JP7132620B2 - 非接触給電システム - Google Patents

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Description

本発明は、送電装置から受電装置に磁界共振結合により非接触で電力を供給する非接触給電システムに関する。本出願は、日本国において２０１７年２月１７日に出願された日本特許出願番号特願２０１７－０２７５６８を基礎として優先権を主張するものであり、この出願を参照することにより、本出願に援用される。
近年、給電装置から電源ケーブルを使用せずに電子機器等の負荷に対して電力を非接触で供給する非接触給電システム（ワイヤレス給電システム）の実用化が研究されている。非接触での電力供給を可能にする技術として、電磁誘導を用いた「電磁誘導方式」、電磁界の共振現象を利用した「電磁界共振方式」、及び電力をマイクロ波やレーザー等の電磁波に変換しアンテナを介して送受信する「電波方式」がある。
電磁誘導方式は、産業的にも最も実用化されている技術であり、数ｋＷの電力を伝送可能であるが、伝送可能距離が数ｃｍまでと短い上に、送電コイル・受電コイル間に位置ずれが生じると、コイル間の結合係数が低下し、伝送効率が著しく低下する。一方、電波方式による給電は、まだ依然として研究開発段階であり、数ｋＷでの伝送が期待されているが、他方式と比較して伝送効率が低いこと、また、指向性が極めて高いため、受電側が僅かに動いた場合や、送電・受電装置間に障害物が介入した場合には、伝送不能となることが課題となっている。
これに対して、送電側のＬＣ回路の共振周波数と、受電側のＬＣ回路の共振周波数を電源周波数に一致させる電磁界共振方式（磁界共振結合方式）は、伝送効率がコイル間の結合係数と、共振回路の共振の鋭さを表すＱ値の積で決定され、送電距離がメートルオーダーで可能な上、多少のコイルずれによって結合係数が低下しても、Ｑ値が高ければ伝送可能であるという利点がある。このため、磁界共振結合方式による非接触給電システムは、実用化の研究が進められ、例えば、特許文献１及び２に記載されているように、受電コイルを搭載した電気自動車への電力供給等に適用されている。
特開２０１３－１２１２６１号公報 特開２０１６－１９２８５６号公報
磁界共振結合方式に関しては、給電対象が電気自動車等のように、所定の方向に向けて規則的に移動する受電コイルに向けて、送電コイルから給電を行える場合には、電力伝送が行える。しかしながら、給電対象が人に装着された人工心臓やパワーアシストスーツ等の医療機器や、工場内の移動ロボットのように、不規則的に自在に動き回る場合には、送電コイルと受電コイルとの間の相対角度が９０度に近くなることによって、双方のコイル間の結合係数がゼロに近づくことが不規則的に起こり得る。このため、送電装置と受電装置との間に伝送される電力の伝送効率が著しく低下して、安定した電力伝送が困難になる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、給電対象が不規則的に自在に変位しても、安定的に高効率な非接触給電の可能な、新規かつ改良された非接触給電システムを提供することを目的とする。
本発明は、送電装置から受電装置に磁界共振結合により非接触で給電する非接触給電システムであって、前記送電装置に設けられる送電コイルと、前記送電コイルと前記受電コイルとの間に設けられる中継コイルと、前記受電コイルに対する前記送電コイルの位置及び相対角度を調整する送電コイル位置・角度調整機構と、前記中継コイルの鉛直方向に対する傾き角度を調整する中継コイル角度調整機構と、前記中継コイルを前記受電コイルに追従するように移動させる中継コイル移動手段と、前記中継コイルを介して前記受電コイルの位置情報及び鉛直方向に対する傾きを角度情報として検知する検知手段と、前記検知手段で検知される前記位置情報及び角度情報に基づいて、前記中継コイル角度調整機構及び前記送電コイル位置・角度調整機構を介して前記受電コイルに対する前記中継コイルの相対角度を調整するとともに前記受電コイルに対する前記送電コイルの位置及び相対角度を調整して、且つ、前記中継コイル移動手段を介して前記送電コイルから前記中継コイルまでの距離を調整することによって、前記送電装置から前記受電装置への電力伝送効率が最大値となるように制御する制御部とを備えることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、受電側が不規則的に自在に変位しても、検知手段による検知結果に基づいて、送電コイルの位置や受電コイルに対する相対角度を即時に調整することによって、送電装置から受電装置への伝送効率が最大値となるように制御するので、安定的に高効率な非接触給電が可能となり、しかも、送電装置と受電装置との距離が大きい場合でも、センサによる検知結果に基づいて、中継コイルを介して、送電コイルの位置や受電コイルに対する相対角度を即時に調整することによって、送電装置から受電装置への伝送効率が最大値となるように制御できる。
また、本発明の一態様では、前記制御部は、前記検知手段で検知した位置情報及び角度情報に基づいて、前記受電コイルの前記送電コイルからの距離、前記受電コイルの傾き角度、前記送電コイルの前記鉛直方向に対する傾き角度、前記中継コイルの前記鉛直方向に対する傾き角度、及び前記送電コイルから前記中継コイルまでの距離に基づく関係式から前記伝送効率が最大値となるように制御することとしてもよい。
このようにすれば、送電装置と受電装置との距離が大きい場合でも、受電側が不規則的に自在に変位した際に、検知手段による検知結果に基づく関係式で算出される伝送効率が最大値となるように、送電コイルの位置や受電コイルに対する相対角度を即時に調整することによって、送電装置から受電装置への伝送効率が最大値となるように制御できる。
また、本発明の一態様では、前記中継コイルは、複数設けられ、前記制御部は、前記検知手段で検知した位置情報及び角度情報に基づいて、前記受電コイルの前記送電コイルからの距離、前記受電コイルの前記傾き角度、前記送電コイルの前記鉛直方向に対する傾き角度、前記中継コイルの前記鉛直方向に対する傾き角度、前記送電コイルから前記中継コイルまでの距離、及び前記中継コイルの個数に基づく関係式から算出される前記伝送効率が最大値となるように制御することとしてもよい。
このようにすれば、送電装置と受電装置との距離がより大きく離れた場合でも、検知手段による検知結果に基づいて、複数の中継コイルを介して、送電コイルの位置や受電コイルに対する相対角度を即時に調整することによって、送電装置から受電装置への伝送効率が最大値となるように制御できる。
また、本発明の一態様では、前記検知手段は、前記受電コイル又は前記中継コイルの少なくとも何れか一方の近傍に設けられるセンサであることとしてもよい。
このようにすれば、受電コイルの位置検出の精度が上がるので、受電側が不規則的に自在に変位しても、センサによる検知結果に基づいて、送電コイルの位置や受電コイルに対する相対角度を即時に調整することによって、送電装置から受電装置への伝送効率が最大値となるように制御できる。
また、本発明の一態様では、前記検知手段として、前記受電コイル、前記送電コイル、又は前記中継コイルの少なくとも何れかを撮像可能な撮像装置が設けられることとしてもよい。
このようにすれば、撮像装置によって受電コイル、送電コイル、及び中継コイルの位置関係を検知できるので、受電側が不規則的に自在に変位しても、撮像装置による検知結果に基づいて、送電コイルの位置や受電コイルに対する相対角度を即時に調整することによって、送電装置から受電装置への伝送効率が最大値となるように制御できる。
以上説明したように本発明によれば、受電側が不規則的に自在に変位しても、検知手段による検知結果に基づいて、送電コイルの位置や受電コイルに対する相対角度を即時に調整することによって、送電装置から受電装置への伝送効率が最大値となるように制御するので、安定的に高効率な非接触給電が実現され、しかも、送電装置と受電装置との距離が大きい場合でも、センサによる検知結果に基づいて、中継コイルを介して、送電コイルの位置や受電コイルに対する相対角度を即時に調整することによって、送電装置から受電装置への伝送効率が最大値となるように制御できる。
本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの一態様の概略構成を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの回路構成の概略を示すブロック図である。 送電コイルの角度制御の有無の場合における伝送効率の比較結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの動作制御の概略を示すフロー図である。 本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの動作制御の概略を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの一変形例の回路構成の概略を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの他の変形例の回路構成の概略を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの他の態様の概略構成を示す説明図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの一態様の概略構成を示す説明図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの回路構成の概略を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの動作制御の概略を示すフロー図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの動作制御の概略を示す説明図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの一変形例の回路構成の概略を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの他の変形例の回路構成の概略を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの更に他の変形例の回路構成の概略を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの更に他の変形例の回路構成の概略を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの他の態様の概略構成を示す説明図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの更に他の態様の概略構成を示す説明図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの更に他の態様の概略構成を示す説明図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの更に他の態様の概略構成を示す説明図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの更に他の態様の概略構成を示す説明図である。
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
（第１の実施形態）
まず、本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの概略について、図面を使用しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの一態様の概略構成を示す説明図である。
本発明の一実施形態に係る非接触給電システム１００は、送電装置１１０から給電対象となる受電装置１２０に磁界共振結合により非接触で給電する機能を有する。本実施形態の非接触給電システム１００は、商用電源に接続された電源ステーション１１１に送電コイル１１２を取り付けたものを送電装置１１０として、受電コイル１２２が装着者の背中側に設けられるパワーアシストスーツ１２１を受電装置１２０として適用している。なお、送電装置１１０は、商用電源に接続された電源ステーション１１１に限定されず、受電装置１２０に対する電源となるものであれば、バッテリ等の電力供給手段に送電コイル１１２を取り付けたものであってもよい。
送電装置１１０には、受電装置１２０に設けられた受電コイル１２２に対して、磁界共振結合により非接触で電力を供給する送電コイル１１２が設けられている。送電コイル１１２は、受電コイル１２２に対する送電コイル１１２の位置及び相対角度を調整する送電コイル位置・角度調整機構となるジンバル機構１１５を介して電源ステーション１１１に取り付けられている。
本実施形態では、給電対象となる受電装置１２０が人に装着されるパワーアシストスーツ１２１であり、図１に示すように、その受電コイル１２２が人の背中に設けられているため、パワーアシストスーツ１２１を装着した人の位置や姿勢によって、送電コイル１１２に対する受電コイル１２２の位置や角度が不規則的に変化する。前述したように、送電コイル１１２と受電コイル１２２との間の相対角度が９０度になると、双方のコイル間の結合係数がゼロに近づき、送電装置１２０と受電装置１１０との間に伝送される電力の伝送効率ηが著しく低下して、安定した電力伝送が困難になる。
このため、本実施形態では、ジンバル機構１１５を介して送電コイル１１２が不規則的に変位する受電コイル１２２の位置及び角度を追従しながら、送電コイル１１２を支持するジンバル機構１１５のモータ等からなる駆動部１１６を駆動させて、送電コイル１１２の位置及び相対角度を調整するようになっている。すなわち、本実施形態では、磁界共振結合による電力伝送において、受電コイル１２２の角度に合わせて、送電コイル１１２の角度を制御することによって高い伝送効率を維持できるようにしている。なお、受電コイル１２２の角度に合わせた送電コイル１１２の角度制御動作の詳細については、後述する。
なお、本実施形態では、受電コイル１２２に対する送電コイル１１２の位置及び相対角度を調整する送電コイル位置・角度調整機構としてジンバル機構１１５が適用されているが、ジンバル機構１１５のみでなく、送電コイル１１２の高さを調整できるように昇降機構を設けてもよい。また、受電装置１２０として、給電対象となる負荷がウェアラブルデバイスであるパワーアシストスーツ１２１以外にも、例えば、人工心臓等の体内植え込み型人工臓器や、工場内の移動ロボット等にも適用可能である。
次に、本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの回路構成について、図面を使用しながら説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの回路構成の概略を示すブロック図である。
本実施形態の非接触給電システム１００は、図２に示すように、送電装置１１０と、駆動部１１６と、受電装置１２０と、センサ１２５と、及び制御部１４０とを備える。
送電装置１１０は、図２に示すように、送電コイル１１２と、送電容量１１３と、送電側サブコイル１１４と、駆動部１１６と、変換器１１７と、インピーダンス整合回路１１８と、及び電源１１１と、を備える。一方、受電装置１２０は、図２に示すように、受電コイル１２２と、受電容量１２３と、受電側サブコイル１２４と、センサ１２５と、ＡＣ－ＤＣコンバータ１２７と、及び負荷１２１と、を備える。
送電装置１１０では、高周波電源等の商用電源やバッテリからなる電源１１１からの電流（電源１１１が商用電源の場合では、交流電流、電源１１１がバッテリの場合では、直流電流）をＡＣ－ＡＣコンバータやＤＣ－ＡＣインバータ等の変換器１１７で所望の周波数の交流電流に変換される。そして、変換器１１７で所望の周波数に変換された交流電流は、可変キャパシタや可変インダクタ等のインピーダンス整合回路１１８で送電装置１１０の回路全体を所望のインピーダンスに変換して、送電側サブコイル１１４から電磁誘導により送電コイル１１２と結合される。送電コイル１１２は、送電容量１１３と送電共振回路を構成して、磁界共振結合により受電装置１２０に向けて電力を供給する。
一方、受電装置１２０では、受電コイル１２２と受電容量１２３が受電共振回路を構成して、当該受電コイル１２２が受電側サブコイル１２４と電磁誘導で結合される。そして、受電側サブコイル１２４との電磁誘導による結合により発生した交流電流は、ＡＣ－ＤＣコンバータ１２７で直流電流に変換されて、負荷１２１に電力供給される。
本実施形態の非接触給電システム１００の回路構成をかかる構成とすることによって、電源１１１からの電流を変換器１１７で所望の周波数の交流電流に変換して、送電側サブコイル１１４を介して、送電コイル１１２と送電容量１１３により送電共振回路が構成されて、磁界共振結合状態が発生するようになる。そして、当該送電共振回路の周波数が変換器１１７により変換された交流電流の周波数及び受電コイル１２２と受電容量１２３により構成される受電共振回路の周波数と一致すると、共振して電力が発生して、受電側サブコイル１２４を介して交流をＡＣ－ＤＣコンバータ１２７で直流に変換して負荷１２１に電力供給されるようになっている。
駆動部１１６は、前述したように、送電コイル１１２の方向を変更可能とするジンバル機構１１５（図１参照）に支持される送電コイル１１２の方向を変更させる際に駆動させるモータ等からなる駆動源である。
センサ１２５は、受電コイル１２２の位置情報及び角度情報を検知する検知手段としての機能を有し、ＧＰＳセンサや、ジャイロセンサ（角速度センサ）、角度センサ、重力センサ、加速度センサ等の各種センサから構成される。本実施形態では、センサ１２５は、受電コイル１２２の位置情報として、当該受電コイル１２２の送電コイル１１２からの距離と方向を検知し、受電コイル１２２の角度情報として、当該受電コイル１２２の鉛直方向に対する傾き角度、すなわち、姿勢角情報を検知する機能を有する。
センサ１２５で検知された受電コイル１２２の位置情報と角度情報は、無線信号で制御部１４０に送信されて、送電コイル１１２の位置と角度を調整する動作にフィードバックされる。本実施形態では、センサ１２５で検知された受電コイル１２２の位置情報と角度情報を無線信号で送信する際に、消費電力を抑えるために、ある程度の変動幅に達してから当該位置情報及び角度情報を制御部１４０で送信するようにしている。また、本実施形態では、センサ１２５から受電コイル１２２の位置情報と角度情報を制御部１４０に送信する際における無線信号の周波数帯が非接触で給電する際における無線給電の周波数帯と干渉しないようにしている。例えば、無線給電の周波数帯が数ＭＨｚの場合には、無線信号の周波数帯を数百ＭＨｚとしている。
さらに、本実施形態では、センサ１２５は、受電コイル１２２の近傍に設けられ、受電コイル１２２の位置検出の精度を向上させるために、受電コイル１２２の内側に設けられることが好ましい。なお、本実施形態では、センサ１２５によって受電コイル１２２の位置及び角度を検知しているが、受電コイル１２２の位置情報及び角度情報を検知する検知手段の変形例として、カメラやモーションキャプチャを用いた画像処理によって受電コイルの位置情報と角度情報を検知できるようにしてもよい。かかる検知手段の変形例の詳細については、後述する。
制御部１４０は、非接触給電システム１００の各種制御を行う機能を有する。本実施形態の非接触給電システム１００は、受電コイル１２２の近傍に設けられるセンサ１２５によって検知される受電コイル１２２の位置情報及び角度情報に基づいて、制御部１４０による動作制御を介して送電コイル１１２の位置と角度を調整する動作が制御される。
本実施形態では、制御部１４０は、図２に示すように、算出部１４４と指令部１４６を有するＣＰＵ１４２と、記憶部１４８とを備える。
ＣＰＵ１４２は、ＲＯＭ等の記憶部１４８に記憶されている各種プログラムに従って、非接触給電システム１００に備わる各構成要素の動作を制御する機能を有する。また、ＣＰＵ１４２は、これらの各種処理を実行する際に、必要なデータ等を一時的に記憶するＲＡＭ（図示せず）に適宜記憶させる機能を有する。
算出部１４４は、センサ１２５による受電コイル１２２の位置情報及び角度情報の検知結果に基づいて、送電装置１１０から受電装置１２０への電力の伝送効率ηが最大値となるような送電コイル１１２の位置及び受電コイル１２２に対する相対角度を算出する機能を有する。本実施形態では、算出部１４４は、センサ１２５で検知した受電コイル１２２の送電コイル１１２から距離ｒ２、受電コイル１２２の傾き角度θ２、及び送電コイル１１２の鉛直方向に対する傾き角度θ０に基づいて、関係式から算出される伝送効率ηが最大値となるように、送電コイル１１２の位置及び角度の好適値を算出する。なお、算出部１４４における関係式から算出される伝送効率ηが最大値となるように、送電コイル１１２の位置及び角度の好適値の算出方法の詳細については、後述する。
指令部１４６は、算出部１４４による算出結果に基づいて、駆動部１１６を動作制御するように指令する機能を有する。本実施形態では、算出部１４４で算出された伝送効率ηが最大値となる送電コイル１１２の位置及び角度の好適値となるように、ジンバル機構１１５で送電コイル１１２を支持する駆動部１１６を駆動させる。
このようにして、本実施形態では、センサ１２５による検知結果に基づいて、送電コイル位置・角度調整機構となるジンバル機構１１５を介して、即時に受電コイル１２２に対する送電コイル１１２の位置及び相対角度を調整して、送電装置１１０から受電装置１２０への電力の伝送効率が最大値となるように制御される。このため、給電対象が不規則的に自在に変位しても、送電コイル１１２の位置や受電コイル１２２に対する相対角度を即時に調整することによって、送電装置１１０から受電装置１２０への伝送効率ηが最大値となるように制御されるので、安定的に高効率な非接触給電が実現される。
すなわち、従来のように、変位する受電コイルに対して送電コイルを固定したままの場合は、図３に示すように、送電コイルと受電コイルの相対角度が０度から大きくなるにつれて、伝送効率ηが減少していき、当該相対角度が９０度になると伝送効率ηが０に近づいていた。これに対して、本実施形態では、変位する受電コイル１２２の位置情報及び角度情報に対して送電コイル１１２の位置及び角度を好適値となるように移動させるので、図３に示すように、送電コイル１１２と受電コイル１２２の相対角度が０度から大きくなっても、伝送効率ηを低下させずに、上昇させることができる。
なお、本実施形態では、制御部１４０は、センサ１２５による検知結果に基づいて、センサ１２５で検知した受電コイル１２２の送電コイル１１２から距離、受電コイル１２２の傾き角度、及び送電コイル１１２の鉛直方向に対する傾き角度に基づく関係式から算出される伝送効率ηが最大値となるように、即時に受電コイル１２２に対する送電コイル１１２の位置及び相対角度を調整して制御しているが、他の態様で伝送効率ηが最大値となる送電コイル１１２の位置及び相対角度を調整してもよい。
例えば、制御部１４０は、センサ１２５による検知結果に基づいて、算出部１４４で送電コイル１１２から伝送される電力と、受電コイル１２２に伝送される電力の比を求めて、これらの比率から伝送効率ηが最大値となるように、受電コイル１２２に対する送電コイル１１２の位置及び相対角度を算出して、指令部１４６で当該位置及び相対角度となるように調整するよう指令してもよい。
また、制御部１４０は、センサ１２５による検知結果に基づいて、記憶部１４８に記憶されたデータテーブルから、伝送効率ηが最大値となるように、算出部１４４で受電コイル１２２に対する送電コイル１１２の位置及び相対角度の好適値を算出して、指令部１４６で当該好適値に設定してもよい。すなわち、記憶部１４８に受電コイル１２２の送電コイル１１２から距離、受電コイル１２２の傾き角度、及び送電コイル１１２の鉛直方向に対する傾き角度の各データの場合における受電コイル１２２に対する送電コイル１１２の位置及び相対角度の好適値のデータテーブルが記憶され、センサ１２５による検知結果に基づいて、かかるデータテーブルを参照して、受電コイル１２２に対する送電コイル１１２の位置及び相対角度の好適値を設定してもよい。
さらに、制御部１４０による送電装置１１０から受電装置１２０への伝送効率ηが最大値となるように制御する態様は、センサ１２５による検知結果に基づくものに限定されない。例えば、送電装置１１０の電源から出力した電力と、受電装置１２０で消費される電力を計測して、双方の電力の比に基づいて、伝送効率ηを計算してから、送電コイル１１２の角度を動かした際の伝送効率ηの変動結果に基づいて、送電コイル１１２の角度を定めてもよい。具体的には、伝送効率ηが向上したら、更に動かした側に送電コイル１１２を動かし、伝送効率ηが低下したら、動かした方向と別方向に送電コイル１１２を動かことによって，送電コイル１１２の角度を調整する。このとき、受電側の電力情報は、無線通信等により制御部１４０に送信される。
次に、本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの動作制御について、図面を使用しながら説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの動作制御の概略を示すフロー図であり、図５は、本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの動作制御の概略を示す説明図である。
まず、センサ１２５によって、受電コイル１２２の位置情報として送電コイル１１２からの距離と方向が検知され、受電コイル１２２の角度情報として、鉛直方向に対する傾き角度が検知される（工程Ｓ１１）。例えば、センサ１２５がＧＰＳセンサとジャイロセンサで構成されている場合には、ＧＰＳセンサで受電コイル１２２の位置情報を検知し、ジャイロセンサで受電コイル１２２の角度情報を検知する。
次に、センサ１２５による受電コイル１２２の位置及び角度の検知結果に基づいて、制御部１４０の算出部１４４によって、送電装置１１０から受電装置１２０への電力の伝送効率ηが最大値となるような送電コイル１１２の位置及び受電コイル１２２に対する相対角度を算出する（工程Ｓ１２）。すなわち、工程Ｓ１２では、センサ１２５から無線信号で制御部１４０に送信された受電コイル１２２の位置情報と角度情報に基づいて、制御部１４０の算出部１４４が送電装置１１０から受電装置１２０への電力の伝送効率ηを最大値にする送電コイル１１２の位置及び受電コイル１２２に対する相対角度を算出する。
本実施形態では、工程Ｓ１２において、算出部１４４は、図５に示すセンサ１２５で検知した送電コイル１１２の中心Ｏ１から受電コイル１２２の中心Ｏ２までの距離ｒ２、鉛直方向線Ｌ２に対する受電コイル１２２の傾き角度θ２、及び鉛直方向線Ｌ１に対する送電コイル１１２の傾き角度θ０に基づいて、下記の関係式から算出される伝送効率ηが最大値となるように、送電コイル１１２の位置及び角度の好適値を算出する。
Figure 0007132620000001
また、工程Ｓ１２における算出部１４４での演算で使用する伝送効率ηの具体的な関係式の一例を以下に示す。なお、下記の関係式において、Ｑ０、Ｑ２は、それぞれ送電コイル１１２、受電コイル１２２のＱ値を表す。
Figure 0007132620000002
また、上記の関係式におけるｋは、送電コイル１１２と受電コイル１２２の結合係数であり、結合係数ｋは、下記の式により定まる。なお、下記の式のＡは、送電コイル１１２と受電コイル１２２の巻き数等の形状によって定まる定数であり、θｒ２は、鉛直方向線Ｌ１に対する送電コイル１１２の中心Ｏ１から受電コイル１２２の中心Ｏ２への方向ベクトルの方向の角度を示す。
Figure 0007132620000003
工程Ｓ１２で送電装置１１０から受電装置１２０への電力の伝送効率ηが最大値となるような送電コイル１１２の位置及び受電コイル１２２に対する相対角度の好適値を算出したら、当該好適値になるように、送電コイル１１２の位置及び傾き角度を調整する（工程Ｓ１３）。本実施形態では、算出部１４４で算出された伝送効率ηが最大値となる送電コイル１１２の位置及び角度の好適値となるように、指令部１４６がジンバル機構１１５で送電コイル１１２を支持する駆動部１１６に指令して、当該駆動部１１６を駆動させる。
このようにして、本実施形態では、センサ１２５の検知結果に基づいて、即時に受電コイル１２２に対する送電コイル１１２の位置及び相対角度を調整して、送電装置１１０から受電装置１２０への電力の伝送効率が最大値となるように制御される。すなわち、センサ１２５で検知された受電コイル１２２の位置情報と角度情報が制御部１４０にフィードバックされて、送電コイル１１２の好適な位置と相対角度に調整される。このため、給電対象が人に装着された人工心臓やパワーアシストスーツ等の医療機器、工場内の移動ロボットのように、不規則的に自在に変位しても、送電コイル１１２の位置や受電コイル１２２に対する相対角度を即時に調整して、送電装置１１０から受電装置１２０への伝送効率ηが最大値となるように制御されることによって、安定的に高効率な磁界共振結合による非接触給電が実現される。
なお、本実施形態では、受電コイル１２２の位置情報と角度情報を検知する検知手段として、センサ１２５が適用されているが、前述したように、受電コイル１２２の位置情報及び角度情報を検知する検知手段は、他の態様としてもよい。例えば、図６に示すように、送電コイル１１２の近傍に撮像装置となるカメラ１１９を設置し、給電対象の人やロボットに取り付けた受電装置１２０の位置情報と角度情報を画像処理から求めるようにしてもよい。
すなわち、本実施形態の一変形例となる非接触給電システム１０１では、送電コイル１１２の近傍に設けたカメラ１１９で給電対象となる受電装置１２０を撮像して、当該カメラ１１９で得られた映像情報を画像処理演算部１４９で受電装置１２０に搭載される受電コイル１２２の位置情報と角度情報にデジタル変換してから、制御部１４０に無線信号で送信されて、画像処理による受電コイル１２２の位置情報と角度情報を検知するようにしてもよい。なお、画像処理演算部１４９は、カメラ１１９と制御部１４０の間の何れかに設けられていればよいので、カメラ１１９又は制御部１４０の何れかの内部に設置する構成としてもよい。
本変形例では、カメラ１１９を送電コイル１１２の近傍に設けているが、カメラ１１９の設置箇所は、送電コイル１１２又は受電コイル１２２の少なくとも何れか一方を撮像可能な箇所であれば、他の設置箇所としてもよい。すなわち、送電コイル１１２に対する受電コイル１２２の位置や角度の関係を把握可能な場所であれば、例えば、受電コイル１２２の近傍や、送電コイル１１２と受電コイル１２２の双方を同時に撮像可能な監視カメラのように双方のコイル１１２、１２２から離れた他の位置に設置するようにしても良い。
また、図７に示すように、かかる検知手段として送電コイル１１２の近傍にカメラ１１９を設置し、受電コイル１２２の近傍にセンサ１２５を設置しても良い。すなわち、本実施形態の他の変形例となる非接触給電システム１０２では、送電コイル１１２の近傍に設けたカメラ１１９で給電対象となる受電装置１２０を撮像する。そして、当該カメラ１１９で得られた映像情報は、画像処理演算部１４９で受電装置１２０に搭載される受電コイル１２２の位置情報と角度情報にデジタル変換されてから、かかる位置情報と角度情報が制御部１４０に無線信号で送信されて、画像処理による受電コイル１２２の位置情報と角度情報が検知される。当該他の変形例の非接触給電システム１０２では、カメラ１１９の画角から給電対象となる受電装置１２０が外れた場合でも、当該受電装置１２０の位置情報等をＧＰＳ等のセンサ１２５で追跡できるようにしている。
さらに、本実施形態の非接触給電システム１００の適用対象は、他の態様にも適用できる。例えば、図８に示すように、給電対象となる受電装置１６０が大型カメラ１６１にジンバル機構１６５を介して受電コイル１６２を取り付けた受電ドローン１６６として、送電装置１５０がジンバル機構１５５を介して送電コイル１５２を取り付けたバッテリ１５１を送電用ドローン１５８で移動可能とした送電装置１５０として、非接触給電システム１０３を構成してもよい。すなわち、不規則的に自在に変位する受電装置１６０に対して、送電装置１５０が当該受電装置１６０を追従可能な機能を備える構成としてもよい。
（第２の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの概略について、図面を使用しながら説明する。図９は、本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの一態様の概略構成を示す説明図である。
本発明の他の実施形態に係る非接触給電システム２００は、送電装置２１０から給電対象となる受電装置２２０に磁界共振結合により非接触で給電する機能を有する。本実施形態では、送電コイル２１２と受電コイル２２２との距離が離れているので、その間に中継コイル２３２を取り付けたリピータコイル装置２３０を設けることによって、送受電間の伝送距離を大きくすることを特徴とする。このとき、コイル間距離を例えば１ｍ程度にする場合には、送電コイル２１２と中継コイル２３２の直径は、５００ｍｍ程度かそれ以上の大きさとして、人に装着する受電コイル２２２の直径は、３００ｍｍ程度あることが望ましい。
リピータコイル装置２３０は、中継コイル２３２の鉛直方向に対する傾き角度を調整する中継コイル角度調整機構となるジンバル機構２３５を介して、中継コイル移動手段となる自律移動ロボット２３７に取り付けられることによって構成されている。すなわち、本実施形態では、中継コイル２３２は、ジンバル機構２３５を介して、受電コイル２３２に追従するように移動させる自律移動ロボット２３７に取り付けられおり、モータ等の駆動部２３６を介してジンバル機構２３５に駆動可能に支持されている。
また、本実施形態の非接触給電システム２００は、第１の実施形態と同様に、商用電源に接続された電源ステーション２１１に送電コイル２１２を取り付けたものを送電装置２１０として、受電コイル２２２が装着者の背中側に設けられるパワーアシストスーツ２２１を受電装置２２０として適用している。なお、送電装置２１０は、商用電源に接続された電源ステーション２１１に限定されず、受電装置２２０に対する電源となるものであれば、バッテリ等の電力供給手段に送電コイル２１２を取り付けたものであってもよい。
送電装置２１０には、受電装置２２０に設けられた受電コイル２２２に対して、磁界共振結合により非接触で電力を供給する送電コイル２１２が設けられている。送電コイル２１２は、受電コイル２２２に対する送電コイル２１２の位置及び相対角度を調整する送電コイル位置・角度調整機構となるジンバル機構２１５を介して電源ステーション２１１に取り付けられている。
本実施形態では、給電対象となる受電装置２２０が人に装着されるパワーアシストスーツ２２１であり、図９に示すように、その受電コイル２２２が人の背中に設けられているため、パワーアシストスーツ２２１を装着した人の位置や姿勢によって、送電コイル２１２に対する受電コイル２２２の位置や角度が不規則的に変化する。前述したように、送電コイル２１２と受電コイル２２２との間の相対角度が９０度になると、双方のコイル間の結合係数がゼロに近づき、送電装置２２０と受電装置２１０との間に伝送される電力の伝送効率ηが著しく低下して、安定した電力伝送が困難になる。また、本実施形態では、送電コイル２１０と受電コイル２２０との距離が磁界共振結合による給電が困難な程度に離れている。
このため、本実施形態では、リピータコイル装置２３０に備わる自律移動ロボット２３７及びジンバル機構２３５を介して、中継コイル２３２が不規則的に変位する受電コイル２２２の位置及び角度を追従しながら、送電装置２１０に備わるジンバル機構２１５を介して、傾き角度が調整される送電コイル２１２から伝送される電力が中継される。そして、送電コイル２１２を支持するジンバル機構２１５のモータ等からなる駆動部２１６を駆動させて、送電コイル２１２の位置及び相対角度を調整するようになっている。
すなわち、本実施形態では、磁界共振結合による電力伝送において、受電コイル２２２の角度に合わせて、中継コイル２３２を介して送電コイル２１２の角度を制御することによって、送電コイル２１２と受電コイル２２２との距離が離れていても、高い伝送効率を維持できるようにしている。なお、受電コイル２２２の角度に合わせた送電コイル２１２の角度制御動作の詳細については、後述する。
次に、本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの回路構成について、図面を使用しながら説明する。図１０は、本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの回路構成の概略を示すブロック図である。
本実施形態の非接触給電システム２００は、図１０に示すように、送電装置２１０と、駆動部２１６と、受電装置２２０と、センサ２２５と、リピータコイル装置２３０と、及び制御部２４０とを備える。
送電装置２１０は、図１０に示すように、送電コイル２１２と、送電容量２１３と、送電側サブコイル２１４と、駆動部２１６と、変換器２１７と、インピーダンス整合回路２１８と、及び電源２１１を備える。一方、受電装置２２０は、図１０に示すように、受電コイル２２２と、受電容量２２３と、受電側サブコイル２２４と、センサ２２５と、ＡＣ－ＤＣコンバータ２２７と、及び負荷２２１を備える。また、リピータコイル装置２３０は、図１０に示すように、中継コイル２３２と、中継容量２３３と、駆動部２３６と、自律移動部２３８を備える。
リピータコイル装置２３０に備わる駆動部２３６は、中継コイル２３２の方向を変更可能とするジンバル機構２３５（図９参照）に支持される送電コイル２３２の方向を変更させる際に駆動させるモータ等からなる駆動源である。
リピータコイル装置２３０に備わる自律移動部２３８は、中継コイル２３２の方向を変更可能とするジンバル機構２３５（図９参照）に支持される送電コイル２３２の位置を変更させる際に駆動させる自律移動ロボット２３７の駆動源である。
送電装置２１０では、高周波電源等の商用電源やバッテリからなる電源２１１からの電流（電源２１１が商用電源の場合は、交流電流、電源２１１がバッテリの場合では、直流電流）をＡＣ－ＡＣコンバータやＤＣ－ＡＣインバータ等の変換器２１７で所望の周波数の交流電流に変換される。そして、変換器２１７で所望の周波数に変換された交流電流は、可変キャパシタや可変インダクタ等のインピーダンス整合回路２１８で送電装置２１０の回路全体を所望のインピーダンスに変換して、送電側サブコイル２１４から電磁誘導により送電コイル２１２と結合される。送電コイル２１２は、送電容量２１３と送電共振回路を構成して、磁界共振結合により受電装置２２０に向けて電力を供給する。
一方、受電装置２２０では、受電コイル２２２と受電容量２２３が受電共振回路を構成して、当該受電コイル２２２が受電側サブコイル２２４と電磁誘導で結合される。そして、受電側サブコイル２２４との電磁誘導による結合により発生した交流電流は、ＡＣ－ＤＣコンバータ２２７で直流電流に変換されて、負荷２２１に電力供給される。
本実施形態の非接触給電システム２００の回路構成をかかる構成とすることによって、電源２１１からの電流を変換器２１７で所望の周波数の交流電流に変換して、送電側サブコイル２１４を介して、送電コイル２１２と送電容量２１３により送電共振回路が構成されて、磁界共振結合状態が発生するようになる。そして、当該送電共振回路の周波数が変換器１１７により変換された交流電流の周波数及び中継コイル２３２と中継容量２３３により構成される中継共振回路の周波数と一致すると、共振して電力が中継され、当該中継共振回路の周波数が受電コイル２２２と受電容量２２３により構成される受電共振回路の周波数と一致すると、共振して電力が発生して、受電側サブコイル２２４を介して交流をＡＣ－ＤＣコンバータ２２７で直流に変換して負荷２２１に電力供給されるようになっている。
送電装置２１０に備わる駆動部２１６は、前述したように、送電コイル２１２の方向を変更可能とするジンバル機構２１５（図９参照）に支持される送電コイル２１２の方向を変更させる際に駆動させるモータ等からなる駆動源である。
センサ２２５は、受電コイル２２２の位置情報及び角度情報を検知する検知手段としての機能を有し、ＧＰＳセンサや、ジャイロセンサ（角速度センサ）、角度センサ、重力センサ、加速度センサ等の各種センサから構成される。本実施形態では、センサ２２５は、受電コイル２２２の位置情報として、中継コイル２３２を介して当該受電コイル２２２の送電コイル２１２からの距離と方向を検知し、受電コイル２２２の角度情報として、中継コイル２３２を介して当該受電コイル１２２の鉛直方向に対する傾き角度、すなわち、姿勢角情報を検知する機能を有する。
センサ２２５で検知された受電コイル２２２の位置情報と角度情報は、無線信号で制御部２４０に送信されて、送電コイル２１２の位置と角度を調整する動作にフィードバックされる。本実施形態では、センサ２２５で検知された受電コイル２２２の位置情報と角度情報を無線信号で送信する際に、消費電力を抑えるために、ある程度の変動幅に達してから当該位置情報及び角度情報を制御部２４０で送信するようにしている。また、本実施形態では、センサ２２５から受電コイル２２２の位置情報と角度情報を制御部２４０に送信する際における無線信号の周波数帯が非接触で給電する際における無線給電の周波数帯と干渉しないようにしている。例えば、無線給電の周波数帯が数ＭＨｚの場合には、無線信号の周波数帯を数百ＭＨｚとしている。
さらに、本実施形態では、センサ２２５は、受電コイル２２２の近傍に設けられ、受電コイル２２２の位置検出の精度を向上させるために、受電コイル２２２の内側に設けられることが好ましい。なお、本実施形態では、センサ２２５によって受電コイル２２２の位置及び角度を検知しているが、受電コイル２２２の位置情報及び角度情報を検知する検知手段の変形例として、カメラやモーションキャプチャを用いた画像処理によって受電コイルの位置情報と角度情報を検知できるようにしてもよい。かかる検知手段の変形例の詳細については、後述する。
制御部２４０は、非接触給電システム２００の各種制御を行う機能を有する。本実施形態の非接触給電システム２００は、受電コイル２２２の近傍に設けられるセンサ２２５によって検知される受電コイル２２２の位置情報及び角度情報に基づいて、制御部２４０による動作制御を介して送電コイル２１２及び中継コイル２３２の位置と角度を調整する動作が制御される。
本実施形態では、制御部２４０は、図１０に示すように、算出部２４４と指令部２４６を有するＣＰＵ２４２と、記憶部２４８とを備える。
ＣＰＵ２４２は、ＲＯＭ等の記憶部２４８に記憶されている各種プログラムに従って、非接触給電システム２００に備わる各構成要素の動作を制御する機能を有する。また、ＣＰＵ２４２は、これら各種処理を実行する際に、必要なデータ等を一時的に記憶するＲＡＭ（図示せず）に適宜記憶させる機能を有する。
算出部２４４は、センサ２２５による受電コイル２２２の位置情報及び角度情報の検知結果に基づいて、送電装置２１０から受電装置２２０への電力の伝送効率ηが最大値となるような中継コイル２３２の位置、中継コイル２３２の傾斜角度、送電コイル２１２の位置、及び受電コイル２２２に対する相対角度を算出する機能を有する。本実施形態では、算出部２４４は、センサ２２５で検知した受電コイル２２２の送電コイル２１２から距離、受電コイル２２２の傾き角度、送電コイル２１２の鉛直方向に対する傾き角度、中継コイル２３２の鉛直方向に対する傾き角度、及び送電コイル２１２から中継コイル２３２までの距離に基づいて、関係式から算出される伝送効率ηが最大値となるように、送電コイル２１２及び中継コイル２３２の位置、角度の好適値を算出する。なお、算出部２４４における関係式から算出される伝送効率ηが最大値となるように、送電コイル２１２及び中継コイル２３２の位置、角度の好適値の算出方法の詳細については、後述する。
指令部２４６は、算出部２４４による算出結果に基づいて、送電装置２１０の駆動部２１６、リピータコイル装置２３０の駆動部２３６及び自律移動部２３８を動作制御するように指令する機能を有する。本実施形態では、算出部２４４で算出された伝送効率ηが最大値となる送電コイル２１２の位置及び角度、中継コイル２３２の位置及び角度のそれぞれが好適値となるように、ジンバル機構２１５で送電コイル２１２を支持する駆動部２１６を駆動させ、ジンバル機構２３５で中継コイル２３２を支持する駆動部２３６を駆動させ、かつ、自律移動ロボット２３７の駆動源となる自律移動部２３８を駆動させる。
このようにして、本実施形態では、センサ２２５による検知結果に基づいて、送電コイル位置・角度調整機構となるジンバル機構２１５を介して、即時に受電コイル２２２に対する送電コイル２１２の位置及び相対角度を調整して、送電装置２１０から受電装置２２０への電力の伝送効率ηが最大値となるように制御される。このため、給電対象が不規則的に自在に変位しても、送電コイル２１２の位置や受電コイル２２２に対する相対角度を即時に調整することによって、送電装置２１０から受電装置２２０への伝送効率ηが最大値となるように制御されるので、安定的に高効率な非接触給電が実現される。
また、本実施形態では、送電装置２１０と受電装置２２０との距離が大きい場合でも、センサ２３５による検知結果に基づいて、受電コイル２２２をトラッキングする自律移動ロボット２３７に搭載された中継コイル２３２を介して、送電コイル２１２の位置や受電コイル２２２に対する相対角度をリアルタイムに調整することによって、送電装置２１０から受電装置２２０への伝送効率ηが最大値となるように制御できる。このため、送電装置２１０から離れた給電対象となる受電装置２２０が不規則的に自在に変位しても、ジンバル機構２３５を介して中継コイル２３２を搭載した自律移動ロボット２３７が受電コイル２２２を搭載した受電装置２２０を追従させながら、即時に中継コイル２３２を好適な位置及び角度に調整することによって、長距離、かつ常時高効率な給電が実現される。
なお、本実施形態では、制御部２４０は、センサ２２５による検知結果に基づいて、センサ２２５で検知した受電コイル２２２の送電コイル２１２から距離、受電コイル２２２の傾き角度、送電コイル２１２の鉛直方向に対する傾き角度、中継コイル２３２の鉛直方向に対する傾き角度、及び送電コイル２１２から中継コイル２３２までの距離に基づく関係式から算出される伝送効率ηが最大値となるように、即時に受電コイル２２２に対する送電コイル２１２の位置及び相対角度を調整して制御しているが、他の態様で伝送効率ηが最大値となる送電コイル２１２及び中継コイル２３２の位置及び相対角度を調整してもよい。
例えば、制御部２４０は、センサ２２５による検知結果に基づいて、算出部２４４で送電コイル２１２から伝送される電力と、受電コイル２２２に伝送される電力の比を求めて、これらの比率から伝送効率ηが最大値となるように、受電コイル２２２に対する送電コイル２１２の位置及び相対角度を算出して、指令部２４６で当該位置及び相対角度となるように調整するよう指令してもよい。
また、制御部２４０は、センサ２２５による検知結果に基づいて、記憶部２４８に記憶されたデータテーブルから、伝送効率ηが最大値となるように、算出部２４４で受電コイル２２２に対する送電コイル２１２の位置及び相対角度の好適値を算出して、指令部２４６で当該好適値に設定してもよい。すなわち、記憶部２４８に受電コイル２２２の送電コイル２１２から距離、受電コイル２２２の傾き角度、送電コイル２１２の鉛直方向に対する傾き角度、中継コイル２３２の鉛直方向に対する傾き角度、及び送電コイル２１２から中継コイル２３２までの距離の各データの場合における受電コイル２２２に対する中継コイル２３２及び送電コイル２１２の位置及び相対角度の好適値のデータテーブルが記憶され、センサ２２５による検知結果に基づいて、かかるデータテーブルを参照して、受電コイル２２２に対する送電コイル２１２の位置及び相対角度の好適値を設定してもよい。
さらに、制御部２４０による送電装置２１０から受電装置２２０への伝送効率ηが最大値となるように制御する態様は、センサ２２５による検知結果に基づくものに限定されない。例えば、送電装置２１０の電源から出力した電力と、受電装置２２０で消費される電力を計測して、双方の電力の比に基づいて、伝送効率ηを計算してから、送電コイル２１２の角度を動かした際の伝送効率ηの変動結果に基づいて、送電コイル２１２の角度を定めてもよい。具体的には、伝送効率ηが向上したら、更に動かした側に送電コイル２１２を動かし、伝送効率ηが低下したら、動かした方向と別方向に送電コイル２１２を動かことによって、送電コイル２１２の角度を調整する。このとき、受電側の電力情報は、無線通信等により制御部２４０に送信される。
次に、本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの動作制御について、図面を使用しながら説明する。図１１は、本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの動作制御の概略を示すフロー図であり、図１２は、本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムの動作制御の概略を示す説明図である。
まず、センサ２２５によって、受電コイル２２２の位置情報として送電コイル２１２からの距離と方向が検知され、受電コイル２２２の角度情報として、鉛直方向に対する傾き角度が検知される（工程Ｓ２１）。例えば、センサ２２５がＧＰＳセンサとジャイロセンサで構成されている場合には、ＧＰＳセンサで受電コイル２２２の位置情報を検知し、ジャイロセンサで受電コイル２２２の角度情報を検知する。
次に、センサ２２５による受電コイル２２２の位置及び角度の検知結果に基づいて、制御部２４０の算出部２４４によって、送電装置２１０から受電装置２２０への電力の伝送効率ηが最大値となるような中継コイル２３２の位置及び傾き角度と、送電コイル２１２の位置及び受電コイル２２２に対する相対角度をそれぞれ算出する（工程Ｓ２２）。すなわち、工程Ｓ２２では、センサ２２５から無線信号で制御部２４０に送信された受電コイル２２２の位置情報と角度情報に基づいて、制御部２４０の算出部２４４が送電装置２１０から受電装置２２０への電力の伝送効率ηを最大値にする送電コイル２１２の位置及び受電コイル２２２に対する相対角度を算出する。
本実施形態では、工程Ｓ２２において、算出部２４４は、センサ２２５（図１０参照）で検知した送電コイル２１２の中心Ｏ１から受電コイル２２２の中心Ｏ２までの距離ｒ２（図１２参照）、鉛直方向線Ｌ２に対する受電コイル２２２の傾き角度θ２（図１２参照）、鉛直方向線Ｌ１に対する送電コイル２１２の傾き角度θ０（図１２参照）、中継コイル２３２の鉛直方向に対する傾き角度θ１（図１２参照）、及び送電コイル２１２の中心Ｏ１から中継コイル２３２の中心Ｏ３までの距離ｒ１（図１２参照）に基づいて、下記の関係式から算出される伝送効率ηが最大値となるように、中継コイル２３２の位置及び傾き角度と、送電コイル２１２の位置及び傾き角度の好適値を算出する。
Figure 0007132620000004
工程Ｓ２２で送電装置２１０から受電装置２２０への電力の伝送効率ηが最大値となるような中継コイル２３２の位置ｒ１及び傾き角度θ１と、送電コイル２１２の位置ｒ２及び傾き角度θ２の好適値を算出したら、当該好適値になるように、中継コイル２３２の位置ｒ１及び傾き角度θ１と、送電コイル２１２の位置ｒ２及び傾き角度θ２を調整する（工程Ｓ２３）。本実施形態では、算出部２４４で算出された伝送効率ηが最大値となる中継コイル２３２の位置ｒ１及び傾き角度θ１と、送電コイル２１２の位置ｒ２及び傾き角度θ２の好適値となるように、指令部２４６が送電装置２１０の駆動部２１６と、リピータコイル装置２３０の駆動部２３６と、及びリピータコイル装置２３０の自律移動部２３８に指令して、当該駆動部２１６、２３６、及び自律移動部２３８を駆動させる。
このようにして、本実施形態では、センサ２２５の検知結果に基づいて、中継コイル２３２を介して、即時に受電コイル２２２に対する送電コイル２１２の位置及び相対角度を調整して、送電装置２１０から受電装置２２０への電力の伝送効率が最大値となるように制御される。すなわち、センサ２２５で検知された受電コイル２２２の位置情報と角度情報が制御部２４０にフィードバックされて、送電コイル２１２の好適な位置と相対角度に調整される。このため、給電対象が人に装着された人工心臓やパワーアシストスーツ等の医療機器、工場内の移動ロボットのように、不規則的に自在に変位しても、送電コイル２１２の位置や受電コイル２２２に対する相対角度を即時に調整して、送電装置２１０から受電装置２２０への伝送効率ηが最大値となるように制御されることによって、安定的に高効率な磁界共振結合による非接触給電が実現される。
また、本実施形態では、送電装置２１０と受電装置２２０との距離が大きい場合でも、センサ２３５による検知結果に基づいて、受電コイル２２２をトラッキングする自律移動ロボット２３７に搭載された中継コイル２３２を介して、送電コイル２１２の位置や受電コイル２２２に対する相対角度をリアルタイムに調整できる。このため、送電装置２１０から受電装置２２０への伝送効率ηが最大値となるように制御されるので、送電装置２１０から離れた給電対象となる受電装置２２０が不規則的に自在に変位しても、ジンバル機構２３５を介して中継コイル２３２を搭載した自律移動ロボット２３７が受電コイル２２２を搭載した受電装置２２０を追従させながら、即時に中継コイル２３２を好適な位置及び角度に調整される。これによって、送電装置２１０による給電範囲を拡大しながら、長距離、かつ常時高効率な給電が実現される。
なお、本実施形態では、受電コイル２２２の位置情報と角度情報を検知する検知手段として、受電コイル２２２の近傍にセンサ２２５を設置しているが、図１３に示すように、中継コイル２３２の近傍にもセンサ２３１を設置しても良い。例えば、受電コイル２２２の近傍にセンサ２２５として、受電コイル２２２の位置情報を得るＧＰＳセンサと受電コイル２２２の角度情報を得るジャイロセンサを設けて、中継コイル２３２の近傍にセンサ２３１として、中継コイル２３２の位置情報を得るＧＰＳセンサと中継コイル２３２の角度情報を得るジャイロセンサを設けてもよい。すなわち、本実施形態の一変形例となる非接触給電システム２０１では、これらのセンサ２２５、２３１で検知した位置情報と角度情報を無線信号で制御部２４０にフィードバックして、中継コイル２３２を介して、送電コイル２１２の位置や受電コイル２２２に対する相対角度をリアルタイムに調整できる。このため、送電装置２１０から受電装置２２０への伝送効率ηが最大値となるように制御される。
また、本実施形態では、受電コイル２２２の位置情報と角度情報を検知する検知手段として、センサ２２５が適用されているが、前述したように、受電コイル２２２の位置情報及び角度情報を検知する検知手段は、他の態様としてもよい。例えば、図１４に示すように、受電コイル２２２の位置情報及び角度情報を検知する検知手段として、中継コイル２３２の近傍にカメラ２３４とセンサ２３１を設置してもよい。
すなわち、本実施形態の他の変形例となる非接触給電システム２０２では、中継コイル２３２の近傍に設けたカメラ２３４で給電対象となる受電装置２２０を撮像して、当該カメラ２３４で得られた映像情報を画像処理演算部２３４ａで受電装置２２０に搭載される受電コイル２２２の位置情報と角度情報にデジタル変換してから、制御部２４０に無線信号で送信されて、画像処理による受電コイル２２２の位置情報と角度情報を検知する。そして、中継コイル２３２の位置情報と角度情報がセンサ２３１で検知されて、制御部２４０に無線信号で送信させる。なお、画像処理演算部２３４ａは、カメラ２３４と制御部２４０の間の何れかに設けられていればよいので、カメラ２３４又は制御部２４０の何れかの内部に設置する構成としてもよい。
このように、本実施形態の他の変形例となる非接触給電システム２０２では、カメラ２３４とセンサ２３１で検知した位置情報と角度情報を無線信号で制御部２４０にフィードバックして、中継コイル２３２を介して、送電コイル２１２の位置や受電コイル２２２に対する相対角度をリアルタイムに調整できる。このため、送電装置２１０から受電装置２２０への伝送効率ηが最大値となるように制御される。なお、本実施形態の他の変形例では、カメラ２３４を中継コイル２３２の近傍に設けているが、カメラ２３４の設置箇所は、送電コイル２１２、受電コイル２２２、又は中継コイル２３２の少なくとも何れかを撮像可能な箇所であれば、他の設置箇所としてもよい。すなわち、中継コイル２３２を介して送電コイル２１２に対する受電コイル２２２の位置や角度の関係を把握可能な場所であれば、例えば、受電コイル２２２の近傍や、送電コイル２１２、受電コイル２２２、及び中継コイル２３２を同時に撮像可能な監視カメラのように、何れのコイル２１２、２２２、２３２からも離れた他の位置に設置するようにしても良い。
さらに、図１５に示すように、受電コイル２２２の位置情報及び角度情報を検知する検知手段として、中継コイル２３２の近傍にカメラ２３４を設置して、当該中継コイル２３２の位置情報及び角度情報を検知する検知手段として、送電コイル２１２の近傍にカメラ２１９を設置してもよい。すなわち、本実施形態の更に他の変形例となる非接触給電システム２０３では、中継コイル２３２の近傍に設けたカメラ２３４で給電対象となる受電装置２２０を撮像して、当該カメラ２３４で得られた映像情報を画像処理演算部２３４ａで受電装置２２０に搭載される受電コイル２２２の位置情報と角度情報にデジタル変換してから、制御部２４０に無線信号で送信されて、画像処理による受電コイル２２２の位置情報と角度情報を検知する。そして、中継コイル２３２の位置情報と角度情報は、送電コイル２１２の近傍に設置したカメラ２１９の映像情報を画像処理演算部２１９ａで中継コイル２３２の位置情報と角度情報にデジタル変換してから、制御部２４０に無線信号で送信されて、画像処理による中継コイル２３２の位置情報と角度情報を検知する。
このように、本実施形態の他の変形例となる非接触給電システム２０３では、カメラ２１９、２３４と画像処理演算部２１９ａ、２３４ａを介して検知した位置情報と角度情報を無線信号で制御部２４０にフィードバックして、中継コイル２３２を介して、送電コイル２１２の位置や受電コイル２２２に対する相対角度をリアルタイムに調整できる。このため、送電装置２１０から受電装置２２０の距離が離れていても、送電装置２１０から受電装置２２０への伝送効率ηが最大値となるように制御される。なお、画像処理演算部２１９ａ、２３４ａは、それぞれ送電コイル２１２と制御部２４０との間、カメラ２３４と制御部２４０の間の何れかに設けられていればよいので、送電装置２１０、カメラ２３４又は制御部２４０の何れかの内部に設置する構成としてもよい。
また、図１６に示すように、受電コイル２２２の位置情報及び角度情報を検知する検知手段として、中継コイル２３２の近傍に設置したカメラ２３４と受電コイル２２２の近傍に設置したセンサ２２５を設けて、中継コイル２３２の位置情報及び角度情報を検知する検知手段として、送電コイル２１２の近傍に設置したカメラ２１９と中継コイル２３２の近傍に設置したセンサ２３１を設けてもよい。すなわち、本実施形態の更に他の変形例となる非接触給電システム２０４では、中継コイル２３２の近傍に設けたカメラ２３４で給電対象となる受電装置２２０を撮像して、当該カメラ２３４で得られた映像情報を画像処理演算部２３４ａで受電装置２２０に搭載される受電コイル２２２の位置情報と角度情報にデジタル変換してから、制御部２４０に無線信号で送信されて、画像処理による受電コイル２２２の位置情報と角度情報を検知する。また、当該他の変形例の非接触給電システム２０４では、カメラ２３４の画角から給電対象となる受電装置２２０が外れた場合でも、当該受電装置２２０の位置情報等をＧＰＳ等のセンサ２２５で追跡できるようにしている。
そして、中継コイル２３２の位置情報と角度情報は、送電コイル２１２の近傍に設置したカメラ２１９の映像情報を画像処理演算部２１９ａで中継コイル２３２の位置情報と角度情報にデジタル変換してから、制御部２４０に無線信号で送信されて、画像処理による中継コイル２３２の位置情報と角度情報を検知する。また、当該他の変形例の非接触給電システム２０４では、カメラ２１９の画角から給電対象となる中継コイル２３２が外れても、当該中継コイル２３２の位置情報等をＧＰＳ等のセンサ２３１で追跡できるようにしている。
このように、本実施形態の更に他の変形例となる非接触給電システム２０４では、カメラ２１９、２３４と画像処理演算部２１９ａ、２３４ａを介して検知した位置情報と角度情報を無線信号で制御部２４０にフィードバックして、中継コイル２３２を介して、送電コイル２１２の位置や受電コイル２２２に対する相対角度をリアルタイムに調整できる。このため、送電装置２１０から受電装置２２０の距離が離れていても、送電装置２１０から受電装置２２０への伝送効率ηが最大値となるように制御される。
なお、本実施形態の非接触給電システム２００の適用対象は、他の態様にも適用できる。例えば、非接触給電システム２０５として、図１７に示すように、天井に取りつけた電源ステーション２１１ａにジンバル機構２１５ａ及び駆動部２１６ａを介して送電コイル２１２ａを支持して構成される送電装置２１０ａから、ドローン２３７ａによってジンバル機構２３５ａ及び駆動部２３６ａによって中継コイル２３２ａを支持して構成されるリピータコイル装置２３０ａを介して、受電装置２２０として給電対象となるパワーアシストスーツ２２１の受電コイル２２２に磁界共振結合による非接触給電を行う態様にも適用できる。
また、図１８に示すように、非接触給電システム２０６は、給電対象となる受電装置をＶＲゴーグルやスマートクラスのように目を覆うグラス類２２０ｂとした場合にも適用できる。例えば、非接触給電システム２０２は、天井に取りつけた電源ステーション２１１ａに昇降・回転・伸縮アーム２１７ｂ、ジンバル機構２１５ａ及び駆動部２１６ａを介して送電コイル２１２ｂを支持して構成される送電装置２１０ｂから、直接、給電を行ったり、中継コイル２３２、ジンバル機構２３５、及び自律移動ロボット２３７から構成されるリピータコイル装置２３０を介して、非接触に給電を行う態様にも適用できる。
さらに、図１９に示すように、非接触給電システム２０７は、給電対象となる受電装置を電動車椅子２２０ｃとした場合にも適用できる。例えば、非接触給電システム２０３は、商用電源に接続された電源ステーション２１１に送電コイル２１２を取り付けたものを送電装置２１０として、自律移動ロボット２３７及びジンバル機構２３５、駆動部２３６によって中継コイル２３２を移動可能に支持するリピータコイル装置２３０を介して、給電対象となる電動車椅子２２０ｃに非接触給電を行う態様にも適用できる。
また、図２０に示すように、送電装置３１０と受電装置３２０との距離が大きく離れている場合には、中継コイル３３２ａ、３３２ｂを複数設けてもよい。例えば、非接触給電システム３００は、地面に設置した電源ステーション３１１の送電コイル３１２を給電ワイヤ３１８、及びジンバル機構３１５を介して取り付けて、当該送電コイル３１２をドローン３１７で三次元的に自在に移動可能とした送電装置３１０から、給電対象となる電線上の高圧線点検ロボット３２０に対して、複数のリピータコイル装置３３０ａ、３３０ｂを介して、長距離での非接触給電をする態様にも適用できる。
このとき、中継コイル３３２ａ、３３２ｂは、ドローン３３７ａ、３３７ｂとジンバル機構３３５ａ、３３５ｂを介して、移動可能になっており、高電圧線点検ロボット３２０に対して、電力の伝送効率が最高値になるように整列させるように、移動させるように制御することが好ましい。このように、送電装置３１０と受電装置３２０との距離がより大きく離れた場合でも、不図示のセンサによる検知結果に基づいて、複数の中継コイル３３２ａ、３３２ｂを介して、送電コイル３１２の位置や不図示の受電コイルに対する相対角度を即時に調整することによって、送電装置３１０から受電装置３２０への伝送効率が最大値となるように制御できる。
さらに、図２１に示すように、１つの送電装置４１０から複数の受電装置となる給電対象ロボット４２０ａ、４２０ｂに対して、それぞれ異なるリピータコイル装置４３０ａ、４３０ｂ、４３０ｃ、４３０ｄを介して、長距離の非接触給電を行う場合にも適用できる。例えば、非接触給電システム４００は、地面に設置した電源ステーション４１０から自律移動ロボット４３７とジンバル機構４３７ａによって中継コイル４３２ａを移動可能に支持するリピータコイル装置４３０ａを介して、給電対象ロボット４２０ａに非接触給電を行うと同時に、ドローンによって三次元的に移動可能になっている複数のリピータコイル装置４３０ｂ、４３０ｃ、４３０ｄを介して、他の給電対象ロボット４２０ｂに非接触給電を行ってもよい。
また、中継コイルを備えるリピータコイル装置が複数設けられる場合には、制御部は、センサで検知した受電コイルの送電コイルから距離、受電コイルの傾き角度、送電コイルの鉛直方向に対する傾き角度、中継コイルの鉛直方向に対する傾き角度、送電コイルから中継コイルまでの距離、及び中継コイルの個数に基づく関係式から算出される伝送効率が最大値となるように制御することが好ましい。
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、給電対象が不規則的に自在に変位しても、リアルタイムで常に最高効率を維持するコイル配置を算出して、当該コイル配置に調整するので、即時に送電装置から受電装置への伝送効率が最大値となるように制御できる。このため、磁界共振結合による安定的に高効率な非接触給電が確実に実現される。
また、本発明の各実施形態によれば、給電対象が不規則的に自在に変位しても、磁界共振結合により非接触で電力を供給できるので、植込みデバイスの電池交換手術や、皮膚貫通ケーブル給電による感染症の問題が解決される。さらに、給電対象がパワードスーツのようなウェアラブルデバイスの場合、大型バッテリの搭載が不要になる上で、ケーブル給電による動きの制約が解消する。このように、植込み・ウェアラブルデバイスの給電に関する制約を解決することで、当該デバイスの大きな普及が見込める。
さらに、複数の送電コイルやリピータコイル装置を空間・地上中に分散し、給電対象の動きに合わせて最適に配置することで、工事現場や災害現場等の所定の空間内において、どの場所にいても給電できる状態を作り出す非接触給電のネットワークシステムへの応用展開も可能である。また、給電対象が不規則的に自在に変位しても、当該給電対象に追従するように送電装置やリピータコイル装置をドローンや自動車等の移動手段で移動可能にすることによって、給電対象への給電効率を高められることから、例えば、給電対象として電気自動車にも適用可能となるので、極めて大きな工業的価値を有する。
なお、上記のように本発明の各実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、非接触給電システムの構成、動作も本発明の各実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
１００、１０１、１０２、１０３、２００、２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、３００、４００ 非接触給電システム、１１０、１５０、２１０、２１０ａ、２１０ｂ、３１０、４１０ 送電装置、１１１、１５１、２１１、２１１ａ、２１１ｂ、３１１、４１１ 電源、１１２、１５２、２１２、２１２ａ、２１２ｂ、３１２、４１２ 送電コイル、１３３、２１３ 送電容量、１１５、１５５、２１５、２１５ａ、２１５ｂ、３１５ ジンバル機構（送電コイル位置・角度調整機構）、１１６、１５６、２１６、２１６ａ、２１６ｂ 駆動部、１１９、２１９、２３４ カメラ（撮像装置）、２１９ａ、２３４ａ 画像処理演算部、１２０、１６０、２２０、２２０ｂ、３２０、４２０ａ、４２０ｂ 受電装置、１２１、１６１、２２１、２２１ｃ 負荷、１２２、１６２、２２２、２２２ｃ 受電コイル、１２３、２２３ 受電容量、１２５、２２５、２３１ センサ（検知手段）、１４０、２４０ 制御部、１４２、２４２ ＣＰＵ、１４４、２４４ 算出部、１４６、２４６ 指令部、１４８、２４８ 記憶部、２３０、２３０ａ、３３０ａ、３３０ｂ、４３０ａ、４３０ｂ、４３０ｃ、４３０ｄ リピータコイル装置、２３２、２３２ａ、３３２ａ、３３２ｂ 中継コイル、２３５、２３５ａ、３３５ａ、３３５ｂ ジンバル機構（中継コイル角度調整機構）２３６、２３６ａ 駆動部、２３７、２３７ａ、３３７ａ、３３７ｂ 中継コイル移動手段、２３８ 自律移動部

Claims (5)

  1. 送電装置から受電装置に磁界共振結合により非接触で給電する非接触給電システムであって、
    前記送電装置に設けられる送電コイルと、
    前記受電装置に設けられる受電コイルと、
    前記送電コイルと前記受電コイルとの間に設けられる中継コイルと、
    前記受電コイルに対する前記送電コイルの位置及び相対角度を調整する送電コイル位置・角度調整機構と、
    前記中継コイルの鉛直方向に対する傾き角度を調整する中継コイル角度調整機構と、
    前記中継コイルを前記受電コイルに追従するように移動させる中継コイル移動手段と、
    前記中継コイルを介して前記受電コイルの位置情報及び鉛直方向に対する傾きを角度情報として検知する検知手段と、
    前記検知手段で検知される前記位置情報及び角度情報に基づいて、前記中継コイル角度調整機構及び前記送電コイル位置・角度調整機構を介して前記受電コイルに対する前記中継コイルの相対角度を調整するとともに前記受電コイルに対する前記送電コイルの位置及び相対角度を調整して、且つ、前記中継コイル移動手段を介して前記送電コイルから前記中継コイルまでの距離を調整することによって、前記送電装置から前記受電装置への電力伝送効率が最大値となるように制御する制御部と
    を備えることを特徴とする非接触給電システム。
  2. 前記制御部は、前記検知手段で検知した位置情報及び角度情報に基づいて、前記受電コイルの前記送電コイルからの距離、前記受電コイルの傾き角度、前記送電コイルの前記鉛直方向に対する傾き角度、前記中継コイルの前記鉛直方向に対する傾き角度、及び前記送電コイルから前記中継コイルまでの距離に基づく関係式から前記伝送効率が最大値となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の非接触給電システム。
  3. 前記中継コイルは、複数設けられ、
    前記制御部は、前記検知手段で検知した位置情報及び角度情報に基づいて、前記受電コイルの前記送電コイルからの距離、前記受電コイルの前記傾き角度、前記送電コイルの前記鉛直方向に対する傾き角度、前記中継コイルの前記鉛直方向に対する傾き角度、前記送電コイルから前記中継コイルまでの距離、及び前記中継コイルの個数に基づく関係式から算出される前記伝送効率が最大値となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の非接触給電システム。
  4. 前記検知手段は、前記受電コイル又は前記中継コイルの少なくとも何れか一方の近傍に設けられるセンサであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の非接触給電システム。
  5. 前記検知手段として、前記受電コイル、前記送電コイル、又は前記中継コイルの少なくとも何れかを撮像可能な撮像装置が設けられることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の非接触給電システム。
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