JP6116924B2 - 無線電力伝送システム - Google Patents

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、特許文献１の図１１に示す第３実施形態では、コイルの中心位置がずれた場合に、結合特性が変化することから、電力を効率良く伝送できないという問題点がある。

そこで、本発明は、位置ずれおよび回転ずれに強く、電力を効率良く伝送できる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対向配置された第１および第２電極と、一方の端子が前記第１電極に電気的に接続された第１インダクタと、前記第１インダクタの他方の端子と交流電力発生部の一方の出力端子とを電気的に接続する第１接続線と、前記第２電極と前記交流電力発生部の他方の出力端子とを電気的に接続する第２接続線と、を有し、前記受電装置は、前記第１電極の前記第２電極に対向する面の裏面から所定の距離を隔ててこの裏面に対向配置された第３電極と、前記第３電極の前記第１電極に対向する面の裏面から所定の距離を隔ててこの裏面に対向配置された第４電極と、一方の端子が前記第３電極に電気的に接続された第２インダクタと、前記第２インダクタの他方の端子と負荷の一方の入力端子とを電気的に接続する第３接続線と、前記第４電極と前記負荷の他方の入力端子とを電気的に接続する第４接続線と、を有し、前記第１および第２電極ならびに前記第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、前記第３および第４電極ならびに前記第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、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、前記第１および第２電極の間隔と前記第３および第４電極の間隔をＧとし、前記第２および第４電極の最大幅をＬとした場合に、ＬがＧの数倍となるように設定することで、前記第２電極を挟んで線対称の位置に前記第１電極の鏡像が形成されるとともに、前記第４電極を挟んで線対称の位置に前記第３電極の鏡像が形成される、ことを特徴とする無線電力伝送システム。
このような構成によれば、位置ずれおよび回転ずれに強く、電力を効率良く伝送することが可能になる。

また、本発明の一側面は、前記第２および第４電極は、前記第１および第３電極よりも面積が広いことを特徴とする。
このような構成によれば、鏡像を用いることによって、伝送距離を伸ばすことが可能となる。

また、本発明の一側面は、前記第１インダクタは、前記第１電極と前記第２電極に挟まれた空間内に収まるように配置され、前記第２インダクタは、前記第３電極と前記第４電極に挟まれた空間内に収まるように配置されることを特徴とする。
このような構成によれば、インダクタと電界との干渉を抑制することにより、転送効率を向上させることが可能になる。

また、本発明の一側面は、前記第１電極と前記第２電極に挟まれた空間内の素子は前記第１インダクタのみであり、前記第３電極と前記第４電極に挟まれた空間内の素子は前記第２インダクタのみであることを特徴とすることを特徴とする。

また、本発明の一側面は、前記第１および第２電極の間隔と前記第３および第４電極の間隔をＧとし、前記第１および第３電極の間隔をＤとした場合に、Ｇ≧Ｄ／２となるように設定されていることを特徴とする。
このような構成によれば、結合電界を強くすることにより、伝送距離を飛ばすことができる。

また、本発明の一側面は、前記第１および第２電極の間隔と前記第３および第４電極の間隔をＧとし、前記第１および第３電極の最大幅をＷとした場合に、Ｇ≧Ｗ／２となるように設定されていることを特徴とする。
このような構成によれば、結合電界を強くすることにより、伝送距離を伸ばすことができる。

また、本発明の一側面は、前記第１および第３電極はアルミニウムまたは銅によって構成されていることを特徴とする。
このような構成によれば、インダクタに発生する熱を、効率良く放熱することが可能になる。

また、本発明の一側面は、前記第１および第３電極に放熱部材を設けたことを特徴とする。
このような構成によれば、インダクタに発生する熱をさらに効率良く放熱することが可能になる。

また、本発明の一側面は、前記第１電極を前記第２電極に対して誘電体によって構成される部材によって固定するとともに、前記第３電極を前記第４電極に対して誘電体によって構成される部材によって固定したことを特徴とする。
このような構成によれば、電界に影響を与えることなく、電極を固定することが可能になる。

また、本発明の一側面は、前記第１乃至第４電極の少なくとも１つが誘電体基板上に形成された金属箔によって構成されることを特徴とする。
このような構成によれば、電極を軽量化することが可能になる。

また、本発明の一側面は、前記受電装置は、車両に搭載されていることを特徴とする。
このような構成によれば、位置ずれおよび回転ずれが生じている場合でも、車両に電力を効率良く伝送することが可能になる。

また、本発明の一側面は、前記第２電極は、前記車両の車体を構成する金属部材を利用することを特徴とする。
このような構成によれば、既存の部品を利用して、無線電力伝送システムを構成することが可能になる。

本発明によれば、回転ずれに強く、電力を遠くまで効率良く伝送できる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に示す送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。 図２に示す受電用カプラを９０度回転させた場合の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のインピーダンスのスミスチャートを示す図である。 図２に示す無線電力伝送システムを車両に搭載した場合を示す図である。 図９に示す車両が適正位置に停車された状態を示す図である。 図９に示す車両が適正位置から角度ｄθずれて停車された状態を示す図である。 図２において受電用カプラが電界と平行な方向にずれて配置された状態を示す図である。 図１２における電界の分布を模式的に示す図である。 図１２の状態における送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。 図１２の状態における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９に示す車両が適正位置から左にｄＬずれて停車された状態を示す図である。 図２に示す無線電力伝送システムの配置の一例を示す図である。 図１７に示す配置における電界の分布を模式的に示す図である。 図１７に示す配置における伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図１７に示す送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。 図１７に示す配置の電界分布をＹ軸方向から眺めた図である。 図１７に示す配置の電界分布をＺ軸方向から眺めた図である。 図１７に示す配置の電界分布をＸ軸方向から眺めた図である。 図１７に示す配置において送電用カプラをＺ方向にオフセットさせた状態を示す図である。 図２４に示す送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。 図２４に示す配置における伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図１７に示す配置において送電用カプラをＸ方向にオフセットさせた状態を示す図である。 図２７に示す送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。 図２７に示す配置における伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図１７に示す配置において受電用カプラをＹ軸周りに９０度回転させた状態を示す図である。 図３０に示す送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。 図３０に示す配置における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配置の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成例を示す図である。 図３４に示す実施形態のインダクタ周辺の詳細な構成を示す図である。 図３４に示す実施形態の電界分布を模式的に示す図である。 図３４に示す実施形態の電流分布のシミュレーション結果を示す図である。 図３４に示す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３４に示す送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。 図３４に示す実施形態において送電用カプラをＸ方向にオフセットさせた状態を示す図である。 図４０に示す位置ずれｄｘと伝送効率および反射損の関係を示す図である。 図３４に示す実施形態において受電用カプラをＹ軸周りにｄθ回転させた状態を示す図である。 図４０に示す回転ずれｄθと伝送効率および反射損の関係を示す図である。 本発明の実施形態の無線電力伝送システムを車両に搭載した状態を示す図である。 図４４において車両が適正位置から右にずれて停車された状態を示す図である。 図４４において車両が適正位置から時計方向に回転ずれして停車された状態を示す図である。 図３４に示す実施形態の実測結果を示す図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）直列共振を利用した無線伝送システムの説明
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、伝送効率約９５％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送電用カプラ１１０のインピーダンスＳ１１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、図２に示す無線電力伝送システムでは、送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０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。

図６は、図２に示す無線電力伝送システムの受電用カプラ１２０を反時計方向に９０度回転させて配置した状態を示している。図７は、図６に示す配置状態における、送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示す図である。図７に示すように、伝送効率η２１は０となり、反射損η１１は１に近い値となるため、送電用カプラ１１０に入力された電力の殆どが反射され、受電用カプラ１２０には伝送されない。また、図８に示すように、入力インピーダンスＳ１１が低い状態となってインピーダンスが整合しない状態となる。このため、図２に示す無線電力伝送システムでは、図６に示すように送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０とが直交する状態では、電力を伝送することができない。以上から、図２に示す無線電力伝送システムでは、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０とが軸を中心として回転された場合には特性の劣化を招くことになる。

図９は図２に示す無線電力伝送システムを車両２００に搭載した状態を説明するための図である。この図９に示す例では、車体の下部に受電用カプラ１２０が設けられ、また、地面に送電用カプラ１１０が設けられている。なお、受電用カプラ１２０で受電した電力は、車両２００に搭載されている図示しない二次電池を充電するために使用する。図９の例では、車両２００は、送電用カプラ１１０から離れた位置に存在するため、送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への電力の伝送は実行されない。

図１０は、車両２００が適正な位置に停車された状態を示す図である。この図１０の例では、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の中心が略一致するように停車されている。このような場合には、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０との間の電界結合が最大となるため、電力を効率良く伝送することができる。

図１１は、車両２００が適正位置から角度ｄθずれた状態で停車された場合を示している。このような場合には、前述した図６と同様に、適正位置からずれた状態となるため、伝送効率が低下する。

つぎに、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０が図１２におけるＸ方向にオフセットした場合について説明する。図１２は、受電用カプラ１２０がＸ方向（図中に太線の矢印で示す方向）に２０ｃｍオフセットした状態を示している。このような場合には、図１３に示すように、送電用カプラ１１０により形成された電界の方向と受電カプラ１２０の方向が一致せず、図１４に示すように、入力インピーダンスＳ１１が低い状態となってインピーダンスが整合しない状態となる。このため、図１５に示すように、伝送効率が１．９％程度に低下する。これにより、図１６に示すように、車両２００が送電用カプラ１１０の適正位置からｄＬオフセットして停車された場合には、伝送効率が低下する。

そこで、電極が同一平面上に配置され、電界に平行な方向が配列の方向となるようにしたのが図１７に示す例である。図１７の例では送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０とが同一平面上に配置されている。このとき、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０とは、図１８に示すように、実線の矢印で示す送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０の電気力線と、破線の矢印で示す電極間の電気力線は平行になる。

図１９は図１７に示す配置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と、反射損η１１の周波数特性を示し、図２０は送電用カプラ１１０のインピーダンスＳ１１のスミスチャートを示している。図１９に示すように、図１７の配置によっても、２７ＭＨｚ周辺において、伝送効率約９５％を達成している。また、図２０に示すように、送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０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、反射を抑えて効率良く電力を伝送することができる。

図２１は、図１７に示す例のＸＺ面方向の電界ベクトル分布を示す図（図１７をＹ軸方向から眺めた図）である。分布を表示する面はＸＺ面に平行で、かつＹ方向座標において送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０の電極間の中点を含む面である。この図に示すように、ＸＺ面方向の電界ベクトル分布はＹ軸に対して対称となっている。このため、図１７に示す配置によると、回転方向のずれに対する伝送効率の低下が少ないことが予想される。図２２は、図１７に示す例のＸＹ面方向の電界ベクトル分布を示す図（図１７をＺ軸方向から眺めた図）であり、分布を表示する面はＸＹ面に平行で、かつＺ方向座標において送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０の電極を含む面である。また、図２３は、図１７に示す例のＺＹ面方向の電界ベクトル分布を示す図（図１７をＸ軸方向から眺めた図）であり、分布を表示する面はＺＹ面に平行で、かつＸ方向座標において送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０の電極のＸ方向の長さにおける中点を含む面である。これらの図に示すように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０との間の電界ベクトル分布は、破線で囲んで示すように、Ｙ軸方向の成分が主成分であり、かつＸＺ面に平行は方向における変動量が少なくなっている。このため、図１７に示す配置では、ＸＺ面に平行な方向での位置ずれに対する伝送効率の低下が少ないことが予想される。

図２４は、図１７に示す配置において、送電用カプラ１１０をＺ軸方向に７５ｍｍオフセットさせた状態を示している。図２５は図２４の状態における送電用カプラ１１０のインピーダンスＳ１１のスミスチャートを示し、図２６は送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示している。これらの図に示すように、送電用カプラ１１０をＺ軸方向に７５ｍｍオフセットさせた場合でも、反射は少なく、伝送効率は８８％程度を保っている。

図２７は、図１７に示す配置において、送電用カプラ１１０をＸ軸方向に７５ｍｍオフセットさせた状態を示している。図２８は図２７の状態における送電用カプラ１１０のインピーダンスＳ１１のスミスチャートを示し、図２９は送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示している。これらの図に示すように、送電用カプラ１１０をＸ軸方向に７５ｍｍオフセットさせた場合でも、反射は少なく、伝送効率は９４％程度を達成することができる。

図３０は、図１７に示す配置において、受電用カプラ１２０をＹ軸周りに９０度回転させた状態を示している。図３１は図３０の状態における送電用カプラ１１０のインピーダンスＳ１１のスミスチャートを示し、図３２は送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示している。これらの図に示すように、受電用カプラ１２０をＹ軸周りに９０度回転させた場合でも、反射は少なく、伝送効率は９４％程度を達成することができる。

ところで、図１７に示す配置では、伝送距離が７５ｍｍ程度と短く、また、Ｙ方向の幅が５７５ｍｍと広いことから、これらの点が問題である。そこで、図１７の変形態様として、図３３に示すように電極１１１，１１２および電極１２１，１２２を対向配置するとともに、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０も同様に対向配置することが考えられる。このような配置によれば、Ｙ方向の幅を図１７に示す５７５ｍｍから約半分の２５０ｍｍに短縮することができる。また、電極を対向配置することで対向面積が増加するため、キャパシタンスが増加する。これによりインダクタの素子値を約半分にすることができる。しかしながら、図３３の例では、電極１１１と電極１１２の間と、電極１２１と電極１２２の間に電界が集中することから、電極１１１と電極１２１の間の電界が弱くなり、伝送距離が短くなってしまう。

（Ｂ）本発明の実施形態の説明
つぎに、本発明の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３４は本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成例を示す斜視図である。この図に示すように、本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムは、送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０を有している。送電用カプラ１１０は、矩形形状を有する電極１１１と、同じく矩形形状を有する電極１１２と、インダクタ１１３と、接続線１１５，１１６とを有している。受電用カプラ１２０は、矩形形状を有する電極１２１と、同じく矩形形状を有する電極１２２と、インダクタ１２３と、接続線１２５，１２６とを有している。電極１１１，１１２，１２１，１２２は、例えば、銅またはアルミニウム等の導電性の板状部材によって構成される。

なお、電極１１１，１２１は一辺の長さがＷの正方形の形状を有し、電極１１２，１２２は一辺の長さがＬの正方形の形状を有している。また、電極１１１と電極１１２の間隔はＧとされ、電極１２１と電極１２２の間隔はＧとされ、電極１１１と電極１２１の間隔はＤとされている。ここで、Ｗ，Ｄ，Ｌの関係は、例えば、つぎの式（１），（２）を満たすように設定することができる。また、ＬはＧの数倍以上に設定することができる。なお、以下では、一例として、Ｄ＝２００ｍｍ、Ｇ＝１００ｍｍ、Ｌ＝１０００ｍｍの場合を例に挙げて説明する。

Ｇ≧Ｄ／２ ・・・（１）
Ｇ≧Ｗ／２ ・・・（２）

ここで、式（１）は後述の鏡像効果に基づき、電極１１１，１２１の電界結合が電極１１１と電極１１２もしくは電極１２１と電極１２２の電界結合以上に強くなる条件である。電極１１１の幅が電極１１１と電極１１２の間隔に対して狭くなると、電極１１１と電極１１２間に生じるフリンジ電界量が増加する。同様に電極１２１の幅が電極１２１と電極１２２の間隔に対して狭くなると、電極１２１と電極１２２間に生じるフリンジ電界量が増加する。フリンジ電界量が増加することで送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の電界結合が生じやすくなる。式（２）はその条件を示している。

インダクタ１１３は、電極１１１と電極１１２に挟まれた空間内に収まるように配置され、また、インダクタ１２３も、電極１２１と電極１２２に挟まれた空間内に収まるように配置される。図３４の例では、インダクタ１１３は、電極１１１の中央付近に配置され、また、インダクタ１２３は、電極１２１の中央付近に配置されている。

図３５は、図３４に示す受電用カプラ１２０のインダクタ１２３周辺の構成を示す断面図である。この図３５に示すように、受電用カプラ１２０の電極１２１の中央部にはインダクタ１２３の一方の端子が、半田または溶接による接合部１２１ｂによって電気的に接続されている。インダクタ１２３の他方の端子は接続線１２５に接続されている。接続線１２５は電極１２２の中央部に設けられた貫通孔１２２ａを通じて電極１２２の外側に引き出される。また、電極１２２の貫通孔１２２ａの近傍には接続線１２６が、半田または溶接による接合部１２２ｂによって電気的に接続されている。なお、送電用カプラ１１０も受電用カプラ１２０と同様の構成とされているので、その説明は省略する。

図３６は実施形態の動作を説明するための図である。本実施形態では、図３６に示すように、電極１１２がグランドとして機能することから、電極１１２を挟んで線対称の位置に電極１１１の鏡像１１１’が形成される。同様に、電極１２２がグランドとして機能することから、電極１２２を挟んで線対称の位置に電極１２１の鏡像１２１’が形成される。これにより、電極１１１，１２１と、電極１１２、電極１２２よりも離れた位置に存在する鏡像１１１’，１１２’が結合する形になり、送電カプラの電極同士、受電カプラの電極同士の結合は弱くなる。結果として送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の電界結合が強くなることから、図３３の構成に比較して、本実施形態では伝送距離を伸ばすことができる。なお、電極１１２、電極１２２がグランドとして機能するには、それぞれの最大幅が、電極１１１と電極１１２の間隔、電極１２１と電極１２２の間隔の数倍程度（例えば、２倍以上）あれば良い。

図３７は本実施形態の電流分布のシミュレーション結果を示す図である。なお、このシミュレーションでは、電極１１２，１２２は１０００ｍｍ×１０００ｍｍ（Ｌ＝１０００ｍｍ）のサイズとされ、電極１１１，１２１は２００ｍｍ×２００ｍｍ（Ｗ＝２００ｍｍ）のサイズとされている。また、電極１１１と電極１１２の間隔は１００ｍｍ（Ｇ＝１００ｍｍ）とされ、電極１２１と電極１２２の間隔は１００ｍｍ（Ｇ＝１００ｍｍ）とされ、また、電極１１１と電極１２１の間隔は２００ｍｍ（Ｄ＝２００ｍｍ）とされている。また、インダクタ１１３，１２３は直径が４２ｍｍ、長さが３９．６ｍｍ、巻き数が１０回とされている。図３７に示すように、電流はインダクタ１１３、１２３を中心に対称に分布しており、それに付随する磁界、電界も対称に分布することが容易に判断できる。

図３８は図３４に示す実施形態の送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を２００ｍｍ隔てて対向配置した場合（Ｄ＝２００ｍｍ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と、反射損η１１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３８に示す例では、２７ＭＨｚ周辺において、伝送効率約９５％を達成している。

図３９は、図３４に示す実施形態の送電用カプラ１１０のインピーダンスＳ１１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、図３４に示す実施形態では、送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０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。

図４０は送電用カプラ１１０に対して受電用カプラ１２０をＸ方向にｄｘ変位させた状態を示し、図４１は受電用カプラ１２０のずれ量と、伝送効率および反射損の関係を示す図である。図４１において横軸は図４０に示すＸ方向のずれｄｘを示し、縦軸は伝送効率η２１および反射損η１１を示す。この図４０に示すように、伝送効率はずれｄｘに応じて徐々に減衰し、図１５で示されるような、特異点であるヌル点が存在しない。また、１５０ｍｍの以下のずれであれば伝送効率は８０％以上を達成することができる。

図４２は、受電用カプラ１２０をＹ軸を中心としてｄθの回転ずれを有する状態を示している。図４３は、回転ずれｄθに対する伝送効率と反射損の変化を示す図である。図４３において横軸は送電用カプラ１１０に対する受電用カプラ１２０の回転ずれｄθを示し、縦軸は伝送効率η２１および反射損η１１を示している。この図に示すように、伝送効率η２１および反射損η１１のグラフはフラットで、回転ずれｄθに対する伝送効率と反射損の変化はほとんどない。

以上に示したように、本発明の実施形態によれば、位置ずれおよび回転ずれに対しても伝送特性の劣化を少なくすることができる。

図４４は、本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムを車両に搭載した例を示している。この例では、送電用カプラ１１０を地面に設置し、受電用カプラ１２０を車両のシャーシ下に配置している。このような実施形態によれば、例えば、図４５に示すように、車両２００が適正位置（電極１１１と電極１２１の中心が一致する場合）からずれを有して停車された場合であっても伝送効率を低下させずに、車両２００に搭載された図示しない二次電池を充電することができる。また、図４６に示すように、車両２００が適正位置から回転ずれを有して停車された場合であっても伝送効率を低下させずに車両２００に搭載された図示しない二次電池を充電することができる。

図４７は、本実施形態に係る無線電力伝送システムの実測結果を示している。なお、この実測結果は、電極１１１，１２１のサイズが２００×２００ｍｍ、電極１１２，１２２のサイズが４００×４００ｍｍ、電極１１１，１２１と電極１１２，１２２の間の距離が６０ｍｍ、電極１１１と電極１２１の距離が８０ｍｍ、インダクタ１１３，１２３が長さが４０ｍｍ、直径が３８ｍｍ、巻き数が９回、線径が２ｍｍで、５００Ｗの電力を伝送する場合の結果を示している。この実測結果から、伝送効率は９０％を達成していることが分かる。

以上に説明したように、本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムによれば、位置ずれや回転ずれが生じた場合でも伝送効率を高く保つことができる。これにより、例えば、車両に搭載した場合には、停車位置が適正でない場合でも高い効率で電力を伝送することが可能になる。

また、本実施形態では、インダクタとして径が太い導線を用いることができることから、インダクタに発生した熱を効率よく電極に伝え、放熱することができる。このため、大電力を伝送することが可能になる。

（Ｃ）変形実施形態
以上の実施形態では、電極１１１，１１２，１２１，１２２は正方形としたが、これ以外の形状でもよい。例えば、長方形、円形、楕円形、三角形、または、多角形であってもよい。

また、図３７に示す電極のサイズは一例であって、これ以外のサイズであってもよい。例えば、電極１１１，１２１と電極１１２，１２２が略同じサイズとなるようにしてもよい。もちろん、電極１１１，１２１よりも電極１１２，１２２の面積を大きくすることで、前述したように鏡像が生じることから、伝送距離を伸ばすことができる。

また、電極１１２として駐車場のパレット（車両が載置される金属製の台）を用いることもできる。また、電極１２２としては、車両の車体（例えば、車両のフレーム等）を用いることもできる。そのような構成によれば、既存の部材を用いて無線電力伝送システムを構成することができる。

また、電極１１１，１１２，１２１，１２２の少なくとも１つを、誘電体基板上に設けられた金属箔によって構成することも可能である。そのような構成によれば、金属板を使用する場合に比較して、重さを軽くすることができる。

また、電極１１１，１２１は電極１１２，１２２の中心付近に配置するようにしたが、中心付近からずれた位置に配置するようにしてもよい。また、電極１１１，１１２，１２１，１２２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。さらに、軸方向に延伸された立体形状を有するようにしてもよい。また、電極の一部に切り欠きや貫通孔等を有するようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、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、以上の実施形態では、電極のみを図示したが、電極を支える部材を設けるようにしてもよい。例えば、電極１１１，１２１を電極１１２，１２２に対して、例えば、誘電体によって形成される部材によって係止するようにしてもよい。一例としては、例えば、電極１１１，１２１の頂部に誘電体によって形成された支柱を４本配置し、この支柱を電極１１２，１２２に誘電体製または金属製のねじによって固定するようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、伝送する電力が大きい場合には、インダクタ１１３，１２３が加熱する場合があるので、その熱を放熱ために、電極１１１，１２１を熱伝導性が高い金属である銅やアルミニウムによって構成するとともに、インダクタ１１３，１２３を電極１１１，１２１に熱伝導性が高くなる態様で接続（例えば、溶接による接続）するようにしてもよい。そのような実施形態によれば、インダクタ１１３，１２３で発生した熱を表面積が広い電極１１１，１２１を介して放熱することができる。また、放熱をよりスムーズにするために、例えば、電極１１１，１２１に放熱フィン等の放熱部材を設けるようにしてもよい。なお、放熱部材としては、例えば、放熱フィンだけでなく、例えば、インダクタ１１３，１２３を冷却するための冷却ファンと、冷却ファンで発生された風をインダクタ１１３，１２３に導く導風部材も含むものである。

また、以上の実施形態では、無線電力伝送システムを車両に搭載する場合を例に挙げて説明したが、これ以外にも、例えば、ロボットの回転軸や、回転翼を介して電力を供給する目的で使用することが可能である。

１ 無線電力伝送システム
１１０ 送電用カプラ
１１１ 電極（第１電極）
１１２ 電極（第２電極）
１１３ インダクタ（第１インダクタ）
１１５ 接続線（第１接続線）
１１６ 接続線（第２接続線）
１２０ 受電用カプラ
１２１ 電極（第３電極）
１２２ 電極（第４電極）
１２３ インダクタ（第２インダクタ）
１２５ 接続線（第３接続線）
１２６ 接続線（第４接続線）
２００ 車両

Claims (12)

1. 送電装置から受電装置に対して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対向配置された第１および第２電極と、
   一方の端子が前記第１電極に電気的に接続された第１インダクタと、
   前記第１インダクタの他方の端子と交流電力発生部の一方の出力端子とを電気的に接続する第１接続線と、
   前記第２電極と前記交流電力発生部の他方の出力端子とを電気的に接続する第２接続線と、を有し、
   前記受電装置は、
   前記第１電極の前記第２電極に対向する面の裏面から所定の距離を隔ててこの裏面に対向配置された第３電極と、
   前記第３電極の前記第１電極に対向する面の裏面から所定の距離を隔ててこの裏面に対向配置された第４電極と、
   一方の端子が前記第３電極に電気的に接続された第２インダクタと、
   前記第２インダクタの他方の端子と負荷の一方の入力端子とを電気的に接続する第３接続線と、
   前記第４電極と前記負荷の他方の入力端子とを電気的に接続する第４接続線と、を有し、
   前記第１および第２電極ならびに前記第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、前記第３および第４電極ならびに前記第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、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、
   前記第１および第２電極の間隔と前記第３および第４電極の間隔をＧとし、前記第２および第４電極の最大幅をＬとした場合に、ＬがＧの数倍となるように設定することで、前記第２電極を挟んで線対称の位置に前記第１電極の鏡像が形成されるとともに、前記第４電極を挟んで線対称の位置に前記第３電極の鏡像が形成される、
   ことを特徴とする無線電力伝送システム。
2. 前記第２および第４電極は、前記第１および第３電極よりも面積が広い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。
3. 前記第１インダクタは、前記第１電極と前記第２電極に挟まれた空間内に収まるように配置され、
   前記第２インダクタは、前記第３電極と前記第４電極に挟まれた空間内に収まるように配置される、
   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。
4. 前記第１電極と前記第２電極に挟まれた空間内の素子は前記第１インダクタのみであり、
   前記第３電極と前記第４電極に挟まれた空間内の素子は前記第２インダクタのみであ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。
5. 前記第１および第２電極の間隔と前記第３および第４電極の間隔をＧとし、前記第１および第３電極の間隔をＤとした場合に、Ｇ≧Ｄ／２となるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
6. 前記第１および第２電極の間隔と前記第３および第４電極の間隔をＧとし、前記第１および第３電極の最大幅をＷとした場合に、Ｇ≧Ｗ／２となるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
7. 前記第１および第３電極はアルミニウムまたは銅によって構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
8. 前記第１および第３電極に放熱部材を設けた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。
9. 前記第１電極を前記第２電極に対して誘電体によって構成される部材によって固定するとともに、前記第３電極を前記第４電極に対して誘電体によって構成される部材によって固定したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
10. 前記第１乃至第４電極の少なくとも１つが誘電体基板上に形成された金属箔によって構成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
11. 前記受電装置は、車両に搭載されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
12. 前記第２電極は、前記車両の車体を構成する金属部材を利用す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。
    

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