JP5742955B2 - 電力伝送システム及び送電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、物理的に接続することなく電力を伝送する電力伝送システム及び送電装置に関する。
近年、非接触で電力を伝送する電子機器が多々開発されている。電子機器において非接触で電力を伝送するためには、電力の送電ユニットと、電力の受電ユニットとの双方にコイルモジュールを設けた磁界結合方式の電力伝送システムが採用されることが多い。
しかし、磁界結合方式では、各コイルモジュールを通過する磁束の大きさが起電力に大きく影響され、電力を高い効率で伝送するためには、送電ユニット側(一次側)のコイルモジュールと受電ユニット側(二次側)のコイルモジュールとのコイル平面方向の相対位置の制御に高い精度が要求される。また、結合電極としてコイルモジュールを用いているので、送電ユニット及び受電ユニットの小型化が難しくなる。さらに、電子機器等では、コイルの発熱による蓄電池への影響を考慮する必要があり、これが配置設計上のボトルネックになるおそれがあるという問題もあった。
そこで、静電界を用いた電力伝送システムが多々開発されている。例えば特許文献1では、送電装置側の能動電極と受電装置側の能動電極との間で強い電場を形成して、電力を伝送する装置が開示されている。図9は、従来の電場を形成して電力を伝送する電力伝送システムの構成を示す模式図である。
図9に示すように、送電装置1の能動電極11aと受動電極11pとの間に電圧発生回路12を設け、受電装置2の能動電極21aと受動電極21pとの間に負荷回路22を設けてある。送電装置1の能動電極11aと受電装置2の能動電極21aとの間に静電界6が形成され、静電界6を介して電力が伝送される。静電界を用いているので、能動電極11a、21aの平面方向の相対位置を高い精度で制御する必要がなく、結合電極の形状設計の自由度が高い。
また、図10は、従来の電力伝送システムの等価回路図である。図10に示すように、従来の電力伝送システムの送電装置1は、少なくとも電圧発生回路12及び昇圧トランス13を有する送電モジュール10と、結合電極11とを備えている。図10の等価回路では、電圧発生回路12で発生した10kHz〜10MHzの周波数の交流電圧が昇圧トランス13により昇圧され、能動電極(第一の能動電極)11aが高電圧となり、受動電極(第一の受動電極)11pが低電圧となる。
受電装置2は、少なくとも降圧トランス23を有する受電モジュール20と、結合電極21とを備えている。図10の等価回路では、容量CGは、送電装置1の能動電極11aと受動電極11pとの間の容量である。容量CLは、受電装置2の能動電極(第二の能動電極)21aと受動電極(第二の受動電極)21pとの間の容量である。容量CMは送電装置1の能動電極11aと受電装置2の能動電極21aとの間の容量に相当する。なお、図10では、共振回路も含めて記載しているが、電力伝送の安定度を高めるためであり、必ずしも共振回路は必要ではない。
特表2009−531009号公報 特開平06−150079号公報
図9に示す電力伝送システムでは、送電装置1の受動電極11pと受電装置2の受動電極21pとが離れており、受動電極11p、21p同士の結合容量を大きくして安定した電力伝送を行うことができるように、送電装置1の受動電極11p及び受電装置2の受動電極21pのサイズ(面積)を大きくしてある。充電可能面積を広げる場合、あるいは複数の受電装置2を同時に充電できるよう送電装置1の能動電極11aのサイズを大きくした場合、受動電極11p、21pのサイズをさらに大きくする必要が生じる。しかし、受動電極11p、21pのサイズを大きくするにも限度があり、送電装置1の能動電極11aの干渉により受動電極11p、21p間の容量結合が阻害されるおそれがあるという問題点があった。
そのため、例えば特許文献2に開示してある非接触型ICメモリカードシステムでは、受電装置2を送電装置1に装着した場合、送電装置1の能動電極11a、受電装置2の能動電極21a、受電装置2の受動電極21p、送電装置1の受動電極11pという順に配置される。しかし、特許文献2では、カード状の受電装置2に対してしか適用することができず、受電装置2の形状を制限してしまうという問題点があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、受動電極間の結合容量を大きくすることにより電力伝送効率を高め、周囲への不要な電界の漏えいを防止することができる電力伝送システム及び送電装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明に係る電力伝送システムは、第一の受動電極、該第一の受動電極より高電位である第一の能動電極、及び前記第一の受動電極と前記第一の能動電極との間に接続された電圧発生回路を備える送電装置と、第二の受動電極、及び該第二の受動電極より高電位である第二の能動電極を備え、前記送電装置に装着することが可能な受電装置とを備える電力伝送システムであって、前記受電装置を前記送電装置に装着した場合、前記送電装置の前記第一の能動電極、前記受電装置の前記第二の能動電極、及び前記受電装置の前記第二の受動電極を、少なくとも二方向の面から覆うように、前記送電装置の前記第一の受動電極を配置してあることを特徴とする。
上記構成では、受電装置を送電装置に装着した場合、送電装置の第一の能動電極、受電装置の第二の能動電極、及び受電装置の第二の受動電極を、少なくとも二方向の面から覆うように、送電装置の第一の受動電極を配置することにより、第一の受動電極のサイズを大きくすることができるので、第一の受動電極と第二の受動電極との間の結合容量を大きくすることができ、電力の伝送効率を高めることが可能となる。また、周囲への不要な電界の漏えいを防止することが可能となる。
また、本発明に係る電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、前記受電装置を載置する台座部と、前記受電装置を前記台座部に載置した状態で収容する筺体とを備え、前記受電装置の前記台座部に載置する面に前記第二の能動電極を設けてあり、前記筺体の内面の一部又は全てに前記第一の受動電極を設けてあることが好ましい。
上記構成では、受電装置の台座部に載置する面に第二の能動電極を設けてあり、筺体の内面の一部又は全てに第一の受動電極を設けてあるので、第一の受動電極のサイズを大きくすることができ、第一の受動電極と第二の受動電極との間の結合容量を大きくすることができ、電力の伝送効率を高めることが可能となる。また、周囲への不要な電界の漏えいを防止することが可能となる。さらに、受電装置が筺体に収容された時点で電力の伝送を開始するようにすることで、受電装置を台座部へ安全に載置することが可能となる。
また、本発明に係る電力伝送システムにおいて、前記筺体の一部又は全てが透明な材質で構成されていることが好ましい。
上記構成では、筺体の一部又は全てが透明な材質で構成されているので、受電装置が載置されているか否か、充電の進捗度合い等を外部から視認することが可能となる。
また、本発明に係る電力伝送システムにおいて、はたき状の第三の受動電極及び/又は帯状の第四の受動電極を、前記送電装置の前記第一の受動電極に接続して設けてあることが好ましい。
上記構成では、はたき状の第三の受動電極及び/又は帯状の第四の受動電極を、送電装置の第一の受動電極に接続して設けてあるので、第三の受動電極及び/又は第四の受動電極を第二の受動電極に近接するよう配置することで、送電装置の第一の受動電極と受電装置の第二の受動電極とを接近させたのと同様となり、第一の受動電極と第二の受動電極との間の結合容量を大きくすることができ、電力の伝送効率を高めることが可能となる。
次に、上記目的を達成するために本発明に係る送電装置は、第二の受動電極、及び該第二の受動電極より高電位である第二の能動電極を備える受電装置との間で容量結合し、該受電装置へ電力を伝送する送電装置であって、第一の受動電極、該第一の受動電極より高電位である第一の能動電極、及び前記第一の受動電極と前記第一の能動電極との間に接続された電圧発生回路とを備え、前記受電装置が装着された場合、前記第一の能動電極、前記受電装置の前記第二の能動電極、及び前記受電装置の前記第二の受動電極を、少なくとも二方向の面から覆うように、前記第一の受動電極を配置してあることを特徴とする。
上記構成では、受電装置が装着された場合、第一の能動電極、受電装置の第二の能動電極、及び受電装置の第二の受動電極を、少なくとも二方向の面から覆うように、第一の受動電極を配置することにより、第一の受動電極のサイズを大きくすることができるので、第一の受動電極と第二の受動電極との間の結合容量を大きくすることができ、電力の伝送効率を高めることが可能となる。また、受電装置がどのような形状であっても確実に電力を伝送することができるとともに、周囲への不要な電界の漏えいを防止することが可能となる。
本発明に係る電力伝送システム及び送電装置では、受電装置を送電装置に装着した場合、送電装置の第一の能動電極、受電装置の第二の能動電極、及び受電装置の第二の受動電極を、少なくとも二方向の面から覆うように、送電装置の第一の受動電極を配置することにより、第一の受動電極のサイズを大きくすることができるので、第一の受動電極と第二の受動電極との間の結合容量を大きくすることができ、電力の伝送効率を高めることが可能となる。また、周囲への不要な電界の漏えいを防止することが可能となる。
本発明の実施の形態1に係る電力伝送システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態1に係る電力伝送システムの、送電装置に受電装置を載置する台座部を設けた場合の構成を模式的に示す透過斜視図である。 本発明の実施の形態2に係る電力伝送システムの構成を模式的に示す透過斜視図である。 本発明の実施の形態2に係る電力伝送システムの、筺体が蓋部を有する場合の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態2に係る電力伝送システムの他の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態3に係る電力伝送システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態3に係る電力伝送システムの、帯状の第四の受動電極を併用した場合の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態3に係る電力伝送システムの、受電装置の形状が円柱状である場合の構成を示す模式図である。 従来の電場を形成して電力を伝送する電力伝送システムの構成を示す模式図である。 従来の電力伝送システムの等価回路図である。
以下、本発明の実施の形態における電力伝送システムについて、図面を用いて具体的に説明する。以下の実施の形態は、請求の範囲に記載された発明を限定するものではなく、実施の形態の中で説明されている特徴的事項の組み合わせの全てが解決手段の必須事項であるとは限らないことは言うまでもない。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る電力伝送システムの等価回路図は、従来の構成と同様であることから、図10と同一の符号を付することで詳細な説明は省略する。図1は、本発明の実施の形態1に係る電力伝送システムの構成を示す模式図である。
図1に示すように、本実施の形態1に係る電力伝送システムの受電装置2は、負荷回路22を挟んで、第二の能動電極21aと第二の受動電極21pとを備えている。受電装置2の第二の能動電極21aは、送電装置1の第一の能動電極11aと空隙を介して対向しており、電界18を形成して容量結合している。
受電装置2の第二の能動電極21aと送電装置1の第一の能動電極11aとの間の空隙の大きさは、能動電極11a、21aの表面に設けた絶縁膜の厚みの総和である。一方、送電装置1の第一の能動電極11aには第一の受動電極11pより大きな電荷密度が発生するので空隙の電界18は強くなる。
送電装置1の第一の受動電極11pは、受電装置2を収容する筺体25の内面全体に設けてある。したがって、受電装置2の第二の受動電極21pは、筺体25の内面全体に設けてある第一の受動電極11pの一部と相対的に大きな距離を隔てて対向するので、相対的に弱い電界19を形成して容量結合する。しかし、受電装置2の第二の受動電極21pのサイズを第二の能動電極21aのサイズより大きくするとともに、第一の受動電極11pのサイズを大きくすることができるので、第一の受動電極11pと第二の受動電極21pとの間の結合容量を大きくすることができる。したがって、電力の伝送効率を高めることが可能となる。
図2は、本発明の実施の形態1に係る電力伝送システムの、受電装置2を載置する台座部を設けた場合の構成を模式的に示す透過斜視図である。図2では、筺体25の下部に受電装置2を載置する台座部41を設けてある。台座部41の天面には、第一の能動電極11aを設けてあり、筺体25の天面及び底面には第一の受動電極11pが設けてある。図2では筺体25の天面及び底面の二面に第一の受動電極11pを設けてあるが、実際には他の四面にも第一の受動電極11pを設けることが好ましい。周囲への不要な電界の漏えいを防止することができるからである。
受電装置2は、第二の能動電極21aが台座部41の天面に設けてある第一の能動電極11aと対向するように、台座部41に載置する。これにより、第二の能動電極21aと第一の能動電極11aとが容量結合する。一方、受電装置2の第二の受動電極21pは、筺体25の天面に設けてある第一の受動電極電11pと容量結合する。
以上のように本実施の形態1によれば、受電装置2を送電装置1に装着した場合、送電装置1の第一の能動電極11a、受電装置2の第二の能動電極21a、及び受電装置2の第二の受動電極21pを覆うように、送電装置1の第一の受動電極11pを配置することにより、第一の受動電極11pのサイズを大きくすることができるので、第二の受動電極21pとの間の結合容量を大きくすることができ、電力の伝送効率を高めることが可能となる。また、周囲への不要な電界の漏えいを防止することも可能となる。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る電力伝送システムの基本的な構成は、実施の形態1と同様であることから、同一の符号を付することで詳細な説明は省略する。本実施の形態2は、送電装置1に複数の受電装置2を同時に装着して電力を伝送する点で実施の形態1とは相違する。
図3は、本発明の実施の形態2に係る電力伝送システムの構成を模式的に示す透過斜視図である。図3では、筺体25の下部に、受電装置2を載置する台座部41を設けてあり、台座部41の天面に第一の能動電極11aを設けてある。筺体25の天面及び底面には第一の受動電極11pが設けてある。図3では筺体25の天面及び底面の二面に第一の受動電極11pを設けてあるが、実際には他の四面にも第一の受動電極11pを設けることが好ましい。周囲への不要な電界の漏えいを防止することができるからである。
受電装置2は、台座部41のどこに載置しても良いし、複数の受電装置2を台座部41に載置しても良い。受電装置2は、第二の能動電極21aが台座部41の天面に設けてある第一の能動電極11aと対向するように台座部41に載置する。これにより、第二の能動電極21aと第一の能動電極11aとが容量結合する。一方、受電装置2の第二の受動電極21pは、筺体25の天面に設けてある第一の受動電極電11pと容量結合する。
筺体25を透明な材質で構成し、天面及び底面に設けてある第一の受動電極11pをITO(酸化インジウムスズ)等の透明電極で形成して、筺体25及び第一の受動電極11pを透明にすることで、筺体25の内部に載置した受電装置2、受電装置2に設けられた充電状態表示等を外部から視認することができる。その結果、受電装置2が載置されているか否か、載置されている受電装置2の種類は何か、充電はどの程度まで進んでいるか、等を外部から視認することができる。もちろん、全てを透明な材質で構成することに限定されるものではなく、一部が透明な材質であっても良い。
また、筺体25の一部を蓋、扉等で構成しても良い。図4は、本発明の実施の形態2に係る電力伝送システムの、筺体25が蓋部を有する場合の構成を示す模式図である。図4(a)は、筺体25が蓋部61を有する場合の構成を示す斜視図を、図4(b)は、筺体25が蓋部61を有する場合の構成を示す断面図を、それぞれ示している。
図4(a)に示すように、蝶番62を介して台座部41と蓋部61とが連結されて筺体25を構成している。台座部41に受電装置2を載置した場合、蓋部61を閉じることにより、電力を伝送する。
すなわち、図4(b)に示すように、受電装置2は、台座部41の天面側に設けてある第一の能動電極11aと第二の能動電極21aとが対向するように、台座部41に載置する。そして、蓋部61を蝶番62で回転させて台座部41へかぶせることで受電装置2を筺体25へ収容することができる。そして蓋部61の内面全体に設けてある第一の受動電極11pと受電装置2の第二の受動電極21pとを容量結合させることにより、効率よく電力を伝送することができる。
なお、蓋部61を閉じた時点で電力の伝送を開始するようにしても良い。具体的には、電圧発生回路12と接続するスイッチを設けておき、蓋部61が台座部41と接触した時点でスイッチがオン状態となり通電するようにすれば良い。
もちろん、蝶番62を介して台座部41と蓋部61とが連結された筺体25を構成することに限定されるものではない。図5は、本発明の実施の形態2に係る電力伝送システムの他の構成を示す模式図である。
図5(a)に示すように、筺体25の一面を扉状に開閉する扉部71で構成しても良い。この場合、例えば扉部71の内面に第一の受動電極11pを設けておき、扉部71を開けて受電装置2を載置し、扉部71を閉じた時点で電力の伝送を開始する。
また、図5(b)に示すように、筺体25の一部を引き出し部72で構成しても良い。この場合、例えば引き出し部72の内面側に第一の受動電極11pを設けておき、引き出し部72を引き出して受電装置2を載置し、引き出し部72を押し込んだ時点で電力の伝送を開始する。
さらに、図5(c)に示すように、直方体形状ではない筺体25の天面を、蓋部73で構成しても良い。この場合、蓋部73の内面に第一の受動電極11pを設けておき、蓋部73を開けて受電装置2を載置し、蓋部73を閉じた時点で電力伝送を開始する。
以上のように本実施の形態2によれば、一又は複数の受電装置2を送電装置1に装着した場合、送電装置1の第一の能動電極11a、受電装置2の第二の能動電極21a、及び受電装置2の第二の受動電極21pを覆うように、送電装置1の第一の受動電極11pを配置することにより、第一の受動電極11pのサイズを大きくすることができるので、第一の受動電極11pと第二の受動電極21pとの間の結合容量を大きくすることができ、電力の伝送効率を高めることが可能となる。また、周囲への不要な電界の漏えいを防止することも可能となる。
なお、受電装置2から電力の伝送を要求し、要求があった時点で電力の伝送を開始し、充電が完了した時点で容量結合を切断するようにしても良い。さらに、受電装置2が載置されている場合のみ電力を伝送するようにしても良い。例えば台座部41に受電装置2が載置されたことを検知するセンサを設けておき、受電装置2が載置されたことを検知した場合に電圧発生回路12と接続するスイッチがオン状態となって通電し、取り外されたことを検知した場合に電圧発生回路12と接続するスイッチがオフ状態となって充電を終了するようにすれば良い。受電装置2が載置されていない領域については、第一の能動電極11aから不要な電界が発生するものの、筺体25の一部又は全てに第一の受動電極11pを設けてあるので、周囲への不要な電界の漏えいを防止することも可能となる。
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3に係る電力伝送システムの基本的な構成は、実施の形態1と同様であることから、図9及び図10と同一の符号を付することで詳細な説明は省略する。本実施の形態3は、はたき状の第三の受動電極及び/又は帯状の第四の受動電極を送電装置1の第一の受動電極11pに接続して設けてある点で実施の形態1及び2とは相違する。
図6は、本発明の実施の形態3に係る電力伝送システムの構成を示す模式図である。図6に示すように、本実施の形態3に係る電力伝送システムの受電装置2は、負荷回路22を挟んで、能動電極(第二の能動電極)21aと受動電極(第二の受動電極)21pとを備えている。受電装置2の第二の能動電極21aは、送電装置1の第一の能動電極11aと対向しており、強い電界18を形成して容量結合している。
送電装置1の第一の受動電極11pは、受電装置2を収容する筺体25の内面全体に設けてある。また、受電装置2の第二の受動電極21pに最も近い筺体25の内面に、はたき状の第三の受動電極81を、第一受動電極11pに接続して設けてある。はたき状の第三の受動電極81の存在により、送電装置1の第一の受動電極11pと受電装置2の第二の受動電極21pとを接近させたのと同様となり、より容易に強い電界19を形成して容量結合することができるとともに、結合容量を大きくすることができる。したがって、電力の伝送効率を高めることが可能となる。
なお、はたき状の第三の受動電極81は、金属箔、金属テープ、カーボン繊維等で構成すれば足り、第一の受動電極11pに接続した第三の受動電極81の表面は絶縁コーティングしておいても良い。
図7は、本発明の実施の形態3に係る電力伝送システムの、帯状の第四の受動電極を併用した場合の構成を示す模式図である。はたき状の第三の受動電極81及び帯状の第四の受動電極91は、蝶番62を介して開閉することが可能な蓋部61に、送電装置1の受動電極11pと接続して設けてある。蓋部61を閉じた場合、まず帯状の第四の受動電極91が、台座部41に載置してある受電装置2の形状に沿って変形し、受電装置2と密着する。次に、受電装置2と密着した第四の受動電極91にはたき状の第三の受動電極81が接触する。したがって、送電装置1の第一の受動電極11pと受電装置2の第二の受動電極21pとを接近させたのと同様となり、結合容量を大きくすることができ、電力の伝送効率を高めることが可能となる。
以上のように本実施の形態3によれば、はたき状の第三の受動電極81及び/又は帯状の第四の受動電極91を、送電装置1の第一の受動電極11pに接続して設けてあるので、第三の受動電極81及び/又は第四の受動電極91を第二の受動電極21pに近接するよう配置することで、送電装置1の第一の受動電極11pと受電装置2の第二の受動電極21pとを接近させたのと同様となり、受動電極間の結合容量を大きくすることができ、電力の伝送効率を向上させることが可能となる。
その他、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内であれば多種の変形、置換等が可能であることは言うまでもない。例えば受電装置2の形状は方形状に限定されるものではなく、例えば球状、円柱状等であっても良い。
図8は、本発明の実施の形態3に係る電力伝送システムの、受電装置2の形状が円柱状である場合の構成を示す模式図である。図8に示すように、円柱状の受電装置2には、互いに対向する位置に一対の第二の能動電極21a、21aを設けてある。一方の第二の能動電極21aが台座部41の第一の能動電極11aに対向した場合、一方の第二の能動電極21aは第一の能動電極11aと容量結合する。このとき、他方の第二の能動電極21aは蓋部61の第一の受動電極11pに対向して、第一の受動電極11pと容量結合する。一対の第二の能動電極21a、21aで発生する同一振幅で逆位相の電圧により負荷回路22に電流が流れて電力消費されることにより、送電装置1から受電装置2へ電力伝送することができる。なお、台座部41の周縁部には、突起部111を設けることが好ましい。受電装置2が第一の能動電極11aの数分の一という小さいサイズであっても、送電装置1の台座部41の周縁部の内側の領域に、受電装置2を載置することができ、電力の伝送効率を高く維持することができるからである。
1 送電装置
2 受電装置
11a 能動電極(第一の能動電極)
11p 受動電極(第一の受動電極)
12 電圧発生回路
13 昇圧トランス
21a 能動電極(第二の能動電極)
21p 受動電極(第二の受動電極)
22 負荷回路
25 筺体
41 台座部
61、73 蓋部
71 扉部
72 引き出し部
81 第三の受動電極
91 第四の受動電極

Claims (5)

  1. 第一の受動電極、該第一の受動電極より高電位である第一の能動電極、及び前記第一の受動電極と前記第一の能動電極との間に接続された電圧発生回路を備える送電装置と、
    第二の受動電極、及び該第二の受動電極より高電位である第二の能動電極を備え、前記送電装置に装着することが可能な受電装置と
    を備える電力伝送システムであって、
    前記受電装置を前記送電装置に装着した場合、前記送電装置の前記第一の能動電極、前記受電装置の前記第二の能動電極、及び前記受電装置の前記第二の受動電極を、少なくとも二方向の面から覆うように、前記送電装置の前記第一の受動電極を配置してあることを特徴とする電力伝送システム。
  2. 前記送電装置は、
    前記受電装置を載置する台座部と、
    前記受電装置を前記台座部に載置した状態で収容する筺体と
    を備え、
    前記受電装置の前記台座部に載置する面に前記第二の能動電極を設けてあり、前記筺体の内面の一部又は全てに前記第一の受動電極を設けてあることを特徴とする請求項1に記載の電力伝送システム。
  3. 前記筺体の一部又は全てが透明な材質で構成されていることを特徴とする請求項2に記載の電力伝送システム。
  4. はたき状の第三の受動電極及び/又は帯状の第四の受動電極を、前記送電装置の前記第一の受動電極に接続して設けてあることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電力伝送システム。
  5. 第二の受動電極、及び該第二の受動電極より高電位である第二の能動電極を備える受電装置との間で容量結合し、該受電装置へ電力を伝送する送電装置であって、
    第一の受動電極、該第一の受動電極より高電位である第一の能動電極、及び前記第一の受動電極と前記第一の能動電極との間に接続された電圧発生回路とを備え、
    前記受電装置が装着された場合、前記第一の能動電極、前記受電装置の前記第二の能動電極、及び前記受電装置の前記第二の受動電極を、少なくとも二方向の面から覆うように、前記第一の受動電極を配置してあることを特徴とする送電装置。
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