JP5320184B2 - 無線送電システム - Google Patents

Description

本発明は、無線送電に関する。本発明は特に、比較的近い距離で無線送電を行う技術に関する。

電気機器の充電を無線送電によって行う技術の開発が進められている。送電装置からマイクロ波を出力し、受電装置でマイクロ波を受電して電気エネルギーに変換することにより、受電装置側の機器を充電することができる。

マイクロ波によって無線充電を行う場合、マイクロ波の一部が受電装置に届かずに周囲に漏れると、充電の効率が低下する。特許文献１には、この問題を解決するための技術が記載されている。この技術では電波遮蔽手段が用いられる。電波遮蔽手段は、マイクロ波を受信する作動期間において送電アンテナと受電アンテナとの間の空間を取り囲み、非作動期間において、本体側に収納される。

特開２００８−５４４２４号公報

特許文献１では、電波遮蔽部材として「多数本の線状または棒状の導電体を束ねてなるブラシ状の導電部材」を用いることにより、「導電部材の先端部分に柔軟性を持たせることが可能となる」という事項が記載されている。本願発明の発明者は、これに関連して、線状または棒状のブラシを用いた電波遮蔽部材についての研究を行ってきた。

図１Ａは、電波遮蔽部材として機能するブラシを備えた無線送電システムの参考例を示す部分側面図である。図１Ａは、送電部１０１と受電部１０４の距離が大きく無線送電が行われていない場合を示す。図１Ｂは、無線送電システムを他の方向から見た部分側面図である。送電部１０１はエネルギーステーションの地面に埋め込まれて固定される。送電部１０１には、多数の線状の部材からなるブラシ１０２が取り付けられる。一方、このエネルギーステーションを利用する電気自動車の底面に受電部１０４が設けられる。送電部１０１と対向する受電部１０４の受電面は、必ずしも平坦であるとは限らず、放熱用のフィンなどの凸部１０３を持っていることがある。

図２Ａは、充電を行うために受電部１０４を送電部１０１の近くに配置した場合を示す部分側面図である。図２Ｂは、無線送電システムを他の方向から見た部分側面図である。ブラシ１０２の先端は、受電部１０４の受電面とほぼ同じ高さに位置する。この状態では、ブラシ１０２の一部は凸部１０３に当たる。図２Ｂに、この一部におけるブラシ１０２ｂと、凸部１０３に当たっていない他の部分におけるブラシ１０２ａとを示す。ブラシ１０２ｂは凸部１０３に当たって曲がる。

本願発明の発明者は、図２Ｂに示すようなブラシ１０２ｂの屈曲部１０５において隙間が生じる可能性があることに着目した。このような隙間があると、マイクロ波が漏れて充電の効率が低下する場合がある。

そこで本発明の目的は、マイクロ波の漏れをより確実に防ぐことを可能にする無線送電システムを提供することである。

以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の一側面における無線送電システムは、出力面からマイクロ波を出力する送電アンテナ（２）と、送電時に出力面に対向する位置に配置され、送電アンテナ（２）が出力するマイクロ波を入力面において受信する受電アンテナ（１１）と、送電アンテナ（２）の出力面を取り囲む領域にそれぞれの一端が取り付けられた複数の外周コイルばね（３、３−１）によって送電アンテナ（２）と受電アンテナ（１１）との間の空間を外部から電磁的に遮蔽する遮蔽部とを備える。

本発明の他の側面において、複数の外周コイルばね（３、３−１）の長さは、送電時における送電アンテナ（２）と受電アンテナ（１１）との距離以上である。

本発明の更に他の側面において、複数の外周コイルばね（３、３−１）の各々のピッチはマイクロ波の波長の５０分の１以下である。

本発明の更に他の側面において、複数の外周コイルばね（３、３−１）は、送電アンテナ（２）の側から受電アンテナ（１１）の側に向って、空間の外側方向に傾斜する。

本発明の更に他の側面における無線送電システムは更に、送電アンテナ（２）の出力面を取り囲み且つ外周コイルばね（３−１）よりも内周側の領域にそれぞれの一端が取り付けられた複数の内周コイルばね（３−２）を備える。

本発明の更に他の側面において、複数の外周コイルばね（３−１）は、送電アンテナ（２）の側から受電アンテナ（１１）の側に向って、空間の外側方向に傾斜する。

本発明の更に他の側面において、複数の内周コイルばね（３−２）は、送電アンテナ（２）の側から受電アンテナ（１１）の側に向って、空間の内側方向に傾斜する。

本発明の更に他の側面における無線送電システムは、出力面からマイクロ波を出力する送電アンテナ（２）と、送電アンテナ（２）の出力面を取り囲む領域にそれぞれの一端が取り付けられた複数の外周コイルばね（３、３−１）によって、送電アンテナ（２）と、送電時に出力面に対向する位置に配置され、送電アンテナ（２）が出力するマイクロ波を入力面において受信する受電アンテナ（１１）との間の空間を外部から電磁的に遮蔽する遮蔽部とを備える。

本発明の更に他の側面における無線送電システムは、送電時に、出力面からマイクロ波を出力する送電アンテナ（２）の出力面に対向する位置に配置され、送電アンテナが出力するマイクロ波を入力面において受信する受電アンテナ（１１）と、受電アンテナ（１１）の入力面を取り囲む領域にそれぞれの一端が取り付けられた複数の外周コイルばね（１３）によって送電アンテナ（２）と受電アンテナ（１１）との間の空間を外部から電磁的に遮蔽する遮蔽部とを備える。

本発明により、マイクロ波の漏れをより確実に防ぐことを可能にする無線送電システムが提供される。

図１Ａは、参考例における無線送電システムの部分側面図である。 図１Ｂは、参考例における無線送電システムを他の方向から見た部分側面図である。 図２Ａは、参考例における無線送電システムの部分側面図である。 図２Ｂは、参考例における無線送電システムを他の方向から見た部分側面図である。 図３は、送電部の上面図である。 図４は、受電部の下面図である。 図５Ａは、無線送電システムの部分側面図である。 図５Ｂは、図３と図４のＡ−Ａ断面における無線送電システムを示す。 図６Ａは、無線送電システムの部分側面図である。 図６Ｂは、図３と図４のＡ−Ａ断面における無線送電システムを示す。 図７は、送電部の上面図である。 図８Ａは、図７のＡ−Ａ断面における無線送電システムを示す。 図８Ｂは、図７のＡ−Ａ断面における無線送電システムを示す。 図９は、無線送電システムの部分側面図である。 図１０は、受電部の下面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［第１実施形態］
図３は、第１実施形態における無線送電システムの送電部１をｚ軸正方向から見た上面図である。送電部１は、図３の例では四角形の平面形状を有しているが、円形などその他の形状であってもよい。送電部１の上面には所定の形状を有する送電アンテナ２が配置される。送電アンテナ２は、マイクロ波を出力する出力面である。送電部１の上面には、送電アンテナ２を取り囲むように電波を遮蔽するためのコイルばね３が取り付けられる。

図４は、無線送電システムの受電部１０をｚ軸負方向から見た下面図である。受電部１０は、図４の例では四角形の平面形状を有しているが、その他の形状であってもよい。受電部１０の下面には所定の形状を有する受電アンテナ１１が配置される。受電アンテナ１１は、送電時に送電アンテナ２に対向する位置に配置され、送電アンテナ２が出力するマイクロ波を受信する入力面である。受電アンテナ１１は、送電アンテナ２と対向する位置に配置されたとき、ｚ軸方向に見て送電アンテナ２を含む領域に形成される。受電アンテナ１１が送電アンテナ２よりも大きい領域となるように形成されると、受電部１０の位置が送電部１に対して若干ずれた場合にもマイクロ波が無駄にならずに受信され好ましい。受電部１０は、受電アンテナ１１に入力したマイクロ波を電力に変換し、電気自動車の駆動モータの電源として使われる蓄電池などの充電を行う。受電アンテナ１１は、無線送電において発生する熱を放熱するためのフィンなどの凸部１２を有する。

本実施形態において、送電部１は送電アンテナ２を上側に向けてエネルギーステーションの地面に配置される。受電部１０は受電アンテナ１１を下に向けてエネルギーステーションにおいて充電する電気自動車の底面に取り付けられる。このような無線送電システムを用いて、電気自動車はエネルギーステーションの所定位置に停車して充電を行う。無線送電を使用するために、エネルギーステーションのプラグを電気自動車に接続するなどの操作が不要である。

図５Ａは、図３に示した送電部１と図４に示した受電部１０とで形成される無線送電システムをｘ軸方向から見た部分側面図である。図５Ｂは、図３と図４のＡ−Ａ断面における無線送電システムを示す。図５Ａ、図５Ｂは、無線送電システムが無線送電を行っておらず送電部１と受電部１０との距離が離れている場合を示す。

送電部１が有する電波遮蔽部材は、多数のコイルばね３からなる。コイルばね３は電波遮蔽効果を得られる素材によって形成される。その素材は典型的には金属であり、特に適した素材としてリン青銅を挙げることができる。各々のコイルばね３は、その一端が送電部１の送電アンテナを取り囲む領域に固定され、送電部１の上面から立てられた姿勢で配置される。本実施形態では、コイルばね３は互いに同じ長さを有する。多数のコイルばね３の上端は、概ね一平面内に位置する。図５Ａに示すように、隣接するコイルばね３が近接した位置に配置されることにより、多数のコイルばね３によってシート状の遮蔽面が形成される。この遮蔽面により、送電アンテナ２と受電アンテナ１１との間の空間が、その外部から電磁的に遮蔽される。

図６Ａは、無線送電を行うために受電部１０を送電部１の近くに配置した場合を示す部分側面図である。図６Ｂは、この場合の図３と図４のＡ−Ａ断面における無線送電システムを示す。マイクロ波を遮蔽するために、コイルばね３の長さは、送電時における送電アンテナ２と受電アンテナ１１の距離以上である。本実施形態では、受電部１０の受電アンテナ１１は、送電部１のコイルばね３の上端が形成する面と概ね同じ高さに配置される。この状態において、受電部１０の凸部１２が存在しない領域に位置するコイルばね３ａは概ね真っ直ぐの姿勢を保ち、シート状の遮蔽面を形成する。

図６Ａ、図６Ｂに示す状態で、受電部１０の凸部１２が存在する領域に位置するコイルばね３ｂは、接触部４において凸部１２に接して曲がる。図６Ｂの円内に接触部４の拡大図を示す。接触部４においてコイルばね３ｂは、図１Ｂに示したような線状のブラシよりも凸部１２の形状に沿った形に変形する。図６Ｂの例では、コイルばね３ｂの長さ方向に対して直角な凸部１２の面に突き当たったコイルばね３ｂは、接触部４において概ね直角に曲がる。そのため図２Ｂの屈曲部１０５に比べて、シート状の遮蔽面に形成される隙間を小さく抑えることができ、より良好な電波遮蔽性能が得られる。

コイルばねは、突き当たる箇所に凸部がある場合、単なるワイヤ部材よりも短い距離でその凸形状に沿った方向に折れ曲がる性質がある。ここで「折れ曲がる」というのは、コイルばねの線材が弾性変形の範囲内で変形することにより、コイルばね全体の形状としては恰も折れ曲がっているかのような変形を示すことを意味する。

コイルばねがこのような優れた形状追従性を有する理由を以下に説明する。長手方向に同じサイズを有するワイヤ部材とコイルばねとを比較すると、コイルばねの線材に沿った長さは、ワイヤ部材に比べて長い。言い換えると、長手方向の単位長さ当たりにコイルばねはワイヤ部材よりも長い線材を含んでいる。そのため同じ線材で形成されたワイヤ部材とコイルばねとを比較すると、コイルばねの方がワイヤ部材に比べて、長手方向の単位長さ当たりで、長手方向に垂直な方向により大きな屈曲を示すことができる。このような特性により、コイルばね３によって形成された電波遮蔽部材は、図６Ｂに示すように受電部１０の凹凸に対して優れた形状追従性を得ることができる。

コイルばね３が優れた形状追従性を有するために、電気自動車がエネルギーステーションの指定された位置から多少ずれて停車した場合でも、その底面の構造物の凹凸によるマイクロ波の漏洩が抑えられ、高い充電効率を達成できる。

高い遮蔽効果を得るために、隣接するコイルばね３はマイクロ波（典型的には２．４５ＧＨｚ）の波長の１０分の１以下、好ましくは５０分の１以下の距離で配置されることが望ましい。コイルばね３のピッチ、すなわちコイルばね３の中心軸の周りの円筒座標において同一の偏角における線材のピッチもマイクロ波の波長の１０分の１以下、好ましくは５０分の１以下であることが望ましい。発明者が用いたコイルばねは、線材の直径が０．３ｍｍ、コイルばね全体の直径が０．８ｍｍの微小なものであり、線状または棒状のワイヤ部材によるブラシよりも優れた形状追従性を得ることができた。

［第２実施形態］
図７は、第２実施形態における無線送電システムの送電部１ａを示す。本実施形態の無線送電システムにおいて、受電部１０は第１実施形態と同じ構成を有する。本実施形態における送電部１ａは、送電アンテナ２が形成された領域を取り囲む領域に形成された内周コイルばね３−２と、その内周コイルばね３−２を所定幅のギャップを介して取り囲む領域に形成された外周コイルばね３−１とを有する。

図８Ａは、図７のＡ−Ａ断面における送電部１ａと受電部１０とからなる無線送電システムを示す。外周コイルばね３−１は、送電アンテナ２から受電アンテナ１１に向って（すなわち各コイルばね３−１の根元から先端に向って）、その中心軸が外側方向に傾斜するように送電部１ａに設置される。その中心軸の送電アンテナ２の上面に垂直な線に対する角度θ１は１０度程度であり、５度以上１５度以下であることが望ましい。内周コイルばね３−２は、送電アンテナ２から受電アンテナ１１に向ってその中心軸が内側方向に傾斜するように送電部１ａに接地される。その中心軸の送電アンテナ２の上面に垂直な線に対する角度θ２は１０度程度であり、５度以上１５度以下であることが望ましい。

図８Ａは、無線送電を行うために受電部１０を送電部１ａの近くに配置した場合を示す無線送電システムの部分側面図である。図８Ｂは、この場合の図７のＡ−Ａ断面における無線送電システムを示す。受電部１０の受電アンテナ１１は、送電部１ａのコイルばね３の上端が形成する面と概ね同じ高さに配置される。この状態において、受電部１０の凸部１２が存在しない領域に位置する外周コイルばね３−１ａと内周コイルばね３−２ａとは概ね真っ直ぐの姿勢を保ち、それぞれシート状の遮蔽面を形成する。

凸部１２が存在する領域に位置する内周コイルばね３−１ｂは、角度θ１のために主として送電部１ａの外周側、すなわち送電アンテナ２と反対の側に曲がる。外周コイルばね３−１ｂは角度θ１のために、少ない力で、且つ均一に外周側に曲がることができる。凸部１２が存在する領域に位置する内周コイルばね３−２ｂは、角度θ２のために主として送電部１ａの内周側、すなわち送電アンテナ２の側に曲がる。内周コイルばね３−２ｂは角度θ２のために、少ない力で、且つ均一に内周側に曲がることができる。外周コイルばね３−１ｂと内周コイルばね３−２ｂとは互いに反対側に曲がるため、互いの変形を妨げることがない。

以上の構成により、外周コイルばね３−１と内周コイルばね３−２とにより、それぞれ遮蔽効果の高い遮蔽面が形成される。送電部１ａが生成するマイクロ波のうち内周コイルばね３−２によって形成される遮蔽面を漏れた分は外周コイルばね３−１によって遮蔽されるため、マイクロ波の漏れの少ない無線送電が実現される。このような二重遮蔽の効果を得るためには、外周コイルばね３−１と内周コイルばね３−２とは隣接せず所定幅のギャップを介して形成されていることが望ましい。もちろんコイルばねの列は３列以上であってもよい。

本実施形態の外周コイルばね３−１のように外周側に傾いて配置されたコイルばねを第１実施形態における１例のコイルばね３に適用しても良好な電波遮蔽効果が得られる。

［第３実施形態］
図９は、第３実施形態における無線送電システムをｘ軸方向から見た部分側面図である。本実施形態においては、電波を遮蔽するためのコイルばね１３が受電部１０ｂの側に設けられている。図１０は受電部１０ｂの下面図である。受電部１０ｂは受電アンテナ１１を有する。受電アンテナ１１を取り囲むように多数のコイルばね１３が配置される。各々のコイルばね１３は、その一端が受電部１０ｂの受電アンテナ１１を取り囲む領域に固定され、受電部１０ｂの下面から立てられた姿勢で配置される。

このような構成によれば、送電部１ｂの側に何らかの凸部１４が存在する場合、凸部１４が存在する領域のコイルばね１３がその凸部１４に沿った形状で折れ曲がる。その結果、良好な電波遮蔽性能が得られる。本実施形態におけるコイルばね１３を図８Ａ、図８Ｂに示した外周コイルばね３−１のように配置することによっても好適な性能を得ることができる。この場合、各々のコイルばね１３が外周側、すなわち根元から先端に向けて受電アンテナ１１から離れる向きに斜めに配置される。本実施形態において、受電部１０ｂに第２実施形態のような複数列のコイルばねを設置することも効果的である。

以上の各実施形態においては、送電部は送電アンテナを上に向けて地面に固定され、受電部は下向きに配置された。しかしながら、これらの向きはどちら向きであっても本発明の効果を得ることができる。また以上の各実施形態においては送電部や受電部が凸部を有する場合について説明したが、送電部や受電部の付近が任意の凹凸構造を有する場合や、送電部と受電部との相対距離にばらつきが有る場合でも、同様にコイルばねを用いることによって良好な電波遮蔽性能を得ることができる。

１ 送電部
１ａ，１ｂ 送電部
２ 送電アンテナ
３，３ａ，３ｂ コイルばね
３−１，３−１ａ，３−１ｂ 外周コイルばね
３−２，３−２ａ，３−２ｂ 内周コイルばね
４ 接触部
１０，１０ｂ 受電部
１１ 受電アンテナ
１２ 凸部
１３ コイルばね
１０１ 送電部
１０２ ブラシ
１０２ｂ ブラシ
１０３ 凸部
１０４ 受電部
１０５ 屈曲部

Claims (9)

1. 出力面からマイクロ波を出力する送電アンテナと、
   送電時に前記出力面に対向する位置に配置され、前記送電アンテナが出力するマイクロ波を入力面において受信する受電アンテナと、
   前記送電アンテナの前記出力面を取り囲む領域にそれぞれの一端が取り付けられた複数の外周コイルばねによって前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の空間を外部から電磁的に遮蔽する遮蔽部
   とを具備する無線送電システム。
2. 請求項１に記載された無線送電システムであって、
   前記複数の外周コイルばねの長さは、送電時における前記送電アンテナと前記受電アンテナとの距離以上である
   無線送電システム。
3. 請求項１又は２に記載された無線送電システムであって、
   前記複数の外周コイルばねの各々のピッチは前記マイクロ波の波長の５０分の１以下である
   無線送電システム。
4. 請求項１から３のいずれかに記載された無線送電システムであって、
   前記複数の外周コイルばねは、前記送電アンテナの側から前記受電アンテナの側に向って、前記空間の外側方向に傾斜する
   無線送電システム。
5. 請求項１から３のいずれかに記載された無線送電システムであって、
   更に、前記送電アンテナの前記出力面を取り囲み且つ前記外周コイルばねよりも内周側の領域にそれぞれの一端が取り付けられた複数の内周コイルばねを具備する
   無線送電システム。
6. 請求項４に記載された無線送電システムであって、
   前記複数の外周コイルばねは、前記送電アンテナの側から前記受電アンテナの側に向って、前記空間の外側方向に傾斜する
   無線送電システム。
7. 請求項５又は６に記載された無線送電システムであって、
   前記複数の内周コイルばねは、前記送電アンテナの側から前記受電アンテナの側に向って、前記空間の内側方向に傾斜する
   無線送電システム。
8. 出力面からマイクロ波を出力する送電アンテナと、
   前記送電アンテナの前記出力面を取り囲む領域にそれぞれの一端が取り付けられた複数の外周コイルばねによって、前記送電アンテナと、送電時に前記出力面に対向する位置に配置され、前記送電アンテナが出力するマイクロ波を入力面において受信する受電アンテナとの間の空間を外部から電磁的に遮蔽する遮蔽部
   とを具備する無線送電システム。
9. 送電時に、出力面からマイクロ波を出力する送電アンテナの前記出力面に対向する位置に配置され、前記送電アンテナが出力するマイクロ波を入力面において受信する受電アンテナと、
   前記受電アンテナの前記入力面を取り囲む領域にそれぞれの一端が取り付けられた複数の外周コイルばねによって前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の空間を外部から電磁的に遮蔽する遮蔽部
   とを具備する無線送電システム。

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