JP2019047537A - 電力中継装置、送電器、受電器、及び、送受電システム - Google Patents

Abstract

【課題】伝送効率を改善した電力中継装置、送電器、受電器、及び、送受電システムを提供する。【解決手段】電力中継装置は、平面視でマトリクス状に配置される複数の共振コイルを有し、磁界共鳴又は電界共鳴で電力を伝送する一次側共振コイルと二次側共振コイルとの間で前記電力を中継するメタマテリアルと、前記複数の共振コイルの共振状態を制御することにより、前記複数の共振コイルの共振状態によって決定される前記メタマテリアルの平面視での比透磁率の分布を制御する制御部とを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、電力中継装置、送電器、受電器、及び、送受電システムに関する。

従来より、近接フィールドフォーカシングを用いた無線電力送信装置がある。無線電力送信装置は、ターゲット装置に無線で電力を送信する電源共振器を含むソース部を備える。また、無線電力送信装置は、電源共振器の全方向に放射される磁界の近接フィールドをターゲット装置にフォーカシングする近接フィールドフォーカス部を備える（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１３−５１６８３０号公報

ところで、従来の無線電力送信装置（送電器）の近接フィールドフォーカス部によってフォーカシングされる磁界の近接フィールドの分布は固定されている。

このため、近接フィールドフォーカス部で磁界の近接フィールドをターゲット装置（受電器）にフォーカシングしても、フォーカシングした磁界の近接フィールドからターゲット装置がずれると、ターゲット装置における受電効率は低下する。

すなわち、従来の無線電力送信装置（送電器）及びターゲット装置（受電器）では、送電器と受電器との間での電力の伝送効率が低下するおそれがある。

そこで、伝送効率を改善した電力中継装置、送電器、受電器、及び、送受電システムを提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の電力中継装置は、平面視でマトリクス状に配置される複数の共振コイルを有し、磁界共鳴又は電界共鳴で電力を伝送する一次側共振コイルと二次側共振コイルとの間で前記電力を中継するメタマテリアルと、前記複数の共振コイルの共振状態を制御することにより、前記複数の共振コイルの共振状態によって決定される前記メタマテリアルの平面視での比透磁率の分布を制御する制御部とを含む。

伝送効率を改善した電力中継装置、送電器、受電器、及び、送受電システムを提供することができる。

実施の形態の電力伝送システム５０のコイルの構成を示す図である。 実施の形態の受電器８０と送電器１００を示す図である。 メタマテリアル１２０を示す図である。 メタマテリアル１２０の比透磁率の周波数特性を示す図である。 メタマテリアル１２０のレンズ効果を説明する図である。 メタマテリアル１２０の比透磁率μに分布を設けるための共振コイル１２１の駆動状態の一例を示す図である。 一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１の位置関係と、二次側共振コイル８１の受電効率ηとを示す図である。 送電器１００及び受電器８０の適用例を示す図である。 共振コイル３２０の構成を示す図である。 共振コイル３２０の構成を示す図である。 共振コイル３２０をマトリクス状に配置したメタマテリアル１２０Ａの比透磁率μに分布を設けるための共振コイル３２０の駆動状態の一例を示す図である。 共振コイル４２０を示す図である。

以下、本発明の電力中継装置、送電器、受電器、及び、送受電システムを適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の電力伝送システム５０のコイルの構成を示す図である。電力伝送システム５０は、交流電源１、一次側(送電側)の送電器１００、及び二次側(受電側)の受電器８０を含む。電力伝送システム５０は、送電器１００及び受電器８０を複数含んでもよい。

送電器１００は、一次側コイル１１と一次側共振コイル１２を有する。受電器８０は、二次側共振コイル８１と二次側コイル８２を有する。二次側コイル８２には負荷装置３０が接続される。

図１に示すように、送電器１００及び受電器８０は、一次側共振コイル(ＬＣ共振器)１２と二次側共振コイル(ＬＣ共振器)８１の間の磁界共鳴(磁界共振)により、送電器１００から受電器８０へエネルギー(電力)の伝送を行う。ここで、一次側共振コイル１２から二次側共振コイル８１への電力伝送は、磁界共鳴だけでなく電界共鳴(電界共振)等も可能であるが、以下の説明では、主として磁界共鳴を例として説明する。

また、実施の形態では、一例として、交流電源１が出力する交流電圧の周波数が６．７８ＭＨｚであり、一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１の共振周波数が６．７８ＭＨｚである場合について説明する。

なお、一次側コイル１１から一次側共振コイル１２への電力伝送は電磁誘導を利用して行われ、また、二次側共振コイル８１から二次側コイル８２への電力伝送も電磁誘導を利用して行われる。

次に、図２を用いて、実施の形態の受電器８０と送電器１００について説明する。図２は、実施の形態の受電器８０と送電器１００を示す図である。

送電器１００は、交流電源１、一次側コイル１１、一次側共振コイル１２、整合回路１３、キャパシタ１４、制御部１１０、メタマテリアル１２０、及び位置検出部１３０を有する。交流電源１は、図１に示すものと同様である。

ここで、制御部１１０とメタマテリアル１２０は、実施の形態の電力中継装置を構築する。すなわち、送電器１００は、実施の形態の電力中継装置を含んでいる。また、受電器８０と送電器１００は、実施の形態の送受電システムを構築する。

受電器８０は、二次側共振コイル８１、二次側コイル８２、整流回路８３、平滑キャパシタ８４、出力端子８６Ａ、８６Ｂを含む。出力端子８６Ａ、８６Ｂには、ＤＣＤＣコンバータ２１０が接続されており、ＤＣＤＣコンバータ２１０の出力側にはバッテリ２２０が接続されている。図２では、負荷回路はバッテリ２２０である。

図２に示すように、一次側コイル１１は、ループ状のコイルであり、両端間に整合回路１３を介して交流電源１に接続されている。一次側コイル１１は、一次側共振コイル１２と非接触で近接して配置されており、一次側共振コイル１２と電磁界結合される。一次側コイル１１は、自己の中心軸が一次側共振コイル１２の中心軸と一致するように配設される。中心軸を一致させるのは、一次側コイル１１と一次側共振コイル１２との結合強度を向上させるとともに、磁束の漏れを抑制して、不必要な電磁界が一次側コイル１１及び一次側共振コイル１２の周囲に発生することを抑制するためである。

一次側コイル１１は、交流電源１から整合回路１３を経て供給される交流電力によって磁界を発生し、電磁誘導（相互誘導）により電力を一次側共振コイル１２に送電する。

図２に示すように、一次側共振コイル１２は、一次側コイル１１と非接触で近接して配置されて一次側コイル１１と電磁界結合されている。一次側共振コイル１２と一次側コイル１１との間隔は、一例として、数ミリメートルから数十センチメートル程度である。

また、一次側共振コイル１２は、所定の共振周波数を有し、高いＱ値を有するように設計されている。一次側共振コイル１２の共振周波数は、二次側共振コイル８１の共振周波数と等しくなるように設定されている。一次側共振コイル１２の両端の間に、共振周波数を調整するためのキャパシタ１４が直列に接続される。

一次側共振コイル１２の共振周波数は、交流電源１が出力する交流電力の周波数と同一の周波数になるように設定されている。一次側共振コイル１２の共振周波数は、一次側共振コイル１２のインダクタンスと、キャパシタ１４の静電容量によって決まる。このため、一次側共振コイル１２のインダクタンスと、キャパシタ１４の静電容量は、一次側共振コイル１２の共振周波数が、交流電源１から出力される交流電力の周波数と同一の周波数になるように設定されている。

整合回路１３は、一次側コイル１１、一次側共振コイル１２、二次側共振コイル８１、及び二次側コイル８２と交流電源１とのインピーダンス整合を取るために挿入されており、インダクタＬとキャパシタＣを含む。なお、一次側コイル１１、一次側共振コイル１２、二次側共振コイル８１、及び二次側コイル８２と交流電源１のインピーダンスが近い値の場合には、整合回路１３を設けなくてもよい。

交流電源１は、磁界共鳴に必要な周波数の交流電力を出力する電源であり、出力電力を増幅するアンプを内蔵する。交流電源１は、例えば、数十ｋＨｚから数十ＭＨｚ程度の高周波の交流電力を出力する。

キャパシタ１４は、一次側共振コイル１２の両端の間に、直列に挿入されるキャパシタである。キャパシタ１４は、一次側共振コイル１２の共振周波数を調整するために設けられる。

制御部１１０は、交流電源１の出力電圧及び出力周波数の制御等を行う。また、制御部１１０は、位置検出部１３０で検出される二次側共振コイル８１の位置に基づいて、メタマテリアル１２０の比透磁率の分布を調整する制御処理を行う。

メタマテリアル１２０は、一次側共振コイル１２の送電側（二次側共振コイル８１が位置する側）に配置され、一次側共振コイル１２から出力される電力を二次側共振コイル８１に中継する。メタマテリアル１２０は、マトリクス状に配列される複数の共振コイルを有する。ここでは、メタマテリアル１２０の表面は、複数の共振コイルがマトリクス状に配列される平面と平行であるものとする。

メタマテリアル１２０は、平面視で矩形状であり、平面視でのサイズは、一次側共振コイル１２及び二次側共振コイル８１の平面視でのサイズよりも大きい。メタマテリアル１２０は、メタマテリアル１２０の表面が一次側共振コイル１２の平面と平行になり、かつ、一次側共振コイル１２の中心軸が、平面視で矩形状のメタマテリアル１２０の中心を通るように配設される。

また、メタマテリアル１２０と一次側共振コイル１２との間の間隔は、メタマテリアル１２０が一次側共振コイル１２から出力される電力を効率的に中継できる間隔に設定されている。ここでは、一例として、メタマテリアル１２０と一次側共振コイル１２との間の間隔は、数十センチメートル以下である。このように、メタマテリアル１２０と一次側共振コイル１２は、互いにとって最適な位置に配置されており、この位置関係は固定されている。

メタマテリアル１２０は、位置検出部１３０によって検出される二次側共振コイル８１の位置に応じて、表面に平行な平面内における比透磁率の分布を調整することができる。メタマテリアル１２０によって表面に平行な平面内における比透磁率の分布が調整されると、メタマテリアル１２０から出力される磁束が収束される位置をメタマテリアル１２０の表面に平行な平面内で調整することができる。

これにより、メタマテリアル１２０は、二次側共振コイル８１の位置に磁束を誘導することができ、受電器８０は、一次側共振コイル１２から出力され、メタマテリアル１２０によって中継される電力を二次側共振コイル８１で効率的に受電することができる。

このようなメタマテリアル１２０の制御は、制御部１１０によって行われる。メタマテリアル１２０の構成の詳細については、図３を用いて後述する。

位置検出部１３０は、メタマテリアル１２０に対する二次側共振コイル８１の位置を検出する。位置検出部１３０が検出する二次側共振コイル８１の位置は、メタマテリアル１２０に対する相対的な位置である。このように位置を検出する場合には、メタマテリアル１２０の基準点（例えば、表面の中心）に対する、二次側共振コイル８１の基準点（例えば、コイルの中心）の位置を検出すればよい。

ここでは、メタマテリアル１２０と一次側共振コイル１２は、互いにとって最適な位置に配置されているため、位置検出部１３０が、メタマテリアル１２０に対する二次側共振コイル８１の位置を検出する形態について説明する。

一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１の中心軸同士が一致せず、一次側共振コイル１２の位置に対する二次側共振コイル８１の位置がずれている場合には、メタマテリアル１２０のうち、二次側共振コイル８１に近い部分に磁束が誘導されるようにメタマテリアル１２０の比透磁率を制御すれば、二次側共振コイル８１の受電効率を最大にすることができる。このような理由から、送電器１００は、位置検出部１３０によって、メタマテリアル１２０に対する二次側共振コイル８１の位置を検出する。

なお、上述のように、メタマテリアル１２０と一次側共振コイル１２は、互いにとって最適な位置に配置されているため、位置検出部１３０が、メタマテリアル１２０に対する二次側共振コイル８１の位置を検出することは、位置検出部１３０が、一次側共振コイル１２に対する二次側共振コイル８１の位置を検出することと同義である。

また、ここでは、メタマテリアル１２０の中心と一次側共振コイル１２の中心軸とが一致している場合について説明するが、メタマテリアル１２０の中心と一次側共振コイル１２の中心軸とがずれている場合には、位置検出部１３０は、メタマテリアル１２０に対する、一次側共振コイル１２及び二次側共振コイル８１の位置を検出すればよい。このように位置を検出する場合には、メタマテリアル１２０の基準点（例えば、表面の中心）に対する、一次側共振コイル１２及び二次側共振コイル８１の基準点（例えば、コイルの中心）の位置を検出すればよい。

位置検出部１３０としては、例えば、赤外線センサ若しくはレーザーセンサ等の光学センサ、又は、ホールセンサ等の磁気センサを用いることができる。また、位置検出部１３０としてカメラを用い、カメラで取得した画像に対して制御部１１０が画像処理を行うことによって、二次側共振コイル８１の位置を検出してもよい。

なお、画像処理で位置を検出する場合には、カメラは受電器８０に設けられていてもよい。受電器８０の制御部又は制御部１１０で画像処理を行って、メタマテリアル１２０に対する二次側共振コイル８１の位置を検出すればよい。この場合に、受電器８０と送電器１００との間で無線通信を行って、必要なデータの送受信を行えばよい。

また、二次側共振コイル８１の位置を検出する代わりに、受電器８０の位置を検出し、検出した受電器８０の位置から、二次側共振コイル８１の位置を割り出してもよい。例えば、二次側共振コイル８１の位置を検出することが困難である場合には、受電器８０の中における二次側共振コイル８１の位置を表すデータを制御部１１０が保持しておき、制御部１１０が位置検出部１３０の出力に基づいて受電器８０の位置を検出し、検出した受電器８０の位置から二次側共振コイル８１の位置を求めればよい。

以上のような送電器１００は、交流電源１から一次側コイル１１に供給される交流電力を磁気誘導により一次側共振コイル１２に送電し、一次側共振コイル１２から磁界共鳴により電力をメタマテリアル１２０に出力する。

制御部１１０は、位置検出部１３０で検出される二次側共振コイル８１の位置に応じて、二次側共振コイル８１の位置における磁束密度が高くなるように、メタマテリアル１２０の比透磁率の分布を調整する。メタマテリアル１２０から出力される電力は、磁界共鳴を保持した状態で、受電器８０の二次側共振コイル８１によって受電される。

なお、送電器１００は、一次側コイル１１を含まずに、整合回路１３と一次側共振コイル１２が直接接続される構成であってもよい。

二次側共振コイル８１は、一次側共振コイル１２と同一の共振周波数を有し、高いＱ値を有するように設計されている。二次側共振コイル８１の一対の端子は、コンデンサ８１Ａに接続されている。二次側共振コイル８１は、二次側コイル８２と電磁界結合しており、電磁誘導によって電力を二次側コイル８２に伝送する。二次側共振コイル８１は、送電器１００の一次側共振コイル１２から磁界共鳴によって送電される交流電力を電磁誘導によって二次側コイル８２に伝送する。二次側共振コイル８１は、図１に示す二次側共振コイル８１に相当する。

二次側コイル８２は、一対の端子が整流回路８３に接続されており、二次側共振コイル８１から電磁誘導で受電した電力を整流回路８３に出力する。

整流回路８３は、４つのダイオード８３Ａ〜８３Ｄを有する。ダイオード８３Ａ〜８３Ｄは、ブリッジ状に接続されており、二次側コイル８２から入力される電力を全波整流して出力する。

平滑キャパシタ８４は、整流回路８３の出力側に接続されており、整流回路８３で全波整流された電力を平滑化して直流電力として出力する。平滑キャパシタ８４の出力側には、出力端子８６Ａ、８６Ｂが接続される。整流回路８３で全波整流された電力は、交流電力の負成分を正成分に反転させてあるため、略直流電力として取り扱うことができるが、平滑キャパシタ８４を用いることにより、全波整流された電力にリップルが含まれるような場合でも、安定した直流電力を得ることができる。

ＤＣＤＣコンバータ２１０は、出力端子８６Ａ、８６Ｂに接続される入力端子２１０Ａ、２１０Ｂを有し、受電器８０から出力される直流電力の電圧をバッテリ２２０の定格電圧に変換して出力する。

ＤＣＤＣコンバータ２１０は、一例として、降圧型のＤＣＤＣコンバータであり、整流回路８３を介して供給される受電電力の電圧値（入力電圧）をバッテリ２２０の定格電圧に降圧してバッテリ２２０に供給する。降圧型のＤＣＤＣコンバータを用いるのは、昇圧型及び昇降圧型のＤＣＤＣコンバータに比べると、降圧型は電流値が比較的低く小型であり、小型軽量化が求められる受電器８０に向いているからである。

バッテリ２２０は、繰り返し充電が可能な二次電池であればよく、例えば、リチウムイオン電池を用いることができる。例えば、受電器８０がタブレットコンピュータ又はスマートフォン等の電子機器に内蔵される場合は、バッテリ２２０は、このような電子機器のメインのバッテリである。

なお、一次側コイル１１、一次側共振コイル１２、二次側共振コイル８１、二次側コイル８２は、例えば、銅線を巻回することによって作製される。しかしながら、一次側コイル１１、一次側共振コイル１２、二次側共振コイル８１、二次側コイル８２の材質は、銅以外の金属（例えば、金、アルミニウム等）であってもよい。また、一次側コイル１１、一次側共振コイル１２、二次側共振コイル８１の材質は異なっていてもよい。

このような構成において、一次側コイル１１及び一次側共振コイル１２が電力の送電側であり、二次側共振コイル８１が電力の受電側である。

磁界共鳴方式によって、一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１との間で生じる磁界共鳴を利用して送電側から受電側に電力を伝送するため、送電側から受電側に電磁誘導で電力を伝送する電磁誘導方式よりも長距離での電力の伝送が可能である。

図３は、メタマテリアル１２０を示す図である。図３では、ＸＹＺ座標系を定義する。メタマテリアル１２０は、マトリクス状に（ＸＹ平面的に）配列される複数の共振コイル１２１を有する。メタマテリアル１２０の表面は、複数の共振コイル１２１がマトリクス状に配列されるＸＹ平面と平行である。共振コイル１２１の数は、例えば、Ｘ軸方向に数十個で、Ｙ軸方向に数十個である。

図３では、共振コイル１２１の配列を示すために、メタマテリアル１２０の構成要素のうちの共振コイル１２１以外のものを省略するが、メタマテリアル１２０は、共振コイル１２１の他に、すべての共振コイル１２１を収容する筐体、及び、すべての共振コイル１２１のスイッチ１２１Ｂを制御するための制御線等を有する。

共振コイル１２１は、コイル部１２１Ａとスイッチ１２１Ｂを有する。コイル部１２１Ａは、ループコイルであり、両端にスイッチ１２１Ｂが挿入されている。スイッチ１２１Ｂは、共振コイル１２１のループの接続／遮断を切り替えるスイッチであり、例えば、ＦＥＴ(Field Effect Transistor)のような半導体スイッチを用いることができる。

スイッチ１２１Ｂがオンになってコイル部１２１Ａの両端を接続した状態では、共振コイル１２１はオンの状態（共振電流が通流可能な状態）であり、スイッチ１２１Ｂがオフになってコイル部１２１Ａの両端を遮断した状態では、共振コイル１２１はオフの状態（共振電流が通流不可能な状態）である。共振コイル１２１がオンの状態で、一次側コイル１１から磁界共鳴による電力が送電されると、共振コイル１２１には共振電流が流れる。

一例として、一次側共振コイル１２及び二次側共振コイル８１の磁界共鳴の共振周波数が６．７８ＭＨｚである場合には、共振コイル１２１の共振周波数は、磁界共鳴の共振周波数よりも少し低い周波数（例えば、６ＭＨｚ）に設定される。すなわち、一次側コイル１１から磁界共鳴による６．７８ＭＨｚの電力が送電されると、共振コイル１２１にはその共振点である６ＭＨｚよりも少し高い周波数の電流が流れる。

スイッチ１２１Ｂのオン／オフを切り替えることによって、共振コイル１２１のオン／オフを切り替えることができる。共振コイル１２１のオン／オフを切り替えることは、共振状態を変えることの一例である。

なお、共振コイル１２１は、共振周波数を調整するために、コイル部１２１Ａの両端間に挿入されるキャパシタを有するが、ここでは省略する。

図４は、メタマテリアル１２０の比透磁率の周波数特性を示す図である。横軸は周波数を表し、縦軸はメタマテリアル１２０の比透磁率μを表す。

メタマテリアル１２０の比透磁率μは、共振コイル１２１の共振周波数ｆｒよりも少し低い周波数帯で極大値を有し、共振周波数ｆｒよりも少し高い周波数帯で極小値を有する。比透磁率μの極小値は、負の値であり、極小値を取る周波数をｆ１とする。周波数ｆ１よりも高くなると、比透磁率μは再び正の値を取る周波数特性である。

図５は、メタマテリアル１２０のレンズ効果を説明する図である。図５では、図３と同一のＸＹＺ座標系を用いる。一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１のＸＹ平面内での位置は、メタマテリアル１２０の中心と一致している。

メタマテリアル１２０の共振コイル１２１は、周波数ｆ１が６．７８ＭＨｚになるように周波数特性が設定されている。メタマテリアル１２０の比透磁率μは、周波数ｆ１において負の値の極小値になるため、メタマテリアル１２０が一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１との間で６．７８ＭＨｚの電力を中継すると、レンズ効果によって磁界が収束される。

例えば、すべての共振コイル１２１をオンにすると、メタマテリアル１２０の比透磁率μは、負の値で平面的に一様になる。図５（Ａ）には、メタマテリアル１２０の比透磁率μが一様な状態を表すために、メタマテリアル１２０をグレーで示す。

図５（Ａ）に示すように、メタマテリアル１２０の比透磁率μが負の値で平面的に一様になると、一次側共振コイル１２から出力される磁界は、メタマテリアル１２０のレンズ効果によって、メタマテリアル１２０に左側から入射すると、メタマテリアル１２０の厚さ（図中の左右方向の厚さ）の中間付近で収束し、メタマテリアル１２０の右側から出射する際に、再び収束して二次側共振コイル８１に向かう。このようなレンズ効果が得られるのは、メタマテリアル１２０の比透磁率μが負の値に設定されているからである。

次に、図５（Ｂ）を用いて、メタマテリアル１２０のうちのＸ軸負方向側の半分に含まれる共振コイル１２１の一部をオフ（残りの一部をオン）にし、Ｘ軸正方向側の半分に含まれるすべての共振コイル１２１をオンにする場合について説明する。

メタマテリアル１２０のうちのＸ軸負方向側の半分に含まれる共振コイル１２１の一部をオフ（残りの一部をオン）にすることにより、メタマテリアル１２０のＸ軸負方向側の半分の部分における比透磁率μは負の値であるが、メタマテリアル１２０に含まれるすべての共振コイル１２１をオンにする場合に比べて絶対値が小さくなる。

また、メタマテリアル１２０のＸ軸正方向側の半分のすべての共振コイル１２１をオンにすることにより、メタマテリアル１２０のＸ軸正方向側の半分の部分における比透磁率μは、メタマテリアル１２０に含まれる共振コイル１２１をオンにする場合と同様に、絶対値の大きな負の値を取る。

このため、メタマテリアル１２０の比透磁率μの分布は、Ｘ軸負方向側からＸ軸正方向側にかけて、徐々に絶対値が大きくなる負の値になる。図５（Ｂ）では、比透磁率μの絶対値が小さい部分を薄いグレーで示し、比透磁率μの絶対値が大きい部分を濃いグレーで示すことにより、ＸＹ平面での比透磁率μの分布を表す。

例えば、図５（Ｂ）に示すように、二次側共振コイル８１の位置が、メタマテリアル１２０のＸＹ平面の中心に対してＸ軸正方向側にずれた場合には、メタマテリアル１２０のＸ軸正方向側における比透磁率μを絶対値の大きな負の値に設定する。

このようにすれば、一次側共振コイル１２から出力される磁界は、メタマテリアル１２０のレンズ効果によって、メタマテリアル１２０に左側から入射すると、Ｘ軸正方向側に向かいながらメタマテリアル１２０の厚さの中間付近で収束し、メタマテリアル１２０の右側から出射する際に、Ｘ軸正方向側に向かいながら再び収束して二次側共振コイル８１に向かう。

このように、メタマテリアル１２０のＸＹ平面での比透磁率μの分布を調整することにより、一次側共振コイル１２から出力される磁界が収束する方向（磁束が誘導される方向）を調節することができる。

図６は、メタマテリアル１２０の比透磁率μに分布を設けるための共振コイル１２１の駆動状態の一例を示す図である。図６には、図３及び図５と同一のＸＹＺ座標系を示す。また、図６では、共振コイル１２１を円で示し、オンにされている共振コイル１２１を黒い円で示し、オフにされている共振コイル１２１を薄いグレーの円で示す。

図６に示すように、Ｘ軸方向における中央よりもＸ正方向側の半分の領域では、すべての共振コイル１２１をオンにし、Ｘ軸方向における中央よりもＸ軸負方向側の半分の領域では、一部の共振コイル１２１をオンにする（残りの一部の共振コイル１２１はオフにする）。一部の共振コイル１２１をオンにすることは、オンにする共振コイル１２１を間引くことである。

このようにすることで、メタマテリアル１２０の比透磁率μに、Ｘ軸方向における分布を持たせることができる。なお、図６では、メタマテリアル１２０の比透磁率μにＸ軸方向の分布を設ける場合の駆動状態について説明したが、Ｘ負方向側のすべての共振コイル１２１をオンにし、Ｘ軸正方向側で一部の共振コイル１２１をオンに（残りの一部の共振コイル１２１はオフに）すれば、Ｘ軸方向における比透磁率μの分布を逆にすることができる。

また、Ｙ軸方向において共振コイル１２１のオン／オフに分布を持たせれば、比透磁率μにＹ軸方向の分布を持たせることができる。さらに、ＸＹ平面内において、ある特定の部分の比透磁率μの絶対値を大きくしたい場合には、その特定の部分に含まれるすべての共振コイル１２１をオンにし、残りの部分の共振コイル１２１のうちの一部をオフにすればよい。

図７は、一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１の位置関係と、二次側共振コイル８１の受電効率ηとを示す図である。一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１の位置関係は、図３、５、６と同一のＸＹＺ座標系で示す。

図７（Ａ１）、（Ａ２）には、比較用に、メタマテリアル１２０を用いずに、一次側共振コイル１２から二次側共振コイル８１に電力を伝送する場合の位置関係と受電効率とを示す。

また、図７（Ｂ１）、（Ｂ２）には、比較用に、メタマテリアル１２０の比透磁率の分布を負の一定の値に設定して、一次側共振コイル１２から二次側共振コイル８１に電力を伝送する場合の位置関係と受電効率とを示す。メタマテリアル１２０の比透磁率の分布を負の一定の値に設定するには、例えば、すべての共振コイル１２１をオンにすればよい。

また、図７（Ｃ１）、（Ｃ２）には、メタマテリアル１２０に対する二次側共振コイル８１の位置に応じてメタマテリアル１２０の比透磁率の分布を設定した場合において、一次側共振コイル１２から二次側共振コイル８１に電力を伝送する場合の位置関係と受電効率とを示す。メタマテリアル１２０の比透磁率は、二次側共振コイル８１に近いほど絶対値が大きい負の値に設定され、二次側共振コイル８１から遠いほど絶対値が小さい負の値に設定される。

ここでは、一例として、平面視でメタマテリアル１２０の表面の中心と二次側共振コイル８１の中心軸とが一致していない場合に、メタマテリアル１２０に対する二次側共振コイル８１の位置に応じてメタマテリアル１２０の比透磁率の分布を制御することとする。

なお、図７（Ｂ１）、（Ｂ２）、（Ｃ１）、（Ｃ２）において、比透磁率を負の値に設定するのは、メタマテリアル１２０のレンズ効果を得るためである。

図７（Ａ１）、（Ｂ１）、（Ｃ１）では、平面視でメタマテリアル１２０の表面の中心と二次側共振コイル８１の中心軸とは一致している。すなわち、一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１の中心軸同士が一致しており、メタマテリアル１２０に対する二次側共振コイル８１の位置ずれがない状態である。また、図７（Ａ２）、（Ｂ２）、（Ｃ２）では、平面視でメタマテリアル１２０の表面に対して、二次側共振コイル８１の中心軸はＸ軸正方向側にずれている。

図７（Ａ１）に示すように、メタマテリアル１２０を用いずに、一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１の中心軸同士が一致している状態では、二次側共振コイル８１の受電効率ηは、一次側共振コイル１２の中心軸上で最も高く、Ｘ軸方向にずれるに従って低下する。このため、図７（Ａ１）のように、メタマテリアル１２０を用いない場合には、一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１の中心軸同士が一致している状態において、二次側共振コイル８１の受電効率ηが最大になる。

また、図７（Ａ２）に示すように、メタマテリアル１２０を用いずに、一次側共振コイル１２に対して二次側共振コイル８１がＸ軸正方向側にずれている状態では、図７（Ａ１）に示す状態に比べて、二次側共振コイル８１の受電効率ηは低下する。

また、図７（Ｂ１）に示すように、メタマテリアル１２０の比透磁率の分布を一様にして、一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１の中心軸同士が一致している状態では、二次側共振コイル８１の受電効率ηは、一次側共振コイル１２の中心軸上で最も高く、Ｘ軸方向にずれるに従って低下する。

この場合の受電効率ηは、図７（Ａ１）に示すようにメタマテリアル１２０を用いない場合に比べて、一次側共振コイル１２の中心軸上において高くなる。また、Ｘ軸方向において一次側共振コイル１２の中心軸から離れるに従って、図７（Ａ１）に示すようにメタマテリアル１２０を用いない場合に比べて低くなる。これは、メタマテリアル１２０のレンズ効果によって、メタマテリアル１２０の中心側で磁束密度が高くなるためである。

このため、図７（Ｂ１）のように、負の値の比透磁率の分布が一様のメタマテリアル１２０を用いる場合には、一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１の中心軸同士が一致している状態において、二次側共振コイル８１の受電効率ηが最大になる。

また、図７（Ｂ２）に示すように、負の値の比透磁率の分布が一様のメタマテリアル１２０を用いて、一次側共振コイル１２に対して二次側共振コイル８１がＸ軸正方向側にずれている状態では、図７（Ｂ１）に示す状態に比べて、二次側共振コイル８１の受電効率ηは低下する。

また、図７（Ｃ１）では、一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１の中心軸同士が一致している。この状態では、メタマテリアル１２０の比透磁率の分布を一様に設定する。このため、図７（Ｂ１）に示す状態と同様に、二次側共振コイル８１の受電効率ηは、一次側共振コイル１２の中心軸上で最も高く、Ｘ軸方向にずれるに従って低下する。

また、図７（Ｃ２）では、一次側共振コイル１２に対して二次側共振コイル８１がＸ軸正方向側にずれているため、メタマテリアル１２０の比透磁率の分布を二次側共振コイル８１の位置に応じて制御する。ここでは、比透磁率の値が負で絶対値が大きい部分ほど濃いグレーで示し、比透磁率の値が負で絶対値が小さい部分ほど薄いグレーで示す。

図７（Ｃ２）に示すように、一次側共振コイル１２に対して二次側共振コイル８１がＸ軸正方向側にずれていても、二次側共振コイル８１に近い部分の比透磁率の負の値の絶対値を大きくし、二次側共振コイル８１から離れている（遠い）部分の比透磁率の負の値の絶対値を小さくするので、磁束を二次側共振コイル８１に近い部分に誘導することができる。

このため、二次側共振コイル８１の受電効率ηは、一次側共振コイル１２の中心軸上で最も高く、Ｘ軸方向にずれるに従って低下する。

メタマテリアル１２０の比透磁率は負の値であり、Ｘ軸の中央で最も絶対値が大きく、両端に向かって絶対値が小さくなるように分布しているため、Ｘ軸の中央における二次側共振コイル８１の受電効率ηは、図７（Ｃ１）及び図７（Ｂ１）に示す受電効率ηと同等にすることができる。

なお、図７（Ｃ２）に示すように、二次側共振コイル８１に近い部分の比透磁率の負の値の絶対値を大きくし、二次側共振コイル８１から離れている（遠い）部分の比透磁率の負の値の絶対値を小さくするためには、例えば、図６に示すように共振コイル１２１を駆動すればよい。

図６では、Ｘ軸方向における中央よりもＸ正方向側の半分の領域では、すべての共振コイル１２１をオンにし、Ｘ軸方向における中央よりもＸ軸負方向側の半分の領域では、一部の共振コイル１２１をオンにするが、このように共振コイル１２１のオン／オフを区分する領域の境界は、Ｘ軸方向における中央に限られない。

共振コイル１２１のオン／オフを区分する領域の境界は、メタマテリアル１２０に対する二次側共振コイル８１の位置に応じて決めればよい。また、オンにする共振コイル１２１を間引く際には、段階的に間引くようにしてもよい。例えば、Ｘ軸方向に数十個配列される共振コイル１２１を数個ずつのグループに分け、グループ毎に間引く数を段階的に増やすことによって、Ｘ軸方向における比透磁率の分布が緩やかに変化するようにしてもよい。

また、すべての共振コイル１２１をオンにするグループは、二次側共振コイル８１の中心軸のＸ軸方向における位置を含むグループとして、当該グループよりもＸ軸正方向側のグループにおいてオンにする共振コイル１２１の数をＸ軸正方向に向かって段階的に減らすようにしてもよい。

例えば、メタマテリアル１２０のＸ軸正方向に３０個の共振コイル１２１が配列されていて、Ｘ軸方向に３個ずつの１０個のグループに分けた場合に、二次側共振コイル８１の中心軸がＸ軸負方向側から７個目のグループの位置に含まれる場合には、次のようにすればよい。すなわち、Ｘ軸負方向側から７個目のグループの位置に含まれるすべての共振コイル１２１をオンにし、Ｘ軸負方向側から６個目から１個目のグループについては、この順にオンにする共振コイル１２１の数を減らせばよい。同様に、Ｘ軸負方向側から８個目から１０個目のグループについては、この順にオンにする共振コイル１２１の数を減らせばよい。

図８は、送電器１００及び受電器８０の適用例を示す図である。ここでは、車両５００の底部に受電器８０が取り付けられており、路面側に送電器１００が配置されている場合について説明する。なお、ここでは、送電器１００及び受電器８０のうちの主な構成要素のみを示す。

図８（Ａ１）、（Ａ２）、（Ａ３）には、駐車場の駐車スペースの路面に送電器１００が配置されている場合を示す。駐車スペースに車両５００を駐車する際に、図８（Ａ２）に示すように、一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１の中心軸同士が略一致する場合もあれば、図８（Ａ１）、（Ａ３）に中心軸同士がずれる場合もある。中心軸同士がずれた場合には、送電器１００の位置検出部１３０が位置ずれを検出し、制御部１１０が位置ずれに応じてメタマテリアル１２０の比透磁率の分布を制御すれば、二次側共振コイル８１は高い受電効率で電力を受電することができ、バッテリ２２０を充電することができる。

また、図８（Ｂ）には、道路の走行レーンの路面に沿って複数の送電器１００が配置されている場合を示す。図８（Ｂ）には、車両５００が走行する状態を３つの図に分けて、右から左にかけて時系列的に示す。

車両５００が走行レーンを走行する際に、複数の送電器１００は、順次、制御部１１０が位置ずれに応じてメタマテリアル１２０の比透磁率の分布を制御すればよい。このようにすれば、走行中の車両５００に搭載された受電器８０の二次側共振コイル８１は、路面に設置された複数の送電器１００から順番に電力を受電することができる。個々の送電器１００は、自己が送電する際に、一次側共振コイル１２に対する二次側共振コイル８１の位置ずれに応じて、メタマテリアル１２０の比透磁率の分布を制御すればよい。

以上、実施の形態によれば、平面視でメタマテリアル１２０の表面の中心に対して二次側共振コイル８１の中心軸がずれた場合に、磁束が二次側共振コイル８１に誘導されるように、二次側共振コイル８１の位置に応じてメタマテリアル１２０の比透磁率の分布を制御する。メタマテリアル１２０の表面の中心は、一次側共振コイル１２の中心軸と一致している。

従って、二次側共振コイル８１の中心軸が一次側共振コイル１２の中心軸からずれても、メタマテリアル１２０の比透磁率の分布を調整することにより、一次側共振コイル１２からメタマテリアル１２０を経て供給される磁束が二次側共振コイル８１に誘導されるので、二次側共振コイル８１の受電効率を改善することができる。

従って、実施の形態によれば、伝送効率を改善した電力中継装置、送電器１００、及び、送受電システムを提供することができる。

なお、以上では、送電器１００がメタマテリアル１２０及び位置検出部１３０を含み、一次側共振コイル１２の中心軸に対する二次側共振コイル８１の中心軸の位置ずれに応じてメタマテリアル１２０の比透磁率の分布を制御する形態について説明した。

しかしながら、メタマテリアル１２０及び位置検出部１３０は、送電器１００ではなく受電器８０に含まれていてもよい。この場合には、メタマテリアル１２０は二次側共振コイル８１の受電側（一次側共振コイル１２が位置する側）に設けられていればよい。受電器８０に設けられた位置検出部１３０が二次側共振コイル８１の中心軸に対する一次側共振コイル１２の中心軸の位置ずれを検出し、位置ずれに応じてメタマテリアル１２０の比透磁率の分布を制御することによって、一次側共振コイル１２からメタマテリアル１２０を経て供給される磁束が二次側共振コイル８１に誘導されるようにすれば、二次側共振コイル８１の受電効率を改善することができる。

このような実施の形態によれば、伝送効率を改善した受電器８０側の電力中継装置、受電器８０、及び、送受電システムを提供することができる。

また、送電器１００及び受電器８０の両方が、メタマテリアル１２０を含んでいてもよい。この場合には、送電器１００側では、送電器１００の位置検出部１３０が一次側共振コイル１２の中心軸に対する二次側共振コイル８１の中心軸の位置ずれを検出して、送電器１００の制御部１１０がメタマテリアル１２０の比透磁率の分布を制御すればよい。また、受電器８０側では、受電器８０の位置検出部１３０が二次側共振コイル８１の中心軸に対する一次側共振コイル１２の中心軸の位置ずれを検出して、受電器８０の制御部１１０がメタマテリアル１２０の比透磁率の分布を制御すればよい。

また、このように送電器１００及び受電器８０の両方が、メタマテリアル１２０を含む場合に、送電器１００と受電器８０との間に、制御部１１０、メタマテリアル１２０、及び位置検出部１３０を含む電力中継装置を設けてもよい。この場合には、送電器１００の一次側共振コイル１２と、受電器８０の二次側共振コイル８１との間に、３つのメタマテリアル１２０が互いの表面が平行になるように配置されることになる。

この場合に、送電器１００及び受電器８０におけるメタマテリアル１２０の比透磁率の分布の制御は、送電器１００及び受電器８０の両方が、メタマテリアル１２０を含む場合と同様である。

また、送電器１００と受電器８０との間に設けられ、制御部１１０、メタマテリアル１２０、及び位置検出部１３０を含む電力中継装置では、例えば、位置検出部１３０が一次側共振コイル１２の中心軸に対する二次側共振コイル８１の中心軸の位置ずれを検出して、メタマテリアル１２０の比透磁率の分布を制御すればよい。また、この代わりに、二次側共振コイル８１の中心軸に対する一次側共振コイル１２の中心軸の位置ずれを検出して、メタマテリアル１２０の比透磁率の分布を制御してもよい。

また、以上では、送電器１００が位置検出部１３０を含み、位置検出部１３０で検出される一次側共振コイル１２の中心軸に対する二次側共振コイル８１の中心軸の位置ずれに応じてメタマテリアル１２０の比透磁率の分布を制御する形態について説明した。

しかしながら、送電器１００は、位置検出部１３０を含まずに、メタマテリアル１２０の比透磁率の分布を制御するものであってもよい。例えば、一次側共振コイル１２の中心軸に対する二次側共振コイル８１の中心軸の位置ずれが固定値であり、既知である場合には、メタマテリアル１２０の共振コイル１２１のオン／オフを予め設定しておけば、一次側共振コイル１２の中心軸に対して中心軸の位置がずれた二次側共振コイル８１にメタマテリアル１２０で磁束を誘導することができる。この結果、二次側共振コイル８１の受電効率を改善することができる。

また、以上では、メタマテリアル１２０の共振コイル１２１のオン／オフを切り替えることによって、共振コイル１２１の共振状態を制御する形態について説明したが、共振コイル１２１の代わりに、次のような共振コイル３２０をマトリクス状に配置したメタマテリアル１２０を用いてもよい。

図９及び図１０は、共振コイル３２０の構成を示す図である。図９に示すように、共振コイル３２０は、一対の端子３２１Ａ、３２１Ｂを有し、端子３２１Ａから端子３２１Ｂまで渦巻き状に巻回されている。端子３２１Ａと３２１Ｂは、共振コイル３２０の中心３２２を通る直線Ｒ１上に位置しており、共振コイル３２０は、端子３２１Ａから端子３２１Ｂに向かって、径方向に一定間隔で内側に５回渦巻き状に巻回されている。

共振コイル３２０は、さらに、端子３２１Ａ、３２１Ｂと中心３２２とを結ぶ直線上に位置する端子３２３Ａ、３２３Ｂ、３２３Ｃ、３２３Ｄを有する。端子３２３Ａ、３２３Ｂ、３２３Ｃ、３２３Ｄは、この順番で端子３２１Ａと端子３２１Ｂとの間で直線Ｒ１上に位置する。

共振コイル３２０は、さらに、スイッチ３２４と、端子３２５Ａ、３２５Ｂとを有する。スイッチ３２４は、スイッチ部３２４Ａ、３２４Ｂ、３２４Ｃ、３２４Ｄ、３２４Ｅを有する。スイッチ部３２４Ａ、３２４Ｂ、３２４Ｃ、３２４Ｄ、３２４Ｅの一端は、それぞれ、端子３２３Ａ、３２３Ｂ，３２３Ｃ、３２３Ｄ、３２１Ｂに接続されており、他端は端子３２５Ｂに接続されている。また、端子３２５Ａは、端子３２１Ａに接続されている。

図９に示すように、スイッチ部３２４Ｅを閉成（オン）し、スイッチ部３２４Ａ、３２４Ｂ、３２４Ｃ、３２４Ｄを開放（オフ）すると、共振コイル３２０は、端子３２１Ａから端子３２１Ｂまでの５巻のコイルになる。

図１０に示すように、スイッチ部３２４Ｃを閉成（オン）し、スイッチ部３２４Ａ、３２４Ｂ、３２４Ｄ、３２４Ｅを開放（オフ）すると、共振コイル３２０は、端子３２１Ａから端子３２３Ｃまでの３巻のコイルになる。

同様に、スイッチ部３２４Ａを閉成（オン）し、スイッチ部３２４Ｂ、３２４Ｃ、３２４Ｄ、３２４Ｅを開放（オフ）すると、共振コイル３２０は、端子３２１Ａから端子３２３Ａまでの１巻のコイルになる。また、スイッチ部３２４Ｂを閉成（オン）し、スイッチ部３２４Ａ、３２４Ｃ、３２４Ｄ、３２４Ｅを開放（オフ）すると、共振コイル３２０は、端子３２１Ｂから端子３２３Ｂまでの２巻のコイルになる。また、スイッチ部３２４Ｄを閉成（オン）し、スイッチ部３２４Ａ、３２４Ｂ、３２４Ｃ、３２４Ｅを開放（オフ）すると、共振コイル３２０は、端子３２１Ｄから端子３２３Ｄまでの４巻のコイルになる。

スイッチ部３２４Ａ、３２４Ｂ、３２４Ｃ、３２４Ｄ、３２４Ｅのうちのいずれか１つを選択して閉成（オン）することにより、共振コイル３２０の巻数を変更することができる。スイッチ３２４のスイッチ部３２４Ａ、３２４Ｂ、３２４Ｃ、３２４Ｄ、３２４Ｅのオン／オフの制御は、制御部１１０によって行われる。以下では、スイッチ部３２４Ａ、３２４Ｂ、３２４Ｃ、３２４Ｄ、３２４Ｅのオン／オフを制御することをスイッチ３２４のオン／オフを制御することと称す。

制御部１１０がスイッチ３２４のオン／オフを制御することにより、共振コイル３２０の出力電圧を変化させることができる。共振コイル３２０の出力電圧が変化すれば、ＤＣＤＣコンバータ２１０の入力電圧及び負荷抵抗が変化する。

共振コイル３２０をマトリクス状に配置したメタマテリアルの比透磁率の周波数特性は、図４に示すメタマテリアル１２０の比透磁率の周波数特性と同様の特性になる。

例えば、共振コイル３２０の巻数を３巻にしたときに、共振コイル３２０の共振周波数が６ＭＨｚになり、比透磁率が極小値を取る周波数ｆ１が６．７８ＭＨｚになることとする。比透磁率の極小値は、比透磁率が負の値で絶対値が最大になる値である。

このような場合に、スイッチ３２４を切り替えて、共振コイル３２０の巻数を３巻から１巻、２巻、４巻、又は５巻に変更すると、共振コイル３２０のインダクタンスが変わることによって共振周波数が変わるため、６．７８ＭＨｚにおける比透磁率の値が増大する（負の値であっても絶対値が小さくなる、又は、正の値になる）。これは、図４に示す特性全体が、低周波数側（左側）又は高周波数側（右側）にシフトするイメージである。

このように、共振コイル３２０のインダクタンスが変わることによって共振周波数を変えると、６．７８ＭＨｚにおける比透磁率の値を３巻のときの極小値よりも増大させることができる。このため、一次側共振コイル１２と二次側共振コイル８１の間で共振周波数が６．７８ＭＨｚの磁界共鳴を生じさせた場合に、メタマテリアルの比透磁率が変わり、メタマテリアルが誘導する磁束の位置を調整することができる。上述のように共振コイル３２０の共振周波数を変えることは、共振コイル３２０の共振状態を変えることの一例である。

また、共振コイル１２１はオン／オフのみの切り替えであったが、共振コイル３２０は、３巻から１巻、２巻、４巻、又は５巻に切り替えることにより、６．７８ＭＨｚの磁界共鳴に対するメタマテリアルの比透磁率をきめ細かく調整することができる。６．７８ＭＨｚで極小値が得られる特性に対して、６．７８ＭＨｚで極小値よりも大きな４つの値を選択することができる。

図１１は、共振コイル３２０をマトリクス状に配置したメタマテリアル１２０Ａの比透磁率μに分布を設けるための共振コイル３２０の駆動状態の一例を示す図である。ここでは、図２に示すメタマテリアル１２０の代わりに、共振コイル３２０をマトリクス状に配置したメタマテリアル１２０Ａを送電器１００に設け、一次側共振コイル１２に対して二次側共振コイル８１がＸ軸正方向側にずれている場合について説明する。

図１１では、共振コイル３２０を円で示し、巻数が３巻に設定される共振コイル３２０を黒い円で示す。巻数が３巻に設定される共振コイル３２０は、６．７８ＭＨｚにおける比透磁率の値が極小値になる。

また、一例として、巻数を２巻、４巻、５巻、１巻に変更すると、この順に６．７８ＭＨｚにおける比透磁率の値が増大することとする。ここでは、巻数が２巻、４巻、５巻、１巻に設定された共振コイル３２０のグレーの濃さを、６．７８ＭＨｚにおける比透磁率の値が小さい程（絶対値が大きい程）濃く、６．７８ＭＨｚにおける比透磁率の値が大きい程（絶対値が小さい程）薄く示す。

このようなメタマテリアル１２０Ａにおいて、図１１に示すように、Ｘ軸方向において最も正方向側の比透磁率の絶対値を最も大きくし（極小値に設定し）、Ｘ軸方向において負方向側に行くに従って、徐々に６．７８ＭＨｚにおける比透磁率の値が大きくなるようにすればよい。

このようにすれば、メタマテリアル１２０Ａにおける比透磁率の分布を、よりきめ細かく設定することができる。

図１２は、共振コイル４２０を示す図である。共振コイル４２０は、共振コイル３２０の代わりにメタマテリアル１２０Ａに用いることができるものである。

共振コイル４２０は、コイル部４２１、キャパシタ４２２Ａ、４２２Ｂ、４２２Ｃ、４２２Ｄ、及びスイッチ４２３Ａ、４２３Ｂ、４２３Ｃ、４２３Ｄを有する。キャパシタ４２２Ａ、４２２Ｂ、４２２Ｃ、４２２Ｄ、及び、スイッチ４２３Ａ、４２３Ｂ、４２３Ｃ、４２３Ｄは、それぞれ、直列に接続されている。

キャパシタ４２２Ａ及びスイッチ４２３Ａ、キャパシタ４２２Ｂ及びスイッチ４２３Ｂ、キャパシタ４２２Ｃ及びスイッチ４２３Ｃ、キャパシタ４２２Ｄ及びスイッチ４２３Ｄは、コイル部４２１の両端の間に互いに並列に接続されている。

スイッチ４２３Ａ、４２３Ｂ、４２３Ｃ、４２３Ｄは、例えば、ＦＥＴで実現されるスイッチであり、制御部１１０によってオン／オフが切り替えられる。スイッチ４２３Ａ、４２３Ｂ、４２３Ｃ、４２３Ｄをすべてオンにすれば、コイル部４２１には、互いに並列に接続されるキャパシタ４２２Ａ、４２２Ｂ、４２２Ｃ、４２２Ｄが直列に挿入される。

また、スイッチ４２３Ａ、４２３Ｂ、４２３Ｃをオンにすれば、コイル部４２１には、互いに並列に接続されるキャパシタ４２２Ａ、４２２Ｂ、４２２Ｃが直列に挿入される。同様に、スイッチ４２３Ａ、４２３Ｂをオンにすれば、コイル部４２１には、互いに並列に接続されるキャパシタ４２２Ａ、４２２Ｂが直列に挿入される。また、スイッチ４２３Ａのみをオンにすれば、コイル部４２１には、キャパシタ４２２Ａのみが直列に挿入される。なお、スイッチ４２３Ａ、４２３Ｂ、４２３Ｃ、４２３Ｄを上述以外の組み合わせでオンにすれば、オンにされたスイッチに直列に接続されるキャパシタがコイル部４２１に接続される。

ここで、一例として、キャパシタ４２２Ａ、４２２Ｂ、４２２Ｃ、４２２Ｄの静電容量は互いに等しいものとする。オンにするスイッチをスイッチ４２３Ａ、４２３Ｂ、４２３Ｃ、４２３Ｄのうちから選択することにより、コイル部４２１に接続されるキャパシタの静電容量を調整することができる。

例えば、スイッチ４２３Ａ、４２３Ｂをオンにした場合に、共振コイル４２０の共振周波数が６ＭＨｚになり、比透磁率が極小値を取る周波数ｆ１が６．７８ＭＨｚになることとする。比透磁率の極小値は、比透磁率が負の値で絶対値が最大になる値である。

このような場合に、スイッチ４２３Ａのみをオンにする状態、スイッチ４２３Ａ、４２３Ｂ、４２３Ｃをオンにする状態、又は、スイッチ４２３Ａ、４２３Ｂ、４２３Ｃ、４２３Ｄのすべてをオンにする状態に切り替えれば、メタマテリアルの６．７８ＭＨｚにおける比透磁率を増大させることができ、図９及び図１０に示す共振コイル３２０を用いる場合と同様に、共振状態を制御することができる。

従って、共振コイル４２０をマトリクス状に配置したメタマテリアルを用いた場合にも、一次側共振コイル１２の中心軸に対して中心軸の位置がずれた二次側共振コイル８１にメタマテリアル１２０で磁束を誘導することができる。この結果、二次側共振コイル８１の受電効率を改善することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の電力中継装置、送電器、受電器、及び、送受電システムについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
以上の実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
平面視でマトリクス状に配置される複数の共振コイルを有し、磁界共鳴又は電界共鳴で電力を伝送する一次側共振コイルと二次側共振コイルとの間で前記電力を中継するメタマテリアルと、
前記複数の共振コイルの共振状態を制御することにより、前記複数の共振コイルの共振状態によって決定される前記メタマテリアルの平面視での比透磁率の分布を制御する制御部と
を含む、電力中継装置。
（付記２）
前記メタマテリアルに対する、前記一次側共振コイル及び前記二次側共振コイルの平面視での相対位置を検出する位置検出部をさらに含み、
前記制御部は、前記複数の共振コイルのうち、前記位置検出部によって検出される相対位置が所定相対位置よりも近い共振コイルがある第１領域の第１比透磁率が、負の値であって、前記位置検出部によって検出される相対位置が前記所定相対位置よりも遠い共振コイルがある第２領域における第２比透磁率よりも小さな値になるように、前記複数の共振コイルの共振状態を制御する、付記１記載の電力中継装置。
（付記３）
前記制御部は、前記位置検出部によって検出される相対位置が、前記一次側共振コイルと前記二次側共振コイルとの平面視での位置ずれがあることを表す場合に、前記複数の共振コイルの共振状態を制御する、付記２記載の電力中継装置。
（付記４）
前記制御部は、前記第２比透磁率が負の値になるように、前記第２領域の共振コイルの共振状態を制御する、付記１乃至３のいずれか一項記載の電力中継装置。
（付記５）
前記共振コイルは、当該共振コイルのインダクタンス又はキャパシタンスを可変制御する可変回路を有し、
前記制御部は、前記複数の共振コイルの各々の前記可変回路のインダクタンス又はキャパシタンスを可変制御することにより、前記第１比透磁率が、負の値であって、前記第２比透磁率よりも小さな値になるように、前記複数の共振コイルの共振状態を制御する、付記２乃至４のいずれか一項記載の電力中継装置。
（付記６）
前記可変回路は、前記共振コイルの巻数を可変制御する可変回路である、付記５記載の電力中継装置。
（付記７）
前記可変回路は、前記共振コイルに直列に挿入されるキャパシタの数を可変制御する可変回路である、付記５記載の電力中継装置。
（付記８）
前記共振コイルは、前記磁界共鳴又は前記電界共鳴の共鳴周波数よりも低い共振周波数を有し、前記共鳴周波数における共振状態によって得られる比透磁率が負の値になる共振コイルであり、
前記制御部は、前記第１領域の共振コイルをオンにするとともに、前記第２領域の共振コイルをオフにすることにより、前記第１比透磁率が、負の値であって、前記第２比透磁率よりも小さな値になるように、前記複数の共振コイルの共振状態を制御する、付記２乃至４のいずれか一項記載の電力中継装置。
（付記９）
前記共振コイルは、当該共振コイルに直列に挿入され、オン／オフを切り替えるスイッチを有する、付記８記載の電力中継装置。
（付記１０）
高周波電源と、
前記高周波電源に接続される一次側共振コイルと、
平面視でマトリクス状に配置される複数の共振コイルを有し、前記一次側共振コイルから磁界共鳴又は電界共鳴で送電される電力を二次側共振コイルに中継するメタマテリアルと、
前記複数の共振コイルの共振状態を制御することにより、前記複数の共振コイルの共振状態によって決定される前記メタマテリアルの平面視での比透磁率の分布を制御する制御部と
を含む、送電器。
（付記１１）
平面視でマトリクス状に配置される複数の共振コイルを有し、高周波電源に接続される一次側共振コイルから磁界共鳴又は電界共鳴で送電される電力を中継するメタマテリアルと、
前記メタマテリアルによって中継される電力を受電する二次側共振コイルと、
前記複数の共振コイルの共振状態を制御することにより、前記複数の共振コイルの共振状態によって決定される前記メタマテリアルの平面視での比透磁率の分布を制御する制御部と
を含む、受電器。
（付記１２）
高周波電源と、
前記高周波電源に接続される一次側共振コイルと、
平面視でマトリクス状に配置される複数の共振コイルを有し、前記一次側共振コイルから磁界共鳴又は電界共鳴で送電される電力を中継するメタマテリアルと、
前記メタマテリアルによって中継される電力を受電する二次側共振コイルと、
前記複数の共振コイルの共振状態を制御することにより、前記複数の共振コイルの共振状態によって決定される前記メタマテリアルの平面視での比透磁率の分布を制御する制御部と
を含む、送受電システム。

１ 交流電源
１１ 一次側コイル
１２ 一次側共振コイル
１３ 整合回路
１４ キャパシタ
８０ 受電器
８１ 二次側共振コイル
８２ 二次側コイル
８３ 整流回路
８４ 平滑キャパシタ
１００ 送電器
１１０ 制御部
１２０、１２０Ａ メタマテリアル
１２１、３２０、４２０ 共振コイル
１３０ 位置検出部
２１０ ＤＣＤＣコンバータ
２２０ バッテリ

Claims (9)

1. 平面視でマトリクス状に配置される複数の共振コイルを有し、磁界共鳴又は電界共鳴で電力を伝送する一次側共振コイルと二次側共振コイルとの間で前記電力を中継するメタマテリアルと、
   前記複数の共振コイルの共振状態を制御することにより、前記複数の共振コイルの共振状態によって決定される前記メタマテリアルの平面視での比透磁率の分布を制御する制御部と
   を含む、電力中継装置。
2. 前記メタマテリアルに対する、前記一次側共振コイル及び前記二次側共振コイルの平面視での相対位置を検出する位置検出部をさらに含み、
   前記制御部は、前記複数の共振コイルのうち、前記位置検出部によって検出される相対位置が所定相対位置よりも近い共振コイルがある第１領域の第１比透磁率が、負の値であって、前記位置検出部によって検出される相対位置が前記所定相対位置よりも遠い共振コイルがある第２領域における第２比透磁率よりも小さな値になるように、前記複数の共振コイルの共振状態を制御する、請求項１記載の電力中継装置。
3. 前記制御部は、前記位置検出部によって検出される相対位置が、前記一次側共振コイルと前記二次側共振コイルとの平面視での位置ずれがあることを表す場合に、前記複数の共振コイルの共振状態を制御する、請求項２記載の電力中継装置。
4. 前記制御部は、前記第２比透磁率が負の値になるように、前記第２領域の共振コイルの共振状態を制御する、請求項２又は３記載の電力中継装置。
5. 前記共振コイルは、当該共振コイルのインダクタンス又はキャパシタンスを可変制御する可変回路を有し、
   前記制御部は、前記複数の共振コイルの各々の前記可変回路のインダクタンス又はキャパシタンスを可変制御することにより、前記第１比透磁率が、負の値であって、前記第２比透磁率よりも小さな値になるように、前記複数の共振コイルの共振状態を制御する、請求項２乃至４のいずれか一項記載の電力中継装置。
6. 前記共振コイルは、前記磁界共鳴又は前記電界共鳴の共鳴周波数よりも低い共振周波数を有し、前記共鳴周波数における共振状態によって得られる比透磁率が負の値になる共振コイルであり、
   前記制御部は、前記第１領域の共振コイルをオンにするとともに、前記第２領域の共振コイルをオフにすることにより、前記第１比透磁率が、負の値であって、前記第２比透磁率よりも小さな値になるように、前記複数の共振コイルの共振状態を制御する、請求項２乃至４のいずれか一項記載の電力中継装置。
7. 高周波電源と、
   前記高周波電源に接続される一次側共振コイルと、
   平面視でマトリクス状に配置される複数の共振コイルを有し、前記一次側共振コイルから磁界共鳴又は電界共鳴で送電される電力を二次側共振コイルに中継するメタマテリアルと、
   前記複数の共振コイルの共振状態を制御することにより、前記複数の共振コイルの共振状態によって決定される前記メタマテリアルの平面視での比透磁率の分布を制御する制御部と
   を含む、送電器。
8. 平面視でマトリクス状に配置される複数の共振コイルを有し、高周波電源に接続される一次側共振コイルから磁界共鳴又は電界共鳴で送電される電力を中継するメタマテリアルと、
   前記メタマテリアルによって中継される電力を受電する二次側共振コイルと、
   前記複数の共振コイルの共振状態を制御することにより、前記複数の共振コイルの共振状態によって決定される前記メタマテリアルの平面視での比透磁率の分布を制御する制御部と
   を含む、受電器。
9. 高周波電源と、
   前記高周波電源に接続される一次側共振コイルと、
   平面視でマトリクス状に配置される複数の共振コイルを有し、前記一次側共振コイルから磁界共鳴又は電界共鳴で送電される電力を中継するメタマテリアルと、
   前記メタマテリアルによって中継される電力を受電する二次側共振コイルと、
   前記複数の共振コイルの共振状態を制御することにより、前記複数の共振コイルの共振状態によって決定される前記メタマテリアルの平面視での比透磁率の分布を制御する制御部と
   を含む、送受電システム。