(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を出力する電源回路と前記直流電圧を一定周波数の高周波電圧に変換するインバータ回路と前記インバータ回路から前記高周波電圧を供給される電力送電用１次コイルとから構成される非接触コンセントと、前記電力送電用１次コイルと分離着脱自在なトランス構造を構成して高周波電圧を誘起される電力受電用２次コイルと前記電力受電用２次コイルに誘起される高周波電圧を整流平滑する整流平滑回路とから構成される非接触プラグと、前記非接触プラグの出力端子に接続され負荷となる端末機器とから構成される非接触電力伝達装置において、前記非接触コンセントは、対象としている負荷領域に対する前記非接触プラグの出力端子電圧が所定の電圧を上回った場合には、インバータ回路から電力送電用１次コイルへの高周波電圧の供給を一定時間間引き、前記一定時間間引きを行った後非接触プラグの出力端子電圧が前記所定の電圧を上回っていれば再び電力送電用１次コイルへの前記高周波電圧の供給を一定時間間引くことを繰り返し、前記各一定時間間引きを行った後で非接触プラグの出力端子電圧が所定の電圧を下回った場合には、非接触プラグの出力端子電圧が所定の電圧を上回るまで電力送電用１次コイルへの前記高周波電圧の供給を連続的に行う動作を継続させることを特徴とする非接触電力伝達装置。
【請求項２】
非接触プラグは、非接触プラグ内部の電気状態を表す情報を磁気信号に変換して非接触コンセントに伝送し、前記制御手段は、前記磁気信号に基づいて間引き制御のための制御信号を形成し、前記制御信号によりインバータ回路を間引き制御することを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝達装置。
【請求項３】
インバータ回路は、ハーフブリッジ型の部分共振インバータであることを特徴とする請求項１または２記載の非接触電力伝達装置。
【請求項４】
電力受電用２次コイルはセンタータップを備え、整流平滑回路は、電力受電用２次コイルのセンタータップではない両出力端に直列に且つ互いに逆方向に接続する整流素子の電力受電用２次コイルに接続していない各他端同士を接続した全波整流部を有し、前記整流素子の接続中点にチョークコイルを接続することを特徴とする請求項３記載の非接触電力伝達装置。
【請求項５】
電力受電用２次コイルに並列にコンデンサを接続することを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の非接触電力伝達装置。
【請求項６】
前記コンデンサの静電容量値は、対象とする負荷領域の最大負荷時において、電力送電用１次コイルに供給される高周波電圧の極性反転時期と、前記コンデンサの両端に発生する振動電圧が極大値または極小値となる時期とが一致する静電容量値であることを特徴とする請求項５記載の非接触電力伝達装置。
【請求項７】
非接触コンセントに１次側信号受信コイルを設け、非接触プラグには前記１次側信号受信コイルに対向配置され前記１次側信号受信コイルと分離着脱自在なトランス構造を構成する２次側信号送信コイルを設け、前記２次側信号送信コイルは非接触プラグの内部の電気状態を表す情報を交流電圧に変換した信号を入力され、磁気信号として磁束信号を発生し、前記１次側信号受信コイルは前記磁束信号により電圧を誘起され、前記制御手段はインバータ回路を前記誘起された電圧に基づいた制御信号により前記間引き制御することを特徴とする請求項２乃至６いずれか記載の非接触電力伝達装置。
【請求項８】
電力送電用１次コイルと１次側信号受信コイルとの間、及び電力受電用２次コイルと２次側信号送信コイルとの間の少なくとも一方の間に磁性体からなる磁気シールド用隔壁を設けたことを特徴とする請求項７記載の非接触電力伝達装置。
【請求項９】
電力送電用１次コイルと電力受電用２次コイルとを、磁性体からなるコアに巻装し、前記コアを互いに前記コアの軸方向に対向配置させたことを特徴とする請求項８記載の非接触電力伝達装置。
【請求項１０】
電力送電用１次コイルと電力受電用２次コイルとを、前記コイルの軸方向に垂直な方向に開口部を有する有底筒型の磁性体からなるコアに巻装し、前記コアを互いに前記コアの軸方向に対向配置させ、前記コアの非開口部の近傍に１次側信号受信コイルと２次側信号送信コイルとを配置したことを特徴とする請求項８記載の非接触電力伝達装置。
【請求項１１】
２次側信号送信コイルは、非接触プラグの内部の電気状態を表す情報を交流電圧に変換した信号を入力されて、電力送電用１次コイルが発生させる磁束とは逆位相の位相を有する磁束信号を発生することを特徴とする請求項７乃至１０いずれか記載の非接触電力伝達装置。
【請求項１２】
２次側信号送信コイルの一方の端子は、電力受電用２次コイルのどちらか一方の端子に接続していることを特徴とする請求項１１記載の非接触電力伝達装置。
【請求項１３】
非接触コンセントは、電力送電用１次コイルの近傍に電力送電用１次コイルと電力受電用２次コイルとの間に発生する磁束を検出する磁束検出用コイルを設け、前記磁束検出用コイルは、磁気信号として電力送電用１次コイルで発生する磁束を検出し、前記磁束検出用コイルから前記検出する磁束に応じて出力される電圧に基づいて前記制御手段は、インバータ回路を間引き制御することを特徴とする請求項２乃至６いずれか記載の非接触電力伝達装置。
【請求項１４】
電力送電用１次コイルと電力受電用２次コイルとを、前記コイルの軸方向に垂直な方向に開口部を有する有底筒型の磁性体からなるコアに設けて前記コアを互いに前記コアの軸方向に対向配置させ、前記電力送電用１次コイルのコアの開口部の近傍に前記磁束検出用コイルを配置したことを特徴とする請求項１３記載の非接触電力伝達装置。
【請求項１５】
一つの非接触コンセントは、出力電圧の異なる複数の非接触プラグに適合し、各非接触プラグが対象としている負荷領域を含む全領域において前記各非接触プラグの出力電圧を所定の電圧範囲内に収める前記制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至１４いずれか記載の非接触電力伝達装置。
【請求項１６】
非接触プラグの出力端子に並列に抵抗を接続することを特徴とする請求項１乃至１５いずれか記載の非接触電力伝達装置。
【請求項１７】
非接触プラグが非接触コンセントの所定の位置に結合していない場合は、前記制御手段は、インバータ回路から電力送電用１次コイルへ供給する出力を制限することを特徴とする請求項１乃至１６いずれか記載の非接触電力伝達装置。
【請求項１８】
非接触コンセントはインバータ回路から電力送電用１次コイルへの高周波電圧の供給の制限を制御するスイッチ機能を備え、非接触プラグは前記スイッチ機能のオン・オフ状態を制御する駆動体を備え、非接触プラグが非接触コンセントの所定の位置に結合すると前記スイッチ機能を動作させることで前記制御手段はインバータ回路から電力送電用１次コイルへの高周波電圧の供給を可能にすることを特徴とする請求項１７記載の非接触電力伝達装置。
【請求項１９】
非接触コンセントの前記スイッチ機能が機械接点からなり、非接触プラグが備える駆動体は磁石からなり、非接触プラグが非接触コンセントの所定の位置に結合すると前記磁石の磁力によって前記機械接点が動作して、前記制御手段はインバータ回路から電力送電用１次コイルへの高周波電圧の供給を可能にすることを特徴とする請求項１８記載の非接触電力伝達装置。
【請求項２０】
非接触プラグが非接触コンセントの所定の位置に結合すると、非接触プラグ及び非接触コンセントの少なくともどちらか一方に使用可能を報知する表示を行うことを特徴とする請求項１乃至１９いずれか記載の非接触電力伝達装置。
【請求項２１】
非接触コンセント及び非接触プラグの少なくともどちらか一方は、非接触プラグの出力端子に接続された端末機器の負荷電力、及び非接触プラグの出力電圧の少なくともどちらか一方を表示する表示部を付加したことを特徴とする請求項１乃至２０いずれか記載の非接触電力伝達装置。
【請求項２２】
非接触プラグの出力端子に接続される端末機器は前記非接触プラグに対して、分離着脱自在なことを特徴とする請求項１乃至２１いずれか記載の非接触電力伝達装置。
【請求項２３】
非接触プラグの出力端子から端末機器への電力の供給は、磁気結合によって供給されることを特徴とする請求項２２記載の非接触電力伝達装置。
【請求項２４】
非接触プラグの出力端子間に、電圧クランプ素子を接続することを特徴とする請求項１乃至２３いずれか記載の非接触電力伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触電力伝達装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電磁誘導を利用した非接触電力伝達の実用化が盛んに行われている。これらは負荷が特定されているものが大半であり、複数の負荷を対象としたり、単独負荷であってもその負荷電流が大きく変わる場合の実用化例は見当たらない。非接触電力伝達では電力供給側となる１次側と負荷を持つ２次側との間に電気的絶縁物があり、電力供給側の１次側コイルと負荷側の２次側コイルとで分離着脱できる構造を有するトランスを介して電力を伝達する。図２７に前記トランスによる非接触電力伝達装置の従来例１の概略構成図を示す。１次側は、電力供給側の１次側コイルＬ１の両端に、インバータ回路（本従来例では省略）で生成された可聴域周波数以上である約２０ＫＨｚ以上の高周波電圧Ｖ１が印加されて構成され、２次側は、１次側コイルＬ１との間に磁気結合度Ｍを有する負荷側の２次側コイルＬ２と、２次側コイルＬ２に誘起された電圧を整流する平滑整流回路２０と、平滑整流回路２０の出力端に接続される負荷である負荷３ａとから構成され、１次側コイルＬ１と２次側コイルＬ２とで分離着脱できる構造を有する電力送受用トランスＴ１を構成している。図２８は、電力送受用トランスＴ１の構造を示す。電力を供給する１次側は、磁性材料からなるＥ型コアＡ４に設けられた１次側コイルＬ１を有し、１次側から電力を供給される２次側も同様に磁性材料からなるＥ型コアＡ４に設けられた２次側コイルＬ２を有し、互いに電気的絶縁ＧＡＰ１１６を介して対向設置されている。このような分離着脱できる電力送受用トランスＴ１においては、漏れ磁束Ｆ１が生じ、１次側コイルＬ１と２次側コイルＬ２との磁気結合度Ｍは低下する。ここで図２９に、図２７の回路を２次側に換算した等価回路を示す。２次側コイルＬ２の誘起電圧を有する電圧源Ｅ２の出力に直列に漏れインダクタンスＬ４が接続され、平滑整流回路２０を介して負荷３ａに接続される。前述のように磁気結合度Ｍが低下して１次コイルＬ１で生じる総磁束の内２次側コイルＬ２の鎖交磁束Ｆ２が少なくなると、漏れ磁束Ｆ１による漏れインダクタンスＬ４が生じる。また、１次側コイルＬ１の両端に印可される電圧Ｖ１は可聴域周波数以上である約２０ＫＨｚ以上の高周波で駆動されるため、磁気結合度Ｍが低く漏れインダクタンスＬ４を有する電力送受用トランスＴ１を介して負荷３ａへ電力を伝達する場合、２次コイルＬ２の誘起電圧即ち、電圧源Ｅ２の電圧は低下し、漏れインダクタンスＬ４による誘導リアクタンスのために電圧降下を起こし、結果として出力端子電圧Ｖ３は低下する。図３０は図２９に示す負荷電流Ｉ３に対する出力端子電圧Ｖ３の特性１１７ａ及び負荷電力Ｐの特性１１８ａを示した図である。出力端子電圧Ｖ３は漏れインダクタンスＬ４による交流インピーダンスのために線形的に低下する。また、負荷電力Ｐは、負荷電流Ｉ３が所定の電圧以下では負荷電流Ｉ３が増加するにしたがって負荷電力Ｐも増加するが、負荷電流Ｉ３が所定の電圧以上になると負荷電流Ｉ３が増加するにしたがって負荷電力Ｐは低下する。このような特性を持つ場合には、一定電圧入力で動作する異なる負荷電流の機器を負荷３ａとして設けた場合、負荷電流Ｉ３が所定の電流値以上では増加するほど、出力端子電圧Ｖ３は低下し、負荷７の定電圧入力条件を外れてしまい、本来の性能を発揮できなくなる。
【０００３】
また、非接触電力伝達において非接触充電の場合には２次コイルＬ２に並列または直列にコンデンサを接続して負荷整合による力率改善を行い、前記漏れインダクタンスＬ４の影響を補い２次側で取り出すことのできる有効電力を増加させる場合が多い。図３１の回路図は前記図２７の２次側コイルＬ２に並列にコンデンサＣ２を接続したもので、図３２は図３１の回路を２次側に換算した等価回路を示し、２次側コイルＬ２の誘起電圧を有する電圧源Ｅ２の出力に直列に漏れインダクタンスＬ４が接続され、漏れインダクタンスＬ４を介して電圧源Ｅ２に並列にコンデンサＣ２が接続され、コンデンサＣ２の両端は整流平滑回路２０を介して負荷３ａに接続される。前記コンデンサＣ２を接続することにより電力伝送効率が大幅に向上し、小型化ができる。負荷３ａに充電を行う場合には出力端子電圧Ｖ３は例えば電池電圧となりほぼ一定である。しかし、負荷３ａが定電圧負荷ではない例えば抵抗のような負荷に対しては、図３３の負荷電流Ｉ３に対する出力端子電圧Ｖ３の特性１１７ｂ及び負荷電力Ｐの特性１１８ｂに示すようにコンデンサＣ２が接続されている場合には接続されていない場合に比べて、負荷電流Ｉ３が増加すると出力端子電圧Ｖ３の低下が顕著に見られる。また負荷電力Ｐがピークとなる点Ｋ付近の出力端子電圧Ｖ３の時に最適な負荷整合が行われ、負荷電流Ｉ３がこのＫ点での負荷電流より大きい領域では、出力端子電圧Ｖ３が急速に低下する。負荷電流Ｉ３がＫ点での負荷電流よりも小さい領域でも負荷電流Ｉ３に反比例して出力端子電圧Ｖ３は低下している。そして、負荷電流Ｉ３が非常に小さい領域では出力端子電圧Ｖ３は急に大きくなっている。
【０００４】
前述のような特性や特徴を持つ非接触電力伝送において図３４の負荷電流Ｉ３に対する出力端子電圧Ｖ３の特性１１７ｃ及び負荷電力Ｐの特性１１８ｃに示すように、出力端子電圧Ｖ３を、負荷電流Ｉ３の異なる負荷に対して出力端子電圧Ｖ３を対象とする全ての負荷領域で一定として安定化させる方法が望まれる。この安定した特性を得るために通常のスイッチング電源の電圧制御で行われるように、２次側の出力端子電圧Ｖ３を検出し、基準電圧と比較、誤差増幅し、１次側に誤差増幅した信号を非接触で伝送して１次側の駆動電圧振幅、周波数、デューティ及び間引き率を制御するフィードバック制御方法を検討したところ、いずれも従来技術では不都合を生じることが判明した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
非接触伝送では、通常のスイッチング電源に比べて、漏れ磁束Ｆ１によるノイズが少し多くなることと、負荷整合を施しても回路効率が少し低下することから、１次コイルＬ１に印可される高周波電圧Ｖ１を生成するためのインバータ回路は共振型インバータを採用することが最適である。そして、安定化したい電圧領域で、対象とする最大負荷電流時において最適負荷整合を行うこと、即ち２次側に接続されるコンデンサＣ２の静電容量を、負荷整合を行うのに最適な値に設定することが最良である。
【０００６】
ところが、前述の回路方式において無負荷時から全負荷時にわたって出力端子電圧Ｖ３を一定にする安定化を行う場合、不都合がある。２次側に接続した負荷整合用のコンデンサＣ２は、全ての負荷電流領域において接続されているため１次コイルＬ１に印可される高周波電圧Ｖ１を生成するためのインバータ回路が、ＰＷＭ方式及び周波数可変方式では、周波数やデューティ比の変化幅が大きいと回路動作が不安定になる場合がある。これは図３２に示す２次側等価回路に示すように２次側コイルＬ２の誘起電圧を有する電圧源Ｅ２には、漏れインダクタンスＬ４とコンデンサＣ２とが直列に接続された直列共振回路が接続されているため、１次コイルＬ１に印可される高周波電圧Ｖ１の周波数やデューティ比が大きく変化して２次側コイルＬ２に誘起する電圧の周波数やデューティ比が大きく変化すると、前記直列共振回路の動作も大きく変化するためであると考えられる。もし、この影響が無視できたとしても、負荷電流Ｉ３を非常に大きく変化させなければならない時（例えば１００倍の変化幅がある時）には、１次コイルＬ１に印可される高周波電圧Ｖ１の周波数やデューティ比も非常に大きく変化させなければならないため、特に軽負荷、無負荷近辺での制御が回路動作の実用限界を超えて制御不能になる場合がある。
【０００７】
また１次コイルＬ１に印可される高周波電圧Ｖ１を生成するためのインバータ回路が、従来の間引き制御を行った場合には、従来の間引き制御は、「１次コイルＬ１に印可される高周波電圧Ｖ１を固定周波数で連続駆動させる中で、出力端子電圧の検出電圧が安定化したい目標電圧を超えた場合にインバータを休止させる制御方法」であり、この方法も軽負荷、無負荷近辺において、目標電圧付近で、駆動周波数の１周期にも満たないオン・オフ動作が頻繁に行われ、共振型インバータのメリットである低損失のソフトスイッチングが行われず、ハードスイッチングを行ってスイッチング損失が増加すると共に、強いノイズ源となる。
【０００８】
そしてこれらの制御方式は、従来技術では、２次側の出力端子電圧Ｖ３などの情報は光信号を利用したフォトカプラを介して、１次側のインバータ回路の駆動電圧振幅、周波数、デューティ比及び間引き率を制御するフィードバック制御であった。しかし、非接触電力伝達装置においては、浴室や屋外などの水まわりや汚れの多いところ悪環境で使われる場合にそのメリットが出るため、まわりの明るさや、汚れ等の影響を受ける光信号を利用する技術手段は採用が難しい。
【０００９】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い負荷範囲で出力端子電圧を一定値に安定化できる非接触電力伝達装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、直流電圧を出力する電源回路と前記直流電圧を一定周波数の高周波電圧に変換するインバータ回路と前記インバータ回路から前記高周波電圧を供給される電力送電用１次コイルとから構成される非接触コンセントと、前記電力送電用１次コイルと分離着脱自在なトランス構造を構成して高周波電圧を誘起される電力受電用２次コイルと前記電力受電用２次コイルに誘起される高周波電圧を整流平滑する整流平滑回路とから構成される非接触プラグと、前記非接触プラグの出力端子に接続され負荷となる端末機器とから構成される非接触電力伝達装置において、前記非接触コンセントは、対象としている負荷領域に対する前記非接触プラグの出力端子電圧が所定の電圧を上回った場合には、インバータ回路から電力送電用１次コイルへの高周波電圧の供給を一定時間間引き、前記一定時間間引きを行った後非接触プラグの出力端子電圧が前記所定の電圧を上回っていれば再び電力送電用１次コイルへの前記高周波電圧の供給を一定時間間引くことを繰り返し、前記各一定時間間引きを行った後で非接触プラグの出力端子電圧が所定の電圧を下回った場合には、非接触プラグの出力端子電圧が所定の電圧を上回るまで電力送電用１次コイルへの前記高周波電圧の供給を連続的に行う動作を継続させることを特徴とし、広い負荷範囲で出力端子電圧を一定値に安定化できる非接触電力伝達装置を提供することができる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、非接触プラグは、非接触プラグ内部の電気状態を表す情報を磁気信号に変換して非接触コンセントに伝送し、前記制御手段は、前記磁気信号に基づいて間引き制御のための制御信号を形成し、前記制御信号によりインバータ回路を間引き制御することを特徴とし、電圧安定化のためのフィードバック信号に磁気信号を使うため、まわりの明るさや汚れの影響を受けずに、広い負荷範囲で出力端子電圧を一定値に安定化できる非接触電力伝達装置を提供することができる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、インバータ回路は、ハーフブリッジ型の部分共振インバータであることを特徴とし、故障時の出力電圧の上昇を抑えることができる。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、電力受電用２次コイルはセンタータップを備え、整流平滑回路は、電力受電用２次コイルのセンタータップではない両出力端に直列に且つ互いに逆方向に接続する整流素子の電力受電用２次コイルに接続していない各他端同士を接続した全波整流部を有し、前記整流素子の接続中点にチョークコイルを接続することを特徴とし、整流部を小型化することができる。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１乃至４いずれかの発明において、電力受電用２次コイルに並列にコンデンサを接続することを特徴とし、負荷整合をとることで１次側から２次側へ伝達できる有効電力を増加させることができる。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記コンデンサの静電容量値は、対象とする負荷領域の最大負荷時において、電力送電用１次コイルに供給される高周波電圧の極性反転時期と、前記コンデンサの両端に発生する振動電圧が極大値または極小値となる時期とが一致する静電容量値であることを特徴とし、最適な負荷整合を行って回路効率を向上させることができる。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項２乃至６いずれかの発明において、非接触コンセントに１次側信号受信コイルを設け、非接触プラグには前記１次側信号受信コイルに対向配置され前記１次側信号受信コイルと分離着脱自在なトランス構造を構成する２次側信号送信コイルを設け、前記２次側信号送信コイルは非接触プラグの内部の電気状態を表す情報を交流電圧に変換した信号を入力され、磁気信号として磁束信号を発生し、前記１次側信号受信コイルは前記磁束信号により電圧を誘起され、前記制御手段はインバータ回路を前記誘起された電圧に基づいた制御信号により前記間引き制御することを特徴とし、電圧安定化のためのフィードバック信号に磁束信号を使うため、まわりの明るさや汚れの影響を受けずに、広い負荷範囲で出力端子電圧を一定値に安定化できる非接触電力伝達装置を提供することができる。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、電力送電用１次コイルと１次側信号受信コイルとの間、及び電力受電用２次コイルと２次側信号送信コイルとの間の少なくとも一方の間に磁性体からなる磁気シールド用隔壁を設けたことを特徴とし、信号送受用トランスに鎖交する電流送授用トランスで発生する磁束を低減させて、正確な電圧安定化のための磁束信号を送受信することができる。
【００１８】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、電力送電用１次コイルと電力受電用２次コイルとを、磁性体からなるコアに巻装し、前記コアを互いに前記コアの軸方向に対向配置させたことを特徴とし、信号送受用トランスに鎖交する電流送授用トランスで発生する磁束を低減させて、正確な電圧安定化のための磁束信号を送受信することができる。
【００１９】
請求項１０の発明は、請求項８の発明において、電力送電用１次コイルと電力受電用２次コイルとを、前記コイルの軸方向に垂直な方向に開口部を有する有底筒型の磁性体からなるコアに巻装し、前記コアを互いに前記コアの軸方向に対向配置させ、前記コアの非開口部の近傍に１次側信号受信コイルと２次側信号送信コイルとを配置したことを特徴とし、信号送受用トランスに鎖交する電流送授用トランスで発生する磁束を低減させて、正確な電圧安定化のための磁束信号を送受信することができる。
【００２０】
請求項１１の発明は、請求項７乃至１０いずれかの発明において、２次側信号送信コイルは、非接触プラグの内部の電気状態を表す情報を交流電圧に変換した信号を入力されて、電力送電用１次コイルが発生させる磁束とは逆位相の位相を有する磁束信号を発生することを特徴とし、正確な電圧安定化のための束信号を送受信することができる。
【００２１】
請求項１２の発明は、請求項１１記載の発明において、２次側信号送信コイルの一方の端子は、電力受電用２次コイルのどちらか一方の端子に接続していることを特徴とし、正確な電圧安定化のための磁束信号を送受信することができる。
【００２２】
請求項１３の発明は、請求項２乃至６いずれかの発明において、非接触コンセントは、電力送電用１次コイルの近傍に電力送電用１次コイルと電力受電用２次コイルとの間に発生する磁束を検出する磁束検出用コイルを設け、前記磁束検出用コイルは、磁気信号として電力送電用１次コイルで発生する磁束を検出し、前記磁束検出用コイルから前記検出する磁束に応じて出力される電圧に基づいて前記制御手段は、インバータ回路を間引き制御することを特徴とし、正確な電圧安定化のための磁束信号を受信することができる。
【００２３】
請求項１４の発明は、請求項１３の発明において、電力送電用１次コイルと電力受電用２次コイルとを、前記コイルの軸方向に垂直な方向に開口部を有する有底筒型の磁性体からなるコアに設けて前記コアを互いに前記コアの軸方向に対向配置させ、前記電力送電用１次コイルのコアの開口部の近傍に前記磁束検出用コイルを配置したことを特徴とし、正確な電圧安定化のための磁束信号を受信することができる。
【００２４】
請求項１５の発明は、請求項１乃至１４いずれかの発明において、一つの非接触コンセントは、出力電圧の異なる複数の非接触プラグに適合し、各非接触プラグが対象としている負荷領域を含む全領域において前記各非接触プラグの出力電圧を所定の電圧範囲内に収める前記制御手段を有することを特徴とし、経済的である。
【００２５】
請求項１６の発明は、請求項１乃至１５いずれかの発明において、非接触プラグの出力端子に並列に抵抗を接続することを特徴とし、広い負荷範囲で出力端子電圧を一定値に安定化できる非接触電力伝達装置を提供することができる。
【００２６】
請求項１７の発明は、請求項１乃至１６いずれかの発明において、非接触プラグが非接触コンセントの所定の位置に結合していない場合は、前記制御手段は、インバータ回路から電力送電用１次コイルへ供給する出力を制限することを特徴徴とし、高い安全性と信頼性とを備えることができる。
【００２７】
請求項１８の発明は、請求項１７の発明において、非接触コンセントはインバータ回路から電力送電用１次コイルへの高周波電圧の供給の制限を制御するスイッチ機能を備え、非接触プラグは前記スイッチ機能のオン・オフ状態を制御する駆動体を備え、非接触プラグが非接触コンセントの所定の位置に結合すると前記スイッチ機能を動作させることで前記制御手段はインバータ回路から電力送電用１次コイルへの高周波電圧の供給を可能にすることを特徴とし、高い安全性と信頼性とを備えることができる。
【００２８】
請求項１９の発明は、請求項１８の発明において、非接触コンセントの前記スイッチ機能が機械接点からなり、非接触プラグが備える駆動体は磁石からなり、非接触プラグが非接触コンセントの所定の位置に結合すると前記磁石の磁力によって前記機械接点が動作して、前記制御手段はインバータ回路から電力送電用１次コイルへの高周波電圧の供給を可能にすることを特徴とし、高い安全性と信頼性とを備えることができる。
【００２９】
請求項２０の発明は、請求項１乃至１９いずれかの発明において、非接触プラグが非接触コンセントの所定の位置に結合すると、非接触プラグ及び非接触コンセントの少なくともどちらか一方に使用可能を報知する表示を行うことを特徴とし、システムや機器の使用可否の判断をおこなうことができる。
【００３０】
請求項２１の発明は、請求項１乃至２０いずれかの発明において、非接触コンセント及び非接触プラグの少なくともどちらか一方は、非接触プラグの出力端子に接続された端末機器の負荷電力、及び非接触プラグの出力電圧の少なくともどちらか一方を表示する表示部を付加したことを特徴とし、システムや機器の使用可否の判断をおこなうことができる。
【００３１】
請求項２２の発明は、請求項１乃至２１いずれかの発明において、非接触プラグの出力端子に接続される端末機器は前記非接触プラグに対して、分離着脱自在なことを特徴とし、不特定の端末機器を使用することができる。
【００３２】
請求項２３の発明は、請求項２２の発明において、非接触プラグの出力端子から端末機器への電力の供給は、磁気結合によって供給されることを特徴とし、不特定の端末機器を使用することができる。
【００３３】
請求項２４の発明は、請求項１乃至２３いずれかの発明において、非接触プラグの出力端子間に、電圧クランプ素子を接続することを特徴とし、高い安全性と信頼性とを備えることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３５】
図１は、磁気信号を用いて間引き制御を行う非接触電力伝達装置の回路構成を示す。非接触電力伝達装置５は、電力供給側となる１次側を構成する非接触コンセント１と負荷を持つ２次側を構成する非接触プラグ２とからなり、非接触コンセント１は、交流電源４からの交流入力を、直流電圧Ｅを出力する直流に変換する電源回路１０と、半導体スイッチを有し、半導体スイッチをスイッチングさせることで電源回路１０からの直流電圧Ｅを一定周波数の高周波電圧Ｖ１に変換するインバータ回路１１と、インバータ回路１１から前記高周波電圧Ｖ１を供給される電力送電用１次コイルＬ１と、非接触プラグ２からフィードバックされた磁気信号に応じてインバータ回路１１の半導体スイッチのスイッチングを制御する制御信号を出力する制御部であるスイッチング制御回路１２とから構成され、非接触プラグ２は、電力送電用１次コイルＬ１に印加された高周波電圧により発生した漏れ磁束Ｆ１と鎖交磁束Ｆ２との内、鎖交磁束Ｆ２と鎖交することで高周波電圧を誘起される電力受電用２次コイルＬ２と、電力受電用２次コイルＬ２から出力される高周波電圧を整流平滑する整流平滑回路２０と、非接触プラグ２の出力電圧である出力端子電圧Ｖ３を検出し、検出結果に応じて非接触コンセント１のスイッチング制御回路１２に磁気信号を出力する出力端子電圧検出回路２１とから構成され、出力端子電圧Ｖ３は負荷である端末機器３に出力される。電力送電用１次コイルＬ１と電力受電用２次コイルＬ２とは、分離着脱できる電力送受用トランスＴ１を構成する。
【００３６】
本実施例では、出力端子電圧Ｖ３を検出した出力端子電圧検出回路２１は、その検出結果に応じた磁気信号を発生させ、その磁気信号を受信したスイッチング制御回路１２は磁気信号に基づいて、出力端子電圧Ｖ３が所定の電圧を上回った場合には、インバータ回路１１から電力送電用１次コイルＬ１への一定周波数の高周波電圧Ｖ１の供給を一定時間間引き、一定時間間引きを行った後出力端子電圧Ｖ３が所定の電圧をまだ上回っていれば再び電力送電用１次コイルＬ１への高周波電圧Ｖ１の供給を一定時間間引くことを繰り返し、各一定時間間引きを行った後で出力端子電圧Ｖ３が所定の電圧を下回った場合には、出力端子電圧Ｖ３が所定の電圧を上回るまで電力送電用１次コイルＬ１への高周波電圧Ｖ１の供給を行う動作を継続させる間引き制御を行う制御信号をインバータ回路１１に出力し、インバータ回路１１の半導体スイッチは制御信号に応じて、スイッチング動作を行い、出力端子電圧Ｖ３を一定電圧に安定化させる。
【００３７】
図２は、本実施例の具体的な回路構成を示す。図２において、電源回路１０は直流電圧Ｅを出力する直流電圧源１０ａで表し、出力端子電圧検出回路２１及びスイッチング制御回路１２は省略する。非接触コンセント１は、直流電圧源１０ａと、直流電圧源１０ａに並列に接続されたコンデンサＣ３、Ｃ４の直列回路及び半導体スイッチＱ１、Ｑ２の直列回路と、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との接続中点と半導体スイッチＱ１と半導体スイッチＱ２との接続中点との間に接続されたコンデンサＣ１とからなるインバータ回路１１と、コンデンサＣ１に並列に接続された電力送電用１次コイルＬ１とから構成され、ハーフブリッジ型の部分共振インバータ回路となる。非接触プラグ２は、センタータップを備えた電力受電用２次コイルＬ２と、電力受電用２次コイルＬ２に並列に接続されたコンデンサＣ２、電力受電用２次コイルＬ２のセンタータップではない両出力端に直列且つ互いに逆方向に接続されたダイオードＤ３、Ｄ４、ダイオードＤ３、Ｄ４の接続中点に一端を接続されたチョークコイルＬ３、チョークコイルＬ３の他端と電力受電用２次コイルＬ２のセンタータップとの間に接続される平滑コンデンサＣ５からなる整流平滑回路２０とから構成され、端末機器３は平滑コンデンサＣ５に並列に接続される。電力送電用１次コイルＬ１と電力受電用２次コイルＬ２とは、分離着脱できる電力送受用トランスＴ１を構成する。電力受電用２次コイルＬ２にはセンタータップを備えているものを使用し、２つのダイオードＤ３、Ｄ４で整流しているので装置の小型化を図ることができる。
【００３８】
次に図３に、図２における電力送電用１次コイルＬ１の両端電圧Ｖ１と、電力送電用１次コイルＬ１を流れる電流Ｉ１と、半導体スイッチＱ１の両端電圧Ｖ４ａと、半導体スイッチＱ１を流れる電流Ｉ４ａと、半導体スイッチＱ２の両端電圧Ｖ４ｂと、半導体スイッチＱ２を流れる電流Ｉ４ｂとの各波形を示す。半導体スイッチＱ１、Ｑ２は交互にオン・オフを繰り返すが、この時一方の半導体スイッチがオンからオフした後、両方の半導体スイッチがオフになる一定期間を経てから他方の半導体スイッチがオンするように制御しているので、電力送電用１次コイルＬ１の両端電圧Ｖ１は、台形上の波形となる。部分共振区間１００は半導体スイッチＱ１、Ｑ２ともにオフしている区間であり、電力送電用１次コイルＬ１から２次側を見たインダクタンスと、コンデンサＣ１との共振動作による電圧振動が行われる期間である。半導体スイッチにＭＯＳＦＥＴを用いると、図２に示すように寄生ダイオードＤ１、Ｄ２が半導体スイッチＱ１、Ｑ２に並列に接続されるため、電力送電用１次コイルＬ１の両端電圧Ｖ１の振動電圧が大きくなり、電圧Ｅ／２または電圧Ｅ／２にでクランプされると、半導体スイッチＱ１の両端電圧Ｖ４ａと半導体スイッチＱ２の両端電圧Ｖ４ｂとは直流電源１０ａの電圧Ｅまたはグラウンドレベルにクランプされた台形波となる。また半導体スイッチＱ１、Ｑ２にＭＯＳＦＥＴを用いた場合は、ＭＯＳＦＥＴの寄生容量を利用しても部分共振動作ができる。この部分共振により半導体スイッチＱ１、Ｑ２はソフトスイッチングを行うことができ、ターンオン及びターンオフ時の損失が大幅に低減できる。
【００３９】
図４は、負荷状態が無負荷、軽負荷近辺において従来技術の間引き制御を行った時の出力端子電圧Ｖ３と電力送電用１次コイルＬ１の両端電圧Ｖ１とを示す。従来技術の間引き制御は、出力端子電圧Ｖ３を検出し、その検出結果が目標電圧１０１を超えた時のみインバータ回路１１の固定周波数駆動を休止させて、一定周波数の高周波電圧Ｖ１の出力を停止させる。このような制御では、図４に示すように軽負荷、無負荷近辺において、目標電圧１０１の付近で駆動周波数の１周期にも満たない半導体スイッチＱ１、Ｑ２のオン・オフが頻繁に行われ、共振型インバータのメリットである低損失のソフトスイッチングが行われず、ハードスイッチングになるとともに、強いノイズ源になることは前記従来の技術でも述べたとおりである。特に、非接触電力伝達では、漏れ磁束や磁束の広がりによる磁界の影響で、出力端子にノイズが乗りやすいためこの傾向は顕著に現れやすい。
【００４０】
前記従来技術の間引き制御に対し、図５に、負荷状態が無負荷、軽負荷近辺において、出力端子電圧Ｖ３の目標電圧として２つの目標電圧１０２、１０３を設け、出力端子電圧Ｖ３が目標電圧１０２を超えるとインバータ回路１１の固定周波数駆動を停止させ、出力端子電圧Ｖ３が目標電圧１０３より下回るとインバータ回路１１の固定周波数駆動を行う制御を行った時の出力端子電圧Ｖ３と電力送電用１次コイルＬ１の両端電圧Ｖ１とを示す。２つの目標電圧１０２、１０３によってヒステリシスをつくることでインバータ回路１１の固定周波数駆動の動作と停止が図４に示す従来の方式に比べて良好に行われる。実用的にはこの方式で使用可能なものもあるが、ノイズが大きく重畳される場合にはヒステリシス幅を大きくしなければならず、出力端子電圧Ｖ３のリプル電圧増大の原因となる。
【００４１】
そこで発明では図６に示すように、出力端子電圧Ｖ３が目標電圧１０８を上回った場合には、インバータ回路１１から電力送電用１次コイルＬ１への一定周波数の高周波電圧Ｖ１の供給を一定時間１０６間引き、一定時間１０６の間引きを行った後出力端子電圧Ｖ３が目標電圧１０８をまだ上回っていれば再び電力送電用１次コイルＬ１への高周波電圧Ｖ１の供給を一定時間１０６間引くことを繰り返し、各一定時間１０６の間引きを行った後で出力端子電圧Ｖ３が目標電圧１０８を下回った場合には、出力端子電圧Ｖ３が目標電圧１０８を上回るまで電力送電用１次コイルＬ１への高周波電圧Ｖ１の供給を行う動作を継続させる間引き制御を行い、この一連の動作を継続させて出力端子電圧Ｖ３を一定にする安定化を行う。この方式では、軽負荷から全負荷までの範囲において、一定時間１０６の休止期間の終了時には出力端子電圧Ｖ３は目標電圧１０８を確実にある程度下回り、インバータ回路１１の固定周波数駆動も連続１周期以上は確保できる。そして、完全な無負荷の場合にはインバータ回路１１の固定周波数駆動が１周期未満になることもありうるが、この場合にでもインバータ回路１１の固定周波数駆動動作の期間と停止の期間とは一定の周期で規則的に繰り返されるため、インバータ回路１１の固定周波数駆動の期間と停止の期間とが不規則に繰り返される図４の場合に比べて高調波ノイズは低減できる。また、本実施例のもう一つのメリットは、負荷状態が無負荷に近い時も全負荷に近い時も、出力端子電圧Ｖ３の最大電圧１０７をほぼ同程度にできるため、とくに浴室などの水まわりで使う低い電圧を安定化させる場合に、その電圧規格の上限値に対し少しのマージン分だけ低い電圧に目標電圧１０８を設定すれば、確実に電圧規格の上限値以内に出力端子電圧Ｖ３を制御できるため、安全安心に配慮した出力端子電圧Ｖ３の電圧安定化を行うことができる。
【００４２】
次に図７に、電力送電用１次コイルＬ１の両端電圧Ｖ１と、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖ２と、コンデンサＣ２を流れる電流Ｉ２と、端末機器３を流れる負荷電流Ｉ３との各波形を示す。コンデンサＣ２を電力受電用２次コイルＬ２に並列に接続して最適な負荷整合を行うことができる条件は、図７にタイミング１０９に示すように電力送電用１次コイルＬ１の両端電圧Ｖ１の極性反転時と、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖ２の振動電圧が極大値に達する時とが一致すること及びタイミング１１０のように電力送電用１次コイルＬ１の両端電圧Ｖ１の極性反転時と、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖ２の振動電圧が極小値に達する時とが一致することと等価である。図７のように最適な負荷整合を行うためのコンデンサＣ２の静電容量値は、インバータ回路１１の駆動周波数や、電力送電用１次コイルＬ１と電力受電用２次コイルＬ２間の漏れインダクタンスＬ４以外に出力端子電圧Ｖ３や整流平滑回路２０の整流方式にも影響を受ける。
【００４３】
図８、９は本実施例における負荷電流Ｉ３に対する出力端子電圧Ｖ３の特性１１７ｄ、１１７ｅを示す。最大負荷電力がとれる点Ｋ、即ち負荷整合が最適にとれている点Ｋより負荷電流Ｉ３が小さい領域１１１及び１１３では出力端子電圧Ｖ３は、点Ｋにおける出力端子電圧Ｖ３より高くなっているため、本実施例の間引き制御による電圧低減動作により出力端子電圧Ｖ３の安定化を行うことができる。一方負荷電流Ｉ３が点Ｋを超える領域１１２、１１４では、出力端子電圧Ｖ３は急激に電圧降下を起こし利用できない。このようにコンデンサＣ２により最適な負荷整合を行うことで、本発明の無接触電力伝達装置５を最も効率の高い状態で動作させることができる。また、適用負荷範囲を超えた場合、例えば端末機器３の故障により内部短絡が起こっても、点Ｋよりも負荷電流Ｉ３が大きくなると出力端子電圧Ｖ３の電圧降下が急激に起こり、出力端子電圧Ｖ３は低電圧になるとともに負荷電流Ｉ３は電流制限がかかり安全であり、安全安心に配慮したシステムとなっている。
【００４４】
図１０乃至２３は本発明の実施形態の具体例を示し、基本的な構成は図１及び図２とほぼ同様であり、同一の構成要素には同一の符号を付して説明は省略する。図１０において、電力供給側となる１次側を構成する非接触コンセント１は、直流電源を入力されて一定周波数の高周波電圧を出力するインバータ回路１１と（図１０乃至１６では直流電源を出力する電源回路は省略）、インバータ回路１１から前記高周波電圧を供給される電力送電用１次コイルＬ１と、非接触プラグ２の２次側信号送信コイル２３からフィードバックされた磁気信号により電圧を誘起される１次側信号受信コイル１４と、前記誘起電圧に基づいた信号を出力する信号変換回路１３と、信号変換回路１３の出力信号に応じてインバータ回路１１の半導体スイッチのスイッチングを間引き制御する制御信号を出力するスイッチング制御回路１２とから構成され、負荷を持つ２次側を構成する非接触プラグ２は、電力送電用１次コイルＬ１に印加された高周波電圧により発生した磁束Ｆ３と鎖交することで高周波電圧を誘起される電力受電用２次コイルＬ２と、電力受電用２次コイルＬ２の高周波出力を整流平滑する整流平滑回路２０と、非接触プラグ２の出力端子電圧Ｖ３を検出し、検出信号を出力する出力端子電圧検出回路２１と、前記検出信号に応じた交流信号を出力する信号変換回路２２と、信号変換回路２２から出力される交流信号を入力されて、磁気信号としての磁束信号を発生する２次側信号送信コイル２３とから構成され、非接触プラグ２の出力は端末機器３に接続される。電力送電用１次コイルＬ１と電力受電用２次コイルＬ２とは、分離着脱できる電力送受用トランスＴ１を構成し、１次側信号受信コイル１４と２次側信号送信コイル２３とは、分離着脱できる信号授受用トランスＴ２を構成する。
【００４５】
しかし、図１０に示す回路構成のように電力送受用トランスＴ１と信号授受用トランスＴ２とが互いに近傍に配置されると磁束Ｆ３の広がりによって、磁束Ｆ３の一部は１次側信号受信コイル１４と２次側信号送信コイル２３とに鎖交しており、信号授受用トランスＴ２にはノイズが入ることになり正確な非接触プラグ２の出力端子電圧Ｖ３の情報を非接触コンセント１にフィードバックできない。そこで、前述の問題を改善する実施例を図１１〜図１４に示す。
【００４６】
図１１は、非接触コンセント１、非接触プラグ２と、信号授受用トランスＴ２との間に磁気を通しやすい磁性体からなる隔壁Ａ１を設け、電力送電用１次コイルＬ１により発生する磁束Ｆ３を障壁Ａ１に集中させることで、磁束Ｆ３の内、信号授受用トランスＴ２に鎖交する磁束を低減させたものである。
【００４７】
図１２は、電力送電用１次コイルＬ１と電力受電用２次コイルＬ２とを磁性体からなるコアＡ２に巻装し、電力送電用１次コイルＬ１と電力受電用２次コイルＬ２との軸方向に互いに対向配置させており、電力送電用１次コイルＬ１により発生する磁束Ｆ３をコアＡ２に集中させることで、磁束Ｆ３の広がり度合いを低減させて、磁束Ｆ３の内、信号授受用トランスＴ２に鎖交する磁束を低減させたものである。
【００４８】
図１３は、電力送電用１次コイルＬ１と電力受電用２次コイルＬ２とを、磁性体からなり開口部を有する一般によく使われているトランス用のコアＡ３に巻装し、電力送電用１次コイルＬ１と電力受電用２次コイルＬ２との軸方向に互いに対向配置させており、電力送電用１次コイルＬ１により発生する磁束Ｆ３をコアＡ３に集中させることで、磁束Ｆ３の広がり度合いを低減させて、磁束Ｆ３の内、信号授受用トランスＴ２に鎖交する磁束を低減させたものである。また、図１３においてはコアＡ３の開口部１２２から磁束Ｆ３の一部が漏れるので、信号授受用トランスＴ２は、その磁束が鎖交しないようにコアＡ３の非開口部１２３側に設置しておく。
【００４９】
図１４に示す実施例においては、出力端子電圧Ｖ３を信号変換回路２４に入力して、信号変換回路２４は出力端子電圧Ｖ３に応じた信号を出力し、２次側信号送信コイル２３の一端は前記信号が出力される信号変換回路２４の出力に接続され、他端は電力受電用２次コイルの一端に接続されている。また、電力送電用１次コイルＬ１で発生し電力受電用２次コイルＬ２と鎖交する磁束Ｆ３ａ及び電力送電用１次コイルＬ１で発生し１次側信号受信コイル１４と鎖交する磁束Ｆ３ｂとの方向と、２次側信号送信コイル２３で発生する磁束信号Ｆ４の方向とが互いに反対方向になるように、電力送電用１次コイルＬ１と１次側信号受信コイル１４との巻線の方向と、電力受電用２次コイルＬ２と２次側信号送信コイル２３との巻線の方向とを互いに反対方向にすることで、２次側信号送信コイル２３で発生する磁束信号Ｆ４の位相は、電力送電用１次コイルＬ１で発生する磁束Ｆ３ａ、Ｆ３ｂの位相とは逆位相となり、信号授受用トランスＴ２は電力送電用１次コイルＬ１で発生する磁束Ｆ３ａ、Ｆ３ｂの影響を受けにくくなる。
【００５０】
また、前記図３３の負荷電流Ｉ３に対する出力端子電圧Ｖ３の特性１１７ｂに示すように、無負荷状態に近くなると出力端子電圧Ｖ３は高くなる傾向があり、負荷が軽くなるほど出力端子電圧Ｖ３の安定化は難しくなる。間引き制御によって全負荷領域をカバーするようにフィードバック制御系を設計できるが、制御信号の分解能向上、応答速度向上、対ノイズ性強化などで制御回路の部品も増えコスト、サイズで不利となる。しかし、図１４に示すように非接触プラグ２の出力端子間に抵抗Ｒ１を並列に接続することで、図２４の負荷電流Ｉ３に対する出力端子電圧Ｖ３の特性１１７ｆに示すように、抵抗Ｒ１に電流１１５を常に流しておき、領域１１１において出力端子電圧Ｖ３の安定化を行うことができる。さらに、負荷の急変時には過渡的な出力端子電圧Ｖ３の上昇もありうるため、図１４に示すように非接触プラグ２の出力端子間に定電圧ダイオードＺＤ１を並列に接続することで、出力端子電圧Ｖ３を常に安定化させることができる。前述のような負荷急変時の出力端子電圧Ｖ３の上昇頻度は少なく、また上昇電圧も小さいため定電圧ダイオードＺＤ１の損失は小さい。本実施例では定電圧ダイオードを使っているが電圧クランプ素子であればよい。
【００５１】
次に図１５は、間引き制御に必要な非接触プラグ２の電気情報を電力送電用１次コイルＬ１で発生する磁束Ｆ３の変化から得るもので、電力送電用１次コイルＬ１で発生する磁束Ｆ３の変化を磁束検出コイル１４ａで検出して、その検出結果に基づいてインバータ回路１１を間引き制御するものである。非接触伝送においては、伝送する電力が増加すれば、電力送電用１次コイルＬ１で発生する磁束Ｆ３も電力に比例して増加し、出力端子電圧は電力に反比例して低下する。前述の特性は、一つのシステムにおいては同一な特性であるので、電力送電用１次コイルＬ１で発生する磁束Ｆ３の変化を磁束検出コイル１４ａで検出すれば、間接的に非接触プラグ２の出力端子電圧の情報を得ることができ、インバータ回路１１を間引き制御することができる。図１５に示す回路は、電力送電用１次コイルＬ１と電力受電用２次コイルＬ２とを空芯とし、磁束Ｆ３の広がりや漏れを大きくして磁束Ｆ３を磁束検出コイル１４ａに鎖交させるものである。
【００５２】
図１６に示す回路は、前記図１５に示した回路の電力送電用１次コイルＬ１と電力受電用２次コイルＬ２とを、磁性体からなり開口部１２２を有する一般によく使われているトランス用のコアＡ３に設けて互いに対向配置させており、開口部１２２近傍に磁束検出コイル１４ａを配置することで、磁束Ｆ３の内、開口部１２２から漏れる磁束を磁束検出コイル１４ａに鎖交させるものである。
【００５３】
以上に示したように、本発明は広い負荷領域に対して、必要な電圧への安定化を行うことができる。
【００５４】
図１７に、浴室内で使う本発明の非接触電力伝達システム例の外観を示す。壁２００に埋設された非接触コンセント１は、壁２００の表面と接する外周部にシール１５を設けて防水性を高めている。非接触コンセント１の内部には、前記の電源回路１０、インバータ回路１１、スイッチング制御回路１２及び信号変換回路１３が内蔵され、交流電源４と接続された回路ブロックＸ１と、凹部１９に対して配置された電力送電用１次コイルＬ１と、同様に凹部１９に対して配置された１次側信号受信コイル１４とが設けられ、非接触プラグ２側の面には非接触コンセント１が使用可能状態である時点灯するコンセント通電表示ＬＥＤ１６が設けられている。非接触プラグ２は、通電時は、非接触コンセント１の凹部１９に嵌合させて、内部には、嵌合時に電力送電用１次コイルＬ１に対向配置するように設けられた電力受電用２次コイルＬ２と、１次側信号受信コイル１４に対向配置するように設けられた２次側信号送信コイル２３と、前記整流平滑回路２０、出力端子電圧検出回路２１及び信号変換回路２２が内蔵された回路ブロックＸ２と、機器３に電力を伝達するケーブルコード２６とから構成され、端末機器３は、ケーブルコード２６を接続されて電力を伝達され、表面に非接触プラグ２が使用可能状態である時点灯するプラグ通電表示ＬＥＤ２５が設けられている。
【００５５】
図１８は、図１７を非接触プラグ２側から見た図を示す。非接触コンセント１及び非接触プラグ２が使用可能かどうかを表示することはユーザにとって必要であり、非接触コンセント１の非接触プラグ２側表面には、非接触コンセント１が使用可能状態である時点灯するコンセント通電表示ＬＥＤ１６を設け、非接触プラグ２表面には非接触プラグ２が使用可能状態である時点灯するコンセント通電表示ＬＥＤ１６を設けている。また、広い負荷領域を対象としているため、現在使っている端末機器３がどの程度の負荷なのか、使用限界を超えていないのかなどの情報は重要である。この情報は間引き制御の間引き率より得ることができる。即ち間引き率が大きいと負荷は小さく、間引き率が小さいほど負荷は大きいことに相当する。さらに予め最低間引き率を設定しておき、間引き率が最低間引き率を下回り、対象負荷領域を越えると出力端子電圧Ｖ３は急激に低下するので、出力端子電圧Ｖ３が所定の電圧値以下になったことで過負荷状態を判定できる。この使用負荷量を表示するのが非接触コンセント１の非接触プラグ２側表面に設けられた負荷量表示インジケータ１７である。
【００５６】
図１９は、１２Ｖ用端末機器３ａに接続された１２Ｖ機器用非接触プラグ２ａと、２４Ｖ用端末機器３ｂに接続された２４Ｖ機器用非接触プラグ２ｂとを、１台の非接触コンセント１で電力伝達可能なことを示している。前記のように本発明の非接触電力伝達システムの間引き制御は、負荷領域が広くても制御可能なので、非接触コンセント１の電力送電用１次コイルＬ１の巻数が一定でも、１２Ｖ機器用非接触プラグ２ａと２４Ｖ機器用非接触プラグ２ｂとの電力受電用２次コイルＬ２ａと電力受電用２次コイルＬ２ｂとの巻数を変えることで各々の出力端子電圧Ｖ３を安定化させることができ、また任意の電圧に安定化させることもできる。
【００５７】
また、非接触電力伝達システムでは、電力送電用１次コイルＬ１と電力受電用２次コイルＬ２との距離が長くなるほど伝達できる電力は減少するため、非接触コンセント１と非接触プラグ２との相対的位置関係を所定の位置関係に保つ必要がある。図２０は、非接触プラグ２を非接触コンセント１の凹部１９に完全に嵌合させていない状態を示しており、このような場合には非接触コンセント１から非接触プラグ２への電力伝達を停止させる必要がある。そこで、非接触コンセント１は凹部１９に対して配置された機械接点１８を設け、機械接点１８がオンした時のみ、、非接触コンセント１の回路ブロックＸ１に内蔵されたインバータ回路１１が動作し、非接触コンセント１から非接触プラグ２への電力伝達を行い、非接触プラグ２は嵌合時に機械接点１８に対向配置するように永久磁石３０を設ける。機械接点１８は、永久磁石３０の磁力によって動作するスイッチで、図２０においては非接触プラグ２は非接触コンセント１の凹部１９に完全に嵌合していないので、永久磁石３０と機械接点１８とは離れすぎており、永久磁石３０の磁力は機械接点１８を動作させることはできない。図２１は非接触プラグ２を非接触コンセント１の凹部１９に完全に嵌合させている状態を示しており、永久磁石３０の磁力は機械接点１８を動作させることができ、非接触コンセント１の回路ブロックＸ１に内蔵されたインバータ回路１１が動作し、非接触コンセント１から非接触プラグ２への電力伝達を行うことができる。なお、永久磁石３０は永久磁石なので、１次側信号受信コイル１４、２次側信号送信コイル２３、磁束検出用コイル１４ａの磁束信号に悪影響を与えない。また、コンセント通電表示ＬＥＤ１６は、機械接点１８がオンすることで点灯させることができ、プラグ通電表示ＬＥＤ２５は出力端子電圧Ｖ３を監視することで点灯させることができる。
【００５８】
次に、非接触プラグ２と端末機器３との接続は、水まわりで使用するときは一体型とするほうが望ましいが、水まわりで使用しないとき、及び水まわりで使用するときでも水中につけるような使い方をしないときであれば簡易防水でもよいため、非接触プラグ２と端末機器３との接続を脱着可能な構造にしてもよい。このようにすれば、非接触コンセント１と非接触プラグ２とは各１つずつあれば、端末機器３のみ用途に応じて揃えればよいため経済的である。図２２において、端末機器３ｃ、３ｄはケーブルコード２６ｃ、２６ｄを備え、ケーブルコード２６ｃ、２６ｄの端末には各々コネクタ２７ｃ、２７ｄが接続されており、非接触プラグ２の表面に設けられ非接触プラグ２の出力端と接続しているソケット２８ｃ、２８ｄと分離着脱可能になっており、１つの非接触プラグ２に複数の端末機器３ｃ、３ｄを接続できるようになっている。図２３においては、端末機器３ｅはケーブルコード２６ｅを備え、ケーブルコード２６ｅの端末には電力受電コイルＬ５が接続され、非接触プラグ２の表面近傍には非接触プラグ２の出力端と接続している電力送電コイルＬ４を備え、電力受電コイルＬ５は非接触プラグ２表面の凹部２９と嵌合して電力送信コイルＬ４から電磁誘導により電力伝達される。図２３においては、電力送信コイルＬ４に印可される回路ブロックＸ２の出力電圧は高周波電圧である。
【００５９】
また、浴室内のように水まわりで使用し、感電対策のために低電圧出力が必要な場合には、非接触コンセント２の故障時においても非接触プラグ２及び端末機器３での電圧上昇をできる限り抑えなければならない。本発明においては、分離着脱できる電力伝送用トランスＴ１を使って電力伝達を行うため、非接触コンセント１の１次側電力送電コイルＬ１に印可される高周波電圧Ｖ１の振幅に比例した電圧が、非接触プラグ２の２次側電力受電コイルＬ２に誘起される。そのため非接触コンセント１側のインバータ回路や、制御回路の故障で１次側電力送電コイルＬ１に高い電圧が印加された場合には２次側電力受電コイルＬ２に誘起される電圧Ｖ２も上昇し、制御可能な領域を越えて非接触プラグ２の出力端子電圧Ｖ３に高い電圧がかかる可能性がある。そこで本発明では、図２に示すようにインバータ回路１１はハーフブリッジ回路を用いているので、１次側電力送電コイルＬ１の両端電圧Ｖ１は、直流電源１０ａの電圧Ｅに対して電圧−Ｅ／２と電圧Ｅ／２とで確実にクランプされ、２次側電力受電コイルＬ２に誘起される電圧Ｖ２の上昇は一定電圧以上上昇せず、安全なシステムとなっている。
【００６０】
なお図２のコンデンサＣ２は、図２５に示すように電力受電用２次コイルＬ２のセンタータップと他の端子間にコンデンサＣ２１、Ｃ２２を接続してもよいし、図２６に示すようにダイオードＤ３、Ｄ４に並列にコンデンサＣ２１、Ｃ２２を各々接続しても同様の効果を得ることができる。これは、コンデンサＣ２は高周波交流に作用するコンデンサであり、図２、図２５及び図２６の交流的な等価回路は同等になるためであり、いずれも図７に示す電力受電用２次コイルＬ２の両端電圧Ｖ２の波形条件を得ることができる。このように本発明の各波形条件を満たしておればそれらは本発明に含まれることはもちろん、このことは電力受電用２次コイルＬ２がセンタータップを備えていない場合も同様である。
【００６１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、直流電圧を出力する電源回路と前記直流電圧を一定周波数の高周波電圧に変換するインバータ回路と前記インバータ回路から前記高周波電圧を供給される電力送電用１次コイルとから構成される非接触コンセントと、前記電力送電用１次コイルと分離着脱自在なトランス構造を構成して高周波電圧を誘起される電力受電用２次コイルと前記電力受電用２次コイルに誘起される高周波電圧を整流平滑する整流平滑回路とから構成される非接触プラグと、前記非接触プラグの出力端子に接続され負荷となる端末機器とから構成される非接触電力伝達装置において、前記非接触コンセントは、対象としている負荷領域に対する前記非接触プラグの出力端子電圧が所定の電圧を上回った場合には、インバータ回路から電力送電用１次コイルへの高周波電圧の供給を一定時間間引き、前記一定時間間引きを行った後非接触プラグの出力端子電圧が前記所定の電圧を上回っていれば再び電力送電用１次コイルへの前記高周波電圧の供給を一定時間間引くことを繰り返し、前記各一定時間間引きを行った後で非接触プラグの出力端子電圧が所定の電圧を下回った場合には、非接触プラグの出力端子電圧が所定の電圧を上回るまで電力送電用１次コイルへの前記高周波電圧の供給を連続的に行う動作を継続させることを特徴とし、広い負荷範囲で出力端子電圧を一定値に安定化できる非接触電力伝達装置を提供することができるという効果がある。
【００６２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、非接触プラグは、非接触プラグ内部の電気状態を表す情報を磁気信号に変換して非接触コンセントに伝送し、前記制御手段は、前記磁気信号に基づいて間引き制御のための制御信号を形成し、前記制御信号によりインバータ回路を間引き制御することを特徴とし、電圧安定化のためのフィードバック信号に磁気信号を使うため、まわりの明るさや汚れの影響を受けずに、広い負荷範囲で出力端子電圧を一定値に安定化できる非接触電力伝達装置を提供することができるという効果がある。
【００６３】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、インバータ回路は、ハーフブリッジ型の部分共振インバータであることを特徴とし、故障時の出力電圧の上昇を抑えることができるという効果がある。
【００６４】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、電力受電用２次コイルはセンタータップを備え、整流平滑回路は、電力受電用２次コイルのセンタータップではない両出力端に直列に且つ互いに逆方向に接続する整流素子の電力受電用２次コイルに接続していない各他端同士を接続した全波整流部を有し、前記整流素子の接続中点にチョークコイルを接続することを特徴とし、整流部を小型化することができるという効果がある。
【００６５】
請求項５の発明は、請求項１乃至４いずれかの発明において、電力受電用２次コイルに並列にコンデンサを接続することを特徴とし、負荷整合をとることで１次側から２次側へ伝達できる有効電力を増加させることができるという効果がある。
【００６６】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記コンデンサの静電容量値は、対象とする負荷領域の最大負荷時において、電力送電用１次コイルに供給される高周波電圧の極性反転時期と、前記コンデンサの両端に発生する振動電圧が極大値または極小値となる時期とが一致する静電容量値であることを特徴とし、最適な負荷整合を行って回路効率を向上させることができるという効果がある。
【００６７】
請求項７の発明は、請求項２乃至６いずれかの発明において、非接触コンセントに１次側信号受信コイルを設け、非接触プラグには前記１次側信号受信コイルに対向配置され前記１次側信号受信コイルと分離着脱自在なトランス構造を構成する２次側信号送信コイルを設け、前記２次側信号送信コイルは非接触プラグの内部の電気状態を表す情報を交流電圧に変換した信号を入力され、磁気信号として磁束信号を発生し、前記１次側信号受信コイルは前記磁束信号により電圧を誘起され、前記制御手段はインバータ回路を前記誘起された電圧に基づいた制御信号により前記間引き制御することを特徴とし、電圧安定化のためのフィードバック信号に磁束信号を使うため、まわりの明るさや汚れの影響を受けずに、広い負荷範囲で出力端子電圧を一定値に安定化できる非接触電力伝達装置を提供することができるという効果がある。
【００６８】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、電力送電用１次コイルと１次側信号受信コイルとの間、及び電力受電用２次コイルと２次側信号送信コイルとの間の少なくとも一方の間に磁性体からなる磁気シールド用隔壁を設けたことを特徴とし、信号送受用トランスに鎖交する電流送授用トランスで発生する磁束を低減させて、正確な電圧安定化のための磁束信号を送受信することができるという効果がある。
【００６９】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、電力送電用１次コイルと電力受電用２次コイルとを、磁性体からなるコアに巻装し、前記コアを互いに前記コアの軸方向に対向配置させたことを特徴とし、信号送受用トランスに鎖交する電流送授用トランスで発生する磁束を低減させて、正確な電圧安定化のための磁束信号を送受信することができるという効果がある。
【００７０】
請求項１０の発明は、請求項８の発明において、電力送電用１次コイルと電力受電用２次コイルとを、前記コイルの軸方向に垂直な方向に開口部を有する有底筒型の磁性体からなるコアに巻装し、前記コアを互いに前記コアの軸方向に対向配置させ、前記コアの非開口部の近傍に１次側信号受信コイルと２次側信号送信コイルとを配置したことを特徴とし、信号送受用トランスに鎖交する電流送授用トランスで発生する磁束を低減させて、正確な電圧安定化のための磁束信号を送受信することができるという効果がある。
【００７１】
請求項１１の発明は、請求項７乃至１０いずれかの発明において、２次側信号送信コイルは、非接触プラグの内部の電気状態を表す情報を交流電圧に変換した信号を入力されて、電力送電用１次コイルが発生させる磁束とは逆位相の位相を有する磁束信号を発生することを特徴とし、正確な電圧安定化のための束信号を送受信することができるという効果がある。
【００７２】
請求項１２の発明は、請求項１１記載の発明において、２次側信号送信コイルの一方の端子は、電力受電用２次コイルのどちらか一方の端子に接続していることを特徴とし、正確な電圧安定化のための磁束信号を送受信することができるという効果がある。
【００７３】
請求項１３の発明は、請求項２乃至６いずれかの発明において、非接触コンセントは、電力送電用１次コイルの近傍に電力送電用１次コイルと電力受電用２次コイルとの間に発生する磁束を検出する磁束検出用コイルを設け、前記磁束検出用コイルは、磁気信号として電力送電用１次コイルで発生する磁束を検出し、前記磁束検出用コイルから前記検出する磁束に応じて出力される電圧に基づいて前記制御手段は、インバータ回路を間引き制御することを特徴とし、正確な電圧安定化のための磁束信号を受信することができるという効果がある。
【００７４】
請求項１４の発明は、請求項１３の発明において、電力送電用１次コイルと電力受電用２次コイルとを、前記コイルの軸方向に垂直な方向に開口部を有する有底筒型の磁性体からなるコアに設けて前記コアを互いに前記コアの軸方向に対向配置させ、前記電力送電用１次コイルのコアの開口部の近傍に前記磁束検出用コイルを配置したことを特徴とし、正確な電圧安定化のための磁束信号を受信することができるという効果がある。
【００７５】
請求項１５の発明は、請求項１乃至１４いずれかの発明において、一つの非接触コンセントは、出力電圧の異なる複数の非接触プラグに適合し、各非接触プラグが対象としている負荷領域を含む全領域において前記各非接触プラグの出力電圧を所定の電圧範囲内に収める前記制御手段を有することを特徴とし、経済的であるという効果がある。
【００７６】
請求項１６の発明は、請求項１乃至１５いずれかの発明において、非接触プラグの出力端子に並列に抵抗を接続することを特徴とし、広い負荷範囲で出力端子電圧を一定値に安定化できる非接触電力伝達装置を提供することができるという効果がある。
【００７７】
請求項１７の発明は、請求項１乃至１６いずれかの発明において、非接触プラグが非接触コンセントの所定の位置に結合していない場合は、前記制御手段は、インバータ回路から電力送電用１次コイルへ供給する出力を制限することを特徴徴とし、高い安全性と信頼性とを備えることができるという効果がある。
【００７８】
請求項１８の発明は、請求項１７の発明において、非接触コンセントはインバータ回路から電力送電用１次コイルへの高周波電圧の供給の制限を制御するスイッチ機能を備え、非接触プラグは前記スイッチ機能のオン・オフ状態を制御する駆動体を備え、非接触プラグが非接触コンセントの所定の位置に結合すると前記スイッチ機能を動作させることで前記制御手段はインバータ回路から電力送電用１次コイルへの高周波電圧の供給を可能にすることを特徴とし、高い安全性と信頼性とを備えることができるという効果がある。
【００７９】
請求項１９の発明は、請求項１８の発明において、非接触コンセントの前記スイッチ機能が機械接点からなり、非接触プラグが備える駆動体は磁石からなり、非接触プラグが非接触コンセントの所定の位置に結合すると前記磁石の磁力によって前記機械接点が動作して、前記制御手段はインバータ回路から電力送電用１次コイルへの高周波電圧の供給を可能にすることを特徴とし、高い安全性と信頼性とを備えることができるという効果がある。
【００８０】
請求項２０の発明は、請求項１乃至１９いずれかの発明において、非接触プラグが非接触コンセントの所定の位置に結合すると、非接触プラグ及び非接触コンセントの少なくともどちらか一方に使用可能を報知する表示を行うことを特徴とし、システムや機器の使用可否の判断をおこなうことができるという効果がある。
【００８１】
請求項２１の発明は、請求項１乃至２０いずれかの発明において、非接触コンセント及び非接触プラグの少なくともどちらか一方は、非接触プラグの出力端子に接続された端末機器の負荷電力、及び非接触プラグの出力電圧の少なくともどちらか一方を表示する表示部を付加したことを特徴とし、システムや機器の使用可否の判断をおこなうことができるという効果がある。
【００８２】
請求項２２の発明は、請求項１乃至２１いずれかの発明において、非接触プラグの出力端子に接続される端末機器は前記非接触プラグに対して、分離着脱自在なことを特徴とし、不特定の端末機器を使用することができるという効果がある。
【００８３】
請求項２３の発明は、請求項２２の発明において、非接触プラグの出力端子から端末機器への電力の供給は、磁気結合によって供給されることを特徴とし、不特定の端末機器を使用することができるという効果がある。
【００８４】
請求項２４の発明は、請求項１乃至２３いずれかの発明において、非接触プラグの出力端子間に、電圧クランプ素子を接続することを特徴とし、高い安全性と信頼性とを備えることができるという効果がある。
【００８５】
このように本発明で構成される非接触電力伝達システムは、安全や安心と、高い信頼性を背景に、浴室などの水まわり環境を電化し、様々な電気機器により多様なユーザニーズに応えることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す回路構成図である。
【図２】  本発明の実施例を示す具体的な回路構成図である。
【図３】  本発明の実施例の特性を示す図である。
【図４】  本発明の実施例の特性を示す図である。
【図５】  本発明の実施例の特性を示す図である。
【図６】  本発明の実施例の特性を示す図である。
【図７】  本発明の実施例の特性を示す図である。
【図８】  本発明の実施例の特性を示す図である。
【図９】  本発明の実施例の特性を示す図である。
【図１０】  本発明の実施例を示す回路構成図である。
【図１１】  本発明の実施例を示す回路構成図である。
【図１２】  本発明の実施例を示す回路構成図である。
【図１３】  本発明の実施例を示す回路構成図である。
【図１４】  本発明の実施例を示す回路構成図である。
【図１５】  本発明の実施例を示す回路構成図である。
【図１６】  本発明の実施例を示す回路構成図である。
【図１７】  本発明の実施例を示す外観図である。
【図１８】  本発明の実施例を示す外観図である。
【図１９】  本発明の実施例を示す外観図である。
【図２０】  本発明の実施例を示す外観図である。
【図２１】  本発明の実施例を示す外観図である。
【図２２】  本発明の実施例を示す外観図である。
【図２３】  本発明の実施例を示す外観図である。
【図２４】  本発明の実施例の特性を示す図である。
【図２５】  本発明の実施例を示す回路構成図である。
【図２６】  本発明の実施例を示す回路構成図である。
【図２７】  本発明の従来例を示す回路構成図である。
【図２８】  本発明の従来例の電力授受用トランスを示す構成図である。
【図２９】  本発明の従来例を示す回路構成図である。
【図３０】  本発明の従来例の特性を示す図である。
【図３１】  本発明の従来例を示す回路構成図である。
【図３２】  本発明の従来例を示す回路構成図である。
【図３３】  本発明の従来例の特性を示す図である。
【図３４】  本発明の従来例の特性を示す図である。
【符号の説明】
１  非接触コンセント
２  非接触プラグ
３  端末機器
１０  電源回路
１１  インバータ回路
２０  整流平滑回路
Ｅ  直流電圧
Ｖ１  高周波電圧
Ｖ２  高周波電圧
Ｌ１  電力送電用１次コイル
Ｌ２  電力受電用２次コイル
【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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【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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