JP2014107883A - 無線電力伝送システム、送電装置、および、受電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力を効率良く伝送できる無線電力伝送システムを提供すること。
【解決手段】送電装置は第１および第２電極（１１１，１１２）、第１インダクタ（１１３Ａ，１１４Ａ）、第１および第２接続線（１１５，１１６）と、第１キャパシタ（３１１，３１２）とを有し、受電装置は、第１および第２電極（１２１，１２２）、第２インダクタ（１２３Ａ，１２４Ａ）と、第３および第４接続線（１２５，１２６）と、第２キャパシタ（４１１，４１２）と、を有し、第１および第２電極ならびに第１キャパシタと、第１インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数と、第３および第４電極ならびに第２キャパシタと、第２インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数が略等しくなるように設定される。
【選択図】図１５

Description

本発明は、無線電力伝送システム、送電装置、および、受電装置に関するものである。

特許文献１には、電磁誘導を用いて、非接触の二つの電気回路間で電力の伝送を行う無線電力伝送装置が開示されている。

特開平８−３４０２８５号公報

ところで、特許文献１に開示された技術では、電力を伝送するためのコイルにおける電力の損失が大きいため、電力を効率良く伝送できないという問題点がある。

そこで、本発明は、電力を効率良く伝送できる無線電力伝送システム、送電装置、および、受電装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、送電装置から受電装置に対して無線で交流電力を伝送する無線電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第１および第２電極と、前記第１および第２電極間に接続された第１インダクタと、前記第１および第２電極と交流電力発生部の２つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第１および第２接続線と、前記第１および第２電極と前記交流電力発生部の２つの出力端子の少なくとも一方との間に挿入される第１キャパシタと、を有し、前記受電装置は、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第３および第４電極と、前記第３および第４電極間に接続された第２インダクタと、前記第３および第４電極と負荷の２つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第３および第４接続線と、前記第３および第４電極と前記負荷の２つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第２キャパシタと、を有し、前記第１および第２電極ならびに前記第１キャパシタと、前記第１インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数と、前記第３および第４電極ならびに前記第２キャパシタと、前記第２インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数が略等しくなるように設定され、前記第１および第２電極と前記第３および第４電極は近傍界であるλ／２π以下の距離を隔てて配置される、ことを特徴とする。
このような構成によれば、電力を効率良く伝送できる無線電力伝送システムを提供することができる。

また、本発明の一側面は、前記第１および第２キャパシタの少なくとも一方は、前記第１および第２電極の少なくとも一方に対向するように設けられた電極、または、前記第３および第４電極の少なくとも一方に対向するように設けられた電極を有していることを特徴とする。
このような構成によれば、既存の第１および第２電極または第３および第４電極を利用してキャパシタを構成することができるので、構成部品の点数を減らすことができる。

また、本発明の一側面は、前記第１および第２電極は誘電体基板上に形成され、前記第１キャパシタは前記誘電体基板を挟んで前記第１および第２電極の少なくとも一方と対向するように配置された電極を有し、前記第３および第４電極は誘電体基板上に形成され、前記第２キャパシタは前記誘電体基板を挟んで前記第３および第４電極の少なくとも一方と対向するように配置された電極を有する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、誘電体基板を利用してキャパシタを構成することができるので、装置の厚さを薄くすることができる。

また、本発明の一側面は、前記第１および第２キャパシタは、チップコンデンサによって構成されることを特徴とする。
このような構成によれば、素子値の安定したチップコンデンサを用いることで共振周波数を安定化することができる。

また、本発明は、送電装置から受電装置に対して無線で交流電力を伝送する無線電力伝送システムの前記送電装置において、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第１および第２電極と、前記第１および第２電極間に接続された第１インダクタと、前記第１および第２電極と交流電力発生部の２つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第１および第２接続線と、前記第１および第２電極と前記交流電力発生部の２つの出力端子の少なくとも一方の間に挿入される第１キャパシタと、前記第１および第２電極ならびに前記第１キャパシタと、前記第１インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数は、前記受電装置が有する第３および第４電極ならびに第２キャパシタと第２インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数と略等しくなるように設定され、前記第１および第２電極と前記第３および第４電極は近傍界であるλ／２π以下の距離を隔てて配置される、ことを特徴とする。
このような構成によれば、電力を効率良く伝送できる送電装置を提供できる。

また、本発明は、送電装置から受電装置に対して無線で交流電力を伝送する無線電力伝送システムの前記受電装置において、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第３および第４電極と、前記第３および第４電極間に接続された第２インダクタと、前記第３および第４電極と負荷の２つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第３および第４接続線と、前記第３および第４電極と前記負荷の２つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第２キャパシタと、を有し、前記第３および第４電極ならびに前記第２キャパシタと、前記第２インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数は、前記送電装置が有する第１および第２電極ならびに前記第１キャパシタと、前記第１インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数と略等しくなるように設定され、前記第１および第２電極と前記第３および第４電極は近傍界であるλ／２π以下の距離を隔てて配置される、ことを特徴とする。
このような構成によれば、電力を効率良く伝送できる受電装置を提供できる。

本発明によれば、電力を効率良く伝送できる無線電力伝送システム、送電装置、および、受電装置を提供することが可能となる。

直列共振を利用する無線電力伝送システムの動作原理を説明するための図である。 図１に示す構成の等価回路である。 図２に示す等価回路の伝送特性を示す図である。 直列共振を利用する無線電力伝送システムを構成する送電装置の詳細な構成例を示す図である。 直列共振を利用する無線電力伝送システムの構成例を示す図である。 図５に示す無線電力伝送システムの伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図５に示す無線電力伝送システムの入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。 並列共振を利用する無線電力伝送システムを構成する送電カプラの詳細な構成例を示す図である。 図８に示す構成の等価回路である。 図８に示す無線電力伝送システムの伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図８に示す無線電力伝送システムの入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。 並列共振を利用する無線電力伝送システムを構成する送電カプラの詳細な構成例を示す図である。 図１２に示す無線電力伝送システムの伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図１２に示す無線電力伝送システムの入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る送電カプラの構成例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る無線電力電送システムの構成例を示す図である。 図１６に示す第１実施形態の等価回路である。 図１６に示す第１実施形態の伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図１６に示す第１実施形態の入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る無線電力電送システムの構成例を示す図である。 図２０に示す第２実施形態の伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図２０に示す第２実施形態の入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）実施形態の動作原理の説明
本実施形態は、キャパシタを付加することによって並列共振点よりも低い共振点を発生させて電力を伝送することを特徴としているが、以下では、基本形である直列共振を利用して電力を伝送する構成について説明した後に、本実施形態について説明する。

図１は、直列共振を利用した無線電力伝送システム１の動作原理を説明するための図である。この図に示すように、無線電力伝送システム１は、送電装置１０、および、受電装置２０を有している。

ここで、送電装置１０は、電極１１，１２、インダクタ１３，１４、接続線１５，１６、および、交流電力発生部１７を有している。また、受電装置２０は、電極２１，２２、インダクタ２３，２４、接続線２５，２６、および、負荷２７を有している。電極１１，１２およびインダクタ１３，１４は送電用カプラを構成する。電極２１，２２およびインダクタ２３，２４は受電用カプラを構成する。

ここで、電極１１，１２は、導電性を有する部材によって構成され、所定の距離ｄ１を隔てて配置されている。図１の例では、電極１１，１２，２１，２２として、略同一のサイズを有する矩形形状を有する平板状の電極が例示されている。また、電極１１と電極２１は距離ｄ２を隔てて対向するように平行に配置され、電極１２と電極２２も同じ距離ｄ２を隔てて対向するように平行に配置されている。なお、電極１１，１２，２１，２２としては、図１に示す以外の形状の電極であってもよい。例えば、円形または楕円形状の平板電極であったり、球形等の立体形状であったり、平板ではなく湾曲した形状または屈曲した形状の電極であったりしてもよい。

電極１１および電極１２の距離ｄ１を含む合計幅Ｄは、これらの電極から放射される電界の波長をλとした場合に、λ／２πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。同様に、電極２１および電極２２の距離ｄ１を含む合計幅Ｄは、λ／２πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。また、電極１１と電極２１および電極１２と電極２２の間の距離ｄ２についても、λ／２πで示される近傍界よりも短くなるように設定されている。

インダクタ１３，１４は、例えば、導電性の線材（例えば、銅線）を巻回して構成され、図１の例では、電極１１，１２の端部にそれぞれの一端が電気的に接続されている。接続線１５はインダクタ１３の他端と交流電力発生部１７の出力端子の一端とを接続する導電性の線材（例えば、銅線）によって構成される。接続線１６はインダクタ１４の他端と交流電力発生部１７の出力端子の他端とを接続する導電性の線材によって構成される。なお、接続線１５，１６は、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成される。

交流電力発生部１７は、所定の周波数の交流電力を発生し、接続線１５，１６を介してインダクタ１３，１４に供給する。

電極２１，２２は、電極１１，１２と同様に、導電性を有する部材によって構成され、所定ｄ１の距離を隔てて配置されている。

インダクタ２３，２４は、例えば、導電性の線材を巻回して構成され、図１の例では、電極２１，２２の端部にそれぞれの一端が電気的に接続されている。接続線２５はインダクタ２３の他端と負荷２７の入力端子の一端とを接続する導電性の線材（例えば、銅線）によって構成される。接続線２６はインダクタ２４の他端と負荷２７の入力端子の他端とを接続する導電性の線材によって構成される。なお、接続線２５，２６は、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成される。

負荷２７は、交流電力発生部１７から出力され、送電用カプラおよび受電用カプラを介して伝送された電力が供給される。なお、負荷２７は、例えば、整流装置および二次電池等によって構成されている。もちろん、これ以外であってもよい。

図２は、図１に示す無線電力伝送システム１の等価回路を示す図である。この図２において、電源部負荷２２２は、接続線１５，１６および接続線２５，２６の特性インピーダンスと等しい値を示し、Ｚ０の値を有している。抵抗２は、送電側回路、主にインダクタに付随する抵抗を示し、Ｒ１の素子値を有している。インダクタ３はインダクタ１３，１４に対応し、Ｌ１の素子値を有している。キャパシタ４は、電極１１，１２の間に生じる素子値Ｃ１のキャパシタである。キャパシタ６は、電極２１，２２の間に生じる素子値Ｃ２のキャパシタである。キャパシタ５は、電極１１，１２と電極２１，２２の間に生じるキャパシタを示し、Ｃｍの素子値を有している。インダクタ７はインダクタ２３，２４に対応し、Ｌ２の素子値を有している。抵抗８は、受電側回路、主にインダクタに付随する抵抗を示し、Ｒ２の素子値を有している。

図３は、送電装置１０と受電装置２０の間のＳパラメータの周波数特性を示している。具体的には、図３の横軸は周波数を示し、縦軸は送電装置１０から受電装置２０への挿入損失（Ｓ２１）を示している。この図３に示すように、送電装置１０から受電装置２０への挿入損失は、周波数ｆ_Ｃで反共振点を有し、周波数ｆ_Ｌおよびｆ_Ｈで共振点を有している。ここで、周波数ｆ_Ｃは、図２に示すインダクタ３，７のインダクタンス値Ｌ１，Ｌ２と、電極１１，１２または電極２１，２２によって形成されるキャパシタのキャパシタンス値Ｃ１，Ｃ２によって定まる。また、周波数ｆ_Ｌおよびｆ_Ｈは、図２に示すインダクタ３，７のインダクタンス値Ｌ１，Ｌ２と、電極１１，１２および電極２１，２２によって形成されるキャパシタのキャパシタンス値Ｃｍならびに電極１１，１２の間および電極２１，２２の間にそれぞれ生じるキャパシタのキャパシタンス値Ｃ１，Ｃ２によって定まる。

交流電力発生部１７が発生する交流電力の周波数は、図３に示すｆ_Ｌまたはｆ_Ｈと等しくなるように設定される。このように、交流電力発生部１７の周波数を設定することにより、送電装置１０から受電装置２０への挿入損失が略０ｄＢとなることから、送電装置１０から受電装置２０に対して損失なく電力を送信することができる。

図１に示す無線電力電送システムでは、送電装置１０の電極１１，１２と受電装置２０の電極２１，２２は、電界共振結合されており、送電装置１０の電極１１，１２から受電装置２０の電極２１，２２に対して電界によって交流電力が伝送される。

つまり、図１に示す無線電力電送システムでは、送電装置１０の電極１１，１２と受電装置２０の電極２１，２２は、近傍界であるλ／２πよりも短い距離ｄ２だけ隔てて配置されているので、電極１１，１２から放射される電界成分が支配的である領域に電極２１，２２が配置される。また、電極１１，１２の間に形成されるキャパシタおよびインダクタ１３，１４による共振周波数と、電極２１，２２の間に形成されるキャパシタおよびインダクタ２３，２４による共振周波数とは略等しくなるように設定されている。このように、送電装置１０の電極１１，１２と受電装置２０の電極２１，２２は、電界共振結合されていることから、送電装置１０の電極１１，１２から受電装置２０の電極２１，２２に対して電界によって交流電力が効率よく伝送される。

図４は直列共振を利用した無線電力伝送システムを構成する送電用カプラの詳細な構成例を示している。この図に示すように、直列共振を利用した無線電力伝送システムでは、送電用カプラ１１０は、矩形の板状形状を有する絶縁部材（誘電体基板）によって構成される回路基板１１８の表（おもて）面１１８Ａ上に、矩形形状を有する導電性部材によって構成される電極１１１，１１２が配置されて構成される。回路基板１１８の裏面１１８Ｂには、この図４の例では、電極等は配置されていない。具体的な構成例としては、例えば、ガラスエポキシ基板やガラスコンポジット基板等によって構成される回路基板１１８上に、銅等の導電性の薄膜によって電極１１１，１１２が形成される。電極１１１，１１２は、所定の距離ｄ１だけ離れた位置に平行に配置されている。また、距離ｄ１を含む電極１１１，１１２の幅Ｄは、これらの電極から放射される電界の波長をλとした場合に、λ／２πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。

回路基板１１８の電極１１１，１１２の短手方向の端部には、インダクタ１１３，１１４の一端がそれぞれ接続されている。また、インダクタ１１３，１１４の他端は、接続線１１５，１１６の一端にそれぞれ接続されている。接続線１１５，１１６は、電極１１１，１１２の領域およびこれらに挟まれる領域を回避するように配置されるとともに、これらの領域から遠ざかる方向（図４の左下方向）に伸延するように配置されている。より詳細には、電極１１１，１１２のそれぞれの矩形領域と、これら２つの電極１１１，１１２によって挟まれた領域を回避して配置されるとともに、これらの領域から遠ざかる方向に伸延するように配置されている。このように配置することで、電極１１１，１１２と接続線１１５，１１６の間の干渉を少なくすることができるので、伝送効率の低下を防止できる。接続線１１５，１１６は、例えば、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成されている。なお、接続線１１５，１１６の他端は、図示しない交流電力発生部の出力端子にそれぞれ接続されている。接続線１１５，１１６によって送電用カプラ１１０に交流電力発生部が接続されることにより、送電装置が構成される。

送電用カプラ１１０は、電極１１１，１１２が所定の距離ｄ１を隔てて配置されることによって形成されるキャパシタのキャパシタンスＣと、インダクタ１１３，１１４のインダクタンスＬによる直列共振回路を構成するので、これらによる固有の共振周波数ｆ_Ｃを有している。

受電用カプラ１２０は、送電用カプラ１１０と同様の構成とされ、回路基板１２８の表面１２８Ａ上に、矩形形状を有する導電性部材によって構成される電極１２１，１２２およびインダクタ１２３，１２４が配置され、インダクタ１２３，１２４の他端に接続線１２５，１２６が接続されて構成される。電極１２１，１２２によって形成されるキャパシタのキャパシタンスＣと、インダクタ１２３，１２４のインダクタンスＬによる直列共振回路の共振周波数ｆ_Ｃは送電用カプラ１１０と略同じに設定される。接続線１２５，１２６は、例えば、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成されている。受電用カプラ１２０の接続線１２５，１２６の他端には、図示しない負荷が接続される。接続線１２５，１２６によって受電用カプラ１２０に負荷が接続されることにより、受電装置が構成される。なお、送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０のインダクタ１１３，１１４，１２３，１２４は、それぞれ、巻き数が１３回とされ、インダクタンス値がｆ_Ｃにおいて２．８μＨとされている。

図５は、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を対向配置した状態を示す図である。この図に示すように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０は、回路基板１１８，１２８の表面１１８Ａ，１２８Ａが対向するように距離ｄ２を隔て、回路基板１１８，１２８が平行になるように配置される。

つぎに、図５に示す直列共振を利用した無線電力伝送システムの動作について説明する。図６は、図５に示す無線電力伝送システムの送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を２０ｃｍ隔てて対向配置した場合（ｄ２＝２０ｃｍの場合）における送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への伝送効率η２１（＝｜Ｓ２１｜＾２）と、反射損η１１（＝｜Ｓ１１｜＾２）の周波数特性を示す図である。この図において横軸は伝送する交流電力の周波数（ＭＨｚ）を示し、縦軸は伝送効率を示している。図６に示す例では、２７ＭＨｚ周辺において、伝送効率９０％以上を達成していることが分かる。なお、図５では、例えば、インダクタ１１３，１１４，１２３，１２４は、それぞれ、巻き数が１３回、インダクタンス値が２．８μＨとされ、回路基板１１８，１２８のサイズ（ＤとＬ）は２５０×２５０ｍｍとされ、電極１１１，１１２および電極１２１，１２２間のギャップｄ１は３４．４ｍｍとされている。

図７は、図５に示す直列共振を利用した無線電力伝送システムの入力インピーダンス特性を示す図である。この図７に示すように、入力インピーダンスの実部Ｒｅは共振周波数である２７ＭＨｚ付近において約５０Ωとなり、虚部Ｉｍは約０Ωとなる。

つぎに、図８を参照して、並列共振を行う場合について説明する。図８では、送電用カプラ１１０Ａを構成する回路基板１１８の電極１１１，１１２の短手方向の一方の端部には、インダクタ１１３，１１４の一端がそれぞれ接続されている。また、インダクタ１１３，１１４の他端は相互に接続されている。また、接続線１１５，１１６の一端は電極１１１，１１２の短手方向の他方の端部に直接接続されている。受電用カプラ１２０Ａも送電用カプラ１１０Ａと同様の構成とされ、これらの送電用カプラ１１０Ａと受電用カプラ１２０Ａが図５と同様に一定の距離を隔てて対向配置される。なお、図８では、インダクタ１１３，１１４は、それぞれ、巻き数が１３で、インダクタンス値が２．８μＨとされている。このときの各インダクタに付随する抵抗値は０．５Ωである。

図９は、図８に示す送電用カプラ１１０Ａと、これと同様の構成を有する図示しない受電用カプラ１２０Ａによって構成される無線電力伝送システムの等価回路を示す図である。なお、図９において、図２と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図９に示す等価回路は、図２と比較して、抵抗２とインダクタ３および抵抗８とインダクタ７が直列接続され、キャパシタ４およびキャパシタ６とそれぞれ並列接続されている。これ以外の構成は、図２と同様である。

図１０は、図８に示す送電用カプラ１１０Ａと受電用カプラ１２０Ａを２０ｃｍ隔てて対向配置した場合における送電用カプラ１１０Ａから受電用カプラ１２０Ａへの伝送効率η２１（＝｜Ｓ２１｜＾２）と、反射損η１１（＝｜Ｓ１１｜＾２）の周波数特性を示す図である。なお、図１０では、例えば、インダクタ１１３，１１４，１２３，１２４は、それぞれ、巻き数が１３回、インダクタンス値が２．８μＨとされ、回路基板１１８，１２８のサイズ（ＤとＬ）は２５０×２５０ｍｍとされ、電極１１１，１１２および電極１２１，１２２間のギャップｄ１は３４．４ｍｍとされている。この図に示すように、伝送効率η２１は周波数によらず０％であり、また、反射損η１１は周波数によらず“１”である。

図１１は、図８に示す送電用カプラ１１０Ａと図示しない受電用カプラ１２０Ａを２０ｃｍ隔てて対向配置した場合における入力インピーダンス特性を示す図である。この図１１に示すように、入力インピーダンスの実部Ｒｅは共振周波数である２７ＭＨｚ付近において約２０ｋΩ以上となり、虚部Ｉｍは２７ＭＨｚ付近を境にしてプラス無限大からマイナス無限大に変化している。つまり、共振周波数において、反共振している。以上から、送電用カプラ１１０Ａを用いた無線電力伝送システムでは、電力を伝送することはできない。

図１２は、図８に示す送電用カプラ１１０Ａのインダクタ１１３，１１４をインダクタンス値が低いインダクタ１１３Ａ，１１４Ａに置換した構成を示している。図１２では、インダクタ１１３Ａ，１１４Ａは、それぞれ、巻き数が８で、インダクタンス値が１．７２μＨとされている。

図１３は、図１２に示す送電用カプラ１１０Ｂと、これと同様の構成を有する受電用カプラ１２０Ｂを２０ｃｍ隔てて対向配置した場合における送電用カプラ１１０Ｂから受電用カプラ１２０Ｂへの伝送効率η２１（＝｜Ｓ２１｜＾２）と、反射損η１１（＝｜Ｓ１１｜＾２）の周波数特性を示す図である。この図に示すように、伝送効率η２１は周波数によらず０％であり、また、反射損η１１は周波数によらず“１”である。

図１４は、図１２に示す送電用カプラ１１０Ｂと、これと同様の構成を有する受電用カプラ１２０Ｂを用いた無線電力伝送システムの入力インピーダンス特性を示す図である。図１１に比較すると、図１４では反共振周波数は約２７ＭＨｚから約３８ＭＨｚに増加している。また、入力インピーダンスの実部Ｒｅは共振周波数である約３８ＭＨｚ付近において約２０ｋΩ以上となり、虚部Ｉｍは約３８ＭＨｚ付近を境にしてプラス無限大からマイナス無限大に変化している。図１４でも、共振周波数において、反共振している。以上から、送電用カプラ１１０Ｂを用いた無線電力伝送システムでは、電力を伝送することはできない。

（Ｂ）第１実施形態の説明
つぎに、本発明の第１実施形態に係る無線電力伝送システムについて説明する。図１５は本発明の第１実施形態に係る無線電力電送システムの送電用カプラ１１０Ｃの構成例を示す図である。この図において、図１２と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図１５では、図１２に比較して、電極１１１，１１２と接続線１１５，１１６の間にチップコンデンサ３１１，３１２がそれぞれ挿入されている。チップコンデンサ３１１は、一方の端子が接続線１１５の一端に接続され、他方の端子が電極１１１に接続されている。チップコンデンサ３１２は、一方の端子が接続線１１６の一端に接続され、他方の端子が電極１１２に接続されている。それ以外の構成は図１２と同様である。なお、受電用カプラ１２０Ｃも送電用カプラ１１０Ｃと同様の構成とされる。

図１６は図１５に示す送電用カプラ１１０Ｃと受電用カプラ１２０Ｃを用いた無線電力電送システムの構成例を示す図である。この図の例では、送電用カプラ１１０Ｃと受電用カプラ１２０Ｃを２０ｃｍ隔てて対向配置されている。また、インダクタ１１３Ａ，１１４Ａ，１２３Ａ，１２４Ａは、それぞれ巻き数が８回とされ、インダクタンス値は１．７２μＨとされている。このときの各インダクタに付随する抵抗値は０．３Ωである。また、チップコンデンサ３１１，３１２，４１１，４１２の素子値はそれぞれ１０．４ｐＦとされている。

図１７は、図１６に示す無線電力電送システムの等価回路を示す図である。なお、図１７において、図９と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図１７は、図９と比較すると、交流電力発生部１７とインダクタ３および抵抗２の間にチップコンデンサ３１１，３１２に対応するキャパシタ５００がそれぞれ挿入され、負荷２７とインダクタ７および抵抗８の間にチップコンデンサ４１１，４１２に対応するキャパシタ５０１がそれぞれ挿入されている。なお、これ以外の構成は図９と同様である。図１６に示す無線電力電送システムでは、チップコンデンサ３１１，３１２，４１１，４１２を直列に付加することで、図９に示す等価回路の並列共振周波数よりも低い周波数で、直列共振周が生じる。すなわち、共振周波数を下げることができる。なお、入力インピーダンスもチップコンデンサの付加によって変化するので、インダクタとチップコンデンサの素子値をうまく組み合わせることで、共振周波数において、例えば、５０Ωに整合を図ることができる。

図１８は、図１６に示す無線電力電送システムの送電用カプラ１１０Ｃと受電用カプラ１２０Ｃを２０ｃｍ隔てて対向配置した場合における送電用カプラ１１０Ｄから受電用カプラ１２０Ｄへの伝送効率η２１（＝｜Ｓ２１｜＾２）と、反射損η１１（＝｜Ｓ１１｜＾２）の周波数特性を示す図である。なお、この例では、インダクタ１１３，１１４，１２３，１２４は、それぞれ、巻き数が８回、インダクタンス値が１．７２μＨとされ、このときの各インダクタに付随する抵抗値は０．３Ωである。回路基板１１８，１２８のサイズ（ＤとＬ）は２５０×２５０ｍｍとされ、電極１１１，１１２および電極１２１，１２２間のギャップｄ１は３４．４ｍｍとされている。この図に示すように、図１７に示す無線電力伝送システムの伝送効率η２１は約２７ＭＨｚにおいて９０％以上となり、また、反射損η１１は約２７ＭＨｚにおいて０となっている。

図１９は、図１６に示す無線電力電送システムの入力インピーダンス特性を示す図である。図１９に示すように、入力インピーダンスの実部Ｒｅは約２７ＭＨｚにおいて５０Ωとなり、また、虚部も約２７ＭＨｚにおいて０Ωとなっている。なお、同じインダクタを用いている図１２の特性（図１４参照）と比較すると、共振周波数が３８ＭＨｚから２７ＭＨｚに低下している。

以上に説明したように、本発明の第１実施形態に係る無線電力電送システムでは、チップコンデンサを直列接続することにより、図５に示す構成と比較して、同じ共振周波数でもインダクタとして素子値が小さいものを使用することが可能になるので、装置のサイズを小型化することができる。また、素子値が小さいインダクタを使用した場合でも、伝送効率を高く保つことができる。

（Ｃ）第２実施形態の説明
つぎに、本発明の第２実施形態に係る無線電力伝送システムについて説明する。図２０は本発明の第２実施形態に係る無線電力電送システムの構成例を示す図である。この図において、図１６と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図２０では、図１６に比較して、チップコンデンサが除外され、その代わりに、回路基板１１８，１２８を利用したキャパシタが配置されている。より詳細には、図２０の例では、回路基板１２８の裏面１２８Ｂには、電極１２１，１２２の一部に対向する位置に、矩形形状を有する導電性部材によってキャパシタ電極７１１，７１２が形成され、回路基板１２８の表面１２８Ａに形成されている電極２１１，２１２との間にキャパシタが形成される。キャパシタ電極７１１，７１２は接続線１２５，１２６に接続されている。回路基板１１８の裏面１１９Ｂには、電極１１１，１１２の一部に対向する位置に、矩形形状を有する導電性部材によってキャパシタ電極６１１，６１２が形成され、回路基板１１８の表面１１８Ａに形成されている電極１１１，１１２との間にキャパシタが形成される。キャパシタ電極６１１，６１２は接続線１１５，１１６に接続されている。

図２０に示す第２実施形態では、送電用カプラ１１０Ｄと受電用カプラ１２０Ｄを２０ｃｍ隔てて対向配置されている。また、インダクタ１１３Ａ，１１４Ａ，１２３Ａ，１２４Ａはそれぞれ巻き数が８回とされインダクタンス値は１．７２μＨとされている。このときの各インダクタに付随する抵抗値は０．３Ωである。また、キャパシタ電極６１１，６１２と電極１１１，１１２によるキャパシタの素子値は共振周波数が約２８ＭＨｚになるように設定され、キャパシタ電極７１１，７１２と電極１２１，１２２によるキャパシタの素子値も共振周波数が約２８ＭＨｚになるように設定されている。なお、図２０に示す第２実施形態の等価回路は、図１７と同様である。

図２１は、図２０に示す無線電力電送システムの送電用カプラ１１０Ｄと受電用カプラ１２０Ｄを２０ｃｍ隔てて対向配置した場合における送電用カプラ１１０Ｄから受電用カプラ１２０Ｄへの伝送効率η２１（＝｜Ｓ２１｜＾２）と、反射損η１１（＝｜Ｓ１１｜＾２）の周波数特性を示す図である。なお、この例では、インダクタ１１３，１１４，１２３，１２４は、それぞれ、巻き数が８回、インダクタンス値が１．７２μＨとされている。このときの各インダクタに付随する抵抗値は０．３Ωである。回路基板１１８，１２８のサイズ（ＤとＬ）は２５０×２５０ｍｍとされ、電極１１１，１１２および電極１２１，１２２間のギャップｄ１は３４．４ｍｍとされている。この図に示すように、伝送効率η２１は約２８ＭＨｚにおいて９０％以上となり、また、反射損η１１は約２８ＭＨｚにおいて０となっている。

図２２は、図２０に示す送電用カプラ１１０Ｄと受電用カプラ１２０Ｄを用いた無線電力伝送システムの入力インピーダンス特性を示す図である。図２２に示すように、入力インピーダンスの実部Ｒｅは約２８ＭＨｚにおいて５０Ωとなり、また、虚部も約２８ＭＨｚにおいて０Ωとなっている。

以上に説明したように、本発明の第２実施形態に係る無線電力電送システムでは、コンデンサを直列接続することにより、図５に示す構成と比較して、同じ共振周波数でもインダクタとして素子値が小さいものを使用することが可能になるので、装置のサイズを小型化することができる。

また、第２実施形態では、第１実施形態と比較すると、回路基板１１８，１２８を利用してコンデンサを構成することができるため、部品点数を減らすことができる。

（Ｃ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の各実施形態では、電極１１１，１１２および電極１２１，１２２は同じサイズを有するようにしたが、これらが異なるサイズを有するようにしてもよい。具体的には、電極１２１，１２２が電極１１１，１１２よりも小さいサイズになるようにしてもよい。もちろん、その逆の構成でもよい。

また、以上の実施形態では、電極１１１，１１２および電極１２１，１２２を対向配置するようにしたが、例えば、これらが図１６に示すＸ方向またはＹ方向にずれた状態で配置されるようにしてもよい。あるいは、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０が所定の角度だけ相対的に回転するように配置してもよい。

また、電極１１１，１１２および電極１２１，１２２の形状は、矩形形状ではなく、円形または楕円形状であってもよい。あるいは、平板形状ではなく、湾曲したり、屈曲したりした形状であってもよいし、球形等の立体形状であってもよい。

また、インダクタ１１３，１１４およびインダクタ１２３，１２４は、２つのインダクタを接続する構成としたが、これらを１つの構成としてもよい。また、以上の各実施形態では、インダクタとしては、導体線を円柱状に巻回して構成するようにしたが、例えば、マイクロストリップラインで使用されるような、平面上を蛇行する形状を有するものや、平面上で螺旋形状を有するものによって構成するようにしてもよい。

また、第１実施形態ではチップコンデンサを用い、第２実施形態では回路基板を誘電体とするコンデンサを用いるようにしたが、チップコンデンサと回路基板を誘電体として用いるコンデンサを組み合わせて用いるようにしてもよい。例えば、送電用カプラまたは受電用カプラの一方だけをチップコンデンサにして他方は回路基板を用いたコンデンサとしてもよい。もちろん、送電用カプラまたは受電用カプラのそれぞれについて、チップコンデンサと回路基板を用いたコンデンサを組み合わせて使用してもよい。

１ 無線電力伝送システム
１０ 送電装置
１１，１２ 電極
１３，１４ インダクタ
１５，１６ 接続線
１７ 交流電力発生部
２０ 受電装置
２１，２２ 電極
２３，２４ インダクタ
２５，２６ 接続線
２７ 負荷
１１０ 送電用カプラ
１１１，１１２ 電極（第１電極、第２電極）
１１３Ａ，１１４Ａ インダクタ（第１インダクタ）
１１５，１１６ 接続線（第１接続線、第２接続線）
１１８ 回路基板
１２０ 受電用カプラ
１２１，１２２ 電極（第３電極、第４電極）
１２３Ａ，１２４Ａ インダクタ（第２インダクタ）
１２５，１２６ 接続線（第３接続線、第４接続線）
１２８ 回路基板
２２２ 電源部負荷
３１１，３１２ チップコンデンサ（第１キャパシタ）
４１１，４１２ チップコンデンサ（第２キャパシタ）
６１１，６１２ キャパシタ電極（第１キャパシタ）
７１１，７１２ キャパシタ電極（第２キャパシタ）

Claims (6)

1. 送電装置から受電装置に対して無線で交流電力を伝送する無線電力伝送システムにおいて、
   前記送電装置は、
   所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第１および第２電極と、
   前記第１および第２電極間に接続された第１インダクタと、
   前記第１および第２電極と交流電力発生部の２つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第１および第２接続線と、
   前記第１および第２電極と前記交流電力発生部の２つの出力端子の少なくとも一方との間に挿入される第１キャパシタと、を有し、
   前記受電装置は、
   所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第３および第４電極と、
   前記第３および第４電極間に接続された第２インダクタと、
   前記第３および第４電極と負荷の２つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第３および第４接続線と、
   前記第３および第４電極と前記負荷の２つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第２キャパシタと、を有し、
   前記第１および第２電極ならびに前記第１キャパシタと、前記第１インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数と、前記第３および第４電極ならびに前記第２キャパシタと、前記第２インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数が略等しくなるように設定され、前記第１および第２電極と前記第３および第４電極は近傍界であるλ／２π以下の距離を隔てて配置される、
   ことを特徴とする無線電力伝送システム。
2. 前記第１および第２キャパシタの少なくとも一方は、前記第１および第２電極の少なくとも一方に対向するように設けられた電極、または、前記第３および第４電極の少なくとも一方に対向するように設けられた電極を有していることを特徴とする請求項１に記載の無線電力電送システム。
3. 前記第１および第２電極は誘電体基板上に形成され、前記第１キャパシタは前記誘電体基板を挟んで前記第１および第２電極の少なくとも一方と対向するように配置された電極を有し、
   前記第３および第４電極は誘電体基板上に形成され、前記第２キャパシタは前記誘電体基板を挟んで前記第３および第４電極の少なくとも一方と対向するように配置された電極を有する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の無線電力伝送システム。
4. 前記第１および第２キャパシタの少なくとも一方は、チップコンデンサによって構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の無線電力電送システム。
5. 送電装置から受電装置に対して無線で交流電力を伝送する無線電力伝送システムの前記送電装置において、
   所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第１および第２電極と、
   前記第１および第２電極間に接続された第１インダクタと、
   前記第１および第２電極と交流電力発生部の２つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第１および第２接続線と、
   前記第１および第２電極と前記交流電力発生部の２つの出力端子の少なくとも一方の間に挿入される第１キャパシタと、
   前記第１および第２電極ならびに前記第１キャパシタと、前記第１インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数は、前記受電装置が有する第３および第４電極ならびに第２キャパシタと第２インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数と略等しくなるように設定され、前記第１および第２電極と前記第３および第４電極は近傍界であるλ／２π以下の距離を隔てて配置される、
   ことを特徴とする送電装置。
6. 送電装置から受電装置に対して無線で交流電力を伝送する無線電力伝送システムの前記受電装置において、
   所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第３および第４電極と、
   前記第３および第４電極間に接続された第２インダクタと、
   前記第３および第４電極と負荷の２つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第３および第４接続線と、
   前記第３および第４電極と前記負荷の２つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第２キャパシタと、を有し、
   前記第３および第４電極ならびに前記第２キャパシタと、前記第２インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数は、前記送電装置が有する第１および第２電極ならびに前記第１キャパシタと、前記第１インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数と略等しくなるように設定され、前記第１および第２電極と前記第３および第４電極は近傍界であるλ／２π以下の距離を隔てて配置される、
   ことを特徴とする受電装置。

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