JP6124085B2 - 無線電力伝送装置、無線電力送電装置および受電装置 - Google Patents

Description

本開示は、共振磁界結合を利用して電力を無線で伝送する共振磁界結合型の非接触電力技術に関する。

特許文献１は、２つの共振器の間で空間を介して電力を伝送する新しい無線電力伝送装置を開示している。この無線電力伝送装置では、共振器の周辺の空間に生じる共振周波数の振動電力のしみ出し（エバネッセント・テール）を介して２つの共振器を結合することにより、振動電力を無線（非接触）で伝送する。

特許文献２は、他の共振磁界結合型の無線電力伝送装置を開示している。この無線電力伝送装置によれば、比較的低い結合効率で電力を伝送する際に電圧を効果的に上昇させることができる。

米国特許出願公開第２００８／０２７８２６４号明細書（図１０、図１２） 特開２０１１−４１４６４号公報

共振磁界結合によって電力を伝送するとき、共振磁界が外部に漏れて人に影響が及ぶことが危惧される。本発明の実施形態は、漏れ磁界を抑制することのできる無線電力伝送装置および送電装置を提供する。

実施形態において、無線電力伝送装置は、非接触状態で対向するように配置される送電アンテナおよび受電アンテナと、前記送電アンテナと前記受電アンテナとが対向しているとき、前記送電アンテナおよび前記受電アンテナを内部空間に収容する電磁シールド構造体であって、第１シールドおよび第２シールドを有し、前記第１シールドは、前記送電アンテナを収容する第１空間を形成するように、前記送電アンテナに対向する第１の平板部分と、前記第１の平板部分の端部から前記第１の平板部分に垂直に突出する第１のシールド側壁とを有し、かつ、前記第２シールドは、前記受電アンテナを収容する第２空間を形成するように、前記受電アンテナに対向する第２の平板部分と、前記第２の平板部分の端部から前記第２の平板部分に垂直に突出する第２のシールド側壁とを有している電磁シールド構造体とを備え、前記第１シールドおよび前記第２シールドの少なくとも一方が、前記送電アンテナおよび前記受電アンテナの少なくとも一方に平行で、かつ前記第１のシールド側壁および前記第２のシールド側壁の少なくとも一方から前記電磁シールド構造体の外側に向かって拡がる突出部を有しており、前記送電アンテナから前記受電アンテナに高周波磁界を介して非接触で電力を伝送する。

本発明の実施形態における無線電力伝送装置および送電装置によれば、磁性体部材によって漏れ磁界を抑制することができる。

本開示の無線電力伝送装置の基本構成例を示す図である。 本開示の無線電力伝送装置におけるアンテナの等価回路の例を示す図である。 本開示の他の無線電力伝送装置（整流回路付）の基本構成例を示す図である。 本開示の無線電力伝送装置におけるアンテナ配置の一例を模式的に示す斜視図である。 本開示の無線電力伝送装置におけるアンテナ配置の一例を模式的に示す側面図である。 本開示の無線電力伝送装置における電磁シールド構造体の一例を示す斜視図である。 本開示の無線電力伝送装置における電磁シールド構造体の一例を示す断面図である。 本開示の無線電力伝送装置における電磁シールド構造体の他の例を示す斜視図である。 本開示の無線電力伝送装置における電磁シールド構造体の他の例を示す断面図である。 アンテナ配置の例を示す斜視図である。 比較例における突出部が無い電磁シールド構造体とアンテナとの関係を示す透過斜視図である。 本開示の実施例における電磁シールド構造体とアンテナとの関係を示す透過斜視図である。 本開示の無線電力伝送装置における電磁シールド構造体の更に他の例を示す断面図である。 本開示の無線電力伝送装置における電磁シールド構造体の更に他の例を示す断面図である。 本開示の無線電力伝送装置における電磁シールド構造体の更に他の例を示す断面図である。 本開示の無線電力伝送装置における電磁シールド構造体のサイズを規定するパラメータを示す断面図である。 無線電力伝送時における漏れ磁界強度と電磁シールド構造体の中心からの距離との関係を示すグラフである。 突出部２００ｃが無い場合における漏れ磁界強度に対する突出部２００ｃを設けた場合における磁界強度の比率（磁界強度抑圧比）の突出部２００ｃの長さ依存性を示すグラフである。

本開示による無線電力伝送装置の実施形態を説明する前に、本開示の基本構成を簡単に説明する。

本開示の一側面によると、無線電力伝送装置は、第１インダクタと第２インダクタとを備え、第１インダクタと第２インダクタとの間で共振磁界結合によって非接触で電力を伝送する。第２インダクタは、第１インダクタから離間している。第１インダクタおよび第２インダクタの一方は送電アンテナのインダクタとして機能し、他方は受電アンテナのインダクタとして機能する。

実施形態において、この無線電力伝送装置は、対向して配置された送電アンテナおよび受電アンテナを内部空間に収容する電磁シールド構造体を備えている。この電磁シールド構造体は、第１シールドおよび第２シールドを有し、第１シールドは送電アンテナを収容する第１空間を形成するように、前記送電アンテナに対向する第１の平板部分と、前記第１の平板部分の端部から前記第１の平板部分に垂直に突出する第１のシールド側壁とを有し、第２シールドは受電アンテナを収容する第２空間を形成するように、前記受電アンテナに対向する第２の平板部分と、前記第２の平板部分の端部から前記第２の平板部分に垂直に突出する第２のシールド側壁とを有している。第１シールドおよび第２シールドの少なくとも一方は、前記送電アンテナおよび前記受電アンテナの少なくとも一方に平行で、かつ前記第１のシールド側壁および前記第２のシールド側壁の少なくとも一方から前記電磁シールド構造体の外側に向かって拡がる突出部（追加シールド）を有している。送電アンテナおよび受電アンテナが対向して配置されるとき、第１シールドと第２シールドとの間には、ギャップが形成される。このような構成を備えることにより、ギャップから外側に漏れる磁界の強度が低減される。

ある実施形態において、前記突出部は、前記第１シールドのうち、前記ギャップの一端を規定する部分から前記電磁シールド構造体の外側に向かって鍔状に拡がっている。

ある実施形態において、前記突出部は、前記第２シールドのうち、前記ギャップの一端を規定する部分から前記電磁シールド構造体の外側に向かって鍔状に拡がっている。

ある実施形態において、前記第１シールドおよび前記第２シールドの各々が前記突出部を有している。

ある実施形態において、前記突出部は、前記ギャップの一端および他端を規定する部分から前記電磁シールド構造体の外側に向かって鍔状に拡がっている。

ある実施形態において、前記突出部は前記境界面に対して平行である。

ある実施形態において、導電体部分を有する筐体を備え、前記筐体の前記導電体部分は、前記電磁シールド構造体の前記突出部に接触している。

ある実施形態において、前記電磁シールド構造体は非磁性導電材料から形成されている。

ある実施形態において、前記第１シールドおよび前記第２シールドの少なくとも一方は、前記受電アンテナまたは前記送電アンテナに対向する磁性体シートを備えている。

ある実施形態において、前記突出部は、前記高周波磁界の周波数において、前記第１シールドまたは前記第２シールドと電磁気的に結合する。

ある実施形態において、前記第１シールドが前記突出部を有し、前記第１シールドのアンテナ対向面と前記送電アンテナとの距離をＧ１、前記第１シールドの突出部の長さをＥＬとするとき、０．１≦ＥＬ／Ｇ１が成立する。

ある実施形態において、前記第２シールドが前記突出部を有し、前記第２シールドのアンテナ対向面と前記受電アンテナとの距離をＧ２、前記第２シールドの突出部の長さをＥＬとするとき、０．１≦ＥＬ／Ｇ２が成立する。

次に、図１を参照する。図１は、本開示による無線電力伝送装置の基本構成の一例を示している。この無線電力伝送装置の例は、発振周波数ｆ０の発振器１０３と、共振周波数ｆＴの送電アンテナ１０７と、共振周波数ｆＲの受電アンテナ１０９と、電磁シールド構造体２００とを備えている。共振周波数ｆＴおよび共振周波数ｆＲは、典型的には、周波数ｆ０に等しく設定され得るが、共振周波数ｆＴ、共振周波数ｆＲ、および共振周波数ｆ０は相互に等しく設定されている必要はない。周波数ｆ０は、例えば５０Ｈｚ〜３００ＧＨｚ、ある例では、１００ｋＨｚ〜１０ＧＨｚ、典型的には、５００ｋＨｚ〜２０ＭＨｚに設定される。なお、用途によっては、１０ｋＨｚ〜１ＧＨｚ、あるいは、２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚ、１００ｋＨｚ〜２０５ｋＨｚ、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲に設定される。本明細書では、このような周波数ｆ０の振動磁界によって伝送される電力を「高周波電力」または「ＲＦ電力」と称する場合がある。なお、発振器１０３の発振周波数ｆ０、送電アンテナ１０７の共振周波数ｆＴ、および、受電アンテナ１０９の共振周波数ｆＲの少なくとも１つは、可変であり得る。

発振器１０３は、典型的には、直流電力を受け取り、この直流電力を周波数ｆ０のＲＦ電力に変換する（ＤＣ−ＲＦ変換）。発振器１０３には、Ｄ級、Ｅ級、Ｆ級などの、高効率且つ低歪な特性を実現できる増幅器を用いることができるし、ドハーティ増幅器を用いてもよい。歪成分を含む出力信号を発生するスイッチング素子の後段に、低域通過フィルタまたは帯域通過フィルタ、帯域阻止フィルタを配置することにより、高効率な正弦波を生成してもよい。発振器１０３は、交流電力を受け取り、ＲＦ電力に変換してもよい。

発振器１０３から出力されたＲＦ電力は、発振器１０３に接続された送電アンテナ１０７に入力される。送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９は、互いの共振器が形成する共振磁界によって結合され、受電アンテナ１０９は、送電アンテナ１０７によって送出されたＲＦ電力を受け取ることができる。受電アンテナ１０９は、送電アンテナ１０７に接触しておらず、送電アンテナ１０７から例えば１０ｃｍ〜数ｍ程度は離間している。

本開示の無線電力伝送装置における「アンテナ」は、共振器の電磁界の近接場成分（エバネッセント・テール）を利用した結合を利用して２つの物体間で電力伝送を行うための要素である。共振磁界結合を利用した無線電力伝送によれば、電磁波を遠方に伝播させるときに生じる電力損失が生じないため、極めて高い効率で電力を伝送することが可能になる。このような共振磁界結合を利用した電力伝送では、ファラデーの電磁誘導の法則を利用した公知の非接触電力伝送に比べて損失が少ない。

次に、図２を参照する。図２は、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９の等価回路の一例を示す図である。図２に示すように、本開示における送電アンテナ１０７は、第１インダクタ１０７ａおよび第１容量素子１０７ｂが直列に接続された直列共振回路であり、受電アンテナ１０９は、第２インダクタ１０９ａおよび第２容量素子１０９ｂが並列に接続された並列共振回路である。なお、送電アンテナ１０７の直列共振回路は寄生抵抗成分Ｒ１を有し、受電アンテナ１０９の並列共振回路は寄生抵抗成分Ｒ２を有している。上記例とは異なり、送電アンテナが並列共振回路を構成する場合もあるし、受電アンテナが直列共振回路を構成する場合もありうる。

図３は、本開示による他の無線電力伝送装置を示す図である。この無線電力伝送装置が前述の無線電力伝送装置（図２）と異なる点は、受電アンテナ１０９に接続された整流回路（整流器）１１５を備えている点にある。この整流回路１１５の働きにより、無線電力伝送装置から直流電力を出力させることが可能になる。

本開示の無線電力伝送装置では、図１に示されるように、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９の周りに電磁シールド構造体２００が配置され、それによって、漏えい磁界を抑制することが可能になる。電磁シールド構造体２００の構成および機能は、後述の実施形態および実施例について詳細に説明する。

上記の無線電力伝送装置のうち、発振器１０３および送電アンテナ１０７を備える部分は送電装置として機能する。各々が受電アンテナ１０９を備える複数の装置が、１つの送電装置に割り当てられてもよい。言い換えると、各々が受電アンテナ１０９を備える複数の装置または乗り物が、順次、送電アンテナ１０７に対向するように配置され、逐次、無線電力伝送が実行されてもよい。

（実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による無線電力伝送の実施形態を説明する。

まず、図４および図５を参照する。図４は、本実施形態における無線電力伝送装置におけるアンテナの配置を模式的に示す斜視図であり、図５は、その側面図である。図４および図５では、簡単のため、前述した本開示の無線電力伝送装置における構成要素のうち、第１インダクタ１０７ａ、第２インダクタ１０９ａを記載している。第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａは、実際には、不図示の配線を介して、図２に示す回路要素に接続されている。なお、以下の説明では、簡単のため、第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａを、それぞれ、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９と称する場合がある。

本実施形態における第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａの形状は、図４に示されるように、中央に開口部を有するように巻かれた配線から構成されている。第２インダクタ１０９ａは、第１インダクタ１０７ａから離間している。なお、図面における第１インダクタ１０７ａと第２インダクタ１０９ａとの間隔は、現実の間隔を反映していない。図示されている例において、第２インダクタ１０９ａは、第１インダクタ１０７ａよりも小さいが、第２インダクタ１０９ａおよび第１インダクタ１０７ａのサイズ関係は、この例に限定されない。

実施形態において、第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａは、いずれも、平面状に広がり、両者は互いに平行に対向するように配置され得る。アンテナを構成するインダクタ１０７ａ、１０９ａの外形は、円形である必要はなく、楕円形、多角形、または、その他の任意の形状であり得る。図４および図５の例では、インダクタ１０７ａ、１０９ａは、いずれも軸対称の形状を有しているが、インダクタ１０７ａ、１０９ａの一方または両方は、対称性の低い形状（例えば、楕円、長方形、帯形状）を有していてもよい。ある実施形態では、Ｚ方向から第１インダクタ１０７ａを見た場合、第１インダクタ１０７ａの第１の方向におけるサイズが第１の方向に垂直な方向におけるサイズよりも大きく設定されていてもよい。

第１インダクタ１０７ａと第２インダクタ１０９ａとの配置は、固定されている必要は無い。第１インダクタ１０７ａを備える送電装置と、第２インダクタ１０９ａを備える受電装置とは、相互に独立して移動することが可能であっても良いし、一方が固定されて他方のみが移動し得るように構成されていてもよい。また、第１インダクタ１０７ａを備える１つの送電装置が固定され、第２インダクタ１０９ａを備える複数の受電装置のいずれかが、無線電力伝送が必要な時に、随時、送電装置に対向するように配置されても良い。

本実施形態における第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａは、それぞれ、巻数Ｎ１、Ｎ２のスパイラル構造を有している（Ｎ１＞１、Ｎ２＞１）が、巻数が１のループ構造を有していてもよい。これらのインダクタ１０７ａ、１０９ａは、一層の導電体から構成されている必要は無く、積層された複数の導電体を直列に接続した構成を有していてもよい。

第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａは、良好な導電率を有する銅や銀などの導電体から好適に形成され得る。ＲＦ電力の高周波電流は、導電体の表面を集中して流れるため、発電効率を高めるため、導電体の表面を高導電率材料で被覆してもよい。導電体の断面中央に空洞を有する構成からインダクタ１０７ａ、１０９ａを形成すると、軽量化を実現することができる。更に、リッツ線などの並列配線構造を採用してインダクタ１０７ａ、１０９ａを形成すれば、単位長さ辺りの導体損失を低減できるため、直列共振回路、および並列共振回路のＱ値を向上させることができ、より高い効率で電力伝送が可能になる。

第１インダクタ１０７ａと第２インダクタ１０９ａとの間では、前述したように、共振磁界結合により、電力が伝送される。本発明の実施形態において、第２インダクタ１０９ａは電気自動車に搭載され、第１インダクタ１０７ａは道路に埋設され得る。このような場合、電気自動車は移動し得るため、第１インダクタ１０７ａに対する第２インダクタ１０９ａの位置も変化し得る。ただし、無線電力伝送は、第１インダクタ１０７ａと第２インダクタ１０９ａとが対向しているときに実行される。

電気自動車に搭載される第２インダクタ１０９ａは、例えば、一辺が２０〜３０ｃｍの矩形領域内に収まる大きさを有している。その場合、第１インダクタ１０７ａの開口部は、例えば、３０〜３００ｃｍの幅（電気自動車の進行方向に垂直な方向におけるサイズ）を有し得る。走行中における充電のために使用される場合、第１インダクタ１０７ａは、車両の走行方向に延伸した構造を有し得る。このような構造を有する場合、第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａの車両進行方向におけるサイズを、インダクタの「長さ」と称し、それらの車両進行方向に垂直な方向におけるサイズをインダクタの「幅」と称することができる。第１インダクタ１０７ａの幅、第２インダクタ１０９ａの幅は、例えば、３０〜３００ｃｍ、２０〜３０ｃｍに設定され得る。

電力伝送時の漏れ磁界を低減するため、この無線電力伝送装置は、電磁シールド構造体２００を備えている。図６Ａは、一実施形態における電磁シールド構造体２００の斜視図であり、図６Ｂは、その電磁シールド構造体２００の模式的な断面図である。

実施形態において、電磁シールド構造体２００は、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０９とが対向して配置されているとき、全体として、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０９を囲む形状を有している。具体的には、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０９を内部空間に収容する第１シールド２００ａおよび第２シールド２００ｂを有している。第１シールド２００ａは送電アンテナ１０７を収容する第１空間２０ａを形成するように構成され、第２シールド２００ｂは受電アンテナ１０９を収容する第２空間２０ｂを形成するように構成されている。より具体的には、図示される例において、各シールド２００ａ、２００ｂは、アンテナに対向する平板部分（天井または底板）と、平板部分から垂直に突出するシールド側壁とから構成されている。ここで、「平板部分から垂直に突出するシールド側壁」における「垂直」とは、平板部分に対して厳密に垂直であることのみならず、漏れ磁界を抑制する効果がある範囲内で垂直からずれた角度をなしていることをも含む。漏れ磁界を抑制する効果がある角度の範囲は、平板部分から垂直（９０度）に対して好ましくは±３０度の範囲であり、さらに好ましくは９０度から±１０度の範囲である。第１シールド２００ａおよび第２シールド２００ｂは、いずれも、例えば銅、アルミニウム、金、銀、白金などの非磁性導電材料から形成された厚さが例えば０．１ｍｍ〜１０ｃｍ程度の板状部材から形成され得る。なお、第１シールド２００ａおよび第２シールド２００ｂの材料および形状は、相互に異なっていても良い。シールド２００ａ、２００ｂにおける表面の全体または一部は、シールド本体の材料とは異なる材料の膜または層によって被覆されていても良い。このような膜または層は、シールド本体の材料の導電率よりも高い導電率を有する材料から形成され得る。シールド本体の表面が導電材料によって被覆されていれば、シールド本体は導電材料から形成されている必要は無い。

第１シールド２００ａおよび第２シールド２００ｂは、互いに対向する状態において、それらの端部にギャップを形成するように配置される。ギャップの大きさは、例えば３ｍｍ〜１ｍｍである。このギャップが大きくなると、電磁シールド構造体２００の外側へ漏洩する磁界の強度が高くなる。このため、ギャップを小さくするように第１シールド２００ａおよび第２シールド２００ｂの設計することが好ましいが、ギャップを完全にゼロにすることはできない。また、前述したように、第１インダクタ１０７ａを備える送電装置に対して、第２インダクタ１０９ａを備える受電装置が受電装置を備える装置または乗り物とともに移動可能な場合、第２シールド２００ｂを第１シールド２００ａに対向するように配置するとき、位置合わせズレが生じると、上記ギャップはゼロではない値を示すことになる。

本発明の実施形態では、第１シールド２００ａ内の送電アンテナ１０７および第２シールド２００ｂ内の受電アンテナ１０９の少なくとも一方に平行で、上述したシールド側壁から電磁シールド構造体２００の外側に向かって拡がる突出部２００ｃを有している。ここで、送電アンテナおよび受電アンテナの少なくとも一方と突出部とが「平行」とは、厳密に平行である場合に限らず、漏れ磁界を抑制する効果がある範囲で平行からずれている構成をも含む。例えば、±１０度の範囲で平行からずれていてもよく、このずれは±５度の範囲内であればなおよい。このような突出部２００ｃは、言い換えれば、第１空間２０ａと第２空間２０ｂとの境界面２０ｃに沿って外側に拡がっている。突出部２００ｃも、上述した非磁性導電材料から形成される。ただし、突出部２００ｃの材料は、第１シールド２００ａおよび／または第２シールド２００ｂの材料と同一であっても異なっていても良い。

なお、図示されている例では、第１シールド２００ａと第２シールド２００ｂとの間に形成されるギャップの外側近傍の空間が上下の突出部２００ｃによって挟まれている。突出部２００ｃとシールド２００ａ、２００ｂとの間では、無線電力伝送の周波数帯域において、電磁気的な結合が実現していればよい。従って、突出部２００ｃとシールド２００ａ、２００ｂとの間に、絶縁材料層または空気層が存在していてもよい。典型的には、突出部２００ｃはシールド２００ａ、２００ｂに直接的に接続されるか、導電性物質を介して接続される。

図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、電磁シールド構造体２００の他の例を示している。この例では、第２シールド２００ｂに収容されている受電アンテナ１０９に平行な方向のサイズが第１シールド２００ａに収容されている送電アンテナ１０７に平行な方向のサイズよりも小さい。この例では、第２シールド２００ｂに設けられた突出部２００ｃの横方向の長さ（「幅」と呼んでも良い）が、第１シールド２００ａに設けられた突出部２００ｃの横方向の長さよりも大きく設定されて、上下の突出部２００ｃが対向している。

図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃは、それぞれ、対向するアンテナ１０７、１０９の配置例、突出部２００ｃの無い電磁シールド構造体２００’（比較例）、突出部２００ｃを備える電磁シールド構造体２００（実施例）を示す斜視図である。これらの図に示される構造物は、電磁界シミュレーションを行うために単純化された形状を有している。現実の電磁シールド構造体２００は、図８Ｃに示されるような複数の平板部分から構成されている必要は無く、曲面形状を有していても良い。

本実施形態における電磁シールド構造２００の構成は、上記の例に限定されない。図９は、突出部２００ｃの取り付け位置が第１シールド２００ａおよび第２シールド２００ｂのエッジ部分からシフトしている例を示している。図１０は、突出部２００ｃが受電装置の金属製筐体３００と接触している例を示している。

図１１は、図６Ｂに示す突出部２００ｃの他の変形例を示している。図１１に示される突出部２００ｃは、突出した部分の途中で折れ曲がり、外側の部分がシ−ルド側壁に平行で平板部分まで達するような形状を有している。この形状でも図６Ｂの例とほぼ同等の漏洩磁界の低減効果がある。様々なシミュレ−ションを行った結果、漏洩磁界の低減効果がある形状としては、シ−ルド側壁の端部から電磁シールド構造体の外側に向かって拡がる突出部を有する図６Ｂのような構成が、最も効果が高いことが分かった。

次に、図１２を参照する。図１２は、図６Ｂの断面図に相当し、アンテナ１０７、１０９、および電磁シールド構造体２００の各部のサイズを示している。図１２に示される記号の意味は、以下の表１に記載されている。

なお、アンテナ１０７、１０９および電磁シールド構造体２００の形状がＺ軸を中心とする軸対称ではない場合、上記の距離Ｇ３、Ｇ４の値は、ある幅を有することになる。その場合は、漏えい磁界の強度もＺ軸の周りの角度（方位角）によって変化する。

本実施形態では、ＥＬを、例えば、Ｇ１＊０．１≦ＥＬ、Ｇ２＊０．１≦ＥＬの範囲内に設定することができる。

なお、回路ブロック間でのＲＦ電力の多重反射を抑制し、総合発電効率を改善するためには、受電アンテナ１０９の出力端子が負荷に接続された状態において、発振器１０３から出力されるＲＦ電力の出力インピ−ダンスＺｏｃと送電アンテナ１０７の入力インピーダンスＺｉｎとを等しくし得る。また、同様に、発振器１０３が送電アンテナ１０７に接続された状態で、受電アンテナの出力インピーダンスＺｏｕｔが、接続される負荷の抵抗値Ｒと等しくし得る。なお、本明細書において、２つのインピーダンスが「等しい」とは、インピーダンスが厳密に一致する場合に限られず、ほぼ等しい場合を含み、具体的には、２つのインピーダンスの差異が、大きい方のインピーダンスの２５％以下である場合を含むものと定義する。

第１インダクタ１０７ａおよび／または第２インダクタ１０９ａの周辺に磁性体を配置してもよい。第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂには、例えばチップ形状、リード形状を有する、あらゆるタイプのキャパシタを利用できる。空気を介した２配線間の容量を第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂとして機能させることも可能である。第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂをＭＩＭキャパシタから構成する場合は、公知の半導体プロセスまたは多層基板プロセスを用いて低損失の容量回路を形成できる。

長期信頼性を高めるという観点から、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９を構成する部品（インダクタおよび容量素子など）は保護装置内に格納され得る。また、第１空間２０ａおよび第２空間２０ｂをそれぞれ樹脂でモールドしてもよい。この場合、磁性体を分散した樹脂でモールド部材を兼用し得る。また、保護装置には防水加工が施され得る。なお、第１シールド２００ａおよび第２シールド２００ｂの少なくとも一方は、受電アンテナ１０７または送電アンテナ１０９に対向する磁性体シートを備えていてもよい。

伝送損失を最小化するために、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９は、できるだけ近接して配置され得る。

なお、本実施形態では、各シールド２００ａ、２００ｂは、アンテナに対向する平板部分と、平板部分から垂直に突出するシールド側壁とを含むが、必ずしもこのような構造である必要はない。第１シールド２００ａが送電アンテナ１０７を収納する第１空間を形成するように構成され、第２シールド２００ｂが受電アンテナ１０９を収納する第２空間を形成するように構成されていれば、それらの構造は任意である。また、本実施形態では、突出部２００ｃが送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９の少なくとも一方に平行であるが、必ずしも平行である必要はない。

（実施例１）
以下の表２に示す数値パラメータを持つ実施例について、空間内に分布する磁界強度分布を電磁界解析によって求めた。各数値パラメータによって規定される構成は、図１２に示す通りである。また、比較例として、突出部２００ｃを除去した点以外は実施例と同じ構成で漏れ磁界の強度分布をシミュレーションによって求めた。本実施例では、簡単のため、アンテナ１０７、１０９および電磁シールド構造体２００の形状がＺ軸を中心とする軸対称である。

なお、本実施例では、インダクタ１０７ａ、１０９ａが、いずれも、半径７．５ｃｍの円形形状を有している。インダクタ巻数は１１、容量は３３０００ｐＦである。また、無線電力伝送時における伝送電力は３ｋＷ（伝送周波数：１５０ｋＨｚ）に設定した。第１シールド２００ａ、第２シールド２００ｂ、および突出部２００ｃは、厚さ２ｍｍの非磁性金属（例えばアルミニウムまたは銅）から形成されている。突出部２００ｃは、Ｚ軸に垂直な面内において外側に向かって鍔状に拡がっている。このため、突出部２００ｃを「鍔」と呼ぶ場合がある。

図１３は、電磁シールド構造体２００の中心からの距離と磁界強度との関係を示すグラフである。電磁シールド構造体２００の「中心」に、ＸＹＺ座標の原点を置いている。すなわち、電磁シールド構造体２００の「中心」は、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（０、０、０）の点に等しい。計算では、Ｚ＝０のＸＹ面内における磁界強度を求めた。図１３において、シールド壁まで６ｃｍの場合（Ｇ３＝Ｇ４＝６ｃｍ）を比較例１、シールド壁まで３ｃｍの場合（Ｇ３＝Ｇ４＝３ｃｍ）を比較例２とする。

３ｋＷの高周波電力（周波数：１５０ｋＨｚ）を伝送するとき、鍔なしの比較例１では、電磁シールド構造体２００の中心から０．２ｍ離れた位置における漏れ磁界強度は１０Ａ／ｍであった。また、鍔なしの比較例２では、電磁シールド構造体２００の中心から０．２ｍ離れた位置における漏れ磁界強度は３．３５Ａ／ｍであった。一方、鍔ありの実施例では、電磁シールド構造体２００の中心から０．２ｍ離れた位置における漏れ磁界強度は０．３Ａ／ｍであった。このように、比較例では高い値での磁界曝露が懸念されるが、実施例では、磁界強度を９０〜９７％低減する改善効果（磁界抑圧比１１．２〜３３．３）が得られた。

（実施例２）
図１４は、上記の実施例１において、突出部２００ｃの長さＥＬを変化させると、漏れ磁界強度がどのように変化するかを示すグラフである。縦軸は、突出部２００ｃが無い場合における値に対する磁界強度抑圧比である。横軸は導入した突出部２００ｃの長さＥＬである。図１４では、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（７．５ｃｍ＋Ｇ３＋ＥＬ、０、０）における磁界強度抑圧比率を示している。突出部２００ｃの長さＥＬ以外のサイズの値は実施例１のパラメータの値に等しい例については、点線でデータを示している。一方、実施例１のパラメータの値のうち、Ｇ１＝Ｇ２＝０．５ｃｍに設定した他の例については、実線でデータを示している。本実施例では、伝送電力は２００Ｗ、伝送周波数は７５０ｋＨｚに設定した。

図１４のグラフからわかるように、突出部２００ｃの長さをＥＬ、シールドのアンテナ対向面とアンテナとの距離をＧ１またはＧ２とするとき、本実施形態では、０．１≦ＥＬ／Ｇ１または０．１≦ＥＬ／Ｇ２となるように突出部２００ｃの長さＥＬを設定すれば、漏えい磁界の低減効果が発現する。また、突出部２００ｃの長さＥＬを大きくするほど、漏えい磁界の低減効果が向上する。

本開示の無線電力伝送装置は、人体が装置の近傍に近接しうる用途に対して、安全性を高める効果を得るため、電気自動車へ電力を伝送する充電器だけではなく、ＡＶ機器を固定し、充電を行うクレイドル装置などへも好適に使用され得る。

２０ａ 第１空間
２０ｂ 第２空間
１０３ 発振器
１０７ 送電アンテナ（送電装置側の共振器）
１０７ａ 第１インダクタ
１０７ｂ 第１キャパシタ
１０９ 受電アンテナ（受電装置側の共振器）
１０９ａ 第２インダクタ
１０９ｂ 第２キャパシタ
１１０ 第１インダクタの開口部
１１５ 整流回路
１１９ 出力端子
１７２ 第１インダクタの内周端
１７４ 第１インダクタの外周端
２００ 電磁シールド構造体
２００ａ 第１シールド
２００ｂ 第２シールド
２００ｃ 突出部
２００’ 鍔なしの電磁シールド構造体

Claims (10)

1. 非接触状態で対向するように配置される送電アンテナおよび受電アンテナと、
   前記送電アンテナと前記受電アンテナとが対向しているとき、前記送電アンテナおよび前記受電アンテナを内部空間に収容する電磁シールド構造体であって、第１シールドおよび第２シールドを有し、前記第１シールドは、前記送電アンテナを収容する第１空間を形成するように、前記送電アンテナに対向する第１の平板部分と、前記第１の平板部分の端部から前記第１の平板部分に垂直に突出する第１のシールド側壁とを有し、かつ、前記第２シールドは、前記受電アンテナを収容する第２空間を形成するように、前記受電アンテナに対向する第２の平板部分と、前記第２の平板部分の端部から前記第２の平板部分に垂直に突出する第２のシールド側壁とを有している電磁シールド構造体と、
   を備え、
   前記電磁シールド構造体は非磁性導電材料から形成され、
   前記第１シールドおよび前記第２シールドが、前記送電アンテナおよび前記受電アンテナの少なくとも一方に平行で、かつ前記第１のシールド側壁および前記第２のシールド側壁から前記電磁シールド構造体の外側に向かって拡がる突出部をそれぞれ有しており、
   前記送電アンテナから前記受電アンテナに高周波磁界を介して非接触で電力を伝送し、
   前記第１シールドのアンテナ対向面と前記送電アンテナとの距離をＧ１、前記第１シールドの突出部の長さをＥＬとするとき、０．１≦ＥＬ／Ｇ１が成立し、
   前記第２シールドのアンテナ対向面と前記受電アンテナとの距離をＧ２、前記第２シールドの突出部の長さをＥＬとするとき、０．１≦ＥＬ／Ｇ２が成立する、
   無線電力伝送装置。
2. 前記突出部は、前記第１シールドのうち、前記第１シールドと前記第２シールドとの間に形成されるギャップの一端を規定する部分から前記電磁シールド構造体の外側に向かって鍔状に拡がっている、請求項１に記載の無線電力伝送装置。
3. 前記突出部は、前記第２シールドのうち、前記第１シールドと前記第２シールドとの間に形成されるギャップの一端を規定する部分から前記電磁シールド構造体の外側に向かって鍔状に拡がっている、請求項２に記載の無線電力伝送装置。
4. 前記第１シールドおよび前記第２シールドの各々が前記突出部を有している、請求項１に記載の無線電力伝送装置。
5. 前記突出部は、前記第１シールドと前記第２シールドとの間に形成されるギャップの一端および他端を規定する部分から前記電磁シールド構造体の外側に向かって鍔状に拡がっている、請求項４に記載の無線電力伝送装置。
6. 導電体部分を有する筐体を備え、
   前記筐体の前記導電体部分は、前記電磁シールド構造体の前記突出部に接触している、請求項１から５のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
7. 前記第１シールドおよび前記第２シールドの少なくとも一方は、前記受電アンテナまたは前記送電アンテナに対向する磁性体シートを備えている、請求項１から６のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
8. 前記突出部は、前記高周波磁界の周波数において、前記第１シールドまたは前記第２シールドと電磁気的に結合する、請求項１から７のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載された無線電力伝送装置に使用される前記第１シールドおよび前記送電アンテナを備える無線電力送電装置。
10. 請求項１から８のいずれかに記載された無線電力伝送装置に使用される前記第２シールドおよび前記受電アンテナを備える無線電力受電装置。
    

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