JP2016004990A - 共振器 - Google Patents

Abstract

【課題】送電側の共振器と受電側の共振器との間の磁場結合を強化すると共に、小型化且つ電界の漏洩を抑制した共振器を提供する。【解決手段】主に磁場の共鳴を利用して送電側（１）の共振器（３０）から受電側（１）の共振器（３０）に電力を伝送する無線給電システム（１００）に用いられる共振器（３０）は、導体で形成されるコイル（３２）と；コイル（３２）の電界発生領域内の少なくとも一部に配置される誘電体部（３１）と；コイル（３２）の磁界発生領域内において、コイル（３２）と誘電体部（３１）との少なくとも一方の近傍に配置される磁性体部（３８）と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、無線給電システムに用いられる共振器に関する。

磁場の共鳴を利用することによって、送電側の共振器から受電側の共振器へと、無線で電力を伝送する磁界共鳴方式の無線給電システムが知られている。特許文献１には、電磁誘導方式の無線給電システムにおいて、共振器に内蔵される磁束を集める磁心コア部材として、複数の棒状の磁心コア部材を用いることで、平板状に形成された１つの磁心コア部材と比較して、外部からの衝撃や加重に対して耐性を向上させた技術が開示されている。

特開２０１４-４３１１５号公報

無線給電システムに用いられるコイル等の共振器をさらに小型化したいという要望があった。また、送電側の共振器と受電側の共振器との間の磁場結合をより強化したいという要望があった。また、共振器のコイルに高周波電力が加えられた際のコイルの導体損失を抑制したいという要望があった。また、共振器に電力が加えられることで共振器の近傍に発生する電界エネルギーは、共振器の近傍に誘電体が存在する場合に共振器の共振周波数等の特性に影響を及ぼすおそれや、近傍に存在する人体及び電子機器に影響を与えるおそれがあり、これらの影響を抑制したいという要望があった。特許文献１に記載された技術では、共振器に用いられる磁心コア部材の強度を向上させることができるものの、上述した課題を解決するには十分ではなかった。

本発明は、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、主に磁場の共鳴を利用して送電側の共振器から受電側の共振器に電力を伝送する無線給電システムに用いられる共振器が提供される。この共振器は、導体で形成されるコイルと；前記コイルの電界発生領域内の少なくとも一部に配置される誘電体部と；前記コイルの磁界発生領域内において、前記コイルと前記誘電体部との少なくとも一方の近傍に配置される磁性体部と、を備える。この形態の共振器によれば、高周波電力が加えられたコイルに発生する電界を誘電体部が蓄えることによって、共振器の近傍に存在する誘電体（例えば水など）の影響（外部影響）を抑制でき、共振器自身が外部影響を受けることを抑制することができる。また、共振器の近傍に存在する人体及び電子機器への影響を抑制できる。また、本実施形態の共振器では、コイルの近くに磁性体部が配置されることで、高周波電力が加えられたコイルによって発生する磁束が集められ、生成される磁界エネルギーが強化されるので、電力が伝送される送信側と受信側と共振器の磁場結合を強化できる。

（２）上記形態の共振器において、前記磁性体部は、前記コイルに隣接すると共に前記誘電体部から離間して配置されてもよい。この形態の共振器によれば、磁性体部は、磁界エネルギーが強いコイルに隣接する位置に配置されるため、共振器の全体によって生成される磁界エネルギーを効率的に強化できる。

（３）上記形態の共振器において、前記磁性体部は、前記コイルから離間すると共に前記誘電体部に隣接するように配置されてもよい。この形態の共振器によれば、共振器によって発生する電場および磁場にとって好適な条件を実現できる。

（４）上記形態の共振器において、前記コイルは、導体の線材によって形成され；前記誘電体部は、前記コイルを形成する線材の間に配置されて前記コイルに隣接し；前記磁性体部は、前記コイルと前記誘電体部との少なくとも一方に隣接するように配置されてもよい。この形態の共振器によれば、共振器の近傍に存在する誘電体の影響や人体及び電子機器への影響をより抑制できる。

（５）上記形態の共振器において、前記コイルは、螺旋状に巻かれたソレノイドコイルであり；前記誘電体部は、前記ソレノイドコイルの中心軸を中心として形成され；前記磁性体部は、前記ソレノイドコイルの中心軸を中心として形成されると共に前記コイルと前記誘電体部との少なくとも一方に隣接するように配置されてもよい。この形態の共振器によれば、共振器の近傍に存在する誘電体の影響や人体及び電子機器への影響をより抑制できる。また、磁性体部の形状等を変更することで、磁界エネルギーを設定できるため、共振器の設計の自由度が向上する。

（６）上記形態の共振器において、前記コイルは、円周方向へ広がるスパイラルコイルであり；前記誘電体部は、前記円周方向に沿って前記コイルに隣接し；前記磁性体部は、前記コイルと前記誘電体部との少なくとも一方に隣接すると共に前記円周方向に沿って広がるように配置されてもよい。この形態の共振器によれば、コイルに対して、誘電体部や磁性体部の配置の設定の自由度が向上する。

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、共振器を用いた無線給電システム、共振器の製造方法、無線給電システムの制御方法等の形態で実現できる。

本実施形態における無線給電システムの構成を示すブロック図である。 送電側共振器および受電側共振器を含む等価回路の一例を示す説明図である。 無線給電システムに用いられる共振器の一例を示す説明図である。 無線給電システムに用いられる共振器の一例を示す説明図である。 本実施形態の共振器において発生する電気力線の状態を示す概略図である。 比較例の共振器において発生する電気力線の状態を示す概略図である。 本実施形態の共振器における電界強度分布を示す概略図である。 比較例の共振器における電界強度分布を示す概略図である。 第１実施形態の第１の変形例における共振器の一例を示す説明図である。 第１実施形態の第１の変形例における共振器の一例を示す説明図である。 第１実施形態の第２の変形例における共振器の一例を示す説明図である。 第２実施形態における共振器の一例を示す説明図である。 第２実施形態における共振器の一例を示す説明図である。 第２実施形態の変形例における共振器の一例を示す説明図である。 第３実施形態における共振器の一例を示す説明図である。 第３実施形態における共振器の一例を示す説明図である。 第３実施形態の第１の変形例における共振器の一例を示す説明図である。 第３実施形態の第２の変形例における共振器の一例を示す説明図である。 第３実施形態の第３の変形例における共振器の一例を示す説明図である。 第３実施形態の第４の変形例における共振器の一例を示す説明図である。 第４実施形態における共振器の一例を示す説明図である。 第４実施形態の変形例における共振器の一例を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
・無線給電システムの構成：
図１は、本実施形態における無線給電システム１００の構成を示すブロック図である。無線給電システム１００は、送電装置１と、受電装置２とを備えている。無線給電システム１００は、送電装置１から受電装置２へと非接触（無線）で電力を伝送するシステムである。

送電装置１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０と、高周波電源１１と、整合回路１２と、送電側共振器１３と、無線通信部１４と、制御部１５とを備えている。ＡＣ／ＤＣコンバータ１０は、商用電源等から供給される交流電力を直流電力に変換して、変換した直流電力を高周波電源１１へと供給する。高周波電源１１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０から供給される直流電力を用いて、所定の周波数の高周波電力を発生させ、発生させた高周波電力を整合回路１２へと供給する。整合回路１２は、出力側としての高周波電源１１のインピーダンスと、受け側の送電側共振器１３のインピーダンスとを合わせるインピーダンス整合を行なう。送電側共振器１３は、整合回路１２を介して、高周波電力を受け、所定の周波数で共振して電磁界エネルギーを生成する共振器である。送電側共振器１３の構造および作用の詳細についは、後述する。

無線通信部１４は、送電装置１と受電装置２との間でやり取りされる情報を、無線により相互に伝送する。無線通信部１４は、例えば、送受信回路およびアンテナによって構成される。制御部１５は、高周波電源１１と、整合回路１２と、無線通信部１４とを制御する。制御部１５は、例えば、無線給電システムにより定められた処理を実行するプロセッサと、データおよびプログラムを記憶するメモリとによって構成される。制御部１５が行なう制御の詳細については、後述する。

受電装置２は、磁界共鳴によって、送電装置１の送電側共振器１３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して高周波電力を発生させる。受電装置２は、受電側共振器２０と、整合回路２１と、整流器２２と、バッテリ２３と、負荷回路２４と、無線通信部２５と、制御部２６と、を備えている。受電側共振器２０は、送電装置１の送電側共振器１３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して、高周波電力を発生させる。受電側共振器２０の構造および作用の詳細については、後述する。

整合回路２１は、受電側共振器２０のインピーダンスと受け側の整流器２２のインピーダンスとを合わせるインピーダンス整合を行なう。整流器２２は、整合回路２１を介して、受電側共振器２０に発生した高周波電力を整流して直流電力に変換し、変換した直流電力をバッテリ２３へと供給する。バッテリ２３は、整流器２２から供給された直流電力を蓄える二次電池である。負荷回路２４は、バッテリ２３から供給された放電電流に応じて動作する回路である。負荷回路２４としては、例えば、携帯電話などがある。

無線通信部２５は、送電装置１の無線通信部１４と同様に、送電装置１と受電装置２との間でやり取りされる情報を、無線により相互に伝送する。無線通信部２５は、例えば、送受信回路およびアンテナによって構成される。制御部２６は、整合回路２１と、整流器２２と、バッテリ２３と、負荷回路２４と、無線通信部２５とを制御する。制御部２６は、例えば、無線給電システムにより定められた処理を実行するプロセッサと、データおよびプログラムを記憶するメモリとによって構成される。

次に、無線給電システム１００における送電装置１の送電側共振器１３と受電装置２の受電側共振器２０との構造および動作の詳細について説明する。送電側共振器１３および受電側共振器２０は、所定の共振周波数の高周波電力と磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルを有する。送電側共振器１３の共振コイルと受電側共振器２０の共振コイルとは、互いに所定の距離が離れた位置において対向して配置されると共に磁気的に結合された状態で用いられる。このような状態で、送電側共振器１３に高周波電力が加えられると、磁界共鳴方式によって、送電側共振器１３によって生成された磁界エネルギーが受電側共振器２０に伝送される。受電側共振器２０は、伝送された磁界エネルギーに基づいて、高周波電力を発生させる。整流器２２は、受電側共振器２０によって発生した高周波電力を直流電流に変換し、バッテリ２３は、変換された直流電流を蓄える。以上のように、送電装置１から受電装置２への非接触の電力伝送が行なわれる。

本実施形態の無線給電システム１００では、送電装置１の制御部１５が送電装置１の各部を制御し、受電装置２の制御部２６が受電装置２の各部を制御することで、送電装置１から受電装置２へと電力が伝送される。例えば、制御部１５は、無線通信部１４を介して、受電装置２の無線通信部２５が受信可能な信号を発信する。制御部２６は、無線通信部２５を介して、無線通信部１４によって発信された信号を受信すると、受電装置２が電力を受電可能な状態であることを示す信号を無線通信部１４へと送信する。制御部１５は、無線通信部１４を介して、受電装置２が受電可能な状態であることを受信すると、高周波電源１１を用いて所定の高周波電力を発生させる。受電装置２の制御部２６は、受電側共振器２０に高周波電力が伝送されると、整流器２２を用いて、高周波電力を直流電力へと変換する。制御部２６は、変換された直流電力を、バッテリ２３に蓄えたり、負荷回路２４に給電したりする。

図２は、送電側共振器１３および受電側共振器２０を含む等価回路の一例を示す説明図である。図２には、送電装置１における送電側等価回路１８と、受電装置２における受電側等価回路２８と、が示されている。本実施形態では、送電側共振器１３および高周波電源１１を含む回路を、送電側等価回路１８の等価回路としてみなすことができる。また、受電側共振器２０およびバッテリ２３を含む回路を、受電側等価回路２８の等価回路としてみなすことができる。送電側等価回路１８は、高周波電源１１に相当する発振器１１ａおよびインピーダンスＺｏの直列回路と、送電側共振器１３に相当するインダクタンスＬ１と容量Ｃ１及び抵抗Ｒ１の直列回路と、高周波電源１１とによって構成される。受電側等価回路２８は、受電側共振器２０に相当するインダクタンスＬ２と容量Ｃ２及び抵抗Ｒ２の直列回路と、直流電力を蓄えるための負荷に相当するバッテリ２３とによって構成される。送電側共振器１３と受電側共振器２０とにおける等価回路は、同一の共振周波数で共振（共鳴）する。なお、図２に示す等価回路における共振周波数は、次の（１）式で表される。

（１）式に示すように、共振周波数は、コイル等のインダクタンスＬと、浮遊容量の容積Ｃあるいは外付けキャパシタの容量Ｃと、の積の０．５乗に反比例する。そのため、容量Ｃを大きくすると、同じ共振周波数であっても、インダクタンスＬを小さくすることができる。すなわち、容量Ｃを大きくすることで、インダクタンスＬを小さくできるため、コイルの巻数を減らすことができる。

送電側共振器１３および受電側共振器２０において、インダクタンスＬは、共振コイルのサイズや巻数に基づいて設定され、容量Ｃは、共振コイルの配線間の寄生容量（浮遊容量）あるいは外付けキャパシタの容量に基づいて設定される。ここで、送電側共振器１３から受電側共振器２０への伝送効率ηは、次の（２）式のｆｏｍ（figure of merit）で決まり、これが大きいほど伝送効率は高くなる。

（２）式において、結合係数ｋは、送電側共振器１３の共振コイルと受電側共振器２０の共振コイルとの間隔（エアギャップ）に応じて変化し、２つの共振コイルの間隔が大きくなるほど低下する。すなわち、各共振コイルの配置の制約に応じて決定される結合係数ｋに対し、上述のＱ１、Ｑ２が高くなるほど、ｆｏｍが大きくなり、伝送効率ηを向上させることができる。ここで、一般に、角周波数ωにおける共振コイルのＱ値は、（３）式により与えられる。

（３）式において、抵抗ｒは、共振コイルにおける誘電体損と、磁性体損と、導体損と、放射損との和によって設定される。抵抗ｒの詳細については後述するが、本実施形態では、共振コイルと、共振コイルの近傍に配置される誘電体および磁性体の位置を設定することにより、共振コイルのＱ値の向上を向上させる。

・共振コイルの構成：
図３および図４は、無線給電システム１００に用いられる共振器３０の一例を示す説明図である。図３には、送電側共振器１３および受電側共振器２０に含まれる一例としての共振器３０の斜視図が示されている。図３に示すように、共振器３０は、６つの誘電体部３１と、樹脂層３９と、樹脂層３９の内部に含まれるコイル３２と、樹脂層３９に隣接するフェライト層３８と、を備えている。また、図３では、樹脂層３９およびフェライト層３８の中心を、積層方向に通る軸をＺ軸として、樹脂層３９およびフェライト層３８の面方向に平行なＸ軸とＹ軸とを定義している。

図４には、共振器３０における図３のＸ軸に沿ったＸＺ平面において誘電体部３１が含まれる一部の断面図が示されている。図３および図４に示すように、コイル３２は、線状導体（例えば、銅線）を中心側からＸＹ平面に沿って円周方向上に広がるように螺旋状に巻かれたスパイラルコイルである。コイル３２は、端部に回路素子が接続されていないオープン型のスパイラルコイルとして形成されている。例えば、コイル３２の近傍に配置されたループ素子を介して、共振器３０が給電される。なお、図３および図４では、コイル３２への給電回路素子については、図示を省略している。他の実施形態では、コイル３２の両端に回路素子が接続されていてもよい。

樹脂層３９は、コイル３２の形状を固定するために形成された樹脂材料（例えば、ポリアセタール、ガラスエポキシ）の絶縁層である。樹脂層３９は、面方向の中心から積層方向に沿って円形の空間を形成する。図４に示すように、樹脂層３９は、コイル３２の断面の直径と同じ厚さを有する層として形成されている。本実施形態では、Ｘ軸に沿って隣接するコイル３２の線同士は、コイル３２の線間に樹脂層３９が入り込んで、接続しないように固定されている。なお、他の実施形態では、樹脂層３９は、コイル３２の最も外側の外周の位置、あるいは所定の位置を固定するように形成され、コイル３２の線間に入り込んでいなくてもよい。本実施形態における層の厚さとは、以降も含めて、層の平均厚さのことをいう。

フェライト層３８は、樹脂層３９に隣接して積層し、面方向の中心から積層方向に沿って、樹脂層３９が形成する円形の空間と同じ大きさの円形の空間を形成する。フェライト層３８は、磁性体の材料（例えば、酸化鉄を主成分とするセラミックス）で形成された層である。本実施形態では、フェライト層３８は、コイル３２の断面の直径と同じ厚さを有する層であるが、他の実施形態では、異なる厚さであってもよい。フェライト層３８は、高周波電力が加えられたコイル３２によって発生する磁束を集めて、共振器３０によって生成される磁界エネルギーを強化する。なお、フェライト層３８は、請求項における磁性体部に相当する。

図３に示すように、誘電体部３１は、樹脂層３９に隣接して積層するように配置された平板状の部材である。誘電体部３１のそれぞれは、樹脂層３９の材料の誘電率よりも高い誘電率を有する誘電体セラミックス材料（例えば、アルミナ）によって形成されている。誘電体部３１の材料としては、比誘電率εｒが８以上で、かつ、ｔａｎδが１０^−２以下の誘電体セラミック材料を用いることが望ましい。なお、樹脂層３９の一般的な樹脂材料としては、例えば、比誘電率εｒが２程度となる。なお、他の実施形態では、誘電体部３１は、樹脂層３９の材料の誘電率よりも高い誘電率を有していれば、誘電体セラミックス材料以外の誘電体の材料によって形成されてもよい。６つの誘電体部３１のそれぞれは、Ｚ軸を中心として、６０度回転した位置に配置されている。そのため、Ｚ軸に対して、１つの誘電体部３１は、別の誘電体部３１と、点対称の位置関係にある。誘電体部３１のそれぞれの厚さは、コイル３２の断面の直径と同じであるが、他の実施形態では、異なる厚さであってもよい。誘電体部３１のＸＹ平面に沿った円周方向上への長さは、コイル３２の最も外側の径よりも小さくなる長さに設定されている。なお、他の実施形態では、誘電体部３１のＸＹ平面に沿った円周方向上への長さは、異なっていてもよいし、誘電体部３１は、直方体の形状でなくてもよい。

図５は、本実施形態の共振器３０において発生する電気力線の状態を示す概略図である。図６は、比較例の共振器４０において発生する電気力線の状態を示す概略図である。図５には、図４に示された共振器３０の一部に対して発生する電気力線の状態の概略が矢印ＣＣ１によって示されている。なお、図５では、フェライト層３８の図示と、積層方向に沿って樹脂層３９の下側に発生する電気力線の図示とを省略している。図６には、図５に対応する比較例の共振器４０において発生する電気力線の状態が示されている。比較例の共振器４０は、共振器３０に対して、フェライト層３８と誘電体部３１とが配置されていない点が異なり、その他の構成については同じである。また、図６では、図５と同様に、積層方向に沿って樹脂層３９の下側に発生する電気力線の図示を省略している。図５および図６に示すように、コイル３２に誘電体部３１が隣接して配置されることで、本実施形態の共振器３０は、比較例の共振器４０よりもコイル３２の線間の浮遊容量が大きくなる。そのため、本実施形態における誘電体部３１内の電気力線の矢印ＣＣ１の密度は、比較例の電気力線の矢印ＣＣ２の密度よりも大きい。

図７は、本実施形態の共振器３０における電界強度分布を示す概略図である。図８は、比較例の共振器４０における電界強度分布を示す概略図である。図７と図８とのそれぞれには、コイル３２に高周波電力が加えられたときに、ＸＹ平面に沿って発生する電界の強度が等高線図によって示されている。また、図７および図８には、電界強度分布の広がりの参考として、コイル３２を固定する樹脂層３９の大きさが合わせて示されている。なお、本実施形態の誘電体部３１に用いられた誘電体セラミックスの比誘電率は３４である。図７および図８に示すように、本実施形態の共振器３０は、樹脂層３９に隣接して誘電体部３１が隣接されることで、誘電体部３１が配置されていない比較例の共振器４０と比較して、電界強度分布の領域が小さくなっている。

以上説明したように、本実施形態の共振器３０では、コイル３２の近傍にキャパシタとしての誘電体部３１が配置される。そのため、本実施形態の共振器３０では、高周波電力が加えられたコイル３２に発生する電界を誘電体部３１が蓄えることによって、共振器３０の近傍に存在する誘電体の影響を抑制でき、また、共振器３０の近傍に存在する人体及び電子機器への影響を抑制できる。さらに、本実施形態の共振器３０では、フェライト層３８は、磁界領域内であり、コイル３２を含む樹脂層３９に近傍に配置される。そのため、高周波電力が加えられたコイル３２によって発生する磁束が集められ、生成される磁界エネルギーが強化されるので、送電側共振器１３と受電側共振器２０との磁場結合を強化できる。

また、本実施形態の共振器３０では、フェライト層３８は、磁界エネルギーが強いコイル３２に隣接する位置に配置されるため、共振器３０の全体によって生成される磁界エネルギーを効率的に強化できる。

また、本実施形態の共振器３０では、コイル３２がＺ軸を中心としてＸＹ平面に沿って円周方向へ広がるスパイラルコイルであるため、コイル３２および樹脂層３９に対して、誘電体部３１やフェライト層３８の配置の設定の自由度が向上する。

また、本実施形態の共振器３０では、誘電体部３１とフェライト層３８と樹脂層３９とにおいて、Ｚ軸を中心として、積層方向に沿って円形の空間が形成されているため、円形の空間が形成されていない共振器３０と比較して、共振器３０を軽量化でき、空間が形成された部分の材料が不要であるため、共振器３０のコストを抑制できる。

また、本実施形態の共振器３０は、コイルの持つインダクタンスとコイル線間に存在する寄生容量により共振器を構成する自己共振型の共振器である。誘電体部３１は、高周波電力が加えられたときに、電気力線の矢印ＣＣ１で示されるように、コイル３２によって発生する電界領域内に配置される。そのため、コイル３２の線間の浮遊容量としての容量Ｃ（図２）を大きくでき、上記（１）式に基づいて、インダクタンスＬを小さくできるため、共振器３０を小型化できる。また、本実施形態の共振器３０において、外付けのコンデンサが不要になる。特に、自動車等に共振器３０が搭載される場合には、送電装置１が搭載されるスペースが限られるため、共振器３０の小型化は非常に有効である。また、本実施形態では、共振器３０のコイル巻数を削減することで、高周波電力に応じて発生する導体損失を抑制できる。

・第１実施形態の第１の変形例：
図９および図１０は、第１実施形態の第１の変形例における共振器３０ａの一例を示す説明図である。図９には、共振器３０ａの斜視図が示されている。図９におけるＸ軸とＹ軸とＺ軸との関係は、図３および図４において定義された関係と同じである。図１０には、共振器３０ａにおけるＸ軸に沿ったＸＺ平面の断面図が示されている。図９および図１０に示すように、共振器３０ａは、コイル３２と、誘電体層３１ａと、フェライト層３８ａとを備えている。コイル３２は、第１実施形態と同じコイルである。第１の変形例の共振器３０ａでは、共振器３０と比較して、樹脂層３９が形成されていない点と、６つの誘電体部３１の代わりに１枚の平板状の層として誘電体層３１ａが積層されている点と、フェライト層３８ａの形状および配置とが異なる。誘電体層３１ａは、積層方向に沿って、コイル３２の下側に隣接するように積層されている。誘電体層３１ａは、第１実施形態の誘電体部３１と同様に、高周波電力が加えられたコイル３２によって発生する電界領域の全てを覆うように配置されている。第１の変形例の共振器３０ａでは、フェライト層３８ａは、積層方向に沿って誘電体層３１ａの下側に配置され、コイル３２とは隣接していない。また、誘電体層３１ａおよびフェライト層３８ａの中心には、円形の空間が形成されていない。なお、他の実施形態では、コイル３２を含む樹脂層３９が形成されてもよい。

第１の変形例の共振器３０ａでは、フェライト層３８ａは、誘電体層３１ａに隣接し、コイル３２から離間して配置されているが、高周波電力が加えられたコイル３２によって発生する磁界領域内に配置されているため、第１実施形態の共振器３０と同じように、共振器３０の小型化等の効果を奏する。

・第１実施形態の第２の変形例：
図１１は、第１実施形態の第２の変形例における共振器３０ｂの一例を示す説明図である。第２の変形例の共振器３０ｂでは、第１の変形例の共振器３０ａと比較して、コイル３２と、誘電体層３１ｂと、フェライト層３８ｂとの位置関係が異なり、他の構成については同じである。図１１には、共振器３０ｂにおけるＸ軸に沿ったＸＹ平面の断面図が示されている。共振器３０ｂでは、フェライト層３８ｂがコイル３２に隣接するように配置され、誘電体層３１ｂもコイル３２に隣接するように配置されている。すなわち、共振器３０ｂでは、フェライト層３８ｂと誘電体層３１ｂとによってコイル３２を挟み込んでいる。誘電体層３１ｂは、高周波電力が加えられたコイル３２によって発生する電界領域内に配置されている。また、フェライト層３８ｂは、高周波電力が加えられたコイル３２によって発生する磁界領域内に配置されている。

Ｂ．第２実施形態：
図１２および図１３は、第２実施形態における共振器３０ｃの一例を示す説明図である。図１２には、共振器３０ｃの斜視図が示されている。図１２におけるＸ軸とＹ軸とＺ軸との関係は、図３および図４において定義された関係と同じである。図１３には、共振器３０ｃにおけるＸ軸に沿ったＸＺ平面の断面図が示されている。第２実施形態の共振器３０ｃでは、第１実施形態の共振器３０と比較して、図１３に示すように、コイル３２が誘電体層３１ｃに含まれている点が異なる。誘電体層３１ｃは、第１実施形態の樹脂層３９のように、ＸＹ平面に沿って円周方向上に広がるコイル３２の線間に入り込むように配置されている。誘電体層３１ｃの積層方向に沿った厚さは、コイル３２の断面の直径と同じである。そのため、フェライト層３８ｃは、誘電体層３１ｂおよびコイル３２に隣接するように配置されている。すなわち、誘電体層３１ｃは、高周波電力が加えられたコイル３２によって発生する電界領域内に配置されている。フェライト層３８ｃは、高周波電力が加えられたコイル３２によって発生する磁界領域内に配置されている。

以上説明したように、第２実施形態の共振器３０ｃでは、誘電体層３１ｃは、電気力線の密度が最も高いコイル３２の線間に配置されているため、共振器３０ｃの浮遊容量をより大きくでき、効率的に共振器３０ｃを小型化できる。また、共振器３０ｃでは、導体損失をより抑制でき、共振器３０ｃの近傍に存在する誘電体の影響や人体及び電子機器への影響をより抑制できる。

・第２実施形態の変形例：
図１４は、第２実施形態の変形例における共振器３０ｄの一例を示す説明図である。変形例の共振器３０ｄでは、第２実施形態の共振器３０ｃと比較して、誘電体層３１ｄに含まれるコイル３２と誘電体層３１ｄとの位置関係が異なり、他の構成については同じである。図１４には、共振器３０ｄにおけるＸ軸に沿ったＸＹ平面の断面図が示されている。共振器３０ｄでは、誘電体層３１ｄの積層方向に沿った厚さは、コイル３２の断面の直径よりも大きい。コイル３２の表面の全ては、誘電体層３１ｄによって覆われている。そのため、フェライト層３８ｃは、誘電体層３１ｄと隣接するが、コイル３２とは隣接せずに離間して配置されている。フェライト層３８ｃは、コイル３２と離間して配置されるが、高周波電力が加えられたコイル３２によって発生する磁界領域内に配置されている。

Ｃ．第３実施形態：
図１５および図１６は、第３実施形態における共振器３０ｅの一例を示す説明図である。図１５には、共振器３０ｅの一部の斜視図が示されている。図１６には、共振器３０ｅの中心軸ＯＬ１のＡ１−Ａ１断面（図１５）の一部が示されている。共振器３０ｅの中心軸ＯＬ１の詳細については、後述する。図１５に示すように、第３実施形態の共振器３０ｅは、フェライト層３５と、フェライト層３５の両面に形成された誘電体層３３と、フェライト層３５および誘電体層３３によって形成される直方体の外周に沿って螺旋状に巻かれたコイル３４と、を備えている。図１５および図１６に示すように、フェライト層３５は、平板状に形成された磁性体の層である。誘電体層３３は、フェライト層３５を挟むように隣接されて、フェライト層３５に隣接するように配置されている。フェライト層３５を挟む２つの誘電体層３３のそれぞれは、積層方向に沿って同じ厚さを有する。コイル３４は、フェライト層３５および誘電体層３３の外周に沿って導線が螺旋状に巻かれているソレノイドコイルである。コイル３４は、端部に回路素子が接続されていないオープン型のソレノイドコイルとして形成されており、例えば、コイル３２の近傍に配置されたループ素子を介して、共振器３０が給電される。いる。なお、図１５および図１６では、コイル３４への給電回路素子については、図示を省略している。他の実施形態では、コイル３４の両端に回路素子が接続されていてもよい。

フェライト層３５は、高周波電力が加えられた場合にコイル３４によって発生する磁界領域内に配置されている。そのため、フェライト層３５は、コイル３４に対して、隣接せずに離間して配置されていても、発生した磁束を集め、共振器３０ｅによって生成される磁界エネルギーを強化する。中心軸ＯＬ１は、ソレノイドコイルであるコイル３４の中心軸である。フェライト層３５は、中心軸ＯＬ１に直交する断面において、フェライト層３５の対角線の交点が中心軸ＯＬ１上に重なるように形成されている。また、同じように、誘電体層３３は、中心軸ＯＬ１に直行する断面において、誘電体層３３とフェライト層３５とを合わせた長方形の対角線の交点が中心軸ＯＬ１上に重なるように形成されている。

以上説明したように、第３実施形態の共振器３０ｅでは、誘電体層３３およびフェライト層３５は、コイル３４の中心軸である中心軸ＯＬ１を中心として形成され、誘電体層３３は、コイル３４に隣接している。そのため、第３実施形態の共振器３０ｅでは、コイル３４を小型化でき、導体損失を抑制し、共振器３０ｄの近傍に存在する誘電体の影響や人体及び電子機器への影響をより抑制できる。

また、第３実施形態の共振器３０ｅでは、誘電体層３３およびフェライト層３５がコイル３４の内側に配置されるため、共振器３０ｅをより小型にでき、共振器３０ｅを用いる送電装置１や受電装置２をより薄型化できる。

・第３実施形態の第１の変形例：
図１７は、第３実施形態の第１の変形例における共振器３０ｆの一例を示す説明図である。図１７には、共振器３０ｆにおけるＡ１−Ａ１断面の断面図が示されている。なお、図１７も含めた以降に示すソレノイドコイルを用いた共振器では、第３実施形態の共振器３０ｅと同様に、層である芯材の外周に沿ってにコイル３４が螺旋状に巻かれた形状であるため、共振器の斜視図を省略する。第１の変形例の共振器３０ｆでは、第３実施形態の共振器３０ｅと比較して、コイル３４が樹脂層３６に含まれている点と、誘電体層３３ａおよびフェライト層３５ａの形状および配置とが異なる。図１７に示すように、共振器３０ｆは、フェライト層３５ａと、誘電体層３３ａと、樹脂層３６と、コイル３４とを備えている。フェライト層３５ａは、第３実施形態のフェライト層３５と同様に、中心軸ＯＬ１を中心とする平板状に形成されている。コイル３４は、フェライト層３５ａの外周に沿って螺旋状に巻かれて形成されている。樹脂層３６は、コイル３４の線間に入り込んで、コイル３４の位置を固定するように形成されている。そのため、樹脂層３６は、中心軸ＯＬ１を中心として、フェライト層３５ａの外周を覆うように形成されている。樹脂層３６の厚さは、コイル３４の断面の直径と同じであるため、コイル３４とフェライト層３５ａとは隣接している。誘電体層３３ａは、コイル３４および樹脂層３６を積層方向に沿って挟むように形成されている。

このように、第１の変形例の共振器３０ｆでは、フェライト層３５ａがコイル３４の内側の全体に隣接するように配置されるため、フェライト層３５ａを有効に活用できる。

・第３実施形態の第２の変形例：
図１８は、第３実施形態の第２の変形例における共振器３０ｇの一例を示す説明図である。第２の変形例の共振器３０ｇは、第１の変形例の共振器３０ｆと比較して、フェライト層３５ｂの厚さおよび樹脂層３６ａの厚さが異なり、他の構成については同じである。図１８には、共振器３０ｇにおけるＡ１−Ａ１断面の断面図が示されている。フェライト層３５ｂの外径は、第２の変形例のフェライト層３５ａよりも小さく形成されている。そのため、樹脂層３６ａの厚さが、第２の変形例の樹脂層３６の厚さよりも大きく形成されている。これにより、フェライト層３５ｂは、樹脂層３６ａに隣接し、コイル３４に離間して配置されている。なお、フェライト層３５ｂは、高周波電力が加えられたコイル３４によって発生する磁界領域内に配置されている。

そのため、第２の変形例の共振器３０ｇでは、フェライト層３５ｂと誘電体層３３ａとが分離して配置され、フェライト層３５ｂの厚さが適宜設定されるため、誘電体層３３ａやフェライト層３５ａを適切に配置した共振器３０ｇを組み立てることができる。

・第３実施形態の第３の変形例：
図１９は、第３実施形態の第３の変形例における共振器３０ｈの一例を示す説明図である。第３の変形例の共振器３０ｈは、第１の変形例の共振器３０ｆと比較して、フェライト層３５ｃの内側に樹脂層３７が形成されている点が異なり、他の構成については同じである。第３の変形例の共振器３０ｈでは、樹脂層３７は、樹脂材料によって平板状に形成されている。フェライト層３５ｃは、樹脂層３７を挟むように形成される。

第３の変形例の共振器３０ｈでは、フェライト層３５ｃは、磁束が集中しているコイル３４に隣接するように配置され、コイル３４から離間した中心軸ＯＬ１付近の部分には配置されないため、共振器３０ｈの機械的な強度を確保した上で、コストを抑制できる。

・第３実施形態の第４の変形例：
図２０は、第３実施形態の第４の変形例における共振器３０ｉの一例を示す説明図である。第４の変形例の共振器３０ｉは、第３の変形例の共振器３０ｈと比較して、フェライト層３５ｄと誘電体層３３ｂとの位置が入れ替えられている点が異なり、他の構成については同じである。第４の変形例の共振器３０ｉでは、誘電体層３３ｂは、樹脂層３７を挟むように隣接して形成されている。フェライト層３５ｄは、コイル３４および樹脂層３６ａを挟むように隣接して形成されている。

第４の変形例の共振器３０ｉでは、共振器３０ｉを有する送電側共振器１３および受電側共振器２０が対向して配置されたときに、送電側共振器１３のフェライト層３５ｄと受電側共振器２０のフェライト層３５ｄとが近い距離に位置する。そのため、送電側共振器１３と受電側共振器２０との結合係数を高めることができ、送電装置１から受電装置２への高効率の電力伝送が可能となる。

Ｄ．第４実施形態：
図２１は、第４実施形態における共振器３０ｊの一例を示す説明図である。図２１には、共振器３０ｊのＡ１−Ａ１断面の一部が示されている。図２１に示すように、第４実施形態の共振器３０ｊは、樹脂層３６ｂと、フェライト層３５ｃと、フェライト層３５ｃの外周に沿って螺旋状に巻かれた第３実施形態と同じコイル３４と、コイル３４を含む誘電体層３３ｃとを備えている。樹脂層３６ｂは、樹脂材料によって平板状に形成されている。フェライト層３５ｃは、樹脂層３６ｂを挟むように隣接して形成されている。コイル３４は、フェライト層３５ｃの外周に沿って螺旋状に巻かれている。誘電体層３３ｃは、第３実施形態の第１の変形例の樹脂層３６のように、フェライト層３５ｃの外周を覆うように、コイル３４の線間に入り込んで、コイル３４の位置を固定する。図２１に示すように、誘電体層３３ｃの厚さは、コイル３４の断面の直径と同じであるため、フェライト層３５ｃの外周は、コイル３４および誘電体層３３ｃと隣接している。

第４実施形態の共振器３０ｊでは、誘電体層３３ｃは、電気力線の密度が最も高いコイル３４の線間に配置されているため、共振器３０ｊの浮遊容量をより大きくでき、効率的に共振器３０ｊを小型化できる。また、共振器３０ｊでは、導体損失をより抑制でき、共振器３０ｊの近傍に存在する誘電体の影響や人体及び電子機器への影響をより抑制できる。また、フェライト層３５ｃが最も磁界エネルギーが強いコイル３４と隣接する位置に配置されているため、共振器３０ｊの全体によって生成される磁界エネルギーを効率的に強化できる。

・第４実施形態の変形例：
図２２は、第４実施形態の変形例における共振器３０ｋの一例を示す説明図である。変形例の共振器３０ｋは、第４の実施形態の共振器３０ｊと比較して、フェライト層３５ｄの配置が異なり、他の構成については同じである。変形例の共振器３０ｋでは、コイル３４は、樹脂層３６ｃの外周に沿って螺旋状に巻かれている。誘電体層３３ｃは、コイル３４を含むように樹脂層３６ｃの外周に形成されている。フェライト層３５ｄは、誘電体層３３ｃおよびコイル３４を挟むように隣接して形成されている。

変形例の共振器３０ｋでは、共振器３０ｋを有する送電側共振器１３および受電側共振器２０が対向して配置されたときに、送電側共振器１３のフェライト層３５ｄと受電側共振器２０のフェライト層３５ｄとが近い距離に位置する。そのため、送電側共振器１３と受電側共振器２０との結合係数を高めることができ、送電装置１から受電装置２への高効率の電力伝送が可能となる。

Ｅ．変形例：
Ｅ−１．変形例１：
上記実施形態における無線給電システム１００は、例えば、地面や路面に配置された送電装置１から自動車等に搭載された受電装置２へと電力を伝送するシステムや、商用電源等から電力の供給を受けた充電器としての送電装置１から充電対象である携帯電話やノートパソコンなどへと電力を伝送するシステムとして用いられてもよい。また、無線給電システム１００は、テレビ、家電機器、照明機器、ゲーム機器、医療機器、産業機器など多様な用途に適用できる。

第３実施形態および第４実施形態の共振器は、中心軸ＯＬ１に直交する断面が長方形であったが、コイル３４の形状については種々変形可能であり、例えば、断面が円形のソレノイドコイルであってもよい。

また、共振器に用いられるコイル３４における巻線の数、導線の太さ、導線の断面形状については、種々変形可能である。誘電体部３１、誘電体層３１ａ、フェライト層３８、樹脂層３９の厚さや形状についても種々変形可能である。例えば、第３実施形態および第４実施形態の共振器は、中心軸ＯＬ１の中心部に空間が形成されていてもよい。

また、上記実施形態の共振器には、誘電体層３１ａやフェライト層３８が形成される層の数は１つであったが、複数の種類や１つの種類で複数の誘電体層や磁性層が含まれていてもよい。

また、上記実施形態の共振器は、コイルの持つインダクタンスとコイル線間に存在する寄生容量により共振器を構成する自己共振型の共振器であったが、共振器に外付けのキャパシタを利用する形態の共振器（ＬＣ共振型）であってもよい。ＬＣ共振型の共振器であっても同様に、高周波電力が加えられたコイルに発生する電界を誘電体部が蓄えることによって、共振器の近傍に存在する誘電体（例えば水など）の影響（外部影響）を抑制でき、共振器自身が外部影響を受けることを抑制することができる。また、共振器の近傍に存在する人体及び電子機器への影響を抑制できる。

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、上述の課題の一部または全部を解決するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行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。

１…送電装置
２…受電装置
１１…高周波電源
１１ａ…発振器
１２…整合回路
１３…送電側共振器
１４…無線通信部
１５…制御部
１８…送電側等価回路
２０…受電側共振器
２１…整合回路
２２…整流器
２３…バッテリ
２４…負荷回路
２５…無線通信部
２６…制御部
２８…受電側等価回路
３０…共振器
３１…誘電体部
３１ａ，３３…誘電体層
３２…コイル
３４…コイル
３５，３８…フェライト層
３６，３７，３９…樹脂層
４０…共振器
１００…無線給電システム
Ｌ…インダクタンス
Ｃ…容量
ｋ…結合係数
ｒ，Ｒ１，Ｒ２…抵抗
Ｚｏ…インピーダンス
ＣＣ１，ＣＣ２…矢印
ＯＬ１…中心軸

Claims (6)

1. 主に磁場の共鳴を利用して送電側の共振器から受電側の共振器に電力を伝送する無線給電システムに用いられる共振器において、
   導体で形成されるコイルと、
   前記コイルの電界発生領域内の少なくとも一部に配置される誘電体部と、
   前記コイルの磁界発生領域内において、前記コイルと前記誘電体部との少なくとも一方の近傍に配置される磁性体部と、を備えることを特徴とする共振器。
2. 請求項１に記載の共振器において、
   前記磁性体部は、前記コイルに隣接すると共に前記誘電体部から離間して配置されることを特徴とする共振器。
3. 請求項１に記載の共振器において、
   前記磁性体部は、前記コイルから離間すると共に前記誘電体部に隣接するように配置されることを特徴とする共振器。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の共振器において、
   前記コイルは、導体の線材によって形成され、
   前記誘電体部は、前記コイルを形成する線材の間に配置されて前記コイルに隣接し、
   前記磁性体部は、前記コイルと前記誘電体部との少なくとも一方に隣接するように配置されることを特徴とする共振器。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の共振器において、
   前記コイルは、螺旋状に巻かれたソレノイドコイルであり、
   前記誘電体部は、前記ソレノイドコイルの中心軸を中心として形成され、
   前記磁性体部は、前記ソレノイドコイルの中心軸を中心として形成されると共に前記コイルと前記誘電体部との少なくとも一方に隣接するように配置されることを特徴とする共振器。
6. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の共振器において、
   前記コイルは、円周方向へ広がるスパイラルコイルであり、
   前記誘電体部は、前記円周方向に沿って前記コイルに隣接し、
   前記磁性体部は、前記コイルと前記誘電体部との少なくとも一方に隣接すると共に前記円周方向に沿って広がるように配置されることを特徴とする共振器。

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