特許 6080158 無線電力伝送システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6080158

(24)【登録日】2017年1月27日

(45)【発行日】2017年2月15日

(54)【発明の名称】無線電力伝送システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/05 20160101AFI20170206BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/05

【請求項の数】5

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2013-17774(P2013-17774)

(22)【出願日】2013年1月31日

(65)【公開番号】特開2014-150649(P2014-150649A)

(43)【公開日】2014年8月21日

【審査請求日】2015年10月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100130247

【弁理士】

【氏名又は名称】江村 美彦

(74)【代理人】

【識別番号】100167863

【弁理士】

【氏名又は名称】大久保 恵

(72)【発明者】

【氏名】楠 正弘

(72)【発明者】

【氏名】増田 満

【審査官】 松尾 俊介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２９６８５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０１４６３４（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特開２００４−３４８４９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０３８２５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１７５８６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−３４０２８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ５０／００ − ５０／９０

Ｈ０２Ｊ ７／００ − ７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３２ − ７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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等しくなるように設定され、
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、
ことを特徴とする無線電力伝送システム。

【請求項2】

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１に記載の無線電力伝送システム。

【請求項3】

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に記載の無線電力伝送システム。

【請求項4】

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３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。

【請求項5】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線電力伝送システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平８−３４０２８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。

【0005】

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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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等しくなるように設定され、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、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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【発明の効果】

【0012】

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。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】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。

【図2】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3】図２に示す無線電力伝送システムの等価回路である。

【図4】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5】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6】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7】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8】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。

【図9】本発明の実施形態の構成例を示す斜視図である。

【図10】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11】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12】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13】図９に示す実施形態の電界分布を示す図である。

【図14】図１０に示す実施形態の電界分布を示す図である。

【図15】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16】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17】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。

【図18】本発明の変形実施態様の一例を示す図である。

【図19】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20】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21】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22】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23】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。

【図24】本発明の他の変形実施態様の一例を示す図である。

【図25】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26】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27】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28】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29】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。

【図30】本発明の他の変形実施態様の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

次に、本発明の実施形態について説明する。

【0015】

（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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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ｆ_Ｃを有している。

【0019】

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ｆ_Ｃ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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

（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。

【0026】

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ｆ_Ｃとされる。

【0027】

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ｆ_Ｃは送電用カプラ３１０と同じになるように設定される。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

（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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【符号の説明】

【0042】

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）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】