JP2011086890A - ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】磁場共振型のワイヤレス給電に利用されるコイルについて、コイルサイズの増加を抑制しつつ巻き数を増加させる。
【解決手段】給電コイルから受電コイルには磁気共振により電力が伝送される。給電コイルは、多層基板１１６の第１層基板１４４にスペースを設けつつ巻回され、更に、第２層基板１４６にもスペースを設けつつ巻回される。また、軸方向（ｚ軸方向）から見たとき、第１層のコイル導体１０６ａと第２層のコイル導体１０６ｂが重なり合わないように巻回される。
【選択図】図７

Description

本発明は、交流電力のワイヤレス送電および受電に利用するコイルの構造に関する。

電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）の３種類に大別できる。

電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）は、電動シェーバーなどの身近な家電製品において一般的に利用されているが、距離を大きくすると電力伝送効率が急激に低下してしまうため数ｃｍ程度の近距離でしか使えないという課題がある。電波を利用するタイプ（Ｂ）は、遠距離で使えるが電力が小さいという課題がある。磁場共振現象を利用するタイプ（Ｃ）は、比較的新しい技術であり、数ｍ程度の中距離でも高い電力伝送効率を実現できることから特に期待されている。たとえば、ＥＶ（Electric Vehicle）の車両下部に受電コイルを埋め込み、地中の給電コイルから非接触にて電力を送り込むという案も検討されている。ワイヤレスであるため完全に絶縁されたシステム構成が可能であり、特に、雨天時の給電に効果的であると考えられる。以下、タイプ（Ｃ）を「磁場共振型」とよぶ。

磁場共振型は、マサチューセッツ工科大学が２００６年に発表した理論をベースとしている（特許文献１参照）。特許文献１では、４つのコイルを用意している。これらのコイルを給電側から順に「エキサイトコイル」、「給電コイル」、「受電コイル」、「ロードコイル」とよぶことにする。エキサイトコイルと給電コイルは近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。同様に、受電コイルとロードコイルも近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。これらの距離に比べると、給電コイルから受電コイルまでの距離は「中距離」であり、比較的大きい。このシステムの目的は、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電することである。

エキサイトコイルに交流電力を供給すると、電磁誘導の原理により給電コイルにも電流が流れる。給電コイルが磁場を発生させ、給電コイルと受電コイルが磁気的に共振すると、受電コイルには大きな電流が流れる。電磁誘導の原理によりロードコイルにも電流が流れ、ロードコイルと直列接続される負荷から交流電力が取り出される。磁場共振現象を利用することにより、給電コイルから受電コイルまでの距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。

米国公開２００８／０２７８２６４号公報 特開２００６−２３００３２号公報 国際公開２００６／０２２３６５号公報 米国公開２００９／００７２６２９号公報 米国公開２００９／００１５０７５号公報 特開２００８−１７２８７２号公報

受電コイルはキャパシタと接続されてＬＣ共振回路を形成する。給電コイルも別のキャパシタと接続されてＬＣ共振回路を形成する。これらのＬＣ共振回路の共振周波数が互いに一致するとき、電力伝送効率が最大となる。

１３５ｋＨｚ以下の周波数帯は電波法の規制が緩やかであることから、共振周波数を低周波数帯に設定することが好ましい場合もある。共振周波数を低くするためにはコイルのインダクタンスを大きくすればよい。そのためにはコイルの巻き数を多くすればよいが、コイルが大型化してしまうという問題がある。また、コイルを密に巻くと、コイル導体間の浮遊容量が大きくなるため共振特性が悪化してしまうという問題もある。

本発明は、上記課題に基づいて完成された発明であり、磁場共振型のワイヤレス給電に利用されるコイルについて、コイルサイズの増加を抑制しつつ巻き数を増加させることを主たる目的とする。

本発明に係るワイヤレス給電装置は、給電コイルから受電コイルにワイヤレスにて交流電力を送電するための装置である。この装置は、給電コイルに交流電力を供給する電源回路と、受電コイルの共振周波数にて共振する給電コイル回路を備える。給電コイル回路は、給電コイルとキャパシタを含む。給電コイルは、コイル導体間のスペースを確保しつつ第１層に巻回されたあと第２層にも巻回され、かつ、給電コイルの軸方向から見たときに第１層のコイル導体と第２層のコイル導体が交互に並列配置される。

給電コイルを多層構造にて巻回することにより、給電コイルの平面サイズを抑制しつつ、巻き数を大きくできる。また、コイル導体間にスペースを設けることにより、浮遊容量を抑制している。更に、第１層のコイル導体と第２層のコイル導体を交互に並列配置することにより、第１層のコイル導体と第２層のコイル導体の距離を確保している。このような構造により、第１層のコイル導体と第２層のコイル導体の間の浮遊容量も抑制している。

給電コイルは、第１層と第２層を有する多層基板上に巻回されてもよい。多層基板における第１層および第２層の双方または一方は、給電コイルのコイル導体を基板内部に収納するための溝を有してもよい。給電コイルを多層基板内に収納できるため、給電コイルの巻き線構造を安定維持しやすくなる。また、給電コイルに対する外界からの影響を排除しやすくなる。

多層基板の中央部に空洞を設け、かつ、空洞の一部に切り込みを入れてもよい。そして、第１層のコイル導体と第２層のコイル導体を切り込み部分において連結してもよい。給電コイルの直径よりもコイル導体間のスペースを大きくしてもよい。スペースを大きくすることによりコイル導体間の浮遊容量をいっそう抑制しやすくなる。

この装置は、給電コイルと磁気結合するエキサイトコイルを含むエキサイト回路、を更に備えてもよい。エキサイト回路は、電源回路から供給された交流電力をエキサイトコイルから給電コイルに供給してもよい。エキサイトコイルは、給電コイルの内側に巻回されてもよい。

本発明に係るワイヤレス受電装置は、給電コイルからワイヤレスにて送電される交流電力を受電コイルにて受電する装置である。この装置は、給電コイルの共振周波数にて共振する受電コイル回路と、ロード回路を含む。受電コイル回路は、受電コイルとキャパシタを含む。ロード回路は、受電コイルと磁気結合することにより受電コイルから交流電力を受電するロードコイルと、ロードコイルから交流電力を供給される負荷を含む。受電コイルは、コイル導体間にスペースを確保しつつ第１層に巻回されたあと第２層にも巻回され、かつ、受電コイルの軸方向から見たときに第１層のコイル導体と第２層の導体が交互に並列配置される。

受電コイルを多層構造にて巻回することにより、受電コイルの平面サイズを抑制しつつ、巻き数を大きくできる。また、コイル導体間にスペースを設けることにより、浮遊容量を抑制している。更に、第１層のコイル導体と第２層のコイル導体を交互に並列配置することにより、第１層のコイル導体と第２層のコイル導体の距離を確保しやすくなる。このような構造により、第１層のコイル導体と第２層のコイル導体の間の浮遊容量も抑制している。

受電コイルは、第１層と第２層を有する多層基板上に巻回されてもよい。多層基板における第１層および第２層の双方または一方は、受電コイルのコイル導体を基板内部に収納するための溝を有してもよい。多層基板の中央部に空洞を設け、かつ、空洞の一部に切り込みを入れてもよい。そして、第１層のコイル導体と第２層のコイル導体を、切り込み部分において連結してもよい。

本発明に係るワイヤレス電力伝送システムは、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電するためのシステムである。このシステムは、給電コイルに交流電力を供給する電源回路と、給電コイルおよび第１のキャパシタを含み共振周波数にて共振する給電コイル回路と、受電コイルおよび第２のキャパシタを含み共振周波数にて共振する受電コイル回路と、受電コイルと磁気結合することにより受電コイルから交流電力を受電するロードコイルとロードコイルから交流電力を供給される負荷とを含むロード回路と、を備える。給電コイルおよび受電コイルの双方または一方は、コイル導体間にスペースを確保しつつ第１層に巻回されたあと第２層にも巻回され、かつ、送電方向から見たときに第１層のコイル導体と第２層のコイル導体が交互に並列配置される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、磁場共振型のワイヤレス給電に利用されるコイルについて、コイルサイズの増加を抑制しつつ巻き数を増加させやすくなる。

ワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。 密巻き構造を模式的に示す展開図である。 スペーサ巻き構造を模式的に示す展開図である。 両面基板型の構造を模式的に示す断面図である。 周波数とインダクタンスの関係を示す第１のグラフである。 周波数とインダクタンスの関係を示す第２のグラフである。 給電パッケージの展開図である。 切込部近辺を拡大した多層基板の側断面図である。 エキサイトコイルを収納可能な多層基板の側断面図である。 ３層構造の多層基板の側断面図である。 ４層構造の多層基板の側断面図である。 ワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図の別例である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。

図１は、ワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム１００は、給電側のワイヤレス給電装置１０２と、受電側のワイヤレス受電装置１０４を含む。ワイヤレス給電装置１０２は、エキサイト回路１１０と給電コイル回路１２０を含む。ワイヤレス受電装置１０４は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。

給電コイル回路１２０が有する給電コイルＬ_２と、受電コイル回路１３０が有する受電コイルＬ_３の間には０．２〜１．０ｍ程度の距離がある。ワイヤレス電力伝送システム１００の主目的は、給電コイルＬ_２から受電コイルＬ_３にワイヤレスにて電力を送ることである。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、１００ｋＨｚ以下の共振周波数にて動作させることを想定したシステムである。本実施形態においては共振周波数＝４４．５ｋＨｚであるとして説明する。したがって、給電コイル回路１２０の共振周波数と受電コイル回路１３０の共振周波数はそれぞれ４４．５ｋＨｚに設定される。なお、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムは、たとえば、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）周波数帯のような高周波数帯にて動作させることも可能である。

以下、給電コイルＬ_２から受電コイルＬ_３に向かう送電方向にｚ軸を設定する。また、ｚ軸に直交するｘ軸とｙ軸を図１に示すように設定する。

エキサイト回路１１０は、エキサイトコイルＬ_１と交流電源１１２が直列接続された回路である。エキサイトコイルＬ_１は、交流電源１１２から共振周波数＝４４．５ｋＨｚの交流電力を供給される。エキサイトコイルＬ_１の巻き数は１回、導線直径は５ｍｍ、エキサイトコイルＬ_１自体の形状は２１０ｍｍ×２１０ｍｍの正方形である。図１では、わかりやすさのため、エキサイトコイルＬ_１を円形に描いている。他のコイルについても同様である。図１に示す各コイルの材質はいずれも銅である。コイル導体としては、高周波数帯で顕在化しやすい表皮効果を考慮して、直径０．０８ｍｍの導線を２５２本よりあわせたリッツ線を採用している。

給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ_２とキャパシタＣ_２が直列接続された回路である。エキサイトコイルＬ_１と給電コイルＬ_２は互いに向かい合っている。エキサイトコイルＬ_１と給電コイルＬ_２の距離は１０ｍｍ以下と比較的近い。このため、エキサイトコイルＬ_１と給電コイルＬ_２は電磁気的に強く結合している。給電コイルＬ_２の巻き数は１５回、導体直径は５ｍｍ、給電コイルＬ_２自体の形状は２８０ｍｍ×２８０ｍｍの正方形である。エキサイトコイルＬ_１に交流電流Ｉ_１を流すと、電磁誘導の原理により給電コイルＬ_２に起電力が発生し、給電コイル回路１２０には交流電流Ｉ_２が流れる。交流電流Ｉ_２は交流電流Ｉ_１よりも格段に大きい。給電コイルＬ_２とキャパシタＣ_２それぞれの値は、給電コイル回路１２０の共振周波数が４４．５ｋＨｚとなるように設定される。

受電コイル回路１３０は、受電コイルＬ_３とキャパシタＣ_３が直列接続された回路である。給電コイルＬ_２と受電コイルＬ_３は互いに向かい合っている。給電コイルＬ_２と受電コイルＬ_３の距離は、０．２ｍ〜１．０ｍ程度と比較的長い。受電コイルＬ_３の巻き数は１５回、導体直径は５ｍｍ、受電コイルＬ_３自体の形状は２８０ｍｍ×２８０ｍｍの正方形である。受電コイル回路１３０の共振周波数も４４．５ｋＨｚとなるように、受電コイルＬ_３とキャパシタＣ_３それぞれの値が設定される。給電コイル回路１２０が共振周波数＝４４．５ｋＨｚにて磁界を発生させることにより、給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０は磁気的に共振し、受電コイル回路１３０にも大きな交流電流Ｉ_３が流れる。

ロード回路１４０は、ロードコイルＬ_４と負荷ＬＤが直列接続された回路である。受電コイルＬ_３とロードコイルＬ_４は実質的に重なり合うほど近接する。このため、受電コイルＬ_３とロードコイルＬ_４は電磁気的に特に強く結合している。ロードコイルＬ_４の巻き数は１回、導体直径は５ｍｍ、ロードコイルＬ_４自体の形状は３００ｍｍ×３００ｍｍである。受電コイルＬ_３に交流電流Ｉ_３が流れることにより、ロードコイルＬ_４に起電力が発生し、交流電流Ｉ_４が流れる。こうして、交流電源１１２から供給される交流電力は、エキサイト回路１１０と給電コイル回路１２０により送電され、受電コイル回路１３０とロード回路１４０により受電され、負荷ＬＤにより取り出される。

負荷ＬＤを受電コイル回路１３０に直列接続すると、受電コイル回路１３０のＱ値が悪くなる。このため、受電用の受電コイル回路１３０と電力取り出し用のロード回路１４０を分離している。また、電力伝送効率を高めるためには、エキサイトコイルＬ_１、給電コイルＬ_２、受電コイルＬ_３およびロードコイルＬ_４の中心線を揃えることが好ましい。

共振周波数を低周波数帯に設定するためには、給電コイルＬ_２や受電コイルＬ_３のインダクタンスを大きくすればよい。しかし、インダクタンスを大きくするためには、コイルの巻き数を多くする必要があり、この結果としてコイルが大型化してしまう。そこで、本実施形態においては、給電コイルＬ_２と受電コイルＬ_３の巻き線構造を工夫することにより、コンパクトでありながら十分な巻き数を確保している。本実施形態の巻き線構造を説明する前に、「密巻き」と「スペーサ巻き」およびそれらの問題点について説明する。

図２は、密巻き構造を模式的に示す展開図である。図２上側はｘｙ平面図であり、下側はＡ−Ａ線における側断面図（ｙｚ平面）である。図２において、コイル導体１０６は基板１１４のｘｙ平面上に巻回される。隣り合うコイル導体１０６は互いに密着している。密巻きの場合には、コイルの巻き数を多くできるというメリットがあるが、コイル導体１０６間の浮遊容量が大きくなりやすい。特に、共振周波数が高周波数帯に設定されるときには、コイル導体１０６の表皮効果が顕在化しやすいため、浮遊容量の影響がいっそう大きくなる。

図３は、スペーサ巻き構造を模式的に示す展開図である。図３上側はｘｙ平面図であり、下側はＢ−Ｂ線における側断面図（ｙｚ平面）である。図３においても、コイル導体１０６は基板１１４のｘｙ平面上に巻回されている。隣り合うコイル導体１０６の間にはスペース１０８が設けられる。スペーサ巻きの場合には、コイル導体１０６間の浮遊容量を小さくできるというメリットがあるが、コイルの巻き数を増やしにくい。

図４は、両面基板型の構造を模式的に示す断面図である。図２や図３に示すように、１枚の基板１１４上にコイル導体１０６を巻回する構造を「片面基板型」とよぶ。これに対し、図４に示すように、コイル導体１０６を２枚の基板１１４で挟む構造を「両面基板型」とよぶ。

図５は、周波数とインダクタンスの関係を示す第１のグラフである。横軸は周波数（ＭＨｚ）、縦軸はインダクタンス（μＨ）を示す。図５のグラフは、リッツ線（直径０．０８ｍｍの導線を２５２本よりあわせたもの）により、巻き数５回、外形１４０ｍｍ×１４０ｍｍの正方形状のコイルを作り、コイルを流れる交流電流の周波数とコイルのインダクタンスの関係を調べた結果を示す。基板１１４は３．０ｍｍ厚のアクリル基板である。

両面密巻き特性１５０は、両面基板型・密巻きコイルの周波数特性を示す。片面密巻き特性１５２は片面基板型・密巻き、両面スペーサ巻き特性１５４は両面基板型・スペーサ巻き、片面スペーサ巻き特性１５６は片面基板型・スペーサ巻きの周波数特性を示す。

図５に示すように、密巻きは高周波数帯においてインダクタンスが大きく変化している。一方、スペーサ巻きのインダクタンスは両面基板型、片面基板型共に安定している。密巻きの場合には、コイル導体間の浮遊容量の影響が高周波数帯において顕在化しやすいためと考えられる。したがって、スペーサ巻きの方が周波数特性が優れているといえる。

また、両面基板型・密巻きと片面基板型・密巻きを比べると、両面基板型の方が高周波数帯においてインダクタンスが特に変化しやすい。したがって、片面基板型・密巻きのコイル導体であっても、コイル導体に壁等の物体が近接すると両面基板型に近い状態となるため、共振特性がいっそう悪化することになる。両面基板型・スペーサ巻きと片面基板型・スペーサ巻きでも両面基板型の方がインダクタンスの変化が大きいが、密巻きに比べればその差はわずかである。両面基板型、片面基板型の違いによるインダクタンス変化がわずかであるという点でも、スペーサ巻きは優れている。

図６は、周波数とインダクタンスの関係を示す第２のグラフである。横軸は周波数（ＭＨｚ）、縦軸はインダクタンスの変化率（％）を示す。密巻き特性１５８は、図５の結果に基づき、同一周波数における両面基板型・密巻きコイルのインダクタンスと片面基板型・密巻きコイルのインダクタンスの比率を「変化率」としてプロットしたものである。スペーサ巻き特性１６０は、図５の結果に基づき、同一周波数における両面基板型・スペーサ巻きコイルのインダクタンスと片面基板型・スペーサ巻きコイルのインダクタンスの比率をプロットしたものである。スペーサ巻き特性１６０に比べると密巻き特性１５８の方が、高周波数帯における変化率が大きい。すなわち、両面基板型と片面基板型の乖離が大きくなる。

以上から、密巻きよりもスペーサ巻きの方が周波数特性に優れるといえる。高周波数帯で共振させる場合には、コイルの巻き数は少なくても良いため、スペーサ巻きを採用しやすい。一方、低周波数帯で共振させる場合には、インダクタンスを大きくするためにコイルの巻き数を多くしたい。ただし、スペーサ巻きの場合には、巻き数を増やすとコイルのサイズも大きくなりやすい。密巻きを採用したとしても、コイルの巻き数を多くした場合には、コイルサイズは増加せざるを得ない。そこで、本実施形態の給電コイルＬ_２や受電コイルＬ_３は、コイルサイズを抑制しつつ、巻き数を十分に増やす巻き線構造を採用している。

図７は、給電パッケージ１４２の展開図である。同図上側が給電パッケージ１４２のｘｙ平面図、下側がＣ−Ｃ線における側断面図（ｙｚ平面）を示す。給電パッケージ１４２は、給電コイルＬ_２を樹脂製の多層基板１１６に封入した構成となっている。なお、受電コイルＬ_３も、別の多層基板１１６に封入され、受電パッケージ（図示せず）が形成される。給電パッケージ１４２における給電コイルＬ_２の巻き線構造と、受電パッケージにおける受電コイルＬ_３の巻き線構造は基本的に同様であるため、以下においては給電パッケージ１４２について説明する。

多層基板１１６は、第１層基板１４４と第２層基板１４６の２つの基板を積層し、更に、カバー１４９を積層することにより形成される。第１層基板１４４、第２層基板１４６およびカバー１４９は、正方形板状の樹脂基板であり、中央部に正方形状の空洞部１６２が設けられる。このため、多層基板１１６は輪形状となる。第１層基板１４４および第２層基板１４６においては、空洞部１６２の一部に切込部１６４が設けられる。

給電パッケージ１４２は、以下のプロセスにて製造される。まず、第１層基板１４４および第２層基板１４６には、あらかじめ渦巻き状の溝１６６を形成しておく。次に、コイル導体１０６ａ（コイル導体１０６の一部）を第１層基板１４４の溝１６６に沿って巻回する。コイル導体１０６ａを第１層基板１４４の溝１６６に這わせれば、第１層基板１４４にスペーサ巻きが形成される。コイル導体１０６ａは全体として第１層基板１４４内に収容される。ここで、第１層基板１４４において隣接する溝１６６同士の距離ｄ１は、少なくともコイル導体１０６ａの直径よりも大きい。したがって、第１層基板１４４において隣り合うコイル導体１０６ａの間に発生する浮遊容量は十分に小さくなる。

巻回後、コイル導体１０６ｂ（コイル導体１０６の残部）を切込部１６４を介して引き出しておく。次に、コイル導体１０６ａを収納した第１層基板１４４の上に第２層基板１４６を接着する。こうして、第１層基板１４４内にコイル導体１０６ａは安定的に固定される。

第２層基板１４６においてもスペーサ巻きが形成される。コイル導体１０６ｂは全体として第２層基板１４６内に収納される。第２層基板１４６においても、隣り合う溝１６６同士の距離ｄ２は、少なくとも溝１６６ｂの直径よりも大きい。したがって、第２層基板１４６において隣り合うコイル導体１０６ｂの間に発生する浮遊容量も十分に小さい。

巻回後、コイル導体１０６ｂを収納した第２層基板１４６の上にカバー１４９を接着する。こうして、第２層基板１４６内にコイル導体１０６ｂが安定的に固定される。給電パッケージ１４２からはコイル導体１０６ａ、１０６ｂの端点のみが引き出され、その内部に２重のスペーサ巻きが形成される。このような巻き線構造により、コイル導体１０６の間に発生する浮遊容量とコイルサイズを抑制しつつ、巻き数を多くできる。図７に示す巻き線構造の場合、巻き数は、第１層で４回、第２層で４回であるため計８回となっている。

給電コイルＬ_２の軸方向（ｚ軸方向）から見たとき、第２層基板１４６において隣り合う２つのコイル導体１０６ｂの間に、第１層基板１４４のコイル導体１０６ａが配置されている（図７のｘｙ平面図参照）。すなわち、ｚ軸方向から見ると、第１層基板１４４のコイル導体１０６ａと第２層基板１４６のコイル導体１０６ｂは、交互に並列している。この結果、コイル導体１０６ａとコイル導体１０６ｂの距離ｄ３が大きくなるので、コイル導体１０６ａとコイル導体１０６ｂの間に発生する浮遊容量(以下、「厚み浮遊容量」とよぶ）も抑制できる。多層基板１１６の材質として、非誘電率の低い樹脂等を用いれば特に効果的である。変形例として、第２層基板１４６と第１層基板１４４の接着面側ではなく、その反対側にコイル導体１０６ａを収納してもよい。この場合には、距離ｄ３をいっそう大きくできる。

図８は、切込部１６４近辺を拡大した多層基板１１６の側断面図である。コイル導体１０６ａは切込部１６４を介して、第２層基板１４６の溝１６６に連絡される。切込部１６４付近においてコイル導体１０６の特性が大きく変化しないように、コイル導体１０６を緩やかに屈曲させている。屈曲部分のｘｚ平面に対する傾斜角θは４５°以下であることが望ましい。

図９は、エキサイトコイルＬ_１を収納可能な多層基板１１６の側断面図である。給電パッケージ１４２に、給電コイルＬ_２だけでなくエキサイトコイルＬ_１を収納してもよい。図９に示すように、給電コイルＬ_２の内側にエキサイトコイルＬ_１のコイル導体１０７を巻回してもよい。共振特性に悪影響がなければ、エキサイトコイルＬ_１は密巻きでもよい。また、エキサイトコイルＬ_１は、第１層基板１４４と第２層基板１４６のいずれに巻回してもよいし、給電コイルＬ_２と同様にして第１層基板１４４と第２層基板１４６の双方に巻回してもよい。

図１０は、３層構造の多層基板１１６の側断面図である。図１０の多層基板１１６では、第１層基板１４４、第２層基板１４６の上に、第３層基板１４７を積層している。切込部１６４は、第１層基板１４４と第２層基板１４６の間だけでなく、第２層基板１４６と第３層基板１４７の間にも設けられる。コイル導体１０６ａを第１層基板１４４にスペーサ巻きし、コイル導体１０６ｂを第２層基板１４６にスペーサ巻きし、更に、残りのコイル導体１０６ｃを第３層基板１４７にスペーサ巻きする。

ｚ軸方向から見たとき、第２層基板１４６において隣り合うコイル導体１０６ｂの間に、第３層基板１４７のコイル導体１０６ｃが配置されている。また、ｚ軸方向から見たとき、第１層基板１４４のコイル導体１０６ａの真上に第３層基板１４７のコイル導体１０６ｃが位置している。第１層基板１４４と第３層基板１４７の間には第２層基板１４６が存在するため、コイル導体１０６ａの真上にコイル導体１０６ｃを配置しても、そのコイル間距離ｄ４を十分に確保できる。コイル導体１０６ａとコイル導体１０６ｃの間に発生する厚み浮遊容量は十分に小さくなる。

図１１は、４層構造の多層基板１１６の側断面図である。図１１の多層基板１１６では、第３層基板１４７とカバー１４９の間に、第４層基板１４８が積層される。切込部１６４は、第３層基板１４７と第４層基板１４８の間にも設けられる。基板を多層化するほど、多層基板１１６の巻き数を多くできる。本発明者の実験によれば、１層あたりの巻き数６回とした３層構造の給電コイルＬ_２を０．１（μＦ）のキャパシタＣ_２と直列共振させたところ、インダクタンスは１０１（μＨ）、共振周波数が５０ｋＨｚとなることが確認されている。

図１２は、ワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図の別例である。図１に示したように交流電源１１２によりエキサイトコイルＬ_１を駆動するのではなく、図１２に示すように交流電源１１２により給電コイルＬ_２とキャパシタＣ_５を共振させることにより、給電コイルＬ_２を直接駆動してもよい。この場合には、エキサイト回路１１０を不要化できるため、ワイヤレス給電装置１０２を小型化しやすいというメリットがある。エキサイトコイルＬ_１を使用する図１の構成の場合には、図１２の構成に比べて給電側のＱ値を高くしやすいというメリットがある。

以上、実施形態に基づいてワイヤレス電力伝送システム１００を説明した。コイルに可変キャパシタを直列接続すれば、共振周波数を変化させることもできる。変化可能範囲を低周波数帯域に設定するためには、コイルのインダクタンスを大きくするか可変キャパシタの静電容量を大きくする必要がある。しかし、現在のところ、小型で大容量の可変キャパシタは実用的ではない。共振周波数を低くし、かつ、可変キャパシタの静電容量を小さくするためには、インダクタンスが大きく、かつ、コンパクトなコイルが必要となる。

本実施形態によれば、給電コイルＬ_２や受電コイルＬ_３のコイル平面の大きさを抑制しつつ、巻き数を増やすことができる。インダクタンスが周波数帯域によって変化しにくいスペーサ巻きを採用できるため、浮遊容量の影響を排除しやすくなる。また、厚み浮遊容量を抑制するため、隣り合う基板上のコイル導体をｚ軸方向から見て交互に並列配置している。

各基板には、あらかじめコイル導体１０６を収納するための溝１６６が掘られているため、コイル導体１０６を安定的に巻回しやすくなる。更に、コイル導体１０６を完全に多層基板１１６内に収納できるため、外界からコイル導体１０６への影響を抑制しやすくなるというメリットもある。

特許文献５は、１層のスペーサ巻きであるため、低周波数帯に共振周波数を設定する場合には、コイルの平面サイズが大きくなってしまう。携帯電話機等の小型機器に受電コイルＬ_３を実装する場合には、十分なインダクタンスを確保できない可能性がある。これに対して、本実施形態として示したコイル構造によれば、コンパクトでありながら大きなインダクタンスを実現できる。

本実施形態においては、低周波数帯におけるインダクタンスを増加させるため、巻き線数を増加させるとして説明したが、１０ＭＨｚ以下の中周波数帯、あるいは、それ以上の高周波数帯においても巻き数を増やしたい場合もある。たとえば、小型機器へ受電コイルを搭載するときには、コイル面積を小さくするかわりに巻き数を多くしたい場合もある。この場合にも、図７に関連して説明した巻き線構造によれば、スペーサ巻きの良好な周波数特性を維持しつつ、コイル面積を抑制できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

１００ ワイヤレス電力伝送システム、１０２ ワイヤレス給電装置、１０４ ワイヤレス受電装置、１０６，１０７ コイル導体、１１０ エキサイト回路、１１２ 交流電源、１１６ 多層基板、１２０ 給電コイル回路、１３０ 受電コイル回路、１４０ ロード回路、１４２ 給電パッケージ、１４４ 第１層基板、１４６ 第２層基板、１４７ 第３層基板、１４８ 第４層基板、１４９ カバー、１５０ 両面密巻き特性、１５２ 片面密巻き特性、１５４ 両面スペーサ巻き特性、１５６ 片面スペーサ巻き特性、１５８ 密巻き特性、１６０ スペーサ巻き特性、１６２ 空洞部、１６４ 切込部、１６６ 溝、Ｌ_１ エキサイトコイル、Ｌ_２ 給電コイル、Ｌ_３ 受電コイル、Ｌ_４ ロードコイル。

Claims (9)

1. 給電コイルから受電コイルにワイヤレスにて交流電力を送電するための装置であって、
   前記給電コイルに前記交流電力を供給する電源回路と、
   前記給電コイルおよびキャパシタを含み、前記受電コイルの共振周波数にて共振する給電コイル回路と、を備え、
   前記給電コイルは、コイル導体間のスペースを確保しつつ第１層に巻回されたあと第２層にも巻回され、かつ、前記給電コイルの軸方向から見たときに前記第１層のコイル導体と前記第２層のコイル導体が交互に並列配置されることを特徴とするワイヤレス給電装置。
2. 前記給電コイルは、前記第１層と前記第２層を有する多層基板上に巻回され、
   前記多層基板における前記第１層および前記第２層の双方または一方は、前記給電コイルのコイル導体を基板内部に収納するための溝を有することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
3. 前記多層基板の中央部には空洞が設けられ、かつ、前記空洞の一部には切り込みが入れられており、
   前記第１層のコイル導体と前記第２層のコイル導体は、前記切り込み部分において連結されることを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置。
4. 前記給電コイルの直径よりも前記スペースが大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
5. 前記給電コイルと磁気結合するエキサイトコイルを含むエキサイト回路、を更に備え、
   前記エキサイト回路は、前記電源回路から供給された前記交流電力を前記エキサイトコイルから前記給電コイルに供給し、
   前記エキサイトコイルは、前記給電コイルの内側に巻回されるコイルであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
6. 給電コイルからワイヤレスにて送電される交流電力を受電コイルにて受電する装置であって、
   前記受電コイルとキャパシタを含み、前記給電コイルの共振周波数にて共振する受電コイル回路と、
   前記受電コイルと磁気結合することにより前記受電コイルから前記交流電力を受電するロードコイルと、前記ロードコイルから前記交流電力を供給される負荷とを含むロード回路と、を備え、
   前記受電コイルは、コイル導体間にスペースを確保しつつ第１層に巻回されたあと第２層にも巻回され、かつ、前記受電コイルの軸方向から見たときに前記第１層のコイル導体と前記第２層のコイル導体が交互に並列配置されることを特徴とするワイヤレス受電装置。
7. 前記受電コイルは、前記第１層と前記第２層を有する多層基板上に巻回され、
   前記多層基板における前記第１層および前記第２層の双方または一方は、前記受電コイルのコイル導体を基板内部に収納するための溝を有することを特徴とする請求項６に記載のワイヤレス受電装置。
8. 前記多層基板の中央部には空洞が設けられ、かつ、前記空洞の一部には切り込みが入れられており、
   前記第１層のコイル導体と前記第２層のコイル導体は、前記切り込み部分において連結されることを特徴とする請求項６または７に記載のワイヤレス受電装置。
9. 給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するためのシステムであって、
   前記給電コイルに交流電力を供給する電源回路と、
   前記給電コイルおよび第１のキャパシタを含み、前記共振周波数にて共振する給電コイル回路と、
   前記受電コイルおよび第２のキャパシタを含み、前記共振周波数にて共振する受電コイル回路と、
   前記受電コイルと磁気結合することにより前記受電コイルから前記交流電力を受電するロードコイルと、前記ロードコイルから前記交流電力を供給される負荷とを含むロード回路と、を備え、
   前記給電コイルおよび前記受電コイルの双方または一方は、コイル導体間にスペースを確保しつつ第１層に巻回されたあと第２層にも巻回され、かつ、送電方向から見たときに前記第１層のコイル導体と前記第２層のコイル導体が交互に並列配置されることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。

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