(57)【要約】【課題】受電コイルの配置位置が移動しても効率良い無線電力伝送が行なえ不要輻射が少ない無線電力伝送システムを構築する。【解決手段】受電コイルに受電共振用コンデンサを接続し負荷回路を接続して構成した受電コイル共振回路を有し、局所中継コイルに局所共振用コンデンサを接続して構成した局所中継共振回路を複数有し、複数の前記局所中継共振回路に並行して交流電力を供給する電力並行給電手段を有し、前記受電コイルが前記局所中継コイルに接近した場合の、劾局所中継コイルを含む局所中継共振回路と前記受電コイル共振回路の持つ第１の共振周波数と、前記受電コイルが接近していない局所中継コイルを含む局所中継共振回路の持つ第２の共振周波数を異ならせ、前記電力並行給電手段から前記第１の共振周波数の交流電力を給電し、前記受電コイルに接近した前記局所中継コイルを、前記交流電力を前記受電コイルに送電する中継路にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電コイルに受電共振用コンデンサを接続し負荷回路を接続して構成した受電コイル共振回路を有し、局所中継コイルに局所共振用コンデンサを接続して構成した局所中継共振回路を複数有し、複数の前記局所中継共振回路に並行して交流電力を供給する電力並行給電手段を有し、前記受電コイルが前記局所中継コイルに接近した場合の、劾局所中継コイルを含む局所中継共振回路と前記受電コイル共振回路の持つ第１の共振周波数と、前記受電コイルが接近していない局所中継コイルを含む局所中継共振回路の持つ第２の共振周波数を異ならせ、前記電力並行給電手段から前記第１の共振周波数の交流電力を給電し、前記受電コイルに接近した前記局所中継コイルを、前記交流電力を前記受電コイルに送電する中継路にしたことを特徴とする無線電力伝送システム。
【請求項２】
請求項１記載の無線電力伝送システムであって、前記電力並行給電手段が、前記局所中継コイルに誘導結合する給電用中継コイルを有することを特徴とする無線電力伝送システム。
【請求項３】
請求項１記載の無線電力伝送システムであって、前記電力並行給電手段が、前記局所共振用コンデンサに容量結合する電極端子を有することを特徴とする無線電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力を空間を越えて電気装置に給電する無線電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
送電コイルから空間を隔てて対向する受電コイルに電力を給電する無線電力伝送システムは、電源装置の電極端子と負荷装置の電極端子を接触させずに電力を伝送できるので、電気装置の電気端子同士を接触させる接点の接触不良問題が発生しない利点がある。その利点を生かして、歯ブラシや携帯電話などに無線電力伝送システムが利用されている。
【０００３】
また、特許文献１では、電気自動車の移動位置に応じて設置した複数の送電コイルをスイッチで切り替えて通電することで受電コイルと送電コイルを１対１で誘導結合させて非接触で電気自動車に電力を伝送する無線電力伝送システムが提案されている。
【０００４】
また、特許文献２では、長い長方形の送電コイルを用いて非接触で電気自動車に電力を伝送する無線電力伝送システムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−０８２８０５号公報
【特許文献２】特開２０１５−０７３３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１においては、受電コイルと送電コイルを１対１で誘導結合させて無線電力伝送するためにスイッチ回路を必要とするので、無線電力伝送システムのコストが高くなる問題があった。
【０００７】
また、特許文献２においては、長い送電コイルを用いることで、送電コイルから多くの不要輻射（ＥＭＩ）が発生する問題があった。
【０００８】
そのため、本発明の解決すべき課題は、受電コイルの配置位置が移動しても効率良い無線電力伝送が行なえ、かつ、不要輻射が少ない無線電力伝送システムを構築することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題を解決するために、本発明は、受電コイルに受電共振用コンデンサを接続し負荷回路を接続して構成した受電コイル共振回路を有し、局所中継コイルに局所共振用コンデンサを接続して構成した局所中継共振回路を複数有し、複数の前記局所中継共振回路に並行して交流電力を供給する電力並行給電手段を有し、前記受電コイルが前記局所中継コイルに接近した場合の、劾局所中継コイルを含む局所中継共振回路と前記受電コイル共振回路の持つ第１の共振周波数と、前記受電コイルが接近していない局所中継コイルを含む局所中継共振回路の持つ第２の共振周波数を異ならせ、前記電力並行給電手段から前記第１の共振周波数の交流電力を給電し、前記受電コイルに接近した前記局所中継コイルを、前記交流電力を前記受電コイルに送電する中継路にしたことを特徴とする無線電力伝送システムである。
【００１０】
この構成により、本発明は、電力並行給電手段からの交流電力を、受電コイルが接近した局所中継コイルのみを共振させて電流を流させて局所中継共振回路を受電コイル共振回路に電力を伝送する中継路にし、スイッチ回路と同等の機能を持たせることができる。そして、受電コイルが接近した局所中継コイルのみに共振電流が流れ、それ以外の局所中継コイルには電流が流れないため、不要輻射を少なくできる効果がある。
【００１１】
また、本発明は、上記の無線電力伝送システムであって、前記電力並行給電手段が、前記局所中継コイルに誘導結合する給電用中継コイルを有することを特徴とする無線電力伝送システムである。
【００１２】
また、本発明は、上記の無線電力伝送システムであって、前記電力並行給電手段が、前記局所共振用コンデンサに容量結合する電極端子を有することを特徴とする無線電力伝送システムである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の無線電力伝送システムは、共振回路を組み合わせることで、局所中継共振回路を電源回路が給電する交流電力を受電コイル共振回路に送電する中継路にし、スイッチ回路と同等の機能を持たせることができる効果がある。
【００１４】
そして、受電コイルが接近した局所中継コイルのみに電流が流れるので、不要輻射を発生する原因になる電流が流れる局所中継コイルが、受電コイルの位置の局所中継コイルのみに限定され、不要輻射の発生源になる電流が、受電コイルの移動可能な領域の面積に比べて十分小さな面積の領域の電流のみになり、不要輻射を少なくできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態の無線電力伝送システムの構成を示す模式的平面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の無線電力伝送システムの構成を示す模式的側面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の無線電力伝送システムの等価回路である。
【図４】本発明の第１の実施形態の実施例１の無線電力伝送システムのシミュレーション結果の無線電力伝送効率をあらわすＳパラメータ（Ｓ２１）のグラフである。
【図５】本発明の第１の実施形態の実施例１の各局所中継コイルＬＭに流れる電流の周波数特性のグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態の無線電力伝送システムの構成を示す模式的平面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の実施例２の無線電力伝送システムのシミュレーション結果の無線電力伝送効率をあらわすＳパラメータ（Ｓ２１）のグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態の実施例２の各局所中継コイルＬＭに流れる電流の周波数特性のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜第１の実施形態＞
（無線電力伝送システムの構成）
第１の実施形態の無線電力伝送システムの構成を、図１の平面図と図２の側面図に示す。図３に無線電力伝送システムの等価回路を示す。第１の実施形態の無線電力伝送システムは、図３の様に、受電コイルＬＵに受電共振用コンデンサＣＵを接続し負荷回路ＬＤを接続して構成した受電コイル共振回路１を有する。負荷回路ＬＤは、受電コイル共振回路１の受電コイルＬＵに直列又は並列に接続して、負荷回路ＬＤが電力を消費する。
【００１７】
（局所中継共振回路２）
また、局所中継コイルＬＭに局所共振用コンデンサＣＭを接続して構成した局所中継共振回路２を図１の様に複数配置する。そして、図３の様にその複数の局所中継共振回路２へ所定周波数ｆの交流電力を給電する電力並行給電手段３を備える。電力並行給電手段３は、図１の様に、各局所中継共振回路２の局所中継コイルＬＭに誘導結合させる給電用中継コイルＬＰを複数有し、複数の給電用中継コイルＬＰを共用容量ＣＷに並列に接続して構成した共用容量共振器を用いる。その共用容量ＣＷに給電線対ＬＡを接続し、給電線対ＬＡに交流電力を供給する電源回路ＳＣを接続する。
【００１８】
本実施形態の電力並行給電手段３の構成は、電源回路ＳＣを共用容量ＣＷに並列に接続することで、電源回路ＳＣから所定の周波数ｆの交流電力を給電用中継コイルＬＰに給電する共用容量共振器を構成する。この構成では、共用容量に並列に接続する電源回路ＳＣの出力インピーダンスが回路のインピーダンスを整合させる出力インピーダンス値が高めになる。
【００１９】
（受電コイルＬＵと局所中継コイルＬＭの誘導結合による共振周波数の変化）
本実施形態では、図１の様に、受電コイルＬＵを複数の局所中継コイルＬＭに同時に接近させ誘導結合させる。例えば、局所中継コイルＬＭを水平面に設置し、その局所中継コイルＬＭに平行な水平面内に受電コイルＬＵを設置して局所中継コイルＬＭに平行に対向させる。両コイルの間の距離は、図２の側面図の様に、受電コイルＬＵの直径以下の距離ｈの高さで隔てて接近させ誘導結合させる。
【００２０】
受電コイルＬＵが局所中継コイルＬＭに接近した場合に、その局所中継コイルＬＭを含む局所中継共振回路２の共振周波数と受電コイル共振回路１の持つ共振周波数（第１の共振周波数）は、それらの共振器が単独で存在する場合に持つ共振周波数から変わる効果がある。電力並行給電手段３の電源回路ＳＣからは、その様に変化した第１の共振周波数ｆに合わせた周波数ｆの交流電力を給電する。
【００２１】
受電コイルＬＵが局所中継コイルＬＭに接近した場合に、その局所中継コイルＬＭを含む局所中継共振回路２の第１の共振周波数ｆが電源回路ＳＣから給電される交流電力の周波数ｆに一致する。そのため、電力並行給電手段３の給電用中継コイルＬＰからの電磁誘導によって局所中継コイルＬＭに電流が流れる。
【００２２】
一方で、受電コイルＬＵが接近しない局所中継コイルＬＭでは、その局所中継コイルＬＭを含む局所中継共振回路２の持つ第２共振周波数は電源回路ＳＣから給電される交流電力の周波数ｆと異なる。そのため、電力並行給電手段３はその局所中継コイルＬＭに電流を流すことができない。
【００２３】
こうして、受電コイルＬＵが接近していない局所中継コイルＬＭを含む局所中継共振回路２の第２の共振周波数を電源回路ＳＣから給電される交流電力の第１の共振周波数ｆと異ならせる事で、電源回路ＳＣからの第１の共振周波数ｆの交流電力を、受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭのみを中継路にして受電コイルＬＵに送電するスイッチ機能を局所中継コイルＬＭに持たせる。そして、交流電力を受電した受電コイルＬＵを含む受電コイル共振回路１の負荷回路ＬＤがその電力を消費する。
【００２４】
受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭの局所中継共振回路２のみが中継路になるスイッチ機能は、受電コイルＬＵに接近した局所中継コイルＬＭを含む局所中継共振回路２が、その共振周波数ｆの共振電流を流して共振している受電コイルＬＵが発生している磁界の電磁誘導により共振することで発揮される。
【００２５】
実際、（受電コイルＬＵに流れる電流）／（局所中継コイルＬＭ２に流れる電流）を大きくすると、（局所中継コイルＬＭ２に流れる電流）／（局所中継コイルＬＭ６に流れる電流）が大きくなる法則がある。そのため、受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭ２に流れる電流を大きくする、すなわち、（局所中継コイルＬＭ２に流れる電流）／（局所中継コイルＬＭ６に流れる電流）の比を大きくするには、受電コイルＬＵに流れる共振電流を大きくする様に調整する必要がある。
【００２６】
受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭのみが中継路になり、その局所中継コイルＬＭのみに電流が流れるので、不要輻射を発生する原因になる電流が流れる局所中継コイルＬＭが、受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭのみに限定される効果がある。これにより、不要輻射の発生源になる電流が、全部の局所中継コイルＬＭの領域の面積に比べて十分小さな面積の領域の電流のみになり、不要輻射を低減できる効果がある。
【００２７】
（受電コイル共振回路１）
受電コイル共振回路１は、図３の様に、受電コイルＬＵに受電共振用コンデンサＣＵを接続して受電コイル共振回路１を構成する。受電コイル共振回路１の受電共振用コンデンサＣＵに並列又は直列に負荷回路ＬＤを接続する。受電コイルＬＵは、図２の様に、水平面内に配置した局所中継コイルＬＭの上方に一定の高さｈを保って配置し、図１の様に受電コイルＬＵを同時に複数の局所中継コイルＬＭに接近させて誘導結合させる。
【００２８】
それらの複数の局所中継コイルＬＭに接近させた受電コイルＬＵを、図１の位置Ａから位置Ｂまで高さｈを一定に保ったままで移動させる。
【００２９】
（変形例１）
本実施形態の変形例１として、負荷回路ＬＤと受電コイルＬＵと受電共振用コンデンサＣＵを組み合わせた受電コイル共振回路１を複数用意し、その複数の受電コイル共振回路１に同時に交流電力を給電することができる。各受電コイル共振回路１の受電コイルＬＵを共用容量共振器の異なる位置の給電用中継コイルＬＰに接近させて誘導結合させる。そして、電源回路ＳＣに接続した共用容量共振器を介して、それら複数の受電コイル共振回路１の受電コイルＬＵに並行して無線で電力伝送する無線電力伝送システムを構成することができる。
【００３０】
（共用容量共振器）
局所中継コイルＬＭには、電力並行給電手段３から電力を給電する。本実施形態では電力並行給電手段３の共用容量共振器を、図１の様に、共用容量ＣＷに並列に複数の給電用中継コイルＬＰを接続して構成する。その共用容量ＣＷに電源回路ＳＣを接続した給電線対ＬＡを接続する。この給電線対ＬＡに共用容量ＣＷとともに給電用中継コイルＬＰを並列に接続しても良い。この構成では、共用容量に並列に接続する電源回路ＳＣの出力インピーダンスが回路のインピーダンスを整合させる出力インピーダンス値は高めになる。
【００３１】
（給電線対ＬＡ）
共用容量共振器の給電用中継コイルＬＰに電力を供給するために給電線対ＬＡを用いる場合は、その給電線対ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２に互いに逆方向の電流が流れる場合において給電線対ＬＡの自己インダクタンスを小さくすることが望ましい。そのために、帯状あるいは同軸の筒面状の２つの給電線ＬＡ１とＬＡ２の面を平行に対向させて重ねた給電線対ＬＡを用いることが出来る。
【００３２】
また、共用容量共振器の各々の給電用中継コイルＬＰは形や自己インダクタンスが異なっても良い。各給電用中継コイルＬＰの自己インダクタンスが全て異なっても、各々の給電用中継コイルＬＰが共用容量ＣＷの容量を分け合って利用し全給電用中継コイルＬＰが同じ共振周波数で共振し、無線電力伝送を高い効率で実行できる。
【００３３】
（電源回路ＳＣ）
電源回路ＳＣ側から観察される無線電力伝送システムの回路の入力インピーダンスに電源回路ＳＣの出力インピーダンスを等しくすることが、無線電力伝送システムの回路のインピーダンスを整合させ電力を効率良く伝送させるために望ましい。
【００３４】
この条件は、出力インピーダンスが十分小さい定電圧電源又は定電流電源を用いた電源回路ＳＣを用いることでも実現できる。その理由は、出力インピーダンスが十分小さい定電圧電源又は定電流電源で構成した電源回路ＳＣは、電源回路ＳＣ側から観察される無線電力伝送システムの回路の入力インピーダンスと等しい出力インピーダンスを持つ電源回路と等価な動作をするからである。
【００３５】
出力インピーダンスが十分小さい定電圧電源が電源回路ＳＣである場合は、電源回路ＳＣ側から観察される回路の入力インピーダンスの虚数成分（リアクタンス）が実数成分に比べて十分小さい場合は、その定電圧電源の電源回路ＳＣは、回路の入力インピーダンスの実数成分に反比例した電流を流す。その場合は、その電源回路ＳＣは、その回路の入力インピーダンスと等しい出力インピーダンスを持ち、内部の電圧源が出力電圧の２倍の電圧を持つ電源回路と等価である。すなわち、出力インピーダンスが回路の入力インピーダンスと等しくインピーダンスが整合している電源回路と等価である。
【００３６】
回路の入力インピーダンスの虚数成分が小さい場合は、この電源回路ＳＣの出力する電力、すなわち電圧と電流の積の大部分は実効電力になり、その実効電力の大部分が負荷回路ＬＤで有効に消費される。そのため、電源回路ＳＣとして出力インピーダンスが十分小さい定電圧電源又は定電流電源を用い、電源回路ＳＣ側から観察される回路の入力インピーダンスの虚数成分（リアクタンス）を実数成分より十分に小さくする条件で用いることで、無線電力伝送システムの無線電力伝送効率を良くできる効果がある。
【００３７】
（負荷回路ＬＤが整流回路と充電用コンデンサを持つ場合）
負荷回路ＬＤが、整流回路とその先に接続した充電用のコンデンサ又は蓄電器で構成されている場合は以下の様に動作すると考える。負荷回路ＬＤの充電用のコンデンサが充電されていない初期の状態では、負荷回路ＬＤの容量が大きい充電用コンデンサはインピーダンスが０に近くインピーダンスが小さい負荷とみなすことが出来る。
【００３８】
次に、充電用のコンデンサが充電されると、負荷回路ＬＤの整流回路が整流した電流が充電用のコンデンサに流入できなくなり、負荷回路ＬＤの充電用コンデンサはインピーダンスが大きい負荷に変わったとみなすことが出来ると考える。その様に充電用のコンデンサの充電にともない負荷回路ＬＤの負荷の大きさが変わるので、それに応じて充電用のコンデンサを充電させる電流を変える制御を行うことが望ましい。
【００３９】
（変形例２）
本実施形態の変形例２として、共用容量共振器に接続させ電源回路ＳＣを、共振用容量と局所中継コイルＬＭで構成した局所中継共振回路２に直列あるいは並列に接続し、その局所中継コイルＬＭを給電用中継コイルＬＰの１つに対向させて電源回路ＳＣの交流電力を無線で共用容量共振器に給電することもできる。
【００４０】
（変形例３）
本実施形態の変形例３として、電源回路ＳＣを共用容量共振器の給電用中継コイルＬＰの１つに直列に接続して共用容量共振器に電源回路ＳＣの交流電力を給電することもできる。
【００４１】
（変形例４）
本実施形態の変形例４として、局所中継共振回路２毎に局所中継コイルＬＭから電力を受電するループ配線を引き出して電力並行給電手段３の１つの給電用中継コイルＬＰに誘導結合させて、電力並行給電手段３の１つの給電用中継コイルＬＰから複数の局所中継共振回路２に電力を給電する無線電力伝送システムを構成することができる。
【００４２】
（実施例１）
第１の実施形態の実施例１の無線電力伝送システムは、図１の様に、ループ状の受電コイルＬＵと受電共振用コンデンサＣＵと負荷回路ＬＤを直列に接続して構成した受電コイル共振回路１と、複数の局所中継共振回路２と、その複数の局所中継共振回路２へ所定周波数ｆの交流電力を給電する電力並行給電手段３を有する。この無線電力伝送システムの動作を電磁界シミュレーションで調べた。
【００４３】
（受電コイル共振回路１）
実施例１の受電コイル共振回路１は、受電コイルＬＵに受電共振用コンデンサＣＵを接続して構成した。実施例１では、受電コイル共振回路１の受電共振用コンデンサＣＵに並列に負荷回路ＬＤを接続して電力を消費させた。
【００４４】
（受電コイルＬＵ）
受電コイルＬＵは、図２の様に、水平面内に配置した局所中継コイルＬＭの上方の高さｈ＝２００ｍｍに配置する。そして、図１の様に、受電コイルＬＵを同時に複数の局所中継コイルＬＭに接近させ誘導結合させる。受電コイルＬＵとして、幅が２５ｍｍで厚さが０．５ｍｍの銅の帯で形成した大きさが２４２５ｍｍ×９００ｍｍの長方形の１巻のコイルを用いた。このコイルは６μＨの自己インダクタンスを持つ。この受電コイルＬＵに受電共振用コンデンサＣＵを接続して受電コイル共振回路１を構成した。受電共振用コンデンサＣＵの容量を０．６７μＦにし、受電コイル共振回路１の単独での共振周波数を７９ｋＨｚにした。
【００４５】
（局所中継共振回路２）
局所中継共振回路２の局所中継コイルＬＭは、図１の様に、コイルの配線の幅が２５ｍｍで厚さが０．５ｍｍの銅の帯で形成したコイルの面の寸法が９００ｍｍ×９００ｍｍの矩形の１巻コイルで形成した。このコイルは３μＨの自己インダクタンスを持つ。局所中継コイルＬＭに局所共振用コンデンサＣＭを接続して局所中継共振回路２を構成した。局所共振用コンデンサＣＭの容量を１．１８μＦにして局所中継共振回路２の単独での共振周波数を８５ｋＨｚにした。
【００４６】
ここで、局所中継共振回路２の単独での共振周波数の８５ｋＨｚは受電コイル共振回路１の単独での共振周波数７９ｋＨｚより大きくしたが、局所中継共振回路２の単独での共振周波数を受電コイル共振回路１の単独での共振周波数と同じにした無線電力伝送システムを構成することもできる。この様に、局所中継共振回路２の単独での共振周波数には、設定の自由度がある。
【００４７】
図１の様に、複数の局所中継共振回路２の局所中継コイルＬＭ１からＬＭ６を、一方向に９５０ｍｍのピッチで並べて配置した。各局所中継共振回路２の局所中継コイルＬＭに電力並行給電手段３の共用容量共振器の給電用中継コイルＬＰを接近させて誘導結合させた。
【００４８】
（電力並行給電手段３の共用容量共振器）
実施例１は、図１のように、電力並行給電手段３として、局所中継共振回路２の局所中継コイルＬＭに接近させて誘導結合させる複数の給電用中継コイルＬＰ１からＬＰ１４を共用容量共振器の共用容量ＣＷに並列に接続した共用容量共振器を用いた。共用容量共振器の共用容量ＣＷに並列に給電線対ＬＡを接続し、給電線対ＬＡに電源回路ＳＣを接続して電源回路ＳＣの周波数ｆの交流電力を共用容量共振器に給電した。その交流電力が共用容量共振器の複数の給電用中継コイルＬＰから局所中継共振回路２の局所中継コイルＬＭに給電される。
【００４９】
給電線対ＬＡを構成する給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２は、幅が５０ｍｍで厚さが０．５ｍｍの銅の帯状の給電線ＬＡ１とＬＡ２を用いる。その給電線ＬＡ１とＬＡ２の面を平行に対向させ、給電線の面の間隔を面の幅５０ｍｍの５０分の１の１ｍｍ以下にして給電線対ＬＡを構成する。そうすることで給電線対ＬＡの各給電線が持つ自己インダクタンスは共用容量共振器の給電用中継コイルＬＰのインダクタンスよりも十分小さくできる。
【００５０】
共用容量共振器の共用容量ＣＷに並列に接続して共振回路を構成する給電用中継コイルＬＰ１からＬＰ１４は、図１のように、コイルの配線の幅が２５ｍｍで厚さが０．５ｍｍの銅の帯で形成したコイルの面の寸法が５５０ｍｍ×１２５ｍｍの矩形の１巻コイルで形成した。このコイルは１μＨの自己インダクタンスを持つ。
【００５１】
共用容量ＣＷを１９μＦにした場合の共用容量共振器１の単独での共振周波数は９０ｋＨｚになり、共用容量ＣＷを１６μＦにした場合は共用容量共振器１の単独での共振周波数は９８ｋＨｚになった。そのどちらの条件の共用容量共振器を用いても最終結果には大きな差は出なかった。この結果は、共用容量共振器の共振周波数は、必ずしも無線電力伝送を行なうために用いる交流電力の周波数ｆに一致させる必要は無いことを意味する。
【００５２】
共用容量共振器の単独での共振周波数は、無線電力伝送を行なう交流電力の周波数ｆに合わせて調整することが望ましい。その周波数ｆは、局所中継共振回路２と受電コイル共振回路１を誘導結合させた場合の共振周波数である。そのため、共用容量共振器の共用容量ＣＷを１６μＦにして共用容量共振器を、無線電力伝送を行なう交流電力の周波数ｆに近い９８ｋＨｚで共振させる。
【００５３】
（シミュレーション結果）
図４のグラフに、実施例１の電磁界シミュレーションの結果の無線電力伝送効率をＳパラメータ（Ｓ２１）で表した周波数特性のグラフを示す。このシミュレーションでは、複数の局所中継コイルＬＭに接近させた受電コイルＬＵを、図１の局所中継共振回路２の集合の位置Ａから位置Ｂまで局所中継コイルＬＭからの高さｈ＝２００ｍｍを一定に保ったままで３０７５ｍｍ移動させた。
【００５４】
本実施例では、局所中継コイルＬＭをスイッチ機能を持つ中継路にして、そのスイッチ機能を十分に発揮させるために、受電コイルＬＵに流れる共振電流を大きくする。そのために、（負荷回路ＬＤの入力インピーダンスＲ２）／（電源回路ＳＣの出力インピーダンスＲ１）の比を大きくして、電源回路ＳＣの出力インピーダンスＲ１を０．２４Ωにし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスＲ２を２６Ωにした。
【００５５】
そのシミュレーションの結果は図４のＳパラメータのグラフの様に、電源回路ＳＣの交流電力の周波数ｆが９７．５ｋＨｚの場合に、負荷回路ＬＤまで伝送する電力の伝送効率が−０．９ｄＢであった。すなわち８０％の伝送効率であった。この伝送効率はコイルの幅２５ｍｍを大きくしてコイルの抵抗を小さくしてコイルの抵抗損失を小さくすることで大きく改善できると考える。そのため、効率良く無線電力伝送ができると考える。また、受電コイルＬＵを位置Ａから位置Ｂまで３０７５ｍｍ移動させても、無線電力伝送効率がほとんど変わらず、受電コイルＬＵの位置によらず効率良く無線電力伝送を行える効果があった。
【００５６】
図５のグラフに、受電コイルＬＵの配置位置Ａでの、各局所中継コイルＬＭに流れる電流のグラフを示す。このグラフは、電源回路ＳＣの交流電力の周波数が９０ｋＨｚから１０５ｋＨｚでの電流値を示す。図５のグラフから、周波数９７．５ｋＨｚでは、受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭ２に流れる電流に対して、受電コイルＬＵが接近しない局所中継コイルＬＭ６に流れる電流は１８ｄＢ程度少ない、すなわち、電流が８分の１程度に少なくなった。これにより、局所中継コイルＬＭ２の電流による不要輻射のエネルギーに対する局所中継コイルＬＭ６の不要輻射のエネルギーは６３分の１程度に弱くなる。
【００５７】
本実施例の無線電力伝送システムは、電源回路ＳＣの出力インピーダンスＲ１が０．２４Ωで、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスＲ２が２６Ωの条件において、複数の局所中継コイルＬＭのうち、受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭの電流に対し、それ以外の局所中継コイルＬＭの電流は８分の１程度に少なくなるため、受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭのみに電流が流れると言える。そして、電流が流れている局所中継コイルＬＭにのみ、共用容量共振器の給電用中継コイルＬＰから電力が供給される。
【００５８】
すなわち、給電用中継コイルＬＰと受電コイルＬＵの間の局所中継共振回路２のうち、受電コイルＬＵが接近した局所中継共振回路２のみが電力を伝送する中継路になり、それ以外の局所中継共振回路２は中継路にならないスイッチの働きをさせる。そうして、受電コイルＬＵが接近していないので中継路にならない局所中継コイルＬＭには共振電流が流れないので、不要輻射を生じない。こうして、不要輻射を生じる局所中継コイルＬＭは、受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭのみに限定される効果がある。
【００５９】
これにより、本実施例の無線電力伝送システムは、全ての局所中継コイルＬＭの存在位置にわたる広い領域に受電コイルＬＵを配置して電力を無線電力伝送できる一方、その広い領域の中で不要輻射を生じる原因の電流が流れる部分は受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭのみの狭い領域に限定されるので、不要輻射を少なくできる効果がある。
【００６０】
＜第２の実施形態＞
（無線電力伝送システムの構成）
図６に、第２の実施形態の無線電力伝送システムの構成の平面図を示す。第２の実施形態の無線電力伝送システムは、第１の実施形態と同様に、受電コイル共振回路１を有し、局所中継共振回路２を複数有し、その局所中継共振回路２へ所定周波数の交流電力を給電する電力並行給電手段３を有する。
【００６１】
（電力並行給電手段３）
第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、電力並行給電手段３から並列に複数の電極端子を引き出し複数の局所中継共振回路２の局所共振用コンデンサＣＭ１〜ＣＭ６の電極端子に容量結合させる点にある。図６では、その電極端子が局所共振用コンデンサＣＭに結合する容量を結合容量ＣＰであらわす。また、周波数ｆの交流電力を給電する電源回路ＳＣに接続する給電線対ＬＡに並列に、共用容量ＣＷと共用インダクタンスＬＷで構成する共振回路を接続する点に特徴がある。
【００６２】
その共用容量ＣＷと共用インダクタンスＬＷに並列に複数の電極端子を引き出し各局所中継共振回路２の局所共振用コンデンサＣＭ１〜ＣＭ６の電極板に対向させて容量結合させる。この容量結合は、結合容量ＣＰ１〜ＣＰ６で表す外付けコンデンサを局所共振用コンデンサＣＭ１〜ＣＭ６の電極端子に接続することで形成しても良い。
【００６３】
（変形例５）
本実施形態の電力並行給電手段３の変形例５は、複数の局所的共用インダクタンスと局所的共用容量の組を並列に給電線対ＬＡに接続して全体の共用インダクタンスＬＷと共用容量ＣＷを構成する。例えば、局所中継共振回路２毎に局所的共用インダクタンスと局所的共用容量の組を給電線対ＬＡに並列に接続する。また、複数の局所中継共振回路２毎に１組の局所的共用インダクタンスと局所的共用容量を給電線対ＬＡに並列に接続することができる。
【００６４】
変形例５は、その様にして局所中継共振回路２の近くに局所的共用インダクタンスと局所的共用容量の組の電力源を設置することで、各局所中継共振回路２は近くの組の電力源から電力を給電される。それにより、電力源から局所中継共振回路２までの配線の長さが実質的に短くなり、配線の電流による電力の損失が少なくなる効果がある。
【００６５】
第２の実施形態の無線電力伝送システムは、電源回路ＳＣが電力並行給電手段３に、受電コイルＬＵが局所中継コイルＬＭに接近した場合に共振周波数が変化した第１の共振周波数ｆの交流電力を給電し、電力並行給電手段３がその交流電力を容量結合を介して各局所中継共振回路２に給電する。
【００６６】
これにより、受電コイルＬＵが局所中継コイルＬＭに接近した場合に、その局所中継コイルＬＭを含む局所中継共振回路２の第１の共振周波数ｆが、電力並行給電手段３から給電される交流電力の周波数ｆに一致する。そのため、電力並行給電手段３から容量結合で局所中継共振回路２に電力が給電される。
【００６７】
一方で、受電コイルＬＵが接近しない局所中継コイルＬＭを含む局所中継共振回路２の第２の共振周波数は、電力並行給電手段３から給電される交流電力の周波数ｆと異なり、その局所中継コイルＬＭには共振電流が流れず、電力並行給電手段３はその局所中継共振回路２に電力を給電できない。
【００６８】
こうして、受電コイルＬＵが接近していない局所中継コイルＬＭを含む局所中継共振回路２の第２の共振周波数を電源回路ＳＣから給電される交流電力の周波数ｆと異ならせる事で、電源回路ＳＣからの交流電力を、受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭのみを中継路にして受電コイル共振回路１に送電する。そして、受電コイル共振回路１に接続されている負荷回路ＬＤがその電力を消費する。
【００６９】
（実施例２）
第２の実施形態の無線電力伝送システムの実施例２を図６の平面図に示す。図６の様に、実施例２は、実施例１と同じ受電コイル共振回路１と複数の局所中継共振回路２を用いた。実施例２では、その複数の局所中継共振回路２へ容量結合する複数の電極端子を有する、所定周波数ｆの交流電力を給電する電力並行給電手段３を用いた。
【００７０】
その電力並行給電手段３は、図６の様に、共用容量ＣＷと共用インダクタンスＬＷで構成した共振回路を有し、その共振回路に並列に電源回路ＳＣと給電線対ＬＡを接続した。その共振回路に並列な給電線対ＬＡから複数の電極端子を引き出し、その電極端子を、各局所中継共振回路２の局所共振用コンデンサＣＭ１〜ＣＭ６に容量結合させた。
【００７１】
この容量結合は、局所共振用コンデンサＣＭの電極板に電極端子を対向させることで容量結合させた。図６には、容量結合を結合容量ＣＰ１〜ＣＰ６で表した。この無線電力伝送システムの動作を電磁界シミュレーションで調べた。
【００７２】
（受電コイル共振回路１）
実施例２の受電コイル共振回路１は、実施例１と同じ形の、幅が２５ｍｍで厚さが０．５ｍｍの銅の帯で形成した大きさが２４２５ｍｍ×９００ｍｍの長方形の１巻のコイルで６μＨの自己インダクタンスを持つ受電コイルＬＵを用いた。その受電コイルＬＵ、局所中継コイルＬＭの上方の高さｈ＝２００ｍｍに配置した。
【００７３】
実施例２では、受電コイル共振回路１の共振周波数を局所中継共振回路２の共振周波数８５ｋＨｚと同じに合わせるべく、受電コイルＬＵに容量が０．５８μＦの受電共振用コンデンサＣＵを接続した。ここで、受電コイル共振回路１の共振周波数は局所中継共振回路２の共振周波数と異なっていても問題無く、受電コイルＬＵのインダクタンスと受電共振用コンデンサＣＵの容量の設定に自由度がある。
【００７４】
（局所中継共振回路２）
実施例２の局所中継共振回路２の局所中継コイルＬＭは、実施例１と同じにし、図６の様に、コイルの配線の幅が２５ｍｍで厚さが０．５ｍｍの銅の帯で形成したコイルの面の寸法が９００ｍｍ×９００ｍｍの矩形の１巻コイルで３μＨの自己インダクタンスを持つコイルを形成した。局所中継コイルＬＭに容量が１．１８μＦの局所共振用コンデンサＣＭを接続して単独での共振周波数を８５ｋＨｚの局所中継共振回路２を構成した。
【００７５】
図６の様に、複数の局所中継共振回路２の局所中継コイルＬＭ１からＬＭ６を、一方向に９５０ｍｍのピッチで並べて配置した。各局所中継共振回路２の局所共振用コンデンサＣＭ１〜ＣＭ６には、電力並行給電手段３の結合容量ＣＰ１〜ＣＰ６を接続した。これにより、局所共振用コンデンサＣＭ１〜ＣＭ６が、結合容量ＣＰ１〜ＣＰ６を介して、電力並行給電手段３の共用容量ＣＷと共用インダクタンスＬＷで構成する共振回路に容量結合させた。
【００７６】
（電力並行給電手段３）
実施例２は、図６のように、電力並行給電手段３に、共用容量ＣＷと共用インダクタンスＬＷで構成する共振回路を設置した。共用インダクタンスＬＷは、図６の様に、コイルの配線の幅が２５ｍｍで厚さが０．５ｍｍの銅の帯で形成したコイルの面の寸法が４００ｍｍ×４２５ｍｍの矩形の１巻コイルで形成した。このコイルは１．１μＨの自己インダクタンスを持つ。この共用インダクタンスＬＷに２．５μＦの共用容量ＣＷを接続して９７ｋＨｚで共振する共振回路を形成した。
【００７７】
その共振回路に並列な複数の電極端子を各局所中継共振回路２の局所共振用コンデンサＣＭ１〜ＣＭ６に対向させて容量結合させた。それにより、その電極端子と局所共振用コンデンサＣＭの間に結合容量ＣＰが形成された。結合容量ＣＰの容量は０．０５μＦにした。
【００７８】
等価回路で考えると、この複数の電極端子を結合容量ＣＰ１〜ＣＰ６の一方の端子に接続し、結合容量ＣＰ１〜ＣＰ６の他方の端子を各局所中継共振回路２の局所共振用コンデンサＣＭ１〜ＣＭ６に接続した回路になる。こうして、局所共振用コンデンサＣＭ１〜ＣＭ６を結合容量ＣＰ１〜ＣＰ６を介して共用容量ＣＷに容量結合させた。
【００７９】
この共用容量ＣＷと共用インダクタンスＬＷで構成する共振回路に並列に給電線対ＬＡを接続し、給電線対ＬＡに電源回路ＳＣを接続して電源回路ＳＣの周波数ｆの交流電力をその共振回路に給電した。給電線対ＬＡを構成する給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２は、幅が２００ｍｍで厚さが０．５ｍｍの銅の帯状の給電線ＬＡ１とＬＡ２の面を平行に対向させ、給電線の面の間隔をその面の幅２００ｍｍの２００分の１の１ｍｍ以下にして給電線対ＬＡを構成する。そうすることで給電線対ＬＡの各給電線が持つ自己インダクタンスは共用インダクタンスＬＷよりも十分小さくできる。
【００８０】
（シミュレーション結果）
図７のグラフに、実施例２の電磁界シミュレーションの結果の無線電力伝送効率をＳパラメータ（Ｓ２１）で表した周波数特性のグラフを示す。このシミュレーションでは、複数の局所中継コイルＬＭに接近させた受電コイルＬＵを、図６の局所中継共振回路２の集合の位置Ａから位置Ｂまで局所中継コイルＬＭからの高さｈ＝２００ｍｍを一定に保ったままで３０７５ｍｍ移動させた。
【００８１】
本実施例では、電源回路ＳＣの出力インピーダンスＲ１を１６Ωにし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスＲ２を３０Ωにした。
【００８２】
そのシミュレーションの結果は図７のＳパラメータのグラフの様に、電源回路ＳＣの交流電力の周波数ｆが９６．５ｋＨｚの場合に、負荷回路ＬＤまで伝送する電力の伝送効率が−０．５ｄＢであった。すなわち８９％の伝送効率であった。この伝送効率はコイルの幅２５ｍｍを大きくしてコイルの抵抗を小さくしてコイルの抵抗損失を小さくすることで大きく改善できると考える。また、受電コイルＬＵを位置Ａから位置Ｂまで３０７５ｍｍ移動させても、無線電力伝送効率がほとんど変わらず、受電コイルＬＵの位置によらず効率良く無線電力伝送を行える効果があった。
【００８３】
図８のグラフに、受電コイルＬＵの配置位置Ａでの、各局所中継コイルＬＭに流れる電流のグラフを示す。このグラフは、電源回路ＳＣの交流電力の周波数が９０ｋＨｚから１０５ｋＨｚでの電流値を示す。図５のグラフから、周波数９６．５ｋＨｚでは、受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭ２に流れる電流に対して、受電コイルＬＵが接近しない局所中継コイルＬＭ６に流れる電流は１２ｄＢ程度少ない、すなわち、電流が４分の１程度に少なくなった。これにより、局所中継コイルＬＭ２の電流による不要輻射のエネルギーに対する局所中継コイルＬＭ６の不要輻射のエネルギーは１６分の１程度に弱くなる。
【００８４】
本実施例の無線電力伝送システムは、電源回路ＳＣの出力インピーダンスＲ１が１６Ωで、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスＲ２が３０Ωの条件において、複数の局所中継コイルＬＭのうち、受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭの電流に対し、それ以外の局所中継コイルＬＭの電流は４分の１程度に少なくなる。
【００８５】
そのため、電力並行給電手段３の複数の電極端子が容量結合している複数の局所中継共振回路２のうち、受電コイルＬＵが接近した局所中継共振回路２のみが受電コイルＬＵへ交流電力を伝送する中継路になり、それ以外の局所中継共振回路２は中継路にならないスイッチの働きをする。そうして、受電コイルＬＵが接近していないので中継路にならない局所中継コイルＬＭには共振電流が流れないので、不要輻射を生じる局所中継コイルＬＭは、受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭのみに限定される効果がある。
【００８６】
これにより、本実施例の無線電力伝送システムは、全ての局所中継コイルＬＭの存在位置にわたる広い領域に受電コイルＬＵを配置して電力を無線電力伝送できる一方、その広い領域の中で不要輻射を生じる原因の電流が流れる部分は受電コイルＬＵが接近した局所中継コイルＬＭのみの狭い領域に限定されるので、不要輻射を少なくできる効果がある。
【００８７】
実施例２では、電力並行給電手段３に用いた共用容量ＣＷが２．５μＦであり、第１の実施形態の実施例１が用いた１６μＦの共用容量ＣＷよりも小さな容量を用いた。実施例２の様に第２の実施形態は、電力並行給電手段３に用いる共用容量ＣＷの容量を小さくできるので、共用容量ＣＷの製造コストを低減できる効果がある。
【００８８】
なお、本発明は、以上の実施形態に限定されず、本発明の各コイルは１巻きコイルに限定されず、多重巻きコイルでインダクタンスが大きいコイルを使用することができる。その場合に共振回路の共振周波数を所定の設計値に維持する共振用の容量は、コイルのインダクタンスの大きさに反比例した小さな容量で足りる。
【００８９】
また、本発明は、受電コイルＬＵが同時には複数の局所中継コイルＬＭに対向しない構成も可能であり、受電コイルＬＵが１つの局所中継コイルＬＵと１対１に対向して電力を受電する無線電力伝送システムを構成することもできる。
【００９０】
また、複数の局所中継コイルＬＭを、平面領域を埋め尽くす様に縦横方向に敷きつめて、その平面領域の何れかの位置の局所中継コイルＬＭに対向させた受電コイルＬＵに局所中継コイルＬＭから電力を給電する無線電力伝送システムを構成することもできる。
【００９１】
また、以上の実施形態の回路において電源回路ＳＣと負荷回路ＬＤを置き換えた回路構成の無線電力伝送システムを構成することもできる。
【００９２】
本発明は、受電コイルＬＵが局所中継コイルＬＭに接近した場合に、その局所中継コイルＬＭを含む局所中継共振回路２と受電コイル共振回路１の持つ共振周波数ｆが、それらの共振器が単独で存在する場合に持つ第２の共振周波数と異なる第１の共振周波数に変わる現象を利用する。また、第１の共振周波数ｆの共振電流が流れている受電コイルＬＵが発生する磁界が、受電コイルＬＵに接近した局所中継コイルＬＭに共振電流を誘導する現象を利用した発明である。
【００９３】
本発明は、電源回路ＳＣから電力並行給電手段３に、第１の共振周波数ｆの交流電力を給電する。電力並行給電手段３は、その周波数ｆの交流電力を、誘導結合又は容量結合を介して局所中継コイルＬＭに給電する。そして、受電コイルＬＵに接近した局所中継コイルＬＭのみに、第１の共振周波数ｆの共振電流が誘導され、その局所中継コイルＬＭが受電コイル共振回路１まで無線電力を伝送する中継路になる。すなわち、局所中継コイルＬＭが、受電コイルＬＵへの接近の有無で交流電力の中継のオン／オフが制御されるスイッチとして働く無線電力伝送システムである。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、電気自動車への非接触の電力給電や、机の上に設置した電子装置に机の板を隔てて誘導電力を給電する用途に適用できる。また、半導体集積回路内で集積回路の配線層間で非接触で交流電力あるいは交流電気信号を伝送する用途に適用できる。
【符号の説明】
【００９５】
１・・・受電コイル共振回路
２・・・局所中継共振回路
３・・・電力並行給電手段
Ａ・・・受電コイルＬＵの配置位置Ａ
Ｂ・・・受電コイルＬＵの配置位置Ｂ
ＣＭ、ＣＭ１、ＣＭ２、ＣＭ３、ＣＭ４、ＣＭ５、ＣＭ６・・・局所共振用コンデンサ
ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３、ＣＰ４、ＣＰ５、ＣＰ６・・・結合容量
ＣＵ・・・受電共振用コンデンサ
ＣＷ・・・共用容量
ｆ・・・電源回路の交流電力の周波数
ｈ・・・局所中継コイルＬＭの上方の受電コイルＬＵの高さ
ＬＡ・・・給電線対
ＬＡ１、ＬＡ２・・・給電線
ＬＤ・・・負荷回路
ＬＭ、ＬＭ１、ＬＭ２、ＬＭ３、ＬＭ４、ＬＭ５、ＬＭ６・・・局所中継コイル
ＬＰ、ＬＰ１、ＬＰ２、ＬＰ３、ＬＰ４、ＬＰ５、ＬＰ６・・・給電用中継コイル
ＬＵ・・・受電コイル
ＬＷ・・・共用インダクタンス
Ｒ１・・・電源回路の出力インピーダンス
Ｒ２・・・負荷回路の入力インピーダンス
ＳＣ・・・電源回路
【図１】
2017143615.tif 000003
【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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