(57)【要約】【課題】磁界共鳴方式を利用して１対の共振器の間で電力を伝送する際、良好な伝送効率を保持しつつ、小型化及び発熱の抑制が可能な無線給電システムを提供する。【解決手段】本発明の共振器３０は、磁界共鳴方式に基づいて電力を伝送する無線給電システムに用いられ、共振コイル（巻線コイル）３２と、この共振コイル３２を支持する支持部材（支持台）３１とにより構成される。共振コイル３２は、所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換し、支持部材３１は、誘電体セラミック材料を主成分として含む。これにより、無線給電システムにおいて１対の共振器３０を対向配置したとき、誘電体損や導体損を抑制でき、共振器３０の小型化と伝送効率の向上が可能となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主に磁場の共鳴を利用して送電側共振器から受電側共振器に電力を伝送する無線給電システムにおける共振器であって、
所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、
誘電体セラミック材料を主成分として含み、前記共振コイルを支持する支持部材と、
を備えることを特徴とする共振器。
【請求項２】
前記誘電体セラミック材料は、比誘電率εｒが８以上であり、誘電正接ｔａｎδが１０−４以下であることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
【請求項３】
前記支持部材は、前記共振コイルの巻線間の電界発生部に前記誘電体セラミック材料が配置された構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の共振器。
【請求項４】
前記電界発生部に粉末状の前記誘電体セラミック材料を充填した構造を有することを特徴とする請求項３に記載の共振器。
【請求項５】
前記支持部材は、樹脂材料に前記誘電体セラミック材料を添加して形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の共振器。
【請求項６】
前記支持部材は、ポーラスを有する前記誘電体セラミック材料により形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の共振器。
【請求項７】
主に磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に電力を伝送する無線給電システムであって、
前記送電装置は、
所定の周波数の交流電力を供給する電源と、
前記電源から供給された前記交流電力に共振し、前記交流電力を電磁界エネルギーとして送電する送電側共振器と、
を備え、
前記受電装置は、
前記送電側共振コイルと前記主に磁場の共鳴により結合し、前記電磁界エネルギーを交流電力として受電する受電側共振器と、
前記受電側共振器により受電された前記交流電力により動作する回路部と、
を備え、
前記送電側共振器及び前記受電側共振器の各々は、
前記交流電力と前記電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、
誘電体セラミック材料を主成分として含み、前記共振コイルを支持する支持部材と、
を備えることを特徴とする無線給電システム。
【請求項８】
前記誘電体セラミック材料は、比誘電率εｒが８以上であり、誘電正接ｔａｎδが１０−４以下であることを特徴とする請求項７に記載の無線給電システム。
【請求項９】
前記電源と前記送電側共振器との間に接続された送電側整合回路と、
前記受電側共振器と前記回路部との間に接続された受電側整合回路と、
を更に備えることを特徴とする請求項７又は８に記載の無線給電システム。
【請求項１０】
前記回路部は、
前記受電側整合回路から出力された前記交流電力を整流して直流電力に変換する整流器と、
前記整流器から出力された前記直流電力を蓄電する蓄電器と、
前記蓄電器に蓄電された前記直流電力が供給される負荷と、
を含むことを特徴とする請求項９に記載の無線給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振器間の磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する無線給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、送電装置から受電装置に対して非接触で電力を伝送する無線給電システムが要望されている。無線給電システムを実現するための手法としては、電磁誘導を利用した技術や電磁波を利用した技術などが提案されている。近年、無線給電システムに適用可能な技術として、共振器の磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に電力を伝送する磁界共鳴方式が注目されている。例えば、特許文献１には、所定距離だけ離して対向配置した２つの共振器の磁場の共鳴により、一方の共振器から他方の共振器に電力を伝送する磁界共鳴方式の基礎的概念が開示されている。また例えば、非特許文献１には、磁界共鳴方式において得られる最大の伝送効率に関して理論的な検討がなされており、各々の共振器のＱ値を高めることにより伝送効率の向上が可能であることが示されている。また例えば、非特許文献２には、磁界共鳴方式に用いるアンテナとしての共振コイルにおいて高いＱ値を実現するための手法が示されている。また例えば、特許文献２には、無線給電システムの適用対象として電気自動車やプラグインハイブリッド車を想定し、磁界共鳴方式を利用して、車両下部に配設した共振コイルから、車両内に設けた共振コイルに電力を伝送する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００９−５０１５１０号公報
【特許文献２】特開２００９−１０６１３６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】松木英敏、他、「非接触電力伝送技術の最前線」、シーエムシー出版、ｐ．７（２００９年８月）
【非特許文献２】藤枝智之、鈴木雅美、「磁界共鳴方式電力伝送用低損失アンテナの検討」、ＰＩＯＮＥＥＲ  Ｒ＆Ｄ、Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．１／２０１２、ｐ．１１−１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の無線給電システムにおける共振器は、例えば、銅線等の巻線コイルを用いた共振コイルと、その共振コイルの形状を確保するための機械的強度を有する支持部材とにより構成される。このような構造の共振器を例えば車両内に設置する場合、その設置空間が制約されるため、できるだけ共振器を小型化することが望ましい。しかし、支持部材として一般的な樹脂材料を用いる場合には、共振コイルの高周波特性を確保するためにインダクタタンス値を高くする必要が生じ、共振コイルの巻線数が増えるために共振器の小型化に支障を来す。また、支持部材として利用する材料は誘電体として作用し、共振器の損失に加わる。さらに、共振コイルの線長が長くなると必然的に導体損が増加するため、特に大電力の無線給電システムに適用する場合、共振コイルの誘電体損・導体損に起因する発熱が問題となる。このような共振コイルによる発熱への対策には、放熱のための構造が必要となるので、これにより小型化が一層困難になる。また、共振器の誘電体損や導体損の増加により伝送効率が低下することは、電気エネルギーの有効利用の観点から望ましくない。さらに、伝送効率の低下により、対向配置される共振器において互いの位置ずれに対する許容度が低下するという不利益を招く。以上のように、磁界共鳴方式を利用した従来の無線給電システムにおいては、小型かつ発熱の小さい共振器を用いて高い伝送効率で電力を伝送することが困難であった。
【０００６】
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、共振器の小型化及び発熱の抑制が可能で、高い伝送効率を実現し得る無線給電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の共振器は、主に磁場の共鳴を利用して送電側共振器から受電側共振器に電力を伝送する無線給電システムにおける共振器であって、所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、誘電体セラミック材料を主成分として含み、前記共振コイルを支持する支持部材とを備えて構成される。
【０００８】
本発明の共振器によれば、磁場の共鳴を利用する非接触の電力伝送方式（磁界共鳴方式）の無線給電システムにおいて、送電側及び受電側の各共振器を構成する共振コイルを支持する支持部材を誘電体セラミック材料を主成分として形成したので、共振器の寄生容量の増加により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、誘電体セラミックの低誘電正接特性により誘電体損失の抑制が可能となる。また、共振コイルの線長の短縮により導体損失が低下するので、共振コイルの誘電体損・導体損に起因する共振器の発熱を抑制することができる。さらに、１対の共振器間の伝送効率が向上し、電力エネルギーの無駄を抑制するとともに、１対の共振器が相対的に長い距離で対向する場合や、相対的に大きな位置ずれを生じる場合であっても、良好な電力伝送を維持することができる。
【０００９】
本発明の共振器において、支持部材を構成する誘電体セラミック材料は、比誘電率εｒを８以上とし、誘電正接ｔａｎδを１０−４以下とすることが望ましい。誘電体セラミック材料の比誘電率εｒが８に満たないと、共振コイルの巻線数の増加により共振コイルが大型になるし、誘電体セラミック材料の誘電正接ｔａｎδが１０−４を超えると、誘電体損の増加により伝送効率が低下するからである。
【００１０】
本発明の共振器において、支持部材は多様な構造で形成することができる。例えば、共振コイルの巻線間の電界発生部に誘電体セラミック材料を配置した構造を採用してもよい。これにより、支持部材のうち、共振コイルの特性に寄与する電界発生部のみに誘電体セラミック材料を配置することで、共振器の特性を確保しつつ、誘電体セラミック材料の使用量を減らして材料コストの低減が可能となる。この場合、電界発生部に粉末状の誘電体セラミック材料を充填した構造を採用してもよい。例えば、支持部材を樹脂材料で形成した上で、それを加工して誘電体セラミック材料を配置すれば、支持部材の割れ等の不具合を抑制しながら、誘電体材料の使用量を減らすことができる。
【００１１】
本発明の共振器の支持部材は、樹脂材料に誘電体セラミック材料を添加して形成してもよい。これにより、共振器の必要な特性を得られる範囲内で、誘電体セラミック材料の比率を適宜に調整でき、材料コストの低減に有効である。また、本発明の共振器の支持部材は、ポーラスを有する誘電体セラミック材料により形成してもよい。例えば、支持台のうち、共振コイルが形成されない領域に複数の貫通孔を形成すれば、支持部材の体積削減に応じて誘電体セラミック材料の使用量を減らすことができる。
【００１２】
また、上記課題を解決するために、本発明の無線給電システムは、主に磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に電力を伝送する無線給電システムであって、前記送電装置は、所定の周波数の交流電力を供給する電源と、前記電源から供給された前記交流電力に共振し、前記交流電力を電磁界エネルギーとして送電する送電側共振器と、を備え、前記受電装置は、前記送電側共振コイルと前記主に磁場の共鳴により結合し、前記電磁界エネルギーを交流電力として受電する受電側共振器と、前記受電側共振器により受電された前記交流電力により動作する回路部とを備え、前記送電側共振器及び前記受電側共振器の各々は、前記交流電力と前記電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、誘電体セラミック材料を主成分として含み、前記共振コイルを支持する支持部材とを備えて構成される。
【００１３】
本発明の無線給電システムによれば、上述の特徴を有する共振器を、送電装置の送電側共振器と、受電装置の受電側共振器のそれぞれに適用することができる。よって、送電装置においては、電源から供給される交流電力に共振する送電側共振器が電磁界エネルギーを伝送し、受電装置においては、送電側共振器と主に磁場の共鳴により結合する受電側共振器が、電磁界エネルギーを受け取って後段の回路部に交流電力を出力する。例えば、本発明の無線給電システムは、電気自動車やプラグインハイブリッド車などの車両への電源供給や、携帯電話やノートＰＣなどの情報端末への電源供給などの多様な用途に利用することができる。
【００１４】
なお、本発明の無線給電システムにおいて、送電装置には、電源と送電側共振器との間に接続された送電側整合回路を設け、受電装置には、受電側共振器と回路部との間に接続された受電側整合回路を設けてもよい。この場合、受電装置の回路部には、受電側整合回路から出力された交流電力を整流して直流電力に変換する整流器と、整流器から出力された直流電力を蓄電する蓄電器と、蓄電器に蓄電された直流電力が供給される負荷とを更に設けてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、主に磁場の共鳴を利用して送電側共振器から受電側共振器に電力を伝送する場合、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コイルを支持する構造を採用することにより、共振器の小型化及び発熱の抑制が可能であって、高い伝送効率で共振器間の電力伝送が可能な無線給電システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明を適用した無線給電システムの一構成例を示すブロック図である。
【図２】送電装置における送電側共振器及びそれに関連する回路部分と、受電装置における受電側共振器及びそれに関連する回路部分との等価回路の一例を示す図である。
【図３】本実施形態の共振器の第１の構造例を示す図である。
【図４】本実施形態の共振器の第２の構造例を示す図である。
【図５】本実施形態の共振器の第３の構造例を示す図である。
【図６】本実施形態の共振器の第４の構造例を示す図である。
【図７】本実施形態の共振器の第５の構造例を示す図である。
【図８】本実施形態の共振器の第６の構造例を示す図である。
【図９】１対の共振器に対するシミュレーションの条件を示す図である。
【図１０】図９の条件下で実施したシミュレーションに基づき、支持部材の材料に応じた伝送効率ηの特性を示すグラフである。
【図１１】１対の共振器が図９に示す位置から、それぞれの中心軸に直交する方向に位置ずれを生じた状態を示す図である。
【図１２】図１１の状態で実施したシミュレーションに基づき、支持部材を設けない場合及び支持部材にテフロン（登録商標）、アルミナをそれぞれ用いた場合において、位置ずれ量Ｐと伝送効率ηの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。
【００１８】
図１は、本発明を適用した無線給電システムの一構成例を示すブロック図である。図１に示す無線給電システムは、送電装置１から受電装置２に非接触（無線）で電力を伝送するシステムである。例えば、車両に内蔵された受電装置２に対し、地面や路面に配設された送電装置１から非接触で給電を行う無線給電システムや、携帯電話やノートＰＣなどの情報端末に内蔵された受電装置２に対し、近傍に設置した送電装置１から非接触で給電を行う無線給電システムを挙げることができる。
【００１９】
図１に示すように、送電装置１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０と、高周波電源１１と、整合回路１２と、送電側共振器１３と、無線通信部１４と、制御部１５とを含んで構成される。また、受電装置２は、受電側共振器２０と、整合回路２１と、整流器２２と、バッテリ２３と、負荷回路２４と、無線通信部２５と、制御部２６とを含んで構成される。
【００２０】
送電装置１において、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０は、商用電源等の交流電力を直流電力に変換する。高周波電源１１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０から供給される直流電力を用いて所定の周波数の高周波電力を発生する発振器である。整合回路１２は、高周波電力を供給する高周波電源１１の出力側と後段の送電側共振器１３とのインピーダンス整合を行う。送電側共振器１３は、整合回路１２を介して供給される高周波電力を受け、その所定の周波数で共振して電磁界エネルギーを生成する共振器である。送電側共振器１３の具体的な構造と作用については後述する。
【００２１】
受電装置２において、受電側共振器２０は、送電装置１の送電側共振器１３と磁気的に結合し、磁界共鳴に基づき上述の所定の周波数で共振して高周波電力を発生する共振器である。本実施形態において、受電側共振器２０は、基本的に送電装置１の送電側共振器１３と同一の構造としてよい。整合回路２１は、受電側共振器２０と後段の整流器２２とのインピーダンス整合を行う。整流器２２は、整合回路２１を経由して供給される高周波電力を整流して直流電力に変換する。蓄電器として機能するバッテリ２３は、整流器２２を介して供給される電力を蓄える二次電池である。負荷回路２４は、バッテリ２３から供給される放電電流に応じて動作する回路であって、受電装置２の取り付け対象に含まれる多様な構成要素が想定される。
【００２２】
一方、送電装置１の制御部１５は、送電装置１の全体の動作を制御する。同様に、受電装置２の制御部２６は、受電装置２の全体の動作を制御する。各々の制御部１５、２６は、例えば、無線給電システムにより定められた処理を実行するプロセッサと、データおよびプログラムを記憶するメモリを含む。また、送電装置１の無線通信部１４と受電装置２の無線通信部２５は、上述の送電側共振器１３及び受電側共振器２０の間の電力の伝送とは別に、それぞれの制御部１５、２６で必要な情報を無線により相互に伝送する手段であり、例えば、送受信回路とアンテナを含んで構成される。
【００２３】
次に、図１に無線給電システムのうち、送電側共振器１３及び受電側共振器２０の構造及び動作について説明する。本実施形態において、送電側共振器１３及び受電側共振器２０は、いずれも所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーを相互に変換する共振コイルを含み、送電側共振器１３及び受電側共振器２０を比較的近い距離で対向させて配置して両者を磁気的に結合させた状態で用いられる。このような状態で、送電側共振器１３から主に磁界エネルギーが受電側共振器２０に伝送され、いわゆる磁界共鳴方式に基づく非接触の電力伝送が可能となる。
【００２４】
図２は、送電装置１における送電側共振器１３及びそれに関連する回路部分と、受電装置２における受電側共振器２０及びそれに関連する回路部分との等価回路の一例を示している。送電装置１においては、発振器１１ａとインピーダンスＺｏの直列回路の部分は図１の高周波電源１１に相当し、インダクタンスＬと容量Ｃの並列回路の部分は図１の送電側共振器１３に相当し、両者の間が抵抗Ｒ１を介して接続されている。また、受電装置２においては、インダクタンスＬと容量Ｃの並列回路は図１の受電側共振器２０に相当し、その回路部分と負荷（図１のバッテリ２３又は負荷回路２４）との間が抵抗Ｒ２を介して接続されている。このように、送電側共振器１３と受電側共振器２０は同一の等価回路で表されるので、磁界の結合によって同一の共振周波数で共振（共鳴）する。
【００２５】
送電側共振器１３と受電側共振器２０において、インダクタンスＬは共振コイルの部分のサイズや巻数に依存して定まり、容量Ｃは共振コイルの配線間の寄生容量（浮遊容量）に依存して定まる。図２の等価回路において、１対の送電側共振器１３及び受電側共振器２０の回路部分は、１対のコイルが電磁誘導を生じる回路形式と同様に表現される。ただし、電磁誘導の場合は、コイルに磁性体が用いられるためＱ値が極めて低くなって１対のコイルの距離が離れると電力の伝送が困難となるのに対し、本実施形態では、後述の構造及び材料によって共振コイルのＱ値を高くできるので、送電側共振器１３と受電側共振器２０がある程度距離が離れたとしても、磁界結合によって効率的に電力を伝送することができる。
【００２６】
ここで、送電側共振器１３から受電側共振器２０への伝送効率ηは、次の（１）式のｆｏｍ（figure of merit）で等価的に表される。
ｆｏｍ＝ｋ（Ｑ１・Ｑ２）１／２            （１）
ただし、ｋ：結合係数
Ｑ１：送電側共振器１３の共振コイルのＱ値
Ｑ２：受電側共振器２０の共振コイルのＱ値
【００２７】
（１）式において、結合係数ｋは、送電側共振器１３と受電側共振器２０の各共振コイル同士の間隔（エアギャップ）に依存し、間隔が大きくなるほど低下する。すなわち、各共振コイルの配置の制約に応じた所与の結合係数ｋに対し、上述のＱ１、Ｑ２が高くなるほど、伝送効率ηを向上させることができる。一般に、角周波数ωにおける共振コイルのＱ値は、（２）式により与えられる。
Ｑ＝ωＬ／ｒ                       （２）
ただし、Ｌ：インダクタンス
ｒ：抵抗
【００２８】
（２）式において、抵抗ｒは、誘電体損、導体損、放射損の和で表される。このうち特に、本実施形態では、送電側共振器１３及び受電側共振器２０の構造及び材料の工夫により、誘電体損と導体損を低減することにより、共振コイルのＱ値の向上を図るものであるが、詳しくは後述する。
【００２９】
次に、図１の送電側共振器１３及び受電側共振器２０の構造について説明する。上述したように、送電側共振器１３及び受電側共振器２０の基本構造は同じであるため、以下では、送電側共振器１３及び受電側共振器２０の両方に適合する共振器３０を想定して説明を行うものとする。まず、本実施形態の共振器３０の第１の構造例について図３を参照して説明する。図３に示すように、第１の構造例に係る共振器３０は、誘電体セラミック材料からなる支持台３１（本発明の支持部材）と、支持台３１上の導体からなるスパイラル型の巻線コイル３２（本発明の共振コイル）とにより構成される。
【００３０】
第１の構造例において、支持台３１は、誘電率が高いセラミック材料を平板状に加工した部材である。例えば、アルミナやε３４材（比誘電率εｒ＝３４のセラミック材料を表す。以下同様）などの誘電体セラミック材料を用いることができる。支持台３１に用いる誘電体セラミック材料としては、比誘電率εｒが８以上で、かつ、誘電正接ｔａｎδが１０−４以下の材料を用いることが望ましい。これは上述の伝送効率ηの誘電体セラミック材料による依存性の評価結果を反映したものであるが、詳しくは後述する。また、支持台３１は共振器３０の全体を支持する役割があるので、巻線コイル３２の一定の形状を確保でき、かつ十分な機械的強度を得られる程度の厚みに形成することが望ましい。
【００３１】
一方、スパイラル型の巻線コイル３２は、支持台３１の上部表面に配置され、例えば、線状の導体を支持台３１上に巻いた状態で載置してもよいし、あるいは支持台３１表面にメタライズを施して形成してもよい。また、支持台３１の表面には限られず、支持台３１の内層に巻線コイル３２を形成してもよい。巻線コイル３２のサイズ及び巻数は、共振周波数とＱ値に応じて適切に決定することができる。本実施形態では、支持台３１に高誘電率のセラミック材料を用いるため、必要なＱ値に対して巻線コイル３２を小さいサイズで形成することができる。
【００３２】
次に、本実施形態の共振器３０の第２の構造例について図４を参照して説明する。図４に示すように、第２の構造例に係る共振器３０は、誘電体セラミック材料からなる支持部材３３と、支持部材３３の側面に形成されたヘリカル型の巻線コイル３４（本発明の共振コイル）とにより構成される。第２の構造例において、支持部材３３は、第１の構造例の支持台３１と同様の誘電体セラミック材料を円筒状に加工した部材である。一方、ヘリカル型の巻線コイル３４は、支持部材３３の円筒側面に配置され、第１の構造例の巻線コイル３２と同様の手法で形成することができる。第２の構造例においても、巻線コイル３４のサイズ及び巻数は、共振周波数とＱ値に応じて適切に決定することができる。
【００３３】
図３及び図４において、共振器３０の巻線コイル３２、３４の両端は開放（オープン）されていてもよいし、あるいは回路素子に接続されていてもよい。巻線コイル３２、３４の両端が開放されている状態で共振器３０に給電するには、例えば、近傍に配置したループ素子を介して共振器３０に給電すればよい。また、共振器３０に対し、巻線コイル３２、３４の一端にキャパシタを直列に接続してもよいし、巻線コイル３２、３４の両端にキャパシタを並列に接続してもよい。このようなキャパシタの容量値を適切に設定することにより、共振器３０の共振周波数やＱ値を調整することができる。
【００３４】
なお、第１及び第２の各構造例は、いずれも本実施形態の共振器３０の一例であって、所望の共振特性を得られる限り、多様な構造の共振コイルに誘電体セラミック材料を装荷した構造の共振器３０を採用することができる。第１及び第２の各構造例の基本的な効果は共通であるが、共振器３０の小型化の観点から若干の相違がある。すなわち、第１の構造例は、同一平面内にスパイラル型の巻線コイル３２を構成できるので、共振器３０の薄型化に適している。一方、第２の構造例は、ヘリカル型の巻線コイル３４の巻数を高さ方向に付与して構成できるので、共振器３０を平面視で小型化するのに適している。
【００３５】
第１及び第２の各構造例を含め、本実施形態の共振器３０の特徴は、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って共振コイルを支持する構造を有する点にある。ここで、本実施形態の共振器３０を図２の等価回路に当てはめて考えると、インダクタンスＬ（図２）の値は巻線コイル３２、３４の線長に応じて定まり、容量Ｃ（図２）の値は巻線コイル３２、３４のうち互いに隣接する各線間の領域（電界発生部）の寄生容量に応じて定まる。そして、巻線コイル３２、３４の近傍に高誘電率の誘電体セラミック材料が装荷されていると、寄生容量を増加させることが可能となる。その結果、所定の共振周波数で共振器３０を共振させる場合のインダクタンスＬを低下させることができるので、巻線コイル３２、３４の巻数を減らすことにより、共振器３０の小型化が可能となる。特に、車両内に共振器３０を設ける用途などでは、共振器３０の設置スペースが制約されることから、共振器３０の小型化は大きなメリットがある。
【００３６】
次に、図３の第１の構造例をベースとして、主に支持台３１の構造に着目した他の構造例について説明する。図５は、本実施形態の共振器３０の第３の構造例を示す。第３の構造例に係る共振器３０のうち、図５（Ａ）は上面図を示し、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のａ−ａ断面における側断面図を示している。第３の構造例に係る共振器３０は、第１の構造例と同様のスパイラル型の巻線コイル３２と、第１の構造例とは形状が異なる支持台３５とにより構成される。具体的には、第１の構造例の支持台３１（図３）が平板状であるのに対し、第３の構造例の支持台３５は、中央に開口部３５ａを有する円板状に加工した部材である。なお、支持台３５の材料については、第１の構造例と同様の誘電体セラミック材料を用いることができる。
【００３７】
第３の構造例は、第１の構造例の支持台３１のうち巻線コイル３２と面していない領域を除去したものであり、巻線コイル３２の外周側に沿った円形の平面形状と、巻線コイル３２の内周側に沿った円形の開口部３５ａを有している。これにより、巻線コイル３２の各線間の電界発生部に対向する領域のみが誘電体セラミック材料に対向する構造とすることで、巻線コイル３２の高周波特性を保ちつつ、支持台３５における誘電体セラミック材料の使用量を極力減らすことができる。すなわち、第３の構造例の支持台３５は、第１の構造例の支持台３１と比べると、電界発生部に対向しない四隅の領域及び中央の開口部３５ａを合せた面積の分だけ誘電体セラミック材料の使用量が減少し、材料コストの低減に有効である。
【００３８】
図６は、本実施形態の共振器３０の第４の構造例を示す図である。第４の構造例に係る共振器３０のうち、図６（Ａ）は上面図を示し、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のａ−ａ断面における側断面図を示している。第４の構造例に係る共振器３０は、第１の構造例と同様のスパイラル型の巻線コイル３２と、支持台３６とにより構成される。第４の構造例の特徴は、平板状の支持台３６が、樹脂材料からなる領域３６ａと、誘電体セラミック材料からなる領域３６ｂとを有する複合部材である点である。領域３６ａは、第３の構造例の支持台３５（図５）と同形状の領域３６ｂを部分的に除去した構造を有し、図６（Ｂ）に示すように、領域３６ｂには粉末状の誘電体セラミック材料（焼結体）が固化された状態で充填されている。そして、領域３６ａの樹脂材料と領域３６ｂの誘電体セラミック材料の界面の部分に、巻線コイル３２が配置されている。
【００３９】
なお、図６では、領域３６ａが樹脂材料からなる場合を説明したが、領域３６ｂの粉末状の誘電体セラミックを充填できる構造であれば、樹脂材料以外の材料で領域３６ａを形成してもよい。また、図６（Ｂ）には示されないが、領域３６ｂの上方を覆う樹脂材料等からなる平板状の蓋部材を設けてもよい。
【００４０】
第４の構造例に係る共振器３０によれば、第３の実施例と同様、巻線コイル３２の電界発生部に対して誘電体セラミック材料が対向配置されるため、良好な高周波特性を保ちつつ、第１の構造例に比べて誘電体セラミック材料の使用量を減らすことができる。また、第４の構造例は、第３の構造例に比べると、樹脂材料と粉末状の誘電体セラミック材料とを用いて支持台３６を形成したため、誘電体セラミック材料の割れ等の不具合を招きにくい構造となり、共振器３０の強度の向上が可能となる。
【００４１】
次に、本実施形態の共振器３０の第５の構造例について、図７を参照して説明する。第５の構造例においては、共振器３０の基本構造は第１の構造例（図３）と同様であるが、第１の構造例の支持台３１とは組成が異なる支持台３７を用いている。図７（Ａ）は、第５の構造例の支持台３７を部分的に拡大した平面図である。第５の構造例の支持台３７は、樹脂材料３７ａにフィラー状の誘電体セラミック材料３７ｂを添加した材料により形成される。図７（Ａ）の例では、誘電体セラミック材料３７ｂの個々のフィラーが独立に存在する。支持台３７の誘電率は、樹脂材料３７ａと誘電体セラミック材料３７ｂの成分比に応じた所定の値となる。第５の構造例を採用することにより、支持台３７の体積に占める誘電体セラミック材料３７ｂの比率を抑制することができ、材料コストの低減に有効である。
【００４２】
また、図７（Ｂ）は、第５の構造例の変形例であり、樹脂材料３７ａにフィラー状の誘電体セラミック材料３７ｂを添加した点は図７（Ａ）と同様であるが、誘電体セラミック材料３７ｂの状態が異なる。すなわち、図７（Ｂ）の例では、誘電体セラミック材料３７ｂの個々のフィラーが互いに連結した状態で存在する。発明者らの検証によれば、樹脂材料３７ａと誘電体セラミック材料３７ｂの成分比が一定であるときの支持台３７の誘電率は、図７（Ａ）の例では樹脂材料３７ａの誘電率が支配的となり、図７（Ｂ）の例では誘電体セラミック材料３７ｂの誘電率が支配的となることが確認された。よって、支持台３７の誘電率をできるだけ高めるには、図７（Ｂ）を採用する方が有利である。
【００４３】
次に、本実施形態の共振器３０の第６の構造例について、図８を参照して説明する。第６の構造例に係る共振器３０のうち、図８（Ａ）は上面図を示し、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のａ−ａ断面における側断面図を示している。第６の構造例に係る共振器３０は、第１の構造例と同様のスパイラル型の巻線コイル３２と、支持台３８とにより構成される。第６の構造例の特徴は、ポーラスを有する支持台３８を用いる点である。具体的には、図８（Ａ）に示すように、第３の構造例と同じ形状の円板状の支持台３８に対し、複数の貫通孔３８ａが形成されている。図８（Ｂ）に示すように、複数の貫通孔３８ａは、支持台３８のうち巻線コイル３２が配置されない領域において、所定の径で支持台３８を積層方向に貫いている。
【００４４】
第６の構造例を採用することにより、第３の構造例に比べ、支持台３８の体積削減に応じて、誘電体セラミック材料の使用量を一層低減することができる。なお、複数の貫通孔３８ａの個数、位置、径などは、図８の例には限られず、誘電体セラミック材料の使用量と支持台３８の強度とに応じて適切に設定することができる。また、第６の構造例においては、複数の貫通孔３８ａを設ける構造に限られず、誘電体セラミック材料が部分的に除去された構造を有する多様なポーラスを有する支持台３８を採用することができる。さらに、第６の構造例においては、誘電体セラミック材料として多孔質セラミックスを用いることにより、ポーラスを有する支持台３８を構成してもよい。
【００４５】
以上のように、第３〜第６の構造例について、図３の第１の構造例に対して適用する場合をベースとして説明したが、第３〜第６の構造例を図４の第２の構造例に対して適用することも可能である。ただし、第３及び第４（図５及び図６）の構造例に関しては、図４の巻線コイル３４のサイズと支持部材３３の円筒の高さを適合させることにより、主に巻線コイル３４の電界発生部に対向する領域のみに支持部材３３が配置される形状を容易に実現することができる。
【００４６】
次に、本実施形態の無線給電システムにおいて、１対の共振器３０を用いて電力を伝送する場合の具体的な特性及び効果について説明する。以下では、１対の共振器３０を所定の距離で対向配置して所定の共振周波数の電力を伝送する状態をモデル化した上で、電磁界シミュレーションを実施して伝送特性を検証した結果を示す。図９は、１対の共振器３０に対するシミュレーションの条件を示している。図９に示すように、１対の共振器３０としては、図４のヘリカル型の巻線コイル３４を用いる構造を想定し、支持部材３３については図示を省略している。１対の共振器３０は、それぞれの中心軸を一致させた状態で距離Ｌだけ離して配置した状態で伝送特性の検証を行った。なお、１対の共振器３０のうち、一方が送電側共振器１３であり、他方が受電側共振器２０である。各々の共振器３０の巻線コイル３４は、直径Ｄと各巻線の間隔Ｓとを有し、例えば、Ｄ＝６００ｍｍ、Ｓ＝３８ｍｍに設定し、距離Ｌを変化させることを想定する。
【００４７】
下記の表１には、各々の共振器３０の支持部材３３として想定される４通りの材料に関し、それぞれの誘電率ε及び誘電正接ｔａｎδを示すとともに、上記シミュレーションにおける巻線コイル３４の巻数ｎを比較して示す。
【００４８】
【表１】
2014138509.tif 000003
【００４９】
表１において、樹脂材料としては、一般樹脂（樹脂Ａ）に加えて、これに比べて誘電率が低いテフロン（樹脂Ｂ；「テフロン」は登録商標）を挙げるとともに、セラミック材料としては、アルミナ（セラミックＡ）と、より誘電率が高いε３４材（セラミックＢ）を挙げる。よって、樹脂Ｂ、Ａ、セラミックＡ、Ｂの順に、比誘電率εｒが増加し、樹脂Ａ、Ｂ、セラミックＡ、Ｂの順に、誘電正接ｔａｎδが減少していく。また、樹脂材料に比べてセラミック材料の巻線コイル３４の巻数ｎが減少している。なお、支持部材３３を設けずに、巻線コイル３４のみの場合の巻数ｎは、ｎ＝５．２５であった。また、一般樹脂として、具体的には、例えば、ポリアセタールやガラスエポキシ基板を用いた。
【００５０】
表１において、比誘電率εｒが高くなるほど巻線コイル３４の巻数ｎが減少するのは、図２を用いて説明したように、比誘電率εの増加に伴い巻線コイル３４の容量Ｃが増加するためである。すなわち、巻線コイル３４の設計時に、直径Ｄ及び各巻線の間隔Ｓを共通にすることを前提とすると、相対的に少ない巻数ｎで巻線コイル３４を所定の共振周波数に共振させることができるためである。この場合、巻線コイル３４の巻数ｎが少なくなるほど、支持部材３３のサイズを相対的に縮小することができる。
【００５１】
図１０は、図９の条件下で実施したシミュレーションに基づき、支持部材３３の材料に応じた伝送効率ηの特性をグラフにして示す。図１０において、表１に示す４種の材料を用いた支持部材３３に加えて、支持部材３３を設けない場合のそれぞれに対し、図９の距離Ｌと伝送効率ηの特性Ｓ１〜Ｓ５を比較している。一般には、上述の（１）式を用いて説明したように、１対の共振器３０間の距離Ｌが増加すると、結合係数ｋの低下によって伝送効率ηも低下していく。図１０に示されるように、支持部材３３に一般樹脂を用いた場合の特性Ｓ３は、支持部材３３を設けない場合の特性Ｓ１を含めても、伝送効率ηの劣化が最も大きくなることがわかる。これは、一般樹脂は、主に誘電正接ｔａｎδが大きいので、共振器３０の誘電体損の増加による影響であると推測される。
【００５２】
また、支持部材３３にテフロンを用いた場合の特性Ｓ５は、支持部材３３を設けない場合の特性Ｓ１と同程度であることがわかる。これに対し、支持部材３３にアルミナを用いた場合の特性Ｓ２と、支持部材３３にε３４材を用いた場合の特性Ｓ４は、いずれも高い伝送効率ηを確保でできることがわかる。実際の無線給電システムの利用形態を考慮すると、例えば、距離Ｌ＝４００ｍｍのときに、伝送効率η＝９０％程度を確保できる程度の特性が望ましい。図１０において、この条件を満たしているのは、支持部材３３の材料がアルミナ及びε３４材の場合のみである。なお、支持部材３３に用いる誘電体セラミック材料としては、比誘電率εｒが８以上、誘電正接ｔａｎδを１０−４以下が望ましいことは既に述べたが、これは図１０の結果からも裏付けられる。
【００５３】
次に、図９の条件において、１対の共振コイル３０の位置ずれが生じた際の伝送効率ηへの影響について説明する。図１１は、図９と同様の１対の共振器３０が、図９に示す位置から、それぞれの中心軸に直交する方向に位置ずれ（位置ずれ量Ｐ）を生じた状態を示している。図１１に示すような位置ずれは、無線給電システムの使用形態を考慮すると、ある程度許容できることが望ましい。一方、図１２は、図１１の状態で実施したシミュレーションに基づき、支持部材３３を設けない場合及び支持部材３３にテフロン、アルミナをそれぞれ用いた場合において、位置ずれ量Ｐと伝送効率ηの関係をグラフにして示している。
【００５４】
図１２に示されるように、支持部材３３を設けない場合及び支持部材３３にテフロンを用いた場合は、いずれも位置ずれ量Ｐの増加時に伝送効率ηが同程度に劣化している。これに対し、支持部材３３にアルミナを用いた場合は、位置ずれ量Ｐの増加時に伝送効率ηの劣化が小さくなることがわかる。例えば、図１２において、伝送効率η＝９４％を基準として考えると、支持部材３３を設けない場合及び支持部材３３にテフロンを用いた場合は、Ｐ＝１２０ｍｍ程度で基準を下回るのに対し、支持部材３３にアルミナを用いた場合は、Ｐ＝３５０ｍｍに達したときに基準を下回ることがわかる。すなわち、支持部材３３にアルミナを用いることにより、他の条件に比べて、１対の共振器３０に許容される位置ずれ量Ｐを約３倍近くまで増やすこと可能である。そして、支持部材３３にアルミナ等の高誘電率のセラミック材料を用いることは、１対の共振器３０の伝送効率ηが全体的に向上することから、横方向の位置ずれに強くなる効果に加え、１対の共振器３０の距離Ｌが大きくなっても高効率を維持できるという効果がある。
【００５５】
以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、本実施形態の無線給電システムとして、図１の構成例を示したが、これに限られることなく、本発明の構造上の特徴を具備する共振器を用いる限り、多様な構成の無線給電システムに対して本発明を適用することができる。また、共振器の支持部材に含まれる誘電体セラミック材料としては、本実施形態で説明したアルミナやε３４材以外にも、良好な伝送効率ηを確保可能な範囲で多様な材料を用いることができる。さらに、本発明を適用可能な無線給電システムの用途として、車両への電源供給や情報端末への電源供給に言及したが、例えば、ＴＶ、家電機器、照明機器、ゲーム機器、医療機器、産業機器など多様な用途の無線給電システムに対して本発明の適用が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１…送電装置
２…受電装置
１０…ＡＣ／ＤＣコンバータ
１１…高周波電源
１２…整合回路
１３…送電側共振器
１４…無線通信部
１５…制御部
２０…受電側共振器
２１…整合回路
２２…整流器
２３…バッテリ
２４…負荷回路
２５…無線通信部
２６…制御部
３０…共振器
３１、３５、３６、３７、３８…支持台
３２、３４…巻線コイル
３３…支持部材
【図１】
2014138509.tif 000004
【図２】
2014138509.tif 000005
【図３】
2014138509.tif 000006
【図４】
2014138509.tif 000007
【図５】
2014138509.tif 000008
【図６】
2014138509.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2014138509.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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