JP2018207670A - ワイヤレス電力伝送システムの送電装置および前記ワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、より少ない部品点数でワイヤレス電力伝送できるワイヤレス電力伝送システムの送電装置およびこれを用いたワイヤレス電力伝送システムを提供する。
【解決手段】本発明のワイヤレス電力伝送システムＳＭの送電装置ＳＤは、受電装置ＲＤへ電力をワイヤレスで伝送するワイヤレス電力伝送システムＳＤの送電装置ＳＤであって、受電装置ＲＤの受電側コイル２１と磁界共振で結合する送電側コイル１３と、受電装置ＲＤの受電側第１および第２電極２２、２３それぞれと電界結合する送電側第１および第２電極１４、１５と、送電側コイル１３および送電側第１および第２電極１４、１５に、前記磁界共振する周波数で交流電力を供給する交流電力供給部の一例のインバータ回路１１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、送電装置から受電装置へ電力をワイヤレスで伝送するワイヤレス電力伝送システムの前記送電装置およびこれを用いた前記ワイヤレス電力伝送システムに関する。

ワイヤレス電力伝送は、ワイヤレス給電、あるいは、非接触電力伝送等とも呼ばれ、送電側から受電側へ非接触で電力を送ることができることから、二次電池を内蔵する製品に応用されている。このワイヤレス電力伝送は、種々の方式が知られており、磁界結合方式、電界結合方式およびエバネセント波方式の非放射型ワイヤレス電力伝送と、レーザ方式、マイクロ波方式および超音波方式の放射型ワイヤレス電力伝送とに大別される。そして、前記磁界結合方式には、電磁誘導方式および磁界共振方式（磁気共鳴方式）が知られている。

この電磁誘導方式では、電磁誘導そのものが利用され、送電装置かから磁束を媒介として受電装置へ電力が伝送される。このため、前記電磁誘導方式では、送電側の１次コイル（送電側コイル）と受電側の２次コイル（受電側コイル）との結合係数が大きく影響し、前記電磁誘導方式は、送電側の１次コイルと受電側の２次コイルとの距離を大きくできない。この点、磁界共振方式は、送電に共振（共鳴）を利用するため、前記結合係数が小さくても高効率で送電可能である。

また、前記電界結合方式は、離間した電極間で生じる誘導電界を送電に利用するため、比較的大きくて重いコイルを必要とせず、薄型化、小型化が可能であり、また、電極の位置自由度が高い。

一方、これら磁界結合方式および電界結合方式とを用いたワイヤレス電力伝送システムも提案されており、例えば、特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示されたワイヤレス電力伝送システムは、送電側第１電極および送電側第２電極と、前記送電側第１電極および前記送電側第２電極に交流電圧を印加する交流電圧印加回路と、を有する送電装置と、前記送電側第１電極に対向する受電側第１電極と、前記送電側第２電極に対向する受電側第２電極と、前記送電側第１電極および前記送電側第２電極に対向して、容量結合により前記受電側第１電極および前記受電側第２電極に誘起される電圧を負荷に供給する受電側回路と、を有する受電装置と、を備え、前記送電装置は、第１端が前記送電側第１電極に繋がり、第２端が前記送電側第２電極に繋がっている送電側コイルを有し、前記受電装置は、第１端が前記受電側第１電極に繋がり、第２端が前記受電側第２電極に繋がっている受電側コイルを有し、前記送電側第１電極、前記送電側第２電極及び前記送電側コイルは互いに離間し、前記受電側第１電極、前記受電側第２電極及び前記受電側コイルは互いに離間し、前記送電側コイルには前記受電側コイルに生じる磁束が鎖交し、前記受電側コイルには前記送電側コイルに生じる磁束が鎖交して、前記送電側コイルおよび前記受電側コイルは磁界結合する。前記特許文献１によれば、このようなワイヤレス電力伝送システムは、電界結合方式および磁界結合方式を併用することで、送電装置と受電装置との結合度を高くすることができ、送電装置から受電装置への電力伝送効率を高めることができる（例えば、前記特許文献１の［０００８］段落等）。

特許第６０３２３６６号公報

ところで、前記特許文献１に開示されたワイヤレス電力伝送システムは、送電側コイルとでＬＣ共振回路を構成する送電側コンデンサ（キャパシタ）および受電側コイルとでＬＣ共振回路を構成する受電側コンデンサ（キャパシタ）を必要とし、部品点数の点で改善の余地がある。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、より少ない部品点数でワイヤレス電力伝送できるワイヤレス電力伝送システムの送電装置およびこれを用いたワイヤレス電力伝送システムを提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかるワイヤレス電力伝送システムの送電装置は、受電装置へ電力をワイヤレスで伝送するワイヤレス電力伝送システムの送電装置であって、前記受電装置の受電側コイルと磁界共振で結合する送電側コイルと、前記受電装置の受電側第１および第２電極それぞれと電界結合する送電側第１および第２電極と、前記送電側コイルおよび前記送電側第１および第２電極に、前記磁界共振する周波数で交流電力を供給する交流電力供給部とを備える。好ましくは、上述のワイヤレス電力伝送システムの送電装置において、前記送電側コイルは、前記受電装置の受電側コイルと離間し、前記送電側第１および第２電極それぞれは、前記受電装置の受電側第１および第２電極それぞれと離間する。好ましくは、上述のワイヤレス電力伝送システムの送電装置において、前記交流電力供給部は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路である。好ましくは、上述のワイヤレス電力伝送システムの送電装置において、前記磁界共振する周波数は、前記送電側コイル、前記送電側第１電極と前記受電側第１電極とで構成される第１コンデンサ、前記受電側コイル、および、前記送電側第２電極と前記受電側第２電極とで構成される第２コンデンサで構成されるＬＣ直列共振回路の共振周波数である。

このようなワイヤレス電力伝送システムの送電装置は、互いに電界結合する送電側第１電極と受電側第１電極とで第１コンデンサを構成し、互いに電界結合する送電側第２電極と受電側第２電極とで第２コンデンサを構成し、これら第１および第２コンデンサを磁界共振のＬＣ共振回路に利用するので、電界結合方式と磁界共振方式とをそれぞれ独立に並列で用いる場合よりも、より少ない部品点数でワイヤレス電力伝送できる。上記ワイヤレス電力伝送システムの送電装置は、磁界共振方式であるので、送電側コイルと受電側コイルとの結合係数が比較的低くても（小さくても）ワイヤレス電力伝送でき、同じコイルを用いた磁界共振方式と比較した場合に、電力伝送効率を向上できる。

他の一態様では、上述のワイヤレス電力伝送システムの送電装置において、前記磁界共振を維持するように前記交流電力供給部を制御する制御部をさらに備える。好ましくは、上述のワイヤレス電力伝送システムの送電装置において、前記制御部は、前記交流電力における交流電流の位相と交流電圧の位相との比較結果に基づいて、前記磁界共振を維持するように前記交流電力の周波数を調整することによって、前記磁界共振を維持するように前記交流電力供給部を制御する。

このようなワイヤレス電力伝送システムの送電装置は、前記制御部をさらに備えるので、送電側第１電極と受電側第１電極との位置関係が変化したり、送電側第２電極と受電側第２電極との位置関係が変化したりしても、磁界共振を維持でき、効率よくワイヤレス電力伝送できる。

本発明の他の一態様にかかるワイヤレス電力伝送システムは、送電装置と受電装置とを備え、前記送電装置から前記受電装置へ電力をワイヤレスで伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、前記受電装置は、受電側コイルと、受電側第１および第２電極とを備え、前記送電装置は、これら上述のいずれかの送電装置である。

このようなワイヤレス電力伝送システムは、これら上述のいずれかの送電装置を用いるので、電界結合方式と磁界共振方式とをそれぞれ独立に並列で用いる場合よりも、より少ない部品点数でワイヤレス電力伝送できる。上記ワイヤレス電力伝送システムは、磁界共振方式であるので、送電側コイルと受電側コイルとの結合係数が比較的低くても（小さくても）ワイヤレス電力伝送でき、同じコイルを用いた磁界共振方式と比較した場合に、電力伝送効率を向上できる。

他の一態様では、上述のワイヤレス電力伝送システムにおいて、前記送電装置における送電側コイル、送電側第１電極および送電側第２電極それぞれは、前記受電装置における受電側コイル、受電側第１電極および受電側第２電極それぞれに対向するように配置される。

このようなワイヤレス電力伝送システムは、送電側コイルが受電側コイルに対向するように配置されるので、適切に磁界共振結合でき、送電側第１電極が受電側第１電極に対向するように配置されるので、適切に電界結合できて適切に第１コンデンサを構成でき、送電側第２電極が受電側第２電極に対向するように配置されるので、適切に電界結合できて適切に第２コンデンサを構成できる。

他の一態様では、上述のワイヤレス電力伝送システムにおいて、前記送電装置の送電側第１電極と前記受電装置の受電側第１電極とは、互いの位置関係を保持するように、配置され、前記送電装置の送電側第２電極と前記受電装置の受電側第２電極とは、互いの位置関係を保持するように、配置される。

このようなワイヤレス電力伝送システムは、各電極が位置関係を保持するように配置されるので、その各静電容量値が保持され、共振周波数を保持し易い。

本発明にかかるワイヤレス電力伝送システムの送電装置およびワイヤレス電力伝送システムは、より少ない部品点数でワイヤレス電力伝送できる。

実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの構成を示す回路図である。 前記ワイヤレス電力伝送システムにおける交流電力の周波数の制御を説明するための図である。 ワイヤレス電力伝送システムを他の装置に適用した第１適用例を説明するための斜視図である。 ワイヤレス電力伝送システムを他の装置に適用した第２適用例を説明するための斜視図である。 比較例として、磁界共振方式のみを用いたワイヤレス電力伝送システムの構成を示す回路図である。

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

図１は、実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの構成を示す回路図である。図２は、前記ワイヤレス電力伝送システムにおける交流電力の周波数の制御を説明するための図である。図２Ａは、交流電流の位相と交流電圧の位相と互いに同相で回路が共振状態である場合を示し、図２Ｂは、交流電流の位相が交流電圧の位相よりも送れ、共振状態が崩れている場合を示し、図２Ｃは、交流電力の周波数を調整した結果、図２Ｂに示す状態から再び共振状態になっている場合を示す。図２の各図において、その横軸は、２００ｎｓ／Ｄｉｖで表した時間であり、その縦軸は、２Ａ／Ｄｉｖで表した電流値、または、５０Ｖ／Ｄｉｖで表した電圧値である。実線は、交流電流を示し、破線は、交流電圧（この例ではパスル状の交流電圧）を示す。

実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムＭＳは、例えば、図１に示すように、送電装置ＳＤと受電装置ＲＤとを備え、送電装置ＳＤから受電装置ＲＤへ電力をワイヤレスで伝送するシステムである。送電装置ＳＤは、電力を受電装置ＲＤへワイヤレスで供電する装置であり、交流電力供給部１１と、ＩＶ制御部１２と、送電側コイル１３と、送電側第１電極１４と、送電側第２電極１５と、電流測定部１６と、電圧測定部１７とを備える。受電装置ＲＤは、電力を送電装置ＳＤからワイヤレスで受電する装置であり、受電側コイル２１と、受電側第１電極２２と、受電側第２電極２３と、整流部２４とを備える。

まず、送電装置ＳＤの各構成について説明する。

交流電力供給部１１は、電源ＢＶに接続され、送電側コイル１３および送電側第１および第２電極１４、１５に、当該ワイヤレス電力伝送システムＭＳにおける磁界共振する周波数で交流電力を供給する回路であり、例えば、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路１１である。このため、本実施形態では、電源ＢＶは、例えば二次電池等の、直流電力を出力する直流電源である。

この交流電力供給部１１の一例としてのインバータ回路１１は、例えば、４個の第１ないし第４ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ１１１〜１１４を備える。

第１および第２ＭＯＳトランジスタ１１１、１１２は、第１ＭＯＳトランジスタ１１１のドレイン端子（第１ドレイン端子）が第２ＭＯＳトランジスタ１１２のソース端子（第２ソース端子）に接続されることで、互いに直接に接続される。第１ＭＯＳトランジスタ１１１のゲート端子（第１ゲート端子）は、ＩＶ制御部１２に接続され、第１ＭＯＳトランジスタ１１１は、ＩＶ制御部１２の制御に従ってオンオフする。第２ＭＯＳトランジスタ１１２のゲート端子（第２ゲート端子）は、ＩＶ制御部１２に接続され、第２ＭＯＳトランジスタ１１２は、ＩＶ制御部１２の制御に従ってオンオフする。

第３および第４ＭＯＳトランジスタ１１３、１１４は、第３ＭＯＳトランジスタ１１３のドレイン端子（第３ドレイン端子）が第４ＭＯＳトランジスタ１１４のソース端子（第４ソース端子）に接続されることで、互いに直接に接続される。第３ＭＯＳトランジスタ１１３のゲート端子（第３ゲート端子）は、ＩＶ制御部１２に接続され、第３ＭＯＳトランジスタ１１３は、ＩＶ制御部１２の制御に従ってオンオフする。第４ＭＯＳトランジスタ１１４のゲート端子（第４ゲート端子）は、ＩＶ制御部１２に接続され、第４ＭＯＳトランジスタ１１４は、ＩＶ制御部１２の制御に従ってオンオフする。

直列に接続された第１および第２ＭＯＳトランジスタ１１１、１１２と、直列に接続された第３および第４ＭＯＳトランジスタ１１３、１１４とは、第１ＭＯＳトランジスタ１１１のソース端子（第１ソース端子）と第３ＭＯＳトランジスタ１１３のソース端子（第３ソース端子）とが接続され、第２ＭＯＳトランジスタ１１２のドレイン端子（第３ドレイン端子）と第４ＭＯＳトランジスタ１１４のドレイン端子（第４ドレイン端子）とが接続されることで、互いに並列に接続される。これら第１ＭＯＳトランジスタ１１１の第１ソース端子と第３ＭＯＳトランジスタ１１３の第３ソース端子との接続点（第１接続点）、および、第２ＭＯＳトランジスタ１１２の第２ドレイン端子と第４ＭＯＳトランジスタ１１４の第４ドレイン端子との接続点（第２接続点）は、インバータ回路１１の入力端子であり、電源ＢＶに接続される。より詳しくは、前記第１ソース端子と前記第３ソース端子との前記第１接続点は、電源ＢＶの陽極端子（プラス端子）に接続され、前記第２ドレイン端子と前記第４ドレイン端子との前記第２接続点は、電源ＢＶの陰極端子（マイナス端子）に接続される。

第１ＭＯＳトランジスタ１１１の第１ドレイン端子と第２ＭＯＳトランジスタ１１２の第２ソース端子との接続点（第３接続点）、および、第３ＭＯＳトランジスタ１１３の第３ドレイン端子と第４ＭＯＳトランジスタ１１４の第４ソース端子との接続点（第４接続点）は、インバータ回路１１の出力端子である。

このようなインバータ回路１１は、ＩＶ制御部１２の制御に従って第１ないし第４ＭＯＳトランジスタ１１１〜１１４それぞれが適宜なタイミングでオンオフすることで、電源ＢＶから前記第１接続点および前記第２接続点を介して給電された直流電力を前記適宜なタイミングに応じた周波数ｆの交流電力に変換し、この変換した交流電力を前記第３接続点および前記第４接続点から出力する。本実施形態では、送電側コイル１３と受電側コイル２１とを磁界共振で結合するために、前記周波数ｆは、送電側コイル１３、送電側第１電極１４と受電側第１電極２２とで構成される第１コンデンサＱ１、受電側コイル２１、および、送電側第２電極１５と受電側第２電極２３とで構成される第２コンデンサＱ２で構成されるＬＣ直列共振回路の共振周波数ｆ０に設定され、この共振周波数ｆ０となるように、第１ないし第４ＭＯＳトランジスタ１１１〜１１４それぞれがＩＶ制御部１２によってオンオフされる。

送電側コイル１３は、絶縁被覆された導電性を有する線材を所定のターン数で巻回した電気回路部品であり、上述のように、送電側コイル１３に給電される交流電力の周波数ｆを前記ＬＣ直列共振回路の共振周波数ｆ０とすることで、受電装置ＲＤの受電側コイル２１と磁界共振で結合する。前記線材は、比較的良好な導電性を有する例えば銅等の金属（合金を含む）で形成される。送電側コイル１３の一方端子は、電流測定部１６を介して、前記第１ドレイン端子と前記第２ソース端子との前記第３接続点に接続され、その他方端子は、送電側第１電極１４に接続される。

送電側第１および第２電極１４、１５は、それぞれ、平面視にて例えば矩形形状や円形形状等で所定の面積を持ち、導電性を有する平板状の部材であり、受電装置ＲＤの受電側第１および第２電極２２、２３それぞれと電界結合する。例えば、送電側第１および第２電極１４、１５は、それぞれ、比較的良好な導電性を有する例えば銅やアルミニウム等の金属（合金を含む）で形成される。送電側第２電極１５は、第３ドレイン端子と前記第４ソース端子との前記第４接続点に接続される。

電流測定部１６は、送電側コイル１３、送電側第１電極１４と受電側第１電極２２とで構成（形成）される第１コンデンサＱ１、受電側コイル２１、および、送電側第２電極１５と受電側第２電極２３とで構成（形成）される第２コンデンサＱ２で構成（形成）されるＬＣ直列共振回路に流れる交流電流の位相を測定する回路であり、例えば、いわゆる電流計である。電流測定部１６は、上述したように、前記第１ドレイン端子と前記第２ソース端子との前記第３接続点と送電側コイル１３の一方端子との間に介在し、さらに、ＩＶ制御部１２に接続されて、その測定した交流電流の位相をＩＶ制御部１２へ出力する。

電圧測定部１７は、前記ＬＣ直列共振回路に印加される交流電圧の位相を測定する回路であり、例えば、いわゆる電圧計である。電圧測定部１７は、電流測定部１６を介して送電側コイル１３の一方端子および送電側第２電極１５（前記第１ドレイン端子と前記第２ソース端子との前記第３接続点および前記第３ドレイン端子と前記第４ソース端子との前記第４接続点）に接続され、さらに、ＩＶ制御部１２に接続されて、その測定した交流電圧の位相をＩＶ制御部１２へ出力する。

ＩＶ制御部１２は、上述したように、前記ＬＣ直列共振回路の共振周波数ｆ０となるように、第１ないし第４ＭＯＳトランジスタ１１１〜１１４それぞれをオンオフする回路であり、例えばマイクロコンピュータ等を備えて構成される。

送電側第１電極１４と受電側第１電極２２との互いの位置関係がずれると前記第１コンデンサＱ１の静電容量が変化し、その結果、前記ＬＣ直列共振回路の共振周波数が変化してしまい、磁界共振の結合が崩れてしまう。送電側第２電極１５と受電側第２電極２３との互いの位置関係がずれると前記第２コンデンサＱ２の静電容量が変化し、その結果、前記ＬＣ直列共振回路の共振周波数が変化してしまい、磁界共振の結合が崩れてしまう。このため、本実施形態では、ＩＶ制御部１２は、さらに、当該ワイヤレス電力伝送システムＭＳにおける磁界共振を維持するように前記交流電力供給部１１の一例としてのインバータ回路１１を制御する。より具体的には、ＩＶ制御部１２は、前記交流電力における交流電流の位相と交流電圧の位相との比較結果に基づいて、前記磁界共振を維持するように前記交流電力の周波数を調整することによって、前記磁界共振を維持するようにインバータ回路１１を制御する。より詳しくは、ＩＶ制御部１２は、電流測定部１６で測定された交流電流の位相と電圧測定部１７で測定された交流電圧の位相とを比較し、この比較の結果、交流電流の位相が交流電圧の位相よりも遅れている場合には、現在の周波数ｆｃ（初期値は前記ＬＣ直列共振回路の共振周波数ｆ０）よりも予め設定された所定の周波数△ｆだけ低くなるように、第１ないし第４ＭＯＳトランジスタ１１１〜１１４のオンオフを制御し、一方、前記比較の結果、交流電流の位相が交流電圧の位相よりも進んでいる場合には、現在の周波数ｆｃよりも前記所定の周波数ｆ△だけ高くなるように、第１ないし第４ＭＯＳトランジスタ１１１〜１１４のオンオフを制御する。ＩＶ制御部１２は、このような周波数の制御を予め設定された所定の時間間隔で繰り返し実行する。

次に、受電装置ＲＤの各構成について説明する。

受電側コイル２１は、送電側コイル１３と同様に、絶縁被覆された導電性を有する線材を所定のターン数で巻回した電気回路部品であり、上述のように、送電装置ＳＤの送電側コイル１３と磁界共振で結合する。受電側コイル２１の一方端子は、整流部２４に接続され、その他方端子は、受電側第１電極２２に接続される。

受電側第１および第２電極２２、２３は、それぞれ、送電側第１および第２電極１４、１５と同様に、平面視にて例えば矩形形状や円形形状等で所定の面積を持ち、導電性を有する平板状の部材であり、上述のように、送電装置ＳＤの送電側第１および第２電極１４、１５それぞれと電界結合する。受電側第２電極２３は、整流部２４に接続される。

整流部２４は、交流電力を整流することによって直流電力に変換する回路である。整流部２４は、いわゆる半波整流回路であって良いが、図１に示す例では、全波整流回路であり、４個の第１ないし第４ダイオード２４１〜２４４を備える。

第１および第２ダイオード２４１、２４２は、第１ダイオード２４１のカソード端子（第１カソード端子）が第２ダイオード２４２のカソード端子（第２カソード端子）に接続されることで、互いに直接に接続される。第３および第４ダイオード２４３、２４４は、第３ダイオード２４３のアノード端子（第３アノード端子）が第４ダイオード２４４のアノード端子（第４アノード端子）に接続されることで、互いに直接に接続される。

直接に接続された第１および第２ダイオード２４１、２４２と、直接に接続された第３および第４ダイオード２４３、２４４とは、第１ダイオード２４１のアノード端子（第１アノード端子）が第３ダイオード２４３のカソード端子（第３カソード端子）に接続され、第２ダイオード２４２のアノード端子（第２アノード端子）が第４ダイオード２４４のカソード端子（第４カソード端子）に接続されることで、互いに並列に接続される。

これら第１ダイオード２４１の第１アノード端子と第３ダイオード２４３の第３カソード端子との接続点（第５接続点）、および、第２ダイオード２４２の第２アノード端子と第４ダイオード２４４の第４カソード端子との接続点（第６接続点）は、整流部２４の入力端子であり、前記第５接続点は、前記受電側コイル２１の一方端に接続され、前記第６接続点は、前記受電側第２電極２３に接続される。第１ダイオード２４１の第１カソード端子と第２ダイオード２４２の第２カソード端子との接続点（第７接続点）、および、第３ダイオード２４３の第３アノード端子と第４ダイオード２４４の第４アノード端子との接続点（第８接続点）は、整流部２４の出力端子であり、これら前記第７および第８接続点それぞれは、所定の負荷ＬＤに接続される。

このような整流部２４は、受電側コイル２１および受電側第２電極２３から給電された交流電力を全波整流で直流電力に変換し、この変換した直流電力を前記第７接続点および前記第８接続点を介して負荷ＬＤに給電する。

そして、本実施形態では、送電側コイル１３は、受電側コイル２１と離間し、送電側第１および第２電極１４、１５それぞれは、受電側第１および第２電極２２、２３それぞれと離間する。送電側コイル１３、送電側第１電極および送電側第２電極１４、１５それぞれは、受電側コイル２１、受電側第１電極および受電側第２電極２２、２３それぞれに対向するように配置される。例えば、送電装置ＳＤは、電源ＢＶ、交流電力供給部（本実施形態ではその一例のインバータ回路）１１、ＩＶ制御部１２、送電側コイル１３、送電側第１電極１４、送電側第２電極１５、電流測定部１６および電圧測定部１７を収容する箱形の第１筐体を備え、これら送電側コイル１３、送電側第１電極１４および送電側第２電極１５は、所定の第１ないし第３位置の各位置で前記第１筐体の第１対向面に臨むように配設される。受電装置ＲＤは、受電側コイル２１、受電側第１電極２２、受電側第２電極２３、整流部２４および負荷ＬＤを収容する前記第１対向面と同形状の第２対向面を持つ箱形の第２筐体を備え、これら受電側コイル２１、受電側第１電極２２および受電側第２電極２３は、前記第１対向面における前記第１ないし第３位置それぞれに対応する第４ないし第６位置の各位置それぞれで前記第２筐体の第２対向面に臨むように配設される。そして、前記第１筐体と前記第２筐体を前記第１対向面と前記第２対向面とが所定の距離を空けて互いに対向するように配置することで、送電側コイル１３、送電側第１電極および送電側第２電極１４、１５それぞれは、受電側コイル２１、受電側第１電極および受電側第２電極２２、２３それぞれに離間して対向するように配置される。

なお、前記第１対向面には、１組の第１ないし第３係合部（例えば凸形状の第１ないし第３係合部）が設けられ、前記第２対向面には、前記第１ないし第３係合部それぞれに係合する１組の第４ないし第６係合部（例えば前記第１ないし第３係合部の前記凸形状が嵌り込む凹形状の第４ないし第６係合部）が、前記第１ないし第３係合部それぞれの各配設位置に対応する各位置それぞれに設けられることが好ましい。前記第１ないし第３係合部それぞれが例えば凸形状であり、前記第４ないし第６係合部が凹形状である場合には、前記凸形状の高さおよび前記凹形状の深さは、前記第１対向面と前記第２対向面との間に前記所定の距離が空くように適宜に調整される。これによって、送電側コイル１３、送電側第１電極および送電側第２電極１４、１５それぞれを、受電側コイル２１、受電側第１電極および受電側第２電極２２、２３それぞれに離間して対向するように、より確実に配置でき、さらに、送電側第１電極１４と受電側第１電極２２とを、互いの位置関係を保持するように配置でき、送電側第２電極１５と受電側第２電極２３とを、互いの位置関係を保持するように配置できる。

また、受電側コイル２１の直径は、送電側コイル１３の直径と同径であり、受電側第１電極２２の大きさ（サイズ）は、送電側第１電極１４の大きさと同等であり、受電側第２電極２３の大きさは、送電側第２電極１５の大きさと同等であることが好ましい。あるいは、送電装置ＳＤと受電装置ＲＤとの互いの配置位置における多少のずれを吸収するために、受電側コイル２１の直径は、送電側コイル１３の直径より大径であり、受電側第１電極２２の大きさ（サイズ）は、送電側第１電極１４の大きさより小さく、受電側第２電極２３の大きさは、送電側第２電極１５の大きさより小さいことが好ましい。

このような構成のワイヤレス電力伝送システムＭＳでは、まず、送電側コイル１３、送電側第１電極１４および送電側第２電極１５それぞれが、受電側コイル２１、受電側第１電極２２および受電側第２電極２３それぞれと離間して対向するように配置される。これによって、送電側第１電極１４と受電側第１電極２２とで第１コンデンサＱ１が構成され、送電側第２電極１５と受電側第２電極２３とで第２コンデンサＱ２が構成される。

そして、稼働が開始されると、送電装置ＳＤのＩＶ制御部１２は、送電側コイル１３、送電側第１電極１４と受電側第１電極２２との第１コンデンサＱ１、受電側コイル２１、および、送電側第２電極１５と受電側第２電極２３との第２コンデンサＱ２で構成されるＬＣ直列共振回路の共振周波数ｆ０となるように、第１ないし第４ＭＯＳトランジスタ１１１〜１１４それぞれをオンオフすることによって、電源ＢＶから給電された直流電力を前記共振周波数ｆ０の交流電力に変換し、この変換した交流電力を送電側コイル１３、送電側第１電極１４および送電側第２電極１５に給電する。交流電力を給電することによって、送電側第１電極１４は、受電側第１電極２２と電界結合し、送電側第２電極１５は、受電側第２電極２３と電界結合し、そして、前記共振周波数ｆ０の交流電力を給電することによって送電側コイル１３と受電側コイル２１とは、磁界共振で結合し、送電側コイル１３から受電側コイル２１へワイヤレスで電力が伝送される。

ここで、前記ＬＣ直列共振回路の共振周波数ｆ０は、送電側コイル１３のインダクタンスをＬ１［Ｈ］、送電側第１電極１４と受電側第１電極２２で構成される第１コンデンサＱ１の静電容量をＣ１［Ｆ］、受電側コイル２１のインダクタンスをＬ２［Ｈ］、および、送電側第２電極１５と受電側第２電極２３で構成される第２コンデンサＱ２の静電容量をＣ２とすると、次式（１）で表される。
ｆ０＝１／（２×π×√（（Ｌ１＋Ｌ２）×（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）））
・・・（１）
一方、本実施形態では、送電側第１電極１４と受電側第１電極２２との互いの位置関係がずれたり、送電側第２電極１５と受電側第２電極２３との互いの位置関係がずれたりすると、ＩＶ制御部１２は、当該ワイヤレス電力伝送システムＭＳにおける磁界共振を維持するようにインバータ回路１１を制御する。より具体的には、ＩＶ制御部１２は、次の周波数の制御を予め設定された所定の時間間隔で繰り返し実行している。この周波数の制御に当たって、ＩＶ制御部１２は、まず、電流測定部１６および電圧測定部１７それぞれから、それぞれで測定された交流電流の位相と交流電圧の位相とを取得し、電流測定部１６で測定された交流電流の位相と電圧測定部１７で測定された交流電圧の位相とを比較する。そして、この比較の結果、交流電流の位相が交流電圧の位相よりも遅れている場合には、直列で間接的に接続されている前記第１および第２コンデンサＱ１、Ｑ２の静電容量（合成静電容量）がその設計値（＝Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２））よりも大きくなっており、現在の周波数ｆｃ（初期値は前記ＬＣ直列共振回路における設計値の共振周波数ｆ０）が現状の回路の共振周波数より高いので、ＩＶ制御部１２は、よりも予め設定された所定の周波数△ｆだけ低くなるように、第１ないし第４ＭＯＳトランジスタ１１１〜１１４のオンオフを制御する。一方、前記比較の結果、交流電流の位相が交流電圧の位相よりも進んでいる場合には、前記第１および第２コンデンサＱ１、Ｑ２の前記合成静電容量がその設計値よりも小さくなっており、現在の周波数ｆｃが現状の回路の共振周波数より低いので、ＩＶ制御部１２は、現在の周波数ｆｃよりも前記所定の周波数ｆ△だけ高くなるように、第１ないし第４ＭＯＳトランジスタ１１１〜１１４のオンオフを制御する。

一具体例を挙げると、共振周波数ｆ０で駆動して共振状態である場合、図２Ａに示すように、回路に給電される交流電力における交流電流の位相と交流電圧の位相とは、同相である。ここで、送電側第１電極１４と受電側第１電極２２との互いの位置関係がずれたり、送電側第２電極１５と受電側第２電極２３との互いの位置関係がずれたりすることによって、前記第１および第２コンデンサＱ１、Ｑ２の前記合成静電容量が増加すると、図２Ｂに示すように、前記交流電流の位相は、前記交流電圧の位相よりも遅れる。そこで、ＩＶ制御部１２は、この遅れを取り戻して同相を実現するために、現在の周波数ｆｃよりも予め設定された所定の周波数△ｆだけ低くなるように、第１ないし第４ＭＯＳトランジスタ１１１〜１１４のオンオフを制御する。これを１または複数回繰り返すことによって、図２Ｃに示すように、前記交流電流の位相と前記交流電圧の位相とは、同相となり、再び、共振状態となる。一数値例では、前記合成静電容量Ｃｃが１０％増加すると、ｆ（１０％）＝１／（２×π×√（Ｌ×Ｃｃ×１．１））＝（１／（２×π×√（Ｌ×Ｃｃ）×√１．１）＝ｆ０×（１／√１．１）≒ｆ０×０９５３となるので、ＩＶ制御部１２は、共振周波数ｆ０を最終的に０．９５３倍にした周波数（＝０．９５３×ｆ０）の交流電力を給電することで、再び、共振状態にできる。例えば、仮に、共振周波数ｆ０が１［ＭＨｚ］である場合には、再共振するためには、周波数は、９５３［ｋＨｚ］になる。

以上説明したように、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムＭＳおよびその送電装置ＳＤは、互いに電界結合する送電側第１電極１４と受電側第１電極２２とで第１コンデンサＱ１を構成し、互いに電界結合する送電側第２電極１５と受電側第２電極２３とで第２コンデンサＱ２を構成し、これら第１および第２コンデンサＱ１、Ｑ２を磁界共振のＬＣ共振回路に利用するので、電界結合方式と磁界共振方式とをそれぞれ独立に並列で用いる場合よりも磁界共振方式専用のコンデンサを減らせるから、より少ない部品点数でワイヤレス電力伝送できる。上記ワイヤレス電力伝送システムＭＳおよび送電装置ＳＤは、磁界共振方式であるので、送電側コイルと受電側コイルとの結合係数が比較的低くても（小さくても）ワイヤレス電力伝送でき、同じコイルを用いた磁界共振方式と比較した場合に、電力伝送効率を向上できる。磁界共振方式を用いているので、送電側コイル１３と受電側コイル２１とは、互いに磁束が鎖交している限り、任意の形状で構成でき、後述の表１に示すように、その結合係数が０．５以下の低い値であってもワイヤレス電力伝送が可能である。

比較例を挙げて、より具体的に説明すると、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムＭＳと同じコイルを用いた磁界結合方式との比較結果は、表１に示されている。

図５は、比較例として、磁界共振方式のみを用いたワイヤレス電力伝送システムの構成を示す回路図である。比較例の磁界結合方式を用いたワイヤレス電力伝送システムＳＭｒは、送電側コンデンサ３１と、この送電側コンデンサ３１に直列に接続された送電側コイル３２とを備える送電装置ＳＤｒ、および、受電側コンデンサ４１と、この受電側コンデンサ４１に直列に接続された受電側コイル４２とを備える受電装置ＲＤｒを備える。

ここで、表１における１次側コイル、２次側コイル、１次側コンデンサ、２次側コンデンサは、それぞれ、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムＭＳでは送電側コイル１３、受電側コイル２１、送電側第１電極１４と受電側第１電極２２との第１コンデンサＱ１、および、送電側第２電極１５と受電側第２電極２３との第１コンデンサＱ２であり、比較例におけるワイヤレス電力伝送システムＭＳｒでは送電側コイル３２、受電側コイル４２、送電側コンデンサ３１、および、受電側コンデンサ４１である。

表１から分かるように、比較例の、磁界共振方式のみを用いたワイヤレス電力伝送システムＳＭｒの効率ηは、８９．７［％］であるが、本実施形態における電界結合方式と磁界共振方式とを併用したワイヤレス電力伝送システムＳＭの効率ηは、９６．５［％］であった。この例では、９６．５／５８．７≒１．０７５８であるから、同じ漏れインダクタンスと結合係数のコイルのみを用いた場合と較べて、７．５［％］以上の効率向上が見込まれる。

上記ワイヤレス電力伝送システムＭＳおよび送電装置ＳＤは、ＩＶ制御部１２を備えるので、送電側第１電極１４と受電側第１電極２２との位置関係が変化したり、送電側第２電極１５と受電側第２電極２３との位置関係が変化したりしても、磁界共振を維持でき、効率よくワイヤレス電力伝送できる。

上記ワイヤレス電力伝送システムＭＳは、送電側コイル１３が受電側コイル２１に対向するように配置されるので、適切に磁界共振結合でき、送電側第１電極１４が受電側第１電極２２に対向するように配置されるので、適切に電界結合できて適切に第１コンデンサＱ１を構成でき、送電側第２電極１５が受電側第２電極２３に対向するように配置されるので、適切に電界結合できて適切に第２コンデンサＱ２を構成できる。

図３は、ワイヤレス電力伝送システムを他の装置に適用した第１適用例を説明するための斜視図である。図４は、ワイヤレス電力伝送システムを他の装置に適用した第２適用例を説明するための斜視図である。

なお、上述の実施形態では、送電装置ＳＤおよび受電装置ＲＤは、それぞれ、それ自体の単体で構成されたが、機械装置等の他の装置に組み込まれても良い。例えば、前記装置は、装置本体と、前記装置本体に着脱可能であって前記装置本体に装着される場合には固定的に装着される着脱体とを備え、前記送電装置ＳＤは、前記装置本体に組み込まれ、前記受電装置ＲＤは、前記送電装置ＳＤに所定の間隔を空けて離間して対向するように前記着脱体に組み込まれる。これによって送電装置ＳＤの送電側第１電極１４と受電装置ＲＤの受電側第１電極２２とは、互いの位置関係を保持するように、配置され、前記送電装置ＳＤの送電側第２電極１５と前記受電装置ＲＤの受電側第２電極２３とは、互いの位置関係を保持するように、配置される。このため、前記第１および第２コンデンサＱ１、Ｑ２の各静電容量値が保持され、共振周波数ｆ０を保持し易い。このような前記装置本体として、例えば、建設機械本体や牽引車等が挙げられ、前記着脱体として建設機械のアタッチメントや前記牽引車に牽引される車両等が挙げられる。前記装置本体が前記牽引車であって前記着脱体が前記牽引車に牽引される車両である場合には、これらの接続部に送電装置ＳＤおよび受電装置ＲＤそれぞれが組み込まれることが好ましい。

一適用例では、装置Ｄａは、図３に示すように、前記送電装置ＳＤが組み込まれた装置本体ＭＢａと、前記受電装置ＲＤが組み込まれた着脱体ＡＴａとを備える。着脱体ＴＡａは、中空の略直方体形状を持つ箱形の第２ハウジングＨＳａ−２を備える。第２ハウジングＨＳａ−２の底板には、その一方半分に受電側第１および第２電極２２、２３が並べて配設され、その他方半分に受電側コイル２１が配設されている。装置本体ＭＢａは、第２ハウジングＨＳａ−２より一回り大きい、中空の略直方体形状を持つ箱形の第１ハウジングＨＳａ−１を備える。第１ハウジングＨＳａ−１の天板には、第２ハウジングＨＳａ−２の前記一方半分に対応する、その一方半分に送電側第１および第２電極１４、１５が並べて配設され、第２ハウジングＨＳａ−２の前記他方半分に対応する、その他方半分に送電側コイル１３が配設されている。第１ハウジングＨＳａ−１の前記天板を四周する４個の側壁板は、その高さが第１ハウジングＨＳａ−１の前記天板の外表面の高さより若干高くなっており、これら４個の側壁板で囲まれた矩形状の内周のサイズは、第２ハウジングＨＳａ−２の底部の外周のサイズと略同一となっている。これによって第１ハウジングＨＳａ−１には、前記天板と前記４個の側壁番とで凹所が形成されており、着脱体ＡＴａは、第２ハウジングＨＳａ−２の底部部分で、この凹所に対して着脱できるようになっている。このような構成の装置Ｄａでは、着脱体ＡＴａが装置本体ＭＢａに装着されると、送電装置ＳＤの送電側第１電極１４と受電装置ＲＤの受電側第１電極２２とは、互いの位置関係を保持するように、配置され、前記送電装置ＳＤの送電側第２電極１５と前記受電装置ＲＤの受電側第２電極２３とは、互いの位置関係を保持するように、配置される。

また例えば、前記装置は、装置本体と、前記装置本体に取り付けられる回転体とを備え、前記回転体は、前記装置本体に固定的に取り付けられる固定部と、前記固定部に回転可能に取り付けられる回転部とを備え、前記送電装置ＳＤは、前記装置本体に組み込まれ、前記受電装置ＲＤは、前記送電装置ＳＤに所定の間隔を空けて離間して対向するように前記固定部に組み込まれる。これによっても送電側第１電極１４と受電側第１電極２２とは、互いの位置関係を保持するように、配置され、送電側第２電極１５と受電側第２電極２３とは、互いの位置関係を保持するように、配置される。このため、前記第１および第２コンデンサＱ１、Ｑ２の各静電容量値が保持され、共振周波数ｆ０を保持し易い。このような前記装置本体として、例えば、風力発電装置や航空機等が挙げられ、前記着脱体として風車やプロペラ等が挙げられる。

一適用例では、装置Ｄｂは、図４に示すように、前記送電装置ＳＤが組み込まれた装置本体ＭＢｂと、前記受電装置ＲＤが組み込まれた着脱体ＡＴｂとを備える。装置本体ＭＢｂは、中空の略短高円柱形状を持つ箱形の第１ハウジングＨＳｂ−１を備える。第１ハウジングＨＳｂ−１の天板には、同心で互いに径の異なる円形形状の送電側コイル１３、送電側第１電極１４および送電側第２電極１５が外側から内側へ順次に並べて配設されている。着脱体ＴＡｂは、第１ハウジングＨＳｂ−１と略同じ大きさの、中空の略短高円柱形状を持つ箱形の第２ハウジングＨＳｂ−２を備える。第２ハウジングＨＳａ−２の底板には、同心で互いに径の異なる円形形状の受電側コイル２１、受電側第１電極２２および受電側第２電極２３が外側から内側へ順次に並べて配設されている。送電側コイル１３と受電側コイル２１とは、互いに略同径であり、送電側第１電極１４と受電側第１電極２２とは、互いに略同径であり、送電側第２電極１５と受電側第２電極２３とは、互いに略同径である。そして、第１ハウジングＨＳｂ−１の天板外面には、送電側コイル１３、送電側第１電極１４および送電側第２電極１５と同心で、円環状（リング状、ドーナツ状）の図略の凸条体（または凹条体）が形成されおり、第２ハウジングＨＳｂ−２の底板外面には、受電側コイル２１、受電側第１電極２２および受電側第２受電極２３と同心であって前記凸条体（または凹条体）と略同径で、前記凸条体（または凹条体）に嵌り込む、円環状の図略の凹条体（または凸条体）が形成されている。着脱体ＡＴｂは、その前記凹条体（または凸条体）が第１ハウジングＨＳｂ−１の天板外面に形成された前記凸条体（または凹条体）と係脱することで、着脱できるようになっている。このような構成の装置Ｄｂでは、着脱体ＡＴｂが装置本体ＭＢｂに装着されると、第１ハウジングＨＳｂ−１の前記凸条体（または凹条体）と第２ハウジングＨＳｂ−２の前記凹条体（または凸条体）と係合しながら回転でき、回転している場合でも、送電装置ＳＤの送電側第１電極１４と受電装置ＲＤの受電側第１電極２２とは、互いの位置関係を保持するように、配置され、前記送電装置ＳＤの送電側第２電極１５と前記受電装置ＲＤの受電側第２電極２３とは、互いの位置関係を保持するように、配置される。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

ＳＭ、ＳＭｒ ワイヤレス電力伝送システム
ＢＶ 電源
ＬＤ 負荷
１１ インバータ部
１２ ＩＶ制御部
１３、３２ 送電側コイル
１４ 送電側第１電極
１５ 送電側第２電極
１６ 電流測定部
１７ 電圧測定部
２１、４２ 受電側コイル
２２ 受電側第１電極
２３ 受電側第２電極
２４ 整流部
３１ 送電側コンデンサ
４１ 受電側コンデンサ

Claims (5)

1. 受電装置へ電力をワイヤレスで伝送するワイヤレス電力伝送システムの送電装置であって、
   前記受電装置の受電側コイルと磁界共振で結合する送電側コイルと、
   前記受電装置の受電側第１および第２電極それぞれと電界結合する送電側第１および第２電極と、
   前記送電側コイルおよび前記送電側第１および第２電極に、前記磁界共振する周波数で交流電力を供給する交流電力供給部とを備える、
   ワイヤレス電力伝送システムの送電装置。
2. 前記磁界共振を維持するように前記交流電力供給部を制御する制御部をさらに備える、
   請求項１に記載のワイヤレス電力伝送システムの送電装置。
3. 送電装置と受電装置とを備え、前記送電装置から前記受電装置へ電力をワイヤレスで伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、
   前記受電装置は、受電側コイルと、受電側第１および第２電極とを備え、
   前記送電装置は、請求項１または請求項２に記載の送電装置である、
   ワイヤレス電力伝送システム。
4. 前記送電装置における送電側コイル、送電側第１電極および送電側第２電極それぞれは、前記受電装置における受電側コイル、受電側第１電極および受電側第２電極それぞれに対向するように配置される、
   請求項３に記載のワイヤレス電力伝送システム。
5. 前記送電装置の送電側第１電極と前記受電装置の受電側第１電極とは、互いの位置関係を保持するように、配置され、
   前記送電装置の送電側第２電極と前記受電装置の受電側第２電極とは、互いの位置関係を保持するように、配置される、
   請求項３または請求項４に記載のワイヤレス電力伝送システム。

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