(57)【要約】【課題】非接触給電に係るアンテナの支持体として、誘電率の高い誘電体を用いた場合、誘電率の高い誘電体は一般的に誘電正接が高いため、送電側アンテナから受電側アンテナへの送電効率を悪化させてしまう。【解決手段】受電側アンテナ及び送電側アンテナを異なる誘電率及び誘電正接を有する複数の誘電体を用いた支持体により支持する。これにより、高誘電率の誘電体により支持する場合に得られるアンテナサイズの小型化と低誘電正接の誘電体により支持する場合に得られる伝送効率の向上を同時に実現可能となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを動力源として利用する機器に対して非接触状態で送電を行う非接触送電システムであって、
前記機器に搭載され、電磁的結合により受電する受電側アンテナと、
前記受電側アンテナに対して電磁的結合により送電する送電側アンテナと、
前記送電側アンテナから前記受電側アンテナへの送電効率が最大となる共振周波数で、交流電力を前記送電側アンテナに供給する交流電力ドライバとを備え、
前記受電側アンテナ及び前記送電側アンテナは、
前記受電側アンテナと前記送電側アンテナとの対向面側を支持する第一誘電体を含む第一アンテナ支持部と、
前記受電側アンテナと前記送電側アンテナとの背面側を支持する前記第一誘電体と比較して高い誘電率を有する第二誘電体を含む第二アンテナ支持部と、を備えることを特徴とする非接触給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願に開示の技術は、機器に非接触で送電する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年自動車車両の新たな走行駆動技術として、電気エネルギーを動力源として電動機により駆動力を発生する電気自動車や、内燃機関と電動機との補完により駆動力を発生する、いわゆるハイブリッド自動車の開発が進められ実用化されてきている。
【０００３】
電気エネルギーは車両に搭載されている蓄電装置により車両内に蓄積される。蓄電装置にはニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの再充電可能な二次電池が使用されており、二次電池への充電は車両外部の電源からの送電により行われることが一般的である。送電の方法として、車両外部の電源と二次電池を含む蓄電装置との間をケーブルで接続する方法の他、非接触状態で送電する方法が注目されている。
【０００４】
車両外部の電源から非接触状態で充電電力動車両に搭載されている蓄電装置へ送電するために、高周波電力ドライバと、一次コイルと一次自己共振コイルとを備える車両用送電装置が開示されている。高周波電力ドライバにより電源からの電力が高周波電力に変換され、一次コイルによって一次自己共振コイルに与えられる。一次自己共振コイルは車両にある二次自己共振コイルとの間で磁気的に結合され、非接触状態で車両に電力が送電される（特許文献１）。
【０００５】
また、コイルまたはアンテナを利用して非接触送電を行う技術として、特許文献２、非特許文献１が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１０６１３６号公報
【特許文献２】特表２００９−５０１５１０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】アリステディス  カラリス（Aristeidis Karalis）、他２名、「エフィシェント ワイヤレス  ノンラディエイティブ  ミッドレンジ  エネルギー  トランスファ（Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer）」、[online]、2007年4月27日、アニュアル  オブ  フィジックス（Annals of Physics）323 (2008) p.34-48、[平成21年11月20日検索], インターネット＜URL:www.sciencedirect.com＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、背景技術は、アンテナにより非接触状態で送電を行うための回路構成を例示するに過ぎない。アンテナを非接触状態で対向させて送電を行う場合、送電効率とアンテナの小型化を両立させることが好ましい。
【０００９】
アンテナは導電性の金属などをコイル状、あるいはスパイラル上にした形状がとられている。通常これらのアンテナは自立形ではなく、支持体により保持する。この支持体に高い誘電率の誘電体を用いると、アンテナ近傍での電磁波の波長が短くなる。電磁波の波長が短くなることによりアンテナの小型化が可能となる。
【００１０】
また、同じ形状のアンテナで比較すると、アンテナの導線間に存在する誘電体の誘電率が高いほど、アンテナの有するキャパシタンス成分が増加し、共振周波数が低くなる。アンテナの共振周波数は、アンテナのインダクタンス成分とキャパタンス成分の積の二乗根に反比例するため、実現する共振周波数が等しい場合、アンテナの導線間に存在する誘電体の誘電率が高いほど、アンテナの小型化が実現できる。
【００１１】
しかし、アンテナの支持体として、誘電率の高い誘電体を用いた場合、誘電率の高い誘電体は一般的に誘電正接も大きい値をもつため、送電側アンテナから受電側アンテナへの送電効率を悪化させてしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
電気エネルギーを動力源として利用する機器に対して非接触状態で送電を行う非接触送電システムであって、機器に搭載され、電磁的結合により受電する受電側アンテナと、受電側アンテナに対して電磁的結合により送電する送電側アンテナと、送電側アンテナから受電側アンテナへの送電効率が最大となる共振周波数で、交流電力を送電側アンテナに供給する交流電力ドライバとを備え、受電側アンテナ及び送電側アンテナは、受電側アンテナと送電側アンテナとの対向面側を支持する第一誘電体を含む第一アンテナ支持部と、受電側アンテナと送電側アンテナとの背面側を支持する第一誘電体と比較して高い誘電率を有する第二誘電体を含む第二アンテナ支持部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本願に開示される技術を適用することで、非接触送電システムに用いるアンテナのサイズを小型化するとともに送電効率の向上を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】非接触送電システムの概念図
【図２】共振周波数のアンテナ間距離依存性
【図３】異なる誘電率を有する複数の誘電体により支持される送電側アンテナ
【図４】アンテナの形状
【図５】実施例１に係る構造
【図６】実施例２に係る構造
【図７】比較例１に係る構造
【図８】比較例２に係る構造
【図９】比較例３に係る構造
【図１０】各実施例及び各比較例における共振周波数及び送電効率
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に示す様に、非接触送電では、送電装置の送電側アンテナ１１から受電装置の受電側アンテナ２１への電磁波による電磁的結合により電力の送電が行われる。
【００１６】
ここで、送電側アンテナ１１に給電される交流電力の周波数は、送電側アンテナ１１および受電側アンテナ２１を含む系の共振周波数であるとする。図２に系の共振周波数の特性図を示す。横軸は送電側アンテナ１１と受電側アンテナ２１との離間距離（Ｌ）であり、縦軸は共振周波数（ｆ）である。離間距離（Ｌ）がＬ＝Ｌ０以上の領域は、受電側アンテナ２１との電磁的結合の影響が無視される領域である。系は受電側アンテナ２１を含まず、送電側アンテナ１１が有する固有の共振周波数（ｆ＝ｆ０）で共振する。離間距離（Ｌ）がＬ＝Ｌ０以下の領域では、系は送電側アンテナ１１と受電側アンテナ２１とが電磁的に結合された状態となる。すなわち、Ｌ＝Ｌ０以下の領域は、電磁的結合に伴う相互インダクタンスによる影響を受ける領域である。送電側アンテナ１１の固有の共振周波数を挟んで２つの共振点が存在し、離間距離（Ｌ）が短くなることに応じて互いの共振周波数が離れる特性となる。また、この領域での共振周波数で高い送電効率が得られる。
【００１７】
本実施例においては、図３に示す様に、送電側アンテナ１１及を２種の誘電体により保持する。送電側アンテナ１１の送電面側の誘電体を誘電体Ａ、送電面の逆側の誘電体を誘電体Ｂとする。また、送電側アンテナ１１と同じく、受電側アンテナ２１の受電面側の誘電体を誘電体Ａとし、受電面の逆側の誘電体を誘電体Ｂとする。
【００１８】
電磁界シミュレーションの結果を以下に記載する。本実施例で用いるアンテナ１３及び２３の形状を図４に示す。アンテナ１３及び２３として、線の直径２ｍｍ、線間のピッチ２ｍｍ、内側の直径５５２ｍｍ、外側の直径５９２ｍｍのスパイラル形状のダイポールアンテナを用いるとする。また、アンテナ１３及び２３の導線の材料として銅を用いるとする。銅の伝導率は５．９×１０７Ｓ／ｍである。
【００１９】
支持体の材料である誘電体Ａとして誘電率２．３及び誘電正接０．０００１５の高密度ポリエチレンを用いるとする。また、誘電体Ｂとして誘電率８．５５及び誘電正接０．００３のシリコンゴムを用いるとする。なお、誘電率の単位系として、ＣＧＳガウス単位系を用いるとする。
【００２０】
実施例１では、図５に示すように、アンテナ１３及び２３の前後にそれぞれシリコンゴムと高密度ポリエチレンを用い、高密度ポリエチレンを受電側アンテナ２１と送電側アンテナ１１が対向する側に設置する。シリコンゴムと高密度ポリエチレンの厚さは計１０ｍｍである。
アンテナ１３及び２３は高密度ポリエチレン中に存在し、シリコンゴムと高密度ポリエチレンの境界面と接している。高密度ポリエチレンと空気の境界面からアンテナ１３及び２３の表面までの距離は３ｍｍであり、アンテナ１３及び２３の線の直径が２ｍｍであり、高密度ポリエチレンの厚さは５ｍｍである。また、シリコンゴムの厚さは５ｍｍである。受電側アンテナ２１と送電側アンテナ１１の対向する面の間の距離は３０ｃｍである。
【００２１】
この場合、受電側アンテナ２１及び送電側アンテナ１１の共振周波数は３．２ＭＨｚである。また、共振周波数で振動する電力を送電側アンテナ１１に供給した場合の送電側アンテナ１１から受電側アンテナ２１への電力の伝送効率は８９％である。
【００２２】
次に、図６に示す、シリコンゴムと高密度ポリエチレンの厚みを計１０．５ｍｍとし、アンテナ３とシリコンゴムと高密度ポリエチレンとの境界面との距離を０．５ｍｍとした実施例２のシミュレーション結果について記載する。この場合、受電側アンテナ２１及び送電側アンテナ１１の共振周波数はスプリットし、４．０ＭＨｚ及び４．１ＭＨｚである。共振周波数で振動する電力を送電側アンテナ１１に供給した場合の送電側アンテナ１１から受電側アンテナ２１への電力の伝送効率は９３％である。
【００２３】
次に、比較例１として、図７に示すように、厚さ１０ｍｍのシリコンゴムのみを支持体として使用した場合のシミュレーション結果を示す。共振周波数はスプリットし、２．７５ＭＨｚ及び２．８５ＭＨｚである。共振周波数で振動する電力を送電側アンテナ１１に供給した場合の送電側アンテナ１１から受電側アンテナ２１への電力の伝送効率は８６％である。
【００２４】
また、比較例２として、図８に示すように、厚さ１０ｍｍの高密度ポリエチレンのみを支持体として使用した場合のシミュレーション結果を示す。共振周波数は５．０ＭＨｚである。共振周波数で振動する電力を送電側アンテナ１１に供給した場合の送電側アンテナ１１から受電側アンテナ２１への電力の伝送効率は９６％である。
【００２５】
また、比較例３として、図９に示すように、送電側アンテナ１１の送電面側の誘電体をシリコンゴムとし、反対側の誘電体を高密度ポリエチレンとし、受電側アンテナ２１の受電面側の誘電体をシリコンゴムとし、反対側の誘電体を高密度ポリエチレンとした場合のシミュレーション結果を示す。共振周波数はスプリットし、３．０５ＭＨｚ及び３．１５ＭＨｚである。共振周波数で振動する電力を送電側アンテナ１１に供給した場合の送電側アンテナ１１から受電側アンテナ２１への電力の伝送効率は８８％である。
【００２６】
実施例１乃至２及び比較例１乃至３の共振周波数と伝送効率を表にして図１０に示す。支持体である誘電体Ａを誘電正接の低い物質とすることで伝送効率の向上を行うことが可能となる。
【００２７】
また、アンテナの共振周波数は、アンテナの有するインダクタンス成分とキャパシタンス成分の積の二乗根に反比例する。よって、同一のアンテナを用いた場合において、共振周波数が低いことは、同一の共振周波数を実現するためのアンテナのインダクタンス成分を低減することが可能であることを意味する。アンテナの直径が減少するほど、アンテナのインダクタンス成分は減少する関係があるため、インダクタンス成分を低減可能であれば、アンテナのサイズを低減可能であることを意味する。よって、誘電体Ｂを誘電率の高い物質とすることで、電力伝送を行う電磁波の波長を短くすることが可能となり、アンテナの小型化が可能となる。
【００２８】
尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、誘電体Ａ及びＢに黒鉛、カーボンナノチューブ、窒化ホウ素、又は、炭化ケイ素等の誘電体Ａ及び誘電体Ｂに比して熱伝導率の高い物質を混合することで、誘電体Ａ及びＢの熱伝導効率を向上させることができる。これにより、アンテナのジュール熱による温度上昇を抑えることが出来る。
【００２９】
また、誘電体に対し、チタン酸バリウムのような誘電率の高い無機化合物や金属酸化物を混合することで、任意の誘電率の誘電体を用いることが可能となる。
【符号の説明】
【００３０】
１１  送電側アンテナ
２１  受電側アンテナ
１３及び２３  アンテナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2011211792.tif 000011
【図１０】
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