(57)【要約】【課題】送電側共鳴コイルと受電側共鳴コイルとの配置関係を調整するための作業を軽減し、簡易且つ高効率な電力伝送を可能とする電力伝送方法および磁界共鳴型無線電力伝送装置を提供する。【解決手段】本発明による電力伝送方法は、磁性体部材を含む構造体により相互に区画された領域に配置された受電側共鳴コイル（１２１）と送電側共鳴コイル（１１４）との間で、前記構造体を介して磁界共鳴現象を利用して電力を無線伝送する電力伝送方法であって、前記受電側共鳴コイル（１２１）の中心軸と直交する方向に前記磁性体部材が位置するように前記受電側共鳴コイル（１２１）を配置することを特徴とする。【選択図】図２
2014117102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体部材を含む構造体により相互に区画された領域に配置された第１コイルと第２コイルとの間で、前記構造体を介して磁界共鳴現象を利用して電力を無線伝送する電力伝送方法であって、
前記第１コイルの中心軸と直交する方向に前記磁性体部材が位置するように前記第１コイルを配置することを特徴とする電力伝送方法。
【請求項２】
前記第２コイルの中心軸は、前記磁性体部材が位置する前記方向に対して平行をなすことを特徴とする請求項１に記載の電力伝送方法。
【請求項３】
前記第１コイルの中心軸は、前記第２コイルの線材の周回面と平行をなし、
前記第２コイルは、前記磁性体部材が位置する前記方向から見て前記磁性体部材と重ならないことを限度として、前記構造体を挟んで前記第１コイルとの間の距離が最小となる位置に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の電力伝送方法。
【請求項４】
前記第１コイルは、前記第２コイルが発生させた磁力線のうち、前記磁性体部材を迂回するループを形成する磁力線と交差するように配置されたことを特徴とする請求項２または３に記載の電力伝送方法。
【請求項５】
前記第１コイルおよび前記第２コイルは、前記第１コイルの中心軸と前記第２コイルの中心軸とが同一平面上に位置するように配置されたことを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の電力伝送方法。
【請求項６】
前記磁性体部材はマンホール蓋であり、
前記第１コイルは、前記マンホール蓋の下方に配置された受電側共鳴コイルであり、
前記第２コイルは、マンホール外に配置された送電側共鳴コイルであることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の電力伝送方法。
【請求項７】
磁性体部材を含む構造体により相互に区画された領域に配置された第１コイルと第２コイルとを有し、前記構造体を介して前記第１コイルと前記第２コイルとの間で磁界共鳴現象を利用して電力を無線伝送する磁界共鳴型無線電力伝送装置であって、
前記第１コイルは、前記第１コイルの中心軸と直交する方向に前記磁性体部材が位置するように配置されたことを特徴とする磁界共鳴型無線電力伝送装置。
【請求項８】
前記第２コイルの中心軸は、前記第１コイルに対して前記磁性体部材が位置する前記方向と平行をなすことを特徴とする請求項７に記載の磁界共鳴型無線電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力伝送方法および磁界共鳴型無線電力伝送装置に関し、更に詳しくは、磁性体部材を含む構造体によって相互に区画された領域に配置されたコイル間で磁界共鳴現象を利用して電力を無線伝送する技術に関し、例えば、マンホール外に配置された送電側装置とマンホール内に配置された受電側装置との間で電力を伝送する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、上下水道菅、ガス管、電力ケーブル、光ファイバーケーブル等の各種の地下埋設物にＲＦ−ＩＤ(Radio Frequency-IDentification)タグ等を取り付け、このＲＦ−ＩＤタグと地上の無線通信装置との間で無線通信を行う技術がある。この技術によれば、例えば、地下埋設物が正常に作動しているか否か等の情報をＲＦ−ＩＤタグから地上の無線通信装置に向けて送信することにより、これらの情報を地上で監視することができる。
【０００３】
また、上述の技術を用いれば、例えば、地上の無線通信装置からマンホール内等の地下埋設物に設置されたＲＦ−ＩＤタグに向けて電力を無線伝送することによりＲＦ−ＩＤタグを駆動し、ＲＦ−ＩＤタグが取得した地下埋設物等に関する情報を地上の無線通信装置に向けて送信させることもできる。一般に、この種の技術では、送電側コイルの磁束が受電側コイルを通過することにより受電側コイルに電力を伝送する電磁誘導方式が用いられている。電磁誘導方式によれば、充分な伝送効率を得るために、送受信コイルを近接させて漏れ磁束を少なくする必要がある。
【０００４】
近年では、ある程度の伝送距離（例えば、２〜３ｍ）を有する場合でも高い給電効率が得られる磁界共鳴型無線電力伝送装置が提案されている（非特許文献１）。
図１３は、従来技術による磁界共鳴型無線電力伝送装置２００の構成例を示す。図１３において、送電側装置２１０の電源２１１に接続される送電側コイル２１３と受電側装置２２０の負荷２２３に接続される受電側コイル２２２が、それぞれ送電側共鳴コイル２１４および受電側共鳴コイル２２１を介して、磁界共鳴現象を利用した電磁誘導により電気的に結合し、電源２１１から負荷２２３に電力が伝達される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Aristeidis Karalis, J.D. Joannopoulos and Marin Soljacic, ‘Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer,’ Annals of Physics, Vol.323 Issue 1, pp.34-48, Apr 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、マンホールの内部と外部との間で電磁誘導方式により給電や通信を行う場合、マンホール内に設置された電子機器の動作に必要な電力を安定して供給すると共に、伝送信号を復調するために必要な受信レベルを確保することが必要になる。
【０００７】
しかしながら、給電効率に優れる磁界共鳴型無線電力伝送装置を用いたとしても、マンホールの開口部は強磁性体である鋳鉄製の厚い蓋（以下、「マンホール蓋」と称す。）で覆われており、マンホール蓋により磁力線が吸収される。このため、マンホールの外部から内部に向けて電磁誘導方式により給電しても、マンホール内の電子機器において充分な駆動電力が得られない場合や、無線信号の減衰により充分な受信レベルが得られない場合があり、所望の通信品質を確保することが困難になる。
【０００８】
このような問題の解決を図った先行技術として、本願出願人による特願２０１２−０８４７６９号明細書に記載した先行技術がある。この先行技術では、強磁性体であるマンホール蓋が電磁誘導に与える影響を避けるために、マンホール蓋と送電側共鳴コイルと受電側共鳴コイルとの間の配置関係を提案しており、特に、マンホール内の受電側共鳴コイルの位置および傾きに関する条件を提案している。
【０００９】
図１４は、上述の本願出願人による先行技術におけるコイル配置法の概略を説明するための説明図である。同図に示すように、マンホールＭの内部の受電側共鳴コイル２２１の外周と地上の送電側共鳴コイル２１４の外周とを結ぶ仮想円筒Ｓの内部領域にマンホール蓋ＭＣが存在しないように、受電側共鳴コイル２２１の中心軸Ｊ２２１が鉛直方向Ｑに対して傾けられている。また、マンホールＭの内部の受電側共鳴コイル２２１に対して地上ＥＳの送電側共鳴コイル２１４が対向（正対）するように配置されている。
【００１０】
図１５は、上述の図１４に示すマンホール蓋ＭＣと送電側共鳴コイル２１４と受電側共鳴コイル２２１との間の配置関係を３面図により表現し直した図である。この図１５は、後述する本発明の第１実施形態で参照する図３に対応した図である。図１５において、右下の正面図は上述の図１４に対応している。図１５左下の側面図に示すように、地上ＥＳの送電側共鳴コイル２１４と、マンホールＭの首部ＭＮに設置された受電側共鳴コイル２２１とは上下方向に離間して配置された位置関係にある。また、図１５右上の上面図に示すように、送電側共鳴コイル２１４と受電側共鳴コイル２２１は、水平方向に離間して配置された位置関係にある。図１５に示すように、マンホール内に傾けられて配置された受電側共鳴コイル２２１の線材の周回円の中心軸と送電側共鳴コイル２１４の線材の周回円の中心軸とが一致しており、これら受電側共鳴コイル２２１と送電側共鳴コイル２１４は互いに対向する配置関係にある。
【００１１】
図１４および図１５から理解されるように、本願出願人による先行技術では、強磁性体部材であるマンホールＭが装置近傍に存在する状況において、このマンホール蓋ＭＣの影響を避けるため、マンホールＭの内部に受電側共鳴コイル２２１を傾斜させて配置することにより、受電側共鳴コイル２２１の外周と送電側共鳴コイル２１４の外周とを結ぶ仮想円筒Ｓの内部領域にマンホール蓋ＭＣが位置しないようにしている。これにより、送電側共鳴コイル２１４が発生させた磁力線が集中する仮想円筒Ｓの内部領域の磁界に対するマンホール蓋ＭＣの影響を抑制し、給電および通信を安定化させている。
【００１２】
しかしながら、上述の先行技術によれば、マンホールＭの内部に配置された受電側共鳴コイル２２１の傾斜角度をマンホールＭの外部から知ることができない場合、送電側共鳴コイル２１４を受電側共鳴コイル２２１と対向させるために、送電側共鳴コイル２１４の位置合わせや角度合せ等、配置関係を最適化するための作業が必要になる。また、マンホール内での保守作業等を考慮すれば、マンホール内に配置される受電側共鳴コイル２２１の小型化が望まれるが、受電側共鳴コイル２２１の小型化は、コイル間の電力伝送効率の低下を招く要因となる。このため、マンホール蓋等の強磁性体部材が装置近傍に存在する状況において、簡易且つ高効率な電力伝送を可能とする技術に対する要請が存在する。
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、送電側共鳴コイルと受電側共鳴コイルとの配置関係を調整するための作業を軽減し、簡易且つ高効率な電力伝送を可能とする電力伝送方法および磁界共鳴型無線電力伝送装置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】
【００１４】
本発明によれば、上記目的は特許請求項の範囲に示した手段により達成される。
即ち、本発明による電力伝送方法の一態様は、磁性体部材を含む構造体により相互に区画された領域に配置された第１コイルと第２コイルとの間で、前記構造体を介して磁界共鳴現象を利用して電力を無線伝送する電力伝送方法であって、前記第１コイルの中心軸と直交する方向に前記磁性体部材が位置するように前記第１コイルを配置することを特徴とする電力伝送方法の構成を有する。
【００１５】
前記電力伝送方法の一態様において、例えば、前記第２コイルの中心軸は、前記磁性体部材が位置する前記方向に対して平行をなすことを特徴とする。
【００１６】
前記電力伝送方法の一態様において、例えば、前記第１コイルの中心軸は、前記第２コイルの線材の周回面と平行をなし、前記第２コイルは、前記磁性体部材が位置する前記方向から見て前記磁性体部材と重ならないことを限度として、前記構造体を挟んで前記第１コイルとの間の距離が最小となる位置に配置されたことを特徴とする。
【００１７】
前記電力伝送方法の一態様において、例えば、前記第１コイルは、前記第２コイルが発生させた磁力線のうち、前記磁性体部材を迂回するループを形成する磁力線と交差するように配置されたことを特徴とする。
【００１８】
前記電力伝送方法の一態様において、例えば、前記第１コイルおよび前記第２コイルは、前記第１コイルの中心軸と前記第２コイルの中心軸とが同一平面上に位置するように配置されたことを特徴とする。
【００１９】
前記電力伝送方法の一態様において、例えば、前記磁性体部材はマンホール蓋であり、前記第１コイルは、前記マンホール蓋の下方に配置された受電側共鳴コイルであり、前記第２コイルは、マンホール外に配置された送電側共鳴コイルであることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明による磁界共鳴型無線電力伝送装置の一態様は、磁性体部材を含む構造体により相互に区画された領域に配置された第１コイルと第２コイルとを有し、前記構造体を介して前記第１コイルと前記第２コイルとの間で磁界共鳴現象を利用して電力を無線伝送する磁界共鳴型無線電力伝送装置であって、前記第１コイルは、前記第１コイルの中心軸と直交する方向に前記磁性体部材が位置するように配置されたことを特徴とする磁界共鳴型無線電力伝送装置の構成を有する。
【００２１】
前記磁界共鳴型無線電力伝送装置の一態様において、例えば、前記第２コイルの中心軸は、前記磁性体部材が位置する前記方向に対して平行をなすことを特徴とする。
【００２２】
上述の本発明は、次のように換言することができる。
本発明の一態様は、磁界共鳴型電力伝送の適用において、送電側コイルと受電側コイルとを離隔する障壁があり、前記障壁の中もしくは前記障壁の表面に強磁性体部分があり、送電側コイルもしくは受電側コイルのうちの一方のコイルの配置法に対して、前記強磁性体を断面とする障壁面鉛直方向の空間内への配置とする条件がある場合において、前記一方のコイルの軸方向を前記強磁性体面の鉛直方向に対して直交に配置する事を特徴とする磁界共鳴型無線電力伝送コイル配置法の構成を有する。
【００２３】
前記本発明の一態様による磁界共鳴型無線電力伝送コイル配置法において、例えば、前記一方のコイルと対向する、送電側コイルもしくは受電側コイルとなる他方のコイルは、軸方向が前記障壁の鉛直方向に対して平行に近接させ配置する事を特徴とする。
【００２４】
前記本発明の一態様による磁界共鳴型無線電力伝送コイル配置法において、例えば、前記一方のコイルと前記他方のコイルの相互の位置と向きの関係は、前記一方のコイルの軸方向と前記他方のコイルの開口面が平行となる角度で、前記他方のコイルは、前記一方のコイルとの距離が最も近い位置にあり、前記強磁性体部分と重ならない位置に配置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、送電側共鳴コイルと受電側共鳴コイルとの配置関係を調整するための作業を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態による磁界共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態による磁界共鳴型無線電力伝送装置が備える送電側共鳴コイルおよび受電側共鳴コイルの配置例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態による磁界共鳴型無線電力伝送装置が備える送電側共鳴コイルおよび受電側共鳴コイルの配置例を示す３面図である。
【図４】任意配置された２つのコイル間の相互インダクタンスを算出するためのノイマンの公式を説明するための図である。
【図５】強磁性体部材であるマンホール蓋に対する送電側共鳴コイルの位置および傾きがコイルの共鳴周波数に与える影響を説明するための図である。
【図６】強磁性体部材であるマンホール蓋が存在しない状況において、送電側共鳴コイルに対する受電側共鳴コイルの位置およびコイルの傾きが相互インダクタンスに与える影響を説明するための図であり、相互インダクタンスのコイル配置法による依存性を示す図である。
【図７】強磁性体部材であるマンホール蓋が存在する状況において、送電側共鳴コイルに対する受電側共鳴コイルの位置およびコイルの傾きが相互インダクタンスに与える影響を説明するための図であり、マンホール適用条件における相互インダクタンスの特性を示す図である。
【図８】図７に示す正規化相互インダクタンスと、各正規化相互インダクタンスの値に対するＲＤ平面での投影面積との関係を説明するための図であり、送受信コイルの配置面積に対する正規化相互インダクタンスの依存性を示す図である。
【図９】受電側共鳴コイルに対する送電側共鳴コイルの配置角度と正規化相互インダクタンスとの関係を説明するための図であり、送電側共鳴コイルの配置角度に対する正規化相互インダクタンスの依存性を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態による磁界共鳴型無線電力伝送装置の動作を説明するための波形図であり、送信データと受信波形の一例を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態による磁界共鳴型無線電力伝送装置が備える復調部の構成例を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態の変形例による磁界共鳴型無線電力伝送装置が備える送電側共鳴コイルおよび受電側共鳴コイルの配置例を示す図である。
【図１３】先行技術による磁界共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す図である。
【図１４】先行技術による磁界共鳴型無線電力伝送装置が備える送電側共鳴コイルおよび受電側共鳴コイルの配置例を示す図である。
【図１５】先行技術による磁界共鳴型無線電力伝送装置が備える送電側共鳴コイルおよび受電側共鳴コイルの配置例を示す３面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
なお、全図面にわたって、同一符号は同一または対応する要素を表している。
【００２８】
（第１実施形態）
[構成の説明]
図１は、本発明の実施形態による磁界共鳴型無線電力伝送装置１００の構成例を示す図である。図１において、磁界共鳴型無線電力伝送装置１００は、電力の送電を担う送電側装置１１０と、送電された電力を受け取る受電側装置１２０とからなり、受電側装置１２０から送電側装置１１０に送信データを伝送するための構成を含む。送電側装置１１０から受電側装置１２０への電力および送信データの流れが下りであり、受電側装置１２０から送電側装置１１０への送信データの流れが上りである。
【００２９】
送電側装置１１０は、電源１１１、受電側装置１２０から送られた上り送信データを復元する復調部１１２、送電側コイル１１３、送電側共鳴コイル１１４、電源１１１の電源周波数を調整する周波数調整部１１５を備える。受電側装置１２０は、受電側共鳴コイル１２１、受電側コイル１２２、負荷１２３、抵抗１２４、スイッチ１２５、制御部１２６を備える。送電側コイル１１３と送電側共鳴コイル１１４とは電磁誘導で電気的に結合している。送電側共鳴コイル１１４と受電側共鳴コイル１２１とは磁界共鳴により電気的に結合している。受電側共鳴コイル１２１と受電側コイル１２２とは電磁誘導で電気的に結合している。これにより、電源１１１から負荷１２３および制御部１２６に給電することができる。
【００３０】
ここで、簡単のため、負荷１２３単体のインピーダンスは不変とし、図中のＢ−Ｂ’から右側をみたインピーダンスを負荷インピーダンスと呼ぶ。負荷インピーダンスは、スイッチ１２５のオン・オフに応じて２つの状態を取り得る。制御部１２６は、送信データに応じてスイッチ１２５をオン・オフさせることにより負荷インピーダンスを変化させる構成である。ただし、本実施形態の構成では、スイッチ１２５がオンの場合もオフの場合も負荷１２３への接続は開放されないため、負荷１２３への電力供給は継続される。
【００３１】
なお、図１の構成では、抵抗１２４とスイッチ１２５が並列に接続され、抵抗１２４と負荷１２３とが直列接続されているが、抵抗１２４とスイッチ１２５を直列に接続し、抵抗１２４と負荷１２３とを並列に接続してもよい。さらに、抵抗と容量の可変構成により回路定数ＣＲを調整する構成としてもよい。
【００３２】
上述のように受電側装置１２０と送電側装置１１０とは電気的に結合しているため、負荷インピーダンスの変化は送電側装置１１０のＡ−Ａ’から受電側装置１２０側をみたときのインピーダンスの変化となり、電流または電圧の変化として現れる。復調部１１２は、この変化を検出し、受電側装置１２０から送信された送信データを復元する。送信データの伝送原理についての詳細は後述する。
【００３３】
図２は、本実施形態による磁界共鳴型無線電力伝送装置１００が備える送電側共鳴コイル１１４および受電側共鳴コイル１２１の配置例を示す図である。ここに示すコイルの配置例は、図１の磁界共鳴型無線電力伝送装置１００をマンホールＭの内部と外部との間の電力伝送に適用したときの送電側共鳴コイル１１４と受電側共鳴コイル１２１の配置例である。図２では、簡単のために、磁界共鳴型無線電力伝送装置１００を構成する送電側装置１１０の送電側共鳴コイル１１４と、受電側装置１２０の受電側共鳴コイル１２１のみが示されている。マンホールＭは、作業員が出入りする首部ＭＮとマンホール本体ＭＨから構成され、首部ＭＮの上部にはマンホール蓋ＭＣが設けられる。
【００３４】
なお、本実施形態による磁界共鳴型無線電力伝送装置１００の適用対象は、マンホールＭの内部と外部との間の電力伝送に限らず、例えば、鉄筋、窓枠、窓の金網等の磁性体部材が分布した建築物の外壁や内壁を挟んだ電力伝送にも適用することができ、磁性体部材が存在する状況において広く適用が可能である。本実施形態では、そのような広範な適用対象のうち、強磁性体部材である鋳鉄製のマンホール蓋ＭＣで覆われたマンホール内部と外部の地上との間で電力伝送を行う場合を例として説明する。
【００３５】
本実施形態による磁界共鳴型無線電力伝送装置１００は、強磁性体部材であるマンホール蓋ＭＣを含むマンホールの内壁等の構造体を介して、磁界共鳴型無線電力伝送装置１００が有する受電側共鳴コイル１２１（第１コイル）と送電側共鳴コイル１１４（第２コイル）との間で磁界共鳴現象を利用して電力を無線伝送する。このため、受電側共鳴コイル１２１と送電側共鳴コイル１１４は、マンホール蓋ＭＣを含む上記構造体により相互に区画された領域、即ちマンホールＭの内部と外部（地上）にそれぞれ配置されている。
【００３６】
ここで、受電側共鳴コイル１２１は、マンホールＭの内部であって、マンホール蓋ＭＣの下方に形成されたマンホールＭの首部ＭＮに、受電側共鳴コイル１２１の中心軸（後述の図３のＪ１２１）と直交する鉛直方向に磁性体部材であるマンホール蓋ＭＣが位置するように配置される。具体的には、受電側共鳴コイル１２１は、平板状のマンホール蓋ＭＣに対して垂直状に配置される。換言すれば、受電側共鳴コイル１２１は、この受電側共鳴コイル１２１の線材の周回面が平板状のマンホール蓋ＭＣと略直交するように配置される。
【００３７】
一方、送電側共鳴コイル１１４は、マンホールＭの外部の地上ＥＳであって、マンホール蓋ＭＣの周辺の地面に水平状に配置される。即ち、送電側共鳴コイル１１４は、受電側共鳴コイル１２１に対してマンホール蓋ＭＣが位置する方向（即ち鉛直方向）と送電側共鳴コイル１１４の中心軸（後述の図３のＪ１１４）が略平行をなすように配置される。換言すれば、受電側共鳴コイル１２１の中心軸と送電側共鳴コイル１１４の中心軸とが略直交するようにして、これら受電側共鳴コイル１２１と送電側共鳴コイル１１４とが互いに垂直に配置される。また、受電側共鳴コイル１２１の中心軸は、送電側共鳴コイル１１４の線材の周回面と平行をなし、送電側共鳴コイル１１４は、鉛直方向から見て磁性体部材であるマンホール蓋ＭＣと重ならないことを限度として、マンホール内壁等の上記構造体を挟んで、受電側共鳴コイル１２１との間の距離が最小となる位置に配置される。
【００３８】
このように送電側共鳴コイル１１４と受電側共鳴コイル１２１とを配置したことにより、それぞれのコイルにより生成される磁力線の一部が、マンホール蓋ＭＣを迂回するようにして取り囲むように形成され、この迂回する磁力線と交差するように受電側共鳴コイル１２１が配置される。即ち、受電側共鳴コイル１２１は、送電側共鳴コイル１１４が発生させた磁力線のうち、磁性体部材であるマンホール蓋ＭＣを迂回するループを形成する磁力線と交差するように配置される。
【００３９】
なお、この図２で描かれた磁力線は、送電側共鳴コイル１１４を地上ＥＳに配置した時に生じる磁力線の一部（一点破線）と、受電側共鳴コイル１２１をマンホールＭの首部ＭＮに配置した場合に影響を受ける磁力線の一部（破線）について、それぞれ同じ図２の図面上に示したものである。即ち、送電側共鳴コイル１１４と受電側共鳴コイル１２１が伴に存在する場合には、磁力線（一点破線と破線）同士が交差することなく、ある部分の磁力線は共有して存在する事になる。
【００４０】
また、この図２においては磁力線の一部は省略している。省略された磁力線はマンホール蓋ＭＣを通るものである。マンホール蓋ＭＣが鉄製となっており、鉄は強磁性体でその透磁率は空気の５０００倍である。つまり、一旦マンホール蓋ＭＣへ入った磁力線についてはマンホール蓋ＭＣ内を伝わり易い。１つのコイルから発生しマンホール蓋ＭＣへ入った磁力線は、マンホール蓋ＭＣ内を伝わって、同じコイルへ戻る。そのため、本実施形態においては、マンホール蓋ＭＣ内を伝わる磁力線は２つのコイル間での電力伝送に有効に寄与し難い。このような理由から、図２ではマンホール蓋ＭＣを通過する磁力線は省略されている。
【００４１】
図３は、本実施形態による磁界共鳴型無線電力伝送装置１００が備える送電側共鳴コイル１１４および受電側共鳴コイル１２１の配置例を示す３面図である。この図３に示す３面図は、先に先行技術の説明で提示した図１５に対応している。
図３右下の正面図は、上述の図２と同じである。この正面図に示すように、地上ＥＳに水平状に配置された送電側共鳴コイル１１４の中心軸Ｊ１１４と、マンホール蓋ＭＣの下方に垂直状に配置された受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１は直交する。また、同図左下の側面図に示すように、送電側共鳴コイル１１４の中心軸Ｊ１１４は、受電側共鳴コイル１２１の中心線上を通過する。また、同図右上の上面図に示すように、受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１は、送電側共鳴コイル１１４の中心線上を通過する。
【００４２】
従って、本実施形態では、受電側共鳴コイル１２１および送電側共鳴コイル１１４は、送電側共鳴コイル１１４の線材の周回円の中心軸Ｊ１１４と受電側共鳴コイル１２１の線材の周回円の中心軸Ｊ１２１とが同一平面上に位置して直交するように配置されている。なお、必要とする電力伝送効率が得られる限度において、送電側共鳴コイル１１４の中心軸Ｊ１１４と受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１とが厳密に同一平面上に位置する必要はなく、または厳密に直交する必要もない。ただし、送電側共鳴コイル１１４の中心軸Ｊ１１４と受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１とが同一平面上に位置して直交するように受電側共鳴コイル１２１と送電側共鳴コイル１１４とを配置すれば、これらのコイル間の相互インダクタンスが最も有効に改善され、電力伝送効率を効果的に改善することができる。
【００４３】
次に、任意の位置関係で配置された２つのコイル間の電力伝送効率について検討する。例えば、図４に示した３次元の座標上に存在する２つのコイル（送電側共鳴コイル１１４と受電側共鳴コイル１２１）について考えてみる。
２つのコイル間の電力伝送効率Ｕは、次式（１）により表される。
【００４４】
【数１】
2014117102.tif 000003
【００４５】
式（１）において、κは結合係数であり、Γsは、送電側共鳴コイル１１４の固有減衰率であり、Γtは、受電側共鳴コイル１２１の固有減衰率であり、それぞれ、式（２）により表される。
【００４６】
【数２】
2014117102.tif 000004
【００４７】
式（２）において、ωは、共鳴角周波数（＝2πf，f：共鳴周波数）であり、Ｍは、送電側共鳴コイル１１４と受電側共鳴コイル１２１との間の相互インダクタンスであり、Ｌsは、送電側共鳴コイル１１４の自己インダクタンスであり、Ｌtは、受電側共鳴コイル１２１の自己インダクタンスであり、Ｑsは送電側共鳴コイル１１４のＱ値であり、Ｑtは受電側共鳴コイル１２１のＱ値である。
【００４８】
なお、この式（2）において、「Γs,t」という表記は、ΓsとΓtを形式的に１つにまとめて示した数式であり、同様に「Ｑs,t」という表記もＱsとＱtを形式的に１つにまとめて示している。従って、式（２）において、Γs,tをΓsとした場合、Ｑs,tはＱsを表し、Γs,tをΓtとした場合、Ｑs,tはＱtを表す。
式（１）と式（２）から式（３）が導出される。
【００４９】
【数３】
2014117102.tif 000005
【００５０】
式（３）から理解されるように、送電側共鳴コイル１１４と受電側共鳴コイル１２１との間の電力伝送効率Ｕは、これら２つのコイル間の相互インダクタンスＭに比例する。従って、電力伝送効率Ｕを改善するためには、相互インダクタンスＭを改善すればよいことがわかる。
【００５１】
先に、任意の位置関係にある２つのコイルを示した図４について簡単に述べていたが、ここで改めて図４を参照して、２つのコイル間の相互インダクタンスについて検討する。
図４は、任意配置された送電側共鳴コイル１１４と受電側共鳴コイル１２１との間の相互インダクタンスを算出するためのノイマンの公式を説明するための図である。ノイマンの相互インダクタンスの公式によれば、図４に例示する任意配置された受電側共鳴コイル１２１と送電側共鳴コイル１１４との間の相互インダクタンスＭは、次式（４）により与えられる。
【００５２】
【数４】
2014117102.tif 000006
【００５３】
ここで、μ０は真空の透磁率、ｄｓ１は受電側共鳴コイル１２１の微小線要素、ｄｓ２は送電側共鳴コイル１１４の微小線要素、ｒは微小線要素ｄｓ１と微小線要素ｄｓ２との相互間の距離、θは微小線要素ｄｓ１と微小線要素ｄｓ２との間の相対傾斜角度である。
【００５４】
ノイマンの相互インダクタンスの公式である上式（４）によれば、相互インダクタンスＭは、２つのコイルの相互間の距離rと相対傾斜角度θによって定まる配置関係によって規定される。従って、前述の式（３）とノイマンの相互インダクタンスの公式（４）とから、コイルの電力伝送効率Ｕは相互インダクタンスＭに比例し、この相互インダクタンスＭは、２つのコイルの相互間の距離rと相互の相対傾斜角度θによって表される配置関係によって規定されることが理解される。
【００５５】
そこで、送電側共鳴コイル１１４と受電側共鳴コイル１２１の互いの配置関係から導出される相互インダクタンスＭの値によって電力伝送効率Ｕを検討する。
図５は、強磁性体部材であるマンホール蓋ＭＣに対する送電側共鳴コイル１１４の位置および傾きがコイルの共鳴周波数に与える影響を説明するための図であり、（ａ）は、コイルの共鳴周波数のズレのコイル軸角度依存性を示し、（ｂ）は、共鳴周波数のズレを与えるマンホール蓋ＭＣに対する送電側共鳴コイル１１４の位置（距離）および傾きを表す。
【００５６】
ここで、同図（ａ）において、横軸は、マンホール蓋ＭＣの中心軸方向（鉛直方向）を基準としたときの送電側共鳴コイル１１４の中心軸Ｊ１１４の傾き（コイル軸角度）を表し、縦軸は、送電側共鳴コイル１１４の共鳴周波数のズレを表す。同図（ａ）に示す特性Ａ、特性Ｂ、特性Ｃの違いは、マンホール蓋ＭＣの中心から送電側共鳴コイル１１４の中心までの距離ｄを、それぞれｄ１、ｄ２、ｄ３（ｄ１＞ｄ２＞ｄ３）としたときの特性である。また、同図（ｂ）において、ｄは、マンホール蓋ＭＣの中心から送電側共鳴コイル１１４の中心までの距離（ｄ１，ｄ２，ｄ３）を表し、αは、マンホール蓋ＭＣの中心軸（鉛直方向）に対する送電側共鳴コイル１１４の中心軸Ｊ１１４の傾き（コイル軸角度）を表す。
【００５７】
通常、磁界共鳴型無線電力伝送装置が備える送電側共鳴コイル１１４と受電側共鳴コイル１２１は、同じ共鳴周波数を有するように設計・調整されており、この共鳴周波数において電力が伝送されるが、強磁性体部材である鋳鉄製のマンホール蓋ＭＣは共振コイルである送電側共鳴コイル１１４に対して浮遊容量として作用する。このため、マンホール蓋ＭＣが送電側共鳴コイル１１４の共鳴周波数に変化を与え、その変化による共鳴周波数のズレは、図５（ａ）に示すように変化する。すなわち、送電側共鳴コイル１１４の中心軸Ｊ１１４の傾きα（コイル軸角度）が大きくなれば、マンホール蓋ＭＣが位置する方向にコイルの線材の周回面が向かう（即ち、マンホール蓋ＭＣ側からみた送電側共鳴コイル１１４の開口面積が大きくなる）。そのコイル軸角度αが大きくなるほど、共鳴周波数のズレが大きくなることが、図５（ａ）から分かる。また、送電側共鳴コイル１１４とマンホール蓋ＭＣとの間の距離ｄが小さいほど共鳴周波数のズレが大きくなる傾向を有する。
【００５８】
このことから、共鳴周波数のズレを抑制するためには、送電側共鳴コイル１１４は、マンホール蓋ＭＣと平行にして、すなわち地面と平行にしてマンホール蓋ＭＣの近傍に配置する事が望ましい。この配置法は、共鳴周波数のズレを抑制する効果に加え、送電側共鳴コイル１１４を配置する作業者の負担を軽減する。そこで、本実施形態では、送電側共鳴コイル１１４を地面に平行状に配置している。
【００５９】
次に、上述のように地面に平行状に配置された送電側共鳴コイル１１４に対する受電側共鳴コイル１２１の配置に関して説明する。
図６は、強磁性体部材であるマンホール蓋ＭＣが存在しない状況において、送電側共鳴コイル１１４に対する受電側共鳴コイル１２１の位置およびコイルの傾きが相互インダクタンスに与える影響を説明するための図であり、相互インダクタンスのコイル配置法による依存性を示す図である。
【００６０】
図６（ａ）〜（ｃ）は、前述のノイマンの公式（４）に基づき送受電コイルの配置関係に対する正規化相互インダクタンスの特性を示す。同図（ａ）〜（ｃ）において、変数Ｄおよび変数Ｒを表す２つの横軸は送電側共鳴コイル１１４と受電側共鳴コイル１２１との間隔（距離）を表す。ここで、同図（ｄ）に示すように、変数Ｄは、送電側共鳴コイル１１４の中心軸Ｊ１１４の軸線上に受電側共鳴コイル１２１の中心を通るように垂線を下ろして交わる点Ｐ（直交点Ｐ）と、送電側共鳴コイル１１４の中心との間の距離（２つのコイルの中心間の距離の垂直成分）を表し、変数Ｒは、上記点Ｐと受電側共鳴コイル１２１の中心との間の距離（同コイル間距離の水平方向の成分）を表している。なお、同図（ａ）〜（ｃ）の各横軸はコイル半径で正規化している。
【００６１】
また、図６の縦軸は、正規化相互インダクタンスを表し、同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、同図（ｄ）に示す送電側共鳴コイル１１４の中心軸Ｊ１１４を基準としたときの受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１の傾き角度θｔを、０度、４５度、９０度としたときの正規化相互インダクタンスを表す。なお、送電側共鳴コイル１１４の位置は、受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１の傾斜方向にあるものとし、逆に受電側共鳴コイル１２１側の配置から言えば、受電側共鳴コイル１２１の開口部が送電側共鳴コイル１１４に向かう方向に傾斜しているものとする。
【００６２】
図６（ａ）〜（ｃ）に例示するように、ノイマンの相互インダクタンスの公式（４）を基にして、受電側共鳴コイル１２１と送電側共鳴コイル１１４の配置や双方の中心軸の角度から正規化相互インダクタンスの分布特性が求められる。図６（ａ）〜（ｃ）からわかるように、強磁性体部材であるマンホール蓋ＭＣが存在しない状況においては、受電側共鳴コイル１２１と送電側共鳴コイル１１４の配置や双方の中心軸の角度（中心軸Ｊ１１４に対する中心軸Ｊ１２１の傾き角度θｔ）によって正規化相互インダクタンスの分布特性に多少の違いはあるものの、極端な差異はみられない。
【００６３】
図７は、強磁性体部材であるマンホール蓋ＭＣが近傍に存在する状況において、送電側共鳴コイル１１４に対する受電側共鳴コイル１２１の位置およびコイルの傾きが相互インダクタンスに与える影響を説明するための図である。同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、上述の図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、強磁性体部材であるマンホール蓋ＭＣの影響を考慮したときの正規化相互インダクタンスの分布特性に相当し、受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１の傾き角度θｔ（図６（ｄ）参照）が、０度、４５度、９０度のときの特性を示している。
【００６４】
ただし、図７の例では、受電側共鳴コイル１２１の直径は、マンホールＭの首部ＭＮ（通常、直径が約６０ｃｍ）に収まるように５０ｃｍとし、簡単のため、送電側共鳴コイル１１４の直径も５０ｃｍとした。また、変数Ｒの範囲は、マンホール蓋ＭＣ（通常、半径が約３５ｃｍ）に近接する位置に送電側共鳴コイル１１４を配置することを想定して、６５ｃｍ以上の範囲とし、変数Ｄの範囲は、コイル直径を考慮して２５ｃｍ以上の範囲としている。
【００６５】
図７の正規化相互インダクタンスの分布特性から、マンホールＭへの適用条件となるこれら変数Ｒと変数Ｄによって規定される領域において正規化相互インダクタンスが最も高くなるときのコイルの配置条件は次のようにして求められる。すなわち、これ以降の図８および図９の説明から導き出される条件によりコイルの配置を決めることができる。
【００６６】
図８は、図７に示す正規化相互インダクタンスと、その正規化相互インダクタンスの各値に対するＲＤ平面での投影面積との関係を説明するための図であり、送受信コイルの配置面積に対する正規化相互インダクタンスの依存性を示す図である。ここで、図８の横軸は、図７の縦軸に示される正規化相互インダクタンスを表している。また、図８の縦軸は、図７の縦軸に示される正規化相互インダクタンスの各値に対するＲＤ平面での投影面積（Ｒ×Ｄ）を表し、相互インダクタンスが図８に示す縦軸に示される正規化相互インダクタンスを超えるレベルとなる条件を与える変数Ｒおよび変数Ｄの領域を表している。また、図８の特性Ａ、特性Ｂ、特性Ｃは、それぞれ、受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１の傾き角度θｔ（図６（ｄ）参照）が、９０度、４５度、０度のときの特性を表している。
【００６７】
図８から、受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１の傾き角度θｔが９０度のときの特性Ａが、特性Ｂおよび特性Ｃに比較して最も正規化相互インダクタンスが高くなる。従って、磁界共鳴型無線電力伝送装置１００のマンホールＭへの適用において、送電側共鳴コイル１１４を地面に水平状（地面と平行状）に配置した場合、送電側共鳴コイル１１４の中心軸Ｊ１１４に対して受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１が直交するように受電側共鳴コイル１２１を配置すれば、最も正規化相互インダクタンスが高くなり、高い電力伝送効率が得られる。
【００６８】
図９は、受電側共鳴コイル１２１に対する送電側共鳴コイル１１４の後述の配置角度θａと正規化相互インダクタンスとの関係を説明するための図であり、送電側共鳴コイル１１４の配置角度θａに対する依存性を示す図である。ここで、同図（ａ）は、送電側共鳴コイル１１４の配置角度θａに対する依存性を示す。また、同図（ｂ）は、配置角度θａを説明するための図であり、前述の図６（ｄ）に示す受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１の傾き角度θｔと配置角度θａとの関係を示す。
【００６９】
図９（ｂ）の右側には、送電側共鳴コイル１１４と受電側共鳴コイル１２１の上面図（上空から地上方向へ見下ろした視線で，２つのコイルの位置関係を示す図）が示されている。また、図９（ｂ）の左側には、送電側共鳴コイル１１４と受電側共鳴コイル１２１の側面図（２つのコイルのそれぞれの高さで水平方向から見た様子を示す図）が示されている。この左側の図では、水平方向を図の上下方向で示しているので、左右方向の場合はコイルの角度は垂直になっている。また２つのコイルの設置位置の高さ（深さ）は考慮されていない。図９（ｂ）の右に示すように、配置角度θａは、マンホール蓋ＭＣの下方に位置する受電側共鳴コイル１２１を中心として、送電側共鳴コイル１１４を地上の水平面上でマンホール蓋ＭＣの周囲に沿って廻したときの回転角を表し、受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１の傾斜方向Ｒを基準にした角度である。
【００７０】
前述の図８までを参照した説明では、送電側共鳴コイル１１４は、受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１の傾斜方向Ｒの線上に配置されることを想定していた。これに対し、図９では、受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１の傾斜方向Ｒを基準にした送電側共鳴コイル１１４の配置角度θａを考慮に入れており、同図９（ａ）の横軸は送電側共鳴コイル１１４の配置角度θａを示し、縦軸は正規化相互インダクタンスを示している。図９（ａ）において、特性Ａ、特性Ｂ、特性Ｃは、それぞれ、図６（ｄ）に示す受電側共鳴コイル１２１の傾き角度θｔが、０度（水平）、４５度、９０度（垂直）である場合の正規化相互インダクタンスと配置角度θａとの間の関係を示している。
【００７１】
図９（ａ）の特性Ａに示すように、受電側共鳴コイル１２１の傾き角度θｔが０度（水平状）の場合、送電側共鳴コイル１１４の配置角度θａを変えても、正規化相互インダクタンスの値は一定である。これに対し、受電側共鳴コイル１２１の傾き角度θｔが４５度および９０度（垂直）の場合、特性Ｂおよび特性Ｃに示すように、正規化相互インダクタンスの値が大幅に低下する配置角度θａの領域が存在する。例えば、受電側共鳴コイル１２１の配置角度θａが９０度（垂直）である場合、特性Ｃに示すように、送電側共鳴コイル１１４の配置角度θａが９０度の時に相互インダクタンスの値が最も低下する。
【００７２】
また、受電側共鳴コイル１２１の傾き角度θｔが４５度の場合、特性Ｂに示すように、送電側共鳴コイル１１４の配置角度θａが約９０度から１２０度の間で相互インダクタンスが大幅に低下する。しかしながら、送電側共鳴コイル１１４の配置角度θａが９０度の場合、特性Ｃに示すように、その配置角度θａが約７０度から１００度までの約３０度にわたる範囲以外の領域では、特性Ａおよび特性Ｂと比較して、正規化相互インダクタンスの値が高くなり、特に、送電側共鳴コイル１１４の配置角度θａが０度と１８０度の場合に正規化相互インダクタンスの値が最大になっている。
【００７３】
従って、送電側共鳴コイル１１４の配置角度θａが、１８０度の範囲の内、約０度から約７０度までの範囲と、約１００度から約１８０度までの範囲において、受電側共鳴コイル１２１を垂直状（θｔ＝９０度）に配置すれば、他の傾き（θｔ＝０度、４５度）と比べて正規化相互インダクタンスの値が最も高くなり、また、作業者がコイルを設置する際の位置合わせも容易になる。
【００７４】
但し、受電側共鳴コイル１２１を垂直状に配置した場合、送電側共鳴コイル１１４の配置角度θａが、２ヶ所（受電側共鳴コイル１２１の周囲３６０度の内、９０度付近と２７０度付近）で正規化相互インダクタンスの値が低くなるので、少なくとも別の１ヵ所（例えば低い正規化相互インダクタンスの値を得た送電側共鳴コイル１１４の配置角度θａから受電側共鳴コイル１２１の周囲（即ち、マンホール蓋ＭＣの周囲）に９０度だけ回した位置）にもう一つの送電側共鳴コイル１１４を配置することにより、マンホール内外での電力伝送効率をより改善することが可能になる。即ち、受電側共鳴コイル１２１の中心軸Ｊ１２１の方向が不明であっても、配置角度θａを９０度だけずらしてマンホール蓋ＭＣの周囲の２か所に送電側共鳴コイル１１４を配置すれば、電力伝送効率をさらに安定化させることができる。
【００７５】
[動作の説明]
次に、本実施形態による磁界共鳴型無線電力伝送装置１００の動作を説明する。
上述のようにマンホールＭの内部に配置した受電側共鳴コイル１２１を備えた受電側装置１２０に対して、マンホールＭの外部から給電し、その受電電力で動作する受電側装置１２０から送信データとして例えば受電電力値を送信し、送電側装置１１０で復元した受電電力値が大きくなるように、電源周波数が共鳴周波数に近づくように調整する制御形態が考えられる。以下、送電側装置１１０で受電側装置１２０から送信された送信データを復元する方法について、図１の構成に基づいて説明する。
【００７６】
図１０は、送電側装置１１０の復調部１１２における電流または電圧を包絡線検波した波形を表しており、送電側装置１１０の電源周波数が共鳴周波数と一致する場合を示している。同図から理解されるように、送信データの変化に連動して、受信波形で示される受信信号の電流または電圧が変化している。復調部１１２は、この変化を適当なタイミングでサンプリングすることにより、受電側装置１２０から送信された送信データを復元することができる。
【００７７】
ただし、送電側装置１１０の電源周波数が共鳴周波数と異なる場合には、平均受信レベル（受信電力）は、図１０の場合と比較して、低下するだけでなく、受信信号の振幅も小さくなる。さらに、送電側装置１１０の電源周波数が共鳴周波数と大きく異なる場合には、受信信号の振幅の変化が非常に小さくなり、送信データの復元が困難になる。
【００７８】
一方、送電側装置１１０の復調部１１２では、送信データの変化に応じた電流または電圧の過渡応答を観測することができる。ここで、送電側装置１１０で観測される電流または電圧の過渡応答とは、送信データに応じてスイッチ１２５がオン・オフし、それに伴う負荷インピーダンスの変化に応じて電流または電圧の立ち上がりおよび立ち下がりの部分で波形が大きく変化する現象である。受電側装置１２０の制御部１２６は、送信データと過渡応答の発生の有無が対応するようにスイッチ１２５を操作し、送電側装置１１０の復調部１１２は過渡応答の発生の有無から送信データを復元する。
【００７９】
図１１は、復調部１１２の構成例を示す。
図１１において、復調部１１２は、検波部１１２１、Ａ／Ｄ変換部１１２２、符号判定部１１２３により構成される。検波部１１２１は、受信波形、すなわち送電側装置１１０における受信信号の電流または電圧を検波する。この検波出力をＡ／Ｄ変換部１１２２でデジタル化し、符号判定部１１２３でビット判定して出力する。
【００８０】
符号判定部１１２３は、２つの符号判定論理を持つ。符号判定論理１では、受信波形から正の過渡応答を判定した場合に「１」を出力し、負の過渡応答を判定した場合に、「０」を出力し、定常状態（過渡応答なし）を判定した場合に直前の判定結果を出力する。なお、定常状態に対する符号判定は、符号判定部１１２３に接続される記憶部（図示なし）に直前の判定結果を記憶しておき、定常状態を判定したときに記憶部から読み出す構成でもよいし、符号判定部１１２３で正または負の過渡応答を判定するまで直前の判定結果を出力する構成でもよい。
【００８１】
この符号判定部１１２３に対応する受電側装置１２０の制御部１２６は、送信データにそのまま対応するようにスイッチ１２５を操作する。すなわち、送信データが１であれば、スイッチ１２５をオンとし、送信データが０であれば、スイッチ１２５をオフとする。符号判定部１１２３は、送信データが反転して過渡応答が生じるタイミングでビットを判定し、過渡応答が生じなかったタイミングでは過渡応答が生じた直前のビットと同じビットを出力し、送信データを復元する。
【００８２】
このような過渡応答の有無を検出することにより、送電側装置１１０の電源周波数が共鳴周波数から多少ずれていても、送電側装置１１０で受電側装置１２０から送信された送信データを復元できる。
【００８３】
したがって、受電側装置１２０において、受電電力の低下から共鳴周波数に対する送電側装置１１０の電源周波数のズレを検知した場合には、制御部１２６で対応する制御信号を生成してスイッチ１２５を上記のパターンで操作することにより、送電側装置１１０の復調部１１２でその制御信号を復元し、共鳴周波数に対する送電側装置１１０の電源周波数のズレを通知することができる。ただし、受電側装置１２０では、共鳴周波数に対する送電側装置１１０の電源周波数のズレの方向や量まではわからないので、制御信号として例えば受電電力値を送信する。送電側装置１１０の復調部１１２は制御信号から受電電力値を読み取り、それが規定の受電電力値に満たない場合に、周波数調整部１１５を介して電源１１１の電源周波数を調整する。このとき、電源周波数のシフトに対する受電電力値の変化から、電源周波数のシフト方向およびシフト量をフィードバック制御することにより、電源周波数が共鳴周波数に近づくように調整することができる。
【００８４】
上述の実施形態によるコイル配置構成をとれば、送電側共鳴コイルと受電側共鳴コイルが障壁等の構造体によって隔離され、また障壁上もしくは障壁内に磁界共鳴型無線電力伝送方式による電力伝送効率を妨げる部材が存在する場合であっても、送受コイルの各中心軸が互いに直交する配置を採用することにより、送電側共鳴コイル１１４および受電側共鳴コイル１２１の各設置場所や角度の調整が簡易で、各コイルの設置作業の負担を軽減することができる。また、前述の先行技術に比較して、送受コイル間の電力伝送効を改善することもできる。
【００８５】
マンホールに適用した場合の上述の実施形態の主要なポイントをまとめる。
本実施形態では、送電側共鳴コイルと受電側共鳴コイルとを離隔する面形状の強磁性体を含む障壁としての構造体が存在する状況下で、磁界共鳴型無線電力伝送を適用するに当たり、送電側コイルもしくは受電側コイルのいずれか一方を、コイルの中心軸方向が強磁性体面の鉛直方向に対して直交するように配置し、他方をコイルの軸方向が強磁性体面の鉛直方向に対して平行なるように配置する。これにより、本実施形態によれば、送電側コイルおよび受電側コイルの位置および角度の調整を簡易化することができる。また、マンホール内外での電力伝送の効率をより改善することができる。
【００８６】
なお、上述の実施形態では、受電側共鳴コイル１２１または送電側共鳴コイル１１４の「中心軸」なる表現を用いているが、受電側共鳴コイル１２１または送電側共鳴コイル１１４の線材の周回面と略直交する方向を表す軸であればよく、必ずしも、線材の周回円の中心を通る軸である必要はない。従って、本実施形態では、受電側共鳴コイル１２１または送電側共鳴コイル１１４の「中心軸」は、これらの各コイルの線材の周回円の内側を通る軸であって周回面と略直交する軸を意味している。
【００８７】
（変形例）
次に、図１２を参照して、上述の本発明の実施形態の変形例を説明する。
上述の第１実施形態では、送電側共鳴コイル１１４を地上に水平状に配置し、受電側共鳴コイル１２１をマンホール内に垂直状に配置した。これら２つのコイルの配置において、送電側共鳴コイル１１４が生成した磁力線のうち、マンホール蓋ＭＣを迂回する磁力線と受電側共鳴コイル１２１が交差するものを示した。ここで変形例においても図１２に示すように、送電側共鳴コイル１１４が生成した磁力線のうち、マンホール蓋ＭＣを迂回する磁力線Ｆと受電側共鳴コイル１２１が交差するように、受電側共鳴コイル１２１を配置する。
【００８８】
なお、前述した第１実施形態の図２と同様に、この図１２に示す変形例でもマンホール蓋ＭＣを通る磁力線が省略されている。マンホール蓋ＭＣを通過する磁力線が省略されている理由は、第１実施形態と同様の理由である。即ち、鉄製のマンホール蓋ＭＣでは透磁率が空気の５０００倍あり、磁力線がマンホール蓋ＭＣへ一旦入るとマンホール蓋ＭＣ内を伝わり易く、マンホール蓋ＭＣへ入った磁力線は、２つのコイル間での電力伝送に有効に寄与し難いためである。
【００８９】
図１２（ａ）の例では、受電側共鳴コイル１２１は、送電側共鳴コイル１１４側に寄った首部ＭＮの内部に配置されている。ただし、首部ＭＮは円柱状であるため、受電側共鳴コイル１２１を首部ＭＮの壁面に張り付ける程度には近づけられない。この変形例によれば、マンホール蓋ＭＣを迂回する磁力線を取り込んで電力伝送を行うことができ、また受電側共鳴コイル１２１を送電側共鳴コイル１１４に近づける（水平距離Ｒを短くした）ことにより、図７（ｃ）から分かるように正規化相互インダクタンスが大きくなるので、電力伝送の効果を引き上げられる可能性がある。なお、この図１２（ａ）の変形例では、地上の送電側共鳴コイル１１４を配置する際は、マンホール蓋ＭＣの周囲を１周させることで電力伝送に適切な位置を決めることができる。
【００９０】
図１２（ｂ）の例では、受電側共鳴コイル１２１は、上述の第１実施形態と同様に配置され、加えて、送電側共鳴コイル１１４は、マンホール蓋ＭＣに対して受電側共鳴コイル１２１と対称をなすように、垂直状に配置される。この変形例によっても、マンホール蓋ＭＣを迂回する磁力線を取り込んで電力伝送を行うことができる。また、この図１２（ｂ）の変形例では、地上の送電側共鳴コイル１１４を配置する際は、マンホール蓋ＭＣの真上で送電側共鳴コイル１１４の中心軸Ｊ１１４の向きを半周させることで電力伝送に適切な位置を決めることができる。
【００９１】
上述した本発明の実施形態では、本発明を磁界共鳴型無線電力伝送装置として表現したが、本発明は、電力伝送方法として表現することもできる。この場合、本発明による電力伝送方法は、磁性体部材を含む構造体により相互に区画された領域に配置された第１コイルと第２コイルとの間で、前記構造体を介して磁界共鳴現象を利用して電力を無線伝送する電力伝送方法であって、前記第１コイルの中心軸と直交する方向に前記磁性体部材が位置するように前記第１コイルを配置することを特徴とする電力伝送方法として表現することができる。
【００９２】
また、上記電力伝送方法において、例えば、前記第２コイルの中心軸は、前記磁性体部材が位置する前記方向に対して平行をなすことを特徴とする。
上記電力伝送方法において、例えば、前記第１コイルの中心軸は、前記第２コイルの線材の周回面と平行をなし、前記第２コイルは、前記磁性体部材が位置する前記方向から見て前記磁性体部材と重ならないことを限度として、前記構造体を挟んで前記第１コイルとの間の距離が最小となる位置に配置されたことを特徴とする。
【００９３】
また、上記電力伝送方法において、例えば、前記第１コイルは、前記第２コイルが発生させた磁力線のうち、前記磁性体部材を迂回するループを形成する磁力線と交差するように配置されたことを特徴とする。
上記電力伝送方法において、例えば、前記第１コイルおよび前記第２コイルは、前記第１コイルの中心軸と前記第２コイルの中心軸とが同一平面上に位置するように配置されたことを特徴とする。
上記電力伝送方法において、例えば、前記磁性体部材はマンホール蓋であり、前記第１コイルは、前記マンホール蓋の下方に配置された受電側共鳴コイルであり、前記第２コイルは、マンホール外に配置された送電側共鳴コイルであることを特徴とする。
【００９４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意の変形や修正が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
マンホールに対する保守監視作業では、道路占有許可が必要とされ、またマンホール内の換気を十分に行ってから作業する必要がある。このような状況において、本発明では、マンホール構造の健全性を測定する各種センサと通信手段を設置し、そのセンサと通信手段への電源を外部から効率的に供給する事を可能とする。これにより、マンホールの蓋を開けずに、マンホール内部に設置されたセンサが収集した情報を外部に居ながら取得し、作業効率を格段に向上させることができる。従って、本発明の適用対象はマンホールに限らず、本発明は、建築物の内壁や外壁等の構造物を介して電力伝送を行う分野に適用することができる。
【符号の説明】
【００９６】
１００…磁界共鳴型無線電力伝送装置、１１０…送電側装置、１１１…電源、１１２…復調部、１１３…送電側コイル、１１４…送電側共鳴コイル、１１５…周波数調整部、１２０…受電側装置、１２１…受電側共鳴コイル、１２２…受電側コイル、１２３…負荷、１２４…抵抗、１２５…スイッチ、１２６…制御部、１１２１…検波部、１１２２…Ａ／Ｄ変換部、１１２３…符号判定部。
【図１】
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【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図６】
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【図７】
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