい。よって、送電コイルのリアクタンスもほぼ一定である。   Further, if the output frequency of the AC power source can be varied and the frequency of the AC power source is varied in the vicinity of the resonance frequency fr, the current flowing through the coil changes, so that the power supplied to the coil can be adjusted. The power transmission unit is a simple series resonance circuit, is less affected by the load, and has a small coupling coefficient between the power reception coil and the power transmission coil. Therefore, the reactance of the power transmission coil is substantially constant.

面積が送電コイルの1/5程度の大きさの受電コイルが送電コイルの中心部に置かれた場合などは、共振点がずれ、送電コイルに流れる電流が低下する。しかし、このような状態では、送電コイルと受電コイル間の結合係数が高いので、受電コイルに十分な電力を送ることができる。   When a receiving coil whose area is about 1/5 of that of the power transmission coil is placed at the center of the power transmission coil, the resonance point is shifted and the current flowing through the power transmission coil is reduced. However, in such a state, since the coupling coefficient between the power transmission coil and the power reception coil is high, sufficient power can be sent to the power reception coil.

なお、図119、図121の実施形態において、(Tq−Ta)≧θq(Vq×Ia)の条件をD1〜D6が満足している必要が有り、(Tq−Ta)≧θq(Rq×Ia)の条件をQ1〜Q6が満足していなければならない。前記したように、Iaは、各素子に流れる平均実効電流であり、各素子に分かれて流れる。ただし、Vqは、D1〜D6の素子バラツキによって、Rqは、Q1〜Q6の素子バラツキによって異なってくることに留意する。 In the embodiment of FIGS. 119 and 121, it is necessary that D1 to D6 satisfy the condition of (Tq−Ta) ≧ θq (Vq × Ia), and (Tq−Ta) ≧ θq (Rq × Ia). 2 ) Q1 to Q6 must be satisfied. As described above, Ia is an average effective current flowing through each element and flows separately in each element. However, it should be noted that Vq varies depending on element variations of D1 to D6, and Rq varies depending on element variations of Q1 to Q6.

上述のごとく、図114、図117、図119、図121のような実施形態の交流電源を送電部に使用することにより、送電キャパシタCpを直列接続した送電コイルLpに十分な交流電流を流すことが可能となり、送電コイルLpは広い範囲に磁束を形成できる。   As described above, by using the AC power source of the embodiment as shown in FIGS. 114, 117, 119, and 121 for the power transmission unit, a sufficient AC current is caused to flow through the power transmission coil Lp in which the power transmission capacitors Cp are connected in series. The power transmission coil Lp can form a magnetic flux in a wide range.

なお、上記、図114、図117、図119、図121に記載されている直流電源Vd,V1〜V4は、電池等を使ってもよいし、商用の交流電源から生成してもよい。   Note that the DC power sources Vd, V1 to V4 described in FIGS. 114, 117, 119, and 121 may use batteries or may be generated from a commercial AC power source.

図123は、図119および図121における直流電源V1〜V4を生成する回路図の一例である。図122において、変成器PTの図示しない送電コイルに商用電源電圧を与え、二次コイルから所定の電圧を降圧してダイオードD21〜D28により降圧した交流電圧を整流することで、直流電圧+V×2,+V,0V,−V,−V×2を取り出すことができる。   FIG. 123 is an example of a circuit diagram for generating DC power supplies V1-V4 in FIGS. 119 and 121. In FIG. 122, a commercial power supply voltage is applied to a power transmission coil (not shown) of the transformer PT, a predetermined voltage is stepped down from the secondary coil, and the AC voltage stepped down by the diodes D21 to D28 is rectified, whereby a direct current voltage + V × 2 , + V, 0V, −V, −V × 2 can be taken out.

なお、出力が入力側の商用交流電源と絶縁された電源を使用するなら、スイッチング電源等を使ってもよい。その他、本方式は、本質的に送電コイルと受電コイルが絶縁されているため、PWM降圧方式などで、直接直流電源を交流電源から生成することもできる。   If a power source whose output is insulated from the commercial AC power source on the input side is used, a switching power source or the like may be used. In addition, since the power transmission coil and the power reception coil are essentially insulated in this method, the direct current power supply can be directly generated from the alternating current power supply by a PWM step-down method or the like.

図114、図117、図119、図121の実施形態は、回路構成としての一例であり、図114、図117、図119、図121に明示した、送信コイルLpにIf、Irの双方向に電流が流せる交流電源であって、前記Zs、前記Rw、前記Rcが、Zs≦(Rw+Rc)を満足し、前記不等式、(Tw−Ta)≧θq(Rw×Ia)を満足するか、前記不等式、(Tq−Ta)≧θq(Vq×Ia)を満足しており、直流電源から交流電源への変換効率が問題とならない場合には、交流電源の出力波形は、方形波、階段波に限ることはなく、前記実施形態に限らず、種々の実施形態を実現することが可能である。 The embodiments of FIGS. 114, 117, 119, and 121 are only examples of circuit configurations, and are clearly shown in FIGS. 114, 117, 119, and 121 in the transmission coil Lp in both directions of If and Ir. An AC power supply that allows a current to flow, wherein Zs, Rw, and Rc satisfy Zs ≦ (Rw + Rc) and satisfy the inequality, (Tw−Ta) ≧ θq (Rw × Ia 2 ), When the inequality, (Tq−Ta) ≧ θq (Vq × Ia) is satisfied and the conversion efficiency from the DC power supply to the AC power supply does not matter, the output waveform of the AC power supply is a square wave or a staircase wave. The present invention is not limited, and the present invention is not limited to the above embodiment, and various embodiments can be realized.

例えば、図114において、送電コイルLpに電磁的に結合した第3のコイルを設け、前記第3のコイルから制御回路3に正帰還をかけることにより、自励発振を行わせることもできる。本発明においては、通常、送電コイルLpには一定の電流を流しておき、特別な制御を必要としないので、送信コイルLpにIf、Irの双方向に電流が流せる回路構成で、前記Zs、前記Rw、前記Rcが、Zs≦(Rw+Rc)を満足し、前記不等式、(Tw−Ta)≧θq(Rw×Ia)を満足するか、前記不等式、(Tq−Ta)≧θq(Vq×Ia)を満足している限りにおいて、種々の自励発振回路を使うこともできる。 For example, in FIG. 114, a self-excited oscillation can be performed by providing a third coil electromagnetically coupled to the power transmission coil Lp and applying positive feedback from the third coil to the control circuit 3. In the present invention, since a constant current is normally supplied to the power transmission coil Lp and no special control is required, a circuit configuration in which currents can be supplied to the transmission coil Lp in both directions of If and Ir, the Zs, The Rw and the Rc satisfy Zs ≦ (Rw + Rc) and satisfy the inequality, (Tw−Ta) ≧ θq (Rw × Ia 2 ), or the inequality, (Tq−Ta) ≧ θq (Vq × Various self-excited oscillation circuits can be used as long as Ia) is satisfied.

ただし、前記、t1、t2、t3の規定については、図115、図118、図120、図122のように、交流電源の出力端子T1、T2の箇所で満足しなければならない条件であり、各スイッチング素子Q1〜Q6のゲートを制御する時間の規定ではない。また、t1、t2、t3の比を変化させてコイルに供給する電力を調整することも可能であり、その場合には、必ずしも、t3<t1、t3<t2、の条件を満足する必要はない。   However, the provisions of t1, t2, and t3 are conditions that must be satisfied at the locations of the output terminals T1 and T2 of the AC power supply as shown in FIGS. 115, 118, 120, and 122. It is not a regulation of the time for controlling the gates of the switching elements Q1 to Q6. It is also possible to adjust the power supplied to the coil by changing the ratio of t1, t2, t3. In this case, it is not always necessary to satisfy the conditions of t3 <t1, t3 <t2. .

なお、特開2005−6459号公報の段落番号0025、図3には、スイッチング素子であるFETのゲートを制御し、2つのFETがOFFになるような制御回路が開示されているが、前記図3は、一方のFETのゲート信号がOFFになったら、他方のFETのゲートをONにしているだけであり、図114の実施形態のようにドレイン出力からの信号を制御回路が検知する手段があるか、あるいは、FETのON時間とOFF時間を勘案してゲート信号を制御しない限り、前記図3にて両FETがOFFとなる時間が確実に存在する保証はない。   Note that paragraph No. 0025 and FIG. 3 of Japanese Patent Laid-Open No. 2005-6459 disclose a control circuit that controls the gates of FETs that are switching elements and turns off the two FETs. 3 is that when the gate signal of one FET is turned OFF, the gate of the other FET is only turned ON. As shown in the embodiment of FIG. 114, the control circuit detects the signal from the drain output. Unless the gate signal is controlled in consideration of the ON time and OFF time of the FET, there is no guarantee that the time when both FETs are OFF exists reliably in FIG.

すなわち、通常のロジックICの遅延時間を勘案すると、特開2005−6459号公報の図3では、一方のFETのゲート信号がOFFになったことを検知してから、他方のFETのゲートをONにする時間は20nS以下であり、キャパシタによる遅延回路が設けてあるとはいえ、パワーFETのON時間とOFF時間は、数十nS以上異なっているのが通常である。   That is, considering the delay time of a normal logic IC, in FIG. 3 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-6459, it is detected that the gate signal of one FET has been turned OFF, and then the gate of the other FET is turned ON. The time required for the power FET is 20 nS or less, and the power FET ON time and the OFF time are usually different by several tens of nS or more, although a capacitor delay circuit is provided.

また、特開2005−6459号公報は、ハイインピーダンスの時間を規定しておらず、元々が受電側の状態を検知し、送電周波数を変化させて受電側の状態を適切に制御する発明であって、本発明のように、基本的な電力伝送性能を向上させるものではなく、送電コイルに供給可能な電力も高々5Wであり、後述するように、1MHz以上の周波数でも使用可能な本発明のコイルに、10W以上の電力を供給するのに適した回路ではない。   Japanese Patent Laying-Open No. 2005-6459 is an invention that does not prescribe a high impedance time, originally detects the state of the power receiving side, and changes the power transmission frequency to appropriately control the state of the power receiving side. Thus, the basic power transmission performance is not improved as in the present invention, and the power that can be supplied to the power transmission coil is 5 W at most. As will be described later, the present invention can be used even at a frequency of 1 MHz or higher. It is not a circuit suitable for supplying power of 10 W or more to the coil.

本発明の実施形態によれば、コイルの全方向に広がる磁束を発生させることが可能となり、長距離の電力伝送が可能になる。例えば、大きさがB4用紙サイズ程度の送電コイルを用い、LEDの負荷を装備した受電コイルに、50cm以上の距離でLEDが点灯するだけの電力伝送ができ、コイル巻回面と同一平面では、送電コイルを中心とし、送電コイルの面積の倍以上の面積で、LEDの負荷を装備した受電コイルにLEDが点灯するだけの電力を伝送できる。あるいは、前記送電コイル上のほぼ全面で、受電コイルにほぼ均一な電力を供給できる。また、送電コイルの巻回面と受電コイルの巻回面が平行でなく、任意の角度や位置関係であっても、電力を伝送できる。   According to the embodiment of the present invention, it is possible to generate magnetic flux spreading in all directions of the coil, and long-distance power transmission is possible. For example, a power transmission coil having a size of about B4 paper size can be used, and power can be transmitted to the power reception coil equipped with the LED load only for the LED to turn on at a distance of 50 cm or more. In the same plane as the coil winding surface, Power sufficient to light the LED can be transmitted to the power receiving coil equipped with the LED load in an area that is more than twice the area of the power transmitting coil, centering on the power transmitting coil. Alternatively, substantially uniform power can be supplied to the power receiving coil over almost the entire surface of the power transmitting coil. Moreover, even if the winding surface of a power transmission coil and the winding surface of a receiving coil are not parallel, and it is arbitrary angles and positional relationship, electric power can be transmitted.

前記の性能を実現するため、前記送電コイルを駆動するには、尖頭値が10Vの方形波があれば十分で、例えば、5Vで動作する汎用の高速C−MOSロジックバッファーを並列接続すれば、十分に低い電源インピーダンスが得られ、電力損失の少ない交流電源が低コストで実現できる。また、長距離の電力伝送性能を達成するには、高い周波数でコイルを駆動する必要があるが、本構成の交流電源を用いれば10MHz程度まで安定して動作する交流電源が、低コストで実現できる。   In order to realize the above performance, a square wave having a peak value of 10V is sufficient to drive the power transmission coil. For example, a general-purpose high-speed C-MOS logic buffer operating at 5V is connected in parallel. A sufficiently low power source impedance can be obtained, and an AC power source with low power loss can be realized at low cost. In order to achieve long-distance power transmission performance, it is necessary to drive the coil at a high frequency, but if an AC power supply with this configuration is used, an AC power supply that operates stably up to about 10 MHz can be realized at low cost. it can.

また、本発明によれば、力率を向上させるため、正のリアクタンス成分を打ち消すキャパシタの、実効直列抵抗や実効並列抵抗とリアクタンスの関係を規定することにより、電力を伝送する周波数における最適なキャパシタを選定することができ、あるいは電力を伝送するのに最適な周波数を選定できる。   In addition, according to the present invention, in order to improve the power factor, by defining the relationship between the effective series resistance, the effective parallel resistance, and the reactance of the capacitor that cancels the positive reactance component, the optimum capacitor at the frequency at which power is transmitted Or an optimum frequency for transmitting power can be selected.

上述のごとく、この発明の実施形態では、面積比の大きいコイル間で電力を伝送するので、送電コイルと受電コイルとの結合係数が小さい。そのため、送電コイルが受電側の影響を受けないので、交流電源は、送電コイルとキャパシタとで決まる、リアクタンスがゼロとなる周波数に固定しておけばよく、フィードバック制御や、交流電源と送電コイルの電圧位相を比較して、受電側の状態を検知し、交流電源の交流電圧や周波数を調整するような複雑な手段を必要としない。したがって、電力伝送装置を低コストで実現することが可能となる。   As described above, in the embodiment of the present invention, since power is transmitted between coils having a large area ratio, the coupling coefficient between the power transmitting coil and the power receiving coil is small. For this reason, since the power transmission coil is not affected by the power receiving side, the AC power source may be fixed at a frequency determined by the power transmission coil and the capacitor so that the reactance is zero, and feedback control, AC power source and power transmission coil Complicating means such as comparing the voltage phase, detecting the state of the power receiving side, and adjusting the AC voltage and frequency of the AC power supply is not required. Therefore, the power transmission device can be realized at low cost.

さらに、空芯コイルに金属体が近接したときに、電力伝送性能が低下する現象を排除する方法を提供する。また、送電コイルよりも大きい金属枠を送電コイルに近接して設置することにより、少なくともコイルの巻回面と同一平面では、金属枠の大きさまで、電力伝送範囲を広げることが可能となる。   Furthermore, the present invention provides a method for eliminating a phenomenon in which power transmission performance deteriorates when a metal body is close to an air-core coil. In addition, by installing a metal frame larger than the power transmission coil close to the power transmission coil, it is possible to expand the power transmission range to the size of the metal frame at least on the same plane as the winding surface of the coil.

具体的には、例えば、前記したように、B4サイズ程度の送電コイルに、10Wの実効電力を供給することにより、直径5cm程度の円板状にホルマル線を50ターン巻いた受電コイルにキャパシタとLEDを並列に接続した受電側装置に、送電コイル上約50cm以上の距離の電力伝送ができる。また、受電側装置が、送電コイルの巻回面に対して、どのような角度であっても電力を伝送可能とする。   Specifically, for example, as described above, by supplying effective power of 10 W to a power transmission coil of about B4 size, a capacitor is connected to a power reception coil in which a formal wire is wound 50 turns in a disk shape of about 5 cm in diameter. Power can be transmitted over a distance of about 50 cm or more on the power transmission coil to a power receiving side device in which LEDs are connected in parallel. Further, the power receiving side device can transmit power at any angle with respect to the winding surface of the power transmission coil.

さらに、一般に使用されている長距離電力伝送用の非接触ICカードは、数十Wの送電電力で、数十mWの電力を、数十cmの距離間で伝送できるが、上記の性能は、10W程度の送電電力で、0.5W近い電力を、数十cmの距離間で伝送できるものである。   Furthermore, a non-contact IC card for long-distance power transmission that is generally used can transmit several tens of watts of power with a transmission power of several tens of watts over a distance of several tens of centimeters. It is capable of transmitting near 0.5 W of power with a transmission power of about 10 W over a distance of several tens of centimeters.

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, this invention is not limited to the thing of embodiment shown in figure. Various modifications and variations can be made to the illustrated embodiment within the same range or equivalent range as the present invention.

この発明の電力伝送装置、電力伝送装置の送電装置および受電装置は、送電部から受電部に電力を伝送するのに利用でき、特に送電部からの距離が離れた受電部に電力を伝送するのに利用できる。また、送電部と受電部の距離が数十cm以上あり、かつ、送電コイルと受電コイルの相対角度が変動しても、伝送可能電力に変動を来たさない用途に利用できる。   The power transmission device, the power transmission device of the power transmission device, and the power reception device of the present invention can be used to transmit power from the power transmission unit to the power reception unit, and in particular, transmit power to a power reception unit that is separated from the power transmission unit. Available to: Moreover, even if the distance between the power transmission unit and the power reception unit is several tens of centimeters or more and the relative angle between the power transmission coil and the power reception coil varies, the present invention can be used for applications in which the transmittable power does not vary.

この発明の一実施形態における電力伝送装置のブロック図である。It is a block diagram of the electric power transmission apparatus in one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態における電力伝送装置の送電部に使用される箔状導体コイルを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the foil-like conductor coil used for the power transmission part of the electric power transmission apparatus in one Embodiment of this invention. 図2に示したコイルの線A‐Aに沿う断面を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the cross section in alignment with line AA of the coil shown in FIG. この発明の電力伝送装置に使われる受電コイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the receiving coil used for the power transmission apparatus of this invention. この発明の電力伝送装置に使われる受電コイルの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the receiving coil used for the power transmission apparatus of this invention. 変成器の入力インピーダンスを求める等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram for obtaining the input impedance of the transformer. この発明の一実施形態における電力伝送装置の空芯コイル単体の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the air-core coil simple substance of the electric power transmission apparatus in one Embodiment of this invention. 従来例で説明した図124のように構成された変成器部分の等価回路図である。FIG. 125 is an equivalent circuit diagram of a transformer portion configured as shown in FIG. 124 described in the conventional example. 受電コイルを短絡したときの変成器の等価回路を表す図である。It is a figure showing the equivalent circuit of a transformer when a receiving coil is short-circuited. 受電コイルに負荷抵抗RLが接続されときの変成器の等価回路を表す図である。It is a figure showing the equivalent circuit of a transformer when load resistance RL is connected to a receiving coil. 1mmの単導線を外径70mmに、25ターン密接巻きしたコイル1Aの、Rw,Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency of the coil 1A which closely wound 25 turns of the 1 mm single conductor to the outer diameter of 70 mm. 0.6mmの単導線を外径70mmに40ターン密接巻きしたコイル1Bの、Rw,Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Rw, Rs, Rn and the frequency of the coil 1B which closely wound 40 turns of the 0.6 mm single conductor wire to the outer diameter of 70 mm. 0.3mmの単導線を外径70mmに70ターン密接巻きしたコイル1Cの、Rw,Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Rw, Rs, Rn and the frequency of the coil 1C which closely wound the 0.3-mm single conductor wire to the outer diameter of 70 mm for 70 turns. コイル10A同士を対向させたときの、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, Rn when coils 10A are made to oppose. コイル10B同士を対向させたときの、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, Rn when coils 10B are made to oppose. コイル10C同士を対向させたときの、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, Rn when coils 10C are made to oppose. コイル10Dと10Cとを対向させたときの、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, Rn when the coils 10D and 10C are made to oppose. コイル10Cと10Dとを対向させたときの、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, Rn when the coils 10C and 10D are made to oppose. コイル10A,10C,10Dの単体の、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, Rn of the single-piece | unit of coil 10A, 10C, 10D. コイル10E同士を対向させたときの、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, Rn when coils 10E are made to oppose. コイル10F同士を対向させたときの、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, Rn when the coils 10F are made to oppose. コイル10F,10Eを対向させたときの、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, Rn when the coils 10F and 10E are made to oppose. コイル10A,10Fを対向させたときのRw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, and Rn when coils 10A and 10F are made to oppose. コイル10F,10Aを対向させたときの、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, Rn when the coils 10F and 10A are made to oppose. コイル10A,10Jを対向させたときの、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, and Rn when coils 10A and 10J are made to oppose. コイル1A,10Fを対向させたときの、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, Rn when coils 1A and 10F are made to oppose. コイル10A,1Aを対向させたときの、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, and Rn when coils 10A and 1A are made to oppose. コイル1A,10Aを対向させたときの、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を表す図である。It is a figure showing the frequency characteristic of Rw, Rs, and Rn when coils 1A and 10A are made to oppose. この発明の他の実施形態における電力伝送装置のコイル10bを示す図である。It is a figure which shows the coil 10b of the electric power transmission apparatus in other embodiment of this invention. 傘形状に形成したコイル10cの断面図である。It is sectional drawing of the coil 10c formed in the umbrella shape. この発明の他の実施形態における電力伝送装置のコイル10dの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the coil 10d of the electric power transmission apparatus in other embodiment of this invention. この発明の他の実施形態における電力伝送装置のコイルの断面を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the cross section of the coil of the electric power transmission apparatus in other embodiment of this invention. 送電コイル上の磁束方向と強度を表す図である。It is a figure showing the magnetic flux direction and intensity | strength on a power transmission coil. この発明のさらに他の実施形態における電力伝送装置に使用される、一部の辺のみ角度をつけたコイルを示す図である。It is a figure which shows the coil which used the power transmission device in further another embodiment of this invention, and angled only one side. 導体断面と磁束形状を示す図である。It is a figure which shows a conductor cross section and magnetic flux shape. この発明のさらに他の実施形態における電力伝送装置のコイル10eを示す図である。It is a figure which shows the coil 10e of the electric power transmission apparatus in further another embodiment of this invention. 図36の線B−Bに沿う断面図である。FIG. 37 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 36. 銅間隙に誘電率の高い材料が存在する一例を示す図である。It is a figure which shows an example in which the material with a high dielectric constant exists in a copper gap | interval. この発明のさらに他の実施形態における電力伝送装置のコイル10fを示す図である。It is a figure which shows the coil 10f of the electric power transmission apparatus in further another embodiment of this invention. この発明のさらに他の実施形態における電力伝送装置のコイル10gを示す図である。It is a figure which shows the coil 10g of the electric power transmission apparatus in further another embodiment of this invention. この発明のさらに他の実施形態における電力伝送装置のコイル10hを示す図である。It is a figure which shows the coil 10h of the electric power transmission apparatus in further another embodiment of this invention. この発明のさらに他の実施形態における電力伝送装置のコイル10iを示す図である。It is a figure which shows the coil 10i of the electric power transmission apparatus in further another embodiment of this invention. この発明のさらに他の実施形態における電力伝送装置のコイル10jを示す図である。It is a figure which shows the coil 10j of the electric power transmission apparatus in further another embodiment of this invention. この発明のさらに他の実施形態における電力伝送装置のコイルkを示す図である。It is a figure which shows the coil k of the electric power transmission apparatus in further another embodiment of this invention. 図44に示した実施形態における送電用コイルと受電用コイルとの対応関係を示す図である。FIG. 45 is a diagram illustrating a correspondence relationship between a power transmission coil and a power reception coil in the embodiment illustrated in FIG. 44. 金属枠上にコイルを設置した例を示す図である。It is a figure which shows the example which installed the coil on the metal frame. 不要輻射を防止するコイル10mの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 10m which prevents unnecessary radiation. コイルと磁性材板との間に、絶縁板を設けたコイル10nを示す図である。It is a figure which shows the coil 10n which provided the insulating board between the coil and the magnetic material board. コイルの一方面側に磁性材板と磁性材板の2層の磁性材板を設けたコイル10pを示す図である。It is a figure which shows the coil 10p which provided the two-layer magnetic material board of the magnetic material board and the magnetic material board in the one surface side of the coil. 図49に示すコイル10pを構成する2枚の磁性材板の間に、厚みがIの絶縁板を設けたコイル10qを示す図である。It is a figure which shows the coil 10q which provided the insulating board of thickness I between the two magnetic material boards which comprise the coil 10p shown in FIG. コイルに金属体が近接したときに、コイルの特性変動を防止するコイル10rの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 10r which prevents the characteristic fluctuation of a coil, when a metal body adjoins to a coil. 金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル10sの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of coil 10s which prevents both the proximity | contact effect of a metal body, and unnecessary radiation. 金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル10tの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 10t which prevents both the proximity | contact effect of a metal body, and unnecessary radiation. 金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル10uの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 10u which prevents both the proximity | contact effect of a metal body, and unnecessary radiation. 金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル10vの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 10v which prevents both the proximity | contact effect of a metal body, and unnecessary radiation. 金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル10wの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 10w which prevents both the proximity | contact effect of a metal body, and unnecessary radiation. 金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル10xの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 10x which prevents both the proximity | contact effect of a metal body, and unnecessary radiation. 金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル10yの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 10y which prevents both the proximity | contact effect of a metal body, and unnecessary radiation. 図47に示すコイル10m、図48に示すコイル10nとして、それぞれ図21に示したコイル10Fを使用したときの、各コイルにおける実効直列抵抗Rw(Ω)の周波数との関係を示す図である。FIG. 49 is a diagram showing the relationship between the effective series resistance Rw (Ω) in each coil when the coil 10F shown in FIG. 21 is used as the coil 10m shown in FIG. 47 and the coil 10n shown in FIG. 48, respectively. コイル10m,10nとして、それぞれコイル10Fを使用したときにおける各コイルのQの周波数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship with the frequency of Q of each coil when using coil 10F as each of the coils 10m and 10n. コイル10Fを使用して各種の金属板を近接対向させたときの、コイル10F単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、コイル10F単体のインダクタンスLw(μH)を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the effective series resistance Rw ((omega | ohm)) of the coil 10F single-piece | unit, and the inductance Lw ((micro | micron | mu) H) of the coil 10F single-piece | unit when various metal plates are made to oppose closely using the coil 10F. コイル10Fに10mmの絶縁物を介して、図61に示した各種の金属板を対向させた前述のコイル10Faの特性図である。FIG. 62 is a characteristic diagram of the above-described coil 10Fa in which the various metal plates illustrated in FIG. 61 are opposed to the coil 10F via a 10 mm insulator. 1枚の磁性材板91を設けたコイル10Fに各種の金属板を近接させたときの、コイル10Fb単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、コイル10Fb単体のインダクタンスLw(μH)を示す特性図である。A characteristic diagram showing the effective series resistance Rw (Ω) of the coil 10Fb alone and the inductance Lw (μH) of the coil 10Fb alone when various metal plates are brought close to the coil 10F provided with one magnetic material plate 91. It is. コイル10Fに2枚の磁性材板911,912を設けたコイル10Fcに各種の金属板を近接させたときの、コイル10Fc単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、コイル10F単体のインダクタンスLw(μH)を示す特性図である。When various metal plates are brought close to the coil 10Fc having the two magnetic material plates 911 and 912 provided on the coil 10F, the effective series resistance Rw (Ω) of the coil 10Fc alone and the inductance Lw (μH of the coil 10F alone) FIG. コイル10Fを、コイル10rと同等の構成において、実効直列抵抗Rw(Ω)とインダクタンスLw(μH)を計測した特性図である。It is the characteristic view which measured effective series resistance Rw ((omega | ohm)) and inductance Lw ((micro | micron | mu) H) for the coil 10F in the structure equivalent to the coil 10r. コイル10Eを、コイル10rと同等の構成において、実効直列抵抗Rw(Ω)とインダクタンスLw(μH)を計測した特性図である。It is the characteristic view which measured the effective series resistance Rw ((omega | ohm)) and the inductance Lw ((micro | micron | mu) H) for the coil 10E in the structure equivalent to the coil 10r. 図51に示すコイル10rから図58に示すコイル10yにおいて、コイル内周部から取り出す線を、コイルに装備された金属板を使用する図である。In coil 10y shown in FIG. 58 from coil 10r shown in FIG. 51, it is a figure which uses the metal plate with which the coil taken out from a coil inner peripheral part was equipped. 各構成のコイルの箔導体の間に、細い箔状導体を巻回し、その巻回線を結合線30dとして取り出した場合のコイルの図である。It is a figure of a coil at the time of winding a thin foil-shaped conductor between the foil conductors of the coil of each structure, and taking out the winding line as a coupling wire 30d. 本発明における電力伝送装置の実施形態の一例である回路構成を表す図である。It is a figure showing the circuit structure which is an example of embodiment of the electric power transmission apparatus in this invention. 本発明における電力伝送装置における他の実施形態の一例である回路構成を表す図である。It is a figure showing the circuit structure which is an example of other embodiment in the electric power transmission apparatus in this invention. 図69または図70の二次側の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the secondary side of FIG. 69 or FIG. 図1の送電制御回路に含まれる交流電源の回路図である。It is a circuit diagram of the alternating current power supply contained in the power transmission control circuit of FIG. LC直列共振回路の特性を計測する回路図である。It is a circuit diagram which measures the characteristic of LC series resonance circuit. 図73の回路中に存在する抵抗成分を含めた等価回路図である。FIG. 74 is an equivalent circuit diagram including a resistance component existing in the circuit of FIG. 73. キャパシタの静電容量を計測する計測回路の原理回路図である。It is a principle circuit diagram of the measurement circuit which measures the electrostatic capacitance of a capacitor. キャパシタの静電容量の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the electrostatic capacitance of a capacitor. キャパシタの実効直列抵抗Rcと昇圧比Hと駆動回路電量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the effective series resistance Rc of a capacitor, step-up ratio H, and drive circuit electric energy. 図73の回路に、抵抗R3を直列に装備した回路図である。FIG. 74 is a circuit diagram in which a resistor R3 is provided in series with the circuit of FIG. 73. ポリプロピレンキャパシタC1cを図73の回路に装備したときの、ポリプロピレンキャパシタC1cの電圧波形である。It is a voltage waveform of the polypropylene capacitor C1c when the polypropylene capacitor C1c is equipped in the circuit of FIG. セラミックキャパシタC1rを図73の回路に装備したときの、セラミックキャパシタC1rの電圧波形である。It is a voltage waveform of the ceramic capacitor C1r when the ceramic capacitor C1r is equipped in the circuit of FIG. 図78の回路における、キャパシタ両端の電圧波形である。79 is a voltage waveform across a capacitor in the circuit of FIG. 78. キャパシタの実効直列抵抗Rcと、キャパシタ両端の正弦波電圧波形のゼロ点からのシフト比Sとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the effective series resistance Rc of a capacitor, and the shift ratio S from the zero point of the sine wave voltage waveform of both ends of a capacitor. キャパシタ両端の正弦波電圧波形のゼロ点からのシフト比Sと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the shift ratio S from the zero point of the sine wave voltage waveform of a capacitor both ends, and electric power transmission performance. キャパシタの実効直列抵抗Rcと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the effective series resistance Rc of a capacitor, and electric power transmission performance. キャパシタの誘電正接tanδと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the dielectric loss tangent tan-delta of a capacitor, and electric power transmission performance. セラミックキャパシタC1rの実効直列抵抗Rcの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the effective series resistance Rc of the ceramic capacitor C1r. セラミックキャパシタC1rの実効直列抵抗Rcの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the effective series resistance Rc of the ceramic capacitor C1r. ポリプロピレンキャパシタC1cの誘電正接tanδの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the dielectric loss tangent tan-delta of the polypropylene capacitor C1c. ポリプロピレンキャパシタC1cの誘電正接tanδの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the dielectric loss tangent tan-delta of the polypropylene capacitor C1c. キャパシタをVOUTH側に接続した場合の、キャパシタ両端電圧をオシロスコープで計測する場合の接続図である。It is a connection diagram in the case of measuring the voltage across the capacitor with an oscilloscope when the capacitor is connected to the VOUTH side. キャパシタを送電コイル1の両端に各1個接続した場合の、各キャパシタ両端電圧をオシロスコープで計測する場合の接続図である。It is a connection diagram in the case of measuring the voltage across each capacitor with an oscilloscope when one capacitor is connected to each end of the power transmission coil. キャパシタの誘電吸収特性を計測する回路図である。It is a circuit diagram which measures the dielectric absorption characteristic of a capacitor. キャパシタの誘電吸収Kpと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the dielectric absorption Kp of a capacitor, and electric power transmission performance. キャパシタの誘電吸収Knと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the dielectric absorption Kn of a capacitor, and electric power transmission performance. キャパシタの誘電吸収Kp、Knの比であるKrと、電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between Kr which is the ratio of dielectric absorption Kp and Kn of a capacitor, and electric power transmission performance. キャパシタに流れる電流により、キャパシタの実効直列抵抗Rcによる発熱を計測する回路の一例である。It is an example of the circuit which measures the heat_generation | fever by the effective series resistance Rc of a capacitor with the electric current which flows into a capacitor. キャパシタに流れる電流によって、キャパシタの実効直列抵抗Rcによるキャパシタの発熱を計測する回路のその他の例である。It is another example of the circuit which measures the heat_generation | fever of a capacitor by the effective series resistance Rc of a capacitor with the electric current which flows into a capacitor. キャパシタの温度上昇と電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature rise of a capacitor, and the relationship between electric power transmission performance. キャパシタの性能を計測するその他の実施形態を表すブロック図である。It is a block diagram showing other embodiment which measures the performance of a capacitor. 図99における積分回路の出力の電圧波形を示す図である。FIG. 100 is a diagram showing a voltage waveform of an output of the integrating circuit in FIG. 99. A/D変換器の表示Dzと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the display Dz of A / D converter, and electric power transmission performance. A/D変換器の表示Dpと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the display Dp of an A / D converter, and electric power transmission performance. A/D変換器の表示Dnと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the display Dn of an A / D converter, and electric power transmission performance. A/D変換器の表示DpとDnの差Ddと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the difference Dd of the display Dp and Dn of an A / D converter, and electric power transmission performance. ポリプロピレンキャパシタC1cのインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the impedance of polypropylene capacitor C1c. セラミックキャパシタC1rのインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the impedance of ceramic capacitor C1r. 本発明の実施形態におけるキャパシタの構成を示す一例である。It is an example which shows the structure of the capacitor in embodiment of this invention. 本発明の実施形態におけるキャパシタの構成を示す他の例である。It is another example which shows the structure of the capacitor in embodiment of this invention. 本発明の電力伝送装置の他の実施形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows other embodiment of the power transmission apparatus of this invention. 図109における、コイルの両端波形を示す図である。It is a figure which shows the both ends waveform of the coil in FIG. 本発明の電力伝送装置のその他の実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows other embodiment of the power transmission apparatus of this invention. 送電コイル1にキャパシタを直列に装備した場合の等価回路および簡略化した2端子の等価回路図である。It is the equivalent circuit at the time of equip | installing the capacitor | condenser with the power transmission coil 1 in series, and the simplified equivalent circuit diagram of 2 terminals. 複数のキャパシタを接続する回路図である。It is a circuit diagram which connects a some capacitor. この発明の一実施形態における電力伝送装置の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the electric power transmission apparatus in one Embodiment of this invention. 図114の回路を制御する波形、および出力波形示す図である。FIG. 115 is a diagram showing a waveform for controlling the circuit of FIG. 114 and an output waveform. 図114の出力を正弦波としたときの波形を示す図である。It is a figure which shows a waveform when the output of FIG. 114 is made into a sine wave. この発明の他の実施形態における電力伝送装置の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the electric power transmission apparatus in other embodiment of this invention. 図117の回路を制御する波形、および出力波形を示す図である。FIG. 118 is a diagram showing a waveform for controlling the circuit of FIG. 117 and an output waveform. この発明のさらに他の実施形態における電力伝送装置の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the electric power transmission apparatus in further another embodiment of this invention. 図119の回路を制御する波形、および出力波形を示す図である。FIG. 119 is a diagram showing a waveform for controlling the circuit of FIG. 119 and an output waveform; この発明のさらに他の実施形態における電力伝送装置の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the electric power transmission apparatus in further another embodiment of this invention. 図121の回路を制御する波形、および出力波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform which controls the circuit of FIG. 121, and an output waveform. 図119、図121に示した電力伝送装置で使用される直流電を生成する回路構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the circuit structure which produces | generates the direct current | flow electricity used with the power transmission apparatus shown to FIG. 119, FIG. 一次側にキャパシタを装備した従来の非接触式電力伝送装置の概略ブロック図である。It is a schematic block diagram of the conventional non-contact-type electric power transmission apparatus equipped with the capacitor on the primary side. 図124のように構成された本発明の電力伝送装置の送電コイルの等価回路図である。It is an equivalent circuit schematic of the power transmission coil of the electric power transmission apparatus of this invention comprised as FIG. キャパシタの等価回路を表す図である。It is a figure showing the equivalent circuit of a capacitor.

符号の説明Explanation of symbols

1,Lp 送電コイル、2, 受電コイル、3,3d,3e, 送電部、3a 送電制御回路、3b,3b1,3b2 交流電源、3c,201 制御回路、4,4d,4e 受電部、4a 受電制御回路、12 直流電源、2,2a,2b,2c 交流電源、3c 制御回路、3,3a 送電部、5,5a,5b 受電装置 10a〜10y,10A〜10J,90 コイル、20a,20b 受電コイル 20,20a,20b,21,22,50,60,64 板状部材、26 溝、26,29,30,34,36,30b,30c,30d,30e,51,53,55,61,63,65,66,67 箔状導体、30a 絶縁体、40,50 被覆電線、22 平坦面、23,27,33,35,40〜44 傾斜面、24,30,37,45 側壁面、51〜54,56,62,64 導線、68 半田、71 疎巻き部分、72 蜜巻き部分、75,100 送電用コイル、73,74,76,200 受電用コイル、80 金属枠、82 アルミ板、85,85a,85b オシロスコープ、86 交流定電流電源、87交流電圧計、91,911,912 磁性材板、92 絶縁板、95 金属板、100,100d,100e 電力伝送装置、125 A/D変換器、126 表示器、127 スイッチ、128 オペアンプ、135 金属箔、136 誘電材料、D1〜D6 リカバリダイオード、D11〜D16 ダイオード、Qa,Qb,Qc,Qd,Q1〜Q6 スイッチング素子、T1,T2 出力端子、Cp 送電キャパシタ、V1〜V4,Vd 直流電源。   1, Lp power transmission coil, 2, power reception coil, 3, 3d, 3e, power transmission unit, 3a power transmission control circuit, 3b, 3b1, 3b2 AC power supply, 3c, 201 control circuit, 4, 4d, 4e power reception unit, 4a power reception control Circuit, 12 DC power supply, 2, 2a, 2b, 2c AC power supply, 3c control circuit, 3, 3a power transmission unit, 5, 5a, 5b power receiving device 10a-10y, 10A-10J, 90 coil, 20a, 20b power receiving coil 20 20a, 20b, 21, 22, 50, 60, 64 Plate member, 26 Groove, 26, 29, 30, 34, 36, 30b, 30c, 30d, 30e, 51, 53, 55, 61, 63, 65 , 66, 67 Foil-shaped conductor, 30a insulator, 40, 50 covered electric wire, 22 flat surface, 23, 27, 33, 35, 40-44 inclined surface, 24, 30, 37, 45 side Surface, 51-54, 56, 62, 64 Conductor, 68 Solder, 71 Sparsely wound part, 72 Honey-rolled part, 75, 100 Power transmission coil, 73, 74, 76, 200 Power receiving coil, 80 Metal frame, 82 Aluminum Plate, 85, 85a, 85b Oscilloscope, 86 AC constant current power supply, 87 AC voltmeter, 91, 911, 912 Magnetic material plate, 92 Insulating plate, 95 Metal plate, 100, 100d, 100e Power transmission device, 125 A / D Converter, 126 display, 127 switch, 128 operational amplifier, 135 metal foil, 136 dielectric material, D1-D6 recovery diode, D11-D16 diode, Qa, Qb, Qc, Qd, Q1-Q6 switching element, T1, T2 output Terminal, Cp transmission capacitor, V1 to V4, Vd DC power supply.

Claims (26)

送電部と受電部が分離可能に構成され、
相互誘導作用により、前記送電部から前記受電部に電力を伝送する電力伝送装置の送電部に使用される送電コイルであって、
前記送電コイルは、絶縁材料上に箔状導体を渦巻状に卷回して空芯状に構成された空芯コイルであり、
前記送電コイル単体時の実効直列抵抗をRw(Ω)、
前記送電コイルの実効直列抵抗の変化を検知するために、前記送電コイルと同一のコイルを、前記送電コイルに対向させて変成器を構成し、前記送電コイルに対向させた前記同一のコイルの両端を短絡したときの、前記送電コイルの実効直列抵抗をRs(Ω)、
とすると、
前記送電コイルが、Rs≧Rw、なる関係を満足する最高周波数f1(Hz)が、少なくとも200kHz以上となるように、所定の箔状導体を用い、所定の卷回数あるいは卷回法で所定の外径、内径に構成された送電コイル。
The power transmission unit and power reception unit are configured to be separable,
A power transmission coil used in a power transmission unit of a power transmission device that transmits power from the power transmission unit to the power reception unit by mutual induction,
The power transmission coil is an air-core coil configured in an air-core shape by winding a foil-like conductor in a spiral shape on an insulating material,
The effective series resistance of the power transmission coil alone is Rw (Ω),
In order to detect a change in the effective series resistance of the power transmission coil, the same coil as the power transmission coil is opposed to the power transmission coil to constitute a transformer, and both ends of the same coil opposed to the power transmission coil Rs (Ω), the effective series resistance of the power transmission coil when
Then,
The power transmission coil uses a predetermined foil-like conductor so that the maximum frequency f1 (Hz) satisfying the relationship of Rs ≧ Rw is at least 200 kHz or more. A power transmission coil with a diameter and an inner diameter.
前記箔状導体の厚さをt、幅をHとしたときに、
少なくとも前記幅Hが前記厚さtの10倍以上であり、
前記幅Hが1mm以上であり、
前記送電コイルは、絶縁材料上に、前記絶縁材料と前記箔状導体の幅Hが接するように、前記箔状導体を単層渦巻き状に巻回してあり、
少なくとも前記送電コイルの最大外形寸法が前記幅Hの10倍以上で、
前記送電コイルの最小外形が10cm以上であり、
かつ、前記箔状導体の巻き数が4以上である、請求項1に記載の送電コイル。
When the thickness of the foil conductor is t and the width is H,
At least the width H is not less than 10 times the thickness t;
The width H is 1 mm or more;
The power transmission coil is wound on the insulating material in a single-layer spiral shape so that the insulating material and the width H of the foil conductor are in contact with each other.
At least the maximum outer dimension of the power transmission coil is 10 times or more the width H,
The minimum outer shape of the power transmission coil is 10 cm or more;
And the power transmission coil of Claim 1 whose winding number of the said foil-like conductor is four or more.
さらに、前記箔状導体の厚さtが、0.3mm以下、10μm以上であり、
隣接する箔状導体の導体間に、5×t、以上の間隙が設けられた請求項1または2に記載の送電コイル。
Furthermore, the thickness t of the foil conductor is 0.3 mm or less, 10 μm or more,
The power transmission coil according to claim 1, wherein a gap of 5 × t or more is provided between conductors of adjacent foil conductors.
前記空芯コイルの最外周部における隣接する各箔状導体間に設ける間隙の幅をw1、
前記空芯コイルの最内周部における隣接する各箔状導体間に設ける間隙の幅をw2、
とすると、w2>w1>0、であって、
最外周部から内周部に行くに従い、前記間隙の幅がw1より増加し、前記間隙の幅w2が、少なくとも、5×t、以上である、請求項3に記載の送電コイル。
The width of the gap provided between adjacent foil conductors in the outermost peripheral portion of the air-core coil is w1,
The width of the gap provided between adjacent foil-like conductors in the innermost peripheral portion of the air-core coil is w2,
Then, w2>w1> 0 and
4. The power transmission coil according to claim 3, wherein the width of the gap increases from w <b> 1 as it goes from the outermost peripheral portion to the inner peripheral portion, and the width w <b> 2 of the gap is at least 5 × t.
前記箔状導体間に、少なくとも1本の結合線を卷回し、
前記結合線を、電気的には前記空芯のコイルの電力伝送用箔状導体と絶縁すると共に、電磁的には前記空芯のコイルの電力伝送用箔状導体と蜜結合変成器と同等の状態となるように構成された、請求項3または4に記載の送電コイル。
Winding at least one bond wire between the foil conductors;
The coupling wire is electrically insulated from the power transmission foil conductor of the air-core coil, and electromagnetically equivalent to the power transmission foil conductor and honeycomb coupling transformer of the air-core coil. The power transmission coil according to claim 3 or 4 configured to be in a state.
前記空芯コイルを形成する箔状導体の一部に導線を使用するか、
前記空芯コイルを形成する箔状導体の一部の幅Hが、他の部分とは異なるか、
または、前記空芯コイルを形成する箔状導体の少なくとも一部が、少なくとも2本の電気的に分離された箔状導体から成る請求項1から5のいずれかに記載の送電コイル。
Use a conductive wire for a part of the foil-shaped conductor forming the air-core coil,
The width H of a part of the foil-shaped conductor forming the air-core coil is different from other parts,
6. The power transmission coil according to claim 1, wherein at least a part of the foil conductor forming the air-core coil is composed of at least two electrically separated foil conductors.
受電コイルの面積が、前記送電コイルの面積の1/4以下である場合で、前記受電コイルは、短辺と長辺とを有する長方形状であって、前記送電コイルと前記受電コイルとが対向して配置され、
前記短辺に対して直角方向に巻回された前記短辺と交差する箔状導体の本数と、前記長辺に対して直角方向に巻回された長辺と交差する箔状導体の本数の値が近接するように、前記箔状導体が巻回された、請求項1から6のいずれかに記載の送電コイル。
When the area of the power receiving coil is 1/4 or less of the area of the power transmitting coil, the power receiving coil has a rectangular shape having a short side and a long side, and the power transmitting coil and the power receiving coil are opposed to each other. Arranged,
The number of foil-like conductors intersecting the short side wound in a direction perpendicular to the short side and the number of foil-like conductors intersecting the long side wound in a direction perpendicular to the long side The power transmission coil according to any one of claims 1 to 6, wherein the foil-like conductor is wound so that values are close to each other.
前記空芯コイルを形成する箔状導体の一部または全部が、箔状導体の巻回面に対し角度を持って巻かれている、請求項1から7のいずれかに記載の送電コイル。   The power transmission coil according to any one of claims 1 to 7, wherein a part or all of the foil-shaped conductor forming the air-core coil is wound with an angle with respect to a winding surface of the foil-shaped conductor. 前記絶縁材料の前記箔状導体の巻回面の反対側に、少なくとも1枚の磁性材板を備えた、請求項1から8のいずれかに記載の電力伝送装置。   The power transmission device according to any one of claims 1 to 8, further comprising at least one magnetic material plate on a side opposite to a winding surface of the foil-like conductor of the insulating material. さらに、請求項1から9のいずれかに記載の送電コイルに金属が近接したときの影響を遮蔽し、前記送電コイルの特性変動を防止するための金属板を備えているか、
あるいは前記送電コイルが金属材料上に設置される場合において、
前記送電コイルの空芯コイルを形成した前記絶縁材料の箔状導体卷回面の反対側に、磁性材板、絶縁材料の少なくともいずれか1つが装備される場合に、
・磁性材板1枚のみを含むか、
・所定の厚さMが(10mm)以下であるか、
・前記送電コイルの外径をD(mm)とし、前記Mが、M>D/10である、空気を含む絶縁材であるときには、
前記金属板または金属材料は、0.1mm以上の厚さM(mm)の常磁性または反磁性の磁気的性質を持つ、金属または合金から成る金属板であり、
・少なくとも2枚以上の磁性材板を含むか、
・1枚の磁性材板と所定の厚さ(10mm)以下の絶縁材であるか、
・所定の厚さ(10mm)以上の絶縁材のみである場合であるときには、
前記金属板または金属材料は、0.01mm以上の厚さM(mm)の任意の磁気的性質を持つ、金属または合金から成る金属板または金属材料である送電コイル。
Furthermore, the metal coil for shielding the influence when a metal approaches the power transmission coil according to any one of claims 1 to 9 and preventing characteristic fluctuations of the power transmission coil,
Alternatively, when the power transmission coil is installed on a metal material,
In the case where at least one of a magnetic material plate and an insulating material is equipped on the opposite side of the foil-shaped conductor winding surface of the insulating material forming the air-core coil of the power transmission coil,
・ Include only one magnetic material plate,
Whether the predetermined thickness M is (10 mm) or less,
When the outer diameter of the power transmission coil is D (mm) and the M is an insulating material including air, where M> D / 10,
The metal plate or metal material is a metal plate made of a metal or an alloy having a paramagnetic or diamagnetic magnetic property with a thickness M (mm) of 0.1 mm or more,
・ Contain at least two or more magnetic plates
-One magnetic material plate and an insulating material having a predetermined thickness (10 mm) or less,
-When it is a case where there is only an insulating material having a predetermined thickness (10 mm) or more,
The power transmission coil, wherein the metal plate or the metal material is a metal plate or a metal material made of a metal or an alloy having an arbitrary magnetic property with a thickness M (mm) of 0.01 mm or more.
前記送電コイルのインダクタンスの変化を防止するために、
前記送電コイルの内周部の導線端から前記送電コイル外部に取り出す導線を、
・前記箔状導体の卷回面に固定して前記送電コイルの2端子の内、一方の端子とするか
・前記箔状導体が卷回されている絶縁材料の裏面に、箔状導体を用いて内周部の導線端からの取り出し線を固定形成し、前記送電コイルの2端子の内、一方の端子とするか、
・あるいは、前記箔状導体が形成された絶縁材料の裏面に金属板が装備されている場合には、前記送電コイルの内周部の導線端を前記コイルの中心部で前記金属板に接続し、前記金属板を前記送電コイルの2端子の内、一方の端子とした、請求項1から10のいずれかに記載の送電コイル。
In order to prevent a change in inductance of the power transmission coil,
A lead wire to be taken out of the power transmission coil from the lead wire end of the inner periphery of the power transmission coil,
-Is it fixed to the winding surface of the foil-shaped conductor and used as one of the two terminals of the power transmission coil?-The foil-shaped conductor is used on the back surface of the insulating material on which the foil-shaped conductor is wound. A lead wire from the end of the inner peripheral wire is fixedly formed, and one of the two terminals of the power transmission coil is used,
-Alternatively, if a metal plate is provided on the back surface of the insulating material on which the foil-like conductor is formed, the conductor end of the inner peripheral portion of the power transmission coil is connected to the metal plate at the center of the coil. The power transmission coil according to any one of claims 1 to 10, wherein the metal plate is one of the two terminals of the power transmission coil.
前記空芯コイルが電力を送電可能な面積を広げるために、
前記空芯コイルの外形寸法よりも大きい金属性の枠を含み、
前記金属性枠の一部が、前記送電コイルの巻回面の一部と重なって構成された、請求項1から11のいずれかに記載の送電コイル。
In order to expand the area where the air-core coil can transmit power,
Including a metallic frame larger than the outer dimension of the air-core coil,
The power transmission coil according to any one of claims 1 to 11, wherein a part of the metallic frame is configured to overlap a part of a winding surface of the power transmission coil.
請求項1から12のいずれかに記載の送電コイルと、
直流電力を交流電力に変換する電力変換手段から成る交流電源と、
前記送電コイルの正のリアクタンスを打ち消すためのキャパシタ(13)と、を少なくとも含む送電装置であって、
前記交流電源と基準コイルとの間に、前記キャパシタを直列接続し、
前記基準コイルに他のコイルを対向させず、前記送電部単体で直列共振回路を構成したときに、前記キャパシタのリアクタンスXcと、前記送電コイルのリアクタンスXiが等しくなる周波数(直列共振周波数)をfr(Hz)とし、
前記交流電源の出力周波数をfrに設定したときに、前記frにおいて、
前記直列共振回路のQをQr、
前記直列共振回路に共振電流が流れているときの、前記交流電源の出力電圧をVt、
前記キャパシタの両端電圧をVc、
前記Vtを前記Vcに昇圧する昇圧比Hを、H=Vc/Vt、とすると、
前記キャパシタ(13)が、H≧0.9×Qr、なる条件を満足している送電装置。
A power transmission coil according to any one of claims 1 to 12 ,
An AC power source comprising power conversion means for converting DC power into AC power;
A power transmission device comprising at least a capacitor (13) for canceling a positive reactance of the power transmission coil,
The capacitor is connected in series between the AC power source and a reference coil,
When a series resonance circuit is configured by the power transmission unit alone without facing another coil to the reference coil, the frequency (series resonance frequency) at which the reactance Xc of the capacitor and the reactance Xi of the power transmission coil become equal is fr. (Hz)
When the output frequency of the AC power supply is set to fr,
Q of the series resonant circuit is Qr,
When the resonance current flows through the series resonance circuit, the output voltage of the AC power supply is Vt,
The voltage across the capacitor is Vc,
If the boost ratio H for boosting the Vt to the Vc is H = Vc / Vt,
A power transmission device in which the capacitor (13) satisfies a condition of H ≧ 0.9 × Qr.
請求項1から12のいずれかに記載の送電コイルと、
直流電力を交流電力に変換する電力変換手段から成る交流電源と、
前記送電コイルの正のリアクタンスを打ち消すためのキャパシタ(13)と、を少なくとも含む送電装置であって、
前記交流電源と前記キャパシタ(13)との間に基準コイルを直列接続し、前記基準コイルには他のコイルを対向させず、送電部単体で直列共振回路を構成したときに、
前記交流電源の出力電圧は、ゼロ電位と所定の電位との間で電圧が変化する、デューティ50%の方形波であって、
前記キャパシタのリアクタンスXcと、前記基準コイルのリアクタンスXiが等しくなる周波数(直列共振周波数)をfr(Hz)とし、前記frにおいて、
コイルの実効直列抵抗をRi(Ω)、
前記交流電源の出力インピーダンスZs(Ω)、とすると、
Zs<(Ri/5)を満足しており、
キャパシタの直流電流遮断作用により、前記キャパシタ両端の交流電圧波形の正のピーク値と負のピーク値は、ゼロ電位に対して対称になるところ、実際の直列共振回路では、前記キャパシタ両端の交流電圧波形がゼロ点からシフトし、
前記交流電源の出力周波数が前記frに設定されたときの、
前記キャパシタ1個を交流電源のGND端子と、基準コイルとに直列接続したキャパシタの両端電圧のゼロ電位に対する正のピーク値Vpと負のピーク値Vnの比を、
S=Vp/Vn、
前記キャパシタと同一(種類、構成、静電容量の全てが同一)のキャパシタ1個を交流電源の他方の端子と、基準コイルとに直列接続したキャパシタの両端電圧のゼロ電位に対する正のピーク値Vpと、負のピーク値Vnの比を、
S1=Vp/Vn、
交流電源のGND端子と送電コイルの一方の端子の間に前記キャパシタを直列接続すると共に、交流電源の他方の端子と送電コイルの他方の端子の間に前記キャパシタと同一のキャパシタを直列接続したときの、他方の端子に接続したキャパシタの両端電圧のゼロ電位に対する正のピーク値Vpと、負のピーク値Vnの比を、
Sn=Vn/Vp、としたときに、前記キャパシタ(13)が、
1)前記キャパシタの静電容量をC(μF)、
係数αを、α=log(C/0.001μF)、
(但し、C≧0.01μFで、α≧1;C<0.01μFのときは、α=1)
所定係数Bを、B=1+0.06α(無単位)、としたときに、
前記キャパシタ(13)が、S≦B、なる関係を満足しているか、
2)あるいは、前記キャパシタ(13)が、以下の全ての条件、
・Fa=(Sp−1)/(S−1)<0.75、
・Fb=(Sp−1)/(S1−1)<0.75、
・Fc=(Sn−1)/(S−1)<0.75、
・Fd=(Sn−1)/(S1−1)<0.75、
を満足するかの、少なくともいずれか一方の条件を満足しており、
前記、2)の条件を満足している場合には、前記交流電源のGND端子と前記送電コイルの一方の端子との間に前記キャパシタ(13)を直列接続すると共に、前記交流電源の他方の端子と前記送電コイルの他方の端子との間に、前記キャパシタ(13)が直列接続されている送電装置。
A power transmission coil according to any one of claims 1 to 12 ,
An AC power source comprising power conversion means for converting DC power into AC power;
A power transmission device comprising at least a capacitor (13) for canceling a positive reactance of the power transmission coil,
When a reference coil is connected in series between the AC power supply and the capacitor (13), and another coil is not opposed to the reference coil, and a series resonance circuit is configured by a power transmission unit alone,
The output voltage of the AC power supply is a square wave with a duty of 50%, in which the voltage changes between a zero potential and a predetermined potential,
The frequency (series resonance frequency) at which the reactance Xc of the capacitor and the reactance Xi of the reference coil are equal is fr (Hz).
The effective series resistance of the coil is Ri (Ω),
If the output impedance Zs (Ω) of the AC power supply,
Zs <(Ri / 5) is satisfied,
Due to the DC current blocking action of the capacitor, the positive peak value and the negative peak value of the AC voltage waveform across the capacitor are symmetric with respect to zero potential. In an actual series resonance circuit, the AC voltage across the capacitor is The waveform shifts from the zero point,
When the output frequency of the AC power supply is set to fr,
The ratio of the positive peak value Vp and the negative peak value Vn to the zero potential of the voltage across the capacitor in which one capacitor is connected in series to the GND terminal of the AC power source and the reference coil,
S = Vp / Vn,
Positive peak value Vp with respect to zero potential of the voltage across the capacitor in which one capacitor of the same type (the same type, configuration and capacitance) is connected in series to the other terminal of the AC power source and the reference coil And the ratio of the negative peak value Vn,
S1 = Vp / Vn,
When the capacitor is connected in series between the GND terminal of the AC power supply and one terminal of the power transmission coil, and the same capacitor as the capacitor is connected in series between the other terminal of the AC power supply and the other terminal of the power transmission coil The ratio of the positive peak value Vp to the zero potential of the voltage across the capacitor connected to the other terminal and the negative peak value Vn is
When Sn = Vn / Vp, the capacitor (13)
1) The capacitance of the capacitor is C (μF),
The coefficient α is α = log (C / 0.001 μF),
(However, when C ≧ 0.01 μF, α ≧ 1; when C <0.01 μF, α = 1)
When the predetermined coefficient B is B = 1 + 0.06α (no unit),
Whether the capacitor (13) satisfies the relationship S ≦ B,
2) Alternatively, the capacitor (13) has all the following conditions:
Fa = (Sp-1) / (S-1) <0.75,
Fb = (Sp-1) / (S1-1) <0.75,
Fc = (Sn-1) / (S-1) <0.75,
Fd = (Sn-1) / (S1-1) <0.75,
Or at least one of the conditions is satisfied,
When the condition of 2) is satisfied, the capacitor (13) is connected in series between the GND terminal of the AC power supply and one terminal of the power transmission coil, and the other of the AC power supply is connected. A power transmission device in which the capacitor (13) is connected in series between a terminal and the other terminal of the power transmission coil.
請求項1から12のいずれかに記載の送電コイルと、
直流電力を交流電力に変換する電力変換手段から成る交流電源と、
前記送電コイルの正のリアクタンスを打ち消すためのキャパシタ(13)と、を少なくとも含む送電装置であって、
前記キャパシタ(13)の2端子のうち、一方の端子Aに正の電圧を印加し、他方の端子Bに負の電圧を印加したときの誘電吸収をKp、
前記他方の端子Bに正の電圧を印加し、前記一方の端子Aに正の電圧を印加したときの誘電吸収をKn、
前記Kpと前記Knの比である、Krを、
Kp≧Kn、であるときには、Kr=Kp/Kn、
Kp<Kn、であるときには、Kr=Kn/Kp、とすると、
前記キャパシタ(13)が、1≦Kr<1.5、なる条件を満足している送電装置。
A power transmission coil according to any one of claims 1 to 12 ,
An AC power source comprising power conversion means for converting DC power into AC power;
A power transmission device comprising at least a capacitor (13) for canceling a positive reactance of the power transmission coil,
Of the two terminals of the capacitor (13), a positive voltage is applied to one terminal A, and a dielectric absorption when a negative voltage is applied to the other terminal B is Kp,
When a positive voltage is applied to the other terminal B and a positive voltage is applied to the one terminal A, the dielectric absorption is Kn,
Kr, which is the ratio of Kp and Kn,
When Kp ≧ Kn, Kr = Kp / Kn,
When Kp <Kn, and Kr = Kn / Kp,
The power transmission device in which the capacitor (13) satisfies a condition of 1 ≦ Kr <1.5.
さらに、前記Kpまたは前記Knの少なくともいずれか一方の値が1%以下である請求項15に記載の送電装置。   Furthermore, the power transmission apparatus of Claim 15 whose value of at least any one of the said Kp or the said Kn is 1% or less. 請求項1から12のいずれかに記載の送電コイルと、
直流電力を交流電力に変換する電力変換手段から成る交流電源と、
前記送電コイルの正のリアクタンスを打ち消すためのキャパシタ(13)と、を少なくとも含む送電装置であって、
前記キャパシタ(13)を含む積分回路を構成したときに、前記積分回路は、
基準パルス発生手段と、
所定の同一値の定電流を正逆双方向に流せる電流源と、
前記積分回路の出力電圧をゼロにする初期化手段と、
前記正逆積分時間を計測するための前記基準パルスを、少なくとも、N=1000カウント以上計測するパルス数計測手段と、を含み、
1)前記初期化手段により、前記積分回路の出力電圧をゼロとしたときに、前記パルス数計測手段のパルス計測値がゼロに初期化された後、
前記キャパシタに、正方向の前記定電流Ipを所定時間T(S)の間流し、
前記所定時間Tの経過後、前記キャパシタに、|Ip|=|In|である負方向の所定の定電流Inを流したときに、前記積分回路の出力電圧がゼロとなるまでの時間をTn、
前記所定時間Tのパルスカウント数をN、
前記キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間Tnのパルスカウント数をNn、
2)前記初期化手段により、前記積分回路の出力電圧をゼロとしたときに、前記パルス数計測手段のパルス計測値がゼロに初期化された後、
前記キャパシタに、逆方向の前記定電流Inを所定時間Tの間流し、
前記所定時間Tの経過後、前記キャパシタに、|Ip|=|In|である正方向の所定の定電流Ipを流したときに、前記積分回路の出力がゼロとなるまでの時間をTp、
前記所定時間Tのパルスカウント数をN、
前記キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間Tnのパルスカウント数をNp、
としたときに、
前記Nnと前記Npとの差の絶対値、|Nn−Np|が、0.003×Nカウント以下のキャパシタ(13)である送電装置。
A power transmission coil according to any one of claims 1 to 12 ,
An AC power source comprising power conversion means for converting DC power into AC power;
A power transmission device comprising at least a capacitor (13) for canceling a positive reactance of the power transmission coil,
When an integrating circuit including the capacitor (13) is configured, the integrating circuit is
A reference pulse generating means;
A current source capable of flowing a predetermined constant current of the same value in both forward and reverse directions;
Initialization means for zeroing the output voltage of the integrating circuit;
Pulse number measuring means for measuring at least N = 1000 counts of the reference pulse for measuring the forward / reverse integration time,
1) When the output voltage of the integration circuit is set to zero by the initialization unit, after the pulse measurement value of the pulse number measurement unit is initialized to zero,
The constant current Ip in the positive direction is allowed to flow through the capacitor for a predetermined time T (S),
After the elapse of the predetermined time T, the time until the output voltage of the integrating circuit becomes zero when a predetermined negative constant current In of | Ip | = | In | ,
The pulse count number of the predetermined time T is N,
The pulse count number of time Tn until the voltage across the capacitor becomes zero is Nn,
2) When the output voltage of the integration circuit is set to zero by the initialization unit, after the pulse measurement value of the pulse number measurement unit is initialized to zero,
The constant current In in the reverse direction is passed through the capacitor for a predetermined time T,
After the elapse of the predetermined time T, when a predetermined constant current Ip in the positive direction of | Ip | = | In | is passed through the capacitor, the time until the output of the integration circuit becomes zero is Tp,
The pulse count number of the predetermined time T is N,
The pulse count number of time Tn until the voltage across the capacitor becomes zero is Np,
And when
A power transmission apparatus in which an absolute value of a difference between the Nn and the Np, | Nn−Np |, is a capacitor (13) having 0.003 × N counts or less.
前記Nと前記Nnとの差の絶対値、|N−Nn|と、
前記Nと前記Npとの差の絶対値、|N−Np|との内、少なくともいずれか一方が、0.004×Nカウント以下のキャパシタ(13)である請求項17に記載の送電装置
The absolute value of the difference between N and Nn, | N−Nn |
18. The power transmission device according to claim 17, wherein at least one of the absolute value of the difference between N and Np, | N−Np |, is a capacitor (13) of 0.004 × N counts or less.
記送電コイル単体時の実効直列抵抗を、Rw(Ω)、
前記送電コイルと誘導結合が可能な構成の受電コイルを前記送電コイルに対向させて変成器を構成し、前記受電コイルの両端を短絡したときの、前記送電コイルの実効直列抵抗をRs(Ω)、
前記送電コイルが、Rs≧Rw、なる関係を満足する最高周波数をf1(Hz)、
とすると、
前記交流電源の出力周波数fa(Hz)を、前記f1以下に設定できるように、前記キャパシタ(13)の静電容量を選び、前記交流電源により前記送電コイルを駆動して、前記送電部から受電部に電力を伝送する請求項13から18のいずれかに記載の送電装置
The effective series resistance at the time of the previous Symbol power transmission coil alone, Rw (Ω),
A transformer is configured by causing a power receiving coil configured to be inductively coupled to the power transmitting coil to face the power transmitting coil, and an effective series resistance of the power transmitting coil is Rs (Ω) when both ends of the power receiving coil are short-circuited. ,
F1 (Hz), the highest frequency satisfying the relationship that the power transmission coil is Rs ≧ Rw,
Then,
The capacitance of the capacitor (13) is selected so that the output frequency fa (Hz) of the AC power supply can be set to f1 or less, and the power transmission coil is driven by the AC power supply to receive power from the power transmission unit. The power transmission device according to claim 13, wherein power is transmitted to the unit.
さらに、両端を開放した前記受電コイルを、前記送電コイルに対向させたときの、前記送電コイルの実効直列抵抗をRn(Ω)、
前記送電コイルが、Rs≧Rn≧Rw、なる関係を満足する最高周波数をf2(Hz)、としたときに、
前記送電コイルが、Rs≧Rn≧Rw、なる関係を満足する周波数領域にて、電力を伝送することが可能なように、前記キャパシタ(13)の静電容量を選び、
前記送電コイルを駆動する周波数fdである前記交流電源の出力周波数前記fa(fa=fd)を前記f2以下の周波数に設定し、f2以下の周波数で、前記送電部から受電部に電力を送電する請求項13から19のいずれかに記載の送電装置。
Furthermore, the effective series resistance of the power transmission coil when the power reception coil with both ends open is opposed to the power transmission coil, Rn (Ω),
When the power transmission coil has a maximum frequency satisfying the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw, f2 (Hz),
The capacitance of the capacitor (13) is selected so that the power transmission coil can transmit power in a frequency region satisfying the relationship of Rs ≧ Rn ≧ Rw,
The output frequency fa (fa = fd), which is the frequency fd for driving the power transmission coil, is set to the frequency f2 or lower, and power is transmitted from the power transmitter to the power receiver at a frequency f2 or lower. The power transmission device according to any one of claims 13 to 19.
さらに、前記送電コイルの熱抵抗をθi(℃/W)、
前記送電コイルの許容動作温度をTw(℃)、
前記送電コイルの周囲温度をTa(℃)、
前記送電部から前記受電部に電力を伝送しているときに、前記送電コイルに流れる交流電流の実効値をIa(A)、としたときに、
前記fa(Hz)において、
Rw≦(Tw−Ta)/(Ia2×θi)、
なる関係を前記送電コイルが満足するように、前記送電部から前記受電部に電力を伝送する、請求項13から19のいずれかに記載の送電装置。
Furthermore, the thermal resistance of the power transmission coil is θi (° C./W),
The allowable operating temperature of the power transmission coil is Tw (° C.),
The ambient temperature of the power transmission coil is Ta (° C.),
When transmitting the power from the power transmission unit to the power reception unit, when the effective value of the alternating current flowing through the power transmission coil is Ia (A),
In the fa (Hz),
Rw ≦ (Tw−Ta) / (Ia2 × θi),
The power transmission device according to claim 13, wherein power is transmitted from the power transmission unit to the power reception unit such that the power transmission coil satisfies the following relationship.
前記交流電源の出力周波数前記faを、前記キャパシタのリアクタンスXcと前記送電コイルのリアクタンスXiが等しくなる周波数(直列共振周波数)fr(Hz)に設定し、前記交流電源により前記送電コイルが駆動され、
前記fa(Hz)における送電コイル単体の実効直列抵抗をRw(Ω)、
前記fa(Hz)における前記キャパシタの実効直列抵抗をRc(Ω)、
前記fa(Hz)における前記交流電源の出力インピーダンスをZs(Ω)、
としたときに、前記交流電源が少なくとも、Zs≦(Rw+Rc)×4、を満足しいる請求項13から21のいずれかに記載の送電装置。
The output frequency fa of the AC power supply is set to a frequency (series resonance frequency) fr (Hz) at which the reactance Xc of the capacitor becomes equal to the reactance Xi of the power transmission coil, and the power transmission coil is driven by the AC power supply,
The effective series resistance of the power transmission coil alone at the fa (Hz) is Rw (Ω),
The effective series resistance of the capacitor at fa (Hz) is Rc (Ω),
The output impedance of the AC power supply at the fa (Hz) is Zs (Ω),
The power transmission device according to claim 13, wherein the AC power supply satisfies at least Zs ≦ (Rw + Rc) × 4.
請求項13から22のいずれかに記載の送電装置より電力を受電する受電コイルであって、
前記受電コイルは磁束補足面積Snを持つように空芯上に形成され、
前記Snは前記送電コイルの面積よりも小さく、前記Snは、前記送電コイルの面積の略2%以上であり、
前記送電コイル単体の実効直列抵抗をRw、
前記受電コイルを短絡して、前記送電コイルに対向させたときの、前記送電コイルの実効直列抵抗を、Rs、としたときに、
前記送電コイルが、Rs≧Rw、なる関係を満足する周波数f1が、1MHz以上となるように選ばれた受電コイル。
A power receiving coil that receives power from the power transmitting device according to any one of claims 13 to 22 ,
The power receiving coil is formed on the air core to have a magnetic flux supplement area Sn,
The Sn is smaller than the area of the power transmission coil, and the Sn is approximately 2% or more of the area of the power transmission coil,
The effective series resistance of the single power transmission coil is Rw,
When the effective series resistance of the power transmission coil when the power reception coil is short-circuited and opposed to the power transmission coil is Rs,
The power receiving coil selected such that the frequency f1 satisfying the relationship of Rs ≧ Rw is 1 MHz or more.
請求項22に記載の受電コイルと、負荷とを少なくとも含み、請求項13から21のいずれかに記載の送電装置から電力を受電する受電装置。   A power receiving device that includes at least the power receiving coil according to claim 22 and a load and that receives power from the power transmitting device according to any of claims 13 to 21. 前記受電コイルは、その最大外形寸法が前記送電コイルの最小外寸よりも小さく選ばれており、
前記受電コイルは、前記送電コイル卷回面上の任意の位置に、前記送電コイルの巻回面に対して任意の角度、任意の方向で設置され、
前記受電コイルに接続されている負荷が動作するのに一定以上の電圧を必要とする場合であって、前記受電コイル単体での起電力が不足する場合においては、前記受電コイルに並列にキャパシタが接続され、前記受電コイルと前記キャパシタが並列接続された2端子のリアクタンス、あるいはインピーダンスが極大値となる点が交流電源周波数fsに近接するよう、前記キャパシタのキャパシタンスが選ばれており、
前記受電コイルに接続されている負荷が動作するのに一定以上の電流を必要とする場合であって、前記受電コイル単体での誘導電流が不足する場合においては、前記受電コイルと負荷の間に、直列にキャパシタが接続され、前記受電コイルと前記キャパシタが直列接続された2端子のリアクタンスがゼロ、あるいはインピーダンスが極小値となる点が、交流電源周波数faに近接するよう、キャパシタのキャパシタンスが選ばれている、請求項24に記載の受電装置。
The power receiving coil is selected such that its maximum outer dimension is smaller than the minimum outer dimension of the power transmitting coil,
The power receiving coil is installed at an arbitrary position on the winding surface of the power transmission coil at an arbitrary angle and an arbitrary direction with respect to the winding surface of the power transmission coil,
When a voltage higher than a certain level is required for the operation of the load connected to the power receiving coil and the electromotive force of the power receiving coil alone is insufficient, a capacitor is connected in parallel to the power receiving coil. The capacitance of the capacitor is selected so that the reactance of the two terminals in which the power receiving coil and the capacitor are connected in parallel, or the point where the impedance becomes maximum is close to the AC power supply frequency fs,
When a current of a certain level or more is required for the load connected to the power receiving coil to operate and the induced current in the power receiving coil alone is insufficient, The capacitance of the capacitor is selected so that the reactance of the two terminals in which the capacitor is connected in series and the power receiving coil and the capacitor are connected in series is zero, or the point where the impedance is a minimum value is close to the AC power supply frequency fa. The power receiving device according to claim 24.
請求項13から22のいずれかに記載の送電装置と、請求項24または25に記載の受電装置とから成り、前記送電装置から前記受電装置に電力を伝送する電力伝送装置。   A power transmission device comprising the power transmission device according to any one of claims 13 to 22 and the power reception device according to claim 24 or 25, wherein power is transmitted from the power transmission device to the power reception device.
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