JP2017216788A - 無線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
金属構造体とループアンテナとの干渉をより抑制し、高い受電効率又は受電効率を維持すること。
【解決手段】
磁界を放射もしくは受信するためのループアンテナと、前記ループアンテナを共振させるための共振回路と、金属構造体に固定される複数の金属ブラケットと、前記ループアンテナの周囲に配置される複数の金属板と、を備え、前記金属板の各々を、前記金属ブラケットのいずれか一つと電気的に接続し、且つ前記金属ブラケットを前記金属構造体に電気的に接続し、さらに、前記金属板の各々を、前記ループアンテナが形成する面に略平行な向きで、且つ、前記ループアンテナと前記金属構造体との間に配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気結合を利用した非接触給電システムの給電装置または受電装置として用いられる無線装置に関する。

近年、電気自動車や民生用電子機器の分野において、非接触給電システムの需要が高まっており、一方式として、磁気結合を利用したものがある。同システムは、給電装置と受電装置で構成されている。給電装置は、電力波の増幅回路とその出力を受けて磁界を放射するための給電用ループアンテナを備え、受電装置は、給電装置からの磁界を受信して誘起電力を得るための受電用ループアンテナを備えており、両ループアンテナ間の磁界結合により、配線による接続無しに電力伝送を実現できる。なお、高い伝送効率の実現には、ループアンテナの磁界放射および磁界受信効率の向上が必要であり、この一手法としてコンデンサを接続した共振型アンテナが多く用いられている。

電気自動車などの車両にこの非接触給電システムを適用した場合、給電装置は、地上の表層付近に設置され、給電装置上に停止中の車両または走行中の車両に向かって磁界を放射する。また、受電装置は、車両の床下などに設置され、給電装置から放射された磁界を受信して車両内のバッテリーの充電などを行う。ここで、両装置のループアンテナは、その設置場所が、例えば車両のシャーシなど金属物（金属構造体）であることが多い。すなわち、ループアンテナの伝送対象の反対側であるアンテナ背面に、金属物を設置されることとなる。ループアンテナ面に対向して金属物が配置されると、ループアンテナと金属物間の電界結合によってループアンテナに寄生容量が付加されるため、ループアンテナの共振周波数が変動してしまい給電効率が低下する課題がある。さらに寄生容量値は、金属物の面積や、金属物とループアンテナとの距離によって変化するため、伝送効率が安定しない課題があった。

この解決策として、特許文献１のように、アンテナ装置内のループアンテナの背後に予め金属板などの良導体を実装して、アンテナ装置の背後の金属物とループアンテナとの干渉を低減することで、アンテナ特性の変化を抑制する方法がある。

しかし、この方法は、ループアンテナの背後に実装した金属板内に、ループアンテナが放射する磁界を打消す方向の渦電流が発生するため、金属板がない場合と比較して、通信距離が低下する課題がある。

そこで、特許文献２では、特許文献１の金属板に相当するシールド部材の一部にスリットを入れ、シールド部材の渦電流を低減することで、通信距離を延ばしている。また、スリットを長くするほど渦電流を低減でき、通信距離を延ばすことができる。

特開２００６−１３９７６号公報 特開２００８−１３１１１５号公報

ここで、シールド部材の渦電流を更に低減するためには、シールド部材を分割して渦電流の経路を無くす必要がある。しかし、装置背後の金属物とループアンテナとの干渉を抑制するためには、各シールド部材を電気的に接続して同電位とする必要があり、特許文献２ではシールド部材の一部を繋げたスリット構造を用いていた。そのため、シールド部材の渦電流を十分に低減できない可能性がある。

また近年では、無線装置の小型化および高密度実装の要求から、ループアンテナ側面の金属物（金属構造体）からの影響が課題となっている。また、車両などの高速移動体に取付けられた無線装置は、側面からの飛来物や障害物の衝突による破損を避けるために、金属物でループアンテナの側面を覆って強度を向上する傾向がある。しかし、アンテナ側面を金属物で囲むと、側面のシールド部材が大きな短絡ループを形成して、ループアンテナが放射する磁界と逆向きの磁界を発生させるループ電流が流れ、給電効率が低下する課題がある。

本発明は、金属構造体とループアンテナとの干渉をより抑制し、高い受電効率又は受電効率を維持することができる無線装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため本発明は、磁界を放射もしくは受信するためのループアンテナと、前記ループアンテナを共振させるための共振回路と、金属構造体に固定される複数の金属ブラケットと、前記ループアンテナの周囲に配置される複数の金属板と、を備え、前記金属板の各々を、前記金属ブラケットのいずれか一つと電気的に接続し、且つ前記金属ブラケットを前記金属構造体に電気的に接続することを特徴とする。

本発明によれば、金属構造体とループアンテナとの干渉をより抑制し、高い受電効率又は受電効率を維持することができる。

本発明の実施例１における給電システムの全体構成図である。 本発明の実施例１における給電装置の斜視図である。 本発明の実施例１における給電装置の垂直断面図である。 本発明の実施例１における受電装置の斜視図である。 本発明の実施例２における給電装置の斜視図である。 本発明の実施例２における給電装置の垂直断面図である。 本発明の実施例２における給電装置の水平断面図である。 本発明の実施例２におけるＬ字型垂直金属板を用いた無線装置の水平断面図である。 本発明の実施例２におけるコの字型垂直金属板を用いた無線装置の水平断面図である。 本発明の実施例２における接続金具を用いた無線装置の水平断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施例１における給電システムの全体構成図である。図１において、給電システムは、無線装置としての給電装置１２を備え、給電装置１２が複数の金属ブラケット（金属製の支持体）９を介して、車体１６の下部のうち金属物１５間に設置され、地上に設置された受電装置１３に向けて電力波１４を放射する。なお、本実施例では、車体１６に設置した給電装置１２を例に説明するが、本発明の適用を上記に限定するものではなく、車上および地上に設置した給電装置および受電装置としての無線装置に適用しても良い。

図２は、本発明の実施例１における給電装置の斜視図であり、図３は、本発明の実施例１における給電装置の垂直断面図（図２のＢ−Ｂ’垂直断面図）である。図２および図３において、給電装置は、アンテナ基板１と、アンテナ基板上の配線パターンで実装するループアンテナ２と、ループアンテナ２を共振させるための共振回路３と、ループアンテナ２および共振回路３に電力波を供給する電力波生成回路４を備えて構成される。略長方形形状のアンテナ基板１の上方（車体１６側）には、複数（４個）の水平金属板（４枚に分割された水平金属板）５が、アンテナ基板１と略平行であって、アンテナ基板１と一定の間隔を保って配置される。各水平金属板５は、互いに接触することなく、互いに一定の間隔を保って配置され、各水平金属板５の一部の側面にはそれぞれ金属ブラケット９が１点で電気的に且つ機械的に接続されている。各金属ブラケット９は、アンテナ基板１及びループアンテナ２に相対向して配置される車体１６などの金属構造体に電気的に且つ機械的に接続される。この際、各水平金属板５は、それぞれ１つの金属ブラケット９と電気的に接続される。すなわち、水平金属板同士が、金属ブラケット９と車体１６を介して、電気的に１点で接続される。この際、車体１６は、各水平金属板５に比較して面積及び体積が大きいので、安定した基準電位となる。

また、アンテナ筐体の気密性を満たすために、アンテナ基板１と、ループアンテナ２と、共振回路３と、電力波生成回路４と、各水平金属板５は、それぞれ立方体形状の樹脂筐体１０中に埋設され、各金属ブラケット９は、その一部が樹脂筐体１０中に埋設される。即ち、アンテナ基板１と、ループアンテナ２と、共振回路３と、電力波生成回路４及び各水平金属板５は、それぞれ樹脂で形成された樹脂筐体１０によって固定されている。この際、樹脂筐体１０は、アンテナ基板１と、ループアンテナ２と、共振回路３と、電力波生成回路４及び各水平金属板５をそれぞれ固定するための固定手段として機能する。なお、絶縁材を用いたものであれば、樹脂筐体１０以外の固定方法でも良い。

なお、本実施例では、ループアンテナ２をアンテナ基板上の配線パターンで実現しているが、導線や金属棒などをループ状に形成したものを、アンテナ基板１の共振回路３に接続するような構成としても良い。また同様に、ループアンテナ２を１ターンループとしているが、２ターン以上のループであっても良い。

なお、本実施例では、水平金属板５と金属ブラケット９の数をそれぞれ４つとしているが、２つ以上であれば任意の数で良い。ただし、各水平金属板５は一点で車体１６に接続する必要がある。また、給電装置を設置する場所は、金属体であれば車体下部以外でも良い。また、図４に示すように、電力波生成回路４の代わりに、整流回路と負荷回路を備えた受電装置に適用しても良い。

図４は、本発明の実施例１における受電装置の斜視図である。図４において、受電装置は、アンテナ基板１と、アンテナ基板上の配線パターンで実装するループアンテナ２と、ループアンテナ２を共振させるための共振回路３と、ループアンテナ２の受信した電力を整流する整流回路２０と、整流回路２０の出力を蓄積する負荷回路（バッテリー）２１を備えて構成される。この受電装置は、地上に設置され、受電装置からの電力をループアンテナ２で受信し、受信した電力を整流して負荷回路２１に蓄積する。この際、金属ブラケット９が、地上に設置された金属物（金属構造体）に接続される。

本実施例によれば、ループアンテナ２の上側に設置した各水平金属板５が、安定した基準電位となる車体１６に接続され、電界シールドの役割を果たすため、無線装置の上側に存在する金属物（車体１６）とループアンテナ２との電界結合を低減して、ループアンテナ２の共振周波数の変化をより抑制することができる。これにより、給電装置の上側に金属物がある場合でも、高い放射効率を維持することができる。また、受電装置の場合には、高い受電効率（受信効率）を維持することができる。

さらに、本実施例によれば、１枚の水平金属板を４分割して、各水平金属板５のサイズを小さくしたので、水平金属板を分割しない場合と比較して、各水平金属板５に発生する渦電流をより減少させることができる。これにより、ループアンテナ２が放射する磁界と逆向きの、打消し磁界の発生量が低減され、結果として、水平金属板を分割しない場合と比較して、電力波の給電効率の向上を図ることができる。

本実施例は、ループアンテナ２を含むアンテナ基板１の側面に、アンテナ基板１と垂直な向きに、アンテナ基板１の各辺に対応した領域ごとに、２枚に分割した垂直金属板６を設置したものであり、他の構成は、実施例１と同様である。なお、本実施例は、受電装置にも適用することができる。

図５は、本発明の実施例２における給電装置の斜視図であり、図６は、本発明の実施例２における給電装置の垂直断面図（図５のＢ−Ｂ’垂直断面図）であり、図７は、本発明の実施例２における給電装置の水平断面図（図５のＡ−Ａ’水平断面図）である。

図５〜図７において、ループアンテナ２を含むアンテナ基板１の側面側には、２枚に分割した垂直金属板６が設置されている。各垂直金属板６は、ループアンテナ２が実装されたアンテナ基板１の各辺（４辺）に対応した領域ごとに、互いに接触しないように、一定の間隔を保って、アンテナ基板１の側面に対して垂直に配置され、樹脂筐体１０によって固定されている。また、各垂直金属板６は、その一部（上部側の角部）が、相隣接する他の辺の垂直金属板６と１つの金属ブラケット９を介して電気的および機械的に接続されていると共に、１つの金属ブラケット９を介して１つの水平金属板５と電気的および機械的に接続されている。即ち、アンテナ基板１に相対向して、４つの水平金属板５が車体１６側に配置され、各水平金属板５にそれぞれ１つの金属ブラケット９が１点で電気的および機械的に接続され、アンテナ基板１の各辺に対応した領域であって、アンテナ基板１の側面側を囲む領域に、垂直金属板６が２つずつ互いに離れて配置され、アンテナ基板１の各辺における２つの垂直金属板６がそれぞれ異なる１つの金属ブラケット９を介して、互いに異なる水平金属板５に電気的および機械的に接続される。この際、１枚の水平金属板５と２枚の垂直金属板６を一組として、４組の水平金属板５と垂直金属板６が、それぞれ１つの金属ブラケット９と車体１６を介して、電気的に１点で接続される。

なお、本実施例では、垂直金属板６の数を合計で８枚（２枚×４辺）としているが、上記に限定するものではなく、垂直金属板６の合計が２枚以上であれば任意の数で良い。また、垂直金属板の形状を、図８に示すようなＬ字型や、図９に示すようなコの字型としても良く、そのほか任意の形状であっての良い。

図８は、本発明の実施例２におけるＬ字型垂直金属板を用いた無線装置の水平断面図である。図８において、ループアンテナ２を含むアンテナ基板１の側面側には、Ｌ字型垂直金属板７が４枚設置されている。各Ｌ字型垂直金属板７は、ループアンテナ２が実装されたアンテナ基板１の四隅を囲む領域ごとに、互いに接触しないように、一定の間隔を保って、アンテナ基板１の側面に対して垂直に配置され、樹脂筐体１０によって固定されている。また、各Ｌ字型垂直金属板７は、その一部（上部側の角部）が、１つの金属ブラケット９を介して電気的および機械的に接続されると共に、１つの金属ブラケット９を介して１つの水平金属板５と電気的および機械的に接続される。

図９は、本発明の実施例２におけるコの字型垂直金属板を用いた無線装置の水平断面図である。図９において、ループアンテナ２を含むアンテナ基板１の側面側には、コの字型垂直金属板８が２枚設置されている。各コの字型垂直金属板８は、ループアンテナ２が実装されたアンテナ基板１の外周側の半分を囲む領域ごとに、互いに接触しないように、一定の間隔を保って、アンテナ基板１の側面に対して垂直に配置され、樹脂筐体１０によって固定されている。また、各コの字型垂直金属板８は、その一部（上部側の角部）が、１つの金属ブラケット９を介して電気的および機械的に接続されると共に、１つの金属ブラケット９を介して１つの水平金属板５と電気的および機械的に接続される。

また、アンテナ基板１、水平金属板５、垂直金属板６、および金属ブラケット９を樹脂包埋して、互いを構造的に固定しているが、絶縁材を用いたものであれば、上記以外の固定方法でも良い。なお、図５では、水平金属板５、垂直金属板６、金属ブラケット９を一体成型したものを示しているが、図１０のように、接続金具を用いて複数の金属板を接続する構成でも良い。

図１０は、本発明の実施例２における接続金具を用いた無線装置の水平断面図である。図１０において、各垂直金属板６は、その一部が、Ｌ字型の接続金具１１を介して１つの水平金属板５と電気的および機械的に接続される。この際、各垂直金属板６は、接続金具１１と水平金属板５を介して、１つの金属ブラケット９に電気的および機械的に接続される。

本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、ループアンテナ２の側面に設置した各垂直金属板６、７、８が、安定した基準電位となる車体１６に接続されるため、電界シールドの役割を果たす。そのため、無線装置の側面に存在する金属物１５とループアンテナ２との電界結合を低減して、ループアンテナ２の共振周波数の変化を抑制する。これにより、給電装置１２の側面に金属物１５がある場合でも、高い放射効率を維持することができる。

また、本実施例によれば、垂直金属板を分割して得られた複数の垂直金属板６、７、８を電気的に１点接続とするため、複数の垂直金属板６、７、８を介したループ経路を形成させず、打消し磁界の発生原因の一つである、垂直金属板６、７、８のループ電流を抑制する。これにより、垂直金属板を分割しない場合と比較して給電効率を向上することができる。

さらに、本実施例によれば、給電装置１２の側面に垂直金属板６、７、８を実装するため、側面の強度が向上し、車両走行中の飛来物衝突などの衝撃から、内部のアンテナ基板１を保護することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、水平金属板５や垂直金属板６としては、穴を有するものや金網状のものを用いることもできる。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ アンテナ基板、２ ループアンテナ、３ 共振回路、４ 電力波生成回路、５ 水平金属板、６ 垂直金属板、７ Ｌ字型垂直金属板、８ コの字型垂直金属板、９ 金属ブラケット、１０ 樹脂筐体、１１ 接続金具、１２ 給電装置、１３ 受電装置、１５ 金属物、２０ 整流回路、２１ 負荷回路

Claims (9)

1. 磁界を放射もしくは受信するためのループアンテナと、
   前記ループアンテナを共振させるための共振回路と、
   金属構造体に固定される複数の金属ブラケットと、
   前記ループアンテナの周囲に配置される複数の金属板と、を備え、
   前記金属板の各々を、前記金属ブラケットのいずれか一つと電気的に接続し、且つ前記金属ブラケットを前記金属構造体に電気的に接続することを特徴とする無線装置。
2. 請求項１に記載の無線装置であって、
   前記金属板の各々を、前記金属ブラケットのいずれか一つと電気的に一点で接続することを特徴とする無線装置。
3. 請求項１又は２に記載の無線装置であって、
   前記金属板の各々を、前記ループアンテナが形成する面に略平行な向きで、且つ、前記ループアンテナと前記金属構造体との間に配置することを特徴とする無線装置。
4. 請求項１又は２に記載の無線装置であって、
   前記金属板の各々を、前記ループアンテナが形成する面に略垂直な向きで、且つ、前記ループアンテナの外周に沿って配置することを特徴とする無線装置。
5. 請求項３に記載の無線装置であって、
   前記金属板の各々を、前記ループアンテナが形成する面に略垂直な向きで、且つ、前記ループアンテナの外周に沿って配置することを特徴とする無線装置。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の無線装置であって、
   前記ループアンテナおよび前記共振回路に電力波を供給する電力波生成回路を更に備えることを特徴とする無線装置。
7. 請求項６に記載の無線装置であって、
   前記金属構造体は、移動可能な車両の車体又は前記車両に設置した金属物であることを特徴とする無線装置。
8. 請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の無線装置であって、
   前記ループアンテナの受信による電力を整流する整流回路と、
   前記整流回路の出力を蓄積する負荷回路と、を更に備えることを特徴とする無線装置。
9. 請求項８に記載の無線装置であって、
   前記金属構造体は、地上に設置した金属物であることを特徴とする無線装置。

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