(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電源と、前記高周波電源に直列に接続される給電線とを備えた給電部と、
前記給電線の外周で非接触に設置される受電部とを具備し、
前記受電部が前記給電線との電磁誘導により受電した電力を前記受電部に接続された負荷に供給する非接触給電システムであって、
前記給電部は、そのリアクタンス成分を増減可能な共振要素と、前記共振要素のパラメータを自動的に可変させることにより共振調整を行う共振調整部とを備え、
前記給電線は、円筒形状の内管部と、前記内管部の外側に配置された円筒形状の外管部と、前記内管部と前記外管部を互いに同心となるように連結する連結部とで構成された導体を、角筒状の合成樹脂成形品からなる絶縁体で被覆して構成されている非接触給電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触給電システムであって、
前記共振調整部は、所定時間駆動後に共振調整を行うことができるように構成された非接触給電システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の非接触給電システムであって、
前記共振調整部は、前記高周波電源に接続される電線間の電圧(ＶＬ)と共振要素の両端電圧(ＶＣ)との差を測定する測定部を備え、
前記差が、所定の値となるように前記共振要素のパラメータを制御するように構成された非接触給電システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の非接触給電システムであって、
前記共振要素は、可変容量コンデンサである非接触給電システム。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の非接触給電システムであって、
前記共振調整部は、前記高周波電源の電圧電流位相をモニターするモニタ部を備え、
この位相差が所望の値となるように前記共振要素を調整する非接触給電システム。
【請求項６】
請求項５に記載の非接触給電システムであって、
前記共振要素は、電極間距離を変化可能に構成された可変容量コンデンサであり、前記共振調整部は前記モニタ部の出力に応じて前記電極間距離を調整する非接触給電システム。
【請求項７】
請求項４または６に記載の非接触給電システムであって、
前記可変容量コンデンサは、複数の電極を備え、前記電極から２枚を選択することで容量を変化させるようにした非接触給電システム。
【請求項８】
高周波電源と、前記高周波電源に直列に接続される給電線と、給電部と、前記給電線の外周で非接触に設置される受電部とを具備し、
前記受電部が前記給電線との電磁誘導により受電した電力を前記受電部に接続された負荷に供給する非接触給電システムの駆動方法であって、
前記給電線に前記高周波電源から電流を流し、前記給電線との電磁誘導により受電した電力を前記受電部に接続された負荷に供給する工程と、
前記給電線のリアクタンス成分を測定する工程と、
前記リアクタンス成分の大きさに応じて、共振要素のパラメータを自動的に可変させる共振調整工程とを含み、
前記給電線は、円筒形状の内管部と、前記内管部の外側に配置された円筒形状の外管部と、前記内管部と前記外管部を互いに同心となるように連結する連結部とで構成された導体を、角筒状の合成樹脂成形品からなる絶縁体で被覆して構成されている非接触給電システムの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触給電システムおよびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワーデバイスの進歩によりその応用製品が現実のものとなってきており、人々が利用する電気製品への電力供給についても自由度が求められている。その要求に応える給電システムとして、幅広い分野で非接触給電技術の開発がおこなわれている。たとえば、工場の搬送ラインに用いられる移動体への給電に非接触給電方式を利用することにより、火花、粉塵のない安全でクリーンな電力伝送が可能となる。また、物理的な消耗部品も無くなり、極めて有効なシステムとして注目されている。
【０００３】
接触型の給電装置は、電源に接続されたレール上の固定接点に、負荷（移動体すなわち電力供給される対象）に接続された可動接点を摺動させて、移動体への電力供給を行うため、接触型の給電装置では、固定接点からの漏電や接点間の接触不良などが発生する。これに対し、非接触給電装置では、電源側に接続された１次側と、負荷側に接続された２次側との間で、誘導電圧を生成するものであり、このため１次側と、２次側とで接触することがないため、この接触型の給電装置において問題となる漏電や接触不良などの発生がない。
【０００４】
このような非接触給電装置は、一例を図９に示すように、高周波電源１１０に接続され高周波となる交流電流が供給される給電線１２０と、給電線１２０に沿って変位可能な不図示の移動体の負荷Ｚに電気的に接続される受電部２００とを備える。受電部２００は、給電線１２０を流れる高周波電流に基づく電磁誘導により誘導電流が流れるコイル３と、このコイル３が外周面に巻かれた腕部とこの腕部を連結する連結部とによって形成されるコア２とを有する。
【０００５】
そして、コア２が、給電線１２０の外周を腕部と連結部とで囲むように設置されることで、高周波電流（例えば１０ｋＨｚ）が流れることにより発生する給電線１２０の外周側に磁界の向きに沿って、コアによる磁気回路が形成される。このように給電線１２０の外周にコアによる磁気回路が形成されることで、給電線１２０の外周側に発生する磁束がコア内に収束される。
【０００６】
よって、コア２の腕部に巻回されたコイル３に電流が誘起して、不図示の移動体のモータや制御回路などで構成される駆動装置３００などの負荷に供給される。このとき、コイル３で発生した電流は、負荷側に設けられた電力変換回路で電力変換された後に負荷Ｚに供給されることで、安定した電力が負荷に供給される。このように構成される非接触給電装置において、給電線１２０を流れる高周波電流に基づく電磁誘導により受電動作を行う受電部２００では、その受電効率を高めるために、コア及びコイル３に対して様々な設計が成されている。
このような非接触給電装置において、負荷回路は、伝送効率を向上するため図１０に示すように、直列共振回路を採用している。給電線は、電線であり、インダクタンス成分Ｌと抵抗成分Ｒとで構成される。従って、共振コンデンサＣ０を追加し、給電線のインダクタンスＬと共振回路を構成する(非特許文献１)。
非接触給電装置では、給電線の長さや、負荷の状態によっても、給電線のインダクタンス成分や抵抗成分は変化する。このため、非接触給電装置の製造に際しては、給電線を流れる電流成分と電圧成分とを測定し、共振コンデンサを付加し、力率が１に近くなるように調整している。“力率が１となる”ということは、給電線のインダクタンス成分をＬとし、共振コンデンサの容量をＣ０としたとき、共振周波数ｆに対して、
ωＬ−1／ωＣ０≒０        (式１)
であることである。
例えば給電線の往路と復路とに対となるコの字状のピックアップを、一方の脚部同士が一方向に対して重なるようにして、給電線の往路と復路との中心間距離を減少し、インダクタンスを低減して給電効率を上げるようにした非接触給電装置も提案されている（特許文献１） 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−６１２６８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】島田理化技報  No.20（2008）Ｐ４７−５０非接触給電用インバータ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に示された非接触給電装置のように、給電線の往路と復路との中心間距離を減少し、インダクタンスを低減するための構成が提案されているが、力率を高めるために、共振周波数となるように、共振コンデンサの容量の決定および装着には、高度の熟練を要する上、作業性の低下を招く。
また、使用時間の増大に伴い、給電線の経年変化や、負荷の変動を免れることはできない。このため、給電線自体のインダクタンス成分や抵抗成分の変化に対し、対策はなく、力率の低下を免れ得ないという問題もあった。
【００１０】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、取扱が容易で高力率の非接触給電システムおよびその駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで本発明の非接触給電システムは、高周波電源と、高周波電源に直列に接続される給電線とを備えた給電部と、給電線の外周で非接触に設置される受電部とを具備し、受電部が給電線との電磁誘導により受電した電力を受電部に接続された負荷に供給し、給電部は、そのリアクタンス成分を増減可能な共振要素と、共振要素のパラメータを自動的に可変させることにより共振調整を行う共振調整部とを備え、前記給電線は、円筒形状の内管部と、前記内管部の外側に配置された円筒形状の外管部と、前記内管部と前記外管部を互いに同心となるように連結する連結部とで構成された導体を、角筒状の合成樹脂成形品からなる絶縁体で被覆して構成されていることを特徴とする。
また本発明は上記非接触給電システムにおいて、共振調整部を、所定時間駆動後に共振調整を行うことができるように構成したことを特徴とする。
また本発明は、上記非接触給電システムにおいて、共振調整部を、高周波電源に接続される電線間の電圧(ＶＬ)と共振要素の両端電圧(ＶＣ)との差を測定する測定部を備え、この差が、所定の値となるように共振要素のパラメータを制御するように構成したことを特徴とする。
また本発明は、上記非接触給電システムにおいて、共振要素は、可変容量コンデンサであることを特徴とする。
また本発明は、上記非接触給電システムにおいて、共振調整部は、高周波電源の電圧電流位相をモニターするモニタ部を備え、この位相差が所望の値となるように共振要素を調整することを特徴とする。
また本発明は、上記非接触給電システムにおいて、共振要素は、電極間距離を変化可能に構成されたコンデンサであり、共振調整部はモニタ部の出力に応じて電極間距離を調整することを特徴とする。
また本発明は、上記非接触給電システムにおいて、可変容量コンデンサは、複数の電極を備え、電極から２枚を選択することで容量を変化させるようにしたことを特徴とする。
また本発明の非接触給電システムの駆動方法は、高周波電源と、高周波電源に直列に接続される給電線と、給電部と、給電線の外周で非接触に設置される受電部とを具備し、受電部が給電線との電磁誘導により受電した電力を受電部に接続された負荷に供給する非接触給電システムの駆動方法であって、給電線に高周波電源から電流を流し、給電線との電磁誘導により受電した電力を受電部に接続された負荷に供給する工程と、給電線のリアクタンス成分を測定する工程と、リアクタンス成分の大きさに応じて、共振要素のパラメータを自動的に可変させる共振調整工程とを含み、前記給電線は、円筒形状の内管部と、前記内管部の外側に配置された円筒形状の外管部と、前記内管部と前記外管部を互いに同心となるように連結する連結部とで構成された導体を、角筒状の合成樹脂成形品からなる絶縁体で被覆して構成されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、リアクタンス成分を容易に変化可能な共振要素を自動的に可変としているため、極めて作業性よく、力率の向上を図ることができ、給電線から受電部への電力伝達の効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１の非接触給電システムの概要図
【図２】本発明の実施の形態１の非接触給電システムの等価回路図
【図３】本発明の実施の形態１の非接触給電システムにおけるモニタ装置の出力の一例を示す説明図
【図４】本発明の実施の形態１の非接触給電システムで用いられる可変容量コンデンサの一例を示す図であり、（ａ）、（ｂ）は各状態の電極選択状態を示す図
【図５】本発明の実施の形態１の非接触給電システムの給電線の断面図
【図６】本発明の実施の形態１の非接触給電システムのピックアップ部の断面図
【図７】本発明の実施の形態２の非接触給電システムを用いた調整方法の等価回路図を示す説明図
【図８】本発明の実施の形態３の非接触給電システムを用いた調整方法の等価回路図を示す説明図
【図９】従来例の非接触給電システムの概要図
【図１０】従来例の非接触給電システムの等価回路図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の非接触式給電システムを示す概要図である。図２は、この非接触式給電システムの等価回路図、図３は同非接触給電システムにおけるモニタ装置の出力の一例を示す説明図である。また、図４は同非接触給電システムで用いられる可変容量コンデンサの一例を示す図であり、（ａ）、（ｂ）に各状態の電極選択状態を示す。図５は給電線の断面図、図６は給電装置のピックアップ部の断面図である。
【００１６】
本実施の形態１の非接触給電システムは、図１に概要図、図２に等価回路図を示すように、リアクタンス成分を増減可能な共振要素として可変容量コンデンサ１４０を設け、自動的に容量調整を実現できるようにしたことを特徴としている。これは、高周波電源１１０の電圧位相と電流位相とをモニタ部１３０でモニターし、図３に示すように、得られたこの位相差Ｇが所望の値となるように、共振調整部１５０によって、可変容量コンデンサ１４０を自動的に可変させることにより共振調整を行う。
【００１７】
つまり、共振調整部１５０は、非接触給電システムの給電線１２０を流れる電流成分と電圧成分から、可変容量コンデンサ１４０の容量Ｃを調整することで、力率が１に近くなるように調整する。つまり“力率が１となる”ということは、給電線のインダクタンス成分をＬとし、可変容量コンデンサの容量をＣとしたとき、共振周波数ｆに対して、前述した式（１）と同様、
ωＬ−1／ωＣ≒０        (式２)
が成立する場合である。
従って、Ｃ≒１／ω２Ｌとなるように調整する。
【００１８】
モニタ部１３０は、ＣＴなどの電流測定装置と、電圧測定装置とを用いて、電圧位相と電流位相と をモニタし、共振調整部１５０で、上記式２を満たすように容量Ｃを決定する。たとえば電流測定や電圧測定に際しては、磁性体薄膜を用いた電流センサあるいは電力センサなど適宜選択して使用することが可能である。
【００１９】
すなわちこの非接触給電システムは、高周波電源１１０と、この高周波電源１１０に直列に接続される給電線１２０とを備えた給電部１００と、給電線の外周で非接触に設置される受電部２００とを具備し、受電部２００が給電線１２０との電磁誘導により受電した電力を受電部２００に接続された駆動装置３００などの負荷に供給するものである。
【００２０】
実際には、共振調整部１５０を、所定時間ごとに動作させるようにし、所定時間駆動後に共振調整を行うことで、経時変化に対応した調整ができるように構成することができる。すなわち、負荷の状況などに対応して、受電部側のシステム全体の状態を考慮し、共振周波数ｆに対応するように可変容量コンデンサの容量Ｃを調整する。
【００２１】
給電線１２０のもつインダクタンス成分により、図３に示すように電流位相Ｉは電圧位相ＶよりもＧだけ遅れている。この遅れを最大限に小さくするように可変容量コンデンサの容量Ｃを調整する。つまり、電流位相Ｉは電圧位相Ｖに限りなく近くなるようにすることで、力率がほぼ１となる。
【００２２】
また、可変容量コンデンサ１４０は、固定電極１３１と移動電極１３３とで構成され、図示しないアクチュエータにより、選択されて移動側端子Ｔｍが所望の位置にある電極に接続されることで固定側端子Ｔｓに接続された固定電極１３１との間の電極間距離が可変となり、所望の容量値を持つように設定される。たとえば図４（ａ）に示すように移動電極１３３のうち、固定電極１３１に近い側の電極片１３３ａを選択した場合よりも、図４（ｂ）に示すように固定電極１３１から離れた側の電極片１３３ｂを選択した場合の方が電極間距離が大きくなり、容量が大きくなる。このようにしてアクチュエータにより移動電極１３３が選択されて容量が可変となる。
【００２３】
ここでは、駆動装置３００としてのモータに給電する受電部２００とを具備している。そして、この受電部２００が、高周波電流が流れる給電線１２０と、給電線１２０に誘導結合されるコア２を備えたピックアップ部１とを具備し、このピックアップ部１に誘起される誘導起電力によって駆動装置３００に給電することで、負荷（図示せず）が駆動されるように構成されている。なおこの給電線１２０は、図示しない冶具によって、壁に固定されており、この給電線１２０に沿ってピックアップ部１が移動しながら、受電を行うようになっている。このように可変容量コンデンサ１４０を設けた他は、通例の非接触給電システムと同様である。
【００２４】
給電線１２０は、図５に示すように、円筒形状の内管部１０１と、内管部１０１の外側に配置された円筒形状の外管部１０２と、内管部１０１と外管部１０２を互いに同心となるように連結する４本の連結部１０３とで構成された導体を、角筒状の合成樹脂成形品からなる絶縁体１０４で被覆して構成されている。なお、給電線は必ずしもこの構造に限定されるものではなく、製造方法についても、外管部１０２内に、連結部１０３を備えた内管部１０１を圧入するなどの方法のほか、曲げ加工あるいは、金属の押し出し成型などによっても製造可能である。このように二重管構造の導体を給電線１２０に用いることで、円柱形状の導体に比較して高周波抵抗を低減し且つ損失を減少させることができるものの、高周波電流が流れる給電線においては、導体の材料（金属板）が有する電気抵抗以外に表皮効果と近接効果による抵抗成分（高周波抵抗）やインダクタンス成分がわずかに存在する。この給電線１２０による抵抗成分やインダクタンス成分の変化を含めて、周辺状況の変化に応じて可変容量コンデンサの容量値を変化させる。
【００２５】
ここで、受電部２００はピックアップ部１と受電回路部６とを有している。ピックアップ部１は、図６に詳細を示すようにコア２、コイル３、ボビン４、磁気シールド体５（受電回路部６）を有している。受電回路部６は、コイル３とともに共振回路を形成するコンデンサ、コイル３並びにコンデンサの共振回路から出力される共振電圧を定電圧化する定電圧回路などを有している。
【００２６】
また、コア２は、図６に示すように内周面及び外周面の双方が曲面（円筒面）で構成され且つ軸方向（紙面に垂直な方向）に交差する断面形状が略Ｃ形に形成されている。ここで、開口溝２ａを挟んで対向するコア２の両端部２０は、コア２の当該両端部２０を除く部位（以下、「胴体部」と呼ぶ。）２１よりも、軸方向に沿った断面の面積が大きく形成されている。
【００２７】
さらに、ボビン４は、円弧状に湾曲した筒形状の樹脂成形品からなり、軸方向の両端部に外鍔４０が設けられている。尚、コア２は開口溝２ａと反対側の箇所で胴体部２１が二分割されており、それぞれの胴体部２１にボビン４が外挿された後に胴体部２１の端部同士が接合されることによって、図６に示すコア２が構成されている。また、コイル３は、絶縁被覆を有する巻線がボビン４に単層巻きされることで形成されている。
【００２８】
磁気シールド体５は、高透磁率である金属磁性材料により略円筒形状に形成されてコア２並びにコイル３に外挿される。但し、磁気シールド体５にはコア２の開口溝２ａと連通する溝５ａが軸方向に沿って設けられている。なお、この磁気シールド体５は必須ではなく、省略してもよい。
【００２９】
コア２は、図１に示したように、給電線１２０を側方から跨るように断面ほぼＵ字状の外郭を有し、その外郭の内部には、給電線１２０の両側方に位置するように一対のコイルが対向配置されて電磁ピックアップが構成される。ここで、コイルは、給電線１２０に可能な限り近接させることが好ましい。そして、高周波電源１１０から給電線１２０に高周波の電流が供給されることにより、給電線１２０の周囲に、供給された高周波の電流の周波数に応じた磁界ＭＦの発生・減衰現象が発生し、それが磁束密度の変化となってコイルに誘導電流が発生する（電磁誘導）。
そして、図１に示す受電回路部６では、このようにしてコイルに発生した電流を、共振回路（図示せず）で安定化した後、負荷に送る。
このように受電回路部６を含む受電部２００や駆動装置３００を含む負荷の状態などにより、給電線１２０のインダクタンス成分や抵抗成分が変化することもあるが、これらの変化についても考慮して共振調整部で容量を調整する。
【００３０】
以上説明してきたように、本実施の形態の非接触給電システムによれば、高力率での、非接触給電を極めて容易に実現することが可能となる。また、実際に使用現場で自動的に調整することができるため、微調整も可能で、力率の向上を図ることができる。
さらにまた設置時あるいは使用中に給電線の長さや状態が変わったり、負荷の状態が変わったりした場合にも、現場での調整が容易となる。
このようにして摺動部無しに給電することができ、ピックアップ部１に誘起される誘導起電力によって駆動装置に給電することで、負荷が駆動され、摩耗粉の発生もなく、クリーンな環境でメンテナンス頻度を低減することができる。
【００３１】
なお、前記実施の形態では、可変容量コンデンサを用いたが、これに限定されることなく、バリキャップなど他の可変容量生成回路を用いてもよいことはいうまでもない。
【００３２】
(実施の形態２)
前記実施の形態１では電流位相をモニタし、この位相差を０にすべく調整するという方法をとったのに対し、本実施の形態では高周波電源１１０に接続される給電線１２０間の電圧(ＶＬ)と共振要素である可変容量コンデンサ１４０の両端電圧(ＶＣ)との差を測定し、この差に応じて容量を調整する。
【００３３】
すなわち、図７に示すように、共振調整部１５０が、高周波電源１１０に接続される給電線１２０間の電圧(ＶＬ)と共振要素である可変容量コンデンサ１４０の両端電圧(ＶＣ)との差を測定する測定部を具備している。ここで給電線１２０間の電圧ＶＬは、高周波電源１１０の近傍で電圧計により測定する。 そしてこの測定部で得られた、電圧差ＶＬ−ＶＣをモニタ部に導き、出力し、この差が、所定の値（α）となるように可変容量コンデンサ１４０の容量値（パラメータ）を制御する。ここでαはシステム固定の定数である。
ＶＬ−ＶＣ＝α        （式３）
【００３４】
この方法の場合にも、実際には、共振調整部１５０を、所定時間ごとに動作させるようにし、所定時間駆動後に共振調整を行うことで、経時変化に対応した調整ができるように構成することができる。負荷の状況などに対応して、受電部側のシステム全体の状態を考慮し、共振周波数ｆに近い共振周波数をもつように可変容量コンデンサ１４０の容量を調整することができる。
【００３５】
(実施の形態３)
前記実施の形態１では電流位相をモニタし、この位相差を０にすべく調整するという方法をとったのに対し、本実施の形態では高周波電源１１０の出力電圧（Ｖout）を測定し、この測定値をモニタしつつ、可変容量コンデンサの容量を調整するものである。
すなわち、図８に説明図を示すように、共振調整部（１５０）では、高周波電源の出力電圧（Ｖout）があらかじめ決定された所定の電圧βより小さくならない程度に最小となるように、共振要素である可変容量コンデンサのパラメータを制御する。
つまり高周波電源の出力電圧（Ｖout）が
Ｖout  >β    （式４）
【００３６】
この方法の場合にも、実施の形態１及び２と同様、実際には、共振調整部（１５０）を、所定時間ごとに動作させるようにし、所定時間駆動後に共振調整を行うことで、経時変化に対応した調整ができるように構成することができる。負荷の状況などに対応して、受電部側のシステム全体の状態を考慮し、共振周波数ｆに近い共振周波数をもつように可変容量コンデンサの容量を調整することができる。
【００３７】
なお、前記実施の形態では、可変容量コンデンサを用いて容量を調整したが、容量に限定されることなく、コイルなど、リアクタンス成分を調整できる共振要素を変化させるようにすればよい。
【００３８】
なお、本発明は、前記各実施の形態に例をとって説明したが、これら実施の形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施の形態を各種採用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  ピックアップ部
２  コア
３  コイル
１００  給電部
１０１  内管部
１０２  外管部
１０３  連結部
１０４  絶縁体
１１０  高周波電源
１２０  給電線
１３０  モニタ部
１４０  可変容量コンデンサ
１５０  共振調整部
２００  受電部
３００  駆動装置
【図１】
0005534889.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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