JP2018078773A - 無線給電装置、及び無線給電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周辺の媒質が変化しても、高効率な給電が可能な無線給電装置を提供する。【解決手段】送電装置１から受電装置２へと非接触で電力を伝送する無線給電装置１００であって、送電装置は、送電側コイル１３と、送電側整合回路１４、１５と、送電側コイルの周辺の媒質を判定する送電側媒質判定部１６と、該媒質に基づいて、複数の送電側整合回路の中から、電源部１１と接続する所定の送電側整合回路へと切り替える送電側切替部１２と、を備える。受電装置は、受電側コイル２３と、受電側整合回路２４、２５と、受電側コイルの周辺の媒質を判定する受電側媒質判定部２６と、該媒質に基づいて、複数の受電側整合回路の中から、負荷３０と接続する所定の受電側整合回路へと切り替える受電側切替部２２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、無線給電装置、及び無線給電方法に関する。

送電装置から受電装置へと、電磁誘導や磁界共鳴等を利用して、電力を伝送する無線給電装置が知られている。

例えば、非特許文献１には、送電側コイルと受電側コイルとを共振させて、電力を伝送することで、電送効率と電送距離を向上させた非接触給電方法が開示されている。

また、例えば、特許文献１には、電力伝送用コイルを包含部で覆い、該コイルを、送電部インピーダンスと、受電部インピーダンスと、良導体媒質のインピーダンスとで定まる周波数で共振させた電力伝送装置が開示されている。

また、例えば、特許文献２には、制御部が、送電部から受電部への送電状況に基づいて、送電部に対する受電部の位置ずれを検出する前に、送電部が、通信部を介して、受電部から受信した負荷情報に基づいて、インピーダンスを調整する電力伝送システムが開示されている。

Ｋｕｒｓ．Ａ． ｅｔ ａｌ， "Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｖｉａ Ｓｔｒｏｎｇｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ"， Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｖｏｌ．３１７， ｐｐ８３−８６（２００７／７）

ＷＯ２０１４／０３４４９１号公報 特開２０１３−７４６７３号公報

無線給電装置が、例えば、空気中から水中へと移動すると、送電装置又は受電装置における共振周波数やインピーダンスが変化するため、伝送効率が低下するという問題がある。

非特許文献１及び特許文献１に記載の電力伝送装置には、装置周辺の媒質変化に伴って、インピーダンスを調整する機構が備わっていないため、装置周辺の媒質が変化すると伝送効率が低下してしまう。また、特許文献２に記載の電力伝送システムは、送電部と受電部との間での通信を利用して、インピーダンスを調整するため、媒質の種類によっては、通信が途絶し、伝送効率が低下してしまう。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、周辺の媒質が変化しても、高効率な給電が可能な無線給電装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、送電装置から受電装置へと非接触で電力を伝送する無線給電装置であって、前記送電装置は、電源部から交流電流を供給されて、磁束を発生する送電側コイルと、前記電源部から出力される交流電流の周波数と、前記送電側コイルの共振周波数とを整合する送電側整合回路と、前記送電側コイルの周辺の媒質を判定する送電側媒質判定部と、該媒質に基づいて、複数の前記送電側整合回路の中から、前記電源部と接続する所定の送電側整合回路へと切り替える送電側切替部と、を備え、前記受電装置は、前記磁束と鎖交して、負荷へと誘導電流を供給する受電側コイルと、前記電源部から出力される交流電流の周波数と、前記受電側コイルの共振周波数とを整合する受電側整合回路と、前記受電側コイルの周辺の媒質を判定する受電側媒質判定部と、該媒質に基づいて、複数の前記受電側整合回路の中から、前記負荷と接続する所定の受電側整合回路へと切り替える受電側切替部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、周辺の媒質が変化しても、高効率な給電が可能な無線給電装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る無線給電装置の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る切替部及び整合回路の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るインピーダンス特性を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係るコイルの線間容量を示す概念図である。 本発明の第１実施形態に係る媒質判定用センサ及び検出回路の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る媒質判定用センサ及び検出回路の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る無線給電装置の構成を示す図である。

≪第１実施形態≫
〔無線給電装置の全体構成〕
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る無線給電装置１００の構成について説明する。

図１に示すように、無線給電装置１００は、送電装置１と、受電装置２と、を備える。無線給電装置１００において、送電装置１から受電装置２へと、非接触で電力が伝送され、受電装置２から負荷３０（例えば、二次電池、電動駆動装置、等）へと、電力が供給される。

送電装置１に設けられる送電側コイルに、交流電流が流れると、送電側コイルに磁束が発生する。該磁束が、受電装置２に設けられる受電側コイルと鎖交することにより、受電側コイルに、誘導電流が流れる。即ち、無線給電装置１００は、電磁誘導を利用して、送電装置１から受電装置２へと電力を伝送する。電力伝送に寄与する磁束が多い程（送電側コイルと受電側コイルとの結合が強い程）、伝送効率は高くなる。

〔送電装置の構成〕
図１に示すように、送電装置１は、電源部１１、切替部（送電側切替部）１２、送電側コイル１３、整合回路（送電側整合回路）１４、整合回路（送電側整合回路）１５、媒質判定部（送電側媒質判定部）１６、を備える。媒質判定部１６は、媒質判定用センサ１７、検出回路１８、判定回路１９、を備える。本実施形態では、電源部１１、切替部１２、送電側コイル１３、整合回路１４、整合回路１５、媒質判定部１６、検出回路１８、判定回路１９は、送電装置１の筐体内に設けられる。また、媒質判定用センサ１７は、送電装置１の筐体外に設けられる。

電源部１１は、切替部１２、送電側コイル１３と接続される。電源部１１は、商用電源等の外部電源を、別の周波数の交流電流に変換し、送電側コイル１３へと供給する。

送電側コイル１３は、電源部１１、整合回路１４及び整合回路１５と接続される。送電側コイル１３は、周辺の媒質に依存せずに、使用できるようにするため、ハウジングや筐体に収容される。送電側コイル１３は、電源部１１から交流電流が供給されることで、磁束を発生する。

整合回路１４，１５は、切替部１２、送電側コイル１３と接続される。送電装置１には、少なくとも２つ以上の整合回路が設けられる。整合回路１４，１５は、電源部１１から出力される交流電流の周波数と、送電側コイル１３の共振周波数とを整合する。整合回路１４，１５は、例えば、コンデンサ、等で構成することができる。

整合回路１４がコンデンサで構成される場合、コンデンサの静電容量は、空気中における送電側コイル１３の共振周波数が、電源部１１から出力される交流電流の周波数と一致するように、設定される。また、整合回路１５がコンデンサで構成される場合、コンデンサの静電容量は、水中における送電側コイル１３の共振周波数が、電源部１１から出力される交流電流の周波数と一致するように、設定される。電源部１１から出力される交流電流の周波数と、送電側コイル１３の共振周波数とを、一致させることで、高効率な送電が可能になる。

切替部１２は、電源部１１、整合回路１４または整合回路１５と接続される。切替部１２は、判定回路１９から入力される判定結果に基づいて、複数の整合回路（例えば、整合回路１４，１５）の中から、電源部１１と接続する整合回路を選択して切り替える。

例えば、判定回路１９により、送電側コイル１３の周辺の媒質が空気であると判定された場合、切替部１２は、整合回路１４を選択し、電源部１１と整合回路１４とを接続する。この場合、電源部１１から出力される交流電流の周波数と、空気中における送電側コイル１３の共振周波数とは、一致する。なお、既に切替部１２と整合回路１４とが接続されているときは、切替部１２は、その接続状態を維持するものとする。

また、例えば、判定回路１９により、送電側コイル１３の周辺媒質が水であると判定された場合、切替部１２は、整合回路１５を選択し、電源部１１と整合回路１５とを接続する。この場合、電源部１１から出力される交流電流の周波数と、水中における送電側コイル１３の共振周波数とは、一致する。なお、既に切替部１２と整合回路１５とが接続されているときは、切替部１２は、その接続状態を維持するものとする。この点は、以下の説明において、同様である。

媒質判定部１６は、送電側コイル１３の周辺の媒質を検出し、該媒質が、水であるか空気であるかを判定する。

なお、本実施形態では、媒質判定部１６が判定する媒質として、空気と水を一例に挙げて説明するが、媒質判定部１６が判定する媒質は、これに限定されるものではない。媒質判定部１６が判定する媒質は、例えば、純水、海水、オイル、アルコール、有機溶剤、等であっても良い。

媒質判定用センサ１７は、検出回路１８と接続され、送電側コイル１３の周辺に設けられる。媒質判定用センサ１７は、検出回路１８により駆動され、送電側コイル１３の周辺の媒質の特性を検出し、検出結果を検出回路１８へと出力する。媒質の特性としては、例えば、導電率、音速、音響インピーダンス、密度、浮力、誘電率、粘度、屈折率、等が挙げられる。なお、媒質判定用センサ１７は、媒質から離隔されて、送電側コイル１３と共に、ハウジングや筐体に収容されていても良い。

検出回路１８は、媒質判定用センサ１７、判定回路１９と接続される。検出回路１８は、媒質判定用センサ１７から入力される検出結果に基づいて、媒質の特性を測定し、測定結果を判定回路１９へと出力する。

判定回路１９は、切替部１２、検出回路１８と接続される。判定回路１９は、検出回路１８から入力される測定結果に基づいて、送電側コイル１３の周辺の媒質が、水であるか空気であるかを判定し、判定結果を切替部１２へと出力する。

なお、本実施形態では、媒質判定部１６として、媒質判定用センサ１７、検出回路１８、判定回路１９、を備えた構成を、一例に挙げて説明するが、媒質判定部１６の構成は、特に、限定されるものではない。例えば、媒質判定部１６の構成として、検出回路１８や判定回路１９を設けずに、フロートとスイッチを組み合わせた構成とすることもできる。この場合、媒質判定部１６は、各媒質における浮力の違いを利用して、送電側コイル１３の周辺の媒質が、水であるか空気であるかを判定する。送電側コイル１３の周辺の媒質が水であれば、フロートが水の浮力によって浮上し、スイッチが作動して、検出信号を切替部１２へと出力する。

〔受電装置の構成〕
図１に示すように、受電装置２は、整流部２１、切替部（受電側切替部）２２、受電側コイル２３、整合回路（受電側整合回路）２４、整合回路（受電側整合回路）２５、媒質判定部（受電側媒質判定部）２６、を備える。媒質判定部２６は、媒質判定用センサ２７、検出回路２８、判定回路２９、を備える。本実施形態では、整流部２１、切替部２２、受電側コイル２３、整合回路２４、整合回路２５、媒質判定部２６、検出回路２８、判定回路２９は、受電装置２の筐体内に設けられる。また、媒質判定用センサ２７は、受電装置２の筐体外に設けられる。なお、受電装置２に、二次電池等を搭載しても良い。

整流部２１は、切替部２２、受電側コイル２３、負荷３０と接続される。整流部２１は、受電側コイル２３から供給される誘導電流を整流し、交流電流から直流電流へと変換する。なお、負荷３０の要求電圧に応じて、整流部２１と負荷３０との間に、電圧コンバータ等を挿入しても構わない。

受電側コイル２３は、送電側コイル１３と略同軸上に設けられ、整流部２１、整合回路２４及び整合回路２５と接続される。受電側コイル２３は、周辺の媒質に依存せずに、使用できるようにするため、ハウジングや筐体に収容される。受電側コイル２３は、送電側コイル１３に発生した磁束と鎖交する。これにより、受電側コイル２３には、誘導電流が流れる。受電側コイル２３は、該誘導電流を、負荷３０へと供給する。

整合回路２４，２５は、切替部２２、受電側コイル２３と接続される。受電装置２には、少なくとも２つ以上の整合回路が設けられる。整合回路２４，２５は、電源部１１から出力される交流電流の周波数と、受電側コイル２３の共振周波数とを整合する。整合回路２４，２５は、例えば、コンデンサ、等で構成することができる。

整合回路２４がコンデンサで構成される場合、コンデンサの静電容量は、空気中における受電側コイル２３の共振周波数が、電源部１１から出力される交流電流の周波数と一致するように、設定される。また、整合回路２５がコンデンサで構成される場合、コンデンサの静電容量は、水中における受電側コイル２３の共振周波数が、電源部１１から出力される交流電流の周波数と一致するように、設定される。電源部１１から出力される交流電流の周波数と、受電側コイル２３の共振周波数とを、一致させることで、高効率な受電が可能になる。

切替部２２は、整流部２１、整合回路２４または整合回路２５と接続される。切替部２２は、判定回路２９から入力される判定結果に基づいて、複数の整合回路（例えば、整合回路２４，２５）の中から、負荷３０と接続する整合回路を選択して切り替える。

例えば、判定回路２９により、受電側コイル２３の周辺の媒質が空気であると判定された場合、切替部２２は、整合回路２４を選択し、負荷３０と整合回路２４とを接続する。この場合、電源部１１から出力される交流電流の周波数と、空気中における受電側コイル２３の共振周波数とは、一致する。

また、例えば、判定回路２９により、受電側コイル２３の周辺媒質が水であると判定された場合、切替部２２は、整合回路２５を選択し、負荷３０と整合回路２５とを接続する。この場合、電源部１１から出力される交流電流の周波数と、水中における受電側コイル２３の共振周波数とは、一致する。

媒質判定部２６は、受電側コイル２３の周辺の媒質を検出し、該媒質が、水であるか空気であるかを判定する。

なお、本実施形態では、媒質判定部２６が判定する媒質として、空気と水を一例に挙げて説明するが、媒質判定部２６が判定する媒質は、これに限定されるものではない。媒質判定部２６が判定する媒質は、例えば、純水、海水、オイル、アルコール、有機溶剤、等であっても良い。

媒質判定用センサ２７は、検出回路２８と接続され、受電側コイル２３の周辺に設けられる。媒質判定用センサ２７は、検出回路２８により駆動され、受電側コイル２３の周辺の媒質の特性を検出し、検出結果を検出回路２８へと出力する。媒質の特性としては、例えば、導電率、音速、音響インピーダンス、密度、浮力、誘電率、粘度、屈折率、等が挙げられる。なお、媒質判定用センサ２７は、媒質から離隔されて、受電側コイル２３と共に、ハウジングや筐体に収容されていても良い。

検出回路２８は、媒質判定用センサ２７、判定回路２９と接続される。検出回路２８は、媒質判定用センサ２７から入力される検出結果に基づいて、媒質の特性を測定し、測定結果を判定回路２９へと出力する。

判定回路２９は、切替部２２、検出回路２８と接続される。判定回路２９は、検出回路２８から入力される測定結果に基づいて、受電側コイル２３の周辺の媒質が、水であるか空気であるかを判定し、判定結果を切替部２２へと出力する。

受電装置２に設けられる検出回路２８及び判定回路２９は、電力を利用して動作する。従って、無線給電装置１００は、送電装置１から受電装置２への電力伝送が不十分な場合には、僅かな電力を、優先的に、検出回路２８及び判定回路２９へと供給し、検出回路２８及び判定回路２９を動作させる。これにより、切替部２２は、判定回路２９から適切な判定結果を得て、整合回路を選択することができる。つまり、無線給電装置１００は、送電装置１において整合が完全に採れていない状態であっても、受電装置２に二次電池等を設けることなく、高効率な給電を行い、受電装置２からから負荷３０へと十分な電力を供給することができる。また、特に受電装置２に二次電池等を設ける場合には、二次電池から供給される電力により、検出回路２８及び判定回路２９を動作させても良い。

なお、本実施形態では、媒質判定部２６として、媒質判定用センサ２７、検出回路２８、判定回路２９、を備えた構成を、一例に挙げて説明するが、媒質判定部２６の構成は、特に、限定されるものではない。

〔切替部及び整合回路の構成〕
次に、図２を参照して、切替部１２及び整合回路１４，１５の具体的な構成について説明する。なお、切替部２２及び整合回路２４，２５についても、同様の構成とすることができるため、説明を省略する。

図２に示すように、整合回路をコンデンサで構成した場合、送電側コイル１３とコンデンサとが共振する周波数において、インピーダンスが最も小さくなる（直列共振回路に流れる電流が最も大きくなる）。送電側コイル１３の周辺の媒質変化により、直列共振回路における共振周波数やインピーダンスが変化するため、この媒質変化に応じて、切替部１２が、適宜、整合回路を切り替える。

例えば、整合回路１４における静電容量Ｃ１は、送電側コイル１３が空気中に存在する場合における共振周波数と、電源部１１から出力される交流電流の周波数とが一致するように、設定される。

また、例えば、整合回路１５における静電容量Ｃ２は、送電側コイル１３が水中に存在する場合における共振周波数と、電源部１１から出力される交流電流の周波数とが一致するように、設定される。

従って、切替部１２は、送電側コイル１３の周辺の媒質が空気から水へと変化した場合、選択する整合回路を、静電容量Ｃ１を有するコンデンサから静電容量Ｃ２を有するコンデンサへと切り替える。あるいは、切替部１２は、送電側コイル１３の周辺の媒質が水から空気へと変化した場合、選択する整合回路を、静電容量Ｃ２を有するコンデンサへから静電容量Ｃ１を有するコンデンサへと切り替える。

これにより、送電側コイル１３の周辺の媒質が変化しても、各々の媒質中に存在する場合における送電側コイル１３の共振周波数と、電源部１１から出力される交流電流の周波数とを一致させることができる。従って、前記のように、無線給電装置１００において、周辺の媒質が変化しても、高効率な給電を行うことが可能になる。

なお、本実施形態では、送電装置１又は受電装置２に、整合回路を、それぞれ２つずつ搭載する構成を一例に挙げて説明するが、整合回路の個数は、特に限定されるものではない。

例えば、送電装置１又は受電装置２に、異なる回路定数（静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）を有する３つのコンデンサを、並列に接続して搭載しても良い。この場合、各コンデンサを組み合わせることにより、静電容量Ｃ１、静電容量Ｃ２、静電容量Ｃ３、静電容量（Ｃ１＋Ｃ２）、静電容量（Ｃ１＋Ｃ３）、静電容量（Ｃ２＋Ｃ３）、静電容量（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）、という７種類の整合回路を構成することが可能である。つまり、この場合には、７種類の媒質変化に対応した無線給電装置の提供が可能である。

〔インピーダンス特性〕
次に、図３を参照して、水中及び空気中における送電側コイル１３のインピーダンス特性について説明する。なお、水中及び空気中における受電側コイル２３のインピーダンス特性についても、同様であるため、説明を省略する。

図３は、周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフの一例である。横軸は周波数[Ｈｚ]を、縦軸はインピーダンス[Ω]を表している。

グラフＡは、空気中に存在する送電側コイル１３とコンデンサとを直列に接続した場合におけるインピーダンスの周波数特性の一例である。グラフＢは、水中に存在する送電側コイル１３とコンデンサとを直列に接続した場合におけるインピーダンスの周波数特性の一例である。

グラフＡにおける周波数ｆｒ１は、送電側コイル１３が空気中に存在する場合の共振周波数である。グラフＢにおける周波数ｆｒ２は、送電側コイル１３が水中に存在する場合の共振周波数である。

図３から、送電側コイル１３が空気中に存在する場合の共振周波数ｆｒ１は、送電側コイル１３が水中に存在する場合の共振周波数ｆｒ２と比較して大きいことがわかる。つまり、送電側コイル１３の周辺の媒質が変化すると、送電側コイル１３の共振周波数も変化する。共振周波数がずれると、送電装置から受電装置へと、効率の良い送電を行うことができないため、媒質変化に応じて、整合回路を適宜選択することが必要になる。

また、図３から、送電側コイル１３が、空気中に存在する場合も、水中に存在する場合も、インピーダンスは、共振周波数において、最も小さいことがわかる。電源部１１から出力される交流電流の周波数と、送電側コイル１３の共振周波数とを、一致させることで、送電側コイル１３に流れる電流を最も大きくすることができる。つまり、送電装置から受電装置へと、効率の良い送電を行うためには、電源部１１から出力される交流電流の周波数と、送電側コイル１３の共振周波数とを、一致させることが必要になる。

ここで、送電側コイル１３の周辺の媒質が変化した場合における、インピーダンスの虚部の整合と、インピーダンスの実部の整合について説明する。なお、受電側コイル２３の周辺の媒質が変化した場合についても、同様に説明することができる。

インピーダンスの虚部については、図２に示すように、コンデンサの静電容量を調整することで、整合が可能である。送電側コイル１３の周辺の媒質変化に応じて、コンデンサの静電容量を、静電容量Ｃ１から静電容量Ｃ２へと、あるいは静電容量Ｃ２から静電容量Ｃ１へと、変化させることで、直列共振回路における共振周波数を調整し、インピーダンスの虚部を整合することができる。

インピーダンスの実部については、例えば、電源部１１と送電側コイル１３との間にトランス（変成器）を挿入し、コイルの巻数比を調整することで、整合が可能である。送電側コイル１３の周辺の媒質変化に応じて、巻数比を、空気中で整合する巻数比から水中で整合する巻数比へと、あるいは水中で整合する巻数比から空気中で整合する巻数比へと、変化させることで、インピーダンスの実部を整合することができる。

インピーダンスの虚部だけでなく、インピーダンスの実部についても整合を行うことで、より高精度なインピーダンス整合が可能になる。これにより、無線給電装置１００における伝送効率を更に高めることができる。

〔コイルの線間容量〕
次に、図４を参照して、送電側コイル１３に生じる線間容量について説明する。なお、受電側コイル２３に生じる線間容量についても、同様に説明することができる。

図４に示すように、送電側コイル１３は、筐体１３０に収容される。筐体１３０の内部には、電界１３１が発生し、線間容量１３２が定まる。筐体１３０の外部には、電界１３３が発生し、線間容量１３４が定まる。線間容量１３２と線間容量１３４との和が、送電側コイル１３に生じる線間容量となる。

線間容量１３４は、媒質Ｘの誘電率に依存する。空気の比誘電率は約１であり、水の比誘電率は約８０である。従って、媒質Ｘが、水である場合における送電側コイル１３の線間容量１３４は、媒質Ｘが、空気である場合における送電側コイル１３の線間容量１３４と比較して大きくなる。

従って、媒質Ｘが、水である場合における送電側コイル１３の線間容量（線間容量１３２と線間容量１３４との和）も、媒質Ｘが、空気である場合における送電側コイル１３の線間容量（線間容量１３２と線間容量１３４との和）と比較して大きくなる。

つまり、送電側コイル１３の周辺の媒質Ｘが変化すると、送電側コイル１３の線間容量が変化し、送電側コイル１３の共振周波数も変化する。媒質Ｘが、水である場合における送電側コイル１３の共振周波数は、媒質Ｘが、空気である場合における送電側コイル１３の共振周波数と比較して小さくなる。

〔媒質判定用センサ及び検出回路の構成〕
次に、図５，図６を参照して、媒質判定用センサ１７及び検出回路１８の具体的な構成について説明する。なお、媒質判定用センサ２７及び検出回路２８についても、同様の構成とすることができるため、説明を省略する。

図５に示す方法は、電極間を流れる電流を測定し、送電側コイル１３の周辺の媒質を特定する方法である。

媒質判定用センサ１７として、電極５１、電極５２を使用する。電極５１と電極５２とは、媒質を介して、対向して設けられる。検出回路１８として、定電圧交流電源５３、電流計５４を使用する。電極５１は、電流計５４と接続され、電極５２は、定電圧交流電源５３と接続される。

電極５１、電極５２には、定電圧交流電源５３から定電圧が印加され、電流計５４は、電極５１と電極５２との間を流れる電流を測定する。

送電側コイル１３の周辺の媒質が変化すると、電極５１と電極５２との間を流れる電流も変化する。媒質判定用センサ１７及び検出回路１８は、この変化に基づいて、送電側コイル１３の周辺の媒質を特定する。

図６に示す方法は、超音波センサ間の受信強度を測定し、送電側コイル１３の周辺の媒質を特定する方法である。

媒質判定用センサ１７として、超音波センサ６１、超音波センサ６２を使用する。超音波センサ６１と超音波センサ６２とは、媒質を介して、対向して設けられる。検出回路１８として、超音波発振器６３、検波回路６４、電圧計６５を使用する。超音波センサ６１は、超音波発振器６３と接続され、超音波センサ６２は、検波回路６４、電圧計６５と接続される。

超音波発振器６３は、予め設定された周波数の電気信号を、超音波センサ６１へと出力する。超音波センサ６１は、超音波発振器６３から入力される電気信号を、音響信号に変換する。超音波センサ６２は、超音波センサ６１から到達した音響信号を、電気信号に変換し、検波回路６４へと出力する。検波回路６４は、超音波センサ６２から入力される電気信号を検波し、検波した電気信号を、電圧計６５へと出力する。電圧計６５は、検波回路６４により検波された電気信号を、受信強度として測定する。

送電側コイル１３の周辺の媒質が変化すると、超音波センサ６１と超音波センサ６２との間の音響インピーダンスが変化し、受信強度も変化する。媒質判定用センサ１７及び検出回路１８は、この変化に基づいて、送電側コイル１３の周辺の媒質を特定する。

なお、媒質判定用センサの構成は、上述の電極５１、電極５２、超音波センサ６１、超音波センサ６２、等に限定されるものではない。

例えば、媒質判定用センサとして、塩分濃度検出センサを用いても良い。この場合、送電側コイル１３の周辺の媒質における塩分濃度が変化しても、無線給電装置１００は、高効率な給電を行うことができる。

また、例えば、媒質判定用センサとして、電気抵抗検出センサを用いても良い。この場合、安価な構成で、無線給電装置１００は、高効率な給電を行うことができる。

上述の構成を有する無線給電装置１００は、例えば、原子力プラントの水中作業用ロボット、海中探査装置、水中遠隔操縦船舶、等に適用することが可能である。

本実施形態に係る無線給電装置１００によれば、送電装置及び受電装置のそれぞれに、媒質判定部を設け、切替部が、判定結果に基づいて整合回路を切り替えることで、各装置におけるインピーダンスを調整することができる。これにより、無線給電装置１００は、周辺の媒質が変化しても、高効率な給電を行うことができる。

また、本実施の形態に係る無線給電装置１００によれば、ロボット等を遠隔操作する操縦者が、送電コイル又は受電コイルの周辺の媒質を判断し、媒質変化に応じて、整合回路を切り替えるという操作を行う必要がない。従って、操縦者の負担を軽減しつつ、高効率な給電が可能な無線給電装置を提供することができる。

また、本実施の形態に係る無線給電装置１００によれば、インピーダンスを調整するために、送電装置と受電装置との間で、通信を行う必要がない。従って、無線給電装置１００が、例えば、空気中から水中へと移動する際に、電磁波が遮断されて通信が途絶し、伝送効率が低下するという従来の無線給電装置に発生していた問題を改善できる。

〔無線給電装置の動作〕
次に、図１を参照して、本発明の実施形態に係る無線給電装置１００の動作について簡単に説明する。

無線給電装置１００が、空気中から水中へと移動する場合の動作を、一例に挙げて説明する。

まず、送電側コイル１３は、電源部１１から交流電流を供給され、磁束を発生する。

無線給電装置１００は、空気中に存在するため、電源部１１は、整合回路１４と接続され、整合回路１４は、電源部１１から出力される交流電流の周波数と、空気中における送電側コイル１３の共振周波数とを整合する。

ここで、無線給電装置１００が、空気中から水中へと移動すると、媒質判定部１６は、送電側コイル１３の周辺の媒質を検出し、該媒質が、水であると判定する。

切替部１２は、媒質判定部１６による判定結果（送電側コイル１３の周辺の媒質が、水であるという判定結果）に基づいて、電源部１１と接続する整合回路を、整合回路１４から整合回路１５へと切り替える。

電源部１１は、整合回路１５と接続され、整合回路１５は、電源部１１から出力される交流電流の周波数と、水中における送電側コイル１３の共振周波数とを整合する。

これにより、無線給電装置１００が、空気中から水中へと移動しても、送電装置１において、高効率な送電が可能になる。

一方、受電側コイル２３は、送電側コイル１３に発生する磁束と鎖交し、誘導電流を、負荷３０へと供給する。

無線給電装置１００は、空気中に存在するため、負荷３０は、整合回路２４と接続され、整合回路２４は、電源部１１から出力される交流電流の周波数と、空気中における受電側コイル２３の共振周波数とを整合する。

ここで、無線給電装置１００が、空気中から水中へと移動すると、媒質判定部２６は、受電側コイル２３の周辺の媒質を検出し、該媒質が、水であると判定する。

切替部２２は、媒質判定部２６による判定結果（受電側コイル２３の周辺の媒質が、水であるという判定結果）に基づいて、負荷３０と接続する整合回路を、整合回路２４から整合回路２５へと切り替える。

負荷３０は、整合回路２５と接続され、整合回路２５は、電源部１１から出力される交流電流の周波数と、水中における受電側コイル２３の共振周波数とを整合する。

従って、無線給電装置１００が、空気中から水中へと移動しても、受電装置２において、高効率な受電が可能になる。

以上の動作によって、無線給電装置１００は、周辺の媒質が変化しても、高効率な給電を行うことができる。

≪第２実施形態≫
［無線給電装置の全体構成］
次に、図７を参照して、本発明の第２実施形態に係る無線給電装置２００の構成について説明する。

図７に示すように、無線給電装置２００は、送電装置２０１と、受電装置２０２と、を備える。無線給電装置２００において、送電装置２０１から受電装置２０２へと、非接触で電力が伝送され、受電装置２０２から負荷３０（例えば、二次電池、電動駆動装置）へと、電力が供給される。

送電装置２０１に設けられる送電側コイルに、交流電流が流れると、送電側コイルに磁束が発生する。該磁束が、送電側共振コイル、受電側共振コイルを介して、受電装置２に設けられる受電側コイルと鎖交することにより、受電側コイルに、誘導電流が流れる。送電側共振コイルの共振周波数と受電側共振コイルの共振周波数とが近い程、伝送効率は高くなる。

〔送電装置の構成〕
図７に示すように、送電装置２０１は、電源部１１、切替部（送電側切替部）１２、送電側コイル１１３、共振コイル（送電側共振コイル）１１４、整合回路（送電側整合回路）１４、整合回路（送電側整合回路）１５、媒質判定部（送電側媒質判定部）１６、を備える。媒質判定部１６は、媒質判定用センサ１７、検出回路１８、判定回路１９、を備える。本実施形態では、電源部１１、切替部１２、送電側コイル１１３、共振コイル（送電側共振コイル）１１４、整合回路１４、整合回路１５、媒質判定部１６、検出回路１８、判定回路１９は、送電装置２０１の筐体内に設けられる。また、媒質判定用センサ１７は、送電装置２０１の筐体外に設けられる。

電源部１１、切替部１２、整合回路１４、整合回路１５、媒質判定部１６の構成については、第１実施形態に係る送電装置１と同様の構成であるため、第１実施形態を参酌することができる。

送電側コイル１１３は、電源部１１と接続される。送電側コイル１１３は、電源部１１から交流電流が供給されることで、磁束を発生する。

共振コイル１１４は、送電側コイル１１３と所定の間隔をおいて、送電側コイル１１３と略同軸上に設けられ、切替部１２、整合回路１４及び整合回路１５と接続される。共振コイル１１４は、周辺の媒質に依存せずに、使用できるようにするため、ハウジングや筐体に収容される。送電側コイル１１３と共振コイル１１４とは、電磁的に結合する。

送電装置２０１において、送電側コイル１１３と共振コイル１１４とを変成器として機能させることができる。送電側コイル１１３と共振コイル１１４との間隔を変更することで、送電装置２０１におけるインピーダンスの実部の整合が可能である。即ち、周辺の媒質変化に応じて、送電側コイル１１３と共振コイル１１４との間隔を、空気中で整合する間隔から水中で整合する間隔へと、あるいは水中で整合する間隔から空気中で整合する間隔へと、変化させることで、インピーダンスの実部を整合することができる。

例えば、予め送電側コイルとの間隔が定まった水中用の送電側共振コイル及び空気中用の送電側共振コイルを、送電装置２０１に搭載し、媒質判定部１６による判定結果に基づいて、切替部１２が、どちらかの送電側共振コイルを選択し、インピーダンスの実部を整合することも可能である。

また、例えば、送電側コイル１１３と共振コイル１１４との間隔を変更できる機構を、送電装置２０１に搭載し、媒質判定部１６による判定結果に基づいて、間隔を変更し、インピーダンスの実部を整合することも可能である。なお、インピーダンスの虚部については、第１実施形態に示した説明を参酌できる。

整合回路１４，１５と併せて、送電側コイル１１３及び共振コイル１１４を、インピーダンスの整合に利用することで、無線給電装置２００における伝送効率を更に高めることができる。

〔受電装置の構成〕
図７に示すように、受電装置２０２は、整流部２１、切替部（受電側切替部）２２、受電側コイル１２３、共振コイル（受電側共振コイル）１２４、整合回路（受電側整合回路）２４、整合回路（受電側整合回路）２５、媒質判定部（受電側媒質判定部）２６、を備える。媒質判定部２６は、媒質判定用センサ２７、検出回路２８、判定回路２９、を備える。本実施形態では、整流部２１、切替部２２、受電側コイル１２３、共振コイル（受電側共振コイル）１２４、整合回路２４、整合回路２５、媒質判定部２６、検出回路２８、判定回路２９は、受電装置２０２の筐体内に設けられる。また、媒質判定用センサ２７は、受電装置２０２の筐体外に設けられる。

整流部２１、切替部２２、整合回路２４、整合回路２５、媒質判定部２６の構成については、第１実施形態に係る受電装置２と同様の構成であるため、第１実施形態を参酌することができる。

共振コイル１２４は、切替部２２、整合回路２４及び整合回路２５と接続される。共振コイル１２４は、周辺の媒質に依存せずに、使用できるようにするため、ハウジングや筐体に収容される。共振コイル１１４と共振コイル１２４とは共振し、送電装置２０１から受電装置２０２へと、電力が伝送される。共振コイル１１４と共振コイル１２４との共振周波数が一致すると、送電装置２０１から受電装置２０２へと効率良く電力を伝送できる。

受電側コイル１２３は、共振コイル１２４と所定の間隔をおいて、共振コイル１２４と略同軸上に設けられ、整流部２１、負荷３０と接続される。受電側コイル１２３は、共振コイル１１４、共振コイル１２４を介して、送電側コイル１１３に発生した磁束と鎖交する。これにより、受電側コイル１２３には、誘導電流が流れ、受電側コイル１２３は、該誘導電流を、負荷３０へと供給する。また、受電側コイル１２３と共振コイル１２４とは、電磁的に結合する。

受電装置２０２において、受電側コイル１２３と共振コイル１２４とを変成器として機能させることができる。受電側コイル１２３と共振コイル１２４との間隔を変更することで、受電装置２０２におけるインピーダンスの実部の整合が可能である。即ち、周辺の媒質変化に応じて、受電側コイル１２３と共振コイル１２４との間隔を、空気中で整合する間隔から水中で整合する間隔へと、あるいは水中で整合する間隔から空気中で整合する間隔へと、変化させることで、インピーダンスの実部を整合することができる。

例えば、予め受電側コイルとの間隔が定まった水中用の受電側共振コイル及び空気中用の受電側共振コイルを、受電装置２０２に搭載し、媒質判定部２６による判定結果に基づいて、切替部２２が、どちらかの受電側共振コイルを選択し、インピーダンスの実部を整合することも可能である。

また、例えば、受電側コイル１２３と共振コイル１２４との間隔を変更できる機構を、受電装置２０２に搭載し、媒質判定部２６による判定結果に基づいて、間隔を変更し、インピーダンスの実部を整合することも可能である。なお、インピーダンスの虚部については、第１実施形態に示した説明を参酌できる。

整合回路２４，２５と併せて、受電側コイル１２３及び共振コイル１２４を、インピーダンスの整合に利用することで、無線給電装置２００における伝送効率を更に高めることができる。

１００，２００ 無線給電装置
１ 送電装置
２ 受電装置
１１ 電源部
１２ 切替部（送電側切替部）
１３，１１３ 送電側コイル
１４，１５ 整合回路（送電側整合回路）
１６ 媒質判定部（送電側媒質判定部）
２２ 切替部（受電側切替部）
２３，１２３ 送電側コイル
２４，２５ 整合回路（受電側整合回路）
２６ 媒質判定部（受電側媒質判定部）
３０ 負荷
１１４ 共振コイル（送電側共振コイル）
１２４ 共振コイル（受電側共振コイル）

Claims (8)

1. 送電装置から受電装置へと非接触で電力を伝送する無線給電装置であって、
   前記送電装置は、
   電源部から交流電流を供給されて、磁束を発生する送電側コイルと、
   前記電源部から出力される交流電流の周波数と、前記送電側コイルの共振周波数とを整合する送電側整合回路と、
   前記送電側コイルの周辺の媒質を判定する送電側媒質判定部と、
   該媒質に基づいて、複数の前記送電側整合回路の中から、前記電源部と接続する所定の送電側整合回路へと切り替える送電側切替部と、
   を備え、
   前記受電装置は、
   前記磁束と鎖交して、負荷へと誘導電流を供給する受電側コイルと、
   前記電源部から出力される交流電流の周波数と、前記受電側コイルの共振周波数とを整合する受電側整合回路と、
   前記受電側コイルの周辺の媒質を判定する受電側媒質判定部と、
   該媒質に基づいて、複数の前記受電側整合回路の中から、前記負荷と接続する所定の受電側整合回路へと切り替える受電側切替部と、
   を備えることを特徴とする無線給電装置。
2. 前記送電側コイルと電磁的に結合する送電側共振コイルと、
   前記受電側コイルと電磁的に結合し、前記送電側共振コイルと共振する受電側共振コイルと、を更に備え、
   前記送電側整合回路は、前記電源部から出力される交流電流の周波数と、前記送電側共振コイルの共振周波数とを整合し、
   前記送電側媒質判定部は、前記送電側共振コイルの周辺の媒質を判定し、
   前記受電側整合回路は、前記電源部から出力される交流電流の周波数と、前記受電側共振コイルの共振周波数とを整合し、
   前記受電側媒質判定部は、前記受電側共振コイルの周辺の媒質を判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線給電装置。
3. 前記送電側整合回路及び前記受電側整合回路は、コンデンサである、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の無線給電装置。
4. 前記送電側整合回路及び前記受電側整合回路は、コンデンサ及び変成器である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線給電装置。
5. 前記送電側コイルと前記送電側共振コイルとの間隔は変更可能であり、
   前記受電側コイルと前記受電側共振コイルとの間隔は変更可能である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の無線給電装置。
6. 前記送電側媒質判定部及び前記受電側媒質判定部は、前記媒質の導電率、音速、音響インピーダンス、密度、浮力、誘電率、粘度、屈折率、の何れかを測定する、
7. 送電装置から受電装置へと非接触で電力を伝送する無線給電方法であって、
   送電側コイルが、電源部から交流電流を供給されて、磁束を発生するステップと、
   送電側整合回路が、前記電源部から出力される交流電流の周波数と、前記送電側コイルの共振周波数とを整合するステップと、
   送電側媒質判定部が、前記送電側コイルの周辺の媒質を判定するステップと、
   送電側切替部が、該媒質に基づいて、複数の前記送電側整合回路の中から、前記電源部と接続する所定の送電側整合回路へと切り替えるステップと、
   受電側コイルが、前記磁束と鎖交して、負荷へと誘導電流を供給するステップと、
   受電側整合回路が、前記電源部から出力される交流電流の周波数と、前記受電側コイルの共振周波数とを整合するステップと、
   受電側媒質判定部が、前記受電側コイルの周辺の媒質を判定するステップと、
   受電側切替部が、該媒質に基づいて、複数の前記受電側整合回路の中から、前記負荷と接続する所定の受電側整合回路へと切り替えるステップと、
   を備えることを特徴とする無線給電方法。
8. 送電装置から受電装置へと非接触で電力を伝送する無線給電方法であって、
   送電側コイルが、電源部から交流電流を供給されて、磁束を発生するステップと、
   送電側共振コイルが、前記送電側コイルと、電磁的に結合するステップと、
   送電側整合回路が、前記電源部から出力される交流電流の周波数と、前記送電側共振コイルの共振周波数とを整合するステップと、
   送電側媒質判定部が、前記送電側共振コイルの周辺の媒質を判定するステップと、
   送電側切替部が、該媒質に基づいて、複数の前記送電側整合回路の中から、前記電源部と接続する所定の送電側整合回路へと切り替えるステップと、
   受電側共振コイルが、前記送電側共振コイルと共振するステップと、
   受電側コイルが、前記受電側共振コイルと電磁的に結合し、前記磁束と鎖交して、負荷へと誘導電流を供給するステップと、
   受電側整合回路が、前記電源部から出力される交流電流の周波数と、前記受電側共振コイルの共振周波数とを整合するステップと、
   受電側媒質判定部が、前記受電側共振コイルの周辺の媒質を判定するステップと、
   受電側切替部が、該媒質に基づいて、複数の前記受電側整合回路の中から、前記負荷と接続する所定の受電側整合回路へと切り替えるステップと、
   を備えることを特徴とする無線給電方法。

Images