JP6567329B2 - 共振器 - Google Patents
共振器 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6567329B2 JP6567329B2 JP2015116384A JP2015116384A JP6567329B2 JP 6567329 B2 JP6567329 B2 JP 6567329B2 JP 2015116384 A JP2015116384 A JP 2015116384A JP 2015116384 A JP2015116384 A JP 2015116384A JP 6567329 B2 JP6567329 B2 JP 6567329B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- coil
- resonator
- coils
- layer coil
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Description
A.第1実施形態:
A−1.無線給電システムの構成:
A−2.2層コイルの構成:
A−3.2層コイルの等価回路:
A−4.単層コイルにおけるインピーダンス特性:
A−5.2層コイルと単層コイルとの比較:
A−6.電力の伝送効率と第1の容量および第2の容量との関係:
B.第2実施形態:
C.第3実施形態:
D.第4実施形態:
E.第5実施形態:
F.第6実施形態:
G.第7実施形態:
H.変形例:
A−1.無線給電システムの構成:
図1は、本実施形態における無線給電システム100の構成を示す概略ブロック図である。無線給電システム100は、送電装置1と、受電装置2とを備えている。無線給電システム100では、磁界共振結合方式によって、送電装置1から受電装置2へと非接触(無線)で電力が伝送される。
図2および図3は、送電側共振器13に用いられる2層コイル30の構成を示す説明図である。図2には、2層コイル30の斜視図が示されている。また、図3には、2層コイル30を矢視A1(図2)の方向に視た平面図が示されている。2層コイル30は、外側コイル32と、内側コイル34と、外側コイル32と内側コイル34との層間に配置された誘電体36と、によって構成されている。なお、図2では、外側コイル32と内側コイル34との位置関係を分かりやすくするために、誘電体36の図示が省略されている。
図6は、2層コイル30を用いた送電側共振器13を含む等価回路の一例を示す説明図である。図6には、送電装置1における送電側共振器13および高周波電源11が示されている。高周波電源11は、発振器11aおよびインピーダンスZoの直列回路に相当し、送電側共振器13は、共振器等価回路13aに相当する。共振器等価回路13aは、インダクタンスLと第1の容量C1と抵抗Rとの直列回路13bと、当該直列回路13bに並列に接続された第2の容量C2とによって構成される。共振器等価回路13aの端子から見たインピーダンスZは、次の式(1)式で表される。
図7から図10までの各図は、単層コイルのインピーダンスの特性を示す説明図である。図7には、所定の導線で所定の巻数N1である単層コイルについての周波数にと交流抵抗との関係を表す曲線LN1と、周波数とリアクタンスとの関係を表す曲線LN2とが示されている。曲線LN1は、(1)式における実部のパラメータの変化の軌跡を表し、曲線LN2は、(1)式における虚部のパラメータの変化の軌跡を表す。図8には、図7におけるX1部の拡大図が示されている。上述したように、(1)式における虚部のリアクタンスが0になる周波数が共振周波数F11および反共振周波数F12である。図8に示すように、巻数N1の単層コイルの共振周波数F11における交流抵抗は、交流抵抗Rf1である。
次に、本実施形態の2層コイル30と比較例としての単層コイル40とを比較して、共振周波数F1に関連する各パラメータについて説明する。図11および図12は、比較例としての単層コイル40の構成を示す説明図である。図11には、単層コイル40の斜視図が示されている。また、図12には、単層コイル40を矢視A2(図11)の方向に視た平面図が示されている。単層コイル40の構成は、本実施形態の2層コイル30において、外側コイル32および誘電体36を省略した構成に相当する。すなわち、単層コイル40は、2層コイル30を構成する内側コイル34のみから構成されるソレノイドコイルに相当する。図11に示すように、単層コイル40の導線の直径は、内側コイル34と同じく、D1である。また、単層コイル40においてY軸方向に隣接する2つの導線間の距離は、内側コイル34と同じく、t1である。また、図12に示すように、単層コイル40のX軸に平行な方向(長辺に沿った方向)における内径は、L2である。単層コイル40のZ軸に平行な方向(短辺に沿った方向)における内径は、H2である。
次に、電力の伝送効率ηを向上させるための第1の容量C1および第2の容量C2の設定について説明する。伝送効率ηの最大値である最大伝送効率ηmaxと送電側共振器13のQ値であるQ1および受電側共振器20のQ値であるQ2との関係は、次の(6)、(7)式で表される。
第2実施形態では、第1実施形態で説明した誘電体36とは構成が異なる誘電体38を備える2層コイル30bについて説明する。図21は、第2実施形態における2層コイル30bのB1−B1断面(図2)の一部を示す概略断面図である。図21に示すように、2層コイル30bは、第1実施形態の2層コイル30に含まれる外側コイル32および内側コイル34と、誘電体38と、を有している。第2実施形態の2層コイル30bでは、後述する第7実施形態における2層コイル60と同様に、外側コイル32と内側コイル34とは、導線の巻き方向が互いに反対向きになるように配置されている。そのため、図21に示されているように、外側コイル32を構成する導線と、内側コイル34を構成する導線とは、Z軸方向において位置が揃っている。誘電体38は、外側コイル32の線材の間(以下、線間とも言う)と、内側コイル34の線材の間(以下、線間とも言う)と、に配置される。外側コイル32の線間に配置された誘電体38と、内側コイル34の線間に配置された誘電体38とは一体的に形成されている。誘電体38は、Y軸方向に延びる筒形状を有しており、Y軸に直交するXZ平面における断面が、外側コイル32と内側コイル34と同様に、矩形枠形状である。誘電体38は、Z軸方向における幅が、少なくとも、2・D1+t2であり、Y軸方向における厚さがt1である。誘電体38は、第1実施形態の誘電体36と同じように、セラミックス材料によって形成されている。誘電体38を有することによって、2層コイル30bは、外側コイル32の線間および内側コイル34の線間において、大きな容量成分を有することができる。また、共振器に発生する電界の外部への漏洩を抑制できる。第2実施形態における誘電体38は、本発明における第2の誘電体部の下位概念に相当する。なお、誘電体38は、外側コイル32または内側コイル34の線間に配置されていれば良く、外側コイル32の線間に配置された誘電体38と、内側コイル34の線間に配置された誘電体38とは別体として形成されていても良い。
第3実施形態の2層コイル30cでは、外側コイル32の線材に対する内側コイル34の線材の相対位置が異なっており、2つの誘電体38a,38bが配置されている。図22は、第3実施形態の2層コイル30cにおけるB1−B1断面(図2)の一部を示す概略断面図である。図22に示すように、2層コイル30cは、第1実施形態の2層コイル30と同様な外側コイル32と、外側コイル32の内側に配置され、第1実施形態の内側コイル34よりも径がわずかに大きい内側コイル34aと、を有している。内側コイル34aの線材は、第2実施形態の内側コイル34と同じ直径D1を有する導線であり、YZ平面において、Z方向に外側コイル32の線材と重複しない位置に配置される。外側コイル32と内側コイル34aとの層間の間隔t3は、第2実施形態におけるt2よりも小さい。外側コイル32の線間には誘電体38aが配置され、内側コイル34aの線間には誘電体38bが配置されている。誘電体38a,38bは、第2実施形態の誘電体38と同じように、セラミックス材料によって形成されている。なお、第3実施形態では、外側コイル32と内側コイル34aとの層間には誘電体は配置されていない。誘電体38a,38bは、略矩形状の断面を有しており、のY軸に沿った長さはt1であり、誘電体38a,38bのZ軸に沿った長さは、外側コイル32および内側コイル34aの導線の直径と同じD1である。誘電体38aは、外側コイル32の線材に平行に配置可能なように、中心軸OLを中心としてらせん状に巻かれた形状を有している。同じように、誘電体38bは、内側コイル34aの線材に平行に配置可能なように、中心軸OLを中心としてらせん状に巻かれた形状を有している。
第4実施形態の2層コイル30dでは、導線の外側に誘電体層39がコーティングされている。図23は、第4実施形態の2層コイル30dにおけるB1−B1断面(図2)の一部を示す概略断面図である。図23に示すように、2層コイル30dは、外側コイル31と、内側コイル33と、を有している。外側コイル31は、外側が誘電体層39によってコーティングされた線材によって構成されている点以外は、第1実施形態の外側コイル32と同じである。内側コイル33は、外側が誘電体層39によってコーティングされた線材によって構成されている点以外は、第3実施形態の内側コイル34aと同じである。外側コイル31と内側コイル33とは、それぞれの誘電体層39同士が接するように配置されている。図23に示すように、外側コイル31および内側コイル33における誘電体層39の厚さはそれぞれ、t4である。また、外側コイル31と内側コイル33との層間の間隔は、第3実施形態と同じく、t3である。誘電体層39の厚さt4は、外側コイル31と内側コイル33との層間の長さt3の半分である。
第5実施形態では、2層コイル30eを構成する導線の断面が円形状ではなく、矩形状(略四角形状)に形成されている。図24は、第5実施形態における2層コイル30eのB1−B1断面(図2)の一部を示す説明図である。図24に示すように、2層コイル30eは、外側コイル32aと、内側コイル34bとを有している。外側コイル32aおよび内側コイル34bの導線は、第1実施形態と異なり、矩形状の断面を有している。外側コイル32aおよび内側コイル34bの導線の断面は、一辺の長さがそれぞれD1の略正方形形状を有している。外側コイル32aおよび内側コイル34bの線間の距離は、t3である。また、外側コイル32aと内側コイル34bとの層間の距離も、外側コイル32aおよび内側コイル34bの線間と同様に、t3である。第5実施形態の共振器では、2層コイル30eにおける外側コイル32aおよび内側コイル34bの導線の断面が矩形状であるため、外側コイル32aおよび内側コイル34bのそれぞれの線間における浮遊容量と、外側コイル32aと内側コイル34bとの層間における浮遊容量の両方を大きくできる。これにより、2層コイル30eの巻数を小さくできるため、共振器を小型化できる。また、共振器に発生する電界の外部への漏洩を抑制できる。
図25〜図27を参照して、本発明における第6実施形態における共振器が有する2層コイル50の構成を説明する。図25は、第6実施形態における2層コイル50の構成を示す概略斜視図である。図26は、第6実施形態における2層コイル50の2つのコイル51,52を分解して示す概略分解斜視図である。図27は、第6実施形態における2層コイル50を、中心軸OLに沿って、第1のコイル51から第2のコイル52に向かう方向に視たときの概略平面図である。図25〜図27には、2層コイル50の中心軸OLが一点鎖線で図示されている。また、図26および図27では、便宜上、接続端子53の図示が省略されている。
図31および図32を参照して、第7実施形態における共振器が有する2層コイル60の構成を説明する。図31は、第7実施形態における2層コイル60を示す概略斜視図である。図32は、第7実施形態における2層コイル60を、2つのコイル61,62に分解して示す概略分解斜視図である。図31および図32には、図2と同様に、X軸、Y軸、Z軸および中心軸OLが図示されている。
H1.変形例1
上記実施形態では、複数のコイルとして、2層コイルを例に挙げて説明したが、他の実施形態では、3層以上のコイルであってもよい。例えば、第1実施形態の2層コイル30の内側コイル34の内側に、さらに、中心軸OLを中心として外側コイル32と同じ方向に巻かれたコイルを用いた3層コイルであってもよい。第5実施形態における2層コイル50のように、第1と第2のコイル51,52がスパイラルコイルによって構成されている場合には、第1のコイル51または第2のコイル52に第3のスパイラルコイルが積層されてもよい。
上記実施形態では、2層コイルを構成する各コイルにおける導線の材料や断面形状、巻数が同じであったが、各コイルの構成は、互いに異なっていてもよく、それぞれに種々の変形が可能である。例えば、2層コイルを構成する2つのコイル同士で導線の巻数が異なっていてもよいし、導線の太さや断面形状が異なっていてもよい。また、コイルが巻かれる中心軸が同じ中心軸OLでなくてもよい。また、各コイルにおいて、導線は矩形形状や円形形状以外の形状を描くように巻かれていてもよい。コイルの導線の断面形状についても、円状や矩形状に限られず、略三角形状などの他の形状であってもよい。第5実施形態のように、複数のコイルとして、スパイラルコイルが用いられてもよい。形状が互いに異なる複数のコイルが組み合わされて用いられてもよい。
上記実施形態では、誘電体の配置について一例を挙げて説明したが、誘電体の配置構成については、種々の変形が可能である。例えば、複数のコイルのそれぞれの線間および層間に誘電体が配置されてもよいし、一部に配置されてもよい。また、外側コイルのさらに外側や、内側コイルのさらに内側に誘電体が配置されてもよい。第2実施形態、第3実施形態、第4実施形態において説明した誘電体の構成は、それぞれ第5実施形態や第6実施形態に適用されてもよい。
上記の第1実施形態では、第1の容量C1と第2の容量C2の容量比Crが0.8以上になるように2層コイル30を構成することによって、Q値を100以上にしている。これに対して、2層コイル30は、第1の容量C1と第2の容量C2の容量比Crが0.8以上になるように構成されていればよく、それによって、Q値が100以上になっていなくてもよい。
上記の第1実施形態では、2層コイル30は、第1の容量C1と第2の容量C2の容量比Crが0.8以上になるように構成されている。これに対して、2層コイル30は、容量比Crが0.8以上になっていなくてもよく、Q値が100以上になるような第1の容量C1と第2の容量C2とを有していれば良い。
上記第5実施形態および第6実施形態の構成において、第1実施形態で説明したように、2層コイル50,60は、Q値が100以上になるような第1の容量C1と第2の容量C2を有するように構成されていてもよい。あるいは、2層コイル50,60は、第1の容量C1と第2の容量C2の容量比Crが0.8以上になるように構成されていてもよい。
上記第5実施形態においては、中心軸OLに沿って見たときに、2つのコイル51,52の導線が互いに重なりあっている。これに対して、中心軸OLに沿って見たときに、2つのコイル51,52の導線は完全に重なり合っていなくてもよく、わずかにずれていてもよい。2つのコイル51,52の導線は近接した状態で並列に延伸している部位を有していればよい。第6実施形態の2層コイル60においても同様である。
2…受電装置
11…高周波電源
11a…発振器
12…整合回路
13…送電側共振器
13a…共振器等価回路
13b…直列回路
14…無線通信部
15…制御部
20…受電側共振器
21…整合回路
22…整流器
23…バッテリ
24…負荷回路
25…無線通信部
26…制御部
31,32,32a…外側コイル
33,34,34a,34b…内側コイル
36,38,38a,38b,39…誘電体
40…単層コイル
50,50a,60…2層コイル
51,52,61,62…コイル
53…接続端子
100…無線給電システム
L…インダクタンス
R…抵抗
Z,Zo…インピーダンス
k…結合係数
kQ1…積
η…伝送効率
ηmax…最大伝送効率
C1…第1の容量
C2…第2の容量
Cr…容量比
F1,F11,F21…共振周波数
F2,F12…反共振周波数
Rf1,Rf2…交流抵抗
N1,N2…巻数
OL…中心軸
Claims (10)
- 主に磁場の共鳴を利用して送電側の共振器から受電側の共振器に電力を伝送する無線給電システムに用いられる共振器において、
導体で形成され、離間して配置される複数のコイルを備え、
前記複数のコイル全体を等価回路で表したとき、前記等価回路の共振周波数と反共振周波数とに関係する第1の容量成分と、前記反共振周波数に関係する成分である第2の容量成分とが、前記共振周波数におけるQ値が100以上になるような所定の値である、共振器。 - 請求項1に記載の共振器において、
前記等価回路は、インダクタ成分と抵抗成分と前記第1の容量成分とが直列に接続されている直列回路と、前記直列回路に並列に接続されている前記第2の容量成分と、によって表される、共振器。 - 請求項1または請求項2に記載の共振器において、
前記第1の容量成分に対する前記第2の容量成分の比が、0.8以上になるように、前記複数のコイルが構成されている、共振器。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の共振器において、さらに、
前記複数のコイルの間に配置される第1の誘電体部を備える、共振器。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の共振器において、さらに、
前記複数のコイルのうちの少なくとも1つは、当該コイルを構成する線材の間に配置される第2の誘電体部を備える、共振器。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の共振器において、
前記複数のコイルのうちの少なくとも1つは、断面が四角状の線材によって形成される、共振器。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の共振器において、
前記複数のコイルは、少なくとも、互いに隣り合って配置される第1と第2のコイルを含み、
前記第1と第2のコイルは、前記第1のコイルを構成する第1の線材の巻き方向と、前記第2のコイルを構成する第2の線材の巻き方向と、が一致するとともに、前記第1と第2の線材同士が近接した状態で並列に延伸する部位を有するように配置されており、
前記第1と第2のコイルには、前記第1と第2の線材が並列に延伸している部位において、前記第1と第2の線材に流れる電流の向きが同じになるように電流が流される、共振器。 - 請求項7に記載の共振器において、
前記第1と第2のコイルは、スパイラルコイルであり、
前記第1のコイルは、第2のコイルに積層されており、
前記第1と第2のコイルの積層方向に沿って見たときに、前記第1と第2の線材が並列に延伸している部位において、前記第1と第2の線材同士が互いに重なり合う、共振器。 - 請求項7に記載の共振器において、
前記第1と第2のコイルは、ソレノイドコイルであり、
前記第2のコイルは、前記第1のコイルの内側に配置されており、
前記第1と第2のコイルの径方向に見たときに、前記第1と第2の線材が並列に延伸している部位において、前記第1と第2の線材同士が互いに重なり合う、共振器。 - 主に磁場の共鳴を利用して送電側の共振器から受電側の共振器に電力を伝送する無線給電システムに用いられる共振器において、
導体で形成され、離間して配置される複数のコイルを備え、
前記複数のコイル全体を等価回路で表したとき、前記等価回路の共振周波数と反共振周波数とに関係する第1の容量成分に対する前記反共振周波数に関係する成分である第2の容量成分の比の値が、0.8以上になるように、前記複数のコイルが構成されている、共振器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015116384A JP6567329B2 (ja) | 2014-06-20 | 2015-06-09 | 共振器 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014126772 | 2014-06-20 | ||
JP2014126772 | 2014-06-20 | ||
JP2015116384A JP6567329B2 (ja) | 2014-06-20 | 2015-06-09 | 共振器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016021852A JP2016021852A (ja) | 2016-02-04 |
JP6567329B2 true JP6567329B2 (ja) | 2019-08-28 |
Family
ID=55266365
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015116384A Active JP6567329B2 (ja) | 2014-06-20 | 2015-06-09 | 共振器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6567329B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110383404B (zh) * | 2017-03-10 | 2022-05-17 | 三菱电机工程技术株式会社 | 谐振型电力传输用线圈 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5347446B2 (ja) * | 2008-11-18 | 2013-11-20 | 株式会社ジェイテクト | 基板形複層コイル及び変位センサ装置 |
KR101842180B1 (ko) * | 2010-12-24 | 2018-03-26 | 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 | 급전 장치 및 급전 장치를 구비한 비접촉 급전 시스템 |
JP2014023324A (ja) * | 2012-07-19 | 2014-02-03 | Sanyo Electric Co Ltd | 電力搬送装置 |
-
2015
- 2015-06-09 JP JP2015116384A patent/JP6567329B2/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2016021852A (ja) | 2016-02-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10158256B2 (en) | Contactless connector system tolerant of position displacement between transmitter coil and receiver coil and having high transmission efficiency | |
JP5934935B2 (ja) | 無線電力伝送システム | |
JP5054113B2 (ja) | 誘導電力伝送回路 | |
US9466418B2 (en) | Multi-band and broadband wireless power transfer through embedded geometric configurations | |
JP2010063324A (ja) | 誘導電力伝送回路 | |
JP2009278837A (ja) | 誘導電力伝送システム | |
US20190386389A1 (en) | Antenna device, communication system, and electronic apparatus | |
CN104521100B (zh) | 无线电力传输装置、供电装置以及受电装置 | |
KR101174400B1 (ko) | 공명형 무선전력전송을 위한 공간 적응형 자기 공진기 | |
JPWO2019176636A1 (ja) | アンテナ装置、通信システム、及び電子機器 | |
JP2018011475A (ja) | 受信装置及び無線伝送システム | |
JP6164720B2 (ja) | 結合共振器型の無線電力伝送システム | |
JP6567329B2 (ja) | 共振器 | |
JP6611804B2 (ja) | 共振型電力伝送用コイル | |
JP6544441B2 (ja) | 電力伝送用アンテナ装置、電子機器および電力伝送システム | |
JP2016004990A (ja) | 共振器 | |
JP6044865B2 (ja) | 誘導電力伝送システム | |
JP2015220891A (ja) | 共振器及び無線給電システム | |
WO2024009485A1 (ja) | 電力伝送コイル | |
JP2012039674A (ja) | 共鳴コイル | |
JP6774894B2 (ja) | 電磁界共鳴型カップラ | |
JP2012023298A (ja) | 共鳴コイル | |
JP2012023927A (ja) | 共鳴コイル |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180322 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190129 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190205 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190306 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190702 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190731 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6567329 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |