(57)【要約】【課題】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。【解決手段】送電装置は、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第１および第２電極（３１１，３１２）と、第１および第２接続線（３１５，３１６）と、第１インダクタ（３１３，３１４）と、を有し、受電装置は、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第３および第４電極（３２１，３２２）と、第３および第４接続線と、第２インダクタ（３２３，３２４）と、を有し、送電装置と受電装置の間に少なくとも１つ配置され、送電装置から送電された電力を、受電装置に中継する中継装置であって、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第５および第６電極（３３１，３３２）と、第３インダクタ（３３３，３３４）と、を有する中継装置を備える。【選択図】図２１
2014150650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下であり、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第１および第２電極と、
前記第１および第２電極と交流電力発生部の２つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第１および第２接続線と、
前記第１および第２電極と前記交流電力発生部の２つの出力端子の少なくとも一方の間に挿入される第１インダクタと、を有し、
前記受電装置は、
所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下であり、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第３および第４電極と、
前記第３および第４電極と負荷の２つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第３および第４接続線と、
前記第３および第４電極と前記負荷の２つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第２インダクタと、を有し、
前記送電装置と前記受電装置の間に少なくとも１つ配置され、前記送電装置から送電された電力を、前記受電装置に中継する中継装置であって、
所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下であり、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第５および第６電極と、
前記第５および第６電極の間に接続された第３インダクタと、を有する中継装置を備える、
ことを特徴とする無線電力伝送システム。
【請求項２】
前記第１、第３、および、第５電極は、前記中心軸を中心とする多角形または円形形状を有し、
前記第２、第４、および、第６電極は、前記中心軸を中心とし、前記第１、第３、および、第５電極をその中空部に配置した環状形状を有する、
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。
【請求項３】
前記第１および第２電極は、前記中心軸を中心とする筒状形状を有し、
前記第３および第４電極は、前記中心軸を中心とし、前記第１および第２電極をその中空部に配置した筒状形状を有し、
前記第５および第６電極は、前記中心軸を中心とし、前記第１および第２電極をその中空部に配置し、前記前記第３および第４電極をその外側に配置した筒状形状を有する、
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。
【請求項４】
前記中継装置を複数有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
【請求項５】
前記中継装置の位置を調整することで、前記送電装置および前記受電装置の間のインピーダンスを調整す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。
【請求項６】
前記送電装置は地面に配置され、前記受電装置は地面から離れた位置にある送電対象物に配置され、前記中継装置は前記送電装置と前記受電装置の間に配置され、前記中継装置の位置を調整することで、前記送電装置および前記受電装置の間のインピーダンスを調整することを特徴とする請求項５に記載の無線電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線電力伝送システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３４０２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、コイルの軸を中心として回転された場合に、電力を伝送するためのコイルが位置ズレを生じて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。さらに、送電側と受電側のコイル間の距離が遠い場合には電力を効率良く伝送できないという問題点がある。
【０００５】
そこで、本発明は、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を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下であり、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第１および第２電極と、前記第１および第２電極と交流電力発生部の２つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第１および第２接続線と、前記第１および第２電極と前記交流電力発生部の２つの出力端子の少なくとも一方の間に挿入される第１インダクタと、を有し、前記受電装置は、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下であり、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第３および第４電極と、前記第３および第４電極と負荷の２つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第３および第４接続線と、前記第３および第４電極と前記負荷の２つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第２インダクタと、を有し、前記送電装置と前記受電装置の間に少なくとも１つ配置され、前記送電装置から送電された電力を、前記受電装置に中継する中継装置であって、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下であり、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第５および第６電極と、前記第５および第６電極の間に接続された第３インダクタと、を有する中継装置を備える、ことを特徴とする。
このような構成によれば、回転ずれに強く、電力を遠くまで効率良く伝送することが可能になる。
【０００７】
また、本発明の一側面は、前記第１、第３、および、第５電極は、前記中心軸を中心とする多角形または円形形状を有し、前記第２、第４、および、第６電極は、前記中心軸を中心とし、前記第１、第３、および、第５電極をその中空部に配置した環状形状を有する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、回転ずれに強い無線電力伝送システムを提供することができる。
【０００８】
また、本発明の一側面は、前記第１および第２電極は、前記中心軸を中心とする筒状形状を有し、前記第３および第４電極は、前記中心軸を中心とし、前記第１および第２電極をその中空部に配置した筒状形状を有し、前記第５および第６電極は、前記中心軸を中心とし、前記第１および第２電極をその中空部に配置し、前記前記第３および第４電極をその外側に配置した筒状形状を有することを特徴とする。
このような構成によれば、回転ずれに強い無線電力伝送システムを提供することができる。
【０００９】
また、本発明の一側面は、前記中継装置を複数有することを特徴とする。
このような構成によれば、複数の中継装置によって中継することで、遠くまで電力を効率良く伝送することができる。
【００１０】
また、本発明の一側面は、前記中継装置の位置を調整することで、前記送電装置および前記受電装置の間のインピーダンスを調整することを特徴とする。
このような構成によれば、インピーダンスを調整することで、効率良く電力を遠くまで伝送することができる。
【００１１】
また、本発明の一側面は、前記送電装置は地面に配置され、前記受電装置は地面から離れた位置にある送電対象物に配置され、前記中継装置は前記送電装置と前記受電装置の間に配置され、前記中継装置の位置を調整することで、前記送電装置および前記受電装置の間のインピーダンスを調整することを特徴とする。
このような構成によれば、送電装置が地面に配置された場所に送電対象物を移動させ、中継装置を調整することで、効率良く充電を行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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。
【図２】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３】図２に示す無線電力伝送システムの等価回路である。
【図４】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５】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６】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７】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８】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９】本発明の基本構成例を示す斜視図である。
【図１０】図９に示す実施形態をＺ方向から眺めた平面図である。
【図１１】図９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１２】図９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１３】図９に示す実施形態の電界分布を示す図である。
【図１４】図１０に示す実施形態の電界分布を示す図である。
【図１５】図９に示す受電用カプラを反時計方向に９０度回転させた場合の状態を示す図である。
【図１６】図１５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１７】図１５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１８】図９に示す構成において伝送距離を２倍にした場合を示す図である。
【図１９】図１８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２０】図１８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２１】本発明の第１実施形態の構成例を示す斜視図である。
【図２２】図２１に示す中継用カプラの構成例を示す図である。
【図２３】図２１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２４】図２１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２５】本発明の第２実施形態の基本構成例を示す斜視図である。
【図２６】図２５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２７】図２５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２８】図２５に示す受電用カプラを反時計方向に９０度回転させた場合の状態を示す図である。
【図２９】図２８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３０】図２８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３１】本発明の第２実施形態の構成例を示す斜視図である。
【図３２】本発明の第３実施形態の基本構成例を示す斜視図である。
【図３３】図３２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３４】図３２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３５】図３２に示す受電用カプラを反時計方向に９０度回転させた場合の状態を示す図である。
【図３６】図３５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３７】図３５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３８】本発明の第３実施形態の構成例を示す斜視図である。
【図３９】本発明の第４実施形態の基本構成例を示す斜視図である。
【図４０】本発明の第４実施形態の構成例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
（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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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ｆＣを有している。
【００１９】
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ｆＣ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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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２．８μＨとされ、回路基板１１８，１２８のサイズ（ＤとＬ）は２５０×２５０ｍｍとされ、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
（Ｂ）本発明の基本構成の説明
つぎに、図９および図１０を参照して、本発明に係る無線電力伝送システムの基本構成について説明する。図９は基本構成を説明するための斜視図であり、図１０は図９に示す基本構成をＺ方向から眺めた平面図である。図９および図１０に示す例では、円形状の中心電極３１１、円環状の環状電極３１２、インダクタ３１３，３１４、および、接続線３１５，３１６によって送電用カプラ３１０が構成され、円形状の中心電極３２１、円環状の環状電極３２２、インダクタ３２３，３２４、および、接続線３２５，３２６によって受電用カプラ３２０が構成される。図９および図１０の例では、送電用カプラ３１０と受電用カプラ３２０を構成する各素子のサイズは同じとされている。もちろん、各素子のサイズが異なっても、共振周波数が同じになるように調整することで、電力を伝送することができる。なお、図９および図１０の例では、電極だけが示されているが、図１および図２と同様に、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形成される基板または基材上に電極を形成するようにすることができる。
【００２６】
ここで、中心電極３１１は、半径ｒ１の円形形状を有する板状の導電性部材（例えば、銅、アルミニウム等の部材）によって構成される。環状電極３１２は、外周の半径がｒ２であり幅ｗの円環形状を有する板状の導電性部材によって構成される。なお、中心電極３１１と環状電極３１２は同一平面上に配置され、中心電極３１１の外周と環状電極３１２の内周間の距離はｄ１とされている。インダクタ３１３の一端は中心電極３１１に接続され、他端は接続線３１５の一端に接続される。インダクタ３１４の一端は環状電極３１２に接続され、他端は接続線３１６の一端に接続される。接続線３１５，３１６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。接続線３１５，３１６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３１５，３１６によって送電用カプラ３１０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。なお、中心電極３１１と環状電極３１２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３１３，３１４のインダクタンスＬによる直列共振回路の共振周波数はｆＣとされる。
【００２７】
中心電極３２１は、半径ｒ１の円形形状を有する板状の導電性部材によって構成される。環状電極３２２は、外周の半径がｒ２であり幅ｗの円環形状を有する板状の導電性部材によって構成される。中心電極３２１と環状電極３２２は同一平面上に配置され、中心電極３２１の外周と環状電極３２２の内周間の距離はｄ１とされている。また、中心電極３１１と環状電極３１２が配置される平面と、中心電極３２１と環状電極３２２が配置される平面は略平行に保たれる。インダクタ３２３の一端は中心電極３２１に接続され、他端は接続線３２５の一端に接続される。インダクタ３２４の一端は環状電極３２２に接続され、他端は接続線３２６の一端に接続される。接続線３２５，３２６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。接続線３２５，３２６の他端は、図示しない負荷の入力端子にそれぞれ接続されている。接続線３２５，３２６によって受電用カプラ３２０に負荷が接続されることにより、受電装置が構成される。なお、中心電極３２１と環状電極３２２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３２３，３２４のインダクタンスＬによる直列共振回路の共振周波数ｆＣは送電用カプラ３１０と同じになるように設定される。
【００２８】
図１１は、図９および図１０に示す無線電力伝送システムの送電用カプラ３１０と受電用カプラ３２０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３１０から受電用カプラ３２０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。より詳細には、中心電極３１１，３２１の半径ｒ１は７ｃｍであり、環状電極３１２，３２２の外周の径ｒ２は２４ｃｍであり、環状電極３１２，３２２の幅ｗは１．５ｃｍであり、ｄ１は１５．５ｃｍに設定している。この図１１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９に示す例では、２７ＭＨｚ周辺において、伝送効率約９６％を達成している。
【００２９】
図１２は、図９および図１０に示す無線電力伝送システムの送電用カプラ３１０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９および図１０に示す無線電力伝送システムでは、送電用カプラ３１０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。
【００３０】
すなわち、図９に示す基本構成では、中心電極３１１および環状電極３１２と、中心電極３２１および環状電極３２２とは、電界共振結合されており、中心電極３１１および環状電極３１２から中心電極３２１および環状電極３２２に対して電界によって交流電力が伝送される。つまり、図９に示す実施形態では、中心電極３１１および環状電極３１２と、中心電極３２１および環状電極３２２とは、近傍界であるλ／２πよりも短い距離ｄ２だけ隔てて配置されているので、中心電極３１１および環状電極３１２から放射される電界成分が支配的である領域に中心電極３２１および環状電極３２２が配置される。また、中心電極３１１と環状電極３１２の間に形成されるキャパシタおよびインダクタ３１３，３１４による共振周波数と、中心電極３２１と環状電極３２２の間に形成されるキャパシタおよびインダクタ３２３，３２４による共振周波数とは略等しくなるように設定されている。このように、中心電極３１１および環状電極３１２と、中心電極３２１および環状電極３２２とは、電界共振結合されていることから、送電用カプラ３１０から受電用カプラ３２０に対して電界によって交流電力が効率よく伝送される。
【００３１】
図１３は図９に示す基本構成の電界分布を示す図であり、図１４は図１０の電界分布を示している。これらの図において図中の矢印の方向は電界の方向を示し、矢印の大きさは電界の大きさを示している。これらの図に示すように、送電用カプラ３１０および受電用カプラ３２０の周辺の電界は、これらのカプラの中心軸に対して軸対称に形成される。このため、送電用カプラ３１０および受電用カプラ３２０を、軸を中心としていずれの方向に回転させても、特性の劣化が少ない。
【００３２】
図１５は図９に示す基本構成において、受電用カプラ３２０を半時計方向に９０度回転させた状態を示す図である。また、図１６は図１５に示す状態における送電用カプラ３１０から受電用カプラ３２０への伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示す図であり、図１７は同状態における送電用カプラ３１０のインピーダンスＳ１１のスミスチャートである。図１６に示すように２７ＭＨｚにおける伝送効率は約９６％であり、図９に示す状態からの特性の劣化はない。また、図１７に示すように、入力インピーダンスについても図９に示す状態からの変化はない。
【００３３】
ところで、図９に示す基本構成では、前述したように回転方向のずれに対しては、伝送効率の低下が少ない。しかし、図１８に示すように、送電用カプラ３１０と受電用カプラ３２０の距離が、例えば、図９の２倍となった場合（距離が２×ｄ２になった場合）には、図１９に示すように、入力インピーダンスが約２Ω程度に低下し、不整合状態となる。このため、図２０に丸で囲んで示すように、伝送効率が約７％程度に低下してしまう。そこで、本発明では、中継用カプラを用いることで、伝送距離を伸ばすことを可能とする。
【００３４】
（Ｃ）本発明の第１実施形態の説明
図２１は、本発明の第１実施形態の構成例を示す斜視図である。この図において、図９と対応する部分には同一の符号を付してその説明は省略する。図２１では図９と比較すると、中継用カプラ３３０が追加されている。その他の構成は、図９と同様である。
【００３５】
図２２は中継用カプラ３３０の詳細な構成例を示す図である。この図２２に示すように、中継用カプラ３３０は、円形状の中心電極３３１、円環状の環状電極３３２、および、インダクタ３３３，３３４を有している。図２１に示すように、中継用カプラ３３０を構成する各素子のサイズは送電用カプラ３１０および受電用カプラ３２０と同じとされている。もちろん、各素子のサイズが異なっても、共振周波数が同じになるように調整することで、電力を伝送することができる。なお、図２２の例では、電極だけが示されているが、図１および図２と同様に、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形成される基板または基材上に電極を形成するようにすることができる。
【００３６】
ここで、中心電極３３１は、半径ｒ１の円形形状を有する板状の導電性部材（例えば、銅、アルミニウム等の部材）によって構成される。環状電極３３２は、外周の半径がｒ２であり幅ｗの円環形状を有する板状の導電性部材によって構成される。なお、中心電極３３１と環状電極３３２は同一平面上に配置され、中心電極３３１の外周と環状電極３３２の内周間の距離はｄ１とされている。インダクタ３３３の一端は中心電極３３１に接続され、他端はインダクタ３３４の一端に接続されている。インダクタ３３４の一端はインダクタ３３３の他端に説明され、他端は環状電極３３２に接続されている。なお、中心電極３３１と環状電極３３２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３３３，３３４のインダクタンスＬによる直列共振回路の共振周波数はｆＣとされる。
【００３７】
図２３は図２１に示す第１実施形態の送電用カプラ３１０と受電用カプラ３２０を４０ｃｍ隔てて対向配置し、これらの間に中継用カプラ３３０を配置した場合（ｄ２＝２０ｃｍの場合）における送電用カプラ３１０から受電用カプラ３２０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２３に示す例では、２７ＭＨｚ周辺において、伝送効率約９２％を達成している。なお、図２１では、例えば、インダクタ３１３，３１４，３２３，３２４，３３３，３３４は、それぞれ、巻き数が１３回、インダクタンス値が２．８μＨとされている。
【００３８】
図２４は、図２１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，Ｓ２２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２１に示す無線電力伝送システムでは、送電用カプラ３１０および受電用カプラ３２０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。
【００３９】
以上に説明したように、本発明の第１実施形態によれば、図９に示す場合に比較して、伝送効率を殆ど低下させることなく、伝送距離を２倍に伸ばすことが可能になる。また、図２１に示す第１実施形態では軸方向に対する回転に対しては、図１５を参照して説明したように、伝送効率は殆ど低下しない。
【００４０】
（Ｄ）本発明の第２実施形態の説明
つぎに、図２５〜図３１を参照して第２実施形態について説明する。図２５は、第２実施形態の基本構成を示す図である。この図に示すように、第２実施形態では、中心電極３１１，３２１が外周から中心に向かって伸びる切り欠き３１１ａ，３２１ａを有するとともに、環状電極３１２，３２２が一部に切り欠き３１２ａ，３２２ａを有している。図２６は、図２５に示す第２実施形態の伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示し、また、図２６は入力インピーダンスＳ１１のスミスチャートである。これらの図と図１１および図１２との比較から、切り欠きを設けた場合でも特性の変化は殆ど生じない。このため、このような切り欠きを設けても、伝送効率は殆ど劣化しない。
【００４１】
図２８は図２５の受電用カプラ３２０を反時計方向に９０度回転させた状態を示す図である。このような状態では、切り欠き３１１ａ，３２１ａおよび切り欠き３１２ａ，３２２ａの位置が一致しない状態となる。しかしながら、このような状態であっても特性の変化は殆ど生じない。より詳細には、図２９は図２８に示す構成の伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示し、また、図３０は入力インピーダンスＳ１１のスミスチャートである。これらの図と図２６および図２７との比較から、受電用カプラ３２０を回転させた場合でも特性の変化は殆ど生じない。もちろん、送電用カプラ３１０を回転させた場合も同様である。
【００４２】
図３１は第２実施形態の構成例を示す斜視図である。第２実施形態では、図２８に示す基本構成に対して、送電用カプラ３１０および受電用カプラ３２０と同様の構成を有するとともに、インダクタ３３３とインダクタ３３４が相互に接続されて構成される中継用カプラ３３０が追加されている。また、送電用カプラ３１０と中継用カプラ３３０の間の距離はｄ２とされ、中継用カプラ３３０と受電用カプラ３２０の間の距離もｄ２とされている。第２実施形態では、図２１の場合と同様に、図２５に示す基本構成に比較して２倍の距離を効率良く電力を伝送することができる。また、前述したように、軸方向に回転した場合であっても、伝送効率が低下することはない。
【００４３】
（Ｅ）本発明の第３実施形態の説明
つぎに、図３２〜図３８を参照して第3実施形態について説明する。図３２は、第３実施形態の基本構成を示す図である。この図に示すように、第３実施形態の基本構成では、中心電極３１１，３２１の中心に貫通孔３１１ｂ，３２１ｂをそれぞれ設けることにより、中心電極３１１，３２１を環状としている。図３３は、図３２に示す第３実施形態の伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示し、また、図３４は入力インピーダンスＳ１１のスミスチャートである。これらの図と図１１および図１２との比較から、貫通孔を設けた場合でも特性の変化は殆ど生じない。このため、このような貫通孔を設けても、伝送効率が劣化することは殆どない。
【００４４】
図３５は図３２の受電用カプラ３２０を反時計方向に９０度回転させた状態を示す図である。このように、受電用カプラ３２０を回転させても、伝送特性の変化は殆ど生じない。より詳細には、図３６は図３５に示す第３実施形態の伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示し、また、図３７は入力インピーダンスＳ１１のスミスチャートである。これらの図と図３３および図３４との比較から、受電用カプラ３２０を回転させた場合でも特性の変化は殆ど生じない。もちろん、送電用カプラ３１０を回転させた場合も同様である。
【００４５】
図３８は第３実施形態の構成例を示す斜視図である。第３実施形態では、図３２に示す基本構成に対して、送電用カプラ３１０および受電用カプラ３２０と同様の構成を有するとともに、インダクタ３３３とインダクタ３３４が相互に接続されて構成される中継用カプラ３３０が追加されている。また、送電用カプラ３１０と中継用カプラ３３０の間の距離はｄ２とされ、中継用カプラ３３０と受電用カプラ３２０の間の距離もｄ２とされている。第３実施形態では、図２１の場合と同様に、図３２に示す基本構成に比較して２倍の距離を効率良く電力を伝送することができる。また、前述したように、軸方向に回転した場合であっても、伝送効率が低下することはない。
【００４６】
（Ｆ）本発明の第４実施形態の説明
つぎに、図３９，図４０を参照して第４実施形態について説明する。図３９は、第４実施形態の基本構成を示す図である。この図に示すように、第４実施形態の基本構成では、送電用カプラ４１０と受電用カプラ４２０を有している。ここで、送電用カプラ４１０を構成する電極４１１，４１２は、矩形形状を有する導電性部材によって構成され、この導電性部材を半径ｒ１にて湾曲された筒状形状をそれぞれ有している。なお、この導電性部材の端部は接触しても接触しなくてもよい。電極４１１，４１２は、軸方向（図のＸ方向）に所定の距離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４１１，４１２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。電極４１１，４１２は、図示しない絶縁材（例えば、誘電体基板）を介して固定される。また、電極４１１，４１２は、図示しないインダクタおよび接続線を介して電源部に接続される。なお、電極４１１，４１２および図示しないインダクタによって送電用カプラが構成される。
【００４７】
電極４２１，４２２は、電極４１１，４１２と同様に、矩形形状を有する導電性部材によって構成され、この導電性部材を半径ｒ２にて、湾曲された筒状形状をそれぞれ有している。なお、この導電性部材の端部は接触しても接触しなくてもよい。電極４２１，４２２は、軸方向（図のＸ方向）に所定の距離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４２１，４２２の幅Ｄは、電極４１１，４１２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。電極４２１，４２２は、図示しない絶縁材（例えば、誘電体基板）を介して固定される。電極４２１，４２２と電極４１１，４１２の間隔はｄ２とされている。また、電極４２１，４２２は、図示しないインダクタおよび接続線を介して負荷に接続される。これら、電極４２１，４２２および図示しないインダクタによって受電用カプラが構成される。なお、図３９に示す基本構成によれば、送電用カプラ４１０から受電用カプラ４２０に対して効率良く電力を伝送することができるとともに、送電用カプラ４１０または受電用カプラ４２０が軸方向に回転した場合であっても、伝送特性が低下することが少ない。
【００４８】
図４０は、本発明の第４実施形態の構成例を示す斜視図である。なお、図４０において図３９と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。なお、図４０では、図３９と比較すると、受電用カプラ４２０が半径ｒ２から半径ｒ３（＞ｒ２）に変更されている。また、送電用カプラ４１０と受電用カプラ４２０の間に、中継用カプラ４３０が追加されている。これ以外の構成は、図３９の場合と同様である。なお、図４０の例では、ｒ３＝ｒ１＋ｒ２とされている。このため、図３９に示す構成に比較すると、伝送距離を２倍に伸ばすことが可能になる。なお、伝送効率については、第１〜第３実施形態と同様に殆ど低下しない。
【００４９】
なお、以上の説明では、電極４１１，４１２を送電側とし、電極４２１，４２２を受電側としたが、逆に、電極４１１，４１２を受電側とし、電極４２１，４２２を送電側としてもよい。
【００５０】
（Ｇ）変形実施形態
以上の各実施形態では、中心電極３１１，３２１，３３１および環状電極３１２，３２２，３３２が同じサイズを有するようにしたが、これらが異なるサイズを有するようにしてもよい。また、中心電極３１１，３２１，３３１および環状電極３１２，３２２，３３２は真円としたが、例えば、楕円であったり、多角形であったりしてもよい。また、中心電極３１１と環状電極３１２、中心電極３２１と環状電極３２２、および、中心電極３３１と環状電極３３２はそれぞれ同一平面上に配置するようにしたが、例えば、これらが軸方向にずれて配置されるようにしてもよい。また、中心電極３１１，３２１，３３１および環状電極３１２，３２２，３３２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、切り欠きまたは貫通孔を有する状態で、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。
【００５１】
また、以上の各実施形態では、接続線３１５と中心電極３１１の間および接続線３１６と環状電極３１２の間の双方にインダクタ３１３，３１４を挿入するようにしたが、これらのいずれか一方にのみインダクタを挿入するようにしてもよい。同様に、受電用カプラ３２０では、接続線３２５と中心電極３２１の間および接続線３２６と環状電極３２２の間の双方にインダクタ３２３，３２４を挿入するようにしたが、これらのいずれか一方にのみ挿入するようにしてもよい。さらに、中継用カプラ３３０では、２つのインダクタ３３３，３３４を挿入するようにしたが、これらをまとめて１つのインダクタとしてもよい。
【００５２】
また、図４０に示す第４実施形態では、電極４１１，４１２，４２１，４２２，４３１，４３２は、円筒形状を有するようにしたが、例えば、多角形の筒形状を有するようにしてもよい。また、送電用カプラ４１０、受電用カプラ４２０、および、中継用カプラ４３０の電極は、軸方向に同じ位置になるように配置したが、例えば、これらが軸方向にずれた状態で配置するようにしてもよい。
【００５３】
また、以上の各実施形態では、中継用カプラは１個だけの構成を例に挙げて説明したが、中継用カプラを複数配置するようにしてもよい。なお、複数の中継用カプラを配置する場合、例えば、送電用カプラと受電用カプラの中間に対して対称となるように中継用カプラを配置し、位置の調整を行うことでインピーダンスの整合を図ることができる。このような構成によれば、伝送効率を殆ど低下することなく、中継用カプラの個数に応じて伝送距離を伸ばすことができる。
【００５４】
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。
【００５５】
また、第１〜第３実施形態では、例えば、送電用カプラを地面付近に配置し、受電用カプラを地面から離れた場所にある給電対象物（例えば、自動車等）に配置する。そして、給電対象物の高さに応じて、中継用カプラの位置を微調整することにより、異なる高さの給電対象物にも、効率良く給電することができる。なお、自動車等の場合には、理想的な位置から、例えば、回転方向（ヨー軸方向）にずれて停車された場合であっても、第１〜第３実施形態では、回転方向のずれに強いことから、効率良く充電を行うことができる。
【００５６】
また、以上の各実施形態を、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。その場合、本発明の各実施形態を用いることにより、送受電間の距離が遠い場合であっても、中継用カプラの位置を調整することにより、効率良く電力を伝送することができる。
【符号の説明】
【００５７】
３１０  送電用カプラ
３１１  中心電極（第１電極）
３１１ａ  切り欠き
３１１ｂ  貫通孔
３１２  環状電極（第２電極）
３１２ａ  切り欠き
３１３，３１４  インダクタ
３１５，３１６  接続線
３２０  受電用カプラ
３２１  中心電極（第３電極）
３２１ａ  切り欠き
３２１ｂ  貫通孔
３２２  環状電極（第４電極）
３２２ａ  切り欠き
３２３，３２４  インダクタ
３２５，３２６  接続線
３３０  中継用カプラ
３３１  中心電極（第５電極）
３３１ａ  切り欠き
３３１ｂ  貫通孔
３３２  環状電極（第６電極）
３３２ａ  切り欠き
３３３，３３４  インダクタ
４１０  送電用カプラ
４１１，４１２  電極（第１および第２電極）
４２０  受電用カプラ
４２１，４２２  電極（第３および第４電極）
４３０  中継用カプラ
４３１，４３２  電極（第５および第６電極）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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