JP6654141B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、給電素子と受電素子とを対向させて交流電力を非接触で給電する非接触給電装置に関する。

非接触給電装置は、移動体に非接触で給電する用途や、携帯形の電気機器を非接触で充電する用途などに用いられる。非接触給電装置の方式として、給電素子および受電素子にコイルを用いた電磁誘導方式が従来から多用されてきた。近年では、離隔対向する電極によってコンデンサを構成した静電結合方式も用いられるようになってきており、他に磁界共鳴方式なども検討されている。非接触給電装置では、商用周波数よりも高い周波数の交流電力を供給することが一般的である。さらに、共振現象を利用して非接触給電の給電効率を高める技術も一般化されている。この種の非接触給電装置の一技術例が特許文献１に開示されている。

特許文献１の無線電力伝送による伝送システムは、単一周波数の電力を供給する送信電源と、送信アンテナ（給電素子）および受信アンテナ（受電素子）からなる送受信部と、受信アンテナにより受信された電力を受け取る受信電源と、送信アンテナの電圧または／および電流の波形に基づいて送受信部の共振結合インピーダンスを調整する調整部と、を備えている。これによれば、単一周波数でありながら負荷変動に対して高効率な電力伝送が可能であり、電波法の規制を満足した設計が容易になる。その結果、大電力化や電磁シールド構造の簡易化が可能となり、低コストの製品を実現できる、とされている。

しかしながら、特許文献１の伝送システムは、送信アンテナと受信アンテナとが対向しているか否かを検出できない。したがって、送信アンテナと受信アンテナとが遠くに離隔して非接触給電を行えない位置関係にあるときでも、送信電源は停止されない。これにより、不要な損失が発生することになり、給電効率は低下する。この対策として給電効率を向上する非接触給電装置の技術例が、特許文献２および特許文献３に開示されている。

特許文献２の非接触給電装置は、送電コイルと受電コイルとの磁気的結合を利用するものであり、送電コイルと受電コイルとの位置ずれを検出する手段と、位置ずれが許容値以内である場合に車両バッテリに対する充電動作を開始する制御手段と、を備えている。そして、車両バッテリの状態およびユーザの設定内容に応じて、許容値を変化させることを特徴としている。さらに、実施形態に示された位置ずれ検出手段は、電磁波を送信する送信アンテナ、および電磁波の磁界を検出する受信部からなる。これによれば、車両に備えられた受電コイルが送電コイルに対向した状態を検出したときに、非接触給電による充電動作を開始することができる。

また、本願出願人は、基板用作業装置に組み込んで使用する非接触給電装置を特許文献３に開示している。特許文献３の請求項１において、ヘッド駆動機構は、軌道限定手段に沿って列設された複数の非接触給電用素子と、各非接触給電用素子の通電および非通電を独立して切り替える複数の選択スイッチと、軌道限定手段に移動可能に装架された可動部と、可動部に設けられた非接触受電用素子と、可動部の軌道限定手段上の位置に基づいて複数の選択スイッチを制御する給電制御部と、を有している。さらに、請求項２において、可動部の位置を検出する位置検出部が示され、実施形態において、リニアスケールおよびエンコーダ部からなる位置検出部が例示されている。これによれば、複数の非接触給電用素子の一部のみに通電し、残りの多数を非通電として非接触給電を行え、高い給電効率を確保できる。

特開２０１４−１０３７７８号公報 特開２０１４−１１０６８１号公報 特開２０１３−４５７７７号公報

ところで、特許文献１に例示される給電素子と受電素子とが遠くに離隔したときに、送信電源が停止されず給電効率が低下する。この問題点への対策として、特許文献２および特許文献３では、給電素子と受電素子との相対位置関係を検出するセンサが用いられている。しかしながら、センサの付加には取付スペースが必要となるため、給電側および受電側の装置が大形化してしまう。加えて、センサ自体だけでなくセンサ用電源や信号処理部も必要になるため、装置のコストが増加してしまう。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、専用のセンサを用いることなく高い給電効率を確保するとともに、給電部側および受電部側の装置構成が大形化せずコストも増加しない非接触給電装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係る非接触給電装置の発明は、給電部に設けられた給電コイルと、給電部に対して相対変位可能な受電部に設けられた受電コイルとを対向させて回路構成し、交流電力を非接触で給電して電気負荷に電源供給する非接触給電回路と、前記給電部で前記非接触給電回路に印加される交流電圧の電圧位相と、前記給電コイルに流れる交流電流の電流位相との間の位相差であって、前記給電コイルと前記受電コイルとの相対位置関係および前記電気負荷の変動に依存して変化する前記位相差を検出する位相差検出部と、前記位相差に基づいて前記交流電圧の高低を制御する判定部と、を備え、前記非接触給電回路は、前記給電部に設けられて前記判定部からの制御にしたがい前記交流電圧の高低を調整して出力する交流電源回路、前記受電部に設けられて前記受電コイルが受け取った交流電力を変換して前記電気負荷に給電する受電回路、ならびに、共振用素子として、前記交流電源回路から見て前記給電コイルに直列接続された給電コンデンサ、および前記受電コイルから見て前記電気負荷に並列接続された受電コンデンサを含み、前記位相差検出部は、前記電圧位相を前記交流電源回路から取得するとともに、前記電流位相を検出する電流位相検出部を含み、前記位相差は、前記電圧位相を基準として前記電流位相が進むと正値で表され、前記電流位相が遅れると負値で表され、前記給電コイルと前記受電コイルとが対向して、かつ前記電気負荷が最大まで増加したときに前記位相差がゼロとなるように、前記給電コイル、前記受電コイル、前記給電コンデンサ、および前記受電コンデンサの特性値、ならびに前記交流電圧の周波数が設定されており、前記判定部は、前記位相差がゼロまたは所定正値の進み位相閾値を越えて増加するにつれて、前記交流電圧を徐々に低く制御する。

請求項１に係る非接触給電装置の発明によれば、電気負荷に負荷変動が生じたときに位相差の変化を検出して、交流電圧の大きさを可変に制御できる。したがって、負荷変動に対応して給電量を常に適正に保って過不足の発生を抑制し、顕著に給電効率を高めることができる。

本発明の第１実施形態の非接触給電装置の構成を示すブロック図であり、一部回路構成を示している。 直交変換回路および電流位相検出部の構成を例示した回路図である。 給電コイルと受電コイルとが対向しているときの非接触給電回路の回路図である。 給電部における交流電圧の電圧位相と、交流電流の電流位相との間の位相差がゼロである状態を定性的に示した波形図である。 交流電圧の電圧位相を基準として、交流電流の電流位相が遅れた状態を定性的に示した波形図である。 交流電圧の電圧位相を基準として、交流電流の電流位相が進んだ状態を定性的に示した波形図である。 位相差に基づいて判定部が交流電圧を制御する作用を説明する図である。 第２実施形態の非接触給電装置の構成を示すブロック図であり、一部回路構成を示している。

本発明の第１実施形態の非接触給電装置１について、図１〜図７を参考にして説明する。図１は、本発明の第１実施形態の非接触給電装置１の構成を示すブロック図であり、一部回路構成を示している。非接触給電装置１は、給電部２から受電部３へ交流電力を非接触で給電するものである。図１に白抜き矢印Ｍ１、Ｍ２で示されるように、給電部２に対して受電部３は相対変位可能となっている。非接触給電装置１は、給電部２から受電部３にわたって設けられた非接触給電回路４、ならびに、給電部２に設けられた位相差検出部５および判定部６などにより構成されている。

非接触給電回路４は、給電部２に設けられた直流電圧調整回路４１、直交変換回路４２、給電コンデンサ４３、および給電コイル４４と、受電部３に設けられた受電コイル４５、受電コンデンサ４６、および受電回路４７とによって構成されている。非接触給電回路４は、外部から給電部２に供給される直流電圧Ｖ０を電源としており、給電コイル４４と受電コイル４５とが対向したときに受電部３の電気負荷Ｌに直流電圧ＶＬを給電する。

直流電圧調整回路４１は、判定部６からの制御信号Ｃｓにしたがい供給される直流電圧Ｖ０の高低を調整して直流電圧Ｖｄとし、直交変換回路４２に出力する。直流電圧調整回路４１として、スイッチングレギュレータを例示でき、これに限定されない。

直交変換回路４２は、直流電圧Ｖｄを周波数ｆの交流電圧Ｖａに変換して出力する。図２は、直交変換回路４２および電流位相検出部５１の構成を例示した回路図である。図示されるように、直交変換回路４２は、正側スイッチング素子４２１と負側スイッチング素子４２５との直列接続により構成されている。正側スイッチング素子４２１は、その高圧端子４２２が直流電圧調整回路４１の正側端子４１Ｐに接続され、その低圧端子４２３が出力正側端子４２Ｐに接続されている。負側スイッチング素子４２５は、その高圧端子４２６が出力正側端子４２Ｐに接続され、その低圧端子４２７が出力負側端子４２Ｎを経由して直流電圧調整回路４１の負側端子４１Ｎに接続されている。出力正側端子４２Ｐは、給電コンデンサ４３の一端４３１に接続されている。出力負側端子４２Ｎは、接地されるとともに、電流位相検出部５１を経由して給電コイル４４の他端４４２に接続されている。

正側スイッチング素子４２１の制御端子４２４および負側スイッチング素子４２５の制御端子４２８には、周波数ｆを共通としつつ互いの位相が反転した矩形波状の制御信号がそれぞれ入力される。これにより、正側スイッチング素子４２１および負側スイッチング素子４２５は、排他的に導通状態と遮断状態とを繰り返す。したがって、出力正側端子４２Ｐには、周波数ｆの交流電圧Ｖａが発生する。周波数ｆとして、数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚオーダーの高い周波数を採用でき、これに限定されない。直流電圧調整回路４１および直交変換回路４２は、判定部６からの制御にしたがい交流電圧Ｖａの高低を調整して出力する本実施形態の交流電源回路を構成している。なお、交流電源回路の構成は、実施形態に限定されず、例えば、外部から供給される商用周波数電圧を変成する構成であってもよい。

給電コンデンサ４３は、共振回路を構成する共振用素子の一実施例である。給電コンデンサ４３の他端４３２は、給電コイル４４の一端４４１に接続されている。直交変換回路４２から見て、給電コンデンサ４３は給電コイル４４に直列接続されている。したがって、給電コンデンサ４３および給電コイル４４により、直列共振回路が構成される。

給電コイル４４は、図略の給電コアに導体が所定回数だけ巻回されて形成されている。給電コアは、中間部にコイルを形成して両端に対向面を有するＣ型コアや、センターコアにコイルを形成して３箇所に対向面を有するＥ型コアなどとする。給電コアを構成する材質として、透磁率の高い電磁鋼板の積層体やフェライトなどを例示でき、透磁率の低いアルミなどであってもよい。なお、給電コイル４４は、給電コアの無い空心コイルであってもよい。また、導体には銅線などを用いる。給電コイル４４は、給電部２の受電部３に対向する前面に配置されている。

受電コイル４５は、図略の受電コアに導体が所定回数だけ巻回されて形成されている。受電コアは、給電コアと同じ形状でも異なる形状でもよい。受電コアの対向面は、給電コアの対向面に対向配置されるようになっている。なお、受電コイル４５は、受電コアの無い空心コイルであってもよい。受電コイル４５の導体の材質、断面積および巻回数は、給電コイル４４と同じでもよいし、異なっていてもよい。受電コイル４５の一端４５１および他端４５２は、受電コンデンサ４６および受電回路４７に接続されている。受電コイル４５は、受電部３の給電部２に対向する前面に配置されている。給電コイル４４と受電コイル４５とが対向配置されると、給電コアおよび受電コアの対向面同士が接触または接近して磁気回路が形成され、電磁結合による非接触給電が可能になる。

受電コンデンサ４６は、共振回路を構成する共振用素子の一実施例である。受電回路４７に電気負荷Ｌが接続されていることを考慮すると、受電コンデンサ４６は、受電コイル４５から見て電気負荷Ｌに並列接続されていることになる。

受電回路４７は、受電コイル４５が受け取った交流電力を直流電圧ＶＬに変換して、電気負荷Ｌに給電する。受電回路４７として、４個のダイオードをブリッジ接続した全波整流回路を例示でき、適宜平滑回路を設けてもよい。さらに、直流電圧ＶＬを安定化するために、受電回路４７は、直流安定化回路を含んでいてもよい。電気負荷Ｌは、直流負荷であり、負荷の大きさが変動し得る。これに限定されず、電気負荷Ｌが交流負荷であってもよく、受電回路４７の回路構成も上記に限定されない。

給電部２に設けられた位相差検出部５は、交流電圧Ｖａの電圧位相θＶと、給電コイル４４に流れる交流電流Ｉａ（図３示）の電流位相θＩとの間の位相差θを検出する。位相差検出部５は、直交変換回路４２から２個の制御端子４２４、４２８の制御信号を取得して、電圧位相θＶを検出する。

また、位相差検出部５は、図２に例示された電流位相検出部５１を含んでいる。電流位相検出部５１は、シャント抵抗５２および電圧測定部５３などで構成されている。シャント抵抗５２は、直交変換回路４２の出力負側端子４２Ｎと、給電コイル４４の他端４４２との間に接続されている。シャント抵抗５２として、電流測定の用途に適した抵抗値の小さい素子が用いられる。電圧測定部５３は、シャント抵抗５２の両端に生起する電圧波形を測定し、換言すれば、交流電流Ｉａの波形を測定する。さらに、電圧測定部５３は、交流電流Ｉａの波形から電流位相θＩを検出して位相差検出部５に送出する。なお、シャント抵抗５２は、直交変換回路４２の出力正側端子４２Ｐと、給電コンデンサ４３の一端４３１との間に接続してもよい。

電圧位相θＶを基準として電流位相θＩが進んでいると、位相差検出部５は、位相差θを正値で表す。逆に、電圧位相θＶを基準として電流位相θＩが遅れていると、位相差検出部５は、位相差θを負値で表す。位相差検出部５は、検出した位相差θを判定部６に送出する。位相差検出部５および電圧測定部５３は、例えば、ディジタル方式やアナログ方式の電子計測回路を応用して構成できる。

給電部２に設けられた判定部６は、位相差θの概ね負値の範囲の変化に基づいて給電コイル４４と受電コイル４５との相対位置関係を判定する。また、判定部６は、位相差θの概ね正値の範囲の変化に基づいて電気負荷Ｌの変動を推定する。さらに、判定部６は、判定結果および推定結果に基づいて直流電圧調整回路４１に制御信号Ｃｓを送出し、直流電圧Ｖｄの大きさを可変に制御する。これにより、交流電圧Ｖａの大きさが可変に制御される。判定部６は、例えば、ＣＰＵを有してソフトウェアで動作する電子制御装置により構成できる。判定部６の詳細機能については、後で作用とともに説明する。

第１実施形態において、給電コイル４４、受電コイル４５、給電コンデンサ４３、および受電コンデンサ４６の特性値、ならびに交流電圧Ｖａの周波数ｆは、次のように設定されている。まず、給電部２と受電部３とが正対して、給電コイル４４と受電コイル４５とが対向したときであって、かつ電気負荷Ｌが最大まで増加したときを考える。このときに位相差θがゼロとなるように、給電コイル４４のインダクタンス値Ｌ１、受電コイル４５のインダクタンス値Ｌ２、給電コイル４４と受電コイル４５との間の相互インダクタンス値Ｍ、給電コンデンサ４３の静電容量値Ｃ１、受電コンデンサ４６の静電容量値Ｃ２、ならびに交流電圧Ｖａの周波数ｆが設定されている。

図３は、給電コイル４４と受電コイル４５とが対向しているときの非接触給電回路４の回路図である。図３において、電気負荷Ｌは可変抵抗で示されているが、これに限定されず、電気負荷Ｌが容量成分または誘導成分を含んだ負荷であってもよい。そして、電気負荷Ｌが最大まで増加したとき、図４に示されるように、交流電圧Ｖａの電圧位相θＶと、交流電流Ｉａの電流位相θＩとが同位相になる。図４は、給電部２における交流電圧Ｖａの電圧位相θＶと、交流電流Ｉａの電流位相θＩとの間の位相差θがゼロである状態を定性的に示した波形図である。図４および後出の図５、図６で、交流電圧Ｖａは実線で示され、交流電流Ｉａは破線で示されている。

図３に示されるように、交流電流Ｉａは、給電コイル４４のインダクタンス値Ｌ１により定まる励磁電流Ｉ１と、相互インダクタンス値Ｍを介して受電コイル４５に流れる受電電流Ｉ２とに分けて考えることができる。励磁電流Ｉ１は、交流電圧Ｖａの電圧位相θＶを基準として、遅れ成分を有する。したがって、受電電流Ｉ２は、励磁電流Ｉ１の遅れ成分をキャンセルするだけの進み成分を有することになる。

さらに、受電電流Ｉ２は、受電回路４７を経由して電気負荷Ｌに流れる負荷電流ＩＬと、受電コンデンサ４６を充放電する充電電流Ｉ３とに分けて考えることができる。受電電流Ｉ２の進み成分は、主に充電電流Ｉ３によって発生している。負荷電流ＩＬは、充電電流Ｉ３に対して相対的に位相が遅れており、かつ電気負荷Ｌの負荷変動に応じて電流値が増減する。

次に、上述のように構成された第１実施形態の非接触給電装置１の作用について、判定部６の詳細機能と併せて説明する。受電部３が給電部２に正対した位置から移動して、給電コイル４４と受電コイル４５とが徐々に離隔してゆく場合を考えると、相互インダクタンス値Ｍは徐々に減少する。これに伴い、図５に示されるように、位相差θは徐々に電流位相θＩが遅れた負値θｍに変化する。図５は、交流電圧Ｖａの電圧位相θＶを基準として、交流電流Ｉａの電流位相θＩが遅れた状態を定性的に示した波形図である。電流位相θＩが遅れる理由は、図３において、相互インダクタンス値Ｍが減少すると、受電電流Ｉ２が減少することによる。これにより、給電部２側の遅れ成分を有する励磁電流Ｉ１が優勢となり、交流電流Ｉａの電流位相θＩは遅れる。

判定部６は、位相差θが負値θｍに変化する作用を利用して、給電コイル４４と受電コイル４５とが対向しているか否かを判定し、交流電圧Ｖａを制御する。判定部６は、判定に用いる遅れ位相閾値Φｍ（図７示）を保持している。遅れ位相閾値Φｍは、給電コイル４４と受電コイル４５とが非接触給電に支障の生じない範囲で許容される相対位置の最大誤差を含んで対向しているときに発生する位相差θである。遅れ位相閾値Φｍは、予め実験やシミュレーションなどにより求めておくことが好ましい。判定部６は、位相差θが遅れ位相閾値Φｍ以上のときに給電コイル４４と受電コイル４５とが対向していると判定し、位相差θが遅れ位相閾値Φｍ未満のときに給電コイル４４と受電コイル４５とが対向していないと判定する。

次に、受電部３が給電部２に正対していて、電気負荷Ｌが徐々に減少してゆく場合を考える。この場合、負荷電流ＩＬは徐々に減少する。これに伴い、図６に示されるように、位相差θは徐々に電流位相θＩが進んだ正値θｐに変化する。図６は、交流電圧Ｖａの電圧位相θＶを基準として、交流電流Ｉａの電流位相θＩが進んだ状態を定性的に示した波形図である。電流位相θＩが進む理由は、図３において、受電電流Ｉ２中の負荷電流ＩＬが減少して、相対的に充電電流Ｉ３が優勢となることによる。これにより、最終的に、給電部２側の交流電流Ｉａの電流位相θＩは進む。

判定部６は、位相差θが正値θｐに変化する作用を利用して、電気負荷Ｌの負荷変動を推定し、交流電圧Ｖａを制御する。判定部６は、推定に用いる判定閾値としてゼロまたは所定正値の進み位相閾値Φｐ（図７示）を保持している。ゼロまたは進み位相閾値Φｐは、電気負荷Ｌが誤差を含んで最大まで増加したと見なせるときに発生する位相差θである。判定閾値をゼロとするかまたは進み位相閾値Φｐとするかは、予め実験やシミュレーションなどにより定めておくことが好ましい。判定部６は、位相差θがゼロまたは進み位相閾値Φｐを越えて増加するにつれて、徐々に電気負荷Ｌが減少していることを推定できる。

次に、判定部６が交流電圧Ｖａを制御する作用について説明する。図７は、位相差θに基づいて判定部６が交流電圧Ｖａを制御する作用を説明する図である。図７で、横軸は位相差θを表し、縦軸は交流電圧Ｖａを表している。前述したように、判定部６は、位相差θを負値の遅れ位相閾値Φｍと比較して、給電コイル４４と受電コイル４５とが対向しているか否かを判定する。そして、判定部６は、位相差θが遅れ位相閾値Φｍ未満のときに、両者４４、４５が対向していないと判定して、交流電圧Ｖａを低い検出用電圧Ｖｍｉｎに制御する。

ここで、検出用電圧Ｖｍｉｎは、位相差検出部５が位相差θを検出できる範囲内とする。つまり、交流電圧Ｖａを低くしてゆくと交流電流Ｉａは減少するため、電流位相θＩを検出できる交流電圧Ｖａの下限値が存在する。したがって、この交流電圧Ｖａの下限値よりもわずかに高めに検出用電圧Ｖｍｉｎを設定することにより、位相差検出部５は安定して位相差θを検出できる。これによれば、給電部２に対して受電部３がどのように相対変位しても位相差θを検出でき、給電コイル４４と受電コイル４５とが対向しているか否かを判定できる。なおかつ、交流電圧Ｖａを検出用電圧Ｖｍｉｎまで低くしているので、発生する損失を著しく低減できる。換言すると、給電コイル４４と受電コイル４５とが対向していない間、非接触給電回路４は、対向を検出するために低電圧で動作するセンサとして機能する。

また、判定部６は、位相差θが遅れ位相閾値Φｍ以上のときに、両者４４、４５が対向していると判定して、交流電圧Ｖａを高い給電用電圧Ｖｍａｘに制御する。給電用電圧Ｖｍａｘは、位相差θがゼロまたは進み位相閾値Φｐに達するまで維持される。これにより、非接触給電において大きな給電量を確保できる。逆に、電流位相θＩが遅れて位相差θが遅れ位相閾値Φｍよりも小さくなると、判定部６は、交流電圧Ｖａを給電用電圧Ｖｍａｘから検出用電圧Ｖｍｉｎに下げる制御を行う。

また、判定部６は、位相差θをゼロまたは進み位相閾値Φｐと比較して、電気負荷Ｌの変動を推定する。そして、判定部６は、位相差θがゼロまたは進み位相閾値Φｐを越えて増加するにつれて、交流電圧Ｖａを給電用電圧Ｖｍａｘから徐々に低く制御する。図７において、太い実線は、位相差θがゼロを超えた時点から交流電圧Ｖａを徐々に低く制御する場合を示し、太い破線は、位相差θが進み位相閾値Φｐを超えた時点から交流電圧Ｖａを給電用電圧Ｖｍａｘから徐々に低く制御する場合を示している。

交流電圧Ｖａを徐々に低く制御する傾斜の度合いは、予め電気負荷Ｌなどの特性に基づいて定めておくことができる。すると、位相差θが大きくなるにつれて電気負荷Ｌは減少するので、交流電圧Ｖａを徐々に低くしても給電量は過不足しない。これによれば、電気負荷Ｌに負荷変動が生じたときに位相差θの変化を検出して交流電圧Ｖａの大きさを可変に制御し、給電量を常に適正に保つことができる。

第１実施形態の非接触給電装置１は、給電部２に設けられた給電素子（給電コイル４４）と、給電部２に対して相対変位可能な受電部３に設けられた受電素子（受電コイル４５）とを対向させて回路構成し、交流電力を非接触で給電する非接触給電回路４と、給電部２で非接触給電回路４に印加される交流電圧Ｖａの電圧位相θＶと、給電素子に流れる交流電流Ｉａの電流位相θＩとの間の位相差θであって、給電素子と受電素子との相対位置関係に依存して変化する位相差θを検出する位相差検出部５と、位相差θに基づいて給電素子と受電素子との相対位置関係を判定する判定部６と、を備えた。

これによれば、非接触給電回路４の電圧位相θＶと電流位相θＩとの間の位相差θは、給電素子と受電素子との相対位置関係に依存して変化する。位相差検出部５はこの位相差θを検出し、判定部６はこの位相差θに基づいて給電素子と受電素子との相対位置関係を判定する。したがって、専用のセンサを用いることなく給電素子と受電素子との相対位置関係を判定でき、給電部２側および受電部３側の装置が大形化せずコストも増加しない。また、判定された相対位置関係に基づいて給電条件を可変に調整することにより、高い給電効率を確保できる。

さらに、第１実施形態の非接触給電装置１において、判定部６は、位相差θと所定の位相閾値Φｍとの比較結果に基づいて給電素子と受電素子とが対向しているか否かを判定し、さらに、対向していると判定したときに、交流電圧Ｖａを高い給電用電圧Ｖｍａｘに制御し、対向していないと判定したときに、位相差検出部５が位相差θを検出できる範囲内で交流電圧Ｖａを低い検出用電圧Ｖｍｉｎに制御する。

これによれば、給電部２に対して受電部３がどのように相対変位しても位相差θを検出でき、給電素子と受電素子とが対向しているか否かを判定できる。そして、給電素子と受電素子とが対向していない間、交流電圧Ｖａは検出用電圧Ｖｍｉｎとされ、非接触給電回路４は対向を検出するためのセンサとして機能するので、損失を著しく低減できる。また、給電素子と受電素子とが対向している間、交流電圧Ｖａは給電用電圧Ｖｍａｘとされるので、非接触給電において大きな給電量を確保できる。

さらに、第１実施形態の非接触給電装置１において、非接触給電回路４は、給電部２に設けられて判定部６からの制御にしたがい交流電圧Ｖａの高低を調整して出力する交流電源回路（直流電圧調整回路４１および直交変換回路４２）、受電部３に設けられて受電素子が受け取った交流電力を変換して電気負荷Ｌに給電する受電回路４７、ならびに非接触給電回路４に含まれて共振回路を構成する少なくとも１個の共振用素子を含み、位相差検出部５は、電圧位相θＶを交流電源回路（直交変換回路４２）から取得するとともに、電流位相θＩを検出する電流位相検出部５１を含む。

さらに、給電素子は給電コイル４４であり、受電素子は受電コイル４５であり、共振用素子は、交流電源回路から見て給電コイル４４に直列接続された給電コンデンサ４３、および受電コイル４５から見て電気負荷Ｌに並列接続された受電コンデンサ４６を含む。

これらによれば、非接触給電回路４に共振用素子（給電コンデンサ４３および受電コンデンサ４６）を含む電磁結合方式の非接触給電装置１において、共振現象を利用した非接触給電を行って顕著に給電効率を高めることができる。

さらに、第１実施形態の非接触給電装置１において、位相差θは、電圧位相θＶを基準として電流位相θＩが進むと正値で表され、電流位相θＩが遅れると負値で表され、給電コイル４４と受電コイル４５とが対向しているときに位相差θがゼロとなるように、給電コイル４４のインダクタンス値Ｌ１、受電コイル４５のインダクタンス値Ｌ２、給電コイル４４と受電コイル４５との間の相互インダクタンス値Ｍ、給電コンデンサ４３の静電容量値Ｃ１、受電コンデンサ４６の静電容量値Ｃ２、ならびに交流電圧Ｖａの周波数ｆが設定され、電圧位相θＶを基準として電流位相θＩが所定量だけ遅れた負値の遅れ位相閾値Φｍが設定されており、判定部６は、位相差θが遅れ位相閾値Φｍ以上のときに給電コイル４４と受電コイル４５とが対向していると判定し、位相差θが遅れ位相閾値Φｍ未満のときに給電コイル４４と受電コイル４５とが対向していないと判定する。

これによれば、遅れ位相閾値Φｍを用いることで、給電コイル４４と受電コイル４５とが対向しているか否かの判定精度が正確になる。したがって、給電コイル４４と受電コイル４５とが対向していないときに交流電圧Ｖａを確実に低く制御でき、顕著に給電効率を高めることができる。

さらに、第１実施形態の非接触給電装置１において、給電コイル４４と受電コイル４５とが対向して、かつ電気負荷Ｌが最大まで増加したときに位相差θがゼロとなるように、給電コイル４４のインダクタンス値Ｌ１、受電コイル４５のインダクタンス値Ｌ２、給電コイル４４と受電コイル４５との間の相互インダクタンス値Ｍ、給電コンデンサ４３の静電容量値Ｃ１、受電コンデンサ４６の静電容量値Ｃ２、ならびに交流電圧Ｖａの周波数ｆが設定されており、判定部６は、位相差θがゼロまたは所定正値の進み位相閾値Φｐを越えて増加するにつれて、交流電圧Ｖａを徐々に低く制御する。

これによれば、電気負荷Ｌに負荷変動が生じたときに位相差θの変化を検出して、交流電圧Ｖａの大きさを可変に制御できる。したがって、負荷変動に対応して給電量を常に適正に保って過不足の発生を抑制し、顕著に給電効率を高めることができる。

なお、判定部６は、位相差θに基づいて給電部２に対する受電部３の相対変位量を推定するようにしてもよい。定性的に説明すると、判定部６は、位相差θがゼロに近いほど、給電部２と受電部３とが正対位置関係に近いと推定できる。また、判定部６は、負値の位相差θの絶対値が大きいほど、給電部２と受電部３とが正対位置関係から偏移して離隔していると推定できる。

これによれば、給電部２と受電部３との位置関係が推定できるので、受電部３の位置制御に有用である。例えば、給電部２と受電部３とが正対位置関係から偏移していると推定されるときに、受電部３の位置を矯正して給電部２に正対させることで給電効率を向上できる。

また、第１実施形態において、給電素子および受電素子は給電コイル４４および受電コイル４５とされているが、これに限定されない。本発明は、例えば、給電素子および受電素子がそれぞれ一対の電極からなる静電結合方式の非接触給電装置にも応用できる。その他にも、非接触給電回路４の回路構成は、様々に変形可能である。

次に、第２実施形態の非接触給電装置１Ａについて、図８を参考にして説明する。図８は、第２実施形態の非接触給電装置１Ａの構成を示すブロック図であり、一部回路構成を示している。第２実施形態においては、１個の受電部３Ａに対して複数個の給電部２Ａ、２Ｂ、２Ｃが配設されている。

受電部３Ａは、移動体７に搭載されて配設されている。移動体７は、図８に白抜き矢印Ｍ３、Ｍ４で示されるように、並行して延在する一対の軌道７１、７２上を移動する。受電部３Ａの構成は、第１実施形態の受電部３に類似している。複数個の給電部２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、一方の軌道７１に沿うとともに相互にわずかに離間して列設されている。各給電部２Ａ、２Ｂ、２Ｃの構成は、第１実施形態の給電部２に類似している。給電部２Ａ、２Ｂ、２Ｃの個数は、軌道７１、７２の全長に応じて適宜定められる。非接触給電装置１Ａは、移動体７の移動とその制御ならびに移動体７上で行われる作業に必要な電力を非接触で給電する。

受電部３Ａの受電コイル４５は、受電部３Ａの前面の広い範囲にわたって配置され、給電部２Ａ、２Ｂ、２Ｃの各給電コイル４４も各給電部２Ａ、２Ｂ、２Ｃの前面の広い範囲にわたって配置されている。したがって、移動体７の移動位置に応じて、受電部３Ａがいずれかの給電部２Ａ、２Ｂ、２Ｃに正対すると、受電コイル４５は、いずれか１個の給電コイル４４に対向する。また、受電部３Ａがいずれかの２個の給電部２Ａ、２Ｂ、２Ｃの間に対向すると、受電コイル４５は、いずれか２個の給電コイル４４にまたがって対向する。

一方、遅れ位相閾値Φｍは、給電コイル４４と受電コイル４５との間が半分程度オフセットして配置されていても対向していると判定されるように設定されている。第２実施形態における作用は、第１実施形態と概ね同様であるので、説明は省略する。これによれば、受電コイル４５は、１個または２個の給電部２Ａ、２Ｂ、２Ｃに設けられた給電コイル４４に対向して、常時交流電力を受け取ることができる。

第２実施形態の非接触給電装置１Ａにおいて、受電部３Ａは軌道７１、７２上を移動する移動体７に配設されるとともに、軌道７１に沿って複数個の給電部２Ａ、２Ｂ、２Ｃが配設されており、受電部３Ａに設けられた受電素子（受電コイル４５）は、少なくとも１個の給電部２Ａ、２Ｂ、２Ｃに設けられた給電素子（給電コイル４４）に対向して交流電力を受け取る。

これによれば、移動体７への給電を行う非接触給電装置１Ａにおいて、第１実施形態と同様の各効果が生じる。

なお、第２実施形態において、受電部３Ａを給電部２Ａ、２Ｂ、２Ｃよりも大形とし、受電コイル４５を給電コイル４４よりも大形として、受電コイル４５が複数の給電コイル４４に対向するようにしてもよい。本発明は、その他にも様々な応用や変形が可能である。

本発明の非接触給電装置は、移動体に非接触で給電する用途や、携帯形の電気機器を非接触で充電する用途などに幅広く利用できる。

１、１Ａ：非接触給電装置
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ：給電部 ３、３Ａ：受電部
４：非接触給電回路 ４１：直流電圧調整回路
４２：直交変換回路 ４３：給電コンデンサ
４４：給電コイル ４５：受電コイル
４６：受電コンデンサ ４７：受電回路
５：位相差検出部 ５１：電流位相検出部
６：判定部 ７：移動体 ７１、７２：軌道
Ｌ：電気負荷 θ：位相差
Ｖａ：交流電圧 θＶ：電圧位相
Ｉａ：交流電流 θＩ：電流位相
Φｍ：遅れ位相閾値 Φｐ：進み位相閾値
Ｖｍａｘ：給電用電圧 Ｖｍｉｎ：検出用電圧

Claims (4)

1. 給電部に設けられた給電コイルと、給電部に対して相対変位可能な受電部に設けられた受電コイルとを対向させて回路構成し、交流電力を非接触で給電して電気負荷に電源供給する非接触給電回路と、
   前記給電部で前記非接触給電回路に印加される交流電圧の電圧位相と、前記給電コイルに流れる交流電流の電流位相との間の位相差であって、前記給電コイルと前記受電コイルとの相対位置関係および前記電気負荷の変動に依存して変化する前記位相差を検出する位相差検出部と、
   前記位相差に基づいて前記交流電圧の高低を制御する判定部と、を備え、
   前記非接触給電回路は、
   前記給電部に設けられて前記判定部からの制御にしたがい前記交流電圧の高低を調整して出力する交流電源回路、
   前記受電部に設けられて前記受電コイルが受け取った交流電力を変換して前記電気負荷に給電する受電回路、ならびに、
   共振用素子として、前記交流電源回路から見て前記給電コイルに直列接続された給電コンデンサ、および前記受電コイルから見て前記電気負荷に並列接続された受電コンデンサを含み、
   前記位相差検出部は、前記電圧位相を前記交流電源回路から取得するとともに、前記電流位相を検出する電流位相検出部を含み、
   前記位相差は、前記電圧位相を基準として前記電流位相が進むと正値で表され、前記電流位相が遅れると負値で表され、
   前記給電コイルと前記受電コイルとが対向して、かつ前記電気負荷が最大まで増加したときに前記位相差がゼロとなるように、前記給電コイル、前記受電コイル、前記給電コンデンサ、および前記受電コンデンサの特性値、ならびに前記交流電圧の周波数が設定されており、
   前記判定部は、前記位相差がゼロまたは所定正値の進み位相閾値を越えて増加するにつれて、前記交流電圧を徐々に低く制御する、非接触給電装置。
2. 前記電圧位相を基準として前記電流位相が所定量だけ遅れた負値の遅れ位相閾値が設定されており、
   前記判定部は、
   前記位相差が前記遅れ位相閾値以上のときに前記給電コイルと前記受電コイルとが対向していると判定して、前記交流電圧を高く制御し、
   前記位相差が前記遅れ位相閾値未満のときに前記給電コイルと前記受電コイルとが対向していないと判定して、前記位相差検出部が前記位相差を検出できる範囲内で前記交流電圧を低く制御する、
   請求項１に記載の非接触給電装置。
3. 前記判定部は、前記位相差に基づいて前記給電部に対する前記受電部の相対変位量を推定する請求項２に記載の非接触給電装置。
4. 前記受電部は軌道上を移動する移動体に配設されるとともに、前記軌道に沿って複数個の前記給電部が配設されており、
   前記受電部に設けられた前記受電コイルは、少なくとも１個の前記給電部に設けられた前記給電コイルに対向して前記交流電力を受け取る請求項１〜３のいずれか一項に記載の非接触給電装置。

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