JP6358410B2 - Coil antenna, power transmission device and power reception device - Google Patents
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Description
本発明は、送電装置から受電装置へ電力をワイヤレスで伝送するワイヤレス電力伝送システムに関する。 The present invention relates to a wireless power transmission system that wirelessly transmits power from a power transmission device to a power reception device.
近年、ワイヤレス電力伝送システムにおいて、電力伝送効率の向上化および装置の小型化を進める研究開発が活発化している。 In recent years, research and development for improving power transmission efficiency and reducing the size of devices in a wireless power transmission system have become active.
磁界結合型のワイヤレス電力伝送システムにおいては、送電装置のコイルアンテナと受電装置のコイルアンテナとが互いに近接配置された状態で磁界結合する。そのため、送電装置のコイルアンテナと受電装置のコイルアンテナの位置関係が変化すると、そのずれに応じて電力伝送効率が変化する。 In a magnetic field coupling type wireless power transmission system, magnetic field coupling is performed in a state where a coil antenna of a power transmission device and a coil antenna of a power reception device are arranged close to each other. Therefore, when the positional relationship between the coil antenna of the power transmission device and the coil antenna of the power reception device changes, the power transmission efficiency changes according to the deviation.
特許文献1には、上記位置ずれによる電力伝送効率の変動を抑制するため、コイルアンテナのコイル導体の間隔が、コイル導体の外側で密に、内側で疎になるように巻回されたコイルアンテナが示されている。 Patent Document 1 discloses a coil antenna in which the coil conductors of the coil antenna are wound so that the interval between the coil conductors is dense on the outside of the coil conductor and sparse on the inside in order to suppress fluctuations in power transmission efficiency due to the above-described positional deviation. It is shown.
一般に、コイル導体の間隔を密になるように巻いた場合、コイル導体の単位長あたりのインダクタンスおよび寄生容量が大きくなる。これにより、コイル導体に生じる自己共振周波数は低下する。そして、自己共振周波数が電力伝送用の周波数と一致もしくは近接する関係となると、コイルアンテナのコイル導体全体に電流が流れなくなり、コイルアンテナが磁束を放射しなくなる。つまり、コイルアンテナのコイル導体に生じる自己共振は電力伝送に寄与しないので、自己共振周波数が電力伝送用の周波数と一致もしくは近接する関係となると、システムの電力伝送効率は著しく低下する。 In general, when the coil conductors are wound so as to be closely spaced, inductance and parasitic capacitance per unit length of the coil conductors are increased. As a result, the self-resonant frequency generated in the coil conductor is lowered. When the self-resonant frequency coincides with or is close to the power transmission frequency, no current flows through the entire coil conductor of the coil antenna, and the coil antenna does not emit magnetic flux. That is, since the self-resonance generated in the coil conductor of the coil antenna does not contribute to power transmission, the power transmission efficiency of the system is significantly reduced when the self-resonance frequency coincides with or is close to the power transmission frequency.
上述の問題は、特許文献1に示されるように、コイル導体が巻回範囲の外側で密、内側で疎、になるように巻回されたコイルアンテナに限らず、コイルアンテナの占有面積の縮小化のために、コイル導体間の間隔を全体的に狭くした場合でも同様に生じる。したがって、コイルアンテナの小型化は自己共振周波数によって制限を受ける。 The above-described problem is not limited to the coil antenna wound so that the coil conductor is dense outside and outside the winding range, as shown in Patent Document 1, but the area occupied by the coil antenna is reduced. For the sake of simplicity, the same occurs even when the interval between the coil conductors is reduced as a whole. Therefore, the miniaturization of the coil antenna is limited by the self-resonant frequency.
本発明の目的は、電力伝送効率の低下を抑制し、小型化に適したコイルアンテナ、それを備える送電装置および受電装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a coil antenna suitable for miniaturization, a power transmission device including the coil antenna, and a power reception device that suppress a decrease in power transmission efficiency.
(1)本発明のコイルアンテナは、ワイヤレス電力伝送システムを構成する送電装置と受電装置との結合に用いられるコイルアンテナであり、
巻回軸周りに巻回された複数のコイル導体を備え、
前記複数のコイル導体は、並列接続され且つ並列に巻回された並列部を有し、
前記並列部を構成する複数のコイル導体を直列接続した場合のコイル導体に生じるインダクタンスおよびキャパシタによる自己共振周波数をf0、前記コイルアンテナの自己共振周波数をf1、前記送電装置が送電する電圧・電流の周波数をf2でそれぞれ表すとき、f2<f1且つf0≦2f2であることを特徴とする。(1) The coil antenna of the present invention is a coil antenna used for coupling a power transmitting device and a power receiving device that constitute a wireless power transmission system,
A plurality of coil conductors wound around a winding axis;
The plurality of coil conductors have parallel portions connected in parallel and wound in parallel,
When the plurality of coil conductors constituting the parallel portion are connected in series, the self-resonant frequency due to the inductance and capacitor generated in the coil conductor is f0, the self-resonant frequency of the coil antenna is f1, and the voltage / current transmitted by the power transmission device When the frequencies are represented by f2, f2 <f1 and f0 ≦ 2f2, respectively.
上記構成により、コイル導体の並列部では、コイル導体は、ほぼ同電位部で隣接するので、実効的な寄生容量が生じず、コイルアンテナの自己共振周波数は高く維持できる。すなわち、コイル導体間の間隔が密となる部分を有しながらも、自己共振周波数が電力伝送用の周波数と一致もしくは近接する関係とはならない関係で使用できる。 With the above configuration, in the parallel portion of the coil conductors, the coil conductors are adjacent to each other at substantially the same potential portion, so that effective parasitic capacitance does not occur, and the self-resonant frequency of the coil antenna can be maintained high. That is, the self-resonant frequency can be used in a relationship that does not coincide with or close to the frequency for power transmission, while having a portion where the interval between the coil conductors is close.
また、並列部のコイル導体を直列接続したときのコイル導体に生じるインダクタンスおよびキャパシタによる自己共振周波数f0が、送電装置の送電する電圧・電流の周波数f2の2倍以下となる程度に、並列部のコイル導体間が狭いので、高い自己共振周波数を維持しながらも小型のコイルアンテナが構成される。 In addition, the inductance of the coil conductor when the coil conductors of the parallel part are connected in series and the self-resonance frequency f0 due to the capacitor are not more than twice the frequency f2 of the voltage / current transmitted by the power transmission device. Since the space between the coil conductors is narrow, a small coil antenna is configured while maintaining a high self-resonance frequency.
(2)前記コイル導体は、互いに隣接するコイル導体間の間隔が疎の部分と密の部分とを有し、前記並列部は前記密の部分で構成されていることが好ましい。これにより、コイル導体の並列部と並列部との間の寄生容量(すなわちコイルアンテナの自己共振周波数に影響を与える寄生容量)を相対的に小さくでき、その分、より小型化できる。 (2) It is preferable that the said coil conductor has a part where the space | interval between mutually adjacent coil conductors is a sparse part, and a dense part, and the said parallel part is comprised by the said dense part. Thereby, the parasitic capacitance between the parallel portions of the coil conductors (that is, the parasitic capacitance that affects the self-resonant frequency of the coil antenna) can be relatively reduced, and the size can be further reduced accordingly.
(3)上記(2)において、前記巻回軸からの径方向で、前記密の部分は前記疎の部分よりも遠い位置にあることが好ましい。これにより、結合相手のコイルアンテナとの相対的位置関係の広い範囲で、結合相手のコイルアンテナとの結合係数を安定化できる。 (3) In the above (2), it is preferable that the dense portion is located farther from the sparse portion in the radial direction from the winding shaft. Thereby, the coupling coefficient with the coil antenna of the coupling partner can be stabilized within a wide range of the relative positional relationship with the coil antenna of the coupling partner.
(4)上記(1)において、前記並列部のコイル導体の間隔は、当該並列部と当該並列部に隣接する他の並列部との間隔よりも狭いことが好ましい。これにより、コイル導体の占有面積を拡げることなく、寄生容量をより一層小さくできる。 (4) In said (1), it is preferable that the space | interval of the coil conductor of the said parallel part is narrower than the space | interval of the said parallel part and the other parallel part adjacent to the said parallel part. As a result, the parasitic capacitance can be further reduced without increasing the area occupied by the coil conductor.
(5)上記(1)において、外周寄りの前記並列部のコイル導体の間隔は、内周寄りの前記並列部のコイル導体の間隔よりも狭いことが好ましい。これにより、コイル導体の占有面積を拡げることなく、寄生容量をより一層小さくできる。 (5) In said (1), it is preferable that the space | interval of the coil conductor of the said parallel part near outer periphery is narrower than the space | interval of the coil conductor of the said parallel part near inner periphery. As a result, the parasitic capacitance can be further reduced without increasing the area occupied by the coil conductor.
(6)上記(1)において、隣接する前記並列部同士の間隔は、内周寄りよりも外周寄りのほうが狭いことが好ましい。これにより、コイル導体の占有面積を拡げることなく、寄生容量をより一層小さくできる。 (6) In said (1), it is preferable that the space | interval of the said adjacent parallel parts is narrower on the outer periphery side than on the inner periphery side. As a result, the parasitic capacitance can be further reduced without increasing the area occupied by the coil conductor.
(7)上記(1)から(6)のいずれかにおいて、前記周波数f0は前記周波数f2以下であることが好ましい。これにより、並列部のコイル導体間がさらに狭い関係となって、より小型のコイルアンテナが構成される。 (7) In any one of (1) to (6), the frequency f0 is preferably equal to or less than the frequency f2. As a result, the coil conductors in the parallel portion are further narrowed to form a smaller coil antenna.
(8)上記(1)から(7)のいずれかにおいて、前記周波数f2はHF帯であることが好ましい。HF帯は電力伝送に適した周波数帯であるが、このHF帯はコイルアンテナの自己共振周波数が近接しやすい周波数帯でもある。本発明によれば、自己共振周波数を高く維持できるので、コイルアンテナの自己共振周波数が送電装置の送電する電圧・電流の周波数に近接することによる問題は回避できる。 (8) In any one of (1) to (7), the frequency f2 is preferably in the HF band. Although the HF band is a frequency band suitable for power transmission, this HF band is also a frequency band in which the self-resonant frequency of the coil antenna is likely to be close. According to the present invention, since the self-resonant frequency can be maintained high, problems due to the self-resonant frequency of the coil antenna being close to the frequency of the voltage / current transmitted by the power transmission device can be avoided.
(9)本発明の送電装置は、送電装置から受電装置へワイヤレスで電力を伝送するワイヤレス電力伝送システムにおける送電装置であって、
前記受電装置との結合に用いられるコイルアンテナを備え、
前記コイルアンテナは、
巻回軸周りに巻回されたコイル導体を備え、
前記コイル導体は、並列接続され且つ並列に巻回された並列部を有し、
前記並列部のコイル導体を直列接続したときのコイル導体に生じるインダクタンスおよびキャパシタによる自己共振周波数をf0、前記コイルアンテナの自己共振周波数をf1、前記送電装置が送電する電圧・電流の周波数をf2でそれぞれ表すとき、f2<f1且つf0≦2f2であることを特徴とする。(9) A power transmission device of the present invention is a power transmission device in a wireless power transmission system that wirelessly transmits power from a power transmission device to a power reception device,
A coil antenna used for coupling with the power receiving device;
The coil antenna is
Comprising a coil conductor wound around a winding axis;
The coil conductor has a parallel portion connected in parallel and wound in parallel;
When the coil conductors of the parallel part are connected in series, the self-resonance frequency due to the inductance and the capacitor generated in the coil conductor is f0, the self-resonance frequency of the coil antenna is f1, and the frequency of the voltage / current transmitted by the power transmission device is f2. When expressed respectively, f2 <f1 and f0 ≦ 2f2.
上記構成により、小型でありながら電力伝送効率の高い送電装置が構成できる。 With the above configuration, it is possible to configure a power transmission device that is small and has high power transmission efficiency.
(10)本発明の受電装置は、送電装置から受電装置へワイヤレスで電力を伝送するワイヤレス電力伝送システムにおける受電装置であって、
前記送電装置との結合に用いられるコイルアンテナを備え、
前記コイルアンテナは、
巻回軸周りに巻回されたコイル導体を備え、
前記コイル導体は、並列接続され且つ並列に巻回された並列部を有し、
前記並列部のコイル導体を直列接続したときのコイル導体に生じるインダクタンスおよびキャパシタによる自己共振周波数をf0、前記コイルアンテナの自己共振周波数をf1、前記送電装置が送電する電圧・電流の周波数をf2でそれぞれ表すとき、f2<f1且つf0≦2f2であることを特徴とする。(10) The power receiving device of the present invention is a power receiving device in a wireless power transmission system that wirelessly transmits power from the power transmitting device to the power receiving device,
A coil antenna used for coupling with the power transmission device;
The coil antenna is
Comprising a coil conductor wound around a winding axis;
The coil conductor has a parallel portion connected in parallel and wound in parallel;
When the coil conductors of the parallel part are connected in series, the self-resonance frequency due to the inductance and the capacitor generated in the coil conductor is f0, the self-resonance frequency of the coil antenna is f1, and the frequency of the voltage / current transmitted by the power transmission device is f2. When expressed respectively, f2 <f1 and f0 ≦ 2f2.
上記構成により、小型でありながら電力伝送効率の高い受電装置が構成できる。 With the above configuration, it is possible to configure a power receiving device that is small and has high power transmission efficiency.
本発明によれば、電力伝送効率の低下を抑制し、小型化に適したコイルアンテナ、それを備える送電装置および受電装置が得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fall of electric power transmission efficiency is suppressed and the coil antenna suitable for size reduction, a power transmission apparatus provided with it, and a power receiving apparatus are obtained.
以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能である。第2の実施形態以降では第1の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。 Hereinafter, several specific examples will be given with reference to the drawings to show a plurality of modes for carrying out the present invention. In each figure, the same reference numerals are assigned to the same portions. In consideration of ease of explanation or understanding of the main points, the embodiments are shown separately for convenience, but the components shown in different embodiments can be partially replaced or combined. In the second and subsequent embodiments, description of matters common to the first embodiment is omitted, and only different points will be described. In particular, the same operation effect by the same configuration will not be sequentially described for each embodiment.
《第1の実施形態》
第1の実施形態では、コイルアンテナの一例について、各図を順次参照しながらその構造および作用を説明する。<< First Embodiment >>
In the first embodiment, the structure and operation of an example of a coil antenna will be described with reference to the drawings.
図1は第1の実施形態に係るコイルアンテナ10の平面図である。このコイルアンテナ10は、ワイヤレス電力伝送システムを構成する送電装置と受電装置との結合に用いられるコイルアンテナであり、送電装置または受電装置のいずれかまたは両方に設けられる。
FIG. 1 is a plan view of a
コイルアンテナ10は、絶縁性基材19と、この基材19に形成されたコイル導体とで構成される。
The
コイルアンテナ10は、巻回軸周りに巻回されたコイル導体11,12を備える。コイル導体11,12の巻回軸は、基材19の面に対して垂直方向を向く。図1中の点oは巻回軸が通る点である。
The
図2は、上記コイル導体11,12を、異なる線種で図示した平面図である。
FIG. 2 is a plan view illustrating the
コイル導体11は、第1端T11、第2端T21を有する矩形スパイラル状のコイルを構成している。また、コイル導体12は、第1端T12、第2端T22を有する矩形スパイラル状のコイルを構成している。コイル導体11の第1端T11とコイル導体12の第1端T12とは互いに接続されて、端子T1(図1参照)として用いられる。同様に、コイル導体11の第2端T21とコイル導体12の第2端T22とは互いに接続されて、端子T2(図1参照)として用いられる。このコイルアンテナ10の端子T1,T2が外部の回路に接続される。したがって、コイル導体11,12は並列接続されている。
The
この例では、コイル導体11,12は第1端T11,T12から第2端T21,T22まで全体が並列部で構成されている。図1において、並列部PP1a,PP1b,PP1c,PP1dは4辺に沿った外周部の並列部を示している。並列部PP2a,PP2b,PP2c,PP2dは4辺に沿った中間部の並列部を示している。並列部PP3a,PP3b,PP3c,PP3dは4辺に沿った内周部の並列部を示している。
In this example, the
図2において、線間距離dp1は外周部におけるコイル導体11とコイル導体12との間隔、線間距離dp2は中間部におけるコイル導体11とコイル導体12との間隔、線間距離dp3は内周部におけるコイル導体11とコイル導体12との間隔、をそれぞれ表している。また、容量Cp1は外周部においてコイル導体11とコイル導体12との間に生じる線間容量、容量Cp2は中間部においてコイル導体11とコイル導体12との間に生じる線間容量、容量Cp3は内周部においてコイル導体11とコイル導体12との間に生じる線間容量、をそれぞれ示している。
In FIG. 2, the inter-line distance dp1 is the distance between the
また、図2において、線間距離da1は外周部の並列部PP1aと中間部の並列部PP2aとの間隔であり、線間距離da2は中間部の並列部PP2aと内周部の並列部PP3aとの間隔である。容量Ca1は線間距離da1部分に生じる寄生容量であり、容量Ca2は線間距離da2部分に生じる寄生容量である。 In FIG. 2, the line distance da1 is the distance between the parallel part PP1a at the outer peripheral part and the parallel part PP2a at the intermediate part, and the line distance da2 is between the parallel part PP2a at the intermediate part and the parallel part PP3a at the inner peripheral part. Is the interval. The capacitance Ca1 is a parasitic capacitance generated at the line distance da1 portion, and the capacitance Ca2 is a parasitic capacitance generated at the line distance da2 portion.
図3はコイルアンテナ10の等価回路図である。ここで、インダクタL11a,L11bは、コイル導体11に生じるインダクタンスを集中定数回路的に表したインダクタである。同様に、インダクタL12a,L12bは、コイル導体12に生じるインダクタンスを集中定数回路的に表したインダクタである。キャパシタCpa,Cpbは、コイル導体11とコイル導体12との間に生じる線間容量を集中定数回路的に表したキャパシタである。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the
コイルアンテナ10のコイル導体11,12は図1,図2に示したとおり、第1端T11,T12から第2端T21,T22までの全体が並列部で構成されているので、コイル導体11,12の隣接する各位置での電位差はほぼ0である。すなわち、第1端T11,T12から第2端T21,T22まで、どの位置に着目しても、コイル導体11,12間の電位差はほぼ0である。したがって、上記線間容量(寄生容量)Cpa,Cpbへの印加電圧はほぼ0であって、インダクタL12a,L12bおよびキャパシタCpa,CpbのLC回路で共振は実質的に生じない。そのため、図1に示した、コイル導体11,12の並列部PP1a,PP1b,PP1c,PP1d,PP2a,PP2b,PP2c,PP2d,PP3a,PP3b,PP3c,PP3dの線間を狭くしても、これら並列部での自己共振は実質的に生じない。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
コイルアンテナ10の自己共振周波数は、上記並列部のインダクタンスと、隣接する並列部間の寄生容量Ca1,Ca2とで定まる。上記並列部のインダクタンスは2つのコイル導体11,12の並列接続回路であるので、合成インダクタンスは小さい。また、並列部間に生じる寄生容量Ca1,Ca2の領域は小さい(全ての線間に生じるのではなく、並列部間にしか生じない)ので、トータルの寄生容量は小さい。したがって、同じターン数の1つのスパイラル状コイル導体が設けられたコイルアンテナと比べて、コイルアンテナの自己共振周波数は高く定められる。
The self-resonant frequency of the
図7(A)、図7(B)は比較例のコイルアンテナ10Sの平面図である。図7(A)に示すコイルアンテナは、本実施形態のコイルアンテナ10の並列部を構成する複数のコイル導体を直列接続したものである。また、図7(B)は、コイル導体の巻き順を図7(A)に示したコイルアンテナ10Sから変更し、そのコイル導体のターン数を、図1、図2に示したコイルアンテナ10と同じにし、コイル導体が1つの矩形スパイラル状を成すように構成したものである。
7A and 7B are plan views of a
図8は、図7(B)に示したコイルアンテナ10Sの等価回路図である。ここで、インダクタLa,Lb,Lc,Ldは、コイル導体に生じるインダクタンスを集中定数回路的に表したインダクタである。キャパシタCa,Cb,Cc,Cdは、コイル導体の線間に生じる寄生容量を集中定数回路的に表したキャパシタである。このコイルアンテナ10Sの自己共振周波数は上記インダクタLa,Lb,Lc,LdおよびキャパシタCa,Cb,Cc,Cdで定まる。したがって、コイル導体のターン数が多くなる程、また、線間が狭くなる程、自己共振周波数は低くなる。
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of the
本発明においては、コイルアンテナを大型化することなく、自己共振周波数の低下を回避するうえで、上記並列部を構成するコイル導体の間隔、および並列部と並列部との間隔をどのように定めるかが重要である。本発明では上記関係を次のように規定する。 In the present invention, in order to avoid a decrease in the self-resonant frequency without increasing the size of the coil antenna, the interval between the coil conductors constituting the parallel portion and the interval between the parallel portion and the parallel portion is determined. Is important. In the present invention, the above relationship is defined as follows.
図1に示したコイルアンテナ10の並列部を構成する複数のコイル導体を、図7(A)に示したように直列接続した場合のコイル導体に生じるインダクタンスおよびキャパシタによる自己共振周波数(すなわちコイルアンテナ10Sの自己共振周波数)をf0、コイルアンテナ10の自己共振周波数をf1、送電装置が送電する電圧・電流の周波数をf2でそれぞれ表すとき、f2<f1且つf0≦2f2であること。また、f0≦f2でもよい。
The self-resonant frequency (that is, the coil antenna) due to the inductance and the capacitor generated in the coil conductor when a plurality of coil conductors constituting the parallel portion of the
本実施形態によれば、既に述べたとおり、並列部の線間は狭くしても自己共振周波数を低下させることはないので、並列部の線間を狭くし、並列部と並列部との間を拡げることで、自己共振周波数を定める第1変数である容量成分を小さくできる。また、コイル導体のインダクタンスも小さくなるので、自己共振周波数を定める第2変数である誘導成分も小さくできる。その結果、自己共振周波数を高めることができる。また、同じ自己共振周波数のもとではコイルアンテナを小型化できる。 According to the present embodiment, as already described, since the self-resonant frequency is not lowered even if the space between the parallel portions is narrowed, the space between the parallel portions is narrowed between the parallel portions and the parallel portions. By expanding this, the capacitance component, which is the first variable that determines the self-resonance frequency, can be reduced. Further, since the inductance of the coil conductor is also reduced, the inductive component that is the second variable that determines the self-resonant frequency can be reduced. As a result, the self-resonance frequency can be increased. In addition, the coil antenna can be miniaturized under the same self-resonant frequency.
本実施形態のコイルアンテナ10では、互いに隣接するコイル導体間の間隔が疎の部分と密の部分とを有し、並列部は密の部分で構成されている。すなわち、並列部のコイル導体間は狭く、並列部と並列部との間隔は広い。言い換えると、並列部のコイル導体の間隔は、当該並列部と当該並列部に隣接する他の並列部との間隔よりも狭い。このことにより、コイル導体11,12の占有面積を拡げることなく、寄生容量Ca1,Ca2をより一層小さくできる。本実施形態では、線間距離dp1,da1がdp1<da1の関係になるよう構成されている。
In the
また、本実施形態のコイルアンテナ10は、巻回軸からの径方向で、上記密の部分は上記疎の部分よりも遠い位置にある。すなわち、密の部分は外周寄りに位置し、疎の部分は内周寄りに位置するので、結合相手のコイルアンテナとの相対的位置関係の広い範囲で、結合相手のコイルアンテナとの結合係数が安定化される。言い換えると、隣接する並列部同士の間隔は、内周寄りよりも外周寄りのほうが狭い。また、並列部を構成するコイル導体において、外周寄りの並列部のコイル導体の間隔は、内周寄りの並列部のコイル導体の間隔よりも狭い。
In the
本実施形態では、線間距離dp1,dp2,dp3がdp1≦dp2≦dp3の関係となり、線間距離da1,da2がda1≦da2の関係となるよう構成されている。 In the present embodiment, the distances dp1, dp2, and dp3 between the lines have a relationship of dp1 ≦ dp2 ≦ dp3, and the distances between the lines da1 and da2 have a relationship of da1 ≦ da2.
なお、以上に示した例では、導体パターンによるコイル導体を絶縁性基材に形成することでコイルアンテナを構成したが、基材は必須ではなく、ワイヤー状のコイル導体で同様のコイルアンテナを構成してもよい。また、上記基材は、コイルアンテナ以外の回路が構成される配線基板であってもよい。 In the example shown above, the coil antenna is formed by forming the coil conductor with the conductor pattern on the insulating base material. However, the base material is not essential, and the same coil antenna is formed by the wire-shaped coil conductor. May be. Further, the substrate may be a wiring board on which a circuit other than the coil antenna is configured.
また、導体パターンによるコイル導体は、基材の異なる層に配置されていてもよい。ここで、コイル導体が基材の異なる層に配置された構造のコイルアンテナの部分断面図を図9に示す。このように、例えば、並列部のコイル導体が、それぞれ基材の異なる層に配置され、多層基板を構成してもよい。この場合、線間距離dp1,dp2,dp3は層間距離の成分を含んだ距離となる。 Moreover, the coil conductor by a conductor pattern may be arrange | positioned in the layer from which a base material differs. Here, FIG. 9 shows a partial cross-sectional view of a coil antenna having a structure in which coil conductors are arranged in different layers of a base material. Thus, for example, the coil conductors in the parallel portion may be arranged in different layers of the base material to constitute a multilayer substrate. In this case, the line-to-line distances dp1, dp2, and dp3 are distances including an interlayer distance component.
《第2の実施形態》
第2の実施形態ではワイヤレス電力伝送システムの例を示す。<< Second Embodiment >>
The second embodiment shows an example of a wireless power transmission system.
図4は第2の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム301の回路図である。ワイヤレス電力伝送システム301は送電装置101と受電装置201とで構成される。
FIG. 4 is a circuit diagram of a wireless
送電装置101は、送電用コイルアンテナLtと、この送電用コイルアンテナLtに直列接続された共振キャパシタCtとを含む。この送電用コイルアンテナLtと共振キャパシタCtとで共振回路110が構成される。また、送電装置101は、直流入力電圧Viを交流電圧に変換して上記共振回路110に印加するインバータ回路111を備える。インバータ回路111は、スイッチング素子Q1,Q2、キャパシタC11、ダイオードD1および駆動回路112を含む。駆動回路112は、スイッチング素子Q1,Q2をHF帯の動作周波数(例えば6.78MHz)で交互にオン/オフ駆動する。共振回路110の共振周波数はこの動作周波数またはその近傍の周波数である。
The
受電装置201は、受電用コイルアンテナLrと、この受電用コイルアンテナLrに並列接続された共振キャパシタCrとを含む。この受電用コイルアンテナLrと共振キャパシタCrとで共振回路210が構成される。受電用コイルアンテナLrと送電用コイルアンテナLtとは主に磁界結合する。また、受電装置201は、共振回路210に生じる交流電圧を直流電圧に変換する整流平滑回路211と、整流平滑回路211によって変換された直流出力電圧によって駆動される負荷Roとを備える。整流平滑回路211はダイオードブリッジ回路による整流回路212、平滑キャパシタC21,C22、および電圧レギュレータ回路213を含む。
The
共振回路210は上記動作周波数またはその近傍の周波数で並列共振する。共振回路210の共振電圧は整流回路212で全波整流され、平滑キャパシタC21,C22、および電圧レギュレータ回路213で平滑および安定化され、負荷Roへ所定の一定電圧Voが供給される。
The
図5、図6は、上記送電用コイルアンテナLtおよび受電用コイルアンテナLrの構成を示す斜視図である。図5に示す例では、送電用コイルアンテナLtは、第1の実施形態で示した構造のコイルアンテナ(コイルアンテナ10)であり、受電用コイルアンテナLrは通常のコイルアンテナである。図6に示す例では、受電用コイルアンテナLrが、第1の実施形態で示した構造のコイルアンテナ(コイルアンテナ10)であり、送電用コイルアンテナLtは通常のコイルアンテナである。いずれも、「通常のコイルアンテナ」は、コイル導体が単純なループ状またはスパイラル状を成しているものである。 5 and 6 are perspective views showing configurations of the power transmission coil antenna Lt and the power reception coil antenna Lr. In the example shown in FIG. 5, the power transmission coil antenna Lt is the coil antenna (coil antenna 10) having the structure shown in the first embodiment, and the power reception coil antenna Lr is a normal coil antenna. In the example shown in FIG. 6, the power receiving coil antenna Lr is the coil antenna (coil antenna 10) having the structure shown in the first embodiment, and the power transmitting coil antenna Lt is a normal coil antenna. In any case, the “ordinary coil antenna” is a coil conductor having a simple loop shape or spiral shape.
なお、送電用コイルアンテナ、受電用コイルアンテナの双方が第1の実施形態で示した構造のコイルアンテナであってもよい。いずれも構造でも、送電コイルアンテナと受電コイルアンテナは主に磁界結合し、主に磁界を介して電力が伝送される。 Note that both the coil antenna for power transmission and the coil antenna for power reception may be the coil antenna having the structure shown in the first embodiment. In either case, the power transmission coil antenna and the power reception coil antenna are mainly magnetically coupled, and power is transmitted mainly via the magnetic field.
上記コイルアンテナ10の並列部のコイル導体を直列接続したときのコイル導体に生じるインダクタンスおよびキャパシタによる自己共振周波数をf0、コイルアンテナ10の自己共振周波数をf1、送電装置101が送電する電圧・電流の周波数をf2でそれぞれ表すとき、f2<f1且つf0≦2f2である。また、f0≦f2でもよい。f0≦f2となるように、よりコイル導体を密に巻回することが可能である。ここで周波数f2は上記のとおり、6.78MHzである。
The self-resonant frequency due to the inductance and capacitor generated in the coil conductor when the coil conductors in the parallel part of the
このように、本発明のコイルアンテナは、送電用コイルアンテナ、受電用コイルアンテナのいずれにも利用できる。 Thus, the coil antenna of the present invention can be used for either a power transmission coil antenna or a power reception coil antenna.
本実施形態のコイルアンテナ10は、巻回軸からの径方向で、コイル導体間の間隔が密の部分は外周寄りに位置していて、疎の部分は内周寄りに位置している。一般的には、2つのコイルアンテナはそれらの巻回軸が一致して対面している状態で結合度が最も高くなり、その位置からずれる程、結合度は低下する傾向にある。しかし、本実施形態のコイルアンテナでは、結合相手のコイルアンテナとの相対的位置関係がずれるにしたがって、対面状態で近接するコイル導体の本数が増大する。そのことで、相対位置関係のずれによる結合度の低下傾向は抑制され、結合相手のコイルアンテナとの相対的位置関係の広い範囲で、結合相手のコイルアンテナとの結合係数が安定化される。
In the
《第3の実施形態》
図10は第3の実施形態に係るコイルアンテナ30の平面図である。このコイルアンテナ30は、ワイヤレス電力伝送システムを構成する送電装置と受電装置との結合に用いられるコイルアンテナであり、送電装置または受電装置のいずれかまたは両方に設けられる。<< Third Embodiment >>
FIG. 10 is a plan view of a
コイルアンテナ10は、絶縁性基材19と、この基材19に形成されたコイル導体とで構成される。
The
コイルアンテナ10は、巻回軸周りに巻回されたコイル導体11,12,13を備える。コイル導体11,12,13の巻回軸は、基材19の面に対して垂直方向を向く。図10中の点oは巻回軸が通る点である。
The
図11は、上記コイル導体11,12,13を、異なる線種で図示した平面図である。
FIG. 11 is a plan view illustrating the
コイル導体11は、第1端T11、第2端T21を有する矩形スパイラル状のコイルを構成している。コイル導体12は、第1端T12、第2端T22を有する矩形スパイラル状のコイルを構成している。また、コイル導体13は、第1端T13、第2端T23を有する矩形スパイラル状のコイルを構成している。コイル導体11の第1端T11とコイル導体12の第1端T12とコイル導体13の第1端T13とは互いに接続されて、端子T1(図10参照)として用いられる。同様に、コイル導体11の第2端T21とコイル導体12の第2端T22とコイル導体13の第2端T23とは互いに接続されて、端子T2(図10参照)として用いられる。このコイルアンテナ30の端子T1,T2が外部の回路に接続される。したがって、コイル導体11,12,13は並列接続されている。
The
図12は比較例であり、コイルアンテナ30の並列部のコイル導体を直列接続したコイルアンテナ30Sの平面図である。このコイルアンテナ30Sは、そのコイル導体のターン数が、図10、図11に示したコイルアンテナ30と同じであるが、コイル導体は単純な1つの矩形スパイラル状を成している。この場合、コイル導体のターン数が多くなり、また線間が狭くなるので、自己共振周波数は低くなる。しかし、第3の実施形態のコイルアンテナ30では、コイルアンテナ30Sと比較して自己共振周波数を高めることができる。
FIG. 12 is a comparative example, and is a plan view of a
本実施形態で示したように、並列接続するコイル導体は2本に限らず,3本であってもよいし、4本以上であってもよい。 As shown in this embodiment, the number of coil conductors connected in parallel is not limited to two, but may be three, or four or more.
《第4の実施形態》
図13は第4の実施形態に係るコイルアンテナ40の平面図である。このコイルアンテナ40は、ワイヤレス電力伝送システムを構成する送電装置と受電装置との結合に用いられるコイルアンテナであり、送電装置または受電装置のいずれかまたは両方に設けられる。<< Fourth Embodiment >>
FIG. 13 is a plan view of a
コイルアンテナ40は、絶縁性基材19と、この基材19に形成されたコイル導体とで構成される。
The
コイルアンテナ40は、巻回軸周りに巻回されたコイル導体11,12を備える。コイル導体11,12の巻回軸は、基材19の面に対して垂直方向を向く。図13中の点oは巻回軸が通る点である。
The
図14は、上記コイル導体11,12を、異なる線種で図示した平面図である。
FIG. 14 is a plan view illustrating the
コイル導体11は、第1端T11、第2端T21を有するスパイラル状のコイルを構成している。また、コイル導体12は、第1端T12、第2端T22を有するスパイラル状のコイルを構成している。コイル導体11の第1端T11とコイル導体12の第1端T12とは互いに接続されて、端子T1(図13参照)として用いられる。同様に、コイル導体11の第2端T21とコイル導体12の第2端T22とは互いに接続されて、端子T2(図13参照)として用いられる。このコイルアンテナ10の端子T1,T2が外部の回路に接続される。したがって、コイル導体11,12は並列接続されている。
The
第4の実施形態のコイルアンテナ40も、並列接続するコイル導体を有するため自己共振周波数を高めることができる。
Since the
本実施形態で示したように、コイル導体は円形スパイラル状であってもよいし、渦巻の形状はこれに限らない。また、直線と曲線を組み合わせた形状であってもよい。 As shown in the present embodiment, the coil conductor may have a circular spiral shape, and the shape of the spiral is not limited to this. Moreover, the shape which combined the straight line and the curve may be sufficient.
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。 Finally, the description of the above embodiment is illustrative in all respects and not restrictive. Those skilled in the art can make modifications and changes as appropriate. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments but by the claims. Furthermore, the scope of the present invention includes modifications from the embodiments within the scope equivalent to the claims.
C11…キャパシタ
C21,C22…平滑キャパシタ
Ca,Cb,Cc,Cd…キャパシタ
Ca1,Ca2…寄生容量
Cp1,Cp2,Cp3…線間容量
Cpa,Cpb…キャパシタ
Ct,Cr…共振キャパシタ
D1…ダイオード
da1,da2…線間距離
dp1,dp2,dp3…線間距離
L11a,L11b,L12a,L12b…インダクタ
La,Lb,Lc,Ld…インダクタ
Lr…受電用コイルアンテナ
Lt…送電用コイルアンテナ
PP1a,PP1b,PP1c,PP1d,PP2a,PP2b,PP2c,PP2d,PP3a,PP3b,PP3c,PP3d…並列部
Q1,Q2…スイッチング素子
Ro…負荷
T1,T2…端子
T11,T12…第1端
T21,T22…第2端
10,30,40…コイルアンテナ
10S,30S…コイルアンテナ
11,12,13…コイル導体
19…絶縁性基材
101…送電装置
110…共振回路
111…インバータ回路
112…駆動回路
201…受電装置
210…共振回路
211…整流平滑回路
212…整流回路
213…電圧レギュレータ回路
301…ワイヤレス電力伝送システムC11... Capacitors C21, C22... Smoothing capacitors Ca, Cb, Cc, Cd... Capacitors Ca1, Ca2... Parasitic capacitances Cp1, Cp2, Cp3. ... line distances dp1, dp2, dp3 ... line distances L11a, L11b, L12a, L12b ... inductors La, Lb, Lc, Ld ... inductor Lr ... power receiving coil antenna Lt ... power transmitting coil antennas PP1a, PP1b, PP1c, PP1d , PP2a, PP2b, PP2c, PP2d, PP3a, PP3b, PP3c, PP3d ... Parallel portions Q1, Q2 ... Switching elements Ro ... Loads T1, T2 ... Terminals T11, T12 ... First end T21, T22 ...
Claims (10)
巻回軸周りに巻回された複数のコイル導体を備え、
前記複数のコイル導体は、並列接続され且つ並列に巻回された並列部を有し、
前記並列部を構成する複数のコイル導体を直列接続した場合のコイル導体に生じるインダクタンスおよびキャパシタによる自己共振周波数をf0、前記コイルアンテナの自己共振周波数をf1、前記送電装置が送電する電圧・電流の周波数をf2でそれぞれ表すとき、f2<f1且つf0≦2f2であることを特徴とするコイルアンテナ。In a coil antenna used for coupling a power transmitting device and a power receiving device constituting a wireless power transmission system,
A plurality of coil conductors wound around a winding axis;
The plurality of coil conductors have parallel portions connected in parallel and wound in parallel,
When the plurality of coil conductors constituting the parallel portion are connected in series, the self-resonant frequency due to the inductance and capacitor generated in the coil conductor is f0, the self-resonant frequency of the coil antenna is f1, and the voltage / current transmitted by the power transmission device A coil antenna, wherein f2 <f1 and f0 ≦ 2f2 when the frequencies are represented by f2.
前記並列部は前記密の部分で構成されている、請求項1に記載のコイルアンテナ。The coil conductor has a sparse part and a dense part between adjacent coil conductors,
The coil antenna according to claim 1, wherein the parallel portion includes the dense portion.
前記受電装置との結合に用いられるコイルアンテナを備え、
前記コイルアンテナは、
巻回軸周りに巻回されたコイル導体を備え、
前記コイル導体は、並列接続され且つ並列に巻回された並列部を有し、
前記並列部のコイル導体を直列接続したときのコイル導体に生じるインダクタンスおよびキャパシタによる自己共振周波数をf0、前記コイルアンテナの自己共振周波数をf1、前記送電装置が送電する電圧・電流の周波数をf2でそれぞれ表すとき、f2<f1且つf0≦2f2であることを特徴とする、送電装置。A power transmission device in a wireless power transmission system that wirelessly transmits power from a power transmission device to a power reception device,
A coil antenna used for coupling with the power receiving device;
The coil antenna is
Comprising a coil conductor wound around a winding axis;
The coil conductor has a parallel portion connected in parallel and wound in parallel;
When the coil conductors of the parallel part are connected in series, the self-resonance frequency due to the inductance and the capacitor generated in the coil conductor is f0, the self-resonance frequency of the coil antenna is f1, and the frequency of the voltage / current transmitted by the power transmission device is f2. A power transmission device characterized by satisfying f2 <f1 and f0 ≦ 2f2, respectively.
前記送電装置との結合に用いられるコイルアンテナを備え、
前記コイルアンテナは、
巻回軸周りに巻回されたコイル導体を備え、
前記コイル導体は、並列接続され且つ並列に巻回された並列部を有し、
前記並列部のコイル導体を直列接続したときのコイル導体に生じるインダクタンスおよびキャパシタによる自己共振周波数をf0、前記コイルアンテナの自己共振周波数をf1、前記送電装置が送電する電圧・電流の周波数をf2でそれぞれ表すとき、f2<f1且つf0≦2f2であることを特徴とする、受電装置。A power receiving device in a wireless power transmission system that wirelessly transmits power from a power transmitting device to a power receiving device,
A coil antenna used for coupling with the power transmission device;
The coil antenna is
Comprising a coil conductor wound around a winding axis;
The coil conductor has a parallel portion connected in parallel and wound in parallel;
When the coil conductors of the parallel part are connected in series, the self-resonance frequency due to the inductance and the capacitor generated in the coil conductor is f0, the self-resonance frequency of the coil antenna is f1, and the frequency of the voltage / current transmitted by the power transmission device is f2. A power receiving device characterized by f2 <f1 and f0 ≦ 2f2, respectively.
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