JP2018117511A - 送電装置、および当該送電装置を備える無線電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の状態が変化した場合でも、より安定した電力伝送を実現する。
【解決手段】送電装置は、受電アンテナを備える受電装置に無線で電力を伝送する。前記送電装置は、入力された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、前記インバータ回路に接続され、前記インバータ回路から出力された交流電力を送出する送電アンテナと、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値に基づいて、前記インバータ回路の出力電圧を定める制御パラメータの値を決定し、決定した前記制御パラメータの値を用いて前記インバータ回路を制御する制御回路と、を備える。前記制御回路は、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値の少なくとも一方が変化したとき、前記電圧および電流の測定値に基づいて前記制御パラメータの値を変更し、前記受電回路から出力される電圧を所定の範囲内に維持する。
【選択図】図６

Description

本開示は、送電装置、および当該送電装置を備える無線電力伝送システムに関する。

無線（すなわち非接触）で電力の伝送を行う無線電力伝送技術には、電磁誘導方式および磁界共鳴方式などの種々の方式がある。

特許文献１は、磁界共鳴方式による無線電力伝送システムの例を開示している。特許文献２は、電磁誘導方式による無線電力伝送システムの例を開示している。

特開２０１５−１３６２７４号公報 特開２００４−０９６８５２号公報

従来の無線電力伝送技術では、電力供給中に負荷の状態（例えばインピーダンス）が変化した場合に、安定した電力供給を維持することが困難な場合があった。

本開示は、負荷の状態が変化した場合でも、より安定した動作を実現し得る無線電力伝送技術を提供する。

本開示の一態様に係る送電装置は、受電アンテナを備える受電装置に無線で電力を伝送する。前記送電装置は、入力された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、前記インバータ回路に接続され、前記インバータ回路から出力された交流電力を送出する送電アンテナと、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値に基づいて、前記インバータ回路の出力電圧を定める制御パラメータの値を決定し、決定した前記制御パラメータの値を用いて前記インバータ回路を制御する制御回路と、を備える。前記制御回路は、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値の少なくとも一方が変化したとき、前記電圧および電流の測定値に基づいて前記制御パラメータの値を変更し、前記受電回路から出力される電圧を所定の範囲内に維持する。

本開示の包括的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体によって実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム、および記録媒体の任意な組み合わせによって実現されてもよい。

本開示の一態様によれば、負荷の状態が変化した場合でも、より安定した動作を実現できる。

図１は、無線電力伝送システムの構成の一例を示すブロック図である。 図２は、無線電力伝送システムの他の構成例を示すブロック図である。 図３Ａは、第２の負荷３００Ｂの状態のみが変化した場合における、第２の負荷３００Ｂへの入力電流Ｉ_Ｌ２および入力電圧Ｖ_２の時間変化の例を示している。 図３Ｂは、第１の負荷３００Ａおよび第２の負荷３００Ｂの両方の状態が同時に変化した場合における、第１の負荷３００Ａへの入力電流Ｉ_Ｌ１、第２の負荷３００Ｂへの入力電流Ｉ_Ｌ２、および第２の負荷３００Ｂへの入力電圧Ｖ_２の時間変化の例を示している。 図４は、本開示の実施形態１における無線電力伝送システムを適用したロボットアーム装置の一例を模式的に示す図である。 図５は、ロボットアーム装置の構成の一例を示す図である。 図６は、実施形態１における無線電力伝送システムの一部の構成を示すブロック図である。 図７Ａは、無線給電ユニット１００における送電アンテナ１１および受電アンテナ２１の等価回路の一例を示す図である。 図７Ｂは、無線給電ユニット１００における送電アンテナ１１および受電アンテナ２１の等価回路の他の例を示す図である。 図７Ｃは、整流回路２３の構成例を示す図である。 図８Ａは、周波数を大きくすると、コイルの両端の電圧の振幅が減少する傾向があることを示している。 図８Ｂは、位相シフト量を０°から１８０°の範囲内で大きくすると、コイルの両端の電圧の振幅の時間平均が減少することを示している。 図８Ｃは、デューティ比を０％から５０％の範囲内で大きくすると、コイルの両端の電圧の振幅の時間平均が増加することを示している。 図８Ｄは、インバータ回路１３に供給する電圧を増加させると、コイルの両端の電圧の振幅が増加することを示している。 図９は、インバータ回路１３の構成例を示す図である。 図１０Ａは、スイッチング素子Ｓ１およびＳ４に供給される２つのパルス信号の位相シフト量φ、およびスイッチング素子Ｓ２およびＳ３に供給される２つのパルス信号の位相シフト量φが０度の場合の４つのパルス信号およびインバータ回路１３から出力される電圧Ｖの時間変化を模式的に示している。 図１０Ｂは、位相シフト量φが９０度の場合の各パルス信号および電圧Ｖの時間変化を模式的に示している。 図１１は、インバータ回路１３の他の構成例を示す図である。 図１２Ａは、各パルス信号のデューティ比が０．５（５０％）の場合の、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４に入力されるパルス信号および出力電圧Ｖの波形の例を示している。 図１２Ｂは、各パルス信号のデューティ比が０．２５（２５％）の場合の、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４に入力されるパルス信号および出力電圧Ｖの波形の例を示している。 図１３は、制御回路１５の動作の概要を示すフローチャートである。 図１４Ａは、ある実施例における送電装置１０の構成を示す図である。 図１４Ｂは、入力電圧Ｖ_ｉｎおよび入力電流Ｉ_ｉｎと、インバータ回路１３の駆動周波数ｆとの対応関係の一例を示している。 図１５Ａは、他の実施例における送電装置１０の構成を示す図である。 図１５Ｂは、入力電圧Ｖ_ｉｎおよび入力電流Ｉ_ｉｎと、位相シフト量（位相差）φとの対応関係の一例を示している。 図１６は、実施形態２における無線伝送システムの構成を示すブロック図である。 図１７Ａは、第２の送電装置１０Ｂの入力電圧Ｖ_ｉｎ（図１６における電圧Ｖ_１に相当）および入力電流Ｉ_ｉｎ（図１６における電流Ｉ_１に相当）と、インバータ回路１３の駆動周波数ｆとの対応関係の一例を示している。 図１７Ｂは、第２の送電装置１０Ｂの入力電圧Ｖ_ｉｎおよび入力電流Ｉｉｎと、インバータ回路１３（フルブリッジインバータ）における複数のスイッチング素子に供給されるパルス信号の位相シフト量φとの対応関係の一例を示している。 図１８は、実施形態２の変形例を示すブロック図である。 図１９Ａは、１つの無線給電ユニット１００を備える無線電力伝送システムを示している。 図１９Ｂは、電源２００と末端の負荷３００Ｂとの間に、２つの無線給電ユニット１００Ａ、１００Ｂが設けられた無線電力伝送システムを示している。 図１９Ｃは、電源２００と末端の負荷装置３００Ｘとの間に、３つ以上の無線給電ユニット１００Ａ〜１００Ｘが設けられた無線電力伝送システムを示している。

（本開示の基礎となった知見）
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。

図１は、無線電力伝送システムの構成の一例を示すブロック図である。この無線電力伝送システムは、例えば工場または作業現場などで用いられる産業用ロボットにおける１つ以上の負荷（例えば電気モータ）に電力を供給する用途で用いられ得る。本開示における無線電力伝送システムは、他の用途（例えば、電気自動車などの電動車両への給電など）にも用いられ得るが、本明細書では、主に産業用ロボットへの適用例を説明する。

無線電力伝送システムは、電源２００と、無線給電ユニット１００と、負荷３００とを備える。無線給電ユニット１００は、送電装置１０と、受電装置２０とを備える。この例における負荷３００は、モータ３１と、モータインバータ３３と、モータ制御回路３５とを備える。なお、負荷３００は、モータ３１を含む機器に限らず、例えばバッテリ、照明機器、イメージセンサといった電力によって動作する任意の機器であってよい。負荷３００は、二次電池または蓄電用キャパシタなどの、電力を蓄積する蓄電器であってもよい。

送電装置１０は、送電アンテナ１１と、インバータ回路１３と、送電制御回路１５とを備える。インバータ回路１３は、電源２００と送電アンテナ１１との間に接続され、電源２００から出力された直流電力を交流電力に変換して出力する。送電アンテナ１１は、例えばコイルとキャパシタとを含む共振回路（すなわち共振器）であり、インバータ回路１３から出力された交流電力を空間に送出する。送電制御回路１５は、例えばマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ、以下、「マイコン」とも称する。）と、ゲートドライバ回路とを含む集積回路であり得る。送電制御回路１５は、インバータ回路１３に含まれる複数のスイッチング素子の導通／非導通の状態を切り替えることにより、インバータ回路１３から出力される交流電力の周波数および電圧を制御する。

受電装置２０は、受電アンテナ２１と、整流回路２３とを備えている。受電アンテナ２１は、例えばコイルとキャパシタとを含む共振器であり得る。受電アンテナ２１は、送電アンテナ１１に電磁的に結合し、送電アンテナ１１から伝送された電力の少なくとも一部を受け取る。整流回路２３は、受電アンテナ２１から出力された交流電力を直流電力に変換して出力する。

負荷３００は、モータ３１と、モータインバータ３３と、モータ制御回路３５とを備える。この例におけるモータ３１は、三相交流によって駆動されるサーボモータであるが、他の種類のモータであってもよい。モータインバータ３３は、モータ３１を駆動する回路であり、三相インバータ回路を含む。モータ制御回路３５は、モータインバータ３３を制御するＭＣＵなどの回路である。モータ制御回路３５は、モータインバータ３３に含まれる複数のスイッチング素子の導通／非導通の状態を切り替えることにより、モータインバータ３３に所望の三相交流電力を出力させる。

このような無線電力伝送システムにおいては、電力伝送中に送電装置１０への入力電圧、または負荷３００への入力電流が変化すると、受電装置２０の出力電圧が変化する。出力電圧の変動によって、負荷３００に印加される電圧が負荷３００の定格電圧を超えると、負荷３００の動作異常または破壊を招くおそれがある。このため、負荷３００に定格電圧を超える電圧が印加されないように（好ましくは一定の電圧が負荷３００に与えられるように）、受電装置２０の出力電圧を制御することが求められる。負荷３００への入力電流は、負荷３００の動作状態に依存する。例えば、モータ３１の回転速度が頻繁に変化するような用途では、モータインバータ３３に流入する電流も目まぐるしく変化する。その結果、整流回路２３から出力される電圧も頻繁に変化することになる。また、電源２００から送電装置１０以外の装置（例えば、他の負荷）にも並列的に電力が供給されるような構成においては、当該他の負荷の動作状態の変化に起因して、インバータ回路１３への入力電圧が変化し得る。

特許文献１は、受電装置の出力電力をモニターし、送電装置に通信によって電力要求を行い、その要求に従って送電装置が送電電力を制御するシステムを開示している。また、特許文献２は、入力電圧の変動に応じて、送電装置に設けられたスイッチング素子のデューティ比（すなわち、１周期あたりのオン時間の比）を制御することにより、送電電力を一定に維持することを開示している。

しかしながら、特許文献１の技術を用いた場合、通信によるフィードバック制御を行うことになるため、電力の制御に時間を要し、負荷変動に追従できない場合がある。特に、産業用ロボットのように、頻繁に動作状態（例えば、モータの回転速度またはトルク）が変化する負荷に対しては、その変化に追従することが困難である。また、特許文献２の技術によれば、送電装置への入力電圧が変動する場合には対応できるが、受電装置の出力電流の変動に起因して出力電圧が変動する場合には対応できない。

本発明者らは、以上の考察に基づき、上記課題を解決するための構成に想到した。本開示の実施形態の概要は、以下のとおりである。

本開示の一態様に係る送電装置は、
受電アンテナを備える受電装置に無線で電力を伝送する送電装置であって、
入力された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路に接続され、前記インバータ回路から出力された交流電力を送出する送電アンテナと、
前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値に基づいて、前記インバータ回路の出力電圧を定める制御パラメータの値を決定し、決定した前記制御パラメータの値を用いて前記インバータ回路を制御する制御回路と、
を備える。

上記態様によれば、前記制御回路は、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値に基づいて、前記インバータ回路の出力電圧を定める制御パラメータの値を決定し、決定した前記制御パラメータの値を用いて前記インバータ回路を制御する。

これにより、例えば受電装置に接続された負荷の動作状態の変化に起因して受電装置の出力電圧が変化した場合に、迅速に適切な制御パラメータに変更し、受電装置から出力される電圧の変動を抑制することができる。インバータ回路への入力電圧が変化した場合も同様に、迅速に適切な制御パラメータに変更して受電装置の出力電圧の変動を抑制することができる。その結果、負荷の動作異常または負荷の破壊などの問題を回避できる。

ある実施形態において、前記制御回路は、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値の少なくとも一方が変化したとき、前記電圧および電流の測定値に基づいて前記制御パラメータの値を変更し、前記受電回路から出力される電圧を所定の範囲内（例えば一定値）に維持する。

これにより、例えば負荷の動作状態が変化した場合でも、常に所定の範囲内の電圧が負荷に供給されるため、負荷をより安全かつ安定的に動作させることができる。

前記送電装置は、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の値と、前記制御パラメータの値との対応関係を表す相関データを格納するメモリ（記録媒体）をさらに備えていてもよい。その場合、前記制御回路は、前記相関データを参照することにより、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値から、前記制御パラメータの値を直ちに決定することができる。そのような相関データは、例えば、ルックアップテーブルまたは関数などの種々の形態でメモリに格納され得る。相関データは、予め送電装置内のＲＯＭに記録しておいてもよいし、通信によって外部の装置から取得してもよい。

本明細書において、「制御パラメータ」とは、インバータ回路から出力される電圧または受電装置から出力される電圧の値（すなわちレベル）を決定するパラメータである。制御パラメータは、例えばインバータ回路から出力される交流電力の周波数（以下、「駆動周波数」と称することがある。）、またはインバータ回路に含まれる複数のスイッチング素子の各々に供給されるパルス信号（「制御信号」とも称する。）のデューティ比などであり得る。インバータ回路がフルブリッジインバータである場合には、制御パラメータは、同時に導通状態（オン）にされる２つのスイッチング素子に供給されるパルス信号の位相差（「位相シフト量」とも称する。）であってもよい。他にも、インバータ回路の前段にＤＣ−ＤＣコンバータが接続される形態では、当該ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧比または降圧比などのパラメータであってもよい。

図１に示す例における無線電力伝送システムは、１つの無線給電ユニット１００と、１つの負荷３００を備えている。しかし、本開示における無線電力伝送システムは、このような形態に限定されない。無線電力伝送システムは、直列に接続された複数の無線給電ユニットを備えていてもよい。複数の無線給電ユニットには、それぞれ異なる負荷が接続され得る。以下、そのような構成の例を簡単に説明する。

図２は、無線電力伝送システムの他の構成例を示すブロック図である。この無線電力伝送システムは、第１の無線給電ユニット１００Ａと、第２の無線給電ユニット１００Ｂと、第１の負荷３００Ａと、第２の負荷３００Ｂとを備えている。第１の無線給電ユニット１００Ａは、第１の送電装置１０Ａと、第１の受電装置２０Ａとを備える。第２の無線給電ユニット１００Ｂは、第２の送電装置１０Ｂと、第２の受電装置２０Ｂとを備える。送電装置１０Ａ、１０Ｂの各々は、前述の送電装置１０と同じ構成要素を備える。受電装置２０Ａ、２０Ｂの各々は、前述の受電装置２０と同じ構成要素を備える。この例では、第１の送電装置１０Ａは、電源２００に接続されている。第２の送電装置１０Ｂおよび第１の負荷３００Ａは、第１の受電装置２０Ａに接続されている。第２の負荷３００Ｂは、第２の受電装置２０Ｂに接続されている。より具体的には、第１の送電装置１０Ａにおけるインバータ回路１３は、電源２００に接続されている。第２の送電装置１０Ｂにおけるインバータ回路１３および第１の負荷３００Ａにおけるモータインバータ３３は、第１の受電装置２０Ａにおける整流回路２３に接続されている。第２の負荷３００Ｂにおけるモータインバータ３３は、第２の受電装置２０Ｂにおける整流回路２３に接続されている。

第１の送電装置１０Ａは、電源２００から有線で直流電力を受け取り、交流電力に変換して出力する。第１の受電装置２０Ａは、第１の送電装置１０Ａから無線で伝送された交流電力を受け取り、直流電力に変換して出力する。第２の送電装置１０Ｂおよび第１の負荷３００Ａは、第１の受電装置２０Ａから出力された直流電力を有線で受け取り、その直流電力によって駆動される。第２の受電装置２０Ｂは、第２の送電装置１０Ｂから伝送された交流電力を無線で受け取り、直流電力に変換して出力する。第２の負荷３００Ｂは、第２の受電装置２０Ｂから出力された直流電力を受け、その電力によって駆動される。

この例では、無線給電ユニット１００Ａ、１００Ｂの個数は２であるが、３以上の無線給電ユニットを直列に連結してもよい。１つの無線給電ユニットには、２つ以上の負荷が並列に接続される構成も可能である。各負荷は、モータ以外の電気機器（例えば、カメラまたは光源）または蓄電器を含んでいてもよい。図示される例では、送電装置１０Ａ、１０Ｂには直流電力が供給され、受電装置２０Ａ、２０Ｂは直流電力を出力するが、そのような形態に限定されない。例えば、各受電装置２０Ａ、２０Ｂが整流回路２３を備えず、代わりに次段の送電装置１０Ｂ、または負荷３００Ａもしくは３００Ｂが整流回路を備えていてもよい。さらには、整流回路を設ける代わりに、ＡＣ−ＡＣ変換を行う周波数変換回路（例えばマトリクスコンバータ等）を用いてもよい。そのような周波数変換回路は、受電装置に設けられていてもよいし、送電装置または負荷に設けられていてもよい。

このような構成によれば、電源２００から出力された電力は、複数の無線給電ユニット１００Ａ、１００Ｂを介して、複数の負荷３００Ａ、３００Ｂに順次供給される。このようなシステムは、ロボットアーム装置のような、多数のアクチュエータを一括して駆動する装置に適している。ロボットの関節部または伸縮部に無線給電ユニットを配置すれば、その箇所において給電用のケーブルを排除できるため、安全性および可動性を高められるというメリットが得られる。

本発明者らの検討によれば、図２に示すような無線電力伝送システムにおいては、第１の負荷３００Ａおよび第２の負荷３００Ｂの状態（例えばモータの回転速度）が同時に変化した場合に、従来技術では対応できないことがわかった。負荷３００Ａ、３００Ｂの状態が同時に変化すると、過渡的に発生する受電装置２０Ｂの出力電圧の変動が増長されることになる。このため、出力電圧を、第２の負荷３００Ｂの入力定格電圧の範囲内に収めることが困難である、という課題が生じる。

図３Ａおよび図３Ｂは、この課題を説明するための図である。図３Ａは、第２の負荷３００Ｂの状態のみが変化した場合における、第２の負荷３００Ｂへの入力電流Ｉ_Ｌ２および入力電圧Ｖ_２の時間変化の例を示している。図３Ｂは、第１の負荷３００Ａおよび第２の負荷３００Ｂの両方の状態が同時に変化した場合における、第１の負荷３００Ａへの入力電流Ｉ_Ｌ１、第２の負荷３００Ｂへの入力電流Ｉ_Ｌ２、および第２の負荷３００Ｂへの入力電圧Ｖ_２の時間変化の例を示している。

図３Ａに示す例では、負荷３００Ｂの状態変動に伴って負荷３００Ｂの入力電流Ｉ_Ｌ２が変動し、その結果、負荷３００Ｂへの入力電圧Ｖ_２が変化している。負荷３００Ｂのみが変動しているため、電圧Ｖ_２の変化量は限られている。これに対して、図３Ｂに示す例では、負荷３００Ｂへの入力電流Ｉ_Ｌ１だけでなく、負荷３００Ａの入力電流Ｉ_Ｌ２も同時に変動している。その結果、電流Ｉ_Ｌ１、Ｉ_Ｌ２の両方の変動に起因して、電圧Ｖ_２が大きく変動する。例えば、負荷３００Ａの変動に起因して電圧Ｖ_２が２０％上昇し（１．２倍）、負荷３００Ｂの変動に起因して電圧Ｖ_２が３０％上昇する（１．３倍）とする。その場合、両方の負荷３００Ａ、３００Ｂの変動に起因して、電圧Ｖ_２が、５６％上昇する（１．５６倍）ことになる。このような大きな過渡的変動が生じると、従来のフィードバック制御のような方法では対応することが困難である。

そこで、本開示のある実施形態では、送電装置における制御回路は、インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値に加えて、第１の受電装置から出力される電圧および電流の測定値、または第１の負荷に入力される電圧および電流の測定値にさらに基づいて、制御パラメータの値を決定する。送電装置への入力電力の情報だけでなく、前段の受電装置の出力電力、または当該送電装置に並列に接続された負荷の入力電力の情報も利用することにより、後述するように、第１の負荷および第２の負荷が同時に変動した場合であっても、第２の受電装置の出力電圧の変動を抑制することが可能である。

以下、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。

（実施形態１）
図４は、本実施形態における無線電力伝送システムを適用したロボットアーム装置の一例を模式的に示す図である。このロボットアーム装置は、複数の可動部（例えば関節部および直動部）を有する。各可動部は、電気モータを含むアクチュエータによって回転または伸縮できるように構成されている。このような装置を制御するためには、複数のモータに個別に電力を供給して制御する必要がある。電源から複数のモータへの給電は、従来は多数のケーブルによって行われていた。しかし、ケーブルによって給電する構成では、モータの数に応じた数だけケーブルを敷設する必要がある。そのため、ケーブルの引っ掛かりによる事故が発生し易く、可動域が制限され、部品交換が容易にできない、という課題が生じる。また、ケーブルの屈曲が繰り返されることによってケーブルが劣化したり、断線が生じたりするという課題も生じる。そこで、本実施形態においては、少なくとも１つの可動部において無線電力伝送技術を適用することにより、可動部におけるケーブルを削減することを実現している。

図５は、ロボットアーム装置の構成の一例を示す図である。このロボットアーム装置は、関節部Ｊ１〜Ｊ６を有している。このうち、関節部Ｊ２、Ｊ４には、前述の無線電力伝送が適用されている。一方、関節部Ｊ１、Ｊ３、Ｊ５、Ｊ６には、従来の有線による電力伝送が適用されている。ロボットアーム装置は、関節部Ｊ１〜Ｊ６をそれぞれ駆動する複数のモータＭ１〜Ｍ６と、モータＭ１〜Ｍ６のうち、モータＭ３〜Ｍ６をそれぞれ制御するモータ制御回路Ｃｔｒ３〜Ｃｔｒ６と、関節部Ｊ２、Ｊ４にそれぞれ設けられた２つの無線給電ユニット（インテリジェントロボットハーネスユニット：ＩＨＵと称することもある）ＩＨＵ２、ＩＨＵ４とを備えている。モータＭ１、Ｍ２をそれぞれ駆動するモータ制御回路Ｃｔｒ１、Ｃｔｒ２は、ロボットの外部の電源装置２００に設けられている。

電源装置２００は、モータＭ１、Ｍ２、および無線給電ユニットＩＨＵ２に有線で電力を供給する。無線給電ユニットＩＨＵ２は、一対のコイルを介して関節部Ｊ２において電力を無線で伝送する。伝送された電力は、モータＭ３、Ｍ４、制御回路Ｃｔｒ３、Ｃｔｒ４、および無線給電ユニットＩＨＵ４に供給される。無線給電ユニットＩＨＵ４も、一対のコイルを介して関節部Ｊ４において電力を無線で伝送する。伝送された電力は、モータＭ５、Ｍ６、および制御回路Ｃｔｒ５、Ｃｔｒ６に供給される。このような構成により、関節部Ｊ２、Ｊ４において、電力伝送用のケーブルを排除することができる。

図６は、本実施形態における無線電力伝送システムの一部の構成を示すブロック図である。図６に示される無線給電ユニット１００は、図５に示す無線給電ユニットＩＨＵ２に相当し、負荷３００は、モータＭ３およびモータ制御回路Ｃｔｒ３を含む回路に相当する。なお、簡単のため、図６では、図５に示すモータＭ４、モータ制御回路Ｃｔｒ４、および無線給電ユニットＩＨＵ４などに相当する要素の図示は省略している。受電装置２０における整流回路２３には、負荷３００以外に、モータＭ４等を含む他の負荷、および他の無線給電ユニットＩＨＵ４が並列に接続され得る。

本実施形態における無線電力伝送システムの基本的な構成は、図１に示す構成と同様である。ただし、本実施形態では、電源２００とインバータ回路１３との間に、電流および電圧を測定する測定器１６が配置されている。さらに、送電装置１０が、インバータ回路１３の入力電流および入力電圧と、インバータ回路１３の制御パラメータとの対応関係を規定する相関データを格納するメモリ１７を備えている。送電制御回路１５は、測定器１６によって測定された電流および電圧（または電力）の情報と、メモリ１７に格納された相関データとに基づいて、インバータ回路１３の制御パラメータを最適な値に決定する。これにより、負荷３００の状態が変化した場合でも、負荷３００の入力電圧を一定に維持することができる。

なお、図６と同様の構成は、図５に示す無線給電ユニットＩＨＵ４およびその後段の負荷についても適用される。無線給電ユニットＩＨＵ４については、電源２００ではなく、無線給電ユニットＩＨＵ２から直流電力が供給される。

以下、本実施形態における各構成要素の構成を説明する。

図７Ａは、無線給電ユニット１００における送電アンテナ１１および受電アンテナ２１の等価回路の一例を示す図である。図示されるように、各アンテナは、コイル（インダクタンス成分）とキャパシタ（キャパシタンス成分）とを有する共振回路である。互いに対向する２つのコイルの共振周波数を近い値に設定することにより、高い効率で電力を伝送することができる。送電コイルには、インバータ回路１３から交流電力が供給される。この交流電力によって送電コイルから発生する磁界により、受電コイルに電力が伝送される。この例では、送電アンテナ１１および受電アンテナ２１の両方が、直列共振回路として機能する。

図７Ｂは、無線給電ユニット１００における送電アンテナ１１および受電アンテナ２１の等価回路の他の例を示す図である。この例では、送電アンテナ１１は、直列共振回路として機能し、受電アンテナ２１は、並列共振回路として機能する。他にも、送電アンテナ１１が並列共振回路を構成する形態も可能である。

本実施形態では共振回路による送電アンテナおよび受電アンテナが用いられるが、共振を利用しない電磁誘導方式、またはマイクロ波を用いる電力伝送方式を適用してもよい。また、電界結合方式による無線電力伝送を適用してもよい。電界結合方式においては、一対のコイルではなく、一対の電極間の電界結合によって電力が伝送される。

各コイルは、例えば、回路基板上に形成された平面コイルもしくは積層コイル、または、銅線、リッツ線、もしくはツイスト線などを用いた巻き線コイルであり得る。共振回路における各キャパシタンス成分は、各コイルの寄生容量によって実現されていてもよいし、例えばチップ形状またはリード形状を有するキャパシタを別途設けてもよい。

共振回路の共振周波数ｆ０は、典型的には、電力伝送時の伝送周波数ｆに一致するように設定される。共振回路の各々の共振周波数ｆ０は、伝送周波数ｆに厳密に一致していなくてもよい。各々の共振周波数ｆ０は、例えば、伝送周波数ｆの５０〜１５０％程度の範囲内の値に設定されていてもよい。電力伝送の周波数ｆは、例えば５０Ｈｚ〜３００ＧＨｚ、より好ましくは２０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚ、さらに好ましくは２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚ、さらに好ましくは２０ｋＨｚ〜７ＭＨｚに設定され得る。

インバータ回路１３は、電源２００から入力された直流電力を交流電力に変換する。インバータ回路１３は、例えばフルブリッジインバータまたはハーフブリッジインバータの回路構成を備える。インバータ回路１３は、複数のスイッチング素子を有し、各スイッチング素子の導通（オン）／非導通（オフ）の状態は、制御回路１５によって制御される。

整流回路２３は、例えば図７Ｃに示すように、ダイオードブリッジおよび平滑コンデンサを含む整流器であり得る。受電装置２０は、定電圧・定電流制御回路、通信用の変復調回路などの各種の回路を備えていてもよい。

送電制御回路１５は、例えばマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）などの、プロセッサを備える制御回路と、ゲートドライバ回路との組み合わせによって実現され得る。送電制御回路１５は、メモリ１７に格納されたコンピュータプログラムを実行することにより、各種の制御を行うことができる。なお、メモリ１７は、送電制御回路１５に内蔵されていてもよい。送電制御回路１５は、本実施形態の動作を実行するように構成された専用のハードウェアによって構成されていてもよい。

本実施形態における送電制御回路１５は、メモリなどの記録媒体に格納された所定の制御プログラムに従い、インバータ回路１３を制御する。この際、送電制御回路１５は、測定器１６によって検出されたインバータ回路１３への入力電流および入力電圧（または入力電力）に基づいて、インバータ回路１３から出力される電圧のレベルを決定する。より具体的には、送電制御回路１５は、メモリ１７に格納された相関データ（例えば、ルックアップテーブルまたは関数）を参照して、入力電流および入力電圧の値の組み合わせに対応するインバータ回路１３の制御パラメータの値を決定する。

「制御パラメータ」は、インバータ回路１３から出力される電圧のレベルを決定するパラメータである。制御パラメータは、例えば、インバータ回路１３が有する複数のスイッチング素子に供給されるパルス信号（例えばＰＷＭパルス信号）の周波数、フルブリッジインバータにおける同時にオンにされる２つのスイッチング素子に供給される２つのパルス信号の位相シフト量、または複数のスイッチング素子の各々に供給されるパルス信号のデューティ比であり得る。なお、図６には示されていないが、インバータ回路１３の前段にＤＣ−ＤＣコンバータが設けられていてもよい。その場合、制御回路１５は、ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して、インバータ回路１３に入力される直流電力の電圧の大きさを変化させてもよい。そのような形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧の値を制御パラメータとしてもよい。制御回路１５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ内のスイッチング素子のスイッチングの周波数を変化させることにより、ＤＣ−ＤＣコンバータから出力される電圧の大きさを調整することができる。以上のような制御パラメータを変化させることにより、インバータ回路１３から出力される交流電力の電圧のレベルを変化させ、受電装置２０が受け取る交流電力の振幅を変化させることができる。

図８Ａから図８Ｄは、それぞれ、周波数、位相シフト量、デューティ比、およびインバータ回路１３への供給電圧に対する送電アンテナ１１のコイルの両端の電圧の振幅の依存性の一例を模式的に示している。図８Ａは、周波数を大きくすると、コイルの両端の電圧の振幅が減少する傾向があることを示している。ただし、低い周波数の領域では、逆に、周波数を小さくするほど電圧の振幅が減少する傾向がある。図８Ｂは、位相シフト量を０°から１８０°の範囲内で大きくすると、コイルの両端の電圧の振幅の時間平均が減少することを示している。図８Ｃは、デューティ比を０％から５０％の範囲内で大きくすると、コイルの両端の電圧の振幅の時間平均が増加することを示している。図８Ｄは、インバータ回路１３に供給する電圧を増加させると、コイルの両端の電圧の振幅が増加することを示している。制御回路１５は、周波数、位相シフト量、デューティ比、およびインバータ回路１３への供給電圧の少なくとも１つを制御パラメータとして、送電アンテナ１１の両端電圧の振幅またはその時間平均値を制御できる。

図９は、インバータ回路１３の構成例を示す図である。インバータ回路１３は、送電制御回路１５から供給されたパルス信号に応じて導通および非導通の状態を切り替える複数のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を有する。各スイッチング素子の導通および非導通の状態を変化させることにより、入力された直流電力を交流電力に変換することができる。図９に示す例では、４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を含むフルブリッジ型のインバータ回路が用いられている。この例では、各スイッチング素子はＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるが、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの他の種類のスイッチング素子を用いてもよい。

図９に示す例では、４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のうち、スイッチング素子Ｓ１およびＳ４（第１スイッチング素子対）は、導通時に、インバータ回路１３に入力された直流電圧と同じ極性の電圧を送電アンテナ１１に与える。一方、スイッチング素子Ｓ２およびＳ３（第２スイッチング素子対）は、導通時に、インバータ回路１３に入力された直流電圧と逆の極性の電圧を送電アンテナ１１に与える。送電制御回路１５は、４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のゲートにパルス信号を供給する。この際、第１スイッチング素子対（Ｓ１およびＳ４）に供給する２つのパルス信号の位相差、および第２スイッチング素子対（Ｓ２およびＳ３）に供給する２つのパルス信号の位相差を調整することにより、振幅制御を行うことができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、パルス信号の位相差に基づく振幅制御を説明するための図である。図１０Ａは、スイッチング素子Ｓ１およびＳ４に供給される２つのパルス信号の位相シフト量φ、およびスイッチング素子Ｓ２およびＳ３に供給される２つのパルス信号の位相シフト量φが０度の場合の４つのパルス信号およびインバータ回路１３から出力される電圧Ｖの時間変化を模式的に示している。図１０Ｂは、位相シフト量φが９０度の場合の各パルス信号および電圧Ｖの時間変化を模式的に示している。スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２に入力されるパルス信号の立ち上がりおよび立下りのタイミングに対して、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４に入力されるパルス信号の立下がりおよび立ち上がりのタイミングを時間的にシフトさせることにより、位相シフト量φが調整される。位相シフト量φを変化させると、電圧Ｖの出力時間比（即ち、１周期のうち、ゼロではない値をとる期間の割合）が変化する。位相シフト量φが０度に近いほど電圧Ｖの出力時間比が大きくなり、位相シフト量φが１８０度に近いほど電圧Ｖの出力時間比が小さくなる。インバータ回路１３から出力される電圧Ｖは、不図示の平滑回路を用いて正弦波電圧に変換されて送電アンテナ１１に供給され得る。その正弦波電圧の振幅は、出力時間比に応じて変化する。よって、位相シフト量φを変化させることにより、送電アンテナ１１に入力される交流電圧の振幅の時間平均値を変化させることができる。

図１１は、インバータ回路１３の他の構成例を示す図である。この例におけるインバータ回路１３は、ハーフブリッジ型のインバータ回路である。ハーフブリッジ型のインバータ回路を用いる場合には、前述の位相制御は適用できない。この場合には、各スイッチング素子に入力されるパルス信号のデューティ比を制御することによって電圧の振幅の時間平均値を制御できる。

図１１に示すインバータ回路１３は、２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２と２つのキャパシタとを含むハーフブリッジ型のインバータ回路である。２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２と、２つのキャパシタＣ１、Ｃ２とは、並列に接続されている。送電アンテナ１１の一端は２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の間の点に接続され、他端は２つのキャパシタＣ１、Ｃ２の間の点に接続されている。

制御回路１５は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を交互にオンにするように、パルス信号を各スイッチング素子に供給する。これにより、直流電力が交流電力に変換される。

この例では、パルス信号のデューティ比（１周期のうち、オンにする期間の割合）を調整することにより、出力電圧Ｖの出力時間比を調整できる。これにより、送電アンテナ１１に入力される交流電力を調整することができる。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、デューティ制御を説明するための図である。図１２Ａは、各パルス信号のデューティ比が０．５（５０％）の場合の、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４に入力されるパルス信号および出力電圧Ｖの波形の例を示している。図１２Ｂは、各パルス信号のデューティ比が０．２５（２５％）の場合の、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４に入力されるパルス信号および出力電圧Ｖの波形の例を示している。図示されるように、デューティ比を変化させることにより、電圧Ｖの出力時間比（すなわち、１周期のうち、ゼロではない値をとる期間の割合）を変化させることができる。これにより、受電アンテナ２１によって受電される交流電力の電圧の振幅を変化させることができる。このようなデューティ比の異なるパルス信号は、例えばＰＷＭ制御回路を用いて生成され得る。デューティ比は、０％から５０％の範囲で調整される。デューティ比が５０％のとき、送電電圧の振幅が最も大きくなり、デューティ比が０％のとき、送電電圧の振幅が最も小さくなる。このようなデューティ制御は、図９に示すようなフルブリッジ型のインバータ回路を用いた場合も同様に適用できる。

以上のような方法により、制御回路１５は、インバータ回路１３から出力される交流電力の電圧のレベルを調整することができる。制御回路１５は、駆動周波数を変化させることによって出力電圧を制御してもよい。周波数制御は、インバータ回路１３の種類に関わらず適用できる。

図１３は、制御回路１５の動作の概要を示すフローチャートである。ステップＳ１００において、制御回路１５は、送電を開始する。ステップＳ１１０において、制御回路１５は、測定器１６の検出結果を参照して、インバータ回路１３に入力される電圧および電流の少なくとも一方が変化したかを判断する。この際、制御回路１５は、電圧または電流の測定値が、それぞれの閾値を上回ったか否か、または、電圧または電流の測定値の時間変化率が、所定の閾値を上回ったか否かに基づいて、電圧または電流が変化したか否かを判断する。電圧および電流が変化していないと判断すると、制御回路１５は、送電を維持し、一定時間経過後、再びステップＳ１１０の判断を行う。電圧または電流の変化を検出すると、ステップＳ１２０において、制御回路１５は、メモリ１７に格納された相関データを参照して、測定された電圧および電流の値に対応する値に、制御パラメータの値を変更する。なお、送電制御回路１５は、図１３に示す動作を行っている最中に、ユーザまたは外部の制御装置から送電停止の指令を受けた場合には、インバータ回路１３の動作を停止する。

図１４Ａは、ある実施例における送電装置１０の構成を示す図である。この実施例におけるインバータ回路１３は、ハーフブリッジインバータの回路構成を備える。測定器１６は、電流および電圧を計測するための複数の抵抗器を含む。測定器１６は、送電装置１０に入力された直流電圧（「入力電圧」と称する）Ｖ_ｉｎおよび直流電流（「入力電流」と称する）Ｉ_ｉｎを測定する。制御回路１５は、入力電圧Ｖ_ｉｎおよび入力電流Ｉ_ｉｎの変動に応じてインバータ回路１３の出力電圧を規定する制御パラメータを変更する。これにより、送電アンテナ１１から送出される交流電圧の振幅（または実効値）を一定に保つ。この例における制御パラメータは、駆動周波数ｆである。メモリには、入力電流Ｉ_ｉｎおよび入力電圧Ｖ_ｉｎと、駆動周波数ｆとの対応関係を示す情報が予め格納されている。

図１４Ｂは、入力電圧Ｖ_ｉｎおよび入力電流Ｉ_ｉｎと、インバータ回路１３の駆動周波数ｆとの対応関係の一例を示している。この関係を示すルックアップテーブルなどの相関データが、メモリに格納されている。この例では、制御回路１５は、受電装置の出力電圧が２４Ｖに維持されるように駆動周波数ｆを制御する。

初期条件として、Ｖ_ｉｎ＝２４Ｖ、Ｉ_ｉｎ＝５Ａの場合を想定する。図１４Ｂに示す対応関係によれば、初期条件でのインバータ回路１３の駆動周波数は２４９ｋＨｚである（図中の丸印）。次に、送電装置１０の入力電圧がＶ_ｉｎ＝２４ＶからＶ_ｉｎ＝２０Ｖに変化したとする。この場合、送電装置１０の入力電流は、Ｉ_ｉｎ＝５ＡからＩ_ｉｎ＝６Ａに変化する。この変動を検出すると、制御回路１５は、相関データを参照して、インバータ回路１３の駆動周波数を２４１ｋＨｚ（図中の三角印）に変更する。これにより、変動が生じた後も、受電装置の出力電圧を２４Ｖに維持することができる。このように、制御回路１５は、入力電圧または入力電流が変化するごとに、図１４Ｂに示す対応関係に基づいて、インバータ回路１３の駆動周波数を調整する。

ここで、測定器１６によってモニターされる入力電流および入力電圧の値に基づいてインバータ回路１３の駆動周波数を調整する処理に要する時間と、出力電圧の変動要因となるモータの負荷変動の時間とを対比する。

測定器１６によって測定される電流および電圧の値は、抵抗器の電極間電圧および２個の抵抗器による分圧電圧に基づくアナログ値である。これらのアナログ値は、例えば制御回路１５が備えるＡＤ変換器によってデジタル値に変換される。

上記アナログ値の変化の時定数は、例えば使用する抵抗値を１０ＫΩ程度、配線間の寄生容量を１００ｐＦ程度とした場合、１マイクロ秒程度である。

制御回路１５が例えばマイコンである場合、マイコンの種類およびクロック周波数にも依存するが、ＡＤ変換器の変換時間は例えば１マイクロ秒程度である。一例として、４サンプルのアナログ値を平均化処理してデジタル値に変換する場合、アナログ値の入力からデジタル値への変換に要する時間は４マイクロ秒程度である。

平均化処理したデジタル値を４サンプル使用して１つの入力電圧値および電流値のデータとして処理する場合、その処理に要する時間は１６〜１７マイクロ秒程度である。さらに、ルックアップテーブルから駆動周波数を算出するための処理時間を仮に３マイクロ秒とする。その場合、アナログ値の変化から積算して２０マイクロ秒程度で制御パラメータの調整値を決定できる。

次に、モータの負荷変動の時間を検討する。モータの負荷変動が急速に変化する場合でも、図７Ｃに示すように平滑容量が受電装置２０の出力部に設けられている場合、受電装置２０の出力電圧の変動は抑制される。例えば、モータの負荷が例えば１マイクロ秒程度で急速に変動する場合でも、出力電圧の変動は数十マイクロ秒から数百マイクロ秒程度に抑制され得る。

従って、測定器１６によるモニターから制御回路１５の調整を行うまでの時間は、モータの負荷変動の時間と比較して十分に高速であり、出力電圧が一定となるように制御可能である。

図１５Ａは、他の実施例における送電装置１０の構成を示す図である。この実施例におけるインバータ回路１３は、フルブリッジインバータの回路構成を備える。制御回路１５は、入力電圧Ｖ_ｉｎおよび入力電流Ｉ_ｉｎの変動に応じて、４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４に供給するパルス信号の位相シフト量を変更する。これにより、受電装置の出力電圧を一定に維持する。この例における制御パラメータは、位相シフト量である。入力電流Ｉ_ｉｎおよび入力電圧Ｖ_ｉｎと、位相シフト量φとの対応関係を示す相関データが、予めメモリに格納されている。

図１５Ｂは、入力電圧Ｖ_ｉｎおよび入力電流Ｉ_ｉｎと、位相シフト量（位相差）φとの対応関係の一例を示している。この関係を示すルックアップテーブルなどの相関データが、メモリに格納されている。この例では、制御回路１５は、受電装置の出力電圧が２４Ｖに維持されるように、位相シフト量φを制御する。

この例でも、初期条件として、Ｖ_ｉｎ＝２４Ｖ、Ｉ_ｉｎ＝５Ａの場合を想定する。駆動周波数ｆは、変動に関係なく、２４９ｋＨｚで固定されている。図１５Ｂに示す対応関係によれば、初期条件でのインバータ回路１３の位相シフト量は９３．５度である（図中の丸印）。次に、送電装置１０の入力電圧がＶ_ｉｎ＝２４ＶからＶ_ｉｎ＝２０Ｖに変化したとする。この場合、送電装置１０の入力電流はＩ_ｉｎ＝５ＡからＩ_ｉｎ＝６Ａに変化する。この変動を検出すると、制御回路１５は、相関データを参照して、位相シフト量を５３．２度（図中の三角印）に変更する。これにより、変動が生じた後も、受電装置の出力電圧を２４Ｖに維持することができる。このように、制御回路１５は、入力電圧または入力電流が変化するごとに、図１５Ｂに示す対応関係に基づいて、位相シフト量を調整する。なお、位相シフト量だけでなく、駆動周波数も制御することにより、よりきめ細かい制御を実行してもよい。

以上の例では、送電装置１０の制御によって受電装置２０（図６）の出力電圧が一定値に維持される。同様の考え方に基づく制御は、受電装置２０にも適用され得る。例えば、受電装置２０が、整流回路２３の後段にＤＣ−ＤＣコンバータなどの電圧変換回路を備えている構成では、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子（例えば、ＦＥＴ等）のデューティ比を制御することによって出力電圧を一定に維持してもよい。そのような制御は、受電装置２０が備える制御回路によって実行され得る。

なお、メモリ（例えばＲＯＭまたはＲＡＭ）、またはレジスタなどの任意の記録媒体に、受電装置に接続される負荷の入力定格情報が格納されていてもよい。送電装置１０の制御回路１５は、定格を超える電圧、電流、または電力が負荷に供給され得ると判断した場合には、インバータ回路１３による送電を停止してもよい。これにより、負荷の定格を超える電力が供給されることを予防し、負荷の破壊を回避できる。

図１４Ｂおよび図１５Ｂに示すような対応関係は、送電装置１０における送電アンテナ１１と、受電装置２０における受電アンテナ２１との相対的な位置関係が固定される場合、一意的に決まる。例えば、図５に示すロボットアームの関節部に送電アンテナ１１と受電アンテナ２１とが固定される場合、上記対応関係は変化しない。

上記の実施形態では、この一意的に決まる対応関係が、ルックアップテーブルとしてメモリなどの記録媒体に予め記録される。制御回路１５は、電力伝送の動作中、入力電圧と入力電流の変動に応じて駆動周波数または位相シフト量などの制御パラメータを、ルックアップテーブルに基づいて変化させる。これにより、受電装置２０の出力電圧が一定となるように制御される。

しかし、実際には、送電アンテナ１１と受電アンテナ２１の取付誤差に起因する位置ズレ（例えば、コイル面の向きまたはコイル間距離のズレ）、インバータ回路１３における各スイッチング素子の特性バラつき、または測定器１６に使用される抵抗器の特性バラつきなどに起因して、上記対応関係を示す実際の曲線が本来の曲線からずれることがある。

そこで、上記のようなズレまたはバラつきが生じた場合でも、出力電圧を適切に制御可能にするために、ルックアップテーブルの補正を行ってもよい。

補正は、例えば無線給電ユニットの出荷前の完成品検査時、またはロボットアームへの設置後の検査時などに行えばよい。

補正は、例えば下記のフローに従って行われる。
・送電装置１０への入力電圧の供給源である電源２００の代わりに、安定化電源を接続する。例えば、電源２００と送電装置１０とがコネクタを介して接続されるようにしておき、補正時には、安定化電源と送電装置１０とを接続する。
・受電装置２０からの出力電圧が印加される負荷３００の代わりに、電子負荷を接続する。送電装置１０側と同様に、受電装置２０と負荷３００とがコネクタを介して接続されるようにしておき、補正時には受電装置２０と電子負荷とを接続する。
・安定化電源の出力電圧（すなわち、送電装置１０の入力電圧）を、２０Ｖから２８Ｖまで２Ｖずつ上げていく。
・電子負荷の入力電流（すなわち、受電装置２０の出力電圧）を、１Ａから１０Ａまで１Ａずつ上げていく。
・各々の条件で出力電圧が２４Ｖとなるように駆動周波数または位相シフト量を合わせ、そのときの入力電圧と入力電流を測定器１６でモニターし、そのときの入力電圧および入力電流と、ルックアップテーブルにおける入力電圧および入力電流との差分を補正値として記録する。あるいは、そのときの入力電圧および入力電流の値でルックアップテーブルの入力電圧および入力電流の値を置き換えてしまってもよい。

上記フローによれば、電圧５種類と電流１０種類の総組合せ５０ポイントでの補正値を得ることができる。

補正を行う時間を短縮するために、測定するポイント数を減らして、補正値を補間してもよい。

逆に、より正確性を期す（すなわち、出力電圧一定化の精度を上げる）ために、電圧および電流のステップを細かくして、ポイント数を多くしてもよい。

（実施形態２）
次に、本開示の実施形態２における無線電力伝送システムを説明する。

本実施形態における無線電力伝送システムは、複数の無線給電ユニットおよび複数の負荷を備える。複数の無線給電ユニットは、直列に接続され、それぞれに接続された１つ以上の負荷に電力を供給する。本実施形態における送電装置の制御回路は、インバータ回路に入力される電圧および電流に加えて、前段の受電装置から出力される電圧および電流、または、前段の受電装置から当該送電装置と並列に給電される負荷に入力される電圧および電流の情報も利用して制御パラメータを決定する。

図１６は、本実施形態における無線伝送システムの構成を示すブロック図である。この無線電力伝送システムは、２つの無線給電ユニット１００Ａ、１００Ｂと、２つの負荷３００Ａ、３００Ｂとを備えている。無線給電ユニットおよび負荷のそれぞれの個数は、２つに限定されず、３つ以上であってもよい。

送電装置１０Ａ、１０Ｂの各々は、実施形態１における送電装置１０と同様の構成を備える。本実施形態では、送電装置１０Ａ、１０Ｂにおける測定器を、第１測定器１６と称する。受電装置２０Ａは、送電装置１０Ａにおける送電アンテナ１１と電磁的に結合する受電アンテナ２１と、整流回路２３と、第２測定器２６とを備えている。第２測定器２６は、整流回路２３から出力された電圧および電流を測定する。受電装置２０Ｂは、実施形態１における受電装置２０と同様の構成を備える。

負荷３００Ａ、３００Ｂは、受電装置２０Ａ、２０Ｂからそれぞれ給電される。この構成は、基本的には図２に示す構成と同様である。ただし、本実施形態では、送電装置１０Ｂにおける送電制御回路１５が、インバータ回路１３に入力される電圧および電流の値に加えて、その前段の整流回路２３から出力される電圧および電流の値も考慮して、制御パラメータを決定する。これにより、負荷３００Ａ、３００Ｂの両方の状態が同時に変化した場合でも、負荷３００Ｂへの入力電圧を一定に保つことができる。

一般に、無線給電ユニットの出力インピーダンスは、安定化電源の出力インピーダンスと比較して大きい。このため、負荷の変動に起因して負荷に流入する電流（消費電流）が変化すると、無線電力伝送装置から出力される電圧が大きく変化する。例えば図１６の構成において、負荷３００Ａ、３００Ｂの動作状態が変化して負荷３００Ａ、３００Ｂに流入する電流量の総和が変化すると、その総和の変化に応じて、第１の受電装置２０Ａの出力電圧が変化する。

ここで、第２の送電装置１０Ｂにおける送電制御回路１５が実施形態１における送電制御を行う場合、第２の負荷３００Ｂのみが変動する場合はよいが、第１の負荷３００Ａが変動する場合には、制御に誤差が生じることがわかった。これは、第１の負荷３００Ａの消費電流のみが変動する場合と、第２の負荷３００Ｂの消費電流のみが変動する場合とでは、第２の送電装置１０Ｂにおける第１測定器１６の測定値が同じであったとしても、インバータ回路１３の実際の入力電圧という観点からは異なるからである。

これは、第１測定器１６からインバータ回路１３までの間にも、実際には回路基板上の配線による抵抗成分が存在していることに起因する。第１の負荷３００Ａの消費電流のみが変動する場合には、第１測定器１６からインバータ回路１３までの間には電流の変動が生じない（第１の受電装置２０Ａの出力電圧は一定に制御されるとする）。一方、第２の負荷３００Ｂの消費電流のみが変動する場合には、第１測定器１６からインバータ回路１３までの間の電流が変動する。したがって、第１測定器１６とインバータ回路１３との間の抵抗成分による電圧降下の量が、前者の場合と後者の場合とで異なる。

したがって、第１測定器１６の測定値が同じであったとしても、負荷３００Ａの消費電流が変化した場合と、負荷３００Ｂの消費電流が変化した場合とでは、インバータ回路１３の現実の入力電圧が異なる。電力制御をより正確に行うためには、第１の受電装置２０Ａの出力電圧（第２の送電装置１０Ａの入力電圧）の変化が、負荷３００Ａ、３００Ｂの消費電力のそれぞれの変化がどれだけの割合で寄与して生じているのかを把握することが必要である。その割合に基づいて制御パラメータを適切に補正すれば、負荷３００Ａ、３００Ｂの両方の動作状態が同時に変化した場合でも、各負荷に一定の電圧が供給される状態を維持できる。

上記割合を把握するためには、送電装置１０Ｂにおける第１測定器１６による入力監視に加えて、さらにもう１箇所以上で監視を行えばよい。本実施形態では、第１の受電装置２０Ｂにおける整流回路２３の後段に第２測定器２６を配置することにより、把握を可能としている。第２測定器２６は、第１の受電装置２０Ａの代わりに、第１の負荷３００Ａに設けられていてもよい。第２の送電装置１０Ｂにおける送電制御回路１５は、第１測定器１６だけでなく、第２測定器２６によって測定された電圧および電流の値も利用することにより、制御パラメータを適切な値に設定する。

図１７Ａおよび図１７Ｂは、本実施形態における制御パラメータの決定方法の例を説明するための図である。図１７Ａは、第２の送電装置１０Ｂの入力電圧Ｖ_ｉｎ（図１６における電圧Ｖ_１に相当）および入力電流Ｉ_ｉｎ（図１６における電流Ｉ_１に相当）と、インバータ回路１３の駆動周波数ｆとの対応関係の一例を示している。図１７Ｂは、第２の送電装置１０Ｂの入力電圧Ｖ_ｉｎおよび入力電流Ｉ_ｉｎと、インバータ回路１３（フルブリッジインバータ）における複数のスイッチング素子に供給されるパルス信号の位相シフト量φとの対応関係の一例を示している。これらの例では、各受電装置の出力電圧は２４Ｖに維持されるように制御される。図１７Ａおよび図１７Ｂにおける太い５本の線は、実施形態１における方法によって決定される制御パラメータ（図１４Ｂおよび図１５Ｂを参照）の値を示している。図１７Ａおよび図１７Ｂにおける細い５本の線は、本実施形態における補正された制御パラメータの例を示している。

図１７Ａは、図１４Ｂに示す例と比較して、第１の負荷３００Ａに流れる電流Ｉ_Ｌ１が増加した場合における駆動周波数の補正の例を示している。電流Ｉ_Ｌ１が増加した場合、駆動周波数は、低減する方向に補正される。これは、Ｉ_Ｌ１の増加に起因して生じる電圧Ｖ_１の低下による第２の受電装置２０Ｂの出力電圧Ｖ_２の低下を抑えるためである。一方、電流Ｉ_Ｌ１が減少した場合、駆動周波数は、増加する方向に補正される。これは、Ｉ_Ｌ１の減少に起因して生じる電圧Ｖ_１の増加による受電装置２０Ｂの出力電圧Ｖ_２の増加を抑えるためである。補正量は、第２の送電装置１０Ｂにおける第１測定器１６の監視電流Ｉ_１と、第１の負荷３００Ａへの入力電流Ｉ_Ｌ１（第１の受電装置２０Ａにおける第２測定器２６の監視電流と、第１測定器１６の監視電流Ｉ_１との差分）との割合に基づいて算出できる。

図１７Ｂは、図１５Ｂに示す例と比較して、第１の負荷３００Ａに流れる電流Ｉ_Ｌ１が増加した場合における位相シフト量φの補正の例を示している。電流Ｉ_Ｌ１が増加した場合、位相シフト量φは、低減する方向に補正される。これは、Ｉ_Ｌ１の増加に起因して生じる電圧Ｖ_１の低下による受電装置２０Ｂの出力電圧Ｖ_２の低下を抑えるためである。一方、電流Ｉ_Ｌ１が減少した場合、位相シフト量φは増加する方向に補正する。これは、Ｉ_Ｌ１の減少に起因して生じる電圧Ｖ_１の増加による受電装置２０Ｂの出力電圧Ｖ_２の増加を抑えるためである。補正量は、第２の送電装置１０Ｂにおける第１測定器１６の監視電流Ｉ_１と、第１の負荷３００Ａへの入力電流Ｉ_Ｌ１（第１の受電装置２０Ａにおける第２測定器２６の監視電流と、第１測定器１６の監視電流Ｉ_１との差分）との割合に基づいて算出できる。

第２の送電装置１０Ｂにおけるメモリ１７には、第１測定器１６によって測定される電圧および電流の測定値、および第２測定器２６によって測定される電圧および電流の測定値の組み合わせと、制御パラメータとの対応関係を規定する相関データが予め格納されて
いる。第２の送電装置１０Ｂの制御回路１５は、その相関データを参照することで、第１測定器１６の測定値および第２測定器２６の測定値から、制御パラメータを決定することができる。あるいは、メモリ１７には、実施形態１における相関データと同様の相関データが格納されていてもよい。その場合、制御回路１５は、その相関データを参照して制御パラメータの値をまず仮決定した後、第２測定器２６の測定値に基づいて、その制御パラメータを補正してもよい。

以上の構成により、負荷３００Ａ、３００Ｂが同時に変動した場合でも、負荷３００Ｂに入力される電圧を一定に維持することができる。

次に、本実施形態の変形例を説明する。

図１８は、本実施形態の変形例を示すブロック図である。この例では、第２測定器２６が、第１の受電装置２０Ａではなく第１の負荷３００Ａに設けられている。第２測定器２６の測定結果は、有線または無線で送電制御回路１５に伝達される。このような構成であっても、Ｉ_１とＩ_Ｌ１との割合に基づく制御パラメータの補正が可能である。

図１９Ａから図１９Ｃは、本開示における無線電力伝送システムの構成の類型を模式的に示す図である。図１９Ａは、１つの無線給電ユニット１００を備える無線電力伝送システムを示している。図１９Ｂは、電源２００と末端の負荷３００Ｂとの間に、２つの無線給電ユニット１００Ａ、１００Ｂが設けられた無線電力伝送システムを示している。図１９Ｃは、電源２００と末端の負荷装置３００Ｘとの間に、３つ以上の無線給電ユニット１００Ａ〜１００Ｘが設けられた無線電力伝送システムを示している。本開示の技術は、図１９Ａから１９Ｃのいずれの形態にも適用できる。図１９Ｃに示すような構成によれば、例えば図５を参照しながら説明したように、多くの可動部を有するロボットのような電動装置に好適に適用することができる。

図１９Ｃの構成においては、全ての無線給電ユニット１００Ａ〜１００Ｘに前述の制御を適用してもよいし、一部の無線給電ユニットのみに前述の制御を適用してもよい。例えば、図１９Ｃにおける負荷３００Ｘの負荷変動が小さく、前述のような出力電圧を所定の範囲内に維持する制御が不要である場合、無線給電ユニット１００Ｘにおける送電装置１０Ｘは、インバータ回路への入力電圧および入力電流に基づく制御を行わなくてもよい。

以上のように、本開示は、以下の項目に記載の送電装置を含む。

［項目１］
受電アンテナを備える受電装置に無線で電力を伝送する送電装置であって、
入力された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路に接続され、前記インバータ回路から出力された交流電力を送出する送電アンテナと、
前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値に基づいて、前記インバータ回路の出力電圧を定める制御パラメータの値を決定し、決定した前記制御パラメータの値を用いて前記インバータ回路を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値の少なくとも一方が変化したとき、前記電圧および電流の測定値に基づいて前記制御パラメータの値を変更し、前記受電回路から出力される電圧を所定の範囲内に維持する、
送電装置。

［項目２］
前記インバータ回路に入力される電圧および電流の値と、前記制御パラメータの値との対応関係を表す相関データを格納するメモリをさらに備え、
前記制御回路は、前記相関データを参照することにより、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値から、前記制御パラメータの値を決定する、
項目１に記載の送電装置。

［項目３］
前記制御パラメータは、前記インバータ回路の駆動周波数である、項目１または２に記載の送電装置。

［項目４］
前記インバータ回路は、４つのスイッチング素子を有し、
前記４つのスイッチング素子は、第１スイッチング素子対と、第２スイッチング素子対とを含み、
前記第１スイッチング素子対は、導通時に、前記インバータ回路に入力される電圧と同じ極性の電圧を前記送電アンテナに与え、
前記第２スイッチング素子対は、導通時に、前記インバータ回路に入力される電圧と逆の極性の電圧を前記送電アンテナに与え、
前記制御回路は、前記４つのスイッチング素子の各々に、導通／非導通の状態を決定するパルス信号を供給し、前記第１スイッチング素子対に供給される２つのパルス信号の位相差、および前記第２スイッチング素子対に供給される２つのパルス信号の位相差を調整することにより、前記インバータ回路の出力電圧を制御し、
前記制御パラメータは、前記位相差である、
項目１または２に記載の送電装置。

［項目５］
前記インバータ回路は、複数のスイッチング素子を有し、
前記制御回路は、前記複数のスイッチング素子の各々に、導通／非導通の状態を決定するパルス信号を供給し、前記パルス信号のデューティ比を調整することにより、前記インバータ回路の出力電圧を制御し、
前記制御パラメータは、前記デューティ比である、
項目１または２に記載の送電装置。

［項目６］
前記送電装置は、
第１の送電装置と、
前記第１の送電装置から無線で電力を受け取る第１の受電装置と、
前記第１の受電装置から有線で電力を受け取る第１の負荷と、
前記第１の受電装置から有線で電力を受け取る第２の送電装置と、
前記第２の送電装置から無線で電力を受け取る第２の受電装置と、
前記第２の受電装置から有線で電力を受け取る第２の負荷と、
を備える無線電力伝送システムにおける前記第２の送電装置である、
項目１から５のいずれかに記載の送電装置。

［項目７］
前記制御回路は、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値に加えて、前記第１の受電装置から出力される電圧および電流の測定値、または前記第１の負荷に入力される電圧および電流の測定値にさらに基づいて、前記制御パラメータの値を決定する、項目６に記載の送電装置。

［項目８］
前記インバータ回路に入力される電圧および電流の値、および前記第１の受電装置から出力される電圧および電流の値の組み合わせと、前記制御パラメータの値との対応関係を表す第１の相関データ、または、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の値、
および前記第１の負荷に入力される電圧および電流の値の組み合わせと、前記制御パラメータの値との対応関係を表す第２の相関データを格納するメモリをさらに備え、
前記制御回路は、前記相関データを参照することにより、前記制御パラメータの値を決定する、
項目７に記載の送電装置。

［項目９］
項目１から５のいずれかに記載の送電装置と、
前記受電装置と、
を備える無線電力伝送システム。

［項目１０］
項目６から８のいずれかに記載の送電装置と、
前記第１の受電装置と、
を備える無線電力伝送システム。

［項目１１］
項目６から８のいずれかに記載の送電装置と、
前記第２の受電装置と、
を備える無線電力伝送システム。

［項目１２］
項目６から８のいずれかに記載の送電装置と、
前記第１の送電装置と、
前記第１の受電装置と、
前記第２の受電装置と、
を備える、項目１０に記載の無線電力伝送システム。

［項目１３］
前記第１の負荷と、
前記第２の負荷と、
をさらに備える、項目１２に記載の無線電力伝送システム。

本開示の技術は、例えば工場もしくは作業現場などで用いられるロボット、監視カメラ、電動車両、またはマルチコプターなどの電動装置に好適に利用できる。

１０ 送電装置（送電モジュール）
１１ 送電アンテナ
１３ インバータ回路
１５ 送電制御回路
１６ 測定器
１７ メモリ
２０ 受電装置（受電モジュール）
２１ 受電アンテナ
２３ 整流回路
２６ 測定器
３１ モータ
３３ モータインバータ
３５ モータ制御回路
１００ 無線給電ユニット
２００ 電源
３００ 負荷

Claims (13)

1. 受電アンテナを備える受電装置に無線で電力を伝送する送電装置であって、
   入力された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、
   前記インバータ回路に接続され、前記インバータ回路から出力された交流電力を送出する送電アンテナと、
   前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値に基づいて、前記インバータ回路の出力電圧を定める制御パラメータの値を決定し、決定した前記制御パラメータの値を用いて前記インバータ回路を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値の少なくとも一方が変化したとき、前記電圧および電流の測定値に基づいて前記制御パラメータの値を変更し、前記受電回路から出力される電圧を所定の範囲内に維持する、
   送電装置。
2. 前記インバータ回路に入力される電圧および電流の値と、前記制御パラメータの値との対応関係を表す相関データを格納するメモリをさらに備え、
   前記制御回路は、前記相関データを参照することにより、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値から、前記制御パラメータの値を決定する、
   請求項１に記載の送電装置。
3. 前記制御パラメータは、前記インバータ回路の駆動周波数である、請求項１または２に記載の送電装置。
4. 前記インバータ回路は、４つのスイッチング素子を有し、
   前記４つのスイッチング素子は、第１スイッチング素子対と、第２スイッチング素子対とを含み、
   前記第１スイッチング素子対は、導通時に、前記インバータ回路に入力される電圧と同じ極性の電圧を前記送電アンテナに与え、
   前記第２スイッチング素子対は、導通時に、前記インバータ回路に入力される電圧と逆の極性の電圧を前記送電アンテナに与え、
   前記制御回路は、前記４つのスイッチング素子の各々に、導通／非導通の状態を決定するパルス信号を供給し、前記第１スイッチング素子対に供給される２つのパルス信号の位相差、および前記第２スイッチング素子対に供給される２つのパルス信号の位相差を調整することにより、前記インバータ回路の出力電圧を制御し、
   前記制御パラメータは、前記位相差である、
   請求項１または２に記載の送電装置。
5. 前記インバータ回路は、複数のスイッチング素子を有し、
   前記制御回路は、前記複数のスイッチング素子の各々に、導通／非導通の状態を決定するパルス信号を供給し、前記パルス信号のデューティ比を調整することにより、前記インバータ回路の出力電圧を制御し、
   前記制御パラメータは、前記デューティ比である、
   請求項１または２に記載の送電装置。
6. 前記送電装置は、
   第１の送電装置と、
   前記第１の送電装置から無線で電力を受け取る第１の受電装置と、
   前記第１の受電装置から有線で電力を受け取る第１の負荷と、
   前記第１の受電装置から有線で電力を受け取る第２の送電装置と、
   前記第２の送電装置から無線で電力を受け取る第２の受電装置と、
   前記第２の受電装置から有線で電力を受け取る第２の負荷と、
   を備える無線電力伝送システムにおける前記第２の送電装置である、
   請求項１から５のいずれかに記載の送電装置。
7. 前記制御回路は、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の測定値に加えて、前記第１の受電装置から出力される電圧および電流の測定値、または前記第１の負荷に入力される電圧および電流の測定値にさらに基づいて、前記制御パラメータの値を決定する、請求項６に記載の送電装置。
8. 前記インバータ回路に入力される電圧および電流の値、および前記第１の受電装置から出力される電圧および電流の値の組み合わせと、前記制御パラメータの値との対応関係を表す第１の相関データ、または、前記インバータ回路に入力される電圧および電流の値、および前記第１の負荷に入力される電圧および電流の値の組み合わせと、前記制御パラメータの値との対応関係を表す第２の相関データを格納するメモリをさらに備え、
   前記制御回路は、前記相関データを参照することにより、前記制御パラメータの値を決定する、
   請求項７に記載の送電装置。
9. 請求項１から５のいずれかに記載の送電装置と、
   前記受電装置と、
   を備える無線電力伝送システム。
10. 請求項６から８のいずれかに記載の送電装置と、
    前記第１の受電装置と、
    を備える無線電力伝送システム。
11. 請求項６から８のいずれかに記載の送電装置と、
    前記第２の受電装置と、
    を備える無線電力伝送システム。
12. 請求項６から８のいずれかに記載の送電装置と、
    前記第１の送電装置と、
    前記第１の受電装置と、
    前記第２の受電装置と、
    を備える、請求項１０に記載の無線電力伝送システム。
13. 前記第１の負荷と、
    前記第２の負荷と、
    をさらに備える、請求項１２に記載の無線電力伝送システム。
    
    

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