JP2015053751A - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触にて電力を伝送する際に生じる漏洩電磁界を低減しつつ、給電コイルと受電コイルの位置ずれが生じた場合においても高い電力伝送効率を維持できる非接触電力伝送装置を提供すること。【解決手段】非接触電力伝送装置１００は、給電側コイル部Ｌ１及び受電側コイル部Ｌ２において、隣接するコイルの巻線同士が少なくとも一部において重なり合うように配置されており、コイル切り替え部１１は、給電側から受電側に伝送される電力の伝送効率が最も高くなるようにコイルを選択する。【選択図】図１

Description

本発明は、非接触電力伝送装置に関する。

電源コードを用いずに電力を供給する非接触電力伝送技術が注目されつつある。現在の非接触電力伝送技術は、主に電磁誘導を利用するタイプであり、さまざまな分野での応用が期待されている。

こうした背景から、例えば電気自動車の車両下部に受電コイル（受電側）を具備して、地上側の給電コイル（給電側）から非接触で大電力（例えば数（ｋＷ）〜数１０（ｋＷ））を伝送するという案も検討されており、この非接触電力伝送技術を用いれば、給電側と受電側を機械的に結合させることなく電力伝送を行うことができる。

ところで、非接触にて電力を伝送する場合、受電コイルには給電コイルから発生する交流磁界が印加される。そして、この交流磁界により、受電コイルには電磁誘導作用により起電力が生じ、この起電力に基づいた電力が受電側の負荷に供給される。このような非接触電力伝送では、給電コイルから発生した交流磁界の一部が漏洩電磁界となり、この漏洩電磁界が他の電気機器、例えばラジオ等の雑音の原因になり得る。

このような問題を解決するため、例えば特許文献１には、給電側または受電側に組み込まれるコイルユニットを、直列に接続された複数のコイルで構成したものが提案されている。このコイルユニットでは、隣り合って配置された２つのコイルに発生する磁界（磁束）の向きが、互い逆方向になるようにコイルユニットが構成されている。そして、この２つのコイルに発生する磁界（磁束）の向きを互い逆方向にすることにより、漏洩磁界を低減させている。

特開２０１１−２３４４９６号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、給電側のコイルユニットと受電側コイルユニットとの位置ずれによる電力伝送効率の低下に関する検討が行われていない。つまり、給電側のコイルユニットと受電側のコイルユニットとの位置ずれにより、給電側のコイルユニットを構成する１つのコイルにより形成された磁界とそのコイルと隣り合う他のコイルにより形成された磁界が、受電側のコイルユニットを構成する１つのコイルに鎖交した場合、それら双方の磁界が互いに打ち消し合い、電力伝送効率が著しく低下するが、この電力伝送効率の低下に関する検討が行われていない。

そこで、本発明は、非接触にて電力を伝送する際に生じる漏洩電磁界を低減しつつ、給電コイルと受電コイルの位置ずれが生じた場合においても高い電力伝送効率を維持できる非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る非接触電力伝送装置は、給電側から受電側へ非接触で電力が伝送される非接触電力伝送装置であって、少なくとも３つのコイルで構成された給電側コイル部と、直列に接続された一対または複数対のコイルで構成され、対になるコイルはそれぞれに逆方向の磁界が与えられたときに起電力の方向が同じになるように接続されている受電側コイル部と、給電側コイル部を構成するコイルから直列に接続される一対または複数対のコイルを選択し、対になるコイルが発生する磁界の方向が互いに逆方向になるように当該対になるコイルの接続を切り替えるコイル切り替え部と、コイル切り替え部により選択された一対または複数対のコイルに電力を供給する駆動部と、を備え、給電側コイル部及び受電側コイル部において、隣接するコイルの巻線同士が少なくとも一部において重なり合うように配置されており、コイル切り替え部は、給電側から受電側に伝送される電力の伝送効率が最も高くなるようにコイルを選択することを特徴とする。

本発明によれば、給電側コイル部及び受電側コイル部において、隣接するコイル同士のコイル面が部分的に重なり合って相互の距離が接近するため、コイル同士の結合状態が高まっている。この状態において、給電側コイル部を構成するコイルから給電側から受電側に伝送される電力の伝送効率が最も高くなる直列に接続される一対または複数対のコイルが選択され、選択された対になるコイルが発生する磁界の方向が互いに逆方向になるように当該対になるコイルの接続を切り替え、選択された一対または複数対のコイルに電力を供給し駆動させる。一方、受電側コイル部を構成する直列に接続された一対または複数対のコイルのうちの対になるコイルは、それぞれに逆方向の磁界が与えられたときに起電力の方向が同じになるように接続されている。このような構成により、位置ずれが生じない場合、または位置ずれが生じた場合のいずれの場合であっても、給電側コイル部を構成するコイルから選択された対になるコイルと受電側コイル部を構成するコイルのうちの対になるコイルとの間に生じる磁界は閉ループを描き、漏洩電磁界を減少させることができるとともに、給電側コイル部を構成するコイルから選択された対になるコイルから受電側コイル部を構成するコイルのうちの対になるコイルに貫通する磁界が相殺されずに受電側コイル部を構成するコイルのうちの対になるコイルに有効に起電力が発生するため、高い電力伝送効率を維持することができる。したがって、非接触にて電力を伝送する際に生じる漏洩電磁界を減少させることができるとともに、位置ずれが生じた場合においても、高い電力伝送効率を維持することができる。

給電側コイル部及び受電側コイル部において、隣接するコイル同士が巻線幅の０．５倍から、巻線幅の１．５倍の範囲で重なり合うように配置されていることが好ましい。

この場合、コイルの巻線幅をＷとすると、コイル同士を０．５×Ｗ以上に重ね合わせることにより、隣接するコイル同士の距離が接近するため、コイル同士の結合状態が高まるとともに、対向する給電側コイル部を構成するコイルと受電側コイル部を構成するコイルとの間の結合状態も高まる。その結果、高い電力伝送効率を維持することが可能となる。また、コイル同士を１．５×Ｗ以下に重ね合わせることにより、隣接するコイル同士の間における磁界の相殺が抑制されるため、高い電力伝送効率を維持することが可能となる。

より好ましくは、駆動部の駆動周波数を制御する周波数制御回路をさらに備え、周波数制御回路は、給電側コイル部に印加する電圧の位相と給電側コイル部に流れる電流の位相とを合わせるように駆動周波数を制御するとよい。

この場合、位置ずれが生じた場合に、給電側コイル部及び受電側コイル部の互いの相互インダクタンスの変化に応じて電力伝送効率が最大となるように駆動周波数を制御することが可能となる。その結果、位置ずれが生じた場合においても高い電力伝送効率を確実に維持することができる。

より好ましくは、給電側コイル部に供給される電力値を測定する入力電力測定装置と、受電側コイル部から出力される電力値を測定する出力電力測定装置と、電力伝送効率計算装置と、をさらに備え、電力伝送効率計算装置は、入力電力測定装置が測定した電力値と出力電力測定装置が測定した電力値から給電側から受電側に伝送される電力伝送効率を算出し、コイル切り替え部は、電力伝送効率計算装置が算出した電力伝送効率に基づいて、給電側から受電側に伝送される電力の伝送効率が最も高くなるようにコイルを選択すると良い。

この場合、コイル切り替え部によって、給電側から受電側に伝送される実際の電力伝送効率に基づいて、給電側から受電側に伝送される電力の伝送効率が最も高くなるようにコイルが選択される。そのため、位置ずれが生じた場合においても高い電力伝送効率を精度良く維持することができる。

本発明によれば、非接触にて電力を伝送する際に生じる漏洩電磁界を低減しつつ、給電コイルと受電コイルの位置ずれが生じた場合においても高い電力伝送効率を維持できる非接触電力伝送装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る非接触電力伝送装置を示す構成図である。 給電側コイル部が８つの給電コイルから構成された例を示す模式図である。 コイル切り替え部の動作を説明するための非接触電力伝送装置の一部詳細図である。 コイル切り替え部の動作を説明するための非接触電力伝送装置の一部詳細図である。 コイル切り替え部の動作を説明するための非接触電力伝送装置の一部詳細図である。 コイル切り替え部の動作を説明するための非接触電力伝送装置の一部詳細図である。 コイル切り替え部の動作を説明するための非接触電力伝送装置の一部詳細図である。 給電動作を説明するための給電コイルと受電コイルの対向状態（相対的な位置関係）を示した断面図（コイル面に垂直な断面を示した断面図）である。 給電動作を説明するための給電コイルと受電コイルの対向状態（相対的な位置関係）を示した断面図（コイル面に垂直な断面を示した断面図）である。 給電動作を説明するための給電コイルと受電コイルの対向状態（相対的な位置関係）を示した断面図（コイル面に垂直な断面を示した断面図）である。 給電動作を説明するための給電コイルと受電コイルの対向状態（相対的な位置関係）を示した断面図（コイル面に垂直な断面を示した断面図）である。 給電動作を説明するための給電コイルと受電コイルの対向状態（相対的な位置関係）を示した断面図（コイル面に垂直な断面を示した断面図）である。 本発明の第１実施形態に係る非接触電力伝送装置を電気自動車に適用した例を説明するための模式図である。 本発明の第２実施形態に係る非接触電力伝送装置を示す構成図である。 本発明の第３実施形態に係る非接触電力伝送装置の給電コイルと受電コイルの部分を詳細に示した図である。 本発明の第４実施形態に係る非接触電力伝送装置を示す構成図である。 実施例における給電側コイル部及び受電側コイル部の隣接するコイル同士の重なり合う範囲を説明するための非接触電力伝送装置の一部詳細図である。 実施例における給電側コイル部及び受電側コイル部の隣接するコイル同士の重なり合う範囲を説明するための非接触電力伝送装置の一部詳細図である。 実施例における給電側コイル部及び受電側コイル部の隣接するコイル同士の重なり合う範囲を説明するための非接触電力伝送装置の一部詳細図である。 実施例における給電側コイル部及び受電側コイル部の隣接するコイル同士の重なり合う範囲を説明するための非接触電力伝送装置の一部詳細図である。 比較例における給電側コイル部及び受電側コイル部の隣接するコイル同士の重なり合う範囲を説明するための非接触電力伝送装置の一部詳細図である。 駆動部の駆動周波数を固定させた場合の給電側コイル部と受電側コイル部の位置に応じた駆動部の駆動周波数を示すグラフである。 駆動部の駆動周波数を変動させた場合の給電側コイル部と受電側コイル部の位置に応じた駆動部の駆動周波数を示すグラフである。 実施例１における位置ずれが生じた場合の電力伝送効率の測定結果を示すグラフである。 実施例２における位置ずれが生じた場合の電力伝送効率の測定結果を示すグラフである。 実施例３における位置ずれが生じた場合の電力伝送効率の測定結果を示すグラフである。 実施例４における位置ずれが生じた場合の電力伝送効率の測定結果を示すグラフである。 実施例５における位置ずれが生じた場合の電力伝送効率の測定結果を示すグラフである。 比較例１における位置ずれが生じた場合の電力伝送効率の測定結果を示すグラフである。

本発明を実施するための形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、説明において、同一要素または同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る非接触電力伝送装置１００の全体構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る非接触電力伝送装置を示す構成図である。

非接触電力伝送装置１００は、図１に示されるように、直流電源８、駆動部９、給電部１２、受電部１３、整流器１５、負荷装置１６、入力電力測定装置１８、出力電力測定装置１７、電力伝送効率計算装置１９を有する。

直流電源８は、駆動部９に直流電力を供給する。直流電源８としては、例えば、商用交流電源を整流・平滑した直流電力を出力する直流電源、二次電池、太陽電池等を用いることができる。

駆動部９は、入力された直流電力を交流電力に変換する機能を有している。本実施形態では、直流電源８から供給される直流電力を交流電力に変換して後述する給電部１２に出力する。駆動部９の交流周波数は、例えば２０（ｋＨｚ）〜２００（ｋＨｚ）程度である。

給電部１２は、給電側コイル部Ｌ１、給電側共振キャパシタ１０、コイル切り替え部１１を有する。

給電側コイル部Ｌ１は、４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４から構成されており、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１２が隣接し、給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１３が隣接し、給電コイルＬ１３とＬ１４が隣接するように列を成して配置されている。給電コイルＬ１１〜Ｌ１４は、それぞれ略長方形を呈しており、銅やアルミニウムなどの金属線を数回巻きから１０回巻き程度巻き回されて構成されており、平面状に形成されたスパイラル構造のコイルである。以下、このスパイラル構造のコイルの最内周の巻線から最外周の巻線までの幅を巻線幅Ｗという。なお、給電コイルＬ１１〜Ｌ１４の各巻線幅Ｗ同士は同一であると好ましい。また、平面状に形成されたスパイラル構造のコイルは、厳密な平面である必要はなく、多少湾曲していても良い。またさらには、給電コイルＬ１１〜Ｌ１４は、それぞれ巻線が層状に巻回されたコイルであっても良く、外形形状は長方形の他に正方形、円、楕円を呈していても良い。

４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４は、隣接するコイル同士のコイル面が部分的に重なり合うように配置されており、コイルの外縁が重なり合う範囲としては、０．５×Ｗ（巻線幅の０．５倍）から１．５×Ｗ（巻線幅の１．５倍）の範囲であることが好ましい。つまり、隣接するコイルの巻線同士は、巻線幅の半分以上が重なり合っていることが好ましい。この場合、隣接するコイルの外縁同士が重なり合う範囲を０．５×Ｗ以上（巻線幅の０．５倍以上）とすることで、隣接するコイル同士の結合状態が高められるため、発生する磁束量を増大させることができる。しかし、隣接するコイル同士が重なり合う範囲が増加し過ぎると隣接するコイル同士で相殺される磁束量が増大してしまうため、隣接するコイルの外縁同士が重なり合う範囲は１．５×Ｗ以下（巻線幅の１．５倍以下）であることが好ましい。

ここで、本実施形態では、４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４が１列を成して構成されているが、図２に示されるように、４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４に加えて、４つの給電コイルＬ１５〜Ｌ１８をさらに備え、それぞれが列を成して構成されていてもよい。図２は、給電側コイル部が８つの給電コイルから構成された例を示す模式図である。本例においては、図２に示されるように、給電コイルＬ１５と給電コイルＬ１６が隣接し、給電コイルＬ１６と給電コイルＬ１７が隣接し、給電コイルＬ１７とＬ１８が隣接するように列を成して配置されている。このとき、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１５も隣接し、給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１６も隣接し、給電コイルＬ１３と給電コイルＬ１７も隣接し、給電コイルＬ１４と給電コイルＬ１８も隣接するように配置されている。すなわち、８つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１８が２列を成して構成されている。このように構成することにより、後述する２つの受電コイルＬ２１，Ｌ２２が図示Ｘ軸方向に位置ずれが生じた場合だけでなく、図示Ｙ軸方向に位置ずれが生じた場合であっても漏洩電磁界を減少させることができるとともに、高い電力伝送効率を維持することができる。

給電側共振キャパシタ１０は、給電コイルＬ１１〜Ｌ１４の後述するコイル切り替え部１１によって選択された給電コイルＬ１１〜Ｌ１４と共振回路を形成する。本実施形態では、給電側共振キャパシタ１０は、後述するコイル切り替え部１１によって選択された給電コイルＬ１１〜Ｌ１４と直列接続するように構成されているが、これに限られるものではなく、並列接続するように構成してもよい。

本実施形態では、コイル切り替え部１１は、４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４のうち、２つの給電コイルを選択する機能を有する。図１に示されている例では、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３が選択されている。この選択された２つの給電コイルＬ１１，Ｌ１３は、それぞれに発生する磁界の向きが互いに逆方向になるように駆動される。つまり、選択された２つの給電コイルＬ１１，Ｌ１３に発生する磁界の向きが互いに逆方向になるように２つの給電コイルＬ１１，Ｌ１３の接続が切り替えられる。この接続切り替えは、コイル切り替え部１１によって行われる。例えば、２つの給電コイルＬ１１，Ｌ１３の巻き方向が逆向きの場合は、給電コイルＬ１１の巻線終端と給電コイルＬ１３の巻線始端を接続すればよい。また、２つの給電コイルＬ１１，Ｌ１３の巻き方向が同じ向きの場合は、給電コイルＬ１１の巻線始端と給電コイルＬ１３の巻線始端を接続すればよい。このように接続された２つの給電コイルが駆動部９により駆動されると、一方の給電コイルが給電コイルから受電コイルに向かう方向の磁界を発生させたときに、他方の給電コイルが受電コイルから給電コイルに向かう方向の磁界を発生させる。

受電部１３は、受電側コイル部Ｌ２と、受電側共振キャパシタ１４を有する。

受電側コイル部Ｌ２は、２つの受電コイルＬ２１，Ｌ２２から構成されている。すなわち、給電側コイル部Ｌ１を構成するコイルの数量は、受電側コイル部Ｌ２を構成するコイルの数量よりも多くなっている。また、複数の給電コイルＬ１１〜Ｌ１４と複数の受電コイルＬ２１，Ｌ２２が対向して配置されることによって非接触にて電力が伝送される。なお、２つの受電コイルＬ２１，Ｌ２２は、給電コイルＬ１１〜Ｌ１４と同様に、それぞれ略長方形を呈しており、銅やアルミニウムなどの金属線を数回巻きから１０回巻き程度巻き回されて構成されており、平面状に形成されたスパイラル構造のコイルであり、給電コイルＬ１１〜Ｌ１４と同じ巻線幅Ｗを有している。なお、受電コイルＬ２１，Ｌ２２の各巻線幅Ｗ同士は同一であると好ましい。また、平面状に形成されたスパイラル構造のコイルは、厳密な平面である必要はなく、多少湾曲していても良い。またさらには、受電コイルＬ２１，Ｌ２２は、それぞれ巻線が層状に巻回されたコイルであっても良く、外形形状は、長方形の他に正方形、円、楕円を呈していても良い。但し、受電コイルＬ２１，Ｌ２２は、給電コイルＬ１１〜Ｌ１４と同一の外形形状であって、巻線幅Ｗ及び外形寸法が同一となっている。本実施形態では、受電側コイル部Ｌ２は、２つの受電コイルＬ２１，Ｌ２２、すなわち１対の受電コイルから構成されているがこれに限られることなく、複数対の受電コイルから構成されていてもよい。この場合においても、受電コイルを構成するコイルの数量は、給電側コイル部Ｌ１を構成するコイルの数量よりも少ない数で構成される必要がある。

２つの受電コイルＬ２１，Ｌ２２は、隣接するコイル同士のコイル面が部分的に重なり合うように配置されており、コイルの外縁が重なり合う範囲としては、０．５×Ｗ（巻線幅の０．５倍）から１．５×Ｗ（巻線幅の１．５倍）の範囲であることが好ましい。つまり、隣接するコイルの巻線同士は、巻線幅の半分以上が重なり合っていることが好ましい。この場合、隣接するコイル同士の重なり合う範囲を０．５×Ｗ以上（巻線幅の０．５倍以上）とすることで、隣接するコイル同士の結合状態が高められるため、鎖交する磁束量を増大させることができる。しかし、隣接するコイル同士が重なり合う範囲が増加し過ぎると、鎖交する磁束量が減少してしまうため、隣接するコイルの外縁同士が重なり合う範囲は１．５×Ｗ以下（巻線幅の１．５倍以下）であることが好ましい。

また、２つの受電コイルＬ２１，Ｌ２２は、互いに逆方向の磁界が鎖交したときに、それぞれに発生する起電力の方向が一致するように接続されている。例えば、２つの受電コイルＬ２１，Ｌ２２の巻き方向が逆向きの場合は、受電コイルＬ２１の巻線終端と受電コイルＬ２２の巻線始端を接続すればよい。また、２つの受電コイルＬ２１，Ｌ２２の巻き方向が同じ向きの場合は、受電コイルＬ２１の巻線始端と受電コイルＬ２２の巻線始端を接続すればよい。このように接続された２つの受電コイルのうちの一方の受電コイルに給電コイルから受電コイルに向かう方向の磁界が鎖交し、他方の受電コイルに受電コイルから給電コイルに向かう方向の磁界が鎖交した場合、一方の受電コイルにと他方の受電コイルに発生する起電力の方向が一致する。

整流器１５は、交流電力を直流電力に変換する機能を有している。本実施形態では、受電部１３から出力された交流電力（交流電圧）を直流電力（直流電圧）に変換し、後述する負荷装置１６に出力している。整流器１５は、例えば図示しないブリッジダイオードと平滑用コンデンサで構成される。ブリッジダイオードにより、受電部１３から出力された交流電圧は全波整流され、さらに、平滑用コンデンサにより、全波整流された電圧が平滑化される。

負荷装置１６は、整流器１５から出力された直流電力を消費する。例えば、非接触電力伝送装置１００を電気自動車に適用した場合、負荷装置１６としては、充電器や再充電可能な二次電池などが挙げられる。

入力電力測定装置１８は、直流電源８から駆動部９に入力する直流電圧と直流電流を電圧計と電流計により測定することにより入力電力値を算出する。この入力電力値は、例えば、直流電圧信号１８Ａに変換されて入力電力測定装置１８から出力され、電力伝送効率計算装置１９に入力される。

出力電力測定装置１７は、整流器１５が負荷装置１６に出力する直流電圧と直流電流を電圧計と電流計により測定することにより出力電力値を算出する。この出力電力値は、例えば、直流電圧信号１７Ａに変換されて出力電力測定装置１７から出力され、電力伝送効率計算装置１９に入力される。

電力伝送効率計算装置１９は、出力電力測定装置１７が出力した直流電圧信号１７Ａと入力電力測定装置１８が出力した直流電圧信号１８Ａを用いて電力伝送効率を算出する。この電力伝送効率は、例えば、直流電圧信号１９Ａに変換されて電力伝送効率計算装置１９から出力され、コイル切り替え部１１に入力される。

本実施形態では、電力伝送効率計算装置１９が出力する直流電圧信号１９Ａが最大となるように、つまり、電力伝送効率計算装置１９により算出される電力伝送効率が最大になるように、コイル切り替え部１１が４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４の内から２つの給電コイルを選択し、その２つの給電コイルが直列に接続されるように切り替える。例えば、図１に示されるような受電コイルＬ２１と給電コイルＬ１１，Ｌ１２とが対向し、また受電コイルＬ２２と給電コイルＬ１２，Ｌ１３とが対向して配置された状態においては、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３の組み合わせが選択される。仮に、この状態において給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１２の組み合わせまたは給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１３の組み合わせが選択されると、給電コイルＬ１２に発生する磁界が受電コイルＬ２１，Ｌ２２の双方に鎖交するため、受電コイルＬ２１，Ｌ２２に発生する起電力は、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３の組み合わせが選択された場合よりも小さくなる。その結果、電力伝送効率も給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３の組み合わせが選択された場合よりも小さくなる。これに対し、図１に示されるように、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３の組み合わせが選択されると、閉ループ７に沿って形成される磁界が増加するため、給電コイルＬ１１，Ｌ１３により形成された磁界が受電コイルＬ２１，Ｌ２２に効果的に鎖交し、高い電力伝送効率が維持される。したがって、図１に示されるコイル同士の対向状態においては、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３の組み合わせが選択されて駆動される。

ここで、図３を参照して、コイル切り替え部１１の構成及び動作について詳細に説明する。図３ａ〜図３ｅは、コイル切り替え部の動作を説明するための非接触電力伝送装置の一部詳細図である。

まず、コイル切り替え部１１の動作について説明する前に、図３ａを参照して、コイル切り替え部１１の構成について詳細に説明する。コイル切り替え部１１は、図３ａに示されるように、複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷ１１から構成されている。スイッチＳＷ１〜ＳＷ１１としては、例えば半導体スイッチやメカニカルなリレー等が挙げられる。本実施形態では、スイッチＳＷ１〜ＳＷ１１は、２端子からなるメカニカルなリレーで構成されている。

スイッチＳＷ１は、一方の端子が給電側共振キャパシタ１０に接続され、他方の端子が給電コイルＬ１１の巻線始端に接続されている。スイッチＳＷ２は、一方の端子が給電コイルＬ１１の巻線終端に接続され、他方の端子が給電コイルＬ１２の巻線始端に接続されている。スイッチＳＷ３は、一方の端子が給電コイルＬ１２の巻線始端に接続され、他方の端子が駆動部９に接続されている。スイッチＳＷ４は、一方の端子が給電コイルＬ１１の巻線終端に接続され、他方の端子が給電コイルＬ１３の巻線終端に接続されている。スイッチＳＷ５は、一方の端子が給電コイルＬ１３の巻線始端に接続され、他方の端子が駆動部９に接続されている。スイッチＳＷ６は、一方の端子が給電コイルＬ１２の巻線始端に接続され、他方の端子が給電側共振キャパシタ１０に接続されている。スイッチＳＷ７は、一方の端子が給電コイルＬ１２の巻線終端に接続され、他方の端子が給電コイルＬ１３の巻線終端に接続されている。スイッチＳＷ８は、一方の端子が給電コイルＬ１２の巻線終端に接続され、他方の端子が給電コイルＬ１４の巻線終端に接続されている。スイッチＳＷ９は、一方の端子が給電コイルＬ１４の巻線始端に接続され、他方の端子が駆動部９に接続されている。スイッチＳＷ１０は、一方の端子が給電コイルＬ１３の巻線始端に接続され、他方の端子が給電側共振キャパシタ１０に接続されている。スイッチＳＷ１１は、一方の端子が給電コイルＬ１３の巻線始端に接続され、他方の端子が給電コイルＬ１４の巻線終端に接続されている。

コイル切り替え部１１は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ１１の導通・非導通状態を制御することにより、４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４から駆動させる２つの給電コイルを選択している。

続いて、図３ａ〜図３ｅを参照して、コイル切り替え部１１の動作について詳細を説明する。

図３ａに示されるように、給電コイルＬ１１と受電コイルＬ２１が対向し、給電コイルＬ１２と受電コイルＬ２２が対向して配置された場合は、コイル切り替え部１１によって、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１２の組み合わせが選択され、これらが駆動部９によって駆動される。具体的には、コイル切り替え部１１のスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３が導通状態に制御され、他の全てのスイッチが非導通状態に制御される。すなわち、給電コイルＬ１１の巻線始端がスイッチＳＷ１を介して給電側共振キャパシタ１０に接続され、給電コイルＬ１１の巻線終端がスイッチＳＷ２を介して給電コイルＬ１２の巻線終端に接続され、給電コイルＬ１２の巻線始端がスイッチＳＷ３を介して駆動部９に接続される。したがって、駆動部９の出力端子に給電コイルＬ１１、給電コイルＬ１２及び給電側共振キャパシタ１０が直列接続されることとなる。その結果、駆動部９から給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１２に交流電力が供給される。

図３ｂに示されるように、給電コイルＬ１１と受電コイルＬ２１が対向し、給電コイルＬ１２と受電コイルＬ２１及び受電コイルＬ２２が対向し、給電コイルＬ１３と受電コイルＬ２２が対向して配置された場合は、コイル切り替え部１１によって、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３の組み合わせが選択され、これらが駆動部９によって駆動される。具体的には、コイル切り替え部１１のスイッチＳＷ１，ＳＷ４，ＳＷ５が導通状態に制御され、他の全てのスイッチが非導通状態に制御される。すなわち、給電コイルＬ１１の巻線始端がスイッチＳＷ１を介して給電側共振キャパシタ１０に接続され、給電コイルＬ１１の巻線終端がスイッチＳＷ４を介して給電コイルＬ１３の巻線終端に接続され、給電コイルＬ１３の巻線始端がスイッチＳＷ５を介して駆動部９に接続される。したがって、駆動部９の出力端子に給電コイルＬ１１、給電コイルＬ１３及び給電側共振キャパシタ１０が直列接続されることとなる。その結果、駆動部９から給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３に交流電力が供給される。

図３ｃに示されるように、給電コイルＬ１２と受電コイルＬ２１が対向し、給電コイルＬ１３と受電コイルＬ２２が対向して配置された場合は、コイル切り替え部１１によって、給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１３の組み合わせが選択され、これらが駆動部９によって駆動される。具体的には、コイル切り替え部１１のスイッチＳＷ５，ＳＷ６，ＳＷ７が導通状態に制御され、他の全てのスイッチが非導通状態に制御される。すなわち、給電コイルＬ１２の巻線始端がスイッチＳＷ６を介して給電側共振キャパシタ１０に接続され、給電コイルＬ１２の巻線終端がスイッチＳＷ７を介して給電コイルＬ１３の巻線終端に接続され、給電コイルＬ１３の巻線始端がスイッチＳＷ５を介して駆動部９に接続される。したがって、駆動部９の出力端子に給電コイルＬ１２、給電コイルＬ１３及び給電側共振キャパシタ１０が直列接続されることとなる。その結果、駆動部９から給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１３に交流電力が供給される。

図３ｄに示されるように、給電コイルＬ１２と受電コイルＬ２１が対向し、給電コイルＬ１３と受電コイルＬ２１及び受電コイルＬ２２が対向し、給電コイルＬ１４と受電コイルＬ２２が対向して配置された場合は、コイル切り替え部１１によって、給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１４の組み合わせが選択され、これらが駆動部９によって駆動される。具体的には、コイル切り替え部１１のスイッチＳＷ６，ＳＷ８，ＳＷ９が導通状態に制御され、他の全てのスイッチが非導通状態に制御される。すなわち、給電コイルＬ１２の巻線始端がスイッチＳＷ６を介して給電側共振キャパシタ１０に接続され、給電コイルＬ１２の巻線終始端がスイッチＳＷ８を介して給電コイルＬ１４の巻線終端に接続され、給電コイルＬ１４の他方の端子がスイッチＳＷ９を介して駆動部９に接続される。したがって、駆動部９の出力端子に給電コイルＬ１２、給電コイルＬ１４及び給電側共振キャパシタ１０が直列接続されることとなる。その結果、駆動部９から給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１４に交流電力が供給される。

図３ｅに示されるように、給電コイルＬ１３と受電コイルＬ２１が対向し、給電コイルＬ１４と受電コイルＬ２２が対向して配置された場合は、コイル切り替え部１１によって、給電コイルＬ１３と給電コイルＬ１４の組み合わせが選択され、これらが駆動部９によって駆動される。具体的には、コイル切り替え部１１のスイッチＳＷ９，ＳＷ１０，ＳＷ１１が導通状態に制御され、他の全てのスイッチが非導通状態に制御される。すなわち、給電コイルＬ１３の巻線始端がスイッチＳＷ１０を介して給電側共振キャパシタ１０に接続され、給電コイルＬ１３の巻線終端がスイッチＳＷ１１を介して給電コイルＬ１４の巻線終端に接続され、給電コイルＬ１４の巻線始端がスイッチＳＷ９を介して駆動部９に接続される。したがって、駆動部９の出力端子に給電コイルＬ１３、給電コイルＬ１４及び給電側共振キャパシタ１０が直列接続されることとなる。その結果、駆動部９から給電コイルＬ１３と給電コイルＬ１４に交流電力が供給される。

このように、コイル切り替え部１１は、受電コイルＬ２１，Ｌ２２と給電コイルＬ１１〜Ｌ１４との対向状態（相対的な位置関係）に基づいて、電力伝送効率の最も高くなる２つの給電コイルをスイッチＳＷ１〜ＳＷ１１の導通・非導通状態を制御することにより選択している。以下に、図３ａ〜図３ｅに示した給電コイルＬ１１〜Ｌ１４と受電コイルＬ２１，Ｌ２２との対向状態によるスイッチＳＷ１〜ＳＷ１１の導通・非導通状態を表１に示す。なお、表１において、「ＯＮ」はＳＷ１〜ＳＷ１１が導通状態であることを意味し、「ＯＦＦ」はＳＷ１〜ＳＷ１１が非導通状態であることを意味する。

続いて、図４を参照して、給電コイルＬ１１〜Ｌ１４と受電コイルＬ２１，Ｌ２２の対向状態（相対的な位置関係）に応じた給電動作について説明する。図４ａ〜図４ｅは、給電動作を説明するための給電コイルと受電コイルの対向状態（相対的な位置関係）を示した断面図（コイル面に垂直な断面を示した断面図）である。なお、図４ａ〜図４ｅにおいて、給電コイルＬ１２のコイル面と給電コイルＬ１３のコイル面が重なり合っている部分の中心位置を基準位置Ｘ＝０（ｍｍ）としている。

図４ａは、受電コイルＬ２１のコイル面と受電コイルＬ２２のコイル面の重なり合う部分の中心位置が、基準位置Ｘ＝０（ｍｍ）よりも図示左方向に−Ｘａ（ｍｍ）ずれた状態を示している。つまり、給電コイルＬ１１と受電コイルＬ２１が対向し、給電コイルＬ１２と受電コイルＬ２２が対向する状態となる。このとき、コイル切り替え部１１によって、電力伝送効率が最も高くなるように給電コイルＬ１１とＬ１２が選択されて駆動される。その結果、給電コイルＬ１１，Ｌ１２により閉ループ７に沿った磁界が形成される。このような磁界が形成されることにより、漏洩電磁界が低減されるとともに、受電コイルＬ２１，Ｌ２２に有効に起電力が発生し、高い電力伝送効率が維持される。

図４ｂは、受電コイルＬ２１のコイル面と受電コイルＬ２２のコイル面の重なり合う部分の中心位置が、基準位置Ｘ＝０（ｍｍ）よりも図示左方向に−Ｘｂ（ｍｍ）ずれた状態を示している。つまり、給電コイルＬ１１と受電コイルＬ２１が対向し、給電コイルＬ１２と受電コイルＬ２１及び受電コイルＬ２２が対向し、給電コイルＬ１３と受電コイルＬ２２が対向する状態となる。このとき、コイル切り替え部１１によって、電力伝送効率が最も高くなるように給電コイルＬ１１とＬ１３が選択されて駆動される。その結果、給電コイルＬ１１，Ｌ１３により閉ループ７に沿った磁界が形成される。このような磁界が形成されることにより、漏洩電磁界が低減されるとともに、受電コイルＬ２１，Ｌ２２に有効に起電力が発生し、高い電力伝送効率が維持される。仮に、給電コイルＬ１３の代わりに給電コイルＬ１２が選択されると、給電コイルＬ１２により形成された磁界が受電コイルＬ２１，Ｌ２２の双方に影響を及ぼすため、受電コイルＬ２１，Ｌ２２に発生する起電力が弱まり、電力伝送効率が低下してしまう。

図４ｃは、受電コイルＬ２１のコイル面と受電コイルＬ２２のコイル面の重なり合う部分の中心位置が、基準位置Ｘ＝０（ｍｍ）（Ｘｃ＝０（ｍｍ））と一致した状態を示している。つまり、給電コイルＬ１２と受電コイルＬ２１が対向し、給電コイルＬ１３と受電コイルＬ２２が対向する状態となる。このとき、コイル切り替え部１１によって、電力伝送効率が最も高くなるように給電コイルＬ１２とＬ１３が選択されて駆動される。その結果、給電コイルＬ１２，Ｌ１３により閉ループ７に沿った磁界が形成される。このような磁界が形成されることにより、漏洩電磁界が低減されるとともに、受電コイルＬ２１，Ｌ２２に有効に起電力が発生し、高い電力伝送効率が維持される。

図４ｄは、受電コイルＬ２１のコイル面と受電コイルＬ２２のコイル面の重なり合う部分の中心位置が、基準位置Ｘ＝０（ｍｍ）よりも図示右方向に＋Ｘｄ（ｍｍ）ずれた状態を示している。つまり、給電コイルＬ１２と受電コイルＬ２１が対向し、給電コイルＬ１３と受電コイルＬ２１及び受電コイルＬ２２が対向し、給電コイルＬ１４と受電コイルＬ２２が対向する状態となる。このとき、コイル切り替え部１１によって、電力伝送効率が最も高くなるように給電コイルＬ１２とＬ１４が選択されて駆動される。その結果、給電コイルＬ１２，Ｌ１４により閉ループ７に沿った磁界が形成される。このような磁界が形成されることにより、漏洩電磁界が低減されるとともに、受電コイルＬ２１，Ｌ２２に有効に起電力が発生し、高い電力伝送効率が維持される。仮に、給電コイルＬ１３の代わりに給電コイルＬ１３が選択されると、給電コイルＬ１３により形成された磁界が受電コイルＬ２１，Ｌ２２の双方に影響を及ぼすため、受電コイルＬ２１，Ｌ２２に発生する起電力が弱まり、電力伝送効率が低下してしまう。

図４ｅは、受電コイルＬ２１のコイル面と受電コイルＬ２２のコイル面の重なり合う部分の中心位置が、基準位置Ｘ＝０（ｍｍ）よりも図示右方向に＋Ｘｅ（ｍｍ）ずれた状態を示している。つまり、給電コイルＬ１３と受電コイルＬ２１が対向し、給電コイルＬ１４と受電コイルＬ２２が対向する状態となる。このとき、コイル切り替え部１１によって、電力伝送効率が最も高くなるように給電コイルＬ１３とＬ１４が選択されて駆動される。その結果、給電コイルＬ１３，Ｌ１４により閉ループ７に沿った磁界が形成される。このような磁界が形成されることにより、漏洩電磁界が低減されるとともに、受電コイルＬ２１，Ｌ２２に有効に起電力が発生し、高い電力伝送効率が維持される。

以上のように、本実施形態に係る非接触電力伝送装置１００では、給電側コイル部Ｌ１及び受電側コイル部Ｌ２において、隣接するコイル同士のコイル面が部分的に重なり合って相互の距離が接近するため、コイル同士の結合状態が高まっている。この状態において、給電側コイル部Ｌ１を構成するコイルから給電側から受電側に伝送される電力の伝送効率が最も高くなる直列に接続される一対または複数対のコイルが選択され、選択された対になるコイルが発生する磁界の方向が互いに逆方向になるように当該対になるコイルの接続を切り替え、選択された一対または複数対のコイルに電力を供給し駆動させる。一方、受電側コイル部Ｌ２を構成する直列に接続された一対または複数対のコイルのうちの対になるコイルは、それぞれに逆方向の磁界が与えられたときに起電力の方向が同じになるように接続されている。このような構成により、位置ずれが生じない場合、または位置ずれが生じた場合のいずれの場合であっても、給電側コイル部Ｌ１を構成するコイルから選択された対になるコイルと受電側コイル部Ｌ２を構成するコイルのうちの対になるコイルとの間に生じる磁界は閉ループを描き、漏洩電磁界を減少させることができるとともに、給電側コイル部Ｌ１を構成するコイルから選択された対になるコイルから受電側コイル部Ｌ２を構成するコイルのうちの対になるコイルに貫通する磁界が相殺されずに受電側コイル部Ｌ２を構成するコイルのうちの対になるコイルに有効に起電力が発生するため、高い電力伝送効率を維持することができる。したがって、非接触にて電力を伝送する際に生じる漏洩電磁界を減少させることができるとともに、位置ずれが生じた場合においても、高い電力伝送効率を維持することができる。

ここで、図５を参照して、本発明の第１実施形態に係る非接触電力伝送装置１００を電気自動車５０に適用した例について詳細に説明する。図５は、本発明の第１実施形態に係る非接触電力伝送装置を電気自動車に適用した例を説明するための模式図である。

図５に示す例においては、駐車スペース５００内において電気自動車５０に給電動作を行う例を示している。本例においては、図５に示されるように、電気自動車５０の車体底部に２つの受電コイルＬ２１，Ｌ２２が搭載され、駐車スペース５００内の地面に４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４と車止め５２が配置されている。より具体的には、２つの受電コイルＬ２１，Ｌ２２は、電気自動車５０の車体底部に、コイル面が地面に対向するように１列に配置されている。また、４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４は、車止め５２の前方（図示上方）に、車止め５２の延在方向に沿って１列に配置されている。また、４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４のコイル面は、地面に平行になっている。

この状態において、電気自動車５０が図示矢印の方向に移動し、電気自動車５０の車輪と車止め５２が接触するように駐車されると、地上に配置された４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４と２つの受電コイルＬ２１，Ｌ２２が対向することとなる。このとき、４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４と２つの受電コイルＬ２１，Ｌ２２の対向状態に応じて４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４から電力伝送効率の最も高くなる２つの給電コイルが選択されて駆動され、２つの受電コイルＬ２１，Ｌ２２に非接触にて電力が伝送される。そして、２つの受電コイルＬ２１，Ｌ２２が受電した電力は、例えば電気自動車５０のバッテリー（図示しない）の充電などに使用される。

（第２実施形態）
続いて、図６を参照して、本発明の第２実施形態に係る非接触電力伝送装置２００の構成について説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る非接触電力伝送装置の構成を示す構成図である。

非接触電力伝送装置２００は、図６に示されるように、直流電源８、駆動部９、給電部１１２、受電部１１３、整流器１５、負荷装置１６、位置検出装置６２を有する。直流電源８、駆動部９、整流器１５、負荷装置１６の構成は、第１実施形態に係る非接触電力伝送装置１００と同様である。本実施形態では、第１実施形態に係る非接触電力伝送装置１００の入力電力測定装置１８、出力電力測定装置１７、電力伝送効率計算装置１９に代えて、位置検出装置６２を備えるとともに、送信機６０と受信装置６１が、受電部１１３と給電部１１２にそれぞれ設けられている。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

送信機６０は、受電コイルＬ２１のコイル面と受電コイルＬ２２のコイル面との重なり部分の中心部に、給電側コイル部Ｌ１と対向するように配置される。この送信機６０は、電波６０Ａを後述する受信装置６１に向かって照射する。本実施形態では、送信機６０として、電波を照射するアンテナコイル送信機を用いているがこれに限られることなく、例えば赤外線を照射する赤外線送信機や２０（ｋＨｚ）以上の超音波を照射する超音波送信機を用いてもよい。

受信装置６１は、受電側コイル部Ｌ２と対向するように、給電コイルＬ１１〜Ｌ１４のコイル面全体に亘って配置されている。本実施形態では、受信装置６１は、送信機から照射された電波６０Ａに応じて０（Ｖ）〜５（Ｖ）の直流電圧を生成し、その直流電圧を位置検出信号６１Ａに変換して出力する。そして、後述する位置検出装置６２にはこの位置検出信号６１Ａが入力される。受信装置６１としては、シート状のセンサーなどが挙げられる。

位置検出装置６２は、位置検出信号６１Ａに応じて電力伝送効率が最も高くなる給電コイルの組み合わせを給電コイルＬ１１〜Ｌ１４から選択する。なお、位置検出信号６１Ａと選択される給電コイルの組み合わせとの関係は、予め位置検出装置６２に記憶されている。この位置検出装置６２は、入力された位置検出信号６１Ａに応じて給電コイルＬ１１〜Ｌ１４から給電コイルを選択し、選択した給電コイルを示す制御信号６２Ａを出力する。そして、この制御信号６２Ａは、コイル切り替え部１１に入力される。

コイル切り替え部１１は、位置検出装置６２が出力する制御信号６２Ａに基づいて、４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４の内から、電力伝送効率が最も高くなる２つの給電コイルを選択し、それらが駆動部９により駆動されるように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ１２の導通・非導通状態を切り替える。例えば、図６に示されるように、受電コイルＬ２１と給電コイルＬ１１，Ｌ１２とが対向し、また受電コイルＬ２２と給電コイルＬ１２，Ｌ１３とが対向して配置されている場合は、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３の組み合わせが選択され、それらが駆動部９により駆動される。このように、本実施形態においても、位置検出装置６２が出力する制御信号６２Ａに基づいて、４つの給電コイルＬ１１〜Ｌ１４の内から、電力伝送効率が最も高くなる２つの給電コイルが選択されるため、高い電力伝送効率を維持することができる。

（第３実施形態）
続いて、図７を参照して、本発明の第３実施形態に係る非接触電力伝送装置の構成を説明する。図７は、本発明の第３実施形態に係る非接触電力伝送装置の給電コイルと受電コイルの部分を詳細に示した図である。

本実施形態に係る非接触電力伝送装置において、図７に示されていない部分については第１実施形態に係る非接触電力伝送装置１００と同様である。本実施形態では、給電部２１２が給電側磁性体７０を、受電部２１３が受電側磁性体７１を備えている。この点以外は、第１実施形態に係る非接触電力伝送装置１００と同様の構成になっている。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

給電側磁性体７０は、図７に示されるように、給電側コイル部Ｌ１の受電側コイル部Ｌ２と対向する面とは反対側の面に沿って配置されている。より具体的には、給電側コイル部Ｌ１と受電側コイル部Ｌ２の対向方向と直交する平面に沿って、複数の給電コイルＬ１１〜Ｌ１４のコイル面全体が給電側磁性体７０により覆われている。なお、複数の給電コイルＬ１１〜Ｌ１４と給電側磁性体７０は、接触して配置される必要はなく、その間に空隙を設けてもよい。

受電側磁性体７１は、図７に示されるように、受電側コイル部Ｌ２の給電側コイル部Ｌ１と対向する面とは反対側の面に沿って配置されている。より具体的には、給電側コイル部Ｌ１受電側コイル部Ｌ２の対向方向と直交する平面に沿って、複数の受電コイルＬ２１，Ｌ２２のコイル面全体が受電側磁性体７１により覆われている。なお、複数の受電コイルＬ２１，Ｌ２２と受電側磁性体７１は、接触して配置される必要はなく、その間に空隙を設けてもよい。

給電側磁性体７０及び受電側磁性体７１としては、透磁率及び電気抵抗の高い材料であれば特に限定されないが、例えば透磁率が２，０００〜３，０００程度のフェライトが好ましい。

本実施形態では、給電側コイル部Ｌ１で形成された磁界は、給電側磁性体７０及び受電側磁性体７１を通過する。例えば、図７に示されるように、給電コイルＬ１２，１３が選択された場合、給電側磁性体７０及び受電側磁性体７１を通過する閉ループ７Ａに沿った磁界が形成されることとなる。このように、給電側コイル部Ｌ１で形成された磁界が給電側磁性体７０及び受電側磁性体７１の内部を通過するため、漏洩電磁界が一層低減される。

（第４実施形態）
次に、図８を参照して、本発明の第４実施形態に係る非接触電力伝送装置３００の構成について説明する。図８は、本発明の第４実施形態に係る非接触電力伝送装置を示す構成図である。この非接触電力伝送装置３００は、周波数制御回路９８を備えている点が、第１実施形態に係る非接触電力伝送装置１００と相違する。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

周波数制御回路９８は、図８に示されるように、電流検出器９５、位相制御器９６、周波数制御器９７により構成されている。この周波数制御回路９８は、駆動部９から出力される交流電圧と給電コイルＬ１１〜Ｌ１４を流れる交流電流の位相を一致させるように駆動部９に与えられる駆動信号を制御する。

電流検出器９５は、駆動部９から給電コイルＬ１１〜Ｌ１４に供給される交流電流を検出する。ここで、駆動部９から給電コイルＬ１１〜Ｌ１４に流れる交流電流は、給電コイルＬ１１〜Ｌ１４と給電側共振キャパシタ１０とによる共振電流になるため、その波形はほぼ正弦波になる。電流検出器９５は、駆動部９から出力される交流電流の検出し、この交流電流の位相変化を示す電流位相信号９５Ａを出力する。そして、この電流位相信号９５Ａは位相制御器９６に入力される。電流検出器９５としては、例えばホール素子を用いた電流センサーや磁性体コアに巻線を施した交流電流測定専用のカレントトランス等が挙げられる。

周波数制御器９７は、駆動部９の駆動周波数を制御する機能を有している。具体的には、周波数制御器９７は、直流電源８から入力した直流電力（直流電圧）を駆動部９が交流電力（交流電圧）に変換するときの交流電力（交流電圧）の駆動周波数を決定する。周波数制御器９７は、位相制御器９６から与えられる位相制御信号９６Ａに基づいて、駆動部９の駆動信号の周波数を決定し、その駆動信号に対応する電圧位相信号９７Ａ（駆動信号の電圧位相（電圧波形））を示す電圧位相信号９７Ａ，９７Ｂを出力する。電圧位相信号９７Ａは駆動部９に入力され、電圧位相信号９７Ｂは位相制御器９６に入力される。電圧位相信号９７Ａ，９７Ｂは、例えばデューティー比が５０（％）の矩形波である。

位相制御器９６は、入力される電流検出器９５からの電流位相信号９５Ａと周波数制御器９７からの電圧位相信号９７Ｂに基づいて、電流位相信号９５Ａと電圧位相信号９７Ｂの位相差を示す位相制御信号９６Ａを出力する。位相制御信号９６Ａは周波数制御器９７に入力され、周波数制御器９７は電流位相信号９５Ａと電圧位相信号９７Ｂの位相差が小さくなるように、つまり、駆動部９から出力される交流電圧と給電コイルＬ１１〜Ｌ１４を流れる交流電流の位相差が小さくなるように駆動部９に与える駆動信号（電圧位相信号９７Ａ）を制御する。

このように本実施形態では、周波数制御器９７が電流位相信号９５Ａと電圧位相信号９７Ｂの位相差を示す位相制御信号９６Ａに基づいて、駆動部９の駆動周波数を制御している。その結果、電流位相信号９５Ａと電圧位相信号９７Ｂの位相差が縮小して、給電コイルＬ１１〜Ｌ１４と給電側共振キャパシタ１０で形成される共振回路の共振周波数の近傍の駆動周波数にて駆動部９が駆動されることとなる。

以上のように、本実施形態に係る非接触電力伝送装置３００は、周波数制御回路９８が給電側コイル部Ｌ１に印加する電圧の位相と給電側コイル部Ｌ１に流れる電流の位相とを合わせるように駆動周波数を制御している。そのため、位置ずれが生じた場合に、給電側コイル部Ｌ１及び受電側コイル部Ｌ２の互いの相互インダクタンスの変化に応じて電力伝送効率が最大となるように駆動周波数を制御することが可能となる。その結果、位置ずれが生じた場合においても高い電力伝送効率を確実に維持することができる。

以下、本実施形態によって位置ずれが生じた場合においても高い電力伝送効率を維持できることを実施例１〜５と比較例１とによって具体的に示す。但し、本発明はこれらに限定されない。

実施例１では、上述した第１実施形態に係る非接触電力伝送装置を用いた。実施例２〜５では、上述した第４実施形態に係る非接触電力伝送装置を用いた。但し、実施例１〜５の給電側コイル部Ｌ１の隣接するコイル同士の重なり合う範囲及び受電側コイル部Ｌ２の隣接するコイル同士の重なり合う範囲を変化させた。図９ａ〜図９ｄは、実施例における給電側コイル部及び受電側コイル部の隣接するコイル同士の重なり合う範囲を説明するための非接触電力伝送装置の一部詳細図である。

実施例１の非接触電力伝送装置１００は、図９ａに示されるように、給電側コイル部Ｌ１の隣接するコイル同士の重なり合う範囲及び受電側コイル部Ｌ２の隣接するコイル同士の重なり合う範囲を１．０×Ｗに設定した。実施例２の非接触電力伝送装置３００は、図９ｂに示されるように、給電側コイル部Ｌ１の隣接するコイル同士の重なり合う範囲及び受電側コイル部Ｌ２の隣接するコイル同士の重なり合う範囲を２．０×Ｗに設定した。実施例３の非接触電力伝送装置３００は、図９ｃに示されるように、給電側コイル部Ｌ１の隣接するコイル同士の重なり合う範囲及び受電側コイル部Ｌ２の隣接するコイル同士の重なり合う範囲を０．５×Ｗに設定した。実施例４の非接触電力伝送装置３００は、図９ｄに示されるように、給電側コイル部Ｌ１の隣接するコイル同士の重なり合う範囲及び受電側コイル部Ｌ２の隣接するコイル同士の重なり合う範囲を１．５×Ｗに設定した。実施例５の非接触電力伝送装置３００は、図９ａに示されるように、給電側コイル部Ｌ１の隣接するコイル同士の重なり合う範囲及び受電側コイル部Ｌ２の隣接するコイル同士の重なり合う範囲を１．０×Ｗに設定した。

また、実施例１では駆動部９の駆動周波数を固定し、実施例２〜５では駆動部９の駆動周波数を変化させた。図１０は、駆動部の駆動周波数を固定させた場合の給電側コイル部と受電側コイル部の位置に応じた駆動部の駆動周波数を示すグラフである。図１１は、駆動部の駆動周波数を変動させた場合の給電側コイル部と受電側コイル部の位置に応じた駆動部の駆動周波数を示すグラフである。実施例１の非接触電力伝送装置１００は、図１０に示されるように、選択される給電コイルＬ１１〜Ｌ１４が変わっても駆動部９の駆動周波数は常に一定に固定されている。実施例２〜５の非接触電力伝送装置３００は、図１１に示されるように、選択される給電コイルＬ１１〜Ｌ１４に応じて駆動部９の駆動周波数を変化させている。

比較例１では、給電側コイル部の隣接するコイル同士及び受電側コイル部の隣接するコイル同士を重ね合わせない非接触電力伝送装置４００を用いた。図９ｅは、比較例１における給電側コイル部及び受電側コイル部の隣接するコイル同士の重なり合う範囲を説明するための非接触電力伝送装置の一部詳細図である。具体的には、比較例１の非接触電力伝送装置４００は、図９ｅに示されるように、給電コイルＬ１１１〜Ｌ１１４の隣接するコイル同士及び受電コイルＬ１２１，Ｌ１２２の隣接するコイル同士が重なり合わないように設定した。

なお、実施例１〜５及び比較例１において、給電側コイル部と受電側コイル部との対向距離はＺ（ｍｍ）とした。

続いて、実施例１〜５と比較例１において、位置ずれが生じた場合の電力伝送効率を測定した。実施例１の測定結果を図１２に示す。実施例２の測定結果を図１３に示す。実施例３の測定結果を図１４に示す。実施例４の測定結果を図１５に示す。実施例５の測定結果を図１６に示す。比較例１の測定結果を図１７に示す。ここで、図１２〜１７中、横軸は給電側コイル部の中心位置と受電側コイル部の中心位置のずれＸ（ｍｍ）を表示し、縦軸は電力伝送効率η（％）を表示している。

図１２に示す実施例１においては、給電側コイル部Ｌ１の中心位置から受電側コイル部Ｌ２の中心位置を変化させた場合に、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１２の組み合わせ、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３の組み合わせ、給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１３の組み合わせ、給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１４の組み合わせ、給電コイルＬ１３と給電コイルＬ１４の組み合わせが選択されて駆動した場合の電力伝送効率を測定した。測定結果から、給電側コイル部Ｌ１の中心位置と受電側コイル部Ｌ２の中心位置のずれＸが−２４０〜２４０（ｍｍ）の範囲においては、電力伝送効率が８４〜９０（％）程度に維持されていることから、位置ずれが生じた場合においても高い電力伝送効率を維持できることが確認できた。

図１３に示す実施例２においては、給電側コイル部Ｌ１の中心位置から受電側コイル部Ｌ２の中心位置を変化させた場合に、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１２の組み合わせ、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３の組み合わせ、給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１３の組み合わせ、給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１４の組み合わせ、給電コイルＬ１３と給電コイルＬ１４の組み合わせが選択されて駆動した場合の電力伝送効率を測定した。測定結果から、給電側コイル部Ｌ１の中心位置と受電側コイル部Ｌ２の中心位置のずれＸが−２００〜２００（ｍｍ）の範囲においては、電力伝送効率が８４〜９０（％）程度に維持されていることから、位置ずれが生じた場合においても高い電力伝送効率を維持できることが確認できた。また、本実施例では、選択される複数の給電コイルＬ１１〜Ｌ１４に応じて駆動部９の駆動周波数を変化させているため、実施例１に比して、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３の組み合わせが選択されて駆動する範囲（Ｘ＝−２０〜−１４０（ｍｍ）の範囲）及び給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１４の組み合わせが選択されて駆動する範囲（Ｘ＝２０〜１４０（ｍｍ）の範囲）において、電力伝送効率が８６（％）以上というより一層高い電力伝送効率を維持できることが確認できた。

図１４に示す実施例３においては、給電側コイル部Ｌ１の中心位置から受電側コイル部Ｌ２の中心位置を変化させた場合に、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１２の組み合わせ、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３の組み合わせ、給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１３の組み合わせ、給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１４の組み合わせ、給電コイルＬ１３と給電コイルＬ１４の組み合わせが選択されて駆動した場合の電力伝送効率を測定した。測定結果から、給電側コイル部Ｌ１の中心位置と受電側コイル部Ｌ２の中心位置のずれＸが−２４０〜２４０（ｍｍ）の範囲においては、電力伝送効率が８６〜９０（％）程度に維持されていることから、位置ずれが生じた場合においても高い電力伝送効率を維持できることが確認できた。また、本実施例では、給電側コイル部Ｌ１の隣接するコイル同士の重なり合う範囲及び受電側コイル部Ｌ２の隣接するコイル同士の重なり合う範囲が０．５×Ｗとなっていることから、実施例２に比して、給電側コイル部Ｌ１の中心位置と受電側コイル部Ｌ２の中心位置のずれＸが−２４０〜２４０（ｍｍ）の範囲という広範囲において、電力伝送効率が８６（％）以上の高い電力伝送効率を維持できることが確認できた。

図１５に示す実施例４においては、給電側コイル部Ｌ１の中心位置から受電側コイル部Ｌ２の中心位置を変化させた場合に、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１２の組み合わせ、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３の組み合わせ、給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１３の組み合わせ、給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１４の組み合わせ、給電コイルＬ１３と給電コイルＬ１４の組み合わせが選択されて駆動した場合の電力伝送効率を測定した。測定結果から、給電側コイル部Ｌ１の中心位置と受電側コイル部Ｌ２の中心位置のずれＸが−２２０〜２２０（ｍｍ）の範囲においては、電力伝送効率が８６〜８９（％）程度に維持されていることから、位置ずれが生じた場合においても高い電力伝送効率を維持できることが確認できた。また、本実施例では、給電側コイル部Ｌ１の隣接するコイル同士の重なり合う範囲及び受電側コイル部Ｌ２の隣接するコイル同士の重なり合う範囲が１．５×Ｗとなっていることから、実施例２に比して、給電側コイル部Ｌ１の中心位置と受電側コイル部Ｌ２の中心位置のずれＸが−２２０〜２２０（ｍｍ）の範囲という広範囲において、電力伝送効率が８６（％）以上の高い電力伝送効率を維持できることが確認できた。

図１６に示す実施例５においては、給電側コイル部Ｌ１の中心位置から受電側コイル部Ｌ２の中心位置を変化させた場合に、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１２の組み合わせ、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３の組み合わせ、給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１３の組み合わせ、給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１４の組み合わせ、給電コイルＬ１３と給電コイルＬ１４の組み合わせが選択されて駆動した場合の電力伝送効率を測定した。測定結果から、給電側コイル部Ｌ１の中心位置と受電側コイル部Ｌ２の中心位置のずれＸが−２４０〜２４０（ｍｍ）の範囲においては、電力伝送効率が８９〜９１（％）程度に維持されていることから、位置ずれが生じた場合においても高い電力伝送効率を維持できることが確認できた。また、本実施例では、選択される給電コイルＬ１１〜Ｌ１４に応じて駆動部９の駆動周波数を変化させているため、実施例１に比して、給電コイルＬ１１と給電コイルＬ１３の組み合わせが選択されて駆動する範囲（Ｘ＝−４０〜−１４０（ｍｍ）の範囲）及び給電コイルＬ１２と給電コイルＬ１４の組み合わせが選択されて駆動する範囲（Ｘ＝４０〜１４０（ｍｍ）の範囲）において、電力伝送効率が９０（％）以上というより一層高い電力伝送効率を維持できることが確認できた。さらに、本実施例では、給電側コイル部Ｌ１の隣接するコイル同士の重なり合う範囲及び受電側コイル部Ｌ２の隣接するコイル同士の重なり合う範囲が１．０×Ｗとなっていることから、実施例２に比して、給電側コイル部Ｌ１の中心位置と受電側コイル部Ｌ２の中心位置のずれＸが−２４０〜２４０（ｍｍ）の範囲という広範囲において、電力伝送効率が８９（％）以上の高い電力伝送効率を維持できることが確認できた。

図１７に示す比較例１においては、給電側コイル部の中心位置から受電側コイル部の中心位置を変化させた場合に、給電コイルＬ１１１と給電コイルＬ１１２の組み合わせ、給電コイルＬ１１１と給電コイルＬ１１３の組み合わせ、給電コイルＬ１１２と給電コイルＬ１１３の組み合わせ、給電コイルＬ１１２と給電コイルＬ１１４の組み合わせ、給電コイルＬ１１３と給電コイルＬ１１４の組み合わせが選択されて駆動した場合の電力伝送効率を測定した。測定結果から、給電側コイル部の中心位置と受電側コイル部の中心位置のずれＸが−２４０〜２４０（ｍｍ）の範囲においては、電力伝送効率が７６〜９０（％）程度となっており、一部の範囲において電力伝送効率が著しく低下している。特に、給電コイルＬ１１１と給電コイルＬ１１３の組み合わせが選択されて駆動する範囲（Ｘ＝−１００〜−１６０（ｍｍ）の範囲）及び給電コイルＬ１１２と給電コイルＬ１１４の組み合わせが選択されて駆動する範囲（Ｘ＝１００〜１６０（ｍｍ）の範囲）において、電力伝送効率が７６〜７７（％）程度と著しく低下している。これは、給電側コイル部の隣接するコイル同士及び受電側コイル部の隣接するコイル同士が重なり合っておらず、給電コイルＬ１１１〜Ｌ１１４と受電コイルＬ１２１，Ｌ１２２の結合状態が低下したためと考えられる。

地上側から駐車中の電気自動車に非接触で電力伝送を行い、２次電池を充電する電気自動車用非接触給電装置。

１００，２００，３００，４００…非接触電力伝送装置、Ｌ１…給電側コイル部、Ｌ２…受電側コイル部、Ｌ１１〜Ｌ１８，Ｌ１１１〜Ｌ１１４…給電コイル、Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ１２１，Ｌ１２２…受電コイル、７，７Ａ…閉ループ、８…直流電源、９…駆動部、１０…給電側共振キャパシタ、１１…コイル切り替え部、１２，１１２，２１２…給電部、１３，１１３，２１３…受電部、１４…受電側共振キャパシタ、１５…整流器、１６…負荷装置、１７…出力電力測定装置、１７Ａ，１８Ａ，１９Ａ…直流電圧信号、１８…入力電力測定装置、１９…電力伝送効率計算装置、５０…電気自動車、５１…車輪、５２…車止め、５００…駐車スペース、６０…送信機、６０Ａ…電波、６１…受信装置、６１Ａ…位置検出信号、６２…位置検出装置、６２Ａ…制御信号、７０…給電側磁性体、７１…受電側磁性体、９５…電流検出器、９５Ａ…電流位相信号、９６…位相制御器、９６Ａ…位相制御信号、９７…周波数制御器、９７Ａ，９７Ｂ…電圧位相信号、９８…周波数制御回路。

Claims (4)

1. 給電側から受電側へ非接触で電力が伝送される非接触電力伝送装置であって、
   少なくとも３つのコイルで構成された給電側コイル部と、
   直列に接続された一対または複数対のコイルで構成され、対になるコイルはそれぞれに逆方向の磁界が与えられたときに起電力の方向が同じになるように接続されている受電側コイル部と、
   前記給電側コイル部を構成するコイルから直列に接続される一対または複数対のコイルを選択し、対になるコイルが発生する磁界の方向が互いに逆方向になるように当該対になるコイルの接続を切り替えるコイル切り替え部と、
   前記コイル切り替え部により選択された一対または複数対のコイルに電力を供給する駆動部と、
   を備え、
   前記給電側コイル部及び前記受電側コイル部において、隣接するコイルの巻線同士が少なくとも一部において重なり合うように配置されており、
   前記コイル切り替え部は、給電側から受電側に伝送される電力の伝送効率が最も高くなるようにコイルを選択することを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記給電側コイル部及び前記受電側コイル部において、隣接するコイル同士が巻線幅の０．５倍から、巻線幅の１．５倍の範囲で重なり合うように配置されていることを特徴とする請求項１の記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記駆動部の駆動周波数を制御する周波数制御回路をさらに備え、
   前記周波数制御回路は、前記給電側コイル部に印加する電圧の位相と前記給電側コイル部に流れる電流の位相とを合わせるように前記駆動周波数を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記給電側コイル部に供給される電力値を測定する入力電力測定装置と、
   前記受電側コイル部から出力される電力値を測定する出力電力測定装置と、
   電力伝送効率計算装置と、をさらに備え、
   前記電力伝送効率計算装置は、前記入力電力測定装置が測定した電力値と前記出力電力測定装置が測定した電力値から給電側から受電側に伝送される電力伝送効率を算出し、
   前記コイル切り替え部は、前記電力伝送効率計算装置が算出した電力伝送効率に基づいて、給電側から受電側に伝送される電力の伝送効率が最も高くなるようにコイルを選択することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。

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