JP2013229987A

JP2013229987A - アンテナ

Info

Publication number: JP2013229987A
Application number: JP2012099808A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kato; 憲二加藤; Munehiro Takahashi; 宗裕高橋
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2032-04-25
Also published as: JP5888504B2

Abstract

【課題】シールド部材として用いるフェライト基材の温度上昇を抑制することが可能アンテナを提供する。
【解決手段】本発明のアンテナは、
直線導電部３３３と、曲線導電部３３４とが混在する導電部３３０が設けられた主面を有する誘電性基材３１０と、前記主面と平行に、前記誘電性基材３１０と鉛直方向に所定距離離されて配されるフェライト基材２８０と、前記主面の垂線方向の、前記曲線導電部３３４の投影が形成される前記フェライト基材２８０上の面とは接触すると共に、前記方向の、前記直線導電部３３３の投影が形成される前記フェライト基材２８０上の面とは接触しないアルミニウム基材２９０と、を有することを特徴とする。
【選択図】図４

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。

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を、電気自動車のような移動体に対する電力伝送に適用する場合は、移動体側に受電アンテナを搭載し、地中部に送電アンテナを埋設するような構成とすることが提案されている。

例えば、特許文献２（特開２０１０−６８６５７号公報）には、所定周波数の交流電力を出力する交流電力出力手段と、地面側に設けられた第１共鳴コイル、及び該第１共鳴コイルと対向配置された電気自動車搭載の第２共鳴コイルと、該第２共鳴コイルで受電された電力が充電されるバッテリとから構成されるワイヤレス電力送信装置が開示されている。
特表２００９−５０１５１０号公報特開２０１０−６８６５７号公報

ところで、発明者らは、磁気共鳴方式ワイヤレス電力伝送システムに用いる送電アンテナ及び受電アンテナとして、コイル体、当該コイル体の導電部が設けられる主面と平行に設けられるフェライト基材と、同じく前記主面と平行に設けられるアルミニウム基材とからなるものを利用している。このような送電アンテナ及び受電アンテナによれば、漏洩磁束を抑制しつつ、効率的な電力伝送を実行することが可能となる。

上記のような構成の送電アンテナ及び受電アンテナにおいては、コイル体の導電部が曲率を有しているコーナー部近傍における、同じくフェライト基材のコーナー部で、磁束密度が他の箇所に比べて磁束密度が高くなるが、このような磁束密度が高いフェライト基材のコーナー部では、発熱が著しく問題であった。

フェライト基材のコーナー部における発熱は、特に、送電アンテナ及び受電アンテナの配置関係が、電力伝送効率上最も理想的なものからずれがあるときに顕著であり問題であった。

上記問題を解決するために、請求項１に係る発明は、直線導電部と、曲線導電部とが混在する導電部が設けられた主面を有する基板と、前記主面と平行に、前記基板と鉛直方向に所定距離離されて配されるフェライト基材と、前記主面の垂線方向の、前記曲線導電部の投影が形成される前記フェライト基材上の面とは接触すると共に、前記方向の、前記直線導電部の投影が形成される前記フェライト基材上の面とは接触しないアルミニウム基材と、を有することを特徴とするアンテナである。

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、前記アルミニウム基材には放熱部材が取り付けられることを特徴とする。

本発明に係るアンテナにおいては、曲線導電部の投影が形成される前記フェライト基材上の面とアルミニウム基材とは、接触するように構成されているので、本発明に係るアンテナによれば、アルミニウム基材が放熱部材として機能することで、フェライト基材における発熱を放散することが可能となり、フェライト基材の温度上昇を抑制することが可能となる。

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。本発明の実施形態に係る送電アンテナ１０５、受電アンテナ２０１を構成するコイル体を説明する図である。本発明の実施形態に係る送電アンテナ１０５を説明する図である。

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主として送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。

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。

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、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。

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。

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、送電アンテナ１０５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受電アンテナ２０１に対しても適用し得るものである。

図３は本発明の実施形態に係る送電アンテナ１０５、受電アンテナ２０１を構成するコイル体３００を説明する図である。また、図４は本発明の実施形態に係る送電アンテナ１０５を説明する図である。図４において（Ａ）はアンテナにおけるコイル体３００とフェライト基材２８０とアルミニウム基材２９０との配置関係を斜視的に示す図であり、また（Ｂ）はアンテナにおけるコイル体３００とフェライト基材２８０とアルミニウム基材２９０との配置関係を側面から見た図である。なお、図４において、コイル体３００とフェライト基材２８０とアルミニウム基材２９０などのそれぞれの構成は、不図示のケースなどに取り付けられており、図示するような配置関係が維持されるようになっている。

コイル体３００は、送電アンテナ１０５、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、浮游容量などに基づくキャパシタンス成分、或いは意図的に設けた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。

コイル体３００は、例えばガラスエポキシ樹脂のような矩形平板状の誘電性基材３１０と、この一面側に形成されている導電部により構成されている。より具体的には、誘電性基材３１０は主面として表裏の関係にある２つの面を有しており、このうち１つの面に渦巻きコイル状の導電部３３０がコイルとして形成されることで、送電アンテナ１０５にインダクタンス成分が付与される。

まず、磁気共鳴アンテナ部のインダクタンス成分についてはコイル体３００の導電部の幅、巻き数、レイアウトにより決定される。

そして、磁気共鳴アンテナ部のキャパシタンス成分については、図示しない別体のコンデンサを設けるようにしてもよい。この場合、磁気共鳴アンテナ部のキャパシタンス成分は、前記別体のコンデンサに基づくキャパシタンス成分と、アンテナに発生する浮游容量との和になる。

また、上記のような別体のコンデンサを設ける代わりに、磁気共鳴アンテナ部のキャパシタンス成分を、アンテナに発生する浮游容量のみにより賄うように設計することもできる。この場合、磁気共鳴アンテナ部のキャパシタンス成分は誘電性基材３１０の誘電率、厚さ、誘電性基材３１０に設けられる導電部の面積、及び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、キャパシタンス成分を設定し、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、本実施形態においては、導電部３３０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、他の形状の導電部を用いるようにしてもよい。

コイル体３００の主面と平行に、誘電性基材３１０と鉛直方向に所定距離離されてフェライト基材２８０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、不図示のケース体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と所定距離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、本発明に係るアンテナにおいては、コイル体３００の主面と平行に、かつ、フェライト基材２８０の主面と平行に、アルミニウム基材２９０が配されている。アルミニウム基材２９０は、基本的に、フェライト基材２８０と鉛直方向に所定距離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。

誘電性基材３１０上において、渦巻き状のコイルを形成する導電部３３０の内周側には最内端部３３１が、また、外周側には最外端部３３２がそれぞれ設けられている。

誘電性基材３１０上の導電部３３０は、図３に示すように、内端部３３１、最外端部３３２との間に電流が流されたときに、基材３１０上で電流が直線状に流れる直線導電部３３３と、内端部３３１、最外端部３３２との間に電流が流されたときに、基材３１０上で電流が曲線状に流れる曲線導電部３３４と、が混在するようになっている。

誘電性基材３１０上の導電部３３０のうち、曲線導電部３３４の近傍（図３において点
線で示される囲み部Ｒ）には磁束密度が集中する。そして、コイル体３００の導電部３３０が曲率を有している曲線導電部３３４の近傍同様、フェライト基材２８０のコーナー部Ｒ’においても磁束密度が集中し、磁束密度が他の箇所に比べて磁束密度が高くなるが、このような磁束密度が集中するフェライト基材２８０のコーナー部Ｒ’では、発熱が著しくなる。

そこで、本発明におけるアルミニウム基材２９０は、主面の垂線方向の、曲線導電部３３４の投影が形成されるフェライト基材２８０上の面とは接触すると共に、前記垂線方向の、直線導電部３３３の投影が形成されるフェライト基材２８０上の面とは接触しないようにされている。

すなわち、アルミニウム基材２９０は、平板部２９１と、この平板部２９１の４隅から、平板部２９１の主面と垂直な方向に延在する４つの脚部２９２とを有しており、アルミニウム基材２９０の４つの脚部２９２が、フェライト基材２８０のコーナー部Ｒ’に接触して、フェライト基材２８０のコーナー部Ｒ’における発熱をアルミニウム基材２９０側に伝導、放散させるようにすることで、フェライト基材２８０の温度上昇を抑制する。

このように、本発明に係るアンテナにおいては、曲線導電部３３４の投影が形成されるフェライト基材２８０上の面とアルミニウム基材２９０とは、接触するように構成されているので、本発明に係るアンテナによれば、アルミニウム基材２９０が放熱部材として機能することで、フェライト基材２８０における発熱を放散することが可能となり、フェライト基材２８０の温度上昇を抑制することが可能となる。

なお、アルミニウム基材２９０には、さらに不図示の放熱部材を取り付けることで、フェライト基材２８０の温度上昇を抑制する効果をさらに高めることができる。

以上述べたように、本発明に係るアンテナにおいては、曲線導電部の投影が形成される前記フェライト基材上の面とアルミニウム基材とは、接触するように構成されているので、本発明に係るアンテナによれば、アルミニウム基材が放熱部材として機能することで、フェライト基材における発熱を放散することが可能となり、フェライト基材の温度上昇を抑制することが可能となる。

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
２８０・・・フェライト基材
２９０・・・アルミニウム基材
２９１・・・平板部
２９２・・・脚部
３００・・・コイル体
３１０・・・誘電性基材
３３０・・・導電部
３３１・・・最内端部
３３２・・・最外端部
３３３・・・直線導電部
３３４・・・曲線導電部

Claims

直線導電部と、曲線導電部とが混在する導電部が設けられた主面を有する基板と、
前記主面と平行に、前記基板と鉛直方向に所定距離離されて配されるフェライト基材と、前記主面の垂線方向の、前記曲線導電部の投影が形成される前記フェライト基材上の面とは接触すると共に、
前記方向の、前記直線導電部の投影が形成される前記フェライト基材上の面とは接触しないアルミニウム基材と、を有することを特徴とするアンテナ。
前記アルミニウム基材には放熱部材が取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。