JP6774894B2 - 電磁界共鳴型カップラ - Google Patents

Description

本発明は、電界または磁界共鳴によってワイヤレスで電力伝送を行う装置に用いる電磁界共鳴型カップラに関するものである。

ワイヤレス電力伝送は、有線による送電が困難、または利便性が低い場合に有力な電力伝送手段であり、その用途には、電気自動車等の移動体や回転体等が挙げられる。ワイヤレス電力伝送方式としては、主に電磁誘導、電磁界共鳴（電界共鳴、磁界共鳴の総称）、電界結合等があるが、そのうち電磁界共鳴方式は、電磁誘導方式より距離を離して電力伝送できる利点がある。

電磁界共鳴を用いたワイヤレス電力伝送装置は、電界共鳴または磁界共鳴を用いた方式により、ワイヤレス（無線、非接触）で交流電力を伝送する装置であり、この装置には、交流電源から給電された交流電力を受電側に送電する送電用カップラと、送電用カップラから送電された交流電力を受電する受電用カップラが用いられる。電界共鳴方式または磁界共鳴方式を用いたワイヤレス電力伝送装置の送電用カップラ、及び受電用カップラを電磁界共鳴型カップラと言う。

一般に、送電用カップラは、給電される交流電力の周波数で共振する送電用ＬＣ共振回路を備え、受電用カップラは、送電用ＬＣ共振回路から交流電力を受電する受電用ＬＣ共振回路を備えており、この送電用、受電用ＬＣ共振回路が電界共鳴または磁界共鳴することによって、ＬＣ共振する周波数成分の交流電力をワイヤレスで伝送することができる。ここで、送受電用ＬＣ共振回路のキャパシタ（電極等）間の電界共鳴を用いるのが電界共鳴方式、インダクタ（コイル等）間の磁界共鳴を用いるのが磁界共鳴方式である。

現実の電磁界共鳴型カップラにおいては、交流電力のワイヤレス伝送に用いられる上記ＬＣ共振（ノーマル共振と言う）以外に、ノイズ源となるコモンモード共振と呼ばれる不要共振が発生する問題がある。コモンモード共振の発生原因の一つには、送受電用カップラに接続される給受電ケーブル（一般的には同軸ケーブル）の外導体がグランド（以下ＧＮＤと記す）に接続された時、このＧＮＤと各カップラの電極が電界で容量結合されるため、コモンモード共振が発生することが挙げられる。また、送受信用カップラが収納されるシールドケース（以下ではケースと記す）と電極間が電界で容量結合されたり、一定の線径以上のコイルが有する容量成分によって、ケースとコイル間が電界で容量結合されると、コモンモード共振が引き起こされる。

このコモンモード共振は、不要放射波となって漏れ電界を生じ、他の電子機器の誤動作を誘発したり、人体にも悪影響を及ぼす恐れがあるため、極力抑えることが好ましい。そこで本発明者らは、先の特許出願（特許文献１）において、コモンモード共振に対する対応策として主に四つの手段を提案している。

１）同軸ケーブルとカップラとの電界的な接続を切り離し、同軸ケーブルの先端にリンクコイルを配設することによって、リンクコイルと共振コイルとの磁界結合を用いて、電磁誘導により間接的に同軸ケーブルとカップラを電気的に接続する。電界的な接続を切り離すことによって、コモンモード共振による電流（コモンモード電流）を抑制し、漏れ電界を抑制する。

２）同軸ケーブルの外導体とケースを導通させることにより、ケースと電極間、ケースとコイル間で発生した浮遊容量によるコモンモード電流を、ケースを通じて外導体に集中して流出させる。

３）同軸ケーブルの外導体の周囲にフェライトコアを装着し、上記２）によってケースから外導体に流出したコモンモード電流をフェライトコアを通過させて低減させ、漏れ電界を抑制する。

４）共振コイルの一端部をケースと導通させ、この経路からもコモンモード電流をケースに流出させる。これによって、電極とケース間の浮遊容量結合を弱め、コモンモード電流を低減し、漏れ電界を抑制する。

特開２０１６−１７４５２２号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載された対応策は、安定的に漏れ電界を抑制することが難しい場合がある。例えば、ノーマル共振の高調波（スイッチング電源の動作周波数の高調波）とコモンモード共振の周波数が略一致する場合には、上記対応策３）によってフェライトコアで低減すべき電流値が大きくなるため、フェライトコア周辺の温度が高温になってしまう。フェライトコアは、通過電流を熱エネルギーに変換するため通過電流値が大きくなると発熱量も大きくなり、例えば、一般的な普及品を用いると、通過電流１００ｍＡ程度においてフェライトコアは６０〜７０℃程度にも達してしまう。フェライトコアは同軸ケーブルの根元（ケースとの接続コネクタ付近）に装荷されるため、設計によっては使用者が操作する接続コネクタ付近がこのような高温になると使用上の障害となる可能性がある。

また例えば、ケースを小型化してカップラを高密度化した場合には、上記対応策４）を用いても、コモンモード電流が期待したようにケースに流出しないことがある。この場合には、共振コイルの一端部とケースを導通させる経路を形成する隙間が狭くなるため、この経路を構成する導線の配置場所や長さ等に求められる精度が高くなり、設計からの僅かなずれが生じると、期待したコモンモード電流の低減効果が得られず、漏れ電界を抑制できない課題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、コモンモード共振周波数を変化させることにより安定的に漏れ電界を抑制できる電磁界共鳴型カップラを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明に係る電磁界共鳴型カップラは、交流電源から給電された交流電力を送電する送電用カップラと、前記送電用カップラから送電された交流電力を受電する受電用カップラとを有し、前記送電用カップラは、前記給電された交流電力の周波数で共振する送電用ＬＣ共振回路と、前記交流電源に第１の同軸ケーブルで接続され、磁界結合によって前記送電用ＬＣ共振回路に交流電力を給電する第１のリンクコイルと、前記送電用ＬＣ共振回路と前記第１のリンクコイルを収納する第１のシールドケースとを備え、前記受電用カップラは、前記送電用ＬＣ共振回路から送電された交流電力を受電する受電用ＬＣ共振回路と、第２の同軸ケーブルで負荷に接続され磁界結合によって前記受電用ＬＣ共振回路から交流電力を受電する第２のリンクコイルと、前記受電用ＬＣ共振回路と前記第２のリンクコイルを収納する第２のシールドケースとを備え、前記送電用ＬＣ共振回路と前記受電用ＬＣ共振回路が電界共鳴または磁界共鳴することによって、前記送電用カップラから前記受電用カップラにワイヤレスで電力伝送する電磁界共鳴型カップラであって、前記第１のシールドケースは、前記第１の同軸ケーブルの外導体と導通しており、前記第２のシールドケースは、前記第２の同軸ケーブルの外導体と導通しており、前記送電用ＬＣ共振回路内の共振コイルと前記第１のシールドケースとの間、及び前記受電用ＬＣ共振回路内の共振コイルと前記第２のシールドケースとの間の少なくとも一方に、当該ＬＣ共振回路と当該シールドケースとを接続する付加容量が設けられていることを特徴とする。

また、本発明に係る電磁界共鳴型カップラは、前記送電用ＬＣ共振回路内の共振コイルと前記第１のシールドケースとの間には、コモンモード共振周波数を変化させる第１の付加容量が設けられており、前記受電用ＬＣ共振回路内の共振コイルと前記第２のシールドケースとの間には、コモンモード共振周波数を変化させる第２の付加容量が設けられていることが好ましい。

また、本発明に係る電磁界共鳴型カップラは、前記送電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第１の電極及び第２の電極、並びに前記第１の電極に接続された第１の共振コイル及び前記第２の電極に接続された第２の共振コイルを具備し、 前記受電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第３の電極及び第４の電極、並びに前記第３の電極に接続された第３の共振コイル及び前記第４の電極に接続された第４の共振コイルを具備し、前記第１の付加容量は、前記第１の共振コイルと前記第１のシールドケースとの間、及び前記第２の共振コイルと前記第１のシールドケースとの間にそれぞれ配置されており、前記第２の付加容量は、前記第３の共振コイルと前記第２のシールドケースとの間、及び前記第４の共振コイルと前記第２のシールドケースとの間にそれぞれ配置されていることが好ましい。

また、本発明に係る電磁界共鳴型カップラは、前記第１の付加容量は、前記第１の共振コイルの前記第１の電極と接続されていない端部と前記第１のシールドケースとの間、及び前記第２の共振コイルの前記第２の電極と接続されていない端部と前記第１のシールドケースとの間にそれぞれ配置されており、前記第２の付加容量は、前記第３の共振コイルの前記第３の電極と接続されていない端部と前記第２のシールドケースとの間、及び前記第４の共振コイルの前記第４の電極と接続されていない端部と前記第２のシールドケースとの間にそれぞれ配置されていることが好ましい。

また、本発明に係る電磁界共鳴型カップラは、前記付加容量は可変コンデンサを含むことが好ましい。

また、本発明に係る電磁界共鳴型カップラは、前記第１の同軸ケーブルの外導体及び前記第２の同軸ケーブルの外導体にはフェライトコアが設けられていることが好ましい。

本発明によれば、コモンモード共振周波数を変化させることにより、安定的に漏れ電界を抑制できる電磁界共鳴型カップラを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る電界共鳴型カップラについて、基本的な動作原理を説明するための図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は部分斜視図である。 従来技術の電磁界共鳴型カップラの断面模式図であり、（Ａ）は電界共鳴型カップラの例、（Ｂ）は磁界共鳴型カップラの例を示す。 本発明の一実施形態に係る電磁界共鳴型カップラの断面模式図であり、（Ａ）は電界共鳴型カップラの例、（Ｂ）は磁界共鳴型カップラの例を示す。 本発明の一実施形態に係る電磁界共鳴型カップラにおける電極の別の実施例を示す。 電界共鳴型カップラの伝送効率の周波数特性を示すグラフであり、従来技術（容量拡大なし）と本発明の一実施形態（容量拡大例１及び２）についての測定結果を示す。 図３（Ａ）の構成で示す電界共鳴型カップラにおけるノーマル共振点での主たる電流及び電界のパス（電流の経路及び電界の方向）を示す。 図３（Ａ）の構成で示す電界共鳴型カップラにおけるコモンモード共振点での主たる電流及び電界のパスを示す。 図２（Ａ）の構成で示す従来技術の電界共鳴型カップラにおけるコモンモード共振点での主たる電流及び電界のパスを示す。 給電線からなるモノポールアンテナの給電線長と共振周波数の関係を示す。 電子情報通信学会編「アンテナ工学ハンドブック（第１版第７刷）」に記載のアマチュア無線用頂部装荷アンテナを示す。 本発明の一実施形態に係る電界共鳴型カップラの電界強度の周波数特性を示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施の形態における電磁界共鳴型カップラについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

まず、図１を用いて、従来技術の電界共鳴型カップラ９００および本発明の一実施形態に係る電界共鳴型カップラ１００に共通する基本的な動作原理を説明する。両者の基本的な動作原理は共通することから、以下では主に本実施形態に係る電界共鳴型カップラ１００として説明する。

図１は、本実施形態に係る電界共鳴型カップラ１００の基本的な構成の一部を抜き出して示した斜視図であり、（Ａ）はその全体斜視図、（Ｂ）はそのうちの送電側を拡大した部分斜視図である。電界共鳴型カップラ１００は、送電用カップラ１１０と受電用カップラ１２０とを有し、送電用カップラ１１０が第１の同軸ケーブル１１で交流電源（図示せず）に接続され、受電用カップラ１２０が第２の同軸ケーブル２１で負荷（図示せず）に接続されている。

同軸ケーブル１１、２１は、それぞれケーブル中央に中心導体１１ａ、２１ａを貫通させ、中心導体１１ａ、２１ａをそれぞれ囲うようにケーブル周縁に外導体１１ｂ、２１ｂを敷設しており、それぞれ所定の固有インピーダンスを有している。

送電用カップラ１１０は、２つの電極（第１の電極と第２の電極）１１１、１１２と２つの共振コイル（第１の共振コイルと第２の共振コイル）１１３、１１４を備えている。２つの電極１１１、１１２は、ここでは一例として矩形状の平板電極としているが、これに限定されるものではない。電極１１１の電極１１２に近接する側の長辺とこれに対向する電極１１２の長辺とを所定の間隔を設けて平行に配置することで、電極１１１、１１２はキャパシタを形成している。共振コイル１１３、１１４は、それぞれの一端が電極１１１、１１２の端部にそれぞれ接続されている。これにより、２つの電極１１１、１１２と２つの共振コイル１１３、１１４は共振回路（送電用ＬＣ共振回路）１３０（図１（Ｂ）の点線で囲まれた部分）を形成している。送電用ＬＣ共振回路１３０の共振周波数は、給電される交流電力の周波数と略一致するように設計されている。

同様に受電用カップラ１２０も、２つの電極１２１、１２２（第３の電極と第４の電極）と２つの共振コイル（第３の共振コイルと第４の共振コイル）１２３、１２４を備えており、電極１２１と電極１２２の対向する２つの長辺を所定の間隔を設けて平行に配置することで、電極１２１、１２２はキャパシタを形成している。そして、共振コイル１２３、１２４のそれぞれの一端が電極１２１、１２２の端部にそれぞれ接続されて共振回路（受電用ＬＣ共振回路）１４０を形成している。受電用ＬＣ共振回路１３０の共振周波数は、受電する交流電力の周波数と略一致するように設計されている。すなわち、受電用ＬＣ共振回路１３０の共振周波数は、送電用ＬＣ共振回路１３０の共振周波数と略一致する。

同軸ケーブル１１と２１、及び送電用カップラ１１０と受電用カップラ１２０は、それぞれ同様の構成を有していることから、以下では主として同軸ケーブル１１及び送電用カップラ１１０について説明し、同軸ケーブル２１及び受電用カップラ１２０については必要に応じて括弧内に対応する符号を記載することとする。なお、電極１１１と電極１１２の間隔、及び電極１２１と電極１２２の間隔については、両者を必ずしも一致させる必要はない。また、電極１１１と電極１１２の寸法、及び電極１２１と電極１２２の寸法についても、それらを必ずしも一致させる必要はない。

図１（Ａ）で示すように、電界共鳴型カップラ１００は、送電用ＬＣ共振回路１３０の２つの電極１１１、１１２と、受電用ＬＣ共振回路１４０の２つの電極１２１、１２２とを略平行に対向配置することによって、送電用ＬＣ共振回路１３０と受電用ＬＣ共振回路１４０との間で電界共鳴させることができる。すなわち、電極１１１と１２１及び電極１１２と１２２とをそれぞれ所定の間隔を設けて対向配置させ、送電用ＬＣ共振回路１３０に所定周波数の交流電力が供給されると、送電用ＬＣ共振回路１３０の電極１１１、１１２と受電用ＬＣ共振回路１４０の電極１２１、１２２との間で電界共鳴が行われて、送電用カップラ１１０から受電用カップラ１２０に電力が供給される。

図１（Ｂ）で示すように、電界共鳴型カップラ１００は、送電用カップラ１１０の共振コイル１１３と１１４との間、及び受電用カップラ１２０の共振コイル１２３と１２４との間のそれぞれに、リンクコイル（第１のリンクコイル）１１５及びリンクコイル（第２のリンクコイル）１２５を備える。同軸ケーブル１１及び２１は、共振コイル１１３、１１４及び共振コイル１２３、１２４に接続されるのではなく、それぞれリンクコイル１１５及びリンクコイル１２５に接続される。

このようにリンクコイル１１５を備えることにより、同軸ケーブル１１からリンクコイル１１５に交流電力が供給されたとき、リンクコイル１１５と共振コイル１１３、１１４との間を磁界結合させることができ、これにより間接的に送電用カップラ１１０に交流電力を供給することができる。また、送電用カップラ１１０から受電用カップラ１２０にワイヤレス送電された交流電力は、共振コイル１２３、１２４とリンクコイル１２５との間の磁界結合によりリンクコイル１２５に供給することができ、さらに同軸ケーブル２１を伝送させて負荷に供給することができる。

従って、従来技術の電界共鳴型カップラ９００および本発明の一実施形態に係る電界共鳴型カップラ１００に共通する基本的な動作原理は次のような一連の流れとなる。同軸ケーブル１１からリンクコイル１１５に交流電力が供給されると、リンクコイル１１５と共振コイル１１３、１１４との間の磁界結合により、送電用ＬＣ共振回路１３０に交流電力が供給され、電極１１１、１１２（送電用ＬＣ共振回路ＬＣ１３０）と電極１２１、１２２（受電用ＬＣ共振回路１４０）の電界共鳴によって、受電用ＬＣ共振回路１４０にワイヤレス送電される。そして、共振コイル１２３、１２４とリンクコイル１２５との間の磁界結合により、リンクコイル１２５に供給された交流電力は、さらに同軸ケーブル２１を伝送させて負荷に供給される。

一方、磁界共鳴型カップラ（従来技術の磁界共鳴型カップラ９００及び本発明の一実施形態に係る磁界共鳴型カップラ２００）の場合には、送電用ＬＣ共振回路１３０の共振コイル１１３、１１４と受信用ＬＣ共振回路の共振コイル１２３、１２４を対向配置することによって、送電用ＬＣ共振回路１３０と受電用ＬＣ共振回路１４０との間で磁界共鳴させるようにする。すなわち、共振コイル１１３、１１４及び共振コイル１２３、１２４とをそれぞれ所定の間隔を設けて対向配置させ、送電用ＬＣ共振回路１３０に所定周波数の交流電力が供給されると、送電用ＬＣ共振回路１３０の共振コイル１１３、１１４と受電用ＬＣ共振回路１４０の共振コイル１２３、１２４との間で磁界共鳴が行われて、送電用カップラ１１０から受電用カップラ１２０に電力を供給することができる。リンクコイル１１５、１２５を用いて、磁界結合により、同軸ケーブル１１、２１と間接的に交流電力を送電、受電する構成及び動作原理は、上記した電界共鳴型カップラの場合と同様である。

このように、送電用、受電用ＬＣ共振回路１３０、１４０がリンクコイル１１５、１２５を含む系と磁界のみで結合し、電界的に切り離されていることによって、ワイヤレス電力伝送を実現しつつ、コモンモード電流の発生を抑制可能となる。同軸ケーブル１１、２１の外導体がＧＮＤ接続された時であっても、コモンモード電流が抑制され、漏れ電界を抑制可能となる。この抑制手段は、特許文献１の従来技術にて提案した上述の対応策１）と同様である。

次に図２を参照し、従来技術の電磁界共鳴型カップラ（電界共鳴型カップラ８００、磁界共鳴型カップラ９００）に発生するコモンモード電流ついて、より詳しく説明する。図２（Ａ）は、従来技術の電界共鳴型カップラ８００のうち、送電用カップラ８１０について、送電用ＬＣ共振回路１３０及びリンクコイル１１５をケース５５０に収納し、同軸ケーブル１１に接続した状態を示す断面模式図である。受電用カップラ８２０は、送電用カップラ８１０と同様の構成を有していることから、以下では送電用カップラ８１０について説明し、同軸ケーブル２１及び受電用カップラ８２０については必要に応じて括弧内に対応する符号を記載する。

図２（Ａ）のように、電極１１１（１２１）、１１２（１２２）及び共振コイル１１３（１２３）、１１４（１２４）、リンクコイル１１５（１２５）は、外部への不要放射波をシールドする効果のあるケース５５０内に収納される。ケース５５０は、一部が開放されており、この開放部に電極１１１（１２１）、１１２（１２２）が配置され、開放部を通じて、送電用カップラ８１０の電極１１１、１１２と、受電用カップラ８２０の電極１２１、１２２が電界共鳴を行う。従って、送電用カップラ８１０と受電用カップラ８２０は、開放部及び電極が対向するように所定の間隔をおいて配置される。

同軸ケーブル１１（２１）の中心導体１１ａ（２１ａ）は、ケース５５０とは電気的に絶縁しつつ、ケース５５０を貫通してリンクコイル１１５（１２５）の一方の端部と接続されている。ＧＮＤ接続された同軸ケーブルの外導体１１ｂ（２１ｂ）はケース５５０と導通しており、リンクコイル１１５（１２５）の他方の端部もケース５５０と導通している。従って、同軸ケーブルの外導体１１ｂ（２１ｂ）はリンクコイル１１５（１２５）と導通接続されている。

このように同軸ケーブル１１（２１）の外導体１１ｂ（２１ｂ）とケース５５０を導通させることにより、ケースと電極間、ケースとコイル間で発生した浮遊容量によるコモンモード電流を、ケース５５０を通じて外導体１１ｂ（２１ｂ）に集中させることができる。図２（Ａ）で示されるように、ケース５５０と電極１１１（１２１）、１１２（１２２）間は浮遊容量結合が生じ、また共振コイル１１３（１２３）と１１４（１２４）が有する容量成分によって共振コイル１１３（１２３）、１１４（１２４）とケース５５０間に浮遊容量結合が生じており、これらがコモンモード電流の発生原因となっている。

同様に、従来技術の磁界共鳴型カップラ９００について示したものが図２（Ｂ）である。図２（Ｂ）は磁界共鳴型カップラ９００のうち、送電用カップラ９１０について、送電用ＬＣ共振回路２３０及びリンクコイル１１５をケース５５０に収納し、同軸ケーブル１１に接続した状態を示す断面模式図である。なお、受電用カップラ９２０は、送電用カップラ９１０と同様の構成を有していることから、以下では主として送電用カップラ９１０について説明し、同軸ケーブル２１及び受電用カップラ９２０については必要に応じて括弧内に対応する符号を記載する。

図２（Ｂ）のように、電極１１１（１２１）、１１２（１２２）及び共振コイル１１３（１２３）、１１４（１２４）、リンクコイル１１５（１２５）は、外部への不要放射波をシールドする効果のあるケース５５０内に収納される。ケース５５０は、一部が開放されており、この開放部に共振コイル１１３（１２３）、１１４（１２４）が配置され、開放部を通じて、送電用カップラ９１０の共振コイル１１３、１１４と、受電用カップラ９２０の共振コイル１２３、１２４が磁界共鳴を行う。従って、送電用カップラ９１０と受電用カップラ９２０は、開放部及び共振コイルが対向するように所定の間隔をおいて配置される。

同軸ケーブル１１（２１）、リンクコイル１１５（１２５）、及びケース５５０は、上記した図２（Ａ）の電界共鳴型カップラの場合と同様に接続され、導通しており、これによって、ケースと電極間、ケースとコイル間で発生した浮遊容量によるコモンモード電流を、ケース５５０を通じて外導体１１ｂ（２１ｂ）に集中させることができる。

次に図３を参照し、本発明の一実施形態に係る電磁界共鳴型カップラ（電界共鳴型カップラ１００、磁界共鳴型カップラ２００）について説明する。図３（Ａ）は、電界共鳴型カップラ１００のうち、送電用カップラ１１０について、送電用ＬＣ共振回路１３０及びリンクコイル１１５をケース（第１のシールドケース）５５０に収納し、同軸ケーブル１１に接続した状態を示す断面模式図である。なお、受電用カップラ１２０は、送電用カップラ１１０と同様の構成を有し、受電用ＬＣ共振回路１４０及びリンクコイル１２５がケース（第２のシールドケース）５５０に収納されることから、以下では主として送電用カップラ１１０について説明し、同軸ケーブル２１及び受電用カップラ１２０については必要に応じて括弧内に対応する符号を記載する。

送電用カップラ１１０（１２０）は、図２（Ａ）で示した従来技術の送電用カップラ８１０（８２０）に対して、共振コイル１１３（１２３）、１１４（１２４）とケース５５０との間に付加容量Ｃ１（Ｃ２）が追加されている。上述したようにコモンモード共振の発生原因となる浮遊容量は、ケース５５０と電極１１１（１２１）、１１２（１２２）間、及び共振コイル１１３（１２３）、１１４（１２４）とケース５５０間に発生するが、これらに加えて付加容量Ｃ１（Ｃ２）を人為的に追加すると、コモンモード電流の経路が変更され、コモンモード共振の共振周波数を変化させることができる。付加容量Ｃ１（Ｃ２）の追加によるコモンモード共振周波数の変化のメカニズムについては後述する。

同様に、本発明の一実施形態に係る磁界共鳴型カップラ２００ついて示したものが図３（Ｂ）である。図３（Ｂ）は、磁界共鳴型カップラ２００のうち、送電用カップラ２１０について、送電用ＬＣ共振回路２３０及びリンクコイル１１５をケース５５０に収納し、同軸ケーブル１１に接続した状態を示す断面模式図である。なお、受電用カップラ２２０は、送電用カップラ２１０と同様の構成を有し、受電用ＬＣ共振回路１４０及びリンクコイル１２５がケース（第２のシールドケース）５５０に収納されることから、以下では主として送電用カップラ２１０について説明し、同軸ケーブル２１及び受電用カップラ２２０については必要に応じて括弧内に対応する符号を記載する。

送電用カップラ２１０（２２０）は、図２（Ｂ）で示した従来技術の送電用カップラ９１０（９２０）に対して、共振コイル１１３（１２３）、１１４（１２４）とケース５５０との間に付加容量Ｃ１（Ｃ２）が追加されている。図３（Ａ）の電界共鳴型カップラの場合と同様に、付加容量Ｃ１（Ｃ２）によって、共振コイル１１３（１２３）、１１４（１２４）とケース５５０との間の電界的な容量結合を追加することにより、コモンモード電流の経路が変更され、コモンモード共振の共振周波数を変化させることができる。

なお、本実施形態の電磁界共鳴型カップラ（電界共鳴型カップラ８００及び磁界共鳴型カップラ９００）に設けられる付加容量Ｃ１（Ｃ２）は、コモンモード電流の経路を変更し、コモンモード共振の共振周波数を変化させることができれば、共振コイル１１３（１２３）、１１４（１２４）とケース５５０との間における配置場所は、特に限定されない。

ただし、以下の理由から付加容量Ｃ１（Ｃ２）は、ＧＮＤ電位近傍、少なくとも共振コイル１１３（１２３）、１１４（１２４）の中間領域に配置することが好ましい。一つには、共振コイル１１３（１２３）、１１４（１２４）の端部のうち、電極１１１（１２１）、１１２（１２２）と接続される端部は、ノーマル共振状態において昇圧される（例えば１ｋＷ送電においては数ｋＶの電圧になる）ため、このような高圧部に付加容量Ｃ１（Ｃ２）配設すると、大電流が付加容量Ｃ１（Ｃ２）に流れ、電極１１１（１２１）、１１２（１２２）に本来の電流が流れ難くなり、電力伝送効率の低下を招きうることがある。また、付加容量Ｃ１（Ｃ２）はコンデンサ等で実現されることを考慮すると、コンデンサの耐圧性能の点からも電位の低い場所に配置することが好ましい。

このため、図３に示す本実施形態においては、このような配置場所として、共振コイル１１３（１２３）の電極１１１（１２１）と接続されてない端部とケース５５０との間、共振コイル１１４（１２４）の電極１１２（１２２）と接続されていない端部とケース５５０との間に配置されている。この配置場所は、理想動作におけるＧＮＤ電位点Ｘに近いため、電位が低い。

また、付加容量Ｃ１（Ｃ２）は複数箇所にわけて配置してもよく、図３に示す本実施形態においては２箇所に配置されている。複数箇所に配置する場合、図示するように、理想動作におけるＧＮＤ電位点Ｘに対して位置対称かつ容量対称となるように配置されることが好ましい。これはＧＮＤ電位点Ｘの電位変動を抑えるための処置である。

次に図５を参照し、電磁界共鳴型カップラに付加容量Ｃ１、Ｃ２を追加した効果（コモンモード共振周波数のシフト効果）を説明する。図５は、図２（Ａ）のように構成された従来技術の電界共鳴型カップラ８００（容量拡大なし）、図３（Ａ）のように構成された本実施形態の電界共鳴型カップラ１００（容量拡大例１、２）をそれぞれ周波数１３．５６ＭＨｚのスイッチング電源と同軸ケーブル１１、１２で接続し、それらの伝送効率の周波数特性を測定した結果である。縦軸は、送受電カップラ間の伝送効率η２１を、スイッチング電源の周波数１３．５６ＭＨｚにおける測定値を基準（０ｄＢ）として相対値で示したものであり、横軸は周波数である。ここでη２１は送受電カップラ間のＳパラメータのうち伝送特性を示すＳ２１の絶対値の二乗で定義される。尚、Ｓパラメータの基準インピーダンスは５０Ωとしている。

その他主要パラメーターは以下の通りである。但し電極１１１、１１２、１２１、１２２は電極間容量を確保するため、図４に示すようにそれぞれ２層構造としている。電極１１１（１１２）は、上層１１１ａ（１１２ａ）とこれに対向する下層１１１ｂ（１１２ｂ）と、上下層間の導通を確保する金属支柱１１１ｃ（１１２ｃ）とを具備し、電極１２１、１２２も同様の構造を有する。

・送受電カップラ間距離 ７０ｍｍ
・電極１１１、１１２、１２１、１２２
形状：２層平板、
上層：電極間距離＝１５ｍｍ、長手方向の長さ＝４５５ｍｍ、幅＝２２０ｍｍ、電極厚さ２ｍｍ
下層：電極間距離＝１４５ｍｍ、長手方向の長さ＝４５５ｍｍ、幅１５５ｍｍ、電極厚さ２ｍｍ
上層と下層の距離：５５ｍｍ（上層下端から下層上端までの距離）
・共振コイル１１３、１１４、１２３、１２４
巻き数Ｎ１＝７、コイル長Ｈ１＝３４ｍｍ、コイル径Ｄ１＝３２ｍｍ、コイル間距離Ｌ＝１３．５ｍｍ
・リンクコイル１１５、１２５
巻き数Ｎ２＝３、コイル長Ｈ２＝７．５ｍｍ、コイル径Ｄ２＝３２ｍｍ
・シールドケース５５０
外形寸法＝４８０ｍｍ×４８０ｍｍ×８０ｍｍ
・付加容量Ｃ１、Ｃ２
容量拡大例１：３．５５ｐＦ
容量拡大例２：７．１ｐＦ

図５に示すように、従来技術の電界共鳴型カップラ８００（容量拡大なし）の場合、スイッチング電源の周波数である１３．５６ＭＨｚ付近にノーマル共振点があり、それより高周波である７２．２８ＭＨｚ付近に不要共振であるコモンモード共振点が発生している。これに対して、図３（Ａ）に示すように、ＧＮＤ電位点Ｘに対して位置対称となるように２箇所に付加容量Ｃ１、Ｃ２＝３．５５ｐＦを配設した本実施形態の電界共鳴型カップラ８００（容量拡大例１）では、ノーマル共振点は１３．５６ＭＨｚ付近のままで、コモンモード共振点のみが５１．４ＭＨｚに変化している。さらに、この付加容量Ｃ１、Ｃ２をそれぞれ７．１ｐＦと増大させると、ノーマル共振点は一定のまま、コモンモード共振点のみが４５．４６ＭＨｚに減少していることがわかる。

このように付加容量Ｃ１、Ｃ２を増大すると、ノーマル共振周波数は一定のまま、コモンモード共振周波数のみが減少する理由について、以下説明する。

図６は図３(Ａ)の構成で示す電界共鳴型カップラ１００におけるノーマル共振点での主たる電流及び主たる電界のパス（電流Ｉの経路及び電界Ｅの方向）を示している。ノーマル共振点では基本的にはケース５５０及び同軸ケーブル外導体１１ｂ（２１ｂ）には電流はほとんど流れない。ＧＮＤ電位点Ｘ近傍に付加された付加容量Ｃ１（Ｃ２）のインピーダンスＺは、周波数ωの関数としてωＣ１（ωＣ２）で表されるため、周波数が電源の高調波に比べて低いノーマル共振点においては、Ｃ１（Ｃ２）の容量の影響が無視できる。従って付加容量Ｃ１及びＣ２によるノーマル共振点の変動を起こさず共振による電力伝送を行うことができる。

図７は図３(Ａ)の構成で示す電界共鳴型カップラ１００におけるコモンモード共振点での主たる電流及び主たる電界のパスを、図８は図２（Ａ）の構成で示す従来技術の電界共鳴型カップラ８００におけるにコモンモード共振点での主たる電流及び主たる電界のパスを示している。コモンモード共振点ではケース５５０及び同軸ケーブル外導体１１ｂ（２１ｂ）に電流が流れる。

コモンモード共振の本質は同軸ケーブル１１、２１が１／４波長モノポールアンテナとして共振することにある。図９は給電線（単純な給電同軸ケーブル）がモノポールアンテナとして機能した場合の共振周波数と給電線長との関係を示したグラフである。共振周波数が高くなるにつれて給電線長が短くなることが分かる。すなわち電源の基本周波数、具体的には図５で示す測定で用いられたスイッチング電源の周波数１３．５６ＭＨｚでは給電線が５．５ｍ程度なければモノポールアンテナとしての共振は発生しないが、より高い周波数、具体的には６７．８ＭＨｚでは１．２ｍ弱の給電線長で共振してしまう。従って、一般的に使用される１ｍ程度の短い同軸ケーブル１１、２１を用いると高周波数帯でモノポール共振、言い換えるとコモンモード共振が発生し易くなる。

図１０は電子情報通信学会編「アンテナ工学ハンドブック 第１版第７刷」のＰ４０６に記載のアマチュア無線用頂部装荷アンテナ（以下頂部装荷アンテナと記す）７００の図である。頂部装荷アンテナ７００は、ケーブル７０１に装荷したコイル７０２、及びアンテナ頂部に装荷した容量冠７０３により、アンテナ７００の波長短縮を実現している。この場合、図９で示した単純なモノポールアンテナに比べて同じアンテナ長でより低い共振点で共振することが知られている。すなわち、装荷コイル７０２、容量冠７０３を配設することによって、コモンモード共振周波数を下げることができる。容量冠７０３の寸法、もしくは装荷コイル７０２のインダクタンスを調整することで共振周波数の調整が可能である。

このような頂部装荷アンテナ７００を、図７に示す本発明に係る電界共鳴型カップラ１００及び図８に示す従来型の電界共鳴型カップラ８００と対比させると、コモンモード電流のパスにおいて、ケーブル７０１が同軸ケーブル１１（２１）及びケース５５０に、装荷コイル７０１が共振コイル１１３（１２３）、１１４（１２４）に、容量冠７０２が電極１１１（１２１）、１１２（１２２）にそれぞれ対応する。付加容量Ｃ１（Ｃ２）は、装荷コイル７０１のインダクタンスを調整することと同義であり、従って付加容量Ｃ１（Ｃ２）の増加によりコモンモード共振周波数を低下することができる。図７と図８におけるコモンモード電流のパスを比較すると、図７の場合は図８の場合に対し付加容量Ｃ１（Ｃ２）分の経路が増えており、これによりコモンモード共振周波数のシフトが発生することになる。なお、図７、８では電極、コイル、付加容量が対称的に配置されるため、電気的な動作としては図１０の頂部装荷アンテナ７００が２本近接する形態となる。

次に図１１を用いて、本実施形態の電界共鳴型カップラについて、漏れ電界強度の抑制効果を示す。図１１は、図２（Ａ）のように構成された従来技術の電界共鳴型カップラ８００、図３（Ａ）のように構成された本実施形態の電界共鳴型カップラ１００をそれぞれ周波数１３．５６ＭＨｚのスイッチング電源と同軸ケーブル１１、１２で接続し、それらの電界強度の周波数特性を測定した結果である。縦軸は、スイッチング電源の周波数１３．５６ＭＨｚにおける測定値を基準（０ｄＢ）として電界強度を相対値で示したものであり、横軸は周波数である。

その他主要パラメーターは以下の通りである。但し電極１１１、１１２、１２１、１２２は電極間容量を確保するため図４に電極１１１、１１２を例として示すようにそれぞれ２層構造としている。電極１１１（１１２）は、上層１１１ａ（１１２ａ）とこれに対向する下層１１１ｂ（１１２ｂ）と、上下層間の導通を確保する金属支柱１１１ｃ（１１２ｃ）とを具備し、電極１２１、１２２も同様の構造を有する。

・送受電カップラ間距離 ７０ｍｍ
・電極１１１、１１２、１２１、１２２
形状：２層平板、
上層：電極間距離＝１５ｍｍ、長手方向の長さ＝４５５ｍｍ、幅＝２２０ｍｍ、電極厚さ２ｍｍ
下層：電極間距離＝１４５ｍｍ、長手方向の長さ＝４５５ｍｍ、幅１５５ｍｍ、電極厚さ２ｍｍ
上層と下層の距離：５５ｍｍ（上層下端から下層上端までの距離）
・共振コイル１１３、１１４、１２３、１２４
巻き数Ｎ１＝７、コイル長Ｈ１＝３４ｍｍ、コイル径Ｄ１＝３２ｍｍ、コイル間距離Ｌ＝１３．５ｍｍ
・リンクコイル１１５、１２５
巻き数Ｎ２＝３、コイル長Ｈ２＝７．５ｍｍ、コイル径Ｄ２＝３２ｍｍ
・シールドケース５５０
外形寸法＝４８０ｍｍ×４８０ｍｍ×８０ｍｍ
・付加容量Ｃ１、Ｃ２ １．２ｐＦ

図１１（Ａ）は従来技術の電界共鳴型カップラ８００の測定データであり、スイッチング電源の周波数である１３．５６ＭＨｚ付近のノーマル共振点において、電界強度が最大（０ｄＢ）となっている。スイッチング電源は通常、動作周波数（基本波）の他に、その定数倍の高調波がノイズとして発生し、特に奇数倍の高調波は大きいことが知られている。図１１（Ａ）においては、３次高調波が発生する４０．６８ＭＨｚ付近、５次高調波が発生する６７．８ＭＨｚ付近、７次高調波が発生する９４．９２ＭＨｚ付近に、それぞれ電界強度のピークが発生している（丸印と数字で図示）。それぞれのピークにおける電界強度の測定値は表１の通りである。

表１および図１１（Ａ）に示すように、５次高調波の帯域である６７．８ＭＨｚ付近における電界強度が特に大きい。これは、コモンモード共振がこの帯域に発生していることに起因する。コモンモード共振と、スイッチング電源の５次高調波の発生周波数がほぼ一致していることから、６７．８ＭＨｚ付近で大きな漏れ電界が生じてしまっている。

図１１（Ｂ）は本実施形態の電界共鳴型カップラ８００の測定データであり、付加容量Ｃ１、Ｃ２によってコモンモード共振の周波数を６７．８ＭＨｚ付近から６２．５ＭＨｚ付近に減少させることによって、６７．８ＭＨｚ付近の電界強度を抑制した実施例である。丸印と数字で図示したピークにおいて、それぞれの電界強度の測定値は表２の通りである。

５次高調波の周波数帯である６７．８ＭＨｚ付近において、表２で示す本実施形態の電界強度相対値は−２３ｄＢと、表１で示した従来技術の−８ｄＢに比べて１５ｄＢ抑制できていることがわかる。付加容量Ｃ１、Ｃ２によって、コモンモード共振の共振周波数を、ノーマル共振の高調波と一致しない周波数にずらすことができ、その結果、漏れ電界のピーク値を減少する結果が得られた。

さらに、上述した特許文献１の対応策３）と同様に、同軸ケーブルの外導体の周囲にフェライトコアを装荷することによって、本発明によりピーク値が減少された漏れ電界を、フェライトコアによってさらに低減することも可能である。本発明によって、漏れ電界のピーク値は減少しているため、従来技術のようにフェライトコアで低減すべき電流値が大き過ぎて、フェライトコア周辺の温度が高温になり過ぎることもない。

付加容量Ｃ１、Ｃ２の具体的部材としては、電極またはコンデンサ等、容量を生じるものであれば特に限定されない。付加容量Ｃ１、Ｃ２のいずれか一方または両方に、可変コンデンサを含めた構成とすると、可変コンデンサを含む付加容量Ｃ１、Ｃ２の容量値を可変とすることができる利点がある。付加容量Ｃ１、Ｃ２の容量値を調整することによって、同軸ケーブル１１、１２の長さや種類等によって固有インピーダンスが変化したり、構成部材（共振コイル等）のケース５５０への取付寸法のばらつきによって浮遊容量が変化したり、交流電源から給電される周波数が多少変化した場合にでも、コモンモード共振周波数を適宜調整可能となり、安定的に漏れ電界を抑制可能となる。

なお、図１１（Ａ）及び図５（容量拡大なし）で示された従来技術の電界共鳴型カップラ８００は、上述の通り主要パラメーターが同一であるところ、コモンモード共振点が図１１（Ａ）においては６７．８ＭＨｚ付近、図５においては７２．２８ＭＨｚ付近と異なっている。これは主に同軸ケーブル１１、２１の長さとその配置方法（弛ませ方や這わせ方）に僅かな違いがあることに起因する。

以上のように、本発明に係る電磁界共鳴型カップラによれば、不要共振であるコモンモード共振の共振周波数を付加容量Ｃ１、Ｃ２によって変化させることができる。これによって、他の電子機器の誤動作を回避可能な周波数帯や、法的規制が緩やかなＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｍｅｄｉｃａｌ）周波数帯にコモンモード共振周波数をずらすことができる。また、コモンモード周波数が、交流電源の高調波と略一致し大きな漏れ電界を発生している場合には、当該高調波と一致しない周波数帯にコモンモード共振周波数をずらすことによって、漏れ電界を抑制可能となる。また、付加容量Ｃ１、Ｃ２として可変コンデンサを用いると、同軸ケーブルのインピーダンスや交流電源の動作周波数が変化したり、ケースと電極、共振コイルの間に自然発生する浮遊容量がケースの形状変化等によって変化した場合であっても、付加容量Ｃ１、Ｃ２の容量値を調整することによって、コモンモード共振周波数を適宜調整可能となり、安定的に漏れ電界を抑制可能となる。さらに、本発明によりピーク値が減少された漏れ電界を、フェライトコアによって一層低減することも可能である。

以上、本発明に係る電磁界共鳴型カップラの一例を示したが、本実施の形態における記述は、これに限定されるものではない。本実施の形態における電磁界共鳴型カップラの細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、リンクコイル１１５（１２５）には、これと直接または並列に接続するインピーダンス調整用のキャパシタを含んでいても良い。また例えば、同軸ケーブル１１、２１に流れるコモンモード電流値を測定し、その測定値から付加容量Ｃ１、Ｃ２を構成する可変コンデンサの容量値を調整するような機構を含んでいても良い。この他、送電用カップラおよび受電用カップラの双方が付加容量を具備する構成を示したが、送電用カップラおよび受電用カップラのいずれか一方のみが付加容量を有する構成としてもよい。

１１、２１ 同軸ケーブル
１３ フェライトコア
１００ 電界共鳴型カップラ（電磁界共鳴型カップラ）
２００ 磁界共鳴型カップラ（電磁界共鳴型カップラ）
１１０、２１０ 送電用カップラ
１２０、２２０ 受電用カップラ
１３０、２３０ 送電用ＬＣ共振回路
１４０、２４０ 受電用ＬＣ共振回路
１１１、１１２、１２１、１２２ 電極
１１３、１１４、１２３、１２４ 共振コイル
１１５、１２５ リンクコイル
５５０ シールドケース
Ｃ１、Ｃ２ 付加容量

Claims (6)

1. 交流電源から給電された交流電力を送電する送電用カップラと、前記送電用カップラから送電された交流電力を受電する受電用カップラとを有し、
   前記送電用カップラは、前記給電された交流電力の周波数で共振する送電用ＬＣ共振回路と、前記交流電源に第１の同軸ケーブルで接続され、磁界結合によって前記送電用ＬＣ共振回路に交流電力を給電する第１のリンクコイルと、前記送電用ＬＣ共振回路と前記第１のリンクコイルとを収納する第１のシールドケースとを備え、
   前記受電用カップラは、前記送電用ＬＣ共振回路から送電された交流電力を受電する受電用ＬＣ共振回路と、第２の同軸ケーブルで負荷に接続され磁界結合によって前記受電用ＬＣ共振回路から交流電力を受電する第２のリンクコイルと、前記受電用ＬＣ共振回路と前記第２のリンクコイルを収納する第２のシールドケースとを備え、
   前記送電用ＬＣ共振回路と前記受電用ＬＣ共振回路が電界共鳴または磁界共鳴することによって、前記送電用カップラから前記受電用カップラにワイヤレスで電力伝送する電磁界共鳴型カップラであって、
   前記第１のシールドケースは、前記第１の同軸ケーブルの外導体と導通しており、
   前記第２のシールドケースは、前記第２の同軸ケーブルの外導体と導通しており、
   前記送電用ＬＣ共振回路内の共振コイルと前記第１のシールドケースとの間、及び前記受電用ＬＣ共振回路内の共振コイルと前記第２のシールドケースとの間の少なくとも一方に、当該ＬＣ共振回路と当該シールドケースとを接続する付加容量が設けられている
   ことを特徴とする電磁界共鳴型カップラ。
2. 前記送電用ＬＣ共振回路内の共振コイルと前記第１のシールドケースとの間には、コモンモード共振周波数を変化させる第１の付加容量が設けられており、
   前記受電用ＬＣ共振回路内の共振コイルと前記第２のシールドケースとの間には、コモンモード共振周波数を変化させる第２の付加容量が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電磁界共鳴型カップラ。
3. 前記送電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第１の電極及び第２の電極、並びに前記第１の電極に接続された第１の共振コイル及び前記第２の電極に接続された第２の共振コイルを具備し、
   前記受電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第３の電極及び第４の電極、並びに前記第３の電極に接続された第３の共振コイル及び前記第４の電極に接続された第４の共振コイルを具備し、
   前記第１の付加容量は、前記第１の共振コイルと前記第１のシールドケースとの間、及び前記第２の共振コイルと前記第１のシールドケースとの間にそれぞれ配置されており、
   前記第２の付加容量は、前記第３の共振コイルと前記第２のシールドケースとの間、及び前記第４の共振コイルと前記第２のシールドケースとの間にそれぞれ配置されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の電磁界共鳴型カップラ。
4. 前記第１の付加容量は、前記第１の共振コイルの前記第１の電極と接続されていない端部と前記第１のシールドケースとの間、及び前記第２の共振コイルの前記第２の電極と接続されていない端部と前記第１のシールドケースとの間にそれぞれ配置されており、
   前記第２の付加容量は、前記第３の共振コイルの前記第３の電極と接続されていない端部と前記第２のシールドケースとの間、及び前記第４の共振コイルの前記第４の電極と接続されていない端部と前記第２のシールドケースとの間にそれぞれ配置されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の電磁界共鳴型カップラ。
5. 前記容量は可変コンデンサを含む
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電磁界共鳴型カップラ。
6. 前記第１の同軸ケーブルの外導体及び前記第２の同軸ケーブルの外導体にはフェライトコアが設けられている
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電磁界共鳴型カップラ。