JP2014121184A

JP2014121184A - 無線電力伝送システム

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Publication number: JP2014121184A
Application number: JP2012275130A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kusunoki; 正弘楠; Mitsuru Masuda; 満増田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2014-06-30
Anticipated expiration: 2032-12-17
Also published as: JP6088814B2

Abstract

【課題】電力を効率良く伝送でき、故障に強い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、所定の距離を隔てて配置され、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（１１１，１１２）と、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（１１５，１１６）とを少なくとも有し、受電装置は、所定の距離を隔てて配置され、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（１２１，１２２）と、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（１２５，１２６）とを少なくとも有し、第１乃至第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、送電装置または受電装置の少なくとも一方を複数有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、無線電力伝送システム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。また、コイル等が断線した場合には電力が送電できなくなる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とともに故障に強い無線電力伝送システム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、を少なくとも有し、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、を少なくとも有し、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、前記送電装置または前記受電装置の少なくとも一方を複数有する、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とともに故障に強い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、前記共振周波数を変化させることで、電力を送受電する送電装置または受電装置を選択することを特徴とする。
このような構成によれば、電力を送受電する対象を選択することで、所望の送電装置または受電装置の間で電力を送受電することができる。

また、本発明の一側面は、前記送電装置は、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インダクタと、を有し、前記受電装置は、前記第３および第４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２インダクタと、を有し、前記第１および第２電極と前記第１インダクタによって構成されるカプラの共振周波数と、このカプラと電力を送受電するカプラであって、前記第３および第４電極と前記第２インダクタ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、ことを特徴とする。
このような構成によれば、簡単な構成によって電力を伝送することが可能になる。

また、本発明の一側面は、前記送電装置は、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、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、このカプラと電力を送受電するカプラであって、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る、ことを特徴とする。
このような構成によれば、第１および第２インダクタのサイズを小型化することができるので、装置全体のサイズを小型化することができる。

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、第１および第２電極と、第３および第４電極を利用することにより、コンパクトなサイズで、第１および第２キャパシタを実現することができる。

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、誘電体基板を第１および第２キャパシタの誘電体として利用することにより、小さなサイズで、かつ、厚さの薄いキャパシタを実現することができる。

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、または、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の少なくとも一方を変位させることにより、前記共振周波数を変化させ、電力を送受電する送電装置または受電装置を選択することを特徴とする。
このような構成によれば、電極を移動させることで共振周波数を変化させ、これにより、所望の送電装置または受電装置の間で電力を送受電することができる。

本発明によれば、電力を効率良く伝送できるとともに故障に強い無線電力伝送システム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２に示す無線電力伝送システムの等価回路である。図２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２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実施形態に係る無線電力伝送システムの構成例を示す図である。図６に示す送電用カプラと受電用カプラの配置状態を示す図である。図６に示す無線電力伝送システムの等価回路である。図６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６に示す送電用カプラと受電用カプラのインピーダンスのスミスチャートを示す図である。電極に対してインダクタを並列に接続した、送電カプラの詳細な構成例を示す図である。電極に対してインダクタを並列に接続した、無線電力伝送システムの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等価回路である。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２実施形態に係る無線電力伝送システムの構成例を示す図である。図１６に示す無線電力伝送システムの等価回路である。キャパシタ電極を利用した無線電力伝送システムの構成列を示す図である。図１８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１８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３実施形態に係る無線電力伝送システムの構成例を示す図である。図２１に示す第３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２１に示す第３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。本発明の変形実施形態の概略を示す図である。本発明の変形実施形態の等価回路を示す図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）実施形態の説明
以下では、直列共振を利用した無線伝送システムについて説明した後に、本発明の第１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１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１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。

図２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。

図３は、図２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３において、交流電力発生部２１１は、共振周波数に対応する周波数の交流電力を生成して出力する。電源部負荷２１２は、接続線１１５，１１６および接続線１２５，１２６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。インダクタ２１３はインダクタ１１３，１１４に対応し、Ｌ１の素子値を有している。抵抗２１４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。キャパシタ２１５は、電極１１１，１１２の間に生じる素子値Ｃ１のキャパシタである。キャパシタ２２１は、電極１２１，１２２の間に生じる素子値Ｃ２のキャパシタである。インダクタ２２２はインダクタ１２３，１２４に対応し、Ｌ２の素子値を有している。抵抗２２３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。負荷２２４は、交流電力発生部２１１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。キャパシタ２４１は、電極１１１，１１２と電極１２１，１２２の間に生じるキャパシタを示し、Ｃｍ１の素子値を有している。なお、負荷２２４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。

つぎに、図２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４は、図２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４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２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５．９μＨ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５は、図２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５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。このように、送電用カプラ１１０の電極１１１，１１２と受電用カプラ１２０の電極１２１，１２２は、電界共振結合されていることから、送電用カプラ１１０の電極１１１，１１２と受電用カプラ１２０の電極１２１，１２２に対して電界によって交流電力が効率よく伝送される。

（Ｂ）第１実施形態の説明
つぎに、図６を参照して、本発明の第１実施形態に係る無線電力伝送システムの構成例について説明する。図６では、図１と同様の送電用カプラ１１０と、２つの受電用カプラ１２０，１３０が距離を隔てて対向配置されて構成されている。図７（Ａ）は、図６に示す第１実施形態をＹ方向から眺めた図である。この図７（Ａ）に示すように、送電用カプラ１１０と、受電用カプラ１２０，１３０は、１６ｃｍ間隔を隔てて対向配置されている。図７（Ｂ）は、図６に示す第１実施形態をＸ方向から眺めた図である。この図７（Ｂ）に示すように、受電用カプラ１２０，１３０は、送電用カプラ１１０の中央からその中央が２５ｃｍだけ移動するように配置される。

図８は、図６に示す第1実施形態の等価回路を示す図である。この図８において、交流電力発生部２１１は、共振周波数に対応する周波数の交流電力を生成して出力する。電源部負荷２１２は、接続線１１５，１１６および接続線１２５，１２６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。インダクタ２１３はインダクタ１１３，１１４に対応し、Ｌ１の素子値を有している。抵抗２１４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。キャパシタ２１５は、電極１１１，１１２の間に生じる素子値Ｃ１のキャパシタである。キャパシタ２２１は、電極１２１，１２２の間に生じる素子値Ｃ２のキャパシタである。インダクタ２２２はインダクタ１２３，１２４に対応し、Ｌ２の素子値を有している。抵抗２２３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。負荷２２４は、交流電力発生部２１１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。キャパシタ２３１は、電極１３１，１３２の間に生じる素子値Ｃ３のキャパシタである。インダクタ２３２はインダクタ１３３，１３４に対応し、Ｌ３の素子値を有している。抵抗２３３は、受電側回路、主にインダクタに付随する抵抗を示し、Ｒ３の素子値を有している。負荷２３４は、交流電力発生部２１１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。キャパシタ２４１は、電極１１１，１１２と電極１２１，１２２の間に生じるキャパシタを示し、Ｃｍ１の素子値を有している。キャパシタ２４２は、電極１１１，１１２と電極１３１，１３２の間に生じるキャパシタを示し、Ｃｍ２の素子値を有している。なお、負荷２２４，２３４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９は、図６に示す無線電力伝送システムの送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への伝送効率η２１（＝｜Ｓ２１｜＾２）と、受電用カプラ１３０への伝送効率η３１（＝｜Ｓ３１｜＾２）と、反射損γ（＝｜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９に示す例では、２７ＭＨｚ周辺において、伝送効率η２１，η３１ともに４７％以上を達成している。なお、図６では、例えば、インダクタ１１３，１１４，１２３，１２４，１３３，１３４は、それぞれ、インダクタンス値が２．８μＨとされ、回路基板１１８，１２８，１３８のサイズ（ＤとＬ）は２５０×２５０ｍｍとされ、電極１１１，１１２、電極１２１，１２２、および、電極１３１，１３２間のギャップｄ１は３４．４ｍｍとされている。

図１０は、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０，１３０を１６ｃｍ隔てて対向配置した場合における送電用カプラ１１０のインピーダンスＳ１１と、受電用カプラ１２０のインピーダンスＳ２２と、受電用カプラ１３０のインピーダンスＳ３３とのスミスチャートを示している。この場合、測定器のポートインピーダンスは接続線路の特性インピーダンスＺ０（実数値）と等しい値に設定している。これらの図に示すように、本実施形態では、送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０，１３０のインピーダンスの軌跡は、スミスチャートの円の中心付近を通過することから、この付近において伝送を行うように設定することにより反射を抑えて効率良く電力を伝送することができる。

以上に説明したように、本発明の第１実施形態では、２つの受電用カプラ１２０，１３０を用いるようにしたので、受電用カプラ１２０，１３０の一方が故障した場合でも、他方の受電用カプラで電力伝送を行うことができる。このため、受電用カプラの故障による電力伝送の遮断の発生確率を下げることができる。また、２つの受電用カプラ１２０，１３０によって電力を分配して受電することも可能となるので、異なる２つの負荷に電力を供給することもできる。

（Ｃ）第２実施形態の説明
以下では、第２実施形態の基本的な原理に説明した後に、第２実施形態の詳細な構成および動作について説明する。図１１は、本発明の第２実施形態に係る無線電力伝送システムを構成する送電用カプラ１１０Ａの構成例を示す図である。この図において、図１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１１では、図１に比較して、インダクタ１１３，１１４がチップコンデンサ３１１，３１２に置換され、また、相互に接続されたインダクタ１１３Ａ，１１４Ａが電極１１１，１１２の端部に接続されている。より詳細には、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。また、インダクタ１１３Ａ，１１４Ａはそれぞれの一端同士が相互に接続されるとともに、インダクタ１１３Ａの他端が電極１１１に接続され、インダクタ１１４Ａの他端が電極１１２に接続されている。これ以外の構成は、図１の場合と同様である。なお、受電用カプラ１２０Ａも送電用カプラ１１０Ａと同様の構成とされる。

図１２は、図１１に示す送電用カプラ１１０Ａと受電用カプラ１２０Ａを用いた無線電力伝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１１０Ａと受電用カプラ１２０Ａを１６ｃｍ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３．８４μＨとされている。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１３は、図１２に示す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１３において、図３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１３は、図３と比較すると、交流電力発生部２１１とインダクタ２１３および抵抗２１４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２２４とインダクタ２２２および抵抗２２３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。また、図３においてはキャパシタ２１５にインダクタ２１３と抵抗２１４が直列に接続されているが、図１３では並列に接続されている。同様に図３においてはキャパシタ２２１にインダクタ２２２と抵抗２２３が直列に接続されているが、図１３では並列に接続にされている。図１２に示す無線電力伝送システムでは、チップコンデンサ３１１，３１２，４１１，４１２を直列に付加することで、キャパシタ２１５およびインダクタ２１３による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１４は、図１２に示す無線電力伝送システムの送電用カプラ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、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、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１２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１５は、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特性を示す図である。図１５に示すように、入力インピーダンスの実部Ｒｅは約２７ＭＨｚにおいて約５０Ωとなり、また、虚部も約２７ＭＨｚにおいて０Ωとなっている。

このように、図１２に示す無線電力伝送システムでは、チップコンデンサを直列接続することにより、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。

図１６は、本発明の第２実施形態に係る無線電力伝送システムの構成例を示す図である。図１６の例では、図１１と同様の構成を有する送電用カプラ１１０Ａと、２つの受電用カプラ１２０Ａ，１３０Ａを有している。なお、送電用カプラ１１０Ａと、２つの受電用カプラ１２０Ａ，１３０Ａは、図７と同様の配置とされている。

図１７は、図１６に示す第２実施形態の電気的等価回路である。この図において、図１３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では、図１３と比較すると、受電用カプラ１３０Ａに対応するキャパシタ２３１、インダクタ２３２、抵抗２３３、負荷２３４、および、キャパシタ５０２を有している。なお、これ以外の構成は図１３と同様である。キャパシタ２３１は、電極１３１，１３２の間に生じる素子値Ｃ３のキャパシタである。インダクタ２３２はインダクタ１３３Ａ，１３４Ａに対応し、Ｌ３の素子値を有している。抵抗２３３は、受電側回路、主にインダクタに付随する抵抗を示し、Ｒ３の素子値を有している。負荷２３４は、交流電力発生部２１１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。キャパシタ２４２は、電極１１１，１１２と電極１３１，１３２の間に生じるキャパシタを示し、Ｃｍ２の素子値を有している。なお、負荷２３４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１６に示す第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、２つの受電用カプラ１２０Ａ，１３０Ａを用いるようにしたので、受電用カプラ１２０Ａ，１３０Ａの一方が故障した場合でも、他方の受電用カプラで電力伝送を行うことができる。このため、受電用カプラの故障による電力伝送の遮断の発生確率を下げることができる。また、２つの受電用カプラ１２０Ａ，１３０Ａによって電力を分配して受電することも可能となるので、異なる２つの負荷に電力を供給することもできる。さらに、第２実施形態では、チップコンデンサを直列に付加することで、キャパシタおよびインダクタによる並列共振周波数よりも低い周波数で直列共振周が生じ、共振周波数を下げることができる。これにより、インダクタのサイズを小さいものにすることができるので、送電用カプラ１１０Ａおよび受電用カプラ１２０Ａ，１３０Ａのサイズを小型化することができる。

（Ｄ）第３実施形態の説明
以下では、第３実施形態の基本的な原理に説明した後に、第３実施形態の詳細な構成および動作について説明する。図１８は、本発明の第３実施形態に係る無線電力伝送システムに用いる送電用カプラ１１０Ｂおよび受電用カプラ１２０Ｂ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１８では、図１２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１８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１２１，１２２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１８に示す構成例では、送電用カプラ１１０Ｂと受電用カプラ１２０Ｂ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。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１８に示す構成例の等価回路は、図１３と同様である。

図１９は、図１８に示す無線電力伝送システムの送電用カプラ１１０Ｂと受電用カプラ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。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２０は、図１８に示す送電用カプラ１１０Ｂと受電用カプラ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２０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。

図２１は、本発明の第３実施形態に係る無線電力伝送システムの構成例を示す図である。図２１の例では、図１８と同様の構成を有する送電用カプラ１１０Ｂと、２つの受電用カプラ１２０Ｂ，１３０Ｂを有している。受電用カプラ１３０Ｂは、図１８に示す受電用カプラ１２０Ｂと同様の構成とされている。また、送電用カプラ１１０Ｂおよび２つの受電用カプラ１２０Ｂ，１３０Ｂは、図７と同様の配置とされている。さらに、第３実施形態では、キャパシタ電極６１１，６１２、キャパシタ電極７１１，７１２、および、キャパシタ電極７２１，７２２を図中の矢印で示す方向に移動可能とされている。例えば、キャパシタ電極６１１，６１２を移動させ、電極１１１，１１２と対向する面積を調整することで、キャパシタ５００の素子値を変化させ、共振周波数を変更することができる。また、キャパシタ電極７１１，７１２を移動させ、電極１２１，１２２と対向する面積を調整することで、キャパシタ５０１の素子値を変化させ、共振周波数を変更することができる。同様に、キャパシタ電極７２１，７２２を移動させ、電極１３１，１３２と対向する面積を調整することで、キャパシタ５０２の素子値を変化させ、共振周波数を変更することができる。例えば、送電用カプラ１１０Ｂの共振周波数と同じ共振周波数となるように、キャパシタ電極７１１，７１２およびキャパシタ電極７２１，７２２を移動させることで、図９に示すように受電用カプラ１２０Ｂ，１３０Ｂに電力を分配することができる。また、受電用カプラ１２０Ｂ，１３０Ｂの一方の共振周波数を、送電用カプラ１１０Ｂの共振周波数と同じにすることにより、択一的に電力を送信することできる。

図２２は、キャパシタ電極７１１，７１２は移動させずに、キャパシタ電極６１１，６１２およびキャパシタ電極７２１，７２２を電極１１１，１１２および電極１３１，１３２から離れる方向に２０ｍｍ移動させ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、受電用カプラ１３０Ｂへの伝送効率η３１（＝｜Ｓ３１｜＾２）と、反射損γ（＝｜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η３１は約３１ＭＨｚにおいて８０％以上となり、伝送効率η２１は約３１ＭＨｚにおいて約０％となり、また、反射損γは約３１ＭＨｚにおいて０となっている。このように、キャパシタ電極を調整することで、受電用カプラに選択的に電力を伝送することができる。

図２３は、送電用カプラ１１０Ｂと受電用カプラ１２０Ｂ，１３０Ｂを１６ｃｍ隔てて対向配置し、キャパシタ電極７１１，７１２は移動させずに、キャパシタ電極６１１，６１２およびキャパシタ電極７２１，７２２を電極１１１，１１２および電極１３１，１３２から離れる方向に２０ｍｍ移動させた場合における、送電用カプラ１１０のインピーダンスＳ１１と、受電用カプラ１２０のインピーダンスＳ２２と、受電用カプラ１３０のインピーダンスＳ３３とのスミスチャートを示している。この場合、測定器のポートインピーダンスは接続線路の特性インピーダンスＺ０（実数値）と等しい値に設定している。この図に示すように、送電用カプラ１１０Ｂと受電用カプラ１３０Ｂの共振周波数が同じになるように設定した場合、送電用カプラ１１０Ｂおよび受電用カプラ１３０Ｂのインピーダンスの軌跡は、スミスチャートの円の中心付近を通過することから、これらの間で反射を抑えて効率良く電力を伝送することができる。

以上に説明したように、本発明の第３実施形態によれば、２つの受電用カプラ１２０Ｂ，１３０Ｂを用いるようにしたので、受電用カプラ１２０Ｂ，１３０Ｂの一方が故障した場合でも、他方の受電用カプラで電力伝送を行うことができる。このため、受電用カプラの故障による電力伝送の遮断の発生確率を下げることができる。また、キャパシタ電極を直列に付加することで、キャパシタおよびインダクタによる並列共振周波数よりも低い周波数で直列共振周が生じ、共振周波数を下げることができる。これにより、インダクタのサイズを小さいものにすることができるので、送電用カプラ１１０Ｂおよび受電用カプラ１２０Ｂ，１３０Ｂのサイズを小型化することができる。また、第３実施形態では、キャパシタ電極を移動可能とし、共振周波数を調整可能としたので、２つの受電用カプラ１２０Ｂ，１３０Ｂのいずれか一方に択一的に電力を伝送することができる。

（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１１１，１１２，１２１，１２２，１３２，１３２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。

また、電極１１１，１１２，１２１，１２２，１３１，１３２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１１３Ａ，１１４Ａ，１２３Ａ，１２４Ａ，１２４Ａ，１２４Ｂ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２実施形態ではチップコンデンサを用い、第３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。

また、以上の各実施形態では、２枚の受電用カプラを用いるようにしたが、例えば、３枚以上の受電用カプラを用いるようにしてもよい。さらに、以上の各実施形態では、２枚の受電用カプラをＹ方向にずらして配置するようにしたが、例えば、Ｘ方向にずらして配置するようにしてもよい。３枚以上の受電カプラを用いる場合には、Ｙ方向およびＸ方向にずらして配置するようにしてもよい。

また、以上の各実施形態では、送電用カプラおよび受電用カプラは、図７に示すような配置としたが、これ以外の配置としてもよい。

また、以上の第３実施形態では、キャパシタ電極を移動させることにより、共振周波数を変化させるようにしたが、例えば、キャパシタ電極をスイッチ等によってバイパスさせたり、チップコンデンサをバイパスさせたりすることにより、共振周波数を変化させるようにしてもよい。

また、以上の各実施形態では、図２４（Ａ）に示すように、１つの送電用カプラと２つの受電用カプラを組み合わせるようにしたが、図２４（Ｂ）に示すように、２つの送電用カプラと１つの受電用カプラを組み合わせるようにしてもよい。なお、図２４（Ａ）の場合、送電用カプラから“１”の電力を送電し、各受電用カプラで“１／２”の電力を受電するようにしたり、あるいは、いずれかの受電用カプラで“１”の電力を選択的に受電したりするようにしてもよい。また、図２４（Ｂ）の場合、各送電用カプラから“１／２”の電力を送電し、受電用カプラでこれらの電力を合成して“１”の電力を受電するようにしたり、あるいは、いずれかの送電用カプラから“１”の電力を選択的に送電したりするようにしてもよい。

また、２つ以上の送電用カプラと、２つ以上の受電用カプラとを組み合わせて用いるようにしてもよい。図２５は、２つの送電用カプラと２つの受電用カプラを組み合わせた場合の等価回路を示す図である。この例では、図１２または図１８に示す送電用カプラと受電用カプラを組み合わせて使用している。このような実施形態によれば、キャパシタ５００，５０１，５０２，５０３の組み合わせにより、共振周波数が同じ送電用カプラと受電用カプラの間で電力を送受電することができる。

１１０送電用カプラ
１１１，１１２電極（第１電極、第２電極）
１１３，１１４インダクタ
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）
１１８，１２８，１３８回路基板
１２０，１３０受電用カプラ
１２１，１２２，１３１，１３２電極（第３電極、第４電極）
１２３Ａ，１２４Ａ，１３３Ａ，１３４Ａインダクタ（第２インダクタ）
１２５，１２６，１３５，１３６接続線（第３接続線、第４接続線）
１２８回路基板
３１１，３１２チップコンデンサ（第１キャパシタ）
４１１，４１２，４２１，４２２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）
７１１，７１２，７２１，７２２キャパシタ電極（第２キャパシタ）

Claims

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、を少なくとも有し、
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、を少なくとも有し、
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、前記送電装置または前記受電装置の少なくとも一方を複数有する、
ことを特徴とする無線電力伝送システム。
前記共振周波数を変化させることで、電力を送受電する送電装置または受電装置を選択することを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送システム。
前記送電装置は、
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インダクタと、を有し、
前記受電装置は、
前記第３および第４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２インダクタと、を有し、
前記第１および第２電極と前記第１インダクタによって構成されるカプラの共振周波数と、このカプラと電力を送受電するカプラであって、前記第３および第４電極と前記第２インダクタ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、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の無線電力伝送システム。
前記送電装置は、
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、
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、このカプラと電力を送受電するカプラであって、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に記載の無線電力伝送システム。
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４に記載の無線電力伝送システム。
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５に記載の無線電力伝送システム。
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、または、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の少なくとも一方を変位させることにより、前記共振周波数を変化させ、電力を送受電する送電装置または受電装置を選択することを特徴とする請求項６に記載の無線電力伝送システム。