JP2013074683A - Antenna - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an antenna that is used in a magnetic resonance wireless power transmission system and receives power or transmits power.
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。 In recent years, development of technology for transmitting electric power (electric energy) wirelessly without using a power cord or the like has become active. Among wireless transmission methods, there is a technique called magnetic resonance as a technology that has attracted particular attention. This magnetic resonance method was proposed by a research group of Massachusetts Institute of Technology in 2007, and a technology related to this is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-501510.
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。 A magnetic resonance wireless power transmission system efficiently transmits energy from a power transmission side antenna to a power reception side antenna by making the resonance frequency of the power transmission side antenna and the resonance frequency of the power reception side antenna the same. One of the major features is that the power transmission distance can be several tens of centimeters to several meters.
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２０１０−７４９３７号公報）には、電源から電力を受けて送電を行なう送電コイルから電力を受電する非接触受電装置であって、前記送電コイルから送電された電力を電磁共鳴により受電する受電コイルと、前記受電コイルを内部に収容するコイルケースと、前記コイルケースの外部に配置され、前記受電コイルの共鳴周波数を調整するために前記受電コイルに電気的に接続されるコンデンサとを備える、非接触受電装置が開示されている。
従来の磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムで用いられているアンテナは、コイルと、このコイルに接続された調整用のコンデンサとからなる構造であった。磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムで電力伝送効率を向上させるためには、アンテナには高いＱ（Ｑａｕｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ）が要求されるが、アンテナのＱを高くしようとすると、電力伝送時に前記コンデンサに高い電圧が印加されることとなり、コンデンサとしては耐電圧が高いものを用いる必要があった。しかしながら、高い耐電圧を有するコンデンサは高価であるために、これによりアンテナ、ひいてはワイヤレス電力伝送システムのコストが上昇してしまう、という問題があった。 An antenna used in a conventional magnetic resonance wireless power transmission system has a structure including a coil and an adjustment capacitor connected to the coil. In order to improve the power transmission efficiency in the magnetic resonance type wireless power transmission system, the antenna is required to have a high Q (Quality Factor). However, if the Q of the antenna is to be increased, the capacitor is high during power transmission. A voltage was applied, and it was necessary to use a capacitor having a high withstand voltage. However, since a capacitor having a high withstand voltage is expensive, there is a problem in that this increases the cost of the antenna and thus the wireless power transmission system.
そこで、このような問題に対処するために、発明者らは、誘電材料よりなる平板状の基材の一方の主面に第１のコイルを、そして、他方の主面に、主面を透過的にみたとき前記第１のコイルと重なる形状を有する第２のコイルと、からなるコンデンサ機能を含んだ安価なアンテナ構造を提案してきた。 Therefore, in order to cope with such a problem, the inventors transmit the first coil on one main surface of a flat substrate made of a dielectric material, and transmit the main surface on the other main surface. In view of this, an inexpensive antenna structure including a capacitor function comprising a second coil having a shape overlapping with the first coil has been proposed.
ところで、送電アンテナの共振周波数と受電アンテナの共振周波数とが異なると、電力伝送効率が低下するが、上記のような提案構造のアンテナにおいては、製造上の誤差などにより、第１のコイルと第２のコイルの位置ずれが生じてしまうことがあり、これにより、個々のアンテナの共振周波数が想定値からずれてしまい、電力伝送効率が低下してしま
うことがある、という問題があった。
By the way, if the resonant frequency of the power transmitting antenna and the resonant frequency of the power receiving antenna are different, the power transmission efficiency is lowered. In some cases, the position of the second coil may be displaced, which causes the resonance frequency of each antenna to deviate from the assumed value, thereby reducing the power transmission efficiency.
上記問題を解決するために、請求項１に係る発明は、第１基材上に形成される第１の導電部と、第２基材上に形成される第２の導電部と、を有し、前記第１基材の主面に垂直な方向の前記第１の導電部の投影と、前記第２基材の主面に垂直な方向の前記第２の導電部の投影とが、重畳することがないことを特徴とするアンテナである。 In order to solve the above problem, the invention according to claim 1 has a first conductive portion formed on the first base material and a second conductive portion formed on the second base material. The projection of the first conductive portion in the direction perpendicular to the main surface of the first base material and the projection of the second conductive portion in the direction perpendicular to the main surface of the second base material overlap. It is an antenna characterized by not doing.
また、請求項２に係る発明は、第１基材上に形成される第１の導電部と、第２基材上に形成される第２の導電部と、前記第１基材と前記第２基材との間の位置関係を調整する調整機構と、を有することを特徴とするアンテナである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a first conductive part formed on the first base material, a second conductive part formed on the second base material, the first base material, and the first base material. And an adjusting mechanism for adjusting the positional relationship between the two substrates.
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、前記第１基材と前記第２基材とは誘電材料によりなることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is the antenna according to claim 1 or 2, wherein the first base material and the second base material are made of a dielectric material.
また、請求項４に係る発明は、請求項２又は請求項３に記載のアンテナにおいて、前記第１基材と前記第２基材とはそれぞれ主面を有しており、前記調整機構は、主面の広がる方向に、前記第１基材と前記第２基材との間の位置関係を調整することを特徴とする。 The invention according to claim 4 is the antenna according to claim 2 or claim 3, wherein each of the first base material and the second base material has a main surface, and the adjustment mechanism includes: The positional relationship between the first base material and the second base material is adjusted in the direction in which the main surface spreads.
また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアンテナにおいて、前記導電部が渦巻きコイル状となっていることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the antenna according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the conductive portion has a spiral coil shape.
また、請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のアンテナにおいて、前記第１の導電部の形状と、前記第２の導電部の形状とが同じであることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the antenna according to any one of the first to fifth aspects, the shape of the first conductive portion is the same as the shape of the second conductive portion. It is characterized by.
また、請求項７に係る発明は、請求項２乃至請求項６のいずれかに記載のアンテナにおいて、前記調整機構は、前記第１基材に設けられる開口部と、前記第２基材に設けられると共に、前記開口部に挿通される突状部と、からなることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the antenna according to any one of the second to sixth aspects, the adjustment mechanism is provided in an opening provided in the first base material and in the second base material. And a projecting portion inserted through the opening.
また、請求項８に係る発明は、請求項２乃至請求項７のいずれかに記載のアンテナにおいて、前記調整機構が、前記第１基材と前記第２基材との間の位置関係を１次元で調整することを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the antenna according to any one of the second to seventh aspects, the adjustment mechanism has a positional relationship of 1 between the first base material and the second base material. It is characterized by adjusting in dimension.
また、請求項９に係る発明は、請求項２乃至請求項７のいずれかに記載のアンテナにおいて、前記調整機構が、前記第１基材と前記第２基材との間の位置関係を２次元で調整することを特徴とする。 The invention according to claim 9 is the antenna according to any one of claims 2 to 7, wherein the adjustment mechanism has a positional relationship between the first base material and the second base material of 2. It is characterized by adjusting in dimension.
また、請求項１０に係る発明は、請求項２乃至請求項９のいずれかに記載のアンテナにおいて、前記調整機構が、電気により駆動されることを特徴とする。 The invention according to claim 10 is the antenna according to any one of claims 2 to 9, wherein the adjustment mechanism is driven by electricity.
本発明に係るアンテナにおいては、第１基材と第２基材との間の位置関係を調整する調整機構が設けられており、これにより第１基材と第２基材の位置関係を調整することが可能となり、個々のアンテナの共振周波数を想定値通りとすることができるようになるので、このような本発明に係るアンテナによれば、アンテナ間の共振周波数が異なることに起因する電力伝送効率の低下を低減することができる。 In the antenna according to the present invention, an adjustment mechanism for adjusting the positional relationship between the first base material and the second base material is provided, thereby adjusting the positional relationship between the first base material and the second base material. Therefore, according to the antenna according to the present invention, the power caused by the difference in the resonance frequency between the antennas can be achieved. A decrease in transmission efficiency can be reduced.
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主として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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a power transmission system in which an antenna according to an embodiment of the present invention is used. The antenna according to the present invention can be applied to both the power receiving side antenna and the power transmitting side antenna constituting the power transmission system. However, in the following embodiments, the antenna according to the present invention is mainly used as the power receiving side antenna. An example in which is applied will be described.
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に対して伝送効率が良い位置関係となるようにする。
As a power transmission system using the antenna of the present invention, for example, a system for charging a vehicle such as an electric vehicle (EV) or a hybrid electric vehicle (HEV) is assumed. Since the electric power transmission system transmits electric power to the vehicle as described above in a non-contact manner, the electric power transmission system is provided in a stop space where the vehicle can be stopped. The stop space, which is a vehicle charging space, is configured such that the
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。
In the power transmission system, when power is efficiently transmitted from the
送電側システム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。この高電圧発生部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。
The AC /
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ＱA乃至ＱD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。
The
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ＱAとスイッチング素子ＱBの間の接続部Ｔ１と、直列接続されたスイッチング素子ＱCとスイッチング素子ＱD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ＱA
とスイッチング素子ＱDがオンのとき、スイッチング素子ＱBとスイッチング素子ＱCがオ
フとされ、スイッチング素子ＱBとスイッチング素子ＱCがオンのとき、スイッチング素子ＱAとスイッチング素子ＱD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。
In the present embodiment, between the connection portion T1 between the switching elements Q A and Q B connected in series and the connection portion T2 between the switching elements Q C and Q D connected in series. The
When the switching element Q D is on, the switching element Q B and the switching element Q C are off. When the switching element Q B and the switching element Q C are on, the switching element Q A and the switching element Q D are off. As a result, a rectangular wave AC voltage is generated between the connection portion T1 and the connection portion T2. In the present embodiment, the range of the frequency of the rectangular wave generated by switching of each switching element is about several hundred kHz to several thousand kHz.
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ＱA乃至ＱD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。
Drive signals for the switching elements Q A to Q D constituting the
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。
The
送電アンテナ１０５は、インダ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。
The
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。
The
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に転送され処理されるようになっている。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。
The
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。
Next, a configuration provided on the vehicle side will be described. In the system on the power receiving side of the vehicle, the
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２０５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。
The AC power received by the
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。
The
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。
The
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。
Further, the vehicle-
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２０５の残量を取得し、バッテリー２０５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。
In the power transmission system, a user who wants to receive power inputs the information indicating that charging is performed from the
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。
Next, a specific configuration of the antenna used in the
図３（Ａ）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３（Ｂ）はコイル体３００を形成する基材３１０の厚さ方向を誇張的に表現した図であり、また、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る。また、図５（Ａ）は図３におけるＡ−Ａ’における断面の模式図であり、図５（Ｂ）は図３におけるＢ−Ｂ’における断面の模式図である。
FIG. 3A is an exploded perspective view of the
なお、以下の実施形態では、コイル体３００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３００として円形平板状のものなども利用し得る。
In the following embodiment, a rectangular flat plate is used as an example of the
このようなコイル体３００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。磁気共鳴アンテナ部は、このコイル体３００のインダクタンス成分のみならず、第１基材３１０、第２基材３２０を誘電体とする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り、その共振周波数はインダクタンス成分およびキャパシタンス成分により決定される。インダクタンス成分はコイル体３００における導電部の幅、巻き数、レイアウトにより決定され、キャパシタンス成分は誘電材料から構成される第１基材３１０、第２基材３２０の誘電率、厚さ、それぞれの基材に設けられる導電部間の位置関係により決定される。したがって、それらのパラメータを調整することにより、所望の磁気共鳴アンテナ部を構成することができる。なお、誘電性機材３１０の誘電正接は共振周波数において小さければ小さいほどロスの少ない高性能なアンテナを構成することができる。
Such a
樹脂ケース２６０は、受電アンテナ２０１のインダクタンス成分を有するコイル体３００を収容するために用いられるものである。この樹脂ケース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。
The
樹脂ケース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、樹脂ケース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。樹脂ケース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３００は、ポリカーボネート製の矩形平板状の第１基材３１０の上面側に形成される渦巻きコイル状の第１基材導電部３３０と、同じくポリカーボネート製の矩形平板状の第２基材３２０の下面側に形成される渦巻きコイル状の第２基材導電部３５０により構成されている。
The
第１基材３１０の下側の主面と、第２基材３２０の上側の主面は互いの主面で接触した状態とされている。
The lower main surface of the
コイル体３００においては、第１基材３１０の上面側と、第２基材３２０の下面側とは、表裏の関係にあり、このうち第１基材３１０の上面に渦巻きコイル状の第１基材導電部３３０、及び、第２基材３２０の下面に渦巻きコイル状の第２基材導電部３５０がコイルとして形成されることで、受電アンテナ２０１にインダクタンス成分が付与される。
In the
なお、本実施形態においては、第１基材導電部３３０及び第２基材導電部３５０を渦巻き状のコイルとして形成する例に基づいて説明するが、必要となるインダクタンス成分が確保することができるのであれば、渦巻き状のコイルに代えて、例えば線状の導電部を用いるようにしてもよい。
In addition, in this embodiment, although demonstrated based on the example which forms the 1st base
また、第１基材導電部３３０と第２基材導電部３５０とは、第１基材３１０、第２基材３２０の主面を透過的にみたとき、第１基材導電部３３０と第２基材導電部３５０とは重なるように同形状に構成されており、第１基材導電部３３０と第２基材導電部３５０との間に挟まれている第１基材３１０、第２基材３２０がコンデンサとして機能することで、受電アンテナ２０１にキャパシタンス成分が付与される。
Further, the first base material
第１基材３１０の上面側において、渦巻き状のコイルを形成する第１基材導電部３３０の内周側には第１基材最内端部３３１が、また、外周側には第１基材最外端部３３２がそれぞれ設けられている。
On the upper surface side of the
第２基材３２０の下面側において、渦巻き状のコイルを形成する第２基材導電部３５０の内周側には第２基材最内端部３５１が、また、外周側には第２基材最外端部３５２がそれぞれ設けられている。
On the lower surface side of the
導電線路２４１、導電線路２４２は受電アンテナ２０１と整流部２０２とを電気的に接続するものであり、このうち、導電線路２４１は第１基材導電部３３０の第１基材最外端部３３２と電気的に接続される。また、導電線路２４２は第２基材導電部３５０の第２基材最内端部３５１と電気的に接続される。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３００は樹脂ケース２６０の矩形状の底板部２６１上に載置され、適当な固着手段によって底板部２６１上に固着される。
The
以上のような、本発明に係るアンテナにおいては、渦巻きコイル状の第１基材導電部３３０と、第２基材導電部３５０と間の第１基材３１０、第２基材３２０がコンデンサとして機能するので、このような構成の本発明に係るアンテナによれば、安価にアンテナ及びワイヤレス電力伝送システムを構成することが可能となる。また、前記第１基材３１０、第２基材３２０はコイルを形成するための基材となると共に、部品として独立したコンデンサを設ける必要がなくなるので、アンテナ、ワイヤレス電力伝送システムを軽量化することが可能となる。
In the antenna according to the present invention as described above, the
矩形平板状の第２基材３２０の上面側の四隅それぞれには、突状部３２１が設けられている。また、矩形平板状の第１基材３１０の四隅は、長辺と短辺を有する開口部３１１が設けられており、第２基材３２０の突状部３２１が挿通される状態とされる。
Protruding
突状部３２１の径と開口部３１１の短辺の長さの関係としては、突状部３２１が開口部３１１に挿通されると、突状部３２１が開口部３１１に内嵌し、第１基材３１０と第２基材３２０との間で位置関係が容易にはずれない程度のものとされている。
Regarding the relationship between the diameter of the protruding
一方、第２基材３２０の突状部３２１は、開口部３１１の長辺側にスライド自在となっており、これにより、第１基材３１０と第２基材３２０との間の位置関係を調整する調整機構を構成している。この調整機構は、第１基材３１０と第２基材３２０の主面の広がる方向に、１次元で第１基材３１０と第２基材３２０との間の位置関係を調整する。
On the other hand, the projecting
図６は本発明の第１実施形態に係る受電アンテナ２０１における共振周波数の調整を説明する図である。図６は、第１基材３１０と第２基材３２０の主面を透過的にみた図であり、第１基材３１０に形成された第１基材導電部３３０を実線網掛けで示し、第２基材３２０に形成された第２基材導電部３５０を点線で示している。
FIG. 6 is a diagram for explaining adjustment of the resonance frequency in the
図６（Ａ）は第２基材３２０の突状部３２１を、開口部３１１の左側（図３でみて）に当接させた状態を示しており、図６（Ｂ）は第２基材３２０の突状部３２１を、開口部３１１の長手方向のほぼ中心に位置させた状態を示しており、図６（Ｃ）は第２基材３２０の突状部３２１を、開口部３１１の右側（図３でみて）に当接させた状態を示している。
6A shows a state in which the protruding
図６（Ａ）及び図６（Ｃ）では、第１基材３１０と第２基材３２０の主面を透過的にみたとき、第１基材導電部３３０と第２基材導電部３５０とが完全には重ならないようになっている。より詳しくは、図６（Ａ）及び図６（Ｃ）に示す状態では、第１基材３１０の主面に垂直な方向の第１基材導電部３３０の投影と、第２基材３２０の主面に垂直な方向の第２基材導電部３５０の投影とが、図６（Ｂ）に示すようには完全に一致しない。
6A and 6C, when the main surfaces of the
本実施形態に係る受電アンテナ２０１においては、上記のように、第１基材３１０と第２基材３２０との位置関係を調整することで、第１基材３１０に形成された第１基材導電部３３０と、第２基材３２０に形成された第２基材導電部３５０との位置関係を調整でき、第１基材３１０、第２基材３２０を誘電体とするコンデンサに基づくキャパシタンス成分を調整可能であり、したがって、受電アンテナ２０１の共振周波数を調整することができるようになっている。
In the
以上、本発明に係るアンテナにおいては、第１基材３１０と第２基材３２０との間の位置関係を調整する調整機構が設けられており、これにより第１基材３１０と第２基材３２０の位置関係を調整することが可能となり、個々のアンテナの共振周波数を想定値通りとすることができるようになるので、このような本発明に係るアンテナによれば、アンテナ間の共振周波数が異なることに起因する電力伝送効率の低下を低減することができる。
As described above, in the antenna according to the present invention, the adjustment mechanism for adjusting the positional relationship between the
磁性シールド２８０は、中抜き部２８５を有する平板状の磁性部材である。この磁性シールド２８０を構成するためには、フェライトなどの磁性材料を用いることができる。磁性シールド２８０は、樹脂ケース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３００の上方にある程度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、磁性シールド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。
The
本発明に係るアンテナにおいては、コイル体３００の上方に配される平板状の磁性シールド２８０には、中抜き部２８５を設けることが好ましい。磁性シールド２８０に中抜き部２８５を設けることにより、磁性シールド２８０自体の損失が低減され、磁性シールド２８０のシールド効果を最大限に引き出すことが可能となる。また、中抜き部２８５を有する磁性シールド２８０においては、部材面積が少なくてすみ、アンテナのコスト低減が可能となる。なお、中抜き部２８５の広さは、磁性シールド２８０自体とコイル体３００の導電部２７２（第１基材導電部３３０、第２基材導電部３５０）とが積層方向からみて重畳しなくならない程度の広さに留めることが好ましい。
In the antenna according to the present invention, the flat
図７は送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１とを近接させたときの送電効率の周波数依存性例を示す図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of frequency dependence of power transmission efficiency when the
磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおいては、図７に示すように、第１極値周波数ｆm、第２極値周波数ｆeの２つがあるが、電力伝送を行うときには、これらのいずれかの周波数でこれを行うことが好ましい。 In the magnetic resonance type wireless power transmission system, as shown in FIG. 7, there are two first extreme value frequency f m and second extreme value frequency fe . This is preferably done at frequency.
図８は第１極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第１極値周波数においては、送電アンテナ１０５のコイルに流れる電流と、受電アンテナ２０１のコイルに流れる電流とで位相が略等しくなり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１０５のコイルや受電アンテナ２０１のコイルの中央部付近となる。この状態を、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の対称面に対して磁界の向きが垂直となる磁気壁が生じているものとして考える。
FIG. 8 is a diagram schematically showing the state of current and electric field at the first extreme frequency. At the first extreme frequency, the current flowing in the coil of the
また、図９は第２極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第２極値周波数においては、送電アンテナ１０５のコイルに流れる電流と、受電アンテナ２０１のコイルに流れる電流とで位相がほぼ逆となり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１０５のコイルや受電アンテナ２０１のコイルの対称面付近となる。この状態を、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の対称面に対して磁界の向きが水平となる電気壁が生じているものとして考える。
Moreover, FIG. 9 is a figure which shows typically the mode of the electric current and electric field in a 2nd extreme value frequency. At the second extreme frequency, the current flowing in the coil of the
なお、以上のような電気壁や磁気壁などの概念に関しては、居村岳広、堀洋一「電磁界共振結合による伝送技術」ＩＥＥＪ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．１２９，Ｎｏ．７，２００９、或いは、居村岳広、岡部浩之、内田利之、堀洋一「等価回路から見た非接触電力伝送の磁界結合と電界結合に関する研究」ＩＥＥＪ Ｔｒａｎｓ．ＩＡ，Ｖｏｌ．１３０，Ｎｏ．１，２０１０などに記載されているものを本明細書においては準用している。 Regarding the concepts of the electric wall and the magnetic wall as described above, Takehiro Imura and Yoichi Hori “Transmission Technology by Electromagnetic Resonance Coupling”, IEEE Journal, Vol. 129, no. 7, 2009, or Takehiro Imura, Hiroyuki Okabe, Toshiyuki Uchida, Yoichi Hori “Studies on magnetic field coupling and electric field coupling of non-contact power transmission as seen from the equivalent circuit” IEEE Trans. IA, Vol. 130, no. 1, 2010 and the like are applied mutatis mutandis in this specification.
本発明において、極値を与える周波数として、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定する理由について説明する。
In the present invention, when there are two extreme frequency values, ie, the first extreme value frequency and the second extreme value frequency, the extreme value in which an electric wall is generated on the plane of symmetry between the
図１０は２つの極値を与える極値周波数のうち磁気壁が生じる極値周波数（第１周波数
）での特性を示す図である。図１０（Ａ）はバッテリー２０４（負荷）の負荷変化変動に伴う送電側の電圧（Ｖ1）、電流（Ｉ1）の変動の様子を示す図であり、図１０（Ｂ）はバッテリー２０４（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ3）、電流（Ｉ3）の変動の様子を示す図である。図１０に示すような特性によれば、受電側でバッテリー２０４（負荷）の負荷増大と共に、電圧が増大する特性があることがわかる。
FIG. 10 is a diagram showing characteristics at an extreme value frequency (first frequency) at which a magnetic wall is generated, among extreme value frequencies giving two extreme values. FIG. 10A is a diagram showing how the voltage (V 1 ) and current (I 1 ) on the power transmission side vary with the load variation variation of the battery 204 (load), and FIG. receiving side of the voltage due to load change variation of the load) (V 3), it is a diagram showing a state of variation of the current (I 3). According to the characteristics shown in FIG. 10, it can be seen that there is a characteristic that the voltage increases as the load of the battery 204 (load) increases on the power receiving side.
以上のような磁気壁が生じる周波数においては、バッテリー２０４側からみて受電アンテナ２０１が定電流源として見えるものである。このような受電アンテナ２０１が定電流源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側であるバッテリー２０４などの不具合により緊急停止が起きたとすると、受電アンテナ２０１の両端部の電圧が上昇してしまうこととなる。
At the frequency at which the magnetic wall is generated as described above, the
一方、図１１は２つの極値を与える極値周波数のうち電気壁が生じる極値周波数（第２周波数）での特性を示す図である。図１１（Ａ）はバッテリー２０４（負荷）の負荷変化変動に伴う送電側の電圧（Ｖ1）、電流（Ｉ1）の変動の様子を示す図であり、図１１（Ｂ）はバッテリー２０４（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ3）、電流（Ｉ3）の変動の様子を示す図である。図１１に示すような特性によれば、受電側でバッテリー２０４（負荷）の負荷増大と共に、電流が減少する特性があることがわかる。 On the other hand, FIG. 11 is a diagram showing characteristics at an extreme value frequency (second frequency) at which an electric wall is generated, among extreme value frequencies giving two extreme values. FIG. 11A is a diagram showing how the voltage (V 1 ) and current (I 1 ) on the power transmission side vary with the load variation variation of the battery 204 (load), and FIG. receiving side of the voltage due to load change variation of the load) (V 3), it is a diagram showing a state of variation of the current (I 3). According to the characteristics shown in FIG. 11, it can be seen that there is a characteristic that the current decreases as the load of the battery 204 (load) increases on the power receiving side.
以上のような電気壁が生じる周波数においては、バッテリー２０４側からみて受電アンテナ２０１が定電圧源として見えるものである。このような受電アンテナ２０１が定電圧源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側であるバッテリー２０４などの不具合により緊急停止が起きたとしても、受電アンテナ２０１の両端部の電圧が上昇することはない。したがって、本発明に係る電力伝送システムによれば、負荷が急激に低下した際に電圧が高圧になることがなく、安定して電力伝送を行うことが可能となるのである。
At the frequency at which the electric wall as described above is generated, the
図１０の特性においては、受電側のバッテリー２０４（負荷）にとっては、充電回路が電流源として見えることとなり、図１１の特性においては、受電側のバッテリー２０４（負荷）にとっては、充電回路が電圧源として見えることとなる。負荷が増大することに伴い、電流が減少する図１１に示す特性の方が、バッテリー２０４（負荷）にとっては好ましいので、本実施形態においては、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定するようにしている。
In the characteristics of FIG. 10, the charging circuit appears as a current source for the battery 204 (load) on the power receiving side. In the characteristics of FIG. 11, the charging circuit is a voltage for the battery 204 (load) on the power receiving side. It will appear as a source. The characteristics shown in FIG. 11 in which the current decreases as the load increases are preferable for the battery 204 (load). Therefore, in the present embodiment, the first extreme frequency and the second extreme frequency of 2 are used. In the case where there is one, an extreme value frequency at which an electric wall is generated on the plane of symmetry between the
このような本発明に係る電力伝送システムによれば、伝送効率の極値を与える周波数が２つ存在することがある場合でも、電力伝送時の最適な周波数を迅速に決定することができ、効率的な電力伝送を短時間で行うことが可能となる。 According to such a power transmission system according to the present invention, even when there are two frequencies that give extreme values of transmission efficiency, the optimum frequency at the time of power transmission can be quickly determined, and the efficiency Power transmission can be performed in a short time.
また、２つの極値を与える周波数が２つある場合に、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、バッテリー２０４（負荷）にとって、充電回路が電圧源として見えるので、充電制御によりバッテリー２０４への出力が変動した際にインバータ部１３０の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメリットがある。また、充電制御部２０３が緊急停止した際にも供給電力も自動的に最小化するため無駄な装置も必要ない。
In addition, when there are two frequencies that give two extreme values, if an extreme frequency at which an electric wall is generated on the plane of symmetry between the
また、２つの極値を与える周波数が２つある場合に、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、充電制御部２０３からみて整流器２２０が電圧源として見えるので、充電制御によりバッテリー２０４への出力が変動した際に整流昇圧部１２０の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメ
リットがある。また、充電制御部２０３が緊急停止した際にも供給電力も自動的に最小化するため無駄な装置も必要ない。
In addition, when there are two frequencies that give two extreme values, if an extreme frequency that generates an electric wall on the plane of symmetry between the
これに対して、２つの極値を与える周波数が２つある場合に、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の対称面に磁気壁が生じる極値周波数を選定すると、充電制御部２０３が出力を小さくした際に伴って供給電圧を制御する必要がありそのための通信手段や検知手段が必要となり、コストがかかることとなる。
On the other hand, when there are two frequencies that give two extreme values, the charging
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態はコイル体３００の構造が第１実施形態と異なるのみであるので、以下、第２実施形態に特有なコイル体３００の構造について説明する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Since the second embodiment is different from the first embodiment only in the structure of the
先の実施形態においては、突状部３２１の径と開口部３１１の短辺の長さの関係としては、突状部３２１が開口部３１１に挿通されると、突状部３２１が開口部３１１に内嵌し、第１基材３１０と第２基材３２０との間で位置関係が容易にはずれない程度のものとされており、開口部３１１の中で突状部３２１は１次元方向にしか移動できず、したがって、第１基材３１０と第２基材３２０は、１次元で位置関係が調整されるようになっていた。
In the previous embodiment, regarding the relationship between the diameter of the protruding
これに対して、第２実施形態においては、開口部３１１の短辺の長さを突状部３２１の径よりも大きくすること（不図示）で、第１基材３１０と第２基材３２０との間の位置関係を２次元でも、調整する可能としている。
On the other hand, in the second embodiment, the
また、第２実施形態における調整機構では、アクチュエータなどを設けることで、第１基材３１０と第２基材３２０との間の位置関係の調整を、電気的な駆動力により適宜行い得るようにすることが好ましい。電気駆動で第１基材３１０と第２基材３２０との間の位置関係を調整可能な第２実施形態に係るアンテナは、例えば、送電アンテナ１０５側のアンテナとして用いると、対向する車両搭載受電アンテナ２０１としてどのようなアンテナがきたとしても、その共振周波数に応じて、自らの共振周波数を自動調節するように構成することができる。
Further, in the adjustment mechanism in the second embodiment, by providing an actuator or the like, adjustment of the positional relationship between the
以上、本発明に係るアンテナにおいては、第１基材３１０と第２基材３２０との間の位置関係を調整する調整機構が設けられており、これにより第１基材３１０と第２基材３２０の位置関係を調整することが可能となり、個々のアンテナの共振周波数を想定値通りとすることができるようになるので、このような本発明に係るアンテナによれば、アンテナ間の共振周波数が異なることに起因する電力伝送効率の低下を低減することができる。
As described above, in the antenna according to the present invention, the adjustment mechanism for adjusting the positional relationship between the
１００・・・電力伝送システム
１０１・・・ＡＣ／ＤＣ変換部
１０２・・・高電圧発生部
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
２４１・・・導電線路、
２４２・・・導電線路、
２６０・・・樹脂ケース
２６１・・・底板部
２６２・・・側板部
２６３・・・上方開口部
２８０・・・磁性シールド
２８５・・・中抜き部
３３０・・・第１基材導電部
３３１・・・第１基材最内端部
３３２・・・第１基材最外端部
３５０・・・第２基材導電部
３５１・・・第２基材最内端部
３５２・・・第２基材最外端部
DESCRIPTION OF
242: Conductive line,
260 ...
Claims (10)
第２基材上に形成される第２の導電部と、を有し、
前記第１基材の主面に垂直な方向の前記第１の導電部の投影と、前記第２基材の主面に垂直な方向の前記第２の導電部の投影とが、完全一致しないことを特徴とするアンテナ。 A first conductive portion formed on the first substrate;
A second conductive part formed on the second substrate,
The projection of the first conductive portion in the direction perpendicular to the main surface of the first base material and the projection of the second conductive portion in the direction perpendicular to the main surface of the second base material do not completely match. An antenna characterized by that.
第２基材上に形成される第２の導電部と、
前記第１基材と前記第２基材との間の位置関係を調整する調整機構と、を有することを特徴とするアンテナ。 A first conductive portion formed on the first substrate;
A second conductive portion formed on the second substrate;
And an adjusting mechanism for adjusting a positional relationship between the first base material and the second base material.
前記調整機構は、主面の広がる方向に、前記第１基材と前記第２基材との間の位置関係を調整することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のアンテナ。 The first base material and the second base material each have a main surface,
4. The antenna according to claim 2, wherein the adjustment mechanism adjusts a positional relationship between the first base material and the second base material in a direction in which a main surface spreads. 5.
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