JP2019176591A - 電界共鳴型カップラ、及びその回転ずれの調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 送電用電極と受電用電極が非平行に対向配置された場合（回転ずれが生じた場合）に、コモンモード電流を抑制できる電界共鳴型カップラを提供する。
【解決手段】電磁界共鳴型カップラは、送電用ＬＣ共振回路と受電用ＬＣ共振回路とが電界共鳴することによって、送電用カップラから受電用カップラにワイヤレスで電力伝送する電界共鳴型カップラであって、前記送電用ＬＣ共振回路と前記受電用ＬＣ共振回路とをそれぞれ収容するように構成された送電側および受電側シールドケースを備え、前記送電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第１電極及び第２電極を具備し、前記受電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第３電極及び第４電極、を具備し、前記第１電極および前記第２電極が前記第３電極および前記第４電極にそれぞれ対向配置されることで、前記送電用カップラから前記受電用カップラに電力が伝送され、前記送電側シールドケースの電位が接地電位となる様に調整する調整手段を有することを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、電界によってワイヤレスで電力伝送を行う装置に用いる電界共鳴型カップラに関するものである。

ワイヤレス（無線、非接触）で交流電力を伝送するワイヤレス電力伝送の一つに、電界共鳴を用いたものがある。ワイヤレス電力伝送の方式としては、他に電磁誘導方式、電界結合方式等があるが、電界共鳴方式は、薄型化、軽量化できるため、小型で小回りの必要なロボット等への適用が期待されている。また、金属異物の誘導加熱の影響がないため、このような異物がある工場内等でも安全に利用できる利点がある。

ワイヤレス電力伝送装置は、交流電源から給電された交流電力を受電側に送電する送電用カップラと、送電用カップラから送電された交流電力を受電する受電用カップラとを有する。送電用カップラは、給電される交流電力の周波数で共振する送電用ＬＣ共振回路を備え、受電用カップラは、送電用ＬＣ共振回路から交流電力を受電する受電用ＬＣ共振回路を備えており、これらのＬＣ共振回路のキャパシタ（電極等）間が電界共鳴することによって、ＬＣ共振する周波数成分の交流電力をワイヤレスで伝送することができる。電界共鳴方式を用いたワイヤレス電力伝送装置の送電用カップラ、及び受電用カップラを電界共鳴型カップラと言う。

現実の電界共鳴型カップラにおいては、交流電力のワイヤレス伝送に用いられる上記ＬＣ共振による信号伝送以外に、コモンモード電流と呼ばれる不要電流が発生する問題がある。コモンモード電流は、不要放射波となって漏れ電界を生じ、他の電子機器の誤動作を誘発したり、人体にも悪影響を及ぼす恐れがあるため、極力抑えることが好ましい。そこで本発明者らは、先の特許出願（特許文献１）において、コモンモード電流に対する対応策を提案している。

特開２０１６−１７４５２２号公報

しかしながら、このような従来の対応策は、送電用カップラの電極と受電用カップラの電極が略平行に対向した場合（回転ずれが生じていない場合）に生じるコモンモード電流を抑制するものであって、これらの電極が非平行に対向配置された場合（回転ずれが生じた場合）は想定されていない。回転ずれが生じると、新たなコモンモード電流の発生原因が生じるため、従来の対応策ではコモンモード電流を抑制しきれない課題がある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、送電用電極と受電用電極が非平行に対向配置された場合（回転ずれが生じた場合）に、コモンモード電流を抑制できる電界共鳴型カップラを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明に係る電界共鳴型カップラは、送電用ＬＣ共振回路と受電用ＬＣ共振回路とが電界共鳴することによって、送電用カップラから受電用カップラにワイヤレスで電力伝送する電界共鳴型カップラであって、前記送電用ＬＣ共振回路と前記受電用ＬＣ共振回路とをそれぞれ収容するように構成された送電側および受電側シールドケースを備え、前記送電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第１電極及び第２電極を具備し、前記受電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第３電極及び第４電極、を具備し、前記第１電極および前記第２電極が前記第３電極および前記第４電極にそれぞれ対向配置されることで、前記送電用カップラから前記受電用カップラに電力が伝送され、前記送電側シールドケースの電位が接地電位となる様に調整する調整手段を有することを特徴とする。

また、本発明に係る電界共鳴型カップラの他の態様は、前記送電用カップラは、前記第１電極と導通されるとともに、前記第１電極に対向して配される第１補助電極と、前記第２電極と導通されるとともに、前記第２電極に対向して配される第２補助電極と、を有し、前記受電用カップラは、前記第３電極と導通されるとともに、前記第３電極に対向して配される第３補助電極と、前記第４電極と導通されるとともに、前記第４電極に対向して配される第４補助電極と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る電界共鳴型カップラの他の態様は、前記調整手段が、前記第１電極と前記送電側シールドケース間の第１容量、及び前記第２電極と前記送電側シールドケース間の第２容量の少なくとも一方を変化させることを特徴とする。

また、本発明に係る電界共鳴型カップラの他の態様は、前記調整手段が、前記第３電極と前記受電側シールドケース間の第３容量、及び前記第４電極と前記受電側シールドケース間の第４容量の少なくとも一方を変化させることを特徴とする。

また、本発明に係る電界共鳴型カップラの他の態様は、前記送電用ＬＣ共振回路と前記受電用ＬＣ共振回路が電界共鳴する共振周波数の検出手段をさらに有することを特徴とする。

また、本発明に係る電界共鳴型カップラの他の態様は、前記調整手段が、前記第１補助電極、及び前記第２補助電極を、前記送電側シールドケースに対して電極間方向にオフセットする量を調整することを特徴とする。

また、本発明に係る電界共鳴型カップラの他の態様は、前記調整手段が、前記第３補助電極、及び前記第４補助電極を、前記受電側シールドケースに対して電極間方向にオフセットする量を調整することを特徴とする。

また、本発明に係る電界共鳴型カップラの他の態様は、前記調整手段が、前記第１補助電極、及び前記第２補助電極を、電極の面内方向に移動させることを特徴とする。

また、本発明に係る電界共鳴型カップラの他の態様は、前記調整手段が、前記第３補助電極、及び前記第４補助電極を、電極の面内方向に移動させることを特徴とする。

また、本発明に係る電界共鳴型カップラの他の態様は、前記第１容量及び前記第２容量が可変コンデンサを含み、前記第３容量及び前記第４容量が可変コンデンサを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る電界共鳴型カップラの他の態様は、前記送電用カップラに交流電力を伝送する給電ケーブルの外導体に流れる電流を検出する検出手段をさらに有し、前記電流の検出結果に基づいて、前記可変コンデンサの容量を調整することを特徴とする。

また、本発明に係る電界共鳴型カップラの他の態様は、前記送電用カップラと前記送電用カップラとの間の距離を検出する位置センサをさらに有し、前記位置センサで検出された距離に基づいて、前記可変コンデンサの容量を調整することを特徴とする。

また、本発明に係る電界共鳴型カップラの他の態様は、送電用ＬＣ共振回路と受電用ＬＣ共振回路とが電界共鳴することによって、送電用カップラから受電用カップラにワイヤレスで電力伝送する電界共鳴型カップラであって、前記送電用ＬＣ共振回路と前記受電用ＬＣ共振回路とをそれぞれ収容するように構成された送電側および受電側シールドケースを備え、前記送電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第１電極及び第２電極を具備し、前記受電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第３電極及び第４電極、を具備し、前記第１および前記第２電極が前記第３電極および前記第４電極にそれぞれ対向配置されることで、前記送電用カップラから前記受電用カップラに電力が伝送され、前記第１電極と前記第３電極間の容量と、前記第２電極と前記第４電極間の容量とが異なることを特徴とする。

また、上記した目的を達成するために、本発明に係る電界共鳴型カップラの回転ずれの調整方法は、前記電界共鳴型カップラは、前記送電用ＬＣ共振回路と前記受電用ＬＣ共振回路とをそれぞれ収容するように構成された送電側および受電側シールドケースを備え、 送電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第１電極及び第２電極を具備し、受電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第３電極及び第４電極、を具備し、前記第１および前記第２電極が前記第３電極および前記第４電極にそれぞれ対向配置され電界共鳴することで、送電用カップラから受電用カップラに電力が伝送される電界共鳴型カップラであり、前記第１電極と前記第３電極間距離、及び前記第２電極と前記第４電極間距離を検出する検出ステップ、並びに、前記ステップの検出結果に基づいて、前記第１電極と前記送電側シールドケース間の第１容量、及び前記第２電極と前記送電側シールドケース間の第２容量を変化させる調整ステップ、又は、前記第３電極と前記受電側シールドケース間の第３容量、及び前記第４電極と前記受電側シールドケース間の第４容量を変化させる調整ステップの少なくとも一方を行うことを特徴とする。

また、本発明に係る電界共鳴型カップラの回転ずれの調整方法の他の態様は、前記電界共鳴型カップラが、送電用ＬＣ共振回路と受電用ＬＣ共振回路とをそれぞれ収容するように構成された送電側および受電側シールドケースを備え、前記送電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第１電極及び第２電極を具備し、前記受電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第３電極及び第４電極、を具備し、前記第１および第２電極が前記第３電極および第４電極にそれぞれ対向配置され電界共鳴することで、送電用カップラから受電用カップラに電力が伝送される電界共鳴型カップラであり、前記送電用カップラに交流電力を伝送する給電ケーブルの外導体に流れる電流を検出する検出ステップ、並びに、前記電流の検出結果に基づいて、前記第１電極と前記送電側シールドケース間の第１容量、及び前記第２電極と前記送電側シールドケース間の第２容量を変化させる調整ステップ、又は、前記第３電極と前記受電側シールドケース間の第３容量、及び前記第４電極と前記受電側シールドケース間の第４容量を変化させる調整ステップの少なくとも一方を行うことを特徴とする。

本発明によれば、送電用電極と受電用電極が非平行に対向配置された場合（回転ずれが生じた場合）に、コモンモード電流を抑制できる電界共鳴型カップラを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電界共鳴型カップラの使用態様を示す一例であり、（Ａ）は回転ずれが生じていない（送電用電極と受電用電極が略平行に対向配置された）場合、（Ｂ）は回転ずれが生じている（送電用電極と受電用電極が非平行に対向配置された）場合を示す。 本発明の一実施形態に係る電界共鳴型カップラの電位分布を説明する図であり、（Ａ）は回転ずれが生じていない（送電用電極と受電用電極が略平行に対向配置された）場合、（Ｂ）は回転ずれが生じている（送電用電極と受電用電極が非平行に対向配置された）場合を示す。 本発明の一実施形態に係る電界共鳴型カップラについて、シールドケース、及びそれぞれ二層構造を備えた送電用電極と受電用電極を示す図である。 図３の電界共鳴型カップラの側面図であり、（Ａ）は回転ずれが生じていない（送電用電極と受電用電極が略平行に対向配置された）場合、（Ｂ）は回転ずれが生じている（送電用電極と受電用電極が非平行に対向配置された）場合を示す。 図３の電界共鳴型カップラについて、送電用電極と受電用電極の相対回転角に対する送電（１次）側シールドケース、及び受電（２次）側シールドケースの電位変化を示すグラフである。 図３の電界共鳴型カップラの受電用電極間をショートした場合において、送電用電極と受電用電極の相対回転角に対する送電（１次）側シールドケース、及び受電（２次）側シールドケースの電位変化を示すグラフである。 図３の電界共鳴型カップラにおける電極オフセット調整を説明する図である。 図７の電極オフセット調整による電極とシールドケースの容量変化を示すグラフである。 図７の電極オフセット調整による送電側シールドケースの電位変化を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る電界共鳴型カップラにおける送電用カップラを示す図である。 本発明の第２実施形態に係る電界共鳴型カップラにおける送電用カップラを示す図である。 本発明の第３実施形態に係る電界共鳴型カップラにおける送電用カップラを示す図である。 本発明の第４実施形態に係る電界共鳴型カップラにおける送電用カップラを示す図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態における電界共鳴型カップラについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

まず、図１を用いて、本発明の一実施形態に係る電界共鳴型カップラの使用態様の一例を示す。本実施形態に係る電界共鳴型カップラ１００は、例えば図１に示すように、電気自動車等の車両２０のワイヤレス電力伝送（給電）に用いられる。図１（Ａ）は、送電用カップラ１１０と受電用カップラ１２０が略平行（送電用電極と受電用電極が略平行）に対向配置され、電界共鳴型カップラ１００に回転ずれが生じていない場合、（Ｂ）は送電用カップラ１１０と受電用カップラ１２０が略平行（送電用電極と受電用電極が略平行）が非平行に対向配置され、電界共鳴型カップラ１００に回転ずれが生じている場合の図である。

電界共鳴型カップラ１００は、送電用（一次側）カップラ１１０と受電用（二次側）カップラ１２０とを有し、送電用カップラ１１０が第１給電ケーブル１１で交流電源１０に接続され、受電用カップラ１２０が第２給電ケーブル２１で車両２０の負荷（充電用電池等）２３に接続されている。交流電源１０と接続された送電用カップラ１１０に対して、車両２０の後部に搭載された受電用カップラ１２０が所定の距離まで接近し、送電用カップラ１１０から受電用カップラ１２０に電力がワイヤレスで伝送されることによって、車両２０に給電される。このワイヤレス電力伝送の詳細は後述する。

給電時、受電用カップラ１２０と送電用カップラ１１０が略平行に対向するように、車両２０が後方移動すること（図１（Ａ））が理想的であるが、状況によっては、受電用カップラ１２０と送電用カップラ１１０が非平行に対向してしまう場合（図１（Ｂ））が考えられる。例えば、車両２０の経路上に何らかの障害物があったり、送電用カップラ１１０を設置する壁面がそもそも傾いている場合などである。

なお、受電用カップラ１２０は車両２０の後部に限らず前方や底部に搭載されていてもよい。底部の場合には、送電用カップラ１１０は地面に設置されるのが通常であるが、その場合であっても、タイヤの空気圧の増減や地面に置かれた障害物等により、回転ずれが生じる恐れがある。

図１（Ｂ）のように回転ずれが生じると、電力伝送自体は可能であるが、コモンモード電流と呼ばれる不要電流がより発生しやすくなってしまう。コモンモード電流は、電界共鳴型カップラ１００を給電ケーブルに接続した際、給電ケーブルの外導体に流れる不要電流である。コモンモード電流は、不要放射波となって漏れ電界を生じ、他の電子機器の誤動作を誘発したり、人体にも悪影響を及ぼす恐れがある。

この回転ずれに起因したコモンモード電流Ｉｃの発生メカニズムについて、図２を参照して説明する。図２は、電界共鳴型カップラ１００の送電用カップラ１１０と受電用カップラ１２０の対向方向に沿った断面図であり、（Ａ）は回転ずれが生じていない場合、（Ｂ）は回転ずれが生じている場合を示す。

電界共鳴型カップラ１００の送電用カップラ１１０は、２つの送電用電極（第１電極１１１と第２電極１１２）と２つの共振コイル（第１共振コイル１１３と第２共振コイル１１４）とを備える。送電用電極１１１、１１２は矩形状の平板電極であるが、これに限定されない。例えば、後述するように容量確保等の目的で２層以上の複数層から構成されていても良い。第１電極１１１の第２電極１１２に近接する側の長辺とこれに対向する第２電極１１２の長辺とを所定の間隔を設けて略平行に配置することで、第１電極１１１、第２電極１１２はキャパシタを形成している。第１共振コイル１１３、第２共振コイル１１４は、それぞれの一端が第１電極１１１、第２電極１１２の端部にそれぞれ接続されている。これらの二つの送電用電極１１１、１１２と２つの共振コイル１１３、１１４が共振回路（送電用ＬＣ共振回路）を形成している。送電用ＬＣ共振回路の共振周波数は、給電される交流電力の周波数と略一致するように設計されている。

同様に受電用カップラ１２０も、２つの受電用電極１２１、１２２（第３電極と第４電極）と２つの共振コイル（第３共振コイルと第４共振コイル）１２３、１２４とを備える。受電用電極１２１、１２２は矩形状の平板電極であるが、これに限定されない。例えば、後述するように容量確保等の目的で２層以上の複数層から構成されていても良い。第３電極１２１と第４電極１２２の対向する２つの長辺を所定の間隔を設けて略平行に配置することで、第３電極１２１、第４電極１２２はキャパシタを形成している。そして、第３共振コイル１２３、第４共振コイル１２４のそれぞれの一端が第３電極１２１、第４電極１２２の端部にそれぞれ接続されて共振回路（受電用ＬＣ共振回路）を形成している。受電用ＬＣ共振回路の共振周波数は、受電する交流電力の周波数と略一致するように設計されている。すなわち、受電用ＬＣ共振回路の共振周波数は、上記した送電用ＬＣ共振回路の共振周波数と略一致する。

電界共鳴型カップラ１００は、送電用電極１１１、１１２と、受電用電極１２１、１２２とを対向配置することによって、送電用ＬＣ共振回路と受電用ＬＣ共振回路との間で電界共鳴させる。すなわち、送電用電極１１１と１１２、受電用電極１２１と１２２とをそれぞれ所定の間隔を設けて対向配置させ、送電用ＬＣ共振回路に所定周波数の交流電力を供給すると、送電用電極１１１、１１２と受電用電極１２１、１２２との間で電界共鳴が生じて、送電用カップラ１１０から受電用カップラ１２０に電力が供給される。

また、送電用ＬＣ共振回路、受電用ＬＣ共振回路はそれぞれ、外部への不要放射波をシールドする効果のある送電（一次）側シールドケース１１５、受電（二次）側シールドケース１２５内に収納されている。これらのシールドケース１１５（１２５）は、一部が開放されており、この開放部に電極１１１（１２１）、１１２（１２２）が配置され、開放部を介して、送電用カップラ１１０の電極１１１（１１２）と、受電用カップラ１２０の電極１２１（１２２）が電界共鳴する。送電用カップラ１１０と受電用カップラ１２０は、開放部及び電極が対向するように所定の間隔をおいて配置される。

第１、第２給電ケーブル１１、２１は、それぞれケーブル内部に電力伝送路となる平行２線が貫通しており、平行２線をそれぞれ囲うようにケーブル周縁に外導体を敷設している。本実施形態において、第1給電ケーブル１１の外導体は送電側シールドケース１１５及び接地電位（ＧＮＤ）と導通している。

このような構成において、平行２線を通じて送電用カップラ１１０の第１電極１１１、第２電極１１２に負、正の等量の電位（−１０００Ｖ、＋１０００Ｖ）を印加した状態を考える。図２（Ａ）のように回転ずれが生じていない場合、負電位側（第１電極１１１と第３電極１２１間）と正電位側（第２電極１１２と第４電極１２２間）の電極間距離は略同一のため、負電位側のの電極間容量と、正電位側の電極間容量は略同一となる。このため、送電用カップラ１１０、受電用カップラ１２０の周りの電位分布は、図の点線で示すように負電位側と正電位側で対称となる。これにより、送電側シールドケース１１５への影響は双方で打ち消し合うため、送電側シールドケース１１５の電位は零電位となる。従って、送電側シールドケース１１５とＧＮＤを接続する第１給電ケーブル１１の外導体に、電流は流れない。

一方、図２（Ｂ）のように回転ずれが生じている場合、負電位側と正電位側の電極間距離は異なるため、負電位側の電極間容量と、正電位側の電極間容量は相違する。このため、送電用カップラ１１０、受電用カップラ１２０の周りの電位分布は、図の点線で示すように負電位側と正電位側で非対称となる。これにより、送電側シールドケース１１５への影響は双方でアンバランスな状況となって打ち消し合わなくなるため、送電側シールドケース１１５は、一定の値の電位をもつようになる。従って、送電側シールドケース１１５とＧＮＤを接続する第１給電ケーブル１１の外導体には、コモンモード電流Ｉｃが流れてしまう。なお、第２給電ケーブル２１は、接続された負荷２３が通常ＧＮＤ電位ではないため、コモンモード電流は流れない。

すなわち、回転ずれが生じると、負電位側の電極間容量と、正電位側の電極間容量は相違が生じて、送電側シールドケース１１５の電位が零電位でなくなるため、送電側シールドケース１１５とＧＮＤを接続する第１給電ケーブル１１の外導体にコモンモード電流Ｉｃが流れてしまう。従って、コモンモード電流Ｉｃを抑制するには、送電側シールドケース１１５の電位を調整すれば良いと言える。

また、例えば、回転ずれがない場合であっても、何らかの理由で負電位側の電極間容量と、正電位側の電極間容量に相違が生じたり、あらかじめこの相違が生じるように電界共鳴型カップラが製造された場合等にも、送電側シールドケース１１５の電位を調整すればコモンモード電流Ｉｃを抑制できる。

次に、図３〜４を用いて、本発明の一実施形態に係る電界共鳴型カップラ１００について、送電用電極１１１、１１２と受電用電極１２１、１２２がそれぞれ補助電極を備えた実施例を説明する。図３に示すように、電界共鳴型カップラ１００の電極１１１、１１２、１２１、１２２は容量を確保するため、それぞれと導通する補助電極を備える。
なお、以降の説明（図３以降の図を含む）においては、コモンモード電流Ｉｃを抑制する目的で電位分布を中心に説明するため、共振コイル１１３、１１４、１２３、１２４は簡略化のため省略する。

送電用電極１１１（１１２）は、支柱１１１ｃ（１１２ｃ）を介して、補助電極１１１ｂ（１１２ｂ）と導通する。図示するように、受電用電極１２１、１２２も同様に、それぞれ補助電極１２１ｂ、１２２ｂと導通する。

図４は、図３の電界共鳴型カップラ１００の側面図であり、電界共鳴型カップラ１００の電極、及びシールドケースを模式的に示した図である。図４（Ａ）は回転ずれが生じていない場合、（Ｂ）は回転ずれが生じている場合を示す。図４（Ａ）の場合、送電用カップラ１１０と受電用カップラ１２０は８０ｍｍの間隔をあけて略平行に対向しており、送電用電極１１１、１２１も、受電用電極１２１、１２２に対して略平行である。図４（Ｂ）の場合、受電用カップラ１２０は、送電用カップラ１１０に対して回転角φだけ相対的に回転しており、受電用電極１２１、１２２も、送電用電極１１１、１２１に対して、それぞれ回転角φだけ相対的に回転している。

ここで、回転角φは、各カップラからの距離が等しく（図４では各カップラからの距離が４０ｍｍ）、正電位側と負電位側の中央となる回転軸に対して定義される。回転角φが０°である場合は図４（Ａ）の回転ずれがない場合となり、０°でない場合は図４（Ｂ）の回転ずれがある場合となる。

図５は、このように定義された受電用カップラ１２０（受電用電極１２１、１２２）の回転角φに対して、送電（１次）側シールドケース１１５、及び受電（２次）側シールドケース１２５の電位変化を示すグラフ（電磁界シミュレーション結果）である。
なお、同シミュレーションにおける主要パラメーターは以下の通りである。
・送受電カップラ間距離 ８０ｍｍ
・第１電極１１１、第２電極１１２、第３電極１２１、第４電極１２２
形状：平板
電極間距離＝１５ｍｍ、長手方向の長さ＝４６０ｍｍ、幅＝２２２．５ｍｍ
補助電極：電極間距離＝１５２ｍｍ、長手方向の長さ＝４６０ｍｍ、幅１５４ｍｍ
補助電極との距離：６３ｍｍ
・シールドケース１１５、１２５
外形寸法＝４８０ｍｍ×４８０ｍｍ×８０ｍｍ
・第１電極１１１に−１０００Ｖ、第２電極１１２に＋１０００Ｖを印加
・共振コイル１１３、１１４、１２３、１２４
昇圧のみに寄与しているとして計算対象から除去
・第２給電ケーブル２１
負荷２３がＧＮＤ電位でないためコモンモード電流は流れないと仮定

図５のシミュレーション結果より、回転角φが正方向に大きくなり、負電位側の電極１１１、１２１間の結合が強まって、この電極間容量が大きくなると、送電側シールドケース１１５、及び受電側シールドケース１２５の電位は共に負電位に増大することが分かる。逆に、回転角φが負方向に大きくなり、正電位側の電極１２１、１２２間容量が大きくなると、送電側シールドケース１１５、及び受電側シールドケース１２５の電位は共に正電位に増大することが分かる。送電側シールドケース１１５の電位は、回転角φが±１０°付近から急激に増大し、回転角φが＋１８°、−１８°でそれぞれ−４Ｖ、＋４Ｖ程度となる。

同シミュレーションにおいては、図３〜４に示したように受電用電極１２１、１２２は離間しているが、上記と同じシミュレーション条件で、近接するこれらの間を導体で接続してショートした場合にも、同様の傾向の結果が得られる（図６）。送電側シールドケース１１５の電位は、回転角φが＋１８°、−１８°でそれぞれ−６Ｖ、＋６Ｖ程度である。

図５及び図６のいずれの場合においても、回転角φの絶対値が大きくなると、送電側シールドケース１１５の電位が零電位でなくなり、回転角の絶対値がある値以上に大きくなると、送電側シールドケース１１５の電位は急激に零電位から外れることが分かる。上記したように、送電側シールドケース１１５の電位が零電位でなくなると、コモンモード電流Ｉｃが流れるため、送電側シールドケース１１５の電位が大きいほど、コモンモード電流Ｉｃが大きくなる。

次に、図７を参照し、送電側シールドケース１１５の電位を零電位に調整する方法を説明する。図７は、送電用電極１１１、１１２の補助電極１１１ｂ、１１２ｂ、及び、受電用電極１２１、電極１２２の補助電極１２１ｂ、１２２ｂの位置を送電側シールドケース１１５に対してオフセットした場合を示す。

まず、図７のように、第１電極１１１の補助電極（第１補助電極）１１１ｂをOff-zだけ送電側シールドケース１１５から遠ざけ、逆に、第２電極１１２の補助電極（第２補助電極）１１２ｂをOff-zだけ送電側シールドケース１１５から近づける場合を考える。また、第３電極１２１の補助電極（第３補助電極）１２１ｂをOff-zだけ受電側シールドケース１２５から遠ざけ、逆に、第４電極１２２の補助電極（第４補助電極）１２２ｂをOff-zだけ受電側シールドケース１２５に近づける場合を考える。すなわち、負電位側の補助電極１１１ｂ、１２１ｂと、正電位側の補助電極１１２ｂ、１２２ｂを互い違いに送電側シールドケース１１５に対して電極間方向にオフセットする。

ここで、オフセット量Off-zは、負電位側の電極がシールドケースから遠ざかり、正電位側の電極がシールドケースに近づくように互い違いにオフセットする時をプラス（＋）、逆に負電位側の電極がシールドケースに近づき、正電位側の電極がシールドケースから遠ざかるように互い違いにオフセットする時をマイナス（−）と定義する。図７の場合は（＋）の場合を示している。電極の位置は、例えば、支柱１１１ｃ、１１２ｃ、１２１ｃ、１２２ｃの長さを調整する手段を設けることにより実現できる。

図８は、図７のようにオフセット調整した場合の電極とシールドケース間の容量変化を示す図である。白抜き丸印は、第１電極１１１（負電位側電極）と送電側シールドケース１１５間の容量（第１容量）変化、及び、第３電極１２１（負電位側電極）と受電側シールドケース１２５間の容量（第３容量）変化を示す。一方、黒丸印は、第２電極１１２（正電位側電極）と送電側シールドケース１１５間の容量（第２容量）変化、及び、第４電極１２２（正電位側電極）と受電側シールドケース１２５間の容量（第４容量）変化を示す。

図８において、オフセット量Off-zがプラス方向に増大すると、図７に示すように負電位側の補助電極１１１ｂは送電側シールドケース１１５から遠ざかるため、第１容量は減少する。逆に正電位側の補助電極１１２ｂは、送電側シールドケース１１５に近づくため、第２容量は増大する。逆に、オフセット量Off-zがマイナス方向に増大すると、負電位側の補助電極１１１ｂは送電側シールドケース１１５に近づくため、第１容量は増大する。正電位側の補助電極１１２ｂは、送電側シールドケース１１５から遠ざかるため、第２容量は減少する。受電側についても、同様の容量変化が生じる。

このようにオフセット調整により電極とシールドケース間の容量を変化することができるため、これによって電位分布を変化させ、送電側シールドケース１１５の電位を零電位にすることができる。

図９は、図４において回転角φ＝−１８°の場合に、オフセット調整により、送電側シールドケース１１５の電位を零電位に調整した結果（シミュレーション結果）を示す。オフセット調整なし（Off-z＝０）の場合には、送電側シールドケース１１５の電位が＋４Ｖであるのに対し、Off-z＝−０．１ｍｍの調整後には、同電圧が零電位になっていることがわかる。

なお、図７〜９においては、送電側と受電側の両方の補助電極（計４枚）の位置をオフセット調整する例を示したが、送電側、又は受電側の少なくとも一方の補助電極の位置をオフセット調整すれば、送電側シールドケース１１５を零電位にするように電位分布を変化させることができる。

以上説明したように、送電用カップラ１１０に対し受電用カップラ１２０が相対回転し、送電側シールドケース１１５の電位が変化しても、電極とシールドケース間容量を変化させることで、送電側シールドケース１１５の電位を零電位に調整することができ、結果として送電側シールドケース１１５に接続された第１給電ケーブル１１に流れるコモンモード電流Ｉｃを抑圧できる。

このため、上記した電極のオフセット調整に限らず、電極とシールドケース間容量を変化させれば、送電側シールドケース１１５の電位を零電位とすることができると言える。例えば、図７の電極オフセット調整では電極を上下方向に互い違いにオフセットしたが、電極を左右方向に互い違いに電極の面内方向にスライドしても、電極とシールドケースの側面との距離を変化させ、電極とシールドケース間の容量を変化させることができる。また、電極とシールドケース間に可変コンデンサを設けることによっても、電極とシールドケース間容量を変化させることができる。
また、電極とシールドケース間の容量を変化することができれば、必ずしも補助電極によって調整する場合に限られず、第１電極１１１、第２電極１１２、第３電極１２１、第４電極１２２そのものとシールドケース間容量を変化させても良い。

次に、図１０〜１３を参照し、電極とシールドケース間に可変コンデンサを設けた実施形態について説明する。可変コンデンサによる調整は、金属支柱や電極等の可動部を設ける必要がないため、自動化しやすい利点がある。
なお、以下においては、送電用カップラに可変コンデンサを設けた実施形態を説明するが、受電用カップラに同様の構成を設けても良い。送電側シールドケース１１５を零電位にするように電位分布を変化することができれば、送電側、又は受電側の少なくとも一方において、電極とシールドケース間に可変コンデンサを設ければよい。

（第１実施形態）
図１０に、本発明の第１実施形態に係る電界共鳴型カップラの送電用カップラ２１０を示す。送電用カップラ２１０は、補助電極１１１ｂとシールドケース１１５間、補助電極１１２ｂとシールドケース１１５間にそれぞれ可変コンデンサ３０を備える。可変コンデンサ３０は送電側シールドケース１１５の外部に設置されており、接続端子３１は送電側シールドケース１１５と補助電極１１１ｂ、１１２ｂをそれぞれ接続している。可変コンデンサ３０は、嵌合部３５を介してモーター４０に接続されており、モーター４０が回転すると、嵌合部３５を介して可変コンデンサ３０の回転量を規定するつまみが回転し、可変コンデンサ３０の容量が変化する。

モーター４０は、モーター駆動用ケーブル４５を介して制御部５０と接続されており、制御部５０は動作用電源５５と接続されている。また、第１給電ケーブル１１には、コモンモード電流Ｉｃを測定するための検出部６０が接続されている。検出部６０で測定したコモンモード電流Ｉｃの測定値は制御部５０に入力され、その測定値によって制御部５０はモーター４０の回転量を制御し、上記したように可変コンデンサ３０の容量を調整する。すなわち、本実施形態は、コモンモード電流Ｉｃの測定値によって、可変コンデンサ３０の容量をフィードバック制御で調整する容量調整手段を有する。

（第２実施形態）
図１１に、本発明の第２実施形態に係る電界共鳴型カップラの送電用カップラ３１０を示す。送電用カップラ３１０は、第１実施形態と比較して、コモンモード電流Ｉｃを測定する検出部６０を備えておらず、代わりに、受電側カップラ（受電用電極）の位置（回転ずれ）を測定する位置センサ７０を備える。位置センサ７０の種類は特に限定されず、例えば、レーザー光や超音波を用いたものなどを利用できる。

位置センサ７０の測定値は、位置センサ用ケーブル７１を介してデータ処理部７５に出力され、データ処理部７５の出力値が制御部５０に入力される。制御部５０はデータ処理部７５からの入力値によってモーター４０の回転量を制御し、可変コンデンサ３０の容量を調整する。すなわち、本実施形態においては、受電側カップラ（受電用電極）の位置（回転ずれ）の測定値によって、可変コンデンサ３０の容量をフィードバック制御で調整する容量調整手段を有する。

（第３実施形態）
図１２に、本発明の第３実施形態に係る電界共鳴型カップラの送電用カップラ４１０を示す。送電用カップラ４１０は、第１実施形態と比較して、補助電極１１１ｂ、１１２ｂと送電側シールドケース１１５との間ではなく、電極１１１、１１２と送電側シールドケース１１５間にそれぞれ可変コンデンサ３０を備える点が異なる。可変コンデンサ３０は送電側シールドケース１１５の外部に設置されており、接続端子３３は送電側シールドケース１１５と電極１１１、１１２をそれぞれ接続している。

第１実施形態と同様に、可変コンデンサ３０は、嵌合部３５を介してモーター４０に接続されており、モーター４０が回転すると、嵌合部を介して可変コンデンサ３０の回転量を規定するつまみが回転し、可変コンデンサ３０の容量が変化する。すなわち、本実施形態は、第１実施形態と同様に、コモンモード電流Ｉｃの測定値によって、可変コンデンサ３０の容量をフィードバック制御する容量調整手段を有する。

（第４実施形態）
図１３に、本発明の第４実施形態に係る電界共鳴型カップラの送電用カップラ５１０を示す。送電用カップラ５１０は、第２実施形態と比較して、補助電極１１１ｂ、１１２ｂと送電側シールドケース１１５との間ではなく、電極１１１、１１２と送電側シールドケース１１５間にそれぞれ可変コンデンサ３０を備える点が異なる。可変コンデンサ３０は送電側シールドケース１１５の外部に設置されており、接続端子３３は送電側シールドケース１１５と電極１１１、１１２をそれぞれ接続している。

また、本実施形態は、第２実施形態と同様に位置センサ７０を備え、この測定値によって、可変コンデンサ３０の容量をフィードバック制御する容量調整手段を有する。

本発明に係る電界共鳴型カップラによれば、正電位側電極とシールドケース間容量、負電位側電極とシールドケース間容量を変化させ、送電側シールドケース１１５の電位を零電位に調整する調整手段を備えることによって、回転ずれによるコモンモード電流を抑制できる。この調整手段の実施形態として、例えば、上記した電極のオフセット調整、スライド調整、可変コンデンサの配設が挙げられる。

このように正電位側電極とシールドケース間容量、負電位側電極とシールドケース間容量を変化させると、その変化量によって、電界共鳴に使用するＬＣ（基本）共振周波数も若干変化する。このため、電界共鳴の基本周波数の微調整が必要な場合には、上記した本実施形態によって、コモンモード電流の抑制と基本共振周波数の微調整の双方を同時に実現することも可能である。その場合、電界共鳴型カップラは、共振周波数の検出手段をさらに有し、送電側カップラ、受電側カップラの両方に上記した調整手段を含むことが好ましい。

なお、本実施の形態における電界共鳴型カップラの細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であり、上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、送電用ＬＣ共振回路、受電用ＬＣ共振回路には、通常共振回路として使用される種々様々な回路を適用することができる。また例えば、第１、第３実施形態における動作用電源５５は第１給電ケーブルに接続される交流電源１０から流量しても良く、第２、第４実施形態におけるデータ処理部７５と制御部５０はＩＣ等で一体的に設けられていても良い。
また、給電ケーブルについては平行２線ケーブルに限るものでは無く、同軸ケーブルを適用しても良い。例えば図２（Ａ）の給電ケーブル１１、２１を同軸ケーブルに変更しても良い。その場合、送電側、受電側それぞれ同軸ケーブル１１、２１の中心導体を正電位側電極に、外導体を振電位側電極に接続すれば、給電ケーブルを平行２線ケーブルとした場合と同様の結果を得ることができる。但し、同軸ケーブルは不平衡ケーブルであるため、同軸ケーブルを適用した場合はカップラ周りの電位分布が非対称となり易い。従って１次側シールドケースの基準電位を零電位に設定する場合、平行２線ケーブルを適用することが好ましい。

１１ 第１給電ケーブル
２１ 第２給電ケーブル
３０ 可変コンデンサ
７０ 位置センサ
１００ 電界共鳴型カップラ
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０ 送電用カップラ
１２０ 受電用カップラ
１１１、１１２ 送電用電極（第１電極、第２電極）
１２１、１２２ 受電用電極（第３電極、第４電極）
１１１ｂ、１１２ｂ、１２１ｂ、１２２ｂ 補助電極（第１補助電極、第２補助電極、第３補助電極、第４補助電極）
１１１ｃ、１１２ｃ、１２１ｃ、１２２ｃ 支柱
１１３、１１４、１２３、１２４ 共振コイル
１１５ 送電側シールドケース
１２５ 受電側シールドケース

Claims (15)

1. 送電用ＬＣ共振回路と受電用ＬＣ共振回路とが電界共鳴することによって、送電用カップラから受電用カップラにワイヤレスで電力伝送する電界共鳴型カップラであって、
   前記送電用ＬＣ共振回路と前記受電用ＬＣ共振回路とをそれぞれ収容するように構成された送電側および受電側シールドケースを備え、
   前記送電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第１電極及び第２電極を具備し、
   前記受電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第３電極及び第４電極を具備し、
   前記第１電極および前記第２電極が前記第３電極および前記第４電極にそれぞれ対向配置されることで、前記送電用カップラから前記受電用カップラに電力が伝送され、
   前記送電側シールドケースの電位が接地電位となる様に調整する調整手段を有する
   ことを特徴とする電界共鳴型カップラ。
2. 前記送電用カップラは、
   前記第１電極と導通されるとともに、前記第１電極に対向して配される第１補助電極と、
   前記第２電極と導通されるとともに、前記第２電極に対向して配される第２補助電極と、
   を有し、
   前記受電用カップラは、
   前記第３電極と導通されるとともに、前記第３電極に対向して配される第３補助電極と、
   前記第４電極と導通されるとともに、前記第４電極に対向して配される第４補助電極と、
   を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電界共鳴型カップラ。
3. 前記調整手段は、前記第１電極と前記送電側シールドケース間の第１容量、及び前記第２電極と前記送電側シールドケース間の第２容量の少なくとも一方を変化させる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電界共鳴型カップラ。
4. 前記調整手段は、前記第３電極と前記受電側シールドケース間の第３容量、及び前記第４電極と前記受電側シールドケース間の第４容量の少なくとも一方を変化させる
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電界共鳴型カップラ。
5. 前記送電用ＬＣ共振回路と前記受電用ＬＣ共振回路とが電界共鳴する共振周波数の検出手段をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電界共鳴型カップラ。
6. 前記調整手段は、前記第１補助電極、及び前記第２補助電極を、前記送電側シールドケースに対して電極間方向にオフセットする量を調整する
   ことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の電界共鳴型カップラ。
7. 前記調整手段は、前記第３補助電極、及び前記第４補助電極を、前記受電側シールドケースに対して電極間方向にオフセットする量を調整する
   ことを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の電界共鳴型カップラ。
8. 前記調整手段は、前記第１補助電極、及び前記第２補助電極を、電極の面内方向に移動させる
   ことを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載の電界共鳴型カップラ。
9. 前記調整手段は、前記第３補助電極、及び前記第４補助電極を、電極の面内方向に移動させる
   ことを特徴とする請求項２乃至８のいずれか１項に記載の電界共鳴型カップラ。
10. 前記第１容量及び前記第２容量は可変コンデンサを含み、
    前記第３容量及び前記第４容量は可変コンデンサを含む
    ことを特徴とする請求項２乃至９のいずれか１項に記載の電界共鳴型カップラ。
11. 前記送電用カップラに交流電力を伝送する給電ケーブルの外導体に流れる電流を検出する検出手段をさらに有し、
    前記電流の検出結果に基づいて、前記可変コンデンサの容量を調整する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電界共鳴型カップラ。
12. 前記送電用カップラと前記送電用カップラとの間の距離を検出する位置センサをさらに有し、
    前記位置センサで検出された距離に基づいて、前記可変コンデンサの容量を調整する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電界共鳴型カップラ。
13. 送電用ＬＣ共振回路と受電用ＬＣ共振回路とが電界共鳴することによって、送電用カップラから受電用カップラにワイヤレスで電力伝送する電界共鳴型カップラであって、
    前記送電用ＬＣ共振回路と前記受電用ＬＣ共振回路とをそれぞれ収容するように構成された送電側および受電側シールドケースを備え、
    前記送電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第１電極及び第２電極を具備し、
    前記受電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第３電極及び第４電極、を具備し、
    前記第１電極および前記第２電極が前記第３電極および前記第４電極にそれぞれ対向配置されることで、前記送電用カップラから前記受電用カップラに電力が伝送され、
    前記第１電極と前記第３電極間の容量と、前記第２電極と前記第４電極間の容量とが異なる
    ことを特徴とする電界共鳴型カップラ。
14. 電界共鳴型カップラの回転ずれの調整方法であって、
    前記電界共鳴型カップラは、送電用ＬＣ共振回路と受電用ＬＣ共振回路とをそれぞれ収容するように構成された送電側および受電側シールドケースを備え、
    前記送電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第１電極及び第２電極を具備し、
    前記受電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第３電極及び第４電極、を具備し、
    前記第１および前記第２電極が前記第３電極および前記第４電極にそれぞれ対向配置され電界共鳴することで、送電用カップラから受電用カップラに電力が伝送される電界共鳴型カップラであり、
    前記第１電極と前記第３電極間距離、及び前記第２電極と前記第４電極間距離を検出する検出ステップ、並びに、
    前記距離の検出結果に基づいて、前記第１電極と前記送電側シールドケース間の第１容量、及び前記第２電極と前記送電側シールドケース間の第２容量を変化させる調整ステップ、又は、
    前記第３電極と前記受電側シールドケース間の第３容量、及び前記第４電極と前記受電側シールドケース間の第４容量を変化させる調整ステップの少なくとも一方を行う
    ことを特徴とする電界共鳴型カップラの回転ずれの調整方法。
15. 電界共鳴型カップラの回転ずれの調整方法であって、
    前記電界共鳴型カップラは、送電用ＬＣ共振回路と受電用ＬＣ共振回路とをそれぞれ収容するように構成された送電側および受電側シールドケースを備え、
    前記送電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第１電極及び第２電極を具備し、
    前記受電用ＬＣ共振回路は、所定の間隔を隔てて配置された第３電極及び第４電極を具備し、
    前記第１および前記第２電極が前記第３電極および前記第４電極にそれぞれ対向配置され電界共鳴することで、送電用カップラから受電用カップラに電力が伝送される電界共鳴型カップラであり、
    前記送電用カップラに交流電力を伝送する給電ケーブルの外導体に流れる電流を検出する検出ステップ、並びに、
    前記電流の検出結果に基づいて、前記第１電極と前記送電側シールドケース間の第１容量、及び前記第２電極と前記送電側シールドケース間の第２容量を変化させる調整ステップ、又は、
    前記第３電極と前記受電側シールドケース間の第３容量、及び前記第４電極と前記受電側シールドケース間の第４容量を変化させる調整ステップの少なくとも一方を行う
    ことを特徴とする電界共鳴型カップラの回転ずれの調整方法。