JP7756397B2 - ワイヤレス給電システム及び方法並びにワイヤレス受電システム - Google Patents
ワイヤレス給電システム及び方法並びにワイヤレス受電システムInfo
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Description
本発明は、ワイヤレス給電システム及び方法並びにワイヤレス受電システムに関するものである。
近年、磁界を利用したワイヤレス給電システムの研究開発が進められている。このような磁気を利用した給電方式としては、電磁結合（電磁誘導）方式と磁界共鳴方式とが知られている。磁界共鳴方式は、送電装置の共振回路に交流電流が流れることにより発生した磁場の振動が、受電装置の共振回路に伝わって共振することで、各共振回路のコイルで生成された磁界が強固に結合した状態（磁界共振結合）を介して電力を送電することをいう。磁界共鳴方式を利用したワイヤレス給電は、電磁結合方式を利用したワイヤレス給電と比較して、給電可能距離が長くなるという利点がある（例えば、特許文献１参照）。なお、磁界共鳴方式も磁気結合を利用する方式であるものの、本発明では理解を容易にするために、共振を利用する方式を磁界共鳴方式としている。
このようなワイヤレス給電システムでは、効率良く送電を行うために、送電装置の入力端（ＩＥ）から視て受電装置及び負荷等を含む負荷側回路のインピーダンスと、送電装置の入力端（ＩＥ）から視て電源側のインピーダンスとが等価に設定する必要がある。
通常、送電装置の送電コイルと受電装置の送電コイルとが所定の相対位置に位置するときにインピーダンスマッチング（インピーダンス整合）が成り立つように、送電装置の共振回路及び受電装置の共振回路の各種パラメータが予め設定されている。このようなインピーダンスが不整合となる要因は、例えば、送電コイルと受電コイルとの相対的な位置関係の変化や、給電対象であるバッテリやモータ等の負荷の充電状況の変化等が考えられる。
特許文献２には、共鳴素子と励振素子とが電磁誘導により結合され、共鳴素子から励振素子、自動整合器を通じて交流電力が整流回路に供給される受け側（給電先）において、自動整合器と励振素子とが、インピーダンス変換器を構成しており、自動整合器が、伝送距離によって変動する結合係数に応じて、共鳴素子を有する共振回路のインピーダンスを調整し、励振素子が、共鳴素子と整流回路との間のインピーダンス整合を取る構成が開示されている。
しかしながら、従来のような受電コイルとは別の共振回路を設けてインピーダンス整合を実現する場合、インピーダンスの変化に応じて、共振状態を維持しながら可変インダクタや可変キャパシタを動作させる必要がある。これらの応答性を考慮すると、共振状態を維持する条件とインピーダンスを整合させる条件とが両立できず、送電コイルと受電コイルとの位置関係の変化に応じてインピーダンスを整合することは困難であるという問題があった。また、負荷の変動に応じたインピーダンス変化に対してインピーダンスを整合することも同様に困難であるという問題もあった。さらに、このようなインピーダンス整合機能を備えた受電装置は、高性能な素子等を要するためコストが高くなりがちであり、さらに受電装置が移動体や可搬機器である場合、このような受電装置に複雑な機構を搭載することは重量やサイズ、や発熱等を考慮すると現実的ではなかった。
そこで、負荷側回路のインピーダンスが変動した場合であっても、インピーダンス整合を簡便に実行するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係るワイヤレス給電システムは、送電コイルを含む送電側共振回路を備えている送電装置と、受電コイルを含む受電側共振回路を有する受電部を備え、前記受電コイルが受電した電力が供給される負荷に接続可能な受電装置と、前記受電部を制御する制御装置と、を備え、磁界共鳴方式を利用して前記送電コイルと前記受電コイルとの間で電力を送受電するワイヤレス給電システムであって、前記受電コイルは、前記受電コイルに設けられた複数の端子の接続位置に応じて異なるコイル巻数を有する複数のコイル領域を選択可能に構成され、前記制御装置は、前記複数の端子の切替により前記受電コイルのインダクタンスを変更し、前記送電装置の入力端から負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと前記送電装置の入力端から電源装置側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和する。
また、上記目的を達成するために、本発明に係るワイヤレス受電システムは、送電コイルを含む送電側共振回路を備えている送電装置から、磁界共鳴方式を利用して送電される電力を受電するワイヤレス受電システムであって、受電コイルを含む受電側共振回路を有する受電部を備え、前記受電コイルが受電した電力が供給される負荷に接続可能であり、前記受電コイルは、前記受電コイルに設けられた複数の端子の接続位置に応じて異なるコイル巻数を有する複数のコイル領域を選択可能に構成され、前記受電部を制御する制御装置は、前記複数の端子の切替により前記受電コイルのインダクタンスを変更し、前記送電装置の入力端から負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと前記送電装置の入力端から電源装置側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和する。
さらに、上記目的を達成するために、本発明に係るワイヤレス給電方法は、送電コイルを含む送電側共振回路を備えている送電装置と、受電コイルを含む受電側共振回路を有する受電部を備え、前記受電コイルが受電した電力が供給される負荷に接続可能な受電装置と、前記受電部を制御する制御装置と、を備え、磁界共鳴方式を利用して前記送電コイルと前記受電コイルとの間で電力を送受電するワイヤレス給電システムを用いたワイヤレス給電方法であって、前記受電コイルは、前記受電コイルに設けられた複数の端子の接続位置に応じて異なるコイル巻数を有する複数のコイル領域を選択可能に構成され、前記制御装置は、前記複数の端子の切替により前記受電コイルのインダクタンスを変更し、前記送電装置の入力端から負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと前記送電装置の入力端から電源装置側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和する。
本発明は、負荷側回路のインピーダンスが変動した場合であっても、コイル巻数が異なる複数のコイル領域から適切なコイル領域を選択し、送電コイル及び受電コイルの磁界結合の結合強さの強弱（磁界結合の疎密）を変更することにより、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分が緩和されるため、入力端における反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、それに伴うシステム障害の虞を回避することができる。
本発明の一実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ａ及びワイヤレス給電システム１Ａを用いたワイヤレス給電方法について図面に基づいて説明する。なお、以下では、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。
また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。
また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。
＜ワイヤレス給電システムの構成＞
図１は、ワイヤレス給電システム１Ａの構成を示す模式図である。ワイヤレス給電システム１Ａは、磁界共鳴を利用して非接触で給電対象物２に電力を給電する。給電対象物２は、例えば、車両、ロボット飛翔体、水中ロボット、カプセル内視鏡、心臓ペースメーカー等であり、移動可能な機器又は移動不能な機器の何れであっても構わない。また、給電時に、給電対象物２は移動中又は停止の何れであっても構わない。ワイヤレス給電システム１Ａは、送電装置３と、受電装置４と、を備えている。また、ワイヤレス給電システム１Ａは、交流電源５を備えた電源装置５Ａを備えていても良い。
図１は、ワイヤレス給電システム１Ａの構成を示す模式図である。ワイヤレス給電システム１Ａは、磁界共鳴を利用して非接触で給電対象物２に電力を給電する。給電対象物２は、例えば、車両、ロボット飛翔体、水中ロボット、カプセル内視鏡、心臓ペースメーカー等であり、移動可能な機器又は移動不能な機器の何れであっても構わない。また、給電時に、給電対象物２は移動中又は停止の何れであっても構わない。ワイヤレス給電システム１Ａは、送電装置３と、受電装置４と、を備えている。また、ワイヤレス給電システム１Ａは、交流電源５を備えた電源装置５Ａを備えていても良い。
＜送電装置の構成＞
送電装置３は、駆動コイル３１と、送電コイル３２と、コンデンサ３３、３４と、を備えている。
送電装置３は、駆動コイル３１と、送電コイル３２と、コンデンサ３３、３４と、を備えている。
駆動コイル３１及び送電コイル３２は、電気伝導率の高い銅線等を円形に巻回して形成されている。なお、銅線内を流れる電流は、内部抵抗の影響によって銅線の中心部よりも表面付近を多く流れる。したがって、駆動コイル３１及び送電コイル３２の線材に複数の銅線を撚り合わせたリッツ線を用いた場合には、同一径の１本の銅線と比べて、リッツ線の表面積が大きくなり、より多くの電流を流すことができ、電流損失を抑制できる。
駆動コイル３１には、電源装置５Aの交流電源５から交流電力が供給される。交流電力は、例えば、周波数１５０ｋＨｚ、電圧１０Ｖに設定されるが、交流電源５の周波数及び電圧は任意に変更可能である。以下、駆動コイル３１の交流電源５側の接点を「入力端ＩＥ」という。なお、本実施形態では、駆動コイル３１と交流電源５とは、入力端ＩＥを介して直接的に接続されている場合を例に説明するが、駆動コイル３１と交流電源５とは、入力端ＩＥを介して直接的に接続されても、交流電源５と入力端ＩＥとの間に設けられた同軸ケーブル等を介して間接的に接続されても構わない。この場合、もし電源のインピーダンスが同軸ケーブル等のインピーダンスと整合している場合は、同軸ケーブル等の電源側端は電力の反射等が生じないため問題にはならず、入力端ＩＥは同軸ケーブル等の負荷側端を意味する。
駆動部３５は、駆動コイル３１及びコンデンサ３３を直列に接続して構成された給電側共振回路を備えている。駆動コイル３１のインダクタンス及びコンデンサ３３のキャパシタンスによって設定される共振周波数に応じた周波数の交流電圧が駆動コイル３１に流れると、駆動コイル３１を貫くように振動磁場が生じる。駆動コイル３１の詳しい構成については、後述する。
駆動コイル３１と送電コイル３２とは磁界結合しており、駆動コイル３１は、磁界共鳴方式により電力を送電コイル３２に供給する。すなわち、駆動コイル３１のインダクタンス及びコンデンサ３３のキャパシタンスに応じて設定される共振周波数と、送電コイル３２のインダクタンス及びコンデンサ３４のキャパシタンスに応じて設定される共振周波数とがほぼ等しく、駆動コイル３１と送電コイル３２とが共振するように設計されている。これにより、駆動コイル３１に交流電流が流れることにより発生した特定周波数（共振周波数）の磁場の振動が、送電コイル３２に伝わり同じ特定周波数で共振することで、送電コイル３２に起電力が生じる。なお、駆動コイル３１から送電コイル３２への電力の供給は、各コイルの位置関係による影響が低減される磁界共鳴方式が好適であるが、駆動コイル３１に交流電流が流れると、駆動コイル３１をコイル軸方向に貫くように生じる磁束を媒介にして、送電コイル３２にも起電力が生じる電磁結合方式であっても構わない。また、磁界共鳴方式と電磁結合方式とを併用しても構わない。
送電部３６は、送電コイル３２及びコンデンサ３４を直列に接続して構成された送電側共振回路を備えている。送電コイル３２のインダクタンス及びコンデンサ３３のキャパシタンスによって設定される共振周波数に応じた周波数の交流電圧が送電コイル３２に流れると、後述する受電コイル４１が共振して起電力が生じる。
交流電源５と駆動コイル３１との間には、方向性結合器から成る反射電力検出部３７が設けられている。反射電力検出部３７は、駆動コイル３１側からの反射電力を検出する。
＜受電装置の構成＞
受電装置４は、給電対象物２内に設けられている。受電装置４は、受電コイル４１と、コンデンサ４２と、備えている。
受電装置４は、給電対象物２内に設けられている。受電装置４は、受電コイル４１と、コンデンサ４２と、備えている。
受電コイル４１は、送電コイル３２とコイル軸方向に間隔を空けて設けられている。受電コイル４１は、電気伝導率の高い銅線等を円形に巻回して形成されている。なお、受電コイル４１も駆動コイル３１及び送電コイル３２と同様に、線材にリッツ線を用いるのが好ましい。
受電部４３は、受電コイル４１及びコンデンサ４２を直列に接続して構成された受電側共振回路を備えている。受電コイル４１のインダクタンス及びコンデンサ４２のキャパシタンスによって設定される共振周波数は、送電コイル３２及びコンデンサ３３の共振周波数と略一致するように設定されている。これにより、送電コイル３２をコイル軸方向に貫くように生じた磁場の振動によって、受電コイル４１に誘導電流が流れ、受電コイル４１をコイル軸方向に貫くように振動磁場が生じる。このとき、送電コイル３２及び受電コイル４１の磁場が共鳴して強固に結合する。受電コイル４１の詳しい構成については、後述する。
受電コイル４１が共振受電した交流電力は、整流回路（ＡＣ－ＤCコンバータ）６及びＤＣ－ＤＣコンバータ７を介して負荷８に供給される。負荷８は、給電対象物２を構成するモータやバッテリ等である。
整流回路６は、４つのダイオード６１がブリッジ上に配置され、受電コイル４１が受電した交流電力に対して全波整流を行い、直流電圧を出力する。なお、符号６２は、整流回路６が出力した直流電圧を平滑化させるコンデンサである。
ＤＣ－ＤＣコンバータ７は、整流された直流電圧を予め設定された定電圧（例えば、１２Ｖ）に変換する。ＤＣ－ＤＣコンバータ７から出力された電圧は、負荷８に印加される。なお、ＤＣ－ＤＣコンバータ７は、必要な電圧に応じて配置されればよく、適宜省略しても構わない。
＜インピーダンスマッチング機構の構成＞
次に、入力端ＩＥから受電装置４側、即ち送電装置３、受電装置４、整流回路６、ＤＣ－ＤＣコンバータ７及び負荷８を含む回路（負荷側回路）のインピーダンス（以下、「負荷側インピーダンス」という。）と入力端ＩＥから交流電源５側の回路のインピーダンス（以下、「入力側インピーダンス」という。）との差分を緩和させるインピーダンスマッチング処理を行うインピーダンスマッチング機構９について、図面に基づいて説明する。なお、受電装置４及びインピーダンスマッチング機構９は、ワイヤレス受電システム１１を構成している。
次に、入力端ＩＥから受電装置４側、即ち送電装置３、受電装置４、整流回路６、ＤＣ－ＤＣコンバータ７及び負荷８を含む回路（負荷側回路）のインピーダンス（以下、「負荷側インピーダンス」という。）と入力端ＩＥから交流電源５側の回路のインピーダンス（以下、「入力側インピーダンス」という。）との差分を緩和させるインピーダンスマッチング処理を行うインピーダンスマッチング機構９について、図面に基づいて説明する。なお、受電装置４及びインピーダンスマッチング機構９は、ワイヤレス受電システム１１を構成している。
図２に示すように、インピーダンスマッチング機構９は、スイッチ９１ａ～９１ｄの切替制御により、駆動コイル３１を構成する３つの駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃの少なくとも１つ以上に電力を供給する。なお、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃの何れかに電力を選択的に供給可能であれば、スイッチ９１ａ～９１ｄの代わりに他の構成を用いても構わない。
駆動コイル３１は、３つの駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃに分割されている。３つの駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃは、駆動コイル３１を３つに分割するものであって実質的に直列に接続されており、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂは配線３１ＡＢを介して接続され、駆動コイル部３１Ｂ、３１Ｃは配線３１ＢＣを介して接続されている。なお、配線３１ＡＢ、３１ＢＣは必要に応じて省略しても構わない。駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃの各コイル軸３１ａ、３１ｂ、３１ｃと送電コイル３２のコイル軸３２ａとは、通常状態において、略同軸上に位置する。なお、以下では、駆動コイル３１を駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃに３分割した場合を例に説明するが、駆動コイル部の数は２つであっても、４つ以上であっても構わない。
駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃは、駆動コイル部３１Ａが送電コイル３２に最も近く、この順で送電コイル３２から離間するように配置されている。したがって、送電コイル３２との磁界結合の結合強さは、駆動コイル部３１Ａが最も強く、駆動コイル部３１Ｃが最も小さく設定される。駆動コイル３１と送電コイル３２とを磁界共鳴方式で送電する場合、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃのインダクタンスをそれぞれ等しく設定することにより、効率的に送電を行うことができる。
スイッチ９１ａ～９１ｄは、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃに電流を供給するためのＭＯＳＦＥＴ等から成るスイッチである。スイッチ９１ａ、９１ｂは、交流電源５に接続されている。スイッチ９１ａは、駆動コイル部３１Ｃの一方端側とスイッチ９１ｃ側とを切替可能に構成されている。スイッチ９１ｃは、駆動コイル部３１Ａの一方端側と駆動コイル部３１Ｂの一方端側とを切替可能に構成されている。また、スイッチ９１ｂは、駆動コイル部３１Ｃの他方端側とスイッチ９１ｄ側とを切替可能に構成されている。スイッチ９１ｄは、駆動コイル部３１Ａの他方端側と駆動コイル部３１Ｂの他方端側とを切替可能に構成されている。
駆動コイル部３１Ａに電力を供給する場合には、スイッチ９１ａをスイッチ９１ｃ側に切り替え、スイッチ９１ｃを駆動コイル部３１Ａの一方端側に切り替え、スイッチ９１ｂをスイッチ９１ｄ側に切り替え、スイッチ９１ｄを駆動コイル部３１Ａの他方端側に切り替える。また、駆動コイル部３１Ｂに電力を供給する場合には、スイッチ９１ａをスイッチ９１ｃ側に切り替え、スイッチ９１ｃを駆動コイル部３１Ｂの一方端側に切り替え、スイッチ９１ｂをスイッチ９１ｄ側に切り替え、スイッチ９１ｄを駆動コイル部３１Ｂの他方端側に切り替える。さらに、駆動コイル部３１Ｃに電力を供給する場合には、スイッチ９１ａを駆動コイル部３１Ｃ側に切り替え、スイッチ９１ｂを駆動コイル部３１Ｃ側に切り替える。
また、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂに電力を供給する場合には、スイッチ９１ａをスイッチ９１ｃ側に切り替え、スイッチ９１ｃを駆動コイル部３１Ａの一方端側に切り替え、スイッチ９１ｂをスイッチ９１ｄ側に切り替え、スイッチ９１ｄを駆動コイル部３１Ｂの他方端側に切り替える。また、駆動コイル部３１Ｂ、３１Ｃに電力を供給する場合には、スイッチ９１ａをスイッチ９１ｃ側に切り替え、スイッチ９１ｃを駆動コイル部３１Ｂの一方端側に切り替え、スイッチ９１ｂを駆動コイル部３１Ｃ側に切り替える。
さらに、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃに電力を供給する場合には、スイッチ９１ａをスイッチ９１ｃ側に切り替え、スイッチ９１ｃを駆動コイル部３１Ａの一方端側に切り替え、スイッチ９１ｂを駆動コイル部３１Ｂ側に切り替える。
コントローラ９２は、反射電力検出部３７により検出した反射電力の大きさに応じて、スイッチ９１ａ～９１ｄの切替制御を行う。コントローラ９２は、例えば、ＣＰＵ、メモリ等により構成される。なお、コントローラ９２の機能は、ソフトウェアを用いて制御することにより実現されても良く、ハードウェアを用いて動作することにより実現されても良い。コントローラ９２は、記憶部９３と、制御部９４と、に機能分割される（図１参照）。
そして、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃと送電コイル３２との磁界結合の結合強さが、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃの送電コイル３２からの距離に反比例して弱くなるため、図３に示すように、送電コイル３２との磁界結合の結合強さが異なる駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃの何れかに電力を供給することにより、送電装置３内の回路のインピーダンスを増減することができる。
また、図４に示すように、インピーダンスマッチング機構９は、受電コイル４１の一方端側の端子及び受電コイル４１を略同じコイル巻数に分割して且つ実質的に直列に接続された３つの受電コイル部４１ａ間にそれぞれ設けられた２つの端子に接続されたスイッチ９１ｅ～９１ｆの切替制御により、受電コイル４１の３つのコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃの何れに通電するかを選択する。なお、受電コイル４１の他方端の端子及びスイッチ９１ｅは、整流回路６に接続されている。スイッチ９１ｅ～９１ｆの切替制御は、反射電力検出部３７により検出した反射電力の大きさに応じて、コントローラ９２が行う。なお、コンデンサ４２のキャパシタンスＣ１、Ｃ２、Ｃ３は、後述する図６のキャパシタンスＣ１、Ｃ２、Ｃ３に対応している。なお、コイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃの何れかを選択可能であれば、スイッチ９１ｅ～９１ｆの代わりに他の構成を用いても構わない。また、以下では、受電コイル４１をコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃに３分割した場合を例に説明するが、受電コイル領域の数は２つであっても、４つ以上であっても構わない。
図５は、受電コイル４１のうち一部又は全部を選択的に使用する様子を示す模式図である。図５（ａ）は、受電コイル４１の全コイル巻数に相当するコイル領域４１Ａを使用する場合を例示しており、図５（ｂ）は、受電コイル４１のうち送電コイル３２に近く且つ全コイル巻数の２／３に相当するコイル領域４１Ｂを使用する場合を例示しており、図５（ｃ）は、受電コイル４１のうち送電コイル３２に近く且つ全コイル巻数の１／３に相当するコイル領域４１Ｃを使用する場合を例示している。受電コイル４１のインダクタンスは、コイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃのコイル巻数に比例して増加するため、コイル領域４１Ａのインダクタンスが最も大きくなり、コイル領域４１Ｂのインダクタンスは、コイル領域４１Ａの２／３であり、コイル領域４１Ｃのインダクタンスは、コイル領域４１Ａの１／３となる。
受電コイル４１と送電コイル３２との共振状態を維持するために、選択されたコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃに応じてコンデンサ４２のキャパシタンスは適宜調整される。図６は、受電コイル４１の電気配線を示す模式図である。図６では、理解を容易にするために、３つの受電コイル部を互いに離間して図示しているが、３つの受電コイル部は必ずしも離間させる必要はない。
２つのＭＯＳＦＥＴ９５ａ、９５ｂがスイッチ９１ｅを構成し、２つのＭＯＳＦＥＴ９５ｃ、９５ｄが、スイッチ９１ｆを構成する。インダクタンス（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）のコイル領域４１Ａを使用する場合には、ＭＯＳＦＥＴ９５ａをオフ、ＭＯＳＦＥＴ９５ｂをオン、ＭＯＳＦＥＴ９５ｃをオフ、ＭＯＳＦＥＴ９５ｄをオンにすることにより、コイル領域４１Ａを選択できる。このとき、コンデンサ４２のキャパシタンスＣ３が機能する。キャパシタンスＣ３の値は、インダクタンス（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）と共振回路を形成するものに予め設定されている。
また、インダクタンス（Ｌ１＋Ｌ２）のコイル領域４１Ｂを使用する場合には、ＭＯＳＦＥＴ９５ａをオフ、ＭＯＳＦＥＴ９５ｂをオン、ＭＯＳＦＥＴ９５ｃをオン、ＭＯＳＦＥＴ９５ｄをオフにすることにより、コイル領域４１Ｂを選択できる。このとき、コンデンサ４２のキャパシタンスＣ２が機能する。キャパシタンスＣ２の値は、インダクタンス（Ｌ１＋Ｌ２）と共振回路を形成するものに予め設定されている。
また、インダクタンス（Ｌ１）のコイル領域４１Ｃを使用する場合には、ＭＯＳＦＥＴ９５ａをオン、ＭＯＳＦＥＴ９５ｂをオフにすることにより（ＭＯＳＦＥＴ９５ｃ、９５ｄは、オンオフ何れでも構わない）、コイル領域４１Ｃを選択できる。このとき、コンデンサ４２のキャパシタンスＣ１が機能する。キャパシタンスＣ１の値は、インダクタンスＬ１と共振回路を形成するものに予め設定されている。
コントローラ９２は、反射電力検出部３７により検出した反射電力の大きさに応じて、スイッチ９１ａ～９１ｄの切替制御を行う。これにより、コイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃの何れが選択されても、受電コイル４１と送電コイル３２との共振状態が維持される。なお、本実施形態では、ＭＯＳＦＥＴ９５ａ、９５ｂから成るスイッチ９１ｅ及びＭＯＳＦＥＴ９５ｃ、９５ｄから成るスイッチ９１ｆを用いたが、スイッチ９１ｅ、９１ｆの構成はこれらに限定されるものではない。
次に、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとが一致しないインピーダンス不整合が生じる要因について説明する。入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分が大きければ大きいほど、電力の反射が大きくなり送電効率が低下する。インピーダンス不整合は、例えば、送電コイル３２と受電コイル４１との相対位置が変化したり送電コイル３２と受電コイル４１との間に異物が介在する等して送電コイル３２と受電コイル４１との結合係数が変化したり、バッテリの充電状況等によって負荷８の状態が変化して負荷側インピーダンスが変動することにより生じる。
インピーダンス不整合について、図７、図８に基づいて具体的に説明する。図７は、ワイヤレス給電システム１Ａに対応する回路図である。図７中の「V」は電源５の電圧、「Zs」は電源５のインピーダンス（入力側インピーダンス）、「R0」は駆動コイル３１の寄生抵抗、「L0」は駆動コイル３１のインダクタンス、「C0」はコンデンサ３３のキャパシタンス、「I0」は駆動コイル３１を流れる電流、「R1」は送電コイル３２の寄生抵抗、「L1」は送電コイル３２のインダクタンス、「C1」はコンデンサ３４のキャパシタンス、「I1」は送電コイル３２を流れる電流、「k01」は駆動コイル３１及び送電コイル３２の結合係数、「R2」は受電コイル４１の寄生抵抗、「RL」は負荷８の負荷抵抗、「L2」は受電コイル４１のインダクタンス、「C2」はコンデンサ４２のキャパシタンス、「I2」は受電コイル４１を流れる電流、「k12」は送電コイル３２及び受電コイル４１の結合係数である。
図８は、図７に示す回路図に基づく等価回路図である。図８に示す等価回路図は、駆動コイル３１と送電コイル３２とが共振するとともに送電コイル３２と受電コイル４１とが共振している状態を示している。駆動コイル３１と送電コイル３２との間の相互インダクタンスL0は、ｋ01√(L0L1)、送電コイル３２と受電コイル４１との間の相互インダクタンスL2は、k12√(L1L2)である。図８中の「Z0」は、電源５と駆動コイル３１の間、すなわち、送電装置３の入力端ＩＥから負荷８側の回路のインピーダンス（負荷側インピーダンス）である。「Z1」は、駆動コイル３１と送電コイル３２の間から負荷８側の回路のインピーダンスである。「Z2」は、受電コイル４１から負荷８側の回路のインピーダンスである。図８に示す等価回路により、以下の数式１～数式３が得られる。
そして、例えば、送電コイル３２と受電コイル４１とが接近するにつれて、送電コイル３２と受電コイル４１との間の結合係数「k12」は大きくなるところ、数式２に基づけば、インピーダンス「Z1」が大きくなり、数式３に基づけば、インピーダンス「Z0」が小さくなることが分かる。
そこで、インピーダンスマッチング機構９は、結合係数「k12」が大きくなるにつれて受電コイル４１のインダクタンス「L2」を小さくする。これにより、インピーダンス「Z1」の増加とインピーダンス「Z0」の減少とがそれぞれ抑制されて、インピーダンス整合を維持することができる。
具体的には、反射電力検出部３７が駆動コイル３１側からの反射電力を検出し、コントローラ９２は、インピーダンス「Z0」が所定の閾値を下回った否かをモニタリングする。すなわち、送電コイル３２と受電コイル４１とが所定の距離より接近したか否かを、反射電力の大きさによりモニタリングする。
インピーダンス「Z0」が所定の閾値を下回ったときには、コントローラ９２が、図４に示したスイッチ９１ｅ～９１ｆの切替により、コイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃの何れかを選択し、受電コイル４１のインダクタンス「L2」を変更する。
また、受電コイル４１のインダクタンス「L2」の変更に加えて、駆動コイル３１と送電コイル３２の結合係数「ｋ01」も変更しても構わない。換言すれば、インピーダンス「Z0」が所定の閾値を下回ったときには、制御部９４が、受電部４３及び駆動部３５を制御しても構わない。具体的には、受電コイル４１のインダクタンス「L2」を小さくするとともに、駆動コイル３１と送電コイル３２の結合係数「ｋ01」を大きくすることにより、インピーダンス「Z0」の減少をさらに抑制することができる。これにより、送電コイル３２と受電コイル４１とがさらに長い距離を変化した場合にも対応できる。
さらに、制御部９４による負荷側インピーダンス「Z0」の調整は、上述したコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃの選択による受電コイル４１のインダクタンス「L2」の調整（粗調整）を行った後に、図２に示したスイッチ９１ａ～９１ｄの切替により、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを選択し、駆動コイル３１と送電コイル３２の結合係数「k01」の調整（微調整）を行う手順で行われても構わない。
このようにして、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ａは、送電コイル３２を含む送電側共振回路を備えている送電装置３と、受電コイル４１を含む受電側共振回路を有する受電部４３を備え、受電コイル４１が受電した電力が供給される負荷８に接続可能な受電装置４と、受電部４３を制御するコントローラ９２と、を備え、磁界共鳴方式を利用して送電コイル３２と受電コイル４１との間で電力を送受電するワイヤレス給電システム１Ａであって、受電コイル４１は、受電コイル４１に設けられた複数の端子の接続位置に応じて異なるコイル巻数を有する複数のコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃを選択可能に構成され、コントローラ９２が、複数の端子の切替により受電コイル４１のインダクタンスを変更し、送電装置３の入力端ＩＥから負荷８側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと送電装置３の入力端ＩＥから交流電源５側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和する構成とした。
この構成により、負荷側インピーダンスと入力側インピーダンスとが一致しない場合に、異なるコイル巻数を有する複数のコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃを適宜選択し、送電コイル３２及び受電コイル４１の磁界結合の結合強さの強弱（磁界結合の疎密）を変更することにより、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分を緩和するため、入力端ＩＥにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。
また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ａは、コントローラ９２が、複数の端子の切替により、選択されたコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃのインダクタンス及び選択されたコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃと直列に配置されたコンデンサ４２のキャパシタンスを送電コイル３２と受電コイル４１との間での磁界共鳴を維持可能に調整する構成とした。
この構成により、コイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃの何れが選択された場合であっても、送電コイル３２と受電コイル４１との磁界共鳴を維持できるように、選択されたコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃのインダクタンスに応じたコンデンサ４２のキャパシタンスが予め設定されているため、磁界共鳴を簡便に維持することができる。
また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ａは、送電装置３が、送電コイル３２と磁界結合可能に設けられて送電コイル３２に電力を送電する駆動コイル３１を有する駆動部３５をさらに備え、コントローラ９２が、送電コイル３２と駆動コイル３１との磁界結合における結合強さを変更するように駆動部３５を制御する構成とした。
この構成により、駆動コイル３１及び送電コイル３２の磁界結合の結合強さの強弱を変更することにより、駆動部３５内の回路のインピーダンスが増減して、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分が緩和されるため、入力端ＩＥにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。
また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ａは、送電装置３が、交流電源５と駆動コイル３１との間に配置されて、駆動コイル３１での反射電力を検出する反射電力検出部３７をさらに備え、コントローラ９２が、反射電力検出部３７により検出した反射電力の大きさに応じて、受電部４３又は駆動部３５を制御する構成とした。
この構成により、反射電力検出部３７の検出結果に応じて、送電コイル３２と受電コイル４１との磁界結合における結合強さ、又は駆動コイル３１と送電コイル３２との磁界結合における結合強さを変更することにより、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分が緩和されるため、入力端ＩＥにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。
また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ａを用いたワイヤレス給電方法は、送電コイル３２を含む送電側共振回路を備えている送電装置３と、受電コイル４１を含む受電側共振回路を有する受電部４３を備え、受電コイル４１が受電した電力が供給される負荷８に接続可能な受電装置４と、受電部４３を制御するコントローラ９２と、を備え、磁界共鳴方式を利用して送電コイル３２と受電コイル４１との間で電力を送受電するワイヤレス給電システム１Ａを用いたワイヤレス給電方法であって、受電コイル４１は、受電コイル４１に設けられた複数の端子の接続位置に応じて異なるコイル巻数を有する複数のコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃを選択可能に構成され、コントローラ９２が、複数の端子の切替により受電コイル４１のインダクタンスを変更し、送電装置３の入力端ＩＥから負荷８側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと送電装置３の入力端ＩＥから交流電源５側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和する構成とした。
この構成により、負荷側インピーダンスと入力側インピーダンスとが一致しない場合に、異なるコイル巻数を有する複数のコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃを適宜選択し、送電コイル３２及び受電コイル４１の磁界結合の結合強さの強弱を変更することにより、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分を緩和するため、入力端ＩＥにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。
また、本実施形態に係るワイヤレス給電方法は、送電装置３が、送電コイル３２と磁界結合可能に設けられて送電コイル３２に電力を送電する駆動コイル３１を有する駆動部３５をさらに備え、コントローラ９２が、送電コイル３２と駆動コイル３１との磁界結合における結合強さを変更するように駆動部３５を制御する構成とした。
この構成により、駆動コイル３１及び送電コイル３２の磁界結合の結合強さの強弱を変更することにより、駆動部３５内の回路のインピーダンスが増減して、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分が緩和されるため、入力端ＩＥにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。
また、本実施形態に係るワイヤレス受電システム１１は、送電コイル３２を含む送電側共振回路を備えている送電装置３から、磁界共鳴方式を利用して送電される電力を受電するワイヤレス受電システム１１であって、受電コイル４１を含む受電側共振回路を有する受電部４３を備え、受電コイル４１が受電した電力が供給される負荷８に接続可能であり、受電コイル４１は、受電コイル４１に設けられた複数の端子の接続位置に応じて異なるコイル巻数を有する複数のコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃを選択可能に構成され、コントローラ９２が、複数の端子の切替により受電コイル４１のインダクタンスを変更し、送電装置３の入力端ＩＥから負荷８側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと送電装置３の入力端ＩＥから交流電源５側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和する構成とした。
この構成により、負荷側インピーダンスと入力側インピーダンスとが一致しない場合に、異なるコイル巻数を有する複数のコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃを適宜選択し、送電コイル３２及び受電コイル４１の磁界結合の結合強さの強弱を変更することにより、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分を緩和するため、入力端ＩＥにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。
また、上述した実施形態では、負荷側インピーダンスが変動する要因として、ＤＣ－ＤＣコンバータ７のオンオフに伴う負荷電流の変動を例に説明したが、負荷側インピーダンスが変動する要因はこれに限定されるものではない。
例えば、本実施形態では、ＤＣ－ＤＣコンバータ７がアイドリングしているときに、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとが予め整合されている構成を例示したが、例えば、ＤＣ－ＤＣコンバータ７がアイドリングからオンに移行したとき、又はＤＣ－ＤＣコンバータ７がオンになった後に負荷側インピーダンスが安定したときに、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとが予め整合されているように構成しても構わない。
また、図１に図示したワイヤレス給電システム１Aでは、反射電力検出部３７が、送電装置３内に配置されるとともに、送電装置３の入力端ＩＥと駆動コイル３１との間に設けられているが、反射電力検出部３７を配置する位置はこれに限られない。
例えば、図１１に図示したワイヤレス給電システム１Ｂのように、反射電力検出部３７を電源装置５Ａ内に配置するとともに、交流電源５と送電装置３の入力端ＩＥの間に反射電力検出部３７を配置しても構わない。また、図２６に図示したワイヤレス給電システム１Ｃのように、反射電力検出部３７内に送電装置３の入力端ＩＥを設けるとともに、反射電力検出部３７を電源装置５Aと送電装置３との間に配置しても構わない。このようなワイヤレス給電システム１Ｂ、１Ｃであっても、ワイヤレス給電システム１Ａと同様に、負荷側インピーダンスと入力側インピーダンスとの差分を緩和し、入力端ＩＥにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。ワイヤレス給電システム１Ａ、１Ｂ、１Ｃの何れの構成を採用するかは、ワイヤレス給電システムを設置する場所や環境、及び給電対象物２や送電装置３の構成に応じて適宜選択すれば良い。
また、反射電力検出部３７は、寄生抵抗又は寄生インダクタ等によるインピーダンスを有しているため、反射電力検出部３７による検出値には誤差が生ずる。このような検出値の誤差の大きさは、給電対象物２の構成（例えば、インピーダンス変動が相対的に大きいモータ駆動やバッテリ充電、又はインピーダンス変動が相対的に小さい家電製品等の稼働）により異なることが想定される。そこで、ワイヤレス給電システム１Ａ、１Ｂ、１Ｃを構築し、外部テスターで入力端ＩＥにおける電力測定や電源側／負荷側の各インピーダンス測定を各システムに対して行い、例えば反射電力検出部３７による誤差が最小もしくは誤差変動が最小の形態を、給電対象物２の構成に応じて適宜選択しても構わない。なお、反射電力検出部３７による検出値の誤差自体は設計段階でオフセット設計をしたり、個々の製品の出荷検査においてオフセット調整する等して最適調整を行っても構わない。
次に、本実施形態の変形例について説明する。なお、各種変形例は、以下に説明する構成を除いた他の構成は上述した実施形態の構成と同様である。
＜変形例１＞
本変形例に係る駆動コイル３１は、例えば、図１１（ａ）～（ｃ）に示すように、球状に配置された８つの駆動コイル部３１Ａ～３１Ｈを備えたものであっても構わない。
本変形例に係る駆動コイル３１は、例えば、図１１（ａ）～（ｃ）に示すように、球状に配置された８つの駆動コイル部３１Ａ～３１Ｈを備えたものであっても構わない。
駆動コイル３１は、中心が一致した状態で互いに傾斜する駆動コイル部３１Ａ～３１Ｈから成る。駆動コイル部３１Ａ～３１Ｈは、１つのコイルを８つに分割したものであり、実質的に直列に接続されている。駆動コイル部３１Ａ～３１Ｈ間の接続関係の詳細は省略するが、図２と同様に図示しないスイッチ等によって、交流電源５からの電力を駆動コイル部３１Ａ～３１Ｈの少なくとも何れか１つに供給可能に接続されている。
図１１（ａ）に示すように、駆動コイル部３１Ａは、コイル軸３１ａと送電コイル３２のコイル軸３２ａとが略一致した状態で、すなわち送電コイル３２に対して傾斜することなく送電コイル３２内に収容されている。また、図１１（ｂ）に示すように、駆動コイル部３１Ｃは、送電コイル３２に対して約４５度傾いた状態で、その一部が送電コイル３２内に収容されている。そして、図１１（ｃ）に示すように、駆動コイル部３１Ｅは、送電コイル３２に対して約９０度傾いた状態で、その一部が送電コイル３２内に収容されている。さらに、駆動コイル部３１Ｂ、３１Ｄ、３１Ｆ～３１Ｈは、送電コイル３２に対して約２２．５度、約６７．５度、約１１２．５度、約１３５度、約１５７．５度だけそれぞれ傾いた状態で、その一部が送電コイル３２内に収容されている。
このとき、駆動コイル３１と送電コイル３２との磁界結合は、対向する面積が大きいほど密となる。すなわち、駆動コイル部３１Ａのコイル軸３１ａと送電コイル３２のコイル軸３２ａとが同軸上に位置するため、駆動コイル部３１Ａと送電コイル３２との磁界結合が最も密になる。駆動コイル部３１Ｅは、送電コイル３２との磁界結合が最も疎になる。
このような構成により、例えば、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｃ、３１Ｅの３つを適宜切り替えて、インピーダンスマッチング処理を実行することができる。すなわち、負荷側インピーダンスが入力側インピーダンスに対して大きい状態では、図１１（ａ）に示すように駆動コイル部３１Ａに電力を供給することにより、駆動コイル３１と送電コイル３２との磁界結合が密になり、送電装置３内の回路のインピーダンスが減少する。その結果、入力端ＩＥにおける負荷側インピーダンスが小さくなり、入力側インピーダンスとの差分が緩和される。
一方、負荷側インピーダンスが入力側インピーダンスに対して小さい状態では、図１１（ｂ）に示すように、駆動コイル部３１Ａと比べて、送電コイル３２に対して傾斜する駆動コイル部３１Ｃに電力を供給することにより、駆動コイル３１と送電コイル３２との磁界結合が疎になり、送電装置３内の回路のインピーダンスが増大する。その結果、入力端ＩＥにおける負荷側インピーダンスが大きくなり、入力側インピーダンスとの差分が緩和される。
また、負荷側インピーダンスがさらに低下すると、図１１（ｃ）に示すように、送電コイル３２に対して直交する駆動コイル部３１Ｅに電力を供給することにより、駆動コイル３１と送電コイル３２との磁界結合がさらに疎になり、送電装置３内の回路のインピーダンスがさらに増大し、その結果、入力端ＩＥにおける負荷側インピーダンスが大きくなり、入力側インピーダンスとの差分が緩和される。
このような構成により、駆動コイル部３１Ａ～３１Ｈの少なくとも何れか１つに選択的に電力が供給されるため、駆動コイル３１と送電コイル３２との結合強さを調整することができる。
また、本変形例に係る球状の駆動コイル３１を構成する駆動コイル部の個数は、８つに限定されず、２つ以上であればいくつであっても構わない。また、本変形例に係る駆動コイル部３１Ａ～３１Ｈの送電コイル３２に対する傾きは、０度～１８０度の範囲で設定しているが、コイルの位相を考慮して、－９０度～＋９０度の範囲で設定しても構わない。
また、駆動コイル３１は、送電コイル３２内に収容されたものに限定されず、送電コイル３２外に配置されても構わない。また、駆動コイル部３１Ａ～３１Ｈの一部が送電コイル３２内に配置され、その他の駆動コイル部３１Ａ～３１Ｈが送電コイル３２外に配置されても構わない。なお、駆動コイル３１の送電コイル３２に対する傾きが、結合係数ｋ０１が等比級数になるように切り替え可能に構成されることにより、各駆動コイル３１の角度でのインピーダンス調整範囲が略一定になり、インピーダンス整合をさらに安定して行うことができる。
＜変形例２＞
インピーダンスマッチング機構９は、駆動コイル３１を送電コイル３２に対して相対的に移動させるコイル移動機構であっても構わない。
インピーダンスマッチング機構９は、駆動コイル３１を送電コイル３２に対して相対的に移動させるコイル移動機構であっても構わない。
このようなコイル移動機構として、例えば、コイル軸３１ａ、３１ｂ、３１ｃとコイル軸３２ａとの略平行状態を維持したまま、各コイル軸３１ａ、３１ｂ、３１ｃがコイル軸３２ａに対して相対的に離間又は近接（一致）するように駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃをコイル軸３２ａと垂直な方向にスライドさせるものが考えられる。
ここで、コイル軸３１ａ、３１ｂ、３１ｃと送電コイル３２のコイル軸３２ａとが同軸上に位置する場合には、送電コイル３２との磁界結合が密になる（結合強さ（結合係数）が大きくなる）。一方、コイル軸３１ａ、３１ｂ、３１ｃが、送電コイル３２のコイル軸３２ａに対してコイル軸３１ａに直行する方向にオフセットしている場合には、送電コイル３２との磁界結合が疎となる（結合強さ（結合係数）が小さくなる）。
そして、コイル移動機構によって駆動コイル３１を送電コイル３２に対して相対的移動させてインピーダンスを大まかに調整した上で、スイッチ９１ａ～９１ｄの切替制御によってインピーダンスを微調整することにより、インピーダンスを最適化しても構わない。この場合、インピーダンスの微調整を高速に行うことができるため、インピーダンスの急激な変化した場合でもスムーズに最適化することができる。
＜変形例３＞
上述した変形例２では、コイル軸３１ａ、３１ｂ、３１ｃとコイル軸３２ａとの略平行状態を維持したまま駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃをコイル軸３２ａと垂直な方向にスライドさせるコイル移動機構を例示したが、コイル移動機構は、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃをコイル軸３１ａ、３２ａ、３３ａ及びコイル軸３２ａの軸方向と平行に移動させる構成であっても構わない。
上述した変形例２では、コイル軸３１ａ、３１ｂ、３１ｃとコイル軸３２ａとの略平行状態を維持したまま駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃをコイル軸３２ａと垂直な方向にスライドさせるコイル移動機構を例示したが、コイル移動機構は、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃをコイル軸３１ａ、３２ａ、３３ａ及びコイル軸３２ａの軸方向と平行に移動させる構成であっても構わない。
ここで、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃは、送電コイル３２に接近するほど送電コイル３２との磁界結合が密になり（結合係数が大きくなり）、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃは、送電コイル３２から離れるほど送電コイル３２との磁界結合が疎になる（結合係数が小さくなる）。
そして、コイル移動機構によって駆動コイル３１を送電コイル３２に対して相対的移動させてインピーダンスを大まかに調整した上で、スイッチ９１ａ～９１ｄの切替制御によってインピーダンスを微調整することにより、インピーダンスを最適化しても構わない。この場合、インピーダンスの微調整を高速に行うことができるため、インピーダンスの急激な変化した場合でもスムーズに最適化することができる。
＜変形例４＞
上述した実施形態では、コイル軸３１ａ、３１ｂ、３１ｃが略同軸上に配置された駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃから成る駆動コイル３１を例示したが、駆動コイル３１の構成はこれに限定されるものではない。
上述した実施形態では、コイル軸３１ａ、３１ｂ、３１ｃが略同軸上に配置された駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃから成る駆動コイル３１を例示したが、駆動コイル３１の構成はこれに限定されるものではない。
例えば、駆動コイル３１は、コイル軸３１ａ、３１ｂ、３１ｃが略平行で互いに離間するようにオフセットして配置された駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを備えたものであっても構わない。
このとき、駆動コイル３１と送電コイル３２との磁界結合は、対向する面積が大きいほど密となる。そして、スイッチ９１ａ～９１ｄの切替制御により、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃの少なくとも何れか１つに選択的に電力が供給されるため、駆動コイル３１と送電コイル３２との磁界結合の結合強さの強弱（磁界結合の疎密）を調整することができる。
＜変形例５＞
上述した実施形態では、略同形に形成された駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃから成る駆動コイル３１を例示したが、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃは、互いに異なる形状であっても構わない。
上述した実施形態では、略同形に形成された駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃから成る駆動コイル３１を例示したが、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃは、互いに異なる形状であっても構わない。
例えば、駆動コイル３１は、コイル軸３１ａ、３１ｂ、３１ｃが略同軸上に配置されるとともに、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃがこの順でコイル径が徐々に小径に設定され、且つコイル高さが高くなるように形成され、略同一平面上でコイル径が拡縮する螺旋状に構成されても構わない。
このとき、駆動コイル３１と送電コイル３２との磁界結合は、コイル径の差が少ないほど密となる。そして、スイッチ９１ａ～９１ｄの切替制御により、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃの少なくとも何れか１つに選択的に電力が供給されるため、駆動コイル３１と送電コイル３２との結合強さを調整することができる。
＜変形例６＞
また、駆動コイル３１は、コイル軸３１ａ、３１ｂ、３１ｃが略同軸上に配置されるとともに、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃが略同一平面上に配置され、さらに、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃがこの順でコイル径が徐々に小径に設定されて、同一平面上で外周から中心に向かって徐々にコイル径が小さくなるように構成されても構わない。
また、駆動コイル３１は、コイル軸３１ａ、３１ｂ、３１ｃが略同軸上に配置されるとともに、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃが略同一平面上に配置され、さらに、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃがこの順でコイル径が徐々に小径に設定されて、同一平面上で外周から中心に向かって徐々にコイル径が小さくなるように構成されても構わない。
このとき、駆動コイル３１と送電コイル３２との磁界結合は、コイル径の差が少ないほど密となる。そして、スイッチ９１ａ～９１ｄの切替制御により、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃの少なくとも何れか１つに選択的に電力が供給されるため、駆動コイル３１と送電コイル３２との磁界結合の結合強さの強弱（磁界結合の疎密）を調整することができる。
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｄについて図面に基づいて説明する。図１２は、第２の実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｄの構成を示す模式図である。なお、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｄは、上述した第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ａと以下の点で相違し、その他の構成は共通する。したがって、共通する構成は、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
次に、本発明の第２の実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｄについて図面に基づいて説明する。図１２は、第２の実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｄの構成を示す模式図である。なお、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｄは、上述した第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ａと以下の点で相違し、その他の構成は共通する。したがって、共通する構成は、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
本実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｄは、例えば、送電コイル３２と受電コイル４１との距離が略一定を維持するように送電装置３及び受電装置４が固定された状態で、負荷８に相当するバッテリの充電が進むにつれてインピーダンス「Z0」が変動する場合に、インピーダンスの整合を維持するものである。
受電装置４は、ＤＣ－ＤＣコンバータ７と負荷８との間に設けられて、負荷８に供給される負荷電圧又は負荷電流の少なくとも何れか一方を測定する測定部９６を備えている。例えば、負荷８に電力が供給されると、負荷電圧は定電圧まで増加し、負荷電流は急増する。そして、このときの負荷側インピーダンス「Z0」は、急激に小さくなる。一方で、入力側インピーダンス「Zs」は、所定値（例えば５０Ω）で固定されており、入力側インピーダンス「Zs」と負荷側インピーダンス「Z0」とがマッチングせず、入力端ＩＥにおいて反射波が発生して送電効率が低下したり、送電電力が足りずにシステム障害を招く虞がある。さらに、
そこで、コントローラ９２は、測定部９６の測定結果に応じて、スイッチ９１ａ～９１ｄを切り替えて、駆動コイル３１と送電コイル３２との磁界結合の結合強さを調整して結合係数「k01」を調整し、送電装置３内の回路のインピーダンスを増減する。または、コントローラ９２は、負荷側インピーダンス「Z0」の変動に応じて、スイッチ９１ｅ～９１ｆを切り替えて、送電コイル３２と受電コイル４１との磁界結合の結合強さを調整して結合係数「k12」を調整し、受電装置４内の回路のインピーダンスを増減させる。これにより、負荷側インピーダンス「Z0」が大きくなり、入力側インピーダンス「Zs」との差分が緩和される。
このような構成により、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｄは、測定部９６の測定結果に応じて、送電コイル３２と受電コイル４１との磁界結合における結合強さ、又は駆動コイル３１と送電コイル３２との磁界結合における結合強さを変更することにより、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分が緩和されるため、入力端ＩＥにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｅについて図面に基づいて説明する。図１３は、第３の実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｅの構成を示す模式図である。なお、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｅは、上述した第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ａと以下の点で相違し、その他の構成は共通する。したがって、共通する構成は、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
次に、本発明の第３の実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｅについて図面に基づいて説明する。図１３は、第３の実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｅの構成を示す模式図である。なお、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｅは、上述した第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ａと以下の点で相違し、その他の構成は共通する。したがって、共通する構成は、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
例えば、給電対象物２の移動に伴って送電コイル３２と受電コイル４１との相対位置が変化する場合、具体的には、受電コイル４１が送電コイル３２に接近すると、送電コイル３２と受電コイル４１との磁気結合の結合強さが大きくなり、受電コイル４１が送電コイル３２から離れると、送電コイル３２と受電コイル４１との磁気結合の結合強さが小さくなり、送電コイル３２と受電コイル４１と磁気結合の結合状態が変動する。そこで、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｅは、送電コイル３２と受電コイル４１との相対位置が変化する場合に、インピーダンスの整合を維持する。
送電装置３は、送電コイル３２と受電コイル４１との相対位置を測定する相対位置測定部３８を備えている。相対位置測定部３８は、例えば、レーザ測長器や３次元カメラ等である。なお、相対位置測定部３８は、受電装置４に設けられても構わない。また、相対位置測定部３８は、送電コイル３２と受電コイル４１との距離だけでなく、各コイル軸の相対的な傾きも併せて計測するのが好ましい。コントローラ９２は、相対位置測定部３８の計測結果に応じて、負荷側インピーダンス「Z0」を算出する。そして、負荷側インピーダンス「Z0」が所定の閾値を下回ったときには、コントローラ９２は、スイッチ９１ｅ～９１ｆの切替により、コイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃの何れかを選択し、受電コイル４１のインダクタンス「L2」を変更する。
または、受電コイル４１のインダクタンス「L2」の変更に加えて、駆動コイル３１と送電コイル３２の結合係数「ｋ01」も変更しても構わない。換言すれば、インピーダンス「Z0」が所定の閾値を下回ったときには、コントローラ９２は、受電部４３と駆動部３５を制御しても構わない。具体的には、コントローラ９２は、上述したコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃの選択による受電コイル４１のインダクタンス「L2」の変更して、受電コイル４１のインダクタンス「L2」を小さくするとともに、図２に示したスイッチ９１ａ～９１ｄの切替により、駆動コイル部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを選択し、駆動コイル３１と送電コイル３２の結合係数「k01」を大きくして、インピーダンス「Z0」の減少をさらに抑制することができる。これにより、送電コイル３２と受電コイル４１とがさらに長い距離を変化した場合にも対応できる。
このような構成により、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ｅは、相対位置測定部３８の計測結果に応じて、送電コイル３２と受電コイル４１との磁界結合における結合強さ、又は駆動コイル３１と送電コイル３２との磁界結合における結合強さを変更することにより、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分が緩和されるため、入力端ＩＥにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。
また、上述した各実施形態では、インピーダンスの虚部をゼロにして無効電力の発生を抑制するために、駆動コイル３１、送電コイル３２及び受電コイル４１を全て共振状態とした場合を例に説明した。しかしながら、例えば、駆動コイル３１にコンデンサ３３を接続させない場合であっても、入力インピーダンスに無効電力が生じるものの、送電自体は可能であるから、送電コイル３２及び受電コイル４１のみを共振状態としても構わない。
また、上述した各実施形態では、駆動コイル３１、送電コイル３２及び受電コイル４１を備えている３コイルシステムの構成を例に説明したが、駆動コイル３１を設けず、送電コイル３２及び受電コイル４１のみを有する２コイルシステムのワイヤレス給電システムとしてもよい。この場合には、送電コイル３２を複数の送電コイル部に分割し、各送電コイル部と受電コイル４１との相対位置を変える構成とすることで、負荷側インピーダンスを制御することができる。
なお、送電コイル３２及び受電コイル４１から成る２コイルシステムは、負荷側インピーダンスを変動させるために、送電コイル３２の位置を移動させると、送電コイル３２のコイル軸３２ａと受電コイル４１のコイル軸とが同軸に位置せずに送電効率が低下する虞があるのに対し、駆動コイル３１、送電コイル３２及び受電コイル４１から成る３コイルシステムは、駆動コイル３１を介して送電コイル３２に送電することにより、送電コイル３２と受電コイル４１との位置関係を変えることなく、駆動コイル３１と送電コイル３２との磁気結合の結合強さを調整することで、負荷側インピーダンスを制御することができ、良好な送電効率を維持することができる。
また、上述した各実施形態では、駆動コイル３１、送電コイル３２及び受電コイル４１を備えている３コイルシステムの構成を例に説明したが、受電コイル４１に加えて第２受電コイルを備えた４コイルシステムを採用したワイヤレス給電システムの構成としても良い。この場合には、受電コイル４１は、送電コイル３２とほぼ等しい共振周波数に設定され、磁界共鳴方式により電力が伝送される。受電コイル４１と第２受電コイルは非接触に配置され、電磁結合（電磁誘導）方式又は磁界共鳴方式により電力が伝送される。なお、４コイルシステムは、送電コイル３２及び受電コイル４１が、他の電気回路と独立した共振用のコイルであるため、駆動中に共振周波数が変化することがないため設計が容易であり、また電力の伝送距離を長くすることができる。
＜実施例１＞
第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ａを用いて、負荷８の負荷抵抗を変化させた場合において負荷側インピーダンス「Z0」及びインピーダンス「Z1」の変化を確認するために行った実験（実施例１）について説明する。なお、本実験で用いた駆動コイル３１、送電コイル３２及び受電コイル４１の構造を図１４に示す。
第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１Ａを用いて、負荷８の負荷抵抗を変化させた場合において負荷側インピーダンス「Z0」及びインピーダンス「Z1」の変化を確認するために行った実験（実施例１）について説明する。なお、本実験で用いた駆動コイル３１、送電コイル３２及び受電コイル４１の構造を図１４に示す。
・駆動コイル
駆動コイル３１は、直径３００ｍｍに形成されており、直径３５０ｍｍの送電コイル３２内に収容されている。駆動コイル３１は、球状に配置された異なる傾きの１０つの駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊから成る。駆動コイル部３１Ａは、送電コイル３２と平行（傾き約０度）に配置され、駆動コイル部３１Ｂは、送電コイル３２に対して約１０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｃは、送電コイル３２に対して約２０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｄは、送電コイル３２に対して約３０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｅは、送電コイル３２に対して約４０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｆは、送電コイル３２に対して約５０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｇは、送電コイル３２に対して約６０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｈは、送電コイル３２に対して約７０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｉは、送電コイル３２に対して約８０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｊは、送電コイル３２と垂直（傾き約９０度）に配置されている。
駆動コイル３１は、直径３００ｍｍに形成されており、直径３５０ｍｍの送電コイル３２内に収容されている。駆動コイル３１は、球状に配置された異なる傾きの１０つの駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊから成る。駆動コイル部３１Ａは、送電コイル３２と平行（傾き約０度）に配置され、駆動コイル部３１Ｂは、送電コイル３２に対して約１０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｃは、送電コイル３２に対して約２０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｄは、送電コイル３２に対して約３０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｅは、送電コイル３２に対して約４０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｆは、送電コイル３２に対して約５０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｇは、送電コイル３２に対して約６０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｈは、送電コイル３２に対して約７０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｉは、送電コイル３２に対して約８０度だけ傾いて配置され、駆動コイル部３１Ｊは、送電コイル３２と垂直（傾き約９０度）に配置されている。
駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊは、素線径０．０４ｍｍ、直径０．９ｍｍのリッツ線を用いており、インダクタンスを２７８μＨ、コンデンサを４．０５ｎＦに設定した。
・受動コイル
受電コイル４１は、４つのコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄを選択可能に構成されている。受電コイル４１は、直径３５０ｍｍに設定され、素線径０．０４ｍｍ、直径０．９ｍｍのリッツ線から成る。各コイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄのコイル巻数、インダクタンス、コンデンサの抵抗値は、以下の通りに設定した。
・コイル領域４１Ａ
コイル巻数：５６、インダクタンス：１４８８μＨ、コンデンサ：０．７５６ｎＦ
・コイル領域４１Ｂ
コイル巻数：２８、インダクタンス：７４４μＨ、コンデンサ：１．５１２ｎＦ
・コイル領域４１Ｃ
コイル巻数：１０、インダクタンス：２６６μＨ、コンデンサ：４．２３４ｎＦ
・コイル領域４１Ｄ
コイル巻数：５、インダクタンス：１３３μＨ、コンデンサ：８．３６７ｎＦ
受電コイル４１は、４つのコイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄを選択可能に構成されている。受電コイル４１は、直径３５０ｍｍに設定され、素線径０．０４ｍｍ、直径０．９ｍｍのリッツ線から成る。各コイル領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄのコイル巻数、インダクタンス、コンデンサの抵抗値は、以下の通りに設定した。
・コイル領域４１Ａ
コイル巻数：５６、インダクタンス：１４８８μＨ、コンデンサ：０．７５６ｎＦ
・コイル領域４１Ｂ
コイル巻数：２８、インダクタンス：７４４μＨ、コンデンサ：１．５１２ｎＦ
・コイル領域４１Ｃ
コイル巻数：１０、インダクタンス：２６６μＨ、コンデンサ：４．２３４ｎＦ
・コイル領域４１Ｄ
コイル巻数：５、インダクタンス：１３３μＨ、コンデンサ：８．３６７ｎＦ
また、駆動コイル３１を含む共振回路、送電コイル３２を含む共振回路及び受電コイル４１を含む共振回路の各共振周波数は、それぞれ１５０Ｈｚに設定されている。
・実験手順
まず、受電コイル４１をコイル領域４１Ａに固定し、駆動コイル３１を駆動コイル部３１Ａに固定した状態で、送電コイル３２と受電コイル４１とを３５０ｍｍから５０ｍｍずつ接近させて、各距離における負荷側インピーダンス「Z0」を計測した。その結果を図１５に示す。
まず、受電コイル４１をコイル領域４１Ａに固定し、駆動コイル３１を駆動コイル部３１Ａに固定した状態で、送電コイル３２と受電コイル４１とを３５０ｍｍから５０ｍｍずつ接近させて、各距離における負荷側インピーダンス「Z0」を計測した。その結果を図１５に示す。
図１５によれば、送電コイル３２と受電コイル４１とが接近するにつれて、負荷側インピーダンス「Z0」が小さくなることが分かる。これは、数式１及び数式２により、送電コイル３２と受電コイル４１とが接近して結合係数「k12」が大きくなるにつれて、インピーダンス「Z1」が大きくなる一方、負荷側インピーダンス「Z0」は小さくなるためである。
＜実施例２＞
次に、ワイヤレス給電システム１Ａにおいて、反射電力検出部３７から入力された値に応じて、最適な駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊ及びコイル領域４１Ａ～４１Ｄを選択することにより、負荷側インピーダンス「Z0」が略一定に維持されることを確認するために行った実験（実施例２）について説明する。なお、本実施例で用いた駆動コイル３１、受電コイル４１は、実施例１と同様である。
次に、ワイヤレス給電システム１Ａにおいて、反射電力検出部３７から入力された値に応じて、最適な駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊ及びコイル領域４１Ａ～４１Ｄを選択することにより、負荷側インピーダンス「Z0」が略一定に維持されることを確認するために行った実験（実施例２）について説明する。なお、本実施例で用いた駆動コイル３１、受電コイル４１は、実施例１と同様である。
・実験手順
本実施例では、駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊ及びコイル領域４１Ａ～４１Ｄの何れかを選択したときの負荷側インピーダンス「Z0」は、予め実験等により取得されて記憶部９３に記憶されており、負荷側インピーダンス「Z0」が約５０Ωを維持するために最適な駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊ及びコイル領域４１Ａ～４１Ｄの組み合わせを選択可能である。なお、駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊ及びコイル領域４１Ａ～４１Ｄが選択されたときのインダクタンス、キャパシタンス及び共振周波数等の数値を記憶部９３に予め記憶し、反射電力検出部３７が検出した反射電力に応じて、最適な駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊ及びコイル領域４１Ａ～４１Ｄを選択するように構成しても構わない。
本実施例では、駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊ及びコイル領域４１Ａ～４１Ｄの何れかを選択したときの負荷側インピーダンス「Z0」は、予め実験等により取得されて記憶部９３に記憶されており、負荷側インピーダンス「Z0」が約５０Ωを維持するために最適な駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊ及びコイル領域４１Ａ～４１Ｄの組み合わせを選択可能である。なお、駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊ及びコイル領域４１Ａ～４１Ｄが選択されたときのインダクタンス、キャパシタンス及び共振周波数等の数値を記憶部９３に予め記憶し、反射電力検出部３７が検出した反射電力に応じて、最適な駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊ及びコイル領域４１Ａ～４１Ｄを選択するように構成しても構わない。
負荷８の負荷抵抗を５０Ω、２００Ω、５００Ωと変更した場合に、送電コイル３２と受電コイル４１とを３５０ｍｍから５０ｍｍずつ接近させたときの負荷側インピーダンス「Z0」を計測した。その結果を図１６に示す。
また、負荷抵抗を５０Ωに設定し、送電コイル３２と受電コイル４１とを３５０ｍｍから５０ｍｍずつ接近させて、各距離において選択された駆動コイル３１及び受電コイル４１の組み合わせを示す表を図１７に示す。また、負荷抵抗を２００Ωに設定し、送電コイル３２と受電コイル４１とを３５０ｍｍから５０ｍｍずつ接近させて、各距離において選択された駆動コイル３１及び受電コイル４１の組み合わせを示す表を図１８に示す。また、負荷抵抗を５００Ωに設定し、送電コイル３２と受電コイル４１とを３５０ｍｍから５０ｍｍずつ接近させて、各距離において選択された駆動コイル３１及び受電コイル４１の組み合わせを示す表を図１９に示す。なお、図１７～図１９中の駆動コイルの種類「２－１」～「２－１０」は駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊにそれぞれ対応し、受電コイルの種類「１－１」～「１－４」は、コイル領域４１Ａ～４１Ｄにそれぞれ対応する。
また、数式４に基づいて算出される負荷抵抗５０Ωにおける伝送効率を図２０に示す。
図１６によれば、負荷抵抗が５０Ω、２００Ω、５００Ωの何れであっても、送電コイル３２と受電コイル４１との距離が３５０ｍｍ以下において、負荷側インピーダンス「Z0」が約５０Ωに保たれていることが分かる。また、図２０によれば、このときの伝送効率も約９０％以上を維持していることが分かる。
すなわち、最適なコイル領域４１Ａ～４１Ｄを選択して、受電コイル４１のインダクタンスを調整することにより、負荷側インピーダンス「Z0」を簡便に制御して、インピーダンス整合を実行できる。また、駆動コイル部３１Ａ～３１Ｊを選択し、駆動コイル３１と送電コイル３２の結合係数「k01」を調整することで、インピーダンス整合をさらに簡便に実行できる。
＜実施例３＞
次に、ワイヤレス給電システム１Ａにおいて、負荷抵抗が変化するとともに送電コイル３２と受電コイル４１との距離が変化する場合であっても、負荷側インピーダンス「Z0」が所定範囲内に収まることを確認するために行った実験及びシミュレーション（実施例３）について説明する。なお、本実施例で用いた受電コイル４１は、実施例１と同様である。
次に、ワイヤレス給電システム１Ａにおいて、負荷抵抗が変化するとともに送電コイル３２と受電コイル４１との距離が変化する場合であっても、負荷側インピーダンス「Z0」が所定範囲内に収まることを確認するために行った実験及びシミュレーション（実施例３）について説明する。なお、本実施例で用いた受電コイル４１は、実施例１と同様である。
・駆動コイル
本実施例では、駆動コイル３１が、球状に配置された異なる傾きの６つの駆動コイル部から成る点で実施例１と相違し、その他の構成は実施例１と同様である。各駆動コイル部は、結合係数「k01」が、√（７８／３２）すなわち１．５６倍の間隔になるように以下のように配置されている。
・駆動コイル部No.3-1
結合係数「k01」：約０．４５、傾斜角度：０°
・駆動コイル部No.3-2
結合係数「k01」：約０．４１、傾斜角度：２２°
・駆動コイル部No.3-3
結合係数「k01」：約０．２６、傾斜角度：４９°
・駆動コイル部No.3-4
結合係数「k01」：約０．１７、傾斜角度：６４°
・駆動コイル部No.3-5
結合係数「k01」：約０．１１、傾斜角度：７３°
・駆動コイル部No.3-6
結合係数「k01」：約０．０７、傾斜角度：７９°
本実施例では、駆動コイル３１が、球状に配置された異なる傾きの６つの駆動コイル部から成る点で実施例１と相違し、その他の構成は実施例１と同様である。各駆動コイル部は、結合係数「k01」が、√（７８／３２）すなわち１．５６倍の間隔になるように以下のように配置されている。
・駆動コイル部No.3-1
結合係数「k01」：約０．４５、傾斜角度：０°
・駆動コイル部No.3-2
結合係数「k01」：約０．４１、傾斜角度：２２°
・駆動コイル部No.3-3
結合係数「k01」：約０．２６、傾斜角度：４９°
・駆動コイル部No.3-4
結合係数「k01」：約０．１７、傾斜角度：６４°
・駆動コイル部No.3-5
結合係数「k01」：約０．１１、傾斜角度：７３°
・駆動コイル部No.3-6
結合係数「k01」：約０．０７、傾斜角度：７９°
・実験手順
負荷抵抗は、負荷８の充電状況を想定した５０Ω、５００Ω、３０７９Ωに設定し、送電コイル３２と受電コイル４１とを３５０ｍｍから５０ｍｍずつ接近させたときの負荷側インピーダンス「Z0」の変化を図２１～図２３に示す。なお、図２１は、負荷抵抗を５０Ωに設定したものであり、図２２は、負荷抵抗を５００Ωに設定したものであり、図２３は、負荷抵抗を３０７９Ωに設定したものである。
負荷抵抗は、負荷８の充電状況を想定した５０Ω、５００Ω、３０７９Ωに設定し、送電コイル３２と受電コイル４１とを３５０ｍｍから５０ｍｍずつ接近させたときの負荷側インピーダンス「Z0」の変化を図２１～図２３に示す。なお、図２１は、負荷抵抗を５０Ωに設定したものであり、図２２は、負荷抵抗を５００Ωに設定したものであり、図２３は、負荷抵抗を３０７９Ωに設定したものである。
また、負荷抵抗を５０Ωに設定し、送電コイル３２と受電コイル４１とを３５０ｍｍから５０ｍｍずつ接近させた場合に、各距離において選択された駆動コイル３１及び受電コイル４１の組み合わせを示す表を図２４に示す。また、負荷抵抗を５００Ωに設定し、送電コイル３２と受電コイル４１とを３５０ｍｍから５０ｍｍずつ接近させて、各距離において選択された駆動コイル３１及び受電コイル４１の組み合わせを示す表を図２５に示す。また、負荷抵抗を３０７９Ωに設定し、送電コイル３２と受電コイル４１とを３５０ｍｍから５０ｍｍずつ接近させて、各距離において選択された駆動コイル３１及び受電コイル４１の組み合わせを示す表を図２６に示す。なお、図２４～図２６中の受電コイルの種類「１－１」～「１－４」は、コイル領域４１Ａ～４１Ｄにそれぞれ対応する。
図２１～図２３によれば、負荷８の負荷抵抗が５０Ω、５００Ω、３０７９Ωの何れの場合であっても、駆動コイル３１及び受電コイル４１を適宜選択することにより、負荷側インピーダンス「Z0」の変化を、目標値５０Ωに対して３２～７８Ωの範囲内に留めることができたことが分かる。すなわち、電力反射率５％以下を実現でき、送電コイル３２と受電コイル４１との距離の変動や負荷８の負荷抵抗の変動にかかわらず、インピーダンス整合を実現できる。
また、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り、上記以外にも種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ：ワイヤレス給電システム
１１ ：ワイヤレス受電システム
２ ：給電対象物
３ ：送電装置
３１ ：駆動コイル
３１Ａ～３１Ｈ：駆動コイル部
３１ａ～３１ｃ：（駆動コイルの）コイル軸
３２ ：送電コイル
３２ａ：（送電コイルの）コイル軸
３３、３４：コンデンサ
３５ ：駆動部
３６ ：送電部
３７ ：反射電力検出部
３８ ：相対位置測定部
４ ：受電装置
４１ ：受電コイル
４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄ：コイル領域
４２ ：コンデンサ
４３ ：受電部
５ ：交流電源
５Ａ ：電源装置
６ ：整流回路
６１ ：ダイオード
６２ ：コンデンサ
７ ：ＤＣ－ＤＣコンバータ
８ ：負荷
９ ：インピーダンスマッチング機構
９１ａ～９１ｆ：スイッチ
９２ ：コントローラ
９３ ：記憶部
９４ ：制御部
９５ａ、９５ｂ、９５ｃ、９５ｄ：ＭＯＳＦＥＴ
９６ ：測定部
ＩＥ ：入力端
１１ ：ワイヤレス受電システム
２ ：給電対象物
３ ：送電装置
３１ ：駆動コイル
３１Ａ～３１Ｈ：駆動コイル部
３１ａ～３１ｃ：（駆動コイルの）コイル軸
３２ ：送電コイル
３２ａ：（送電コイルの）コイル軸
３３、３４：コンデンサ
３５ ：駆動部
３６ ：送電部
３７ ：反射電力検出部
３８ ：相対位置測定部
４ ：受電装置
４１ ：受電コイル
４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄ：コイル領域
４２ ：コンデンサ
４３ ：受電部
５ ：交流電源
５Ａ ：電源装置
６ ：整流回路
６１ ：ダイオード
６２ ：コンデンサ
７ ：ＤＣ－ＤＣコンバータ
８ ：負荷
９ ：インピーダンスマッチング機構
９１ａ～９１ｆ：スイッチ
９２ ：コントローラ
９３ ：記憶部
９４ ：制御部
９５ａ、９５ｂ、９５ｃ、９５ｄ：ＭＯＳＦＥＴ
９６ ：測定部
ＩＥ ：入力端
Claims (14)
- 送電コイルを含む送電側共振回路を備えている送電装置と、
受電コイルを含む受電側共振回路を有する受電部を備え、前記受電コイルが受電した電力が供給される負荷に接続可能な受電装置と、
前記受電部を制御する制御装置と、
を備え、磁界共鳴方式を利用して前記送電コイルと前記受電コイルとの間で電力を送受電するワイヤレス給電システムであって、
前記受電コイルは、前記受電コイルに設けられた複数の端子の接続位置に応じて異なるコイル巻数を有する複数のコイル領域を選択可能に構成され、
前記制御装置は、前記複数の端子の切替により前記受電コイルのインダクタンスを変更し、前記送電装置の入力端から負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと前記送電装置の入力端から電源装置側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和することを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 前記制御装置は、前記複数の端子の切替により、選択された前記コイル領域のインダクタンス及び選択された前記コイル領域と直列に配置されたコンデンサのキャパシタンスを前記送電コイルと前記受電コイルとの間での磁界共鳴を維持可能に調整することを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス給電システム。
- 前記送電装置は、前記送電コイルと磁界結合可能に設けられて前記送電コイルに磁界共鳴方式を利用して電力を送電する駆動コイルを有する給電部をさらに備え、
前記制御装置は、前記送電コイルと前記駆動コイルとの磁界結合における結合強さを変更するように前記給電部を制御することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電システム。 - 前記送電装置は、前記電源装置と前記駆動コイルとの間に配置されて、前記駆動コイルでの反射電力を検出する反射電力検出部をさらに備え、
前記制御装置は、前記反射電力検出部により検出した反射電力の大きさに応じて、前記受電部又は前記給電部を制御することを特徴とする請求項３に記載のワイヤレス給電システム。 - 前記受電装置は、前記負荷における負荷電流又は負荷電圧を測定する測定部をさらに備え、
前記制御装置は、前記測定部により検出した値に応じて、前記受電部又は前記給電部を制御することを特徴とする請求項３に記載のワイヤレス給電システム。 - 前記送電コイルと受電コイルとの相対位置を測定する相対位置測定部をさらに備え、
前記制御装置は、前記相対位置測定部により測定した値に応じて、前記受電部又は前記給電部を制御することを特徴とする請求項３に記載のワイヤレス給電システム。 - 交流電源を備えている電源装置と、
入力端において前記電源装置に接続され、送電コイルを含む送電側共振回路を備えている送電装置と、
受電コイルを含む受電側共振回路を有する受電部を備え、前記受電コイルが受電した電力が供給される負荷に接続可能な受電装置と、
前記受電部を制御する制御装置と、
を備え、磁界共鳴方式を利用して前記送電コイルと前記受電コイルとの間で電力を送受電するワイヤレス給電システムであって、
前記受電コイルは、前記受電コイルに設けられた複数の端子の接続位置に応じて異なるコイル巻数を有する複数のコイル領域を選択可能に構成され、
前記制御装置は、前記複数の端子の切替により前記受電コイルのインダクタンスを変更し、前記送電装置の入力端から負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと前記送電装置の入力端から電源装置側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和し、
前記送電装置は、前記送電コイルと磁界結合可能に設けられて前記送電コイルに磁界共鳴方式を利用して電力を送電する駆動コイルを有する給電部をさらに備え、
前記制御装置は、前記送電コイルと前記駆動コイルとの磁界結合における結合強さを変更するように前記給電部を制御することを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 前記電源装置は、前記交流電源と前記送電装置の入力端との間に配置され、前記送電装置側からの反射電力を検出する反射電力検出部を備え、
前記制御装置は、前記反射電力検出部により検出した反射電力の大きさに応じて、前記受電部又は前記給電部を制御することを特徴とする請求項７に記載のワイヤレス給電システム。 - 前記送電装置の入力端が内部に位置し、前記駆動コイル側からの反射電力を検出する検出する反射電力検出部をさらに備え、
前記制御装置は、前記反射電力検出部により検出した反射電力の大きさに応じて、前記受電部又は前記給電部を制御することを特徴とする請求項７に記載のワイヤレス給電システム。 - 送電コイルを含む送電側共振回路を備えている送電装置から、磁界共鳴方式を利用して送電される電力を受電するワイヤレス受電システムであって、
受電コイルを含む受電側共振回路を有する受電部を備え、前記受電コイルが受電した電力が供給される負荷に接続可能であり、
前記受電コイルは、前記受電コイルに設けられた複数の端子の接続位置に応じて異なるコイル巻数を有する複数のコイル領域を選択可能に構成され、
前記受電部を制御する制御装置は、前記複数の端子の切替により前記受電コイルのインダクタンスを変更し、前記送電装置の入力端から負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと前記送電装置の入力端から電源装置側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和することを特徴とするワイヤレス受電システム。 - 前記制御装置は、前記複数の端子の切替により、選択された前記コイル領域のインダクタンス及び選択された前記コイル領域と直列に配置されたコンデンサのキャパシタンスを前記送電コイルと前記受電コイルとの間での磁界共鳴を維持可能に調整することを特徴とする請求項１０に記載のワイヤレス受電システム。
- 送電コイルを含む送電側共振回路を備えている送電装置と、
受電コイルを含む受電側共振回路を有する受電部を備え、前記受電コイルが受電した電力が供給される負荷に接続可能な受電装置と、
前記受電部を制御する制御装置と、
を備え、磁界共鳴方式を利用して前記送電コイルと前記受電コイルとの間で電力を送受電するワイヤレス給電システムを用いたワイヤレス給電方法であって、
前記受電コイルは、前記受電コイルに設けられた複数の端子の接続位置に応じて異なるコイル巻数を有する複数のコイル領域を選択可能に構成され、
前記制御装置は、前記複数の端子の切替により前記受電コイルのインダクタンスを変更し、前記送電装置の入力端から負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと前記送電装置の入力端から電源装置側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和することを特徴とするワイヤレス給電方法。 - 前記送電装置は、前記送電コイルと磁界結合可能に設けられ、前記送電コイルに磁界共鳴方式を利用して電力を送電する駆動コイルを有する給電部をさらに備え、
前記制御装置は、前記送電コイルと前記駆動コイルとの磁界結合における結合強さを変更するように前記給電部を制御することを特徴とする請求項１２に記載のワイヤレス給電方法。 - 前記制御装置による負荷側インピーダンスの調整は、前記受電コイルの端子を切り替えて粗調整した後に、前記給電部を制御して微調整を行うことを特徴とする請求項１３に記載のワイヤレス給電方法。
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