(57)【要約】      （修正有）【課題】防爆性能、絶縁性能、挿し抜き寿命を向上させた、高電圧の電力伝送又は電気通信を可能にするコネクタを備えたバッテリー装置を提供する。【解決手段】バッテリー装置は、バッテリーセル７、発振回路、整流回路９及び蓄電池側電極部を有す蓄電池筐体１と、受け手側電極部２から成る。蓄電池側電極部及び受け手側電極部は、互いに係合可能な接合面を有し、該接合面には絶縁材（蓄電池側絶縁材５、フォルダ側絶縁材６）を被覆している。【選択図】図３
2019213427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脱着容易なコネクタを備えたバッテリー装置において、該バッテリー装置はバッテリーセル、発振回路、整流回路、及び蓄電池側電極部を有す蓄電池筐体と受け手側電極部から成り、上記蓄電池側電極部及び受け手側電極部は互いに係合可能な接合面を有し、該接合面には絶縁材を被覆していることを特徴とするコネクタを備えたバッテリー装置。
【請求項２】
上記蓄電池側電極部を蓄電池筐体の側面を所定のテーパー角度に傾斜し、また受け手側電極部も同じテーパー角度に傾斜した請求項１記載のコネクタを備えたバッテリー装置。
【請求項３】
上記蓄電池側電極部を蓄電池筐体の底面に設けて接合面をジグザグ状又は波状とし、また受け手側電極部の接合面も同じくジグザグ状又は波状とした請求項１記載のコネクタを備えたバッテリー装置。
【請求項４】
上記蓄電池側電極部は蓄電池筐体の底面に設けて同心を成す中心電極部と外周電極部から成り、また受け手側電極部も同じく同心を成す中心電極部と外周電極部から成り、蓄電池側電極部と受け手側電極部が位置決めされるように磁石を取付けた請求項１記載のコネクタを備えたバッテリー装置。
【請求項５】
上記発振回路に自動同調機能を付加して最適周波数に追従可能とした請求項１、請求項２、請求項３、又は請求項４記載のコネクタを備えたバッテリー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、防爆性能、絶縁性能、挿し抜き寿命を向上させた、高電圧の電力伝送または電気通信を可能にするコネクタを備えたバッテリー装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バッテリーからの電力や通信機器からの信号を伝送するケーブルのコネクタは、従来、感電防止やアーク放電防止の観点から低電圧に設定されており、コネクタの着脱時においては、対となる金属接点を直に触れさせたり離したりしている。
【０００３】
電力を伝送する場合においては、ケーブルの内部抵抗により発熱ロスが生じ、その大きさは、そのケーブルを流れる電流の２乗に比例する。その為に、大電力を伝送するためには出来るだけ電圧を高くして電流を小さく抑えることが望ましい。
【０００４】
一方、通信信号の伝送においても、感電防止の観点から低電圧での伝送が主流であるが、耐雑音性能を向上させるためには信号電圧を高くしてＳ／Ｎ比を大きくする必要がある。
【０００５】
コネクタを高電圧伝送に対応させるには、感電防止、絶縁対策の観点から金属部の露出を無くのが理想的であり、無接点のワイヤレス伝送が適していると考えられ、従来においてもこの種の技術は知られている。
例えば、特開２０１４−１８３６２２号に係る「ワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システム」は、電界結合による並列共振において、周波数同調のための誘電体シートを対の電極間に挿入し、コイルを使った周波数同調回路よりも銅損を排除してロスを低減させたとしている。しかしながら、電極間に挿入された誘電体にはその構成分子の熱振動による誘電損が存在し、周波数が高くなると発熱によってシートの変形などが生じる恐れもある。また、並列回路として部品点数も多くなるため回路内での抵抗損も大きくなる。
【０００６】
特開２０１５−１３９２２９号に係る「ワイヤレス給電装置及びワイヤレス受電機器」は、複数の小型の送電コイルのうち、伝送効率の最も高いものを自動選択し、磁界結合によりワイヤレス電力伝送を実現するものである。しかしながら、小型の送電コイルの場合、電流を多く流すと銅損が大きくなり、大電力伝送には不向きである。
【０００７】
特開２０１６−７３０１６号に係る「ワイヤレス給電システム」は、対の送電用コネクタおよび受電用コネクタをそれぞれ凹凸構造としており、充電部および受電部の対向位置を常に固定することにより高い送電効率を得ることとしている。しかしながら、凹凸の挿入時に高い位置精度を求めるための複雑な操作が必要であり、挿し抜きを繰り返すことによるコネクタ筐体の劣化により、受電部および送電部の対向精度も低下する虞れがある。
さらに、受電部および送電部が凹部の底面と凸部の先端に位置している構造であることにより、電極面積が限定され、送電可能な電力の大きさも限定されることになる。
【０００８】
【特許文献１】特開２０１４−１８３６２２号に係る「ワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システム」
【特許文献２】特開２０１５−１３９２２９号に係る「ワイヤレス給電装置及びワイヤレス受電機器」
【特許文献３】特開２０１６−７３０１６号に係る「ワイヤレス給電システム」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ワイヤレス電力伝送は、対となるコイルまたは電極間において磁界結合や電界結合により、上述の特許文献１〜３に示されるように金属電極が非接触で電力伝送を実現する技術であるが、上記のごとき問題がある。
この発明が解決しようとする課題は、大電力や高電圧の通信信号の接続部を挿し抜きする手法として、金属電極部を絶縁したワイヤレス伝送技術により安全且つ脱着容易なコネクタを備えたバッテリー装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決のため、本発明によるバッテリー装置のコネクタは、電極対となる同じ面積の２枚の金属板がそれぞれ絶縁体で覆われて、双方の金属板は直接接触することが無い構造としている。
電極間の距離ｄは、電極金属板を覆っている絶縁体の厚さで決まり、電極金属の面積Ｓと絶縁体の誘電率をεとすれば、これらの金属板間には、容量Ｃ＝ε×Ｓ／ｄを持つコンデンサが構成される。
【００１１】
このとき、電極金属にインダクタＬを有するコイルを接続することにより、電極対を含むコネクタのインピーダンスＺはＺ＝√｛Ｒ２＋（ωＬ−１／ωＣ）２｝となる。ここで、Ｒはコネクタを構成する回路の抵抗成分、ωは角周波数ω＝２πｆであり、ｆは電源または信号源の交流周波数である。
したがって、その交流周波数ｆがｆ＝ｆ０＝１／［２π√｛ＬＣ｝］のとき、コネクタのインピーダンスＺは回路の抵抗成分Ｒのみで最小となり、このときの周波数ｆ０を共振周波数と呼ぶ。
【００１２】
共振周波数においては電極対のインピーダンスは最小になり、電力または電気信号はコネクタの２次側に最大効率、すなわち回路の抵抗成分Ｒによる発熱損失分のみで伝送される。
電極対の間にゴミなどが付着したり、電極位置がズレたりした場合には、電極対の電気容量が変化するので、共振周波数にズレが生じる。
【００１３】
そのため、電源または信号源の交流周波数を変化した共振周波数に追従して同調させるための同調回路を付加し、高効率な電力伝送または信号伝送を維持する。
電極対は、覆われた絶縁体によって感電やアーク放電の虞れもなく、高い電圧を印加することが可能である。
【００１４】
そのため、低電流でも大きな電力を伝送可能であり、またノイズに強い長距離の信号伝送が可能である。
また電極対をなす２枚の電極金属は近接しているため、交流電圧または信号の漏洩が少なく、外部に対して電磁波ノイズを放射するなどの問題が発生しにくい。
【００１５】
電極対の面積Ｓは大きいほど、電極間隔ｄは狭いほど、また絶縁体の誘電率εが大きいほど、電極対で構成されるコンデンサの容量Ｃは大きくなる。容量Ｃが大きくなると、共振周波数が下がり、またはインダクタＬの値を小さく出来、あるいはその両方が可能である。
【００１６】
従来のネジ止めや差込接続を要したコネクタを備えたバッテリーでは、その交換は容易でない。本発明のバッテリー装置はコネクタと交流発生回路を組み合わせることにより、該バッテリーの交換が容易に出来るようにしている。
その場合、電極対をバッテリーの側面に位置させることにより、省スペースでコネクタを構成することができる。
【００１７】
また、電極対にテーパー状の傾きを持たせると、バッテリーの位置ともに電極の位置を容易に固定可能と成る。
また、電極形状をジグザグ状あるいは波状にすれば、電極面積を大きくすることができるほか、電極対の位置決め固定を容易にすることが可能である。
【００１８】
電力あるいは信号伝送のための電極対は直流伝送と同様に２組必要であるが、交流伝送のために極性は無いので、接続の際に極性の確認を省くことできる。
また、２組の電極対を同心円状に配置することにより、接続の向きの制約を排除でき、接続を維持したまま回転させることもできる。
そして、電極は金属板で薄く軽く作れるので、マグネットなどで固定も可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によるコネクタにより、金属電極部を絶縁被覆して導電部を露出しないワイヤレス給電による電力または電気信号の接続を実現することが可能になり、挿抜寿命、防水性、防爆性、感電防止、耐アークなどの課題解決を図ることができる。
また、磁石等による電極部の保持や脱着を容易にすることにより、取り扱いが容易となる。
【００２０】
ワイヤレス電力伝送には共振周波数の自動追従機能を付加し、電極の多少のズレ等を寛容可能となる。
また、水中や可燃ガスの雰囲気中においても安全で、多頻度の挿し抜き（脱着）を繰り返しても劣化しないコネクタが実現する。
【００２１】
そして、高電圧化による低電流化によって、バッテリーの充電時間の短縮・高出力化も容易になり、さらには電力ケーブルを細く軽量化できるため、屋外などで活動する災害ロボットへの応用など用途が広がることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のバッテリー装置を用いて構成した基本概要図。
【図２】従来技術による蓄電池の接続形態の例を示す説明図である。
【図３】本発明のバッテリー装置における電極配置の例であり、蓄電池筐体と受け手側電極部とが分離している状態。
【図４】本発明のバッテリー装置で、蓄電池筐体が受け手側電極部に嵌っている状態。
【図５】本発明におけるバッテリー装置の充電形態の例を示す説明図である。
【図６】本発明におけるバッテリー装置の放電形態の例を示す説明図である。
【図７】コネクタにおける電極配置を示す他の具体例である。
【図８】コネクタにおける電極配置を示す別の具体例である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、バッテリーの端子および通信のコネクタの金属部を絶縁体で被覆して、感電防止と脱着容易性、あるいは耐雑音性能の向上を図り、且つ高電圧・低電流化によりバッテリーの出力増大、充電時間の短縮、また通信距離の伸長を図るものである。
【００２４】
図１は本発明の基本構成を説明するための回路の基本概要図である。また、図２は従来のコネクタ接続を示す具体例である。
従来では、蓄電池と負荷回路は有線接続され、それらの切離しのために使用されるコネクタには、蓄電池側と負荷側の両方が対となった電極が用いられる。
【００２５】
従来のコネクタを構成する金属電極は、蓄電池側と負荷側の両方の金属部が直接接触することにより導通を実現し電流あるいは電気信号が流れる。
その為に、従来コネクタでは、接続や切離しの際の挿し抜きにより、金属電極が擦れたり、電圧が印加されている場合に発生し得るアーク放電などにより、磨耗や劣化が生じる問題がある。
【００２６】
また、コネクタの挿し抜きを正確に行うために、コネクタ位置を精度良く把握する手間も必要になる。特に蓄電池を自動装置により無人で交換する場合には、コネクタを正確な位置に把握する他に、より確実な接続のために挿入する力の大きさの管理なども必要になり制御が複雑になる。
そして、頻繁に挿し抜きを行うと、磨耗や劣化により接続部分が破損し、正常な接続が実現しなくなる虞がある。即ち、挿し抜き寿命が尽きることになる。
【００２７】
特に農業用や災害用など、稼働時間が長時間必要なロボット等では、蓄電池の交換を頻繁に行う必要があり、その為にコネクタの劣化が更に促進する虞がある。
また、屋外でコネクタの防水・防塵・可燃性ガス雰囲気中での引火による火災または感電事故防止のためには、金属電極が露出していない方が望ましい。
【００２８】
本発明によれば、電極は露出せず、また擦れあって磨耗することが無いので、感電事故防止とコネクタの長寿命化を同時に図ることができる。
そして、交流電流によるワイヤレス電力伝送を行うので、蓄電池または充電器からの直流を交流に変換する発振回路および蓄電池を充電またはモータを駆動するための直流を生成する整流回路を備えている。
【００２９】
即ち、蓄電池でモータを駆動する場合では、蓄電池の直流電流は、発信器を経て適度な交流電力に変換され、絶縁された電極対の相手側に電力を伝達する。そして、相手側の整流器で直流に変換され、制御回路を経てモータに供給される。
【００３０】
一方、蓄電池を充電する場合には、充電電流は充電回路側で適度な交流電流に変換されて、絶縁された電極対を経て蓄電池側の整流器で直流に変換されて蓄電池に充電される。
【００３１】
なお、絶縁された電極部に電流が効率よく流れるためには、これらの回路が共振状態にある必要がある。
このときの共振周波数は、電極対の位置ズレなどにより変化する場合があるが、発振回路に内蔵された自動同調機能を有し、該自動同調機能にて常に最適な共振周波数へ追従することが出来る。
【００３２】
図３は、本発明の使用形態の示す具体例である。バッテリーセル７、セル電圧保護回路１０、蓄電池側整流回路９、蓄電池側発振回路８、蓄電池側通信回路１１を内蔵した蓄電池筐体１を構成し、該筐体１の側面内側には適度な角度で傾斜した蓄電池側金属電極平板３を貼り付け、該金属電極平板の外表面には蓄電池側絶縁材５が被覆されている。
そして、受け手となるフォルダ電極部２は同じ角度で傾斜したフォルダ側金属電極平板４を配置し、該金属電極平板の内側面はフォルダ側絶縁材６で被覆されている。
【００３３】
このように、電極部を蓄電池筐体１の側面に配置することで、省スペースを図ると共に電極面積が大きくなり大電力伝送に適する。また、対をなす電極をテーパー状にすることにより、蓄電池筐体１はフォルダ電極部２に挿し込み易く、結合時の密着性も向上する。
【００３４】
図４は、フォルダ電極部２に蓄電池筐体１が挿入されて嵌った状態を表している。蓄電池側金属電極平板３およびフォルダ側金属電極平板４の間に蓄電池側絶縁材５およびフォルダ側絶縁材６が平行に挟まれた電極対２０が構成されている。蓄電池筐体１の側面及び受け手側電極部２の電極平板は共に同じテーパー角にて傾斜し、ブレルことなく蓄電池筐体１をフォルダ電極部２に固定することが出来、かつ電極対間の距離も一定となり、両電極部の密着性は向上する。
【００３５】
例えば、各電極平板の大きさを２０ｃｍ×２０ｃｍ（面積４００ｃｍ２）、電極平板を被覆した絶縁材の厚さを各１．５ｍｍ（電極対間距離合計３ｍｍ）、絶縁材の比誘電率を４、真空中の誘電率を８．８５４×１０−１２とした場合、電極対の静電容量はＣ＝０．０００４７２μファラドとなり、コイルのインダクタＬ＝０．２ｍＨを使用すれば共振周波数はｆ０＝５１８ｋＨｚとなる。
【００３６】
このとき、回路の内部抵抗が１０Ωであるとすると、共振の強さを示すＱ値は６５．１程度であり、直列共振回路にかかる電圧はＱ倍であることから、電源電圧が１００Ｖであれば６．５１ｋＶの高電圧が発生する。すなわち電源電圧の６５．１倍の電圧に達する。
【００３７】
電極を被覆する絶縁材、例えばアルミナセラミックスやチタン酸バリウムの場合、絶縁破壊電圧は、厚さ１ｍｍ当り１０ｋＶであり、蓄電池側絶縁材５およびフォルダ側絶縁材６の厚さがそれぞれ１．５ｍｍ（合計３ｍｍｍ）であれば、電極対間の絶縁破壊電圧は３０ｋＶとなるので、電源電圧は、３０ｋＶ÷６５．１≒４６０Ｖまで耐えることできる。また、アクリル樹脂の場合、絶縁破壊電圧は、厚さ１ｍｍ当り２０ｋＶであるので、電源電圧としては９００Ｖ程度まで耐えることができる。
したがって、本発明によって高電圧のバッテリー接続が実現でき、低電流化により充電時間の短縮が図られる。
【００３８】
一方、絶縁材の種類によって比誘電率が異なるので、共振周波数も異なり、さらに耐水性能や耐熱性能も異なる。したがって、目的の共振周波数や使用環境に応じて、蓄電池側絶縁材５およびフォルダ側絶縁材６として使用する絶縁材の種類を変更する。
【００３９】
また、電極面積を拡大すると電極対の総静電容量はその面積に比例して大きくなり、共振周波数を下げることが容易となる。電極面積を拡大するための電極の配置方法として、図３あるいは図４に示した左右２つの側面にかぎらず、蓄電池筐体１の底面あるいは前後の側面にも電極を配置し、それらに対面するフォルダ電極部２を増設することも可能である。
【００４０】
図５は本発明による蓄電池の充電時の使用形態を表している。外部から充電ユニット１６の入力端子１７に直流電圧が印加され、充電側発振回路１８により交流電圧に変換された後、フォルダ側金属電極平板４、フォルダ側絶縁材６、蓄電池側絶縁材５、および蓄電池側金属電極平板３で構成する電極対２０を介して蓄電池内部に通電する。蓄電池筐体１に内蔵されている蓄電池側発振回路８と蓄電池側整流回路９は、外部からの電圧を検知して連結切替スイッチ１２と直結スイッチＡ１３および直結スイッチＢ１４により該整流回路９側に自動的に切換えられ、バッテリーセル７を充電する。
【００４１】
入力電力は充電側発振回路１８から電極対２０を介して蓄電池筐体１内部の回路に入り、蓄電池側整流回路９のダイオードブリッジで整流されてバッテリーセル７に充填される。バッテリーセル７は直列に接続されていて、充填電圧は高電圧になるが、電流は小さいので充填時間は短くなる。なお、充填状況は内部に設けているセル電圧保護回路１０によって常時監視され、状態を蓄電池側通信回路１１から電極対経由にて外部に出力され受信される。
【００４２】
蓄電池は、リチウムイオンバッテリーの場合、一セルあたり約３．７Ｖであり、１００Ｖの電圧で使用したい場合には、２７個のセルを直列に接続すれば概ね得ることが出来る。
直列接続された各セルに均等な電圧をかけ、それぞれの充電状態や異常を感知するためにセル電圧保護回路１０が内蔵されている。感知された状態は充電電流に重畳して、電極対を介して外部の充電ユニット１６に送信され、受信回路１９において受信されて制御情報として得ることが出来る。
【００４３】
リチウムイオンバッテリーセルが２７個直列に接続されているとき、１Ａの電流を１時間流すと各バッテリーセルに蓄えられる電流容量は１Ａｈで、電圧が１００Ｖであれば１００Ｗｈの電力量を蓄積することが可能である。
仮に、蓄電池電圧が１２Ｖであると、同じ電力容量（１００Ｗｈ）を蓄電するためには、各バッテリーセルに蓄えなければならない電流容量は８．３３Ａｈ必要であり、充電電流１Ａでおよそ８時間２０分の充電時間が必要となる。
すなわち、蓄電池の高電圧化により同じ電力容量で充電時間を短縮することが可能になる。
【００４４】
一方、図６は、本発明による蓄電池から外部の負荷機器（直流モーター）に給電を行う場合の使用形態の例を示したものである。
左側の蓄電池筐体１のバッテリーセル７から出力された直流電力は、蓄電池側発振回路８によって高電圧の交流電流に変換され、電極対２０を経由して負荷ユニット２２の負荷側整流回路２３そして負荷モータ２４へ供給される。電力は高電圧で行われ、低電流のために送電ケーブル２１は細く軽量化が可能となる。
上記発振回路は、蓄電池筐体１に設置されたスイッチ１５もしくは、電極対２０の電流の流れを検知して起動し、電極対２０を介して、電流が外部機器（負荷ユニット２２）の負荷側整流回路２３に流れ、直流モータ（負荷モータ２４）の動力として消費される。
【００４５】
外部への電流の流れが停止、または蓄電池セルの電圧が一定以下になった場合には、蓄電池側発振回路８は自動的に停止する。
該発振回路８が停止している場合において、蓄電池が再起動可能な電圧がバッテリーセル７にあると判断されるときは、蓄電池内の電極に電圧を印加している。
【００４６】
このとき、外部機器が起動されると一時的に電極対２０に蓄積された電荷量が変化し、回路に電流が流れる。この電流を電流センサ２５により検知して、蓄電池側発振回路８は再び起動する。
電極対に電荷が蓄積されていない場合は、負荷機器がＯＮになっても電流が流れないので、蓄電池のスイッチ１５の操作または通信信号により起動する。
もしくは、外部から電極対に電圧を印加し、電荷を注入しておくこともできる。
こちらも充電のときと同様に、高電圧化により電流を小さくでき、電力配線も細くできて、装置の軽量化に資することが可能である。
【００４７】
図７は、２組の電極対を同心円状に配置した模式図を示したものである。すなわち、中心電極部２７と同心を成す外周電極部２８を有し、電極の向きによらず電力伝送が可能になり、回転体への電力供給などに適する。
また、電極の位置決め・固定には磁石３５を用いることにより容易に吸着することが出来る。
【００４８】
前記図３、図４に示す実施例では、蓄電池側電極部を蓄電池筐体１の側面を所定のテーパー角度に傾斜し、またフォルダ側電極部も同じテーパー角度に傾斜しているが、両電極部の形態は限定しない。
蓄電池筐体底面の電極部とフォルダ側電極部を図７に示すように、互いに同心を成す中心電極部と外周電極部にて構成することが出来る。
【００４９】
図８は電極対の表面積を大きくしたい場合に、電極部表面をクサビ型もしくは波型などを採用した場合の例である。
電極対の表面積を大きくすると、共振周波数を下げることができる他、電極のズレも防止することが出来る。
すなわち、蓄電池筐体底面の蓄電池側電極部３７とフォルダ側電極部３８を図８に示すように、クサビ型もしくは波型とすることで、蓄電池筐体１をフォルダ電極部２に載置するだけで正しく位置決めされる。そして、磁石を取付けるならば、載置された蓄電池筐体１はフォルダ電極部２に固定される。
【００５０】
本発明は、蓄電池に限るものではなく、電力供給を行う電源装置や、遠距離での通信ケーブルの接続にも応用が可能である。
また、図７において電極対間に僅かな隙間があっても同調回路により効率よく送電または通信が可能であるので、回転体の摺動部への適用も可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１    蓄電池筐体
２    フォルダ電極部
３    蓄電池側金属電極平板
４    フォルダ側金属電極平板
５    蓄電池側絶縁材
６    フォルダ側絶縁材
７    バッテリーセル
９    蓄電池側整流回路
１０  セル電圧保護回路
１１  蓄電池側通信回路
１２  連結切替スイッチ
１３  直結スイッチＡ
１４  直結スイッチＢ
１５  スイッチ
１６  充電ユニット
１７  入力端子
１８  充電側発振回路
１９  受信回路
２０  電極対
２１  送電ケーブル
２２  負荷ユニット
２３  負荷側整流回路
２４  負荷モータ
２５  電流センサ
２６  丸型配置電極
２７  中心電極部
２８  外周電極部
２９  蓄電池側外周電極板
３０  フォルダ側外周電極板
３１  蓄電池側中心電極板
３２  フォルダ側中心電極板
３３  蓄電池側丸型絶縁材
３４  フォルダ側丸型絶縁材
３５  磁石
３６  波型配置電極
３７  蓄電池側電極部
３８  フォルダ側電極部
【図１】
2019213427.tif 000003
【図２】
2019213427.tif 000004
【図３】
2019213427.tif 000005
【図４】
2019213427.tif 000006
【図５】
2019213427.tif 000007
【図６】
2019213427.tif 000008
【図７】
2019213427.tif 000009
【図８】
2019213427.tif 000010