(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルを有する少なくとも１個の送電側共振器と、
該少なくとも１個の送電側共振器の励振を制御する送信側制御器と、
水が蓄えられており、前記少なくとも１個の送電側共振器の前記コイルの周りに配置されて前記コイルからの非放射電磁界の電界をシールドするシールド材と、
を備えてなることを特徴とするワイヤレス電力供給装置。
【請求項２】
請求項１に記載のワイヤレス電力供給装置において、
前記水は、水道水であることを特徴とするワイヤレス電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受電側装置に無線で電力供給を行い得るワイヤレス電力供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁界は、放射電磁界（電磁波）と非放射電磁界（エバネッセント場）に分類できる。非放射電磁界を用いて送電側装置から受電側装置に無線で電力を供給するワイヤレス電力供給システムには、結合共振器型、電磁誘導型、容量結合型などがある。この中で、結合共振器型のワイヤレス電力供給システムでは、送電側装置の送電側共振器と受電側装置の受電側共振器を非放射電磁界を介して共振させることにより電力を伝送することで、簡便な構成で伝送効率の高い電力供給を可能としている。
【０００３】
特許文献１〜３は、本願発明者が発明者の一人であり、それらには結合共振器型のワイヤレス電力供給システムに関する技術が記載されている。特許文献１には、送電側装置において２個の送電側共振器が互いに対向し一方にだけ交流電流が供給されており、受電側装置の受電側共振器はそれらの間に配置されるものが開示されている。互いに対向する２個の送電側共振器を用いることで、伝送効率を更に高めて受電側装置に電力供給を行うことができる。
【０００４】
また、特許文献２には、送電側装置からの非放射電磁界を屈折させて受電側装置に向けて誘導する誘電体又は磁性体の誘導器を備えるワイヤレス電力供給システムが開示されている。誘導器を用いることで、伝送効率を更に高めて受電側装置に電力供給を行うことができる。
【０００５】
また、特許文献３には、結合共振器型のワイヤレス電力供給システムを応用したものである遊泳体観賞装置が開示されている。この遊泳体観賞装置では、水槽に取り付けられた送電側装置から水槽内の受電側装置である遊泳体に非放射電磁界を用いて無線で電力を伝送する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−０３９６６５号公報
【特許文献２】特開２０１４−１９５３６４号公報
【特許文献３】特開２０１４−２２３２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、非放射電磁界は、人体への長期的な影響は未解明ではあるが、人体への影響の面からは小さくするのが望ましい。そのための対策として、送電側装置の周りの適宜箇所に非放射電磁界をシールドするシールド材を配置して、その外側の非放射電磁界が小さくなるようにすることが考えられる。そのシールド材としては、典型的には金属製の板が考えられるが、金属製の板は、その内側を隠してしまうことになり、また、接地しなければならない。
【０００８】
本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、ワイヤレス電力供給システムに用いられるワイヤレス電力供給装置（送電側装置）であって、内側を隠すことなく、接地しなくてもよいシールド材を備えるものを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載のワイヤレス電力供給装置は、コイルを有する少なくとも１個の送電側共振器と、該少なくとも１個の送電側共振器の励振を制御する送信側制御器と、水が蓄えられており、前記少なくとも１個の送電側共振器の前記コイルの周りに配置されて前記コイルからの非放射電磁界の電界をシールドするシールド材と、を備えてなることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載のワイヤレス電力供給装置は、請求項１に記載のワイヤレス電力供給装置において、前記水は、水道水であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のワイヤレス電力供給装置によれば、それに用いられるシールド材がその内側を隠すことなく、接地しなくてもよいようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るワイヤレス電力供給装置の構成を示す側面視断面図である。
【図２】同上のワイヤレス電力供給装置の送電側共振器を示す平面図であって、（ａ）はコイルが円形状、（ｂ）はコイルが矩形状である。
【図３】同上のワイヤレス電力供給装置が適用される遊泳体観賞装置を示す側面視断面図であって、（ａ）は送電側共振器が１個のもの、（ｂ）は送電側共振器が２個のものである。
【図４】第１のシミュレーションの構成を示す図であって、（ａ）は側面視断面図、（ｂ）は平面図である。
【図５】第１のシミュレーションにおける反射係数（Ｓ１１）を示す特性図である。
【図６】第１のシミュレーションにおいてシールド材の厚さを変えたときの電界エネルギー量の変化を示す特性図である。
【図７】第１のシミュレーションにおいて水槽とシールド材の間の距離を変えたときの電界エネルギー量の変化を示す特性図である。
【図８】第１のシミュレーションにおいてシールド材の水の導電率を変えたときの電界エネルギー量の変化を示す特性図である。
【図９】第２のシミュレーションの構成を示す側面視図であって、（ａ）はシールド材を水槽の短辺の側面側に配置したもの、（ｂ）はシールド材を水槽の上面側に配置したものである。
【図１０】第２のシミュレーションにおける反射係数（Ｓ１１）を示す特性図である。
【図１１】第２のシミュレーションにおいてシールド材を水槽の短辺の側面側に配置したときの電界分布を示す図であって、（ａ）が共振周波数３ＭＨｚ近傍のもの、（ｂ）が共振周波数３００ｋＨｚ近傍のものである。
【図１２】第２のシミュレーションにおいてシールド材を水槽の上面側に配置したときの電界分布を示す図であって、（ａ）が共振周波数３ＭＨｚ近傍のもの、（ｂ）が共振周波数３００ｋＨｚ近傍のものである。
【図１３】第２のシミュレーションにおいて水槽の近傍にシールド材を配置しない場合の電界分布を示す図であって、（ａ）が共振周波数３ＭＨｚ近傍のもの、（ｂ）が共振周波数３００ｋＨｚ近傍のものである。
【図１４】実験においてシールド材を水槽の短辺の側面側に配置したときのシールド材より外側の電界強度を示す図であって、（ａ）が共振周波数３ＭＨｚ近傍のもの、（ｂ）が共振周波数３００ｋＨｚ近傍のものである。
【図１５】実験においてシールド材を水槽の上面側に配置したときのシールド材より外側の電界強度を示す図であって、（ａ）が共振周波数３ＭＨｚ近傍のもの、（ｂ）が共振周波数３００ｋＨｚ近傍のものである。
【図１６】実験においてシールド材を水槽の上面側に配置したときのシールド材より外側の磁界強度を示す図であって、（ａ）が共振周波数３ＭＨｚ近傍のもの、（ｂ）が共振周波数３００ｋＨｚ近傍のものである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係るワイヤレス電力供給装置１は、図１に示すように、送電側共振器２と送信側制御器３とシールド材４とを備えている。
【００１４】
送電側共振器２は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、コイル２１を有している。コイル２１は、絶縁膜で被覆した電気導線が平面的にスパイラル状に巻かれたスパイラルコイルとすることができる。コイル２１は、図２（ａ）に示すような円形状、図２（ｂ）に示すような矩形状、又はその他の多角形状（例えば、六角形状）に巻かれたもの或いは更に複雑な形状に巻かれたものにすることができる。また、コイル２１には、両端（内端及び外端）の間にコンデンサ２２を接続して共振周波数を調整することができる。また、コイル２１は、絶縁膜で被覆した電気導線がソレノイド状に巻かれたソレノイドコイルとすることも可能である。
【００１５】
送信側制御器３は、送電側共振器２の励振を制御するものである。送信側制御器３は、詳細には、高周波電源３ａと結合ループ３ｂを有する（図１参照）。高周波電源３ａは、インピーダンスの変換を行う結合ループ３ｂを介して送電側共振器２を励振する。つまり、高周波電源３ａはその出力信号を結合ループ３ｂに出力し、結合ループ３ｂは送電側共振器２のコイル２１に電磁誘導結合している。結合ループ３ｂは、それを変形したり、他の公知のインピーダンス変換手段で置き換えたりすることも可能である。
【００１６】
このようなワイヤレス電力供給装置１では、送信側制御器３によって励振されたコイル２１ は、周囲の領域に非放射電磁界を発生させる。
【００１７】
シールド材４は、水４１が蓄えられている。より詳細には、シールド材４は、透明樹脂製（例えば、アクリル樹脂製）のケース４２に水４１を封入するようにすればよい。また、シールド材４は、送電側共振器２のコイル２１の周りの一部に配置されている。図１ではコイル２１の右側にシールド材４を配置したものを示しているが、どのような場所にどのような形状のものを配置しても構わない。
【００１８】
シールド材４は、後述するシミュレーション及び実験で示すように、コイル２１からの非放射電磁界の電界をシールドすることができる。シールド材４は、非放射電磁界の磁界にはほぼ影響を及ぼさない。シールド材４は、非放射電磁界の磁界にはほぼ影響を及ぼさないが、電界をシールドすることができるので、シールド材４の外側（コイル２１と反対側）のトータルの非放射電磁界の量を低下させることができる。また、シールド材４は、透明のケースを用いると、水も透明であるから、内側（コイル２１側）が隠れることがないので、シールド材４の外側から内側を視認することができる。また、シールド材４は、接地しなくてもよいので、接地不十分のためにアンテナとなって電磁波を放射する心配もなく、また、接地を考慮することなく色々な場所に自由に配置することができる。
【００１９】
以上説明した構成のワイヤレス電力供給装置１は、様々なワイヤレス電力供給システムに適用可能である。例えば、図３（ａ）に示すように、遊泳体観賞装置５に用いることができる。遊泳体観賞装置５では、ワイヤレス電力供給装置１の送電側共振器２は水槽６の底部に設けられている。水槽６内には水とともに、受電側共振器７１を備える遊泳体（受電側装置）７が投入されることになる。遊泳体７には、ワイヤレス電力供給装置１から非放射電磁界を用いて無線で電力が供給される。シールド材４は、水槽６の側面などに配置される。
【００２０】
遊泳体観賞装置５では、水槽６内を観賞する人と水槽６の間にシールド材４を配置すれば、観賞を阻害することなく、人体に当たる非放射電磁界の量を低下させることができる。シールド材４は、自由な形状で自由に配置することができる。
【００２１】
また、遊泳体観賞装置５では、ワイヤレス電力供給装置１に、図３（ｂ）に示すように、水槽６の蓋の中に、送電側共振器２と同様な構造の送電側共振器２’が設けられるようにすることができる。送電側共振器２’は、コイル２１’を有し、また、その両端（内端及び外端）の間にコンデンサ２２’を接続して共振周波数を調整することができる。
【００２２】
水槽６の蓋の中の送電側共振器２’は、そこに到達して来た送電側共振器２からの非放射電磁界に結合して励振され、非放射電磁界を下方向に発生させる。それにより、遊泳体７の受電側共振器７１は送電側共振器２からの非放射電磁界に加え送電側共振器２’からの非放射電磁界によっても電力が供給されるようになる。なお、送電側共振器２’はそれのみで動作し、そのための結合ループや高周波電源などは設けられない。
【００２３】
次に、ワイヤレス電力供給装置１について行ったシミュレーションと実験について述べる。シミュレーションソフトは、ＡＮＳＹＳ社のＨＦＳＳを使用した。シミュレーションは、第１のシミュレーションと第２のシミュレーションに分かれる。実験は、第２のシミュレーションに対応する。これらのシミュレーション及び実験では、ワイヤレス電力供給装置１の送電側共振器２が水槽６の底部に、送電側共振器２’が水槽６の蓋に、それぞれ設けられるようにした。水槽６内には、水が投入されているようにした。
【００２４】
第１のシミュレーションを先ず説明する。第１のシミュレーションでは、水槽６は、直径１５ｃｍ、高さ１０ｃｍの円柱状とした。シールド材４（水４１）は、高さ１０ｃｍの円筒状として、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、水槽６の側面を取り囲んで配置した。なお、シールド材４のケース４２の厚さは、０とした。図４（ａ）、（ｂ）において、シールド材４の外側の符号Ｓで示す円筒状の空間（灰色の部分）は、厚さ５ｃｍ、高さ１０ｃｍであり、電界エネルギー又は磁界エネルギーを積分して後述する電界エネルギー量又は磁界エネルギー量を導出する範囲である。
【００２５】
送電側共振器２のコイル２１は、直径１ｍｍの電気導線を円形状に巻き、巻き数１５で直径１５ｃｍの大きさとした。コイル２１には、４．７ｎＦのコンデンサ２２を接続し、共振周波数が７００ｋＨｚ近傍になるようにした。送電側共振器２’も、送電側共振器２と同じ構成にして、同じ値のコイル２１’とコンデンサ２２’を用いた。
【００２６】
図５の曲線ａは、第１のシミュレーションにおいて、送電側共振器２を送信側制御器３によって励振したときの反射係数（Ｓ１１）を示すものである。曲線ａは、７００ｋＨｚ近傍に２個の谷が有り、よって、２個の共振周波数が有ることが分かる。曲線ａにおける左側の共振周波数の共振モードが、コイル２１とコイル２１’から発生する電界が互いに逆相である奇モードであり、右側の共振周波数の共振モードが、コイル２１とコイル２１’から発生する電界が互いに同相である偶モードである。第１のシミュレーションで用いた共振モードは、奇モードである。
【００２７】
図６の曲線ｂは、シールド材４の厚さＴを変えたときのシールド材４の周囲の電界エネルギー量の変化を示すものである。図６（及び後述する図７及び図８）における縦軸は、磁界エネルギー量で正規化した電界エネルギー量である。水槽６とシールド材４の間の距離Ｄは、５ｍｍとした。シールド材４の水４１の導電率は、０．０２Ｓ／ｍとした。曲線ｂでは、シールド材４の厚さＴが厚い程、電界をシールドする効果は大きくなって、シールド材４の外側の電界エネルギー量は小さくなる。なお、シールド材４の厚さＴが０の電界エネルギー量は、シールド材４がない場合の電界エネルギー量である。
【００２８】
図７の曲線ｃは、水槽６とシールド材４の間の距離Ｄを変えたときのシールド材４の周囲の電界エネルギー量の変化を示すものである。シールド材４の厚さＴは、５ｍｍとした。シールド材４の水４１の導電率は、０．０２Ｓ／ｍとした。曲線ｃでは、距離Ｄが５ｍｍでは距離が０の場合よりも電界エネルギー量は増えているが、距離Ｄが５ｍｍを超えると段々と電界エネルギー量は減って行っている。距離Ｄが１５ｍｍ〜２０ｍｍ以上ならば、電界エネルギー量は非常に小さくなっている。
【００２９】
図８の曲線ｄは、シールド材４の水４１の導電率を変えたときのシールド材４の周囲の電界エネルギー量の変化を示すものである。シールド材４の厚さＴは、５ｍｍとし、水槽６とシールド材４の間の距離Ｄは、２０ｍｍとした。曲線ｄより、導電率によっては、電界エネルギー量はほとんど変わらないことが分かる。
【００３０】
水道水は、日本の全国２７都道府県において測定した結果、導電率の最大値は０．０６Ｓ／ｍであり、導電率０．０２Ｓ／ｍのものが最も入手し易い平均的な値である。従って、シールド材４の水４１には、通常、水道水を用いればよいことが分かる。
【００３１】
次に、第２のシミュレーションを説明する。第２のシミュレーションでは、水槽６は、長辺２２ｃｍ、短辺１４ｃｍ、高さ１６ｃｍの直方体状とした。第２のシミュレーションでは、シールド材４を水槽６の短辺の側面側に配置（図９（ａ）参照）又は水槽６の上面側に配置（図９（ｂ）参照）して、シールド材４を配置しないものと電界分布を比較した。水槽６からシールド材４までの距離は、１．８ｃｍとした。シールド材４は、板状のものであり、全体の厚さは２０ｍｍ、ケース４２の厚さは５ｍｍとした。水４１の導電率は、０．０２Ｓ／ｍとした。シールド材４は、シールド材４を水槽６の短辺の側面側に配置する場合は、長辺２４．１ｃｍ、短辺１９ｃｍのものを用い、シールド材４を水槽６の上面側に配置する場合は、長辺３５ｃｍ、短辺１９ｃｍのものを用いた。
【００３２】
送電側共振器２のコイル２１は、直径１ｍｍの電気導線を矩形状に水槽６の底面の周辺部に巻き、巻き数９とした。コイル２１には、２３８ｐＦ又は２３ｎＦのコンデンサ２２を接続し、共振周波数が３ＭＨｚ近傍又は３００ｋＨｚ近傍になるようにした。送電側共振器２’も、送電側共振器２と同じ構成にして、同じ値のコイル２１’とコンデンサ２２’を用いた。第２のシミュレーションで用いた共振モードは、第１のシミュレーションと同様に、奇モードである。
【００３３】
図１０の曲線ｅ、ｆは、第２のシミュレーションにおいて、送電側共振器２を送信側制御器３によって励振したときの反射係数（Ｓ１１）を示すものである。曲線ｅは、第２のシミュレーションでコンデンサ２２（及び２２’）が２３８ｐＦのもの、曲線ｆは、第２のシミュレーションでコンデンサ２２（及び２２’）が２３ｎＦのものである。なお、曲線ｇ、ｈについては後述する。
【００３４】
図１１は、第２のシミュレーションにおいてシールド材４を水槽６の短辺の側面側に配置したときの電界分布を示す図であって、（ａ）が共振周波数３ＭＨｚ近傍のもの、（ｂ）が共振周波数３００ｋＨｚ近傍のものである。図１２は、第２のシミュレーションにおいてシールド材４を水槽６の上面側に配置したときの電界分布を示す図であって、（ａ）が共振周波数３ＭＨｚ近傍のもの、（ｂ）が共振周波数３００ｋＨｚ近傍のものである。図１３は、第２のシミュレーションにおいて水槽６の近傍にシールド材４を配置しない場合の電界分布を示す図であって、（ａ）が共振周波数３ＭＨｚ近傍のもの、（ｂ）が共振周波数３００ｋＨｚ近傍のものである。これらの図において、最も白色の領域の電界強度は、１００００Ｖ／ｍ以上で最も黒色の領域の電界強度は、１Ｖ／ｍ以下であり、最も白色から最も黒色まで明度を対数的に１０段階に分けている。
【００３５】
図１１（ａ）及び図１２（ａ）の電界分布を図１３（ａ）の電界分布と比較し、図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）の電界分布を図１３（ｂ）の電界分布と比較すると、共振周波数が３ＭＨｚ近傍であっても３００ｋＨｚ近傍であっても、シールド材４により電界に対して大きなシールド効果が得られることが分かる。なお、水槽６とシールド材４の隙間の電界強度が強くなっている傾向が見られることから、シールド材４は電界を大きく減衰させるとともに、その前に界面において電界を反射させてもいると考えられる。
【００３６】
次に、実験を説明する。実験では、第２のシミュレーションと同じ形状及び大きさの水槽６、送電側共振器２、送電側共振器２’、シールド材４とした。実験では、シールド材４を水槽６の短辺の側面側に配置（図９（ａ）参照）又は水槽６の上面側に配置（図９（ｂ）参照）して、シールド材４より外側の電界強度を測定した。また、シールド材４を水槽６の上面側に配置（図９（ｂ）参照）して磁界強度を測定した。実験での電界強度及び磁界強度の測定には、Ｎａｒｄａ  Ｓ．Ｔ．Ｓ．社製  ＥＨＰ−２００を使用した。また、水槽６からシールド材４までの距離は、１．８ｃｍとした。従って、シールド材４の厚さは２ｃｍであるから、電界強度及び磁界強度の測定は水槽６から３．８ｃｍの地点から始まることになる。
【００３７】
上述した図１０の曲線ｇ、ｈは、実験において、送電側共振器２を送信側制御器３によって励振したときの反射係数（Ｓ１１）を示すものである。曲線ｇは、実験でコンデンサ２２（及び２２’）が２３８ｐＦのもの、曲線ｈは、実験でコンデンサ２２（及び２２’）が２３ｎＦのものである。曲線ｇは上述した曲線ｅに、曲線ｈは上述した曲線ｆに、良く一致している。なお、実験で用いた共振モードは、第１のシミュレーション（及び第２のシミュレーション）と同様に、奇モードである。
【００３８】
図１４（ａ）の曲線ｉと図１４（ｂ）の曲線ｉ’は、実験においてシールド材４を水槽の短辺の側面側に配置したときのシールド材４より外側の電界強度を示す図である。図１４（ａ）が共振周波数３ＭＨｚ近傍のもの、図１４（ｂ）が共振周波数３００ｋＨｚ近傍のものである。図１４（ａ）と図１４（ｂ）には、比較のためにそれぞれ、シールド材４を除いた場合の電界強度の曲線ｊ、曲線ｊ’も示している。図１５（ａ）の曲線ｋと図１５（ｂ）の曲線ｋ’は、実験においてシールド材４を水槽の上面側に配置したときのシールド材４より外側（上側）の電界強度を示す図である。図１５（ａ）が共振周波数３ＭＨｚ近傍のもの、図１５（ｂ）が共振周波数３００ｋＨｚ近傍のものである。図１５（ａ）と図１５（ｂ）には、比較のためにそれぞれ、シールド材４を除いた場合の電界強度の曲線ｌ、曲線ｌ’も示している。
【００３９】
これらの図より、共振周波数が３ＭＨｚ近傍であっても３００ｋＨｚ近傍であっても、シールド材４を設けると、シールド材４より外側では確実に電界強度が大きく下がっており、シールド材４により電界に対して大きなシールド効果が得られることが分かる。
【００４０】
図１６（ａ）の曲線ｍと図１６（ｂ）の曲線ｍ’は、実験においてシールド材４を水槽の上面側に配置したときのシールド材４より外側（上側）の磁界強度を示す図である。図１６（ａ）が共振周波数３ＭＨｚ近傍のもの、図１６（ｂ）が共振周波数３００ｋＨｚ近傍のものである。図１６（ａ）と図１６（ｂ）には、比較のためにそれぞれ、シールド材４を除いた場合の磁界強度の曲線ｎ、曲線ｎ’も示している。
【００４１】
図１６（ａ）、（ｂ）より、曲線ｍは曲線ｎに、曲線ｍ’は曲線ｎ’にほとんど重なっている。よって、共振周波数が３ＭＨｚ近傍であっても３００ｋＨｚ近傍であっても、シールド材４は、ほとんど磁界強度に影響を及ぼさないことが分かる。
【００４２】
以上、本発明の実施形態に係るワイヤレス電力供給装置について説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１    ワイヤレス電力供給装置
２、２’    送電側共振器
２１、２１’  コイル
２２、２２’  コンデンサ
３    送信側制御器
３ａ  高周波電源
３ｂ  結合ループ
４    シールド材
４１  水
４２  ケース
５    遊泳体観賞装置
６    水槽
７    遊泳体（受電側装置）
７１  受電側共振器
【図１】
0006687239.tif 000002
【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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