JP6120088B2 - コイルユニット - Google Patents

Description

本発明は、電磁誘導により非接触で電力を送電または受電するコイルユニット、及びコイルユニットを備えた非接触電力伝送装置に関する。

近年、例えば、電気自動車などの車両に非接触充電をするために、非接触電力伝送装置が開発されている。この非接触電力伝送装置では、給電装置側に送電コイルが、車両側に受電コイルが設けられ、電磁誘導により非接触で高効率の伝送効率を実現してきた。この電磁誘導による非接触電力伝送装置では、大電力を伝送するため、漏洩電磁界が大きいことが問題となっており、漏洩電磁界の低減が重要な課題となっている。ここで、漏洩電磁界は、コイルからの漏洩磁界と、コイル周囲に置かれた金属などの導体に誘起される電流によって引き起こされる漏洩電磁界が存在する。またコイル周囲に置かれた導体に誘起される電流自体の低減も安全上、重要な課題である。

特許文献１には、電磁誘導を利用した無線通信システムにおいて、ループアンテナの両端部に対して平衡駆動することによって、電波の擾乱を低減する技術が記載されている。

特開２００１−１４８６０６号公報

ところで、電気自動車などの車両に非接触充電する際、送電コイルが設けられた給電装置が、受電コイルが設けられた車両の下方に配置されるため、車両が給電装置に乗り上げる可能性がある。そのため、送電コイルに対して、このような荷重に耐え得る強度が要求される。また、車両に搭載された受電コイルにも、車両の衝突等によって、衝撃が加わる可能性がある。そのため、受電コイルに対しても、このような衝撃に耐え得る強度が要求される。

そこで、外部からの荷重や衝撃に対して、送電コイルや受電コイルを保護するために、送電コイルや受電コイルを、金属製のケースに収容することが考えられる。

しかしながら、送電コイルや受電コイルを金属製のケースに収容した場合、必然的に、コイルの近傍に、金属である導体が配置されることになる。その結果、コイルに高周波電圧が印加されると、コイルと金属導体との容量結合によって、金属導体に誘起電流が流れるという事態が生じる。コイルと金属導体とは非常に接近しているため、容量結合が大きい。そのため、容量結合によって金属導体に誘起される電流が大きくなり、誘起電流によって引き起こされる漏洩電磁界の影響が問題となる。特に、車両への非接触充電では、大電力を伝送する必要があるため、このような容量結合に起因する漏洩電磁界の影響が顕在化する。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その主な目的は、送電コイルまたは受電コイルの近傍に金属導体が配設された場合でも、容量結合によって金属導体に誘起される電流や、誘起電流によって引き起こされる漏洩電磁界の影響を低減したコイルユニット、及び非接触電力伝送装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、電磁誘導により非接触で電力を送電するコイルユニットであって、両端子を有し、該両端子に高周波電圧が入力されるコイルと、コイルの近傍に配設された金属導体と、両端子のうち一方に直列接続された第１のコンデンサーと、両端子のうち他方に直列接続された第２のコンデンサーとを備える。そして、第１のコンデンサーの容量Ｃ１と第２のコンデンサーの容量Ｃ２の比率（Ｃ１／Ｃ２）は、コイルに高周波電圧が入力されたとき、合成容量［Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）］が一定であり、且つ、Ｃ１＝Ｃ２のときよりも、容量結合により金属導体に誘起される電流が小さくなるように設定される。

本発明によれば、電磁誘導により非接触で電力を送電または受電するコイルユニットにおいて、容量結合によってコイル近傍に配設された金属導体に誘起される電流や、誘起電流によって引き起こされる漏洩電磁界の影響を低減することができる。

本発明の第１の実施形態における非接触電力伝送装置の構成を示した図である。 本発明の第１の実施形態における送電コイルと金属導体の容量結合の簡易的な等価回路モデルを示した図である。 送電コイルの両端子に接続したコンデンサーの大きさを決定する手順を説明した図である。 送電コイルの両端子に接続したコンデンサーの大きさを決定する手順を説明した図である。 送電コイルの両端子に接続したコンデンサーの大きさを決定する手順を説明した図である。 送電コイルの両端子に接続したコンデンサーの大きさを決定する手順を説明した図である。 送電コイルの両端子に接続したコンデンサーの大きさを決定する手順を説明した図である。 送電コイルの両端子に接続したコンデンサーの大きさを決定する手順を説明した図である。 送電コイルの両端子に接続したコンデンサーの大きさを決定する手順を説明した図である。 本発明の第２の実施形態における非接触電力伝送装置の構成を示した図である。 本発明の第２の実施形態における非接触電力伝送装置の他の構成を示した図である。 コンデンンサーを送電コイルに挿入する位置を決定する手順を説明した図である。 コンデンンサーを送電コイルに挿入する位置を決定する手順を説明した図である。 コンデンンサーを送電コイルに挿入する位置を決定する手順を説明した図である。 送電コイルが接地される部位の位置を決定する手順を説明した図である。 送電コイルが接地される部位の位置を決定する手順を説明した図である。 送電コイルが接地される部位の位置を決定する手順を説明した図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における非接触電力伝送装置の構成を模式的に示した図である。

図１において、非接触電力伝送装置は、所定の場所に配置される送電装置１０と、移動体側に設置される受電装置２０とを備えている。ここで、本発明の非接触電力伝送装置は、典型的には、例えば電気自動車のような電気推進車両の非接触給電システムに応用される。この場合、受電装置２０は、移動体としての電気推進車両に設置され、送電装置１０は、典型的には駐車場に固定的に設置される。なお、送電装置１０は、固定的な設置に限らず、移動可能なものであってもよい。

送電装置１０は、高周波発振源１０１、送電コイル１０２、及び送電コイル１０２の両端子に接続された第１のコンデンサーＣ１ａ、第２のコンデンサーＣ１ｂを備えている。また、受電装置２０は、受電コイル１０４、負荷回路１０５、及び受電コイル１０４の両端子に接続された第１のコンデンサーＣ２ａ、第２のコンデンサーＣ２ｂを備えている。

高周波発振源１０１は、高周波電力を生成し出力する発振源である。送電コイル１０２は、高周波発振源１０１に接続され、高周波の磁界を発生するコイルである。

受電コイル１０４は、送電コイル１０２から発生する磁界を受けて電力を得るコイルである。負荷回路１０５は、受電コイル１０４に接続され、受電コイル１０４から得られた電力を供給する整流回路、電池などを含む回路である。

金属導体１０７、１０８は、それぞれ、送電コイル１０２、受電コイル１０４の近傍に配設され、容量結合する金属導体である。例えば、コイル１０２、１０４の近傍に配設される金属導体としては、コイル１０２、１０４を収容するケースが金属で構成されている場合などが考えられる。なお、この場合、ケースの一部が金属で構成されていてもよい。あるいは、受電コイル１０４が、車体に搭載されている場合、コイル１０４の近傍に配設される金属導体としては、車体の一部を構成する金属体（例えば、金属シャーシ等）が考えられる。

本発明における金属導体１０７、１０８は、上記の例に限定されず、コイル１０２、１０４の近傍に配設され、コイル１０２、１０４と容量結合して、誘起電流が生じる金属導体であればよい。また、その形状は、図１に示すような板状に限定されず、どのような形状であってもよい。また、コイル１０２、１０４との距離も、一定に限定されず、場所によって距離が変わっていてもよい。

また、本発明において、両端子に高周波電圧が入力される送電コイル１０２、送電コイル１０２の近傍に配設された金属導体１０７、及び送電コイル１０２の両端子にそれぞれ接続された第１及び第２のコンデンサーＣ１ａ、Ｃ１ｂで、送電側のコイルユニットを構成する。同じく、両端子に高周波電圧が出力される受電コイル１０４、受電コイル１０４の近傍に配設された金属導体１０８、及び受電コイル１０４の両端子にそれぞれ接続された第１及び第２のコンデンサーＣ２ａ、Ｃ２ｂで、受電側のコイルユニットを構成する。

以上のように構成された非接触電力伝送装置について、その動作を説明する。

図２は、送電コイル１０２と金属導体１０７の容量結合の簡易的な等価回路モデルを示した図である。送電コイル１０２と金属導体１０７は、送電コイル１０２の各箇所と容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４によって容量結合すると仮定する。また、金属導体１０７は、各部位を抵抗Ｒｇ１〜Ｒｇ３で表現する。送電コイル１０２と金属導体１０７の結合が強まるほど、容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４の容量が大きくなり、金属導体１０７に流れる誘起電流が増加する。また、送電コイル１０２の各箇所における電位ＶＬ１〜ＶＬ４が高いほど、容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４を経由して金属導体１０７に流れる誘起電流が増加する。

容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４は、送電コイル１０２と金属導体１０７の構造や、互いの位置関係により異なる。例えば、Ｃｇ１、Ｃｇ２の方がＣｇ３、Ｃｇ４より大きい場合、ＶＬ１をＶＬ４より低くなるように設定した方が、金属導体１０７全体に流れる誘起電流が低減される。

また、抵抗Ｒｇ１〜Ｒｇ３のうち、抵抗Ｒｇ１の部位が例えばループ状の形状をしており、アンテナと同様の形状になっている場合、抵抗Ｒｇ１の部位に誘起電流が流れたときがもっとも漏洩電磁界が大きくなる。この場合には、ＶＬ１をＶＬ４より低くなるように設定した方が、金属導体１０７による漏洩電磁界が低減される。

また、送電コイル１０２内部の各箇所における電位ＶＬ２〜ＶＬ３は、送電コイル１０２のコイルの巻き方、形状などコイル構造によって異なる。送電コイル１０２各部位のインダクタンスＬ１〜Ｌ３がコイル構造によって異なるためである。例えばＣｇ２がＣｇ３に比べて大きい場合、ＶＬ２がＶＬ３より低い方が、金属導体１０７に誘起される電流、及びこれによる漏洩電磁界が低減される。このような場合、ＶＬ１とＶＬ４の電位差を調節することによって、ＶＬ２がＶＬ３より低くなるように設定した方がよい。

上述したように、送電コイル１０２と金属導体１０７とは、送電コイル１０２の各箇所と容量結合が生じる。送電コイル１０２と金属導体１０７との容量結合が強まるほど、各部位の容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４が大きくなり、金属導体１０７に流れる誘起電流が増加する。また、送電コイル１０２の各箇所ＶＬ１〜ＶＬ４における電位が高いほど、容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４を経由して金属導体１０７に流れる誘起電流が増加する。

送電コイル１０２と金属導体１０７との間に生じる容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４は、送電コイル１０２と金属導体１０７の構造や、互いの位置関係により異なる。金属導体１０７全体に流れる誘起電流を低減するためには、送電コイル１０２の各箇所ＶＬ１〜ＶＬ４における電位を調整できる構成が必要である。

本発明は、上記の知見に基づきなされたもので、送電コイル１０２の両端子の電位ＶＬ１、ＶＬ４を適切に設定することにより、送電コイル１０２の各箇所ＶＬ１〜ＶＬ４における電位を調節し、これにより、金属導体１０７に誘起される電流、及び誘起電流に起因して生じる漏洩電磁界の低減を図るものである。

送電コイル１０２の両端子の電位ＶＬ１、ＶＬ４を適切に設定する手段としては、図１に示すように、送電コイル１０２の両端子に第１及び第２コンデンサーＣ１ａ、Ｃ１ｂを設け、Ｃ１ａ、Ｃ１ｂの容量値を、容量結合により金属導体１０７に誘起される電流が低減される値に設定する方法がある。

なお、上述したように、図２に示した等価回路において、送電コイル１０２の各箇所における容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４は、金属導体１０７の配置や形状等によって変わるため、一義的に定まらない。従って、実際には、送電コイル１０２の近傍に金属導体１０７が配設されたコイルユニット（例えば、送電コイル１０２が金属製のケースに収容されたコイルユニット）を用意し、送電コイル１０２の両端子に接続したコンデンサーＣ１ａ、Ｃ１ｂの大きさをそれぞれ変えて、送電コイル１０２に高周波電圧を入力したときの金属導体１０７に誘起される電流を測定し、誘起電流が低減される容量の比率（Ｃ１ａ／Ｃ１ｂ）を決定する方法で行う。

以下、図３〜図９を参照しながら、送電コイル１０２の両端子に接続したコンデンサーＣ１ａ、Ｃ１ｂの大きさを決定する手順を説明する。なお、ここでは、現象を分かりやすく説明するために、等価回路を用いた回路シミュレーションによる結果を示す。

図３（ａ）は、送電コイル１０２と金属導体１０７の容量結合の等価回路モデルを示した図である。送電コイル１０２と金属導体１０７は、送電コイル１０２の各部位ＶＬ１〜ＶＬ４と容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４によって容量結合している。また、金属導体１０７は、各部位での抵抗Ｒｇ１〜Ｒｇ４で表している。

ここで、送電コイル１０２のインダクタンス（Ｌ）は４００μＨで、送電コイル１０２を、インダクタンス２００μＨの２つのコイルＬ１、Ｌ２で表している。また、容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４は、全て１００ｐＦとしている。また、送電コイル１０２一方の端子には、送電効率を向上させるために、コンデンサーＣ１が直列に接続されている。コンデンサーＣ１は、送電コイル１０２とＬＣ共振回路を構成し、１５８ｎＦに設定されている。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した高周波電圧Ｖｇを２００Ｖとしたとき、送電コイル１０２の各部位ＶＬ１〜ＶＬ３における電圧の振幅の周波数特性をそれぞれ示したものである。ここで、部位ＶＬ２、ＶＬ３における電圧Ｖ（ＶＬ２）、Ｖ（ＶＬ３）の振幅は同じで、ＶＬ４における電圧はゼロである。

図４は、図３（ａ）に示した高周波電圧Ｖｇを２００Ｖとしたとき、金属導体１０７の各部位Ｒｇ１〜Ｒｇ４に誘起される電流の振幅Ｉ（Ｒｇ１）〜Ｉ（Ｒｇ４）の周波数特性をそれぞれ示したものである。

なお、以下の説明において、各部位ＶＬ１〜ＶＬ４における電圧、及び各抵抗Ｒｇ１〜Ｒｇ４における電流の振幅の周波数特性は、全て、高周波電圧Ｖｇを２００Ｖとしたときの周波数特性である。

図５（ａ）は、送電コイル１０２の両端子ＶＬ１、ＶＬ４の電圧を下げるために、図３（ａ）に示した等価回路モデルにおいて、コンデンサーＣ１を２分割して、送電コイル１０２の両端子に、コンデンサーＣ１、Ｃ２を接続したものである。ここで、コンデンサーＣ１、Ｃ２の合成容量が、送電コイル１０２とＬＣ共振回路を構成するために、コンデンサーＣ１、Ｃ２の容量は、それぞれ３１６ｎＦに設定されている。

図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した等価回路モデルにおいて、送電コイル１０２の各部位ＶＬ１〜ＶＬ４における電圧の振幅の周波数特性をそれぞれ示したものである。また、図６は、図５（ａ）に示した等価回路モデルにおいて、金属導体１０７の各部位Ｒｇ１〜Ｒｇ４に誘起される電流の振幅の周波数特性をそれぞれ示したものである。

図５（ｂ）に示すように、送電コイル１０２の両端子ＶＬ１、ＶＬ４に、コンデンンサーＣ１、Ｃ２を接続することによって、両端子ＶＬ１、ＶＬ４の２０ｋＨｚにおける電圧Ｖ（ＶＬ１）、Ｖ（ＶＬ４）は６５ｄＢとなり、図３（ｂ）に示した電圧Ｖ（ＶＬ１）７０ｄＢよりも半分に減少している。その結果、金属導体１０７の各部位に流れる２０ｋＨｚにおける電流の最大値は、−２５ｄＢ（図４のＩ（Ｒｇ２）を参照）から、−３４ｄＢ（図６のＩ（Ｒｇ１）〜Ｉ（Ｒｇ４）を参照）に低減されている。

なお、以下の説明において、各部位ＶＬ１〜ＶＬ４における電圧、及び各抵抗Ｒｇ１〜Ｒｇ４における電流の振幅の大きさは、全て、周波数が２０ｋＨｚのときの大きさをいう。

図５（ａ）に示した等価回路モデルでは、送電コイル１０２と金属導体１０７との結合容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４の大きさは、送電コイル１０２の各部位ＶＬ１〜ＶＬ４において、同じ値（１００ｐＦ）に設定しているが、実際には、送電コイル１０２や金属導体１０７の形状や、お互いの位置関係等で、必ずしも同じ値にはならない。

図７（ａ）は、このような場合を想定した等価回路モデルを示したもので、送電コイル１０２の部位ＶＬ１、ＶＬ２における容量Ｃｇ１、Ｃｇ２が、１００ｐＦから５０ｐＦに小さくなっており、部位ＶＬ３、ＶＬ４における容量Ｃｇ３、Ｃｇ４が、１００ｐＦから１５０ｐＦに大きくなっている。

図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した等価回路モデルにおいて、金属導体１０７の各部位Ｒｇ１〜Ｒｇ４に誘起される電流の振幅の周波数特性をそれぞれ示したものである。図７（ｂ）に示すように、金属導体１０７の各部位に流れる電流の最大値は、−３４ｄＢ（図６のＩ（Ｒｇ１）〜Ｉ（Ｒｇ４）を参照）から、−３０ｄＢ（図７（ｂ）のＩ（Ｒｇ３）、Ｉ（Ｒｇ４）を参照）に増加している。これは、送電コイル１０２の部位ＶＬ３、ＶＬ４における容量Ｃｇ３、Ｃｇ４が、部位ＶＬ１、ＶＬ２における容量Ｃｇ１、Ｃｇ２よりも大きくなっているためである。

このような場合、容量Ｃｇ４が大きくなった部位ＶＬ４の電位を下げるのが有効である。図８（ａ）は、このような対策をとった場合の等価回路モデルを示したもので、部位ＶＬ４に接続するコンデンンサーＣ２の容量を、３１６ｎＦから７５０ｎＦに増加させている。このとき、コンデンサーＣ１、Ｃ２の合成容量が、送電コイル１０２とＬＣ共振回路を構成するように、コンデンサーＣ１の容量を２００ｎＦに設定している。

図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した等価回路モデルにおいて、各部位ＶＬ１〜ＶＬ４における電圧の振幅の周波数特性をそれぞれ示したものである。また、図９は、図８（ａ）に示した等価回路モデルにおいて、金属導体１０７の各部位Ｒｇ１〜Ｒｇ４に誘起される電流の振幅の周波数特性をそれぞれ示したものである。

図８（ｂ）に示すように、容量の大きいＣｇ４における部位ＶＬ４の電圧Ｖ（ＶＬ４）を相対的に下げて、容量の小さいＣｇ１における部位ＶＬ１の電圧Ｖ（ＶＬ１）を相対的に上げることによって、図９に示すように、金属導体１０７の各部位に流れる電流の最大値は、−３０ｄＢ（図７（ｂ）のＩ（Ｒｇ３）、Ｉ（Ｒｇ４）を参照）から、−３３ｄＢ（図９のＩ（Ｒｇ２）を参照）に低減されている。

以上、説明したように、本発明では、両端子に高周波電圧が入力される送電コイル１０２と、送電コイル１０２の近傍に配設された金属導体１０７と、送電コイル１０２の両端子にそれぞれ接続された第１のコンデンサーＣ１ａ及び第２のコンデンサーＣ１ｂとを備えたコイルユニットにおいて、第１のコンデンサーＣ１ａと第２のコンデンサーＣ１ｂの容量の比率を、送電コイル１０２に高周波電圧が入力されたとき、容量結合により金属導体１０７に誘起される電流が低減される値に設定することによって、誘起電流によって引き起こされる漏洩電磁界の影響を低減することができる。

また、本発明において、第１のコンデンサーＣ１ａの容量をＣ１、第２のコンデンサーＣ１ｂの容量をＣ２としたとき、Ｃ１とＣ２の容量の比率（Ｃ１／Ｃ２）は、送電コイル１０２に高周波電圧が入力されたとき、以下の（１）及び（２）の条件を満たすように設定されていることが好ましい。
（１）送電コイル１０２に対して直列接続された第１のコンデンサーＣ１ａと第２のコンデンサーＣ１ｂの合成容量［Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）］が一定である。
（２）Ｃ１＝Ｃ２のときよりも、容量結合により金属導体１０７に誘起される電流が小さい。

また、Ｃ１ａとＣ１ｂの容量の比率（Ｃ１／Ｃ２）は、上記（１）の条件を満たすとともに、以下の（３）の条件を満たすように、個々に設定されていることが好ましい。
（３）容量結合により金属導体に誘起される電流が最も小さい。

さらに、合成容量［Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）］をＣｓ、高周波電圧の周波数をｆ、送電コイル１０２のインダクタンスをＬとしたとき、ＬＣ共振回路を構成するために、ｆ＝１／２π（ＬＣｓ）^1/2の式を満たすことが好ましい。

なお、上記の説明では、送電側のコイルユニットについて説明したが、受電側のコイルユニットについても、本発明を適用することができる。

すなわち、両端子に高周波電圧が出力される受電コイル１０４と、受電コイル１０４の近傍に配設された金属導体１０８と、受電コイル１０４の両端子にそれぞれ接続された第１のコンデンサーＣ２ａ及び第２のコンデンサーＣ２ｂとを備えたコイルユニットにおいて、第１のコンデンサーＣ２ａと第２のコンデンサーＣ２ｂの容量の比率を、受電コイル１０４に高周波電圧が出力されたとき、容量結合により金属導体１０８に誘起される電流が低減される値に設定することによって、誘起電流によって引き起こされる漏洩電磁界の影響を低減することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、送電コイル１０２の両端子の電位Ｖ（ＶＬ１）、Ｖ（ＶＬ４）を適切に設定する手段として、図１に示したように、送電コイル１０２の両端子に第１及び第２コンデンサーＣ１ａ、Ｃ１ｂを設け、Ｃ１ａ、Ｃ１ｂの容量値を、容量結合により金属導体１０７に誘起される電流が低減される値に設定する方法を採用した。

本実施形態では、送電コイル１０２の両端子の電位Ｖ（ＶＬ１）、Ｖ（ＶＬ４）を適切に設定する他の手段について説明する。

図１０は、本発明の第２の実施形態における非接触電力伝送装置の構成を模式的に示した図である。なお、コイルユニット以外の構成は、図１に示した構成と同じあるため、説明を省略する。

図１０に示すように、本実施形態におけるコイルユニットは、両端子に高周波電圧が入力または出力される送電コイル１０２または受電１０４と、送電コイル１０２または受電コイル１０４の近傍に配置される金属導体１０７、１０８と、送電コイル１０２または受電コイル１０４に挿入されたコンデンサーＣ_Lとを備えている。

本実施形態では、コンデンサーＣ_Lを、送電コイル１０２または受電コイル１０４に挿入する位置を調整することによって、容量結合により金属導体１０７、１０８に誘起される電流が低減される値に設定される。

図１１は、本発明の第２の実施形態における非接触電力伝送装置の他の構成を模式的に示した図である。なお、コイルユニット以外の構成は、図１に示した構成と同じあるため、説明を省略する。

図１１に示すように、本実施形態におけるコイルユニットは、両端子に高周波電圧が入力または出力される送電コイル１０２または受電コイル１０４と、送電コイル１０２または受電コイル１０４の近傍に配置される金属導体１０７、１０８と、送電コイル１０２または受電コイル１０４が接地された部位Ｇとを備えている。

本実施形態では、送電コイル１０２または受電コイル１０４が接地される部位Ｇの位置を調整することによって、容量結合により金属導体１０７、１０８に誘起される電流が低減される位置に設定される。

以下、図１２〜図１４を参照しながら、コンデンサーＣ_Lを送電コイル１０２に挿入する位置を決定する手順を説明する。なお、ここでは、現象を分かりやすく説明するために、等価回路を用いた回路シミュレーションによる結果を示す。

図１２（ａ）は、送電コイル１０２と金属導体１０７の容量結合の等価回路モデルを示した図である。送電コイル１０２と金属導体１０７は、送電コイル１０２の各部位ＶＬ１〜ＶＬ４と容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４によって容量結合している。また、金属導体１０７は、各部位での抵抗Ｒｇ１〜Ｒｇ４で表している。

ここで、送電コイル１０２のインダクタンス（Ｌ）は４００μＨで、コンデンサーＣ_Lは、送電コイル１０２の中間点に挿入されている。これにより、送電コイル１０２は、コンデンサーＣ_Lによって、インダクタンス２００μＨの第１のコイルＬ１と第２のコイルＬ２とに分離されている。また、容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４は、全て１００ｐＦとしている。また、送電コイル１０２に挿入されたコンデンサーＣ_Lは、送電コイル１０２とＬＣ共振回路を構成するように、１５８ｎＦに設定されている。

図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示した等価回路モデルにおいて、送電コイル１０２の各部位ＶＬ１〜ＶＬ３における電圧の振幅Ｖ（ＶＬ１）〜Ｖ（ＶＬ３）、及び、金属導体１０７の各部位Ｒｇ１〜Ｒｇ３に誘起される電流の振幅Ｉ（Ｒｇ１）〜Ｉ（Ｒｇ３）の周波数特性をそれぞれ示している。なお、Ｒｇ４に誘起される電流の振幅Ｉ（Ｒｇ４）は、非常に小さい（−１４０ｄＢ以下）ため、グラフには表示していない。

図１２（ａ）に示した等価回路モデルでは、送電コイル１０２と金属導体１０７との結合容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４の大きさは、送電コイル１０２の各部位ＶＬ１〜ＶＬ４において、同じ値（１００ｐＦ）に設定しているが、実際には、送電コイル１０２や金属導体１０７の形状や、お互いの位置関係等で、必ずしも同じ値にはならない。

図１３（ａ）は、このような場合を想定した等価回路モデルを示したもので、送電コイル１０２の部位ＶＬ１、ＶＬ２における容量Ｃｇ１、Ｃｇ２が、１００ｐＦから５０ｐＦに小さくなっており、部位ＶＬ３、ＶＬ４における容量Ｃｇ３、Ｃｇ４が、１００ｐＦから１５０ｐＦに大きくなっている。

図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示した等価回路モデルにおいて、送電コイル１０２の各部位ＶＬ１〜ＶＬ３における電圧の振幅、及び金属導体１０７の各部位Ｒｇ１〜Ｒｇ３に誘起される電流の振幅Ｉ（Ｒｇ１）〜Ｉ（Ｒｇ３）の周波数特性をそれぞれ示している。なお、Ｒｇ４に誘起される電流の振幅Ｉ（Ｒｇ４）は、非常に小さい（−１３０ｄＢ以下）ため、グラフには表示していない。

図１３（ｂ）に示すように、金属導体１０７の各部位に流れる電流の最大値は、−３５ｄＢ（図１２（ｂ）のＩ（Ｒｇ２）、Ｉ（Ｒｇ３）を参照）から、−３０ｄＢ（図１３（ｂ）のＩ（Ｒｇ３）を参照）に増加している。これは、送電コイル１０２の部位ＶＬ３、ＶＬ４における容量Ｃｇ３、Ｃｇ４が、部位ＶＬ１、ＶＬ２における容量Ｃｇ１、Ｃｇ２よりも大きくなっているためである。

このような場合、送電コイル１０２に挿入されたコンデンサーＣ_Lの両端の部位ＶＬ２、ＶＬ３において、容量の小さいＣｇ２におけるＶＬ２の電圧を上げ、容量の大きいＣｇ３におけるＶＬ３の電圧を下げるのが有効である。

図１４（ａ）は、このような対策をとった場合の等価回路モデルを示したもので、コンデンサーＣ_Lの挿入位置を、第１のコイルＬ１及び第２のコイルＬ２のインダクタンスが、それぞれ３００μＨ、及び１００μＨに分離されるように設定されている。

図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示した等価回路モデルにおいて、送電コイル１０２の各部位ＶＬ１〜ＶＬ４における電圧の振幅、及び金属導体１０７の各部位Ｒｇ１〜Ｒｇ４に誘起される電流の振幅の周波数特性を、それぞれ示したものである。

図１４（ｂ）に示すように、容量の小さいＣｇ２におけるＶＬ２の電圧Ｖ（ＶＬ２）を相対的に上げ、容量の大きいＣｇ３におけるＶＬ３の電圧Ｖ（ＶＬ３）を相対的に下げることによって、金属導体１０７の各部位に流れる電流の最大値は、−３０ｄＢ（図１３（ｂ）のＩ（Ｒｇ３）を参照）から、−３６ｄＢ（図１４（ｂ）のＩ（Ｒｇ２）、Ｉ（Ｒｇ３）を参照）に低減されている。

次に、図１５〜図１７を参照しながら、送電コイル１０２が接地される部位Ｇの位置を決定する手順を説明する。

図１５（ａ）は、送電コイル１０２と金属導体１０７の容量結合の等価回路モデルを示した図である。送電コイル１０２と金属導体１０７は、送電コイル１０２の各部位ＶＬ１〜ＶＬ４と容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４によって容量結合している。また、金属導体１０７は、各部位での抵抗Ｒｇ１〜Ｒｇ４で表している。

ここで、送電コイル１０２のインダクタンス（Ｌ）は４００μＨで、送電コイル１０２が接地された部位Ｇによって、送電コイル１０２は、インダクタンス２００μＨの第１のコイルＬ１と第２のコイルＬ２とに分離されている。また、容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４は、全て１００ｐＦとしている。また、送電コイル１０２一方の端子には、送電コイル１０２とＬＣ共振回路を構成するコンデンサーＣ１（１５８ｎＦ）が直列に接続されている。

図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示した等価回路モデルにおいて、送電コイル１０２の各部位ＶＬ１、ＶＬ２、ＶＬ４における電圧の振幅、及び金属導体１０７の各部位Ｒｇ１〜Ｒｇ４に誘起される電流の振幅Ｉ（Ｒｇ１）〜Ｉ（Ｒｇ４）の周波数特性を、それぞれ示している。

図１５（ａ）に示した等価回路モデルでは、送電コイル１０２と金属導体１０７との結合容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４の大きさは、送電コイル１０２の各部位ＶＬ１〜ＶＬ４において、同じ値（１００ｐＦ）に設定しているが、実際には、送電コイル１０２や金属導体１０７の形状や、お互いの位置関係等で、必ずしも同じ値にはならない。

図１６（ａ）は、このような場合を想定した等価回路モデルを示したもので、送電コイル１０２の部位ＶＬ１、ＶＬ２における容量Ｃｇ１、Ｃｇ２が、１００ｐＦから５０ｐＦに小さくなっており、部位ＶＬ３、ＶＬ４における容量Ｃｇ３、Ｃｇ４が、１００ｐＦから１５０ｐＦに大きくなっている。

図１６（ｂ）は、図１６（ａ）に示した等価回路モデルにおいて、送電コイル１０２の各部位ＶＬ１、ＶＬ２、ＶＬ４における電圧の振幅、及び金属導体１０７の各部位Ｒｇ１〜Ｒｇ４に誘起される電流の振幅Ｉ（Ｒｇ１）〜Ｉ（Ｒｇ４）の周波数特性を、それぞれ示している。

図１６（ｂ）に示すように、金属導体１０７の各部位に流れる電流の最大値は、−３３ｄＢ（図１５（ｂ）のＩ（Ｒｇ１）〜Ｉ（Ｒｇ４）を参照）から、−３０ｄＢ（図１６（ｂ）のＩ（Ｒｇ３）、Ｉ（Ｒｇ４）を参照）に増加している。これは、送電コイル１０２の部位ＶＬ３、ＶＬ４における容量Ｃｇ３、Ｃｇ４が、部位ＶＬ１、ＶＬ２における容量Ｃｇ１、Ｃｇ２よりも大きくなっているためである。

このような場合、送電コイル１０２の両端子の部位ＶＬ１、ＶＬ４において、容量の小さいＣｇ１におけるＶＬ１の電圧を上げ、容量の大きいＣｇ４におけるＶＬ４の電圧を下げるのが有効である。

図１７（ａ）は、このような対策をとった場合の等価回路モデルを示したもので、送電コイル１０２の接地部位Ｇの位置を、第１のコイルＬ１及び第２のコイルＬ２のインダクタンスが、それぞれ３００μＨ、及び１００μＨに分離されるように設定されている。

図１７（ｂ）は、図１７（ａ）に示した等価回路モデルにおいて、送電コイル１０２の各部位ＶＬ１、ＶＬ２、ＶＬ４における電圧の振幅、及び金属導体１０７の各部位Ｒｇ１〜Ｒｇ４に誘起される電流の振幅の周波数特性を、それぞれ示したものである。

図１７（ｂ）に示すように、容量の小さいＣｇ１におけるＶＬ１の電圧Ｖ（ＶＬ１）を相対的に上げ、容量の大きいＣｇ４におけるＶＬ４の電圧Ｖ（ＶＬ４）を相対的に下げることによって、金属導体１０７の各部位に流れる電流の最大値は、−３０ｄＢ（図１６（ｂ）のＩ（Ｒｇ３）、Ｉ（Ｒｇ４）を参照）から、−３６ｄＢ（図１７（ｂ）のＩ（Ｒｇ１）〜Ｉ（Ｒｇ４）を参照）に低減されている。

以上、説明したように、本発明では、両端子に高周波電圧が入力される送電コイル１０２と、送電コイル１０２の近傍に配置される金属導体１０７と、送電コイル１０２に挿入されたコンデンサーＣ_Lとを備えたコイルユニットにおいて、送電コイル１０２は、コンデンサーＣ_Lによって、インダクタンスの大きさの異なる第１のコイルＬ１と第２のコイルＬ２とに分離されている。そして、第１のコイルＬ１と第２のコイルＬ２のインダクタンスの比率を、送電コイル１０２に高周波電圧が入力されたとき、容量結合により金属導体１０７に誘起される電流が低減される値に設定することによって、誘起電流によって引き起こされる漏洩電磁界の影響を低減することができる。

また、コンデンサーＣ_Lの容量をＣ_L、高周波電圧の周波数をｆ、送電コイル１０２のインダクタンスをＬとしたとき、ＬＣ共振回路を構成するために、ｆ＝１／２π（ＬＣ_L）^1/2の式を満たすことが好ましい。

また、本発明では、両端子に高周波電圧が入力される送電コイル１０２と、送電コイル１０２の近傍に配置される金属導体１０７と、送電コイル１０２が接地された部位Ｇとを備えたコイルユニットにおいて、送電コイル１０２は、送電コイル１０２が接地される部位Ｇによって、インダクタンスの大きさの異なる第１のコイルＬ１と第２のコイルＬ２とに分離されている。そして、第１のコイルＬ１と第２のコイルＬ２のインダクタンスの比率を、送電コイル１０２に高周波電圧が入力されたとき、容量結合により金属導体１０７に誘起される電流が低減される値に設定することによって、誘起電流によって引き起こされる漏洩電磁界の影響を低減することができる。

なお、上記の説明では、送電側のコイルユニットについて説明したが、受電側のコイルユニットについても、本発明を適用することができる。

本発明のコイルユニット及び非接触電力伝送装置は、例えば、携帯機器、電気推進車両などの非接触充電器として適用できる。

１０ 送電装置
２０ 受電装置
１０１ 高周波発振源
１０２ 送電コイル
１０４ 受電コイル
１０５ 負荷回路
１０７、１０８ 金属導体

Claims (11)

1. 電磁誘導により非接触で電力を送電するコイルユニットであって、
   両端子を有し、該両端子に高周波電圧が入力されるコイルと、
   前記コイルの近傍に配設された金属導体と、
   前記両端子のうち一方に直列接続された第１のコンデンサーと、
   前記両端子のうち他方に直列接続された第２のコンデンサーと、
   を備え、
   前記第１のコンデンサーの容量Ｃ１と前記第２のコンデンサーの容量Ｃ２の比率（Ｃ１／Ｃ２）は、前記コイルに高周波電圧が入力されたとき、合成容量［Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）］が一定であり、且つ、Ｃ１＝Ｃ２のときよりも、容量結合により前記金属導体に誘起される電流が小さくなるように設定されている、コイルユニット。
2. 前記比率（Ｃ１／Ｃ２）は、さらに、容量結合により前記金属導体に誘起される電流が最も小さくなるように設定されている、請求項１に記載のコイルユニット。
3. 前記合成容量［Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）］をＣｓ、前記高周波電圧の周波数をｆ、前記コイルのインダクタンスをＬとしたとき、以下の式を満たす、請求項１に記載のコイルユニット。
   ｆ＝１／２π（ＬＣｓ）^1/2
4. 前記コイルは、ケースに収容されており、前記金属導体は、前記ケースの少なくとも一部を構成する部材である、請求項１に記載のコイルユニット。
5. 電磁誘導により非接触で電力を受電するコイルユニットであって、
   両端子を有し、該両端子から高周波電圧が出力されるコイルと、
   前記コイルの近傍に配設された金属導体と、
   前記両端子のうち一方に直列接続された第１のコンデンサーと、前記両端子のうち他方に直列接続された第２のコンデンサーと、
   を備え、
   前記第１のコンデンサーの容量Ｃ１と前記第２のコンデンサーの容量Ｃ２の比率（Ｃ１／Ｃ２）は、前記コイルから高周波電圧が出力されたとき、合成容量［Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）］が一定であり、且つ、Ｃ１＝Ｃ２のときよりも、容量結合により前記金属導体に誘起される電流が小さくなるように設定されている、コイルユニット。
6. 前記コイルはケースに収容されており、前記金属導体は前記ケースの少なくとも一部を構成する部材である、請求項５に記載のコイルユニット。
7. 前記コイルは、車体に搭載されており、
   前記金属導体は、前記車体の少なくとも一部を構成する部材である、請求項５に記載のコイルユニット。
8. 電磁誘導により非接触で電力を送電するコイルユニットであって、
   両端子を有し、該両端子に高周波電圧が入力されるコイルと、
   前記コイルの近傍に配置される金属導体と、
   前記コイルに挿入されたコンデンサーと、
   を備え、
   前記コイルは、前記コンデンサーによって第１インダクタンスを有する第１のコイルと第２インダクタンスを有する第２のコイルとに分離されており、
   前記第１のコイルの第１インダクタンスと前記第２のコイルの第２インダクタンスの比率は、前記コイルに前記高周波電圧が入力されたとき、前記第１インダクタンスと前記第２インダクタンスとが等しいときよりも、容量結合により前記金属導体に誘起される電流が低減される値に設定されている、コイルユニット。
9. 電磁誘導により非接触で電力を受電するコイルユニットであって、
   両端子を有し、該両端子から高周波電圧が出力されるコイルと、
   前記コイルの近傍に配置される金属導体と、
   前記コイルに挿入されたコンデンサーと、
   を備え、
   前記コイルは、前記コンデンサーによって第１インダクタンスを有する第１のコイルと第２インダクタンスを有する第２のコイルとに分離されており、
   前記第１のコイルの第１インダクタンスと前記第２のコイルの第２インダクタンスの比率は、前記コイルから前記高周波電圧が出力されたとき、前記第１インダクタンスと前記第２インダクタンスとが等しいときよりも、容量結合により前記金属導体に誘起される電流が低減される値に設定されている、コイルユニット。
10. 電磁誘導により非接触で電力を送電するコイルユニットであって、
    両端子を有し、該両端子に高周波電圧が入力されるコイルと、
    前記コイルの近傍に配置される金属導体と、
    前記コイルが接地された部位と、
    を備え、
    前記コイルは、該コイルが接地される部位によって、第１インダクタンスを有する第１のコイルと第２インダクタンスを有する第２のコイルとに分離され、
    前記第１のコイルの第１インダクタンスと前記第２のコイルの第２インダクタンスの比率は、前記コイルに高周波電圧が入力されたとき、前記第１インダクタンスと前記第２インダクタンスとが等しいときよりも、容量結合により前記金属導体に誘起される電流が低減される値に設定されている、コイルユニット。
11. 電磁誘導により非接触で電力を受電するコイルユニットであって、
    両端子を有し、該両端子から高周波電圧が出力されるコイルと、
    前記コイルの近傍に配置される金属導体と、
    前記コイルが接地された部位と、
    を備え、
    前記コイルは、該コイルが接地される部位によって、第１インダクタンスを有する第１のコイルと第２インダクタンスを有する第２のコイルとに分離され、
    前記第１のコイルの第１インダクタンスと前記第２のコイルの第２インダクタンスの比率は、前記コイルから高周波電圧が出力されたとき、前記第１インダクタンスと前記第２インダクタンスとが等しいときよりも、容量結合により前記金属導体に誘起される電流が低減される値に設定されている、コイルユニット。
    

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