JP2019068681A - 送電装置および無線電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】給電線路周囲の電界強度を低減した送電装置および無線電力伝送システムを提供する。【解決手段】第１送電電極と第２送電電極を有する送電電極ユニットと、送電電極ユニットへ電力を供給する送電回路部と、第１送電電極と送電回路部とを接続する第１給電線路と、第２送電電極と送電回路部とを接続する第２給電線路と、を有する給電線路部とを備え、送電回路部は、交流電力の電圧振幅を増大させる整合回路を備え、整合回路から出力される電圧が給電線路部を介して送電電極ユニットに印加され、第１給電線路と第２給電線路は隣接して配置され、第１給電線路と第２給電線路にはそれぞれ逆位相の電圧成分を印加し、第１給電線路と第２給電線路間の距離は、隣接する第１送電電極と第２送電電極間の最大距離よりも短い、送電装置である。【選択図】図２

Description

本開示は、無線で電力を伝送する送電装置および無線電力伝送システムに関する。

近年、搬送ロボットや電気自動車などの移動性を伴うモビリティに、無線（非接触）で電力を伝送する無線（非接触）電力伝送技術の開発が進められている。無線電力伝送技術には、磁界結合式や電界結合式など複数の方式がある。

例えば、特許文献１には、磁界結合方式の無線電力伝送システムが記載されている。磁界結合式の無線電力伝送システムの場合、送電装置のコイルから受電装置のコイルへ電力を給電するので、充電領域の所定位置にモビリティを停止しなければならない。磁界結合方式の無線電力伝送システムは、充電時のモビリティの位置合わせが厳密であり、モビリティの位置ずれに対して給電しにくい問題がある。

これに対して、電界結合式の無線電力伝送システムであれば、送電装置の電極上に受電装置の電極を平行して位置すれば給電できる。したがって、送電装置の電極を受電装置の電極よりも長くすることで、充電時モビリティが位置ずれを補償することができる。特許文献２には、電界結合式の無線電力伝送システムが記載されている。

特開２０１６−１１９７８４号公報 特開２０１７−７００５５号公報

電界結合式の無線電力伝送において、直流電力をインバータ回路により交流電力へ変換する際、周波数を低くすると電源効率を上げることができる。しかしながら、周波数を低くすると、送電装置および受電装置間の伝送効率が低下する。そこで、送電電極ユニットに印加する電圧を高くすることで伝送効率の低下を補償することができる。

しかしながら、電源ボックスに配置された整合回路において電圧の昇圧を行うと、電源ボックスから送電電極ユニットまでの給電線路にも高電圧が印加される。これにより、給電線路から発生する電界の強度が高くなる。この高電界は給電線路周辺の電子機器に影響を与えて、電子機器に誤作動を生じさせるおそれがある。また、給電線路の周囲に分布する電界強度は安全のため低い値に低減することが好ましい。

従って、本開示の目的は、前記課題を解決することにあって、給電線路周囲の電界強度を低減した送電装置および無線電力伝送システムを提供することにある。

前記目的を達成するために、本開示の一態様に係る送電装置は、
無線電力伝送用の電界結合方式の送電装置であって、
第１送電電極と第２送電電極を有する送電電極ユニットと、
前記送電電極ユニットへ電力を供給する送電回路部と、
前記第１送電電極と前記送電回路部とを接続する第１給電線路と、前記第２送電電極と前記送電回路部とを接続する第２給電線路と、を有する給電線路部と、
を備え、
前記送電回路部は、入力された電力を予め定められた周波数の交流電力として出力するインバータ回路と、前記交流電力の電圧振幅を増大させる整合回路と、を備え、
前記整合回路から出力される電圧が前記給電線路部を介して前記送電電極ユニットに印加され、
前記第１給電線路と前記第２給電線路は隣接して配置され、
前記第１給電線路と前記第２給電線路にはそれぞれ逆位相の電圧成分を印加し、前記第１給電線路と前記第２給電線路間の距離は、隣接する前記第１送電電極と前記第２送電電極間の最大距離よりも短い。

また、本開示の一態様に係る無線電力伝送システムは、
電界結合方式の無線電力伝送システムであって、
第１送電電極と第２送電電極を有する送電電極ユニットと、前記送電電極ユニットへ電力を供給する送電回路部と、前記第１送電電極と前記送電回路部とを接続する第１給電線路と、前記第２送電電極と前記送電回路部とを接続する第２給電線路と、を有する給電線路部と、を備えた送電装置と、
前記送電装置から送られる電力を受電する受電装置を有するモビリティと、
を備え、
前記送電回路部は、入力された電力を予め定められた周波数の交流電力として出力するインバータ回路と、前記交流電力の電圧振幅を増大させる整合回路と、を備え、
前記整合回路から出力される電圧が前記給電線路部を介して前記送電電極ユニットに印加され、
前記第１給電線路と前記第２給電線路は隣接して配置され、
前記第１給電線路と前記第２給電線路にはそれぞれ逆位相の電圧成分を印加し、
前記第１給電線路と前記第２給電線路間の距離は、隣接する前記第１送電電極と前記第２送電電極間の最大距離よりも短い。

給電線路周囲の電界強度を低減した送電装置および無線電力伝送システムを提供することができる。

実施形態１に係る無線電力システムの一例を模式的に示す図 実施形態１に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図 実施形態１に係る無線電力伝送システムの概略構成を示す回路図 インバータ回路の構成例を模式的に示す図 コンバータ回路の構成例を模式的に示す図 実施形態１に係る送電電極ユニットに接続される給電線路部の配置を模式的に示す平面図 実施形態１に係る給電線路部を模式的に示す断面図 給電線路部の変形例を示す断面図 給電線路部の変形例を示す断面図 給電線路部の電界強度を示す断面図 電極間距離と電界強度との関係を示すグラフ図 給電線路の幅と電界強度との関係を示す表 シールドと電界強度との関係を示す表 給電線路部の変形例を示す断面図 給電線路部の変形例を示す断面図 給電線路部の変形例を示す断面図 給電線路部の変形例を示す断面図 給電線路部の変形例を示す断面図 給電線路部の変形例を示す断面図 給電線路部の変形例を示す断面図 給電線路部の変形例を示す断面図 送電電極ユニットに接続される給電線路部の配置の変形例を示す平面図

本開示の一態様によれば、無線電力伝送用の電界結合方式の送電装置であって、第１送電電極と第２送電電極を有する送電電極ユニットと、前記送電電極ユニットへ電力を供給する送電回路部と、前記第１送電電極と前記送電回路部とを接続する第１給電線路と、前記第２送電電極と前記送電回路部とを接続する第２給電線路と、を有する給電線路部と、を備え、前記送電回路部は、入力された電力を予め定められた周波数の交流電力として出力するインバータ回路と、前記交流電力の電圧振幅を増大させる整合回路と、を備え、前記整合回路から出力される電圧が前記給電線路部を介して前記送電電極ユニットに印加され、前記第１給電線路と前記第２給電線路は隣接して配置され、前記第１給電線路と前記第２給電線路にはそれぞれ逆位相の電圧成分を印加し、前記第１給電線路と前記第２給電線路間の距離は、隣接する前記第１送電電極と前記第２送電電極間の最大距離よりも短い。

また、本開示の一態様によれば、電界結合方式の無線電力伝送システムであって、第１送電電極と第２送電電極を有する送電電極ユニットと、前記送電電極ユニットへ電力を供給する送電回路部と、前記第１送電電極と前記送電回路部とを接続する第１給電線路と、前記第２送電電極と前記送電回路部とを接続する第２給電線路と、を有する給電線路部と、を備えた送電装置と、前記送電装置から送られる電力を受電する受電装置を有するモビリティと、を備え、前記送電回路部は、入力された電力を予め定められた周波数の交流電力として出力するインバータ回路と、前記交流電力の電圧振幅を増大させる整合回路と、を備え、前記整合回路から出力される電圧が前記給電線路部を介して前記送電電極ユニットに印加され、前記第１給電線路と前記第２給電線路は隣接して配置され、前記第１給電線路と前記第２給電線路にはそれぞれ逆位相の電圧成分を印加し、前記第１給電線路と前記第２給電線路間の距離は、隣接する前記第１送電電極と前記第２送電電極間の最大距離よりも短い。

また、前記送電回路部から前記送電電極ユニットまでの前記給電線路部の全範囲において、前記第１給電線路と前記第２給電線路間の距離が前記第１送電電極と前記第２送電電極間の最大距離よりも短くてもよい。

また、前記給電線路部は、前記第１送電電極および前記第２送電電極の長手方向延長領域外に延びてもよい。

また、前記第１給電線路および前記第２給電線路の線路幅は、前記第１送電電極および前記第２送電電極の幅よりも短くてもよい。

また、前記第１給電線路と前記第２給電線路間には絶縁性樹脂が配置されてもよい。

また、前記絶縁性樹脂の厚みは前記給電線路の厚みよりも大きくてもよい。

また、前記第１給電線路および前記第２給電線路は幅方向に平行に配置されてもよい。

また、前記給電線路部は、前記第１給電線路に隣り合う別の第２給電線路をさらに備えてもよい。

また、前記給電線路部は、逆位相の電圧がそれぞれ印加される前記第１給電線路および前記第２給電線路を１対として、幅方向に平行に配置された複数対の前記第１給電線路および前記第２給電線路を有してもよい。

また、前記給電線路部は、前記第１給電線路および第２給電線路の周囲の少なくとも一部を遮蔽する導体シールドを備えてもよい。

また、前記導体シールドは、前記第１給電線路および前記第２給電線路の並び方向外側に配置されたグラウンド線を含んでもよい。

また、前記導体シールドは、前記第１給電線路と第２給電線路間に配置されたグラウンド線を含んでもよい。

また、前記導体シールドは、前記第１給電線路および第２給電線路の並び方向と延びる方向とに、前記第１給電線路および第２給電線路と対向して配置されたグラウンド層を含んでもよい。

また、前記導体シールドは、前記グラウンド層の反対側に前記第１給電線路および前記第２給電線路と対向して配置された別のグラウンド層を含んでもよい。

また、前記導体シールドは、前記第１給電線路および前記第２給電線路の周囲を囲んでもよい。

前記第１給電線路と、前記第１給電線路に印加される電圧と逆位相成分の電圧が印加される前記第２送電電極との間の距離が、第１送電電極と第２送電電極間の距離よりも短くてもよい。

また、前記給電線路部は、前記第１給電線路および第２給電線路の並び方向と延びる方向とに、前記第１給電線路および第２給電線路と対向して配置された磁気シールドを備えてもよい。

また、前記給電線路部は、前記第１給電線路および第２給電線路を挟んで前記磁気シールドと対向して配置された別の磁気シールドを備えてもよい。

また、前記モビリティは人検出センサを備え、前記人検出センサの検出領域外の少なくとも一部に前記給電線路部が配置されてもよい。

（実施形態１）
以下に、本開示の実施形態にかかる送電装置および無線電力伝送システムについて説明する。また、以下の図面において、Ａ方向は送電電極１３１、１３３の延びる方向（すなわち、長手方向）を、Ｂ方向は送電電極１３１、１３３の並び方向（すなわち、短手方向）を、Ｃ方向はＡ方向とＢ方向を含む平面に垂直な方向（すなわち、送電電極１３１、１３３の高さ方向）を意味する。また、Ｘ方向は給電線路１４１、１４３の並び方向（すなわち、幅方向）を、Ｙ方向は給電線路１４１、１４３の延びる方向（すなわち、長手方向）を、Ｚ方向はＸ方向とＹ方向を含む平面に垂直な方向（すなわち、給電線路１４１、１４３の高さ方向）を意味する。

図１は、実施形態１に係る無線電力伝送システムの一例を模式的に示す図である。この例では、床面３０に設けられた送電電極ユニット１３０を備える送電装置から、受電電極ユニットを備える搬送ロボット１０にワイヤレスで電力が伝送される。本システムでは、電界結合方式の無線電力伝送が行われる。送電電極ユニット１３０は、一対の送電電極１３１、１３３を有する。送電電極１３１、１３３は、床面３０に沿って互いに平行に延びており、互いに逆位相の電圧が印加されている。搬送ロボット１０は、送電電極１３１、１３３の上を、電力を受け取りながら物を搬送することができる。

搬送ロボット１０は、外側部に近接センサ１１を備え、搬送ロボット１０に近接する人を検出することが可能である。近接センサ１１は、例えば、赤外線センサやカメラ等が挙げられる。また、搬送ロボット１０は通信装置１３を備えており、通信装置１３を介して制御部と通信することができる。近接センサ１１が人を検出すると、その検出を通信装置１３を介して制御部へ送信する。人の検出を受信した制御部は、送電装置へ、電力を供給する直流電源を遮断または低減する、もしくは電源回路内のインバータ回路を制御するＰＷＭ信号を停止する、などの指示のいずれかを送信する。これにより、送電電極ユニット１３０から高電界が放出するのを低減する。

図２は、実施形態１に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。無線電力伝送システム１は、送電装置１００と、搬送ロボット１０とを備える。送電装置１００は、一例として、外部の直流電源３１０から供給される直流電力を交流電力に変換する送電回路部１０３と、送電回路部１０３と給電線路部１４０を介して接続される送電電極ユニット１３０とを備える。送電電極ユニット１３０から交流電力が搬送ロボット１０へ送電される。送電回路部１０３は、直流電力を予め定められた周波数の交流電力へ変換するインバータ回路１１０と、交流電力の電圧を昇圧する送電側整合回路１２０とを備える。また、別の一例として、図２における直流電源３１０が５０Ｈｚや６０Ｈｚの交流電源に置換され、送電回路部１０３内のインバータ回路１１０が、入力交流エネルギーから、異なる周波数の交流エネルギーを直接変換するコンバータ回路１１０に置換されてもよい。

搬送ロボット１０は、受電装置２００と、負荷３２０とを備える。受電装置２００は、送電電極ユニット１３０と容量結合し、送電された交流電力を非接触で受電する受電電極ユニット２１０と、受電電極ユニット２１０と接続される受電側整合回路２２０と、受電した交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータ回路２３０とを備える。負荷３２０は、例えば、二次電池およびモータを含み、コンバータ回路２３０から出力された直流電力によって充電または駆動される。

図３は、実施形態１に係る無線電力伝送システムの概略構成を示す回路図である。送電側整合回路１２０は、例えば、インバータ回路１１０と接続される送電側直列共振回路１２１と、送電側直列共振回路１２１と誘導結合する送電側並列共振回路１２３とを備える。送電側直列共振回路１２１において、第１のコイルＬ１と第１のキャパシタＣ１とが直列に接続されている。送電側並列共振回路１２３において、第２のコイルＬ２と第２のキャパシタＣ２とが並列に接続されている。第１のコイルＬ１と第２のコイルＬ２とは、結合係数ｋ１で結合する変圧器を構成する。第１のコイルＬ１と第２のコイルＬ２との巻数比（１：Ｎ１）は、所望の昇圧比を実現する値に設定されている。例えば、３ｋＶから５ｋＶ程度にまで振幅が増大するように、昇圧比が設定される。

受電側整合回路２２０は、例えば、受電電極ユニット２１０と接続される受電側並列共振回路２２１と、受電側並列共振回路２２１と誘導結合する受電側直列共振回路２２３とを備える。受電側並列共振回路２２１において、第３のコイルＬ３と第３のキャパシタＣ３とが並列に接続されている。受電側直列共振回路２２３において、第４のコイルＬ４と第４のキャパシタＣ４とが直列に接続されている。第３のコイルＬ３と第４のコイルＬ４とは、結合係数ｋ２で接続する変圧器を構成する。第３のコイルＬ３と第４のコイルＬ４との巻数比（Ｎ２：１）は、所望の降圧比を実現する値に設定されている。

図４は、インバータ回路１１０の構成例を模式的に示す図である。インバータ回路１１０は、直流電源３１０からの直流エネルギーを交流エネルギーに変換する。この例では、インバータ回路１１０は、４つのスイッチング素子を含むフルブリッジ型のインバータ回路であり、各スイッチング素子のオンオフ制御をする制御回路１１２も有する。スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタである。制御回路１１２は、各スイッチング素子のオン（導通）およびオフ（非導通）の状態を制御する制御信号を出力するゲートドライバと、ゲートドライバに制御信号を出力させるマイクロコントローラ（マイコン）等のプロセッサとを有する。フルブリッジ型のインバータ回路の代わりに、ハーフブリッジ型のインバータ回路、または、Ｅ級などの他の発振回路を用いてもよい。インバータ回路１１０は、通信用の変復調回路や電圧・電流などを測定する各種センサを有していてもよい。

図５は、コンバータ回路２３０の構成例を模式的に示す図である。コンバータ回路２３０は、受け取った交流エネルギーを負荷３２０が利用可能な直流エネルギーに変換する。この例では、コンバータ回路２３０は、ダイオードブリッジと平滑コンデンサとを含む全波整流回路であるが、他の整流器の構成を有していてもよい。コンバータ回路２３０は、整流回路の他にも、定電圧・定電流制御回路、通信用の変復調回路などの各種回路を含んでいてもよい。受電側直列共振回路２２３から出力される電圧・電流などを測定する各種センサをコンバータ回路２３０中に含めてもよい。なお、コンバータ回路２３０は交流付加に対し異なる周波数や異なる電圧の交流エネルギーの出力を行ってもよい。

直流電源３１０は、例えば、商用電源、一次電池、二次電池、太陽電池、燃料電池、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）電源、高容量のキャパシタ（例えば、電気二重層キャパシタ）、商用電源に接続された電圧変換器などの任意の電源であってもよい。

送電側直列共振回路１２１、送電側並列共振回路１２３、受電側並列共振回路２２１、受電側直列共振回路２２３の共振周波数ｆ０は、電力伝送時の伝送周波数ｆに一致するように設定されるが、厳密に一致していなくてもよい。各共振周波数ｆ０は、例えば、伝送周波数の５０％から１５０％程度の範囲内の値に設定されていてもよい。伝送周波数ｆは、２０ｋＨｚ以上１３．５６ＭＨｚ帯以下であり、好ましくは、２０ｋＨｚ以上６．７８ＭＨｚ帯以下である。なお、６．７８ＭＨｚ帯とは６．７６５〜６．７９５ＭＨｚの範囲を指し、１３．５６ＭＨｚ帯とは１３．５５３〜１３．５６７ＭＨｚの範囲を指す。実施形態１では、伝送周波数ｆは、５００ｋＨｚに設定されている。このように、伝送周波数ｆが６．７８ＭＨｚ帯以下の低周波帯であると、電力伝送効率が低下するが、インバータ回路１１０において交流電力に変換する電源効率が上昇するので、全体的な伝送効率は上昇する。

実施形態１では、送電電極ユニット１３０と受電電極ユニット２１０との間は空気層であり、これらの間の距離は、例えば１０ｍｍ程度の長さである。これにより、電極間のキャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２は非常に小さく、送電電極ユニット１３０と受電電極ユニット２１０との間のインピーダンスは、例えば、数ｋΩ程度と非常に高い。これに対して、インバータ回路１１０およびコンバータ回路２３０のインピーダンスは、例えば数Ω程度と低い。このため、実施形態１では、インバータ回路１１０から順に、送電側直列共振回路１２１、送電側並列共振回路１２３と配置されている。また、コンバータ回路２３０から順に、受電側直列共振回路２２３、受電側並列共振回路２２１と配置することで、インピーダンスの整合を容易に行うことができ、高効率で電力を伝送することができる。

図６は、実施形態１に係る送電電極ユニット１３０に接続される給電線路部の配置を模式的に示す平面図である。送電側整合回路１２０と送電電極ユニット１３０とは、給電線路部１４０を介して接続されている。給電線路部１４０は、送電側並列共振回路１２３と送電電極１３１とを接続する給電線路１４１と、送電側並列共振回路１２３と送電電極１３３とを接続する給電線路１４３とを有する。送電電極ユニット１３０が床面３０に２次元的に配置されているのに対して、給電線路部１４０は直流電源３１０および送電回路部１０３が配置されている電源ボックスから送電電極ユニット１３０まで３次元的に配置される。したがって、送電電極ユニット１３０に比べて、給電線路部１４０は、見通しがきかない経路で配置されうる。また、給電線路部１４０の長さが数十メートルになる場合もある。このような長さであっても、印加される電圧が高いので流れる電流を小さくすることができ、給電線路部１４０での電力ロスを低減することができる。

送電電極１３１および送電電極１３３は、例えば、１５０ｍｍの幅と１０００ｍｍの長さを有する。送電電極１３１および送電電極１３３は、長方形の形状であるが、例えば、曲率のある帯状の形状でもよいし、円形状でもよい。隣接する送電電極１３１と、送電電極１３３との間隔である送電電極間距離ＧＴは、例えば、２５ｍｍである。送電電極１３１、１３３の領域と送電電極１３１、１３３間の領域とを併せた領域を充電領域ＣＨとする。すなわち、充電領域ＣＨの直上を搬送ロボット１０が移動する。充電領域ＣＨは、送電電極１３１および１３３の外周から形成される領域でもあり、送電電極１３１、１３３が矩形の場合、充電領域ＣＨは、送電電極１３１、１３３の頂点を結んで形成される領域でもある。給電線路１４１と、給電線路１４３との間隔である給電線路間距離ＧＳは、送電電極１３１、１３３の最大距離よりも短く、例えば、１ｍｍである。送電電極１３１、１３３の最大距離とは、送電電極１３１、１３３の幅方向（すなわち、並び方向）において送電電極１３１、１３３間の最も離れた距離のことである。送電電極１３１、１３３が平行に配置されている場合、最大距離は送電電極間距離ＧＴになる。

給電線路１４３は、送電電極１３３の幅方向において隣接する送電電極１３１とは逆方向の外側端部に送電電極１３３の長手方向と交差する方向に接続されている。給電線路１４１は、送電電極１４１の長手方向端部から送電電極１３１の長手方向に延びた後、この長手方向と交差する方向に延びている。したがって、給電線路部１４０は、送電電極１３１、１３３の長手方向延長領域外に延びている。送電電極１３１、１３３の長手方向延長領域とは、送電電極１３１、１３３の長手方向端部から長手方向に延長した領域である。

また、給電線路１４１と、給電線路１４１と逆位相成分の電圧が印加される送電電極１３３との間隔である電極配線間距離ＧＬは、給電線路間距離ＧＳと同じである。すなわち、電極配線間距離ＧＬは、送電電極間距離ＧＴよりも短い。

給電線路部１４０は、昇圧回路である送電側整合回路１２０と送電電極ユニット１３０とを接続する配線であるので、各給電線路１４１、１４３には、送電電極１３１、１３３に印加される電圧値と同じ電圧値が印加される。したがって、３ｋＶから５ｋＶ程度の高電圧が給電線路１４１、１４３に印加される。また、給電線路１４１に印加される電圧と、給電線路１４３に印加される電圧は逆位相の関係にある。

図７は、実施形態１に係る給電線路部を模式的に示す断面図である。給電線路部１４０は、給電線路１４１、１４３と、給電線路１４１、１４３の周囲を覆った樹脂体１４５とを備える。給電線路１４１および給電線路１４３のそれぞれの線路幅Ｗは、電極１３１および電極１３３のそれぞれの幅よりも短い。線路幅Ｗは、例えば、１ｍｍ〜２ｍｍである。

給電線路１４１、１４３は互いに幅方向（すなわち、短手方向）に平行に配置される。図７において、給電線路１４１、１４３の断面は正方形であるが、長方形の場合、例えば、互いの短辺が対向するように配置される。平行配置において、給電線路１４１、１４３の対向面が最小面積となる配置は、寄生容量が低下する。

給電線路１４１と給電線路１４３との間には、絶縁性樹脂が充填されている。これにより、給電線路１４１、１４３間の給電線路間距離ＧＳが短いにもかかわらず、放電が生じるのを防止することができる。また、給電線路１４１と給電線路１４３とが接触してショートするのを防止することができる。樹脂体１４５は絶縁性樹脂で形成されており、例えば、フッ素樹脂が挙げられる。ここで、絶縁性とは、０．４［ＭΩ・ｍ］以上の抵抗率を持つことである。また、樹脂体１４５の厚みＧＢは給電線路１４１、１４３の厚みＧＨよりも大きい。これにより、給電線路部１４０が人に踏まれたとしても、樹脂体１４５により圧力を分散することができるので、給電線路１４１、１４３が断線するのを防止することができる。給電線路１４１、１４３の厚みＧＨは、例えば、１ｍｍであり、樹脂体１４５の厚みＧＢは、例えば、３ｍｍである。

図８は、給電線路部の変形例を示す断面図である。給電線路部１４７は、給電線路部１４０に、接地された導体シールド１４９をさらに備えた構成である。以下に記載する構成以外の構成については、給電線路部１４７は給電線路部１４０と同じである。導体シールドは、給電線路の周囲の少なくとも一部を遮蔽することで、給電線路から発生する電界を低減する。導体シールド１４９は、樹脂体１４５の上部に配置されている。すなわち、導体シールド１４９は、給電線路１４１および給電線路１４３の並び方向（Ｘ方向）と延びる方向（Ｙ方向）とに、前記第１給電線路および第２給電線路と対向して配置されたグラウンド層である。導体シールド１４９は、例えば、金属製の薄板である。導体シールド１４９が給電線路部１４７の一面に備えられているので、給電線路１４１、１４３から導体シールド１４９側への電界が漏洩するのをさらに低減することができる。給電線路部１４７の上部に導体シールド１４９を備える場合、給電線路部１４７を床面３０に敷設すると、上側への電界漏洩が低減されるので、給電線路部１４７の上方に配置された電子機器や床面３０を歩く人への影響を低減することができる。

図９は、給電線路部の変形例を示す断面図である。給電線路部１５１は、給電線路部１４０に接地された導体シールド１５３をさらに備えた構成である。以下に記載する構成以外の構成については、給電線路部１５１は給電線路部１４０と同じである。導体シールド１５３は、樹脂体１４５の全周囲を囲んでいる。したがって、給電線路１４１、１４３から発生する電界強度を大幅に低減することができる。導体シールド１５３は、例えば、金属製の薄板である。また、金属製の導体シールド１５３が給電線路１４１、１４３を囲むことで、給電線路部１５１の強度を増すことができる。これにより、給電線路１４１、１４３が重量等の圧力により断線するのをさらに防止することができる。

次に、給電線路部から発生する電界強度について説明する。図１０は、給電線路部から発生する電界強度を示す断面図である。給電線路１４１’および１４３’は、それぞれ線路幅Ｗを有し、給電線路１４１’と給電線路１４３’とは、線路間隔Ｇを有する。また、給電線路１４１’、１４３’の周囲には電界領域Ｅｓ１、Ｅｓ２、Ｅｓ３が発生しており、給電線路１４１’、１４３’から離れるにつれて電界強度が弱くなる。すなわち、電界領域Ｅｓ１、Ｅｓ２、Ｅｓ３において、電界領域Ｅｓ１での電界強度が一番強く、電界領域Ｅｓ３の電界強度が一番弱い。ここで、電界領域Ｅｓ３の外周における電界強度が、所定の電界強度基準を超える領域とする。所定の電界強度基準の一つとして、例えば、ＩＣＮＩＲＰ(International Commission on Non-lonizing Radiation Protection)の曝露限度値が挙げられる。

電界領域Ｅｓ３の高さＨｒと電界領域Ｅｓ３の幅Ｗｒは、給電線路１４１’、１４３’の線路間隔Ｇにより変動する。図１１は、線路間隔と電界領域の電界強度の低減率を示すグラフである。給電線路１４１’、１４３’の線路幅Ｗを７５ｍｍで一定とし、受電電極ユニット２１０へ５００Ｗの電力を伝送した場合において、線路間隔Ｇを変動した場合の電界領域Ｅｓ３の半値幅Ｗｖの低減率と半値高さＨｖの低減率を示している。半値幅Ｗｖおよび半値高さＨｖともに、線路間隔Ｇの長さが短くなればなるほど、低減率が上昇する。このように、線路間隔Ｇを短くすると、電界領域Ｅｓ３の幅Ｗｒおよび高さＨｒを低減することができる。したがって、給電線路周囲の所定の電界強度以上の電界領域の範囲が小さくなったことは、給電線路周囲の電界強度を低減したことに相当している。一般的に電界領域Ｅｓ３の外部でも電子機器の誤作動は起こりうるが、本願の構成によりその確率が低減できる。

図１２は、線路幅と電界領域の半値幅および半値高さとの関係を示す表である。線路間距離Ｇを２．５ｍｍと一定にし、線路幅Ｗが異なる条件での電界領域Ｅｓ３の半値幅Ｗｖと半値高さＨｖを示す表である。線路幅Ｗは、条件１において７５ｍｍであり、条件２において２ｍｍである。線路幅Ｗが７５ｍｍの場合、電界領域Ｅｓ３の半値幅Ｗｖは３０．６７ｃｍであり、電界領域Ｅｓ３の半値高さＨｖは２２．２５ｃｍである。これに対して、線路幅Ｗが２ｍｍの場合、電界領域Ｅｓ３の半値幅Ｗｖは１５．３３ｃｍであり、電界領域Ｅｓ３の半値高さＨｖは１１．５ｃｍである。このように、線路幅Ｗを短くしても、電界領域Ｅｓの範囲を低減することができる。

図１３は、導体シールドと電界領域の大きさとの関係を示す表である。図１３において、線路幅Ｗは２ｍｍで一定であり、線路間距離Ｇも２．５ｍｍで一定である。条件３では、給電線路部１４０のように導体シールドを有さない給電線路部であり、条件４では、給電線路部１４７のように片面にのみ導体シールド１４９を有する給電線路部であり、条件５では、給電線路部１５１のように外表面全面に導体シールド１５３を有する給電線路部である。

導体シールドを有さない条件３の給電線路部に比べて、導体シールドを有する条件４、５の給電線路部の方が、電界領域Ｅｓ３の半値幅、半値高さ共に低減している。条件４において、電界領域Ｅｓ３の半値高さは、シールド側、非シールド側と共に低減しているが、シールド側の方がより大きく低減している。また、条件５の電界領域Ｅｓ３の半値幅は条件４の電界領域Ｅｓ３の半値幅よりも大きく低減している。

このように、給電線路部１４７のように、導体シールドを給電線路１４１’、１４３’の上下いずれか片側に設けることで、シールド側の電界領域Ｅｓ３の半値高さを大幅に低減することができる。また、導体シールドを給電線路部１５１のように給電線路１４１’、１４３’の周囲全面に設けることで、電界領域Ｅｓ３の半値高さだけではなく、半値幅も大幅に低減することができる。

以上のように、無線電力伝送用の電界結合方式の送電装置１００は、送電電極１３１と送電電極１３３を有する送電電極ユニット１３０と、送電電極ユニット１３０へ電力を供給する送電回路部１０３と、送電電極１３１と送電回路部１０３とを接続する給電線路１４１と、第２送電電極１３３と送電回路部１０３とを接続する給電線路１４３と、を有する給電線路部１４０と、を備える。また、送電回路部１０３は、入力された電力を予め定められた周波数の交流電力として出力するインバータ回路１１０と、交流電力の電圧振幅を増大させる送電側整合回路１２０と、を備える。送電側整合回路１２０から出力される電圧が給電線路部１４０を介して送電電極ユニット３１０に印加され、給電線路１４１と給電線路１４３は隣接して配置され、給電線路１４１と給電線路１４３にはそれぞれ逆位相の電圧成分を印加する。給電線路１４１と給電線路１４３間の距離は、隣接する送電電極１３１と送電電極１３３間の最大距離よりも短い。このような構成により、給電線路１４１、１４３間の給電線路間距離ＧＳが短い条件では給電線路間の寄生容量が増加するものの、電界の強度を大幅に低減することができる。

また、給電線路部１４７が導体シールド１４９をその上部に備えることで、導体シールド１４９側への電界の漏れを低減することができる。また、給電線路部１５１が導体シールド１５３をその周囲全面に備えることで、高さ方向だけでなく、幅方向への電界の漏れを低減することができる。また、送電電極ユニット１３０と受電電極ユニット２１０との間が空気層であるので、無線電力伝送システム１の敷設が容易である。

また、搬送ロボットは、送電電極１３１、１３３上を移動するので、送電電極１３１、１３３の長手方向においては、搬送ロボット１０の近接センサ１１が送電電極１３１、１３３に接近する人を検出することができる。給電線路１４３は送電電極１３３の非長手方向に配置させることもありうるので、給電線路部１４０は、近接センサ１１の検出領域外である非検出領域の少なくとも一部に配置されうる。このように、給電領域への人の侵入を搬送ロボット１０の近接センサ１１が検出できない領域に給電線路部１４７が配置されていても、給電線路部１４７から漏洩される電界が低減されるので、電界曝露リスクへの対策レベルを改善することができる。

（実施形態２）
実施形態２は、実施形態１において磁気シールドを加えた構成である。以下に記載する事項以外の構成は実施形態１と同様である。

図１４は、実施形態２に係る給電線路部の断面図である。給電線路部１５５は、給電線路部１４０の樹脂体１４５の上部に磁気シールド１６１を配置し、樹脂体１４５の下部に磁気シールド１６３を配置している。すなわち、磁気シールド１６１は、給電線路１４１および給電線路１４３の並び方向と延びる方向とに、給電線路１４１および給電線路１４３と対向して配置されている。また、別の磁気シールド１６３が、給電線路１４１および給電線路１４３を挟んで磁気シールド１６１と対向して配置されている。すなわち、磁気シールド１６１と磁気シールド１６３との間に、第１給電線路１４１および給電線路１４３が配置されている。磁気シールド１６１、１６３は、例えば、パーマロイの薄板が挙げられる。磁気シールド１６１は給電線路１４１、１４３の上方に、磁気シールド１６３が給電線路１４３の下方に位置しているので、給電線路部１５５のインピーダンスを上げることができ、給電線路部１５５に印加された電圧の反射を低減することができる。なお、給電線路部１５５は、上部および下部に２つの磁気シールド１６１、１６３を備えていたが、いずれか１つだけの磁気シールドを備えていてもよい。この構成においても、給電線路部１５５のインピーダンスを上げることができる。

図１５は、給電線路部の変形例を示す断面図である。給電線路部１６５は、給電線路部１４０の樹脂体１４５の上部に磁気シールド１６１を配置し、磁気シールド１６１の上部に接地された導体シールド１４９をさらに配置している。給電線路部１６５は、磁気シールド１６１と、導体シールド１４９とを備えることで、給電線路部１６５のインピーダンスを上げることができ、さらに、給電線路部１６５から導体シールド１４９側への電界の漏洩を低減することができる。

図１６は、給電線路部の変形例を示す断面図である。給電線路部１６６は、給電線路部１６５の樹脂体１４５の下部に磁気シールド１６３を配置し、磁気シールド１６３の下部に接地された導体シールド１６７をさらに配置している。給電線路部１６６は、その上部と下部にそれぞれ磁気シールド１６１、１６３と導体シールド１４９、１６７を備えるので、給電線路部１６５のインピーダンスをさらに上げることができ、また、給電線路部１６５からの高さ方向および幅方向の電界の漏洩をさらに低減することができる。

本開示は、上記実施形態のものに限らず、次のように変形実施することができる。

（１）実施形態１、２において、送電電極ユニット１３０は、２つの送電電極１３１、１３３を備えていたが、これに限られない。送電電極ユニットは、３つまたはそれ以上の送電電極を備えていてもよい。３つ以上の送電電極を並列に配置する場合、それぞれ隣り合う送電電極には逆位相の電圧が印加されるように、各送電電極を床面３０に配置すればよい。また、この場合、送電電極の数に対応する給電線路が配置される。給電線路を３つ以上の数に少なくとも一部を分割し並列に配置することで、送電電極周囲の、給電線路に垂直な方向（すなわち、図１０における±Ｚ方向に相当）における電界漏洩強度を効果的に低減することができる。なお、少なくとも２つ以上の電極が同電位の電圧の給電を受ける場合、分岐本数分だけ給電線路内の導体本数を増やして構成してもよいし、給電線路から送電電極への接続部で導体を分岐して構成しても構わない。一例として、４つの送電電極を用いる場合、給電線路部は４本の給電線路を備える場合がある。

図１７は、給電線路部の変形例を示す断面図である。給電線路部１６９は、４本の給電線路１４１、１４３、１７１、１７３を備える。給電線路部１６９は、給電線路１４３に、給電線路１４１とは別の隣り合う給電線路１７１をさらに備える。４本の給電線路１４１、１４３、１７１、１７３はＸ方向に平行に配置され、それぞれ対応する送電電極に接続される。給電線路１４３と給電線路１７１とには、それぞれ逆位相の電圧が印加され、給電線路１７１と給電線路１７３とには、それぞれ逆位相の電圧が印加される。したがって、給電線路１４１、１７１にはそれぞれ同位相の電圧が印加される。また、給電線路１４３、１７３にもそれぞれ同位相の電圧が印加される。言い換えると、給電線路部１６９は、逆位相の電圧がそれぞれ印加される給電線路１４１および給電線路１４３を１対として、幅方向に平行に配置された複数対の給電線路１４１および給電線路１４３を有する。なお、図１７では、給電線路部が４本の給電線路を備える場合を例示したが、これに限らず、３本の給電線路を備えてもよいし、５本以上の給電線路を備えても良い。また、給電線路部は、逆位相の電圧がそれぞれ印加される給電線路対を３対以上備えてもよい。

（２）実施形態１、２において、給電線路部が備える導体シールドは薄板状のグラウンド層であったがこれに限られない。金属線を導体シールドとして用いてもよい。図１８は、給電線路部の変形例を示す断面図である。給電線路部１７５は、給電線路部１４０に導体シールド１７７、１７９をさらに備えている。導体シールド１７７、１７９は接地された金属線、すなわちグラウンド線である。導体シールド１７７、１７９は、給電線路１４１、１４３の並び方向（すなわち、幅方向）外側に平行に配置されている。これにより、給電線路部１７５から幅方向に漏れる電界強度を低減することができる。

図１９は、給電線路部の変形例を示す断面図である。給電線路部１８０は、給電線路部１７５に、薄板状の導体シールド１４９を樹脂体１４５の上部に備えている。これにより、グラウンド線である導体シールド１７７、１７９が幅方向に漏れる電界強度を低減し、グラウンド層である導体シールド１４９が上方に漏れる電界強度を低減することができる。

図２０は、給電線路部の変形例を示す断面図である。給電線路部１８１は、給電線路部１７５に、金属線の導体シールド１８３を給電線路１４１と給電線路１４３との間に平行に備えている。グラウンド線である導体シールド１８３により、給電線路１４１、１４３間の電界強度が低減されるので、給電線路部１８１から上方および下方に漏れる電界強度を低減することができる。

（３）実施形態１において、給電線路部１４７はその上部に導体シールド１４９を備えていたが、これに限られない。図２１は、給電線路部の変形例を示す断面図である。図２１に示すように、給電線路部１８５は給電線路部１４７に、さらに、樹脂体１４５の下部に薄板状の導体シールド１６７を備えている。すなわち、グラウンド層である導体シールド１４９の反対側に給電線路１４１および給電線路１４３と対向して配置された別のグラウンド層である導体シールド１６７が配置されている。給電線路部１８５の下部に導体シールド１６７を備えることで、給電線路部１８５を床面３０に設置した場合、例えば、床下に配置された建物の鉄筋や鉄骨との電気的干渉を防止することができる。なお、給電線路部１８５は、上部および下部に２つの導体シールド１４９、１６７を備えているが、導体シールド１６７だけを備えていてもよい。

（４）実施形態１、２において、送電電極ユニット１３０の送電電極１３１、１３３の端部は、同一直線上に配置されていたがこれに限られない。いずれかの送電電極が給電線路幅と給電線路間隔の距離分ずれていてもよい。図２２は、送電電極ユニットの配置の変形例を示す平面図である。送電電極１３１の長手方向端部が送電電極１３３の長手方向端部よりも、給電線路１４１側にずれている。このずれ量は、給電線路１４１の幅と給電線路間距離ＧＳ分である。

（５）実施形態１、２において、隣接する給電線路１４１、１４３間の距離が隣接する送電電極１３１、１３３間の最大距離よりも短い給電線路１４１、１４３の範囲は、給電線路１４１、１４３の一部の範囲でもよいし、給電線路１４１、１４３の全範囲でもよい。

（６）実施形態１、２において、送電電極ユニット１３０は２つの送電電極１３１、１３３を有し、受電電極ユニット２１０は２つの受電電極２１１、２１３を有しているがこれに限られない。送電電極１３１、１３３の並び方向外側に別の電極を備えていてもよい。送電電極１３１、１３３の並び方向外側に別の電極を備えると、この別の電極と送電電極１３１、１３３との間で容量結合が生じ、別の電極は、隣接する送電電極とは逆相の電圧を帯びる。この結果、送電電極１３１、１３３によって形成される電界の一部が打ち消されて、漏洩電界の強度が低減する。また、受電電極２１１、２１３の並び方向外側に別の電極を備えていてもよい。

（７）本開示において、無線電力伝送システムが用いられるのは搬送ロボット１０に限定されない。無人搬送車（ＡＧＶ）でもよいし、エレベータ、電気車椅子などのモビリティでもよい。

本開示にかかる送電装置および無線電力伝送システムは、搬送車、エレベータ、電気車椅子などのモビリティ給電用の送電装置および無線電力伝送システムとして有用である。

１ 無線電力伝送システム
１０ 搬送ロボット
１１ 近接センサ
１３ 通信装置
３０ 床面
１００ 送電装置
１０３ 送電回路部
１１０ インバータ回路
１１２ 制御回路
１２０ 送電側整合回路
１２１ 送電側直列共振回路
１２３ 送電側並列共振回路
１３０ 送電電極ユニット
１３１、１３３ 送電電極
１４０ 給電線路部
１４１、１４３ 給電線路
１４５ 樹脂体
１４７ 給電線路部
１４９ 導体シールド
１５１ 給電線路部
１５３ 導体シールド
１５５ 給電線路部
１６１、１６３ 磁気シールド
１６５、１６６ 給電線路部
１６７ 導体シールド
１６９ 給電線路部
１７１、１７３ 給電線路
１７５ 給電線路部
１７７、１７９ 導体シールド
１８０、１８１ 給電線路部
１８３ 導体シールド
１８５ 給電線路部
２００ 受電装置
２１０ 受電電極ユニット
２１１、２１３ 受電電極
２２０ 受電側整合回路
２２１ 受電側並列共振回路
２２３ 受電側直列共振回路
２３０ コンバータ回路
３１０ 直流電源
３２０ 負荷
３３０ 充電領域
ＧＴ 送電電極間距離
ＧＬ 電極配線間距離
ＧＳ 給電線路間距離
ＧＨ 配線厚み
ＧＢ 樹脂体厚み

Claims (20)

1. 無線電力伝送用の電界結合方式の送電装置であって、
   第１送電電極と第２送電電極を有する送電電極ユニットと、
   前記送電電極ユニットへ電力を供給する送電回路部と、
   前記第１送電電極と前記送電回路部とを接続する第１給電線路と、前記第２送電電極と前記送電回路部とを接続する第２給電線路と、を有する給電線路部と、
   を備え、
   前記送電回路部は、入力された電力を予め定められた周波数の交流電力として出力するインバータ回路と、前記交流電力の電圧振幅を増大させる整合回路と、を備え、
   前記整合回路から出力される電圧が前記給電線路部を介して前記送電電極ユニットに印加され、
   前記第１給電線路と前記第２給電線路は隣接して配置され、
   前記第１給電線路と前記第２給電線路にはそれぞれ逆位相の電圧成分を印加し、
   前記第１給電線路と前記第２給電線路間の距離は、隣接する前記第１送電電極と前記第２送電電極間の最大距離よりも短い、
   送電装置。
2. 前記送電回路部から前記送電電極ユニットまでの前記給電線路部の全範囲において、前記第１給電線路と前記第２給電線路間の距離が前記第１送電電極と前記第２送電電極間の最大距離よりも短い、
   請求項１に記載の送電装置。
3. 前記給電線路部は、前記第１送電電極および前記第２送電電極の長手方向延長領域外に延びる、
   請求項１または２に記載の送電装置。
4. 前記第１給電線路および前記第２給電線路の線路幅は、前記第１送電電極および前記第２送電電極の幅よりも短い、
   請求項１から３のいずれか１つに記載の送電装置。
5. 前記第１給電線路と前記第２給電線路間には絶縁性樹脂が配置される、
   請求項１から４のいずれか１つに記載の送電装置。
6. 前記絶縁性樹脂の厚みは前記給電線路の厚みよりも大きい、
   請求項５に記載の送電装置。
7. 前記第１給電線路および前記第２給電線路は幅方向に平行に配置される、
   請求項１から６のいずれか１つに記載の送電装置。
8. 前記給電線路部は、前記第１給電線路に隣り合う別の第２給電線路をさらに備える
   請求項１から６のいずれか１つに記載の送電装置。
9. 前記給電線路部は、逆位相の電圧がそれぞれ印加される前記第１給電線路および前記第２給電線路を１対として、幅方向に平行に配置された複数対の前記第１給電線路および前記第２給電線路を有する、
   請求項１から６のいずれか１つに記載の送電装置。
10. 前記給電線路部は、前記第１給電線路および第２給電線路の周囲の少なくとも一部を遮蔽する導体シールドを備えた、
    請求項１から９のいずれか１つに記載の送電装置。
11. 前記導体シールドは、前記第１給電線路および前記第２給電線路の並び方向外側に配置されたグラウンド線を含む、
    請求項１０に記載の送電装置。
12. 前記導体シールドは、前記第１給電線路と第２給電線路間に配置されたグラウンド線を含む、
    請求項１０または１１に記載の送電装置。
13. 前記導体シールドは、前記第１給電線路および第２給電線路の並び方向と延びる方向とに、前記第１給電線路および第２給電線路と対向して配置されたグラウンド層を含む、
    請求項１０から１２のいずれか１つに記載の送電装置。
14. 前記導体シールドは、前記グラウンド層の反対側に前記第１給電線路および前記第２給電線路と対向して配置された別のグラウンド層を含む、
    請求項１３に記載の送電装置。
15. 前記導体シールドは、前記第１給電線路および前記第２給電線路の周囲を囲む、
    請求項１０に記載の送電装置。
16. 前記第１給電線路と、前記第１給電線路に印加される電圧と逆位相成分の電圧が印加される前記第２送電電極との間の距離が、第１送電電極と第２送電電極間の距離よりも短い
    請求項１から１５のいずれか記載の送電装置。
17. 前記給電線路部は、前記第１給電線路および第２給電線路の並び方向と延びる方向とに、前記第１給電線路および第２給電線路と対向して配置された磁気シールドを備える
    請求項１から１６のいずれか１つに記載の送電装置。
18. 前記給電線路部は、前記第１給電線路および第２給電線路を挟んで前記磁気シールドと対向して配置された別の磁気シールドを備える
    請求項１７に記載の送電装置。
19. 電界結合方式の無線電力伝送システムであって、
    第１送電電極と第２送電電極を有する送電電極ユニットと、前記送電電極ユニットへ電力を供給する送電回路部と、前記第１送電電極と前記送電回路部とを接続する第１給電線路と、前記第２送電電極と前記送電回路部とを接続する第２給電線路と、を有する給電線路部と、を備えた送電装置と、
    前記送電装置から送られる電力を受電する受電装置を有するモビリティと、
    を備え、
    前記送電回路部は、入力された電力を予め定められた周波数の交流電力として出力するインバータ回路と、前記交流電力の電圧振幅を増大させる整合回路と、を備え、
    前記整合回路から出力される電圧が前記給電線路部を介して前記送電電極ユニットに印加され、
    前記第１給電線路と前記第２給電線路は隣接して配置され、
    前記第１給電線路と前記第２給電線路にはそれぞれ逆位相の電圧成分を印加し、
    前記第１給電線路と前記第２給電線路間の距離は、隣接する前記第１送電電極と前記第２送電電極間の最大距離よりも短い、
    無線電力伝送システム。
20. 前記モビリティは人検出センサを備え、
    前記人検出センサの検出領域外の少なくとも一部に前記給電線路部が配置されている
    請求項１９に記載の無線電力伝送システム。

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