JP2016164975A - コイルユニット、ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属部に生じる高誘起電圧を抑制できるコイルユニット、ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送装置を提供する。【解決手段】コイルユニットＬｕ１は、電力伝送用コイルＬ１と、電力伝送用コイルＬ１と共振回路を形成するリアクタンス回路Ｘ１０，Ｘ１１と、電力伝送用コイルＬ１の背面側に配置される金属部ＳＤと、を備える。第１のリアクタンス回路Ｘ１０の第１のリアクタンス値と第２のリアクタンス回路Ｘ１１の第２のリアクタンス値との比Ｍは、巻線の一方端から中央部までにおける巻線と金属部との平均距離に対する巻線の他方端から中央部までにおける巻線と金属部との平均距離の比に基づいて設定される。【選択図】図２

Description

本発明は、コイルユニット、ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送装置に関するものである。

近年、電気自動車や携帯機器において、電源ケーブルを用いることなく外部から電力をワイヤレスで供給するワイヤレス電力伝送技術が注目されている。このワイヤレス電力伝送技術を、電気自動車などの大電力伝送が必要となる充電装置に適用した場合、送電コイルに大電流を流す必要があることから、漏洩磁束が大きくなり、周囲の電子機器に電磁波障害などの悪影響を与える可能性があった。

この問題を解決するため、例えば特許文献１では、１次側および２次側が、それぞれエアギャップ側から順に、渦巻き状に巻回されたフラット構造よりなるコイル、フラットな平板状をなすフェライトコア、フラットな平板状をなすアルミプレートを備え、このアルミプレートにより漏洩磁束の外部露出を遮蔽している非接触給電装置が開示されている。

特開２０１０−９３１８０号公報

ところで、ワイヤレス電力伝送技術では共振（共鳴）現象を利用する方式が主流となりつつある。この共振現象を用いると電磁誘導に比べ、送受電間の距離を大きくできるメリットがある。この共振現象を利用したワイヤレス電力伝送技術では、電力伝送用コイルの巻線の始端および終端のいずれかに共振用のリアクタンス回路を接続する必要がある。しかしながら、共振用のリアクタンス回路を電力伝送用コイルの巻線の始端および終端のいずれか一端のみに接続した場合、電力伝送用コイルの巻線の始端および終端の電位差が生じる。そのため、生じた電位差により寄生容量を介して金属部に対地間の高誘起電圧が生じる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、金属部に生じる高誘起電圧を抑制できるコイルユニット、ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明に係るコイルユニットは、電力伝送用コイルと、電力伝送用コイルと共振回路を形成するリアクタンス回路と、電力伝送用コイルの背面側に配置される金属部と、を備え、リアクタンス回路は、電力伝送用コイルの巻線の一方端に接続される第１のリアクタンス回路と、電力伝送用コイルの巻線の他方端に接続される第２のリアクタンス回路と、を有し、第１のリアクタンス回路の第１のリアクタンス値に対する第２のリアクタンス回路の第２のリアクタンス値の比は、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との平均距離に対する巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との平均距離の比に基づいて設定されることを特徴とする。

本発明によれば、リアクタンス回路は、電力伝送用コイルの巻線の一方端に接続される第１のリアクタンス回路と、電力伝送用コイルの巻線の他方端に接続される第２のリアクタンス回路と、を有し、第１のリアクタンス回路の第１のリアクタンス値に対する第２のリアクタンス回路の第２のリアクタンス値の比は、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との平均距離に対する巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との平均距離の比に基づいて設定される。そのため、電力伝送用コイルの巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との間に生じる寄生容量を介して金属部に誘起される電圧の電圧値と、第１のリアクタンス回路の両端に印加される電圧の電圧値の差が小さく、かつ、電力伝送用コイルの巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との間に生じる寄生容量を介して金属部に誘起される電圧の電圧値と、第２のリアクタンス回路の両端に印加される電圧の電圧値の差が小さくなる。その結果、金属部に誘起される高電圧を抑制することができる。

好ましくは、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との平均距離に対する巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との平均距離の比をｎ、電力伝送時に電力伝送用コイルに流れる交流電流の周波数をｆ、共振回路の共振周波数をｆ_０、とすると、第１のリアクタンス値に対する第２のリアクタンス値の比Ｍは、下記式（１）、（２）を満たすように設定されるとよい。
Ｍ＝（１＋α）／（１−α） 式（１）
α＝｛（ｎ−１）／（ｎ＋１）｝・（ｆ／ｆ_０）^２ 式（２）
この場合、電力伝送用コイルの巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との間に生じる寄生容量を介して金属部に誘起される電圧の電圧値と、第１のリアクタンス回路の両端に印加される電圧の電圧値の差が限りなくゼロに近づき、かつ、電力伝送用コイルの巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との間に生じる寄生容量を介して金属部に誘起される電圧の電圧値と、第２のリアクタンス回路の両端に印加される電圧の電圧値の差が限りなくゼロに近づく。その結果、金属部に誘起される高電圧を一層抑制することができる。

より好ましくは、電力伝送用コイルは、巻線が層状に連続して巻回されているとよい。この場合、金属部に誘起される高電圧を抑制しつつ、コイルのインダクタンス値を向上することができる。

本発明に係るワイヤレス給電装置は、給電コイルユニットを備え、給電コイルユニットは、上記コイルユニットであることを特徴とする。本発明によれば、金属部に生じる高誘起電圧を抑制できるワイヤレス給電装置を提供することができる。

本発明に係るワイヤレス受電装置は、受電コイルユニットを備え、受電コイルユニットは、上記コイルユニットであることを特徴とする。本発明によれば、金属部に生じる高誘起電圧を抑制できるワイヤレス受電装置を提供することができる。

本発明に係るワイヤレス電力伝送装置は、給電コイルユニットを有するワイヤレス給電装置と、受電コイルユニットを有するワイヤレス受電装置と、を備え、給電コイルユニットおよび受電コイルユニットの少なくとも一方は、上記コイルユニットであることを特徴とする。本発明によれば、金属部に生じる高誘起電圧を抑制できるワイヤレス電力伝送装置を提供することができる。

本発明によれば、金属部に生じる高誘起電圧を抑制できるコイルユニット、ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送装置を提供することができる。

本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用されるワイヤレス電力伝送装置を負荷とともに示す回路構成図である。 本発明の第１実施形態に係るコイルユニットの回路構成を模式的に示した図である。 本発明の第１実施形態に係るコイルユニットを平面視した図である。 図３ａにおける切断線Ａ−Ａに沿うコイルユニットの断面図である。 本発明の第２実施形態に係るコイルユニットを平面視した図である。 図４ａにおける切断線Ｂ−Ｂに沿うコイルユニットの断面図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用されるワイヤレス電力伝送装置Ｓ１の全体構成について説明する。図１は、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用されるワイヤレス電力伝送装置を負荷とともに示す回路構成図である。なお、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットは、ワイヤレス電力伝送装置における給電コイルユニットおよび受電コイルユニットのいずれにも適用可能である。

ワイヤレス電力伝送装置Ｓ１は、図１に示されるように、ワイヤレス給電装置１００と、ワイヤレス受電装置２００と、を有する。

ワイヤレス給電装置１００は、電源１１０と、電力変換回路１２０と、給電コイルユニット１３０と、を有する。電源１１０は、直流電力を電力変換回路１２０に供給する。電源１１０としては、直流電力を出力するものであれば特に制限されず、商用交流電源を整流・平滑した直流電源、二次電池、太陽光発電した直流電源、あるいはスイッチングコンバータ等のスイッチング電源装置などが挙げられる。

電力変換回路１２０は、電力変換部１２１と、スイッチ駆動部１２２を有する。この電力変換回路１２０は、電源１１０から供給される入力直流電力を交流電力に変換する機能を有している。より具体的には、電力変換部１２１としては、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されたスイッチング回路から構成される。本実施形態では、４つのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を用いたフルブリッジ型回路となっている。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４としては、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの素子が挙げられる。各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、スイッチ駆動部１２２から供給されるＳＷ制御信号ＳＧ１〜ＳＧ４に応じて各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４をオン・オフ制御することにより、電源１１０から供給される入力直流電力を交流電力に変換する。

給電コイルユニット１３０は、電力変換回路１２０から供給された交流電力を後述する受電コイルユニット２１０に給電する機能を有する。なお、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に用いた場合、給電コイルユニット１３０は地中または地面近傍に配設されることとなる。

ワイヤレス受電装置２００は、受電コイルユニット２１０と、整流部２２０と、を有する。

受電コイルユニット２１０は、給電コイルユニット１３０から給電された交流電力を受電する機能を有する。なお、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、受電コイルユニット２１０は、車両下部に搭載されることとなる。

整流部２２０は、受電コイルユニット２１０が受電した電力を整流して負荷ＲＬに出力する。本実施形態においては、整流部２２０は、４つのダイオード（整流素子）Ｄ１〜Ｄ４がフルブリッジ接続されたブリッジ型回路と、このブリッジ型回路に並列に接続された平滑コンデンサＣ０から構成されている。すなわち、整流部２２０は、受電コイルユニット２１０から供給される交流電力を全波整流する機能を備えている。平滑コンデンサＣ０は、整流された電圧を平滑して直流電圧を生成する。

このような構成を備えることにより、ワイヤレス給電装置１００の給電コイルユニット１３０とワイヤレス受電装置２００の受電コイルユニット２１０が対向することで、磁気的に結合し、電力変換回路１２０から給電コイルユニット１３０に供給された交流電力が近接電磁界効果によって受電コイルユニット２１０に誘導起電力が励起される。すなわち、ワイヤレス給電装置１００からワイヤレス受電装置２００に非接触にて電力が伝送されるワイヤレス電力伝送装置Ｓ１が実現される。

続いて、上述した給電コイルユニット１３０あるいは受電コイルユニット２１０に適用される本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの構成について説明する。

（第１実施形態）
図２および図３を参照して、本発明の第１実施形態に係るコイルユニットＬｕ１の構成について詳細に説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係るコイルユニットの回路構成を模式的に示した図である。図３ａは、本発明の第１実施形態に係るコイルユニットを平面視した図である。図３ｂは、図３ａにおける切断線Ａ−Ａに沿うコイルユニットの断面図である。なお、説明の便宜上、図３ｂにおいて、リアクタンス回路は省略している。

コイルユニットＬｕ１は、図２に示されるように、電力伝送用コイルＬ１と、金属部ＳＤと、リアクタンス回路Ｘと、を有する。

電力伝送用コイルＬ１は、複数の細い導体素線を撚り合わせたリッツ線からなる巻線を巻回されて構成されている。具体的には、電力伝送用コイルＬ１は、図３ａに示されるように、略円形状を呈した平面状のスパイラル構造のコイルである。電力伝送用コイルＬ１の巻数は、電力伝送の際に対向することとなるコイルとの間の距離や所望の電力伝送効率などに基づいて適宜設定される。なお、電力伝送用コイルＬ１をワイヤレス電力伝送装置Ｓ１における給電コイルユニット１３０に適用した場合、電力伝送用コイルＬ１は、給電部として機能し、電力伝送用コイルＬ１をワイヤレス電力伝送装置Ｓ１における受電コイルユニット２１０に適用した場合、電力伝送用コイルＬ１は、受電部として機能する。

金属部ＳＤは、図３ｂに示されるように、外形形状が略直方体形状を呈しており、電力伝送用コイルＬ１の背面側に配置される。具体的には、電力伝送用コイルＬ１を給電コイルユニット１３０に適用した場合、金属部ＳＤは、給電コイルユニット１３０と受電コイルユニット２１０の対向方向において、電力伝送用コイルＬ１よりも受電コイルユニット２１０から遠い位置に配置されることとなる。一方、電力伝送用コイルＬ１を受電コイルユニット２１０に適用した場合、金属部ＳＤは、給電コイルユニット１３０と受電コイルユニット２１０の対向方向において、電力伝送用コイルＬ１よりも給電コイルユニット１３０から遠い位置に配置されることとなる。言い換えれば、金属部ＳＤは、電力伝送の際の電力伝送用コイルＬ１の電力伝送面とは反対側に配置されることとなる。すなわち、電力伝送用コイルＬ１のコイル軸は、金属部ＳＤの主面に対して直交する。この金属部ＳＤは、導電体から構成され、電磁波を吸収する作用を有する。つまり、金属部ＳＤは、遮蔽部材としての役割を果たすこととなる。金属部ＳＤとしては、アルミニウム、銅、銀等が挙げられる。また、金属部ＳＤは、非磁性でもよく、その導電率は高ければ高いほど好ましい。このように構成されることにより、図２に示されるように、電力伝送用コイルＬ１の巻線の一方端と金属部ＳＤとの間に寄生容量Ｃ１２が形成され，電力伝送用コイルＬ１の巻線の他方端と金属部ＳＤとの間に寄生容量Ｃ１３が形成される。本実施形態では、電力伝送用コイルＬ１と金属部ＳＤとの間に絶縁部材ＩＬを介在させている。この場合、電力伝送用コイルＬ１と金属部ＳＤとの間の絶縁が確保され、電力伝送用コイルＬ１の両端が短絡することを防止することができる。なお、絶縁部材ＩＬの代わりに、電力伝送用コイルＬ１と金属部ＳＤとの間に隙間を設けてもよい。

リアクタンス回路Ｘは、電力伝送用コイルと共振回路を形成している。このリアクタンス回路Ｘは、共振回路の共振周波数を調整する機能を有する。具体的には、リアクタンス回路Ｘは、第１のリアクタンス回路Ｘ１０と、第２のリアクタンス回路Ｘ１１と、を有する。

第１のリアクタンス回路Ｘ１０は、図２に示されるように、電力伝送用コイルＬ１の巻線の一方端に接続されている。つまり、第１のリアクタンス回路Ｘ１０は、電力伝送用コイルＬ１に直列に接続されている。この第１のリアクタンス回路Ｘ１０は、共振コンデンサＣ１０から構成されている。なお、本実施形態では、第１のリアクタンス回路Ｘ１０は、共振コンデンサＣ１０から構成されているが、これに限られることなく、共振コンデンサＣ１０に直列あるいは並列にインダクタが接続されていてもよい。

第２のリアクタンス回路Ｘ１１は、図２に示されるように、電力伝送用コイルＬ１の巻線の他方端に接続されている。つまり、第２のリアクタンス回路Ｘ１１は、電力伝送用コイルＬ１に直列に接続されている。この第２のリアクタンス回路Ｘ１１は、共振コンデンサＣ１３から構成されている。なお、本実施形態では、第２のリアクタンス回路Ｘ１１は、共振コンデンサＣ１３から構成されているが、これに限られることなく、共振コンデンサＣ１３に直列あるいは並列にインダクタが接続されていてもよい。

ところで、上述したように、電力伝送用コイルＬ１と金属部ＳＤとの間に寄生容量Ｃ１２，Ｃ１３が形成される。この寄生容量Ｃ１２，Ｃ１３が異なると、電力伝送用コイルＬ１の巻線の一方端と金属部ＳＤとの間の寄生容量Ｃ１２を介して生じる誘起電圧と，電力伝送用コイルＬ１の巻線の他方端と金属部ＳＤとの間の寄生容量Ｃ１３を介して生じる誘起電圧とに電位差が生じる。その結果、金属部ＳＤに高電圧が生じる。本発明では、金属部ＳＤに誘起される高電圧を抑制することを目的としている。

本発明者等が鋭意研究した結果、第１のリアクタンス回路Ｘ１０と第２のリアクタンス回路Ｘ１１のリアクタンス値の比を調整することにより、寄生容量Ｃ１２，Ｃ１３のばらつきによる金属部ＳＤに生じる誘起電圧の電位差を相殺できることが判明した。具体的には、本実施形態では、第１のリアクタンス回路Ｘ１０の第１のリアクタンス値に対する第２のリアクタンス回路Ｘ１１の第２のリアクタンス値の比が、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離に対する巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離の比に基づいて設定されている。ここで、金属部ＳＤに発生する電圧は、電力伝送用コイルＬ１の巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの間に生じる寄生容量Ｃ１２を介して金属部ＳＤに誘起される電圧の電圧値と、第１のリアクタンス回路Ｘ１０の両端に印加される電圧の電圧値の差、および、電力伝送用コイルＬ１の巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの間に生じる寄生容量Ｃ１３を介して金属部ＳＤに誘起される電圧の電圧値と、第２のリアクタンス回路Ｘ１１の両端に印加される電圧の電圧値の差が誘起されることとなる。したがって、電力伝送用コイルＬ１の巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの間に生じる寄生容量Ｃ１２を介して金属部ＳＤに誘起される電圧の電圧値と、第１のリアクタンス回路Ｘ１０の両端に印加される電圧の電圧値の差、および、電力伝送用コイルＬ１の巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの間に生じる寄生容量Ｃ１３を介して金属部ＳＤに誘起される電圧の電圧値と、第２のリアクタンス回路Ｘ１１の両端に印加される電圧の電圧値の差を小さくすると、金属部ＳＤに誘起される電圧は小さくすることができる。なお、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離とは、巻線の金属部ＳＤに最も近接する外表面部分と金属部ＳＤの巻線側の外表面部分との間の最短距離を、巻線の一方端から中央部にかけて異なる箇所で複数求め、それらを平均した値のことである。同様に、巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離とは、巻線の金属部ＳＤに最も近接する外表面部分と金属部ＳＤの巻線側の外表面部分との間の最短距離を、巻線の他方端から中央部にかけて異なる箇所で複数求め、それらを平均した値のことである。

例えば、寄生容量Ｃ１２が寄生容量Ｃ１３よりも大きい場合、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離は、巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離より短いことになる。この場合、第１のリアクタンス回路Ｘ１０の第１のリアクタンス値を第２のリアクタンス回路Ｘ１１の第２のリアクタンス値に対して小さくすると、電力伝送用コイルＬ１の巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの間に生じる寄生容量Ｃ１２を介して金属部ＳＤに誘起される電圧の電圧値と、第１のリアクタンス回路Ｘ１０の両端に印加される電圧の電圧値の差が小さく、かつ、電力伝送用コイルＬ１の巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの間に生じる寄生容量Ｃ１３を介して金属部ＳＤに誘起される電圧の電圧値と、第２のリアクタンス回路Ｘ１１の両端に印加される電圧の電圧値の差が小さくなる。逆に、寄生容量Ｃ１２が寄生容量Ｃ１３よりも小さい場合、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離は、巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離より長いことになる。この場合、第１のリアクタンス回路Ｘ１０の第１のリアクタンス値を第２のリアクタンス回路Ｘ１１の第２のリアクタンス値に対して大きくすると、電力伝送用コイルＬ１の巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの間に生じる寄生容量Ｃ１２を介して金属部ＳＤに誘起される電圧の電圧値と、第１のリアクタンス回路Ｘ１０の両端に印加される電圧の電圧値の差が小さく、かつ、電力伝送用コイルＬ１の巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの間に生じる寄生容量Ｃ１３を介して金属部ＳＤに誘起される電圧の電圧値と、第２のリアクタンス回路Ｘ１１の両端に印加される電圧の電圧値の差が小さくなる。

このように、第１のリアクタンス回路Ｘ１０と第２のリアクタンス回路Ｘ１１のリアクタンス値の比を調整することにより、寄生容量Ｃ１２，Ｃ１３のばらつきによる金属部ＳＤに生じる誘起電圧の電位差を相殺できる。

また、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離に対する巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離の比をｎ、電力伝送時に電力伝送用コイルＬ１に流れる交流電流の周波数をｆ、共振回路の共振周波数をｆ_０、とすると、第１のリアクタンス値に対する第２のリアクタンス値の比Ｍは、下記式（１）、（２）を満たすように設定されていると好ましい。
Ｍ＝（１−α）／（１＋α） 式（１）
α＝｛（ｎ−１）／（ｎ＋１）｝・（ｆ／ｆ_０）^２ 式（２）
この場合、電力伝送用コイルＬ１の巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との間に生じる寄生容量Ｃ１２を介して金属部に誘起される電圧の電圧値と、第１のリアクタンス回路Ｘ１０の両端に印加される電圧の電圧値の差が限りなくゼロに近づき、かつ、電力伝送用コイルＬ１の巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの間に生じる寄生容量Ｃ１３を介して金属部に誘起される電圧の電圧値と、第２のリアクタンス回路Ｘ１１の両端に印加される電圧の電圧値の差が限りなくゼロに近づく。その結果、金属部ＳＤに誘起される高電圧を一層抑制することができる。

ここで、上記式（１）、（２）の条件を満たすことにより、金属部に誘起される高電圧をより一層抑制することができる原理について詳細に説明する。なお、説明の便宜上、第１のリアクタンス回路Ｘ１０を共振コンデンサＣ１０とし、第２のリアクタンス回路Ｘ１１を共振コンデンサＣ１１とする。つまり、共振コンデンサＣ１０の容量値をＣ１００とし、共振コンデンサＣ１１の容量値をＣ１１０とし、第１のリアクタンス回路Ｘ１０の第１のリアクタンス値Ｘ１００は、以下の式（３）を満たし、第２のリアクタンス回路Ｘ１１の第２のリアクタンス値Ｘ１１０は、以下の式（４）を満たす。
Ｘ１００＝１／（ｊ・ω・Ｃ１００） 式（３）
Ｘ１１０＝１／（ｊ・ω・Ｃ１１０） 式（４）
つまり、上記式（３）、式（４）より、第１のリアクタンス値Ｘ１００に対する第２のリアクタンス値Ｘ１１０の比Ｍは、式（５）で表される。
Ｍ＝Ｃ１００／Ｃ１１０ 式（５）
本実施形態では、金属部ＳＤに生じる誘起電圧を抑制するためにリアクタンス比Ｍを設定している。以下、このリアクタンス比Ｍの設定に必要なパラメータを説明する。

まず、共振回路の各特性について説明する。上記式（５）を用いて、共振コンデンサＣ１０の容量値Ｃ１００を表すと、式（６）となる。また、共振コンデンサＣ１０と共振コンデンサＣ１１の合成容量値Ｃは式（７）となる。
Ｃ１００＝Ｍ・Ｃ１１０ 式（６）
Ｃ＝Ｍ／（Ｍ＋１）・Ｃ１１０ 式（７）
さらに、電力伝送用コイルＬ１のインダクタンス値Ｌ１００は、共振回路の共振周波数をｆ_０とし、式（７）を用いると、式（８）となる。
Ｌ１００＝１／｛（２・π・ｆ_０）^２・Ｃ｝ 式（８）

次に、電力伝送用コイルＬ１と金属部ＳＤとの間に生じる寄生容量Ｃ１２，Ｃ１３について説明する。この寄生容量Ｃ１２，Ｃ１３の容量値は、電力伝送用コイルＬ１と金属部ＳＤとの距離に反比例する。したがって、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離に対する巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離の比をｎとすると、寄生容量Ｃ１２の容量値Ｃ１２０と寄生容量Ｃ１３の容量値Ｃ１３０は以下の式（９）の関係となる。
Ｃ１３０＝ｎ・Ｃ１２０ 式（９）

次に、金属部ＳＤに生じる誘起電圧について説明する。誘起電圧は、電力伝送用コイルＬ１の両端の電圧および寄生容量Ｃ１２，Ｃ１３の分圧比によって電圧値が決まる。したがって、電力伝送用コイルＬ１の一方端の電圧をＶａとし、電力伝送用コイルＬ１の他方端の電圧をＶｂとすると、誘起電圧Ｖｓｄは式（１０）となる。
Ｖｓｄ＝｜Ｖｂ＋（Ｖａ−Ｖｂ）・Ｃ１２０／（Ｃ１２０＋Ｃ１３０）｜ 式（１０）
ここで、電力伝送用コイルＬ１の一方端の電圧Ｖａは、共振回路に印加される電圧をＶ_＋，Ｖ₋（ただし、共振コンデンサＣ１０の端部に印加される電圧をＶ_＋、共振コンデンサＣ１１の端部に印加される電圧をＶ₋とする。）とし、電力伝送時に電力伝送用コイルＬ１に流れる交流電流の周波数をｆとすると、式（１１）で表される。
Ｖａ＝Ｖ₋＋（Ｖ_＋−Ｖ₋）・（ω・Ｃ１００−ω^３・Ｌ１００・Ｃ１００・Ｃ１１０）／（ω・Ｃ１００＋ω・１１０−ω^３・Ｌ１００・Ｃ１００・Ｃ１１０） 式（１１）
同様に、電力伝送用コイルＬ１の他方端の電圧Ｖｂは、式（１２）で表される。
Ｖｂ＝Ｖ₋＋（Ｖ_＋−Ｖ₋）・ω・Ｃ１００／（ω・Ｃ１００＋ω・Ｃ１１０−ω^３・Ｌ１００・Ｃ１００・Ｃ１１０） 式（１２）
この式（１０）に式（６），（８），（９），（１１），（１２）を代入すると、式（１３）となる。
Ｖｓｄ＝Ｖ_＋・｛−（ｎ＋１）・（１＋Ｍ）・（１−ω^２／ω_０ ^２）＋２・（ｎＭ−１）・ω^２／ω_０ ^２｝／｛（ｎ＋１）・（１＋Ｍ）・（１−ω^２／ω_０ ^２）｝ 式（１３）
そして、式（１３）より、リアクタンス比Ｍは、式（１４）となる。
Ｍ＝［｛ｎ＋（ｎ＋１）・Ｖｓｄ／Ｖ_＋｝・｛１−（ｆ／ｆ_０）^２｝＋｛１＋（ｆ／ｆ_０）^２｝］／［｛１−（ｎ＋１）・Ｖｓｄ／Ｖ_＋｝・｛１−（ｆ／ｆ_０）^２｝＋ｎ・｛１＋（ｆ／ｆ_０）^２｝］ 式（１４）

以上のことから、金属部ＳＤに生じる誘起電圧を抑制するためには、式（１４）中の誘起電圧ＶｓｄをＶｓｄ＝０とすればよく、式（１４）にＶｓｄ＝０を代入すると、式（１），（２）となる。したがって、金属部ＳＤに生じる誘起電圧を抑制するためには、式（１），（２）を満たすようにリアクタンス比Ｍを設定すれば実現できる。
Ｍ＝（１−α）／（１＋α） 式（１）
α＝｛（ｎ−１）／（ｎ＋１）｝・（ｆ／ｆ_０）^２ 式（２）

以上のように、本実施形態に係るコイルユニットＬｕ１は、リアクタンス回路は、電力伝送用コイルの巻線の一方端に接続される第１のリアクタンス回路と、電力伝送用コイルの巻線の他方端に接続される第２のリアクタンス回路と、を有し、第１のリアクタンス回路の第１のリアクタンス値に対する第２のリアクタンス回路の第２のリアクタンス値の比は、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との平均距離に対する巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との平均距離の比に基づいて設定される。そのため、電力伝送用コイルの巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との間に生じる寄生容量を介して金属部に誘起される電圧の電圧値と、第１のリアクタンス回路の両端に印加される電圧の電圧値の差が小さく、かつ、電力伝送用コイルの巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との間に生じる寄生容量を介して金属部に誘起される電圧の電圧値と、第２のリアクタンス回路の両端に印加される電圧の電圧値の差が小さくなる。その結果、金属部に誘起される高電圧を抑制することができる。

また、本実施形態に係る本実施形態に係るコイルユニットＬｕ１においては、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との平均距離に対する巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との平均距離の比をｎ、電力伝送時に電力伝送用コイルに流れる交流電流の周波数をｆ、共振回路の共振周波数をｆ_０、とすると、第１のリアクタンス値に対する第２のリアクタンス値の比Ｍは、下記式（１）、（２）を満たすように設定されている。
Ｍ＝（１＋α）／（１−α） 式（１）
α＝｛（ｎ−１）／（ｎ＋１）｝・（ｆ／ｆ_０）^２ 式（２）
そのため、電力伝送用コイルの巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との間に生じる寄生容量を介して金属部に誘起される電圧の電圧値と、第１のリアクタンス回路の両端に印加される電圧の電圧値の差が限りなくゼロに近づき、かつ、電力伝送用コイルの巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部との間に生じる寄生容量を介して金属部に誘起される電圧の電圧値と、第２のリアクタンス回路の両端に印加される電圧の電圧値の差が限りなくゼロに近づく。その結果、金属部に誘起される高電圧を一層抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態に係るコイルユニットの構成について説明する。図４ａは、本発明の第２実施形態に係るコイルユニットを平面視した図である。図４ｂは、図４ａにおける切断線Ｂ−Ｂに沿うコイルユニットの断面図である。なお、説明の便宜上、図４ｂにおいて、リアクタンス回路Ｘ１０，Ｘ１１は省略している。第２実施形態に係るコイルユニットは、電力伝送用コイルＬ１に代えて電力伝送用コイルＬ２を備えている点において、第１実施形態に係るコイルユニットＬｕ１と相違する。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、金属部ＳＤと、リアクタンス回路Ｘ１０，Ｘ１１の構成は第１実施形態に係るコイルユニットＬｕ１と同様のため、説明は省略する。

電力伝送用コイルＬ２は、図４ａに示されるように、略円形状を呈した平面状のスパイラル構造のコイルである。電力伝送用コイルＬ２の巻数は、電力伝送の際に対向することとなるコイルとの間の離間距離や所望の電力伝送効率などに基づいて適宜設定される。本実施形態では、電力伝送用コイルＬ２は、図４ｂに示されるように、巻線が層状に連続して巻回されて構成されている。具体的には、巻線の一方端が金属部と最も離れた層に位置するように、巻線が層状に連続して巻回されている。本実施形態では、電力伝送用コイルＬ２が２層構造のコイルであって、金属部ＳＤ側から順に第１層目の巻線を巻回し、続いて第２層目の巻線を巻回して構成される。このとき、第１層目の巻線の終端と第２層目の巻線の始端が連結されることで、巻線が層状に連続して巻回された電力伝送用コイルＬ２が構成されることとなる。なお、本実施形態では、電力伝送用コイルＬ２の巻線を、金属部ＳＤ側から第１層目、第２層目の順に巻回して構成しているが、これに限られることなく、電力伝送用コイルＬ２の第２層目が第１層目よりも金属部ＳＤ側に位置するように巻回してもよい。

また、電力伝送用コイルＬ２は、金属部ＳＤと最も近い層の巻線の端部にリアクタンス回路Ｘ１０（第１のリアクタンス回路）が接続されている。つまり、本実施形態では、電力伝送用コイルＬ２の巻線の第１層目の端部にリアクタンス回路Ｘ１０（第１のリアクタンス回路）が接続されることとなる。またさらには、電力伝送用コイルＬ２は、金属部ＳＤと最も離れた層の巻線の端部にリアクタンス回路Ｘ１１（第２のリアクタンス回路）が接続されている。つまり、本実施形態では、電力伝送用コイルＬ２の巻線の第２層目の端部にリアクタンス回路Ｘ１１（第２のリアクタンス回路）が接続されることとなる。

以上のように、本実施形態に係るコイルユニットは、電力伝送用コイルＬ２は、巻線が層状に連続して巻回されている。そのため、金属部に誘起される高電圧を抑制しつつ、コイルのインダクタンス値を向上することができる。

以下、上述の実施形態による金属部ＳＤへの高誘起電圧の抑制とリアクタンス回路のリアクタンス値の調整について、実施例１，２および比較例１とによって具体的に示す。

実施例１，２として、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離に対する巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離の比ｎが１．５倍の上述した第１実施形態に係るコイルユニットＬｕ１を用いた。ここで、実施例１の第２のリアクタンス回路Ｘ１１の第２のリアクタンス値は、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離に対する巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離の比ｎに基づいて、第１のリアクタンス回路Ｘ１０の第１のリアクタンス値に対して１．５５倍に設定した。また、実施例２の第２のリアクタンス回路Ｘ１１の第２のリアクタンス値は、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離に対する巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離の比ｎに基づいて、第１のリアクタンス回路Ｘ１０の第１のリアクタンス値に対して１．６倍に設定した。一方、比較例１として、実施例１，２と特性を比較するために、巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離に対する巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と金属部ＳＤとの平均距離の比ｎが１．５倍の第１実施形態に係るコイルユニットＬｕ１において、第１のリアクタンス回路Ｘ１０のみ電力伝送用コイルＬ１の巻線の一方端に接続されているコイルユニットを用いた。なお、実施例１，２および比較例１において、電力伝送用コイルは単層コイルを用いた。

続いて、実施例１，２および比較例１に印加される電圧は電力変換回路より電力伝送時に電力伝送用コイル流れる交流電流の周波数が９０ｋＨｚである４００Ｖの交流電圧を印加して金属部ＳＤの誘起電圧の測定を行った。このとき、金属部ＳＤの誘起電圧の測定はデジタルマルチメータを使用した。ここで、デジタルマルチメータはプラス側端子を金属部ＳＤに接続し、マイナス端子をアースに接続した。なお、デジタルマルチメータの定格電圧を超える電圧測定は抵抗分圧をして測定した。

実施例１，２および比較例１の測定結果を表１に示す。

表１より、比較例１では金属部の誘起電圧が２４３０〔Ｖ〕印加されたのに対し、実施例１では２８．５〔Ｖ〕、実施例２では２２．２〔Ｖ〕に抑えられている。すなわち、実施例１，２のように第２のリアクタンス回路Ｘ１１のリアクタンス値が設定されると、金属部ＳＤに誘起される高電圧を抑制することができることが確認できた。

１００…ワイヤレス給電装置、１１０…電源、１２０…電力変換回路、１２１…電力変換部、１２２…スイッチ駆動部、１３０…給電コイルユニット、２００…ワイヤレス受電装置、２１０…受電コイルユニット、２２０…整流部、Ｃ０…平滑コンデンサ、Ｃ１０，Ｃ１１…共振コンデンサ、Ｃ１２，Ｃ１３…寄生容量、Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、Ｌ１，Ｌ２…電力伝送用コイル、Ｌｕ１…コイルユニット、ＲＬ…負荷、Ｓ１…ワイヤレス電力伝送装置、ＳＧ１〜ＳＧ４…ＳＷ制御信号、ＳＷ１〜ＳＷ４…スイッチング素子、Ｘ１０…第１のリアクタンス回路、Ｘ１１…第２のリアクタンス回路。

Claims (6)

1. 電力伝送用コイルと、
   前記電力伝送用コイルと共振回路を形成するリアクタンス回路と、
   前記電力伝送用コイルの背面側に配置される金属部と、を備え、
   前記リアクタンス回路は、前記電力伝送用コイルの巻線の一方端に接続される第１のリアクタンス回路と、前記電力伝送用コイルの巻線の他方端に接続される第２のリアクタンス回路と、を有し、
   前記第１のリアクタンス回路の第１のリアクタンス値に対する前記第２のリアクタンス回路の第２のリアクタンス値の比は、前記巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と前記金属部との平均距離に対する前記巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と前記金属部との平均距離の比に基づいて設定されることを特徴とするコイルユニット。
2. 前記巻線の一方端から中央部までにおける当該巻線と前記金属部との平均距離に対する前記巻線の他方端から中央部までにおける当該巻線と前記金属部との平均距離の比をｎ、電力伝送時に前記電力伝送用コイルに流れる交流電流の周波数をｆ、前記共振回路の共振周波数をｆ_０、とすると、前記第１のリアクタンス値に対する前記第２のリアクタンス値の比Ｍは、下記式（１）、（２）を満たすように設定されることを特徴とする請求項１に記載のコイルユニット。
   Ｍ＝（１＋α）／（１−α） 式（１）
   α＝｛（ｎ−１）／（ｎ＋１）｝・（ｆ／ｆ_０）^２ 式（２）
3. 前記電力伝送用コイルは、前記巻線が層状に連続して巻回されていることを特徴とする請求項１または２に記載のコイルユニット。
4. 給電コイルユニットを備え、
   前記給電コイルユニットは、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコイルユニットであることを特徴とするワイヤレス給電装置。
5. 受電コイルユニットを備え、
   前記受電コイルユニットは、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコイルユニットであることを特徴とするワイヤレス受電装置。
6. 給電コイルユニットを有するワイヤレス給電装置と、
   受電コイルユニットを有するワイヤレス受電装置と、を備え、
   前記給電コイルユニットおよび前記受電コイルユニットの少なくとも一方は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコイルユニットであることを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。

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