JP2013021822A - アンテナ - Google Patents

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泰雄 伊藤
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健一郎 佐藤
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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

【課題】、車両本体部を構成する金属物などの影響を抑制して、効率的に電力伝送を行うことが可能な電力伝送システム用のアンテナを提供する。
【解決手段】本発明のアンテナは、コイル体270と、前記コイル体270と所定距離離間されて配される平板状の非磁性金属体292と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図3

Description

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。
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。
特表2009−501510号公報 特開2010−73976号公報
上記のような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1記載のコイル構造においては、金属体からなる車両の底部に設置するための最適な設計がなされておらず、これを車両底部に配して利用した場合、電力伝送効率が抑制される、という問題であった。
上記問題を解決するために、請求項1に係る発明は、コイル体と、前記コイル体と所定距離離間されて配される平板状の非磁性金属体と、を有することを特徴とするアンテナである。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のアンテナにおいて、前記非磁性金属体と前記コイル体と間の前記所定距離が60mm以上であることを特徴とする。
また、請求項3に係る発明は、請求項1又は請求項2に記載のアンテナにおいて、前記非磁性金属体の面積は、前記コイル体の面積の0.6倍以上であることを特徴とする。
また、請求項4に係る発明は、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のアンテナにおいて、前記非磁性金属体の厚さが2mm以上であることを特徴とする。
また、請求項5に係る発明は、請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のアンテナにおいて、前記非磁性金属体の導電率が22×106以上であり、比透磁率が1.00002
以下であることを特徴とする。
また、請求項6に係る発明は、請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のアンテナにおいて、前記非磁性金属体がアルミニウムであることを特徴とする。
また、請求項7に係る発明は、請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のアンテナにおいて、前記非磁性金属体が銅であることを特徴とする。
本発明に係るアンテナは、底板部と前記底板部から延在する側板部とを有するケース体と、前記ケース体に載置されるコイル体と、前記コイル体と所定距離離間されて配される平板状の非磁性金属体と、が設けられているので、車両底面にアンテナを装着した場合でも、車両本体部を構成する金属物などの影響を抑制し、かつアンテナの高いQ値も維持されるため、効率的に電力伝送を行うことが可能となる。
本発明の実施形態に係るアンテナが用いられ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。 本発明の実施形態に係る受電アンテナ201の分解斜視図である。 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る。 非磁性金属体―コイル体間の距離と、電力伝送効率との間の関係を示す図である。 非磁性金属体の面積S1をコイル体の面積S0で除した値と、電力伝送効率との間の関係を示す図である。 非磁性金属体の厚さTと、電力伝送効率との間の関係を示す図である。 送受電コイル体と、鉄板、アルミ板のレイアウトに応じた伝送効率を示す図である。 送受電コイル体と鉄板のレイアウトに応じた伝送効率を示す図である。 送受電コイル体とアルミ板のレイアウトに応じた伝送効率を示す図である。 コイル体と、鉄板、アルミ板のレイアウトに応じたインピーダンス特性を示す図である。
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アンテナが用いられ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。
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数100kHz〜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。
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。
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。
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。送電アンテナ105と受電アンテナ201は同様の構成であるので、以下、図3においては受電アンテナ201を例に挙げて説明する。
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。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「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。また、明細書中でコイル体270としている発明特定事項は、特許請求の範囲においては、上記のようなキャパシタンス成分をも含むものとして「アンテナ部」として表現されることがある。
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。
シールド体290は、平板状の非磁性金属体292と、この非磁性金属体292がはめ込まれる金属体保持枠291とから構成される。非磁性金属体292しては、その導電率が22×106以上であり、比透磁率が1.00002以下であるものを用いる。このよ
うな物性値を実現する具体的な材料としては、アルミニウム、銅、金、銀、黄銅、マグネシウムなどを挙げることできる。本実実施形態においては、非磁性金属体292としては平板状のアルミニウム板を用いた。金属体保持枠291は口の字状の部材であり、その中抜き部に非磁性金属体292を固定する。この金属体保持枠291は合成樹脂材料などにより構成することができる。
金属体保持枠291の周縁を適当な固着手段によってケース体260に対して固着することによって、非磁性金属体292は、コイル体270と距離D1離間されて配されるようになっている。図5は、非磁性金属体292―コイル体270間の距離D1と、電力伝送効率との間の関係を示す図である。図5に示すように、非磁性金属体292は、コイル体270と距離D1が60mm以上であると、高い伝送効率を得られることから、本実施形態においては、距離D1≧60mmとして設定した。
また、シールド体290においては、非磁性金属体292が金属体保持枠291にはめ
込まれていることから、上記のように非磁性金属体292の面積は、コイル体270の面積より小さい。非磁性金属体292の面積を小さくすることができれば、材料費などを低減できるので、アンテナを構成する際のコストに献身する。それでは、非磁性金属体292の面積をどの程度とすればよいかについて検討する。図6は、非磁性金属体292の面積S1をコイル体270の面積S0で除した値と、電力伝送効率との間の関係を示す図である。
図6に示すように、非磁性金属体292の面積S1は、コイル体270の面積S0の0.6倍以上であると、概ね良好な伝送効率を得ることができることから、本実施形態においては、(非磁性金属体292の面積S1)≧0.6×(コイル体270の面積S0)として設定した。
次に、非磁性金属体292として適当な厚さはどの程度であるかを検討する。図6は非磁性金属体292の厚さTと、電力伝送効率との間の関係を示す図である。図6に示すように、非磁性金属体292の厚さTは、2mm以上であると、概ね良好な伝送効率を得ることができることから、本実施形態においては、(非磁性金属体292の厚さT)≧2mmとして設定した。
上記のように構成された受電アンテナ201のQ値が100以上であった。なおアンテナのQ値はインピーダンスアナライザ等の計測機器を使って計測した。
また、上記のような受電アンテナ201の配置は、図4に示すように、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する。
次に、図4に示すように、受電アンテナ201を、車両本体部を模した鉄板に装着したときにおける効果について検討する。図8は送受電アンテナと、鉄板、アルミ板のレイアウトに応じた伝送効率を示す図である。
図8の(A)は送電コイル体と受電コイル体とを対向させた状態を示している。このとき伝送効率は95.9%であった。
一方、図8の(B)は受電コイル体の上方65mmの位置に車両本体部を模した鉄板を配した状態を示している。このとき、伝送効率は95.9%から58.5%に低減する。低減分のうち、18.9%が鉄板における渦電流に起因するものであり、18.5%が周波数ずれに起因するものであると推定することができる。
上記のように推定ができる根拠について図9を参照して説明する。図9は送受電コイル体と鉄板のレイアウトに応じた伝送効率を示す図である。図9の(A)は送電コイル体と受電コイル体とを対向させた状態を示している。このとき伝送効率は95.9%である。(図8(A)の状態に同じ。)
図9の(B)は送電コイル体の下方65mm、受電コイル体の上方65mmの位置に鉄板を配した状態を示している。このとき、伝送効率は95.9%から58.1%に37.8%分低減する。図9の(B)では、受電コイル体の上部及び送電コイル体の下部に配された鉄板により、共振周波数は合致し、周波数ずれによる効率の低下はない。すなわち、37.8%の低下は渦電流による損失に基づくものと推定される。鉄板一枚あたり分の渦電流は、これを2で割ることで18.9%であるものと推定される。
一方、図9の(C)は受電コイル体の上方65mmの位置にのみ鉄板を配した状態を示している。このとき、図9(A)から比較すると、伝送効率は95.9%から37.4%低下して、58.5%となる。この差分37.4%のうち、18.9%は上記のように渦
電流損失によるものであるので、残りの18.5%が周波数ずれによる損実であるものと推定される。
さて、図8の(C)は受電コイル体の上方60mmの位置に非磁性金属体292としてアルミ板を配した状態を示している。このとき、伝送効率は95.9%から52.8%に低減する。低減分のうち、3.3%が鉄板における渦電流に起因するものであり、39.8%が周波数ずれに起因するものであると推定することができる。
上記のように推定ができる根拠について図10を参照して説明する。図10は送受電コイル体とアルミ板のレイアウトに応じた伝送効率を示す図である。図10の(A)は送電コイル体と受電コイル体とを対向させた状態を示している。このとき伝送効率は95.9%である。(図8(A)の状態に同じ。)
図10の(B)は送電コイル体の下方60mm、受電コイル体の上方60mmの位置にアルミ板を配した状態を示している。このとき、伝送効率は95.9%から89.3%に6.6%分低減する。このとき、受電コイル体の上部及び送電コイル体の下部に配されたアルミ板により、共振周波数は合致し、周波数ずれによる効率の低下はない。すなわち、6.6%の低下は渦電流による損失に基づくものと推定される。アルミ板一枚あたり分の渦電流は、これを2で割ることで3.3%であるものと推定される。非磁性金属体292として用いるアルミニウムの板は、導電率が高いため、このように渦電流に基づく損失が鉄に比べて少ない。(アルミニウムの導電率=40×106[S/m]に対し、鉄の導電
率=10×106[S/m])
一方、図10の(C)は受電コイル体の上方60mmの位置にのみアルミ板を配した状態を示している。このとき、図10(A)から比較すると、伝送効率は95.9%から43.1%低下して、52.8%となる。この52.8%のうち、3.3%は上記のように渦電流損失によるものであるので、残りの39.8%が周波数ずれによる損実であるものと推定される。
図8の(D)は送電アンテナ105の下方60mm、受電コイル体の上方60mmの位置にアルミ板を配し、さらに送信側と受信側の共振周波数を一致させた状態を示している。このとき、伝送効率は89.3%となる。
一方、図8の(E)は図8(D)における上側のアルミ板の上部に、車両本体部を模した鉄板をレイアウトした状態を示している。これは、ちょうど本実施形態に係るアンテナが用いられた電力伝送システムによって、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が行われた状況を模擬するものである。本発明のような非磁性金属体292が適用された送電アンテナ105、受電アンテナ201を用いた電力伝送によれば、アンテナを車両底部の鉄板に取り付けて利用した場合でも、89.2%という比較的高い伝送効率を維持することが可能となる。
すなわち、コイル体270と、このコイル体270と所定距離離間されて配される平板状の非磁性金属体292と、からなる送電アンテナ105、受電アンテナ201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、車両本体部を構成する金属物などの影響を抑制して、効率的に電力伝送を行うことが可能となる。
次に、アンテナ単独での特性について検討してみる。図11はコイル体と、鉄板、アルミ板のレイアウトに応じたインピーダンス特性を示す図である。
図11における(A)は受電コイル体(又は送電コイル体)の単体としての特性を示している。また、図11における(B)は受電コイル体の上方65mmの位置に車両本体部を模した鉄板を配した場合の特性を示している。
また、図11における(C)は受電コイル体の上方60mmの位置に非磁性金属体292としてアルミ板を配した状態を示している。
また、図11における(D)は受電コイル体の上方60mmの位置に非磁性金属体292としてアルミ板を配し、さらにその5mm上方に車両本体部を模した鉄板を配した場合の特性を示している。
かりに、非磁性金属体292がないアンテナを車両本体部に取り付けると、図11(B)に示すような特性を示すこととなる。すなわち、本来、図11(A)に示すような、コイル体270のみからなるアンテナ単体の特性は、図11(B)に示すように、インピーダンスの極小値が大きくなるなど、大きく異なってしまうこととなる。
一方、コイル体に非磁性金属体292が設けられたアンテナを模擬する図11(C)では、インピーダンスの極小値を与える周波数はずれるが、インピーダンスの極小値自体が大きく変わるわけではない。
さらに、非磁性金属体292が設けられた本発明に係るアンテナが、車両底部に取り付けられた状態を模擬する図11(D)においても、インピーダンスの極小値を与える周波数はずれるが、インピーダンスの極小値自体が大きく変わるわけではなく、本発明の有効性を理解することができる。
以上のように、本発明の受送電アンテナによれば、底板部261と底板部261から延在する側板部262とを有するケース体260と、ケース体260に載置されコイル体270と、このコイル体270と所定距離離間されて配される平板状の非磁性金属体292と、が設けられており、このようなアンテナによれば、車両底面に受電アンテナ201を装着した場合でも、車両本体部を構成する金属物などの影響を抑制して、効率的に電力伝送を行うことが可能となる。
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・・・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・・・ケース体
216・・・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
290・・・シールド体
291・・・金属体保持枠
292・・・非磁性金属体

Claims (7)

  1. コイル体と、
    前記コイル体と所定距離離間されて配される平板状の非磁性金属体と、を有することを特徴とするアンテナ。
  2. 前記非磁性金属体と前記コイル体と間の前記所定距離が60mm以上であることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
  3. 前記非磁性金属体の面積は、前記コイル体の面積の0.6倍以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のアンテナ。
  4. 前記非磁性金属体の厚さが2mm以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のアンテナ。
  5. 前記非磁性金属体の導電率が22×106以上であり、比透磁率が1.00002以下で
    あることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のアンテナ。
  6. 前記非磁性金属体がアルミニウムであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のアンテナ。
  7. 前記非磁性金属体が銅であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のアンテナ。
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