JP5924496B2 - 電力伝送システム - Google Patents

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Description

本発明は、磁気共鳴方式によってワイヤレスで電力の送受を行う電力伝送システムに関する。
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は、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両搭載電池への充電に応用することが検討されている。このようなワイヤレスなシステムを、上記のような車両に用いることで、車両への給電のために、電源コネクタや電源線などを取り扱う必要がなくなるからである。
例えば、特許文献２（特開２０１０−６８６５７号公報）には、一方のアンテナを電気自動車のような移動体の底面部に搭載し、地上に設けた他方のアンテナから、ワイヤレスで電力伝送を行い、伝送された電力を電気自動車の電池に充電することが開示されている。
特表２００９−５０１５１０号公報 特開２０１０−６８６５７号公報
上記のように、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ように設置され、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ている。
このような利用形態で電力伝送システムを用いると、車両の駐車のさせ方によっては、送電用アンテナと受電用アンテナとの間にはある程度のずれが生じることがある。電力伝送システムにおいては、最高の伝送効率を与える送電用アンテナと受電用アンテナの位置から多少のずれが生じたとしても、電力伝送効率が大幅に落ちることがないようにロバスト性を持たせた設計とすることが好ましい。
しかしながら、従来の電力伝送システムではこのようなロバスト性については考慮されておらず、送電用アンテナと受電用アンテナとのずれがある場合に、大幅に電力伝送効率が低減してしまう、という問題があった。
上記問題を解決するために、本発明に係る電力伝送システムは、地上に設置されて巻回された送電コイルを含む送電アンテナと、前記送電アンテナと対向配置され、巻回された受電コイルを含み、前記送電アンテナから電磁場を介して電気エネルギーを受電する受電アンテナと、を有し、水平面に対して前記送電コイルが形成する鉛直方向の第１の投影面の面積が、水平面に対して前記受電コイルが形成する鉛直方向の第２の投影面の面積より大きく、所定方向における前記送電コイルの内縁間距離がＴ i であり、前記送電コイルの外縁間距離がＴ o であり、前記受電コイルの内縁間距離がＲ i であり、前記受電コイルの外縁間距離がＲ o であるとき、
Ｔ i ＜Ｒ i ＜Ｒ o ＜Ｔ o
の関係を有し、前記所定方向は、前記受電アンテナと前記送電アンテナと間の位置ずれが発生する方向に対して垂直方向であることを特徴とする。
本発明に係る電力伝送システムにおいては、最高の伝送効率を与える送電アンテナと受電アンテナの位置から多少のずれが生じたとしても、電力伝送効率が大幅に落ちることがないようにロバスト性を持たせた設計となっており、送電アンテナと受電アンテナとのずれがある場合にも、大幅に電力伝送効率が低減してしまうようなことがない。
本発明の実施形態に係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。 送電アンテナ１０５（受電アンテナ２０１）の分解斜視図である。 受電アンテナ２０１・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。 本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００の等価回路を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るアンテナに用いるスパイダーコイルを説明する図である。 本発明の他の実施形態に係るアンテナの構成例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るアンテナの送電コイル、受電コイルの平面図である。 本発明の他の実施形態に係るアンテナの応用例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るアンテナの送電コイルの平面図である。 本発明の他の実施形態に係るアンテナの送電コイルの平面図である。 本発明の他の実施形態に係るアンテナの送電コイルの平面図である。 本発明の他の実施形態に係るアンテナの送電コイルの平面図である。
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。
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からの出力は電圧制御部１０２において、所定の電圧に昇圧されたりする。この電圧制御部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、電圧制御部１０２から供給される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。
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２０ｋＨｚ〜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。
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。なお、整合器１０４は必須の構成ではない。
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を通して電池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電池２０４の蓄電を制御する。より具体的には、整流部２０２からの出力は充電制御部２０３において、所定の電圧値に昇圧又は降圧されて、電池２０４に蓄電されるようになっている。また、充電制御部２０３は電池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からの電池２０４の残量を取得し、電池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は電圧制御部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は本発明の実施形態に係る送電アンテナ１０５（受電アンテナ２０１）の分解斜視図であり、図４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、送電アンテナ１０５・受電アンテナ２０１におけるコイル体２７０が矩形平板状のものであることを例に説明するが、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、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。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。
なお、本発明に係る電力伝送システム１００においては、送電アンテナ１０５の回路定数（インダクタンス成分、キャパシタンス成分）と、受電アンテナ２０１の回路定数とは、あえて異なるように構成することで、伝送効率を向上させるようにしている。送電アンテナ１０５の回路定数及び受電アンテナ２０１の回路定数を異なるように構成する場合、例えば、コイル体２７０などの概略の形状は同一で、寸法が異なるものを用いることでこれを実現することができる。
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ｄ
2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。
次ぎに、以上のように構成される送電アンテナ１０５・受電アンテナ２０１それぞれの回路定数（インダクタンス成分、キャパシタンス成分）について説明する。図５は本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００の等価回路を示す図である。
図５に示す等価回路において、送電アンテナ１０５のインダクタンス成分がＬ1、キャ
パシタンス成分がＣ1、抵抗成分がＲt1であり、受電アンテナ２０１のインダクタンス成
分がＬ2、キャパシタンス成分がＣ2、抵抗成分がＲt2であり、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の相互インダクタンスがＭであることを示している。また、Ｒは電池２０４の内部抵抗を示している。また、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間の結合係数はｋによって示される。
また、本実施形態においては、送電アンテナ１０５は、インダクタンス成分Ｌ1、キャ
パシタンス成分Ｃ1である直列共振器を、また、受電アンテナ２０１は、インダクタンス
成分Ｌ2、キャパシタンス成分Ｃ2である直列共振器を構成するものと考える。
まず、磁気共鳴方式の電力伝送では、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している。このための条件は、下式（１）によって表すことができる。
Figure 0005924496
 これを、インダクタンス成分がＬ1、キャパシタンス成分がＣ1、インダクタンス成分が
Ｌ2、キャパシタンス成分がＣ2のみの関係で示すと、下式（２）に要約することができる。
Figure 0005924496
 また、送電アンテナ１０５のインピーダンスは下式（３）により、また、受電アンテナ２０１のインピーダンスは下式（４）により、表すことができる。なお、本明細書においては、下式（３）及び下式（４）によって定義される値をそれぞれのアンテナのインピーダンスとして定義する。
Figure 0005924496
Figure 0005924496
 磁気共鳴方式の電力伝送システム１００の受電側システムにおいて、電池２０４が定電圧充電モードに移行すると、電池２０４の電圧が一定なので、充電電力によって入力インピーダンスが変化する。電池２０４への充電電力が大きければ入力インピーダンスは低く、充電電力が小さければ入力インピーダンスは高くなる。受電側における受電アンテナ２０１は、効率の面から、電池２０４の充電電力に応じた入力インピーダンスに近いインピーダンスに設定することが望ましい。
一方、送電側における電源から見た送電アンテナ１０５への入力インピーダンスは、効率の面から高ければ高いほどよい。これは電源の内部抵抗分により電流の２乗比例でロスが発生するためである。
以上のことから、（３）式で示される送電アンテナ１０５のインピーダンスと、（４）式で示される受電アンテナ２０１のインピーダンスとの間には、下式（５）の関係が満たされることが望ましい。
Figure 0005924496
 これを、インダクタンス成分がＬ1、キャパシタンス成分がＣ1、インダクタンス成分がＬ2、キャパシタンス成分がＣ2のみの関係で示すと、下式（６）に要約することができる。
Figure 0005924496
 以上のように、本発明に係る電力伝送システム１００においては、送電アンテナ１０５の回路定数と、受電アンテナ２０１の回路定数とが上記の式（２）及び式（６）を満たすようにされているために、受電側システムで電池２０４の充電を行う場合に、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。
送電アンテナ１０５の回路定数と、受電アンテナ２０１の回路定数におけるインダクタンス成分の観点から、上記の式（２）及び式（６）のような各関係を成立させるためには、基材２７１上に形成される渦巻き状の導電部２７２の寸法、レイアウト、及び、磁性体など補助部材の調整を行うことを挙げることができる。
より具体的には、図３に示す導電部２７２のパターンで説明すると、送電アンテナ１０５の導電部２７２の長辺、短辺のいずれか、あるいは両方を受電アンテナ２０１のそれらよりも大きくして導電部２７２の全長を長くする、或いは、送電アンテナ１０５の導電部２７２の巻き数を受電アンテナ２０１のそれよりも多くする、送電アンテナ１０５の適所にフェライト等の磁性体を追加する、等が考えられる。
さらに電池２０４の内部インピーダンスとの関係についても言及する。受電側システムにおいて、電池２０４に対して効率的に充電が行える条件として、受電アンテナ２０１のインピーダンスと、電池２０４のインピーダンスとが整合していることを挙げることができる。
すなわち、本実施形態では、式（２）及び式（６）の条件に加えて、さらに、式（４）の受電アンテナ２０１のインピーダンスと電池２０４のインピーダンスRとの間に、
Figure 0005924496
 の関係を持たせることで、受電側システムで電池２０４の充電を行う場合、システム全体として、効率的な電力伝送を行うことを可能としている。
本発明に係る電力伝送システム１００で用い得るアンテナは、これまでに説明したようなものに限定されるものではない。
例えば、本発明に係る電力伝送システム１００においては、スパイダーコイルを用いたアンテナも好適に利用することができる。以下、このようなアンテナの具体的な構成について説明する。これらのアンテナは、送電アンテナ１０５及び受電アンテナ２０１の双方に適用し得るものである。なお、磁気共鳴方式で電力伝送を行うアンテナは、コイル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。
図６は本発明の他の実施形態に係るアンテナに用いるスパイダーコイルを説明する図で
あり、図６（Ａ）はスパイダーコイルを造形するために利用される基材６００を示す図であり、図６（Ｂ）は基材６００に導体線４００を巻回する際のパターンの１例を示す図であり、図６（Ｃ）はスパイダーコイルを示す図である。
図６（Ａ）に示す図では、基材６００としては略円形であるものを例にとり説明するが、これに限定されるものではない。
基材６００は、第１面６０１と、これと表裏の関係にある第２面６０２とを有する基板状の部材であり、例えばポリカーボネートやポリプロピレンなどの誘電正接が小さい材料を用いて構成することが好ましい。
この基材６００は、略円形の平板部をなす基部６１０と、この基部６１０から放射状に延出する複数のコイル造形用突片６２０とから構成されている。
コイル造形用突片６２０は、第１面６０１又は第２面６０２のいずれか一方側に導体線４００が通され、導体線４００を係止するために利用される。これにより、導体線４００でスパイダーコイルの形状が維持される。
次に、以上のような基材６００で造形する際の導体線４００の巻回パターンの１例について図６（Ｂ）を参照して説明する。導体線４００としては、複数の導体素線を集合させた撚り線を用いることが好ましい。
図６（Ｂ）において、矢印はコイルを巻回する際の順序を示している。例えば、図中（ａ）に示すコイル造形用突片６２０に導体線４００を係止することにより、導体線４００を巻回し始めたとすると、まず、（ａ）に示す２つのコイル造形用突片６２０にかけては、コイル造形用突片６２０の第１面６０１側において、導体線４００を係止させる。
続いて、（ｂ）に示す２つのコイル造形用突片６２０にかけては、コイル造形用突片６２０の第２面６０２側において、導体線４００を係止させる。
逆に、（ｃ）に示す２つのコイル造形用突片６２０にかけては、コイル造形用突片６２０の第１面６０１側において、導体線４００を係止させる。
以上のように、２つのコイル造形用突片６２０毎に、導体線４００を係止させる面を、第１面６０１側、第２面６０２側と交互に変える巻回パターンにより、（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→・・・と順次巻回する。このような巻回パターンとすることにより、インダクタンス成分Ｌが大きいアンテナを形成することが可能となる。
逆に、インダクタンス成分Ｌが大きいアンテナを形成する場合には、１つ１つのコイル造形用突片６２０毎に、導体線４００を係止させる面を、第１面６０１側、第２面６０２側と交互に変える巻回パターンが好ましい。
図６（Ｃ）は本発明の他の実施形態に係るアンテナに用いるスパイダーコイルを示す図であるが、このようなアンテナを送電アンテナ１０５、受電アンテナ２０１として用いることで、本発明を実現することもできる。
これまで説明したように、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、送電アンテナ１０５は地中部に埋設されように設置され、また、受電アンテナ２０１は車両の底面部にレイアウトされることが想定される。
このような利用形態で電力伝送システムを用いると、車両の駐車のさせ方によっては、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間にはある程度のずれが生じることがある。電力伝送システムにおいては、最高の伝送効率を与える送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１の位置から多少のずれが生じたとしても、電力伝送効率が大幅に落ちることがないようにロバスト性を持たせた設計とすることが好ましい。
しかしながら、従来の電力伝送システムではこのようなロバスト性については考慮されておらず、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１とのずれがある場合に、大幅に電力伝送効率が低減してしまう、という問題があった。
そこで、本実施形態では、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１の位置ずれに伴う電力伝送効率の低下を抑止する構成について提案する。
図７は本発明の他の実施形態に係るアンテナの構成例を示す図であり、図８は本発明の他の実施形態に係るアンテナの（Ａ）送電コイル６５０、（Ｂ）受電コイル６７０の平面図である。
また、図８（Ｃ）は送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間に位置ずれがない場合の送電コイル６５０と受電コイル６７０の平面図である。
また、図８（Ｄ）は受電アンテナ２０１においてもレーストラック状のコイルを用いたときにおける、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１との間に位置ずれがない場合の送電コイル６５０と受電コイル６７０の平面図である。
また、図９は本発明の他の実施形態に係るアンテナの応用例を示す図であり、地上に設置された送電アンテナの送電コイル６５０を抜き出して示しており、車両に搭載された受電アンテナの受電コイル６７０を抜き出して示している。
図７、図８において、斜線部はアンテナのコイルが形成されている部分を示している。また、図７は送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１とが電力伝送時に対向配置されたときの状態を斜視的に示している。
本実施形態においては送電アンテナ１０５にはレーストラック状の送電コイル６５０が、また、受電アンテナ２０１には環状の受電コイル６７０が用いられている。ただし、本発明においては、送電コイル６５０、受電コイル６７０の形状は、これらに限定されるものではなく、例えば、図８（Ｄ）に示すように、受電コイル６７０もレーストラック状のコイルを用いてもよい。また、送電コイル６５０、受電コイル６７０の双方とも、環状のコイルを用いることもできる。
送電アンテナ１０５における送電コイル６５０は、第１面６４１とこれと表裏の関係にある第２面６４２とを有する基材６４０のコイル造形用突片６４５に係止された導体線４００とから構成されている。
同様に、受電アンテナ２０１における受電コイル６７０は、第１面６６１とこれと表裏の関係にある第２面６６２とを有する基材６６０のコイル造形用突片６６５に係止された導体線４００とから構成されている。
上記のような基材６４０、基材６６０に導体線４００を巻き付けて、コイルを造形する際には、図６で説明した方法を用いることができる。
ただし、図６で説明したスパイダーコイルにおいては、導体線４００をコイル造形用突片６４５（又はコイル造形用突片６６５）に巻き付けていく際、連続した２つのコイル造形用突片６４５（又はコイル造形用突片６６５）で導体線４００が係止される面が、第１面→第２面→第１面→・・・というように交互に変わる巻回パターンについて説明した。これに限らず、１つのコイル造形用突片６４５（又はコイル造形用突片６６５）毎に、導体線４００が係止される面が、第１面→第２面→第１面→・・・というように交互に変わる巻回パターンを採用することもできる。
一般的に前者の巻回パターンを用いてコイルを造形した場合には、導体線４００がより密となるように巻回することができ、後者の巻回パターンを用いてコイルを造形した場合には、導体線４００がより疎となるように巻回することができる。なお、本明細書では、同じスペースで導体線４００がより密となる巻回パターンであればなるほど、巻き密度が高いコイルであるものとして定義する。また、本実施形態における「巻き密度」は、単位幅（長さ）当たりの巻き数に比例する場合を例示しているが、「巻き密度」の概念は単位面積当たりの巻き数に比例する場合も含むものである。
図９（Ａ）は本発明の本発明に係る電力伝送システムによって、車両に給電を行う前段において車両を充電設備設置スペースに駐車する様子を示している。本例では、車輪止めにより紙面の上下方向についてのアンテナ間の位置ずれについては発生しないようになっている。図９（Ｂ）は車両駐車後、最高の伝送効率を与える送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１の位置関係となって様子を示しており、図９（Ｃ）は車両駐車後、最高の伝送効率を与える送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１の位置関係からずれた様子を示している。本例では、上記のような車輪止めが設けられているため、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１の位置関係は図９（Ｃ）の矢印の方向にΔｄ位置ずれを起こすことが想定される。
ここで、上記のような電力伝送システムにおいて、最高の伝送効率を与える送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１の位置から多少のずれが生じたとしても、電力伝送効率が大幅に落ちることがないようにロバスト性を持たせた設計とするために、本実施形態においては、水平面に対して送電コイル６５０が形成する鉛直方向の第１の投影面の面積Ｓ1
が、水平面に対して受電コイル６７０が形成する鉛直方向の第２の投影面の面積Ｓ2より
大きくなるように設定している。このような設定であると、図９（Ｃ）に示すように、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１とのずれがある場合にも、大幅に電力伝送効率が低減してしまうようなことがないことを確認している。
本発明においては、上記のような第１の投影面の面積Ｓ1と第２の投影面の面積Ｓ2の関係性に加え、さらに以下のような関係を有することがより好ましい。送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１と間の位置ずれΔｄが発生する方向に対して垂直方向である方向を、所定方向とする。この所定方向における送電アンテナ１０５の内縁間距離がＴiで、送
電アンテナ１０５の外縁間距離がＴoで、受電アンテナ２０１の内縁間距離がＲiで、受電アンテナ２０１の外縁間距離がＲoであるとき、Ｔi＜Ｒi＜Ｒo＜Ｔoの関係を有すること
が好ましい。このような設定であると、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１とのずれがある場合にも、大幅に電力伝送効率が低減してしまうようなことがない。また、上記のＴi＜Ｒi＜Ｒo＜Ｔoの関係により、電力伝送システムにロバスト性を持たせることができるのは、図８（Ｄ）に示すように、送電コイル６５０、及び受電コイル６７０が共にレーストラック状のコイルを用いる場合でも同様である。
なお、「内縁間距離」は所定方向の内縁間の距離のうち最大のものとして定義され、「外縁間距離」は、所定方向の外縁間の距離のうち最大のものとして定義される。
また、本発明は、（１）送電コイル６５０、受電コイル６７０の形状が相似形ではない点、（２）導体線４００が周回されることで形成される送電コイル６５０、受電コイル６７０の平均径が異なる点、（３）送電コイル６５０の内径はできるだけ小さい方が良いが、インダクタンス成分Ｌ1が大きくなる効果以上に、導体線４００の抵抗が大きくならな
い程度に留められている点、の３点においても特徴点を有するものであることを付記しておく。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図１０は本発明の他の実施形態に係るアンテナの送電コイル６５０の平面図である。なお、以下の実施形態では、送電アンテナ１０５における送電コイル６５０に本発明を適用した例について説明するが、これに限らず本発明は、受電アンテナ２０１の受電コイル６７０にも適用することができる。
本実施形態においては、最高の伝送効率を与える送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１の位置から多少のずれが生じたとしても、電力伝送効率が大幅に落ちることがないようにロバスト性を持たせた設計とするために、送電コイル６５０の内周部６５３と、送電コイル６５０の外周部６５４とでは巻き密度が異なるようにされている。より具体的には、送電コイル６５０の内周部６５３の巻き密度は、送電コイル６５０の外周部６５４の巻き密度より疎あるようにされている。
ここで、送電コイル６５０の内周部６５３と外周部６５４とで巻き密度の疎密を付与する1つの方法として、送電コイル６５０の内周部６５３では、１つのコイル造形用突片６
４５毎に、導体線４００が係止される面が、第１面→第２面→第１面→・・・というように交互に変わる巻回パターンを採用し、送電コイル６５０の外周部６５４では、連続した２つのコイル造形用突片６４５（又はコイル造形用突片６６５）で導体線４００が係止される面が、第１面→第２面→第１面→・・・というように交互に変わる巻回パターンを採用する方法を挙げることができるが、送電コイル６５０の内周部６５３と外周部６５４とで巻き密度の疎密を付与することができれば、このような方法に限定されることなく、如何なる方法も採用することができる。
上記のように、送電コイル６５０の内周部６５３の巻き密度を、送電コイル６５０の外周部６５４の巻き密度よりも疎とすることで、平準化された磁界を発生することが可能となり、図９（Ｃ）に示すように、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１とのずれがある場合にも、大幅に電力伝送効率が低減してしまうようなことがないことを確認している。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図１１は本発明の他の実施形態に係るアンテナの送電コイル６５０の平面図である。なお、以下の実施形態では、送電アンテナ１０５における送電コイル６５０に本発明を適用した例について説明するが、これに限らず本発明は、受電アンテナ２０１の受電コイル６７０にも適用することができる。
本実施形態においては、最高の伝送効率を与える送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１の位置から多少のずれが生じたとしても、電力伝送効率が大幅に落ちることがないようにロバスト性を持たせた設計とするために、送電コイル６５０が形成される面における、送電コイル６５０の外縁全周に高透磁率部材６５７を配した構成としている。このような高透磁率部材６５７としてはフェライト材を用いることができる。このように、送電コイル６５０の外縁全周に高透磁率部材６５７を配すると、送電コイル６５０の面積が実質的に大きくなることと同様の効果を得ることができ、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１とのずれがある場合にも、大幅に電力伝送効率が低減してしまうようなことがない。
ここで、図９（Ｃ）に示すように、紙面の横方向にのみ、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１のずれが生じる可能性がある場合には、図１２や図１３に示すように、ずれが生じる可能性がある方向と垂直な方向に略沿って巻回されている、送電コイル６５０の外縁の一部に一対、高透磁率部材６５７を配するようにしてもよい。図１２や図１３に示す実施形態によれば、ロバスト性が得られるという効果と共に、高透磁率部材６５７のコストを抑制することができる、というメリットがある。
以上、本発明に係る電力伝送システム１００においては、最高の伝送効率を与える送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１の位置から多少のずれが生じたとしても、電力伝送効率が大幅に落ちることがないようにロバスト性を持たせた設計となっており、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１とのずれがある場合にも、大幅に電力伝送効率が低減してしまうようなことがない。
１００・・・電力伝送システム
１０１・・・ＡＣ／ＤＣ変換部
１０２・・・電圧制御部
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・・・電池
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
４００・・・導体線
６００・・・基材
６０１・・・第１面
６０２・・・第２面
６１０・・・基部
６２０・・・コイル造形用突片
６４０・・・基材
６４１・・・第１面
６４２・・・第２面
６４５・・・コイル造形用突片
６５０・・・送電コイル
６５３・・・内周部
６５４・・・外周部
６５７・・・高透磁率部材
６６０・・・基材
６６１・・・第１面
６６２・・・第２面
６６５・・・コイル造形用突片
６７０・・・受電コイル

Claims (1)

  1. 地上に設置されて巻回された送電コイルを含む送電アンテナと、
    前記送電アンテナと対向配置され、巻回された受電コイルを含み、前記送電アンテナから電磁場を介して電気エネルギーを受電する受電アンテナと、を有し、
    水平面に対して前記送電コイルが形成する鉛直方向の第１の投影面の面積が、
    水平面に対して前記受電コイルが形成する鉛直方向の第２の投影面の面積より大きく、
    所定方向における前記送電コイルの内縁間距離がＴ i であり、前記送電コイルの外縁間距離がＴ o であり、前記受電コイルの内縁間距離がＲ i であり、前記受電コイルの外縁間距離がＲ o であるとき、
    Ｔ i ＜Ｒ i ＜Ｒ o ＜Ｔ o
    の関係を有し、
    前記所定方向は、前記受電アンテナと前記送電アンテナと間の位置ずれが発生する方向に対して垂直方向であることを特徴とする電力伝送システム。
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