WO2014136545A1 - 非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法 - Google Patents

Abstract

　送電コイル（４ａ）及び共振容量（１４）を含む送電共振器、及び送電共振器に高周波電力を給電する送電回路（１５）を有する送電装置（１）と、受電コイル（４ｂ）及び共振容量（２１）を含む受電共振器、及び受電共振器で発生した電力を安定に負荷へ伝送する受電回路（２２）を有する受電装置（２）とを備えた非接触電力伝送装置。送電共振器と送電回路とは互いに分離されて、各々送電コイルケース（１０）及び送電回路ケース（１１）に収納され、受電共振器と受電回路とは互いに分離されて、各々受電コイルケース（１７）及び受電回路ケース（１８）に収納され、送電共振器と送電回路、及び受電共振器と受電回路が、各々、各ケースの相互配置関係を固定することのない要素により電気的に接続されている。壁等への取り付けが容易で取り付け位置の自由度も高く、かつ良好な電力伝送が可能である。

Description

非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法

　本発明は、送電コイルと受電コイル間の電力の伝送を、非接触（ワイヤレス）で行う非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法に関する。

　非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導（数１００ｋＨｚ）による電磁誘導型、電界または磁界共鳴を介したＬＣ共振間伝送による電界・磁界共鳴型、電波（数ＧＨｚ）によるマイクロ波送電型、あるいは可視光領域の電磁波（光）によるレーザ送電型が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導型である。これは簡易な回路（トランス方式）で実現可能であるなどの優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。

　最近注目されている方法は、近距離伝送（～２ｍ）が可能な電界・磁界共鳴型である。このうち、電界共鳴型の場合は、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。この点から磁界共鳴型に対する注目度が特に高い。

　図９は、磁界共鳴を利用した非接触電力伝送装置の従来の一般的な構成の概略を示す。電力伝送装置は、送電装置１と受電装置２からなる。送電装置１は、ループコイル３ａと送電用共鳴コイル３ｂを組み合わせた送電コイル３、受電装置２は、ループコイル４ａと受電用共鳴コイル４ｂを組み合わせた受電コイル４を備えている。送電装置１のループコイル３ａには高周波電力ドライバー５が接続され、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）６の電力を送電可能な高周波電力に変換して供給する。受電装置２のループコイル４ａには、整流器７を介して負荷８として例えば充電池が接続されている。

　ループコイル３ａは、高周波電力ドライバー５から供給される電気信号により励起され、電磁誘導により送電用共鳴コイル３ｂに電気信号を伝送する誘電素子である。送電用共鳴コイル３ｂはループコイル３ａから出力された電気信号に基づいて磁界を発生させる。この送電用共鳴コイル３ｂは、共振周波数ｆｒ＝１／｛２π（ＬＣ）^1/2｝（Ｌは送電側の送電用共鳴コイル３ｂのインダクタンスで、Ｃは浮遊容量を示す）において磁界強度が最大となる。送電用共鳴コイル３ｂに供給された電力は、磁界共鳴により受電用共鳴コイル４ｂに非接触で伝送される。伝送された電力は、受電用共鳴コイル４ｂから電磁誘導によりループコイル４ａへ伝送され、整流器７により整流されて負荷８である充電池に供給される。この場合、一般的には送電用共鳴コイル３ｂと受電用共鳴コイル４ｂの共振周波数は同一に設定される。

　このような磁界共鳴を利用した非接触電力伝送装置であれば、通常の住居等に用いられている厚い壁を通した非接触電力伝送が可能である。但し、その様な場合には、送電装置と受電装置の相互位置関係の視認や確認が困難であり、装置の取り付けや運転開始に困難を伴うことになる。例えば、送電を開始する際に、相手の受電装置が配置されているのか、又は、充電可能な位置に設置されているのか不明であれば、送電を不用意に開始できない。また、金属などが送電装置と受電装置の間の空間に存在すると、磁場の影響により金属が異常に加熱したり、電力伝送効率が低下したりする可能性がある。

　この問題に関連して、特許文献１には、送電コイルの近傍に磁界強度を測定するセンサを配置することが開示されている。すなわち、磁界強度センサにより、壁越しでの非接触電力伝送を行う際に双峰特性等の特性を検出し、それに応じて伝送を制御する。双峰特性の場合、２つピーク周波数の内、高い側の周波数で電力を転送すれば、送電と受電コイル間の磁界強度が最低となる。従って、この状態に設定することにより、壁等を通した適切な電力伝送が可能であることが示唆されている。

特開２０１０－２３９８４７号公報

　磁界共鳴を利用した非接触電力伝送装置を用いて、壁などの介在物を介して送電装置と受電装置を互いに向かい合わせて非接触電力伝送を行う場合、次のような問題がある。すなわち、介在物の厚さに応じて送電コイルと受電コイル間の距離が大きくなると、それに伴って各コイルのサイズを大きくする必要がある。そのため、送電装置や受電装置が大きくなり、壁などへの設置が困難になる。

　また、非接触電力伝送装置を高い場所、即ち天井や軒下に近い場所に設置する場合、大型化して重量が重くなっていると、特に装置の取り付けが難しい。故障した場合における装置内の部品交換や、定期的なメンテナンスがし難いという問題もある。

　更に、例えば、鉄筋が入ったコンクリート壁を通して非接触電力伝送を行う場合にも、困難を伴う。すなわち、送電コイルと受電コイルの配置を適切に行わなければ電力損失が大きくなってしまうので、最適な取り付け場所を探す必要がある。その場合にも送電装置や受電装置が大きくて重いと、作業に支障をきたす。

　本発明は、このような従来技術における問題点を解決するものであり、壁等への取り付けが容易で取り付け位置の自由度も高く、かつ良好な電力伝送が可能な非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

　本発明の非接触電力伝送装置は、基本構成として、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器、及び前記送電共振器に高周波電力を給電する送電回路を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器、及び前記受電共振器で発生した電力を安定に負荷へ伝送する受電回路を有する受電装置とを備え、前記送電コイルと前記受電コイル間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送するように構成される。

　上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送装置は、前記送電共振器と前記送電回路とは互いに分離されて、各々送電コイルケース及び送電回路ケースに収納され、前記受電共振器と前記受電回路とは互いに分離されて、各々受電コイルケース及び受電回路ケースに収納され、前記送電共振器と前記送電回路、及び前記受電共振器と前記受電回路が、各々、前記各ケースの相互配置関係を固定することのない要素により電気的に接続されていることを特徴とする。

　本発明の非接触電力伝送方法は、基本的には、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器、及び前記送電共振器に高周波電力を給電する送電回路を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器、及び前記受電共振器で発生した電力を安定に負荷へ伝送する受電回路を有する受電装置とを用い、前記送電コイルと前記受電コイル間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する。

　上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送方法は、前記送電共振器と前記送電回路とを互いに分離して、各々送電コイルケース及び送電回路ケースに収納し、前記受電共振器と前記受電回路とを互いに分離して、各々受電コイルケース及び受電回路ケースに収納し、介在物の一方の側に前記送電コイルケースを、前記介在物を挟んで他方の側に前記受電コイルケースを配置し、前記送電回路ケースを配置するとともに、前記送電共振器と前記送電回路を前記各ケースの相互配置関係を固定することのない要素により電気的に接続し、前記受電回路ケースを配置するとともに、前記受電共振器と前記受電回路を前記各ケースの相互配置関係を固定することのない要素により電気的に接続し、前記送電コイルから前記受電コイルに電力を伝送することを特徴とする。

　本発明によれば、送電共振器と送電回路、及び受電共振器と受電回路が、互いに分離して別々のケースに収納され、送電共振器と送電回路、及び受電共振器と受電回路が、各々、各ケースの相互配置関係を固定することのない要素により電気的に接続されている。これにより、必要に応じてケース同士を十分離すことができ、送電コイル、受電コイルの取り付け位置の自由度が増える。また、送電コイルケース及び受電コイルケース内には内蔵された回路部分は僅かであり薄い構造に出来、軽量となるために、種々の形状の壁などへ容易に取り付け可能となる。

図１は、実施の形態１における非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図 図２は、同非接触電力伝送装置の送電コイルケース内蔵の一部要素を示す回路図 図３は、同非接触電力伝送装置の受電コイルケース内蔵の一部要素を示す回路図 図４は、同非接触電力伝送装置の構成を薄壁への取り付けに適用した例を示す模式断面図 図５は、同非接触電力伝送装置の構成を複数負荷への給電に適用した例を示す模式断面図 図６は、同非接触電力伝送装置の構成を電気自動車への給電に適用した例を示す模式断面図 図７Ａは、同非接触電力伝送装置の構成を窓枠への取り付けに適用した例を示す正面図 図７Ｂは、図７Ａに示した適用例の模式断面図 図８Ａは、実施の形態２における受電側のループコイルの最適化の実験に用いた非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図 図８Ｂは、同実験の結果による電子負荷の電圧と電力伝送効率の関係を示す図 図９は、従来例の非接触電力伝送装置の構成を示す断面図

　本発明の非接触電力伝送装置は、上記構成を基本として、以下のような態様を採ることができる。

　すなわち、前記送電コイルケース内の要素と前記送電回路ケース内の要素間、及び前記受電コイルケース内の要素と前記受電回路ケース内の要素間がそれぞれケーブルにより電気的に接続された構成とすることができる。この場合、前記ケーブルと前記各要素はコネクタを介して接続された構成とすることができる。２つのケース間をコネクタ付きのケーブルで接続することにより、簡便に接続可能な構成となる。また、前記送電コイルケースと前記送電回路ケース間を接続する前記ケーブルがシールド構造を有する構成とすることができる。

　また、前記送電コイルケース、前記送電回路ケース、及び前記受電コイルケースは金属製であり、前記送電コイルと前記受電コイル間で電力伝送が行われる領域に介在する各ケースの面の少なくとも一部には非金属部、例えば樹脂基板が設けられた構成とすることができる。

　また、前記送電コイルケース内に前記送電共振器の共振電圧を検出するための共振電圧検出回路が配置された構成とすることができる。これにより、安定な電力伝送が可能となる。すなわち、送電装置には、受電コイルの有無や配置を検出するとともに、金属などの異物を検出し、壁などの介在物を隔てて受電側を視認できなくても、安定な電力伝送を行うために、送電コイルの共振回路部分の共振電圧を検出するための共振電圧検出回路を設けることが望ましい。この場合、共振電圧検出回路を送電コイルケース内に配置することにより、送電回路ケースと送電コイルケース間のケーブルに磁界共鳴による電力伝送時（共振時）における高電圧（数１０００Ｖ）が印加されるのを防ぐことができる。また、送電回路ケースと送電コイルケース間は高周波電流が流れるため、シールド構造のケーブルを用いることにより、外部への妨害を軽減することができる。

　また、前記受電コイルケース内に前記受電共振器の高周波電力を検波する検波回路が配置された構成とすることができる。これにより、受電コイルケースと受電回路ケース間のケーブルがシールド構造を有する必要が無くなるため、安価に構成可能となる。また、負荷が直流電力で動作する場合には、受電回路ケースを金属で作製する必要が無いので安価にできる。

　また、前記送電コイルケース内、及び前記受電コイルケース内に、前記送電装置と前記受電装置間の情報通信のためのアンテナが配置された構成とすることができる。但し、鉄筋コンクリート造りなど鉄筋で囲まれた部屋に送電装置が設置されたり、ケースが金属の筐体に収容されて、通信に不都合な場合もある。そこで、通信用のアンテナは送電装置側では送電コイルの近くに、受電装置側では受電コイル近くに配置する。これにより、鉄筋が存在する壁の場合には予め特性に影響の少ない場所を選んで送電コイル及び受電コイルを配置しているので、安定に送電装置と受電装置との相互間で情報をやり取りすることが可能となる。

　この場合、前記送電コイル及び前記受電コイルの互いに対向させられる対向面の裏面側に接して、それぞれフェライト部材が設けられ、前記アンテナは前記フェライト部材よりも前記対向面に近い側に配置された構成とすることができる。すなわち、ケース内に通信用のアンテナを配置した場合には、人体防護や妨害電波対策としてケース自体を金属などでシールド構造としているため、通信用の電波がケース外に出ない可能性がある。また、コイルと回路の間、あるいはコイルと金属の間に設けたフェライト部材（磁性シート）により、通信状態が不安定になる可能性がある。そこで、確実な情報のやり取りをするために、フェライト部材よりも対向面に近い側に通信用のアンテナを設けることが望ましい。

　以上の各態様の構成は、矛盾を生じない範囲において、互いに任意に組合わせて用いることが可能である。以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、本発明を具現化した一例を示したものであり、本発明はこれに限定されるものではない。

　＜実施の形態１＞
　図１は、実施の形態１における非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図である。なお、図９に示した従来例の非接触電力伝送装置と同様の要素については、同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを簡略化する。

　この非接触電力伝送装置は、送電装置１と受電装置２を、壁９などの介在物を挟んで互いに向かい合わせて配置し、送電コイルと受電コイルの間の磁気結合等の作用、例えば磁界共鳴により非接触電力伝送を行うことが容易なように構成されている。この図では、室内側に送電装置１が、室外側に受電装置２が配置されている。

　送電装置１は、その構成要素を２群に分割し、各群の要素を互いに分離して、送電コイルケース１０と送電回路ケース１１に各々収容した構成を有する。２群の要素間は、コネクタ付のケーブル１２及び各ケースに設けたコネクタ１３を介して電気的に接続されている。ケーブル１２は、各ケースの相互配置関係を固定することなく、収納された各群の要素を各ケース間で電気的に接続するための要素の一例として用いられる。送電コイルケース１０内には、送電用共鳴コイル３ｂ及び送電用共振容量１４により構成された送電共振器を含む送電側コイルモジュールが収容されている。送電回路ケース１１内には、交流電源６の電力を送電可能な高周波電力に変換する高周波電力ドライバーを含む送電回路１５が収容されている。送電回路１５と交流電源６の間も、コネクタ１６を介して接続されている。

　受電装置２も同様に、構成要素を２群に分割し、各群の要素を互いに分離して、受電コイルケース１７と受電回路ケース１８に各々収容した構成を有する。２群の要素間は、コネクタ付のケーブル１９及び各ケースに設けたコネクタ２０を介して電気的に接続されている。受電コイルケース１７内には、受電用共鳴コイル４ｂ及び受電用共振容量２１により構成された受電共振器を含む受電側コイルモジュールが収容されている。受電回路ケース１８内には、負荷へ安定な電力を伝送するための受電回路２２及び蓄電部２３が収容されている。受電回路ケース１８と負荷８の間も、コネクタ２４を介して接続されている。

　以上のような２群に分離した構成により、壁等へ簡便に設置可能となる。更に、送電コイルケース１０及び受電コイルケース１７内には形状の大きい回路部分がほとんど内蔵されていないので、薄い構造に出来る。これにより、壁越しの電力伝送の際の送電コイルケース１０及び受電コイルケース１７の設置場所の自由度が増し、より使い勝手の優れた非接触電力伝送装置を提供できる。図示した状態では、送電装置１及び受電装置２に搭載されている送電用共鳴コイル３ｂと受電用共鳴コイル４ｂの中心軸は、ほぼ一致している。

　送電コイルケース１０及び受電コイルケース１７は、金属を用いて形成することにより、ケース自体を人体防護や妨害電波対策のためのシールド構造としている。但し、電力伝送のための送電用共鳴コイル３ｂ及び受電用共鳴コイル４ｂが面する領域には金属を使用せずに、非金属の一例として樹脂基板２５、２６を用いている。以下の実施の形態においても、電力伝送を行う共鳴コイル面側は金属を使用せずに、何も設けない（貫通窓）か、あるいは樹脂基板を用いる。

　送電コイルケース１０と送電回路ケース１１とを繋ぐケーブル１２には高周波電流が流れるので、ケーブル１２をシールド構造とすることにより外部への妨害を軽減することが好ましい。

　以上が基本構成であるが、送電装置１では、送電コイルケース１０内にさらに、送電用共鳴コイル３ｂに接してフェライトシート２７が配置されている。また、送電用共鳴コイル４ｂの共振電圧を検出するための共振電圧検出回路２８、及び送電側の通信用アンテナ２９が配置されている。

　フェライトシート２７は、送電用共鳴コイル３ｂで発生した磁場の影響で回路が誤動作するのを防ぐため、また、金属製の送電コイルケース１０の影響でコイル特性が劣化するのを防ぐために設けられている。通信用アンテナ２９は、フェライトシート２７の影響を低減し、確実な情報のやり取りをするために、フェライトシート２７よりも壁９側に偏らせて配置されている。

　共振電圧検出回路２８は、受電用共振コイル４ｂの有無や配置状態を検出するとともに、金属などの異物を検出するために設けられる。これにより、壁９などの介在物を隔てて受電側を視認できなくても、共振電圧検出回路２８の出力に基づく確認を行うことができ、安定な電力伝送が可能となる。共振電圧検出回路２８を送電コイルケース１０内に配置することにより、送電回路ケース１１と送電コイルケース１０間のケーブル１２に、磁界共鳴による電力伝送時（共振時）における高電圧（数１０００Ｖ）が印加されることを防ぐことができる。

　図１の送電装置１では、送電コイルはループコイルを用いずに送電用共鳴コイル３ｂのみで構成され、高周波ドライバーからの電力は送電用共鳴コイル３ｂに直接供給される（直列共振）。但し、送電用のループコイル３ａ（図９参照）を設けても良い。

　一方、受電装置２では、受電コイルケース１７内にさらに、受電用のループコイル４ａに接してフェライトシート３０が配置されている。また、検波回路３１、及び受電側の通信用アンテナ３２が配置されている。

　フェライトシート３０は、受電用共鳴コイル４ｂで発生した磁場の影響で回路が誤動作するのを防ぐため、また、金属製の受電コイルケース１７の影響でコイル特性が劣化するのを防ぐために設けられている。通信用アンテナ３２は、フェライトシート３０の影響を低減し、確実な情報のやり取りをするために、フェライトシート３０よりも壁９側に偏らせて配置されている。

　検波回路３１は、伝送される高周波の電力をダイオードブリッジ等により整流して直流電力に変換する。受電コイルケース１７内に検波回路３１を設けることにより、受電コイルケース１７と受電回路ケース１８間のケーブル１９には直流電流が流れることになる。そのため、ケーブル１９をシールド構造とする必要が無くなり、安価にできる。但し、場合によってはシールド構造のケーブルを用いても良い。

　受電装置２において、ループコイル４ａで得られた高周波電力は、検波回路３１により直流電力に変換されて、受電回路２２に供給される。受電回路２２では、内蔵された受電電圧設定ＤＣ－ＤＣコンバータを経由して、蓄電部２３や負荷８に電力を伝達する。蓄電部２３の代わりにスーパーキャパシタを用いても良い。また、負荷８が交流で動作する場合には、ＤＣ－ＡＣインバータを設けて直流を交流に変換する構成としてもよい。負荷８としては、監視カメラ、電灯、電気自動車（ＥＶ）などを適用することができる。

　図２は、送電コイルケース１０内に収容された送電側コイルモジュールの一部を示す回路図である。すなわち、送電用共鳴コイル３ｂと送電用共振容量１４とからなる共振回路、及び共振電圧検出回路２８の構成例が示される。共振回路が共振した場合には、接続部３３に高い共振電圧が発生する。共振電圧検出回路２８は、メグオーム単位の高抵抗３４、検波用のダイオード３５、検波電圧を蓄積するコンデンサ３６、及び分圧用の抵抗３７で構成されている。ほぼ抵抗３４と抵抗３７の分圧比で分圧された電圧が、コンデンサ３６に蓄積される。検波された電圧は、送電回路１５内の増幅器に入力され、共振電圧検出出力として送電回路１５内での処理に供される。

　図３は、受電コイルケース１７内に収容された受電側コイルモジュールの一部を示す回路図である。すなわち、受電用共鳴コイル４ｂと受電用共振容量２１とからなる共振回路、ループコイル４ａ、及び検波回路３１の構成例が示される。検波回路３１は、ダイオードブリッジと平滑コンデンサで構成されており、ループコイル４ａで得られた電力を直流電力に変換する。

　本実施の形態においては、送電回路ケース１１と交流電源６との接続、及び受電回路ケース１８と負荷８との接続に、それぞれコネクタ１６及びコネクタ２４を用いているが、これに限定されることはない。目的によっては、送電回路１５と交流電源６、あるいは受電回路２２と負荷８とをコネクタを用いないで直接接続しても良い。また、図示しないが、必要に応じて送電共振器の反射電力、送電共振器のインダクタンス等をモニターする要素を送電装置１内に含んでも良い。送電用共振容量１４、あるいは受電用共振容量２１としては、回路素子として可変コンデンサ（バリコンあるいはトリマコンデンサなど）あるいは固定コンデンサを用いることができる。

　以上のような構成によれば、直径の異なる共鳴コイルを内蔵した送電コイルケース１０及び受電コイルケース１７を複数種類用意しておき、壁の厚さに応じてコネクタ部で取り換えて使用することが容易になる。送電コイルケース１０や受電コイルケース１７に収納されている共鳴コイルは、送受電間の間隔（壁の厚さ）が大きくなるほどコイル径を大きくする必要があるが、この構成を用いることにより、種々の壁等に直ちに対応でき、設置工事等での利便性が向上する。それぞれの共振回路の周波数を予め合わせておけば、特に調整する必要は無く、使い勝手が向上する。

　図４～図７に、本実施の形態の構成に基づく送電装置１及び受電装置２の、壁９の取り付け、及び各種負荷への給電の種々の例を示す。

　図４は、コイル径を小さくして材料コストを下げるために、送電装置１及び受電装置２を設置する壁９ａにおける壁厚の薄い箇所３８を利用した構成例である。送電回路ケース１１を室内側の使用者の手の届く位置に固定し、送電コイルケース１０を壁９ａの通常の位置に比べて薄い箇所３８に固定する。この送電コイルケース１０の室外側の対面に、受電コイルケース１７を固定する（両共鳴コイルの中心軸はほぼ一致）。次に、目的の位置まで受電コイルケース１７のケーブルを延ばして、受電回路ケース１８を固定する。図には、電灯付監視カメラ３９を負荷として受電回路ケース１８と一体化した例が示されている。ここで、電灯付監視カメラ３９の筐体がシールド構造となっている場合には、受電回路ケース１８を用いないで、受電回路ケース１８に収容すべき受電回路２２等を直接監視カメラ３９の筐体に収容することができる。これによりコストダウンを図ることができる。

　この構成例によれば、送受電コイル径を小さくすることにより、それを収容するケースの大きさも小さく軽くできる。その結果、コストダウンも図ることができる。例えば、送電回路ケース１１のコネクタ部１３（図１参照）から取り換えて、送電コイルケース１０のみを交換することにより、種々の壁等に直ちに対応できる。

　図５は、受電側の負荷として、ＤＣ電源対応のネットワークカメラ４０を複数個適用した構成例である。このように受電側の負荷が大きくなる場合には、送受電コイルの直径を大きくして電力伝送パワーを大きくすればよい。

　図６は、室外側に停車させた電気自動車（ＥＶ）４１に、室内側から壁９越しに電力伝送を行って充電する構成例を示す。この場合、室外側の受電コイルケース１７は高い位置に、また受電回路ケース１８は電気自動車４１の近くに設置した方が、使い勝手や人体防護の点から好ましい。受電回路を電気自動車４１のバッテリーに直接接続する場合には、受電回路ケース１８からプラグを通じて直流電力を供給すれば良い。一方、破線で示したように、電気自動車４１に非接触給電用の受電コイルケース４２が設けられている場合には、電気自動車４１に対して非接触給電することができる。すなわち、受電回路ケース１８の受電回路内にＤＣ－ＡＣインバータを設けて、受電回路ケース１８から非接触給電用の送電コイルケース４３に高周波電力を供給する構成とする（破線で表示）。

　図７Ａ及び図７Ｂは、鉄筋コンクリート壁のように、内部に金属が存在する壁９ｂ（図７Ｂ参照）が設けられた部屋において電力伝送を行う場合に適切な、非接触電力伝送装置の例を示す。図７Ａは室内側からみた正面図、図７Ｂは、その断面図である。この例では、窓ガラス４４を通して電力伝送を行うことを想定している。そのため、窓枠４５に固定される取り付け治具４６を用いて、送電コイルケース１０や受電コイルケース１７を固定する構成を採っている。窓ガラス４４に直接、送電コイルケース１０や受電コイルケース１７を固定すると、窓を開閉する時にケースがぶつかったりケーブルの距離が変わってしまう問題を解消するためである。

　取り付け治具４６を窓枠４５に固定し（窓枠が狭い場合には、壁に固定する）、窓ガラス４４が存在する位置に送電コイルケース１０を取り付ける。そしてこの送電コイルケース１０と送電回路ケース１１とを、シールド構造のケーブル１２で接続する。送電回路ケース１１にモニター部を設け、電力伝送の状態や監視カメラ４７の映像などを表示させても良い。図７Ｂに示すように、受電コイルケース１７は、送電コイルケース１０と対向するように室外側に固定し（中心軸はほぼ一致）、窓ガラス４４に当接しないようにする。監視カメラ４７は、目的の位置に適宜固定することができる。

　なお、以上の記載では、介在物の例として、コンクリート（鉄筋入りも）の壁やガラスを通して給電する例を示したが、水を介在させた給電など、他の介在物を通過させる給電にも本実施の形態を適用可能である。

　＜実施の形態２＞
　図８Ａ、図８Ｂを参照して、実施の形態２における非接触電力伝送装置について説明する。

　一般的な非接触電力伝送において、受電用共鳴コイル４ｂとループコイル４ａ間は電磁誘導で電力が伝送されるが、両コイル間の結合係数の大きさにより伝送できる電力が異なる。従来技術では、受電用共鳴コイル４ｂとループコイル４ａ間の距離を変化させて電力を調整（最適化）することが一般的である。

　しかし、本発明の効果を十分に得ようとすると、受電用共鳴コイル４ｂとループコイル４ａ間の距離を変えることは困難である。何故ならば、本発明においては、送電コイルケース１０や受電コイルケース１７を薄くして軽量化を図ることも一つの目的としており、そのため、受電用共鳴コイル４ｂとループコイル４ａとはほとんど接触した状態で用いるからである。

　そこで、本実施の形態では、受電用共鳴コイル４ｂとループコイル４ａ間の距離を変化させて電力を最適化する場合と同様な効果を得るために、壁の厚さ等に応じてループコイル４ａのターン数（コイル線の巻き数）やピッチ等を変化させて最適化を行う。

　図８Ａは、受電用のループコイル４ａのターン数を変えた場合の電力伝送効率を測定するための装置の概略図を示す。送電コイルケース１０、及び受電コイルケース１７の構成は図１に示した実施の形態１と同様であり、同様の要素については、同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを省略する。ＤＣ電源４８から電力の供給を受ける送電回路４９が、送電コイルケース１０内の要素と接続され、電子負荷５０が接続された受電回路５１が、受電コイルケース１７内の要素と接続されている。

　測定用の送電用共鳴コイル３ｂ及び受電用共鳴コイル４ｂとして、共に直径１８０ｍｍ（５０Ｔ）のコイルを用い、厚さ１００ｍｍの壁９に固定して、電子負荷５０の電圧を変えた場合の電力伝送効率依存性を測定した。送電回路４９及び受電回路５１は、ＤＣ電源４８に合わせて構成したものであるが、基本的な機能は送電回路１５及び受電回路２２と同様である。パラメータとしては、直径１８０ｍｍの受電用のループコイル４ａのターン数を、５Ｔ、１０Ｔ、及び１５Ｔ（ピッチは６ｍｍ固定）に変化させた。

　この実験の結果を、図８Ｂに示す。ループコイル４ａのターン数が５Ｔと少ない場合は、電力伝送効率が低くなる。逆にループコイル４ａのターン数が１５Ｔと多い場合は、電力伝送効率は低くないものの、電子負荷５０の電圧が４０Ｖ以上と高くなってしまう。一般的には、回路の仕様により電子負荷の電圧は制限され、この実験においては電子負荷の電圧を４０Ｖ以下に想定している。このことを考慮すると、この実験の条件下では受電用のループコイル４ａのターン数は１０Ｔが最適である。

　このように、受電用のループコイル４ａのターン数（巻き数）やピッチ等を変えて最適化すれば、壁の厚さ等に対応できることが分かる。実際には、受電用ループコイルのターン数などが異なる受電コイルケースを複数用意し、壁の厚さに応じてコネクタ部から取り換えて使用すれば、壁の厚さ等に応じて容易に最適化が可能である。あるいは、予め多めのターン数を巻いたループコイルを使用し、壁の厚さ等に応じていくつかのターン数ごとに分離した領域をスイッチなどにより切り替えるようにしても良い。

　本発明の非接触電力伝送装置は、コイル系と回路系を分離することにより、コイルの取り付け位置の自由度が増え、かつ薄型軽量となるために、種々の形状の壁などへ容易に取り付け可能であり、壁などの介在物を通して用いる非接触電力伝送装置に好適である。

１　送電装置
２　受電装置
３　送電コイル
３ａ、４ａ　ループコイル
３ｂ　送電用共鳴コイル
４　受電コイル
４ｂ　受電用共鳴コイル
５　高周波電力ドライバー
６　交流電源
７　整流回路
８　負荷
９、９ａ、９ｂ　壁
１０、４３　送電コイルケース
１１　送電回路ケース
１２、１９　ケーブル
１３、１６、２０、２４　コネクタ
１４　送電用共振容量
１５、４９　送電回路
１７、４２　受電コイルケース
１８　受電回路ケース
２１　受電用共振容量
２２、５１　受電回路
２３　蓄電部
２５、２６　樹脂基板
２７、３０　フェライトシート
２８　共振電圧検出回路
２９、３２　通信用アンテナ
３１　検波回路
３３　接続部
３４、３７　抵抗
３５　ダイオード
３６　コンデンサ
３８　薄い箇所
３９　電灯付監視カメラ
４０　ネットワークカメラ
４１　電気自動車（ＥＶ）
４４　窓ガラス
４５　窓枠
４６　取り付け治具
４７　監視カメラ
４８　ＤＣ電源
５０　電子負荷

Claims (10)

1. 　送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器、及び前記送電共振器に高周波電力を給電する送電回路を有する送電装置と、
   　受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器、及び前記受電共振器で発生した電力を安定に負荷へ伝送する受電回路を有する受電装置とを備え、
   　前記送電コイルと前記受電コイル間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
   　前記送電共振器と前記送電回路とは互いに分離されて、各々送電コイルケース及び送電回路ケースに収納され、
   　前記受電共振器と前記受電回路とは互いに分離されて、各々受電コイルケース及び受電回路ケースに収納され、
   　前記送電共振器と前記送電回路、及び前記受電共振器と前記受電回路が、各々、前記各ケースの相互配置関係を固定することのない要素により電気的に接続されていることを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 　前記送電コイルケース内の要素と前記送電回路ケース内の要素間、及び前記受電コイルケース内の要素と前記受電回路ケース内の要素間がそれぞれケーブルにより電気的に接続されている請求項１記載の非接触電力伝送装置。
3. 　前記ケーブルと前記各要素はコネクタを介して接続されている請求項２に記載の非接触電力伝送装置。
4. 　前記送電コイルケースと前記送電回路ケース間を接続する前記ケーブルがシールド構造を有する請求項２に記載の非接触電力伝送装置。
5. 　前記送電コイルケース、前記送電回路ケース、及び前記受電コイルケースは金属製であり、前記送電コイルと前記受電コイル間で電力伝送が行われる領域に介在する各ケースの面の少なくとも一部には非金属部が設けられている請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
6. 　前記送電コイルケース内に前記送電共振器の共振電圧を検出するための共振電圧検出回路が配置されている請求項１記載の非接触電力伝送装置。
7. 　前記受電コイルケース内に前記受電共振器の高周波電力を検波する検波回路が配置されている請求項１記載の非接触電力伝送装置。
8. 　前記送電コイルケース内、及び前記受電コイルケース内に、前記送電装置と前記受電装置間の情報通信のためのアンテナが配置されている請求項１記載の非接触電力伝送装置。
9. 　前記送電コイル及び前記受電コイルの互いに対向させられる対向面の裏面側に接して、それぞれフェライト部材が設けられ、前記アンテナは前記フェライト部材よりも前記対向面に近い側に配置されている請求項８記載の非接触電力伝送装置。
10. 　送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器、及び前記送電共振器に高周波電力を給電する送電回路を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器、及び前記受電共振器で発生した電力を安定に負荷へ伝送する受電回路を有する受電装置とを用い、
    　前記送電コイルと前記受電コイル間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送方法において、
    　前記送電共振器と前記送電回路とを互いに分離して、各々送電コイルケース及び送電回路ケースに収納し、
    　前記受電共振器と前記受電回路とを互いに分離して、各々受電コイルケース及び受電回路ケースに収納し、
    　介在物の一方の側に前記送電コイルケースを、前記介在物を挟んで他方の側に前記受電コイルケースを配置し、
    　前記送電回路ケースを配置するとともに、前記送電共振器と前記送電回路を前記各ケースの相互配置関係を固定することのない要素により電気的に接続し、
    　前記受電回路ケースを配置するとともに、前記受電共振器と前記受電回路を前記各ケースの相互配置関係を固定することのない要素により電気的に接続し、
    　前記送電コイルから前記受電コイルに電力を伝送することを特徴とする非接触電力伝送方法。

Images