JP6168781B2

JP6168781B2 - 非接触電力伝送システム

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Publication number: JP6168781B2
Application number: JP2013017734A
Authority: JP
Inventors: 山口　文枝; 文枝山口; 正弘楠; 満増田
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: JP2014150645A

Description

本発明は、非接触で電力を伝送する非接触電力伝送システムに関するものである。

照明機器などに代表される負荷への電力供給の有無を切り替えるために、従来、様々な種類のスイッチが用いられている。例えば、回路構成を切り替えることで、回路内での電力の伝送の有無を切り替えるスイッチなどが多く用いられている。

電化製品への電力供給の有無を切り替えるために用いられるスイッチには、使用者自身が手動で切り替えるものの他、使用者の挙動をセンサで検知して切り替えるものも存在する。例えば、特許文献１から３には、センサを用いて、使用者や車の挙動を感知し、自動的に照明などへの電力供給の有無を切り替えるスイッチに関する構成が開示されている。

特開平１１−３２９７５９号公報特開平１１−２２５９１４号公報特開２００５−２２６２４２号公報

特許文献１から３に開示されるような感知センサを備えるスイッチでは、センサの駆動のために電力の供給を常時行う必要があり、消費電力量が増大するという技術的な問題がある。また、センサによる感知を行った後に、スイッチを切り換えることで、感知から照明などの負荷への電力供給までの間に時間的な感覚が生じ、例えば照明機器など即応性が求められる負荷の使用に不便が生じるおそれがある。

更に、センサやスイッチなどの構成部品を含むことから、電力伝送用の回路を構成する部品の点数が多くなる傾向があり、一部の故障によって装置全体が動作しなくなる可能性が高くなるという技術的な問題もある。

本発明は、上述した技術的な問題点に鑑みて為されたものであり、センサ類を用いることなく、好適にスイッチの切換を制御し、電力供給の有無を簡単に切り替えることが可能とする非接触電力伝送システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送システムは、電源に接続される送電用電極を有する送電装置と、前記送電用電極との電界共振結合により、電力の伝送を受ける受電用電極を有し、受電した電力を負荷に供給する受電装置とを備え、前記送電用電極と前記受電用電極は、電極面同士が向かい合う対面配置ではなく、それぞれ１の端部同士が対向するように配置され、前記送電用電極と前記受電用電極のうち、一方の電極は、他方の電極に対して、電力伝送可能となる位置関係を満たす状態と満たさない状態との間で相対的に移動可能であり、前記送電装置及び前記受電装置は、互いに隔離した非接触状態で同じ物体に取り付けられ、前記送電装置及び前記受電装置の少なくとも一方は、前記物体の可動部に取り付けられ、前記物体の可動部の移動動作は、前記負荷への電力供給及び前記負荷の作動の双方の開始及び停止を切り替えるためのスィッチ機構を兼ねる。

本発明の電力伝送システムによれば、送電装置の送電用電極と受電装置の受電用電極とが所定の位置関係にある場合に、両電極が電界共振結合され、受電装置に電力が伝送される。具体的には、送電装置が備える一対の送電用電極において生じた電界により、受電装置が備える一対の受電用電極に電圧が励起され、電力が伝送される。

電界共振結合は、送電用電極と受電用電極とが所定の位置関係になるか否かによって電力の伝送効率が大きく変化する特性を有する。送電用電極と受電用電極とが電界共振結合可能な所定の位置関係を満たす場合には、伝送効率は非常に高くなり、各電極が所定の位置関係から外れる場合には、伝送効率は非常に小さくなる。電界共振結合における電極間の位置関係に対する伝送効率の変化には即応性があることが知られている。このため、送電装置及び受電装置の少なくとも一方について、両者の位置関係が電力伝送可能となる位置関係を満たす状態と、満たさない状態との間で切り換えるように相対的に移動させることで、無給電状態と給電状態とを切り換えるスイッチとしても機能させることができる。

例えば、送電装置または受電装置を移動させ、送電用電極と受電用電極とを電力伝送可能な所定の位置関係を満たすよう配置することで、送電装置から受電装置への電力伝送を即応的に開始することができる。これにより、受電装置に接続される負荷への給電を開始し、作動させることができる。他方で、送電用電極と受電用電極とが電力伝送可能な所定の位置関係から外れるよう移動することで、送電装置から受電装置への電力の伝送を即応的に停止することができる。これにより、負荷への電力供給が途絶え、動作を停止させることができる。

なお、送電用電極と受電用電極とが電界共振結合されるための所定の位置関係とは、例えば、送電用電極と受電用電極とが垂直に配置され、一方の端部と他方の端部とが電極長に応じた所定の長さ以下の距離を隔てて配置される状態である。このような位置関係においては、送電用電極において生じた電界によって受電用電極において電圧が励起され、電力が伝送される。

なお、他の位置関係の例として、送受電用電極が相互に対向する位置関係であってもよい。このとき、対向する一対の送電用電極と一対の受電用電極とは、電極長に応じた所定の長さ以下の距離を隔てて配置される場合に、送受電用電極が電界共振結合される。なお、送電用電極間に生じる電界が、受電用電極間に生じる電界と直交する位置関係にある場合、励起される電圧が相殺され、実質的に電力の伝送が行われなくなる。このため、送電用電極間の電界方向と、受電用電極間の電界方向とは、直交しないよう配置される。

本発明の非接触電力伝送システムでは、送電用電極と受電用電極とが電界共振結合されていない場合では、送電用電極から受電用電極への電力の伝送が行われない。このため、送受電用電極が所定の位置関係にない場合には、交流電源からの電力の消費がないため、電力の節約や、使用者の意図しない負荷の誤動作を防止することなどの点で有益である。

また、交流電源などに接続される送電装置と、負荷に接続される受電装置とを所定の距離離隔した非接触の態様で構成することができるため、各構成において用いられる電気的な有線接続部位の点数を減少することができ、装置全体の構成の簡易性及び安全性を向上することができる。また、各構成における配置位置の自由度を向上することもできる。

本発明の非接触電力伝送システムでは、前記送電装置及び前記受電装置の少なくとも一方は、物体の可動部に取り付けられている。このように構成することで、送電用電極と受電用電極とが電力伝送可能な所定の位置関係を満たす状態と満たさない状態とを切り替え可能な構成を容易に実現することができる。このため、本発明の電力伝送システムを用いたスイッチ機構を比較的簡単に実現することができる。

可動部を有し、負荷機器への電力の供給を可能とする構成として、例えば、照明機器とシャッタとを設けた倉庫などにおいて、照明機器に接続した受電装置を可動部であるシャッタ上に、電源に接続した送電装置をシャッタ近傍の壁面上にそれぞれ配置した構成が考えられる。シャッタを開いた状態では送電用電極と受電用電極とが電界共振結合され、シャッタを閉じた状態では電界共振結合されないよう、両者の配置位置を調整することで、可動部であるシャッタの開閉状態に応じて照明機器への電力供給の有無を切り替え可能な構成を実現できる。具体的には、シャッタを開くことで、照明機器への電力供給を即応的に開始して点灯させることができ、シャッタを閉じることで照明機器への電力供給を即応的に停止するよう切り換えることができる。

本発明の非接触電力伝送システムでは、電極面同士が向かい合う対面配置ではなく、それぞれ１の端部同士が対向するように配置する。このように構成することで、送電用電極と受電用電極とが電界共振結合される好適な位置関係を決定することができる。よって、送電装置及び受電装置の相対的な位置関係を調整することで、電力の伝送を即応的に開始、または停止することができる。

本発明の非接触電力伝送システムの他の態様では、前記送電装置は、同一平面上において所定の距離を隔てて配置された第１及び第２の送電用電極と、前記第１及び第２の送電用電極を、交流電源の２つの出力端子のそれぞれと電気的に接続する第１及び第２接続線と、前記第１及び第２の送電用電極と前記交流電源の２つの出力端子の少なくとも一方の間に挿入される第１インダクタとを備える。前記受電装置は、同一平面上において所定の距離を隔てて配置された第１及び第２の受電用電極と、前記第１及び第２の受電用電極を、負荷の２つの入力端子のそれぞれと電気的に接続する第３及び第４接続線と、前記第１及び第２の受電用電極と前記負荷の２つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第２インダクタとを備える。前記第１及び第２の送電用電極並びに前記第１インダクタによって構成されるカプラの共振周波数と、前記第１及び第２の受電用電極と前記第２インダクタによって構成されるカプラの共振周波数が略等しくなるように設定される。

この態様によれば、送電用電極と受電用電極との間の電界共振結合によって高い伝送効率での電力の伝送が可能となる送電装置及び受電装置を提供することができる。

本発明の非接触電力伝送システムにおいて用いられる負荷は、電力の供給によって作動する電気機器である。

このような負荷は、例えば、照明装置、送風装置、吸気装置、音声を発する装置、映像を表示する装置、通信装置などであって、電力の供給によって作動状態と停止状態とを切り替え可能な電気機器である。このような負荷への電力の供給を本発明の非接触電力伝送システムによって切り替え可能な態様で行うことで、作動状態の切換の即応性や、有線接続部位の点数の減少により装置構成の簡略化や、交流電源に対する負荷の配置位置の自由度の向上など、様々な利点が得られる。

本発明の非接触電力伝送システムの他の態様は、電源に接続される送電用電極を有する送電装置と、前記送電用電極との電界共振結合により、電力の伝送を受ける受電用電極を有し、受電した電力を負荷に供給する受電装置と、前記送電用電極から非接触で交流電力の伝送を受け、且つ前記受電用電極へと伝送する中継用電極を備える中継装置と、を備え、前記中継用電極は、前記送電用電極と前記受電用電極との間に配置され、前記送電用電極、前記受電用電極及び前記中継用電極のうち、一の電極は、残りの電極に対して、電力伝送可能となる位置関係を満たす状態と満たさない状態との間で相対的に移動可能であり、前記送電装置、前記受電装置及び前記中継装置は、互いに隔離した非接触状態で同じ物体に取り付けられ、前記送電装置、前記受電装置及び前記中継装置の少なくとも一つは、前記物体の可動部に取り付けられ、前記物体の可動部の移動動作は、前記負荷への電力供給及び前記負荷の作動の双方の開始及び停止を切り替えるためのスィッチ機構を兼ねる。

この態様によれば、中継装置を用いることで、送電装置からより遠くの受電装置にまで電力を伝送することができる。このため、負荷の配置位置について、交流電源からより遠くに配置するなど、両者の位置関係をより自由に設定することが可能となり、配置の自由度を向上することができる。

本発明の非接触電力伝送システムによれば、送電装置と受電装置との位置関係を調整することで、必要なときのみ電力伝送が行われるよう、電力伝送の有無を比較的簡単に切り替えることが可能となる。伝送時には、送電装置の送電用電極と受電装置の受電用電極とは、電界共振結合により、電力損失が極めて少ない高い伝送効率を実現することができる。また、送電装置と受電装置とが上述した適切な位置関係にない場合には、電力伝送が行われないため、不要な電力の消費や負荷機器の誤動作を防止することが可能となる。

本発明の非接触電力伝送システムを適用した照明付き倉庫の基本的な構成を示す概略図である。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２に示す実施形態の等価回路である。図３に示す等価回路の伝送特性を示す図である。図１に示す照明付き倉庫における送電装置と受電装置との位置関係を示す概略図である。図５に示す照明付き倉庫における電極間の距離に応じた伝送特性を示す図である。照明付き倉庫の第１変形例の構成を示す概略図である。中継装置の構成を示す概略図である。照明付き倉庫の第２変形例の構成を示す概略図である。照明付き倉庫の第３変形例の構成を示す概略図である。照明付き倉庫の第４変形例の構成を示す概略図である。送電装置と受電装置との位置関係の一例を示す概略図である。図１２に示す送電装置と受電装置との電極間の距離に応じた伝送特性を示す図である。送電装置と受電装置とのその他の変形例の一例を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（１）基本的な構成例
図１を参照して、本発明の非接触電力伝送システムを用いた実施例について説明する。図１は、非接触電力伝送システムを用いた一実施形態であって、送電装置１０と受電装置２０とを含む、可動部を有する物体としての照明付き倉庫１の構成を示す概略図である。

図１の例では、照明付き倉庫１は、シャッタ２、側壁３，４、天板５を備え、内部に照明機器６を有する、立方体または直方体形状の倉庫設備である。シャッタ２は、図中に矢印Ａで示される方向（つまり、図中上下方向）に開閉可能なシャッタであって、開く際には、天板５内部に収納される。また、シャッタ２は、内面の側壁３と接する側に受電装置２０を有している。側壁３は、内部のシャッタ２と接する側に、送電装置１０を有している。

図２を参照して、照明付き倉庫１に用いられる本発明の非接触電力伝送システムの動作原理を説明する。図２は、照明付き倉庫１における、送電装置１０及び受電装置２０の構成例を示す概略図であって、図２（ａ）は送電装置１０と、図２（ｂ）は受電装置２０をそれぞれ示している。

側壁３上に形成される送電装置１０は、送電用電極１１，１２と、インダクタ１３，１４と、接続線１５，１６とを有し、交流電源１７に接続される。また、送電装置１０において、送電用電極１１，１２及びインダクタ１３，１４は送電用カプラを構成する。送電用電極１１，１２のそれぞれは、銅など、導電性の部材によって構成される、略同一のサイズを有する矩形の平板または薄膜状の電極である。図示されるように、送電用電極１１，１２は、所定の距離ｄ１を隔てて配置されている。なお、距離ｄ１を含む送電用電極１１及び送電用電極１２の合計幅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。インダクタ１３，１４は、例えば、被覆銅線など、導電性の線材を巻回した構成である。インダクタ１３の一端は、送電用電極１１の端部に電気的に接続され、インダクタ１４の一端は、送電用電極１２の端部に電気的に接続されている。接続線１５，１６は、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルなど、導電性の線材（例えば、銅線）を含む。接続線１５は、インダクタ１３の他端と交流電源１７の一の出力端子とを接続し、接続線１６は、インダクタ１４の他端と交流電源１７の他の出力端子とを接続する。

交流電源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。なお、交流電源１７は、必ずしも側壁３上に形成されている必要は無く、側壁３を介して有線で商用電源など、既知の交流電源に接続される態様であってもよい。

シャッタ２上に形成される受電装置２０は、受電用電極２１，２２と、インダクタ２３，２４と、接続線２５，２６とを有する。受電装置２０において、各受電用電極２１，２２は、それぞれインダクタ２３，２４を介して接続線２５，２６によって、照明機器６に接続されている。また、受電装置２０において、受電用電極２１，２２及びインダクタ２３，２４は受電用カプラを構成する。受電用電極２１，２２のそれぞれは、銅など、導電性の部材によって構成される、略同一のサイズを有する矩形の平板または薄膜状の電極である。また、受電用電極２１，２２は、送信装置１０の送電用電極１１，１２と同様に、所定の距離ｄ１を隔てて配置されており、距離ｄ１を含む受電用電極２１，２２の合計幅Ｄもまた、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。インダクタ２３，２４は、インダクタ１３，１４と同様に、被覆銅線など、導電性の線材を巻回した構成である。インダクタ２３の一端は、受電用電極２１の端部に電気的に接続され、インダクタ２４の一端は、受電用電極２２の端部に電気的に接続されている。接続線２５，２６は、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルなど、導電性の線材（例えば、銅線）を含む。接続線２５は、インダクタ２３の他端と照明機器６の一の入力端子とを接続し、接続線２６は、インダクタ２４の他端と照明機器６の他の入力端子とを接続する。

照明機器６は、交流電源１７から出力され、受電装置２０に有線で接続された照明機器であり、送電装置２０及び受電装置１０を介して伝送された交流電力の供給を受けて点灯する。なお、照明機器６は、内部に、整流装置及び二次電池などを含んでいてもよい。

送電装置１０の送電用電極１１，１２と、受電装置２０の受電用電極２１，２２とが所定の位置関係にある場合に、送電用電極１１と１２と、受電用電極２１と２２とが電界共振結合され、送電装置１０から受電装置２０への電力の伝送が行われる。

図３は、図２に示される照明付き倉庫１に適用される非接触電力伝送システムにおいて、送電用電極１１，１２と、受電用電極２１，２２とが電界共振結合され、送電装置１０から受電装置２０への電力の伝送が行われている状態の等価回路１００を示す回路図である。

図３において、インピーダンス１０２は、接続線１５，１６及び接続線２５，２６の特性インピーダンスを示し、Ｚ０の値を有する。インダクタ１０３はインダクタ１３，１４に対応し、Ｌの素子値を有する。キャパシタ１０４は、送電用電極１１，１２の間に生じる素子値Ｃのキャパシタから、送電用電極１１，１２と受電用電極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１０５は、送電用電極１１，１２と受電用電極２１，２２の間に生じるキャパシタを示し、Ｃｍの素子値を有する。キャパシタ１０６は、受電用電極２１，２２の間に生じる素子値Ｃのキャパシタから、送電用電極１１，１２と受電用電極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１０７はインダクタ２３，２４に対応し、Ｌの素子値を有する。

図４は、送電装置１０と受電装置２０との間のＳパラメータの周波数特性を示すグラフである。具体的には、図４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。図４に示されるように、送電装置１０から受電装置２０への挿入損失は、周波数ｆ_Ｃで反共振点を有し、周波数ｆ_Ｌ及びｆ_Ｈで共振点を有する。ここで、周波数ｆ_Ｃは、図３に示すインダクタ３、７のインダクタンス値Ｌと、送電用電極１１，１２または受電用電極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及びｆ_Ｈは、図３に示すインダクタ３、７のインダクタンス値Ｌと、送電用電極１１，１２及び受電用電極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、送電用電極１１，１２の間及び受電用電極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によって定まる。

なお、交流電源１７が発生する交流電力の周波数は、図４に示されるｆ_Ｌまたはｆ_Ｈと等しくなるように設定されることが好ましい。このように、交流電源１７の周波数を設定することにより、電極同士が電界共振結合されている場合の送電装置１０から受電装置２０への挿入損失が略０ｄＢとなり、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。

また、送電用電極１１，１２の間に形成されるキャパシタ及びインダクタ１３，１４による共振周波数と、受電用電極２１，２２の間に形成されるキャパシタ及びインダクタ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の送電用電極１１，１２と受電装置２０の受電用電極２１，２２は、電界共振結合されていることから、送電装置１０の送電用電極１１，１２から受電装置２０の受電用電極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。

図５を参照して、側壁３上の送電装置１０と、シャッタ２上の受電装置２０との位置関係について説明する。図５（ａ），（ｂ）は、送電装置１０と受電装置２０との位置関係について、特に送電用電極１１，１２と、受電用電極２１，２２とを抜き出して示した概略図である。

なお、図５（ａ），（ｂ）に示される例は、いずれも、送電装置１０の送電用電極１１，１２と、受電装置２０の受電用電極２１，２２とが電界共振結合され、送電装置１０から受電装置２０へと電力の伝送が行われている場合について示すものである。

図５（ａ）に示される例では、側壁３上の送電装置１０は、送電用電極１１，１２がＹＺ面においてＺ方向（言い換えれば、図中鉛直方向）に所定の間隔ｄ１を空けて並ぶよう配置される。また、シャッタ２上の受電装置２０においては、受電用電極２１，２２は、送電用電極１１，１２が配置される側壁３上のＹＺ面と垂直なシャッタ２上のＸＺ面において、Ｚ方向に所定の間隔ｄ１を空けて並ぶよう配置される。

このような構成では、送電用電極１１，１２と受電用電極２１，２２とが電界共振結合される状態では、受電用電極２１，２２の送電用電極１１，１２に近い方の端部と、送電用電極１１，１２との間の距離ｄ２が電力伝送可能な距離、例えば０．２５Ｄ以下となるよう配置される。つまり、図１に示される照明付き倉庫１において、シャッタ２が開いた状態では、送電装置１０及び受電装置２０は、受電用電極２１，２２の送電用電極１１，１２に近い方の端部と、送電用電極１１，１２との間が距離ｄ２離隔して配置される。後述するように、距離ｄ２が電力伝送可能な距離、例えば０．２５Ｄ以下となることで電力の伝送効率が大きく変化し、電力伝送状態となる。

他の例として、側壁３上の送電装置１０と、シャッタ２上の受電装置２０とは、図５（ｂ）に示される位置関係で配置されていてもよい。具体的には、図５（ｂ）に示されるように、側壁３上の送電装置１０は、送電用電極１１，１２がＹＺ面においてＹ方向（言い換えれば、図中水平方向）に所定の間隔ｄ１を空けて並ぶよう配置される。また、シャッタ２上の受電装置２０においては、受電用電極２１，２２は、送電用電極１１，１２が配置される側壁３上のＹＺ面と垂直なシャッタ２上のＸＺ面において、図中Ｘ方向（言い換えれば、図中において送電用電極１１，１２が並ぶ方向とは垂直な水平方向）に所定の間隔ｄ１を空けて並ぶよう配置される。

このような構成でも、距離ｄ２が電力伝送可能な距離、例えば０．２５Ｄ以下となることで電力の伝送効率が大きく変化し、電力伝送状態となる。

図５に示されるように垂直に配置される送電用電極１１，１２と受電用電極２１，２２との間のＳパラメータについて、電極間の距離ｄ２特性を図６のグラフに示す。図６の横軸は電極間の距離ｄ２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。図示されるように、電極間の距離ｄ２が電力伝送可能な距離、例えば０．２５Ｄ以下の範囲で挿入損失が略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。

従って、図５（ａ），（ｂ）に示した構成においては、送受電用電極間の距離ｄ２が上述の範囲内である場合、電界共振結合により、高効率での電力の伝送が可能となる。他方で、電極間の距離ｄ２が電力伝送可能な距離、例えば０．２５Ｄを上回る状態では、挿入損失が急激に増大するため、電力の伝送効率が極端に低下し、電力の伝送がほとんど行えなくなることを示している。

なお、上述した例では、送電用電極１１，１２及び受電用電極２１，２２について、矩形の平板または薄膜状の構造である例について説明したが、その他の形状の電極であってもよい。送電用電極１１，１２及び受電用電極２１，２２のそれぞれは、例えば、円形など矩形以外の形状の平板または薄膜電極や、球形等の立体形状や、平板ではなく湾曲または屈曲した形状の電極などであってもよい。

上述した照明付き倉庫１の構成によれば、シャッタ２を開いた状態とする（言い換えれば送電用電極１１，１２と受電用電極２１，２２との距離ｄ２を電力伝送可能な距離、例えば０．２５Ｄ以下とする）ことで、照明機器６へ電力を供給して点灯させることができる。他方で、シャッタ２を閉じた状態にする（言い換えれば送電用電極１１，１２と受電用電極２１，２２との距離ｄ２を電力伝送可能な距離より大きくする）ことで、照明機器６への電力供給を停止することができる。

シャッタ２が閉じた状態では、送電装置１０から受電装置２０への電力の伝送が行われない。このため、使用者が意図しない負荷への給電など、誤動作を防止することでき、不要な電力の消費を抑制することができる。

また、本発明のように、電界共振結合による非接触電力伝送を行う場合、送電装置１０の送電用電極１１，１２と受電装置２０の受電用電極２１，２２との距離ｄ２が０．２５Ｄ以下となる場合、即応的に電界共振結合による電力の伝送が行われるため、給電開始時の立ち上がりには即応性がある。このため、シャッタを開いた直後に照明機器６を点灯させることができ、使用者の利便性を向上することができる。

なお、上述した例では、受電装置２０から電力の供給を受ける負荷の例として、照明機器６を用いているが、実施形態はこれに限定されることはない。例えば、電力の供給によって動作を開始する送風装置、吸気装置、音声を発する装置、映像を表示する装置、通信装置などを負荷として用いてもよい。

（２）第１変形例
以下に、本発明の非接触電力伝送システムを用いた実施形態の第１変形例について、図７を参照して説明する。図７に示される、第１変形例に係る照明付き倉庫１ａでは、シャッタ２上に送電装置１０を備え、側壁３上には２通りの受電装置２０ａ及び２０ｂが備えられる。受電装置２０ａ，２０ｂのそれぞれは、上述した受電装置２０と同様の構成を有する。

受電装置２０ａは、側壁３上であって、シャッタ２が閉じた状態で、受電装置２０ａの電極（不図示）と、送電装置１０が備える送電用電極１１，１２とが電界共振結合される位置に配置される。また、受電装置２０ａの各電極は、照明付き倉庫１ａの外側に設けられる照明機器６ａに対して電力を供給可能な態様で接続される。

受電装置２０ｂは、側壁３上であって、シャッタ２が開いた状態で、受電装置２０ｂの電極（不図示）と、送電装置１０が備える送電用電極１１，１２とが電界共振結合される位置に配置される。また、受電装置２０ｂの各電極は、照明付き倉庫１ａの内側に設けられる照明機器６ｂに対して電力を供給可能な態様で接続される。

このような構成によれば、シャッタ２を閉じ、送電用電極１１，１２と、受電装置２０ａの電極との距離ｄ２を電力伝送可能な距離（例えば、０．２５Ｄ以下）とすることで、照明付き倉庫１ａの外側に設けられる照明機器６ａへ電力を供給して点灯させることができる。他方で、シャッタ２を開き、送電用電極１１，１２と、受電装置２０ｂの電極との距離ｄ２を電力伝送可能な距離（例えば、０．２５Ｄ以下）とすることで、照明付き倉庫１ａの内側に設けられる照明機器６ｂへ電力を供給して点灯させることができる。シャッタの開閉動作によって、受電装置２０ａと受電装置２０ｂとの間で電力の伝送先を切り換え、照明機器６ａ，６ｂのうち点灯させる照明機器を切り換えることができる。

なお、図示される態様に限らず、３つ以上の受電装置を備え、送電装置の位置に応じて電界共振結合する受電装置を切り換えることで、それぞれの受電装置に対して電力の伝送を行うよう構成してもよい。

（３）第２変形例
以下に、本発明の非接触電力伝送システムを用いた実施形態の第２変形例について、図８及び図９を参照して説明する。また、上述した実施形態、及び第１変形例では、送電装置１０と受電装置２０を設け、送電装置１０から受電装置２０に対して電力の伝送を行う構成について説明した。図示されるように、非接触電力伝送システムの第２変形例に係る照明付き倉庫１ｂは、送電装置１０と受電装置２０との他に、中継装置３０を備える。

図８は、中継装置３０の構成を示す概略図である。図示されるように中継装置３０は、中継用電極３１，３２と、インダクタ３３，３４と、接続線３５とを有する。中継用電極３１，３２は、送電用電極１１，１２及び受電用電極２１，２２のそれぞれと同様に銅など、導電性の部材によって構成される、略同一のサイズを有する矩形の平板または薄膜状の電極である。中継用電極３１，３２は、同一平面上で所定の距離ｄ１を隔てて並べて配置される。なお、距離ｄ１を含む中継用電極３１及び中継用電極３２の合計幅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。インダクタ３３，３４は、例えば、被覆銅線など、導電性の線材を巻回した構成である。インダクタ３３の一端は、中継用電極３１の端部に電気的に接続され、インダクタ３４の一端は、中継用電極３２の端部に電気的に接続されている。インダクタ３３，３４の他端は、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルなど、導電性の線材を含む接続線１５によって、相互に接続される。なお、中継装置３０においては、インダクタ３３，３４を１つのインダクタによって構成してもよい。中継装置３０の共振周波数ｆＣは、送電装置１０及び受電装置２０と略同一となるように設定される。

中継装置３０を設けることで、送電装置１０から受電装置２０へ伝送される電力を中継することができる。具体的には、送電装置１０の送電用電極１１，１２と、中継装置３０の中継用電極３１，３２とが電力伝送可能な位置関係であり、且つ中継装置３０の中継用電極３１，３２と、受電装置２０の受電用電極２１，２２とが電力伝送可能な位置関係である場合、送電装置１０から中継装置３０を中継して受電装置２０へ電力が伝送される。このような中継装置３０を用いることで、送電装置１０と受電装置２０とが電力伝送可能な距離以上に離隔して配置される場合など、送受電装置の位置関係上、好適な電力の伝送が行えない場合であっても、高効率で電力を伝送することができる。

また、中継装置３０において受電した電力を他の中継装置に送電することもできる。このような特性を用いることで、複数の中継装置を介した電力の伝送を行うこともできる。

図９は、中継装置を用いた非接触電力伝送システムを適用した照明付き倉庫１ｂの構成を示す概略図である。照明付き倉庫１ｂでは、側壁３上に送電装置１０が、対向する側壁４上に、照明機器６に接続される受電装置２０がそれぞれ設けられる。また、シャッタ２上には、中継装置３０ａ及び３０ｂが設けられる。

中継装置３０ａ，３０ｂは、それぞれが備える電極が同一平面上であり、且つ電界に平行な方向に各電極が並んで配列されるよう、配置される。具体的には、シャッタ２上に設けられる中継装置３０ａ，３０ｂの４つの電極は、図中左右方向に並んで配置される。また、シャッタ２が開いた状態では、中継装置３０ａの中継用電極と、送電装置１０の送電用電極１１，１２とが電界共振結合され、中継装置３０ｂの中継用電極と、受電装置２０の受電用電極２１，２２とが電界共振結合されるよう、位置関係が調整されている。

このような構成によれば、シャッタ２が開いた状態では、送電装置１０から中継装置３０ａ，３０ｂを中継して、受電装置２０に電力が伝送され、照明機器６が点灯する。他方で、シャッタ２が閉じ、送電装置１０と中継装置３０ａ、受電装置２０と中継装置３０ｂのそれぞれが離隔する場合、電力の伝送は行われず、照明機器６は消灯する。

このように中継装置３０を用いることで、送電装置１０と受電装置２０とが電界共振結合されないほど離れて配置される場合であっても、電力を伝送することができる。このように、中継装置３０を用いることで電力の供給を受ける照明機器６などの負荷を交流電源１７から離隔して配置することができるため、交流電源や負荷など、各部の配置の自由度が向上し、使用者の利便性を向上することができる。

（４）第３変形例
上述した非接触電力伝送システムの実施形態である照明付き倉庫では、シャッタ２が上下方向にスライドして開く構成について示した。図１０及び図１１を参照して、第３変形例について説明する。図１０及び図１１は、非接触電力伝送システムを適用した照明付き倉庫１の他の変形例である。図１０には、矢印Ｂ方向（つまり、図中左右方向）にスライドして開く扉部２ｃを備える照明付き倉庫１ｃが、図１１には、矢印Ｃ方向（つまり、図中左右方向）にスライドして開く両開きの扉部２ｄａ、２ｄｂを備える照明付き倉庫１ｄがそれぞれ示されている。

図１０に示される照明付き倉庫１ｃでは、扉部２ｃ上に受電装置２０が、側壁３上に送電装置１０がそれぞれ設けられている。このような構成において、扉部２ｃが閉じた状態では、送電装置１０と受電装置２０とは、電界共振結合されない距離（例えば、遠方界に相当する距離）離隔される。他方で、扉部２ｃが開いた状態では、送電装置１０と受電装置２０とは、互いの電極が電界共振結合され、電力の伝送が行われる。このため、扉部２ｃを開くことで照明機器６を点灯させ、扉部２ｃを閉じることで照明機器６を消灯するよう切り換えることができる。

図１１に示される照明付き倉庫１ｄでは、扉部２ｄａ上に受電装置２０が設けられ、扉部２ｄａに近い方の側壁３上に送電装置１０が設けられている。このような構成において、扉部２ｄａが閉じた状態では、送電装置１０と受電装置２０とは、電界共振結合されない距離（例えば、遠方界に相当する距離）離隔される。他方で、扉部２ｄａが開いた状態では、送電装置１０と受電装置２０とは、互いの電極が電界共振結合され、電力の伝送が行われる。このため、扉部２ｄａを開くことで照明機器６を点灯させ、扉部２ｄａを閉じることで照明機器６を消灯するよう切り換えることができる。

また、例示した内容に限定されることなく、観音開きなど、その他の形式で開閉する車庫、倉庫、クローゼットなどの扉部や、トイレの便座など、可動部に対しても、本発明の非接触電力伝送システムを適用してもよい。また、扉部だけでなく、使用者の操作や、装置の駆動などによって移動する可動部を有する構成に対して、本発明の非接触電力伝送システムを適用し、給電状態と無給電状態とを切り換える構成としてもよい。

（５）第４変形例
上述した各例では、送電装置１０の送電用電極１１，１２と、受電装置２０の受電用電極２１，２２とが、電界共振結合される際に、直交するよう配置されている。しかしながら、このような例示に限定されず、その他の態様で配置されていてもよい。

例えば、図１２に示されるように、対向する状態で電界共振結合されるよう配置されていてもよい。図１２に示される例では、送電装置１０と、受電装置２０とは、送電用電極１１と受電用電極２１とが距離ｄ３を隔てて対向するように平行に配置され、送電用電極１２と受電用電極２２も同じ距離ｄ３を隔てて対向するように平行に配置される。

このように対向配置される配置される送電用電極１１，１２と受電用電極２１，２２との間のＳパラメータについて、電極間の距離ｄ３特性を図１３のグラフに示す。図１３の横軸は電極間の距離ｄ３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。図示されるように、電極間の距離ｄ３がＤ以下の範囲で挿入損失が略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。

従って、図１２に示した構成においては、送受電用電極間の距離ｄ３が上述の範囲内である場合、電界共振結合により、高効率での電力の伝送が可能となる。他方で、電極間の距離ｄ３がＤを上回る状態では、挿入損失が急激に増大するため、電力の伝送効率が極端に低下し、電力の伝送がほとんど行えなくなることを示している。

なお、対向配置される送電装置１０と受電装置２０との間の電極間の距離ｄ３について、電極長Ｄの近傍では、挿入損失が多少なりと生じる場合があり、より好適にはｄ３が０．８Ｄ以内となるよう調整される。

送電装置１０の送電用電極１１，１２と、受電装置２０の受電用電極２１，２２とは、電界共振結合される限りにおいて、任意の位置関係で配置されていてもよい。例えば、送電装置１０の送電用電極１１，１２と、受電装置２０の受電用電極２１，２２とは、好適には、互いに平行となるよう対向し、且つ所定の角度だけ相対的に回転するように配置されていてもよい。

なお、その場合において、送電用電極１１，１２と受電用電極２１，２２とが相互に９０度または２７０度回転配置された場合には、送電装置１０から受電装置２０へ電力が伝送されなくなる。すなわち、受電用電極２１と送電用電極１１の間の容量と、受電用電極２１と送電用電極１２の間の容量が等しいか、または、受電用電極２２と送電用電極１１の間の容量と、受電用電極２２と送電用電極１２の間の容量が等しい場合には、受電装置２０に励起された電圧が相殺される。このため、各電極がこのような位置関係となることを避けて、送電装置１０及び受電装置２０の配置が決定されることが好ましい。

また、送電用電極１１，１２と受電用電極２１，２２とは、必ずしも平行に対向する必要はない。送電用電極１１，１２の間の電界と、受電用電極２１，２２の間の電界との成す角度が垂直とならない状態であれば、両者の間に所定の角度が存在する場合であっても電界共振結合が可能となる。なお、送電側の電界と、受電側の電界との間の角度が平行状態（つまり、０度）から増大すると、送電用電極１１，１２から受電用電極２１，２２への電力の伝送効率が低下する。そこで、両電極の間の角度は、所望の伝送効率を実現可能な範囲内で決定されてよい。

（６）第５変形例
なお、上述した実施形態では、送電側、受電側のそれぞれで、略同一平面上に配置した２つの電極を用いているが、必ずしもこのような構造に限定されず、例えば送電側受電側の各装置において、電極同士を対向して配置した対向型の電極構造を採用してもよい。
図１４は、対向型の電極構造を有する送電装置１０’及び受電装置２０’の構造を示す概略図であって、対向配置される送電用電極及び受電用電極の配列方向に対して直交する方向から見た場合の図である。

図示されるように、送電装置１０’は、対向配置される外側送電用電極１１’と内側送電用電極１２’とを有し、受電装置２０’は、対向配置される外側受電用電極２１’と内側受電用電極２２’とを有する。外側送電用電極１１’と、内側送電用電極１２’と、外側受電用電極２１’と、内側受電用電極２２’とのそれぞれは、略同一のサイズと形状を有する電極板であって、それぞれ所定の距離離隔して一列に対向配置される。

送電装置１０’において、外側送電用電極１１’と内側送電用電極１２’とは、距離ｄ４離隔して対向配置され、インダクタ１３’を介して、接続線１４’によって接続される。
同様に、受電装置１０’において、外側受電用電極２１’と内側受電用電極２２’とは、距離ｄ４離隔して対向配置され、インダクタ２３’を介して、接続線２４’によって接続される。

送電装置１０’の内側送電用電極１２'と、受電装置２０’の内側受電用電極２２'とは、距離ｄ５離隔して対向配置される。
送電装置１０’と受電装置２０’とが、電界共振結合による電力伝送可能な位置関係となる場合に、送電装置１０’から受電装置２０’へ電力が伝送される。電力伝送時には、送電装置１０’と受電装置２０’との内側電極間の対向距離ｄ５（言い換えれば、電力の伝送距離）は、内側及び外側電極間のｄ４に対して、２倍以下（つまり、ｄ５≦２×ｄ４）であるなど、良好な電界共振結合が可能な範囲内に位置することが好ましい。なお、上述の説明では、送電側、受電側において、外側と内側の電極を略同一のサイズを有するとしたが、例えば、外側の電極を内側と比較して大きくするなど、変更を加えてもよい。

このような対向型の電極構造を採用した場合においても、送電側と受電側で一方の電極を近接させることで、上述した実施形態と同様にスイッチとしての機能と、電力の非接触伝送機能との両方を実現することができる。なお、対向型の電極構造では、対向する電極により、送電用電極１１’，１２’の間及び受電用電極２１’，２２’の間に生じるキャパシタンスを増大することができるため、電極間距離ｄ４及び電極長を小さくすることができる。このため、送電装置１０’及び受電装置２０’の設置に要するスペースを低減でき、配置位置の自由度を向上することもできる。

他方で、例えば、図５（ａ）に示されるように、送電装置１０や受電装置２０において、２つの電極（つまり、送電用電極１１，１２、または受電用電極２１，２２）が略同一平面上に配置されている場合には、対向する電極間の距離ｄ４を０とすることができるため、型の電極構造に比べて、装置の低背化を図ることができる。このため、送電装置１０及び受電装置２０の電極部分を平板状またはシート状として構成し、既存のシャッタや倉庫の壁上に貼り付ける場合などにおいて、使用者の利便性を向上することができるとの利点もある。

本発明は、上述した実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨または思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う非接触電力伝送システムもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１，１ａ，１ｂ照明付き倉庫
２シャッタ
３，４側壁
５天板
６照明機器
１０送電装置
１１，１２送電用電極
１３，１４インダクタ
１５，１６接続線
１７交流電源
２０受電装置
２１，２２受電用電極
２３，２４インダクタ
２５，２６接続線
３０中継装置

Claims

電源に接続される送電用電極を有する送電装置と、
前記送電用電極との電界共振結合により、電力の伝送を受ける受電用電極を有し、受電した電力を負荷に供給する受電装置と
を備え、
前記送電用電極と前記受電用電極は、電極面同士が向かい合う対面配置ではなく、それぞれ１の端部同士が対向するように配置され、
前記送電用電極と前記受電用電極のうち、一方の電極は、他方の電極に対して、電力伝送可能となる位置関係を満たす状態と満たさない状態との間で相対的に移動可能であり、
前記送電装置及び前記受電装置は、互いに隔離した非接触状態で同じ物体に取り付けられ、
前記送電装置及び前記受電装置の少なくとも一方は、前記物体の可動部に取り付けられ、
前記物体の可動部の移動動作は、前記負荷への電力供給及び前記負荷の作動の双方の開始及び停止を切り替えるためのスィッチ機構を兼ねることを特徴とする非接触電力伝送システム。
前記送電装置は、
同一平面上において所定の距離を隔てて配置された第１及び第２の送電用電極と、
前記第１及び第２の送電用電極を、交流電源の２つの出力端子のそれぞれと電気的に接続する第１及び第２接続線と、
前記第１及び第２の送電用電極と前記交流電源の２つの出力端子の少なくとも一方の間に挿入される第１インダクタとを備え、
前記受電装置は、
同一平面上において所定の距離を隔てて配置された第１及び第２の受電用電極と、
前記第１及び第２の受電用電極を、前記負荷の２つの入力端子のそれぞれと電気的に接続する第３及び第４接続線と、
前記第１及び第２の受電用電極と前記負荷の２つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第２インダクタとを備え、
前記第１及び第２の送電用電極並びに前記第１インダクタによって構成されるカプラの共振周波数と、前記第１及び第２の受電用電極と前記第２インダクタによって構成されるカプラの共振周波数が略等しくなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送システム。
前記負荷は、電力の供給によって作動する電気機器であることを特徴とする請求項１または２に記載の非接触電力伝送システム。
電源に接続される送電用電極を有する送電装置と、
前記送電用電極との電界共振結合により、電力の伝送を受ける受電用電極を有し、受電した電力を負荷に供給する受電装置と、
前記送電用電極から非接触で交流電力の伝送を受け、且つ前記受電用電極へと伝送する中継用電極を備える中継装置と、を備え、
前記中継用電極は、前記送電用電極と前記受電用電極との間に配置され、前記送電用電極、前記受電用電極及び前記中継用電極のうち、一の電極は、残りの電極に対して、電力伝送可能となる位置関係を満たす状態と満たさない状態との間で相対的に移動可能であり、
前記送電装置、前記受電装置及び前記中継装置は、互いに隔離した非接触状態で同じ物体に取り付けられ、
前記送電装置、前記受電装置及び前記中継装置の少なくとも一つは、前記物体の可動部に取り付けられ、
前記物体の可動部の移動動作は、前記負荷への電力供給及び前記負荷の作動の双方の開始及び停止を切り替えるためのスィッチ機構を兼ねることを特徴とする非接触電力伝送システム。