JP2019036626A - コイルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂製のケース内部にコイルを収容するコイルユニットにおいて、ケース内部に電気機器の配置スペースを確保しつつ、コイルユニットの大型化を抑制する。
【解決手段】コイルユニットは、蓄電装置５のケースに取り付けられる取付面７７を有する樹脂製のケース３０（アッパーカバー３２）と、ケース３０内に設けられた金属板３５と、金属板３５に対して取付面７７と反対側に位置するコイル１６と、金属板３５とケース３０（アッパーカバー３２）との間に位置する空間部３６を取り囲むように配置される金属部材８０とを備える。金属部材８０は、樹脂製のアッパーカバー３２と一体成形されている。
【選択図】図５

Description

本開示は、コイルユニットに関し、特に、送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する電力伝送システムに用いられるコイルユニットに関する。

特開２０１６−９２２１４号公報（特許文献１）には、送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する電力伝送システムに用いられるコイルユニットが開示されている。このコイルユニットは、コイルと、電気機器と、電気機器の周囲に配置された金属部材（電磁シールド部材）と、これらを内部に収容する樹脂製のケースとを備える。

特開２０１６−９２２１４号公報 特開２０１３−１５４８１５号公報 特開２０１３−１４６１５４号公報 特開２０１３−１４６１４８号公報 特開２０１３−１１０８２２号公報 特開２０１３−１２６３２７号公報

樹脂は、電磁界を遮断することができない。そのため、樹脂製のケースの内部に電気機器を配置しようとすると、電気機器への電磁界の影響を抑制するために、ケースの内部に電磁界を遮断するための金属部材を設けることが望ましい。しかしながら、特許文献１のように金属部材を電気機器毎に配置すると、ケース内部に収容される部品が増加し、コイルユニットの大型化に繋がることが懸念される。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、樹脂製のケース内部にコイルを収容するコイルユニットにおいて、ケース内部に電気機器の配置スペースを確保しつつ、コイルユニットの大型化を抑制することである。

（１） 本開示によるコイルユニットは、外部に設けられた取付対象部材に取り付けられるコイルユニットであって、取付対象部材に取り付けられる取付面を有する樹脂製のケースと、ケース内に設けられた金属板と、金属板に対して取付面と反対側に位置するコイルと、金属板と取付面との間に配置される、ケースに一体成形された金属部材とを備える。金属部材は、金属板とケースとの間に位置する空間を取り囲むように配置される。

上記構成によれば、金属板とケースとの間の空間を取り囲むように、金属部材が配置される。これにより、コイルから発生する電磁界が、金属板の周囲から回り込んで、金属板とケースとの間の空間に侵入することが抑制される。そのため、金属板とケースとの間の空間を、電磁界の影響の少ない電気機器の配置スペースとして利用することができる。さらに、上記の金属部材は、樹脂製のケースと一体成形される。そのため、ケースとは別の金属部材を電気機器毎に配置する場合に比べて、ケース内部に収容される部品が低減される。その結果、樹脂製のケース内部にコイルを収容するコイルユニットにおいて、ケース内部に電気機器の配置スペースを確保しつつ、コイルユニットの大型化を抑制することができる。

（２） ある実施の形態においては、ケースは、取付対象部材に締結部材によって取り付けられる。ケースの取付面には、金属部材が設けられるインサート部と、締結部材による締付力によって取付対象部材に押し当てられる締結部とが設けられる。取付面のインサート部は、ケースが取付対象部材に取り付けられていない状態において、取付面の締結部よりも外側に突出する。

上記構成によれば、ケースが取付対象部材に取り付けられていない状態において、取付面のインサート部（金属部材が設けられる部分）が、取付面の締結部よりも外側に突出している。そのため、ケースを取付対象部材に取り付ける際に、締結部よりも先にインサート部が取付対象部材に干渉し、その後、締結部材による締結力を増加させると、ケースにおける締結部とインサート部との間の部分が弾性変形した状態で、締結部が取付対象部材に押し当てられる。これにより、ケースが取付対象部材に取り付けられた状態（締結部が取付対象部材に押し当てられている状態）において、ケースにおける弾性変形した部分の弾性力によってインサート部を取付対象部材に押し当てることができる。そのため、取付面のインサート部と取付対象部材との間の隙間を低減することができる。その結果、コイルから発生する電磁界が金属板の周囲から回り込んで金属板とケースとの間の空間に侵入することを、適切に抑制することができる。

（３） ある実施の形態においては、取付対象部材は金属製である。取付面のインサート部において、金属部材はケースから露出している。

上記構成においては、取付面のインサート部において、金属部材はケースから露出している。そのため、ケースが取付対象部材に取り付けられた状態において、取付面のインサート部から露出する金属部材を、金属製の取付対象部材に直接押し当てることができる。そのため、コイルから発生する電磁界が金属板の周囲から回り込んで金属板とケースとの間の空間に侵入することを、より適切に抑制することができる。

コイルユニットが適用される電力伝送システムの全体図である。 電力伝送システムの電気的な構成を示した図である。 コイルユニットの分解斜視図である。 コイルユニットを上部から見た透視図（その１）である。 図４中のＶ−Ｖ線に沿った断面図（その１）である。 図４中のＶ−Ｖ線に沿った断面図（その２）である。 コイルユニットを上部から見た透視図（その２）である。 コイルユニットを上部から見た透視図（その３）である。 金属部材の構成の変形例を示す図（その１）である。 金属部材の構成の変形例を示す図（その２）である。 金属部材の構成の変形例を示す図（その３）である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本開示の実施の形態に従うコイルユニットが適用される電力伝送システム１の全体図である。以下では、車両外部の送電設備から車両へ非接触で電力を伝送する電力伝送システム１にコイルユニットが適用される場合について代表的に説明するが、本開示に従うコイルユニットは、車両用の電力伝送システムに適用が限定されるものではなく、その他の電力伝送システムにも適用可能である。また、以下では、図１中に示される矢印Ｕ方向を「上方」や「上面」等と称し、矢印Ｄ方向を「下方」や「下面」等と称する場合がある。

電力伝送システム１は、車両２と、送電用のコイルユニット３とを備える。コイルユニット３は、地面に設置される。車両２は、受電用のコイルユニット４と、蓄電装置５とを含む。蓄電装置５は、車両２のフロアパネル６の下面に配置される。コイルユニット４は、蓄電装置５のケース（金属製）の下面に取付けられる。

送電用のコイルユニット３は、電源部８から電力の供給を受ける。電源部８は、交流電源７（たとえば商用系統電源）から電力を受け、所定の伝送周波数を有する交流電力を生成してコイルユニット３へ供給する。コイルユニット３は、車両２のコイルユニット４がコイルユニット３に対向するように車両２の位置合わせが行なわれた状態において、コイルユニット４へ磁界を通じて非接触で送電するように構成される。

受電用のコイルユニット４は、コイルユニット４がコイルユニット３に対向するように車両２の位置合わせが行なわれた状態において、コイルユニット３から磁界を通じて非接触で送電される電力を受電するように構成される。コイルユニット４により受電された電力は、蓄電装置５に蓄えられる。

図２は、図１に示した電力伝送システム１の電気的な構成を示した図である。送電用のコイルユニット３は、フィルタ回路２４と、共振回路２１とを含む。フィルタ回路２４は、電源部８と共振回路２１との間に設けられ、電源部８から発生する高調波ノイズを抑制する。フィルタ回路２４は、たとえば、インダクタおよびキャパシタを含むＬＣ回路によって構成される。

なお、電源部８は、たとえば、力率改善（ＰＦＣ（Power Factor Correction））回路と、ＰＦＣ回路から受ける直流電力を、所定の伝送周波数（たとえば数十ｋＨｚ）を有する交流電力に変換するインバータとを含んで構成される。

共振回路２１は、コイル２３と、キャパシタ２２とを含む。キャパシタ２２は、コイル２３に直列に接続されてコイル２３と共振器を形成する。コイル２３およびキャパシタ２２によって構成される共振器の共振強度を示すＱ値は、１００以上であることが好ましい。なお、キャパシタ２２は、コイル２３に並列に接続されてもよいし、コイル２３のみで所望の共振状態が形成される場合には、キャパシタ２２を設けなくてもよい。

車両２は、受電用のコイルユニット４と、リレー１５と、蓄電装置５とを含む。コイルユニット４は、共振回路１１と、機器１０とを含む。機器１０は、フィルタ回路１２と、整流回路１４とを含む。

共振回路１１は、コイル１６と、キャパシタ１７とを含む。キャパシタ１７は、コイル１６に直列に接続されてコイル１６と共振器を形成する。コイル１６およびキャパシタ１７によって構成される共振器のＱ値も、１００以上であることが好ましい。なお、キャパシタ１７についても、コイル１６に並列に接続されてもよいし、コイル１６のみで所望の共振状態が形成される場合には、キャパシタ１７を設けなくてもよい。

フィルタ回路１２は、共振回路１１と整流回路１４との間に設けられ、共振回路１１による受電時に発生する高調波ノイズを抑制する。フィルタ回路１２は、たとえば、インダクタおよびキャパシタを含むＬＣ回路によって構成される。整流回路１４は、共振回路１１によって受電された交流電力を整流して蓄電装置５へ出力する。整流回路１４は、整流器とともに平滑用のキャパシタを含んで構成される。

蓄電装置５は、車両２の駆動力を発生するための高電圧系の電力を蓄える再充電可能な直流電源である。蓄電装置５は、たとえばリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池を含んで構成される。蓄電装置５は、コイルユニット４による受電中に整流回路１４から出力される電力を蓄える。そして、蓄電装置５は、その蓄えられた電力を図示しない動力生成装置へ供給する。

リレー１５は、整流回路１４と蓄電装置５との間に設けられる。リレー１５は、コイルユニット４による受電時にオン（導通状態）にされる。リレー１５は、たとえば蓄電装置５のケース内に設けられる。

この電力伝送システム１においては、電源部８からコイルユニット３へ所定の伝送周波数を有する交流電力が供給される。コイルユニット３および車両２のコイルユニット４の各々は、コイルとキャパシタとを含み、伝送周波数において共振するように設計されている。電源部８からコイルユニット３へ交流電力が供給されると、コイルユニット３のコイル２３と車両２のコイルユニット４のコイル１６との間に形成される磁界を通じて、コイルユニット３からコイルユニット４へエネルギー（電力）が移動する。そして、コイルユニット４へ移動したエネルギー（電力）は、機器１０を通じて蓄電装置５へ供給される。

図３は、コイルユニット４の分解斜視図である。なお、本実施の形態では、受電用のコイルユニット４について代表的に説明される。なお、本実施の形態に従うコイルユニット４の構成は、送電用のコイルユニット３にも適用され得るものである。

コイルユニット４は、ケース３０と、コイル１６と、フェライト板３４と、金属板３５と、センサ基板３７と、格納ケース７０とを含む。

ケース３０は、樹脂によって構成され、アンダーカバー３１と、アッパーカバー３２とを含む。アンダーカバー３１は、コイルユニット４の下面側に配置される。アッパーカバー３２は、コイルユニット４の上面側に配置される。

アンダーカバー３１は、下壁３８と、側壁３９とを含む。側壁３９は、下壁３８の外周縁部から上方に立ち上がるように形成されている。

コイル１６は、インサート成形によってアンダーカバー３１と一体的に形成され、下壁３８内に埋め込まれている。コイル１６は、上下方向に延びる巻回軸Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線を渦巻状に巻回することで形成される、平板コイルである。コイル１６の中央部には、中空部が形成されている。図３に示す例では、コイル１６に渦巻状の平板コイルが採用されているが、コイル１６としては各種形状のコイルを採用することができる。

フェライト板３４は、アンダーカバー３１の下壁３８の上面に配置される。このフェライト板３４は、コイル１６のコア（フェライトコア）として設けられる。フェライト板３４は、板状に形成されており、コイル載置面５０と、背面５１とを含む。コイル載置面５０側には、コイル１６が配置される。背面５１側には、金属板３５が配置される。

金属板３５は、フェライト板３４の背面５１側に配置される。金属板３５は、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属によって構成される。金属板３５は、板状に形成されており、下面５２および上面５３を含む。

センサ基板３７は、コイル１６から蓄電装置５に供給される電力を検出するための電圧センサおよび電流センサなど（いずれも図示せず）の信号処理を行なう低電圧系の回路が配置された基板である。

センサ基板３７は、金属板３５の上面５３に配置されている。センサ基板３７は、板状に形成されており、下面７５および上面７６を含む。

格納ケース７０は、センサ基板３７の横（コイル１６の外周側）に配置されている。格納ケース７０には、フィルタ回路１２や整流回路１４など、コイル１６と蓄電装置５との間に接続される高電圧系の電気機器の一部が格納される。格納ケース７０は、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属によって構成される。

アッパーカバー３２はセンサ基板３７の上面７６側および格納ケース７０の上面側に配置される。アッパーカバー３２がアンダーカバー３１と組み合わされることによって、ケース３０が形成される。

アッパーカバー３２は、蓄電装置５の金属製のケース（取付対象部材）の下面に取り付けられる取付面（上面）７７を含む。アッパーカバー３２の取付面７７には、ボルト（締結部材）９０による締付力によって蓄電装置５のケースに押し付けられる締結部７９が複数設けられる。アッパーカバー３２は、複数の締結部７９がそれぞれ複数のボルト９０によって蓄電装置５のケースに押し付けられることによって、蓄電装置５のケースに取り付けられる。

図４は、コイルユニット４を上部から見た透視図である。図４を用いて、本実施の形態に従うコイルユニット４の構成についてさらに説明する。

コイルユニット４は、上述の図３に示した構成に加えて、金属部材（シールド部材）８０を備える。金属部材８０は、図４に示すように、金属板３５とケース３０（アッパーカバー３２）との間に位置する略矩形状の空間部３６を取り囲むように環状に配置される。なお、図４では、コイル１６と金属部材８０との平面的な位置関係が理解できるように、金属板３５、センサ基板３７およびアッパーカバー３２の図示が省略されている。

金属部材８０は、空間部３６の四辺にそれぞれ配置される第１〜第４金属部材８１〜８４を含む。なお、図４に示す例では、第１〜第４金属部材８１〜８４がそれぞれ分割されているが、これらを分割せずに連結してもよい。

本実施の形態においては、第１〜第４金属部材８１〜８４のうち、格納ケース７０に隣接する第４金属部材８４は、切り欠き部８５を隔てて２つに分割されている。切り欠き部８５には、空間部３６内の電気機器（センサ基板３７等）と格納ケース７０内の電気機器（フィルタ回路１２等）とを電気的に接続するハーネス等が配置される。

金属部材８０（第１〜第４金属部材８１〜８４）は、空間部３６を取り囲むようにアッパーカバー３２と一体成形されている。

図５は、アッパーカバー３２が蓄電装置５のケースに取り付けられていない状態における、図４中のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

金属部材８０（図５に示す例では第３金属部材８３）は、空間部３６を取り囲むように空間部３６の周囲に配置される。この金属部材８０により、コイル１６から発生する電磁界が、金属板３５の周囲から回り込んで空間部３６に侵入することが抑制される。そのため、空間部３６を電磁界の影響の少ない電気機器の配置スペースとして利用することができる。本実施の形態においては、空間部３６が、センサ基板３７（電気機器）などの配置スペースとして利用される。さらに、金属部材８０は、樹脂製のアッパーカバー３２と一体成形されている。そのため、アッパーカバー３２とは別に金属部材を設ける場合に比べて、ケース３０の内部に収容される部品が低減される。その結果、樹脂製のケース３０内部に電気機器の配置スペースを確保しつつ、コイルユニット４の大型化を抑制することができる。

アッパーカバー３２の取付面７７には、金属部材８０が一体成形されているインサート部７８と、インサート部７８よりもコイル１６の外周側に位置する締結部７９とが設けられる。取付面７７のインサート部７８において、金属部材８０は、樹脂では覆われておらず、アッパーカバー３２から露出している。また、金属部材８０は、金属板３５側において樹脂で覆われておらず、金属板３５と直接接触している。

取付面７７のインサート部７８は、アッパーカバー３２が蓄電装置５のケースに取り付けられていない状態においては、取付面７７の締結部７９よりも上側に距離Ｄだけ突出している。この距離Ｄは、アッパーカバー３２が蓄電装置５のケースに取り付けられた状態において、アッパーカバー３２における締結部７９とインサート部７８との間の部分を弾性変形させる（塑性変形まではさせない）ために、小さな値に設定されている。

図６は、アッパーカバー３２が蓄電装置５のケースに取り付けられている状態における、図４中のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

上述の図５に示したように、アッパーカバー３２が蓄電装置５のケースに取り付けられた状態（図５に示す状態）においては、インサート部７８は締結部７９よりも上側に距離Ｄだけ突出している。そのため、アッパーカバー３２を蓄電装置５のケースに取り付ける際には、締結部７９よりも先にインサート部７８が蓄電装置５のケースに干渉する。

インサート部７８が蓄電装置５のケースに干渉した状態でボルト９０による締結力をさらに増加させると、アッパーカバー３２における締結部７９とインサート部７８との間の部分が弾性変形した状態で、締結部７９が蓄電装置５のケースに押し当てられる。

そのため、図６に示すように、アッパーカバー３２が蓄電装置５のケースに取り付けられている状態において、アッパーカバー３２の弾性変形した部分（締結部７９とインサート部７８との間の部分）の弾性力によってインサート部７８が蓄電装置５のケースに押し当てられる。そのため、取付面７７のインサート部７８を蓄電装置５のケースに確実に押し当てて、両者間の隙間を低減することができる。その結果、コイル１６から発生する電磁界が金属板３５の周囲から回り込んで空間部３６に侵入することを、適切に抑制することができる。

さらに、取付面７７のインサート部７８において、金属部材８０は、樹脂では覆われておらず、アッパーカバー３２から露出している。そのため、アッパーカバー３２が蓄電装置５のケースに取り付けられた状態において、アッパーカバー３２の弾性変形した部分の弾性力によって、取付面７７のインサート部７８から露出する金属部材８０を、蓄電装置５の金属製のケースに直接押し当てることができる。そのため、コイル１６から発生する電磁界が金属板３５の周囲から回り込んで空間部３６に侵入することを、より適切に抑制することができる。

以上のように、本実施の形態に従うコイルユニット４は、蓄電装置５のケースに取り付けられる取付面７７を有する樹脂製のケース３０と、ケース３０内に設けられた金属板３５と、金属板３５に対して取付面７７と反対側に位置するコイル１６と、金属板３５とケース３０（アッパーカバー３２）との間に位置する空間部３６を取り囲むように配置される金属部材８０とを備える。そのため、空間部３６を電磁界の影響の少ない電気機器の配置スペースとして利用することができる。さらに、金属部材８０は、樹脂製のアッパーカバー３２と一体成形されている。そのため、ケース３０の内部に収容される部品が低減される。その結果、樹脂製のケース３０内部に電気機器の配置スペースを確保しつつ、コイルユニット４の大型化を抑制することができる。

＜変形例１＞
上述の実施の形態においては、格納ケース７０に隣接する第４金属部材８４が切り欠き部８５を隔てて２つに分割されている例を示した（図４参照）。しかしながら、第４金属部材８４の構成は必ずしもこれに限定されるものではない。

図７は、本変形例によるコイルユニット４Ａを上部から見た透視図である。図７に示すコイルユニット４Ａは、上述の図４に示したコイルユニット４の第３金属部材８３および第４金属部材８４を、それぞれ第３金属部材８３Ａおよび第４金属部材８４Ａに変更したものである。

図７に示すように、第４金属部材８４Ａの中央部分は、第４金属部材８４に設けられていた切り欠き部８５はなく繋がっている。このように、第４金属部材８４を分割せずに繋げてもよい。

なお、図７に示す例では、第４金属部材８４Ａが第３金属部材８３Ａ側に偏って配置されており、第４金属部材８４Ａと第１金属部材８１との間の隙間が大きくなっている。この隙間に、空間部３６内の電気機器と格納ケース７０内の電気機器とを電気的に接続するハーネス等が配置される。

＜変形例２＞
上述の実施の形態においては、コイル１６の横に配置される格納ケース７０が、金属部材８０とは別に設けられる例を示した（図４参照）。しかしながら、格納ケース７０が金属部材８０とともにアッパーカバー３２と一体成形されるようにしてもよい。

図８は、本変形例によるコイルユニット４Ｂを上部から見た透視図である。図８に示すコイルユニット４Ｂは、上述の図４に示した格納ケース７０を第４金属部材８４と共通化してアッパーカバー３２と一体成形したものである。このようにすることで、ケース３０の内部に収容される部品をさらに低減することができる。

＜変形例３＞
上述の実施の形態においては、金属部材８０は、金属板３５側および取付面７７側の双方においてアッパーカバー３２から露出している例を示した（図５，図６参照）。しかしながら、金属部材８０の構成はこれに限定されるものではない。

図９〜図１１は、いずれも金属部材８０の構成の変形例を示す図である。図９に示されるように、金属部材８０は、取付面７７側においては樹脂では覆われずに露出し、金属板３５側においては樹脂で薄く覆われる構成であってもよい。あるいは、図１０に示されるように、金属部材８０は、取付面７７側および金属板３５側の双方において樹脂で薄く覆われる構成であってもよい。あるいは、図１１に示されるように、金属部材８０は、取付面７７側においては樹脂で薄く覆われ、金属板３５側においては樹脂では覆われずに露出する構成であってもよい。

今回開示された各実施の形態は、技術的に矛盾しない範囲で適宜組合わせて実施することも予定されている。そして、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 電力伝送システム、２ 車両、３，４，４Ａ，４Ｂ コイルユニット、５ 蓄電装置、６ フロアパネル、７ 交流電源、８ 電源部、１０ 機器、１１，２１ 共振回路、１２，２４ フィルタ回路、１４ 整流回路、１５ リレー、１６，２３ コイル、１７，２２ キャパシタ、３０ ケース、３１ アンダーカバー、３２ アッパーカバー、３４ フェライト板、３５ 金属板、３６ 空間部、３７ センサ基板、３８ 下壁、３９ 側壁、５０ コイル載置面、５１ 背面、５２，７５ 下面、５３，７６ 上面、７０ 格納ケース、７７ 取付面、７８ インサート部、７９ 締結部、８０ 金属部材、８５ 切り欠き部、９０ ボルト。

Claims (3)

1. 外部に設けられた取付対象部材に取り付けられるコイルユニットであって、
   前記取付対象部材に取り付けられる取付面を有する樹脂製のケースと、
   前記ケース内に設けられた金属板と、
   前記金属板に対して前記取付面と反対側に位置するコイルと、
   前記金属板と前記取付面との間に配置される、前記ケースに一体成形された金属部材とを備え、
   前記金属部材は、前記金属板と前記ケースとの間に位置する空間を取り囲むように配置された、コイルユニット。
2. 前記ケースは、前記取付対象部材に締結部材によって取り付けられ、
   前記ケースの前記取付面には、前記金属部材が設けられるインサート部と、前記締結部材による締付力によって前記取付対象部材に押し付けられる締結部とが設けられ、
   前記取付面の前記インサート部は、前記ケースが前記取付対象部材に取り付けられていない状態において、前記取付面の前記締結部よりも外側に突出する、請求項１に記載のコイルユニット。
3. 前記取付対象部材は金属製であり、
   前記取付面の前記インサート部において、前記金属部材は前記ケースから露出している、請求項２に記載のコイルユニット。

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