(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉曲線線路の一部が開放された構造を呈し、自身に対向して配された自身と相似形の他の共振器との間で、電磁結合を利用して非接触で高周波電力の授受を行う共振器と、
前記閉曲線線路が形成する面内で、前記共振器を、当該共振器の周方向に回転させる駆動部と、
前記駆動部を制御して前記共振器の周方向における角度が互いに異なる複数の位置で前記共振器と前記他の共振器との間で前記高周波電力の授受を試験的に実行させ、前記共振器の各位置で検出される前記共振器と前記他の共振器との一方から他方へ伝送された前記高周波電力の電力値に基づいて、前記高周波電力の授受を本実施する際の前記角度を設定する制御部と、
を備える共振装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記共振器と前記他の共振器との間における前記高周波電力の伝送効率が閾値以上となるように、又は、前記共振器と前記他の共振器との間における前記高周波電力の伝送効率が最大となるように、前記共振器の周方向における角度を設定する、
請求項１に記載の共振装置。
【請求項３】
前記制御部は、
前記角度を設定する前には、第１電力値で、前記共振器と前記他の共振器との間で前記高周波電力の授受を実行させ、
前記角度を設定した後には、前記第１電力値よりも大きい第２電力値で、前記共振器と前記他の共振器との間で前記高周波電力の授受を実行させる、
請求項１又は２に記載の共振装置。
【請求項４】
前記共振器は、金属膜と絶縁膜とが交互に積層された構造を有する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の共振装置。
【請求項５】
前記共振器は、自身の長手方向の中心位置に、当該共振器の側面から当該共振器の中心点に向かって延在する突起部を有し、当該突起部にて、支持されている、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の共振装置。
【請求項６】
第１及び第２共振装置を備え、当該第１及び第２共振装置それぞれが有する閉曲線線路の一部が開放された構造を呈する共振器を用いて、非接触で高周波電力の授受を行う電力伝送装置であって、
前記第１及び第２共振装置のいずれか一方は、
前記閉曲線線路が形成する面内で、前記共振器を、当該共振器の周方向に回転させる駆動部と、
前記駆動部を制御して前記共振器の周方向における角度が互いに異なる複数の位置で一方の前記共振器と他方の前記共振器との間で前記高周波電力の授受を試験的に実行させ、前記共振器の各位置で検出される一方の前記共振器から他方の前記共振器へ伝送された前記高周波電力の電力値に基づいて、前記高周波電力の授受を本実施する際の前記角度を設定する制御部と、を有する、
電力伝送装置。
【請求項７】
第１及び第２共振装置それぞれが有する閉曲線線路の一部が開放された構造を呈する共振器を用いて、非接触で高周波電力の授受を行う電力伝送方法であって、
前記第１及び第２共振装置のいずれか一方は、
前記閉曲線線路が形成する面内で、前記共振器を、当該共振器の周方向に回転させ、
前記共振器の周方向における角度が互いに異なる複数の位置で一方の前記共振器と他方の前記共振器との間で前記高周波電力の授受を試験的に実行させ、前記共振器の各位置で検出される一方の前記共振器から他方の前記共振器へ伝送された前記高周波電力の電力値に基づいて、前記高周波電力の授受を本実施する際の前記角度を設定する、
電力伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、共振装置、電力伝送装置、及び電力伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、２つのオープンリング共振器を用いて、非接触で高周波の電力や信号（以下、「高周波電力」と総称する）を送受する電力伝送装置が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１を参照）。
【０００３】
この種の電力伝送装置は、互いに対向するように配設された送電側のオープンリング共振器と受電側のオープンリング共振器とによって構成される。そして、送電側のオープンリング共振器と受電側のオープンリング共振器とを電磁結合（例えば、磁界共鳴）させることによって、送電側のオープンリング共振器から受電側のオープンリング共振器に高周波電力を伝送する。
【０００４】
オープンリング共振器は、一般に、送電側のオープンリング共振器と受電側のオープンリング共振器とが、同一の周波数で共振するように構成されており、典型的には、リングの線路長が共振周波数から換算されるλ/２程度となるように構成される。
【０００５】
このように構成された電力伝送装置は、非接触で高い伝送効率を得られるため、携帯機器や電気自動車等への非接触電力伝送の用途等への応用が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４８３５３３４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】I.Awai and A.K.Saha, “Open Ring Resonators Applicable to Ｗide-band BPF”, Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2006, ISBN:978-4-902339-08-6
【非特許文献２】大平 孝、“電圧電流で理解する最大効率とkQ積”, 2014 Microwave workshops & Exhibition (MWE 2014)ダイジェスト WS05-03
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、この種の電力伝送装置は、小型で且つ高効率というメリットを有しているが、２つのオープンリング共振器間の位置関係に応じて、オープンリング共振器間の電磁結合の状態が変化し、電力伝送の効率が低下するという課題がある。かかる課題は、特に、２つのオープンリング共振器のうちの一方が移動体に搭載されている場合に表出しやすく、例えば、地上に固定された共振器から移動体に搭載された共振器に対して電力伝送を実行する際に、表出しやすい。
【０００９】
本開示は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、２つの共振器間の位置ずれに対応可能とする共振装置、電力伝送装置、及び電力伝送方法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】
【００１０】
前述した課題を解決する主たる本開示は、
閉曲線線路の一部が開放された構造を呈し、自身に対向して配された自身と相似形の他の共振器との間で、電磁結合を利用して非接触で高周波電力の授受を行う共振器と、
前記閉曲線線路が形成する面内で、前記共振器を、当該共振器の周方向に回転させる駆動部と、
前記駆動部を制御して前記共振器の周方向における角度が互いに異なる複数の位置で前記共振器と前記他の共振器との間で前記高周波電力の授受を試験的に実行させ、前記共振器の各位置で検出される前記共振器と前記他の共振器との一方から他方へ伝送された前記高周波電力の電力値に基づいて、前記高周波電力の授受を本実施する際の前記角度を設定する制御部と、
を備える共振装置である。
【００１１】
又、他の局面では、
第１及び第２共振装置を備え、当該第１及び第２共振装置それぞれが有する閉曲線線路の一部が開放された構造を呈する共振器を用いて、非接触で高周波電力の授受を行う電力伝送装置であって、
前記第１及び第２共振装置のいずれか一方は、
前記閉曲線線路が形成する面内で、前記共振器を、当該共振器の周方向に回転させる駆動部と、
前記駆動部を制御して前記共振器の周方向における角度が互いに異なる複数の位置で一方の前記共振器と他方の前記共振器との間で前記高周波電力の授受を試験的に実行させ、前記共振器の各位置で検出される一方の前記共振器から他方の前記共振器へ伝送された前記高周波電力の電力値に基づいて、前記高周波電力の授受を本実施する際の前記角度を設定する制御部と、を有する、
電力伝送装置である。
【００１２】
又、他の局面では、
第１及び第２共振装置それぞれが有する閉曲線線路の一部が開放された構造を呈する共振器を用いて、非接触で高周波電力の授受を行う電力伝送方法であって、
前記第１及び第２共振装置のいずれか一方は、
前記閉曲線線路が形成する面内で、前記共振器を、当該共振器の周方向に回転させ、
前記共振器の周方向における角度が互いに異なる複数の位置で一方の前記共振器と他方の前記共振器との間で前記高周波電力の授受を試験的に実行させ、前記共振器の各位置で検出される一方の前記共振器から他方の前記共振器へ伝送された前記高周波電力の電力値に基づいて、前記高周波電力の授受を本実施する際の前記角度を設定する、
電力伝送方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本開示に係る共振装置によれば、２つの共振器間の位置ずれに対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る電力伝送装置の全体構成を示す図
【図２】第１の実施形態に係る第１共振装置と第２共振装置の構成の一例を示す側面図
【図３】第１の実施形態に係る第１共振器を平面視した図
【図４】第１の実施形態に係る第１共振器と第２共振器との位置関係を示す平面図
【図５】電力伝送装置における、ポート角度（共振器への入出力線路の接続位置）と伝送効率の関係の一例を示す図
【図６】電力伝送装置における、共振器間距離（±Ｚ方向における第１共振器と第２共振器の間の距離）と伝送効率の関係の一例を示す図
【図７】電力伝送装置における、リング間角度とｋQ積の関係の一例を示す図
【図８】第１の実施形態に係る電力伝送装置において、共振器間距離の変化に対応するために、リング間角度を調整した場合に検出される伝送効率の挙動を示す図
【図９】第１の実施形態に係る電力伝送装置において、±Ｘ方向における位置ずれに対応するために、リング間角度を調整した場合に検出される伝送効率の挙動を示す図
【図１０】第１の実施形態に係る電力伝送装置において、±Ｙ方向における位置ずれに対応するために、リング間角度を調整した場合に検出される伝送効率の挙動を示す図
【図１１】第１の実施形態に係る電力伝送装置の動作を示すフローチャート
【図１２】第２の実施形態に係る共振器の側面を拡大した図
【図１３】第２の実施形態に係る電磁界解析シミュレーションにより、多層構造の共振器を用いて電力伝送を実行した場合の伝送効率と単相構造の共振器を用いて電力伝送を実行した場合の伝送効率とを比較した図
【図１４】第３の実施形態に係る共振装置を側面から見た図
【図１５】第３の実施形態に係る共振装置を平面から見た図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１６】
各図には、各構成の位置関係を明確にするため、電力伝送装置の送電装置と受電装置とが対向する方向のうち、送電装置から受電装置を見た方向を、Ｚ軸のプラス方向として、共通の直交座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を示している。以下では、プラスＺ方向を上方向と称して説明する。但し、これらの方向は、電力伝送装置の使用時の姿勢を制限するものではない。
【００１７】
（第１の実施形態）
［電力伝送装置の全体構成］
以下、図１〜図４を参照して、本実施形態に係る電力伝送装置の構成の一例について説明する。本実施形態に係る電力伝送装置は、電気負荷に対する電力伝送に適用されている。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る電力伝送装置Ｕの全体構成を示す図である。
【００１９】
電力伝送装置Ｕは、受電装置１００と送電装置２００とにより構成される。
【００２０】
受電装置１００は、例えば、送電装置２００の第２共振装置２１０から高周波電力を受電する第１共振装置１１０、第１共振装置１１０が受電した高周波電力を整流する整流回路１２０、及び、整流回路１２０で整流された直流電力を使用する電気負荷（例えば、バッテリ）１３０を有している。
【００２１】
送電装置２００は、例えば、電源２３０（例えば、バッテリ）、当該電源２３０から供給される電力を用いて高周波電力を生成する発振器２２０（例えば、半導体発振器、マグネトロン等）、及び、発振器２２０から取得した高周波電力を、受電装置１００の第１共振装置１１０に送出する第２共振装置２１０を有している。
【００２２】
尚、受電装置１００と送電装置２００とは、典型的には、分離した状態で配設されている。受電装置１００は、例えば、電気自動車に搭載され、送電装置２００は、例えば、給電設備として地面に埋設されている。
【００２３】
図２は、本実施形態に係る第１共振装置１１０と第２共振装置２１０の構成の一例を示す側面図である。図３は、本実施形態に係る第１共振器１１１を平面視した図である。図４は、本実施形態に係る第１共振器１１１と第２共振器２１１との位置関係を示す平面図である。尚、図４では、第１共振器１１１及び第２共振器２１１の突起部（後述する１１１ｂ等）の図示を省略している。
【００２４】
第１共振装置１１０は、第１共振器１１１、第１入出力線路１１２、第１グラウンド板１１３、第１制御部１１４、及び、駆動部１１５を備えている。  
【００２５】
第１共振器１１１は、第２共振器２１１が対向して配された際に、当該第２共振器２１１と電磁結合して、当該第２共振器２１１との間で、非接触で高周波電力の授受を行う。ここでは、第２共振器２１１から第１共振器１１１に対して、高周波電力を送電する。
【００２６】
第１共振器１１１は、閉曲線線路の一部に開放部１１１ａを有する構造（以下、「オープンリング」と称する）を呈している（図３を参照）。即ち、第１共振器１１１は、長手方向の両端が開放端とされている。第１共振器１１１は、例えば、開放部１１１ａを有するリング状の金属板にて構成されている。第１共振器１１１のオープンリングのリング長は、例えば、電位差の最大となる両端が近接するように、送受する高周波電力の波長の１／２の長さ程度に設定される。
【００２７】
第１共振器１１１は、第１入出力線路１１２と電気的に接続するように配設され、第２共振器２１１から受信した高周波電力を、第１入出力線路１１２を介して、整流回路１２０に送出する。本実施形態に係る第１共振器１１１は、当該第１共振器１１１の上面側（即ち、裏面側）において、第１入出力線路１１２の電極部１１２ａと電気接続するように配設されている。
【００２８】
第１共振器１１１が第１入出力線路１１２の電極部１１２ａと電気接続する位置は、第１共振器１１１と第１入出力線路１１２との間におけるインピーダンス整合を考慮して、適宜な位置に設定されている（図５、図６を参照して後述）。尚、以下では、第１共振器１１１が電極部１１２ａと電気接続する位置を、平面視において、第１共振器１１１の中心点Ａ０と第１共振器１１１に電極部１１２ａが電気接続する位置Ａ２とを結ぶ線と、第１共振器１１１の中心点Ａ０と第１共振器１１１の長手方向の中心位置Ａ１とを結ぶ線との間のなす角度（即ち、位置Ａ２と位置Ａ１との間の第１共振器１１１の周方向における角度）∠Ａ１Ａ０Ａ２により規定する（以下、「ポート角度φＡ」と称する）。
【００２９】
但し、第１共振器１１１に対する第１入出力線路１１２のポート角度φＡは、第１共振器１１１と第１入出力線路１１２との間のインピーダンス整合の整合条件を完全に充足する角度よりも小さくなるように設定されるのが望ましい（図５、図６を参照して後述）。尚、図３では、ポート角度φＡが、略２８°の態様を示している。
【００３０】
第１共振器１１１は、例えば、当該第１共振器１１１の側面において、当該第１共振器１１１の長手方向の中心位置（即ち、周方向の中心位置）から、当該第１共振器１１１の中心点Ａ０に向けて突出する突起部１１１ｂを有している（図３を参照）。そして、第１共振器１１１は、突起部１１１ｂに挿通された上下方向（±Ｚ方向）に延在する支持棒１１１Ｓにて支持されている。突起部１１１ｂの位置は、典型的には、第１共振器１１１が共振動作する際の電圧のゼロクロス点に相当するため、突起部１１１ｂは、第１共振器１１１の共振特性に影響を及ぼさない。
【００３１】
第１共振器１１１は、自身の上方側（プラスＺ方向）に配設された第１グラウンド板１１３と対向する位置に、第１グラウンド板１１３から離間して配設されている。そして、第１共振器１１１は、第１グラウンド板１１３を挟んで、整流回路１２０が構成された回路基板１２０ａの下方に位置するように、配設されている。そして、第１共振器１１１は、回路基板１２０ａの下面から延在する支持棒１１１Ｓにて支持されている。第１共振器１１１、第１グラウンド板１１３、及び回路基板１２０ａは、支持棒１１１Ｓにて互いに固定され、駆動部１１５にて、第１グラウンド板１１３が横方向（ＸＹ面内における周方向）に回転させられた際には、支持棒１１１Ｓと共に一体的に回転するように構成されている。これによって、第１共振器１１１の開放部１１１ａの向き（即ち、後述するリング間角度α）が調整可能となっている。
【００３２】
第１入出力線路１１２は、第１共振器１１１と電気的に接続するように配設され、第１共振器１１１から受信した高周波電力を、整流回路１２０に送出する。第１入出力線路１１２は、例えば、第１共振器１１１と整流回路１２０とを電気接続するように、整流回路１２０が構成された回路基板１２０ａ（例えば、ＰＣＢ基板）の下面から下方（マイナスＺ方向）に延在する同軸線路により構成されている。そして、第１入出力線路１１２は、回路基板１２０ａの下面から、第１グラウンド板１１３に形成された貫通穴を挿通して、第１共振器１１１の上面の直上まで延在している。
【００３３】
但し、第１入出力線路１１２と回路基板１２０ａとの間の距離が短い場合には、第１入出力線路１１２は、同軸線路に代えて、回路基板１２０ａ（整流回路１２０）から下方に突出する金属ピン（例えば、整流回路１２０を構成するダイオードの接続ピン）等によって構成されてもよい。尚、第１入出力線路１１２は、典型的には、所定の特性インピーダンス（例えば、５０Ω）となるように調整されている。
【００３４】
第１入出力線路１１２は、下方側の先端位置に、電極部１１２ａを有し、当該電極部１１２ａが、第１共振器１１１の上面と対向するように配設されている。即ち、第１入出力線路１１２は、電極部１１２ａを介して、第１共振器１１１と電気的に接続する。電極部１１２ａは、例えば、第１入出力線路１１２を構成する同軸線路の中心導体に接続された板状電極である。電極部１１２ａは、例えば、第１共振器１１１の上面と対向する位置に、第１共振器１１１から離間して配設され、容量結合によって、第１共振器１１１と電気接続する。尚、電極部１１２ａの形状は、任意であるが、例えば、平面視で円形状を呈している。
【００３５】
但し、電極部１１２ａと第１共振器１１１とは、容量結合により電気接続する態様に代えて、直接接触して電気接続する態様であってもよい。
【００３６】
第１グラウンド板１１３は、第１共振器１１１の上方（プラスＺ方向）に、第１共振器１１１と対向して、配設されている。尚、第１グラウンド板１１３の側面には、駆動部１１５の歯車１１５ａと噛み合う歯溝（図示せず）が形成されている。
【００３７】
尚、第１グラウンド板１１３と第１共振器１１１との間は、空気層となってマイクロストリップラインを形成しているが、第１グラウンド板１１３と第１共振器１１１との間には空気層以外の誘電体が存在してもかまわない。
【００３８】
第１制御部１１４は、第１共振器１１１と第２共振器２１１との間で高周波電力の授受を実行させつつ駆動部１１５を制御する。そして、第１制御部１１４は、第１共振器１１１の各位置で検出される第２共振器２１１から第１共振器１１１へ伝送された高周波電力の電力値に基づいて、第１共振器１１１の周方向における角度（即ち、開放部１１１ａの向き）を設定する（図１１を参照して後述）。
【００３９】
尚、第１制御部１１４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを中心に構成され、これに加えて、第２制御部２１４と無線通信するための通信コントローラ等を有している。又、第１制御部１１４は、第１共振器１１１と第２共振器２１１との間で高周波電力の授受を実行させた際の伝送効率を測定し得るように、整流回路１２０に通流する電流レベルを検出する電流センサ１１４ａからセンサ信号を取得している。
【００４０】
駆動部１１５は、第１共振器１１１（即ち、一部が開放された閉曲線線路）が形成する面内（即ち、ＸＹ面内）で、第１共振器１１１の中心点Ａ０を回転中心として、第１共振器１１１を回転させる。つまり、駆動部１１５は、ＸＹ面内における第１共振器１１１の開放部１１１ａが向く方向を変更する。
【００４１】
駆動部１１５は、例えば、先端に歯車１１５ａを有する駆動モータであり、当該歯車１１５ａを回転させることで、第１グラウンド板１１３をＸＹ面内で回転させ、これにより、第１グラウンド板１１３と固定された第１共振器１１１を回転させる。つまり、本実施形態に係る駆動部１１５は、第１共振器１１１、第１グラウンド板１１３、及び回路基板１２０ａを、第１共振器１１１の周方向に一体的に回転させる。尚、この際、入出力線路１１２も回路基板１２０ａと一体的に回転するため、第１共振器１１１が回転した際、ポート角度φＡは常時一定に保持され、第２共振器２１１のポート角度φＢと常時同一の角度となるようになっている。
【００４２】
第２共振装置２１０は、第２共振器２１１、第２入出力線路２１２、第２グラウンド板２１３、及び、第２制御部２１４を備えている。
【００４３】
第２共振器２１１、第２入出力線路２１２、及び、第２グラウンド板２１３は、第１共振器１１１、第１入出力線路１１２、及び、第１グラウンド板１１３と同様の構成を有している。
【００４４】
第２共振器２１１は、閉曲線線路の一部に開放部２１１ａを有する構造を呈している。第２共振器２１１は、例えば、開放部２１１ａを有するリング状の金属板にて構成されている。第２共振器２１１のオープンリングのリング長さは、例えば、電位差の最大となる両端が近接するように、送受する高周波電力の波長の１／２の長さ程度に設定される。尚、第１共振器１１１と第２共振器２１１とは、典型的には、同一の共振周波数を有するように、略同一サイズの共振器が用いられる。
【００４５】
第２共振器２１１は、第２入出力線路２１２と電気的に接続するように配設され、発振器２２０から送出される高周波電力を、第２入出力線路２１２を介して取得する。第２共振器２１１は、例えば、当該第２共振器２１１の下面側において、第２入出力線路２１２の電極部２１２ａと電気接続するように配設されている。
【００４６】
第２共振器２１１が第２入出力線路２１２の電極部２１２ａと電気接続する位置は、第２共振器２１１と第２入出力線路２１２とがインピーダンス整合するように適宜な位置に設定されている（図５、図６を参照して後述）。以下では、第２共振器２１１が電極部２１２ａと電気接続する位置を、平面視において、第２共振器２１１の中心点Ｂ０と第２共振器２１１に電極部２１２ａが電気接続する位置Ｂ２とを結ぶ線と、第２共振器２１１の中心点Ｂ０と第２共振器２１１の長手方向の中心位置Ｂ１とを結ぶ線との間のなす角度（即ち、位置Ｂ２と位置Ｂ１との間の第２共振器２１１の周方向における角度差）∠Ｂ１Ｂ０Ｂ２により規定する（以下、「ポート角度φＢ」と称する）。尚、ポート角度φＢは、典型的には、ポート角度φＡと略同一の角度（ここでは、略２８°）に設定される。
【００４７】
尚、第２共振器２１１は、第１共振器１１１と同様に、当該第２共振器２１１の側面において、当該第２共振器２１１の長手方向の中心位置（即ち、周方向の中心位置）から、当該第２共振器２１１の中心点Ｂ０に向けて突出する突起部（図示せず）を有する。そして、第２共振器２１１は、当該突起部に、上下方向に延在するように挿通された支持棒２１１Ｓにて支持されている。
【００４８】
第２共振器２１１は、自身の下方側（マイナスＺ方向）に配設された第２グラウンド板２１３と対向する位置に、第２グラウンド板２１３から離間して配設されている。そして、第２共振器２１１は、第２グラウンド板２１３の上面から上方に向かって延在する支持棒２１１Ｓにて支持されている。
【００４９】
第２入出力線路２１２は、発振器２２０から受信した高周波電力を、第２共振器２１１に送出する。第２入出力線路２１２は、例えば、第２共振器２１１と発振器２２０とを電気接続するように、上下方向に延在する同軸線路により構成されている。第２入出力線路２１２は、第２グラウンド板２１３の下方側に配設された発振器２２０が形成された回路基板（図示せず）の下面から、第２グラウンド板２１３に形成された貫通穴を挿通して、第２共振器２１１の上面の直上まで延在している。尚、第２入出力線路２１２は、典型的には、所定の特性インピーダンス（例えば、５０Ω）となるように調整されている。
【００５０】
第２入出力線路２１２は、上方側の先端位置に、電極部２１２ａを有し、当該電極部２１２ａが、第２共振器２１１の上面側と対向するように配設されている。即ち、第２入出力線路２１２は、電極部２１２ａを介して、第２共振器２１１と電気的に接続する。電極部２１２ａは、例えば、第２入出力線路２１２を構成する同軸線路の中心導体に接続された板状電極である。電極部２１２ａは、例えば、第２共振器２１１の下面と対向する位置に離間して配設され、容量結合によって、第２共振器２１１と電気接続する。尚、電極部２１２ａの形状は、任意であるが、例えば、平面視で円形状を呈している。
【００５１】
第２グラウンド板２１３は、第２共振器２１１の下方（マイナスＺ方向）に、第２共振器２１１と対向して、配設されている。
【００５２】
第２制御部２１４は、第１制御部１１４と通信し、第１共振器１１１と第２共振器２１１とが対向して配設されているときに、発振器２２０に対して、電力伝送の実行指令等を行う。
【００５３】
尚、第２制御部２１４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを中心に構成され、これに加えて、第１制御部１１４と無線通信するための通信コントローラ等を有している。
【００５４】
電力伝送装置Ｕにおいて、電力伝送の際には、第１共振器１１１と第２共振器２１１とは、平面視で、互いの内径が重なるように（典型的には、第１共振器１１１の中心点Ａ０と第２共振器２１１の中心点Ｂ０とが重なるように）、対向して配される（図４を参照）。尚、第１共振器１１１と第２共振器２１１とは、空間、誘電体材料、又はこれらの両方を介して、対向するように配設される。
【００５５】
この際、第１共振器１１１と第２共振器２１１とは、平面視で、第１共振器１１１の開放部１１１ａと中心点Ａ０とを結ぶ線と、第２共振器２１１の開放部２１１ａと中心点Ｂ０とを結ぶ線との間のなす角度（即ち、第１共振器１１１の開放部１１１ａと第２共振器２１１の開放部２１１ａとの間のリングの周方向における角度差）（図４の角度α）が、例えば、９０°以上、より好適には１８０°の角度を有するように配設される。
【００５６】
尚、以下では、第１共振器１１１と第２共振器２１１との位置関係を規定するため、平面視における、第１共振器１１１における開放部１１１ａと中心点Ａ０とを結ぶ線と、第２共振器２１１における開放部２１１ａと中心点Ｂ０とを結ぶ線との間のなす角度を、「リング間角度α」と称する。又、第１共振器１１１と第２共振器２１１との間の高さ方向（±Ｚ方向）の距離を、「共振器間距離Ｚｗ」と称する。
【００５７】
［電力伝送装置のリング間角度の調整機能について］
図５〜図１１を参照して、本実施形態に係る電力伝送装置Ｕが有する第１共振器１１１と第２共振器２１１との間のリング間角度αを調整する機能について、説明する。
【００５８】
図５〜図１０は、各種条件にて、第１共振装置１１０から第２共振装置２１０に対して高周波電力を送出した際に観察される伝送効率（即ち、透過率Ｓ２１）を、電磁界解析シミュレーションによってシミュレーションした結果である。
【００５９】
尚、各シミュレーションでは、第１共振器１１１及び第２共振器２１１として、例えば、９２０ＭＨｚに共振周波数（後述する基本モード周波数ｆ０）を有するように構成された内径２７ｍｍ、外径７４ｍｍのオープンリング共振器を用いている。
【００６０】
以下では、第１共振器１１１に対する第１入出力線路１１２のポート角度φＡと、第２共振器２１１に対する第２入出力線路２１２のポート角度φＢとは、同一の角度に設定するものとして、ポート角度φＡとポート角度φＢを特に区別しない場合には、「ポート角度φ」と称する。又、第１共振器１１１と第２共振器２１１とを特に区別しない場合には、「共振器１１１、２１１」と総称する。第１入出力線路１１２と第２入出力線路２１２とを特に区別しない場合には、「入出力線路１１２、２１２」と総称する。
【００６１】
一般に、２つの共振器（ここでは、共振器１１１、２１１）の間で高周波電力の授受を行う際の透過率に係る周波数特性は、２つの共振器が近接している場合には、２つの共振器間での電磁的な相互作用により、共振器固有の共振周波数ｆ０（以下、基本モード周波数ｆ０と称する）から、高周波側の共振周波数ｆ１及び低周波側の共振周波数ｆ２の２つに分離したものとなる（図５及び図６を参照）。そして、二つの共振器が強く結合するほど、高周波側の共振周波数ｆ１及び低周波側の共振周波数ｆ２は、それぞれ、基本モード周波数ｆ０から離れる側へシフトする。
【００６２】
このとき、２つの共振器間の電磁結合の強度は、一般に、結合係数ｋとして以下の式（１）のように表される。
【数１】
0006729919.tif 000002
【００６３】
但し、この高周波側の共振周波数ｆ１から低周波側の共振周波数ｆ２の間の帯域内では、必ずしも均一な伝送効率（透過率）が実現されるわけではなく、２つの共振器間における電磁結合の状態によっては、当該周波数帯域の中間領域の伝送効率が低下する（双峰型の周波数特性と称される）。
【００６４】
この種の電力伝送装置においては、通常、基本モード周波数ｆ０を用いて電力伝送を実行する構成となっているため、双峰型の周波数特性の状態にて、電力伝送を実行すると、伝送効率が低下することになってしまう。又、例えば、広帯域に亘って高い伝送効率を示す周波数特性が得られれば、共振器の使用環境が変化して、分離した高周波側の共振周波数及び低周波側の共振周波数がシフトした態様でも、高い伝送効率で電力伝送を実行することができる。
【００６５】
一般に、共振器には蓄積エネルギーと損失の関係で決まる内部Ｑ値（ここでは、Ｑｕと表す）が存在するが、２つの共振器間の伝送効率の最大値ηmaxは、結合係数ｋと内部Ｑ値の積であるｋＱｕ積で規定されることが知られている（例えば、非特許文献２を参照）。この理論によれば、ｋＱｕ積は、式（２）で表され、当該共振器にて実現できる最大の伝送効率ηmaxは、式（３）で表される。尚、これらの値は、実測やシミュレーション等を用いて、Ｓパラメータから計算することができる。
【数２】
0006729919.tif 000003
【数３】
0006729919.tif 000004
【００６６】
但し、最大の伝送効率ηmaxを実現し得るか否かは、共振器と入出力線路のインピーダンス整合によって決まる。
【００６７】
非特許文献１によれば、オープンリング共振器においては、帯域中心周波数でも伝送効率低下（即ち、周波数特性が双峰型とならない）が起きないバターワース型（最大平坦型とも称される）の伝送特性を得るためのインピーダンス整合は、共振器に入出力線路を接続するポート角度（ここでは、共振器１１１、２１１に対して入出力線路１１２、２１２の電極部１１２ａ、２１２ａを電気接続する位置を規定するポート角度φ）で調整することが可能である。具体的には、非特許文献１によれば、オープンリング共振器においては、２つに分離した共振周波数ｆ１、ｆ２間でバターワース型の周波数特性を持たせるためには、結合係数のｋ値と共振器の外部Ｑ値（ここでは、Ｑｅと表す）との間に、以下の式（４）の関係が成立することが必要とされる。
【数４】
0006729919.tif 000005
【００６８】
又、非特許文献１によれば、オープンリング共振器の外部Ｑ値は、以下の式（５）のように表され、当該外部Ｑ値は、共振器に入出力線路を接続するポート角度の調整によって変更可能である。
【数５】
0006729919.tif 000006
【００６９】
外部Ｑ値は、共振器本体と入出力線路の結合の強さを示すパラメータである。式（５）から、ポート角度を大きくするほど、入力インピーダンスのリアクタンス成分が小さくなり、外部Ｑ値は小さくなる。一方、ポート角度を０°に近づけるほど、入力インピーダンスのリアクタンス成分が大きくなり、外部Ｑ値は大きくなる。
【００７０】
式（４）で基準とされるｋＱｅ積は、２つの共振器間の電磁結合の状態（即ち、結合係数ｋ）、及び、入出力線路と共振器との間の結合状態（即ち、外部Ｑ値）を考慮した場合における、電力伝送の円滑度合いを示す指標である。ｋＱｅ＝１の状態（式（４）に示す状態）は、送電側から受電側への電力伝送が最も円滑に行われる状態であり、ｋＱｅ＞１の状態は、共振器に電磁エネルギーが過剰に蓄積する状態であり、ｋＱｅ＜１の状態は、共振器間の電力伝送に比べ共振器から入出力線路への電磁エネルギーの供給放出が過大な状態であると推察されている。
【００７１】
図５は、本実施形態に係る電力伝送装置Ｕにおける、ポート角度φ（共振器１１１、２１１への入出力線路１１２、２１２の接続位置）と伝送効率の関係の一例を示す図である。
【００７２】
図５の各グラフは、以下の態様における伝送効率を表す。
点線：ポート角度φ＝２８°における伝送効率
実線：ポート角度φ＝４０°における伝送効率
一点鎖線：ポート角度φ＝５２°における伝送効率
尚、ここでは、共振器間距離ＺＷを３２ｍｍに設定している。
【００７３】
図５においては、ポート角度φ＝４０°が、バターワース型の周波数特性を示す適正なポート角度であり、中心周波数（共振器１１１、２１１の基本モード周波数ｆ０）の９２０ＭＨｚ付近でほぼ平坦な伝送効率を示す。この状態が、式（４）に示すｋＱｅ＝１の状態に相当する。一方、ポート角度φを４０°より小さい２８°とすると、外部Ｑ値が増大し、その結果、ｋＱｅ＞１となる。この場合、伝送効率の周波数特性は双峰型になる。このとき、中心周波数付近における伝送効率は、谷間の底となり、目標とする周波数での伝送効率は低下することになる。他方、ポート角度φを４０°よりも大きい５２°とした場合、外部Ｑ値は低下し、ｋＱｅ＜１となる。この場合の伝送特性は単峰型で、中心周波数付近にあるピークの伝送効率も低下する。
【００７４】
尚、一般に、オープンリング共振器においては、ポート角度φにより決まる外部ＱがＱｅ＝１／ｋを満たすときにインピーダンス整合の整合条件を完全に充足する。本実施形態に係る電力伝送装置Ｕにおいては、ポート角度φ＝４０°がインピーダンス整合の整合条件を完全に充足するポート角度である。しかし、それが最適の位置関係で実現したとしていると、リング位置がそれからずれた場合は、ｋ値は下がるのみである。その結果、１／ｋが上昇し、Ｑｅが過小な値となり伝送効率の低下が起きる。そこで、あらかじめポート角度φを小さく設定して（この場合は２８°）Ｑｅを最適状態より高めに設定する。一方で、リング間角度αを最大効率の１８０度からずらしておくことでｋ値をさげ、Ｑｅ＝１／ｋを実現させる。リングの位置関係が最適条件からずれれば、ｋ値はさらに下がるが、リング間角度αを１８０度方向に戻すことでｋ値を上げることができ、Ｑｅ＝１／ｋを維持することができる。
【００７５】
図６は、本実施形態に係る電力伝送装置Ｕにおける、共振器間距離ＺＷ（±Ｚ方向における第１共振器１１１と第２共振器２１１の間の距離）と伝送効率の関係の一例を示す図である。
【００７６】
図６の各グラフは、以下の態様における伝送効率を表す。
点線グラフ：共振器間距離ＺＷ＝２２ｍｍにおける伝送効率
実線グラフ：共振器間距離ＺＷ＝３２ｍｍにおける伝送効率
一点鎖線グラフ：共振器間距離ＺＷ＝４２ｍｍにおける伝送効率
尚、ここでは、ポート角度φを４０°に設定している。
【００７７】
共振器間距離ＺＷが３２ｍｍの場合、図５の実線と同様の条件となるため、ｋＱｅ＝１である。一方、共振器間距離ＺＷが２２ｍｍの場合、結合係数ｋは上昇し、ｋＱｅ＞１となる。その結果、周波数特性は双峰型になり、結合係数ｋが上がっているにもかかわらず、中心周波数付近の伝送効率は低下する。他方、共振器間距離ＺＷが４２ｍｍの場合、結合係数ｋが減少して、ｋＱｅ＜１となり、伝送特性は単峰型となり、中心周波数を含む全域での領域での効率が低下する。
【００７８】
このように、いずれにしても、ｋＱｅ＝１で周波数特性がバターワース型になり、中心周波数（基本モード周波数ｆ０）での効率が最大となる。そして、ｋＱｅ＜１の場合には、周波数特性が単峰型となり、ピークの伝送効率が下がる。一方、ｋＱｅ＞１の場合には、周波数特性が双峰型となり、基本モード周波数ｆ０の高周波側の共振周波数ｆ１及び低周波側の共振周波数ｆ２においては伝送効率は高いが、基本モード周波数ｆ０においては伝送効率は低下する。すなわち、ｋＱｅ＝１で伝送効率は最大であり、それが大きくなっても、小さくなっても、中心周波数（即ち、電力伝送を実施する際の送信周波数）における伝送効率は低下する。
【００７９】
但し、ポート角度φや共振器間距離ＺＷは、実際には、変更が困難又は煩雑な場合も多い。そこで、本実施形態に係る電力伝送装置Ｕにおいては、第１共振器１１１と第２共振器２１１との間の共振器間距離ＺＷの変化や、第１共振器１１１と第２共振器２１１との間の位置ずれが起きた際、リング間角度α（第１共振器１１１の開放部１１１ａと第２共振器２１１の開放部２１１ａとの間のリングの周方向における角度差）を変更することで、ｋＱｅ＝１の状態を維持する。
【００８０】
図７は、本実施形態に係る電力伝送装置Ｕにおける、リング間角度αとｋＱｕ積の関係の一例を示す図である。
【００８１】
通常、共振器のＱｕ値はリング間角度αには依拠しないため、図７は、リング間角度αに依拠したｋ値の変化を示している。結合係数ｋは、図７に示すように、リング間角度αが０°の場合に最小となり、リング間角度αを大きくするほど増大する。そして、結合係数ｋは、リング間角度αが１８０°の場合に最大となる。これは、リング間角度αが１８０°の場合には、磁界の共振及び電界の共振の両方が、第１共振器１１１と第２共振器２１１の間で同相となり、共鳴が最も強くなるためであると推察されている。
【００８２】
このように、図７から、第１共振器１１１と第２共振器２１１との間の共振器間距離ＺＷの変化や、第１共振器１１１と第２共振器２１１との間の位置ずれが起きた際にも、リング間角度αを調整することによって、結合係数ｋを調整することができることが分かる。即ち、リング間角度αを調整することによって、ｋＱｅ＝１の状態に調整することが可能である。
【００８３】
図８は、本実施形態に係る電力伝送装置Ｕにおいて、共振器間距離ＺＷの変化に対応するために、リング間角度αを調整した場合に検出される伝送効率の挙動を示す図である。
【００８４】
尚、このシミュレーションでは、本実施形態に係る電力伝送装置Ｕにおいて、平面視における第１共振器１１１の中心点Ａ０と第２共振器２１１の中心点Ｂ０を一致させた状態で、共振器間距離ＺＷを変化させた場合の伝送効率を算出している。このシミュレーションでは、共振器１１１、２１１の基本モード周波数ｆ０に相当する９２０ＭＨｚの高周波電力を用いている。
【００８５】
図８中の各グラフは、以下を示す。
実線グラフ：ポート角度φを４０°に設定し、リング間角度αを１８０°に設定した場合の伝送効率
点線グラフ：ポート角度φを２８°に設定し、リング間角度αを１８０°から１５°まで変化させた場合の伝送効率（点線グラフＬ１：α＝１８０°、点線グラフＬ２：α＝１５０°、点線グラフＬ３：α＝１２０°、点線グラフＬ４：α＝９０°、点線グラフＬ５：α＝６０°、点線グラフＬ６：α＝３０°、点線グラフＬ７：α＝１５°）
ドットグラフ：各点線グラフＬ１〜Ｌ７の伝送効率のピーク値を結んだグラフ
【００８６】
図８中において、横軸は、共振器間距離ＺＷ［ｍｍ］を表し、縦軸は、伝送効率を表す。
【００８７】
点線グラフＬ１を見ると分かるように、ポート角度φが２８°（本実施形態に係る共振器１１１、２１１に設定されたポート角度φに相当する）及びリング間角度α＝１８０°の条件においては、共振器間距離ＺＷ＝４４ｍｍのときに、９５％の伝送効率を実現できる。これは、ポート角度φが２８°の場合、リング間角度α＝１８０°、共振器間距離ＺＷ＝４４ｍｍのときに、ｋＱｅ＝１の状態が成立しているためである。しかしながら、ポート角度φ＝２８°及びリング間角度α＝１８０°の条件においては、共振器間距離ＺＷが４４ｍｍから小さくなるにつれて、伝送効率が低下する。これは、この条件においては、共振器間距離ＺＷが小さくなるにつれて、結合係数ｋが増大し、ｋＱｅ＞１の状態に変化し、周波数特性が双峰型に変化し、中心の周波数では効率が低下するためである。
【００８８】
この点、各点線グラフＬ１〜Ｌ７に着目すると、リング間角度αが小さくなるにつれて、９５％の伝送効率を得られる共振器間距離ＺＷも小さくなることが分かる。具体的には、９５％の伝送効率を得られる共振器間距離ＺＷは、リング間角度αに対応して以下のように変化する。
リング間角度α＝１８０°（点線グラフＬ１）：共振器間距離ＺＷ＝４４ｍｍ
リング間角度α＝１５０°（点線グラフＬ２）：共振器間距離ＺＷ＝４２ｍｍ
リング間角度α＝１２０°（点線グラフＬ３）：共振器間距離ＺＷ＝４０ｍｍ
リング間角度α＝９０°（点線グラフＬ４）：共振器間距離ＺＷ＝３５ｍｍ
リング間角度α＝６０°（点線グラフＬ５）：共振器間距離ＺＷ＝３２ｍｍ
リング間角度α＝３０°（点線グラフＬ６）：共振器間距離ＺＷ＝２３ｍｍ
リング間角度α＝１５°（点線グラフＬ７）：共振器間距離ＺＷ＝１２ｍｍ
【００８９】
これは、リング間角度αが小さくなるにつれて、結合係数ｋが低下し、共振器間距離ＺＷが小さくなることによる結合係数ｋの増大を打ち消すように作用して、ｋＱｅ＝１の状態を維持することができるためである。つまり、リング間角度αを変化させることで、共振器間距離ＺＷ：１２ｍｍ〜４４ｍｍの範囲において、９５％の伝送効率を実現することができることが分かる。
【００９０】
一方、仮に、ポート角度φを４０°に設定した場合、インピーダンス整合の整合条件を最も充足するため、共振器間距離ＺＷ＝３２ｍｍの場合に、９７％以上の高い伝送効率が得られる（実線グラフを参照）。但し、実線グラフを見ると分かるように、伝送効率が９５％以上の領域は、共振器間距離ＺＷが２８ｍｍから３４ｍｍのわずか６ｍｍの範囲のみとなっている。
【００９１】
つまり、ポート角度φを、最も整合条件を充足するポート角度（ここでは、φ＝４０°）よりも小さい値（ここでは、φ＝２８°）に設定し、且つ、リング間角度αの調整を行うことで、９５％の伝送効率を実現し得る共振器間距離ＺＷの範囲は、リング間角度αを固定した場合に９５％の伝送効率を実現し得る共振器間距離ＺＷの範囲よりも５倍以上拡大する。
【００９２】
図９は、本実施形態に係る電力伝送装置Ｕにおいて、±Ｘ方向における位置ずれに対応するために、リング間角度αを調整した場合に検出される伝送効率の挙動を示す図である。
【００９３】
図９中の各グラフは、以下を示す。
実線グラフ：ポート角度φを４０°に設定し、リング間角度αを１８０°に設定した場合の伝送効率
点線グラフ：ポート角度φを２８°に設定し、リング間角度αを１８０°から１５°まで変化させた場合の伝送効率（点線グラフＬ１１：α＝１８０°、点線グラフＬ１２：α＝１５０°、点線グラフＬ１３：α＝１２０°、点線グラフＬ１４：α＝９０°、点線グラフＬ１５：α＝６０°、点線グラフＬ１６：α＝３０°）
ドットグラフ：各点線グラフＬ１１〜Ｌ１６の伝送効率のピーク値を結んだグラフ
【００９４】
図９中において、横軸は、リング間角度αが１８０°の状態からの±Ｘ方向における位置ずれ量（以下、横ずれ量ΔＸと称する）［ｍｍ］を表し、縦軸は、伝送効率［％］を表す。横軸の０点は、共振器１１１の中心点Ａ０と共振器２１１の中心点Ｂ０が重なる位置を表し、プラスＸ方向が、開放部１１１ａと開放部２１１ａとが重なる方向へのずれ量を表す。尚、共振器間距離ＺＷは、３２ｍｍに設定されている。
【００９５】
点線グラフＬ１１を見ると分かるように、ポート角度φが２８°（本実施形態に係る共振器１１１、２１１に設定されたポート角度φに相当する）及びリング間角度α＝１８０°の条件においては、横ずれ量ΔＸ＝５０ｍｍのときに、９５％の伝送効率を実現でき、横ずれ量ΔＸが５０ｍｍから小さくなるにつれて、伝送効率も低下する。これは、ポート角度φが２８°の場合、リング間角度α＝１８０°、横ずれ量ΔＸ＝５０ｍｍのときに、ｋＱｅ＝１の状態が成立し、横ずれ量ΔＸが５０ｍｍよりも小さくなるにつれて、結合係数ｋが増大し、ｋＱｅ＞１の状態に変化し、伝送特性が双峰型に変化するためである。
【００９６】
この点、各点線グラフＬ１１〜Ｌ１６に着目すると、リング間角度αが小さくなるにつれて、９５％の伝送効率を得られる横ずれ量ΔＸも小さくなることが分かる。具体的には、９５％の伝送効率を得られる横ずれ量ΔＸは、リング間角度αに対応して以下のように変化する。
リング間角度α＝１８０°（点線グラフＬ１１）：横ずれ量ΔＸ＝５０ｍｍ
リング間角度α＝１５０°（点線グラフＬ１２）：横ずれ量ΔＸ＝４０ｍｍ
リング間角度α＝１２０°（点線グラフＬ１３）：横ずれ量ΔＸ＝３０ｍｍ
リング間角度α＝９０°（点線グラフＬ１４）：横ずれ量ΔＸ＝２０ｍｍ
リング間角度α＝６０°（点線グラフＬ１５）：横ずれ量ΔＸ＝０ｍｍ
【００９７】
これは、リング間角度αが小さくなるにつれて、結合係数ｋが低下し、横ずれ量ΔＸが小さくなることによる結合係数ｋの増大を打ち消すように作用して、ｋＱｅ＝１の状態を維持することができるためである。つまり、リング間角度αを変化させることで、横ずれ量ΔＸが−２０ｍｍ〜＋５２ｍｍの範囲で、９５％の伝送効率を維持することができることが分かる。
【００９８】
一方、仮に、ポート角度φを４０°に設定した場合、インピーダンス整合の整合条件を最も充足するため、横ずれ量ΔＸが小さいときには、９７％以上の高い伝送効率が得られる（実線グラフを参照）。但し、実線グラフを見ると分かるように、伝送効率が９５％以上の領域は、横ずれ量ΔＸが−６ｍｍ〜＋２８ｍｍのわずか３４ｍｍの範囲のみとなっている。
【００９９】
つまり、ポート角度φを、最も整合条件を充足するポート角度（ここでは、φ＝４０°）よりも小さい値（ここでは、φ＝２８°）に設定し、且つ、リング間角度αの調整を行うことで、９５％の伝送効率を実現し得る横ずれ量ΔＸの範囲は、リング間角度αを固定した場合に９５％の伝送効率を実現し得る横ずれ量ΔＸの範囲よりも２倍以上拡大する。
【０１００】
尚、図９の各グラフにおいて、高い伝送効率が得られる横ずれ量ΔＸが、プラスＸ方向の横ずれ量ΔＸの方がマイナスＸ方向の横ずれ量ΔＸよりも大きくなっているのは、共振器１１１の開放部１１１ａと共振器２１１の開放部２１１ａとが重なる方向へのずれは、結合係数ｋが高く保たれるためである。
【０１０１】
図１０は、本実施形態に係る電力伝送装置Ｕにおいて、±Ｙ方向における位置ずれに対応するために、リング間角度αを調整した場合に検出される伝送効率の挙動を示す図である。
【０１０２】
図１０中の各グラフは、以下を示す。
実線グラフ：ポート角度φを４０°に設定し、リング間角度αを１８０°に設定した場合の伝送効率
点線グラフ：ポート角度φを２８°に設定し、リング間角度αを１８０°から６０まで変化させた場合の伝送効率（点線グラフＬ２１：α＝１８０°、点線グラフＬ２２：α＝１５０°、点線グラフＬ２３：α＝１２０°、点線グラフＬ２４：α＝９０°、点線グラフＬ２５：α＝６０°）
ドットグラフ：各点線グラフＬ２１〜Ｌ２５の伝送効率のピーク値を結んだグラフ
【０１０３】
図１０中において、横軸は、±Ｙ方向における位置ずれ量（以下、縦ずれ量ΔＹと称する）［ｍｍ］を表し、縦軸は、伝送効率［％］を表す。横軸の０点は、共振器１１１の中心点Ａ０と共振器２１１の中心点Ｂ０が重なる位置を表す。尚、±Ｙ方向における位置ずれは、プラスＹ方向とマイナスＹ方向とで対称であるため、ここでは、プラスＹ方向への位置ずれのみを示している。尚、リング間角度αは、１８０°に設定されている。又、共振器間距離ＺＷは、３２ｍｍに設定されている。
【０１０４】
点線グラフＬ２１を見ると分かるように、ポート角度φが２８°（本実施形態に係る共振器１１１、２１１に設定されたポート角度φに相当する）及びリング間角度α＝１８０°の条件においては、縦ずれ量ΔＹ＝２０ｍｍのときに、９５％の伝送効率を実現でき、縦ずれ量ΔＹが２０ｍｍから小さくなるにつれて、伝送効率も低下する。これは、ポート角度φが２８°の場合、リング間角度α＝１８０°、縦ずれ量ΔＹ＝２０ｍｍのときに、ｋＱｅ＝１の状態が成立し、縦ずれ量ΔＹが２０ｍｍよりも小さくなるにつれて、結合係数ｋが増大し、ｋＱｅ＞１の状態に変化し、伝送特性が双峰型に変化するためである。
【０１０５】
この点、各点線グラフＬ２１〜Ｌ２５に着目すると、リング間角度αが小さくなるにつれて、９５％の伝送効率を得られる縦ずれ量ΔＹも小さくなることが分かる。具体的には、９５％の伝送効率を得られる縦ずれ量ΔＹは、リング間角度αに対応して以下のように変化する。
リング間角度α＝１８０°（点線グラフＬ２１）：縦ずれ量ΔＹ＝２０ｍｍ
リング間角度α＝１５０°（点線グラフＬ２２）：縦ずれ量ΔＹ＝１８ｍｍ
リング間角度α＝１２０°（点線グラフＬ２３）：縦ずれ量ΔＹ＝１７ｍｍ
リング間角度α＝９０°（点線グラフＬ２４）：縦ずれ量ΔＹ＝１６ｍｍ
リング間角度α＝６０°（点線グラフＬ２５）：縦ずれ量ΔＹ＝１５ｍｍ
【０１０６】
これは、リング間角度αが小さくなるにつれて、結合係数ｋが低下し、縦ずれ量ΔＹが小さくなることによる結合係数ｋの増大を打ち消すように作用して、ｋＱｅ＝１の状態を維持することができるためである。つまり、リング間角度αを変化させることで、縦ずれ量ΔＹが−２２ｍｍ〜＋２２ｍｍの範囲で、９５％の伝送効率を維持することができることが分かる。
【０１０７】
一方、仮に、ポート角度φを４０°に設定した場合、インピーダンス整合の整合条件を最も充足するため、縦ずれ量ΔＹが小さいときには、９７％以上の高い伝送効率が得られる（実線グラフを参照）。但し、実線グラフを見ると分かるように、伝送効率が９５％以上の領域は、縦ずれ量ΔＹが−１０ｍｍ〜＋１０ｍｍのわずか２０ｍｍの範囲のみとなっている。
【０１０８】
つまり、ポート角度φを、最も整合条件を充足するポート角度（ここでは、φ＝４０°）よりも小さい値（ここでは、φ＝２８°）に設定し、且つ、リング間角度αの調整を行うことで、９５％の伝送効率を実現し得る縦ずれ量ΔＹの範囲は、リング間角度αを固定した場合に９５％の伝送効率を実現し得る縦ずれ量ΔＹの範囲よりも２倍以上拡大する。
【０１０９】
図１１は、本実施形態に係る電力伝送装置Ｕの動作を示すフローチャートである。図１１に示すフローチャートは、例えば、第１制御部１１４が、第２制御部２１４と協働して、コンピュータプログラムに従って順番に実行する処理である。
【０１１０】
ステップＳ１において、第１制御部１１４は、第２制御部２１４に対して指令して、第１電力値にて、第２共振器２１１から第１共振器１１１に対して電力伝送を実行させる。このとき、第２制御部２１４は、第１制御部１１４からの指令に応じて、発振器２２０を制御して、電力伝送を実行する。
【０１１１】
尚、このステップＳ１は、高い伝送効率を確保し得るリング間角度αを特定するための試験的な電力伝送である。そのため、このステップＳ１で指定される第１電力値は、ステップＳ５の本実施に係る電力伝送の場合の電力値（第２電力値）よりも、低い電力値に設定されている。
【０１１２】
ステップＳ２において、第１制御部１１４は、伝送効率を測定する。このとき、第１制御部１１４は、例えば、電流センサ１１４ａからの検出信号に基づいて、第２共振器２１１から第１共振器１１１に伝送された電力値を検出する。そして、第１制御部１１４は、検出された電力値と、第２制御部２１４に対して指令した第１電力値との比較により、伝送効率を測定する。
【０１１３】
ステップＳ３において、第１制御部１１４は、ステップＳ２で測定された伝送効率が、閾値（例えば、９５％）よりも大きいか否かを判定する。そして、ステップＳ２で測定された伝送効率が、閾値よりも大きい場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、ステップＳ５に処理を進め、閾値以下の場合（ステップＳ３：ＮＯ）、ステップＳ４に処理を進める。
【０１１４】
尚、このステップＳ３において、第１制御部１１４は、伝送効率に代えて、検出された第２共振器２１１から第１共振器１１１へ伝送された電力の電力値を基準として、判定を行ってもよい。
【０１１５】
ステップＳ４において、第１制御部１１４は、駆動部１１５を制御して、第１共振器１１１を、所定角度（例えば、１°）だけ、当該第１共振器１１１の周方向に回転させる。そして、第１制御部１１４は、ステップＳ１に戻って、再び、電力伝送及び伝送効率の測定を実行する。そして、このＳ１〜Ｓ４の処理を繰り返し実行することで、高い伝送効率を確保し得るリング間角度αを特定する。
【０１１６】
ステップＳ５において、第１制御部１１４は、第２制御部２１４に対して指令して、第２電力値にて、第２共振器２１１から第１共振器１１１に対して電力伝送を実行させる。尚、このステップＳ５は、本実施に係る電力伝送に相当する。
【０１１７】
ステップＳ６において、第１制御部１１４は、電力伝送を終了する条件を充足するか否かを判定することを待ち受ける（Ｓ６：ＮＯ）。そして、終了条件を充足した場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、ステップＳ７に処理を進める。尚、第１制御部１１４は、例えば、電気負荷１３０であるバッテリが満充電の状態に到った場合、終了条件を充足したと判定する。
【０１１８】
ステップＳ７において、第１制御部１１４は、第２制御部２１４に対して電力伝送を終了するように指令する。
【０１１９】
電力伝送装置Ｕは、以上のような一連の処理によって、高い伝送効率にて、送電装置２００から受電装置１００に対して、電力伝送を実行することができる。
【０１２０】
［効果］
以上のように、本実施形態に係る共振装置１１０は、
閉曲線線路の一部が開放された構造を呈し、自身に対向して配された自身と相似形の他の共振器２１１との間で、電磁結合を利用して非接触で高周波電力の授受を行う共振器１１１と、
閉曲線線路が形成する面内で、共振器１１１を、当該共振器１１１の周方向に回転させる駆動部１１５と、
駆動部１１５を制御して共振器１１１の周方向における角度が互いに異なる複数の位置で共振器１１１と他の共振器２１１との間で高周波電力の授受を試験的に実行させ、共振器１１１の各位置で検出される共振器１１１と他の共振器２１１との一方から他方へ伝送された高周波電力の電力値に基づいて、高周波電力の授受を本実施する際の角度を設定する制御部１１４と、を備えている。
【０１２１】
従って、本実施形態に係る共振装置１１０によれば、２つの共振器１１１、２１１間の共振器間距離Ｚｗが基準距離から変化したり、２つの共振器１１１、２１１間に位置ずれが生じたりしているときにも、高い伝送効率を確保した状態で、電力伝送を実行することができる。
【０１２２】
（変形例）
上記実施形態では、第１制御部１１４によるリング間角度αの設定方法の一例として、伝送効率が閾値以上となるように、リング間角度αを特定する手法を示した。
【０１２３】
しかしながら、第１制御部１１４は、かかる手法に代えて、第１共振器１１１の周方向の全周の各位置において伝送効率を測定して、第１共振器１１１の周方向の各位置における伝送効率のプロファイルを生成し、伝送効率が最も高くなるようにリング間角度αを設定してもよい。
【０１２４】
かかる態様においては、第１制御部１１４は、例えば、第１共振器１１１の周方向の０°〜１８０°の間の各位置（例えば、１°間隔の各位置）における伝送効率を測定することで、伝送効率のプロファイルを生成する。そして、第１制御部１１４は、伝送効率のプロファイルに基づいて、伝送効率が最も高くなるようにリング間角度αを設定する。
【０１２５】
これによって、伝送効率が最大化された状態で、電力伝送を実行することが可能となる。
【０１２６】
（第２の実施形態）
次に、図１２を参照して、第２の実施形態に係る共振装置１１０、２１０について説明する。
【０１２７】
図１２は、第２の実施形態に係る共振器１１１、２１１の側面を拡大した図である。尚、本実施形態においても、共振器１１１と共振器２１１とは、同様の構成を有しており、以下では、共振器１１１の構成についてのみ説明する。
【０１２８】
本実施形態に係る共振器１１１、２１１は、金属層Ｌｓと絶縁層Ｌｔとが交互に積層された構造を有する点で、第１の実施形態と相違する。
【０１２９】
一般に、電力伝送装置において、伝送効率を下げる原因の一つは、共振器を形成する金属板の抵抗である。仮に、共振器を、低い抵抗率を持つ銅、アルミ、金などを用いて形成した場合であっても、その損失を無視することができない。とりわけ高周波となると表皮効果のため、表面の数μｍしか伝導に寄与せず、金属を厚くすることは効果が無い。
【０１３０】
この点、本実施形態に係る共振器１１１、２１１によれば、金属層Ｌｓと絶縁層Ｌｔとが交互に積層された構造を有するため、電力伝送実行時における伝送を担う表皮部分を金属層数分増大させることになる。これによって、電力伝送実行時における共振器１１１、２１１の抵抗を低抵抗化することが可能となる。
【０１３１】
図１３は、電磁界解析シミュレーションにより、多層構造の共振器（本実施形態に係る共振器に相当）を用いて電力伝送を実行した場合の伝送効率（実線グラフ）と単相構造の共振器を用いて電力伝送を実行した場合の伝送効率（点線グラフ）とを比較した図である。
【０１３２】
このシミュレーションでは、単相構造の共振器は、厚さ：１ｍｍ、抵抗：１×１０７Ｓ／ｍの金属板で形成されたものを用いている。多層構造の共振器は、厚さ：１８μｍ、抵抗：１×１０７Ｓ／ｍの金属板を４枚積層して形成されたものであり、各金属板の間には、厚さ：０．４ｍｍ、誘電率：２．１６の誘電体板が配設された構造を有する。尚、多層構造の共振器の金属板の総厚は、単相構造の共振器の金属板の厚さの１／１０以下である。
【０１３３】
シミュレーション結果によると、多層構造の共振器を用いることによって、単相構造の共振器を用いた場合と比較して、１％以上増大することが分かる。この結果は、金属単板の場合で、金属伝導率を約３．５倍にしたものと同等である。多層構造の共振器は、単純に枚数に比例して増えるわけではないが、単層構造の共振器よりは低抵抗となり、高伝送効率となる。
【０１３４】
尚、このような導体損は、共振器１１１、２１１におけるものが大部分を占めるが、グラウンド板１１３、２１３においても発生する。そのため、グラウンド板１１３、２１３にも適用することが望ましい。これによって、伝送効率の更なる向上を図ることができる。
【０１３５】
以上のように、本実施形態に係る共振装置１１０、２１０によれば、共振器１１１、２１１の抵抗を低抵抗化することが可能であり、これによって、伝送効率をより高効率にすることができる。
【０１３６】
（第３の実施形態）
次に、図１４、図１５を参照して、第３の実施形態に係る共振装置１１０、２１０について説明する。
【０１３７】
図１４は、第３の実施形態に係る共振装置１１０、２１０を側面から見た図である。図１５は、第３の実施形態に係る共振装置１１０を平面から見た図である。
【０１３８】
本実施形態に係る共振装置１１０は、同一の回路基板１１６内に、入出力線路１１２及び共振器１１１が構成されている点で、第１の実施形態に係る共振装置と相違する。
【０１３９】
本実施形態に係る回路基板１１６は、例えば、ＰＣＢ基板であり、整流回路１２０等が構成された基板である。そして、本実施形態に係る共振器１１１及び入出力線路１１２は、回路基板１１６の基板面に形成された導体パターンにより構成されている。又、回路基板１１６の裏面には、グラウンド板１１３が形成されている。
【０１４０】
本実施形態に係る入出力線路１１２は、例えば、マイクロストリップであり、第１の実施形態に係る共振装置１１０と同様に、所定のポート角度φの位置で、共振器１１１に接続されている。尚、回路基板１１６内には、入出力線路１１２と接続する垂直なビア配線等が設けられてもよい。
【０１４１】
本実施形態に係る駆動部１１５は、回路基板１１６の裏面の共振器１１１の中心点の位置において、回路基板１１６を支持している。そして、駆動部１１５は、共振器１１１の中心点を回転中心として、回路基板１１６をＸＹ面内で回転させ得るように構成されている。つまり、駆動部１１５は、回路基板１１６と共に共振器１１１を回転させて、これにより、共振器１１１の周方向における角度（即ち、リング間角度α）を調整する。
【０１４２】
尚、本実施形態に係る共振装置２１０は、共振装置１１０と同様の構成を有し、同一の回路基板２１６内に、入出力線路２１２及び共振器２１１が構成されている。
【０１４３】
本実施形態に係る共振装置１１０においても、第１の実施形態に係る共振装置１１０と同様に、２つの共振器１１１、２１１間のリング間角度αを調整することが可能である。そして、これによって、２つの共振器１１１、２１１間の共振器間距離Ｚｗが基準距離から変化したり、２つの共振器１１１、２１１間に位置ずれが生じたりしているときにも、高い伝送効率を確保した状態で、電力伝送を実行することができる。
【０１４４】
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限らず、種々に変形態様が考えられる。
【０１４５】
上記実施形態では、共振器１１１、２１１の形状の一例として、リング状の閉曲線線路の一部に開放部１１１ａ、２１１ａが形成された形状を示した。しかしながら、共振器１１１、２１１の形状は、種々に変形可能であり、例えば、一部に開放部１１１ａ、２１１ａが形成された略矩形状にループする形状であってもよい。又、共振器１１１、２１１のリング長は、高周波電力の波長の１／２の奇数倍の長さとしてもよい。
【０１４６】
又、上記実施形態では、共振器１１１と共振器２１１とが同一の形状を有する態様を示したが、共振器１１１と共振器２１１とが異なる形状とされてもよい。尚、共振器１１１と共振器２１１とが異なる形状の態様としては、例えば、リングサイズやリング幅等が挙げられる。かかる態様においては、共振器１１１のポート角度φＡと共振器２１１のポート角度φＢとを別個に調整可能とすればよい。
【０１４７】
又、上記実施形態では、入出力線路１１２、２１２の電極部１１２ａ、２１２ａの形状の一例として、円形状を示した。しかしながら、電極部１１２ａ、２１２ａの形状は、種々に変形可能であり、例えば、共振器１１１、２１１と相似形のオープンリング形状としてもよい。
【０１４８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
本開示に係る共振装置によれば、２つの共振器間の位置ずれに対応することができる。
【符号の説明】
【０１５０】
Ｕ  電力伝送装置
１００  受電装置
１１０  第１共振装置
１１１  第１共振器
１１１Ｓ  支持棒
１１１ａ  開放部
１１１ｂ  突起部
１１２  第１入出力線路
１１２ａ  電極部
１１３  第１グラウンド板
１１４  第１制御部
１１４ａ  電流センサ
１１５  駆動部
１１５ａ  歯車
１１６  回路基板
１２０  整流回路
１２０ａ  回路基板
１３０  電気負荷
２００  送電装置
２１０  第２共振装置
２１１  第２共振器
２１１Ｓ  支持棒
２１１ａ  開放部
２１２  第２入出力線路
２１２ａ  電極部
２１３  第２グラウンド板
２１４  第２制御部
２１６  回路基板
２２０  発振器
２３０  電源
Ｚｗ  共振器間距離
α  リング間角度
φ  ポート角度
【要約】
【課題】２つの共振器間の位置ずれに対応可能とする共振装置を提供すること。
【解決手段】閉曲線線路の一部が開放された構造を呈し、自身に対向して配された自身と相似形の他の共振器２１１との間で、電磁結合を利用して非接触で高周波電力の授受を行う共振器１１１と、閉曲線線路が形成する面内で、共振器１１１を、当該共振器１１１の周方向に回転させる駆動部１１５と、駆動部１１５を制御して共振器１１１の周方向における角度が互いに異なる複数の位置で共振器１１１と他の共振器２１１との間で高周波電力の授受を試験的に実行させ、共振器１１１の各位置で検出される共振器１１１と他の共振器２１１との一方から他方へ伝送された高周波電力の電力値に基づいて、高周波電力の授受を本実施する際の角度を設定する制御部１１４と、を備える共振装置。
【選択図】図２【図１】
0006729919.tif 000007
【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】
0006729919.tif 000015
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0006729919.tif 000019
【図１４】
0006729919.tif 000020
【図１５】
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