(57)【要約】【課題】小型軽量の電力送電装置、電力受電装置および電力伝送システムを構成する。【解決手段】電力伝送システム３０１は、電力送電装置１０１と電力受電装置２０１とで構成されている。電力送電装置１０１は、高周波電圧発生器１１、圧電共振子２１、電力送電装置側パッシブ電極２および電力送電装置側アクティブ電極３を備えている。電力受電装置２０１は、圧電共振子２２、負荷ＲＬ、電力受電装置側パッシブ電極７および電力受電装置側アクティブ電極６を備えている。そして、電力送電装置１０１のアクティブ電極３と電力受電装置２０１のアクティブ電極６とが高電圧電界領域４を介して近接することにより、アクティブ電極３とアクティブ電極６が、およびパッシブ電極２とパッシブ電極７がそれぞれ容量結合する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力送電装置側アクティブ電極と、
電力送電装置側パッシブ電極と、
前記電力送電装置側アクティブ電極と前記電力送電装置側パッシブ電極との間に接続された高周波高電圧発生回路と、を備え、
前記高周波高電圧発生回路は、ＬＣ共振回路を有する昇圧回路を含み、
前記ＬＣ共振回路のインダクタが圧電素子で構成された、電力送電装置。
【請求項２】
前記ＬＣ共振回路のキャパシタは、電力送電装置側アクティブ電極と電力送電装置側パッシブ電極との間に生じる容量である、請求項１に記載の電力送電装置。
【請求項３】
前記高周波高電圧発生回路が発生する電圧の周波数は、前記圧電素子が誘導性になる周波数である、請求項１または２に記載の電力送電装置。
【請求項４】
前記圧電素子は圧電共振子または圧電トランスである、請求項１〜３のいずれかに記載の電力送電装置。
【請求項５】
前記昇圧回路は変圧回路を備える、請求項１〜４のいずれかに記載の電力送電装置。
【請求項６】
前記圧電素子の共振周波数の調整手段を備えた、請求項１〜５のいずれかに記載の電力送電装置。
【請求項７】
電力受電装置側アクティブ電極と、
電力受電装置側パッシブ電極と、
前記電力受電装置側アクティブ電極と前記電力受電装置側パッシブ電極との間に接続された負荷回路と、を備え、
前記負荷回路は、ＬＣ共振回路を有する降圧回路を含み、
前記ＬＣ共振回路のインダクタが圧電素子で構成された、電力受電装置。
【請求項８】
前記ＬＣ共振回路のキャパシタは、電力受電装置側アクティブ電極と電力受電装置側パッシブ電極との間に生じる容量である、請求項７に記載の電力受電装置。
【請求項９】
前記負荷回路に入力される電圧の周波数は前記圧電素子が誘導性になる周波数である、請求項７または８に記載の電力受電装置。
【請求項１０】
前記圧電素子は圧電共振子または圧電トランスである、請求項７〜９のいずれかに記載の電力受電装置。
【請求項１１】
前記降圧回路は変圧回路を備える、請求項７〜１０のいずれかに記載の電力受電装置。
【請求項１２】
電力送電装置側アクティブ電極、電力送電装置側パッシブ電極、および前記電力送電装置側アクティブ電極と前記電力送電装置側パッシブ電極との間に接続された高周波高電圧発生回路を備えた電力送電装置と、
電力受電装置側アクティブ電極、電力受電装置側パッシブ電極、および前記電力受電装置側アクティブ電極と前記電力受電装置側パッシブ電極との間に接続された負荷回路を備えた電力受電装置と、
を備えた電力伝送システムであって、
前記電力送電装置は請求項１〜６のいずれかに記載の電力送電装置である電力伝送システム。
【請求項１３】
電力送電装置側アクティブ電極、電力送電装置側パッシブ電極、および前記電力送電装置側アクティブ電極と前記電力送電装置側パッシブ電極との間に接続された高周波高電圧発生回路を備えた電力送電装置と、
電力受電装置側アクティブ電極、電力受電装置側パッシブ電極、および前記電力受電装置側アクティブ電極と前記電力受電装置側パッシブ電極との間に接続された負荷回路を備えた電力受電装置と、
を備えた電力伝送システムであって、
前記電力受電装置は請求項７〜１１のいずれかに記載の電力受電装置である電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は非接触で電力を伝送する電力送電装置、電力受電装置および電力伝送システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
容量結合により電力を伝送するシステムとして特許文献１が開示されている。
特許文献１の電力伝送システムは電力送電装置と電力受電装置とで構成される。電力送電装置は、パッシブ電極およびアクティブ電極の対で定義される起電電極（generating electrodes）ならびに高周波高電圧発生器を備える。電力受電装置は、パッシブ電極およびアクティブ電極の対で定義される誘起電極（electromotive electrodes）ならびに高周波高電圧負荷を備える。そして、起電電極のうちパッシブ電極にはアクティブ電極より低い電圧が印加され、誘起電極のうちパッシブ電極にはアクティブ電極より低い電圧が印加される。
【０００３】
図１は特許文献１の電力伝送システムの基本構成を示す図である。電力送電装置には、高周波高電圧発生回路１、パッシブ電極２およびアクティブ電極３を備えている。電力受電装置には、高周波高電圧負荷５、パッシブ電極７およびアクティブ電極６を備えている。そして、電力送電装置のアクティブ電極３と電力受電装置のアクティブ電極６とが高電圧電界領域４を介して近接することにより、アクティブ電極３とアクティブ電極６が、およびパッシブ電極２とパッシブ電極７がそれぞれ容量結合する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００９−５３１００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示されているような容量結合（電界結合）によって電力送電装置から電力受電装置へ電力伝送するシステムでは、電力伝送効率を高めるために高周波高電圧が必要である。そのために、電力送電装置側に昇圧回路が設けられ、電力受電装置側に降圧回路が設けられる。昇圧回路および降圧回路には一般に巻線トランスが用いられ、この巻線トランスの二次巻線に並列に共振コンデンサが接続される。この構成により、共振コンデンサのキャパシタンスと巻線トランスの二次側のリーケージインダクタンスとが共振して昇圧回路として作用する。
【０００６】
しかし、巻線トランスは、必要なインダクタンスを得るために要するサイズが大きく、低背化も難い。他の一般的な電子部品に比べて相対的にサイズが非常に大きいと言える。しかも、巻線トランスと他の回路との間で不要結合が生じやすい。特に共振型リーケージトランスである場合には漏れ磁束が大きい。これらの理由により、巻線トランスのレイアウトの制約があり、装置全体が大型になる、という課題がある。また、巻線トランスは、それが効果的にシールドされなければ、コイル性能（Ｑファクター）が近傍の導電性部材に強く影響を受けてしまう。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、巻線トランスを用いることによる上述の課題を回避して、小型軽量の電力送電装置、電力受電装置およ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】
【０００８】
本発明の電力送電装置は次のように構成する。
電力送電装置側アクティブ電極と、電力送電装置側パッシブ電極と、前記電力送電装置側アクティブ電極と前記電力送電装置側パッシブ電極との間に接続された高周波電圧発生回路と、を備え、
前記高周波高電圧発生回路は、ＬＣ共振回路を有する昇圧回路を含み、前記ＬＣ共振回路のインダクタを圧電素子で構成する。
【０００９】
また、本発明の電力受電装置は次のように構成する。
電力受電装置側アクティブ電極と、電力受電装置側パッシブ電極と、前記電力受電装置側アクティブ電極と前記電力受電装置側パッシブ電極との間に接続された負荷回路と、を備え、
前記高周波高電圧負荷回路は、ＬＣ共振回路を有する降圧回路を含み、前記ＬＣ共振回路のインダクタを圧電素子で構成する。
【００１０】
また、本発明の電力伝送システムは、前記電力送電装置のアクティブ電極と前記電力受電装置のアクティブ電極とが容量結合し、前記電力送電装置のパッシブ電極と前記電力受電装置のパッシブ電極とが容量結合するように構成される。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、装置全体を小型化できるとともに、漏れ磁界を抑制できる。また、伝送効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は特許文献１の電力伝送システムの基本構成を示す図である。
【図２】図２（Ａ）は第１の実施形態に係る電力送電装置１０１の回路図である。図２（Ｂ）は圧電共振子２１の等価回路図である。図２（Ｃ）は、高周波電圧発生器１１の発生する電圧の周波数が共振周波数ｆｒから反共振周波数ｆａまでの周波数帯内の或る周波数であるときの、第１の実施形態に係る電力送電装置１０１の等価回路図である。
【図３】図３は圧電共振子２１のインピーダンスと位相の周波数特性図である。
【図４】図４（Ａ）は第２の実施形態に係る電力受電装置２０１の回路図である。図４（Ｂ）は圧電共振子２２の等価回路図である。図４（Ｃ）は、キャパシタＣ２の容量結合によって受電する電圧の周波数が、図３に示した共振周波数ｆｒから反共振周波数ｆａまでの周波数帯内の或る周波数であるときの、第２の実施形態に係る電力受電装置２０１の等価回路図である。
【図５】図５は第３の実施形態に係る電力伝送システム３０１の回路図である。
【図６】図６は第３の実施形態に係る、開放端を縦方向に配置した電力伝送システム３０１の模式的な断面図である。
【図７】図７は第３の実施形態に係る電力伝送システム３０１の模式的な断面図である。
【図８】図８（Ａ）は第４の実施形態に係る電力送電装置１０２の回路図である。図８（Ｂ）は圧電共振子２１の等価回路図である。図８（Ｃ）は、高周波電圧発生器１１が発生する電圧の周波数が、共振周波数ｆｒから反共振周波数ｆａまでの周波数帯内の或る周波数であるときの、電力送電装置１０２の等価回路図である。
【図９】図９（Ａ）は第５の実施形態に係る電力受電装置２０２の回路図である。図９（Ｂ）は圧電共振子２２の等価回路図である。図９（Ｃ）は、キャパシタＣ２の容量結合によって受電する電圧の周波数が、図３に示した共振周波数ｆｒから反共振周波数ｆａまでの周波数帯内の或る周波数であるときの、電力受電装置２０２の等価回路図である。
【図１０】図１０は第６の実施形態に係る電力伝送システム３０２の回路図である。
【図１１】図１１（Ａ）は第７の実施形態に係る電力伝送システム３０３の回路図である。図１１（Ｂ）はその等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る電力送電装置について、図２・図３を参照して説明する。
【００１４】
図２（Ａ）は第１の実施形態に係る電力送電装置１０１の回路図である。電力送電装置１０１は、高周波電圧発生器１１、圧電共振子２１およびキャパシタＣ１を備えている。高周波電圧発生器１１に圧電共振子２１とキャパシタＣ１が直列に接続されている。
【００１５】
図２（Ｂ）は圧電共振子２１の等価回路図である。図３は圧電共振子２１のインピーダンスと位相の周波数特性図である。図３においてインピーダンス軸（縦軸）は対数スケール、周波数軸（横軸）はリニアスケールである。圧電共振子２１は、インダクタＬ１とキャパシタＣ１１の直列回路とキャパシタＣｏとの並列回路で表される。キャパシタＣ１１は機械的なバネやゴムの弾力に相当する等価コンプライアンス、インダクタＬ１は機械的な慣性力（質量やモーメント）に相当する等価インダクタンスである。キャパシタＣｏは電極間の容量（並列等価容量）にそれぞれ相当する。圧電共振子２１は、圧電体の外面に一対の電極が形成されたものである。圧電体は分極処理されている。そのため、圧電共振子２１は、共振周波数ｆｒでインダクタＬ１とキャパシタＣ１１の直列共振が生じ、反共振周波数ｆａで、主としてキャパシタＣｏとインダクタＬ１との並列共振が生じる。反共振周波数ｆａは共振周波数ｆｒより高い。この共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間の周波数帯域で、圧電共振子２１のインピーダンスはインダクタＬ１のインダクタンスが支配的となる。すなわち、図３に示すように、圧電共振子２１は反共振周波数ｆａと共振周波数ｆｒとの間の周波数帯域で位相が正である誘導性インピーダンスになり、等価的にインダクタとして作用する。共振周波数ｆｒより低い周波数帯域と反共振周波数ｆａより高い周波数帯域では位相が負である容量性インピーダンスになり、等価的にキャパシタとして作用する。
【００１６】
図２（Ｃ）は、高周波電圧発生器１１の発生する電圧の周波数が前記共振周波数ｆｒから反共振周波数ｆａまでの周波数帯内の或る周波数であるときの、第１の実施形態に係る電力送電装置１０１の等価回路図である。等価インダクタＬ１とキャパシタＣ１とで構成されるＬＣ共振回路の共振周波数は高周波電圧発生器１１が発生する高周波電圧の周波数に等しく、図２（Ｃ）に示す回路は昇圧回路として作用する。
【００１７】
第１の実施形態による電力送電装置によれば、図２（Ｃ）におけるインダクタＬ１を磁性体コアと巻線で構成した場合に比べて簡素な構成で小型化できるとともに漏れ磁界を抑制できる。
【００１８】
圧電共振子を含む圧電素子は巻き線コイルに比べてＱ値が高い。そのため圧電素子をインダクタに用いた場合、伝送効率を高めることができる。
【００１９】
《第２の実施形態》
図４（Ａ）は第２の実施形態に係る電力受電装置２０１の回路図である。電力受電装置２０１は、キャパシタＣ２、圧電共振子２２、および負荷ＲＬを備えている。キャパシタＣ２に圧電共振子２２と負荷ＲＬが直列に接続されている。
【００２０】
図４（Ｂ）は圧電共振子２２の等価回路図である。このように、圧電共振子２２は、インダクタＬ２とキャパシタＣ２１の直列回路とキャパシタＣｏとの並列回路で表される。この等価回路は、第１の実施形態で図２（Ｂ）に示したものと同様である。その周波数特性は図３に示したものと同様である。
【００２１】
図４（Ｃ）は、キャパシタＣ２の容量結合によって受電する電圧の周波数が、図３に示した共振周波数ｆｒから反共振周波数ｆａまでの周波数帯内の或る周波数であるときの、第２の実施形態に係る電力受電装置２０１の等価回路図である。インダクタＬ２とキャパシタＣ２とで構成されるＬＣ共振回路の共振周波数は、キャパシタＣ２の容量結合によって受電する電圧の周波数に等しく、図４（Ｃ）に示す回路は降圧回路として作用する。
【００２２】
第２の実施形態による電力送電装置によれば、図４（Ｃ）におけるインダクタＬ２を磁性体コアと巻線で構成した場合に比べて簡素な構成で小型化できるとともに漏れ磁界を抑制できる。
【００２３】
《第３の実施形態》
すべての電極は、誘電媒体（空気と真空を含む）によって相互に作用している。４つの電極（１つの電力送電装置の起電電極、１つの電力受電装置の誘起電極）の場合には準静電場（遠方界への放射は極めて少ない。）は、１０の異なる容量性係数を含む４×４マトリックスによって記述される。
【００２４】
系の表現として２ポートの場合には、電力伝送は２つの等価結合容量Ｃ１，Ｃ２および相互キャパシタンスＣｍまたは等価結合係数ｋによって典型的な回路構成で記述される。２ポート３係数カプリング・モデルを以下で参照する。これらの値は本来のマトリックスの１０の独立した一般的な係数に由来する。
【００２５】
いくつかの実際的な状況での動作は、多くの関係の特定の係数に支配される。例えば一方のアクティブ電極と他方のパッシブ電極との間の結合係数である。
【００２６】
図５は第３の実施形態に係る電力伝送システム３０１の回路図である。この電力伝送システム３０１は、第１の実施形態で示した電力送電装置１０１と第２の実施形態で示した電力受電装置２０１とで構成されている。電力送電装置１０１のキャパシタＣ１と電力受電装置２０１のキャパシタＣ２とは容量結合して、電力送電装置１０１から電力受電装置２０１へ電界によって電力が授受される。
【００２７】
ここで、相互キャパシタンスＣｍ  と結合係数ｋとは、
ｋ  ＝  Ｃｍ  ／  √（Ｃ１×Ｃ２）
の関係にある。
【００２８】
図６は、開放端を縦方向に配置して前記電力送電システム３０１を構成した例である。電力送電装置１０１には、高周波電圧発生器１１、圧電共振子２１、電力送電装置側パッシブ電極２および電力送電装置側アクティブ電極３を備えている。電力受電装置２０１には、圧電共振子２２、負荷ＲＬ、電力受電装置側パッシブ電極７および電力受電装置側アクティブ電極６を備えている。そして、電力送電装置１０１のアクティブ電極３と電力受電装置２０１のアクティブ電極６とが高電圧電界領域４を介して近接することにより、アクティブ電極３とアクティブ電極６が、およびパッシブ電極２とパッシブ電極７がそれぞれ容量結合する。
【００２９】
図７は第３の実施形態に係る電力伝送システム３０１の模式的な断面図である。この例では、電力送電装置１０１のパッシブ電極２と電力受電装置２０１のパッシブ電極７とが対向する。電力送電装置１０１の筐体の上面付近には、電力送電装置側アクティブ電極３と、このアクティブ電極３の周囲を絶縁状態で取り囲む電力送電装置側パッシブ電極２とが形成されている。また、電力送電装置１０１の筐体内に、アクティブ電極３とパッシブ電極２との間に高周波の高電圧を印加する高周波高電圧発生回路１が設けられている。この高周波高電圧発生回路１は、高周波電圧発生器１１、巻線トランスＴ１および圧電共振子２１により構成される回路である。
【００３０】
電力送電装置１０１の筐体は、例えばＡＢＳ樹脂などのプラスチックの成形体であり、筐体の内部にアクティブ電極３およびパッシブ電極２を一体成形することによって、筐体の外表面は絶縁構造になっている。
【００３１】
電力受電装置２０１の筐体の下面付近には、電力受電装置側アクティブ電極６と、その周囲を絶縁状態で取り囲む電力受電装置側パッシブ電極７が形成されている。また、電力受電装置２０１の筐体内には、アクティブ電極６とパッシブ電極７との間に誘起される電力の負荷回路５が設けられている。この負荷回路５は、圧電共振子２２、巻線トランスＴ２および負荷ＲＬにより構成される回路である。
【００３２】
電力受電装置２０１の筐体も例えばＡＢＳ樹脂などのプラスチックの成形体であり、筐体の内部にアクティブ電極６およびパッシブ電極７を一体成形することによって、筐体の外表面は絶縁構造になっている。
【００３３】
電力送電装置１０１のアクティブ電極３は円形状である。パッシブ電極２には、アクティブ電極３に対して同軸の円形の開口部を備えている。すなわち、アクティブ電極３から絶縁状態でアクティブ電極３を取り囲む位置にパッシブ電極２が配置されている。電力受電装置２０１についても、アクティブ電極６は円形状である。パッシブ電極７には、アクティブ電極６に対して同軸の円形の開口部を備えていて、アクティブ電極６から絶縁状態でアクティブ電極６を取り囲む位置にパッシブ電極７が配置されている。
【００３４】
図５に示したキャパシタＣ１は、アクティブ電極３とパッシブ電極２との間に生じるキャパシタンスに対応する。但し、このキャパシタンスはアクティブ電極３とパッシブ電極２との間に生じる設計上の容量以外に浮遊容量を含む。また、図５に示したキャパシタＣ２は、アクティブ電極６とパッシブ電極７との間に生じるキャパシタンスに対応する。但し、このキャパシタンスはアクティブ電極６とパッシブ電極７との間に生じる設計上の容量以外に浮遊容量を含む。
【００３５】
《第４の実施形態》
前述の高周波電圧発生器１１の発生する電圧が低く、且つ電力受電装置と強結合する場合は、第１の実施形態で示した電力送電装置１０１の前記共振による昇圧では、十分な電力伝送を行うために必要な高電圧が得られないことがある。このような場合に、ここで示す第４の実施形態のように電力送電装置の圧電共振子の前段に巻線トランスＴ１を設けて、圧電共振子２１への印加電圧を高めればよい。
【００３６】
第４の実施形態の電力送電装置について、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）を参照して説明する。
図８（Ａ）は第４の実施形態に係る電力送電装置１０２の回路図である。電力送電装置１０２は、高周波電圧発生器１１、巻線トランスＴ１、圧電共振子２１およびキャパシタＣ１を備えている。巻線トランスＴ１の一次側に高周波電圧発生器１１が接続され、巻線トランスＴ１の二次側に圧電共振子２１とキャパシタＣ１の直列回路が接続されている。
【００３７】
図８（Ｂ）は圧電共振子２１の等価回路図である。圧電共振子２１は、インダクタＬ１とキャパシタＣ１１の直列回路とキャパシタＣｏとの並列回路で表される。キャパシタＣ１１は機械的なバネやゴムの弾力に相当する等価コンプライアンス、インダクタＬ１は機械的な慣性力（質量やモーメント）に相当する等価インダクタンスである。キャパシタＣｏは電極間の容量（並列等価容量）にそれぞれ相当する。圧電共振子２１は、圧電体の外面に一対の電極が形成されたものである。圧電体は分極処理されている。そのため、圧電共振子２１は、共振周波数ｆｒでインダクタＬ１とキャパシタＣ１１の直列共振が生じ、反共振周波数ｆａで、主としてキャパシタＣｏとインダクタＬ１との並列共振が生じる。反共振周波数ｆａは共振周波数ｆｒより高い。この共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間の周波数帯域で、圧電共振子２１のインピーダンスはインダクタＬ１のインダクタンスが支配的となる。すなわち、図３に示すように、圧電共振子２１は反共振周波数ｆａと共振周波数ｆｒとの間の周波数帯域で位相が正である誘導性インピーダンスになり、等価的にインダクタとして作用する。共振周波数ｆｒより低い周波数帯域と反共振周波数ｆａより高い周波数帯域では位相が負である容量性インピーダンスになり、等価的にキャパシタとして作用する。
【００３８】
図８（Ｃ）は、高周波電圧発生器１１の発生する電圧の周波数が前記共振周波数ｆｒから反共振周波数ｆａまでの周波数帯内の或る周波数であるときの、第１の実施形態に係る電力送電装置１０１の等価回路図である。インダクタＬ１とキャパシタＣ１とで構成されるＬＣ共振回路（正確には、巻線トランスＴ１の二次側リーケージインダクタンスおよびインダクタＬ１のインダクタンスの合成インダクタンスとキャパシタＣ１のキャパシタンスとによるＬＣ共振回路）の共振周波数は高周波電圧発生器１１が発生する高周波電圧の周波数に等しくしておく。このことによって、巻線トランスＴ１と前記ＬＣ共振回路とによって昇圧回路として作用する。巻線トランスＴ１の一次巻線と二次巻線の巻回数は、キャパシタＣ１に対して所定の高電圧を出力するために要する昇圧比となるように適宜定める。例えば、高周波電圧発生器１１は５〜１２Ｖの高周波電圧を発生し、巻線トランスＴ１はこの電圧を５０〜２４０Ｖに昇圧する。
【００３９】
第４の実施形態による電力送電装置によれば、図２（Ｃ）におけるインダクタＬ１を磁性体コアと巻線で構成した場合に比べて小型化できるとともに漏れ磁界を抑制できる。また、図２（Ｃ）の等価回路におけるインダクタＬ１を巻線トランスの二次側のリーケージインダクタンスで構成する場合に比べて巻線トランスを小型に構成できる。
【００４０】
圧電共振子を含む圧電素子は巻き線コイルに比べてＱが高い。そのため圧電素子をインダクタに用いた場合、伝送効率を高めることができる。
【００４１】
なお、巻線トランスＴ１は不要磁束の漏洩の少ない磁性体コアが巻線の外側にある外磁型トランスのように、閉磁構造のトランスである方が、不要磁束の漏洩を抑制する上で望ましい。
また、巻き線トランスＴ１の結合係数は高くした方が好ましい。
また、高周波電圧発生器１１の発生する高周波電圧が十分に高電圧である場合、巻き線トランスＴ１を省略することができる。
【００４２】
《第５の実施形態》
電力送電装置の発生する電圧が低く、且つその電力送電装置と強結合する場合は、第２の実施形態で示した電力受電装置２０１の前記共振による降圧では、十分な電力伝送ができないことがある。このような場合に、ここで示す第５の実施形態のように、電力受電装置の圧電共振子の後段に巻線トランスＴ２を設けて、必要な降圧比で所定の電圧を得るようにすればよい。
【００４３】
図９（Ａ）は第５の実施形態に係る電力受電装置２０２の回路図である。電力受電装置２０２は、キャパシタＣ２、圧電共振子２２、巻線トランスＴ２および負荷ＲＬを備えている。巻線トランスＴ２の一次側に圧電共振子２２とキャパシタＣ２の直列回路が接続され、巻線トランスＴ２の二次側に負荷ＲＬが接続されている。
【００４４】
図９（Ｂ）は圧電共振子２２の等価回路図である。このように、圧電共振子２２は、インダクタＬ２とキャパシタＣ２１の直列回路とキャパシタＣｏとの並列回路で表される。この等価回路は、第１の実施形態で図２（Ｂ）に示したものと同様である。その周波数特性は図３に示したものと同様である。
【００４５】
図９（Ｃ）は、キャパシタＣ２の容量結合によって受電する電圧の周波数が、図３に示した共振周波数ｆｒから反共振周波数ｆａまでの周波数帯内の或る周波数であるときの、第５の実施形態に係る電力受電装置２０２の等価回路図である。インダクタＬ２とキャパシタＣ２とで構成されるＬＣ共振回路（正確には、巻線トランスＴ２の一次側リーケージインダクタンスおよびインダクタＬ２のインダクタンスの合成インダクタンスとキャパシタＣ２のキャパシタンスとによるＬＣ共振回路）の共振周波数は、キャパシタＣ２の容量結合によって受電する電圧の周波数に等しくしておく。このことによって、巻線トランスＴ２と前記ＬＣ共振回路とによって降圧回路として作用する。巻線トランスＴ２の一次巻線と二次巻線の巻回数は、負荷ＲＬに対して所定電圧を出力するために要する降圧比となるように適宜定める。例えば、キャパシタＣ２に１００〜３ｋＶの高周波電圧が誘起され、巻線トランスＴ２はこの電圧を５〜２４Ｖに降圧する。
【００４６】
第５の実施形態による電力送電装置によれば、図９（Ｃ）におけるインダクタＬ２を磁性体コアと巻線で構成した場合に比べて小型化できるとともに漏れ磁界を抑制できる。また、図９（Ｃ）の等価回路におけるインダクタＬ２を巻線トランスの一次側のリーケージインダクタンスで構成する場合に比べて巻線トランスを小型に構成できる。
【００４７】
なお、巻線トランスＴ２は不要磁場の少ない磁性体コアが巻線の外側にある外磁型トランスのように、閉磁構造のトランスである方が、不要磁束の漏洩を抑制する上で望ましい。
【００４８】
《第６の実施形態》
図１０は第６の実施形態に係る電力伝送システム３０２の回路図である。この電力伝送システム３０２は、第４の実施形態で示した電力送電装置１０２と第５の実施形態で示した電力受電装置２０２とで構成されている。電力送電装置１０２のキャパシタＣ１と電力受電装置２０２のキャパシタＣ２とは容量結合して、電力送電装置１０２から電力受電装置２０２へ電界によって電力が授受される。
【００４９】
図１０に示したキャパシタＣ１は、アクティブ電極３とパッシブ電極２との間に生じるキャパシタンスに対応する。但し、このキャパシタンスはアクティブ電極３とパッシブ電極２との間に生じる設計上の容量以外に浮遊容量を含む。また、図１０に示したキャパシタＣ２は、アクティブ電極６とパッシブ電極７との間に生じるキャパシタンスに対応する。但し、このキャパシタンスはアクティブ電極６とパッシブ電極７との間に生じる設計上の容量以外に浮遊容量を含む。
【００５０】
《第７の実施形態》
図１１（Ａ）は第７の実施形態に係る電力伝送システム３０３の回路図、図１１（Ｂ）はその等価回路図である。この電力伝送システム３０３は電力送電装置１０３と電力受電装置２０３とで構成される。
【００５１】
電力送電装置１０３は、高周波電圧発生器１１、圧電トランス３１およびキャパシタＣ１で構成されている。電力受電装置２０３はキャパシタＣ２、圧電トランス３２および負荷ＲＬで構成されている。
【００５２】
圧電トランス３１は、直方体状の圧電体セラミックスに一次側電極Ｅ１１，Ｅ１２および二次側電極Ｅ２０が形成されている。圧電体の一次側は電極Ｅ１１から電極Ｅ１２方向に分極されている。また、圧電体の二次側は電極Ｅ１１，Ｅ１２から電極Ｅ２０方向に分極されている。一次側の電極Ｅ１１，Ｅ１２間に高周波電圧が印加されると、そのエネルギーは一次側の逆圧電効果によって弾性エネルギーに変換され、弾性エネルギーは二次側の圧電効果によって再び電気エネルギーに変換される。
【００５３】
図１１（Ｂ）に示すように、圧電トランス３１の等価回路は理想変圧器Ｔ１１、キャパシタＣ１０，Ｃ１１，Ｃ１２、およびインダクタＬ１１で表される。キャパシタＣ１０，Ｃ１２は浮遊容量であり、キャパシタＣ１１とインダクタＬ１１は電気機械的なパラメータである。圧電トランス３１の共振周波数は主にキャパシタＣ１１とインダクタＬ１１による共振回路の共振で定まる。電気エネルギー変換は弾性振動を介するため、圧電体セラミックスの弾性波伝搬速度と寸法で決まる固有共振周波数付近の周波数で使用される。すなわち、高周波電圧発生器１１が発生する高周波電圧の周波数は圧電トランス３１の共振周波数近傍の周波数に定められている。
【００５４】
圧電トランス３２も圧電トランス３１と基本的な構造は同じである。但し、一次側と二次側とが逆の関係であり、圧電トランス３２の一般的には二次側である電極Ｅ２０からエネルギーが入力され、一般的には一次側である電極Ｅ１１，Ｅ１２からエネルギーが出力される。
【００５５】
図１１（Ｂ）に示すように、圧電トランス３２の等価回路は理想変圧器Ｔ２１、キャパシタＣ２０，Ｃ２１，Ｃ２２、およびインダクタＬ２１で表される。キャパシタＣ２０，Ｃ２２は浮遊容量であり、キャパシタＣ２１とインダクタＬ２１は電気機械的なパラメータである。圧電トランス３２の共振周波数は主にキャパシタＣ２１とインダクタＬ２１による共振回路の共振で定まる。キャパシタＣ２に誘起される電圧が電極Ｅ２０に印加されると、そのエネルギーは二次側の逆圧電効果によって弾性エネルギーに変換され、弾性エネルギーは一次側の圧電効果によって再び電気エネルギーに変換される。前記高周波電圧発生器１１が発生する高周波電圧の周波数は圧電トランス３２の共振周波数に定められている。
【００５６】
例えば、高周波電圧発生器１１は５〜１２Ｖの高周波電圧を発生し、圧電トランス３１はこの電圧を１００〜３ｋＶに昇圧する。また、圧電トランス３２はキャパシタＣ２に誘起される電圧１００〜３ｋＶを５〜１２Ｖに降圧して負荷ＲＬへ出力する。
【００５７】
このようにして、昇圧回路に圧電トランスを用いることにより、昇圧用の巻線トランスを用いる場合に比べて電力送電装置を小型化できるとともに漏れ磁界を抑制できる。
【００５８】
また、通常は昇圧トランスとして用いられる圧電トランスを、電力受電装置において降圧トランスとして用いることにより、降圧用の巻線トランスを用いる場合に比べて電力受電装置を小型化できるとともに漏れ磁界を抑制できる。
【００５９】
《第８の実施形態》
普通のコイルに比較して、圧電体の極めて高いＱ値は、二つの同調回路間の極めて鋭いチューニング条件を内包している。一次電極間に或る一定電圧を交流電圧に加えると、この電圧は圧電体に一定の応力（バイアス）を加えることになり、共振周波数をわずかに変えることができる。その結果、Ｑ値に対する影響が小さいままでチューニングできる。このチューニング技術は、電力送電装置と電力受電装置との間の結合状態を適応させるために用いることができる。もちろん、他の機械的な、あるいは純電気的な可変コンデンサや可変インダクタを用いることもできる。
【００６０】
《他の実施形態》
以上に示した各実施形態では、負荷ＲＬが交流負荷である例を示したが、整流平滑回路を備えることによって直流負荷に適用することもできる。
【００６１】
第４の実施形態では電力送電装置１０２と電力受電装置２０２の両方に巻線トランスを設け、第５の実施形態では電力送電装置１０３と電力受電装置２０３の両方に圧電トランスを設けたが、電力送電装置と電力受電装置のいずれかに巻線トランスを設け、他方に圧電共振子または圧電トランスを設けてもよい。
【００６２】
また、圧電トランスと変圧回路とを組み合わせてもよい。例えば、電力送電装置において、圧電トランスだけでは昇圧比が足りない場合や、巻線トランスだけでは昇圧比が足りないような場合に、巻線トランスで昇圧した電圧で圧電トランスを駆動するように構成してもよい。同様に、電力受電装置において、圧電トランスだけでは降圧比が足りない場合や、巻線トランスだけでは降圧比が足りないような場合に、圧電トランスで降圧した電圧を巻線トランスで更に降圧するように構成してもよい。また、このように組み合わせることによって、高インピーダンスの容量結合部と低インピーダンスの高周波電圧発生回路とのインピーダンス整合、または高インピーダンスの容量結合部と低インピーダンスの負荷とのインピーダンス整合をとることができる。
【符号の説明】
【００６３】
Ｃ１，Ｃ２…キャパシタ
Ｃ１０，Ｃ１１，Ｃ１２…キャパシタ
Ｃ２０，Ｃ２１，Ｃ２２…キャパシタ
Ｃｏ…キャパシタ
Ｅ１１，Ｅ１２…一次側電極
Ｅ２０…二次側電極
Ｌ１…インダクタ
Ｌ１１…インダクタ
Ｌ２…インダクタ
Ｌ２１…インダクタ
ＲＬ…負荷
Ｔ１…巻線トランス
Ｔ１１…理想変圧器
Ｔ２…巻線トランス
Ｔ２１…理想変圧器
１…高周波高電圧発生回路
２…電力送電装置側パッシブ電極
３…電力送電装置側アクティブ電極
５…負荷回路
６…電力受電装置側アクティブ電極
７…電力受電装置側パッシブ電極
１１…高周波電圧発生器
２１，２２…圧電共振子
３１，３２…圧電トランス
１０１，１０２，１０３…電力送電装置
２０１，２０２，２０３…電力受電装置
３０１，３０２，３０３…電力伝送システム
【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】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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