JP2014212697A - 電力伝送システムおよび受電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受電装置の負荷変動や駆動周波数変動が生じる場合の受電装置側電圧と送電装置側電圧の比を安定化させた電力伝送システムおよび受電装置を提供する。【解決手段】圧電トランス３２と受電装置２０１の結合電極部のキャパシタンス素子ＣＬのキャパシタンスおよび送電装置１０１の結合電極部のキャパシタンス素子ＣＧのキャパシタンスによって第１の共振回路ＲＣ１が構成されている。一方、圧電トランス３２の等価出力容量Ｃ２とインダクタンス素子Ｌ２とによって第２の共振回路ＲＣ２が構成されている。そして、高周波高電圧発生回路１１の発生する高周波高電圧の周波数は、第１の共振回路ＲＣ１と第２の共振回路ＲＣ２の複合共振による二つの共振周波数の間に定められている。【選択図】図４

Description

本発明は電界結合型のワイヤレスで電力を伝送する電力伝送システムおよび受電装置に関するものである。

代表的なワイヤレス電力伝送システムとして、送電装置の一次コイルから受電装置の二次コイルに磁界を利用して電力を伝送する磁界結合方式の電力伝送システムが知られている。しかし、磁界結合で電力を伝送する場合、各コイルを通る磁束の大きさが起電力に大きく影響するため、一次コイルと二次コイルとの相対位置関係に高い精度が要求される。また、コイルを利用するため、装置の小型化が難しい。

一方、特許文献１に開示されているような電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムも知られている。このシステムでは、送電装置の結合電極から受電装置の結合電極に電界を介して電力が伝送される。この方式は、結合電極の相対位置精度が比較的緩く、また、結合電極の小型・薄型化が可能である。

図１は特許文献１の電力伝送システムの基本構成を示す図である。この電力伝送システムは、送電装置と受電装置とで構成される。送電装置には、高周波高電圧発生回路１、パッシブ電極２およびアクティブ電極３を備えている。受電装置には、高周波高電圧負荷回路５、パッシブ電極７およびアクティブ電極６を備えている。そして、送電装置のアクティブ電極３と受電装置のアクティブ電極６とが高電圧電界領域４を介して近接することにより、この二つの電極同士が電界結合する。

このように、電界結合方式のワイヤレス電力伝送では送電装置側、受電装置側ともにアクティブ電極とパッシブ電極を配置し、送電装置と受電装置のアクティブ電極同士、およびパッシブ電極同士を結合させる必要がある。伝送電力および伝送効率は電極間結合の強さに依存する。電極間の結合を強くするためには、電極間距離を短くする、電極面積を大きくすることが考えられる。

特表２００９−５３１００９号公報

一般に電力伝送系の伝送効率を高める手法として、低損失な共振回路を組み込むことが有効である。この共振回路は、送電装置と受電装置の結合部の静電容量とインダクタで構成する。一般にインダクタのＱ値は容量のＱ値よりも低いため、共振回路として組み合わせた場合、インダクタのＱ値で共振回路のＱ値が制約されてしまう。また、小型且つ低損失なインダクタの実現が課題になる。その課題を解決する一つの方法として、インダクタに、圧電デバイス（圧電共振子、圧電トランス）を用いることが有効である。ところが、圧電デバイスは、小型低損失であるものの、周波数特性が急峻であり、且つ負荷変動時に出力電圧（受電装置側電圧Ｖ２と送電装置側電圧Ｖ１との比Ｖ２／Ｖ１）が大きく変動するという課題があった。

また、圧電デバイスを用いない場合でも、負荷変動や駆動周波数の変動に対して出力電圧が変動する問題があった。

そこで、本発明は、受電装置の負荷変動や駆動周波数変動が生じる場合の受電装置側電圧Ｖ２と送電装置側電圧Ｖ１の比Ｖ２／Ｖ１を安定化させた電力伝送システムおよび受電装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の電力伝送システムは、
アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される送電装置側結合電極、この送電装置側結合電極に高周波高電圧を印加する高周波高電圧発生回路を備えた送電装置と、
前記送電装置側結合電極に結合する、アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される受電装置側結合電極および前記受電装置側結合電極に接続された受電回路を備えた受電装置と、を有し、
前記送電装置側結合電極および前記受電装置側結合電極が電界結合することにより前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送される。

そして、前記受電回路は、入力端子が前記受電装置側結合電極のアクティブ電極およびパッシブ電極に接続され、出力端子が負荷回路に接続され、前記入力端子に印加された電圧を降圧して前記出力端子に出力する圧電トランスと、前記圧電トランスの等価出力容量に並列接続されたインダクタンス素子と、を備えたことを特徴とする。

（２）前記送電装置は、前記高周波高電圧発生回路の発生電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路の検出電圧が一定となるように前記高周波高電圧発生回路の発生電圧を制御する電圧安定化回路とを備えていることが好ましい。

（３）本発明の受電装置は、
アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される送電装置側結合電極およびこの送電装置側結合電極に高周波高電圧を印加する高周波高電圧発生回路を備えた送電装置に対して対をなす受電装置であって、
前記送電装置側結合電極に結合する、アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される受電装置側結合電極および前記受電装置側結合電極に接続された受電回路、を有し、
前記受電回路は、入力端子が前記受電装置側結合電極のアクティブ電極およびパッシブ電極に接続され、出力端子が負荷回路に接続され、前記入力端子に印加された電圧を降圧して前記出力端子に出力する圧電トランスと、前記圧電トランスの等価出力容量に並列接続されたインダクタンス素子と、を備えたことを特徴とする。

圧電トランスは容量性デバイスであるので、インダクタンス素子は負荷回路と圧電トランスとのインピーダンス整合回路としても作用し、そのため、圧電トランスに不要なエネルギーが蓄積されず、負荷回路へエネルギーがスムーズに流れる。これにより圧電トランスの過熱が防止される。また、降圧回路に容量性デバイスである圧電トランスを用いることにより、巻線トランスを用いる場合に比べて電力送電装置を小型化できるとともに漏れ磁界を抑制することができる。

図１は特許文献１の電力伝送システムの基本構成を示す図である。 図２は第１の実施形態の電力伝送システムの構成図である。 図３は第１の実施形態の電力伝送システム４０１の回路図である。 図４は第１の実施形態の電力伝送システム４０１の等価回路図である。 図５（Ａ）は送電装置１０１の高周波高電圧発生回路のブロック構成図である。図５（Ｂ）はスイッチング回路５６の構成と駆動制御回路５５との関係を示す図である。 図６は第１の実施形態の電力伝送システム４０１の別の等価回路図である。 図７（Ａ）は第１の実施形態の電力伝送システムの送電装置１０１の結合電極に印加される電圧Ｖ１に対する受電装置２０１の結合電極に印加される電圧Ｖ２の比率（電圧変換比）の周波数依存性を示す図である。図７（Ｂ）は比較対照用の電力伝送システム（）の電圧変換比の周波数依存性の例を示す図である。 図８は第２の実施形態の電力伝送システムの構成図である。 図９は第２の実施形態の電力伝送システム４０２の等価回路図である。 図１０は第２の実施形態の電力伝送システム４０２の等価回路図である。 図１１は第２の実施形態の電力伝送システムの送電装置１０２の結合電極に印加される電圧Ｖ１に対する受電装置２０２の結合電極に印加される電圧Ｖ２の比率（電圧変換比）の周波数依存性を示す。 図１２は第３の実施形態の電力伝送システム４０３の等価回路図である。

《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態の電力伝送システムの構成図である。ここでは、特に送電装置１０１に受電装置２０１を装着した状態を表している。送電装置１０１には送電装置側のアクティブ電極１３およびパッシブ電極１２で構成される送電装置側結合電極が設けられている。受電装置２０１には受電装置側のアクティブ電極１６およびパッシブ電極１７で構成される受電装置側結合電極が設けられている。

受電装置２０１には受電回路１５が設けられている。この受電回路１５は圧電トランス３２、インダクタンス素子Ｌ２および負荷回路ＲＬを備えている。受電装置側のパッシブ電極１７に圧電トランス３２の基準電位端子Ｅ１２が接続され、パッシブ電極１７と出力端子Ｅ１１との間にインダクタンス素子Ｌ２および負荷回路ＲＬが接続されている。後に詳述するように、圧電トランス３２で降圧された電圧は負荷回路ＲＬに供給される。負荷回路ＲＬは整流平滑回路およびこの整流平滑回路から出力される直流電圧で動作する負荷で構成されている。

このように送電装置１０１に受電装置２０１を装着した状態で、送電装置１０１から受電装置２０１へ高電圧電界領域４を介して電力伝送がなされる。

本発明の電力伝送システムは、電界結合（準静的な電場）を用いた短距離エネルギー伝送を基本原理とする。波長λが電場発振源のサイズや動作範囲（距離ｄ）に対して十分長い場合、すなわちｄ／λ＜＜１の関係であれば、準静的な電場は電場発生源の近傍に留まり（束縛され）、遠方への放射量は無視できる程度に小さい。すなわち、電磁波としてエネルギーが放射されることが殆どない。

なお、電磁波はトランスバースモード（電界と磁界の両方が伝播方向に対して垂直）であるのに対し、本発明のように準静的な電場を使用した電力伝送では、エネルギーが電界と同じ方向に伝送される。準静電場を取り扱う低周波数帯では、すなわち、“Ｚ＝Ｖ／Ｉ”（Ｚ：インピーダンス、Ｖ：電圧、Ｉ：電流）の公式が当てはまる。

前記負荷は例えば受電装置２０１の電源用の二次電池を備え、受電装置２０１を送電装置１０１に装着することにより、受電装置２０１内の二次電池が充電される。

図３は第１の実施形態の電力伝送システム４０１の回路図である。送電装置１０１の高周波高電圧発生回路１１は例えば１００ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚの高周波電圧を発生する。この高周波高電圧発生回路１１の発生する電圧がパッシブ電極１２とアクティブ電極１３との間に印加される。キャパシタンス素子ＣＧは主にパッシブ電極１２とアクティブ電極１３とによる容量である。

受電装置２０１のパッシブ電極１７とアクティブ電極１６との間には、圧電トランス３２及びインダクタンス素子Ｌ２による降圧回路が接続されている。キャパシタンス素子ＣＬは主にパッシブ電極１７とアクティブ電極１６とによる容量である。

圧電トランス３２は基準電位端子Ｅ１２と入力端子Ｅ２０との間に印加される電圧を降圧して出力端子Ｅ１１へ出力する。

送電装置１０１のパッシブ電極とアクティブ電極とによる結合電極と受電装置２０１のパッシブ電極とアクティブ電極とによる結合電極との結合は相互容量Ｃｍを介して結合しているものと表すことができる。

例えば、高周波高電圧発生回路１１は１００〜３ｋＶの高周波高電圧を発生し、圧電トランス３２はキャパシタンス素子ＣＬに誘起される電圧１００〜３ｋＶを５〜１２Ｖに降圧して負荷回路ＲＬへ出力する。

なお、受電装置２０１のパッシブ電極１７に圧電トランス３２の出力端子Ｅ１１が接続され、パッシブ電極１７と基準電位端子Ｅ１２との間にインダクタンス素子Ｌ２および負荷回路ＲＬが接続されてもよい。すなわち、基準電位端子Ｅ１２と出力端子Ｅ１１とは入れ替えてもよい。

図４は第１の実施形態の電力伝送システム４０１の等価回路図である。圧電トランス３２は、図４に示すように、キャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２、インダクタンス素子Ｌｐ、キャパシタンス素子Ｃｐ、抵抗Ｒｐおよび理想変圧器Ｔｐで表される。

キャパシタンス素子Ｃ２は圧電トランスの等価出力容量であり、キャパシタンス素子Ｃｐおよびインダクタンス素子Ｌｐは電気機械的なパラメータである。圧電トランス３２の共振周波数は主にキャパシタンス素子Ｃｐとインダクタンス素子Ｌｐによる共振回路の共振で定まる。電気エネルギー変換は弾性振動を介するため、圧電体セラミックスの弾性波伝搬速度と寸法で決まる固有共振周波数を有する。この圧電トランス３２と受電装置２０１の結合電極部のキャパシタンス素子ＣＬのキャパシタンスおよび送電装置１０１の結合電極部のキャパシタンス素子ＣＧによって第１の共振回路ＲＣ１が構成されている。この第１の共振回路ＲＣ１の回路定数によって第１の共振回路ＲＣ１の共振周波数が定まる。

なお、送電装置と受電装置の結合を強くすると伝送電力の向上が図れるが、そのために相互容量Ｃｍを大きくすると、相手側（＝送電装置側）の容量の影響が無視できなくなるので、その場合には第１の共振回路ＲＣ１のキャパシタンス成分に、送電装置側結合電極および受電装置側結合電極に生じるキャパシタンス成分ＣＧを含めて設計することが好ましい。

一方、圧電トランス３２の等価出力容量であるキャパシタンス素子（キャパシタンス成分）Ｃ２とインダクタンス素子Ｌ２とによって第２の共振回路ＲＣ２が構成されていて、このキャパシタンス素子Ｃ２のキャパシタンスとインダクタンス素子Ｌ２のインダクタンスとによって第２の共振回路ＲＣ２の共振周波数が定まる。

高周波高電圧発生回路１１の発生する高周波高電圧の周波数は、第１の共振回路ＲＣ１と第２の共振回路ＲＣ２の複合共振（結合共振）による二つの共振周波数の間に定められている。

圧電トランス３２は容量性デバイスであるので、前記インダクタンス素子Ｌ２は負荷回路ＲＬと圧電トランス３２とのインピーダンス整合回路としても作用している。そのため、第１の共振回路ＲＣ１内の定在波が低減し、圧電トランス３２に不要なエネルギーが蓄積されず、負荷回路ＲＬへスムーズにエネルギーが流れる。これにより圧電トランス３２の過熱が防止される。

また、降圧回路に容量性デバイスである圧電トランスを用いることにより、巻線トランスを用いる場合に比べて電力送電装置を小型化できるとともに漏れ磁界を抑制することができる。

図５（Ａ）は送電装置１０１の高周波高電圧発生回路のブロック構成図である。ここで駆動電源回路５１は商用電源を入力して一定の直流電圧（例えばＤＣ５Ｖ）を発生する電源回路である。制御回路５２は次に述べる各部との間で信号を入出力して各部の制御を行う。

駆動制御回路５５は制御回路５２から出力されるＯＮ／ＯＦＦ信号に従ってスイッチング回路５６のスイッチ素子をスイッチングする。スイッチング回路５６は後に示すように昇圧回路３７の入力部を交番駆動する。

ＡＣＶ検出回路５８は、パッシブ電極１２を基準とするアクティブ電極１３への印加電圧を容量分圧し、分圧された交流電圧を整流した直流電圧を検出信号Ｖ（ＡＣＶ）として生成する。このＡＣＶ検出回路５８は本発明に係る「電圧検出回路」に相当する。制御回路５２はこの検出信号Ｖ（ＡＣＶ）を読み取って、この検出信号Ｖ（ＡＣＶ）が一定となるように高周波高電圧発生回路の発生電圧を帰還制御する。この帰還制御を行う制御回路５２が本発明に係る「電圧安定化回路」に相当する。

図５（Ｂ）は前記スイッチング回路５６の構成と駆動制御回路５５との関係を示す図である。スイッチング回路５６はハイサイドのスイッチ素子とローサイドのスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦによってプッシュプル動作を行い、昇圧回路３７を交番駆動する。

図６は第１の実施形態の電力伝送システム４０１の別の等価回路図である。この等価回路は、前記第１の共振回路と第２の共振回路を複合させた等価回路である。ここでキャパシタＣｏは送電装置および受電装置の結合電極部に生じるキャパシタンス成分、キャパシタＣは図４に示したキャパシタＣｐに相当し、インダクタＬは図４に示したインダクタＬｐに相当する。

図７（Ａ）は第１の実施形態の電力伝送システムの送電装置１０１の結合電極に印加される電圧Ｖ１に対する受電装置２０１の負荷に印加される電圧Ｖ２の比率（電圧変換比）の周波数依存性を示す図である。ここで、送電装置１０１のパッシブ電極とアクティブ電極とによる結合電極と受電装置２０１のパッシブ電極とアクティブ電極とによる結合電極との結合度を一定とし、負荷を変動させた場合について表している。

図７（Ａ）において、共振周波数ｆｏの角周波数ωｏ（＝２πｆｏ）は次式で表される。

また、共振周波数ｆ１の角周波数ω１（＝２πｆ１）は次式で表される。

さらに、共振周波数ｆ２の角周波数ω２（＝２πｆ２）は次式で表される。

図７（Ｂ）は比較対照用電力伝送システムの前記電圧変換比の周波数依存性の例を示す図である。この比較対照用電力伝送システムの受電装置は、図３、図４に示したインダクタンス素子Ｌ２を設けていない構成である。したがって、比較対照用電力伝送システムの受電装置は第２の共振回路（図４中のＲＣ２）は存在しない。

図７（Ａ）、図７（Ｂ）において、特性曲線(1)〜(10)は負荷Ｒの抵抗値を１０Ω〜１０ｋΩの範囲で変化させたときの各抵抗値での特性を示している。括弧内の数字が大きいほど負荷抵抗の値は大きい。図７（Ｂ）においては(5)以上の高抵抗負荷での電圧変換比Ｖ２／Ｖ１のピークが図のレンジから大きくはみ出ている。

第２の共振回路を備えない受電装置を用いると、図７（Ｂ）から明らかなように、負荷抵抗を高くするにしたがい電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が増大し、無負荷では過大になることがわかる。図７（Ｂ）中のマーカーｍ１７は定格負荷での電圧変換比Ｖ２／Ｖ１であるが、この定格負荷で電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が確保できる周波数（約３０５ｋＨｚ）と、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が過大になる周波数（約３０９ｋＨｚ）が非常に近接しているので、負荷変動にともなう周波数変動によって電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が変化し、受電装置側電圧Ｖ２が大きく変動することになる。そのため、負荷変動に対して精密・敏感な制御が要求される。

これに対し、本発明の第１の実施形態によれば、図７（Ａ）に表れているように、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が過大になる周波数は、２８０ｋＨｚおよび３３０ｋＨｚであり、共に駆動周波数（約３０５ｋＨｚ）から大きく離れており、負荷変動等によって駆動周波数が変動しても電圧変換比Ｖ２／Ｖ１はほぼ一定に保たれる。

送電装置の結合電極と受電装置の結合電極の結合度を一定とし、負荷を変動させた場合に電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が極大もしくは極小を示す周波数ｆ０を駆動周波数とするのが最良である。負荷Ｒの抵抗値を低抵抗側から１０ｋΩに近づけた場合の極小となる周波数と負荷Ｒの抵抗値を高抵抗側から１０Ωに近づけた場合の極大となる周波数とを一致させるように、図６の等価回路定数を設定し、ｆ１およびｆ２からｆ０を離せば、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１の変動を小さくすることができる。

図７（Ａ）の特性曲線（３）、（４）を示す負荷Ｒの抵抗値を定格負荷として設定すれば、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１の周波数に対する傾きが急峻ではなく、安定な回路になる。また、高抵抗側から１０Ωに近づけた場合の極大となる周波数を探す追従制御回路も比較的簡易に構成できる。

このように、駆動周波数ｆｄを第１の共振回路ＲＣ１および第２の共振回路ＲＣ２の複合共振による二つの共振周波数の間に定めれば、周波数変化に対する電圧変換比Ｖ２／Ｖ１の変化が小さい関係となるので、負荷が変動した場合の負荷側電圧Ｖ２と送電装置側電圧Ｖ１の比Ｖ２／Ｖ１を安定化できる。

特に、駆動周波数ｆｄを図７（Ａ）のマーカーｍ１７（定格負荷での電圧変換比Ｖ２／Ｖ１がピークを示す周波数）の周波数に定めれば、負荷が変動した場合でも、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１をより安定化できる。

このように、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が一定となるように送電装置の高周波高電圧発生回路１１の駆動周波数を定めておけば、送電装置側の電圧Ｖ１が一定になるように高周波高電圧発生回路１１を制御すればよい。すなわち、受電装置側の電圧Ｖ２を直接モニタリングすることなく、送電装置側の電圧Ｖ１を検出してフィードバック制御することで、受電装置側の電圧Ｖ２を一定にできる。

なお、駆動周波数は一定にする必要があるので、周波数制御による発生電圧制御を行うことはできない。そのため、図５（Ａ）に示した制御回路５２は駆動制御回路５５を介してスイッチング回路５６のデューティを制御すればよい。または駆動電源回路５１が発生する電圧を制御してもよい。

送電装置の結合電極と受電装置の結合電極との位置関係が変位すると、それに応じて結合度が変動する。このように結合度が変動するような場合には電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が変化してしまうため、その結合度に応じて高周波高電圧発生回路１１の発生する電圧を変化させればよい。結合度は、受電装置側との連携や共振周波数の測定によって推定できる。

なお、受電装置側に電圧検出部を備え、送電装置側にその情報をフィードバックさせれば、受電装置側の電圧Ｖ２をより安定化させることができる。

第１の実施形態によれば、周波数特性が急峻な圧電トランスを用いる場合でも、周波数変動に対する特性変動の影響を効果的に軽減できる。また、圧電トランスを第１の共振回路として用いた場合、圧電トランスにエネルギーを無駄に蓄積しない構成が実現でき、圧電トランスの発熱を抑え、効率よく負荷に取り出すことができる。

《第２の実施形態》
図８は第２の実施形態の電力伝送システム４０２の構成図である。ここでは、特に送電装置１０２に受電装置２０２を装着した状態での断面を表している。送電装置１０２は台座部１０Ｄと、それに直交する背もたれ部１０Ｂを備えている。送電装置１０２の筐体内部で台座部１０Ｄに沿って送電装置側パッシブ電極１２が設けられている。背もたれ部１０Ｂには送電装置側アクティブ電極１３が設けられている。受電装置２０２の筐体内部で下部に受電装置側パッシブ電極１７が設けられている。背面付近には受電装置側アクティブ電極１６が設けられている。

このように送電装置１０２に受電装置２０２を装着した状態で、送電装置１０２から受電装置２０２へ電力伝送がなされる。

図９は第２の実施形態の電力伝送システム４０２の等価回路図である。図９において、送電装置１０２の高周波電圧発生回路ＯＳＣは所定の駆動周波数の高周波電圧を発生する。昇圧トランスＴＧによる昇圧回路３７は、高周波電圧発生回路ＯＳＣの発生する電圧を昇圧してパッシブ電極１２とアクティブ電極１３との間（図８参照）に印加する。キャパシタンス素子ＣＧは主にパッシブ電極１２とアクティブ電極１３とによる容量である。

受電装置２０１のパッシブ電極１７とアクティブ電極１６との間（図８参照）には、降圧トランスＴＬによる降圧トランス４５が接続されている。キャパシタンス素子ＣＬは主にパッシブ電極１７とアクティブ電極１６とによる容量である。降圧トランスＴＬの二次側には負荷回路ＲＬが接続されている。この負荷回路ＲＬは、ダイオードとコンデンサによる整流平滑回路及び二次電池で構成されている。送電装置１０２の結合電極と受電装置２０２の結合電極との結合は図９中に示すように、相互容量Ｃｍを介して結合しているものと表すことができる。

図１０は第２の実施形態の電力伝送システム４０２の等価回路図である。前記降圧トランス４５は、図１０に示すように、キャパシタンス素子Ｃ２、インダクタンス素子Ｌｓ、抵抗Ｒｓおよび理想変圧器Ｔで表される。

インダクタンス素子Ｌｓはトランスのインダクタンス成分、キャパシタンス素子Ｃ２は浮遊容量、抵抗Ｒｓは巻線の抵抗成分である。この降圧トランス４５と受電装置２０２の結合電極部のキャパシタンス素子ＣＬのキャパシタンスおよび送電装置１０２の結合電極部のキャパシタンス素子ＣＧのキャパシタンスによって第１の共振回路ＲＣ１が構成されている。この第１の共振回路ＲＣ１の回路定数によって、その共振周波数が定まる。

一方、前記浮遊容量であるキャパシタンス素子Ｃ２とインダクタンス素子Ｌ２とによって第２の共振回路ＲＣ２が構成されていて、このキャパシタンス素子Ｃ２のキャパシタンスとインダクタンス素子Ｌ２のインダクタンスとによって第２の共振回路ＲＣ２の共振周波数が定まる。

高周波高電圧発生回路３１の発生する高周波高電圧の周波数は、第１の共振回路ＲＣ１と第２の共振回路ＲＣ２の複合共振による二つの共振周波数の間に定められている。

図１１は第２の実施形態の電力伝送システムの送電装置１０２の結合電極に印加される電圧Ｖ１に対する受電装置２０２の負荷に印加される電圧Ｖ２の比率（電圧変換比）の周波数依存性を示す。ここで、送電装置１０２のパッシブ電極とアクティブ電極とによる結合電極と受電装置２０２のパッシブ電極とアクティブ電極とによる結合電極との結合度を一定とし、負荷を変動させた場合について表している。

図１１において、特性曲線(1)〜(10)は負荷回路ＲＬの抵抗値を１０Ω〜１０ｋΩの範囲で変化させたときの各抵抗値での特性を示している。括弧内の数字が大きいほど負荷抵抗の値は大きい。

本発明の第２の実施形態によれば、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が過大になる周波数は、０．２ＭＨｚおよび０．４５ＭＨｚであり、駆動周波数（約０．３ＭＨｚ）から大きく離れている。そのため、負荷変動等によって駆動周波数が変動しても電圧変換比Ｖ２／Ｖ１はほぼ一定に保たれる。

このように巻線型のトランスを用いた受電装置を備えた電源伝送システムについても、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が一定となるように送電装置の高周波高電圧発生回路３１の駆動周波数を定めておけば、送電装置側の電圧Ｖ１が一定になるように高周波高電圧発生回路３１を制御すればよい。そのことで受電装置側の電圧Ｖ２を一定にできる。

《第３の実施形態》
図１２は第３の実施形態の電力伝送システム４０３の等価回路図である。この電力伝送システム４０３は送電装置１０３および受電装置２０３を備えている。受電装置２０３の構成は第２の実施形態で示した受電装置２０２と同じである。送電装置１０３は昇圧トランスを備えている。この昇圧トランスは図１２における理想変圧器Ｔｒ、抵抗Ｒｒおよびインダクタンス素子Ｌｒで表される。この理想変圧器Ｔｒ、抵抗Ｒｒ、インダクタンス素子Ｌｒおよび結合電極部のキャパシタンス素子ＣＧ，ＣＬによって第３の共振回路ＲＣ３が構成されている。そしてインダクタンス素子Ｌｒおよび結合電極部のキャパシタンス素子ＣＧ，ＣＬのキャパシタンスによって第３の共振回路ＲＣ３の共振周波数が定まる。

第３の共振回路ＲＣ３は、高周波電圧発生回路ＯＳＣが発生する高周波電圧の周波数で共振するように共振周波数が定められている。

第３の実施形態によれば、送電装置側結合電極に印加される高周波高電圧に第３の共振回路ＲＣ３が共振することにより、昇圧比を上げることができるとともに共振させているので高調波を抑制することができる。また、リアクタンス成分をキャンセルすることができるので、インピーダンス整合がなされて送電装置から受電装置への電力伝送効率を高めることができる。

Ｃ１，Ｃ２…キャパシタンス素子
ＣＧ，ＣＬ…キャパシタンス素子
Ｃｍ…相互容量
Ｃｐ…キャパシタンス素子
Ｅ１１…出力端子
Ｅ１２…基準電位端子
Ｅ２０…入力端子
Ｌ２…インダクタンス素子
Ｌｐ…インダクタンス素子
Ｌｒ…インダクタンス素子
Ｌｓ…インダクタンス素子
ＯＳＣ…高周波電圧発生回路
ＲＣ１…第１の共振回路
ＲＣ２…第２の共振回路
ＲＣ３…第３の共振回路
ＲＬ…負荷回路
Ｒｐ，Ｒｒ，Ｒｓ…抵抗
ＴＧ…昇圧トランス
ＴＬ…降圧トランス
Ｔ，Ｔｐ，Ｔｒ…理想変圧器
Ｖ…検出信号
Ｖ１…送電装置側電圧
Ｖ２…受電装置側電圧
１１…高周波高電圧発生回路
１２…送電装置側パッシブ電極
１３…送電装置側アクティブ電極
１５…受電回路
１６…受電装置側アクティブ電極
１７…受電装置側パッシブ電極
３１…高周波高電圧発生回路
３２…圧電トランス
３７…昇圧回路
４５…降圧トランス
５１…駆動電源回路
５２…制御回路
５５…駆動制御回路
５６…スイッチング回路
５８…ＡＣＶ検出回路
１０１〜１０３…送電装置
２０１〜２０３…受電装置
４０１〜４０３…電力伝送システム

Claims (3)

1. アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される送電装置側結合電極、この送電装置側結合電極に高周波高電圧を印加する高周波高電圧発生回路を備えた送電装置と、
   前記送電装置側結合電極に結合する、アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される受電装置側結合電極および前記受電装置側結合電極に接続された受電回路を備えた受電装置と、を有し、
   前記送電装置側結合電極および前記受電装置側結合電極が電界結合することにより前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送される電力伝送システムにおいて、
   前記受電回路は、
   入力端子が前記受電装置側結合電極のアクティブ電極およびパッシブ電極に接続され、出力端子が負荷回路に接続され、前記入力端子に印加された電圧を降圧して前記出力端子に出力する圧電トランスと、
   前記圧電トランスの等価出力容量に並列接続されたインダクタンス素子と、
   を備えたことを特徴とする電力伝送システム。
2. 前記送電装置は、前記高周波高電圧発生回路の発生電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路の検出電圧が一定となるように前記高周波高電圧発生回路の発生電圧を制御する電圧安定化回路とを備えた、請求項１に記載の電力伝送システム。
3. アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される送電装置側結合電極およびこの送電装置側結合電極に高周波高電圧を印加する高周波高電圧発生回路を備えた送電装置に対して対をなす受電装置であって、
   前記送電装置側結合電極に結合する、アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される受電装置側結合電極および前記受電装置側結合電極に接続された受電回路、を有し、
   前記受電回路は、
   入力端子が前記受電装置側結合電極のアクティブ電極およびパッシブ電極に接続され、出力端子が負荷回路に接続され、前記入力端子に印加された電圧を降圧して前記出力端子に出力する圧電トランスと、
   前記圧電トランスの等価出力容量に並列接続されたインダクタンス素子と、
   を備えたことを特徴とする受電装置。

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