(57)【要約】  送信コイル（１３１）を有する送信側共振器（１３）と受信コイルを有する受信側共振器（２１）との間で固有の共振周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送システムにおいて、送信コイル（１３１）及び受信コイルのうちの少なくとも一方のコイルの軸方向に垂直な面に対向配置され、当該コイルと対向する自身の面積及び自身と当該コイルとの距離のうちの少なくとも一方が可変である誘電体（１３２）を備えた。
2016147293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信コイルを有する送信側共振器と受信コイルを有する受信側共振器との間で固有の共振周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送システムにおいて、
前記送信コイル及び前記受信コイルのうちの少なくとも一方のコイルの軸方向に垂直な面に対向配置され、当該コイルと対向する自身の面積及び自身と当該コイルとの距離のうちの少なくとも一方が可変である誘電体を備えた
ことを特徴とする共振型電力伝送システム。
【請求項２】
前記誘電体は、複数に分割されて各々分離可能に構成された
ことを特徴とする請求項１記載の共振側電力伝送システム。
【請求項３】
前記コイルを内部に埋め込んだ第２の誘電体を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送システム。
【請求項４】
前記誘電体は、誘電率が異なる複数の部材から構成された
ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送システム。
【請求項５】
ガス、ジェル状、液状又は粉状であり、前記誘電体の内部に挿入された第３の誘電体を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送システム。
【請求項６】
前記誘電体は、電圧が印加されることで比誘電率が変化する誘電体層を複数重ねて構成され、
前記誘電体の誘電体層間に電圧を印加する電圧印加部を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送システム。
【請求項７】
前記コイルの他コイルとの対向面とは反対側の面に対向配置された磁性体を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送システム。
【請求項８】
前記磁性体は、前記コイルとの距離が可変である
ことを特徴とする請求項７記載の共振型電力伝送システム。
【請求項９】
前記磁性体の温度を制御する温度制御部を備えた
ことを特徴とする請求項７記載の共振型電力伝送システム。
【請求項１０】
前記送信側共振器と前記受信側共振器とは、磁界共鳴により電力伝送を行う
ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送システム。
【請求項１１】
前記送信側共振器と前記受信側共振器とは、電界共鳴により電力伝送を行う
ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送システム。
【請求項１２】
前記送信側共振器と前記受信側共振器とは、電磁誘導により電力伝送を行う
ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送システム。
【請求項１３】
他コイルとの間で固有の共振周波数で電力伝送を行うコイルを有する共振器において、
前記コイルの軸方向に垂直な面に対向配置され、当該コイルと対向する面積及び当該コイルとの距離のうちの少なくとも一方が可変である誘電体を備えた
ことを特徴とする共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、送信コイルを有する送信側共振器と受信コイルを有する受信側共振器との間で固有の共振周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送システム及び共振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の共振型電力伝送システムとして、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、共振器のコイルを支持したものが知られている（例えば特許文献１参照）。この支持部材により、共振器の寄生容量が増加して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、コイルの線長を短縮化できるため、導体損失が低下する。よって、導体損失に起因する共振器の発熱を抑制することができる。【０００３】
また、アンテナ（コイル）を誘電体に埋め込むことで、誘電率を高めたものも知られている（例えば非特許文献１参照）。これにより、アンテナの静電容量を増加させることができ、アンテナの共振周波数を低周波化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１３８５０９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】２０１３年電子情報通信学会総合大会ＢＣＳ−１−１５「誘電体装荷テープ構造を用いた無線電力伝送用スパイラルアンテナに関する検討」名古屋工業大学
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、特許文献１及び非特許文献１に開示された従来構成では、誘電体を用いて共振器の共振周波数を低下させている。しかしながら、これらの従来構成では、送信側共振器と受信側共振器との間の距離の変動、及び受信側共振器に接続されている負荷の変動に対する対策はされていない。すなわち、上記変動によって共振条件がずれた場合、従来構成では、共振キャパシタ等の素子から成る外部回路を用いて共振特性を一定に保つ必要がある。しかしながら、この外部回路では、素子の定格（電圧、電流）による制約のため、高電圧及び高電流の条件下で使用することができないという課題がある。【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、電力伝送用アンテナの共振条件を調整可能であり、且つ従来技術よりも高電圧及び高電流でも電力伝送を可能とする共振型電力伝送システム及び共振器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】
【０００８】
この発明に係る共振型電力伝送システムは、送信コイルを有する送信側共振器と受信コイルを有する受信側共振器との間で固有の共振周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送システムにおいて、送信コイル及び受信コイルのうちの少なくとも一方のコイルの軸方向に垂直な面に対向配置され、当該コイルと対向する自身の面積及び自身と当該コイルとの距離のうちの少なくとも一方が可変である誘電体を備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、上記のように構成したので、電力伝送用アンテナの共振条件を調整可能であり、且つ従来技術よりも高電圧及び高電流でも電力伝送を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送システムの構成例を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る共振器の構成例を示す図であり、（ａ）斜視図であり、（ｂ）上面図である。
【図３】この発明の実施の形態１における誘電体の、コイルとの対向面積を可変する場合の動作例を示す斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態１における誘電体の、コイルとの距離を可変する場合の動作例を示す斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る共振器での、共振条件の調整例を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る共振器での、共振条件の調整例を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る共振器において、誘電体とコイルとの対向面積を可変する場合の別の動作例を示す上面図である。
【図８】この発明の実施の形態１に係る共振器の別の構成例を示す上面図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係る共振器の別の構成例を示す上面図である。
【図１０】この発明の実施の形態１に係る共振器において、誘電体とコイルとの対向面積を可変する場合の動作を自動化した例を示す模式図である。
【図１１】この発明の実施の形態２に係る共振器の構成例を示す斜視図である。
【図１２】この発明の実施の形態３に係る共振器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】
【００１１】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送システムの構成例を示すブロック図である。
共振型電力伝送システムは、図１に示すように、送信側共振器１３を有する送信装置１と、受信側共振器２１を有する受信装置２とを備えている。この共振型電力伝送システムは、受信側共振器２１が送信側共振器１３に近づくことで、送信装置１から受信装置２へ電力伝送を行うものである。
【００１２】
送信装置１は、図１に示すように、一次電源１１、送信電源１２及び送信側共振器１３を有している。
【００１３】
一次電源１１は、直流又は交流の電力を出力するものである。
送信電源１２は、一次電源１１からの直流又は交流の電力（入力電力）を、送信側共振器１３の共振周波数に合わせた電力（高周波電力）に変換して出力するものである。また、送信電源１２は、自身の保護機能により、受信側共振器２１が送信側共振器１３に近づくことにより変化する送信電源１２に関するパラメータを検出する機能（パラメータ検出部）を有している。この送信電源１２は、図１に示すように、インバータ回路１２１、入力検出部１２２、電源パラメータ検出部１２３及び出力検出部１２４を有している。
【００１４】
インバータ回路１２１は、一次電源１１からの入力電力を、送信側共振器１３に出力するための高周波電力に変換するものである。
入力検出部１２２は、一次電源１１から送信電源１２に入力される電力に関するパラメータを検出するものである。この際、入力検出部１２２は、送信電源１２の入力電流、入力電圧のうち少なくとも１つ以上を検出する。
【００１５】
電源パラメータ検出部１２３は、送信電源１２内部のインバータ回路１２１に関するパラメータを検出するものである。この際、電源パラメータ検出部１２３は、例えば、インバータ回路１２１の共振電圧、共振電流、共振電圧と共振電流の位相、反射電力、インバータ回路１２１内のスイッチング素子のドレイン−ソース間の電圧Ｖｄｓ又は電流Ｉｄｓ、インバータ回路１２１内の素子（ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、キャパシタ、インダクタ等）の発熱等のうち少なくとも１つ以上を検出する。
【００１６】
出力検出部１２４は、送信電源１２から出力された電力（インバータ回路１２１により変換された高周波電力）に関するパラメータを検出するものである。この際、出力検出部１２４は、例えば、インバータ回路１２１からの出力電圧又は出力電流（位相、振幅、実効値、周波数）、透過電力、反射電力等のうち少なくとも１つ以上を検出する。
【００１７】
なお、入力検出部１２２、電源パラメータ検出部１２３及び出力検出部１２４は、受信側共振器２１が送信側共振器１３に近づくことにより変化する送信電源１２に関するパラメータを検出するパラメータ検出部を構成する。そして、このパラメータ検出部の機能は、送信電源１２が通常に有している保護機能（電源の破壊を防止するための機能）を兼用することで実現可能であり、専用回路は不要である。また図１では、パラメータ検出部として、入力検出部１２２、電源パラメータ検出部１２３及び出力検出部１２４を全て有している場合を示しているが、これらの検出部１２２〜１２４のうち少なくとも１つ以上有していればよい。なお、複数のパラメータを検出することで、共振条件の調整精度を向上させることができる。
【００１８】
送信側共振器１３は、送信電源１２からの高周波電力の周波数と同一周波数で共振し、受信装置２の受信側共振器２１に対して電力伝送を行うものである。
【００１９】
受信装置２は、図１に示すように、受信側共振器２１及び受信回路２２を有している。
受信側共振器２１は、送信側共振器１３の共振周波数と同一周波数で共振することで電力を受信し、交流電力を出力するものである。
【００２０】
受信回路２２は、整流回路２２１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２２及び負荷２２３を有している。
整流回路２２１は、受信側共振器２１からの交流電力を直流電力に変換するものである。
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２２は、整流回路２２１から入力された直流電力を任意の電圧へ変換し、負荷２２３へ供給するものである。
なお図１に示す受信回路２２において、負荷２２３はバッテリであってもよい。
【００２１】
また、送信側共振器１３と受信側共振器２１との共振結合による電力伝送方式は特に限定されるものではなく、磁界共鳴による方式、電界共鳴による方式、電磁誘導による方式、接触型の共振結合方式のいずれであってもよい。
【００２２】
次に、本発明の共振器の構成について、図２を参照しながら説明する。なお以下では、送信側共振器１３を例に説明を行う。
送信側共振器１３は、図２に示すように、送信コイル（電力伝送用アンテナ）１３１及び誘電体１３２を有している。
【００２３】
送信コイル１３１は、スパイラル型又はヘリカル型等のコイルであり、その形状は、円形、楕円形又は長方形等任意の形状でよい。なお図２の例では、送信コイル１３１が、楕円形のスパイラル型に構成された場合を示している。
【００２４】
誘電体１３２は、送信コイル１３１の軸方向に垂直な面に対向配置され、当該送信コイル１３１と対向する面積及び当該送信コイル１３１との距離のうちの少なくとも一方が可変であるものである。この誘電体１３２は、セラミック又はアクリル等により構成される。なお図２の例では、誘電体１３２が、送信コイル１３１の両面にそれぞれ対向配置された場合を示している。また図２の例では、誘電体１３２が、軸心を中心に放射状に複数分割されて、ピース１３２１毎に分離可能に構成された場合を示している。図２において、誘電体１３２は、単一の部材から構成してもよいし、誘電率が異なる複数の部材から構成してもよい。
【００２５】
図２に示す構成において、誘電体１３２が送信コイル１３１と対向する面積を可変に構成されている場合には、例えば図３に示すように、誘電体１３２の任意のピース１３２１を面内に平行な方向に移動させる。これにより、送信側共振器１３の寄生容量を変化させることができ、共振条件を調整することができる。
【００２６】
また、図２に示す構成において、誘電体１３２が送信コイル１３１と対向する距離を可変に構成されている場合には、例えば図４に示すように、誘電体１３２の任意のピース１３２１を面内に垂直な方向に移動させる。これにより、送信側共振器１３の寄生容量を変化させることができ、共振条件を調整することができる。
なおここでは、図３，４に示すような誘電体１３２の移動は、手動で行うものとする。また、誘電体１３２の移動方法は、共振器の設置スペース等に応じて適宜選択される。
【００２７】
なお図２では、送信側共振器１３に誘電体１３２を設けた場合について示したが、送信側共振器１３及び受信側共振器２１のうちの少なくとも一方に誘電体１３２が設けられていればよい。受信側共振器２１に誘電体１３２を設ける場合にも、送信側共振器１３に誘電体１３２を設ける場合と同様に構成される。
【００２８】
次に、共振条件の調整例について、図５，６を参照しながら説明する。なお以下では、図２の構成を用い、送信側共振器１３の誘電体１３２を移動させることで、共振条件を調整する場合を例に説明を行う。
図５では、受信側共振器２１に接続されている負荷２２３が変動した場合、又は送信側共振器１３と受信側共振器２１との間に異物が存在する場合での共振条件の調整例を示している。なお、通常状態での共振器の共振周波数ｆ０は下式（１）で表される（図５の実線、ｆ０）。
ｆ０＝１／２π√（ＬＣ０）（１）
ここで、Ｌは共振器のインダクタンスであり、Ｃ０は共振器の寄生容量である。
【００２９】
そして、図５に示すように、受信側共振器２１に接続されている負荷２２３が変動した場合、又は送信側共振器１３と受信側共振器２１との間に異物が存在する場合、共振器の共振条件が変動する（図５の破線、ｆ１）。なお、共振条件の変動は、送信電源１２のパラメータ検出部による検出結果から得る。
この場合、図２に示す送信側共振器１３の誘電体１３２の任意のピース１３２１を移動させて、送信側共振器１３の寄生容量が小さくなるように変化させる（Ｃ０＞Ｃ１）。これにより、共振周波数をｆ１からｆ０’に調整することができ、共振条件を初期状態へ戻すことができる（図５の実線、ｆ０’）。なお、共振条件を調整後の共振周波数ｆ０’は下式（２）で表される。
ｆ０’＝１／２π√（ＬＣ１）＞ｆ１            （２）
【００３０】
図６では、送信側共振器１３と受信側共振器２１との距離が近い場合での共振条件の調整例を示している。
図６に示すように、送信側共振器１３と受信側共振器２１との距離が近づくと、共振条件の周波数軸上の伝送効率ηが双峰特性となり、共振周波数ｆ０での伝送効率ηが低下する（図６の破線）。なお、共振条件の変動は、送信電源１２のパラメータ検出部による検出結果から得る。
この場合、図２に示す送信側共振器１３の誘電体１３２の任意のピース１３２１を移動させて、送信側共振器１３の寄生容量を変化させる。これにより、共振周波数ｆ１で高い伝送効率ηとなるように共振条件を調整することができる（図６の実線）。
【００３１】
なお本発明では、図５，６に示すように、誘電体１３２をずらすことで共振条件を調整することが可能なため、共振型電力伝送システムでの使用周波数を広帯域化することも可能である。
【００３２】
以上のように、この実施の形態１によれば、送信コイル１３１及び不図示の受信コイル（電力伝送用アンテナ）のうちの少なくとも一方のコイルの軸方向に垂直な面に対向配置され、当該コイルと対向する自身の面積及び自身と当該コイルとの距離のうちの少なくとも一方が可変である誘電体１３２を備えたので、電力伝送用アンテナの共振条件を調整可能であり、且つ従来技術よりも高電圧及び高電流でも電力伝送を可能とすることができる。すなわち、従来構成のような外部回路を用いずに共振条件を可変できるため、外部回路の素子の定格（電圧、電流等）による制約がなく、大電力化が容易である。
また、誘電体１３２を移動させることで共振条件を調整するため、共振特性を離散的ではなく連続的に変化させることが可能である。これによって、細かい調整が可能となり、共振特性を目標値に一致させることができる。
【００３３】
なお図２では、誘電体１３２を、送信コイル１３１の両面にそれぞれ対向配置した場合を示したが、片面にのみ設けてもよい。ただし、誘電体１３２を送信コイル１３１の両面に設けた方が、片面にのみ設けた場合に対して寄生容量を増加させることができる。
【００３４】
なお図２では、誘電体１３２を複数に分割し、ピース１３２１を面内に平行な方向に移動させることで、送信コイル１３１と対向する面積を変える場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば図７に示すように、誘電体１３２全体を面内で回転させることで、送信コイル１３１と対向する面積を変えるようにしてもよい。なおこの場合には、送信コイル１３１及び誘電体１３２を、誘電体１３２を回転させた際に対向面積が変化するような形状にそれぞれ構成する。
【００３５】
また図２では、誘電体１３２の分割形状を放射形状とした場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば、図８に示すような同心円形状としてもよいし、図９に示すような四角形状としてもよい。
【００３６】
なお図２において、送信コイル１３１を内部に埋め込む第２の誘電体を設けてもよい。これにより、送信コイル１３１の寄生容量をさらに増加させることができる。
また図２において、誘電体１３２に溝、小穴等の空隙を設け、誘電体１３２の内部に、ガス（炭酸ガス、窒素等）、ジェル状、液状（水、酢等）又は粉状の第３の誘電体を挿入してもよい。
【００３７】
また図２において、誘電体１３２を、電圧が印加されることで比誘電率が変化する誘電体層を複数重ねて構成してもよい。この場合には、送信側共振器１３に、誘電体１３２を構成する誘電体層間に電圧を印加する電圧印加部がさらに設けられる。これにより、送信コイル１３１の寄生容量の変化を微調整することができる。また、共振器の設置スペースによっては、誘電体１３２を移動可能な範囲に限りがあるため、その場合に比誘電率を変化させることで、共振条件の調整範囲を広げることができる。
【００３８】
また上記の各変形例は、受信側共振器２１に誘電体１３２を設けた場合にも同様に適用可能である。
【００３９】
また上記において、誘電体１３２の移動は、手動で行うことを想定して説明を行ったが、自動化してもよい。この場合、例えば図１０（ａ）に示すように、誘電体１３２のピース１３２１毎にシリンダ５を取付けて、このシリンダ５によってピース１３２１を面内に平行な方向に移動させてもよい。また、例えば図１０（ｂ）に示すように、切れ込みを入れた誘電体１３２を用い、この誘電体１３２の中心にモータ６を取付ける。そして、このモータ６により誘電体１３２をめくるように開閉してもよい。
【００４０】
また上記では、送信電源１２のパラメータ検出部による検出結果から共振条件のずれを検出する場合を示した。しかしながら、これに限るものではなく、共振条件のずれを検出できる方法であればよく、共振条件のずれを検出可能な外部回路を共振型電力伝送システムに追加してもよい。
【００４１】
実施の形態２．
図１１はこの発明の実施の形態２に係る共振器の構成を示す図である。この図１１に示す実施の形態２に係る共振器は、図２に示す実施の形態２に係る共振器に磁性体１３３を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。なお図１１では、送信側共振器１３を例に説明を行う。
【００４２】
磁性体１３３は、送信コイル１３１の受信コイルとの対向面とは反対側の面に対向配置されたものである。この磁性体１３３は、フェライト又はアモルファス等の透磁率を有する部材で構成される。磁性体１３３は、図１１に示すようなシート状でもよいし、磁性塗料でもよい。このように、磁性体１３３を送信コイル１３１付近に配置することで、送信側共振器１３のインダクタンス（式（１）のＬ）が増加し、共振条件を調整することができる。また、磁性体１３３を設けることで、共振器からの放射電磁界をシールドする効果も得られる。
なお、誘電体１３２と同様に、磁性体１３３を複数に分割してピース毎に分離可能に構成してもよい。
【００４３】
また図１１では、送信側共振器１３に誘電体１３２を設ける場合について示したが、誘電体１３２が受信側共振器２１に設けられている場合には当該受信側共振器２１に磁性体１３３を設けてもよい。なお、受信側共振器２１に磁性体１３３を設ける場合にも、送信側共振器１３に磁性体１３３を設けた場合と同様に構成される。
【００４４】
また、図１１に示す構成に、磁性体１３３の温度を変えて透磁率を調整するために温度を制御する温度制御部を設けてもよい。この温度制御部としては、電熱線又はシート状のヒータ等が挙げられる。この温度制御部により磁性体１３３の温度を制御することで、磁性体１３３の比透磁率を可変し、共振条件を調整することができる。
【００４５】
実施の形態３．
図１１では、送信側共振器１３に磁性体１３３を設けた場合について示した。それに対し、図１２に示すように、磁性体１３３を、対向する送信コイル１３１との距離を可変とするように構成してもよい。このように、磁性体１３３と送信コイル１３１との距離を可変とすることによっても、共振条件を調整することができる。なお図１２では、送信側共振器１３を例に説明を行ったが、受信側共振器２１に磁性体１３３が設けられる場合にも同様である。
【００４６】
なお実施の形態１〜３では、本発明の共振器を図１に示すような共振型電力伝送システムに適用した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、他の電力伝送システムにも本発明の共振器を同様に適用可能である。
【００４７】
また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
この発明に係る共振型電力伝送システムは、共振条件を調整可能であり、且つ高電圧及び高電流の条件下でも電力伝送を可能とすることができ、送信コイルを有する送信側共振器と受信コイルを有する受信側共振器との間で固有の共振周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送システム等に用いるのに適している。
【符号の説明】
【００４９】
１  送信装置、２  受信装置、５  シリンダ、６  モータ、１１  一次電源、１２  送信電源、１３  送信側共振器、２１  受信側共振器、２２  受信回路、１２１  インバータ回路、１２２  入力検出部、１２３  電源パラメータ検出部、１２４  出力検出部、１３１  送信コイル、１３２  誘電体、１３３  磁性体、２２１  整流回路、２２２  ＤＣ／ＤＣコンバータ、２２３  負荷、１３２１  ピース。
【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】
2016147293.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2016147293.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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2016147293.tif 000016
2016147293.tif 000017
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