JP2017034029A - 共振器 - Google Patents

Abstract

【課題】共振器におけるジュール熱に起因する電力の伝送効率の低下を抑制できる技術を提供する。【解決手段】共振器３０は、無線給電に用いられる非接触給電システム１０において、送電側共振器２１および受電側共振器２５として用いられる。共振器３０は、磁界の共鳴に用いられるコイル３３と、コイル３３に発生する磁束が通過する位置に配置され、磁束の漏洩を抑制するための金属板である反射板３４と、少なくとも、コイル３３に接した状態で、コイル３３と反射板３４との間に配置されるセラミック部材である絶縁部材３５と、コイル３３と反射板３４と絶縁部材３５とを収容する樹脂製の筐体部３６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、共振器に関する。

非接触給電システムでは、共振器における磁場の共鳴を利用して無線給電がおこなわれる（例えば、下記特許文献１−３等）。共振器には、コイルで発生する磁束の漏洩を抑制するための金属製の反射板を備えるものがある。

特開２０１３−５５２２９号公報 特開２０１４−１４６６６４号公報 特開２０１４−４３１１５号公報

共振器では、コイル自体にジュール熱が生じる。また、反射板を通過する磁束によって、反射板に渦電流が生じ、その渦電流によって、反射板にジュール熱が生じてしまう場合がある。共振器で生じるジュール熱は、電力の伝送効率を低下させる原因となる。そのため、共振器では、ジュール熱の発生が抑制されることが望ましい。また、ジュール熱が効率的に放熱されることが望ましい。

本発明は、少なくとも上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

［１］本発明の一形態によれば、共振器が提供される。この共振器は、無線給電に用いられてよい。前記共振器は、コイルと、金属板と、セラミック部材と、を備えてよい。前記コイルは、磁界の共鳴に用いられてよい。前記金属板は、前記コイルに発生する磁束が通過する位置に配置されてよい。前記セラミック部材は、少なくとも、前記コイルに接した状態で、前記コイルと前記金属板との間に配置されてよい。この形態の共振器によれば、セラミック部材を介した熱伝導によってコイルの放熱性が高められる。また、少なくとも、セラミック部材の厚みの分だけ、金属板とコイルとの間の距離が確保されるため、金属板に生じる渦電流に起因するジュール熱の発生が抑制される。従って、共振器で発生するジュール熱に起因するエネルギー損失が抑制され、電力の伝送効率の低下が抑制される。

［２］上記形態の共振器において、前記セラミック部材は、前記コイルと前記金属板の両方に接触した状態で配置されてよい。この形態の共振器によれば、コイルの放熱性がさらに高められる。また、共振器を小型化することもできる。

［３］上記形態の共振器において、前記金属板は、前記コイルと対向する面とは反対側の面に放熱フィンを有してよい。この形態の共振器によれば、金属板からの放熱性が、さらに高められる。

［４］上記形態の共振器において、前記セラミック部材の熱伝導率は、３３Ｗ／ｍＫ以上、かつ、２００Ｗ／ｍＫ以下であってよい。この形態の共振器によれば、セラミック部材によるコイルの放熱性が、さらに高められる。

［５］上記形態の共振器において、前記コイルと前記金属板との間の距離は、１０ｍｍ以上、かつ、２０ｍｍ以下であってよい。この形態の共振器によれば、金属板において生じる渦電流に起因するジュール損失が低減される。

［６］上記形態の共振器は、さらに、少なくとも、前記コイルと、前記セラミック部材と、前記金属板と、を収容する樹脂製の筐体部を備え、前記金属板の表面は、前記筐体部から外部に露出してよい。この形態の共振器によれば、構成のコンパクト化が可能である。

上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除をおこなうことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。

本発明は、共振器以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、共振器を備えた送電装置または受電装置、非接触給電装置、無線給電システム、少なくとも、送電装置や受電装置を備えた電子機器や移動体等の形態で実現することができる。

非接触給電システムの構成を示す概略図。 共振器の外観を示す概略斜視図。 共振器の内部構造を示す概略斜視図。 共振器の内部構造を示す概略斜視図。

A．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態としての共振器２１，２５を備える非接触給電システム１０の構成を示す概略図である。非接触給電システム１０は、送電装置１１と、受電装置１２と、を備え、送電装置１１から受電装置１２に、磁界共鳴方式（磁界共振結合方式）によって、非接触な状態で電力を伝送する。本実施形態では、非接触給電システム１０は、電気自動車に対する無線給電をおこなう給電設備に適用される。非接触給電システム１０の送電装置１１は、ガレージの床面などに設置され、受電装置１２は、電気自動車の車両下部に搭載される。

送電装置１１は、送電側共振器２１と、高周波電源２２と、整合回路２３と、を備えている。送電側共振器２１は、高周波電力の供給を受けることによって、所定の周波数で共振して電磁界エネルギーを生成する。送電側共振器２１の構成の詳細については後述する。高周波電源２２は、商用電源等から供給される電力を、所定の周波数の高周波電力に変換し、整合回路２３を介して、送電側共振器２１へと供給する。整合回路２３は、高周波電源２２のインピーダンスと、送電側共振器２１のインピーダンスと、を合わせるインピーダンス整合をおこなう。

受電装置１２は、受電側共振器２５と、整合回路２６と、整流器２７と、バッテリー２８と、を備えている。受電側共振器２５は、送電側共振器２１によって生成された電磁界エネルギーの所定の周波数に共振することによって高周波電力を発生させる。受電側共振器２５は、送電側共振器２１とほぼ同様な構成を有している。受電側共振器２５の構成の詳細については後述する。

整合回路２６は、受電側共振器２５のインピーダンスと、整流器２７のインピーダンスと、を合わせるインピーダンス整合をおこないつつ、受電側共振器２５において発生した高周波電力を整流器２７へと供給する。整流器２７は、その高周波電力を整流して直流電力に変換し、バッテリー２８へと供給する。バッテリー２８は、整流器２７から供給された直流電力を蓄電する。電気自動車は、バッテリー２８に蓄えられた電力を駆動力として利用する。

非接触給電システム１０では、送電側共振器２１と受電側共振器２５とが所定の距離をおいて互いに対向するように配置されたときに、それら２つの共振器２１，２５が磁界共振結合することによって、送電装置１１から受電装置１２に電力が伝送される。送電装置１１と受電装置１２との間における電力の伝送は、送電装置１１と受電装置１２とがそれぞれ備えている制御部（図示は省略）が無線通信を介して互いに協働することによって制御される。

図２〜図４を参照して、本実施形態における送電側共振器２１および受電側共振器２５の構成を説明する。上述したように、送電側共振器２１と受電側共振器２５とは、ほぼ同じ構成を有しているため、以下では、特に断らない限り、送電側共振器２１と受電側共振器２５とを区別することなく、併せて「共振器３０」と呼ぶ。図２は、共振器３０の外観を示す概略斜視図である。図３，図４は、共振器３０の内部構造を示す概略斜視図である。図３では、共振器３０の一部を取り除き、内部のコイル３３の一部を露出させた状態が図示されている。図４では、図３における共振器３０の内部構造の露出部位が拡大して図示されている。

共振器３０は、平板な略直方体形状を有しており、第１面３１と、その反対側の第２面３２と、を有している（図２）。送電装置１１と受電装置１２との間で電力が伝送されるときには、２つの共振器３０は、第１面３１同士が正対するように対向して配置される。なお、送電側共振器２１の第２面３２は、地面または外気と接触し、受電側共振器２５の第２面３２は、電気自動車のボディまたは外気と接触する。

共振器３０は、コイル３３と、反射板３４と、絶縁部材３５と、筐体部３６と、を備えている（図３，図４）。共振器３０では、筐体部３６の内部空間に、コイル３３と、反射板３４と、絶縁部材３５と、がコンパクトにまとめられて収容されている。本実施形態では、筐体部３６は、絶縁性の樹脂によって構成されており、共振器３０の外周端部と、第１面３１側の全体と、を被覆するように、射出成形によって形成されている（図２）。筐体部３６の第２面３２側の中央領域には、反射板３４の中央部位３４ｃを露出させるための窓部３６ｗが、略四角形状の開口部として形成されている。

本実施形態では、コイル３３は、外表面が絶縁体で被覆されている導線が略円環状に幾重にも巻き重ねられた構成を有している（図３，図４）。コイル３３の中心軸に沿った方向における厚みは、３〜５ｍｍ程度である。コイル３３は、導線が円環状に巻き重ねられている本体部３３ｂと、本体部３３ｂの外周端から径方向に延びている端子部３３ｔと、を有している。本体部３３ｂは、共振器３０をその厚み方向に沿って見たときに、第１面３１のほぼ中央の領域に配置されている。また、本体部３３ｂは、共振器３０の厚み方向におけるほぼ中央の位置に配置されている。

端子部３３ｔは、本体部３３ｂの外周端から延びて、筐体部３６の側面部において、外部に突出している（図２）。端子部３３ｔは、コイル３３の本体部３３ｂを構成している導線の２つの端部と整合回路２３（図１）の接続端子との電気的な接続を仲介する。

反射板３４は、コイル３３に発生する磁束が厚み方向に通過する位置に配置される金属板であり、コイル３３において発生する磁束の向きを整え、磁束の指向性を高めて、磁束の拡散・漏洩を抑制する。反射板３４は、非磁性体によって構成されていることが望ましい。また、熱伝導率が高い金属によって構成されることが望ましい。本実施形態では、反射板３４は、アルミニウムによって構成されている。反射板３４は、コイル３３に対して第２面３２側の位置であって、コイル３３から離間した位置に配置されている。

上述したように、反射板３４の第２面３２側の中央部位３４ｃは、筐体部３６に設けられた窓部３６ｗを介して、外部に露出している（図２）。共振器３０をその厚み方向に沿って見たときに、反射板３４の中央部位３４ｃの領域内には、コイル３３の本体部３３ｂ全体が収まる。反射板３４の中央部位３４ｃの表面には、放熱フィン３４ｆが全体にわたって設けられている。本実施形態では、放熱フィン３４ｆは複数の並列な線状の凸部（リブ）として形成されている。

絶縁部材３５は、例えば、アルミナを主成分とするセラミック部材によって構成される。絶縁部材３５は、板状に成形されている。絶縁部材３５の一方の面は平坦に構成されている。絶縁部材３５の他方の面は、コイル３３の本体部３３ｂおよび端子部３３ｔの形状を象った凹部３５ｃが形成されている。絶縁部材３５は、共振器３０において、平坦な面側が第２面３２側とし、凹部３５ｃを有する面側を第１面３１側として配置される。絶縁部材３５の平坦な面は、反射板３４に面接触する。絶縁部材３５の凹部３５ｃには、コイル３３が嵌め込まれて保持され、凹部３５ｃの外側の領域は筐体部３６と接触する。絶縁部材３５は、凹部３５ｃの形成領域において、コイル３３と反射板３４とに挟まれ、その外側の領域において、反射板３４と筐体部３６の第１面３１側の壁部とに挟まれる。

以上のように、本実施形態の共振器３０は、コイル３３と反射板３４との間に、絶縁部材３５が、コイル３３と反射板３４の両方に接触するように配置されている構成を有している。本実施形態の共振器３０によれば、反射板３４を備えていることによって、電力の伝送時の磁束の漏洩が抑制されるため、磁束の漏洩による電力の伝送効率の低下が抑制される。また、コイル３３と反射板３４との間に絶縁部材３５が介在する分だけ、コイル３３と反射板３４との間の離間距離Ｌが確保されている（図４）。この離間距離Ｌが確保されていることによって、コイル３３で発生した磁束が反射板３４を通過するときに反射板３４に生じる渦電流が大きくなりすぎてしまうことが抑制され、反射板３４にジュール熱が生じることが抑制される。従って、反射板３４におけるジュール熱の発生に起因するエネルギー損失が低減され、電力の伝送効率の低下が抑制される。

ここで、コイル３３と反射板３４との間の離間距離Ｌは、１０ｍｍ以上であることが望ましい。離間距離Ｌが１０ｍｍより小さくなると、例えば、コイル３３に数ｋＷ以上の電流が流れた場合に、反射板３４に生じる渦電流が大きくなりすぎてしまう可能性があるためである。また、離間距離Ｌは、２０ｍｍ以下であることが望ましい。離間距離Ｌが２０ｍｍより大きくなると、例えば、コイル３３に数ｋＷ以上の電流が流れた場合に、反射板３４による磁束の漏洩が十分に抑制されなくなってしまう可能性があるためである。従って、コイル３３と反射板３４との間の離間距離Ｌは、１０ｍｍ以上、かつ、２０ｍｍ以下であることが、より望ましい。

本実施形態の共振器３０では、絶縁部材３５がコイル３３と反射板３４とに直接的に接触している。これによって、コイル３３で発生したジュール熱を、熱伝導性が高いセラミック部材で構成されている絶縁部材３５を介して、効率的に反射板３４へと伝達させることができる。従って、コイル３３の放熱性が高められ、電力の伝送時にコイル３３に生じるジュール熱に起因するエネルギー損失の発生が抑制される。また、コイル３３や筐体部３６の熱劣化が抑制される。その他にも、絶縁部材３５によって、コイル３３と反射板３４との間の絶縁性が高められている。

ここで、絶縁部材３５は、３３Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するセラミック部材によって構成されていることが望ましい。このセラミック部材であれば、コイル３３の放熱性が確保される。また、絶縁部材３５は、２００Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有するセラミック部材によって構成されることが望ましい。一般に、熱伝導率が高いセラミック部材は低い電気抵抗を有する傾向がある。２００Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有するセラミック部材であれば、コイル３３の放熱性を高めつつ、コイル３３と反射板３４との間の高い絶縁性を確保することができる。従って、絶縁部材３５は、３３Ｗ／ｍＫ以上、かつ、２００Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有するセラミック部材によって構成されることが、より望ましい。なお、アルミナを主成分とするセラミック部材や、窒化アルミを主成分とするセラミック部材であれば、３３Ｗ／ｍＫ以上、かつ、２００Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を得ることができる。アルミナを主成分とするセラミック部材であれば、比較的安価であり、コスト性に優れている。窒化アルミを主成分とするセラミック部材であれば、アルミナを主成分とするセラミック部材よりも高い熱伝導率を確保することができる。

さらに、本実施形態の共振器３０では、反射板３４に放熱フィン３４ｆが設けられているため、反射板３４による放熱性が高められている。また、反射板３４が熱伝導性の高いアルミニウムによって構成されていることによっても、反射板３４による放熱性が高められている。その他に、本実施形態の共振器３０であれば、上述のように、コイル３３と反射板３４とが絶縁部材３５に直接的に接触しており、コイル３３と反射板３４と絶縁部材３５のそれぞれの間に無駄な空間が形成されておらず、共振器３０が薄型化されている。また、コイル３３が絶縁部材３５の凹部３５ｃに保持されていることによって、コイル３３の固定性や保護性が高められている。本実施形態の共振器３０では、筐体部３６によって、コイル３３と、反射板３４と、絶縁部材３５と、がコンパクトに一体的化されて、小型化されている。

以上のように、本実施形態の共振器３０（送電側共振器２１および受電側共振器２５）であれば、コイル３３や反射板３４に生じるジュール熱に起因するエネルギー損失が低減され、非接触給電システム１０における電力の伝送効率の低下が抑制される。その他にも、上述した種々の作用効果を奏することが可能である。

B．変形例：
B1．変形例１：
上記実施形態では、絶縁部材３５は、コイル３３と反射板３４の両方に直接的に接触している。これに対して、絶縁部材３５は、反射板３４には接していなくてもよく、少なくとも、コイル３３に接した状態で、コイル３３と反射板３４との間に配置されていればよい。絶縁部材３５と反射板３４との間には、例えば、シリコンなどの熱伝導性の高い部材が介挿されていてもよい。上記実施形態では、絶縁部材３５はコイル３３を勘合的に配置するための凹部３５ｃを有している。これに対して、凹部３５ｃは省略されてもよい。

B2．変形例２：
上記実施形態では、反射板３４はリブ状の放熱フィン３４ｆを有している。これに対して、反射板３４は放熱フィン３４ｆを有していなくてもよい。また、リブ状の放熱フィン３４ｆに代えて、他の形状を有する放熱フィンが設けられていても良い。放熱フィンは、反射板３４の表面積が増大するように、反射板の厚み方向に突出した形状を有していればよい。上記実施形態では、反射板３４は、アルミニウムによって構成されている。これに対して、反射板３４は、アルミニウム以外の金属によって構成されてもよい。反射板３４は、例えば、ステンレスや銅によって構成されてもよい。上記実施形態では、反射板３４の中央部位３４ｃは、筐体部３６の窓部３６ｗを介して外部に露出している。これに対して、反射板３４の中央部位３４ｃは、外部に露出していなくてもよく、例えば、筐体部３６の壁部によって被覆されていてもよい。

B3．変形例３：
上記実施形態では、コイル３３は、導体が円環状に多重に巻かれた構成を有している。これに対して、コイル３３は他の構成を有していてもよく、例えば、ソレノイドコイルによって構成されていてもよい。

B4．変形例４：
上記実施形態の共振器３０は、電気自動車の給電設備に用いられる非接触給電システム１０に適用されている。これに対して、共振器３０は、電気自動車以外の移動体や、ノートパソコンや携帯電話などの携帯機器に対する給電システムに適用されてもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせをおこなうことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…非接触給電システム
１１…送電装置
１２…受電装置
２１…受電側共振器
２２…高周波電源
２３…整合回路
２５…送電側共振器
２６…整合回路
２７…整流器
２８…バッテリー
３０…共振器
３１…第１面
３２…第２面
３３…コイル
３３ｂ…本体部
３３ｔ…端子部
３４…反射板
３４ｃ…中央部位
３４ｆ…放熱フィン
３５…絶縁部材
３５ｃ…凹部
３６…筐体部
３６ｗ…窓部

Claims (6)

1. 無線給電に用いられる共振器であって、
   磁界の共鳴に用いられるコイルと、
   前記コイルに発生する磁束が通過する位置に配置される金属板と、
   少なくとも、前記コイルに接した状態で、前記コイルと前記金属板との間に配置されるセラミック部材と、
   を備える、共振器。
2. 請求項１記載の共振器であって、
   前記セラミック部材は、前記コイルと前記金属板の両方に接触した状態で配置されている、共振器。
3. 請求項１または請求項２記載の共振器であって、
   前記金属板は、前記コイルと対向する面とは反対側の面に放熱フィンを有している、共振器。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の共振器であって、
   前記セラミック部材の熱伝導率は、３３Ｗ／ｍＫ以上、かつ、２００Ｗ／ｍＫ以下である、共振器。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の共振器であって、
   前記コイルと前記金属板との間の距離は、１０ｍｍ以上、かつ、２０ｍｍ以下である、共振器。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の共振器であって、さらに、
   少なくとも、前記コイルと、前記セラミック部材と、前記金属板と、を収容する樹脂製の筐体部を備え、
   前記金属板の表面は、前記筐体部から外部に露出している、共振器。

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