JP6066716B2 - 無線電力伝送装置 - Google Patents

Description

この発明は、非接触で電力を多重伝送する無線電力伝送装置に関するものである。

回転体と静止体の間で電力を伝送する場合、機械的接点を有するスリップリング装置が使用されることがある。
このスリップリング装置は、回転体の外周面に絶縁体を介して配置された環状のスリップリングと、スリップリングの外周面と摺動接触するブラシとから構成されている。
この構成により、スリップリングとブラシが電気的に接続され、電力の伝送が可能となる。
なお、スリップリング及びブラシの対を多重化することで、複数系統の電力を多重伝送することが可能になる。

しかし、スリップリング装置では、機械的接点となるスリップリングとブラシが摩耗して劣化を生じる。この摩耗劣化の影響で、電力伝送システムの寿命が制限されてしまう問題が発生する。
スリップリング装置の代わりに、非接触の無線電力伝送装置を使用できれば、摩耗劣化が発生しないため、上記の問題を解決することができる。
比較的近距離で伝送効率の高い無線電力伝送装置として、電磁界共鳴を利用する装置がある。電磁界共鳴を利用する無線電力伝送装置において、電力の多重伝送を実現するには、送信側及び受信側の部材として、複数の共鳴素子をそれぞれ設置する必要がある。

しかし、複数の共鳴素子を近接して配置すると、結合させたくない共鳴素子同士の結合が大きくなるため、互いに独立している複数系統の電力の多重伝送を実現することができない。このため、複数の共鳴素子を近接して配置することができず、無線電力伝送装置の小型化を図ることが困難である。
以下の特許文献１には、受信側に配置している複数の共鳴素子の共鳴周波数を変えることで、結合させたくない共鳴素子同士の結合を小さくしている無線電力伝送装置が開示されている。

特開２０１２−３９８１５号公報（段落番号［０００９］）

従来の無線電力伝送装置は以上のように構成されているので、広い周波数帯域を使用すれば、受信側に配置している複数の共鳴素子の共鳴周波数を変えることができる。しかし、広い周波数帯域を使用するには、例えば、電波法等の規制を満足する設計を行う必要がある。このため、送信電力の小電力化や漏洩電磁界のシールド構造などが必要になり、装置の大型化を招いてしまうなどの課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、装置の大型化や小電力化を招くことなく、電力を多重伝送することができる無線電力伝送装置を得ることを目的とする。

この発明に係る無線電力伝送装置は、第１の入出力端子と接続されている第１の共鳴素子と、第２の入出力端子と接続されている第２の共鳴素子と、第３の入出力端子と接続されている第３の共鳴素子と、第４の入出力端子と接続されている第４の共鳴素子とから構成されており、第１から第４の共鳴素子が互いに電磁界共鳴によって結合されている電磁界共鳴器と、一端が第３の入出力端子と接続され、他端が第５の入出力端子と接続されている第１の伝送線路と、一端が第４の入出力端子と接続され、他端が第６の入出力端子と接続されている第２の伝送線路と、第５の入出力端子から入力された高周波信号を第６の入出力端子に出力せずに、第７及び第８の入出力端子に分配し、第６の入出力端子から入力された高周波信号を第５の入出力端子に出力せずに、第７及び第８の入出力端子に分配する方向性結合器とから構成され、第１の入出力端子から第５の入出力端子に至る通過位相がα、第１の入出力端子から第６の入出力端子に至る通過位相がβ、第５の入出力端子から第７の入出力端子に至る通過位相がγ、第５の入出力端子から第８の入出力端子に至る通過位相がδ、第１の入出力端子から上記第６の入出力端子に至る通過振幅がｋであれば、｜α−β｜が９０度に等しくなるように、第１及び第２の伝送線路の長さが決定され、｜α−β｜及び｜γ−δ｜が９０度に等しく、かつ、（α−β）と（γ−δ）が逆相であれば、上記第５の入出力端子から上記第８の入出力端子に至る通過振幅がｋである。

この発明によれば、第１から第４の共鳴素子が互いに電磁界共鳴によって結合されている電磁界共鳴器と、第３の入出力端子と第５の入出力端子を結ぶ第１の伝送線路と、第４の入出力端子と第６の入出力端子を結ぶ第２の伝送線路と、第５の入出力端子から入力された高周波信号を第６の入出力端子に出力せずに、第７及び第８の入出力端子に分配し、第６の入出力端子から入力された高周波信号を第５の入出力端子に出力せずに、第７及び第８の入出力端子に分配する方向性結合器とから構成したので、装置の大型化や小電力化を招くことなく、電力を多重伝送することができる効果がある。

この発明の実施の形態１による無線電力伝送装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による無線電力伝送装置の電磁界共鳴器１１及び伝送線路１２，１３と、方向性結合器１４との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態２による無線電力伝送装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態３による無線電力伝送装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態４による無線電力伝送装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態５による無線電力伝送装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態６による無線電力伝送装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態７による無線電力伝送装置の共鳴素子の一例を示す構成図である。 この発明の実施の形態７による無線電力伝送装置の共鳴素子の一例を示す構成図である。 この発明の実施の形態７による無線電力伝送装置の共鳴素子の一例を示す構成図である。 この発明の実施の形態８による無線電力伝送装置の方向性結合器１４（γ−δ）が−９０度、Ｙ_ｃ１＞Ｙ_ｃ２の場合）を示す構成図である。 この発明の実施の形態８による無線電力伝送装置の方向性結合器１４（γ−δ）が−９０度、Ｙ_ｃ１＜Ｙ_ｃ２の場合）を示す構成図である。 この発明の実施の形態８による無線電力伝送装置の方向性結合器１４（γ−δ）が９０度の場合）を示す構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による無線電力伝送装置を示す構成図である。
図１において、入出力端子１は電磁界共鳴器１１における第１の共鳴素子の給電端子である。なお、入出力端子１は第１の入出力端子を構成している。
入出力端子２は電磁界共鳴器１１における第２の共鳴素子の給電端子である。なお、入出力端子２は第２の入出力端子を構成している。
入出力端子３は電磁界共鳴器１１における第３の共鳴素子の給電端子である。なお、入出力端子３は第３の入出力端子を構成している。
入出力端子４は電磁界共鳴器１１における第４の共鳴素子の給電端子である。なお、入出力端子４は第４の入出力端子を構成している。

入出力端子５は方向性結合器１４の入出力端子である。なお、入出力端子５は第５の入出力端子を構成している。
入出力端子６は方向性結合器１４の入出力端子である。なお、入出力端子６は第６の入出力端子を構成している。
入出力端子７は方向性結合器１４の入出力端子である。なお、入出力端子７は第７の入出力端子を構成している。
入出力端子８は方向性結合器１４の入出力端子である。なお、入出力端子８は第８の入出力端子を構成している。

電磁界共鳴器１１は入出力端子１と接続されている第１の共鳴素子と、入出力端子２と接続されている第２の共鳴素子と、入出力端子３と接続されている第３の共鳴素子と、入出力端子４と接続されている第４の共鳴素子とから構成されている。
電磁界共鳴器１１の第１から第４の共鳴素子は、互いに電磁界共鳴によって非接触で結合されている。
なお、電磁界共鳴器１１における４つの共鳴素子の形状や設置位置は任意であり、この実施の形態１で限定するものではない。

伝送線路１２は一端が入出力端子３と接続されて、他端が入出力端子５と接続されている。なお、伝送線路１２は第１の伝送線路を構成している。
伝送線路１３は一端が入出力端子４と接続されて、他端が入出力端子６と接続されている。なお、伝送線路１３は第２の伝送線路を構成している。
方向性結合器１４は入出力端子５から入力された高周波信号を入出力端子６に出力せずに、その高周波信号を入出力端子７，８に分配し、入出力端子６から入力された高周波信号を入出力端子５に出力せずに、その高周波信号を入出力端子７，８に分配する回路である。

次に動作について説明する。
一般的に、全ての入出力端子での反射が０（無反射）で、無損失である４端子回路は、方向性結合器となる。
したがって、電磁界共鳴器１１でも、この条件を概ね満足すれば、方向性結合器として動作する。
ここでは、電磁界共鳴器１１において、入出力端子１から高周波信号（電力）が入力された場合のアイソレーションポートが入出力端子２であるとすれば、入出力端子１から入力された高周波信号（電力）は、入出力端子３と入出力端子４に分配されて、入出力端子２には出力されない。

例えば、電磁界共鳴器１１において、入出力端子１から入出力端子４に至る通過振幅を小さくすることができれば、入出力端子１から入力された高周波信号の大部分が入出力端子３に出力され、入出力端子２から入力された高周波信号の大部分が入出力端子４に出力される。したがって、それぞれが独立している２重の無線電力伝送を実現することができる。
しかし、電磁界共鳴器１１のサイズを小さくすると、入出力端子１から入力された高周波信号は、入出力端子３と入出力端子４の両方に分配されるため、電磁界共鳴器１１だけでは２重の無線電力伝送を実現することができない。

電磁界共鳴器１１から入出力端子３に出力された高周波信号は、伝送線路１２を通過して、入出力端子５から方向性結合器１４に入力される。
入出力端子５から方向性結合器１４に入力された高周波信号は、入出力端子７と入出力端子８に分配されて、入出力端子６には出力されない。
一方、電磁界共鳴器１１から入出力端子４に出力された高周波信号は、伝送線路１３を通過して、入出力端子６から方向性結合器１４に入力される。
入出力端子６から方向性結合器１４に入力された高周波信号は、入出力端子７と入出力端子８に分配されて、入出力端子５には出力されない。

ここで、入出力端子１から入出力端子７に至る通過特性は、下記に示す２つの経路の合成である。
（１）入出力端子１→電磁界共鳴器１１→入出力端子３→伝送線路１２→入出力端子５→方向性結合器１４→入出力端子７の経路
（２）入出力端子１→電磁界共鳴器１１→入出力端子４→伝送線路１３→入出力端子６→方向性結合器１４→入出力端子７の経路
したがって、２つの経路の通過特性をほぼ等振幅逆相にすれば、入出力端子１から入出力端子７に至る通過振幅|Ｓ_７１|は０、入出力端子１から入出力端子８に至る通過振幅|Ｓ_８１|は１になる。
このとき、入出力端子２から入出力端子７に至る通過振幅|Ｓ_７２|は１、入出力端子２から入出力端子８に至る通過振幅|Ｓ_８２|は０になる。
これにより、それぞれが独立している２重の無線電力伝送を実現することができる。

また、入出力端子１から入出力端子８に至る通過特性は、下記に示す２つの経路の合成である。
（１）入出力端子１→電磁界共鳴器１１→入出力端子３→伝送線路１２→入出力端子５→方向性結合器１４→入出力端子８の経路
（２）入出力端子１→電磁界共鳴器１１→入出力端子４→伝送線路１３→入出力端子６→方向性結合器１４→入出力端子８の経路
したがって、２つの経路の通過特性をほぼ等振幅逆相にすれば、入出力端子１から入出力端子７に至る通過振幅|Ｓ_７１|は１、入出力端子１から入出力端子８に至る通過振幅|Ｓ_８１|は０になる。
このとき、入出力端子２から入出力端子７に至る通過振幅|Ｓ_７２|は０、入出力端子２から入出力端子８に至る通過振幅|Ｓ_８２|は１になる。
これにより、それぞれが独立している２重の無線電力伝送を実現することができる。

次に、伝送線路１２，１３及び方向性結合器１４の特性の決定方法について説明する。
図２はこの発明の実施の形態１による無線電力伝送装置の電磁界共鳴器１１及び伝送線路１２，１３と、方向性結合器１４との関係を示す説明図である。
ここでは、電磁界共鳴器１１の規格化インピーダンスをＺ_０、伝送線路１２，１３の特性インピーダンスをＺ_０、方向性結合器１４の規格化インピーダンスをＺ_０として、電磁界共鳴器１１における結合係数をｋとする。

この場合、入出力端子１から入出力端子３に至る通過振幅|Ｓ_３１|は（１−ｋ^２）^１／２、入出力端子１から入出力端子４に至る通過振幅|Ｓ_４１|はｋ、入出力端子１から入出力端子２に至る通過振幅|Ｓ_２１|は０である。
また、電磁界共鳴器１１及び伝送線路１２，１３の部分において、入出力端子１から入出力端子５に至る通過振幅|Ｓ_５１|は（１−ｋ^２）^１／２、入出力端子１から入出力端子６に至る通過振幅|Ｓ_６１|はｋである。
また、入出力端子１から入出力端子５に至る通過位相をα、入出力端子１から入出力端子６に至る通過位相をβとする。
通過振幅及び通過位相が上記の値であるとき、伝送線路１２，１３の長さは、｜α−β｜が９０度にほぼ等しくなるように決定する。ただし、伝送線路１２，１３の長さは、同じ場合と異なる場合がある。

方向性結合器１４において、入出力端子５から入出力端子７に至る通過位相をγ、入出力端子５から入出力端子８に至る通過位相をδとして、｜γ−δ｜は９０度にほぼ等しくなるようにする。また、方向性結合器１４における結合係数をｋ’とする。
この場合、入出力端子５から入出力端子７に至る通過振幅|Ｓ_７５|は（１−ｋ’^２）^１／２、入出力端子５から入出力端子８に至る通過振幅|Ｓ_８５|はｋ’、入出力端子５から入出力端子６に至る通過振幅|Ｓ_６５|は０である。

方向性結合器１４の結合係数ｋ’は、図２に示すように、（α−β）と（γ−δ）の関係によって決定する。（α−β）と（γ−δ）の組み合わせとしては４つある。
［ｃａｓｅ１］
（α−β）＝９０度、（γ−δ）＝−９０度の場合には、ｋ’＝ｋに決定する。
この場合、|Ｓ_７１|＝１、|Ｓ_８１|＝０、|Ｓ_７２|＝０、|Ｓ_８２|＝１となり、それぞれが独立している２重の無線電力伝送を実現することができる。

［ｃａｓｅ２］
（α−β）＝９０度、（γ−δ）＝９０度の場合には、ｋ’＝（１−ｋ^２）^１／２に決定する。
この場合、|Ｓ_７１|＝０、|Ｓ_８１|＝１、|Ｓ_７２|＝１、|Ｓ_８２|＝０となり、それぞれが独立している２重の無線電力伝送を実現することができる。

［ｃａｓｅ３］
（α−β）＝−９０度、（γ−δ）＝−９０度の場合には、ｋ’＝（１−ｋ^２）^１／２に決定する。
この場合、|Ｓ_７１|＝０、|Ｓ_８１|＝１、|Ｓ_７２|＝１、|Ｓ_８２|＝０となり、それぞれが独立している２重の無線電力伝送を実現することができる。

［ｃａｓｅ４］
（α−β）＝−９０度、（γ−δ）＝９０度の場合には、ｋ’＝ｋに決定する。
この場合、|Ｓ_７１|＝１、|Ｓ_８１|＝０、|Ｓ_７２|＝０、|Ｓ_８２|＝１となり、それぞれが独立している２重の無線電力伝送を実現することができる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、第１から第４の共鳴素子が互いに電磁界共鳴によって結合されている電磁界共鳴器１１と、入出力端子３と入出力端子５を結ぶ伝送線路１２と、入出力端子４と入出力端子６を結ぶ伝送線路１３と、入出力端子５から入力された高周波信号を入出力端子６に出力せずに、入出力端子７，８に分配し、入出力端子６から入力された高周波信号を入出力端子５に出力せずに、入出力端子７，８に分配する方向性結合器１４とから構成したので、装置の大型化や小電力化を招くことなく、電力を多重伝送することができる効果を奏する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、電磁界共鳴器１１における４つの共鳴素子の形状や設置位置が任意であるものを示したが、この実施の形態２では、電磁界共鳴器１１における第１の共鳴素子と第３の共鳴素子が同心円状に配置され、電磁界共鳴器１１における第２の共鳴素子と第４の共鳴素子が同心円状に配置されている無線電力伝送装置について説明する。

図３はこの発明の実施の形態２による無線電力伝送装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
無給電コイル３１は給電点が入出力端子１の上にある給電ループ２１と同心円状に配置されており、給電ループ２１と無給電コイル３１から第１の共鳴素子を構成している。
無給電コイル３３は給電点が入出力端子３の上にある給電ループ２３と同心円状に配置されており、給電ループ２３と無給電コイル３３から第３の共鳴素子を構成している。
なお、無給電コイル３１と無給電コイル３３は、距離Ｌ１だけ離れている位置で、同心円状に配置されている。

無給電コイル３２は給電点が入出力端子２の上にある給電ループ２２と同心円状に配置されており、給電ループ２２と無給電コイル３２から第２の共鳴素子を構成している。
無給電コイル３４は給電点が入出力端子４の上にある給電ループ２４と同心円状に配置されており、給電ループ２４と無給電コイル３４から第４の共鳴素子を構成している。
なお、無給電コイル３２と無給電コイル３４は、距離Ｌ２だけ離れている位置で、同心円状に配置されている。
ただし、距離Ｌ１と距離Ｌ２は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

また、給電ループ２１のある面と給電ループ２２のある面は平行であり、給電ループ２１と給電ループ２２の中心間の距離はＤである。即ち、無給電コイル３１と無給電コイル３２は、それぞれの中心軸が距離Ｄだけ離れている位置に配置されている。
給電ループ２１のある面と給電ループ２２のある面は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

この実施の形態２では、無給電コイル３１，３２，３３，３４の長さは、それぞれがほぼ共振するような長さとする。
また、電磁界共鳴器１１の入出力端子１，２，３，４における反射振幅が小さくなるように、給電ループ２１と無給電コイル３１の間隔、給電ループ２２と無給電コイル３２の間隔、給電ループ２３と無給電コイル３３の間隔、給電ループ２４と無給電コイル３４の間隔を決定する。
このように、電磁界共鳴器１１の入出力端子１，２，３，４における反射を小さくし、かつ、電磁界共鳴器１１における損失を小さくすれば、電磁界共鳴器１１は方向性結合器として動作する。

無給電コイル３１と無給電コイル３３の間の距離Ｌ１と、無給電コイル３２と無給電コイル３４の間の距離Ｌ２と、給電ループ２１と給電ループ２２の中心間の距離Ｄとを小さくして、電磁界共鳴器１１を小型化すると、入出力端子１から入力された高周波信号は、入出力端子３と入出力端子４の両方に分配され、電磁界共鳴器１１だけでは２重の無線電力伝送を実現することができない（入出力端子１から入出力端子２に至る通過振幅は非常に小さい）。
そこで、この実施の形態２では、上記実施の形態１と同様に、伝送線路１２，１３及び方向性結合器１４を付加することで、それぞれが独立している２重の無線電力伝送を実現している。

次に、この実施の形態２における無線電力伝送装置の具体例を開示する。
まず、Ｌ１＝Ｌ２＝７０ｍｍ、Ｄ＝１７０ｍｍとして、給電ループ２１，２３と無給電コイル３１，３３を直径１５０ｍｍの円筒上に設置する。
同様に、給電ループ２２，２４と無給電コイル３２，３４を直径１５０ｍｍの円筒上に設置する。
なお、給電ループ２１と給電ループ２２は、同じ面上に設置する。

この場合、高周波信号の周波数が６．７８ＭＨｚであれば、入出力端子１における反射振幅は|Ｓ_１１|＝−３０．８ｄＢ、入出力端子１から入出力端子２に至る通過振幅は|Ｓ_２１|＝−２５．８ｄＢ、入出力端子１から入出力端子３に至る通過振幅は|Ｓ_３１|＝−１．１ｄＢ、入出力端子１から入出力端子４に至る通過振幅は|Ｓ_４１|＝−６．６ｄＢとなる。
このため、入出力端子１から入力された高周波信号の殆どが入出力端子３と入出力端子４に分配されるので、電磁界共鳴器１１が方向性結合器として動作していることを確認することができる。

また、入出力端子１から入出力端子３に至る通過位相から、入出力端子１から入出力端子４に至る通過位相を引いた値はほぼ９０度である。したがって、伝送線路１２，１３の長さを同じにすれば、入出力端子１から入出力端子５に至る通過位相αと、入出力端子１から入出力端子６に至る通過位相βとの差（α−β）はほぼ９０度になる。

ここで、方向性結合器１４において、入出力端子５から入出力端子７に至る通過位相γと、入出力端子５から入出力端子８に至る通過位相δとの差（γ−δ）を−９０度に決定する。
この場合、方向性結合器１４の結合係数ｋ’を、電磁界共鳴器１１の結合係数ｋと等しくして、ｋ’＝ｋ＝０．４７とすれば、入出力端子１から入出力端子７に至る通過振幅は|Ｓ_７１|＝０．０ｄＢ、入出力端子１から入出力端子８に至る通過振幅は|Ｓ_８１|＜−３０ｄＢ、入出力端子２から入出力端子７に至る通過振幅は|Ｓ_７２|＜−３０ｄＢ、入出力端子２から入出力端子８に至る通過振幅は|Ｓ_８２|＝０．０ｄＢとなり、それぞれが独立している２重の無線電力伝送を実現することができる。

あるいは、方向性結合器１４において、入出力端子５から入出力端子７に至る通過位相γと、入出力端子５から入出力端子８に至る通過位相δとの差（γ−δ）を９０度に決定する。
この場合、方向性結合器１４の結合係数ｋ’を、ｋ’＝（１−ｋ^２）^１／２＝０．８８に決定すれば、入出力端子１から入出力端子７に至る通過振幅は|Ｓ_７１|＜−３０ｄＢ、入出力端子２から入出力端子７に至る通過振幅は|Ｓ_７２|＝０．０ｄＢ、入出力端子１から入出力端子８に至る通過振幅は|Ｓ_８１|＝０．０ｄＢ、入出力端子２から入出力端子８に至る通過振幅は|Ｓ_８２|＜−３０ｄＢとなり、それぞれが独立している２重の無線電力伝送を実現することができる。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、電磁界共鳴器１１における第１の共鳴素子と第３の共鳴素子が同心円状に配置され、電磁界共鳴器１１における第２の共鳴素子と第４の共鳴素子が同心円状に配置されているので、２重の無線電力伝送を実現する無線電力伝送装置が得られる効果を奏する。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３による無線電力伝送装置を示す構成図であり、図において、図３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
電磁シールド材４１は電磁界の流れを制限する部材であり、給電ループ２１と無給電コイル３１からなる第１の共鳴素子と、給電ループ２２と無給電コイル３２からなる第２の共鳴素子との間に配置されている。
電磁シールド材４２は電磁界の流れを制限する部材であり、給電ループ２３と無給電コイル３３からなる第３の共鳴素子と、給電ループ２４と無給電コイル３４からなる第４の共鳴素子との間に配置されている。
なお、電磁シールド材４１と電磁シールド材４２は、同一の部材で構成してもよいし、異なる部材で構成してもよい。

この実施の形態３では、第１の共鳴素子と第２の共鳴素子との間に電磁シールド材４１を配置し、第３の共鳴素子と第４の共鳴素子との間に電磁シールド材４２を配置しているが、電磁シールド材４１，４２を配置することで、入出力端子１から入出力端子４に至る通過振幅を小さくすることができる（入出力端子１から入出力端子３に至る通過振幅は大きくなる）。
したがって、方向性結合器１４に対する要求条件が緩和されるとともに、誤差に強く、帯域が比較的広い無線電力伝送装置が得られる効果を奏する。

実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４による無線電力伝送装置を示す構成図であり、図において、図３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
上記実施の形態２では、電磁界共鳴器１１における第１の共鳴素子と第３の共鳴素子が同心円状に配置され、電磁界共鳴器１１における第２の共鳴素子と第４の共鳴素子が同心円状に配置されているものを示したが、この実施の形態４では、図５に示すように、第１〜第４の共鳴素子を同心円状に配置しており、また、第１〜第４の共鳴素子を同心円状に配置する際、径が異なる第１の共鳴素子と第３の共鳴素子を重ねて配置するとともに（図５の例では、第１の共鳴素子の径より第３の共鳴素子の径の方が大きい）、径が異なる第２の共鳴素子と第４の共鳴素子を重ねて配置するようにしている（図５の例では、第２の共鳴素子の径より第４の共鳴素子の径の方が大きい）。

この実施の形態４では、第１の共鳴素子を構成している給電ループ２１と無給電コイル３１は同じ直径Ｒ１であり、第３の共鳴素子を構成している給電ループ２３と無給電コイル３３は同じ直径Ｒ３であるが、Ｒ１＜Ｒ３である。
また、第２の共鳴素子を構成している給電ループ２２と無給電コイル３２は同じ直径Ｒ２であり、第４の共鳴素子を構成している給電ループ２４と無給電コイル３４は同じ直径Ｒ４であるが、Ｒ２＜Ｒ４である。
ここでは、Ｒ１＜Ｒ３、Ｒ２＜Ｒ４である例を示しているが、Ｒ１＞Ｒ３であってもよいし、Ｒ２＞Ｒ４であってもよい。

この実施の形態４では、上述したように、第１〜第４の共鳴素子を同心円状に配置するが、直径Ｒ１の給電ループ２１と直径Ｒ３の給電ループ２３との中心軸を揃えて配置する。なお、図５では、給電ループ２１と給電ループ２３を同じ面内に配置しているが、異なる面内に配置しても良い。
また、直径Ｒ１の無給電コイル３１と直径Ｒ３の無給電コイル３３との中心軸を揃えて、無給電コイル３１と無給電コイル３３を同心円状に重ねて配置する。

同様に、直径Ｒ２の給電ループ２２と直径Ｒ４の給電ループ２４との中心軸を揃えて配置する。なお、図５では、給電ループ２２と給電ループ２４を同じ面内に配置しているが、異なる面内に配置しても良い。
また、直径Ｒ２の無給電コイル３２と直径Ｒ４の無給電コイル３４との中心軸を揃えて、無給電コイル３２と無給電コイル３４を同心円状に重ねて配置する。
このとき、第１及び第３の共鳴素子と、第２及び第４の共鳴素子は、ある間隔を空けて配置する。

第１及び第３の共鳴素子と、第２及び第４の共鳴素子との間隔を狭くすると、入出力端子１から入力された高周波信号は、入出力端子３と入出力端子４の両方に分配され、電磁界共鳴器１１だけでは２重の無線電力伝送を実現することができない（入出力端子１から入出力端子２に至る通過振幅は非常に小さい）。
そこで、この実施の形態４では、上記実施の形態１と同様に、伝送線路１２，１３及び方向性結合器１４を付加することで、それぞれが独立している２重の無線電力伝送を実現している。

以上で明らかなように、この実施の形態４によれば、径が異なる第１の共鳴素子と第３の共鳴素子を重ねて配置するとともに、径が異なる第２の共鳴素子と第４の共鳴素子を重ねて配置するように構成したので、上記実施の形態２よりも更に小型化を図ることができる効果を奏する。

なお、給電ループ２１〜２４及び無給電コイル３１〜３４の支持方法については、特に限定するものではないが、例えば、スペーサを使用する方法等が考えられる。スペーサを使用する場合、透磁率が異なる複数のスペーサを用いるようにしてもよい。

実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５による無線電力伝送装置を示す構成図であり、図において、図３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
上記実施の形態２では、電磁界共鳴器１１における第１の共鳴素子と第３の共鳴素子が同心円状に配置され、電磁界共鳴器１１における第２の共鳴素子と第４の共鳴素子が同心円状に配置されているものを示したが、この実施の形態５では、図６に示すように、第１〜第４の共鳴素子を同心円状に配置しており、また、第１〜第４の共鳴素子を同心円状に配置する際、径が異なる第１の共鳴素子と第２の共鳴素子を重ねて配置するとともに（図６の例では、第１の共鳴素子の径より第２の共鳴素子の径の方が大きい）、径が異なる第３の共鳴素子と第４の共鳴素子を重ねて配置するようにしている（図６の例では、第３の共鳴素子の径より第４の共鳴素子の径の方が大きい）。

この実施の形態５では、第１の共鳴素子を構成している給電ループ２１と無給電コイル３１は同じ直径Ｒ１であり、第２の共鳴素子を構成している給電ループ２２と無給電コイル３２は同じ直径Ｒ２であるが、Ｒ１＜Ｒ２である。
また、第３の共鳴素子を構成している給電ループ２３と無給電コイル３３は同じ直径Ｒ３であり、第４の共鳴素子を構成している給電ループ２４と無給電コイル３４は同じ直径Ｒ４であるが、Ｒ３＜Ｒ４である。
ここでは、Ｒ１＜Ｒ２、Ｒ３＜Ｒ４である例を示しているが、Ｒ１＞Ｒ２であってもよいし、Ｒ３＞Ｒ４であってもよい。

この実施の形態５では、上述したように、第１〜第４の共鳴素子を同心円状に配置するが、直径Ｒ１の給電ループ２１と直径Ｒ２の給電ループ２２との中心軸を揃えて配置する。なお、図６では、給電ループ２１と給電ループ２２を同じ面内に配置しているが、異なる面内に配置しても良い。
また、直径Ｒ１の無給電コイル３１と直径Ｒ２の無給電コイル３２との中心軸を揃えて、無給電コイル３１と無給電コイル３２を同心円状に重ねて配置する。

同様に、直径Ｒ３の給電ループ２３と直径Ｒ４の給電ループ２４との中心軸を揃えて配置する。なお、図６では、給電ループ２３と給電ループ２４を同じ面内に配置しているが、異なる面内に配置しても良い。
また、直径Ｒ３の無給電コイル３３と直径Ｒ４の無給電コイル３４との中心軸を揃えて、無給電コイル３３と無給電コイル３４を同心円状に重ねて配置する。
このとき、第１及び第２の共鳴素子と、第３及び第４の共鳴素子は、ある間隔を空けて配置する。

第１及び第２の共鳴素子と、第３及び第４の共鳴素子との間隔を狭くすると、入出力端子１から入力された高周波信号は、入出力端子３と入出力端子４の両方に分配され、電磁界共鳴器１１だけでは２重の無線電力伝送を実現することができない（入出力端子１から入出力端子２に至る通過振幅は非常に小さい）。
そこで、この実施の形態５では、上記実施の形態１と同様に、伝送線路１２，１３及び方向性結合器１４を付加することで、それぞれが独立している２重の無線電力伝送を実現している。

以上で明らかなように、この実施の形態５によれば、径が異なる第１の共鳴素子と第２の共鳴素子を重ねて配置するとともに、径が異なる第３の共鳴素子と第４の共鳴素子を重ねて配置するように構成したので、上記実施の形態２よりも更に小型化を図ることができる効果を奏する。

なお、給電ループ２１〜２４及び無給電コイル３１〜３４の支持方法については、特に限定するものではないが、例えば、スペーサを使用する方法等が考えられる。スペーサを使用する場合、透磁率が異なる複数のスペーサを用いるようにしてもよい。

実施の形態６．
図７はこの発明の実施の形態６による無線電力伝送装置を示す構成図であり、図において、図３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
上記実施の形態５では、径が異なる第１の共鳴素子と第２の共鳴素子を重ねて配置するとともに、径が異なる第３の共鳴素子と第４の共鳴素子を重ねて配置するものを示したが、この実施の形態６では、図７に示すように、径が異なる第１の共鳴素子と第２の共鳴素子と第３の共鳴素子と第４の共鳴素子とを重ねて配置するようにしている。

この実施の形態６では、第１の共鳴素子を構成している給電ループ２１と無給電コイル３１は同じ直径Ｒ１であり、第２の共鳴素子を構成している給電ループ２２と無給電コイル３２は同じ直径Ｒ２である。
また、第３の共鳴素子を構成している給電ループ２３と無給電コイル３３は同じ直径Ｒ３であり、第４の共鳴素子を構成している給電ループ２４と無給電コイル３４は同じ直径Ｒ４である。各直径の関係は、Ｒ１＜Ｒ３＜Ｒ２＜Ｒ４ある。
ただし、ここで示している各直径の関係は、一例に過ぎず、例えば、Ｒ１＜Ｒ３＜Ｒ４＜Ｒ２であってもよいし、Ｒ３＜Ｒ１＜Ｒ４＜Ｒ２であってもよい。

この実施の形態６では、第１〜第４の共鳴素子を同心円状に配置するが、直径が異なる給電ループ２１、給電ループ２２、給電ループ２３及び給電ループ２４の中心軸を揃えて配置する。なお、図７では、給電ループ２１、給電ループ２２、給電ループ２３及び給電ループ２４を同じ面内に配置しているが、異なる面内に配置しても良い。
また、直径が異なる無給電コイル３１、無給電コイル３２、無給電コイル３３及び無給電コイル３４の中心軸を揃えて、無給電コイル３１、無給電コイル３２、無給電コイル３３及び無給電コイル３４を同心円状に重ねて配置する。

以上で明らかなように、この実施の形態６によれば、径が異なる第１の共鳴素子と第２の共鳴素子と第３の共鳴素子と第４の共鳴素子とを重ねて配置するように構成したので、上記実施の形態４，５よりも更に小型化を図ることができる効果を奏する。

なお、給電ループ２１〜２４及び無給電コイル３１〜３４の支持方法については、特に限定するものではないが、例えば、スペーサを使用する方法等が考えられる。スペーサを使用する場合、透磁率が異なる複数のスペーサを用いるようにしてもよい。

実施の形態７．
上記実施の形態２〜６では、４つの共鳴素子が給電ループと無給電コイルから構成されているものを示したが、共鳴素子の構成は、これに限定するものではない。
以下、第１の共鳴素子の構成例を説明するが、第２〜第４の共鳴素子も同様である。ただし、４つの共鳴素子の構成は、必ずしも同一である必要はなく、異なっていてもよい。

図８、図９及び図１０はこの発明の実施の形態７による無線電力伝送装置の共鳴素子の一例を示す構成図である。
図８では、第１の共鳴素子が、給電ループ２１と無給電コイル３１から構成されているが、無給電コイル３１の両端がキャパシタ５１を介して接続されている構成例を示している。
無給電コイル３１にキャパシタ５１を装荷することで、無給電コイル３１の長さを短くすることができる効果が得られる。

図９では、第１の共鳴素子がコイル５２からなり、コイル５２の両端が、給電点（給電点は入出力端子１にある）１とキャパシタ５３を介して接続されている構成例を示している。
コイル５２の両端の間を給電点と直列にキャパシタ５３を装荷することで、コイル５２の長さを短くすることができる効果が得られる。
図１０では、第１の共鳴素子がヘリカルダイポール５４で構成されている例を示している。

実施の形態８．
図１１はこの発明の実施の形態８による無線電力伝送装置の方向性結合器１４を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
図１１の例では、方向性結合器１４は、集中定数素子からなるブランチ形カプラで構成されている。
図１１において、インダクタ６１は一端が入出力端子５と接続され、他端が入出力端子７と接続されており、インダクタンス値Ｌ_１を有している。
インダクタ６２は一端が入出力端子６と接続され、他端が入出力端子８と接続されており、インダクタンス値Ｌ_１を有している。

キャパシタ６３は一端が入出力端子５と接続され、他端が入出力端子６と接続されており、キャパシタンス値Ｃ_２を有している。
キャパシタ６４は一端が入出力端子７と接続され、他端が入出力端子８と接続されており、キャパシタンス値Ｃ_２を有している。
キャパシタ６５は一端が入出力端子５と接続され、他端がグランド導体と接続されており、キャパシタンス値Ｃ_３を有している。
キャパシタ６６は一端が入出力端子６と接続され、他端がグランド導体と接続されており、キャパシタンス値Ｃ_３を有している。
キャパシタ６７は一端が入出力端子７と接続され、他端がグランド導体と接続されており、キャパシタンス値Ｃ_３を有している。
キャパシタ６８は一端が入出力端子８と接続され、他端がグランド導体と接続されており、キャパシタンス値Ｃ_３を有している。

次に、方向性結合器１４の作用について説明する。
図１１の方向性結合器１４は、入出力端子５から入出力端子７に至る通過位相γと、入出力端子５から入出力端子８に至る通過位相δとの差（γ−δ）が−９０度である場合を示している。
ここで、方向性結合器１４の規格化インピーダンスをＺ_０として、方向性結合器１４の結合係数をｋ’とする。このとき、方向性結合器１４のアドミッタンスＹ_ｃ１，Ｙ_ｃ２を下記の式（１）（２）のように定義する。

図１１の構成は、Ｙ_ｃ１＞Ｙ_ｃ２の場合であり、方向性結合器１４は、インダクタンス値Ｌ_１を有するインダクタ６１，６２と、キャパシタンス値Ｃ_２を有するキャパシタ６３，６４と、キャパシタンス値Ｃ_３を有するキャパシタ６５〜６８とから構成される。
ここで、インダクタ６１，６２が有するインダクタンス値Ｌ_１は、下記の式（３）で決定される。
また、キャパシタ６３，６４が有するキャパシタンス値Ｃ_２は下記の式（４）で決定され、キャパシタ６５〜６８が有するキャパシタンス値Ｃ_３は下記の式（５）で決定される。

ここまでは、（γ−δ）が−９０度で、Ｙ_ｃ１＞Ｙ_ｃ２の場合について示したが、（γ−δ）が−９０度で、Ｙ_ｃ１＜Ｙ_ｃ２の場合、方向性結合器１４は、図１２の構成になる。
図１２において、インダクタ７１は一端が入出力端子５と接続され、他端がグランド導体と接続されており、インダクタンス値Ｌ_３を有している。
インダクタ７２は一端が入出力端子６と接続され、他端がグランド導体と接続されており、インダクタンス値Ｌ_３を有している。
インダクタ７３は一端が入出力端子７と接続され、他端がグランド導体と接続されており、インダクタンス値Ｌ_３を有している。
インダクタ７４は一端が入出力端子８と接続され、他端がグランド導体と接続されており、インダクタンス値Ｌ_３を有している。

（γ−δ）が−９０度で、Ｙ_ｃ１＜Ｙ_ｃ２の場合、方向性結合器１４は、インダクタンス値Ｌ_１を有するインダクタ６１，６２と、キャパシタンス値Ｃ_２を有するキャパシタ６３，６４と、インダクタンス値Ｌ_３を有するインダクタ７１〜７４とから構成される。
ここで、インダクタ６１，６２が有するインダクタンス値Ｌ_１は、下記の式（６）で決定される。
また、キャパシタ６３，６４が有するキャパシタンス値Ｃ_２は下記の式（７）で決定される。
さらに、インダクタ７１〜７４が有するインダクタンス値Ｌ_３は、下記の式（８）で決定される。

ここまでは、（γ−δ）が−９０度である場合について示したが、（γ−δ）が９０度である場合、方向性結合器１４は、図１３の構成になる。
図１３において、インダクタ８１は一端が入出力端子５と接続され、他端が入出力端子６と接続されており、インダクタンス値Ｌ_２を有している。
インダクタ８２は一端が入出力端子７と接続され、他端が入出力端子８と接続されており、インダクタンス値Ｌ_２を有している。
キャパシタ８３は一端が入出力端子５と接続され、他端がグランド導体と接続されており、キャパシタンス値Ｃ_４を有している。
キャパシタ８４は一端が入出力端子６と接続され、他端がグランド導体と接続されており、キャパシタンス値Ｃ_４を有している。
キャパシタ８５は一端が入出力端子７と接続され、他端がグランド導体と接続されており、キャパシタンス値Ｃ_４を有している。
キャパシタ８６は一端が入出力端子８と接続され、他端がグランド導体と接続されており、キャパシタンス値Ｃ_４を有している。

（γ−δ）が９０度である場合、方向性結合器１４は、インダクタンス値Ｌ_１を有するインダクタ６１，６２と、インダクタンス値Ｌ_２を有するインダクタ８１，８２と、キャパシタンス値Ｃ_４を有するキャパシタ８３〜８６とから構成される。
ここで、インダクタ６１，６２が有するインダクタンス値Ｌ_１は下記の式（９）で決定され、インダクタ８１，８２が有するインダクタンス値Ｌ_２は下記の式（１０）で決定される。
また、キャパシタ８３〜８６が有するキャパシタンス値Ｃ_４は、下記の式（１１）で決定される。

以上で明らかなように、この実施の形態８によれば、集中定数素子からなるブランチ形カプラで方向性結合器１４を構成したので、方向性結合器１４の小型化を図ることができる効果を奏する。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 入出力端子（第１の入出力端子）、２ 入出力端子（第２の入出力端子）、３ 入出力端子（第３の入出力端子）、４ 入出力端子（第４の入出力端子）、５ 入出力端子（第５の入出力端子）、６ 入出力端子（第６の入出力端子）、７ 入出力端子（第７の入出力端子）、８ 入出力端子（第８の入出力端子）、１１ 電磁界共鳴器、１２ 伝送線路（第１の伝送線路）、１３ 伝送線路（第２の伝送線路）、１４ 方向性結合器、２１ 給電ループ（第１の共鳴素子）、２２ 給電ループ（第２の共鳴素子）、２３ 給電ループ（第３の共鳴素子）、２４ 給電ループ（第４の共鳴素子）、３１ 無給電コイル（第１の共鳴素子）、３２ 無給電コイル（第２の共鳴素子）、３３ 無給電コイル（第３の共鳴素子）、３４ 無給電コイル（第４の共鳴素子）、４１，４２ 電磁シールド材、５１ キャパシタ、５２ コイル、５３ キャパシタ、５４ ヘリカルダイポール、６１，６２ インダクタ、６３〜６８ キャパシタ、７１〜７４ インダクタ、８１，８２ インダクタ、８３〜８６ キャパシタ。

Claims (12)

1. 第１の入出力端子と接続されている第１の共鳴素子と、第２の入出力端子と接続されている第２の共鳴素子と、第３の入出力端子と接続されている第３の共鳴素子と、第４の入出力端子と接続されている第４の共鳴素子とから構成されており、上記第１から第４の共鳴素子が互いに電磁界共鳴によって結合されている電磁界共鳴器と、
   一端が上記第３の入出力端子と接続され、他端が第５の入出力端子と接続されている第１の伝送線路と、
   一端が上記第４の入出力端子と接続され、他端が第６の入出力端子と接続されている第２の伝送線路と、
   上記第５及び第６の入出力端子と接続されており、上記第５の入出力端子から入力された高周波信号を上記第６の入出力端子に出力せずに、第７及び第８の入出力端子に分配し、上記第６の入出力端子から入力された高周波信号を上記第５の入出力端子に出力せずに、上記第７及び第８の入出力端子に分配する方向性結合器とを備え、
   第１の入出力端子から第５の入出力端子に至る通過位相がα、
   上記第１の入出力端子から第６の入出力端子に至る通過位相がβ、
   上記第５の入出力端子から第７の入出力端子に至る通過位相がγ、
   上記第５の入出力端子から第８の入出力端子に至る通過位相がδ、
   上記第１の入出力端子から上記第６の入出力端子に至る通過振幅がｋであれば、
   ｜α−β｜が９０度に等しくなるように、第１及び第２の伝送線路の長さが決定され、
   ｜α−β｜及び｜γ−δ｜が９０度に等しく、かつ、（α−β）と（γ−δ）が逆相であれば、上記第５の入出力端子から上記第８の入出力端子に至る通過振幅がｋである無線電力伝送装置。
2. 第１の入出力端子と接続されている第１の共鳴素子と、第２の入出力端子と接続されている第２の共鳴素子と、第３の入出力端子と接続されている第３の共鳴素子と、第４の入出力端子と接続されている第４の共鳴素子とから構成されており、上記第１から第４の共鳴素子が互いに電磁界共鳴によって結合されている電磁界共鳴器と、
   一端が上記第３の入出力端子と接続され、他端が第５の入出力端子と接続されている第１の伝送線路と、
   一端が上記第４の入出力端子と接続され、他端が第６の入出力端子と接続されている第２の伝送線路と、
   上記第５及び第６の入出力端子と接続されており、上記第５の入出力端子から入力された高周波信号を上記第６の入出力端子に出力せずに、第７及び第８の入出力端子に分配し、上記第６の入出力端子から入力された高周波信号を上記第５の入出力端子に出力せずに、上記第７及び第８の入出力端子に分配する方向性結合器とを備え、
   第１の入出力端子から第５の入出力端子に至る通過位相がα、
   上記第１の入出力端子から第６の入出力端子に至る通過位相がβ、
   上記第５の入出力端子から第７の入出力端子に至る通過位相がγ、
   上記第５の入出力端子から第８の入出力端子に至る通過位相がδ、
   上記第１の入出力端子から上記第６の入出力端子に至る通過振幅がｋであれば、
   ｜α−β｜が９０度に等しくなるように、第１及び第２の伝送線路の長さが決定され、
   ｜α−β｜及び｜γ−δ｜が９０度に等しく、かつ、（α−β）と（γ−δ）が同相であれば、上記第５の入出力端子から上記第８の入出力端子に至る通過振幅が（１−ｋ ^２ ） ^１／２ である無線電力伝送装置。
3. 上記電磁界共鳴器における上記第１の共鳴素子と上記第３の共鳴素子が同心円状に配置され、上記電磁界共鳴器における第２の共鳴素子と第４の共鳴素子が同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の無線電力伝送装置。
4. 上記第１の共鳴素子と上記第２の共鳴素子との間に電磁シールド材が設置され、上記第３の共鳴素子と上記第４の共鳴素子との間に電磁シールド材が設置されていることを特徴とする請求項３記載の無線電力伝送装置。
5. 上記電磁界共鳴器における上記第１の共鳴素子と、上記第２の共鳴素子と、上記第３の共鳴素子と、上記第４の共鳴素子とが同心円状に配置されており、
   径が異なる上記第１の共鳴素子と上記第３の共鳴素子が重ねて配置されて、径が異なる上記第２の共鳴素子と上記第４の共鳴素子が重ねて配置されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の無線電力伝送装置。
6. 上記電磁界共鳴器における上記第１の共鳴素子と、上記第２の共鳴素子と、上記第３の共鳴素子と、上記第４の共鳴素子とが同心円状に配置されており、
   径が異なる上記第１の共鳴素子と上記第２の共鳴素子が重ねて配置されて、径が異なる上記第３の共鳴素子と上記第４の共鳴素子が重ねて配置されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の無線電力伝送装置。
7. 上記電磁界共鳴器における上記第１の共鳴素子と、上記第２の共鳴素子と、上記第３の共鳴素子と、上記第４の共鳴素子とが同心円状に配置されており、
   径が異なる上記第１の共鳴素子と上記第２の共鳴素子と上記第３の共鳴素子と上記第４の共鳴素子とが重ねて配置されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の無線電力伝送装置。
8. 上記電磁界共鳴器における上記第１から第４の共鳴素子のうち、少なくとも１以上の共鳴素子が、給電ループと無給電コイルから構成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送装置。
9. 上記電磁界共鳴器における上記第１から第４の共鳴素子のうち、少なくとも１以上の共鳴素子が、給電ループと無給電コイルから構成されており、
   上記無給電コイルの両端がキャパシタを介して接続されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送装置。
10. 上記電磁界共鳴器における上記第１から第４の共鳴素子のうち、少なくとも１以上の共鳴素子がコイルで構成されており、
    上記コイルの両端が給電点とキャパシタを介して接続されている
    ことを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送装置。
11. 上記電磁界共鳴器における上記第１から第４の共鳴素子のうち、少なくとも１以上の共鳴素子がヘリカルダイポールで構成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送装置。
12. 上記方向性結合器は、集中定数素子からなるブランチ形カプラで構成されていることを特徴とする請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送装置。

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