(57)【要約】【課題】非接触式電力伝達系を提供する。【解決手段】この電力伝達系は誘電材料を含む場集束素子を含む。誘電材料は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３又はＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２の群から選択される組成物を含む。（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３の組成物には、Ｃａ１−ｘ−ｙＢａｘＳｒｙＴｉ１−ｚＣｒｚＯ３−δＮｐのような材料が包含され、ここで０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ≦０．０１、０≦δ≦１、０≦ｐ≦１である。ＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２の組成物には、Ｃａ１−ｘ−ｙＢａｘＳｒｙ（Ｃａ１−ｚＣｕｚ）Ｃｕ２Ｔｉ４−δＡｌδＯ１２−０．５δのような材料が包含され、ここで０≦ｘ＜０．５、０≦ｙ＜０．５、０≦ｚ≦１、０≦ｄ≦０．１である。【選択図】    図１
2011239671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電材料を含む場集束素子１８を含んでなる電力伝達系１０であって、誘電材料がＣａ１−ｘ−ｙＢａｘＳｒｙ（Ｃａ１−ｚＣｕｚ）Ｃｕ２Ｔｉ４−δＡｌδＯ１２−０．５δを含んでなり、ここで０≦ｘ、ｙ＜０．５、０≦ｚ≦１、０≦δ≦０．１である、前記系１０。
【請求項２】
δ＝０のとき、ｘ及びｙの少なくとも１つが０より大きい、請求項１記載の系１０。
【請求項３】
δ＝０のとき、ｘ及びｙがいずれも０より大きい、請求項１記載の系１０。
【請求項４】
δ＝０のとき、ｘ及びｙがいずれも０より大きく、ｚ＝１である、請求項３記載の系１０。
【請求項５】
誘電材料がＢａ０．０１Ｓｒ０．２Ｃａ０．７９Ｃｕ３Ｔｉ４Ｏ１２からなる、請求項４記載の系１０。
【請求項６】
ｘ、ｙ、及びｚが全て０に等しく、δ＞０である、請求項１記載の系１０。
【請求項７】
誘電材料がＣａ２Ｃｕ２Ｔｉ３．９４Ａｌ０．０６Ｏ１１．９７からなる、請求項６記載の系１０。
【請求項８】
ｘ＋ｙ≦０．３である、請求項１記載の系１０。
【請求項９】
電源１４に連結された第１コイル１２、
負荷２０に連結された第２コイル１６、及び
第１コイル１２と第２コイル１６の間に配置され、誘電材料を含む場集束素子１８
を含んでなる電力伝達系１０であって、誘電材料がＣａ１−ｘ−ｙＢａｘＳｒｙＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２を含んでなり、ここで０＜ｘ＜０．２、０＜ｙ＜０．２である、前記系１０。
【請求項１０】
電源１４に連結された第１コイル１２、
負荷２０に連結された第２コイル１６、及び
第１コイル１２と第２コイル１６の間に配置され、誘電材料を含む場集束素子１８
を含んでなる電力伝達系１０であって、誘電材料がＣａ２−ｘ−ｙＢａｘＳｒｙ  Ｃｕ２Ｔｉ４−δＡｌδＯ１２−０．５δを含んでなり、ここで０≦ｘ＜０．２、０≦ｙ＜０．２、０＜δ≦０．１である、前記系１０。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電力伝達系に関し、特に共鳴型非接触式電力伝達系に関する。
【背景技術】
【０００２】
瞬時又は連続的なエネルギー伝達が必要とされるが相互に接続する線は不都合であるようなある種の用途では、非接触式電力伝達(contactless power transfer)が望ましい。１つの非接触式電力伝達法は、主要な(dominant)磁場を発生する一次変換器コイル及び一次変換器コイルの近傍で対応する電圧を二次変換器コイルの原理に基づいて作動する電磁誘導法である。二次変換器コイルが受ける磁場は２つのコイル間の距離の二乗の関数として減少し、従って数ミリメートルを超える距離では一次コイルと二次コイルのカップリングは弱い。
【０００３】
もう１つ別の非接触式電力伝達法では、共鳴誘導カップリングにより誘導性電力伝達の効率の増大を試みる。送信機と受信機の素子は同じ周波数で共鳴し、最大の誘導はこの共鳴周波数で起こる。しかし、かかる共鳴誘導は負荷及び間隙の変動に対して感受性である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６９７００５５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在容認できるものより長い距離離れたコイルで作動することができ、不整合(misalignment)又は負荷の変動にあっても有効である効率的な非接触式電力伝達系が求められている。さらに、高い誘電特性と低い誘電損失率を有し、所要の周波数範囲で電力伝達系に使用することができる順応性で効率的な材料が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
要約すると、１つの実施形態において、電力伝達系が提供される。この電力伝達系は誘電材料を含んでなる場集束素子(field-focusing element)を含む。この誘電材料は式Ｃａ１−ｘ−ｙＢａｘＳｒｙＴｉ１−ｚＣｒｚＯ３−δＮｐで表される組成物を含んでなり、式中のｘとｙはゼロと１の間の値で変化することができ、従って０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１であり、ｚはゼロ〜０．０１の値で変化することができ、従って０≦ｚ≦０．０１であり、δとｐはゼロ〜１の値で変化することができ、従って０≦δ≦１、０≦ｐ≦１である。
【０００７】
１つの実施形態において、電力伝達系が提供される。この電力伝達系は、電源に連結された第１コイル及び負荷に連結された第２コイル、並びに誘電材料を含んでなり第１コイルと第２コイルとの間に配置された場集束素子を含んでいる。この誘電材料は式Ｃａ１−ｘ−ｙＢａｘＳｒｙＴｉ１−ｚＣｒｚＯ３−δＮｐで表される組成物を含んでなり、式中のｘとｙはゼロと１の間の値で変化することができ、従って０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１であり、ｚはゼロ〜０．０１の値で変化することができ、従って０≦ｚ≦０．０１であり、δとｐはゼロ〜０．５の値で変化することができ、従って０≦δ≦０．５、０≦ｐ≦０．５である。
【０００８】
別の実施形態において、電力伝達系が提供される。この電力伝達系は誘電材料を含んでなる場集束素子を含んでいる。この誘電材料はＣａ１−ｘ−ｙＢａｘＳｒｙ（Ｃａ１−ｚＣｕｚ）Ｃｕ２Ｔｉ４−δＡｌδＯ１２−０．５δを含んでなり、ここで、ｘとｙはゼロ〜０．５の値で変化することができ、従って０≦ｘ＜０．５、０≦ｙ＜０．５であり、ｚはゼロ〜１の値で変化することができ、従って０≦ｚ≦１であり、δはゼロ〜０．１の値で変化することができ、従って０≦ｄ≦０．１である。
【０００９】
１つの実施形態において、電力伝達系が提供される。この電力伝達系は、電源に連結された第１コイル、及び負荷に連結された第２コイル、並びに第１コイルと第２コイルの間に配置された場集束素子を含んでいる。この場集束素子は、Ｃａ１−ｘ−ｙＢａｘＳｒｙＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２となるような誘電材料を含んでなり、ここで、ｘとｙはゼロと０．２の間の値で変化することができ、従って０＜ｘ＜０．２、０＜ｙ＜０．２である。
【００１０】
１つの実施形態において、電力伝達系が提供される。この電力伝達系は、電源に連結された第１コイル、負荷に連結された第２コイル、並びに第１コイルと第２コイルの間に配置された場集束素子を含んでいる。この場集束素子は誘電材料を含んでなり、この誘電材料はＣａ２−ｘ−ｙＢａｘＳｒｙＣｕ２Ｔｉ４−δＡｌδＯ１２−０．５δを含んでなり、ここで、ｘとｙはゼロ〜０．２の値で変化することができ、従って０≦ｘ＜０．２、０≦ｙ＜０．２であり、δはゼロ〜０．１の値で変化することができ、従って０＜δ≦０．１である。
【００１１】
本発明の上記及びその他の特徴、局面、及び利点は添付の図面を参照した以下の詳細な説明を読むことによりさらに良好に理解されるであろう。図面中、類似の符号は図面を通じて類似の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の１つの実施形態による代表的な非接触式電力伝達系を示す。
【図２】図２は、本発明の１つの実施形態による代表的な場集束素子を示す。
【図３】図３は、本発明の様々な実施形態による場集束素子の複数の代表的な構造を示す。
【図４】図４は、複数の共鳴器がアレイ状に並んで配列され場集束素子として使用される実施形態を示す。
【図５】図５は、本発明の１つの実施形態による埋め込み材料の複数の代表的な構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態は、電力伝達系及び電力伝達系に使用することができる誘電材料を含む。
【００１４】
以下の明細書及び特許請求の範囲において、単数形態は、前後関係から明らかに他の意味を示さない限り、複数の場合を包含する。
【００１５】
非接触式電力伝達系は、通例、一次コイルと二次コイルとの間の短距離電力伝達で特徴付けられる。例えば、１つの実施形態の誘導性電力伝達系は、一次コイルと二次コイルを用いて、電気的に隔離された２つの回路間で電力を伝達する。電源に連結されると一次コイルの回りに磁場が確立される。一次コイルから二次コイルに伝達される電力の量は二次コイルを連結する一次磁場のレベルに比例する。電気変換器は高い透過度の磁気コアを用いて、一次コイルと二次コイルの間で磁場を連結し、少なくとも約９８％の程度の効率を達成する。しかし、かかる系を非接触式電力伝達用に構成すると、２つのコイル間の空隙により磁場カップリングが低減する。かかる低減したカップリングは非接触式電力伝達系の効率に影響を及ぼす。
【００１６】
本明細書に開示されている幾つかの実施形態により、負荷の変動に対する感受性が低下した丈夫な非接触式電力伝達系、コイルの不整合時の効率的な電力伝達、及び電力伝達効率を高める場集束構造体が得られる。
【００１７】
図１は、電源１４に連結され磁場（図には示していない）を生成するように構成された第１コイル１２を含む本発明の１つの実施形態による非接触式電力伝達系１０の一例を図解する。第２コイル１６は第１コイル１２からの電力を受け取るように構成されている。本明細書で使用する場合、用語「第１コイル」は「一次コイル」とも称され得、また、用語「第２コイル」は「二次コイル」とも称され得る。これらの一次コイルと二次コイルは、例えば銅のような、あらゆる良好な導電性材料で作成することができる。電源１４からの磁場を集束するために第１コイル１２と第２コイル１６との間に場集束素子１８が配置されている。別の実施形態において、場集束素子は電場及び／又は電磁場を集束させるために使用できる。用語「磁場集束素子」と「場集束素子」は同義語として互換的に使用される。１つの実施形態において、磁場集束素子１８は自己共鳴コイルとして構成され、第１コイルを介して励起されたとき定在波電流分布を有する。もう１つ別の実施形態において、磁場集束素子は能動アレイ(active array)又は受動アレイ(passive array)として作動する複数の共鳴器を含み、その各々の共鳴器は定在波電流分布を有する自己共鳴コイルとして構成される。さらに別の実施形態において、磁場集束素子は複数の組のかかる共鳴器を含み、各々のかかる共鳴器の組は特定の位相で励起される。これらの組の共鳴器を異なる位相で励起すると、所望の方向の場集束を増強し得ることが了解されるであろう。
【００１８】
磁場集束素子１８はさらに、第２コイル１６に磁場を集束させて、第１コイル１２と第２コイル１６とのカップリングを増強するように構成されている。１つの実施形態において、場集束素子１８に定在波電流分布を創成することにより、磁場集束素子１８の回りに非均一な磁場分布が発生する。図に示された実施形態において、場集束素子１８は一例として第１コイル１２の方に近接して配置されている。幾つかの系においては、場集束素子１８を第２コイル１６の方に近接して配置するのが有利であり得る。電源１４から伝達される電力を利用するために負荷２０が第２コイル１６に連結されている。幾つかの実施形態において、非接触式電力伝達系１０はまた、同時に第２コイルから第１コイルへ電力を伝達して、この系が双方向の電力伝達をすることができるように構成することもできる。可能な負荷の非限定例には、電球、電池、コンピューター、センサー、又は作動のために電力を必要とするあらゆるデバイスが包含される。
【００１９】
非接触式電力伝達系１０は電源１４から負荷２０に電力を伝達するのに使用できる。１つの実施形態において、電源１４は、ＡＣ電力をより高い周波数に変換するために電力変換エレクトロニクスと組み合わせた単相ＡＣ発電機又は３相ＡＣ発電機からなる。第１コイル１２が磁場集束素子１８の共鳴周波数で励起されると、磁場集束素子１８内でこの場集束素子の２つの開放端（２２、２４）間に定在波電流分布が発生する。この定在波電流分布により、磁場集束素子１８の回りに非均一な磁場分布が生じる。かかる非均一な電流分布は任意の所望の方向、例えば、この例では第２コイル１６の方向に磁場を集束させるようになっている。共鳴周波数で作動する場合、磁場集束素子１８に対する小さい励起であっても、磁場集束素子の長さ２５に沿って大きい振幅の電流分布が生じる。この大きな電流量の非均一な分布により、第２コイル１６の方向に増幅され集束した磁場が得られ、その結果電力伝達のより高い効率が得られる。
【００２０】
図２は、本発明の１つの実施形態による場集束素子の一例を図解する。図１で磁場集束素子１８として実施し得る様々な構造のうち、１つのかかる構造を図２に図解する。図解した実施形態において、参照数字３０は、本明細書中で「オメガ構造」という場集束構造であり、数メガヘルツの範囲で作動する。この「オメガ構造」により、高いキャパシタンスとインダクタンスが可能になり、また共鳴周波数付近で負の透過度も可能となる。負の透過度は主要な場応答に役立ち、磁場を制御するのに有効である。かかる構造の共鳴周波数は、ターン(turn)（３２、３４、３６）の数（巻数）、ターン間の間隙（３８）、及び渦巻の幅（４０）を変えることによって調節することができる。渦巻構造と比べて周囲の長さが増大するので、この「オメガ構造」では、より低い共鳴周波数で作動するために低下した構造的大きさを必要とする。
【００２１】
図３は、本発明の様々な実施形態による場集束素子の構造の複数の例を図解する。１つの実施形態において、場集束素子は単一のループコイル５０を含む。別の実施形態において、場集束素子は分割リング構造５２、渦巻構造５４、スイスロール構造５６、又は螺旋コイル５８のような複数のターンを含む。特定の用途に対する構造の選択は、場集束素子の大きさ及び自己共鳴周波数によって決定される。例えば、低電力用途（例えば、約１ワット未満）では、約１０００ＭＨｚまでの共鳴周波数が可能である。高電力用途（例えば、約１００ワット〜約５００キロワット）では、数百ｋＨｚの程度の共鳴周波数が可能である。
【００２２】
図４は、複数の共鳴器がアレイ状に並んで配置され場集束素子として使用される実施形態を図解する。アレイとして並んだ共鳴器は、特定の位相関係で励起される線形又は平面アレイのような特定のアレイ配列に配列された複数の共鳴器コイルを構成する。個々の共鳴器（６６−７７）又は波長以下の(sub-wavelength)共鳴器は磁場を所望の方向に集束させるように構成されている。かかる配列において、アレイ内の共鳴器からの場は、所望の方向で建設的に干渉（相加的に増強）して磁場集束を達成し、残りの空間では破壊的に干渉する（相殺する）。別の実施形態において、共鳴器は少なくとも１つの線形、円形、平面、又は三次元アレイとして配列される。図示した実施形態において、個々の共鳴器７０−７４が一列に配置され、４つのかかる列６６−６９が互いに上下に配列される。アレイ６４の一部である個々の共鳴器は全体で少なくとも１以上の共鳴周波数に対するように構成される。特定の実施形態において、アレイの個々の共鳴器は全て、製造上予想される変動及びその他の一般的な原因の変動の正常な範囲内で同じである。
【００２３】
本発明の電力伝達系の１つの実施形態において、場集束素子１８の共鳴器は誘電材料で、例えば誘電性空洞共鳴器の形態に作成することができる。場集束素子に使用される誘電材料は高い誘電定数（誘電率、ε）と低い損失正接を有するのが望ましい。高い誘電定数は共鳴器の所与の小さめの寸法で低い共鳴周波数を達成するのに役立ち、一方低い損失正接は誘電損失を容認できる限界内に保つために望ましい。
【００２４】
１つの実施形態において、場集束素子１８は、共鳴周波数で励起された際に磁場を集束させる自己共鳴コイルからなる。この共鳴器は、その自己共鳴周波数が自己キャパシタンス及び自己インダクタンスに依存する任意の形状の自己共鳴コイルである。このコイルの自己共鳴周波数はコイルの幾何学的パラメーターに依存する。例えば螺旋共鳴器コイルの場合、共鳴周波数は、螺旋の全長が電磁励起の半波長又は半波長の倍数であるようなものである。結果として、低い周波数におけるこれらの共鳴器の設計は空間的制約のため困難である。共鳴器の大きさを小さくする１つの方法は共鳴器を高い誘電定数の媒体内に埋め込むことである。
【００２５】
１つの実施形態において、場集束素子１８の共鳴器又は１つのアレイとして並んだ複数の共鳴器は、より小さい大きさの共鳴器でより低い共鳴周波数を達成するために、高い誘電定数を有する材料又は高い透過度を有する磁気材料又は高い誘電率及び高い磁気透過度を有する磁気誘電性媒体内に埋め込まれる。高い透過度の材料は共鳴器の自己インダクタンスを高め、高い誘電率の材料は共鳴器の自己キャパシタンスを高めて、共鳴の周波数を低下させる。別の実施形態において、高い透過度の材料はまた、一次コイルと場集束素子との間、及び場集束素子と二次コイルとの間のカップリングを増大するように構成されてもいる。埋め込み材料の高い誘電定数は共鳴器の作動可能な周波数範囲を狭めるのに役立つ。周波数低下における誘電定数の効果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
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共鳴器を誘電性媒体内に埋め込むと、コイルのターンの間のターン間(inter-turn)キャパシタンスが増大し、そのため共鳴器の共鳴周波数を低下するのに役立つ。高い誘電定数のために、共鳴器の大きさの大幅な低下が可能である。高い誘電定数の別の利点は電場を共鳴器内に閉じ込めることであり、放射損失が減少するので電力伝達の効率が改良される。しかし、高い誘電定数を有する材料の選択の重要な設計基準の１つは作動周波数におけるその材料の損失正接である。低い誘電損失正接で最大のカップリング効率が確保される。損失正接が高いと、共鳴器での熱の形態における損失が高くなる。熱損失の問題は、電力レベルが高いと重要である。低い電力レベルでは、高い損失正接値が容認できる。電力レベルが１ｋＷより高い用途では高い誘電定数と極端に低い損失正接の誘電材料が望ましい。高い誘電定数は数百ｋＨｚの周波数で小型共鳴器を達成するのに役立ち、低い損失正接は誘電体内の損失を低減するのに役立つ。
【００２７】
高い誘電定数と低い損失正接の材料によって可能になる電力伝達系は電気自動車充電器、回転する負荷への電力伝達、鉱業用車両の非接触式充電を始めとする用途があり、この場合電力伝達レベルは数ｋＷ程度である。高い誘電定数と高い損失の誘電材料を有する電力伝達系は、電力レベルが数ミリワットである海中コネクターのような用途に使用することができる。
【００２８】
いろいろな形状を有する高い誘電定数の材料が場集束素子として機能することができる。例えば、高い誘電定数の円形の誘電ディスクは幾つかの周波数で共鳴器として機能することができる。この場合の共鳴周波数は共鳴器の幾何学的構造によって決定される。場集束素子として使用することができる共鳴器のいろいろな形状の非限定例を図５に示す。場集束素子１８は、多層共鳴器として積み重ねて多重共鳴周波数とすることができる。この種の構成は、一方のチャンネルを電力伝達に使用することができ、かつ他方のチャンネルを異なるデバイス間の低電力データ伝送に使用することができる多角的電力伝達に役立つ。
【００２９】
高い誘電定数の材料はまた、薄膜又は厚膜コーティングとして金属表面上に使用して、スイスロール構造体５６のような場集束構造体を創成することもできる。スイスロールの異なる層間の高い誘電定数はその構造体のキャパシタンスを増大することにより周波数をかなり低下させる。
【００３０】
限定されることはないがチタン酸銅カルシウム及びチタン酸ストロンチウムバリウムのような材料が、高い誘電定数を示す材料の例である。１つの実施形態において、誘電材料はバルク材として使用される。用語「バルク材」は、本明細書で使用する場合、その全ての面が約１ｍｍより大きい三次元構造を有するあらゆる材料を指す。１つの実施形態において、誘電材料はコーティングとして使用される。このコーティングは薄膜形態又は厚膜形態であることができる。本明細書で使用する場合、「薄膜」は約１００ミクロン未満の厚さを有し、一方厚膜は約１００ミクロン〜約１ミリメートルの厚さを有することができる。
【００３１】
１つの実施形態において、ある組合せの材料を、共鳴器を埋め込むのに使用することができる。例えば、高い誘電定数を有する２種以上の材料又は高い透過度を有する２種以上の材料の混合物を埋め込み材料として使用することができる。別の実施形態において、各々が高い誘電定数又は高い透過度を有する２種以上の材料の混合物を埋め込み材料として使用することができる。
【００３２】
チタン酸ストロンチウムバリウム（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３及びチタン酸銅カルシウムＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２は異なる結晶構造を有し、異なる温度依存性を示す。例えば、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３はペロブスカイト群に属し、約１２０℃の温度で立方晶から正方晶への結晶構造遷移を示す強誘電性材料である。ＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２は強誘電性材料ではなく、体心立方（ｂ．ｃ．ｃ）構造を有する。（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３及びＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２系における誘電定数及び誘電損失正接のような、誘電特性に影響する要因も異なり得る。例えば、双極子の生成及び秩序化は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３系における強誘電性及び高い誘電定数の原因であると考えられ、一方ＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２系は絶縁性の結晶粒界及び半導体結晶粒子を有することにより障壁層キャパシタンスに起因する効果を有すると考えられる。
【００３３】
１つの実施形態において、誘電定数及び損失正接のような誘電特性が所望の用途における一定の周波数範囲で実質的に安定である誘電材料を使用するのが望ましい。本明細書で用語「実質的に安定」とは、値の変化により、その電力伝達系の性能の変化が約１０％を越えないことを意味する。従って、周波数範囲の所要の値及び幅は、その場集束素子を使用する用途に依存して変化し得る。１つの実施形態において、所望の周波数範囲は約１００Ｈｚ〜約１００ＭＨｚである。幾つかの実施形態において、所望の周波数範囲は約１ｋＨｚ〜約１００ｋＨｚである。別の実施形態において、所望の周波数範囲は約１００ｋＨｚ〜約１ＭＨｚである。１以上の実施形態において、所望の周波数範囲は約１ＭＨＺ〜約５ＭＨｚである。
【００３４】
高い誘電定数と共に低い誘電損失正接を有する材料は、埋め込み材料又は空洞共鳴器として使用したとき、低い誘電定数と高い損失正接を有する材料と比較して、共鳴器の自己キャパシタンスを高める点で効率的に機能する。従って、共鳴器の作動周波数で高い誘電定数と低い誘電損失正接の両方を有する材料を場集束素子１８に使用するのが望ましい。
【００３５】
電力伝達系の場集束素子１８に使用される誘電材料は、一般に、約１００に等しいか又はそれより大きい高い誘電定数と可能な限り低い損失正接とを必要とする。１つの実施形態において、約０．１以下の損失正接は場集束素子に使用される誘電材料として容認され得る。以後の実施形態において、約０．０１以下の損失正接が誘電材料として望ましい。
【００３６】
本発明者は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３及びＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２系に属する誘電材料の望ましい誘電特性を改良するための種々の方策を検討した。性質増強を検討した種々の方法には、限定されることはないが、カチオンのドープ、アニオンのドープ、粒界のドープ、密度増分、複合体形成、並びに焼結条件、焼結雰囲気、及び組織及び微細組織的特徴の変更がある。
【００３７】
従って、１つの実施形態において、例えば、上記電力伝達系の場集束素子１８に使用される式Ｃａ１−ｘ−ｙＢａｘＳｒｙＴｉ１−ｚＣｒｚＯ３−δＮｐを有する材料系が提供される。ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ≦０．０１、０≦δ≦１、０≦ｐ≦１である。簡単にするためにこの系を以後「ＢＳＴ材料系」という。本明細書で使用する場合、用語「ゼロより大きい」とは、意図された成分が、不純物として存在し得る偶発的な量ではなく意図的に添加されることを意味する。本明細書で使用する場合、範囲の終点は、正常な測定及びプロセス変動の必要に応じて表示された数の上下の偶発的な変動を含む。１つの実施形態において、誘電材料としてＢＳＴ材料系を含む電力伝達系が提示される。
【００３８】
１つの実施形態において、例えば、上記電力伝達系の場集束素子１８に使用される式Ｃａ１−ｘ−ｙＢａｘＳｒｙ（Ｃａ１−ｚＣｕｚ）Ｃｕ２Ｔｉ４−δＡｌδＯ１２−０．５δを有する材料系が提示される。ここで、０≦ｘ＜０．５、０≦ｙ＜０．５、０≦ｚ≦１、０≦δ≦０．１である。簡単にするためにこの系を以後「ＣＣＴ材料系」という。ＣＣＴ材料系に関して本明細書で使用する場合、式Ｃａ１−ｘ−ｙＢａｘＳｒｙ（Ｃａ１−ｚＣｕｚ）Ｃｕ２Ｔｉ４−δＡｌδＯ１２−０．５δは、この式により意味される特定の比を満たす化合物及び混合物を包含する理論式であり、必ずしも、標準的な特徴付け技術により特定することができる形態で単一の化合物が存在することを意味するものではない。簡単にいうと、上記式で特定される材料は、実際、全体として上記式で特定される全体の組成を有する複数の相として存在し得る。１つの実施形態において、誘電材料としてＣＣＴ材料系を含む電力伝達系が提示される。
【００３９】
一般に、カチオンドーパントは、酸素空孔を吸収することにより粒界の抵抗性を増大し、これにより誘電定数と損失正接の両方を低減することが見出されている。カチオン部位にドープすることによって、ドープされたカチオンは粒界で電子密度を吸収することにより低減し、これにより粒界の伝導が減少し、従って誘電定数と損失が減少する。
【００４０】
一般に、アニオン部位にドープすることによって、格子のカチオンは電子密度を吸収することにより低減し、これにより結晶粒子内に絶縁性の平面欠陥が創成される。この絶縁性の平面欠陥は結晶粒子の内部障壁の電気抵抗を低減することにより誘電損失を減少することができる。
【００４１】
ＢＳＴ材料系で、バリウムとストロンチウムのレベルを変えてその有利な誘電特性に対する効果を検討した。こうして、１つの実施形態において、０．３≦ｘであるＢＳＴ材料系を含む電力伝達系が提供される。従って、この実施形態において、バリウムレベルは約０．３以上である。別の実施形態においては、ｘ＋ｙ＝１である。従って、この実施形態において、ＢＳＴ材料系は、バリウム又はストロンチウム部位にいかなる他のドーパントも含有しない。１つの実施形態において、ＢＳＴ材料系中のストロンチウムレベルは０．４≦ｙ＜１となるようなものである。従って、この実施形態において、ストロンチウムレベルは常に約０．４以上である。上記ＢＳＴ材料系の例としては、限定されることはないが、Ｂａ０．３Ｓｒ０．７ＴｉＯ３及びＢａ０．４Ｓｒ０．６ＴｉＯ３がある。
【００４２】
ＢＳＴ材料系を有する電力伝達系の１つの実施形態において、ＢＳＴ材料系のバリウム又はストロンチウムは有利な誘電特性を高めるためにカルシウムのようなカチオンにより部分的に置き換えられている。１つの実施形態において、ＢＳＴ材料系は０．９≦ｘ＋ｙ＜１となるようなものである。従って、この実施形態において、ＢＳＴ材料系はバリウム又はストロンチウム部位に別のドーパントを含有しているが、そのドーパントの値は常に約０．１以下である。上記ＢＳＴ材料系の例として、限定されることはないが、Ｂａ０．５５Ｓｒ０．４０Ｃａ０．０５ＴｉＯ３及びＢａ０．５Ｓｒ０．４Ｃａ０．１ＴｉＯ３がある。
【００４３】
ＢＳＴ材料系を有する電力伝達系の１つの実施形態において、チタンはクロムにより部分的に置き換えられており、これは損失正接を減少するのに役立ち得る。１つの実施形態において、クロムはＢＳＴ材料系の約２原子％未満のチタンを置換している。以後の実施形態において、クロム置換は約０．０１原子％〜約１原子％の範囲である。従って、この実施形態において、上記式中の量ｚは約０．０００１〜約０．０１で変化する。さらなる実施形態において、クロム置換は約０．２原子％〜約１原子％のチタンの範囲であり、ｚの値は約０．００２〜約０．０１で変化する。１つの実施形態において、ＢＳＴ材料系において、ｚ＞０であり、δとｐは両方とも０に等しい。この実施形態において、ＢＳＴ材料系はカチオン置換を含んでいるが、アニオン置換は含まない。上記ＢＳＴ材料系の例としては、限定されることはないが、Ｂａ０．３Ｓｒ０．７Ｃｒ０．００２Ｔｉ０．９９８Ｏ３がある。ＢＳＴ系で、チタンが上記の例におけるクロムのような三価のカチオンで置換されると、酸素レベルも化学量論的に変化することができる。例えば上記の例で、酸素原子の数は、０．００２原子のクロムの置換を受け入れるために、３ではなく２．９９９であることができる。さらなる実施形態において、ＢＳＴ材料系で、バリウム又はストロンチウムがカルシウム又はランタンのようなカチオンで部分的に置き換えられ、チタンがクロムで部分的に置き換えられる。このＢＳＴ材料系の例には、限定されることはないが、Ｂａ０．５５Ｓｒ０．４Ｃａ０．５Ｃｒ０．００２Ｔｉ０．９９８Ｏ３がある。以下の表２に、ＢＳＴ材料系の幾つかの例とその誘電特性を、変化するレベルのバリウム及びストロンチウム並びに幾つかのカチオンドーパントと共に示す。
【００４４】
【表２】
2011239671.tif 000004
ＢＳＴ材料系を有する電力伝達系の１つの実施形態において、酸素はアニオンのドープ添加を介して窒素により部分的に置き換えられている。窒素とフッ素が酸素を置換するのに使用されるアニオンドーパントの２つの例である。１つの実施形態において、窒素はこのＢＳＴ材料系において０≦δ≦１、０≦ｐ≦１となるように置換される。従って、１つの実施形態において、アニオン置換は、ＢＳＴ材料系内の約２５％以下の酸素が窒素により置換されるようなものである。１つの実施形態において、プロセス条件に応じて、窒素はＢＳＴ材料系内の酸素を置換するのに−３の酸化状態である。１つの実施形態において、窒素は０≦δ≦１、０≦ｐ≦０．８となるように置換される。１つの実施形態において、窒素置換はＢＳＴ材料系の約１０原子％未満の酸素を置き換える。１つの実施形態において、窒素は０．１≦δ≦０．８、０．１≦ｐ≦０．８となるように置換される。１つの実施形態において、酸素は窒素ではなくフッ素により、０≦δ≦１、ｐ＝０となるように置換される。さらなる実施形態において、酸素は窒素ではなくフッ素により、０．１≦δ≦１、ｐ＝０となるように置換される。もう１つ別の実施形態において、酸素は窒素とフッ素の両者により、０．１≦δ≦０．５、０．０５≦ｐ≦０．３となるような条件で置換される。
【００４５】
ＢＳＴ材料系を有する電力伝達系の１つの実施形態において、酸素はｚ＝０であり、δとｐが両方とも０より大きくなるように別のアニオンにより置換される。すなわち、この実施形態において、アニオン置換はカチオン置換がない状態で行われる。組成Ｂａ０．３Ｓｒ０．７ＴｉＯ２．８Ｎ０．１３を有するＢＳＴ材料系が一例として挙げられる。この材料は約２．５ＭＨｚの周波数で約０．０００１という極めて低い誘電損失と約５０６という適切な誘電定数を示す。
【００４６】
電力伝達系の１つの実施形態において、ＢＳＴ材料系はカチオンとアニオンの両方によりドープされる。１つの実施形態において、ｚ、δ及びｐが全てゼロより大きくなるように、チタンがクロムにより部分的に置き換えられ、酸素が窒素により部分的に置き換えられる。１つの例において、組成Ｂａ０．４Ｓｒ０．６Ｃｒ０．００５Ｔｉ０．９９５Ｏ２．８Ｎ０．１３を有する材料が挙げられ、これは約３．１３ＭＨｚの周波数で約０．００３の損失正接と約８１９の誘電定数を示す。さらなる実施形態において、０＜ｘ＋ｙ＜１であり、ｚ、δ、及びｐが全てゼロより大きく、カチオン性ドーパントがバリウム又はストロンチウム部位に存在し、クロムがチタンを部分的に置換し、窒素が酸素を部分的に置換している。表３に、カチオンドーパントを含むか又は含まないＢＳＴ材料系でアニオンがドープされた幾つかの材料の誘電性値を示す。
【００４７】
【表３】
2011239671.tif 000005
既に提示したように、１つの実施形態において、Ｃａ１−ｘ−ｙＢａｘＳｒｙ（Ｃａ１−ｚＣｕｚ）Ｃｕ２Ｔｉ４−δＡｌδＯ１２−０．５δとなるようなＣＣＴ材料系を含む場集束素子１８を含んでなる電力伝達系が提示され、ここで、０≦ｘ＜０．５、０≦ｙ＜０．５、０≦ｚ≦１、０≦δ≦０．１である。１つの実施形態において、ＣＣＴ材料系はＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２からなる。別の実施形態において、ＣＣＴ材料系は約１００ｋＨｚの周波数で約３５００より大きい誘電定数と約０．０７未満の損失正接を有するＣａ２Ｃｕ２Ｔｉ４Ｏ１２からなる。
【００４８】
１つの実施形態において、ＣＣＴ材料系を含む電力伝達系で、ｘ＞０である。別の実施形態においては、ｙ＞０である。１つのさらなる実施形態において、ｘ＞０、ｙ＞０である。すなわち、上記実施形態において、カルシウムがバリウム及び／又はストロンチウムにより部分的に置き換えられている。バリウムとストロンチウムのドーパントを用いて調製され、非常に良好な誘電特性を示すＣＣＴ材料系の１つの例はＢａ０．０１Ｓｒ０．２Ｃａ０．７９Ｃｕ３Ｔｉ４Ｏ１２である。この材料は広範な周波数範囲にわたって実質的に均一な誘電定数と損失正接の値を有しており、そのためこの材料は可変範囲の周波数で機能する用途に有用となる。材料Ｂａ０．０１Ｓｒ０．２Ｃａ０．７９Ｃｕ３Ｔｉ４Ｏ１２の誘電定数は約４５００−５０００の範囲にあり、損失正接は約１ｋＨｚ〜約１００ｋＨｚの全周波数範囲で約０．０６〜０．０８の範囲である。この材料は約１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲のあらゆる周波数で非接触式電力伝送に適している。
【００４９】
場集束素子１８に使用されるＣＣＴ材料系を含む電力伝達系の１つの実施形態において、ｘとｙは両方ともゼロに等しく、ｚ＝１であり、銅は、例えばランタンのような他の適切なカチオンにより部分的に置き換えられている。別の１つの実施形態において、チタンは鉄、アルミニウム、クロム、ジルコニウム、又はこれらの任意の組合せにより部分的に置き換えられる。１つの実施形態において、上記の置換のいずれか又は全てが共存する。
【００５０】
以下に挙げる例は、上に提示した場集束素子１８に使用することができるいろいろなＣＣＴ材料系を、測定されたその誘電定数と損失正接の概略の値と共に示す。ここには幾つかの特定の例を挙げるが、当業者にはドーパントの組合せとレベルの変動が了解されるであろう。
【００５１】
良好な誘電特性を示すＣＣＴ材料系の１つの例はＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２である。表４に、純粋なＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２材料とドープされたものの特性のうちの幾つかを挙げる。
【００５２】
【表４】
2011239671.tif 000006
１つの実施形態において、電力伝達系の場集束素子１８のＣＣＴ材料系で、ｘ、ｙ、及びｚの全てがゼロに等しく、銅が、例えばランタンのような他の適切なカチオンにより部分的に置き換えられている。別の１つの実施形態においては、チタンが鉄、アルミニウム、クロム、ジルコニウム、又はこれらの任意の組合せにより部分的に置き換えられている。１つの実施形態において、上記の置換のいずれか又は全てが共存する。
【００５３】
以下に挙げる例は、ＣＣＴ材料系を含む場集束素子を有する電力伝達系として上に提示したいろいろな実施形態を、これらの材料の測定された誘電定数と損失正接の概略の値と共に示す。ここには幾つかの特定の例を挙げるが、ドーパントの組合せとレベルの変動が当業者には分かるであろう。
【００５４】
１つの実施形態において、Ｃａ２Ｃｕ２Ｔｉ４Ｏ１２は、約３３．３モル％のＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２と約６６．７モル％のＣａＴｉＯ３を有する場集束素子１８のＣＣＴ材料系の材料である。表５から分かるように、この材料は純粋な形態とドープされた形態で幾つかの良好な誘電特性を示す。
【００５５】
【表５】
2011239671.tif 000007
電力伝達系の１つの実施形態において、場集束素子の誘電材料はＣＣＴ材料系と共にＳｒＴｉＯ３を含む。この誘電材料の１つの例は（０．６ＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２＋０．４ＳｒＴｉＯ３）である。この組合せは約１０ｋＨｚ〜約３５ｋＨｚの周波数範囲で約７０００より大きい誘電定数値と約０．０９未満の損失正接値を有する。この誘電材料のもう１つ別の例は（０．６ＣａＣｕ３Ｔｉ３．９４Ａｌ０．０６Ｏ１１．９７＋０．４ＳｒＴｉＯ３）である。この組合せは約１ｋＨｚ〜約１０ｋＨｚの周波数範囲で約９０００より大きい誘電定数値と約０．０９未満の損失正接値を有する。
【００５６】
本発明者は、材料の密度もその材料の誘電特性に対して重要な役割を果たすことを見出した。誘電材料の微細組織が稠密であれば、その材料は物体内に含んでいる空気の気孔がより少ない。空気は通常誘電材料より低い誘電定数を有しており、従って材料内に存在すると全体の誘電定数がより低くなると予想される。そこで、本発明者は、材料の全体の密度を増大することにより誘電定数を増大するために実験を行った。１つの実施形態において、いろいろなＢＳＴ及びＣＣＴ材料系をいろいろな高温で焼結し、その誘電定数と損失正接の値を検討した。焼結温度を上昇させることにより誘電定数が増大するのに対して、高温で焼結した試料では損失正接値が減少することが分かった。さらに、ＢＳＴ及びＣＣＴ材料の両方の系において、より短い焼結時間で高温焼結すると、より長い焼結時間より低い温度で焼結した場合と比べて損失正接値の低減に役立つのが観察された。例えば、１４４０℃で２時間焼結したＢａ０．５５Ｓｒ０．４Ｃａ０．０５ＴｉＯ３のようなＢＳＴ材料系では、１３５０℃で１２時間焼結した同じ材料と比較してより低い損失正接値の材料が得られた。同様に、１１００℃で２時間焼結したＣＣＴ材料系では、１０５０℃で１２時間焼結した同じ材料と比較してより低い損失正接値を有する材料が得られた。
【００５７】
電力伝達系の１つの実施形態において、場集束素子１８に使用しようとするＢＳＴ及びＣＣＴ材料を焼結する前に冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）にかけて材料の密度を増大させた。１つの実施形態において、ＣＩＰと最終的な焼結により得られたＢＳＴ材料の密度はその組成物の理論密度の約８０％より大きい。１つの実施形態において、この密度は理論密度の約９０％より大きい。さらなる実施形態において、密度は理論密度の約９６％より大きい。別の１つの実施形態において、密度は理論密度の約９８％より大きい。
【００５８】
ＣＩＰで加工処理した組成物の例としてＢａ０．５５Ｓｒ０．４Ｃａ０．０５ＴｉＯ３及びＢａ０．５Ｓｒ０．４Ｃａ０．１ＴｉＯ３がある。これらの例の材料の幾つかの誘電定数値を、通常の加工処理をした試料とＣＩＰにかけた試料で比較して表６に示し、損失正接値の比較を表７に示す。これらの表から、焼結の前に材料をＣＩＰにかけることによる誘電定数の増加は全ての材料に対して全ての周波数で観察されたのに対して、損失正接値を低下するＣＩＰの効果は比較的に高い周波数範囲の測定で観察されたことが分かる。
【００５９】
【表６】
2011239671.tif 000008
【００６０】
【表７】
2011239671.tif 000009
しかし、上記材料は全て、ＣＩＰにかけることにより、約１０ｋＨＺ〜約２ＭＨｚの周波数範囲で約２０００より大きい非常に良好な誘電定数値と約０．０８未満の低い損失正接値を示したので、これらの材料は非接触式電力伝達用途の場集束素子１８に使用するのに良好であると共にその他の用途に有用である。
【００６１】
本発明者はさらに、酸素富化雰囲気、窒素雰囲気、又は例えば水素雰囲気のような還元性雰囲気のようないろいろな雰囲気で材料を処理することによる実験を誘電材料に対して行った。例えば、酸素富化雰囲気はＣＣＴ及びＢＳＴ群の材料の誘電特性を変化させることができる。ＣＣＴ群の材料の場合、酸素雰囲気での焼結は材料中の酸素空孔を補い、従ってより低い誘電定数とより低い損失正接を生じるのが観察される。ＢＳＴ材料系の場合、酸素雰囲気で焼結すると、材料の密度が増大し、従って誘電定数が増大する。窒素雰囲気での焼結は材料から幾らかの酸素を取り除き、従ってその材料を酸素不足にし、酸素空孔と電子密度を増大させ、高い誘電定数と増大した損失正接を生じると予想される。表８及び９に、例示材料Ｂａ０．５Ｓｒ０．４Ｃａ０．１ＴｉＯ３及びＢａ０．５５Ｓｒ０．４Ｃａ０．０５ＴｉＯ３に対する約１００Ｈｚ〜約１ＭＨｚの周波数範囲における誘電定数及び損失正接の値の比較をそれぞれ示す。高温焼結の効果と同様に、ＢＳＴ材料系の酸素雰囲気での焼結は誘電定数を増大させるのが見られ、一方損失正接値も増大するのが見られた。
【００６２】
【表８】
2011239671.tif 000010
【００６３】
【表９】
2011239671.tif 000011
１つの実験で、より良好な誘電性値を得るために、ＢＳＴ材料をＣＩＰにかけ、また酸素雰囲気で焼結もした。例として、限定されることはないが、酸素雰囲気中約１４４０℃で２時間焼結したＢａ０．５５Ｓｒ０．４Ｃａ０．０５ＴｉＯ３では、約１ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚの周波数範囲で約１９００より大きい誘電定数値と約０．０１未満の損失正接値が得られる。さらに、この材料は約２．９１ＭＨｚの周波数で約１９００より大きい誘電定数と約０．０００８の損失正接値を有する。酸素雰囲気中約１４４０℃で２時間焼結したＢａ０．５５Ｓｒ０．４Ｃａ０．０５Ｃｒ０．０１Ｔｉ０．９９Ｏ３は約４．９５ｋＨｚの周波数で約１３００より大きい誘電定数値と約０．００１未満の損失正接値を有する。
【００６４】
電力伝達系の１つの実施形態において、誘電材料はバルク材形態で存在し、結晶粒子と結晶粒界を有する多結晶性である。ＢＳＴ又はＣＣＴ材料系における増大した粒界伝導は誘電定数と損失正接の両者を増大し得る。例えば、粒界における金属の析出は金属と電子の界面に起因する静電ポテンシャルを作り出すことにより粒界伝導及び、その結果として誘電定数と損失正接を増大する。
【００６５】
電力伝達系の１つの実施形態において、場集束素子に含まれる上記材料のいずれかに酸化ビスマスのようなビスマス含有材料がドープされている。さらなる実施形態において、ビスマスは場集束素子として使用されている多結晶性材料の結晶粒界内の金属相に存在する。関連する実施形態において、酸化ビスマスがドープされ、還元されて誘電材料の結晶粒界内で金属のビスマスとなる。１つの実施形態において、酸化ビスマスは、ＢＳＴ材料を場集束素子１８に組み込み可能なバルク形態に形成し焼結する前に、Ｂｉ２Ｏ３及びＴｉＯ２をカ焼したＢＳＴ粉末と混合することによって結晶粒界に導入される。１つの実施形態において、約３モル％未満のＢｉ２Ｏ３．３ＴｉＯ２がＢＳＴ材料系に存在する。１つの実施形態において、ＢＳＴ材料系は結晶粒界に金属ビスマス相を有する。ＢＳＴ材料系の誘電定数は結晶粒界に金属ビスマス相を有することにより顕著に増大することが分かる。幾つかの例において、金属ビスマスを粒界に配置することによるＢＳＴ材料系の誘電定数値の増大分は約２のオーダーを超えた。１モル％のＢｉ２Ｏ３．３ＴｉＯ２のドープを有する材料Ｂａ０．４Ｓｒ０．６ＴｉＯ３を一例として考えることができる。この材料は約３１５ｋＨｚの周波数で約３０８００より大きい極めて高い誘電定数と約０．００１の極めて低い損失正接率を示し、従って本明細書に記載した非接触式電力伝達系の場集束素子として良好な材料である。
【００６６】
１つの実験で、ＢＳＴ材料系を焼結する前に冷間静水圧プレスすることによって稠密にした。また、さらなる実施形態においては、この材料を、粒界に酸化ビスマスをドープし、この酸化ビスマスを窒素中５％水素で約１２００℃において約１２時間のような還元性雰囲気処理によって金属のビスマスに還元した。１つの実施形態において、ビスマスをドープしたＢＳＴ材料系を含んでなる場集束素子を含む電力伝達系が提示される。例として、Ｂａ０．４Ｓｒ０．６Ｃｒ０．０１Ｔｉ０．９９Ｏ３＋１モル％Ｂｉ２Ｏ３．３ＴｉＯ２及びＢａ０．４Ｓｒ０．６Ｃｒ０．０１Ｔｉ０．９９Ｏ３＋１モル％Ｂｉ２Ｏ３．３ＴｉＯ２のような材料がある。この材料は約１００Ｈｚの周波数で約１１０３００００より大きい極めて高い誘電定数を示す。しかし、この材料の誘電損失正接は約１００Ｈｚの周波数で約０．９という多少高い値を有する。これらの材料は、低電力伝達用途のような高い誘電定数が極めて重要である一方で高い損失正接値を受け入れることができる用途で有用であり得る。
【００６７】
１つの実施形態において、場集束素子を有する電力伝達系は、カチオンと粒界ドーパントの両方がドープされたＢＳＴ材料系を含む。カチオンのドープと粒界のドープの両方を有し、望ましい誘電特性を示すＢＳＴ材料の例として、約１モル％のＢｉ２Ｏ３．３ＴｉＯ２がドープされたＢａ０．３Ｓｒ０．７Ｃｒ０．００２Ｔｉ０．９９８Ｏ３がある。この材料は約１．４ＭＨｚで約７６６８の誘電定数と約０．００７の誘電損失を示した。他の用途も考えることができるが、この材料は本明細書に記載した高電力伝達用の非接触式電力伝送系の場集束素子として特に適している。カチオンと粒界のドープの両方を有する誘電材料の別の例は約１モル％のＢｉ２Ｏ３．３ＴｉＯ２がドープされたＢａ０．３Ｓｒ０．７Ｃｒ０．００５Ｔｉ０．９９５Ｏ３である。この材料は約１００Ｈｚの周波数で約３４７００００より大きい非常に高い誘電定数を示す。しかし、この材料はまた、高電力伝達用の場集束素子の材料の適用を制限し得る約１という高い損失正接値も有する。
【００６８】
１つの実施形態において、場集束素子１８を有する電力伝達系はアニオンと粒界ドーパントの両方がドープされたＢＳＴ材料系の材料を含んでなる。１つの実施形態において、酸素が窒素により部分的に置き換えられ、ビスマスが結晶粒界に配置された。アニオンのドープと粒界のドープの両方を有し、望ましい誘電特性を示したＢＳＴ材料の一例としては、約１モル％のＢｉ２Ｏ３．３ＴｉＯ２がドープされたＢａ０．３Ｓｒ０．７ＴｉＯ２．８Ｎ０．１３がある。この材料は約１００Ｈｚの周波数で約１７９３６１０の極めて高い誘電定数を示した。しかし、この材料は約１の損失正接を有していた。この材料は低電力伝達系に使用することができる。さらに、損失正接値を下げるためのいろいろな置換又は方法に関する実験により、場集束素子に使用するのにより適した材料が得られ得る。
【００６９】
１つの実施形態において、場集束素子１８を有する電力伝達系はカチオン、アニオン、及び粒界のドーパントがドープされたＢＳＴ材料系の材料を含んでなる。１つの実施形態において、チタンがクロムにより部分的に置き換えられ、酸素が窒素により部分的に置き換えられ、金属のビスマスが結晶粒界に配置される。ＢＳＴ材料系でカチオン、アニオン、及び粒界のドーパントを有する材料の１つの例は約１モル％のＢｉ２Ｏ３．３ＴｉＯ２を有するＢａ０．３Ｓｒ０．７Ｃｒ０．００５Ｔｉ０．９９５Ｏ２．８Ｎ０．１３である。この材料は約１５０ｋＨｚの周波数で約６３０００より大きい極めて高い誘電定数と約０．００６の誘電損失正接を示した。従って、この材料は本明細書に記載した電力伝達系の場集束素子に使用するのに非常に適切である。
【００７０】
１つの例において、表３に既に記載したように、本発明者はＢＳＴ材料系の材料の調製のための出発材料を変え、損失正接の減少に注目した。バリウム及びストロンチウムの起源としてそれぞれＢａＦ２及びＳｒＦ２を用いることによりＢａ０．４Ｓｒ０．６ＴｉＯ３材料を調製した。バリウム及びストロンチウムのためのフッ化物起源で出発することにより、幾らかのフッ素が酸素を置換し、従ってＢＳＴ材料系の誘電性値を変化させることが期待される。ＢａＦ２とＳｒＦ２を用いることにより調製したＢａ０．４Ｓｒ０．６ＴｉＯ３は１００Ｈｚ〜１０ＭＨｚの全周波数範囲にわたって約０．０１未満の誘電損失率を示し、最小値は１．４ＭＨｚで０．０００１であった。この材料はまた、上記全周波数範囲にわたって約４１５の均一な誘電定数を示した。この材料は約１００Ｈｚ〜約１０ＭＨｚの周波数範囲で非接触式に電力を伝送するのに有利に使用できる。
【００７１】
電力伝達系の１つの実施形態において、例えば環境又は作動上の変化に起因する温度の変化に適応するために室温付近の一定の温度範囲にわたって誘電定数及び損失正接のような誘電特性が安定な誘電材料を使用するのが望ましい。１つの実施形態において、誘電材料は、その誘電特性が約−５０℃〜約１５０℃で実質的に安定であれば有益である。「実質的に安定」とは、本明細書で使用する場合、材料の誘電特性が所与の温度範囲にわたってその室温値の約１０％を超えて変化しないことを意味する。１つの実施形態において、約−１５℃〜約１２０℃で実質的に安定な誘電特性を有する誘電材料が本発明で提示される。さらなる実施形態において、誘電材料は約−２０℃〜約６０℃で実質的に安定な誘電特性を有する。１つの実施形態において、本発明で提示されるＢＳＴ及びＣＣＴ材料は広い温度範囲にわたって安定であり、室温付近で安定な誘電特性を有するセラミック材料である。
【実施例】
【００７２】
以下の実施例で特定の実施形態による方法、材料及び結果を例示するが、特許請求の範囲に制限を課すものと考えるべきではない。全ての成分は一般の化学品供給業者から市販されている。
【００７３】
材料の調製：
いろいろな実施例で特定されるＢＳＴ及びＣＣＴ材料系に対して採られた一般的な調製方法の概要を以下に示す。しかし、当業者には理解されるように、以下に示す実施例で、出発材料の小さい変動、調製、カ焼、及び焼結の温度、時間、及び雰囲気、調製された粉末及びバルク材の大きさ及び形状の変動が許され得る。
【００７４】
純粋な及びドープされたＣＣＴ及びＢＳＴ材料系の調製
化学量論的濃度のＣａＣＯ３、ＣｕＯ及びＴｉＯ２を混合し、乾燥条件でボールミル粉砕し、１０００℃で２４時間空気中でカ焼した。カ焼温度と雰囲気を幾つかの材料について変化させて温度と雰囲気の影響を検討した。所要によりバリウム、ストロンチウム、クロム、アルミニウム、ランタン、鉄、及びジルコニウムドーパントをドープするためにそれぞれＢａＣＯ３、ＳｒＣＯ３、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２を固体状態混合により所要のモルパーセントで加えた。粒界のドープのために約１モル％のＢｉ２Ｏ３．３ＴｉＯ２を加えた。尿素を用いて固体状態混合とカ焼により酸素部位に窒素をドープした。酸素部位にフッ素ドーパントを含ませるための出発材料として化学量論的量のＢａＦ２、ＳｒＦ２、及び／又はＣａＦ２を使用した。
【００７５】
カ焼した混合物に約２ｗｔ％のポリ酢酸ビニル（ＰＶＡ）を加え、瑪瑙乳鉢を用いて十分に混合した。この混合物を、イソプロパノール媒体中でボールミル粉砕を用いてさらにミル粉砕した。この粉末を、液圧プレスを用い、４ＭＰａの圧力で、次いで６ＭＰａでプレスしてグリーンペレットにした。冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）したペレットを得るために、ＣＩＰ機を用いて、静水圧プレスしたペレットをさらに稠密にした。次に、このペレットを１０５０℃、１１００℃、１３５０℃、又は１４４０℃で２、１２、又は２４時間、所要により空気、酸素、又は窒素雰囲気中で焼結した。焼結中に酸化ビスマスを金属のビスマスに還元するために窒素雰囲気中に５％の水素を用いた。誘電性測定の目的で、焼結したペレットを銀ペーストで被覆した。誘電性測定はＡｇｉｌｅｎｔ  ４２９４Ａインピーダンス分析器を用いて行い、Ｎｏｖｏｃｏｎｔｒｏｌ  Ａｌｐｈａ−Ｋインピーダンス分析器を用いて検証した。カ焼し焼結した試料のＸＲＤを確かめた。材料の調製、加工処理及び誘電性値測定の一般的な方法について上に概説したが、以下に挙げる実施例は、選択した幾つかの材料の調製、加工処理、測定、及び結果に関する特定の詳細を含んでいる。
【実施例１】
【００７６】
ＣＩＰにより加工処理したＢａ０．５５Ｓｒ０．４Ｃａ０．０５ＴｉＯ３
約１３．０７１ｇｍのＢａＣＯ３、９．５７９ｇｍのＴｉＯ２、１０．１５２ｇｍのＳｒ（ＮＯ３）２及び０．６ｇｍのＣａＣＯ３を一緒に加え、乳鉢と乳棒を用いて１５分手練りした。この混合物に、ほぼ等しい体積のイソプロパノールと体積で約３倍のジルコニア粉砕媒体を加え、およそ６時間ラックミル粉砕した。この均一な混合物をアルミナるつぼに移し、１１００℃で２時間カ焼した。このカ焼した粉末に約２ｗｔ％のＰＶＡを加え、瑪瑙乳鉢を用いて混合した。等体積のイソプロパノールを加え、得られた材料を再びラックミル粉砕した。
【００７７】
この粉末を次に、約４ＭＰａの圧力で液圧プレスを用いて約３グラムの重量のペレットにプレスした。このペレットをポリエチレンフィルムに真空密閉し、約３０ＭＰａの圧力で冷間静水圧プレスした。このペレットを１４４０℃で２時間空気中で焼結した。この焼結したペレットに、数ミクロンの厚さの銀ペーストコーティングを施し、２００℃で２時間乾燥した。次いで、Ａｇｉｌｅｎｔ  ４２９４Ａインピーダンス分析器を用いてペレットの誘電定数と損失正接を測定した。表１０に、この材料の誘電性測定結果をしめす。
【００７８】
【表１０】
2011239671.tif 000012
【実施例２】
【００７９】
Ｂａ０．０１Ｓｒ０．２Ｃａ０．７９Ｃｕ３Ｔｉ４Ｏ１２
約０．０７９ｇｍのＢａＣＯ３、１２．７９０ｇｍのＴｉＯ２、１．１７５ｇｍのＳｒＣＯ３、３．１６５ｇｍのＣａＣＯ３及び９．５５４ｇｍのＣｕＯを一緒に加え、乳鉢と乳棒を用いて１５分手練りした。この混合物に、ほぼ等体積のイソプロパノールと体積で約３倍のジルコニア粉砕媒体を加え、およそ６時間ラックミル粉砕した。この均一な混合物をアルミナるつぼに移し、１０００℃で２４時間カ焼した。このカ焼した粉末に、約２ｗｔ％のＰＶＡを加え、瑪瑙乳鉢を用いて混合した。得られた材料に等体積のイソプロパノールを加え、再びラックミル粉砕した。
【００８０】
この粉末を次に、約６ＭＰａの圧力で液圧プレスを用いて約３グラムの重量のペレットにプレスした。このペレットを１１００℃で２時間空気中で焼結した。この焼結したペレットに、数ミクロンの厚さの銀ペーストコーティングを施し、２００℃で２時間乾燥した。次に、Ａｇｉｌｅｎｔ  ４２９４Ａインピーダンス分析器を用いて、ペレットの誘電定数と損失正接を測定した。表２２に、この材料の誘電性測定結果を示す。
【００８１】
【表１１】
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【実施例３】
【００８２】
Ｃａ２Ｃｕ２Ｔｉ３．９４Ａｌ０．０６Ｏ１１．９７
約８．４９７  ＣａＣＯ３、６．７５３ｇｍのＣｕＯ、１３．３５７ｇｍのＴｉＯ２及び０．９５５ｇｍのＡｌ（ＮＯ３）３．９Ｈ２Ｏを一緒に加え、乳鉢と乳棒を用いて１５分手練りした。この混合物に、ほぼ等体積のイソプロパノール及び約３倍ののジルコニア粉砕媒体を加え、およそ６時間ラックミル粉砕した。この均一な混合物をアルミナるつぼに移し、１０００℃で２４時間カ焼した。このカ焼した粉末に、約２ｗｔ％のＰＶＡを加え、瑪瑙乳鉢を用いて混合した。得られた材料に、等体積のイソプロパノールを加え、再びラックミル粉砕した。
【００８３】
次にこの粉末を約６ＭＰａの圧力で液圧プレスを使用することにより、約３グラム重量のペレットにプレスした。このペレットを１１００℃で２時間空気中で焼結した。この焼結したペレットに、数ミクロンの厚さの銀ペーストコーティングを施し、２００℃で２時間乾燥した。次いで、Ａｇｉｌｅｎｔ  ４２９４Ａインピーダンス分析器を用いてペレットの誘電定数と損失正接を測定した。表１２に、この材料の誘電性測定結果を示す。
【００８４】
【表１２】
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有利なことに、本明細書で幾つかの実施形態として開示した電力伝達系は、場集束素子を含むように構成され、共鳴の周波数と同様に負荷における変動に対して感受性がより低い。本明細書に記載したように、場集束素子１８は非接触式電力伝達系の磁場集束及び効率を高めるために使用できる。さらに、場集束素子はＢＳＴ材料系、ＣＣＴ材料系又は両者の組合せを含む誘電材料を含んでなる。誘電材料の使用により場集束素子の磁場集束が増大して、その結果一次コイル、場集束素子、及び二次コイルを介する電力及びデータの伝送を同時に達成することができる。
【００８５】
本明細書では本発明の幾つかの特徴のみを例示し説明して来たが、当業者には多くの修正及び変更が分かるであろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の真の思想内に入るものとしてかかる修正及び変更を全て包含するものと了解されたい。
【符号の説明】
【００８６】
１０−電力伝達系
１２−第１コイル
１４−電源
１６−第２コイル
１８−場集束素子
２０−負荷
２２−場集束素子の１つの開放端
２４−場集束素子のもう１つの開放端
２５−場集束素子の長さ
３０−オメガ場集束構造体
３２、３４、３６−オメガ構造体におけるターンの番号
３８−ターン間の間隙
４０−渦巻の幅
５０−単一のループコイル
５２−分割リング構造体
５４−渦巻構造体
５６−スイスロール構造体
５８−螺旋コイル
６４−共鳴器のアレイ
６６、６７、６８、６９−共鳴器の列
７０、７１、７２、７３、７４−列内に配列された個々の共鳴器
７５、７７、７９−個々の共鳴器
７６、７８−共鳴器間の変位
【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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