JP2013214614A - コイルユニット及びコイルユニットを備える電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルでの近接効果を抑制して、損失抵抗を抑えるとともに、電力伝送効率の低下を抑え、１次側・２次側コイル間の少々の位置ずれがあったとしても、電力伝送効率が大きく低下することがないコイルユニット及びコイルユニットを備える電力伝送装置を提供すること。
【解決手段】コイルユニット１００は、線状導体１１０の線間が所定の線間隙１１５となるように、線状導体１１０をスパイラル状（渦巻き状）に巻回して形成された平面渦巻きコイル１１１と、平面渦巻きコイル１１１を保持する基板１２０と、を備える。線状導体１１０の断面最大長さをＷｋ、線状導体１１０間の間隔をＷｓとした場合、Ｗｋ×０．２≦Ｗｓ≦Ｗｋ×３．５である。
【選択図】図１

Description

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

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

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

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

特許文献１には、無接点電力伝送のための一次側コイル及び二次側コイルの少なくとも一方に用いられる積層コイルユニットが記載されている。特許文献１記載の積層コイルユニットは、Ｎ（Ｎは４以上の偶数）個の平面状空芯コイルを有し、Ｎ個の平面状空芯コイルの各々は、絶縁基板上に形成された渦巻状の導電パターンにて構成され、絶縁基板の厚さ方向にて積層される。そしてＮ個のうちの各２個の平面状空芯コイルを並列及び直列の一方である第１の接続形態（例えば並列）にて接続した（Ｎ／２）組のコイル接続ユニットが、並列及び直列の他方である第２の接続形態（例えば直列）にて接続する。これにより、コイル特性であるインダクタンスＬを大きく、抵抗Ｒを小さくして、コイルＱ値を大きくしようとする。

特許文献２には、平板状の導体部を渦巻き状に配置して構成した平面コイルが記載されている。特許文献２記載の平面コイルは、導体部の長手方向に沿って複数の開口部を設け、電気機器は、この平面コイルと、電磁誘導によってこの平面コイルに誘起される電圧に基づき駆動される負荷回路とを備える。これにより、高周波損失を低減しつつ薄型化が可能であるとする。

特許文献３には、互いに並行な複数本の導電線が、略平面状に並べて渦巻き状に巻回された平面コイルが記載されている。特許文献３記載の平面コイルは、各導電線の端部同士がコイル引出し部で電気的に接続されることにより並列接続される。これにより、平面コイルは導電線が略平面状並べられるので、コイル厚が増加せず、薄型化される。また、複数本の導電線が並列接続されるので、高周波領域での表皮効果による実効抵抗の増大が低減される。

特開２００８−２０５２１６号公報 特開２００９−２０６１６９号公報 特開２０１０−１６２３５号公報

しかしながら、このような従来の記載の電力伝送装置にあっては、以下の課題があった。

特許文献１記載の装置は、絶縁基板上に形成された渦巻状の導電パターンからなるＮ個の平面状空芯コイルの各々が、絶縁基板の厚さ方向にて積層される構成である。このため、平面状空芯コイルの大きさがネックとなり装置の小型化に課題がある。また、コイルユニットでの近接効果の抑制に対する寄与は少なく、損失抵抗を少なくして電送効率を向上させることに対しては不十分である。

特許文献２記載の装置は、平面コイルの導体部の長手方向に沿って複数の開口部を設ける構成である。これにより、高周波損失を低減しつつ薄型化が可能であるとされる。しかし、コイルの導体部の長手方向に沿って複数の開口部を設ける構造では、強度的に課題があり、またその導体の生成が複雑になる傾向にある。

特許文献３記載の平面コイルは、互いに並行な複数本の導電線が、略平面状に並べて渦巻き状に巻回され、各導電線の端部同士がコイル引出し部で電気的に接続されることにより並列接続される構成である。しかし、この構成ではコイルが複雑な構成となり、また、近接効果低減に対する考慮がなされておらず、近接効果による損失抵抗の低減が不十分となる傾向にある。

本発明の目的は、コイルでの近接効果を抑制して、損失抵抗を抑えるとともに、電力伝送効率の低下を抑え、１次側・２次側コイル間の少々の位置ずれがあったとしても、電力伝送効率が大きく低下することがないコイルユニット及びコイルユニットを備える電力伝送装置を提供することである。

本発明に係るコイルユニットは、線状導体の線間が所定の線間隙となるように、前記線状導体をスパイラル状に巻回して形成された平面コイルと、前記平面コイルの線間隙が保たれた状態で支持する支持体と、を備える。

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

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

本発明によれば、コイルでの近接効果を抑制して、損失抵抗を抑えることができる。例えば、約１０Ｗ以上の高出力のワイヤレス電力伝送に使用して、電力伝送効率の低下を抑えることができる。また、電力電送効率の低下を抑え、高効率での送電側・受電側コイル間での長距離の電力伝送を実現することができる。さらに、送電側・受電側コイル間の少々の位置ずれがあったとしても、電力電送効率が大きく低下することがない電力伝送装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係るコイルユニットの構成を示す平面図 図１のＡ−Ａ’矢視断面図 上記実施の形態１に係るコイルユニットの線状導体の他の構成を示す断面図 上記実施の形態１に係るコイルユニットの線状導体の他の構成を示す断面図 上記実施の形態１の他のコイルユニットの構成を示す断面図 上記実施の形態１に係るコイルユニットを送電装置の１次側送電コイルと電子機器の２次側受電コイルとして用いた構成を示す断面図 上記実施の形態１に係るコイルユニットの電力伝送効率を測定する回路図 上記実施の形態１に係るコイルユニットの抵抗値特性を示す図 上記実施の形態１に係るコイルユニットのＱ値を示す図 上記実施の形態１に係るコイルユニットの電送効率を示す図 上記実施の形態１に係るコイルユニットの抵抗値特性を示す図 上記実施の形態１に係るコイルユニットのＱ値を示す図 上記実施の形態１に係るコイルユニットの電送効率を示す図 上記実施の形態１に係るコイルユニットのＷｓ、Ｗｋを一定とした場合のコイルの抵抗値特性を示す図 上記実施の形態１に係るコイルユニットのＷｓ、Ｗｋを一定とした場合のＱ値を示す図 上記実施の形態１に係るコイルユニットのＷｓ、Ｗｋを一定とした場合の電送効率を示す図 本発明の実施の形態２に係るコイルユニットを備えるワイヤレス電力伝送装置の電子機器と送電装置の主要構成図 上記実施の形態２に係るコイルユニットを備えるワイヤレス電力伝送装置の電子機器と送電装置の間での制御回路図

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

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

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

コイルユニット１００は、線状導体１１０の線間が所定の線間隙１１５となるように、線状導体１１０をスパイラル状（渦巻き状）の平面曲線状に巻回して形成された平面渦巻きコイル１１１と、平面渦巻きコイル１１１を保持する基板１２０と、線状導体１１０の送受電面と反対の面を覆う磁性体シート１３０と、線状導体１１０の始端１１０ａに接続された始端端子１４０と、線状導体１１０の終端１１０ｂに接続された終端端子１５０と、を備える。

ここで、平面渦巻きコイル１１１は、線状導体１１０が巻き回されて形成されたものである。コイルユニット１００は、平面渦巻きコイル１１１の線状導体１１０の線間に間隙を有する構造であればよい。例えば、コイルユニット１００は、線状導体１１０が被覆されたものであれば、支持体が無くても、それを巻くだけで所定の線間隙が得られる。この場合、支持体である基板１２０に溝を形成する必要はなくなる。また、本実施の形態における支持体は、基板１２０及び磁性体シート１３０であるが、線状導体１１０の線間に間隙を有する構造であればよく、基板１２０又は磁性体シート１３０のいずれか一方で線間を保持しても構わない。

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

コイルユニット１００の構成についてより詳細に説明する。

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

（１）コイルユニット１００は、線状導体１１０間に一定の線間隙１１５を設けることで、線間での近接効果を抑制して抵抗損失を抑える効果を得ることができ、隣り合う導線パターン間での磁束の干渉を抑制することができる。また、線状導体１１０での抵抗値増大を防ぐことができ、伝送特性のＱ値を上げることが可能となり、伝播損失の低減を図ることができる。

（２）コイルユニット１００は、コイルを形成する線状導体１１０の断面最大長さをＷｋ、近接する線状導体１１０間の間隔をＷｓとした場合、以下の関係を満たす構成とする。

Ｗｋ×０．２≦Ｗｓ≦Ｗｋ×３．５
線状導体１１０間の間隔Ｗｓを線状導体１１０の断面最大長さＷｋの０．２倍以上で、３．５倍以下とする構成とすることにより、近接効果を抑制する効果と、コイルインダクタンスの低下を抑える効果を両立させることができる。０．２倍よりも短くすると近接効果抑制効果が弱まり、損失抵抗が増加する傾向にある。３．５倍よりも大きくなると、コイルインダクタンスが低下して、Ｑ値を下げてしまう傾向にある。好ましくは０．２倍以上０．４倍以下、さらに好ましくは０．３倍以上０．４倍以下である。

（３）コイルユニット１００は、線状導体１１０間の線間隙１１５を、内周部よりも外周部の方の間隙を狭めることで、線状導体１１０の線密度を内周部よりも外周部の方を密とする。

これにより、磁束強度が弱くなりやすい外周部における磁束を強くすることができ、インダクタンスの低下を補えることができる。

以下、本実施の形態のコイルユニット１００の具体的な構造について説明する。

図１に示すように、コイルの素線である線状導体１１０を始端端子１４０から終端端子１５０までスパイラル状に巻回して円形状にコイルユニット１００を形成した。このとき、コイルユニット１００を形成する線状導体１１０間に一定の線間隙１１５を保持した形で巻回した。

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

また、コイルユニット１００は、線状導体１１０の送受電面の方向とは逆の面に磁性体シート１３０を設ける。

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

図３では、好ましい一つの構成として、正方形のような矩形状の線状導体１１０を使用した構成を示す。単位断面積当たりの導線の占めうる領域が多くなり、コイルユニット１００のインダクタンスを高める効果が得られる。

図３及び図４は、本実施の形態の他のコイルユニットの線状導体の構成を示す断面図である。

図３に示すように、コイルユニット１００Ａは、正方形のような矩形状の１本の素線からなる線状導体１１０Ａを有する。単位断面積当たりの導線の占めうる領域が多くなり、コイルユニット１００Ａのインダクタンスを高める効果が得られる。また、線状導体１１０Ａでの抵抗値増大を防ぐ効果が得られる。

また、図４に示すように、コイルユニット１００Ｂは、複数の素線を束ねたリッツ線の線状導体１１０Ｂを有する。細い素線を複数本束ねたリッツ線の構成とすることにより、表皮効果の低減を図ることができる。さらに、そのリッツ線として芯線に対して撚り巻回される方向を異ならせた複数の素線を束ねた多層線状導体の構成とすることも好ましい。この構成により、細い素線を複数本束ねたリッツ線において、各素線を流れる電流経路の方向がお互いずれることで、さらに近接効果を抑制することが可能になる。

図５は、本実施の形態の他のコイルユニットの構成を示す断面図である。図１及び図２と同一構成部分には同一符号を付している。

図５に示すように、コイルユニット１００Ｃは、１次側送電コイル又は２次側受電コイルである。

コイルユニット１００Ｃは、線状導体１６０の線間が内周部よりも外周部の方の間隙を狭めるように、線状導体１６０を螺旋状（スパイラル状）に巻回して形成された平面渦巻きコイル１１１と、平面渦巻きコイル１１１を保持する基板１２０と、平面渦巻きコイル１１１の送受電面と反対の面を覆う磁性体シート１３０と、線状導体１６０の始端に接続された始端端子（図示略）と、線状導体１６０の終端に接続された終端端子（図示略）と、を備える。

コイルユニット１００Ｃは、線状導体１６０間の線間隙を、内周部よりも外周部の方の間隙を狭める（内周部線間隙１１５、外周部線間隙１１６）ことで、線状導体１６０の線密度を内周部よりも外周部の方を密とする。具体的には、線状導体１６０の外周部の線間隙Ｗｔｓは、線状導体１６０の内周部の線間隙Ｗｓより密（Ｗｔｓ＜Ｗｓ）とする。これにより、磁束強度が弱くなりやすい外周部における磁束を強くすることができ、電送効率の低下を補えることができる。

図５において、コイルユニット１００Ｃの最内周側に位置する線状導体１６０から、コイルユニット１００Ｃの最外周側に位置する線状導体１６０までの距離をＺｔ、線状導体１６０の間隙を狭めた外周部の領域において、その領域中の最内周と最外周に位置する線状導体１６０間の距離をＺｏとすると、線状導体１６０の間隙を狭めた外周部Ｚｏが、コイルユニット１００Ｃの最内周に位置する線状導体１６０から最外周に位置する線状導体１６０までの距離Ｚｔの０．１倍以上、０．５倍以下とすることが好ましい。前記距離Ｚｔの０．１倍よりも狭い領域であると外周部における磁束を強くする効果が得にくく、０．５倍よりも広い領域とすると、近接効果を抑制する効果が得にくくなる傾向にある。好ましくは０．２倍以上０．４倍以下、さらに好ましくは０．３倍以上０．４倍以下である。

また、線状導体１６０の間隙を狭めた外周部の領域において、その領域中の線状導体１６０間の間隔をＷｔｓとすると、外周部の領域における線状導体１６０間の間隔Ｗｔｓは、内周部における線状導体１６０間の間隔Ｗｓの、０．１倍以上、０．５倍以下とすることが好ましい。０．１倍よりも間隙を短くすると近接効果を抑制する効果が得にくく、０．５倍よりも間隙を長くすると、外周部における磁束を高めて、コイルのＱ値を下げない効果が得にくくなる傾向になる。好ましくは０．１倍以上０．３倍以下、さらに好ましくは０．１倍以上０．２倍以下である。

次に、本実施の形態のコイルユニット１００の製造方法について説明する。なお、コイルユニット１００Ｃについても同様の製造方法により作製することができる。

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

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

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

図６は、コイルユニット１００を、送電装置の１次側送電コイル２１０と電子機器の２次側受電コイル２２０として用いた構成を示す断面図である。

図６に示すように、コイルユニット１００は、電磁誘導により電力を送電する１次側送電コイル２１０と、１次側送電コイル２１０からの電力を受電する２次側受電コイル２２０と、１次側送電コイル２１０を収容する送電装置のハウジング２３０と、２次側受電コイル２２０を収容する電子機器のハウジング２４０と、を備える。

１次側送電コイル２１０は、線状導体１１０の線間が所定の線間隙１１５となるように、線状導体１１０をスパイラル状（渦巻き状）に巻回して形成された平面渦巻きコイル１１１と、平面渦巻きコイル１１１を保持する基板１２０と、複数のコイルの電力電送面と逆の面を覆う磁性体シート１３０Ａと、を備える。

２次側受電コイル２２０は、線状導体１１０の線間が所定の線間隙１１５となるように、線状導体１１０をスパイラル状（渦巻き状）に巻回して形成された平面渦巻きコイル１１１である線状導体１１０と、平面渦巻きコイル１１１を保持する基板１２０と、複数のコイルの電力受電面と逆の面を覆う磁性体シート１３０Ｂと、を備える。

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

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

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

図７は、コイルユニット１００の電力伝送効率を測定する回路図である。

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

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

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

図１及び図２に示すコイルユニット１００において、エポキシ樹脂の基板１２０上に螺旋状のパターンの溝１２０ａを形成し、その溝１２０ａに線状導体１１０を敷置した。線状導体１１０は、直径０．６ｍｍの銅単線を使用した。コイルを形成する線状導体１１０の断面最大長さＷｋ、近接する線状導体間の間隔Ｗｓは、表１に記載した。

表１は、実施例１−６と比較例１，２におけるコイル特性を示す。

図８は、コイルユニット１００のコイルの抵抗値特性を示す図である。横軸はコイルを形成する線状導体１１０の断面最大長さＷｋに対する近接する線状導体１１０間の間隔Ｗｓの割合（Ｗｓ／Ｗｋ）、縦軸は各コイルの抵抗値Ｒｅ[Ω]を示す。

図８に示すように、Ｗｓ／Ｗｋの増加に伴い、つまり、線状導体の断面最大長さＷｋに対して、近接する線状導体間の間隔Ｗｓを大きくするに従い、コイルの抵抗値が減少する傾向にある。近接する線状導体間での近接効果の抑制の効果と考えられる。

図９は、コイルユニット１００のＱ値を示す図である。横軸はＷｓ／Ｗｋ、縦軸は各コイルのＱ値を示す。

図９に示すように、Ｗｓ／Ｗｋの増加に伴い、コイルのＱ値は上昇し、一定のＷｓ／Ｗｋから減少する傾向にある。コイルのＱ値はコイルの抵抗とインダクタンスにより影響される値であり、Ｗｓ／Ｗｋが小さいときは、コイルのインダクタンス値は高い値を有するが、コイル抵抗が大きいことの影響で小さい値を示し、Ｗｓ／Ｗｋが大きくなると、コイル抵抗が減少することによりＱ値が増加する傾向にある。さらにＷｓ／Ｗｋが大きくなると、コイルインダクタンスが減少する影響で小さい値を示す。

図１０は、コイルユニット１００の電送効率を示す図である。横軸はＷｓ／Ｗｋ、縦軸は電送効率を示す。

図１０に示すように、コイルの電送効率は、コイルのＱ値を似た傾向を示している。これらから、Ｗｓ／Ｗｋが０．２から３．５の範囲であれば、実用的に最低限満足される６５％以上の電送効率を保持することが可能となる。

次に、コイルユニット１００Ｃを用いた場合のコイル特性について説明する。

図５に示すコイルユニット１００Ｃは、エポキシ樹脂の基板１２０上に螺旋状のパターンの溝１２０ａを形成し、その溝１２０ａに線状導体１６０を敷置した。線状導体１２は直径０．６ｍｍの銅単線を使用した。コイルを形成する線状導体１６０間に設ける一定の間隙において、コイルの内周部よりも外周部の方の間隙を狭めて、コイルの線密度が内周部の方よりも外周部の方が密とする部分を設けたコイル構成とした。線状導体１６０の外周部の線間隙Ｗｔｓは、線状導体１６０の内周部の線間隙Ｗｓより密（Ｗｔｓ＜Ｗｓ）とする。

表２は、各実施例の距離Ｚｔ、Ｚｏ、その割合Ｚｔ／Ｚｏ、線間隙Ｗｔｓ、Ｗｓ、その割合Ｗｔｓ／Ｗｓを示す。

表２において、Ｚｔ[ｍｍ]は、コイルユニット１００Ｃの最内周側に位置する線状導体１６０からコイルの最外周側に位置する線状導体１６０までの距離、Ｚｏ[ｍｍ]は、線状導体１６０の間隙を狭めた外周部の領域において、その領域中の最内周と最外周に位置する線状導体１６０間の距離、Ｗｔｓ[ｍｍ]は線状導体１６０の間隙を狭めた外周部の領域において、その領域中の線状導体１６０間の間隔を示す。Ｚｏ、Ｚｔを一定にしてＷｔｓ[ｍｍ]の効果を観察した。

図１１は、コイルユニット１００Ｃの抵抗値特性を示す図である。横軸はコイルを形成する近接する線状導体１６０間の間隔Ｗｓに対する線状導体１６０の間隙を狭めた外周部の領域における線状導体１６０間の間隔Ｗｔｓ[ｍｍ]の割合（Ｗｔｓ／Ｗｓ）、縦軸は各コイルの抵抗値Ｒｅ(Ω)を示す。

図１１に示すように、Ｗｔｓ／Ｗｓの増加に伴い、つまり、コイルを形成する近接する線状導体１６０間の間隔Ｗｓに対して、線状導体１６０の間隙を狭めた外周部の領域における線状導体１６０間の間隔Ｗｔｓを大きくするに従い、コイルの抵抗値がやや減少する傾向にある。

図１２は、コイルユニット１００ＣのＱ値を示す図である。横軸はＷｔｓ／Ｗｓ、縦軸は各コイルのＱ値を示す。

図１２に示すように、Ｗｔｓ／Ｗｓの増加に伴い、コイルのＱ値は上昇し、一定のＷｔｓ／Ｗｓから減少する傾向にある。コイルのＱ値は、コイルの抵抗とインダクタンスにより影響される値であり、Ｗｔｓ／Ｗｓが小さいときは、コイル抵抗が大きいことが支配的となり、やや低い値を示す。Ｗｔｓ／Ｗｓが増加するに伴い、コイルのインダクタンス値が高く、そしてコイル抵抗が減少することによりＱ値が増加する傾向にある。さらにＷｔｓ／Ｗｓが大きくなると、コイルインダクタンスが減少する影響でやや低下する傾向を示す。

図１３は、コイルユニット１００Ｃの電送効率を示す図である。横軸はＷｔｓ／Ｗｓ、縦軸は電送効率を示す。

図１３に示すように、コイルの電送効率は、コイルのＱ値を似た傾向を示している。これらから、Ｗｔｓ／Ｗｓが０．１〜０．５の一定の範囲でさらに高い電送効率を保持する傾向を示している。

次に、Ｗｓ[ｍｍ]、Ｗｋ[ｍｍ]を一定として、Ｚｏ[ｍｍ]の効果を観察した結果を表３に示す。

図１４は、コイルユニット１００ＣのＷｓ[ｍｍ]、Ｗｋ[ｍｍ]を一定とした場合のコイルの抵抗値特性を示す図である。横軸はコイルユニット１００Ｃの最内周側に位置する線状導体１６０からコイルの最外周側に位置する線状導体１６０までの距離Ｚｔ[ｍｍ]に対する、線状導体１６０の間隙を狭めた外周部の領域における最内周と最外周に位置する線状導体１６０間の距離Ｚｏ[ｍｍ]の割合（Ｚｏ／Ｚｔ）を示す。縦軸は各コイルの抵抗値Ｒｅ[Ω]を示す。

図１４に示すように、Ｚｏ／Ｚｔの増加に伴い、つまり、線状導体１６０の間隙を狭めた外周部の領域が増加するに伴い、コイルの抵抗値がやや増加する傾向にある。

図１５は、コイルユニット１００ＣのＷｓ[ｍｍ]、Ｗｋ[ｍｍ]を一定とした場合のＱ値を示す図である。横軸はＺｏ／Ｚｔ、縦軸は各コイルのＱ値を示す。

図１５に示すように、Ｚｏ／Ｚｔの増加に伴い、コイルのＱ値は上昇し、一定のＺｏ／Ｚｔから減少する傾向にある。コイルのＱ値は、コイルの抵抗とインダクタンスにより影響される値であり、Ｚｏ／Ｚｔが小さいときは、インダクタンスがやや高くなっていないことが支配的となり、やや低い値を示す。Ｚｏ／Ｚｔが増加するに伴い、コイルのインダクタンス値が増加し、そしてコイル抵抗の増加が抑えられていることからＱ値が増加する傾向にある。さらにＺｏ／Ｚｔが大きくなると、コイル抵抗の増加が支配的になる影響でやや低下する傾向を示す。

図１６は、コイルユニット１００ＣのＷｓ[ｍｍ]、Ｗｋ[ｍｍ]を一定とした場合の電送効率を示す図である。横軸はＺｏ／Ｚｔ、縦軸は電送効率を示す。コイルのＱ値を似た傾向を示している。これらから、Ｚｏ／Ｚｔが０．１〜０．５の一定の範囲でさらに高い電送効率を保持する傾向を示している。

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、コイルユニット１００は、線状導体１１０の線間が所定の線間隙１１５となるように、線状導体１１０をスパイラル状（渦巻き状）に巻回して形成された平面渦巻きコイル１１１と、平面渦巻きコイル１１１を保持する基板１２０と、を備える。また、コイルユニット１００Ｃは、線状導体１６０の線間が内周部よりも外周部の方の間隙を狭めるように線状導体１６０を螺旋状に巻回して形成された平面渦巻きコイル１１１と、平面渦巻きコイル１１１を保持する基板１２０と、を備える。線状導体１１０の断面最大長さをＷｋ、線状導体１１０間の間隔をＷｓとした場合、Ｗｋ×０．２≦Ｗｓ≦Ｗｋ×３．５である。

この構成により、以下の効果を得ることができる。

（１）近接する線状導体同士において、導体断面の電流分布は中心軸側に偏った形となり、コイルの抵抗値が増大しやすい傾向にある。そこで、コイルを構成する線状導体間に一定の間隙を設けることで線間での近接効果を抑制して抵抗損失を抑えることができる。間隙を設けることで放熱性に有利であり、構成的にも簡易で、部品材料の低減を図ることができる。

（２）コイルユニット１００Ｃは、コイルの内周部よりも外周部の方の間隙を狭めて、コイルの線密度が内周部の方よりも外周部の方が密とすることにより、磁束強度が弱くなりやすい外周部における磁束を強くすることができ、インダクタンスの低下を補うことができる。

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

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

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

図１７及び図１８は、本発明の実施の形態２のコイルユニットを備えるワイヤレス電力伝送装置の構成を示す図である。図１７は、上記ワイヤレス電力伝送装置の電子機器と送電装置の主要構成図である。図１８は、上記ワイヤレス電力伝送装置の電子機器と送電装置の間での制御回路図制御回路図である。図６と同一構成部分には同一符号を付している。

図１７及び図１８に示すように、ワイヤレス電力伝送装置３００は、送電装置３１０と、受電装置である電子機器３２０と、を含んで構成される。

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

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

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

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

送電制御部３１２は、１次側送電コイル２１０へ電力供給とその制御を行う。

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

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

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

２次電池３２１は、端末の動作電力を発生する。

次に、ワイヤレス電力伝送装置３００の動作を説明する。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

図１８に示すように、送電装置３１０は、送電制御部３１２、送電回路部３１３、及び１次側送電コイル２１０を備える。

商用電源３１１から供給される交流電圧は、図示しないＡＣ／ＤＣコンバータを通じて所定の直流電圧に変換される。この直流電圧は、送電制御部３１２を介して送電回路部３１３へ供給される。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ コイルユニット
１１０、１６０ 線状導体
１１１ 平面渦巻きコイル
１１５ 線間隙（内周部線間隙）
１１６ 外周部線間隙
１２０ 基板
１３０ 磁性体シート
１４０ 始端端子
１５０ 終端端子
２１０ １次側送電コイル
２２０ ２次側受電コイル
３００ ワイヤレス電力伝送装置
３１０ 送電装置
３１２ 送電制御部
３１３ 送電回路部
３２０ 電子機器
３２１ ２次電池
３２２ 充電制御回路
３２３ 受電回路部
３２４ 受電制御部

Claims (6)

1. 線状導体の線間が所定の線間隙となるように、前記線状導体をスパイラル状に巻回して形成された平面コイルと、
   前記平面コイルの線間隙が保たれた状態で支持する支持体と、
   を備えるコイルユニット。
2. 前記線状導体の断面最大長さをＷｋ、前記線状導体間の間隔をＷｓとした場合、以下の関係を満たす、
   Ｗｋ×０．２≦Ｗｓ≦Ｗｋ×３．５
   請求項１記載のコイルユニット。
3. 前記線状導体間の前記線間隙は、前記平面コイルの内周部より外周部の間隙が狭い、請求項１記載のコイルユニット。
4. 前記平面コイルの送受電面と反対の面を覆う磁性体シートを備える、請求項１記載のコイルユニット。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のコイルユニットを用いて構成され、前記平面コイルの磁性体との対向面とは反対側の面が送電側の面に配置された送電コイルと、該送電コイルに電力を供給する送電部と、
   を含む電力伝送装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のコイルユニットを用いて構成され、前記平面コイルの磁性体との対向面とは反対側の面が受電側の面に配置された受電コイルと、該受電コイルで受電された電力を出力する受電装置と、
   を含む電力伝送装置。
   

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