JP2013208012A - アンテナコイルユニット及び磁界共鳴式給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】給電回路と受電回路とが対向する位置の許容差が大きく、高い伝送効率を有する磁界共鳴式のワイヤレス給電技術を実現する。
【解決手段】給電回路及び前記受電回路の少なくとも一方に備えられるアンテナコイルユニット８が、基準軸Ｘ１周りに導体線４０を周回させて構成されたアンテナコイル４を複数備え、これら複数のアンテナコイル４が互いに同位相の磁束を形成する向きであって、基準軸Ｘ１が互いに平行する状態で隣り合うように、複数のアンテナコイルを並べて構成される。
【選択図】図１３

Description

本発明は、磁界共鳴式のワイヤレス給電に用いられるアンテナコイルユニット及びこのアンテナコイルユニットを用いた磁界共鳴式給電システムに関する。

携帯電話機、個人情報端末（ＰＤＡ）、電動アシスト自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車など、一箇所に据え置かれることなく移動可能な電気機器や電動装置は、外部から電源を供給されることなく動作可能なように、内部に電池などの蓄電装置を有している。近年、このような機器や装置に搭載された蓄電装置を充電する技術の開発が進められている。多くの場合、この充電は、例えば、機器や装置に設けられた充電口と、電力供給装置とをケーブル等で接続することによって行われる。

しかし、近年、このようなケーブルを用いることなくワイヤレスで、つまり非接触で電力を供給する技術が注目されている。非接触で電力を供給する技術の１つに、磁界共鳴を利用したものがある。磁界共鳴は、共通の固有振動数（共振周波数）を有した一対の共振回路、例えば電力供給設備側の共振回路と、機器や装置側の共振回路とを磁界を介して共鳴させ、この磁界を介して電力を伝送する技術である。この共振回路は、通常ＬＣ共振器により構成され、Ｌ（インダクタンス）はアンテナとなるアンテナコイル（共振コイル）によって実現される。磁界共鳴を利用した電力伝送において高い伝送効率を得るためには、給電側の共振回路に備えられる共振コイルと、受電側の共振回路に備えられる共振コイルとが、比較的精度良く対向する必要がある。ここで、例えば給電側又は受電側の共振回路に備えられるコイルユニットが複数の共振コイルを有していれば、給電側の共振コイルと受電側の共振コイルとの対向精度の許容差を大きくすることが可能である。

特開２００９−１０６１３６号公報（特許文献１）には、磁界共鳴を利用して車両外部の電源から車両に非接触で給電する際に、給電側及び受電側の共振回路に備えられるコイルユニットの少なくとも一方が複数の共振コイルを有している構成が開示されている（特許文献１：図１７〜図１８等）。但し、特許文献１のコイルユニットには、給電側の共振回路と受電側の共振回路とを結合させるための空間以外の磁界の強度を抑制するために複数の共振コイルが備えられている、つまり、このコイルユニットには、１つの共振コイルに生じる磁界とその他の少なくとも１つの共振コイルに生じる磁界とが互いに逆位相となるように複数の共振コイルが配置されている。例えば２つの共振コイルの距離が無視できる程度の遠方においては、両共振コイルからの距離がほぼ等価となり、磁束が相殺されて磁界の強さをほぼゼロとすることができるので漏洩磁束を抑制することができる。しかし、２つの共振コイルの間においても、両共振コイルからの距離が等価となる位置が存在する（特許文献１：第７０，９０〜９３段落、図１１〜図１２等）。このため、２つの共振コイルの間のちょうど中央、換言すればコイルユニットの中央においても磁束が相殺されてしまうことになる。つまり、給電側の共振コイルと受電側の共振コイルとの対向位置によっては極めて磁界が弱くなる場所（不感帯）を生じさせる場合がある。従って、特許文献１の構成では、必ずしも、対向する共振コイルの対向精度の許容差が大きくなるとは言えない。

特開２０１１−２３４４９６号公報

上記背景に鑑みて、磁界共鳴式のワイヤレス給電において、給電回路と受電回路とが対向する位置の許容差が大きく、高い伝送効率を有する技術が望まれる。

上記課題に鑑みて、給電回路及び受電回路に備えられた共振回路を磁界を介して共鳴させる磁界共鳴方式によりワイヤレス給電を行うために前記給電回路及び前記受電回路の少なくとも一方に備えられるアンテナコイルユニットが、以下のように提示される。即ち、本発明に係るアンテナコイルユニットの特徴構成は、基準軸周りに導体線を周回させて構成されたアンテナコイルを複数備え、当該複数のアンテナコイルが互いに同位相の磁束を形成する向きであって、前記基準軸が互いに平行する状態で隣り合うように、前記複数のアンテナコイルを並べて構成されている点にある。

この特徴構成によれば、給電回路及び受電回路の少なくとも一方に、複数のアンテナコイルを有して構成されたアンテナコイルユニットが備えられる。従って、給電回路と受電回路とが対向する方向に沿った方向に見て、給電回路のアンテナコイルと受電回路のアンテナコイルとが重複する相対位置が広い範囲に分布することになる。即ち、給電回路と受電回路とが対向する位置の許容差が大きくなる。また、本特徴構成によれば、並べて配置される複数のアンテナコイルは、互いに同位相の磁束を形成する向きであって、導体線が周回する基準軸が互いに平行する状態で隣り合う。従って、アンテナコイルが隣り合う側においても両アンテナコイルから生じる磁束が相殺されることはない。このため、例えばアンテナコイルユニットが２つのアンテナコイル（例えば「コイルＡ」と「コイルＢ」）で構成され、コイルＡのコイルＢから離間した側の位置（例えば「位置Ａ」）から、コイルＡとコイルＢとの間の位置（例えば「位置ＡＢ」）を経て、コイルＢのコイルＡから離間した側の位置（例えば「位置Ｂ」）までの比較的広い範囲において、磁気共鳴を媒介する磁界を出現させることができる。つまり、本特徴構成によれば、不感帯を生じさせることなく広い共鳴範囲を提供することができる。このように、本特徴構成によれば、給電回路と受電回路とが対向する位置の許容差が大きく、高い伝送効率を有する磁界共鳴式のワイヤレス給電を実現することができる。

ここで、本発明に係るアンテナコイルユニットが、前記複数のアンテナコイルが直列接続されて構成されていると好適である。磁界共鳴式のワイヤレス給電では、共振回路の共振の鋭さＱを高くすることが好ましい。例えば共振回路がＬＣ共振器により構成される場合には、“Ｌ”（インダクタンス）が大きいほど“Ｑ”も大きくなる。従って、複数のアンテナコイルの接続形態は、よりインダクタンスが大きくなるような形態であると好適である。アンテナコイルが並列接続されると合計のインダクタンスは、各インダクタンスの逆数の和の逆数となる。例えば、同じ大きさのインダクタンスを持つ２つのアンテナコイルが並列接続された場合には、合計のインダクタンスは１／２となる。アンテナコイルが直列接続されると、合計のインダクタンスは、各インダクタンスの和となる。例えば、同じ大きさのインダクタンスを持つ２つのアンテナコイルが並列接続された場合には、合計のインダクタンスは２倍となる。

アンテナコイルが隣接すると、互いに影響を与え合って個々のアンテナコイルのインダクタンスを低下させる場合がある。この影響は、複数のアンテナコイルの距離が近いほど強くなる傾向がある。従って、１つの態様として、本発明に係るアンテナコイルユニットは、隣接する他の前記アンテナコイルの影響によるそれぞれの前記アンテナコイルのインダクタンスの低下量に基づいて離間距離を設定し、当該離間距離だけ互いに離間させて前記複数のアンテナコイルを配置して構成されていると好適である。

ところで、上述したようなアンテナコイルユニットを備えることによって、以下のような磁界共鳴式給電システムを構築することが可能である。１つの態様として、本発明に係る磁界共鳴式給電システムは、前記給電回路が、前記アンテナコイルユニットを備えて構成され、前記受電回路が、１つの前記アンテナコイルを備えて構成される。ここで、前記基準軸に沿った方向に見た前記アンテナコイルの外周によって囲まれる面積である有効面積は、前記給電回路の前記アンテナコイルユニットが備える複数の前記アンテナコイルの前記有効面積の合計の方が前記受電回路の前記アンテナコイルの前記有効面積よりも広く設定されていると好適である。この構成によれば、給電回路と受電回路とが対向する方向に沿った方向に見て、給電回路のアンテナコイルユニットと受電回路のアンテナコイルとが重複する相対位置が広い範囲に分布することになる。即ち、本構成によれば、給電回路と受電回路とが対向する位置の許容差が大きくなり、高い伝送効率を有する磁界共鳴式のワイヤレス給電を実現することができる。

ここで、本発明に係る磁界共鳴式給電システムは、前記給電回路の前記アンテナコイルユニットを構成する前記複数のアンテナコイルのそれぞれの前記有効面積が、前記受電回路の１つの前記アンテナコイルの前記有効面積に等しいと好適である。この構成によれば、例えば各アンテナコイルを収容するケースを全てのアンテナコイルについて共通化することも可能であり、低コストで磁界共鳴式給電システムを構築することができる。また、給電回路に備えられるアンテナコイルユニットは少なくとも２つのアンテナコイルを有するので、受電回路に対して少なくとも２倍の有効面積を有することになる。従って、給電回路と受電回路とが対向する方向に沿った方向に見て、給電回路のアンテナコイルユニットと受電回路のアンテナコイルとが完全に重複する相対位置を広い範囲に亘って確保することができる。

ワイヤレス給電システムの構成を模式的に示すブロック図 ワイヤレス給電システムの構成を模式的に示す回路ブロック図 共振回路の等価回路図 アンテナコイルを流れる電流によって生じる磁界を示す図 磁界共鳴におけるアンテナコイルの対向誤差の概念を説明する図 アンテナコイルを流れる電流によって生じる磁界を示す図 補助コイル部を流れる電流によって生じる磁界を示す図 磁界共鳴を媒介する磁界とアンテナコイルとの関係を示す図 アンテナコイルの一例を示す斜視図 アンテナコイルの一例を示す斜視図 アンテナコイルの部分拡大図 アンテナコイルを流れる電流の向きを示す図 アンテナコイルユニットの一例を示す斜視図 アンテナコイルユニットを適用したシステムの模式的回路ブロック図 アンテナコイルユニットとアンテナコイルとの対向誤差を示す図 アンテナコイルとアンテナコイルとの対向誤差を示す図 対向誤差比と伝送効率との関係を示すグラフ 対向誤差と共振周波数変動との関係を示すグラフ 給電側共振コイルと受電側共振コイルとの関係の一例を示す図 給電側共振コイルと受電側共振コイルとの関係の一例を示す図

以下、本発明の実施形態を、車両に対してワイヤレス給電を行う磁界共鳴式給電システムを例として、図面に基づいて説明する。図１に示すように、磁界共鳴式給電システム１は、給電施設に設置された給電システム２と、車両９の側に搭載された受電システム３とにより構成される。本実施形態では、給電システム２は、例えば、屋外施設であれば地面Ｇの近傍に、屋内施設であれば床面の近傍に設置されている。

図１及び図２に示すように、給電システム２は、交流電源２１と、ドライバ回路２２と、給電側共振回路２５とを有して構成されている。給電側共振回路２５は、給電側共振コイル２４を有して構成されている。受電システム３は、受電側共振回路３５と、整流回路３２と、蓄電装置３１とを有して構成されている。受電側共振回路３５は、受電側共振コイル３４を有して構成されている。給電側共振回路２５と受電側共振回路３５とは、同じ固有振動数（共振周波数）を有する共振回路であり、両者を総称して共振回路５と称する。また、給電側共振コイル２４及び受電側共振コイル３４を総称して、共振コイル或いはアンテナコイル４と称する。

給電システム２の交流電源２１は、例えば、電力会社が保有する商用の配電線網から供給される電源（系統電源）であり、その周波数は例えば５０Ｈｚや６０Ｈｚである。ドライバ回路２２は、５０Ｈｚや６０Ｈｚの系統電源の周波数を、給電側共振回路２５（共振回路５）の共振周波数に変換する回路であり、高周波電源回路により構成される。受電システム３の蓄電装置３１は、充放電可能な直流電源であり、例えばリチウムイオンやニッケル水素などの二次電池やキャパシタが利用される。受電側共振回路３５が受電した電力は、受電側共振回路３５の共振周波数を有する交流電力である。整流回路３２は、この共振周波数を有する交流電力を直流電力に整流する回路である。

尚、ドライバ回路２２と給電側共振回路２５とを併せて、或いは給電システム２全体は、広義の給電回路に相当する。また、給電側共振回路２５は、狭義の給電回路に相当する。同様に、受電側共振回路３５と整流回路とを併せて、或いは受電システム３の全体は、広義の受電回路に相当する。また、受電側共振回路３５は、狭義の受電回路に相当する。

車両９は、例えば、回転電機９１により駆動される電気自動車や、不図示の内燃機関及び回転電機９１により駆動されるハイブリッド自動車である。回転電機９１は、例えばインバータ９２などの回転電機駆動装置を介して蓄電装置３１に接続されている。本実施形態において、回転電機９１は、例えば３相交流回転電機であり、回転電機駆動装置は、直流と交流との間で電力を変換するインバータ９２を中核として構成されている。回転電機９１は、電動機及び発電機として機能することが可能である。回転電機９１が電動機として機能する際には、このインバータ９２を介して蓄電装置３１から電力の供給を受けて駆動力を発生する（力行運転）。一方、回転電機９１が発電機として機能する際には、車両９の制動や、内燃機関などの駆動力によって発電された交流電力がインバータ９２によって直流に変換され、蓄電装置３１へ回生される（回生運転）。

磁界共鳴式給電システム１は、図２に示すように、一対の共振回路５（２５，３５）を磁界を介して共鳴させ、当該磁界を介して給電するシステムである。尚、「磁性」を利用した「共鳴」技術としては、しばしば医療分野において用いられる磁気共鳴画像法（MRI：magnetic resonance imaging）が知られている。但し、ＭＲＩが「磁気スピンの共振」という物理的事象を利用しているのに対して、本発明における「磁界共鳴式給電システム」ではそのような物理的事象は利用していない。本発明における「磁界共鳴式給電システム」では、上述したように、２つの共振回路５を「磁界」を介して共鳴させるものである。従って、ここでは、いわゆるＭＲＩと明確に区別することも含めて、磁界における共鳴を利用して電力を伝送する磁界共鳴式給電システム１の伝送方式を「磁界共鳴方式」と称する。また、この伝送方式は、いわゆる「電磁誘導方式」とも異なる方式であるが、この点については後述する。

上述したように、給電側共振回路２５と受電側共振回路３５とは、同じ固有振動数（共振周波数）を有する。本実施形態においては、給電側共振回路２５及び受電側共振回路３５は、同一構成のＬＣ共振器である。従って、以下の説明では、両者を区別する必要がない場合は、「共振回路５」として説明する。図３の等価回路に示すように、共振回路５は、インダクタンス成分“Ｌ”を有するアンテナコイル４と、キャパシタンス成分“Ｃ”を有するコンデンサ６とを有して構成されている。本実施形態では、図２に示すように、キャパシタンス成分“Ｃ”は、３つのコンデンサのキャパシタンス成分（Ｃｓ，Ｃｓ，Ｃｐ）の合成である。

給電側共振回路２５及び受電側共振回路３５は、同じ共振周波数を有する回路である。例えば、離間して配置された２つの音叉の内の一方を空気中で振動させると、他方の音叉も、空気を介して伝搬した振動に共鳴して振動するのと同様に、給電側共振回路２５と受電側共振回路３５とも共鳴する。より詳しくは、給電側共振回路２５の共振（電磁気的振動）により生じた磁界を介して受電側共振回路３５に伝搬した電磁気的振動に共鳴して、受電側共振回路３５も共振する（電磁気的に振動する）。

ところで、非接触の電力伝送の方式として「電磁誘導方式」が知られている。特に磁界結合を利用した電磁誘導方式の回路構成は、図２に酷似したものである。但し、「電磁誘導方式」は、コイルの間を貫く磁束の強さの変化によって生じる起電力を利用したものであり、一般的にはコイル同士の結合（磁界結合）が支配的である。電磁誘導方式では、２つの回路の結合強度も、下記式(1)に示すように、２つのコイルのそれぞれの自己インダクタンス（Ｌ１，Ｌ２）と相互インダクタンスＭとによって表されることが多い。２つのコイルが作る磁束の全てが鎖交した場合に結合強度が“１”となる。

これに対して、「磁界共鳴方式」では、２つの共振回路５の間のインダクタンスＬによる「磁界結合」と、キャパシタンスＣによる「電界結合」との双方が、伝送効率に影響する。つまり、共振回路５のＬＣ共振器としての性能も伝送効率に大きく影響する。「磁界共鳴方式」のワイヤレス給電において、給電の伝送効率は、磁界共鳴式給電システム１を構成する給電側共振回路２５及び受電側共振回路３５の「結合係数」（以下、単に「共振回路５の結合係数」と称する場合あり。）と、共振回路５の「無負荷Ｑ」（無負荷時の共振の鋭さ）というパラメータによって支配される。

ここで、結合係数は、電磁誘導方式の結合強度を援用することができるので、詳細な説明は省略する。無負荷Ｑは、図３に示す等価回路において、回路の抵抗成分をＲとして下記(2)式で示される。尚、ここでは、共鳴させる２つの共振回路５の回路定数が同じであるとしている（Ｌ＝Ｌ１＝Ｌ２，Ｃ＝Ｃ１＝Ｃ２，Ｒ＝Ｒ１＝Ｒ２）。

磁界共鳴方式の伝送効率は、共振回路５の結合係数ｋと、共振回路５の無負荷Ｑとの積である「ｋＱ積」に支配される。従って、磁界共鳴方式では、無負荷Ｑを高くする（大きくする）ことによって、伝送効率を高くすることが好ましい。１つの態様として、無負荷Ｑを“１００”以上に設定すると好適である。

尚、より詳細には、磁界共鳴式給電システム１の効率は、給電システム２のドライバ回路２２の効率、給電側共振回路２５及び受電側共振回路３５により構成される空間伝送部の効率（上記“ｋＱ積”）、整流回路３２の効率の積となる。ドライバ回路２２及び整流回路３２は、共に周波数変換を伴う回路であり、これらの回路を構成する半導体素子の周波数特性によって効率が支配される。

以上、磁界共鳴式給電システム１の原理について説明したが、磁界共鳴式給電システム１は、給電側共振回路２５と受電側共振回路３５とが対向する位置の許容差が大きく、高い伝送効率を有することが好ましい。はじめに、この「対向する位置」について説明する。

図４は、基準軸（第１基準軸Ｘ１）周りに導体線４０を周回させて構成されたアンテナコイル４を模式的に示している。後述する補助コイル部４２と区別する必要がある場合など、適宜、図４に示すアンテナコイル４を「主コイル部４１」と称する。このアンテナコイル４（主コイル部４１）には、導体線４０を流れる電流によって磁束φ１が生じる。このアンテナコイル４が、給電側共振コイル２４及び受電側共振コイル３４としてそれぞれ給電側共振回路２５及び受電側共振回路３５に備えられる。図５に示すように、給電側共振コイル２４と受電側共振コイル３４とを対向させると、磁界を介して給電側共振回路２５に受電側共振回路３５が共鳴する。図５に示すように、給電側共振コイル２４の第１基準軸Ｘ１と受電側共振コイル３４の第１基準軸Ｘ１とが一致している場合には、位置ずれがなく、対向誤差ｄは“０”である。

ところで、給電側共振コイル２４と受電側共振コイル３４とが対向する側とは反対側、即ち、背面側においては、第１基準軸Ｘ１に沿った方向への磁界の広がりは不要である。反対に、図１に示すように、磁界共鳴式給電システム１が車両９に適用されるような場合には、特に受電側共振コイル３４の背面側に磁界が及ぶと、磁束φ１が車両９の底部の鉄板や、車両９内部の機器に影響を及ぼす可能性がある。そこで、本実施形態においては、アンテナコイル４に指向性を持たせて、給電側及び受電側の共振回路５を結合する磁界が形成される空間以外の他の空間への磁束を漏洩を抑制する構成を採用する。

具体的には、図６に示すように、主コイル部４１の一方側の軸方向端面（背面側軸方向端面ＰＢ）に沿って少なくとも１つ配置され、主コイル部４１よりも小径の補助コイル部４２を備えてアンテナコイル４が構成される。補助コイル部４２は、第１基準軸Ｘ１とは異なる第２基準軸Ｘ２の周りに導体線４０を周回させて構成されている。補助コイル部４２の周回軸である第２基準軸Ｘ２は、主コイル部４１の磁束φ１に対して交差する向き、好ましくはほぼ直交する向きに設定されている。そして、補助コイル部４２は、図１２を参照して後述するように、補助コイル部４２を流れる電流の成分の内の主コイル部４１の周方向に平行な成分（Ｉ２）が、主コイル部４１に近い側において主コイル部４１を流れる電流（Ｉ１）と同じ向きとなるように配置されている

補助コイル部４２には、補助コイル部４２に流れる電流によって図７に示すように磁束φ２が生じる。図６に示すように、補助コイル部４２が備えられた側では、主コイル部４１の磁束（φ１）が補助コイル部４２を迂回路として、第１基準軸Ｘ１の軸方向一方側（図６の上側、後述する背面側軸方向端面ＰＢの側）に広がることなく他方側の軸方向端面の側へと折り返していく（磁束φ４）。一方、補助コイル部４２が備えられていない側である軸方向他方側（図６の下側、対向側軸方向端面ＰＦの側）では、第１基準軸Ｘ１の軸方向に磁束が広がっている（磁束φ４）。つまり、図６に示すように、アンテナコイル４を対向させると、第１基準軸Ｘ１の何れか一方側への磁束の広がりを抑制しつつ、他方側への磁束の広がりを妨げることがない。即ち、図８に示すように、第１基準軸Ｘ１の一方側（背面側軸方向端面ＰＢ側）においては、車両９の底部の鉄板や車両９内の機器への磁界の影響を抑制することができ、他方側（対向側軸方向端面ＰＦ側）においては、磁界共鳴のための磁束を、対応する共振回路５に作用させることができる。

図９及び図１０は、そのようなアンテナコイル４の具体的な構成の一例を示している。図９は、給電の際に対向する側の軸方向端面である対向側軸方向端面ＰＦから見たアンテナコイル４の斜視図である。図１０は、背面側軸方向端面ＰＢから見たアンテナコイル４の斜視図である。この例では、アンテナコイル４は、１６個の補助コイル部４２を備えて構成されている。磁界は、主コイル部４１の径方向の全ての方向に広がる。従って、補助コイル部４２を用いて磁束を導き、漏洩磁束を抑制するためには、このように主コイル部４１の周方向に複数の補助コイル部４２が配置されていることが好ましい。

また、主コイル部４１の周方向において漏洩磁束の抑制が弱くなる空白領域をできるだけ生じないように、補助コイル部４２は、主コイル部４１の周方向に均等な間隔で配置されると好適である。主コイル部４１が第１基準軸Ｘ１に沿った方向に見て円環状である場合は、同じ角度間隔で主コイル部４１の周方向に第２基準軸Ｘ２を設定することによって容易に実現可能である。また、主コイル部４１が第１基準軸Ｘ１に沿った方向に見て矩形環状に形成されている場合には、例えば図９及び図１０に示すように各辺において均等に配置されていると好適である。この場合も、主コイル部４１の周方向に均等な間隔で配置されているということができる。同様に、主コイル部４１が楕円形状やトラック形状などに形成されている場合も、補助コイル部４２は主コイル部４１の周方向にほぼ均等に配置されていると好適である。

アンテナコイル４の指向性及び効率は、主コイル部４１及び補助コイル部４２の巻き数や、インダクタンスによって異なる。主コイル部４１及び補助コイル部４２のインダクタンスは、磁界共鳴式給電システム１の仕様に応じて適宜設定される。例えば、２つの共振回路５を共鳴させるための媒介となる磁界は主として主コイル部４１に依存する磁界であるから、補助コイル部４２の全てのインダクタンスの合計が、主コイル部４１のインダクタンスよりも小さくなるように構成される。

図９及び図１０に示すアンテナコイル４の主コイル部４１は、第１基準軸Ｘ１に直交する基準平面ＰＲ上に沿って渦巻き状に形成されている。この基準平面ＰＲの規定を簡易に行うために、主コイル部４１の形成に際して、基板材７０（芯部材７）が利用される。この基板材７０は、例えばポリカーボネイトやポロプロピレンによって構成されている。磁界共鳴式給電システム１では、対となるＬＣ共振器（共振回路５）を磁界を介して共鳴させる。アンテナコイル４は、このＬＣ共振器においてインダクタ（Ｌ）に対応する共振コイルである。芯部材７を用いてＬＣ共振器のコンデンサ（Ｃ）を構成すれば、アンテナコイル４のアッセンブリでＬＣ共振器を構築することができる。高い高周波特性を有したコンデンサを構成する上では、芯部材７の誘電正接の値が小さいこと（例えば、対象周波数帯において０．００３未満）が好ましい。ポリカーボネイトやポリプロピレンは、誘電正接がおおよそ０．００２以下で、誘電正接の値が小さい材料であり、芯部材７の主材として好適である。

基板材７０には、第２基準軸Ｘ２を規定するために複数の軸芯部７２が設けられている。これらの軸芯部７２は、連結部７１により連結されている。連結部７１は、第１基準軸Ｘ１に直交する平面であり、基準平面ＰＲを規定している。補助コイル部４２は、主コイル部４１に比べて小径のコイルであるから、１つの補助コイル部４２のインダクタンスは小さくなる傾向がある。そこで、補助コイル部４２は、必要なインダクタンスを確保するために、図１０に示すように磁性体の補助コイルコア４３を備えている。補助コイルコア４３は、高い透磁率及び高い比抵抗を有する強磁性体材料、例えばフェライトなどで構成されていると好適である。また、主コイル部４１を流れる電流によって生じる磁束を効果的に導くためには、補助コイル部４２は、主コイル部４１の径方向において主コイル部４１の近傍に配置されることが好ましい。従って補助コイル部４２は、図９及び図１０に示すように、第１基準軸Ｘ１の軸方向に見て、主コイル部４１と重複する部分を有するように配置されている。

主コイル部４１は、第１基準軸Ｘ１に直交する基準平面ＰＲに沿って、第１基準軸Ｘ１周りに渦巻き状に導体線４０を周回させる主コイル部形成工程を経て形成される。補助コイル部４２は、第２基準軸Ｘ２周りに、主コイル形成工程における導体線４０の周回半径よりも小径で導体線４０を周回させる補助コイル部形成工程を経て形成される。この補助コイル部形成工程は、主コイル部形成工程において導体線４０を第１基準軸Ｘ１周りに周回させる間に実施される。尚、「周回させる間」には、主コイル部形成工程の最初、及び主コイル部形成工程の最後を含む。

ところで、主コイル部４１及び補助コイル部４２において、隣接する導体線４０が近接しすぎていると、アンテナコイル４を流れる電流によって誘起される磁界によって隣接する導体線４０を流れる電流同士の相互作用である近接効果が強くなる。つまり、近接効果によって、同方向に流れる電流を遠ざける効果が生じてしまう。この近接効果は無負荷Ｑを低下させる方向に作用する。また、隣接する導体線４０の間に浮遊キャパシタンス（寄生コンデンサ）が生じて、アンテナコイル４のインピーダンスに影響を与える可能性もある。このため、導体線４０は、その線間を密に巻き回すよりも、ある程度、疎に巻き回すことが好ましい。例えば、導体線４０の線径の１〜２倍程度の隙間を有して巻き回されると好適である。主コイル部生成工程の途中に補助コイル部生成工程を実施すると、図１１に示すように、主コイル部４１の導体線間には、補助コイル部４２において周回する導体線４０に相当する隙間が形成される。例えば、補助コイル部４２において、ほぼ隙間無く導体線４０が１周巻き回された場合には、導体線４０のほぼ１本分に相当する隙間が主コイル部４１を構成する導体線４０の間に形成されることになる。

図１２は、アンテナコイル４を第２基準軸Ｘ２の軸方向に沿って見た図である。図１２に示すように、補助コイル部４２を流れる電流Ｉ２の成分の内の主コイル部４１の周方向に平行な成分は、主コイル部４１に近い側において主コイル部４１を流れる電流Ｉ１と同じ向きである。従って、主コイル部４１に対して補助コイル部４２を設けても、磁界共鳴のための磁界を損なうことが抑制され、伝送効率の低下も少ない。

上述したように、磁界共鳴式給電システム１は、給電側共振回路２５と受電側共振回路３５とが対向する位置の許容差が大きく、高い伝送効率を有することが好ましい。本発明は、図５を参照して説明した対向誤差ｄを許容する許容範囲が大きい磁界共鳴式給電システム１が構築される点、及びそのようなシステムに適用されるアンテナコイルユニット（８）の構成に特徴を有する。図１３及び図１４に示すように、アンテナコイルユニット８は、基準軸（第１基準軸Ｘ１）周りに導体線４０を周回させて構成されたアンテナコイル４を複数備えて構成される。また、アンテナコイルユニット８は、当該複数のアンテナコイル４が互いに同位相の磁束（φ４）を形成する向きであって、基準軸（第１基準軸Ｘ１）が互いに平行する状態で隣り合うように、複数のアンテナコイル４を並べて構成されている。

複数のアンテナコイル４は、図１４に示すように直列接続されている。上述したように、磁界共鳴式のワイヤレス給電では、共振回路の共振の鋭さＱを高くすることが好ましい。共振回路がＬＣ共振器により構成される場合には、式(2)に示したように、“Ｌ”（インダクタンス）が大きいほど“Ｑ”も大きくなる。アンテナコイル４が直列接続されると、アンテナコイルユニット８としての合計のインダクタンスは、各インダクタンスの和となる。例えば、同じ大きさのインダクタンスを持つ２つのアンテナコイル４が並列接続された場合には、合計のインダクタンスは２倍となる。換言すれば、個々のアンテナコイル４のインダクタンスは、アンテナコイルユニット８に要求されるインダクタンスの１／２でよい。このように、複数のアンテナコイル４の接続形態は、よりインダクタンスが大きくなるような直列接続であると好適である。

尚、当然ながら必要な“Ｑ”を得ることができるインダクタンスが確保できる場合や、ＬＣ共振器のキャパシタンスによって必要な“Ｑ”を得ることができる場合など、条件に応じてアンテナコイル４が並列接続されることを妨げるものではない。

ところで、アンテナコイル４が隣接していると、互いに影響を与え合って個々のアンテナコイル４のインダクタンスを低下させる場合がある。この影響は、複数のアンテナコイル４の離間距離ＳＤが近いほど強くなる傾向がある。従って、隣接するアンテナコイル４のインダクタンスの低下量が、当該アンテナコイル４が単独で設置された場合のインダクタンス（固有のインダクタンス）に比べて無視できる程度に充分小さくなるように、離間距離ＳＤが設定されていると好適である。ここで、「無視できる程度に充分小さい」とは、例えばインダクタンスの低下量が固有のインダクタンスの数％であること（１０％未満）など、磁界共鳴式給電システム１に要求される仕様に応じて規定される。即ち、アンテナコイルユニット８は、隣接する他のアンテナコイル４の影響によるそれぞれのアンテナコイル４のインダクタンスの低下量に基づいて離間距離ＳＤを設定し、当該離間距離ＳＤだけ互いに離間させて複数のアンテナコイル４を配置して構成されている。

尚、当然ながら、搭載性を優先するような場合などでは、複数のアンテナコイル４が離間距離ＳＤだけ離間されることなく、接するように配置されることを妨げるものではない。つまり、隣接するアンテナコイル４の影響によるインダクタンスの低下により、“Ｑ”や伝送効率などが低下することをシステム全体の仕様として許容できれば、離間距離ＳＤが“０”で配置されることを妨げるものではない。

図１５に示すように、このようなアンテナコイルユニット８を給電側共振回路２５の給電側共振コイル２４として用い、１つのアンテナコイル４を受電側共振回路３５の受電側共振コイル３４として用いて、磁界共鳴式給電システム１を構築することが可能である。この際、アンテナコイル４の基準軸（第１基準軸Ｘ１）に沿った方向に見たアンテナコイル４の外周によって囲まれる面積である有効面積は、給電側共振回路２５のアンテナコイルユニット８が備える複数のアンテナコイル４の有効面積“Ｓ２”の合計の方が、受電側共振回路３５のアンテナコイル４の有効面積“Ｓ３”よりも広く設定されている。

このように設定されていると、給電側共振コイル２４（アンテナコイルユニット８）と受電側共振コイル３４とが対向する方向に沿った方向に見て、給電側共振コイル２４（アンテナコイルユニット８）と受電側共振コイル３４とが重複する相対位置が広い範囲に分布することになる。これにより、給電側共振コイル２４（アンテナコイルユニット８）と受電側共振コイル３４とが対向する位置の許容差が大きくなり、高い伝送効率を有する磁界共鳴式給電システム１が実現される。尚、対向する位置の基準については、アンテナコイルユニット８に関しては、給電側共振コイル２４としての磁界の中心を通り、第１基準軸Ｘ１に平行な軸とする。アンテナコイルユニット８が図１５に示すように同じ仕様の２つのアンテナコイル４により構成される場合には、両アンテナコイル４の中間地点が対向する位置の基準となる。

ここで、給電側共振コイル２４（アンテナコイルユニット８）を構成する複数のアンテナコイル４のそれぞれの有効面積“Ｓ２”が、受電側共振コイル３４の有効面積“Ｓ３”に等しいと好適である。例えば各アンテナコイル４を収容するケースを全てのアンテナコイル４について共通化することも可能であり、低コストで磁界共鳴式給電システム１を構築することができる。また、給電側共振コイル２４としてのアンテナコイルユニット８は少なくとも２つのアンテナコイル４を有するので、受電側共振コイル３４に対して少なくとも２倍の有効面積を有することになる。従って、給電側共振コイル２４（アンテナコイルユニット８）と受電側共振コイル３４とが対向する方向に沿った方向に見て、給電側共振コイル２４（アンテナコイルユニット８）と受電側共振コイル３４とが完全に重複する相対位置を広い範囲に亘って確保することができる。

図１７は、対向誤差ｄと伝送効率との関係を示している。図１７は、給電側共振コイル２４と受電側共振コイル３４とを、異なる３つのパターンで組み合わせて伝送効率を測定した実験結果を示している。この実験は、給電側共振コイル２４に対して、受電側共振コイル３４を、給電側共振コイル２４の磁界の中心の位置である基準点を通る直線（測定基準直線）に沿って移動させて逐次、伝送効率を測定したものである。後述する「アンテナ長ＡＬ」は、測定基準直線に沿った方向での給電側共振コイル２４の長さ（最も外側の導体線４０の間の長さ）である。

図１７において特性“Ｔ１”は、図１５に示したように、給電側共振コイル２４（アンテナコイルユニット８）と受電側共振コイル３４とを組み合わせた場合の特性である。特性“Ｔ２”は、図１６に示すように、同じ仕様の単一のアンテナコイル４で構成された給電側共振コイル２４と受電側共振コイル３４とを組み合わせた場合の特性である。特性“Ｔ３”は、外形上は図１５と同様であるが、アンテナコイル４を、磁束が同位相ではなく逆位相となるように隣接配置して構成されたアンテナコイルユニット８と、受電側共振コイル３４とを組み合わせた場合の特性である。尚、図１７に示すグラフの横軸は、比較条件を揃えるために、対向誤差ｄは、下記に示す「対向誤差比」で表している。
対向誤差比 ＝ （対向誤差ｄ／アンテナ長ＡＬ）×１００［％］

図１７に示すように、複数のアンテナコイル４を有して構成されるアンテナコイルユニット８（特性“Ｔ１”）は、単一のアンテナコイル４（特性“Ｔ２”）に比べて、広い対向誤差比の範囲で良好な伝送効率を発揮することができる。伝送効率の値は、単一のアンテナコイル４の方がアンテナコイルユニット８に対して最大で約４〜５％程度上回っているが、アンテナコイルユニット８の伝送効率も約９０％以上であり、実用上充分な高効率を示している。一方、アンテナコイル４の磁束が逆位相となるようにアンテナコイル４が隣接配置されたアンテナコイルユニット８では、対向誤差比が“０”近傍である中央位置において伝送効率がほぼ“０”となるなど、中央位置近傍で伝送効率が大きく落ち込んでおり、いわゆる不感帯が生じている。従って、上述したように、アンテナコイルユニット８を構成するに際しては、複数のアンテナコイル４が互いに同位相の磁束を形成する向きに隣接配置されることが好ましい。

ところで、磁界共鳴式給電システム１では、共振回路５の共振周波数の精度が重要であるが、この共振周波数は、対向誤差ｄの影響を受けて変動する。図１８は、対向誤差ｄと共振周波数の変動率との関係を示している。図１８において特性“Ｔ４”は、図１５に示したように、給電側共振コイル２４（アンテナコイルユニット８）と受電側共振コイル３４とを組み合わせた場合の特性である。特性“Ｔ５”は、図１６に示すように、同じ仕様の単一のアンテナコイル４で構成された給電側共振コイル２４と受電側共振コイル３４とを組み合わせた場合の特性である。

対向誤差ｄが“０”の近傍においては、単一のアンテナコイル４の方がアンテナコイルユニット８に対して共振周波数に近い周波数となっている。これは、図１７を参照して上述したように、伝送効率の差となって現れている。但し、変動率を考えると、単一のアンテナコイル４の方は、対向誤差ｄに応じて約９％の周波数変動を生じているのに対して、複数のアンテナコイル４を有して構成されたアンテナコイルユニット８の方は、対向誤差ｄに応じた周波数変動が約５％に留まっている。つまり、対向誤差ｄに対する周波数変動の耐性は、アンテナコイルユニット８の方が単一のアンテナコイル４に比べて強い。

高い伝送効率を有する磁界共鳴式給電システム１を得る上で共振周波数の変動が少ないことは好適である。この他、磁界共鳴式給電システム１は、非接触電力伝送技術を利用したシステムであるから、例えば日本における電波法などの法規制の対象となる場合がある。磁界共鳴式給電システム１の場合、法規制の対象となる周波数帯は、共振回路５の共振周波数に対応する。共振回路５の共振周波数の変動が少ないと、法規制を満足する共振回路５を構成することが容易となり、システム全体のコストダウンにも貢献する。

給電側共振回路２５にアンテナコイルユニット８が備えられた場合、対となる受電側共振回路３５には、単一のアンテナコイル４又は複数のアンテナコイル４を有するアンテナコイルユニット８が備えられる。以下、受電側共振回路３５に備えられる共振コイル（アンテナコイル４又はアンテナコイルユニット８）について説明する。ここでは、給電側共振回路２５に備えられるアンテナコイルユニット８が、上述したように２つのアンテナコイル４を有して構成されているものとする。また、給電側共振回路２５と受電側共振回路３５とは、同じ共振周波数の共振回路であれば良く、例えばＬＣ共振器の場合には“Ｌ”と“Ｃ”とにより共振周波数が規定される。このため、例えば２つの共振回路５において“Ｌ”の値が異なっていれば、“Ｃ”の値で調整することが可能であるが、ここでは、給電側と受電側とで、インダクタンス“Ｌ”が同じ値である場合を例示する。

受電側共振回路３５は、例えば３つのパターンの共振コイルを備えて構成することができる。ここでは、比較を容易にするために「同じ」という表現を用いているが、これは厳密な概念を示すものではなく、当然ながら「同程度」という概念を含む。
（１）給電側共振回路２５のアンテナコイルユニット８の１つのアンテナコイル４と同じ有効面積で、アンテナコイルユニット８の全体と同じインダクタンスを有する１つのアンテナコイル４（図１５参照）。但し、有効面積は、基準軸（第１基準軸Ｘ１）に沿った方向に見たアンテナコイル４の外周によって囲まれる面積である。
（２）給電側共振回路２５と同じ構成（有効面積及びインダクタンス）のアンテナコイルユニット８（図１９参照）。
（３）給電側共振回路２５と同じ有効面積で、アンテナコイルユニット８の全体と同じインダクタンスを有する１つのアンテナコイル４（図２０参照）。

上記（１）の構成は、受電側共振回路３５に備えられる共振コイル（アンテナコイル４）を小型化できる。従って、例えば、受電側共振回路３５が車両９などに搭載される場合に省スペース化が実現できる。上記（２）の構成は、受電側共振回路３５に備えられる共振コイル（アンテナコイルユニット８）の小型化は実現できないが、共振コイルを共通化することができる。また、図１８に例示したように、同じインダクタンスを有する場合、共振コイルが分割されている方が対向誤差ｄに対する周波数変動が少なくなるので、伝送効率は（１）に比べて優れている。受電側共振回路３５の搭載スペースを考慮しなくてよい場合は、（１）に比べて（２）の構成が好適である。上記（３）の構成は、（１）及び（２）と比べて共振コイルの電気抵抗が小さい。搭載性、伝送効率の点では、上記（１）及び（２）の構成に及ばないが、このような構成を採用することも可能である。

尚、上記説明においては、給電側共振回路２５に複数のアンテナコイル４を有したアンテナコイルユニット８が備えられる場合を例として説明した。しかし、当然ながら、受電側共振回路３５にアンテナコイルユニット８が備えられていてもよい。この場合、対となる給電側共振回路２５には、単一のアンテナコイル４又は複数のアンテナコイル４を有するアンテナコイルユニット８が備えられる。

〔その他の実施形態〕
以下、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。

（１）上記実施形態においては、指向性を有したアンテナコイル４を用いる場合を例示して説明した。複数のアンテナコイル４を用いてアンテナコイルユニット８を構成すると、共振コイルの有効面積が大きくなる。このため、給電側の共振コイルから生じる磁界が、共鳴対象となる受電側の共振コイル以外に影響を及ぼす可能性も高くなる。従って、上記実施形態においては、このような漏洩磁束を抑制することも考慮して、指向性を有したアンテナコイル４を用いて説明した。しかし、給電側共振回路２５と受電側共振回路３５とが対向する位置の許容差が大きく、高い伝送効率を有する磁界共鳴式給電システム１を実現する上では、指向性を有したアンテナコイル４を用いる形態に限定されないことは自明である。即ち、図４や図５に例示したような指向性を有していないアンテナコイル４を用いてアンテナコイルユニット８が構成されてもよい。

（２）上記実施形態では、図８に示したように給電側共振回路２５及び受電側共振回路３５の双方が指向性を有したアンテナコイル４を有している場合を例示した。しかし、漏洩磁束の影響を抑制したい側が何れか一方である場合には、何れか一方側のみのアンテナコイル４が指向性を有して構成されていてもよい。例えば、少なくとも受電側共振コイル３４に補助コイル部４２が備えられていれば、車両９に対する磁界の影響を抑制することができる。このように、車両９の側（受電側共振回路３５）のみで漏洩磁束が抑制されれば充分な場合、指向性を有していないアンテナコイル４を用いて給電側共振回路２５が構成されていてもよい。

（３）上記実施形態においては、矩形環状の主コイル部４１を有するアンテナコイル４を例示した。しかし、アンテナコイル４（主コイル部４１）の形状は、矩形環状に限定されるものではなく、円環状やトラック形状であってもよい。

（４）上記実施形態においては、アンテナコイル４（主コイル部４１）が第１基準軸Ｘ１に直交する基準平面ＰＲ上に沿って渦巻き状に形成されている例を示した。しかし、主コイル部４１の構成はこの形態に限定されるものではない。例えば、主コイル部４１は、第１基準軸Ｘ１に直交する基準平面ＰＲに平行な面に沿って周回すると共に、第１基準軸Ｘ１に沿って背面側軸方向端面ＰＢに向かうに従って径が拡大する螺旋状（竜巻状）に形成されていてもよい。また、主コイル部４１は、基準平面ＰＲに平行な面に沿って同じ径で周回しつつ、第１基準軸Ｘ１に沿って延在する円筒形状（バネ形状）に形成されていてもよい。尚、図９、図１０等には、主コイル部４１に磁性体のコアが備えられていない形態のアンテナコイル４を例示したが、主コイル部４１にコアが備えられていてもよい。

（５）上記実施形態においては、車両９に搭載された蓄電装置に対してワイヤレス給電を行う形態を例示したが、当然ながら本発明は、車両への適用に限定されるものではない。例えば、小型水力発電や太陽光発電、小型風力発電により発電された電力を、一般家屋やビルディングなどに伝送する用途、つまりスマートグリッドシステムにおける電力伝送にも利用することができる。

本発明は、給電回路及び受電回路に備えられた共振回路を磁界を介して共鳴させる磁界共鳴方式によりワイヤレス給電を行うために給電回路及び受電回路の少なくとも一方に備えられるアンテナコイルユニットに利用することができる。また、本発明は、このアンテナコイルユニットを備えて構成される磁界共鳴式給電システムに利用することができる。

１ ：磁界共鳴式給電システム
２ ：給電システム（給電回路）
３ ：受電システム（受電回路）
４ ：アンテナコイル
５ ：共振回路
６ ：コンデンサ
８ ：アンテナコイルユニット
２４ ：給電側共振コイル（アンテナコイル、アンテナコイルユニット）
２５ ：給電側共振回路（給電回路）
３４ ：受電側共振コイル（アンテナコイル、アンテナコイルユニット）
３５ ：受電側共振回路（受電回路）
４０ ：導体線
ＰＲ ：基準平面
ＳＤ ：離間距離
Ｘ１ ：第１基準軸（基準軸）
Ｓ２，Ｓ３：有効面積

Claims (5)

1. 給電回路及び受電回路に備えられた共振回路を磁界を介して共鳴させる磁界共鳴方式によりワイヤレス給電を行うために前記給電回路及び前記受電回路の少なくとも一方に備えられるアンテナコイルユニットであって、
   基準軸周りに導体線を周回させて構成されたアンテナコイルを複数備え、当該複数のアンテナコイルが互いに同位相の磁束を形成する向きであって、前記基準軸が互いに平行する状態で隣り合うように、前記複数のアンテナコイルを並べて構成されたアンテナコイルユニット。
2. 前記複数のアンテナコイルが直列接続されて構成されている請求項１に記載のアンテナコイルユニット。
3. 隣接する他の前記アンテナコイルの影響によるそれぞれの前記アンテナコイルのインダクタンスの低下量に基づいて離間距離を設定し、当該離間距離だけ互いに離間させて前記複数のアンテナコイルを配置した請求項１又は２に記載のアンテナコイルユニット。
4. 前記給電回路が、請求項１から３の何れか一項に記載のアンテナコイルユニットを備えて構成され、前記受電回路が、１つの前記アンテナコイルを備えて構成された磁界共鳴式給電システムであって、
   前記基準軸に沿った方向に見た前記アンテナコイルの外周によって囲まれる面積である有効面積は、前記給電回路の前記アンテナコイルユニットが備える複数の前記アンテナコイルの前記有効面積の合計の方が前記受電回路の前記アンテナコイルの前記有効面積よりも広く設定されている磁界共鳴式給電システム。
5. 前記給電回路の前記アンテナコイルユニットを構成する前記複数のアンテナコイルのそれぞれの前記有効面積は、前記受電回路の１つの前記アンテナコイルの前記有効面積に等しい請求項４に記載の磁界共鳴式給電システム。

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