JP5988210B2 - 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。
また、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３（特開２０１０−７３９７６号公報）には、ワイヤレスで給電回路から受電回路へ電力を送信するワイヤレス電力伝送装置の、前記給電回路及び受電回路にそれぞれ設けられる通信コイルの構造において、比誘電率が１よりも大きい材質のプリント基板と、前記プリント基板の第１の層に設けられ、少なくとも１ループをなす導電パターンで形成された一次コイルと、前記プリント基板の第２の層に設けられ、渦巻き形状をなす導電パターンで形成された共鳴コイルと、を備えることを特徴とするワイヤレス電力伝送装置の通信コイル構造が開示されている。
特表２００９−５０１５１０号公報 特開２０１０−６８６５７号公報 特開２０１０−７３９７６号公報
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）などの車両搭載電池への充電に応用する場合においては、受電側における負荷が電池となるが、電池の充電の場合、定電圧充電モードに移行すると、電池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。
受電側におけるアンテナは、効率の面から、電池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側アンテナ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。
しかしながら、特許文献２に開示された従来の電力伝送システムにおいては、送電側アンテナの回路定数、受電側アンテナの回路定数の設定で上述の事項が考慮されておらず、必ずしも効率の良い電力伝送を行っていなかった、という問題がある。
また、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、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る。
しかしながら、特許文献３記載の構造のアンテナは、金属体からなる車両の底部に設置すると、電力伝送中にアンテナから漏洩した磁界が金属体に進入し、金属体内において当該磁界で誘導される電流によって、車両の底部を加熱させてしまう、という問題があった。
また、電力伝送中にアンテナから漏洩し金属体に進入する磁界によって、システムの電力伝送効率が抑制される、という問題もあった。
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、インダクタンス成分Ｌ1、固定容量のキャパシタンス成分Ｃ1である直列共振器を構成し、交流電力が入力される送電アンテナと、スイッチング素子からなり直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して前記送電アンテナに出力するインバーター部と、インダクタンス成分Ｌ2、固定容量のキャパシタンス成分Ｃ2である直列共振器を構成し、前記送電アンテナから電磁場を介して電磁気的エネルギーを受電する受電アンテナと、前記受電アンテナからの出力を直流電力に整流して出力する整流部と、前記整流部からの出力を入力するための負荷と、から少なくともなり、前記インバーター部からの出力が直接前記送電アンテナに入力されると共に、前記受電アンテナからの出力が直接整流部に入力される電力伝送システムであって、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数がｋである場合を含む時に、負荷抵抗値がＲであるとき、
Figure 0005988210
 及び
Figure 0005988210
 及び
Figure 0005988210
 の関係を有することを特徴とする。
また、本発明に係る電力伝送システムは、さらに、
Figure 0005988210
 の関係を有することを特徴とする。
また、本発明に係る電力伝送システムは、さらに、
Figure 0005988210
 の関係を有することを特徴とする。
また、本発明に係る電力伝送システムは、さらに
Figure 0005988210
 の関係を有することを特徴とする。
また、本発明に係る電力伝送システムは、さらに
Figure 0005988210
 の関係を有することを特徴とする。
また、本発明に係る電力伝送システムは、前記インバーター部を構成する前記スイッチング素子の耐圧値と、前記送電アンテナから伝送する電力値とに基づいて、
Figure 0005988210
 の上限値を定めることを特徴とする。
また、本発明に係る電力伝送システムは、前記スイッチング素子で許容される電圧の９０％を耐圧値とすることで、
Figure 0005988210
 の上限値を定めることを特徴とする。
また、本発明に係る電力伝送システムは、前記スイッチング素子で許容される電圧の７０％を耐圧値とすることで、
Figure 0005988210
 の上限値を定めることを特徴とする。
また、本発明に係る電力伝送システムは、送電アンテナが無指向性であることを特徴とする。
また、本発明に係る電力伝送システムは、受電アンテナが指向性であることを特徴とする。
また、本発明に係る電力伝送システムにおいては、送電アンテナの回路定数と、受電アンテナの回路定数とが上記の式（２）及び式（６）及び式（７）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。
また、本発明に係る電力伝送システムによれば、車両底面に受電アンテナを装着した場合でも、少なくとも受電アンテナに指向性があるので、電力伝送中に受電アンテナから漏洩し車両底部の金属体に進入する磁界を低減することが可能となり、車両底部を加熱させてしまうことがなく、加えて、システムの電力伝送効率を向上させることができる。
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。 本発明の実施形態に係るアンテナのコイルを造形するために利用される基材３００を示す図である。 基材３００に形成されるメインコイルの概要を模式的に示す図である。 基材３００に形成されるサブコイルの概要を模式的に示す図である。 基材３００に導体線４００を巻回する際のパターンの１例を示す図である。 本発明の実施形態に係るアンテナを示す図である。 メインコイル造形用突片３２０を設ける意義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を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るアンテナを示す図である。 本発明の他の実施形態に係るアンテナを示す図である。 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のコイルを造形するために利用される基材３００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おける第２基材５００の取り付けを説明する図である。 基材３００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に用いるソレノイドコイルを説明する図である。 電力伝送時における送電アンテナ、受電アンテナ、電池のインピーダンスの比較を説明する図である。 本発明の他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。
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に対して最も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。
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。この電圧調整部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、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ｄ2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、ＲL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 0005988210
 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 0005988210
 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 0005988210
Figure 0005988210
 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 0005988210
 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 0005988210
 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。
次ぎに、本発明の他の実施形態について説明する。先の実施形態においては、送電アンテナ１０５及び受電アンテナ２０１が共に、無指向性のアンテナを用いていた。
受電アンテナ２０１が車両の底面部にレイアウトされる場合、電力伝送中にアンテナから漏洩した磁界が金属体に進入し、金属体内において当該磁界で誘導される電流によって、車両の底部を加熱させてしまう、という問題がある。そこで、本実施形態においては、特に、受電アンテナ２０１に、指向性を有するアンテナを用いるようにしている。なお、送電アンテナ１０５及び受電アンテナ２０１が双方に、指向性のアンテナを用いるようにしてももちろん良い。
以上のような電力伝送システム１００によれば、車両底面に受電アンテナ２０１を装着した場合でも、少なくとも受電アンテナ２０１に指向性があるので、電力伝送中に受電アンテナ２０１から漏洩し車両底部の金属体に進入する磁界を低減することが可能となり、車両底部を加熱させてしまうことがなく、加えて、システムの電力伝送効率を向上させることができるのである。
次に、他の実施形態に係る電力伝送システム１００で用いる指向性アンテナの具体的な構成について説明する。以下、このアンテナは、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、以下の実施形態では、アンテナを構成するコイルに係る構成について詳しく説明するが、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。
また、本実施形態に係るアンテナは、メインコイルＭＣと、複数のサブコイルＳＣからなるアンテナであり、メインコイルＭＣによる磁界を、複数のサブコイルＳＣによる磁界で補正することで、アンテナとしての指向性を持たせるようになっている。
まず、アンテナを構成するコイルを造形するために利用される基材３００の構成について説明する。図６は本発明の実施形態に係るアンテナのコイルを造形するために利用される基材３００を示す図である。なお、本実施形態においては、この基材３００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３００は、第１面３０１と、これと表裏の関係にある第２面３０２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３００は、略円形の平板部をなす基部３１０と、この基部３１０から放射状に延出する複数の突片とから構成されている。
これらの突片としては、メインコイル造形用突片３２０とサブコイル造形用突片３３０の２種類があり、基部３１０の周囲に、メインコイル造形用突片３２０とサブコイル造形用突片３３０とが交互に配列されるようになっている。なお、本実施形態においては、１個のメインコイル造形用突片３２０と、１個のサブコイル造形用突片３３０とが交互に、基部３１０周囲に配列される構成を例に説明しているが、このような例に限らず、例えば、後述する図１８のように、連続した任意の個数のメインコイル造形用突片３２０と、１個のサブコイル造形用突片３３０とが交互に、基部３１０周囲に配列される構成や、これとは逆に、１個のメインコイル造形用突片３２０と、連続した任意の個数のサブコイル造形用突片３３０とが交互に、基部３１０周囲に配列される構成や、更には、連続した任意の個数のメインコイル造形用突片３２０と、連続した任意の個数のサブコイル造形用突片３３０とが交互に、基部３１０周囲に配列される構成についても本発明の範疇に含まれるものである。
メインコイル造形用突片３２０は、基部３１０から放射状に延出する方向と略平行な２つの側部３２２と、基材３００の外縁に相当する縁部３２５とを有している。また、サブコイル造形用突片３３０も、基部３１０から放射状に延出する方向と略平行な２つの側部３３２と、基材３００の外縁に相当する縁部３３５とを有している。
メインコイル造形用突片３２０は、第１面３０１又は第２面３０２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でメインコイルＭＣの形状が維持される。サブコイル造形用突片３３０は、導体線４００を巻回するために利用され、これにより導体線４００でサブコイルＳＣの形状が維持される。また、サブコイル造形用突片３３０で巻回された導体線４００の一部や、サブコイル造形用突片３３０で係止される導体線４００は、メインコイルＭＣとしても機能する。
以上のような、基材３００を利用して、導体線４００で形成されるメインコイルＭＣと、サブコイルＳＣの概要について説明する。図７は基材３００に形成されるメインコイルＭＣの概要を模式的に示す図であり、図８は基材３００に形成されるサブコイルＳＣの概要を模式的に示す図である。
図７及び図８において、平面Pは、基材３００の第１面３０１を含む面であり、第１軸
は平面Pの法線である。また、第２軸は平面P内に含まれる軸である。
メインコイルＭＣは、第１軸を中心として、これを周回する導体で形成されるものとして定義することができる。
図７の例では、メインコイルＭＣは、第１軸を中心として平面P内で渦巻き状をなす導
体により構成されているが、メインコイルＭＣは、第１軸を中心として、これを周回する導体により形成されればどのようなものであってもよい。例えば、メインコイルＭＣは、第１軸を中心として巻回されるソレノイド状のコイルであっても構わない。また、メインコイルＭＣの導電部としては、導体線ではなく、基材３００に印刷した導体を用いることなども可能である。
上記のように構成されるメインコイルＭＣは、ある瞬間ｔに流れる電流Iによって、図
７に示すような向きの磁界Ｈｍが形成される。
一方、サブコイルＳＣは、第２軸を中心として、これを周回する導体で形成されるものとして定義することができる。
図８では、サブコイルＳＣは、第２軸を中心としたソレノイド状のコイルにより形成される例を示しているが、サブコイルＳＣは、第２軸を中心として、これを周回する導体により形成されればどのようなものであってもよい。
本実施形態に係るアンテナにおいては、上記のようなサブコイルＳＣとして、８個設けられるようになっているが、設けるサブコイルＳＣ数に特に制限があるわけではない。
図面の最も右にあるサブコイルＳＣについては、ある瞬間ｔに流れる電流Iによって形
成される磁界Ｈｓが図示してある。他のサブコイルＳＣについても、このサブコイルＳＣと同じように、第１軸から離れる方向に向いた磁界Ｈｓが形成される。なお、いずれのサブコイルＳＣの磁界Ｈｓのスカラー量は共通である。
本実施形態に係るアンテナにおいては、ある瞬間ｔに流れる電流Iによって形成される
磁界は、１つのメインコイルＭＣにより形成される磁界Ｈｍと、８つのサブコイルＳＣにより形成される磁界Ｈｓの合成により形成された合成磁界が発生する。
このような合成磁界においては、平面Ｐの上面側では磁界Ｈｍと磁界Ｈｓとが相殺し、平面Ｐの上面側では磁界Ｈｍと磁界Ｈｓとが強め合うこととなるので、アンテナ全体により発生する磁界は、平面Ｐの下面側に広がる磁界となり、指向性が付与されたものとなる。
このような本実施形態に係るアンテナを、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１に適用すると、車両に搭載される側において、電力伝送中にアンテナから漏洩し車両底部の金属体に進入する磁界を低減することが可能となり、車両底部を加熱させてしまうことがなく、加えて、システムの電力伝送効率を向上させることができる。
次に、以上のように定義されるメインコイルＭＣ、サブコイルＳＣを、基材３００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９を参照して説明する。
本実施形態においては、サブコイル造形用突片３３０に、透磁率と比抵抗が高いフェライト材料などの強磁性体材料からなる磁性コア３５０を取り付けた上で、図９に示すパターンで導体線４００を巻回していく。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ている。
図９において、導体線４００に示された矢印は、巻回する際の順序を示している。例えば、図中（ａ）から、導体線４００を巻回し始めたとすると、まず、（ａ）から（ｂ）にかけては、メインコイル造形用突片３２０の第１面３０１側において、導体線４００を係止させる。
続いて、（ｂ）から（ｃ）の区間においては、導体線４００は、サブコイル造形用突片３３０の第２面→サブコイル造形用突片３３０の第１面→サブコイル造形用突片３３０の第２面のように、サブコイル造形用突片３３０の周囲に略１周半分にわたって巻回される。
サブコイル造形用突片３３０で上記のように巻回されるコイルは、全体としてサブコイルＳＣとしての磁界を形成すると共に、サブコイル造形用突片３３０の第２面側に巻回されている導体線４００分は、メインコイルＭＣとしての磁界も形成することとなる。
以上のような巻回パターンにより、（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→・・・と順次巻回する。基材３００の全ての突片に対して基材３００の周囲１周分、上記のよう巻回パターンでの
巻回を行い、再び（ａ）に戻ったときには、突片が基部３１０から延出する方向に、ずらして、巻回を進めていく。
上記のようにして、基材３００の周囲に略５周分の巻回を行ったものが、図１０である。図１０は本発明の実施形態に係るアンテナを示す図である。なお、基材３００の周囲に巻回する巻回数はこれに限定されるものではない。
以上のような指向性のあるアンテナは、メインコイルＭＣと、複数のサブコイルＳＣと、を有するアンテナであり、メインコイルＭＣによる磁界を、複数のサブコイルＳＣによる磁界で補正する。このような本実施形態に係るアンテナによれば、車両底面にアンテナを装着した場合でも、アンテナ全体により発生する磁界には指向性があるので、電力伝送中にアンテナから漏洩し車両底部の金属体に進入する磁界を低減することが可能となり、車両底部を加熱させてしまうことがなく、加えて、システムの電力伝送効率を向上させることができる。
ここで、本実施形態に係るアンテナにおいて、メインコイルＭＣの寄与によって形成されるインダクタンスＬｍと、複数のサブコイルＳＣ（図の例では８個のサブコイルＳＣ）の全ての寄与によって形成されるインダクタンスＬｓとの間には、Ｌｓ≦Ｌｍ≦２．５Ｌｓの関係を持たせることが好ましい。
これは、本実施形態に係るアンテナを車両の底部に搭載し、送電アンテナ１０５と受電アンテナ２０１とを、実用範囲で向き合わせたときに、所定以上の電力伝送効率が得られるインダクタンスＬｍとインダクタンスＬｓとの関係である。
上記のような関係を成立させるためには、第１の方法としては、メインコイルＭＣを構成する周回する導体線４００の配置を調整することを挙げることができる。図１０に示す巻回パターンで説明すると、基材３００の略中心Ｏと、導体線４００との間の距離（図１０におけるｒ）を種々調整することでインダクタンスＬｍを変更し、前記関係を満たすようにする。
また、第２の方法としては、サブコイルＳＣを構成する周回する導体線４００の配置を調整することを挙げることができる。より具体的には、サブコイル造形用突片３３０の形状・大きさを種々調整することで、サブコイル造形用突片３３０での導体線４００の巻回形状を変えインダクタンスＬｓを変更し、前記関係を満たすようにする。
また、第３の方法としては、メインコイルＭＣの周回数及びサブコイルＳＣの周回数を調整することで、前記関係を満たすようにすることを挙げることができる。
さらに、第４の方法としては、メインコイルＭＣ又はサブコイルＳＣのいずれかの周回数を調整することで、前記関係を満たすようにすることを挙げることができる。
図９に示す巻回パターンで、サブコイルＳＣの周回数を調整する方法を説明する。例えば、図９に示す巻回パターンにおいて、（ｂ）から（ｃ）の区間においては、導体線４００をサブコイル造形用突片３３０に巻回する際に、導体線４００を略１周半分巻回するようにしていたが、例えば、サブコイルＳＣのインダクタンスＬｓを増加させようとする場合、サブコイル造形用突片３３０に巻回する導体線４００を略２周半分とすることで、サブコイルＳＣのインダクタンスＬｓを調整することができる。
また、第５の方法としては、サブコイルＳＣを構成する導体の内周側に、磁性コア３５０を設けたり、或いは、これを省いたりすることでインダクタンスＬｓを変更し、前記関
係を満たすようにすることを挙げることができる。
さらに、第６の方法としては、サブコイルＳＣを構成する導体の内周側には磁性コア３５０を設けると共に、この磁性コア３５０の透磁率を調整したり、磁性コア３５０の大きさ及び形状を調整したりすることでインダクタンスＬｓを変更し、前記関係を満たすようにすることを挙げることができる。
次に、メインコイル造形用突片３２０を設けるメリットについて説明する。図１１はメインコイル造形用突片３２０を設ける意義を説明する図である。図１１（Ａ）はメインコイル造形用突片３２０が設けられている本実施形態に係るアンテナの巻回パターンを説明する図であり、図１１（Ｂ）はメインコイル造形用突片３２０が設けられていない比較例に係るアンテナの巻回パターンを説明する図である。
また、図１１（Ｃ）は基材３００における各部の定義を説明する図である。基材３００の略中心Ｏと、メインコイル造形用突片３２０（又はサブコイル造形用突片３３０）の縁部３３５の中間点とを通る線に対する垂線が、メインコイル造形用突片３２０（又はサブコイル造形用突片３３０）を横切る長さを、突片の「幅」として定義する。
また、基材３００の略中心Ｏと、メインコイル造形用突片３２０（又はサブコイル造形用突片３３０）の縁部３３５の中間点とを通る線が、基部３１０の端部から縁部３３５まで通る距離を、突片の「長さ」として定義する。
図１１（Ａ）と図１１（Ｂ）とを比較するとわかるように、メインコイル造形用突片３２０が設けられている本実施形態に係るアンテナにおいては、導体線４００は、基材３００の略中心Ｏを中心とした円により近い形状となる。これにより、メインコイル造形用突片３２０が設けられている場合には、メインコイルＭＣの寄与により発生するインダクタンスＬｍをより増大させることが可能となる。
また、本実施形態においては、図１１（Ｃ）に示すように、メインコイル造形用突片３２０及びサブコイル造形用突片３３０の幅は、基材３００の外周縁に近いほど広くなるように構成することが好ましい。このように構成することで、基材３００の主面に対して垂直な方向以外に放射される磁界の成分をより低減することが可能となると共に、導体線４００が、基材３００の略中心Ｏの方向へよる力が発生するためアンテナの振動強度を増大させることができる。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図１２は本発明の他の実施形態に係るアンテナを示す図である。
これまで、説明した実施形態においては、磁性コア３５０は、サブコイル造形用突片３３０の長さ以下であったが、本実施形態においては、磁性コア３５０の長さがサブコイル造形用突片３３０の長さより長く設定されると共に、基材３００の基部３１０側に延在するようにしてサブコイル造形用突片３３０に取り付けられることを特徴としている。基材３００の基部３１０側に延在した磁性コア３５０の部分は、図１２においてＰとして示されている部分である。
このような磁性コア３５０の長さ、配置によれば、基材３００の中央に近い部分における磁界の漏れを低減することで、アンテナの指向性をより高めることが可能となる。
また、図１３は本発明の他の実施形態に係るアンテナを示す図である。図１３に示す実施形態においては、磁性コア３５０の長さがサブコイル造形用突片３３０の長さより長く
設定されると共に、サブコイル造形用突片３３０の縁部３３５から延在するようにしてサブコイル造形用突片３３０に取り付けられることを特徴としている。サブコイル造形用突片３３０の縁部３３５から延在した磁性コア３５０の部分は、図１３においてＱとして示されている部分である。
このような磁性コア３５０の長さ、配置によれば、基材３００の外周縁に近い部分における磁界の漏れを低減することで、アンテナの指向性をより高めることが可能となる。
なお、図１２に示す実施形態と図１３に示す実施形態を組み合わせた実施形態によっても、上記のようなアンテナの指向性を高める効果をよりいっそう期待することができる。
また、本実施形態に係るアンテナにおいては、磁性コア３５０をそれぞれの独立した別体のものとして複数用意して、個別の磁性コア３５０を、それぞれのサブコイル造形用突片３３０に取り付けることがよく、基材３００の中心部で連結されたような一体側の磁性コアを用いることは好ましくない。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図１４は本発明の他の実施形態に係るアンテナを示す図であり、図１４（Ａ）は他の実施形態アンテナのメインコイルＭＣを構成する部分を、また、図１４（Ｂ）は他の実施形態のアンテナのサブコイルＳＣを構成する部分をそれぞれ示している。本実施形態に係るアンテナは、図１４（Ａ）と図１４（Ｂ）とを重ね合わせたものである。
また、図１５は、本発明の他の実施形態に係るアンテナの等価回路を示す図である。図１５において、ＬｍはメインコイルＭＣによって形成されるインダクタンスであり、Ｌｓはそれぞれ個別のサブコイルＳＣによって形成されるインダクタンスである。
これまで説明した実施形態においては、1つ基材３００を用いて、図９に示す巻回パタ
ーンによって、アンテナのメインコイルＭＣと、サブコイルＳＣと同時的に形成していた。
これに対して、図１４及び図１５に示す実施形態では、２つ基材３００を用いて、それぞれの基材３００に、メインコイルＭＣと、サブコイルＳＣとを独立的に形成している。
図１４（Ａ）において、導体線４００は、メインコイル造形用突片３２０及びサブコイル造形用突片３３０に係止されながら、渦巻き状に巻回されることで、まさに図７の模式図に示すメインコイルＭＣが形成されることとなる。
一方、サブコイルＳＣの形成には、サブコイル造形用突片３３０のみが利用される。本実施形態では、図１４（Ｂ）に示すように、磁性コア３５０が取り付けられたサブコイル造形用突片３３０に、導体線４００を巻き付けて、各サブコイル造形用突片３３０でそれぞれ独立したサブコイルＳＣを形成する。これらのサブコイルＳＣは、模式的には図８に示されるものと同等である。また、これらのサブコイルＳＣは、図１５に示すように直列に接続される。
さらに、図１５に示すように、サブコイルＳＣの直列接続は、メインコイルＭＣとも直列接続される。なお、図１５に示すように各コイルを接続する際には、図７及び図８で説明したような磁界が発生するように、これを行う。さらに、図１４（Ａ）のメインコイルＭＣと図１４（Ｂ）のサブコイルＳＣとを、それぞれ重ね合わせて近接させることで、他の実施形態に係るアンテナが構成される。このような他の実施形態に係るアンテナによっても、これまで説明した実施形態と同様の効果を享受することができる。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図１６は本発明の他の実施形態に係るアンテナのコイルを造形するために利用される基材３００を示す図である。図１６において、先の実施形態と同様の参照番号が付されている構成については、同様のものであるので説明を省略する。
他の実施形態に係るアンテナが、最初に説明した実施形態に係るアンテナと異なる第１の点は、最初に説明した実施形態に係るアンテナにおいては、基材３００の周囲に、メインコイル造形用突片３２０とサブコイル造形用突片３３０とが交互に配列されているのに対して、他の実施形態に係るアンテナにおいては、基材３００の周囲に、連続した複数個のメインコイル造形用突片３２０と１個のサブコイル造形用突片３３０とが交互に配列されることである。
特に、他の実施形態に係るアンテナにおいては、基材３００の周囲に、連続して配列されるメインコイル造形用突片３２０の数が、奇数個であることが望ましい。図１６に示す実施形態においては、連続して配列されるメインコイル造形用突片３２０の数は３個である。
上記のように、基材３００の周囲に連続して配列されるメインコイル造形用突片３２０の数を奇数個としておくと、図１８に示すように導体線４００を巻回する際に、導体線４００が第１面３０１から第２面３０２へ、また、第２面３０２から第１面３０１へと、渡されるパターンが、基材３００の周囲全周にわたり一様となるため、アンテナの製造効率が向上する。
また、他の実施形態に係るアンテナが、最初に説明した実施形態に係るアンテナと異なる第２の点は、第２基材５００が用いられる点である。図１７は本発明の他の実施形態に係るアンテナにおける第２基材５００の取り付けを説明する図である。
基材３００同様、第２基材５００は、第１面５０１と、これと表裏の関係にある第２面５０２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。
この第２基材５００は、略中央の平板部をなす基部５１０と、この基部５１０から放射状に延出する複数のサブコイル造形用突片５３０とから構成されている。第２基材５００のサブコイル造形用突片５３０は、基材３００のサブコイル造形用突片３３０とで磁性コア３５０を挟持するため、及び、導体線４００を巻回するために利用される。
図１７に示すように、基材３００のサブコイル造形用突片３３０には、透磁率と比抵抗が高いフェライト材料などの強磁性体材料からなる磁性コア３５０を取り付けた上で、さらに、第２基材５００を磁性コア３５０の上に取り付けて、基材３００のサブコイル造形用突片３３０と第２基材５００のサブコイル造形用突片５３０とで、磁性コア３５０を挟持させる。
さらに、他の実施形態に係るアンテナにおいては、基材３００のサブコイル造形用突片３３０と第２基材５００のサブコイル造形用突片５３０の外周囲に導体線４００が巻回されることで、サブコイルＳＣの形状が維持される。これにより、造形されるサブコイルＳＣを構成する導体線４００と、第２軸との間の距離は、基材３００のみを使う場合に比べて増加し、その結果インダクタンス成分も増加することとなる。
次に、他の実施形態に係るアンテナにおいて、メインコイルＭＣ、サブコイルＳＣを、
基材３００及び第２基材５００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１８を参照して説明する。
図１８において、導体線４００に示された矢印は、巻回する際の順序を示している。例えば、図中（ａ）から、導体線４００を巻回し始めたとすると、まず、（ａ）から（ｂ）にかけては、メインコイル造形用突片３２０の第１面３０１側において、導体線４００を係止させる。
続いて、（ｂ）から（ｃ）の区間においては、導体線４００は、基材３００のサブコイル造形用突片３３０の第２面→第２基材５００のサブコイル造形用突片５３０の第１面→基材３００のサブコイル造形用突片３３０の第２面のように、基材３００のサブコイル造形用突片３３０及び第２基材５００のサブコイル造形用突片５３０の周囲に略１周半分にわたって巻回される。
サブコイル造形用突片３３０で上記のように巻回されるコイルは、全体としてサブコイルＳＣとしての磁界を形成すると共に、サブコイル造形用突片３３０の第２面側に巻回されている導体線４００分は、メインコイルＭＣとしての磁界も形成することとなる。
続いて、（ｃ）から（ｄ）にかけては、メインコイル造形用突片３２０の第１面３０１側において、導体線４００を係止させる。
続く、（ｄ）から（ｅ）にかけては、メインコイル造形用突片３２０の第２面３０２側において、導体線４００を係止させる。
続く、（ｅ）から（ｆ）にかけては、メインコイル造形用突片３２０の第１面３０１側において、導体線４００を係止させる。
以上のような巻回パターンにより、さらに（ｇ）→（ｈ）→（ｉ）→・・・と順次巻回する。基材３００、第２基材５００の全ての突片に対して基材３００の周囲１周分、上記のよう巻回パターンでの巻回を行い、再び（ａ）に戻ったときには、突片が基部３１０から延出する方向に、ずらして、巻回を進めていく。
以上のように構成される他の実施形態に係るアンテナにおいても、これまでに説明したアンテナと同様の効果を享受することが可能であると共に、磁性コア３５０が２つの突片に挟持されるので製造性がよく、さらに、基材３００のみを利用する場合に比べ、インダクタンス成分を増加させることも可能となる。
以上、本実施形態に係るアンテナは、メインコイルＭＣと、複数のサブコイルＳＣと、を有し、メインコイルＭＣによる磁界を、複数のサブコイルＳＣによる磁界で補正するアンテナであり、このような本実施形態に係るアンテナによれば、車両底面にアンテナを装着した場合でも、アンテナ全体により発生する磁界には指向性があるので、電力伝送中にアンテナから漏洩し車両底部の金属体に進入する磁界を低減することが可能となり、車両底部を加熱させてしまうことがなく、加えて、システムの電力伝送効率を向上させることができる。
以上、指向性を持たないアンテナ、及び、指向性を有するアンテナの、２種類のタイプのアンテナを用いる例について説明したが、インダクタンス成分Ｌ1、キャパシタンス成
分Ｃ1である送電アンテナと、インダクタンス成分Ｌ2、キャパシタンス成分Ｃ2である受
電アンテナと、の間に、
Figure 0005988210
 及び
Figure 0005988210
 の関係を有する限りにおいては、どのようなアンテナを用いることもできる。
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やボビンの周囲に巻回されたソレノイドコイルを用いるアンテナも好適に利用することができる。以下、これらの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１９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１９（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１９（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１９（Ｃ）はスパイダーコイルを示す図である。
図１９（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１９（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１９（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６
２０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１９（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。
また、図２０は本発明の他の実施形態に係るアンテナに用いるソレノイドコイルを説明する図であり、図２０（Ａ）はソレノイドコイルの斜視図であり、図２０（Ｂ）はソレノイドコイルを用いたアンテナを、送電アンテナ１０５、受電アンテナ２０１として利用して、本発明を実現した様子を説明する図である。
ボビン７００は、導体線４００が周囲に巻回されたとき、導体線４００をソレノイドコイル状に造形するものであり、例えばポリカーボネートやポリプロピレン、ＡＢＳ樹脂などの誘電正接が小さく、剛性を有する材料を用いて構成することができる。
本実施形態においては、ボビン７００の周囲に巻回されたソレノイドコイルかなるアンテナを、図２０（Ｂ）に示すように対向配置させて利用することができ、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も、本発明を実現することもできる。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。これまで説明した実施形態においては、送電アンテナ１０５のインピーダンスと受電アンテナ２０１のインピーダンスとの間の関係について説明したが、以下の実施形態においては、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。
図２１は電力伝送時における送電アンテナ１０５、受電アンテナ２０１、電池２０４のインピーダンスの比較を説明する図である。
図２１においては、送電アンテナ１０５のインピーダンスは式（３）で、また受電アンテナ２０１のインピーダンスは式（４）で求めると共に、電池２０４のインピーダンスR
を電池２０４の電圧と、電池２０４に流入した電流から求めたものである。
また、図２１は送電アンテナ１０５及び受電アンテナ２０１の位置関係を種々変更（すなわち、結合係数ｋを種々変更）した上で、実験的に求めた結果を要約したものである。
図２１においては、伝送効率が比較的高い場合（○）、伝送効率が高い場合より劣るが伝送効率が比較的良い場合（△）、伝送効率が比較的低い場合（×）の３種の代表的なプロットを示している。
上記図２１に示すプロットを得る実験を通して、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との間には、
Figure 0005988210
 の関係を有することで、受電側システムで電池２０４の充電を行う場合、効率的な電力伝送を行うことが可能であるとの知見を得た。なお、特許請求の範囲においては、電池２０４については負荷と表現され、電池２０４のインピーダンスRは、負荷抵抗値として表現
されている。
また、上記図２１に示すプロットを得る実験を通して、式（２）及び式（６）の条件に加えて、さらに、式（３）の送電アンテナ１０５のインピーダンスと電池２０４のインピーダンスRとの間には、
Figure 0005988210
 の関係を有することで、受電側システムで電池２０４の充電を行う場合、効率的な電力伝送を行うことが可能であるとの知見を得た。
また、上記図２１に示すプロットを得る実験を通して、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の間には、
Figure 0005988210
 の関係を有することで、受電側システムで電池２０４の充電を行う場合、効率的な電力伝送を行うことが可能であるとの知見を得た。
また、実験を通して、送電アンテナ１０５のインダクタンス成分Ｌ1［H］と、受電アンテナ２０１のインダクタンス成分Ｌ2［H］との間には、
Figure 0005988210
 の関係、より好ましくは、
Figure 0005988210
 の関係を有すると、受電側システムで電池２０４の充電を行う場合、効率的な電力伝送を行うことが可能であることがわかった。
これまで説明したように、式（３）の送電アンテナ１０５のインピーダンスと電池２０４のインピーダンスRとの間には、
Figure 0005988210
 の関係があると電力伝送効率に好適であることを説明したが、式（３）の送電アンテナ１０５のインピーダンスの値を高くするとしても、その上限値は電力伝送システムの構成に依存して決まることとなる。
より具体的には、インバーター部１０３を構成するスイッチング素子の耐圧値と、送電アンテナ１０５から伝送する電力値とに基づいて、
Figure 0005988210
 の上限値を定めるようにするとよい。
上記のようなインバーター部１０３のスイッチング素子の耐圧値としては、スイッチング素子で許容される電圧の９０％を１つの基準として用いることができる。ただし、電力伝送システムで余裕のある電力伝送を行う場合には、スイッチング素子で許容される電圧の７０％を耐圧値とするとよい。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図２２は本発明の他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。
本実施形態が図１に係るものと異なる点は、本実施形態に係るシステムでは、整合器が設けられていない点である。すなわち、本実施形態においては、インバーター部１０３からの出力は直接送電アンテナ１０５に入力されると共に、受電アンテナ２０１からの出力は直接整流部２０２に入力されることを特徴としている。
図２２に示すような他の実施形態に係る構成によれば、送電アンテナ１０５と、受電アンテナ２０１のみのインダクタンス成分、キャパシタンス成分の調整によって、整合器などの回路部を要することなく、効率的な電力伝送を行い得るので、システムのコストを抑制することができる。
以上、本発明に係る電力伝送システムにおいては、送電アンテナの回路定数と、受電アンテナの回路定数とが上記の式（２）及び式（６）及び式（７）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。
また、本発明に係る電力伝送システムによれば、車両底面に受電アンテナを装着した場合でも、少なくとも受電アンテナに指向性があるので、電力伝送中に受電アンテナから漏洩し車両底部の金属体に進入する磁界を低減することが可能となり、車両底部を加熱させてしまうことがなく、加えて、システムの電力伝送効率を向上させることができる。
１００・・・電力伝送システム
１０１・・・ＡＣ／ＤＣ変換部
１０２・・・電圧調整部
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
３００・・・基材
３０１・・・第１面
３０２・・・第２面
３１０・・・基部
３２０・・・メインコイル造形用突片
３２２・・・側部
３２５・・・縁部
３３０・・・サブコイル造形用突片
３３２・・・側部
３３５・・・縁部
３５０・・・磁性コア
４００・・・導体線
５００・・・第２基材
５０１・・・第１面
５０２・・・第２面
５１０・・・基部
５３０・・・サブコイル造形用突片
６００・・・基材
６０１・・・第１面
６０２・・・第２面
６１０・・・基部
６２０・・・コイル造形用突片
７００・・・ボビン

Claims (10)

  1. インダクタンス成分Ｌ1、固定容量のキャパシタンス成分Ｃ1である直列共振器を構成し、交流電力が入力される送電アンテナと、
    スイッチング素子からなり直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して前記送電アンテナに出力するインバーター部と、
    インダクタンス成分Ｌ2、固定容量のキャパシタンス成分Ｃ2である直列共振器を構成し、前記送電アンテナから電磁場を介して電磁気的エネルギーを受電する受電アンテナと、
    前記受電アンテナからの出力を直流電力に整流して出力する整流部と、
    前記整流部からの出力を入力するための負荷と、から少なくともなり、
    前記インバーター部からの出力が直接前記送電アンテナに入力されると共に、前記受電アンテナからの出力が直接整流部に入力される電力伝送システムであって、
    前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数がｋである場合を含む時に、負荷抵抗値がＲであるとき、
    Figure 0005988210
     及び
    Figure 0005988210
     及び
    Figure 0005988210
     の関係を有することを特徴とする電力伝送システム。
  2. さらに、
    Figure 0005988210
     の関係を有することを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
  3. さらに、
    Figure 0005988210
     の関係を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力伝送システム。
  4. さらに
    Figure 0005988210
     の関係を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
  5. さらに
    Figure 0005988210
     の関係を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
  6. 前記インバーター部を構成する前記スイッチング素子の耐圧値と、前記送電アンテナから伝送する電力値とに基づいて、
    Figure 0005988210
     の上限値を定めることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
  7. 前記スイッチング素子で許容される電圧の９０％を耐圧値とすることで、
    Figure 0005988210
     の上限値を定めることを特徴とする請求項６に記載の電力伝送システム。
  8. 前記スイッチング素子で許容される電圧の７０％を耐圧値とすることで、
    Figure 0005988210
     の上限値を定めることを特徴とする請求項６に記載の電力伝送システム。
  9. 送電アンテナが無指向性であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
  10. 受電アンテナが指向性であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
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