JP2017050992A - 無線給電装置の送電ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】厚さの増大や周波数のさらなる上昇を招くことなく、コイルの巻数が複数の場合と同等の送電効率が達成される無線給電装置の送電ユニットを提供する。
【解決手段】高周波電源２３に接続される外周側コイル２４の内周側には、内周側コイル２５が設けられている。この内周側コイル２５は、高周波電源２３とは電気的に非接続である。内周側コイル２５は、外周側コイル２４と電磁気的に結合、または外周側コイル２４と共鳴する。そのため、高周波電源２３から外周側コイル２４に高周波の電力を供給するとき、内周側コイル２５は外周側コイル２４との間に電磁気的な結合や磁界共鳴を生じる。これにより、外周側コイル２４および内周側コイル２５は、あたかも一体の複数巻きのコイルのように磁界を生じる。
【選択図】図１

Description

本発明は、設備で用いられる移動体へ無線で電力を供給する無線給電装置の送電ユニットに関する。

近年、電力を伝達する手段として、送電側から受電側へ無線で電力を供給する無線給電装置の利用が進みつつある（特許文献１）。この無線給電装置は、例えば工場などの設備と、この設備で用いられるＡＧＶ（Auto Guided Viecle）やロボットなどの移動体との間における電力の供給にも用いることができる。これらＡＧＶやロボットなどの移動体は、設備の床面や壁面などの構造面に沿って移動する。そのため、移動体と構造面までの距離は、安全性や機能性の観点からできる限り小さくすることが求められている。その結果、無線給電装置で移動体へ電力を送電する送電ユニットが大型化、特に厚みが大きくなると、移動体の安全性の確保や安定した移動の妨げになる。すなわち、このような設備の移動体に用いられる無線給電装置の送電ユニットは、移動体の移動を妨げないようにできる限り薄型であることが求められている。また、既存の設備の構造面に送電ユニットを設ける場合、設備側の制限もあることから、送電ユニットは薄型であることが好ましい。一方、無線給電装置の送電ユニットは、移動体との間の送電効率を高めるために、コイルの巻数を多くすることが求められる。

しかしながら、平面状のコイルを２巻き以上にすると、コイルには電力を供給するための配線がコイルの上側または下側を交差する部分が生じる。このようにコイルと配線とが交差する場合、漏れ電流が生じたり、コイルと配線との間で意図しないキャパシタが形成されたりする。そのため、コイルと配線との間には、十分に大きな間隔を確保することが求められる。その結果、送電ユニットの厚みが増し、薄型化という要求に応えることができないという問題がある。また、コイルのＱ値を高めることにより、コイルの巻数を１巻きとする場合、周波数のさらなる上昇を招き、送電効率を維持するための設定や制御が複雑化するという問題がある。

米国特許第７，８２５，５４３号明細書

そこで、本発明の目的は、厚さの増大や周波数のさらなる上昇を招くことなく、コイルの巻数が複数の場合と同等の送電効率が達成される無線給電装置の送電ユニットを提供することにある。

請求項１記載の発明では、高周波源に接続される外周側コイルの内周側には、内周側コイルが設けられている。この内周側コイルは、高周波源および外周側コイルとは電気的に非接続である。一方、内周側コイルは、外周側コイルと電磁気的に結合、または外周側コイルと共鳴する。そのため、高周波源から外周側コイルに高周波の電力を供給するとき、内周側コイルは外周側コイルとの間に電磁気的な結合や磁界共鳴を生じる。すなわち、外周側コイルで発生した磁界は内周側コイルを励起し、内周側コイルも磁界を生じる。これにより、外周側コイルおよび内周側コイルは、あたかも一体の複数巻きのコイルのように磁界を生じる。したがって、周波数を高めることなく、コイルの巻数が複数の場合と同等の送電効率を達成することができる。

また、請求項１記載の発明では、内周側コイルは、高周波源とは電気的に非接続である。そのため、内周側コイルは、電気的な配線を必要としない。これにより、内周側コイルと外周側コイル、および内周側コイルと電気的な配線との間には、交差する部分が生じない。その結果、構造面の厚さ方向へ距離を確保する必要がない。したがって、厚さの増大を招くことがなく、薄型化を促進することができる。

請求項２記載の発明では、内周側コイルは、コイル本体とコンデンサによってＬＣ共振回路を形成している。そのため、内周側コイルの共振特性は、コイル本体またはコンデンサによって容易に調整される。したがって、送電効率を高めるための調整を容易にすることができる。
請求項３記載の発明では、外周側コイルは、２つ以上の内周側コイルの外周側を囲んでいる。また、請求項４記載の発明では、内周側コイルは、２以上の巻数を有する。このように、外周側コイルの内周側には、２つ以上の内周側コイルを配置したり、内周側コイルの巻数を変更してもよい。これにより、内周側コイルの共振特性は、その数や巻数を変更することによっても調整される。したがって、送電効率を高めるための調整を容易にすることができる。

請求項５記載の発明では、外周側コイルは、高周波源を構成するＥ級アンプの共振コイルとしてもよい。これにより、回路構成の簡略化、および部品点数の低減を図ることができる。
請求項６記載の発明では、外周側コイルは、高周波源までの長さが等しくなる位置、つまり両端からのインダクタンスが等しくなる位置にセンタータップを有している。そして、この外周側コイルは、両端に高周波源であるＥ級プッシュプル回路が接続され、センタータップがチョークコイルを挟んで直流電源に接続される。これにより、外周側コイルは、Ｅ級プッシュプルアンプのセンタータップトランスとして動作する。内周側コイルは、このＥ級プッシュプルアンプの駆動周波数と同一の共振周波数に設定することにより、外周側コイルと電磁気的に結合する。したがって、出力を高める場合でも、回路構成を簡略化、および回路規模を低減することができる。

第１実施形態による無線給電装置の送電ユニットを示す概略図 無線給電装置を適用したＡＧＶシステムを示す平面視の模式図 無線給電装置を適用したＡＧＶシステムを示す正面視の模式図 送電ユニットと受電ユニットとの間の距離と、送電効率との関係を示す概略図 送電ユニットと受電ユニットとの間の距離と、送電効率との関係を示す概略図 比較例１の送電ユニットのコイルを示す概略図 比較例２の送電ユニットのコイルを示す概略図 受電ユニットのコイルを示す概略図 送電ユニットと受電ユニットとが適正に重なっている状態を示す概略図 送電ユニットと受電ユニットとがずれて重なっている状態を示す概略図 第２実施形態による無線給電装置の送電ユニットを示す概略図 第３実施形態による無線給電装置の送電ユニットを示す概略図 第４実施形態による無線給電装置の送電ユニットを示す概略図 第５実施形態による無線給電装置の送電ユニットを示す概略図 第５実施形態の変形例による無線給電装置の送電ユニットを示す概略図

以下、無線給電装置の送電ユニットの複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
送電ユニットの説明に先立って、図２および図３に示すＡＧＶシステム１０について説明する。ＡＧＶシステム１０は、送電エリア１１、マーカテープ１２、および移動体としての運搬車両１３を備えている。送電エリア１１は、例えば工場などの設備の構造面１４に設けられる。本実施形態の場合、構造面１４は、設備の床面である。送電エリア１１は、送電ユニットを含んでいる。マーカテープ１２は、送電エリア１１と同様に設備の構造面１４に設けられている。本実施形態の場合、マーカテープ１２も設備の床面に設けられている。運搬車両１３は、このマーカテープ１２に案内されて、設備の内側を移動する。

運搬車両１３は、受電ユニット１５、蓄電池１６および駆動部１７を有している。運搬車両１３は、設備である工場の各所で用いられる部品や材料、および各所で製造される部品や製品などを運搬する。受電ユニット１５は、運搬車両１３の底面すなわち設備の構造面１４と対向する面に設けられている。蓄電池１６は、設備側の送電エリア１１において受け取った電力を蓄える。駆動部１７は、蓄電池１６に蓄えられている電力を利用する図示しないモータなどを用いて運搬車両１３を駆動する。

上記のようなＡＧＶシステム１０の場合、設備である工場の各所で必要となる部品や組み付けられた製品は、運搬車両１３によって予め設定された搬送経路に沿って運搬される。搬送経路は、設備の構造面１４に設けられたマーカテープ１２によって形成されている。ＡＧＶシステム１０は、このマーカテープ１２に沿って移動する運搬車両１３を複数備えている。複数の運搬車両１３は、搬送経路の途中に設けられている送電エリア１１を通過する。これにより、運搬車両１３は、送電エリア１１を通過する際に、送電エリア１１から電力を受け取り、受け取った電力を蓄電池１６に蓄える。このように、ＡＧＶシステム１０の場合、設備の構造面１４に設けられた送電エリア１１から、構造面１４を移動する移動体である運搬車両１３に電力が供給される。なお、構造面１４は、設備の床面に限らず、設備の壁面であってもよい。構造面１４が設備の壁面の場合、運搬車両１３は、構造面１４である壁面に設けられているマーカテープ１２に沿って移動する。

（第１実施形態）
次に、第１実施形態による無線給電装置２０について説明する。無線給電装置２０は、上述の送電エリア１１および受電ユニット１５を備えている。送電エリア１１は、設備である工場の構造面１４、すなわち工場の床面に設けられている。受電ユニット１５は、移動体である運搬車両１３に設けられている。この送電エリア１１と受電ユニット１５との間は、磁界共鳴を用いて非接触で電力が供給される。運搬車両１３の受電ユニット１５は、例えばコイルとコンデンサとで構成される共振回路を有している。これにより、送電エリア１１へ高周波の電力を供給することにより、送電エリア１１と受電ユニット１５の共振回路との間で磁界共鳴が生じ、送電エリア１１から受電ユニット１５へ非接触で電力が伝達される。なお、無線給電装置２０を適用する機器は、ＡＧＶシステム１０に限らない。無線給電装置２０は、例えば直動ロボットなどのように、固定側の送電エリア１１から移動体の受電ユニット１５へ電力の供給を行なう構成に適用することができる。

無線給電装置２０は、送電エリア１１に送電ユニット２１を備えている。送電ユニット２１は、図１に示すように基板２２、高周波源としての高周波電源２３、外周側コイル２４および内周側コイル２５を備えている。基板２２は、設備の構造面１４に設けられている。基板２２は、構造面１４と一体に構成してもよく、構造面１４とは別に送電ユニット２１の専用に設けてもよい。すなわち、構造面１４は、そのまま外周側コイル２４および内周側コイル２５を設ける基板２２として用いることもできる。基板２２は、構造面１４の送電エリア１１に設けられる。外周側コイル２４および内周側コイル２５は、この基板２２の送電面２６に設けられている。送電面２６は、基板において、受電ユニット１５を有する運搬車両１３と対向する面である。すなわち、送電面２６は、基板２２を設備の床面に設ける場合、設備の室内側の面である。高周波源である高周波電源２３は、高周波の電力を外周側コイル２４へ供給する。本実施形態の場合、高周波電源２３は、例えば図示しない発振器で生成されたキャリアクロックで図示しないスイッチング素子を駆動して高周波を生成する周知の高周波アンプを用いている。

外周側コイル２４は、基板２２の送電面２６に設けられている。外周側コイル２４は、両端がそれぞれ高周波電源２３に接続している。外周側コイル２４は、例えばアルミニウムや銅などの導電性の金属などによって形成されている平面状のコイルである。外周側コイル２４は、コイル本体３１とコンデンサ３２とを有している。コンデンサ３２は、コイル本体３１の両端までの途中に設けられている。これにより、外周側コイル２４は、コイル本体３１とコンデンサ３２とからＬＣ共振回路を形成している。

内周側コイル２５は、外周側コイル２４と同様に基板２２の送電面２６に設けられている。また、内周側コイル２５も、例えばアルミニウムや銅などの導電性の金属などによって形成されている平面状のコイルである。内周側コイル２５は、外周側コイル２４の内周側に設けられている。内周側コイル２５は、高周波電源２３および外周側コイル２４と電気的に接続されていない。すなわち、内周側コイル２５は、外周側コイル２４の内周側において、外周側コイル２４とは電気的に独立して設けられている。

内周側コイル２５は、コイル本体４１およびコンデンサ４２を有している。コイル本体４１は、一部が切り欠かれた環状に形成され、内周側コイル２５を構成する導電性の金属による平面状コイルである。コンデンサ４２は、この環状に形成されているコイル本体４１の切り欠かれた部分に設けられている。このように内周側コイル２５は、コイル本体４１とコンデンサ４２とによってＬＣ共振回路を形成する。コンデンサ４２は、厚さが薄く形成されており、平面状のコイル本体４１とぼほ等しい厚さに設定されている。

内周側コイル２５は、外周側コイル２４の内周側に外周側コイル２４と電気的に独立して設けられている。これにより、内周側コイル２５は、外周側コイル２４と電磁気的に結合、または外周側コイル２４と共鳴する。すなわち、内周側コイル２５は、外周側コイル２４で発生した磁界を中継するレピーダと類似した機能を発生する。その結果、送電ユニット２１が運搬車両１３に設けられた受電ユニット１５と対向して、送電ユニット２１から受電ユニット１５へ電力を伝達するとき、外周側コイル２４と内周側コイル２５とは見かけ上の複巻き状のコイルとして機能する。

上記の構成による第１実施形態の送電ユニット２１の送電効率を比較例１および比較例２とともに図４および図５に示す。比較例１は、図６に示すように送電ユニット２１のコイルを、第１実施形態の外周側コイル２４に相当するコイル５１だけで構成している。また、比較例２は、図７に示すように送電ユニット２１のコイルを、二重巻きのコイル５２で構成している。この比較例２の場合、コイル５２の両端を高周波電源２３に接続するために、コイル５２の一方の端部と高周波電源２３との間を接続する導線はコイル５２と交差する必要がある。そのため、比較例２の場合、コイル５２を含むユニットの厚さは第１実施形態または比較例１と比較して厚くなる。図４に示す実験結果では、これら第１実施形態、比較例１および比較例２の送電ユニット２１と受電ユニット１５とを対向させ、これら相互間の距離を変化させたときの送電効率を示している。受電ユニット１５は、図８に示すような複巻きの受電コイル５３を有している。また、図４に示す実験結果では、図９に示すように受電ユニット１５の受電コイル５３と送電ユニット２１とは、中心となる軸が重なるように対向して設置されている。

図４から明らかなように、二重巻きのコイル５２とした比較例２は、第１実施形態および比較例１と比較して送電効率に優れている。一方、上述のように、比較例２は、厚さが大きくなるため、工場などの設備への設置に制限がある。すなわち、工場などの設備に無線給電装置２０を適用する場合、送電ユニット２１は送電効率を維持しつつ薄型であることが望まれる。第１実施形態は、比較例２とほぼ同等の送電効率を維持している。特に、コイル間の距離、すなわち送電ユニット２１と受電ユニット１５の間の距離が小さいとき、第１実施形態の送電効率は比較例２と大きな違いがない。一方、比較例１の場合、コイル間の距離が大きくなるにつれて、送電効率の低下が著しい。このことから、第１実施形態の送電ユニット２１は、比較例１のような単巻きのコイル５１よりも送電効率に優れ、比較例２と送電効率に遜色がないことがわかる。

また、図５は、図１０に示すように受電ユニット１５の受電コイル５３と送電ユニット２１とを、互いに短手方向で１／２ずらしたときの送電効率を示している。受電ユニット１５と送電ユニット２１との間にずれが生じているとき、図５に示すように第１実施形態は高い送電効率を維持している。一方、コイル同士が適切に重なっているときに送電効率が高い比較例２は、コイルの軸にずれが生じることにより送電効率の低下が大きくなる。このことからも、第１実施形態の送電ユニット２１は、受電ユニット１５と送電ユニット２１との間にずれが生じるときでも送電効率が高く、実用性が高いことがわかる。

以上説明したように第１実施形態では、高周波電源２３に接続される外周側コイル２４の内周側には、内周側コイル２５が設けられている。この内周側コイル２５は、高周波電源２３とは電気的に非接続である。一方、内周側コイル２５は、外周側コイル２４と電磁気的に結合、または外周側コイル２４と共鳴する。そのため、高周波電源２３から外周側コイル２４に高周波の電力を供給するとき、内周側コイル２５は外周側コイル２４との間に電磁気的な結合や磁界共鳴を生じる。すなわち、外周側コイル２４で発生した磁界は内周側コイル２５を励起し、内周側コイル２５も共鳴によって磁界を生じる。これにより、外周側コイル２４および内周側コイル２５は、あたかも一体の複数巻きのコイルのように磁界を生じる。したがって、周波数を高めることなく、コイルの巻数が複数の場合と同等の送電効率を達成することができる。

また、第１実施形態では、内周側コイル２５は、高周波電源２３とは電気的に非接続である。そのため、内周側コイル２５は、電気的な配線を必要としない。これにより、内周側コイル２５と外周側コイル２４、および内周側コイル２５と電気的な配線との間には、交差する部分が生じない。その結果、基板２２の板厚方向へ距離を確保する必要がない。したがって、厚さの増大を招くことがなく、薄型化を促進することができる。

第１実施形態では、内周側コイル２５は、コイル本体４１とコンデンサ４２によってＬＣ共振回路を形成している。そのため、内周側コイル２５の共振特性は、コイル本体４１またはコンデンサ４２によって容易に調整される。したがって、送電効率を高めるための調整を容易にすることができる。

（第２、第３実施形態）
第２実施形態の場合、図１１に示すように送電ユニット２１は、２つの内周側コイル２５を備えている。この場合、外周側コイル２４は、巻数が１の２つの内周側コイル２５の外周側を囲んでいる。第２実施形態の場合、内周側コイル２５は、それぞれコイル本体４１とコンデンサ４２とを有している。２つの内周側コイル２５は、それぞれ電気的に接続されていない。このように、内周側コイル２５は、外周側コイル２４の内周側に２つに限らず、３つ以上設けてもよい。

第３実施形態の場合、図１２に示すように送電ユニット２１は、巻数が２の内周側コイル２５を備えている。この場合、外周側コイル２４は、巻数が２の１つの内周側コイル２５の外周側を囲んでいる。第３実施形態の場合、内周側コイル２５は、相似形の２つのコイルから二重に構成され、それぞれコイル本体４１とコンデンサ４２とを有している。内周側コイル２５は、それぞれ電気的に接続されていない。このように、内周側コイル２５は、２つに限らず、３以上の巻数を有していてもよい。

以上の第２実施形態および第３実施形態のように、送電ユニット２１の内周側コイル２５は、その数や巻数を変更してもよい。これにより、内周側コイル２５の共振特性は、その数や巻数を変更することによっても調整される。したがって、送電効率を高めるための調整を容易にすることができる。

（第４実施形態）
図１３に示すように第４実施形態の送電ユニット２１は、外周側コイル２４が高周波源としてのＥ級アンプ６０に接続されている。Ｅ級アンプ６０は、電源６１に接続されている。Ｅ級アンプ６０は、発振器６２で生成されたキャリアクロックを用いてスイッチング素子６３を駆動する。第４実施形態では、外周側コイル２４をＥ級アンプ６０に接続することにより、外周側コイル２４はこのＥ級アンプ６０の共振コイルとしても機能する。すなわち、外周側コイル２４は、Ｅ級アンプ６０とともにＬＣ共振回路を構成する。そのため、外周側コイル２４は、共振用のコンデンサ６４がＥ級アンプ６０と共用される。これにより、外周側コイル２４は、コイル本体３１に共振用のコンデンサを必要としない。したがって、第４実施形態では、回路構成の簡略化、および部品点数の低減を図ることができる。

（第５実施形態）
図１４に示すように第５実施形態の送電ユニット２１は、外周側コイル２４の両端が高周波源としてのプッシュプル型のＥ級アンプ７０に接続している。また、外周側コイル２４は、センタータップ７１を有している。センタータップ７１は、コイル本体３１において両端までの距離、すなわちＥ級アンプ７０との接続点７２、７３までの長さが等しくなる中間位置に設けられている。つまり、センタータップ７１は、コイル本体３１の全長において中間に設けられている。このセンタータップ７１は、チョークコイル７４を挟んで直流電源７５に接続している。すなわち、センタータップ７１と直流電源７５との間には、チョークコイル７４が挿入されている。

高周波電源としてプッシュプル型のＥ級アンプ７０を用いることにより、電圧の上昇が容易になり、送電ユニット２１から受電ユニット１５へ供給可能な電力は増大する。また、外周側コイル２４は、プッシュプル型のＥ級アンプ７０のセンタータップトランスとして動作する。内周側コイル２５は、このプッシュプル型のＥ級アンプ７０の駆動周波数と同一の共振周波数に設定することにより、外周側コイル２４と電磁気的に結合する。これにより、上述の各実施形態と同様に、内周側コイル２５を用いて送電効率の向上が図られる。したがって、プッシュプル型のＥ級アンプ７０を用いることにより、送電ユニット２１から受電ユニット１５へ供給可能な電力を増大しつつ、回路構成を簡略化することができ、回路規模を低減することができる。

（第５実施形態の変形例）
第５実施形態は、図１５に示すような回路構成に変形してもよい。すなわち、第５実施形態の変形例では、センタータップ７０は設けられていない。第５実施形態の変形例では、Ｅ級アンプ７０とコイル本体３１との接続点７２、７３までの間から、チョークコイル７４がそれぞれ分岐し、それぞれ直流電源７５に接続している。このように、回路構成を変更しても、第５実施形態と同様に回路規模の低減を図ることができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。また、複数の実施形態は、それぞれ組み合わせて適用することもできる。例えばＥ級アンプを用いる第４実施形態または第５実施形態は、第２実施形態のように内周側コイル２５を２つ以上設けたり、第３実施形態のように内周側コイル２５の巻数を２以上にしてもよい。

さらに、上述の複数の実施形態では、内周側コイル２５がコイル本体４１とコンデンサ４２とでＬＣ共振回路を構成する例について説明した。しかし、内周側コイル２５は、共振周波数を設定可能であれば、コンデンサ４２を省略し、コイル本体４１だけで構成してもよい。

図面中、１３は運搬車両（移動体）、１４は構造面、２０は無線給電装置、２１は送電ユニット、２３は高周波電源（高周波源）、２４は外周側コイル、２５は内周側コイル、２６は送電面、４１はコイル本体、４２はコンデンサ、６０、７０はＥ級アンプ（高周波源）、７１はセンタータップ、７４はチョークコイル、７５は直流電源を示す。

Claims (6)

1. 設備の構造面に設けられ、前記構造面を移動する移動体へ磁界共鳴を用いて非接触で電力を供給する無線給電装置の送電ユニットであって、
   両端が高周波源に接続され、前記構造面の前記移動体側の面である送電面に設けられている平面状の外周側コイルと、
   前記送電面において、前記外周側コイルの内周側に設けられ、前記高周波電源と電気的に非接続であって、前記外周側コイルと電磁気的に結合、または前記外周側コイルと共鳴する平面状の内周側コイルと、
   を備える無線給電装置の送電ユニット。
2. 前記内周側コイルは、コイル本体と、前記コイル本体とＬＣ共振回路を形成するコンデンサと、を有する請求項１記載の無線給電装置の送電ユニット。
3. 前記外周側コイルは、２つ以上の前記内周側コイルの外周側を囲んでいる請求項１または２記載の無線給電装置の送電ユニット。
4. 前記内周側コイルは、２以上の巻数を有する請求項１から３のいずれか一項記載の無線給電装置の送電ユニット。
5. 前記外周側コイルは、前記高周波源を構成するＥ級アンプの共振コイルと共用されている請求項１から４のいずれか一項記載の無線給電装置の送電ユニット。
6. 前記高周波電源は、プッシュプル型のＥ級アンプで構成され、
   前記外周側コイルは、前記高周波電源までの長さが等しくなる中間位置に設けられているセンタータップを有し、
   前記センタータップは、チョークコイルを挟んで直流電源に接続されている請求項１から４のいずれか一項記載の無線給電装置の送電ユニット。

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