WO2014061082A1 - 受電装置、送電装置及び送受電システム - Google Patents

Abstract

　電力伝送効率を向上する。　受電装置（２０）は、磁界を媒介として電力を受電する受電コイル（２１）と受電コイル（２１）に並置された磁性シート（２２）を備えている。磁性シート（２２）は、第１比透磁率を有する第１部分と、第１部分より受電コイル（２１）から離れており第１比透磁率より大きい第２比透磁率を有する第２部分とを有している。磁性シート（２２）において、受電コイル（２１）に近い第１部分では、磁束が強いため、比透磁率が比較的小さくても多くの磁束を捕捉できる。また、比透磁率が小さいと、通常、磁気損失も小さいので、エネルギー損失が低減する。一方、受電コイル（２１）から離れた第２部分では、磁束が弱いため、比透磁率が比較的大きいことで、磁束の捕捉効果が高まる。これにより、一様に同じ比透磁率をもつ磁性シートを用いる場合よりも、電力伝送効率を向上させることができる。

Description

受電装置、送電装置及び送受電システム

　本発明は、受電装置、送電装置及び送受電システムに関する。

　非接触で電力を伝送する技術として、電磁誘導方式と近傍磁界中の共鳴現象を利用した方式（以下磁界共鳴方式と呼ぶ）が実用化あるいは研究開発されている。
　電磁誘導方式では、基本的な送受電系は一対のコイルを有する。送電コイルに生じた高周波磁界（磁束）が受電コイルを貫くことにより受電コイルに起電力が誘起されることで受電コイルに電流が流れ、電力（電気エネルギー）が送電側から受電側に空間的に伝送される。

　磁界共鳴方式では、基本的な送受電系は、キャパシタが直列に接続された一対の共振コイル（いわゆるＬＣ共振コイル）を有する。一対の共振コイルは共振周波数が一致しているため共振コイル間で共鳴現象が生じ、高周波磁界を媒介として、電力（電気エネルギー）が送電側から受電側に空間的に伝送される。

特開２０１０－２８３２６３号公報

ＮＩＫＫＥＩ　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　２００７．１２．３　１１７頁～１２８頁

　ところで、送受電コイルの近傍に金属が配置されると、電力伝送の媒介となる高周波磁界と金属が相互作用し、共振周波数が設計値から外れるために電力伝送効率が低下するという問題があった。このような金属の影響を抑止するため、大きな比透磁率をもつ絶縁性の磁性シートをコイルと金属の間に挿入し、（磁性シートの中を磁束が通ることで）磁気回路的に磁束の流れを変え、金属との相互作用を抑制して電力伝送効率を改善することが考えられる。

　しかし、単に磁性シートを用いただけでは磁気損失が生じるために電力伝送効率の改善は制限される。

　発明の一観点によれば、磁界を媒介として電力を受電する受電コイルと、前記受電コイルに並置された磁性体と、を有し、前記磁性体は、第１比透磁率を有する第１部分と、前記第１部分より前記受電コイルから離れており前記第１比透磁率より大きい第２比透磁率を有する第２部分とを有する、受電装置が提供される。

　また、発明の一観点によれば、磁界を媒介として電力を送電する送電コイルと、前記送電コイルに並置された磁性体と、を有し、前記磁性体は、第１比透磁率を有する第１部分と、前記第１部分より前記送電コイルから離れており前記第１比透磁率より大きい第２比透磁率を有する第２部分とを有する、送電装置が提供される。

　また、発明の一観点によれば、磁界を媒介として電力を送電する送電コイルを有する送電装置と、前記電力を受電する受電コイルを有する受電装置と、を有し、前記送電装置または前記受電装置の少なくとも一方は、前記送電コイルまたは前記受電コイルに並置された磁性体を有し、前記磁性体は、第１比透磁率を有する第１部分と、前記第１部分より前記送電コイルまたは前記受電コイルから離れており前記第１比透磁率より大きい第２比透磁率を有する第２部分とを有する、送受電システムが提供される。

　開示の受電装置、送電装置及び送受電システムによれば、電力伝送効率を向上できる。
　本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

第１の実施の形態の送受電システムの一例を示す図である。 送受電システムのコイル部分と磁性体の一例を示す斜視図である。 図１の送電装置の一部を拡大した図である。 第２の実施の形態の送受電システムの一例を示すブロック図である。 第１の例の磁性シートの一部を示す断面図である。 受電装置内において磁性シートがない場合、磁性シートが単一の比透磁率を有する場合、磁性シートの比透磁率の分布が図５と逆の場合を示す図である。 受電コイルに近い側の磁性層の比透磁率を変化させたときの電力伝送効率の変化を示すシミュレーション結果である。 受電コイルに近い側の磁性層の厚さ（シート厚）を変化させたときの電力伝送効率の変化を示すシミュレーション結果である。 受電コイルと磁性シートの間の距離を変化させたときの電力伝送効率の変化を示すシミュレーション結果である。 受電コイルと磁性シートの間に接着層が設けられた例を示す図である。 第２の例の磁性シートの一部を示す図である。 面ｆ１０側の磁性層の他の例を示す平面図である。 磁性材料の体積占有率の分布が図１１（Ａ）の磁性シートと逆の場合を示す図である。 第３の例の磁性シートの一部を示す図である。 磁性材料の体積占有率の分布が図１４（Ａ）の磁性シートと逆の場合を示す図である。 第４の例の磁性シートの一部を示す図である。 第５の例の磁性シートの一部を示す断面図である。

　以下、発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ説明する。
　なお、以下では磁界共鳴方式で電力伝送を行う送受電システムを例にして説明する。
　（第１の実施の形態）
　図１は、第１の実施の形態の送受電システムの一例を示す図である。図１（Ａ）は、送受信システムの全体図、図１（Ｂ）は、受電装置２０の一部の拡大図である。

　また、図２は、送受電システムのコイル部分と磁性体の一例を示す斜視図である。
　送受電システムは、送電装置１０と、受電装置２０を有している。
　送電装置１０は、１次コイル１１ａと２次コイル１１ｂを有する送電コイル１１と、磁性体（以下磁性シートと呼ぶ）１２を有する。また、受電装置２０は、３次コイル２１ａと４次コイル２１ｂを有する受電コイル２１と、磁性シート２２と、金属部品２３を有する。矢印Ｍは、磁束を模式的に示したものである。金属部品２３は、たとえば、充電池などである。

　なお、図２に示されているように、磁性シート１２，２２の大きさは、送電コイル１１や受電コイル２１よりも大きく、磁束が発散しないようになっている。また、１次コイル１１ａには入力ポートＩＮが設けられており、２次コイル１１ｂ及び３次コイルには、容量素子Ｃ１，Ｃ２が設けられ、４次コイルには、負荷ＲＬが接続されている。入力ポートＩＮには、たとえば、整合器を介して高周波電源が接続されるが図１、図２では図示が省略されている。また、受電装置２０は、たとえば、整流回路やＤＣ－ＤＣコンバータを有するが図示が省略されている。

　受電コイル２１は、磁界を媒介として電力を受電する。
　受電コイル２１は周回形状を有する。図１、図２において、受電コイル２１の周回軸Ａ２１－Ａ２２を通る、受電コイル２１の断面形状が斜線で示されている。受電コイル２１は、周回軸方向から見て円形状であるが、角形状など他の形状であってもよい。また、受電コイル２１は、同一平面上のスパイラルコイルでもよいし、らせん形状のヘリカルコイルであってもよい。

　磁性シート２２は、受電コイル２１の周回軸方向に並置されている。受電コイル２１がヘリカルコイルの場合、「受電コイル２１の周回軸方向に並置されている」とは、ヘリカルコイルのらせん軸方向に且つヘリカルコイルに重ならない位置に並置されていることを意味する。磁性シート２２は、たとえば、周回軸に垂直な方向に伸びるシート形状を有する。

　また、磁性シート２２は、受電コイル２１の受電側と反対側に配置されている。なお、「受電コイル２１の受電側と反対側」とは、図１に示されているように、受電コイル２１において、受電の際に送電コイル１１に対向する側（受電側）とは反対側を意味する。磁性シート２２は、受電コイル２１に対して、受電の際に送電側（送電装置１０）と対向する受電装置２０の対向面２０ａ側とは反対側に配置されている、ということもできる。

　磁性シート２２は、絶縁性を有していることが望ましい。磁性シート２２は、磁性性を有していることにより、磁束による渦電流の発生を防げ、発熱による電力伝送効率の損失を抑制できる。

　磁性シート２２は、受電コイル２１の近傍に設けられている金属部品２３の影響で、電力伝送効率が悪化することを抑制するものであり、磁束を効率よく集めるためには大きな比透磁率を有していることが望ましい。ただ、比透磁率が大きな磁性材料は、磁気損失（複素比透磁率の虚数項）が大きくなりやすい。磁性材料の磁気物性は、比透磁率（＝複素比透磁率の実数項）とｔａｎδ（＝複素比透磁率の虚数項／複素比透磁率の実数項）で規定される。よって、比透磁率に依らずｔａｎδが一定であっても、大きな比透磁率の場合には磁気損失は大きくなってしまう。

　本実施の形態の受電装置２０において、磁性シート２２は、受電コイル２１に近い部分の比透磁率よりも、受電コイル２１から離れた部分の比透磁率が大きくなっている。磁性シート２２において、受電コイル２１に近い部分では、磁束が強いため、比透磁率が比較的小さくても多くの磁束を捕捉できる。また、比透磁率が小さいと、通常、磁気損失も小さいので、エネルギー損失が低減する。一方、受電コイル２１から離れた部分では、磁束が弱いため、比透磁率が比較的大きいことで、磁束の捕捉効果が高まる。これにより、一様に同じ比透磁率をもつ磁性シートを用いる場合よりも、電力伝送効率を向上させることができる。

　送電装置１０側の磁性シート１２についても、同様の構造をもつようにしてもよい。
　図３は、図１の送電装置の一部を拡大した図である。
　送電コイル１１は、磁界を媒介として電力を送電する。

　送電コイル１１は周回形状を有する。図１～図３において、送電コイル１１の周回軸Ａ１１－Ａ１２を通る、送電コイル１１の断面形状が斜線で示されている。送電コイル１１は、周回軸方向から見て円形状であるが、角形状など他の形状であってもよい。また、送電コイル１１は、同一平面上のスパイラルコイルでもよいし、らせん形状のヘリカルコイルであってもよい。

　磁性シート１２は、送電コイル１１の周回軸方向に並置されている。送電コイル１１がヘリカルコイルの場合、「送電コイル１１の周回軸方向に並置されている」とは、ヘリカルコイルのらせん軸方向に且つヘリカルコイルに重ならない位置に並置されていることを意味する。磁性シート１２は、たとえば、周回軸に垂直な方向に伸びるシート形状を有する。

　また、磁性シート１２は、送電コイル１１の送電側と反対側に配置されている。なお、「送電コイル１１の送電側と反対側」とは、図１に示されているように、送電コイル１１において、送電の際に受電コイル２１に対向する側（送電側）とは反対側を意味する。磁性シート１２は、送電コイル１１に対して、送電の際に受電側（受電装置２０）と対向する送電装置１０の対向面１０ａ側とは反対側に配置されている、ということもできる。

　また、磁性シート１２は、絶縁性を有していることが望ましい。磁性シート１２は、磁性性を有していることにより、磁束による渦電流の発生を防げ、発熱による電力伝送効率の損失を抑制できる。

　本実施の形態の送電装置１０において、磁性シート１２は、送電コイル１１に近い部分の比透磁率よりも、送電コイル１１から離れた部分の比透磁率が大きくなっている。磁性シート１２において、送電コイル１１に近い部分では、磁束が強いため、比透磁率が比較的小さくても多くの磁束を捕捉できる。また、比透磁率が小さいと、通常、磁気損失も小さいので、エネルギー損失が低減する。一方、送電コイル１１から離れた部分では、磁束が弱いため、比透磁率が比較的大きいことで、磁束の捕捉効果が高まる。これにより、一様に同じ比透磁率をもつ磁性シートを用いる場合よりも、電力伝送効率を向上させることができる。

　なお、送受電システムにおいて、送電装置１０、受電装置２０の両方の磁性シート１２，２２が、上記のような比透磁率の分布を有していることが電力伝送効率の向上という観点から、より好ましいが、どちらか一方は単一の比透磁率を有していてもよい。また、送電装置１０、受電装置２０のどちらか一方では、磁性シートを設けなくてもよい（たとえば、金属部品が送電コイル１１または受電コイル２１の近傍にない場合など）。

　（第２の実施の形態）
　図４は、第２の実施の形態の送受電システムの一例を示すブロック図である。
　送電装置３０は、高周波電源３１、整合器３２、送電コイル３３、絶縁性の磁性シート３４を有している。また、受電装置４０は、受電コイル４１、絶縁性の磁性シート４２、整流回路４３、ＤＣ－ＤＣコンバータ４４、負荷４５を有している。

　高周波電源３１は、図示しない発振器と増幅器を有し、所定の（共振）周波数をもつ電圧を発生する。
　整合器３２は、反射波（無効電力）を抑制するため、高周波電源３１からみた送電コイル３３のインピーダンスに対し、インピーダンス整合（マッチング）を行う。なお、送電コイル３３のインピーダンスは、受電コイル４１との位置関係によって変動する。

　送電コイル３３は、整合器３２を経て高周波電源３１から送られた電気エネルギーを磁気エネルギーに変換し、空間に磁気エネルギーを放射する。
　磁性シート３４は、たとえば、前述の磁性シート１２と同様の比透磁率の分布をもっていて、送電コイル３３に近い部分の比透磁率が、送電コイル３３から離れた部分の比透磁率よりも小さい。磁性シート３４は、たとえば、ニッケル系のフェライトまたはマンガン系のフェライトなどの軟磁性材料である。

　受電コイル４１は、送電コイル３３から空間に送出された磁気エネルギーを捕え、電気エネルギー（交流電力）に変換する。
　磁性シート４２は、たとえば、前述の磁性シート２２と同様の比透磁率の分布をもっていて、受電コイル４１に近い部分の比透磁率が、受電コイル４１から離れた部分の比透磁率よりも小さい。磁性シート４２は、たとえば、ニッケル系のフェライトまたはマンガン系のフェライトなどである。

　整流回路４３は、交流電力（電圧）を直流電力（電圧）に変換する。
　ＤＣ－ＤＣコンバータ４４は、整流により得られた直流電圧を、負荷４５で用いられる所定の直流電圧値に変換する。

　負荷４５は、たとえば、充電池や電球など、電力を消費するデバイスである。
　なお、磁性シート３４，４２の一方は、単一の比透磁率を有していてもよい。
　以下、受電装置４０の磁性シート４２の例を複数説明するが、送電装置３０の磁性シート３４についても同様の構造としてよい。

　（磁性シートの第１の例）
　図５は、第１の例の磁性シートの一部を示す断面図である。図５では、受電装置４０における磁性シート４２の例が示されており、受電コイル４１と金属部品５０（たとえば、図４に示した負荷４５）も合わせて模式的に示されている。なお、受電コイル４１と磁性シート４２の配置や大きさの関係は、図２に示した受電コイル２１と磁性シート２２との関係と同様である。

　磁性シート４２は、受電コイル４１に近い部分に設けられた第１の比透磁率を有する磁性層４２１と、受電コイル４１から離れた部分に設けられた第１の比透磁率よりも大きい第２の比透磁率を有する磁性層４２２を有する。磁性層４２１，４２２は、ニッケル系のフェライトまたはマンガン系のフェライトなどを用いて、比透磁率が調整されている。

　（電力伝送効率の見積もり例）
　このような磁性シート４２を用い、下記の条件で電力伝送効率をシミュレーションした。なお、送電側の磁性シート３４は単一の比透磁率を有しているものとした。

　送電（共振）周波数を１～１０ＭＨｚとした。その条件下での、磁性層４２１の比透磁率を１００程度、磁性層４２２の比透磁率を５００程度とした。また、各磁性層４２１，４２２のｔａｎδを０．０１～０．１程度、電気伝導度を２μＳ／ｍ程度とした。送電装置３０の磁性シート３４の比透磁率を５００程度とし、ｔａｎδは０．０１～０．１程度、電気伝導度は２μＳ／ｍ程度とした。磁性シート３４，４２のサイズは、８０ｍｍ×８０ｍｍの正方形で、厚みは０．５ｍｍとした。磁性シート４２では、磁性層４２１の厚みを０．２ｍｍ、磁性層４２２の厚みを０．３ｍｍとした。

　送電コイル３３の１次コイルは、直径５５ｍｍ（直径１ｍｍの銅線を使用）で１巻きしたものを用い、２次コイル（共振コイル）は、直径７０ｍｍ（直径１ｍｍの銅線を使用）で１巻きしたものを用いた。送電コイル３３の４次コイルは、直径５５ｍｍ（直径１ｍｍの銅線を使用）で１巻きしたものを用い、３次コイル（共振コイル）は、直径７０ｍｍ（直径１ｍｍの銅線を使用）で１巻きしたものを用いた。送電コイル３３と受電コイル４１に設けられる図示しないコンデンサ（共振用コンデンサ）の容量は０．０６３μＦ程度とした。また、共振用コンデンサの誘電正接は０．０１％程度とした。送電距離（送電コイル３３と受電コイル４１間の距離）は、５０ｍｍ程度とした。送電コイル３３と磁性シート３４間の距離と、受電コイル４１と磁性シート４２間の距離と、磁性シート４２と金属部品５０間の距離は、０．３ｍｍ程度とした。また、負荷抵抗は１０Ω程度とした。

　上記のような条件では、電力伝送効率は、６７％程度であった。
　（比較例）
　図６は、受電装置内において磁性シートがない場合、磁性シートが単一の比透磁率を有する場合、磁性シートの比透磁率の分布が図５と逆の場合を示す図である。

　図６（Ａ）は、磁性シートが、受電コイル４１と金属部品５０間に設けられていない場合を示す図である。受電コイル４１と金属部品５０間の距離を１．１ｍｍとして、その他は上記のような条件で電力伝送効率を見積もった結果、電力伝送効率は１１％程度であった。

　図６（Ｂ）は、磁性シートが単一の比透磁率を有する場合を示す図である。磁性シート６０は、上記の条件の送電装置３０側の磁性シート３４と同じ特性及び大きさをもつ。その他は上記のような条件で電力伝送効率を見積もった結果、電力伝送効率は６５％程度であった。

　図６（Ｃ）は、磁性シートの比透磁率の分布が図５と逆の場合を示す図である。磁性シート６２の、磁性層６２１は、厚さが０．３ｍｍ、比透磁率が５００程度であり、磁性層６２２は、厚さが０．２ｍｍ、比透磁率が１００程度である。その他は上記のような条件で電力伝送効率を見積もった結果、電力伝送効率は６３％程度であった。

　上記３つの例の中では、図６（Ｂ）の単一の比透磁率を有する磁性シート６０を用いた場合が、６５％程度と最も大きな電力伝送効率を示したが、図５に示した磁性シート４２を用いた場合よりは小さかった。これは、前述したように磁性シート４２において、受電コイル４１に近い側の磁性層４２１の比透磁率を小さくすることで、磁気損失が低減されたからと考えられる。

　なお、磁性シートも金属部品５０もない場合の電力伝送効率は、６１％であった。また、図５に示した磁性層４２１の比透磁率を１にした場合（すなわち磁性層４２１がない場合）、電力伝送効率は６３％程度となり、図６（Ｂ）の場合よりも小さくなった。これは、磁性シート４２の厚さが薄くなり、磁性シート４２が十分な磁束を捕捉できなくなったためと考えられる。

　図７は、受電コイルに近い側の磁性層の比透磁率を変化させたときの電力伝送効率の変化を示すシミュレーション結果である。横軸が受電コイル４１に相対する磁性層４２１の比透磁率を示し、縦軸が電力伝送効率（％）を示している。磁性層４２２の比透磁率は５００で固定されている。

　磁性層４２１の比透磁率が磁性層４２２の比透磁率より低いと、磁性層４２１と４２２の比透磁率が等しい場合よりも電力伝送効率は高くなる。磁性層４２１の比透磁率はたとえば２０以上である。磁性層４２１の比透磁率が１のとき、磁性層４２１は磁性を示さないため、磁性層４２１と４２２の比透磁率が等しい場合よりも電力伝送効率は低くなる。

　前述した条件のうち、磁性層４２１の比透磁率を変化させ（ｔａｎδは０．０１で固定）、その他の条件は同じにしたとき、図７に示されているように、比透磁率が１００程度になるまで、比透磁率の増加に伴い電力伝送効率も上昇する。しかし、比透磁率が１００程度を超えると比透磁率の増加に伴い電力伝送効率が下降する。

　この結果から、比透磁率が１００程度までは、比透磁率の増加に伴って捕捉される磁束が増大することによる電力伝送効率を向上させる効果が、磁気損失の増大により電力伝送効率を低下させる効果を上回っていると考えられる。そして、比透磁率が１００程度を超えると、比透磁率の増加に伴って捕捉される磁束が増大することによる電力伝送効率を向上させる効果が、磁気損失の増大により電力伝送効率を低下させる効果を下回ると考えられる。

　そのため、磁性層４２１の比透磁率と電力伝送効率との関係が図７に示したような特性を示す場合は、前述した条件のように磁性層４２１の比透磁率は、１００程度とすることが望ましい。

　図８は、受電コイルに近い側の磁性層の厚さ（シート厚）を変化させたときの電力伝送効率の変化を示すシミュレーション結果である。横軸が受電コイル４１に相対する磁性層４２１の厚さ（ｍｍ）を示し、縦軸が電力伝送効率（％）を示している。

　前述した条件のうち、磁性層４２１の厚さを変化させ（磁性シート４２の厚さは０．５ｍｍで固定）、その他の条件は同じにしたとき、図８に示されているように、磁性層４２１の厚さが０．２ｍｍ程度になるまで、厚さの増加に伴い電力伝送効率も上昇する。しかし、磁性層４２１の厚さが０．２ｍｍ程度を超えると厚さの増加に伴い電力伝送効率が下降する。この結果から以下のことが考えられる。

　磁性層４２１の厚さが０．２程度までは、磁性層４２１が厚くなることに伴って、磁性層４２２の厚さが薄くなることによる磁気損失の減少による電力伝送効率を向上させる効果が、捕捉される磁束の減少により電力伝送効率を低下させる効果を上回る。そして、磁性層４２１の厚さが０．２ｍｍ程度を超えると、磁性層４２１が厚くなることに伴って、磁気損失の減少による電力伝送効率を向上させる効果が、捕捉される磁束の減少により電力伝送効率を低下させる効果を下回る。

　そのため、磁性層４２１の厚さと電力伝送効率との関係が図８に示したような特性を示す場合は、前述した条件のように磁性層４２１の厚さは、０．２ｍｍ程度とすることが望ましい。

　図９は、受電コイルと磁性シートの間の距離を変化させたときの電力伝送効率の変化を示すシミュレーション結果である。横軸が受電コイル４１と磁性シート４２の間の距離（ｍｍ）を示し、縦軸が電力伝送効率（％）を示している。なお、横軸は対数表示されている。

　前述した条件のうち、受電コイル４１と磁性シート４２の間の距離を変化させ、その他の条件は同じにしたとき、図９に示されているように、距離が０．３ｍｍ程度になるまで、距離が長くなることに伴い電力伝送効率も上昇する。しかし、距離が０．３ｍｍ程度を超えると、距離が長くなることに伴い電力伝送効率が下降する。この結果から以下のことが考えられる。

　距離が０．３ｍｍ程度になるまでは、比透磁率が高い磁性層４２２が受電コイル４１から離れることによる磁気損失の減少による電力伝送効率を向上させる効果が、捕捉される磁束の減少により電力伝送効率を低下させる効果を上回る。そして、距離が０．３ｍｍ程度を超えると、磁気損失の減少による電力伝送効率を向上させる効果が、捕捉される磁束の減少により電力伝送効率を低下させる効果を下回る。

　そのため、受電コイル４１と磁性シート４２の間の距離と電力伝送効率との関係が図９に示したような特性を示す場合は、前述した条件のように受電コイル４１と磁性シート４２間に、０．３ｍｍ程度の隙間をあけることが望ましい。

　なお、受電コイル４１と磁性シート４２の間には、上記のような距離に対応した厚さをもつ接着層を設けてもよい。
　図１０は、受電コイルと磁性シートの間に接着層が設けられた例を示す図である。図１０に示されているように、受電コイル４１と磁性シート４２の間に接着層７０が設けられている。このような接着層７０により磁性シート４２が受電コイル４１に固定される。

　接着層７０は、たとえば、樹脂などの絶縁材料であるが磁性は有さない。受電コイル４１と磁性シート４２間の隙間の距離と電力伝送効率との関係が図９に示したような特性を示す場合は、接着層７０の厚さを、０．３ｍｍ程度とすることで、高い電力伝送効率が得られる。

　（磁性シートの第２の例）
　図１１は、第２の例の磁性シートの一部を示す図である。図１１（Ａ）は、第２の例の磁性シートの一部を示す断面図であり、図１１（Ｂ）は、磁性シートの面ｆ１０の平面図であり、図１１（Ｃ）は、磁性シートの面ｆ１１の平面図である。

　図１１では、受電装置４０における磁性シート４２ａの例が示されており、受電コイル４１と金属部品５０も合わせて示されている。なお、受電コイル４１と磁性シート４２ａとの配置や大きさの関係は、図２に示した受電コイル２１と磁性シート２２との関係と同様である。

　図５に示したような磁性シート４２と同様に、図１１の磁性シート４２ａも２つの磁性層４２３，４２４を有するが、磁性シート４２ａでは磁性層４２３，４２４は同じ比透磁率（真の比透磁率）をもつ直方体形状の磁性材料の小片８０に分割されている。なお、真の比透磁率とは、磁性材料そのものが有している比透磁率である。

　このような磁性シート４２ａでは、小片８０のサイズや、小片８０間の距離（隙間の幅）を調整することで単位体積当たりに占める磁性材料の体積占有率を調整できる。磁性材料の体積占有率が大きいほど、実効的な（見掛けの）比透磁率は大きい。よって、小片８０のサイズや小片８０間の距離を調整することで、小片８０に分割された磁性シート４２ａの実効的な比透磁率を調整することができる。

　図１１の例では、面ｆ１０側の磁性層４２３と、面ｆ１１側の磁性層４２４は、小片８０の大きさは同じであるが、面ｆ１０側の磁性層４２３の方が面ｆ１１側の磁性層４２４よりも小片８０間の隙間が大きい。つまり、磁性シート４２ａは、面ｆ１０側よりも面ｆ１１側の方が磁性材料（小片８０）の含有率が多い。

　これにより、受電コイル４１に近い側（面ｆ１０側）の実効的な比透磁率を、受電コイル４１から遠い側（面ｆ１１側）の実効的な比透磁率よりも小さくでき、図５に示した磁性シート４２を用いた場合と同様の効果を得ることができる。また、異なる真の比透磁率を有する磁性材料を用意しなくてもよくなる。

　図１２は、面ｆ１０側の磁性層の他の例を示す平面図である。図１２に示されている例では、磁性層４２３の小片８０ａ間の距離は図１１（Ｃ）に示した磁性層４２４と同じであるが、大きさが磁性層４２４の小片８０より小さくなっている。

　以上のような磁性シート４２ａを用い、下記の条件で電力伝送効率をシミュレーションした。なお、送電側の磁性シート３４は単一の比透磁率を有しているものとした。
　送電（共振）周波数を１～１０ＭＨｚとした。その条件下での、磁性シート４２ａの磁性材料（小片８０）の真の比透磁率を７００程度とした。また、磁性材料のｔａｎδを０．０１～０．１程度、電気伝導度を２μＳ／ｍ程度とした。送電装置３０の磁性シート３４の比透磁率を５００程度とし、ｔａｎδは０．０１～０．１程度、電気伝導度は２μＳ／ｍ程度とした。磁性シート３４，４２ａのサイズは、８０ｍｍ×８０ｍｍの正方形で、厚みは０．５ｍｍとした。磁性シート４２ａでは、磁性層４２３の厚みを０．２ｍｍ、磁性層４２４の厚みを０．３ｍｍとした。図１１に示した場合では、直方体形状の小片８０の大きさは、磁性層４２３で４ｍｍ×４ｍｍ×０．２ｍｍで、磁性層４２４で４ｍｍ×４ｍｍ×０．３ｍｍとした。図１２に示した場合では、磁性層４２３の小片８０ａのサイズは、１ｍｍ×１ｍｍ×０．２ｍｍとした。また、図１１に示した場合では、小片８０間の距離は、磁性層４２３で０．２ｍｍ、磁性層４２４で１ｍｍとした。図１２に示した場合では、磁性層４２３において小片８０ａ間の距離は０．２ｍｍとした。これにより、磁性層４２３の実効的な比透磁率が１００程度となり、磁性層４２４の実効的な比透磁率が５００程度となる。その他の条件は、磁性シート４２を適用した場合と同様にした。

　上記のような条件とすることで、図５に示したような磁性シート４２を適用した場合と同様に、電力伝送効率が６７％程度となった。
　（比較例）
　図１３は、磁性材料の体積占有率の分布が図１１（Ａ）の磁性シートと逆の場合を示す図である。

　磁性シート７１の、磁性層７１１は、厚さが０．３ｍｍ、実効的な比透磁率が５００であり、磁性層７１２は、厚さが０．２ｍｍ、実効的な比透磁率が１００である。その他は上記のような条件で電力伝送効率を見積もった結果、電力伝送効率は６３％程度にとどまり、図１１（Ａ）に示したような磁性シート４２ａよりも電力伝送効率は小さかった。

　（磁性シートの第３の例）
　図１４は、第３の例の磁性シートの一部を示す図である。図１４（Ａ）は、第３の例の磁性シートの一部を示す断面図であり、図１４（Ｂ）は、磁性シートの面ｆ１２の平面図であり、図１４（Ｃ）は、磁性シートの面ｆ１３の平面図である。

　図１４では、受電装置４０における磁性シート４２ｂの例が示されており、受電コイル４１と金属部品５０も合わせて示されている。なお、受電コイル４１と磁性シート４２ｂとの配置や大きさの関係は、図２に示した受電コイル２１と磁性シート２２との関係と同様である。

　磁性シート４２ｂは、面ｆ１２から面ｆ１３に伸びる溝４２５が形成されており、溝４２５の幅は、面ｆ１２から面ｆ１３に向かうほど、つまり、受電コイル２１から離れるほど狭くなっている。図１４の例では、磁性シート４２ｂは、溝４２５によって、同じ比透磁率（真の比透磁率）をもつ直方体形状の磁性材料の小片８１に分割されているが、必ずしも完全に分割されていなくてもよい。

　このような磁性シート４２ｂでは、溝４２５の幅を調整することで単位体積当たりに占める磁性材料の体積占有率を調整できる。磁性材料の体積占有率が大きいほど、実効的な比透磁率は大きい。よって、溝４２５の幅を調整することで、磁性シート４２ｂの実効的な比透磁率を調整することができる。

　図１４の例では、面ｆ１２側の溝４２５の幅よりも、面ｆ１３側の溝４２５の幅の方が狭い。そのため、磁性シート４２ｂは、面ｆ１２側よりも面ｆ１３側の方が磁性材料の含有率が多い。

　これにより、受電コイル４１に近い側（面ｆ１２）の実効的な比透磁率を、受電コイル４１から遠い側（面ｆ１３側）の実効的な比透磁率よりも小さくでき、前述した磁性シート４２を用いた場合と同様の効果を得ることができる。また、異なる真の比透磁率を有する磁性材料を用意しなくてもよくなる。

　以上のような磁性シート４２ｂを用い、下記の条件で電力伝送効率をシミュレーションした。なお、送電側の磁性シート３４は単一の比透磁率を有しているものとした。
　送電（共振）周波数を１～１０ＭＨｚとした。その条件下での、磁性シート４２ｂの磁性材料（小片８１）の真の比透磁率を８００程度とした。また、磁性材料のｔａｎδを０．０１～０．１程度、電気伝導度を２μＳ／ｍ程度とした。送電装置３０の磁性シート３４の比透磁率を５００程度とし、ｔａｎδは０．０１～０．１程度、電気伝導度は２μＳ／ｍ程度とした。磁性シート３４，４２ｂのサイズは、８０ｍｍ×８０ｍｍの正方形で、厚みは０．５ｍｍとした。磁性シート４２ｂでは、小片８１の面ｆ１２での面積は４ｍｍ×４ｍｍ、面ｆ１３での面積は、２．９ｍｍ×２．９ｍｍとした。また、面ｆ１２での溝４２５の幅（小片８１間の距離）は、１．３ｍｍ、面ｆ１３での溝４２５の幅は、０．２ｍｍとした。その他の条件は、磁性シート４２を適用した場合と同様にした。

　上記のような条件とすることで、図５に示したような磁性シート４２を適用した場合と同様に、電力伝送効率は６７％程度となった。
　（比較例）
　図１５は、磁性材料の体積占有率の分布が図１４（Ａ）の磁性シートと逆の場合を示す図である。

　磁性シート７２の溝７２１は、受電コイル４１に近い側の幅が狭く、受電コイル４１から離れるほど幅が広くなっている。その他は上記のような条件で電力伝送効率を見積もった結果、電力伝送効率は６２％～６３％程度にとどまり、図１４（Ａ）に示したような磁性シート４２ｂよりも電力伝送効率は小さかった。

　（磁性シートの第４の例）
　図１６は、第４の例の磁性シートの一部を示す図である。図１６（Ａ）は、第４の例の磁性シートの一部を示す断面図であり、図１６（Ｂ）は、磁性シートの面ｆ１４の平面図であり、図１６（Ｃ）は、磁性シートの面ｆ１５の平面図である。

　図１６では、受電装置４０における磁性シート４２ｃの例が示されており、受電コイル４１と金属部品５０も合わせて示されている。なお、受電コイル４１と磁性シート４２ｃとの配置や大きさの関係は、図２に示した受電コイル２１と磁性シート２２との関係と同様である。

　磁性シート４２ｃは、面ｆ１４から面ｆ１５に向かうほど、つまり受電コイル４１から離れるほど径（直径）が狭くなる複数の開口部４２６が形成されている。図１６の例では、開口部４２６は、磁性シート４２ｃを貫通しているが、必ずしも貫通していなくてもよい。

　このような磁性シート４２ｃでは、開口部４２６の径が磁性シート４２ｃの厚さ方向で調整されることで、単位体積当たりに示す磁性材料の体積占有率を調整できる。磁性材料の体積占有率が大きいほど、実効的な（見掛けの）比透磁率は大きい。よって、開口部４２６の径を調整することで、磁性シート４２ｃの実効的な比透磁率を調整することができる。

　図１６の例では、開口部４２６の径は、面ｆ１４側よりも、面ｆ１５側の方が狭い。そのため、磁性シート４２ｃは、面ｆ１４側よりも面ｆ１５側の方が磁性材料の含有率が多い。

　これにより、受電コイル４１に近い側（面ｆ１４）の実効的な比透磁率を、受電コイル４１から遠い側（面ｆ１５側）の実効的な比透磁率よりも小さくでき、図５に示した磁性シート４２を用いた場合と同様の効果を得ることができる。また、異なる真の比透磁率を有する磁性材料を用意しなくてもよくなる。

　以上のような磁性シート４２ｃを用い、下記の条件で電力伝送効率をシミュレーションした。なお、送電側の磁性シート３４は単一の比透磁率を有しているものとした。
　送電（共振）周波数を１～１０ＭＨｚとした。その条件下での、磁性シート４２ｃの磁性材料の真の比透磁率を６５０程度とした。また、磁性材料のｔａｎδを０．０１～０．１程度、電気伝導度を２μＳ／ｍ程度とした。送電装置３０の磁性シート３４の比透磁率を５００程度とし、ｔａｎδは０．０１～０．１程度、電気伝導度は２μＳ／ｍ程度とした。磁性シート３４，４２ｃのサイズは、８０ｍｍ×８０ｍｍの正方形で、厚みは０．５ｍｍとした。磁性シート４２ｃでは、開口部４２６の面ｆ１４での直径は１．６ｍｍ、面ｆ１５での直径は０．１ｍｍとして、面ｆ１４から面ｆ１５に向けて単調に減少するものとした。また、隣接する開口部４２６間の距離（ピッチ）は、４．２ｍｍとした。その他の条件は、磁性シート４２を適用した場合と同様にした。

　上記のような条件とすることで、電力伝送効率は６６％～６７％程度となった。
　磁性材料の体積占有率の分布を図１６（Ａ）の磁性シート４２ｃと逆にすると、図１５に示した磁性シート７２と同様の断面になる。シミュレーションの結果、電力伝送効率は６３％程度にとどまり、図１６（Ａ）の磁性シート４２ｃを用いた場合よりも電力伝送効率は小さかった。

　（磁性シートの第５の例）
　図１７は、第５の例の磁性シートの一部を示す断面図である。
　図１７では、受電装置４０における磁性シート４２ｄの例が示されており、受電コイル４１と金属部品５０も合わせて示されている。なお、受電コイル４１と磁性シート４２ｄとの配置や大きさの関係は、図２に示した受電コイル２１と磁性シート２２との関係と同様である。

　磁性シート４２ｄは、同じ比透磁率（真の比透磁率）をもつ磁性材料を有する磁性層４２７，４２８を備える。磁性層４２７，４２８には、上記の真の比透磁率よりも小さい比透磁率を有する粒子８５が分散されている。ただし、粒子８５は、受電コイル４１に相対する側の磁性層４２７には、受電コイル４１に相対しない側の磁性層４２８よりも高い濃度で分散されている。粒子８５は、アルミナ、樹脂、中空ガラスビーズなどである。粒子８５として中空ガラスビーズなどを用いて、比重を磁性シート４２ｄの磁性材料の比重よりも小さくすることで、磁性シート４２ｄの軽量化を図ることもできる。

　このような磁性シート４２ｄでは、粒子８５の濃度を磁性シート４２ｄの厚さ方向で調整することで、単位体積当たりに示す磁性材料の磁性シート４２ｄの厚さ方向の体積占有率を調整できる。磁性材料の体積占有率が大きいほど、実効的な比透磁率は大きい。よって、粒子８５の濃度を磁性シート４２ｄの厚さ方向で調整することで、磁性シート４２ｃの実効的な比透磁率を磁性シート４２ｄの厚さ方向で調整することができる。

　図１７に示されている例では、粒子８５は、受電コイル４１に近い側の磁性層４２７には、受電コイル４１から遠い側の磁性層４２８よりも高い濃度で分散されている。これにより、受電コイル４１に近い側（面ｆ１６側）の実効的な比透磁率を、受電コイル４１から遠い側（面ｆ１７側）の実効的な比透磁率よりも小さくでき、図５に示した磁性シート４２を用いた場合と同様の効果を得ることができる。

　以上のような磁性シート４２ｄを用い、下記の条件で電力伝送効率をシミュレーションした。なお、送電側の磁性シート３４は単一の比透磁率を有しているものとした。
　送電（共振）周波数を１～１０ＭＨｚとした。その条件下での、磁性シート４２ｄの磁性材料の真の比透磁率を７００程度とした。また、磁性材料のｔａｎδを０．０１～０．１程度、電気伝導度を２μＳ／ｍ程度とした。

　また、分散される粒子８５を中空ガラスビーズ（比透磁率が１）とし、粒子８５のｔａｎδを０．００００１程度、電気伝導度を０．１μＳ／ｍ程度とした。また磁性層４２７での粒子８５の濃度を５０％程度（体積比）、磁性層４２８での粒子の濃度を１０％程度（体積比）とした。これにより、磁性層４２７の実効的な比透磁率が１００程度となり、磁性層４２８の実効的な比透磁率が５００程度となる。

　磁性シート３４，４２ｄのサイズは、８０ｍｍ×８０ｍｍの正方形で、厚みは０．５ｍｍとした。磁性シート４２ｄでは、磁性層４２７の厚みを０．２ｍｍ、磁性層４２８の厚みを０．３ｍｍとした。その他の条件は、磁性シート４２を適用した場合と同様にした。

　上記のような条件とすることで、図５に示したような磁性シート４２を適用した場合と同様に、電力伝送効率を６７％程度とすることができる。
　磁性層４２７と磁性層４２８を上下入れ替えた場合、シミュレーションの結果、電力伝送効率は６３％程度にとどまり、図１７の磁性シート４２ｄを用いた場合よりも電力伝送効率は小さかった。

　なお、上記の磁性シート４２ｄは、粒子８５の濃度を２段階で変えたものであるが、これに限定されない。たとえば、磁性シート４２ｄの面ｆ１６から面ｆ１７に向けて単調に粒子８５の濃度が低くなるようにしてもよい。

　（磁性シートの製造方法の一例）
　磁性シートは、たとえば、以下の製法により製造される。
　磁性粉（フェライトなどの無機粉体）を溶媒（溶液）と混練し、スラリーをつくる。その後スラリーを薄板状に成形する（この薄板はグリーンシートと呼ばれる）。そして、グリーンシートに対して所望の加工を施す。そして、加工したグリーンシートを焼成（焼結）して、磁性シートを完成する。

　たとえば、図５に示したような磁性シート４２を製造する場合、比透磁率の異なる２枚のグリーンシートを作成し、２枚のグリーンシートを重ねてから焼成することで、磁性シート４２が完成する。

　図１１に示したような磁性シート４２ａを製造する場合、支持体上に、同じ透磁率の２枚のグリーンシートを作成し、ブレード（包丁のようなもの）で所望の小片になるように、切り込みを形成する。そして、２枚のグリーンシートを重ねてから、焼成することで、磁性シート４２ａが完成する。

　図１４に示したような磁性シート４２ｂを製造する場合、先端と根元で幅の異なるブレード（ブレードの断面形状が楔型）を使って、グリーンシートに切り込みを形成し、それを焼成することで、磁性シート４２ｂが完成する。

　図１６に示したような磁性シート４２ｃを製造する場合、先端と根元で径の異なる剣山（個々の針が円錐形状）を使って、グリーンシートに孔を形成し、それを焼成することで、磁性シート４２ｃが完成する。

　上記の実施の形態では、磁界共鳴方式の送受電システムについて説明したが、電磁誘導方式の送受電システムについても同様である。すなわち、受電コイルまたは送電コイルに近い部分の比透磁率よりも、受電コイルまたは送電コイルから離れた部分の比透磁率が大きい磁性シートを配置することで同様に電力伝送効率の向上を図れる。

　また、磁性シートにおいて、受電コイルまたは送電コイルに近い側の面には、金属箔などが貼り付けられていてもよい。これにより、金属部品と受電コイルまたは送電コイルとの距離などを考慮しなくてもよくなり、電力伝送効率のチューニングが容易になる。

　なお、上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成及び応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例及び均等物は、添付の請求項及びその均等物による本発明の範囲とみなされる。

　１０　送電装置
　１０ａ，２０ａ　対向面
　１１　送電コイル
　１１ａ　１次コイル
　１１ｂ　２次コイル
　１２，２２　磁性シート
　２０　受電装置
　２１　受電コイル
　２１ａ　３次コイル
　２１ｂ　４次コイル
　２３　金属部品
　Ｍ　磁束

Claims (12)

1. 　磁界を媒介として電力を受電する受電コイルと、
   　前記受電コイルに並置された磁性体と、を有し、
   　前記磁性体は、第１比透磁率を有する第１部分と、前記第１部分より前記受電コイルから離れており前記第１比透磁率より大きい第２比透磁率を有する第２部分とを有することを特徴とする受電装置。
2. 　前記磁性体は、前記受電コイルの受電側と反対側に配置されている、ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の受電装置。
3. 　前記磁性体は、前記受電コイルの周回軸方向に並置されたことを特徴とする、請求の範囲第１項または第２項に記載の受電装置。
4. 　前記磁性体は、前記第１部分よりも前記第２部分の方が磁性材料の含有率が多いことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項の何れか一項に記載の受電装置。
5. 　前記磁性体には、前記受電コイルから離れるほど幅が狭くなる溝が形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項の何れか一項に記載の受電装置。
6. 　前記磁性体には、前記受電コイルから離れるほど径が狭くなる複数の開口部が形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項の何れか一項に記載の受電装置。
7. 　前記磁性体の前記第１部分と前記第２部分とは、それぞれ層状であることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第６項の何れか一項に記載の受電装置。
8. 　前記第１部分と前記第２部分は、それぞれ第３の比透磁率をもつ磁性材料と前記第３の比透磁率よりも低い第４の比透磁率をもつ粒子を有し、
   　前記粒子は、前記第２部分よりも前記第１部分の方が高い濃度で分散されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第７項の何れか一項に記載の受電装置。
9. 　前記粒子の比重は、前記磁性材料の比重よりも小さいことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の受電装置。
10. 　前記磁性体は、前記受電コイルに対して、所定の距離をあけて並置されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第９項の何れか一項に記載の受電装置。
11. 　磁界を媒介として電力を送電する送電コイルと、
    　前記送電コイルに並置された磁性体と、を有し、
    　前記磁性体は、第１比透磁率を有する第１部分と、前記第１部分より前記送電コイルから離れており前記第１比透磁率より大きい第２比透磁率を有する第２部分とを有することを特徴とする送電装置。
12. 　磁界を媒介として電力を送電する送電コイルを有する送電装置と、
    　前記電力を受電する受電コイルを有する受電装置と、を有し、
    　前記送電装置または前記受電装置の少なくとも一方は、前記送電コイルまたは前記受電コイルに並置された磁性体を有し、
    　前記磁性体は、第１比透磁率を有する第１部分と、前記第１部分より前記送電コイルまたは前記受電コイルから離れており前記第１比透磁率より大きい第２比透磁率を有する第２部分とを有することを特徴とする送受電システム。

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