JP6172956B2 - 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、送電コイルと受電コイル間の電力の伝送を、非接触（ワイヤレス）で行う非接触電力伝送装置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１１は、従来の磁界共鳴を利用した非接触電力伝送装置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と送電用共鳴コイル４ａを組み合わせた送電コイル、受電装置２は、ループコイル３ｂと受電用共鳴コイル４ｂを組み合わせた受電コイルを備えている。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用共鳴コイル４ａに電気信号を伝送する誘電素子である。送電用共鳴コイル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。この送電用共鳴コイル４ａは、共振周波数ｆｒ＝１／｛２π（ＬＣ）^1/2｝（Ｌは送電側の送電用共鳴コイル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。送電用共鳴コイル４ａに供給された電力は、磁界共鳴により受電用共鳴コイル４ｂに非接触で伝送される。伝送された電力は、受電用共鳴コイル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、一般的には送電用共鳴コイル４ａと受電用共鳴コイル４ｂの共振周波数は同一に設定される。

このような磁界共鳴を利用した非接触電力伝送装置は、電気自動車（ＥＶ）などへの適用が進められている。このような非接触電力伝送を行う際、送電装置と受電装置の間の空間に例えば金属が介在すると、電力伝送に対する障害要因（以下、単に「障害要因」と記述する。）となる。すなわち、磁場の影響により金属が異常加熱したり、電力伝送効率が低下してしまう惧れがある。そこで、例えば特許文献１には、送電装置と受電装置の間の空間に金属等の障害要因が存在するかどうかを検知して、もし障害要因が存在する場合には電力伝送を停止する制御を行うように構成した装置が開示されている。

特開２０１２−７５２００号公報

特許文献１に開示された装置においては、電力伝送を行う際に、金属などの障害要因の存在を検知するための専用の構成を用いる。すなわち、電力伝送に使用する送電コイルと受電コイル以外に、少なくとも１つの障害要因検出用コイルを別に設ける。更に電力伝送用コイルの共振周波数と障害要因検知用コイルの共振周波数を異ならせる。このため、非接触電力伝送装置の制御系が複雑になっている。

また、特許文献１の構成の場合に、送電コイルと受電コイル間の空間が空気の場合には、障害要因が介在していても取り除けば問題ない。しかし、例えば壁などの介在物を介して非接触電力伝送を行う場合には、壁中に障害要因が存在しても、壁から障害要因を簡単に取り除くことができない。そこで、障害要因による影響を回避できる箇所を探して伝送を行うことになる。

例えば、鉄筋が入ったコンクリート壁を介して非接触電力伝送を行う場合には、送電コイルと受電コイルの配置を適切に行わなければ、実用的に十分な電力伝送効率を得ることができない。しかしながら、特許文献１には、そのような場合に適した非接触電力伝送方法に関する記載はない。

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、障害要因検出専用のコイルを用いることのない簡単な構成により、送電装置が単独で障害要因を検知する機能を有する非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

また、鉄筋などの障害要因を含んだ介在物を介して非接触電力伝送を行う場合に、送電コイルと受電コイルの適切な配置を容易に決定して、実用的に十分な電力伝送効率を安定して得ることが可能な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間の作用により、介在物を介して配置された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、前記送電装置は、前記送電コイルに高周波電力を供給したときの応答に基づき、前記送電共振器の共振周波数に対応した因子の値である伝送特性値を検出する伝送特性検出部と、前記送電コイルの前方の磁束が到達する範囲における前記介在物内の障害要因の存在の有無に応じた前記伝送特性値の変化を検出する伝送特性比較部とを備え、前記伝送特性比較部による検出結果に基づき、前記障害要因による悪影響を受けない前記送電装置の配置位置を決定可能であることを特徴とする。

本発明の非接触電力伝送方法は、上記構成の非接触電力伝送装置を用いて電力を伝送する非接触電力伝送方法であって、非接触電力伝送を行う前に、前記送電装置のみを用いて前記障害要因による電力伝送に対する影響を検知して、前記障害要因による悪影響を受けない前記送電装置の配置位置を決定することを特徴とする。

本発明によれば、送電コイルを利用して送電共振器の共振周波数等の伝送特性値を検出し、その値の変化に基づいて障害要因による電力伝送に対する影響を検知するので、障害要因検出専用のコイルが不要な簡単な構成により、送電装置が単独で障害要因を検知する機能を持つことができる。

また、壁などの介在物を通して非接触で電力伝送を行う前に予め、金属などの障害要因の影響を送電装置のみにより検知して、送電コイルと受電コイルの適切な配置を容易に決定することができる。

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における送電装置の一部を構成する送電回路を示すブロック図 同送電装置の送電共振コイルに金属が近づいた場合のインダクタンスＬの変化を調べるための測定系を示す模式断面図 同送電装置の送電共振コイルに金属が近づいた場合のインダクタンスＬの変化を示す図 同送電装置の送電共振コイルに金属が近づいた場合の共振周波数ｆｒの変化を調べるための測定系を示す模式断面図 同送電装置の送電共振コイルに金属が近づいた場合の共振周波数ｆｒの変化を示す図 同非接触電力伝送装置における障害要因検知の動作の一例を示すフローチャート 鉄筋が配置されたコンクリート壁を通して電力伝送する場合の配置例を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図 実施の形態２における非接触電力伝送方法について説明するための、メッシュ間隔Ｗで配置された鉄筋に対する送電共振コイルの配置関係を示す図 他のメッシュ間隔Ｗで配置された鉄筋に対する送電共振コイルの配置関係を示す図 更に他のメッシュ間隔Ｗで配置された鉄筋に対する送電共振コイルの配置関係を示す図 実施の形態２における非接触電力伝送方法の第１態様に基づく鉄筋に対する送電共振コイルの配置関係を示す図 同第１態様に基づき測定した伝送効率の比率Ｄ／Ｗに対する依存性を示す図 実施の形態２における非接触電力伝送方法の第２態様に基づく鉄筋に対する送電共振コイルの配置関係を示す図 同第２態様によって測定した伝送効率の比率Ｄ／Ｗに対する依存性を示す図 実施の形態２における非接触電力伝送方法の第３態様に基づく鉄筋に対する送電共振コイルの配置関係を示す図 同非接触電力伝送方法の第４態様に基づく鉄筋に対する送電共振コイルの配置関係を示す図 同非接触電力伝送方法の第５態様に基づく鉄筋に対する送電共振コイルの配置関係を示す図 従来例の非接触電力伝送装置の構成を示す断面図

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、前記伝送特性値として、前記送電共振器の共振周波数、前記送電コイルのインダクタンス、または、前記送電コイルの共振電圧を用いることができる。

また、前記送電装置は、前記送電コイルの前方の磁束が到達する範囲に介在物が存在しない状態で前記伝送特性検出部が検出した開放時伝送特性値を記憶する開放特性記憶部を備え、前記伝送特性比較部は、前記送電コイルが介在物に対面配置された状態で前記伝送特性検出部が検出する遮蔽時伝送特性値を、前記開放時伝送特性値と比較して前記伝送特性値の変化を検出する構成とすることができる。

また、前記送電装置は、前記送電コイルに供給される電流及び電圧の値を検出する電流・電圧モニター部を備え、前記伝送特性検出部は、前記高周波電力の周波数が変化するように高周波電力ドライバーを制御する機能を有し、当該周波数の変化に伴う前記電流・電圧モニター部の出力信号の変化に基づき前記伝送特性を検出する構成とすることができる。

また、前記送電装置は、前記送電共振器の共振周波数を可変とする共振周波数調整部を備え、前記伝送特性検出部は、前記送電共振器の共振周波数を検出するように構成され、介在物を介して電力伝送を行う際に、前記送電装置を前記介在物の面に固定した時に前記送電共振器の共振周波数が所定の値から変化した場合には、前記送電装置を介在物に取り付ける前の共振周波数に戻すように前記共振周波数調整部を制御する構成とすることができる。

この構成において、送電共振器の共振周波数を検出する構成の例としては、高周波電力ドライバーから送電コイルへの印加周波数をマイコンにより変化させ、その時の送電コイルの共振電圧が最大となる周波数をマイコンにより求める構成を採用することができる。即ち、送電コイルの共振電圧が最大となる時の周波数が共振周波数となる。また、共振周波数調整部としては、例えば、高周波電力ドライバーの発振周波数を変えたり、送電共振器のインダクタンスや共振容量を変える構成を採用することができる。

本発明の非接触電力伝送方法は、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、介在物を介して電力伝送を行う際に、前記送電装置のみを前記介在物の一方の側に配置し、前記介在物の他方の側には前記受電装置が配置されていない状態で、前記介在物内に存在する障害要因による電力伝送に対する影響を前記送電装置のみを用いて検知することができる。

また、前記介在物内に存在する障害要因による電力伝送に対する影響を検知した結果に基づき、前記送電装置を当該影響の最小の位置に配置し、前記送電装置の位置に対向させて前記受電装置を配置することにより、前記送電コイルと前記受電コイル間の電力伝送効率が最大となるように前記送電装置と前記受電装置の位置を調整することができる。

また本発明の非接触電力伝送方法により、鉄筋コンクリート造の壁のように、壁の中に鉄筋が入っている場合においても、電力伝送を適切に行うことが可能である。例えば、外壁に使われている鉄筋コンクリート内の鉄筋（主筋やあばら筋など）が異形棒鋼１０Ｄ（直径は約１０ｍｍ）の場合の間隔は、住宅公庫基準では３００ｍｍ以内と言われている。しかし、最近ではフラット３５や長期優良住宅では１００ｍｍ程度と狭い間隔で施工されている住宅も多くなっている。

そこで、本発明の非接触電力伝送方法では、電力伝送を行おうとする壁の中にある鉄筋の間隔に応じて送電コイルの直径を変える。具体的には、以下のとおりである。

すなわち、前記介在物内に金属がメッシュ状に配置され、かつ前記金属同士の交差部分が導通状態である場合に、前記金属のメッシュ間隔Ｗ、前記送電コイルの直径Ｄが、Ｄ／Ｗ≦１の関係を満足するように設定することが好ましい。これにより、実用的に十分な電力伝送効率を得ることができる。ただし、この条件は、送電コイル近くの各鉄筋が交差している部分が両方の鉄筋同士で導通している場合に適用する。この場合には、鉄筋の交差部の状態に応じて電力伝送効率が異なるので、送電装置を取り付ける際に、電力伝送効率が高い場所を探索する必要がある。

一方、送電コイルの近辺における各鉄筋の交差部で両方の鉄筋同士が導通しないように絶縁処理が行われている場合には、より広いＤ／Ｗの範囲で実用的に十分な電力伝送効率を得ることができる。

すなわち、前記介在物内に表面を絶縁処理した金属がメッシュ状に配置された場合に、前記金属のメッシュ間隔Ｗ、前記送電コイルの直径Ｄが、Ｄ／Ｗ≦２の関係を満足するように設定することが好ましい。この条件を満たしていれば、どの位置に送電コイルを固定しても同様な電力伝送効率が得られる。

この場合に、前記絶縁処理した金属が前記メッシュ状の一方向のみに配置された前記介在物を介して電力伝送を行うことができる。これにより、全ての鉄筋に絶縁処理を施したものを用いる場合に比べて、絶縁処理をした鉄筋は半分の本数で済む。一般的に鉄筋を絶縁処理する為にはコストが上昇するので、このように絶縁処理した鉄筋の本数を少なくすることが望ましい。

また、前記絶縁処理した金属が前記メッシュ状の一方向のみに、かつ１本置きに配置された前記介在物を介して電力伝送を行うことができる。これにより、絶縁処理した鉄筋の本数を更に少なくすることができる。

また、前記金属同士の交差部分のみが絶縁処理された前記介在物を介して電力伝送を行うことができる。これにより、鉄筋の絶縁処理に要するコストを更に低減することができる。

非接触電力伝送を行う際に、壁が鉄筋コンクリート造の場合には電力伝送効率は下がるものの、熱を発生する金属（鉄筋）の周りがコンクリートで囲まれている為に、空気中に比べて温度上昇が抑制されるものと思われる。従って、本発明の非接触電力伝送方法を適用して、極力金属の影響の少ない場所を選んで送電コイルと受電コイルを配置することにより、実用的な電力伝送が可能になる。

なお、介在物として、鉄筋の入ったコンクリート壁に限らず、窯業サイディングやモルタルなどを使った壁や、木材を使用した壁が介在する状況、あるいは壁の中に水が充填されている状況において、障害要因が存在する可能性がある場合にも、本発明の非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法を適用することができる。

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。以下の実施の形態は、本発明を具現化した一例を示したものであり、本発明はこれに限定されるものではない。

＜実施の形態１＞
図１は、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である。なお、図１１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、送電装置１と受電装置２を、壁９などの介在物を介して互いに向かい合わせて配置し、送電コイルと受電コイルの間の磁気結合等の作用、例えば磁界共鳴により非接触電力伝送を行うことが容易なように構成されている。

送電装置１は送電回路１０を備え、送電回路１０は、交流電源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等を含んでおり、送電用共鳴コイル４ａに接続されている。図示を省略するが、送電装置１はシールド機能を有し、送電回路１０及び送電用共鳴コイル４ａは金属で包囲されている。また、送電用共鳴コイル４ａと送電回路１０の間にはフェライトシートが設けられている。

図１の装置では、送電コイルはループコイルを用いずに送電用共鳴コイル４ａのみで構成され、高周波ドライバーからの電力は送電用共鳴コイル４ａに直接供給される（直列共振）。場合によっては、送電用のループコイル３ａ（図１１参照）を設けても良い。図示は省略するが、送電用共鳴コイル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。

受電装置２には、受電コイルとして受電用共鳴コイル４ｂとループコイル３ｂが組合わされて配置され、ループコイル３ｂが受電回路１１に接続されている。受電回路１１は検波回路、整流器等（不図示）を備えている。ループコイル３ｂで得られた電力は、検波回路に供給され、整流器などを経て、高周波電力から直流電力に変換されて負荷８に供給される。負荷８としては、充電池、監視カメラ、電灯などを適用することができる。受電用共鳴コイル４ｂには共振容量（不図示）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。図示は省略するが、受電用のループコイル３ｂと受電回路１１の間には、フェライトシートが設けられている。また、場合によっては、受電用のループコイル３ｂを用いないで、受電用共鳴コイル４ｂと受電回路１１を直接接続してもよい。

この非接触電力伝送装置により電力伝送を行う際に、送電装置１は、壁９の内壁面１２に送電用共鳴コイル４ａを対面させて設置され、受電装置２は、外壁面１３に受電用共鳴コイル４ｂを対面させて設置される。図示した状態では、送電装置１及び受電装置２に搭載されている送電コイルと受電コイルの中心軸は、ほぼ一致している。

図２は、送電装置１の一部を構成する送電回路１０を示すブロック図である。送電回路１０は、送電用共鳴コイル４ａに接続された高周波電力ドライバー５を有する。高周波電力ドライバー５には電流・電圧モニター部１４が接続されて、送電共振コイル４ａに流れる電流や共振電圧などをモニターする。電流・電圧モニター部１４の出力信号は、送電制御部１５、及び障害検知部１６に供給される。共振周波数調整部１７は、送電共振コイル４ａの共振容量を調整して送電共振器の共振周波数ｆｒを可変とするために設けられている。

送電制御部１５は、高周波電力ドライバー５、障害検知部１６、及び共振周波数調整部１７を制御して、送電回路１０による通常の電力伝送、及び電力伝送前に行う障害検知の動作を実行させる機能を有する。送電制御部１５は、電力伝送前に行う障害検知の際には、高周波電力ドライバー５、及び障害検知部１６を動作させ、通常の電力伝送時には、高周波電力ドライバー５、及び共振周波数調整部１７を動作させる。

更に、図示しないが、送電装置１と受電装置２との相互間で情報を送受信するための通信回路等も設けられる。必要に応じて送電共振器の反射電力、送電共振器のインダクタンス等をモニターする要素を含んでも良い。

障害検知部１６は、共振周波数検出部１８、開放特性記憶部１９、及び共振周波数比較部２０から構成される。共振周波数検出部１８は、送電共振器の共振周波数ｆｒを検出する。開放特性記憶部１９は、開放時共振周波数ｆｒｏを記憶する。開放時共振周波数ｆｒｏは、送電共振コイル４ａからの磁束が到達する範囲の前方に壁９のような介在物が存在しない状態で共振周波数検出部１８が検出した特性として定義する。開放時共振周波数ｆｒｏは、予め、装置の製造工程等で測定されて開放特性記憶部１９に記憶されている構成としても、あるいは、電力伝送を行う度に測定・記憶される構成としてもよい。一方、介在物に対面させて送電共振コイル４ａを配置したときに共振周波数検出部１８により検出される特性として、遮蔽時共振周波数ｆｒｓを定義する。

共振周波数比較部２０は、遮蔽時共振周波数ｆｒｓを開放時共振周波数ｆｒｏと比較して、開放時共振周波数ｆｒｏに対する遮蔽時共振周波数ｆｒｓの変化を検出する。すなわち、共振周波数比較部２０による検出結果に基づき、壁９内の障害要因による電力伝送に対する影響の程度を検知するように構成され、その検知結果は、表示部２１に表示される。表示部２１は、障害要因による電力伝送に対する影響の程度を何らかの形態で電力伝送装置の操作者に報知するものであればよい。すなわち、表示に限らず、音響等により報知する構成としてもよい。あるいは、表示部２１を用いることなく、共振周波数比較部２０の出力信号に基づき、送電装置１と受電装置２の配置を自動的に調整する構成とすることもできる。

共振周波数検出部１８は、高周波電力ドライバー５の動作を制御しながら、電流・電圧モニター部１４の出力信号に基づき、送電共振器の共振周波数ｆｒを検出する。例えば、高周波電力ドライバー５から送電共振コイル４ａへの印加周波数をマイコンにより特定の値で変化させ、それに応じて、送電共振コイル４ａの共振電圧が最大となる周波数をマイコンにより算出する。送電共振コイル４ａの共振電圧が最大となる時の周波数が、送電共振器の共振周波数ｆｒである。

共振周波数調整部１７により送電共振器の共振周波数ｆｒを可変とするためには、送電共振器のインダクタンスや共振容量を変える構成を採用することができる。送電制御部１５は、電流・電圧モニター部１４によって検出された、高周波電力ドライバー５から送電共振コイル４ａに供給した電力の電力量、あるいは、高周波電力ドライバー５内で電力を生成する回路、例えば高周波電力増幅アンプ、または電力を発生させるスイッチング回路に供給される直流電流の電流値に基づいて、共振周波数調整部１７の動作を制御する。すなわち、それらの値のいずれかが最大となるように、可変コンデンサなどを調整させる。

これらの電力や電流は、共振系の周波数特性の特性曲線がピークの部分で、送信の電力値や電流値がピークとなるので、最大値制御により最も電力伝送量が増大する。送電の電力値は、高周波電力ドライバー５で消費される電流、電力に対応しているので、例えば電流値をモニターしておき、その電流値を最大にするように制御すれば、通常の電力伝送を最大の効率で行うことができる。このように、共振調整は最大点追跡制御を行うことになり、マイコン等を利用した制御回路の場合であれば、これに従って制御ソフトを作成しインプリメントすれば、共振調整制御系を構築できる。

本実施の形態の非接触電力伝送装置は、送電装置１及び受電装置２を、壁９などの介在物を介在させて配置する際の、当該介在物に含まれる障害要因による影響を検知する構成に特徴を有する。すなわち、壁９の内部や、送電装置１及び受電装置２を取付ようとする内壁面１２や外壁面１３周辺に、金属等の障害要因が存在することに起因する、電力伝送効率の低下の有無を検知するための構成である。障害要因による影響の検知は、送電装置１のみによって行われ、障害要因による送電共振器の共振周波数ｆｒの変化を利用した検知法を用いる。

例えば、送電共振コイル４ａに金属が近づくとインダクタンスＬが小さくなり、結果的に共振周波数が高い方向へシフトするので、この共振周波数の変化を検知することにより、障害要因による影響を検知する。場合によっては、送電共振コイル４ａのインダクタンスの変化や共振電圧の変化を検知しても良い。

すなわち、共振周波数検出部１８は、送電共振器の共振周波数に対応した因子の値である伝送特性値を検出する伝送特性検出部の一例である。従って、送電共振コイル４ａに高周波電力を供給したときの応答に基づき、送電共振コイル４ａのインダクタンス、または、送電共振コイル４ａの共振電圧等、送電共振器の共振周波数に対応した他の因子の値を検出する構成を用いることも可能である。

図３Ａは、送電共振コイル４ａに、金属２２（この例では厚さ０．５ｍｍの銅板）が近づいた場合のインダクタンスＬの変化を調べるための測定系を示す。送電共振コイル４ａを、インタクタンスＬを測定することができるＬＣメータ２３の測定端子に接続して測定を行う。送電共振コイル４ａと金属２２の間隔を距離Ｘとする。距離Ｘの変化に対する、所定の周波数（例えば約１００ｋＨｚ）におけるインダクタンスＬの変化を求める。すなわち、金属２２を、遠く離れた位置から送電共振コイル４ａに近付けていくと、ある距離Ｘから金属２２の影響を受けて、インダクタンスＬが変化し始める。

そのときのインダクタンスＬの変化を図３Ｂに示す。図３Ｂに示すように、距離Ｘが小さくなるとともに、インダクタンスＬが小さくなっていく。本実施の形態では、距離Ｘが１００ｍｍ付近からインダクタンスＬが変化し始めることが分かった。このようなインダクタンスＬの変化を調べることにより、金属２２による影響の有無を検知することができる。

図４Ａは、送電共振コイル４ａに、金属２２（この例では厚さ０．５ｍｍの銅板）が近づいた場合の共振周波数の変化を調べるための測定系を示す。この測定系では、送電共振コイル４ａの両端に、共振容量としてフィルムコンデンサ（不図示）が取り付けられている。ループコイル３ａの両端を、共振周波数を測ることができるＶＮＡ（ベクトルネットワークアナライザ）２４の測定端子に接続して測定を行う。送電共振コイル４ａと金属２２の間隔を距離Ｘとする。距離Ｘの変化に対する、共振周波数の変化を測定する（Ｓパラメータ：Ｓ２１）。すなわち、金属２２を、遠く離れた位置から送電共振コイル４ａに近付けていくと、ある距離から金属２２の影響を受けて、共振周波数ｆｒが変化し始める。

そのときの共振周波数ｆｒの変化を図４Ｂに示す。図４Ｂに示すように、距離Ｘが小さくなるとともに、共振周波数ｆｒが大きくなっていく。これは、図３Ｂに示したように、インダクタンスが小さくなった影響による。即ち、共振周波数はｆ＝１／｛２π（ＬＣ）^1/2｝で決まるので、金属２２が近づいてインダクタンスＬが小さくなることにより、結果的に共振周波数が大きくなる。本実施の形態では、インダクタンスＬの変化と同様、距離Ｘが１００ｍｍ付近から徐々に共振周波数が変化し始めることが分かった。このような共振周数の変化を調べることにより、金属２２による影響の有無を検知することができる。

実際に送電装置１を用いた場合の、送電共振器の共振周波数ｆｒを調べるためには、上述のように、高周波電力ドライバー５から送電共振コイル４ａへの印加周波数をマイコンにより種々変化させ、その時の送電共振コイル４ａの共振電圧が最大となる時の周波数をマイコンにより求めれば良い。即ち、送電用共振コイル４ａの共振電圧が最大となる時の周波数が送電共振器の共振周波数ｆｒである。

図５は、本実施の形態の非接触電力伝送装置を用い、図１に示したように送電装置１と受電装置２の間に壁９を介在させて電力伝送を行う場合に、金属２２などの障害要因による影響を検知して、影響のない場所に送電装置１を取り付けるまでの手順の一例を示すフローチャートである。この手順により、送電装置１や受電装置２を取り付ける前に、送電装置１のみを用いて、送電共振コイル４ａと受電共振コイル４ｂ間に存在する金属２２などの障害要因による影響を検知することができる。

まず、壁９などの介在物が存在しない状態で、送電共振器の開放時共振周波数ｆｒｏを求める（ステップＳ１）。開放時共振周波数ｆｒｏは、開放特性記憶部１９に記憶される。なお、開放時共振周波数ｆｒｏは、装置の製造工程等で測定され、開放特性記憶部１９に記憶されていれば、必ずしも、電力伝送を行う度にステップＳ１を実行する必要はない。

次に、送電装置１を、金属２２などの障害要因を含む壁９の内壁面１２に対して、送電共振コイル４ａが壁９に対面した状態に仮固定する（ステップＳ２）。障害要因検知の結果が即座に出る場合には、手で持った状態でも良く、仮固定する必要はない。次に、送電装置１を内壁面１２に接触させた状態で、送電共振器の遮蔽時共振周波数ｆｒｓを測定する（ステップＳ３）。そして、直ちに共振周波数ｆｒｏ及びｆｒｓの値をマイコンにより比較する（ステップＳ４）。

比較の結果、開放時共振周波数ｆｒｏに対する遮蔽時共振周波数ｆｒｓの変化量が、規定値（例えば１％）未満であれば（ステップＳ４、Ｙｅｓ）、その位置に送電装置１を本固定する（ステップＳ５）。一方、開放時共振周波数ｆｒｏに対する遮蔽時共振周波数ｆｒｓの変化量が１％以上の場合は（ステップＳ４、Ｎｏ）、金属２２の影響を受けている可能性がある。従って、別の場所に送電装置１を移動させて仮固定する（ステップＳ６）。更に、ステップＳ３に戻って、その位置で遮蔽時共振周波数ｆｒｓを測定し、共振周波数ｆｔ０とｆｔ１の値を比較する（ステップＳ４）。そして、開放時共振周波数ｆｒｏに対する遮蔽時共振周波数ｆｒｓの変化量が１％未満となるまで、ステップＳ６、Ｓ３、Ｓ４を繰り返す。

開放時共振周波数ｆｒｏに対する遮蔽時共振周波数ｆｒｓの変化量の規定値は、取り付けようとする壁９及びコイル特性に応じて予め決めておく。あるいは、ステップＳ４における比較では、開放時共振周波数ｆｒｏに対する遮蔽時共振周波数ｆｒｓの変化量ではなく、共振周波数ｆｒｏとｆｒｓの差（絶対値）を算出しても良い。例えば、ｆｒｏが２４０ｋＨｚでｆｒｓが２４２ｋＨｚであった場合、この差２ｋＨｚを予め決めておいた規定値と比較すればよい。

このようにして送電装置１の位置が固定されれば、次は反対側の外壁面１３に受電装置２を取り付ける。この時、受電装置２を種々移動させてその位置での受電パワーを求め、その受電パワーが最大となる最適位置で受電装置２を固定することが好ましい。最適位置を決めるための送電パワーは、実際に電力伝送を行うときの送電パワーよりも小さい方が安全面から好ましい。この時、必要に応じて受電パワーのデータを通信により送電装置２に送ってもよい。最終的には、送電装置１と受電装置２の両方が壁９に固定されたのち、目的の電力伝送が行われる。

なお、上述のようにして送電装置１を壁９に固定した時に、送電共振器の共振周波数が所定の値から変化した場合には、送電装置１を介在物に取り付ける前の共振周波数に戻すように共振周波数調整部１７を制御する構成としてもよい。

以上のように、本実施の形態によれば、障害要因検出専用のコイルを必要としない簡単な構成により、送電装置１に、単独で障害要因を検知する機能を与えることができる。これにより、壁９などの介在物を介して非接触で電力伝送を行う場合に、非接触電力伝送を行う前に、予め送電共振コイル４ａと受電共振コイル４ｂ間に介在する惧れのある金属などの障害要因を、受電装置２を配置することなく送電装置１のみで検知することができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態２における非接触電力伝送方法について、図６〜図１０を参照して説明する。本実施の形態は、送電コイルと受電コイルとの間にメッシュ状に金属が配置された介在物、例えば、鉄筋コンクリート壁を介在させて電力伝送する場合に適した非接触電力伝送方法に関する。

電磁誘導方式や従来の磁界共鳴方式では、送電コイルと受電コイルとの間に障害要因が検知された場合には送電は行われない。従って、鉄筋コンクリート壁のような金属が入った壁を介在させて電力伝送することは考慮されていない。しかし、本発明者らの実験に基づく知見によれば、送電に用いるコイルの大きさ、壁内にある鉄筋の間隔、あるいは鉄筋が交差している部分での接触状態（導通しているか絶縁しているか）と、送電コイル及び受電コイルの配置の関係が、磁界共鳴方式における電力伝送効率に大きく影響している。

図６は、実験例として、鉄筋２５が配置されたコンクリート壁を介在させて電力伝送する場合の、鉄筋２５と、送電共振コイル４ａ及び受電共振コイル４ｂの配置関係の一例を示す。コンクリート壁の図示は省略されている。（ａ）は、コンクリート壁内に鉄筋２５（直径ｄ）が、距離Ｗの間隔でメッシュ状に、すなわち、メッシュ間隔Ｗで配置されている場合の、送電共振コイル４ａ側から見た正面図を示す。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。鉄筋２５を介在させて、送電共振コイル４ａに対向して受電共振コイル４ｂが配置されている。ここでは、送電共振コイル４ａの直径Ｄ（以下、「コイル径」と記述する）がメッシュ間隔Ｗと同じ場合が示されている（Ｄ＝Ｗ）。送電共振コイル４ａと受電共振コイル４ｂ間の距離はＸとし、鉄筋２５は送受電コイル間の中央部に配置されている。

図７Ａ〜図７Ｃは、鉄筋２５がメッシュ状に挿入されている壁を介在させて、非接触で電力伝送を行う場合の、送電共振コイル４ａと鉄筋２５の位置関係の例を判り易く示したものである。ここでは、コイル径Ｄをすべて２００ｍｍで固定とし、鉄筋２５のメッシュ間隔Ｗのみを異ならせた。

図７Ａは、メッシュ間隔Ｗに対するコイル径Ｄの比率が、Ｄ／Ｗ＝０．７の場合の一例を示す。すなわち、メッシュ間隔Ｗを３００ｍｍとしている。図７Ｂは、比率Ｄ／Ｗ＝１．０の場合の一例を示す。すなわち、メッシュ間隔Ｗを２００ｍｍとしている。図７Ｃは、比率Ｄ／Ｗ＝２．０の場合の一例を示す。すなわち、メッシュ間隔Ｗを１００ｍｍとしている。

それぞれの比率において、（ａ）空白部、（ｂ）１本部、（ｃ）十字部と、各々異なる３種類の部位へ送電共振コイル４ａを配置した場合の相互関係を示す。ここで、「空白部」とは、鉄筋２５同士が交差しているメッシュ（四角形）の中心位置に送電共振コイル４ａを配置した場合を意味する。「１本部」とは、鉄筋２５同士が交差しているメッシュ（四角形）のうちの１本の中央部に配置した場合を意味する。「十字部」とは、鉄筋２５同士が交差している交差点に送電共振コイル４ａの中心を配置した場合を意味する。

図８Ａは、メッシュ間隔Ｗに対するコイル径Ｄの比率が、Ｄ／Ｗ＝１．０となっている鉄筋配置の場合の、絶縁処理なし鉄筋２６を配置した壁の「空白部」に送電コイルを配置した状態を示す。絶縁処理なし鉄筋２６は、一般的に売られている安価な異形鋼棒の鉄筋（直径ｄが１０ｍｍのＤ１０）である。このような鉄筋２６をメッシュ状に配置し、それぞれの交差部を結束した場合、鉄筋２６が導電性である為に、鉄筋２６同士が接触した交差部２７は多くの場所で導通状態となっている（作製時に高温により酸化被膜が形成されている場合があるが、その厚さは薄い為に場所によって導通していることが多い）。

図８Ｂは、図８Ａのように絶縁処理なし鉄筋２６を配置したコンクリート壁を介在させて、それぞれ上述の３種類の部位（「空白部」、「１本部」、「十字部」）に送電共振コイル４ａを配置し、本発明の非接触電力伝送装置を用いて電力送電を行ったときの、電力伝送率の測定結果を示す。コイル径Ｄを２００ｍｍで固定とし、鉄筋２６のメッシュ間隔を１００ｍｍ（Ｄ／Ｗ＝２．０）、２００ｍｍ（Ｄ／Ｗ＝１．０）、３００ｍｍ（Ｄ／Ｗ＝０．７）と異ならせた。鉄筋２６が無い場合の電力伝送効率は、この図に示すように７４％であり、比較の為に破線で図示されている。

実験の結果、鉄筋２６のメッシュ間隔Ｗが１００ｍｍ（Ｄ／Ｗ＝２．０）の条件では、「空白部」、「１本部」、「十字部」のどの位置に送電共振コイル４ａを配置しても、電力伝送効率は約２０％と低くなった。また、鉄筋２６のメッシュ間隔Ｗが２００ｍｍ（Ｄ／Ｗ＝１．０）の条件では、「十字部」＞「１本部」＞「空白部」の順番に電力伝送効率が低くなっている。更に、鉄筋２６のメッシュ間隔Ｗが３００ｍｍ（Ｄ／Ｗ＝０．７）の条件でも、「十字部」＞「１本部」＞「空白部」の順番に電力伝送効率が低くなっているものの、低下率は小さい。

この結果から、「十字部」に送電共振コイル４ａを配置することにより、Ｄ／Ｗ≦１．０の条件であれば、鉄筋２６の無い場合に比べて１０％以下の低下で電力伝送が行えることが判る。通常、鉄筋２６による電力伝送効率が悪くなった分、鉄筋２６に渦電流損が発生する為、鉄筋２６が熱くなる。しかし、壁９が鉄筋コンクリート造の場合には、熱を発生する鉄筋２６の周りがコンクリートで囲まれている為に、空気中に比べて温度上昇が低くなり問題とならないケースもある。従って、送電側にパワーの余裕があれば、コイル径Ｄと鉄筋２６のメッシュ間隔Ｗとの比率、及び送電共振コイル４ａを配置する位置を適当に選ぶことにより、鉄筋コンクリート造の壁を介した非接触電力伝送が可能である。

また、送電共振コイル４ａと受電共振コイル４ｂ間に介在する鉄筋２６の割合が一番少ない「空白部」の場合に、電力伝送効率が各条件中で一番低いことが判った。特に、鉄筋２６のメッシュ間隔が２００ｍｍ（Ｄ／Ｗ＝１．０）の条件において、「空白部」の場合の低下率が顕著である。このことから、電力伝送時に磁場の強度が一番強くなる送電コイルの外周部近くが、鉄筋２６に囲まれていることが問題であることが判る。即ち、送電共振コイル４ａの周りにある４か所の鉄筋の交差部（Ｃ１〜Ｃ４）ではそれぞれ導通している為に、この鉄筋２６の四角形部分は一種のコイル状態となり、渦電流が発生して熱の発生による伝送効率低下が大きくなっているものと考えられる。

図９Ａは、メッシュ間隔Ｗに対するコイル径Ｄの比率が、Ｄ／Ｗ＝１．０となっている鉄筋配置の場合の、絶縁処理された鉄筋２８を配置したコンクリート壁の「空白部」に送電共振コイル４ａを配置した状態を示す。図８Ａの場合と異なるのは、用いた鉄筋２８が絶縁処理を施されていることである。これにより、縦と横に配置した鉄筋２８が交差した交差部２９は、エポキシ樹脂の被覆により確実に絶縁状態となっている。

図９Ｂは、図９Ａのように絶縁処理された鉄筋２８を配置したコンクリート壁を介在させて、それぞれ上述の３種類の部位に送電共振コイル４ａを配置し、本発明の非接触電力伝送装置を用いて電力送電を行った結果を示す。コイル径Ｄを２００ｍｍで固定とし、鉄筋２８のメッシュ間隔は１００ｍｍ（Ｄ／Ｗ＝２．０）、２００ｍｍ（Ｄ／Ｗ＝１．０）、３００ｍｍ（Ｄ／Ｗ＝０．７）と異ならせた。鉄筋２８が無い場合の電力伝送効率は、この図に示すように７４％であり、比較の為に破線で図示されている。

実験の結果、鉄筋２８のメッシュ間隔が１００ｍｍ（Ｄ／Ｗ＝２．０）の条件では、鉄筋２８が無い場合に比べて約１０％程度低くなった。「空白部」、「１本部」、「十字部」のどの位置に送電共振コイル４ａを配置しても、電力伝送効率は約６５％であった。更に、鉄筋２８のメッシュ間隔Ｗが２００ｍｍ（Ｄ／Ｗ＝１．０）の条件、及び３００ｍｍ（Ｄ／Ｗ＝０．７）の条件では、「空白部」、「１本部」では７０％近くの電力伝送効率を得ている。

この結果から、交差部２９を確実に絶縁状態とすることにより、送電共振コイル４ａの周りにある４か所の鉄筋の交差部（Ｃ５〜Ｃ８）は導通していないので、この鉄筋２８の四角形部分がコイル状態にはなっていないことが判る。送電共振コイル４ａの外周付近及び内周に一種のコイル状態が形成されなければ、大きな電力伝送効率の低下は免れると考えられる。即ち、両方の鉄筋２８同士が送電共振コイル４ａの近傍で導通しないように、各鉄筋２８の交差部２９で絶縁処理が施されており、最低限Ｄ／Ｗ≦２の条件を満たしていれば、どの位置に送電共振コイル４ａを固定しても、同様な電力伝送効率が得られることが判る。

図１０Ａ〜図１０Ｃは、互いに異なる態様に絶縁処理が施された鉄筋が、メッシュ間隔Ｗに対するコイル径Ｄの比率が、Ｄ／Ｗ＝２．０となるように設置された構造に対して、「空白部」、「１本部」、「十字部」のそれぞれ３ヶ所へ送電用共振コイル４ａを配置した場合を示す。

図１０Ａは、コストを下げる為に、メッシュの一方向（この図では横方向）のみ絶縁処理をした鉄筋２８を用いた例を示す。これらの図から判るように、全ての交差部３０において、鉄筋２６と鉄筋２８とは絶縁状態となっている。従って、どの場所に送電用共振コイル４ａを配置しても、図９Ｂに示したものと同様な結果が得られる（Ｄ／Ｗ＝２．０）。

図１０Ｂは、メッシュの横方向の１本置きのみに、絶縁処理した鉄筋２８を配置した例を示す。これにより、図１０Ａよりもさらにコストダウンとなる。ただし、（ｂ）十字部の配置では、図８Ａ（ｂ）の「空白部」と同様に、送電用共振コイル４ａの少なくとも四隅（例えば２７）が導通状態となるので、結果的に電力伝送の効率低下が起きる。従って、図１０Ｂのような配置では、送電用共振コイル４ａの配置を適切に選ぶ必要がある（「空白部」や「１本部」など）。

図１０Ｃは、図１０Ｂの配置の変形例であり、基本的には、絶縁処理した鉄筋３２を横方向に１本置きに配置した構造である。但し、鉄筋３２の絶縁処理は、絶縁処理していない鉄筋２６と交差する交差部３１のみに部分的に施されている。部分的に絶縁処理された鉄筋３２を配置することにより、図１０Ｂの場合と同様の効果が得られ、更に低コスト化が可能である。

なお、以上の実施の形態では、介在物の例として、コンクリート（鉄筋入りも）の壁を通して給電する例を示したが、介在物としては、ガラス、水越し給電など他の介在物を通過させる給電にも本発明を適用可能である。

本発明の非接触電力伝送装置は、簡単な構成の送電装置により、送電装置と受電装置の最適配置を容易に決定可能であり、空調機器や電気自動車などに対する非接触電力伝送に好適である。

１ 送電装置
２ 受電装置
３ａ、３ｂ ループコイル
４ａ 送電用共鳴コイル
４ｂ 受電用共鳴コイル
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 壁
１０ 送電回路
１１ 受電回路
１２ 内壁面
１３ 外壁面
１４ 電流・電圧モニター部
１５ 送電制御部
１６ 障害検知部
１７ 共振周波数調整部
１８ 共振周波数検出部
１９ 開放特性記憶部
２０ 共振周波数比較部
２１ 表示部
２２ 金属
２３ ＬＣメータ
２４ ＶＮＡ
２５、２６、２８、３２ 鉄筋
２７、２９、３０、３１ 交差部

Claims (12)

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間の作用により、介在物を介して配置された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、
   前記送電装置は、
   前記送電コイルに高周波電力を供給したときの応答に基づき、前記送電共振器の共振周波数に対応した因子の値である伝送特性値を検出する伝送特性検出部と、
   前記送電コイルの前方の磁束が到達する範囲における前記介在物内の障害要因の存在の有無に応じた前記伝送特性値の変化を検出する伝送特性比較部とを備え、
   前記伝送特性比較部による検出結果に基づき、前記障害要因による悪影響を受けない前記送電装置の配置位置を決定可能であることを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記伝送特性値として、前記送電共振器の共振周波数、前記送電コイルのインダクタンス、または、前記送電コイルの共振電圧を用いる請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記送電装置は、前記送電コイルの前方の磁束が到達する範囲に前記介在物が存在しない状態で前記伝送特性検出部が検出した開放時伝送特性値を記憶する開放特性記憶部を備え、
   前記伝送特性比較部は、前記送電コイルが前記介在物に対面配置された状態で前記伝送特性検出部が検出する遮蔽時伝送特性値を、前記開放時伝送特性値と比較して前記伝送特性値の変化を検出する請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記送電装置は、前記送電コイルに供給される電流及び電圧の値を検出する電流・電圧モニター部を備え、
   前記伝送特性検出部は、前記高周波電力の周波数が変化するように高周波電力ドライバーを制御する機能を有し、当該周波数の変化に伴う前記電流・電圧モニター部の出力信号の変化に基づき前記伝送特性を検出するように構成された請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
5. 送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器と、前記送電コイルに高周波電力を供給したときの応答に基づき、前記送電共振器の共振周波数に対応した因子の値である伝送特性値を検出する伝送特性検出部と、前記送電コイルの前方の磁束が到達する範囲における障害要因の存在の有無に応じた前記伝送特性値の変化を検出する伝送特性比較部と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間の作用により、内部に前記障害要因が存在する介在物を介して配置された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を用いる非接触電力伝送方法であって、
   非接触電力伝送を行う前に、前記送電装置のみを用いて前記障害要因による電力伝送に対する影響を検知して、前記障害要因による悪影響を受けない前記送電装置の配置位置を決定することを特徴とする非接触電力伝送方法。
6. 前記介在物を介して電力伝送を行う際に、前記送電装置のみを前記介在物の一方の側に配置し、前記介在物の他方の側には前記受電装置が配置されていない状態で、前記介在物内に存在する前記障害要因による電力伝送に対する影響を検知する請求項５に記載の非接触電力伝送方法。
7. 前記送電装置を前記障害要因による電力伝送に対する影響の最小の位置に配置し、前記送電装置の位置に対向させて前記受電装置を配置することにより、前記送電コイルと前記受電コイル間の電力伝送効率が最大となるように前記送電装置と前記受電装置の位置を調整する請求項５または６に記載の非接触電力伝送方法。
8. 前記介在物内に金属がメッシュ状に配置され、かつ前記金属同士の交差部分が導通状態である場合に、前記金属のメッシュ間隔Ｗ、前記送電コイルの直径Ｄが、Ｄ／Ｗ≦１の関係を満足するように設定する請求項５〜７のいずれかに記載の非接触電力伝送方法。
9. 前記介在物内に表面を絶縁処理した金属がメッシュ状に配置された場合に、前記金属のメッシュ間隔Ｗ、前記送電コイルの直径Ｄが、Ｄ／Ｗ≦２の関係を満足するように設定する請求項５〜７のいずれかに記載の非接触電力伝送方法。
10. 前記絶縁処理した金属が前記メッシュ状の一方向のみに配置された前記介在物を介して電力伝送を行う請求項９に記載の非接触電力伝送方法。
11. 前記絶縁処理した金属が前記メッシュ状の一方向のみに、かつ１本置きに配置された前記介在物を介して電力伝送を行う請求項１０に記載の非接触電力伝送方法。
12. 前記金属同士の交差部分のみが絶縁処理された前記介在物を介して電力伝送を行う請求項９に記載の非接触電力伝送方法。

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