WO2014119111A1 - 無線電力伝送システム - Google Patents

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WO2014119111A1
WO2014119111A1 PCT/JP2013/081826 JP2013081826W WO2014119111A1 WO 2014119111 A1 WO2014119111 A1 WO 2014119111A1 JP 2013081826 W JP2013081826 W JP 2013081826W WO 2014119111 A1 WO2014119111 A1 WO 2014119111A1
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WO
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electrodes
power transmission
electrode
coupler
transmission system
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/081826
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English (en)
French (fr)
Inventor
正弘 楠
満 増田
Original Assignee
古河電気工業株式会社
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Publication date
Application filed by 古河電気工業株式会社 filed Critical 古河電気工業株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/05—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using capacitive coupling

Definitions

  • the present invention relates to a wireless power transmission system.
  • Patent Document 1 discloses a wireless power transmission device that transmits power between two non-contact electric circuits using electromagnetic induction.
  • Patent Document 1 has a problem in that power cannot be efficiently transmitted because power loss in the coil for transmitting power is large.
  • the coil for transmitting power is displaced and the characteristics change, so that the power cannot be transmitted efficiently. There is a problem.
  • an object of the present invention is to provide a wireless power transmission system capable of efficiently transmitting power even when rotated.
  • the present invention provides a wireless power transmission system that transmits AC power from a power transmission device to a power reception device, wherein the power transmission device is arranged at a predetermined distance, and the predetermined distance is set.
  • the first and second electrodes each having a total width including a near field of ⁇ / 2 ⁇ or less and having a rotationally symmetric shape with respect to a common central axis; the first and second electrodes; First and second connection lines that electrically connect the two output terminals, respectively, and a first inserted between at least one of the first and second electrodes and the two output terminals of the AC power generation unit.
  • the power receiving device is disposed at a predetermined distance, a total width including the predetermined distance is equal to or less than ⁇ / 2 ⁇ , which is a near field, and is rotationally symmetric with respect to a common central axis
  • Each has the shape 3 and 4 electrodes, 3rd and 4th connection lines that electrically connect the 3rd and 4th electrodes and the two input terminals of the load, respectively, 2nd of the 3rd and 4th electrodes and the load
  • a second inductor inserted between at least one of the two input terminals, and the electrodes of the power transmission device and the power reception device are arranged to face each other with a distance of ⁇ / 2 ⁇ or less that is a near field
  • the resonance frequency of the coupler constituted by the first and second electrodes and the first inductor is set to be substantially equal to the resonance frequency of the coupler constituted by the third and fourth electrodes and the second inductor. It is characterized by. According to such a configuration, electric power can be efficiently transmitted even when
  • the first electrode has a plate-shaped polygon or a circular shape
  • the second electrode has a plate-shaped polygon or a circle disposed so as to surround the first electrode.
  • the third electrode has a plate-like polygon or circular shape
  • the fourth electrode is the third electrode.
  • a plate-like polygonal shape or a circular annular shape arranged so as to surround the first electrode, the first electrode and the third electrode, and the third electrode arranged on the same plane as the third electrode.
  • the fourth electrode is disposed so as to be opposed to each other with a distance of ⁇ / 2 ⁇ or less, which is a near field. According to such a configuration, it is possible to reliably prevent a decrease in transmission efficiency even when the shaft is rotated in the axial direction.
  • At least one of the first to fourth electrodes has a notch in the radial direction. According to such a configuration, it is possible to provide a notch for attaching the electrode without causing a change in characteristics.
  • One aspect of the present invention is characterized in that at least one of the first electrode and the third electrode has an annular shape. According to such a configuration, it is possible to provide a through hole for attaching an electrode without causing a characteristic change.
  • One aspect of the present invention is characterized in that at least one of the first to fourth electrodes has a three-dimensional structure extending in the axial direction. According to such a configuration, a member having a three-dimensional shape can be used as an electrode.
  • the first and second electrodes have a polygonal or circular cylindrical shape, and the third and fourth electrodes are disposed so as to surround the first and second electrodes, respectively.
  • the first and second electrodes and the second and fourth electrodes are in the near field, and are arranged such that the first and second electrodes coincide with the central axis. It is characterized by being opposed to each other with a distance of / 2 ⁇ or less. According to such a configuration, it is possible to reliably prevent a decrease in transmission efficiency even when the shaft is rotated in the axial direction.
  • FIG. 3 is an equivalent circuit of the wireless power transmission system shown in FIG. 2. It is a figure which shows the frequency characteristic of the transmission efficiency and reflection loss of the wireless power transmission system shown in FIG. It is a figure which shows the Smith chart of the impedance of the coupler for power transmission shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a state where the power receiving coupler illustrated in FIG. 2 is rotated by 90 degrees. It is a figure which shows the frequency characteristic of the transmission efficiency and reflection loss of the wireless power transmission system shown in FIG.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a Smith chart of impedance of the power transmission coupler illustrated in FIG. 9. It is a figure which shows the electric field distribution of embodiment shown in FIG. It is a figure which shows the electric field distribution of embodiment shown in FIG. FIG. 10 is a diagram illustrating a state where the power receiving coupler illustrated in FIG. 9 is rotated 90 degrees counterclockwise.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating frequency characteristics of transmission efficiency and reflection loss of the wireless power transmission system illustrated in FIG. 18. It is a figure which shows the Smith chart of the impedance of the coupler for power transmission shown in FIG. It is a figure which shows the state at the time of rotating the receiving coupler shown in FIG. 18 90 degree
  • FIG. 22 is a diagram illustrating frequency characteristics of transmission efficiency and reflection loss of the wireless power transmission system illustrated in FIG. 21.
  • FIG. 25 is a diagram illustrating frequency characteristics of transmission efficiency and reflection loss of the wireless power transmission system illustrated in FIG. 24. It is a figure which shows the Smith chart of the impedance of the coupler for power transmission shown in FIG. FIG. 25 is a diagram showing a state when the power receiving coupler shown in FIG. 24 is rotated 90 degrees counterclockwise. It is a figure which shows the frequency characteristic of the transmission efficiency and reflection loss of the wireless power transmission system shown in FIG. It is a figure which shows the Smith chart of the impedance of the coupler for power transmission shown in FIG. It is a figure which shows an example of the other deformation
  • FIG. 1 shows a detailed configuration example of a power transmission coupler constituting a wireless power transmission system using series resonance.
  • a power transmission coupler 110 is a table (mainly) of a circuit board 118 formed of an insulating member (dielectric substrate) having a rectangular plate shape.
  • the electrodes 111 and 112 made of a conductive member having a rectangular shape are arranged on the surface 118A.
  • no electrode or the like is disposed on the back surface 118 ⁇ / b> B of the circuit board 118.
  • electrodes 111 and 112 are formed of a conductive thin film such as copper on a circuit board 118 formed of a glass epoxy board, a glass composite board, or the like.
  • the electrodes 111 and 112 are arranged in parallel at positions separated by a predetermined distance d1.
  • the width D of the electrodes 111 and 112 including the distance d1 is set to be narrower than the near field indicated by ⁇ / 2 ⁇ when the wavelength of the electric field radiated from these electrodes is ⁇ . .
  • each of inductors 113 and 114 is connected to the ends of the electrodes 111 and 112 of the circuit board 118 in the short direction.
  • the other ends of the inductors 113 and 114 are connected to one ends of connection lines 115 and 116, respectively.
  • the connection lines 115 and 116 are disposed so as to avoid the regions of the electrodes 111 and 112 and the region sandwiched between them, and are disposed so as to extend in a direction away from these regions (lower left direction in FIG. 1). Yes. More specifically, the rectangular regions of the electrodes 111 and 112 and the region sandwiched between the two electrodes 111 and 112 are arranged so as to avoid the region, and the electrodes 111 and 112 are arranged so as to extend away from these regions.
  • connection lines 115 and 116 are configured by, for example, a coaxial cable or a balanced cable. Note that the other ends of the connection lines 115 and 116 are respectively connected to output terminals of an AC power generation unit (not shown). By connecting the AC power generation unit to the power transmission coupler 110 by the connection lines 115 and 116, a power transmission device is configured.
  • the power transmission coupler 110 constitutes a series resonance circuit composed of the capacitance C of the capacitor formed by arranging the electrodes 111 and 112 at a predetermined distance d1 and the inductance L of the inductors 113 and 114. It has a unique resonance frequency f C.
  • the power receiving coupler 120 has the same configuration as that of the power transmitting coupler 110.
  • electrodes 121 and 122 and inductors 123 and 124 made of a conductive member having a rectangular shape are arranged.
  • Connection lines 125 and 126 are connected to the other ends of the inductors 123 and 124.
  • the capacitance C of the capacitor formed by the electrodes 121 and 122 and the resonance frequency f C of the series resonance circuit due to the inductance L of the inductors 123 and 124 are set to be substantially the same as those of the power transmission coupler 110.
  • the connection lines 125 and 126 are configured by, for example, a coaxial cable or a balanced cable.
  • a load (not shown) is connected to the other ends of the connection lines 125 and 126 of the power receiving coupler 120.
  • a power receiving device is configured by connecting a load to the power receiving coupler 120 through the connection lines 125 and 126.
  • FIG. 2 is a diagram showing a state in which the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 are arranged to face each other. As shown in this figure, the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 are arranged so that the circuit boards 118 and 128 are parallel to each other with a distance d2 so that the surfaces 118A and 128A of the circuit boards 118 and 128 face each other. Is done.
  • FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit of the wireless power transmission system 1 shown in FIG.
  • the AC power generator 211 generates and outputs AC power having a frequency corresponding to the resonance frequency.
  • the power supply unit load 212 shows a value equal to the characteristic impedance of the connection lines 115 and 116 and the connection lines 125 and 126, and has a value of Z0.
  • the inductor 213 corresponds to the inductors 113 and 114 and has an element value of L1.
  • a resistor 214 indicates a resistor associated with a power transmission side circuit, mainly an inductor, and has an element value of R1.
  • the capacitor 215 is a capacitor having an element value C 1 generated between the electrodes 111 and 112.
  • the capacitor 221 is a capacitor having an element value C 2 generated between the electrodes 121 and 122.
  • the inductor 222 corresponds to the inductors 123 and 124 and has an element value of L2.
  • the resistor 223 indicates a resistor associated with the power receiving side circuit, mainly the inductor, and has an element value of R2.
  • the load 224 is supplied with power output from the AC power generation unit 211 and transmitted through the power transmission coupler and the power reception coupler.
  • the capacitor 241 indicates a capacitor generated between the electrodes 111 and 112 and the electrodes 121 and 122, and has an element value of Cm1.
  • the load 224 is comprised by the rectifier, the secondary battery, etc., for example. Of course, it may be other than this.
  • d2 20 cm.
  • eta efficiency
  • reflection loss eta 11
  • the horizontal axis indicates the frequency (MHz) of AC power to be transmitted
  • a transmission efficiency of about 95% is achieved around 27 MHz.
  • the inductors 113, 114, 123, and 124 each have 13 turns and an inductance value of 2.8 ⁇ H, and the circuit boards 118 and 128 have a size (D and L) of 250 ⁇ .
  • the gap d1 between the electrodes 111 and 112 and the electrodes 121 and 122 is 34.4 mm.
  • FIG. 5 shows a Smith chart of the impedance S11 of the power transmission coupler 110 of the wireless power transmission system using the series resonance shown in FIG.
  • the port impedance of the measuring instrument is set to a value equal to the characteristic impedance Z0 (real value) of the connection line.
  • Z0 real value
  • FIG. 6 shows a state where the power receiving coupler 120 of the wireless power transmission system shown in FIG. 2 is rotated 90 degrees counterclockwise.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the frequency characteristics of the transmission efficiency ⁇ 21 and the reflection loss ⁇ 11 from the power transmission coupler 110 to the power reception coupler 120 in the arrangement state illustrated in FIG. As illustrated in FIG. 7, the transmission efficiency ⁇ 21 is 0 and the reflection loss ⁇ 11 is a value close to 1, so that most of the power input to the power transmission coupler 110 is reflected and is not transmitted to the power reception coupler 120. Further, as shown in FIG. 8, the input impedance S11 is low and the impedance is not matched. For this reason, in the wireless power transmission system shown in FIG.
  • FIG. 9 is a perspective view of the embodiment
  • FIG. 10 is a plan view of the embodiment shown in FIG. 9 viewed from the Z direction.
  • the circular center electrode 311, the annular annular electrode 312, the inductors 313 and 314, and the connection lines 315 and 316 constitute the power transmission coupler 310
  • the circular center The electrode 321, the annular ring electrode 322, the inductors 323 and 324, and the connection lines 325 and 326 constitute a power receiving coupler 320.
  • FIGS. 9 is a perspective view of the embodiment
  • FIG. 10 is a plan view of the embodiment shown in FIG. 9 viewed from the Z direction.
  • the circular center electrode 311, the annular annular electrode 312, the inductors 313 and 314, and the connection lines 315 and 316 constitute the power transmission coupler 310
  • the circular center The electrode 321, the annular ring electrode 322, the inductors 323 and 324, and the connection lines 325 and 326 constitute a power receiving coupler 320.
  • the sizes of the elements constituting the power transmission coupler 310 and the power reception coupler 320 are the same. Of course, even if the size of each element is different, power can be transmitted by adjusting the resonance frequency to be the same. 9 and 10, only the electrodes are shown. However, as in FIGS. 1 and 2, the electrodes are formed on a substrate or substrate formed of a glass epoxy substrate, a glass composite substrate, or the like. To be able to.
  • the center electrode 311 is configured by a plate-like conductive member (for example, a member such as copper or aluminum) having a circular shape with a radius r1.
  • the annular electrode 312 is configured by a plate-shaped conductive member having an annular shape with an outer periphery radius of r2 and a width of w.
  • the center electrode 311 and the annular electrode 312 are arranged on the same plane, and the distance between the outer periphery of the center electrode 311 and the inner periphery of the annular electrode 312 is d1.
  • One end of the inductor 313 is connected to the center electrode 311, and the other end is connected to one end of the connection line 315.
  • connection lines 315 and 316 are configured by, for example, coaxial cables or balanced cables.
  • the other ends of the connection lines 315 and 316 are respectively connected to output terminals of an AC power generation unit (not shown).
  • the AC power generation unit is connected to the power transmission coupler 310 by the connection lines 315 and 316, whereby a power transmission device is configured.
  • the resonance frequency of the series resonance circuit formed by the capacitance C of the capacitor formed by the center electrode 311 and the annular electrode 312 and the inductance L of the inductors 313 and 314 is f C.
  • the center electrode 321 is configured by a plate-like conductive member having a circular shape with a radius r1.
  • the annular electrode 322 is configured by a plate-like conductive member having an annular shape with an outer periphery radius of r2 and a width of w.
  • the center electrode 321 and the annular electrode 322 are arranged on the same plane, and the distance between the outer periphery of the center electrode 321 and the inner periphery of the annular electrode 322 is d1. Further, the plane on which the center electrode 311 and the annular electrode 312 are arranged and the plane on which the center electrode 321 and the annular electrode 322 are arranged are kept substantially parallel.
  • connection lines 325 and 326 are configured by, for example, a coaxial cable or a balanced cable.
  • the other ends of the connection lines 325 and 326 are respectively connected to load input terminals (not shown).
  • a power receiving device is configured by connecting a load to the power receiving coupler 320 via the connection lines 325 and 326.
  • the capacitance C of the capacitor formed by the center electrode 321 and the annular electrode 322 and the resonance frequency f C of the series resonance circuit by the inductance L of the inductors 323 and 324 are set to be the same as those of the power transmission coupler 310.
  • 2 ) and reflection loss (eta) 11 (
  • the inductors 313, 314, 323, and 324 are set so that the number of turns is 13 and the inductance value is 2.8 ⁇ H.
  • the horizontal axis indicates the frequency (MHz) of AC power to be transmitted, and the vertical axis indicates transmission efficiency. In the example shown in FIG. 9, a transmission efficiency of about 96% is achieved around 27 MHz.
  • FIG. 12 shows a Smith chart of the impedance S11 of the power transmission coupler 310 of the wireless power transmission system shown in FIGS.
  • the port impedance of the measuring instrument is set to a value equal to the characteristic impedance Z0 (real value) of the connection line.
  • Z0 real value
  • the center electrode 311 and the annular electrode 312, and the center electrode 321 and the annular electrode 322 are field-resonantly coupled. AC power is transmitted to 322 by an electric field. That is, in the embodiment shown in FIG. 9, since the center electrode 311 and the annular electrode 312 are separated from the center electrode 321 and the annular electrode 322 by a distance d2 shorter than ⁇ / 2 ⁇ that is the near field, The center electrode 321 and the annular electrode 322 are arranged in a region where the electric field component radiated from the center electrode 311 and the annular electrode 312 is dominant.
  • the resonance frequency by the capacitor and inductors 313 and 314 formed between the center electrode 321 and the annular electrode 322 and the resonance frequency by the capacitor and inductors 323 and 324 formed between the center electrode 321 and the annular electrode 322 are: It is set to be approximately equal. As described above, since the center electrode 311 and the annular electrode 312 are coupled to the center electrode 321 and the annular electrode 322 by electric field resonance, AC power is efficiently generated from the power transmission coupler 310 to the power reception coupler 320 by the electric field. It is transmitted well.
  • FIG. 13 is a diagram showing the electric field distribution of the embodiment shown in FIG. 9, and FIG. 14 shows the electric field distribution of FIG.
  • the direction of the arrow in the figure indicates the direction of the electric field
  • the magnitude of the arrow indicates the magnitude of the electric field.
  • the electric fields around the power transmitting coupler 310 and the power receiving coupler 320 are formed symmetrically with respect to the central axes of these couplers. For this reason, even if the power transmission coupler 310 and the power reception coupler 320 are rotated in any direction around the axis, there is little deterioration in characteristics.
  • FIG. 15 is a view showing a state in which the power receiving coupler 320 is rotated 90 degrees counterclockwise in the embodiment shown in FIG. 16 is a diagram showing the frequency characteristics of transmission efficiency ⁇ 21 and reflection loss ⁇ 11 from the power transmission coupler 310 to the power reception coupler 320 in the state shown in FIG. 15, and FIG. 17 is a diagram of the frequency characteristics of the power transmission coupler 310 in the same state. It is a Smith chart of impedance S11. As shown in FIG. 16, the transmission efficiency at 27 MHz is about 96%, and there is no deterioration in characteristics from the state shown in FIG. Further, as shown in FIG. 17, the input impedance does not change from the state shown in FIG.
  • power can be wirelessly transmitted from the power transmission coupler 310 to the power reception coupler 320 with a high efficiency of 90% or more. Further, according to the embodiment of the present invention, even when the electrode is rotated around the axis, the characteristic change can be made small.
  • FIG. 19 shows the frequency characteristics of the transmission efficiency ⁇ 21 and the reflection loss ⁇ 11 of the embodiment shown in FIG. 18, and FIG. 20 is a Smith chart of the input impedance S11. From comparison of these figures with FIGS. 11 and 12, even when notches are provided, there is almost no change in characteristics. For this reason, even if such a notch is provided, the transmission efficiency is hardly deteriorated.
  • FIG. 21 is a diagram showing a state where the power receiving coupler 320 of FIG. 18 is rotated 90 degrees counterclockwise. In such a state, the positions of the notches 311a and 321a and the notches 312a and 322a do not match. However, even in such a state, the characteristics hardly change. More specifically, FIG. 22 shows frequency characteristics of the transmission efficiency ⁇ 21 and the reflection loss ⁇ 11 of the embodiment shown in FIG. 21, and FIG. 23 is a Smith chart of the input impedance S11. From comparison between these figures and FIGS. 19 and 20, even when the power receiving coupler 320 is rotated, the characteristics hardly change. Of course, the same applies when the power transmission coupler 310 is rotated. In the example of FIG. 18, notches are provided in all of the center electrodes 311 and 321 and the annular electrodes 312 and 322, but they may be provided in at least one of them.
  • FIG. 24 shows another modified embodiment. That is, FIG. 24 shows an embodiment in which the central electrodes 311 and 321 are annular by providing the central electrodes 311 and 321 with through holes 311b and 321b, respectively.
  • through holes 311b and 321b having a radius r3 are formed at the centers of the center electrodes 311 and 321, respectively.
  • FIG. 25 shows frequency characteristics of the transmission efficiency ⁇ 21 and the reflection loss ⁇ 11 of the embodiment shown in FIG. 24, and
  • FIG. 25 is a Smith chart of the input impedance S11. From comparison of these figures with FIGS. 11 and 12, even when the through holes 311b and 321b are provided in the center electrodes 311 and 321, the characteristics hardly change. For this reason, even if such through holes 311b and 321b are provided, the transmission characteristics hardly deteriorate.
  • FIG. 27 is a view showing a state where the power receiving coupler 320 of FIG. 24 is rotated 90 degrees counterclockwise.
  • the through holes 311b and 321b are formed to be axially symmetric, the electric field formed by the power transmission coupler 310 and the power reception coupler 320 is the same as that of FIG. 13 and FIG. It becomes symmetric. Therefore, as shown in FIG. 27, even when the power receiving coupler 320 is rotated, the characteristics hardly change. More specifically, FIG. 28 shows the frequency characteristics of the transmission efficiency ⁇ 21 and the reflection loss ⁇ 11 of the embodiment shown in FIG. 27, and FIG. 29 is a Smith chart of the input impedance S11. From comparison of these figures with FIGS.
  • the through-holes are provided in both the center electrodes 311 and 321; however, they may be provided in at least one of them. Further, as described above, a cutout may be provided in at least one of the center electrodes 311 and 321 and the annular electrodes 312 and 322 as necessary.
  • the center electrode 311 and the center electrode 321, and the annular electrode 312 and the annular electrode 322 have the same size, but they may have different sizes.
  • the center electrodes 311 and 321 and the annular electrodes 312 and 322 are perfect circles, they may be elliptical or polygonal, for example.
  • the center electrode 311 and the annular electrode 312 and the center electrode 321 and the annular electrode 322 are arranged on the same plane, for example, they may be arranged shifted in the axial direction.
  • the center electrodes 311 and 321 and the annular electrodes 312 and 322 may not be flat, but may be curved or bent, or may be a three-dimensional shape such as a sphere.
  • the inductors 313 and 314 are inserted between the connection line 315 and the center electrode 311 and between the connection line 316 and the annular electrode 312, but only one of these is inserted.
  • An inductor may be inserted.
  • the inductors 323 and 324 are inserted between the connection line 325 and the center electrode 321 and between the connection line 326 and the annular electrode 322. However, only one of them is inserted. You may make it insert.
  • the inductor is configured by winding a conductor wire in a cylindrical shape.
  • the inductor has a shape meandering on a plane as used in a microstrip line. Further, it may be configured by a spiral shape on a plane.
  • a circular electrode and an annular electrode are provided.
  • a cylindrical electrode as shown in FIG. 30 may be used.
  • the example of FIG. 30 includes a power transmission coupler 410 and a power reception coupler 420.
  • the electrodes 411 and 412 constituting the power transmission coupler 410 are formed of a conductive member having a cylindrical shape with a radius r1.
  • a cylindrical member is used, but a rectangular conductive member may be curved to have a radius r1. In that case, the end of the conductive member may or may not contact.
  • the electrodes 411 and 412 are arranged in parallel at positions separated by a predetermined distance d1 in the axial direction (X direction in the figure).
  • the width D of the electrodes 411 and 412 including the distance d1 is set to be narrower than the near field indicated by ⁇ / 2 ⁇ , where ⁇ is the wavelength of the electric field radiated from these electrodes. .
  • the electrodes 411 and 412 are fixed via an insulating material (not shown) (for example, a dielectric substrate).
  • the electrodes 411 and 412 are connected to the AC power supply unit 417 via the inductors 413 and 414 and the connection lines 415 and 416.
  • the electrodes 411 and 412 and the inductors 413 and 414 constitute a power transmission coupler 410.
  • the electrodes 421 and 422 constituting the power receiving coupler 420 are made of a conductive member having a cylindrical shape with a radius r2 ( ⁇ r1). In the example of FIG. 30, a cylindrical member is used, but a rectangular conductive member may be curved to have a radius r2. In that case, the end of the conductive member may or may not contact.
  • the electrodes 421 and 422 are arranged in parallel at positions separated by a predetermined distance d2 in the axial direction (X direction in the figure). Further, the electrodes 421 and 422 are arranged so that the central axes thereof coincide with the electrodes 411 and 412.
  • the width D of the electrodes 421 and 422 including the distance d2 is set to be narrower than the near field indicated by ⁇ / 2 ⁇ when the wavelength of the electric field radiated from the electrodes 411 and 412 is ⁇ . Yes.
  • the electrodes 421 and 422 are fixed via an insulating material (not shown) (for example, a dielectric substrate).
  • the distance between the electrodes 421 and 422 and the electrodes 411 and 412 is d3.
  • the electrodes 421 and 422 are connected to a load 427 via inductors 423 and 424 and connection lines 425 and 426. These electrodes 421 and 422 and inductors 423 and 424 constitute a power receiving coupler 420.
  • the operation principle is the same as in FIG.
  • the power can be efficiently transmitted from the power transmission coupler 410 to the power reception coupler 420, and the power transmission coupler 410 or the power reception coupler 420 rotates around the central axis. Even so, the transmission characteristics rarely deteriorate.
  • the electrodes 411, 412, 421, 422 are circular cylinders, but may be polygonal cylinders. In the example of FIG.
  • the electrodes 411 and 412 have a longer axial length than the electrodes 421 and 422. However, they are the same, or the electrodes 421 and 422 are electrodes. It is good also as a structure whose length of an axial direction is longer than 411,412.
  • Coupler for Power Transmission 311 Center Electrode (First Electrode) 311a Notch 311b Through hole 312 Ring electrode (second electrode) 312a Notch 313, 314 Inductor 315, 316 Connection line 320 Power receiving coupler 321 Center electrode (third electrode) 321a Notch 321b Through hole 322 Ring electrode (fourth electrode) 322a Notch 323, 324 Inductor 325, 326 Connection line 410 Power transmission coupler 411 Electrode (first electrode) 412 electrode (second electrode) 420 Power receiving coupler 421 Electrode (third electrode) 422 electrode (fourth electrode)

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Abstract

本発明は、回転された場合でも電力を効率良く伝送できるようにした無線電力伝送システムである。送電装置は、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第１および第２電極（中心電極３１１および環状電極３１２）と、第１および第２接続線（接続線３１５，３１６）と、第１インダクタ（インダクタ３１３，３１４）と、を有し、受電装置は、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第３および第４電極（中心電極３２１および環状電極３２２）と、第３および第４接続線（接続線３２５，３２６）と、第２インダクタと、を有し、送電装置と受電装置の電極は近傍界であるλ／２π以下の距離を隔てて対向配置され、第１および第２電極と第１インダクタによって構成されるカプラの共振周波数と、第３および第４電極と第２インダクタ（インダクタ３２３，３２４）によって構成されるカプラの共振周波数が略等しくなるように設定される。

Description

無線電力伝送システム
　本発明は、無線電力伝送システムに関するものである。
　特許文献１には、電磁誘導を用いて、非接触の二つの電気回路間で電力の伝送を行う無線電力伝送装置が開示されている。
特開平８－３４０２８５号公報
　ところで、特許文献１に開示された技術では、電力を伝送するためのコイルにおける電力の損失が大きいため、電力を効率良く伝送できないという問題点がある。また、図１１に示す第３実施形態では、コイルの軸を中心として回転された場合に、電力を伝送するためのコイルが位置ズレを生じて特性が変化することから、電力を効率良く伝送できないという問題点がある。
　そこで、本発明は、回転された場合であっても電力を効率良く伝送できる無線電力伝送システムを提供することを目的としている。
　上記課題を解決するために、本発明は、送電装置から受電装置に対して交流電力を伝送する無線電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下であり、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第１および第２電極と、前記第１および第２電極と交流電力発生部の２つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第１および第２接続線と、前記第１および第２電極と前記交流電力発生部の２つの出力端子の少なくとも一方の間に挿入される第１インダクタと、を有し、前記受電装置は、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下であり、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第３および第４電極と、前記第３および第４電極と負荷の２つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第３および第４接続線と、前記第３および第４電極と前記負荷の２つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第２インダクタと、を有し、前記送電装置と前記受電装置の電極は近傍界であるλ／２π以下の距離を隔てて対向配置され、前記第１および第２電極と前記第１インダクタによって構成されるカプラの共振周波数と、前記第３および第４電極と前記第２インダクタによって構成されるカプラの共振周波数が略等しくなるように設定されることを特徴とする。
　このような構成によれば、回転された場合であっても電力を効率良く伝送することができる。
　また、本発明の一側面は、前記第１電極は板状の多角形または円形形状を有し、前記第２電極は前記第１電極を囲むように配置された板状の多角形または円形の環状形状を有するとともに前記第１電極と同一平面上に中心軸が一致するように配置され、前記第３電極は板状の多角形または円形形状を有し、前記第４電極は前記第３電極を囲むように配置された板状の多角形または円形の環状形状を有するとともに前記第３電極と同一平面上に中心軸が一致するように配置され、前記第１および第２電極と前記第３および第４電極は近傍界であるλ／２π以下の距離を隔てて対向配置されていることを特徴とする。
　このような構成によれば、軸方向に回転された場合であっても伝送効率の低下を確実に防ぐことができる。
　また、本発明の一側面は、前記第１乃至第４電極の少なくとも一つは半径方向の切り欠きを有することを特徴とする。
　このような構成によれば、特性変化を招くことなく、電極を取り付けるための切り欠きを設けることができる。
　また、本発明の一側面は、前記第１電極および前記第３電極の少なくとも一方は円環形状を有することを特徴とする。
　このような構成によれば、特性変化を招くことなく、電極を取り付けるための貫通孔を設けることができる。
　また、本発明の一側面は、前記第１乃至第４電極の少なくとも一つは軸方向に延伸する立体構造を有することを特徴とする。
　このような構成によれば、立体形状を有する部材を電極として用いることができる。
　また、本発明の一側面は、前記第１および第２電極は多角形または円形の筒形状を有し、前記第３および第４電極は前記第１および第２電極をそれぞれ囲むように配置された多角形または円形の筒形状を有するとともに前記第１および第２電極と中心軸が一致するように配置され、前記第１および第３電極と前記第２および第４電極は近傍界であるλ／２π以下の距離を隔てて対向配置されていることを特徴とする。
　このような構成によれば、軸方向に回転された場合であっても伝送効率の低下を確実に防ぐことができる。
　本発明によれば、回転された場合であっても電力を効率良く伝送できる無線電力伝送システムを提供することが可能となる。
直列共振を利用する無線電力伝送システムを構成する送電装置の詳細な構成例を示す図である。 直列共振を利用する無線電力伝送システムの構成例を示す図である。 図２に示す無線電力伝送システムの等価回路である。 図２に示す無線電力伝送システムの伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図２に示す送電用カプラのインピーダンスのスミスチャートを示す図である。 図２に示す受電用カプラを９０度回転させた場合の状態を示す図である。 図６に示す無線電力伝送システムの伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図６に示す送電用カプラのインピーダンスのスミスチャートを示す図である。 本発明の実施形態の構成例を示す斜視図である。 図９に示す実施形態をＺ方向から眺めた平面図である。 図９に示す無線電力伝送システムの伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図９に示す送電用カプラのインピーダンスのスミスチャートを示す図である。 図９に示す実施形態の電界分布を示す図である。 図１０に示す実施形態の電界分布を示す図である。 図９に示す受電用カプラを反時計方向に９０度回転させた場合の状態を示す図である。 図１５に示す無線電力伝送システムの伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図１５に示す送電用カプラのインピーダンスのスミスチャートを示す図である。 本発明の変形実施態様の一例を示す図である。 図１８に示す無線電力伝送システムの伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図１８に示す送電用カプラのインピーダンスのスミスチャートを示す図である。 図１８に示す受電用カプラを反時計方向に９０度回転させた場合の状態を示す図である。 図２１に示す無線電力伝送システムの伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図２１に示す送電用カプラのインピーダンスのスミスチャートを示す図である。 本発明の他の変形実施態様の一例を示す図である。 図２４に示す無線電力伝送システムの伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図２４に示す送電用カプラのインピーダンスのスミスチャートを示す図である。 図２４に示す受電用カプラを反時計方向に９０度回転させた場合の状態を示す図である。 図２７に示す無線電力伝送システムの伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。 図２７に示す送電用カプラのインピーダンスのスミスチャートを示す図である。 本発明の他の変形実施態様の一例を示す図である。
　次に、本発明の実施形態について説明する。
（Ａ）直列共振を利用した無線伝送システムの説明
　以下では、直列共振を利用した無線伝送システムについて説明した後に、本発明の実施形態について説明する。
　図１は直列共振を利用した無線電力伝送システムを構成する送電用カプラの詳細な構成例を示している。この図に示すように、直列共振を利用した無線電力伝送システムでは、送電用カプラ１１０は、矩形の板状形状を有する絶縁部材（誘電体基板）によって構成される回路基板１１８の表（おもて）面１１８Ａ上に、矩形形状を有する導電性部材によって構成される電極１１１，１１２が配置されて構成される。回路基板１１８の裏面１１８Ｂには、この図１の例では、電極等は配置されていない。具体的な構成例としては、例えば、ガラスエポキシ基板やガラスコンポジット基板等によって構成される回路基板１１８上に、銅等の導電性の薄膜によって電極１１１，１１２が形成される。電極１１１，１１２は、所定の距離ｄ１だけ離れた位置に平行に配置されている。また、距離ｄ１を含む電極１１１，１１２の幅Ｄは、これらの電極から放射される電界の波長をλとした場合に、λ／２πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。
　回路基板１１８の電極１１１，１１２の短手方向の端部には、インダクタ１１３，１１４の一端がそれぞれ接続されている。また、インダクタ１１３，１１４の他端は、接続線１１５，１１６の一端にそれぞれ接続されている。接続線１１５，１１６は、電極１１１，１１２の領域およびこれらに挟まれる領域を回避するように配置されるとともに、これらの領域から遠ざかる方向（図１の左下方向）に伸延するように配置されている。より詳細には、電極１１１，１１２のそれぞれの矩形領域と、これら２つの電極１１１，１１２によって挟まれた領域を回避して配置されるとともに、これらの領域から遠ざかる方向に伸延するように配置されている。このように配置することで、電極１１１，１１２と接続線１１５，１１６の間の干渉を少なくすることができるので、伝送効率の低下を防止できる。接続線１１５，１１６は、例えば、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成されている。なお、接続線１１５，１１６の他端は、図示しない交流電力発生部の出力端子にそれぞれ接続されている。接続線１１５，１１６によって送電用カプラ１１０に交流電力発生部が接続されることにより、送電装置が構成される。
　送電用カプラ１１０は、電極１１１，１１２が所定の距離ｄ１を隔てて配置されることによって形成されるキャパシタのキャパシタンスＣと、インダクタ１１３，１１４のインダクタンスＬによる直列共振回路を構成するので、これらによる固有の共振周波数ｆＣを有している。
　受電用カプラ１２０は、送電用カプラ１１０と同様の構成とされ、回路基板１２８の表面１２８Ａ上に、矩形形状を有する導電性部材によって構成される電極１２１，１２２およびインダクタ１２３，１２４が配置され、インダクタ１２３，１２４の他端に接続線１２５，１２６が接続されて構成される。電極１２１，１２２によって形成されるキャパシタのキャパシタンスＣと、インダクタ１２３，１２４のインダクタンスＬによる直列共振回路の共振周波数ｆＣは送電用カプラ１１０と略同じに設定される。接続線１２５，１２６は、例えば、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成されている。受電用カプラ１２０の接続線１２５，１２６の他端には、図示しない負荷が接続される。接続線１２５，１２６によって受電用カプラ１２０に負荷が接続されることにより、受電装置が構成される。
　図２は、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を対向配置した状態を示す図である。この図に示すように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０は、回路基板１１８，１２８の表面１１８Ａ，１２８Ａが対向するように距離ｄ２を隔て、回路基板１１８，１２８が平行になるように配置される。
　図３は、図２に示す無線電力伝送システム１の等価回路を示す図である。この図３において、交流電力発生部２１１は、共振周波数に対応する周波数の交流電力を生成して出力する。電源部負荷２１２は、接続線１１５，１１６および接続線１２５，１２６の特性インピーダンスと等しい値を示し、Ｚ０の値を有している。インダクタ２１３はインダクタ１１３，１１４に対応し、Ｌ１の素子値を有している。抵抗２１４は、送電側回路、主にインダクタに付随する抵抗を示し、Ｒ１の素子値を有している。キャパシタ２１５は、電極１１１，１１２の間に生じる素子値Ｃ１のキャパシタである。キャパシタ２２１は、電極１２１，１２２の間に生じる素子値Ｃ２のキャパシタである。インダクタ２２２はインダクタ１２３，１２４に対応し、Ｌ２の素子値を有している。抵抗２２３は、受電側回路、主にインダクタに付随する抵抗を示し、Ｒ２の素子値を有している。負荷２２４は、交流電力発生部２１１から出力され、送電用カプラおよび受電用カプラを介して伝送された電力が供給される。キャパシタ２４１は、電極１１１，１１２と電極１２１，１２２の間に生じるキャパシタを示し、Ｃｍ１の素子値を有している。なお、負荷２２４は、例えば、整流装置および二次電池等によって構成されている。もちろん、これ以外であってもよい。
　つぎに、図２に示す直列共振を利用した無線電力伝送システムの動作について説明する。図４は、図２に示す無線電力伝送システムの送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を２０ｃｍ隔てて対向配置した場合（ｄ２＝２０ｃｍの場合）における送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への伝送効率η２１（＝｜Ｓ２１｜２）と、反射損η１１（＝｜Ｓ１１｜２）の周波数特性を示す図である。この図において横軸は伝送する交流電力の周波数（ＭＨｚ）を示し、縦軸は伝送効率を示している。図４に示す例では、２７ＭＨｚ周辺において、伝送効率約９５％を達成していることが分かる。なお、図２では、例えば、インダクタ１１３，１１４，１２３，１２４は、それぞれ、巻き数が１３回、インダクタンス値が２．８μＨとされ、回路基板１１８，１２８のサイズ（ＤとＬ）は２５０×２５０ｍｍとされ、電極１１１，１１２および電極１２１，１２２間のギャップｄ１は３４．４ｍｍとされている。
　図５は、図２に示す直列共振を利用した無線電力伝送システムの送電用カプラ１１０のインピーダンスＳ１１のスミスチャートを示している。この場合、測定器のポートインピーダンスは接続線路の特性インピーダンスＺ０（実数値）と等しい値に設定している。これらの図に示すように、図２に示す無線電力伝送システムでは、送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０のインピーダンスの軌跡は、スミスチャートの円の中心付近を通過することから、この付近において伝送を行うように設定することにより反射を抑えて効率良く電力を伝送することができる。
　図６は、図２に示す無線電力伝送システムの受電用カプラ１２０を反時計方向に９０度回転させて配置した状態を示している。図７は、図６に示す配置状態における、送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示す図である。図７に示すように、伝送効率η２１は０となり、反射損η１１は１に近い値となるため、送電用カプラ１１０に入力された電力の殆どが反射され、受電用カプラ１２０には伝送されない。また、図８に示すように、入力インピーダンスＳ１１が低い状態となってインピーダンスが整合しない状態となる。このため、図２に示す無線電力伝送システムでは、図６に示すように送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０とが直交する状態では、電力を伝送することができない。以上から、図２に示す無線電力伝送システムでは、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０とが軸を中心として回転された場合には特性の劣化を招くことになる。
（Ｂ）本発明の実施形態の説明
　つぎに、図９および図１０を参照して、本発明の実施形態に係る無線電力電送システムの構成例について説明する。図９は実施形態の斜視図であり、図１０は図９に示す実施形態をＺ方向から眺めた平面図である。図９および図１０に示す実施形態では、円形状の中心電極３１１、円環状の環状電極３１２、インダクタ３１３，３１４、および、接続線３１５，３１６によって送電用カプラ３１０が構成され、円形状の中心電極３２１、円環状の環状電極３２２、インダクタ３２３，３２４、および、接続線３２５，３２６によって受電用カプラ３２０が構成される。図９および図１０の例では、送電用カプラ３１０と受電用カプラ３２０を構成する各素子のサイズは同じとされている。もちろん、各素子のサイズが異なっても、共振周波数が同じになるように調整することで、電力を伝送することができる。なお、図９および図１０の例では、電極だけが示されているが、図１および図２と同様に、ガラスエポキシ基板やガラスコンポジット基板等によって形成される基板または基材上に電極を形成するようにすることができる。
　ここで、中心電極３１１は、半径ｒ１の円形形状を有する板状の導電性部材（例えば、銅、アルミニウム等の部材）によって構成される。環状電極３１２は、外周の半径がｒ２であり幅ｗの円環形状を有する板状の導電性部材によって構成される。なお、中心電極３１１と環状電極３１２は同一平面上に配置され、中心電極３１１の外周と環状電極３１２の内周間の距離はｄ１とされている。インダクタ３１３の一端は中心電極３１１に接続され、他端は接続線３１５の一端に接続される。インダクタ３１４の一端は環状電極３１２に接続され、他端は接続線３１６の一端に接続される。接続線３１５，３１６は、例えば、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成されている。接続線３１５，３１６の他端は、図示しない交流電力発生部の出力端子にそれぞれ接続されている。接続線３１５，３１６によって送電用カプラ３１０に交流電力発生部が接続されることにより、送電装置が構成される。なお、中心電極３１１と環状電極３１２によって形成されるキャパシタのキャパシタンスＣと、インダクタ３１３，３１４のインダクタンスＬによる直列共振回路の共振周波数はｆＣとされる。
　中心電極３２１は、半径ｒ１の円形形状を有する板状の導電性部材によって構成される。環状電極３２２は、外周の半径がｒ２であり幅ｗの円環形状を有する板状の導電性部材によって構成される。中心電極３２１と環状電極３２２は同一平面上に配置され、中心電極３２１の外周と環状電極３２２の内周間の距離はｄ１とされている。また、中心電極３１１と環状電極３１２が配置される平面と、中心電極３２１と環状電極３２２が配置される平面は略平行に保たれる。インダクタ３２３の一端は中心電極３２１に接続され、他端は接続線３２５の一端に接続される。インダクタ３２４の一端は環状電極３２２に接続され、他端は接続線３２６の一端に接続される。接続線３２５，３２６は、例えば、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成されている。接続線３２５，３２６の他端は、図示しない負荷の入力端子にそれぞれ接続されている。接続線３２５，３２６によって受電用カプラ３２０に負荷が接続されることにより、受電装置が構成される。なお、中心電極３２１と環状電極３２２によって形成されるキャパシタのキャパシタンスＣと、インダクタ３２３，３２４のインダクタンスＬによる直列共振回路の共振周波数ｆＣは送電用カプラ３１０と同じになるように設定される。
　図１１は、図９および図１０に示す無線電力伝送システムの送電用カプラ３１０と受電用カプラ３２０を２０ｃｍ隔てて対向配置した場合（ｄ２＝２０ｃｍの場合）における送電用カプラ３１０から受電用カプラ３２０への伝送効率η２１（＝｜Ｓ２１｜２）と、反射損η１１（＝｜Ｓ１１｜２）の周波数特性を示す図である。より詳細には、中心電極３１１，３２１の半径ｒ１は７ｃｍであり、環状電極３１２，３２２の外周の径ｒ２は２４ｃｍであり、環状電極３１２，３２２の幅ｗは１．５ｃｍであり、ｄ１は１５．５ｃｍに設定している。また、インダクタ３１３，３１４，３２３，３２４は、それぞれ、巻き数が１３回、インダクタンス値が２．８μＨとなるよう設定している。この図１１において横軸は伝送する交流電力の周波数（ＭＨｚ）を示し、縦軸は伝送効率を示している。図９に示す例では、２７ＭＨｚ周辺において、伝送効率約９６％を達成している。
　図１２は、図９および図１０に示す無線電力伝送システムの送電用カプラ３１０のインピーダンスＳ１１のスミスチャートを示している。この場合、測定器のポートインピーダンスは接続線路の特性インピーダンスＺ０（実数値）と等しい値に設定している。これらの図に示すように、図９および図１０に示す無線電力伝送システムでは、送電用カプラ３１０のインピーダンスの軌跡は、スミスチャートの円の中心付近を通過することから、この付近において伝送を行うように設定することにより反射を抑えて効率良く電力を伝送することができる。
　すなわち、図９に示す実施形態では、中心電極３１１および環状電極３１２と、中心電極３２１および環状電極３２２とは、電界共振結合されており、中心電極３１１および環状電極３１２から中心電極３２１および環状電極３２２に対して電界によって交流電力が伝送される。つまり、図９に示す実施形態では、中心電極３１１および環状電極３１２と、中心電極３２１および環状電極３２２とは、近傍界であるλ／２πよりも短い距離ｄ２だけ隔てて配置されているので、中心電極３１１および環状電極３１２から放射される電界成分が支配的である領域に中心電極３２１および環状電極３２２が配置される。また、中心電極３２１と環状電極３２２の間に形成されるキャパシタおよびインダクタ３１３，３１４による共振周波数と、中心電極３２１と環状電極３２２の間に形成されるキャパシタおよびインダクタ３２３，３２４による共振周波数とは略等しくなるように設定されている。このように、中心電極３１１および環状電極３１２と、中心電極３２１および環状電極３２２とは、電界共振結合されていることから、送電用カプラ３１０から受電用カプラ３２０に対して電界によって交流電力が効率よく伝送される。
　図１３は図９に示す実施形態の実施形態の電界分布を示す図であり、図１４は図１０の電界分布を示している。これらの図において図中の矢印の方向は電界の方向を示し、矢印の大きさは電界の大きさを示している。これらの図に示すように、送電用カプラ３１０および受電用カプラ３２０の周辺の電界は、これらのカプラの中心軸に対して軸対称に形成される。このため、送電用カプラ３１０および受電用カプラ３２０を、軸を中心としていずれの方向に回転させても、特性の劣化が少ない。
　図１５は図９に示す実施形態において、受電用カプラ３２０を半時計方向に９０度回転させた状態を示す図である。また、図１６は図１５に示す状態における送電用カプラ３１０から受電用カプラ３２０への伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示す図であり、図１７は同状態における送電用カプラ３１０のインピーダンスＳ１１のスミスチャートである。図１６に示すように２７ＭＨｚにおける伝送効率は約９６％であり、図９に示す状態からの特性の劣化はない。また、図１７に示すように、入力インピーダンスについても図９に示す状態からの変化はない。
　以上に説明したように、本発明の実施形態によれば、送電用カプラ３１０から受電用カプラ３２０に対して電力を９割以上の高い効率で無線伝送することができる。また、本発明の実施形態によれば、軸を中心として電極を回転した場合であっても、特性変化を僅少とすることができる。
（Ｃ）変形実施形態の説明
　以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、真円の中心電極３１１，３２１および真円の環状電極３１２，３２２を用いるようにしたが、例えば、図１８に示すように、中心電極３１１，３２１が外周から中心に向かって伸びる切り欠き３１１ａ，３２１ａを有するとともに、環状電極３１２，３２２が一部に切り欠き３１２ａ，３２２ａを有するようにしてもよい。図１９は、図１８に示す実施形態の伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示し、また、図２０は入力インピーダンスＳ１１のスミスチャートである。これらの図と図１１および図１２との比較から、切り欠きを設けた場合でも特性の変化は殆ど生じない。このため、このような切り欠きを設けても、伝送効率が劣化することは殆どない。
　図２１は図１８の受電用カプラ３２０を反時計方向に９０度回転させた状態を示す図である。このような状態では、切り欠き３１１ａ，３２１ａおよび切り欠き３１２ａ，３２２ａの位置が一致しない状態となる。しかしながら、このような状態であっても特性の変化は殆ど生じない。より詳細には、図２２は図２１に示す実施形態の伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示し、また、図２３は入力インピーダンスＳ１１のスミスチャートである。これらの図と図１９および図２０との比較から、受電用カプラ３２０を回転させた場合でも特性の変化は殆ど生じない。もちろん、送電用カプラ３１０を回転させた場合も同様である。なお、図１８の例では、中心電極３１１，３２１および環状電極３１２，３２２の全てに切り欠きを設けるようにしたが、これらの少なくとも１つに設けるようにしてもよい。
　図２４は、他の変形実施形態を示している。すなわち、図２４は、中心電極３１１，３２１に貫通孔３１１ｂ，３２１ｂをそれぞれ設けることにより、中心電極３１１，３２１を環状とした実施形態を示している。この例では、中心電極３１１，３２１の中心に半径ｒ３の貫通孔３１１ｂ，３２１ｂがそれぞれ形成されている。なお、その他の構成は図９と同様とされている。図２５は、図２４に示す実施形態の伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示し、また、図２５は入力インピーダンスＳ１１のスミスチャートである。これらの図と図１１および図１２との比較から、中心電極３１１，３２１に貫通孔３１１ｂ，３２１ｂを設けた場合でも特性の変化は殆ど生じない。このため、このような貫通孔３１１ｂ，３２１ｂを設けても、伝送特性が劣化することは殆どない。
　図２７は図２４の受電用カプラ３２０を反時計方向に９０度回転させた状態を示す図である。図２４の実施形態では、貫通孔３１１ｂ，３２１ｂは軸対称となるように形成されているため、送電用カプラ３１０および受電用カプラ３２０によって形成される電界は、図１３および図１４と同様に軸対称となる。このため、図２７に示すように、受電用カプラ３２０を回転させた場合でも、特性の変化は殆ど生じない。より詳細には、図２８は図２７に示す実施形態の伝送効率η２１と、反射損η１１の周波数特性を示し、また、図２９は入力インピーダンスＳ１１のスミスチャートである。これらの図と図２５および図２６との比較から、受電用カプラ３２０を回転させた場合でも特性の変化は殆ど生じない。もちろん、送電用カプラ３１０を回転させた場合も同様である。なお、図２４の例では、中心電極３１１，３２１の双方に貫通孔を設けるようにしたが、これらの少なくとも１つに設けるようにしてもよい。また、前述のように中心電極３１１，３２１および環状電極３１２，３２２の少なくとも１つに必要に応じて切り欠きを設けるようにしてもよい。
　また、以上の各実施形態では、中心電極３１１と中心電極３２１および環状電極３１２と環状電極３２２をそれぞれ同じサイズを有するようにしたが、これらが異なるサイズを有するようにしてもよい。また、中心電極３１１，３２１および環状電極３１２，３２２は真円としたが、例えば、楕円であったり、多角形であったりしてもよい。また、中心電極３１１と環状電極３１２および中心電極３２１と環状電極３２２はそれぞれ同一平面上に配置するようにしたが、例えば、これらが軸方向にずれて配置されるようにしてもよい。また、中心電極３１１，３２１および環状電極３１２，３２２は平板形状ではなく、湾曲したり、屈曲したりした形状であってもよいし、球形等の立体形状であってもよい。さらに、軸方向に延伸された立体形状を有するようにしてもよい。また、切り欠きまたは貫通孔を有する状態で、軸方向に延伸された立体形状を有するようにしてもよい。
　また、以上の各実施形態では、接続線３１５と中心電極３１１の間および接続線３１６と環状電極３１２の間の双方にインダクタ３１３，３１４を挿入するようにしたが、これらのいずれか一方にのみインダクタを挿入するようにしてもよい。同様に、受電用カプラ３２０では、接続線３２５と中心電極３２１の間および接続線３２６と環状電極３２２の間の双方にインダクタ３２３，３２４を挿入するようにしたが、これらのいずれか一方にのみ挿入するようにしてもよい。また、以上の実施形態では、インダクタとしては、導体線を円柱状に巻回して構成するようにしたが、例えば、マイクロストリップラインで使用されるような、平面上を蛇行する形状を有するものや、平面上で螺旋形状を有するものによって構成するようにしてもよい。
　また、以上の各実施形態では、円形の電極と環状の電極を有するようにしたが、例えば、図３０に示すように円筒形の電極によって構成することも可能である。この図３０の例は、送電用カプラ４１０と受電用カプラ４２０を有している。ここで、送電用カプラ４１０を構成する電極４１１，４１２は、半径ｒ１の円筒形状を有する導電性部材によって構成される。なお、図３０の例では円筒形状の部材を用いているが、矩形の導電性部材を半径ｒ１となるように湾曲させて構成してもよい。その場合、導電性部材の端部は接触しても接触しなくてもよい。電極４１１，４１２は、軸方向（図のＸ方向）に所定の距離ｄ１だけ離れた位置に平行に配置されている。また、距離ｄ１を含む電極４１１，４１２の幅Ｄは、これらの電極から放射される電界の波長をλとした場合に、λ／２πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。電極４１１，４１２は、図示しない絶縁材（例えば、誘電体基板）を介して固定される。また、電極４１１，４１２は、インダクタ４１３，４１４および接続線４１５，４１６を介して交流電源部４１７に接続される。なお、電極４１１，４１２およびインダクタ４１３，４１４によって送電用カプラ４１０が構成される。
　受電用カプラ４２０を構成する電極４２１，４２２は、半径ｒ２（＜ｒ１）の円筒形状を有する導電性部材によって構成される。なお、図３０の例では円筒形状の部材を用いているが、矩形の導電性部材を半径ｒ２となるように湾曲させて構成してもよい。その場合、導電性部材の端部は接触しても接触しなくてもよい。電極４２１，４２２は、軸方向（図のＸ方向）に所定の距離ｄ２だけ離れた位置に平行に配置されている。また、電極４２１，４２２は、電極４１１，４１２と中心軸が一致するように配置される。また、距離ｄ２を含む電極４２１，４２２の幅Ｄは、電極４１１，４１２から放射される電界の波長をλとした場合に、λ／２πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。電極４２１，４２２は、図示しない絶縁材（例えば、誘電体基板）を介して固定される。電極４２１，４２２と電極４１１，４１２の間隔はｄ３とされている。また、電極４２１，４２２は、インダクタ４２３，４２４および接続線４２５，４２６を介して負荷４２７に接続される。これら、電極４２１，４２２およびインダクタ４２３，４２４によって受電用カプラ４２０が構成される。なお、図３０に示す電極４１１，４１２とインダクタ４１３，４１４によって構成される共振回路の共振周波数と、電極４２１，４２２とインダクタ４２３，４２４によって構成される共振回路の共振周波数は同じに設定され、動作原理は図１の場合と同様である。図３０に示す実施形態によれば、送電用カプラ４１０から受電用カプラ４２０に対して効率良く電力を伝送することができるとともに、送電用カプラ４１０または受電用カプラ４２０が中心軸周りに回転した場合であっても、伝送特性が低下することが少ない。なお、図３０では、電極４１１，４１２，４２１，４２２は円形の筒状としたが、多角形の筒状としてもよい。また、図３０の例では、電極４１１，４１２の方が電極４２１，４２２よりも軸方向の長さが長い構成としたが、これらが同じであるか、あるいは、電極４２１，４２２の方が電極４１１，４１２よりも軸方向の長さが長い構成としてもよい。
　３１０　送電用カプラ
　３１１　中心電極（第１電極）
　３１１ａ　切り欠き
　３１１ｂ　貫通孔
　３１２　環状電極（第２電極）
　３１２ａ　切り欠き
　３１３，３１４　インダクタ
　３１５，３１６　接続線
　３２０　受電用カプラ
　３２１　中心電極（第３電極）
　３２１ａ　切り欠き
　３２１ｂ　貫通孔
　３２２　環状電極（第４電極）
　３２２ａ　切り欠き
　３２３，３２４　インダクタ
　３２５，３２６　接続線
　４１０　送電用カプラ
　４１１　電極（第１電極）
　４１２　電極（第２電極）
　４２０　受電用カプラ
　４２１　電極（第３電極）
　４２２　電極（第４電極）

Claims (6)

  1. 　送電装置から受電装置に対して交流電力を伝送する無線電力伝送システムにおいて、
    　前記送電装置は、
    　所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下であり、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第１および第２電極と、
    　前記第１および第２電極と交流電力発生部の２つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第１および第２接続線と、
    　前記第１および第２電極と前記交流電力発生部の２つの出力端子の少なくとも一方の間に挿入される第１インダクタと、を有し、
    　前記受電装置は、
    　所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下であり、共通する中心軸に対して回転対称の形状をそれぞれ有する第３および第４電極と、
    　前記第３および第４電極と負荷の２つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第３および第４接続線と、
    　前記第３および第４電極と前記負荷の２つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第２インダクタと、を有し、
    　前記送電装置と前記受電装置の電極は近傍界であるλ／２π以下の距離を隔てて対向配置され、
    　前記第１および第２電極と前記第１インダクタによって構成されるカプラの共振周波数と、前記第３および第４電極と前記第２インダクタによって構成されるカプラの共振周波数が略等しくなるように設定される、
    　ことを特徴とする無線電力伝送システム。
  2. 　前記第１電極は板状の多角形または円形形状を有し、前記第２電極は前記第１電極を囲むように配置された板状の多角形または円形の環状形状を有するとともに前記第１電極と同一平面上に中心軸が一致するように配置され、
    　前記第３電極は板状の多角形または円形形状を有し、前記第４電極は前記第３電極を囲むように配置された板状の多角形または円形の環状形状を有するとともに前記第３電極と同一平面上に中心軸が一致するように配置され、
    　前記第１および第２電極と前記第３および第４電極は近傍界であるλ／２π以下の距離を隔てて対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送システム。
  3. 　前記第１乃至第４電極の少なくとも一つは半径方向の切り欠きを有することを特徴とする請求項２に記載の無線電力伝送システム。
  4. 　前記第１電極および前記第３電極の少なくとも一方は円環形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の無線電力伝送システム。
  5. 　前記第１乃至第４電極の少なくとも一つは軸方向に延伸する立体構造を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
  6. 　前記第１および第２電極は多角形または円形の筒形状を有し、前記第３および第４電極は前記第１および第２電極をそれぞれ囲むように配置された多角形または円形の筒形状を有するとともに前記第１および第２電極と中心軸が一致するように配置され、
    　前記第１および第３電極と前記第２および第４電極は近傍界であるλ／２π以下の距離を隔てて対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送システム。
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