特許 7515807 給電構造、及び給電構造の設計方法

(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】

(24)【登録日】2024-07-05

(45)【発行日】2024-07-16

(54)【発明の名称】給電構造、及び給電構造の設計方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/10 20160101AFI20240708BHJP

   H02J 50/12 20160101ALI20240708BHJP

   H02J 50/40 20160101ALI20240708BHJP

【ＦＩ】

H02J50/10

H02J50/12

H02J50/40

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020139577

(22)【出願日】2020-08-20

(65)【公開番号】P2022035336

(43)【公開日】2022-03-04

【審査請求日】2022-12-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100122781

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 寛

(74)【代理人】

【識別番号】100182006

【弁理士】

【氏名又は名称】湯本 譲司

(72)【発明者】

【氏名】丹羽 直幹

(72)【発明者】

【氏名】緑川 浩史

(72)【発明者】

【氏名】松岡 信仁

(72)【発明者】

【氏名】宇治川 智

(72)【発明者】

【氏名】小谷 宏己

(72)【発明者】

【氏名】川原 圭博

(72)【発明者】

【氏名】成末 義哲

(72)【発明者】

【氏名】笹谷 拓也

【審査官】高野 誠治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－０２３３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０３９２２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１５０６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／０７９７６８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ５０／００ －５０／９０

Ｈ０２Ｊ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

送受電部を用いた無線給電を行う給電構造であって、
前記給電構造は、密閉空間を画成する壁、天井及び床を備えており、
前記給電構造は、前記天井を介して外部から前記密閉空間に給電を行う天井給電部と、前記壁を介して外部から前記密閉空間に給電を行う壁給電部と、床を介して外部から前記密閉空間に給電を行う床給電部と、の少なくともいずれか１つを備え、
前記天井は、天井材と、前記天井材が固定される第１下地材とを備え、
前記第１下地材は、第１方向に延びる複数の野縁受けと、前記第１方向に交差する第２方向に延びる複数の野縁とを含んでおり、
前記送受電部は、前記天井材の一方側及び他方側のそれぞれに固定される一対の第１コイルを含んでおり、
前記第１コイルのコイルサイズは、前記第１方向に沿って並ぶ一対の前記野縁の間隔よりも小さく、
前記壁給電部は、第１壁材と、第２壁材と、前記第１壁材及び前記第２壁材の間に設けられる第２下地材とを備え、
前記壁給電部は、前記送受電部として一対の第２コイルを備え、
一対の前記第２コイルのうちの一方は前記第１壁材の内面に固定されており、一対の前記第２コイルのうちの他方は前記第２壁材の前記第２下地材とは反対側の面に固定されている、
給電構造。

【請求項2】

前記第１下地材及び前記第２下地材は金属製であり、
前記第１下地材から前記送受電部までの距離が２５ｍｍ以上であり、
前記第２下地材から前記送受電部までの距離が２５ｍｍ以上である、
請求項１に記載の給電構造。

【請求項3】

前記送受電部は、プリント基板コイルである、
請求項１又は２に記載の給電構造。

【請求項4】

密閉空間を画成する仕切り材に設けられる送受電部を用いた給電構造の設計方法であって、
前記送受電部を介して前記密閉空間の外部から前記密閉空間の内部に供給する電力の効率に基づいて前記送受電部の配置を設計する工程を備え、
前記給電構造は、前記密閉空間を画成する壁、天井及び床を備えており、
前記給電構造は、前記天井を介して外部から前記密閉空間に給電を行う天井給電部と、前記壁を介して外部から前記密閉空間に給電を行う壁給電部と、床を介して外部から前記密閉空間に給電を行う床給電部と、の少なくともいずれか１つを備え、
前記天井は、天井材と、前記天井材が固定される第１下地材とを備え、
前記第１下地材は、第１方向に延びる複数の野縁受けと、前記第１方向に交差する第２方向に延びる複数の野縁とを含んでおり、
前記送受電部は、前記天井材の一方側及び他方側のそれぞれに固定される一対の第１コイルを含んでおり、
前記第１コイルのコイルサイズは、前記第１方向に沿って並ぶ一対の前記野縁の間隔よりも小さく、
前記壁給電部は、第１壁材と、第２壁材と、前記第１壁材及び前記第２壁材の間に設けられる第２下地材とを備え、
前記壁給電部は、前記送受電部として一対の第２コイルを備え、
一対の前記第２コイルのうちの一方は前記第１壁材の内面に固定されており、一対の前記第２コイルのうちの他方は前記第２壁材の前記第２下地材とは反対側の面に固定されている、
給電構造の設計方法。

【請求項5】

前記効率に基づくＱ値が５０以上である、
請求項４に記載の給電構造の設計方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、給電構造、及び給電構造の設計方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０１０－６３３２４号公報には、無線誘電手段を介して空間を超えて給電を行う誘導電力伝送回路が記載されている。誘導電力伝送回路は銅の配線が巻かれて形成されたコイル状の送信アンテナ及び受信アンテナを備えており、コイル状の送信アンテナとコイル状の受信アンテナとは互いに対向するように配置される。上記の公報には、送信アンテナと受信アンテナとのアンテナ間隔と、送信アンテナ及び受信アンテナのそれぞれのコイル径との関係において、アンテナ間隔が約１０μｍである場合には電力伝送効率が約８０％であり、アンテナ間隔が約２０μｍである場合には電力伝送効率が約６０％であると記載されている。また、上記の公報には、当該アンテナ間隔が数倍大きい場合には、当該コイル径を数倍大きくすることで、効率よく電力を伝送すると記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－６３３２４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、密閉空間を画成する仕切り材を備えた箇所における給電構造では、仕切り材を含む建築条件等を考慮してコイル等の送受電部の配置を行わなければならないことがある。建築条件を十分に考慮できていない場合、密閉空間の内部への電力の伝送効率が低下する懸念がある。しかしながら、前述した誘導電力伝送回路では、仕切り材を含む建築条件等が考慮されていない。従って、仕切り材を含む構造物及び建物に適用でき、且つ伝送効率を低下させないことが求められる。

【0005】

本開示は、高い伝送効率を維持すると共に構造物及び建物に適用することができる給電構造、及び給電構造の設計方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る給電構造は、送受電部を用いた無線給電を行う給電構造であって、密閉空間を画成する仕切り材と、仕切り材が固定される下地材と、を備え、一対の送受電部が、仕切り材の密閉空間側、及び仕切り材の密閉空間の反対側のそれぞれに設けられている。

【0007】

この給電構造では、仕切り材が密閉空間を画成し、仕切り材の密閉空間側、及び仕切り材の密閉空間との反対側のそれぞれに一対の送受電部が設けられている。従って、一対の送受電部及び仕切り材を介して密閉空間の外部から密閉空間の内部に給電を行うので、密閉空間の密閉性を維持することができると共に、仕切り材の仕様等に基づいて送受電部の配置を設計することができる。よって、仕切り材を含む建築条件等を考慮して送受電部の配置を行うことができるので、伝送効率の低下を回避して高い伝送効率を維持することができる。更に、下地材によって固定された仕切り材の両側のそれぞれに一対の送受電部が設けられるので、下地材を考慮した送受電部の配置設計を行うことができる。従って、高い伝送効率を維持すると共に種々の構造物及び建物に適用することができる。

【0008】

前述した下地材は金属製であり、下地材から送受電部までの距離が２５ｍｍ以上であってもよい。この場合、下地材から送受電部までの離隔距離を確保することができるので、金属製の下地材の影響を受けて伝送効率が低下する事態を確実に回避することができる。

【0009】

前述した送受電部は、プリント基板コイルであってもよい。この場合、仕切り材と下地材とを備えた無線給電用の給電構造において、送受電部をコンパクトにできる。その結果、送受電部の設置を容易に行うことができると共に、送受電部の収まりを良好にすることができる。

【0010】

本開示に係る給電構造の設計方法は、密閉空間を画成する仕切り材に設けられる送受電部を用いた給電構造の設計方法であって、送受電部を介して密閉空間の外部から密閉空間の内部に供給する電力の効率に基づいて送受電部の配置を設計する工程を備える。

【0011】

この給電構造の設計方法では、密閉空間の外部から密閉空間の内部に供給される電力の効率に基づいて仕切り材に設けられる送受電部の配置を設計する。従って、仕切り材の仕様等に基づいて送受電部の配置を設計することができる。その結果、仕切り材を含む建築条件等を考慮して送受電部の配置を行うことができるので、伝送効率の低下を回避して高い伝送効率を維持することができる。また、電力の効率に基づいて仕切り材に設けられる送受電部の配置を設計するので、効率の値を考慮した送受電部の配置が可能となる。従って、高い伝送効率を維持すると共に構造物及び建物に適用することができる。

【0012】

前述した効率に基づくＱ値が５０以上であってもよい。送受電部の伝送効率である所望の効率からＱ値を逆算すると、そのときのＱ値は５０以上となる。よって、Ｑ値が５０以上であることにより、伝送効率を確実に所望の値以上とすることができる。

【発明の効果】

【0013】

本開示によれば、高い伝送効率を維持すると共に構造物及び建物に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態に係る密閉空間の例を模式的に示す図である。

【図2】図１の密閉空間の天井に設けられた給電構造の例を示す平面図である。

【図3】図２の給電構造の縦断面図である。

【図4】図３の給電構造の例示的なコイルを示す図である。

【図5】図１の密閉空間の壁に設けられた給電構造の例を示す側断面図である。

【図6】（ａ）は、コイル間隔が５０ｍｍである場合におけるコイルサイズと効率との関係を示すグラフである。（ｂ）は、コイル間隔が２０ｍｍである場合におけるコイルサイズと効率との関係を示すグラフである。

【図7】実施形態に係る給電構造の天井給電部における設計方法の各工程の例を示すフローチャートである。

【図8】図４のコイルの大きさ及び間隔を模式的に示す図である。

【図9】図４のコイルにおける各種計算の前提となる等価回路を示す図である。

【図10】図４のコイルのパターンを模式的に示す図である。

【図11】図６（ａ）及び図６（ｂ）のそれぞれのグラフを考慮して定められたコイルサイズ及びコイル間隔の範囲の例を示すグラフである。

【図12】（ａ）は、コイルサイズが１５０ｍｍである場合におけるコイル間隔と効率との関係を示すグラフである。（ｂ）は、コイルサイズが２００ｍｍである場合におけるコイル間隔と効率との関係を示すグラフである。

【図13】実施形態に係る給電構造の壁給電部における設計方法の各工程の例を示すフローチャートである。

【図14】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）のそれぞれのグラフを考慮して定められたコイルサイズ及びコイル間隔の範囲の例を示すグラフである。

【図15】変形例に係る給電構造の構成の例を示す図である。

【図16】図１５の給電構造の金属平板を示す平面図である。

【図17】図１５の給電構造における各種計算の前提となる等価回路を示す図である。

【図18】（ａ）は、図１５の給電構造における金属平板の離隔距離と効率との関係を示すグラフである。（ｂ）は、図１５の給電構造における金属平板の面積と効率との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下では、図面を参照しながら本開示に係る給電構造、及び給電構造の設計方法の実施形態について説明する。図面の説明において、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、図面は、理解の容易のため、一部を簡略化又は誇張して描いている場合があり、寸法比率等は図面に記載のものに限定されない。

【0016】

本開示において、「送受電部」は、電力を送信又は受信する部位を示しており、例えば、一対の送受電部のうち一方が電力を送信し他方が当該電力を受信する金属製のコイル、板状部材、送信アンテナ及び受信アンテナ等を含んでいる。「無線給電」は、ワイヤレス給電方式によって所定の箇所に給電を行うことを示しており、磁界結合方式、電界結合方式及び電波受信方式を含んでいる。磁界結合方式は、例えば、電磁誘導方式、及び磁界共鳴方式（磁気共鳴方式）を含んでいる。本実施形態では、無線給電において磁界結合方式を用いる例について説明する。「給電構造」とは、給電される構造体等の全部又は一部の構造を示しており、例えば、給電される建物を示している。「仕切り材」は、所定の空間を仕切る部材を示しており、例えば、密閉空間と密閉空間以外の空間とを仕切る部材（一例として、天井、壁及び床）を含んでいる。本実施形態では、「仕切り材」が天井材又は壁材である例について説明する。

【0017】

図１は、本実施形態に係る給電構造１の一例を示している。図１に示されるように、給電構造１は密閉空間２を備えており、例えば、密閉空間２はクリーンルームである。給電構造１は、密閉空間２を画成する壁３、天井４及び床５を備えており、例えば、壁３、天井４及び床５のいずれにも電線を通すための孔は空いていない。従って、外部から密閉空間２への粉塵及び害虫等の侵入を抑制することができる。

【0018】

給電構造１は、例えば、密閉空間２において天井４に固定された第１機器６と、密閉空間２において床５に配置された可動式の第２機器７と、壁３の密閉空間２側に固定された第３機器８と、天井４に固定された第４機器９とを備える。第１機器６、第２機器７、第３機器８及び第４機器９は、密閉空間２の外部から給電されて作動する機器である。

【0019】

但し、第１機器６、第２機器７、第３機器８及び第４機器９は一例である。よって、密閉空間２には、第１機器６、第２機器７、第３機器８及び第４機器９の少なくともいずれかのみが配置されていてもよいし、第１機器６、第２機器７、第３機器８及び第４機器９以外の機器が配置されていてもよい。

【0020】

給電構造１は、例えば、天井４を介して外部から密閉空間２に給電を行う天井給電部１０と、壁３を介して外部から密閉空間２に給電を行う壁給電部２０Ａ，２０Ｂと、床５を介して外部から密閉空間２に給電を行う床給電部３０とを備える。但し、給電構造１は、天井給電部１０、壁給電部２０Ａ，２０Ｂ及び床給電部３０のいずれかのみを備えていてもよい。例えば、床給電部３０は、壁給電部２０Ｂと同様の構成を備えている。

【0021】

図２は、天井４の例を示す平面図である。図２に示されるように、天井４は、天井材１１（仕切り材）と、天井材１１が固定される下地材１２とを備える。一例として、下地材１２は棒状部材が格子状に配置された軽鉄下地である。例えば、天井材１１は金属を有しない。下地材１２は、例えば、第１方向Ｄ１に延びる複数の野縁受け１３と、第１方向Ｄ１に交差（一例として直交）する第２方向Ｄ２に延びる複数の野縁１４とを含んでいる。

【0022】

天井給電部１０は、例えば、第４機器９と、天井材１１に固定される送受電部としてのコイル１５ｂ，１５ｃ及び制御装置１６とを備える。第４機器９は、例えば、照明装置（一例として蛍光灯）である。例えば、第４機器９は野縁１４に沿って延びており、第４機器９の一部は野縁受け１３の下方に設けられている。野縁受け１３は、複数の野縁１４に載せられた状態で複数の野縁１４を跨ぐように延びている。制御装置１６は、第４機器９の長手方向の一端に設けられており、第４機器９とコイル１５ｂ，１５ｃとの間に介在している。制御装置１６は、コイル１５ｂから電力を受けて当該電力を第４機器９に供給すると共に第４機器９を制御する。

【0023】

図３は、天井給電部１０の例示的な構成を示す縦断面図である。図３に示されるように、下地材１２には、天井材１１の外面１１ｂが固定されており、例えば、下地材１２は天井材１１を補強する。例えば、天井材１１は、第１板材１７と、第１板材１７とは異なる第２板材１８とを含んでおり、第１板材１７が下地材１２（一例として野縁１４）に固定されている。第１板材１７は密閉空間２の外側に向けられており、第２板材１８は密閉空間２側に向けられている。第１板材１７の厚さＴ１は、例えば、第２板材１８の厚さＴ２よりも厚い。

【0024】

一例として、第１板材１７は石膏ボードであり、第２板材１８は化粧ケイカル板である。例えば、第１板材１７の厚さＴ１は１０ｍｍ以上且つ１５ｍｍ以下であり、第２板材１８の厚さＴ２は３ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下である。一例として、第１板材１７の厚さＴ１は１２．５ｍｍであり、第２板材１８の厚さＴ２は６ｍｍであってもよい。

【0025】

コイル１５ｂは、例えば、一対の野縁１４の間に設けられている。コイル１５ｂは天井材１１の外面１１ｂに固定されており、コイル１５ｃは天井材１１の内面１１ｃに固定されている。一対のコイル１５ｂ，１５ｃは、天井材１１の一方側及び他方側のそれぞれに固定されており、例えば、平面視におけるコイル１５ｂ，１５ｃの位置は互いに一致している。この場合、コイル１５ｂはコイル１５ｃに鉛直方向に沿って対向している。

【0026】

コイル１５ｂ，１５ｃは、例えば、磁界結合方式によって外部から密閉空間２の内部に電力供給を行う。この場合、コイル１５ｂは送電側コイルであり、コイル１５ｃは受信側コイルである。コイル１５ｂ，１５ｃの平面形状は、例えば、矩形状とされており、一例として矩形枠状とされている。コイル１５ｂの平面形状が矩形状であることにより、コイル１５ｂのコイルサイズを大きく確保しつつ、コイル１５ｂから金属製の下地材１２までの距離（例えば後述するへりあきＡ１，Ａ２）を確保することができる。

【0027】

コイル１５ｂ，１５ｃのコイルサイズＣ１は、例えば、第１方向Ｄ１に沿って並ぶ一対の下地材１２（野縁１４）の間隔Ｌ１よりも小さい。本開示において、「コイルサイズ」は、コイルの大きさを示しており、例えば、コイル幅、及びコイルの一辺の長さ、を含んでいる。

【0028】

具体例として、一対の下地材１２の間隔Ｌ１の値は３００ｍｍであり、コイル１５ｂ，１５ｃのコイルサイズＣ１は５０ｍｍ以上且つ２００ｍｍ以下である。コイルサイズＣ１が２００ｍｍ以下であることにより、コイル１５ｂと下地材１２のへりあきＡ１，Ａ２のそれぞれを２５ｍｍ以上（例えば２５ｍｍ以上且つ１００ｍｍ以下）とすることが可能となり、金属製の下地材１２からのコイル１５ｂ，１５ｃへの影響を抑えることが可能となる。

【0029】

具体的には、下記の論文に、下地材１２の間隔が３００ｍｍである場合、コイルサイズＣ１が２５０ｍｍを超える（へりあきＡ１，Ａ２が２５ｍｍ未満になる）と、金属製の下地材１２の影響を受けてコイル１５ｂ，１５ｃによる電力の伝送効率が急激に低下すると記載されている。
論文：Z. Li, T. Sasatani, Y. Nishizawa, Y. Kawahara, “Coil Design forWireless Power Transfer through Walls with Metallic Lattice,” IEICE SocietyConference 2018, B-21-9, Sept. 2018
なお、上記の論文では、金属平板を用いた場合の解析結果が記載されているが、本実施形態では、金属平板ではなく矩形枠状のコイル１５ｂ，１５ｃを採用するため、金属平板よりも下地材１２からの影響を受けにくいという利点がある。本実施形態では、コイルサイズＣ１を２００ｍｍ以下として、コイル１５ｂと下地材１２のへりあきＡ１，Ａ２のそれぞれを２５ｍｍ以上（例えば２５ｍｍ以上且つ１００ｍｍ以下）とすることにより、金属製の下地材１２からコイル１５ｂ，１５ｃへの干渉を回避している。

【0030】

一例として、コイル１５ｂが一対の下地材１２の中間に配置される場合、コイル１５ｂと下地材１２のへりあきＡ１，Ａ２のそれぞれは５０ｍｍである。例えば、平面視において、コイル１５ｂ，１５ｃの位置は第４機器９に収まっている。一例として、第４機器９の第１方向Ｄ１の長さＬ２（幅）が２５０ｍｍであり、コイル１５ｂ，１５ｃの第１方向Ｄ１の長さ（コイルサイズＣ１）が２００ｍｍであってもよい。

【0031】

例えば、コイル１５ｂとコイル１５ｃのコイル間隔は、２０ｍｍ以上且つ５０ｍｍ以下であってもよい。本開示において、「コイル間隔」は、一対のコイルの間の距離を示しており、例えば、コイル間距離を含んでいる。「コイル間距離」としては、一方のコイルの芯から他方のコイルの芯までの芯々間距離が用いられてもよいし、一方のコイルの表面から他方のコイルの表面までの表面間距離が用いられてもよい。コイル１５ｂとコイル１５ｃのコイル間隔が２０ｍｍ以上であることにより、天井材１１の厚さを考慮したコイル１５ｂ，１５ｃの配置が可能となる。

【0032】

図４は、例示的なコイル１５ｂを示している。なお、コイル１５ｃの構成は、コイル１５ｂの構成と同様とすることが可能であるため、以下ではコイル１５ｃの詳細な説明を省略する。図４に示されるように、例示的なコイル１５ｂはプリント基板コイルである。コイル１５ｂは、例えば、プリント基板（ＰＣＢ）１５ｄと、コイル１５ｂのパターンを形成する銅箔１５ｆと、複数のビア１５ｇと、一対の端子１５ｈとを備える。一対の端子１５ｈのそれぞれには、例えば、厚さが２ｍｍ以上且つ３ｍｍ以下の同軸コネクタ１５ｋが接続されている。

【0033】

例えば、プリント基板１５ｄは、四角形状（一例として長方形状又は正方形状）を呈する。銅箔１５ｆは、プリント基板１５ｄの外縁１５ｊに沿うように配置されており、例えば、外縁１５ｊからプリント基板１５ｄの中央側に向かって複数（一例として６個）の四角形状の銅箔１５ｆが並ぶように配置されている。一例として、コイル１５ｂは６周分の巻線を有する。この場合、コイル１５ｂの巻数は６である。複数の四角形状の銅箔１５ｆのそれぞれは、例えば、矩形枠状を呈する。複数の銅箔１５ｆは、例えば、同心角状に配置されている。

【0034】

前述したように、コイル１５ｂは複数のビア１５ｇを有し、複数のビア１５ｇの一部は銅箔１５ｆの四隅のそれぞれに配置されている。例えば、銅箔１５ｆの一の隅部に位置するビア１５ｇから他の隅部に位置するビア１５ｇまでの距離Ｘ１は、１２０ｍｍ以上且つ１７０ｍｍ以下であり、一例として１４６ｍｍである。銅箔１５ｆの幅Ｘ２は、例えば、２ｍｍ以上且つ６ｍｍ以下であり、一例として４ｍｍである。２つの銅箔１５ｆの間隔Ｘ３は、例えば、０．５ｍｍ以上且つ２ｍｍ以下であり、一例として１ｍｍである。例えば、銅箔１５ｆの厚さは、１０μｍ以上且つ１０５μｍ以下である。銅箔１５ｆの厚さの下限は、１８μｍ、２５μｍ又は３５μｍであってもよい。銅箔１５ｆの厚さの上限は７０μｍ又は５０μｍであってもよい。一例として、銅箔１５ｆの厚さは、１８μｍである。コイル１５ｂの厚さは、例えば、２ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下である。但し、コイル１５ｂの厚さは、１０ｍｍ以上であってもよい。また、コイル１５ｂの厚さは、野縁１４の高さと野縁受け１３の高さとの合計以下であってもよい。この場合、コイル１５ｂが他の設備と干渉する可能性を低減させることができる。また、平面視における第４機器９（照明機器）の内側にコイル１５ｂを設置することが可能となる。

【0035】

次に、壁給電部２０Ａ，２０Ｂの例について説明する。例えば、壁給電部２０Ｂの構成は、前述した天井給電部１０の構成と同様である。図５は、壁給電部２０Ａの例示的な構成を示す側断面図である。図５に示されるように、壁給電部２０Ａは、壁材２１，２２（仕切り材）と、壁材２１，２２の間に設けられる下地材２３とを備える。壁材２１，２２及び下地材２３は、密閉空間２と、部屋Ｈの空間とを画成する壁を構成していてもよい。部屋Ｈは、密閉空間２と同様、クリーンルームであってもよいし、クリーンルームとは異なる部屋であってもよい。一例として、下地材２３は棒状部材が鉛直方向に沿って並ぶ軽鉄下地である。例えば、壁材２１，２２は金属を有しない。

【0036】

壁給電部２０Ａは、例えば、第３機器８と、壁材２１に固定される送受電部としてのコイル２５ｂ，２５ｃとを備える。例えば、下地材２３には壁材２１及び壁材２２が固定されており、下地材２３は壁材２１、２２の補強のために設けられる。壁材２２から見て密閉空間２の反対側には、前述したように、密閉空間２とは別の部屋Ｈが設けられていてもよい。

【0037】

壁材２１は、第３板材２６と、第３板材２６とは異なる第４板材２７とを含んでおり、第４板材２７が下地材２３に固定されている。下地材２３に壁材２１の外面２１ｄが固定されている。第３板材２６は密閉空間２側に向けられており、第４板材２７は密閉空間２の反対側に向けられている。第３板材２６の厚さＴ３は、例えば、第４板材２７の厚さＴ４よりも薄い。なお、第３板材２６は省略されてもよい。

【0038】

例えば、第３板材２６は化粧ケイカル板であり、第４板材２７は石膏ボードである。一例として、第３板材２６の厚さＴ３は５ｍｍ以上且つ１５ｍｍ以下であり、第４板材２７の厚さＴ４は９ｍｍ以上且つ１５ｍｍ以下である。例えば、第３板材２６の厚さＴ３は９．５ｍｍであり、第４板材２７の厚さＴ４は９．５ｍｍ以上且つ１５ｍｍ以下であってもよい。

【0039】

コイル２５ｂは、壁材２１の内面２１ｃに固定されており、コイル２５ｃは壁材２２の下地材２３との反対側の面に固定されている。一対のコイル２５ｂ，２５ｃは壁材２１，２２の一方側及び他方側のそれぞれに固定されている。例えば、側面視（第１方向Ｄ１に沿った見た場合）におけるコイル２５ｂ，２５ｃの位置は互いに一致している。この場合、コイル２５ｂはコイル２５ｃに第１方向Ｄ１に沿って対向している。

【0040】

例えば、コイル２５ｂ，２５ｃは、磁界結合方式によって外部から密閉空間２の内部に電力供給を行う。この場合、コイル２５ｃは送信側コイルであり、コイル２５ｂは受信側コイルである。コイル２５ｂ，２５ｃの側面形状は、例えば、矩形状とされており、一例として矩形枠状とされている。コイル２５ｂ，２５ｃのそれぞれの構成は、前述したコイル１５ｂ，１５ｃの構成と同様であってもよい。

【0041】

コイル２５ｂ，２５ｃのコイルサイズＣ３は、例えば、鉛直方向に沿って並ぶ一対の下地材２３の間隔Ｌ３よりも小さい。間隔Ｌ３に対するコイルサイズＣ３の割合の下限は、例えば、３５％又は４０％であり、間隔Ｌ３に対するコイルサイズＣ３の割合の上限は、８５％又は７５％である。具体例として、一対の下地材２３の間隔Ｌ３の値は３００ｍｍであり、コイル２５ｂ，２５ｃのコイルサイズＣ３は１５０ｍｍ以上且つ２００ｍｍ以下である。

【0042】

コイルサイズＣ３が２００ｍｍ以下であることにより、コイル２５ｃと下地材２３のへりあきＡ３，Ａ４（側面視におけるコイル２５ｃと一方の下地材２３との距離、及び、側面視におけるコイル２５ｃと他方の下地材２３との距離）のそれぞれを２５ｍｍ以上（例えば２５ｍｍ以上且つ１００ｍｍ以下）とすることが可能となる。よって、前述したコイル１５ｂ，１５ｃの場合と同様、金属製の下地材２３からのコイル２５ｂ，２５ｃへの影響を抑えることが可能となる。一例として、コイル２５ｃと下地材２３のへりあきＡ３，Ａ４のそれぞれは５０ｍｍである。例えば、側面視において、コイル２５ｂ，２５ｃの位置は第３機器８の位置に収まっている。

【0043】

例えば、コイル２５ｂとコイル２５ｃのコイル間隔は、７０ｍｍ以上且つ２００ｍｍ以下であってもよい。コイル２５ｂとコイル２５ｃのコイル間隔が７０ｍｍ以上であることにより、壁材（壁材２１，２２）の厚さを考慮したコイル２５ｂ，２５ｃの配置が可能となる。

【0044】

次に、本実施形態に係る給電構造の設計方法の例について図６（ａ）、図６（ｂ）及び図７を参照しながら説明する。図６（ａ）はコイル間隔を５０ｍｍとした場合におけるコイルサイズと効率との関係を示す例示的なグラフであり、図６（ｂ）はコイル間隔を２０ｍｍとした場合におけるコイルサイズと効率との関係を示す例示的なグラフである。図７は、天井越しの無線給電を行う場合、すなわち、天井給電部１０の場合におけるコイル１５ｂ，１５ｃのコイルサイズＣ１及びコイル間隔を算出するまでの各工程の一例を示すフローチャートである。

【0045】

まず、金属製の下地材１２からの影響を抑えるためコイルサイズの上限を定めると共に目的とする効率を設定する（金属製の下地材からの干渉を回避するために下地材からの離隔を確保する工程、ステップＳ１）。ステップＳ１では、例えば、コイルサイズを２００ｍｍ以下にすると共に効率を７０％以上に設定する。

【0046】

次に、コイルサイズの範囲を設定する（機器に収めるためにコイルサイズの範囲を設定する工程、ステップＳ２）。例えば、ステップＳ２は、クリーンルームである密閉空間２に配置される機器の収納の制約に基づいてコイルサイズの範囲を設定する工程に相当する。一例として、第４機器９（例えば照明機器）に収まるコイル１５ｂ，１５ｃのコイルサイズＣ１について検討すると、コイル１５ｂ，１５ｃのコイルサイズＣ１が２３０ｍｍ以下であれば、第４機器９に収まる。しかしながら、ステップＳ１においてコイルサイズＣ１の上限が２００ｍｍとされているため、ステップＳ２では、コイルサイズＣ１の範囲を２００ｍｍ以下に設定する。

【0047】

次に、コイル１５ｂ，１５ｃのコイル間隔の設定を行う（仕切り材の厚さに基づいてコイル間隔を設定する工程、ステップＳ３）。ステップＳ３では、例えば、天井材の厚さと第４機器９の仕様を考慮してコイル１５ｂ，１５ｃのコイル間隔を２０ｍｍ以上且つ５０ｍｍ以下に設定する。具体例として、第１板材１７の厚さＴ１と第２板材１８の厚さＴ２との和からコイル間隔の最低値を２０ｍｍとし、コイル１５ｂ，１５ｃのプリント基板１５ｄの端子１５ｈの仕様からコイル間隔の最大値を５０ｍｍとする。

【0048】

続いて、求める効率との関係からコイルサイズＣ１の設定を行う（ステップＳ４）。ステップＳ４は、例えば、Ｑ値を算出する工程に相当する。具体例として、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示される効率とコイルサイズとの関係から上記の設定を行う。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、Ｑ値が５０である場合におけるコイルサイズと効率との関係を示すグラフである。Ｑ値は振動の状態を示す無次元の指標値であり、Ｑ値が大きいときに振動が安定しており、Ｑ値が小さいときに振動が安定していないことを示している。

【0049】

以下では、Ｑ値と効率との関係の例について説明する。図８は、配置される一対のコイルＣのコイルサイズａ、コイルサイズｂ及びコイル間隔ｄを模式的に示す図である。図９は、各種計算の前提となる等価回路を示す図である。図１０は、コイルＣのパターン（銅箔）を模式的に示す図である。

【0050】

図８及び図９に示されるように、コイルサイズａ及びコイルサイズｂは、矩形状のコイルＣの一辺の長さを示しており、一対のコイルＣが並ぶことによって相互インダクタンスが生じる。計算によって得られる計算相互インダクタンスＭは以下の式（１）によって算出される。

【0051】

【数1】

一例として、コイルサイズａ及びコイルサイズｂの値を１４６ｍｍ、コイル間隔ｄの値を５０ｍｍとすると、計算相互インダクタンスＭは２．６６４μＨとなる。

【0052】

続いて、図４に示されるコイルのモデルにおいて、設定周波数ｆ_ｃを６．７８ＭＨｚ、計算キャパシタンスＣを７７ｐＦとすると、式（２）によって推定自己インダクタンスＬが算出される。

【数2】

【0053】

計算相互インダクタンスＭと推定自己インダクタンスＬから、式（３）によって結合係数ｋが求められる。

【数3】

【0054】

また、図１０に示されるように、パターン（銅箔）の厚さｔを１８μｍ、パターンの幅ｗを４ｍｍ、パターンの全体の長さＬ（６周分の長さ）を３．５ｍとすると、以下の式（４）から、推定パターン抵抗Ｒが求められる。

【数4】

【0055】

以下の式（５）及び式（６）から推定Ｑ値が求められる。

【数5】

【数6】

【0056】

また、前述した結合係数ｋと推定Ｑ値から後述の式（７）及び式（８）によって最大伝送効率η_maxが求められる。

【数7】

【数8】

【0057】

以上の式（６）～式（８）により、推定Ｑ値が３７１であるときに最大伝送効率η_maxが９８．６％と算出される。これに対し、実際のコイルの伝送効率である電力の実測効率ηを９０％として、前述した各式を用いてＱ値を逆算すると、そのときのＱ値は５０程度（５０以上）となる。本実施形態において、電力の実測効率が本開示における「効率に基づいて」の「効率」に相当する。この「効率」は、例えば、予め想定される想定効率である。「想定効率」は、一例として、予め実際に測定して得られた電力の実測効率を含んでいる。電力の実測効率は、一例として、有線の電力ケーブルで照明機器に電力供給を行う場合を基にしつつ、無線給電による照明機器への電力の供給量を得ることによって算出されてもよい。

【0058】

前述したように各式を用いて実測効率を９０％としたときのＱ値を５０として算出すると、Ｑ値を５０と算出した結果得られた効率とコイルサイズとの関係が図６（ａ）及び図６（ｂ）のように示される。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、所定の効率からＱ値を求め、当該Ｑ値から得られたコイルサイズと効率との関係を示す特性曲線を示している。この特性曲線は、例えば、前述した式（１）～式（８）から求められる。なお、実測効率に基づくＱ値は、例えば、５０以上且つ１００未満であるが、実測効率に基づくＱ値の下限は６０、６５、７０又は７５であってもよい。例えば、実測効率に基づくＱ値の上限は９５、９０、８５又は８０であってもよい。本実施形態では、Ｑ値を１００未満としてＱ値を低い値にした場合であっても、確実に天井４に送受電部（コイル１５ｂ，１５ｃ）を収めることができると共に高い伝送効率を実現できる。なお、上記の例では実測効率を９０％としたときのＱ値を算出し、その結果得られた効率とコイルサイズとの関係を示している。しかしながら、「実測効率を９０％としたときのＱ値」に限られず、例えば、前述した想定効率を所定値としたときのＱ値を算出してもよい。

【0059】

例えば、ステップＳ４では、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示される特性曲線からコイル１５ｂ，１５ｃのコイルサイズを設定する。具体例として、コイル間隔が２０ｍｍであって且つ効率が７０％以上であるときのコイルサイズの値を５０ｍｍ以上と定め、コイル間隔が５０ｍｍであって且つ効率が７０％以上であるときのコイルサイズの値は１００ｍｍ以上と定める。ここで、「７０％」は実現可能効率の例示となる値である。実現可能効率は、例えば、ＬＥＤ照明機器に給電を行う場合と、蛍光灯（紫外線を蛍光体に当てて可視光線に変換する一般蛍光灯）に給電を行う場合とを考慮して定められる。具体例として、ＬＥＤ照明機器に有線給電を行う場合に当該ＬＥＤ照明機器から照射される光束（ルーメン）を「１」とすると、蛍光灯に有線給電を行う場合に当該蛍光灯から照射される光束は「０．７」程度となる。前述した実現可能効率は、ＬＥＤ照明機器に無線給電を行う場合に当該ＬＥＤ照明機器から照射される光束が、蛍光灯に有線給電を行う場合に当該蛍光灯から照射される光束以上となる効率を示しており、前述の例では０．７（７０％）となる。以下では、求める効率を当該実現可能効率（７０％）とする例について説明する。

【0060】

前述した例では、コイル間隔が５０ｍｍであって且つ効率が７０％以上であるときのコイルサイズの値を１００ｍｍ以上と定める。このように、図６（ａ）及び図６（ｂ）に例示される所定条件（例えば、実測効率９０％、Ｑ値５０）での特性曲線において境界値となる実現可能効率からコイルサイズを定める。

【0061】

以上、ステップＳ１～Ｓ４の各工程を経て得られたコイル１５ｂ，１５ｃのコイルサイズとコイル間隔の関係の例を図１１に示す。例えば、図１１に示されるコイルサイズとコイル間隔の関係からコイル１５ｂ，１５ｃのコイルサイズＣ１とコイル間隔とを確定する（ステップＳ５）。前述した例では、コイルサイズＣ１の下限は５０ｍｍ、コイルサイズＣ１の上限は２００ｍｍ、コイル間隔の下限は２０ｍｍ、コイル間隔の上限は５０ｍｍと定められる。以上のように、コイル１５ｂ，１５ｃのコイルサイズＣ１及びコイル間隔が定められた後に一連の工程が完了する。

【0062】

例えば、コイル間隔が３５ｍｍである場合、７０％以上の効率を得ようとすると、コイルサイズを７０ｍｍ以上とする必要がある。例えば、図１１のグラフの斜線部分の範囲内でコイルサイズ及びコイル間隔を設定することが可能である。よって、コイルサイズ及びコイル間隔の境界値を容易に設定できると共に、例えば、効率が７０％より高くなるようにコイルサイズ及びコイル間隔の設定を行うことが可能となる。

【0063】

具体的には、図１１のグラフの斜線部分の右下の点（コイル間隔５０ｍｍ、コイルサイズ１００ｍｍの点）と、当該斜線部分の左下の点（コイル間隔２０ｍｍ、コイルサイズ５０ｍｍの点）の場合、効率を７０％以上とすることが可能である。また、コイル間隔が３５ｍｍであって効率が７０％であるときのコイルサイズは７０ｍｍとなる。従って、当該斜線部分の右下の点と左下の点とを直線補完した線分よりも上側のコイル間隔及びコイルサイズの場合には７０％以上の効率を確保することが可能である。図１１のグラフにおけるコイル間隔３５ｍｍコイルサイズ７０ｍｍを示す点は、コイル間隔の中間点（２０ｍｍと５０ｍｍの中間点）における効率とコイルサイズとの関係を示した点である。このコイル間隔３５ｍｍコイルサイズ７０ｍｍを示す点よりも、図１１の斜線部分の下側の線分が上方に位置するため、当該線分（当該斜線部分の下側の線分、当該直線補完した線分）は、効率を７０％以上とすることが可能なコイル間隔及びコイルサイズの下限境界に相当しうる。すなわち、当該線分は、所定値以上の効率が得られるコイル間隔及びコイルサイズの関係を示す効率の特性直線（本実施形態では、効率７０％を確保可能な近似直線）に相当しうる。

【0064】

図１１のグラフの斜線部分の上側の線分は、コイルサイズの上限（例えば２００ｍｍ）を示す線分であり、当該上限以下のコイルサイズであれば、下地材からの影響を回避することができる。当該斜線部分の上側の線分は、例えば、金属製の下地材１２からのへりあきＡ１，Ａ２を考慮した線分に相当する。また、当該斜線部分の右側で上下方向に延びる線分、及び当該斜線部分の左側で上下方向に延びる線分は、仕切り材の寸法（例えば仕切り材の厚さ、仕切り材の外形の寸法上の制約）によって定まるコイル間隔の上限値（例えば５０ｍｍ）及び下限値（例えば２０ｍｍ）を示している。

【0065】

以上のように、天井越しの無線給電を行う場合では、仕切り材の寸法に基づいてコイル間隔の上限及び下限を定め、下地材からの影響を回避可能なコイルサイズの上限を定め、更に、所定値以上の効率が得られるコイル間隔及びコイルサイズの特性直線を定めることにより、所望の効率が得られるコイル間隔及びコイルサイズを容易に且つ確実に算出することができる。

【0066】

すなわち、磁界結合方式によって天井越しの無線給電を行う場合には、寸法上の制約、及び求める効率に基づいてコイルの配置設計を行うことが可能である。具体的には、寸法上の範囲の境界において効率範囲の境界値をプロットすることによってコイルの配置設計を行う。例えば、寸法上の制約、及び求める効率に基づいて、コイルサイズ及びコイル間隔を定める。このとき、一例として、コイルサイズの範囲（例えば、上限値及び下限値の少なくともいずれか）、並びにコイル間隔の範囲（例えば、上限値及び下限値の少なくともいずれか）を定める。本実施形態では、金属製の下地材からの影響を抑えるためのコイルサイズの値（上限値）を定め、仕切り材の制約（厚さ等）に基づいてコイル間隔を定め、効率との関係からコイルサイズを設定する。これにより、所望の効率を実現させるコイル間隔及びコイルサイズを容易に設計することができる。

【0067】

次に、図１２（ａ）、図１２（ｂ）及び図１３を参照しながら壁越しの無線給電を行う場合、すなわち、壁給電部２０Ａの設計方法の例について説明する。図１２（ａ）はコイルサイズを１５０ｍｍとした場合におけるコイル間隔と効率との関係を示す例示的なグラフであり、図１２（ｂ）はコイルサイズを２００ｍｍとした場合におけるコイル間隔と効率との関係を示す例示的なグラフである。図１３は、壁給電部２０の場合におけるコイル２５ｂ，２５ｃのコイルサイズＣ３及びコイル間隔を算出するまでの各工程の一例を示すフローチャートである。以下では、壁給電部２０におけるコイル２５ｂ，２５ｃのコイルサイズＣ３及びコイル間隔を算出する例について説明する。

【0068】

まず、金属製の下地材２３からの影響を抑えるためコイルサイズＣ３の範囲を定めると共に目的とする効率を設定する（金属製の下地材からの干渉を回避するために下地材からの離隔を確保する工程、ステップＳ１１）。ステップＳ１１では、例えば、コイルサイズＣ３を１５０ｍｍ以上且つ２００ｍｍ以下にすると共に効率を７０％（実現可能効率）以上に設定する。

【0069】

次に、コイル２５ｂ，２５ｃのコイル間隔の範囲を設定する（仕切り材及び下地材の厚さに基づいてコイル間隔を設定する工程、ステップＳ１２）。一般的に、壁材２１、壁材２２及び下地材２３の厚さは７０ｍｍ以上であるため、例えば、最小壁厚におけるコイル間隔を７０ｍｍ以上とする。

【0070】

続いて、求める効率との関係からコイル間隔の設定を行う（ステップＳ１３）。ステップＳ１３は、前述したステップＳ４と同様、例えば、Ｑ値を算出する工程に相当する。具体例として、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示される効率とコイル間隔との関係から上記の設定を行う。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、図６（ａ）及び図６（ｂ）と同様、Ｑ値が５０である場合におけるコイル間隔と効率との関係を示すグラフである。すなわち、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、実測効率を９０％としたときのＱ値を５０として算出し、Ｑ値を５０と算出した結果得られた効率とコイル間隔との関係を示している。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、所定の効率からＱ値を算出し、当該Ｑ値から得られたコイル間隔と効率との関係を示す特性曲線を示している。この特性曲線は、前述した天井越しの無線給電の場合と同様、例えば、前述した式（１）～式（８）から求められる。

【0071】

例えば、ステップＳ１３では、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示される関係からコイル２５ｂ，２５ｃのコイル間隔を設定する。具体的には、コイルサイズが１５０ｍｍであって且つ効率が７０％以上であるときのコイル間隔の値を１００ｍｍ以下と定め、コイルサイズが２００ｍｍであって且つ効率が７０％以上であるときのコイル間隔を２００ｍｍ以下と定める。このように、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に例示される所定効率での特性曲線において境界値となる効率からコイル間隔を定める。

【0072】

以上、ステップＳ１１～Ｓ１３の各工程を経て得られたコイル２５ｂ，２５ｃのコイルサイズとコイル間隔の関係を図１４に示す。例えば、図１４に示されるコイルサイズとコイル間隔の関係からコイル２５ｂ，２５ｃのコイルサイズＣ３とコイル間隔とを確定する（ステップＳ１４）。上記の例では、コイルサイズＣ３の下限は１５０ｍｍ、コイルサイズＣ３の上限は２００ｍｍ、コイル間隔の下限は７０ｍｍ、コイル間隔の上限は２００ｍｍと定められる。以上のように、コイル２５ｂ，２５ｃのコイルサイズＣ３及びコイル間隔が定められた後に一連の工程が完了する。

【0073】

例えば、コイルサイズが１７５ｍｍである場合、７０％以上の効率を得ようとすると、コイル間隔を１５７ｍｍ以下とする必要がある。従って、図１４のグラフの斜線部分の範囲内でコイル間隔及びコイルサイズを設定することが可能である。よって、コイル間隔及びコイルサイズの境界値を容易に設定できると共に、例えば、効率が７０％より高くなるようにコイル間隔及びコイルサイズの設定を行うことが可能となる。

【0074】

図１４のグラフの斜線部分の右上の点（コイル間隔２００ｍｍ、コイルサイズ２００ｍｍの点）と、当該斜線部分の右下の点（コイル間隔１００ｍｍ、コイルサイズ１５０ｍｍの点）の場合、効率を７０％以上とすることが可能である。また、コイル間隔が１５７ｍｍであって効率が７０％であるときのコイルサイズは１７５ｍｍとなる。従って、当該斜線部分の右上の点と当該斜線部分の右下の点とを直線補完した線分よりも上側又は左側のコイル間隔及びコイルサイズの場合には７０％以上の効率を確保することが可能である。このコイル間隔１５７ｍｍコイルサイズ１７５ｍｍを示す点よりも、図１４の斜線部分の右下の線分が上方に位置するため、当該線分（当該斜線部分の右下側の線分、当該直線補完した線分）は、効率を７０％以上とすることが可能なコイル間隔及びコイルサイズの下限境界に相当しうる。すなわち、当該線分は、所定値以上の効率が得られるコイル間隔及びコイルサイズの関係を示す効率の特性直線（本実施形態では、効率７０％を確保可能な近似直線）に相当しうる。

【0075】

図１４のグラフの斜線部分の上側の線分は、コイルサイズの上限（例えば２００ｍｍ）を示す線分であり、当該上限以下のコイルサイズであれば、下地材からの影響を回避することができる。当該斜線部分の上側の線分は、金属製の下地材２３からのへりあきＡ３，Ａ４を考慮した線分に相当する。また、当該斜線部分の左下で左右方向に延びる線分は、より確実に効率７０％以上を確保可能なコイルサイズの下限値（例えば１５０ｍｍ）を示しており、当該斜線部分の左側で上下方向に延びる線分は、仕切り材の寸法（例えば仕切り材の厚さ、仕切り材の外形の寸法上の制約）によって定まるコイル間隔の下限値（例えば７０ｍｍ）を示している。

【0076】

以上のように、壁を介して無線給電を行う場合には、仕切り材の寸法に基づいてコイル間隔の下限を定め、下地材からの影響を回避可能なコイルサイズの上限を定め、更に、所定値以上の効率が得られるコイル間隔及びコイルサイズの特性直線を定めることにより、所望の効率が得られるコイル間隔及びコイルサイズを容易に且つ確実に算出することができる。

【0077】

すなわち、磁界結合方式によって壁越しの無線給電を行う場合には、寸法上の制約、及び求める効率に基づいてコイルの配置設計を行うことが可能である。具体的には、寸法上の範囲の境界において効率範囲の境界値をプロットすることによってコイルの配置設計を行う。例えば、寸法上の制約、及び求める効率に基づいて、コイルサイズ及びコイル間隔を定める。このとき、一例として、コイルサイズの範囲（例えば、上限値及び下限値の少なくともいずれか）、並びにコイル間隔の範囲（例えば、上限値及び下限値の少なくともいずれか）を定める。本実施形態では、金属製の下地材からの影響を抑えるためのコイルサイズの値（上限値）を定め、仕切り材の制約（厚さ等）に基づいてコイル間隔を定め、効率との関係からコイルサイズを設定することにより、所望の効率を実現させるコイル間隔及びコイルサイズを容易に設計することができる。

【0078】

次に、本実施形態に係る給電構造、及び給電構造の設計方法から得られる作用効果について詳細に説明する。例えば図３に示されるように、給電構造１では、天井材１１が密閉空間２を画成し、天井材１１の密閉空間２側にコイル１５ｃが設けられ、天井材１１の密閉空間２の反対側にコイル１５ｂが設けられる。従って、一対のコイル１５ｂ，１５ｃ及び天井材１１を介して密閉空間２の外部から密閉空間２の内部に給電を行うので、クリーンルームにおける密閉空間２の密閉性を維持することができると共に、天井材１１の仕様等に基づいてコイル１５ｂ，１５ｃの配置を設計することができる。

【0079】

よって、天井材１１を含むクリーンルームの建築条件等を考慮してコイル１５ｂ，１５ｃの配置を行うことができるので、伝送効率の低下を回避して高い伝送効率を維持することができる。更に、下地材１２によって固定された天井材１１の両側（外面１１ｂ及び内面１１ｃ）のそれぞれに一対のコイル１５ｂ，１５ｃが設けられるので、下地材１２を考慮したコイル１５ｂ，１５ｃの配置の設計を行うことができる。従って、高い伝送効率を維持すると共に、クリーンルームだけでなく種々の構造物及び建物に適用することができる。

【0080】

下地材１２は金属製であり、下地材１２からコイル１５ｂまでの距離（例えば前述したへりあきＡ１，Ａ２）が２５ｍｍ以上であってもよい。この場合、下地材１２からコイル１５ｂまでの離隔距離を確保することができるので、金属製の下地材１２の影響を受けて伝送効率が低下する事態を確実に回避することができる。

【0081】

コイル１５ｂ，１５ｃは、プリント基板コイルであってもよい。この場合、天井材１１と下地材１２とを備えた無線給電用の給電構造１において、コイル１５ｂ，１５ｃをコンパクトにできる。ところで、従来、無線給電のコイル等を設置するときには、前述した推定パターン抵抗Ｒを小さくしてＱ値を高くするために、電力ケーブルが用いられることがあった。しかしながら、電力ケーブルを用いる場合、推定パターン抵抗Ｒを小さくするために太いケーブルを用いる必要があり小型化及び軽量化が難しく、収まりが良くないという問題があった。

【0082】

本来、電力の効率の観点では、Ｑ値は高い方が好ましい。例えば、磁界結合方式のワイヤレス給電で用いられるコイルでは、Ｑ値が高い場合に、電力の伝送効率を上げると共に電力伝送距離を伸ばすことも可能である。Ｑ値を高くすれば電力伝送距離が伸びることについては以下の文献１に記載がある。文献１には、送受電コイル間の距離が離れても（結合係数ｋが小さくなっても）、共振器のＱ値を高くできれば、高い電力伝送効率を実現できることが記載されている。また、文献２には、伝送効率を高めるためには、送受信コイル間の結合係数ｋを大きくすると共に、コイルのＱ値を高くすることが必要であると記載されている。文献２には、検証結果として、Ｑ値が９２１、８５４、９９７、１１２８又は１２５１であることが記載されている。
文献１：日本電子情報通信学会通信ソサイエティマガジン No.25夏号2013 pp13-18 "ワイヤレス電力伝送技術が社会を変える"
（ＵＲＬ）https://www.jstage.jst.go.jp/article/bplus/7/1/7_13/_pdf
文献２：昭和電線レビューVol.62(2016) pp30-39 "ワイヤレス給電用コイルの最適化検討"
（ＵＲＬ）https://www.swcc.co.jp/hd/company/review/62/A6_62.pdf

【0083】

以上のように、効率を高めるためには、一般的にＱ値を高くすること（例えば３桁以上の値にすること）が望まれる。しかしながら、Ｑ値を高くするためには、インダクタンスを大きくすること、又は抵抗を小さくすることが必要となる。また、Ｑ値が高い場合には、周波数帯域のずれに伴って効率が著しく変化することがあり、周波数帯域のずれによって効率が変化しやすいという問題がある。周波数帯域のずれは、金属製の下地材からの影響によって生じることがあるため、Ｑ値が高い場合には、金属製の下地材の存在に伴う周波数帯域の変動によって効率が低下する可能性が高いという懸念がある。

【0084】

これに対し、本実施形態では、仕切り材、下地材、及びその他の機器等の設置による寸法的な制約を考慮しつつ、敢えて、高抵抗なプリント基板コイルを用いて且つＱ値をある程度小さくしても高い電力の効率を実現可能である。前述したように、電力の実測効率を９０％としてＱ値を逆算したときにそのときのＱ値は５０程度となるため、Ｑ値が５０程度であれば、所望の高い効率を得られる（例えば照明器具である第４機器９に十分な電力を供給できる）。更に、Ｑ値を小さくすることにより、下地材からの影響を受けにくくすることができるので、周波数帯域のずれに伴う効率の低下を抑制することができ、高い効率を安定して実現させることができる。

【0085】

ところで、具体例として、金属製の下地材１２からコイル１５ｂまでの距離（例えば前述したへりあきＡ１，Ａ２）が２５ｍｍ以上であって、コイル間隔が仕切り材の厚さ程度であって、プリント基板コイルであるコイル１５ｂを用いる場合には、ＬＥＤの照明機器に無線給電によって十分に電力供給できることが分かっている。更に、プリント基板コイルであるコイル１５ｂ，１５ｃの場合、小型化及び軽量化を実現できると共に、伝送効率を確実に所望の値以上とすることができる。従って、コイル１５ｂ，１５ｃの設置を容易に行うことができると共に、コイル１５ｂ，１５ｃの収まりを良好にすることができる。

【0086】

コイル１５ｂ，１５ｃの厚さが２ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下であってもよい。この場合、コイル１５ｂ，１５ｃの厚さが１０ｍｍ以下であることにより、コイル１５ｂ，１５ｃと他の部材との干渉を回避することができると共に、より確実にコイル１５ｂ，１５ｃを収めることができる。そして、コイル１５ｂ，１５ｃの設置を容易に行うことができる。

【0087】

本実施形態に係る給電構造１の設計方法では、密閉空間２の外部から密閉空間２の内部に供給される電力の効率に基づいて天井材１１（仕切り材）に設けられるコイル１５ｂ，１５ｃの配置（又は壁材２１及び壁材２２に設けられるコイル２５ｂ，２５ｃの配置）を設計する。従って、天井材１１等の仕切り材の仕様等に基づいてコイルの配置を設計することができる。その結果、天井材１１等の仕切り材を含む建築条件等を考慮してコイルの配置を行うことができるので、伝送効率の低下を回避して高い伝送効率を維持することができる。また、電力の実測効率に基づいて仕切り材に設けられるコイルの配置を設計する場合には、実測値を考慮したコイルの配置が可能となる。従って、高い伝送効率を維持すると共に構造物及び建物に適用することができる。

【0088】

前述した効率に基づくＱ値（例えば実測効率に基づくＱ値）が５０以上であってもよい。本実施形態において、コイル１５ｂ，１５ｃの伝送効率である所望の実測効率を９０％としてＱ値を逆算すると、そのときのＱ値は５０以上となる。よって、Ｑ値が５０以上であることにより、伝送効率を確実に所望の値以上とすることができる。

【0089】

以上、本開示は、前述した実施形態に限定されることはなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲において変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。すなわち、本発明は、各請求項の要旨を変更しない範囲において種々の変形が可能であり、例えば、給電構造の各部の構成及び配置態様、並びに、給電構造の設計方法の各工程の内容及び順序は、前述した要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

【0090】

例えば、前述の実施形態では、電力の送信又は受信を行う送受電部がコイル１５ｂ，１５ｃ，２５ｂ，２５ｃである例について説明した。しかしながら、送受電部は、コイル以外のものであってもよく、例えば、電界結合方式で用いられる金属製の板状部材であってもよい。前述の実施形態では、コイル１５ｂ，１５ｃの平面形状が矩形状である例について説明した。しかしながら、コイルの平面形状は、矩形状に限られず、例えば、円形状であってもよく、適宜変更可能である。

【0091】

前述の実施形態では、式（１）～式（８）を用いて給電構造の各種パラメータを算出する種々の例について説明した。しかしながら、給電構造の設計のときに用いる各種パラメータの種類、及び各種パラメータの値は上記の例に限られず適宜変更可能である。

【0092】

次に、電界結合方式を用いた給電構造５０の例について説明する。図１５に示されるように、給電構造５０は、仕切り材５１の一方側及び他方側のそれぞれに設けられた送受電部として金属製の板状部材５２，５３，５４，５５を備える。仕切り材５１は、例えば、石膏ボード（一例としてケイカル板）を含む。電界結合方式を用いた給電構造５０の場合において、例えば、板状部材５２，５３，５４，５５の周囲には金属製の下地材が設けられている。板状部材５２，５３，５４，５５から当該下地材までの距離（例えば「へりあき」に相当）は２５ｍｍ以上であってもよい。この場合、当該下地材から板状部材５２，５３，５４，５５までの離隔距離を確保することができるので、金属製の下地材からの影響を受けて伝送効率が低下する事態を確実に回避することができる。

【0093】

板状部材５２及び板状部材５４は、仕切り材５１の一方側において互いに隣接するように配置される。板状部材５３は仕切り材５１から見て板状部材５２の反対側に配置され、板状部材５５は仕切り材５１から見て板状部材５４の反対側に配置される。例えば、給電構造５０からの電力はＬＥＤ照明機器５６に供給される。

【0094】

板状部材５２、板状部材５３、板状部材５４及び板状部材５５（送受電部）は、給電構造５０の電極として機能する。図１６に示されるように、板状部材５２及び板状部材５４は、長さがＬｍｍであって幅がＷｍｍの金属平板が２分割されることによって作製される。例えば、Ｌの値は１２００以上且つ２４００以下であり、Ｗの値は６０以上且つ２３０以下である。

【0095】

図１７は、後述する計算の前提となる給電構造５０の等価回路を示す図である。仕切り材５１の比誘電率をε_ｒ、真空の透磁率をε_０、板状部材５２及び板状部材５３の離隔距離（例えば仕切り材５１の厚さ）をｄ、板状部材５２，５３，５４，５５のそれぞれの面積をＳ、とすると、相互キャパシタンスＣ_ｍは、以下の式（１０）で表される。一例として、ε_０の値を８．８５×１０^－１２［Ｆ／ｍ］、ε_ｒの値を３とすると以下の式（９）及び式（１０）によってＣ_ｍが求められる。ここで、Ｃ_２は平行平板キャパシタンスの容量である。

【0096】

【数9】

【0097】

【数10】

次に、以下の式（１１）及び式（１２）によりＱ値と結合係数ｋが求められる。

【数11】

【数12】

【0098】

ここで、Ｒ＝２．８［ｋΩ］、ｆ_ｃ＝６．７８［ＭＨｚ］とすると、式（１３）により結合係数ｋとＱ値の積が算出される。

【数13】

【0099】

そして、後述の式（１４）及び式（１５）によって最大伝送効率η_maxが求められる。

【数14】

【数15】

【0100】

また、前述した各式を用いて、板状部材５２，５３，５４，５５のそれぞれの面積Ｓを２７６０００ｍｍ^２（２４００ｍｍ×２３０ｍｍを均等分割）とした場合における離隔距離ｄと効率との関係を図１８（ａ）に示している。なお、図１８（ａ）は、離隔距離ｄを２０ｍｍとして効率が９０％となるように仮定したときの特性曲線（所定効率での特性曲線）を示すグラフである。この特性曲線は、例えば、前述した式（９）～式（１５）から求められる。本実施形態の電界結合方式において「９０％」は低めの想定効率を示している。

【0101】

図１８（ａ）に示されるグラフでは、離隔距離ｄが７０ｍｍ以下であれば７０％以上の効率を確保できることが分かる。一方、離隔距離ｄを２０ｍｍとした場合における面積Ｓと効率との関係を図１８（ｂ）に示している。図１８（ｂ）に示されるグラフでは、面積Ｓが０．０７ｍ^２以上であれば７０％以上の効率を確保できることが分かった。

【0102】

以上、電界結合方式の場合であっても、磁界結合方式の場合と同様、仕切り材の制約（厚さ等）に基づいて離隔距離ｄの上限及び下限を定め、下地材からの影響を回避可能な面積Ｓの上限を定め、更に、所定値以上の効率が得られる離隔距離ｄ及び面積Ｓの特性曲線（例えば図１８（ａ）又は図１８（ｂ）に示される特性曲線）を定めることにより、所望の効率を得られる離隔距離ｄ及び面積Ｓを容易に且つ確実に算出することができる。

【0103】

すなわち、電界結合方式によって無線給電を行う場合には、寸法上の制約、及び求める効率に基づいて板状部材の配置設計を行うことが可能である。具体的には、寸法上の範囲の境界において効率範囲の境界値をプロットすることによって板状部材の配置設計を行う。例えば、寸法上の制約、及び求める効率に基づいて、板状部材の面積及び離隔距離を定める。このとき、一例として、板状部材の面積の範囲（例えば、上限値及び下限値の少なくともいずれか）、及び離隔距離の範囲（例えば、上限値及び下限値の少なくともいずれか）を定める。前述した例では、金属製の下地材からの影響を抑えるための板状部材の面積の値（一例として、上限値）を定め、仕切り材の制約（厚さ等）に基づいて板状部材の離隔距離を定めて、効率との関係から板状部材の面積を設定することにより、所望の効率を実現する板状部材の面積及び離隔距離を容易に設計することができる。

【0104】

このように、電界結合方式を用いた給電構造５０であっても、電力の効率（例えば低めの想定効率）に基づいて仕切り材５１に設けられる電極である板状部材５２，５３，５４，５５の配置を設計することが可能である。従って、仕切り材５１の仕様に基づいて板状部材５２，５３，５４，５５の配置を設計することができる。よって、仕切り材５１を含む建築条件等を考慮して板状部材５２，５３，５４，５５の配置を行うことができるので、伝送効率の低下を回避して高い伝送効率を維持することができ、磁界結合方式の場合と同様の効果が得られる。

【符号の説明】

【0105】

１，５０…給電構造、２…密閉空間、３…壁、４…天井、５…床、６…第１機器、７…第２機器、８…第３機器、９…第４機器、１０…天井給電部、１１…天井材（仕切り材）、１１ｂ…外面、１１ｃ…内面、１２…下地材、１３…野縁受け、１４…野縁、１５ｂ，１５ｃ…コイル（送受電部）、１５ｄ…プリント基板、１５ｆ…銅箔（パターン）、１５ｇ…ビア、１５ｈ…端子、１５ｊ…外縁、１５ｋ…同軸コネクタ、１６…制御装置、１７…第１板材、１８…第２板材、２０…壁給電部、２１…壁材（仕切り材）、２１ｃ…内面、２１ｄ…外面、２２…壁材（仕切り材）、２３…下地材、２５ｂ，２５ｃ…コイル（送受電部）、２６…第３板材、２７…第４板材、３０…床給電部、５１…仕切り材、５２，５３，５４，５５…板状部材（送受電部）、５６…ＬＥＤ照明機器、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４…へりあき、Ｃ…コイル、Ｃ１，Ｃ３…コイルサイズ、Ｄ１…第１方向、Ｄ２…第２方向、Ｈ…部屋、Ｌ１…間隔、Ｌ３…間隔。

【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】