(57)【要約】【課題】コイルの発熱が蓄積されることなく、電力伝送効率低下を抑制可能なアンテナを提供する。【解決手段】本発明のアンテナは、コイルケース２６０と、前記コイルケース２６０に収納されるコイル体２７０と、前記コイルケース２６０に収納されると共に、前記コイル体２７０の共振周波数と異なる共振周波数を有するループコイル３１２と、前記ループコイル３１２に接続されたモーターと、前記モーターの回転軸に設けられるファンと、を有することを特徴とする。【選択図】  図３
2012210118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースと、
前記ケースに収納されるコイルと、
前記ケースに収納されると共に、前記コイルの共振周波数と異なる共振周波数を有するループコイルと、
前記ループコイルに接続されたモーターと、
前記モーターの回転軸に設けられるファンと、を有することを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
ケースと、
前記ケースに収納されるコイルと、
前記ケースに収納されると共に、前記コイルの共振周波数と異なる共振周波数を有するループコイルと、
前記ループコイルに接続されたペルティエ素子と、を有することを特徴とするアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムに用いられ、電力の受電又は送電を行うアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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２（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。
【特許文献１】特表２００９−５０１５１０号公報
【特許文献２】特開２０１０−７３９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようなワイヤレス電力伝送システムでは、比較的周波数が高い交流電力が用いられるために、送電コイル或いは受電コイルがオーム損によって発熱すると共に、さらに発熱により電力伝送の効率が低下する。そこで、ワイヤレス電力伝送システムで用いる送電コイル、受電コイルを冷却する必要があるが、従来の技術ではコイルが冷却される構造とはなっておらず、コイルの発熱が蓄積されてしまい、電力伝送効率が低下する、という問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するために、請求項１に係る発明は、ケースと、前記ケースに収納されるコイルと、前記ケースに収納されると共に、前記コイルの共振周波数と異なる共振周波数を有するループコイルと、前記ループコイルに接続されたモーターと、前記モーターの回転軸に設けられるファンと、を有することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は、ケースと、前記ケースに収納されるコイルと、前記ケースに収納されると共に、前記コイルの共振周波数と異なる共振周波数を有するループコイ
ルと、前記ループコイルに接続されたペルティエ素子と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る電力伝送システムによれば、ループコイルで発生する起電力で回転するファンによって、コイルが冷却されるので、コイルの発熱が蓄積されることなく、電力伝送効率低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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。
【図２】電力伝送システムのインバーター部を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電力伝送システムで用いる受電アンテナ２０１の分解斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電力伝送システムで用いる受電アンテナ２０１による電力伝送の様子を示す断面の模式図である。
【図５】本発明の実施形態に係る受電アンテナ２０１に設けられる回路基板３１０に設けられる回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
本発明の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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。この高電圧発生部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。
【００１４】
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。
【００１５】
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数１００ｋＨｚ〜数１０００ｋＨｚ程度である。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
送電アンテナ１０５は、インダ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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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を通してバッテリー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バッテリー２０４の蓄電を制御する。また、充電制御部２０３はバッテリー２０４の残量管理なども行い得るように構成される。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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からのバッテリー２０４の残量を取得し、バッテリー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。
【００２７】
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。
【００２８】
図３は本発明の実施形態に係る受電アンテナ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。また図５は本発明の実施形態に係る受電アンテナ２０１に設けられる回路基板３１０に設けられる回路構成を示す図である。
【００２９】
なお、以下の実施形態では、コイル体２７０として矩形平板状のものを例に説明するが、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、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。
【００３０】
コイルケース２６０は、受電アンテナ２０１のインダ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。このコイルケース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。コイルケース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、コイルケース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。コイルケース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。コイルケース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。
【００３１】
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には導電線路（不図示）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はコイルケース２６０の矩形状の底板部２６１上に載置され、適当な固着手段によって底板部２６１上に固着される。
【００３２】
磁性シールド体２８０は、中抜き部２８５を有する平板状の磁性部材である。この磁性シールド体２８０を構成するためには、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く、例えばフェライトなどの磁性材料を用いることができる。磁性シールド体２８０は、コイルケース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の上方にある程度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、磁性シールド体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。
【００３３】
回路基板３１０には、ワンループのループコイル３１２と、このループコイル３１２中に直列接続された整流素子３１３、モーター３１５、及びループコイル３１２中に並列接続されたコンデンサ３１４とからなる回路３１１が設けられている。回路基板３１０上の回路３１１は、物理的には、積層方向からみてコイル体２７０の中抜き部２７５と重なるように配置されている。
【００３４】
送電アンテナ１０５により生成される交流磁界により、ループコイル３１２中には起電力が発生する。整流素子３１３は、ループコイル３１２中で発生する起電力のうち一方向のみの電流をコンデンサ３１４とモーター３１５に流すことで、コンデンサ３１４に電荷が蓄積されると共に、モーター３１５を回転させる。コンデンサ３１４に蓄積された電荷は、先の起電力のうち他方向に電流が流されているときにおいても、モーター３１５を回転させるために利用される。モーター３１５に取り付けられたファン３１６は、コイル体２７０に送風するように構成されている。
【００３５】
ループコイル３１２は、コイル体２７０の共振周波数と異なる共振周波数となるように構成されている。これにより、コイル体２７０から漏洩する磁界をループコイル３１２で消費することができ、アンテナ周囲における車両金属部などの温度上昇を抑制することが可能となる。
【００３６】
このような本発明に係る受電アンテナ２０１によれば、ループコイル３１２で発生する起電力で回転するファン３１６によって、コイル体２７０が冷却されるので、コイルの発熱が蓄積されることなく、電力伝送効率低下を抑制することができる。
【００３７】
また、コイルケース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金属体蓋部２９０が、シールド体２８０の上方に所定距離をおいて配されるようになっている。このような金属体蓋部２９０に用いる金属材料として任意のものを用いることとができるが、本実施形態においては、例えばアルミニウムを用いている。
【００３８】
また、上記のような受電アンテナ２０１の構造は、電力伝送システム１００を構成する送電側のアンテナにも適用されている。この場合、図４に示すように、送電アンテナ１０５は、受電アンテナ２０１と水平面に対して面対称（鏡像対称）となるような構造とされている。
【００３９】
送電アンテナ１０５においても、受電側同様に、コイル体１７０がコイルケース１６０
に配され、これと所定距離離されて磁性シールド体１８０が設けられると共に、さらにその下方部に回路基板３１０が配され、金属体蓋部１９０によってコイルケース１６０が封止された構造とすることができる。
【００４０】
以上、本発明に係る送電アンテナ、受電アンテナによれば、ループコイルで発生する起電力で回転するファンによって、コイルが冷却されるので、コイルの発熱が蓄積されることなく、電力伝送効率低下を抑制することができる。
【００４１】
なお、以上で説明した実施形態においては、ループコイルで発生する起電力でモーターを回転し、この回転軸に取り付けられたファンを回し、ファンによって発生する気流によりコイル体を冷却する構成であったが、ループコイル中にペルティエ素子を接続し、ループコイルで発生する起電力でペルティエ素子を冷却させて、コイル体を冷却する構成とすることもできる。このような構成によっても、先の実施形態と同様の効果を享受することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１００・・・電力伝送システム
１０１・・・ＡＣ／ＤＣ変換部
１０２・・・高電圧発生部
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
１６０・・・コイルケース
１７０・・・コイル体
１８０・・・磁性シールド体
１９０・・・金属体蓋部
２０１・・・受電アンテナ
２０２・・・整流部
２０３・・・充電制御部
２０４・・・バッテリー
２１０・・・主制御部
２２０・・・通信部
２３０・・・インターフェイス部
２６０・・・コイルケース
２６１・・・底板部
２６２・・・側板部
２６３・・・（上方）開口部
２７０・・・コイル体
２７１・・・基材
２７２・・・導電部
２７３・・・第１端部
２７４・・・第２端部
２８０・・・磁性シールド体
２８５・・・中抜き部
２９０・・・金属体蓋部
３１０・・・回路基板
３１１・・・回路
３１２・・・ループコイル
３１３・・・整流素子
３１４・・・コンデンサ
３１５・・・モーター
３１６・・・ファン
【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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