JP5700137B2 - 送電装置、受電装置、および電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、送電装置、受電装置、および電力伝送システムに関する。

近年、環境への配慮からバッテリなどの電力を用いて駆動輪を駆動させるハイブリッド車両や電気自動車などが着目されている。

特に近年は、上記のようなバッテリを搭載した電動車両において、プラグなどを用いずに非接触でバッテリを充電可能なワイヤレス充電が着目されている。そして、最近では非接触の充電方式においても各種の充電方式が提案されている。

非接触の充電方式を用いた電力伝送システムとしては、たとえば、特開２０１０−０７００４８号公報（特許文献１）、特開２０１０−２５２５８３号公報（特許文献２）、特開２００８−２９４３８５号公報（特許文献３）、特開２００９−００４５１２号公報（特許文献４）、および特開２００９−０７６５１３号公報（特許文献５）が挙げられる。

これらの電力伝送システムにおいては、送電装置および受電装置ともに、一方の装置に対向する面は電磁波が通過可能に構成され、一方の装置に対向しない他の面はシールド部材に覆われている。たとえば、特許文献１に開示された非接触給電システムにおいては、立方体形状のシールドボックスが用いられ、一方の装置に対向する面が電磁波が通過可能に設けられ、他の５面には、電磁波（近接場）を反射するようにシールド部材が設けられている。

シールドボックスの大きさは、シールドボックス内に収容される給電ユニット（送電ユニット）とシールド部材との間の距離を一定以上の設ける必要性がある。その結果、給電ユニット（送電ユニット）の大型化、特に、高さ方向の大型化が懸念されている。

特開２０１０−０７００４８号公報 特開２０１０−２５２５８３号公報 特開２００８−２９４３８５号公報 特開２００９−００４５１２号公報 特開２００９−０７６５１３号公報

したがって、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、送電装置の大型化を回避することが可能な構造を備える、送電装置、受電装置、および電力伝送システムを提供することにある。

本発明に基づいた送電装置は、外部に設けられた受電部に非接触で電力を送電する送電部と、上記送電部を取り囲むように設けられる筒状の送電側シールドとを備え、上記送電側シールドの、上記受電部が位置する領域とは反対側は、電磁波が通過可能であり、上記送電側シールドには、上記送電側シールドを挟んで上記送電部とは反対側に、シールド部材が設けられている。

他の形態においては、上記シールド部材は、上記送電側シールドに電気的に接続されている。

他の形態においては、上記シールド部材は、上記送電側シールドの、上記受電部が位置する領域とは反対側の端部に電気的に接続されている。

他の形態においては、上記送電部の固有周波数と上記受電部の固有周波数との差は、上記受電部の固有周波数の１０％以下である。

他の形態においては、上記受電部と上記送電部との結合係数は、０．１以下である。
他の形態においては、上記送電部は、上記受電部と上記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、上記受電部と上記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、上記受電部に電力を送電する。

本発明に係る電力伝送システムのある局面では、送電部を含む送電装置と、上記送電部から非接触で電力を受電する受電部を含む受電装置とを備える電力伝送システムであって、上記送電装置は、上記送電部を取り囲むように設けられる筒状の送電側シールドを含み、上記送電側シールドの、上記受電部が位置する領域とは反対側は、電磁波が通過可能であり、上記送電側シールドには、上記送電側シールドを挟んで上記送電部とは反対側に、シールド部材が設けられている。

他の形態においては、上記シールド部材は、上記送電側シールドに電気的に接続されている。

他の形態においては、上記シールド部材は、上記送電側シールドの、上記受電部が位置する領域とは反対側の端部に電気的に接続されている。

本発明に係る受電装置は、外部に設けられた送電部から非接触で電力を受電する受電部と、上記受電部を取り囲むように設けられる筒状の受電側シールドとを備え、上記受電側シールドの、上記受電部が位置する領域とは反対側は、電磁波が通過可能であり、上記受電側シールドには、上記受電側シールドを挟んで上記受電部とは反対側に、シールド部材が設けられている。

他の形態においては、上記シールド部材は、上記受電側シールドに電気的に接続されている。

他の形態においては、上記シールド部材は、上記受電側シールドの、上記送電部が位置する領域とは反対側の端部に電気的に接続されている。

他の形態においては、上記送電部の固有周波数と上記受電部の固有周波数との差は、上記受電部の固有周波数の１０％以下である。

他の形態においては、上記受電部と上記送電部との結合係数は、０．１以下である。
他の形態においては、上記受電部は、上記受電部と上記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、上記受電部と上記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて上記送電部から電力を受電する。

本発明に係る電力伝送システムの他の局面では、送電部を含む送電装置と、上記送電部から非接触で電力を受電する受電部を含む受電装置とを備える電力伝送システムであって、上記受電装置は、上記受電部を取り囲むように設けられる筒状の受電側シールドを含み、上記受電側シールドの、上記送電部が位置する領域とは反対側は、電磁波が通過可能であり、上記受電側シールドには、上記受電側シールドを挟んで上記受電部とは反対側に、シールド部材が設けられている。

他の形態においては、上記シールド部材は、上記受電側シールドに電気的に接続されている。

他の形態においては、上記シールド部材は、上記受電側シールドの、上記送電部が位置する領域とは反対側の端部に電気的に接続されている。

この発明によれば、送電装置の大型化を回避することが可能な構造を備える、送電装置、受電装置、および電力伝送システムを提供することが可能となる。

実施の形態における送電装置、受電装置、および電力伝送システムを模式的に説明する図である。 電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す図である。 シミュレーション結果をしめす図である。 固有周波数を固定した状態で、エアギャップを変化させたときの電力伝送効率と、共鳴コイルに供給される電流の周波数ｆとの関係を示す図である。 電流源（磁流源）からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。 実施の形態における送電装置の構造を示す分解斜視図である。 実施の形態における送電装置の平面図である。 実施の形態における送電装置の底面図である。 図７中のＩＸ−ＩＸ線矢視断面図である。 送電装置の駐車スペースへの載置状態を示す第１の図である。 送電装置の駐車スペースへの載置状態を示す第２の図である。 他の実施の形態における送電装置の図７中のＩＸ−ＩＸ線矢視に対する断面図である。 さらに他の実施の形態における送電装置の図７中のＩＸ−ＩＸ線矢視に対する断面図である。 さらに他の実施の形態における送電装置の図７中のＩＸ−ＩＸ線矢視に対する断面図である。 さらに他の実施の形態における送電装置の図７中のＩＸ−ＩＸ線矢視に対する断面図である。 さらに他の実施の形態における送電装置の図７中のＩＸ−ＩＸ線矢視に対する断面図である。 さらに他の実施の形態における送電装置の図７中のＩＸ−ＩＸ線矢視に対する断面図である。 さらに他の実施の形態における送電装置の図７中のＩＸ−ＩＸ線矢視に対する断面図である。 さらに他の実施の形態における送電装置の底面図である。 さらに他の実施の形態における送電装置の底面図である。 他の実施の形態における受電装置の構造を示す断面図である。

本発明に基づいた実施の形態における送電装置、受電装置、および電力伝送システムについて、以下、図を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。また、各実施の形態における構成を適宜組み合わせて用いることは当初から予定されていることである。

（実施の形態）
図１を参照して、本実施の形態に係る電力伝送システムについて説明する。図１は、実施の形態における送電装置、受電装置、および電力伝送システムを模式的に説明する図である。

本実施の形態１に係る電力伝送システムは、受電装置４０を含む電動車両１０と、送電装置４１を含む外部給電装置２０とを有する。電動車両１０の受電装置は、送電装置４１が設けられた駐車スペース４２の所定位置に停車して、主に、送電装置４１から電力を受電する。

駐車スペース４２には、電動車両１０を所定の位置に停車させるように、輪止や、駐車位置および駐車範囲を示すラインが設けられている。

外部給電装置２０は、交流電源２１に接続された高周波電力ドライバ２２と、高周波電力ドライバ２２などの駆動を制御する制御部２６と、この高周波電力ドライバ２２に接続された送電装置４１とを含む。送電装置４１は、送電部２８と、電磁誘導コイル２３とを含む。送電部２８は、共鳴コイル２４と、共鳴コイル２４に接続されたキャパシタ２５とを含む。電磁誘導コイル２３は、高周波電力ドライバ２２に電気的に接続されている。なお、この図１に示す例においては、キャパシタ２５が設けられているが、キャパシタ２５は必ずしも必須の構成ではない。

送電部２８は、共鳴コイル２４のインダクタンスと、共鳴コイル２４の浮遊容量およびキャパシタ２５のキャパシタンスとから形成された電気回路を含む。

電動車両１０は、受電装置４０と、受電装置４０に接続された整流器１３と、この整流器１３に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、このＤＣ／ＤＣコンバータ１４に接続されたバッテリ１５と、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ（Power Control Unit））１６と、このパワーコントロールユニット１６に接続されたモータユニット１７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４やパワーコントロールユニット１６などの駆動を制御する車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１８とを備える。なお、本実施の形態に係る電動車両１０は、図示しないエンジンを備えたハイブリッド車両であるが、モータにより駆動される車両であれば、電気自動車や燃料電池車両も含む。

整流器１３は、電磁誘導コイル１２に接続されており、電磁誘導コイル１２から供給される交流電流を直流電流に変換して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４に供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、整流器１３から供給された直流電流の電圧を調整して、バッテリ１５に供給する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は必須の構成ではなく省略してもよい。この場合には、外部給電装置２０にインピーダンスを整合するための整合器を送電装置４１と高周波電力ドライバ２２との間に設けることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の代用をすることができる。

パワーコントロールユニット１６は、バッテリ１５に接続されたコンバータと、このコンバータに接続されたインバータとを含み、コンバータは、バッテリ１５から供給される直流電流を調整（昇圧）して、インバータに供給する。インバータは、コンバータから供給される直流電流を交流電流に変換して、モータユニット１７に供給する。

モータユニット１７は、たとえば、三相交流モータなどが採用されており、パワーコントロールユニット１６のインバータから供給される交流電流によって駆動する。

なお、電動車両１０がハイブリッド車両の場合には、電動車両１０は、エンジンをさらに備える。モータユニット１７は、発電機として主に機能するモータジェネレータと、電動機として主に機能するモータジェネレータとを含む。

受電装置４０は、受電部２７と、電磁誘導コイル１２とを含む。受電部２７は、共鳴コイル１１とキャパシタ１９とを含む。共鳴コイル１１は浮遊容量を有する。このため、受電部２７は、共鳴コイル１１のインダクタンスと、共鳴コイル１１およびキャパシタ１９のキャパシタンスとによって形成された電気回路を有する。なお、キャパシタ１９は、必須の構成ではなく、省略することができる。

本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、送電部２８の固有周波数と、受電部２７の固有周波数との差は、受電部２７または送電部２８の固有周波数の１０％以下である。このような範囲に各送電部２８および受電部２７の固有周波数を設定することで、電力伝送効率を高めることができる。その一方で、固有周波数の差が受電部２７または送電部２８の固有周波数の１０％よりも大きくなると、電力伝送効率が１０％より小さくなり、バッテリ１５の充電時間が長くなるなどの弊害が生じる。

ここで、送電部２８の固有周波数とは、キャパシタ２５が設けられていない場合には、共鳴コイル２４のインダクタンスと、共鳴コイル２４のキャパシタンスとから形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。キャパシタ２５が設けられた場合には、送電部２８の固有周波数とは、共鳴コイル２４およびキャパシタ２５のキャパシタンスと、共鳴コイル２４のインダクタンスとによって形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。上記電気回路において、制動力および電気抵抗をゼロもしくは実質的にゼロとしたときの固有周波数は、送電部２８の共振周波数とも呼ばれる。

同様に、受電部２７の固有周波数とは、キャパシタ１９が設けられていない場合には、共鳴コイル１１のインダクタンスと、共鳴コイル１１のキャパシタンスとから形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。キャパシタ１９が設けられた場合には、受電部２７の固有周波数とは、共鳴コイル１１およびキャパシタ１９のキャパシタンスと、共鳴コイル１１のインダクタンスとによって形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。上記電気回路において、制動力および電気抵抗をゼロもしくは実質的にゼロとしたときの固有周波数は、受電部２７の共振周波数とも呼ばれる。

図２および図３を用いて、固有周波数の差と電力伝送効率との関係とを解析したシミュレーション結果について説明する。図２は、電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す。電力伝送システム８９は、送電装置９０と、受電装置９１とを備え、送電装置９０は、電磁誘導コイル９２と、送電部９３とを含む。送電部９３は、共鳴コイル９４と、共鳴コイル９４に設けられたキャパシタ９５とを含む。

受電装置９１は、受電部９６と、電磁誘導コイル９７とを備える。受電部９６は、共鳴コイル９９とこの共鳴コイル９９に接続されたキャパシタ９８とを含む。

共鳴コイル９４のインダクタンスをインダクタンスＬｔとし、キャパシタ９５のキャパシタンスをキャパシタンスＣ１とする。共鳴コイル９９のインダクタンスをインダクタンスＬｒとし、キャパシタ９８のキャパシタンスをキャパシタンスＣ２とする。このように各パラメータを設定すると、送電部９３の固有周波数ｆ１は、下記の式（１）によって示され、受電部９６の固有周波数ｆ２は、下記の式（２）によって示される。

ｆ１＝１／{２π（Ｌｔ×Ｃ１）^1/2}・・・（１）
ｆ２＝１／{２π（Ｌｒ×Ｃ２）^1/2}・・・（２）
ここで、インダクタンスＬｒおよびキャパシタンスＣ１，Ｃ２を固定して、インダクタンスＬｔのみを変化させた場合において、送電部９３および受電部９６の固有周波数のズレと、電力伝送効率との関係を図３に示す。なお、このシミュレーションにおいては、共鳴コイル９４および共鳴コイル９９の相対的な位置関係は固定した状態であって、さらに、送電部９３に供給される電流の周波数は一定である。

図３に示すグラフのうち、横軸は、固有周波数のズレ（％）を示し、縦軸は、一定周波数での伝送効率（％）を示す。固有周波数のズレ（％）は、下記式（３）によって示される。

（固有周波数のズレ）＝{（ｆ１−ｆ２）／ｆ２}×１００（％）・・・（３）
図３からも明らかなように、固有周波数のズレ（％）が±０％の場合には、電力伝送効率は、１００％近くとなる。固有周波数のズレ（％）が±５％の場合には、電力伝送効率は、４０％となる。固有周波数のズレ（％）が±１０％の場合には、電力伝送効率は、１０％となる。固有周波数のズレ（％）が±１５％の場合には、電力伝送効率は、５％となる。すなわち、固有周波数のズレ（％）の絶対値（固有周波数の差）が、受電部９６の固有周波数の１０％以下の範囲となるように各送電部および受電部の固有周波数を設定することで電力伝送効率を高めることができることがわかる。さらに、固有周波数のズレ（％）の絶対値が受電部９６の固有周波数の５％以下となるように、各送電部および受電部の固有周波数を設定することで電力伝送効率をより高めることができることがわかる。なお、シミュレーションソフトしては、電磁界解析ソフトウェア（JMAG（登録商標）：株式会社ＪＳＯＬ製）を採用している。

次に、本実施の形態に係る電力伝送システムの動作について説明する。
図１において、電磁誘導コイル２３には、高周波電力ドライバ２２から交流電力が供給される。電磁誘導コイル２３に所定の交流電流が流れると、電磁誘導によって共鳴コイル２４にも交流電流が流れる。この際、共鳴コイル２４を流れる交流電流の周波数が特定の周波数となるように、電磁誘導コイル２３に電力が供給されている。

共鳴コイル２４に特定の周波数の電流が流れると、共鳴コイル２４の周囲には特定の周波数で振動する電磁界が形成される。

共鳴コイル１１は、共鳴コイル２４から所定範囲内に配置されており、共鳴コイル１１は共鳴コイル２４の周囲に形成された電磁界から電力を受け取る。

本実施の形態においては、共鳴コイル１１および共鳴コイル２４は、所謂、ヘリカルコイルが採用されている。このため、共鳴コイル２４の周囲には、特定の周波数で振動する磁界が主に形成され、共鳴コイル１１は当該磁界から電力を受け取る。

ここで、共鳴コイル２４の周囲に形成される特定の周波数の磁界について説明する。「特定の周波数の磁界」は、典型的には、電力伝送効率と共鳴コイル２４に供給される電流の周波数と関連性を有する。そこで、まず、電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数との関係について説明する。共鳴コイル２４から共鳴コイル１１に電力を伝送するときの電力伝送効率は、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１の間の距離などの様々な要因よって変化する。たとえば、送電部２８および受電部２７の固有周波数（共振周波数）を固有周波数ｆ０とし、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数を周波数ｆ３とし、共鳴コイル１１および共鳴コイル２４の間のエアギャップをエアギャップＡＧとする。

図４は、固有周波数ｆ０を固定した状態で、エアギャップＡＧを変化させたときの電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数ｆ３との関係を示すグラフである。

図４に示すグラフにおいて、横軸は、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数ｆ３を示し、縦軸は、電力伝送効率（％）を示す。効率曲線Ｌ１は、エアギャップＡＧが小さいときの電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数ｆ３との関係を模式的に示す。この効率曲線Ｌ１に示すように、エアギャップＡＧが小さい場合には、電力伝送効率のピークは周波数ｆ４，ｆ５（ｆ４＜ｆ５）において生じる。エアギャップＡＧを大きくすると、電力伝送効率が高くなるときの２つのピークは、互いに近づくように変化する。そして、効率曲線Ｌ２に示すように、エアギャップＡＧを所定距離よりも大きくすると、電力伝送効率のピークは１つとなり、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数が周波数ｆ６のときに電力伝送効率がピークとなる。エアギャップＡＧを効率曲線Ｌ２の状態よりもさらに大きくすると、効率曲線Ｌ３に示すように電力伝送効率のピークが小さくなる。

たとえば、電力伝送効率の向上を図るため手法として次のような第１の手法が考えられる。第１の手法としては、エアギャップＡＧにあわせて、図１に示す共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を一定として、キャパシタ２５やキャパシタ１９のキャパシタンスを変化させることで、送電部２８と受電部２７との間での電力伝送効率の特性を変化させる手法が考えられる。具体的には、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数を一定とした状態で、電力伝送効率がピークとなるように、キャパシタ２５およびキャパシタ１９のキャパシタンスを調整する。この手法では、エアギャップＡＧの大きさに関係なく、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１に流れる電流の周波数は一定である。なお、電力伝送効率の特性を変化させる手法としては、送電装置４１と高周波電力ドライバ２２との間に設けられた整合器を利用する手法や、コンバータ１４を利用する手法などを採用することもできる。

また、第２の手法としては、エアギャップＡＧの大きさに基づいて、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を調整する手法である。たとえば、図４において、電力伝送特性が効率曲線Ｌ１となる場合には、共鳴コイル２４には周波数が周波数ｆ４または周波数ｆ５の電流を共鳴コイル２４を供給する。そして、周波数特性が効率曲線Ｌ２，Ｌ３となる場合には、周波数が周波数ｆ６の電流を共鳴コイル２４に供給する。この場合では、エアギャップＡＧの大きさに合わせて共鳴コイル２４および共鳴コイル１１に流れる電流の周波数を変化させることになる。

第１の手法では、共鳴コイル２４を流れる電流の周波数は、固定された一定の周波数となり、第２の手法では、共鳴コイル２４を流れる周波数は、エアギャップＡＧによって適宜変化する周波数となる。第１の手法や第２の手法などによって、電力伝送効率が高くなるように設定された特定の周波数の電流が共鳴コイル２４に供給される。共鳴コイル２４に特定の周波数の電流が流れることで、共鳴コイル２４の周囲には、特定の周波数で振動する磁界（電磁界）が形成される。受電部２７は、受電部２７と送電部２８の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界を通じて送電部２８から電力を受電している。したがって、「特定の周波数で振動する磁界」とは、必ずしも固定された周波数の磁界とは限らない。なお、上記の例では、エアギャップＡＧに着目して、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を設定するようにしているが、電力伝送効率は、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１の水平方向のずれ等のように他の要因によっても変化するものであり、当該他の要因に基づいて、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を調整する場合がある。

なお、本実施の形態では、共鳴コイルとしてヘリカルコイルを採用した例について説明したが、共鳴コイルとして、メアンダラインなどのアンテナなどを採用した場合には、共鳴コイル２４に特定の周波数の電流が流れることで、特定の周波数の電界が共鳴コイル２４の周囲に形成される。そして、この電界をとおして、送電部２８と受電部２７との間で電力伝送が行われる。

本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、電磁界の「静電界」が支配的な近接場（エバネッセント場）を利用することで、送電および受電効率の向上が図られている。図５は、電流源（磁流源）からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。図５を参照して、電磁界は３つの成分から成る。曲線ｋ１は、波源からの距離に反比例した成分であり、「輻射電界」と称される。曲線ｋ２は、波源からの距離の２乗に反比例した成分であり、「誘導電界」と称される。また、曲線ｋ３は、波源からの距離の３乗に反比例した成分であり、「静電界」と称される。なお、電磁界の波長を「λ」とすると、「輻射電界」と「誘導電界」と「静電界」との強さが略等しくなる距離は、λ／2πとあらわすことができる。

「静電界」は、波源からの距離とともに急激に電磁波の強度が減少する領域であり、本実施の形態に係る電力伝送システムでは、この「静電界」が支配的な近接場（エバネッセント場）を利用してエネルギー（電力）の伝送が行なわれる。すなわち、「静電界」が支配的な近接場において、近接する固有周波数を有する送電部２８および受電部２７（たとえば一対のＬＣ共振コイル）を共鳴させることにより、送電部２８から他方の受電部２７へエネルギー（電力）を伝送する。この「静電界」は遠方にエネルギーを伝播しないので、遠方までエネルギーを伝播する「輻射電界」によってエネルギー（電力）を伝送する電磁波に比べて、共鳴法は、より少ないエネルギー損失で送電することができる。

このように、本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、送電部２８と受電部２７とを電磁界によって共振させることで送電装置４１から受電装置に電力を送電している。そして、送電部２８と受電部２７との間の結合係数（κ）は、０．１以下である。なお、一般的に電磁誘導を利用した電力伝送では、送電部と受電部と間の結合係数（κ）は１．０に近いものとなっている。

本実施の形態の電力伝送における送電部２８と受電部２７との結合を、たとえば、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電磁界（電磁場）共振結合」または「電界（電場）共振結合」という。

「電磁界（電磁場）共振結合」は、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電界（電場）共振結合」のいずれも含む結合を意味する。

本明細書中で説明した送電部２８の共鳴コイル２４と受電部２７の共鳴コイル１１とは、コイル形状のアンテナが採用されているため、送電部２８と受電部２７とは主に、磁界によって結合しており、送電部２８と受電部２７とは、「磁気共鳴結合」または「磁界（磁場）共鳴結合」している。

なお、共鳴コイル２４，１１として、たとえば、メアンダラインなどのアンテナを採用することも可能であり、この場合には、送電部２８と受電部２７とは主に、電界によって結合している。このときには、送電部２８と受電部２７とは、「電界（電場）共振結合」している。

（送電装置４１）
図６から図９を参照して、本実施の形態における送電装置４１の具体的構成について説明する。なお、図６は、送電装置４１の構造を示す分解斜視図、図７は、送電装置４１の平面図、図８は、送電装置４１の底面図、図９は、図７中のＩＸ−ＩＸ線矢視断面図である。

送電装置４１は、送電部２８を構成する円形の電磁誘導コイル２３と円形の共鳴コイル２４とを備える。電磁誘導コイル２３および共鳴コイル２４の径方向外側において、電磁誘導コイル２３および共鳴コイル２４の外側を取り囲むように、円筒状の送電側シールド１０２が設けられる。この送電側シールド１０２には、電磁波遮蔽効果を有するシールド部材が用いられる。たとえば、銅等の金属材料が用いられる。また、安価な部材で構成してその内面または外面に電磁波遮蔽効果を有する布やスポンジ等を貼付してもよい。

送電側シールド１０２の受電部２７（図１参照、図中においては上側）と対向する側には、樹脂製のカバー１０１が設けられている。カバー１０１は、本実施の形態では、電磁波遮蔽効果は有していない。送電側シールド１０２の、受電部２７が位置する領域とは反対側（図中においては下側）は、電磁波が通過可能に設けられている。

送電側シールド１０２には、送電側シールド１０２を挟んで送電部２８とは反対側に、シールド部材１０３が設けられている。より具体的には、円形の送電側シールド１０２の外周面側には、径方向外側に広がるシールド部材１０３が設けられている。このシールド部材１０３も送電側シールド１０２と同様に、電磁波遮蔽効果を有するシールド部材が用いられる。本実施の形態におけるシールド部材１０３は、径方向に所定の幅を有する環状の形態を有している。なお、シールド部材１０３は、この形状に限定されるものでなく、後述の図１７から図２０に示すようような形状であってもかまわない。

シールド部材１０３は、送電側シールド１０２の、受電部２７が位置する領域とは反対側の端部に電気的に接続されている。本実施の形態では、送電側シールド１０２とシールド部材１０３とは、同一部材により一体的に成型されている。

本実施の形態では、カバー１０１、送電側シールド１０２、およびシールド部材１０３により、シールドカバー１００を構成している。なお、本実施の形態では、カバー１０１および円筒形状の送電側シールド１０２を採用した場合について説明しているが、カバー１０１および送電側シールド１０２は円形形状に限定されるものではない。後述の図１８および図１９に示すような多角形形状、矩形形状、その他の様々な形状を採用することが可能である。

電磁誘導コイル２３は、支持溝１１０ａが設けられた樹脂製のコイル支持部材１１０により支持されている。本実施の形態においては、コイル支持部材１１０が６個用いられている。コイル支持部材１１０により、電磁誘導コイル２３の内周面が６箇所支持されている。コイル支持部材１１０は、カバー１０１に固定されている。コイル支持部材１１０を用いる数量、コイルを支持すべき箇所は、適宜コイルの大きさ、形状に応じて変更される。

共鳴コイル２４は、電磁誘導コイル２３の径方向外側に配置され、支持溝１２０ａが設けられた樹脂製のコイル支持部材１２０により支持されている。本実施の形態においては、コイル支持部材１２０が６個用いられている。コイル支持部材１２０により、電磁誘導コイル２３の内周面が６箇所支持されている。コイル支持部材１１０は、カバー１０１に固定されている。コイル支持部材１２０を用いる数量、コイルを支持すべき箇所は、適宜コイルの大きさ、形状に応じて変更される。

なお、共鳴コイル２４および電磁誘導コイル２３の形状および配置は、本実施の形態に限定されない。電磁誘導コイル２３と共鳴コイル２４との配置関係は、図示する関係に限定されることはなく、電磁誘導コイル２３と共鳴コイル２４とを積層する状態に配置することも可能である。

図９に示すように、電磁誘導コイル２３および共鳴コイル２４は、シールドカバー１００の送電側シールド１０２によって規定される内部空間に収容される。本実施の形態では、送電側シールド１０２の、受電部２７が位置する領域とは反対側（図中においては下側：本実施の形態では便宜上「底面側」と称する。）は、電磁波が通過可能に設けられている。

本実施の形態の構成においては、上述したように、底面側にシールドを設けない構成を採用していることから、送電側シールド１０２の高さ（ｈ）は、電磁誘導コイル２３および共鳴コイル２４が、シールドカバー１００の送電側シールド１０２によって規定される内部空間に収容される高さを満たせばよい。その結果、送電側シールド１０２の高さ（ｈ）を低くすることが可能となり、送電装置４１の高さ方向における大型化を回避することが可能となる。

また、底面側にシールドを設けない場合には、底面からの電磁波（近接場）の漏れが生じる場合があるが、送電側シールド１０２の外周面側には、外側に広がるシールド部材１０３が設けられていることにより、送電側シールド１０２の外側に漏れ出る電磁波（近接場）をシールド部材１０３を用いて抑制することが可能となる。

ここで、図１０および図１１を参照して、上記構成の送電装置４１を駐車スペース４２に設置した場合について説明する。図１０および図１１は、送電装置４１の駐車スペース４２への載置状態を示す第１および第２の図である。

図１０を参照して、上記送電装置４１を駐車スペース４２の上に載置した状態を示している。この送電装置４１は、高さ方向の大きさが低いことから、駐車スペース４２の上に載置した場合でも、突出する部分を低く抑えることができる。

また、図１１に示すように、上記送電装置４１を駐車スペース４２の表面から地中に埋設する場合でも、表面から地中に形成する埋設用穴の深さを浅くすることができるため、設置作業の労力の軽減を図ることも可能となる。

（他の実施の形態）
次に、図１２から図１５を参照して、他の実施の形態における送電装置４１Ａ〜４１Ｄについて説明する。送電装置４１Ａ〜４１Ｄの構成は、上述した送電装置４１と基本的構成は同じであり、シールド部材１０３の形態のみが異なっている。したがって、以下の説明では、送電装置４１と同一の構成については、同一の参照番号を付して、重複する説明は行なわず、シールド部材１０３の形態について詳細に説明する。

図１２を参照して、この送電装置４１Ａは、カバー１０１の直径を２Ｒとした場合に、シールド部材１０３の張出長さＲが、上記カバー１０１の直径の半分（または、半分以上）の長さに設定されている。これにより、送電側シールド１０２の径方向外側への電磁波の漏洩を抑制する効果をさらに高めることが可能となる。

図１３を参照して、この送電装置４１Ｂは、シールド部材１０３を送電側シールド１０２の受電部２７が設けられる側の端部に設けている。この構成によっても、送電装置４１，４１Ａと同様の作用効果を得ることが可能である。

図１４を参照して、この送電装置４１Ｃは、シールド部材１０３を送電側シールド１０２の受電部２７が設けられる側の端部に接続し、反対側にむけて徐々に傾斜する構成を採用している。この構成によっても、送電装置４１，４１Ａ，４１Ｂと同様の作用効果を得ることが可能である。

図１５を参照して、この送電装置４１Ｄは、シールド部材１０３を送電側シールド１０２に接触させず、送電側シールド１０２の外面から所定距離（Ｓ）離間した位置に、シールド部材１０３を設けている。所定距離（Ｓ）については、漏洩する電磁波の周波数に応じて設定される。

なお、上記実施の形態では、送電側シールド１０２の、受電部２７が位置する領域とは反対側には何も設けない構成により電磁波の通過を可能としているが、上述したカバー１０１と同様に、図１６の送電装置４１Ｅに示すように、電磁波遮蔽効果を有していないカバー１０４を用いて、底面側の開口を塞ぐ構成を採用することも可能である。

また、上記実施の形態では、円形の電磁誘導コイル２３および円形の共鳴コイル２４を採用した場合について説明しているが、各コイルの形状は円形に限定されるものではない。たとえば、図１７に示す送電装置４１Ｈのように、八角形のコイル形状を有する電磁誘導コイル２３および共鳴コイル２４を採用することも可能である。また、四角形、その他の多角形形状のコイルを採用することも可能である。

このように多角形のコイルを採用した場合にも、上記実施の形態と同様に、送電側シールド１０２には、送電側シールド１０２を挟んで送電部２８とは反対側に、シールド部材１０３が設けられている。

また、シールドカバー１００を構成する送電側シールド１０２の形状も円筒形状に限定されるものではなく、図１８に示す送電装置４１Ｊのように、たとえば、八角形のコイル形状を有する電磁誘導コイル２３および共鳴コイル２４の形状にあわせて、カバー１０１、送電側シールド１０２、およびシールド部材１０３の形状を八角形にすることも可能である。

送電側シールド１０２の形状が筒状とは、上記円筒形状、八角形形状に限られず、送電部２８と受電部２７とが通常使用される状態において、非接触充電を行なう際の、送電部２８と受電部２７とを結ぶ直線方向を軸として、軸方向が塞がれておらず、送電部２８を、同軸の周囲を方向において囲む形状を意味する。

また、図１９に示す送電装置４１Ｋのように、電磁誘導コイル２３および共鳴コイル２４の形状には円形を採用し、カバー１０１、送電側シールド１０２、およびシールド部材１０３の形状には八角形（多角形）を採用することも可能であり、その逆の組合せ（図１７に示す送電装置４１Ｈ）も可能である。

また、シールド部材１０３を送電側シールド１０２の全周を取り囲むように設けた場合について説明しているが、送電側シールド１０２の径方向外側への電磁波の漏洩が部分的に抑制すればよい場合には、図２０に示す送電装置４１Ｌのように、必要な領域にシールド部材１０３を分割して設ける構成の採用も可能である。

また、上記各実施の形態では、送電装置側の構成について説明しているが、受電装置に対しても同様に適用することができる。たとえば、図９に示す構造を受電装置側に適用した場合を、受電装置４０Ａを図２１に示す。

図２１を参照して、送電側シールド１０２を受電側シールド１０２と読み替えることで、たとえば、車両のフロアパネル１０Ｆの下面側に受電装置４０Ａを設置することができる。図１２から図２０に示す送電装置の構成を、受電装置側に対しても適用することができる。

したがって、受電側シールド１０２の、送電部２８が位置する領域とは反対側は、電磁波が通過可能である構造と、受電側シールド１０２の外周面側には、外側に広がるシールド部材１０３が設けられる構造との採用が、送電部装置側と同様に受電装置側においても可能である。

なお、上記実施の形態では、コイル１２およびコイル２３として電磁誘導コイルを含んだ送電装置および受電装置を例示したが、電磁誘導コイルを含まない共鳴型非接触送受電装置にも本発明は適用可能である。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 電動車両、１１，１２，２３，２４ コイル、１３ 整流器、１４ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１５ バッテリ、１６ パワーコントロールユニット、１７ モータユニット、１８ 車両ＥＣＵ、１９，２５ キャパシタ、２０ 外部給電装置、２１ 交流電源、２２ 高周波電力ドライバ、２６ 制御部、２７ 受電部、２８ 送電部、２９ インピーダンス調整器、４０，４０Ａ 受電装置、４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｈ，４１Ｊ，４１Ｋ，４１Ｌ 送電装置、４２ 駐車スペース、１００ シールドカバー、１０１ カバー、１０２ 送電側シールド、１０３ シールド部材、１１０ａ，１２０ａ 支持溝、１１０，１２０ コイル支持部材。

Claims (18)

1. 外部に設けられた受電部（２７）に非接触で電力を送電する送電部（２８）と、
   前記送電部（２８）を取り囲むように設けられる筒状の送電側シールド（１０２）と、を備え、
   前記送電側シールド（１０２）の、前記受電部（２７）が位置する領域とは反対側は、電磁波が通過可能であり、
   前記送電側シールド（１０２）には、前記送電側シールド（１０２）を挟んで前記送電部（２８）とは反対側に、シールド部材（１０３）が設けられている、送電装置。
2. 前記シールド部材（１０３）は、前記送電側シールド（１０２）に電気的に接続されている、請求項１に記載の送電装置。
3. 前記シールド部材（１０３）は、前記送電側シールド（１０２）の、前記受電部（２７）が位置する領域とは反対側の端部に電気的に接続されている、請求項２に記載の送電装置。
4. 前記送電部（２８）の固有周波数と前記受電部（２７）の固有周波数との差は、前記受電部（２７）の固有周波数の１０％以下である、請求項１に記載の送電装置。
5. 前記受電部（２７）と前記送電部（２８）との結合係数は、０．１以下である、請求項１に記載の送電装置。
6. 前記送電部（２８）は、前記受電部（２７）と前記送電部（２８）の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、前記受電部（２７）と前記送電部（２８）の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、前記受電部（２７）に電力を送電する、請求項１に記載の送電装置。
7. 送電部（２８）を含む送電装置（４１）と、前記送電部（２８）から非接触で電力を受電する受電部（２７）を含む受電装置（４０）とを備える電力伝送システムであって、
   前記送電装置（４１）は、
   前記送電部（２８）を取り囲むように設けられる筒状の送電側シールド（１０２）を含み、
   前記送電側シールド（１０２）の、前記受電部（２７）が位置する領域とは反対側は、電磁波が通過可能であり、
   前記送電側シールド（１０２）には、前記送電側シールド（１０２）を挟んで前記送電部（２８）とは反対側に、シールド部材（１０３）が設けられている、電力伝送システム。
8. 前記シールド部材（１０３）は、前記送電側シールド（１０２）に電気的に接続されている、請求項７記載の電力伝送システム。
9. 前記シールド部材（１０３）は、前記送電側シールド（１０２）の、前記受電部（２７）が位置する領域とは反対側の端部に電気的に接続されている、請求項８に記載の電力伝送システム。
10. 外部に設けられた送電部（２８）から非接触で電力を受電する受電部（２７）と、
    前記受電部（２７）を取り囲むように設けられる筒状の受電側シールド（１０２）と、を備え、
    前記受電側シールド（１０２）の、前記受電部（２７）が位置する領域とは反対側は、電磁波が通過可能であり、
    前記受電側シールド（１０２）には、前記受電側シールド（１０２）を挟んで前記受電部（２７）とは反対側に、シールド部材（１０３）が設けられている、受電装置。
11. 前記シールド部材（１０３）は、前記受電側シールド（１０２）に電気的に接続されている、請求項１０に記載の受電装置。
12. 前記シールド部材（１０３）は、前記受電側シールド（１０２）の、前記送電部（２８）が位置する領域とは反対側の端部に電気的に接続されている、請求項１１に記載の受電装置。
13. 前記送電部（２８）の固有周波数と前記受電部（２７）の固有周波数との差は、前記受電部（２７）の固有周波数の１０％以下である、請求項１０に記載の受電装置。
14. 前記受電部（２７）と前記送電部（２８）との結合係数は、０．１以下である、請求項１０に記載の受電装置。
15. 前記受電部（２７）は、前記受電部（２７）と前記送電部（２８）の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、前記受電部（２７）と前記送電部（２８）の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて前記送電部（２８）から電力を受電する、請求項１０に記載の受電装置。
16. 送電部（２８）を含む送電装置（４１）と、前記送電部（２８）から非接触で電力を受電する受電部（２７）を含む受電装置（４０）とを備える電力伝送システムであって、
    前記受電装置（４０）は、
    前記受電部（２７）を取り囲むように設けられる筒状の受電側シールド（１０２）を含み、
    前記受電側シールド（１０２）の、前記送電部（２８）が位置する領域とは反対側は、電磁波が通過可能であり、
    前記受電側シールド（１０２）には、前記受電側シールド（１０２）を挟んで前記受電部（２７）とは反対側に、シールド部材（１０３）が設けられている、電力伝送システム。
17. 前記シールド部材（１０３）は、前記受電側シールド（１０２）に電気的に接続されている、請求項１６に記載の電力伝送システム。
18. 前記シールド部材（１０３）は、前記受電側シールド（１０２）の、前記送電部（２８）が位置する領域とは反対側の端部に電気的に接続されている、請求項１７に記載の電力伝送システム。

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