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(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】2024-11-29
(45)【発行日】2024-12-09
(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 20160101AFI20241202BHJP
【ＦＩ】
H02J50/12
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2024501026
(86)(22)【出願日】2023-01-17
(86)【国際出願番号】 JP2023001128
(87)【国際公開番号】W WO2023157529
(87)【国際公開日】2023-08-24
【審査請求日】2023-11-24
(31)【優先権主張番号】P 2022023872
(32)【優先日】2022-02-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000006231
【氏名又は名称】株式会社村田製作所
(73)【特許権者】
【識別番号】304027349
【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000914
【氏名又は名称】弁理士法人ＷｉｓｅＰｌｕｓ
(72)【発明者】
【氏名】佐伯 洋昌
(72)【発明者】
【氏名】田村 昌也
(72)【発明者】
【氏名】田村 義信
(72)【発明者】
【氏名】赤井 鈴鹿
【審査官】宮本 秀一
(56)【参考文献】
【文献】特開平１１－２３９０１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０４１５２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０９２２５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】MEI, Henry et al.，Cavity Resonator Wireless Power Transfer System for Freely Moving Animal Experiments，IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2017年04月，Vol.64,No.4，p.775-785
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｊ５０／００－５０／９０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
適宜な導電率および周波数選択性を有する電磁波遮蔽部材によって全体が包囲されたキャビティ共振器と、少なくとも１つの受電部と、少なくとも１つの送電部と、少なくとも１つの共振器と、を備え、前記送電部の送電回路から前記受電部の受電回路までの無線電力伝送システムの等価回路において、前記送電回路から前記受電回路までの送電経路上に、前記キャビティ共振器を含めたＮ個（Ｎ≧２）の共振器がインバータを介して直列に接続されており、
前記共振器を前記キャビティ共振器からみて送電器側に１個以上備える、無線電力伝送システム。
【請求項2】
前記共振器を前記キャビティ共振器からみて受電器側および送電器側の両側に１個以上備え、Ｎ≧３を満たす、請求項１に記載の無線電力伝送システム。
【請求項3】
前記共振器は、前記キャビティ共振器を除いてＬＣ並列共振器からなる、請求項１または２に記載の無線電力伝送システム。
【請求項4】
前記キャビティ共振器が送電器側から数えてｍ番目の共振器であるとき、ｍ＋１番目の共振器よりも送電回路側のシャント素子は前記キャビティ共振器に接地しており、ｍ＋１番目の共振器を含む受電回路側のシャント素子は前記受電部を構成する受電器のグラウンドに接続されている、請求項１または２に記載の無線電力伝送システム。
【請求項5】
前記受電部を構成する受電器の導体線路および前記送電部を構成する送電器の導体線路は、いずれも一方の先端が開放端となっており、位相定数βと導体線路長Ｌの積がπ／２より小さい、請求項１または２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。より特定的には、無線電力伝送に用いるアンテナの短縮および広帯域化に関する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ＩＯＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）デバイスの爆発的な増加に伴って、これらへの電力供給方法に課題が生じている。膨大な数のデバイスへの配線接続は困難であり、また、電池を電源とする場合には消耗した電池の交換に多大な労力を要する問題がある。これらを解決するために、無線にて電力を伝送する技術が期待されている。
【0003】
非特許文献１には、金属で囲まれた空間内を共振器（以下、キャビティ共振器と呼称する）に見立て、キャビティ共振器固有の共振周波数で送電部から電磁波を照射し、キャビティ共振器内の受電器へ送電する無線電力伝送システム（空洞共振式無線電力伝送システムと呼ばれる）が開示されている。非特許文献１には、キャビティ共振器のサイズおよび共振モードに対する共振周波数の関係が詳細に記載されている。
【0004】
非特許文献２には、金属で囲まれた空間内を共振器に見立て、キャビティ共振器固有の共振周波数で送電部から電磁波を照射し、キャビティ共振器内の受電器へ送電する無線電力伝送システムが開示されている。非特許文献２には、キャビティ共振器の内包物によって共振周波数が変化する旨の記載がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【文献】Ｓ．Ｒａｈｉｍｉｚａｄｅｈ，Ｓ．Ｋｏｒｈｕｍｍｅｌ，Ｂ．Ｋａｓｌｏｎ，Ｚ．Ｐｏｐｏｖｉｃ，“Ｓｃａｌａｂｌｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒｉｎｇ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎ ａｎ ｏｖｅｒ－ｍｏｄｅｄ ｃａｖｉｔｙ”， Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐａｐｅｒ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ（ＷＰＴ），２０１３ ＩＥＥＥ
【文献】Ｈ．Ｍｅｉ，Ｋ．Ａ．Ｔｈａｎｃｋｓｔｏｎ，Ｒ．Ａ．Ｂｅｒｃｉｃｈ，Ｊ．Ｇ．Ｒ．Ｊｅｆｆｅｒｙｓ，ａｎｄ Ｐ．Ｐ．Ｉｒａｚｏｑｕｉ，“Ｃａｖｉｔｙ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｆｒｅｅｌｙ Ｍｏｖｉｎｇ Ａｎｉｍａｌ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ”， ＩＥＥＥ Ｂｉｏｍｅｄ．Ｅｎｇ．，Ｖｏｌ．６４，Ｎｏ．４，ｐｐ．７７５－７８５ Ｊｕｎｅ ２０１６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
非特許文献１に示すように、空洞共振式無線電力伝送システムでは、導電体で包囲された空間を共振器に見立てて、キャビティ共振器の寸法と共振モードによって決定される共振周波数に設定した電磁波を利用して、無線電力伝送が行われる。従って、送電に際しては、共振周波数をあらかじめ何らかの方法で把握してから利用する必要があった。
【0007】
しかし、非特許文献２に示すように、キャビティ共振器に内包物が存在すると、空間の平均的な比誘電率が変化することによって、共振周波数が変化する問題がある。すなわち内包物の内容や設置箇所が変化するような環境では、あらかじめ調整しておいた共振周波数で適切に送電できるとは限らない課題があった。
【0008】
工場や倉庫などの空間をキャビティ共振器と見立て、実使用環境におけるＩＯＴデバイスへ無線電力伝送するシステムを想定したとき、キャビティ共振器内のＩＯＴデバイスの配置や、その他の物体の配置は必ずしも一定になるとは限らない。すなわち共振周波数はその時々で変化すると予想される。
【0009】
このとき送受電に用いられる送受電器の帯域以上に共振周波数が変化してしまうと、送受電の効率は著しく低下することが予想される。
【0010】
本発明は、キャビティ共振器内の物体の配置、個数、材質に関わらず、無線送電を可能とするために、送受電器の導体線路寸法と効率を維持したまま、広帯域化が可能となる無線電力伝送システムを提供することを目的とする。
【0011】
また、他の利用方法として、本発明は、送受電器の帯域と効率を維持したまま、導体線路寸法の小型化が可能となる無線電力伝送システムを提供することを目的とする。
【0012】
なお、ここでの導体線路は、通常の電磁波放射でいうアンテナに相当する部位であり、電磁波を放射するという意味では同義である。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の無線電力伝送システムは、適宜な導電率および周波数選択性を有する電磁波遮蔽部材によって全体が包囲された構造体、すなわちキャビティ共振器と、少なくとも１つの受電部と、少なくとも１つの送電部と、少なくとも１つの共振器と、を備える。
【0014】
本発明の無線電力伝送システムでは、送電部の送電回路から受電部の受電回路までの無線電力伝送システムの等価回路において、送電回路から受電回路までの送電経路上に、キャビティ共振器を含めたＮ個（Ｎ≧２）の共振器がインバータを介して直列に接続されている。一実施形態においては、送電器の導体線路あるいは受電器の導体線路の片方または両方に共振回路網が接続される。ここで、共振回路網は、送電器の導体線路と送電回路との間または受電器の導体線路と受電回路との間に設置されるものである。このとき、適宜整合回路が取り付けられても良い。共振回路網は、例えば、ＬＣ並列共振器とシリーズ接続されたキャパシタからなる対を、１つあるいは２つ以上具備する。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、導体線路寸法と放射効率を維持したままで、送受電器の帯域を広げることが可能となる。また、他の利用方法として、送受電器の帯域と放射効率を維持したままで、導体線路寸法を小さくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の実施の形態に係る無線電力伝送システムの一例の構成図である。
【図2】受電部３における受電器７の構成の一例を示す模式図である。
【図3A】送電部４における送電器１０ａの構成の一例を示す模式図である。
【図3B】送電部４における送電器１０ａの構成の別の一例を示す模式図である。
【図4】本発明の参考例に係るキャビティ共振器１４と送電部１５との関係を示す模式図である。
【図5A】本発明の参考例に係る直線形状の導体線路を有する送電部１５の模式図である。
【図5B】本発明の参考例に係る屈曲形状の導体線路を有する送電部１５の模式図である。
【図8】送電部１７、Ｊインバータ１８およびキャビティ共振器１９からなる等価回路１６である。
【図10】送電回路２１、第一のＪインバータ２２、キャビティ共振器１９、第二のＪインバータ２３および受電回路２４からなる等価回路２０である。
【図11】数式３～数式９を利用して算出した、導体線路長Ｌと目標効率以上で送電可能な周波数帯域幅Δｆとの関係を表すグラフである。
【図12】本発明の実施の形態に係る無線電力伝送システムの等価回路２５である。
【図13】本発明の実施例に係る無線電力伝送システム４１の模式図である。
【図14】実施例の等価回路４４である。
【図15】比較例および実施例における周波数特性を示すグラフである。
【図16】比較例および実施例における帯域と導体線路長との関係を示すグラフである。
【図17】比較例および実施例における伝送効率と導体線路長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】
【0017】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明の無線電力伝送システムは以下の形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内において、種々の応用、変更を加えることが可能である。
【0018】
本明細書において、要素間の関係性を示す用語（例えば「垂直」、「平行」、「直交」など）、および、要素の形状を示す用語は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。
【0019】
（無線電力伝送システムの全体構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る無線電力伝送システムの一例の構成図である。図１において、無線電力伝送システム１は、適宜な導電率を有する電磁波遮蔽部材２によって全体が包囲された構造体を共振器に見立て、その内部に、少なくとも１つの受電部３と、少なくとも１つの送電部４とを備え、さらに送電部４あるいは受電部３の片方または両方に共振回路網５を備える。例えば送電部４に共振回路網５を取り付ける場合は、送電部４と送電回路６との間に設置する。すなわち、無線電力伝送システム１は無線電力伝送を実現するシステムの全体を指している。なお、電磁波遮蔽部材２で構成されるキャビティ共振器の形状は直方体形状に限定されるものではない。
図１は、本発明の実施の形態に係る無線電力伝送システムの一例の構成図である。図１において、無線電力伝送システム１は、適宜な導電率を有する電磁波遮蔽部材２によって全体が包囲された構造体を共振器に見立て、その内部に、少なくとも１つの受電部３と、少なくとも１つの送電部４とを備え、さらに送電部４あるいは受電部３の片方または両方に共振回路網５を備える。例えば送電部４に共振回路網５を取り付ける場合は、送電部４と送電回路６との間に設置する。すなわち、無線電力伝送システム１は無線電力伝送を実現するシステムの全体を指している。なお、電磁波遮蔽部材２で構成されるキャビティ共振器の形状は直方体形状に限定されるものではない。
【0020】
電磁波遮蔽部材２は導電性を有していれば特に限定されないが、好ましくは銅、アルミニウム、鉄、ステンレス、ニッケルなどの金属材料が挙げられる。あるいは、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの導電性酸化物材料、グラファイト、有機導電材料などが挙げられる。これらは上記部材からなる複数の層で構成されてもよい。また、導電性を有していれば合金または混合物であっても構わない。加えて、電力供給する周波数において電磁波遮蔽部材として動作するのであれば、形状は板状、メッシュ状、膜状、ポーラス状などであってもよい。なお、電磁波遮蔽部材２は、無線電力伝送に供する周波数に対してのみ電磁波遮蔽機能を有していればよく、例えば無線通信用の周波数に対しては電磁波透過能を持ってもよい。すなわち、電磁波遮蔽部材２は、適宜な周波数選択性を有していればよい。なお、電磁波遮蔽部材２は、樹脂など電磁波を透過しやすい部材で被覆しても良い。
【0021】
受電部３は受電器７からなる。受電器７の構成の一例について、図２を用いて説明する。受電器７は、例えば、電磁波を受電する導体線路８と、整流回路を含む受電回路９とから構成される。必要に応じて、スイッチ、整合回路等を取り付けてもよい。本発明を受電部３に適用する場合は、共振回路網１０を導体線路８と受電回路９の間に取り付ける。導体線路８は代表的にはダイポールタイプ、モノポールタイプ、パッチタイプなどが適している。なお、導体線路８は適宜折り曲げてもよい。また、グラウンドあるいは受電部３の基準電位となる部分に線路の一部を短絡させた逆Ｆ型構造を採用してもよい。導体線路８の一部にキャパシタまたはインダクタを挿入することで対応周波数を調整することも可能である。これらは、電磁波遮蔽部材２で形成されるキャビティ共振器に由来した共振周波数に応じて、適切に選択される。
【0022】
送電部４は送電器１０ａからなる。送電器１０ａの構成の一例について、図３Ａおよび図３Ｂを用いて説明する。図３Ａおよび図３Ｂに示すように送電器１０ａは、導体線路１１から構成される。導体線路１１は、例えば図３Ａのように金属棒から構成されても良いし、図３Ｂのように誘電体基板１２の上にプリント基板配線１３を取り付けて構成されても良い。導体線路１１は電磁波遮蔽部材２に対して概ね垂直に設置されることが好ましい。このとき、導体線路１１は、電磁波遮蔽部材２と電気的に接触しないように設置される。なお、本発明において導体線路１１は共振回路網５または送電回路に接続されるが、適宜ＳＭＡ（Ｓｕｂ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｔｙｐｅ Ａ）端子などのコネクタを介してもよい。
【0023】
ここで、図１に示す無線電力伝送システム１に利用される電磁波の周波数について考える。キャビティ共振器の水平方向の長さがａ（Ｘ軸方向）およびｂ（Ｙ軸方向）であり、垂直方向の長さがｃ（Ｚ軸方向）である場合、共振周波数ｆｒは数式１のように決定することができる。
【0024】
【数1】
【0025】
ここで、ｖは光速、μｒは比透磁率、εｒは比誘電率、ｍ、ｎ、ｐはそれぞれ整数を示している。
【0026】
例えば、キャビティ共振器の中に空気以外の物体が入った場合、空間の平均的な比透磁率と比誘電率は、それぞれμｒ’とεｒ’に変化する。これによって共振周波数はｆｒ’にシフトすることとなる。このときｆｒ’は数式２のように表される。
【0027】
【数2】
【0028】
工場や倉庫などの空間をキャビティ共振器と見立て、実使用環境でのＩＯＴデバイスへ無線電力伝送するシステムを想定したとき、キャビティ共振器内のＩＯＴデバイスの配置や、その他の物体の配置は必ずしも一定とは限らない。つまり数式１に従って導出された共振周波数ｆｒと、数式２に従って導出された共振周波数ｆｒ’とは異なる。このことから、送受電器はいずれか１つの共振周波数だけを選択して設計するのではなく、ある程度の周波数の変化に対応できるように設計する必要がある。すなわち送受電帯域を広くする必要がある。
【0029】
本発明の実施の形態に係る無線電力伝送システム１において、受電器７の導体線路８は、例えば、一方の先端が開放端となっており、位相定数βと導体線路長Ｌの積がπ／２より小さい。この場合、容量性オープンスタブとして機能する。そして導体線路８によってもたらされるキャパシタンスを介して、キャビティ共振器と受電部３は結合する。
【0030】
同様に、本発明の実施の形態に係る無線電力伝送システム１において、送電器１０ａの導体線路１１は、例えば、一方の先端が開放端となっており、位相定数βと導体線路長Ｌの積がπ／２より小さい。この場合、容量性オープンスタブとして機能する。そして導体線路１１によってもたらされるキャパシタンスを介して、キャビティ共振器と送電部４は結合する。
【0031】
すなわちキャビティ共振器と受電部３、キャビティ共振器と送電部４がそれぞれ容量性結合をすることによって、送電部４から受電部３への無線電力伝送が可能となる。本発明者らによる鋭意検討の結果、導体線路長Ｌと結合容量に関する関係性を明らかにした。この関係性については、後述の参考例にて説明する。
【実施例】
【0032】
以下、本発明の構成およびその効果を具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
【0033】
［参考例］
参考例では導体線路長Ｌと結合容量に関する関係性を明らかにし、本発明の構造とその効果との関係を説明する。
参考例では導体線路長Ｌと結合容量に関する関係性を明らかにし、本発明の構造とその効果との関係を説明する。
【0034】
図４は、本発明の参考例に係るキャビティ共振器１４と送電部１５との関係を示す模式図である。
【0035】
【0036】
キャビティ共振器１４は切妻屋根を持った形状をしている。Ｘ軸方向の長さａは１５００ｍｍ、Ｙ軸方向の長さｂは１８００ｍｍである。垂直に立った壁部分の高さは１５００ｍｍ、切妻屋根も含めた高さは１９６０ｍｍである。送電部１５の送電器はＹＺ面上に設置されている。
【0037】
送電部１５としては、図５Ａに示すように直径１ｍｍのＣｕロッドの先に直線形状の導体線路を配したプリント基板を取り付けたもの、または、図５Ｂに示すように直径１ｍｍのＣｕロッドの先に屈曲形状の導体線路を配したプリント基板を取り付けたものが用いられる。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、ｈはキャビティ共振器からプリント基板接続部までの距離を表しており、５０ｍｍで設定している。また、Ｌは導体線路の合計長さを表している。
【0038】
参考例では、導体線路長Ｌは１００、１５０、２００、３８５または６００ｍｍがありえる。また、図５Ａに示す直線形状（Ｌ形状とも記載する）の対応関係は図６Ａに示すとおりであり、図５Ｂに示す屈曲形状（Ｓ形状とも記載する）の対応関係は図６Ｂに示すとおりである。
【0039】
【0040】
ここで容量性結合をなすキャパシタンスを導出するため、図８に等価回路１６を示す。等価回路１６は送電部１７、Ｊインバータ１８およびキャビティ共振器１９からなっている。また、送電部１７とキャビティ共振器１９は、Ｊインバータ１８の容量Ｃｉを介して結合している。
【0041】
図７Ａおよび図７Ｂに示すスミスチャートを、図８に示す等価回路１６でフィッティングを行うことで、キャビティ共振器１９の等価容量Ｃｒ、等価インダクタンスＬｒ、等価抵抗Ｒｒ、送電部１７の等価容量Ｃｔ、Ｊインバータ１８の結合容量Ｃｉを算出した。なお、フィッティングにはＫｅｙｓｉｇｈｔ社のＡｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｙｓｔｅｍｓを用いた。
【0042】
このようにして導体線路長Ｌ＝１００～６００ｍｍの値におけるキャビティ共振器１９の等価容量Ｃｒ、等価インダクタンスＬｒを算出した結果、等価容量Ｃｒは１９．８８４～２０．５７５ｐＦ、等価インダクタンスＬｒは８６．９２７～８９．９４９ｎＨが得られた。つまり、導体線路長Ｌに関わらず、キャビティ共振器１９の等価容量Ｃｒと等価インダクタンスＬｒはほぼ一定の値を得ることができるとわかる。
【0043】
【0044】
【数3】
【0045】
ここまでの議論によって、本発明の構造を用いない場合における、導体線路長Ｌとキャビティ共振器／導体線路間の結合容量Ｃｉの関係を明らかにした。なお、等価回路１６において、Ｊインバータ１８を介してキャビティ共振器１９に接続される回路を送電部１７としたが、これは受電部と読み替えたとしても同じ等価回路である。すなわち、送受電の両方に対する議論として扱うことができる。
【0046】
つぎに図１０のように、受電部も加えた等価回路２０に拡張する。等価回路２０は送電回路２１、第一のＪインバータ２２、キャビティ共振器１９、第二のＪインバータ２３および受電回路２４からなる。ここで送電回路２１とキャビティ共振器１９は、第一のＪインバータ２２の結合容量Ｃ０１を介して結合している。また、キャビティ共振器１９と受電回路２４は、第二のＪインバータ２３の結合容量Ｃ１２を介して結合している。
【0047】
いま無線電力伝送が、ある帯域を伴って電力を通過させるということは、すなわち等価回路２０が適切なバンド幅（通過帯域幅）のバンドパスフィルタとして機能していると言い換えることができる。つまり、バンドパスフィルタの設計理論を適用することができる。
【0048】
共振器を集中定数回路素子で近似するため、数式４で表現されるサセプタンススロープパラメータｂを用いて共振周波数付近の特性を近似する。ここでωは周波数、Ｂはサセプタンス、ＣおよびＬは共振器を表現するキャパシタンスとインダクタンスを示している。
【0049】
【数4】
【0050】
Ｊインバータにおける結合容量Ｃは、デシベルで表現されるバンドパスフィルタの通過帯域内リプルＬＡＲ、サセプタンススロープパラメータｂ、入力端子コンダクタンスＧ、通過帯域の中心周波数と通過帯域幅の比を示す比帯域ｗ、プロトタイプフィルタの共振周波数ω’、共振器の数（バンドパスフィルタの段数）ｎ、ｇパラメータを用いることで、数式５から数式９のように表すことができる。
【0051】
【数5】
【0052】
【数6】
【0053】
【数7】
【0054】
【数8】
【0055】
【数9】
【0056】
数式４からキャビティ共振器のサセプタンススロープを求め、所望の伝送効率η、所望の比帯域ｗ、入出力コンダクタンスＧＡ、ＧＢを設定して、数式４から数式９までの関係式に上記結合容量を代入することによって、キャビティ共振器と送受電器との結合容量Ｃ０１、Ｃ１２を算出することができる。そして、数式３の関係から上記結合容量Ｃ０１、Ｃ１２を満足する導体線路長Ｌが決定できる。ここで、伝送効率η（％）は次式で表現される。
【0057】
【数10】
【0058】
図１１は、数式３～数式９を利用して算出した、導体線路長Ｌと目標効率以上で送電可能な周波数帯域幅Δｆとの関係を表している。ここでコンダクタンスＧ＝０．０２Ｓ、伝送効率η＝９０％、５０％または１０％とした。図１１は、例えば帯域幅６ＭＨｚ、伝送効率η＝９０％の送受電を達成しようとするには、導体線路長Ｌ＝１２４０ｍｍが必要ということを示している。図１１から、例えば導体線路長Ｌを維持したままで帯域幅Δｆを増やすためには、伝送効率ηを下げるしかないことが理解できる。また、伝送効率ηを維持したままで帯域幅Δｆを増やすためには、導体線路長Ｌを長くするしかないことが理解できる。
【0059】
このように、旧来のキャビティ共振器を利用した無線送電では、実用的な帯域を確保するためには、伝送効率を下げたり導体線路長を長くするなど、実利用の観点からは受け入れがたい方法を採用するしかないことが理解できる。
【0060】
［実施例］
旧来の方式をモデル化した図１０の等価回路２０では、キャビティ共振器のみを利用したｎ＝１段の共振器を持つバンドパスフィルタとなっている。これは送電器とキャビティ共振器との間の結合が数式７～数式９におけるｎ＝１の入力段に相当し、キャビティ共振器と受電器との間の結合が数式７～数式９におけるｎ＝１の出力段に相当することを意味している。
旧来の方式をモデル化した図１０の等価回路２０では、キャビティ共振器のみを利用したｎ＝１段の共振器を持つバンドパスフィルタとなっている。これは送電器とキャビティ共振器との間の結合が数式７～数式９におけるｎ＝１の入力段に相当し、キャビティ共振器と受電器との間の結合が数式７～数式９におけるｎ＝１の出力段に相当することを意味している。
【0061】
これに対して、図１２のようにキャビティ共振器とは異なる共振回路網を新たに加えたバンドパスフィルタの等価回路２５においては、無線電力の送受電に用いられる容量性結合が数式７～数式９の段間結合に相当することとなる。つまり共振回路網の追加によって、結合に用いられる容量を異なる数式へと変換することが可能となる。
【0062】
図１２は、本発明の実施の形態に係る無線電力伝送システムの等価回路２５である。等価回路２５は、送電回路２６、第一のＪインバータ２７、第一の共振回路網２８、第ｍ－１のＪインバータ２９、第ｍ－１の共振器３０、送電器等価容量３１、第ｍのＪインバータ３２、第ｍの共振器（キャビティ共振器）３３、第ｍ＋１のＪインバータ３４、受電器等価容量３５、第ｍ＋１の共振回路網３６、第ｍ＋１のＪインバータ３７、第Ｎの共振器３８、第ＮのＪインバータ３９および受電回路４０からなる。ここでｍ＜Ｎかつ、Ｎ≧２である。なお、Ｎ＝２とは、送電回路２６または受電回路４０のいずれか片側に共振回路網を実装した場合を指している。本実施形態では、キャビティ共振器３３を除く共振器は、ＬＣ並列共振器からなる。
【0063】
図１２に示すように、キャビティ共振器３３が送電器側から数えてｍ番目の共振器であるとき、ｍ＋１番目の共振器よりも送電回路２６側のシャント素子はキャビティ共振器３３に接地しており、ｍ＋１番目の共振器を含む受電回路４０側のシャント素子は受電部を構成する受電器のグラウンドに接続されている。
【0064】
等価回路２０から等価回路２５への変換は、送受電器を構成する導体線路とキャビティ共振器との間の入出力結合に相当するＪインバータの結合を、数式７～数式９の入出力段モデルから、段間結合モデルへと変化させることを意味している。これを利用することによって、同等の帯域と伝送効率を維持したままで結合容量を小さくすることが可能である。これはすなわち導体線路長を短縮することと等価である。あるいは伝送効率と結合容量を維持したままで（すなわち導体線路長を維持したままで）、帯域を広げることが可能となる。
【0065】
従って、本発明の回路構造を採用することによって、同等の帯域と伝送効率を維持したままで結合容量を小さくすることができる。すなわち性能を維持したままで導体線路長を短縮できるシステムを提供することが可能となる。
【0066】
本発明の回路構造の異なる機能として、伝送効率と結合容量を維持したままで、帯域を広げることが可能となる。これはすなわち導体線路長を維持したままで、帯域を広げられるシステムを提供することが可能となる。
【0067】
本発明においては、キャビティ共振器からみて受電器側および送電器側の両側に１個以上の共振器を備え、キャビティ共振器を含めた共振器の個数ＮがＮ≧３を満たすことが好ましい。ここで、共振器の個数Ｎは、回路基板の実装面積と実装するＬＣ部品に由来するロスの許容する範囲で大きくすることが望ましく、現実的には８個未満がより望ましい。例えば、共振器の個数Ｎを７とする場合は、送電器側に３個および受電器側に３個の共振器を備え、キャビティ共振器１個と合わせて計７個とすることができる。
【0068】
図１３は、本発明の実施例に係る無線電力伝送システム４１の模式図である。
【0069】
実施例では、導体線路および共振回路網を有する受電部４２と、導体線路および共振回路網を有する送電部４３と、アルミニウムからなる骨組みと亜鉛メッシュ壁面とアルミニウム床面からなる電磁波遮蔽部材２とから構成されるキャビティ共振器で構成される無線電力伝送システム４１を考える。
【0070】
実施例では、比較例との比較を行う。比較例の等価回路２０は図１０の通りであり、キャビティ共振器からなるｎ＝１段の共振器をもつバンドパスフィルタの様態である。また、実施例の等価回路４４は図１４の通りであり、キャビティ共振器を挟むように設置された２つの共振回路網とキャビティ共振器からなるｎ＝３段の共振器をもつバンドパスフィルタの様態である。
【0071】
実施例の等価回路４４は、送電回路４５、第一のＪインバータ４６、第一の共振回路網４７、送電器等価容量４８、第二のＪインバータ４９、第二の共振回路網（キャビティ共振器）５０、第三のＪインバータ５１、受電器等価容量５２、第三の共振回路網５３、第四のＪインバータ５４および受電回路５５からなる。
【0072】
比較例における等価回路２０では、参考例での検討で明らかなようにＣｒ＝２０．５７０ｐＦ、Ｌｒ＝８６．９２７ｎＨ、Ｒｒ＝４９．２９１ｋΩの値を有する。これを利用して帯域幅６ＭＨｚ、効率９０％の送受電を達成しようとするのに最適化された素子値はＧＡ＝０．０２Ｓ、ＧＢ＝０．０２Ｓ、Ｃ０１＝６．６４ｐＦ、Ｃ１２＝６．６４ｐＦであった。
【0073】
実施例における等価回路４４においても、比較例と同じキャビティ共振器を利用しているため、Ｃｒ２＝２０．５７０ｐＦ、Ｌｒ２＝８６．９２７ｎＨ、Ｒｒ２＝４９．２９１ｋΩである。このときに、帯域幅６ＭＨｚ、効率９０％の送受電を達成しようとするのに最適化された素子値はＧＡ＝０．０２Ｓ、ＧＢ＝０．０２Ｓ、Ｃ０１＝４．７５８ｐＦ、Ｃ１２＝０．８６１ｐＦ、Ｃ２３＝０．８６１ｐＦ、Ｃ３４＝４．７５８ｐＦ、Ｃｒ１＋Ｃｔ＝２０．５７０ｐＦ、Ｃｒ３＋Ｃｒ＝２０．５７０ｐＦ、Ｌｒ１＝８６．９２７ｎＨ、Ｌｒ３＝８６．９２７ｎＨであった。
【0074】
比較例および実施例における等価回路と、各素子の最適値をＫｅｙｓｉｇｈｔ社Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｙｓｔｅｍｓに入力し、周波数特性を図示したものが図１５である。比較例（ｎ＝１）および実施例（ｎ＝３）の双方ともに、おおむね帯域幅約６ＭＨｚ、伝送効率η＝９０％を達成できていることが見て取れる。
【0075】
実験結果を元に、伝送効率９０％を維持した状態で、目標帯域を満たすために必要となる導体線路長を算出した結果が図１６である。実施例（ｎ＝３）では、比較例（ｎ＝１）と比べて、同じ導体線路長Ｌであるにもかかわらず送受電帯域を広く取ることができることがわかる。また、実施例では、送受電帯域が維持されたままで、導体線路長Ｌを短縮することができる。
【0076】
同様に実験結果を元に、送受電帯域を６ＭＨｚに維持したままで、目標伝送効率を満たすために必要となる導体線路長を算出した結果が図１７である。実施例（ｎ＝３）では、比較例（ｎ＝１）と比べて、同じ導体線路長Ｌであるにもかかわらず伝送効率ηを上げることができることがわかる。また、実施例では、伝送効率ηが維持されたままで、導体線路長Ｌを短縮することができる。
【0077】
なお、本発明において、キャビティ共振器を除く共振器を構成するＬＣ並列共振器については、そのキャパシタンス成分を、隣接するＪインバータのキャパシタンス成分に完全に吸収させても良い。その場合はインダクタのみの実装で共振器を実現することができるため、より実装面積が有利になる。
【0078】
また、本発明において、受電回路に取り付ける共振器は、インダクタとキャパシタで表現される並列共振素子とバラン（あるいは平衡－不平衡変換回路）で構成しても構わない。
【0079】
本発明に係る説明はＪインバータと並列共振器を用いて行ったが、Ｋインバータと直列共振器を利用した場合においても、同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【0080】
１ 本発明に係る無線電力伝送システム
２ 電磁波遮蔽部材
３ 受電部
４ 送電部
５ 共振回路網
６ 送電回路
７ 受電器
８ 導体線路
９ 受電回路
１０ 共振回路網
１０ａ 送電器
１１ 導体線路
１２ 誘電体基板
１３ プリント基板配線
１４ キャビティ共振器
１５ 送電部
１６ 送電のみを考慮した空洞共振式無線電力伝送システムの等価回路
１７ 送電部
１８ Ｊインバータ
１９ キャビティ共振器
２０ 送受電を考慮した既存構造の空洞共振式無線電力伝送システムの等価回路
２１ 送電回路
２２ 第一のＪインバータ
２３ 第二のＪインバータ
２４ 受電回路
２５ 本発明に係る無線電力伝送システムの等価回路
２６ 送電回路
２７ 第一のＪインバータ
２８ 第一の共振回路網
２９ 第ｍ－１のＪインバータ
３０ 第ｍ－１の共振器
３１ 送電器等価容量
３２ 第ｍのＪインバータ
３３ 第ｍの共振器（キャビティ共振器）
３４ 第ｍ＋１のＪインバータ
３５ 受電器等価容量
３６ 第ｍ＋１の共振回路網
３７ 第ｍ＋１のＪインバータ
３８ 第Ｎの共振器
３９ 第ＮのＪインバータ
４０ 受電回路
４１ 実施例に係る無線電力伝送システム
４２ 導体線路と共振回路網を有する受電部
４３ 導体線路と共振回路網を有する送電部
４４ 実施例の等価回路
４５ 送電回路
４６ 第一のＪインバータ
４７ 第一の共振回路網
４８ 送電器等価容量
４９ 第二のＪインバータ
５０ 第二の共振回路網（キャビティ共振器）
５１ 第三のＪインバータ
５２ 受電器等価容量
５３ 第三の共振回路網
５４ 第四のＪインバータ
５５ 受電回路
２ 電磁波遮蔽部材
３ 受電部
４ 送電部
５ 共振回路網
６ 送電回路
７ 受電器
８ 導体線路
９ 受電回路
１０ 共振回路網
１０ａ 送電器
１１ 導体線路
１２ 誘電体基板
１３ プリント基板配線
１４ キャビティ共振器
１５ 送電部
１６ 送電のみを考慮した空洞共振式無線電力伝送システムの等価回路
１７ 送電部
１８ Ｊインバータ
１９ キャビティ共振器
２０ 送受電を考慮した既存構造の空洞共振式無線電力伝送システムの等価回路
２１ 送電回路
２２ 第一のＪインバータ
２３ 第二のＪインバータ
２４ 受電回路
２５ 本発明に係る無線電力伝送システムの等価回路
２６ 送電回路
２７ 第一のＪインバータ
２８ 第一の共振回路網
２９ 第ｍ－１のＪインバータ
３０ 第ｍ－１の共振器
３１ 送電器等価容量
３２ 第ｍのＪインバータ
３３ 第ｍの共振器（キャビティ共振器）
３４ 第ｍ＋１のＪインバータ
３５ 受電器等価容量
３６ 第ｍ＋１の共振回路網
３７ 第ｍ＋１のＪインバータ
３８ 第Ｎの共振器
３９ 第ＮのＪインバータ
４０ 受電回路
４１ 実施例に係る無線電力伝送システム
４２ 導体線路と共振回路網を有する受電部
４３ 導体線路と共振回路網を有する送電部
４４ 実施例の等価回路
４５ 送電回路
４６ 第一のＪインバータ
４７ 第一の共振回路網
４８ 送電器等価容量
４９ 第二のＪインバータ
５０ 第二の共振回路網（キャビティ共振器）
５１ 第三のＪインバータ
５２ 受電器等価容量
５３ 第三の共振回路網
５４ 第四のＪインバータ
５５ 受電回路
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】