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JP2016039644A - Power transmission device and wireless power transmission system - Google Patents

Power transmission device and wireless power transmission system Download PDF

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JP2016039644A JP2014159428A JP2014159428A JP2016039644A JP 2016039644 A JP2016039644 A JP 2016039644A JP 2014159428 A JP2014159428 A JP 2014159428A JP 2014159428 A JP2014159428 A JP 2014159428A JP 2016039644 A JP2016039644 A JP 2016039644A
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power transmission
power
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JP2014159428A
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菅野 浩
Hiroshi Sugano
浩 菅野
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Panasonic Corp
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Panasonic Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power transmission device and a radio power transmission system that can suppress reduction of the Q value caused by an array design of coils.SOLUTION: A first coil element 10a has a first winding, a first drawing line connected to one end of the first winding and a second drawing wire connected the other end of the first winding. A second coil element 10b has a second winding wound in the reverse direction to the first winding, a third drawing wire connected to one end of the second winding, and a fourth drawing wire which is connected to the other end of the second winding wire and also connected to the first drawing wire. The first and second windings are arranged so that the direction of magnetic field occurring at the center of the first winding when current flows from the second drawing wire to the first coil element is coincident with the direction of magnetic field occurring at the center of the second winding when current flows from the third drawing wire to the second coil element.SELECTED DRAWING: Figure 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。   The present disclosure relates to a power transmission device and a wireless power transmission system for wireless power transmission that transmits power in a contactless manner.

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。   In recent years, rechargeable devices with mobility, such as portable information terminals and electric vehicles, have become widespread. Development of a wireless power transmission system for such devices is underway. As the wireless power transmission technology, methods such as an electromagnetic induction method, a magnetic field resonance method (resonance magnetic field coupling method), and an electric field coupling method are known.

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。   A wireless power transmission system using an electromagnetic induction method and a magnetic field resonance method includes a power transmission device including a power transmission coil and a power reception device including a power reception coil. When the power receiving coil captures the magnetic field generated by the power transmitting coil, power can be transmitted without directly contacting the electrodes.

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。   One of the requirements required in wireless power transmission is that it is not necessary to align the power transmission device and the power reception device. That is, it is required that highly efficient power transmission is possible without matching the position and orientation of the power receiving apparatus to a specific position and orientation. For example, as illustrated in FIGS. 1A and 1B, even if the relative position of the power receiving device 200 with respect to the power transmitting device 100 is different, it is required to maintain the power transmission efficiency so that it does not change significantly. For example, there are a moving coil method and a coil array method as a technique that eliminates such alignment.

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。   In the moving coil method, the motor moves the power transmission coil to a position facing the power reception coil in accordance with the position of the power reception coil. Thereby, electric power can always be transmitted in a good coupling state. However, since it is driven by a motor, there are problems in terms of thinning, quietness and reliability of the power transmission device.

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。   In the coil array system, the power transmission device has a coil array including a plurality of power transmission coils, and selects a power transmission coil to be energized according to the position of the power reception coil. Thereby, irrespective of the position of a receiving coil, highly efficient electric power transmission can be performed. Problems in the moving coil system in terms of thinning, quietness, and reliability of the power transmission device can be improved by eliminating the motor. Such a coil array type wireless power transmission system is disclosed in, for example, Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1.

特開2012−504844号公報JP 2012-504844 A 米国特許第8519668号明細書US Pat. No. 8,519,668 米国特許第8629654号明細書U.S. Pat. No. 8,629,654

Hatanaka et al. "Power Transmission of a Desk With a Cord-Free Power Supply" IEEE TRANSACTIONS OF MAGNETICS, VOL. 38, NO. 5, SEPTEMBER 2002, pp3329-3331Hatanaka 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。   In the coil array type wireless power transmission system, the Q value is lower than the case where the coil is used alone due to the interaction between adjacent coils, so that the loss is large.

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。   The present disclosure provides a new coil array type wireless power transmission technology capable of suppressing a decrease in Q value accompanying coil arraying.

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。   A coil array according to an aspect of the present disclosure includes first and second coil elements disposed adjacent to each other. The first coil element includes a first winding, a first lead connected to one end of the first winding, and a second connected to the other end of the first winding. And a lead wire. The second coil element includes a second winding wound opposite to the first winding, a third lead wire connected to one end of the second winding, and the second winding element. And a fourth lead line connected to the other end of the first winding line and connected to the first lead line. The first and second windings have a direction of a magnetic field generated at the center of the first winding when a current flows from the second lead wire to the first coil element. When a current flows from the lead wire to the second coil element, it is arranged so as to coincide with the direction of the magnetic field generated at the center of the second winding.

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。   The general and specific aspects described above can be implemented using systems, methods and computer programs, or can be implemented using combinations of systems, methods and computer programs.

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。   According to the embodiment of the present disclosure, it is possible to suppress a decrease in the Q value accompanying the array of coils.

(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) And (b) is a figure which shows two examples from which the position of the power receiving apparatus 200 with respect to the power transmission apparatus 100 differs. (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) is a figure which shows the example with the same winding direction of two adjacent coil elements, (b) is a figure which shows the example whose winding directions of two adjacent coil elements are mutually opposite. It is. (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。(A) is a perspective view which shows the power transmission apparatus 100 in embodiment with this indication, (b) is a figure which shows the 1st example by which the power receiving apparatus 200 was set | placed on the power transmission apparatus 100, ( c) is a diagram illustrating a second example in which the power receiving device 200 is placed on the power transmitting device 100. FIG. 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。It is a figure which shows schematic structure of the wireless power transmission system in Embodiment 1 of this indication. 実施形態1における送電装置の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the power transmission apparatus in Embodiment 1. FIG. 送電回路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a power transmission circuit. 複数の送電コイル110の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a plurality of power transmission coils 110. 実施形態1の動作を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing the operation of the first embodiment. コイルアレイの変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of a coil array. 検証に用いたコイルアレイの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil array used for verification. 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。It is a figure which shows the structural example by which the ferrite sheet was provided in the back surface side of several coils. 比較例におけるコイル素子対を示す図である。It is a figure which shows the coil element pair in a comparative example.

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。   As described above, in a configuration in which a plurality of power transmission coils are arranged, the Q value of each coil decreases due to the interaction between adjacent coils. This is due to an increase in electrical resistance due to electromagnetic coupling between adjacent coils. When the power transmission frequency is f, the coil inductance is L, and the coil electrical resistance is R, the Q value is represented by Q = 2πfL / R. For this reason, when the electrical resistance increases, the Q value decreases. As a result, the power transmission efficiency between the transmitting and receiving coils decreases. In particular, when the power transmission coil is formed by a pattern on a printed circuit board, the loss is large, and this decrease in the Q value is a problem.

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。   In order to solve such a problem, in the coil array according to the embodiment of the present disclosure, the winding directions of two coil elements adjacent to each other are reversed. One lead line of these coil elements is connected to each other. The connection of these lead wires is determined so that a magnetic field having the same phase is generated from the windings of the two coil elements. Here, the case of “same phase” includes not only strictly the same phase but also a case where the phase shift is less than 90 °.

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。   FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a coil array including two coil elements. FIG. 2A shows an example of two coil elements 10a and 10b in which windings are wound in the same direction. FIG. 2B shows an example of two coil elements 10a and 10b in which windings are wound in opposite directions. Here, in the case of a planar coil as shown in FIG. 2, “winding in opposite directions” means that one coil is wound clockwise from outside to inside, and the other coil is outside. It means that it is wound counterclockwise from the inside to the inside. In the coil element in which the winding is wound along the axial direction, one coil is wound clockwise in one direction on the axis, and the other coil is wound counterclockwise.

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。   In the example shown in FIG. 2A, the lead wire connected to the outer peripheral end of the first coil element 10a and the lead wire connected to the outer peripheral end of the second coil element 10b are connected to the switch (SW). It is connected. The lead wire connected to the inner peripheral end of the first coil element 10a and the lead wire connected to the inner peripheral end of the second coil element 10b are connected to each other at the same potential.

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。   In the example shown in FIG. 2B, the lead wire connected to the outer peripheral end of the first coil element 10a and the lead wire connected to the inner peripheral end of the second coil element 10b are connected to the switch. ing. The lead wire connected to the inner peripheral end of the first coil element 10a and the lead wire connected to the outer peripheral end of the second coil element 10b are connected to each other at the same potential. Here, the direction of the magnetic field generated at the center of the winding when a current flows from the lead wire connected to the outer peripheral end of the first coil element 10a to the first coil element 10a is the same as that of the second coil element 10b. This coincides with the direction of the magnetic field generated at the center of the winding when a current flows from the lead wire connected to the inner peripheral end to the second coil element 10b.

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。   According to the analysis of the present inventor, the multi-element array formed on the basis of the configuration of FIG. 2B has a Q value compared to the multi-element array formed on the basis of the normal configuration as shown in FIG. Was found to improve by 10% or more. As a result of analysis under certain conditions, the Q value decreased by 17% in the configuration of FIG. 2A compared to the case where a single coil exists, but the Q value decreased by 6 in the configuration of FIG. Only 8%. That is, the Q value was improved by 12.5%.

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。   Details of the conditions for suppressing the reduction of the Q value will be described below.

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。   As shown in FIG. 11, the inventor can independently control the connection (conduction / non-conduction) between each of the two lead wires drawn from each coil element and the lead wire of the adjacent coil. It has also been clarified that the difference in the winding direction of the coil element does not affect the Q value in the structure. An effect of the embodiment of the present disclosure is a reduction in adverse effects as a parasitic element due to a non-operating coil that is not involved in power transmission being disposed close to an operating coil. However, when adjacent non-operating coils function as in the case of so-called parasitic elements (when no adjacent lead wire has two adjacent coils), the coil element winding direction Even if the above is reversed, the effect of the present disclosure cannot be obtained.

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。   Further, even if the adjacent non-operating coil shares the lead wire with the active coil, the effect of the present disclosure will not be exhibited if the sharing of any lead wire can be separated by the switch element. However, in the multi-element coil array system, in principle, the number of switch elements for switching the coil to be operated tends to increase. I also want to avoid it from the viewpoint of product miniaturization. Therefore, a configuration in which one lead wire is shared between one coil element and another adjacent coil element without performing separation by a switch element is a practical configuration.

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。   However, in the above configuration, the magnetic field generated from the power transmission coil element in the operating state, and the magnetic field that forms a magnetic path by closing the power transmission coil element through the power receiving coil element partially links the adjacent coils. Generally, an electric current is generated when a magnetic field links coils. If the two lead wires of the non-operating coil are separated from the two lead wires of the active coil by the switch element, there is no path through which the generated current flows to the active coil. The amount is limited. For this reason, the deterioration of the Q value is limited. However, in the state where one lead wire is shared between adjacent coils, the path through which current flows is not separated by the linkage of magnetic fields. For this reason, the unintended current flowing from the adjacent coil cancels out the current flowing from the operating coil. Under such conditions, the Q value is degraded. Based on the above principle, the present disclosure provides a configuration in which a current component from an adjacent coil that is not sufficiently separated by not introducing a switch element hardly deteriorates the Q value of the entire coil array circuit. More specifically, the embodiment of the present disclosure solves the problem by adopting the winding direction of the adjacent coil that can suppress the deterioration of the Q value and the connection method of the lead wire.

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。   FIG. 3 is a diagram illustrating an outline of the appearance and operation of the power transmission device 100 according to an embodiment. The power transmission device 100 is a wireless charger and has a flat plate structure. As shown to Fig.3 (a), this power transmission apparatus 100 is provided with the several power transmission coil 110 (this example seven power transmission coils 110a-110g) arranged in a line. Each power transmission coil corresponds to the coil element described above. In this example, the winding directions are opposite to each other for all combinations of two adjacent power transmission coils. Specifically, when the power transmission device 100 is viewed from above, the odd-numbered power transmission coils 110a, 110c, 11e, and 110g are right-handed, and the even-numbered power transmission coils 110b, 110d, and 11f are left-handed. In FIG. 3, each power transmission coil is drawn with a rectangular broken line, but actually each coil has a rectangular winding. Each power transmission coil has a shape that is short in the arrangement direction (lateral direction in the figure) and long in a direction perpendicular to the arrangement direction. Although not shown, the power transmission device 100 also includes a power transmission circuit that supplies AC power to each power transmission coil, and a control circuit that controls a connection state between the power transmission circuit and each power transmission coil.

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。   When the power receiving device 200 including the power receiving coil 210 comes close to the power transmitting device 100, the control circuit electrically connects the two power transmitting coils closest to the power receiving coil 210 and the power transmitting circuit. For example, in the state shown in FIG. 3B, only two power transmission coils 110c and 110d are connected to the power transmission circuit. In the state shown in FIG. 3C, only two power transmission coils 110f and 110g are connected to the power transmission circuit.

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。   In this example, power is always supplied to two power transmission coils, but the number of power transmission coils that are simultaneously supplied may be other than two. The number of power transmission coils fed simultaneously may be a number smaller than the total number of power transmission coils. In this way, if the number of power transmission coils fed simultaneously is limited to a specific number, fluctuations in inductance can be suppressed. Further, if the number of power transmission coils fed simultaneously is set to a small number such as 2, it is not necessary to excessively increase the inductance of each power transmission coil, which leads to downsizing of the apparatus.

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。   Furthermore, since the winding directions of two adjacent power transmission coils are opposite to each other and one lead wire is connected to each other, a decrease in the Q value can be suppressed. As a result, power can be transmitted with higher efficiency than in the past.

以下、本開示の実施形態の概要を説明する。   Hereinafter, an outline of an embodiment of the present disclosure will be described.

(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。   (1) The coil array which concerns on 1 aspect of this indication contains the 1st and 2nd coil element arrange | positioned adjacent to each other. The first coil element includes a first winding, a first lead connected to one end of the first winding, and a second connected to the other end of the first winding. And a lead wire. The second coil element includes a second winding wound opposite to the first winding, a third lead wire connected to one end of the second winding, and the second winding element. And a fourth lead line connected to the other end of the first winding line and connected to the first lead line. The first and second windings have a direction of a magnetic field generated at the center of the first winding when a current flows from the second lead wire to the first coil element. When a current flows from the lead wire to the second coil element, it is arranged so as to coincide with the direction of the magnetic field generated at the center of the second winding.

(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。   (2) In one embodiment, the first and second coil elements are arranged on the same plane.

(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。   (3) In one embodiment, the coil array includes a plurality of coil elements including the first and second coil elements arranged in a line on the plane.

(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。   (4) In one embodiment, the length of each coil element in the arrangement direction of the plurality of coil elements is smaller than the length of each coil element in a direction perpendicular to the arrangement direction on the plane.

(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。   (5) In one embodiment, the coil array is provided on a printed board.

(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。   (6) In one embodiment, each coil element is a multilayer wiring coil.

(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。   (7) In an embodiment, there is no overlap between adjacent coil elements included in the coil array.

(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。   (8) A power transmission device according to another aspect of the present disclosure is a power transmission device that transmits power in a non-contact manner to a power reception device including a power reception coil, and is described in any one of the items (1) to (7). A coil array; and a power transmission circuit connected to the plurality of coil elements included in the coil array and supplying AC power to the plurality of coil elements.

(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。   (9) In an embodiment, the power transmission device further includes a control circuit that controls a connection state between the power transmission circuit and each coil element, and the control circuit includes the power receiving coil for the plurality of coil elements. The connection state of the power transmission circuit and the plurality of coil elements is switched so that the AC power is supplied to at least one coil element selected from the plurality of coil elements according to the relative position.

(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。   (10) In one embodiment, the control circuit connects a certain number of coil elements selected from the plurality of coil elements to the power transmission circuit when performing power transmission.

(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。   (11) In an embodiment, the control circuit connects two coil elements selected from the plurality of coil elements to the power transmission circuit when performing power transmission.

(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。   (12) In one embodiment, two lead lines of each coil element are connected to the power transmission circuit so that a magnetic field having the same phase is generated from the two coil elements selected by the control circuit.

(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。   (13) A power receiving device according to another aspect of the present disclosure is a power receiving device that receives power in a non-contact manner from a power transmitting coil including a power transmitting coil, and the coil according to any one of the items (1) to (7) An array, and a power receiving circuit that supplies AC power received by the coil array to a load.

(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。   (14) A wireless power transmission system according to another aspect of the present disclosure includes the power transmission device according to any one of the items (8) to (13) and a power reception device having a power reception coil.

(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。   (15) A power reception device according to another aspect of the present disclosure includes the power transmission device including at least one power transmission coil, and the power reception device described in the item (13).

以下、本開示のより詳細な実施形態を説明する。   Hereinafter, more detailed embodiments of the present disclosure will be described.

(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。
(Embodiment 1)
[1. Constitution]
FIG. 4A is a block diagram illustrating a schematic configuration of the wireless power transmission system according to the first embodiment of the present disclosure. The wireless power transmission system includes a power transmission device 100 and a power reception device 200. Power is transmitted from the plurality of power transmission coils 110 in the power transmission device 100 to the power reception coils 210 in the power reception device 200 in a contactless manner.

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。   The power receiving device 200 includes a power receiving coil 210, capacitors 220a and 220b, a power receiving circuit 220, and a secondary battery 230. The power receiving coil 210 and the capacitors 220a and 220b constitute a parallel resonance circuit. The power receiving circuit 220 rectifies and outputs the AC power received by the power receiving coil 210. The secondary battery 230 is charged with the DC power output from the power receiving circuit 220. The energy stored in the secondary battery 230 is consumed by a load (not shown).

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。   The power receiving circuit 220 may include various circuits such as a rectifier circuit, a frequency conversion circuit, a constant voltage / constant current control circuit, and a modulation / demodulation circuit for communication. It is configured to convert the received AC energy into DC energy or low frequency AC energy available to the load. Various sensors for measuring the voltage / current output from the power receiving coil 210 may be included in the power receiving circuit 220.

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。   The power transmission device 100 includes a plurality of power transmission coils (coil arrays) 110, a plurality of switches 130, a resonance capacitor 120, a power transmission circuit 140, and a control circuit 150. The plurality of switches 130 are connected to the plurality of power transmission coils 110, respectively. Here, “connected” means connected so as to be electrically conductive. The plurality of power transmission coils 110 are connected in parallel to the power transmission circuit 140 via the plurality of switches 130. One end of each power transmission coil is connected to one electrode of the capacitor 120. The other electrode of the capacitor 120 is connected to the power transmission circuit 140. Each of the plurality of switches 130 is connected to a terminal of the plurality of power transmission coils 110 where the capacitor 120 is not connected. This is because the voltage fluctuation is large between the capacitor 120 and the plurality of power transmission coils 110. As shown in FIG. 4B, another resonance capacitor 121 may be connected between the switch 130 and the power transmission circuit 140. By providing the two capacitors 120 and 121 at both ends of each coil, the voltage applied to each coil can be reduced. Thereby, a switch with a low withstand voltage can be used.

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。   Each power transmission coil can be, for example, a thin flat coil formed of a substrate pattern. It is not necessary to be composed of a single conductor pattern, and for example, as shown in FIG. 18 of Patent Document 3, a plurality of stacked conductor patterns may be connected in series. . A coil having such a configuration is referred to as a “multilayer wiring coil”. In addition, a winding coil using a copper wire, a litz wire, a twisted wire, or the like can be used. The Q value of each power transmission coil can be set to 100 or more, for example, but may be set to a value smaller than 100. The capacitors 120, 220a, and 220b may be provided as necessary. The self-resonant characteristic of each coil may be used in place of these capacitors.

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。   The configuration in which the effect of the coil array of the present embodiment is maximized is related to a physical arrangement relationship between a plurality of adjacent coils. That is, when there is an overlap between two adjacent coils, a high effect can be obtained with a configuration in which the ratio of the crossing area to the coil area is, for example, 0.5 or less. This is because the effect is enhanced when the magnetic flux passing through the non-intersecting portion of the adjacent coil pair is stronger than the magnetic flux passing through the crossing portion of the adjacent coil pair. For example, this condition includes a case where there is no overlap between adjacent coils. In consideration of the reduction in the thickness of the charger and the reduction in cost by limiting the number of wiring layers of the multilayer printed circuit board, it is preferable to arrange the layers forming a plurality of adjacent coils in the same plane.

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。   The power transmission circuit 140 may be, for example, a full bridge type inverter or an oscillation circuit such as a class D or class E. FIG. 5 shows an example in which the power transmission circuit 140 is configured with a full-bridge inverter as an example. The power transmission circuit 140 may have various sensors for measuring a modulation / demodulation circuit for communication and voltage / current. The power transmission circuit 140 is connected to an external direct current (DC) power supply 300. DC power input from the DC power supply 300 is converted into AC power and output. This AC power is sent to the space by two power transmission coils selected from the plurality of power transmission coils 110.

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。   The frequency at the time of electric power transmission is set to the same value as the resonance frequency of the power transmission resonator comprised by the power transmission coil 110 and the capacitor 120, for example. However, it is not limited to this, For example, you may set to the value within the range of about 85-115% of the resonance frequency. The frequency band of power transmission can be set to a value within the range of 100 kHz to 200 kHz, for example, but may be set to a value outside this range.

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。   The power source 130 includes a commercial power source, a primary battery, a secondary battery, a solar cell, a fuel cell, a USB (Universal Serial Bus) power source, a high-capacity capacitor (eg, an electric double layer capacitor), a voltage converter connected to the commercial power source, Or it may be a combination thereof.

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。   The control circuit 150 is a processor that controls the operation of the entire power transmission apparatus 100. The power transmission circuit 150 can be realized by, for example, a combination of a CPU and a memory storing a computer program. The control circuit 150 may be a dedicated integrated circuit configured to realize the operation of the present embodiment. The control circuit 150 performs power transmission control (power transmission state adjustment) by the power transmission circuit 140 and controls the open / closed states of the plurality of switches 130.

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。   The control circuit 150 further detects the relative position of the power receiving coil 210 with respect to the plurality of power transmitting coils 110. In addition to this, a foreign object such as a metal adjacent to the power transmission coil 110 may be detected. The detection of the position of the power receiving coil 210 and the detection of foreign matter can be performed based on measured values of parameters that vary with changes in impedance such as voltage, current, frequency, and inductance on the circuit. More specifically, the control circuit 150 turns on the plurality of switches 130 in order by a certain number (for example, two), and measures any of the above parameters each time. When a value deviating from the specified range is measured, it can be determined that the power receiving coil 210 or a foreign object exists in the vicinity of the power transmitting coil that is feeding at that time. In order to enable such detection, the control circuit 150 may include a detection circuit (not shown). In the present disclosure, detection of the power receiving coil 210 and detection of foreign matter are not limited to a specific method, and can be performed by any known method.

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。   The control circuit 150 in the present embodiment selects two power transmission coils to be used for power transmission according to the relative position of the power reception coil 210 with respect to the plurality of power transmission coils 110. And the conduction | electrical_connection state of the some switch 130 is switched so that alternating current power may be supplied from the power transmission circuit 140 only to two selected power transmission coils. As a result, AC energy is sent from the two selected power transmission coils to the space.

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。   The control circuit 150 may include a communication circuit that performs communication with the power receiving apparatus 200. For example, information indicating fluctuations in the impedance of the load of the power receiving device 200 can be obtained by the communication circuit. Based on the information, the control circuit 150 can instruct the power transmission circuit 140 to change the power transmission parameter so that, for example, a constant voltage is supplied to the load. Such power transmission parameters can be, for example, frequency, phase difference between a pair of switching elements of the inverter, or input voltage of the inverter. When adjusting the input voltage, the power transmission circuit 140 may include a DC / DC converter between the DC power supply 300 and the inverter. By changing these power transmission parameters, the voltage supplied to the load can be changed.

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。   The power transmission device 100 may include elements other than the above-described components. For example, you may provide the display element which displays the detection result of the receiving coil 210 or a foreign material by the control circuit 150. FIG. Such a display element may be a light source such as an LED. Further, an oscillating circuit for detecting foreign matter and a detection coil may be provided.

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。   Further, the configuration of the power receiving device 200 is not limited to that illustrated in FIG. 4A. As long as it has the receiving coil 210 which receives at least one part of the energy sent from the power transmission coil 110, the structure may be arbitrarily designed.

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。   FIG. 6 is a diagram schematically showing the configuration of a plurality of power transmission coils (coil arrays) 110 in the present embodiment. Although four power transmission coils are shown here for simplicity, the number of power transmission coils may be five or more. The windings of two adjacent power transmission coils are wound in opposite directions. In the odd-numbered coil from the left, the lead wire from the outer peripheral end is connected to the switch. In the even-numbered coil from the left, the lead wire from the inner peripheral end is connected to the switch. The lead wire from the inner peripheral end of the odd-numbered coil from the left and the lead wire from the outer peripheral end of the even-numbered coil from the left are connected to each other and connected to one terminal of the power transmission circuit 140 via the capacitor 120. Is done. Each switch is connected to the other terminal of the power transmission circuit 140.

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。   In the present embodiment, the number of power transmission coils that are fed simultaneously is two. FIG. 6 shows a state where power is supplied only to the two coils located in the center. Each coil is fed so that a magnetic field having the same phase is generated from two adjacent coil elements. In other words, the power transmission circuit 140 supplies power to the coil element pairs wound in the opposite directions in opposite phases. The connection of each lead line is determined so that the above relationship is satisfied even if the combination of the coil element pairs to be fed changes.

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。   With such a configuration, a decrease in the Q value of each coil element pair is suppressed, and highly efficient power transmission is realized. Even when the number of coil elements is five or more, the same effect can be obtained if the above-described conditions are satisfied.

[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。
[2. Operation]
Next, an example of the operation of the power transmission device 100 of this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.

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。   When the power transmission device 100 is turned on, the control circuit 150 first performs foreign object detection processing (step S100). The foreign object detection process is performed, for example, by detecting a physical quantity (parameter) such as an input inductance or a voltage of the power transmission coil 110 and determining whether the value exceeds a predetermined range. If this parameter exceeds a predetermined range, it can be estimated that there is a foreign object. In that case, the control circuit 150 displays a warning without performing power transmission. If no foreign object is detected, the control circuit 150 assigns 1 to the variable N (step S101). A variable N represents the number of the power transmission coil 110. The control circuit 150 selects the Nth and N + 1th power transmission coils as power transmission coils to be fed (step S102). At this time, the control circuit 150 turns on only two switches connected to the two selected power transmission coils. Thereafter, the power transmission circuit 140 sets the power transmission parameter to a position detection value and oscillates for a certain period of time (step S103). The parameters set here may include, for example, the frequency, the phase shift amount between the switching element pairs of the inverter, or the input voltage of the inverter. The power transmission circuit 140 oscillates with these parameters set to values suitable for detecting the position of the power receiving coil. Next, the control circuit 150 determines whether or not monitor values such as current, voltage, and impedance flowing in the circuit are within a predetermined range (step S104). If the monitor value is within the predetermined range, the power transmission circuit 140 stops the output (step S108). Subsequently, the control circuit 150 determines whether or not the variable N is equal to a value obtained by subtracting 1 from the number Nmax of the power transmission coils (step S109). If N is not equal to Nmax−1, the control circuit 150 substitutes N + 1 for the variable N (step S110). Thereafter, steps S102 to S104 and S108 to S110 are repeated until the monitor value falls within a predetermined range or N = Nmax-1.

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。   If it is determined in step S109 that N = Nmax−1, the power transmitting apparatus 100 waits until a predetermined time has elapsed (S111). This case is a case where a large change in the monitor value was not detected although the determination was completed for all the power transmission coils 110. At this time, since it is considered that the power receiving coil 210 does not exist nearby, the power transmitting apparatus 100 waits for a predetermined time and then executes step S101 again.

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。   If it is determined in step S104 that the monitor value is within the predetermined range, the control circuit 150 determines whether communication with the power receiving apparatus 200 has been established (step S105). When communication is established, the power transmission circuit 140 performs power transmission with the parameter value for power transmission (step S106). This parameter value is a value suitable for power transmission, and is set according to the load (for example, secondary battery) of the power receiving apparatus 200. The control circuit 150 executes the operation of step S105 every predetermined time during power transmission to check whether communication is interrupted.

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。   If it is determined in step S105 that communication has not been established, the power transmission circuit 140 stops output (step S107). In this case, it waits until a predetermined time elapses (step S111). Thereafter, the operation of step S101 is executed again.

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。   With the above operation, power can be transmitted using the two power transmission coils closest to the power reception coil 210 only when the proximity of the power reception coil 210 is detected. Detection of the power receiving coil 210 can be performed by, for example, intermittent oscillation (intermittent operation) that oscillates alternating current for several cycles only once every 1 mm seconds to several seconds. Since the operation is switched to the continuous operation only when the power receiving coil 210 is detected, an increase in power consumption can be suppressed. The operating frequency of the power transmission circuit 140 in this detection operation may be the same as or different from the power transmission frequency.

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。   According to the present embodiment, the number of power transmission coils used for power transmission is always limited to a certain number (two in the above example). Further, the plurality of power transmission coils are arranged in a line, and the length of each power transmission coil in the arrangement direction is smaller than the length of the power reception coil. For this reason, size reduction of a power transmission apparatus and highly efficient electric power transmission are realizable.

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。   In the above-described embodiment, the number of power transmission coils used for power transmission is always maintained at a constant number, but such an operation is not necessarily required. For example, the number of power transmitting coils to be fed may be changed according to the size of the power receiving coil. When the width Dwt of the power transmission coil is, for example, 1/3 or less of the width Dwr of the power reception coil, the three power transmission coils face the power reception coil. In such a case, power may be supplied to three power transmission coils instead of two.

[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。
[3. Modified example]
FIG. 8 is a diagram illustrating a modification of the plurality of power transmission coils 110. As illustrated, the plurality of power transmission coils 110 are not necessarily connected to the switch. There may be coils in the system that are not fed, such as coils at both ends. Even in this case, one lead wire of the coil that is not fed and the coil that is fed are connected to each other. These lead wires are connected to a ground terminal, for example. Thus, only two coils may be fed. Even when power is supplied to three or more coils, coils that are not supplied with power may be arranged at both ends.

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。   The coil array of the present disclosure can be used not only as a plurality of power transmission coils 110 in the power transmission device 100 but also as power reception coils in the power reception device 200. Even when the coil array of the present disclosure is used as a power receiving coil, it is possible to suppress a decrease in the Q value, thereby improving the transmission efficiency.

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。   In the configuration in which the power transmission device 100 or the power reception device 200 includes a foreign object detection coil in addition to the power transmission or power reception coil, the coil array of the present disclosure may be used as the foreign object detection coil.

[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。
[4. Effect verification]
Next, the result of verifying the effect of the coil array in this embodiment will be described.

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。   FIG. 9 shows the configuration of the coil array 110 used for verification. Four coil patterns were formed in two layers by a printed circuit board manufacturing process. The length of each coil in the arrangement direction is 12 mm, the length of each coil in the direction perpendicular to the arrangement direction is 50 mm, the number of turns of each layer of each coil is 5 (total 10 times), and the width of the coil pattern is 0.5 mm. The gap between patterns was 0.2 mm. The winding of each coil is led from the surface layer to the back layer by a via on the inner peripheral end side, and two lead wires are drawn from the outer peripheral end of each layer. As shown in FIG. 10, a ferrite sheet having a relative permeability of 120, 60 mm × 80 mm × 1 mm is provided on the back surface of the coil array 110 (the surface on the side where the receiving coil does not face). The inductance, coupling coefficient, and Q value of the coil element pair Tx when AC power having a frequency of 120 kHz was supplied to the two central coils were measured. The measurement was performed in the comparative example in which the coil winding directions are all the same and in the example in which the winding directions of two adjacent coils are opposite. In each example, a magnetic field having the same phase was generated from the two central coils. The measurement results are shown in Table 1 below.

Figure 2016039644
Figure 2016039644

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。   As can be seen from Table 1, in the example, the Q value was improved by 12.5% compared to the comparative example.

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。   Next, the case where a switch was provided on both of the two lead lines in each of the two coil elements to be fed and the case where the coils at both ends shown in FIG. 9 were not arranged were also verified. Table 2 below shows the results for each of these cases.

Figure 2016039644
Figure 2016039644

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。   In Table 2, models 1 and 2 represent the comparative example and the example in Table 1, respectively. Models 3 and 4 represent examples in which switches are provided on both of the two lead lines in each of the two coil elements to be fed. The models 3 and 4 correspond to the configuration shown in FIG. 11, for example. In these models, one lead wire of two coils is not connected, but is connected to a switch instead. In model 3, the winding directions of two adjacent coils are the same, and in model 4, the winding directions of the two adjacent coils are opposite. Models 5 and 6 represent examples in which the coils at both ends shown in FIG. 9 are not arranged. In model 5, the winding directions of two adjacent coils are the same, and in model 6, the winding directions of the two adjacent coils are opposite.

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。   As can be seen from the results of models 3 and 4 in Table 2, in the configuration in which the switch is connected to both of the two lead wires, the Q value can be improved even if the directions of two adjacent windings are reversed. I couldn't. The model 3 has a Q value similar to that of the model 2 (example). However, it is not preferable to provide a large number of switches because the cost increases. In the embodiment, a high Q value can be maintained without providing many switches.

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。   As can be seen from the results of Models 5 and 6 in Table 2, when the coils at both ends were not arranged, the Q value did not improve so much even if the direction of the winding was reversed. Therefore, the rule relating to the coil winding direction and the lead wire connection, which is a feature of the configuration of the present disclosure, is applied not only to the coil in the operating state but also to the non-operating coil arranged in the periphery. It can be said that the improvement effect is particularly high in the configuration.

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。   As described above, in the embodiment of the present disclosure, the windings of two adjacent coil elements are wound in opposite directions. Further, one lead line is connected to each other, for example, a ground terminal. With such a configuration, a decrease in the Q value can be suppressed, so that transmission efficiency can be increased.

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。   The foreign object detection device and the wireless power transmission system according to the present disclosure can be widely applied to, for example, applications that charge or supply power to electric vehicles, AV devices, batteries, medical devices, and the like.

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
10a, 10b Coil element 100 Power transmission device 110 Power transmission coil 120, 121 Capacitor 130 Switch 140 Power transmission circuit 150 Control circuit 200 Power reception device 210 Power reception coil 220 Capacitor 230 Secondary battery 300 DC power source

Claims (15)

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。
A coil array including first and second coil elements disposed adjacent to each other,
The first coil element is:
A first winding;
A first lead wire connected to one end of the first winding;
A second lead wire connected to the other end of the first winding;
Have
The second coil element is
A second winding wound opposite to the first winding;
A third lead wire connected to one end of the second winding;
A fourth lead wire connected to the other end of the second winding, the fourth lead wire connected to the first lead wire;
Have
The first and second windings have a direction of a magnetic field generated at the center of the first winding when a current flows from the second lead wire to the first coil element. Arranged so as to coincide with the direction of the magnetic field generated at the center of the second winding when a current flows from the lead wire to the second coil element;
Coil array.
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。   The coil array according to claim 1, wherein the first and second coil elements are arranged on the same plane. 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。   The coil array according to claim 2, wherein the coil array includes a plurality of coil elements including the first and second coil elements arranged in a line on the plane. 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。   The coil according to any one of claims 1 to 3, wherein a length of each coil element in the arrangement direction of the plurality of coil elements is smaller than a length of each coil element in a direction perpendicular to the arrangement direction on the plane. array. 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。   The coil array according to claim 1, wherein the coil array is provided on a printed circuit board. 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。   The coil array according to any one of claims 1 to 5, wherein each coil element is a multilayer wiring coil. 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。   The coil array according to any one of claims 1 to 6, wherein there is no overlap between adjacent coil elements included in the coil array. 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。
A power transmission device that transmits power in a contactless manner to a power reception device including a power reception coil,
A coil array according to any one of claims 1 to 7;
A power transmission circuit connected to a plurality of coil elements included in the coil array and supplying AC power to the plurality of coil elements;
A power transmission device comprising:
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。
A control circuit for controlling a connection state between the power transmission circuit and each coil element;
The control circuit is configured so that the AC power is supplied to at least one coil element selected from the plurality of coil elements according to a relative position of the power receiving coil with respect to the plurality of coil elements. Switch the connection state with multiple coil elements,
The power transmission device according to claim 8.
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。   The power transmission device according to claim 9, wherein the control circuit connects a certain number of coil elements selected from the plurality of coil elements to the power transmission circuit when performing power transmission. 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。   The power transmission device according to claim 9 or 10, wherein the control circuit connects two coil elements selected from the plurality of coil elements to the power transmission circuit when performing power transmission. 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。   12. The power transmission device according to claim 11, wherein two lead lines of each coil element are connected to the power transmission circuit such that a magnetic field having the same phase is generated from the two coil elements selected by the control circuit. . 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。
A power receiving device that receives power in a contactless manner from a power transmission coil including a power transmission coil,
A coil array according to any one of claims 1 to 7;
A power receiving circuit for supplying alternating current power received by the coil array to a load;
A power receiving apparatus comprising:
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。
A power transmission device according to any one of claims 8 to 13,
A power receiving device having a power receiving coil;
A wireless power transmission system comprising:
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。
A power transmission device having at least one power transmission coil;
A power receiving device according to claim 13;
A wireless power transmission system comprising:
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