JP2016096667A - 給電通信構造及び給電通信用線路 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術における接触部の制約を緩くして、実用性を増すこと。
【解決手段】給電通信構造は、２組の並行平板と、前記２組の並行平板に対してインダクタンスを直列又は並列に接続した共振回路と、前記２組の並行平板の外側に配置された並行２線式線路と、を備える給電通信構造である。このように、接触部に制約を有する従来技術と異なり、その制約を緩くできるため、実用性を増すものである。また、任意地点から電力が取り出せるとともに、通信も可能な線路に係るものでもあることから、各種用途に利用可能となり、世の中を大きく変えることにもつながる。
【選択図】図２

Description

本発明は、給電通信構造及び給電通信用線路に関する。

任意地点で受電可能な線路に関する従来技術としては、トロリー線路方式(金属線の接触方式)、磁界方式と電界方式がある。

トロリー送電方式は、重量、メンテナンス性、特殊環境対応性(クリーン環境対応性を含む)、安全性、信頼性のいずれをとっても問題がある。これらの問題は、導線をむき出しにして擦り付けて使用することに原因がある。

磁界方式は、従来のトロリー送電方式に比べて信頼性、メンテナンス・フリー、環境適合性(クリーン環境、オイルミストや水蒸気の発生する環境等)、安全性で優れていることは認められる。しかし、本電界方式と比較すると重量が重く、シールド（ケーブルの保護）が容易でなく、銅を大量消費し、通信ルートを別途用意しなければならない等の問題を有している。さらに、磁界方式では負荷の有無に関係なく電流を流さなければならないため、銅損が発生し、伝送効率が悪くなる。

ここで、本出願人らは、新たな方式として「電界結合方式」を発明し、さらに、当該新たな方式を実現する新しい回路の技術について発明した（特許文献１参照）。
電界方式は、コンデンサを介して電界で電力伝送する方式であり、磁界方式のようにコイルを用いて磁界的に結びつく方法とは異なる。

特開２００９−３８３２９号公報

トロリー送電方式は、重量、メンテナンス性、特殊環境対応性(クリーン環境対応性を含む)、安全性、信頼性のいずれをとっても問題がある。これらの問題は、導線をむき出しにして擦り付けて使用することに原因がある。
しかし、本発明は、電界方式に関するものである。この電界方式は、接触方式および磁界方式に比して多くの利点を有する。例えば、電界方式と接触方式（トロリー送電方式）との比較を図２２に示す。本電界方式は導線をむき出しにして使用しないため、トロリー送電方式の様な問題は発生しない。

また、磁界方式は、従来のトロリー送電方式に比べて信頼性、メンテナンス・フリー、環境適合性(クリーン環境、オイルミストや水蒸気の発生する環境等)、安全性で優れていることは認められる。
しかし、本電界方式と比較すると重量が重く、シールド（ケーブルの保護）が容易でなく、銅を大量消費し、通信ルートを別途用意しなければならない等の問題を有している。さらに、磁界方式では負荷の有無に関係なく電流を流さなければならないため、銅損が発生し、伝送効率が悪くなる。
本電界方式では、これらの問題を解決することができる。
電界方式と磁界方式との比較を図２３に示す。

今回の発明は、電界方式であるので、電界方式における従来技術との比較を行う。
図１に示す方式（従来の電界方式）は、同軸線路の内部導体１０と外部導体９間の電圧を先端が広がって容量接続可能なプローブ１３とプローブの外部導体１２によって作られる接合容量によって電力が得られる。この従来の電界方式は、金属同士は接触していないが、金属の周囲にある絶縁層同士は接触させるか、極近接空間を保持させる制御が必要である。
この従来の電界方式は、金属同士は接触していないが、金属の周囲にある絶縁層同士は接触させるか、極近接空間を保持させる制御が必要になり、その接触状態に制約を有していた。そのため、実用性が必ずしも高くなかった。より制約がなく、実用性が高い技術が求められていた。

本発明の一実施形態の給電通信構造は、
２組の並行平板と、
前記２組の並行平板に対してインダクタンスを直列又は並列に接続した共振回路と、
前記２組の並行平板の外側に配置された並行２線式線路と、
を備える。

本発明の一実施形態の給電通信用線路は、
２組の並行平板と、
前記２組の並行平板に対してインダクタンスを直列又は並列に接続した共振回路と、
を含む給電通信構造に用いる給電通信用線路として、
前記２組の並行平板の外側に配置された並行２線式線路
を含む。

本発明は、接触部に制約を有する従来技術と異なり、その制約を緩くできるため、実用性を増すものである。本発明は、任意地点から電力が取り出せるとともに、通信も可能な線路に係るものでもあることから、各種用途に利用可能となり、世の中を大きく変えることにもつながる。
また、本発明は、電界共鳴技術を用いて電力を送信する線路であり、非接触送電を特徴とする。通常の非接触送電では電磁波放射が伴うのに対して、本発明では電磁波を外部に放射しない。また、本発明は、前記効果を有しつつ、通信信号および直流も送電できる。

従来の電界方式を示す図である。 電界共振型電力伝送(直列共振)の方式を示す図である。 電界共振型電力伝送(並列共振)の方式を示す図である。 平行平板線路を介しての電力伝送(直列共振)の方式を示す図である。 平行平板線路を介しての電力伝送(並列共振)の方式を示す図である。 平行平板線路を介した場合と解さない場合のS21特性の距離依存性を示す図である。 線路に電源を付けた場合の等価回路を示す図である。 電界結合ユニット間の電力伝送(直列共振)の等価回路を示す図である。 電界結合ユニット間の電力伝送(並列共振)の等価回路を示す図である。 電界区間を周期的に設定した場合の伝送線路の等価回路を示す図である。 電界区間の概念として分岐部を設けた等価回路を示す図である。 低放射化及び通信機能を付加した線路の断面を示す図である。 低放射化及び通信負荷時の線路等価回路(DC平衡)を示す図である。 低放射化及び通信負荷時の線路等価回路(DC不平衡)を示す図である。 電界区間を設けない場合の線路の等価回路を示す図である。 電界区間を設けない線路において複数の発振器を配置した等価回路を示す図である。 定在波における電界結合および磁界結合による電力受電域分布を示す図である。 磁界共鳴による受電ユニットの例を示す図である。 電界結合と磁界結合ユニットを平行して用いた受電体を示す図である。 電界結合と磁界結合ユニットを重ねて用いた受電体を示す図である。 電界結合コンデンサと磁界結合コイルで共振させた受電体を示す図である。 電界方式と接触方式（トロリー送電方式）との比較を示す図である。 電界方式と磁界方式との比較を示す図である。

以下、本発明の原理等について、図を用いてより具体的に説明する。

図１に対し、本提案方式は、接触状態を必要としないことが特徴である。

図２には、二組の並行平板とインダクタンスを直列に接続した共振回路を示しており、一方に発振器、他方に負荷が接続されていて、発振器のエネルギーが負荷に伝送出来る。

同じく、図３には、二組の並行平板とインダクタンスを並列共振させた電力伝送系を示している。
図２および図３の方式で、送電側と受電側の共振周波数を合わせた時に電力送電が可能になる。それは、二組の並行平板間の相互容量によって電力伝送されるため、二つの共振系の距離が離れると伝送電力量は急激に減少する。

これに対し、図４および図５の方式は、並行平板電極の外側に並行二線式線路を配置したものであり、相互容量は、平板と導線間の容量の半分になり、距離には依存しなくなる。ただし、伝送線路としての距離減衰特性は重畳される。図４および図５には、直列共振方式及び並列共振方式を示している。

図６は、直列共振方式の図２および図４の方式伝送特性を電磁界シミュレーションによって求めたものである。電磁界特性として、Ｓパラメータを用い、Ｓ２１特性(伝送損失)の距離依存性を求めた。これより、図２の並行平板のみの方式では、すぐに減衰してしまうが、線路を外側に用いた方式では、伝送距離が大きく伸びていることが判る。

図７には、図４および図５の方式の等価回路図を記した。ただし、本図の線路には直流も重畳しており、その直流電源を用いて高周波電電に電力を供給している。１９が直流電源であり、高周波が流れないようにチョークコイル２１を付けたものとしている。２２は高周波発振器であり、線路の任意地点で直流電源を得て高周波を発振するものである。１７は、負荷であり、図２および図３に示した並行平板に直列共振方式又は並列共振方式でインダクタと負荷を接続したものである。本図では、直列共振方式、並列共振方式を混在して記している。

図４および図５の方式の等価回路をそれぞれ図８および図９に記した。
図８および図９の線路を長くしてゆくと、定在波が出来るが、電圧定在波と電流の定在波配送が90度ずれている。このため、電界成分が強い電界区間と磁界成分が強い磁界区間に分けられる。

図１０では、線路の一定区間毎にチョークコイル２１(ローパスフィルタでも良い)を挿入し、この区間内に一つ以上のＭｉｄ帯の発振器を設置するとともに(複数設置の場合には、同期を取る)、Ｍｉｄ帯の電流が流れることを阻止している。これにより、全線に渡って電界強度がほぼ一定となる電界区間のみを繋げることが可能になる。図１０には、その等価回路図を示している。
電界強度をほぼ一定とするため、波長(λ)のおおよそ1/12の区間を発振器の左右に取る必要がある。このため、一つの電界区間の全長はおおよそλ/6の長さになる。この電界区間内では、電界強度の変化はおおよそ±6%に納まる。
チョークコイルは、直流送電を妨げないので、各電界区間の中心に発振器を置き、それらに直流送電することが可能になる。
この時、電界区間の長さは、発振周波数として1MHzを用いた時には50m、2MHzを用いた時には25m、6.78MHzを用いた時には7.4mとなる。周波数が高いほど、短い間隔毎にチョークコイルを挿入しなければならない。

図１１には、同じ考え方を用いて、T分岐させることが可能なことを示している。
ただし、平衡線路はそのインピーダンスが高いため、電磁波放射しやすい点が問題である。加えて、並行平板共振器自体も電磁波を外部に放射させている。電磁波が強く外部に放射される系では実用化することが困難である。

この問題を解決するため、図１２に示すように、シールドとして機能する外部導体９を設けた。シールドの一部にスリットを設けて受電部の出力を外部に取り出している。これにより、外観は図１の方式と同じになるが、受電部を内導体及び外導体に接触させる必要は無くなる。
さらに、本線路に通信機能を付ける。通信機能は、平衡線路を構成する二つの線を共に内導体として考え、外導体に対して同軸線路として機能させる。このため、外部から導入する通信信号は、コンデンサを介して二つの線路に等しく印加され、図１２の２７で示す電界を形成する。内部導体である平衡線路が、電力伝送の為に作る電界が２８であり、それらの一部は重なるが基本的には独立している。
通信を行う際には、並行平板に接続された二つの線全体がプローブとして動作するため、二つの線を囲んだピックアップコイル２９によって送受信がなされる。また、ピックアップコイルが強く線路内の電界と結びつくことを防止する目的でチョークコイル２１をピックアップ内に設ける。

図１３には、外部導体まで含めた等価回路を示している。さらに、直流送電(ＤＣ)、非接触電力送電(MHz帯 Mid)、通信(GHz帯、High)まで含めて記載している。これに伴い、電圧区間を区切るチョークコイルは、Mid Notch Filter35に変わっている。また、終端部には、通信用終端抵抗が付けられている。

図１３は、平衡線路を直流的にも平衡線路として使用したもの、図１４は直流的に不平衡線路として使用した場合を示している。

図１５は、電界区間というものを設けることなく、全線路に渡って定在波を作る構造の線路を示している。これにより、定在波が電界区間、磁界区間が交互に現れており、電界および磁界共にピークと0点まで変化する。図１５は、Mid帯電源を一つ儲けた場合であり、図１６は、複数個設置することを許した場合である。ただし、各発振器は同期を取って発信させることが必要になる。

図１７には、Mid帯の電圧定在波および電流定在波を記しているが、これより、電界エネルギーが取得可能な電界結合出力域３０と、磁界エネルギーが取得可能な磁界結合出力域３１は、オーバーラップしており、この区間は電界的、磁界的にエネルギーを取ることが可能である。

図１８には、磁界的にエネルギーを取り出すコイルを用いた受電システムを記している。並行平板コンデンサの代わりに共振コイル３３が置かれ、そのエネルギーをピックアップコイル２９で取り出している。

ここで、重要な専門用語について、記載しておく。
電磁誘導式とは、磁束が変動する環境下に存在する導体に電位差（電圧）が生じる現象を利用して電力伝送させる方式をいう。
磁界共鳴式とは、電磁誘導方式に共鳴回路を付け、伝送効率を改善した方式をいう。
電界結合式とは、コンデンサを介して電力を伝送する方式をいい、共鳴回路を用いて伝送効率を向上させている。

１ 並行平板コンデンサ、２ 高周波電源、３ 直列共振インダクタ、４ 負荷(整流、平滑回路を含む)、５ 並列共振インダクタ、６ トランス、７ 平行平板線路、８ スリット付同軸線路、９ 外部導体、１０ 内部導体、１１ コネクタ、１２ コネクタ外部導体、１３ コネクタ内部導体、１４ 弾性誘電体、１５ 容量性結合または接触結合、１６ 送電ユニット、１７ 受電ユニット、１８ 接合容量、１９ 直流源、２０ 直流阻止コンデンサ、２１ チョークコイル、２２ Mid帯電源、２３ High帯電源、２４ 幹線、２５ 支線、２６ トランシーバ、２７ Mid帯電界、２８ High帯電界、２９ ピックアップコイル、３０ 電界結合出力域、３１ 磁界結合出力域、３２ 出力合成又は分岐装置、３３ 共鳴型コイル、３４ Mid帯磁界、３５ Mid帯ノッチフィルタ、３６ Mid帯透過フィルタ、３７ 共振インダクタ

Claims (2)

1. ２組の並行平板と、
   前記２組の並行平板に対してインダクタンスを直列又は並列に接続した共振回路と、
   前記２組の並行平板の外側に配置された並行２線式線路と、
   を備える給電通信構造。
2. ２組の並行平板と、
   前記２組の並行平板に対してインダクタンスを直列又は並列に接続した共振回路と、
   を含む給電通信構造に用いる給電通信用線路として、
   前記２組の並行平板の外側に配置された並行２線式線路、
   を含む給電通信用線路。

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