JP2018137830A - 電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】電界結合電力伝送技術を適用した電力伝送システムとして、長期間の使用においても信頼性を維持するシステムを具現化すること。【解決手段】電力伝送システム１は、電界結合電力伝送技術における接合容量３ａ，３ｂを形成すると共に相対移動する送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂと、送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂの間に配置される絶縁層１３と、受電電極８ａ，８ｂと絶縁層１３との間に配置される起毛構造１１とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、各種の負荷に対して電力伝送を行うための電力伝送システムに関する。

本発明者は、電力伝送の新たな方式として「電界結合方式」を既に発明し、さらに、当該新たな方式を実現可能な回路の技術（以下、「電界結合電力伝送技術」と呼ぶ）について既に発明している（特許文献１乃至３参照）。
電界結合電力伝送技術は、２枚の金属板（導電性の板）を対向させて、これら２枚の金属板を電極対としてコンデンサ（このようなコンデンサを以下「接合容量」と呼ぶ）を形成した状態で、高周波電流を流すことで非接触の電力伝送を実現する技術である。

電界結合電力伝送技術を適用した電力伝送システムは、電源からの電力を送電する送電部と、送電部から電力を受電して負荷に供給する受電部とを備えている。この場合、送電部の末端に設けた金属板（電極）と、受電部の先端に設けた金属板（電極）とを対向させることで、接合容量が形成される。
この接合容量の送電電極と受電電極は相互に相対的に動かすことができるため、電界結合電力伝送技術を適用した電力伝送システムを、回転系やスライド系として、電力伝送軸受や電力伝送スライド線路により具現化することができる。
また、接合容量を形成するための送電電極と受電電極として、電界結合用の大容量電極を得る方法として、荷重を掛けずにわずかな力で接触させる方法がある。本方法は、接触面の相対速度が遅い場合には、低コストで製作できる等、多くの利点がある。

特開２００９−３８３２９号公報 特開２００９−８９５２０号公報 特開２０１０−１９３６９２号公報

しかしながら、電界結合用の大容量電極を得る方法として、荷重を掛けずにわずかな力で接触させる方法を採用して、かつ、電界結合電力伝送技術を適用した電力伝送システムを、高速回転する回転系や高速に移動するリニア系に適用した場合、電極の摩耗現象が必ず生ずるため、送電電極と受電電極との交換が必要になる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、電界結合電力伝送技術を適用した電力伝送システムとして、長期間の使用においても信頼性を維持するシステムを具現化することを目的とする。

本発明の一実施形態の電力伝送システムは、
電界結合電力伝送技術における接合容量を形成すると共に相対移動する電極対と、
前記電極対の間に配置される絶縁体と、
前記電極対の少なくとも一方と前記絶縁体との間に配置される起毛構造とを備える
電力伝送システムである。

前記電極対として、固定の第１電極と、移動する第２電極とを備え、
前記絶縁体は、前記第１電極上に配置され、
前記起毛構造は、前記第２電極に植設された導電性ブラシである
ようにすることができる。

前記電極対の間に流体圧力を与える与圧手段をさらに備える
ようにすることができる。

前記与圧手段は、ポンプである
ようにすることができる。

前記与圧手段は、前記第２電極に設けられ、前記第２電極に対して相対移動する周囲の空気を前記第１電極と前記第２電極の間に送り込む与圧室である
ようにすることができる。

本発明によれば、電界結合電力伝送技術を適用した電力伝送システムとして、長期間の使用においても信頼性を維持するシステムを具現化することが可能になる。

本発明の電力伝送システムにおける電界結合の基本回路の回路図である。 単純構造の電極とその問題点を示す断面図である。 起毛構造の特性を示す断面図である。 起毛構造の特性を示す断面図である。 薄膜金属箔を用いた起毛構造を示す断面図であり、図５（ａ）及び図５（ｂ）はポンプで空気を流す方式、図５（ｃ）は移動に伴って空気を取り込んでメッシュから薄膜金属箔間に空気を流す方式を示す。 磁力等を用いた浮上力を示す断面図である。 流体圧力による電極の浮上を示す断面図である。 アクチュエータによる位置制御を示す概略図である。 挟み込み構造の電極を示す断面図である。 電極面積５０×２５０ｍｍ２、ギャップ間隔１ｍｍの時の変位距離と容量の関係を示す図であり、横軸は変位距離、縦軸は容量を示す。 挟み込み構造の電極に対応した並列共振回路を示す回路図である。 挟み込み構造の電極の制御を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

電界結合電力伝送技術を実用化するためには、［背景技術］の欄で上述したように、接合容量を形成する必要がある。従って、接合容量を形成するための、送電電極（後述する図１の送電電極６ａ，６ｂ）と受電電極（後述する図１の受電電極８ａ，８ｂ）とは接触しない構造が必要である。なお、送電電極と受電電極とが接触しない構造を実現するための方式は、特に限定されず、静止時には接触していても、移動時には非接触となる方式も含まれる。

図１は、本発明の一実施形態の電力伝送システム１における電界結合の基本回路２の回路図である。
図１に示す電界結合の基本回路２は、接合容量３ａ，３ｂを介して送電部４の側から受電部５の側に電力を伝送する、電界結合電力伝送技術を採用する。送電部４は、送電電極６ａ，６ｂと交流電源７とを備えている。各送電電極６ａ，６ｂは、交流電源７の両端に夫々接続されている。受電部５は、送電電極６ａと対向することで接合容量３ａを形成する受電電極８ａと、送電電極６ｂと対向することで接合容量３ｂを形成する受電電極８ｂとを備えており、送電部４から送電された電力を受電して負荷９に供給する。

なお、以下、符号の交尾のａ同士が対応し、符号の交尾のｂ同士が対応するものとする。例えば、「送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂとの間の距離」と記載した場合には、「送電電極６ａと受電電極８ａとの間の距離」と、「送電電極６ｂと受電電極８ｂとの間の距離」という意味であるものとする。

接合容量３ａ，３ｂを形成すべく、送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂは、空間を挟んで配置されている。この空間は、絶縁層であり直流は通さないが、変位電流を介して交流を流すことが出来る。変位電流の周波数を高くし、接合容量３ａ，３ｂの値［Ｆ］を大きくするにつれて接合容量３ａ，３ｂのインピーダンスは小さくなり、伝送効率は高くなる。
この接合容量３ａ，３ｂを形成する送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂは相互に相対的に動かすことができるため、電力伝送システム１を、回転系やスライド系により、電力伝送軸受や電力伝送スライド線路として具現化することができる。

しかしながら、電界結合電力伝送技術を小型の機器に適用する場合、電極（送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂ）の面積が十分に取れないものの、接合容量３ａ，３ｂの値［Ｆ］を確保したいという要望に応えるためには、送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂとの間隔を近接させる必要がある。
この様な電極間距離を極短にするための従来の方法として、電極（送電電極６ａ，６ｂ又は受電電極８ａ，８ｂ）の表面に絶縁層をコーティングして接触させる方法がある。この方法を採用した場合、絶縁層として、耐圧、摺動性、強度を兼ね備えたＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を使用することが考えられる。この従来の方法は、送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂの相対速度がそれほど速くなく、擦れる回数も多くない場合には、有効な方法である。

しかしながら、例えば長距離移動を伴うスライド系に電界結合電力伝送技術を適用する場合、この従来の方法では、絶縁層の剥離の問題に直面する。
そこで、送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂとの間に微小空間を保って、送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂとの非接触性を維持する方法が求められる。ただし、ここでいう非接触性とは、送電電極６ａ，６ｂ又は受電電極８ａ，８ｂを有する移動体が移動するときに求められるものである。従って、移動体が停止時（静止時）には接触していても、当該移動体が移動時に非接触となる方法でもよい。

電界結合電力伝送技術を適用した電力伝送回路に並列共振回路を用いる場合には、接合容量３ａ，３ｂを形成する送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂとが接触しても問題ない。ただし、安定的に接触させることも難しいため、不安定な伝送特性になってしまう。
このため、送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂの一方又は両方に絶縁性の膜をコーティングすることが好ましい。
ただし、安定して非接触性が保てる場合には、絶縁性の膜をコーティングせずに、送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂの金属面が露出していても構わない。
さらに、導電性の膜がコーディングされていても良い。
以下の説明では、送電電極６ａ，６ｂの側のみに絶縁性の膜をコーティングしている場合を挙げているが、受電電極８ａ，８ｂの側のみに絶縁性の膜をコーティングしたり、送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂの両方に絶縁性の膜をコーティングしたりしても良く、あるいは、送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂの両方に絶縁性の膜をコーティングしなくても良い。さらには、絶縁性の膜がコーティングされていない電極（送電電極６ａ，６ｂ、受電電極８ａ，８ｂ）に導電性の膜がコーティングされていても良い。

接合容量３ａ，３ｂを発生させる電極構造としては、表１の１に示すように、送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂを対向させた単純構造（図２参照）が考えられる。しかし、この方法は送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂの間にゴミ１０（図２（ｂ）及び図２（ｃ）参照）が入った場合及び機械的精度が望めない場合（経年劣化により機械的精度が落ちた場合も含む）（図２（ｄ）参照）には実施が困難になる。
この問題を解決する方法として、表１の２に示す起毛構造１１（図３参照）を提案する。起毛構造１１は、電極（送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂ）の表面の機械的位置を曖昧にできるものであり、大きな接合容量３ａ，３ｂの値が確保できる。さらに、表１の３に示すように、外側に配置する二枚の電極（送電電極６ａ，６ｂ）に対向して、内側に二枚の電極（受電電極８ａ，８ｂ）を対向させる特殊条件下では、受電電極８ａ，８ｂの位置ずれに対して接合容量３ａ，３ｂの値が安定化できる（図９参照）。

次に、電極（送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂ）の間隔を微小に保つ方法を表２に示す。

表２の１に示すように、流体を送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂに封入することにより、圧力によって送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂの間の接触を妨げる方法がある（図５参照）。静止時には、ポンプ１９（図５（ａ）及び図５（ｂ）参照）によって加圧し、流体中での移動時には電極（受電電極８ａ，８ｂ）に流体を積極的に流入させることにより、離隔圧を得ることになる（図５（ｃ）参照）。ポンプ１９による方法と、流体の流入方法を組み合わせても良い。
そして、表２の２に示すように、磁気的反発力を用いる方法がある（図６参照）。磁気的反発力を用いる方法とは逆に、懸垂式の場合には磁気的引力を用いる方法もある。
また、表２の３に示すように、静電的引力を用いる方法がある。この方法は、懸垂式の場合に有効である。
さらに、表２の４に示すように、超音波圧力を用いて浮上する方法がある。この方法によれば、通常は、２０μｍ程度の間隔に保つことが出来るため、電界結合方式に有効である。特に、精密環境下での利用に適している。
そして、表２の５に示すように、超電導現象を活用する方法がある。この方法では、マイスナー効果による反発力又は、ピンニングによる引力を用いることが出来る。
また、表２の６に示すように、アクチュエータ２８（図８参照）によって受電電極８ａ，８ｂの送電電極６ａ，６ｂに対する最適位置を決める方法がある。

次に、電極（送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂ）の間の誘電率を高める方法を表３に示す。

表３の１に示すように、簡単な方法として、送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂの接合部に水等の誘電率の高い物質を入れる方法がある。この方法において、多くの場合、誘電損失が大きく熱に変わるため、低電力用途での使用に限られる。大電力用途で使用する場合には、水等の誘電率の高い物質が逐次交換できるか、水等の誘電率の高い物質の放熱性を高める必要がある。この方法は、プール等の水中での使用に適する。
表３の２に示すように、送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂの間に常圧プラズマを挿入する方法があり、この方法は、ドライな環境で使用したい場合に適する。

なお、非接触に接合容量３ａ，３ｂを形成する方法として、表１及び表２に示した方法を組み合わせて用いることが出来る。さらに、表３に示した方法も組み合わせることが出来る。以上が総括論であり、以下に個別的な論を進める。

図２は、表１の１に示す単純構造の電極（送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂ）とその問題点を示す断面図である。
図２（ａ）に示すように、二枚の並行金属平板である送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂが距離ｄ離れて対向している。狭い方である受電電極８ａ，８ｂの面積がＳで、送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂの間が空気であれば、静電容量（接合容量３ａ，３ｂ）の間は、式（１）の通りになる。

電界結合では、接合容量３ａ，３ｂの各値として、数ＭＨｚの周波数であれば、２００ｐＦ以上が求められる。式（１）から判るように、接合容量３ａ，３ｂの容量Ｃの値を大きくするためには、送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂとの間の距離ｄを小さくすることが求められる。
このため、電界結合電力伝送技術をポータブル機器に適用する場合、電極（送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂの狭い方）のサイズ（面積Ｓ）を大きくできないことも影響して、数十μｍ〜数百μｍの間隔（距離ｄ）が求められる。

このため、図２（ｂ）に示すように、受電電極８ａ又は８ｂを送電電極６ａ又は６ｂに対して相対的に移動させようとする場合、送電電極６ａ又は６ｂと受電電極８ａ又は８ｂとの間にゴミ１０が混入すると、混入したゴミ１０が電極（送電電極６ａ又は６ｂと受電電極８ａ又は８ｂ）の間で暴れ、当該電極を傷付ける。当該電極に耐腐食性の膜がコーティングされている場合には、膜が傷つけられることによって耐腐食性が失われる。

図２（ｃ）に示すように、さらに大きなゴミ（砂等）１０が送電電極６ａ又は６ｂと受電電極８ａ又は８ｂとの間に混入する場合には、電極（移動させる受電電極８ａ又は８ｂ）が持ち上げられてしまい、送電電極６ａ又は６ｂと受電電極８ａ又は８ｂの間隔（距離ｄ）を維持することができなくなる。即ち接合容量３ａ，３ｂの各値を維持できなくなる。

図２（ｄ）に示すように、送電電極６ａ，６ｂの機械的精度（平滑度合の精度）が十分に得られない場合には、受電電極８ａ又は８ｂを移動させる際に送電電極６ａ又は６ｂに接触してしまう問題が発生する。
とにかく電極（送電電極６ａ又は６ｂ及び受電電極８ａ又は８ｂ）の間の距離ｄが狭いのであるから、この様なことは当然のこととして起きる。なお、符号ｖは、受電電極８ａ又は８ｂの移動速度を示している。

この様な問題に対して次の解決策がある。即ち、図３に示すように、電極（受電電極８ａ，８ｂ）に導電性ブラシ１２等の起毛構造１１を設けることが解決策となる。
図３は、起毛構造１１の特性を示す断面図である。
図３に示すように、受電体である受電電極８ａ，８ｂには、送電電極６ａ，６ｂに対面する側に、起毛構造１１として導電性ブラシ１２が密集して付けられている。
図３（ａ）に示すように、送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂとの間の距離がｄである。一方、導電性ブラシ１２の先端部は、送電電極６ａ，６ｂの上に配置された絶縁層１３の表面に沿って存在している。この場合において、導電性ブラシ１２が受電電極８ａ，８ｂの一部として機能するので、接合容量３ａ，３ｂを発生させるギャップは、絶縁層１３の厚さと同じｇである。

図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）に示す状態から、送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂの間隔をわずかに離す。導電性ブラシ１２の先端部のみが送電電極６ａ，６ｂ上の絶縁層１３に接するだけであるが、導電性ブラシ１２の密度が高いため、導電性ブラシ１２の先端部が受電電極８ａ，８ｂの一部として機能する。このため、接合容量３ａ，３ｂを発生させるギャップは、絶縁層１３の厚さと同じｇである。
このように、受電電極８ａ，８ｂと送電電極６ａ，６ｂの距離が変動しても、接合容量３ａ，３ｂは、絶縁層１３の厚さがあることで実現できるため、大きな値が維持できる。

図３（ｃ）に示すように、図３（ｂ）に示す状態からさらに、受電電極８ａ，８ｂを送電電極６ａ，６ｂから離して、導電性ブラシ１２の先端部と送電電極６ａ，６ｂ上の絶縁層１３との間にエアギャップ１４を作る。この場合でも、ギャップはｇ’であり、送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂの間の距離ｄ’’ではない。このように、電極（送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂ）の間の距離ｄを変えても、ギャップが絶縁層１３の厚さｇ程度に保たれるので、大きな接合容量３ａ，３ｂの各値が維持できる。

図４は、起毛構造１１の特性を示す断面図である。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、導電性ブラシ１２の付いた受電電極８ａ，８ｂが送電電極６ａ，６ｂの上を移動し、その速度が変化する様子を示している。
受電電極８ａ，８ｂの移動に伴って、導電性ブラシ１２の下に空気１５が入り込み、空気１５が横に漏れないのであれば、導電性ブラシ１２と絶縁層１３の間に空気の層（符号省略）が出来やすく、導電性ブラシ１２と絶縁層１３は非接触状態になる。さらに、受電電極８ａ，８ｂが移動する速度が速くなると、導電性ブラシ１２の下に流入する空気１５の量が増大して非接触状態になる傾向が強くなる。この時には、導電性ブラシ１２の先端部と送電電極６ａ，６ｂ上の絶縁層１３の距離が離れてくるため、接合容量３ａ，３ｂを発生させるギャップをｇに維持するには、受電電極８ａ，８ｂと送電電極６ａ，６ｂの間の距離をｄ１からｄ２に縮める必要がある。ただし、導電性ブラシ１２の弾性係数が高く、導電性ブラシ１２を構成する毛の隙間が大きければ、空気は毛の間を通り抜け、導電性ブラシ１２の先端部と送電電極６ａ，６ｂ上の絶縁層１３との接触状態が維持される。

また、図４（ｃ）に示すように、起毛構造１１を設けた場合、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示す場合と異なり、送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂとの間に砂等のゴミ１０が混入しても、導電性ブラシ１２の間に挟まり、導電性ブラシ１２の先端部と送電電極６ａ，６ｂ上の絶縁層１３との接触面積の低減を最小限に止めることが出来る。

さらに、図４（ｄ）に示すように、起毛構造１１を設けた場合、図２（ｄ）に示す場合と異なり、送電電極６ａ，６ｂの機械的精度が不十分で、アンデュレーションがあっても、導電性ブラシ１２付の受電電極８ａ，８ｂはそれに馴染むため、接合容量３ａ，３ｂの値が維持される。さらに、受電電極８ａ，８ｂが送電電極６ａ，６ｂ（上の絶縁層１３）にぶつかる可能性は低くなる。

ただし、導電性ブラシ１２の場合には、毛が切れてゴミになる可能性がある。これを防止する方法として、導電性ブラシ１２の毛にＣＮＴ（カーボンナノチューブ）を用いる方法がある。現在、スーパーグロス法によって、長さが２ｍｍ程度のＣＮＴを大量生産することが可能になってきたため、これを利用できる可能性が出てきた。ただし、ＣＮＴを金属板（受電電極８ａ，８ｂを構成する金属板）に強固に固定する方法等が本願の出願時には確立されていないため、今後の技術発展を待たなければならない。

図５は、極薄金属箔１６を用いた起毛構造１１を示す断面図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、ポンプ１９で空気を流す方式を示す。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるａ−ａ’断面を示す断面図である。図５（ｃ）は、移動に伴って空気を取り込んでメッシュ１８から極薄金属箔１６間に空気を流す方式を示す。

起毛構造１１の他の方法として、図５に示す様な極薄金属箔１６を用いる方法がある。この場合には、導電性ブラシ１２ではなく、極薄金属箔１６を、隙間を空けて積層する。受電電極８ａ，８ｂを構成する与圧室１７から、メッシュ１８を介して、極薄金属箔１６同士の隙間に空気を流入させている。さらに、極薄金属箔１６に切れ目（スリット）２０を入れている。
これにより、極薄金属箔１６は、導電性ブラシ１２のように動くが、面であるため空気膜が形成されやすく、極薄金属箔１６の先端部と送電電極６ａ，６ｂ上の絶縁層１３との非接触性を追求できる。
さらに、極薄金属箔１６の場合、導電性ブラシ１２とは異なり、スリット２０の間隔が広いため、切れてゴミになる確率は極めて低い。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、ポンプ１９で空気１５を流す方法を示しており、この方法は受電電極８ａ，８ｂが静止しても使用できる。
これに対して、図５（ｃ）は、受電電極８ａ，８ｂの移動に伴って与圧室１７に空気１５を取り込んで、メッシュ１８から極薄金属箔１６同士の間に空気を流す方法を示す。なお、符号２１は、対の空気漏れガードを示す。空気漏れガード２１は、極薄金属箔１６同士の間に流された空気が外に漏れることを防止する。

これら図５に示した方法を組み合わせて使用しても良い。
例えば、受電電極８ａ，８ｂの静止時には、ポンプ１９を使用するが、受電電極８ａ，８ｂの移動時にはポンプ１９を止めて与圧室１７の進行方向の面を開け、空気１５を流入させる等である。
受電電極８ａ，８ｂの移動速度が遅くて十分な空気１５の流入を得ることが出来ない場合には、ポンプ１９のみを用いることもできる。
図には記していないが、極薄金属箔１６の表面に、ＤＬＣ膜等をコーティングして、送電電極６ａ，６ｂ（上の絶縁層１３）との間の摩擦を低減することもできる。これは、受電電極８ａ，８ｂの停止時又は低速移動時のことであり、受電電極８ａ，８ｂの移動速度が増すと、極薄金属箔１６の先端部と送電電極６ａ，６ｂ上の絶縁層１３との間に空気の膜が作られて、極薄金属箔１６の先端部と送電電極６ａ，６ｂ上の絶縁層１３とは非接触になる。受電電極８ａ，８ｂの移動速度が遅いときには、極薄金属箔１６の先端部と送電電極６ａ，６ｂ上の絶縁層１３とが接触していても、摩擦による摩耗は少ない。

図６は、磁力（反発力）２２等を用いた浮上力を示す断面図である。図６には、電極（送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂ）の間隔を保つ力を発生させる方法として、表２の２に示す方法、即ち、磁力２２を用いて浮上力を得て、送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂの間を非接触にする方法を示す。
図６（ａ）に示すように、永久磁石２３を、隣接する永久磁石２３の極性を逆にして、非磁性体からなる受電電極８ａ，８ｂ上に並べ、永久磁石２３における受電電極８ａ，８ｂの反対側に、強磁性体からなるサポート２４を配して磁路を作ることで、受電体２５を構成する。送電電極６ａ，６ｂは、非磁性体で構成する。この様な受電体２５を送電電極６ａ，６ｂ上を高速に移動させると、渦電流による反磁力２２が発生して受電体２５は浮上し、送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂが非接触の状態で送受電できる。

図６（ｂ）は、受電体２５を高速移動させることなく、モーター２６で永久磁石２３を高速回転させることにより、浮力２２を得る物を示す。

図６（ｃ）は、機械的な方法によらず、コイル２７から高周波磁界を出して送電電極６ａ，６ｂとの間で磁気的浮力２２を得る物を示す。

図６（ｄ）は、単純な永久磁石２３による反発力２２で浮上する物を示す。この場合には、受電電極８ａ，８ｂを移動させると受電電極８ａ，８ｂが送電電極６ａ，６ｂにくっ付いてしまうため、用途が限定される。

図７は、流体圧力による電極（受電電極８ａ，８ｂ）の浮上を示す断面図である。図７には、流体圧力を用いて単純構造の平板電極（受電電極８ａ，８ｂ）を浮かせる方法を記している。図７（ａ）は、ポンプ１９による方法、図７（ｂ）は、受電電極８ａ，８ｂの移動に伴う空気１５の流入による浮力を示している。図５でも、同等なものを示したが、図７は、単純化したものを示している。

図８は、アクチュエータ２８による位置制御を示す概略図である。図８には、アクチュエータ２８を用いて受電電極８ａ，８ｂの位置を制御する方法を示す。図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示すいずれも、走行輪２９ａを有する受電体台車（移動体台車）２９の基準面２９ｂに、ピエゾ素子等のアクチュエータ２８を置いて、受電電極８ａ，８ｂを制御して送電電極６ａ，６ｂとの位置関係を決める方法である。

図８（ａ）は、受電電極８ａ，８ｂに取り付けた渦電流距離計等の距離センサ３０によって受電電極８ａ，８ｂと送電電極６ａ，６ｂの位置を測り、受電電極８ａ，８ｂが最適な位置になるように、アクチュエータ駆動装置３１によってアクチュエータ２８を駆動させる方法を示している。距離センサ３０としては、音響的方法、渦電流距離計、光の反射角度から求める方法等が利用できる。

図８（ｂ）は、電力伝送回路（基本回路２（図１参照））に流れる電流を、送電電流モニタ回路３２でモニタして制御する方法を示している。電極（送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂ）の間隔が広すぎれば電力は小さくなり、その間隔が狭すぎると電力は大きくなるが電極（送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂ）が接触してしまう可能性が高まる。送電電流モニタ回路３２は、受電電極８ａ，８ｂと所定の負荷９との間に直列で接続されたピックアップコイル３３を介して、電力伝送回路に流れる電流をモニタする。送電電流モニタ回路３２が電流量をモニタして、アクチュエータ駆動装置３１がアクチュエータ２８を駆動させて、受電電極８ａ，８ｂを送電電極６ａ，６ｂに対して最適な位置に持ってくる。

図８（ｃ）は、アクチュエータ２８を伸ばして受電電極８ａ，８ｂを送電電極６ａ，６ｂにぶつける方法を示している。この方法では、受電電極８ａ，８ｂが送電電極６ａ，６ｂにぶつかったことを感圧センサ３４の検出結果に基づいて、圧力検知・制御装置３４ａによって認識する。ぶつかった位置からアクチュエータ２８を短くして受電電極８ａ，８ｂを最適な位置に持ってくる。この方法は、定期的に受電電極８ａ，８ｂを送電電極６ａ，６ｂにぶつけることを実施して、受電電極８ａ，８ｂの位置を最適に保つ方法である。

図９は、挟み込み構造３５の電極（送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂ）を示す断面図である。
挟み込み構造３５においては、互いに電気的に繋がれた二枚の送電電極６ａ，６ｂの間に、互いに電気的に繋がれた二枚の受電電極８ａ，８ｂを配置している。二枚の受電電極８ａ，８ｂは、サポート材３６によって互いの間隔が一定に維持されている。送電電極６ａ，６ｂの間の内法Ｕに対して受電電極８ａ，８ｂの間の外法Ｖを小さくしておく。この様な挟み込み構造３５を採用すると、電極（受電電極８ａ，８ｂ）の位置が中心から多少変位しても、接合容量３ａ，３ｂの値は極めて安定する。なぜならば、一方の側で送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂが離れると、他方の側で送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂが近接するからである。なお、受電電極８ａ，８ｂの中心位置からの変位をｓとし、中心位置に位置する受電電極８ａ，８ｂと送電電極６ａ，６ｂとのギャップの間隔をｇとすると、送電電極６ａ，６ｂと受電電極８ａ，８ｂの間隔は、ｇ＋ｓ及びｇ−ｓになる。

図１０は、電極面積５０×２５０ｍｍ２、ギャップの間隔１ｍｍの時の変位距離と容量の関係を示す図であり、横軸は変位距離、縦軸は容量を示す。
図１０から判るように、変位ｓの量が０のときに約２００ｐＦである容量は、受電電極８ａ，８ｂが中心位置から変位するにしたがってやや大きくなる。ただし、変位ｓの量がギャップｇの４０％（ｓ＝０．４ｍｍ）のときでも、２７０ｐＦ程度にしか変化しない。

図１１は、挟み込み構造３５の電極（送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂ）に対応した並列共振回路３７，３８を示す回路図である。
図１１に示すように、送電部４は、交流電源７と、交流電源７と共に閉回路を構成する第１コイル３９と、第１コイル３９と共に変圧器（トランス）５０を構成する第２コイル４０と、第２コイル４０と共に並列共振回路３７を構成する第１コンデンサ４１と、並列共振回路３７と直列に接続され、挟み込み構造３５を構成するサンドウィッチ電極の送電電極６ａ，６ｂと、並列共振回路３７と直列に接続されるフラット電極の送電電極６ａ，６ｂとを備える。

受電部５は、挟み込み構造３５を構成するサイドウィッチ電極の受電電極８ａ，８ｂと、サンドウィッチ電極の受電電極８ａ，８ｂに直列に接続される第３コイル４２及び第４コイル４３と、第３コイル４２と共に計器用変圧器を構成する第５コイル４４と、第４コイル４３と共に計器用変圧器を構成する第６コイル４５と、フラット電極の受電電極８ａ，８ｂと、並列共振回路３８を構成する第２コンデンサ４６及び第７コイル４７と、第７コイル４７と共に変圧器（トランス）５１を構成する第８コイル４８と、第８コイル４８と共に閉回路を構成する所定の負荷９とを備える。

図面左側に示すサンドウィッチ電極による接合容量３ａ，３ｂが二つに分かれていて、電流量は、第５コイル４４及び第６コイル４５により得られたピックアップ電圧から判るようになっている。

図１２は、挟み込み構造３５の電極（送電電極６ａ，６ｂ及び受電電極８ａ，８ｂ）の制御を示す回路図（ブロック図）である。図１２は、第５コイル４４及び第６コイル４５により得られたピックアップ電圧に基づいて、制御回路４９によってアクチュエータ２８を制御して受電電極８ａ，８ｂを最適位置に制御するブロック図を示している。

以上本発明の各種実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
換言すると、本発明が適用される電力伝送システムは、次のような構成であれば足り、上述した実施形態を含め各種各様な実施形態を取ることができる。

即ち、本発明が適用される電力伝送システムは、
電界結合電力伝送技術における接合容量を形成すると共に相対移動する電極対と、
前記電極対の間に配置される絶縁体と、
前記電極対の少なくとも一方と前記絶縁体との間に配置される起毛構造とを備える
電力伝送システムである。

このようにして、送電電極と受電電極を接触させないことで、長期間の使用においても信頼性の有るシステムを構築することが可能な電力伝送システムが実現可能になる。

ここで、前記電極対として、固定の第１電極と、移動する第２電極とを備え、
前記絶縁体は、前記第１電極上に配置され、
前記起毛構造は、前記第２電極に植設された導電性ブラシである
ようにすることができる。

そして、前記電極対の間に流体圧力を与える与圧手段をさらに備える
ようにすることができる。

また、前記与圧手段は、ポンプである
ようにすることができる。

さらに、前記与圧手段は、前記第２電極に設けられ、前記第２電極に対して相対移動する周囲の空気を前記第１電極と前記第２電極の間に送り込む与圧室である
ようにすることができる。

１ 電力伝送システム
２ 基本回路
３ａ，３ｂ 接合容量
４ 送電部
５ 受電部
６ａ，６ｂ 送電電極
７ 交流電源
８ａ，８ｂ 受電電極
９ 負荷
１０ ゴミ
１１ 起毛構造
１２ 導電性ブラシ
１３ 絶縁層（絶縁体）
１４ エアギャップ
１５ 空気
１６ 極薄金属箔
１７ 与圧室
１８ メッシュ
１９ ポンプ
２０ スリット（切れ目）
２１ 空気漏れガード
２２ 磁力（反発力）
２３ 永久磁石
２４ サポート
２５ 受電体
２６ モーター
２７ コイル
２８ アクチュエータ
２９ 受電体台車（移動体台車）
２９ａ 走行輪
２９ｂ 基準面
３０ 距離センサ
３１ アクチュエータ駆動装置
３２ 送電電流モニタ回路
３３ ピックアップコイル
３４ 感圧センサ
３４ａ 圧力検知・制御装置
３５ 挟み込み構造
３６ サポート材
３７，３８ 並列共振回路
３９ 第１コイル
４０ 第２コイル
４１ 第１コンデンサ
４２ 第３コイル
４３ 第４コイル
４４ 第５コイル
４５ 第６コイル
４６ 第２コンデンサ
４７ 第７コイル
４８ 第８コイル
４９ 制御回路
５０ トランス
５１ トランス
ｖ 移動速度
ｄ 距離
ｇ ギャップ
Ｕ 内法
Ｖ 外法
ｓ 変位

Claims (5)

1. 電界結合電力伝送技術における接合容量を形成すると共に相対移動する電極対と、
   前記電極対の間に配置される絶縁体と、
   前記電極対の少なくとも一方と前記絶縁体との間に配置される起毛構造と、
   を備える電力伝送システム。
2. 前記電極対として、固定の第１電極と、移動する第２電極とを備え、
   前記絶縁体は、前記第１電極上に配置され、
   前記起毛構造は、前記第２電極に植設された導電性ブラシである
   請求項１に記載の電力伝送システム。
3. 前記電極対の間に流体圧力を与える与圧手段
   をさらに備える請求項２に記載の電力伝送システム。
4. 前記与圧手段は、ポンプである
   請求項３に記載の電力伝送システム。
5. 前記与圧手段は、前記第２電極に設けられ、前記第２電極に対して相対移動する周囲の空気を前記第１電極と前記第２電極の間に送り込む与圧室である
   請求項３に記載の電力伝送システム。

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