JP5981203B2

JP5981203B2 - 電力伝送システム

Info

Publication number: JP5981203B2
Application number: JP2012093439A
Authority: JP
Inventors: 正弘楠; 満増田; 弘行玉岡; 磯　洋一; 洋一磯
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2032-04-16
Also published as: JP2013223338A

Description

本発明は、電力伝送システムに関するものである。

近年、電磁共鳴現象を利用した磁界共鳴方式と呼ばれる方式を用いた電力伝送システムが注目されている。

現在、既に広く用いられている電磁誘導方式の非接触給電方式は、送電側と受電側とで磁束を共有する必要があり、効率良く電力を送るには送電側と受電側とを近接して配置する必要があり、結合の軸合わせも重要である。

一方、電磁共鳴現象を用いた非接触給電方式は、電磁共鳴現象という原理から、電磁誘導方式よりも距離を離して電力伝送することができ、かつ、多少軸合わせが悪くても伝送効率があまり落ちないという利点がある。なお、電磁共鳴現象には磁界共鳴方式の他に電界共鳴方式がある。

たとえば特許文献１には、磁界共鳴方式を採用したワイヤレス給電システムが開示されている。

この特許文献１に開示される技術では、給電回路と接続された給電コイルから、電磁誘導により共振コイルに電力が伝達される構成を有し、周波数およびＱ値の調整が共振コイルに接続されたキャパシタおよび抵抗によって行われる。

特開２００１−１８５９３９号公報

ところで、このような電磁共鳴または電界共鳴を用いた電力伝送システムでは、送電側または受電側に接続される同軸ケーブルが有する浮遊キャパシタ等のインピーダンス成分によって不要な共鳴を発生する場合があり、その場合には不要な電流が同軸ケーブルの外部導体に流れ、付近の導電性部材に不要な電流を発生させるおそれを生じる他、電力伝送のロスになるという問題点がある。

そこで、本発明は、不要な共鳴を抑制することが可能な電力伝送システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、送電装置から受電装置に対して交流電力を伝送する電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第１および第２電極と、前記第１および第２電極と交流電力発生部の２つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第１同軸ケーブルと、前記第１同軸ケーブルと、前記第１および第２電極の間に挿入され、前記交流電力発生部の周波数以外の周波数における不要共振の発生を抑制する第１抑制手段と、前記第１抑制手段と前記第１電極の間および前記第１抑制手段と前記第２電極の間の少なくとも一方に挿入される第１インダクタと、を有し、前記受電装置は、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第３および第４電極と、前記第３および第４電極と負荷の２つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第２同軸ケーブルと、前記第２同軸ケーブルと、前記第３および第４電極の間に挿入され、前記交流電力発生部の周波数以外の周波数における不要共振の発生を抑制する第２抑制手段と、前記第２抑制手段と前記第３電極の間および前記第２抑制手段と前記第４電極の間の少なくとも一方に挿入される第２インダクタと、を有し、前記第１および第２抑制手段は、直列接続された第１〜第３コイルが磁心に巻回され、第１コイルの端部に前記第１または第２同軸ケーブルの中心導体が接続され、第２コイルと第３コイルの接続部に前記第１または第２同軸ケーブルの外側導体が接続され、第１コイルと第２コイルの接続部および前記第３コイルの端部に前記第１および第２電極または第３および第４電極が接続される、ことを特徴とする
このような構成によれば、不要な電流が同軸ケーブルの外部導体に流れることを抑制することが可能になる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第５および第６電極と、前記第５および第６電極の間に接続された第３インダクタと、を有する中継装置を備え、前記第５および第６電極は、前記送電装置の前記第１および第２電極と、前記受電装置の前記第３および第４電極の間に配置されるとともに、前記第５および第６電極と前記第３インダクタによって構成されるカプラの共振周波数が、前記送電装置および前記受電装置のカプラの共振周波数と略等しくなるように設定されていることを特徴とする。
このような構成によれば、不要な電流が同軸ケーブルの外部導体に流れることを抑制するとともに、伝送距離を長くすることができる。

本発明によれば、電力を効率良く伝送できる電力伝送システムを提供することが可能となる。

本発明の実施形態の動作原理を説明するための図である。図１に示す実施形態の等価回路である。図２に示す等価回路の伝送特性を示す図である。本発明の実施形態に係る送電用カプラの構成例を示す図である。本発明の実施形態に係る送電用カプラと受電用カプラの構成例を示す図である。図５に示す実施形態の送電用カプラの入力インピーダンスのスミスチャートである。図５に示す実施形態のパラメータＳ１１，Ｓ２１，η２１の周波数特性を示す図である。図４に示す実施形態の使用形態を説明するための図である。図４に示す実施形態の各部のインピーダンスを示す図である。図４に示す実施形態の等価回路である。本発明の第１実施形態の構成例を示す図である。図１１に示す不要共振抑制回路の構成例を示す図である。図１１に示す実施形態の等価回路である。図１１に示す実施形態の伝送効率η２１の周波数特性を示す図である。図１１に示す実施形態のリターンロスのスミスチャートである。本発明の第２実施形態の構成例を示す図である。図１６に示す中継用カプラの構成例を示す図である。本発明の第３実施形態の構成例を示す図である。本発明の第４実施形態の構成例を示す図である。本発明の第５実施形態の構成例を示す図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）実施形態の動作原理の説明
まず、第１実施形態について説明する前に、本発明の動作原理について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電力伝送システム１の動作原理を説明するための図である。この図の例では、電力伝送システム１は、送電装置１０、および、受電装置２０を有している。

ここで、送電装置１０は、電極１１，１２、インダクタ１３，１４、接続線１５，１６、および、交流電力発生部１７を有している。また、受電装置２０は、電極２１，２２、インダクタ２３，２４、接続線２５，２６、および、負荷２７を有している。電極１１，１２およびインダクタ１３，１４は送電用カプラを構成する。電極２１，２２およびインダクタ２３，２４は受電用カプラを構成する。

ここで、電極１１，１２は、導電性を有する部材によって構成され、所定の距離ｄ１を隔てて配置されている。図１の例では、電極１１，１２，２１，２２として、略同一のサイズを有する矩形形状を有する平板状の電極が例示されている。また、電極１１と電極２１は距離ｄ２を隔てて対向するように平行に配置され、電極１２と電極２２も同じ距離ｄ２を隔てて対向するように平行に配置されている。なお、電極１１，１２，２１，２２としては、図１に示す以外の形状の電極であってもよい。例えば、円形または楕円形状の平板電極であったり、球形等の立体形状であったり、平板ではなく湾曲した形状または屈曲した形状の電極であったりしてもよい。

電極１１および電極１２の距離ｄ１を含む合計幅Ｄは、これらの電極から放射される電界の波長をλとした場合に、λ／２πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。同様に、電極２１および電極２２の距離ｄ１を含む合計幅Ｄは、λ／２πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。また、電極１１と電極２１および電極１２と電極２２の間の距離ｄ２についても、λ／２πで示される近傍界よりも短くなるように設定されている。

インダクタ１３，１４は、例えば、導電性の線材（例えば、銅線）を巻回して構成され、図１の例では、電極１１，１２の端部にそれぞれの一端が電気的に接続されている。接続線１５はインダクタ１３の他端と交流電力発生部１７の出力端子の一端とを接続する導電性の線材（例えば、銅線）によって構成される。接続線１６はインダクタ１４の他端と交流電力発生部１７の出力端子の他端とを接続する導電性の線材によって構成される。なお、接続線１５，１６は、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成される。

交流電力発生部１７は、所定の周波数の交流電力を発生し、接続線１５，１６を介してインダクタ１３，１４に供給する。

電極２１，２２は、電極１１，１２と同様に、導電性を有する部材によって構成され、所定ｄ１の距離を隔てて配置されている。

インダクタ２３，２４は、例えば、導電性の線材を巻回して構成され、図１の例では、電極２１，２２の端部にそれぞれの一端が電気的に接続されている。接続線２５はインダクタ２３の他端と負荷２７の入力端子の一端とを接続する導電性の線材（例えば、銅線）によって構成される。接続線２６はインダクタ２４の他端と負荷２７の入力端子の他端とを接続する導電性の線材によって構成される。なお、接続線２５，２６は、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成される。

負荷２７は、交流電力発生部１７から出力され、送電用カプラおよび受電用カプラを介して伝送された電力が供給される。なお、負荷２７は、例えば、整流装置および二次電池等によって構成されている。もちろん、これ以外であってもよい。

図２は、図１に示す電力伝送システム１の等価回路を示す図である。この図２において、インピーダンス２は交流電力発生部１７の出力インピーダンスを示し、Ｚ０の値を有している。またインピーダンス２７は負荷２７の入力インピーダンスを示し、Ｚ０の値を有している。なお、等価回路に明示されない接続線１５，１６及び接続線２５，２６の特性インピーダンスはＺ０である。インダクタ３は送電側インダクタ１３，１４に対応し、Ｌの素子値を有している。キャパシタ４は、送電側電極１１，１２の間に生じる素子値Ｃのキャパシタから、送電側電極１１，１２と受電側電極２１，２２の間に生じる素子値Ｃｍのキャパシタを減じた素子値（Ｃ−Ｃｍ）を有する。キャパシタ５は、送電側電極１１，１２と受電側電極２１，２２の間に生じるキャパシタを示し、Ｃｍの素子値を有している。キャパシタ６は、受電側電極２１，２２の間に生じる素子値Ｃのキャパシタから、送電側電極１１，１２と受電側電極２１，２２の間に生じる素子値Ｃｍのキャパシタを減じた素子値（Ｃ−Ｃｍ）を有する。インダクタ７は受電側のインダクタ２３，２４に対応し、Ｌの素子値を有している。

図３は、送電装置１０と受電装置２０の間のＳパラメータの周波数特性を示している。但し、Ｓパラメータのポートインピーダンスは、給電ケーブルの特性インピーダンスと同じＺ０で規定している。具体的には、図３の横軸は周波数を示し、縦軸は送電装置１０から受電装置２０への挿入損失（Ｓ２１）を示している。この図３に示すように、送電装置１０から受電装置２０への挿入損失は、周波数ｆ_Ｃでインピーダンス極大点を有し、周波数ｆ_Ｌおよびｆ_Ｈでインピーダンス整合点、すなわち、共振点を有している。ここで、周波数ｆ_Ｃは、図２に示すインダクタ３，７のインダクタンス値Ｌと、電極１１，１２または電極２１，２２によって形成されるキャパシタのキャパシタンス値Ｃによって定まる。また、周波数ｆ_Ｌおよびｆ_Ｈは、図２に示すインダクタ３，７のインダクタンス値Ｌと、電極１１，１２および電極２１，２２によって形成されるキャパシタのキャパシタンス値Ｃｍと、ならびに、電極１１，１２の間および電極２１，２２の間にそれぞれ生じるキャパシタのキャパシタンス値Ｃによって近似値として定まる。

交流電力発生部１７が発生する交流電力の周波数は、図３に示すｆ_Ｌまたはｆ_Ｈと等しくなるように設定される。このように、交流電力発生部１７の周波数を設定することにより、送電装置１０から受電装置２０への挿入損失が略０ｄＢとなることから、送電装置１０から受電装置２０に対して損失なく電力を送信することができる。

図１に示す実施形態では、送電装置１０の電極１１，１２と受電装置２０の電極２１，２２は、電界共振結合されており、送電装置１０の電極１１，１２から受電装置２０の電極２１，２２に対して電界によって交流電力が伝送される。

つまり、図１に示す実施形態では、送電装置１０の電極１１，１２と受電装置２０の電極２１，２２は、近傍界であるλ／２πよりも短い距離ｄ２だけ隔てて配置されているので、電極１１，１２から放射される電界成分が支配的である領域に電極２１，２２が配置される。また、電極１１，１２の間に形成されるキャパシタおよびインダクタ１３，１４による共振周波数と、電極２１，２２の間に形成されるキャパシタおよびインダクタ２３，２４による共振周波数とは略等しくなるように設定されている。このように、送電装置１０の電極１１，１２と受電装置２０の電極２１，２２は、電界共振結合されていることから、送電装置１０の電極１１，１２から受電装置２０の電極２１，２２に対して電界によって交流電力が効率よく伝送される。

（Ｂ）実施形態の構成の説明
つぎに、本発明の第１実施形態について説明する。以下では、まず、不要共振抑制回路を有しない構成について説明した後、不要共振抑制回路を有する第１実施形態について説明する。

図４，５は、不要共振抑制回路を有しない構成例を示す斜視図である。ここで、図４は、実施形態に係る送電用カプラ１１０の構成例を示している。また、図５は送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０とを配置した状態を示す斜視図である。

図４に示すように、送電用カプラ１１０は、矩形の板状形状を有する絶縁部材によって構成される回路基板１１８の表（おもて）面１１８Ａ上に、矩形形状を有する導電性部材によって構成される電極１１１，１１２が配置されて構成される。回路基板１１８の裏面１１８Ｂには、この図４の例では、電極等は配置されていない。具体的な構成例としては、例えば、ガラスエポキシ基板やガラスコンポジット基板等によって構成される回路基板１１８上に、銅等の導電性の薄膜によって電極１１１，１１２が形成される。電極１１１，１１２は、所定の距離ｄ１だけ離れた位置に平行に配置されている。また、距離ｄ１を含む電極１１１，１１２の幅Ｄは、これらの電極から放射される電界の波長をλとした場合に、λ／２πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。なお、具体的なＤの長さとしては、例えば、使用周波数が１３．５６ＭＨｚの場合には、５０ｃｍ程度とし、また、これと直交する方向の長さＬについても５０ｃｍ程度とすることができる。

回路基板１１８の電極１１１，１１２の短手方向の端部には、インダクタ１１３，１１４の一端がそれぞれ接続されている。また、インダクタ１１３，１１４の他端は、接続線１１５，１１６の一端にそれぞれ接続されている。接続線１１５，１１６は、電極１１１，１１２の領域およびこれらに挟まれる領域を回避するように配置されるとともに、これらの領域から遠ざかる方向（図４の左下方向）に伸延するように配置されている。より詳細には、電極１１１，１１２のそれぞれの矩形領域と、これら２つの電極１１１，１１２によって挟まれた領域を回避して配置されるとともに、これらの領域から遠ざかる方向に伸延するように配置されている。このように配置することで、電極１１１，１１２と接続線１１５，１１６の間の干渉を少なくすることができるので、伝送効率の低下を防止できる。接続線１１５，１１６は、例えば、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成されている。なお、接続線１１５，１１６の他端は、図示しない交流電力発生部の出力端子にそれぞれ接続されている。接続線１１５，１１６によって送電用カプラ１１０に交流電力発生部が接続されることにより、送電装置が構成される。

送電用カプラ１１０は、電極１１１，１１２が所定の距離ｄ１を隔てて配置されることによって形成されるキャパシタのキャパシタンスＣと、インダクタ１１３，１１４のインダクタンスＬによる直列共振回路を構成するので、これらによる固有の共振周波数ｆ_Ｃを有している。

受電用カプラ１２０は、送電用カプラ１１０と同様の構成とされ、回路基板１２８の表面１２８Ａ上に、矩形形状を有する導電性部材によって構成される電極１２１，１２２およびインダクタ１２３，１２４が配置され、インダクタ１２３，１２４の他端に接続線１２５，１２６が接続されて構成される。電極１２１，１２２によって形成されるキャパシタのキャパシタンスＣと、インダクタ１２３，１２４のインダクタンスＬによる直列共振回路の共振周波数ｆ_Ｃは送電用カプラ１１０と略同じに設定される。接続線１２５，１２６は、例えば、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成されている。受電用カプラ１２０の接続線１２５，１２６の他端には、図示しない負荷が接続される。接続線１２５，１２６によって受電用カプラ１２０に負荷が接続されることにより、受電装置が構成される。

図５は、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を対向配置した状態を示す図である。この図に示すように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０は、回路基板１１８，１２８の表面１１８Ａ，１２８Ａが対向するように距離ｄ２を隔て、回路基板１１８，１２８が平行になるように配置される。送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０は、送電用カプラ１１０の２枚の電極１１１と１１２の間に生じる電界と受電用カプラ１２０の２枚の電極１２１と１２２の間に生じる電界を略平行とし、送電用カプラ１１０の２枚の電極１１１と１１２のギャップのｘ方向の位置と受電用カプラ１２０の２枚の電極１２１と１２２のギャップのｘ方向の位置が略同じ場合に、最も効率良く電力伝送ができる。

つぎに、図５に示す実施形態の動作について説明する。図６は、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を４０ｃｍ隔てて対向配置した場合（ｄ２＝４０ｃｍの場合）における送電用カプラ１１０のインピーダンスＳ１１のスミスチャートを示している。この場合、測定器のポートインピーダンスは接続線路の特性インピーダンスＺ０（実数値）
と等しい値に設定している。この図に示すように、本実施形態では、送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０のインピーダンスの軌跡は、スミスチャートの円の中心付近を通過することから、この付近において伝送を行うように設定することにより反射を抑えて効率良く電力を伝送することができる。

図７は、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を４０ｃｍ隔てて対向配置した場合（ｄ２＝４０ｃｍの場合）における送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の間のＳパラメータの周波数特性を示す図である。この図において、実線はパラメータＳ２１の絶対値の周波数特性を示し、間隔が長い破線はパラメータＳ１１の絶対値の周波数特性を示し、間隔が短い破線は伝送効率η２１（＝｜Ｓ２１｜＾２）の周波数特性を示している。ここで、パラメータＳ１１は送電用カプラ１１０から入力した信号の反射を示し、パラメータＳ２１は送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への信号の通過を示し、伝送効率η２１は送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への信号の伝送効率を示す。この図７に示すように、周波数１３．５６ＭＨｚにおいて、送電用カプラ１１０に入力した信号の反射が最小になるとともに、送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への通過が最大になる。これにより、送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への信号の伝送効率η２１が約９７％で最大となる。つまり、ｄ＝４０ｃｍにおいて、この電力伝送システム１はインピーダンスが整合すると言える。

図８は、実際の使用例を示す図である。図８の例では、接続線１１５，１１６および接続線１２５，１２６として、同軸ケーブル２１５および同軸ケーブル２２５が使用されている。同軸ケーブル２１５の中心導体はインダクタ１１３に接続され、外側導体はインダクタ１１４に接続されている。また、同軸ケーブル２２５の中心導体はインダクタ１２３に接続され、外側導体はインダクタ１２４に接続されている。

図９は図８に示す構成の送電用カプラ１１０の等価回路である。この図９に示すように、同軸ケーブル２１５は、中心導体２１５ａと外側導体２１５ｂとを有している。尚、本同軸ケーブルの特性インピーダンスは電源２１０の出力インピーダンス２１１の値であるＺ０と等しい値としている。Ｚｇで示されるインピーダンス２１２は、送電用カプラの電極とグランド間に発生するインピーダンスであり、例えば、浮遊容量等によって生ずるインピーダンスである。インピーダンス２１３，２１４は、送電用カプラ１１０の電極の等価的なインピーダンスを示している。

送電用カプラの電極の電位について、電極２１３の同軸ケーブル中心導体接続部の電位をＶａ、電極２１３と電極２１４のギャップエリアの電位をＶｂ、電極２１４の同軸ケーブル外導体接続部の電位をＶｇと規定する。ＶｇはＧＮＤと同電位なので０となる。電極２１３と電極２１４のインピーダンスが等しい場合、ＶｂはＶａ／２となる。従って電極２１３と電極２１４のギャップエリアはＧＮＤに対して電位を有するため、ギャップエリアとＧＮＤ間にインピーダンス２１２が等価的に接続された状態になると、電極２１３、もしくは電極２１４からＧＮＤに対して変位電流Ｉ_３が流れる。変位電流Ｉ_３は通常の電流としてＧＮＤを流れた後、同軸ケーブル２１５の外導体を経て同軸ケーブル２１５の内導体に戻る。即ちＧＮＤ，同軸ケーブル外導体を含む形での電流経路が発生する。このような電流Ｉ_３が流れると、図１０（Ａ）に示す、図２の等価回路は、図１０（Ｂ）に示すように、キャパシタ４およびキャパシタ６それぞれに対して、インピーダンス２１２に対応するインピーダンス２１２ａ，２１２ｂが並列に接続された状態となる。即ち図１に示す電力伝送システム１の等価回路の構成パラメータが変化してしまい、本来の共振周波数とは異なる周波数における共振（不要共振）を生じてしまう。このような不要共振は、不要な電流が同軸ケーブルの外部導体に流れる原因となり、付近の導電性部材に不要な電流を発生させるおそれを生じる他、電力伝送のロスにつながる場合がある。

図１１は、本発明の第１実施形態の構成例を示す図である。この図１１に示すように、第１実施形態では、図８に示す同軸ケーブル２１５と送電用カプラ１１０の間に不要共振抑制回路３１５が挿入され、また、同軸ケーブル２２５と受電用カプラ１２０の間に不要共振抑制回路３２５が挿入されている。

図１２は、図１１に示す不要共振抑制回路３１５の詳細な構成例を示す図である。なお、不要共振抑制回路３２５も図１２と同様の構成とされている。この図１２に示すように、不要共振抑制回路３１５は、３つの直列接続されたコイル３１５ａ〜３１５ｃを有している。なお、これらのコイル３１５ａ〜３１５ｃは、例えば、フェライト等によって構成されたトロイダル形状または棒状形状を有する磁心に巻回されている。なお、コイル３１５ａ〜３１５ｃの左側に付されている黒点は、巻き始めを示している。コイル３１５ａの一端は端子ｔ１を介して同軸ケーブル２１５の中心導体２１５ａに接続され、コイル３１５ａの他端は端子ｔ３を介してインダクタ１１３に接続されるとともにコイル３１５ｂの一端に接続されている。コイル３１５ｂの他端は端子ｔ２を介して同軸ケーブル２１５の外側導体２１５ｂに接続されるとともに、コイル３１５ｃの一端に接続されている。コイル３１５ｃの他端は、端子ｔ４を介してインダクタ１１４に接続されている。なお、図１２に示す回路は、例えば、電磁波の放射を防ぐために、例えば、図１１に示すような、金属製のシールドケースに封入するようにしてもよい。もちろん、シールドケースに封入しないでそのまま使用するようにしてもよい。

図１３は、図１１に示す第１実施形態の送電用カプラ１１０の等価回路である。この図１３の例では、図９に示す等価回路と比較すると、同軸ケーブル２１５とインピーダンス２１３，２１４の間に図１２に示す不要共振抑制回路３１５が接続されている。なお、受電用カプラ１２０も、図１３と同様の構成とされる。

つぎに、第１実施形態の動作について説明する。図１２において端子ｔ１，ｔ２に同軸ケーブル２１５を介して交流電力発生部２１０から交流電圧が印加されると、コイル３１５ａ，３１５ｂに電流が流れる。この結果、同じ磁心に巻回されているコイル３１５ｃにも電磁誘導によって誘導電圧が生じる。ここで、コイル３１５ｃはコイル３１５ａ，３５１ｂと同じ巻き数とされているので、コイル３１５ｂとコイル３１５ｃには同じ電圧が生じ、この電圧はインダクタ１１３，１１４に印加される。

上記動作により、図１３において３１５ａの同軸ケーブル中心導体接続部の電位をＶａ、３１５ｂの３１５ａとの接続部の電位をＶｂ、３１５ｃの同軸ケーブル外導体接続部の電位をＶｇ、同じく３１５ｃの電極２１４との接続部の電位をＶｃとおくと、Ｖｂは３１５ａ〜３１５ｃが電気特性的に同一のコイルの場合、Ｖｂ＝Ｖａ／２となり、Ｖｃ＝−Ｖａ／２となる。ＶｇはＧＮＤに直結されているため０となる。よって電極２１３の３１５ａとの接続部の電位はＶｂ即ちＶａ／２となり、電極２１４の３１５ｃとの接続部の電位は前述のように−Ｖａ／２となるため、電極２１３と電極２１４のギャップエリアの電位はＧＮＤの電位Ｖｇと等しい値、即ち０となる。インピーダンスＺｇにおいて電位差が生じないため、変位電流Ｉ_３は０となる。これはインピーダンス２１２が送電用カプラ１１０に影響を与えない状態になったことを意味する。図１０で説明すると図１０（Ｂ）に示す送電側インピーダンス２１２ａ、受電側インピーダンス２１２ｂが除外され、図１０（Ａ）に示す状態に戻ったことを意味する。即ち、不要共振抑制回路３１５の適用により、インピーダンス２１２による不要共振の発生を抑制することができる。

図１４は図８と図１１に示す実施形態の伝送効率η２１の周波数特性を示す図である。ここで、伝送効率η２１は、ＳパラメータであるＳ２１の絶対値の２乗（＝｜Ｓ２１｜＾２）によって求まる値である。図１４において破線は図８に示す構成の特性を示し、実線は図１１に示す第１実施形態の特性を示している。なお、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の間の距離ｄ２は２０ｃｍに設定している。これらのグラフの比較から、図８に示す構成では２２ＭＨｚ付近に不要共振が生じており、一方、図１１に示す第１実施形態では不要共振が生じていない。なお、共振周波数である２７．１２ＭＨｚでは、図８および図１１の実施形態の双方において、伝送効率のピークが存在する。ここで、図８に示す構成の２７．１２ＭＨｚにおける伝送効率は７９．７％であり、一方、図１１に示す第１実施形態２７．１２ＭＨｚにおける伝送効率は７８．２％であることから、不要共振抑制回路を挿入したことによる損失は無視できる。

図１５は、図８と図１１に示す実施形態の送電用カプラ１１０のリターンロスＳ１１を示すスミスチャートである。この図においては、破線は図８に示す構成の特性を示し、実線は図１１に示す第１実施形態の特性を示している。これらのグラフの比較から、図８に示す構成では軌跡が２重になっており、内側の軌跡は不要共振に伴う軌跡を示している。一方、図１１に示す第１実施形態では、軌跡は２重とはなっておらず、不要共振は生じていない。このため、不要放射の発生が抑制される。

以上に説明したように、第１実施形態では、同軸ケーブル２１５と送電用カプラ１１０の間に不要共振抑制回路３１５を配置し、また、同軸ケーブル２２５と受電用カプラ１２０の間に不要共振抑制回路３２５を配置するようにしたので、不要共振を抑制することができるため、不要な電流が同軸ケーブルの外部導体に流れることを抑制することができる。

また、不要共振抑制回路３１５，３２５として、図１２に示すようなコイル３１５ａ〜３１５ｃによる構成を採用したので、簡易な構成により回路を実現できるとともに、損失の発生を少なくすることができる。

つぎに、図１６，１７を参照して第２実施形態について説明する。第２実施形態では、図１６に示すように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の間に中継装置である中継用カプラ１３０を配置している。この例では、送電用カプラ１１０と中継用カプラ１３０の間の距離ｄ２１は２０ｃｍとされ、中継用カプラ１３０と受電用カプラ１２０の間の距離ｄ２２も２０ｃｍとされている。これにより、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の間の距離（伝送距離）は４０ｃｍとなる。図１７は、中継用カプラ１３０の詳細な構成例を示している。中継用カプラ１３０は、図４と同様の構成を有するカプラのインダクタ１３３，１３４の他端同士が接続線１３５によって接続されて構成されている。なお、これらのインダクタ１３３，１３４を１つの構成としてもよい。この中継用カプラ１３０の共振周波数ｆ_Ｃは、送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０と略同じになるように設定される。また、同軸ケーブル２１５と送電用カプラ１１０の間に不要共振抑制回路３１５が配置され、同軸ケーブル２２５と受電用カプラ１２０の間に不要共振抑制回路３２５を配置されている。

このように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の間に中継用カプラ１３０が挿入された場合であっても、第１実施形態の場合と同様に、不要共振を抑制することで、不要放射の発生を抑制することができる。また、このように中継用カプラ１３０を配置することで、伝送損失を増加することなく、伝送距離を伸ばすことができる。

つぎに、図１８を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。図１８は電力伝送システムを立体駐車場に適用した場合の実施例を示している。この図１８では、立体駐車場４００は、４本の支柱４０１を有し、この４本の支柱４０１に所定の距離を隔ててパレット４０２が配置される。この図の例では、２つのパレット４０２が設けられ、下段のパレット４０２に車両４３０が駐車されている。各パレットの端部には受電用カプラ４１６、不要共振抑制回路４１７、充電制御回路４１８、電力ケーブル４１９、および、コネクタ４２０を有する受電装置が配置されている。また、左手前の支柱４０１には電力ケーブル４１１、送電制御回路４１２、同軸ケーブル４１３、不要共振抑制回路４１４、および、送電用カプラ４１５を有する送電装置が配置されている。なお、送電用カプラ４１５および受電用カプラ４１６は、図１１と同様の構成とされ、また、不要共振抑制回路４１４，４１７も図１２と同様の構成とされている。

ここで、パレット４０２は車両の出し入れに際して、上下方向に移動可能とされている。パレット４０２に車両４３０が搭載されて、既定位置に移動されると、送電用カプラ４１５および受電用カプラ４１６が対向する状態となる。そして、コネクタ４２０が車両４３０にユーザによって接続されると、充電制御回路４１８がこれを検出し、送電制御回路４１２を制御して電力の送電を開始させる。この結果、支柱４２１から同軸ケーブル４１１を介して供給される電力は、送電制御回路４１２によって高周波の交流信号に変換された後、送電用カプラ４１５および受電用カプラ４１６を介して伝送され、充電制御回路４１８を介して車両４３０の二次電池に供給される。このとき、不要共振抑制回路４１４および４１７によって、不要共振が抑制されるので、不要な電流が同軸ケーブルの外部導体に流れることが抑制される。

このように第３実施形態では、立体駐車場４００に電力伝送システムを適用することにより、パレット４０２が移動する場合であっても、非接触で電力を伝送することができるので、例えば、接続線によって接続する場合に比較して、装置の配置の自由度を向上させることができるとともに、配線が機械等に挟まって断線することを防止できる。また、不要共振抑制回路４１４および４１７によって、不要な電流が同軸ケーブルの外部導体に流れることが抑制される。

つぎに、図１９を参照して、本発明の第４実施形態について説明する。第４実施形態では、図１９に示すように、受電用カプラ１２０は、機材等の運搬車両であるフォークリフトの底面に配置される受電ユニット５００の底部に配置されている。また、同軸ケーブル２１５と送電用カプラ１１０の間には不要共振抑制回路３１５が接続され、同軸ケーブル２２５と受電用カプラ１２０の間には不要共振抑制回路３２５が接続されている。また、送電用カプラ１１０の左隣には中継用カプラ１３０〜１５０が所定の間隔を隔てて配置されている。図１９に示す矢印の方向にフォークリフトが移動すると、受電ユニット５００が移動するので、受電用カプラ１２０も移動する。このとき、中継用カプラ１３０〜１５０では、受電用カプラ１２０と対向する中継用カプラの左隣に位置する中継用カプラの接続線（図１７の接続線１３５参照）を開放状態とする。これにより、当該中継カプラは無効化されるので、送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０間の電力伝送に影響を与えることがない。このような構成によれば、フォークリフトの位置が移動方向にずれた場合であっても少ない損失で充電を行うことができるとともに、不要共振抑制回路３１５，３２５の作用により、不要共振を抑制し、不要な電流が同軸ケーブルの外部導体に流れることを抑制することができる。

つぎに、図２０を参照して、本発明の第５実施形態について説明する。第５実施形態では、送電用カプラ１１０が地側装置内に配置され、車両６００に受電用カプラ１２０が配置されている。また、地側装置の上面には中継用カプラ１３０が配置され、車両６００の底面には中継用カプラ１４０が配置されている。なお、送電用カプラ１１０には図示しない送電回路に接続される同軸ケーブル２１５が接続され、また、受電用カプラ１２０には図示しない受電回路に接続される同軸ケーブル２２５が接続されている。また、同軸ケーブル２１５と送電用カプラ１１０の間には不要共振抑制回路３１５が接続され、同軸ケーブル２２５と受電用カプラ１２０の間には不要共振抑制回路３２５が接続されている。

第５実施形態では、車両６００に内蔵されている二次電池（不図示）を充電する場合には、中継用カプラ１３０の上に停車する。このとき、中継用カプラ１３０と中継用カプラ１４０の間の距離は、車種よって異なる。第５実施形態では、伝送効率が車種によって異なることを防ぐため、地側装置（送電装置）と、車両側に配置されている装置（受電装置）の間で、伝送効率が最大になるように、これらの距離が調整される。なお、伝送効率が最大になる距離を探索する方法としては、例えば、送電用カプラ１１０の入力インピーダンスが所望のインピーダンス（例えば、５０Ω）になるように調整するか、または、送電用カプラ１１０における反射が最小になるように調整すればよい。

以上の第５実施形態によれば、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を駆動装置によって駆動して位置を調整することにより、車種によらず、高い効率で電力を伝送して、車両に内蔵された二次電池を充電することができるとともに、不要共振抑制回路３１５，３２５の作用により、不要共振を抑制し、不要な電流が同軸ケーブルの外部導体に流れることを抑制することができる。

（Ｃ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、および、中継用カプラ１３０〜１５０の各電極が同じサイズを有するようにしたが、これらが異なるサイズを有するようにしてもよい。

また、以上の第１〜５に示す実施形態では、送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、および、中継用カプラ１３０〜１５０の各電極を対向配置するようにしたが、例えば、これらが図５に示すＸ方向またはＹ方向に多少ずれた状態で配置されるようにしてもよい。あるいは、送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、および、中継用カプラ１３０〜１５０が所定の角度だけ相対的に回転するように配置してもよい。

また、以上の各実施形態では、送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、および、中継用カプラ１３０〜１５０の各電極を矩形形状としたが、矩形形状ではなく、円形または楕円形状であってもよい。あるいは、平板形状ではなく、湾曲したり、屈曲したりした形状であってもよいし、球形等の立体形状であってもよい。

また、送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、および、中継用カプラ１３０〜１５０のインダクタについては、電極と接続線の間に挿入するようにしたが、これ以外の場所に挿入することも可能である。また、以上の実施形態では、送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、中継用カプラ１３０〜１５０に対してそれぞれ２つずつのインダクタを設けるようにしたが、インダクタを１つずつ設けるようにしてもよい。

また、以上の各実施形態では、インダクタとしては、導体線を円柱状に巻回して構成するようにしたが、例えば、マイクロストリップラインで使用されるような、平面上を蛇行する形状を有するものや、平面上で螺旋形状を有するものによって構成するようにしてもよい。

また、以上の各実施形態では、不要共振抑制回路３１５，３２５とインダクタ１１３，１１４，１２３，１２４は独立した別の構成としたが、例えば、インダクタ１１３，１１４を不要共振抑制回路３１５の磁心に併せて巻回してこれらを一の構成としてもよい。もちろん、インダクタ１２３，１２４を不要共振抑制回路３２５の磁心に併せて巻回してこれらを一の構成としてもよい。

また、以上の各実施形態では、不要共振抑制回路３１５，３２５と同軸ケーブル２１５，２２５およびインダクタ１１３，１１４，１２３，１２４とを直接接続するようにしたが、不要共振抑制回路３１５，３２５をアダプタの使用によって着脱可能としてもよい。そのような構成によれば、例えば、使用目的や使用環境に応じた最適な不要共振抑制回路３１５，３２５を選択することができる。

１電力伝送システム
１０送電装置
１１，１２電極
１３，１４インダクタ
１５，１６接続線
１７交流電力発生部
２０受電装置
２１，２２電極
２３，２４インダクタ
２５，２６接続線
２７負荷
１１０送電用カプラ
１１１，１１２電極
１１３，１１４インダクタ
１１５，１１６接続線
１１８回路基板
１２０受電用カプラ
１２１，１２２電極
１２３，１２４インダクタ
１２５，１２６接続線
１２８回路基板
１３０〜１５０中継用カプラ
１３１，１３２，１４１，１４２，１５１，１５２電極
１３３，１３４，１４３，１４４，１５３，１５４インダクタ
１３５，１４５，１５５接続線
１３８，１４８，１５８回路基板
３１５，３２５不要共振抑制回路

Claims

送電装置から受電装置に対して交流電力を伝送する電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、
所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第１および第２電極と、
前記第１および第２電極と交流電力発生部の２つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第１同軸ケーブルと、
前記第１同軸ケーブルと、前記第１および第２電極の間に挿入され、前記交流電力発生部の周波数以外の周波数における不要共振の発生を抑制する第１抑制手段と、
前記第１抑制手段と前記第１電極の間および前記第１抑制手段と前記第２電極の間の少なくとも一方に挿入される第１インダクタと、を有し、
前記受電装置は、
所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第３および第４電極と、
前記第３および第４電極と負荷の２つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第２同軸ケーブルと、
前記第２同軸ケーブルと、前記第３および第４電極の間に挿入され、前記交流電力発生部の周波数以外の周波数における不要共振の発生を抑制する第２抑制手段と、
前記第２抑制手段と前記第３電極の間および前記第２抑制手段と前記第４電極の間の少なくとも一方に挿入される第２インダクタと、を有し、
前記第１および第２抑制手段は、直列接続された第１〜第３コイルが磁心に巻回され、第１コイルの端部に前記第１または第２同軸ケーブルの中心導体が接続され、第２コイルと第３コイルの接続部に前記第１または第２同軸ケーブルの外側導体が接続され、第１コイルと第２コイルの接続部および前記第３コイルの端部に前記第１および第２電極または第３および第４電極が接続される、
ことを特徴とする電力伝送システム。
所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第５および第６電極と、
前記第５および第６電極の間に接続された第３インダクタと、を有する中継装置を備え、
前記第５および第６電極は、前記送電装置の前記第１および第２電極と、前記受電装置の前記第３および第４電極の間に配置されるとともに、
前記第５および第６電極と前記第３インダクタによって構成されるカプラの共振周波数が、前記送電装置および前記受電装置のカプラの共振周波数と略等しくなるように設定されてい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。