WO2016147293A1 - 共振型電力伝送システム及び共振器 - Google Patents

共振型電力伝送システム及び共振器 Download PDF

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dielectric
power transmission
transmission system
resonator
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阿久澤　好幸
有基 伊藤
裕志 松盛
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三菱電機エンジニアリング株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings

Definitions

  • the present invention relates to a resonance type power transmission system and a resonator that perform power transmission at a specific resonance frequency between a transmission side resonator having a transmission coil and a reception side resonator having a reception coil.
  • Non-Patent Document 1 Also known is an antenna (coil) embedded in a dielectric to increase the dielectric constant (see Non-Patent Document 1, for example). Thereby, the electrostatic capacitance of the antenna can be increased, and the resonance frequency of the antenna can be lowered.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and is capable of adjusting the resonance condition of the power transmission antenna and capable of transmitting power even at a higher voltage and higher current than the conventional technology.
  • An object of the present invention is to provide a power transmission system and a resonator.
  • a resonance type power transmission system is a resonance type power transmission system that performs power transmission at a specific resonance frequency between a transmission side resonator having a transmission coil and a reception side resonator having a reception coil. And a dielectric that is disposed opposite to a surface perpendicular to the axial direction of at least one of the receiving coils, and at least one of an area facing the coil and a distance between the coil and the coil is variable. It is provided.
  • the resonance condition of the power transmission antenna can be adjusted, and power transmission can be performed even at a higher voltage and higher current than in the prior art.
  • FIG. 1 It is a block diagram which shows the structural example of the resonance type electric power transmission system which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a figure which shows the structural example of the resonator which concerns on Embodiment 1 of this invention, (a) It is a perspective view, (b) It is a top view. It is a perspective view which shows the operation example in the case of changing the opposing area with the coil of the dielectric material in Embodiment 1 of this invention. It is a perspective view which shows the operation example in the case of changing the distance with the coil of the dielectric material in Embodiment 1 of this invention. It is a figure which shows the example of adjustment of the resonance conditions in the resonator which concerns on Embodiment 1 of this invention.
  • FIG. 10 is a top view showing another operation example in the case of changing the facing area between the dielectric and the coil in the resonator according to the first embodiment of the present invention. It is a top view which shows another structural example of the resonator which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a top view which shows another structural example of the resonator which concerns on Embodiment 1 of this invention. In the resonator which concerns on Embodiment 1 of this invention, it is a schematic diagram which shows the example which automated the operation
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a resonant power transmission system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the resonant power transmission system includes a transmission device 1 having a transmission-side resonator 13 and a reception device 2 having a reception-side resonator 21.
  • power is transmitted from the transmission device 1 to the reception device 2 when the reception-side resonator 21 approaches the transmission-side resonator 13.
  • the transmission apparatus 1 includes a primary power supply 11, a transmission power supply 12, and a transmission-side resonator 13.
  • the primary power supply 11 outputs DC or AC power.
  • the transmission power supply 12 converts the DC or AC power (input power) from the primary power supply 11 into power (high frequency power) that matches the resonance frequency of the transmission-side resonator 13 and outputs it. Further, the transmission power supply 12 has a function (parameter detection unit) that detects a parameter related to the transmission power supply 12 that changes when the reception-side resonator 21 approaches the transmission-side resonator 13 by its own protection function. As illustrated in FIG. 1, the transmission power supply 12 includes an inverter circuit 121, an input detection unit 122, a power supply parameter detection unit 123, and an output detection unit 124.
  • the inverter circuit 121 converts input power from the primary power supply 11 into high-frequency power for output to the transmission-side resonator 13.
  • the input detection unit 122 detects a parameter related to power input from the primary power supply 11 to the transmission power supply 12. At this time, the input detection unit 122 detects at least one of the input current and the input voltage of the transmission power supply 12.
  • the power supply parameter detection unit 123 detects parameters related to the inverter circuit 121 in the transmission power supply 12. At this time, the power supply parameter detection unit 123, for example, the resonance voltage of the inverter circuit 121, the resonance current, the phase of the resonance voltage and the resonance current, the reflected power, the voltage Vds or current between the drain and source of the switching element in the inverter circuit 121. At least one or more of Ids and heat generation of elements (FET (Field Effect Transistor), capacitor, inductor, etc.) in the inverter circuit 121 are detected.
  • FET Field Effect Transistor
  • the output detection unit 124 detects a parameter related to power output from the transmission power supply 12 (high-frequency power converted by the inverter circuit 121). At this time, the output detection unit 124 detects at least one of the output voltage or output current (phase, amplitude, effective value, frequency) from the inverter circuit 121, transmitted power, reflected power, and the like.
  • the input detection unit 122, the power supply parameter detection unit 123, and the output detection unit 124 constitute a parameter detection unit that detects a parameter related to the transmission power supply 12 that changes as the reception-side resonator 21 approaches the transmission-side resonator 13. .
  • the function of this parameter detection part is realizable by combining the protection function (function for preventing destruction of a power supply) which transmission power supply 12 has normally, and a dedicated circuit is unnecessary.
  • FIG. 1 shows a case where the input detection unit 122, the power supply parameter detection unit 123, and the output detection unit 124 are all included as parameter detection units. However, at least one of these detection units 122 to 124 is shown. What is necessary is just to have it above. Note that the detection accuracy of the resonance condition can be improved by detecting a plurality of parameters.
  • the transmission-side resonator 13 resonates at the same frequency as the frequency of the high-frequency power from the transmission power source 12 and transmits power to the reception-side resonator 21 of the reception device 2.
  • the reception device 2 includes a reception-side resonator 21 and a reception circuit 22.
  • the reception-side resonator 21 receives power by resonating at the same frequency as the resonance frequency of the transmission-side resonator 13 and outputs AC power.
  • the reception circuit 22 includes a rectifier circuit 221, a DC / DC converter 222, and a load 223.
  • the rectifier circuit 221 converts AC power from the reception-side resonator 21 into DC power.
  • the DC / DC converter 222 converts the DC power input from the rectifier circuit 221 into an arbitrary voltage and supplies it to the load 223.
  • the load 223 may be a battery.
  • the power transmission method based on the resonance coupling between the transmission side resonator 13 and the reception side resonator 21 is not particularly limited, and the magnetic field resonance method, the electric field resonance method, the electromagnetic induction method, and the contact type resonance coupling. Any of the methods may be used.
  • the transmission-side resonator 13 is taken as an example. As shown in FIG. 2, the transmission-side resonator 13 includes a transmission coil (power transmission antenna) 131 and a dielectric 132.
  • the transmission coil 131 is a spiral type or helical type coil, and the shape thereof may be any shape such as a circle, an ellipse, or a rectangle. In the example of FIG. 2, the transmission coil 131 is configured in an elliptical spiral shape.
  • the dielectric 132 is disposed to face a surface perpendicular to the axial direction of the transmission coil 131, and at least one of the area facing the transmission coil 131 and the distance from the transmission coil 131 is variable.
  • the dielectric 132 is made of ceramic or acrylic.
  • a case is shown in which the dielectrics 132 are arranged to face both surfaces of the transmission coil 131.
  • a case is shown in which the dielectric 132 is configured to be divided into a plurality of pieces radially about the axis and separable for each piece 1321.
  • the dielectric 132 may be composed of a single member or a plurality of members having different dielectric constants.
  • the transmission side resonator 13 is provided with the dielectric 132, it is sufficient that at least one of the transmission side resonator 13 and the reception side resonator 21 is provided with the dielectric 132. .
  • the case where the dielectric 132 is provided in the reception-side resonator 21 is configured in the same manner as the case where the dielectric 132 is provided in the transmission-side resonator 13.
  • FIG. 5 an example of adjusting the resonance condition when the load 223 connected to the reception-side resonator 21 fluctuates or when a foreign object exists between the transmission-side resonator 13 and the reception-side resonator 21.
  • the resonance frequency f 0 of the resonator in the normal state is expressed by the following expression (1) (solid line in FIG. 5, f 0 ).
  • f 0 1 / 2 ⁇ (LC 0 ) (1)
  • L is the inductance of the resonator
  • C 0 is the parasitic capacitance of the resonator.
  • the resonator The resonance condition fluctuates (broken line in FIG. 5, f 1 ).
  • the variation in the resonance condition is obtained from the detection result by the parameter detection unit of the transmission power supply 12.
  • the arbitrary piece 1321 of the dielectric 132 of the transmission side resonator 13 shown in FIG. 2 is moved and changed so that the parasitic capacitance of the transmission side resonator 13 is reduced (C0> C1).
  • the resonance frequency can be adjusted from f 1 to f 0 ′, and the resonance condition can be returned to the initial state (solid line in FIG. 5, f 0 ′).
  • FIG. 6 shows an example of adjusting the resonance condition when the distance between the transmission-side resonator 13 and the reception-side resonator 21 is short.
  • the transmission efficiency ⁇ on the frequency axis of the resonance condition becomes a bimodal characteristic, and the transmission efficiency ⁇ at the resonance frequency f 0. Decreases (broken line in FIG. 6).
  • the variation in the resonance condition is obtained from the detection result by the parameter detection unit of the transmission power supply 12.
  • an arbitrary piece 1321 of the dielectric 132 of the transmission side resonator 13 shown in FIG. 2 is moved to change the parasitic capacitance of the transmission side resonator 13.
  • the resonance condition can be adjusted so that the transmission efficiency ⁇ is high at the resonance frequency f 1 (solid line in FIG. 6).
  • the transmission coil 131 and a reception coil (not shown) (power transmission antenna) is disposed to face the surface perpendicular to the axial direction of the coil. Since the dielectric 132 in which at least one of its own area and the distance between the coil and the coil is variable is provided, the resonance condition of the power transmission antenna can be adjusted and is higher than that of the prior art. It is possible to transmit power even with a voltage and a high current. That is, since the resonance condition can be varied without using an external circuit as in the conventional configuration, there is no restriction due to the rating (voltage, current, etc.) of the elements of the external circuit, and it is easy to increase the power. In addition, since the resonance condition is adjusted by moving the dielectric 132, the resonance characteristics can be changed continuously instead of discretely. As a result, fine adjustment is possible, and the resonance characteristic can be matched with the target value.
  • FIG. 2 shows the case where the dielectrics 132 are disposed opposite to both surfaces of the transmission coil 131, they may be provided only on one surface. However, if the dielectric 132 is provided on both sides of the transmission coil 131, the parasitic capacitance can be increased as compared with the case where the dielectric 132 is provided only on one side.
  • FIG. 2 shows the case where the area facing the transmission coil 131 is changed by dividing the dielectric 132 into a plurality of pieces and moving the piece 1321 in a direction parallel to the surface.
  • the present invention is not limited to this.
  • the area facing the transmission coil 131 may be changed by rotating the entire dielectric 132 in the plane.
  • the transmitting coil 131 and the dielectric 132 are each configured to have a shape in which the facing area changes when the dielectric 132 is rotated.
  • FIG. 2 shows the case where the division shape of the dielectric 132 is a radial shape.
  • the present invention is not limited to this.
  • a concentric circular shape as shown in FIG. 8 or a quadrangular shape as shown in FIG. 9 may be used.
  • a second dielectric that embeds the transmission coil 131 may be provided. Thereby, the parasitic capacitance of the transmission coil 131 can be further increased.
  • a gap such as a groove or a small hole is provided in the dielectric 132, and a gas (carbon dioxide, nitrogen, etc.), gel, liquid (water, vinegar, etc.) or powdery third is provided inside the dielectric 132. The dielectric may be inserted.
  • the dielectric 132 may be formed by stacking a plurality of dielectric layers whose relative dielectric constant changes when a voltage is applied.
  • the transmission-side resonator 13 is further provided with a voltage applying unit that applies a voltage between the dielectric layers constituting the dielectric 132.
  • the change of the parasitic capacitance of the transmission coil 131 can be finely adjusted.
  • the range in which the dielectric 132 can be moved is limited. In this case, the adjustment range of the resonance condition can be expanded by changing the relative dielectric constant.
  • each of the above-described modifications can be similarly applied when the dielectric 132 is provided in the reception-side resonator 21.
  • the movement of the dielectric 132 has been described on the assumption that it is performed manually, but it may be automated.
  • a cylinder 5 may be attached to each piece 1321 of the dielectric 132, and the piece 1321 may be moved in a direction parallel to the surface by the cylinder 5.
  • a notched dielectric 132 is used, and the motor 6 is attached to the center of the dielectric 132. Then, the motor 6 may be opened and closed so as to turn the dielectric 132.
  • the present invention is not limited to this, and any method that can detect the deviation of the resonance condition may be used, and an external circuit that can detect the deviation of the resonance condition may be added to the resonance type power transmission system.
  • FIG. FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a resonator according to the second embodiment of the present invention.
  • the resonator according to the second embodiment shown in FIG. 11 is obtained by adding a magnetic body 133 to the resonator according to the second embodiment shown in FIG.
  • Other configurations are the same, and the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
  • the transmission side resonator 13 is described as an example.
  • the magnetic body 133 is disposed opposite to the surface of the transmitting coil 131 opposite to the surface facing the receiving coil.
  • the magnetic body 133 is composed of a member having magnetic permeability such as ferrite or amorphous.
  • the magnetic body 133 may be in the form of a sheet as shown in FIG. 11 or a magnetic paint.
  • the inductance of the transmission-side resonator 13 L in Expression (1)
  • the resonance condition can be adjusted.
  • an effect of shielding the radiated electromagnetic field from the resonator can be obtained.
  • the magnetic body 133 may be divided into a plurality of pieces so as to be separable for each piece.
  • the dielectric 132 is provided in the transmission-side resonator 13 has been described. It may be provided. Note that, when the magnetic body 133 is provided in the reception-side resonator 21, the configuration is the same as in the case where the transmission-side resonator 13 is provided with the magnetic body 133.
  • the configuration shown in FIG. 11 may be provided with a temperature control unit that controls the temperature in order to adjust the magnetic permeability by changing the temperature of the magnetic body 133.
  • the temperature control unit include a heating wire or a sheet heater.
  • FIG. 11 shows the case where the transmission-side resonator 13 is provided with the magnetic body 133.
  • the magnetic body 133 may be configured such that the distance from the opposing transmission coil 131 is variable.
  • the resonance condition can also be adjusted by making the distance between the magnetic body 133 and the transmission coil 131 variable.
  • the transmission-side resonator 13 is described as an example, but the same applies to the case where the reception-side resonator 21 is provided with the magnetic body 133.
  • the resonator of the present invention is applied to a resonant power transmission system as shown in FIG. 1 .
  • the present invention is not limited to this, and the resonator of the present invention can be similarly applied to other power transmission systems.
  • the invention of the present application can be freely combined with each embodiment, modified with any component in each embodiment, or omitted with any component in each embodiment. .
  • the resonance type power transmission system is capable of adjusting the resonance condition and can transmit power even under a high voltage and high current condition, and includes a transmission side resonator having a transmission coil and a reception coil. This is suitable for use in a resonance type power transmission system that performs power transmission at a specific resonance frequency with a receiving-side resonator having the above.

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Abstract

　送信コイル（１３１）を有する送信側共振器（１３）と受信コイルを有する受信側共振器（２１）との間で固有の共振周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送システムにおいて、送信コイル（１３１）及び受信コイルのうちの少なくとも一方のコイルの軸方向に垂直な面に対向配置され、当該コイルと対向する自身の面積及び自身と当該コイルとの距離のうちの少なくとも一方が可変である誘電体（１３２）を備えた。

Description

共振型電力伝送システム及び共振器
　この発明は、送信コイルを有する送信側共振器と受信コイルを有する受信側共振器との間で固有の共振周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送システム及び共振器に関するものである。
　従来の共振型電力伝送システムとして、誘電体セラミック材料を主成分として含む支持部材により、共振器のコイルを支持したものが知られている（例えば特許文献１参照）。この支持部材により、共振器の寄生容量が増加して共振特性の確保が容易となり、共振器の小型化が可能となる。また、コイルの線長を短縮化できるため、導体損失が低下する。よって、導体損失に起因する共振器の発熱を抑制することができる。
　また、アンテナ（コイル）を誘電体に埋め込むことで、誘電率を高めたものも知られている（例えば非特許文献１参照）。これにより、アンテナの静電容量を増加させることができ、アンテナの共振周波数を低周波化することができる。
特開２０１４－１３８５０９号公報
２０１３年電子情報通信学会総合大会ＢＣＳ－１－１５「誘電体装荷テープ構造を用いた無線電力伝送用スパイラルアンテナに関する検討」名古屋工業大学
　このように、特許文献１及び非特許文献１に開示された従来構成では、誘電体を用いて共振器の共振周波数を低下させている。しかしながら、これらの従来構成では、送信側共振器と受信側共振器との間の距離の変動、及び受信側共振器に接続されている負荷の変動に対する対策はされていない。すなわち、上記変動によって共振条件がずれた場合、従来構成では、共振キャパシタ等の素子から成る外部回路を用いて共振特性を一定に保つ必要がある。しかしながら、この外部回路では、素子の定格（電圧、電流）による制約のため、高電圧及び高電流の条件下で使用することができないという課題がある。
　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、電力伝送用アンテナの共振条件を調整可能であり、且つ従来技術よりも高電圧及び高電流でも電力伝送を可能とする共振型電力伝送システム及び共振器を提供することを目的としている。
　この発明に係る共振型電力伝送システムは、送信コイルを有する送信側共振器と受信コイルを有する受信側共振器との間で固有の共振周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送システムにおいて、送信コイル及び受信コイルのうちの少なくとも一方のコイルの軸方向に垂直な面に対向配置され、当該コイルと対向する自身の面積及び自身と当該コイルとの距離のうちの少なくとも一方が可変である誘電体を備えたものである。
　この発明によれば、上記のように構成したので、電力伝送用アンテナの共振条件を調整可能であり、且つ従来技術よりも高電圧及び高電流でも電力伝送を可能とすることができる。
この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送システムの構成例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る共振器の構成例を示す図であり、（ａ）斜視図であり、（ｂ）上面図である。 この発明の実施の形態１における誘電体の、コイルとの対向面積を可変する場合の動作例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１における誘電体の、コイルとの距離を可変する場合の動作例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る共振器での、共振条件の調整例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る共振器での、共振条件の調整例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る共振器において、誘電体とコイルとの対向面積を可変する場合の別の動作例を示す上面図である。 この発明の実施の形態１に係る共振器の別の構成例を示す上面図である。 この発明の実施の形態１に係る共振器の別の構成例を示す上面図である。 この発明の実施の形態１に係る共振器において、誘電体とコイルとの対向面積を可変する場合の動作を自動化した例を示す模式図である。 この発明の実施の形態２に係る共振器の構成例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る共振器の構成例を示す斜視図である。
　以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
　図１はこの発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送システムの構成例を示すブロック図である。
　共振型電力伝送システムは、図１に示すように、送信側共振器１３を有する送信装置１と、受信側共振器２１を有する受信装置２とを備えている。この共振型電力伝送システムは、受信側共振器２１が送信側共振器１３に近づくことで、送信装置１から受信装置２へ電力伝送を行うものである。
　送信装置１は、図１に示すように、一次電源１１、送信電源１２及び送信側共振器１３を有している。
　一次電源１１は、直流又は交流の電力を出力するものである。
　送信電源１２は、一次電源１１からの直流又は交流の電力（入力電力）を、送信側共振器１３の共振周波数に合わせた電力（高周波電力）に変換して出力するものである。また、送信電源１２は、自身の保護機能により、受信側共振器２１が送信側共振器１３に近づくことにより変化する送信電源１２に関するパラメータを検出する機能（パラメータ検出部）を有している。この送信電源１２は、図１に示すように、インバータ回路１２１、入力検出部１２２、電源パラメータ検出部１２３及び出力検出部１２４を有している。
　インバータ回路１２１は、一次電源１１からの入力電力を、送信側共振器１３に出力するための高周波電力に変換するものである。
　入力検出部１２２は、一次電源１１から送信電源１２に入力される電力に関するパラメータを検出するものである。この際、入力検出部１２２は、送信電源１２の入力電流、入力電圧のうち少なくとも１つ以上を検出する。
　電源パラメータ検出部１２３は、送信電源１２内部のインバータ回路１２１に関するパラメータを検出するものである。この際、電源パラメータ検出部１２３は、例えば、インバータ回路１２１の共振電圧、共振電流、共振電圧と共振電流の位相、反射電力、インバータ回路１２１内のスイッチング素子のドレイン－ソース間の電圧Ｖｄｓ又は電流Ｉｄｓ、インバータ回路１２１内の素子（ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、キャパシタ、インダクタ等）の発熱等のうち少なくとも１つ以上を検出する。
　出力検出部１２４は、送信電源１２から出力された電力（インバータ回路１２１により変換された高周波電力）に関するパラメータを検出するものである。この際、出力検出部１２４は、例えば、インバータ回路１２１からの出力電圧又は出力電流（位相、振幅、実効値、周波数）、透過電力、反射電力等のうち少なくとも１つ以上を検出する。
　なお、入力検出部１２２、電源パラメータ検出部１２３及び出力検出部１２４は、受信側共振器２１が送信側共振器１３に近づくことにより変化する送信電源１２に関するパラメータを検出するパラメータ検出部を構成する。そして、このパラメータ検出部の機能は、送信電源１２が通常に有している保護機能（電源の破壊を防止するための機能）を兼用することで実現可能であり、専用回路は不要である。また図１では、パラメータ検出部として、入力検出部１２２、電源パラメータ検出部１２３及び出力検出部１２４を全て有している場合を示しているが、これらの検出部１２２～１２４のうち少なくとも１つ以上有していればよい。なお、複数のパラメータを検出することで、共振条件の調整精度を向上させることができる。
　送信側共振器１３は、送信電源１２からの高周波電力の周波数と同一周波数で共振し、受信装置２の受信側共振器２１に対して電力伝送を行うものである。
　受信装置２は、図１に示すように、受信側共振器２１及び受信回路２２を有している。
　受信側共振器２１は、送信側共振器１３の共振周波数と同一周波数で共振することで電力を受信し、交流電力を出力するものである。
　受信回路２２は、整流回路２２１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２２及び負荷２２３を有している。
　整流回路２２１は、受信側共振器２１からの交流電力を直流電力に変換するものである。
　ＤＣ／ＤＣコンバータ２２２は、整流回路２２１から入力された直流電力を任意の電圧へ変換し、負荷２２３へ供給するものである。
　なお図１に示す受信回路２２において、負荷２２３はバッテリであってもよい。
　また、送信側共振器１３と受信側共振器２１との共振結合による電力伝送方式は特に限定されるものではなく、磁界共鳴による方式、電界共鳴による方式、電磁誘導による方式、接触型の共振結合方式のいずれであってもよい。
　次に、本発明の共振器の構成について、図２を参照しながら説明する。なお以下では、送信側共振器１３を例に説明を行う。
　送信側共振器１３は、図２に示すように、送信コイル（電力伝送用アンテナ）１３１及び誘電体１３２を有している。
　送信コイル１３１は、スパイラル型又はヘリカル型等のコイルであり、その形状は、円形、楕円形又は長方形等任意の形状でよい。なお図２の例では、送信コイル１３１が、楕円形のスパイラル型に構成された場合を示している。
　誘電体１３２は、送信コイル１３１の軸方向に垂直な面に対向配置され、当該送信コイル１３１と対向する面積及び当該送信コイル１３１との距離のうちの少なくとも一方が可変であるものである。この誘電体１３２は、セラミック又はアクリル等により構成される。なお図２の例では、誘電体１３２が、送信コイル１３１の両面にそれぞれ対向配置された場合を示している。また図２の例では、誘電体１３２が、軸心を中心に放射状に複数分割されて、ピース１３２１毎に分離可能に構成された場合を示している。図２において、誘電体１３２は、単一の部材から構成してもよいし、誘電率が異なる複数の部材から構成してもよい。
　図２に示す構成において、誘電体１３２が送信コイル１３１と対向する面積を可変に構成されている場合には、例えば図３に示すように、誘電体１３２の任意のピース１３２１を面内に平行な方向に移動させる。これにより、送信側共振器１３の寄生容量を変化させることができ、共振条件を調整することができる。
　また、図２に示す構成において、誘電体１３２が送信コイル１３１と対向する距離を可変に構成されている場合には、例えば図４に示すように、誘電体１３２の任意のピース１３２１を面内に垂直な方向に移動させる。これにより、送信側共振器１３の寄生容量を変化させることができ、共振条件を調整することができる。
　なおここでは、図３，４に示すような誘電体１３２の移動は、手動で行うものとする。また、誘電体１３２の移動方法は、共振器の設置スペース等に応じて適宜選択される。
　なお図２では、送信側共振器１３に誘電体１３２を設けた場合について示したが、送信側共振器１３及び受信側共振器２１のうちの少なくとも一方に誘電体１３２が設けられていればよい。受信側共振器２１に誘電体１３２を設ける場合にも、送信側共振器１３に誘電体１３２を設ける場合と同様に構成される。
　次に、共振条件の調整例について、図５，６を参照しながら説明する。なお以下では、図２の構成を用い、送信側共振器１３の誘電体１３２を移動させることで、共振条件を調整する場合を例に説明を行う。
　図５では、受信側共振器２１に接続されている負荷２２３が変動した場合、又は送信側共振器１３と受信側共振器２１との間に異物が存在する場合での共振条件の調整例を示している。なお、通常状態での共振器の共振周波数ｆ０は下式（１）で表される（図５の実線、ｆ０）。
ｆ０＝１／２π√（ＬＣ０）（１）
　ここで、Ｌは共振器のインダクタンスであり、Ｃ０は共振器の寄生容量である。
　そして、図５に示すように、受信側共振器２１に接続されている負荷２２３が変動した場合、又は送信側共振器１３と受信側共振器２１との間に異物が存在する場合、共振器の共振条件が変動する（図５の破線、ｆ１）。なお、共振条件の変動は、送信電源１２のパラメータ検出部による検出結果から得る。
　この場合、図２に示す送信側共振器１３の誘電体１３２の任意のピース１３２１を移動させて、送信側共振器１３の寄生容量が小さくなるように変化させる（Ｃ０＞Ｃ１）。これにより、共振周波数をｆ１からｆ０’に調整することができ、共振条件を初期状態へ戻すことができる（図５の実線、ｆ０’）。なお、共振条件を調整後の共振周波数ｆ０’は下式（２）で表される。
ｆ０’＝１／２π√（ＬＣ１）＞ｆ１　　　　　　（２）
　図６では、送信側共振器１３と受信側共振器２１との距離が近い場合での共振条件の調整例を示している。
　図６に示すように、送信側共振器１３と受信側共振器２１との距離が近づくと、共振条件の周波数軸上の伝送効率ηが双峰特性となり、共振周波数ｆ０での伝送効率ηが低下する（図６の破線）。なお、共振条件の変動は、送信電源１２のパラメータ検出部による検出結果から得る。
　この場合、図２に示す送信側共振器１３の誘電体１３２の任意のピース１３２１を移動させて、送信側共振器１３の寄生容量を変化させる。これにより、共振周波数ｆ１で高い伝送効率ηとなるように共振条件を調整することができる（図６の実線）。
　なお本発明では、図５，６に示すように、誘電体１３２をずらすことで共振条件を調整することが可能なため、共振型電力伝送システムでの使用周波数を広帯域化することも可能である。
　以上のように、この実施の形態１によれば、送信コイル１３１及び不図示の受信コイル（電力伝送用アンテナ）のうちの少なくとも一方のコイルの軸方向に垂直な面に対向配置され、当該コイルと対向する自身の面積及び自身と当該コイルとの距離のうちの少なくとも一方が可変である誘電体１３２を備えたので、電力伝送用アンテナの共振条件を調整可能であり、且つ従来技術よりも高電圧及び高電流でも電力伝送を可能とすることができる。すなわち、従来構成のような外部回路を用いずに共振条件を可変できるため、外部回路の素子の定格（電圧、電流等）による制約がなく、大電力化が容易である。
　また、誘電体１３２を移動させることで共振条件を調整するため、共振特性を離散的ではなく連続的に変化させることが可能である。これによって、細かい調整が可能となり、共振特性を目標値に一致させることができる。
　なお図２では、誘電体１３２を、送信コイル１３１の両面にそれぞれ対向配置した場合を示したが、片面にのみ設けてもよい。ただし、誘電体１３２を送信コイル１３１の両面に設けた方が、片面にのみ設けた場合に対して寄生容量を増加させることができる。
　なお図２では、誘電体１３２を複数に分割し、ピース１３２１を面内に平行な方向に移動させることで、送信コイル１３１と対向する面積を変える場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば図７に示すように、誘電体１３２全体を面内で回転させることで、送信コイル１３１と対向する面積を変えるようにしてもよい。なおこの場合には、送信コイル１３１及び誘電体１３２を、誘電体１３２を回転させた際に対向面積が変化するような形状にそれぞれ構成する。
　また図２では、誘電体１３２の分割形状を放射形状とした場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば、図８に示すような同心円形状としてもよいし、図９に示すような四角形状としてもよい。
　なお図２において、送信コイル１３１を内部に埋め込む第２の誘電体を設けてもよい。これにより、送信コイル１３１の寄生容量をさらに増加させることができる。
　また図２において、誘電体１３２に溝、小穴等の空隙を設け、誘電体１３２の内部に、ガス（炭酸ガス、窒素等）、ジェル状、液状（水、酢等）又は粉状の第３の誘電体を挿入してもよい。
　また図２において、誘電体１３２を、電圧が印加されることで比誘電率が変化する誘電体層を複数重ねて構成してもよい。この場合には、送信側共振器１３に、誘電体１３２を構成する誘電体層間に電圧を印加する電圧印加部がさらに設けられる。これにより、送信コイル１３１の寄生容量の変化を微調整することができる。また、共振器の設置スペースによっては、誘電体１３２を移動可能な範囲に限りがあるため、その場合に比誘電率を変化させることで、共振条件の調整範囲を広げることができる。
　また上記の各変形例は、受信側共振器２１に誘電体１３２を設けた場合にも同様に適用可能である。
　また上記において、誘電体１３２の移動は、手動で行うことを想定して説明を行ったが、自動化してもよい。この場合、例えば図１０（ａ）に示すように、誘電体１３２のピース１３２１毎にシリンダ５を取付けて、このシリンダ５によってピース１３２１を面内に平行な方向に移動させてもよい。また、例えば図１０（ｂ）に示すように、切れ込みを入れた誘電体１３２を用い、この誘電体１３２の中心にモータ６を取付ける。そして、このモータ６により誘電体１３２をめくるように開閉してもよい。
　また上記では、送信電源１２のパラメータ検出部による検出結果から共振条件のずれを検出する場合を示した。しかしながら、これに限るものではなく、共振条件のずれを検出できる方法であればよく、共振条件のずれを検出可能な外部回路を共振型電力伝送システムに追加してもよい。
実施の形態２．
　図１１はこの発明の実施の形態２に係る共振器の構成を示す図である。この図１１に示す実施の形態２に係る共振器は、図２に示す実施の形態２に係る共振器に磁性体１３３を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。なお図１１では、送信側共振器１３を例に説明を行う。
　磁性体１３３は、送信コイル１３１の受信コイルとの対向面とは反対側の面に対向配置されたものである。この磁性体１３３は、フェライト又はアモルファス等の透磁率を有する部材で構成される。磁性体１３３は、図１１に示すようなシート状でもよいし、磁性塗料でもよい。このように、磁性体１３３を送信コイル１３１付近に配置することで、送信側共振器１３のインダクタンス（式（１）のＬ）が増加し、共振条件を調整することができる。また、磁性体１３３を設けることで、共振器からの放射電磁界をシールドする効果も得られる。
　なお、誘電体１３２と同様に、磁性体１３３を複数に分割してピース毎に分離可能に構成してもよい。
　また図１１では、送信側共振器１３に誘電体１３２を設ける場合について示したが、誘電体１３２が受信側共振器２１に設けられている場合には当該受信側共振器２１に磁性体１３３を設けてもよい。なお、受信側共振器２１に磁性体１３３を設ける場合にも、送信側共振器１３に磁性体１３３を設けた場合と同様に構成される。
　また、図１１に示す構成に、磁性体１３３の温度を変えて透磁率を調整するために温度を制御する温度制御部を設けてもよい。この温度制御部としては、電熱線又はシート状のヒータ等が挙げられる。この温度制御部により磁性体１３３の温度を制御することで、磁性体１３３の比透磁率を可変し、共振条件を調整することができる。
実施の形態３．
　図１１では、送信側共振器１３に磁性体１３３を設けた場合について示した。それに対し、図１２に示すように、磁性体１３３を、対向する送信コイル１３１との距離を可変とするように構成してもよい。このように、磁性体１３３と送信コイル１３１との距離を可変とすることによっても、共振条件を調整することができる。なお図１２では、送信側共振器１３を例に説明を行ったが、受信側共振器２１に磁性体１３３が設けられる場合にも同様である。
　なお実施の形態１～３では、本発明の共振器を図１に示すような共振型電力伝送システムに適用した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、他の電力伝送システムにも本発明の共振器を同様に適用可能である。
　また、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。
　この発明に係る共振型電力伝送システムは、共振条件を調整可能であり、且つ高電圧及び高電流の条件下でも電力伝送を可能とすることができ、送信コイルを有する送信側共振器と受信コイルを有する受信側共振器との間で固有の共振周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送システム等に用いるのに適している。
　１　送信装置、２　受信装置、５　シリンダ、６　モータ、１１　一次電源、１２　送信電源、１３　送信側共振器、２１　受信側共振器、２２　受信回路、１２１　インバータ回路、１２２　入力検出部、１２３　電源パラメータ検出部、１２４　出力検出部、１３１　送信コイル、１３２　誘電体、１３３　磁性体、２２１　整流回路、２２２　ＤＣ／ＤＣコンバータ、２２３　負荷、１３２１　ピース。

Claims (13)

  1. 　送信コイルを有する送信側共振器と受信コイルを有する受信側共振器との間で固有の共振周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送システムにおいて、
    　前記送信コイル及び前記受信コイルのうちの少なくとも一方のコイルの軸方向に垂直な面に対向配置され、当該コイルと対向する自身の面積及び自身と当該コイルとの距離のうちの少なくとも一方が可変である誘電体を備えた
    　ことを特徴とする共振型電力伝送システム。
  2. 　前記誘電体は、複数に分割されて各々分離可能に構成された
    　ことを特徴とする請求項１記載の共振側電力伝送システム。
  3. 　前記コイルを内部に埋め込んだ第２の誘電体を備えた
    　ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送システム。
  4. 　前記誘電体は、誘電率が異なる複数の部材から構成された
    　ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送システム。
  5. 　ガス、ジェル状、液状又は粉状であり、前記誘電体の内部に挿入された第３の誘電体を備えた
    　ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送システム。
  6. 　前記誘電体は、電圧が印加されることで比誘電率が変化する誘電体層を複数重ねて構成され、
    　前記誘電体の誘電体層間に電圧を印加する電圧印加部を備えた
    　ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送システム。
  7. 　前記コイルの他コイルとの対向面とは反対側の面に対向配置された磁性体を備えた
    　ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送システム。
  8. 　前記磁性体は、前記コイルとの距離が可変である
    　ことを特徴とする請求項７記載の共振型電力伝送システム。
  9. 　前記磁性体の温度を制御する温度制御部を備えた
    　ことを特徴とする請求項７記載の共振型電力伝送システム。
  10. 　前記送信側共振器と前記受信側共振器とは、磁界共鳴により電力伝送を行う
    　ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送システム。
  11. 　前記送信側共振器と前記受信側共振器とは、電界共鳴により電力伝送を行う
    　ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送システム。
  12. 　前記送信側共振器と前記受信側共振器とは、電磁誘導により電力伝送を行う
    　ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送システム。
  13. 　他コイルとの間で固有の共振周波数で電力伝送を行うコイルを有する共振器において、
    　前記コイルの軸方向に垂直な面に対向配置され、当該コイルと対向する面積及び当該コイルとの距離のうちの少なくとも一方が可変である誘電体を備えた
    　ことを特徴とする共振器。
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