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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。
設計自由度高的電極
電場耦合方式的第二個特點是電極薄?？梢哉f，能夠減薄到無論多么薄都沒關系的程度。因此容易嵌入機器，可支持多種機器。
比如在配備到薄型化要求極高的智能電話上時，只粘貼1.5cm見方、厚5μm左右的電極材料（比如銅箔）即可（圖7）。
圖7：嵌入智能電話后蓋的示例
由于可使用極薄的電極，因此容易嵌入智能電話等。電極不一定非要是四方形，任何形狀都可以。
另外，還可制成多種形狀。沒有必要非制成四方形不可，也可以是三角形、圓形及細長的電極。電極使用的材料也可隨意，導電體的話最好，除銅箔外還可使用鋁箔、透明電極、薄膜及鍍金等材料。因此可以說，在嵌入多種構成及大小的機器時，設計自由度較高。
第三點是電極部分的溫度不會上升，這也是很重要的特點（圖8）。村田制作所在與客戶討論的過程中，經常談及熱對策的重要性。由于溫度不會上升，因此能夠將電極部分接近容易受熱劣化的電池組來配置。
圖8：電極部分的溫度不會上升
由于電極部分不會發熱，因此即使靠近電池組來配置，電池受熱劣化的可能性也很低。
至于電極部分緣何不發熱的原因如圖5所示，這與提高電壓有很大關系。由于將電壓提高到了1.5kV左右，電極部分流過的電流只有數mA左右，因此在原理上抑制了發熱的致因。
當然，送電模塊及受電模塊由于配備有電源電路，電源電路的電力損失會變成熱，因此仍會發生10～20℃左右的熱量（圖9）。不過，這一點在設計階段即可采取對策，比如將送電模塊及受電模塊遠離電池組來配置。（未完待續，特約撰稿人：家木英治，村田制作所技術事業開發本部本部長，鄉間真治，村田制作所技術事業開發本部 應用技術商品部 商品企劃課 股長）
圖9：受電部分的發熱可通過設計采取對策
受電模塊會因降壓電路及DC-DC轉換器等發生電力損失而產生熱量。不過，可采取遠離電池組或配置在容易散熱之處等對策。
三個新課題
利用這些特點，電場耦合方式今后將被逐漸嵌入機器中。屆時技術上將有三個觀點變得尤為重要：①無線干擾對策、②安全對策、③向多臺機器供電。
首先是①無線干擾特性的對策。這方面需要與人體及其他機器所受影響有關的多種標準取得統一。村田制作所不久將開始量產的輸出功率為10W的送電模塊及受電模塊將符合“ICNIRP”及“CISPR 22”等相關標準（表1）。圖10列出了與無線干擾標準“CISPR 22 Class B”相關的檢測結果。結果表明，噪聲端子電壓及輻射噪聲均達到了標準。
圖10：無線干擾特性在標準值以下
圖中列出了無線傳輸10W電力時符合無線干擾國際標準“CISPR 22”的情況。無線干擾的數值均在標準值以下。
在設計供電臺時村田制作所也采取了相應手段。其要點在于配置了active electrode和passive electrode兩組電極。其中，active electrode會產生極高的電場。而passive electrode則起到了接地作用，以包圍active electrode的形式來配置。
如此配置是為了對送電模塊及開關等形成屏蔽予以保護，并防止active electrode產生的高電場向外部逃逸。遵循這一思想來設計的話，不僅可以充分符合法制規定，還可防止給人體及周圍機器帶來影響。
必須采取絕緣對策
接下來是②安全對策。電場耦合方式正如以前多次說過的一樣使用的是高電壓。因此村田制作所本身也在竭力推進安全對策方面的開發。
首先必須要使電極部分絕緣。為了消除人接觸后漏電的可能性，電極部分采取了必須絕緣的措施。僅此一項，就使安全性得到了大幅提高。
而且還配備了機器未放在供電臺上時以及充滿電時停止電力傳輸的控制功能。此外，還配備了軟件處理功能，當發生人體接近或金屬異物掉入等異常情況時，就會檢測負荷變化，停止電力傳輸。
另外還采取了萬一漏電時也會立即停止電力傳輸，以防止機器著火或冒煙的對策。
可向多臺機器供電
最后是③對多臺機器的支持，有望利用電場耦合方式的特點來實現。這一想法位于位置自由這一特點的延長線上，也就是說，只要將多臺機器適當地放在供電臺上，即可向任何一臺機器無線供電。
在擴大位置自由的范圍時，可以考慮的手段有加大送電側耦合電極的方法，以及配置多個送電側耦合電極來切換的方法。不過，加大電極的方法會導致感應電場過度擴大，在符合法規及確保安全性等方面會變為問題。
因此，要想為多臺機器供電的話，最好是在送電側準備多個電極。村田制作所已完成試制品，并在2011年1月于美國拉斯維加斯舉行的展會“2011 International CES”上首次進行了展示。當時的試制品可同時向兩部電子書終端供電。
供電臺配備有4個電極，僅由距受電對象即電子書終端的放置處最近的電極來供應電力（圖11）。這樣一來，只會在想要傳輸電力的部分產生電場。由于其他部分完全不會產生電場，因此即使用手觸碰或放置金屬也不會發生問題，可充分確保安全性。
圖11：只向需要的地方供電
通過切換送電用電極的開關，可只啟動與受電用電極對應的部分。還可向多臺機器供電。
產品線的擴充和小型化
最后介紹一下村田制作所今后的開發藍圖。大的方向是對產品線進行擴充及小型化。首先來看產品線的擴充，除了已在構筑量產體制的5W及10W產品之外，還將開發50W及100W等輸出功率更大的產品。
在5W及10W產品方面，最重要的是小型化（圖12）。為能夠在2012年度投放小型產品，村田制作所增加了技術人員的數量，強化了開發體制。
圖12：目標是實現大幅小型化
圖中列出了開發藍圖。不僅是10W產品，還將擴充多種輸出功率的品種。另外還將推進小型化并導入新技術。
實際上，要想實現小型化，對負責升降壓的變壓器實施改進是必不可少的工作。從圖2也可看出，變壓器是厚度最大的部分。目前變壓器采用的是線圈式變壓器?，F在正在考慮通過提高頻率來減少線圈的圈數，由此實現小型薄型化。
另外，村田制作所也設想過采用壓電變壓器。壓電變壓器在技術上難度非常高，但能獲得很好的效果，因此村田制作所發起了挑戰。
實現能夠輕松充電的世界
除了小型化以外，村田制作所還進行了其他幾項技術改進。其中，在提高無線供電中任何人都很在意的傳輸效率上下了很大工夫。在這一方面，掌握關鍵的是器件的改善，特別是Q值的改善。
當然，在安全性上村田制作所已投入大量時間和人力采取了對策，但為了今后的實用化，打算將這方面推進到更高的水平。作為將來的技術，村田制作所還考慮配備通信功能。目前雖未配備通信功能，但與客戶商談時他們常常提出這方面的要求。
還有一點是不能忘記的，這就是降低成本。在2010年發表模塊時，3W的送電模塊和受電模塊的成套價格不到1000日元，今后村田制作所還將進一步降低成本。最后要提到的是，為了今后使電場耦合方式得到普及，村田制作所也考慮到了標準化問題，并展開了相關活動。
村田制作所的目標是實現無論在家中還是在辦公室均可真正輕松地無線充電的世界。村田制作所將首先以便攜終端為中心推進，推動電場耦合式無線供電的普及。
二、無線充電原理詳解（圖文）
支持無線充電的智能手機從2011年夏季前后開始上市。任何廠商的任何機型均可使用的“Qi”規格將成為全球標準。停車即可充電的EV（電動汽車）用充電系統也在推進研發。
無線充電已經在電動牙刷、電動剃須刀、無線電話等部分家電產品中實用化，現在其應用范圍又擴大到了智能手機領域。
NTT DoCoMo在2011年夏季以后陸續上市了多款支持無線充電的智能手機和充電座。這些手機無需在手機上插上充電線纜，只需放置在充電座上即可為電池充電。今后NTT DoCoMo將在電影院、餐廳、酒店、機場休息室等公共場所設置充電座，便于用戶在外出時使用。
軟銀移動也預定2012年1月上市支持無線充電的智能手機。KDDI正在開發車載式智能手機的無線充電座。
未來無線充電的應用范圍將有望擴大到EV的充電系統。
目前，市場上支持無線充電的智能手機和充電器大部分都符合總部位于美國的業界團體“無線充電聯盟（WPC）”所制定的“Qi”規格。Qi源自漢語“氣功”中的“氣”，以松下、韓國三星電子、英國索尼愛立信、芬蘭諾基亞、電裝為首，許多國家的家電廠商和汽車廠商都相繼加盟了WPC。
無線充電方式包括“磁共振”及“電波接收”等多種方式，Qi采用的是“電磁感應方式”。通過實現標準化，只要是帶有Qi標志的產品，無論是哪家廠商的哪款機型均可充電。
19世紀發現的物理現象
電磁感應方式采用了19世紀上半期發現的物理現象。眾所周知，電流流過線圈時，周圍會產生磁場。1820年，丹麥物理學家漢斯·奧斯特（Hans Oersted）發現了這種電磁效應。
用沒有通電的其他線圈接近該磁場，線圈中就會產生電流，由此點亮燈泡。1831年，英國物理學家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）發現了這個可從線圈向線圈供電的物理現象，并稱之為電磁感應現象。
無線充電使用的充電座和終端分別內置了線圈，使二者靠近便開始從充電座向終端供電。為提高供電效率，需要使線圈之間的位置對齊，不產生偏移。因此，各廠商在位置定位方法方面紛紛開動腦筋。
從事智能手機外設業務的日本Oar公司于2011年8月推出了名為“無線充電板”的充電座。內置有磁鐵，用于將終端吸引到指定位置。
松下于2011年6月投放了無線充電座“無接點充電板”。尺寸約為鼠標墊大小，表示實現了“位置自由（Free Positioning）”，將終端放在充電板上的任何位置均可充電。
充電座內部的線圈帶有驅動裝置，可在平面中移動。通過自動檢測終端放置位置，并移動至該位置，使線圈的位置相一致。
該充電座的開發人員、松下集團三洋電機能源設備公司（SANYO Electric Energy Devices Company）充電系統事業部長佐野正人就位置自由實現實用化的理由解釋說，“用戶希望能更便利地充電”。
日立麥克賽爾于2011年4月面向美國蘋果的人氣智能手機“iPhone”上市了無線充電器“AIR VOLTAGE”。由于iPhone不支持無線充電，所以需要套上內置有線圈的專用外殼才能使用。
電場耦合方式不使用線圈
另外，麥克賽爾的充電座有為一部終端充電和為兩部終端充電的款式。兩部款的尺寸為鼠標墊大小，可在左右各放置一部終端。內部排列了14個線圈，左右各7個，用這些線圈覆蓋了充電座的廣大范圍。由此，終端可以比較自由地放置在充電座上。在7個線圈中可最多自動選擇3個能高效傳輸的線圈來供電。
日立麥克賽爾2011年11月還面向“iPad2”上市了無線充電器“AIR VOLTAGEfor iPad2”。該充電器未采用Qi規格，而是全球首次采用了“電場耦合方式”。
電場耦合方式不使用線圈，而是在供電側和受電側設置電極，利用二者之間產生的電場供電。為iPad2套上內置有受電用電極的專用外殼來充電。
電場耦合方式的特點是，輸出功率比Qi大，即使電極之間的位置稍有偏移也可維持高傳輸效率。模塊由村田制作所開發。
EV的無線充電方面，采用磁共振方式的汽車廠商比較多。
磁共振方式由美國麻省理工學院（MIT）物理學家馬林·索爾賈?？耍∕arin Soljacic）于2007年進行了驗證，自此受到了廣泛關注。
磁共振方式的原理與聲音的共振原理相同。排列好振動頻率相同的音叉，一個發聲的話，其他的也會共振發聲。同樣，排列在磁場中的相同振動頻率的線圈，也可從一個向另一個供電。
利用共振還可延長傳輸距離。電磁感應方式的供電距離最大為數mm～10cm左右，而磁共振方式如果線圈夠大，可向數m遠以外供電。
汽車的車底到地面一般有15cm左右的距離。如果在車底安裝受電線圈，在自家停車場的地面埋入供電線圈，便可在停車時充電。能夠省去連接充電線纜的麻煩。
另外，磁共振方式不同于電磁感應方式，無需使線圈間的位置完全吻合。即使停車位置與固定位置稍微錯開，線圈之間也會共振。
還將用于磁懸浮
三菱汽車2011年9月與美國風險企業WiTricity和IHI就共同開發磁共振方式無線充電系統達成了一致。在2011年12月上旬于東京有明國際展示場（東京有明國際會展中心）舉行的東京車展上，展示了該無線充電系統。
供電距離為20cm，供電效率達90％以上。線圈之間最大允許錯位為20cm。如果后輪靠在車擋上停車，基本能停在容許范圍內。隨著研究的推進，將來或許能進一步擴大容許范圍。
豐田也于2011年4月與WiTricity公司就磁共振方式展開了技術合作，并在東京車展上展示了用于電動三輪踏板摩托車和四輪汽車的無線充電系統。
另外，還有將供電線圈埋入道路中，在紅燈停車時和行駛中為電動汽車充電的構想，以及利用植入軌道中的線圈為行駛中的磁懸浮列車供電的設想。
除此之外，在家中的家具、地板和墻壁等中埋入線圈的研究也在推進之中。也許未來我們會迎來完全無需使用電線的生活。
三、無觸點無線充電器制作（圖文解說）
新近推出的無線充電產品，在輸入12V的情況下，輸出達到5V800mA。充電指示功能，充滿延時30秒斷電，需要繼續充電時，按一下輕觸開關啟動。如果沒有負載的情況下也會自動斷電
充電時指示燈亮紅色，充滿和未充電亮綠色。輸入18V時，輸出可以達到5V1000mA。還有一種做法，輸入18V時，輸出可以達到5V2000mA。
這是手機充電的。測試輸出電壓電流如下：
PCB成品圖大家看看，主要是效率和有效距離。電流最大目前可以做到5V2A。
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工商網監
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