JP5930182B2 - アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムに用いられ、電力の受電又は送電を行うアンテナに関する。

近年、電源コードなどを用いることなく、ワイヤレスで電力（電気エネルギー）を伝送する技術の開発が盛んとなっている。ワイヤレスで電力を伝送する方式の中でも、特に注目されている技術として、磁気共鳴方式と呼ばれるものがある。この磁気共鳴方式は２００７年にマサチューセッツ工科大学の研究グループが提案したものであり、これに関連する技術は、例えば、特許文献１（特表２００９−５０１５１０号公報）に開示されている。

磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムは、送電側アンテナの共振周波数と、受電側アンテナの共振周波数とを同一とし高いＱ値（１００以上）のアンテナを用いることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うものであり、電力伝送距離を数十ｃｍ〜数ｍとすることが可能であることが大きな特徴の一つである。

上記のような磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムに用いるアンテナの具体的な構成についてもこれまでいくつか提案がされてきた。例えば、特許文献２（特開２０１０−７３９７６号公報）には、ワイヤレスで給電回路から受電回路へ電力を送信するワイヤレス電力伝送装置の、前記給電回路及び受電回路にそれぞれ設けられる通信コイルの構造において、比誘電率が１よりも大きい材質のプリント基板と、前記プリント基板の第１の層に設けられ、少なくとも１ループをなす導電パターンで形成された一次コイルと、前記プリント基板の第２の層に設けられ、渦巻き形状をなす導電パターンで形成された共鳴コイルと、を備えることを特徴とするワイヤレス電力伝送装置の通信コイル構造が開示されている。
特表２００９−５０１５１０号公報 特開２０１０−７３９７６号公報

上記のような磁気共鳴方式の電力伝送システムを電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両に対する電力供給に用いる場合においては、送電用のアンテナは地中部に埋設され、また、受電用のアンテナは車両の底面部にレイアウトされることが想定される。しかしながら、特許文献１記載のコイル構造においては、金属体からなる車両の底部に設置するための最適な設計がなされておらず、これを車両底部に配して利用した場合、電力伝送効率が抑制される、という問題であった。

上記問題を解決するために、請求項１に係る発明は、主面を有する絶縁性基材上に所定のコイルパターン導電部が形成されてなるコイル体と、前記コイル体上に前記コイル体と第１距離離間されて配されるフェライト基材と、前記フェライト基材上に前記フェライト基材と第２距離離間されて配されるアルミニウム基材と、を有し、前記第１距離が前記第２距離より長いことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のアンテナにおいて、前記主面に対して垂直方向に投影を行ったとき、前記コイルパターン導電部が形成する投影は、前記フェラ
イト基材が形成する投影に含まれると共に、前記フェライト基材が形成する投影は、前記アルミニウム基材が形成する投影に含まれることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載のアンテナにおいて、前記フェライト基材の厚さは、前記フェライト基材を通過する磁束量が飽和磁束以下となるように設定することを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のアンテナにおいて、前記アルミニウム基材の厚さは、前記フェライト基材から漏洩する磁束を遮断する厚さとすることを特徴とする。

本発明に係るアンテナは、コイル体上にコイル体と第１距離離間されて配されるフェライト基材と、フェライト基材上にフェライト基材と第２距離離間されて配されるアルミニウム基材と、が設けられているので、車両底面にアンテナを装着した場合でも、車両本体部を構成する金属物などの影響を抑制し、効率的に電力伝送を行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係るアンテナが用いられる電力伝送システムのブロック図である。 電力伝送システムのインバーター部を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る受電アンテナ２０１の分解斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る受電アンテナ２０１による電力伝送の様子を示す断面の模式図である。 本発明と比較例の電力伝送効率データを示す図である。 データ取得における条件を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る受電アンテナ２０１の分解斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る受電アンテナ２０１による電力伝送の様子を示す断面の模式図である。 本発明と比較例の電力伝送効率データを示す図である。 データ取得における条件を説明する図である。 アンテナのインピーダンスと伝送効率との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係るアンテナが用いられる電力伝送システムのブロック図である。なお、本発明に係るアンテナは、電力伝送システムを構成する受電側のアンテナと送電側のアンテナのいずれにも適用可能であるが、以下の実施形態においては受電側のアンテナに本発明のアンテナを適用した例につき説明する。

本発明のアンテナが用いられる電力伝送システムとしては、例えば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両への充電のためのシステムが想定されている。電力伝送システムは、上記のような車両に対して電力を非接触で伝送するため、当該車両を停車させることが可能な停車スペースに設けられる。車両充電用のスペースで
ある当該停車スペースには、送電アンテナ１０５などが地中部に埋設されるような構成となっている。車両のユーザーはこの電力伝送システムが設けられている停車スペースに車両を停車させて、車両に搭載されている受電アンテナ２０１と、前記送電アンテナ１０５とを対向させることによって電力伝送システムからの電力を受電する。車両を停車スペースに停車させる際には、車両搭載の受電アンテナ２０１が、送電アンテナ１０５に対して最も伝送効率が良い位置関係となるようにする。

電力伝送システムでは、電力伝送システム１００側の送電アンテナ１０５から、受電側システム２００側の受電アンテナ２０１へ効率的に電力を伝送する際、送電アンテナ１０５の共振周波数と、受電アンテナ２０１の共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うようにする。

電力伝送システム１００におけるＡＣ／ＤＣ変換部１０１は、入力される商用電源を一定の直流に変換するコンバータである。このＡＣ／ＤＣ変換部１０１からの出力は高電圧発生部１０２において、所定の電圧に昇圧されたりする。この電圧調整部１０２で生成される電圧の設定は主制御部１１０から制御可能となっている。

インバーター部１０３は、高電圧発生部１０２から供給される高電圧から所定の交流電圧を生成して、整合器１０４に入力する。図２は電力伝送システムのインバーター部を示す図である。インバーター部１０３は、例えば図２に示すように、フルブリッジ方式で接続されたＱ_A乃至Ｑ_Dからなる４つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）によって構成されている。

本実施形態においては、直列接続されたスイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Bの間の接続部Ｔ１と、直列接続されたスイッチング素子Ｑ_Cとスイッチング素子Ｑ_Dとの間の接続部Ｔ２との間に整合器１０４が接続される構成となっており、スイッチング素子Ｑ_A
とスイッチング素子Ｑ_Dがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオ
フとされ、スイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Dがオフとされることで、接続部Ｔ１と接続部Ｔ２との間に矩形波の交流電圧を発生させる。なお、本実施形態においては、各スイッチング素子のスイッチングによって生成される矩形波の周波数の範囲は数１００ｋＨｚ〜数１０００ｋＨｚ程度である。

上記のようなインバーター部１０３を構成するスイッチング素子Ｑ_A乃至Ｑ_Dに対する駆動信号は主制御部１１０から入力されるようになっている。また、インバーター部１０３を駆動させるための周波数は主制御部１１０から制御することができるようになっている。

整合器１０４は、所定の回路定数を有する受動素子から構成され、インバーター部１０３からの出力が入力される。そして、整合器１０４からの出力は送電アンテナ１０５に供給される。整合器１０４を構成する受動素子の回路定数は、主制御部１１０からの指令に基づいて調整することができるようになっている。主制御部１１０は、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１とが共振するように整合器１０４に対する指令を行う。

送電アンテナ１０５は、誘導性リアクタンス成分を有するコイルから構成されており、対向するようにして配置される車両搭載の受電アンテナ２０１と共鳴することで、送電アンテナ１０５から出力される電気エネルギーを受電アンテナ２０１に送ることができるようになっている。

電力伝送システム１００の主制御部１１０はＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを
保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部である。この主制御部１１０は、図示されている主制御部１１０と接続される各構成と協働するように動作する。

また、通信部１２０は車両側の通信部２２０と無線通信を行い、車両との間でデータの送受を可能にする構成である。通信部１２０によって受信したデータは主制御部１１０に転送され、また、主制御部１１０は所定情報を通信部１２０を介して車両側に送信することができるようになっている。

次に、車両側に設けられている構成について説明する。車両の受電側のシステムにおいて、受電アンテナ２０１は、送電アンテナ１０５と共鳴することによって、送電アンテナ１０５から出力される電気エネルギーを受電するものである。このような受電アンテナ２０１は、車両の底面部に取り付けられるようになっている。

受電アンテナ２０１で受電された交流電力は、整流部２０２において整流され、整流された電力は充電制御部２０３を通してバッテリー２０４に蓄電されるようになっている。充電制御部２０３は主制御部２１０からの指令に基づいてバッテリー２０４の蓄電を制御する。また、充電制御部２０３はバッテリー２０４の残量管理なども行い得るように構成される。

主制御部２１０はＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部である。この主制御部２１０は、図示されている主制御部２１０と接続される各構成と協働するように動作する。

インターフェイス部２３０は、車両の運転席部に設けられ、ユーザー（運転者）に対し所定の情報などを提供したり、或いは、ユーザーからの操作・入力を受け付けたりするものであり、表示装置、ボタン類、タッチパネル、スピーカーなどで構成されるものである。ユーザーによる所定の操作が実行されると、インターフェイス部２３０から操作データとして主制御部２１０に送られ処理される。また、ユーザーに所定の情報を提供する際には、主制御部２１０からインターフェイス部２３０に対して、所定情報を表示するための表示指示データが送信される。

また、車両側の通信部２２０は送電側の通信部１２０と無線通信を行い、送電側のシステムとの間でデータの送受を可能にする構成である。通信部２２０によって受信したデータは主制御部２１０に転送され、また、主制御部２１０は所定情報を通信部２２０を介して送電システム側に送信することができるようになっている。

電力伝送システムで、電力を受電しようとするユーザーは、上記のような送電側のシステムが設けられている停車スペースに車両を停車させ、インターフェイス部２３０から充電を実行する旨の入力を行う。これを受けた主制御部２１０は、充電制御部２０３からのバッテリー２０４の残量を取得し、バッテリー２０４の充電に必要な電力量を算出する。算出された電力量と送電を依頼する旨の情報は、車両側の通信部２２０から送電側のシステムの通信部１２０に送信される。これを受信した送電側システムの主制御部１１０は高電圧発生部１０２、インバーター部１０３、整合器１０４を制御することで、車両側に電力を伝送するようになっている。

次に、以上のように構成される電力伝送システム１００で用いるアンテナの具体的な構成について説明する。以下、受電アンテナ２０１に本発明の構成を採用した例について説明するが、本発明のアンテナは送電アンテナ１０５に対しても適用し得るものである。

図３は本発明の第１実施形態に係る受電アンテナ２０１の分解斜視図であり、図４は本発明の第１実施形態に係る受電アンテナ２０１による電力伝送の様子を示す断面の模式図であり、図４における矢印は磁力線を模式的に示している。なお、以下の実施形態では、コイル体２７０として矩形平板状のものを例に説明するが、本発明のアンテナはこのような形状のコイルに限定されるものではない。例えば、コイル体２７０として円形平板状のものなども利用し得る。このようなコイル体２７０は、受電アンテナ２０１における磁気共鳴アンテナ部として機能する。この「磁気共鳴アンテナ部」は、コイル体２７０のインダクタンス成分のみならず、その浮游容量に基づくキャパシタンス成分、或いは意図的に追加したコンデンサに基づくキャパシタンス成分をも含むものである。

ケース体２６０は、受電アンテナ２０１の誘導性リアクタンス成分を有するコイル体２７０を収容するために用いられるものである。このケース体２６０は、例えばポリカーボネートなどの樹脂により構成される開口を有する箱体の形状をなしている。ケース体２６０の矩形状の底板部２６１の各辺からは側板部２６２が、前記底板部２６１に対して垂直方向に延在するようにして設けられている。そして、ケース体２６０の上方においては、側板部２６２に囲まれるような上方開口部２６３が構成されている。ケース体２６０にパッケージされた受電アンテナ２０１はこの上方開口部２６３側で車両本体部に取り付けられる。ケース体２６０を車両本体部に取り付けるためには、従来周知の任意の方法を用いることができる。なお、上方開口部２６３の周囲には、車両本体部への取り付け性を向上するために、フランジ部材などを設けるようにしても良い。

コイル体２７０は、ガラスエポキシ製の矩形平板状の基材２７１と、この基材２７１上に形成される渦巻き状の導電部２７２とから構成されている。渦巻き状をなす導電部２７２の内周側の第１端部２７３、及び外周側の第２端部２７４には不図示の導電線路が電気接続される。これにより、受電アンテナ２０１によって受電した電力を整流部２０２へと導けるようになっている。このようなコイル体２７０はケース体２６０の矩形状の底板部２１６上に載置され、適当な固着手段によって底板部２１６上に固着される。

コイル体２７０上には、コイル体２７０と第１距離ｄ₁離間されてフェライト基材２８
０が配されている。フェライト基材２８０としては、比抵抗が大きく、透磁率が大きく、磁気ヒステリシスが小さいものが望ましい。フェライト基材２８０は、ケース体２６０に対して適当な手段により固着されることで、コイル体２７０の上方に第１距離ｄ₁の空間
を空けて配されるようになっている。このようなレイアウトにより、送電アンテナ１０５側で発生する磁力線は、フェライト基材２８０を透過する率が高くなり、送電アンテナ１０５から受電アンテナ２０１への電力伝送において、車両本体部を構成する金属物による磁力線への影響が軽微となる。

また、ケース体２６０の上方開口部２６３においては、前記上方開口部２６３を覆うような矩形平板状のアルミニウム基材２９０が、フェライト基材２８０の上方に第２距離ｄ₂をおいて配されるようになっている。このようなアルミニウム基材２９０に用いる金属
材料としてはアルミニウム以外の金属を用いることも可能である。

本実施形態においては、アルミニウム基材２９０が前記上方開口部２６３を覆うように配されることで、コイル体２７０に対する車両本体金属部の影響を抑制することが可能となり、受信アンテナ２０１のアンテナとしての特性を確定することが可能となる。本実施形態によれば、アンテナの特性が確定しているために、受信アンテナ２０１を取り付ける車種に関わりなく、同様の電力伝送特性を期待することが可能となり、アンテナとしての汎用性が広がることとなる。

また、本実施形態においては、受電アンテナ２０１は上方開口部２６３にある車体取り
付け部２６５を利用して車両本体部に取り付けられる。このような車体取り付け部２６５の構造は従来周知のものを適宜用いることができる。なお、上方開口部２６３の周囲には、車両本体部への取り付け性を向上するために、フランジ部材などを設けるようにしても良い。

以上のように本発明のアンテナは、主面を有する絶縁性の基材２７１上に所定の導電部２７２が形成されてなるコイル体２７０と、コイル体２７０上にコイル体２７０と第１距離ｄ₁離間されて配されるフェライト基材２８０と、フェライト基材２８０上にフェライ
ト基材２８０と第２距離ｄ₂離間されて配されるアルミニウム基材２９０と、アルミニウ
ム基材２９０上に配される車体取り付け部２６５と、を有している。

ここで、本発明のアンテナを上記のように構成する理由について説明する。図５は本発明と比較例の電力伝送効率データを示す図であり、図６はデータ取得における条件を説明する図である。
図５の（Ａ）に示すデータは、図６（Ａ）に示すように、送電アンテナ、受電アンテナとして本発明に係る構成を利用し、受電側において、車両を模擬した鉄板と受電側コイル体との間の距離Ｄを変位させつつ、取得したものである。

一方、図５の（Ｂ）に示すデータは、図６（Ｂ）に示すように、送電アンテナ、受電アンテナとして、アルミニウム基材を省略した比較例に係る構成を利用し、車両を模擬した鉄板と受電側コイル体との間の距離Ｄを変位させつつ、取得したものである。

本発明に係る効率データは、距離Ｄの如何に関わらず、ほぼ同程度の伝送効率が維持されるのに対して、比較例に係る効率データは、実際の車両にアンテナが搭載される際に用いられる可能性の高いＤが約１００以下の距離で、伝送効率が低下してしまうことがわかる。

このように、本発明に係るアンテナは、コイル体２７０上にコイル体２７０と第１距離ｄ₁離間されて配されるフェライト基材２８０と、フェライト基材２８０上にフェライト
基材２８０と第２距離ｄ₂離間されて配されるアルミニウム基材２９０と、が設けられて
いるので、車両底面にアンテナを装着した場合でも、車両本体部を構成する金属物などの影響を抑制し、効率的に電力伝送を行うことが可能となる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図７は本発明の第２実施形態に係る受電アンテナ２０１の分解斜視図であり、図８は本発明の第２実施形態に係る受電アンテナ２０１による電力伝送の様子を示す断面の模式図である。なお、先の実施形態と同様の構成については同じ参照番号が付されている。

第２実施形態は、先の実施形態と構成としては同様のものが用いられているが、図７に示すように、基材２７１の主面に対して垂直方向に投影を行ったとき、コイル体２７０のコイルパターン導電部２７２が形成する投影は、フェライト基材２８０が形成する投影に含まれるように、また、フェライト基材２８０が形成する投影は、アルミニウム基材２９０が形成する投影に含まれるように設定されていることを特徴としている。

ここで、上記のような寸法関係とするメリットについて説明する。アンテナの効率を低下させる要因としては、鉄損（渦電流損）と銅損（抵抗損）を挙げることができる。鉄損は、鉄（車両）＞アルミニウム＞フェライトの順に大きく、鉄による損失を最小とすることが望ましい。そこで、磁性体であるフェライト基材２８０により磁束の流れを制御（磁束経路の形成）し、車体へと漏れる磁束を低減し、フェライト基材２８０だけでは防ぎきれない磁束の漏れをアルミニウム基材２９０で防ぐ事で、車体へと漏れる磁束を低減する
。このために、上記のように、コイル体２７０のコイルパターン導電部２７２→フェライト基材２８０→アルミニウム基材２９０→車両の金属部の順に投影面積を大きくすることで磁束の漏れを低減でき、効率低下を防止する。

以上のような実施形態においても、先の実施形態と同様以上の効果を享受することができる。

次に、コイル体２７０とフェライト基材２８０との間の第１距離ｄ₁、及びフェライト
基材２８０とアルミニウム基材２９０との間の第２距離ｄ₂の関係をどのように設定する
とより好ましいアンテナを構成することが可能となるかについて説明する。

図９は本発明と比較例の電力伝送効率データを示す図であり、図１０はデータ取得における条件を説明する図である。

図９に示すデータは、図１０に示すように、送電アンテナ、受電アンテナとして本発明に係る構成を利用し、受電側において、車両を模擬した鉄板を配置し、鉄板、フェライト基材、コイル体は固定の上、送電アンテナ・受電アンテナの双方において、アルミニウム基材を変位させ（すなわち、第２距離ｄ₂を変化させ）て、取得したものである。

図９からもわかると通り、コイル体２７０とフェライト基材２８０との間の第１距離ｄ₁は、フェライト基材２８０とアルミニウム基材２９０との間の第２距離ｄ₂より長い場合の方が、伝送効率がよくなることから、本発明では、（第１距離ｄ₁）＞（第２距離ｄ₂）と設定するものである。

なお、第１実施形態と第２実施形態の双方において、（第１距離ｄ₁）＞（第２距離ｄ₂）と設定することができ、これにより伝送効率を上げることが可能となる。

以下、第１実施形態と第２実施形態を実施する上で、より好ましい設定例について説明する。

まず、フェライト基材２８０の厚さは、フェライト基材２８０を通過する磁束量が飽和磁束以下となるように設定することが望ましい。これにより、アルミニウム基材２９０側に漏洩する磁束を低減することができ、伝送効率を上げることができる。

また、アルミニウム基材２９０の厚さは、フェライト基材２８０から漏洩する磁束を遮断する厚さとすることが望ましい。これにより、車両を構成する金属に漏洩する磁束を減らすことができ、伝送効率を上げることができる。

また、図１１はアンテナのインピーダンスと伝送効率との関係を示す図であるが、これによれば、アンテナとしてはインピーダンスの変化率が少ない構成を採用することが望ましいことがわかる。発明者らの実験によれば、コイル体２７０とフェライト基材２８０との間の第１距離ｄ₁は、９ｍｍ以上に設定することで、インピーダンスの変化は５Ω以内
となり、効率低下への影響は１０％以下とすることがわかった。

以上、本発明に係るアンテナは、コイル体上にコイル体と第１距離離間されて配されるフェライト基材と、フェライト基材上にフェライト基材と第２距離離間されて配されるアルミニウム基材と、が設けられているので、車両底面にアンテナを装着した場合でも、車両本体部を構成する金属物などの影響を抑制し、効率的に電力伝送を行うことが可能となる。

１００・・・電力伝送システム
１０１・・・ＡＣ／ＤＣ変換部
１０２・・・電圧調整部
１０３・・・インバーター部
１０４・・・整合器
１０５・・・送電アンテナ
１１０・・・主制御部
１２０・・・通信部
２０１・・・受電アンテナ
２０２・・・整流部
２０３・・・充電制御部
２０４・・・バッテリー
２１０・・・主制御部
２２０・・・通信部
２３０・・・インターフェイス部
２６０・・・ケース体
２１６・・・底板部
２６２・・・側板部
２６３・・・（上方）開口部
２６５・・・車体取り付け部
２７０・・・コイル体
２７１・・・基材
２７２・・・導電部
２７３・・・第１端部
２７４・・・第２端部
２８０・・・フェライト基材
２９０・・・アルミニウム基材

Claims (4)

1. 主面を有する絶縁性基材上に所定のコイルパターン導電部が形成されてなるコイル体と、
   前記コイル体上に前記コイル体と第１距離離間されて配されるフェライト基材と、
   前記フェライト基材上に前記フェライト基材と第２距離離間されて配されるアルミニウム基材と、を有し、
   前記第１距離が前記第２距離より長いことを特徴とするアンテナ。
2. 前記主面に対して垂直方向に投影を行ったとき、
   前記コイルパターン導電部が形成する投影は、前記フェライト基材が形成する投影に含まれると共に、
   前記フェライト基材が形成する投影は、前記アルミニウム基材が形成する投影に含まれることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記フェライト基材の厚さは、前記フェライト基材を通過する磁束量が飽和磁束以下となるように設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記アルミニウム基材の厚さは、前記フェライト基材から漏洩する磁束を遮断する厚さとすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のアンテナ。

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