JPWO2015186580A1 - 電力伝送システム - Google Patents

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Abstract

送電装置から受電装置へ電界結合により電力を伝送する電力伝送システムにおいて、送電装置受電装置の電極間に生じるクロス容量を、Ｃ１４，Ｃ１５，Ｃ１６，Ｃ２５，Ｃ２６，Ｃ３５，Ｃ３６，Ｃ４５，Ｃ４６，アクティブ電極（１２，２４）間の容量をＣＡ、パッシブ電極（１３，２３）間の容量をＣＰで表したとき、式（１）及び式（２）を満足する。【数１】これにより、送電装置に受電装置を載置した際に、送電装置及び受電装置の基準電位の安定化を図ることができる電力伝送システムを提供する。

Description

本発明は、送電装置から受電装置へ容量結合（電界結合）により電力を伝送する電力伝送システムに関する。
電力伝送システムとして、電界結合方式を用いたものが知られている。この電力伝送システムは、送電装置及び受電装置のアクティブ電極同士、パッシブ電極同士がそれぞれ空隙を介して近接することにより、この電極間に大きな容量が形成され、電極同士が電界結合する。これにより、送電装置及び受電装置の電極どうしが非接触でありながら送電装置及び受電装置間での高い伝送効率の電力伝送を可能としている。
電力伝送システムの受電装置の一例として、携帯電話機等の電子機器が挙げられる。近年、これら電子機器等には、操作性のよい静電容量式入力部（タッチパネル）が用いられることが多くなっている。受電装置にタッチパネルが搭載されている場合、受電装置は、送電装置に載置して充電しながらタッチパネルが操作される状況もあり得るが、この場合、受電装置側の基準電位が変動し、受電装置が誤動作するおそれがある。
特許文献１には、基準電位の変動が比較的小さい送電装置に、受電装置の基準電位を接続することで、受電装置の基準電位を安定化させる電力伝送システムが開示されている。特許文献１に記載の電力伝送システムは、送電装置及び受電装置それぞれが基準電位に接続された基準電位電極を有し、基準電位電極同士が互いに対向する。これにより、受電装置の基準電位が送電装置の基準電位に接続され、受電装置の電位が安定し、受電装置の作動が安定する。
国際公開第２０１３／０５４８００号パンフレット
ところで、受電装置を送電装置に載置した場合、例えば、種類の異なる電極間、例えば、送電装置のアクティブ電極と、受電装置のパッシブ電極との間に容量（以下、クロス容量と言う）が形成されることがある。このクロス容量は、受電装置を送電装置に載置した際に位置ずれが生じると、特に大きくなる。特許文献１では、このようなクロス容量の影響を考慮しておらず、クロス容量が原因で、受電装置側の基準電位が変動し、受電装置に誤作動が生じるおそれがある。
そこで、本発明の目的は、送電装置に受電装置を載置した際に、送電装置及び受電装置の基準電位の安定化を図ることができる電力伝送システムを提供することにある。
本発明は、第１送電側電極と、第２送電側電極と、送電側基準電位に接続された送電側基準電位電極と、前記第１送電側電極及び前記第２送電側電極に電圧を印加する電圧印加回路とを有する送電装置と、第１受電側電極と、第２受電側電極と、受電側基準電位に接続された受電側基準電位電極と、前記第１受電側電極及び前記第２受電側電極に生じる電圧を負荷へ供給する負荷回路とを有する受電装置と備え、前記送電装置に前記受電装置を載置して、前記第１送電側電極及び前記第１受電側電極を対向させ、前記第２送電側電極及び前記第２受電側電極を対向させ、前記送電側基準電位電極及び前記受電側基準電位電極を対向させて、前記送電装置から前記受電装置へ電界結合により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、前記第１送電側電極及び前記第２送電側電極の間に直列接続された第１送電側キャパシタ及び第２送電側キャパシタを有し、前記第１送電側キャパシタ及び前記第２送電側キャパシタの接続点は、前記送電側基準電位電極に接続され、前記受電装置は、前記第１受電側電極及び前記第２受電側電極の間に直列接続された第１受電側キャパシタ及び第２受電側キャパシタを有し、前記第１受電側キャパシタ及び前記第２受電側キャパシタの接続点は、前記受電側基準電位電極に接続され、前記第１送電側電極及び前記第１送電側キャパシタの接続点をＰ１、前記第１受電側電極及び前記第１受電側キャパシタの接続点をＰ２、前記第２送電側電極及び前記第２送電側キャパシタの接続点をＰ３、前記第２受電側電極及び前記第２受電側キャパシタの接続点をＰ４、前記第１送電側キャパシタ及び前記第２送電側キャパシタの接続点をＰ５、前記第１受電側キャパシタ及び前記第２受電側キャパシタの接続点をＰ６、で表し、Ｐ１−Ｐ４間に生じる寄生容量をＣ１４、Ｐ１−Ｐ６間に生じる寄生容量をＣ１６、Ｐ２−Ｐ３間に生じる寄生容量をＣ２３、Ｐ２−Ｐ５間に生じる寄生容量をＣ２５、Ｐ３−Ｐ６間に生じる寄生容量をＣ３６、Ｐ４−Ｐ５間に生じる寄生容量をＣ４５、前記第１送電側キャパシタ及び前記第２送電側キャパシタそれぞれの容量をＣ１５，Ｃ３５、前記第１受電側キャパシタ及び前記第２受電側キャパシタそれぞれの容量をＣ２６，Ｃ４６、前記第１送電側電極及び前記第１受電側電極の間に生じる容量をＣＡ、前記第２送電側電極及び前記第２受電側電極の間に生じる容量をＣＰ、で表したとき、
Figure 2015186580
ただし、ΣＧ＝ＣＡ＋ＣＰ＋Ｃ１４＋Ｃ２３＋Ｃ２６＋Ｃ４６＋Ｃ２５＋Ｃ４５、かつ、ΣＬ＝ＣＡ＋ＣＰ＋Ｃ１４＋Ｃ２３＋Ｃ１６＋Ｃ３６＋Ｃ１５＋Ｃ３５、を満足していることを特徴とする。
この構成では、クロス容量を考慮した式（１）及び式（２）（以下、安定条件という）を満足することで、受電装置の基準電位を送電装置の基準電位に近づけることができる。このため、送電装置及び受電装置の基準電位を安定化できる。これにより、基準電位が不安定になることに起因する不具合を防止できる。
前記第１送電側電極及び前記第２送電側電極は平板状であり、同一平面上に設けられ、前記第１受電側電極及び前記第２受電側電極は平板状であり、同一平面上に設けられ、前記送電側基準電位電極及び前記受電側基準電位電極は、平板状であり、前記第１送電側電極及び前記第２送電側電極、並びに、前記第１受電側電極及び前記第２受電側電極を間に挟んで対向することが好ましい。
この構成では、電極の形状、大きさ又は電極間の距離等の最小限の調整をするだけで、基準電位の安定条件を満足させることができる。
前記送電装置は、載置された前記受電装置と接する筐体の載置面から内側に向かって積層された第１絶縁層及び第２絶縁層を有し、前記第１送電側電極及び前記第２送電側電極は、前記第１絶縁層及び前記第２絶縁層の間に形成され、前記送電側基準電位電極は、前記第１絶縁層とは反対側の前記第２絶縁層の最外層に形成され、前記受電装置は、載置した前記送電装置と接する筐体の載置面から内側に向かって積層された第３絶縁層及び第４絶縁層を有し、前記第１受電側電極及び前記第２受電側電極は、前記第３絶縁層及び前記第４絶縁層の間に形成され、前記受電側基準電位電極は、前記第３絶縁層とは反対側の前記第４絶縁層の最外層に形成され、前記第２絶縁層及び前記第４絶縁層それぞれは、平面方向において、誘電率及び厚さの比率が均一であり、前記第１絶縁層及び前記第３絶縁層は同じ誘電率であり、平面方向において、前記誘電率、及び、前記第１絶縁層と前記第３絶縁層との合計厚さの比率が均一である、ことが好ましい。
この構成によれば、絶縁層の厚さ及び誘電率の微調整、又は、小さい補正容量の追加で、基準電位の安定条件を満足させることができる。
前記第１絶縁層は、前記第１送電側電極と前記送電側基準電位電極との間、及び、前記第２送電側電極と前記送電側基準電位電極との間の少なくとも一方の領域の誘電率が、他の領域と異なっていることが好ましい。
この構成では、第１送電側電極又は第２送電側電極に厚みがあり、第１絶縁層の厚さが平面方向において均一でない場合であっても、電極間の誘電率を変えることで、平面方向において、誘電率及び厚さの比率を均一にすることができる。
前記第４絶縁層は、前記第１受電側電極と前記受電側基準電位電極との間、及び、前記第２受電側電極と前記受電側基準電位電極との間の少なくとも一方の領域の誘電率が、他の領域と異なっていることが好ましい。
この構成では、第１受電側電極又は第２受電側電極に厚みがあり、第４絶縁層の厚さが平面方向において均一でない場合であっても、電極間の誘電率を変えることで、平面方向において、誘電率及び厚さの比率を均一にすることができる。
前記送電装置及び前記受電装置の何れかは容量調整用素子を有し、前記容量調整用素子の容量を含めて、前記式（１）及び前記式（２）を満足していることが好ましい。
この構成では、電極の形成後であっても、最小限の容量素子を追加することで、基準電位の安定条件を満足させることができる。
前記送電側基準電位電極は、前記第１送電側電極及び前記第２送電側電極の少なくとも一方と対向する部分に、凹部、凸部又は開口部を有していることが好ましい。
この構成では、第１送電側電極又は第２送電側電極に厚みがあり、第１絶縁層の厚さが平面方向において均一でない場合であっても、送電側基準電位電極に凹部等を形成することで、第１絶縁層の厚さを変えることができる。これにより、平面方向において、第１絶縁層の誘電率及び厚さの比率を均一にすることができる。
前記受電側基準電位電極は、前記第１受電側電極及び前記第２受電側電極の少なくとも一方と対向する部分に、凹部、凸部又は開口部を有していることが好ましい。
この構成では、第１受電側電極又は第２受電側電極に厚みがあり、第４絶縁層の厚さが平面方向において均一でない場合であっても、受電側基準電位電極に凹部等を形成することで、第４絶縁層の厚さを変えることができる。これにより、平面方向において、第４絶縁層の誘電率及び厚さの比率を均一にすることができる。
本発明によれば、式（１）及び式（２）を満足することで、受電装置の基準電位を送電装置の基準電位に近づけることができる。このため、送電装置及び受電装置の基準電位を安定化できる。これにより、基準電位が不安定になることに起因する不具合を防止できる。
実施形態に係る電力伝送システムの回路図 送電装置に受電装置を載置した状態での回路の概略図 （Ａ）は、送電装置の載置面の透視平面図、（Ｂ）は、（Ａ）のIII−III線の断面図 （Ａ）は、受電装置の載置面の透視平面図、（Ｂ）は、（Ａ）のIV−IV線の断面図 クロス容量について説明するための断面図 、寄生容量を含む電力伝送システムの一部の回路図 受電装置のアクティブ電極及びパッシブ電極を短絡した場合の、図６の等価回路図 送電装置のアクティブ電極及びパッシブ電極を短絡した場合の、図６の等価回路図 送電装置に受電装置を載置した状態における電極部分の断面図 各電極の厚みを考慮した場合の構造例について説明するための図 絶縁層の平面方向において、誘電率と厚さとの比率が均一に分布していない場合の構造例について説明するための図 各電極の配線を考慮した場合の構造例について説明するための図 キャパシタを追加した場合の電力伝送システムの回路の概略図
図１は、本実施形態に係る電力伝送システム１の回路図である。
電力伝送システム１は、送電装置１０１と受電装置２０１とを備えている。受電装置２０１は負荷回路ＲＬを備えている。この負荷回路ＲＬは充電回路及び二次電池を含む。なお、二次電池は受電装置２０１に対し着脱式であってもよい。そして、受電装置２０１は、その二次電池を備えた、例えば携帯電子機器である。携帯電子機器としては携帯電話機、携帯音楽プレーヤ、ノート型ＰＣ、デジタルカメラなどが挙げられる。送電装置１０１は、載置された受電装置２０１の二次電池を充電するための充電台である。
送電装置１０１は、直流電圧を出力する電源１０を備えている。電源１０はＡＣアダプタである。ＡＣアダプタは商用電源に接続されていて、ＡＣ１００Ｖ〜２４０Ｖを例えばＤＣ５Ｖや１９Ｖへ変換する。
電源１０にはインバータ回路１１が接続されている。インバータ回路１１は、４つのＭＯＳ−ＦＥＴによるスイッチ素子を備えている。スイッチ素子は不図示のドライバによりＰＷＭ制御される。インバータ回路１１は、スイッチ素子がオンオフされることで、電源１０からの直流電圧を交流電圧に変換する。
インバータ回路１１の出力側には昇圧トランスＴ１の１次巻線が接続されている。インバータ回路１１で変換された交流電圧は、昇圧トランスＴ１に印加される。昇圧トランスＴ１の２次巻線には、アクティブ電極１２及びパッシブ電極１３が接続されている。昇圧トランスＴ１は、インバータ回路１１から印加された交流電圧を昇圧し、アクティブ電極１２及びパッシブ電極１３へ印加する。
アクティブ電極１２は、本発明に係る「第１送電側電極」に相当する。パッシブ電極１３は、本発明に係る「第２送電側電極」に相当する。
また、送電装置１０１は基準電位電極１４を備えている。基準電位電極１４は、送電装置１０１の基準電位に接続されている。送電装置１０１の基準電位は、絶対的なアース電位と同電位であって、大地（又は送電装置１０１が置かれている机等）に接続することが望ましい。基準電位電極１４は、本発明に係る「送電側基準電位電極」に相当する。
アクティブ電極１２及びパッシブ電極１３には、直列接続されたキャパシタＣａ１，Ｃｐ１が接続されている。キャパシタＣａ１，Ｃｐ１は、後に詳述するが、受電装置２０１の基準電位の安定化を目的として設けられている。キャパシタＣａ１，Ｃｐ１の接続点は、送電装置１０１の基準電位に接続されている。キャパシタＣａ１は、本発明に係る「第１送電側キャパシタ」に相当し、キャパシタＣｐ１は、本発明に係る「第２送電側キャパシタ」に相当する。
昇圧トランスＴ１の２次巻線には、キャパシタＣ１が接続されている。このキャパシタＣ１は、昇圧トランスＴ１の漏れインダクタンスＬ１と共に直列共振回路を形成する。
受電装置２０１は、アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３を備えている。アクティブ電極２２は、本発明に係る「第１受電側電極」に相当し、パッシブ電極２３は、本発明に係る「第２受電側電極」に相当する。送電装置１０１に受電装置２０１を載置（装着）した場合、アクティブ電極１２，２２、パッシブ電極１３，２３がそれぞれ間隙を介して対向する。この対向配置により、アクティブ電極１２，２２間、パッシブ電極１３，２３間に静電容量が形成され、電界結合する。この結合を介して送電装置１０１から受電装置２０１へ電力が伝送される。
アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３には、直列接続されたキャパシタＣａ２，Ｃｐ２が接続されている。キャパシタＣａ２，Ｃｐ２は、キャパシタＣａ１，Ｃｐ１と同様に、受電装置２０１の基準電位の安定化を目的として設けられている。キャパシタＣａ２，Ｃｐ２の接続点は、送電装置１０１の基準電位に接続されている。キャパシタＣａ２は、本発明に係る「第１受電側キャパシタ」に相当し、キャパシタＣｐ２は、本発明に係る「第２受電側キャパシタ」に相当する。
また、受電装置２０１は基準電位電極２４を備えている。基準電位電極２４は、受電装置２０１の基準電位に接続されている。基準電位電極２４は、送電装置１０１に受電装置２０１を載置（装着）した場合、その一部が基準電位電極１４と対向する。これにより、受電装置２０１の基準電位は、対向する基準電位電極１４，２４で形成される容量を介して、送電装置１０１の基準電位に接続する。基準電位電極２４は、本発明に係る「受電側基準電位電極」に相当する。
アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３には、降圧トランスＴ２の１次巻線が接続されている。降圧トランスＴ２の２次巻線には、ダイオードブリッジＤＢが接続され、さらに、キャパシタＣ３及びインダクタＬ２からなる平滑回路が接続されている。降圧トランスＴ２は、アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３に誘起される電圧を降圧する。ダイオードブリッジＤＢ及び平滑回路は、降圧トランスＴ２により降圧された電圧を整流及び平滑し、負荷回路ＲＬへ供給する。
また、降圧トランスＴ２の１次巻線にはキャパシタＣ２が接続されている。このキャパシタＣ２は、降圧トランスＴ２の２次巻線と共に並列共振回路を形成する。この並列共振回路は、送電装置１０１に形成される直列共振回路と共振周波数が同じに設定されている。送電装置１０１及び受電装置２０１の共振回路の共振周波数を同じに設定することで、送電装置１０１から受電装置２０１へ効率よく電力伝送が行える。
図２は、送電装置１０１に受電装置２０１を載置した状態での回路の概略図である。図２では、図１に示す回路の一部の図示を省略している。また、図１で説明した電源１０及びインバータ回路１１は、図２では、電源Ｅｉｎとして図示している。
送電装置１０１は筐体１０１Ａを備えている。受電装置２０１は筐体２０１Ａを備えている。送電装置１０１の筐体１０１Ａに、受電装置２０１の筐体２０１Ａが載置されることで、送電装置１０１から受電装置２０１へ電力が伝送される。以下では、筐体１０１Ａに筐体２０１Ａを載置した際に、互いに接する面を筐体１０１Ａ，２０１Ａの載置面と言う。
送電装置１０１のアクティブ電極１２及びパッシブ電極１３は、筐体１０１Ａの載置面に沿って、同一平面上に設けられている。基準電位電極１４は、アクティブ電極１２及びパッシブ電極１３が筐体１０１Ａの載置面側に位置するように、アクティブ電極１２及びパッシブ電極１３と平行に設けられている。また、送電装置１０１は、筐体１０１Ａの載置面とは反対側の面に沿って設けられたシールド電極１５を備えている。シールド電極１５は、基準電位電極１４と同電位である。
受電装置２０１のアクティブ電極２２及びパッシブ電極２３は、筐体２０１Ａの載置面に沿って、同一平面上に設けられている。基準電位電極２４は、アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３が筐体２０１Ａの載置面側に位置するように、アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３と平行に設けられている。また、受電装置２０１は、筐体２０１Ａの載置面とは反対側の面に沿って設けられたシールド電極２５を備えている。シールド電極２５は、基準電位電極２４と同電位である。
以上のように、受電装置２０１を送電装置１０１に載置した場合、アクティブ電極１２，２２が対向し、パッシブ電極１３，２３が対向する。また、基準電位電極１４，２４は、間にアクティブ電極１２，２２及びパッシブ電極１３，２３を挟むように対向する。さらに、シールド電極１５，２５は、その間に、アクティブ電極１２，２２、パッシブ電極１３，２３及び基準電位電極１４，２４を挟む。このシールド電極１５，２５により、送電装置１０１及び受電装置２０１内で生じたノイズの輻射が抑制される。
図３（Ａ）は、送電装置１０１の載置面の透視平面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のIII−III線の断面図である。
アクティブ電極１２及びパッシブ電極１３は平板状である。アクティブ電極１２は矩形状であり、パッシブ電極１３は、アクティブ電極１２を囲うように形成されている。また、基準電位電極１４は、平面視で、アクティブ電極１２及びパッシブ電極１３の全体を包含する大きさを有している。
送電装置１０１には、筐体１０１Ａの載置面から内側に向かって、絶縁層１６，１７が形成されている。アクティブ電極１２及びパッシブ電極１３は、絶縁層１６，１７の間に設けられている。基準電位電極１４は、絶縁層１７の最外層に設けられている。絶縁層１６，１７は、例えば樹脂等、絶縁性部材であれば、部材は限定されない。絶縁層１６は、本発明に係る「第１絶縁層」に相当し、絶縁層１７は、本発明に係る「第２絶縁層」に相当する。
図４（Ａ）は、受電装置２０１の載置面の透視平面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のIV−IV線の断面図である。
アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３は平板状である。アクティブ電極２２は矩形状であり、パッシブ電極２３は、アクティブ電極２２を囲うように形成されている。また、基準電位電極２４は、平面視で、アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３の全体を包含する大きさを有している。
受電装置２０１には、筐体２０１Ａの載置面から内側に向かって、絶縁層２６，２７が形成されている。アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３は、絶縁層２６，２７の間に設けられている。基準電位電極２４は、絶縁層２７の最外層に設けられている。絶縁層２６，２７は、例えば樹脂等、絶縁性部材であれば、部材は限定されない。絶縁層２６は、本発明に係る「第３絶縁層」に相当し、絶縁層２７は、本発明に係る「第４絶縁層」に相当する。
図４に示す電極を有する受電装置２０１を、図３に示す電極を有する送電装置１０１に載置した場合、平面視での電極の大きさ及び形状の違いから、クロス容量が生じる。以下に、クロス容量について説明する。
図５は、クロス容量について説明するための断面図である。図５に示す断面図は、送電装置１０１及び受電装置２０１の載置面が接するように、図３（Ｂ）の断面図に図４（Ｂ）の断面図を重ねたものに相当する。
受電装置２０１を送電装置１０１に載置した場合、アクティブ電極１２，２２が対向し、パッシブ電極１３，２３が対向する。このとき、長方形状であるアクティブ電極１２，２２は、その長手方向が直交するよう対向する。したがって、図５に示すように、アクティブ電極２２は、アクティブ電極１２と対向しない部分を有する。アクティブ電極２２のアクティブ電極１２と対向しない部分は、基準電位電極１４と対向し（図中破線領域ＳＰ１，ＳＰ２）、その領域ＳＰ１，ＳＰ２に容量が生じる。この容量がクロス容量となる。
同様に、パッシブ電極２３は、パッシブ電極１３と対向しない部分を有し、その部分は基準電位電極１４と対向し（図中破線領域ＳＰ３，ＳＰ４，ＳＰ５，ＳＰ６）、その領域ＳＰ３，ＳＰ４，ＳＰ５，ＳＰ６に容量が生じる。この容量がクロス容量となる。
図５で説明したクロス容量は一例であり、送電装置１０１に対する受電装置２０１の載置位置に応じて、生じるクロス容量は異なる。以下に、電力伝送システム１に生じるクロス容量について説明する。図６は、寄生容量を含む電力伝送システム１の一部の回路図である。
図１の回路において、キャパシタＣａ１とアクティブ電極１２との接続点をＰ１、キャパシタＣａ２とアクティブ電極２２との接続点をＰ２、キャパシタＣｐ１とパッシブ電極１３との接続点をＰ３、キャパシタＣｐ２とパッシブ電極２３との接続点をＰ４とする。また、キャパシタＣａ１，Ｃｐ１の接続点をＰ５、キャパシタＣａ２，Ｃｐ２の接続点をＰ６とする。
この場合、Ｐ１−Ｐ４間、Ｐ１−Ｐ６間、Ｐ２−Ｐ３間、Ｐ２−Ｐ５間、Ｐ３−Ｐ６間、Ｐ４−Ｐ５間それぞれに寄生容量が生じる。Ｐ１−Ｐ４間には寄生容量Ｃ１４が生じ、Ｐ１−Ｐ６間には寄生容量Ｃ１６が生じる。Ｐ２−Ｐ３間には寄生容量Ｃ２３が生じ、Ｐ２−Ｐ５間には寄生容量Ｃ２５が生じる。Ｐ３−Ｐ６間には寄生容量Ｃ３６が生じ、Ｐ４−Ｐ５間には寄生容量Ｃ４５が生じる。
なお、図６では、図１で説明したキャパシタＣ１ａ，Ｃｐ１，Ｃａ２，Ｃｐ２は、説明の便宜上、それぞれ、Ｃ１５，Ｃ３５，Ｃ２６，Ｃ４６の符号で表す。また、アクティブ電極１２，２２間に形成される容量をＣＡ、パッシブ電極１３，２３間に形成される容量をＣＰ、基準電位電極１４，２４間に形成される容量をＣＧで表す。また、各容量のキャパシタンスは、各容量と同符号で表すものとする。
この図６に示す回路において、以下の式（１）及び式（２）を満たすことで、受電装置２０１の基準電位を、送電装置１０１の基準電位に近づけることができる。送電装置１０１の基準電位は、大地（又は机等）に接続され、安定しているため、受電装置２０１の基準電位を送電装置１０１の基準電位に近づけることで、受電装置２０１の基準電位も安定化が図れる。なお、送電装置１０１の基準電位は大地に接続されていなくてもよく、大地に対して漏えいする電解をシールド電極で遮蔽することによって、受電装置２０１の基準電位の安定化を図るようにしてもよい。
Figure 2015186580
ただし、
ΣＧ＝ＣＡ＋ＣＰ＋Ｃ１４＋Ｃ２３＋Ｃ２６＋Ｃ４６＋Ｃ２５＋Ｃ４５、かつ、
ΣＬ＝ＣＡ＋ＣＰ＋Ｃ１４＋Ｃ２３＋Ｃ１６＋Ｃ３６＋Ｃ１５＋Ｃ３５、である。
以下に、式（１）及び式（２）の条件の導出方法、及び、前記条件を満足することで、受電装置２０１の基準電位が送電装置１０１の基準電位に近づく理由について説明する。
まず、図１の回路において、アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３を短絡した場合について考える。図７は、受電装置２０１のアクティブ電極２２及びパッシブ電極２３を短絡した場合の、図６の等価回路図である。
受電装置２０１のアクティブ電極２２及びパッシブ電極２３を短絡した場合、Ｐ２，Ｐ４が同電位となり、図７の上図に示す回路となる。図７の上図に示す回路をスター・メッシュ変換により、図７の下図に示すブリッジ回路となる。ここで、ブリッジ回路のキャパシタＣ１５’，Ｃ１６’，Ｃ３５’，Ｃ３６’は、それぞれ以下の式で表せる。
Figure 2015186580
図７のブリッジ回路において、ブリッジ回路の平衡条件から、
Ｃ３５’／Ｃ１５’＝Ｃ３６’／Ｃ１６’ …（３）
を満足することで、Ｐ５，Ｐ６間の電位差Ｖｃは０となる。
次に、図１の回路において、アクティブ電極１２及びパッシブ電極１３を短絡した場合について考える。図８は、送電装置１０１のアクティブ電極１２及びパッシブ電極１３を短絡した場合の、図６の等価回路図である。
送電装置１０１のアクティブ電極１２及びパッシブ電極１３を短絡した場合、Ｐ１，Ｐ３が同電位となり、図８の上図に示す回路となる。図８の上図に示す回路をスター・メッシュ変換により、図８の下図に示すブリッジ回路となる。ここで、ブリッジ回路のキャパシタＣ２５’，Ｃ２６’，Ｃ４５’，Ｃ４６’は、それぞれ以下の式で表せる。
Figure 2015186580
図８のブリッジ回路において、ブリッジ回路の平衡条件から、
Ｃ４５’／Ｃ２５’＝Ｃ４６’／Ｃ２６’ …（４）
を満足することで、Ｐ５，Ｐ６間の電位差Ｖｃは０となる。
前記式（３）及び式（４）から、式（１）及び式（２）の条件を導出できる。そして、式（１）及び式（２）の条件を満足することで、Ｐ５−Ｐ６間の電位差Ｖｃは０となる。すなわち、送電装置１０１及び受電装置２０１の基準電位は等しくなる。その結果、受電装置２０１の基準電位は安定する。
次に、式（１）及び式（２）の条件を満たすための送電装置１０１及び受電装置２０１の構造例について説明する。
図９は、送電装置１０１に受電装置２０１を載置した状態における電極部分の断面図である。図９は、図５に示す断面図に相当する。
前記式（１）及び式（２）を満足するために、絶縁層１６，１７，２６，２７それぞれは、平面方向において、厚みと誘電率との比率が均一にしてある。なお、アクティブ電極１２及びパッシブ電極１３と、アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３との間は、二つの絶縁層１６，２６を一つの絶縁層とみなす。
具体的には、アクティブ電極１２及びパッシブ電極１３と基準電位電極１４との間の絶縁層１７では、誘電率をε１、厚さをｄ１で表すと、平面方向において、ε１／ｄ１が均一にされている。また、アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３と基準電位電極２４との間の絶縁層２７では、誘電率をε２、厚さをｄ２で表すと、平面方向において、ε２／ｄ２が均一にされている。さらに、アクティブ電極１２及びパッシブ電極１３と、アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３との間の絶縁層１６，２６では、誘電率をε３、合計厚さをｄ３で表すと、平面方向において、ε３／ｄ３が均一にされている。
なお、絶縁層１６，２６は正規の位置に対向した場合に均一になればよい。各絶縁層の誘電率が同じであれば、絶縁層１６，２６の境界面は必ずしも平面である必要は無く、例えば、絶縁層１６，２６が嵌合するように凹凸形状があってもよい。また、各絶縁層１６，１７，２６，２７の厚みｄ１、ｄ２、ｄ３が同じであれば、各絶縁層の誘電率が異なっていてもよい。
以上のように、各絶縁層の厚さ及び誘電率を調整すれば、式（１）及び式（２）を満たす。なお、図９に示す構造では、各電極の厚みによる影響は無視している。そこで、以下に、電極の厚みを考慮した場合の構造例について説明する。
図１０は、各電極の厚みを考慮した場合の構造例について説明するための図である。図１０では、受電装置２０１側の電極及び絶縁層についてのみ図示している。
アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３は厚みがある。このため、絶縁層２７において、基準電位電極２４がアクティブ電極２２及びパッシブ電極２３に対向している部分の厚みＴ１と、基準電位電極２４がアクティブ電極２２及びパッシブ電極２３に対向していない部分の厚みＴ２とでは、Ｔ１＜Ｔ２の関係となる。そこで、図１０に示すように、アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３に対向する基準電位電極２４の領域に図１０における上側に突出する凸部２４Ａを設ける。これにより、厚みＴ１は大きくなり、Ｔ１とＴ２とを略同じにすることができる。この結果、図９で説明したように、各絶縁層の平面方向において、誘電率と厚さとの比率を均一にすることができる。
なお、誘電率と厚さとの比率が均一とは、比率の値が絶縁層の平面方向において完全に同じである必要はなく、式（１）及び式（２）を満たし、受電装置２０１の基準電位が送電装置１０１の基準電位に近づく範囲内であればよい。また、誘電率と厚さとの比率は、絶縁層の平面方向において均一に分布していなくてもよい。例えば、絶縁層の平面方向において、一部の誘電率と厚さとの比率が高く、他の部分での比率が低い場合なども含まれる。
図１１は、絶縁層の平面方向において、誘電率と厚さとの比率が均一に分布していない場合の構造例について説明するための図である。図１１では、受電装置２０１側の電極及び絶縁層についてのみ図示している。
図１１（Ａ）では、絶縁層２７におけるアクティブ電極２２と基準電位電極２４との間に絶縁層２７のその他の部分よりも誘電率の低い低誘電率部２７Ａを設け、パッシブ電極２３と基準電位電極２４との間に、絶縁層２７のその他の部分よりも誘電率の低い低誘電率部２７Ｂを設けている。この低誘電率部２７Ａ，２７Ｂは、絶縁層２７の平面方向における誘電率と厚さとの比率が均一となる誘電率を有している。低誘電率部２７Ａ，２７Ｂを設けることで、受電装置２０１は、絶縁層２７の平面方向において、一部の誘電率が他の部分の誘電率よりも低い構造となる。この場合、電極の厚みにより、絶縁層２７の厚さが平面方向において均一でない場合であっても、誘電率を変えることで、絶縁層２７の厚さと誘電率との比率を均一にできる。
図１１（Ｂ）では、基準電位電極２４は、アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３が対向する一部に形成された開口（基準電位電極２４の非形成部）２４Ｂ，２４Ｃを有している。この場合は、アクティブ電極２２と基準電位電極２４との間の誘電率もパッシブ電極２３と基準電位電極２４との間の誘電率も絶縁層２７と同じ誘電率を有しているが、絶縁層２７の平面方向において、アクティブ電極２２とパッシブ電極２３を設けた領域の絶縁層２７の厚みがその他の領域よりも小さくなる。その際に、適切な大きさの開口２４Ｂ，２４Ｃが形成されることで、アクティブ電極２２と基準電位電極２４の間の静電容量やパッシブ電極２３と基準電位電極２４の間の静電容量が小さくなるように調整し、等価的に誘電率を下げることで、絶縁層２７の厚さと誘電率の比率を均一にすることができる。
このように、低誘電率部２７Ａ，２７Ｂを設け、又は、開口２４Ｂ，２４Ｃを形成することで、基準電位の安定条件を満たすよう調整することができる。なお、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）において、低誘電率部２７Ａ，２７Ｂを設ける位置、及び、開口２４Ｂ，２４Ｃを形成する位置は、アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３が対向する位置であることが好ましい。この位置に低誘電率部２７Ａ，２７Ｂ等を設けることで、相手側、すなわち、送電装置１０１側との間で形成される寄生容量への影響はない。
なお、図１０及び図１１では、受電装置２０１側について説明したが、送電装置１０１側についても同様である。
図１２は、各電極の配線を考慮した場合の構造例について説明するための図である。図２で説明したように、各電極には配線が接続されている。このため、電極部以外の寄生容量、例えば、配線による寄生容量の影響が無視できない場合には、電極間の容量を削減し、又は、追加することで、式（１）及び式（２）を満たすようにする。なお、図１２では、受電装置２０１側の電極及び絶縁層についてのみ図示している。
図１２（Ａ）は、容量を削減する場合の構成例である。この場合、アクティブ電極２２が対向する基準電位電極２４の一部に図１２（Ａ）における上側に突出する凸部２４Ｄが設けられ、パッシブ電極２３が対向する基準電位電極２４の一部に開口２４Ｅが設けられている。また、パッシブ電極２３と基準電位電極２４との間には、低誘電率層２７Ｃが設けられている。
図１２（Ｂ）は、容量を追加する場合の構成例である。この場合、アクティブ電極２２が対向する基準電位電極２４の一部に図１２（Ｂ）における下側に凹む凹部２４Ｆが設けられている。また、パッシブ電極２３と基準電位電極２４との間には、高誘電率層２７Ｄが設けられている。
このように、配線等による影響によって式（１）及び式（２）が満たさなくおそれがあるが、適宜容量を削除又は追加することで、これを回避できる。
なお、容量を追加する場合、電極の形状を変えず、キャパシタを絶縁層に内蔵もしくは絶縁基板表面に配線して接続するようにしてもよい。
図１３は、キャパシタを追加した場合の電力伝送システム１の回路の概略図である。この場合、送電装置１０１において、アクティブ電極１２及びパッシブ電極１３と基準電位電極１４との間に、キャパシタＣ４１，Ｃ４２を接続している。また、受電装置２０１において、アクティブ電極２２及びパッシブ電極２３と基準電位電極２４との間に、キャパシタＣ５１，Ｃ５２を接続している。キャパシタＣ４１，Ｃ４２，Ｃ５１，Ｃ５２は、例えば積層セラミックコンデンサからなり、本発明に係る「容量調整用素子」に相当する。この場合、電極等を形成した後であっても、キャパシタを適宜追加することで、式（１）及び式（２）を満たすことができる。このキャパシタを接続する位置は、適宜変更可能である。
１…電力伝送システム
１０…電源（電圧印加回路）
１１…インバータ回路（電圧印加回路）
１２，２２…アクティブ電極
１３，２３…パッシブ電極
１４，２４…基準電位電極
１５，２５…シールド電極
１６，１７，２６，２７…絶縁層
２４Ａ…凸部
２４Ｂ，２４Ｃ…開口
２４Ｄ…凸部
２４Ｅ…開口
２４Ｆ…凹部
２７Ａ，２７Ｂ…低誘電率部
２７Ｃ…低誘電率層
２７Ｄ…高誘電率層
１０１…送電装置
１０１Ａ，２０１Ａ…筐体
２０１…受電装置
Ｃａ１，Ｃｐ１，Ｃａ２，Ｃｐ２…キャパシタ
ＤＢ…ダイオードブリッジ
ＲＬ…負荷回路
Ｔ１…昇圧トランス
Ｔ２…降圧トランス

Claims (8)

  1. 第１送電側電極と、第２送電側電極と、送電側基準電位に接続された送電側基準電位電極と、前記第１送電側電極及び前記第２送電側電極に電圧を印加する電圧印加回路とを有する送電装置と、
    第１受電側電極と、第２受電側電極と、受電側基準電位に接続された受電側基準電位電極と、前記第１受電側電極及び前記第２受電側電極に生じる電圧を負荷へ供給する負荷回路とを有する受電装置と、
    備え、
    前記送電装置に前記受電装置を載置して、前記第１送電側電極及び前記第１受電側電極を対向させ、前記第２送電側電極及び前記第２受電側電極を対向させ、前記送電側基準電位電極及び前記受電側基準電位電極を対向させて、前記送電装置から前記受電装置へ電界結合により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、
    前記第１送電側電極及び前記第２送電側電極の間に直列接続された第１送電側キャパシタ及び第２送電側キャパシタを有し、
    前記第１送電側キャパシタ及び前記第２送電側キャパシタの接続点は、前記送電側基準電位電極に接続され、
    前記受電装置は、
    前記第１受電側電極及び前記第２受電側電極の間に直列接続された第１受電側キャパシタ及び第２受電側キャパシタを有し、
    前記第１受電側キャパシタ及び前記第２受電側キャパシタの接続点は、前記受電側基準電位電極に接続され、
    前記第１送電側電極及び前記第１送電側キャパシタの接続点をＰ１、
    前記第１受電側電極及び前記第１受電側キャパシタの接続点をＰ２、
    前記第２送電側電極及び前記第２送電側キャパシタの接続点をＰ３、
    前記第２受電側電極及び前記第２受電側キャパシタの接続点をＰ４、
    前記第１送電側キャパシタ及び前記第２送電側キャパシタの接続点をＰ５、
    前記第１受電側キャパシタ及び前記第２受電側キャパシタの接続点をＰ６、
    で表し、
    Ｐ１−Ｐ４間に生じる寄生容量をＣ１４、Ｐ１−Ｐ６間に生じる寄生容量をＣ１６、
    Ｐ２−Ｐ３間に生じる寄生容量をＣ２３、Ｐ２−Ｐ５間に生じる寄生容量をＣ２５、
    Ｐ３−Ｐ６間に生じる寄生容量をＣ３６、
    Ｐ４−Ｐ５間に生じる寄生容量をＣ４５、
    前記第１送電側キャパシタ及び前記第２送電側キャパシタそれぞれの容量をＣ１５，Ｃ３５、
    前記第１受電側キャパシタ及び前記第２受電側キャパシタそれぞれの容量をＣ２６，Ｃ４６、
    前記第１送電側電極及び前記第１受電側電極の間に生じる容量をＣＡ、
    前記第２送電側電極及び前記第２受電側電極の間に生じる容量をＣＰ、
    で表したとき、
    Figure 2015186580
     ただし、
    ΣＧ＝ＣＡ＋ＣＰ＋Ｃ１４＋Ｃ２３＋Ｃ２６＋Ｃ４６＋Ｃ２５＋Ｃ４５、かつ、
    ΣＬ＝ＣＡ＋ＣＰ＋Ｃ１４＋Ｃ２３＋Ｃ１６＋Ｃ３６＋Ｃ１５＋Ｃ３５、
    を満足している、電力伝送システム。
  2. 前記第１送電側電極及び前記第２送電側電極は平板状であり、同一平面上に設けられ、
    前記第１受電側電極及び前記第２受電側電極は平板状であり、同一平面上に設けられ、
    前記送電側基準電位電極及び前記受電側基準電位電極は、
    平板状であり、前記第１送電側電極及び前記第２送電側電極、並びに、前記第１受電側電極及び前記第２受電側電極を間に挟んで対向する、
    請求項１に記載の電力伝送システム。
  3. 前記送電装置は、
    載置された前記受電装置と接する筐体の載置面から内側に向かって積層された第１絶縁層及び第２絶縁層を有し、
    前記第１送電側電極及び前記第２送電側電極は、前記第１絶縁層及び前記第２絶縁層の間に形成され、
    前記送電側基準電位電極は、前記第１絶縁層とは反対側の前記第２絶縁層の最外層に形成され、
    前記受電装置は、
    載置した前記送電装置と接する筐体の載置面から内側に向かって積層された第３絶縁層及び第４絶縁層を有し、
    前記第１受電側電極及び前記第２受電側電極は、前記第３絶縁層及び前記第４絶縁層の間に形成され、
    前記受電側基準電位電極は、前記第３絶縁層とは反対側の前記第４絶縁層の最外層に形成され、
    前記第２絶縁層及び前記第４絶縁層のそれぞれは、平面方向において、誘電率及び厚さの比率が均一であり、
    前記第１絶縁層及び前記第３絶縁層は同じ誘電率であり、平面方向において、前記誘電率、及び、前記第１絶縁層と前記第３絶縁層との合計厚さの比率が均一である、
    請求項２に記載の電力伝送システム。
  4. 前記第２絶縁層は、
    前記第１送電側電極と前記送電側基準電位電極との間、及び、前記第２送電側電極と前記送電側基準電位電極との間の少なくとも一方の領域の誘電率が、他の領域と異なっている、
    請求項３に記載の電力伝送システム。
  5. 前記第４絶縁層は、
    前記第１受電側電極と前記受電側基準電位電極との間、及び、前記第２受電側電極と前記受電側基準電位電極との間の少なくとも一方の領域の誘電率が、他の領域と異なっている、
    請求項３又は４に記載の電力伝送システム。
  6. 前記送電装置及び前記受電装置の何れかは容量調整用素子を有し、
    前記容量調整用素子の容量を含めて、前記式（１）及び前記式（２）を満足している、
    請求項１から５の何れかに記載の電力伝送システム。
  7. 前記送電側基準電位電極は、
    前記第１送電側電極及び前記第２送電側電極の少なくとも一方と対向する部分に、凹部、凸部又は開口部を有している、
    請求項３から６の何れかに記載の電力伝送システム。
  8. 前記受電側基準電位電極は、
    前記第１受電側電極及び前記第２受電側電極の少なくとも一方と対向する部分に、凹部、凸部又は開口部を有している、
    請求項３から７の何れかに記載の電力伝送システム。
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