JP2020178034A - 非接触給電用伝送コイルユニット、非接触給電用伝送コイルユニットの製造方法、および非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの表皮効果や近接効果による高周波損失を低減し、交流抵抗の増大を抑制して、低コストで製造可能な非接触給電用の伝送コイルユニット及び、伝送コイルユニットを用いた高伝送効率の非接触給電装置を提供する。【解決手段】非接触給電用伝送コイルユニットは、渦巻状に巻回されたコイル２とコイル２のコイル面に対向するように配置された磁気シールド３とを備えた非接触給電用伝送コイルユニットであって、各巻のコイル導体の巻回方向のコイル断面形状が、コイル２に通電した際に発生する磁束線の流れに沿う形状部分を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、非接触で高効率に電力を伝送できる、非接触給電用伝送コイルユニット、非接触給電用伝送コイルユニットの製造方法、および非接触給電装置に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド型自動車などの車両のバッテリーの充電に対して、電磁誘導方式のワイヤレス給電装置の使用が検討されている。ワイヤレス給電装置では、送電コイルに高周波の強電流（概ね数１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ、数十アンペア）を通電し、送電コイルから発生する高周波磁界を受電コイルが受け取ることで、非接触で電力送電する。

このような非接触給電装置では、装置の薄型化に対応すべく渦巻状（スパイラル状）の断面矩形の平面コイルが用いられる。また高周波磁界によって周囲の金属製部品に渦電流が発生し異常発熱が起きることを回避するため、フェライト等からなる磁気シールドをコイル近傍に配置している（例えば、特許文献１）。伝送コイルユニットは、平面コイルと磁気シールドの組合せで構成される。

伝送コイルユニットにおいて、コイルに通電した際、コイル断面を囲むように磁束線が発生する。磁束線は、磁気シールドの透磁率が高いため、磁気シールドの表面から略垂直に流れるよう分布する。また前記コイルは、１本の導線が巻回されて形成されているが、等価的に複数の導体（コイル導体）が互いに近接して配置されていると考えてよい。このため、コイルには、自身を流れる電流による表皮効果と近接するコイル導体に生じる渦電流による近接効果の両方が存在する。したがって、各コイル導体を流れる電流は、導体内部で偏ったものとなっており、特にコイルの内周部でコイル導体内の内周側に、外周部でコイル導体内の外周側に偏ったものとなって、それらの部分で電流が集中し磁束線も集中している。

しかながら、従来のコイルは断面矩形の平面コイルであるため高周波表皮厚さが薄く、上記の電流が集中して流れる部分のコイル導体の断面積が小さい。このため交流抵抗が増大して、電力伝送効率の低下が問題となっている。

これに対して、コイルの巻線として多数の絶縁素線をより合わせたリッツ線を使用することが知られている（例えば、特許文献２）。リッツ線は、細い素線（例えば線径０．１ｍｍ以下のエナメル線）を数多く（例えば５００本以上）より合わせた線である。表皮効果や近接効果による高周波損失を抑制することができる。しかしながら、素線が細く本数の多いリッツ線は、製造コストが高いという問題があった。

特開２０１３−２０１２９６号公報 特開２０１６−２１９２５２号公報

そこで、本発明は、上記事情に鑑み、コイルの表皮効果や近接効果による高周波損失を低減し、交流抵抗の増大を抑制して、低コストで製造可能な非接触給電用の伝送コイルユニットを提供することを目的とする。

本発明の非接触給電用伝送コイルユニットは、渦巻状に巻回されたコイルと所定の距離をおいて前記コイルのコイル面に対向するように配置された磁気シールドとを備えた非接触給電用伝送コイルユニットであって、各巻のコイル導体の巻回方向のコイル断面形状が、前記コイルに電流が流れた際に発生する磁束線に沿う形状部分を有する。

前記コイル断面形状が矩形形状であって、前記矩形形状の長手方向が、前記コイルの内周部と外周部において前記磁気シールドの磁気シールド面に略垂直であり、前記内周部と外周部の間の中央部において前記磁気シールド面に略平行であって、かつ、前記磁気シールド面に対する前記矩形形状の長手方向の角度が、前記内周部と前記中央部の間および前記中央部と前記外周部の間で、段階的に変化していてもよい。

前記コイル断面形状がコの字形状であって、前記コの字形状の凹部が前記磁気シールド面に対向していてもよい。

矩形状の平面形状をなし、辺部分が直線部、角部が円弧部となる渦巻き状の溝が形成された非磁性絶縁体を備え、前記コイルは前記溝中に連続して設けられてもよい。

前記非磁性絶縁体は１Ｗ／（ｍＫ）以上の熱伝導率を有する樹脂であってもよい。

前記コイル導体の少なくとも側面は、直接的または間接的に前記前記非磁性絶縁体を接していてもよい。

前記コの字形状の上面幅に対する側面長の比が、前記コイルの内周部と外周部において最大であり、前記内周部と外周部の間の中央部において最小であって、かつ、前記比が、前記内周部と前記中央部の間および前記中央部と前記外周部の間で、段階的に変化していてもよい。

前記コイル断面形状の、少なくとも前記磁気シールド面に対向している面と反対側の表面および側面に磁性層が形成されていてもよい。

前記非接触給電用伝送コイルユニットの製造方法は、金属平板をレーザ加工またはプレス加工によって渦巻状に溝切り加工する工程と、溝切り加工された前記金属平板をプレス加工によって変形させる工程を含んでもよい。

前記非接触給電用伝送コイルユニットの製造方法は、金属平板をレーザ加工またはプレス加工によって渦巻状に溝切り加工する工程と、溝切り加工された前記金属平板をプレス加工によって変形させる工程と、溝切り加工された前記金属平板の表面に磁性層を形成する工程を含んでもよい。

本発明の非接触給電装置は前記非接触給電用伝送コイルユニットを、送電コイルとしてまたは送電コイルおよび受電コイルとして用いてもよい。

以上の構成により、各巻のコイル導体の内部において、磁束線が集中する部分に電流が集中する。さらに、各巻のコイル導体の巻回方向のコイル断面形状が、コイルに通電した際に発生する磁束線の流れに沿う形状部分を有する。よって、磁束線が沿って集中するこの形状部分に電流が集中する。しかしこの形状部分は、磁束線の流れに沿っているので、コイル導体の断面の中で占める面積が大きい。したがって、結果的にコイルの交流抵抗を低減できる。

また、前記コイルが前記非磁性絶縁体に埋め込まれるように固定することにより、給電時における前記コイルの振動を抑えることができる。さらに、コイルの熱を前記非磁性絶縁体に逃がすことができ、その結果、コイル自身の発熱による直流抵抗の増加を抑えることができる。

また、コイル導体の断面形状の、少なくとも磁気シールド面に対向している面と反対側の表面および側面に磁性層を形成することにより、コイル導体の表面および側面に集中していた磁束線を磁性層に誘導してコイル導体を貫通する磁束線の数を減少できる。これにより、コイル導体内の渦電流を抑えコイルの交流抵抗をさらに低減できる。

また、金属平板をレーザ加工またはプレス加工によって渦巻状のコイル形状に加工し製造するこることにより、低コストで伝送コイルユニットを製造できる。さらにコイル表面に磁性層を設けることにより、コイル導体内の渦電流をさらに抑えることができ、伝送コイルユニットを簡便に低コストで製造できる。

また、表皮効果や近接効果による高周波損失を低減しつつ低コストで製造できる伝送コイルユニットを使用することにより、伝送効率が高くかつ低コストの非接触給電装置を提供できる。

第１〜第4の実施の形態に係る伝送コイルユニットの平面概略図である。 第１の実施の形態に係る伝送コイルユニットの断面概略図である。 第２の実施の形態に係る伝送コイルユニットの断面概略図である。 第３の実施の形態に係る伝送コイルユニットの断面概略図である。 第４の実施の形態に係る伝送コイルユニットの断面概略図である。 第５の実施の形態に係る伝送コイルユニットの断面概略図である。 第５の実施の形態に係る伝送コイルユニットの平面図である。 第６の実施の形態に係る伝送コイルユニットのコイルのコイル導体の断面概略図である。 第７の実施の形態に係る伝送コイルユニットのコイルの製造工程を説明するブロック図である。 第８の実施の形態に係る伝送コイルユニットのコイルの製造工程を説明するブロック図である。 第９の実施の形態に係る非接触給電装置を説明する回路ブロック図である。 コイルの計算モデルを説明する図（平面図）である。 実施例１の伝送コイルユニットのコイルの断面寸法図である。 実施例２の伝送コイルユニットのコイルおよび磁気シールドの断面寸法図である。 実施例３の伝送コイルユニットのコイルおよび磁気シールドの断面寸法図である。 比較例１の伝送コイルユニットのコイルおよび磁気シールドの断面寸法図である。 実施例１２の伝送コイルユニットのコイルの断面寸法図である。 実施例１２の伝送コイルユニットのコイルの実測結果を示すグラフである。

本発明の実施形態に係る伝送コイルユニットおよびその製造方法ならびに伝送コイルユニットを用いた非接触給電装置について、図面に基づいて説明する。

＜１．伝送コイルユニット＞
（第１の実施の形態）
図１は、第１〜第４の実施の形態に係る伝送コイルユニットの平面概略図である。伝送コイルユニット１は、アルミニウムまたは銅の金属からなるコイル導体２１が渦巻状に巻回された平面のコイル２とこのコイル２のコイル面に対抗するように配置された磁気シールド３とを備えている。この例では、コイル２は、巻数６回巻でアルファ巻の平面コイルである。また磁気シールド３は、Ｎｉ系フェライト焼結体、Ｍｎ系フェライト焼結体等の各種のフェライト材料を用いることができるが、抵抗率の高いＮｉＭｎ系フェライト焼結体がより好ましい。さらに、アルミニウムまたは銅の金属からなる電気シールド４が、コイル２と反対側の磁気シールド３の面に対向して配置されている。

図２は、第１の実施の形態に係る伝送コイルユニットの断面概略図であり、図１のＡ−Ａ′断面の図である。コイル２に電流を通電して発生する磁束線５を点線で図示している。各巻のコイル導体２１の巻回方向のコイル断面形状が、コイル２に通電した際に発生する磁束線５の流れに沿う形状部分を有している。

すなわち、この例では、各巻のコイル導体２１の断面形状は矩形形状であり、矩形形状の長手方向が、コイルの内周部２２と外周部２４において磁気シールド３の表面（磁気シールド面）に略垂直であり、内周部２２と外周部２４の間の中央部２３において磁気シールド面に略平行である。さらに、磁気シールド面に対する矩形形状の長手方向の角度が、内周部２２から中央部２３にかけて、中央部２３から外周部２４にかけて、段階的に変化している。

コイル２は渦巻状の平面コイルであり、コイル導体２１は巻回内周部から外周部にかけて連続して巻回されている。よって、コイル導体２１の巻回の方法としては、磁気シールド面に対する矩形形状の長手方向の角度が巻回の一周の間で同じで、一周回る毎に少しずつ段階的に変化しているか、または当該角度がコイルの一周の間で緩やかに連続的に変化し、渦巻状コイル中心を通る断面で見るとコイルの内周部２２から外周部２４にかけて角度が段階的に変化しているようになっているかの、いずれの場合であってもよい。

コイル２を囲む磁束線５は、コイルの内周部２２で磁気シールド３の磁気シールド面からほぼ垂直に発生し、中央部２３でコイル導体にほぼ平行に流れ、外周部２４で磁気シールド３にほぼ垂直に流入する。

第１の実施の形態においては、コイル導体２１がその矩形断面の長手方向が磁束線５に沿うように配置されており、矩形形状が磁束線５の流れに沿う形状部分に相当する。

図２には、各巻のコイル導体２１の内部において磁束線が集中し電流が概ね集中している部分をグレーで図示している。コイル導体２１内の磁束線５と電流の集中は、コイルの内周部２２ではコイル導体２１の内周側で、そしてコイルの外周部２４ではコイル導体２１の外周側で、さらに内周部２２と外周部２４の間の中央部２３ではコイル導体２１の磁気シールド３と対向する面と反対側の面で、それぞれ生じている。

このように第１の実施の形態においては、コイル導体２１の巻回方向のコイル断面形状が、磁束線５の流れに沿う形状部分の矩形形状を有している。これにより、電流集中部分の断面積を大きくでき、交流抵抗の増加を抑制することができる。

なおこの実施の形態では、コイル断面形状が矩形形状であり矩形形状の長手方向が磁束線５の方向と一致しているが、コイル断面形状は矩形形状に限られない。コイル断面形状の長手方向が磁束線５の流れと概ね方向が揃っているか、または揃っている成分を有していれば、コイル断面形状は他の形状であってもよい。

（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態に係る伝送コイルユニットの断面概略図である。第２の実施の形態に係る伝送コイルユニットの平面概略図は、図１と同じでもよい。図３は、前記平面概略図の図１のＡ−Ａ′断面の図である。

伝送コイルユニット１は、アルミニウムまたは銅の金属からなるコイル導体２１が渦巻状に巻回された平面のコイル２とこのコイル２のコイル面に対向するように配置された磁気シールド３とを備えている。磁気シールド３は、Ｎｉ系フェライト焼結体、Ｍｎ系フェライト焼結体等の各種のフェライト材料を用いることができるが、抵抗率の高いＮｉＭｎ系フェライト焼結体がより好ましい。なお電気シールドは省略し図示していない。

コイル導体２１の巻回方向のコイル断面形状は、コの字形状であり、コの字形状の凹部が磁気シールド面に対向している。コイル２に通電して発生する磁束線は、各巻のコイル導体２１の内部において、グレーで示した部分に集中し、電流もこの部分に集中する。この部分が磁束線５の流れに沿う形状部分に相当する。

すなわち、コイル２の内周部２２ではコの字形状の内周側のＬの字部分が概ね磁束線５の流れに沿う形状部分に相当し、外周部２４ではコの字形状の外周側のＬの字部分が概ね磁束線５の流れに沿う形状部分に相当し、そして中央部２３ではコの字形状の磁気シールド面に対向する側と反対側の平な部分が概ね磁束線５の流れに沿う形状部分に相当する。よって、第２の実施の形態に係る伝送コイルユニット１のコイル２は、磁束線５の流れに沿う形状部分を有しているといえる。これにより、交流抵抗の増加を抑制している。

この例では、同一のコの字形状のコイル導体２１が繰り返して配置されているが、各巻のコイル導体２１のコイル断面形状は、必ずしも同一である必要はない。

第２の実施の形態に係る伝送コイルユニットのコイル２は、後述するレーザ加工またはプレス加工によって、簡便にかつ低コストで製造することができる。

（第３の実施の形態）
図４は、第３の実施の形態に係る伝送コイルユニットの断面概略図である。第３の実施の形態に係る伝送コイルユニットの平面概略図は、図１と同じであってもよく、図４は、前記平面概略図の図１のＡ−Ａ′断面の図である。

伝送コイルユニット１は、アルミニウムまたは銅の金属からなるコイル導体２１が渦巻状に巻回された平面のコイル２とこのコイル２のコイル面に対向するように配置された磁気シールド３とを備えている。磁気シールド３は、Ｎｉ系フェライト焼結体、Ｍｎ系フェライト焼結体等の各種のフェライト材料を用いることができるが、抵抗率の高いＮｉＭｎ系フェライト焼結体がより好ましい。なお電気シールドは省略し図示していない。

第３の実施の形態に係る伝送コイルユニット１のコイル２は、第２の実施の形態に係る伝送コイルユニット１のコイル２と同様に、コイル断面形状がコの字形状であって、コの字形状の凹部が磁気シールド面に対向している。そして、コの字形状の上面幅２５に対する側面長２６の比が、コイルの内周部２２と外周部２４において最大であり、内周部２２と外周部２４の間の中央部２３において最小である。さらに上面幅２５に対する側面長２６の比が、内周部２２と中央部２３の間および中央部２３と外周部２４の間で段階的に変化している。

コイル２は渦巻状の平面コイルであり、コイル導体２１は内周部２２から外周部２４にかけて連続して巻回されている。よって、コイル導体２１の巻回の方法としては、コの字形状の上面幅に対する側面長の比が巻回の一周の間で同じで、一周回る毎に少しずつ段階的に変化しているか、または当該比がコイルの一周の間で緩やかに連続的に変化し、渦巻状コイル中心を通る断面で見るとコイルの内周部２２から外周部２４にかけて段階的に変化しているようになっているかの、いずれの場合であってもよい。

第３の実施の形態のコイル２は、第１の実施の形態および第２の実施の形態の２つの特長を兼ね備えた構造となっている。すなわち、第３の実施の形態のコイル２の各巻のコイル導体２１のコイル断面形状は、第２の実施の形態のコイル２と同様にコの字形状であり、コイル２の内周部２２と外周部２４で、第１の実施の形態のコイル２のコイル導体２１の断面に近い略矩形形状をなし、その長手方向が磁気シールド３の磁気シールド面に略垂直となって、磁束線５の流れに沿う形状部分を有している。また、コイル２の中央部２３においても、第１の実施の形態のコイル２のコイル導体２１の断面に近い略矩形形状をなし、その長手方向が磁気シールド面に略平行となって、磁束線５の流れに沿う形状部分を有している。そして、内周部２２と中央部２３の間および中央部２３と外周部２４の間で、第１の実施の形態と同様にコの字形状のＬの字部分が磁束線５の流れに沿う形状部分に相当するよう、コイル断面形状が段階的に変化している。これにより、コイル２の交流抵抗の増加を抑制している。

第３の実施の形態に係る伝送コイルユニットのコイル２は、後述するレーザ加工またはプレス加工によって、簡便にかつ低コストで製造することができる。

（第４の実施の形態）
図５は、第４の実施の形態に係る伝送コイルユニットの断面概略図である。第４の実施の形態に係る伝送コイルユニットは、第１の実施の形態に係る伝送コイルユニットと基本的に構造が同じであるが、コイル導体２１の表面全面に磁性層６が形成されている点で異なる。

ここで、コイル導体２１の内周側や外周側に集中する磁束線は、透磁率が高い磁性層６に吸い寄せられるように誘導され、コイル導体２１の内部において磁束線の集中が解消される。これによりコイル導体２１の内部の電流集中も解消され、結果としてコイル２の交流抵抗の増大がさらに抑制できる。なお、磁束線の集中を解消するという意味では、コイル表面の全部でなくとも、コイル導体２１のコイル断面形状の少なくとも磁気シールド面に対向している面と反対側の表面（上面）およびエッジを含む側面に磁性層６が形成されていてもよい。

（第５の実施の形態）
図６に本発明の第５の実施の形態の断面概略図を示す。図６において、コイル２は渦巻状の平面コイルであり、内周部から外周部にかけて連続して巻回されている。また、各巻のコイル導体２１のコイル断面形状は、第２の実施の形態のコイル２と同様にコの字形状である。

伝送コイルユニット１は、アルミニウムまたは銅の金属からなるコイル導体２１が渦巻状に巻回された平面のコイル２とこのコイル２のコイル面に対向するように配置された磁気シールド３とを備えている。磁気シールド３は、Ｎｉ系フェライト焼結体、Ｍｎ系フェライト焼結体等の各種のフェライト材料を用いることができるが、抵抗率の高いＮｉＭｎ系フェライト焼結体がより好ましい。なお電気シールドは省略し図示していない。

本実施の形態が第２の実施の形態と異なるのは磁気シールド３とコイル２との間に非磁性絶縁体４１が設けられていることである。非磁性絶縁体４１およびコイル２の平面図を図７に示す。図７において、非磁性絶縁体４１には、辺部が直線かつ角部が円弧上の、全体として矩形状の平面形状を有した溝が渦巻状に形成されている。さらにコイル２は非磁性絶縁体４１の溝中に連続して設けられている。非磁性絶縁体はセラミック等、熱伝導率の比較的高い素材であることが好ましい。また、ガラス繊維や無機フィラーを含有した樹脂を用いてもよい。非磁性絶縁体４１熱伝導特性は１Ｗ／（ｍＫ）以上であることが好ましい。

コイル２における各巻のコイル導体２１の少なくとも側面は、直接的または間接的に非磁性絶縁体４１の溝と接している。例えば、コイル２が非磁性絶縁体４１の溝に篏合したものであってもよいし、間に接着層（図示せず）を設けてもよい。各巻のコイル導体２１の少なくとも側面が非磁性絶縁体４１の溝と接することにより、コイル２の下側が非磁性絶縁体４１に埋め込まれて固定された構成となる。この構成による効果は二点ある。

一つはコイル２の振動を抑える効果がある。つまり、本実施の形態において、コイル２は金属の平板で形成されているので、リッツ線と異なり、高い弾性を有する。言い換えればコイル２の弾性と形状と質量で決定される固有振動数が存在する。コイル２に交流が流れたとき、仮にコイル２が変形自由な状態で放置されていると、磁気シールド３や給電先のコイル（図示せず）との相互作用によりコイル２の固有振動が励起されることがある。しかし、コイル２が剛性または粘性の高い非磁性絶縁体４１に埋め込まれて固定されていれば、このような振動は抑えられる。

さらに、コイル２が非磁性絶縁体４１に埋め込まれていることにより、コイル２の放熱の効果も期待できる。一般に絶縁体は熱伝導率が低いが、絶縁性フィラーを適度に混合したナイロン樹脂や高熱伝導性ＰＰＳ（Ｈ７１８ＬＢ（ＴＯＲＡＹ）、等）のように、熱伝導性を高めた絶縁性樹脂が最近実用化されつつある。

なお、本実施の形態において、コイル導体２１のコの字型断面形状を第３の実施の形態（図４）のように、内周部、中央部、外周部で変えてもよい。非磁性絶縁体４１の溝も、コイル導体２１の断面形状変化に応じて、幅と深さを変えてもよい。

（第６の実施の形態）
図８は、第６の実施の形態に係る伝送コイルユニットのコイルのコイル導体の断面概略図である。本実施の形態に係る伝送コイルユニットは、第２の実施の形態および第５の実施の形態に係る伝送コイルユニットと基本的に構造が同じであり、コイル導体２１のコイル断面形状の少なくとも磁気シールド面に対向している面と反対側の表面および側面に磁性層６が形成されている点が異なる。図８では、（Ａ）がコの字の上面および左右の両側面の表面に、（Ｂ）がさらに磁気シールド面に対向する面の表面にも、（Ｃ）がそしてさらに凹部の内部の表面にも（すなわちコの字のコイル断面形状の全面に）、磁性層６が形成されている場合である。

図８（Ｄ）は第５の実施の形態（図４）のコイル２に磁性体を設ける場合の一例を示した部分断面図である。第５の実施の形態のコイル２に磁性体を設ける場合、コイル２に予め図８（Ａ）〜（Ｃ）のように磁性体を塗布しておいてから非磁性絶縁体４１に嵌め込んでもよいが、同図（Ｄ）のようにコイル２を非磁性絶縁体４１に篏合（あるいは接着）後に、各コイル導体２１の上面とエッジ、すなわち非磁性絶縁体４１から露出している部分にのみ磁性体６を設けたものであってもよい。

本実施の形態においても、第４の実施の形態と同様に、コイル導体２１の内周側や外周側に集中する磁束線が、磁性層６に吸い寄せられるように誘導され、コイル導体２１の内部において磁束線の集中が解消される。これによりコイル導体２１の内部の電流集中も解消され、結果としてコイル２の交流抵抗の増大がさらに抑制できる。

＜２．伝送コイルユニットの製造方法＞
（第７、第８の実施の形態）
図９は、第７の実施の形態に係る伝送コイルユニットのコイルの製造工程を説明するブロック図である。伝送コイルユニットのコイルの製造方法は、薄肉の金属平板をレーザ加工またはプレス加工によって渦巻状に溝切り加工し渦巻状の平面コイルを作製する溝切り加工工程Ｓ１とこの溝切り加工された金属平板からなる平面コイル板をプレス加工によって変形させる変形工程Ｓ２を含み、これらの工程を経て前述した第１から第３および第６の実施の形態に係る伝送コイルユニットのコイルを製造する。

例えば、第１の実施の形態の伝送コイルユニットについては、溝切り加工工程Ｓ１の後、変形工程Ｓ２において、渦巻状の金属平板を上下挟んでプレス加工により変形し、断面の角度が段階的に変化している矩形断面のコイルを形成する。このとき、断面の角度が巻回の一周の間で同じで、一周回る毎に少しずつ段階的に変化するようにしてもよいし、または当該角度がコイルの一周の間で緩やかに連続的に変化し、一周回る毎にコイルの内周から外周にかけて角度が段階的に変化するように変形してもよい。

また、例えば、第２および第３の実施の形態の伝送コイルユニットについては、渦巻状の溝切り加工工程Ｓ１の後変形工程Ｓ２において、雄型と雌型とによるプレス加工により、断面形状がコの字形状のコイルを形成する。このとき、第３の実施の形態の伝送コイルユニットについては、雄型と雌型の溝の深さを巻回の一周の間で同じで、一周回る毎に少しずつ段階的に変化するようにしてプレス加工してもよいし、また当該溝の深さをコイルの一周の間で緩やかに連続的に変化し、渦巻状コイル中心を通る断面で見るとコイルの内周から外周にかけて当該溝の深さ角度が段階的に変化しているようにしてプレス加工してもよい。

図１０は、第８の実施の形態に係る伝送コイルユニットのコイルの製造工程を説明するブロック図である。この実施の形態に係る伝送コイルユニットのコイルの製造方法は、図９に示す実施の形態に係る伝送コイルユニットのコイルの製造工程に、さらに磁性層をコイル導体表面に形成する磁性層形成工程Ｓ３加えたものである。これにより、前述の第４〜第６の実施の形態に係る伝送コイルユニットのコイルを製造する。

磁性層をコイル導体表面に形成する方法としては、磁性層を湿式や乾式のめっきにより成膜する方法の他、粉末状にした磁性体をエポキシ樹脂などの溶剤に混ぜて、スプレーまたはハケにより塗布する方法がある。磁性体には、鉄やニッケルなど強磁性体材料やＳｉなど添加した珪素鋼の他に、アモルファス、センダストや金属の酸化物（フェライト）などを使用できる。材料の形態は薄膜やナノ粉末などいずれも使用可能である。

＜３．非接触給電装置＞
（第９の実施の形態）
図１１は、第９の実施の形態に係る非接触給電装置を説明する回路ブロック図である。この例では、電気自動車に適用したものである。この非接触給電装置は、充電器として機能する送電装置７と自動車本体９の電源となるバッテリー８４を含む受電装置８とを備えている。送電装置７と受電装置８は、電磁的に結合することにより、非接触で電力送電を行う非接触給電装置を形成する。

送電装置７は、図１１に示すように、電源７１と整流回路７２と送電回路７３と送電コイル７４とを備えている。電源７１は、例えば２００Ｖまたは４００Ｖ等の三相交流電圧あるいは１００Ｖの単相交流電圧を供給する系統電源である。整流回路７２は、入力端が電源７１に接続されるとともに出力端が送電回路７３に接続されており、電源７１から供給される交流電圧を整流して直流電圧に変換し、変換した直流電圧を送電回路７３に出力する。送電回路７３は、入力端が整流回路７２に接続されるとともに出力端が送電コイル７４の両端に接続されており、整流回路７２からの直流電圧を使用して所定の周波数の交流を生成する回路であり、その生成した交流電圧を送電コイル７４に供給するものである。

受電装置８は、図１１に示すように、受電コイル８１と受電回路８２と充放電制御回路８３とバッテリー８４とを備えている。

受電コイル８１は、送電装置７の送電コイル７４と接近させて対向させ使用する場合に、両コイル８１、７４が電磁結合して両者の間で変圧器を形成するようになっている。この電磁誘導により受電コイル８１に誘起される交流電圧は、受電回路８２に供給され、受電回路８２において整流されて直流電圧に変換される。そして、受電回路８２から出力される直流電圧は、充放電制御回路８３を介してバッテリー８４に供給され、バッテリー８４を充電するようになっている。充放電制御回路８３は、受電回路８２からの出力によりバッテリー８４を充電する場合にはその充電の制御を行い、バッテリー８４で負荷である自動車本体９を動作させる場合には放電の制御を行う回路である。バッテリー８４は、放電後に充電により繰り返して使用できる再充電が可能な二次電池（例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等）である。

なお、本実施の形態に係る非接触給電装置においては、送電コイル７４に、前述した本発明に係る伝送コイルユニットを用いることができる。これにより、表皮効果や近接効果による高周波損失を低減し低コストで製造できる伝送コイルユニットを使用しているので、伝送効率が高くかつ低コストの非接触給電装置を提供できる。

また、受電コイル８１にも、前述した本発明に係る伝送コイルユニットも用いてもよい。さらに伝送効率が高い低コストの非接触給電装置を提供できる。

本発明に係る非接触給電装置は、自動車用に限定されるものではない。携帯電話やスマートフォン、タブレットなどの電子機器の電力給電に用いられてもよい。また、本発明に係る伝送コイルユニットは、誘導式加熱装置などにも適用されてもよい。さらに、本発明に係る伝送コイルユニットは、電磁誘導方式の非接触給電装置における使用に限定されない。磁界共鳴方式の非接触給電装置にも適用されてもよい。

以下、本発明に係る伝送コイルユニットを実施・適用した場合のシミュレーションおよび実験ならびにこれらの結果について述べる。ただし、本発明はここで述べられる適用例に限定されるものではない。

＜１．シミュレーション解析モデル＞
本発明に係る伝送コイルユニットのシミュレーションによる適用例を説明する前に、まず、コイル部品の特性（交流抵抗、インダクタンス、Ｑ値、結合係数ｋ、伝送効率η）について解析するためのシミュレーションモデルについて説明する。

シミュレーション用の解析ソフトには、電磁場解析ソフトウェアのＡＮＳＹＳ Ｍａｘｗｅｌｌ（ＡＮＳＹＳ社製）を用いた。表１に、解析の諸条件をまとめる。

図１２は、コイルの計算モデルを説明する図（平面図）である。コイルは、抵抗率２．７８×１０^−８Ωｍのアルミニウム材を想定している。巻数が６回巻の平面コイルである。コイルの内径および外径はそれぞれφ２０５ｍｍ、φ３５０ｍｍである。コイルに通電する交流電流の周波数は８５ｋＨｚである。

＜２．送電コイルの計算による実施例＞
本発明の伝送コイルユニットを送電コイルに使用した場合のコイル特性（交流抵抗、インダクタンス、Ｑ値）を計算する。

（実施例１）
図１３は、実施例１の伝送コイルユニットのコイル２および磁気シールド３の断面寸法図である。図１２のＡ−Ａ′断面図に相当する。

各巻のコイル導体２１の断面形状は、図１３に示すように、９．２×２ｍｍの矩形形状で、コイル導体２１は６巻である。コイル導体２１の隣同士の間隔ピッチ（隣同士のコイル導体の中心の間隔）は１２．５ｍｍ、コイル導体２１と磁気シールドの最近接距離は５ｍｍ、最内周のコイル導体２１の中心と渦巻状コイルの中心との距離が１０７．５ｍｍ、最外周のコイル導体２１の中心と渦巻状コイルの中心との距離が１７０ｍｍである。矩形形状の長手方向の磁気シールド３に対する角度が、発生する磁束線の流れに沿って、コイル２の内周から外周にかけて、９０°、４５°、０°、０°、−４５°、−９０°と段階的に変化している。すなわち、コイル導体２１のコイル断面形状が磁束線の流れに沿う形状部分を有している。

計算して求めたコイル特性（交流抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、Ｑ値）を表２にまとめる。

（実施例２）
図１４は、実施例２の伝送コイルユニットのコイル２および磁気シールド３の断面寸法図である。図１２のＡ−Ａ′断面図に相当する。

各巻のコイル導体２１の断面形状は、図１４に示すように、コイルの内周部２２から外周部２４にかけて同一のコの字形状である。コの字形状の各寸法は同図に示すとおりである。コの字形状は左右対称で、コイル導体２１は６巻である。コイル導体２１の隣同士の間隔ピッチ（隣同士のコイル導体の中心の間隔）およびコイル導体２１と磁気シールドの最近接距離、最内周のコイル導体２１の中心と渦巻状コイルの中心との距離、最外周のコイル導体２１の中心と渦巻状コイルの中心との距離は、図１３と同様に、それぞれ１２．５ｍｍ、５ｍｍ、１０７．５ｍｍ、１７０ｍｍである。

コイル２の内周部２２ではコの字形状の内周側のＬの字部分が、外周部２４ではコの字形状の外周側のＬの字部分が、そして中央部２３ではコの字形状の平な部分が、磁束線の流れに沿う形状部分に相当する。

計算して求めたコイル特性（交流抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、Ｑ値）を表２にまとめる。

（実施例３）
図１５は、実施例３の伝送コイルユニットのコイル２および磁気シールド３の断面寸法図である。図１２のＡ−Ａ′断面図に相当する。

各巻のコイル導体２１の断面形状は、コの字形状であるが、図１５に示すように、内周部２２から外周部２４にかけてその形状の縦横比（コの字形状の上面幅に対する側面長の比）が段階的に変化している。コの字形状の各寸法は同図に示すとおりである。コの字形状は左右対称であって、かつ６巻のコイル導体２１は、中央部２３を中心に左右対称に並んでいる。コイル導体２１の隣同士の間隔ピッチ（隣同士のコイル導体の中心の間隔）およびコイル導体２１と磁気シールドの最近接距離、最内周のコイル導体２１の中心と渦巻状コイルの中心との距離、最外周のコイル導体２１の中心と渦巻状コイルの中心との距離は、図１３と同様に、それぞれ１２．５ｍｍ、５ｍｍ、１０７．５ｍｍ、１７０ｍｍである。

実施例３において、コイル２の内周部２２と外周部２４で、略矩形形状をなし、その長手方向が磁気シールド面に垂直となって磁束線の流れに沿う形状部分を有している。また、コイル２の中央部２３においても、その長手方向が磁気シールド面に略平行となって、磁束線５の流れに沿う形状部分を有している。そして、内周部２２と中央部２３の間および中央部２３と外周部２４の間で、コの字形状の左右のＬの字部分が磁束線の流れに沿う形状部分に相当するよう、コイル断面形状が段階的に変化している。

計算して求めたコイル特性（交流抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、Ｑ値）を表２にまとめる。

（比較例１）
図１６は、比較例１の伝送コイルユニットのコイル２および磁気シールド３の断面寸法図である。図１２のＡ−Ａ′断面図に相当する。

各巻のコイル導体２１の断面形状は、図１６に示すように、９．２×２ｍｍの矩形形状で、何れも磁気シールド３の磁気シールド面に平行に配置されている。コイル導体２１は６巻である。コイル導体２１の隣同士の間隔ピッチ（隣同士のコイル導体の中心の間隔）およびコイル導体２１と磁気シールドの最近接距離、最内周のコイル導体２１の中心と渦巻状コイルの中心との距離、最外周のコイル導体２１の中心と渦巻状コイルの中心との距離は、図１３と同様に、それぞれ１２．５ｍｍ、５ｍｍ、１０７．５ｍｍ、１７０ｍｍである。

計算して求めたコイル特性（交流抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、Ｑ値）を表２にまとめる。

（実施例４）
実施例４の伝送コイルユニットのコイルは、図１３に示す実施例１のコイルについて、図５に示すように各巻のコイル導体の表面の全面に磁性層を形成したものである。磁性層の膜厚は０．２ｍｍである。

計算して求めたコイル特性（交流抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、Ｑ値）を表２にまとめる。

（実施例５〜７）
実施例５の伝送コイルユニットは、図１４に示す実施例２のコイルについて、図６（Ａ）に示すように、コの字形状のコイル導体の上面および左右の両側面の表面に磁性層を形成したものである。磁性層の膜厚は０．２ｍｍである。

実施例６の伝送コイルユニットは、図１４に示す実施例２のコイルについて、図８（Ｂ）に示すように、コイル導体のコの字形状の上面および左右の両側面、そして磁気シールド面に対向する面の表面に磁性層を形成したものである。磁性層の膜厚は０．２ｍｍである。

実施例７の伝送コイルユニットは、図１４に示す実施例２のコイルについて、図８（Ｃ）に示すように、コイル導体のコの字形状の上面および左右の両側面、磁気シールド面に対向する面の表面に磁性層に加え、さらに凹部の内部の表面にも磁性層を形成したものである。磁性層の膜厚は０．２ｍｍである。

実施例５〜７について、計算して求めたコイル特性（交流抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、Ｑ値）を表２にまとめる。

＜３．送電コイルと受電コイルの計算による実施例＞
本発明に係る伝送コイルユニットを送電コイルと受電コイルとして使用し、両コイルを１５０ｍｍの距離（伝送距離）を離して互いに向い合せ、対向させた場合のコイル特性（結合係数ｋと伝送効率η）を計算する。結合係数ｋは、トランスを構成する送電コイルと受電コイルとの結合の度合いを表す数である。また伝送効率ηは、結合係数ｋとＱ値の積により求めることができる。

（実施例８〜１１）
実施例８は、図１３に示す実施例１の伝送コイルユニットを送電コイルと受電コイルとして使用する場合である。

実施例９は、図１４に示す実施例２の伝送コイルユニットを送電コイルと受電コイルとして使用する場合である。

実施例１０は、実施例４の磁性層付き伝送コイルユニットを送電コイルと受電コイルとして使用する場合である。

実施例１１は、実施例５の磁性層付き伝送コイルユニットを送電コイルと受電コイルとして使用する場合である。

実施例８〜１１について、計算して求めたコイル特性（結合係数ｋと伝送効率η）を表２にまとめる。

（比較例２）
比較例２は、図１６に示す比較例１の伝送コイルユニットを送電コイルと受電コイルとして使用する場合である。

計算して求めたコイル特性（結合係数ｋと伝送効率η）を表２にまとめる。

表２から明らかなように、実施例１〜３について、比較例１に比べ交流抵抗が減少し、Ｑ値が高なって高周波損失が少なくなっている。さらにコイル導体の表面に磁性層を形成した実施例４〜５については、交流抵抗がより減少し、Ｑ値が高なって高周波損失が非常に少なくなっている。

また表２から、実施例８、９および実施例１０、１１について、比較例２に比べ高い伝送効率ηが得られることが分かる。

したがって、本発明に係る伝送コイルユニットを送電コイルとして、また送電コイルおよび受電コイルとして使用することにより、交流抵抗の増大を抑制し、高い伝送効率の非接触給電を実現することができる。

（実施例１２）
本実施例では、第５の実施の形態の伝送コイルユニットの試作品を用いた実験および実験結果について説明する。まず、試作したコイル２は図７（第５の実施の形態）の形状を有するものであり、外形寸法は２５０×２５０ｍｍである。素材はアルミニウムを使用している。図８（Ｄ）のようにエッジを含む上面に磁性層を設けたコイルと磁性層を設けないコイルとを試作した。コイル導体２１部分の詳細な寸法については図１７に示す。また、非磁性絶縁体４１であるが、寸法は２８０×２８０ｍｍ、コイルを埋め込む溝深さは１ｍｍであり（図示せず）、素材はポリカボネートを使用している。また、磁気シールド３（図示せず）の寸法は２６０ｍｍ×２６０ｍｍで、非磁性絶縁体４１を挟んでコイル導体２１から５ｍｍ離れた位置に設けられている。素材はフェライトである。

以上のように構成された本実施例の伝送コイルユニットのコイル特性（交流抵抗、Ｑ値、インダクタンス）を、インピーダンスアナライザを用いて測定した結果を図１８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示す。図中、「ＡＰ」は上記磁性層を設けないアルミコイルを、「ＭＣＰ」は上記磁性層を設けたアルミコイルを表す。さらに８５ｋＨｚにおける特性値を表３に示す。


表２のシミュレーション結果と比較すると、交流抵抗、インダクタンスとも大きめである。例えば、コの字断面のアルミ導体（磁性層なし）を比較すると、表２（実施例２）では交流抵抗７４．１７ｍΩ、インダクタンス２２．７５μＨであるのに対し、本実施例では交流抵抗２８７ｍΩ、インダクタンス３４．９μＨとなっている。伝送効率を比較しても、表２（実施例９）では９４．０％であったのに対し、本実施例では９１．４％とやや低くなっている。

本実施例（実測値）と表２（計算値）の差の原因は、一つはコイルの形状であると考えられる。すなわち、表２では直径３５０ｍｍで６巻の円形状のモデルを用いて計算したものであるのに対し、本実施例で使用したコイル１辺２５０ｍｍで１０巻の矩形状であるため、コイル導体周辺の磁束密度はより高く、交流抵抗が大きくなる傾向にある。一方、磁性層を設けたことによる交流抵抗低減効果は、計算（表２）では１．２％（９４．０％から９５．２％）であったのに対し、本実施例では１．６％（９１．４％から９３．０％）、となり、改善効果はより顕著化する。

比較例として、銅リッツ線（２１００本撚線）を用いた同一形状（２５０ｍｍ×２５０ｍｍ矩形）の実測結果を、併せて表３に示す。交流抵抗は４１．２ｍΩと非常に低い。アルミニウムの体積抵抗率は銅に比べて約６０％高いが、それを勘案したとしても、本実施例の交流抵抗はリッツ線の３倍強もある。しかし、もしこの差が表皮効果に対する抑圧能力の差に起因するものであるとすれば、コの字断面形状のコイル導体２１を数層の磁気薄板（例えば０．２ｍｍ厚）を貼りあわせて形成するなど、若干の対策で、この差を縮めることが可能であると推量される。

本発明に係る伝送コイルユニットおよび非接触給電装置は、自動車や携帯電話等の電子機器、誘導式加熱装置の分野で利用が可能である。

１ 伝送コイルユニット
２ コイル
２１ コイル導体
２２ 内周部
２３ 中央部
２４ 外周部
２５ 上面幅
２６ 側面長
３ 磁気シールド
４ 電気シールド
４１ 非磁性絶縁体
５ 磁束線
６ 磁性層
７ 送電装置
７１ 電源
７２ 整流回路
７３ 送電回路
７４ 送電コイル
８ 受電装置
８１ 受電コイル
８２ 受電回路
８３ 充放電制御回路
８４ バッテリー
９ 自動車本体

Claims (11)

1. 渦巻状に巻回されたコイルと所定の距離をおいて前記コイルのコイル面に対向するように配置された磁気シールドとを備えた非接触給電用伝送コイルユニットであって、
   各巻のコイル導体の巻回方向のコイル断面形状が、前記コイルに電流が流れた際に発生する磁束線に沿う形状部分を有する非接触給電用伝送コイルユニット。
2. 前記コイル断面形状が矩形形状であって、
   前記矩形形状の長手方向が、前記コイルの内周部と外周部において前記磁気シールドの磁気シールド面に略垂直であり、前記内周部と外周部の間の中央部において前記磁気シールド面に略平行であって、かつ、
   前記磁気シールド面に対する前記矩形形状の長手方向の角度が、前記内周部と前記中央部の間および前記中央部と前記外周部の間で、段階的に変化していることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電用伝送コイルユニット。
3. 前記コイル断面形状がコの字形状であって、
   前記コの字形状の凹部が前記磁気シールド面に対向していることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電用伝送コイルユニット。
4. 矩形状の平面形状をなし、辺部分が直線部、角部が円弧部となる渦巻き状の溝が形成された非磁性絶縁体を備え、前記コイルは前記溝中に連続して設けられたことを特徴とする請求項３に記載の非接触給電用伝送コイルユニット。
5. 前記非磁性絶縁体は１Ｗ／（ｍＫ）以上の熱伝導率を有する樹脂より成ることを特徴とする、請求項４に記載の非接触給電用伝送コイルユニット。
6. 前記コイル導体の少なくとも側面は、直接的または間接的に前記前記非磁性絶縁体と接していることを特徴とする請求項４または５のいずれかに記載の非接触給電用伝送コイルユニット。
7. 前記コの字形状の上面幅に対する側面長の比が、前記コイルの内周部と外周部において最大であり、前記内周部と外周部の間の中央部において最小であって、かつ、前記比が、前記内周部と前記中央部の間および前記中央部と前記外周部の間で、段階的に変化していることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の非接触給電用伝送コイルユニット。
8. 前記コイル断面形状の、少なくとも前記磁気シールド面に対向している面と反対側の表面および側面に磁性層が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の非接触給電用伝送コイルユニット。
9. 金属平板をレーザ加工またはプレス加工によって渦巻状に溝切り加工する工程と、溝切り加工された前記金属平板をプレス加工によって変形させる工程を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の非接触給電用伝送コイルユニットの製造方法。
10. 金属平板をレーザ加工またはプレス加工によって渦巻状に溝切り加工する工程と、溝切り加工された前記金属平板をプレス加工によって変形させる工程と、溝切り加工された前記金属平板の表面に磁性層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項８記載の非接触給電用伝送コイルユニットの製造方法。
11. 請求項１〜８のいずれか１項記載の非接触給電用伝送コイルユニットを送電コイルとして、または送電コイルおよび受電コイルとして用いることを特徴とする非接触給電装置。