JP2018014864A - 無線電力伝送システム、制御方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 位置関係が可変である送電コイルと受電コイルの間で無線電力伝送を行う場合に、漏洩電磁波を抑制しつつ電力伝送の効率低下を抑制する。【解決手段】 無線電力伝送システム１００は、送電コイル１１０に流れる電流に応じて発生する磁界によって受電コイル１２０へ無線で電力を伝送するための送電コイル１１０と、送電コイル１１０に対する位置が所定の動き方向において可変である受電コイル１２０とを有する。そして送電コイル１１０は、送電コイル１１０に対する電圧の印加に応じて互いに逆向きの電流が流れる第１ループ及び第２ループを有する。また受電コイル１２０には、送電コイル１１０に対する電圧の印加に応じて、該動き方向における送電コイル１１０に対する位置に関わらずに決まる向きの電流が流れる。【選択図】 図１

Description

本発明は、無線で電力を伝送するシステムに関する。

近年、移動する機器に対して無線で電力を供給する無線電力伝送システムが提案されている。特許文献１には、プリンタの筺体に設置された狭長な送電コイルから、プリンタ内で移動するプリントヘッドに設置された受電コイルへ、無線で電力を伝送することが記載されている。また特許文献２には、コイルを用いた通信において、漏洩電磁波を抑制するために、８の字形状のコイルを用いることが記載されている。

特開２０１３−１４０５６号公報 特開２０１３−５２５２号公報

しかしながら、漏洩電磁波を抑制するために特許文献２に記載のコイルを送電コイルとして用い、互いの位置関係が可変である送電コイルと受電コイルの間で無線電力伝送を行う場合に、コイルの位置関係によっては電力伝送の効率が低下する虞がある。例えば、単一のループを有する移動可能な受電コイルと、特許文献２に記載のコイルのような８の字形状の送電コイルを用いて無線電力伝送を行う場合を考える。この場合には、同じ電圧が送電コイルに印加されていても、受電コイルと送電コイルの位置関係によって受電コイルに流れる電流の向きが異なる。そして、受電コイルに流れる電流の向きが変化する境界付近に受電コイルが位置すると、電力伝送の効率が低下することが考えられる。

本発明は上記課題に鑑み、互いの位置関係が可変である送電コイルと受電コイルの間で無線電力伝送を行う場合に、漏洩電磁波を抑制しつつ電力伝送の効率低下を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る無線電力伝送システムは、例えば以下の構成を有する。すなわち、送電コイルに流れる電流に応じて発生する磁界によって受電コイルへ無線で電力を伝送するための前記送電コイルであって、前記送電コイルに対する電圧の印加に応じて互いに逆向きの電流が流れる第１ループ及び第２ループを有する前記送電コイルと、前記送電コイルに対する位置が所定の動き方向において可変である受電コイルであって、前記送電コイルに対する電圧の印加に応じて、前記動き方向における前記送電コイルに対する位置に関わらずに決まる向きの電流が流れる前記受電コイルとを有する。

本発明によれば、互いの位置関係が可変である送電コイルと受電コイルの間で無線電力伝送を行う場合に、漏洩電磁波を抑制しつつ電力伝送の効率低下を抑制することができる。

実施形態に係る無線電力伝送システム１００のシステム構成について説明するための図である。 実施形態に係る送電コイル１１０による漏洩電磁波の低減効果について説明するための図である。 実施形態に係るコイル間の位置と結合係数の関係について説明するための図である。 実施形態に係るコイル間の位置と結合係数の関係について説明するための図である。 実施形態に係る受電コイルについて説明するための図である。 実施形態に係る無線電力伝送システム１００のシステム構成について説明するための図である。 実施形態に係るコイル間の位置と結合係数の関係について説明するための図である。 実施形態に係る受電コイル１０２０の位置について説明するための図である。 実施形態に係る無線電力伝送システム１００のシステム構成について説明するための図である。 実施形態に係るコイル間の位置と結合係数の関係について説明するための図である。 実施形態に係る無線電力伝送システム１００のシステム構成について説明するための図である。 実施形態に係るコイル間の位置と結合係数の関係について説明するための図である。 実施形態に係る受電コイルについて説明するための図である。 実施形態に係るコイル間の位置と結合係数の関係について説明するための図である。 実施形態に係る無線電力伝送システム１０００のシステム構成について説明するための図である。

＜第１実施形態＞
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る無線電力伝送システム１００（以降、システム１００）のシステム構成について説明するための図である。なお図１は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸により定義される座標系１７０のＺ軸方向の視点からシステム１００を見た場合の図である。

システム１００は、送電部１０１、受電部１０２、制御部１０３、プリントヘッド１０４、駆動部１０５、電源部１０６、レール１５０、伝送路１３０、伝送路１３１、伝送路１６０及び伝送路１６１を有する。また、送電部１０１は送電コイル１１０及び送電器１１１を有し、受電部１０２は受電コイル１２０及び受電器１２１を有する。

本実施形態では、システム１００はプリンタに含まれ、送電コイル１１０から受電コイル１２０へ伝送される電力は、プリンタ内のプリントヘッド１０４においてインクの吐出を制御するために使用される。例えば、プリントヘッド１０４がピエゾ方式によるインク吐出を行う場合、伝送された電力は圧電素子への電圧の印加に使用される。また例えば、プリントヘッド１０４がサーマル方式によるインク吐出を行う場合、伝送された電力はヒーターによる加熱のために使用される。この吐出制御によって、プリンタに装着されたインクタンクからプリントヘッド１０４へ供給されるインクが、プリンタ内を搬送される用紙等の記録媒体に対して吐出され、記録媒体上に画像が形成される。ここで、プリントヘッド１０４が例えば記録媒体の搬送方向と垂直な方向に移動してインクの吐出を行うことによって、記録媒体の全体に画像を形成することが可能となる。具体的には、プリントヘッド１０４の移動及びインクの吐出と用紙の搬送とが交互に繰り返されながらプリントが行われる。

ただし、システム１００の適用先はこれに限定されるものではない。例えば、工場で用いられる自動搬送車（ＡＶＧ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）への電力伝送や、イメージスキャナのＬＥＤ部への電力伝送など、所定の方向に移動し電力供給が必要な移動体全般への電力伝送に適用できる。なお、システム１００をプリンタ以外に適用する場合、システム１００はプリントヘッド１０４やレール１５０、駆動部１０５などを含まなくてよい。

また、本実施形態において、送電コイル１１０から受電コイル１２０への電力伝送には電磁誘導方式又は磁界共鳴方式が用いられる。なお、電磁誘導方式と磁界共鳴方式とが選択的に用いられてもよいし、その他の方式が用いられてもよい。

システム１００内には、送電コイル１１０に流れる電流に応じて発生する磁界によって受電コイル１２０へ無線で電力を伝送するための送電コイル１１０と、送電コイル１１０から受電するための受電コイル１２０の２つのコイルが存在する。なお、システム１００内のコイルの数はこれに限らない。例えば、１つの送電コイル１１０と複数の受電コイル１２０が存在してもよいし、複数の送電コイル１１０と１つの受電コイル１２０が存在してもよいし、複数の送電コイル１１０と複数の受電コイル１２０が存在してもよい。

送電コイル１１０は、座標系１７０のＸ軸方向と略平行な線状の導体部分１８１、導体部分１８２、導体部分１８３、及び導体部分１８４を有し、図１に示すように８の字形状を成す。ただし、導体部分１８１−１８４はＸ軸方向と平行なものに限定されない。送電コイル１１０は、受電コイル１２０のＸ軸方向における移動に伴うコイル間の結合係数の変化が抑えられるような形状であればよい。なお、送電コイル１１０の８の字の交点１８０において交差する２本の線状の導体部分は接触しない。

ここで、送電コイル１１０による漏洩電磁波の低減効果について図２を用いて説明する。送電コイル１１０は、導体部分１８１及び導体部分１８２を含む第一のループと、導体部分１８３及び導体部分１８４を含む第二のループを有する。なお、本実施形態においてコイルが有するループとは、コイルの一部又は全体であって、コイルに対する電圧の印加に応じて磁界を生成する環状の部分であり、また、ループ内を貫通する磁界に応じてコイルに電流が流れるような環状の部分である。

第一のループと第二のループには、送電コイル１１０に対する電圧の印加に応じて互いに逆向きの電流が流れる。例えば、第一のループに座標系１７０のＺ軸方向から見て右回りの電流が流れる場合には、第二のループにはＺ軸方向から見て左回りの電流が流れる。これにより、第一のループと第二のループは互いに逆向きの磁束を発生させる。その結果、送電コイル１１０の近傍には図２のように閉じた磁界が形成される。つまり、本実施形態に係る送電コイル１１０を用いることで、遠方界へ伝搬する磁界が低減され、漏洩電磁波を抑制することができる。

送電器１１１は、電磁誘導方式や磁界共鳴方式の無線電力伝送に用いられる公知の送電回路を有する。具体的には、送電器１１１は、電源部１０６から供給される直流電圧を、スイッチング回路を用いて送電に適した周波数の交流電圧へ変換し、送電コイル１１０に対して印加する。つまり、送電部１０１は、送電器１１１において直流電圧を交流電圧へ変換し、送電コイル１１０において交流磁界を生成する。

受電コイル１２０は、座標系１７０のＸ軸方向と略平行な線状の導体部分１９１、導体部分１９２、導体部分１９３、及び導体部分１９４を有し、送電コイル１１０と同様に８の字形状を成す。つまり、受電コイル１２０は、導体部分１９１及び導体部分１９２を含む第三のループと、導体部分１９３及び導体部分１９４を含む第四のループを有する。ただし、導体部分１９１−１９４はＸ軸方向と平行なものに限定されない。受電コイル１２０は、Ｘ軸方向における移動に伴うコイル間の結合係数の変化が抑えられるような形状であればよい。なお、受電コイル１２０の８の字の交点１９０において交差する２本の線状の導体部分は接触しない。第三のループと第四のループには、送電コイル１１０に対する電圧の印加に応じて互いに逆向きの電流が流れる。例えば、第三のループに座標系１７０のＺ軸方向から見て右回りの電流が流れる場合には、第四のループにはＺ軸方向から見て左回りの電流が流れる。

また、送電コイル１１０及び受電コイル１２０がＸ軸方向に平行な基準平面（ＸＹ平面）に投影された場合、即ちＸ軸方向に垂直な基準方向（Ｚ軸方向）の視点から見た場合、送電コイル１１０の内部と受電コイルの内部は少なくとも一部が重なる。より具体的には、図１のように、第一のループの内部と第三のループの内部とが少なくとも一部重なり、第二のループの内部と第四のループの内部とが少なくとも一部重なる。このような構成により、送電コイル１１０により発生した磁束が第三のループの内部を貫通する方向と第四のループの内部を貫通する方向が逆方向となり、効率の良い電力伝送が実現される。

受電部１０２はプリントヘッド１０４と物理的に結合しているため、受電コイル１２０はレール１５０上をスライドするプリントヘッド１０４と連動して座標系１７０のＸ軸方向に移動可能である。即ち、受電コイル１２０は送電コイル１１０に対する位置がＸ軸方向において可変である。なお、受電コイル１２０は送電コイル１１０の８の字の横方向（Ｘ軸方向）に移動するため、上述した基準方向の視点におけるループの重なりの関係は、送電コイル１１０に対する受電コイル１２０の位置に応じて変化しない。即ち、受電コイル１２０の移動によって、受電コイル１２０のループの内部を貫通する磁束の向きは変化しない。そのため、受電コイル１２０に流れる電流の向きは、Ｘ軸方向における送電コイル１１０に対する受電コイル１２０の位置に関わらずに決まる。

もし仮に、受電コイル１２０が座標系のＹ軸方向に移動する場合、受電コイル１２０に流れる電流の向きが受電コイル１２０の位置によって変化する。例えば、Ｚ軸方向から見て第三のループと第一のループが重なっている場合と、第四のループと第一のループが重なっている場合とで、受電コイル１２０に流れる電流の向きが異なる。そして、受電コイル１２０に流れる電流の向きが変化する境界付近に受電コイルが位置すると、コイル間の結合係数が大きく低下し、電力伝送の効率が低下する。一方、本実施形態に係るシステム１００においては、受電コイル１２０はＸ軸方向に移動するため、このような送電コイル１１０と受電コイル１２０の位置関係に基づく電力伝送の効率低下を抑制できる。

なお、送電コイル１１０は受電コイル１２０よりもＸ軸方向における長さが長いものとする。具体的には、受電コイル１２０が移動可能なＸ軸方向において、第一のループと第二のループのうち長い方の外径の長さは、第三のループと第四のループのうち長い方の外形の長さよりも長い。また、受電コイル１２０のＹ軸方向の長さは、コイル間の結合係数を高くするという目的から、送電コイル１１０のＹ軸方向の長さと同等である。すなわち、導体部分１８２と導体部分１８４との間の距離と、導体部分１９２と導体部分１９４との間の距離とが同等である。さらに、導体部分１８２と導体部分１８１との間の距離と、導体部分１９２と導体部分１９１との間の距離とが同等であり、導体部分１８３と導体部分１８４との間の距離と、導体部分１９３と導体部分１９４との間の距離とが同等であれば、より望ましい。

受電器１２１は、電磁誘導方式や磁界共鳴方式の無線電力伝送に用いられる公知の受電回路を有し、送電器１１１による送電コイル１１０への電圧の印加に応じて受電コイル１２０に発生する電力をプリントヘッド１０４へ出力する。より具体的には、受電器１２１は、受電コイル１２０において交流磁界から生じた交流電圧を、整流回路を用いて直流電圧へ変換し、さらに電圧変換回路を用いて適切な電圧へ変換し、伝送路１６１を介してプリントヘッド１０４へ電力供給する。つまり、受電部１０２は、送電部１０１により生成された交流磁界に基づいて受電コイル１２０において受電し、受電器１２１において交流電圧を直流電圧へ変換し、電力を出力する。上記の構成により、プリントヘッド１０４への無線での電力供給が実現される。

制御部１０３は、伝送路１３０を介してプリントヘッド１０４と接続され、プリントヘッド１０４を制御する。また制御部１０３は、伝送路１３１を介して駆動部１０５と接続され、駆動部１０５を制御する。プリントヘッド１０４は、伝送路１３０を介して制御部１０３から伝送される制御信号に基づいてインク等を吐出し、紙などの媒体に文字や画像を記録する。駆動部１０５は、伝送路１３１を介して制御部１０３から伝送される制御信号に基づいて、プリントヘッド１０４をレール１５０に沿って移動させる。なお、プリントヘッド１０４と受電コイル１２０は連動するため、駆動部１０５はプリントヘッド１０４を移動させると共に、送電コイル１１０に対する受電コイル１２０の位置をＸ軸方向に移動させることになる。電源部１０６は、送電部１０１、制御部１０３及び駆動部１０５の各々に適した直流電圧を商用電源（不図示）などから生成し、伝送路１６０を介して電力供給する。

なお、本実施形態では、受電部１０２により受電された電力はプリントヘッド１０４によるインクの吐出制御のために使用され、プリントヘッド１０４の移動は電源部１０６から供給される電力を用いて駆動部１０５により行われるものとして説明する。ただしこれに限らず、プリントヘッド１０４自身がレール１５０に沿って移動するための機構を有し、受電部１０２により受電された電力がプリントヘッド１０４の移動のために使用されても良い。

また、伝送路１３０、伝送路１３１、伝送路１６０及び伝送路１６１は、有線の伝送路であってもよいし無線の伝送路であってもよい。なお、伝送路１３０を無線化すると、プリントヘッド１０４の移動が繰り返されることでケーブルが疲労することを回避できる。無線の伝送路は、Ｗｉ−Ｆｉなどの標準規格に従った技術により実現してもよいし、独自の無線技術により実現してもよい。続いて、コイル間の位置と結合係数との関係について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、結合係数を算出するためのシミュレーションモデルにおける、送電コイル４１０と受電コイル４２０の斜視図である。８の字形状を成す送電コイル４１０上に、８の字形状を成す受電コイル４２０が配置されている。シミュレーションにおいて、送電コイル４１０のＸ軸方向の長さは１０００ｍｍとし、Ｙ軸方向の幅は１００ｍｍとしている。また、受電コイル４２０のＸ軸方向の長さとＹ軸方向の長さはいずれも１００ｍｍとし、コイル間の距離は１ｍｍとしている。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すモデルを用いたシミュレーションによる、コイル間の位置と結合係数との関係を示したグラフである。グラフの横軸は受電コイル４２０のＸ軸方向における位置（以降、受電コイル位置）を表しており、縦軸はコイル間の結合係数を表している。ここで受電コイル位置は、送電コイル４１０のＸ軸方向における端部と受電コイル４２０のＸ軸方向における端部との間の距離で表される。例えば、受電コイル位置が０ｍｍのとき、送電コイル４１０の辺４８５と受電コイル４２０の辺４９５とがＺ軸方向から見て重なりあう。

図３（ｂ）から分かるように、受電コイル位置が０ｍｍ〜９００ｍｍの全ての範囲で結合係数が０．２５以上となっている。つまり、受電コイル４２０の可動範囲全体において、結合係数が極端に低くなる点（ＮＵＬＬ点）が存在しない。このことから、本実施形態に係るシステム１００によれば、互いの位置関係が可変である送電コイルと受電コイルの間で無線電力伝送を行う場合に、コイルの位置関係に基づく電力伝送の効率低下を抑制できると言える。

なお、図３（ｂ）に示されるように受電コイル４２０の可動範囲内における広い範囲でコイル間の結合係数を略一定に保つことができる１つの理由として、第一のループと第二のループとの接続部（導体部分が交差する交点４８０）が送電コイル４１０のＸ軸方向における端部の近傍に位置していることがあげられる。

図４（ａ）は、第一のループと第二のループとの接続部（交点５８０）がＸ軸方向における中央部に位置する送電コイル５１０と、送電コイル５１０上の受電コイル５２０の斜視図である。また図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すモデルを用いたシミュレーションによる、コイル間の位置と結合係数との関係を示したグラフである。図４（ｂ）からわかるように、受電コイル位置が４５０ｍｍの場合、つまり受電コイル５２０が送電コイル５１０の中央部に位置する場合、その周辺に位置する場合（受電コイル位置が３００ｍｍ又は６００ｍｍの場合）と比較して結合係数が高くなってしまう。

以上のことより、送電コイル５１０の交点５８０はＸ軸方向における端部の近傍に位置することが望ましい。例えば、送電コイル５１０のＸ軸方向における端部と交点５８０との間の距離が、受電コイル５２０のＸ軸方向における端部と交点５９０（第三ループと第四ループの接続部）との間の距離よりも短いことが望ましい。

なお、図１から図４の説明では、受電コイル１２０も送電コイル１１０と同様に２つのループを有する８の字形状を成すものとして説明したが、受電コイル１２０の形状はこれに限定されるものではない。例えば、図５（ａ）に示すように受電コイル３２０は１つのループを有する形状であってもよい。ただし図５（ａ）のように、Ｚ軸方向の視点から見た場合に送電コイル１１０の第一のループと第二のループの双方と受電コイル３２０のループとが重なると、受電コイル３２０のループの内部を貫通する磁束が相殺され、無線電力伝送の効率が低下する。そのため、図５（ｂ）のように、Ｚ軸方向の視点から見た場合に第一のループの内部と第二のループの内部との何れか一方と受電コイル３２１のループの内部とが少なくとも一部重なるように、受電コイル３２１が配置されることが望ましい。そして、Ｘ軸方向における送電コイル１１０に対する受電コイル３２１の位置に関わらず、上記の重なりの関係が保たれることが望ましい。

また、本実施形態では送電コイル１１０が２つのループを有する８の字形状をなす場合について説明したが、ループの数は２個より多くてもよい。ただし、漏洩電磁波を抑制する観点から、ループの数は偶数個であることが望ましい。具体的には、送電コイル１１０に対する電圧の印加に応じて右回りの電流が流れるループの数と左回りの電流が流れるループの数が等しい場合に、より効果的に漏洩電磁波を抑制できる。

なお、以上の説明では、送電コイル１１０の開口面（ループの内部の面）と受電コイル１２０の開口面とが略平行に配置される場合を中心に説明した。ただし、送電コイル１１０の開口面に対する受電コイル１２０の開口面の傾きはこれに限らない。例えば、送電コイル１１０の開口面と受電コイル１２０の開口面とが略垂直に配置されてもよい。以下、この場合のシステム１００について説明する。

図６（ａ）は、送電コイル１１０の開口面と受電コイル１０２０の開口面とが略垂直に配置される場合のシステム１００のシステム構成を示す図であり、図６（ｂ）は、送電コイル１１０及び受電コイル１０２０の斜視図である。図１に示したシステム１００と図６に示したシステム１００との差異は、受電部１０２の受電コイル１０２０のみであり、その他の構成要素は図１を用いて説明したものと同様である。

受電コイル１０２０は、送電コイル１１０の導体部分１８１と導体部分１８３との間の領域に配置され、座標系１７０におけるＺＸ平面に平行な開口面を持つ。即ち、受電コイル１０２０はループを有し、Ｘ軸方向に垂直な基準方向（Ｚ軸方向）の視点において、送電コイル１１０の第一のループと第二のループとの間に受電コイル１０２０のループが存在する。そして、Ｘ軸方向における送電コイル１１０に対する受電コイル１０２０の位置に関わらず、上記のようなループ間の位置関係は保たれる、なお、受電コイル１０２０のループは第一のループと第二のループが存在する平面と交差しないことが望ましい。このような配置及び形状の受電コイル１０２０を用いることで、漏洩電磁波を抑制する８の字形状を成す送電コイル１１０が生成する磁束が、効率よく受電コイル１０２０のループ内を貫通し、高効率な無線電力伝送を実現することができる。また、受電コイル１０２０を流れる電流の向きは受電コイル１０２０の移動によって変化しないため、受電コイル１０２０の位置に基づく電力伝送の効率低下が抑制される。

図７（ａ）は、上記のような構成を採用した場合の結合係数を算出するためのシミュレーションモデルにおける、送電コイル１１１０と受電コイル１１２０の斜視図である。ＸＹ平面と平行な開口面を有し８の字形状を成す送電コイル１１１０上に、ＺＸ平面と平行な開口面を有する矩形の受電コイル１１２０が配置されている。シミュレーションにおいて、送電コイル１１１０のＸ軸方向の長さは１０００ｍｍとし、Ｙ軸方向の幅は１００ｍｍとしている。また、受電コイル１１２０のＸ軸方向の長さとＹ軸方向の長さは何れも１００ｍｍとし、コイル間の距離は１ｍｍとしている。

図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すモデルを用いたシミュレーションによる、コイル間の位置と結合係数との関係を示したグラフである。図１１（ｂ）から分かるように、受電コイル位置が０ｍｍ〜９００ｍｍの全ての範囲で結合係数が０．０７以上であり、受電コイル１１２０の可動範囲全体においてＮＵＬＬ点が存在しない。また、受電コイル位置が１５０ｍｍ〜７５０ｍｍの範囲では結合係数がほぼ一定であることがわかる。このことから、受電コイル１０２０を用いたシステム１００において、コイルのＱ値が高い場合でも、受電コイル１０２０の可動範囲内における広い範囲で高い伝送効率を維持することができると言える。

なお、受電コイル１０２０の位置は図６に示したものに限定されない。例えば、コイル間の結合係数は図６の場合と比べて低くなるが、図８に示すようにＺ軸方向から見て送電コイル１１０の外側に受電コイル１０２０が位置してもよい。また、Ｚ軸方向から見て第一のループの内部又は第二のループの内部に受電コイル１０２０が位置してもよい。

また、送電コイル１１０の開口面と受電コイル１０２０の開口面とが略垂直に配置されるシステム１００において、受電コイル１０２０は２つのループを有する８の字形状であってもよい。図９（ａ）は、この場合のシステム１００の構成を示す図であり、図９（ｂ）は、送電コイル１１０及び受電コイル１４２０の斜視図を示す図である。なお、図６のシステム１００との差異は、受電コイル１４２０の形状のみである。

受電コイル１４２０は、座標系１７０のＸ軸方向と略平行な線状の導体部分１４８１、導体部分１４８２、導体部分１４８３、及び導体部分１４８４を有し、ＺＸ平面と平行な開口面を有する８の字形状を成す。つまり、受電コイル１４２０は、導体部分１４８１及び導体部分１４８２を含む第三のループと、導体部分１４８３及び導体部分１４８４を含む第四のループを有する。第三のループと第四のループには、送電コイル１１０に対する電圧の印加に応じて互いに逆向きの電流が流れる。

また、受電コイル１４２０は送電コイル１１０の導体部分１８１と導体部分１８３との間の領域に位置し、送電コイル１１０の第一のループ及び第二のループが存在する平面に対して、第三のループと第四のループとが互いに逆側に存在する。そして、Ｘ軸方向における送電コイル１１０に対する受電コイル１４２０の位置に関わらず、上記のようなループ間の位置関係は保たれる。即ち、送電コイル１１０により発生した磁束が第三ループをＹ軸の正方向に貫通するとき、Ｙ軸の負方向の磁束が第四ループを貫通する。これにより、受電コイル１４２０は送電コイル１１０から効率的に受電することができる。

図１０（ａ）は、上記のような構成を採用した場合の結合係数を算出するためのシミュレーションモデルにおける、送電コイル１５１０と受電コイル１５２０の斜視図である。ＸＹ平面と平行な開口面を有し８の字形状を成す送電コイル１５１０上に、ＺＸ平面と平行な開口面を有する８の字形状を成す受電コイル１５２０が送電コイル１５１０と交差するよう配置されている。シミュレーションにおいて、送電コイル１５１０のＸ軸方向の長さは１０００ｍｍとし、Ｙ軸方向の長さは１００ｍｍとしている。また、受電コイル１５２０のＸ軸方向の長さとＹ軸方向の長さは何れも１００ｍｍとしている。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すモデルを用いたシミュレーションによる、コイル間の位置と結合係数との関係を示したグラフである。なお本シミュレーションにおいて、受電コイル位置が０ｍｍの場合は送電コイル１５１０と受電コイル１５２０が物理的に接触してしまう為、当該位置における結合係数の算出結果はグラフから除外している。図１０（ｂ）から分かるように、受電コイル位置が１５０ｍｍ〜９００ｍｍの全ての範囲で結合係数が０．１以上であり、ＮＵＬＬ点が存在しない。また、受電コイル位置が１５０ｍｍ〜７５０ｍｍの範囲では結合係数が略一定であることがわかる。

以上説明したように、本実施形態に係るシステム１００は、送電コイルに流れる電流に応じて発生する磁界によって受電コイルへ無線で電力を伝送するための送電コイルを有する。また、送電コイルに対する位置が所定の動き方向（Ｘ軸方向）において可変である受電コイルを有する。そして送電コイルは、送電コイルに対する電圧の印加に応じて互いに逆向きの電流が流れる第１ループ及び第２ループを有する。また受電コイルには、送電コイルに対する電圧の印加に応じて、該動き方向における送電コイルに対する位置に関わらずに決まる向きの電流が流れる。これにより、位置関係が可変である送電コイルと受電コイルの間で無線電力伝送を行う場合に、漏洩電磁波を抑制しつつ電力伝送の効率低下を抑制することができる。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、８の字形状を成す送電コイル１１０を用いることで漏洩電磁波を低減するシステム１００について説明した。ただし、漏洩電磁波を低減するための送電コイル１１０の形状としては、８の字形状に限らず、例えば送電コイル１１０に囲まれる領域の面積（開口面積）を小さくできるメアンダ（蛇行）形状であっても良い。本実施形態では、送電コイル１１０をメアンダ形状とした場合のシステム１００について説明する。なお、本実施形態においてもシステム１００をプリンタへ適用する場合を中心に説明するが、第１実施形態と同様、適用先はこれに限定されるものではない。

図１１は、本実施形態に係るシステム１００の構成を示す図である。図１との差異は送電部６０１の送電コイル６１０及び受電部６０２の受電コイル６２０の形状であり、それ以外の構成要素は図１を用いて説明したものと同様である。以下では、第１実施形態との差異を中心に説明する。

送電コイル６１０は、座標系１７０のＸ軸方向に略平行な線状の導体部分６８１、導体部分６８２、導体部分６８３、及び導体部分６８４を有する。ただし、導体部分６８１−６８４はＸ軸方向と平行なものに限定されない。送電コイル６１０は、受電コイル６２０のＸ軸方向における移動に伴うコイル間の結合係数の変化が抑えられるような形状であればよい。

ここで、導体部分６８１と導体部分６８２は隣り合うように配置され、送電コイル６１０に対する電圧の印加に応じて流れる電流の方向が互いに逆向きである。例えば、導体部分６８１にＸ軸の正方向の電流が流れるとき、導体部分６８２にはＸ軸の負方向の電流が流れる。同様に、導体部分６８３と導体部分６８４は隣り合うように配置され、流れる電流の方向が互いに逆向きである。一方、導体部分６８１と導体部分６８３には同じ向きの電流が流れ、導体部分６８２と導体部分６８４には同じ向きの電流が流れる。即ち、受電コイル６２０へ無線で電力を伝送するための送電コイル６１０は、Ｘ軸方向と略平行な導体部分を４つ有するメアンダ形状を成す。なお、メアンダ形状の送電コイル６１０が有するＸ軸方向に略平行な導体部分は４つより多くてもよい。

受電コイル６２０は、第１実施形態と同様に、送電コイル６１０に対する位置が座標系１７０のＸ軸方向において可変である。また、受電コイル６２０は、Ｘ軸方向に略平行な線状の導体部分６９１、導体部分６９２、導体部分６９３、及び導体部分６９４を有する。ただし、導体部分６９１−６９４はＸ軸方向と平行なものに限定されない。受電コイル６２０はＸ軸方向における移動に伴うコイル間の結合係数の変化が抑えられるような形状であればよい。ここで、導体部分６９１と導体部分６９２は隣り合うよう配置され、送電コイル６１０に対する電圧の印加に応じて流れる電流の方向が互いに逆向きである。同様に、導体部分６９３と導体部分６９４は隣り合うよう配置され、送電コイル６１０に対する電圧の印加に応じて流れる電流の方向が互いに逆向きである。一方、導体部分６９１と導体部分６９３には同じ向きの電流が流れ、導体部分６９２と導体部分６９４には同じ向きの電流が流れる。即ち、受電コイル６２０は、送電コイル６１０と同様に、Ｘ軸方向と略平行な導体部分を４つ有するメアンダ形状を成す。なお、メアンダ形状の受電コイル６２０が有するＸ軸方向に略平行な導体部分は４つより多くてもよい。

送電コイル６１０及び受電コイル６２０が座標系１７０のＸ軸方向に平行な基準平面（ＸＹ平面）に投影された場合、即ちＸ軸方向に垂直な基準方向（Ｚ軸方向）の視点から見た場合、送電コイル１１０の内部と受電コイルの内部は少なくとも一部が重なる。例えば、受電コイル６２０が有するＸ軸方向と略平行な導体部分６９１−６９４がそれぞれ、送電コイル６１０が有するＸ軸方向と略平行な導体部分６８１−６８４に重なる。このような構成により、送電コイル６１０と受電コイル６２０との結合係数が大きくなり、高効率な無線電力伝送が実現できる。

以上のように、送電コイル６１０をメアンダ形状とすることで、上述したように送電コイル６１０の開口面積を小さくすることができ、結果、漏洩電磁波を低減することができる。また、ＮＵＬＬ点の発生も抑止することができる。図１２（ａ）は、本実施形態におけるコイル間の結合係数を算出するためのシミュレーションモデルにおける、送電コイル７１０と受電コイル７２０の斜視図である。メアンダ形状を成す送電コイル７１０上に、メアンダ形状を成す受電コイル７２０が配置されている。シミュレーションにおいて、送電コイル７１０のＸ軸方向の長さは１０００ｍｍとし、Ｙ軸方向の幅は１００ｍｍとしている。また、受電コイル７２０のＸ軸方向の長さとＹ軸方向の長さは何れも１００ｍｍとし、コイル間の距離は１ｍｍとしている。

図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示すモデルを用いたシミュレーションによる、コイル間の位置と結合係数との関係を示したグラフである。グラフの横軸は受電コイル７２０のＸ軸方向における位置（受電コイル位置）を示しており、縦軸はコイル間の結合係数を示している。ここで受電コイル位置は、送電コイル６１０のＸ軸方向における端部と受電コイル６２０のＸ軸方向における端部との間の距離で表される。例えば、受電コイル位置が０ｍｍのとき、送電コイル７１０の辺７８５と受電コイル７２０の辺７９５とがＺ軸方向から見て重なりあう。

図１２（ｂ）から分かるように、受電コイル位置が０ｍｍ〜９００ｍｍの全ての範囲で結合係数が０．２以上となっている。つまり、受電コイル６２０の可動範囲全体においてＮＵＬＬ点が存在しない。また、受電コイル位置が１５０ｍｍ〜７５０ｍｍの範囲では結合係数がほぼ一定であることがわかる。このことから、本実施形態に係るシステム１００によれば、送電コイルと受電コイルの位置関係に基づく電力伝送の効率低下を抑制できると言える。

なお、図１１の説明では、結合係数を大きくするために、受電コイル６２０も送電コイル６１０と同様にメアンダ形状を成すものとして説明した。ただし、受電コイル６２０の形状はこれに限定されるものではない。例えば、図１３（ａ）に示すように受電コイル８２０は矩形であってもよい。なお、図１３（ａ）のように、Ｚ軸方向の視点から見た場合に送電コイル６１０の開口面の外側の領域が受電コイル８２０の開口面内に含まれてもよいが、図１３（ｂ）のように含まれない方がより効率の高い無線電力伝送を実現できる。

以上説明したように、本実施形態に係るシステム１００は、送電コイルに対する位置が所定の動き方向（Ｘ軸方向）において可変である受電コイルを有する。また、送電コイルに流れる電流に応じて発生する磁界によって受電コイルへ無線で電力を伝送するための送電コイルを有する。そして送電コイルは、該動き方向と略平行な導体部分を４以上有するメアンダ形状を成す。これにより、位置関係が可変である送電コイルと受電コイルの間で無線電力伝送を行う場合に、漏洩電磁波を抑制しつつ電力伝送の効率低下を抑制することができる。

なお、上記の各実施形態に係る受電コイルは、磁性体コアを有していても良い。即ち、システム１００は、受電コイルのループの内部に磁性体を有していてもよい。受電コイルが磁性体コアを有することで、送電コイルと受電コイルの結合係数を高めることができる。図１４（ａ）は、上記のような構成を採用した場合のコイル間の結合係数を算出するためのシミュレーションモデルにおける、送電コイル１３１０、受電コイル１３２０及び磁性体コア１３３０の斜視図である。送電コイル１３１０及び受電コイル１３２０の形状は、図７（ａ）で説明した送電コイル１１１０及び受電コイル１１２０と同一であり、磁性体コア１３３０の比透磁率は１０００としている。

図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示すモデルを用いたシミュレーションによる、コイル間の位置と結合係数との関係を示したグラフである。図１４（ｂ）から分かるように、受電コイル位置が０ｍｍ〜９００ｍｍの全ての範囲で結合係数が０．１以上となっており、磁性体コア１３３０を有さない受電コイル１１２０を用いた場合の図７（ｂ）の結果と比べて、結合係数が増加していることがわかる。つまり、磁性体コア１３３０を有する受電コイル１３２０を用いることでより高効率な無線電力伝送を実現することができる。なお、図７（ａ）に示した受電コイル１１２０に限らず、上記の各実施形態で説明した何れの受電コイルを用いる場合でも、受電コイルの内部に磁性体コア１３３０を配置することで同様に無線電力伝送の効率を向上できる。

また、上記の各実施形態においては、送電コイルが１つである場合を中心に説明した。しかしながら、送電コイルの数は１つに限定されず、例えば受電コイルの移動方向に複数の送電コイルを並べて配置してもよい。高効率な無線電力伝送を行うためには、送電コイルに印加される交流電圧の周波数よりも送電コイルの自己共振周波数の方が高いことが望ましく、送電コイルの長さに制約が生じる。そこで、複数の送電コイルを並べてその上で受電コイルを移動させることで、上記の制約を満たしつつ受電コイルが受電可能な範囲を広げることができる。

以下、この場合の無線電力伝送システムについて説明する。図１５は、複数の送電コイルを有する無線電力伝送システム１０００（以降、システム１０００）の構成を示す図である。ここでは工場内において自動で移動する車両である自動搬送車への電力伝送にシステム１０００を適用する場合について説明するが、システム１０００の適用先はこれに限定されず、例えばプリンタにシステム１０００を適用してもよい。

システム１０００は、無線による受電を行い動作する自動搬送車９００と、床面に配置される送電部９０１ａ、送電部９０１ｂ、送電部９０１ｃ、電源部９０７、及びライン９０８を有する。自動搬送車９００は、受電部９０２、制御部９０３、車輪９０４ａ、車輪９０４ｂ、車輪９０４ｃ、車輪９０４ｄ、駆動部９０５、及びラインセンサ９０６を有する。受電部９０２は、受電コイル９２０と受電器９２１を含む。また、送電部９０１ａは、送電コイル９１０ａと送電器９１１ａを含む。同様に、送電部９０１ｂは送電コイル９１０ｂと送電器９１１ｂを含み、送電部９０１ｃは送電コイル９１０ｃと送電器９１１ｃを含む。以降、送電部９０１ａ−９０１ｃを区別しない場合は送電部９０１と記載する。同様に、送電コイル９１０ａ−９１０ｃを区別しない場合は送電コイル９１０と記載し、送電器９１１ａ−９１１ｃを区別しない場合は送電器９１１と記載し、車輪９０４ａ−９０４ｄを区別しない場合は車輪９０４と記載する。なお、座標系９９０のＸＹ平面は送電部９０１が配置される床面と平行であり、図１５はＺ軸方向の視点からシステム１０００を見た場合の図である。

複数の送電部９０１は、図１５のように座標系９９０のＸ軸方向に並べて配置される。送電部９０１は、図１で説明した送電部１０１と同様に、送電器９１１において直流電圧を交流電圧へ変換し、送電コイル９１０において交流磁界を生成する。電源部９０７は、送電部９０１に適した直流電圧を商用電源（不図示）などから生成し、伝送路９７０を介して電力供給する。なお、無線電力伝送の効率を高めるためには、複数の送電コイル９１０が互いに同じ向きの交流磁界を生成することが望ましい。また、システム１０００が受電コイル９２０の位置を検知する機能を有し、受電コイル９２０に近い送電部９０１のみが送電動作を実施しても良い。

受電部９０２は、図１で説明した受電部１０２と同様に、送電部９０１により生成された交流磁界に基づいて受電コイル９２０により受電する。そして受電部９０２は、受電器９２１において交流電圧を直流電圧へ変換し、伝送路９７１を介して電力供給する。即ち受電器９２１は、送電コイル９１０に対する電圧の印加に応じて受電コイル９２０に発生する電力を、自動搬送車９００を駆動させるための電力として駆動部９０５へ出力する。また、受電器９２１は制御部９０３及びラインセンサ９０６にも電力を出力する。

ラインセンサ９０６は、床面上にＸ軸方向に配置されるライン９０８をセンシングし、取得したセンシング情報を、伝送路９３０を介して制御部９０３へ出力する。制御部９０３は、ラインセンサ９０６が取得したセンシング情報を基に、自動搬送車９００がライン９０８に沿って移動するよう、伝送路９３１を介して駆動部９０５へ制御信号を出力する。駆動部９０５は、制御部９０３から伝送される制御信号に基づいて、車輪９０４を駆動させる。このような構成により、受電コイル９２０は自動搬送車９００と連動してＸ軸方向に移動可能である。

このようにシステム１０００においては、送電コイル９１０が座標系９９０のＸ軸方向に複数並べられ、Ｚ軸方向の視点から見た場合に送電コイル９１０の開口面と受電コイル９２０の開口面が少なくとも一部重なるように受電コイル９２０がＸ軸方向に移動する。上記の構成により、単一の送電コイル９１０を用いる場合と比べて、受電コイル９２０が受電可能な範囲を拡張することができる。その結果、自動搬送車９００の移動可能範囲が広がる。

なお図１５において、送電コイル９１０の形状は図１の送電コイル１１０と同様であり、受電コイル９２０の形状は図１の受電コイル１２０と同様である。ただしコイルの形状はこれに限定されず、例えば上記の各実施形態で説明した何れの送電コイル及び受電コイルをシステム１０００の送電コイル９１０及び受電コイル９２０として用いてもよい。

なお、上記の各実施形態においては、送電コイルと受電コイルの巻き数が何れも１ｔｕｒｎ（１巻き）である場合のシミュレーション結果を基に説明を行った。ただし、送電コイル及び受電コイルの巻き数は１ｔｕｒｎに限定されるものではない。また、送電コイルと受電コイルの巻き数が異なっていてもよい。このような場合においても、漏洩電磁波を抑制しつつ電力伝送の効率低下を抑制することができる。

また、上記の各実施形態においては、送電コイルと受電コイルが何れも直線状の導体部分から構成される場合を中心に説明を行ったが、送電コイルと受電コイルの形状はこれに限らない。例えば、送電コイル及び受電コイルが有するループの少なくとも何れかが円形や楕円形であってもよい。

また、上記の各実施形態においては、Ｘ軸方向において送電コイル上に受電コイルが位置する範囲内において、受電コイルが移動する場合のシミュレーション結果を基に説明を行った。ただし、Ｘ軸方向において送電コイル上から外れた位置まで受電コイルが移動してもよい。例えば、図３（ｂ）における受電コイル位置が０ｍｍより小さくなってもよいし、９００ｍｍより大きくなってもよい。

また、上記の各実施形態においては、送電コイルが固定されており受電コイルが移動する場合を中心に説明した。ただしこれに限らず、送電コイルと受電コイルとの位置関係が所定方向において可変であれば、本実施形態を適用できる。例えば、受電コイルが固定されており送電コイルが移動可能であってもよいし、送電コイルと受電コイルの両方が移動可能であってもよい。

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ等）によっても実現可能である。また、そのプログラムをコンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録して提供してもよい。

１００ 無線電力伝送システム
１１０ 送電コイル
１１１ 送電器
１２０ 受電コイル
１２１ 受電器

Claims (18)

1. 送電コイルに流れる電流に応じて発生する磁界によって受電コイルへ無線で電力を伝送するための前記送電コイルであって、前記送電コイルに対する電圧の印加に応じて互いに逆向きの電流が流れる第１ループ及び第２ループを有する前記送電コイルと、
   前記送電コイルに対する前記受電コイルの位置を所定の動き方向に移動させる移動制御手段と、
   前記移動制御手段により前記動き方向に移動させられる前記受電コイルであって、前記送電コイルに対する電圧の印加に応じて、前記動き方向における前記送電コイルに対する位置に関わらずに決まる向きの電流が流れる前記受電コイルとを有することを特徴とする無線電力伝送システム。
2. 前記送電コイルは、前記動き方向における前記送電コイルの端部の近傍に、前記第１ループと前記第２ループとの接続部を有することを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送システム。
3. 前記受電コイルは第３ループを有し、前記動き方向に垂直な基準方向の視点において、前記動き方向における前記送電コイルに対する前記受電コイルの位置に関わらず、前記第１ループの内部と前記第２ループの内部との何れか一方と前記第３ループの内部とが少なくとも一部重なることを特徴とする請求項１又は２に記載の無線電力伝送システム。
4. 前記受電コイルは、前記送電コイルに対する電圧の印加に応じて互いに逆向きの電流が流れる第３ループ及び第４ループを有し、前記動き方向に垂直な基準方向の視点において、前記動き方向における前記送電コイルに対する前記受電コイルの位置に関わらず、前記第１ループの内部と前記第３ループの内部とが少なくとも一部重なり、前記第２ループの内部と前記第４ループの内部とが少なくとも一部重なることを特徴とする請求項１又は２に記載の無線電力伝送システム。
5. 前記受電コイルは第３ループを有し、前記動き方向に垂直な基準方向の視点において、前記動き方向における前記送電コイルに対する前記受電コイルの位置に関わらず、前記第１ループと前記第２ループとの間に前記第３ループが存在することを特徴とする請求項１又は２に記載の無線電力伝送システム。
6. 前記受電コイルは、前記送電コイルに対する電圧の印加に応じて互いに逆向きの電流が流れる第３ループ及び第４ループを有し、前記動き方向における前記送電コイルに対する前記受電コイルの位置に関わらず、前記第１ループ及び前記第２ループが存在する平面に対して前記第３ループと前記第４ループとが互いに逆側に存在することを特徴とする請求項１又は２に記載の無線電力伝送システム。
7. 送電コイルに対する位置が所定の動き方向において可変である受電コイルと、
   前記送電コイルに流れる電流に応じて発生する磁界によって前記受電コイルへ無線で電力を伝送するための前記送電コイルであって、前記動き方向と略平行な導体部分を４以上有するメアンダ形状の前記送電コイルとを有することを特徴とする無線電力伝送システム。
8. 前記受電コイルは、前記動き方向と略平行な導体部分を４以上有するメアンダ形状であることを特徴とする請求項７に記載の無線電力伝送システム。
9. 前記動き方向に垂直な基準方向の視点において、前記受電コイルが有する前記動き方向と略平行な導体部分は、前記送電コイルが有する前記動き方向と略平行な導体部分に重なることを特徴とする請求項８に記載の無線電力伝送システム。
10. 前記送電コイルは、前記受電コイルよりも前記動き方向における長さが長いことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の無線電力伝送システム。
11. 前記受電コイルのループの内部に磁性体を有することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の無線電力伝送システム。
12. 前記無線電力伝送システムは、プリンタに含まれ、
    前記受電コイルは、前記プリンタが有するプリントヘッドと連動して前記動き方向に移動可能であり、
    前記送電コイルに対する電圧の印加に応じて前記受電コイルに発生する電力を前記プリントヘッドへ出力する出力手段とを有することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の無線電力伝送システム。
13. 前記無線電力伝送システムは、自動で移動する車両を駆動させるためのシステムであり、
    前記受電コイルは、前記車両と連動して前記動き方向に移動可能であり、
    前記送電コイルに対する電圧の印加に応じて前記受電コイルに発生する電力を、前記車両を駆動させるための電力として出力する出力手段を有することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の無線電力伝送システム。
14. 無線電力伝送システムを制御する制御方法であって、
    送電コイルに流れる電流に応じて発生する磁界によって受電コイルへ無線で電力を伝送するための前記送電コイルであって、前記送電コイルに対する電圧の印加に応じて互いに逆向きの電流が流れる第１ループ及び第２ループを有する前記送電コイルに、電圧を印加する印加工程と、
    前記送電コイルに対する前記受電コイルの位置を所定の動き方向に移動させる移動制御工程と、
    前記移動制御工程において前記動き方向に移動させられる前記受電コイルであって、前記送電コイルに対する電圧の印加に応じて、前記動き方向における送電コイルに対する位置に関わらずに決まる向きの電流が流れる前記受電コイルから、電力を出力する出力工程とを有することを特徴とする制御方法。
15. 無線電力伝送システムを制御する制御方法であって、
    送電コイルに流れる電流に応じて発生する磁界によって前記送電コイルに対する位置が所定の動き方向において可変である受電コイルへ無線で電力を伝送するための前記送電コイルであって、前記動き方向と略平行な導体部分を４以上有するメアンダ形状の前記送電コイルに、電圧を印加する印加工程と、
    前記印加工程における前記送電コイルに対する電圧の印加に応じて前記受電コイルに発生した電力を出力する出力工程とを有することを特徴とする制御方法。
16. 前記出力工程において出力された電力を用いて、プリンタが有するプリントヘッドであって前記受電コイルと連動して前記動き方向に移動可能な前記プリントヘッドを制御する制御工程を有することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の制御方法。
17. 前記出力工程は、自動で移動する車両であって前記受電コイルと連動して前記動き方向に移動可能な前記車両を駆動させるための電力を出力することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の制御方法。
18. コンピュータに、請求項１４乃至１７の何れか１項に記載の制御方法で無線電力伝送システムを制御させるためのプログラム。

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