JP2015220891A - 共振器及び無線給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】磁界共鳴方式を利用して良好な伝送効率を容易に実現可能な共振器及び無線給電システムを提供する。
【解決手段】本発明の共振器３０は、磁界共鳴方式に基づいて電力を伝送する無線給電システムに用いられ、所定の共振周波数を有する共振コイル（巻線コイル）３２と、この共振コイル３２を支持する支持部材３１と、共振コイル３２の表面近傍領域の一部に配置されて支持部材３１の材料の誘電率よりも高い誘電率を有する誘電体セラミック材料からなる電界集中部３３とを備えて構成される。これにより、共振コイル３２の線間の電界を高誘電率の電界集中部３３に集中させることにより、損失を低減して共振コイル３２のＱ値を高めることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、共振器間の磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する無線給電システムに関する。

従来から、送電装置から受電装置に対して非接触で電力を伝送する無線給電システムが要望されている。無線給電システムを実現するための手法としては、電磁誘導を利用した技術や電磁波を利用した技術などが提案されている。近年、無線給電システムに適用可能な技術として、共振器間の磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に電力を伝送する磁界共鳴方式が注目されている。例えば、特許文献１には、所定距離だけ離して対向配置した２つの共振器の磁場の共鳴により、一方の共振器から他方の共振器に電力を伝送する磁界共鳴方式の基礎的概念が開示されている。また例えば、非特許文献１には、磁界共鳴方式に用いるアンテナとしての共振コイルにおいて高いＱ値を実現するための手法が示されている。また例えば、非特許文献２には、磁界共鳴方式において得られる最大の伝送効率に関して理論的な検討がなされており、各々の共振器のＱ値を高めることにより伝送効率の向上が可能であることが示されている。また例えば、特許文献２には、無線給電システムの適用対象として電気自動車やプラグインハイブリッド車を想定し、磁界共鳴方式を利用して、車両下部に配設した共振コイルから、車両内に設けた共振コイルに電力を伝送する技術が開示されている。

特表２００９−５０１５１０号公報 特開２００９−１０６１３６号公報

藤枝智之、鈴木雅美、「磁界共鳴方式電力伝送用低損失アンテナの検討」、ＰＩＯＮＥＥＲ Ｒ＆Ｄ、Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．１／２０１２、ｐ．１１−１５ 松木英敏、他、「非接触電力伝送技術の最前線」、シーエムシー出版、ｐ．７（２００９年８月）

上述の無線給電システムにおける共振器は、例えば、銅線等の巻線コイルを用いた共振コイルと、その共振コイルの形状を確保するための機械的強度を有する支持部材とにより構成される。無線給電システムにおいて共振器を用いて交流電力を伝送する場合、良好な伝送効率を保つには、共振コイルの損失が大きくなってＱ値が低下することを防止する必要がある。しかし、上述の構造の共振器を用いる場合、コイル線間の電位差により発生した電界が支持部材を通過することにより、支持部材が誘電体として作用するので、共振コイルの損失（誘電体損）の増加によってＱ値が低下し、伝送効率が低下するという問題がある。一方、支持部材に用いる材料は、機械的強度やコストを勘案すると、一般的な樹脂材料等を用いることが望ましく、その場合の損失の増加は避けられない。以上のように、磁界共鳴方式を利用した従来の無線給電システムにおいては、共振コイル及び支持部材を備える共振器を用いて高い伝送効率で電力を伝送することが困難であった。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、良好な伝送効率を容易に実現可能な共振器及び無線給電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の共振器は、主に磁場の共鳴を利用して送電側共振器から受電側共振器に電力を伝送する無線給電システムにおける共振器であって、所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、前記共振コイルを支持する支持部材と、前記共振コイルの表面近傍領域の一部に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高い誘電率を有する高誘電率の誘電体セラミック材料からなる電界集中部とを備えて構成される。

本発明の共振器によれば、磁場の共鳴を利用する非接触の電力伝送方式（磁界共鳴方式）の無線給電システムにおいて、送電側及び受電側の各共振器を構成する共振コイルは、支持部材により支持されるとともに、自身の表面近傍領域の一部には、支持部材の材料よりも高い誘電率の誘電体セラミック材料からなる電界集中部が配置されている。よって、共振器の動作時に共振コイルの線間に発生した電界は、相対的に損失が少ない誘電体セラミック材料を通過するので、共振コイルのＱ値を高めることができる。そして、このようにＱ値の高い共振コイルを用いて送電側及び受電側の共振器間で電磁界エネルギーを伝送する際、良好な伝送効率を実現することができる。なお、「共振コイルの表面近傍領域」としては、共振コイルの表面に接するか、あるいは、共振コイルの表面からの距離が共振コイルを形成する巻線コイルの線間ピッチより小さい領域であることが望ましい。

本発明の共振器において、電界集中部を構成する誘電体セラミック材料は、比誘電率εｒを８以上とし、誘電正接ｔａｎδを１０^−２以下とすることが望ましい。誘電体セラミック材料の比誘電率εｒが８に満たないと、共振コイルの線間の電界を集中させてＱ値を高める効果が不十分になるし、誘電体セラミック材料の誘電正接ｔａｎδが１０^−２を超えると、誘電体損の増加によりＱ値が低下するからである。

本発明の共振器において、前述の電界集中部は、共振コイルの表面近傍領域のうち面積比で１０％以上の領域に設定することが望ましい。電界集中部の領域が面積比で１０％に満たないと、Ｑ値が低下するためである。ただし、電界集中部の領域を面積比で１０％程度に設定したとしも所望のＱ値を確保できるので、共振器の機械的強度を確保しつつ、誘電体セラミック材料による重量増加を抑制することができる。

本発明の共振器においては、多様な構造の共振コイルを用いることができる。例えば、スパイラル型の巻線コイルにより構成された共振コイルや、ヘリカル型の巻線コイルにより構成された共振コイルを採用してもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の無線給電システムは、主に磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に電力を伝送する無線給電システムであって、前記送電装置は、所定の周波数の交流電力を供給する電源と、前記電源から供給された前記交流電力に共振し、前記交流電力を電磁界エネルギーとして送電する送電側共振器と、を備え、前記受電装置は、前記送電側共振コイルと前記磁場の共鳴により結合し、前記電磁界エネルギーを交流電力として受電する受電側共振器と、前記受電側共振器により受電された前記交流電力により動作する回路部と、を備え、前記送電側共振器及び前記受電側共振器の各々は、所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、前記共振コイルを支持する支持部材と、前記共振コイルの表面近傍領域の一部に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高い誘電率を有する高誘電率の誘電体セラミック材料からなる電界集中部とを備えて構成される。

本発明の無線給電システムによれば、上述の特徴を有する共振器を、送電装置の送電側共振器と、受電装置の受電側共振器のそれぞれに適用することができる。よって、送電装置においては、電源から供給される交流電力に共振する送電側共振器が電磁界エネルギーを伝送し、受電装置においては、受電側共振器が電磁界エネルギーを受け取って後段の回路部に交流電力を出力する。例えば、本発明の無線給電システムは、電気自動車やプラグインハイブリッド車などの車両への電源供給などの多様な用途に利用することができる。なお、本発明の無線給電システムにおける共振器の構造は上述した通りであり、電界集中部への電界の集中により共振コイルのＱ値を高める効果を得られる点も同様である。

本発明によれば、共振コイルと支持部材を備える共振器において、共振コイルの表面近傍領域の一部に配置した高誘電率の誘電体セラミック材料からなる電界集中部を設けたので、損失の発生を抑制して共振コイルのＱ値を高めることができ、共振器間の良好な伝送効率を確保し得る無線給電システムを実現することができる。

本発明を適用した無線給電システムの一構成例を示すブロック図である。 送電装置における送電側共振器及びそれに関連する回路部分と、受電装置における受電側共振器及びそれに関連する回路部分との等価回路の一例を示す図である。 本実施形態の共振器の構造例を示す図である。 本実施形態の共振器内に発生する電界について模式的に説明する図である。 本実施形態の巻線コイルのＱ値をシミュレーションにより検証した結果を示す図である。 本実施形態の巻線コイルの表面近傍領域のうち上述の電界集中部としての誘電体セラミック部材が配置された領域が占める面積比とＱ値との関係についてシミュレーションにより検証した結果を示す図である。 本実施形態の一変形例に係る共振器の構造例を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。

図１は、本発明を適用した無線給電システムの一構成例を示すブロック図である。図１に示す無線給電システムは、送電装置１から受電装置２に非接触（無線）で電力を伝送するシステムである。例えば、車両に内蔵された受電装置２に対し、地面や路面に配設された送電装置１から非接触で給電を行う無線給電システムを挙げることができる。

図１に示すように、送電装置１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０と、高周波電源１１と、整合回路１２と、送電側共振器１３と、無線通信部１４と、制御部１５とを含んで構成される。また、受電装置２は、受電側共振器２０と、整合回路２１と、整流器２２と、バッテリ２３と、負荷回路２４と、無線通信部２５と、制御部２６とを含んで構成される。

送電装置１において、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０は、商用電源等の交流電力を直流電力に変換する。高周波電源１１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０から供給される直流電力を用いて所定の周波数の高周波電力を発生する発振器である。整合回路１２は、高周波電力を供給する高周波電源１１の出力側と後段の送電側共振器１３とのインピーダンス整合を行う。送電側共振器１３は、整合回路１２を介して供給される高周波電力を受け、その所定の周波数で共振して電磁界エネルギーを生成する共振器である。送電側共振器１３の具体的な構造と作用については後述する。

受電装置２において、受電側共振器２０は、送電装置１の送電側共振器１３と磁気的に結合し、磁界共鳴に基づき上述の所定の周波数で共振して高周波電力を発生する共振器である。本実施形態において、受電側共振器２０は、基本的に送電装置１の送電側共振器１３と同一の構造としてよい。整合回路２１は、受電側共振器２０と後段の整流器２２とのインピーダンス整合を行う。整流器２２は、整合回路２１を経由して供給される高周波電力を整流して直流電力に変換する。蓄電器として機能するバッテリ２３は、整流器２２を介して供給される電力を蓄える二次電池である。負荷回路２４は、バッテリ２３から供給される放電電流に応じて動作する回路であって、受電装置２の取り付け対象に含まれる多様な構成要素が想定される。

一方、送電装置１の制御部１５は、送電装置１の全体の動作を制御する。同様に、受電装置２の制御部２６は、受電装置２の全体の動作を制御する。各々の制御部１５、２６は、例えば、無線給電システムにより定められた処理を実行するプロセッサと、データおよびプログラムを記憶するメモリを含む。また、送電装置１の無線通信部１４と受電装置２の無線通信部２５は、上述の送電側共振器１３及び受電側共振器２０の間の電力の伝送とは別に、それぞれの制御部１５、２６で必要な情報を無線により相互に伝送する手段であり、例えば、送受信回路とアンテナを含んで構成される。

次に、図１の無線給電システムのうち、送電側共振器１３及び受電側共振器２０の構造及び動作について説明する。本実施形態において、送電側共振器１３及び受電側共振器２０は、いずれも所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーを相互に変換する共振コイルを含み、送電側共振器１３及び受電側共振器２０を比較的近い距離で対向させて配置して両者を磁気的に結合させた状態で用いられる。このような状態で、送電側共振器１３から主に磁界エネルギーが受電側共振器２０に伝送され、いわゆる磁界共鳴方式に基づく非接触の電力伝送が可能となる。

図２は、送電装置１における送電側共振器１３及びそれに関連する回路部分と、受電装置２における受電側共振器２０及びそれに関連する回路部分との等価回路の一例を示している。送電装置１においては、発振器１１ａとインピーダンスＺｏの直列回路の部分は図１の高周波電源１１に相当し、インダクタンスＬ１、容量Ｃ１、抵抗Ｒ１の直列回路の部分は図１の送電側共振器１３に相当し、両者が接続されている。また、受電装置２においては、インダクタンスＬ２、容量Ｃ２、抵抗Ｒ２の直列回路の部分は図１の受電側共振器２０に相当し、その回路部分と負荷（図１のバッテリ２３又は負荷回路２４）が接続されている。このように、送電側共振器１３と受電側共振器２０は同一の等価回路で表されるので、磁界の結合によって同一の共振周波数で共振（共鳴）する。

送電側共振器１３及び受電側共振器２０において、インダクタンスＬは共振コイルの部分のサイズや巻数に依存して定まり、容量Ｃは共振コイルの配線間の寄生容量（浮遊容量）に依存して定まる。図２の等価回路において、１対の送電側共振器１３及び受電側共振器２０の回路部分は、１対のコイルが電磁誘導を生じる回路形式と同様に表現される。ただし、電磁誘導の場合は、コイルに磁性体が用いられるためＱ値が極めて低くなって１対のコイルの距離が離れると電力の伝送が困難となるのに対し、本実施形態では、後述の構造及び材料によって共振コイルのＱ値を高くできるので、送電側共振器１３と受電側共振器２０がある程度距離が離れたとしても、磁界結合によって効率的に電力を伝送することができる。

ここで、送電側共振器１３から受電側共振器２０への伝送効率ηは、次の（１）式のｆｏｍ（性能指数）に関係する。
ｆｏｍ＝ｋ（Ｑ１・Ｑ２）^１／２ （１）
ただし、ｋ：結合係数
Ｑ１：送電側共振器１３の共振コイルのＱ値
Ｑ２：受電側共振器２０の共振コイルのＱ値

（１）式において、結合係数ｋは、送電側共振器１３と受電側共振器２０の各共振コイル同士の間隔（エアギャップ）に依存し、間隔が大きくなるほど低下する。すなわち、各共振コイルの配置の制約に応じた所与の結合係数ｋに対し、上述のＱ１、Ｑ２が高くなるほど、伝送効率ηを向上させることができる。一般に、角周波数ωにおける共振コイルのＱ値は、（２）式により与えられる。
Ｑ＝ωＬ／ｒ （２）
ただし、Ｌ：インダクタンス
ｒ：抵抗

（２）式において、抵抗ｒは、誘電体損、導体損、放射損などの損失の和で表される。本実施形態では、送電側共振器１３及び受電側共振器２０の構造に基づき共振コイルの損失を低減することにより、共振コイルのＱ値の向上を図るものであるが、詳しくは後述する。

次に、図１の送電側共振器１３及び受電側共振器２０の構造について説明する。上述したように、送電側共振器１３及び受電側共振器２０の基本構造は同じであるため、以下では、送電側共振器１３及び受電側共振器２０の両方に適合する共振器３０を想定して説明を行うものとする。まず、本実施形態の共振器３０の構造例について図３を参照して説明する。図３に示す共振器３０は、円板状の支持部材３１と、支持部材３１の内部の導体からなるスパイラル型の巻線コイル３２（本発明の共振コイル）と、巻線コイル３２の表面の一部の領域に配置された誘電体セラミック部材３３（本発明の電界集中部）とにより構成される。

図３の構造例において、支持部材３１は、共振器３０の全体を支持する筐体としての役割があり、例えば、一般的な樹脂材料により形成される。図３の例では、支持部材３１は所定の厚みを有する円板状の部材であり、中央に円形の開口部３１ａが設けられている。支持部材３１の形状及び構造は、図３の例には限られないが、巻線コイル３２の一定の形状を確保でき、かつ十分な機械的強度を得られる構造を有することが望ましい。支持部材３１の内部には、巻線コイル３２及び誘電体セラミック部材３３が固定された状態で配置されている。なお、支持部材３１の内部は、例えば樹脂材料で充填してもよいが、支持部材３１の内部に空間が存在してもよい。

巻線コイル３２は、支持部材３１の厚さ方向の略中央の位置に配置され、スパイラル状に巻いた状態の線状導体（例えば、銅線）により構成される。巻線コイル３２のサイズ、巻き数、巻線コイル３２を構成する線状導体の線径及び線間ピッチは、共振器３０のサイズ、共振周波数、Ｑ値などの設計条件に応じて適切に決定することができる。なお、巻線コイル３２は、支持部材３１の内部に配置する構造に限らず、支持部材３１の表面に配置する構造としてもよい。

巻線コイル３２の両端は開放（オープン）されていてもよいし、あるいは回路素子に接続されていてもよい。巻線コイル３２の両端が開放されている状態で共振器３０に給電するには、例えば、近傍に配置したループ素子を介して共振器３０に給電すればよい。また、共振器３０に対し、巻線コイル３２の一端にキャパシタを直列に接続してもよいし、巻線コイル３２の両端にキャパシタを並列に接続してもよい。このようなキャパシタの容量値を適切に設定することにより、共振器３０の共振周波数やＱ値を調整することができる。

誘電体セラミック部材３３は、高誘電率のセラミック材料により形成された複数の板状部材であり、巻線コイル３２の表面近傍の領域のうち一部に配置されている。誘電体セラミック部材３３の材料は、少なくとも支持部材３１の材料の誘電率よりも高い誘電率を有している。誘電体セラミック部材３３の材料としては、比誘電率εｒが８以上で、かつ、誘電正接ｔａｎδが１０^−２以下の誘電体セラミック材料を用いることが望ましい。なお、支持部材３１の一般的な樹脂材料としては、例えば、比誘電率εｒが２程度となる。支持部材３１及び誘電体セラミック部材３３の各誘電率の相違により、巻線コイル３２の巻線間に発生する電界を誘電体セラミック部材３３に集中させて巻線コイル３２のＱ値を高めることができるが、具体的な作用及び効果については後述する。

図３の例では、誘電体セラミック部材３３として、巻線コイル３２の周方向の所定位置に配置された３個の板状部材が示されているが、誘電体セラミック部材３３を構成する板状部材の個数や配置は制約されない。この場合、誘電体セラミック部材３３を１個の板状部材で構成してもよい。ただし、誘電体セラミック部材３３を構成する１個又は複数の板状部材は、巻線コイル３２の表面近傍の全部の領域を覆う程度のサイズであると共振器３０の軽量化を阻害するので、巻線コイル３２の表面近傍の一部の領域を覆う程度のサイズとすることが望ましい。また、図３では省略しているが、電界の集中の効果を高めるには、巻線コイル３２の両側（上部及び下部）の表面に誘電体セラミック部材３３を配置することが望ましい。

本実施形態の共振器３０の設計条件は、無線給電システムの形態や用途に応じた多様な選択が可能である。例えば、巻線コイル３２の寸法パラメータを含む設計条件の具体例としては、共振周波数を１０ＭＨｚとしたとき、巻数が６、コイル内径が２００ｍｍ、線間ピッチが１ｍｍ、円形断面の線状導体の線径が０．９６ｍｍのように設定することができる。なお、誘電体セラミック部材３３の厚さは、例えば、５ｍｍに設定することができる。

ここで、図４を用いて、本実施形態の共振器３０内に発生する電界について模式的に説明する。まず、図４（Ａ）は、本実施形態との比較のため、誘電体セラミック部材３３を設けない場合の共振器３０の部分的な断面構造を拡大して示している。一方、図４（Ｂ）は、本実施形態の図３の構造のうち、誘電体セラミック部材３３が配置された領域の部分的な断面構造を拡大して示している。図４（Ａ）、（Ｂ）においては、誘電体セラミック部材３３の有無を除いて、同様の構造である。すなわち、巻線コイル３２が支持部材３１の厚さ方向の略中央に固定され、複数の線状導体が一定間隔（線間ピッチ）で並ぶ構造で表される。なお、巻線コイル３２を構成する線状導体は円形断面で表されるが、方形断面であってもよい。また、誘電体セラミック部材３３は、巻線コイル３２を上部表面と下部表面から挟み込むように配置されている。

図４（Ａ）、（Ｂ）においては、巻線コイル３２の隣接する線状導体の間に発生する電界の様子をそれぞれ矢印（電気力線）で示している。通常、共振器３０間に伝送される電磁界エネルギーとして磁界が主であるため、巻線コイル３２の線間の電界は伝送には寄与しない。しかし、巻線コイル３２のＱ値の低下を抑制するには、巻線コイル３２の線間の電界が誘電体材料を通過する際の損失（主に誘電体損）を小さくする必要がある。まず、比較例の図４（Ａ）は、巻線コイル３２の線間の電界が支持部材３１の樹脂材料を通過するが、樹脂材料の誘電率が低いため、電界が広がって分布するとともに、比較的大きな損失が発生する。これに対し、本実施形態の図４（Ｂ）では、巻線コイル３２の線間の電界は、誘電率が高い誘電体セラミック部材３３の内部に集中し、その外側では極めて小さくなる。この場合、誘電体セラミック部材３３の誘電率が高いほど、誘電体セラミック部材３３の電界の集中の度合（電気力線の密度）が強くなり、それによる損失を低下させることができる。ただし、図４（Ｂ）において、巻線コイル３２と誘電体セラミック部材３３の間に樹脂材料等が存在すると、そこを電界が通過して損失が発生するので、巻線コイル３２と誘電体セラミック部材３３はできるだけ密着させた状態で配置すること望ましい。このように、本実施形態の図４（Ｂ）の構造を採用すると、比較例の図４（Ａ）の構造に比べ、巻線コイル３２の線間の電界の損失を抑制し、そのＱ値を高める効果が得られる。

図５は、本実施形態の巻線コイル３２のＱ値をシミュレーションにより検証した結果を示している。図５においては、所定の条件下で、巻線コイル３２のみを設けた構造Ｓ０と、支持部材３１及び巻線コイル３２を設けた構造Ｓ１（図４（Ａ）の構造）と、支持部材３１、巻線コイル３２、誘電体セラミック部材３３を設けた構造（図４（Ｂ）の構造）であって誘電体セラミック部材３３の材料の比誘電率εｒとしてεｒ＝１０、３０にそれぞれ設定した構造Ｓ２、Ｓ３に関し、それぞれのＱ値を比較している。このうち、巻線コイル３２のみを設けた構造Ｓ０は材料の損失が無視でき、最も高いＱ値が得られるので、これを基準に他の構造の良否を判断することができる。

図４（Ａ）の構造Ｓ１のＱ値は、構造Ｓ０のＱ値に比べ大きく低下している。すなわち、前述のように、支持部材３１の材料の損失に起因するＱ値の劣化が確認された。これに対し、本実施形態の図４（Ｂ）の構造Ｓ２、Ｓ３の各Ｑ値は、構造Ｓ１のＱ値よりも大幅に向上し、構造Ｓ０に比べたＱ値の低下は比較的小さい範囲にとどまる。また、εｒ＝１０の場合の構造Ｓ２よりも、εｒ＝３０の場合の構造Ｓ３の方が高いＱ値が得られることがわかる。よって、他の条件が同様であれば、前述したように、誘電体セラミック部材３３の誘電率を高くすることで、Ｑ値の向上の効果を高めることができる。

次に図６は、本実施形態の巻線コイル３２の表面近傍領域のうち上述の電界集中部としての誘電体セラミック部材３３が配置された領域が占める面積比とＱ値との関係についてシミュレーションにより検証した結果を示している。例えば、前述の図３の構造では、巻線コイル３２の表面近傍領域の３０％程度の面積比で誘電体セラミック部材３３が配置されているが、この面積比を増減したときのＱ値の変化が問題となる。図６においては、Ｑ値の比較のため、支持部材３１及び巻線コイル３２のみを設けた場合（図５の構造Ｓ１）の特性Ｃ０（図６の左端）を示し、巻線コイル３２のみを設けた場合（図５の構造Ｓ０）の特性Ｃ３（図６の右端）を示す。そして、面積比０〜１００％の範囲内で、図５の構造Ｓ２、Ｓ３に関連して、εｒ＝１０の誘電体セラミック部材３３の特性Ｃ１と、εｒ＝３０の誘電体セラミック部材３３の特性Ｃ２とをそれぞれ示している。なお、図６のシミュレーションでは、支持部材３１はεｒ＝２程度の一般樹脂を用い、共振周波数が約１０ＭＨｚの巻線コイル３２を用いた。

図６に示すように、特性Ｃ１、Ｃ２のいずれとも上記面積比が１０％を下回るとＱ値が急激に低下する。また、上記面積比が１０〜１００％の範囲では、特性Ｃ１、Ｃ２のいずれともＱ値が安定するが、εｒ＝１０の特性Ｃ１に比べεｒ＝３０の特性Ｃ２の方が高いＱ値が得られることがわかる。よって、巻線コイル３２の表面近傍領域で誘電体セラミック部材３３の面積比を１０％以上に設定することが望ましく、その範囲内で誘電体セラミック部材３３の誘電率が高い方がＱ値の向上に有利である。また、面積比が１００％の場合は誘電体セラミック材料の重量が増加するという問題がある。面積比が１００％でなくとも、面積比で１０％程度に設定されていれば所望のＱ値を確保できる。そのため、誘電体セラミック部材３３を巻線コイル３２の表面近傍領域の一部に配置すれば、共振器３０の機械的強度を確保しつつ、誘電体セラミック材料による重量増加を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態の共振器３０を採用することにより、支持部材３１の材料よりも誘電率が高い誘電体セラミック部材３３を巻線コイル３２の表面近領域の一部に配置し、それを電界集中部として作用させることで、Ｑ値の高い共振器３０を実現し、無線給電システムにおける伝送効率の向上が可能となる。この場合、巻線コイル３２の表面近傍領域に占める誘電体セラミック部材３３の面積比は１０％程度確保すればよいため、共振器３０の重量増加にはつながらず、誘電体セラミック部材３３の割れ等の問題を回避して機械的強度を高めるのに適した構造を実現することができる。

図３〜図６においては、本実施形態の共振器３０として、スパイラル型の巻線コイル３２を用いる構造例を説明したが、巻線コイル３２の構造例には多様な変形例がある。図７は、本実施形態の一変形例に係る共振器４０として、円筒状の支持部材４１と、ヘリカル型の巻線コイル４２と、誘電体セラミック部材４３とにより構成される構造例を示している。支持部材４１は、中空状に加工され、その円筒側面に巻線コイル４２が配置されている。また、巻線コイル４２の外側の表面の一部の領域には、誘電体セラミック部材４３（図７では４個の板状部材）が配置されている。支持部材４１及び誘電体セラミック部材４３の材料及び両者の誘電率の関係については、図３の共振器３０と同様である。

図７の変形例の巻線コイル４２のサイズ、巻き数、線状導体の線径及び線間ピッチなどは、図３の巻線コイル３２と同様、共振器４０の設計条件に応じて適切に決定することができる。また、誘電体セラミック部材４３を構成する板状部材の個数や配置が制約されない点についても同様である。図７の変形例を採用する場合であっても、図４を用いて説明した通り、巻線コイル４２の巻線間に発生する電界を誘電体セラミック部材４３に集中させて巻線コイル４２のＱ値を高める効果が得られる。

なお、図７の変形例の支持部材４１は、円筒状に限られず、例えば、矩形状に形成してもよい。この場合、矩形状の支持部材４１の断面矩形の側面に沿って巻線コイル４２を配置し、その外側の一又は複数の所定箇所にそれぞれ板状部材からなる誘電体セラミック４３を配置すればよい。この場合、巻線コイル４２が周囲に巻かれた支持部材４１の内部は、空芯状には限られず、所定の誘電率を有する部材を挿入してもよい。

以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、本実施形態の無線給電システムとして、図１の構成例を示したが、これに限られることなく、本発明の構造上の特徴を具備する共振器を用いる限り、多様な構成の無線給電システムに対して本発明を適用することができる。また、本発明を適用可能な無線給電システムの用途として、車両への電源供給に言及したが、例えば、携帯電話やノートＰＣなどの情報端末、ＴＶ、家電機器、照明機器、ゲーム機器、医療機器、産業機器など多様な用途の無線給電システムに対して本発明の適用が可能である。さらに、その他の点についても上記実施形態により本発明の内容が限定されるものではなく、本発明の作用効果を得られる限り、上記実施形態に開示した内容には限定されることなく適宜に変更可能である。

１…送電装置
２…受電装置
１０…ＡＣ／ＤＣコンバータ
１１…高周波電源
１２…整合回路
１３…送電側共振器
１４…無線通信部
１５…制御部
２０…受電側共振器
２１…整合回路
２２…整流器
２３…バッテリ
２４…負荷回路
２５…無線通信部
２６…制御部
３０、４０…共振器
３１、４１…支持部材
３２、４２…巻線コイル
３３、４３…誘電体セラミック部材

Claims (8)

1. 主に磁場の共鳴を利用して送電側共振器から受電側共振器に電力を伝送する無線給電システムにおける共振器であって、
   所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、
   前記共振コイルを支持する支持部材と、
   前記共振コイルの表面近傍領域の一部に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高い誘電率を有する高誘電率の誘電体セラミック材料からなる電界集中部と、
   を備えることを特徴とする共振器。
2. 前記誘電体セラミック材料は、比誘電率εｒが８以上であり、誘電正接ｔａｎδが１０^−２以下であることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
3. 前記共振コイルの前記表面近傍領域のうち、前記電界集中部が配置された領域は面積比で１０％以上に設定されることを特徴とする請求項１から２のいずれか１項に記載の共振器。
4. 前記共振コイルは、スパイラル型の巻線コイルにより構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の共振器
5. 前記共振コイルは、ヘリカル型の巻線コイルにより構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の共振器
6. 主に磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に電力を伝送する無線給電システムであって、
   前記送電装置は、
   所定の周波数の交流電力を供給する電源と、
   前記電源から供給された前記交流電力に共振し、前記交流電力を電磁界エネルギーとして送電する送電側共振器と、
   を備え、
   前記受電装置は、
   前記送電側共振コイルと前記磁場の共鳴により結合し、前記電磁界エネルギーを交流電力として受電する受電側共振器と、
   前記受電側共振器により受電された前記交流電力により動作する回路部と、
   を備え、
   前記送電側共振器及び前記受電側共振器の各々は、
   所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、
   前記共振コイルを支持する支持部材と、
   前記共振コイルの表面近傍領域の一部に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高い誘電率を有する高誘電率の誘電体セラミック材料からなる電界集中部と、
   を備えることを特徴とする無線給電システム。
7. 前記誘電体セラミック材料は、比誘電率εｒが８以上であり、誘電正接ｔａｎδが１０^−２以下であることを特徴とする請求項６に記載の無線給電システム。
8. 前記共振コイルの前記表面近傍領域のうち、前記電界集中部が配置された領域は面積比で１０％以上に設定されることを特徴とする請求項６から７のいずれか１項に記載の無線給電システム。
   

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