一、電場耦合式無線供電系統：輕松實現無線充電！

　　村田制作所開發出了基于“電場耦合方式”的無線供電系統。電場耦合方式的無線供電技術與“電磁感應方式”及“磁場共振方式”不同，通過對置送電側電極與受電側電極，利用兩電極間產生的感應電場來供電，具有抗水平錯位能力較強的特點。村田制作所已試制完成了為平板終端、電子書終端等便攜終端進行無線供電的供電臺。在本文中，村田制作所的新業務負責人和商品策劃人員將對該公司的戰略和技術詳情進行介紹。

　　在眾多企業對無線傳輸電力的無線供電技術展開研發的背景下，村田制作所將著眼點放在了被稱為“電場耦合方式”的技術上。以前村田制作所也開發過“電磁感應方式”的無線供電技術，但2008年前后決定改為推進電場耦合方式。

　　電場耦合方式的構造簡單，只要是在供電臺規定的充電區域內，無論將產品放在什么位置都可供電，可實現“位置自由（Free Positioning）”的供電。另外，由于可將電極減薄，因此具有容易嵌入產品等其他方式所沒有的特點。

　　村田制作所用了大約3年的時間提高了技術的完成度，并構筑了以基本專利為中心的專利網。目前已試制完成為平板終端及電子書等便攜終端進行無線供電的供電臺。

　　村田制作所計劃2011年秋季面向平板終端的無線供電裝置量產輸出功率為10W的送電模塊及受電模塊。與此同時，為了擴大電場耦合方式的應用，還開始進行標準化工作。

　　本文將以技術方面的內容及特點為核心，詳細介紹電場耦合方式。

　　在業內為少數派

　　無線供電方式因利用的原理不同而有數種方式（圖1）。在無線供電技術中研發歷史較長的是電磁感應方式。在電動牙刷及無線電話等領域已有采用的業績。電磁感應方式方面，目前已成立了開展標準化作業的業界團體“Wireless Power Consortium（WPC）”，制定完成了面向5W以下設備的標準規格。

　　圖1：眾多企業關注無線供電

　　圖中按電力傳輸方式匯總了無線供電的開發動向。在大量企業致力于電磁感應方式和磁場共振方式的情況下，村田制作所則著眼于電場耦合方式。

　　“磁場共振方式”是剛剛起步的技術。其魅力在于可將電力傳輸到距離數m遠的地方，因此眾多企業及研究機構正在進行相關研發。

　　村田制作所致力開發的電場耦合方式在無線供電業界為少數派。除村田制作所外，日本只有竹中工務店在研發。

　　2011年秋季量產

　　村田制作所以開辟電場耦合式供電裝置業務為目標全面展開開發的時間是在2010年4月。研究本身早在2008年前后就已開始，此后一直在確立相關技術。2010年6月村田制作所正式宣布試制完成了輸出功率為3W的送電模塊及受電模塊。同年10月在“CEATEC JAPAN2010”上參展，并在村田制作所的自行車機器人“村田頑童Type ECO”上配備了該技術。與此同時還上市了輸出功率為2W的評測套件。

　　之后，村田制作所決定對送電模塊及受電模塊實施量產（圖2）。模塊面向平板終端充電用途，輸出功率為10W。另外，還預定2011年推出配備該送電模塊及受電模塊的供電裝置（圖3）。

　　圖2：將于2011年秋季量產10W產品

　　村田制作所將面向平板終端使用的充電座，量產輸出功率為10W的送電模塊及受電模塊。模塊中最厚的部分是變壓器。

　　圖3：供平板終端使用的產品不久即將亮相

　　村田制作所預定2011年內上市供平板終端使用的無線供電臺。系統整體效率約為70％，可應對最大40mm的水平錯位。照片中的是2010年村田制作所發表新聞資料時的試制品。

　　該裝置通過在平板終端的背面裝上內置有電極的外套來實現無線供電。受電模塊收放在外套的下部。另外，在供電臺上嵌入電極和送電模塊，可將外套放在供電臺上使用平板終端。電力傳輸效率可確保達到70％。

　　通過電場傳輸電力

　　下面介紹一下村田制作所開發的電場耦合式無線供電技術的概要。其基本構成如圖4所示。下面稱為“振蕩器”的部分為送電側，稱為“負荷”的部分為受電側。利用通過使兩組非對稱偶極子沿垂直方向耦合而產生的感應電場來傳輸電力。

　　圖4：電力傳輸需要使用兩組電極

　　村田制作所的電場耦合方式利用通過沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而產生的感應電場來傳輸電力。

　　其基本原理為：在圖4中以淡藍色標示的部分產生強感應電場，通過電場將電力從送電側轉移到受電側。村田制作所已獲得了這種構造的專利（專利號：PCT/FR2006/000614）。

　　村田制作所的方法的特點在于非對稱偶極子，需要兩組電極。村田制作所將其稱為active electrode和passive electrode。passive electrode主要起著接地作用。系統通過組合這些電極來傳輸電力。

　　在系統的構成部件方面，與電磁感應方式和磁場共振方式等其他無線供電技術相比，電源部分相同。受電模塊配備降壓電路及整流電路，向充電池及設備供應電力。

　　電場耦合方式與其他方式相差較大的地方是各部分的電壓推移變化（圖5）。比如輸入電壓為5V的AC適配器，在向送電模塊供應電力時，首先由放大器略微提高電壓，然后通過升壓電路一舉提高至1.5kV左右。以這一電壓傳輸電力后，再利用降壓電路及整流電路轉換成實際使用的直流電壓。電源電路的開關頻率為200k～400kHz，由此構成系統。

　　圖中列出了電場耦合方式的各部分的電壓推移變化。最大特點是通過升壓電路將電壓提高至1.5kV來傳輸電力。

　　實現位置自由

　　電場耦合方式的特點大致有三：①充電時可實現位置自由，②電極薄，③電極部的溫度不會上升。

　　首先來看第一個特點，即位置自由。雖然不能像磁場共振方式那樣以數m的較長距離來傳輸電力，但水平方向的位置自由度較高。比如，用戶將便攜終端隨意放置在供電臺位上即可充電。這有助于提高用戶便利性。

　　實際上，與電磁感應方式比較一下的話，這一不同就會清楚無疑（圖6）。當電極間的錯位（dz/D）為1時，送電側與受電側的電極及線圈幾乎不重疊，處于大幅錯位狀態。從圖中便可一目了然，電場耦合方式即使電極有相當于1的錯位，傳輸效率也只下降了20％。由此便可得知，電極間錯位較少時，該方式的傳輸效率只會下降10％左右。

　　圖6：實現出色的位置自由度

　　圖中比較了電場耦合方式與電磁感應方式對水平錯位的效率變化。

　　而電磁感應方式則不同，送電線圈與受電線圈的中心必須完全吻合。稍有錯位的話，傳輸效率就會急劇下降。因此，采用電磁感應方式的業界團體WPC制定的“Qi”規格為實現位置自由而不得不絞盡腦汁。比如，排列大量送電線圈，并用馬達驅動送電線圈。

　　而電場耦合方式只憑簡單構造即可應對錯位問題，因此不僅能夠提供便利性，而且還可降低系統成本。