WO2023002906A1

WO2023002906A1 - 無線電力伝送システムおよび受電器

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Publication number: WO2023002906A1
Application number: PCT/JP2022/027673
Authority: WO
Inventors: 洋昌佐伯
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2021-07-19
Filing date: 2022-07-14
Publication date: 2023-01-26
Also published as: US20240106277A1; JPWO2023002906A1

Abstract

無線電力伝送システム１は、適宜な導電率を有する電磁波遮蔽部材２によって全体が包囲された構造体と、少なくとも１つの送電部３と、少なくとも１つの受電部４と、を備える。受電部４の一例である受電部４Ａは、誘電体基板７と整流回路８と受電アンテナ９とを備える受電器から構成される。受電アンテナ９は、誘電体基板７の上で同一平面内に配置される受電アンテナ配線９ａおよび９ｂを含む。受電アンテナ配線９ａおよび９ｂの一端は、整流回路８に接続されている。受電アンテナ配線９ａおよび９ｂの整流回路８に接続されている一端とは異なる他端は、開放端となっている。誘電体基板７の平面形状は、線対称な２Ｎ角形（Ｎは２以上の整数）であり、受電アンテナ配線９ａおよび９ｂは、誘電体基板７の隣接した異なるＮ辺に沿って配置されている。

Description

無線電力伝送システムおよび受電器

　本発明は、無線電力伝送システムに関する。具体的には、本発明は、高周波電磁波を送電する送電器を用いる無線電力伝送システムに関する。本発明の無線電力伝送システムは、倉庫内、工場内、車両内部など、壁面で囲まれた空間内に配置されたデバイスなどへ高い送電効率で無線電力を供給する際に、受電器の設置方位の自由度を高めるための構造に関する。

　近年、ＩＯＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ）デバイスの爆発的な増加に伴って、これらのデバイスへの電力供給方法に課題が生じている。膨大なデバイスへの配線接続は困難であり、また、電池を電源とする場合には消耗した電池の交換に多大な労力を要する問題がある。これらの問題を解決するために、無線にて電力を伝送する技術が期待されている。

　特許文献１には、金属で囲まれた空間内を共振器に見立て、共振器固有の共振周波数で送電部から電磁波を照射し、共振器内の受電器へ送電する無線電力伝送システムが開示されている。特許文献１では、第一の受電器と第二の受電器が平行に対向されて配置されており、これを導体柱で接続する構造を有した受電器が開示されている。この構造によって送電部と受電部の見通しが悪くとも受電部に高効率で電力を送電できるとされている。

特開２０２０－８９２０９号公報

　金属で囲まれた空間内を共振器に見立て、共振器固有の共振周波数で送電する無線電力伝送システムにおいて、既存の方法では受電器が高い設置自由度を持つことが可能となる、適切な送受電アンテナの設計が明らかとなっていない。

　特許文献１に記載の方式の場合、第一の受電器と第二の受電器が平行に対向されて配置されており、これを導体柱で接続する受電器の構造が示されている。文献中には受電可能な方位については記述がないために、受電可能な方位については明らかにされておらず、受電可能な方位を高める工夫が施されていない。また、第一の受電器と第二の受電器が立体的に配置されるために、ＩＯＴデバイスに取り付けるには厚すぎる課題がある。

　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、受電器の設置方位に高い自由度を有する無線電力伝送システムを提供することを目的とする。さらに、本発明は、上記無線電力伝送システムの受電部を構成する受電器を提供することを目的とする。

　本発明の無線電力伝送システムは、適宜な導電率を有する電磁波遮蔽部材によって全体が包囲された構造体と、少なくとも１つの送電部と、少なくとも１つの受電部と、を備え、上記構造体における共振モードを利用する無線電力伝送システムである。上記受電部は、誘電体基板と整流回路と受電アンテナとを備える受電器から構成される。上記受電アンテナは、上記誘電体基板の上で同一平面内に配置される受電アンテナ配線を含む。上記受電アンテナ配線の一端は、上記整流回路に接続されている。上記受電アンテナ配線の上記整流回路に接続されている一端とは異なる他端は、開放端となっている。上記誘電体基板の平面形状は、線対称な２Ｎ角形（Ｎは２以上の整数）であり、上記受電アンテナ配線は、上記誘電体基板の隣接した異なるＮ辺に沿って配置されている。

　本発明の受電器は、適宜な導電率を有する電磁波遮蔽部材によって全体が包囲された構造体と、少なくとも１つの送電部と、少なくとも１つの受電部と、を備え、上記構造体における共振モードを利用する無線電力伝送システムの、上記受電部を構成する受電器である。上記受電器は、誘電体基板と整流回路と受電アンテナとを備える。上記受電アンテナは、上記誘電体基板の上で同一平面内に配置される受電アンテナ配線を含む。上記受電アンテナ配線の一端は、上記整流回路に接続されている。上記受電アンテナ配線の上記整流回路に接続されている一端とは異なる他端は、開放端となっている。上記誘電体基板の平面形状は、線対称な２Ｎ角形（Ｎは２以上の整数）であり、上記受電アンテナ配線は、上記誘電体基板の隣接した異なるＮ辺に沿って配置されている。

　本発明によれば、受電器の設置方位に高い自由度を有する無線電力伝送システムを提供することができる。さらに、本発明によれば、上記無線電力伝送システムの受電部を構成する受電器を提供することができる。

本発明に係る無線電力伝送システムの一例を示す構成図である。送電部３の一例である送電部３Ａを示す模式図である。送電部３の別の一例である送電部３Ｂを示す模式図である。送電部３Ｂの変形例である送電部３Ｃを示す模式図である。受電部４の一例である受電部４Ａを示す模式図である。受電部４の別の一例である受電部４Ｂを示す模式図である。受電部４Ａを用いた場合の規格化アンテナ長さＬ／λと電力伝送効率の関係を示すグラフである。図７Ａの拡大図である。受電部４Ａの変形例１である受電部４Ｃを示す模式図である。受電部４Ａの変形例２である受電部４Ｄを示す模式図である。受電部４Ａの変形例３である受電部４Ｅを示す模式図である。本発明の実施例１に係る送電部３ａの模式図である。開放空間においてダイポールモードで給電した場合の電界分布を示す模式図である。開放空間においてモノポールモードで給電した場合の電界分布を示す模式図である。閉空間においてダイポールモードで給電した場合の電界分布を示す模式図である。閉空間においてモノポールモードで給電した場合の電界分布を示す模式図である。本発明の実施例２に係る受電部４ａの模式図である。本発明の実施例２に係る無線電力伝送システムにおける、受電アンテナ方位に対する電力伝送効率の関係を示すグラフである。本発明の実施例３に係る無線電力伝送システムにおける、受電アンテナ方位に対する電力伝送効率の関係を示すグラフである。受電器周囲の磁界分布を示す模式図である。本発明の実施例４に係る無線電力伝送システムにおける、受電アンテナ方位に対する電力伝送効率の関係を示すグラフである。本発明の実施例５に係る無線電力伝送システムにおける、受電アンテナ方位に対する電力伝送効率の関係を示すグラフである。本発明の実施例４～６に係る無線電力伝送システムにおける、受電アンテナ方位に対する電力伝送効率の関係を示すグラフである。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

　本明細書において、要素間の関係性を示す用語（例えば「垂直」、「平行」、「直交」など）、および、要素の形状を示す用語は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。

　図１は、本発明に係る無線電力伝送システムの一例を示す構成図である。図１において、無線電力伝送システム１は、適宜な導電率を有する電磁波遮蔽部材２によって全体が包囲された構造体を共振器に見立て、その内部に、少なくとも１つの送電部３と、少なくとも１つの受電部４と、を備える。すなわち、無線電力伝送システム１は無線電力伝送を実現する構造物の全体を指している。なお、構造体の形状は直方体形状に限定されるものではなく、例えば、ＺＸ面が五角形である五角柱形状、ＺＸ面が台形である四角柱形状、ＺＸ面が半円である半円柱形状などであってもよい。

　無線電力伝送システム１は、構造体における共振モードを利用する。無線電力伝送システム１は電磁波遮蔽部材２で遮蔽された空間を有するため、共振器として考えることができる。共振器の水平方向の長さがａ（Ｘ軸方向）およびｂ（Ｙ軸方向）であり、垂直方向の長さがｃ（Ｚ軸方向）である場合、共振周波数ｆ_ｒは数式１のように決定することができる。

［数式１］
　ｆ_ｒ＝ｖ／（２π×（μ_ｒ×ε_ｒ）^１／２）×｛（ｍπ／ａ）^２＋（ｎπ／ｂ）^２＋（ｐπ／ｃ）^２｝^１／２

　ここで、ｖは光速、μ_ｒは比透磁率、ε_ｒは比誘電率、ｍ、ｎ、ｐはそれぞれ整数を示している。

　電磁波遮蔽部材２は導電性を有していれば特に限定されないが、好ましくは銅、アルミニウム、鉄、ステンレス、ニッケルなどの金属材料が挙げられる。あるいは、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの導電性酸化物材料、グラファイト、有機導電材料などが挙げられる。これらは上記部材からなる複数の層で構成されてもよい。また、導電性を有していれば合金または混合物であっても構わない。加えて、電力供給する周波数において電磁波遮蔽部材として動作するのであれば、形状は板状、メッシュ状、膜状、ポーラス状などであってもよい。また、電磁波遮蔽部材２は表面保護などの目的で、電磁波透過素材で被覆してあっても構わない。なお、電磁波遮蔽部材２における電磁波遮蔽は、無線電力伝送に供される周波数においてのみ電磁波を遮蔽できればよい。すなわち、無線電力伝送用周波数とは異なる周波数での通信に対して遮蔽しない使い方も可能である。

　図２は、送電部３の一例である送電部３Ａを示す模式図である。送電部３Ａなどの送電部３は、例えば、送電アンテナ取付部５と送電アンテナ配線６とを備える送電器から構成される。送電アンテナ取付部５は金属製であり、電磁波遮蔽部材２からなる壁面に対して概ね垂直に設置されることが好ましい。また、送電アンテナ取付部５は、それ自体が送電アンテナの一部として機能してもよい。送電アンテナ取付部５は、電磁波遮蔽部材２と電気的に接触しないように設置されつつ、電磁波遮蔽部材２を貫通して共振器（構造体）の外側に設置された送電回路に電気的に接続される。このとき、接続部と送電回路の接続には、適宜ＳＭＡ（Ｓｕｂ　Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ　Ｔｙｐｅ　Ａ）端子などのコネクタを介してもよい。なお、上記送電回路と送電部３との間のインピーダンスを調整する整合回路は、共振器内外のどちらに設置しても構わない。

　送電アンテナ配線６は、プリント基板などの上に配線してもよいが、送電アンテナ取付部５を折り曲げて配線にしても構わない。送電アンテナ配線６は、電磁波遮蔽部材２からなる共振器の壁面に対して概ね水平になるように形成されることが好ましい。

　図２に示す送電部３Ａのように、送電部３は、モノポールモードで給電されることが好ましい。この場合、構造体の空間内に電磁波を閉じ込め、共振させることによって、強い指向性を持った電界が得られる。電界ベクトルは一方向であるため、送電部に指向性アンテナを用いることで、無線電力伝送システム１の性能を向上させることができる。例えば、スリットアレーアンテナなどによって電界をチルトさせようとしても、伝送効率が低下するだけであり、電界はチルトしない。

　図３は、送電部３の別の一例である送電部３Ｂを示す模式図である。図４は、送電部３Ｂの変形例である送電部３Ｃを示す模式図である。図３に示す送電部３Ｂおよび図４に示す送電部３Ｃは、図２に示す送電部３Ａと同様、モノポールモードで給電される。図３に示す送電部３Ｂおよび図４に示す送電部３Ｃのように、送電部３は、マイクロストリップアンテナを備えることが好ましい。図３および図４に示す送電アンテナ配線６ａは、マイクロストリップアンテナ構造を有する。具体的には、誘電体基板７の両面に導体が存在し、裏面（図３および図４に示されていない側の面）はグランドに接続されており、おもて面は放射素子になっている。マイクロストリップアンテナは、裏面がグランドに接続されている構造であるため、前面だけに電界を強く放射させる特徴がある。したがって、電力伝送効率を高めることができる。このように、マイクロストリップアンテナを備える送電部３は、空洞共振器内で利用する用途には有効である。

　送電部３がマイクロストリップアンテナを備える場合、誘電体基板７のおもて面が放射素子になっており、裏面に導体が配置されない形態であってもよい。この場合、電磁波遮蔽部材２が上記裏面グランドと同じように機能する。また、おもて面を構成する放射素子が自立できるほどの厚さを持っている場合には、誘電体基板７を備えない構成としてもよい。

　なお、マイクロストリップアンテナは、図３に示すような直線偏波構造でもよく、図４に示すような円偏波構造でもよい。図４に示す送電アンテナ配線６ａでは、スリット６ｂなどの縮退分離素子がある。

　図５は、受電部４の一例である受電部４Ａを示す模式図である。受電部４Ａなどの受電部４は、例えば、誘電体基板７と整流回路８と受電アンテナ９とを備える受電器から構成される。受電部４には、必要に応じてスイッチ、整合回路等が取り付けられてもよい。

　図５に示す受電部４Ａでは、受電アンテナ９は、誘電体基板７の上で同一平面内に配置される２本の受電アンテナ配線９ａおよび９ｂを含む。受電アンテナ配線９ａおよび９ｂの一端は、整流回路８に接続されている。受電アンテナ配線９ａおよび９ｂの整流回路８に接続されている一端とは異なる他端は、開放端となっている。

　受電アンテナ配線９ａおよび９ｂは、誘電体基板７の外周に沿って配置されている。各々の受電アンテナ配線９ａおよび９ｂの他端は、誘電体基板７の異なる辺に配置されている。すなわち、受電アンテナ配線９ａおよび９ｂは、誘電体基板７の外周に沿って互いに反対方向に配置されている。誘電体基板７の外周に沿った部分の受電アンテナ配線９ａおよび９ｂの長さは、誘電体基板７の外周の概ね半分の長さである。

　誘電体基板７の平面形状は矩形であり、受電アンテナ配線９ａおよび９ｂは、誘電体基板７の隣接した異なる２辺に沿って配置されている。受電アンテナ配線９ａおよび９ｂの他端は、誘電体基板７の端まで配置されている。ここで、「矩形」とは、長方形または正方形を意味する。

　受電アンテナ配線９ａは、１箇所の屈曲部を有している。受電アンテナ配線９ａの屈曲部は、１段でもよいし、２段以上でもよい。受電アンテナ配線９ａの屈曲部には丸みが付いていてもよい。一方、受電アンテナ配線９ｂは、２箇所の屈曲部を有している。受電アンテナ配線９ｂの各屈曲部は、１段でもよいし、２段以上でもよい。受電アンテナ配線９ｂの各屈曲部には丸みが付いていてもよい。

　図６は、受電部４の別の一例である受電部４Ｂを示す模式図である。図６に示す受電部４Ｂでは、受電アンテナ９は、誘電体基板７の上で同一平面内に配置される１本の受電アンテナ配線９ｃを含む。受電アンテナ配線９ｃの一端は、整流回路８に接続されている。受電アンテナ配線９ｃの整流回路８に接続されている一端とは異なる他端は、開放端となっている。

　受電アンテナ配線９ｃは、誘電体基板７の外周に沿って配置されている。誘電体基板７の外周に沿った部分の受電アンテナ配線９ｃの長さは、誘電体基板７の外周の概ね半分の長さである。

　誘電体基板７の平面形状が矩形であり、受電アンテナ配線９ｃは、誘電体基板７の隣接した異なる２辺に沿って配置されている。受電アンテナ配線９ｃの他端は、誘電体基板７の端まで配置されている。

　受電アンテナ配線９ｃは、２箇所の屈曲部を有している。受電アンテナ配線９ｃの各屈曲部は、１段でもよいし、２段以上でもよい。受電アンテナ配線９ｃの各屈曲部には丸みが付いていてもよい。

　受電部４Ａの受電アンテナ配線９ａおよび９ｂ、並びに、受電部４Ｂの受電アンテナ配線９ｃのように、誘電体基板の平面形状は、線対称な２Ｎ角形（Ｎは２以上の整数）であり、受電アンテナ配線は、誘電体基板の隣接した異なるＮ辺に沿って配置されていることを特徴とする。例えば、誘電体基板の平面形状が矩形である場合、誘電体基板の平面形状は、線対称な四角形（Ｎは２）であり、受電アンテナ配線は、誘電体基板の隣接した異なる２辺に沿って配置されている。

　受電アンテナ配線の一端から他端までの長さＬは、ＩＯＴデバイスの電池充電に必要な最低限の送電効率を満たすために、共振周波数における電磁波の波長λとの関係でＬ／λ＞０．０１１を満たすことが好ましい。ＩＯＴデバイスの駆動や、ＩＯＴデバイス用の電池への充電を行うためには、無線電力伝送効率が１％以上であることが望ましい。受電部４Ａを用いた場合の規格化アンテナ長さＬ／λと電力伝送効率の関係を図７Ａに示す。図７Ａの拡大図である図７Ｂより、Ｌ／λ＞０．０１１を満たすと、無線電力伝送効率が１％以上得られることが分かる。なお、受電部４Ａにおいては、受電アンテナ配線９ａの一端から他端までの長さと受電アンテナ配線９ｂの一端から他端までの長さを合計した長さがＬに相当する。

　なお、送電効率を向上させることができるため、受電アンテナ配線の他端が誘電体基板の端まで配置されていることが好ましい。

　誘電体基板の平面形状は矩形に限定されるものではなく、誘電体基板７の平面形状が線対称な２Ｎ角形（Ｎは２以上の整数）であればよい。

　本明細書において、「線対称な２Ｎ角形」には、数学的に厳密な線対称な形状だけでなく、実質的に線対称と同視し得る形状も含まれる。例えば、一部の角が欠けた形状、一部の角に丸みが付いた形状であってもよい。

　図５に示す受電部４Ａまたは図６に示す受電部４Ｂのような受電部４では、電界ベクトルの方向に受電アンテナが向くように受電アンテナ配線を同一平面内に配置することで、受電方位依存性の小さい特性を得ることができる。このような受電部４では、特許文献１のような複雑な切り替え回路は不要となる。

　図８は、受電部４Ａの変形例１である受電部４Ｃを示す模式図である。図８に示す受電部４Ｃのように、受電部４を構成する受電器は、誘電体基板７の上に配置されるヘリカルアンテナ１０をさらに備えてもよい。図８に示す受電部４Ｃでは、ヘリカルアンテナ１０は、受電アンテナ配線９ｂの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ｂと電気的に接続されている。受電アンテナ配線９ｂの先端またはその近傍でヘリカルアンテナ１０を誘電体基板７の上に配置することによって、受電アンテナ９の基板面に垂直に入射する電界に対して感度を持たせることが可能となる。

　ヘリカルアンテナ１０の中心軸は、受電アンテナ配線９ｂが延伸する方向に対して傾斜していてもよいが、図８に示すように受電アンテナ配線９ｂが延伸する方向と直交していることが好ましい。

　図８に示す受電部４Ｃでは、受電アンテナ９は、図５と同様に２本の受電アンテナ配線９ａおよび９ｂを含み、ヘリカルアンテナ１０は、受電アンテナ配線９ｂの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ｂと電気的に接続されているが、ヘリカルアンテナ１０は、受電アンテナ配線９ａの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ａと電気的に接続されていてもよい。また、受電アンテナ９は、図６と同様に１本の受電アンテナ配線９ｃを含んでもよく、その場合、ヘリカルアンテナ１０は、受電アンテナ配線９ｃの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ｃと電気的に接続されていてもよい。

　図９は、受電部４Ａの変形例２である受電部４Ｄを示す模式図である。図９に示す受電部４Ｄのように、受電部４を構成する受電器は、誘電体基板７と直交する方向に配置される立体アンテナ１１をさらに備えてもよい。図９に示す受電部４Ｄでは、立体アンテナ１１は、受電アンテナ配線９ａの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ａと電気的に接続されている。受電アンテナ配線９ａの先端またはその近傍で立体アンテナ１１を誘電体基板７に対して垂直となるように配置することによって、受電アンテナ９の基板面に垂直に入射する電界に対して感度を持たせることが可能となる。

　図９に示す受電部４Ｄでは、受電アンテナ９は、図５と同様に２本の受電アンテナ配線９ａおよび９ｂを含み、立体アンテナ１１は、受電アンテナ配線９ａの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ａと電気的に接続されているが、立体アンテナ１１は、受電アンテナ配線９ｂの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ｂと電気的に接続されていてもよい。また、受電アンテナ９は、図６と同様に１本の受電アンテナ配線９ｃを含んでもよく、その場合、立体アンテナ１１は、受電アンテナ配線９ｃの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ｃと電気的に接続されていてもよい。

　図１０は、受電部４Ａの変形例３である受電部４Ｅを示す模式図である。図１０に示す受電部４Ｅのように、受電部４を構成する受電器は、誘電体基板７の上に配置されるヘリカルアンテナ１０と、誘電体基板７と直交する方向に配置される立体アンテナ１１と、をさらに備えてもよい。図１０に示す受電部４Ｅでは、ヘリカルアンテナ１０は、受電アンテナ配線９ｂの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ｂと電気的に接続されており、立体アンテナ１１は、受電アンテナ配線９ａの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ａと電気的に接続されている。ヘリカルアンテナ１０および立体アンテナ１１の両方を配置することによって、上述した性能を更に高めることが可能となる。

　ヘリカルアンテナ１０の中心軸は、受電アンテナ配線９ｂが延伸する方向に対して傾斜していてもよいが、図１０に示すように受電アンテナ配線９ｂが延伸する方向と直交していることが好ましい。

　図１０に示す受電部４Ｅでは、受電アンテナ９は、図５と同様に２本の受電アンテナ配線９ａおよび９ｂを含み、ヘリカルアンテナ１０は、受電アンテナ配線９ｂの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ｂと電気的に接続されており、立体アンテナ１１は、受電アンテナ配線９ａの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ａと電気的に接続されているが、ヘリカルアンテナ１０は、受電アンテナ配線９ａの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ａと電気的に接続されていてもよく、立体アンテナ１１は、受電アンテナ配線９ｂの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ｂと電気的に接続されていてもよい。また、受電アンテナ９は、図６と同様に１本の受電アンテナ配線９ｃを含んでもよく、その場合、ヘリカルアンテナ１０は、受電アンテナ配線９ｃの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ｃと電気的に接続されていてもよく、立体アンテナ１１は、受電アンテナ配線９ｃの他端またはその近傍で受電アンテナ配線９ｃと電気的に接続されていてもよい。

　本明細書において、「受電アンテナ配線の他端の近傍」とは、受電アンテナ配線の他端から、誘電体基板の外周の長さの１０％以内の位置を意味する。

　なお、図５に示す受電部４Ａ、図６に示す受電部４Ｂ、図８に示す受電部４Ｃ、図９に示す受電部４Ｄおよび図１０に示す受電部４Ｅには図示されていないが、誘電体基板７上に通信モジュールが実装されていてもよく、センサモジュールを構成する回路が構成されていてもよい。すなわち、誘電体基板７をＩＯＴデバイスの回路基板の一部として利用してもよい。

　以上のように送電部３および受電部４のアンテナを設計することによって、受電器の設置方位に高い自由度を有する無線電力伝送システムを実現できる。

　本発明の無線電力伝送システムは上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内において、種々の応用、変更を加えることが可能である。

　以下、本発明の無線電力伝送システムをより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。

［実施例１］
　実施例１では、電磁波遮蔽部材２で構成される共振器（構造体）と、送電部３と、受電部４とを備える、図１に示す無線電力伝送システム１を考える。

　送電部３として、図１１に示す送電部３ａまたは図２に示す送電部３Ａを利用する。図１１に示す送電部３ａは、ダイポールモードで給電される送電アンテナを備える。一方、図２に示す送電部３Ａは、モノポールモードで給電される送電アンテナを備える。

　図１１または図２に示すように送電アンテナの背面にのみ電磁波遮蔽部材２を持ち、それ以外の方位を開放した空間において、ダイポールモードで給電した場合の電界分布を図１２に示し、モノポールモードで給電した場合の電界分布を図１３に示す。図１２および図１３に示すように、いずれの場合も送電アンテナの周囲で渦を形成するように電界が形成される。

　図１２および図１３に示す配置において、すべての方位を電磁波遮蔽部材２で覆った場合の共振周波数における電界分布を図１４および図１５に示す。図１１および図２に示す同じような送電アンテナの形状であっても、図１４に示すダイポールモードで給電した場合と異なり、図１５に示すモノポールモードで給電した場合には、極めて高い直進性を持つ電界分布になる。したがって、モノポールモードで給電を行うことによって、受電器内におけるアンテナ設計が容易となり、電力伝送効率を高めることができる。

［実施例２］
　実施例２では、図１に示す無線電力伝送システム１の共振器空間内において、実施例１の送電アンテナにモノポールモードで給電を行う条件における電力伝送効率を評価した。

　受電部４として、図５に示す受電部４Ａまたは図１６に示す受電部４ａを利用する。図１６に示す受電アンテナ構造は、いわゆるダイポールアンテナ構造である。

　このように準備された無線電力伝送システム１において、送電部３と受電部４との間の電力伝送効率を、解析シミュレーションソフトＦｅｍｔｅｔ（登録商標）を利用して解析した。

　本発明の実施例２に係る無線電力伝送システムにおける、受電アンテナ方位に対する電力伝送効率の関係を図１７に示す。受電アンテナ方位のうち、受電アンテナ９を形成する面を受電アンテナ面方位、整流回路８から受電アンテナ９が延びる方向を受電アンテナ配線方位としてここでは定義する。例えば、図１に示す状態の受電部４では、受電アンテナ面方位がＺＸ面、受電アンテナ配線方位がＸ方向である。

　図１７より、図５に示す構造を有する受電アンテナの場合、ＹＺ面（誘電体基板に垂直に電界が入射する方位）以外の受電アンテナ方位では、受電器の方位依存性が小さい。一方、図１６に示す構造を有する受電アンテナの場合、ＹＺ面だけでなく、ＺＸ面／Ｘ方向およびＸＹ面／Ｘ方向においても、ほとんど感度を持っていない。

　以上より、図５に示す受電アンテナを備える受電部４Ａを利用することによって、特許文献１に記載されている配線構造を利用する必要がなくなり、同時に、受電許容方位を増やすことができる。

［実施例３］
　実施例３では、図２に示す送電部３Ａに代えて、図３に示す送電部３Ｂまたは図４に示す送電部３Ｃを利用する。

　本発明の実施例３に係る無線電力伝送システムにおける、受電アンテナ方位に対する電力伝送効率の関係を図１８に示す。

　図１８より、図３または図４に示すような直進性の強いマイクロストリップアンテナ構造を有する送電部３Ｂ（直線偏波構造）または送電部３Ｃ（円偏波構造）を利用することで、図２に示すような直線構造を有する送電部３Ａを利用するよりも、すべての受電アンテナ方位において高効率に電力を伝送することができる。

［実施例４］
　実施例１に示すように、モノポールモード給電を用いることで、直進性の高い電界分布が得られる。そのため、受電器をＹＺ面に向けると受電し難くなる。しかし、受電器周囲の磁界分布に注目すると、図１９に示すように誘電体基板に平行な成分を持つ磁界分布が得られる。そこで、受電アンテナ配線の先端またはその近傍にヘリカルアンテナを配置することによって、ＹＺ面に受電器を向けた場合においても、一部の電磁波を受電することが可能となる。

　実施例４では、図５に示す受電部４Ａに代えて、図８に示す受電部４Ｃを利用する。また、送電部３として、図３に示す送電部３Ｂを利用する。

　本発明の実施例４に係る無線電力伝送システムにおける、受電アンテナ方位に対する電力伝送効率の関係を図２０に示す。

　図２０より、ヘリカルアンテナを備える図８に示す受電部４Ｃを利用する場合には、ヘリカルアンテナを備えない図５に示す受電部４Ａを利用する場合に比べて、ＹＺ面においても受電感度を持つようになる。

［実施例５］
　実施例１に示すように、モノポールモード給電を用いることで、直進性の高い電界分布が得られる。そのため、受電器をＹＺ面に向けると受電し難くなる。そこで、受電アンテナ配線の先端またはその近傍に、誘電体基板に対して垂直となるように立体アンテナを配置することによって、ＹＺ面に受電器を向けた場合においても、電磁波を受電することが可能となる。

　実施例５では、図５に示す受電部４Ａに代えて、図９に示す受電部４Ｄを利用する。また、送電部３として、図３に示す送電部３Ｂを利用する。

　本発明の実施例５に係る無線電力伝送システムにおける、受電アンテナ方位に対する電力伝送効率の関係を図２１に示す。

　図２１より、立体アンテナを備える図９に示す受電部４Ｄを利用する場合には、立体アンテナを備えない図５に示す受電部４Ａを利用する場合に比べて、ＹＺ面においても受電感度を持つようになる。

［実施例６］
　実施例１に示すように、モノポールモード給電を用いることで、直進性の高い電界分布が得られる。そのため、受電器をＹＺ面に向けると受電し難くなる。これに対して、実施例４に示すように、受電アンテナ配線の先端またはその近傍にヘリカルアンテナを配置したり、実施例５に示すように、受電アンテナ配線の先端またはその近傍に、誘電体基板に対して垂直となるように立体アンテナを配置したりすることによって、ＹＺ面に対する受電感度を与えることができる。

　実施例６では、図５に示す受電部４Ａに代えて、図１０に示す受電部４Ｅを利用する。また、送電部３として、図３に示す送電部３Ｂを利用する。

　本発明の実施例４～６に係る無線電力伝送システムにおける、受電アンテナ方位に対する電力伝送効率の関係を図２２に示す。

　図２２より、ヘリカルアンテナおよび立体アンテナの両方を備える図１０に示す受電部４Ｅを利用する場合には、すべての受電アンテナ方位に対してより強い受電感度を持つようになる。さらに、図１０に示す受電部４Ｅを利用する場合には、ＺＸ面およびＸＹ面の方位依存性が小さくなっている。

　１　無線電力伝送システム
　２　電磁波遮蔽部材
　３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３ａ　送電部
　４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４ａ　受電部
　５　送電アンテナ取付部
　６、６ａ　送電アンテナ配線
　６ｂ　スリット
　７　誘電体基板
　８　整流回路
　９　受電アンテナ
　９ａ、９ｂ、９ｃ　受電アンテナ配線
　１０　ヘリカルアンテナ
　１１　立体アンテナ

Claims

　適宜な導電率を有する電磁波遮蔽部材によって全体が包囲された構造体と、少なくとも１つの送電部と、少なくとも１つの受電部と、を備え、前記構造体における共振モードを利用する無線電力伝送システムであって、
　前記受電部は、誘電体基板と整流回路と受電アンテナとを備える受電器から構成され、
　前記受電アンテナは、前記誘電体基板の上で同一平面内に配置される受電アンテナ配線を含み、
　前記受電アンテナ配線の一端は、前記整流回路に接続されており、
　前記受電アンテナ配線の前記整流回路に接続されている一端とは異なる他端は、開放端となっており、
　前記誘電体基板の平面形状は、線対称な２Ｎ角形（Ｎは２以上の整数）であり、
　前記受電アンテナ配線は、前記誘電体基板の隣接した異なるＮ辺に沿って配置されている、無線電力伝送システム。
　前記誘電体基板の平面形状は、矩形であり、
　前記受電アンテナ配線は、前記誘電体基板の隣接した異なる２辺に沿って配置されている、請求項１に記載の無線電力伝送システム。
　前記受電アンテナは、前記誘電体基板の外周に沿って配置される２本の前記受電アンテナ配線を含み、
　各々の前記受電アンテナの他端は、前記誘電体基板の異なる辺に配置されている、請求項１または２に記載の無線電力伝送システム。
　前記受電アンテナは、前記誘電体基板の外周に沿って配置される１本の前記受電アンテナ配線を含む、請求項１または２に記載の無線電力伝送システム。
　前記送電部は、モノポールモードで給電される、請求項１～４のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
　前記送電部は、マイクロストリップアンテナを備える、請求項５に記載の無線電力伝送システム。
　前記受電器は、前記誘電体基板の上に配置されるヘリカルアンテナをさらに備え、
　前記ヘリカルアンテナは、前記受電アンテナ配線の他端またはその近傍で前記受電アンテナ配線と電気的に接続されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
　前記受電器は、前記誘電体基板と直交する方向に配置される立体アンテナをさらに備え、
　前記立体アンテナは、前記受電アンテナ配線の他端またはその近傍で前記受電アンテナ配線と電気的に接続されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
　前記受電器は、前記誘電体基板の上に配置されるヘリカルアンテナと、前記誘電体基板と直交する方向に配置される立体アンテナと、をさらに備え、
　前記ヘリカルアンテナおよび前記立体アンテナは、各々、前記受電アンテナ配線の他端またはその近傍で前記受電アンテナ配線と電気的に接続されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
　前記ヘリカルアンテナの中心軸は、前記受電アンテナ配線が延伸する方向と直交している、請求項７または９に記載の無線電力伝送システム。
　適宜な導電率を有する電磁波遮蔽部材によって全体が包囲された構造体と、少なくとも１つの送電部と、少なくとも１つの受電部と、を備え、前記構造体における共振モードを利用する無線電力伝送システムの、前記受電部を構成する受電器であって、
　前記受電器は、誘電体基板と整流回路と受電アンテナとを備え、
　前記受電アンテナは、前記誘電体基板の上で同一平面内に配置される受電アンテナ配線を含み、
　前記受電アンテナ配線の一端は、前記整流回路に接続されており、
　前記受電アンテナ配線の前記整流回路に接続されている一端とは異なる他端は、開放端となっており、
　前記誘電体基板の平面形状は、線対称な２Ｎ角形（Ｎは２以上の整数）であり、
　前記受電アンテナ配線は、前記誘電体基板の隣接した異なるＮ辺に沿って配置されている、受電器。
　前記誘電体基板の平面形状は、矩形であり、
　前記受電アンテナ配線は、前記誘電体基板の隣接した異なる２辺に沿って配置されている、請求項１１に記載の受電器。
　前記受電アンテナは、前記誘電体基板の外周に沿って配置される２本の前記受電アンテナ配線を含み、
　各々の前記受電アンテナの他端は、前記誘電体基板の異なる辺に配置されている、請求項１１または１２に記載の受電器。
　前記受電アンテナは、前記誘電体基板の外周に沿って配置される１本の前記受電アンテナ配線を含む、請求項１１または１２に記載の受電器。
　前記受電器は、前記誘電体基板の上に配置されるヘリカルアンテナをさらに備え、
　前記ヘリカルアンテナは、前記受電アンテナ配線の他端またはその近傍で前記受電アンテナ配線と電気的に接続されている、請求項１１～１４のいずれか１項に記載の受電器。
　前記受電器は、前記誘電体基板と直交する方向に配置される立体アンテナをさらに備え、
　前記立体アンテナは、前記受電アンテナ配線の他端またはその近傍で前記受電アンテナ配線と電気的に接続されている、請求項１１～１４のいずれか１項に記載の受電器。
　前記受電器は、前記誘電体基板の上に配置されるヘリカルアンテナと、前記誘電体基板と直交する方向に配置される立体アンテナと、をさらに備え、
　前記ヘリカルアンテナおよび前記立体アンテナは、各々、前記受電アンテナ配線の他端またはその近傍で前記受電アンテナ配線と電気的に接続されている、請求項１１～１４のいずれか１項に記載の受電器。
　前記ヘリカルアンテナの中心軸は、前記受電アンテナ配線が延伸する方向と直交している、請求項１５または１７に記載の受電器。