JP2012235630A - 無線給電コイルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、より給電効率を向上させた無線給電コイルユニットを提供することを目的とする。
【解決手段】磁気共鳴により無線給電を行うための無線給電コイルユニット１であって、基板１０上に螺旋形状に構成されたコイル１３と、前記コイル１３の外周側の端部１３ａに配置され、前記コイルと並列に接続された並列コンデンサ１２と、前記コイル１３の中心側の端部１３ｂと前記コイル１３の外側にある回路端子とを接続するための接続部１５と、前記接続部１５と前記コイル１３の間の干渉を抑制するための干渉抑制手段と、を有することを特徴とする無線給電コイルユニット。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線給電を行うための無線給電コイルユニットに関するものであり、特にプリント基板技術を使用した薄型コイルを用いた無線給電コイルユニットに関するものである。

電源ケーブルやプラグを必要とせずに、電源を充電できる無線給電（または、ワイヤレス給電、非接触給電）システムが検討されている。無線給電システムには、機器に固有のプラグを用意する必要がなく、ケーブル断線などの不具合を回避でき、また水場においても安全に使用できるなどの利点がある。このため、電動歯ブラシや携帯電話などの小型電子機器の充電や電気自動車のバッテリに対する充電が想定されている。電気自動車のバッテリ充電においては、プラグを接続する等の操作を必要とせず、電気自動車を所定の位置に駐車させることで、充電を行うことが可能となる。

無線給電の方法として、電磁誘導方式、磁気共鳴方式、マイクロ波放電方式などの方法がある。このうち、磁気共鳴方式は、給電側コイルと受電側コイル間の磁気共鳴により送電を行うものである。給電側コイルに交流電流を流すことで、振動磁場が発生し、この振動磁場の周波数が共振周波数に一致する場合、受電側コイルに共振現象が生じて電流が流れる。磁気共鳴方式には、給電側コイルと受電側コイル間の伝送距離を比較的長くすることができる、コイル間の位置を厳密に調整しなくても良い、特定の共振回路のみが電力を受信するために、近傍にある金属を加熱しない等の利点がある。

特許文献１には、共鳴方式を利用した給電システムが記載されている。特許文献１に示される給電システムに利用されるコイルの例を図７に示す。図７に示すように、給電側コイル及び受電側コイルとしては、一般的には、５〜６ターン程度の螺旋形状をなすコイル７１が用いられる。この様なコイル７１を用いて、実現可能な周波数帯（数 MHz〜10 MHz）での無線給電を考えると、コイル７１は、例えば、芯材７２に巻かれた直径60 cm程度の円形状の空芯コイルになり、無線給電システム全体が大規模なものになる。

特開２０１０−７３９７６号公報

無線給電システムにおいて、大型化したコイルを用いることで、システム全体が大きくなってしまう。無線給電システムを電気自動車に用いる場合、給電ステーションにおいて、給電装置の設置スペースが必要となる。また、電気自動車内の受電装置も大きくなるため、自動車内の空間を狭くしてしまう。

このような課題を解決するために、本発明は、小型、軽量化した無線給電コイルユニットを提供することを目的とする。

また、本発明は、より給電効率を向上させた無線給電コイルユニットを提供することを目的とする。

請求項１の発明によれば、磁気共鳴により無線給電を行うための無線給電コイルユニット（１）は、基板（１０）上に螺旋形状に構成されたコイル（１３）と、前記コイル（１３）の外周側の端部（１３ａ）に配置され、前記コイル（１３）と並列に接続された並列コンデンサ（１２）と、前記コイル（１３）の中心側の端部（１３ｂ）と前記コイル（１３）の外側にある回路端子とを接続するための接続部（１５）と、前記接続部（１５）と前記コイル（１３）の間の干渉を抑制するための干渉抑制手段と、を有する。

このような構成により、コイルと接続部の間の干渉が抑制され、給電効率が向上するという効果が得られる。

請求項２の発明によれば、無線給電コイルユニット（１）は、更に、前記コイル（１３）と直列に接続された直列コンデンサ（１１）を有し、前記干渉抑制手段は、前記直列コンデンサ（１１）を前記コイル（１３）の中心部に配置し、前記直列コンデンサ（１１）の一端を前記コイル（１３）の中心側の端部（１３ｂ）と接続し、他の一端を前記接続部（１５）と接続したものである。

このような構成とすることで、直列コンデンサにより電流の位相を調整することができ、コイル内を流れる電流と接続部を流れる電流との位相が異なり、コイルと接続部の間の干渉が抑制され、給電効率が向上するという効果が得られる。

請求項３の発明によれば、無線給電コイルユニットは、更に、前記コイル（１３）と直列に接続された直列コンデンサ（５１）を有し、前記干渉抑制手段は、前記接続部（１５）と前記コイル（１３）の間に挿入された絶縁体（５６）である。

このような構成とすることで、コイルと接続部が絶縁体を挟んで離間されて干渉が抑制され、給電効率が向上するという効果が得られる。

請求項４の発明によれば、更に、前記基板（１３）の下部に配置された高誘電材料（６５）を有する。

このような構成とすることで、高誘電材料により、コイル間の容量が増加し、給電効率が向上するという効果が得られる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

無線給電コイルユニット１の構成を示す図である。 無線給電コイルユニット２の構成を示す図である。 無線給電コイルユニット１と無線給電コイルユニット２のS11特性を示す図である。 無線給電コイルユニット１と無線給電コイルユニット２の受信電力と送電距離の関係を示す図である。 他の無線給電コイルユニット３の構成を示す図である。 更に他の無線給電コイルユニット４の構成を示す図である。 給電システムに利用されるコイルの例を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を付加した形態で実施することも可能である。

図１は、無線給電コイルユニット１の構成を示した図である。この無線給電コイルユニットは、給電側、受電側の一方であり、基本的には、他方も同じ構成を有する。

コイル基板１０上に螺旋形状を有するパターンコイル１３が形成されて、薄型コイルを構成する。螺旋形状は、例えば、アルキメデス螺旋とすることができる。パターンコイル１３の一端（１３ａ）はコイル外周上にあり、他の一端（１３ｂ）はコイル中心部にある。パターンコイル１３の中心部には、コンデンサを配置できる程度のスペースが設けられている。当該スペースには、パターンコイル１３と直列に接続され、パターンコイル１３と共に直列共振を行うための直列コンデンサ１１が配置される。

直列コンデンサ１１の１つの端子はパターンコイル１３の中心部の一端（１３ｂ）と接続され、直列コンデンサ１１の他方の端子は接続部１５と接続される。接続部１５は、パターンコイル１３と同じ材質の導線から構成されている。接続部１５は、パターンコイル１３の外側にある高周波コネクタ１４と接続するために、コイル上を差交している。さらに、パターンコイル１３の外側の一端（１３ａ）と接続部１５の間に、並列コンデンサ１２が接続される。並列コンデンサの目的は、電流、及び電圧の位相を制御することである。

無線給電コイルユニット１が給電側の場合、高周波コネクタ１４は、外部発振器に接続され、高周波数の交流電流をコイルに供給する。一方、無線給電コイルユニット１が受電側の場合、高周波コネクタ１４は、負荷に接続され、高周波数の交流電流を負荷に供給する。

パターンコイル１３は、プリント基板１０上に銅箔によるパターンとして形成される。なお、パターンコイル１３は、銅以外の材料、例えば、銀などにより形成されても良い。

磁気共鳴方式においては、コイル間の共振周波数は、コイルのインダクタンス値とキャパシタンス値で決まる。共振周波数f0は、f0=1/2π√LCの関係を有する。ここで、Lはインダクタンス値、Cはキャパシタンス値を表す。インダクタンス値は、コイル寸法、巻き数などのコイルの構造により決まる。キャパシタンス値としてはコイル接続部間の静電容量を用いることができる。

しかし、給電システムを小型化するために、コイル寸法を小さくした場合、コイルのインダクタンス値が小さくなる。この場合、上記共振周波数の式から、一定の共振周波数を保持しようとすると、キャパシタンス値を増加させる必要がある。一方、コイル接続部間の静電容量には限界があるため、より大きく、安定した静電容量を得るために、無線給電コイルユニット１では、直列コンデンサ１１を用いている。

無線給電コイルユニット１において、パターンコイル１３に直列コンデンサ１１を接続することで、共振回路を構成している。この方法を直列共振と呼ぶ。直列共振では、共振周波数において、インピーダンス値が急峻に低下するという特性がある。

図２は、無線給電コイルユニット２の構成を示した図である。無線給電コイルユニット２は、無線給電コイルユニット１の特性を説明するための比較として用いられるものである。

図２に示される無線給電コイルユニット２では、図１に示される無線給電コイルユニット１と同様に、コイル基板２０上にパターンコイル２３が形成されている。一方、パターンコイル２３と共に直列共振を行うための直列コンデンサ２１は、取り付けの容易さからパターンコイル２３の外側に配置されている。このため、パターンコイル２３の中央部の端部（２３ｂ）には接続部２５が接続され、パターンコイル２３上を差交して、パターンコイル２３の外側に配置される直列コンデンサ２１の１つの端子と接続される。さらに、直列コンデンサ２１の他方の端子とパターンコイル２３の外側の端部（２３ａ）と間に、並列コンデンサ２２及び高周波コネクタ２４が接続されている。

図１に示される無線給電コイルユニット１と、図２に示される無線給電コイルユニット２では、直列コンデンサの設置場所が、コイル中央部にあるか、コイル外側にあるかで異なっている。別の言い方をすると、コイル中心部から見て、コイル上を差交する接続部の前に直列コンデンサが配置されるか、後に配置されるかで異なっている。

図１及び２に示されるように、コイルをプリント基板上に形成した場合、コイルの一端はコイルの中心部にある。このため、コイル中心部の一端からコイル外側の端子まで接続部で接続することになる。図２に示される無線給電コイルユニット２においては、パターンコイル２３の中心部の一端とコイル外側に配置された直列コンデンサ２１は、コイル上を差交する接続部２５で接続される。このため、パターンコイル２３と差交する接続部２５には、パターンコイル２３に流れる電流と同じ位相の電流が流れる。即ち、コイル内電流と同位相の電流が、パターンコイル２３上を差交して流れることになる。接続部２５を流れる同位相の電流から生成される磁気は、パターンコイル２３から生じる磁気に干渉を与えることになる。特に、磁気共鳴による無線給電システムの場合、比較的低周波数が使用され、電力量が大きいために、干渉量が大きくなり、給電効率を大きく低下させることになる。

図１に示される無線給電コイルユニット１においては、パターンコイル１３の中心部に直列コンデンサ１１が配置されてパターンコイル１３の中心部の一端と接続し、直列コンデンサ１１と接続した接続部１５が、パターンコイル１３上を差交して、パターンコイル１３の外側の端子と接続される。

コンデンサには、電荷を一時的に蓄積する作用があるため、コンデンサの電圧と電流では、位相がずれることになる。コンデンサのこのような性質を利用することにより、位相を調整することができる。図１の無線給電コイルユニット１では、直列コンデンサ１１はパターンコイル１３の中心部の一端（１３ｂ）と、パターンコイル１３上を差交する接続部１５の間に配置される。このため、直列コンデンサ１１を間にして、パターンコイル１３中の電流と接続部１５中の電流では、位相が異なることになる。接続部１５を流れる異なる位相の電流から生成される磁気は、パターンコイル１３から生じる磁気に干渉しない。このため、パターンコイル１３から発生される磁気とパターンコイル１３上を差交する接続部１５から発生される磁気との間での干渉が抑制され、給電における損失が抑えられる。即ち、直列コンデンサ１１は、干渉抑制手段として機能している。

図３は、図１に示される無線給電コイルユニット１と図２に示される無線給電コイルユニット２におけるコイル放射特性であるS11特性を示したものである。高周波回路の電力特性を表すパラメータとして、Ｓパラメータが知られており、S11はＳパラメータの１つの要素である。ここでは、直径150 mm、線幅1.5 mm、巻き数20のコイルを使用している。

直列共振により、特定の共振周波数でパワースペクトルが減少する。この共振周波数において、回路内抵抗が減少し、電流量が増加することで、より多くの電力を伝送することを可能にする。図３に示すように、図２に示す無線給電コイルユニット２の特性と比較して、図１に示す無線給電コイルユニット１は、共振周波数におけるパワースペクトルの落ち込みが大きく、共振周波数に対し、より高い感度を有していることがわかる。図３に示す結果では、図１に示す無線給電コイルユニット１の方が、およそ6 dBのパワースペクトルの更なる減少が得られている。即ち、前記したように、図１に示す無線給電コイルユニット１では、直列コンデンサ１１が干渉抑制手段として機能していることから、共振周波数に対し、より高い感度を有することとなる。

図４は、受信電力と送電距離の関係を示したものである。この結果は、入力電圧を一定として、ＡＣ−ＤＣ変換後の出力電圧を測定したものである。

図４を参照すると、例えば、給電側と受電側のコイル間の送電距離を100 mmとした場合、図２に示す無線給電コイルユニット２での受信電力は、0.001 W以下なのに対し、図１に示す無線給電コイルユニット１では、約1 Wの受信電力が得られている。また、図１に示す無線給電コイルユニット１では、送電距離200 mmまで、およそ1 Wの受信電力が得られており、低損失で給電が行われることがわかる。このように、図２に示す無線給電コイルユニット２の特性と比較して、図１に示す無線給電コイルユニット１は、受信電力、送電距離共に増加していることがわかる。

図５は、他の無線給電コイルユニット３の構成を示した図である。図５（ａ）は無線給電コイルユニット３の平面図であり、図５（ｂ）は無線給電コイルユニット３を断面から見た模式図である。

図５に示す無線給電コイルユニット３は、図１に示す無線給電コイルユニット１とは、直列コンデンサ５１がパターンコイル５３の外側に配置されるという点で異なる。さらに、接続部５５は、コイル基板５０から離間するように構成され、離間された空間部に絶縁体５６が挿入されている。絶縁体５６を挿入することにより、パターンコイル５３の上を差交する接続部５５からの干渉を抑制することが可能になる。図５に示す無線給電コイルユニット３では、接続部とコイル間に挿入される絶縁体５６が干渉抑制手段として機能し、給電効率を改善する。

絶縁体５６の材質としては、ガラスエポキシやテフロン（登録商標）など、10 MHz程度まで周波数特性が安定したものが想定される。しかし、これらに限定されるものではない。

なお、図５（ｂ）において、直列コンデンサ５１は、コイル基板５０と非接触に構成されているが、コイル基板５０上に配置されても良い。また、図５においては、絶縁体５６は、棒状の構成となっているが、これに制限されるものではなく、厚みを有する面状としても良い。

図１に示す無線給電コイルユニット１は、電流の位相を調整することにより、接続部とコイル間の干渉を抑制するものであるが、図５に示す無線給電コイルユニット３では、干渉が生じないように、接続部とコイルを離間し、その間に絶縁体を配置するものである。コイル寸法や絶縁体の材料などの各種の要素に応じて適宜定めることができるが、絶縁体の厚さを5 mm程度以上にすることで、接続部とコイル間の干渉が抑制され、図１の無線給電コイルユニット１による特性と同程度の給電効率が得られる。

図６は、更に他の無線給電コイルユニット４の構成を示した図である。図６（ａ）は無線給電コイルユニット４の平面図であり、図６（ｂ）は無線給電コイルユニット４を断面から見た模式図である。

図６に示す無線給電コイルユニット４は、図１の無線給電コイルユニット１と同様の構成であり、高誘電絶縁シート６５を装着することにより、さらに給電効率を高めるものである。図６（ｂ）に示すように、コイル基板６０のパターンコイル６３が形成されている面と反対側の面に高誘電絶縁シート６５が装着されている。高誘電絶縁シート６５は、例えば、リテトラフルオロエチレンからなるものである。高誘電絶縁シート６５をコイル基板６０に装着させることで、コイル基板上のコイル間の容量が増加し、コイル共振特性を向上させ、給電効率を向上させる効果がある。

高誘電絶縁シート６５としては、プリント基板用に開発されている静電容量密度20 pF/mm2程度のものが想定される。しかし、これに限定されるものではない。

更に、高誘電絶縁シート６５をコイル基板６０上に形成されたパターンコイル６３上に装着することも可能である。図６においては、高誘電特性を有する絶縁シートとしたが、その他の構成とすることができ、高誘電特性を有する塗料をコイル基板に塗布することで、高誘電絶縁シートの代わりとすることもできる。また、高誘電絶縁シート６５の装着は、無線給電コイルユニット４を、図５に示す無線給電コイルユニット３と同様に、直列コンデンサ６１をパターンコイル６３の外側に配置し、パターンコイル６３と接続部６５の間に絶縁体を挿入する構成としても、給電効率を向上させる効果を有するものである。この場合も、上記した例の様に、高誘電絶縁シートをコイル基板のパターンコイルが形成されている面、又はその反対側の面に装着することができる。更に、高誘電特性を有する塗料をコイル基板に塗布することで、高誘電絶縁シートの代わりとすることもできる。

Claims (4)

1. 磁気共鳴により無線給電を行うための無線給電コイルユニット（１）であって、
   基板（１０）上に螺旋形状に構成されたコイル（１３）と、
   前記コイル（１３）の外周側の端部（１３ａ）に配置され、前記コイル（１３）と並列に接続された並列コンデンサ（１２）と、
   前記コイル（１３）の中心側の端部（１３ｂ）と前記コイル（１３）の外側にある回路端子とを接続するための接続部（１５）と、
   前記接続部（１５）と前記コイル（１３）の間の干渉を抑制するための干渉抑制手段と、
   を有することを特徴とする無線給電コイルユニット。
2. 更に、前記コイル（１３）と直列に接続された直列コンデンサ（１１）を有し、
   前記干渉抑制手段は、前記直列コンデンサ（１１）を前記コイル（１３）の中心部に配置し、前記直列コンデンサ（１１）の一端を前記コイル（１３）の中心側の端部（１３ｂ）と接続し、他の一端を前記接続部（１５）と接続したものである、請求項１に記載の無線給電コイルユニット。
3. 更に、前記コイル（１３）と直列に接続された直列コンデンサ（５１）を有し、
   前記干渉抑制手段は、前記接続部（１５）と前記コイル（１３）の間に挿入された絶縁体（５６）である、請求項１に記載の無線給電コイルユニット。
4. 更に、前記基板（１０）の下部に配置された高誘電材料（６５）を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の無線給電コイルユニット。

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