WO2013153736A1 - 無線電力伝送装置、送電装置、および受電装置 - Google Patents

Abstract

　本実施形態は、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無線電力伝送装置である。この無線電力伝送装置は、中央に開口部を有する第１インダクタと、第１インダクタから離間し、かつ、第１インダクタの前記開口部よりも小さい第２インダクタと、第１インダクタの前記第２インダクタに対向する側に配置され、かつ、前記第１インダクタの少なくとも一部を覆う磁性体部材とを備える。第１インダクタの前記少なくとも一部は、第１インダクタの内周端から外周端まで達している。

Description

無線電力伝送装置、送電装置、および受電装置

　本発明は、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。

　ある実施形態において、無線電力伝送装置は、第１インダクタと第２インダクタとの間で共振磁界結合によって非接触で電力を伝送する無線電力伝送装置であって、中央に開口部を有する第１インダクタと、前記第１インダクタから離間し、かつ、前記第１インダクタの前記開口部よりも小さい第２インダクタと、前記第１インダクタの前記第２インダクタに対向する側に配置され、かつ、前記第１インダクタの少なくとも一部を覆う磁性体部材であって、前記第１インダクタの前記少なくとも一部は、前記第１インダクタの内周端から外周端まで達している磁性体部材とを備える。

　ある実施形態において、送電装置は、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無線電力伝送装置に使用される送電装置であって、前記第２インダクタから離間し、かつ、前記第２インダクタよりも大きな開口部を中央に有する第１インダクタと、前記第１インダクタの前記第２インダクタに対向する側に配置され、かつ、前記第１インダクタの少なくとも一部を覆う磁性体部材であって、前記第１インダクタの前記少なくとも一部は、前記第１インダクタの内周端から外周端まで達している磁性体部材とを備える。

　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。

本発明の無線電力伝送装置の基本構成例を示す図である。 本発明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。 本発明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。 本発明の無線電力伝送装置の一例を模式的に示す斜視図である。 図４に示す無線電力伝送装置の断面図である。 第１インダクタ１０７ａと第２インダクタ１０９ａとの間に磁性体部材２００が配置されていない構成例（比較例）を裏側から見た図面である。 第１インダクタ１０７ａと第２インダクタ１０９ａとの間に磁性体部材２００が配置されている構成例を裏側から見た図面である。 図５の右半分を拡大した断面図に相当し、第１インダクタ１０７ａ、第２インダクタ１０９ａ、および磁性体部材２００のサイズおよび中心軸からの距離を示す図である。 実施例２（Ｚ＝５ｃｍ）について、磁性体部材２００の内側拡張部の幅Ｅ１と漏れ磁界強度の関係を示すグラフである。 実施例（Ｚ＝１２ｃｍ）について、磁性体部材２００の内側拡張部の幅Ｅ１と漏れ磁界強度の関係を示すグラフである。 実施例（Ｚ＝２０ｃｍ）について、磁性体部材２００の内側拡張部の幅Ｅ１と漏れ磁界強度の関係を示すグラフである。 実施例（Ｚ＝２７ｃｍ）について、磁性体部材２００の内側拡張部の幅Ｅ１と漏れ磁界強度の関係を示すグラフである。 磁性体部材２００が複数の４個のパーツに分割されている例を示す図である。 磁性体部材２００が第１インダクタ１０７ａの一部を覆っていない例を示す図である。 磁性体部材２００の他の形態を示す図である。 磁性体部材２００の更に他の形態を示す図である。 磁性体部材２００の更に他の形態を示す図である。

　本発明による無線電力伝送装置および発電装置の実施形態を説明する前に、本発明の基本構成を簡単に説明する。

　本発明の一側面によると、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１インダクタは中央に開口部を有する。第２インダクタは、第１インダクタから離間し、かつ、第１インダクタの開口部よりも小さい。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。

　図１を参照する。図１は、本発明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、アンテナ間に配置された磁性体部材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。

　本発明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、本発明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、本発明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。

　本発明の無線電力伝送装置では、図１に示されるように、磁性体部材２００が送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０９との間に配置され、それによって、漏えい磁界を抑制することが可能になる。磁性体部材２００の構成および機能は、以下の実施形態を参照しながら説明する。

　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１）
　以下、図４から図７を参照しながら、本発明による無線電力伝送の第１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の構成を模式的に示す斜視図であり、図５は、その断面図である。図４および図５では、簡単のため、前述した本発明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、および磁性体部材２００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。

　本実施形態における第１インダクタ１０７ａの形状は、図４および図５に示されるように、中央に開口部１１０を有するように巻かれた配線から構成されている。一方、第２インダクタ１０９ａは、第１インダクタ１０７ａから離間し、かつ、第１インダクタ１０７ａの開口部１１０よりも小さくなるように巻かれた配線から構成されている。本明細書において、第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａは、導電材料の配線によって構成されており、この配線の一部は、引き出し線として、各インダクタ１０７ａ、１０９ａを他の回路要素または回路に接続し得る。各インダクタ１０７ａ、１０９ａの本体は、このような引き出し線および開口部を含まない領域によって規定されている。

　なお、図面における第１インダクタ１０７ａ、第２インダクタ１０９ａ、および磁性体部材２００のサイズならびに間隔は、現実のサイズおよび間隔を反映していない。磁性体部材２００は、第１インダクタ１０７ａと接触していてもよいし、例えば数ｍｍから数１０ｃｍまでの距離を介して離れていてもよい。

　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、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。

　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。

　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１１０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。また、ある実施形態では、（第１インダクタ１０７ａの幅、第２インダクタ１０９ａの幅）＝（４０～４００ｃｍ、３０～４０ｃｍ）に設定され、（５０～５００ｃｍ、４０～５０ｃｍ）、（７５～５００ｃｍ、５０～７５ｃｍ）にも設定され得る。

　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、第１インダクタ１０７ａの第２インダクタ１０９ａに対向する側に配置された磁性体部材２００を備えている。本実施形態における磁性体部材２００は、中央に開口部２１０を有する円盤の形状を有しており、フェライトなどの磁性材料から形成されている。この磁性材料は、強磁性を示す材料であれば、軟磁性材料であっても硬磁性材料であってもよい。図示されている例では、磁性体部材２００が第１インダクタ１０７ａの全体を覆っている。

　磁性体部材２００は、第１インダクタ１０７ａの全体を少なくとも覆うことにより、第１インダクタの上部の空間において、磁束密度の極端な上昇を回避する。

　従来の電磁誘導方式の電力伝送技術においては、送受電インダクタのサイズ・形状がほぼ等しく設定されるため、第１インダクタ１０７ａの上面に人体が入りうる余地がない。しかし、共振磁界結合方式においては、共振周波数をほぼ同一とする送受アンテナ間ならば、サイズ・形状の差異が存在する場合でも高効率なエネルギー伝送が可能となる。結果として、第１インダクタ１０７ａが第２インダクタ１０９ａよりもサイズが大きい場合、位置合わせ不要なエネルギー伝送が可能となる。しかし、特に、第１インダクタ１０７ａの配線周辺では、安全ガイドラインを超過する値まで磁束の集中が起こりうる。よって、第１インダクタ１０７ａの配線付近に人体が侵入する場合に、高密度な磁界に晒される危険が生じることになる。本発明の実施形態の構成に依れば、共振磁界結合方式を用いた電力伝送技術において特有の上記課題を、第１インダクタ１０７ａ周辺の磁界分布を、磁性体部材の配置により調整することで解決する。磁性体部材２００の厚さは、典型的には、０．１～５００ｍｍ、好ましくは１～１００ｍｍの範囲で設定され得る。

　図６Ａは、第１インダクタ１０７ａと第２インダクタ１０９ａとの間に磁性体部材２００が配置されていない構成例（比較例）を裏側（Ｚ軸の負側）から見た図面である。図６Ａからわかるように、第２インダクタ１０９ａをＹＸ面に垂直に射影した領域は、第１インダクタ１０７ａの開口部１１０をＹＸ面に垂直に射影した領域の内部に完全に含まれている。第２インダクタ１０９ａは、第１インダクタ１０７ａの開口部１１０よりも十分に小さいため、第１インダクタ１０７ａに対する第２インダクタ１０９ａの位置が変化しても、第２インダクタ１０９ａをＹＸ面に垂直に射影した領域は、第１インダクタ１０７ａの開口部１１０をＹＸ面に垂直に射影した領域の内部に含まれ得る。

　図６Ｂは、第１インダクタ１０７ａと第２インダクタ１０９ａとの間に磁性体部材２００が配置されている構成例を裏側（Ｚ軸の負側）から見た図面である。図６Ｂからわかるように、第１インダクタ１０７ａをＹＸ面に垂直に射影した領域は、図示されている磁性体部材２００をＹＸ面に垂直に射影した領域の内部に含まれている。言い換えると、第１インダクタ１０７ａにおいて、磁性体部材２００によって覆われている部分は、第１インダクタ１０７ａの内周端１７２から外周端１７４まで達している。

　次に、図７を参照する。図７は、図５の右半分を拡大した断面図に相当し、第１インダクタ１０７ａ、第２インダクタ１０９ａ、および磁性体部材２００のサイズおよび中心軸からの距離を示している。図７に示される記号の意味は、以下の表１に記載されている。

　ここで、磁性体部材２００における内側拡張部２０１は、Ｚ軸方向からみたとき、磁性体部材２００のうちで第１インダクタ１０７ａの内周端１７２から開口部１１０の中心の側に拡がる部分である。また、磁性体部材２００における外側拡張部２０２は、Ｚ軸方向からみたとき、磁性体部材２００のうちで第１インダクタ１０７ａの外周端１７４から外側に拡がる部分である。

　本実施形態では、Ｒ２＜Ｔ１、Ｍ１≦Ｔ１（０≦Ｅ１）、Ｔ２≦Ｍ２（０≦Ｅ２）が成立している。また、Ｒ２≦Ｍ１であることは必須ではないが、ある実施形態ではＲ２≦Ｍ１である。

　前述した原理により、本実施形態では、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０９との距離を例えば数ｍｍ～数ｍの距離に設定することができ、両者の間に空気または他の誘電体が存在しても、高い効率で電力を伝送できる。磁性体部材２００は開口部を有しているため、電力の伝送効率は磁性体部材２００によって悪い影響を受けない。

　図７に示す各部のサイズ関係は、図５に示すような、アンテナが軸対称の形状を有する場合に限定されない。第１インダクタ１０７ａが、例えば第１の方向に延伸した構造を有する場合においても、その第１の方向に垂直な断面を規定し、その断面における各部のサイズを図７に示すように定義することができる。

　第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａの、ある方向における断面において、図７に示すサイズＲ２、Ｔ１の関係の例は、例えば１０％≦Ｒ２／Ｔ１＜１００％である。ある実施形態において、１０％≦Ｒ２／Ｔ１＜５０％であり得る。

　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、磁性体部材２００以外の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、樹脂で周辺を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。

　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。

（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１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７に示す通りである。また、比較例１として、磁性体部材を除去した点以外は実施例１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。

　なお、第１インダクタ１０７ａ、第２インダクタ１０９ａ、および磁性体部材２００の各底面のＺ軸方向における位置（Ｚ座標）は、それぞれ、０ｃｍ、２５ｃｍ、２ｃｍである。また、第１インダクタ１０７ａと磁性体部材２００との間隔は、１．５ｃｍである。磁性体としてフェライトを仮定し、透磁率として１０００、導電率として０．０１Ｓ／ｍを設定した。

　１．５ｋＷの高周波電力（周波数：１２０ｋＨｚ）を伝送するとき、比較例１では、第１インダクタ１０７ａの上方２５ｃｍの位置での漏れ磁界強度は５０．９Ａ／ｍであった（第１インダクタ中心軸から半径７０ｃｍの地点）。実施例１では第１インダクタ１０７ａの上方２５ｃｍの位置での漏れ磁界強度は２７．１Ａ／ｍであった。このように、比較例１では高い値での磁界曝露が懸念されるが、実施例１では、磁界強度を４７％低減する改善効果（磁界抑圧比１．９）が得られた。

　また、実施例１とは異なり、Ｍ１＝５０ｃｍ、Ｍ３＝１４ｃｍとした比較例２を解析した。すなわち、比較例２では、磁性体部材２００は第１インダクタ１０７ａの内周端１７２より内側の領域の上部に環状に存在しており、第１インダクタ１０７ａを構成する配線部との重なりを設定していない。比較例２では、第１インダクタ１０７ａの上方２５ｃｍの位置での漏れ磁界強度は比較例１と比較して１２％増大する結果が得られた。

　また、実施例１とは異なり、Ｍ１＝Ｔ２＝７５ｃｍ、Ｍ３＝１４ｃｍとした比較例３を解析した。すなわち、比較例３では、磁性体部材２００は第１インダクタ１０７ａの外周端１７４より外側の領域の上部に環状に存在しており、第１インダクタ１０７ａを構成する配線部との重なりを設定していない。比較例２では、第１インダクタ１０７ａの上方２５ｃｍの位置での漏れ磁界強度は比較例１と比較して６％増大する結果が得られた。

（実施例２）
　図８Ａは、上記の実施例１において、磁性体部材２００における外側拡張部２０２の幅Ｍ３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、磁性体導入前の値に対する磁界抑圧比である。横軸は導入した磁性体が送電側コイルの配線部を覆い隠した割合、すなわちＭ３とＴ３の比である。図８Ａでは、Ｚ＝５ｃｍの位置における特性を示している。ここで、内部拡張部２０１と外部拡張部２０２の値を等しく、すなわちＥ１＝Ｅ２とした。なお、Ｍ３以外のパラメータの値は実施例１のパラメータの値に等しい。３本の特性は中心軸からの距離ＸがＴ１、Ｔ１＋Ｔ３／２、Ｔ１＋Ｔ３、の箇所での値を示している。図８Ａからわかるように、配線最外縁の上部空間に相当するＸ＝Ｔ１＋Ｔ３においても、Ｍ３／Ｔ３＜１の条件でも磁性体導入によって磁界強度が若干の抑圧が常に得られた。また、Ｍ３／Ｔ３≧１の条件化では、Ｍ３の増大に伴い、高い改善比が得られることが分かった。また、Ｘ＝Ｔ１、Ｘ＝Ｔ１＋Ｔ３／２の各条件では、上述のＸ＝Ｔ１＋Ｔ３の条件よりも常に高い抑圧比が得られた。すなわち、本願の漏れ磁界強度の抑圧効果は、第１インダクタの配線最外郭の上部よりも、配線内郭の上部において、強く得られた。

　また、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄには、それぞれ、Ｚ＝１２、２０、２７ｃｍの各条件における本実施例の効果を示す。第１インダクタの配線部直上での効果を示した図８Ａと比較して、強度抑圧比の値自体は低下するものの、本願の磁性体構造の導入により漏洩磁界強度が増大することは無かった。

（実施形態２）
　以下、図９を参照しながら、本発明による無線電力伝送装置の第２の実施形態を説明する。

　本実施形態と前述の実施形態との相違点は、磁性体部材２００の構成の差のみにある。このため、ここでは、磁性体部材２００について説明し、他の構成要素については説明を繰り返さない。

　本実施形態における磁性体部材２００は、複数のパーツ２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄに分かれている。これらのパーツ２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄの間には、隙間２２０が存在していてもよい。隙間２２０が存在する場合、磁性体部材２００は、第１インダクタ１０７ａの全体を覆ってはおらず、第１インダクタ１０７ａの一部は磁性体部材２００によって覆われていない。このため、隙間２２０からは磁界が漏れる可能性があるが、隙間２２０の幅が磁性体部材２００の厚さに対して、十分短く設定されれば、例えば半分以下であれば、その影響は無視できる。複数のパーツ２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄの各々は、第１インダクタ１０７ａの内周端１７２から外周端１７４までの領域を覆っている。より詳細には、各パーツ２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄは、第１インダクタ１０７ａの内周端１７２から開口部１１０の中心の側に拡がる部分２０１と、第１インダクタ１０７ａの外周端１７４から第１インダクタ１０７ａの外側に拡がる部分２０２とを有している。

　このように本実施形態においても、第１インダクタ１０７ａのうちで磁性体部材２００によって覆われている部分は、図５に示すように、第１インダクタ１０７ａの内周端１７２から外周端１７４まで達している。

（実施形態３）
　以下、図１０を参照しながら、本発明による無線電力伝送装置の第３の実施形態を説明する。

　図１０は、磁性体部材２００が一部に切欠き（隙間２２０）を有する形状を有しており、その切欠きの部分では第１インダクタ１０７ａは磁性体部材２００によって覆われていない。第１インダクタ１０７ａのうちで磁性体部材２００によって覆われている部分は、図５に示すように、第１インダクタ１０７ａの内周端１７２から外周端１７４まで達している。

　磁性体部材２００によって覆われていない領域では、漏れ磁界が発生するが、この領域およびその周辺に人間が接近できないようにしておけば、問題は無い。

　上記の各実施形態における無線電力伝送装置は、いずれも、全体として平板状の磁性体部材２００を備えているが、磁性体部材２００の形状は、凹凸および／または段差を表面に有していてもよいし、全体または一部が湾曲していてもよい。

　また、磁性体部材２００の表面が、保護のための非磁性体材料膜によって被覆されていてもよい。また、磁性体部材２００の上面または下面に金属または誘電体の層が配置されていてもよい。

（実施形態４）
　以下、図１１を参照しながら、本発明による無線電力伝送装置の第４の実施形態を説明する。

　本実施形態において、図７の構成において第１インダクタ１０７ａの配線部分と上面でのみ対向していた磁性体部材２００は、第１インダクタ１０７ａの外周端１７４の側面とも対向する追加磁性体部材２０３を有している。磁性体部材２００の部分２０３は、第１インダクタ１０７ａの外周端１７４の側面の全面と対向する必要はないが、対向する割合が増えるほど、効果は増す。追加磁性体部材２０３は、第１インダクタ１０７ａの内周端１７２の側面に対向するように構成されていてもよい。

（実施例３）
　実施例１において、以下の変更を行った実施例３について評価した。すなわち、磁性体部材２００の外周端１７４から更に外周側に５ｃｍの距離を介した部分において、高さ５ｃｍの環状の追加磁性体部材を下側に取り付けた。実施例１と同様、１．５ｋＷの高周波電力（周波数：１２０ｋＨｚ）を伝送する場合の条件で比較した場合、実施例１では、第１インダクタ１０７ａの上方２５ｃｍの位置での漏れ磁界強度の抑圧比は１．９であったのに比べ、実施例３では２．１の抑圧比が得られた。

（実施形態５）
　以下、図１２を参照しながら、本発明による無線電力伝送装置の第５の実施形態を説明する。

　本実施形態において、図７の構成において第１インダクタの配線部分と上面でのみ対向していた磁性体部材２００は、第１インダクタ１０７ａの内周端１７２の側面および外周端１７２の側面にそれぞれ対向する追加磁性体部材２０４、２０３を有している。実施形態４との差異は、第１インダクタ１０７ａの外周端１７４の側に限らず、内周端の１７２の側の側面にも対向して磁性体が設けられている点である。この構成により、第１インダクタ１０７ａの配線形成領域の上面における漏洩磁界強度の抑圧効果が向上する。

（実施例４）
　実施例１において、磁性体部材２００の外周端１７４、および内周端１７２からそれぞれ更に内周側に５ｃｍの距離を介した部分において、高さ５ｃｍの環状の追加磁性体部材２０３、２０４を下側に取り付けた。実施例１と同様、１．５ｋＷの高周波電力（周波数：１２０ｋＨｚ）を伝送する場合の条件で比較した場合、実施例１では、第１インダクタ１０７ａの上方２５ｃｍの位置での漏れ磁界強度の抑圧比は１．９であったのに比べ、実施例４では２．４の抑圧比が得られた。

（実施形態６）
　以下、図１３を参照しながら、本発明による無線電力伝送装置の第６の実施形態を説明する。

　本実施形態において、図７の構成において第１インダクタ１０７ａの配線部分と上面でのみ対向していた磁性体部材２００は、第１インダクタ１０７ａ周囲を覆う構成を有している。この構成により、第１インダクタ１０７ａの配線形成領域の上面における漏洩磁界強度の抑圧効果が更に向上する。

（実施例５）
　実施例１において、磁性体部材２００の最外殻部分および最内殻部分からそれぞれ厚さ５ｃｍの箇所において、高さ５ｃｍの環状の追加磁性体部材を下側に取り付けた。また、第１インダクタ１０７ａの上面のみでなく、下面にも追加で追加磁性体部材を設けた。厚さ、幅、第１インダクタ１０７ａからの距離は、実施例１における磁性体部材２００での条件と同様である。実施例１と同様、１．５ｋＷの高周波電力（周波数：１２０ｋＨｚ）を伝送する場合の条件で比較した場合、実施例１では、第１インダクタ１０７ａの上方２５ｃｍの位置での漏れ磁界強度の抑圧比は１．９であったのに比べ、実施例５では２．９の抑圧比が得られた。

　本発明の受電装置は、本発明による無線電力伝送装置に使用される受電装置であって、第１および第２のインダクタのうち、電力を受け取る側のインダクタを備える。本発明の受電装置の実施形態は、例えば電気自動車、モバイル端末に搭載され得る。

　本発明の無線電力伝送装置および送電装置は、比較的大型の装置に安全に電力を伝送することができるため、電気自動車のような大型の移動装置への充電に好適に使用され得る。また、人体が装置の近傍に近接しうる用途に対して、人体安全性を高める効果を得るため、ＡＶ機器へ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。

　１０３　発振器
　１０７　送電アンテナ（送電側の共振器）
　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　磁性体部材
　２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ　磁性体部材のパーツ
　２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ　磁性体部材のパーツ
　２０１　磁性体部材の内側拡張部
　２０２　磁性体部材の外側拡張部
　２１０　磁性体部材の開口部
　２２０　磁性体部材の隙間

Claims (21)

1. 　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無線電力伝送装置であって、
   　中央に開口部を有する第１インダクタと、
   　前記第１インダクタから離間し、かつ、前記第１インダクタの前記開口部よりも小さい第２インダクタと、
   　前記第１インダクタの前記第２インダクタに対向する側に配置され、かつ、前記第１インダクタの少なくとも一部を覆う磁性体部材であって、前記第１インダクタの前記少なくとも一部は、前記第１インダクタの内周端から外周端まで達している磁性体部材と、
   を備える無線電力伝送装置。
2. 　前記磁性体部材は、前記第１インダクタの全体を覆っている、請求項１に記載の無線電力伝送装置。
3. 　前記磁性体部材は、前記第１インダクタの一部のみを覆っている、請求項１に記載の無線電力伝送装置。
4. 　前記磁性体部材は、各々が前記第１インダクタの内周端から外周端までの領域を覆う複数の部分を有している、請求項２または３に記載の無線電力伝送装置。
5. 　前記磁性体部材は、前記第１インダクタの内周端から前記開口部の中心の側に拡がる部分と、前記第２インダクタの外周端から前記第１インダクタの外側に拡がる部分とを有している、請求項１から４のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
6. 　前記磁性体部材は、前記第２インダクタよりも大きな開口部を中央に有している、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. 　前記磁性体部材は、前記第１インダクタの内周端の側面および外周端の側面の少なくとも一方に対向する部分を有している、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. 　前記磁性体部材は、前記第１インダクタの周囲を囲んでいる、請求項７に記載の無線電力伝送装置。
9. 　前記第２インダクタは電気自動車に搭載されている、請求項１から８のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
10. 　前記第１インダクタは道路に埋設されている、請求項１から９のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
11. 　前記第１インダクタの第１の方向におけるサイズは、前記第１の方向に垂直な方向におけるサイズよりも大きい、請求項１から９のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
12. 　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無線電力伝送装置に使用される送電装置であって、
    　前記第２インダクタから離間し、かつ、前記第２インダクタよりも大きな開口部を中央に有する第１インダクタと、
    　前記第１インダクタの前記第２インダクタに対向する側に配置され、かつ、前記第１インダクタの少なくとも一部を覆う磁性体部材であって、前記第１インダクタの前記少なくとも一部は、前記第１インダクタの内周端から外周端まで達している磁性体部材と、
    を備える送電装置。
13. 　前記磁性体部材は、前記第１インダクタの全体を覆っている、請求項１２に記載の送電装置。
14. 　前記磁性体部材は、前記第１インダクタの一部のみを覆っている、請求項１２に記載の送電装置。
15. 　前記磁性体部材は、各々が前記第１インダクタの内周端から外周端までの領域を覆う複数の部分を有している、請求項１３または１４に記載の送電装置。
16. 　前記磁性体部材は、前記第１インダクタの内周端から前記開口部の中心の側に拡がる部分と、前記第１インダクタの外周端から前記第１インダクタの外側に拡がる部分とを有している、請求項１２から１５のいずれかに記載の送電装置。
17. 　前記磁性体部材は、前記第１インダクタの内周端の側面および外周端の側面の少なくとも一方に対向する追加部分を有している、請求項１２から１６のいずれかに記載の送電装置。
18. 　前記磁性体部材は、前記第１インダクタの周囲を囲んでいる、請求項１７に記載の送電装置。
19. 　前記第１インダクタは道路に埋設されている、請求項１２から１８のいずれかに記載の送電装置。
20. 　前記第１インダクタの第１の方向におけるサイズは、前記第１の方向に垂直な方向におけるサイズよりも大きい、請求項１２から１９のいずれかに記載の送電装置。
21. 　請求項１から１１の何れかに記載の無線電力伝送装置に使用される受電装置であって、
    　前記第１および第２のインダクタのうち電力を受け取る側のインダクタを備える、受電装置。

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