JP2016039644A - 送電装置および無線電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】コイルのアレイ化に伴うＱ値の低下を抑制する。【解決手段】第１のコイル素子１０ａは、第１の巻き線と、前記第１の巻き線の一端に接続された第１の引き出し線と、前記第１の巻き線の他端に接続された第２の引き出し線とを有する。第２のコイル素子１０ｂは、第１の巻き線とは逆に巻かれた第２の巻き線と、前記第２の巻き線の一端に接続された第３の引き出し線と、前記第２の巻き線の他端に接続された第４の引き出し線であって、前記第１の引き出し線に接続された第４の引き出し線とを有する。前記第１および第２の巻き線は、前記第２の引き出し線から前記第１のコイル素子に電流が流れるときに前記第１の巻き線の中心に発生する磁界の方向が、前記第３の引き出し線から前記第２のコイル素子に電流が流れるときに前記第２の巻き線の中心に発生する磁界の方向に一致するように配置されている。【選択図】図２

Description

本開示は、非接触で電力を伝送する無線電力伝送のための送電装置および無線電力伝送システムに関する。

近年、携帯情報端末や電気自動車などの移動性を伴う充電可能な機器が普及している。このような機器を対象とする無線電力伝送システムの開発が進められている。無線電力伝送技術には、電磁誘導方式、磁界共鳴方式（共振磁界結合方式）、および電界結合方式などの方式が知られている。

電磁誘導方式および磁界共鳴方式による無線電力伝送システムは、送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とを備える。送電コイルによって生じた磁界を受電コイルが補足することにより、電極を直接接触させることなく電力を伝送することができる。

無線電力伝送において求められる要件の１つに、送電装置と受電装置との位置合わせを不要にすることが挙げられる。すなわち、受電装置の位置および向きを特定の位置および向きに合わせることなく高効率な電力伝送が可能であることが求められる。例えば、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、送電装置１００に対する受電装置２００の相対位置が異なっていたとしても、電力の伝送効率が大きく変わらないように維持することが求められる。このような位置合わせを不要にする技術には、例えばムービングコイル方式とコイルアレイ方式とがある。

ムービングコイル方式では、モータが、受電コイルの位置に応じて送電コイルを受電コイルに対向する位置に移動させる。これにより、常に良好な結合状態で電力を伝送できる。しかし、モータで駆動するため、送電装置の薄型化、静音性および信頼性の点で課題がある。

コイルアレイ方式では、送電装置が、複数の送電コイルからなるコイルアレイを有し、受電コイルの位置に応じて、通電する送電コイルを選択する。これにより、受電コイルの位置に関わらず、高効率な電力伝送を行うことができる。ムービングコイル方式において存在していた、送電装置の薄型化、静音性、信頼性の点での課題は、モータを排することで改善される。このようなコイルアレイ方式の無線電力伝送システムは、例えば特許文献１から３、および非特許文献１に開示されている。

特開２０１２−５０４８４４号公報 米国特許第８５１９６６８号明細書 米国特許第８６２９６５４号明細書

Hatanaka et al. "Power Transmission of a Desk With a Cord-Free Power Supply" IEEE TRANSACTIONS OF MAGNETICS, VOL. 38, NO. 5, SEPTEMBER 2002, pp3329-3331

コイルアレイ方式の無線電力伝送システムでは、近接するコイル間の相互作用により、コイルを単独で用いた場合よりもＱ値が低下するため、損失が大きい。

本開示は、コイルのアレイ化に伴うＱ値の低下を抑制できる新たなコイルアレイ方式の無線電力伝送技術を提供する。

本開示の一態様に係るコイルアレイは、互いに隣接して配置された第１および第２のコイル素子を含む。前記第１のコイル素子は、第１の巻き線と、前記第１の巻き線の一端に接続された第１の引き出し線と、前記第１の巻き線の他端に接続された第２の引き出し線とを有する。前記第２のコイル素子は、前記第１の巻き線とは逆に巻かれた第２の巻き線と、前記第２の巻き線の一端に接続された第３の引き出し線と、前記第２の巻き線の他端に接続された第４の引き出し線であって、前記第１の引き出し線に接続された第４の引き出し線とを有する。前記第１および第２の巻き線は、前記第２の引き出し線から前記第１のコイル素子に電流が流れるときに前記第１の巻き線の中心に発生する磁界の方向が、前記第３の引き出し線から前記第２のコイル素子に電流が流れるときに前記第２の巻き線の中心に発生する磁界の方向に一致するように配置されている。

上述の一般的かつ特定の態様は、システム、方法およびコンピュータプログラムを用いて実装され、またはシステム、方法およびコンピュータプログラムの組み合わせを用いて実現され得る。

本開示の実施形態によれば、コイルのアレイ化に伴うＱ値の低下を抑制できる。

（ａ）および（ｂ）は、送電装置１００に対する受電装置２００の位置が異なる２つの例を示す図である。 （ａ）は、隣接する２つのコイル素子の巻き線の方向が同じ例を示す図であり、（ｂ）は、隣接する２つのコイル素子の巻き線の方向が互いに逆である例を示す図である。 （ａ）は、本開示のある実施形態における送電装置１００を示す斜視図であり、（ｂ）は、送電装置１００上に受電装置２００が置かれた第１の例を示す図であり、（ｃ）は、送電装置１００上に受電装置２００が置かれた第２の例を示す図である。 本開示の実施形態１における無線電力伝送システムの概略構成を示す図である。 実施形態１における送電装置の変形例を示す図である。 送電回路の一例を示す図である。 複数の送電コイル１１０の構成を示す図である。 実施形態１の動作を示すフローチャートである。 コイルアレイの変形例を示す図である。 検証に用いたコイルアレイの構成を示す図である。 複数のコイルの裏面側にフェライトシートが設けられた構成例を示す図である。 比較例におけるコイル素子対を示す図である。

前述のように、複数の送電コイルが配列された構成においては、近接するコイル間の相互作用により、各コイルのＱ値が低下する。これは、近接するコイル間で電磁的な結合が生じることによる、電気抵抗の増加に起因する。送電周波数をｆ、コイルのインダクタンスをＬ、コイルの電気抵抗をＲとすると、Ｑ値は、Ｑ＝２πｆＬ／Ｒで表される。このため、電気抵抗が増加すると、Ｑ値が低下する。その結果、送受コイル間の電力伝送効率が低下する。特に、プリント基板上のパターンによって送電コイルを形成する場合、損失が大きいため、このＱ値の低下は問題である。

このような課題を解決するため、本開示の実施形態によるコイルアレイでは、互いに隣接する２つのコイル素子の巻き線の方向が逆になっている。これらのコイル素子の一方の引き出し線は、互いに接続されている。これらの引き出し線の接続は、２つのコイル素子の巻き線から同位相の磁界が発生するように決定される。ここで「同位相」の場合には、厳密に同じ位相である場合に限らず、位相のずれが９０°未満である場合が含まれる。

図２は、２つのコイル素子を含むコイルアレイの一例を示す模式図である。図２（ａ）は、巻き線が同一の方向に巻かれた２つのコイル素子１０ａ、１０ｂの例を示している。図２（ｂ）は、巻き線が互いに逆の方向に巻かれた２つのコイル素子１０ａ、１０ｂの例を示している。ここで、互いに逆の方向に巻かれているとは、図２に示されているような平面コイルの場合、一方のコイルが外側から内側にかけて右回りに巻かれており、他方のコイルは外側から内側にかけて左回りに巻かれていることを意味する。巻き線が軸の方向に沿って巻かれているコイル素子では、軸上の一方向に向かって一方のコイルが右回りに巻かれ、他方のコイルは左回りに巻かれることになる。

図２（ａ）に示す例では、第１のコイル素子１０ａの外周端に接続された引き出し線と、第２のコイル素子１０ｂの外周端に接続された引き出し線とが、スイッチ（ＳＷ）に接続されている。第１のコイル素子１０ａの内周端に接続された引き出し線と、第２のコイル素子１０ｂの内周端に接続された引き出し線とは、互いに同電位で接続されている。

図２（ｂ）に示す例では、第１のコイル素子１０ａの外周端に接続された引き出し線と、第２のコイル素子１０ｂの内周端に接続された引き出し線とが、スイッチに接続されている。第１のコイル素子１０ａの内周端に接続された引き出し線と、第２のコイル素子１０ｂの外周端に接続された引き出し線とは、互いに同電位で接続されている。ここで、第１のコイル素子１０ａの外周端に接続された引き出し線から第１のコイル素子１０ａに電流が流れるときに巻き線の中心に発生する磁界の方向は、第２のコイル素子１０ｂの内周端に接続された引き出し線から第２のコイル素子１０ｂに電流が流れるときに巻き線の中心に発生する磁界の方向に一致する。

本願発明者の解析によれば、図２（ｂ）の構成をベースに形成した多素子アレイでは、図２（ａ）のような通常の構成をベースに形成した多素子アレイに比べ、Ｑ値が１０％以上改善することがわかった。ある条件で解析したところ、単一のコイルが存在する場合と比べて、図２（ａ）の構成ではＱ値が１７％低下したが、図２（ｂ）の構成ではＱ値の低下が６．８％に留まった。すなわち、Ｑ値が１２．５％改善した。

このようにＱ値の低減が抑制される条件について以下に詳細を説明する。

発明者は、図１１に示すように、各コイル素子から引き出される２本の引き出し線の各々について、隣接するコイルの引き出し線との間の接続（導通／非導通）を独立して制御できるようにした構造では、コイル素子の巻き線方向の差がＱ値に影響を与えないことも解明している。本開示の実施形態の効果は、電力伝送に関与しない非動作状態のコイルが動作状態のコイルに近接して配置されることによる寄生素子としての悪影響の低減である。しかし、いわゆる無給電素子のように隣接の非動作コイルが機能する場合（隣接コイルが２本ずつ有している引き出し線を１本も共有していない場合）においては、コイル素子の巻き線方向を逆にしても本開示の効果は得られない。

また、隣接する非動作コイルが動作中のコイルと引き出し線を共有していても、いずれの引き出し線の共有もスイッチ素子により分離できるなら、本開示の効果は発現しない。しかし、多素子コイルアレイ方式では、原理的に、動作状態にするコイルを切り替えるためのスイッチ素子数が増加する傾向にあるので、引き出し線の２本共にスイッチ素子が必要となる構成は、コスト面からも製品の小型化の観点からも回避したい。そこで、１つのコイル素子と隣接する他のコイル素子との間で、スイッチ素子による分離を行わずに１本の引き出し線を共有する構成が、実用的な構成となる。

しかし、上記構成において、動作状態の送電コイル素子から生じる磁界、そして、送電コイル素子から受電コイル素子を経て閉じて磁路を形成する磁界は、その一部が隣接するコイルをも鎖交する。一般に、磁界がコイルを鎖交すれば電流が発生する。非動作状態のコイルの２本の引き出し線がスイッチ素子で動作状態のコイルの２本の引き出し線と分離されていれば、発生する電流が動作状態のコイルに流れていく経路が存在せず電流量が制限される。このため、Ｑ値の劣化は限定的となる。しかし、一本の引き出し線が隣接コイル間で共有された状態では、磁界の鎖交により電流が流れる経路が分離されない。このため、隣接コイルから流れ込む意図せぬ電流が、動作中のコイルから流れる電流と打ち消しあう。このような条件では、Ｑ値の劣化を招く事になる。本開示は、上記原理に基づき、スイッチ素子を導入しない事により分離が十分になされない隣接コイルからの電流成分が、コイルアレイ回路全体としてのＱ値を劣化させにくい構成を提供する。より具体的には、本開示の実施形態は、Ｑ値の劣化を抑制可能な隣接コイルの巻き線方向、及び、引き出し線の接続方法を採用することにより、課題を解決する。

図３は、ある実施形態における送電装置１００の外観および動作の概要を示す図である。この送電装置１００は、ワイヤレス充電器であり、平板状の構造を有している。図３（ａ）に示すように、この送電装置１００は、一列に配列された複数の送電コイル１１０（この例では７個の送電コイル１１０ａ〜１１０ｇ）を備える。各送電コイルは、上述したコイル素子に対応する。この例では、隣接する２つの送電コイルの全ての組み合わせについて、巻き線の方向が互いに逆になっている。具体的には、送電装置１００を上から見たとき、奇数番目の送電コイル１１０ａ、１１０ｃ、１１ｅ、１１０ｇは右巻き、偶数番目の送電コイル１１０ｂ、１１０ｄ、１１ｆは左巻きである。図３では、各送電コイルが矩形の破線で描かれているが、実際には、各コイルは矩形状の巻き線を有している。各送電コイルは、配列方向（図における横方向）に短く、配列方向に垂直な方向に長い形状を有している。図示されていないが、送電装置１００は、各送電コイルに交流電力を供給する送電回路、および送電回路と各送電コイルとの間の接続状態を制御する制御回路も備える。

この送電装置１００に、受電コイル２１０を備える受電装置２００が近接すると、制御回路は、受電コイル２１０に最も近い２つの送電コイルと送電回路とを電気的に接続する。例えば、図３（ｂ）に示す状態では、２つの送電コイル１１０ｃ、１１０ｄのみが送電回路に接続される。図３（ｃ）に示す状態では、２つの送電コイル１１０ｆ、１１０ｇのみが送電回路に接続される。

この例では、常に２つの送電コイルに給電されるが、同時に給電される送電コイルの数は、２以外の数であってもよい。同時に給電される送電コイルの数は、送電コイルの総数よりも小さい数であればよい。このように、同時に給電される送電コイルの数を特定の数に限定すれば、インダクタンスの変動を抑えることができる。また、同時に給電される送電コイルの数を２のような小さい数にすれば、各送電コイルのインダクタンスを過度に大きくする必要がないため、装置の小型化につながる。

さらに、隣接する２つの送電コイルの巻き線の方向が互いに逆になっており、一方の引き出し線同士が接続されているため、Ｑ値の低下を抑制することができる。その結果、従来よりも高い効率で電力を伝送することができる。

以下、本開示の実施形態の概要を説明する。

（１）本開示の一態様に係るコイルアレイは、互いに隣接して配置された第１および第２のコイル素子を含む。前記第１のコイル素子は、第１の巻き線と、前記第１の巻き線の一端に接続された第１の引き出し線と、前記第１の巻き線の他端に接続された第２の引き出し線とを有する。前記第２のコイル素子は、前記第１の巻き線とは逆に巻かれた第２の巻き線と、前記第２の巻き線の一端に接続された第３の引き出し線と、前記第２の巻き線の他端に接続された第４の引き出し線であって、前記第１の引き出し線に接続された第４の引き出し線とを有する。前記第１および第２の巻き線は、前記第２の引き出し線から前記第１のコイル素子に電流が流れるときに前記第１の巻き線の中心に発生する磁界の方向が、前記第３の引き出し線から前記第２のコイル素子に電流が流れるときに前記第２の巻き線の中心に発生する磁界の方向に一致するように配置されている。

（２）ある実施形態において、前記第１および第２のコイル素子は、同一平面上に配列されている。

（３）ある実施形態において、前記コイルアレイは、前記平面上に一列に配列された、前記第１および第２のコイル素子を含む複数のコイル素子から構成されている。

（４）ある実施形態において、前記複数のコイル素子の配列方向における各コイル素子の長さは、前記平面上で前記配列方向に垂直な方向における各コイル素子の長さよりも小さい。

（５）ある実施形態において、前記コイルアレイは、プリント基板上に設けられている。

（６）ある実施形態において、各コイル素子は、多層配線コイルである。

（７）ある実施形態において、前記コイルアレイに含まれる隣接するコイル素子間で重なりが生じていない。

（８）本開示の他の態様に係る送電装置は、受電コイルを備える受電装置に非接触で電力を伝送する送電装置であって、上記項目（１）から（７）のいずれかに記載のコイルアレイと、前記コイルアレイに含まれる複数のコイル素子に接続され、前記複数のコイル素子に交流電力を供給する送電回路とを備える。

（９）ある実施形態において、前記送電装置は、前記送電回路と各コイル素子との間の接続状態を制御する制御回路をさらに備え、前記制御回路は、前記複数のコイル素子に対する前記受電コイルの相対位置に応じて、前記複数のコイル素子から選択した少なくとも１つのコイル素子に前記交流電力が供給されるように、前記送電回路と前記複数のコイル素子との接続状態を切り替える。

（１０）ある実施形態において、前記制御回路は、送電を行う際、前記複数のコイル素子から選択した一定数のコイル素子を前記送電回路に接続する。

（１１）ある実施形態において、前記制御回路は、送電を行う際、前記複数のコイル素子から選択した２つのコイル素子を前記送電回路に接続する。

（１２）ある実施形態において、各コイル素子の２つの引き出し線は、前記制御回路によって選択された前記２つのコイル素子から同位相の磁界が発生するように、前記送電回路に接続されている。

（１３）本開示の他の態様に係る受電装置は、送電コイルを備える送電コイルから非接触で電力を受け取る受電装置であって、上記項目（１）から（７）のいずれかに記載のコイルアレイと、前記コイルアレイによって受け取られた交流電力を負荷に供給する受電回路とを備える。

（１４）本開示の他の態様に係る無線電力伝送システムは、上記項目（８）から（１３）のいずれかに記載の送電装置と、受電コイルを有する受電装置と、を備える。

（１５）本開示の他の態様に係る受電装置は、少なくとも１つの送電コイルを有する送電装置と、上記項目（１３）に記載の受電装置と、を備える。

以下、本開示のより詳細な実施形態を説明する。

（実施形態１)
［１．構成］
図４Ａは、本開示の第１の実施形態に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。無線電力伝送システムは、送電装置１００と、受電装置２００とを備える。送電装置１００における複数の送電コイル１１０から受電装置２００における受電コイル２１０に非接触で電力が伝送される。

受電装置２００は、受電コイル２１０と、キャパシタ２２０ａ、２２０ｂと、受電回路２２０と、二次電池２３０とを備えている。受電コイル２１０と、キャパシタ２２０ａ、２２０ｂは、並列共振回路を構成している。受電回路２２０は、受電コイル２１０が受け取った交流電力を整流して出力する。二次電池２３０は、受電回路２２０から出力された直流電力によって充電される。二次電池２３０に蓄えられたエネルギは、不図示の負荷によって消費される。

受電回路２２０は、整流回路や周波数変換回路、定電圧・定電流制御回路、通信用の変復調回路などの各種の回路を含み得る。受け取った交流エネルギを負荷が利用可能な直流エネルギまたは低周波の交流エネルギに変換するように構成される。受電コイル２１０から出力される電圧・電流などを測定する各種センサを受電回路２２０中に含めてもよい。

送電装置１００は、複数の送電コイル（コイルアレイ）１１０と、複数のスイッチ１３０と、共振キャパシタ１２０と、送電回路１４０と、制御回路１５０とを備える。複数のスイッチ１３０は、それぞれ、複数の送電コイル１１０に接続されている。ここで「接続される」とは、電気的に導通するように接続されることを意味する。複数の送電コイル１１０は、複数のスイッチ１３０を介して、送電回路１４０に対して互いに並列に接続される。各送電コイルの一端は、キャパシタ１２０の一方の電極に接続されている。キャパシタ１２０の他方の電極は、送電回路１４０に接続されている。複数のスイッチ１３０は、それぞれ、複数の送電コイル１１０におけるキャパシタ１２０が接続されていない側の端子に接続されている。これは、キャパシタ１２０と複数の送電コイル１１０との間では電圧の変動が大きいためである。なお、図４Ｂに示すように、スイッチ１３０と送電回路１４０との間に他の共振キャパシタ１２１が接続されていてもよい。各コイルの両端に２つのキャパシタ１２０、１２１を設けることにより、各コイルに印加される電圧を低減することができる。これにより、耐圧の低いスイッチを使用することができる。

各送電コイルは、例えば、基板パターンで形成された薄型の平面コイルであり得る。一層の導電体パターンから構成されている必要はなく、例えば特許文献３の図１８に示されているような、積層された複数の導電体パターンを直列に接続した構成を有していてもよい。このような構成を有するコイルを、「多層配線コイル」と称する。このほか、銅線やリッツ線、ツイスト線などを用いた巻き線コイルを用いることもできる。各送電コイルのＱ値は、例えば１００以上に設定され得るが、１００よりも小さい値に設定されていてもよい。キャパシタ１２０、２２０ａ、２２０ｂは、必要に応じて設ければよい。各コイルが有する自己共振特性をこれらのキャパシタの代わりに用いてもよい。

本実施形態のコイルアレイの効果が最大化される構成は、近接する複数のコイル間の物理的な配置関係と関係する。即ち、近接する２つのコイル間に重なりが生じている場合は、交差面積とコイル面積の比が、例えば０．５以下となる構成で、高い効果を得ることができる。これは、近接コイル対の交差部分を貫く磁束よりも、近接コイル対の非交差部分を貫く磁束の方が強い場合に、効果が高くなるからである。たとえば、近接コイル間に一切の重なりがない場合も、この条件に含まれる。充電器の薄型化や、多層プリント基板の配線層数を制限することによる低コスト化を考慮すれば、近接する複数のコイルを形成する層を違えず、同一平面状に配置することが好ましい。

送電回路１４０は、例えば、フルブリッジ型のインバータ、またはＤ級もしくはＥ級などの発振回路であり得る。図５は、一例として、フルブリッジ型のインバータで送電回路１４０を構成した例を示している。送電回路１４０は、通信用の変復調回路や電圧・電流などを測定する各種センサを有していてもよい。送電回路１４０は、外部の直流（ＤＣ）電源３００に接続されている。直流電源３００から入力された直流電力を交流電力に変換して出力する。この交流電力は、複数の送電コイル１１０から選択された２つの送電コイルによって空間に送出される。

電力伝送時の周波数は、例えば、送電コイル１１０およびキャパシタ１２０によって構成される送電共振器の共振周波数と同じ値に設定される。しかし、これに限定されず、例えば、その共振周波数の８５〜１１５％程度の範囲内の値に設定されていてもよい。電力伝送の周波数帯は、例えば１００ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲内の値に設定され得るが、この範囲外の値に設定されてもよい。

電源１３０は、商用電源、一次電池、二次電池、太陽電池、燃料電池、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）電源、高容量のキャパシタ（例えば電気二重層キャパシタ）、商用電源に接続された電圧変換器、または、それらの組み合わせであり得る。

制御回路１５０は、送電装置１００全体の動作を制御するプロセッサである。送電回路１５０は、例えばＣＰＵと、コンピュータプログラムを格納したメモリとの組み合わせによって実現され得る。制御回路１５０は、本実施形態の動作を実現するように構成された専用の集積回路であってもよい。制御回路１５０は、送電回路１４０による送電制御（送電状態の調整）、および複数のスイッチ１３０の開閉状態の制御を行う。

制御回路１５０は、さらに、複数の送電コイル１１０に対する受電コイル２１０の相対位置の検出を行う。これに加えて、送電コイル１１０に近接する金属などの異物の検出を行ってもよい。受電コイル２１０の位置の検出および異物の検出は、回路上の電圧、電流、周波数、インダクタンスといったインピーダンスの変化に伴って変動するパラメータの測定値に基づいて行われ得る。より具体的には、制御回路１５０は、複数のスイッチ１３０を一定の数（例えば２個）ずつ順番にオンにし、その都度、上記のいずれかのパラメータを測定する。規定の範囲からずれた値が測定されたとき、そのときに給電している送電コイルの近傍に受電コイル２１０または異物が存在すると判定することができる。このような検出を可能にするため、制御回路１５０は、不図示の検出回路を備え得る。本開示では、受電コイル２１０の検出および異物の検出は、特定の方法に限定されず、公知の任意の方法で行うことができる。

本実施形態における制御回路１５０は、複数の送電コイル１１０に対する受電コイル２１０の相対位置に応じて、電力伝送に用いる２つの送電コイルを選択する。そして、選択した２つの送電コイルのみに送電回路１４０から交流電力が供給されるように、複数のスイッチ１３０の導通状態を切り替える。その結果、選択された２つの送電コイルから空間に交流エネルギが送出される。

制御回路１５０は、受電装置２００との間で通信を行う通信回路を有していてもよい。通信回路によって、例えば、受電装置２００の負荷のインピーダンスの変動を示す情報を得ることができる。制御回路１５０は、その情報に基づき、例えば負荷に一定の電圧が供給されるように、送電回路１４０に送電パラメータを変更するように指示することができる。そのような送電パラメータは、例えば周波数、インバータのスイッチング素子対間の位相差、またはインバータの入力電圧であり得る。入力電圧を調整する場合、送電回路１４０は、ＤＣ電源３００とインバータとの間にＤＣ／ＤＣコンバータを有し得る。これらの送電パラメータを変化させることにより、負荷に供給される電圧を変化させることができる。

送電装置１００は、上記の構成要素以外の要素を備えていてもよい。例えば、制御回路１５０による受電コイル２１０または異物の検出結果を表示する表示素子を備えていてもよい。そのような表示素子は、例えば、ＬＥＤなどの光源であり得る。また、異物検出用の発振回路および検出コイルを設けてもよい。

また、受電装置２００の構成は、図４Ａに示すものに限定されない。送電コイル１１０から送出されるエネルギの少なくとも一部を受け取る受電コイル２１０を有している限り、その構成は任意に設計してよい。

図６は、本実施形態における複数の送電コイル（コイルアレイ）１１０の構成を模式的に示す図である。ここでは簡単のため、４つの送電コイルを示しているが、送電コイルの数は５個以上であってもよい。隣接する２つの送電コイルの巻き線は、互いに逆向きに巻かれている。左から奇数番目のコイルでは、外周端からの引き出し線がスイッチに接続されている。左から偶数番目のコイルでは、内周端からの引き出し線がスイッチに接続されている。左から奇数番目のコイルの内周端からの引き出し線と、左から偶数番目のコイルの外周端からの引き出し線とは、互いに接続され、送電回路１４０の一方の端子にキャパシタ１２０を介して接続される。各スイッチは、送電回路１４０の他方の端子に接続される。

本実施形態では、同時に給電される送電コイルの数は、２個である。図６は、中央に位置する２個のコイルにのみ給電されている様子を表している。各コイルは、隣接する２つのコイル素子から同位相の磁界が発生するように給電される。言い換えれば、送電回路１４０は、逆方向に巻かれたコイル素子対に、互いに逆位相で給電する。給電されるコイル素子対の組み合わせが変わっても上記の関係が満たされるように、各引き出し線の接続が決定されている。

このような構成により、各コイル素子対のＱ値の低下が抑制され、高効率な電力伝送が実現する。コイル素子の数が５個以上の場合も上記の条件を満たすように構成すれば、同様の効果が得られる。

［２．動作］
続いて、図７のフローチャートを参照しながら、本実施形態の送電装置１００の動作の例を説明する。

送電装置１００の電源が投入されると、制御回路１５０は、まず、異物検出処理を行う（ステップＳ１００）。異物検出処理は、例えば、送電コイル１１０の入力インダクタンスや電圧などの物理量(パラメータ)を検出し、その値が所定の範囲を超えるか否かを判定することによって行われる。このパラメータが所定の範囲を超える場合、異物があると推定できる。その場合、制御回路１５０は、送電を行わず、警告表示を行う。異物が検出されなかった場合、制御回路１５０は、変数Ｎに１を代入する（ステップＳ１０１）。変数Ｎは、送電コイル１１０の番号を表している。制御回路１５０は、給電する送電コイルとして、Ｎ番目およびＮ＋１番目の送電コイルを選択する（ステップＳ１０２）。このとき、制御回路１５０は、選択した２つの送電コイルに接続されている２つのスイッチのみをオンにする。その後、送電回路１４０は、送電パラメータを位置検出用の値に設定して一定時間発振する（ステップＳ１０３）。ここで設定されるパラメータには、例えば、周波数、およびインバータのスイッチング素子対間の位相ずれ量またはインバータの入力電圧が含まれ得る。送電回路１４０は、これらのパラメータを、受電コイルの位置検出に適した値に設定して発振する。次に、制御回路１５０は、回路内を流れる電流、電圧、インピーダンス等のモニタ値が所定の範囲内か否かを判定する（ステップＳ１０４）。モニタ値が所定の範囲内であれば、送電回路１４０は、出力を停止する（ステップＳ１０８）。続いて、制御回路１５０は、変数Ｎが、送電コイルの個数Ｎｍａｘに１を減じた値に等しいか否かを判定する（ステップＳ１０９）。ＮがＮｍａｘ−１に等しくない場合、制御回路１５０は、変数ＮにＮ＋１を代入する（ステップＳ１１０）。その後、モニタ値が所定の範囲内になるか、Ｎ＝Ｎｍａｘ−１になるまで、ステップＳ１０２〜Ｓ１０４、Ｓ１０８〜Ｓ１１０が繰り返される。

ステップＳ１０９において、Ｎ＝Ｎｍａｘ−１であると判定された場合、送電装置１００は、所定時間が経過するまで待機する（Ｓ１１１）。このケースは、全ての送電コイル１１０について判定が完了したにも関わらず、モニタ値の大きな変化が検出されなかったケースである。このとき、受電コイル２１０が近くに存在しないと考えられるため、送電装置１００は所定時間だけ待機した後、再びステップＳ１０１を実行する。

ステップＳ１０４において、モニタ値が所定の範囲内であると判定すると、制御回路１５０は、受電装置２００との通信が確立しているか否かを判定する（ステップＳ１０５）。通信が確立している場合、送電回路１４０は、送電用のパラメータ値で送電を実行する（ステップＳ１０６）。このパラメータ値は、送電に適した値であり、受電装置２００の負荷（例えば二次電池）に応じて設定される。制御回路１５０は、送電中、所定時間ごとにステップＳ１０５の動作を実行し、通信が途切れていないかを確認する。

ステップＳ１０５において、通信が確立していないと判定された場合、送電回路１４０は、出力を停止する（ステップＳ１０７）。この場合、所定時間が経過するまで待機する（ステップＳ１１１）。その後、再びステップＳ１０１の動作を実行する。

以上の動作により、受電コイル２１０の近接を検知したときのみ、受電コイル２１０に最も近い２つの送電コイルを用いて電力を伝送することができる。受電コイル２１０の検知は、例えば１ｍｍ秒〜数秒に１回だけ数周期分の交流を発振する断続的発振（間欠動作）によって行うことができる。受電コイル２１０を検知した場合にのみ連続動作に切替えるため、消費電力の増加を抑えることができる。この検出動作における送電回路１４０の動作周波数は、送電用の周波数と同じであってもよいし異なっていてもよい。

本実施形態によれば、電力伝送に用いられる送電コイルの数は、常に一定の数（上記の例では２個）に限定される。さらに、複数の送電コイルは一列に配列され、配列方向における各送電コイルの長さが、受電コイルの長さよりも小さい。このため、送電装置の小型化および高効率な電力伝送を実現できる。

なお、上記の実施形態では、電力伝送に使用される送電コイルの数が常に一定の数に維持されるが、必ずしもこのような動作である必要はない。例えば、受電コイルの大きさに応じて、給電する送電コイルの数を変化させてもよい。送電コイルの幅Ｄｗｔが、受電コイルの幅Ｄｗｒの例えば１／３以下の場合、受電コイルに３つの送電コイルが対向することになる。このような場合は、２つではなく、３つの送電コイルに給電してもよい。

［３．変形例］
図８は、複数の送電コイル１１０の変形例を示す図である。図示されるように、複数の送電コイル１１０は、必ずしもスイッチに接続されている必要はない。両端のコイルのように、給電されないコイルが系の中に存在していてもよい。この場合でも、給電されないコイルと給電されるコイルとは、一方の引き出し線同士が互いに接続されている。これらの引き出し線は、例えばグランド端子に接続される。このように、給電されるコイルの数は、２個だけでもよい。３個以上のコイルに給電する場合も、両端に給電されないコイルを配置してもよい。

本開示のコイルアレイは、送電装置１００における複数の送電コイル１１０として使用され得るだけでなく、受電装置２００における受電コイルとしても使用され得る。本開示のコイルアレイを受電コイルとして使用した場合も、Ｑ値の低下を抑制できるため、伝送効率を向上させることができる。

また、送電装置１００または受電装置２００が、送電または受電のためのコイルとは別に、異物検出用のコイルを備える構成では、異物検出用のコイルとして、本開示のコイルアレイを用いてもよい。

［４．効果の検証］
次に、本実施形態におけるコイルアレイによる効果を検証した結果を説明する。

図９は、検証に用いたコイルアレイ１１０の構成を示している。プリント基板製造プロセスによって４つのコイルパターンを２層に形成した。配列方向における各コイルの長さを１２ｍｍ、配列方向に垂直な方向における各コイルの長さを５０ｍｍ、各コイルの各層の巻き数を５回（計１０回）、コイルパターンの幅を０．５ｍｍ、パターン間の隙間を０．２ｍｍとした。各コイルの巻き線は、内周端側で表層から裏層へビアで導き、各層の外周端から２本の引き出し線を出している。コイルアレイ１１０の裏面（受電コイルが対向しない側の面）には、図１０に示すように、比透磁率１２０、６０ｍｍ×８０ｍｍ×１ｍｍのフェライトシートが設けられている。周波数１２０ｋＨｚの交流電力を、中央の２つのコイルに供給したときのコイル素子対Ｔｘのインダクタンス、結合係数、Ｑ値を測定した。測定は、コイルの巻き線の方向が全て同一である比較例と、隣接する２つのコイルの巻き線の方向が逆である実施例とで行った。いずれの例も、中央の２つのコイルから同位相の磁界が発生するように構成した。測定結果を以下の表１に示す。

表１からわかるように、実施例では、比較例と比べてＱ値が１２．５％改善した。

次に、給電される２つのコイル素子の各々における２本の引き出し線の両方にスイッチを設けた場合、および図９に示す両端のコイルを配置しなかった場合についても検証した。以下の表２は、これらの各場合の結果を示している。

表２において、モデル１、２は、それぞれ、表１における比較例および実施例を表している。モデル３、４は、給電される２つのコイル素子の各々における２本の引き出し線の両方にスイッチを設けた例を表している。モデル３、４は、例えば図１１に示す構成に対応する。これらのモデルでは、２つのコイルの一方の引き出し線が接続されず、代わりにスイッチに接続されている。モデル３では、隣接する２つのコイルの巻き線の方向が同じであり、モデル４では、隣接する２つのコイルの巻き線の方向が逆である。モデル５、６は、図９に示す両端のコイルを配置しなかった例を表している。モデル５では、隣接する２つのコイルの巻き線の方向が同じであり、モデル６では、隣接する２つのコイルの巻き線の方向が逆である。

表２におけるモデル３、４の結果からわかるように、２本の引き出し線の両方にスイッチを接続した構成では、隣接する２つの巻き線の方向を互いに逆にしてもＱ値の改善効果は得られなかった。モデル３では、モデル２（実施例）と同程度のＱ値が得られているが、スイッチを多数設けることはコストの上昇を招き、好ましくない。実施例では、スイッチを多数設けることなく、高いＱ値を維持できている。

表２におけるモデル５、６の結果からわかるように、両端のコイルを配置しなかった場合、巻き線の方向を逆にしてもＱ値はそれほど改善しなかった。よって、本開示の構成の特徴であるコイルの巻き線方向と引き出し線の接続に関する規則を、動作状態にあるコイルだけに適用するのではなく、周辺に配置された非動作状態のコイルにも適用した構成において特に改善効果が高いといえる。

以上のように、本開示の実施形態では、隣接する２つのコイル素子の巻き線が互いに逆方向に巻かれている。さらに、一方の引き出し線同士が接続され、例えばグランド端子に接続される。このような構成により、Ｑ値の低下を抑制できるため、伝送効率を高くすることができる。

本開示の異物検出装置および無線電力伝送システムは、例えば、電気自動車、ＡＶ機器、電池、医療機器などへの充電あるいは給電を行う用途に広く適用可能である。

１０ａ、１０ｂ コイル素子
１００ 送電装置
１１０ 送電コイル
１２０、１２１ キャパシタ
１３０ スイッチ
１４０ 送電回路
１５０ 制御回路
２００ 受電装置
２１０ 受電コイル
２２０ キャパシタ
２３０ 二次電池
３００ ＤＣ電源

Claims (15)

1. 互いに隣接して配置された第１および第２のコイル素子を含むコイルアレイであって、
   前記第１のコイル素子は、
   第１の巻き線と、
   前記第１の巻き線の一端に接続された第１の引き出し線と、
   前記第１の巻き線の他端に接続された第２の引き出し線と、
   を有し、
   前記第２のコイル素子は、
   前記第１の巻き線とは逆に巻かれた第２の巻き線と、
   前記第２の巻き線の一端に接続された第３の引き出し線と、
   前記第２の巻き線の他端に接続された第４の引き出し線であって、前記第１の引き出し線に接続された第４の引き出し線と、
   を有し、
   前記第１および第２の巻き線は、前記第２の引き出し線から前記第１のコイル素子に電流が流れるときに前記第１の巻き線の中心に発生する磁界の方向が、前記第３の引き出し線から前記第２のコイル素子に電流が流れるときに前記第２の巻き線の中心に発生する磁界の方向に一致するように配置されている、
   コイルアレイ。
2. 前記第１および第２のコイル素子は、同一平面上に配列されている、請求項１に記載のコイルアレイ。
3. 前記コイルアレイは、前記平面上に一列に配列された、前記第１および第２のコイル素子を含む複数のコイル素子から構成されている、請求項２に記載のコイルアレイ。
4. 前記複数のコイル素子の配列方向における各コイル素子の長さは、前記平面上で前記配列方向に垂直な方向における各コイル素子の長さよりも小さい、請求項１から３のいずれかに記載のコイルアレイ。
5. 前記コイルアレイは、プリント基板上に設けられている、請求項１から４のいずれかに記載のコイルアレイ。
6. 各コイル素子は、多層配線コイルである、請求項１から５のいずれかに記載のコイルアレイ。
7. 前記コイルアレイに含まれる隣接するコイル素子間で重なりが生じていない、請求項１から６のいずれかに記載のコイルアレイ。
8. 受電コイルを備える受電装置に非接触で電力を伝送する送電装置であって、
   請求項１から７のいずれかに記載のコイルアレイと、
   前記コイルアレイに含まれる複数のコイル素子に接続され、前記複数のコイル素子に交流電力を供給する送電回路と、
   を備える送電装置。
9. 前記送電回路と各コイル素子との間の接続状態を制御する制御回路をさらに備え、
   前記制御回路は、前記複数のコイル素子に対する前記受電コイルの相対位置に応じて、前記複数のコイル素子から選択した少なくとも１つのコイル素子に前記交流電力が供給されるように、前記送電回路と前記複数のコイル素子との接続状態を切り替える、
   請求項８に記載の送電装置。
10. 前記制御回路は、送電を行う際、前記複数のコイル素子から選択した一定数のコイル素子を前記送電回路に接続する、請求項９に記載の送電装置。
11. 前記制御回路は、送電を行う際、前記複数のコイル素子から選択した２つのコイル素子を前記送電回路に接続する、請求項９または１０に記載の送電装置。
12. 各コイル素子の２つの引き出し線は、前記制御回路によって選択された前記２つのコイル素子から同位相の磁界が発生するように、前記送電回路に接続されている、請求項１１に記載の送電装置。
13. 送電コイルを備える送電コイルから非接触で電力を受け取る受電装置であって、
    請求項１から７のいずれかに記載のコイルアレイと、
    前記コイルアレイによって受け取られた交流電力を負荷に供給する受電回路と、
    を備える受電装置。
14. 請求項８から１３のいずれかに記載の送電装置と、
    受電コイルを有する受電装置と、
    を備える無線電力伝送システム。
15. 少なくとも１つの送電コイルを有する送電装置と、
    請求項１３に記載の受電装置と、
    を備える無線電力伝送システム。

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