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JP5918563B2 - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

非接触電力伝送装置 Download PDF

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JP5918563B2 JP2012032498A JP2012032498A JP5918563B2 JP 5918563 B2 JP5918563 B2 JP 5918563B2 JP 2012032498 A JP2012032498 A JP 2012032498A JP 2012032498 A JP2012032498 A JP 2012032498A JP 5918563 B2 JP5918563 B2 JP 5918563B2
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Description

本発明は、非接触(ワイヤレス)で電力を伝送する非接触電力伝送装置に関する。
非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導(数100kHz)による電磁誘導型、電界または磁界共鳴を介したLC共振間伝送による電界・磁界共鳴型、電波(数GHz)によるマイクロ波送電型、あるいは可視光領域の電磁波(光)によるレーザ送電型が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導型である。これは簡易な回路(トランス方式)で実現可能であるなどの優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。
そこで、最近になって近距離伝送(〜2m)が可能な電界・磁界共鳴型の電力伝送が注目を浴びてきた。このうち、電界共鳴型の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。この点から磁界共鳴型に対する注目度が上昇してきている。
このような電磁誘導型や磁界共鳴型の構成により非接触で電力を送受電する方式は、非接触での充電が可能になるため、受電装置において電力を受電する端子を表面に露出する必要がなくなる。その結果、前記端子に汚れが付着して導通が不全になったり、また露出した端子からの漏電や感電といった心配がなくなり、安全性および利便性が向上した装置が実現出来る。特に、磁界共鳴型の構成では、送電装置の受電装置の相対位置に対する自由度が大きいため、ユーザの利便性は大きい。
ただ、一般的な磁界共鳴を用いた非接触電力伝送装置では、電磁波が非接触電力伝送装置の外部に漏れ易いという欠点がある。電磁波の漏れは、周辺機器の誤動作等の原因となるので、電磁波の漏れを抑える手段を設ける必要がある。非接触電力伝送装置の筐体を導体等で覆うシールド構造は、電磁波の漏れを抑える手段として有効であることが知られている。特許文献1は、シールド構造を有する非接触電力伝送装置が開示されている。
さらに、一つの送電装置が異なった形態の受電装置に対して送電できれば、より利便性は向上する。その場合、受電装置の形態ごとに最適な条件で送電する必要があることから、送電装置は、受電装置の形態を自動的に判別できることが望ましい。特許文献2は、送電装置から複数の受電装置に最適な送電条件で送電する装置を開示している。具体的には、受電装置の形態に応じて専用のクレードルを用意し、そのクレードルに個別の識別子を設けている。送電装置がその個別の識別子を読み取ることにより、受電装置の形態を識別し、送電装置の送電条件を受電装置に適した条件に自動で変更している。
特開2012−19648号公報 特開2009−219203号公報
送電装置から複数の受電装置に送電する場合において、受電装置の形態を自動で検出する機能は重要であるが、それと同時に、電磁波のシールド特性を確保しつつ、使用者が非接触電力伝送装置の内部に設置された受電中の受電装置を視認できることが望ましい。
まず、特許文献1が開示する構造は電磁波をシールドすることはできるが、使用者は電力送電中に装置の内部に設置された受電中の受電装置を視認できない。
また、特許文献2に記載されている装置は、送電装置から複数の受電装置に最適な送電条件で送電することはできるが、送電装置と受電装置が接触した状態であり、送電装置と受電装置の位置関係は一定である。これに対して、非接触で電力を送受電する方式、例えば、送電装置の受電装置に対する位置の自由度が大きい磁界共鳴方式においては、複数の受電装置の位置に変化が生じても、最適な送電条件で送電できなければならない。
さらには、外部電源の有無など、場所を選ばず稼働できる非接触電力伝送装置の実現が重要である。非接触電力電送で充電する対象物は、非接触で充電できるが故に、充電のためのコネクタが不要なため、完全防水を容易に実現できる。そのため、非接触電力電送で充電する対象物は屋外での使用を前提としたものが多く、室内はもちろん屋外でも充電できることが要求されるからである。
本発明の非接触電力伝送装置は、
送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、
受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置を備え、前記送電コイルと前記受電コイルの間の交流電磁界を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に備え、
前記送電補助装置と前記送電装置を向かい合わせて配置した状態で、前記送電コイルと前記補助コイルの間に、前記受電コイルを配置するための受電空間を形成し、
前記送電装置、前記受電装置及び前記送電補助装置を内蔵する筺体を有し、
電力を伝送する際の交流電磁界に基づく電磁波が、前記筺体の外部へ漏れないように、前記筺体全体が電磁シールドされた状態で、前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送し、
前記送電コイルと前記補助コイルのうち、前記補助コイルの内寸法/外寸法比率が0.6以上で、かつ、前記送電のコイルの内寸法/外寸法比率が0.4以下であること、若しくは、前記送電コイルと前記補助コイルの両方のコイルの内寸法/外寸法比率が同一であり、かつ、前記送電コイルと前記補助コイルの内寸法/外寸法比率が0.4以上で、かつ、0.6以下であることを特徴とする。
本発明によれば、非接触電力伝送装置において、受電装置における受電量が一定となる範囲を広げることができるとともに、受電装置の視認性を向上することができる。
また、前記受電装置は、前記送電装置内に設けられた個別のトレー内に格納され、前記トレーが前記送電装置から着脱可能な構成になっている。その構成を採用することにより、一つの送電装置で、複数種の受電装置に対して電力の電送が可能となり、使用者の利便性が向上する。
さらに本発明によれば、非接触電力電送のための電源としてコンパクトな直流電源を用いるので、非接触電力伝送装置を屋外に持ち運ぶことができ、屋外においても非接触電力伝送が可能となる。
実施の形態1における非接触電力伝送装置の外観を示す斜視図 同非接触電力伝送装置の送電装置内部全体を示す斜視図 同非接触電力伝送装置の送電装置内部のシールド構造体を示す斜視図 同非接触電力伝送装置の送電装置内部の窓部材を示す斜視図 同非接触電力伝送装置の送電装置内部のトレー検出器を示す斜視図 同非接触電力伝送装置の送電装置内部のトレー検出器およびトレー検出部の配置を示す斜視図 同非接触電力伝送装置のトレー形態aを示す斜視図 同非接触電力伝送装置のトレー形態bを示す斜視図 同非接触電力伝送装置のトレー形態cを示す斜視図 同非接触電力伝送装置の送電装置内部の補助コイル形態を示す平面図 同非接触電力伝送装置の送電装置内部の送電コイル形態を示す平面図 非接触電力伝送装置の送電効率位置依存性を示す特性図 実施の形態2における非接触電力伝送装置の外観を示す斜視図 実施例及び比較例の特性を示す説明図 実施の形態3における非接触電力伝送装置の直流電源を実装した内部基板の形態を示す斜視図 実施の形態3における非接触電力伝送装置の内部全体を示す断面図 実施の形態3における非接触電力伝送装置の外部に直流電源を実装した形態を示す斜視図 種々のコイル形状の内寸法、外寸法の定義を示す説明図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1における非接触電力伝送装置の外観の斜視図を示す。非接触電力伝送装置1は、送電装置本体100と送電装置蓋部200とそれらを連結する丁番190からなる。
送電装置本体100は、樹脂材からなる送電装置本体カバー101で覆われており、その内部に銅板材からなる送電装置本体シールド102が形成されている。さらに内部には、受電装置300を格納する樹脂材からなる送電装置トレー120がある。
また、送電装置蓋部200は、樹脂材からなる送電装置蓋部カバー201で覆われており、その内部には銅板材からなる送電装置蓋部シールド202が形成されている。さらに、中央部には、ニッケルと銅の積層材で構成される金網からなる送電装置覗き窓シールド203が形成されている。
図2は、図1の状態から、送電装置本体カバー101、送電装置トレー120、送電装置蓋部カバー201を除いた時の外観の斜視図を示す。
送電装置本体シールド102内部には、送電コイル110が格納されている。送電コイルは、図11に示す様に、送電コイル基板111上に、送電コイル線材112が形成されており、さらに送電コイル基板の裏面には電波吸収体113が配置されている。なお、図示はしないが送電コイル線材の両端は、コイル駆動回路に接続されている。また、送電コイルには共振容量が接続されて、送電共振器を構成している。共振容量としては、回路素子として可変コンデンサあるいは固定コンデンサを接続してもよいし、浮遊容量を利用した構成としてもよい。従って、以下の図では、共振容量の図示を省略する。
コイル線材112は、銅製でコイル線材外寸に対して内寸が3割程度で、かつ概ね長方形のスパイラル状で比較的粗の巻き方で巻かれている。なお、コイルの内寸と外寸は、図18に示したコイル形状のバリエーションに応じて、それぞれ定められる。具体的には以下のとおりである。
(1)正方形、長方形の場合
内寸法:対向する短辺間のコイル中心線間距離の中で最短距離
外寸法:対向する辺間のコイル中心線間距離の中で、内寸法と平行な方向での最長距離
(2)多角形の場合
内寸法:コイル最内周の直線部分コイル中心線と対向する部分のコイル最内周中心線間距離
外寸法:コイル直線部分コイル中心線と対向する部分のコイル中心線間距離の中で、内寸法と平行な方向での最長距離
(3)円形スパイラルの場合
内寸法:コイル中心線に内接する円の直径(図中波線が内接円に相当)
外寸法:コイル中心線間距離で、内寸法と平行な方向での最長距離
(4)楕円スパイラルの場合
内寸法:楕円の長軸方向に該当するコイル中心間距離の最短距離
外寸法:コイル中心線間距離で、内寸法と平行な方向での最長距離
なお、図18に示した以外のコイル形状であっても、同様の手法を用いてコイルの内寸と外寸を定義することができる。
送電装置本体シールド102内部には送電装置蓋部200の開閉を検知する蓋開閉検出器130が設置されている。送電装置蓋部200が閉じられたのを、前記蓋開閉検出器130により検知し、シールド構造が確立された後、送電コイル110に電流が流され、受電装置に非接触で電力の供給がされる。
送電装置蓋部シールド202内部には、補助コイル210が設置されている。補助コイル210は、図10に示す様に、補助コイル基板211上に補助コイル線材212が概ね矩形上にスパイラルで巻かれており、さらに補助コイル基板211の裏面には、電波吸収体213が配置されている。また、コイル線材212は、コイル線材外寸に対して内寸が7割程度で、かつ概ね長方形のスパイラル状で比較的密の巻き方で巻かれている。さらに、コイル基板211の中央には、概ね長方形の補助コイル基板開口214が形成されている。なお、補助コイルには共振容量が接続されて、補助送電共振器を構成している。共振容量としては、回路素子として可変コンデンサあるいは固定コンデンサを接続してもよいし、浮遊容量を利用した構成としてもよい。従って、以下の図では、共振容量の図示を省略する。
なお、補助コイルとは、発明者らが先願である特願2011−283803公報で開示した物である。
すなわち、送電用コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電用コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを用い、前記送電用コイルと前記受電用コイルの間の交流電磁界を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する方法において、新たにコイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に用い、前記送電補助装置を前記送電装置と対向させて配置し、前記送電用コイルと前記新たに追加したコイルの間に形成された受電空間に前記受電用コイルを配置して電力伝送を行う構成で、前記新たに追加したコイルを補助コイルと呼ぶ。
次に、説明のため、非接触電力伝送装置1から送電装置本体シールド102と送電装置蓋部シールド202のみを取りだし、蓋を閉めた状態を図3に示す。図で示した様に、送電装置本体シールド102と送電装置蓋部シールド202は、送電装置本体シールド端部105と送電装置蓋部シールド端部205が、接触勘合する構造になっており、その勘合により良好な電気的導通が確保される。また送電装置シールド覗き窓開口部204は、図4で示されるニッケルと銅の積層材からなる金網で構成される送電装置覗き窓シールド203でカバーされる。
前記窓シールドは、軟磁性材であるニッケルより磁場を有効に遮断し、良導体である銅により、電場を有効に遮断する構造となっている。
以上から明らかな様に、非接触電力電送装置1の内部は、送電装置シールド覗き窓開口部204以外、電装置本体シールド102と送電装置蓋部シールド202および送電装置覗き窓シールド203によりシールドされており、内部で発生した電磁波は遮蔽される構造となっている。
送電装置本体シールド102の内部に格納される部材を、図5、図6を用いて示す。送電装置本体シールド102の内部には、トレー収納部150が格納されており、さらにその中に受電装置300を格納するための送電装置トレー120が収納する構造となっている。
さらに、それぞれの部材間はスペーサを介してトレー収納部150の下部は、送電コイル110、遮蔽板180と回路基板160および170が配置される。
回路基板170の下部は、スペーサを介して、送電装置本体シールド102(ここでは図示せず)に連接される。
回路基板160の右端部は、図5で示す様に、反射型のフォトインターラプター1611、1612、1613が配置されおり、トレー収納部150に設けられたトレー開口151越しにトレー120裏面に形成された識別子121を認識する構成になっている。
図7、図8、図9に示した様に、同一の送電装置本体100に対して、トレー1201、1202、1203は、受電装置301(補聴器)、302(音楽プレーヤ)、303(デジタルカメラ)とともに、可換な構造となっており、それぞれのトレー下部には1211、1212、1213に示した様にそれぞれ異なる識別子が設けられている。
非接触電力送電装置1は、前記トレー下部に設けられた固有の識別子を認識することにより、電力送電回路の特性を切り換え、受電対象に適した送電が可能となる構成となっている。
識別子は3カ所の反射率高低パターンで形成され、低い反射率の部分は0、高い反射率の部分は1に対応する3ビットのパターン構成とした。また、ビットの構成として、すべてが同一となるビットパターン例えば000とか111のパターンを禁止するとともに、3ビット中、必ず1のパターンが2カ所にくるパターン構成とした。
以上の構成にする事により、フォトインターラプター1611、1612、1613が故障したり、識別子の特定の場所が汚れたりして、本来の0あるいは1を読み違えた場合、上記以外のパターンになるので、誤認識を防止できる。また、本発明ではトレーおよび受電対象は図7、図8、図9に示した様に3種なので、以上のパターン則としたが、より多くの種類のパターンを認識するためには、認識ビット数を増やすか、あるいは冗長性はある程度低下するが禁止パターンを000と111のみにする等の変更が可能である。
なお、本実施の形態では、補助コイル210を送電装置蓋部200に設け、送電コイル110を送電装置本体100に設けた例を示したが、送電コイルと補助コイルを入れ替えてもよい。すなわち、補助コイル210を送電装置本体100に設け、送電コイル110を送電装置蓋部200に設けてもよい。但し、送電コイル110を送電装置蓋部200に配置した場合、FPC等を用いて、コイル駆動回路(図示せず)から、送電装置蓋部200に配置した送電コイル110に別途配線する必要がある。
<実施の形態2>
図13に実施の形態2における非接触電力伝送装置の外観を示す斜視図を示す。実施の形態1と異なり、送電コイル及び補助コイルは、送電装置本体100の縦壁に設けられている。補助コイルは送電装置本体側覗き窓603がある壁側に設けられ、送電コイルは、補助コイルが設けられている壁と対向する壁側に設けられている。
その他の構成は、実施の形態1と同様であるので記載を省略する。
<実施の形態3>
実施の形態3は、非接触電力電送のための電源として直流電源を用いる場合を示す。図15は、非接触電力伝送装置の直流電源173を、非接触電力伝送装置の回路基板170に実装した場合を示す。直流電源173は、回路基板170に設けられた電源ホルダ174にはめ込む形で装備される。直流電源としては、2次電池からなる電池パックを用いることができる。コネクタ175は、前記2次電池に対して外部より電力を充電するためのコネクタである。
なお、図16は、直流電源173が内蔵された非接触電力伝送装置の内部全体を示す断面図である。
非接触電力電送のための電源として内蔵の直流電源を用いる場合、非接触電力伝送装置を屋外に持ち運び、屋外においても非接触電力伝送ができる。実際、非接触電力電送で充電する対象物は、非接触で充電できるが故に、充電のためのコネクタが不要なため、完全防水を容易に実現できる。そのため、非接触電力電送で充電する対象物は、屋外での使用を前提としたものが多く、その充電も屋外で可能であることが要求される。
本実施の形態に従えば、直流電源173が非接触電力伝送装置に内蔵されているので、外部電源の有無を問わず、室内はもちろん屋外でも非接触電力伝送を実現することができる。
なお、直流電源は、非接触電力伝送装置の外部に設けてもよい。図17は、非接触電力伝送装置4の外部に直流電源800を設け、接続ケーブル801を用いてする電力伝送装置4と直流電源800を接続した場合を示す。直流電源を非接触電力伝送装置の外部に設けた場合でも、非接触電力伝送装置と直流電源を併せて持ち運べば、場所を問わず非接触電力伝送ができる。直流電源が非接触電力伝送装置の外部に存在する分、非接触電力伝送装置の小型化が容易になる。
以下では、上記実施の形態1において、送電コイル及び補助コイルの形状を変えながら、受電装置が送電装置と送電補助装置から受ける受電量を検討した結果について説明する。
<実施例1>
実施例1では、送電コイルの内形状を外形状に対して、0.3にし、かつ補助コイルの内形状を外形状の0.7とした。
<実施例2>
実施例2では、送電コイルの内形状を外形状に対して、0.5にし、かつ補助コイルの内形状を外形状の0.5とした。
<実施例3>
実施例3では、送電コイルの内形状を外形状に対して、0.4にし、かつ補助コイルの内形状を外形状の0.4とした。
<実施例4>
実施例4では、送電コイルの内形状を外形状に対して、0.6にし、かつ補助コイルの内形状を外形状の0.6とした。
<比較例1>
比較例1では、送電コイルの内形状を外形状に対して、0.7にし、かつ補助コイルの内形状を外形状の0.7とした。
<比較例2>
比較例2では、送電コイルの内形状を外形状に対して、0.3にし、かつ補助コイルの内形状を外形状の0.3とした。
図6は、受電装置が送電装置と送電補助装置から受ける受電量のX方向依存性を示す。X方向とは、受電コイル中心から受電コイルの長軸方向をいう。受電量は相対的に示したものであり、実施例1乃至4、比較例1及び2ごとに相対受電量のX方向依存性を示した。
同図から分かる様に、略長方形送電コイルの長軸の長さを2Aとした場合、実施例1乃至4の場合は、中心から受電コイルの外側方向0.5A程度まで、ほぼ一定の受電量が実現できている。0.5Aより外側では徐々に受電量が低下し、コイル長軸側の外径に相当する1Aの地点で受電量は0になる。
図示はしないが、この傾向は、コイルの短軸方向でも同一で、短軸の長さを2Bとすると、0.5B程度まで受電量は一定で、1Bの地点で受電量は0になる。
以上から、送電コイルと補助コイルの内寸法/外寸法比率を同一する場合は、送電コイルと補助コイルの内寸法/外寸法比率を0.4以上かつ0.6以下にすることにより、受電量の均一性が実現できることが分かった。一方、送電コイルと補助コイルの内寸法/外寸法比率をいずれかを0.6より大きくした場合は、他方を0.4より小さくする事により、同様に受電量の均一性が実現できることが分かった。
このように、実施例1乃至4では、広いエリアにおいて受電量を一定にできるので、受電コイルの位置が変動した場合でも受電量の変動が少ないという利点を有する。
また、図2に示したように、補助コイルは送電装置シールド覗き窓開口部を囲むように形成されているが、実施例1乃至4では補助コイルの内形状が外形状の0.4より大きいので、送電装置シールド覗き窓開口部を大きくすることができる。その結果、電力伝送中において送電装置トレーに搭載された受電装置の視認性が向上する。
一方、比較例1の場合でも、補助コイルの内形状が外形状の0.4より大きいので、送電装置シールド覗き窓開口部を大きくすることができる。しかしながら、受電コイルの中心部では受電量が低く、コイル中心から外側方向へ0.6Aで受電量は最大となり、0.6Aを超えた外周では受電量は急速に低下し、コイル長軸側の外径に相当する1Aの地点で受電量は0になる。
また、比較例2の場合では、受電コイルの中心部で受電量が大きく、コイル中心から外側方向へ0.2Aより外側で受電量は低下し、コイル長軸側の外径に相当する1Aの地点で受電量は0になる。補助コイルの内形状が外形状の0.4以下であるので、送電装置シールド覗き窓開口部を大きくすることができない。
以上の結果を、図14にまとめた。実施例1及び実施例2では受電量の均一性と受電装置の視認性を両立できることが分かる。一方、比較例ではいずれも受電量の均一性を実現することができない。
なお、以上の実施例は実施の形態1に基づく結果であるが、実施の形態2や実施の形態3に基づいた場合でも、同様の結果が得られる。
本発明によれば、受電装置における受電量が一定となる範囲を広げることができるので、補聴器、携帯電話やデジタルカメラ等のモバイル機器等の小型機器の非接触電力伝送に好適である。
1、2 非接触電力電送装置
100 送電装置本体
200 送電装置蓋部
300、301、302、303 受電装置
101 送電装置本体カバー
102 送電装置本体シールド
103、104 LED取り付け穴
105 送電装置本体シールド端部
110 送電コイル
111 送電コイル基板
112 送電コイル線材
113 電波吸収体
120、620、1201、1202、1203 送電装置トレー
121、1211、1212、1213 送電装置トレー識別子
130 蓋開閉検出器
140 導電シール
150 トレー収納部
151 トレー収納底面開口部
160 回路基板1
161 基板材
1611、1612、1613 識別子検出装置
170 回路基板2
180 シールド板
171、172 LED
190 丁番
200、700 送電装置蓋部
201、701 送電装置蓋部カバー
202、702 送電装置蓋部シールド
203、703 送電装置覗き窓シールド
204 送電装置シールド覗き窓開口部
205 送電装置蓋部シールド端部
210 補助コイル
211 補助コイル基板
212 補助コイル線材
213 電波吸収体
214 補助コイル基板開口部
240 導電シール
603 送電装置本体側覗き窓

Claims (4)

  1. 送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、
    受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置を備え、前記送電コイルと前記受電コイルの間の交流電磁界を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
    補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に備え、
    前記送電補助装置と前記送電装置を向かい合わせて配置した状態で、前記送電コイルと前記補助コイルの間に、前記受電コイルを配置するための受電空間を形成し、
    前記送電装置、前記受電装置及び前記送電補助装置を内蔵する筺体を有し、
    電力を伝送する際の交流電磁界に基づく電磁波が、前記筺体の外部へ漏れないように、前記筺体全体が電磁シールドされた状態で、前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送し、
    前記送電コイルと前記補助コイルのうち、前記補助コイルの内寸法/外寸法比率が0.6以上で、かつ、前記送電のコイルの内寸法/外寸法比率が0.4以下であること、若しくは、前記送電コイルと前記補助コイルの両方のコイルの内寸法/外寸法比率が同一であって、その内寸法/外寸法比率を0.4以上で、かつ、0.6以下にすることを特徴とする非接触電力伝送装置。
  2. 前記筺体を構成する壁の少なくとも一つには、前記受電装置を前記筺体の外部から視認可能な窓部が形成されており、かつ、前記窓部は電磁シールドされていることを特徴とする請求項に記載の非接触電力伝送装置。
  3. 前記補助コイルが前記窓部を囲むように形成されていることを特徴とする請求項に記載の非接触電力伝送装置。
  4. 前記送電コイルが前記窓部を囲むように形成されていることを特徴とする請求項に記載の非接触電力伝送装置。
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