(57)【要約】複数のコイルが一次元的または二次元的に配置されてなる送電部は、電磁結合によって電力を隣のコイルに伝搬させてゆくとともに、周囲に電磁界を漏洩させることによって無線による送電を行う。給電部は、送電部の一または複数の前記コイルに電力を供給する。受電装置は、送電部からの送電電力を受電する。送電部における一次元的または二次元的なコイルの配置構造の一つ以上のコイルには、リアクタンス性素子が装荷されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコイルが一次元的または二次元的もしくは三次元状に配置され、電磁結合によって電力を隣のコイルに伝搬させてゆくとともに、周囲に電磁界を漏洩させることによって無線による送電を行う送電部と、
一または複数の前記コイルに電力を供給する給電部と、
前記送電部からの送電電力を受電する受電装置と、を備え、
前記一次元的または二次元的もしくは三次元状に配置された複数のコイルのうち、一つ以上のコイルにリアクタンス性素子が装荷されていることを特徴とする電力供給装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力供給装置において、前記送電部のコイルはＮ個のコイルから成り、各コイルの添え字をｉ（ｉ＝１，…，Ｎ）、該当コイルの自己インピーダンスをＺｉ（ωＴＸ）、各コイルの所望の電流値をαｉＩ、送電に用いる角周波数をωＴＸ、コイル間の相互インダクタンスをＭｉｋとした場合、各コイルに装荷するリアクタンス性素子のリアクタンス値Ｘｉが、以下の式（８）で示される値と実質上等しいことを特徴とする電力供給装置。
2014030773.tif 000010
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電力供給装置において、一つ以上のリアクタンス性素子がコイルに対して並列装荷されていることを特徴とする電力供給装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の電力供給装置において、一つ以上のリアクタンス性素子がコイルに対して直列装荷されていることを特徴とする電力供給装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の電力供給装置において、装荷されるリアクタンス性素子がキャパシタであることを特徴とする電力供給装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか１項に記載の電力供給装置において、装荷されるリアクタンス性素子がインダクタであることを特徴とする電力供給装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の電力供給装置において、回路定数入力部と、所望電流分布入力部と、周波数入力部と、装荷素子リアクタンス計算部と、装荷素子リアクタンス表示部と、から構成されるリアクタンス計算装置を含み、装荷されるリアクタンス性素子のリアクタンス値が、上記リアクタンス計算装置によって計算、表示されたリアクタンス値に実質上等しいことを特徴とする電力供給装置。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項に記載の電力供給装置において、コイル構造、材料、位置情報、及び計算周波数帯域の入力部と、回路定数計算部と、周波数入力部と、所望電流分布入力部と、装荷素子リアクタンス計算部と、装荷素子リアクタンス表示部と、から構成されるリアクタンス計算装置を含み、装荷されるリアクタンス性素子のリアクタンス値が、上記リアクタンス計算装置によって計算、表示されたリアクタンス値に実質上等しいことを特徴とする電力供給装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の電力供給装置において、装荷されるリアクタンス性素子のリアクタンス値が、外部信号により可変制御できることを特徴とする電力供給装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の電力供給装置において、前記外部信号が無線信号であることを特徴とする電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力供給装置に関し、具体的には、送電線を介さずに非接触で受電装置に電力を供給する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
離間した受電装置に対し無線で電力を供給する方法が知られている。例えば、特許文献１には、電磁波伝送シートの中で電磁波を伝搬させ、電磁波伝送シートから漏出する電磁界を受電装置に供給するという構成が開示されている。この種の関連技術はまた、特許文献２に開示されている。
また、特許文献３には、電源側の一次コイルから負荷側の二次コイルに磁気結合で電力を伝送する方式が開示されている。この種の関連技術はまた、特許文献４に開示されている。この種の技術は、家庭用の小型電子機器、例えば、シェーバーや電動歯ブラシなどの充電によく使用されている。
あるいは、特許文献５には、マイクロ波ビームを利用した送電方法が開示されている。この送電方法は、例えば、衛星軌道上で太陽光発電を行い、得たエネルギーをマイクロ波ビームで地上に送る。そして、地上の受電装置でマイクロ波を電力に再変換する。
さらに、近年では、室内に置かれた様々な電子機器に対して無線で給電する方法も探求されてきており、その一例が非特許文献１に開示されている。
このコンセプトを非特許文献２による開示から引用する。
東京大学大学院の浅見教授、川原講師らの研究する「電磁共鳴式マルチホップ無線電力伝送方式の提案と評価」のコンセプトは、非特許文献１の図１２に示すように、室内等のある程度の広がりをもったエリアに配置されている複数の電子機器に電力を給電するというものである。ここでいう電子機器には、例えば電力伝送シートも含まれ、この電力伝送シートからさらに小型電子機器に給電するといった利用もある。
図１７を参照して、部屋１０の壁や床１３には複数のコイル１４が面状に配列されて埋め込まれている。そして、中心軸に対して直交する方向で隣接しているコイル同士でも共振することを利用する。つまり、いずれかのコイルに給電すれば、電力が隣接するコイルにホッピングしてゆく。
隣接するコイルに電力を伝搬させてゆき、そして、電磁界をコイルから部屋１０のなかに漏洩させる。すると、部屋という広いエリアに配置されている複数の電子機器１１や机上の電子機器１２に給電できるというわけである。
これにより、電源線の配線、充電、電池交換等の作業が不要になることが期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−６６８４１号公報
【特許文献２】特開２００７−２８１６７８号公報
【特許文献３】特開平７−３２２５３４号公報
【特許文献４】米国特許第７８２５５４３号明細書
【特許文献５】特開２００８−２５９３９２号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】澤上、川原他「電磁共鳴式無線電力伝送のマルチホップ性能評価」、電子情報通信学会総合大会、２０１０年３月、Ｂ−２０−３８、通信講演論文集２、ｐｐ．６２２
【非特許文献２】東京大学大学院情報埋工学系研究科  浅見研究室の研究紹介（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｋｇ．ｔ．ｕ−ｔｏｋｙｏ．ａｃ．ｊｐ／ｌａｂｉｎｔｒｏ１００４．ｐｄｆ）
【非特許文献３】居村  岳広、学位論文「電磁界共振結合を用いたワイヤレス電力伝送に関する研究」、東京大学大学院工学系研究科電気工学専攻、２００９年度  電磁界解析の説明：ｐ．３２、コイル定数の計算手法：ｐ．７２−ｐ．７８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の方法によれば、部屋のなかの電子機器に無線で給電できる可能性がある。
しかしながら、上記方法では、電力伝送効率は受電装置の位置に大きく依存することが予想される。そこで、受電装置の位置に依存せず給電（送電）する技術が望まれる。
本発明の企図するところは、無線給電において、受電装置の位置に依存せず、効率良く電力を供給できる電力供給装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様による電力供給装置は、複数のコイルが一次元的または二次元的もしくは三次元状に配列され、共振作用によって電力を隣のコイルに伝搬させてゆくとともに、周囲に電磁界を漏洩させることによって無線による送電を行う送電部と、前記送電部の一または複数の前記コイルに電力を供給する給電部と、前記送電部からの送電電力を受電する受電装置と、を備え、前記一次元的または二次元的もしくは三次元状に配列された一つ以上のコイルには、リアクタンス性素子を装荷させていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、受電装置の位置に依存せずに効率良く電力を供給できる、無線給電型の電力供給装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１は本発明が実現したい電力供給装置について２つの構成例を示した斜視図である。
図２は一次元的に配置した複数のコイルにほぼ一様の磁界分布（∝電流分布）が生じていることを示すため図である。
図３はＮ個のコイルを二次元平面上に配置した例を示す図である。
図４は図１に示されるようなヘリカルコイルにリアクタンス性素子が並列装荷されていることを示す図である。
図５は図１に示されるようなヘリカルコイルにリアクタンス性素子が直列装荷されている例（図５ａ）及びヘリカルコイルの先端にリアクタンス性素子が片側装荷されている例を示した図である。
図６はコイル０を中心に６個のコイル（コイル１〜コイル６）が取り囲み、各コイルには容量性素子が並列装荷されていることを示す図であり、コイル１には給電部が接続され、受電コイル（受電装置）には負荷抵抗が接続されていることを示す。
図７は図６の回路モデルを解析し、電力伝送効率を回路解析した結果を示す特性図である。
図８は本発明の第１の実施形態を、一次元的コイル配置（図８ａ）及び二次元的コイル配置（図８ｂ）の２つの例で示した図である。
図９は本発明の第２の実施形態を、一次元的コイル配置（図９ａ）及び二次元的コイル配置（図９ｂ）の２つの例で示した図である。
図１０は本発明において用いられる一巻ループコイルにリアクタンス性素子が装荷されていることを示す図である。
図１１は本発明において用いられる平面スパイラル状のコイルの一例（図１１ａ）及びプリント基板の裏面に実装されるコイルの一例を示した図である。
図１２は本発明の第３の実施形態に係わる電力供給装置の一部である、装荷リアクタンス計算装置の構成例を示した機能ブロック図である。
図１３は本発明の第４の実施形態に係わる電力供給装置の一部である、装荷リアクタンス計算装置の構成例を示した機能ブロック図である。
図１４は本発明の他の実施形態を、一次元的コイル配置（図１４ａ）及び二次元的コイル配置（図１４ｂ）の２つの例で示した図である。
図１５は本発明の更に他の実施形態（三次元的コイル配置）を示した図である。
図１６は本発明において用いられるリアクタンス性素子の幾つかの例を示した図である。
図１７は従来のマルチホップ電力伝送の概念を説明するための図である。
図１８は正方形のループコイルを９個敷き詰めた二次元給電システムに適用した電磁界シミュレーションについて説明するための図である。
図１９は図１８の１つのループコイルにおけるキャパシタの装荷位置及び送電共振器における給電点について説明するための図である。
図２０は図１８に示された二次元給電システムにおける隣り合う共振器間の相互インダクタンスのインピーダンスの大きさについて説明するための図である。
図２１Ａ〜図２１Ｄは図２０及び図２０とは異なる共振器間隔について相互インダクタンスのインピーダンスの大きさについて説明するための図である。
図２２は図１８に示したループコイル配置による電界強度分布の計測結果の写真を模した図である。
図２３は図１８に示したループコイル配置による磁界強度分布の計測結果の写真を模した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（基本コンセプト）
まず、本発明が実現したい電力供給装置の主要部の構成例を図１に示す。
図１（ａ），（ｂ）において、受電装置１２０は、送電部１１０と電気的接触はしていない。
送電部１１０は、複数のコイル１１１によって構成されており、複数のコイル１１１は一次元（直線的、もしくは曲線的）（図１ａ）、もしくは二次元的（平面的）（図１ｂ）に配列されている。
コイル１１１としては、例えばヘリカルコイル、もしくはスパイラルコイルが典型的である。図１では、コイル１１１をヘリカル型のコイルとしている。
送電部１１０は、例えば部屋の壁や床そのものであってもよい。すなわち、部屋の床や壁あるいは天井１１５の一面に複数のコイル１１１を埋設し、これを送電部１１０とすることが例として挙げられる。床や壁あるいは天井１１５の材料は、送電部としての機能を損なわない材料であれば何でも良い。
給電装置１３０は、一つまたは複数のコイル１１１に電力を供給する。給電装置１３０からコイル１１１へは、交流電流を流してもよい。あるいは、コイル１１１に振動磁界を与えてもよい。
この構成において、給電装置１３０から一つまたは複数のコイル１１１に電力を供給したときに、送電部１１０における隣接コイル間を電力が伝搬していく。そして、図１（ａ），（ｂ）に示すように送電部１１０から電磁波が漏洩する。
このとき、漏洩する電磁波により、所望の位置の受電装置１２０に効率良く給電できるよう、受電装置１２０直下のコイルの電流値をなるべく大きくしたい。さらには、受電装置が位置によらず効率良く電力を受けられるように、送電部１１０内のコイル毎にほぼ一様の電流を流したいこともある。
例えば図１（ａ）においては、給電したい受電装置１２０が３つあるとする。この場合、これらの３つの受電装置１２０のところで電磁界強度が一様となるようにしたい。
このような給電が可能になる理論的背景、および、具体的な構成を以下に説明する。
（着想）
本発明者らは、鋭意研究の末、複数のコイルを配置した場合、コイル毎に適当なリアクタンス値（誘導性、もしくは容量性）を有するリアクタンス性素子を装荷することにより、コイル毎に所望の電流分布を得ることができる方法を開発した。
これによって、例えば、図２のように複数のコイル１１１を一次元的（一列状）に配列し、給電装置から一つのコイルに給電した場合、適当なリアクタンス性素子をコイルに装荷することにより、コイル毎の磁界値、すなわち電流分布を一様にすることができることを確認した。以下、その理論的根拠について説明する。
図３は、送電部のＮ個のコイルを表している。各々のコイルは添え字ｉ（ｉ＝１，…，Ｎ）で表す。ここで、そのコイルの電流をαｉＩで表す。αは基準電流（例えばコイル０に流れる電流をＩ（α＝１）としたときの）に対する各コイルに流れる電流を表すための係数である。送電に用いる角周波数ωＴＸ、コイルｉ自身のインピーダンスをＺｉ（ωＴＸ）とすると、キルヒホッフの法則より、以下の式（１）が成立する。
2014030773.tif 000003
ここで、Ｍｉｋはコイルｉとコイルｋ間の相互インダクタンスである。尚、本式は、異なるコイル間の容量結合は無視できるほど小さいとした場合の、近似的に成立する等式である。ここで、インピーダンスの虚部に着目すると、以下の式（２）が成立する。
2014030773.tif 000004
この条件は、給電部接続時に、コイルの分布全体が、特定の共振モードとしてエキサイトされた場合のコイル毎の電流分布α１Ｉ，α２Ｉ，…，αＮＩの間で満たされる関係式を表す。
すなわち、インピーダンスの虚部は以下の式（３）によって示される。
2014030773.tif 000005
ここで、コイルｉの自己インダクタンスをＬｉ，自己キャパシタンスをＣｉとすると、Ｉｍ（Ｚｉ（ωＴＸ））の値は、ωＴＸＬｉ−（１／ωＴＸＣ）となり、必ずしも式（３）を満たすとは限らない。一方、コイルｉに、式（３）を満たすよう、特定のインピーダンス値を有する素子を装荷することは可能である。例えば、装荷するリアクタンス性素子のリアクタンス値をＸｉとしたとき、装荷すべきリアクタンス値は以下の式（４）のように示される。
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Ｘｉが正の値の場合は誘導性のリアクタンス性素子、すなわちインダクタを、負の場合は容量性のリアクタンス性素子、すなわちキャパシタを装荷すれば良いことになる。
例えば、インダクタを装荷する場合、そのインダクタンス値をＬｉ，ａｄｄとすると、以下の式（５）を満たすインダクタンス値を有するインダクタを装荷すれば良い。
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一方、キャパシタを装荷する場合、そのキャパシタンス値をＣｉ，ａｄｄとすると、以下の式（６）を満たすキャパシタンス値を有するキャパシタを装荷すれば良い。
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実際には、式（５）、式（６）にて求められたインダクタンス値Ｌｉ，ａｄｄ、もしくはＣｉ，ａｄｄに極力近い値を有する素子を入手するか、作製して装荷すればよい。
以上のようにして、送電部１１０の複数のコイルの電流分布を、所望の分布とすることができることが示された。
コイルにリアクタンス性素子を装荷する構成としては、図４に示すように、コイル１１１の両端にリアクタンス性素子３０１の両端子を接続すれば良い。また、コイルの寄生容量が無視できない場合は、コイルの両端間に容量があることを示しているから、図５（ａ）に示すように、コイル配線を途中で切断し、切断した部分にリアクタンス性素子３０１の端子を直列に接続しても良いことになる。もしくは図５（ｂ）に示すように、コイルの端部にリアクタンス性素子３０１の片側の端子を装荷してもよい。
尚、装荷すべきリアクタンス性素子３０１は、かならずしもインダクタ、もしくはキャパシタのどちらかに限定しなくても良く、その両方を含んでいても良い。例えば、容量性素子Ｃｉ，ａｄｄの寄生インダクタンスをＬｉ，ｐａｒａとした場合、以下の式（７）を満たすＣｉ，ａｄｄ、Ｌｉ，ｐａｒａを有するリアクタンス性素子を装荷すれば良い。
2014030773.tif 000009
以下、回路解析を用いて、本発明による方法の有効性を示す。ここでは、受電部の位置ずれ特性を均一化するため、送電部のコイル毎の電流を一様化することを考える。
図６に示すように、送電部１１０として６つのコイル型コイルの二次元配置構造を想定し、中心のコイルの番号を０とし、中心のコイルを取り囲む６個のコイルの番号をそれぞれ１、２、３、４、５、６とする。給電装置１３０で番号１のコイルに給電させることとする。受電部は水平方向に移動することを想定しており、設計時には考慮しない。全てのコイルにはループコイルにキャパシタを装荷して使用するものとする。送電部１１０のすべてのコイルは同一構造であり、インダクタンスは１μＨ、損失抵抗は０．５Ωとし、自己キャパシタンス値は無視できるものとする。すべてのコイルの電流が等しくなるよう、すべてのコイルのαｉを１とした。送電部１１０の隣り合うコイル間の結合係数を−０．１、給電周波数を１３．５６ＭＨｚとすると、式（４）より求めたリアクタンス値は負となり、式（６）により、装荷すべきキャパシタンス値Ｃｉ，ａｄｄ（ｉ＝０，…，６）は、以下のように算出された。
Ｃ０，ａｄｄ＝３４４（ｐＦ）
Ｃ１，ａｄｄ＝１９６．８（ｐＦ）
Ｃ２，ａｄｄ＝１９６．８（ｐＦ）
Ｃ３，ａｄｄ＝１９６．８（ｐＦ）
Ｃ４，ａｄｄ＝１９６．８（ｐＦ）
Ｃ５，ａｄｄ＝１９６．８（ｐＦ）
Ｃ６，ａｄｄ＝１９６．８（ｐＦ）
ここで、受電部を、１３．５６ＭＨｚで自己共振するコイルとみなし、そのインダクタンス値を１μＨ、容量を１３７．８ｐＦ、負荷抵抗を５０Ωとして、送電部１１０の各コイル（ｉ＝０，１，…，６）の真上に隙間をあけて置くことを想定し、そのモデルを回路解析した結果を、図７に示す。本計算において、受電部のコイルとその直下にある送電部１１０のコイルの結合定数は０．３とした。また、給電は番号１のコイルに対して行い、給電装置１３０の内部抵抗は無視した。図７のグラフでは、横軸に、送電部１１０の各コイル番号を示し、縦軸に電力伝送効率を示している。また、比較対象として、従来の方式、すなわち、送電部のすべてのコイルが１３．５６ＭＨｚで自己共振するよう、１３７．８ｐＦを有している場合の伝送効率も併せて示している。図７より、本発明で提案している方法のほうが、受電部の位置によらず、安定した電力伝送を実現できていることがわかる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図８は、本発明の第１の実施形態に係わる電力供給装置の斜視図である。図８（ａ）は、送電部１１０の複数のコイル８１１が一次元状（列状）に配列された場合であり、図８（ｂ）は、送電部１１０の複数のコイル８１１が二次元状（面状）に配列された場合である。いずれにおいても、コイル８１１には、図５（ａ）のコイル１１１のように、コイル配線の途中が切断されてそこにリアクタンス性素子３０１が装荷されている。リアクタンス性素子３０１のリアクタンス値は、上記式（４）を満たす関係式を満たす値に極めて近い値（実質上等しい値）となっている。尚、各リアクタンス性素子３０１は、図５（ｂ）のようにコイル先端に装荷されていても良い。さらに、リアクタンス性素子は、図４のようにコイルに並列に装荷されていても良いし、複数のリアクタンス性素子がコイルに並列に装荷されていても良い。さらに、各リアクタンス性素子は、容量性素子であっても良いし、誘導性素子であっても良い。
（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係わる電力供給装置の斜視図である。図９では、送電部１１０の複数のコイルがそれぞれ一巻のループコイル９１１となっている。また、図９（ａ）では複数のループコイル９１１が一次元状に配列された場合であり、図９（ｂ）は、複数のループコイル９１１が二次元状に配列された場合である。いずれにおいても、ループ９１１には、図１０に示すループコイル１０１１のように、コイルの途中にリアクタンス性素子３０１が直列に装荷されている。リアクタンス性素子３０１のリアクタンス値は、上記式（４）を満たす関係式を満たす値に極めて近い値（実質上等しい値）となっている。リアクタンス性素子は、複数個がコイルに直列に装荷されていても良い。さらに、各リアクタンス性素子は、容量性素子であっても良いし、誘導性素子であっても良い。また、本発明の実施形態において、受電部（受電装置）９１２は、図９に示したような一巻のループコイルであっても良いし、多数巻のループコイルであっても良い。
尚、上記実施形態においては、ヘリカル型、もしくは一巻のループ型のコイルを例示したが、コイルとしては、例えば、図１１（ａ）に示す平面スパイラル状のコイルを用いてもよい。平面スパイラル状のコイル１１０１は、従来のプリント回路基板に実装できるという利点がある。すなわち、プリント基板の表面または裏面にスパイラルコイル１１０１を一つ実装しておいてもよい。
または、平面スパイラル状のコイルをプリント基板の両面に実装してもよい。例えば、図１１（ａ）の平面スパイラル状のコイル１１０１をプリント基板の表側に実装し、図１１（ｂ）のコイル１１０２をプリント基板の裏面に実装する。
図１１（ｂ）は、プリント基板の裏面に実装されるコイル１１０２を表面側から透視したものである。このとき、接合点１１０３で表面側コイル１１０１と裏面側コイル１１０２とを導体接続することにより、両面実装として一続きのスパイラルコイルを構成することができる。
上記導体接続の代わりに、表面側コイル１１０１と裏面側コイル１１０２をリアクタンス性素子で接続することにより、本発明で必要となる直列装荷型のリアクタンス性素子装荷型コイルを構成することができる。
一方、上記導体接続をそのままにして、表面側コイル１１０１、裏面側コイル１１０２の導体接続がされていないほうの先端部同士をリアクタンス性素子で接続することにより、本発明で必要となる並列装荷型のリアクタンス性素子を構成することができる。
尚、リアクタンス性素子は、表面側コイル１１０１の中に埋め込まれても良いし、裏面側コイル１１０２の中に埋め込まれても良い。
ここでは表面実装と両面実装の場合を説明したが、多層基板においても各々の層のスパイラル導体と層間を接続する導体とにより、多層基板上で様々なスパイラル導体実装が可能となる。
さらに、多層基板においても各々の層のスパイラル導体と層間を接続するリアクタンス性素子とにより、多層基板上で様々な容量性素子装荷型スパイラル導体実装が可能となる。この場合、リアクタンス性素子は、表面側コイルの中に埋め込まれても良いし、裏面側コイルの中に埋め込まれても良い。
また、図１１（ａ）、図１１（ｂ）では、矩形であって矩形の各辺が直線的形状であるスパイラルコイルを例示したが、曲線のスパイラルであっても良いことは言うまでもない。
また、スパイラル状コイルが高誘電体基板に実装されていてもよい。または、スパイラル状コイルが磁性体上に実装されていてもよい。これにより、磁束密度を高め、コイルの小型化を図ることができる。
送電部のコイルを、剛性を有する二枚の基板で挟んで、送電部が曲がらないように剛性を持たせてもよい。または、送電部の共鳴体（コイル）を、柔軟性を有する二枚のシートで挟んで、送電部が柔軟に曲がるようにしておいてもよい。
（第３の実施形態）
図１２は、本発明の第３の実施形態に係わる電力供給装置の一部であるリアクタンス計算装置を機能的に示すブロック図である。
本リアクタンス計算装置は、回路定数入力部１２０１、所望電流分布入力部１２０２、周波数入力部１２０３、装荷素子リアクタンス計算部１２０４、装荷素子リアクタンス表示部１２０５、とからなる。
回路定数入力部１２０１は、前述した送電部１１０の複数のコイルの情報を入力する入力部を含む。回路定数入力部１２０１は、具体的には、各コイルの自己インダクタンス、自己キャパシタンス、各コイル間の相互インダクタンス（もしくは結合定数）の値を入力する入力部を含む。所望電流分布入力部１２０２は、コイル毎に流したい所望の電流値を入力する入力部を含む。周波数入力部１２０３は、使用周波数を入力する入力部を含む。
装荷素子リアクタンス計算部１２０４は、回路定数入力部１２０１からの複数のコイルに関する情報、所望電流分布入力部１２０２からの電流に関する情報、周波数入力部１２０３からの周波数に関する情報を入力情報とし、上記式（４）、または式（５）、もしくは式（６）に従い、各コイルに装荷すべきリアクタンス値、またはインダクタンス値、もしくはキャパシタンス値を計算する計算部を含む。装荷素子リアクタンス表示部１２０５は、装荷素子リアクタンス計算部１２０４で計算されたリアクタンス値、またはインダクタンス値、もしくはキャパシタンス値を表示する表示部を含む。
本発明の第３の実施形態では、本リアクタンス計算装置により表示されたリアクタンス値、またはインダクタンス値、もしくはキャパシタンス値に該当する素子を各コイルに装荷しているものとする。
（第４の実施形態）
図１３は、本発明の第４の実施形態に係わる電力供給装置の一部であるリアクタンス計算装置を機能的に示すブロック図である。
本リアクタンス計算装置は、コイル構造、材料、位置情報、及び計算周波数帯域の入力部１３０１、所望電流分布入力部１２０２、周波数入力部１２０３、回路定数計算部１３０２、装荷素子リアクタンス計算部１２０４、装荷素子リアクタンス表示部１２０５、とからなる。
コイル構造、材料、位置情報、及び計算周波数帯域の入力部１３０１は、前述した送電部１１０の複数のコイルの構造、コイルを構成する材料、各コイルの位置情報、さらには本電力供給装置が設置される環境を構成している背景材料（図１７で言えば壁や床の材料）に関する情報を入力する入力部を含む。所望電流分布入力部１２０２は、コイル毎に流したい所望の電流値を入力する入力部を含む。周波数入力部１２０３は、使用周波数を入力する入力部を含む。
回路定数計算部１３０２は、コイル構造、材料、位置情報、及び計算周波数帯域の入力部１３０１からの各種情報を入力とし、電磁界シミュレータを用いて回路定数を計算する計算部を含む。尚、ここで回路定数とは、コイル毎のリアクタンス値、またはインダクタンス値、もしくはキャパシタンス値、さらに、各コイル間の相互インダクタンス、もしくは結合係数を含む。
装荷素子リアクタンス計算部１２０４は、回路定数計算部１３０２で計算された回路定数、所望電流分布入力部１２０２からの電流に関する情報、周波数入力部１２０３からの周波数に関する情報を入力情報とし、上記式（４）、または式（５）、もしくは式（６）に従い、各コイルに装荷すべきリアクタンス値、またはインダクタンス値、もしくはキャパシタンス値を計算する計算部を含む。装荷素子リアクタンス表示部１２０５は、装荷素子リアクタンス計算部１２０４で計算された各コイルの装荷すべきリアクタンス値を表示する表示部である。
本発明の第４の実施形態では、本リアクタンス計算装置により表示されたリアクタンス値、またはインダクタンス値、もしくはキャパシタンス値に該当する素子を各コイルに装荷しているものとする。
上記第４の実施形態において、回路定数計算部１３０２は電磁界シミュレータを用いて回路定数を計算する計算部を含むとした。電磁界シミュレータは、実際の構造における電磁伝搬を模擬したシミュレーションを自動的に行い、インピーダンス等の回路定数を抽出する機能を有しているのが一般的である。実際に、電磁界シミュレータとポスト処理を組み合わせて、コイルの構造情報、材料情報、位置情報から、コイル毎のリアクタンス値、インダクタンス値、キャパシタンス値、コイル間の相互インダクタンス、もしくは結合係数を算出する装置を実現するのは容易である。電磁界解析に関する説明、及び回路定数を計算する手法は、非特許文献３に示されている。
次に、上述したインピーダンスの定義に関する数式により、均一な電流分布が実現可能であることを電磁界シミュレーションにより確認したので、以下に説明する。電磁界シミュレータには三次元電磁界解析シミュレータＦＥＫＯを用いた。
今回の電磁界シミュレーションでは、図１８に示すように、正方形のループコイルを９個敷き詰めた二次元給電システムに関して解析を行った。得られたシミュレーション結果により、電流値が誤差２．６％以内に収まっていることを確認できた。また、電磁波伝送シートから離れるにつれ、磁界分布がより均一になることも確かめられた。なお、図１８では、本発明の特徴を強調するために隣り合うループコイルを離して示しているが、実際には隣接するループコイルの間隔は非常に小さい。これは、後述される図２０、図２１Ａ〜図２１Ｄにおいても同様である。
今回の電磁界シミュレーションでは、ループコイルの形状を一辺２０ｃｍの正方形とし、材質は半径１ｍｍの銅線とした。リアクタンス性素子としてのキャパシタの装荷位置及び送電共振器における給電点を図１９に矢印で示す。その他のパラメータに関しては、解析空間は自由空間とし、解析周波数は１３．５６ＭＨｚとした。
まず初めに、ループコイルのインピーダンスをシミュレーションにより求めたところ、０．２５１３６＋ｊ７２．１６４であり、このリアクタンスは０．８４７μＨに相当する。続いて、各共振器間の相互インダクタンスをシミュレーションにより求めた。各ループコイルは接するのと同等程度に敷き詰めることを想定しているため、隣り合うループコイルとの線間距離を０．５ｍｍとした。つまり、隣り合うループコイルとの中心間距離はループコイルの一辺２０ｃｍと線径ｌｍｍを含めて２０．１５ｃｍである。隣り合う共振器間の相互インダクタンスのインピーダンスの大きさωＭは、図２０に示すように１１．０５８Ωであった。
続いて、その他の間隔におけるωＭをシミュレーションにより求めた。その結果を図２１Ａ〜図２１Ｄに示す。これらの値から装荷すべきキャパシタンスを計算したところ、９個のうちの中央のループコイルは５１１．１ｐＦ、４隅のループコイルは２４５．２ｐＦ、残りの４つは３２６．９ｐＦである。これらのキャパシタを装荷し受電共振器が存在しない条件下で、中央の共振器５に給電した場合の電流値と電磁界分布をシミュレーションにより求めた。電圧は１０Ｖ、電源の出力インピーダンスは０Ωとした。各ループコイルに流れている電流を確認したところ、電源電圧を１０＋ｊ０Ｖとしたとき、図１８の共振器番号を用いて説明すると、共振器１が４．０８３−ｊ１．１４６Ａ，共振器２が４．０７０−ｊ１．１７９Ａ、共振器３が４．０５８−ｊ１．１３９Ａ，共振器４が４．０６９−ｊ１．１７９Ａ、共振器５が４．０４８−ｊ１．３４９Ａ，共振器６が４．０２８−ｊ１．１６８Ａ、共振器７が４．０５５−ｊ１．１３８Ａ，共振器８が４．０２７−ｊ１．１６８Ａ、共振器９が４．００４−ｊ１．１２５Ａであった。最も電流値が大きいのは共振器５で、最も電流値が小さいのは共振器９である。共振器９の電流値の大きさを共振器５の電流値の大きさで割ると約０．９７５であり、差は約２．５％程度であることが確認できた。
次に、図２２に図１８に示したループコイル配置の電界強度分布を、図２３には磁界強度分布をそれぞれ示す。キャプションのｄはループコイルからの高さである。図２２を見ると、隣り合う共振器の生成する電界が打ち消し合っており、そのため外周の電界が大きく残っていることが確認できる。
一方、図２３により、中央の共振器５の上では周りのループコイルが生成する磁界により、磁界が弱められていることが見てとれる。より均一な磁界分布を生成するにはより多くの共振器を敷き詰め、同じ条件の共振器を増やすのが適切であると考えられる。しかし、高さが高くなるに従って磁界分布が均一になっていることが確認できた。
以上、本発明を、複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、請求項に記載された本発明の精神や範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
例えば、式（１）から式（７）において、Ｍｉｋはコイルｉとコイルｋ（ｋ≠ｉ）との間の相互インダクタンスを表すが、コイルｉ以外のすべてのコイルｋに対して相互インダクタンス値Ｍｉｋを非零の値として考慮する必要はない。例えば、一般にコイル間の相互インダクタンスはコイル間距離が大きいほど小さくなり、全体の電流分布に与える影響も小さくなるため、コイルｉに隣接するコイルとコイルｉとの相互インダクタンス値のみを非零の値として各式内で考慮し、コイルｉに隣接しないコイルとコイルｉとの相互インダクタンスは０とみなしても良い。
例えば、送電部と受電装置との間は一般的には空気であるが、送電部と受電装置との間に、水、海水、土、砂、壁、誘電体があっても良い。また、送電部と受電装置を取り囲むように、水、海水、土、砂、壁、誘電体があっても良い。
例えば、送電部１１０はＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）リーダー用のアンテナであってもよい。受電装置１２０はＲＦＩＤのタグであってもよい。
例えば、受電装置はロボット等の動くもの、例えば自走型の床掃除機のようなもの、あるいは自律型の潜水艦であってもよい。
例えば、図１４（ａ）（複数のコイルを一次元的に配置），図１４（ｂ）（複数のコイルを二次元的に配置）に示すように、送電部１１０の各コイル８１１の開口部は必ずしも受電装置１２０の側を向いていなくてもよい。また、送電部１１０の複数のコイル８１１の開口部の向きは、不一致であってもよい。
例えば、図１５に示すように、送電部１１０の複数のコイル８１１を三次元状に配置してもよい。このとき、受電装置１２０は複数のコイルの三次元配置の外部にあっても良いし、内部にあっても良い。受電装置１２０に位置によらず、受電効率を維持できるという利点は、一次元的配置、二次元的配置の場合と同一である。
例えば、図１６に示すように、リアクタンス性素子３０１（図１６ａ）は、外部信号Ｖｃにより制御可能な可変インピーダンス素子１６０１（図１６ｂ）であっても良い。この際、外部信号Ｖｃは有線ケーブルにより制御できてもよいし、無線信号により制御できてもよい。さらに、上記可変インピーダンス素子１６０１には、可変容量素子１６０２（図１６ｃ）が含まれていても良い。可変容量素子は、ダイオードを用いて実現されていてもよい。さらに、上記可変インピーダンス素子１６０１は、可変インダクタンス素子１６０３（図１６ｄ）が含まれていても良い。上記可変インダクタンス素子１６０３は、受動インダクタと可変容量素子１６０２（図１６ｃ）の組み合わせで実現されていてもよい。上記可変インダクタンス素子１６０３の可変性は、受動インダクタと磁性材料の位置関係を制御信号で制御することにより実現されてもよい。
この出願は、２０１２年８月２４日に出願された日本出願特願第２０１２−１８４７８４号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
【符号の説明】
【００１０】
１１０    送電部
１１１    コイル
１２０    受電装置
３０１    リアクタンス性素子
８１１    リアクタンス性素子装荷型コイル
９１１    リアクタンス性素子装荷型一巻ループコイル
９１２    受電装置（ループコイル）
１０１１    一巻ループコイル
１１０１    コイル（表面側コイル）
１１０２    コイル（裏面側コイル）
１１０３    接合点
【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２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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