(57)【要約】  無接点コネクタ装置は、受信コイル２と電磁的に結合するように近接しかつ対向して設けられる送信コイルを備える。送信コイルは、送信コイルの中心を通る軸の周囲に巻回された内側送信コイル１ｂと、軸の周囲において内側コイルの外側に巻回された外側送信コイル１ａとを備える。送信コイル１ａ，１ｂに電流を流すとき、内側送信コイル１ｂを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側送信コイル１ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、外側送信コイル１ａの一端及び内側送信コイル１ｂの一端は互いに接続される。外側送信コイル１ａの自己インダクタンスは内側送信コイル１ｂの自己インダクタンスより大きい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２のコイルと電磁的に結合するように近接しかつ対向して設けられる第１のコイルを備えた無接点コネクタ装置において、
上記第１のコイルは、上記第１のコイルの中心を通る軸の周囲に巻回された内側コイルと、上記軸の周囲において上記内側コイルの外側に巻回された外側コイルとを備え、
上記第１のコイルに電流を流すとき、上記内側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きが上記外側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、上記外側コイルの一端及び上記内側コイルの一端は互いに接続され、
上記外側コイルの自己インダクタンスは上記内側コイルの自己インダクタンスより大きい無接点コネクタ装置。
【請求項２】
上記外側コイルの自己インダクタンスに対する上記内側コイルの自己インダクタンスの比は０より大きく０．４５未満である請求項１記載の無接点コネクタ装置。
【請求項３】
上記内側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向は、上記外側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向とは逆である請求項１又は２記載の無接点コネクタ装置。
【請求項４】
上記内側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向は、上記外側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向と同じである請求項１又は２記載の無接点コネクタ装置。
【請求項５】
上記無接点コネクタ装置は、上記第１のコイルに対して、上記第２のコイルが近接して設けられる側とは逆の側に設けられた磁性体基板をさらに備えた請求項１〜４のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置。
【請求項６】
上記無接点コネクタ装置は、上記第１のコイルに接続された導線をさらに備え、
上記磁性体基板は、上記第１のコイル及び上記導線の少なくとも一部を収容する溝部を有する請求項５記載の無接点コネクタ装置。
【請求項７】
上記第１のコイルは、上記軸に近接した第１の端部と、上記軸から遠隔した第２の端部とを有し、
上記無接点コネクタ装置は、上記第１の端部に接続された導線をさらに備え、上記導線は、上記軸から次第に遠隔するように上記軸の周囲に巻回された請求項１〜６のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置。
【請求項８】
上記外側コイル及び上記内側コイルのそれぞれは、プリント配線基板の少なくとも一方の面上に配線パターン形成法により形成された請求項１〜７のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置。
【請求項９】
上記外側コイルの一端及び上記内側コイルの一端は、インピーダンス素子を介して互いに接続され、上記インピーダンス素子は、抵抗、キャパシタ、インダクタ、電流反転回路のいずれかである請求項１〜８のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置。
【請求項１０】
互いに等間隔を有して位置する複数の平行な軸の周囲にそれぞれ巻回された複数の上記第１のコイルを備えた請求項１〜９のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置。
【請求項１１】
送信側の無接点コネクタ装置としての請求項１〜１０のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置と、
上記第２のコイルを備えた受信側の無接点コネクタ装置とを含む無接点コネクタシステム。
【請求項１２】
上記第２のコイルを備えた送信側の無接点コネクタ装置と、
受信側の無接点コネクタ装置としての請求項１〜１０のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置とを含む無接点コネクタシステム。
【請求項１３】
送信側の無接点コネクタ装置としての請求項１〜１０のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置と、
受信側の無接点コネクタ装置としての請求項１〜１０のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置とを含む無接点コネクタシステム。
【請求項１４】
送電回路と、上記送電回路に接続された請求項１〜１０のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置とを備えた電力伝送装置。
【請求項１５】
受電回路と、上記受電回路に接続された請求項１〜１０のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置とを備えた電力伝送装置。
【請求項１６】
請求項１１〜１３のうちのいずれか１つに記載の無接点コネクタシステムと、上記送信側の無接点コネクタ装置に接続された送電回路と、上記受信側の無接点コネクタ装置に接続された受電回路とを備えた電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、コイル間の誘導結合を用いた無接点コネクタ装置及び無接点コネクタシステムと、それを備えた電力伝送装置及び電力伝送システムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機や電気自動車などの移動性を伴う電子機器やＥＶ機器において無線充電を行うために、コイル間の誘導結合を用いた無接点コネクタ装置及び無接点コネクタシステムと、それを備えた電力伝送装置及び電力伝送システムの開発が進んでいる。無接点の電力伝送システムとして、例えば特許文献１〜３の発明が知られている。【０００３】
特許文献１の電池内蔵機器と充電台は、電源コイルに交流電源を接続してなる充電台と、この充電台にセットされて電源コイルに電磁結合される誘導コイルを内蔵する電池内蔵機器とからなり、電源コイルから誘導コイルに電力搬送される電力でもって、電池内蔵機器の内蔵電池を充電する。前記電源コイルが、平面コイルである内側コイルと、この内側コイルの外側に位置し、かつ内側コイルと同一平面に配置してなる平面コイルの外側コイルとからなり、前記充電台の交流電源は、内側コイルに交流電力を供給して、外側コイルに交流電力を供給しない内側コイル励起状態と、内側コイルと外側コイルの両方に交流電力を供給する内外コイル励起状態とを切り換える切換回路を備えており、充電台にセットされる電池内蔵機器によって、交流電源が内側コイル励起状態と内外コイル励起状態とを切り換えて、電池内蔵機器の誘導コイルに電力搬送する。すなわち、特許文献１の電池内蔵機器と充電台は、２つの励起状態を切り換えることで最適な電力伝送を実現することを特徴とする。【０００４】
特許文献２の非接触電力伝送装置は、相対するコイル間の電磁誘導を用い、空隙を介して１次側コイルから２次側コイルに非接触にて電力を伝送する電力伝送装置に於いて、１次側を複数、２次側を一以上の平面型コイルで構成し、２次側コイル外径は１次側コイル外径よりも小とすることを特徴とする。特許文献２の非接触電力伝送装置は、複数の１次側コイルから最適なコイルを選択することで安定した電力伝送を実現することを特徴とする。【０００５】
特許文献３の無線伝送システムは、無線電力伝送のための共振器を備え、これは、１つ以上のループを形成しかつ所定のインダクタンスを有する導体と、所定の容量及び所望の電気的パラメータを有しかつ上記導体に接続されているキャパシタネットワークとを備える。ここで、上記キャパシタネットワークは、電気的パラメータとして第１の温度プロファイルを有する第１のタイプの少なくとも１つのキャパシタと、電気的パラメータとして第２の温度プロファイルを有する第２のタイプの少なくとも１つのキャパシタとを有する。【０００６】
このような無接点の電力伝送システムの原理は、無接点コネクタ装置を備えた情報伝送システムや、ＩＨ調理装置などの誘導加熱装置にも適用可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−２５９５３４号公報
【特許文献２】特開２００９−１６４２９３号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１０／０１８１８４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
無接点の電力伝送システムにおいて高い伝送効率を実現するには、送信側の電力伝送装置（例えば充電器）に備えられた送信コイルと受信側の電力伝送装置（例えば被充電器）に備えられた受信コイルとが電磁的に強く結合するように、送信コイル及び受信コイルの位置を正確に合わせて対向させることが必要になる。【０００９】
特許文献１の発明によれば、対向する送信コイル及び受信コイルの位置が正確に合っているならば高い伝送効率を実現できるものの、位置がずれると伝送効率が低下するという課題がある。また、特許文献２の発明によれば、位置がずれても伝送効率は安定するが、送信コイルの面積が増大するという課題がある。【００１０】
位置ずれによる伝送効率の低下を解決するために、特許文献３の発明では、整合回路を動的に変更している。しかしながら、このような解決法は制御が複雑になるという課題があった。【００１１】
同様の問題点は、無接点の電力伝送システムだけでなく、無接点コネクタ装置を備えた情報伝送システムや、誘導加熱装置にも存在する。【００１２】
本開示の目的は、以上の問題点を解決し、簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの位置ずれに強くかつ伝送効率の高い無接点コネクタ装置及び無接点コネクタシステムを提供し、また、そのような無接点コネクタ装置を備えた電力伝送装置及び電力伝送システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本開示の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、
第２のコイルと電磁的に結合するように近接しかつ対向して設けられる第１のコイルを備えた無接点コネクタ装置において、
上記第１のコイルは、上記第１のコイルの中心を通る軸の周囲に巻回された内側コイルと、上記軸の周囲において上記内側コイルの外側に巻回された外側コイルとを備え、
上記第１のコイルに電流を流すとき、上記内側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きが上記外側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、上記外側コイルの一端及び上記内側コイルの一端は互いに接続され、
上記外側コイルの自己インダクタンスは上記内側コイルの自己インダクタンスより大きい。
【発明の効果】
【００１４】
本開示の無接点コネクタ装置及び無接点コネクタシステム、電力伝送装置及び電力伝送システムによれば、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１の送信コイル１ａ，１ｂの概略構成を示す上面図である。
【図３】図１のＡ１−Ａ１’線における断面図である。
【図４】図１の無接点コネクタシステムの等価回路の一例を示す回路図である。
【図５】図１の送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の間の結合係数ｋを変化させたときの伝送効率の周波数特性を示す概略図である。
【図６】第１の実施形態に係る比較例の無接点コネクタシステムの送信コイル１ａ，１ｃを示す上面図である。
【図７】図６の無接点コネクタシステムに係る、位置の変位ｄｘに対する相互インダクタンスの変化を概略的に示す図である。
【図８】図１の無接点コネクタシステムに係る、位置の変位ｄｘに対する相互インダクタンスの変化を概略的に示す図である。
【図９】第１の実施形態の第１の変形例に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。
【図１０】第１の実施形態の第２の変形例に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。
【図１１】第１の実施形態の第３の変形例に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。
【図１２】第１の実施形態の第４の変形例に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す斜視図である。
【図１３】第１の実施形態の第５の変形例に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す斜視図である。
【図１４】第２の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図１５】図１４の磁性体基板１３を示す上面図である。
【図１６】図１４のＡ２−Ａ２’線における断面図である。
【図１７】第３の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図１８】第３の実施形態の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図１９】第４の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図２０】図１９のＡ３−Ａ３’線における断面図である。
【図２１】第４の実施形態の第１の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図２２】図２１のＡ４−Ａ４’線における断面図である。
【図２３】第４の実施形態の第２の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図２４】図２３のＡ５−Ａ５’線における断面図である。
【図２５】第４の実施形態の第３の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図２６】図２５のＡ６−Ａ６’線における断面図である。
【図２７】第４の実施形態の第４の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図２８】図２７のＡ７−Ａ７’線における断面図である。
【図２９】第４の実施形態の第５の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す断面図である。
【図３０】第４の実施形態の第６の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す断面図である。
【図３１】第５の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの部分を示す図である。
【図３２】第６の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの部分を示す図である。
【図３３】第７の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。
【図３４】第８の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルのアレーを示す概略図である。
【図３５】第８の実施形態に係る比較例の無接点コネクタシステムの送信コイルのアレーを示す概略図である。
【図３６】第９の実施形態に係る電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。
【図３７】第１の実施例に係る無接点コネクタシステムの送信コイル及び受信コイルのモデルを示す斜視図である。
【図３８】第１の比較例に係る無接点コネクタシステムの各コイル間の相互インダクタンスを示すグラフである。
【図３９】第１の実施例に係る無接点コネクタシステムの各コイル間の相互インダクタンスを示すグラフである。
【図４０】図３８及び図３９に示す各相互インダクタンスを合計した結果を示すグラフである。
【図４１】第２の実施例に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す断面図である。
【図４２】第２の実施例及び第２の比較例に係る無接点コネクタシステムの相互インダクタンスを示すグラフである。
【図４３】第２の比較例に係る無接点コネクタシステムの伝送効率を示すグラフである。
【図４４】第２の実施例に係る無接点コネクタシステムの伝送効率を示すグラフである。
【図４５】第３の実施例の無接点コネクタシステムの概略構成を示す断面図である。
【図４６】図４５の無接点コネクタシステムに係る、位置の変位ｄｘ及び内側コイルの巻数に対する相互インダクタンスの変化を示すグラフである。
【図４７】第４の実施例及び第３の比較例に係る無接点コネクタシステムの規格化された送電可能エリアを示すグラフである。
【図４８】第４の実施例及び第３の比較例に係る無接点コネクタシステムの送電可能エリアの拡大率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００１７】
第１の実施形態．
図１は、第１の実施形態に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す斜視図である。図２は、図１の送信コイル１ａ，１ｂの概略構成を示す上面図である。図３は、図１のＡ１−Ａ１’線における断面図である。本実施形態の無接点コネクタシステムは、送信コイル１ａ，１ｂを備えた送信側の無接点コネクタ装置と、受信コイル２を備えた受信側の無接点コネクタ装置とを含み、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の間の電磁結合を用いて信号又は電力などを伝送する。
【００１８】
図１において、送信側の無接点コネクタ装置の筐体を符号１１により示し、受信側の無接点コネクタ装置の筐体を符号１２により示す。図１他では、図示の簡単化のために、信号又は電力を伝送するために必要な電源、送信回路、受信回路などを省略する。
【００１９】
図１〜図３を参照すると、送信コイル１ａ，１ｂは、その中心Ｏ１を通る軸の周囲に巻回された内側送信コイル１ｂと、軸の周囲において内側送信コイルの外側に巻回された外側送信コイル１ａとを含む。受信コイル２は、その中心Ｏ２を通る軸の周囲に巻回される。例えば、送信コイル１ａ，１ｂは、第１の面（ＸＹ面に実質的に平行な、筐体１１の上面）に沿って設けられ、受信コイル２は、第１の面に近接して対向する第２の面（ＸＹ面に実質的に平行な、筐体１２の下面）に沿って設けられる。送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２は、互いに近接して対向したことにより、互いに電磁的に結合する。送信コイルは、その中心Ｏ１を通る軸の周囲において時計回り（図１において上から見たとき）に巻回された外側送信コイル１ａと、軸の周囲において外側送信コイル１ａの内側に反時計回り（図１において上から見たとき）に巻回された内側送信コイル１ｂとを備える。すなわち、内側送信コイル１ｂが軸の周囲に巻回される方向は、外側送信コイル１ａが軸の周囲に巻回される方向とは逆である。外側送信コイル１ａはその両端に端子Ｐ１，Ｐ２を有し、内側送信コイル１ｂはその両端に端子Ｐ３，Ｐ４を有する。送信コイル１ａ，１ｂに電流を流すとき、内側送信コイル１ｂを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側送信コイル１ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、端子Ｐ２，Ｐ３は接続素子３により互いに接続される。また、端子Ｐ１，Ｐ４は送信回路（図示せず）に接続される。また、受信コイル２は、その中心Ｏ２を通る軸の周囲に時計回り又は反時計回りに巻回される。受信コイル２はその両端に端子Ｐ５，Ｐ６を有し、端子Ｐ５，Ｐ６は、受信回路（図示せず）に接続される。
【００２０】
送信コイル１ａ，１ｂは、外側送信コイル１ａの自己インダクタンスが内側送信コイル１ｂの自己インダクタンスより大きくなるように構成される。外側送信１ａコイルの自己インダクタンスに対する内側送信コイル１ｂの自己インダクタンスの比は、例えば、図４７及び図４８を参照して説明するように、０より大きく０．４５未満である。
【００２１】
例えば、外側送信コイル１ａの巻数を１０回とし、内側送信コイル１ｂの巻数を５回とし、直径方向の長さの比を１：１として、送信コイル１ａ，１ｂを構成することができるが、これらの値に限定されるものではない。送信コイル１ａ，１ｂの特性には、巻数と直径方向の長さとの両方が影響する可能性があるが、本願発明者は、主に直径方向の長さが影響することを確かめた。本願発明者が行った実験では、直径３〜４ｃｍのサイズを有する送信コイル及び受信コイルを用いて、送信コイル１ａ，１ｂに１００〜２００ｋＨｚの交流電流を流すことにより、５Ｗの電力を伝送することができた。
【００２２】
以下、本実施形態の無接点コネクタシステムの動作原理について説明する。
【００２３】
図３に示すように、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２が、Ｚ方向にｄｚにわたって離隔し、送信コイル１ａ，１ｂの中心Ｏ１及び受信コイル２の中心Ｏ２が、Ｘ方向にｄｘにわたって変位する場合を考える。
【００２４】
一般に、従来技術の無接点コネクタシステムにおいて、送信コイルに電流が流れると、その電流により形成される送信コイルの周囲の電磁界により受信コイルに誘導起電力が生じ、受信コイルに誘導電流が流れる。言い換えれば、送信コイル及び受信コイルは互いに電磁的に結合している。この結合の強さを評価する指標として、次式の結合係数ｋが用いられる。
【００２５】
ｋ＝Ｍ／（√Ｌ１×√Ｌ２）
【００２６】
ここで、Ｍは、送信コイル及び受信コイルの間の相互インダクタンスを表し、Ｌ１は送信コイルの自己インダクタンスを表し、Ｌ２は受信コイルの自己インダクタンスを表す。結合係数ｋは、０≦｜ｋ｜≦１の値をとる。
【００２７】
図４は、図１の無接点コネクタシステムの等価回路の一例を示す回路図である。Ｑは信号源であり、Ｚ０１は送信回路の内部インピーダンスであり、Ｚ０２は受信回路及び負荷の負荷インピーダンスであり、Ｒ１，Ｒ２は抵抗成分であり、Ｃ１，Ｃ２は整合用のキャパシタである。無接点コネクタシステムが角周波数ωで動作するとき、伝送効率を表すパラメータＳ２１は、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の自己インダクタンスＬ１，Ｌ２及び相互インダクタンスＭを用いて次式のように表すことができる。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
なお、図４の等価回路及びこのパラメータＳ２１の式は単なる一例であり、無接点コネクタシステムの等価回路及び伝送効率は他の任意の適切なモデルで表されてもよい。例えば、送信回路の構成によっては、実質的に内部インピーダンスＺ０１が存在しない場合もある。以下の動作原理の説明は、図４とは異なる等価回路で表される無接点コネクタシステムにも同様にあてはまる。
【００３０】
送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２が電磁的に強く結合している場合、｜ｋ｜≒１になるが、距離ｄｘあるいはｄｚが増大するにつれて、｜ｋ｜の値は減少していき、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２が電磁的に結合していない場合、｜ｋ｜＝０になる。
【００３１】
図５は、図１の送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の間の結合係数ｋを変化させたときの伝送効率の周波数特性を示す概略図である。図５では、Ｑ値は一定であると仮定する。図５によれば、結合係数ｋの大小に応じて伝送効率の帯域幅が変化することがわかる。通常、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の位置が合っているとき（図３の中心Ｏ１，Ｏ２が一致しているとき）は、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の電磁結合が強く、伝送効率は２峰性かつ狭帯域の特性になり、広帯域動作を実現することができない。従って、広帯域動作を実現するには、送信コイル１及び受信コイル２が互いに近接しているときに結合係数ｋを低下させる、すなわち、相互インダクタンスＭを低下させる必要がある。一方、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の位置がずれているときは、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の電磁結合が小さくなり、伝送効率は２峰性から単峰性になるが、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の間の距離が増大するにつれて伝送効率が低下する。従って、この場合では逆に、結合係数ｋを増大させる、すなわち、相互インダクタンスＭを増大させる必要がある。まとめると、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の位置が一致しているときは相互インダクタンスＭを弱める一方、位置がずれているときには相互インダクタンスＭの低下を抑制することが、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の位置の変位に起因する伝送効率の変動を防止するためのポイントとなる。
【００３２】
図６は、第１の実施形態に係る比較例の無接点コネクタシステムの送信コイル１ａ，１ｃを示す上面図である。図６の送信コイル１ａ，１ｃは、従来技術の無接点コネクタシステムの送信コイルを図１の無接点コネクタシステムと対比するように示したものである。図１の無接点コネクタシステムは、反時計回りに巻回した内側送信コイル１ｂを備えていたが、図６の無接点コネクタシステムは、時計回りに巻回した内側送信コイル１ｃを備えている。すなわち、内側送信コイル１ｂが中心Ｏ１を通る軸の周囲に巻回される方向は、外側送信コイル１ａが軸の周囲に巻回される方向と同じである。図６の送信コイル１ａ，１ｃに電流を流すとき、内側送信コイル１ｃを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側送信コイル１ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きと同じになるように、端子Ｐ２，Ｐ３は接続素子３Ａにより互いに接続される。
【００３３】
図７は、図６の無接点コネクタシステムに係る、位置の変位ｄｘに対する相互インダクタンスの変化を概略的に示す図である。位置の変位ｄｘを、図３と同様に定義する。図７において、「１ａ」は、図６の外側送信コイル１ａと、図１の受信コイル２と同様の受信コイル（図示せず）との相互インダクタンスを示し、「１ｃ」は、図６の内側送信コイル１ｃと受信コイルとの相互インダクタンスを示し、「１ａ＋１ｃ」は、送信コイル１ａ，１ｃの全体と受信コイルとの相互インダクタンスを示す。「１ｃ」の相互インダクタンスは、位置の変位ｄｘが０又は小さな値であるときは高い値を有するが、位置の変位ｄｘが増大するにつれて小さくなり、ある地点で負になる。従って、「１ａ＋１ｃ」の相互インダクタンスは、位置の変位ｄｘが０又は小さな値であるときは高い値を有する一方、位置の変位ｄｘが大きいときには小さい値になり、その変動幅は大きい。
【００３４】
図８は、図１の無接点コネクタシステムに係る、位置の変位ｄｘに対する相互インダクタンスの変化を概略的に示す図である。図８において、「１ａ」は、外側送信コイル１ａと受信コイル２との相互インダクタンスを示し、「１ｂ」は、内側送信コイル１ｂと受信コイル２との相互インダクタンスを示し、「１ａ＋１ｂ」は、送信コイル１ａ，１ｂの全体と受信コイル２との相互インダクタンスを示す。前述のように、送信コイル１ａ，１ｂに電流を流すとき、内側送信コイル１ｂを流れる電流により中心Ｏ１を通る軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側送信コイル１ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、送信コイル１ａ，１ｂは構成されている。本実施形態の無接点コネクタシステムでは、さらに、位置の変位ｄｘが０及び小さな値であるとき、内側送信コイル１ｂと受信コイル２との相互インダクタンスが負の値になるように、かつ、位置の変位ｄｘが所定値を超えるとき、内側送信コイル１ｂと受信コイル２との相互インダクタンスが正の値になるように構成する。こうすることで、位置の変位ｄｘが０及び小さな値であるときは、送信コイル１ａ，１ｂの全体と受信コイル２との相互インダクタンスを低下させ、電磁結合を弱めることができるという効果がある。また、位置の変位ｄｘが大きいときには、送信コイル１ａ，１ｂの全体と受信コイル２との相互インダクタンスの低下を、従来技術の無接点コネクタシステムの場合（図７）よりも抑圧できるという効果がある。結果として、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の位置関係に関わらず、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができる。さらには、従来であれば、伝送効率の低下に対処するために送信電力を増大させなければならず、結果として発熱量が増大していたが、本実施形態の無接点コネクタシステムでは伝送効率が低下しないので、発熱も防止できるという効果がある。
【００３５】
結合係数ｋについて、図５を参照してさらに説明する。前述のように、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の電磁的結合が強い場合は、２峰性かつ狭帯域の特性であるが、結合係数ｋを次第に低下させると、伝送効率の２つのピークの間の周波数間隔は次第に小さくなり、かつ、２つのピークの間の伝送効率の極小値は次第に増大する。この周波数間隔が実質的に０になったとき、言い換えると、伝送効率の２つのピークとその間の極小値との差が小さくなったとき（例えば５〜１０％）、電力伝送システムの帯域幅は最大になる。この条件を満たすように、結合係数ｋは決定され、この結合係数ｋの値を達成するように、電力伝送システムの各パラメータ（送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の巻数、直径方向の長さ、など）は決定される。
【００３６】
本実施形態の無接点コネクタシステムは、上述の構成を備えたことにより、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができる。
【００３７】
図９は、第１の実施形態の第１の変形例に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。外側送信コイル１ａ及び内側送信コイル１ｂは、送信コイル１ａ，１ｂに電流を流すとき、内側送信コイル１ｂを流れる電流により中心Ｏ１を通る軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側送信コイル１ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるのであれば、図１の場合とは異なる方法で接続されてもよい。図９では、端子Ｐ１，Ｐ４が接続素子３Ｂにより互いに接続される。また、端子Ｐ２，Ｐ３が送信回路（図示せず）に接続される。
【００３８】
図１０は、第１の実施形態の第２の変形例に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。図１１は、第１の実施形態の第３の変形例に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。図１０及び図１１の無接点コネクタシステムは、図６の無接点コネクタシステムと同様に、時計回りに巻回した内側送信コイル１ｃを備えている。図１０の場合は、送信コイル１ａ，１ｃに電流を流すとき、内側送信コイル１ｃを流れる電流により中心Ｏ１を通る軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側送信コイル１ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、端子Ｐ２，Ｐ４が接続素子３Ｃにより互いに接続される。また、このとき、端子Ｐ１，Ｐ３が送信回路（図示せず）に接続される。図１１の場合は、同様に、端子Ｐ１，Ｐ３が接続素子３Ｄにより互いに接続され、端子Ｐ２，Ｐ４が送信回路（図示せず）に接続される。
【００３９】
図９〜図１１の無接点コネクタシステムもまた、図１の無接点コネクタシステムと同様に、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができる。
【００４０】
図１２は、第１の実施形態の第４の変形例に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す斜視図である。本変形例の無接点コネクタシステムは、送信コイル１を備えた送信側の無接点コネクタ装置と、受信コイル２ａ，２ｂを備えた受信側の無接点コネクタ装置とを含む。本変形例の無接点コネクタシステムでは、送信コイル１ではなく受信コイル２ａ，２ｂに電流を流すとき、内側受信コイル２ｂを流れる電流により内側受信コイル２ｂの中心を通る軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側受信コイル２ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、受信コイル２ａ，２ｂが構成されている。
【００４１】
図１２において、送信コイル１は、その中心を通る軸の周囲に巻回される。受信コイル２は、その中心を通る軸の周囲に巻回された内側受信コイル２ｂと、軸の周囲において内側受信コイルの外側に巻回された外側受信コイル２ａとを含む。例えば、送信コイル１は、第１の面（ＸＹ面に実質的に平行な、筐体１１の上面）に沿って設けられ、受信コイル２ａ，２ｂは、第１の面に近接して対向する第２の面（ＸＹ面に実質的に平行な、筐体１２の下面）に沿って設けられる。送信コイル１及び受信コイル２ａ，２ｂは、互いに近接して対向したことにより、互いに電磁的に結合する。送信コイル１は、その中心を通る軸の周囲において時計回り又は反時計回りに巻回される。送信コイル１はその両端に端子Ｐ７，Ｐ８を有し、端子Ｐ７，Ｐ８は、送信回路（図示せず）に接続される。また、受信コイルは、その中心を通る軸の周囲において時計回りに巻回された外側受信コイル２ａと、軸の周囲において外側受信コイル２ａの内側に反時計回りに巻回された内側受信コイル２ｂとを備える。外側受信コイル２ａはその両端に端子Ｐ９，Ｐ１０を有し、内側受信コイル２ｂはその両端に端子Ｐ１１，Ｐ１２を有する。受信コイル２ａ，２ｂに電流を流すとき、内側受信コイル２ｂを流れる電流により内側受信コイル２ｂの中心を通る軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側受信コイル２ａを流れる電流により軸の周囲にに生じるループ電流の向きとは逆になるように、端子Ｐ１０，Ｐ１１は接続素子４により互いに接続される。また、端子Ｐ９，Ｐ１２は受信回路（図示せず）に接続される。
【００４２】
図１３は、第１の実施形態の第５の変形例に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す斜視図である。図１３に示すように、図１の送信側の無接点コネクタ装置と、図１２の受信側の無接点コネクタ装置とを組み合わせてもよい。
【００４３】
図１２及び図１３の無接点コネクタシステムもまた、図１の無接点コネクタシステムと同様に、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができる。
【００４４】
第２の実施形態．
図１４は、第２の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。図１５は、図１４の磁性体基板１３を示す上面図である。図１６は、図１４のＡ２−Ａ２’線における断面図である。送信側の無接点コネクタ装置は、端子Ｐ１，Ｐ４にそれぞれ接続された導線５，６と、送信コイル１ａ，１ｂに対して、受信コイルが近接して設けられる側とは逆の側に設けられた磁性体基板１３とを備える。導線５，６は送信回路（図示せず）に接続される。磁性体基板１３は、例えばフェライトであり、送信回路のためのシールドとして機能する。図１５に示すように、磁性体基板１３は、送信コイル１ａ，１ｂ及び導線５，６の少なくとも一部を収容する溝部Ｇ１，Ｇ２をさらに有してもよい。図１４〜図１６に示す場合、導線６が送信コイル１ａ，１ｂの下を通るように設けられるので、導線６を溝部Ｇ１に収容する。通常、内側送信コイル１ｂから外側送信コイル１ａの外部への導線６が存在することで、送信コイルの厚みが増加してしまうが、導線６を溝部Ｇ１に収容することにより、無接点コネクタ装置から余分な突起部を除去できるという効果がある。また、図３１に示すように単一の導線を折り返すことで外側送信コイル１ａ及び内側送信コイル１ｂを構成する場合には、導線の折り返し部分において送信コイルの厚みが増加してしまうが、この場合は、導線の折り返し部分を溝部Ｇ２に収容することにより、無接点コネクタ装置から余分な突起部を除去できるという効果がある。導線の折り返し部分のための溝部Ｇ２は、必要に応じて設ければよい。
【００４５】
第３の実施形態．
図１７は、第３の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。送信側の無接点コネクタ装置は、端子Ｐ１，Ｐ４にそれぞれ接続された導線５，６Ａを備える。端子Ｐ４は中心Ｏ１を通る軸に近接し、端子Ｐ１は軸から遠隔している。内側送信コイル１ｂの端子Ｐ４に接続された導線６Ａは、軸から次第に遠隔するように軸の周囲において時計回りに巻回されている。図１４の磁性体基板１３が非常に薄く、導線６を完全に収容する溝部Ｇ１を設けることができない場合、図１７に示すように巻回された導線６Ａを使用してもよく、これにより、無接点コネクタ装置から余分な突起部を除去することができる。また、巻回された導線６Ａと受信コイルとの相互インダクタンスによって、位置ずれに対する耐性をさらに強化できるという効果がある。導線６Ａが絶縁被覆を有する場合は、導線６Ａと内側送信コイル１ｂ及び外側送信コイル１ａとが接触していてもよい。
【００４６】
図１８は、第３の実施形態の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。送信側の無接点コネクタ装置は、端子Ｐ１，Ｐ４にそれぞれ接続された導線５，６Ｂを備える。内側送信コイル１ｂの端子Ｐ４に接続された導線６Ｂは、中心Ｏ１を通る軸から次第に遠隔するように軸の周囲において反時計回りに巻回されている。図１８の無接点コネクタ装置も、図１７の無接点コネクタ装置と同様の効果を有する。導線６Ｂが絶縁被覆を有する場合は、導線６Ｂと内側送信コイル１ｂ及び外側送信コイル１ａとが接触していてもよい。
【００４７】
第４の実施形態．
図１９は、第４の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。図２０は、図１９のＡ３−Ａ３’線における断面図である。図１９の送信コイル１ａ，１ｂは、図１の送信コイル１ａ，１ｂと同様である。外側送信コイル１ａ及び内側送信コイル１ｂのそれぞれは、プリント配線基板の誘電体基板１４の少なくとも一方の面上に配線パターン形成法により形成（パターン形成）されてもよい。図１９では、外側送信コイル１ａ、内側送信コイル１ｂ、及び接続素子３は、誘電体基板１４の上面にパターン形成される。無接点コネクタ装置は、端子Ｐ１，Ｐ４にそれぞれ接続された導線５，６を備える。導線５は、誘電体基板１４の上面にパターン形成される。導線６は、誘電体基板１４の下面にパターン形成された導体と、誘電体基板１４を貫通するビア導体１５とを含む。
【００４８】
図２１は、第４の実施形態の第１の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。図２２は、図２１のＡ４−Ａ４’線における断面図である。図２１では、外側送信コイル１ａ及び接続素子３は誘電体基板１４の上面にパターン形成され、内側送信コイル１ｂは誘電体基板１４の下面にパターン形成される。導線５は、誘電体基板１４の上面にパターン形成される。無接点コネクタ装置は、誘電体基板１４を貫通して接続素子３及び内側送信コイル１ｂを互いに接続するビア導体１５をさらに含む。
【００４９】
図２３は、第４の実施形態の第２の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。図２４は、図２３のＡ５−Ａ５’線における断面図である。送信コイル１ａ，１ｂは、図２３に示すように、部分的に誘電体基板１４の上面にパターン形成され、部分的に誘電体基板１４の下面にパターン形成されてもよい。誘電体基板１４の上面にパターン形成された部分と、誘電体基板１４の下面にパターン形成された部分とは、誘電体基板１４を貫通するビア導体１５Ｄを介して互いに接続される。図２３の構成によれば、受信コイルと電磁結合する方向を鉛直方向（Ｚ方向）から傾けることができる。
【００５０】
図２５は、第４の実施形態の第３の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。図２６は、図２５のＡ６−Ａ６’線における断面図である。図２５の送信コイル１ａ，１ｃは、図１０の送信コイル１ａ，１ｃと同様である。無接点コネクタ装置は、端子Ｐ１，Ｐ３にそれぞれ接続された導線５，６Ｃを備える。導線５は、誘電体基板１４の下面にパターン形成された導体と、誘電体基板１４を貫通するビア導体１５Ｂ１とを含む。導線６Ｃは、誘電体基板１４の下面にパターン形成された導体と、誘電体基板１４を貫通するビア導体１５Ｂ２，１５Ｂ３とを含む。
【００５１】
図２７は、第４の実施形態の第４の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。図２８は、図２７のＡ７−Ａ７’線における断面図である。図２７では、外側送信コイル１ａは誘電体基板１４の上面にパターン形成され、内側送信コイル１ｂは誘電体基板１４の下面にパターン形成される。接続素子３は、誘電体基板１４の上面にパターン形成された導体と、誘電体基板１４を貫通するビア導体１５Ｃとを含む。導線５は、誘電体基板１４の上面にパターン形成される。導線６Ｃは、誘電体基板１４の下面にパターン形成される。
【００５２】
図２９は、第４の実施形態の第５の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す断面図である。図３０は、第４の実施形態の第６の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す断面図である。図２９及び図３０に示すように、送信コイルは、誘電体基板１４の両面にパターン形成されてもよい。図２９の無接点コネクタ装置は、誘電体基板１４の両面にパターン形成された外側送信コイル１ａ及び外側送信コイル１ａａと、誘電体基板１４の両面にパターン形成された内側送信コイル１ｂ及び内側送信コイル１ｂａとを備える。図３０の無接点コネクタ装置は、誘電体基板１４の両面にパターン形成された外側送信コイル１ａｂ及び外側送信コイル１ａｃと、誘電体基板１４の両面にパターン形成された内側送信コイル１ｂｂ及び内側送信コイル１ｂｃとを備える。送信コイルの巻数は、図２９に示すように、誘電体基板１４の上面及び下面で均等であってもよく、図３０に示すように、無接点コネクタ装置の特性の微調整のために、誘電体基板１４の上面及び下面で不均等であってもよい。
【００５３】
図１９〜図３０の無接点コネクタ装置によれば、誘電体基板１４上に外側送信コイル１ａ及び内側送信コイル１ｂを一体形成することで薄型化できるという効果がある。
【００５４】
第５の実施形態．
図３１は、第５の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの部分を示す図である。図１の外側送信コイル１ａ、内側送信コイル１ｂ、及び接続素子３は、別個の導線であることに限定されず、単一の導線を折り返すことで外側送信コイル１ａ、内側送信コイル１ｂ、及び接続素子３を構成してもよい。これにより、送信コイルの構成を簡単化することができる。
【００５５】
一方、外側送信コイル１ａ、内側送信コイル１ｂ、及び接続素子３は、別個の導線、パターン形成された導体、はんだなどにより構成した場合、又は異なる材料を用いて構成した場合には、例えばループに沿った経路長の長い外側送信コイル１ａのみに低抵抗の材料を用いたりすることで、無接点コネクタ装置全体のコストを削減できるという効果がある。
【００５６】
第６の実施形態．
図３２は、第６の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの部分を示す図である。外側送信コイル１ａの端子Ｐ２及び内側送信コイル１ｂの端子Ｐ３は、所定のインピーダンスを有する受動素子であるインピーダンス素子２１を介して互いに接続されてもよい。インピーダンス素子２１は、抵抗、キャパシタ、インダクタ、電流反転回路のいずれかである。
【００５７】
例えば、インピーダンス素子２１として抵抗を用いたとき、Ｑ値を低下させ、広帯域化できるという効果がある。さらに、例えば１Ω以下の抵抗を用いることで、波形の歪みを低減し、ノイズへの耐性を向上させてもよい。
【００５８】
また、インピーダンス素子２１としてキャパシタを用いたとき、送信コイル１ａ，１ｂの外部に設けることが必要になる整合回路の面積を低減できるという効果がある。また、インピーダンス素子２１として設けたキャパシタと、送信コイル１ａ，１ｂの外部に設けたキャパシタとの組み合わせを用いてもよい。また、例えば１００〜３００ｎＦのキャパシタを用いることで、共振周波数を調整してもよい。
【００５９】
また、インピーダンス素子２１としてインダクタを用いたとき、内側送信コイル１ｂと外側送信コイル１ａとを互いに逆方向に巻回することで低下する送信コイル１ａ，１ｂの全体の自己インダクタンスを増大させることができるという効果がある。また、インダクタを用いることで、送信コイル１ａ，１ｂの電気長を増大させてもよい。
【００６０】
また、インピーダンス素子２１として電流反転回路（例えば、１：１トランスなど）を用いて、送信コイル１ａ，１ｂを流れる電流の正負を反転させてもよい。
【００６１】
インピーダンス素子２１としてこれらの受動素子を組み合わせることで、整合回路の面積を低減しつつ、伝送効率をさらに向上させるように送信コイル１ａ，１ｂのインピーダンスを調整できるという効果がある。
【００６２】
第７の実施形態．
図３３は、第７の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。送信側の無接点コネクタ装置は、送信コイルに電流を流すとき、内側送信コイル１ｂを流れる電流により中心Ｏ１を通る軸の周囲に生じるループ電流とは逆に流れるループ電流が軸の周囲に生じるように、軸の周囲において内側送信コイル１ｂのさらに内側に追加の送信コイル１ｄを備えてもよい。追加の送信コイル１ｄは、例えば時計回りに巻回される。追加の送信コイル１ｄはその両端に端子Ｐ１３，Ｐ１４を有する。送信コイルに電流を流すとき、追加の送信コイル１ｄを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きが内側送信コイル１ｂを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、端子Ｐ４，Ｐ１３は接続素子７により互いに接続される。この構成によれば、追加の送信コイル１ｄを備えたことにより、無接点コネクタ装置の特性を微調整することができる。
【００６３】
図３３の構成では、追加の送信コイル１ｄが中心Ｏ１を通る軸の周囲に巻回される方向が、内側送信コイル１ｂが軸の周囲に巻回される方向とは逆であったが、これらの方向は同じであってもよい。この場合、送信コイルに電流を流すとき、追加の送信コイル１ｄを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きが内側送信コイル１ｂを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、送信コイル１ａ，１ｂ，１ｄは構成される。また、同様に、追加の送信コイル１ｄよりもさらに内側の送信コイルを備えてもよい。
【００６４】
第８の実施形態．
図３４は、第８の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルのアレーを示す概略図である。図３５は、第８の実施形態に係る比較例の無接点コネクタシステムの送信コイルのアレーを示す概略図である。図３４のアレーは、規則的に配置された複数の送信コイル３１−１〜３１−３を備える。送信コイル３１−１〜３１−３は、互いに等間隔Ｄ１１を有して位置する複数の平行な軸の周囲にそれぞれ巻回されている。送信コイル３１−１〜３１−３のそれぞれは、図１他の送信コイルと同様に構成される。また、図３５のアレーは、図６と同様に（又は、図１の内側送信コイル１ｂを含まずに）構成された、複数の送信コイル３２−１〜３２−３を備える。図３４及び図３５の送信コイルの上方に示した太点線は、各送信コイルと受信コイル（図示せず）との相互インダクタンスを示し、太点線の上の実線は、各送信コイルに係る相互インダクタンスを合成したものを示す。図３５のアレーでは、複数の送信コイルを配置しても、隣接する送信コイル間に受信コイルが位置するとき、相互インダクタンスが低下し、伝送効率が低下するという課題があった。一方、図３４のアレーでは、各送信コイルが、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができるので、アレー全体でも、位置に依存しない安定した電力伝送を実現できるという効果がある。図３４では、一直線上に配置された３つの送信コイル３１−１〜３１−３を示したが、４つ以上の送信コイルを配置してもよく、また、複数の送信コイルを２次元的に配置してもよい。
【００６５】
第９の実施形態．
図３６は、第９の実施形態に係る電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。以上説明した無接点コネクタシステムを備えた電力伝送システムを構成することができる。電力伝送システムは、送信側の無接点コネクタ装置を備えた送電側の電力伝送装置と、受信側の無接点コネクタ装置を備えた受電側の電力伝送装置からなるものとする。図３６を参照すると、送電側の電力伝送装置において、送信コイル１ａ，１ｂ（図１）は送電回路１０２に接続され、送電回路１０２は電源１０１に接続される。受電側の電力伝送装置において、受信コイル２（図１）は受電回路１０３に接続され、受電回路１０３は負荷１０４（例えば電池など）に接続される。送信コイル１ａ，１ｂに電力が供給されると送信コイル１に電流が流れ、その電流により形成される送信コイル１ａ，１ｂの周囲の電磁界により受信コイル２に誘導起電力が生じ、受信コイル２に誘導電流が流れる。この誘導電流を負荷１０４で取り出すことにより、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の間で電力を伝送することができる。
【００６６】
本実施形態の電力伝送システムによれば、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができる。
【００６７】
以上説明した無接点コネクタシステムを用いて、電力を伝送することに代えて、信号を伝送してもよい。
【００６８】
以上説明した電力伝送システムの原理を用いて、誘導加熱装置を構成することができる。誘導加熱装置において、誘導加熱コイルとしての図１の送信コイルは調理回路に接続され、調理回路は電源に接続される。さらに、図１の受信コイル２に代えて、鍋等の誘導加熱用調理容器が設けられる。鍋は、送信コイルに電磁的に結合するように送信コイルに近接して設けられる。なお、送信コイルと鍋との間の電磁的結合により、送信コイルに電流が流れると、その電流により形成される送信コイルの周囲の電磁界により鍋の底面に誘導起電力が生じ、誘導された渦電流が鍋の底面に流れる。この渦電流を等価的に損失性のコイルとみなせるので、鍋の自己インダクタンスと、送信コイル及び鍋の間の相互インダクタンスとを定義することができる。このような誘導加熱装置によれば、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び鍋の間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定して鍋を加熱することができる。
【００６９】
なお、第２〜第９の実施形態を、送信側の無接点コネクタ装置を参照して説明したが、これらの構成は、受信側の無接点コネクタ装置（図１２）にも適用可能である。
【００７０】
また、送信コイル及び受信コイルの形状は円形だけに限らず、矩形や楕円形など任意の形状をとってもよい。
【００７１】
また、外側送信コイルの巻数及び内側送信コイルの巻数は整数回に限らず、分数回又は小数回であってもよい。
【００７２】
また、外側送信コイルと内側送信コイルとは、部分的に重なっていてもよい。また、外側送信コイル及び内側送信コイルは、実質的に同じ面上にあるのであれば、図２１〜図２２等に示すように異なる面上にあってもよい。また、外側送信コイル及び内側送信コイルのそれぞれは単層に限らず、多層になるように巻回されてもよい。
【００７３】
また、図１他では、送信コイル及び受信コイルが互いに平行に設けられるように示したが、このような配置に限定されず、送信コイル及び受信コイルが互いに電磁的に結合できるのであれば、他の配置（例えば、受信コイルが送信コイルに対して所定の傾きを有する配置など）であってもよい。
【００７４】
また、図１他では、送信コイル及び受信コイルが平面状に巻回されるように示したが、このような形状に限定されず、送信コイル及び受信コイルが電磁的に結合するのであれば、ソレノイドなど、他の任意の形状に巻回されてもよい。
【００７５】
外側送信コイル及び内側送信コイルの巻線は単線に限らず、リッツ線（低抵抗化）、プリント配線基板の導体パターン（薄型化）、リボン線（低抵抗化）、ツイストペア線（低抵抗化）などを用いてもよい。巻線の材料は銅線に限らず、銅被覆のアルミ線（軽量化）や、磁性被覆の銅線（低損失化）など多層構造のものを用いてもよい。
【００７６】
上記に例示した構成を組み合わせてもよい。
【００７７】
以下、説明した本開示の実施形態に係る無接点コネクタシステムの効果について、理論計算を用いて説明する。
【実施例１】
【００７８】
図３７は、第１の実施例に係る無接点コネクタシステムの送信コイル及び受信コイルのモデルを示す斜視図である。図１の送信コイル１ａ，１ｂのそれぞれの巻数が１回であり、図１の受信コイル２の巻数が２回であり、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２が波長に比べて十分小さい場合（巻線の全長が波長の１／１０程度、例えば１／１００である場合）には、図３７のように近似的に２重ループに置き換えることができる。送信コイルは、外側送信コイル４１ａ及び内側送信コイル４１ｂを備え、受信コイルは、外側受信コイル４２ａ及び内側受信コイル４２ｂを備えるものとみなす。第１の実施例では、外側送信コイル４１ａ及び内側送信コイル４１ｂに互いに逆向きに電流が流れる。また、第１の比較例として、外側送信コイル４１ａ及び内側送信コイル４１ｂに同じ向きに電流が流れる場合も考える。第１の実施例及び第１の比較例のいずれにおいても、外側受信コイル４２ａ及び内側受信コイル４２ｂには同じ向きに電流が流れる。【００７９】
内側送信コイル４１ｂ及び内側受信コイル４２ｂの半径Ｄ１を１６ｍｍとし、外側送信コイル４１ａと外側受信コイル４２ａの半径Ｄ３を８ｍｍとし、送信コイル及び受信コイルの間の距離ｄｚ＝２ｍｍとし、図３と同様に定義された位置の変位ｄｘを、０〜２０ｍｍまで変化させた場合の相互インダクタンスの変化を計算する。図３７の無接点コネクタシステムの送信コイル及び受信コイルの間の相互インダクタンスＭは、４つの成分、すなわち、Ｍ＝Ｍ１１＋Ｍ１２＋Ｍ２１＋Ｍ２２に分解することができる。ここで、Ｍ１１は、内側送信コイル４１ｂと内側受信コイル４２ｂとの相互インダクタンスを示し、Ｍ１２は、外側送信コイル４１ａと内側受信コイル４２ｂとの相互インダクタンスを示し、Ｍ２１は、内側送信コイル４１ｂと外側受信コイル４２ａとの相互インダクタンスを示し、Ｍ２２は、外側送信コイル４１ａと外側受信コイル４２ａとの相互インダクタンスを示す。【００８０】
図３８は、第１の比較例に係る無接点コネクタシステムの各コイル間の相互インダクタンスを示すグラフである。位置の変位ｄｘが増大するにつれて相互インダクタンスＭ２２及びＭ１１が減少していくことが確認できる。ただし、相互インダクタンスＭ１１に関しては、位置の変位ｄｘ＝１５ｍｍ付近で負の値になっているので、定義から明らかなように全体の相互インダクタンスＭの低下要因になることが予想される。【００８１】
図３９は、第１の実施例に係る無接点コネクタシステムの各コイル間の相互インダクタンスを示すグラフである。外側送信コイル４１ａ及び内側送信コイル４１ｂに互いに逆向きに電流が流れる結果として、相互インダクタンスＭ１１及びＭ２１の符号が図３８の場合から反転し、位置の変位ｄｘ＝１５ｍｍにおいて相互インダクタンスＭ１１が正の値になっていることがわかる。【００８２】
図４０は、図３８及び図３９に示す各相互インダクタンスを合計した結果を示すグラフである。第１の実施例の無接点コネクタシステムでは、第１の比較例の無接点コネクタシステムに比べて、相互インダクタンスの変化量が小さいことがわかる。これにより、第１の実施例の無接点コネクタシステムによれば、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、伝送効率の変動を防止できるという効果があることがわかった。
【実施例２】
【００８３】
図４１は、第２の実施例に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す断面図である。送信コイルには、直径０．０８ｍｍの素線を１００本束にしたリッツ線を用いた。送信コイルは、リッツ線を２層にわたって２０回巻回したスパイラルコイルにおいて、内側の６周分の巻線をいったん持ち上げて、反転させてから元の位置に戻すことにより、互いに逆方向に巻回された外側送信コイル１ａ及び内側送信コイル１ｂとして構成された。外側送信コイル１ａの外径は３９ｍｍであった。送信コイル１ａ，１ｂの全体の自己インダクタンスは９．６μＨであり、抵抗は６９ｍΩであり、比透磁率２４００の磁性体基板１３を装荷した際の自己インダクタンスは１３．６μＨであり、抵抗は１２３ｍΩであった。図４の等価回路で考えると、内部インピーダンスＺ０１は１Ωであり、キャパシタＣ１の容量は２７０ｐＦであった。また、受信コイル２として、寸法及び等価回路のパラメータ（図４）について以下の２種類の値を有する、受信コイルＡ及びＢを用いた。【００８４】
（受信コイルＡ）
外径：３２ｍｍ
巻数：１８回
Ｃ２：８２ｎＦ
ｄｚ１：１．０ｍｍ
Ｚ０２：８．７Ω【００８５】
（受信コイルＢ）
外径：３０ｍｍ
巻数：３０回
Ｃ２：５６ｎＦ
ｄｚ１：２．０ｍｍ
Ｚ０２：１０．０Ω【００８６】
また、第２の比較例の送信コイルとして、リッツ線を同じ向きに２０回巻回したスパイラルコイル（すなわち、内側送信コイル１ｂの巻線を反転させない場合）も構成した。この場合、図４の等価回路で考えると、内部インピーダンスＺ０１は１Ωであり、キャパシタＣ１の容量は１２０ｐＦであった。【００８７】
図４２は、第２の実施例及び第２の比較例に係る無接点コネクタシステムの相互インダクタンスを示すグラフである。第２の実施例によれば、送信コイルに電流を流すとき、内側送信コイル１ｂを流れる電流により中心を通る軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側送信コイル１ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、送信コイル１ａ，１ｂを構成することにより、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、相互インダクタンスの変化を防止できていることがわかる。【００８８】
図４３は、第２の比較例に係る無接点コネクタシステムの伝送効率を示すグラフである。図４４は、第２の実施例に係る無接点コネクタシステムの伝送効率を示すグラフである。伝送効率８０％以上になる範囲をカバーエリアとして規定すると、第２の比較例では位置の変位ｄｘ＝１１ｍｍまで、第２の実施例では位置の変位ｄｘ＝１５ｍｍまでを利用可能であり、カバーエリアを１．４倍に拡大できた。
【実施例３】
【００８９】
図４５は、第３の実施例の無接点コネクタシステムの概略構成を示す断面図である。送信コイルの全巻数Ｎ＝１５を固定し、外側送信コイル１ａの巻数と内側送信コイル１ｂの巻数とを変化させたときの、位置ずれに対する伝送効率の変動を計算で求めた。送信コイルとして、外径７０ｍｍ、内径４０ｍｍ、巻数１５、銅線径１．０ｍｍを有するものを用い、受信コイルとして、外径３０ｍｍ、内径１０ｍｍ、巻数３０を有するものを用いた。また、磁性体基板１３，１６の厚さは０．５ｍｍであり、比透磁率は２４００であった。【００９０】
図４６は、図４５の無接点コネクタシステムに係る、位置の変位ｄｘ及び内側コイルの巻数に対する相互インダクタンスの変化を示すグラフである。横軸が受信コイルの位置の変位ｄｘであり、縦軸が内側送信コイルの巻数であり、これらの条件ごとに、相互インダクタンスのピーク値に対する割合［％］（すなわち、規格化された相互インダクタンス）を等高線で示している。シミュレーション結果より、内側送信コイルの巻数が０の場合は、位置の変位ｄｘ＝２０ｍｍの地点で、相互インダクタンスがピーク値の８０％になっていることがわかる。一方、内側送信コイルの巻数を４回にすると、相互インダクタンスがピーク値の８０％になる距離が、位置の変位ｄｘ＝２５ｍｍの地点まで延びていることがわかる。この計算条件では、全巻数Ｎ＝１５に対する内側送信コイルの巻数の比が１／３以下ならば、位置ずれ耐性を強化できることがシミュレーション結果よりわかった。
【実施例４】
【００９１】
図４７は、第４の実施例及び第３の比較例に係る無接点コネクタシステムの規格化された送電可能エリアを示すグラフである。第４の実施例では、送信コイルとして、内径１２ｍｍ、外径４０ｍｍ、巻数１５を有するものを用い、受信コイルとして、内径１０ｍｍ、外径３０ｍｍ、巻数１１を有するものを用いた。送信コイル及び受信コイルの間の距離ｄｚ＝５ｍｍであった。第４の実施例の送信コイルは、外側送信コイル及び内側送信コイルを含み、外側送信コイル及び内側送信コイルには互いに逆向きに電流が流れるように構成された。このとき、外側送信コイル及び内側送信コイルの各巻数は、外側送信コイルの自己インダクタンスＬｏｕｔに対する内側送信コイルの自己インダクタンスＬｉｎの比（Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔ）が変化するように構成された。第３の比較例では、第４の実施例と同じ寸法を有する送信コイル及び受信コイルを用いた。ただし、第３の比較例の送信コイルは、図６と同様に、外側送信コイル及び内側送信コイルに同じ向きに電流が流れるように構成された。【００９２】
図４７のシミュレ−ション結果は以下のように得られた。所定の自己インダクタンスの比Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔを有する送信コイルを構成したとき、受信コイルを送信コイルに対してＸ方向に変位させ、相互インダクタンスの変動が±２０％以内である変位の範囲を、電力を安定して伝送できる「送電可能エリア」とした。図４７の縦軸は、送信コイルの半径で規格化された送電可能エリアを示す。第３の比較例では、送信コイルを外側送信コイル及び内側送信コイルに分割してもそれらの相互インダクタンスは変わらないので、自己インダクタンスの比Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔにかかわらず、送電可能エリアは一定になる。一方、第４の実施例では、内側送信コイルの自己インダクタンス（逆巻き回数）が増加するに従い、送電可能エリアが増加していくことがわかる。ただし、自己インダクタンスの比Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔが０．４５以上となると、第４の実施例に係る送電可能エリアは、第３の比較例よりも下回ることがわかる。これは、外側送信コイル及び内側送信コイルによって、その中心部の磁束が打ち消されるためである。【００９３】
図４８は、第４の実施例及び第３の比較例に係る無接点コネクタシステムの送電可能エリアの拡大率を示すグラフである。図４８は、第３の比較例に係る送電可能エリアに対する第４の実施例に係る送電可能エリアの比を示す。図４８によれば、自己インダクタンスの比Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔが０．３付近で拡大率が２倍以上となり、最大値となることがわかる。ただし、自己インダクタンスの比Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔが０．４５以上となると送電可能エリアの拡大率が１以下となり、第３の比較例よりも送電可能エリアが狭まることがわかる。従って、内側送信コイルと外側送信コイルの自己インダクタンスの比を最適化することで、送電可能エリアを最大化することができる。【００９４】
図４７及び図４８によれば、自己インダクタンスの比Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔを０．４５未満に設定することによって、送電可能エリアを拡大できる効果が得られた。また、自己インダクタンスの比Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔを０．３にしたとき、最良の効果が得られた。【００９５】
まとめ．
本開示の態様に係る無接点コネクタ装置、無接点コネクタシステムと、電力伝送装置、及び電力伝送システムは以下の構成を備える。【００９６】
第１の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、
第２のコイルと電磁的に結合するように近接しかつ対向して設けられる第１のコイルを備えた無接点コネクタ装置において、
上記第１のコイルは、上記第１のコイルの中心を通る軸の周囲に巻回された内側コイルと、上記軸の周囲において上記内側コイルの外側に巻回された外側コイルとを備え、
上記第１のコイルに電流を流すとき、上記内側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きが上記外側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、上記外側コイルの一端及び上記内側コイルの一端は互いに接続され、
上記外側コイルの自己インダクタンスは上記内側コイルの自己インダクタンスより大きい。【００９７】
第２の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１の態様に係る無接点コネクタ装置において、上記外側コイルの自己インダクタンスに対する上記内側コイルの自己インダクタンスの比は０より大きく０．４５未満である。【００９８】
第３の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１又は第２の態様に係る無接点コネクタ装置において、上記内側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向は、上記外側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向とは逆である。【００９９】
第４の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１又は第２の態様に係る無接点コネクタ装置において、上記内側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向は、上記外側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向と同じである。【０１００】
第５の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１〜第４のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置は、上記第１のコイルに対して、上記第２のコイルが近接して設けられる側とは逆の側に設けられた磁性体基板をさらに備える。【０１０１】
第６の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第５の態様に係る無接点コネクタ装置は、上記第１のコイルに接続された導線をさらに備え、
上記磁性体基板は、上記第１のコイル及び上記導線の少なくとも一部を収容する溝部を有する。【０１０２】
第７の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１〜第６のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置において、
上記第１のコイルは、上記軸に近接した第１の端部と、上記軸から遠隔した第２の端部とを有し、
上記無接点コネクタ装置は、上記第１の端部に接続された導線をさらに備え、上記導線は、上記軸から次第に遠隔するように上記軸の周囲に巻回される。【０１０３】
第８の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１〜第７のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置において、上記外側コイル及び上記内側コイルのそれぞれは、プリント配線基板の少なくとも一方の面上に配線パターン形成法により形成される。【０１０４】
第９の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１〜第８のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置において、上記外側コイルの一端及び上記内側コイルの一端は、インピーダンス素子を介して互いに接続され、上記インピーダンス素子は、抵抗、キャパシタ、インダクタ、電流反転回路のいずれかである。【０１０５】
第１０の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１〜第９のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置において、互いに等間隔を有して位置する複数の平行な軸の周囲にそれぞれ巻回された複数の上記第１のコイルを備える。【０１０６】
第１１の態様に係る無接点コネクタシステムによれば、
送信側の無接点コネクタ装置としての第１〜第１０のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置と、
上記第２のコイルを備えた受信側の無接点コネクタ装置とを含む。【０１０７】
第１２の態様に係る無接点コネクタシステムによれば、
上記第２のコイルを備えた送信側の無接点コネクタ装置と、
受信側の無接点コネクタ装置としての第１〜第１０のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置とを含む。【０１０８】
第１３の態様に係る無接点コネクタシステムによれば、
送信側の無接点コネクタ装置としての第１〜第１０のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置と、
受信側の無接点コネクタ装置としての第１〜第１０のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置とを含む。【０１０９】
第１４の態様に係る電力伝送装置によれば、送電回路と、上記送電回路に接続された第１〜第１０のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置とを備える。【０１１０】
第１５の態様に係る電力伝送装置によれば、受電回路と、上記受電回路に接続された第１〜第１０のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置とを備える。【０１１１】
第１６の態様に係る電力伝送システムによれば、第１１〜第１３のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタシステムと、上記送信側の無接点コネクタ装置に接続された送電回路と、上記受信側の無接点コネクタ装置に接続された受電回路とを備える。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本開示の無接点コネクタ装置及び無接点コネクタシステム、電力伝送装置及び電力伝送システムによれば、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができる。【０１１３】
また、従来であれば、伝送効率の低下に対処するために送信電力を増大させなければならず、結果として発熱量が増大していたが、本開示の無接点コネクタ装置及び無接点コネクタシステム、電力伝送装置及び電力伝送システムでは伝送効率が低下しないので、発熱も防止できるという効果がある。
【符号の説明】
【０１１４】
１，１ａ，１ｂ，１ａａ，１ｂａ，１ａｂ，１ｂｂ，１ａｃ，１ｂｃ，１ｃ，１ｄ，３１−１〜３１−３，３２−１〜３２−３，４１ａ，４１ｂ…送信コイル、
２，２ａ，２ｂ，４２ａ，４２ｂ…受信コイル、
３，３Ａ〜３Ｄ，４，７…接続素子、
５，６，６Ａ〜６Ｃ…導線、
１１，１２…筐体、
１３，１６…磁性体基板、
１４…誘電体基板、
１５，１５Ａ，１５Ｂ１〜１５Ｂ３，１５Ｃ，１５Ｄ…ビア導体、
２１…インピーダンス素子、
１０１…電源、
１０２…送電回路、
１０３…受電回路、
１０４…負荷、
Ｃ１，Ｃ２…容量、
Ｇ１，Ｇ２…溝部、
Ｌ１，Ｌ２…自己インダクタンス、
Ｍ…相互インダクタンス、
Ｐ１〜Ｐ１４…端子、
Ｒ１，Ｒ２…抵抗成分、
Ｑ…信号源、
Ｚ０１，Ｚ０２…負荷インピーダンス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2013179639.tif 000013
【図１１】
2013179639.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年1月28日(2014.1.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、コイル間の誘導結合を用いた無接点コネクタ装置及び無接点コネクタシステムと、それを備えた電力伝送装置及び電力伝送システムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機や電気自動車などの移動性を伴う電子機器やＥＶ機器において無線充電を行うために、コイル間の誘導結合を用いた無接点コネクタ装置及び無接点コネクタシステムと、それを備えた電力伝送装置及び電力伝送システムの開発が進んでいる。無接点の電力伝送システムとして、例えば特許文献１〜３の発明が知られている。
【０００３】
特許文献１の電池内蔵機器と充電台は、電源コイルに交流電源を接続してなる充電台と、この充電台にセットされて電源コイルに電磁結合される誘導コイルを内蔵する電池内蔵機器とからなり、電源コイルから誘導コイルに電力搬送される電力でもって、電池内蔵機器の内蔵電池を充電する。前記電源コイルが、平面コイルである内側コイルと、この内側コイルの外側に位置し、かつ内側コイルと同一平面に配置してなる平面コイルの外側コイルとからなり、前記充電台の交流電源は、内側コイルに交流電力を供給して、外側コイルに交流電力を供給しない内側コイル励起状態と、内側コイルと外側コイルの両方に交流電力を供給する内外コイル励起状態とを切り換える切換回路を備えており、充電台にセットされる電池内蔵機器によって、交流電源が内側コイル励起状態と内外コイル励起状態とを切り換えて、電池内蔵機器の誘導コイルに電力搬送する。すなわち、特許文献１の電池内蔵機器と充電台は、２つの励起状態を切り換えることで最適な電力伝送を実現することを特徴とする。
【０００４】
特許文献２の非接触電力伝送装置は、相対するコイル間の電磁誘導を用い、空隙を介して１次側コイルから２次側コイルに非接触にて電力を伝送する電力伝送装置に於いて、１次側を複数、２次側を一以上の平面型コイルで構成し、２次側コイル外径は１次側コイル外径よりも小とすることを特徴とする。特許文献２の非接触電力伝送装置は、複数の１次側コイルから最適なコイルを選択することで安定した電力伝送を実現することを特徴とする。
【０００５】
特許文献３の無線伝送システムは、無線電力伝送のための共振器を備え、これは、１つ以上のループを形成しかつ所定のインダクタンスを有する導体と、所定の容量及び所望の電気的パラメータを有しかつ上記導体に接続されているキャパシタネットワークとを備える。ここで、上記キャパシタネットワークは、電気的パラメータとして第１の温度プロファイルを有する第１のタイプの少なくとも１つのキャパシタと、電気的パラメータとして第２の温度プロファイルを有する第２のタイプの少なくとも１つのキャパシタとを有する。
【０００６】
このような無接点の電力伝送システムの原理は、無接点コネクタ装置を備えた情報伝送システムや、ＩＨ調理装置などの誘導加熱装置にも適用可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−２５９５３４号公報
【特許文献２】特開２００９−１６４２９３号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１０／０１８１８４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
無接点の電力伝送システムにおいて高い伝送効率を実現するには、送信側の電力伝送装置（例えば充電器）に備えられた送信コイルと受信側の電力伝送装置（例えば被充電器）に備えられた受信コイルとが電磁的に強く結合するように、送信コイル及び受信コイルの位置を正確に合わせて対向させることが必要になる。
【０００９】
特許文献１の発明によれば、対向する送信コイル及び受信コイルの位置が正確に合っているならば高い伝送効率を実現できるものの、位置がずれると伝送効率が低下するという課題がある。また、特許文献２の発明によれば、位置がずれても伝送効率は安定するが、送信コイルの面積が増大するという課題がある。
【００１０】
位置ずれによる伝送効率の低下を解決するために、特許文献３の発明では、整合回路を動的に変更している。しかしながら、このような解決法は制御が複雑になるという課題があった。
【００１１】
同様の問題点は、無接点の電力伝送システムだけでなく、無接点コネクタ装置を備えた情報伝送システムや、誘導加熱装置にも存在する。
【００１２】
本開示の目的は、以上の問題点を解決し、簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの位置ずれに強くかつ伝送効率の高い無接点コネクタ装置及び無接点コネクタシステムを提供し、また、そのような無接点コネクタ装置を備えた電力伝送装置及び電力伝送システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本開示の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、
第２のコイルと電磁的に結合するように近接しかつ対向して設けられる第１のコイルを備えた無接点コネクタ装置において、
上記第１のコイルは、上記第１のコイルの中心を通る軸の周囲に巻回された内側コイルと、上記軸の周囲において上記内側コイルの外側に巻回された外側コイルとを備え、
上記第１のコイルに電流を流すとき、上記内側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きが上記外側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、上記外側コイルの一端及び上記内側コイルの一端は互いに接続され、
上記外側コイルの自己インダクタンスは上記内側コイルの自己インダクタンスより大きい。
【発明の効果】
【００１４】
本開示の無接点コネクタ装置及び無接点コネクタシステム、電力伝送装置及び電力伝送システムによれば、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１の送信コイル１ａ，１ｂの概略構成を示す上面図である。
【図３】図１のＡ１−Ａ１’線における断面図である。
【図４】図１の無接点コネクタシステムの等価回路の一例を示す回路図である。
【図５】図１の送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の間の結合係数ｋを変化させたときの伝送効率の周波数特性を示す概略図である。
【図６】第１の実施形態に係る比較例の無接点コネクタシステムの送信コイル１ａ，１ｃを示す上面図である。
【図７】図６の無接点コネクタシステムに係る、位置の変位ｄｘに対する相互インダクタンスの変化を概略的に示す図である。
【図８】図１の無接点コネクタシステムに係る、位置の変位ｄｘに対する相互インダクタンスの変化を概略的に示す図である。
【図９】第１の実施形態の第１の変形例に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。
【図１０】第１の実施形態の第２の変形例に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。
【図１１】第１の実施形態の第３の変形例に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。
【図１２】第１の実施形態の第４の変形例に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す斜視図である。
【図１３】第１の実施形態の第５の変形例に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す斜視図である。
【図１４】第２の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図１５】図１４の磁性体基板１３を示す上面図である。
【図１６】図１４のＡ２−Ａ２’線における断面図である。
【図１７】第３の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図１８】第３の実施形態の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図１９】第４の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図２０】図１９のＡ３−Ａ３’線における断面図である。
【図２１】第４の実施形態の第１の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図２２】図２１のＡ４−Ａ４’線における断面図である。
【図２３】第４の実施形態の第２の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図２４】図２３のＡ５−Ａ５’線における断面図である。
【図２５】第４の実施形態の第３の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図２６】図２５のＡ６−Ａ６’線における断面図である。
【図２７】第４の実施形態の第４の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。
【図２８】図２７のＡ７−Ａ７’線における断面図である。
【図２９】第４の実施形態の第５の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す断面図である。
【図３０】第４の実施形態の第６の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す断面図である。
【図３１】第５の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの部分を示す図である。
【図３２】第６の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの部分を示す図である。
【図３３】第７の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。
【図３４】第８の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルのアレーを示す概略図である。
【図３５】第８の実施形態に係る比較例の無接点コネクタシステムの送信コイルのアレーを示す概略図である。
【図３６】第９の実施形態に係る電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。
【図３７】第１の実施例に係る無接点コネクタシステムの送信コイル及び受信コイルのモデルを示す斜視図である。
【図３８】第１の比較例に係る無接点コネクタシステムの各コイル間の相互インダクタンスを示すグラフである。
【図３９】第１の実施例に係る無接点コネクタシステムの各コイル間の相互インダクタンスを示すグラフである。
【図４０】図３８及び図３９に示す各相互インダクタンスを合計した結果を示すグラフである。
【図４１】第２の実施例に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す断面図である。
【図４２】第２の実施例及び第２の比較例に係る無接点コネクタシステムの相互インダクタンスを示すグラフである。
【図４３】第２の比較例に係る無接点コネクタシステムの伝送効率を示すグラフである。
【図４４】第２の実施例に係る無接点コネクタシステムの伝送効率を示すグラフである。
【図４５】第３の実施例の無接点コネクタシステムの概略構成を示す断面図である。
【図４６】図４５の無接点コネクタシステムに係る、位置の変位ｄｘ及び内側送信コイルの巻数に対する相互インダクタンスの変化を示すグラフである。
【図４７】第４の実施例及び第３の比較例に係る無接点コネクタシステムの規格化された送電可能エリアを示すグラフである。
【図４８】第４の実施例及び第３の比較例に係る無接点コネクタシステムの送電可能エリアの拡大率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００１７】
第１の実施形態．
図１は、第１の実施形態に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す斜視図である。図２は、図１の送信コイル１ａ，１ｂの概略構成を示す上面図である。図３は、図１のＡ１−Ａ１’線における断面図である。本実施形態の無接点コネクタシステムは、送信コイル１ａ，１ｂを備えた送信側の無接点コネクタ装置と、受信コイル２を備えた受信側の無接点コネクタ装置とを含み、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の間の電磁結合を用いて信号又は電力などを伝送する。
【００１８】
図１において、送信側の無接点コネクタ装置の筐体を符号１１により示し、受信側の無接点コネクタ装置の筐体を符号１２により示す。図１他では、図示の簡単化のために、信号又は電力を伝送するために必要な電源、送信回路、受信回路などを省略する。
【００１９】
図１〜図３を参照すると、送信コイル１ａ，１ｂは、その中心Ｏ１を通る軸の周囲に巻回された内側送信コイル１ｂと、軸の周囲において内側送信コイルの外側に巻回された外側送信コイル１ａとを含む。受信コイル２は、その中心Ｏ２を通る軸の周囲に巻回される。例えば、送信コイル１ａ，１ｂは、第１の面（ＸＹ面に実質的に平行な、筐体１１の上面）に沿って設けられ、受信コイル２は、第１の面に近接して対向する第２の面（ＸＹ面に実質的に平行な、筐体１２の下面）に沿って設けられる。送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２は、互いに近接して対向したことにより、互いに電磁的に結合する。送信コイルは、その中心Ｏ１を通る軸の周囲において時計回り（図１において上から見たとき）に巻回された外側送信コイル１ａと、軸の周囲において外側送信コイル１ａの内側に反時計回り（図１において上から見たとき）に巻回された内側送信コイル１ｂとを備える。すなわち、内側送信コイル１ｂが軸の周囲に巻回される方向は、外側送信コイル１ａが軸の周囲に巻回される方向とは逆である。外側送信コイル１ａはその両端に端子Ｐ１，Ｐ２を有し、内側送信コイル１ｂはその両端に端子Ｐ３，Ｐ４を有する。送信コイル１ａ，１ｂに電流を流すとき、内側送信コイル１ｂを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側送信コイル１ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、端子Ｐ２，Ｐ３は接続素子３により互いに接続される。また、端子Ｐ１，Ｐ４は送信回路（図示せず）に接続される。また、受信コイル２は、その中心Ｏ２を通る軸の周囲に時計回り又は反時計回りに巻回される。受信コイル２はその両端に端子Ｐ５，Ｐ６を有し、端子Ｐ５，Ｐ６は、受信回路（図示せず）に接続される。
【００２０】
送信コイル１ａ，１ｂは、外側送信コイル１ａの自己インダクタンスが内側送信コイル１ｂの自己インダクタンスより大きくなるように構成される。外側送信コイル１ａの自己インダクタンスに対する内側送信コイル１ｂの自己インダクタンスの比は、例えば、図４７及び図４８を参照して説明するように、０より大きく０．４５未満である。
【００２１】
例えば、外側送信コイル１ａの巻数を１０回とし、内側送信コイル１ｂの巻数を５回とし、直径方向の長さの比を１：１として、送信コイル１ａ，１ｂを構成することができるが、これらの値に限定されるものではない。送信コイル１ａ，１ｂの特性には、巻数と直径方向の長さとの両方が影響する可能性があるが、本願発明者は、主に直径方向の長さが影響することを確かめた。本願発明者が行った実験では、直径３〜４ｃｍのサイズを有する送信コイル及び受信コイルを用いて、送信コイル１ａ，１ｂに１００〜２００ｋＨｚの交流電流を流すことにより、５Ｗの電力を伝送することができた。
【００２２】
以下、本実施形態の無接点コネクタシステムの動作原理について説明する。
【００２３】
図３に示すように、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２が、Ｚ方向にｄｚにわたって離隔し、送信コイル１ａ，１ｂの中心Ｏ１及び受信コイル２の中心Ｏ２が、Ｘ方向にｄｘにわたって変位する場合を考える。
【００２４】
一般に、従来技術の無接点コネクタシステムにおいて、送信コイルに電流が流れると、その電流により形成される送信コイルの周囲の電磁界により受信コイルに誘導起電力が生じ、受信コイルに誘導電流が流れる。言い換えれば、送信コイル及び受信コイルは互いに電磁的に結合している。この結合の強さを評価する指標として、次式の結合係数ｋが用いられる。
【００２５】
ｋ＝Ｍ／（√Ｌ１×√Ｌ２）
【００２６】
ここで、Ｍは、送信コイル及び受信コイルの間の相互インダクタンスを表し、Ｌ１は送信コイルの自己インダクタンスを表し、Ｌ２は受信コイルの自己インダクタンスを表す。結合係数ｋは、０≦｜ｋ｜≦１の値をとる。
【００２７】
図４は、図１の無接点コネクタシステムの等価回路の一例を示す回路図である。Ｑは信号源であり、Ｚ０１は送信回路の内部インピーダンスであり、Ｚ０２は受信回路及び負荷の負荷インピーダンスであり、Ｒ１，Ｒ２は抵抗成分であり、Ｃ１，Ｃ２は整合用のキャパシタである。無接点コネクタシステムが角周波数ωで動作するとき、伝送効率を表すパラメータＳ２１は、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の自己インダクタンスＬ１，Ｌ２及び相互インダクタンスＭを用いて次式のように表すことができる。
【００２８】
【数１】
2013179639.tif 000052
【００２９】
なお、図４の等価回路及びこのパラメータＳ２１の式は単なる一例であり、無接点コネクタシステムの等価回路及び伝送効率は他の任意の適切なモデルで表されてもよい。例えば、送信回路の構成によっては、実質的に内部インピーダンスＺ０１が存在しない場合もある。以下の動作原理の説明は、図４とは異なる等価回路で表される無接点コネクタシステムにも同様にあてはまる。
【００３０】
送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２が電磁的に強く結合している場合、｜ｋ｜≒１になるが、距離ｄｘあるいはｄｚが増大するにつれて、｜ｋ｜の値は減少していき、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２が電磁的に結合していない場合、｜ｋ｜＝０になる。
【００３１】
図５は、図１の送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の間の結合係数ｋを変化させたときの伝送効率の周波数特性を示す概略図である。図５では、Ｑ値は一定であると仮定する。図５によれば、結合係数ｋの大小に応じて伝送効率の帯域幅が変化することがわかる。通常、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の位置が合っているとき（図３の中心Ｏ１，Ｏ２が一致しているとき）は、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の電磁結合が強く、伝送効率は２峰性かつ狭帯域の特性になり、広帯域動作を実現することができない。従って、広帯域動作を実現するには、送信コイル１及び受信コイル２が互いに近接しているときに結合係数ｋを低下させる、すなわち、相互インダクタンスＭを低下させる必要がある。一方、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の位置がずれているときは、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の電磁結合が小さくなり、伝送効率は２峰性から単峰性になるが、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の間の距離が増大するにつれて伝送効率が低下する。従って、この場合では逆に、結合係数ｋを増大させる、すなわち、相互インダクタンスＭを増大させる必要がある。まとめると、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の位置が一致しているときは相互インダクタンスＭを弱める一方、位置がずれているときには相互インダクタンスＭの低下を抑制することが、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の位置の変位に起因する伝送効率の変動を防止するためのポイントとなる。
【００３２】
図６は、第１の実施形態に係る比較例の無接点コネクタシステムの送信コイル１ａ，１ｃを示す上面図である。図６の送信コイル１ａ，１ｃは、従来技術の無接点コネクタシステムの送信コイルを図１の無接点コネクタシステムと対比するように示したものである。図１の無接点コネクタシステムは、反時計回りに巻回した内側送信コイル１ｂを備えていたが、図６の無接点コネクタシステムは、時計回りに巻回した内側送信コイル１ｃを備えている。すなわち、内側送信コイル１ｃが中心Ｏ１を通る軸の周囲に巻回される方向は、外側送信コイル１ａが軸の周囲に巻回される方向と同じである。図６の送信コイル１ａ，１ｃに電流を流すとき、内側送信コイル１ｃを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側送信コイル１ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きと同じになるように、端子Ｐ２，Ｐ３は接続素子３Ａにより互いに接続される。
【００３３】
図７は、図６の無接点コネクタシステムに係る、位置の変位ｄｘに対する相互インダクタンスの変化を概略的に示す図である。位置の変位ｄｘを、図３と同様に定義する。図７において、「１ａ」は、図６の外側送信コイル１ａと、図１の受信コイル２と同様の受信コイル（図示せず）との相互インダクタンスを示し、「１ｃ」は、図６の内側送信コイル１ｃと受信コイルとの相互インダクタンスを示し、「１ａ＋１ｃ」は、送信コイル１ａ，１ｃの全体と受信コイルとの相互インダクタンスを示す。「１ｃ」の相互インダクタンスは、位置の変位ｄｘが０又は小さな値であるときは高い値を有するが、位置の変位ｄｘが増大するにつれて小さくなり、ある地点で負になる。従って、「１ａ＋１ｃ」の相互インダクタンスは、位置の変位ｄｘが０又は小さな値であるときは高い値を有する一方、位置の変位ｄｘが大きいときには小さい値になり、その変動幅は大きい。
【００３４】
図８は、図１の無接点コネクタシステムに係る、位置の変位ｄｘに対する相互インダクタンスの変化を概略的に示す図である。図８において、「１ａ」は、外側送信コイル１ａと受信コイル２との相互インダクタンスを示し、「１ｂ」は、内側送信コイル１ｂと受信コイル２との相互インダクタンスを示し、「１ａ＋１ｂ」は、送信コイル１ａ，１ｂの全体と受信コイル２との相互インダクタンスを示す。前述のように、送信コイル１ａ，１ｂに電流を流すとき、内側送信コイル１ｂを流れる電流により中心Ｏ１を通る軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側送信コイル１ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、送信コイル１ａ，１ｂは構成されている。本実施形態の無接点コネクタシステムでは、さらに、位置の変位ｄｘが０及び小さな値であるとき、内側送信コイル１ｂと受信コイル２との相互インダクタンスが負の値になるように、かつ、位置の変位ｄｘが所定値を超えるとき、内側送信コイル１ｂと受信コイル２との相互インダクタンスが正の値になるように構成する。こうすることで、位置の変位ｄｘが０及び小さな値であるときは、送信コイル１ａ，１ｂの全体と受信コイル２との相互インダクタンスを低下させ、電磁結合を弱めることができるという効果がある。また、位置の変位ｄｘが大きいときには、送信コイル１ａ，１ｂの全体と受信コイル２との相互インダクタンスの低下を、従来技術の無接点コネクタシステムの場合（図７）よりも抑圧できるという効果がある。結果として、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の位置関係に関わらず、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができる。さらには、従来であれば、伝送効率の低下に対処するために送信電力を増大させなければならず、結果として発熱量が増大していたが、本実施形態の無接点コネクタシステムでは伝送効率が低下しないので、発熱も防止できるという効果がある。
【００３５】
結合係数ｋについて、図５を参照してさらに説明する。前述のように、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の電磁的結合が強い場合は、２峰性かつ狭帯域の特性であるが、結合係数ｋを次第に低下させると、伝送効率の２つのピークの間の周波数間隔は次第に小さくなり、かつ、２つのピークの間の伝送効率の極小値は次第に増大する。この周波数間隔が実質的に０になったとき、言い換えると、伝送効率の２つのピークとその間の極小値との差が小さくなったとき（例えば５〜１０％）、電力伝送システムの帯域幅は最大になる。この条件を満たすように、結合係数ｋは決定され、この結合係数ｋの値を達成するように、電力伝送システムの各パラメータ（送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の巻数、直径方向の長さ、など）は決定される。
【００３６】
本実施形態の無接点コネクタシステムは、上述の構成を備えたことにより、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができる。
【００３７】
図９は、第１の実施形態の第１の変形例に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。外側送信コイル１ａ及び内側送信コイル１ｂは、送信コイル１ａ，１ｂに電流を流すとき、内側送信コイル１ｂを流れる電流により中心Ｏ１を通る軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側送信コイル１ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるのであれば、図１の場合とは異なる方法で接続されてもよい。図９では、端子Ｐ１，Ｐ４が接続素子３Ｂにより互いに接続される。また、端子Ｐ２，Ｐ３が送信回路（図示せず）に接続される。
【００３８】
図１０は、第１の実施形態の第２の変形例に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。図１１は、第１の実施形態の第３の変形例に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。図１０及び図１１の無接点コネクタシステムは、図６の無接点コネクタシステムと同様に、時計回りに巻回した内側送信コイル１ｃを備えている。図１０の場合は、送信コイル１ａ，１ｃに電流を流すとき、内側送信コイル１ｃを流れる電流により中心Ｏ１を通る軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側送信コイル１ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、端子Ｐ２，Ｐ４が接続素子３Ｃにより互いに接続される。また、このとき、端子Ｐ１，Ｐ３が送信回路（図示せず）に接続される。図１１の場合は、同様に、端子Ｐ１，Ｐ３が接続素子３Ｄにより互いに接続され、端子Ｐ２，Ｐ４が送信回路（図示せず）に接続される。
【００３９】
図９〜図１１の無接点コネクタシステムもまた、図１の無接点コネクタシステムと同様に、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができる。
【００４０】
図１２は、第１の実施形態の第４の変形例に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す斜視図である。本変形例の無接点コネクタシステムは、送信コイル１を備えた送信側の無接点コネクタ装置と、受信コイル２ａ，２ｂを備えた受信側の無接点コネクタ装置とを含む。本変形例の無接点コネクタシステムでは、送信コイル１ではなく受信コイル２ａ，２ｂに電流を流すとき、内側受信コイル２ｂを流れる電流により内側受信コイル２ｂの中心を通る軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側受信コイル２ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、受信コイル２ａ，２ｂが構成されている。
【００４１】
図１２において、送信コイル１は、その中心を通る軸の周囲に巻回される。受信コイル２は、その中心を通る軸の周囲に巻回された内側受信コイル２ｂと、軸の周囲において内側受信コイルの外側に巻回された外側受信コイル２ａとを含む。例えば、送信コイル１は、第１の面（ＸＹ面に実質的に平行な、筐体１１の上面）に沿って設けられ、受信コイル２ａ，２ｂは、第１の面に近接して対向する第２の面（ＸＹ面に実質的に平行な、筐体１２の下面）に沿って設けられる。送信コイル１及び受信コイル２ａ，２ｂは、互いに近接して対向したことにより、互いに電磁的に結合する。送信コイル１は、その中心を通る軸の周囲において時計回り又は反時計回りに巻回される。送信コイル１はその両端に端子Ｐ７，Ｐ８を有し、端子Ｐ７，Ｐ８は、送信回路（図示せず）に接続される。また、受信コイルは、その中心を通る軸の周囲において時計回りに巻回された外側受信コイル２ａと、軸の周囲において外側受信コイル２ａの内側に反時計回りに巻回された内側受信コイル２ｂとを備える。外側受信コイル２ａはその両端に端子Ｐ９，Ｐ１０を有し、内側受信コイル２ｂはその両端に端子Ｐ１１，Ｐ１２を有する。受信コイル２ａ，２ｂに電流を流すとき、内側受信コイル２ｂを流れる電流により内側受信コイル２ｂの中心を通る軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側受信コイル２ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、端子Ｐ１０，Ｐ１１は接続素子４により互いに接続される。また、端子Ｐ９，Ｐ１２は受信回路（図示せず）に接続される。
【００４２】
図１３は、第１の実施形態の第５の変形例に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す斜視図である。図１３に示すように、図１の送信側の無接点コネクタ装置と、図１２の受信側の無接点コネクタ装置とを組み合わせてもよい。
【００４３】
図１２及び図１３の無接点コネクタシステムもまた、図１の無接点コネクタシステムと同様に、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができる。
【００４４】
第２の実施形態．
図１４は、第２の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。図１５は、図１４の磁性体基板１３を示す上面図である。図１６は、図１４のＡ２−Ａ２’線における断面図である。送信側の無接点コネクタ装置は、端子Ｐ１，Ｐ４にそれぞれ接続された導線５，６と、送信コイル１ａ，１ｂに対して、受信コイルが近接して設けられる側とは逆の側に設けられた磁性体基板１３とを備える。導線５，６は送信回路（図示せず）に接続される。磁性体基板１３は、例えばフェライトであり、送信回路のためのシールドとして機能する。図１５に示すように、磁性体基板１３は、送信コイル１ａ，１ｂ及び導線５，６の少なくとも一部を収容する溝部Ｇ１，Ｇ２をさらに有してもよい。図１４〜図１６に示す場合、導線６が送信コイル１ａ，１ｂの下を通るように設けられるので、導線６を溝部Ｇ１に収容する。通常、内側送信コイル１ｂから外側送信コイル１ａの外部への導線６が存在することで、送信コイルの厚みが増加してしまうが、導線６を溝部Ｇ１に収容することにより、無接点コネクタ装置から余分な突起部を除去できるという効果がある。また、図３１に示すように単一の導線を折り返すことで外側送信コイル１ａ及び内側送信コイル１ｂを構成する場合には、導線の折り返し部分において送信コイルの厚みが増加してしまうが、この場合は、導線の折り返し部分を溝部Ｇ２に収容することにより、無接点コネクタ装置から余分な突起部を除去できるという効果がある。導線の折り返し部分のための溝部Ｇ２は、必要に応じて設ければよい。
【００４５】
第３の実施形態．
図１７は、第３の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。送信側の無接点コネクタ装置は、端子Ｐ１，Ｐ４にそれぞれ接続された導線５，６Ａを備える。端子Ｐ４は中心Ｏ１を通る軸に近接し、端子Ｐ１は軸から遠隔している。内側送信コイル１ｂの端子Ｐ４に接続された導線６Ａは、軸から次第に遠隔するように軸の周囲において時計回りに巻回されている。図１４の磁性体基板１３が非常に薄く、導線６を完全に収容する溝部Ｇ１を設けることができない場合、図１７に示すように巻回された導線６Ａを使用してもよく、これにより、無接点コネクタ装置から余分な突起部を除去することができる。また、巻回された導線６Ａと受信コイルとの相互インダクタンスによって、位置ずれに対する耐性をさらに強化できるという効果がある。導線６Ａが絶縁被覆を有する場合は、導線６Ａと内側送信コイル１ｂ及び外側送信コイル１ａとが接触していてもよい。
【００４６】
図１８は、第３の実施形態の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。送信側の無接点コネクタ装置は、端子Ｐ１，Ｐ４にそれぞれ接続された導線５，６Ｂを備える。内側送信コイル１ｂの端子Ｐ４に接続された導線６Ｂは、中心Ｏ１を通る軸から次第に遠隔するように軸の周囲において反時計回りに巻回されている。図１８の無接点コネクタ装置も、図１７の無接点コネクタ装置と同様の効果を有する。導線６Ｂが絶縁被覆を有する場合は、導線６Ｂと内側送信コイル１ｂ及び外側送信コイル１ａとが接触していてもよい。
【００４７】
第４の実施形態．
図１９は、第４の実施形態に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。図２０は、図１９のＡ３−Ａ３’線における断面図である。図１９の送信コイル１ａ，１ｂは、図１の送信コイル１ａ，１ｂと同様である。外側送信コイル１ａ及び内側送信コイル１ｂのそれぞれは、プリント配線基板の誘電体基板１４の少なくとも一方の面上に配線パターン形成法により形成（パターン形成）されてもよい。図１９では、外側送信コイル１ａ、内側送信コイル１ｂ、及び接続素子３は、誘電体基板１４の上面にパターン形成される。無接点コネクタ装置は、端子Ｐ１，Ｐ４にそれぞれ接続された導線５，６を備える。導線５は、誘電体基板１４の上面にパターン形成される。導線６は、誘電体基板１４の下面にパターン形成された導体と、誘電体基板１４を貫通するビア導体１５とを含む。
【００４８】
図２１は、第４の実施形態の第１の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。図２２は、図２１のＡ４−Ａ４’線における断面図である。図２１では、外側送信コイル１ａ及び接続素子３は誘電体基板１４の上面にパターン形成され、内側送信コイル１ｂは誘電体基板１４の下面にパターン形成される。導線５は、誘電体基板１４の上面にパターン形成される。無接点コネクタ装置は、誘電体基板１４を貫通して接続素子３及び内側送信コイル１ｂを互いに接続するビア導体１５Ａをさらに含む。
【００４９】
図２３は、第４の実施形態の第２の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。図２４は、図２３のＡ５−Ａ５’線における断面図である。送信コイル１ａ，１ｂは、図２３に示すように、部分的に誘電体基板１４の上面にパターン形成され、部分的に誘電体基板１４の下面にパターン形成されてもよい。誘電体基板１４の上面にパターン形成された部分と、誘電体基板１４の下面にパターン形成された部分とは、誘電体基板１４を貫通するビア導体１５Ｄを介して互いに接続される。図２３の構成によれば、受信コイルと電磁結合する方向を鉛直方向（Ｚ方向）から傾けることができる。
【００５０】
図２５は、第４の実施形態の第３の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。図２６は、図２５のＡ６−Ａ６’線における断面図である。図２５の送信コイル１ａ，１ｃは、図１０の送信コイル１ａ，１ｃと同様である。無接点コネクタ装置は、端子Ｐ１，Ｐ３にそれぞれ接続された導線５，６Ｃを備える。導線６Ｃは、誘電体基板１４の下面にパターン形成された導体と、誘電体基板１４を貫通するビア導体１５Ｂ１とを含む。接続素子３Ｃは、誘電体基板１４の下面にパターン形成された導体と、誘電体基板１４を貫通するビア導体１５Ｂ２，１５Ｂ３とを含む。
【００５１】
図２７は、第４の実施形態の第４の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す上面図である。図２８は、図２７のＡ７−Ａ７’線における断面図である。図２７では、外側送信コイル１ａは誘電体基板１４の上面にパターン形成され、内側送信コイル１ｃは誘電体基板１４の下面にパターン形成される。接続素子３Ｃは、誘電体基板１４の上面にパターン形成された導体と、誘電体基板１４を貫通するビア導体１５Ｃとを含む。導線５は、誘電体基板１４の上面にパターン形成される。導線６Ｃは、誘電体基板１４の下面にパターン形成される。
【００５２】
図２９は、第４の実施形態の第５の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す断面図である。図３０は、第４の実施形態の第６の変形例に係る送信側の無接点コネクタ装置の概略構成を示す断面図である。図２９及び図３０に示すように、送信コイルは、誘電体基板１４の両面にパターン形成されてもよい。図２９の無接点コネクタ装置は、誘電体基板１４の両面にパターン形成された外側送信コイル１ａ及び外側送信コイル１ａａと、誘電体基板１４の両面にパターン形成された内側送信コイル１ｂ及び内側送信コイル１ｂａとを備える。図３０の無接点コネクタ装置は、誘電体基板１４の両面にパターン形成された外側送信コイル１ａｂ及び外側送信コイル１ａｃと、誘電体基板１４の両面にパターン形成された内側送信コイル１ｂｂ及び内側送信コイル１ｂｃとを備える。送信コイルの巻数は、図２９に示すように、誘電体基板１４の上面及び下面で均等であってもよく、図３０に示すように、無接点コネクタ装置の特性の微調整のために、誘電体基板１４の上面及び下面で不均等であってもよい。
【００５３】
図１９〜図３０の無接点コネクタ装置によれば、誘電体基板１４上に外側送信コイル１ａ及び内側送信コイル１ｂを一体形成することで薄型化できるという効果がある。
【００５４】
第５の実施形態．
図３１は、第５の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの部分を示す図である。図１の外側送信コイル１ａ、内側送信コイル１ｂ、及び接続素子３は、別個の導線であることに限定されず、単一の導線を折り返すことで外側送信コイル１ａ、内側送信コイル１ｂ、及び接続素子３を構成してもよい。これにより、送信コイルの構成を簡単化することができる。
【００５５】
一方、外側送信コイル１ａ、内側送信コイル１ｂ、及び接続素子３は、別個の導線、パターン形成された導体、はんだなどにより構成した場合、又は異なる材料を用いて構成した場合には、例えばループに沿った経路長の長い外側送信コイル１ａのみに低抵抗の材料を用いたりすることで、無接点コネクタ装置全体のコストを削減できるという効果がある。
【００５６】
第６の実施形態．
図３２は、第６の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの部分を示す図である。外側送信コイル１ａの端子Ｐ２及び内側送信コイル１ｂの端子Ｐ３は、所定のインピーダンスを有する受動素子であるインピーダンス素子２１を介して互いに接続されてもよい。インピーダンス素子２１は、抵抗、キャパシタ、インダクタ、電流反転回路のいずれかである。
【００５７】
例えば、インピーダンス素子２１として抵抗を用いたとき、Ｑ値を低下させ、広帯域化できるという効果がある。さらに、例えば１Ω以下の抵抗を用いることで、波形の歪みを低減し、ノイズへの耐性を向上させてもよい。
【００５８】
また、インピーダンス素子２１としてキャパシタを用いたとき、送信コイル１ａ，１ｂの外部に設けることが必要になる整合回路の面積を低減できるという効果がある。また、インピーダンス素子２１として設けたキャパシタと、送信コイル１ａ，１ｂの外部に設けたキャパシタとの組み合わせを用いてもよい。また、例えば１００〜３００ｎＦのキャパシタを用いることで、共振周波数を調整してもよい。
【００５９】
また、インピーダンス素子２１としてインダクタを用いたとき、内側送信コイル１ｂと外側送信コイル１ａとを互いに逆方向に巻回することで低下する送信コイル１ａ，１ｂの全体の自己インダクタンスを増大させることができるという効果がある。また、インダクタを用いることで、送信コイル１ａ，１ｂの電気長を増大させてもよい。
【００６０】
また、インピーダンス素子２１として電流反転回路（例えば、１：１トランスなど）を用いて、送信コイル１ａ，１ｂを流れる電流の正負を反転させてもよい。
【００６１】
インピーダンス素子２１としてこれらの受動素子を組み合わせることで、整合回路の面積を低減しつつ、伝送効率をさらに向上させるように送信コイル１ａ，１ｂのインピーダンスを調整できるという効果がある。
【００６２】
第７の実施形態．
図３３は、第７の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルの概略構成を示す上面図である。送信側の無接点コネクタ装置は、送信コイルに電流を流すとき、内側送信コイル１ｂを流れる電流により中心Ｏ１を通る軸の周囲に生じるループ電流とは逆に流れるループ電流が軸の周囲に生じるように、軸の周囲において内側送信コイル１ｂのさらに内側に追加の送信コイル１ｄを備えてもよい。追加の送信コイル１ｄは、例えば時計回りに巻回される。追加の送信コイル１ｄはその両端に端子Ｐ１３，Ｐ１４を有する。送信コイルに電流を流すとき、追加の送信コイル１ｄを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きが内側送信コイル１ｂを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、端子Ｐ４，Ｐ１３は接続素子７により互いに接続される。この構成によれば、追加の送信コイル１ｄを備えたことにより、無接点コネクタ装置の特性を微調整することができる。
【００６３】
図３３の構成では、追加の送信コイル１ｄが中心Ｏ１を通る軸の周囲に巻回される方向が、内側送信コイル１ｂが軸の周囲に巻回される方向とは逆であったが、これらの方向は同じであってもよい。この場合、送信コイルに電流を流すとき、追加の送信コイル１ｄを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きが内側送信コイル１ｂを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、送信コイル１ａ，１ｂ，１ｄは構成される。また、同様に、追加の送信コイル１ｄよりもさらに内側の送信コイルを備えてもよい。
【００６４】
第８の実施形態．
図３４は、第８の実施形態に係る無接点コネクタシステムの送信コイルのアレーを示す概略図である。図３５は、第８の実施形態に係る比較例の無接点コネクタシステムの送信コイルのアレーを示す概略図である。図３４のアレーは、規則的に配置された複数の送信コイル３１−１〜３１−３を備える。送信コイル３１−１〜３１−３は、互いに等間隔Ｄ１１を有して位置する複数の平行な軸の周囲にそれぞれ巻回されている。送信コイル３１−１〜３１−３のそれぞれは、図１他の送信コイルと同様に構成される。また、図３５のアレーは、図６と同様に（又は、図１の内側送信コイル１ｂを含まずに）構成された、複数の送信コイル３２−１〜３２−３を備える。図３４及び図３５の送信コイルの上方に示した太点線は、各送信コイルと受信コイル（図示せず）との相互インダクタンスを示し、太点線の上の実線は、各送信コイルに係る相互インダクタンスを合成したものを示す。図３５のアレーでは、複数の送信コイルを配置しても、隣接する送信コイル間に受信コイルが位置するとき、相互インダクタンスが低下し、伝送効率が低下するという課題があった。一方、図３４のアレーでは、各送信コイルが、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができるので、アレー全体でも、位置に依存しない安定した電力伝送を実現できるという効果がある。図３４では、一直線上に配置された３つの送信コイル３１−１〜３１−３を示したが、４つ以上の送信コイルを配置してもよく、また、複数の送信コイルを２次元的に配置してもよい。
【００６５】
第９の実施形態．
図３６は、第９の実施形態に係る電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。以上説明した無接点コネクタシステムを備えた電力伝送システムを構成することができる。電力伝送システムは、送信側の無接点コネクタ装置を備えた送電側の電力伝送装置と、受信側の無接点コネクタ装置を備えた受電側の電力伝送装置からなるものとする。図３６を参照すると、送電側の電力伝送装置において、送信コイル１ａ，１ｂ（図１）は送電回路１０２に接続され、送電回路１０２は電源１０１に接続される。受電側の電力伝送装置において、受信コイル２（図１）は受電回路１０３に接続され、受電回路１０３は負荷１０４（例えば電池など）に接続される。送信コイル１ａ，１ｂに電力が供給されると送信コイル１に電流が流れ、その電流により形成される送信コイル１ａ，１ｂの周囲の電磁界により受信コイル２に誘導起電力が生じ、受信コイル２に誘導電流が流れる。この誘導電流を負荷１０４で取り出すことにより、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の間で電力を伝送することができる。
【００６６】
本実施形態の電力伝送システムによれば、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２の間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができる。
【００６７】
以上説明した無接点コネクタシステムを用いて、電力を伝送することに代えて、信号を伝送してもよい。
【００６８】
以上説明した電力伝送システムの原理を用いて、誘導加熱装置を構成することができる。誘導加熱装置において、誘導加熱コイルとしての図１の送信コイルは調理回路に接続され、調理回路は電源に接続される。さらに、図１の受信コイル２に代えて、鍋等の誘導加熱用調理容器が設けられる。鍋は、送信コイルに電磁的に結合するように送信コイルに近接して設けられる。なお、送信コイルと鍋との間の電磁的結合により、送信コイルに電流が流れると、その電流により形成される送信コイルの周囲の電磁界により鍋の底面に誘導起電力が生じ、誘導された渦電流が鍋の底面に流れる。この渦電流を等価的に損失性のコイルとみなせるので、鍋の自己インダクタンスと、送信コイル及び鍋の間の相互インダクタンスとを定義することができる。このような誘導加熱装置によれば、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び鍋の間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定して鍋を加熱することができる。
【００６９】
なお、第２〜第９の実施形態を、送信側の無接点コネクタ装置を参照して説明したが、これらの構成は、受信側の無接点コネクタ装置（図１２）にも適用可能である。
【００７０】
また、送信コイル及び受信コイルの形状は円形だけに限らず、矩形や楕円形など任意の形状をとってもよい。
【００７１】
また、外側送信コイルの巻数及び内側送信コイルの巻数は整数回に限らず、分数回又は小数回であってもよい。
【００７２】
また、外側送信コイルと内側送信コイルとは、部分的に重なっていてもよい。また、外側送信コイル及び内側送信コイルは、実質的に同じ面上にあるのであれば、図２１〜図２２等に示すように異なる面上にあってもよい。また、外側送信コイル及び内側送信コイルのそれぞれは単層に限らず、多層になるように巻回されてもよい。
【００７３】
また、図１他では、送信コイル及び受信コイルが互いに平行に設けられるように示したが、このような配置に限定されず、送信コイル及び受信コイルが互いに電磁的に結合できるのであれば、他の配置（例えば、受信コイルが送信コイルに対して所定の傾きを有する配置など）であってもよい。
【００７４】
また、図１他では、送信コイル及び受信コイルが平面状に巻回されるように示したが、このような形状に限定されず、送信コイル及び受信コイルが電磁的に結合するのであれば、ソレノイドなど、他の任意の形状に巻回されてもよい。
【００７５】
外側送信コイル及び内側送信コイルの巻線は単線に限らず、リッツ線（低抵抗化）、プリント配線基板の導体パターン（薄型化）、リボン線（低抵抗化）、ツイストペア線（低抵抗化）などを用いてもよい。巻線の材料は銅線に限らず、銅被覆のアルミ線（軽量化）や、磁性被覆の銅線（低損失化）など多層構造のものを用いてもよい。
【００７６】
上記に例示した構成を組み合わせてもよい。
【００７７】
以下、説明した本開示の実施形態に係る無接点コネクタシステムの効果について、理論計算を用いて説明する。
【実施例１】
【００７８】
図３７は、第１の実施例に係る無接点コネクタシステムの送信コイル及び受信コイルのモデルを示す斜視図である。図１の送信コイル１ａ，１ｂのそれぞれの巻数が１回であり、図１の受信コイル２の巻数が２回であり、送信コイル１ａ，１ｂ及び受信コイル２が波長に比べて十分小さい場合（巻線の全長が波長の１／１０程度、例えば１／１００である場合）には、図３７のように近似的に２重ループに置き換えることができる。送信コイルは、外側送信コイル４１ａ及び内側送信コイル４１ｂを備え、受信コイルは、外側受信コイル４２ａ及び内側受信コイル４２ｂを備えるものとみなす。第１の実施例では、外側送信コイル４１ａ及び内側送信コイル４１ｂに互いに逆向きに電流が流れる。また、第１の比較例として、外側送信コイル４１ａ及び内側送信コイル４１ｂに同じ向きに電流が流れる場合も考える。第１の実施例及び第１の比較例のいずれにおいても、外側受信コイル４２ａ及び内側受信コイル４２ｂには同じ向きに電流が流れる。
【００７９】
内側送信コイル４１ｂ及び内側受信コイル４２ｂの半径Ｄ１を１６ｍｍとし、外側送信コイル４１ａと外側受信コイル４２ａの半径Ｄ３を８ｍｍとし、送信コイル及び受信コイルの間の距離ｄｚ＝２ｍｍとし、図３と同様に定義された位置の変位ｄｘを、０〜２０ｍｍまで変化させた場合の相互インダクタンスの変化を計算する。図３７の無接点コネクタシステムの送信コイル及び受信コイルの間の相互インダクタンスＭは、４つの成分、すなわち、Ｍ＝Ｍ１１＋Ｍ１２＋Ｍ２１＋Ｍ２２に分解することができる。ここで、Ｍ１１は、内側送信コイル４１ｂと内側受信コイル４２ｂとの相互インダクタンスを示し、Ｍ１２は、外側送信コイル４１ａと内側受信コイル４２ｂとの相互インダクタンスを示し、Ｍ２１は、内側送信コイル４１ｂと外側受信コイル４２ａとの相互インダクタンスを示し、Ｍ２２は、外側送信コイル４１ａと外側受信コイル４２ａとの相互インダクタンスを示す。
【００８０】
図３８は、第１の比較例に係る無接点コネクタシステムの各コイル間の相互インダクタンスを示すグラフである。位置の変位ｄｘが増大するにつれて相互インダクタンスＭ２２及びＭ１１が減少していくことが確認できる。ただし、相互インダクタンスＭ１１に関しては、位置の変位ｄｘ＝１５ｍｍ付近で負の値になっているので、定義から明らかなように全体の相互インダクタンスＭの低下要因になることが予想される。
【００８１】
図３９は、第１の実施例に係る無接点コネクタシステムの各コイル間の相互インダクタンスを示すグラフである。外側送信コイル４１ａ及び内側送信コイル４１ｂに互いに逆向きに電流が流れる結果として、相互インダクタンスＭ１１及びＭ２１の符号が図３８の場合から反転し、位置の変位ｄｘ＝１５ｍｍにおいて相互インダクタンスＭ１１が正の値になっていることがわかる。
【００８２】
図４０は、図３８及び図３９に示す各相互インダクタンスを合計した結果を示すグラフである。第１の実施例の無接点コネクタシステムでは、第１の比較例の無接点コネクタシステムに比べて、相互インダクタンスの変化量が小さいことがわかる。これにより、第１の実施例の無接点コネクタシステムによれば、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、伝送効率の変動を防止できるという効果があることがわかった。
【実施例２】
【００８３】
図４１は、第２の実施例に係る無接点コネクタシステムの概略構成を示す断面図である。送信コイルには、直径０．０８ｍｍの素線を１００本束にしたリッツ線を用いた。送信コイルは、リッツ線を２層にわたって２０回巻回したスパイラルコイルにおいて、内側の６周分の巻線をいったん持ち上げて、反転させてから元の位置に戻すことにより、互いに逆方向に巻回された外側送信コイル１ａ及び内側送信コイル１ｂとして構成された。外側送信コイル１ａの外径は３９ｍｍであった。送信コイル１ａ，１ｂの全体の自己インダクタンスは９．６μＨであり、抵抗は６９ｍΩであり、比透磁率２４００の磁性体基板１３を装荷した際の自己インダクタンスは１３．６μＨであり、抵抗は１２３ｍΩであった。図４の等価回路で考えると、内部インピーダンスＺ０１は１Ωであり、キャパシタＣ１の容量は２７０ｐＦであった。また、受信コイル２として、寸法及び等価回路のパラメータ（図４）について以下の２種類の値を有する、受信コイルＡ及びＢを用いた。
【００８４】
（受信コイルＡ）
外径：３２ｍｍ
巻数：１８回
Ｃ２：８２ｎＦ
ｄｚ１：１．０ｍｍ
Ｚ０２：８．７Ω
【００８５】
（受信コイルＢ）
外径：３０ｍｍ
巻数：３０回
Ｃ２：５６ｎＦ
ｄｚ１：２．０ｍｍ
Ｚ０２：１０．０Ω
【００８６】
また、第２の比較例の送信コイルとして、リッツ線を同じ向きに２０回巻回したスパイラルコイル（すなわち、内側送信コイル１ｂの巻線を反転させない場合）も構成した。この場合、図４の等価回路で考えると、内部インピーダンスＺ０１は１Ωであり、キャパシタＣ１の容量は１２０ｐＦであった。
【００８７】
図４２は、第２の実施例及び第２の比較例に係る無接点コネクタシステムの相互インダクタンスを示すグラフである。第２の実施例によれば、送信コイルに電流を流すとき、内側送信コイル１ｂを流れる電流により中心を通る軸の周囲に生じるループ電流の向きが外側送信コイル１ａを流れる電流により軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、送信コイル１ａ，１ｂを構成することにより、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、相互インダクタンスの変化を防止できていることがわかる。
【００８８】
図４３は、第２の比較例に係る無接点コネクタシステムの伝送効率を示すグラフである。図４４は、第２の実施例に係る無接点コネクタシステムの伝送効率を示すグラフである。伝送効率８０％以上になる範囲をカバーエリアとして規定すると、第２の比較例では位置の変位ｄｘ＝１１ｍｍまで、第２の実施例では位置の変位ｄｘ＝１５ｍｍまでを利用可能であり、カバーエリアを１．４倍に拡大できた。
【実施例３】
【００８９】
図４５は、第３の実施例の無接点コネクタシステムの概略構成を示す断面図である。送信コイルの全巻数Ｎ＝１５を固定し、外側送信コイル１ａの巻数と内側送信コイル１ｂの巻数とを変化させたときの、位置ずれに対する伝送効率の変動を計算で求めた。送信コイルとして、外径７０ｍｍ、内径４０ｍｍ、巻数１５、銅線径１．０ｍｍを有するものを用い、受信コイルとして、外径３０ｍｍ、内径１０ｍｍ、巻数３０を有するものを用いた。また、磁性体基板１３，１６の厚さは０．５ｍｍであり、比透磁率は２４００であった。
【００９０】
図４６は、図４５の無接点コネクタシステムに係る、位置の変位ｄｘ及び内側送信コイルの巻数に対する相互インダクタンスの変化を示すグラフである。横軸が受信コイルの位置の変位ｄｘであり、縦軸が内側送信コイルの巻数であり、これらの条件ごとに、相互インダクタンスのピーク値に対する割合［％］（すなわち、規格化された相互インダクタンス）を等高線で示している。シミュレーション結果より、内側送信コイルの巻数が０の場合は、位置の変位ｄｘ＝２０ｍｍの地点で、相互インダクタンスがピーク値の８０％になっていることがわかる。一方、内側送信コイルの巻数を４回にすると、相互インダクタンスがピーク値の８０％になる距離が、位置の変位ｄｘ＝２５ｍｍの地点まで延びていることがわかる。この計算条件では、全巻数Ｎ＝１５に対する内側送信コイルの巻数の比が１／３以下ならば、位置ずれ耐性を強化できることがシミュレーション結果よりわかった。
【実施例４】
【００９１】
図４７は、第４の実施例及び第３の比較例に係る無接点コネクタシステムの規格化された送電可能エリアを示すグラフである。第４の実施例では、送信コイルとして、内径１２ｍｍ、外径４０ｍｍ、巻数１５を有するものを用い、受信コイルとして、内径１０ｍｍ、外径３０ｍｍ、巻数１１を有するものを用いた。送信コイル及び受信コイルの間の距離ｄｚ＝５ｍｍであった。第４の実施例の送信コイルは、外側送信コイル及び内側送信コイルを含み、外側送信コイル及び内側送信コイルには互いに逆向きに電流が流れるように構成された。このとき、外側送信コイル及び内側送信コイルの各巻数は、外側送信コイルの自己インダクタンスＬｏｕｔに対する内側送信コイルの自己インダクタンスＬｉｎの比（Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔ）が変化するように構成された。第３の比較例では、第４の実施例と同じ寸法を有する送信コイル及び受信コイルを用いた。ただし、第３の比較例の送信コイルは、図６と同様に、外側送信コイル及び内側送信コイルに同じ向きに電流が流れるように構成された。
【００９２】
図４７のシミュレ−ション結果は以下のように得られた。所定の自己インダクタンスの比Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔを有する送信コイルを構成したとき、受信コイルを送信コイルに対してＸ方向に変位させ、相互インダクタンスの変動が±２０％以内である変位の範囲を、電力を安定して伝送できる「送電可能エリア」とした。図４７の縦軸は、送信コイルの半径で規格化された送電可能エリアを示す。第３の比較例では、送信コイルを外側送信コイル及び内側送信コイルに分割してもそれらの相互インダクタンスは変わらないので、自己インダクタンスの比Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔにかかわらず、送電可能エリアは一定になる。一方、第４の実施例では、内側送信コイルの自己インダクタンス（逆巻き回数）が増加するに従い、送電可能エリアが増加していくことがわかる。ただし、自己インダクタンスの比Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔが０．４５以上となると、第４の実施例に係る送電可能エリアは、第３の比較例よりも下回ることがわかる。これは、外側送信コイル及び内側送信コイルによって、その中心部の磁束が打ち消されるためである。
【００９３】
図４８は、第４の実施例及び第３の比較例に係る無接点コネクタシステムの送電可能エリアの拡大率を示すグラフである。図４８は、第３の比較例に係る送電可能エリアに対する第４の実施例に係る送電可能エリアの比を示す。図４８によれば、自己インダクタンスの比Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔが０．３付近で拡大率が２倍以上となり、最大値となることがわかる。ただし、自己インダクタンスの比Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔが０．４５以上となると送電可能エリアの拡大率が１以下となり、第３の比較例よりも送電可能エリアが狭まることがわかる。従って、内側送信コイルと外側送信コイルの自己インダクタンスの比を最適化することで、送電可能エリアを最大化することができる。
【００９４】
図４７及び図４８によれば、自己インダクタンスの比Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔを０．４５未満に設定することによって、送電可能エリアを拡大できる効果が得られた。また、自己インダクタンスの比Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔを０．３にしたとき、最良の効果が得られた。
【００９５】
まとめ．
本開示の態様に係る無接点コネクタ装置、無接点コネクタシステムと、電力伝送装置、及び電力伝送システムは以下の構成を備える。
【００９６】
第１の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、
第２のコイルと電磁的に結合するように近接しかつ対向して設けられる第１のコイルを備えた無接点コネクタ装置において、
上記第１のコイルは、上記第１のコイルの中心を通る軸の周囲に巻回された内側コイルと、上記軸の周囲において上記内側コイルの外側に巻回された外側コイルとを備え、
上記第１のコイルに電流を流すとき、上記内側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きが上記外側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、上記外側コイルの一端及び上記内側コイルの一端は互いに接続され、
上記外側コイルの自己インダクタンスは上記内側コイルの自己インダクタンスより大きい。
【００９７】
第２の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１の態様に係る無接点コネクタ装置において、上記外側コイルの自己インダクタンスに対する上記内側コイルの自己インダクタンスの比は０より大きく０．４５未満である。
【００９８】
第３の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１又は第２の態様に係る無接点コネクタ装置において、上記内側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向は、上記外側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向とは逆である。
【００９９】
第４の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１又は第２の態様に係る無接点コネクタ装置において、上記内側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向は、上記外側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向と同じである。
【０１００】
第５の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１〜第４のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置は、上記第１のコイルに対して、上記第２のコイルが近接して設けられる側とは逆の側に設けられた磁性体基板をさらに備える。
【０１０１】
第６の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第５の態様に係る無接点コネクタ装置は、上記第１のコイルに接続された導線をさらに備え、
上記磁性体基板は、上記第１のコイル及び上記導線の少なくとも一部を収容する溝部を有する。
【０１０２】
第７の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１〜第６のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置において、
上記第１のコイルは、上記軸に近接した第１の端部と、上記軸から遠隔した第２の端部とを有し、
上記無接点コネクタ装置は、上記第１の端部に接続された導線をさらに備え、上記導線は、上記軸から次第に遠隔するように上記軸の周囲に巻回される。
【０１０３】
第８の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１〜第７のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置において、上記外側コイル及び上記内側コイルのそれぞれは、プリント配線基板の少なくとも一方の面上に配線パターン形成法により形成される。
【０１０４】
第９の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１〜第８のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置において、上記外側コイルの一端及び上記内側コイルの一端は、インピーダンス素子を介して互いに接続され、上記インピーダンス素子は、抵抗、キャパシタ、インダクタ、電流反転回路のいずれかである。
【０１０５】
第１０の態様に係る無接点コネクタ装置によれば、第１〜第９のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置において、互いに等間隔を有して位置する複数の平行な軸の周囲にそれぞれ巻回された複数の上記第１のコイルを備える。
【０１０６】
第１１の態様に係る無接点コネクタシステムによれば、
送信側の無接点コネクタ装置としての第１〜第１０のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置と、
上記第２のコイルを備えた受信側の無接点コネクタ装置とを含む。
【０１０７】
第１２の態様に係る無接点コネクタシステムによれば、
上記第２のコイルを備えた送信側の無接点コネクタ装置と、
受信側の無接点コネクタ装置としての第１〜第１０のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置とを含む。
【０１０８】
第１３の態様に係る無接点コネクタシステムによれば、
送信側の無接点コネクタ装置としての第１〜第１０のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置と、
受信側の無接点コネクタ装置としての第１〜第１０のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置とを含む。
【０１０９】
第１４の態様に係る電力伝送装置によれば、送電回路と、上記送電回路に接続された第１〜第１０のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置とを備える。
【０１１０】
第１５の態様に係る電力伝送装置によれば、受電回路と、上記受電回路に接続された第１〜第１０のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタ装置とを備える。
【０１１１】
第１６の態様に係る電力伝送システムによれば、第１１〜第１３のいずれか１つの態様に係る無接点コネクタシステムと、上記送信側の無接点コネクタ装置に接続された送電回路と、上記受信側の無接点コネクタ装置に接続された受電回路とを備える。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本開示の無接点コネクタ装置及び無接点コネクタシステム、電力伝送装置及び電力伝送システムによれば、非常に簡単な構成でありながら、送信コイル及び受信コイルの間に位置ずれが生じても、十分な伝送効率で安定した電力を伝送することができる。
【０１１３】
また、従来であれば、伝送効率の低下に対処するために送信電力を増大させなければならず、結果として発熱量が増大していたが、本開示の無接点コネクタ装置及び無接点コネクタシステム、電力伝送装置及び電力伝送システムでは伝送効率が低下しないので、発熱も防止できるという効果がある。
【符号の説明】
【０１１４】
１，１ａ，１ｂ，１ａａ，１ｂａ，１ａｂ，１ｂｂ，１ａｃ，１ｂｃ，１ｃ，１ｄ，３１−１〜３１−３，３２−１〜３２−３，４１ａ，４１ｂ…送信コイル、
２，２ａ，２ｂ，４２ａ，４２ｂ…受信コイル、
３，３Ａ〜３Ｄ，４，７…接続素子、
５，６，６Ａ〜６Ｃ…導線、
１１，１２…筐体、
１３，１６…磁性体基板、
１４…誘電体基板、
１５，１５Ａ，１５Ｂ１〜１５Ｂ３，１５Ｃ，１５Ｄ…ビア導体、
２１…インピーダンス素子、
１０１…電源、
１０２…送電回路、
１０３…受電回路、
１０４…負荷、
Ｃ１，Ｃ２…容量、
Ｇ１，Ｇ２…溝部、
Ｌ１，Ｌ２…自己インダクタンス、
Ｍ…相互インダクタンス、
Ｐ１〜Ｐ１４…端子、
Ｒ１，Ｒ２…抵抗成分、
Ｑ…信号源、
Ｚ０１，Ｚ０２…負荷インピーダンス。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２のコイルと電磁的に結合するように近接しかつ対向して設けられる第１のコイルを備えた無接点コネクタ装置において、
上記第１のコイルは、上記第１のコイルの中心を通る軸の周囲に巻回された内側コイルと、上記軸の周囲において上記内側コイルの外側に巻回された外側コイルとを備え、
上記第１のコイルに電流を流すとき、上記内側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きが上記外側コイルを流れる電流により上記軸の周囲に生じるループ電流の向きとは逆になるように、上記外側コイルの一端及び上記内側コイルの一端は互いに接続され、
上記内側コイル及び上記外側コイルは、
上記外側コイルの自己インダクタンスが上記内側コイルの自己インダクタンスより大きく、
上記第１のコイルの中心及び上記第２のコイルの中心の間の距離を示す、上記第１のコイルに対する上記第２のコイルの変位が増大するにつれて、上記内側コイル及び上記第２のコイルの間の相互インダクタンスが増大し、
上記第２のコイルの変位が増大するにつれて、上記外側コイル及び上記第２のコイルの間の相互インダクタンスが減少し、
上記第１のコイルの中心及び上記第２のコイルの中心が互いに近接しているとき、上記内側コイル及び上記第２のコイルの間に負の相互インダクタンスが生じ、上記外側コイル及び上記第２のコイルの間に正の相互インダクタンスが生じ、上記外側コイル及び上記第２のコイルの間の相互インダクタンスの絶対値が上記内側コイル及び上記第２のコイルの間の相互インダクタンスの絶対値よりも大きく、
上記外側コイル及び上記第２のコイルの間の相互インダクタンスが０になるときの上記第２のコイルの変位は、上記内側コイル及び上記第２のコイルの間の相互インダクタンスが０になるときの上記第２のコイルの変位よりも大きくなるように構成される無接点コネクタ装置。
【請求項２】
上記外側コイルの自己インダクタンスに対する上記内側コイルの自己インダクタンスの比は０より大きく０．４５未満である請求項１記載の無接点コネクタ装置。
【請求項３】
上記内側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向は、上記外側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向とは逆である請求項１又は２記載の無接点コネクタ装置。
【請求項４】
上記内側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向は、上記外側コイルが上記軸の周囲に巻回される方向と同じである請求項１又は２記載の無接点コネクタ装置。
【請求項５】
上記無接点コネクタ装置は、上記第１のコイルに対して、上記第２のコイルが近接して設けられる側とは逆の側に設けられた磁性体基板をさらに備えた請求項１〜４のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置。
【請求項６】
上記無接点コネクタ装置は、上記第１のコイルに接続された導線をさらに備え、
上記磁性体基板は、上記第１のコイル及び上記導線の少なくとも一部を収容する溝部を有する請求項５記載の無接点コネクタ装置。
【請求項７】
上記第１のコイルは、上記軸に近接した第１の端部と、上記軸から遠隔した第２の端部とを有し、
上記無接点コネクタ装置は、上記第１の端部に接続された導線をさらに備え、上記導線は、上記軸から次第に遠隔するように上記軸の周囲に巻回された請求項１〜６のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置。
【請求項８】
上記外側コイル及び上記内側コイルのそれぞれは、プリント配線基板の少なくとも一方の面上に配線パターン形成法により形成された請求項１〜７のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置。
【請求項９】
上記外側コイルの一端及び上記内側コイルの一端は、インピーダンス素子を介して互いに接続され、上記インピーダンス素子は、抵抗、キャパシタ、インダクタ、電流反転回路のいずれかである請求項１〜８のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置。
【請求項１０】
互いに等間隔を有して位置する複数の平行な軸の周囲にそれぞれ巻回された複数の上記第１のコイルを備えた請求項１〜９のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置。
【請求項１１】
上記第１のコイル及び上記第２のコイルは、上記軸の周囲において実質的に同じ範囲に巻回されている請求項１〜１０のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置。
【請求項１２】
送信側の無接点コネクタ装置としての請求項１〜１１のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置と、
上記第２のコイルを備えた受信側の無接点コネクタ装置とを含む無接点コネクタシステム。
【請求項１３】
上記第２のコイルを備えた送信側の無接点コネクタ装置と、
受信側の無接点コネクタ装置としての請求項１〜１１のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置とを含む無接点コネクタシステム。
【請求項１４】
送信側の無接点コネクタ装置としての請求項１〜１１のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置と、
受信側の無接点コネクタ装置としての請求項１〜１１のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置とを含む無接点コネクタシステム。
【請求項１５】
送電回路と、上記送電回路に接続された請求項１〜１１のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置とを備えた電力伝送装置。
【請求項１６】
受電回路と、上記受電回路に接続された請求項１〜１１のいずれか１つに記載の無接点コネクタ装置とを備えた電力伝送装置。
【請求項１７】
請求項１２〜１４のうちのいずれか１つに記載の無接点コネクタシステムと、上記送信側の無接点コネクタ装置に接続された送電回路と、上記受信側の無接点コネクタ装置に接続された受電回路とを備えた電力伝送システム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２４】
2013179639.tif 000053
【国際調査報告】
2013179639.tif 000054
2013179639.tif 000055
2013179639.tif 000056
2013179639.tif 000057