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特許7530591メタマテリアル装置、無線送電装置、無線受電装置、及び無線電力電送システム
(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】
(24)【登録日】2024-07-31
(45)【発行日】2024-08-08
(54)【発明の名称】メタマテリアル装置、無線送電装置、無線受電装置、及び無線電力電送システム
(51)【国際特許分類】
H01P 1/00 20060101AFI20240801BHJP
H01F 38/14 20060101ALI20240801BHJP
H01P 7/08 20060101ALI20240801BHJP
H02J 50/12 20160101ALI20240801BHJP
H02J 50/70 20160101ALI20240801BHJP
【ＦＩ】
H01P1/00 Z
H01F38/14
H01P7/08
H02J50/12
H02J50/70
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2020100286
(22)【出願日】2020-06-09
(65)【公開番号】P2021197565
(43)【公開日】2021-12-27
【審査請求日】2023-04-19
(73)【特許権者】
【識別番号】000002945
【氏名又は名称】オムロン株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】504157024
【氏名又は名称】国立大学法人東北大学
(74)【代理人】
【識別番号】100101454
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 卓二
(74)【代理人】
【識別番号】100189555
【弁理士】
【氏名又は名称】徳山 英浩
(74)【代理人】
【識別番号】100091524
【弁理士】
【氏名又は名称】和田 充夫
(72)【発明者】
【氏名】小野坂 健
(72)【発明者】
【氏名】長岡 真吾
(72)【発明者】
【氏名】冨田 知志
【審査官】赤穂 美香
(56)【参考文献】
【文献】特開２００５－２６０９６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３８６３９８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／００６２２１５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第０７５２５７１１（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】米国特許出願公開第２００５／０２００５４０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平１０－２７０２９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０１０１８３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｐ １／００
Ｈ０１Ｆ ３８／１４
Ｈ０１Ｐ ７／０８
Ｈ０２Ｊ ５０／１２
Ｈ０２Ｊ ５０／７０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
周期的に配置された複数の単位セルを含むメタマテリアル装置であって、
前記各単位セルは、
互いに対向する第１及び第２の面を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の前記第１及び第２の面の少なくとも一方に形成された複数の導体素子であって、互いに異なるサイズを有しかつ入れ子式に配置されたループの形状をそれぞれ有し、前記各ループの一部にギャップをそれぞれ有する複数の導体素子と、
前記複数の導体素子のうちの互いに隣接する各一対の導体素子にわたって装荷された少なくとも１つの第１の容量結合素子であって、当該一対の導体素子が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該一対の導体素子を互いに容量的に結合する少なくとも１つの第１の容量結合素子とを備え、
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は複数のチップキャパシタである、
メタマテリアル装置。
【請求項2】
周期的に配置された複数の単位セルを含むメタマテリアル装置であって、
前記各単位セルは、
互いに対向する第１及び第２の面を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の前記第１及び第２の面の少なくとも一方に形成された複数の導体素子であって、互いに異なるサイズを有しかつ入れ子式に配置されたループの形状をそれぞれ有し、前記各ループの一部にギャップをそれぞれ有する複数の導体素子と、
前記複数の導体素子のうちの互いに隣接する各一対の導体素子にわたって装荷された少なくとも１つの第１の容量結合素子であって、当該一対の導体素子が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該一対の導体素子を互いに容量的に結合する少なくとも１つの第１の容量結合素子とを備え、
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は複数の誘電体チップである、
メタマテリアル装置。
【請求項3】
周期的に配置された複数の単位セルを含むメタマテリアル装置であって、
前記各単位セルは、
互いに対向する第１及び第２の面を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の前記第１及び第２の面の少なくとも一方に形成された複数の導体素子であって、互いに異なるサイズを有しかつ入れ子式に配置されたループの形状をそれぞれ有し、前記各ループの一部にギャップをそれぞれ有する複数の導体素子と、
前記複数の導体素子のうちの互いに隣接する各一対の導体素子にわたって装荷された少なくとも１つの第１の容量結合素子であって、当該一対の導体素子が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該一対の導体素子を互いに容量的に結合する少なくとも１つの第１の容量結合素子とを備え、
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は、前記導体素子のループに沿って形成された誘電体素子である、
メタマテリアル装置。
【請求項4】
前記各導体素子のギャップにわたって装荷された第２の容量結合素子であって、前記ギャップの両側における導体素子の各部分が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該導体素子の各部分を互いに容量的に結合する第２の容量結合素子をさらに備えた、請求項１～３のうちの１つに記載のメタマテリアル装置。
【請求項5】
周期的に配置された複数の単位セルを含むメタマテリアル装置であって、前記各単位セルは、
互いに対向する第１及び第２の面を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の前記第１及び第２の面の少なくとも一方において渦巻きの形状を有するように形成された導体素子と、
前記導体素子の渦巻きの放射方向において互いに隣接する前記導体素子の各部分にわたって装荷された少なくとも１つの第１の容量結合素子であって、当該導体素子の各部分が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該導体素子の各部分を互いに容量的に結合する少なくとも１つの第１の容量結合素子とを備えた、
メタマテリアル装置。
【請求項6】
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は複数のチップキャパシタである、請求項５記載のメタマテリアル装置。
【請求項7】
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は複数の誘電体チップである、請求項５記載のメタマテリアル装置。
【請求項8】
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は、前記導体素子の渦巻きに沿って形成された誘電体素子である、請求項５記載のメタマテリアル装置。
【請求項9】
前記各単位セルは、前記誘電体基板の前記第１及び第２の面のそれぞれにおいて、前記導体素子及び前記第１の容量結合素子を備えた、請求項１～８のうちの１つに記載のメタマテリアル装置。
【請求項10】
前記誘電体基板は、積層された第１～第３の誘電体層を備え、前記第３の誘電体層は、前記第１及び第２の誘電体層の間に設けられ、前記第１及び第２の誘電体層の誘電率よりも高い誘電率を有する、請求項９記載のメタマテリアル装置。
【請求項11】
前記各単位セルは、積層された複数の誘電体基板と、
前記複数の誘電体基板のそれぞれに形成された前記導体素子と、
前記複数の誘電体基板のうちの少なくとも１つに形成された前記第１の容量結合素子とを備えた、
請求項１～１０のうちの１つに記載のメタマテリアル装置。
【請求項12】
請求項１～１１のうちの１つに記載のメタマテリアル装置と、送電コイルと、
前記送電コイルに高周波電力を供給する送電回路とを備えた、
無線送電装置。
【請求項13】
請求項１～１１のうちの１つに記載のメタマテリアル装置と、受電コイルと、
前記受電コイルを介して高周波電力を受ける受電回路とを備えた、
無線受電装置。
【請求項14】
請求項１２記載の無線送電装置と、請求項１３記載の無線受電装置とを含む、
無線電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、電磁波に対して負の透磁率を有するメタマテリアル装置に関する。本開示はまた、そのようなメタマテリアル装置を備えた無線送電装置、無線受電装置、及び無線電力電送システムに関する。
【背景技術】
【0002】
入射した電磁波に対して負の透磁率を呈するなど、自然界の物質にはない特性を有するメタマテリアル装置が知られている（特許文献１及び２を参照）。メタマテリアル装置は、動作波長よりも小さな構造物を含む単位セルを周期的に配置することによって構成される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】R. Marques, et al., "Comparative Analysis of Edge- and Broadside-Coupled Split Ring Resonators for Metamaterial Design - Theory and Experiments", IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 51, NO. 10, OCTOBER 2003
【文献】J. Choi, et al., "HIGH-EFFICIENCY WIRELESS ENERGY TRANSMISSION USING MAGNETIC RESONANCE BASED ON METAMATERIAL WITH RELATIVE PERMEABILITY EQUAL TO -1", Progress In Electromagnetics Research, Vol. 106, 33-47, 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
概して、メタマテリアル装置の共振周波数は単位セルのサイズに依存し、単位セルが小さくなると共振周波数は増大し、単位セルが大きくなると共振周波数は低下する。例えば、スプリットリング共振器（特許文献１を参照）を含む単位セルが約１０ｍｍ×１０ｍｍのサイズを有する場合、メタマテリアル装置の共振周波数は数ＧＨｚになる。
【0005】
電磁波を送受信するシステムにメタマテリアル装置を適用する場合、メタマテリアル装置の共振周波数をシステムの動作周波数に合わせる必要がある。従って、単位セルのサイズを変化させることによりメタマテリアル装置の共振周波数を変化させる場合、システムの動作周波数が低下するにつれて、単位セルのサイズが増大し、メタマテリアル装置の全体のサイズも増大する。例えば、数十ＭＨｚの動作周波数を有する無線電力伝送システムにメタマテリアル装置を適用しようとする場合、非常にかさばるメタマテリアル装置が必要になり、システムの実用性が損なわれる。このため、サイズを増大させることなく、従来よりも低い共振周波数を達成可能なメタマテリアル装置が求められる。
【0006】
本開示の目的は、サイズを増大させることなく、従来よりも低い共振周波数を達成可能なメタマテリアル装置を提供することにある。本開示の目的はまた、そのようなメタマテリアル装置を備えた無線送電装置、無線受電装置、及び無線電力電送システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の側面に係るメタマテリアル装置によれば、
周期的に配置された複数の単位セルを含むメタマテリアル装置であって、
前記各単位セルは、
互いに対向する第１及び第２の面を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の前記第１及び第２の面の少なくとも一方に形成された複数の導体素子であって、互いに異なるサイズを有しかつ入れ子式に配置されたループの形状をそれぞれ有し、前記各ループの一部にギャップをそれぞれ有する複数の導体素子と、
前記複数の導体素子のうちの互いに隣接する各一対の導体素子にわたって装荷された少なくとも１つの第１の容量結合素子であって、当該一対の導体素子が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該一対の導体素子を互いに容量的に結合する少なくとも１つの第１の容量結合素子とを備える。
周期的に配置された複数の単位セルを含むメタマテリアル装置であって、
前記各単位セルは、
互いに対向する第１及び第２の面を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の前記第１及び第２の面の少なくとも一方に形成された複数の導体素子であって、互いに異なるサイズを有しかつ入れ子式に配置されたループの形状をそれぞれ有し、前記各ループの一部にギャップをそれぞれ有する複数の導体素子と、
前記複数の導体素子のうちの互いに隣接する各一対の導体素子にわたって装荷された少なくとも１つの第１の容量結合素子であって、当該一対の導体素子が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該一対の導体素子を互いに容量的に結合する少なくとも１つの第１の容量結合素子とを備える。
【0008】
これにより、サイズを増大させることなく、従来よりも低い共振周波数を達成可能なメタマテリアル装置を提供することができる。
【0009】
本開示の側面に係るメタマテリアル装置によれば、
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は複数のチップキャパシタである。
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は複数のチップキャパシタである。
【0010】
これにより、従来よりも低い共振周波数を達成することができる。
【0011】
本開示の側面に係るメタマテリアル装置によれば、
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は複数の誘電体チップである。
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は複数の誘電体チップである。
【0012】
これにより、従来よりも低い共振周波数を達成することができる。
【0013】
本開示の側面に係るメタマテリアル装置によれば、
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は、前記導体素子のループに沿って形成された誘電体素子である。
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は、前記導体素子のループに沿って形成された誘電体素子である。
【0014】
これにより、第１の容量結合素子がチップキャパシタ又は誘電体チップである場合よりも、メタマテリアル装置の共振周波数を低減することができる。
【0015】
本開示の側面に係るメタマテリアル装置によれば、
前記各導体素子のギャップにわたって装荷された第２の容量結合素子であって、前記ギャップの両側における導体素子の各部分が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該導体素子の各部分を互いに容量的に結合する第２の容量結合素子をさらに備える。
前記各導体素子のギャップにわたって装荷された第２の容量結合素子であって、前記ギャップの両側における導体素子の各部分が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該導体素子の各部分を互いに容量的に結合する第２の容量結合素子をさらに備える。
【0016】
これにより、第１の容量結合素子のみを備えた場合よりも、メタマテリアル装置の共振周波数を低減することができる。
【0017】
本開示の側面に係るメタマテリアル装置によれば、
周期的に配置された複数の単位セルを含むメタマテリアル装置であって、
前記各単位セルは、
互いに対向する第１及び第２の面を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の前記第１及び第２の面の少なくとも一方において渦巻きの形状を有するように形成された導体素子と、
前記導体素子の渦巻きの放射方向において互いに隣接する前記導体素子の各部分にわたって装荷された少なくとも１つの第１の容量結合素子であって、当該導体素子の各部分が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該導体素子の各部分を互いに容量的に結合する少なくとも１つの第１の容量結合素子とを備える。
周期的に配置された複数の単位セルを含むメタマテリアル装置であって、
前記各単位セルは、
互いに対向する第１及び第２の面を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の前記第１及び第２の面の少なくとも一方において渦巻きの形状を有するように形成された導体素子と、
前記導体素子の渦巻きの放射方向において互いに隣接する前記導体素子の各部分にわたって装荷された少なくとも１つの第１の容量結合素子であって、当該導体素子の各部分が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該導体素子の各部分を互いに容量的に結合する少なくとも１つの第１の容量結合素子とを備える。
【0018】
これにより、サイズを増大させることなく、従来よりも低い共振周波数を達成可能なメタマテリアル装置を提供することができる。
【0019】
本開示の側面に係るメタマテリアル装置によれば、
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は複数のチップキャパシタである。
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は複数のチップキャパシタである。
【0020】
これにより、従来よりも低い共振周波数を達成することができる。
【0021】
本開示の側面に係るメタマテリアル装置によれば、
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は複数の誘電体チップである。
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は複数の誘電体チップである。
【0022】
これにより、従来よりも低い共振周波数を達成することができる。
【0023】
本開示の側面に係るメタマテリアル装置によれば、
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は、前記導体素子の渦巻きに沿って形成された誘電体素子である。
前記少なくとも１つの第１の容量結合素子は、前記導体素子の渦巻きに沿って形成された誘電体素子である。
【0024】
これにより、第１の容量結合素子がチップキャパシタ又は誘電体チップである場合よりも、メタマテリアル装置の共振周波数を低減することができる。
【0025】
本開示の側面に係るメタマテリアル装置によれば、
前記各単位セルは、前記誘電体基板の前記第１及び第２の面のそれぞれにおいて、前記導体素子及び前記第１の容量結合素子を備える。
前記各単位セルは、前記誘電体基板の前記第１及び第２の面のそれぞれにおいて、前記導体素子及び前記第１の容量結合素子を備える。
【0026】
これにより、誘電体基板の一方の面にのみ導体素子及び第１の容量結合素子を備える場合よりも、メタマテリアル装置の共振周波数を低減することができる。
【0027】
本開示の側面に係るメタマテリアル装置によれば、
前記誘電体基板は、積層された第１～第３の誘電体層を備え、前記第３の誘電体層は、前記第１及び第２の誘電体層の間に設けられ、前記第１及び第２の誘電体層の誘電率よりも高い誘電率を有する。
前記誘電体基板は、積層された第１～第３の誘電体層を備え、前記第３の誘電体層は、前記第１及び第２の誘電体層の間に設けられ、前記第１及び第２の誘電体層の誘電率よりも高い誘電率を有する。
【0028】
これにより、メタマテリアル装置の共振周波数をさらに低減することができる。
【0029】
本開示の側面に係るメタマテリアル装置によれば、
前記各単位セルは、
積層された複数の誘電体基板と、
前記複数の誘電体基板のそれぞれに形成された前記導体素子と、
前記複数の誘電体基板のうちの少なくとも１つに形成された前記第１の容量結合素子とを備える。
前記各単位セルは、
積層された複数の誘電体基板と、
前記複数の誘電体基板のそれぞれに形成された前記導体素子と、
前記複数の誘電体基板のうちの少なくとも１つに形成された前記第１の容量結合素子とを備える。
【0030】
これにより、メタマテリアル装置の共振周波数をさらに低減することができる。
【0031】
本開示の側面に係る無線送電装置によれば、
前記メタマテリアル装置と、
送電コイルと、
前記送電コイルに高周波電力を供給する送電回路とを備える。
前記メタマテリアル装置と、
送電コイルと、
前記送電コイルに高周波電力を供給する送電回路とを備える。
【0032】
これにより、送電コイル及び受電コイルの相対位置の変化に対して頑健な無線送電装置を提供することができる。
【0033】
本開示の側面に係る無線受電装置によれば、
前記メタマテリアル装置と、
受電コイルと、
前記受電コイルを介して高周波電力を受ける受電回路とを備える。
前記メタマテリアル装置と、
受電コイルと、
前記受電コイルを介して高周波電力を受ける受電回路とを備える。
【0034】
これにより、送電コイル及び受電コイルの相対位置の変化に対して頑健な無線受電装置を提供することができる。
【0035】
本開示の側面に係る無線電力伝送システムによれば、
前記無線送電装置と、
前記無線受電装置とを含む。
前記無線送電装置と、
前記無線受電装置とを含む。
【0036】
これにより、送電コイル及び受電コイルの相対位置の変化に対して頑健な無線電力伝送システムを提供することができる。
【発明の効果】
【0037】
本開示によれば、サイズを増大させることなく、従来よりも低い共振周波数を達成可能なメタマテリアル装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】第１の実施形態に係るメタマテリアル装置の単位セル１０の例示的な構成を示す上面図である。
【図5】第１の比較例に係る無線電力伝送システムの送電コイル４３及び受電コイル５１が理想的に配置されているときの磁力線を示す概略図である。
【図6】第１の比較例に係る無線電力伝送システムの送電コイル４３及び受電コイル５１の間の距離が理想状態よりも大きいときの磁力線を示す概略図である。
【図7】第１の比較例に係る無線電力伝送システムの送電コイル４３及び受電コイル５１の中心が互いにずれているときの磁力線を示す概略図である。
【図10】第１の実施形態の第１の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ａの例示的な構成を示す上面図である。
【図11】第１の実施形態の第２の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｂの例示的な構成を示す上面図である。
【図12】第２の比較例に係るメタマテリアル装置の単位セル７０の例示的な構成を示す上面図である。
【図13】実施例及び第２の比較例に係るメタマテリアル装置の容量結合素子の比誘電率に対する共振周波数の特性を示すグラフである。
【図14】第１の実施形態の第３の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｃの例示的な構成を示す上面図である。
【図15】第１の実施形態の第４の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｄの例示的な構成を示す上面図である。
【図16】第１の実施形態の第５の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｅの例示的な構成を示す上面図である。
【図17】第２の実施形態に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｆの例示的な構成を示す上面図である。
【図18】第２の実施形態の第１の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｇの例示的な構成を示す上面図である。
【図19】第２の実施形態の第２の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｈの例示的な構成を示す上面図である。
【図20】第３の実施形態に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｉの例示的な構成を示す側面図である。
【図21】第３の実施形態の第１の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｊの例示的な構成を示す側面図である。
【図22】第３の実施形態の第２の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｋの例示的な構成を示す側面図である。
【図23】第３の実施形態の第３の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｌの例示的な構成を示す側面図である。
【図24】第３の実施形態の第４の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｍの例示的な構成を示す側面図である。
【図25】第４の実施形態に係るメタマテリアル装置２０Ｎの例示的な構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0039】
以下、本開示の一側面に係る実施形態を、図面に基づいて説明する。各図面において、同じ符号は同様の構成要素を示す。
【0040】
［第１の実施形態］
［第１の実施形態の構成］
図１は、第１の実施形態に係るメタマテリアル装置の単位セル１０の例示的な構成を示す上面図である。単位セル１０は、誘電体基板１、複数の導体素子２ａ，２ｂ、及び複数の容量結合素子３を備える。
［第１の実施形態の構成］
図１は、第１の実施形態に係るメタマテリアル装置の単位セル１０の例示的な構成を示す上面図である。単位セル１０は、誘電体基板１、複数の導体素子２ａ，２ｂ、及び複数の容量結合素子３を備える。
【0041】
誘電体基板１は、互いに対向しかつ互いに平行な２つの面を有する。図１の例では、誘電体基板１の上面のみを示す。誘電体基板１は、例えば、ＦＲ４などのガラスエポキシ基板である。
【0042】
誘電体基板１の上面及び下面は、誘電体基板の「第１の面」及び「第２の面」の一例である。
【0043】
導体素子２ａ，２ｂは、誘電体基板１の少なくとも一方の面に形成される。図１の例では、導体素子２ａ，２ｂは、誘電体基板１の上面のみに形成される。さらに、導体素子２ａ，２ｂは、互いに異なるサイズを有しかつ入れ子式に配置されたループの形状をそれぞれ有する。導体素子２ａ，２ｂは、例えば、同じ中心Ｏを有するように配置されてもよい。図１の例では、導体素子２ａ，２ｂは円形状をそれぞれ有する。さらに、導体素子２ａ，２ｂは、各ループの一部にギャップＧ１，Ｇ２をそれぞれ有する。従って、図１の例では、導体素子２ａ，２ｂは、スプリットリング共振器として構成される。導体素子２ａ，２ｂは、例えば、銅からなる。
【0044】
複数の容量結合素子３は、導体素子２ａ，２ｂにわたって装荷される。各容量結合素子３は、導体素子２ａ，２ｂが自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で導体素子２ａ，２ｂを互いに容量的に結合する。複数の容量結合素子３は、例えば、中心Ｏから見たときに所定の角度幅で配置される。各容量結合素子３は、例えば、チップキャパシタである。
【0045】
図１の例では、誘電体基板１は、上から見たときに、縦ｄ×横ｄの正方形形状を有する。導体素子２ａは幅ｗ１及び半径ｒを有する。導体素子２ａのギャップＧ１は長さｇ１を有する。導体素子２ａ，２ｂの間に幅ｓ１のギャップが形成される。導体素子２ｂは幅ｗ２及び半径（ｒ－ｗ１－ｓ１）を有する。導体素子２ｂのギャップＧ２は長さｇ２を有する。
【0046】
図２は、図１の単位セル１０からなるメタマテリアル装置２０の例示的な構成を示す斜視図である。メタマテリアル装置２０は、Ｘ方向及びＹ方向に周期的に配置された複数の単位セル１０を含む。複数の単位セル１０は、例えば、図２に示すように、二次元的に配置されてもよい。各単位セル１０は、別個の誘電体基板１の上に形成されてもよく、一体の誘電体基板１の上に形成されてもよい。
【0047】
図３は、図２のメタマテリアル装置２０に入射する磁力線の伝搬を示す概略図である。メタマテリアル装置２０は、その共振周波数において、負の透磁率μ＜０を有する。負の透磁率を有するメタマテリアル装置２０を磁束が通過するとき、メタマテリアル装置２０は磁束の強度を増大させる。図３の例では、磁束がメタマテリアル装置２０の左から右に通過するとき、通過後の磁束密度ｂ２は通過前の磁束密度ｂ１よりも高くなる。
【0048】
図４は、図２のメタマテリアル装置２０を備えた無線電力伝送システム１００の例示的な構成を示すブロック図である。無線電力伝送システム１００は、電源装置３０に接続された無線送電装置４０と、負荷装置６０に接続された無線受電装置５０とを含み、無線送電装置４０から無線受電装置５０に非接触で電力を伝送する。
【0049】
電源装置３０は、直流電力又は交流電力を無線送電装置４０に供給する。
【0050】
無線送電装置４０は、送電回路４１、磁性体コア４２、送電コイル４３、及びメタマテリアル装置２０－１を備える。送電回路４１は、電源装置３０から供給された直流電力又は交流電力を所定周波数の高周波電力に変換して送電コイル４３に供給する。磁性体コア４２は、漏洩磁束を低減するように、送電回路４１及び送電コイル４３の間に設けられる。送電コイル４３は、送電回路４１から供給された高周波電力により磁界を発生する。メタマテリアル装置２０－１は、送電コイル４３及び無線受電装置５０の間に設けられる。メタマテリアル装置２０－１は、図２のメタマテリアル装置２０と同様に構成される。
【0051】
無線受電装置５０は、メタマテリアル装置２０－２、受電コイル５１、磁性体コア５２、及び受電回路５３を備える。メタマテリアル装置２０－２は、無線送電装置４０及び受電コイル５１の間に設けられる。メタマテリアル装置２０－２は、図２のメタマテリアル装置２０と同様に構成される。受電コイル５１は、無線送電装置４０の送電コイル４３によって発生された磁界を受けて励磁電流を発生することにより、無線送電装置４０によって発生された高周波電力を受ける。磁性体コア５２は、漏洩磁束を低減するように、受電コイル５１及び受電回路５３の間に設けられる。受電回路５３は、受電コイル５１を介して高周波電力を受け、負荷装置６０の所望電力に応じて、受電コイル５１から受けた高周波電力の整流、平滑化、電圧変換、及び／又は周波数変換などを行う。受電回路５３は、変換された電力を負荷装置６０に供給する。
【0052】
負荷装置６０は、無線受電装置５０から供給された電力により動作する。
【0053】
負荷装置６０は充電池を備えた電子機器（例えば、ノートブック型コンピュータ、タブレット型コンピュータ、携帯電話機など）であってもよく、無線送電装置４０はその充電器であってもよい。また、負荷装置６０は充電池を備えた電動の車両（例えば、電気自動車又は無人搬送車（automated guided vehicle））であってもよく、無線送電装置４０はその充電台であってもよい。また、負荷装置６０は、搬送時に荷物に対して何らかの作業を行うために電源を必要とするパレットであってもよく、無線送電装置４０は、そのようなパレットに電力を供給可能なコンベアなどであってもよい。また、送電コイル４３及び受電コイル５１の間の距離が変化しない非接触電力伝送システムにも有効に適用可能である。この場合、例えば、無線送電装置４０及び無線受電装置５０は、ロボットアームの先端などにおける駆動機構に電力を供給するために、ロボットアームの関節などにおいてスリップリングに代えて設けられてもよい。
【0054】
従来の無線電力伝送システムでは、送電コイルに対して受電コイルが理想的な位置に配置されていないと、送電コイル及び受電コイルの結合係数が理想値よりも低下し、従って、電力伝送の効率が理想値よりも低下する。実施形態に係る無線電力伝送システム１００は、メタマテリアル装置２０－１，２０－２を備えたことにより、送電コイル４３及び受電コイル５１の結合係数を低下させにくくする。次に、このようなメタマテリアル装置２０－１，２０－２の効果について説明する。
【0055】
【0056】
図５は、第１の比較例に係る無線電力伝送システムの送電コイル４３及び受電コイル５１が理想的に配置されているときの磁力線を示す概略図である。無線送電装置から無線受電装置に対して最高効率で電力を伝送するためには、送電コイル４３及び受電コイル５１が互いに近接し、かつ、送電コイル４３及び受電コイル５１の中心が互いに整列している必要がある。このとき、送電コイル４３によって発生された磁束（磁力線ｍ１～ｍ３として示す）の大部分が受電コイル５１に鎖交する。
【0057】
図６は、第１の比較例に係る無線電力伝送システムの送電コイル４３及び受電コイル５１の間の距離が理想状態よりも大きいときの磁力線を示す概略図である。図６の例では、磁力線ｍ１は受電コイル５１に鎖交するが、磁力線ｍ２，ｍ３は受電コイル５１に鎖交しない。送電コイル４３及び受電コイル５１の間の距離が増大すると、受電コイル５１に鎖交する磁束が減少し、これにより、送電コイル４３及び受電コイル５１の結合係数が低下し、従って、電力伝送の効率が低下する。
【0058】
図７は、第１の比較例に係る無線電力伝送システムの送電コイル４３及び受電コイル５１の中心が互いにずれているときの磁力線を示す概略図である。図７の例では、磁力線ｍ１，ｍ３は受電コイル５１に鎖交するが、磁力線ｍ２は受電コイル５１に鎖交しない。送電コイル４３及び受電コイル５１の中心が互いにずれていると、受電コイル５１に鎖交する磁束が減少し、これにより、送電コイル４３及び受電コイル５１の結合係数が低下し、従って、電力伝送の効率が低下する。
【0059】
図８は、図４の無線電力伝送システム１００の送電コイル４３及び受電コイル５１の間の距離が理想状態よりも大きいときの磁力線を示す概略図である。図８（及び図９）では、送電回路４１及び受電回路５３などは、図示の簡単化のために省略している。図６を参照して説明したように、送電コイル４３及び受電コイル５１の間の距離が理想状態よりも大きいとき、一部の磁力線ｍ２，ｍ３は受電コイル５１に鎖交しない。一方、図８の例によれば、メタマテリアル装置２０－１，２０－２を備えたことにより、磁力線ｍ２，ｍ３は減衰を抑えつつ伝搬し、最終的に受電コイル５１に鎖交する。
【0060】
図９は、図４の無線電力伝送システム１００の送電コイル４３及び受電コイル５１の中心が互いにずれているときの磁力線を示す概略図である。図７を参照して説明したように、送電コイル４３及び受電コイル５１の中心が互いにずれているとき、一部の磁力線ｍ２は受電コイル５１に鎖交しない。一方、図９の例によれば、メタマテリアル装置２０－１，２０－２を備えたことにより、磁力線ｍ２は減衰を抑えつつ伝搬し、最終的に受電コイル５１に鎖交する。
【0061】
以上説明したように、実施形態に係る無線電力伝送システム１００によれば、メタマテリアル装置２０－１，２０－２を備えたことにより、送電コイル４３に対して受電コイル５１が理想的な位置に配置されていなくても、送電コイル４３及び受電コイル５１の結合係数を低下させにくくすることができる。従って、無線電力伝送システム１００の電力伝送の効率を低下させにくくすることができる。これにより、送電コイル４３及び受電コイル５１の相対位置の変化に対して頑健な無線電力伝送システム１００を提供することができる。
【0062】
［第１の実施形態の変形例］
図１０は、第１の実施形態の第１の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ａの例示的な構成を示す上面図である。図１０の単位セル１０Ａは、チップキャパシタである図１の複数の容量結合素子３に代えて、誘電体チップである複数の容量結合素子４を備える。各容量結合素子４は、図１の各容量結合素子３と同様に、導体素子２ａ，２ｂが自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で導体素子２ａ，２ｂを互いに容量的に結合する。
図１０は、第１の実施形態の第１の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ａの例示的な構成を示す上面図である。図１０の単位セル１０Ａは、チップキャパシタである図１の複数の容量結合素子３に代えて、誘電体チップである複数の容量結合素子４を備える。各容量結合素子４は、図１の各容量結合素子３と同様に、導体素子２ａ，２ｂが自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で導体素子２ａ，２ｂを互いに容量的に結合する。
【0063】
図１１は、第１の実施形態の第２の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｂの例示的な構成を示す上面図である。図１１の単位セル１０Ｂは、誘電体チップである図１０の複数の容量結合素子４に代えて、導体素子２ａ，２ｂのループに沿って形成された誘電体素子である容量結合素子５を備える。容量結合素子５は、図１０の各容量結合素子４と同様に、導体素子２ａ，２ｂが自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で導体素子２ａ，２ｂを互いに容量的に結合する。容量結合素子５は、図１０の場合よりも多くの位置において、導体素子２ａ，２ｂを互いに容量的に結合する。従って、図１１の単位セル１０Ｂからなるメタマテリアル装置は、図１０の単位セル１０Ａからなるメタマテリアル装置の場合よりもメタマテリアル装置の共振周波数を低減することができる。
【0064】
【0065】
図１２は、第２の比較例に係るメタマテリアル装置の単位セル７０の例示的な構成を示す上面図である。図１２の単位セル７０は、図１の複数の容量結合素子３に代えて、各導体素子２ａ，２ｂのギャップＧ１，Ｇ２にわたってそれぞれ装荷された容量結合素子６を備える。各容量結合素子６は、ギャップＧ１，Ｇ２の両側における導体素子の各部分が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該導体素子の各部分を互いに容量的に結合する。各容量結合素子６は、図１の容量結合素子３と同様にチップキャパシタであってもよく、図１０の容量結合素子４と同様に誘電体チップであってもよい。
【0066】
図１２の単位セル７０は、非特許文献２のスプリットリング共振器に対応する。
【0067】
図１１の単位セル１０Ｂからなるメタマテリアル装置（実施例）と、図１２の単位セル７０からなるメタマテリアル装置（第２の比較例）とについて、ＣＯＭＳＯＬ（登録商標）Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓを用いて、容量結合素子の比誘電率に対する共振周波数の特性を計算するシミュレーションを行った。単位セル１０Ｂ，７０の寸法などの各パラメータについて、容量結合素子５，６を除いて、共通の値を設定した。以下、寸法などのパラメータの符号は図１に示したものを用いる。
【0068】
誘電体基板１のサイズ：ｄ×ｄ＝１０ｍｍ×１０ｍｍ
誘電体基板１の厚さ：１．６ｍｍ
導体素子２ａの半径：ｒ＝３．６ｍｍ
導体素子２ａ，２ｂの幅：ｗ１＝ｗ２＝０．９ｍｍ
導体素子２ａ，２ｂのギャップＧ１，Ｇ２の長さ：ｇ１＝ｇ２＝０．２ｍｍ
導体素子２ａ，２ｂ間のギャップの幅：ｓ１＝０．２ｍｍ
導体素子２ａ，２ｂの厚さ：０．１ｍｍ
導体素子２ａ，２ｂの電気抵抗：０Ω
誘電体基板１の比誘電率：３．８５
容量結合素子５の比誘電率：１，１００，３００，５００
容量結合素子６の比誘電率：１，１００，３００，５００
誘電体基板１の厚さ：１．６ｍｍ
導体素子２ａの半径：ｒ＝３．６ｍｍ
導体素子２ａ，２ｂの幅：ｗ１＝ｗ２＝０．９ｍｍ
導体素子２ａ，２ｂのギャップＧ１，Ｇ２の長さ：ｇ１＝ｇ２＝０．２ｍｍ
導体素子２ａ，２ｂ間のギャップの幅：ｓ１＝０．２ｍｍ
導体素子２ａ，２ｂの厚さ：０．１ｍｍ
導体素子２ａ，２ｂの電気抵抗：０Ω
誘電体基板１の比誘電率：３．８５
容量結合素子５の比誘電率：１，１００，３００，５００
容量結合素子６の比誘電率：１，１００，３００，５００
【0069】
図１３は、実施例及び第２の比較例に係るメタマテリアル装置の容量結合素子の比誘電率に対する共振周波数の特性を示すグラフである。第２の比較例のシミュレーション結果によれば、各導体素子２ａ，２ｂのギャップＧ１，Ｇ２にわたって、比誘電率１００、３００、又は５００を有する容量結合素子６をそれぞれ装荷することにより、共振周波数が低減されることがわかる。また、容量結合素子６の比誘電率が増大するほど、すなわち、ギャップＧ１，Ｇ２にわたって装荷される容量が増大するほど、共振周波数が低減されることがわかる。これに対して、実施例のシミュレーション結果によれば、導体素子２ａ，２ｂのループに沿って、比誘電率１００、３００、又は５００を有する容量結合素子５を装荷することにより、第２の比較例の場合よりもさらに共振周波数が低減されることがわかる。また、容量結合素子５の比誘電率が増大するほど、すなわち、導体素子２ａ，２ｂにわたって装荷される容量が増大するほど、共振周波数が低減されることがわかる。
【0070】
図１の単位セル１０又は図１０の単位セル１０Ａからなるメタマテリアル装置の場合も同様に、第２の比較例の場合よりもさらに共振周波数を低減することができ、また、容量結合素子３又は４の容量が増大するほど共振周波数を低減することができる。
【0071】
非特許文献２のように、スプリットリング共振器のギャップ（スプリット）にわたってキャパシタを装荷しても、共振周波数の低下が十分ではないことがある。これに対して、第１の実施形態に係るメタマテリアル装置によれば、導体素子２ａ，２ｂにわたって容量結合素子３～５を装荷することにより、従来技術よりも効果的に共振周波数を低減することができる。
【0072】
第１の実施形態に係るメタマテリアル装置によれば、容量結合素子３～５を備えたことにより、サイズを増大させることなく、従来よりも低い共振周波数を達成することができる。言いかえると、第１の実施形態に係るメタマテリアル装置によれば、共振周波数を増大させることなく、従来よりも小さなサイズを有するメタマテリアル装置を提供することができる。
【0073】
一般に、メタマテリアル装置は、例えば数ＧＨｚ又は数ＴＨｚなど、高い周波数帯で動作する装置及びシステムに適用する場合について研究される場合が多い。これに対して、第１の実施形態に係るメタマテリアル装置は、例えば数十ＭＨｚなど、より低い周波数帯において動作する装置及びシステムに適用する場合に有益である。
【0074】
次に、第１の実施形態のさらに他の変形例について説明する。
【0075】
図１４は、第１の実施形態の第３の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｃの例示的な構成を示す上面図である。図１４の単位セル１０Ｃは、図１の単位セル１０の各構成要素に加えて、各導体素子２ａ，２ｂのギャップＧ１，Ｇ２にわたってそれぞれ装荷された容量結合素子６を備える。図１４の容量結合素子６は、図１２の容量結合素子６と同様に構成される。図１４の単位セル１０Ｃによれば、容量結合素子３及び容量結合素子６の両方を備えたことにより、図１等の場合よりもメタマテリアル装置の共振周波数を低減することができる。
【0076】
容量結合素子３は「第１の容量結合素子」の一例であり、容量結合素子６は「第２の容量結合素子」の一例である。
【0077】
図１５は、第１の実施形態の第４の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｄの例示的な構成を示す上面図である。図１５の単位セル１０Ｄは、図１の単位セル１０の各構成要素に加えて、導体素子２ｃと、導体素子２ｂ，２ｃにわたって装荷された複数の容量結合素子３とを備える。
【0078】
実施形態に係る単位セルは、３つ以上の導体素子を備えてもよい。図１４の単位セル１０Ｄは、３つの導体素子２ａ～２ｃを備える。導体素子２ａ～２ｃは、誘電体基板１の第１及び第２の面の少なくとも一方に形成され、互いに異なるサイズを有しかつ入れ子式に配置されたループの形状をそれぞれ有し、各ループの一部にギャップをそれぞれ有する。各容量結合素子３は、複数の導体素子２ａ～２ｃのうちの互いに隣接する各一対の導体素子にわたって装荷される。各容量結合素子３は、当該一対の導体素子が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該一対の導体素子を互いに容量的に結合する。
【0079】
【0080】
図１６は、第１の実施形態の第５の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｅの例示的な構成を示す上面図である。図１６の単位セル１０Ｅは、図１の円形の導体素子２ａ，２ｂに代えて、四角形の導体素子２Ｅａ，２Ｅｂを備える。実施形態に係る単位セルは、円形又は四角形の導体素子に代えて、他の多角形の導体素子を備えてもよい。これにより、高い自由度で導体素子を設計することができる。
【0081】
【0082】
導体素子７は、誘電体基板１の少なくとも一方の面において渦巻きの形状を有するように形成される。図１７の例では、導体素子７は、誘電体基板１の上面のみに形成される。
【0083】
各容量結合素子３は、導体素子７の渦巻きの放射方向において互いに隣接する導体素子７の各部分にわたって装荷される。各容量結合素子３は、当該導体素子７の各部分が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該導体素子７の各部分を互いに容量的に結合する。各容量結合素子３は、例えば、チップキャパシタである。
【0084】
第２の実施形態に係るメタマテリアル装置によれば、第１の実施形態に係るメタマテリアル装置と同様に、容量結合素子３を備えたことにより、サイズを増大させることなく、従来よりも低い共振周波数を達成することができる。言いかえると、第２の実施形態に係るメタマテリアル装置によれば、共振周波数を増大させることなく、従来よりも小さなサイズを有するメタマテリアル装置を提供することができる。第２の実施形態に係るメタマテリアル装置によれば、第１の実施形態に係るメタマテリアル装置の場合よりも、メタマテリアル装置の共振周波数を低減することができる。
【0085】
図１８は、第２の実施形態の第１の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｇの例示的な構成を示す上面図である。図１８の単位セル１０Ｇは、チップキャパシタである図１７の複数の容量結合素子３に代えて、誘電体チップである複数の容量結合素子４を備える。各容量結合素子４は、図１７の各容量結合素子３と同様に、導体素子７の渦巻きの放射方向において互いに隣接する導体素子７の各部分が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該導体素子７の各部分を互いに容量的に結合する。
【0086】
図１９は、第２の実施形態の第２の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｈの例示的な構成を示す上面図である。図１９の単位セル１０Ｈは、誘電体チップである図１８の複数の容量結合素子４に代えて、導体素子７の渦巻きに沿って形成された誘電体素子である容量結合素子８を備える。容量結合素子８は、図１８の各容量結合素子４と同様に、導体素子７の渦巻きの放射方向において互いに隣接する導体素子７の各部分が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該導体素子７の各部分を互いに容量的に結合する。容量結合素子８は、図１８の場合よりも多くの位置において、当該導体素子７の各部分を互いに容量的に結合する。従って、図１９の単位セル１０Ｈからなるメタマテリアル装置は、図１８の単位セル１０Ｇからなるメタマテリアル装置の場合よりもメタマテリアル装置の共振周波数を低減することができる。
【0087】
［第３の実施形態］
図２０は、第３の実施形態に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｉの例示的な構成を示す側面図である。単位セル１０Ｉは、誘電体基板１の上面（＋Ｚ側の面）及び下面（－Ｚ側の面）のそれぞれにおいて、図１の単位セル１０と同様に、複数の導体素子２ａ，２ｂ及び少なくとも１つの第１の容量結合素子３を備える。図２０の単位セル１０Ｉによれば、誘電体基板１の両面に導体素子２ａ，２ｂ及び容量結合素子３を備えたことにより、図１等の場合よりもメタマテリアル装置の共振周波数を低減することができる。
図２０は、第３の実施形態に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｉの例示的な構成を示す側面図である。単位セル１０Ｉは、誘電体基板１の上面（＋Ｚ側の面）及び下面（－Ｚ側の面）のそれぞれにおいて、図１の単位セル１０と同様に、複数の導体素子２ａ，２ｂ及び少なくとも１つの第１の容量結合素子３を備える。図２０の単位セル１０Ｉによれば、誘電体基板１の両面に導体素子２ａ，２ｂ及び容量結合素子３を備えたことにより、図１等の場合よりもメタマテリアル装置の共振周波数を低減することができる。
【0088】
図２１は、第３の実施形態の第１の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｊの例示的な構成を示す側面図である。図２１の単位セル１０Ｊは、図１の単位セル１０と同様にそれぞれ構成された複数のサブセル１０－１～１０－３と、図２０の単位セル１０Ｉと同様に構成されたサブセル１０Ｉとを備える。サブセル１０－１～１０－３及びサブセル１０Ｉは積層される。これにより、単位セル１０Ｊは、複数の誘電体基板１と、複数の誘電体基板１のそれぞれにおいて、複数の導体素子及び少なくとも１つの第１の容量結合素子とを備える。図２１の単位セル１０Ｊによれば、積層された複数のサブセル１０Ｊ－１～１０Ｊ－３を備えたことにより、図１等の場合よりもメタマテリアル装置の共振周波数を低減することができる。
【0089】
図２２は、第３の実施形態の第２の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｋの例示的な構成を示す側面図である。図２２の単位セル１０Ｋは、図２０の誘電体基板１に代えて、積層された誘電体層１Ｋａ～１Ｋｃを備える誘電体基板１Ｋを備える。誘電体層１Ｋｃは、誘電体層１Ｋａ，１Ｋｂの間に設けられ、誘電体層１Ｋａ，１Ｋｂの誘電率よりも高い誘電率を有する。図２２の単位セル１０Ｋによれば、異なる誘電率を有する多層の誘電体基板１Ｋを備えたことにより、図１等の場合よりもメタマテリアル装置の共振周波数を低減することができる。
【0090】
誘電体層１Ｋａ～１Ｋｃはそれぞれ「第１～第３の誘電体層」の一例である。
【0091】
図２３は、第３の実施形態の第３の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｌの例示的な構成を示す側面図である。図２３の単位セル１０Ｌは、図２２の単位セル１０Ｋと同様にそれぞれ構成された複数のサブセル１０Ｋ－１～１０Ｋ－３を備える。サブセル１０Ｋ－１～１０Ｋ－３は積層される。これにより、単位セル１０Ｌは、複数の誘電体基板１と、複数の誘電体基板１のそれぞれにおいて、複数の導体素子及び少なくとも１つの第１の容量結合素子とを備える。図２３の単位セル１０Ｌによれば、積層された複数のサブセル１０Ｋ－１～１０Ｋ－３を備えたことにより、図１等の場合よりもメタマテリアル装置の共振周波数を低減することができる。
【0092】
図２０～図２３の例では、誘電体基板１，１Ｋの各面に、図１の単位セル１０と同様に、複数の導体素子２ａ，２ｂ及び少なくとも１つの第１の容量結合素子３が形成される場合について説明した。ただし、第３の実施形態に係るメタマテリアル装置の単位セルはこれらに限定されず、誘電体基板の各面には、他の実施形態又は他の変形例に係ると同様に導体素子及び容量結合素子が形成されてもよい。
【0093】
図２４は、第３の実施形態の第４の変形例に係るメタマテリアル装置の単位セル１０Ｍの例示的な構成を示す側面図である。メタマテリアル装置の単位セルが複数のサブセルを含む場合、説明した実施形態に係る単位セルと同様に構成されたサブセルと、その一部の構成要素を省略したサブセルとを組み合わせてもよい。図２４の単位セル１０Ｍは、積層されたサブセル１０，１０ａ－１，１０ａ－２，１０Ｉａを備える。図２４のサブセル１０は、図１の単位セル１０と同様に構成される。サブセル１０ａ－１，１０ａ－２は、図１の単位セル１０から容量結合素子３を除去した構成を有する。サブセル１０Ｉａは、図２０の単位セル１０Ｉの上面及び下面の一方から容量結合素子３を除去した構成を有する。言い換えると、単位セル１０Ｍは、積層された複数の誘電体基板１と、複数の誘電体基板１のそれぞれに形成された導体素子２ａ，２ｂと、複数の誘電体基板１のうちの少なくとも１つに形成された容量結合素子３とを備える。図２４の例では、他の誘電体基板１に対抗する各誘電体基板１の面において容量結合素子３を省略することにより、複数のサブセルを容易に積層することができる。
【0094】
【0095】
［第４の実施形態］
図２５は、第４の実施形態に係るメタマテリアル装置２０Ｎの例示的な構成を示す斜視図である。図２５のメタマテリアル装置２０Ｎは、Ｘ方向及びＹ方向に周期的に配置された、立方体形状をそれぞれ有する複数の単位セル１０Ｎを備える。立方体形状の単位セル１０Ｎの各面に、例えば図１の単位セル１０が設けられる。複数の単位セル１０は、例えば、図２５に示すように、三次元的に配置されてもよい。
図２５は、第４の実施形態に係るメタマテリアル装置２０Ｎの例示的な構成を示す斜視図である。図２５のメタマテリアル装置２０Ｎは、Ｘ方向及びＹ方向に周期的に配置された、立方体形状をそれぞれ有する複数の単位セル１０Ｎを備える。立方体形状の単位セル１０Ｎの各面に、例えば図１の単位セル１０が設けられる。複数の単位セル１０は、例えば、図２５に示すように、三次元的に配置されてもよい。
【0096】
複数の単位セル１０は、図２５の例とは異なる形態で三次元的に配置されてもよい。
【0097】
図２５の例では、立方体形状の単位セル１０Ｎの各面に図１の単位セル１０が設けられる場合について説明した。ただし、第４の実施形態に係るメタマテリアル装置の単位セルはこれらに限定されず、立方体形状の単位セル１０Ｎの各面には、他の実施形態又は他の変形例に係ると単位セルが設けられてもよい。
【0098】
［他の変形例］
以上、本開示の実施形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本開示の例示に過ぎない。本開示の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。
以上、本開示の実施形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本開示の例示に過ぎない。本開示の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。
【0099】
上述した各実施形態及び各変形例は、任意に組み合わされてもよい。
【0100】
図４では、無線送電装置４０及び無線受電装置５０の両方にメタマテリアル装置を備える場合について説明したが、無線送電装置４０及び無線受電装置５０の一方のみがメタマテリアル装置を備えてもよい。
【0101】
図４では、無線送電装置４０及び無線受電装置５０の両方に磁性体コアを備える場合について説明したが、無線送電装置４０及び無線受電装置５０の一方又は両方が磁性体コアを備えていなくてもよい。
【0102】
［まとめ］
本開示の各側面に係るメタマテリアル装置、無線送電装置、無線受電装置、及び無線電力電送システムは、以下のように表現されてもよい。
本開示の各側面に係るメタマテリアル装置、無線送電装置、無線受電装置、及び無線電力電送システムは、以下のように表現されてもよい。
【0103】
本開示の第１の側面に係るメタマテリアル装置は、周期的に配置された複数の単位セル１０を含む。各単位セル１０は、誘電体基板１、複数の導体素子２ａ，２ｂ、及び少なくとも１つの第１の容量結合素子３～５を備える。誘電体基板１は、互いに対向する第１及び第２の面を有する。複数の導体素子２ａ，２ｂは、誘電体基板１の第１及び第２の面の少なくとも一方に形成され、互いに異なるサイズを有しかつ入れ子式に配置されたループの形状をそれぞれ有し、各ループの一部にギャップをそれぞれ有する。少なくとも１つの第１の容量結合素子３～５は、複数の導体素子２ａ，２ｂのうちの互いに隣接する各一対の導体素子にわたって装荷される。少なくとも１つの第１の容量結合素子３～５は、当該一対の導体素子２ａ，２ｂが自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該一対の導体素子を互いに容量的に結合する。
【0104】
本開示の第２の側面に係るメタマテリアル装置は、第１の側面に係るメタマテリアル装置において、少なくとも１つの第１の容量結合素子３は複数のチップキャパシタである。
【0105】
本開示の第３の側面に係るメタマテリアル装置は、第１の側面に係るメタマテリアル装置において、少なくとも１つの第１の容量結合素子４は複数の誘電体チップである。
【0106】
本開示の第４の側面に係るメタマテリアル装置は、第１の側面に係るメタマテリアル装置において、少なくとも１つの第１の容量結合素子５は、導体素子２ａ，２ｂのループに沿って形成された誘電体素子である。
【0107】
本開示の第５の側面に係るメタマテリアル装置は、第１～第４の側面のうちの１つに係るメタマテリアル装置において、各導体素子２ａ，２ｂのギャップにわたって装荷された第２の容量結合素子６であって、ギャップの両側における導体素子の各部分が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該導体素子の各部分を互いに容量的に結合する第２の容量結合素子６をさらに備える。
【0108】
本開示の第６の側面に係るメタマテリアル装置は、周期的に配置された複数の単位セル１０を含む。各単位セル１０は、誘電体基板１、導体素子７、及び少なくとも１つの第１の容量結合素子３，４，８を備える。誘電体基板１は、互いに対向する第１及び第２の面を有する。導体素子７は、誘電体基板１の第１及び第２の面の少なくとも一方において渦巻きの形状を有するように形成される。少なくとも１つの第１の容量結合素子３，４，８は、導体素子７の渦巻きの放射方向において互いに隣接する導体素子７の各部分にわたって装荷される。少なくとも１つの第１の容量結合素子３，４，８は、当該導体素子７の各部分が自由空間を介して互いに容量的に結合するときの静電容量よりも高い静電容量で当該導体素子７の各部分を互いに容量的に結合する。
【0109】
本開示の第７の側面に係るメタマテリアル装置は、第６の側面に係るメタマテリアル装置において、少なくとも１つの第１の容量結合素子３は複数のチップキャパシタである。
【0110】
本開示の第８の側面に係るメタマテリアル装置は、第６の側面に係るメタマテリアル装置において、少なくとも１つの第１の容量結合素子４は複数の誘電体チップである。
【0111】
本開示の第９の側面に係るメタマテリアル装置は、第６の側面に係るメタマテリアル装置において、少なくとも１つの第１の容量結合素子８は、導体素子７の渦巻きに沿って形成された誘電体素子である。
【0112】
本開示の第１０の側面に係るメタマテリアル装置は、第１～第９の側面のうちの１つに係るメタマテリアル装置において、各単位セル１０Ｉは、誘電体基板１の第１及び第２の面のそれぞれにおいて、導体素子及び第１の容量結合素子を備える。
【0113】
本開示の第１１の側面に係るメタマテリアル装置は、第１０の側面に係るメタマテリアル装置において、誘電体基板１Ｋは、積層された第１～第３の誘電体層１Ｋａ～１Ｋｃを備え、第３の誘電体層１Ｋｃは、第１及び第２の誘電体層１Ｋａ，１Ｋｂの間に設けられ、第１及び第２の誘電体層１Ｋａ，１Ｋｂの誘電率よりも高い誘電率を有する。
【0114】
本開示の第１２の側面に係るメタマテリアル装置は、第１～第１１の側面のうちの１つに係るメタマテリアル装置において、各単位セル１０Ｊは、積層された複数の誘電体基板１と、複数の誘電体基板１のそれぞれに形成された導体素子２ａ，２ｂと、複数の誘電体基板１のうちの少なくとも１つに形成された第１の容量結合素子３とを備える。
【0115】
本開示の第１３の側面に係る無線送電装置は、第１～第１２の側面のうちのに係るメタマテリアル装置２０と、送電コイル４３と、送電コイル４３に高周波電力を供給する送電回路４１とを備える。
【0116】
本開示の第１４の側面に係る無線受電装置は、第１～第１２の側面のうちのに係るメタマテリアル装置２０と、受電コイル５１と、受電コイル５１を介して高周波電力を受ける受電回路５３とを備える。
【0117】
本開示の第１５の側面に係る無線電力伝送システムは、第１３の側面に係る無線送電装置と、第１４の側面に係る無線受電装置とを含む。
【産業上の利用可能性】
【0118】
本開示に係るメタマテリアル装置は、例えば、無線送電装置から無線受電装置に非接触で電力を伝送する無線電力伝送システムに適用可能である。
【符号の説明】
【0119】
１，１Ｋ 誘電体基板
１Ｋａ～１Ｋｃ 誘電体層
２ａ～２ｃ，２Ｅａ，２Ｅｂ 導体素子
３～８ 容量結合素子
１０，１０Ａ～１０Ｎ 単位セル
２０，２０Ｎ メタマテリアル装置
３０ 電源装置
４０ 無線送電装置
４１ 送電回路
４２ 磁性体コア
４３ 送電コイル
５０ 無線受電装置
５１ 受電コイル
５２ 磁性体コア
５３ 受電回路
６０ 負荷装置
１Ｋａ～１Ｋｃ 誘電体層
２ａ～２ｃ，２Ｅａ，２Ｅｂ 導体素子
３～８ 容量結合素子
１０，１０Ａ～１０Ｎ 単位セル
２０，２０Ｎ メタマテリアル装置
３０ 電源装置
４０ 無線送電装置
４１ 送電回路
４２ 磁性体コア
４３ 送電コイル
５０ 無線受電装置
５１ 受電コイル
５２ 磁性体コア
５３ 受電回路
６０ 負荷装置
【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】