WO2023195169A1 - 電力伝送装置 - Google Patents

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WO2023195169A1
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electric field
power transmission
ground
transmission device
antenna
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Inventor
賢典 和城
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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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
    • H02J50/05—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using capacitive coupling
    • 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
    • H02J50/70—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the reduction of electric, magnetic or electromagnetic leakage fields

Definitions

  • the present disclosure relates to a power transmission device.
  • Non-Patent Document 1 discloses an antenna that performs wireless power transmission using an electric field. Since the shape of the antenna is symmetrical between the front and rear surfaces, the electric field is simultaneously radiated both in the front direction where the power transmission target is placed and in the opposite direction to the back. The electric field radiated toward the back does not contribute to power transmission, but causes electromagnetic noise that causes malfunctions in nearby electronic devices, including your own. Further, when the electric field waves radiated toward the back surface are reflected by a metal plate placed there and returned to the antenna, the operation of the antenna is inhibited.
  • Patent Document 1 shows an antenna that performs wireless power transmission and non-contact communication using a magnetic field.
  • This antenna also has a symmetrical shape between the front and rear surfaces, so the magnetic field is radiated in both the front and rear directions simultaneously.
  • Magnetic fields emitted in a direction where there is no communication partner cause nearby electronic devices, including your own, to malfunction. If a metal plate is present in the radiated magnetic field, eddy currents will flow through the metal plate to cancel out the magnetic field, causing heat generation. Furthermore, the eddy current weakens the magnetic field, reducing the communication performance of the antenna.
  • antennas that use near-field resonance of electric or magnetic fields have high power transmission efficiency, so they are widely used for wireless power transmission and contactless IC card communication. Since electric or magnetic field waves carrying power are radiated both in the front direction and the back direction of the antenna, the challenge was how to suppress radiation in directions that do not contribute to power transmission.
  • the present invention was made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to suppress the radiation of electric fields in directions that do not contribute to power transmission.
  • the invention according to claim 1 provides a power transmission device for transmitting power, which includes an electrode, a ground, and a primary coil connecting the electrode and the ground. a resonant part that resonates at the output frequency of the power transmitting and receiving circuit, and a secondary coil that is magnetically coupled to the primary coil and electrically connected to the power transmitting and receiving circuit, and the ground of the resonating part and the power transmitting and receiving circuit are connected to each other.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of an electric field antenna using near field resonance, which has high transmission efficiency over short distances.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a magnetic field antenna that uses near field resonance, which has high transmission efficiency over short distances.
  • FIG. 2 is a diagram showing the structure of an electric field antenna using resonance.
  • FIG. 3 is a diagram showing the operation of an electric field antenna using resonance.
  • FIG. 3 is a diagram showing the structure and operation of a new resonant section according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing the structure and operation of a new resonant section according to the present embodiment.
  • FIG. 1 is a plan view of a power transmission device according to a first embodiment.
  • FIG. 1 is a plan view of a power transmission device according to a first embodiment.
  • FIG. 1 is a plan view of a power transmission device according to a first embodiment.
  • FIG. 1 is a plan view of a power transmission device according to a first embodiment
  • FIG. 1 is a perspective view of a power transmission device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of a power transmission device according to a technology that is a premise for a second embodiment and subsequent embodiments.
  • FIG. 2 is a perspective view of a power transmission device according to a technology that is a premise for a second embodiment and subsequent embodiments.
  • FIG. 3 is a plan view of a power transmission device according to a second embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view of a power transmission device according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view of a power transmission device according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view of a power transmission device according to a third embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view of a power transmission device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of a power transmission device according to a technology that is a premise for a second embodiment and subsequent embodiments.
  • FIG. 3 is
  • FIG. 7 is a plan view of a power transmission device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view of a power transmission device according to a fourth embodiment. It is a graph showing the transmission efficiency of the technology that is the premise of the second embodiment and the fourth embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an electric field antenna using near field resonance, which has high transmission efficiency over short distances.
  • the electric field antenna 101 is constructed by two electrodes 140, 150 forming a microelectric dipole, and positive and negative charges accumulated on the electrodes 140, 150 being alternately exchanged at a high frequency. and emit electric field waves in the back direction (to the right and left of the page). Note that the structure of the electric field antenna 101 will be explained with reference to FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a magnetic field antenna that uses near field resonance and has high transmission efficiency over short distances.
  • the magnetic field antenna 201 in FIG. 2 radiates magnetic field waves in the front direction and back direction (to the right and left in the paper) by passing a high-frequency alternating current through the coil 210.
  • the antennas When two antennas that resonate at a frequency are placed close to each other, the antennas have strong electric field coupling and can transmit power with high efficiency.
  • the magnetic field antenna 201 in FIG. 2 when two antennas resonating at the same frequency are placed close to each other, the antennas are strongly magnetically coupled to each other, and power can be transmitted with high efficiency.
  • FIG. 3 is a diagram showing the structure of an electric field antenna using resonance.
  • FIG. 4 is a diagram showing the operation of an electric field antenna using resonance.
  • the electric field antenna 101 includes a resonant section 130 that resonates at a specific frequency, and a power feeding section 160 for inputting power to the resonating section 130 or extracting power from the resonating section 130.
  • the power feeding section 160 inputs and outputs power to and from the resonant section 130 through a secondary coil 120 that is magnetically coupled to the primary coil 110 in the resonant section 130 .
  • the power feeding unit 160 includes a secondary coil 120 and a coaxial cable 180 electrically connected to the secondary coil 120.
  • the standing wave of the current flowing through the resonant section 130 has a maximum amplitude at the center of the resonant section 130 and zero amplitude at both ends, that is, at the positions of the electrodes 140 and 150. Further, the amplitude of the standing wave of voltage is maximum at the positions of the electrodes 140 and 150 at both ends of the resonant section 130, and the amplitude becomes zero (that is, the potential is zero) at the center of the resonant section 130.
  • a high voltage is applied to the electrodes, electric field waves are radiated into the air from the left and right electrodes 140, 150, as shown in FIG. 4(b).
  • FIGS. 5 and 6 are diagrams showing the structure and operation of a new resonator according to this embodiment.
  • a new primary coil 111 with the length of the primary coil 110 halved is used, and one end of the primary coil (the left end in FIG. 5) is connected to the ground (plate) 190.
  • the ground (plate) 190 is connected to the ground (plate) 190.
  • the current amplitude of the standing wave when the resonant section 131 resonates becomes maximum at the connection with the ground 190.
  • the potential of the ground 190 is always zero, the voltage amplitude of the standing wave becomes zero at the connection with the ground 190.
  • a standing wave corresponding to a quarter wavelength is generated in the resonant portion 131.
  • the ground 190 serves as a mirror, and when the resonator 131 is viewed from the right side of the drawing, a microelectric dipole is formed by the actual electrode 150 and the mirror image 140M of the electrode projected on the mirror of the ground 190. Electric field waves can be generated in the front direction of the antenna, that is, on the right side of the electrode 150.
  • the electrode nor its mirror image 140M is visible, so no electric field waves are generated in the direction toward the back of the antenna.
  • FIG. 7A is a plan view of the power transmission device according to the first embodiment.
  • FIG. 7B is a perspective view of the power transmission device according to the first embodiment.
  • FIGS. 7A and 7B An electric field antenna using the resonator 131 as shown in FIG. 5 is realized as shown in FIGS. 7A and 7B.
  • the power transmission device is configured with an electric field antenna 1.
  • the electric field antenna 1 includes a resonant section 31 that resonates at a specific frequency, and a power feeding section 62 for inputting power to the resonating section 31 or extracting power from the resonating section 31.
  • the resonant section 31 is mainly composed of an electrode 50, a ground (plate) 90, and a primary coil 11.
  • the primary coil 11 is electrically connected to the electrode 50 and the ground 90 between the electrode 50 and the ground 90 . Electrode 50, ground 90, and primary coil 11 correspond to electrode 150, ground 190, and primary coil 111 in FIG. 5, respectively. Therefore, the primary coil 11 is half the length of the primary coil 110 in FIGS. 4 and 5.
  • the power feeding section 62 is mainly composed of the secondary coil 22 and the coaxial cable 80.
  • the secondary coil 22 inputs and outputs power to and from the resonator 130 by magnetically coupling with the primary coil 11 of the resonator 31 .
  • the coaxial cable 80 is electrically connected to the secondary coil 22 and plays the role of passing current to and from the secondary coil 22 .
  • a side of the coaxial cable 80 opposite to the secondary coil 22 is electrically connected to a power transmission/reception circuit.
  • the secondary coil 22 of the power feeding section 62 is magnetically coupled with the primary coil 11 of the resonant section 31 to input and output power, and the ground on the power feeding section 62 side is connected to the ground 90 of the resonant section 31 to connect the ground. Match the potentials.
  • the shape of the electrode 50 does not matter as long as it can store charge and create an electric field around it. That is, although FIGS. 7A and 7B show an example in which the electrode 50 has a rectangular shape, it may also have a circular shape. Similarly, the shape of the ground 90 is not limited to a square. As with general electric circuits, the larger the area of the ground 90, the less likely the potential will fluctuate and the more stable the state will be, so it is desirable that the ground 90 has a larger area.
  • the electrode 50 and the ground 90 are made of a conductive material, they can be made using a substrate with metal foil attached to a dielectric material or a metal plate.
  • the dimensions of the electric field antenna 1 in FIGS. 7A and 7B are, for example, the area of the electrode 50 is 100 mm x 100 mm, and the area of the ground 90 is 300 mm x 300 mm. Both were made using a single-sided glass epoxy board with a thickness of 1.6 mm. The distance between the electrode 50 and the ground 90 is 60 mm.
  • the primary coil 11 has a diameter of 10 mm, a length of 46 mm, and the number of turns is 135. It is made of 0.32mm thick conductive wire with a polyurethane insulated surface.
  • the secondary coil 22 has a diameter of 11 mm, a length of 10 mm, and a number of turns of 8. It is made of 0.32mm thick conductive wire with a polyurethane insulated surface.
  • a standing wave corresponding to a quarter wavelength is generated in the resonant section 31, as shown in FIG. 5(a).
  • electric field waves are radiated into the air from the electrode 50 at the other end (right end in FIG. 7A) in the front direction of the electric field antenna 1, but in the rear direction of the electric field antenna 1, that is, from the ground 90. No electric field waves are generated on the left side.
  • FIG. 8A is a plan view of a power transmission device according to a technology that is a premise for the second embodiment and subsequent embodiments (hereinafter referred to as "premise technology").
  • FIG. 8B is a perspective view of the power transmission device according to the underlying technology. Note that FIG. 12 is a graph showing the transmission efficiency of the base technology to the fourth embodiment.
  • the power transmission device of the base technology is constituted by two (pair of) electric field antennas 2a and electric field antennas 2b.
  • the electric field antennas 2a and 2b each have the same configuration as the electric field antenna 101 in FIG. 3. That is, the primary coils 10a and 10b have the same length as the primary coil 110 in FIGS. 4 and 5, unlike the first embodiment.
  • the electric field antenna 2a includes a resonant part 30a that resonates at a specific frequency, and a power feeding part 60a for inputting power to the resonant part 30a or extracting power from the resonant part 30a.
  • the resonance section 30a mainly includes an electrode 40a, an electrode 50a, and a primary coil 10a. Electrode 40a, electrode 50a, and primary coil 10a correspond to electrode 140, electrode 150, and primary coil 110 in FIG. 3, respectively.
  • the power feeding section 60a is mainly composed of a secondary coil 20a and a coaxial cable 80a.
  • the secondary coil 20a inputs and outputs power to and from the resonator 30a by magnetically coupling with the primary coil 10a of the resonator 30a.
  • the coaxial cable 80a is electrically connected to the secondary coil 20a, and plays the role of passing current to and from the secondary coil 20a.
  • the configuration of the electric field antenna 2b is only shown with the end of the reference numeral changed from a to b, and each configuration is the same as that of the electric field antenna 2a, so a description thereof will be omitted. Further, the opposite side of the coaxial cable 80a (80b) to the secondary coil 20a (20b) is electrically connected to the power transmission/reception circuit.
  • the power transmission device of the base technology is configured so that the electric field antenna 2b on the right side receives the power radiated by the electric field antenna 2a on the left side.
  • the electric field antenna 2b may be placed on the left side of the electric field antenna 2a, and it is clear that the same transmission efficiency will be obtained in this case.
  • the electrodes 40a, 40b, 50a, and 50b were each made of a single-sided glass epoxy substrate with an area of 100 mm x 100 mm and a thickness of 1.6 mm.
  • the distance between electrode 40a and electrode 50a is 120 mm.
  • the distance between electrode 40b and electrode 50b is 120 mm.
  • the primary coils 10a and 10b have a diameter of 10 mm, a length of 84 mm, and the number of turns is 250. It is made of 0.32mm thick conductive wire with a polyurethane insulated surface.
  • the secondary coils 20a and 20b have a diameter of 11 mm, a length of 10 mm, the number of turns of 8 turns, and are made of conductive wire with a thickness of 0.32 mm whose surface is insulated with polyurethane. Note that transmission efficiency when changing the inter-antenna distance L2 is shown in FIG. 12.
  • the power transmission device of the base technology shown in FIGS. 8A and 8B is configured with two (pair of) electric field antennas 2a and 2b, and the electric field waves radiated from the electrode 50a of the electric field antenna 2a are , the electric field waves absorbed by the electrode 40b of the electric field antenna 2b and simultaneously radiated from the electrode 40a of the electric field antenna 2a are radiated in the back direction opposite to the direction in which the electric field antenna 2b is installed.
  • it does not have directivity to emit an electric field. Therefore, second to fourth embodiments in which the underlying technology is improved will be described below.
  • FIG. 9A is a plan view of the power transmission device according to the second embodiment.
  • FIG. 9B is a perspective view of the power transmission device according to the second embodiment.
  • the power transmission device of the second embodiment includes two (pair of) electric field antennas 3a and 3b. Moreover, the electrodes 50a and 40b of each electric field antenna 3a and 3b are configured to face each other.
  • the electric field antennas 3a and 3b have the same configuration as the electric field antenna 1 in FIGS. 7A and 7B, respectively. That is, the primary coils 11a and 11b are half the length of the primary coil 110 in FIGS. 4 and 5, similarly to the first embodiment.
  • the electric field antenna 3a includes a resonant part 31a that resonates at a specific frequency, and a power feeding part 62a for inputting power to the resonant part 31a or extracting power from the resonant part 31a. .
  • the resonance section 31a mainly includes an electrode 50a, a ground 90a, and a primary coil 11a. Electrode 50a, ground 90a, and primary coil 11a correspond to electrode 50, ground 90, and primary coil 11 in FIG. 7A, respectively.
  • the power feeding section 62a is mainly composed of a secondary coil 22a and a coaxial cable 80a.
  • Secondary coil 22a and coaxial cable 80a correspond to secondary coil 22 and coaxial cable 80 in FIG. 7A, respectively.
  • the configuration of the electric field antenna 3b is different from the electric field antenna 3a only in that the end of the symbol is changed from a to b, and that the left and right sides are reversed. Since it is the same as , the explanation will be omitted. Further, the opposite side of the coaxial cable 80a (80b) to the secondary coil 22a (22b) is electrically connected to the power transmission/reception circuit. The transmission efficiency when changing the inter-antenna distance L3 is shown in FIG. 12.
  • the power transmission device has directional electric field antennas 3a and 3b that radiate electric field waves only in the front direction (from the ground to the electrode direction). are facing each other. Electric field waves are not emitted in the back direction (from the electrode to the ground), and the power is focused only in the front direction.
  • the second embodiment has the advantage that the power transmission distance is longer than that of the base technology.
  • FIG. 10A is a plan view of a power transmission device according to a third embodiment.
  • FIG. 10B is a perspective view of the power transmission device according to the third embodiment.
  • the power transmission device of the third embodiment includes two (pair of) electric field antennas 4a and 4b. Further, the electrode 50a of one electric field antenna 4a and the ground 90b of the other electric field antenna 4b are configured to face each other.
  • the electric field antenna 4a has the same configuration as the electric field antenna 3a in FIG. 9A.
  • the configuration of the electric field antenna 4b differs from the electric field antenna 4a only in that the end of the reference numeral is changed from a to b, and the orientation is also the same, so a description thereof will be omitted.
  • the transmission efficiency when changing the inter-antenna distance L4 is shown in FIG. 12.
  • the power transmission device is configured such that an electric field antenna 4a for receiving power is brought close to the back side of an electric field antenna 4b transmitting power. No electric field waves are radiated in the back direction of the electric field antenna 4b (from the electrode 50b to the ground 90b).
  • the transmission efficiency is lower than in the second embodiment in which the directional electric field antennas 3a and 3b face each other.
  • FIG. 11A is a plan view of a power transmission device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 11B is a perspective view of the power transmission device according to the fourth embodiment.
  • the power transmission device of the fourth embodiment includes two (pair of) electric field antennas 5a and 5b. Further, the ground 90a of one electric field antenna 5a and the ground 90b of the other electric field antenna 5b are configured to face each other.
  • the configuration of the electric field antenna 5a is similar to the electric field antenna 3b in FIG. 9A, and the only difference is that the end of the reference numeral is changed from b to a.
  • the electric field antenna 5b has the same configuration as the electric field antenna 4b in FIG. 10A. Further, the transmission efficiency when the inter-antenna distance L5 is changed is shown in FIG. 12.
  • the power transmission device emits electric field waves only in the front direction of the electric field antenna 5b (from the ground 90b to the electrode 50b).
  • the transmission efficiency is the lowest, as shown in FIG. 12.
  • FIG. 12 in an antenna using near-field resonance of an electric field, the front direction, that is, the direction from the ground 90a (90b) to the electrode 50a (50b) (see FIGS. 9A and B (FIGS. 10A and B/Fig. We were able to create an antenna that radiates electric field waves only from the front (see 11A and B), but not from the rear.
  • an electric field is emitted only in the front direction where the other party of power transmission or communication is located, and no electric field is emitted in the opposite back direction.
  • a directional antenna using resonance can be provided. As a result, it is possible to realize a wireless power transmission system and a non-contact communication system that have high transmission efficiency, have little influence on external equipment, and are less susceptible to interference from the external environment.
  • the structure of the resonant part is halved compared to conventional electric field antennas, it is possible to achieve smaller antenna size, lower height, fewer parts, and lower costs.
  • the power transmission device of each embodiment can be used in the following applications by using the antennas shown in FIGS. 9A and 9B, for example.
  • Wireless power transmission uses a near-field resonant antenna that transmits power only in the front direction of the other party and does not radiate it toward the back, resulting in high transmission efficiency, less impact on external equipment, and less susceptibility to interference from the external environment. system and contactless communication system.

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Abstract

本開示は、電力の伝送に寄与しない方向への電界の放射を抑制することを目的とする。　そのため、本開示は、電力を伝送する電力伝送装置であって、電極、グランド、並びに、前記電極及び前記グランドを接続する１次コイルを有し、電力伝送用の送受電回路の出力周波数で共振する共振部と、前記１次コイルに磁界結合すると共に送受電回路に電気的に接続される２次コイルを有し、前記共振部の前記グランドと前記送受電回路のグランドが接続された給電部と、を有する電界アンテナによって構成された電力伝送装置である。

Description

電力伝送装置
　本開示は、電力伝送装置に関する。
　近傍界（Near Field）の共振を使った電界アンテナや磁界アンテナは、近距離で対向するアンテナ同士が強く結合し、高い効率で電力を伝送することが可能なため、ワイヤレス電力伝送や、非接触ICカードの通信に使われている。（非接触ICカードにはバッテリーがないため、通信に必要な電力をデータと一緒にワイヤレスで伝送している）。
　非特許文献１には、電界をつかってワイヤレス電力伝送を行うアンテナが示されている。アンテナの形状は、前面と後面で対称なため、電界は送電対象が配置された正面方向と、それとは逆の背面方向の両方に同時に放射される。背面方向に放射された電界は電力伝送には貢献せず、電磁ノイズの原因となって自分自身を含む近くの電子機器に誤動作を生じさせる。また、背面方向に放射された電界の波が、そこに置かれた金属板等で反射してアンテナに戻ると、アンテナの動作を阻害する。
　特許文献１には、磁界を使ってワイヤレス電力伝送や非接触通信を行うアンテナが示されている。このアンテナも前面と後面で対称な形状であるため、磁界は正面方向と背面方向の両方に同時に放射される。通信相手がいない方向に放射された磁界は、自分自身を含む近くの電子機器に誤動作を生じさせる。放射された磁界中に金属板があると金属板に磁界を打ち消すような渦電流が流れて発熱を引き起こす。さらに、その渦電流によって磁界が弱められ、アンテナの通信性能が低下する。
「Electric Field Resonant Antenna for Wireless Power Transfer Based on Infinitesimal Dipole」IEEE Wireless Power Transfer Conference (WPTC2021)
特開２００８－２８８８４５号公報
　上述のように、電界や磁界の近傍界（Near Field）の共振を使ったアンテナは電力の伝送効率が高いため、ワイヤレス電力伝送や、非接触ICカードの通信の用途で広く使われているが、電力を運ぶ電界又は磁界の波をアンテナの正面方向と背面方向の両方に放射するため、電力の伝送に寄与しない方向への放射をいかに抑えるかが課題であった。
　本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、電力の伝送に寄与しない方向への電界の放射を抑制することを目的とする。
　上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電力を伝送する電力伝送装置であって、電極、グランド、並びに、前記電極及び前記グランドを接続する１次コイルを有し、電力伝送用の送受電回路の出力周波数で共振する共振部と、前記１次コイルに磁界結合すると共に送受電回路に電気的に接続される２次コイルを有し、前記共振部の前記グランドと前記送受電回路のグランドが接続された給電部と、を有する電界アンテナによって構成された電力伝送装置である。
　以上説明したように本発明によれば、電力の伝送に寄与しない方向への電界の放射を抑制することができるという効果を奏する。
近距離での伝送効率が高い、近傍界（Near Field）の共振を使った電界アンテナの例を示す図である。 近距離での伝送効率が高い、近傍界（Near Field）の共振を使った磁界アンテナの例を示す図である。 共振を使った電界アンテナの構造を示す図である。 共振を使った電界アンテナの動作を示す図である。 本実施形態に係る新たな共振部の構造及び動作を示す図である。 本実施形態に係る新たな共振部の構造及び動作を示す図である。 第１の実施形態に係る電力伝送装置の平面図である。 第１の実施形態に係る電力伝送装置の斜視図である。 第２の実施形態以降の前提となる技術に係る電力伝送装置の平面図である。 第２の実施形態以降の前提となる技術に係る電力伝送装置の斜視図である。 第２の実施形態に係る電力伝送装置の平面図である。 第２の実施形態に係る電力伝送装置の斜視図である。 第３の実施形態に係る電力伝送装置の平面図である。 第３の実施形態に係る電力伝送装置の斜視図である。 第４の実施形態に係る電力伝送装置の平面図である。 第４の実施形態に係る電力伝送装置の斜視図である。 第２の実施形態以降の前提となる技術乃至第４の実施形態の伝送効率を示すグラフである。
　〔開発技術の具体的な説明〕
　図１は、近距離での伝送効率が高い、近傍界（Near Field）の共振を使った電界アンテナの例を示す図である。
　図１に示すように、電界アンテナ１０１は、２枚の電極１４０，１５０が微小電気ダイポールを形成し、電極１４０，１５０にたまったプラスとマイナスの電荷が高い周波数で交互に入れ替わることによって正面方向と背面方向（紙面の右方向と左方向）に電界の波を放射する。なお、電界アンテナ１０１の構造に関しては、図３及び図４で説明する。
　図２は、近距離での伝送効率が高い、近傍界（Near Field）の共振を使った磁界アンテナの例を示す図である。図２の磁界アンテナ２０１は、コイル２１０に高い周波数の交流電流を流すことで正面方向と背面方向（紙面の右方向と左方向）に磁界の波を放射する
　図１の電界アンテナ１０１について、同じ周波数で共振する２個のアンテナが近距離に置かれたとき、アンテナ同士が強く電界結合して高い効率で電力を伝送することができる。また、図２の磁界アンテナ２０１について、同じ周波数で共振する２個のアンテナが近距離に置かれたとき、アンテナ同士が強く磁界結合して高い効率で電力を伝送することができる。
　続いて、図３及び図４を用いて、共振を使った電界アンテナの構造と、その動作について説明する。図３は、共振を使った電界アンテナの構造を示す図である。図４は、共振を使った電界アンテナの動作を示す図である。
　電界アンテナ１０１は、ある特定の周波数で共振する共振部１３０と、その共振部１３０に電力を入力したり、あるいは共振した共振部１３０から電力を取り出したりするための給電部１６０を備えている。給電部１６０は、共振部１３０の中の１次コイル１１０と磁界結合する２次コイル１２０によって共振部１３０に対して電力を入出力する。給電部１６０は、２次コイル１２０と、２次コイル１２０に電気的に接続された同軸ケーブル１８０によって構成されている。
　共振部１３０が共振するとき、共振部１３０に２分の１波長に相当する電圧と電流の定在波が発生する。電圧と電流の定在波の分布を図４（ａ）に示す。共振部１３０に流れる電流の定在波は、共振部１３０の中央で振幅が最大になり、両端即ち電極１４０，１５０の位置で振幅がゼロになる。また、電圧の定在波は共振部１３０の両端の電極１４０，１５０の位置で振幅が最大になり、共振部１３０の中央で振幅がゼロ（即ち電位がゼロ）になる。電極に高い電圧がかかったとき、図４（ｂ）に示すように、左右の電極１４０，１５０から空中に向けて電界の波が放射される。
　ここで、図５及び図６を用いて、本実施形態に係る新たな共振部の構造及び動作を説明する。図５及び図６は、本実施形態に係る新たな共振部の構造及び動作を示す図である。
　図５（ｂ）に示すように、１次コイル１１０の長さを半分にした１次コイル１１１を用い、１次コイルの一端（図５では左端）をグランド（板）１９０に接続した新たな共振部１３１を考える。グランド１９０には自由に電流が流れるため、共振部１３１が共振したときの定在波の電流振幅はグランド１９０との接続部で最大になる。また、グランド１９０の電位は常にゼロになるため定在波の電圧振幅はグランド１９０との接続部でゼロになる。その結果、図５（ａ）に示したように、共振部１３１には４分の１波長に相当する定在波が発生する。このとき、アンテナの正面方向、即ち他端（図５では右端）の電極１５０から空中に向けては電界の波が放射されるが、アンテナの背面方向、即ち、グランド１９０の左側には電界の波は発生しない。
　また、共振部１３１の動作は図６をつかって説明することもできる。グランド１９０が鏡の役割を果たし、共振部１３１を図面の右側から見たときは、実際にある現実の電極１５０とグランド１９０の鏡に投影された電極の鏡像１４０Ｍによって微小電気ダイポールを形成し、アンテナの正面方向、即ち、電極１５０の右側に電界の波を発生させることができる。一方で、図６のグランド１９０の左側から共振部１３１をながめると電極もその鏡像１４０Ｍも見えないため、アンテナの背面方向には電界の波は発生しない。
　〔本実施形態の電力伝送装置〕
　続いて、本実施形態の電力伝送装置について説明する。
　＜第１の実施形態＞
　図７Ａは、第１の実施形態に係る電力伝送装置の平面図である。図７Ｂは、第１の実施形態に係る電力伝送装置の斜視図である。
　図５のような共振部１３１をつかった電界アンテナは、図７Ａ及び図７Ｂのようにして実現される。
　図７Ａ、図７Ｂに示すように、第１の実施形態に係る電力伝送装置は、電界アンテナ１によって構成されている。電界アンテナ１は、ある特定の周波数で共振する共振部３１と、その共振部３１に電力を入力したり、あるいは共振した共振部３１から電力を取り出したりするための給電部６２を備えている。
　共振部３１は、主に、電極５０、グランド（板）９０、及び１次コイル１１によって構成されている。１次コイル１１は、電極５０とグランド９０の間で、電極５０とグランド９０に電気的に接続されている。電極５０、グランド９０、１次コイル１１は、それぞれ図５の電極１５０、グランド１９０、及１次コイル１１１に対応する。そのため、１次コイル１１は、図４、図５の１次コイル１１０の半分の長さである。
　給電部６２は、主に、２次コイル２２、及び同軸ケーブル８０によって構成されている。２次コイル２２は、共振部３１の１次コイル１１と磁界結合することで、共振部１３０に対して電力を入出力する。同軸ケーブル８０は、２次コイル２２に対して電気的に接続されており、２次コイル２２に対して電流を流したり、２次コイル２２からの電流を流したりする役割を果たす。同軸ケーブル８０の２次コイル２２とは逆側は、送受電回路に電気的に接続されている。
　即ち、給電部６２の２次コイル２２を共振部３１の１次コイル１１と磁界結合させて電力の入出力をおこない、給電部６２側のグランドを共振部３１のグランド９０に接続してグランドの電位を一致させる。
　電極５０は、電荷を蓄え周囲に電界を作る役割をはたすことができれば形状にはよらない。即ち、図７Ａ，Ｂでは電極５０の形状が四角形の例を挙げているが円形であってもよい。グランド９０の形状が四角形に限らないのも同様である。一般的な電気回路と同じくグランド９０は面積が大きいほど電位が変動しにくく安定な状態になるため面積が大きい方が望ましい。
　電極５０やグランド９０は導電体によって構成されるため、誘電体に金属箔を貼り付けた基板や、金属板を使って作ることができる。
　下記のように、共振周波数が13.56ＭＨｚの電界アンテナを試作し、その性能を比較した。図７Ａ，Ｂの電界アンテナ１の寸法は、例えば、電極５０の面積は100mm×100mm、グランド９０の面積は300mm×300mmである。どちらも厚さ1.6mmの片面ガラエポ基板で作成した。電極５０とグランド９０の距離は60mmである。１次コイル１１は直径10mm、長さ46mm、ターン数は135回である。ポリウレタンで表面を絶縁された太さ0.32mmの導線によって作成されている。２次コイル２２は直径11mm、長さ10mm、ターン数は8回である。ポリウレタンで表面を絶縁された太さ0.32mmの導線によって作成されている。
　以上のように、第１の実施形態においても、図５（ａ）に示したように、共振部３１には４分の１波長に相当する定在波が発生する。このとき、電界アンテナ１の正面方向、即ち、他端（図７Ａで右端）の電極５０から空中に向けては電界の波が放射されるが、電界アンテナ１の背面方向、即ち、グランド９０の左側には電界の波は発生しない。
　＜第２の実施形態以降の前提となる技術＞
　図８Ａは、第２の実施形態以降の前提となる技術（以降「前提技術」と示す）に係る電力伝送装置の平面図である。図８Ｂは、前提技術に係る電力伝送装置の斜視図である。なお、図１２は、前提技術乃至第４の実施形態の伝送効率を示すグラフである。
　前提技術の電力伝送装置は、２つの（一対の）電界アンテナ２ａ及び電界アンテナ２ｂによって構成されている。
　電界アンテナ２ａ、２ｂは、それぞれ図３の電界アンテナ１０１と同様の構成である。即ち、１次コイル１０ａ、１０ｂは、第１の実施形態と異なり、図４、図５の１次コイル１１０と同様の長さである。
　電界アンテナ２ａは、ある特定の周波数で共振する共振部３０ａと、その共振部３０ａに電力を入力したり、あるいは共振した共振部３０ａから電力を取り出したりするための給電部６０ａを備えている。
　共振部３０ａは、主に、電極４０ａ、電極５０ａ、及び１次コイル１０ａを備えている。電極４０ａ、電極５０ａ、及び１次コイル１０ａは、それぞれ図３における、電極１４０、電極１５０、及び１次コイル１１０に対応する。
　給電部６０ａは、主に、２次コイル２０ａ，及び同軸ケーブル８０ａによって構成されている。２次コイル２０ａは、共振部３０ａの１次コイル１０ａと磁界結合することで、共振部３０ａに対して電力を入出力する。同軸ケーブル８０ａは、２次コイル２０ａに対して電気的に接続されており、２次コイル２０ａに対して電流を流したり、２次コイル２０ａからの電流を流したりする役割を果たす。
　なお、電界アンテナ２ｂの構成は、電界アンテナ２ａと符号の末尾がａからｂに変更されて示されているだけであり、各構成は電界アンテナ２ａと同様であるため、説明を省略する。また、同軸ケーブル８０ａ（８０ｂ）の２次コイル２０ａ（２０ｂ）とは逆側は、送受電回路に電気的に接続されている。
　前提技術の電力伝送装置では、図８Ａに示すように、左の電界アンテナ２ａが放射した電力を、右側の電界アンテナ２ｂで受け取るように構成されている。なお、アンテナ構造の対称性から、電界アンテナ２ｂを電界アンテナ２ａの左側に配置してもよく、この場合、同じ伝送効率になることは明らかである。
　図８Ａ、Ｂの電界アンテナ２ａ，２ｂの寸法は、例えば、電極４０ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂはそれぞれ、面積は100mm×100mm、厚さ1.6mmの片面ガラエポ基板で作成した。電極４０ａと電極５０ａの距離は120mmである。同様に、電極４０ｂと電極５０ｂの距離は120mmである。１次コイル１０ａ，１０ｂは、直径10mm、長さ84mm、ターン数は250回であり。ポリウレタンで表面を絶縁された太さ0.32mmの導線によって作成されている。２次コイル２０ａ，２０ｂは、直径11mm、長さ10mm、ターン数は8回であり、ポリウレタンで表面を絶縁された太さ0.32mmの導線によって作成されている。なお、アンテナ間距離L2を変更した場合の伝送効率に関しては、図１２に示されている。
　以上のように、図８Ａ，Ｂに示す前提技術の電力伝送装置は、２つの（一対の）電界アンテナ２ａ及び電界アンテナ２ｂによって構成され、電界アンテナ２ａの電極５０ａから放射された電界の波は、電界アンテナ２ｂの電極４０ｂで吸収されると同時に、電界アンテナ２ａの電極４０ａから放射された電界の波は電界アンテナ２ｂが設置された方向とは逆の背面方向に放射されるため、電力伝送装置としては電界を放射する指向性を有しない。そのため、以降、前提技術を改良した第２乃至第４の実施形態について説明する。
　＜第２の実施形態＞
　図９Ａは、第２の実施形態に係る電力伝送装置の平面図である。図９Ｂは、第２の実施形態に係る電力伝送装置の斜視図である。
　第２の実施形態の電力伝送装置は、２つの（一対の）電界アンテナ３ａ及び電界アンテナ３ｂによって構成されている。また、各電界アンテナ３ａ，３ｂの電極５０ａ，４０ｂが対向するように構成されている。
　電界アンテナ３ａ、３ｂは、それぞれ図７Ａ，Ｂの電界アンテナ１と同様の構成である。即ち、１次コイル１１ａ、１１ｂは、第１の実施形態と同様に、図４、図５の１次コイル１１０の半分の長さである。
　電界アンテナ３ａは、ある特定の周波数で共振する共振部３１ａと、その共振部３１ａに電力を入力したり、あるいは共振した共振部３１ａから電力を取り出したりするための給電部６２ａとを備えている。
　共振部３１ａは、主に、電極５０ａ、グランド９０ａ、及び１次コイル１１ａを備えている。電極５０ａ、グランド９０ａ及び１次コイル１１ａは、それぞれ図７Ａにおける、電極５０、グランド９０、及び１次コイル１１に対応する。
　給電部６２ａは、主に、２次コイル２２ａ、及び同軸ケーブル８０ａによって構成されている。２次コイル２２ａ、及び同軸ケーブル８０ａは、それぞれ図７Ａにおける、２次コイル２２、及び同軸ケーブル８０に対応する。
　なお、電界アンテナ３ｂの構成は、電界アンテナ３ａと符号の末尾がａからｂに変更されて示されている点、及び左右が反転している点が異なるだけであり、各構成は電界アンテナ３ａと同様であるため、説明を省略する。また、同軸ケーブル８０ａ（８０ｂ）の２次コイル２２ａ（２２ｂ）とは逆側は、送受電回路に電気的に接続されている。アンテナ間距離L3を変更した場合の伝送効率に関しては、図１２に示されている。
　図９Ａ、Ｂに示すように、第２の実施形態に係る電力伝送装置は、正面方向（グランドから電極方向）にのみ電界の波を放射する指向性のある電界アンテナ３ａ、３ｂの正面方向どうしが対向している。背面方向（電極からグランド方向）には電界の波を放射せず、正面方向だけに電力を絞っている。第２の実施形態は、図１２に示すように、前提技術に比べて、電力の伝送距離は長いという効果を奏する。
　＜第３の実施形態＞
　図１０Ａは、第３の実施形態に係る電力伝送装置の平面図である。図１０Ｂは、第３の実施形態に係る電力伝送装置の斜視図である。
　第３の実施形態の電力伝送装置は、２つの（一対の）電界アンテナ４ａ及び電界アンテナ４ｂによって構成されている。また、一方の電界アンテナ４ａの電極５０ａと、他方の電界アンテナ４ｂのグランド９０ｂが対向するように構成されている。
　電界アンテナ４ａは、図９Ａの電界アンテナ３ａと同様の構成である。なお、電界アンテナ４ｂの構成は、電界アンテナ４ａと符号の末尾がａからｂに変更されて示されている点が異なるだけであり、向きも同じであるため、説明を省略する。また、アンテナ間距離L4を変更した場合の伝送効率に関しては、図１２に示されている。
　図１０Ａ，Ｂに示すように、第３の実施形態に係る電力伝送装置は、送電している電界アンテナ４ｂの背面から受電用の電界アンテナ４ａを近づけた状態で構成されている。電界アンテナ４ｂの背面方向（電極５０ｂからグランド９０ｂ方向）には電界の波が放射されない。第３の実施形態では、図１２に示すように、指向性の電界アンテナ３ａ，３ｂの正面どうしを対向させた第２の実施形態の状態に比べると、伝送効率は低下している。
　＜第４の実施形態＞
　図１１Ａは、第４の実施形態に係る電力伝送装置の平面図である。図１１Ｂは、第４の実施形態に係る電力伝送装置の斜視図である。
　第４の実施形態の電力伝送装置は、２つの（一対の）電界アンテナ５ａ及び電界アンテナ５ｂによって構成されている。また、一方の電界アンテナ５ａのグランド９０ａと、他方の電界アンテナ５ｂのグランド９０ｂが対向するように構成されている。
　電界アンテナ５ａの構成は、図９Ａの電界アンテナ３ｂと同様の構成であり、電界アンテナ３ｂと符号の末尾がｂからａに変更されて示されている点が異なるだけである。電界アンテナ５ｂは、図１０Ａの電界アンテナ４ｂと同様の構成である。また、アンテナ間距離L5を変更した場合の伝送効率に関しては、図１２に示されている。
　図１１Ａ、Ｂに示すように、第４の実施形態に係る電力伝送装置は、電界アンテナ５ｂの正面方向（グランド９０ｂから電極５０ｂ方向）にのみ電界の波を放射する。第４の実施形態は、電界アンテナ５ａと電界アンテナ５ｂの両方が逆向きになっているため、図１２に示すように、伝送効率は最も低い。
　〔各実施形態のまとめ〕
　図１２に示すように、電界の近傍界の共振をもちいたアンテナにおいて、正面方向、即ち、グランド９０ａ（９０ｂ）から電極５０ａ（５０ｂ）の方向（図９Ａ，Ｂ参照（図１０Ａ，Ｂ／図１１Ａ，Ｂ参照））にのみ電界の波を放射し、背面には放射しないアンテナを作ることができた。
　〔各実施形態の主な効果〕
　各実施形態に係る電力伝送装置のアンテナ構造によれば、電力伝送や通信の相手がいる正面方向にだけ電界を放射し、その反対の背面方向には電界を出さない近傍界（Near Field）の共振を使った指向性アンテナを提供することができる。これによって、伝送効率が高く、外部の機器への影響が少なく、また外部環境からの干渉をうけにくいワイヤレス電力伝送システムや非接触通信システムを実現することができる。
　また、従来の電界アンテナに比べて共振部の構造が半分になるため、アンテナサイズの小型化、低背化、部品の削減、低コスト化を実現することができる。
　〔補足〕
　各実施形態の電力伝送装置は、例えば、図９Ａ，Ｂのアンテナを用いることで、下記のようなアプリケーションで利用が可能である。
（ケース１）机の上に置かれた電子機器に机から無線で電力を送り充電する。
（ケース２）道路上を走る電気自動車に、地面から電力を供給する。
（ケース３）非接触ICカードの読取り機の正面からカードをかざして通信し認証する。
　あらかじめ送電対象や通信相手がどの方向に置かれるかがわかっているケースは多い。
相手がいる正面方向にだけ電力を伝送し、背面方向には放射しない近傍界の共振アンテナによって、伝送効率が高く、外部の機器への影響が少なく、外部環境からの干渉も受けにくいワイヤレス電力伝送システムや非接触通信システムを実現することができる。
１　電界アンテナ
２ａ　電界アンテナ
２ｂ　電界アンテナ
３ａ　電界アンテナ（第１の電界アンテナの一例）
３ｂ　電界アンテナ（第２の電界アンテナの一例）
４ａ　電界アンテナ（第１の電界アンテナの一例）
４ｂ　電界アンテナ（第２の電界アンテナの一例）
５ａ　電界アンテナ（第１の電界アンテナの一例）
５ｂ　電界アンテナ（第２の電界アンテナの一例）
１１，１１ａ，１１ｂ　１次コイル
２２，２２ａ，２２ｂ　２次コイル
３１，３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ　共振部
４０ａ，４０ｂ，５０，５０ａ，５０ｂ　電極
６２，６２ａ，６２ｂ　給電部
８０，８０ａ，８０ｂ　同軸ケーブル
９０，９０ａ，９０ｂ　グランド
１１１　１次コイル
１３１　共振部
１５０　電極
１９０　グランド

Claims (4)

  1. 　電力を伝送する電力伝送装置であって、
    　電極、グランド、並びに、前記電極及び前記グランドを接続する１次コイルを有し、電力伝送用の送受電回路の出力周波数で共振する共振部と、
    　前記１次コイルに磁界結合すると共に送受電回路に電気的に接続される２次コイルを有し、前記共振部の前記グランドと前記送受電回路のグランドが接続された給電部と、
    　を有する電界アンテナによって構成された電力伝送装置。
  2. 　一対の前記電界アンテナによって構成された電力伝送装置であって、
    　一対の前記電界アンテナの各電極が対向するように構成された請求項１に記載の電力伝送装置。
  3. 　一対の前記電界アンテナによって構成された電力伝送装置であって、
    　一対の前記電界アンテナのうち、一方の電界アンテナの前記電極と、他方の電界アンテナの前記グランドが対向するように構成された請求項１に記載の電力伝送装置。
  4. 　一対の前記電界アンテナによって構成された電力伝送装置であって、
    　一対の前記電界アンテナのうち、一方の電界アンテナの前記グランドと、他方の電界アンテナの前記グランドが対向するように構成された請求項１に記載の電力伝送装置。
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