JP2019187237A - 無線電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】送電側装置からの非放射電磁界の分布を制御することで、送電側装置から受電側装置への電力伝送効率を高めることができる無線電力伝送システムを提供する。【解決手段】この無線電力伝送システム１は、非放射電磁界を用いて送電側装置２から受電側装置３に無線で電力伝送を行うものにおいて、送電側装置２からの非放射電磁界を屈折させて受電側装置３に向けて誘導、すなわち非放射電磁界の分布を制御する誘電体又は磁性体の誘導器４を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、非放射電磁界を用いて無線で電力伝送を行う無線電力伝送システムに関する。

電磁界は、放射電磁界（電磁波）と非放射電磁界（エバネッセント場）に分類できる。非放射電磁界を用いた無線電力伝送システムには、結合共振器型、電磁誘導型、容量結合型などがある。

例えば、結合共振器型の無線電力伝送システムは、送電側装置の送電側共振器から受電側装置の受電側共振器に、ある程度の距離があっても高効率の電力伝送が可能であるため、非常に注目されている。結合共振器型の無線電力伝送システムに関しては、これまでに種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、送信側装置と受信側装置のいずれにも設けられたループ状の導体などの共振器に共振を起こさせて電力伝送を行う無線電力伝送システムの基本的な構成が記載されている。特許文献２には、送電側共振器のコイルと受電側共振器のコイルに共振を起こさせて電力伝送を行う無線電力伝送システムにおいて、送電側共振器と受電側共振器との間の距離を検出し、それに基づいて共振周波数を変更するものが記載されている。

特表２００９−５０１５１０号公報 特開２０１０−２３９７６９号公報

しかし、送電側装置の周囲には、受電側装置の存在が予定された特定の空間以外の空間にも非放射電磁界が分布する。その特定の空間以外の空間では、エネルギー損失が少なからず起こり、送電側装置から受電側装置への電力伝送効率を低下させる一因となる。特許文献１、２を含め従来から提案されている無線電力伝送システムでは、非放射電磁界の分布を制御することは考慮されていない。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、送電側装置からの非放射電磁界の分布を制御することで、送電側装置から受電側装置への電力伝送効率を高めることができる無線電力伝送システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の無線電力伝送システムは、非放射電磁界を用いて送電側装置から受電側装置に無線で電力伝送を行う無線電力伝送システムにおいて、前記送電側装置からの非放射電磁界を屈折させて受電側装置に向けて誘導する誘導器を備えてい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は、請求項１に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記誘導器は、誘電体又は磁性体によって構成されていることを特徴とする。

請求項３に記載の無線電力伝送システムは、請求項１又は２に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記送電側装置は送電側共振器を有し、かつ、前記受電側装置は受電側共振器を有しており、該送電側共振器と該受電側共振器に共振を起こさせて電力伝送を行うことを特徴とする。

請求項４に記載の無線電力伝送システムは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記誘導器は、前記送電側装置の中心軸の方向に延伸してい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は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記誘導器は、曲がってい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は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記誘導器は、凹レンズであることを特徴とする。

請求項７に記載の無線電力伝送システムは、請求項１〜６のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記誘導器は、水を用いて非放射電磁界を誘導することを特徴とする。

請求項８に記載の無線電力伝送システムは、請求項７に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記誘導器は、少なくとも前記送電側装置と前記受電側装置とに面している部分の水には塩分が添加されていることを特徴とする。

請求項９に記載の無線電力伝送システムは、請求項７又は８に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記誘導器は、少なくとも前記送電側装置と前記受電側装置とに面している部分の水の塩分濃度が、０．１重量％〜２重量％の範囲に有ることを特徴とする。

請求項１０に記載の無線電力伝送システムは、請求項７に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記誘導器は、少なくとも前記送電側装置と前記受電側装置とに面している部分の水の塩分濃度が、０．０００１重量％以下の範囲に有ることを特徴とする。

請求項１１に記載の無線電力伝送システムは、請求項１〜６のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記誘導器は、フェライトを用いて非放射電磁界を誘導することを特徴とする。

本発明に係る無線電力伝送システムによれば、誘導器が非放射電磁界を誘導、すなわち非放射電磁界の分布を制御することで、送電側装置から受電側装置への電力伝送効率を高めることが可能になる。

本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成のブロック図である。 同上の無線電力伝送システムの送電側装置を示すもので、（ａ）は模式的な斜視図、（ｂ）は送電側装置を構成する送電側共振器の概略正面図である。 同上の無線電力伝送システムの受電側装置を示すもので、（ａ）は模式的な斜視図、（ｂ）は受電側装置を構成する受電側共振器の概略正面図である。 異なる媒質の境界における屈折の様子を示すもので、（ａ）は誘電率が異なる媒質の境界における電界の様子、（ｂ）は透磁率が異なる媒質の境界における磁界の様子である。 同上の無線電力伝送システムの非放射電磁界の電界の電気力線を模式的に示したブロック図である。 同上の無線電力伝送システムにおいて誘導器を誘電体とした実験の構成を示すブロック図である。 同上の無線電力伝送システムにおいて誘導器を誘電体とした実験の結合係数の特性図である。 同上の無線電力伝送システムにおいて誘導器を誘電体とした実験の透過率の特性図である。 同上の無線電力伝送システムにおいて誘導器を誘電体とした実験の無負荷Ｑ値の特性図である。 同上の無線電力伝送システムの他の構成のブロック図である。 同上の無線電力伝送システムの更なる他の構成のブロック図である。 同上の無線電力伝送システムにおいて誘導器を磁性体とした実験の構成を示すブロック図である。 同上の無線電力伝送システムにおいて誘導器を磁性体とした実験の結合係数の特性図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る無線電力伝送システム１は、結合共振器型であり、図１に示すように、非放射電磁界を用いて送電側装置２から受電側装置３に無線で電力伝送を行うシステムである。この無線電力伝送システム１において注目すべき点は、送電側装置２からの非放射電磁界を屈折させて受電側装置３に向けて誘導する誘導器４を備えていることである。

送電側装置２は、送電側共振器２１を有している。送電側共振器２１は、図２に示すように、電気導線が平面的でスパイラル状に巻かれて形成されるコイル、すなわちスパイラルコイルとすることができる。送電側共振器２１は、インピーダンスの整合を行うインピーダンス整合手段２２を介して、高周波電源２３の信号によって励振される。インピーダンス整合手段２２は、典型的には、送電側共振器２１に電磁誘導結合する結合ループを用いることができるが、他の形態（例えば、送電側共振器２１に直結するもの）であってもよい。なお、図２ではスパイラルコイルの両端は開放しているが、電界の制御等のために、それらの間にコンデンサを接続することも可能である。

受電側装置３は、受電側共振器３１を有している。受電側共振器３１は、図３に示すように、スパイラルコイルとすることができる。受電側共振器３１に伝送された電力は、インピーダンスの整合を行うインピーダンス整合手段３２を介して、負荷３３に供給される。負荷３３は、通信分野における携帯機器の充電回路など、機器の所要の機能のための回路である。インピーダンス整合手段３２は、典型的には、受電側共振器３１に電磁界結合する結合ループを用いることができるが、他の形態（例えば、受電側共振器３１に直結するもの）であってもよい。なお、各図においては、受電側装置３を送電側装置２とほぼ同じ大きさで描いているが、受電側装置３の大きさは限定されるものではなく、送電側装置２より小さい場合も多い。また、図３ではスパイラルコイルの両端は開放しているが、電界の制御等のために、それらの間にコンデンサを接続することも可能である。

誘導器４は、誘電体又は磁性体によって構成することができる。この誘導器４は、非放射電磁界の屈折を利用するものである。電磁界は、前述したように放射電磁界と非放射電磁界に分類できる。

参考のため、先ず、放射電磁界の屈折について述べる。放射電磁界の屈折については、古くから研究されており、例えば光を収束する周知の凸レンズが広く社会で使用されている。放射電磁界の屈折の原理はスネルの法則と呼ばれており、電磁波の進行方向を規定する法則である。なお、スネルの法則は次式であらわされる。

この式は、誘電率ε_１、透磁率μ_１の媒質と誘電率ε_２、透磁率μ_２の媒質の境界に、誘電率ε_１、透磁率μ_１の媒質側から角度θ_１で電磁波が入射し、角度θ_２で誘電率ε_２、透磁率μ_２の媒質側に出射した場合のものである。

しかし、非放射電磁界の屈折に対してはスネルの法則は無関係である。一般に、電界及び磁界の屈折に対しては、以下のようにして法則が導かれる。

図４（ａ）に示すような誘電率ε_１の媒質と誘電率ε_２の媒質の境界では、マクスウェルの方程式から各媒質における電界と電束密度は次式のようになる。

これより、電界の屈折の法則が次式のように導かれる。

この式は、誘電率ε_１の媒質側から角度θ_１で電界（電気力線）が入り、角度θ_２で誘電率ε_２の媒質側に出た場合のものである。

このように、電界は異なる媒質の境界で屈折する。ここで、着目しておくべきことは、式（３）を式（１）と比べると、ε_１とε_２の位置が分子と分母で逆であることである。これにより、ε_１＞ε_２とすると、スネルの法則はθ_１＜θ_２であるのに対し、電界の屈折ではθ_１＞θ_２となる。すなわち、電界の屈折の向きは、スネルの法則の屈折の向きとは反対になる。

また、透磁率μ_１の媒質と透磁率μ_２の媒質の境界では、マクスウェルの方程式から各媒質における磁界と磁束密度は次式のようになる。

これより、磁界の屈折の法則が次式のように導かれる。

この式は、透磁率μ_１の媒質側から角度θ_１で非放射電磁界の磁界（磁気力線）が入り、角度θ_２で透磁率μ_２の媒質側に出た場合のものである。

このように、磁界は異なる媒質の境界で屈折する。ここで、着目しておくべきことは、式（５）を式（１）と比べると、μ_１とμ_２の位置が分子と分母で逆であることである。これにより、μ_１＞μ_２とすると、放射電磁界ではθ_１＜θ_２であるのに対し、磁界の屈折ではθ_１＞θ_２となる。すなわち、磁界の屈折の向きは、放射電磁界の屈折の向きとは反対になる。

よって、非放射電磁界に対してはスネルの法則は成立せず、上記の式（３）で示される電界の屈折の法則及び上記の（５）で示される磁界の屈折の法則が成立する。この電界の屈折の法則及び磁界の屈折の法則が成立するという事実を利用して、以下のように、誘電体又は磁性体によって誘導器４を構成することができる。

先ず、誘電体の誘導器４について説明する。

誘電体の誘導器４は、図１に示すように、送電側装置２と受電側装置３の間に配置したもので、送電側装置２の中心軸ｚの方向に延伸させた形状となっている。送電側装置２の中心軸ｚは、送電側共振器２１のスパイラルの中心軸である。誘電体の誘導器４とその周囲の空気との境界では、誘電率の違いにより、非放射電磁界の電界の屈折が起こる。そして、その屈折を利用することにより、図５に示すように、非放射電磁界の電界を誘導器４の中において、発散させずに、送電側装置２から受電側装置３に向けて誘導することができる。なお、図５においては、非放射電磁界の電界の電気力線を破線で模式的に示している。

次に、誘電体の誘導器４を用いた無線電力伝送システム１の実験について述べる。送電側装置２の送電側共振器２１と受電側装置３の受電側共振器３１とはそれぞれ、線径が約１ｍｍの電気導線を巻いて直径を約３０ｃｍにしたスパイラルコイルを用いた。また、送電側共振器２１と受電側共振器３１とは、約５０ｃｍの距離でもって対向させ、図６に示すように、それらの間に誘電体の誘導器４として、ペットボトル、すなわち縦長の大略直方体のポリエチレンテレフタラート製の容器４１に水を入れたものを配設した。容器４１は中心軸ｚ方向の長さが１０ｃｍ弱、それに垂直方向が約８．５ｃｍ、高さが約３０ｃｍのものを用いた。

図７は、送電側共振器２１と受電側共振器３１との結合係数の変化を示している。図８は、送電側共振器２１から受電側共振器３１への電力伝送の効率を示す透過率の変化を示している。図７及び図８の横軸は、水を入れた容器４１の数である。水は水道水を使用し、水を入れた容器４１は、中央から端に向かって対称的に配置した。送電側共振器２１は、送電側装置２のインピーダンス整合手段２２から見て時計回り（図２参照）に約１００巻きとしている。図７の曲線ａ、ｃ、ｄ及び図８の曲線ｅ、ｇ、ｈは、受電側共振器３１を、送電側装置２のインピーダンス整合手段２２から見て反時計回り（図３参照）に約１００巻きとしたものの特性である。図７の曲線ｂ及び図８の曲線ｆは、受電側共振器３１を、送電側装置２のインピーダンス整合手段２２から見て時計回りに約１００巻きとしたものの特性である。図７の曲線ａ、ｂ及び図８の曲線ｅ、ｆは、送電側共振器２１と受電側共振器３１とに面している容器（容器列の両端に配置された容器）４１の水だけに０．４５重量％の塩分を添加し残りの容器４１の水は水道水のままとしている。図７の曲線ｃ及び図８の曲線ｇは、全ての容器４１の水に０．４５重量％の塩分を添加している。図７の曲線ｄ及び図８の曲線ｈは、全て水道水のままである。

図７の曲線ａ及び図８の曲線ｅでは、水を入れた容器４１の数を増やすと、つまり、誘電体の誘導器４を中心軸ｚの方向に長く延伸させるほど結合係数は上昇し、透過率も上昇している。図７の曲線ｂ及び図８の曲線ｆでは、水を入れた容器４１の数を増やすと、結合係数は下降し、透過率も下降している。図７の曲線ｃ及び図８の曲線ｇでは、水を入れた容器４１の数を増やすと、結合係数は上記の曲線ａとほぼ同じようにして（曲線ａとほぼ重なって）上昇し、透過率は上記の曲線ｅよりも急勾配で上昇している。図７の曲線ｄ及び図８の曲線ｈでは、水を入れた容器４１の数を増やすと、結合係数は上昇するが、透過率は水を入れた容器４１が５個未満では、すなわち４個になるまでは数が増えるほど上昇し、５個になると下降している。

水を入れた容器４１の水が全て水道水のままの場合に、水を入れた容器４１が５個になると透過率が下降するのは、送電側共振器２１及び受電側共振器３１に近接して面している水道水の水を入れた容器４１が無負荷Ｑ値を下降させているからである。図９は、近接する水を入れた容器４１の塩分濃度に対する無負荷Ｑ値の変化を示している。横軸は、対数表示した塩分濃度である。曲線ｉ、曲線ｊ、曲線ｋ、曲線ｌ、曲線ｍ、曲線ｎ、曲線ｏ、曲線ｐ、曲線ｑ、曲線ｒはそれぞれ、送電側共振器２１（及び受電側共振器３１）とそれに近接する水を入れた容器４１との間の距離が、０、０．５ｃｍ、１ｃｍ、１．５ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍ、４ｃｍ、５ｃｍ、７ｃｍ、１０ｃｍとした特性である。水道水（塩分を添加しない水道水）は塩分濃度が約０．００３重量％であるが、この塩分濃度の近傍では無負荷Ｑ値が非常に降下していることが分かる。また、送電側共振器２１（及び受電側共振器３１）とそれに近接する水を入れた容器４１との間の距離によって多少のバラツキは有るが、塩分濃度が０．１重量％〜２重量％の範囲に有れば高い無負荷Ｑ値が局所的に得られ、また、塩分濃度が０．０００１重量％以下の範囲に有れば高い無負荷Ｑ値が得られることが分かる。なお、一般に、生理食塩水の塩分濃度は約０．９重量％であり、また、純水又は蒸留水などは、塩分濃度が０．０００１重量％以下の範囲に有る。

この実験より、特に図７の曲線ａ、ｃ及び図８の曲線ｅ、ｇより、送電側装置２と受電側装置３との間の誘電体の誘導器４を中心軸ｚの方向に長く延伸させるほど結合係数を上昇させ、透過率も上昇させ得ることが分かる。また、非放射電磁界を誘導する誘電体として水を用いることができ、少なくとも送電側装置２と受電側装置３とに面している部分の水には、高い無負荷Ｑ値が得られるように、適切な量の塩分を添加したもの、或いは、塩分をできるだけ除去したものを用いるのが好ましい。特に、その部分の水の塩分濃度は、０．１重量％〜２重量％の範囲、或いは、０．０００１重量％以下の範囲に有るのが好ましい。

このような誘電体の誘導器４は、中心軸ｚの方向に延伸させたもののかわりに、図１０に示すように、曲がったものとすることもできる。これは、誘導器４が、非放射電磁界の電界を誘導器４の中において、発散させずに、送電側装置２から受電側装置３に向けて誘導することができるからである。

また、誘電体の誘導器４は、図１１に示すように、誘電体の凹レンズ４２から構成されるようにすることもできる。凹レンズとするのは、前述したように、非放射電磁界の電界の屈折の向きが放射電磁界の屈折の向きとは反対であるからである。凹レンズ４２の中心軸の方向は、送電側装置２の中心軸ｚの方向に一致するもの（図１１参照。）に限らず、それから傾かせてもよい。

次に、磁性体の誘導器４について説明する。

磁性体の誘導器４は、上記の図１に示したように、送電側装置２と受電側装置３との間に配置したもので、送電側装置２の中心軸ｚの方向に延伸させた形状とすることができる。送電側装置２の中心軸ｚは、送電側共振器２１のスパイラルの中心軸である。磁性体の誘導器４とその周囲の空気との境界では、透磁率の違いにより、非放射電磁界の磁界の屈折が起こる。そして、その屈折を利用することにより、非放射電磁界の磁界を誘導器４の中において、発散させずに、送電側装置２から受電側装置３に向けて誘導することができる。

次に、磁性体の誘導器４を用いた無線電力伝送システム１の実験について述べる。送電側装置２の送電側共振器２１と受電側装置３の受電側共振器３１とはそれぞれ、線径が約１ｍｍの電気導線を約１０巻いて直径を約１０ｃｍにしたスパイラルコイルを、スパイラルコイルの両端間に容量６８ｐＦのコンデンサをつないで用いた。送電側共振器２１と受電側共振器３１とは、約１０ｃｍの距離でもって対向させ、図１２に示すように、それらの間に、磁性体の誘導器４として中心軸ｚ方向の長さが２．４ｃｍ、高さが２．４ｃｍ、厚さが０．１ｃｍのフェライト製の板４３を配設した。

図１３の曲線ｓは、送電側共振器２１と受電側共振器３１との結合係数の変化を示している。図１３の横軸は、フェライト製の板４３の数である。曲線ｓでは、フェライト製の板の数を増やすと、つまり、磁性体の誘導器４を中心軸ｚの方向に長く延伸させるほど結合係数は上昇している。

この実験より、非放射電磁界を誘導する磁性体としてフェライトを用いることができ、また、送電側装置２と受電側装置３との間の磁性体の誘導器４を、中心軸ｚの方向に長く延伸させるほど結合係数を上昇させ得ることが分かる。

このような磁性体の誘導器４は、中心軸ｚの方向に長く延伸させたもののかわりに、上記の図１０及び図１１に示した誘電体の誘導器４と同様に、曲がったものとしたり、磁性体の凹レンズ４２から構成されるようにしたりすることもできる。凹レンズとするのは、前述したように、非放射電磁界の磁界の屈折の向きが放射電磁界の屈折の向きとは反対であるからである。

以上説明したように、無線電力伝送システム１は、誘導器４が非放射電磁界を誘導、すなわち非放射電磁界の分布を制御することで、送電側装置２から受電側装置３への電力伝送効率を高めることが可能になる。なお、このような無線電力伝送システム１は、送電側装置２の設置と同時に誘導器４を設置してもよいし、送電側装置２から受電側装置３への電力伝送効率を改善するために後からアドホックに誘導器４を設置してもよい。

以上、本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムについて説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、無線電力伝送システム１は、結合共振器型に限らず、非放射電磁界を用いている他の無線電力伝送システム（例えば、電磁誘導型や容量結合型など）にも適用可能である。また、誘導器４は、非放射電磁界を誘導できるのならば、誘電体又は磁性体によらず金属によって構成することも可能である。

１ 無線電力伝送システム
２ 送電側装置
２１ 送電側装置２を構成する送電側共振器
２２ 送電側装置２を構成するインピーダンス整合手段
２３ 高周波電源
３ 受電側装置
３１ 受電側装置３を構成する受電側共振器
３２ 受電側装置３を構成するインピーダンス整合手段
３３ 負荷
４ 誘導器

本発明は、非放射電磁界を用いて無線で電力伝送を行う無線電力伝送システムに関する。

電磁界は、放射電磁界（電磁波）と非放射電磁界（エバネッセント場）に分類できる。非放射電磁界を用いた無線電力伝送システムには、結合共振器型、電磁誘導型、容量結合型などがある。

例えば、結合共振器型の無線電力伝送システムは、送電側装置の送電側共振器から受電側装置の受電側共振器に、ある程度の距離があっても高効率の電力伝送が可能であるため、非常に注目されている。結合共振器型の無線電力伝送システムに関しては、これまでに種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、送信側装置と受信側装置のいずれにも設けられたループ状の導体などの共振器に共振を起こさせて電力伝送を行う無線電力伝送システムの基本的な構成が記載されている。特許文献２には、送電側共振器のコイルと受電側共振器のコイルに共振を起こさせて電力伝送を行う無線電力伝送システムにおいて、送電側共振器と受電側共振器との間の距離を検出し、それに基づいて共振周波数を変更するものが記載されている。

特表２００９−５０１５１０号公報 特開２０１０−２３９７６９号公報

しかし、送電側装置の周囲には、受電側装置の存在が予定された特定の空間以外の空間にも非放射電磁界が分布する。その特定の空間以外の空間では、エネルギー損失が少なからず起こり、送電側装置から受電側装置への電力伝送効率を低下させる一因となる。特許文献１、２を含め従来から提案されている無線電力伝送システムでは、非放射電磁界の分布を制御することは考慮されていない。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、送電側装置からの非放射電磁界の分布を制御することで、送電側装置から受電側装置への電力伝送効率を高めることができる無線電力伝送システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の無線電力伝送システムは、非放射電磁界を用いて送電側装置から受電側装置に無線で電力伝送を行う無線電力伝送システムにおいて、前記送電側装置からの非放射電磁界のうち電界をｔａｎθ _１ ／ｔａｎθ _２ ＝ε _１ ／ε _２ （θ _１ は電界が入る角度、ε _１ は電界が入る側の媒質の誘電率、θ _２ は電界が出る角度、ε _２ は電界が出る側の媒質の誘電率）、磁界をｔａｎθ _１ ／ｔａｎθ _２ ＝μ _１ ／μ _２ （θ _１ は磁界が入る角度、μ _１ は磁界が入る側の媒質の透磁率、θ _２ は磁界が出る角度、μ _２ は磁界が出る側の媒質の透磁率）、に従って周囲との境界で発散させずに水によって受電側装置に向けて誘導する誘導器を備えており、前記送電側装置は送電側共振器を有し、かつ、前記受電側装置は受電側共振器を有しており、該送電側共振器と該受電側共振器に共振を起こさせて電力伝送を行い、前記誘導器は、前記送電側装置から前記受電側装置に向けて、前記送電側装置の中心軸の方向に延伸して、又は曲がって、設けられていることを特徴とする。

本発明に係る無線電力伝送システムによれば、誘導器が非放射電磁界を誘導、すなわち非放射電磁界の分布を制御することで、送電側装置から受電側装置への電力伝送効率を高めることが可能になる。

本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成のブロック図である。 同上の無線電力伝送システムの送電側装置を示すもので、（ａ）は模式的な斜視図、（ｂ）は送電側装置を構成する送電側共振器の概略正面図である。 同上の無線電力伝送システムの受電側装置を示すもので、（ａ）は模式的な斜視図、（ｂ）は受電側装置を構成する受電側共振器の概略正面図である。 異なる媒質の境界における屈折の様子を示すもので、（ａ）は誘電率が異なる媒質の境界における電界の様子、（ｂ）は透磁率が異なる媒質の境界における磁界の様子である。 同上の無線電力伝送システムの非放射電磁界の電界の電気力線を模式的に示したブロック図である。 同上の無線電力伝送システムにおいて誘導器を誘電体とした実験の構成を示すブロック図である。 同上の無線電力伝送システムにおいて誘導器を誘電体とした実験の結合係数の特性図である。 同上の無線電力伝送システムにおいて誘導器を誘電体とした実験の透過率の特性図である。 同上の無線電力伝送システムにおいて誘導器を誘電体とした実験の無負荷Ｑ値の特性図である。 同上の無線電力伝送システムの他の構成のブロック図である。 同上の無線電力伝送システムの更なる他の構成のブロック図である。 同上の無線電力伝送システムにおいて誘導器を磁性体とした実験の構成を示すブロック図である。 同上の無線電力伝送システムにおいて誘導器を磁性体とした実験の結合係数の特性図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る無線電力伝送システム１は、結合共振器型であり、図１に示すように、非放射電磁界を用いて送電側装置２から受電側装置３に無線で電力伝送を行うシステムである。この無線電力伝送システム１において注目すべき点は、送電側装置２からの非放射電磁界を屈折させて受電側装置３に向けて誘導する誘導器４を備えていることである。

送電側装置２は、送電側共振器２１を有している。送電側共振器２１は、図２に示すように、電気導線が平面的でスパイラル状に巻かれて形成されるコイル、すなわちスパイラルコイルとすることができる。送電側共振器２１は、インピーダンスの整合を行うインピーダンス整合手段２２を介して、高周波電源２３の信号によって励振される。インピーダンス整合手段２２は、典型的には、送電側共振器２１に電磁誘導結合する結合ループを用いることができるが、他の形態（例えば、送電側共振器２１に直結するもの）であってもよい。なお、図２ではスパイラルコイルの両端は開放しているが、電界の制御等のために、それらの間にコンデンサを接続することも可能である。

受電側装置３は、受電側共振器３１を有している。受電側共振器３１は、図３に示すように、スパイラルコイルとすることができる。受電側共振器３１に伝送された電力は、インピーダンスの整合を行うインピーダンス整合手段３２を介して、負荷３３に供給される。負荷３３は、通信分野における携帯機器の充電回路など、機器の所要の機能のための回路である。インピーダンス整合手段３２は、典型的には、受電側共振器３１に電磁界結合する結合ループを用いることができるが、他の形態（例えば、受電側共振器３１に直結するもの）であってもよい。なお、各図においては、受電側装置３を送電側装置２とほぼ同じ大きさで描いているが、受電側装置３の大きさは限定されるものではなく、送電側装置２より小さい場合も多い。また、図３ではスパイラルコイルの両端は開放しているが、電界の制御等のために、それらの間にコンデンサを接続することも可能である。

誘導器４は、誘電体又は磁性体によって構成することができる。この誘導器４は、非放射電磁界の屈折を利用するものである。電磁界は、前述したように放射電磁界と非放射電磁界に分類できる。

参考のため、先ず、放射電磁界の屈折について述べる。放射電磁界の屈折については、古くから研究されており、例えば光を収束する周知の凸レンズが広く社会で使用されている。放射電磁界の屈折の原理はスネルの法則と呼ばれており、電磁波の進行方向を規定する法則である。なお、スネルの法則は次式であらわされる。

この式は、誘電率ε_１、透磁率μ_１の媒質と誘電率ε_２、透磁率μ_２の媒質の境界に、誘電率ε_１、透磁率μ_１の媒質側から角度θ_１で電磁波が入射し、角度θ_２で誘電率ε_２、透磁率μ_２の媒質側に出射した場合のものである。

しかし、非放射電磁界の屈折に対してはスネルの法則は無関係である。一般に、電界及び磁界の屈折に対しては、以下のようにして法則が導かれる。

図４（ａ）に示すような誘電率ε_１の媒質と誘電率ε_２の媒質の境界では、マクスウェルの方程式から各媒質における電界と電束密度は次式のようになる。

これより、電界の屈折の法則が次式のように導かれる。

この式は、誘電率ε_１の媒質側から角度θ_１で電界（電気力線）が入り、角度θ_２で誘電率ε_２の媒質側に出た場合のものである。

このように、電界は異なる媒質の境界で屈折する。ここで、着目しておくべきことは、式（３）を式（１）と比べると、ε_１とε_２の位置が分子と分母で逆であることである。これにより、ε_１＞ε_２とすると、スネルの法則はθ_１＜θ_２であるのに対し、電界の屈折ではθ_１＞θ_２となる。すなわち、電界の屈折の向きは、スネルの法則の屈折の向きとは反対になる。

また、透磁率μ_１の媒質と透磁率μ_２の媒質の境界では、マクスウェルの方程式から各媒質における磁界と磁束密度は次式のようになる。

これより、磁界の屈折の法則が次式のように導かれる。

この式は、透磁率μ_１の媒質側から角度θ_１で非放射電磁界の磁界（磁気力線）が入り、角度θ_２で透磁率μ_２の媒質側に出た場合のものである。

このように、磁界は異なる媒質の境界で屈折する。ここで、着目しておくべきことは、式（５）を式（１）と比べると、μ_１とμ_２の位置が分子と分母で逆であることである。これにより、μ_１＞μ_２とすると、放射電磁界ではθ_１＜θ_２であるのに対し、磁界の屈折ではθ_１＞θ_２となる。すなわち、磁界の屈折の向きは、放射電磁界の屈折の向きとは反対になる。

よって、非放射電磁界に対してはスネルの法則は成立せず、上記の式（３）で示される電界の屈折の法則及び上記の（５）で示される磁界の屈折の法則が成立する。この電界の屈折の法則及び磁界の屈折の法則が成立するという事実を利用して、以下のように、誘電体又は磁性体によって誘導器４を構成することができる。

先ず、誘電体の誘導器４について説明する。

誘電体の誘導器４は、図１に示すように、送電側装置２と受電側装置３の間に配置したもので、送電側装置２の中心軸ｚの方向に延伸させた形状となっている。送電側装置２の中心軸ｚは、送電側共振器２１のスパイラルの中心軸である。誘電体の誘導器４とその周囲の空気との境界では、誘電率の違いにより、非放射電磁界の電界の屈折が起こる。そして、その屈折を利用することにより、図５に示すように、非放射電磁界の電界を誘導器４の中において、発散させずに、送電側装置２から受電側装置３に向けて誘導することができる。なお、図５においては、非放射電磁界の電界の電気力線を破線で模式的に示している。

次に、誘電体の誘導器４を用いた無線電力伝送システム１の実験について述べる。送電側装置２の送電側共振器２１と受電側装置３の受電側共振器３１とはそれぞれ、線径が約１ｍｍの電気導線を巻いて直径を約３０ｃｍにしたスパイラルコイルを用いた。また、送電側共振器２１と受電側共振器３１とは、約５０ｃｍの距離でもって対向させ、図６に示すように、それらの間に誘電体の誘導器４として、ペットボトル、すなわち縦長の大略直方体のポリエチレンテレフタラート製の容器４１に水を入れたものを配設した。容器４１は中心軸ｚ方向の長さが１０ｃｍ弱、それに垂直方向が約８．５ｃｍ、高さが約３０ｃｍのものを用いた。

図７は、送電側共振器２１と受電側共振器３１との結合係数の変化を示している。図８は、送電側共振器２１から受電側共振器３１への電力伝送の効率を示す透過率の変化を示している。図７及び図８の横軸は、水を入れた容器４１の数である。水は水道水を使用し、水を入れた容器４１は、中央から端に向かって対称的に配置した。送電側共振器２１は、送電側装置２のインピーダンス整合手段２２から見て時計回り（図２参照）に約１００巻きとしている。図７の曲線ａ、ｃ、ｄ及び図８の曲線ｅ、ｇ、ｈは、受電側共振器３１を、送電側装置２のインピーダンス整合手段２２から見て反時計回り（図３参照）に約１００巻きとしたものの特性である。図７の曲線ｂ及び図８の曲線ｆは、受電側共振器３１を、送電側装置２のインピーダンス整合手段２２から見て時計回りに約１００巻きとしたものの特性である。図７の曲線ａ、ｂ及び図８の曲線ｅ、ｆは、送電側共振器２１と受電側共振器３１とに面している容器（容器列の両端に配置された容器）４１の水だけに０．４５重量％の塩分を添加し残りの容器４１の水は水道水のままとしている。図７の曲線ｃ及び図８の曲線ｇは、全ての容器４１の水に０．４５重量％の塩分を添加している。図７の曲線ｄ及び図８の曲線ｈは、全て水道水のままである。

図７の曲線ａ及び図８の曲線ｅでは、水を入れた容器４１の数を増やすと、つまり、誘電体の誘導器４を中心軸ｚの方向に長く延伸させるほど結合係数は上昇し、透過率も上昇している。図７の曲線ｂ及び図８の曲線ｆでは、水を入れた容器４１の数を増やすと、結合係数は下降し、透過率も下降している。図７の曲線ｃ及び図８の曲線ｇでは、水を入れた容器４１の数を増やすと、結合係数は上記の曲線ａとほぼ同じようにして（曲線ａとほぼ重なって）上昇し、透過率は上記の曲線ｅよりも急勾配で上昇している。図７の曲線ｄ及び図８の曲線ｈでは、水を入れた容器４１の数を増やすと、結合係数は上昇するが、透過率は水を入れた容器４１が５個未満では、すなわち４個になるまでは数が増えるほど上昇し、５個になると下降している。

水を入れた容器４１の水が全て水道水のままの場合に、水を入れた容器４１が５個になると透過率が下降するのは、送電側共振器２１及び受電側共振器３１に近接して面している水道水の水を入れた容器４１が無負荷Ｑ値を下降させているからである。図９は、近接する水を入れた容器４１の塩分濃度に対する無負荷Ｑ値の変化を示している。横軸は、対数表示した塩分濃度である。曲線ｉ、曲線ｊ、曲線ｋ、曲線ｌ、曲線ｍ、曲線ｎ、曲線ｏ、曲線ｐ、曲線ｑ、曲線ｒはそれぞれ、送電側共振器２１（及び受電側共振器３１）とそれに近接する水を入れた容器４１との間の距離が、０、０．５ｃｍ、１ｃｍ、１．５ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍ、４ｃｍ、５ｃｍ、７ｃｍ、１０ｃｍとした特性である。水道水（塩分を添加しない水道水）は塩分濃度が約０．００３重量％であるが、この塩分濃度の近傍では無負荷Ｑ値が非常に降下していることが分かる。また、送電側共振器２１（及び受電側共振器３１）とそれに近接する水を入れた容器４１との間の距離によって多少のバラツキは有るが、塩分濃度が０．１重量％〜２重量％の範囲に有れば高い無負荷Ｑ値が局所的に得られ、また、塩分濃度が０．０００１重量％以下の範囲に有れば高い無負荷Ｑ値が得られることが分かる。なお、一般に、生理食塩水の塩分濃度は約０．９重量％であり、また、純水又は蒸留水などは、塩分濃度が０．０００１重量％以下の範囲に有る。

この実験より、特に図７の曲線ａ、ｃ及び図８の曲線ｅ、ｇより、送電側装置２と受電側装置３との間の誘電体の誘導器４を中心軸ｚの方向に長く延伸させるほど結合係数を上昇させ、透過率も上昇させ得ることが分かる。また、非放射電磁界を誘導する誘電体として水を用いることができ、少なくとも送電側装置２と受電側装置３とに面している部分の水には、高い無負荷Ｑ値が得られるように、適切な量の塩分を添加したもの、或いは、塩分をできるだけ除去したものを用いるのが好ましい。特に、その部分の水の塩分濃度は、０．１重量％〜２重量％の範囲、或いは、０．０００１重量％以下の範囲に有るのが好ましい。

このような誘電体の誘導器４は、中心軸ｚの方向に延伸させたもののかわりに、図１０に示すように、曲がったものとすることもできる。これは、誘導器４が、非放射電磁界の電界を誘導器４の中において、発散させずに、送電側装置２から受電側装置３に向けて誘導することができるからである。

また、誘電体の誘導器４は、図１１に示すように、誘電体の凹レンズ４２から構成されるようにすることもできる。凹レンズとするのは、前述したように、非放射電磁界の電界の屈折の向きが放射電磁界の屈折の向きとは反対であるからである。凹レンズ４２の中心軸の方向は、送電側装置２の中心軸ｚの方向に一致するもの（図１１参照。）に限らず、それから傾かせてもよい。

次に、磁性体の誘導器４について説明する。

磁性体の誘導器４は、上記の図１に示したように、送電側装置２と受電側装置３との間に配置したもので、送電側装置２の中心軸ｚの方向に延伸させた形状とすることができる。送電側装置２の中心軸ｚは、送電側共振器２１のスパイラルの中心軸である。磁性体の誘導器４とその周囲の空気との境界では、透磁率の違いにより、非放射電磁界の磁界の屈折が起こる。そして、その屈折を利用することにより、非放射電磁界の磁界を誘導器４の中において、発散させずに、送電側装置２から受電側装置３に向けて誘導することができる。

次に、磁性体の誘導器４を用いた無線電力伝送システム１の実験について述べる。送電側装置２の送電側共振器２１と受電側装置３の受電側共振器３１とはそれぞれ、線径が約１ｍｍの電気導線を約１０巻いて直径を約１０ｃｍにしたスパイラルコイルを、スパイラルコイルの両端間に容量６８ｐＦのコンデンサをつないで用いた。送電側共振器２１と受電側共振器３１とは、約１０ｃｍの距離でもって対向させ、図１２に示すように、それらの間に、磁性体の誘導器４として中心軸ｚ方向の長さが２．４ｃｍ、高さが２．４ｃｍ、厚さが０．１ｃｍのフェライト製の板４３を配設した。

図１３の曲線ｓは、送電側共振器２１と受電側共振器３１との結合係数の変化を示している。図１３の横軸は、フェライト製の板４３の数である。曲線ｓでは、フェライト製の板の数を増やすと、つまり、磁性体の誘導器４を中心軸ｚの方向に長く延伸させるほど結合係数は上昇している。

この実験より、非放射電磁界を誘導する磁性体としてフェライトを用いることができ、また、送電側装置２と受電側装置３との間の磁性体の誘導器４を、中心軸ｚの方向に長く延伸させるほど結合係数を上昇させ得ることが分かる。

このような磁性体の誘導器４は、中心軸ｚの方向に長く延伸させたもののかわりに、上記の図１０及び図１１に示した誘電体の誘導器４と同様に、曲がったものとしたり、磁性体の凹レンズ４２から構成されるようにしたりすることもできる。凹レンズとするのは、前述したように、非放射電磁界の磁界の屈折の向きが放射電磁界の屈折の向きとは反対であるからである。

以上説明したように、無線電力伝送システム１は、誘導器４が非放射電磁界を誘導、すなわち非放射電磁界の分布を制御することで、送電側装置２から受電側装置３への電力伝送効率を高めることが可能になる。なお、このような無線電力伝送システム１は、送電側装置２の設置と同時に誘導器４を設置してもよいし、送電側装置２から受電側装置３への電力伝送効率を改善するために後からアドホックに誘導器４を設置してもよい。

以上、本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムについて説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、無線電力伝送システム１は、結合共振器型に限らず、非放射電磁界を用いている他の無線電力伝送システム（例えば、電磁誘導型や容量結合型など）にも適用可能である。また、誘導器４は、非放射電磁界を誘導できるのならば、誘電体又は磁性体によらず金属によって構成することも可能である。

１ 無線電力伝送システム
２ 送電側装置
２１ 送電側装置２を構成する送電側共振器
２２ 送電側装置２を構成するインピーダンス整合手段
２３ 高周波電源
３ 受電側装置
３１ 受電側装置３を構成する受電側共振器
３２ 受電側装置３を構成するインピーダンス整合手段
３３ 負荷
４ 誘導器

Claims (11)

1. 非放射電磁界を用いて送電側装置から受電側装置に無線で電力伝送を行う無線電力伝送システムにおいて、
   前記送電側装置からの非放射電磁界を屈折させて受電側装置に向けて誘導する誘導器を備えていることを特徴とする無線電力伝送システム。
2. 請求項１に記載の無線電力伝送システムにおいて、
   前記誘導器は、誘電体又は磁性体によって構成されていることを特徴とする無線電力伝送システム。
3. 請求項１又は２に記載の無線電力伝送システムにおいて、
   前記送電側装置は送電側共振器を有し、かつ、前記受電側装置は受電側共振器を有しており、
   該送電側共振器と該受電側共振器に共振を起こさせて電力伝送を行うことを特徴とする無線電力伝送システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、
   前記誘導器は、前記送電側装置の中心軸の方向に延伸していることを特徴とする無線電力伝送システム。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、
   前記誘導器は、曲がっていることを特徴とする無線電力伝送システム。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、
   前記誘導器は、凹レンズであることを特徴とする無線電力伝送システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、
   前記誘導器は、水を用いて非放射電磁界を誘導することを特徴とする無線電力伝送システム。
8. 請求項７に記載の無線電力伝送システムにおいて、
   前記誘導器は、少なくとも前記送電側装置と前記受電側装置とに面している部分の水には塩分が添加されていることを特徴とする無線電力伝送システム。
9. 請求項７又は８に記載の無線電力伝送システムにおいて、
   前記誘導器は、少なくとも前記送電側装置と前記受電側装置とに面している部分の水の塩分濃度が、０．１重量％〜２重量％の範囲に有ることを特徴とする無線電力伝送システム。
10. 請求項７に記載の無線電力伝送システムにおいて、
    前記誘導器は、少なくとも前記送電側装置と前記受電側装置とに面している部分の水の塩分濃度が、０．０００１重量％以下の範囲に有ることを特徴とする無線電力伝送システム。
11. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、
    前記誘導器は、フェライトを用いて非放射電磁界を誘導することを特徴とする無線電力伝送システム。

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