特許 6207046 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】6207046

(24)【登録日】2017年9月15日

(45)【発行日】2017年10月4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 50/12 20160101AFI20170925BHJP

   H02J 50/40 20160101ALI20170925BHJP

   H02J 50/50 20160101ALI20170925BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/12

   H02J50/40

   H02J50/50

【請求項の数】3

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2014-160892(P2014-160892)

(22)【出願日】2014年8月6日

(65)【公開番号】特開2015-53850(P2015-53850A)

(43)【公開日】2015年3月19日

【審査請求日】2016年7月19日

(31)【優先権主張番号】特願2013-164628(P2013-164628)

(32)【優先日】2013年8月7日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】707000967

【氏名又は名称】菊地 秀雄

(72)【発明者】

【氏名】菊地 秀雄

【審査官】 田中 慎太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０６６２６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１０８４０３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ５０／００−５０／９０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電源回路から電力を供給する給電コイルを有し、２つの帯状の線路を該線路の帯の幅の３分の１以下の間隔をあけて平行に対向させて構成した給電線対を有し、第１の中間コイルと、劾給電線対の給電線と、共振用コンデンサと、第２の中間コイルを直列に接続して構成した中継ケーブル共振器を有し、前記給電コイルを第１の中間コイルに誘導結合させ、第２の中間コイルに受電コイルを誘導結合させ、劾受電コイルに負荷回路を接続し、前記給電コイルの回路の共振周波数と前記中継ケーブル共振器の共振周波数と前記受電コイルの回路の共振周波数を一致させて、前記電源回路からの電力を、前記給電コイルと、前記中継ケーブル共振器と、前記受電コイルを通して前記負荷回路に伝送して消費させることを特徴とする無線電力伝送システム。

【請求項2】

電源回路から電力を供給する給電コイルを有し、２つの帯状の線路を該線路の帯の幅の３分の１以下の間隔をあけて平行に対向させて構成した給電線対を有し、劾給電線対に並列に共振用コンデンサと２つ以上の中間コイルを接続して構成した中継ケーブル共振器を有し、前記給電コイルに前記中間コイルの１つを誘導結合させ、他の中間コイルの１つに受電コイルを誘導結合させ、劾受電コイルに負荷回路を接続し、前記給電コイルの回路の共振周波数と前記中継ケーブル共振器の共振周波数と前記受電コイルの回路の共振周波数を一致させて、前記電源回路からの電力を、前記給電コイルと、前記中継ケーブル共振器と、前記受電コイルを通して前記負荷回路に伝送して消費させることを特徴とする無線電力伝送システム。

【請求項3】

電源回路から電力を供給する給電コイルを有し、２つの帯状の線路を平行に対向させて形成した容量を持つ給電線対に並列に２つ以上の中間コイルを接続して構成した中継ケーブル共振器を有し、前記給電コイルに前記中間コイルの１つを誘導結合させ、他の中間コイルに受電コイルを誘導結合させ、劾受電コイルに負荷回路を接続し、前記給電コイルの回路の共振周波数と前記中継ケーブル共振器の共振周波数と前記受電コイルの回路の共振周波数を一致させて、前記電源回路からの電力を、前記給電線対と前記中間コイルと前記受電コイルを通して前記負荷回路に伝送して消費させることを特徴とする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、電力を無線誘導手段を介して空間を越えて電気装置に給電する無線電力伝送システムに関する。

【背景技術】

【0002】

無線電力伝送システムは、空間を隔てて対向する給電コイルから受電コイルに電力を供給することで、それらの装置同士の電気端子同士を接触させずに電力を伝送するので、電気端子の接点の接触不良が発生しない利点がある。その利点を生かして、歯ブラシや携帯電話などに無線電力伝送システムが使用されている。

【0003】

この無線電力伝送システムの電力伝送の効率を改善するために、特許文献１では、電源装置に接続した給電コイルに電磁誘導で結合する受電コイルに、給電電流に共鳴する共振回路を接続し、その受電コイルで電力を受け取る。その受電コイルに被給電装置を電気接続して被給電装置が電力を消費する。被給電装置の受電コイルは、電源装置に接続した給電コイルから物理的に間隔をあけて配置し、大気を通じて誘導結合させる。しかし、１つの給電コイルから１つの受電コイルに電力を送電するシステムでは、受電コイルの位置が給電コイルの近傍に限定される問題があった。

【0004】

一方、特許文献２では、受電コイルの位置を１つの給電コイルの位置の近傍に限定しないようにする技術として、複数の給電コイルで送電アレイを構成し、その送電アレイから受電コイルに電力を送電することで受電コイルの設置位置の自由度を増すシステムが提案されている。

【0005】

また、特許文献３では、電源装置から離れた位置の被給電装置に接続した受電コイルに電力を送電するために、以下の様にしていた。先ず、電源装置に接続した第１の給電コイルと、中継ケーブルの先端に接続した第２の受電コイルを対向させて、第１の給電コイルから第２の受電コイルに電力を伝送する。

【0006】

次に、第２の受電コイルが受け取った電力を、中継ケーブルで、中継ケーブルの終端の第２の給電コイルまで伝送する。その第２の給電コイルに、被給電装置に接続した受電コイルを対向させて、第２の給電コイルから、受電コイルまで電力を伝送する。このようにして、特許文献３では、電力伝送を中継する第２の受電コイルと中継ケーブルと第２の給電コイルを介して、電源装置に接続する第１の給電コイルから被給電装置に接続する受電コイルまで送電する技術が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１０−０１１６５４号公報

【特許文献2】特開２００３−２２４９３７号公報

【特許文献3】特開２０１３−０６６２６３号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかし、特許技術３では、無線電力伝送用にどのような特性の中継ケーブルを用いたら良いかという問題に対して、十分な解決方法が示されていなかった。

【0009】

また、特許文献２においても、給電コイルと電源装置とを電気接続するために必要な中継ケーブルとしてどのような中継ケーブルを用いることが望ましいかという問題に対して十分な説明がなかった。

【0010】

そのため、本発明の解決すべき課題は、無線電力伝送のために、給電コイルあるいは受電コイルに接続するための適切な中継ケーブルを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

この課題を解決するために、本発明は、電源回路から電力を供給する給電コイルを有し、２つの帯状の線路を該線路の帯の幅の３分の１以下の間隔をあけて平行に対向させて構成した給電線対を有し、第１の中間コイルと、劾給電線対の給電線と、共振用コンデンサと、第２の中間コイルを直列に接続して構成した中継ケーブル共振器を有し、前記給電コイルを第１の中間コイルに誘導結合させ、第２の中間コイルに受電コイルを誘導結合させ、劾受電コイルに負荷回路を接続し、前記給電コイルの回路の共振周波数と前記中継ケーブル共振器の共振周波数と前記受電コイルの回路の共振周波数を一致させて、前記電源回路からの電力を、前記給電コイルと、前記中継ケーブル共振器と、前記受電コイルを通して前記負荷回路に伝送して消費させることを特徴とする無線電力伝送システムである。

【0012】

この構成により、本発明は、給電線系のインダクタンスが、その給電線系に接続したコイルのインダクタンスよりも小さくなり、給電線系による電力の伝送の特性の劣化を防ぐことができる効果がある。

【0013】

また、本発明は、電源回路から電力を供給する給電コイルを有し、２つの帯状の線路を該線路の帯の幅の３分の１以下の間隔をあけて平行に対向させて構成した給電線対を有し、劾給電線対に並列に共振用コンデンサと２つ以上の中間コイルを接続して構成した中継ケーブル共振器を有し、前記給電コイルに前記中間コイルの１つを誘導結合させ、他の中間コイルの１つに受電コイルを誘導結合させ、劾受電コイルに負荷回路を接続し、前記給電コイルの回路の共振周波数と前記中継ケーブル共振器の共振周波数と前記受電コイルの回路の共振周波数を一致させて、前記電源回路からの電力を、前記給電コイルと、前記中継ケーブル共振器と、前記受電コイルを通して前記負荷回路に伝送して消費させることを特徴とする無線電力伝送システムである。

【0014】

また、本発明は、電源回路から電力を供給する給電コイルを有し、２つの帯状の線路を平行に対向させて形成した容量を持つ給電線対に並列に２つ以上の中間コイルを接続して構成した中継ケーブル共振器を有し、前記給電コイルに前記中間コイルの１つを誘導結合させ、他の中間コイルに受電コイルを誘導結合させ、劾受電コイルに負荷回路を接続し、前記給電コイルの回路の共振周波数と前記中継ケーブル共振器の共振周波数と前記受電コイルの回路の共振周波数を一致させて、前記電源回路からの電力を、前記給電線対と前記中間コイルと前記受電コイルを通して前記負荷回路に伝送して消費させることを特徴とする無線電力伝送システムである。

【発明の効果】

【0017】

本発明の無線電力伝送システムは、２つの帯状の線路を平行に対向させて構成した給電線系を用い、その給電線系の帯状の線路の対向する間隔を線路の帯の幅の３分の１以下にして線路間の容量を増し、給電線系のインダクタンスをその給電線系に接続したコイルのインダクタンスよりも小さくすることで、給電線系による電力の伝送の特性の劣化を防ぐことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の第１の実施形態の無線電力伝送システムの給電コイルと受電コイルの関係を示す図である。

【図2】（ａ）本発明の第１の実施形態の無線電力伝送システムの受電コイルの平面図である。（ｂ）同、給電コイルと受電コイルと給電線の側面図である。（ｃ）同、給電コイルと給電線の平面図である。

【図3】（ａ）本発明の変形例１の受電コイルの平面図である。（ｂ）同、給電コイルと受電コイルの側面図である。

【図4】本発明の実施例１の電力伝送効率をあらわすＳパラメータ（Ｓ２１）のグラフである。

【図5】本発明の比較例１の電力伝送効率をあらわすＳパラメータ（Ｓ２１）のグラフである。

【図6】（ａ）本発明の第２の実施形態の無線電力伝送システムの受電コイルと給電コイルの平面図である。（ｂ）同、給電コイルと受電コイルと中継ケーブル共振器の側面図である。（ｃ）同、中継ケーブル共振器の平面図である。

【図7】本発明の実施例２の電力伝送効率をあらわすＳパラメータ（Ｓ２１）のグラフである。

【図8】（ａ）本発明の第３の実施形態の無線電力伝送システムの受電コイルと給電コイルの平面図である。（ｂ）同、給電コイルと受電コイルと中継ケーブル共振器の側面図である。（ｃ）同、中継ケーブル共振器の平面図である。

【図9】本発明の実施例３の電力伝送効率をあらわすＳパラメータ（Ｓ２１）のグラフである。

【図10】本発明の変形例４の電力伝送効率をあらわすＳパラメータ（Ｓ２１）のグラフである。

【図11】本発明の第４の実施形態の中継ケーブル共振器の平面図である。

【図12】本発明の実施例４の電力伝送効率をあらわすＳパラメータ（Ｓ２１）のグラフである。

【図13】本発明の第５の実施形態の中継ケーブル共振器の平面図である。

【図14】本発明の実施例５の電力伝送効率をあらわすＳパラメータ（Ｓ２１）のグラフである。

【図15】本発明の第６の実施形態の給電コイルと給電線の平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

＜第１の実施形態＞
図１に、本発明の第１の実施形態の無線電力伝送システムの主要な構成要素の給電線系ＬＡと給電コイルＬＢと受電コイルＬＵの関係を示す。無線電力伝送システムは、電源回路ＳＣから、給電線系ＬＡを介して給電コイルＬＢに電力を送電し、給電コイルＬＢから無線で受電コイルＬＵに電力を送電する。そして受電コイルＬＵに接続した負荷回路ＬＤが電力を消費する。

【0020】

給電コイルＬＢの一端に給電系コンデンサＣを接続し、他端に、電源回路ＳＣから引き出した給電線系ＬＡを接続する。一端に受電系コンデンサＣＵを接続した受電コイルＬＵの他端に負荷回路ＬＤを接続する。

【0021】

ここで、給電コイルＬＢと給電線系ＬＡと給電系コンデンサＣは直列に接続されていれば十分であり、例えば、給電線系ＬＡと給電系コンデンサＣを給電コイルＬＢの配線の中間に配線に直列に隣接させた点に設置しても良い。受電コイルＬＵも同様であり、受電コイルＬＵに接続する負荷回路ＬＤと受電系コンデンサＣＵを受電コイルＬＵの配線の中間に配線に直列に隣接させた点に設置しても良い。

【0022】

図２（ａ）に、受電コイルＬＵとそれに接続する受電系コンデンサＣＵと負荷回路ＬＤの平面図を示し、図２（ｂ）に、給電線系ＬＡを加えた無線電力伝送システムの側面図を示す。図２（ｂ）のように、電力を供給する電源回路ＳＣに給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２を接続する。その給電線系ＬＡの先に給電コイルＬＢを接続し、その給電コイルＬＢを受電コイルＬＵに対向させる。

【0023】

図２（ｃ）に、電源回路ＳＣに接続した給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２と、給電線系ＬＡの終端部に接続した給電コイルＬＢの平面図を示す。図２（ｃ）では説明の便宜のために給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２の重なりをずらして表示したが、実際の給電線ＬＡ１とＬＡ２とは、重なる領域をずらさずに平行に対向させて重ねる。その対向する間隔は少なくとも給電線ＬＡ１、ＬＡ２の帯の幅の３分の１以下の狭い間隔で対向させて、給電線ＬＡ１とＬＡ２の間の容量を増した給電線系ＬＡを形成する。

【0024】

図２（ｃ）の平面図のように、給電コイルＬＢには、給電線系ＬＡを接続する位置と反対側の位置に給電系コンデンサＣを接続する。すなわち、給電系コンデンサＣをループ状の給電コイルＬＢの中間に、コイルに直列に挿入して給電コイル系を形成する。そして、その給電コイル系の給電コイルＬＢの末端の２端子の各々に、給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２を接続する。

【0025】

図２（ａ）の平面図のように、ループ状の受電コイルＬＵと受電系コンデンサＣＵと負荷回路ＬＤを直列に接続した受電コイル系を形成する。すなわち、受電コイル系の受電コイルＬＵの中間に直列に受電系コンデンサＣＵを挿入し、そして、その受電コイルＬＵの末端の２端子を負荷回路ＬＤの２つの入力端子に接続する。

【0026】

図２（ｂ）の側面図の給電コイルＬＢと受電コイルＬＵの間の距離ｈは、受電コイルＬＵの直径以下の距離にして給電コイルＬＢと受電コイルＬＵを配置する。

【0027】

（変形例１）
図２（ａ）に示した受電コイルＬＵ、及び、図２（ｃ）に示した給電コイルＬＢの構造は、図２のように複数巻きのコイルを用いる以外に、図３の平面図のように１巻きのコイルを用いることもできる。つまり、図３のように、断面が平板状の１巻きのコイルの給電コイルＬＢと給電系コンデンサＣと給電線ＬＡ１とＬＡ２を直列に接続した回路を用いることもできる。また、受電コイルＬＵと受電系コンデンサＣＵと負荷回路ＬＤを直列に接続した回路を用いる。

【0028】

（給電線）
帯状の導体の給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２を平行に近接させて一体にして給電線系ＬＡを形成する。その給電線ＬＡ１とＬＡ２の間隔を、給電線ＬＡ１とＬＡ２の帯の幅の少なくとも３分の１以下に小さくして給電線ＬＡ１とＬＡ２の間の容量を増す。それにより、給電線系ＬＡの特性インピーダンスＺを小さくし、給電線系ＬＡの持つインダクタンスを小さくすることができる。

【0029】

給電線系ＬＡの単位長さ当りのインダクタンスは、給電線系ＬＡの特性インピーダンスＺを信号伝達速度で割り算した値であるので、特性インピーダンスＺを小さくすることによって給電線系ＬＡの単位長さ当りのインダクタンスを小さくすることができる。

【0030】

すなわち、給電線ＬＡ１とＬＡ２の間隔を、給電線ＬＡ１とＬＡ２の帯の幅の少なくとも３分の１以下に小さくして給電線ＬＡ１とＬＡ２の間の容量を増す。それによって、後に（給電線系の条件）の欄で説明するように、給電コイルＢや受電コイルＬＵの大きさの４倍程度の長さの給電線系ＬＡを実用的に用いることができるようになる効果がある。

【0031】

（給電コイル系と受電コイル系のインピーダンスの整合）
ループ状の給電コイルＬＢと給電系コンデンサＣの直列回路から成る給電コイル系の共振周波数ｆと、ループ状の受電コイルＬＵと受電系コンデンサＣＵの直列回路から成る受電コイル系の共振周波数ｆを等しくする。そして、電源回路ＳＣがその共振周波数ｆの電流を、給電線系ＬＡ（ＬＡ１とＬＡ２）に供給する。

【0032】

すなわち、給電コイルＬＢの自己インダクタンスをＬＢとし、給電系コンデンサＣの容量をＣとし、受電コイルＬＵの自己インダクタンスをＬＵとし、受電系コンデンサＣＵの容量をＣＵとすると、以下の式１の関係を満足するようにし、コイル系の共振周波数を同じにする。
（式１） ＬＢ×Ｃ＝ＬＵ×ＣＵ＝１／ω^２
そして、電源回路ＳＣが供給する電流の角周波数を、その共振の角周波数ωにする。ここで、角周波数ω＝２πｆである（ｆは共振周波数）。

【0033】

そして、給電コイルＬＢと受電コイルＬＵを接近させて電力を送電する場合の給電コイルＬＢと受電コイルＬＵの相互インダクタンスをＭであらわす。このとき、給電コイルＬＢに給電線ＬＡ（ＬＡ１とＬＡ２）を介して接続する電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を、あるパラメータαに関して、以下の式２を満足する値にする。
（式２） ｒ１＝ωＭ・α

【0034】

また、受電コイルＬＵに直列に接続する負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を、
（式３） ｒ２＝ωＭ／α
にする。このようにインピーダンスを設定することで、給電コイルＬＢと受電コイルＬＵが対向する場合の回路のインピーダンスを整合させて、無線電力を効率良く伝送できる。

【0035】

すなわち、パラメータαの値にかかわらず、
（式４） ｒ１・ｒ２＝（ωＭ）^２
の条件を満足させる。これにより、インピーダンスが整合して、無線電力が効率良く伝送できる。

【0036】

（定電圧電源を用いる場合）
定電圧電源では、それに接続する負荷に応じて出力インピーダンスが変化する。定電圧電源を電源回路ＳＣに用いる場合は、その電源回路ＳＣ側から観察される負荷である、給電コイル系と受電コイル系を合わせた全体の回路の入力インピーダンスを、なるべく広い周波数範囲にわたって、虚数成分（リアクタンス）が少なく、実数成分が主になるように調整することが望ましい。その条件が成り立つならば、電源回路ＳＣが出力する電流に比例した電力が、全て負荷回路ＬＤまで伝送され有効に消費される良好な無線電力伝送が行えるからである。

【0037】

定電圧電源の電源回路ＳＣを用いる場合には、以下のように回路を設計することが望ましい。例えば、給電コイル系と受電コイル系を同じにした場合は、式４を、ｒ１＝ｒ２にした条件で解いた値のｒ２に、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を設定することが望ましい。

【0038】

そうすると、定電圧電源の電源回路ＳＣ側から観察した、給電コイル系と受電コイル系を合わせた全体の回路のインピーダンスのリアクタンス成分が広い周波数範囲にわたって０になる条件が成り立つからである。電源回路ＳＣが定電圧電源の場合、その電源回路ＳＣから流れ出る電流の値は、リアクタンス成分が０になる周波数の範囲内でも一定値では無いが、その周波数の範囲で電流に比例した有効な電力が負荷回路ＬＤまで伝送できる良好な無線電力伝送が行える。

【0039】

（給電線系の条件）
本実施形態において、無線電力伝送システムの回路中に給電線系ＬＡを挿入しても、無線電力伝送システムの電力の伝送特性を劣化させない条件が以下の式５で与えられる。すなわち、無線電力伝送システムの給電コイルＬＢと受電コイルＬＵの自己インダクタンスＬに関して以下の式５の条件が満足される必要がある。

【0040】

すなわち、給電線系ＬＡの特性インピーダンスがＺであり、給電線系ＬＡの長さがｌｅｎの場合に、給電線系ＬＡが持つインダクタンスが給電コイルＬＢと受電コイルＬＵの自己インダクタンスＬよりも小さいことが必要であり、それは、以下の式５で与えられる。
（式５） （Ｚ／ｃ）×ｌｅｎ＜Ｌ
ここで、ｃは信号伝達速度（光速度）である。

【0041】

この式５は、給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２の間に所定の比誘電率εｒの誘電体がある場合にも成り立つ。その場合にその誘電体の影響で特性インピーダンスＺが√εｒ分の１に小さくなり、給電線系ＬＡの信号伝達速度ｃ（光速度）が√εｒ分の１に小さくなる。

【0042】

また、簡易な計算方法としては、給電線系ＬＡにおいて、その誘電体の比誘電率が１の場合の特性インピーダンスＺをこの式５のＺに代入し、真空の光速度をこの式５の信号伝達速度ｃに代入して式５を計算しても、式５を普通に計算した結果と同じ値の（Ｚ／ｃ）の値が得られる。

【0043】

給電線系ＬＡを、帯状の給電線ＬＡ１とＬＡ２を平行に対向させ、その対向する間隔を少なくとも給電線ＬＡ１、ＬＡ２の帯の幅の３分の１以下の狭い間隔で対向させて給電線ＬＡ１とＬＡ２の間の容量を増し、給電線系ＬＡのインダクタンスを小さくした給電線系ＬＡを形成する。そうすることで、給電コイルＢや受電コイルＬＵの大きさの４倍程度の長さの給電線系ＬＡを用いても、給電線系ＬＡに式５を満足させる低い特性インピーダンスＺを持たせることができる効果がある。

【0044】

また、給電線系ＬＡが持つ容量が、給電系コンデンサＣの容量Ｃおよび受電系コンデンサＣＵの容量ＣＵよりも小さいことが必要であり、それは、以下の式６で与えられる。
（式６） ｌｅｎ／（ｃＺ）＜Ｃ、及び、ＣＵ

【0045】

（実施例１）
以下で、本実施形態の給電線系ＬＡを用いた無線電力伝送システムの実施例１を説明する。実施例１では、図３のように、幅が５０ｍｍで厚さが０．２ｍｍの銅の帯で形成した一辺が３５０ｍｍの矩形の１巻コイルによる給電コイルＬＢと受電コイルＬＵを用いる。給電系コンデンサＣの容量Ｃを４ｎＦにし、受電系コンデンサＣＵの容量ＣＵを４ｎＦにする。この場合に、給電コイルＬＢの回路及び受電コイルＬＵの回路は３．２６ＭＨｚで共振する。

【0046】

そのため、この給電コイルＬＢと受電コイルＬＵの自己インダクタンスＬは、
Ｌ＝１／（（４［ｎＦ］）（２π×３．２６［ＭＨｚ］）^２）＝５９６ｎＨ
である。

【0047】

その給電コイルＬＢと受電コイルＬＵを、１２０ｍｍの間隔を開けて平行に対向させる。その給電コイルＬＢには、長さｌｅｎ＝１４５０ｍｍの給電線系ＬＡ（給電線ＬＡ１とＬＡ２）を介して電源回路ＳＣを接続する。

【0048】

給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２は、幅が５０ｍｍで厚さが０．２ｍｍの銅の帯で形成し、その帯状の給電線ＬＡ１とＬＡ２を平行に対向させて給電線の幅５０ｍｍの５０分の１の１ｍｍの間隔を開けて給電線系ＬＡを形成する。その給電線系ＬＡの特性インピーダンスＺは７．３Ωである。

【0049】

給電線系ＬＡの単位長さ当りのインダクタンスは、特性インピーダンス／（信号伝達速度）で計算できる。信号伝達速度ｃが真空中の光速度である場合に、その値は、
７．３Ω／（信号伝達速度）＝２４ｎＨ／ｍ
である。

【0050】

この給電線系ＬＡを、長さｌｅｎ＝１４５０ｍｍにした長さのインダクタンスＬＴは、ＬＴ＝２４×１．４５＝３５ｎＨである。このインダクタンスＬＴ＝３５ｎＨは、給電コイルＬＢの自己インダクタンスＬ＝５９６ｎＨの約２０分の１であり、十分小さい。これは、式５が満足されていることを意味する。

【0051】

一方、給電コイルＬＢと受電コイルＬＵの相互インダクタンスＭは以下のように計算できる。すなわち、給電コイルＬＢと受電コイルＬＵを１２０ｍｍの間隔を開けて平行に対向させた場合の結合係数ｋを電磁界シミュレーションで求めると、ｋ＝０．２になるので、コイル間の相互インダクタンスＭは、Ｍ＝ｋＬ＝０．２×５９６ｎＨ＝１１９ｎＨである。

【0052】

相互インダクタンスＭと比較しても、長さｌｅｎ＝１４５０ｍｍの給電線系ＬＡのインダクタンスＬＴ＝３５ｎＨは、コイル間の相互インダクタンス１１９ｎＨの約３分の１であり、十分小さい。

【0053】

なお、この給電線系ＬＡの単位長さ当りの容量は、信号伝達速度ｃが真空中の光速度である場合に、
１／（７．３Ω×信号伝達速度）＝０．４６ｎＦ／ｍ
である。この給電線系ＬＡを、長さｌｅｎ＝１４５０ｍｍにした長さの容量は、０．４６ｎＦ×１．４５＝０．６６ｎＦである。この容量は、給電系コンデンサＣの容量Ｃおよび受電系コンデンサＣＵの容量ＣＵ＝Ｃ＝４ｎＦよりも十分小さい。これは、式６が成り立っていることを意味する。

【0054】

図４に、このコイル間の結合係数ｋ＝０．２の場合の電磁界シミュレーション結果の無線電力の伝送効率の周波数特性を示す。受電系コンデンサＣＵの容量ＣＵを４ｎＦにし、給電系コンデンサＣの容量Ｃを３．７ｎＦにすると、給電系回路の共振周波数と受電系回路の共振周波数が等しくなる。

【0055】

ここで、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を２．４Ωにし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を２．４Ωにすると、インピーダンスが整合する。そして、電源回路ＳＣから電力が、給電線系ＬＡと給電コイルＬＢを介して、受電コイルＬＵに、減衰が−０．０５ｄＢのみで効率良く送電される。また、この電力を効率良く伝送できる周波数の帯域の幅は０．６６ＭＨｚ程度ある。

【0056】

（比較例１）
比較例１として、給電線系ＬＡにおいて平行に対向する帯状の給電線ＬＡ１とＬＡ２の間隔を、その給電線ＬＡ１、ＬＡ２の帯の幅５０ｍｍと同じ長さの５０ｍｍにする。この間隔５０ｍｍは実施例１の場合の５０倍である。

【0057】

こうすると、長さｌｅｎ＝１４５０ｍｍの給電線系ＬＡのインダクタンスＬＴは約、ＬＴ＝３５ｎＨ×５０＝１７５０ｎＨ程度になる。この給電線系ＬＡのインダクタンスＬＴ＝１７５０ｎＨは、給電コイルＬＢの自己インダクタンスＬ＝５９６ｎＨよりも３倍程度に大きくなる。これは、式５が満足されていないことを意味する。

【0058】

この場合に、受電系コンデンサＣＵの容量ＣＵは４ｎＦのままで、給電系コンデンサＣの容量Ｃを１．５６ｎＦに小さくすると、給電系回路の共振周波数と受電系回路の共振周波数が等しくなる。

【0059】

図５に、この場合の比較例１の無線電力の伝送効率の周波数特性を電磁界シミュレーションで求めた結果を示す。この場合は、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を２．１Ωにし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を２．１Ωにした場合に、減衰が−０．０５ｄＢで少なく、効率良く電力を伝送できる。

【0060】

しかし、電力を効率良く伝送できる周波数の帯域の幅が０．２ＭＨｚ程度で、を図４の場合の０．６６ＭＨｚの半分以下に狭くなる。このように、比較例１では、長さが１４５０ｍｍある給電線系ＬＡのインダクタンスＬＴが給電コイルＬＢのインダクタンスＬＢ＝５９６ｎＨと同程度に大きくなり、式５の条件が満足されていない。そのため、比較例１では、電力の伝送特性が劣化するという問題がある。

【0061】

また、給電線ＬＡ１とＬＡ２の間隔を大きくすると給電線系ＬＡのインダクタンスＬＴが大きくなるので、給電系回路の共振周波数を受電系回路の共振周波数と一致させるために、給電系回路の給電系コンデンサＣの容量Ｃを小さな値に調整する必要がある。

【0062】

この比較例１に対して、実施例１では、給電線系ＬＡにおいて帯状の給電線ＬＡ１とＬＡ２を平行に対向させる間隔を給電線ＬＡ１、ＬＡ２の帯の幅の３分の１以下の５０分の１の狭い間隔で対向させて給電線系ＬＡのインダクタンスを小さくして式５の条件を満足させた。そのため、実施例１では、電力の伝送特性が劣化しなかった。

【0063】

（変形例２）
ここで、変形例２として、電源回路ＳＣに定電圧電源を用いる場合は、電源回路ＳＣの出力インピーダンスが負荷に応じて変化する。電源回路ＳＣに定電圧電源を用いる場合に、電源回路ＳＣ側から観察した、給電コイル系と受電コイル系を合わせた全体の回路の入力インピーダンスが、なるべく広い周波数範囲にわたって、虚数成分（リアクタンス）が少なく、実数成分が主になることが望ましい。その条件が成り立つならば、電源回路ＳＣが流す電流に比例した有効な電力が負荷回路ＬＤまで伝送されるからである。

【0064】

実施例１の回路構成を用いた場合に、変形例２でも、受電系コンデンサＣＵと給電系コンデンサＣの容量ＣＵを４ｎＦにし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を実施例１と同じ値の２．４Ωにすることが望ましい。そうすると、電源回路ＳＣ側から観察した、給電コイル系と受電コイル系を合わせた全体の回路のインピーダンスのリアクタンス成分を所定の周波数範囲にわたって安定して０にすることができる。

【0065】

電源回路ＳＣが定電圧電源の場合、その電源回路ＳＣから流れ出る電流の値は、リアクタンス成分が０になる周波数の範囲内でも一定値では無いが、その周波数の範囲で電流に比例した有効な電力が負荷回路ＬＤまで伝送できる良好な無線電力伝送が行える。

【0066】

（変形例３）
また、本実施形態は、以上で説明した、電源回路ＳＣと給電コイルＬＢを給電線系ＬＡで電気接続した構成の無線電力伝送システム以外にも適用できる。すなわち、変形例３として、負荷回路ＬＤを、給電線系ＬＡで受電コイルＬＵに電気接続した無線電力伝送システムが構成できる。それに用いる給電線系ＬＡも、帯状の給電線ＬＡ１とＬＡ２を平行に対向させる間隔を給電線ＬＡ１、ＬＡ２の帯の幅の３分の１以下の狭い間隔で対向させて給電線ＬＡ１とＬＡ２の間の容量を増した給電線系ＬＡを用いる。

【0067】

更に、電源回路ＳＣと給電コイルＬＢを第１の給電線系で電気接続し、負荷回路ＬＤと受電コイルＬＵを第２の給電線系で電気接続した無線電力伝送システムも構成できる。

【0068】

＜第２の実施形態＞
図６に本発明の第２の実施形態の電力の中継ケーブル共振器１の構成を示す。図６（ａ）の平面図に、受電コイルＬＵと周辺回路から成る受電コイル系と、給電コイルＬＢと周辺回路から成る給電コイル系の平面図を示す。図６（ｂ）の側面図に、受電コイルＬＵと給電コイルＬＢと、中継ケーブル共振器１の側面の配置の構成を示す。

【0069】

図６（ｃ）の平面図に中継ケーブル共振器１の平面図を示す。図６（ｃ）では説明の便宜のために給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２の重なりをずらして表示したが、実際の給電線ＬＡ１とＬＡ２とは、重なる領域をずらさずに平行に対向させて重ねる。その対向する間隔は少なくとも給電線ＬＡ１、ＬＡ２の帯の幅の３分の１以下の狭い間隔で対向させて、給電線ＬＡ１とＬＡ２の間の容量を増した給電線系ＬＡを形成する。

【0070】

中継ケーブル共振器１は、給電線ＬＡ１とＬＡ２からなる長さｌｅｎの給電線系ＬＡと、給電線系ＬＡの両端に接続した２つの中間コイル、すなわち、第２の受電コイルＬＵＳと第２の給電コイルＬＢＳと、給電線ＬＡ１に直列に接続した中継ケーブル共振用コンデンサＣＴとから構成する。

【0071】

中間コイル、すなわち、第２の受電コイルＬＵＳと第２の給電コイルＬＢＳは区別する必要は無く、給電コイルＬＢに対向する中間コイルが第２の受電コイルＬＵＳであり、受電コイルＬＵに対向する中間コイルが第２の給電コイルＬＢＳである。

【0072】

ここで、中継ケーブル共振用コンデンサＣＴと給電線ＬＡ１は直列に接続されていれば十分であり、例えば、中継ケーブル共振用コンデンサＣＴは給電線ＬＡ１の中間に接続しても良く、端部に接続しても良い。

【0073】

受電コイル系は第１の実施形態と同様な構成である。給電コイル系は、図６（ａ）の平面図のように、給電コイルＬＢと給電系コンデンサＣが電源回路ＳＣに直列に接続されている。

【0074】

図６（ｂ）の側面図のように、給電コイルＬＢと中継ケーブル共振器１の第２の受電コイルＬＵＳとを平行に対向させて、両コイルの間の距離は、給電コイルＬＢの直径以下の距離ｈで隔てる。また、受電コイルＬＵと中継ケーブル共振器１の第２の給電コイルＬＢＳとを平行に対向させて、両コイルの間の距離は、受電コイルＬＵの直径以下の距離ｈで隔てる。

【0075】

（実施例２）
第２の実施形態の実施例（実施例２）として、以下の構成の中継ケーブル共振器１と給電コイル系と受電コイル系とから成る無線電力伝送システムの動作を電磁界シミュレーションで調べた。実施例２では、実施例１と同様に、幅が５０ｍｍで厚さが０．２ｍｍの銅の帯で形成した一辺が３５０ｍｍの矩形の１巻コイルによる給電コイルＬＢと受電コイルＬＵを用いる。

【0076】

実施例１と同様に、給電系コンデンサＣの容量Ｃを４ｎＦにし、受電系コンデンサＣＵの容量ＣＵを４ｎＦにし、給電コイルＬＢの回路及び受電コイルＬＵの回路を３．２６ＭＨｚで共振させる。

【0077】

中継ケーブル共振器１の第２の受電コイルＬＵＳと第２の給電コイルＬＢＳを、給電コイルＬＢ及び受電コイルＬＵと同じ形にする。そして、第２の給電コイルＬＢＳと第２の受電コイルＬＵＳを、長さｌｅｎ＝１４５０ｍｍの給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２から成る給電線系ＬＡの両端に接続する。給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２は、幅が５０ｍｍで厚さが０．２ｍｍの銅の帯で形成し、その帯状の給電線ＬＡ１とＬＡ２を平行に対向させて間隔を１ｍｍ開けて給電線系ＬＡを形成する。

【0078】

中継ケーブル共振用コンデンサＣＴの容量ＣＴを、ＣＴ＝１．７４ｎＦに設定した場合に、電源回路ＳＣからの電力を効率良く、給電コイルＬＢから中継ケーブル共振器１を介して、受電コイルＬＵに伝送し負荷回路ＬＤで消費させることができる。

【0079】

給電コイルＬＢと中継ケーブル共振器１の第２の受電コイルＬＵＳの間隔、及び、中継ケーブル共振器１の第２の給電コイルＬＢＳと受電コイルＬＵの間隔を１２０ｍｍ開けて平行に対向させる。このコイル間の結合係数ｋは、ｋ＝０．２である。

【0080】

図７に、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を２．４Ωにし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を２．４Ωにした場合の電磁界シミュレーション結果の無線電力の伝送効率の周波数特性を示す。電源回路ＳＣから電力が、給電コイルＬＢと中継ケーブル共振器１と受電コイルＬＵを介して負荷回路ＬＤまで、減衰が−０．０７ｄＢのみで効率良く送電される。また、この電力を効率良く伝送できる周波数の帯域の幅は０．４ＭＨｚ程度ある。

【0081】

この中継ケーブル共振器１の給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２の間隔を１６ｍｍ開けた場合は、中継ケーブル共振用コンデンサＣＴの容量ＣＴを、ＣＴ＝１．４１ｎＦに設定した場合に、電源回路ＳＣからの電力を効率良く、給電コイルＬＢから中継ケーブル共振器１を介して、受電コイルＬＵに伝送し負荷回路ＬＤで消費させることができる。

【0082】

実施例２の場合も、実施例１と同様に、中継ケーブル共振器１の給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２の間隔を大きく開けるほど、給電線系ＬＡのインダクタンスが大きくなる。そのため、それに合わせて中継ケーブル共振用コンデンサＣＴの容量ＣＴを小さくして中継ケーブル共振器１の共振周波数を給電コイル系及び受電コイル系の共振周波数に合わせる必要がある。

【0083】

第２の実施形態の場合も、第１の実施形態と同様に、給電線系ＬＡのインダクタンスＬＴが、第２の給電コイルＬＢＳのインダクタンスと第２の受電コイルＬＵＳのインダクタンスの和ＬＧと同程度に大きくなると、電力の伝送特性を劣化させる。第２の実施形態の場合に電力の伝送特性を劣化させない条件は、第１の実施形態と同様に、以下の式７の条件を満足させることである。

【0084】

（式７） （Ｚ／ｃ）×ｌｅｎ＜ＬＧ
ここで、ｃは信号伝達速度（光速度）である。
この式７は、給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２の間に所定の比誘電率εｒの誘電体がある場合にも成り立つ。その場合にその誘電体の影響で特性インピーダンスＺが√εｒ分の１に小さくなり、信号伝達速度ｃが√εｒ分の１に小さくなる。

【0085】

すなわち、第２の実施形態においても、給電線系ＬＡを、帯状の給電線ＬＡ１とＬＡ２を平行にし狭い間隔で対向させて給電線系ＬＡを形成することで、給電線系ＬＡに式７を満足させる低い特性インピーダンスＺを持たせることで、効率良く電力を伝送できる無線電力伝送システムが構成できる。

【0086】

＜第３の実施形態＞
図８に本発明の第３の実施形態の電力の中継ケーブル共振器１の構成を示す。図８（ａ）の平面図に、受電コイルＬＵと周辺回路から成る受電コイル系と、給電コイルＬＢと周辺回路から成る給電コイル系の平面図を示す。受電コイル系及び給電コイル系は第２の実施形態と同様な構成である。

【0087】

図８（ｂ）の側面図に、受電コイルＬＵと給電コイルＬＢと、中継ケーブル共振器１の側面の配置の構成を示す。図８（ｃ）の平面図に中継ケーブル共振器１の平面図を示す。図８（ｃ）では説明の便宜のために給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２の重なりをずらして表示したが、実際の給電線ＬＡ１とＬＡ２とは、重なる領域をずらさずに平行に対向させて重ねる。

【0088】

第３の実施形態の中継ケーブル共振器１は、長さｌｅｎの給電線系ＬＡと、その給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２を結ぶ中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷと、その中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷに並列に接続した２つの中間コイルを給電線系ＬＡの両端に設置して構成する。

【0089】

この２つの中間コイルは区別する必要は無く、給電コイルＬＢに対向する中間コイルが第２の受電コイルＬＵＳであり、受電コイルＬＵに対向する中間コイルが第２の給電コイルＬＢＳである。

【0090】

中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷは、給電線系ＬＡに並列に接続されていれば十分であり、例えば、中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷは給電線系ＬＡの中間に接続しても良く、端部に接続しても良い。

【0091】

図８（ｂ）の側面図のように、給電コイルＬＢと中継ケーブル共振器１の第２の受電コイルＬＵＳとを平行に対向させて、両コイルの間の距離は、給電コイルＬＢの直径以下の距離ｈで隔てる。また、受電コイルＬＵと中継ケーブル共振器１の第２の給電コイルＬＢＳとを平行に対向させて、両コイルの間の距離は、受電コイルＬＵの直径以下の距離ｈで隔てる。

【0092】

（実施例３）
第３の実施形態の実施例（実施例３）として、以下の構成の中継ケーブル共振器１と給電コイル系と受電コイル系とから成る無線電力伝送システムの動作を電磁界シミュレーションで調べた。実施例３では、実施例１と同様に、幅が５０ｍｍで厚さが０．２ｍｍの銅の帯で形成した一辺が３５０ｍｍの矩形の１巻コイルによる給電コイルＬＢと受電コイルＬＵを用いる。

【0093】

給電系コンデンサＣの容量Ｃを４．３ｎＦにし、受電系コンデンサＣＵの容量ＣＵを４．３ｎＦにし、給電コイルＬＢの回路及び受電コイルＬＵの回路を３．１４ＭＨｚで共振させる。

【0094】

中継ケーブル共振器１の第２の受電コイルＬＵＳと第２の給電コイルＬＢＳを、給電コイルＬＢ及び受電コイルＬＵと同じ形にする。そして、第２の給電コイルＬＢＳと第２の受電コイルＬＵＳを、長さｌｅｎ＝１４５０ｍｍの給電線系ＬＡの両端に接続する。給電線系ＬＡを構成する給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２は、幅が５０ｍｍで厚さが０．２ｍｍの銅の帯で形成し、その帯状の給電線ＬＡ１とＬＡ２を平行に対向させて間隔を、給電線の幅５０ｍｍの６２５分の１の長さの８０μｍ開けて給電線系ＬＡを形成する。

【0095】

この実施例３の場合では、中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷは、８０μｍの間隔で平行に対向する給電線ＬＡ１とＬＡ２の持つ容量によって形成する。その容量ＣＷは、ＣＷ＝８．２７ｎＦである。この容量に設定することで、中継ケーブル共振器１の共振周波数が給電コイル系及び受電コイル系の共振周波数の３．１４ＭＨｚに一致する。

【0096】

この場合に、式５の条件が満足され、給電線系ＬＡのインダクタンスは、中継ケーブル共振器１の中間コイルのインダクタンスよりも十分小さい。

【0097】

実施例３も、実施例２と同様に、給電コイルＬＢと中継ケーブル共振器１の第２の受電コイルＬＵＳの間隔、及び、中継ケーブル共振器１の第２の給電コイルＬＢＳと受電コイルＬＵの間隔を１２０ｍｍ開けて平行に対向させる。このコイル間の結合係数ｋは、ｋ＝０．２である。

【0098】

図９に、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を２．２Ωにし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を２．２Ωにした場合の電磁界シミュレーション結果の無線電力の伝送効率の周波数特性を示す。電源回路ＳＣから電力が、給電コイルＬＢと中継ケーブル共振器１と受電コイルＬＵを介して負荷回路ＬＤまで、減衰が−０．０６ｄＢのみで効率良く送電される。また、この電力を効率良く伝送できる周波数の帯域の幅は０．５ＭＨｚ程度ある。

【0099】

（変形例４）
変形例４として、中継ケーブル共振器１の給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２の間隔を、給電線ＬＡ１、ＬＡ２の帯の幅と同じ５０ｍｍの間隔を開けた場合は、給電線ＬＡ１とＬＡの間の容量は６２５分の１に小さくなる。そのため、容量ＣＷ＝６．７３ｎＦの中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷを給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２の間に設置することで、中継ケーブル共振器１の共振周波数を給電コイル系及び受電コイル系の共振周波数の３．１４ＭＨｚに一致させる。

【0100】

図１０に、給電線ＬＡ１とＬＡ２の間隔を５０ｍｍ開けた場合の電磁界シミュレーション結果の無線電力の伝送効率の周波数特性を示す。この場合は、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を１．８Ωにし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を１．８Ωにした場合に、減衰が−０．０６ｄＢで少なく、効率良く電力を伝送できる。図１０の場合を図９と比べると、電力を効率良く伝送できる周波数の帯域の幅が０．４ＭＨｚ程度で、図９の場合の０．５ＭＨｚよりも狭くなる。

【0101】

ここで、変形例４では、中継ケーブル共振器１の給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２の間隔を大きく開けたので、給電線系ＬＡのインダクタンスが大きくなり、式５の条件が満足されなくなった。しかし、変形例４では、給電線間の間隔を広げた場合の周波数の帯域幅の狭まる割合が、第１の実施形態の比較例１の場合ほどには帯域幅が狭まらない。その理由は、変形例４では、中継ケーブル共振器１が、中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷに並列に複数の中間コイルが接続された構成を持つためである。

【0102】

変形例４では、給電線系ＬＡのインダクタンスが大きくなった分だけ、中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷの容量ＣＷを小さくして中継ケーブル共振器１の共振周波数を給電コイル系及び受電コイル系の共振周波数に合わせるだけで、良好な無線電力伝送が行える。

【0103】

（第３の実施形態の中継ケーブル共振器の原理）
第３の実施形態の場合の、中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷに並列に複数の中間コイルが接続された構成の中継ケーブル共振器１では、複数の中間コイルが中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷの容量を分け合って利用し、そして、全中間コイル系が同じ共振周波数で共振する。

【0104】

その中間コイルの共振動作において、間隔を広げた給電線ＬＡ１とＬＡ２は、中間コイルのインダクタンスに加算され、中間コイルの一部に組み込まれている。そのため、間隔を広げた給電線ＬＡ１とＬＡ２は、中間コイルの一部であるので、無線電力伝送システムの無線電力伝送効率を妨げ無い。

【0105】

第３の実施形態で、中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷに並列に接続する２つの中間コイルのインダクタンスは同じ値にする必要も無い。２つの中間コイルのインダクタンスを異なる値にしても、無線電力伝送システムの無線電力伝送に支障が無い。

【0106】

＜第４の実施形態＞
図１１の平面図に、第４の実施形態の無線電力伝送システムの中継ケーブル共振器１の平面図を示す。図１１では説明の便宜のために給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２の重なりをずらして表示したが、実際の給電線ＬＡ１とＬＡ２とは、重なる領域をずらさずに平行に対向させて重ねる。

【0107】

第４の実施形態は、この中継ケーブル共振器１以外の構成は第３の実施形態と同様である。第４の実施形態の中継ケーブル共振器１は、長さｌｅｎの給電線系ＬＡと、その給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２を結ぶ中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷと、その中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷに並列に接続した３個以上の複数の中間コイルとで構成する。

【0108】

この複数の中間コイルは区別する必要は無く、給電コイルＬＢに対向する中間コイルが第２の受電コイルＬＵＳであり、受電コイルＬＵに対向する中間コイルが第２の給電コイルＬＢＳである。

【0109】

中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷは、給電線系ＬＡに並列に接続されていれば十分であり、例えば、中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷは給電線系ＬＡの中間に接続しても良く、端部に接続しても良い。

【0110】

第４の実施形態で、中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷに並列に接続する複数の中間コイルの数は６つに限定されず、どの数でも良い。複数の中間コイルの給電線系ＬＡへの接続位置はどの位置に設置しても良い。

【0111】

更に、それら複数の中間コイルのインダクタンスは同じ値にする必要も無い。複数の中間コイルのインダクタンスを全て異なる値にしても、無線電力伝送システムの無線電力伝送に支障が無い。その理由は、それら各中間コイルの自己インダクタンスが異なっても、各中間コイルが中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷ（中継容量）の容量を分け合って利用し、そして、全中間コイル系が同じ共振周波数で共振するからである。

【0112】

（中継容量共振器）
このように、中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷ（中継容量）に並列に３個以上の中間コイルを接続して中継ケーブル共振器１を構成する。この中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷ（中継容量）の容量さえ存在すれば、細長い給電線系ＬＡが無くても、単に中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷ（中継容量）に並列に複数の中間コイルを接続しただけの中継ケーブル共振器１（中継容量共振器）を構成しても良い。

【0113】

そうして、電源回路ＳＣに接続した給電コイルＬＢを、その中継容量共振器の第１の中間コイルに対向させ、負荷回路ＬＤに接続した受電コイルＬＵを他の中間コイルに対向させる。そうすることで、給電コイルＬＢから、中継容量共振器を介して、受電コイルＬＵに無線電力を伝送する無線電力伝送システムを構成できる。

【0114】

（実施例４）
以下、実施例４によって、第４の実施形態を説明する。図１１のように、中継ケーブル共振器１として、給電コイルＬＢ及び受電コイルＬＵと同じ形の６つの中間コイルを、給電線系ＬＡに並列に接続する。その６つの中間コイルのうちの１つは給電線系ＬＡの端部に設置し、その中間コイルに、電源回路ＳＣと接続する給電コイルＬＢを対向させる。その中間コイルを、第２の受電コイルＬＵＳと名付ける。

【0115】

給電線系ＬＡに接続する残り５つの中間コイルのうちの１つを負荷回路ＬＤと接続する受電コイルＬＵに対向させて電力を伝送する。そのため、その５つの中間コイルを、図１１のように、第２の給電コイルＬＢＳ１、ＬＢＳ２、ＬＢＳ３、ＬＢＳ４、ＬＢＳ５と名付ける。

【0116】

６つの中間コイルの形は、給電コイルＬＢ及び受電コイルＬＵと同じ形にする。それらのコイルの形は、一辺が３５０ｍｍの矩形の１巻コイルで形成し、コイルの線は、幅が５０ｍｍで厚さが０．２ｍｍの銅の帯で形成する。

【0117】

給電コイルＬＢに接続する給電系コンデンサＣの容量Ｃを４．３ｎＦにし、受電コイルＬＵに接続する受電系コンデンサＣＵの容量ＣＵを４．３ｎＦにし、給電コイル系及び受電コイル系の共振周波数を３．１４ＭＨｚにする。

【0118】

給電線系ＬＡは、長さｌｅｎ＝１４５０ｍｍの給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２で形成する。その給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２の間に６つの中間コイルを並列に接続する。給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２の線は、幅が５０ｍｍで厚さが０．２ｍｍの銅の帯で形成する。その帯状の給電線ＬＡ１とＬＡ２を平行に対向させて間隔を２９μｍ開けて給電線系ＬＡを形成する。

【0119】

その対向する給電線ＬＡ１とＬＡ２の間の容量ＣＷは、ＣＷ＝２２．８ｎＦである。この容量に設定すると、中継ケーブル共振器１の共振周波数が給電コイル系及び受電コイル系の共振周波数の３．１４ＭＨｚに一致する。

【0120】

給電コイルＬＢと第２の受電コイルＬＵＳの間隔、及び、受電コイルＬＵと第２の給電コイルＬＢＳの間隔は、実施例２と同様に、１２０ｍｍ開けてコイルを平行に対向させる。このコイル間の結合係数ｋは、ｋ＝０．２である。

【0121】

図１２に、受電コイルＬＵを中間コイルのうちの１つの第２の給電コイルＬＢＳ５に対向させた場合の、無線電力の伝送効率の周波数特性を電磁界シミュレーションで計算した結果を示す。この場合に、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を１．２５Ωにし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を１．２５Ωにして回路を整合させた。

【0122】

図１２のシミュレーション結果では、電源回路ＳＣから電力が、給電コイルＬＢと中継ケーブル共振器１と受電コイルＬＵを介して負荷回路ＬＤまで、減衰が−０．０９ｄＢのみで、効率良く電力が伝送される。その電力を効率良く伝送できる周波数の帯域の幅は０．３ＭＨｚ程度ある。

【0123】

また、受電コイルＬＵを、給電線系ＬＡの中間位置に設置した第２の給電コイルＬＢＳ４に対向させた場合も、電磁界シミュレーションで計算した。そのシミュレーションの結果の無線電力の伝送効率の周波数特性も図１２のグラフと重なった。

【0124】

更に、給電コイルＬＢを、給電線系ＬＡの中間位置の第２の給電コイルＬＢＳ２に対向させ、受電コイルＬＵを、給電線系ＬＡの中間位置の第２の給電コイルＬＢＳ４に対向させた場合も電磁界シミュレーションで調べた。その結果、その無線電力の伝送効率の周波数特性も図１２のグラフと重なった。

【0125】

この中継ケーブル共振器１の任意の中間コイルに給電コイルＬＢを対向させ、受電コイルＬＵを他のどの中間コイルに対向させても、図１２のグラフと重なる無線電力伝送効率が得られる。すなわち、この中継ケーブル共振器１の６つの中間コイルから自由に２つの中間コイルを選んで、その２つの中間コイルに給電コイルＬＢと受電コイルＬＵを対向させても、効率良く無線電力を伝送できる効果がある。

【0126】

＜第５の実施形態＞
図１３の平面図に、第５の実施形態の無線電力伝送システムの中継ケーブル共振器１の平面図を示す。図１３では説明の便宜のために給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２の重なりをずらして表示したが、実際の給電線ＬＡ１とＬＡ２とは、重なる領域をずらさずに平行に対向させて重ねる。

【0127】

第５の実施形態は、第４の実施形態と同様の形状の中継ケーブル共振器１を用いる。すなわち、長さｌｅｎの給電線系ＬＡを有し、その給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２を結ぶ中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷを有し、給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２の間に、並列に複数の中間コイルを接続する。

【0128】

第５の実施形態が第４の実施形態と異なる点は、中継ケーブル共振器１の中間コイルのうちの１つを、電源回路ＳＣに接続した給電コイルＬＢにした点である。すなわち、その給電コイルＬＢを給電線系ＬＡの中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷに接続した構成の中継ケーブル共振器１を用いる。そして、給電コイルＬＢに接続するべき給電系コンデンサＣは中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷに含ませる。

【0129】

（実施例５）
以下、実施例５によって、第５の実施形態を説明する。図１３のように、電源回路ＳＣを、給電線系ＬＡの端部に接続した給電コイルＬＢに直列に接続する。その給電コイルＬＢの他の５つの中間コイルを、第２の給電コイルＬＢＳ１、ＬＢＳ２、ＬＢＳ３、ＬＢＳ４、ＬＢＳ５とし、そのうちの何れか１つの中間コイルに負荷回路ＬＤと接続する受電コイルＬＵを対向させて電力を伝送する。

【0130】

実施例４と同じく、中継ケーブル共振器１の中間コイルと、給電コイルＬＢと受電コイルＬＵを同じ形にする。それらのコイルは、幅が５０ｍｍで厚さが０．２ｍｍの銅の帯で形成した一辺が３５０ｍｍの矩形の１巻コイルで形成する。

【0131】

受電コイルＬＵに接続する受電系コンデンサＣＵの容量ＣＵを４．４３ｎＦにし、受電コイル系の共振周波数を３．１ＭＨｚにする。

【0132】

給電線系ＬＡは実施例４と同じ構成にし、帯状の給電線ＬＡ１とＬＡ２を平行に対向させて間隔を２９μｍ開けて給電線系ＬＡを形成するとともに、給電線系ＬＡ自体に、中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷ（中継容量）を持たせる。この中継ケーブル共振器１の共振周波数は給電コイル系及び受電コイル系の共振周波数の３．１ＭＨｚと概ね一致する。

【0133】

図１４に、負荷回路ＬＤと接続する受電コイルＬＵを、中継ケーブル共振器１の給電線系ＬＡの端部の第２の給電コイルＬＢＳ５に対向させた場合の無線電力の伝送効率の周波数特性の電磁界シミュレーション結果を示す。この場合では、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１を８Ωにし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を０．７Ωにして回路を整合させる。すなわち、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１＝８Ωを負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２＝０．７Ωよりも大きく設定する。

【0134】

図１４のシミュレーション結果では、電源回路ＳＣから電力が、中継ケーブル共振器１と受電コイルＬＵを介して負荷回路ＬＤまで、減衰が−０．０８ｄＢのみで効率良く送電される。また、この電力を効率良く伝送できる周波数の帯域の幅は０．２ＭＨｚ程度ある。

【0135】

また、負荷回路ＬＤと接続する受電コイルＬＵを、中継ケーブル共振器１の給電線系ＬＡの中間位置の第２の給電コイルＬＢＳ４に対向させた場合も電磁界シミュレーションで調べた。その結果、その無線電力の伝送効率の周波数特性も図１４と同じになった。

【0136】

更に、受電コイルＬＵを、第２の給電コイルＬＢＳ１に対向させた場合を電磁界シミュレーションで調べた結果、無線電力の伝送効率の周波数特性は、電力を効率良く伝送できる周波数の帯域の幅が若干増えたが、概ね図１４と同じになった。

【0137】

（変形例５）
実施例５の変形例５として、電源回路ＳＣに定電圧電源を用いる場合に、電源回路ＳＣ側から観察した、給電コイル系と受電コイル系を合わせた全体の回路の入力インピーダンスの虚数成分（リアクタンス）を、なるべく広い周波数範囲にわたって０にする条件を電磁界シミュレーションで計算した。

【0138】

その結果、受電系コンデンサＣＵの容量ＣＵを４．５ｎＦにし、負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を１．１Ωにすれば、電源回路ＳＣ側から観察した全体の回路の入力インピーダンスの虚数成分が３．１ＭＨｚから３．５ＭＨｚの周波数の範囲で安定して０になった。

【0139】

そのとき、電源回路ＳＣ側から観察した、全体の回路の入力インピーダンスの実数成分は、８Ωから３Ωの間で変化した。この実数成分の値は一定値では無いが、その周波数の範囲で、電源回路ＳＣが、その実数成分の値の実数の出力インピーダンスｒ１で電力を出力する。そして、電源回路ＳＣが出力した全ての電力が負荷回路ＬＤで有効に消費される良好な無線電力伝送が行えた。

【0140】

（変形例６）
本実施形態の無線電力伝送システムは、細長い給電線系ＬＡが無くても、単に中継ケーブル共振用並列コンデンサＣＷ（中継容量）に並列に複数の中間コイルを接続しただけの中継容量共振器に適用できる。すなわち、中継容量共振器の中継容量に並列に接続する中間コイルの１つを、電源回路ＳＣに接続する給電コイルＬＢにし、中継容量に並列に接続する他の中間コイルを受電コイルＬＵに対向させた中継容量共振器を用いた無線電力伝送システムを構成できる。

【0141】

（変形例７）
また、本実施形態は、以上で説明した、無線電力伝送システム以外にも、以下の構成の無線電力伝送システムにも適用できる。すなわち、中継容量に複数の中間コイルを接続し、その中間コイルの１つを、負荷回路ＬＤに接続する受電コイルＬＵにし、それ以外の中間コイルを給電コイルＬＢに対向させた中継容量共振器を用いた無線電力伝送システムにも適用できる。

【0142】

＜第６の実施形態＞
図１５の平面図に、第６の実施形態の無線電力伝送システムの平面図を示す。第６の実施形態は、第１の実施形態の図２（ｃ）の電源回路ＳＣに直結した給電線系ＬＡに、並列に複数の給電コイル系を接続して構成する。その給電コイル系の給電コイルに、負荷回路ＬＤに接続された受電コイルＬＵを対向させて無線電力を伝送する。

【0143】

図１５では説明の便宜のために給電線系ＬＡの給電線ＬＡ１とＬＡ２の重なりをずらして表示したが、実際の給電線ＬＡ１とＬＡ２とは、重なる領域をずらさずに平行に対向させて重ねる。その対向する間隔は少なくとも給電線ＬＡ１、ＬＡ２の帯の幅の３分の１以下の狭い間隔で対向させて、給電線ＬＡ１とＬＡ２の間の容量を増した給電線系ＬＡを形成する。

【0144】

給電線系ＬＡに並列に接続する複数の給電コイル系は、図１５のように、給電線ＬＡ１と給電線ＬＡ２の間に、２個以上の第２の給電コイルＬＢ１、ＬＢ２、その他コイルを並列に接続する。そして、各第２の給電コイルＬＢ１、ＬＢ２、その他コイルに直列に給電系コンデンサＣ１、Ｃ２、その他コンデンサを接続して各々の給電コイル系を構成する。

【0145】

（実施例６）
以下、実施例６によって、第６の実施形態を説明する。図１５のように、電源回路ＳＣを、給電線系ＬＡの端部に接続する。そして、給電線系ＬＡに接続した５つの第２の給電コイルＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３、ＬＢ４、ＬＢ５の何れか１つに負荷回路ＬＤと接続する受電コイルＬＵを対向させて電力を伝送する。

【0146】

第６の実施形態は、第１の実施形態と同様に、給電線ＬＡ１とＬＡ２を接近させ、かつ、式５と式６の条件を満足させた回路を構成する。すなわち、式５の条件を満足させて給電線系ＬＡのインダクタンスを第２の給電コイルＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３、ＬＢ４、ＬＢ５のインダクタンスよりも小さくする。また、式６の条件を満足させて、給電線系ＬＡの容量を給電系コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５の容量よりも小さくする。

【0147】

そのため、実施例６では、給電線系ＬＡは、実施例１と同様に、幅が５０ｍｍの帯状の給電線ＬＡ１とＬＡ２を平行に対向させて間隔を１ｍｍ開けて給電線系ＬＡを形成する。

【0148】

第２の給電コイルＬＢ１からＬＢ５を受電コイルＬＵと同じ形にする。それらのコイルは、幅が５０ｍｍで厚さが０．２ｍｍの銅の帯で形成した一辺が３５０ｍｍの矩形の１巻コイルで形成する。

【0149】

実施例１と同様に、受電コイルＬＵに接続する受電系コンデンサＣＵの容量ＣＵを４ｎＦにし、受電コイル系の共振周波数を３．２６ＭＨｚにする。

【0150】

また、第２の給電コイルＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３、ＬＢ４、ＬＢ５それぞれに直列に４ｎＦの容量の給電系コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５を接続する。

【0151】

そして、電源回路ＳＣの出力インピーダンスｒ１と負荷回路ＬＤの入力インピーダンスｒ２を、回路を整合させる値に設定し、電源回路ＳＣに直結した給電線系ＬＡに接続する給電コイル系から無線電力を受電コイルＬＵまで効率良く送電して、その電力を負荷回路ＬＤで消費させる。

【0152】

（変形例８）
また、本実施形態は、以上で説明した、電源回路ＳＣを直接に給電線系ＬＡに接続し、給電線系ＬＡに複数の給電コイル系を接続した無線電力伝送システム以外にも適用できる。すなわち、負荷回路ＬＤを直接に給電線系ＬＡに接続し、給電線系ＬＡに複数の受電コイル系を接続し、その受電コイル系を、電源回路ＳＣに接続する給電コイルＬＢと電磁結合させて無線電力を伝送する無線電力伝送システムにも適用できる。

【産業上の利用可能性】

【0153】

本発明は、生体への非侵襲なシステム構成で、生体内に埋め込んだ電子装置にエネルギーを供給する用途に適用できる。また、ディスプレイ装置等に家屋の壁を隔てて誘導エネルギーを供給する用途に適用できる。また、車両などに電力供給設備から非接触で電力を供給する用途に適用できる。また、半導体集積回路内で集積回路の配線層間で非接触で電力あるいは電気信号を伝送する用途に適用できる。

【符号の説明】

【0154】

１・・・中継ケーブル共振器
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５・・・給電系コンデンサ
ＣＴ・・・中継ケーブル共振用コンデンサ
ＣＵ・・・受電系コンデンサ
ＣＷ・・・中継ケーブル共振用並列コンデンサ
ｆ・・・周波数
ｈ・・・コイル間隔
ＬＡ・・・給電線系
ＬＡ１、ＬＡ２・・・給電線
ＬＢ・・・給電コイル
ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３、ＬＢ４、ＬＢ５・・・第２の給電コイル
ＬＢＳ、ＬＢＳ１、ＬＢＳ２、ＬＢＳ３、ＬＢＳ４、ＬＢＳ５・・・第２の給電コイル
ＬＤ・・・負荷回路
ＬＵ・・・受電コイル
ＬＵＳ・・・第２の受電コイル
ｒ１・・・電源回路の出力インピーダンス
ｒ２・・・負荷回路の入力インピーダンス
ＳＣ・・・電源回路

【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】