特許 6444510 無線電力伝送装置及び受信装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6444510

(24)【登録日】2018年12月7日

(45)【発行日】2018年12月26日

(54)【発明の名称】無線電力伝送装置及び受信装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20181217BHJP

   H02J 50/70 20160101ALI20181217BHJP

   H02J 50/40 20160101ALI20181217BHJP

   H01F 38/14 20060101ALI20181217BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/12

   H02J50/70

   H02J50/40

   H01F38/14

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-531794(P2017-531794)

(86)(22)【出願日】2016年4月28日

(86)【国際出願番号】JP2016063401

(87)【国際公開番号】WO2017187611

(87)【国際公開日】20171102

【審査請求日】2017年6月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】591036457

【氏名又は名称】三菱電機エンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100123434

【弁理士】

【氏名又は名称】田澤 英昭

(74)【代理人】

【識別番号】100101133

【弁理士】

【氏名又は名称】濱田 初音

(74)【代理人】

【識別番号】100199749

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 成

(74)【代理人】

【識別番号】100188880

【弁理士】

【氏名又は名称】坂元 辰哉

(74)【代理人】

【識別番号】100197767

【弁理士】

【氏名又は名称】辻岡 将昭

(74)【代理人】

【識別番号】100201743

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 和真

(72)【発明者】

【氏名】阿久澤 好幸

【審査官】 坂本 聡生

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１１−５２０４１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２７７８２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１９７９３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１９２５４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２８２３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２２３５３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０６３６９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１３６８３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１６５１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０７５９７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ５０／００−５０／９０

Ｂ６０Ｌ ５／００

Ｂ６０Ｍ ７／００

Ｈ０１Ｆ３８／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属パネル上に配置された保持部材により保持され、基板上に任意方向に伸びた形状に構成される、共振周波数を有する送信アンテナと、
前記金属パネル上に配置された保持部材により前記送信アンテナと対向配置されて保持され、基板上に長方形状又は楕円形状に構成される、前記共振周波数を有する受信アンテナと、
前記受信アンテナが形成された基板に取付けられ、前記受信アンテナにおける出力端を負荷における入力端に接続する受信側コネクタと、
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナと前記金属パネルとの間に配置され、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナから、前記送信アンテナにおける最小内径の１０分の１以上離して配置された磁性体と
を備えた無線電力伝送装置。

【請求項2】

前記送信アンテナを保持する保持部材は、前記送信アンテナを前記金属パネルから前記送信アンテナにおける最小内径の５分の１以上離し、前記受信アンテナを保持する保持部材は、前記受信アンテナを前記金属パネルから前記送信アンテナにおける最小内径の５分の１以上離す
ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送装置。

【請求項3】

前記受信側コネクタは、前記受信アンテナにおける出力端と前記負荷における入力端との間に介在される整流回路を内蔵した
ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送装置。

【請求項4】

前記受信アンテナは、当該受信アンテナにおける出力端と前記負荷における入力端との間に介在される整流回路を内蔵した
ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送装置。

【請求項5】

前記送信アンテナと前記受信アンテナは、磁界共鳴、電界共鳴又は電磁誘導により電力伝送を行う
ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、送信アンテナと受信アンテナとの間を無線で電力伝送する無線電力伝送装置及び受信装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、図７に示すように、レール１０１に沿って移動する搬送台車（移動体）１０２に対して無線で電力伝送を行う無線電力伝送装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この無線電力伝送装置では、まず、コンバータ（不図示）は、商用電源１０３から入力された商用交流を直流に平滑する。そして、インバータ（不図示）は、平滑された直流を高周波交流（１０ｋＨｚ）に変換する。この高周波交流は、レール１０１に沿って設けられた誘導線路（送信アンテナ）１０４及び搬送台車１０２に内蔵された受電コイル（受信アンテナ）１０５によって無線電力伝送される。なお、受電コイル１０５は、図８に示すように、断面がＥ字状のコア１０６における中央凸部に導線１０７が巻かれることで構成される。そして、受電コイル１０５に配線接続された受電ユニット１０８は、伝送された高周波交流を直流に平滑する。そして、インバータ（不図示）は、平滑された直流を高周波交流に変換し、負荷であるモータ（不図示）に出力する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５−１６２１１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したように、従来の無線電力伝送装置では、誘導線路１０４を用いて無線電力伝送を行っている。そのため、図８に示すように、受電コイル１０５に、フェライト等から成るコア１０６が必要となる。よって、受電コイル１０５が大型化及び重量化するという課題がある。
また、受電コイル１０５が大型化及び重量化するため、受電コイル１０５と、受電コイル１０５を負荷に接続するコネクタである受電ユニット１０８との一体構造化が困難であり、別々に構成する必要がある。その結果、既存の負荷をそのままコネクタ接続できず、設計変更が必要となるという課題があった。

【0005】

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、広範囲への無線電力伝送において、従来構成に対し、受信アンテナを小型化及び軽量化できる無線電力伝送装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この発明に係る無線電力伝送装置は、金属パネル上に配置された保持部材により保持され、基板上に任意方向に伸びた形状に構成される、共振周波数を有する送信アンテナと、金属パネル上に配置された保持部材により前記送信アンテナと対向配置されて保持され、基板上に長方形状又は楕円形状に構成される、上記共振周波数を有する受信アンテナと、受信アンテナが形成された基板に取付けられ、受信アンテナにおける出力端を負荷における入力端に接続する受信側コネクタと、送信アンテナ及び受信アンテナと金属パネルとの間に配置され、送信アンテナ及び受信アンテナから、送信アンテナにおける最小内径の１０分の１以上離して配置された磁性体とを備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

この発明によれば、上記のように構成したので、広範囲への無線電力伝送において、従来構成に対し、受信アンテナを小型化及び軽量化でき、送信アンテナ及び受信アンテナから金属パネルへの電磁界放射を低減できる。
すなわち、同じ基板上に受信アンテナと受信側コネクタが取り付けられるので、小型化及び軽量化が図れ、受信アンテナと受信側コネクタを一体構造として取り扱え、既存の負荷を設計変更せずにそのままコネクタ接続できるという効果を奏する。
さらに、送信アンテナを保持部材により、受信アンテナを保持部材により、同じパネル上に送信アンテナと受信アンテナが対向配置されて保持される構成としたので、送信アンテナと受信アンテナを一体的に取り扱え、既存の負荷を設計変更せずに用いることが可能であるという効果も奏する。
またさらに、送信アンテナ及び受信アンテナと金属パネルとの間に磁性体が配置される構成としたので、送信アンテナ及び受信アンテナから金属パネルへの電磁界放射を低減できるという効果も奏する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１Ａ、図１Ｂは、この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送装置の構成例を示す図であり、上面図と、側面図である。

【図2】この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送装置の基本等価回路図である。

【図3】図３Ａ、図３Ｂは、この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送装置の別の構成例を示す図であり、上面図と、側面図である。

【図4】図４Ａ、図４Ｂは、この発明の実施の形態１における送信アンテナの別の構成例を示す上面図である。

【図5】この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送装置の別の構成例を示す側面図である。

【図6】この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送装置を衛星搭載機器に適用した場合の構成例を示す上面図である。

【図7】図７Ａ、図７Ｂは、従来の無線電力伝送装置の構成を示す図であり、斜視図と断面図である。

【図8】従来の無線電力伝送装置における受電コイルの構成を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、この発明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。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る無線電力伝送装置の構成例を示す図であり、図２は実施の形態１に係る無線電力伝送装置の基本等価回路図である。なお図１Ｂでは、受信装置８側は受信アンテナ４のみを図示している。
無線電力伝送装置は、図１，２に示すように、送信電源１、送信側コネクタ２、送信アンテナ３、受信アンテナ４、受信側コネクタ５及び負荷６を備えている。なお、送信電源１、送信側コネクタ２及び送信アンテナ３は、送信装置７を構成する。また、受信アンテナ４、受信側コネクタ５及び負荷６は、受信装置８を構成する。なお図１では、無線電力伝送装置は金属パネル９上に配置されている。また図１では、受信装置８を１つのみ図示しているが、１つの送信装置７に対して複数の受信装置８を設けてもよい。

【0010】

送信電源１は、入力電力を、送信アンテナ３が有する共振周波数に合わせた電力（高周波電力）に変換し、送信側コネクタ２を介して送信アンテナ３に出力する高周波電源である。なお、上記高周波電力とは、２ＭＨｚ以上の電力である。また、送信電源１としては、既存の送信電源１を設計変更せずにそのまま用いることができる。

【0011】

送信側コネクタ２は、送信アンテナ３が形成された基板に取付けられ、当該送信アンテナ３における入力端を送信電源１における出力端に接続する。なお、送信側コネクタ２の基板への取付けとしては、送信側コネクタ２を基板に直接取付ける場合と、送信側コネクタ２と基板との間を導線で接続する場合が挙げられる。

【0012】

送信アンテナ３は、基板上に任意方向に伸びた形状に構成され、送信電源１からの高周波電力の周波数と同一（略同一の意味を含む）周波数で共振することで、受信アンテナ４に対して電力伝送を行う。なお、基板としては、プリント基板又はフレキシブル基板等が挙げられる。また図１では、送信アンテナ３は、長方形状に構成されているが、楕円形状でもよい。

【0013】

また、送信アンテナ３は、金属パネル９上に配置される場合、当該金属パネル９から、当該送信アンテナ３における最小内径（図１では内径ｄ）の５分の１以上（図１における距離ｌ_１）離して配置され、保持部材１０により保持される。

【0014】

なお、保持部材１０は、通常は、樹脂又はカーボン等の非金属部材により構成される。
一方、保持部材１０は、例えば図３に示すように、細い円柱状等の形状であれば、金属部材からも構成可能である。すなわち、送信アンテナ３及び受信アンテナ４から発生した磁束が金属部材を通ると、渦電流損が生じて損失となる。よって、保持部材１０は、磁束が通る面積が小さい形状であれば、金属部材から構成可能である。

【0015】

受信アンテナ４は、基板上に長方形状又は楕円形状に構成され、送信アンテナ３が有する共振周波数と同一（略同一の意味を含む）周波数で共振することで、高周波電力を受信する。この受信アンテナ４により受信された高周波電力（高周波交流）は、受信側コネクタ５を介して負荷６に出力される。なお、基板としては、プリント基板又はフレキシブル基板等が挙げられる。また図１では、受信アンテナ４は長方形状に構成された場合を示している。また、受信アンテナ４は、送信アンテナ３と対向する位置であれば、任意の位置に配置可能である。また図１では、送信アンテナ３の上方に受信アンテナ４が配置されているが、送信アンテナ３の下方に受信アンテナ４が配置されてもよい。

【0016】

また、受信アンテナ４は、金属パネル９上に配置される場合、当該金属パネル９から、送信アンテナ３における最小内径の５分の１以上離して配置され、保持部材１１により保持される。なお、保持部材１１の構成は、保持部材１０と同様である。

【0017】

なお、送信アンテナ３と受信アンテナ４との間の無線電力伝送方式は特に限定されず、磁界共鳴による方式、電界共鳴による方式、電磁誘導による方式の何れであってもよい。

【0018】

受信側コネクタ５は、受信アンテナ４が形成された基板に取付けられ、当該受信アンテナ４における出力端を負荷６における入力端に接続する。なお、受信側コネクタ５の基板への取付けとしては、受信側コネクタ５を基板に直接取付ける場合と、受信側コネクタ５と基板との間を導線で接続する場合とが挙げられる。

【0019】

負荷６は、受信側コネクタ５を介した受信アンテナ４からの高周波電力により機能する電子機器である。負荷６としては、既存の負荷６を設計変更せずにそのまま用いることができる。

【0020】

上記のように構成された無線電力伝送装置では、無線電力伝送方式として共振結合型電力伝送方式を用い、高周波電力を伝送している。よって、受信アンテナ４はフェライト等のコアが不要であり、従来構成に対し、受信アンテナ４を小型且つ軽量に構成可能である。また、受信アンテナ４を小型且つ軽量に構成可能であるため、受信アンテナ４及び受信側コネクタ５の一体構造化が可能となり、既存の負荷６を設計変更せずにそのままコネクタ接続できる。

【0021】

また、送信アンテナ３は、細長いコイル形状に構成されている。これにより、送信アンテナ３において、電流の向きが逆方向となる線路同士が近接し、ループ面の内側の狭い領域では磁束方向が一様となって密となるが、ループ面の外側では磁束が打ち消し合うため、送信アンテナ３の周囲には磁界が放射され難くなる。受信アンテナ４についても同様である。よって、漏洩磁界の発生を抑制でき、隣接する送信アンテナ３及び受信アンテナ４や、周囲の金属部材による影響を抑えることができる。その結果、実施の形態１に係る無線電力伝送装置を、金属パネル９上に設置される機器に適用可能となる。
なお、アンテナ３，４を金属パネル９から当該送信アンテナ３における最小内径の５分の１以上離す理由は、アンテナ３，４を金属パネル９に近づけすぎると、アンテナ３，４と金属パネル９との電磁界干渉が強くなり、渦電流損等による電流損失が生じるからである。

【0022】

なお上記では、送信アンテナ３が長方形状又は楕円形状に構成された場合を示した。しかしながら、これに限らず、送信アンテナ３を、例えば図４に示すような形状としてもよい。図４Ａは、スパイラル状に巻かれたコイルを数珠つなぎとした送信アンテナ３を示している。なお、スパイラル状のコイルは、隣接するコイルとの電磁界干渉を防ぐため、電流が逆位相となるように交互に逆向きに巻かれる。また、図４Ｂは、コイルが８の字状に巻かれた送信アンテナ３を示している。図４Ｂの構成でも、隣接するループにおいて、電流が逆位相となるため、隣接するループとの電磁界干渉を防ぐことができる。なお、図４Ｂの構成におけるループ形状は、図に示すような矩形状に限らず、例えば楕円状であってもよい。

【0023】

また図１，２では、負荷６が、受信アンテナ４からの交流を直流に変換する整流回路を内蔵している場合（負荷６が交流入力型である場合）を想定している。一方、負荷６が整流回路を内蔵していない場合（負荷６が直流入力型である場合）には、整流回路が内蔵された受信側コネクタ５を用いる。この整流回路は、受信アンテナ４における出力端と負荷６における入力端との間に介在され、受信アンテナ４からの交流を直流に変換して負荷６に出力する。なお、実施の形態１に係る無線電力伝送装置では、高周波電力を対象としており、整流回路を小型化できるため、整流回路を受信側コネクタ５に内蔵可能である。又は、整流回路を受信側コネクタ５ではなく、受信アンテナ４に内蔵してもよく、その場合においても上記と同様の効果が得られる。

【0024】

また、図５に示すように、送信アンテナ３及び受信アンテナ４と、金属パネル９との間に、磁性体１２を配置してもよい。なお図５では、保持部材１０，１１の図示を省略している。磁性体１２は、送信アンテナ３及び受信アンテナ４から、当該送信アンテナ３における最小内径の１０分の１以上（図５における距離ｌ_２）離して配置される。磁性体１２は、フェライト又はアモルファス等のように透磁率の実部が高く虚部が低い部材から成り、シート状に構成される。また、磁性体１２は、金属パネル９上に直接又間接的に貼り付けられてもよいし、送信アンテナ３又は受信アンテナ４に樹脂等の部材を介して貼り付けられてもよい。このように、送信アンテナ３及び受信アンテナ４と金属パネル９との間に磁性体１２を配置することで、送信アンテナ３及び受信アンテナ４から金属パネル９への電磁界放射を低減できる。また、送信アンテナ３及び受信アンテナ４と金属パネル９との間に磁性体１２を配置することで、送信アンテナ３及び受信アンテナ４と金属パネル９との距離ｌ_１を更に近づけることができる。
なお、アンテナ３，４を磁性体１２から当該送信アンテナ３における最小内径の１０分の１以上離す理由は、アンテナ３，４を磁性体１２に近づけすぎると、アンテナ３，４と磁性体１２との電磁界干渉が強くなり、ヒステリシス損等の電力損失が生じるからである。

【0025】

次に、実施の形態１に係る無線電力伝送装置の適用例について説明する。
実施の形態１に係る無線電力伝送装置は、例えば、衛星に搭載される機器（衛星搭載機器）１３に適用可能である。図６は無線電力伝送装置を備えた衛星搭載機器１３の構成例を示す図である。
図６に示すように、衛星搭載機器１３内に、実施の形態１に係る無線電力伝送装置が配置される。図６の例では、４台の送信装置７が設けられている。また図６では受信装置８の図示を省略している。実施の形態１に係る無線電力伝送装置では、金属パネル９上に配置可能であり、且つ、既存の負荷６を設計変更せずに用いることが可能であるため、衛星搭載機器１３への適用が有効である。
また、実施の形態１に係る無線電力伝送装置は、例えば、自動車のエンジンルーム内に設けられる機器にも適用可能である。

【0026】

以上のように、この実施の形態１によれば、任意方向に伸びた形状に構成され、共振周波数を有する送信アンテナ３と、基板上に長方形状又は楕円形状に構成され、上記共振周波数を有する受信アンテナ４と、上記基板に取付けられ、受信アンテナ４における出力端を負荷６における入力端に接続する受信側コネクタ５とを備えたので、広範囲への無線電力伝送において、従来構成に対し、受信アンテナ４を小型化及び軽量化できる。また、受信アンテナ４及び受信側コネクタ５を一体構造化できるため、既存の負荷６を設計変更せずに用いることができる。

【0027】

なお上記では、無線電力伝送装置を金属パネル９上に配置した場合を示した。しかしながら、これに限らず、無線電力伝送装置をその他の部材上に配置してもよい。
また上記では、送信装置７についても、送信側コネクタ２及び送信アンテナ３を一体構造化した場合を示したが、送信側コネクタ２及び送信アンテナ３は別体であってもよい。
また図１，３，６では、送信アンテナ３が一方向に伸びた形状に構成されているが、任意方向に曲げられた形状でもよい。

【0028】

また、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0029】

この発明に係る無線電力伝送装置は、広範囲への無線電力伝送において、従来構成に対し、受信アンテナを小型化及び軽量化でき、送信アンテナと受信アンテナとの間を無線で電力伝送する無線電力伝送装置等に用いるのに適している。

【符号の説明】

【0030】

１ 送信電源、２ 送信側コネクタ、３ 送信アンテナ、４ 受信アンテナ、５ 受信側コネクタ、６ 負荷、７ 送信装置、８ 受信装置、９ 金属パネル、１０，１１ 保持部材、１２ 磁性体、１３ 衛星搭載機器。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】