JP5859346B2 - 非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法 - Google Patents

Description

本発明は、送電装置に具備された送電コイルと受電装置に具備された受電コイルを介して、非接触（ワイヤレス）で電力の伝送を行う非接触電力伝送システム及び非接触電力伝送方法に関する。

非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導（数１００ｋＨｚ）による電磁誘導型、電界または磁界共鳴を介したＬＣ共振間伝送による電界・磁界共鳴型、電波（数ＧＨｚ）によるマイクロ波送電型、あるいは可視光領域の電磁波（光）によるレーザ送電型が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導型である。これは簡易な回路（トランス方式）で実現可能であるなどの優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。

そこで、最近になって近距離伝送（〜２ｍ）が可能な電界・磁界共鳴型の電力伝送が注目を浴びてきた。このうち、電界共鳴型の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。この点から磁界共鳴型に対する注目度が上昇してきている。

図１０は、従来例の磁界共鳴を利用した非接触電力伝送システムの構成例の概略を示した正面図である。送電装置１は、ループコイル３ａと送電コイル４ａ（送電用共鳴コイルとして機能する）を組み合わせた送電コイルユニットを備えている。受電装置２は、ループコイル３ｂと受電コイル４ｂ（受電用共鳴コイルとして機能する）を組み合わせた受電コイルユニットを備えている。送電装置１のループコイル３ａには高周波電力ドライバー５が接続され、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）６の電力を送電可能な高周波電力に変換して供給する。受電装置２のループコイル３ｂには、整流器７を介して負荷として例えば充電池８が接続されている。

ループコイル３ａは、高周波電力ドライバー５から供給される電気信号により励起され、電磁誘導により送電コイル４ａに電気信号を伝送する誘電素子である。送電コイル４ａはループコイル３ａから出力された電気信号に基づいて磁界を発生させる。この送電コイル４ａは、共振周波数ｆ０＝１／｛２π（ＬＣ）^1/2｝（Ｌは送電側の送電コイル４ａのインダクタンスで、Ｃは浮遊容量を示す）において磁界強度が最大となる。送電コイル４ａに供給された電力は、磁界共鳴により受電コイル４ｂに非接触で伝送される。伝送された電力は、受電コイル４ｂから電磁誘導によりループコイル３ｂへ伝送され、整流器７により整流されて充電池８に供給される。この場合、送電コイル４ａと受電コイル４ｂの共振周波数は同一に設定される。

ここで、送電装置１と受電装置２との距離が異なると、送電コイル４ａと受電コイル４ｂの両コイル間の結合状態が変わり、電力伝送効率の周波数依存性が変化する。例えば、距離が離れていて結合状態が弱い場合には、図１１（ａ）に模式的に示すように、高周波電源５から見た電力伝送効率は１つのピークを持つ単峰特性となる。しかし、距離が近づいて結合係数が１に近くなると、相互インダクタンスの影響が大きくなり、図１１（ｂ）に模式的に示すように、２つの峰（ｆ０Ｌとｆ０Ｈ）を持つ双峰特性（密結合）となる。

即ち、送電コイル４ａと受電コイル４ｂを接近させると結合係数が０ではなくなり、相互インダクタンスＭの影響が出現し双峰特性となり、元々の共振周波数ｆ０から離れた２点でピークを持つ。逆に、コイル間の距離を離す等により結合係数が減少すると、２つのピークが接近し単峰特性となる。更に距離が離れて、結合係数が減少すると、単峰特性のままではあるが、磁力線の鎖交数が減少していくので電力を伝送する量が減少し、遂には電力伝送が不能となる。

このように、送電コイル４ａと受電コイル４ｂを近付けると双峰特性となるため、高周波電源５から元々の任意の周波数で電力を供給しても、その周波数は共振周波数ではなくなっており、応答が低下することにより伝送電力は低下することとなる。これは、コイル間の距離によって、送電側からの電力供給の効率が変化することを意味する。このような事態に対して、高周波電力の周波数が一定のままでは、共振点から離れているため高効率の電力伝送は不可能である。

そこで、特許文献１には、コイル間距離が変化しても常に最大の電力伝送効率が得られるように、複数の送電コイルと受電コイルを用い、結合係数が最大となる最大結合状態において、３以上の共鳴周波数を存在させる構成が開示されている。送電コイルと受電コイルとの間の使用可能距離範囲における距離の変化に対して、２以上の共鳴周波数が、順次、送電周波数に一致するように配置される。

少なくとも３つの異なる共鳴周波数を有しているために、全体として、共鳴する周波数帯域幅を広くすることができる。この結果、送電コイルと受電コイルとの間隔が変化して、３つの共鳴周波数が変化しても、共鳴周波数が、順次、送電周波数に一致するようになるので、伝送効率が低下することがない。

特開２０１１−２０５７５７号公報

特許文献１の構成の場合、存在する共鳴周波数が少ないと、送電コイルと受電コイル間の距離の変化に対して十分な電力伝送効率が得られない領域が存在する。これは、コイル間距離の変化量と隣り合う共鳴周波数の間隔との関係で決まる。このような問題点を解決するには、多数のコイルを配置する必要があり、結果的に装置コストが高くなる。また、種々のコイル間で磁気的に相互に影響し合い、その結果、電力伝送効率が低下する恐れがある。

また、送電周波数と臨界結合状態における受電コイルの自己共振周波数が一致していない為に、臨界結合状態となるコイル間距離において電力伝送効率が低くなってしまう、という問題もある。

本発明は、このような従来技術における問題点を解決するものであり、送電コイルからの電力伝送可能な距離を拡大させ、かつ臨界結合状態となるコイル間距離よりも短い領域（双峰特性領域）では、コイル間距離に対応して安定な電力伝送を可能とする非接触電力伝送装置、及び非接触電力伝送方法を提供することを目的とする。

本発明の非接触電力伝送装置は、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する。

上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送装置は、補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置と、前記補助共振器の共振周波数を調整する共振制御部と、前記受電コイルと前記補助コイルのコイル間距離を一定に維持する連結支持機構とを更に備え、前記送電装置と前記送電補助装置とを対向させて前記送電コイルと前記補助コイルの間に形成される受電空間に前記受電コイルを配置して電力伝送を行うように構成され、前記共振制御部は、前記送電コイルと前記補助コイルの間の軸方向におけるコイル間距離に応じて前記補助共振器の共振周波数を調整することにより、前記送電装置から前記受電装置へ供給される受電パワーを最適化し、前記共振制御部は、前記送電共振器と前記補助共振器との電磁結合状態が双峰特性状態（密結合状態）となる前記コイル間距離内において、前記送電共振器と前記補助共振器が構成する送電側共振系の共振周波数ｆｔが、前記受電共振器の共振周波数ｆ２に近接する向きに、前記補助共振器の共振周波数ｆ３を調整することを特徴とする。

また、本発明の非接触電力伝送方法は、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを用い、前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する方法であって、補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に用い、前記受電コイルと前記補助コイルのコイル間距離を一定に維持しながら、前記送電装置と前記送電補助装置とを対向させて前記送電コイルと前記補助コイルの間に形成される受電空間に前記受電コイルを配置して電力伝送を行い、前記送電コイルと前記補助コイルの間の軸方向におけるコイル間距離に応じて前記補助共振器の共振周波数を調整することにより、前記送電装置から前記受電装置へ供給される受電パワーを最適化し、前記補助共振器の共振周波数を調整する共振制御部は、前記送電共振器と前記補助共振器との電磁結合状態が双峰特性状態（密結合状態）となる前記コイル間距離内において、前記送電共振器と前記補助共振器が構成する送電側共振系の共振周波数ｆｔが、前記受電共振器の共振周波数ｆ２に近接する向きに、前記補助共振器の共振周波数ｆ３を調整することを特徴とする。

本発明によれば、共振補助装置を設け、補助コイルと受電コイル間の距離を一定に維持した状態で電力伝送を行うことにより、送電コイルと受電コイルとの距離が変化した場合においても、安定した電力伝送が可能である。しかも、送電コイルと補助コイルの間の距離に応じて補助共振器の共振周波数を調整することにより、臨界結合状態となる送電コイルと補助コイルの間の距離よりも短い領域（双峰特性領域）でも、安定な電力伝送が可能である。

実施の形態１における非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図 同非接触電力伝送装置の送電側共振系のＶＮＡ測定を行うための各要素装置の配置を示す模式断面図 同非接触電力伝送装置の送電側共振系の図２Ａの配置でのＶＮＡ測定の結果得られた補助共振器の共振周波数ｆ３に対する応答を示すグラフ 同非接触電力伝送装置の送電側共振系の図２Ａの配置でのＶＮＡ測定の結果得られた補助共振器の共振周波数ｆ３＝９ＭＨｚに対する応答の出力波形図 同補助共振器の共振周波数ｆ３＝１２．１ＭＨｚに対する応答の出力波形図 同補助共振器の共振周波数ｆ３＝１６ＭＨｚに対する応答の出力波形図 同非接触電力伝送装置のＶＮＡ測定を行うための各要素装置の配置を示す模式断面図 同非接触電力伝送装置の図３Ａの配置でのＶＮＡ測定の結果得られた電力伝送効率の共振周波数ｆ３に対する依存性を示すグラフ 同非接触電力伝送装置における送電共振器、受電共振器、及び補助共振器の共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の関係の設定例に対する、送電側共振系の共振周波数ｆｔＬ、ｆｔＨの関係を示す図 同非接触電力伝送装置における電力伝送のための各要素装置の配置を示す模式断面図 同非接触電力伝送装置の図５Ａの配置の場合の、コイル中心での送電コイルと受電コイル間の距離Ｘに対する、整流回路の出力電力Ｐの関係を示すグラフ 図１と同様な構成の同非接触電力伝送装置について、送電コイル−補助コイル間の距離Ｚを変化させて整流回路の出力電力Ｐを測定するための、各要素装置の配置を示す模式断面図 同非接触電力伝送装置の図６の配置で、補助コイル−受電コイル間の距離ａを５ｍｍに設定した測定の結果得られた、補助共振器の共振周波数ｆ３に対する整流回路の出力電力Ｐの関係を示すグラフ 図７に示す測定結果から得た、送電コイル−補助コイル間の距離Ｚに対する整流回路の出力電力Ｐのピーク値の関係を示すグラフ 図７に示す測定結果から得た、送電コイル−補助コイル間の距離Ｚに対する、各距離Ｚにおける出力電力Ｐが最大となる共振周波数ｆ３の関係を示すグラフ 従来技術における非接触電力伝送装置の構成を示す断面図 従来技術における結合状態の違い（送電コイルと受電コイル間の距離に対応）による電力伝送効率と周波数との関係を示した模式図

本発明の非接触電力伝送装置は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、前記送電コイルと前記受電コイルの間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送するように構成することができる。

また、前記共振制御部は、前記補助共振器の前記共振容量を調整することにより前記補助共振器の共振周波数を調整するように構成することができる。

また、前記受電装置に伝送された電力を検出する電力検出部を備え、前記共振制御部は、前記電力検出部の検出信号に基づいて前記補助共振器の共振周波数を調整するように構成することができる。

また、前記コイル間距離を検出する距離検出部を備え、前記共振制御部は、前記距離検出部の検出信号に基づいて前記補助共振器の共振周波数を調整するように構成することができる。

また、前記共振制御部は、前記送電共振器と前記補助共振器との電磁結合状態が双峰特性状態（密結合状態）となる前記コイル間距離内において、前記送電共振器と前記補助共振器が構成する送電側共振系の共振周波数ｆｔが、前記受電共振器の共振周波数ｆ２に近接する向きに、前記補助共振器の共振周波数ｆ３を調整する構成とすることができる。

また、前記送電コイルの直径ｄ１と、受電コイルの直径ｄ２と、補助コイルの直径ｄ３が、ｄ１＞ｄ２、かつｄ２＜ｄ３の関係を満足する構成とすることが好ましい。この関係を保っていれば、電力伝送可能距離の増大に効果的である。特に、ｄ１＝ｄ３の関係を満足することが好ましい。それにより、伝送効率特性（受電可能範囲の拡大など）の向上について大きな効果が得られる。もちろん、円形のコイルに限らず、四角形のコイル等をそれぞれ配置した形態でも、同様の効果は得られる。また、送電コイルの中心軸と、補助コイルの中心軸と、受電コイルの中心軸が、同一軸上にあることが好ましい。

また、前記受電コイルと前記補助コイルが共に平面コイルであり、かつ、両コイルの中心軸を同軸として同一平面上に配置し、更に前記受電コイルの直径ｄ２と、前記補助コイルの直径ｄ３が、ｄ２＜ｄ３であるように構成することができる。すなわち、補助コイルと受電コイルを同じ位置（距離ａ＝０ｍｍ）に配置しても良い。この場合、薄型化のために、両コイルとも平面コイルを用いて一体成形することによりコストダウンが図れる。この場合にも、補助コイルの直径の方を受電コイルの直径よりも大きくする必要がある。

また、前記送電共振器と前記補助共振器との電磁結合状態が双峰特性状態（密結合状態）となる前記コイル間距離内において、前記送電共振器の共振周波数ｆ１と、前記受電共振器の共振周波数ｆ２と、前記補助共振器の共振周波数ｆ３が、ｆ１＝ｆ２＜ｆ３、またはｆ３＜ｆ１＝ｆ２の関係になるように設定することができる。すなわち、本発明では、補助コイルの共振周波数ｆ３は、送電コイルの共振周波数ｆ１および受電コイルの共振周波数ｆ２とは異なる。特に、共振周波数ｆ３が最も大きい方が、電力伝送効率を大きくできる。

より好ましくは、前記送電コイルに電力を供給する為の高周波電力ドライバーの共振周波数をｆ０とした場合、ｆ０＝ｆ１＝ｆ２＜ｆ３となるように設定する。すなわち、高周波電力ドライバーの共振周波数ｆ０を共振周波数ｆ２と同じ周波数とすることにより、電力伝送効率を最も高くすることができる。送電コイルの共振周波数ｆ１もｆ０と同じ方が良い。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。各実施の形態は、本発明を具現化する為の一例を示したものであり、これに限定されるものではない。

＜実施の形態＞
図１は、一実施の形態における磁界共鳴型の非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図である。なお、図１０に示した従来例の非接触電力伝送装置と同様の要素については、同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを簡略化する。

この非接触電力伝送装置は、従来例の送電装置１と受電装置２に送電補助装置９を加えた構成を有し、送電装置１から受電装置２への電力伝送時には、受電装置２と送電補助装置９間の距離が一定に維持された状態で非接触電力伝送を行うように構成されている。送電装置１は、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）の電力を送電可能な高周波電力に変換して電力を伝送し、受電装置２は電力を受け取る。送電補助装置９は、電力伝送時における、送電装置１に関わる共振系の共振周波数を、受電装置２の共振系の共振周波数に対して、適切な関係に設定する機能を有する。

送電装置１は、少なくとも、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）６の電力を送電可能な高周波電力に変換する高周波電力ドライバー５、及び送電コイル４ａを備えている。場合によっては、送電用のループコイル（図１０の３ａ参照）を設けても良い。図示は省略するが、送電コイル４ａには共振容量が接続されて、送電共振器を構成している。共振容量としては、回路素子として可変コンデンサ（バリコンあるいはトリマコンデンサなど）あるいは固定コンデンサを接続してもよいし、浮遊容量を利用した構成としてもよい。なお、以下の記載においては、送電共振器の単独での共振周波数ｆ１を、図示との関係が判り易いように「送電装置１の共振周波数ｆ１」と記述する場合もある。

受電装置２には、少なくとも受電コイル４ｂとループコイル（図１０参照）が組合わされて配置されている。ループコイルで得られた電力は、少なくとも整流回路を経由して充電池に蓄えられる。受電用コイルには共振容量が接続されて、受電共振器を構成している。共振容量としては、回路素子として可変コンデンサ（バリコンあるいはトリマコンデンサなど）あるいは固定コンデンサを接続してもよいし、浮遊容量を利用した構成としてもよい。なお、以下の記載においては、受電共振器の単独での共振周波数ｆ２を、図示との関係が判り易いように「受電装置２の共振周波数ｆ２」と記述する場合もある。

送電補助装置９は、補助コイル１０と共振容量としての調整用コンデンサ１１を有し、両要素により補助共振器が構成されている。なお、以下の記載においては、補助共振器の単独での共振周波数ｆ３を、図示との関係が判り易いように「送電補助装置９の共振周波数ｆ３」と記述する場合もある。調整用コンデンサ１１は、可変コンデンサ（バリコンあるいはトリマコンデンサなど）を用いて、常に再調整可能となっている。

上述の、送電装置１に関わる共振系とは、送電コイル４ａと補助コイル１０の結合により、送電コイル４ａを含む送電共振器と補助コイル１０を含む補助共振器によって構成される共振系であり、これを送電側共振系と称する。また、送電側共振系の共振周波数をｆｔと記述する。

本実施の形態においては、図１に示したように、受電装置２の受電コイル４ｂと補助共振装置９の補助コイル１０とは、連結支持機構１２により相互間の距離が一定に維持されるように構成されている。連結支持機構１２は、両コイルを機械的に固定してコイル間距離を維持する構成としても良いし、両コイル同士を固定しない状態でコイル間の距離だけ維持されるように支持する構成とすることもできる。この時、送電補助装置９と送電装置１を向かい合わせて配置することが、高い電力伝送効率を得るためには好ましい。

また、受電装置２と調整用コンデンサ１１を連携させるための電力検出部１３と容量制御部１４が設けられている。電力検出部１３は、受電装置２に伝送された電力値を検出する。容量制御部１４は、電力検出部１３の出力値に応じて調整用コンデンサ１１の容量を調整する制御を行う。調整用コンデンサ１１の容量の調整の詳細については、図２以降を参照した説明により明確にする。

調整用コンデンサ１１の容量の調整は、送電コイル４ａの軸方向に補助コイル１０が移動した場合に、補助共振器の共振周波数を調整して、送電装置１から受電装置２へ供給される受電パワーを最適化するために行われる。すなわち、電力検出部１３は、受電装置２に伝送された電力値に基づき、コイル間の距離の変化を間接的に検出するために用いられる。

従って、電力検出部１３に代えて、送電コイル４ａと、補助コイル１０または受電コイル４ｂの間の距離を検出する距離検出装置を用いることもできる。すなわち、容量制御部１４は、距離検出装置が検出する距離の変化に応じて補助共振器の共振周波数を調整するために、調整用コンデンサ１１の容量を調整する。距離検出装置は、図示を省略するが、光学的な測距装置、画像認識による測距装置等、どのようなものを用いてもよい。

補助共振器の共振周波数を調整する方法は、調整用コンデンサ１１の容量を調整する方法に限られない。すなわち、容量制御部１４に代えて、他の方法に基づく共振制御部により補助共振器の共振周波数を調整する制御を行うことも可能である。

また図示は省略されているが、送電補助装置９には、必要に応じて送電コイル４ａの反射電力、共振周波数、流れる電流、あるいは電圧などをモニターする手段や、送電装置１、受電装置２及び送電補助装置９の相互間で情報のやり取りをするための回路等を含むことができる。そのような構成を採用する場合は、調整用コンデンサ１１を可変コンデンサ（バリコンあるいはトリマコンデンサなど）とし、容量値を自動的に制御可能とすることもできる。

次に、本実施の形態の特徴である送電補助装置９の機能について、より詳細に説明する。図１に示した非接触電力伝送装置の構成によれば、送電補助装置９が無い場合に比べて、後述するように、電力伝送可能距離を拡大させるなどの効果が得られる。これは、送電コイル４ａに対して補助コイル１０を対向配置することにより、送電コイル４ａからの磁束の到達距離が長くなるためと思われる。

一方、図１に示したような構成においては、送電装置１の共振周波数は、補助コイル１０の磁気的な影響を受けて、初期に設定した単独の共振周波数ｆ１とは異なっている。しかし、補助コイル１０に接続される調整用コンデンサ１１の容量値Ｃを調整して送電補助装置９の共振周波数ｆ３を適切に設定することにより、送電側共振系の共振周波数ｆｔを受電装置２の共振周波数ｆ２と一致させることができる。これにより、送電コイル４ａからの電力伝送効率を実用上十分な程度に維持して、電力伝送可能距離を拡大させるなどの効果が得られる。

調整用コンデンサ１１の容量値Ｃの設定は、共振周波数ｆｔが共振周波数ｆ２と一致するように行うことが望ましいが、完全に一致させなくとも相応の効果が得られる。すなわち、送電側共振系の共振周波数ｆｔのピークが、送電装置１の共振周波数ｆ１と比べて、受電装置２の共振周波数ｆ２に近づくように、送電補助装置９の共振周波数ｆ３を設定すればよい。このような調整による効果を十分に得るためには、送電補助装置９を構成する補助コイル１０は、送電コイル４ａの形状とほぼ同じとし、両者のコイルの中心軸もほぼ同軸に配置することが望ましい。

但し、電力伝送可能距離の増大等の効果は、例えば、送電コイル４ａの直径をｄ１、受電コイル４ｂの直径をｄ２、補助コイル１０の直径をｄ３とした時、ｄ１＞ｄ２、かつｄ２＜ｄ３の関係を満足すれば、相応に得られる。これは、送電コイル４ａの直径ｄ１が受電コイル４ｂの直径ｄ２よりも大きければ、補助コイル１０との間の磁束を利用することができ、また、補助コイル１０の直径ｄ３が受電コイル４ｂの直径ｄ２よりも大きければ送電コイル４ａとの間の磁束を利用することができるためである。

ここで、補助コイル１０の影響を調べる為に、微小電力によるＶＮＡ（ベクトルネットワークアナライザ）による測定を行った結果について説明する。送電装置１の共振周波数ｆ１、受電装置２の共振周波数ｆ２は、共振容量として設けられた固定コンデンサの容量値により設定した。具体的には、ｆ１＝ｆ２＝１２.１ＭＨｚとした。

先ず、送電補助装置９の共振周波数ｆ３を変化させたときの、送電側共振系の共振周波数の変化を調べた結果を示す。図２Ａに、各コイルの配置の一例を示す。すなわち、送電コイル４ａと補助コイル１０を対向させて３０ｍｍ長さの受電空間を形成するように配置し、ループコイル３ａにＶＮＡ１５を接続した。また、補助コイル１０には調整用コンデンサとしてトリマコンデンサ１１ａを接続し、共振周波数ｆ３を可変とした。

この配置によるＶＮＡ測定の結果を、図２Ｂに示す。図２Ｂは、横軸に送電補助装置９の共振周波数（補助共振器単体での共振周波数）ｆ３をとり、縦軸にＶＮＡ測定によって得られた送電側共振系の共振周波数ｆｔの値をプロットしたものである。また、共振周波数ｆ３が、（ａ）９ＭＨｚ、（ｂ）１２．１ＭＨｚ及び（ｃ）１６ＭＨｚの場合に得られたＶＮＡ測定の出力波形図を、それぞれ、図２Ｃ（ａ）〜図２Ｃ（ｃ）に示す。

例えば、ｆ３をｆ１と同じ共振周波数（１２.１ＭＨｚ）に調整した場合には、図２Ｃ（ｂ）の波形図に示すように、約１２.１ＭＨｚを中心にして二つの共振周波数が現れる（密結合：双峰特性）。低周波側の左の共振周波数をｆｔＬ、高周波側の右の共振周波数をｆｔＨと記述する。図２Ｂには、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する特性線と、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する特性線が記載されている。本発明では双峰特性になる条件で効果が大きい。

図２Ｃ（ｂ）の状態から補助共振器単体で共振周波数ｆ３を２０ＭＨｚまで変化させていくと、図２Ｂに示すように、低周波側の共振周波数ｆｔＬは徐々に高周波側へシフトして、最終的にはｆ１やｆ２と同じ１２．１ＭＨｚに近づいていき、図２Ｃ（ｃ）に示すように、信号も大きくなってくる。高周波側の共振周波数ｆｔＨも段々と高周波側へシフトしていき、出力信号は小さくなりゼロに近づいていく。

一方、図２Ｃ（ｂ）の状態から共振周波数ｆ３を低周波側へ５ＭＨｚまで変化させていくと、図２Ｂに示すように、高周波側の共振周波数ｆｔＨは徐々に低周波側へシフトして、最終的にはｆ１と同じ１２．１ＭＨｚに近づいてゆく。但し、信号は低周波側の共振周波数ｆｔＬの場合に比べると、図２Ｃ（ａ）に示すように、あまり大きくはならない。低周波側の共振周波数ｆｔＬも段々と低周波側へシフトしていき、出力信号は小さくなりゼロに近づいていく。

次に、図３Ａに示す各コイルの配置により、送電補助装置９の共振周波数ｆ３を変化させたときの電力伝送効率の変化を調べた結果を示す。図３Ａの配置は、図２Ａの配置における送電コイル４ａと補助コイル１０の間の受電空間中に、受電コイル４ｂとループコイル３ｂを配置したものである。ループコイル３ａ、３ｂにＶＮＡ１５を接続した。なお、ここで言う電力伝送効率とは、送電コイル４ａと受電コイル４ｂ間での数値であり、回路などの効率は含まない。

この配置によるＶＮＡ測定結果を図３Ｂに示す。図３Ｂにも、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する特性線と、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する特性線が記載されている。図３Ｂから判るように、例えば、ｆ１＝ｆ２＝ｆ３＝１２.１ＭＨｚの場合（矢印で示す）には、電力伝送効率は約４４％と小さい。ｆ３をこれよりも大きくしていくと、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する電力伝送効率も大きくなっていく。ｆ３＝１６ＭＨｚの場合には約６４％の電力伝送効率が得られる。

以上のように、送電補助装置９の共振周波数ｆ３をｆ１及びｆ２よりも大きくすることにより、電力伝送時の共振周波数ｆｔを共振周波数ｆ２に近づけることができ、それにより、その時の電力伝送効率も大きくできる。

一方、共振周波数ｆ３を低周波側へ変化させていくと、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する電力伝送効率が大きくなっていく。ｆ３＝５ＭＨｚの場合には約４６％の電力伝送効率が得られる。但し、低周波側の共振周波数ｆｔＬに対応する電力伝送効率の最大領域に比べると、高周波側の共振周波数ｆｔＨに対応する電力伝送効率の最大領域における値は小さい。

図４は、共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の関係の設定例に対する、送電側共振系の共振周波数ｆｔの関係を示す図である。ｆ２＝ｆ１に設定する場合を示す。この場合、（ａ）に示すようにｆ１＞ｆ３の範囲でｆ３を適切に設定することにより、ｆｔＨをｆ２に一致させ、あるいは十分に近接させることができる。ｆｔＨをｆ２に十分に近接させるとは、共振周波数ｆｔがｆ２に一致している場合と実用上同等の電力伝送効率が得られる程度まで、共振周波数ｆｔがｆ２に近接している状態にすることを意味する。なお、以下の記載において、共振周波数ｆｔがｆ２に一致しているとは、共振周波数ｆｔがｆ２に十分に近接している場合も含むものとする。

図４（ｂ）は、上述のように、ｆ１＝ｆ２＝ｆ３に設定することにより、ｆｔがｆ２に一致しない場合を示す。また、（ｃ）に示すようにｆ１＜ｆ３の範囲でｆ３を適切に設定することにより、ｆｔＬをｆ２に一致させることができる（上述の例）。

以上のように、送電補助装置９の共振周波数ｆ３が受電装置２の共振周波数２と異なっていれば（ｆ３≠ｆ２）、送電側共振系の共振周波数ｆｔをｆ２に一致させる相応の効果が得られる。但し、ｆ３＞ｆ２の関係を満足することが好ましい。また、電力伝送効率を高くするためには、高周波電力ドライバー５の共振周波数ｆ０は、ｆ０＝ｆ２とすることが好ましく、より好ましくは、ｆ０＝ｆ１＝ｆ２＜ｆ３である。

次に、実際の受電装置２として、充電池８を含む装置を用いた場合について説明する。図５Ａは、電力伝送を行うための各要素装置の配置を示す模式断面図である。同図には、送電コイルユニットが送電コイル４ａのみを備えた場合が示されている。場合によっては、送電用のループコイル３ａを設けても良い。受電コイルユニットとして、受電コイル４ｂとループコイル３ｂが組合わされて配置されている。ループコイル３ｂで得られた電力は、少なくとも整流回路７を経由して充電池８に蓄えられる。

充電池８として小型電池（薄型コイン電池など）を用いた場合には、ループコイル３ｂと充電池８を重ね合わせて設置面積を小さくすることが好ましい（例えば、コイルオン電池など）。この場合、ループコイル３ｂから充電池８に磁束が漏れて渦電流が発生し損失（渦電流損）となるので、このループコイル３ｂと充電池８の間に、伝送時の共振周波数において高透磁率を有する電波吸収体１６を配置することが望ましい。この場合、トータルの厚さを薄くするために、電波吸収体１６を挟んでループコイル３ｂと充電池８とを密着させても良い。充電池８と一体化しない場合においても、ループコイル３ｂの後ろ側に電波吸収体１６を配置した方が、電力伝送効率は高くなるので好ましい。

本実施の形態では、送電装置１における送電コイル４ａは、図１０に示したものと機能は同じであるが、薄型化のために、直径１ｍｍ程度のＣｕコイル（被覆あり）を同一平面上にスパイラル状に巻いた平面コイルを用いる。更に、受電装置２におけるループコイル３ｂと受電コイル４ｂは、図１０に示したものと機能は同じであるが、小型化のために、厚さ０．４ｍｍの薄型プリント基板に、厚さ７０μｍ程度のＣｕ箔を同一平面上にスパイラル状に形成した薄膜コイルにより構成する。電力伝送する必要電力に応じて、送電コイルや補助コイルまた受電コイルの形状を変えてもよい。電気自動車などの数ｋＷ必要な場合には、送電コイル直径を２０ｃｍ以上としても良い。また、コイルの巻き方として外周密巻（空芯コイル）や中心部まで外周から疎巻状態で巻くなど目的に応じて変えれば良い。

図５Ｂは、図５Ａの配置での測定によって得られた、コイル中心での送電コイル４ａと受電コイル４ｂ間の距離Ｘと、整流回路７の出力電力Ｐとの関係を示すグラフである。ここでの固有の共振周波数は、送電コイル４ａを１３．６ＭＨｚ、受電コイル４ｂを１３．６ＭＨｚとした。コイル中心での送電コイル４ａと補助コイル１０間の距離Ｚを５０ｍｍで固定とした。ここでは受電コイル４ｂの位置に応じた出力電力Ｐの変化を調べる為に、受電コイル４ｂを送電コイル４ａの中心位置における受電空間内で移動させた。また、補助コイル１０に接続したトリマコンデンサ１１ａ（調整用コンデンサ１１）の容量値を変えることにより、送電補助装置の共振周波数ｆ３を、１２ＭＨｚ、１３ＭＨｚ、１３.６ＭＨｚ、１４ＭＨｚ、及び１５ＭＨｚにそれぞれ設定し、各ｆ３について測定を行った。

この結果、ｆ３が１３ＭＨｚの時には、受電コイル４ｂが距離Ｘ＝約３０ｍｍに位置する場合に整流回路７の出力電力Ｐが最低となることが判る。また、ｆ３が１５ＭＨｚの時には、距離Ｘが大きくなるのに従って整流回路７の出力電力Ｐが低下していくことが判る。また、送電補助装置の共振周波数ｆ３が、高周波電力ドライバー５の共振周波数ｆ０（１３.５６ＭＨｚ）に近い共振周波数（１３.６ＭＨｚ）の時には、距離Ｘが小さい領域で整流回路７の出力電力Ｐが最も小さく、これよりも距離Ｘが大きくなるに従って整流回路７の出力電力Ｐが上昇していくことがわかる。

更に、送電補助装置の共振周波数ｆ３が１４ＭＨｚの時には、受電空間内に受電コイル４ｂがあれば、整流回路７の出力電力Ｐが高いままで一様な値が得られる、即ち、送電コイル−補助コイル間の距離Ｚが一定の場合、送電補助装置の共振周波数ｆ３を適度な値にすることにより、受電コイル４ｂの位置が変わっても安定な受電パワーが得られることになる。このように送電補助装置の共振周波数ｆ３を任意に選ぶことにより、受電空間内の電力伝送状態を制御できることがわかる。

ところで、実際の生活においては、送電コイル−補助コイル間の距離Ｚがいつも一定ではなく、場合によっては距離Ｚが変化することも想定される。この場合においても、補助コイル１０に取り付けた調整用コンデンサ１１を調整し、各距離Ｚで最適な送電補助装置の共振周波数ｆ３（以後、共振周波数ｆ３と呼ぶ）に設定することにより、送電コイル４ａと受電コイル４ｂ間の距離Ｘによらず、受電コイル４ｂへの安定な電力伝送が可能である。

しかし、距離Ｚが変化する度に、距離Ｘによらず受電コイル４ｂへの安定な電力伝送を行うための最適な共振周波数ｆ３を求めることは煩雑である。そこで、本実施の形態では、受電コイル４ｂが存在する位置のみに対応させて整流回路７の出力電力Ｐが最大となる共振周波数ｆ３を求める。これは、受電コイル４ｂと補助コイル１０との中心間距離を一定に維持すれば、距離Ｚに対応させて最適な共振周波数ｆ３を求めることと同等である。そこで、送電装置２と送電補助装置９との距離を近付けて、受電コイル４ｂと補助コイル１０とのとの中心間の距離（以下、距離ａと呼ぶ）が一定となるようにした状態で、電力伝送実験を行った。ここでは、受電装置２の共振周波数ｆ２は任意の値（例えばｆ０と同じ１３.５６ＭＨｚ）で固定しており、以降の実験でも同様である。

図６に、実験を行った際の非接触電力伝送装置の構成を示す。構成要素は図５Ａに示したものと同様であるが、連結支持機構１２により、受電コイル４ｂと補助コイル１０の相互間の距離を一定に維持した。ここでは、送電コイル４ａと受電コイル４ｂ間の距離Ｘが、受電コイル４ｂと補助コイル１０間の距離ａよりも大きく離れた状態（例えば電気自動車への給電等）で電力伝送を行うことを想定して、距離ａを小さくした場合での特性を調べた。

受電コイル４ｂと補助コイル１０間の距離ａは、５ｍｍに維持した（距離Ｚが変化しても距離ａは変わらない）。連結支持機構１２は、受電コイル４ｂと補助コイル１０とを機械的に動かないように直接固定する構成、あるいは、それぞれ別の固定用治具を用いて距離だけを固定する構成等を採ることができるが、本実験では、テープによりコイル同士を機械的に固定した。距離Ｚを２０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲の任意の間隔とし、それぞれの距離Ｚについて、共振周波数ｆ３を変えた場合の整流回路７の出力電力Ｐの値を測定した。

図７は、図６の配置で測定を行ったときの、共振周波数ｆ３と整流回路７の出力電力Ｐとの関係を示したものである（パラメータとして距離Ｚを変えている）。この結果から、各距離Ｚに対応して出力電力Ｐが最大となる共振周波数ｆ３が存在し、距離Ｚが小さいほど出力電力Ｐの共振周波数ｆ３のマージンが広いことが分かる。例えば、距離Ｚが３０ｍｍの場合、２００ｍＷの出力電力Ｐを得ようとすると、共振周波数ｆ３を１５.５ＭＨｚから２４ＭＨｚの間（マージン約８.５ＭＨｚ）に設定すれば良いが、距離Ｚが４０ｍｍの場合、２００ｍＷの出力電力Ｐを得ようとすると、共振周波数ｆ３を１３.５ＭＨｚから１６ＭＨｚの間（マージン２.５ＭＨｚ）に設定する必要がある。

図８は、図７の結果から、各距離Ｚについて、整流回路７の出力電力Ｐが最大となった時の、出力電力Ｐの測定値をグラフ化したものである。この図のように、各距離Ｚでの整流回路の出力電力Ｐのピーク値は、臨界結合状態となる距離Ｚ＝５０ｍｍ付近を境にして、距離Ｚが大きくなると単峰特性となり小さくなっていく。

これに対して、臨界結合状態となる距離Ｚ＝５０ｍｍ付近よりも距離Ｚが小さくなると、双峰特性（密結合状態）となると同時に、少しずつ連続的に整流回路７の出力電力Ｐが増大していく。この結果からも、距離Ｚが臨界結合状態となる値よりも小さい場合は、共振周波数ｆ３を最適化することにより良好な電力伝送が行えることがわかる。従来技術では、双峰特性となる距離Ｚの領域内において、任意の距離Ｚにおける共振周波数と送電周波数とが異なる場合には、整流回路の出力電力Ｐが小さくなる問題が生じるが、本発明では図８に示すようにその問題はない。

図９は、図７の結果から、各距離Ｚに対する、各距離Ｚにおける整流回路の出力電力Ｐが最大となる共振周波数ｆ３の関係をグラフ化したものである。この図のように、臨界結合状態となる距離Ｚ＝５０ｍｍ付近では、共振周波数ｆ３の調整幅が小さいために共振周波数ｆ３の周波数変化が少ない。しかし、送電コイル４ａと補助コイル１０間の距離がＺ近づいていくと、双峰特性となると同時に二つの共振周波数間の差が大きくなり、最大の出力電力Ｐを得る為には、トリマコンデンサ１１ａを調整して共振周波数ｆ３を大きくしていく必要があることが分かる。

以上のとおり、送電補助装置９を付加して送電側共振系を構成し、受電空間内に受電装置を配置する構成とすることにより、電力伝送可能な距離を増大させ、送電コイル４ａと補助コイル１０（受電コイル４ｂ）の距離Ｚが変化しても、安定な電力伝送が可能となる。従って、距離の変化に対応するために送電コイルを多数設ける必要が無い。また、距離Ｚに応じて補助共振器の共振周波数を調整して、送電装置１から受電装置２へ供給される受電パワーを最適化するように制御するので、臨界結合状態となる距離Ｚよりも短い領域（双峰特性領域）でも、距離Ｚに対応して安定な電力伝送が可能である。

上述の実験では、距離ａを５ｍｍとしたが、距離ａを適宜変えても、同様の結果が得られる。例えば、補助コイル１０と受電コイル４ｂのみを同じ位置（距離ａ＝０ｍｍ）に配置しても良い。この場合、薄型化のために、両コイルとも平面コイルを用いて一体成形することによりコストダウンが図れる。この場合にも、補助コイル１０の直径を受電コイル４ｂの直径よりも大きくする必要がある。即ち、受電コイル４ｂと補助コイル１０が共に平面コイルであり、かつ、両コイルの中心軸を同じとして同一平面上に配置し、更に受電コイル４ｂの直径ｄ２と、補助コイル１０の直径ｄ３を、ｄ２＜ｄ３の関係に設定する。

本実施の形態のような形態は、電気自動車への給電にも応用できる。この場合には、車両に乗っている人数や積んでいる荷物の量、あるいはタイヤの空気圧の変化などに起因して、送電コイルから受電コイルまでの距離Ｘが当初設定していた距離Ｘと異なったとしても、給電時の距離Ｘにおける送電補助装置の共振周波数ｆ３を最適な値に調整することにより、整流回路の出力電力Ｐを最大にすることができる。

このように本発明によれば、送電コイルと受電コイルとの距離が変化した場合においても、補助コイルに取り付けた調整用コンデンサの調整のみで安定な電力伝送が可能であり、更に受電装置内及び送電装置内に共振周波数を調整する手段を設けなくて良いことから、送電装置及び受電装置の低コスト化が可能となる。

本発明の非接触電力伝送装置は、送電コイルと受電コイルとの距離が変化しても安定な電力伝送が可能であって、送電コイルを多数設ける必要が無いので、自動車、バス、電車のような電気車両等への適用に好適である。

１ 送電装置
２ 受電装置
３ａ、３ｂ ループコイル
４ａ 送電コイル
４ｂ 受電コイル
５ 高周波電力ドライバー
６ 交流電源
７ 整流回路
８ 充電池
９ 送電補助装置
１０ 補助コイル
１１ 調整用コンデンサ
１１ａ トリマコンデンサ
１２ 連結支持機構
１３ 電力検出部
１４ 容量制御部
１５ ＶＮＡ
１６ 電波吸収体

Claims (11)

1. 送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
   補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置と、
   前記補助共振器の共振周波数を調整する共振制御部と、
   前記受電コイルと前記補助コイルのコイル間距離を一定に維持する連結支持機構とを更に備え、
   前記送電装置と前記送電補助装置とを対向させて前記送電コイルと前記補助コイルの間に形成される受電空間に前記受電コイルを配置して電力伝送を行うように構成され、
   前記共振制御部は、前記送電コイルと前記補助コイルの間の軸方向におけるコイル間距離に応じて前記補助共振器の共振周波数を調整することにより、前記送電装置から前記受電装置へ供給される受電パワーを最適化し、
   前記共振制御部は、前記送電共振器と前記補助共振器との電磁結合状態が双峰特性状態（密結合状態）となる前記コイル間距離内において、前記送電共振器と前記補助共振器が構成する送電側共振系の共振周波数ｆｔが、前記受電共振器の共振周波数ｆ２に近接する向きに、前記補助共振器の共振周波数ｆ３を調整することを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記送電コイルと前記受電コイルの間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送するように構成された請求項１記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記共振制御部は、前記補助共振器の前記共振容量を調整することにより前記補助共振器の共振周波数を調整するように構成された請求項１または請求項２記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記受電装置に伝送された電力を検出する電力検出部を備え、
   前記共振制御部は、前記電力検出部の検出信号に基づいて前記補助共振器の共振周波数を調整するように構成された請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。
5. 前記コイル間距離を検出する距離検出部を備え、
   前記共振制御部は、前記距離検出部の検出信号に基づいて前記補助共振器の共振周波数を調整するように構成された請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。
6. 前記送電コイルの直径ｄ１と、受電コイルの直径ｄ２と、補助コイルの直径ｄ３が、ｄ１＞ｄ２、かつｄ２＜ｄ３の関係を満足する請求項１記載の非接触電力伝送装置。
7. ｄ１＝ｄ３の関係を満足する請求項６記載の非接触電力伝送装置。
8. 前記受電コイルと前記補助コイルが共に平面コイルであり、かつ、両コイルの中心軸を同軸として同一平面上に配置し、更に前記受電コイルの直径ｄ２と、前記補助コイルの直径ｄ３が、ｄ２＜ｄ３である請求項１記載の非接触電力伝送装置。
9. 前記送電共振器と前記補助共振器との電磁結合状態が双峰特性状態（密結合状態）となる前記コイル間距離内において、前記送電共振器の共振周波数ｆ１と、前記受電共振器の共振周波数ｆ２と、前記補助共振器の共振周波数ｆ３が、ｆ１＝ｆ２＜ｆ３、またはｆ３＜ｆ１＝ｆ２の関係になるように設定された請求項１記載の非接触電力伝送装置。
10. 前記送電コイルに電力を供給する為の高周波電力ドライバーの共振周波数をｆ０とした場合、ｆ０＝ｆ１＝ｆ２＜ｆ３である請求項９記載の非接触電力伝送装置。
11. 送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを用い、前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する方法であって、
    補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に用い、
    前記受電コイルと前記補助コイルのコイル間距離を一定に維持しながら、前記送電装置と前記送電補助装置とを対向させて前記送電コイルと前記補助コイルの間に形成される受電空間に前記受電コイルを配置して電力伝送を行い、
    前記送電コイルと前記補助コイルの間の軸方向におけるコイル間距離に応じて前記補助共振器の共振周波数を調整することにより、前記送電装置から前記受電装置へ供給される受電パワーを最適化し、
    前記補助共振器の共振周波数を調整する共振制御部は、前記送電共振器と前記補助共振器との電磁結合状態が双峰特性状態（密結合状態）となる前記コイル間距離内において、前記送電共振器と前記補助共振器が構成する送電側共振系の共振周波数ｆｔが、前記受電共振器の共振周波数ｆ２に近接する向きに、前記補助共振器の共振周波数ｆ３を調整することを特徴とする非接触電力伝送方法。

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