(57)【要約】  電界結合電力伝送技術において、大電力を安定して流すために接合容量を大きくして安定させること。  電界結合電力伝送技術を適用した電力伝送システムであって、送電電極を有し、所定の波長の交流電源からの電力を送電する送電部と、前記送電電極と対向するように受電電極を有し、当該送電電極と当該受電電極とのうち少なくとも一方に絶縁層を設けて接合容量を形成することにより、前記送電部から電力を受電して負荷に供給する受電部と、を備え、前記接合容量を形成する前記送電電極と前記受電電極とのうち、一方または両方が変形可能なものとし、所定以下の接触圧力で電極を変形させて接触させた状態となる準非接触型電極である電力伝送システム。
2017022860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界結合電力伝送技術を適用した電力伝送システムであって、
送電電極を有し、所定の波長の交流電源からの電力を送電する送電部と、
前記送電電極と対向するように受電電極を有し、当該送電電極と当該受電電極とのうち少なくとも一方に絶縁層を設けて接合容量を形成することにより、前記送電部から電力を受電して負荷に供給する受電部と、
を備え、
前記接合容量を形成する前記送電電極と前記受電電極とのうち、一方または両方が変形可能なものとし、所定以下の接触圧力で電極を変形させて接触させた状態となる準非接触型電極である、
電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の負荷に対して電力伝送を行うための電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者は、電力伝送の新たな方式として「電界結合方式」を既に発明し、さらに、当該新たな方式を実現可能な回路の技術（以下、「電界結合電力伝送技術」と呼ぶ）について既に発明している（特許文献１乃至３参照）。
電界結合電力伝送技術は、２枚の金属板（導電性の板）を対向させて、これら２枚の金属板を電極対としてコンデンサ（このようなコンデンサを以下「接合容量」と呼ぶ）を形成した状態で、高周波電流を流すことで非接触の電力伝送を実現する技術である。【０００３】
電界結合電力伝送技術を適用した電力伝送システムは、電源からの電力を送電する送電部と、送電部から電力を受電して負荷に供給する受電部とを備えている。この場合、送電部の末端に設けた金属板（電極）と、受電部の先端に設けた金属板（電極）とを対向させることで、接合容量が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−３８３２９号公報
【特許文献２】特開２００９−８９５２０号公報
【特許文献３】特開２０１０−１９３６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１に電界結合電力伝送回路の基本回路として並列共振回路を示す。この図の中央に存在する接合容量Ｃｃを介して電力伝送するが、接合容量Ｃｃが大きいほど大電力送電が容易になる。【０００６】
しかしながら、図２に示す様に、２枚の金属板（金属板Ｐ１及び金属板Ｐ２）を対向させても、接触部Ａはわずかな面積しか接触していない。図２（ａ）の微小接触面積Ａ１ｎを合計したものが実際に接触している面積であり、見かけの接触面積ａ×ａより、かなり小さな値である。なお、接触していない部分は空間である。【０００７】
コンデンサの場合には、送電電極と受電電極との少なくとも一方の表面に絶縁層を設けて接触させるが、接触面における空気層が厚くなるため、接合容量Ｃｃが小さくなってしまう。
これを改善するために、荷重を大きくすると（荷重Ｗ２）、微小接触部は押しつぶされ、微小接触面積はやや大きくなり、空気層の厚さが薄くなる（微小接触面積Ａ２ｎ）。
しかし、荷重を掛けるため、軸受や移動体に使用する場合には摩擦力が大きくなってしまう問題が有る。【０００８】
摩擦力を低減させるためには、図３（ａ）に示す様に、移動体に用いる電極において、送電電極３１と受電電極４１との間に微小な隙間を設ける方法が考えられる。
この場合は、電極間隔ｄを大きくとるので、接合容量Ｃｃを維持するには、電極面積を大きくしなければならない。しかし、電極面積の大きさに制限が有る場合は接合容量Ｃｃが維持できないため、摩擦力を低減させるためには、送電電極３１と受電電極４１との間の機械的精度を高めて非接触状態を維持するか、受電電極４１と送電電極３１との間の距離（電極間隔ｄ）を維持するためのセンサ及びアクチュエータを取付けて制御する方法を選択しなければならない。【０００９】
機械的精度を高める方法は、狭い範囲であれば有効であるが、長距離区間に高い機械的精度を求めることは困難である。また、コスト増大要因となる。【００１０】
一方、センサ及びアクチュエータで送電電極３１に対する受電電極４１の位置を常に制御する方法は、コストが増大するとともに、信頼性が低下する問題が有る。応答速度にも注意する必要がある。さらに、受電体側には常にエネルギー源がある訳でないため、エネルギー枯渇時には利用が出来なくなる。【００１１】
さらに、電極間隔ｄについて微小距離が維持できたとしても、図３（ｂ）に示す様に、硬質なゴミＤが入ったときには、電極間でゴミＤが暴れて傷を付ける。送電電極３１の表面に保護膜をコーティングしているときには、保護膜が取れて腐食等を起こす。ゴミＤがさらに大きくなると図３（ｃ）に示す様に、受電電極４１を押し上げてしまい、接合容量Ｃｃが小さくなる。場合によっては、回転系またはリニア移動系の動きを止めてしまうこととなる。【００１２】
また、図３（ｄ）に示す様に、送電電極３１側の機械的精度が高められない時には、送電電極３１と受電電極４１とが接触してしまう。【００１３】
図４には、コンデンサと座標系の関係を示している。
コンデンサから放射される電磁波は、次の式（１），（２），（３）で表される。
【数１】
2017022860.tif 000003
【数２】
2017022860.tif 000004
【数３】
2017022860.tif 000005
これらの式（１）乃至（３）から明らかなことは、接合容量Ｃｃのギャップ間隔ｇが大きくなると、放射電界Ｅｒ並びにＥθ及び放射磁界Ｈφが大きくなってしまう点である。なお、電極間隔ｄとギャップ間隔ｇは等しい。【００１４】
電極間に微小空間を開ける方法では、ギャップ間隔ｇの増大に伴い、放射電磁界Ｈφが大きくなりがちである。この点でも、電極間に微小空間を設ける方法は、望ましいとは言えない。【００１５】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、下記内容を目的とする。
即ち、電界結合電力伝送技術において、大電力を安定して流すためには接合容量Ｃｃが大きく、かつ安定していることが重要である。さらに、接触界面の損耗の問題が無く、放射電磁界Ｈφを小さくできることも必要な要件である。さらに、電極間にゴミ等が混入してもその影響を最低限に抑える必要がある。今までは、これらの要件を必ずしも満足させることは出来なかったが、これらのほとんどを満足させることが出来る電極を備えた電力伝送システムを提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一実施形態の電力伝送システムは、
電界結合電力伝送技術を適用した電力伝送システムであって、
送電電極を有し、所定の波長の交流電源からの電力を送電する送電部と、
前記送電電極と対向するように受電電極を有し、当該送電電極と当該受電電極とのうち少なくとも一方に絶縁層を設けて接合容量を形成することにより、前記送電部から電力を受電して負荷に供給する受電部と、
を備え、
前記接合容量を形成する前記送電電極と前記受電電極とのうち、一方または両方が変形可能なものとし、所定以下の接触圧力で電極を変形させて接触させた状態となる準非接触型電極である、
電力伝送システムである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、次のような効果を奏することが可能である。【００１８】
準非接触型電極を採用することにより、移動体および回転体への電界結合よる電力供給を極めて現実的なものとすることができる。本発明に係る準非接触型電極では、接合容量Ｃｃのギャップ間隔ｇを狭めることにより、電磁界放射Ｅｒ、Ｅθ及びＨφを低減することができる。また、極薄金属膜を用いることにより、硬質のゴミに対する耐性を獲得している。当然、有機性ゴミ及び粘着性ゴミにも耐えることが出来る。本発明を線路に適用する場合には、定期的に清掃用走行車を走行させて、異物を除去するものとする。【００１９】
極薄金属膜にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）をコーティングした結果、カッター歯を立てて擦ってもカッター歯が滑ってしまうすべり性が得られるとともに、高強度膜であることが証明された。さらには、ＤＬＣ膜は、すべり性を有することによる、対向する材料に対する非攻撃性も特徴である。この様な材料を低接触圧力または空気膜を挟んで使用するため、電極の長寿命化が可能である。極薄金属膜全体を絶縁膜でコーティングすることとなる為、酸やアルカリに対する耐性にも優れる。【００２０】
また、ＤＬＣ膜は耐絶縁性が高く、高電圧下で使用できることとなる為、高出力化も可能である。【００２１】
さらにまた、電極間隔ｄの狭小化、及び摩擦抵抗の低減が可能となったため、モーターへの適用が考えられるようになってきた。このモーターは、アルミニウム電極、コンデンサ及びトランジスタで構成されるため、極めて軽量となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る電界結合電力伝送基本回路を示す図である。
【図２】２枚の金属板における実接触面積と荷重の関係を示す図である。
【図３】移動体に用いる電極において、送電電極と受電電極との間隔を開ける方法を説明する図である。
【図４】コンデンサと座標系の関係を示す図である。
【図５】荷重と摩擦力の関係を示す図である。
【図６】凹凸モデルから見た摩擦力を示す図である。
【図７】微小空間を開けた場合と準非接触にした場合との比較を示す図である。
【図８】準非接触型電極を双方向移動型とした場合を示す図である。
【図９】送電電極と受電電極の間に硬質ゴミが挟まれた場合を示した図である。
【図１０】送電電極に凹凸がある場合を示した図である。
【図１１】多極型にして、接触面積を稼いだ形態を示す図である。
【図１２】電界結合でのリニア型モーターの概念図である。
【図１３】スイッチトキャパシタによって電極を帯電させる回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２４】
現状の問題点を解決するために、次の対応策を取った。
【００２５】
図５（ａ）は、重さＷの物体を台の上で滑らせる際の外力ｆ、重さＷ、摩擦力Ｆの関係を示した図である。
図示した通り、摩擦力Ｆの大きさは、物体の重さＷの反力としての垂直抗力Ｎと摩擦係数μとの積である。
従って、図５（ｂ）に示す様に、物体の荷重Ｗを限りなくゼロに近づければ摩擦力Ｆは無くなる。電界結合電力伝送における回転系の場合には、ベアリングで荷重Ｗを受け、リニア系の場合には走行輪で荷重Ｗを受けることが出来る。このため、送電電極３１と受電電極４１間には、ほとんど荷重を掛けずに接触させることが可能である。
【００２６】
図５（ｂ）の方法は、極薄金属板５１の片面又は両面にコーティングを行い、摺動性絶縁層５１ｐを形成する方法である。
例えば、極薄金属板５１としては、厚さが５μｍ〜２０μｍの極薄金属膜を用いる。材質としては、ステンレス、スーパーインバー、その他各種材料を用いることが出来る。極薄金属の良い点は、金属板自体が薄いため、鏡面研磨した状態で仕上がっていることであり、特別に研磨を行う必要がない。
【００２７】
摺動性絶縁層５１ｐ組成膜としては、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜が好適である。
極薄金属板５１の片面又は両面に摺動性絶縁層５１ｐをコーティングするものとする。
なお、摺動性絶縁層５１ｐを両面ともコーティングする場合は、熱膨張に起因する極薄金属膜５１の反りを防止することができる。ただし、ＤＬＣ膜と線膨張率がほぼ同じスーパーインバーを用いた場合には、片面のみに蒸着しても反りは少ない。例えばＳＵＳ３０４にＤＬＣ膜を１μｍの厚さでコーティングした結果、カッター剥離しようとしても、カッター歯が滑って剥離できないほどのすべり性と強固なコーティングができた。なお、ＳＵＳ３０４は、オーステナイト系ステンレスの代表的な鋼種であり、耐食性、靭性、延性、加工性、溶接性に優れ、幅広い用途で使用されている。
【００２８】
図５（ｂ）に示す様に、極薄金属板５１は、自身のバネ性を生かして変形することにより、わずかな力で送電電極３１に接触する、受電電極４１の一部を形成することができる。この場合、極薄金属板５１は、受電電極４１の端部において、受電電極４１と電気的接点（受電電極接点５１ｃ）によって固定されている。
【００２９】
なお、図５（ｂ）の例では、極薄金属板５１は、受電電極４１の端部において、受電電極４１と電気的接点によって固定されているが、これに限定されない。例えば、送電電極３１と受電電極４１が逆であってもよい。即ち、極薄金属板５１は、送電電極３１の端部において、送電電極３１と電気的接点によって固定されることにより、わずかな力で受電電極４１に接触することとしてもよい。また、送電電極３１と受電電極４１とが、いずれも端部に薄金属板５１を夫々備えることにより、送電電極３１の一部を形成する極薄金属板５１と、受電電極４１の一部を形成する極薄金属板５１とが接触するようにしてもよい。
【００３０】
本方式を採用することにより、極めて軽い荷重で電極を接触させて摩擦力Ｆを低減させ、さらにＤＬＣ膜等の強固ですべり性の良い膜をコーティングすることにより、実用性を高めている。
なお、ＤＬＣ膜は一例であって、同等の性能を有する膜であれば、ＤＬＣ膜に限定する必要は無い。
【００３１】
これから判るように、接合容量Ｃｃとしてのギャップ間隔ｇは、摺動性絶縁層５１ｐと送電電極保護層３１ｐの膜厚と境界部に存在する空気層の和になるだけであり、極めて薄く形成できる。このため、接合容量Ｃｃを大きくすることが出来るとともに、放射電磁界Ｅｒ、Ｅθ及びＨφを小さくすることが可能になる。
【００３２】
この摩擦力Ｆを図６に示す凹凸モデルから考える。図６（ａ）に示す様に、接触圧力が大きいときには、送電電極３１に対して受電電極４１が近接するため、接触点が多くなって摩擦力Ｆが大きくなる。ミクロ的には、エグリが生じて界面が摩耗することになる。
【００３３】
図６（ｂ）に示す様に、接触圧力が小さくなれば、送電電極３１と受電電極４１との距離がやや離れるため、接触点が少なくなって摩擦力Ｆが小さくなる。
【００３４】
さらに、図６（ｃ）の場合には、空気等の流体が両電極間に侵入して、非接触状態を維持することも可能になる。
【００３５】
停止時又は低速移動時は軽荷重で接触させ、高速移動時には空気膜によって浮揚させる（以下、「準非接触状態」という）。低速時に軽く接触する程度であれば、摩耗は極めて少ない。その一方で、高速移動時の接触状態維持による大きな摩耗は、生じない。
【００３６】
図７は、上記図３に示す微小空間を開けた場合と、図６（ｂ）の荷重Ｗ４を掛けずに準非接触状態に置いた場合の比較を示している。
図７（ａ）の場合には電極間のギャップ間隔ｇ１は３００μｍ取っており、送電電極３１側及び受電電極４１側に絶縁層を各１μｍコーティングしているものとする。
図７（ｂ）の場合には、送電電極３１側及び受電電極４１側（極薄金属板５１）に絶縁層を各１μｍコーティングしているものとし、ギャップ間隔ｇ２を約１μｍ開けている。これから考えると、ギャップの間隔の倍率は、１００倍になる。
【００３７】
さらに、図７を見て分かるように、金属板間の誘電率は図７（ａ）の微小間隔開けた場合には、ほとんど空気として考えられ、図７（ｂ）の場合には絶縁層が支配的になる。ＤＬＣ膜の場合では比誘電率が１０であるため、図７（ｂ）の場合には、全体が比誘電率２．５の物質で満たされたことと同じになる。
【００３８】
以上より、接合容量Ｃｃは２５０倍程度の差があることになる。極めて大きな差である。
【００３９】
さらに、ＤＬＣ膜は耐電圧性も高いことを付け加えておく。
【００４０】
図８は、図５（ｂ）の準非接触型電極を双方向移動型にした場合を示す図である。極薄金属板５１の両端に受電電極４１との接合点を設けていて、Ｕ字型に変形させている。
【００４１】
これにより、図８（ａ）および（ｂ）の場合には、電極間隔ｄが変動しても極薄金属板５１が撓んで送電電極３１との接触は維持される。
【００４２】
同図（ｃ）および図８（ｄ）の場合には、右方向又は左方向に進んでも、極薄金属板５１が軽い接触によりわずかに撓んで送電電極３１との接触を維持する様子を示している。
【００４３】
図８（ｅ）には、移動時に空気を電極間に挟んだ場合を示している。わずかに極薄金属板５１が撓んで送電電極３１との近接を維持し、高速での移動における電力供給に対応できる。
【００４４】
図９は、送電電極３１と受電電極４１間に硬質のゴミＤが挟まれた場合を示す図である。極薄金属板５１内には、空気又は発泡材で満たしたものとしている。図９から判るように、ゴミＤの位置に応じて極薄金属板５１が撓み、ゴミＤを通過させて乗り越える。
【００４５】
図１０は、送電電極３１に凹凸がある場合を示す図である。凹凸がある場合でも、極力馴染むように挙動すると予想される。この場合には、全体に発泡材により下方に押しているため、送電電極３１の凸部では接触圧力が高まる。
【００４６】
また、送電時には、静電力による吸着力が働くため、発泡材を入れなくても良い場合がある。
図１１は、多極型にして、接触面積Ａを稼いだ形態を示す図である。
図１１（ａ）は、静止時の様子であり、図１１（ｂ）および（ｃ）は、移動時の様子である。
図１１（ｄ）は、正面から見た様子であり、細い電極が配列されている。硬質のゴミＤが電極間に入った場合でも、電極を細線化することにより、隣接電極の影響が出ないようにしている。発泡材は、極薄金属板５１で作られる細線化された電極内にゴミＤの滞留を防止する点でも有効である。
図１１（ｅ）は、１つの接触型電極の拡大図である。
以上より、接合容量Ｃｃが大きく、摩擦による損耗が小さく、放射電界強度が低減できる電極を提案した。
【００４７】
なお、図７で示したように、接合容量Ｃｃが２５０倍程度大きくとれるので、これをモーターに適用した場合には、大きな出力を発生させることが可能である。
図１２は、電界結合によるリニア型モーターの概念図を示している。送電部１には、高圧直流電源７１から＋Ｖおよび−Ｖの電圧を得て、移動体の位置に応じて電極に電位を発生させる。これは、位置センサ７２によって移動体の位置を認識し、その位置に対応した線路側電極にマトリックス・スイッチ７３を用いて＋Ｖまたは−Ｖの電圧を印加することにより行う。
【００４８】
移動体側は、電極を永久帯電した電気子のように働かせるべく、直流電源をスイッチトキャパシタ７４によって高電圧化し、移動体の電極を帯電させている。
【００４９】
図１３は、スイッチトキャパシタ７４によって電極を帯電させる回路を示す図である。
図１３（ａ）は、複数のコンデンサに電源から並列的に充電する様子を示している。
図１３（ｂ）は、充電完了したコンデンサを直列接続に繋ぎ変えて高電圧を発生させ、電極に電荷を与えている様子を示している。
【００５０】
準非接触型の電極構造が出来れば、接合容量Ｃｃを大きくすることができ、電極間隔ｄを短くできるため、大きなトルクが得られるモーターを作ることが出来る。
【００５１】
本実施例では、リニアモーターに適用する場合について記しているが、図１２の電極を円形に配置すれば、回転モーターにも適用できる。
さらに、準非接触電極の基材に極薄金属を用いたが、これに替えて次の方式を採用しても良い。
（１）内面を金属コーティングした風船構造体。
（２）グラフェンにする（絶縁層をグラフェン上に作るか、送電電極側の防護膜だけにする）。
（３）導電性線維で編んだ布地（不織布を含む）。
（４）金属メッシュ（編み物、パンチスルー、エキスパンド）流体膜を薄くする場合もある。
（５）縦方向（進行方向）に折って溝を作った薄膜金属流体膜を薄くする。
（６）スリップリング用ファイバーを配列したもの（ＣＮＴも含む）にする。
（７）極薄金属板に焼結金属膜を作り、絶縁層をアンカー効果で固定したものにする。
（８）極薄金属板（非磁性）の内側に磁石を付け、移動時には渦電流効果によって浮上させるものにする。
【００５２】
以上本発明の各種実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
換言すると、本発明が適用される電力伝送システムは、次のような構成であれば足り、上述した実施形態を含め各種各様な実施形態を取ることができる。
【００５３】
即ち、本発明が適用される電力伝送システムは、
電界結合電力伝送技術を適用した電力伝送システムであって、
送電電極を有し、所定の波長の交流電源からの電力を送電する送電部と、
前記送電電極と対向するように受電電極を有し、当該送電電極と当該受電電極とのうち少なくとも一方に絶縁層を設けて接合容量を形成することにより、前記送電部から電力を受電して負荷に供給する受電部と、
を備え、
前記接合容量を形成する前記送電電極と前記受電電極とのうち、一方または両方が変形可能なものとし、所定以下の接触圧力で電極を変形させて接触させた状態となる準非接触型電極である、
電力伝送システムであれば足りる。
【符号の説明】
【００５４】
１・・・送電部
２・・・受電部
１１、２１・・・並列共振回路
１２、２２・・・トランス
３１・・・送電電極
３１ｐ・・・送電電極保護層
４１・・・受電電極
４１ｐ・・・受電電極保護層
５１・・・極薄金属板
５１ｃ・・・受電電極接点
５１ｐ・・・摺動性絶縁層
６１・・・接触電極
６２・・・空隙又は発泡材
７１・・・高圧直流電源
７２・・・位置センサ
７３・・・マトリックス・スイッチ
７４・・・スイッチトキャパシタ
７５・・・制御装置
Ａ・・・接触部
Ａ１ｎ、Ａ２ｎ・・・微小接触面積
Ｃｃ・・・接合容量
Ｄ・・・ゴミ
ｄ・・・電極間隔
Ｅｒ、Ｅθ・・・放射電界
Ｆ、Ｆ３１、Ｆ３２、Ｆ３３、Ｆ４・・・摩擦力
Ｆｒ・・・抗力
ｆ・・・外力
ｇ、ｇ１、ｇ２・・・ギャップ間隔
Ｈφ・・・放射磁界
Ｎ・・・垂直抗力
Ｐ１、Ｐ２・・・金属板
Ｒ・・・負荷
Ｖ・・・移動速度
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２・・・荷重
Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５・・・接触圧力
【図１】
2017022860.tif 000006
【図２】
2017022860.tif 000007
【図３】
2017022860.tif 000008
【図４】
2017022860.tif 000009
【図５】
2017022860.tif 000010
【図６】
2017022860.tif 000011
【図７】
2017022860.tif 000012
【図８】
2017022860.tif 000013
【図９】
2017022860.tif 000014
【図１０】
2017022860.tif 000015
【図１１】
2017022860.tif 000016
【図１２】
2017022860.tif 000017
【図１３】
2017022860.tif 000018
【国際調査報告】
2017022860.tif 000019
2017022860.tif 000020