JP2012143091A - 遠隔無線駆動充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】携帯機器が立体角のどの位置にあっても、異物の存在に左右されず、５０％以上の効率で、遠隔無線駆動充電可能な遠隔無線駆動充電装置を提供する。
【解決手段】送信部１３ａと、送信部１３ａに接続された１次側共振容量Ｃ１と、所定の電力搬送波周波数帯域において１次側共振容量Ｃ１と同調する１次側コイル１０と、携帯機器３０に内蔵される２次側コイル１２と、所定の電力搬送波周波数帯域において２次側コイル１２と同調する２次側共振容量Ｃ２とを備え、１次側コイル１０と２次側コイル１２の電磁的な結合によって、１次側コイル１０と２次側コイル１２のそれぞれが微小ループとしての放射性のインダクタンス成分を非放射性の１次側共振容量Ｃ１および２次側共振容量Ｃ２で打ち消し合い、携帯機器３０を遠隔無線駆動充電する遠隔無線駆動充電装置２４。
【選択図】図２

Description

本発明は、遠隔無線駆動充電装置に関し、特に、短波〜ＵＨＦ帯の搬送波を用いた遠隔無線駆動充電装置に関する。

携帯電話やノートブックコンピュータ、デジタルカメラ、電子玩具などのモバイル可能な電子機器に電力を供給する電力供給システムとして、１つの送電装置で異なる種類の電子機器に電力を供給可能な電力供給システムが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１の電力供給システムは、１次側コイルと、商用電源を整流して得た直流電圧をスイッチングしたパルス電圧を１次側コイルに与える１次側回路とを有する送信装置と、１次側コイルと磁気結合される２次側コイルと、２次側コイルに誘起される誘起電圧を整流平滑する２次側回路とを有する携帯電話機とからなる。

従来の鉄心絶縁変圧器（磁芯トランス）を用いた専用ケーブル接続充電ＡＣアダプタの模式的回路構成は、図１９（ａ）に示すように表され、別の従来のフェライトコアによる高周波トランスを用いたチョッパー型充電器による充電ＡＣアダプタの模式的回路構成は、図１９（ｂ）に示すように表される。

従来の充電ＡＣアダプタ２４ａは、図１９（ａ）に示すように、例えば、ＡＣ１００〜１１５Ｖ、或いはＡＣ２００〜２４０ＶのＡＣ端子に接続された磁芯トランス１３と、磁芯トランス１３の２次側に接続されたダイオードブリッジ２と、ダイオードブリッジ２に接続された安定化電圧回路３と、安定化電圧回路３に接続されたＤＣ出力端子１６とを備える。更に、充電ＡＣアダプタ２４ａは、専用ケーブル８ａを介して、例えば、充電プロファイルＩＣ（集積回路）１４を備えるノートブックコンピュータ２０などの携帯機器に接続される。ＬＥＤインジケータ１９はＡＣ接続中のみ点灯する。

ＡＣアダプタ２４ｂは、図１９（ｂ）に示すように、例えば、ＡＣ１００〜１１５Ｖ、或いはＡＣ２００〜２４０ＶのＡＣ端子に接続されたダイオードブリッジ２と、ダイオードブリッジ２に接続され、チョッパー周波数ｆｃを有するチョッパー回路５と、チョッパー回路５に接続されたフェライトコア高周波トランス１１と、フェライトコア高周波トランス１１の２次側に接続されたダイオードブリッジ６と、ダイオードブリッジ６に接続され、バンドギャップ電圧基準に基づいて動作する電圧検出回路９と、電圧検出回路９に接続されたＤＣ出力端子１６と、電圧検出回路９とチョッパー回路５間に接続され、電圧検出回路９の電圧検出誤差信号をチョッパー回路５に帰還するフォトカプラ７とを備える。更に、充電ＡＣアダプタ２４ｂは、専用コネクタ８ｂを介して、例えば、充電プロファイルＩＣ１４を備える携帯電話２２などの携帯機器に接続されている。従来のチョッパー型の充電ＡＣアダプタ２４ｂは、携帯機器の付属品として通常は同梱して供給し、携帯機器の寿命と共に無用となるものである。

従来のチョッパー型の充電ＡＣアダプタ２４ｂにおいては、フェライトコア高周波トランス１１の大きさは、チョッパー周波数ｆｃが高くなるほど小型化可能であるが、一方でチョッパー回路５内に配置され、チョッパー周波数でスイッチング動作をするトランジスタの損失は、チョッパー周波数ｆｃが高くなるほど大きくなる。このため、従来のチョッパー型の充電ＡＣアダプタ２４ｂにおいては、フェライトコア高周波トランス１１の小型化とチョッパー周波数でスイッチング動作をするトランジスタの損失との間にトレードオフ関係があり、このトレードオフが最適になるように設計されていた。

従来の接続充電方法では、図１９（ａ）および図１９（ｂ）に示したように、概ねＡＣ１００〜２４０Ｖを降圧トランスを経て整流したＤＣ５Ｖ程度を、専用ケーブル８ａ若しくは専用コネクタ８ｂを介して携帯機器に供給し、携帯機器は３．５Ｖのリチウムイオン電池を急速充電プロファイルを持った充電プロファイルＩＣ１４を介して充電していた。この方法の改善の限界は以下のようである。すなわち、携帯機器と充電ＡＣアダプタをケーブル等で接続する必要があった。一層の資源節減と製造コストの低減が限界であった。効率の改善と待機電力（充電しない場合の変圧器の励磁電流）の低減が限界であった。また、充電電池の無理な体積密度と発火・爆発事故、及びＡＣアダプターの頻繁な故障などの信頼性と安全性の改善が限界であった。

一方、非接触給電システムについても既に開示されている（例えば、特許文献２〜１３参照。）。

従来の非接触充電器は、例えば、図２０に示すように、磁気コアを有した高周波トランスを切断して分離したものを、出来るだけ接近して向かい合わせる構成を有する。閉磁路に近づけることで、密着して磁気的な結合係数を０．８以上確保することを目標としていた。図２０において、分割された磁気コアの内、ソース側の磁気コア１３０ａには、１次側コイル１５０ａが巻かれており、ドレイン側の磁気コア１３０ｂには、２次側コイル１５０ｂが巻かれている。通常、ソース側の磁気コア１３０ａとドレイン側の磁気コア１３０ｂを出来るだけ接近して向かい合わせることによって、図２０に示すように、従来の密着非接触充電の磁気的な結合係数は、８０％程度であり、残りの２０％程度は、ソース側の磁気コア１３０ａとドレイン側の磁気コア１３０ｂ間の漏洩磁界となっている。

従来の非接触充電器は、できるだけ閉磁路として漏洩磁束を減らすことに配慮したものである。この考え方に基づく変圧器の設計思想では、１次側コイルと２次側コイルの磁気結合係数が電力伝送効率を支配するという考え方であった。そのため、磁気結合係数が疎結合の場合には、電力伝送効率が大幅に低下するというものであった。

また、この考え方は非接触とした場合、ＩＨ（インダクションヒーティング）であるために異物を過熱する危険性を伴い、それを避けるために双方向通信機能や対象物・異物の検出・識別機能を付加する必要があった。その上、携帯機器の内部で磁束が部品・基板・シャーシを交叉して妨害を与えないように配慮する必要があった。

従来の電力供給の例であって、接触充電の例は、図２１（ａ）に示すように表され、密着非接触充電の例は、図２１（ｂ）に示すように表される。一方、共鳴した強い磁気結合の無線伝送の例は、図２１（ｃ）に示すように表される（非特許文献１参照。）。

図２１（ａ）に示す接触充電の例は、従来の充電ＡＣアダプタの充電台２４０にコネクタ接続によって携帯電話２２を接続する例である。図２１（ｂ）に示す非接触充電の例では、安価で市販される密着非接触充電器の充電台２４０上に携帯電話２２を載置する例である。図２１（ｃ）に示す無線電力伝送充電の例は、マサチューセッツ工科大学（ＭＩＴ）の実験例に基づいて、１次側コイル１１０と２次側コイル１２０を配置した構成例であって、直径６０ｃｍ程度の１次側コイル１１０と２次側コイル１２０を対向させて、距離Ｒ＝２．１ｍ（７フィート）離して、共鳴した強い磁気結合によって、４０％の伝送効率を達成可能な例である。使用する銅線量は片側で２７０ｃｃである。

従来の非接触電力伝送技術として、図２１（ｂ）に示すように、非接触に充電台２４０を利用して、１次側コイル１１０と２次側コイル１２０を対向させて密着する技術は、図２１（ａ）に示す従来の充電ＡＣアダプタの充電台２４０による電力伝送技術との有意差がない。

また、図２１（ｃ）に示すように、無線電力伝送実験もＭＩＴにおいて行われたが、その手法では論理的に将来の実用化の道は閉ざされている。

密着型非接触充電方式は、非接触密着変圧器の伝送効率が電磁結合の磁気結合係数ｋで支配されるという形式で設計されたものであり、充電台から数ｃｍ離れると効率は急激に低下する。充電台の上に携帯電話を置くのでは、接点付きと何ら変わらず、また製造コストは高くなる。

特開２００５−１１０４０９号公報 特開２００６−２１１８０３号公報 特開２００７−１５１２６４号公報 特開２００２−１１８９８８号公報 特開２００７−３１２５８５号公報 特開２００３−１９３７１７号公報 特開２００１−０１９１２０号公報 特開２００６−３１４１５１号公報 特開２００５−００６４５９号公報 特開２００５−２６１２００号公報 特開２００６−１２８３９７号公報 特開２００１−０５７３１３号公報 特開２００３−２１７９５０号公報

アリステイディス・カラリス、ジェイ・ディー・ヨハノポーロス、およびマルティン・ソルジャック（Aristeidis Karalis, J.D.Joannopoulos, and Marin Soljacic）, "高効率ワイヤレス中距離非放射エネルギー伝送（Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer）", Available online at www.sciencedirect.com, ScienceDirect, Annals of Physics 323 (2008) 34-48, doi:10.1016/j.aop.2007.04.017

本発明の目的は、携帯機器が立体角のどの位置にあっても、異物の存在に左右されず、５０％以上の効率で、無線遠隔駆動・充電することができる、短波〜ＵＨＦ帯の搬送波を用いた遠隔無線駆動充電装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、送信部と、前記送信部に接続された１次側共振容量と、前記１次側共振容量に接続され、所定の電力搬送波周波数帯域において前記１次側共振容量と同調する１次側コイルと、携帯機器に内蔵される２次側コイルと、前記２次側コイルに接続され、前記所定の電力搬送波周波数帯域において前記２次側コイルと同調する２次側共振容量とを備え、前記１次側コイルと前記２次側コイルの電磁的な結合によって、前記１次側コイルと前記２次側コイルのそれぞれが微小ループとしての放射性のインダクタンス成分を非放射性の前記１次側共振容量および前記２次側共振容量で打ち消し合い、前記携帯機器を遠隔無線駆動充電する遠隔無線駆動充電装置が提供される。

本発明によれば、携帯機器が立体角のどの位置にあっても、異物の存在に左右されず、５０％以上の効率で、無線遠隔駆動・充電することができる、短波〜ＵＨＦ帯の搬送波を用いた遠隔無線駆動充電装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置の携帯電話への適用例を示す模式的鳥瞰図。 本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置の模式的回路構成図。 本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、１次側コイル、および携帯機器に接続若しくは内蔵される２次側コイルの具体例。 微小ループＡの近傍界・遠方界放射を説明する３次元座標系表示。 本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、１次側コイル１０に対して、同軸（Ｃｏ−Ａｘｉａｌ）上に配置された２次側コイル１２a、同一平面（Ｃｏ−Ｐｌａｎｅ）上に配置された２次側コイル１２ｃ、および任意の位置に配置された２次側コイル１２ｂの遠隔無線結合効果を説明する模式図。 本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、放射損抵抗、銅損抵抗を考慮した無線電力伝送の等価回路図。 本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、ｒｃ＜＜ｒｒ（放射損に対して銅損が無視できる）として、２つのコイルの放射損抵抗が独立であると仮定した時の、ｍＬ＝０．７〜１．４の場合の、同軸上配置における距離Ｒと電力伝送効率ηの関係を示す図。 本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、ｒｃ＜＜ｒｒ（放射損に対して銅損が無視できる）として、２つのコイルの放射損抵抗が独立であると仮定した時の、ｍＬ＝０．７〜１．４の場合の、同一平面上配置における距離Ｒと電力伝送効率ηの関係を示す図。 本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、微小ループＡによる１次側コイルから距離Ｒ離隔した任意の位置における２次側コイル１２に誘起される磁界Ｈのベクトル表示例。 本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、１次側コイル１０からの全方位充電を説明する模式的鳥瞰図。 本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、無線電力伝送における異物の影響を説明する模式図。 本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、無線電力伝送における人体の影響を説明する模式図。 本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置によって遠隔無線駆動充電される携帯電話および携帯電話に内蔵される２次側コイルを説明する模式図。 （ａ）高いＱを有する微小ループアンテナの動作原理を説明する図、（ｂ）等価回路。 本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置によって遠隔無線駆動充電される携帯機器に内蔵されるリチウムイオン電池の充電プロファイル例。 （ａ）本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、銅損制限領域（ｒｃ＞＞ｒｒ）での無線電力伝送の等価回路図、（ｂ）携帯機器の等価回路図。 本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、銅損制限領域（ｒｃ＞＞ｒｒ）での同軸上配置における距離Ｒと電力伝送効率ηの関係を示す図。 携帯機器充電共用技術であって、（ａ）実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置を適用し、半径Ｒｏの球面内で全方向で携帯電話、ノートブックコンピュータを無線充電・駆動可能な実施例の模式的説明図、（ｂ）近接無線充電ＡＣアダプタを適用し、近接で携帯電話、ノートブックコンピュータを無線充電・駆動可能な比較例の模式的説明図、（ｃ）専用ケーブル、専用コネクタなどで携帯電話、ノートブックコンピュータをコード接続充電・駆動可能な比較例の模式的説明図。 （ａ）ノートブックコンピュータに適用する従来例のＡＣアダプタであって、鉄心絶縁変圧器（トランス）を用いた専用ケーブル接続ＡＣ充電アダプタの模式的回路構成図、（ｂ）携帯機器に適用する別の従来例のチョッパー型充電器であって、フェライトコアによる高周波トランスを用いたチョッパー型充電器の模式的回路構成図。 従来の非接触充電器に適用する高周波トランスの模式的構造図。 従来の電力供給の事例であって、（ａ）接触充電の例、（ｂ）密着非接触充電の例、（ｃ）銅損制限領域でのＭＩＴ実験に対応する１次側コイル１００と２次側コイル１２０の配置構成例であり、共鳴した強い磁気結合の例。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

[実施の形態]
本発明の実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置の携帯電話への適用例を示す模式的鳥瞰構造は、図１に示すように表される。携帯電話２２への適用例では、図１に示すように、１次側コイル１０を内蔵ずる実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４を固定し、この遠隔無線駆動充電装置２４から距離Ｒの球面上に２次側コイル１２を内蔵した携帯電話２２を配置する。

１次側コイル１０と２次側コイル１２を数ｍ離したサービスエリアで自在に電力伝送し、携帯電話２２が立体角のどの位置にあっても、異物の存在に左右されず、５０％以上の効率で、遠隔無線駆動充電可能な遠隔無線駆動充電装置を提供することができる。

尚、図１では携帯電話２２を遠隔無線駆動充電対象としているが、これに限定されるものではない。実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４の遠隔無線駆動充電対象には、上記の携帯電話／コードレス電話機の他、ＰＤＡ／ポータブルゲーム機、ポータブル音楽再生機、ポータブルＤＶＤ再生機、デジタルスチルカメラ／デジタルビデオカメラ、電気かみそり／電動歯ブラシなどの携帯機器が含まれる。実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４は、無線電力伝送によって、近接〜３ｍの範囲で、半径２ｃｍ〜１０ｃｍのコイルを使用して、これらの携帯機器遠隔駆動／遠隔充電するシステムである。

（回路構成）
実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４の模式的回路構成は、図２に示すように、送信部１３ａと、送信部１３ａに接続された１次側共振容量Ｃ１と、１次側共振容量Ｃ１に接続され、所定の電力搬送波周波数帯域において１次側共振容量Ｃ１と同調する１次側コイル１０と、携帯機器３０に内蔵される２次側コイル１２と、２次側コイル１２に接続され、所定の電力搬送波周波数帯域において２次側コイル１２と同調する２次側共振容量Ｃ２とを備える。１次側コイル１０と２次側コイル１２の電磁的な結合によって、１次側コイル１０と２次側コイル１２のそれぞれが微小ループとしての放射性のインダクタンス成分を非放射性の１次側共振容量Ｃ１および２次側共振容量Ｃ２で打ち消し合い、矢印Ｐで示すように、携帯機器３０を遠隔無線駆動充電する。

また、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４は、図２に示すように、ＡＣ端子に接続された磁芯トランス１３と、磁芯トランス１３に接続された第１ダイオードブリッジ２と、第１ダイオードブリッジ２に接続された安定化回路３とを備え、送信部１３ａは、安定化回路３に接続されていても良い。

また、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４において、所定の電力搬送波周波数帯域は、例えば、３ＭＨｚ〜３ＧＨｚの短波〜ＵＨＦ帯の帯域である。

また、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４において、１次側コイル１０および２次側コイル１２は、いずれも等価半径約２ｃｍ〜１０ｃｍ程度、巻数約１〜１０程度、銅容量約１ｃｃ〜１０ｃｃ程度を有する。

また、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４において、１次側コイル１０と２次側コイル１２のリアクタンスと放射損抵抗ｒｒの比で定義された自己共振のＱ値を５０以上とすることによって、近傍の金属・異物・人体の有無に拘わらず、実効的な電力伝送効率が、近接〜３ｍの範囲では距離に依存せずほぼ一定で、５０％以上とすることができる。

また、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４において、携帯機器３０において算出された電力伝送の効率表示を行い、固定された遠隔無線駆動充電装置２４に対して近接〜３ｍの範囲にある携帯機器３０は、どの位置にあっても、２次側コイル１２を感度最大の向きに合わせることで、５０％以上の効率が維持され、また携帯機器３０を使用しながら無線電力駆動充電を行うこともできる。

また、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４において、近接〜３ｍ程度の距離の無線電力伝送において、１次側コイル１０に対して、２次側コイル１２の向きを受信電圧が最大となるように合わせた時に、携帯機器３０内において５分〜１５分の急速充電が行われるようにし、また送信部１３ａに接続されたＬＥＤインジケータ１７によって、急速充電中のサインを表示し、遠隔駆動充電のエネルギー浪費を回避することができる。

また、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４において、送信部１３ａは、１次側コイル１０の共振周波数と、２次側コイル１２の共振周波数とをそれぞれ検出することによって同調を制御することができる。

また、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４において、ＡＣ端子のＡＣ電圧を絶縁降圧用の磁芯トランス１３を介して降圧後、第１ダイオードブリッジ２によってブリッジ整流された電圧は、第１ダイオードブリッジ２に接続される安定化電圧回路３において低電圧に変換され、ＡＣ電圧のＡＣ入力に対応して自動電圧調整される。

また、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４において、携帯機器３０は、入力電圧の検出情報を含む帰還情報を遠隔無線駆動充電装置２４に無線伝送し、遠隔無線駆動充電装置２４内部では帰還情報を受け取り、送信部１３ａに伝送する。

また、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４において、携帯機器３０は、２次側コイル１２に接続された第２ダイオードブリッジ６と、第２ダイオードブリッジ６に接続された受信部１３ｂと、受信部１３ｂに接続された充電プロファイルＩＣ１４とを備え、入力電圧の検出情報を含む帰還情報を充電プロファイルＩＣ１４から送信部１３ａに無線伝送する構成になされていても良い。

また、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４において、送信部１３ａと充電プロファイルＩＣ１４間は、矢印Ａで示すように、双方向通信可能である。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、１次側コイル１０、および携帯機器３０に接続若しくは内蔵される２次側コイル１２の具体例は、図３に示すように表される。

図３において、１次側コイル１０の等価半径ａは、約６ｃｍ、１次側共振容量Ｃ１は、約１．７ｎＦ、銅損に伴う等価抵抗ｒｃは、約０．００１２Ωであり、２次側コイル１２の等価半径ａは、約６ｃｍ、２次側共振容量Ｃ２は、約１．７ｎＦ、銅損に伴う等価抵抗ｒｃは、約０．００１２Ωであり、１次側コイル１０および２次側コイル１２の銅線量は、ともに、約１０ｃｃである。また、電力搬送波周波数は、約１０ＭＨｚ、波長は、約３０ｍである。

ここで、常時非接触遠隔充電の場合の、携帯機器３０のリチウムイオン充電電池の容量を３割減の５００ｍＡｈとする。これを３０分掛けて充電する時の平均電流は１Ａであり、端子電圧３．５Ｖに調整電圧降下分０．５Ｖを加えた４Ｖにおいて、消費される平均電力は４Ｗであり、平均負荷抵抗は４オームであることがわかる。ここで、ＭＩＴの実験と比較すると、ＭＩＴの実験では、等価半径ａ＝３０ｃｍ／巻数５．２５のコイルで、銅線の体積２７０ｃｃ（１０円玉は１ｃｃ）を使用しており非実用的である。これに対して、発明の実施の形態では、代表的に等価半径ａ＝６ｃｍ／巻数１のコイルで、銅線の体積１０ｃｃを使用しており、実用的である。

図３は、銅損制限領域の無線電力伝送時の等価回路に相当している。図３に示すように、２次側共振容量Ｃ２をＣ２１とＣ２２に分割して、容量Ｃ２２を介して、第２ダイオードブリッジ６によるブリッジ整流回路を負荷として接続する際の負荷抵抗（平均）の値は４Ωとなる。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置においては、携帯機器３０の無線電力伝送充電において、１次側コイル１０と２次側コイル１２を、例えば、絶縁空芯コイルで形成して、積極的に疎結合とし、１次側コイル１０と２次側コイル１２にはそれぞれ共振容量Ｃ１、Ｃ２を付加して同調することにより、動作インピーダンスを極力下げて、携帯機器３０に搭載された部品・基板などの影響を相対的に減じて、電力伝送効率・利便性・製造コスト・汎用性などの全てを実用的に受け入れられるものとしたものである。

ほぼ全ての情報携帯機器に対して、共通の非接触遠隔無線駆動充電装置を使用でき、無線電力伝送によって、近接〜３ｍの範囲で、半径２ｃｍ〜１０ｃｍのコイルを使用して、５０％以上の効率でこれらの携帯機器を遠隔駆動／遠隔充電することができる。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置においては、アンテナコイルの放射・受信性能はコイルの大きさとは無関係であることを利用している。また、近接〜３ｍの範囲では無線電力伝送効率は一定で、密着させることは有利とは言えないことも明らかにしている。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置においては、携帯機器３０に２次側コイル１２が埋め込まれていても、金属シャーシの影響を受けないことを明らかにしている。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置においては、遠隔無線駆動充電装置２４が本来の給電対象でない物体（異物）の近接を検出したり、給電対象を識別することで、認証した携帯機器３０のみに電力を供給する安全機構を備えていても良い。例えば、遠隔無線駆動充電装置２４と携帯機器３０のコイル間で、認証用のデータ信号を無線伝送する機能を備えていても良い。この場合、１次側コイル１０および２次側コイル１２は、データ信号を無線伝送するアンテナとしても機能する。

また、前述の通り、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置においては、携帯機器３０を使用しながらでも、駆動充電することができる。

（認証機能）
実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置においては、認証機能として、受信部１３ｂを内蔵した携帯機器３０と、送信部１３ａを内蔵した遠隔無線駆動充電装置２４で、携帯機器３０から遠隔無線駆動充電装置２４に認証信号を送る。携帯機器３０を遠隔配置し、遠隔無線駆動充電装置２４に対向させた状態で、携帯機器３０のスイッチを押すと、認証用データが携帯機器３０から遠隔無線駆動充電装置２４に送られる。遠隔無線駆動充電装置２４には確認用にＬＥＤインジケータ１７が取り付けてあり、認証用データを受信すると、これが点灯する。

送信部１３ａへの入力は、例えば、直流約５Ｖ、受信部１３ｂが２次電池に供給する充電電流は、例えば、約３００ｍＡである。認証用データの伝送速度は、約１．２Ｋビット／秒である。送信部１３ａを内蔵する遠隔無線駆動充電装置２４の厚みは、約８ｍｍである。１次側コイル１０および２次側コイル１２の大きさは、例えば、直径が約２８ｍｍ、厚みが約１ｍｍである。コアレスながら、３Ｗ弱の電力を無線伝送できる。無線電力伝送効率は、周辺回路の構成などによるため一概には言えないが、直流５Ｖの入力電力のうち２次電池に供給される電力の割合は５０〜７０％である。

他の例では、送信部１３ａに直流電圧を供給する伝送効率は７０％程度である。１次側コイル１０および２次側コイル１２のコイル間の伝送効率は９０％に達する。コイルの大きさは、直径が約３０ｍｍ、厚みが最大約１ｍｍである。３Ｗ程度の電力を無線電力伝送できる。１０Ｍビット／秒と高めることで、認証用データ以外の情報を伝送することも可能である。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置においては、図２に示すように、遠隔無線駆動充電装置２４の絶縁降圧用の磁芯トランス１３をそのまま残しており、この磁芯トランス１３の励磁電流は常時流れている。また、遠隔無線駆動充電装置２４の送信部１３ａの電圧入力は安定化され、例えば、約５Ｖである。また、送信部１３ａのセラミック共振子などで送信周波数ｆが決定される。また、遠隔無線駆動充電装置２４が携帯機器３０を充電中であることを、ＬＥＤインジケータ１７によって表示することができる。遠隔無線駆動充電装置２４は、対象が異物か携帯機器３０かを判定することができる。携帯機器３０は、充電プロファイルに従って５Ｖから電圧降下させて３．５Ｖの電池を充電することができる。また、上述の通り、遠隔無線駆動充電装置２４と携帯機器３０の間で双方向通信を行うことができる。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置においては、充電器の絶縁のために必要なトランスの１次側巻線を遠隔無線駆動充電装置２４に内蔵し、２次側巻線を携帯機器３０に内蔵してその間を非接触とし、２次側から１次側に制御信号を送ることによって充電システムのコストダウン・非接触化・効率改善・軽量化・信頼性の向上を図るものであると見なしても良い。最適の電力伝送周波数を選び、また最良の電磁結合を選んで、構成することができる。

（微小ループ基本特性）
微小ループＡの近傍界・遠方界放射を説明する３次元座標系表示は、図４に示すように表される。

無線電力伝送の送受信アンテナには、図４示す、微小ループＡが専ら使われる。従来、アンテナ・電波工学では、微小共振放射素子ダイポール、微小ループは、実用性が無いとして、詳しく検討されたことはなかった。その微小ループの諸特性を、正しく理解することが、出発点である。

数式１、数式２は微小ループからの放射磁界を示す。この２つ式は、マックスウェルの電磁方程式ではなく、光速遅延項exp(-jkR)を加えたビオ−サバールの式から導かれる。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置による遠隔無線電力伝送現象の説明は、数式１、数式２が正しいとして、構成されている。

数式１は、同軸上配置の携帯機器３０の遠隔無線駆動充電に使われる磁界Ｈ_Rを示す。ここで、＊は乗算記号を表す（以下同様である）。

数式２は、同一平面上配置の携帯機器３０の遠隔無線駆動充電に使われる磁界Ｈ_θを示す。

数式１、数式２は、電磁気学・アンテナ光学・電波工学に携わる研究者・技術者・学生に例外なく共通に理解されている。無線電力搬送波として、短波〜ＵＨＦ帯（３ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）を使って、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４の１次側コイル１０と携帯機器の２次側コイル１２を、距離３ｍ程度の間隔に置く場合は、お互いのコイルの放射の近傍界の範囲（Ｒ＜λ／２π）に、相手が居ることになる。

ＭＩＴの研究陣は、無線電力伝送の実験を通して共鳴現象では、従来の電磁気学の理解では、想定外のことが起こると主張している。しかし、その現象に理論的な根拠を与えるには至っていない。１次側コイルと２次側コイルの共通の半径ａより、何倍も何十倍も大きな距離Ｒに１次側コイルと２次側コイルを置いた場合に、１次側コイルに流れた作用電流に誘起されて２次側コイルに同じ程度の大きさの誘導電流が流れるようなことは、これまでの科学者もＭＩＴの研究陣も想像ができていない。

先ず、オリバー・ヘビサイドによる電磁波エネルギー放射では、充電器から距離Ｒ＝３ｍの距離の、携帯機器の半径ａ＝６ｃｍの２次側コイルに対して、半径３ｍの全球表面積に対する半径ａ＝６ｃｍのコイルの面積比η_Sは、数式３で表される。すなわち、

であるから、０．０１％の電力伝送効率は達成できても、５０％の効率が得られる現象を説明できない。

また、ファラデーの法則に基づく、変圧器の設計理論では、電磁誘導のコイル間の磁気結合係数ｋが電力伝送効率を決定する。２つの半径ａ＝６ｃｍのコイルが３ｍ離れて対向する場合の磁気結合係数ｋは、よく知られているように、数式４で表される。

ファラデーの電磁誘導から説明するならば、距離Ｒ＝３ｍ離れた電力伝送効率は０．００６％程度でなければならないが、実際の現象では５０％程度が得られる。

この２つがありながら、前述のＭＩＴの実験や、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置が、電力伝送効率５０％前後を示すのは、起きている事象に対してオリバー・ヘビサイドの電磁波エネルギー放射やファラデーの電磁誘導の適用が適切でないということを示している。これは、以下に示すように、電磁気学の表面的な理解では見落されていたが、しかしありふれた電磁気の性質である。

（遠隔無線駆動充電装置と携帯機器の相対位置）
実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、１次側コイル１０に対して、同軸（Ｃｏ−Ａｘｉａｌ）上に配置された２次側コイル１２ａ、同一平面（Ｃｏ−Ｐｌａｎｅ）上に配置された２次側コイル１２ｃ、および任意の位置に配置された２次側コイル１２ｂの遠隔無線結合効果の説明は、図５に示すように模式的に表すことができる。

ＭＩＴの研究陣の理解のように、ヘビサイドの放射観念を捨てきれず、２つの出来るだけ大きな断面と多くの巻数のコイルを対向させて、磁気結合を確保した形を基本とするのではなく、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置においては、主として室内において、携帯機器３０を遠隔無線駆動充電装置２４から近接〜３ｍの距離で無線充電・無線駆動する場合の態様を、図５に示すように、１次側コイル１０の位置を、デカルト座標の原点として、２次側コイル１２がどの位置にあっても、電力伝送を可能にするものである。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置においては、デカルト座標の原点に配置され、インダクタンスＬ１を有する１次側コイル１０に対して、同軸に配置され、インダクタンスＬ２を有する２次側コイル１２aには、同軸方向の磁界Ｈ_Rだけが現れる。また、デカルト座標の原点に配置された１次側コイル１０に対して、同一平面上に配置された２次側コイル１２ｃには、θ方向の磁界Ｈ_θだけが現れる。さらに、任意の位置に配置された２次側コイル１２ｂには、図５に示すように、距離Ｒ方向の磁界Ｈ_Rとθ方向の磁界Ｈ_θの２つの基本要素の組み合わせによる磁界が現れる。

（電力伝送の等価回路）
実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、放射損抵抗ｒｒと銅損抵抗ｒｃの両方を考慮した無線電力伝送の等価回路は、図６に示すように表される。

図６に示すように、遠隔無線駆動充電装置に内蔵される１次側コイル１０は、無限遠への放射損に伴う放射損抵抗ｒｒ、巻線の銅損に伴う銅損抵抗ｒｃ、インダクタンスＬ１、１次側共振容量Ｃ１、および逆誘導電圧ｖ１の直列回路で表される。この直列回路には、励磁電圧ｅが接続されて、１次側励磁電流ｉ１が導通する。

また、図６に示すように、携帯機器３０に内蔵される２次側コイル１２は、無限遠への放射損に伴う放射損抵抗ｒｒ、巻線の銅損に伴う等価抵抗ｒｃ、インダクタンスＬ２、２次側共振容量Ｃ２、および誘導電圧ｖ２の直列回路で表される。この直列回路には、負荷抵抗ｒＬが接続されて、２次側誘導電流ｉ２が導通する。

１次側コイル１０および２次側コイル１２の等価半径はａ、電力搬送波周波数は、例えば、約１０ＭＨｚ、波長は、約３０ｍである。

１次側コイル１０の微小Ｌｏｏｐ１のインダクタンスＬ１、２次側コイル１２の微小Ｌｏｏｐ２のインダクタンスＬ２は共振容量Ｃ１、Ｃ２によってそれぞれリアクタンス成分が正負で打ち消されている。

１次側コイル１０の微小Ｌｏｏｐ１は、励磁電圧ｅで駆動され、１次側励磁電流ｉ１が導通する。

負荷抵抗ｒＬを有する２次側コイル１２の微小Ｌｏｏｐ２には１次側励磁電流ｉ１による２次側誘導電流ｉ２が導通する。

２次側誘導電流ｉ２の再放射によって、１次側コイル１０の微小Ｌｏｏｐ１に逆誘導電圧ｖ１を誘起している。

簡単のために、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置に内蔵する１次側コイル１０と、携帯機器３０に内蔵する２次側コイル１２を同じ形状とする。系に入力された有効電力Ｐ_inは、励磁電圧ｅと１次側励磁電流ｉ１のベクトルの内積として、数式５で表される。

他方、付加抵抗ｒＬに伝送された電力Ｐ_outは、数式６で表される。

従って、電力伝送効率ηは、数式７で表される。これは正の値であり、またエネルギーの保存則が成り立つ限り、１より大きくなることはない。

１次側コイル１０および２次側コイル１２の２つのコイルの放射損抵抗ｒｒは独立ではない。２つのコイルが波長λに比べて近くにあり、同じ向きで、流れる電流の大きさが同じで、レンツの法則のように位相が１８０度ずれているなら、無限遠への放射損に伴う放射損抵抗ｒｒはゼロとなるからである。２つのコイルの放射損抵抗ｒｒに相関がないとして考えると、リアクタンス成分が打ち消された後の、Ｌｏｏｐ１のオーム則は数式８で表される。ｒｃは巻線の銅損抵抗である。ここで、共振容量の誘電体損は無視している。

同じく、Ｌｏｏｐ２のオーム則は数式９で表される。ｒＬは無線電力伝送の負荷抵抗である。

数式５〜数式９は、疑いのなく絶対的な真理であるという、電磁気学の根本を前提にする。

（同軸上配置の場合の無線電力伝送効率）
ＭＩＴの実験では、２つの対向するコイルの、同軸上配置における磁気結合を念頭に置いている。実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置では、これとは異なり、同軸上配置と同一平面上配置の組み合わせによって、一般的な態様を表現することが可能であり、また電界Ｅと磁界Ｈを使い分けないことを念頭に置いている。

先ず、同軸上配置の場合を説明する。半径ａの微小Ｌｏｏｐ１からなる１次側コイル１０に流れる励磁電流ｉ１が、距離Ｒ離れた、同じ半径ａを持ち、負荷抵抗ｒＬに接続された、微小Ｌｏｏｐ２からなる２次側コイル１２に誘導電流ｉ２を引き起こす関係を、磁界を介して、距離Ｒの関数の形として以下に示す。

２次側コイル１２が位置する同軸上では、励磁電流ｉ１による、近傍磁界Ｈ_Rのみが存在し、磁界Ｈ_Rは、数式１０で表される。

従って、ファラデー則が正しいとすれば、２次側コイル１２の誘起電圧ｖ２は、数式１０を時間微分した形で、数式１１に示すように表される。ここで、ωは角周波数、μ₀は真空透磁率を示す。

２次側コイル１２のインダクタンスＬ２は、共振容量Ｃ２によってリアクタンス成分を打ち消されているので、１次側コイル１０の励磁電流ｉ１に対する、２次側コイル１２の誘導電流ｉ２は、数式１２に示すように表され、ｉ１とｉ２は９０度位相がずれたものに、光速遅延項exp(-jkR)が掛けられたものとなる。レンツの法則は、到来磁界に対して、コイルを自己インダクタンスで短絡した場合に、コイルの内側では到来磁界を打ち消し、コイルの外側では、到来磁界を強め合うことを表しているが、純抵抗で終端した場合は、到来磁界を打ち消すような場面は存在しない。ダイポールの誘導も含めて、レンツの指摘は一般性を持っていない。

数式１２には、１次側コイル１０と２次側コイル１２の半径ａが含まれていない。ＭＩＴの実験では、ヘビサイドのエネルギー放射観念から脱却できていないために、コイル半径をできるだけ大きくしているが、無線電力伝送とコイルの半径ａは、基本的に無関係である。

Ｒ＜λ／２πでは誘導電流ｉ２は励磁電流ｉ１と同程度か、それより大きい。Ｒ＞＞λ／２πでは、誘導電流ｉ２は励磁電流ｉ１と比べて、距離に反比例して小さくなるので、無線電力伝送に使用されない。 誘導電流ｉ２によって１次側コイル１０に誘起される電圧ｖ１を励磁電圧ｅに加えたものと励磁電流ｉ１の間で、１次側コイル１０に於いて数式１３に示すオームの法則が成り立っている。すなわち、

従って、誘導電流ｉ２が誘導された場合（つまり２次側コイル１２の反作用を受けた場合）の励磁電圧ｅと励磁電流ｉ１の関係は数式１４に示すように表される。

入力電力Ｐ_inは、励磁電圧ｅと励磁電流ｉ１のベクトルの内積であり、数式１５で表される。

一方、負荷抵抗ｒＬに伝送された電力Ｐ_outは数式１６で表される。

電力伝送効率ηは、省略を伴わない形で、数式１７として表される。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、ｒｃ＜＜ｒｒ（放射損に対して銅損が無視できる）として、２つのコイルの放射損抵抗が独立であると仮定した時の、ｍ_L＝０．７〜１．４の場合の、同軸上配置における距離Ｒと電力伝送効率ηの関係は、図７に示すように表される。ｍ_L＝１は、負荷抵抗ｒＬが放射損抵抗ｒｒと等しい場合に相当する。上記の仮定では、近接〜λ／２πの間は効率は大きく変化しないことがわかる。

２つのコイルの放射損抵抗は独立ではないことにより、現象と、放射損抵抗が独立であるという前提で計算された数式１７の間には若干のずれを生じる。

このように、短波〜ＵＨＦ帯（３ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）の周波数を使って、密着〜３ｍの範囲で５０％以上の電力伝送効率を同軸上配置の構成によって達成することが可能である。

（同一平面上配置の場合の無線電力伝送効率）
同一平面上では、数式１８に示すように、励磁電流ｉ１による近傍磁界の他に遠方磁界が付加され、誘導の感度は同軸上配置の場合の約半分になる。すなわち、

１次側コイル１０の励磁電流ｉ１による２次側コイル１２の誘起電圧ｖ２は数式１９に示すように表すことができる。

２次側コイル１２の誘導電流ｉ２は数式２０として表すことができる。

誘導電流ｉ２が存在する場合の励磁電流ｉ１は、数式２１で表される。

従って、印加電圧ｅと励磁電流ｉ１の関係は、数式２２のように表される。

１次側コイル１０の駆動端電圧ｅによる入力電力Ｐ_inは数式２３で表される。

２次側コイル１２に接続された負荷抵抗ｒＬに伝送された電力Ｐ_outは数式２４で表される。

従って電力伝送効率ηは数式２５で表される。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、ｒｃ＜＜ｒｒ（放射損に対して銅損が無視できる）として、２つのコイルの放射損抵抗が独立であると仮定した時の、ｍＬ＝０．７〜１．４の場合の、同一平面上配置における距離Ｒと電力伝送効率ηの関係は、図８に示すように表される。ｍ_L＝１は、負荷抵抗ｒＬが放射損抵抗ｒｒと等しい場合に相当する。上記の仮定では、近接〜λ／２πの間は効率は大きく変化しないことがわかる。

２つのコイルの放射損抵抗は独立ではないことにより、現象と、放射損抵抗が独立であるという前提で計算された数式２５の間には若干のずれを生じる。

同一平面上配置では、距離Ｒの３乗に反比例する項に対してＲの１乗に反比例する項が逆の符号で加えられるので、Ｒ＝λ／２πの付近で、電力伝送効率ηは、同軸上配置の場倍よりも早く減衰する。

このように、短波〜ＵＨＦ帯（３ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）の周波数を使って、密着〜３ｍの範囲で５０％以上の電力伝送効率を同一平面上配置の構成によって達成することが可能である。

（同軸上配置と同一平面上配置の任意の組み合わせ）
実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、微小ループＡによる１次側コイル１０から距離Ｒ離隔した任意の位置における２次側コイル１２に誘起される磁界Ｈのベクトル表示は、図９に示すように表される。

図９に示すように、デカルト座標の原点に微小ループＡによる１次側コイル１０を固定し、内蔵する１次側コイル１０の中心軸をＺ軸に向けた場合、同軸上配置の場合でも同一平面上配置の場合でも、携帯機器に内蔵される２次側コイル１２の中心軸の向きは、１次側コイル１０の向きと同じように、Ｚ軸を向いた時に最大感度となる。これに対して、その中間の位置では、Ｈ_RとＨ_θのベクトル和Ｈの向きに、２次側コイル１２の中心軸の向きを合わせた時が最大感度となる。数式２６は、Ｈ_RとＨ_θのベクトル和Ｈを示す。

１次側コイル１０とＨ_RとＨ_θのベクトル和Ｈの向きに２次側コイル１２の中心軸の向きを合わせたこの向き合わせが、携帯機器の使用者によって、効率表示を見ての手動調整で行われる限りにおいて、携帯機器は、遠隔無線駆動充電装置を原点に固定したデカルト座標のどの位置に配置されても、同軸上配置や同一平面上配置と同様の電力伝送効率が得られる。

（全方位充電）
実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、１次側コイル１０からの全方位充電を説明する模式的鳥構造は、図１０に示すように表される。実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置においては、１次側コイル１０を取り巻く、全方位で、携帯機器に対する、無線遠隔充電・無線遠隔駆動を可能にし、一切の死角を持たない。実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置においては、全方位に対して、比較的均等な感度を有している。

図９および図１０に示すように、任意の方位に配置された携帯機器に対する電磁誘導の原理は、同軸上配置と同一平面上配置の線形結合で表される。

電力伝送周波数として１０ＭＨｚを使用した場合、充電器を取り囲む半径３ｍの球内では、一様の伝送効率が得られる。これは、また、充電器の定格出力を携帯機器の位置によって変化させないで済むことを表している。ＭＩＴの実験では、充電器に近いほど効率が高くなるので、便利ではない。

また、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置においては、全ての携帯機器に実用的な寸法のコイルを実装可能である。

（遠隔無線駆動充電の性能）
実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置は、例えば、下記の要件を全て満足することができる。すなわち、
（ａ）室内で充電器の近接〜３ｍの距離で、距離に依存せず一様に、携帯機器を充電することができることを確認した。

（ｂ）携帯機器は、固定された遠隔無線駆動充電装置のどの方角に配置されていても、一様に充電することができることを確認した。

（ｃ）携帯機器を使用しながらでも、携帯機器を充電することができることを確認した。

（ｄ）低コストで実現可能であり、１台で幾つかの携帯機器を順番に充電することができることを確認した。

（ｅ）ＡＣ電圧１００Ｖ〜２４０Ｖで動作し、しかも自動電圧調整機能を有することを確認した。

（ｆ）予め認証した携帯機器のみを充電することができることを確認した。

（ｇ）異物の存在に左右されない、また異物に作用しないことを確認した。

（ｈ）人体に影響を及ぼさない、また人体の影響をうけないことを確認した。

（金属や異物の影響の軽減）
実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、無線電力伝送における異物のショートリングコイル１８の影響は、模式的に図１１に示すように表される。従来の有線・無線電力伝送は有芯変圧器や空間電磁結合の考え方で設計されていた。このため、図１１に示すように、近傍の金属・異物は重大な影響を電力伝送に与えていた。実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置においてはこれらの考えとは違い、異物のショートリングコイル１８として定義される近傍の金属は、そのインダクタンスＬで短絡されているに過ぎず、これに対して遠隔無線駆動充電装置の１次側コイル１０と携帯機器の２次側コイル１２は、その放射損抵抗ｒｒで終端されていて、例えば、半径ａのコイルでは、その自己インダクタンスＬによるリアクタンス成分ω₀Ｌと放射損抵抗ｒｒの比は、数式２７に示すように表される。

したがって、銅損を考慮しない場合の電力伝送効率はコイルの半径ａには無関係で、近傍の金属や異物の影響はコイルの半径ａの３乗に比例して少なくなる。

従来の電磁気学の常識では、送信アンテナと受信アンテナの周辺に金属があると、伝送特性が甚だしく変化し、そのような環境では無線電力伝送は事実上不可能であった。しかし、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置による空間電力伝送方式では、そのような周辺の金属の影響は軽微である。

異物の影響は、携帯機器の金属シャーシの影響、異物をＩＨ加熱してしまう弊害、人体の伝送特性に対する影響などがある。

数式２７は共振のＱ値に相当し、このＱ値が高い程、異物の影響が相対的に少なくなる。高いＱ値は、伝送の周波数帯域の選択性が高められるので極めて好ましい特性である。

一般アンテナの共振のＱ値を高くするには、単純にアンテナの寸法を小さくすればよい。送受信アンテナの有能電力やＳ／Ｎはアンテナの寸法に依らない。またアンテナの寸法が小さい程、近傍の金属の影響を受けにくい。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、無線電力伝送における人体の影響は、模式的に図１２に示すように表される。図１２に示すように、例えば、８５０ＭＨｚの基地局２００から携帯電話２２へ伝送される上り・下りの電磁波（実際は基地局アンテナ）と、携帯電話２２の送受信アンテナと、人体３００（手３２０も含む）との３者の関係は、１０ＭＨｚの遠隔無線駆動充電装置２４と、携帯電話２２の受信アンテナと、人体３００（手３２０も含む）との３者の関係と何ら変わりはない。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置によって遠隔無線駆動充電される携帯電話２２および携帯電話２２に内蔵される２次側コイル１２の構成は、図１３に示すように表される。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置によって遠隔無線駆動充電される携帯電話２２では、図１３に示すように、２次側コイル１２をプリント基板１００の表面および裏面にスパイラル状導電性パターンによって形成された絶縁空芯コイルで構成している。プリント基板１００は、携帯電話２２に内蔵されている。

携帯電話２２の埋め込み型微小共振アンテナは狭帯域であり高い共振のＱ値を持っているので、携帯電話２２のシャーシの金属部品の影響を受けにくい。実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置は、３ｍ離れていても、周りの異物・金属は電力伝送特性に影響を与えない。その理由は、１次側コイル１０と２次側コイル１２が共振することによって、低い動作インピーダンスで結合し、実装部品と１次側コイル１０／２次側コイル１２の結合が相対的に小さくなり、疎結合となるからである。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置による空間電力伝送方式では、１次側コイル１０と２次側コイル１２が、共鳴による電磁的相互作用によって、非常に強く結びついており、電磁波が真空を媒質として、伝播しているわけではない。

１０ＭＨｚの充電電磁波の人体に対する遺伝子変化の影響は、８５０ＭＨｚの送信と比べると事実上無視できる。周波数が高いほど二重螺旋構造の塩基対の遮蔽効果を破る可能性が増える。細胞分裂では、二重螺旋構造が一時的に解かれているので、遮蔽効果が無くなっていて、電磁波に対して無防備である。しかし、電磁波が低周波であるほど、ＤＮＡ全体が電磁的にフローティング状態となり、各塩基対が付け替えられる可能性はなくなる。

（微小ループの電磁気原理）
高いＱを有する微小ループアンテナの動作原理は、図１４（ａ）に示すように表され、図１４（ａ）の等価回路は、図１４（ｂ）に示すように表される。図１４には、到来電界Ｅに微小ループアンテナを置いたときのアンテナ間の相互誘導に関与する放射損抵抗ｒｒと、金属導体の部分電流間の相互誘導の光速遅延項により発生するインダクタンスＬを共振容量Ｃで中和した微小ループの形状と等価回路が示されている。図１４に示すのは、諸現象の基本単位としての微小ループアンテナである。但し、ここで云う微小ループアンテナは、非放射性の共振容量Ｃで終端されている。数式２８〜数式３１は、世界の、アンテナ工学に従事する教授・研究者・学生に広く理解されていて、従来何の疑義も生じていない。

数式２８は微微小ループアンテナの放射損抵抗ｒｒを表す。その算出方法は、微微小ループの遠方電界と磁界を掛け合わせて、それを電力とみなし、全球でそれを積分して、波源ループの電流の２乗で割ったものを、放射損抵抗ｒｒであると定義している。

放射損抵抗ｒｒが、コイルの巻数ｎの１乗ではなく、２乗に比例しているのは、遠方の電界と遠方の磁界が、共に巻数ｎと電流の積に比例するので、その積が２乗に比例することになり、従って放射損抵抗ｒｒも２乗に比例しなければならないからである。

数式２９は、微小ループのリアクタンスＸを示す。

微小ループ金属導体の部分電流間の相互誘導は、誘導性を示す。リアクタンスＸは巻数ｎの２乗に比例する。

リアクタンスＸと放射損抵抗ｒｒの比はＱ値であり、微小ループを共振容量Ｃでショートしたときの周波数応答の帯域幅に対する共振周波数の比となる。Ｑ値は巻数ｎには無関係である。

ファラデーの電磁気解釈では、コイルの誘起電圧はループ面積を横切る磁束の時間変化量に比例し、それはコイルのインダクタンスＬに直接関係した量であるとしている。しかるに、数式２９はコイルの線の半径ｂに関係しており、従ってコイルの誘起電圧とコイルのインダクタンスＬは、直接的な因果関係を持たないことがわかる。

数式３０に示すＱ値は微小ループの半径ａの３乗の逆数に比例すると考えてよい。

数式３１は、到来電界Ｅ（或いは到来磁界Ｈ＝Ｅ／１２０π）に巻数ｎの微小ループを置いた時の、開放端子電圧Ｖoを表す。開放端子電圧Ｖoとは、微小ループが一箇所開放されていて電流が流れていない場合の、開放された端子の間に現れる電圧である。電磁気学は開放端子電圧Ｖoに２つの解を与えていて、結論がわかれている。

一方の解は、ファラデーの法則から求められるもので、電流が流れていないために巻線間の相互誘導はなく、従って微小ループ上の到来電界をｎ回だけ周回積分した電圧値が、開放端子電圧Ｖoになり、これは巻数ｎの１乗に比例する。

他方の解は、アンテナ工学が教える開放端子電圧Ｖoであり、巻数ｎの２乗に比例するが、これは一般的なアンテナ実験と一致している。

有能電力は、数式３２で表される。有能電力は、アンテナの寸法とは無関係である。即ち、ヘビサイドのエネルギー放射観念で、エネルギーの流れをアンテナの断面で切り取るという考えが、間違いであることが分かる。

有能電力の取り扱いも、ファラデー則とアンテナ工学では結論が大きく異なる。ファラデー則では、有能電力はアンテナの寸法に無関係で、かつコイルの巻数ｎにも無関係である。アンテナ工学の学問体系では、有能電力はアンテナの寸法には無関係であるが、コイルの巻数ｎの２乗に比例する。

若し、ヘビサイドのエネルギー放射観念を適用するなら、エネルギーをｎ回切り取るので、ｎの１乗に比例するとも云えるし、１回切り取れば、もうエネルギーは残っていないので、巻数には無関係とも云える。ＭＩＴの実験では、明らかに巻数が多い方が有能電力は大きく、またコイルが大きい方が有能電力は大きいという単純なものである。

また共振電圧は数式３８で表され、コイルの半径が小さいほど大きな電圧を生じる。

無線電力伝送では、２次側コイル（受信コイル）に発生した電圧をブリッジ整流するために、ダイオードの順方向電圧Ｖｆを超える電圧が誘起されなくてはならない。そのためにはループアンテナはできるだけ小さくなければならない。

（ファラデーの法則の適用可能な範囲）
ファラデーの法則は、電磁誘導が誘起電圧として表れ、その誘起電圧はループを横切る磁束の時間微分に比例するというものである。また誘導電流は、到来磁界を打ち消すように流れるというものである。

しかし、古典電磁気学の枠内で、既に明らかなように、ループの誘導電流が到来磁界を打ち消すような事例は無い。またファラデーの法則は、ダイポールの動作を全く説明できないことも明白である。

数式３１（２）がアンテナ工学で広く理解されているように、開放端子電圧Ｖoが巻数ｎの２乗に比例するという実験事実を考えると、ファラデーの法則は単純に間違いであると云ってもよい。しかし、これに代わり、電磁誘導の新しい説明がなければ、我々の生活が、明日から成り立たなくなる。

ファラデーは磁束の時間微分でループに誘起電圧を発生するとし、その誘起電圧を負荷抵抗につないで、誘起電流が流れるとした。この考えは、１００年間訂正されなかった。到来磁界を打ち消すのが、レンツが指摘したような物事の本質であるとするなら、打ち消す磁界を発生するものは、誘導電流であって、誘起電圧ではない。作用としての到来磁界に対して、反作用として誘導電流を生じるのが本来の姿である。

然るに、ループが不自然に開放されていると、誘導電流がこれに打ち勝って流れようとする。これが開放端子電圧Ｖoである。鳳＝テブナンの定理によれば、この電圧は誘導電流にループのリアクタンス成分を掛けたものである。ループのリアクタンス成分は、数式２９に示すように、巻数ｎの２乗に比例する。したがって、開放端子電圧Ｖoは、ファラデーの法則では説明ができないように、ループの巻数ｎの２乗に比例するのである。

これは電磁誘導のより適切な理解と説明であり、ループの動作もダイポールの動作も説明する。ファラデーの法則はループしか、また矛盾を含んだ説明しかできない。

また、いかなる場合も磁界と電界は１２０πの関係であり、磁界と電界は９０度の位相差があるのではなく、常に同位相である。即ち、磁界と電界は１つのものを２重に定義している。即ち、古典電磁気学の枠内で、マックスウェルの観念や、ポインティングベクトルの考えは無意味である。これらを排除すれば、古典電磁気学は必ずしも廃棄する必要は無く、自己矛盾を除去して活用することができる。そのような形で、ファラデーの法則は使うことができる。

（充電プロファイル）
実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置によって遠隔無線駆動充電される携帯機器に内蔵されるリチウムイオン電池の充電プロファイル例は、図１５に示すように表される。図１５には、充電電圧ＣＶおよび充電電流ＣＩの２つの曲線が描かれている。

図１５において、時刻０〜ｔ１の期間は、定電流区間であり、時刻ｔ１〜ｔ２の期間は、定電圧区間である。時刻ｔ２において、電流を検出すると同時に、矢印Ｂに示すようにリチウムイオン電池の充電を完了する。実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置によって遠隔無線駆動充電される携帯機器は、温度保護機能、電流検出タイマ機能、急速充電タイマ機能、過電圧保護機能を備えている。

図１５に示すような充電プロファルで、充電時間は短く、例えば、８００ｍＡｈのリチウムイオン２次電池に対する充電時間は、１５分程度である。ここで、急速充電対応のリチウムイオン２次電池を使用している。携帯機器の消費電力は、高機能化に伴って増大し続けている。ところが２次電池のエネルギー容量はそれほど簡単には高められない。そこで機器ユーザがいつでも、どこでも短時間で安全に充電できるインフラを用意すれば、エネルギー容量を高める必要性は低くなる。

急速充電用に開発したリチウムイオン２次電池パックを２個用意して、一方を４００ｍＡ、もう一方を３Ａの充電電流でいずれも１分間、非接点充電した。４００ｍＡの充電電流は、現在の携帯電話機向け充電システムで一般的な値である。その後、電動模型（自転車を漕ぐ人形）に各電池パックを接続し、同時に放電を開始させた。その結果、４００ｍＡで充電した方は８秒で電動模型が動作しなくなったのに対し、３Ａで充電した方は１００秒も動作した。充電電流が３Ａと高いため、リチウムイオン２次電池の安全性や寿命を懸念する声が上っているが、もともとこの電池は、電気自動車などの大型モータ駆動に向けて開発を進めていたもので、電池内部の電極にスタック構造を採用しているためセル当たりの放熱特性が高く、充放電を繰り返した際のエネルギ容量の劣化については、電極材料を工夫することで、一般的なリチウムイオン２次電池よりも大幅に低く抑えられる。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、銅損制限領域（ｒｃ＞＞ｒｒ）での無線電力伝送の等価回路は、図１６（ａ）に示すように表され、携帯機器３０の等価回路は、図１６（ｂ）に示すように表される。

図１６（ａ）に示すように、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置に内蔵される１次側コイル１０は、巻線の銅損に伴う等価抵抗ｒｃ、インダクタンスＬ１、１次側共振容量Ｃ１、および逆誘導電圧ｖ１の直列回路で表される。この直列回路には、励磁電圧ｅが接続されて、１次側励磁電流ｉ１が導通する。

また、図１６（ａ）に示すように、携帯機器３０に内蔵される２次側コイル１２は、巻線の銅損に伴う等価抵抗ｒｃ、インダクタンスＬ２、２次側共振容量Ｃ２、および誘導電圧ｖ２の直列回路で表される。この直列回路には、負荷抵抗ｒＬが接続されて、２次側誘導電流ｉ２が導通する。さらに、２次側コイル１２は、図１６（ｂ）に示すように、等価抵抗ｒｃ、インダクタンスＬ２、Ｃ２１とＣ２２に分割された２次側共振容量Ｃ２、および誘導電圧ｖ２の直列回路で表され、負荷抵抗ｒＬは、２次側共振容量Ｃ２２に並列接続される。図１６（ｂ）に示された負荷抵抗ｒＬは、図３に示したように、携帯機器３０の入力抵抗４Ωに相当する。

１次側コイル１０および２次側コイル１２の等価半径はａ、電力搬送波周波数は、約１０ＭＨｚ、波長は、約３０ｍである。

（ａ）図１６（ｂ）に示された負荷抵抗ｒＬの（平均）４オームは、図３に示すように共振容量Ｃ２を分割してブリッジ整流回路を負荷として接続することができる。

図１６（ｂ）に示された負荷抵抗ｒＬは、図３に示したように、携帯機器３０の入力抵抗４Ωに相当する。

１次側コイル１０の微小Ｌｏｏｐ１、２次側コイル１２の微小Ｌｏｏｐ２は、それぞれ巻線の銅損に伴う抵抗ｒｃを有し、放射損は無視できる。

（ｂ）１次側コイル１０の微小Ｌｏｏｐ１のインダクタンスＬ１、２次側コイル１２の微小Ｌｏｏｐ２のインダクタンスＬ２は共振容量Ｃ１、Ｃ２によってそれぞれリアクタンス成分が正負で打ち消されている。

（ｃ）１次側コイル１０の微小Ｌｏｏｐ１は、励磁電圧ｅで駆動され、１次側励磁電流ｉ１が導通する。

（ｄ）負荷抵抗ｒＬを有する微小Ｌｏｏｐ２の２次側コイル１２には１次側励磁電流ｉ１による２次側誘導電流ｉ２が導通する。

（ｅ）２次側誘導電流ｉ２の再放射によって、微小Ｌｏｏｐ１の１次側コイル１０に逆誘導電圧ｖ１を誘起している。

１次側コイル１０と２次側コイル１２は、銅損より放射損が遥かに小さい。数式３４は銅線量を１０ｃｃとして、表皮効果を考慮した後の、銅損ｒｃを表す。ここで、ρは銅線の抵抗率、Ｓは銅線の断面積、ｌは銅線の長さ、ωは角周波数、μは透磁率、ｄは表皮深さ（skin depth）を表す。

１次側コイル１０では、インダクタンスＬ１のリアクタンスと共振容量Ｃ１のリアクタンスが打ち消し合っていて、数式３５のオーム則が成り立つ。すなわち、

２次側コイル１２では、インダクタンスＬ２のリアクタンスと共振容量Ｃ２のリアクタンスが打ち消し合っていて、数式３６のオーム則が成り立つ。すなわち、

励磁電流ｉ１による、中心軸上の磁界強度Ｈ_Rは数式３７で表される。

励磁電流ｉ１による、２次側コイル１２の誘導電圧ｖ２は数式３８で表される。

２次側コイル１２における誘導電流ｉ２による、オーム則は数式３９で表される。

１次側コイル１０における励磁電流ｉ１による、オーム則は数式４０で表される。

従って、数式４１を得る。

１次側コイル１０への入力電力Ｐ_inは、電圧の電流に対する同相分を掛け合わせて数式４２で表される。

一方、負荷抵抗に伝送された電力Ｐ_outは数式４３で表される。

従って、銅損制限領域（ｒｃ＞＞ｒｒ）の無線電力伝送効率ηは数式４４で表される。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置において、銅損制限領域（ｒｃ＞＞ｒｒ）での同軸上配置における距離Ｒと電力伝送効率ηの関係は、図１７に示すように表される。電力搬送波周波数１０ＭＨｚでコイルの等価半径ａを代表的に６ｃｍとして、近接〜３ｍの距離で、効率約５０％が得られることがわかる。

携帯機器充電共用技術であって、実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置２４を適用し、半径Ｒｏの球面内で全方向で携帯電話２２、ノートブックコンピュータ２０を無線充電・駆動可能な実施例は、図１８（ａ）に示すように表される。図１８（ａ）の実施例では、約半径Ｒｏ＝３ｍの球面内で全方向で携帯電話２２、ノートブックコンピュータ２０を無線充電・駆動可能である。効率は、５０％程度である。

携帯機器充電共用技術であって、近接無線充電ＡＣアダプタ２４ｃを適用し、近接で携帯電話２２、ノートブックコンピュータ２０を無線充電・駆動可能な比較例は、図１８（ｂ）に示すように表される。図１８（ｂ）の比較例では、近接で携帯電話２２、ノートブックコンピュータ２０を無線充電・駆動可能であり、効率は、７０％以上である。

一方、専用ケーブル８ａ、専用コネクタ８ｂなどで携帯電話２２、ノートブックコンピュータ２０をコード接続充電・駆動可能な充電ＡＣアダプタ（２４ａ、２４ｂ）の比較例の模式図は、図１８（ｃ）に示すように表される。比較例に係る充電ＡＣアダプタ（２４ａ、２４ｂ）においては、専用ケーブル８ａ、専用コネクタ８ｂなどで携帯電話２２、ノートブックコンピュータ２０をコード接続充電・駆動可能であり、効率は８０％以上が得られている。

実施の形態に係る遠隔無線駆動充電装置は、例えば、以下の応用範囲を想定している。尚、これに限定されないことは明らかである。

（ａ）室内・屋外で近接〜約３ｍの範囲の携帯機器を、遠隔無線駆動充電装置で、遠隔無線駆動充電する。

（ｂ）これに伴って携帯機器は、固定された遠隔無線駆動充電装置に対してどの位置にあっても良いが、最大感度となる向きに合わせなければならない。

（ｃ）携帯機器の２次電池の充電では副目的であり、携帯機器を直接無線遠隔駆動することの方を主目的としている。これにより、充電電池の無理な高密度化の必要が無くなって発火・爆発事故は解消される。

（ｄ）携帯機器は、例えば、携帯電話機・コードレス電話機、ＰＤＡ・ポータブルゲーム機類、ポータブル音楽再生機、ポータブル映像再生機、デジタルスチル・ムービーカメラ、電気かみそり・電動歯ブラシ類を対象とし、共用の遠隔無線駆動充電装置に対して、個別化される。

本発明によれば、携帯機器が立体角のどの位置にあっても、異物の存在に左右されず、５０％以上の効率で、無線遠隔駆動・充電することができる、短波〜ＵＨＦ帯の搬送波を用いた遠隔無線駆動充電装置を提供することができる。

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の遠隔無線駆動充電装置は、家庭／学校／オフィスに定置され、携帯機器と一緒に持ち運ぶことはせず、携帯機器を駆動するバッテリーの種類や充電プロファイルに関係なく、共通の遠隔無線駆動充電装置で無線駆動・無線充電が可能であることから、あらゆる携帯情報機器に適用することができる。

２、６…ダイオードブリッジ
３…安定化電圧回路
１０…１次側コイル
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…２次側コイル
１３…磁芯トランス
１４…充電プロファイルＩＣ（集積回路）
１８…異物のショートリングコイル
１７…ＬＥＤインジケータ
２０…ノートブックコンピュータ
２２…携帯電話
２４…遠隔無線駆動充電装置
３０…携帯機器
１００…プリント基板
２００…基地局
３００…人体
３２０…手

Claims (12)

1. 送信部と、
   前記送信部に接続された１次側共振容量と、
   前記１次側共振容量に接続され、所定の電力搬送波周波数帯域において前記１次側共振容量と同調する１次側コイルと、
   携帯機器に内蔵される２次側コイルと、
   前記２次側コイルに接続され、前記所定の電力搬送波周波数帯域において前記２次側コイルと同調する２次側共振容量と
   を備え、前記１次側コイルと前記２次側コイルの電磁的な結合によって、前記１次側コイルと前記２次側コイルのそれぞれが微小ループとしての放射性のインダクタンス成分を非放射性の前記１次側共振容量および前記２次側共振容量で打ち消し合い、前記携帯機器を遠隔無線駆動充電することを特徴とする遠隔無線駆動充電装置。
2. ＡＣ端子に接続された磁芯トランスと、
   前記磁芯トランスに接続された第１ダイオードブリッジと、
   前記第１ダイオードブリッジに接続された安定化回路と
   を備え、前記送信部は、前記安定化回路に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の遠隔無線駆動充電装置。
3. 前記所定の電力搬送波周波数帯域は、３ＭＨｚ〜３ＧＨｚの短波〜ＵＨＦ帯の帯域であることを特徴とする請求項１または２に記載の遠隔無線駆動充電装置。
4. 前記１次側コイルおよび前記２次側コイルは、いずれも等価半径２ｃｍ〜１０ｃｍ、巻数１〜１０、銅容量１ｃｃ〜１０ｃｃを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載の遠隔無線駆動充電装置。
5. 前記１次側コイルと前記２次側コイルのリアクタンスと放射損抵抗の比で定義された自己共振のＱ値を５０以上とすることによって、近傍の金属・異物・人体の有無に拘わらず、実効的な電力伝送効率が、近接〜３ｍの範囲では距離に依存せずほぼ一定で、５０％以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の遠隔無線駆動充電装置。
6. 前記携帯機器において算出された電力伝送の効率表示を行い、固定された前記遠隔無線駆動充電装置に対して近接〜３ｍの範囲にある前記携帯機器は、どの位置にあっても、前記２次側コイルを感度最大の向きに合わせることで、５０％以上の効率が維持され、また前記携帯機器を使用しながら無線電力駆動充電を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の遠隔無線駆動充電装置。
7. 近接〜３ｍ程度の距離の無線電力伝送において、前記１次側コイルに対して、前記２次側コイルの向きを受信電圧が最大となるように合わせた時に、前記携帯機器内において５分〜１５分の急速充電が行われ、また前記送信部に接続されたＬＥＤインジケータによって、急速充電中のサインを表示し、遠隔駆動充電のエネルギー浪費を回避することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の遠隔無線駆動充電装置。
8. 前記送信部は、前記１次側コイルの共振周波数と、前記２次側コイルの共振周波数とをそれぞれ検出することによって同調を制御することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の遠隔無線駆動充電装置。
9. 前記ＡＣ端子のＡＣ電圧を前記磁芯トランスを介して降圧後、前記第１ダイオードブリッジによってブリッジ整流された電圧は、前記安定化電圧回路において低電圧に変換され、前記ＡＣ電圧のＡＣ入力に対応して自動電圧調整されることを特徴とする請求項２に記載の遠隔無線駆動充電装置。
10. 前記携帯機器は、入力電圧の検出情報を含む帰還情報を前記遠隔無線駆動充電装置に無線伝送し、前記遠隔無線駆動充電装置内部では前記帰還情報を受け取り、前記送信部に伝送することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の遠隔無線駆動充電装置。
11. 前記携帯機器は、前記２次側コイルに接続された第２ダイオードブリッジと、前記第２ダイオードブリッジに接続された受信部と、前記受信部に接続された充電プロファイルＩＣとを備え、入力電圧の検出情報を含む帰還情報を前記充電プロファイルＩＣから前記送信部に無線伝送することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の遠隔無線駆動充電装置。
12. 前記送信部と前記充電プロファイルＩＣ間は、双方向通信可能であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の遠隔無線駆動充電装置。