(57)【要約】比較的簡易な構成で移動体に非接触で電力を伝送する。移動体は、送電共振器を有する無線送電装置から無線で伝送された電力によって駆動される。前記移動体は、受電共振器と、前記受電共振器が受け取った交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、前記整流器から出力された電力を蓄えるキャパシタと、前記キャパシタに蓄えられた電力を用いて動作し、前記移動体を移動させるモータと、前記キャパシタから出力された電圧を昇圧または降圧して前記モータに与えるＤＣ−ＤＣコンバータと、前記モータに与えられる電圧に基づいて前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する受電制御回路であって、前記キャパシタから前記モータに電力が供給されている間に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧比を増加させる、または降圧比を減少させる受電制御回路と、を備える。
2017115624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線送電装置と、  前記無線送電装置から無線で伝送された電力によって駆動される移動体と、を備え、  前記無線送電装置は、  直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、  前記インバータ回路から出力された前記交流電力の少なくとも一部を空間に送出する送電共振器と、  前記送電共振器を流れる電流を検出する第１検出器と、  検出された前記電流に基づいて、前記インバータ回路から出力される前記交流電力の周波数を制御する送電制御回路と、を有し、  前記移動体は、  磁界共振または電磁誘導によって前記送電共振器に結合し得る受電共振器と、  前記受電共振器に接続され、前記受電共振器が受け取った交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、  前記整流器から出力された電力を蓄えるキャパシタと、  前記キャパシタに蓄えられた電力を用いて動作し、前記移動体を移動させるモータと、  前記キャパシタと前記モータとの間に接続され、前記キャパシタから出力された電圧を昇圧または降圧して前記モータに与えるＤＣ−ＤＣコンバータと、  前記モータに与えられる電圧を検出する第２検出器と、  検出された前記電圧に基づいて前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する受電制御回路であって、前記キャパシタから前記モータに電力が供給されている間に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧比を増加させる、または降圧比を減少させる受電制御回路と、を有する移動体システム。
【請求項２】
前記送電制御回路は、送電を開始するとき、予め設定された周波数範囲に含まれる複数の周波数で前記インバータ回路を順次駆動し、前記複数の周波数の中から、前記送電共振器を流れる前記電流の実効値が最大になる周波数を決定し、決定した前記周波数で前記インバータ回路を駆動する、請求項１に記載の移動体システム。
【請求項３】
前記実効値が最大になる電流の位相は、前記インバータ回路から出力される電圧の位相に一致する、請求項２に記載の移動体システム。
【請求項４】
前記送電制御回路は、前記周波数を決定して前記インバータ回路を前記周波数で駆動してから所定時間が経過したとき、前記周波数を含む他の周波数範囲に含まれる複数の周波数で前記インバータ回路を順次駆動し、前記複数の周波数の中から、前記送電共振器を流れる電流の実効値が最大になる他の周波数を決定し、決定した前記他の周波数で前記インバータ回路を駆動する、請求項２または３に記載の移動体システム。
【請求項５】
前記移動体は、  前記キャパシタの電圧を検出する第３検出器と、  前記キャパシタと前記モータとの間に接続されたスイッチと、をさらに有し、  前記受電制御回路は、  前記第３検出器によって検出された前記キャパシタの電圧が閾値を超えるまでは前記スイッチをオフにして前記キャパシタから前記モータへの電力の供給を停止し、  前記キャパシタの電圧が前記閾値を超えたとき、前記スイッチをオンにして前記キャパシタから前記モータへの前記電力の供給を開始する、請求項１から４のいずれかに記載の移動体システム。
【請求項６】
前記移動体は、前記キャパシタと前記ＤＣ−ＤＣコンバータとの間に接続されたスイッチをさらに有し、  前記受電制御回路は、  前記キャパシタへの充電が行われているときは前記スイッチをオフにして前記キャパシタから前記モータへの電力の供給を停止し、  前記キャパシタへの充電が完了した後は、前記スイッチをオンにして前記キャパシタから前記モータへの前記電力の供給を開始する、請求項１から４のいずれかに記載の移動体システム。
【請求項７】
前記キャパシタは、電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタである、請求項１から４のいずれかに記載の移動体システム。
【請求項８】
前記移動体は、バッテリレス移動体である、請求項１から７のいずれかに記載の移動体システム。
【請求項９】
前記移動体は、前記モータによって駆動される駆動輪を含む複数の車輪を有する無人搬送機である、請求項１から８のいずれかに記載の移動体システム。
【請求項１０】
無線送電装置と、  前記無線送電装置から無線で伝送された電力によって駆動される移動体と、を備え、  前記無線送電装置は、  直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、  前記インバータ回路から出力された前記交流電力の少なくとも一部を空間に送出する送電共振器と、  前記インバータ回路を制御する送電制御回路と、を有し、  前記移動体は、  前記送電共振器が、磁界共振または電磁誘導によって前記送電共振器に結合し得る受電共振器と、  前記受電共振器に接続され、前記受電共振器が受け取った交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、  前記整流器から出力された電力を蓄えるキャパシタと、  前記キャパシタに蓄えられた電力を用いて動作し、前記移動体を移動させるモータと、  前記整流器と前記キャパシタとの間、かつ前記キャパシタと前記モータとの間に接続された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであって、前記移動体のインピーダンスを前記送電装置のインピーダンスに整合させ、前記整流器から出力された電圧を降圧して前記キャパシタに与え、前記キャパシタから出力された電圧を昇圧して前記モータに与える双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、  前記キャパシタに入力される電流および電圧を検出する第１検出器と、  前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する受電制御回路と、を有し、  前記受電制御回路は、前記キャパシタへの充電を行う際、前記第１検出器によって検出された前記電流および前記電圧に基づいて、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのインピーダンス、および前記インバータ回路に出力させる前記交流電力の電圧指令値を決定し、前記電圧指令値を示す情報を前記送電制御回路に送信し、  前記送電制御回路は、受信した前記情報に基づいて、前記インバータ回路から出力させる前記交流電力の電圧を変化させる、移動体システム。
【請求項１１】
前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記キャパシタに並列に接続された少なくとも２つのスイッチング素子を有し、  前記受電制御回路は、前記少なくとも２つのスイッチング素子のスイッチングタイミングを調整することにより、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの前記インピーダンスおよび前記降圧比を決定する、請求項１０に記載の移動体システム。
【請求項１２】
前記送電装置は、前記送電共振器に入力される電流および電圧を検出する第２検出器をさらに有し、  前記送電制御回路は、前記第２検出器によって検出された前記電流および前記電圧を示す第２の情報を前記受電制御回路に送信し、  前記受電制御回路は、受信した前記第２の情報と、前記第１検出器によって検出された前記電流および前記電圧とに基づいて、前記２つのスイッチング素子のスイッチングタイミング、および前記電圧指令値を決定する、請求項１１に記載の移動体システム。
【請求項１３】
前記移動体は、前記モータに与えられる電圧を検出する第３検出器をさらに有し、  前記受電制御回路は、前記キャパシタから前記モータに電力が供給されている間に、前記第３検出器によって検出された前記電圧に基づいて前記２つのスイッチング素子のスイッチングタイミングを調整して前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧比を増加させる、請求項１０から１２のいずれかに記載の移動体システム。
【請求項１４】
前記移動体は、前記キャパシタと前記モータとの間に接続されたスイッチをさらに有し、  前記受電制御回路は、  前記第１検出器によって検出された前記キャパシタの電圧が閾値を超えるまでは前記スイッチをオフにして前記キャパシタから前記モータへの電力の供給を停止し、  前記キャパシタの電圧が前記閾値を超えたとき、前記スイッチをオンにして前記キャパシタから前記モータへの前記電力の供給を開始する、請求項１０から１３のいずれかに記載の移動体システム。
【請求項１５】
前記キャパシタへの充電が行われている間、  前記受電制御回路は、前記送電共振器に入力された電流および電圧、ならびに前記第１検出器によって検出された前記電流および前記電圧に基づいて、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのインピーダンスを前記送電装置のインピーダンスに整合させ、前記インバータ回路に出力させる前記交流電力の電圧指令値を更新し、前記電圧指令値を示す情報を前記送電制御回路に送信し、  前記送電制御回路は、受信した前記情報に基づいて、前記インバータ回路から出力させる前記交流電力の電圧を変化させる、請求項１０から１４のいずれかに記載の移動体システム。
【請求項１６】
前記キャパシタは、電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタである、請求項１０から１５のいずれかに記載の移動体システム。
【請求項１７】
前記移動体は、バッテリレス移動体である、請求項１０から１６のいずれかに記載の移動体システム。
【請求項１８】
前記移動体は、前記モータによって駆動される駆動輪を含む複数の車輪を有する無人搬送機である、請求項１０から１６のいずれかに記載の移動体システム。
【請求項１９】
送電共振器を有する少なくとも１つの無線送電装置から無線で伝送された電力によって駆動される移動体であって、  磁界共振または電磁誘導によって前記送電共振器に結合し得る受電共振器と、  前記受電共振器に接続され、前記受電共振器が受け取った交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、  前記整流器から出力された電力を蓄えるキャパシタと、  前記キャパシタに蓄えられた電力を用いて動作し、前記移動体を移動させるモータと、  前記キャパシタと前記モータとの間に接続され、前記キャパシタから出力された電圧を昇圧または降圧して前記モータに与えるＤＣ−ＤＣコンバータと、  前記モータに与えられる電圧を検出する検出器と、  検出された前記電圧に基づいて前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する受電制御回路であって、前記キャパシタから前記モータに電力が供給されている間に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧比を増加させる、または降圧比を減少させる受電制御回路と、を備える移動体。
【請求項２０】
インバータ回路および前記インバータ回路に接続された送電共振器を有する少なくとも１つの無線送電装置から無線で伝送された電力によって駆動される移動体であって、  磁界共振または電磁誘導によって前記送電共振器に結合し得る受電共振器と、  前記受電共振器に接続され、前記受電共振器が受け取った交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、  前記整流器から出力された電力を蓄えるキャパシタと、  前記キャパシタに蓄えられた電力を用いて動作し、前記移動体を移動させるモータと、  前記整流器と前記キャパシタとの間、かつ前記キャパシタと前記モータとの間に接続された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであって、前記移動体のインピーダンスを前記送電装置のインピーダンスに整合させ、前記整流器から出力された電圧を降圧して前記キャパシタに与え、前記キャパシタから出力された電圧を昇圧して前記モータに与える双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、  前記キャパシタに入力される電流および電圧を検出する検出器と、  前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する受電制御回路と、を備え、  前記受電制御回路は、前記キャパシタへの充電を行う際、前記第１検出器によって検出された前記電流および前記電圧に基づいて、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのインピーダンス、および前記インバータ回路に出力させる前記交流電力の電圧指令値を決定し、前記電圧指令値を示す情報を前記無線送電装置に送信する、移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本願は、キャパシタを備えた移動体に非接触で電力を伝送する移動体システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  特許文献１は、無人搬送車（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＡＧＶ）に非接触で給電するシステムの例を開示している。このシステムでは、電磁誘導結合によって給電装置からＡＧＶに電磁エネルギが伝送される。ＡＧＶは、その電磁エネルギを直流電力に変換し、バッテリおよびキャパシタの並列回路に供給する。キャパシタは短時間で充電され、その充電が完了した後もキャパシタからバッテリへの充電が行われることが開示されている。【０００３】  特許文献２は、共鳴法を用いた非接触送電において、共鳴系の共振周波数およびインピーダンスの双方を調整する方法を開示している。この方法では、まず二次自己共振コイルに接続された可変コンデンサの容量を制御することによって二次自己共振コイルの共振周波数が調整される。続いて、二次自己共振コイルから電磁誘導によって電力を受け取る二次コイルに接続されたインピーダンス整合器を制御することによって共鳴系の入力インピーダンスが調整される。【０００４】  特許文献３は、サイズの異なる送電インダクタおよび受電インダクタを備える無線電力伝送システムの例を開示している。送電インダクタと受電インダクタのうち、サイズが小さい方のインダクタを構成する配線の単位長さあたりの抵抗値を、サイズが大きい方のインダクタを構成する配線の抵抗値よりも、少なくとも一部で低く設定することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８-１３７４５１号公報
【特許文献２】国際公開第２０１２／１１１０８５号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１１／１２５３２８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  無人搬送車などの比較的小型かつ軽量の移動体に無線（非接触）で電力を伝送するシステムでは、構成をできる限り簡素化することが求められる。【０００７】  本開示の実施形態は、比較的簡易な構成で移動体に非接触で電力を伝送できる新規な移動体システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本開示の一態様に係る移動体システムは、無線送電装置と、前記無線送電装置から無線で伝送された電力によって駆動される移動体と、を備える。前記無線送電装置は、直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、前記インバータ回路から出力された前記交流電力の少なくとも一部を空間に送出する送電共振器と、前記送電共振器を流れる電流を検出する第１検出器と、検出された前記電流に基づいて、前記インバータ回路から出力される前記交流電力の周波数を制御する送電制御回路と、を有する。前記移動体は、磁界共振または電磁誘導によって前記送電共振器に結合し得る受電共振器と、前記受電共振器に接続され、前記受電共振器が受け取った交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、前記整流器から出力された電力を蓄えるキャパシタと、前記キャパシタに蓄えられた電力を用いて動作し、前記移動体を移動させるモータと、前記キャパシタと前記モータとの間に接続され、前記キャパシタから出力された電圧を昇圧または降圧して前記モータに与えるＤＣ−ＤＣコンバータと、前記モータに与えられる電圧を検出する第２検出器と、検出された前記電圧に基づいて前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する受電制御回路であって、前記キャパシタから前記モータに電力が供給されている間に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧比を増加させる、または降圧比を減少させる受電制御回路と、を有する。【０００９】  上記の包括的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または記録媒体で実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【００１０】  本開示の実施形態によれば、移動体システムは比較的簡易な構成で移動体に非接触で電力を伝送することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施形態１における移動体システムの概要を説明するための図である。
【図２】図２は、実施形態１における移動体２００の一例を模式的に示す斜視図である。
【図３】図３は、充電時における送電コイルユニット１０５と受電コイルユニット２０５との配置関係の一例を示す斜視図である。
【図４】図４は、実施形態１の移動体システムの構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、インバータ回路１２０および制御回路１４０の構成例を示す図である。
【図６】図６は、制御回路１４０からスイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４に供給されるパルス信号、およびインバータ回路１２０から出力される電圧の波形の一例を示す図である。
【図７】図７は、送電共振器１１０および受電共振器２１０の等価回路を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、送電コイル１１２および受電コイル２１２の形状および配置関係をより詳細に説明するための斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、送電コイル１１２をＹ方向から見た場合の形状を模式的に示す図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、受電コイル２１２をＹ方向から見た場合の形状を模式的に示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、整流器２２０、キャパシタ２３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０、およびモータ２４０の構成例を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、整流器２２０、キャパシタ２３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０、およびモータ２４０の他の構成例を示す図である。
【図１０】図１０は、充電時における送電装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、本実施形態における移動体システムの構成を示すブロック図である。
【図１２】図１２は、移動体２００Ａにおける整流器２２０、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａ、キャパシタ２３０、およびモータ２４０の回路構成を示す図である。
【図１３】図１３は、本実施形態における送電装置１００Ａおよび移動体２００Ａによる充電時の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、スイッチング素子Ｇ５、Ｇ６に入力されるパルス信号と、デューティ比Ｄとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】  以下、本開示の例示的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明においては、同一または類似する構成要素には、同一の参照符号を付している。
【００１３】  （実施形態１）  ＜全体構成＞  図１は、本実施形態における移動体システムの概要を説明するための図である。本実施形態における移動体システムは、例えば工場内における物品の搬送用のシステムとして利用され得る。移動体システムは、少なくとも１つの無線送電装置（以下、単に「送電装置」と称する。）１００と、少なくとも１つの移動体２００とを備える。移動体２００は、例えば工場内を自律的に移動して物品を必要な場所に搬送する無人搬送車（ＡＧＶ）であり得る。図１には、４台の送電装置１００と４台の移動体２００とが例示されている。ただし、送電装置１００および移動体２００の各々の数は任意である。
【００１４】  送電装置１００は、移動体２００に無線で電力を伝送する。送電装置１００は、交流電力を空間に送出する送電コイルを含む送電コイルユニット１０５を有する。移動体２００は、受電コイルを含む受電コイルユニット２０５を有する。送電コイルと受電コイルとが磁界共振によって結合することにより、送電コイルから受電コイルに電力が無線で伝送される。このように、本実施形態では、磁界共振結合（「磁界共鳴結合」または「共振磁界結合」と呼ばれることもある。）による無線電力伝送が利用される。磁界共振結合方式の無線電力伝送によれば、電磁誘導による方法と比較して、より長距離の電力伝送が可能である。なお、本開示の技術は、磁界共振結合方式に限らず、電磁誘導方式による無線電力伝送にも適用可能である。よって、本開示は、電磁誘導方式による構成も含む。
【００１５】  移動体２００は、キャパシタおよびモータを備える。受電コイルユニット２０５内の受電コイルが受け取った電力は整流され、キャパシタに蓄えられる。キャパシタには、例えば電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタなどの大容量かつ低抵抗なキャパシタが用いられ得る。すなわち、キャパシタは、電気二重奏キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタである。移動体２００は、キャパシタに蓄えられた電力によってモータを駆動して移動することができる。
【００１６】  移動体２００が移動すると、キャパシタの蓄電量（即ち充電量）が低下する。このため、移動を継続するためには、再充電が必要になる。そこで、移動体２００は、移動中に充電量が所定の閾値を下回ると、送電装置１００の近傍まで移動し、充電を行う。図１に示すように、複数の箇所に送電装置１００が設置されていれば、移動体２００は、最も近い送電装置１００の近傍まで移動すればよい。そのため、移動体２００は移動距離を短縮できる。
【００１７】  このようなシステムは、前述のように、例えば工場内における物品の搬送用のシステムとして利用され得る。移動体２００は、典型的には物品を積載する荷台を有する。移動体２００は、工場内を自律的に移動して物品を必要な場所に搬送する台車として機能する。なお、移動体システムは、工場に限らず、例えば店舗、病院、家庭、その他のあらゆる場所で利用され得る。また、移動体２００は、ＡＧＶに限らず、他の産業機械またはサービスロボットであってもよい。移動体２００は、例えば有人の車両、または掃除ロボットなどの、横方向に移動可能な機構を有する任意の機器であり得る。「横方向に移動する」とは、水平面（または床面）に沿った方向に、（場合によっては段差、凹凸、または傾斜面を越えて）移動することを意味する。
【００１８】  図２は、本実施形態における移動体２００の一例を模式的に示す斜視図である。この移動体２００は、側面に設置された受電コイルユニット２０５と、モータによって駆動される駆動輪２０７を含む複数の車輪と、物品を載せる荷台２０６とを備えている。受電コイルユニット２０５は、受電コイルを含む受電共振器を収納している。
【００１９】  図３は、充電時における送電コイルユニット１０５と受電コイルユニット２０５との配置関係の一例を示す斜視図である。図３には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向を示すＸＹＺ座標が示されている。以下の説明では、図に示された座標系を用いる。ＸＹ面は、水平面または床面に平行である。Ｘ軸の正方向は移動体２００が前進する方向とし、Ｚ軸の正方向は鉛直上方向とする。
【００２０】  なお、本願の図面に示されている構造物の向きは、説明のわかり易さを考慮して設定されており、本開示の実施形態が現実に実施されるときの向きを制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。
【００２１】  図３に示されるように、送電コイルユニット１０５における送電コイル１１２は、Ｘ方向に相対的に長くＺ方向に相対的に短くなるように巻かれた導体線（巻線）を有する。同様に、受電コイルユニット２０５における受電コイル２１２は、Ｘ方向に長くＺ方向に短くなるように巻かれた導体線（巻線）を有する。図示されるように、本実施形態における送電コイル１１２および受電コイル２１２の形状およびサイズは非対称である。本実施形態においては、受電コイル２１２の巻線によって規定される領域の大きさは、送電コイル１１２の巻線によって規定される領域の大きさよりも小さい。電力伝送は、送電コイル１１２と受電コイル２１２とが対向している状態において行われる。より具体的には、送電コイル１１２の巻線によって規定される面と、受電コイル２１２の巻線によって規定される面（図示される例ではいずれもＸＺ面に平行）とが対向している状態で充電が行われる。なお、これらの面が完全に平行である場合に限らず、相互に傾いていても充電は可能である。また、送電コイル１１２がＸ方向に長い形状を有しているため、移動体２００がＸ方向に少しずれたとしても、コイル間の対向状態が維持され、高い効率での電力伝送を維持できる。
【００２２】  移動体２００は、各種のセンサを用いて、自機の位置および向き、ならびに送電コイル１１２の位置および向きを把握することができる。これにより、自機に最も近い送電装置１００（他の移動体２００に給電中の送電装置１００を除く。）を特定することができる。そして、移動体２００はその送電装置１００の近傍に移動し、高効率な電力伝送が可能な姿勢（即ち、受電コイル２１２が送電コイル１１２に近接して対向する姿勢）をとることができる。
【００２３】  本実施形態の移動体２００は、特許文献１等の従来技術において使用されている二次電池（以下、「バッテリ」とも称する。）を搭載していない。すなわち、本実施形態の移動体２００は、バッテリレス移動体である。また、送電コイル１１２に比べて受電コイル２１２が小さい。このため、移動体２００を小型、軽量、かつ低コストに構成することができる。これにより、連続で移動できる時間を長くすることができる。本実施形態によれば、例えば数分の充電で３０分から数時間の連続動作が可能である。さらに、本実施形態の移動体システムは、後述する回路構成および動作により、移動体２００または送電装置１００の構成をより簡単にすることができる。
【００２４】  以下、本実施形態の移動体システムの構成をより詳細に説明する。
【００２５】  図４は、本実施形態の移動体システムの構成を示すブロック図である。送電装置１００は、外部の直流（ＤＣ）電源５０に接続されたインバータ回路１２０と、インバータ回路１２０に接続された送電共振器１１０と、送電共振器１１０を流れる電流を検出する電流検出器１３０と、電流検出器１３０によって検出された電流の量に基づいて、インバータ回路１２０を制御する送電制御回路１４０とを有している。送電共振器１１０は、前述の送電コイル１１２を含む。移動体（受電装置）２００は、受電共振器２１０と、受電共振器２１０に接続された整流器（整流回路）２２０と、整流器２２０に接続されたキャパシタ２３０と、キャパシタ２３０に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ２５０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０に接続された２４０とを有している。受電共振器２１０は、前述の受電コイル２１２を含む。移動体２００はさらに、モータ２４０に与えられる電圧を検出する電圧検出器２６０と、電圧検出器２６０によって検出された電圧に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ２５０を制御する受電制御回路２７０とを備えている。なお、送電装置１００および移動体２００は、図示されていない他の構成要素を備えていてもよい。また、移動体システムは、必ずしも図４に示されている構成要素の全てを備えている必要はなく、適宜省略することが可能である。
【００２６】  以下、各構成要素をより詳細に説明する。
【００２７】  ＜ＤＣ電源＞  ＤＣ電源５０は、所定の大きさの直流電圧を出力する電源である。ＤＣ電源５０は、例えば商用交流電力を、送電装置１００の動作電圧をもつ直流電力に変換して出力するコンバータを含み得る。
【００２８】  ＜インバータ回路および送電制御回路＞  インバータ回路１２０は、ＤＣ電源５０から供給された直流電力を交流電力に変換する。インバータ回路１２０は、例えばフルブリッジインバータ回路であり得る。フルブリッジインバータ回路は、４つのスイッチング素子のスイッチングのタイミングを調整することによって所望の周波数および電圧値の交流電力を出力することができる。各スイッチング素子は、送電制御回路１４０から供給されるパルス信号に応じて導通および非導通の状態を切替える。
【００２９】  図５は、インバータ回路１２０および制御回路１４０の構成例を示す図である。図５に示されるインバータ回路１２０は、４つのスイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４を有するフルブリッジインバータ回路の構成を有する。各スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのトランジスタであり得る。
【００３０】  制御回路１４０は、制御ＩＣ１４２と、ゲートドライバ１４４と、メモリ１４３とを有する。制御ＩＣ１４２は、メモリ１４３に格納された制御プログラムを実行することにより、インバータ回路１２０に出力させる交流電力の電圧（実効値を意味する。以下同じ。）および周波数を決定する。本実施形態では特に、電流検出器１３０が検出した電流Ｉ１の値に基づいて、効率が最大になる周波数が決定される。この動作の詳細は、後述する。ゲートドライバ１４４は、制御ＩＣ１４２が決定した周波数およびデューティ比をもつパルス信号を、各スイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４のゲートに供給する。これにより、各スイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４の導通（オン）／非導通（オフ）の状態が制御される。なお、制御回路１４０の一部または全体は、例えばマイクロコンピュータ（マイコン）などの集積回路によって実現され得る。
【００３１】  ４つのスイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４のうち、スイッチング素子Ｇ１およびＧ４がオン（導通状態）の時、ＤＣ電源５０から供給された直流電圧と同じ極性の電圧がインバータ回路１２０から出力される。一方、スイッチング素子Ｇ２およびＧ３がオン（導通状態）の時、ＤＣ電源５０から供給された直流電圧と逆の極性の電圧がインバータ回路１２０から出力される。制御回路１４０は、各スイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４に供給するパルス信号のタイミングを調整することにより、所望の周波数および電圧の交流電力をインバータ回路１２０に出力させる。
【００３２】  図６は、制御回路１４０からスイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４に供給されるパルス信号、およびインバータ回路１２０から出力される電圧の波形の一例を示す図である。図６において、記号ＥはＤＣ電源５０から出力される電圧の大きさを表し、記号Ｔは周期を表している。インバータ回路１２０の出力電圧Ｖ１がＤＣ電源５０の出力電圧の大きさＥと同じになる期間は、デューティ比ｄｉｎｖによって制御される。すなわち、制御回路１４０は、デューティ比ｄｉｎｖを調整することにより、出力電圧Ｖ１を正弦波で近似した交流電圧の振幅および実効値を調整することができる。
【００３３】  なお、インバータ回路１２０は図５に示す構成に限定されない。例えば、図５に示すスイッチング素子Ｇ３およびＧ４のそれぞれをキャパシタに置換したハーフブリッジ型の構成でもよい。その場合でも、２つのスイッチング素子Ｇ１およびＧ２に与えるゲート駆動パルスのタイミングを調整することにより、所望の交流電圧を出力することができる。インバータ回路１２０は、例えば市販の高周波電源装置によって実現され得る。
【００３４】  ＜送電共振器および受電共振器＞  図７は、送電共振器１１０および受電共振器２１０の等価回路を示す図である。送電共振器１１０は、送電コイル１１２によるインダクタンス成分（Ｌ１）と、キャパシタンス成分（Ｃ１）と、抵抗成分（Ｒ１）とを有する直列共振回路である。受電共振器２１０は、受電コイル１２２によるインダクタンス成分（Ｌ２）と、キャパシタンス成分（Ｃ２）と、抵抗成分（Ｒ２）とを有する直列共振回路である。キャパシタンス成分（Ｃ１およびＣ２）は、それぞれ、送電コイル１１２および受電コイル２１２の寄生容量成分であってもよいし、別途設けられたキャパシタによるものでもよい。送電共振器１１０の共振周波数と、受電共振器２１０の共振周波数とは、ほぼ同じ値に設定される。共振周波数は、特に限定されないが、例えば、５キロヘルツ（ｋＨｚ）以上５０メガヘルツ（ＭＨｚ）以下に設定できる。共振周波数は、より好ましくは、１０ｋＨｚ以上１ＭＨｚである。本実施形態では、一例として、共振周波数は８５ｋＨｚであるものとする。各共振器は、直列共振回路に限らず、並列共振回路であってもよい。図示されている構成に限らず、例えば特許文献１に開示されているように、送電共振器１１０に電磁誘導によって結合する一次コイルと、受電共振器２１０に電磁誘導によって結合する二次コイルとを設けてもよい。
【００３５】  図８Ａは、送電コイル１１２および受電コイル２１２の形状および配置関係をより詳細に説明するための斜視図である。なお、図８Ａは、図３の例よりも、送電コイル１１２のＹ方向の幅が小さい例を示している。図８Ａに示す二点鎖線は、コイル１１２、２１２によって規定される面の法線を表している。図８Ｂは、送電コイル１１２をＹ方向から見た場合の形状を模式的に示している。図８Ｃは、受電コイル２１２をＹ方向から見た場合の形状を模式的に示している。
【００３６】  送電コイル１１２は、第１の導体から形成された巻線（すなわち、第１の導体線で巻かれた巻線）であり、横方向に延びる第１の上側部分１１２ａおよび第１の下側部分１１２ｂと、これらを繋ぐ円弧状の２つの部分とを含む。受電コイル２１２は、第２の導体から形成された巻線（すなわち、第２の導体線で巻かれた巻線）であり、横方向に延びる第２の上側部分２１２ａおよび第２の下側部分２１２ｂと、これらを繋ぐ円弧状の２つの部分とを含む。この実施形態では、第２の導体の比抵抗（抵抗率）は、第１の導体の比抵抗よりも低い。受電コイル２１２の巻き数は、送電コイル１１２の巻き数よりも少ない。このような構成により、受電コイル２１２の抵抗値は、送電コイル１２１の抵抗値よりも小さい。
【００３７】  受電コイル２１２の上側部分２１２ａおよび下側部分２１２ｂは、それぞれ、送電コイル１１２の上側部分１１２ａおよび下側部分１１２ｂよりも短い。例えば、送電コイル１１２の上側部分１１２ａおよび下側部分１１２ｂの長さは、それぞれ、受電コイル２１２の上側部分２１２ａおよび下側部分２１２ｂの長さの１．２倍以上であり得る。送電コイル１１２の上側部分１１２ａと下側部分１１２ｂとの間の距離は、例えば、受電コイル２１２の上側部分２１２ａと下側部分２１２ｂとの間の距離の０．８倍以上１．２倍以下であり得る。ある例では、基準となる水平面（例えば床面）に対する受電コイル２１２の上側部分２１２ａの高さは、送電コイル１１２の上側部分１１２ａの高さに等しいか、当該高さよりも小さい。そして、当該水平面に対する受電コイル２１２の下側部分２１２ｂの高さは、送電コイル１１２の下側部分１１２ｂの高さに等しいか、当該高さよりも大きい。
【００３８】  送電コイル１１２の上側部分１１２ａと下側部分１１２ｂとによって規定される第１の矩形面１１２ｃ（図８Ｂ）、および、受電コイル２１２の第２の上側部分２１２ａと第２の下側部分２１２ｂとによって規定される第２の矩形面２１２ｃ（図８Ｃ）は、水平面に対して垂直または傾斜している。受電コイル１１２は、移動体２００の側面に配置される。そして、電力伝送時において、第２の矩形面２１２ｃが送電コイル１１２の第１の矩形面１１２ｃに対向する。
【００３９】  本実施形態では、送電コイル１１２は比較的安価な材料で構成され、受電コイル２１２は比較的高価な比抵抗の小さい材料で構成される。これにより、受電コイル２１２の線長を送電コイル１１２の線長よりも短くし、移動体２００のサイズを小さくすることができる。相対的に長い巻線を有する送電コイル１１２を比較的安価な材料で構成することにより、送電装置１００のコストを低減できる。
【００４０】  非接触給電は、送電コイル１１２と受電コイル２１２との間で発生する磁束によって行われる。そのため、各コイルの抵抗値およびコイル間の相互インダクタンスは重要なパラメータである。従来、送電コイル１１２および受電コイル２１２は、損失を低減するために、導電率の高い（即ち、比抵抗の低い）銅などの材料で構成することが一般的であった。また、近接効果および表皮効果による損失を低減するために、絶縁された細銅線を束ねたリッツ線などの、特殊な形状の導線が用いられることが多かった。さらに、送電コイル１１２および受電コイル２１２の形状および材料を同一または近い構成にすることが一般的であった。
【００４１】  しかし、各コイルの材料として高価な銅を使用したり、線材の構造としてリッツ線などの特殊な構造のものを使用したりすると、コストが増加し、重量も増加する。さらに、送電コイル１１２および受電コイル２１２の形状を同じにした場合、送電距離を大きくするためには、送電コイル１１２および受電コイル２１２の双方を大型化する必要がある。さらには、受電コイル２１２が設けられる移動体２００のデザインが制限される。
【００４２】  また、キャパシタ２３０として電気二重層キャパシタのような低インピーダンスの素子を用いる場合、キャパシタ２３０には、例えば最大で３０ボルト（Ｖ）の電圧および１０〜１００アンペア（Ａ）の電流が印加され得る。キャパシタ２３０には、より好ましくは、１０〜３０アンペア（Ａ）の電流が印加され得る。このような状況下で伝送効率を高くすることが要求される。
【００４３】  本実施形態では、受電コイル２１２を送電コイル１１２よりも低損失な構成にすることにより、上記の要求を満たすことができる。受電コイル２１２を、例えば銅などの低抵抗率の材料、または、リッツ線などの低損失の構造を用いて構成し、形状を小さく、かつ巻き数を少なくすることにより、受電コイル２１２の全体の抵抗を小さくすることができる。受電コイル２１２は、例えば、巻き数が１０〜３０ターン程度である。図８Ｃに示すＹ方向のサイズは、例えば１０センチメートル（ｃｍ）〜２５ｃｍ程度であり、Ｚ方向のサイズは３ｃｍ〜１０ｃｍ程度であり得る。受電コイル２１２の抵抗値は、例えば１オーム（Ω）以下であり得る。なお、これらの数値は一例であり、上記の範囲から外れた構成を採用してもよい。
【００４４】  一方、送電コイル１１２の損失は比較的容認できる。このため、送電コイル１１２には、アルミニウムなどの安価な材料を用いたり、小さい断面積の通常の単線を用いたりすることができる。また、受電コイル２１２の位置が最適な位置からＸ方向（進行方向）にずれていたとしても電力伝送を可能にするために、送電コイル１１２は、受電コイル１１２よりもＸ方向に長い形状を有するように構成される。送電コイル１１２の巻き数は、相互インダクタンスを大きくするために、大きく設定される。送電コイル１１２は、例えば、巻き数が６０〜１００ターン程度であり得る。図８Ｂに示すＸ方向のサイズは、例えば３０ｃｍ〜４０ｃｍ程度であり、Ｚ方向のサイズは３ｃｍ〜１０ｃｍ程度であり得る。送電コイル１１２の抵抗値は、例えば５〜１０Ω程度であり得る。これらの数値は一例であり、上記の範囲から外れた構成を採用してもよい。送電コイル１１２は、上記のように安価な材料で構成にすることにより、巻線の総量が多くても全体のコストを低くすることができる。
【００４５】  以上の構成により、受電コイル２１２の小型化が可能となり、移動体２００のデザインの自由度を高めることができる。また、受電コイル２１２の軽量化が可能となり、移動体２００の消費電力の低減が可能になる。さらに、相対的に大型の送電コイル１１２にはアルミニウムなどの安価な材料または単線などの安価な線材構造を採用し、低損失が求められる受電コイル２１２は小型でかつ巻き数の少ない構成にすることにより、コストを低減することもできる。受電コイル２１２を低損失にすることにより、電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタなどの充電時の入力インピーダンスの低いキャパシタを用いた場合に、伝送効率を高く維持することができる。
【００４６】  また、受電コイル２１２の上側部分２１２ａおよび下側部分２１２ｂを、それぞれ、送電コイル１１２の上側部分２１２ａおよび下側部分２１２ｂよりも短くすることにより、移動体２００が進行方向に移動したとしても、高い伝送効率を維持できる。さらに、第１の矩形面１１２ｃ、および、第２の矩形面２１２ｃを、水平面に対して垂直または傾斜させることにより、移動体２００の側面と送電装置１００の側面とが対向した状態で電力伝送が可能になる。このため、路面に送電コイル１１２を配置した構成と比較して、送電装置１００はより自由に配置することができる。
【００４７】  なお、送電コイル１１２および受電コイル２１２は、図示されている形状に限定されない。例えば、各コイルの形状は、矩形（正方形を含む）または楕円形（円形を含む）であってもよい。
【００４８】  ＜整流器、キャパシタ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、モータ、受電制御回路＞  図９Ａは、整流器２２０、キャパシタ２３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０、モータ２４０、電圧検出器２６０、および受電制御回路２７０の構成例を示す図である。
【００４９】  整流器２２０は、図示されるように、ダイオードブリッジおよび平滑コンデンサを含む全波整流回路であり得る。整流器２２０は、他の種類の全波整流回路であってもよいし、半波整流回路であってもよい。整流器２２０は、受電共振器２１０からの交流電力を直流電力に変換して出力する。
【００５０】  キャパシタ２３０は、整流器２２０に並列に接続されている。キャパシタ２３０は、例えば電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタである。電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタは、内部抵抗が小さい（例えば数十ｍΩ）ため、低損失で大電流での充放電を行うことができる。このため、バッテリと比較して、急速な充電が可能である。また、他の種類のキャパシタと比較して静電容量が大きいため、比較的長時間の連続放電が可能である。本実施形態の移動体２００は、バッテリを備えていない。そのため、モータ２４０への給電は、キャパシタ２３０によって行われる。バッテリを除くことにより、バッテリを制御する回路も除くことができる。これにより、移動体２００の小型化、軽量化、および急速充電が可能である。バッテリを除いたことにより、エネルギ密度が低下する。しかし、図１に示すように、充電回数を多くするために、複数の送電装置１００を設けている。これにより、エネルギ密度の低下を補うことができる。なお、本実施形態の移動体２００はバッテリを備えていないが、バッテリを備えた移動体に本開示の技術を適用してもよい。その場合、キャパシタおよびバッテリの双方からモータ２４０を駆動できるため、連続して移動できる時間を向上させることができる。
【００５１】  バッテリがなく、キャパシタ２３０からモータ２４０に給電される本実施形態の構成では、キャパシタ２３０の電圧降下によってモータ２４０の最大回転速度が低下することが懸念される。そこで、本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０を用いてキャパシタからの電圧を昇圧してモータ２４０に供給する。これにより、安定動作が可能になる。本実施形態の構成によれば、特許文献１などの従来の構成と比較して、パワー密度あたりのコストを低減することができる。
【００５２】  なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０は、昇圧だけでなく、降圧の動作も可能な構成を備えていてもよい。図９Ｂは、昇圧および降圧の両方の動作が可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２５０の一例を示す図である。例えばキャパシタ２３０が電気二重層キャパシタであり、モータ２４０が要求する電圧が３０Ｖであり、キャパシタ２３０の電圧が３５Ｖの場合、降圧動作を行った方が好ましい。そのような場合は、図９Ｂに例示されるような昇降圧が可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２５０が用いられる。
【００５３】  本実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ２５０は、図９Ａに示されるように、昇圧チョッパ回路の構成を有していてもよいし、図９Ｂに示されるように、昇降圧チョッパ回路の構成を有していてもよい。ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０は、スイッチＧ５を介してキャパシタ２３０に並列に接続される。図９Ａの例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０は、スイッチＧ６を有し、スイッチＧ６の導通（オン）／非導通（オフ）の状態を切り替えることにより、キャパシタ２３０から出力された直流電圧を、所望の大きさの直流電圧に昇圧してモータ２４０に出力する。スイッチＧ５およびＧ６の導通／非導通の状態は、制御回路２７０によって制御される。図９Ｂの例では、スイッチＧ５の導通（オン）／非導通（オフ）の状態を切り替えることにより、キャパシタ２３０から出力された直流電圧を、所望の大きさの直流電圧に昇圧または降圧してモータ２４０に出力する。スイッチＧ５の導通／非導通の状態は制御回路２７０によって制御される。
【００５４】  なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０は、上記の昇圧チョッパ回路または昇降圧チョッパ回路に限らず、任意のＤＣ−ＤＣコンバータでよい。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータは、図９Ａおよび図９Ｂに示す非絶縁系ＤＣ−ＤＣコンバータに限らず、絶縁形コンバータであってもよい。
【００５５】  以下、図９Ａの回路構成に基づいて説明する。
【００５６】  受電制御回路２７０は、送電制御回路１４０と同様、制御ＩＣ２７２と、ゲートドライバ２７４と、メモリ２７３とを有する。制御ＩＣ２７２は、メモリ２７３に格納された制御プログラムを実行することにより、スイッチＧ５およびＤＣ−ＤＣコンバータ２５０のスイッチＧ６のオンおよびオフのタイミング（スイッチングタイミング）を決定する。ゲートドライバ２７４は、制御ＩＣ２７２が決定したスイッチングタイミングに応じて、スイッチＧ５、Ｇ６のゲートに所定の電圧を印加する。なお、受電制御回路２７０の一部または全体は、例えばマイクロコンピュータなどの集積回路によって実現され得る。
【００５７】  制御回路２７０は、充電時においては、スイッチＧ５、Ｇ６をオフにする。これにより、整流器２２０から出力された直流電力がキャパシタ２３０に供給され、キャパシタ２３０に電荷が蓄積される。
【００５８】  送電装置１００における送電制御回路１４０は、充電が完了すると、インバータ回路１２０に送電を停止させる。充電の完了は、例えば、電流検出器１３０によって検出される電流量が所定の閾値以下になったか否かに基づいて判断され得る。充電が完了すると、受電制御回路２７０は、スイッチＧ５をオンにし、スイッチＧ６の制御を開始する。スイッチＧ５をオンにすることにより、キャパシタ２３０に蓄えられた電荷が放電され、その電力がモータ２４０に供給される。スイッチＧ６のオン／オフの状態を適切なタイミングで切り替えることにより、所望の昇圧比で昇圧された電圧をモータ２４０に供給することができる。スイッチＧ６のスイッチング制御は、モータ２４０に与えられる電圧を検出する電圧検出器２６０の検出結果に基づいて行われる。電圧検出器２６０によって検出されたモータ２４０の電圧の大きさが、ほぼ一定に維持されるように、昇圧比を決定し、制御回路２７０は、スイッチＧ６に供給するパルス信号のデューティ比を決定する。これにより、キャパシタ２３０の電圧降下が生じたとしても、モータ２４０にはほぼ一定の電圧が供給される。
【００５９】  なお、図９Ｂに示す構成における動作は、以下のようになる。充電が完了すると、受電制御回路２７０は、スイッチＧ５をオンにし、スイッチＧ５の制御を開始する。スイッチＧ５をオンにすることにより、キャパシタ２３０に蓄えられた電荷が放電され、その電力がモータ２４０に供給される。スイッチＧ５のオン／オフの状態を適切なタイミングで切り替えることにより、所望の昇降圧比で昇圧あるいは降圧された電圧をモータ２４０に供給することができる。スイッチＧ５のスイッチング制御は、モータ２４０に与えられる電圧を検出する電圧検出器２６０の検出結果に基づいて行われる。制御回路２７０は電圧検出器２６０によって検出されたモータ２４０の電圧の大きさが、ほぼ一定に維持されるように、昇降圧比を決定し、スイッチＧ５に供給するパルス信号のデューティ比を決定する。これにより、キャパシタ２３０の電圧降下が生じたとしても、モータ２４０にはほぼ一定の電圧が供給される。
【００６０】  モータ２４０は、図９に示す例では、直流モータであるが、これに限られず、例えば永久磁石同期モータまたは誘導モータなどの交流モータであってもよい。交流モータを用いる場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０とモータ２４０との間に、直流電力を三相交流電力に変換する三相インバータが設けられる。そのような構成も、本開示には含まれる。
【００６１】  ＜動作＞  次に、本実施形態における送電装置１００および移動体２００の動作を説明する。
【００６２】  移動体２００は、充電が必要であると判断すると、最も近くに存在する送電装置１００の近傍まで移動する。そして、受電コイル２１２が送電コイル１１２に所定の距離（例えば、数ｃｍから数十ｃｍ）を隔てて対向する姿勢で待機する。送電装置１００は、移動体２００の接近を検知すると、送電のための初期調整を行い、最適な発振周波数を決定して、送電を開始する。送電装置１００は、送電中も、所定時間毎に同様の動作を行い、発振周波数をその時の最適値に更新する。これにより、高い伝送効率での送電を維持できる。以下、この動作の詳細を説明する。
【００６３】  図１０は、充電時における送電装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。送電装置１００はまず、制御系のスイッチをオンにする（ステップＳ１０１）。制御系とは、送電制御回路１４０および不図示の通信回路などの、送電装置１００の制御に係る構成要素を意味する。このとき、インバータ回路１２０などの、送電に係る構成要素（送電系と称する。）はオフに設定されている。送電装置１００における送電制御回路１４０は、ＤＣ電源５０からの印加電圧が規定値（Ｊボルトとする。）に一致するか否かを判断する（ステップＳ１０２）。この規定値は、例えば１００Ｖまたは２００Ｖといった値であり得る。印加電圧が規定値に一致しない場合、制御回路１４０は、印加電圧が規定値に一致するまで、直流電流および直流電圧の値を調整する（ステップＳ１０３）。この調整は、例えばＤＣ電源５０が有するコンバータのスイッチング素子を制御することによって行われ得る。
【００６４】  印加電圧が規定値に一致すると、送電制御回路１４０は、受電コイル２１２の接近の検知を行う（ステップＳ１０４）。この検知は、例えば、移動体２００が備えるレーザ光源またはＬＥＤ光源などの光（赤外線を含む。）に基づいて行われる。送電装置１００は、不図示のセンサによってこの光を検知することによって移動体２００の接近を検知する。なお、移動体２００の接近の検知の方法はこの例に限定されず、例えば磁気を利用して行ってもよい。
【００６５】  受電コイル２１２の接近を検知すると、送電制御回路１４０は、送電系、すなわちインバータ回路１２０等のスイッチをオンにする（ステップＳ１０５）。送電制御回路１４０は、まず、インバータ回路１２０を低出力モードに設定する（ステップＳ１０６）。低出力モードとは、インバータ回路１２０から低い電圧実効値をもつ交流電力が出力されるモードである。低出力モードは、例えばインバータ回路１２０の各スイッチング素子に供給されるパルス信号のデューティ比を、比較的低い値（例えば、１０％〜３０％）にすることによって設定される。その状態で、送電制御回路１４０は、電流検出器１３０の検出結果に基づいて、所定の閾値（Ａアンペアとする。）以上か否かを判定する（ステップＳ１０７）。所定の閾値とは、送電共振器１１０に流入する電流の量（「通流電流量」と称する。）である。通流電流量がこの閾値未満である場合は、受電コイル２１２が送電コイル１１２の近傍で対向していないと考えられる。このため、送電制御回路１４０は、異常電流停止モードに移行する。
【００６６】  異常電流停止モードでは、送電制御回路１４０は、送電系のスイッチをオフにする（ステップＳ１１３）。そして、電流異常を示すアラームをオンにする（ステップＳ１１４）。これにより、ユーザまたは管理者に電流の異常を通知する。ユーザまたは管理者がアラーム停止の操作を行うと（ステップＳ１１５）、再びステップ１０４の動作が実行される。
【００６７】  ステップＳ１０７において、通流電流量がＡアンペア以上である場合、受電コイル２１２が送電コイル１１２に対向していると考えられる。このため、送電制御回路１４０は、インバータ回路１２０の発振周波数を掃引して、最適な周波数を決定する。本実施形態では、送電共振器１１０および受電共振器２１０の共振周波数が８５ＫＨｚに設定されている。このため、送電制御回路１４０は、その付近の８４ｋＨｚから８６ｋＨｚの範囲で周波数を掃引する。なお、この範囲は一例であり、他の範囲で掃引してもよい。送電制御回路１４０は、例えば１００ｋＨｚ単位で周波数を変化させながら、その都度通流電流量をメモリ１４３に記録する。掃引後、送電制御回路１４０は、通流電流量にピークが存在するかを判定する（ステップＳ１０９）。ピークが存在しない場合、前述の異常電流停止モード（ステップＳ１１３〜Ｓ１１５）に移行する。ピークが存在する場合、送電制御回路１４０は、通流電流量がピークになる周波数を決定し、その周波数を発振周波数Ｘとして設定する。すなわち、インバータ回路１２０の各スイッチング素子に供給するパルス信号の周波数をＸに設定する。これにより、伝送効率を最大にすることができる。
【００６８】  送電制御回路１４０はまた、インバータ回路１２０の各スイッチング素子に供給するパルス信号のデューティ比を５０％に設定する（ステップＳ１１１）。これは、インバータ回路１２０から出力される電圧（実効値）を最大にするためである。出力電圧を最大にする必要がない場合は、デューティ比を５０％以外の値に設定してもよい。
【００６９】  送電制御回路１４０は、この状態で、通流電流量が規定の上限値（Ｂアンペアとする。）以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１２）。この上限値は、安全性を確保するために設けられており、回路内の各素子を破壊しない程度の電流の値に設定される。通流電流量がＢアンペアを超える場合には、異常電流が流れていると判断されるため、異常電流停止モード（ステップＳ１１３〜Ｓ１１５）に移行する。
【００７０】  通流電流量がＢアンペア以下の場合、送電制御回路１４０は、送電を開始する（ステップＳ１２０）。すなわち、決定した発振周波数Ｘによるインバータ回路１２０の駆動を開始する。これにより、周波数Ｘの交流電力が、送電共振器１１０および受電共振器２１０を介して移動体２００に伝送される。
【００７１】  本実施形態では、上記の周波数掃引による伝送効率の最適化が、送電中も実行される。送電制御回路１４０は、送電開始後、所定時間（Ｔ秒とする。）ごとに、その時点での発振周波数Ｘを含む周波数範囲（図１０の例ではＸ−１００ＨｚからＸ＋１００Ｈｚの範囲）で掃引し、通流電流量がピークになる周波数を発振周波数Ｘとして再設定する（ステップＳ１２１〜Ｓ１２３）。この動作は、通流電流量が、予め設定された充電終止電流（Ｃアンペアとする。）以下になるまで繰り返される。充電終止電流は、例えば０アンペアに近い値であり、この値以下になると、キャパシタ２３０の充電量が十分であると判断される。送電制御回路１４０は、通流電流量がＣアンペア以下になると、送電を停止する（ステップＳ１２５）。この動作により、移動体２００が移動中で、且つ受電コイル２１２と送電コイル１１２との相対位置がずれることがあっても、伝送効率を向上させることができる。
【００７２】  受電制御回路２７０は、例えばキャパシタ２３０に接続された電流および電圧の少なくとも一方を検出する検出器（例えば、図９Ａ、９Ｂに示す電圧検出器２６２）により、送電の停止を検知する。送電が停止されると、移動体２００の受電制御回路２７０は、図９に示すスイッチＧ５をオンにする。これにより、キャパシタ２３０からモータ２４０への給電、およびそれに伴う移動体２００の移動が開始される。移動中、キャパシタ２３０の電圧降下に伴い、モータ２４０に印加される電圧が徐々に低下する。このため、移動体２００の最高速度が低下する。これを抑制するため、本実施形態の受電制御回路２７０は、スイッチＧ６を制御してＤＣ−ＤＣコンバータ２５０に所望の昇圧比で昇圧させる。受電制御回路２７０は、例えば常に一定の大きさの電圧がモータ２４０に供給されるように、スイッチＧ６に印加するパルス信号のデューティ比を調整する。これにより、モータ２４０の動作を安定させることができる。
【００７３】  ＜効果等＞  以上のように、本実施形態の移動体システムは、無線送電装置１００と、無線送電装置１００から無線で伝送された電力によって駆動される移動体２００とを備える。
【００７４】  無線送電装置１００は、直流電源５０から供給された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路１２０と、インバータ回路１２０から出力された交流電力の少なくとも一部を空間に送出する送電共振器１１０と、送電共振器１１０を流れる電流を検出する電流検出器（第１検出器）１３０と、電流検出器１３０によって検出された電流に基づいて、インバータ回路１２０から出力される交流電力の周波数を制御する送電制御回路１４０と、を有する。移動体２００は、磁界共振（または電磁誘導）によって送電共振器１１０に結合し得る受電共振器２１０と、受電共振器２１０に接続され、受電共振器２１０が受け取った交流電力を直流電力に変換して出力する整流器２２０と、整流器２２０から出力された電力を蓄えるキャパシタ２３０と、キャパシタ２３０に蓄えられた電力を用いて動作し、移動体２００を移動させるモータ２４０と、キャパシタ２３０とモータ２４０との間に接続され、キャパシタ２３０から出力された電圧を昇圧または降圧してモータ２４０に与えるＤＣ−ＤＣコンバータ２５０と、モータに与えられる電圧を検出する電圧検出器（第２検出器）２６０と、電圧検出器２６０によって検出された電圧に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ２５０を制御する受電制御回路２７０と、を有する。受電制御回路２７０は、キャパシタ２３０からモータ２４０に電力が供給されている間に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０の昇圧比を増加させる、または、降圧比を減少させる。なお、本明細書において、昇圧比は、出力電圧／入力電圧とし、降圧比は、入力電圧／出力電圧として定義する。したがって、昇圧比および降圧比は、１よりも大きい値である。
【００７５】  これにより、キャパシタ２３０の電圧降下に伴ってモータ２４０の入力電圧が低下することを抑制し、移動体２００の速度を安定に保つことができる。なお、前述のように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０は昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ（例えば昇圧チョッパ回路）に限定されない。モータ２４０が要求する電圧が、キャパシタ２３０が出力する電圧よりも小さい場合は、降圧動作が行われ得る。その場合、受電制御回路２７０は、キャパシタ２３０からモータ２４０に電力が供給されている間に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０の降圧比を減少させる。
【００７６】  本実施形態においては、さらに、送電開始時に、周波数を掃引して電流が最大になる周波数を決定してから送電が開始される。具体的には、送電制御回路１４０は、送電を開始するとき、予め設定された周波数範囲に含まれる複数の周波数でインバータ回路１２０を順次駆動し、当該複数の周波数の中から、送電共振器１１０を流れる電流の実効値が最大になる周波数を決定する。送電制御回路１４０は、決定した周波数でインバータ回路１２０を駆動する。
【００７７】  これにより、電流の実効値が最大になる、すなわち、伝送効率が最大になる周波数で電力伝送を開始できるため、エネルギのロスを抑えることができる。この際の電圧と電流との位相は整合されている。すなわち、実効値が最大になる電流の位相は、インバータ回路１２０から出力される電圧の位相に一致する。ここで「一致する」とは、厳密に一致することのみを意味するのではなく、多少のずれがある場合を含む。言い換えれば、実効値が最大になる電流は、その位相と、インバータ回路１２０から出力される電圧の位相との差が最も小さくなる電流であるといえる。そのような電流が流れる周波数で電力を伝送することにより、伝送効率を最適化できる。また、移動体２００は、伝送開始時に、複数の周波数で順次駆動することにより、突入電流を低減する機能も有する。
【００７８】  また、キャパシタ２３０の電圧が微小であり、電圧検出器２６０と、電圧検出器２６２（第３検出器）と、制御回路２７０とが動作しない場合であっても、送電共振器１１０と受電共振器２１０との共振または結合による電力伝送を行い、キャパシタ２３０を充電することができる。
【００７９】  さらに、送電制御回路１４０は、一旦最適な周波数を決定してインバータ回路１２０を当該周波数で駆動してから所定時間が経過したとき、当該周波数を含む他の周波数範囲に含まれる複数の周波数でインバータ回路１２０を順次駆動する。そして、送電制御回路１４０は複数の周波数の中から、送電共振器１１０を流れる電流の実効値が最大になる他の周波数を決定し、決定した当該他の周波数でインバータ回路１２０を駆動する。
【００８０】  これにより、送電開始時だけでなく、送電中も所定時間ごとに周波数の最適化が行われるため、例えば移動体２００が移動中であっても、充電期間にわたって高い伝送効率を維持できる。
【００８１】  移動体２００は、上記所定時間内に、送電共振器１１０と受電共振器２１０との相対位置がずれたり、周辺に高い透磁率を持つ物質が接近したりしても、その影響を抑制できる。送電共振器１１０と受電共振器２１０との相対位置がずれたり、周辺に高い透磁率を持つ物質が接近したりすると、送電共振器１１０と受電共振器２１０との自己インダクタンス、および相互インダクタンスが変動する。また、充電中にはキャパシタ２３０の電圧が変動する。さらに、送電共振器１１０と受電共振器２１０とに電流が流れ、温度が上昇すると、送電共振器１１０の抵抗値、受電共振器２１０の抵抗値、自己インダクタンス、相互インダクタンス、およびキャパシタンスが変動する。これらにより、送電装置１００の共振周波数と移動体２００の共振周波数とが変動する。そのような変動が生じたとしても、インバータ回路１２０の出力電流の位相と出力電圧との位相との差を小さくすることができる。
【００８２】  本実施形態では、移動体２００は、キャパシタ２３０とＤＣ−ＤＣコンバータ２５０との間に接続されたスイッチＧ５をさらに備える。受電制御回路２７０は、キャパシタ２３０への充電が行われているときはスイッチＧ５をオフにしてキャパシタ２３０からモータ２４０への電力の供給を停止し、キャパシタ２３０への充電が完了した後は、スイッチＧ５をオンにしてキャパシタ２３０からモータ２４０への電力の供給を開始する。
【００８３】  これにより、キャパシタ２３０への充電が完了してから、キャパシタ２３０からモータ２４０への給電を開始できる。なお、充電しながらキャパシタ２３０からモータ２４０その他の負荷への給電を行う構成も可能である。本実施形態では送電コイル１１２はある場所に固定されているが、例えば、路面に沿って長い範囲にわたって送電コイル１１２が設けられている構成であってもよい。そのような構成では、移動体２００は、キャパシタ２３０を充電しながらモータ２４０を駆動して移動することも可能である。そのような構成を採用する場合、送電コイル１１２および受電コイル２１２は、図３および図８Ａ〜８Ｃを参照して説明したような構造を備えている必要はない。
【００８４】  （実施形態２）  次に、実施形態２における移動体システムを説明する。
【００８５】  図１１は、本実施形態における移動体システムの構成を示すブロック図である。この移動体システムは、送電装置１００Ａと、移動体２００Ａとを備えている。本実施形態における移動体２００Ａは、整流器２２０とキャパシタ２３０との間、かつキャパシタ２３０とモータ２４０との間に接続された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ（双方向チョッパ回路）２５０Ａと、キャパシタ２３０に入力される電流および電圧を検出する第１検出器２８０と、通信を行う通信回路２９０とを備えている点で、実施形態１における移動体２００とは異なっている。送電装置１００Ａは、送電共振器１１０に入力される電流および電圧を検出する第２検出器１８０と、通信を行う通信回路１９０とを備えている点で、実施形態１における送電装置１００とは異なっている。以下、実施形態１とは異なる点を説明し、重複する事項については説明を省略する。
【００８６】  図１２は、移動体２００Ａにおける整流器２２０、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａ、キャパシタ２３０、およびモータ２４０の回路構成を示す図である。なお、図１２では、制御回路２７０および各検出器の記載は省略している。図示されるように、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａは、２つのスイッチング素子Ｇ５、Ｇ６を有する。スイッチング素子Ｇ５、Ｇ６は、制御回路２７０によって制御される。
【００８７】  図示されるように、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａは、ハーフブリッジ形２象限コンバータの回路構成を有する。このような構成により、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａは、インピーダンス整合器と充電器の双方の機能を実現することができる。特許文献２の構成とは異なり、１つの回路によって上記２つの機能が実現される。送電装置１００Ａ側には入力インピーダンス整合器が設けられていないため、送電装置１００Ａの低コスト化と小型化を実現することができる。これにより、例えば工場内の様々な場所に送電装置１００Ａを配置することが容易になる。
【００８８】  双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａは、受電制御回路２７０によって制御され、インピーダンス整合および充電コントロールの双方を行う。受電制御回路２７０は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａおよびキャパシタ２３０に接続された第１検出器２８０（電流電圧センサ）からの信号を読み取ることで、フィードバック制御を行う。これにより、キャパシタ２３０の充電量または送受電コイル間の位置ずれなどによって生じるインピーダンスの変動の影響を緩和し、キャパシタ２３０への急速な充電を行うことができる。さらに、キャパシタ２３０が受け取る電圧値を適切な値に降圧することができる。電力伝送中、受電制御回路２７０は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａの降圧比をコントロールし、電流量を増加させることで充電速度を増加させることもできる。
【００８９】  双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａは、実施形態１と同様、キャパシタ２３０から出力された電圧を昇圧してモータ２４０に与える動作も行う。これにより、キャパシタ２３０の電圧降下に伴う移動速度の低下を抑制することができる。
【００９０】  本実施形態における受電制御回路２７０は、キャパシタ２３０への充電を行う際には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａとモータ２４０との間のスイッチＧ７をオフにし、スイッチＧ５、Ｇ６のオン／オフを制御する。これにより、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａは降圧チョッパ回路として機能する。一方、キャパシタ２３０からモータ２４０への給電を行う際には、受電制御回路２７０は、スイッチＧ７をオンにし、Ｇ５、Ｇ６のオン／オフを制御する。これにより、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａは昇圧チョッパ回路として機能する。昇圧チョッパ回路としての動作は、実施形態１で説明した動作と同様である。
【００９１】  制御回路２７０は、第１検出器２８０によって検出された電流および電圧に基づいて、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａにおける２つのスイッチング素子Ｇ５、Ｇ６のスイッチングタイミング、およびインバータ回路１２０に出力させる交流電力の電圧指令値を決定する。そして、当該電圧指令値を示す情報を送電制御回路１４０に送信する。この通信は、移動体２００Ａの通信回路２９０と送電装置１００Ａの通信回路１９０を介して行われる。送電制御回路１４０は、受信した当該情報に基づいて、インバータ回路１２０から出力させる交流電力の電圧を変化させる。なお、上記の通信は特定の方法に限定されず、任意の方法を用いることができる。例えば、振幅変調方式、周波数変調方式、無線ＬＡＮ、またはＺｉｇｂｅｅ（登録商標）等の無線方式を用いることができる。振幅変調または周波数変調による通信を行う場合、不図示の変調回路および復調回路が回路の適切な位置（例えば、インバータ回路１２０の後段および整流回路２２０の前段）に接続され得る。
【００９２】  以下、本実施形態における動作を説明する。
【００９３】  図１３は、本実施形態における送電装置１００Ａおよび移動体２００Ａによる充電時の動作の一例を示すフローチャートである。図１３は、移動体２００Ａが送電装置１００Ａの近傍に移動した後の動作を示している。移動体２００Ａにおける受電制御回路２７０は、まず、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａのスイッチング素子Ｇ５、Ｇ６に供給するパルス信号のデューティ比を予め設定された初期値に設定する（ステップＳ２０１）。そして、送電装置１００Ａの送電制御回路１４０に送電電圧の指令値を示す情報（送電電圧指令と称する。）を送信する（ステップＳ２０２）。ここで、送電電圧の指令値は、予め設定された初期値である。
【００９４】  送電制御回路１４０は、ステップＳ２０３において、送電電圧指令を受けると、インバータ回路１２０に出力させる交流電圧（実効値）を、送電電圧指令が示す値に設定する。この設定は、インバータ回路１２０の各スイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４に供給されるパルス信号のデューティ比（図６に示すｄｉｎｖ）を、当該電圧の値に対応する値に設定することによって行われる。なお、電圧指令値とデューティ比ｄｉｎｖとの関係は、図６に示される電圧Ｖ１の波形（矩形波）を正弦波で近似した場合の電圧の実効値とデューティ比との関係から導かれる。具体的には、デューティ比ｄｉｎｖは、ＤＣ電源５０から出力される電圧の値をＥ、インバータ回路１２０の出力電圧の実効値をＶ１として、以下の数１で表される。【数１】
2017115624.tif 000003
【００９５】  次に、送電制御回路１４０は、第２検出器１８０に、送電共振器１１０の電圧および電流の値を測定させる（ステップＳ２０５）。そして、通信回路１９０を介して、測定された電圧および電流の値を示す情報を送信する（ステップＳ２０６）。
【００９６】  移動体２００Ａの受電制御回路２７０は、ステップＳ２０７において当該情報を受信すると、第１検出器２８０に、キャパシタ２３０に入力される電圧および電流を測定させる（ステップＳ２０８）。受電制御回路２７０は、その電圧および電流の値と、送電装置１００Ａから送信された電圧および電流の値とに基づいて、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａの制御パラメータである相互インダクタンスを推定する（ステップＳ２０９）。相互インダクタンスは、以下の数２で計算される。【数２】
2017115624.tif 000004
【００９７】  ここで、ωｏは角周波数、Ｖ１は送電側電圧、Ｉ１は送電側電流、ＶＢは受電側のキャパシタ電圧、ＩＢは受電側のキャパシタ電流、Ｄは双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａに供給するパルス信号のデューティ比、Ｒ１は送電側の交流抵抗、Ｒ２は受電側の交流抵抗を表す。
【００９８】  次に、受電制御回路２７０は、最大効率を実現するための送電電圧の値と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａのデューティ比とを計算する（ステップＳ２１０）。送電電圧Ｖ１およびデューティ比Ｄは、以下の数３によって計算される。この式は、効率を最大にする条件から導き出される。【数３】
2017115624.tif 000005
【００９９】  受電制御回路２７０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａのデューティ比を、計算したデューティ比Ｄの値に設定する（ステップＳ２１１）。
【０１００】  図１４は、スイッチング素子Ｇ５、Ｇ６に入力されるパルス信号と、デューティ比Ｄとの関係を示す図である。デューティ比Ｄは、スイッチング素子Ｇ５に入力されるパルス信号のデューティ比を表す。スイッチング素子Ｇ６に入力されるパルス信号のデューティ比は、（１−Ｄ）で表される。デューティ比を上記のように設定することにより、インピーダンスを整合し、伝送効率を最大化することができる。
【０１０１】  受電制御回路２７０は、送電電圧の指令値を示す情報を送電制御回路２７０に送信する（ステップＳ２１２）。この際、送電電圧の指令値を示す情報は数３に示される通りＶ１＝Ｅである。仮に、数３のＤを示す式にある通り、Ｖ1を低下させなければＤ＜Ｄｍｉｎとなってしまう場合や、第１検出器２８０が異常な電流電圧値を検知した場合、インバータ回路１２０の発振デューティはＶ１＜Ｅとなるように低下させ、Ｖ1の実行値を低下させるよう送電電圧の指令値を決定する。また、図３に示す送電コイル１１２および受電コイル２１２の場合、Ｒ１＞＞Ｒ２の値を取りうる。この場合、Ｄ＜Ｄｍａｘとなる可能性がある。この際にはＥを可変としてＥを上昇させる構成を用いても良いし、Ｅの最大値を高め、Ｖ1の初期値をＶ1＜Ｅとしてもよい。ここでＤｍｉｎは双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａのデューティ比Ｄを決定する際の下限値を示し、Ｄｍａｘはデューティ比Ｄを決定する際の上限値を示す。
【０１０２】  送電制御回路２７０は、ステップＳ２１３において、通信回路１９０を介して送電電圧の指令値を示す情報を受信すると、当該電圧指令値を実現するように、電圧を設定する（ステップＳ２１４）。ここでも上記の数１を用いて、電圧指令値Ｖ１に対応するデューティ比Ｄｉｎｖを計算する。
【０１０３】  以上の動作は、送電開始時のみならず、送電中に繰り返し（例えば所定時間毎に）実行され得る。これにより、送電装置１００Ａにおける送電電圧と、移動体２００Ａにおける双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａのデューティ比とを最適な値に維持することができる。
【０１０４】  以上のように、本実施形態の移動体システムでは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａが、移動体２００Ａのインピーダンスを送電装置１００Ａのインピーダンスに整合させ、整流器２２０から出力された電圧を降圧してキャパシタ２３０に与え、キャパシタ２３０から出力された電圧を昇圧してモータ２４０に与える。受電制御回路２７０は、キャパシタ２３０への充電を行う際、第１検出器２８０によって検出されたキャパシタ２３０への電流および電圧の値に基づいて、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａにおける２つのスイッチング素子Ｇ５、Ｇ６のスイッチングタイミング、およびインバータ回路１２０に出力させる交流電力の電圧指令値を決定する。当該電圧指令値を示す情報は送電制御回路１４０に送信される。送電制御回路１４０は、受信した当該情報に基づいて、インバータ回路１２０から出力させる交流電力の電圧を変化させる。
【０１０５】  本実施形態では、さらに、送電制御回路１４０は、第２検出器１８０によって検出された送電共振器１０への電流および電圧を示す第２の情報を受電制御回路２７０に送信する。受電制御回路２７０は、受信した第２の情報と、第１検出器２８０によって検出された電流および電圧とに基づいて、２つのスイッチング素子Ｇ５、Ｇ６のスイッチングタイミング、および電圧指令値を決定する。
【０１０６】  これにより、キャパシタ２３０の充電量の変動等によって生じるインピーダンスの変動の影響を抑制し、キャパシタ２３０への急速な充電を行うことができる。本実施形態の動作によれば、移動体２００Ａのインピーダンスを送電装置１００Ａのインピーダンスに整合することができる。さらに、キャパシタ２３０に入力される電圧を適切な値に降圧することができる。降圧比をコントロールし、電流量を増加させることで充電速度を増加させることもできる。
【０１０７】  また、充電中に移動体２００Ａの移動に伴いコイル間の距離が変動したり、各コイルの周辺に金属などの異物が存在したりすることによって生じる各コイルのインダクタンスおよびキャパシタンスの変動が生じたとしても、適切にインピーダンスの整合を行うことができる。上記変動の影響を緩和するように双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａのインピーダンスを送電装置１００Ａのインピーダンスに整合させ、送電効率を向上させることができる。本実施形態によれば、移動体２００の移動中においても、実施形態１よりもさらに効率の良い送電を行うことができる。
【０１０８】  なお、図１３に示す動作では、送電装置１００Ａから移動体２００Ａへの電圧および電流の送信を行うが、この動作を省略することも可能である。例えば、整流器２２０のダイオードブリッジから出力される直流電圧Ｖ２ｄｃおよび直流電流Ｉ２ｄｃに基づいて、Ｖ１＝Ｅのときに、相互インダクタンスＬｍを求めることができる。この際、以下に示す計算式が用いられる。【数４】
2017115624.tif 000006
【０１０９】  電圧Ｖ２ｄｃは、前述のキャパシタ電圧ＶＢをＤＣ−ＤＣコンバータ２５０のデューティ比Ｄで除算することによって求められる。電流Ｉ２ｄｃは、前述のキャパシタ電流ＩＢにデューティ比Ｄを乗ずることによって求められる。したがって、Ｖ１＝Ｅの場合、送電側の電圧および電流を用いずに相互インダクタンスＬｍを求めることができる。
【０１１０】  本実施形態でも、実施形態１と同様に、移動体２００は、モータ２４０に与えられる電圧を検出する電圧検出器（第３検出器）２６０をさらに備える。受電制御回路２７０は、キャパシタ２３０からモータ２４０に電力が供給されている間に、電圧検出器２６０によって検出された電圧に基づいて２つのスイッチング素子Ｇ５、Ｇ６のスイッチングタイミングを調整して双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０Ａの昇圧比を増加させる。
【０１１１】  これにより、キャパシタ２３０の電圧降下に伴ってモータ２４０の入力電圧が低下することを抑制し、移動体２００の速度の安定に保つことができる。
【０１１２】  以上のように、本開示は、以下の各項目に記載の移動体システムおよび移動体を含む。
【０１１３】  ［項目１］  無線送電装置と、  前記無線送電装置から無線で伝送された電力によって駆動される移動体と、を備え、  前記無線送電装置は、  直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、  前記インバータ回路から出力された前記交流電力の少なくとも一部を空間に送出する送電共振器と、  前記送電共振器を流れる電流を検出する第１検出器と、  検出された前記電流に基づいて、前記インバータ回路から出力される前記交流電力の周波数を制御する送電制御回路と、を有し、  前記移動体は、  磁界共振または電磁誘導によって前記送電共振器に結合し得る受電共振器と、  前記受電共振器に接続され、前記受電共振器が受け取った交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、  前記整流器から出力された電力を蓄えるキャパシタと、  前記キャパシタに蓄えられた電力を用いて動作し、前記移動体を移動させるモータと、  前記キャパシタと前記モータとの間に接続され、前記キャパシタから出力された電圧を昇圧または降圧して前記モータに与えるＤＣ−ＤＣコンバータと、  前記モータに与えられる電圧を検出する第２検出器と、  検出された前記電圧に基づいて前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する受電制御回路であって、前記キャパシタから前記モータに電力が供給されている間に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧比を増加させる、または降圧比を減少させる受電制御回路と、を有する移動体システム。
【０１１４】  ［項目２］  前記送電制御回路は、送電を開始するとき、予め設定された周波数範囲に含まれる複数の周波数で前記インバータ回路を順次駆動し、前記複数の周波数の中から、前記送電共振器を流れる前記電流の実効値が最大になる周波数を決定し、決定した前記周波数で前記インバータ回路を駆動する、項目１に記載の移動体システム。
【０１１５】  ［項目３］  前記実効値が最大になる電流の位相は、前記インバータ回路から出力される電圧の位相に一致する、項目２に記載の移動体システム。
【０１１６】  ［項目４］  前記送電制御回路は、前記周波数を決定して前記インバータ回路を前記周波数で駆動してから所定時間が経過したとき、前記周波数を含む他の周波数範囲に含まれる複数の周波数で前記インバータ回路を順次駆動し、前記複数の周波数の中から、前記送電共振器を流れる電流の実効値が最大になる他の周波数を決定し、決定した前記他の周波数で前記インバータ回路を駆動する、項目２または３に記載の移動体システム。
【０１１７】  ［項目５］  前記移動体は、  前記キャパシタの電圧を検出する第３検出器と、  前記キャパシタと前記モータとの間に接続されたスイッチと、をさらに有し、  前記受電制御回路は、  前記第３検出器によって検出された前記キャパシタの電圧が閾値を超えるまでは前記スイッチをオフにして前記キャパシタから前記モータへの電力の供給を停止し、  前記キャパシタの電圧が前記閾値を超えたとき、前記スイッチをオンにして前記キャパシタから前記モータへの前記電力の供給を開始する、項目１から４のいずれかに記載の移動体システム。
【０１１８】  ［項目６］  前記移動体は、前記キャパシタと前記ＤＣ−ＤＣコンバータとの間に接続されたスイッチをさらに有し、  前記受電制御回路は、  前記キャパシタへの充電が行われているときは前記スイッチをオフにして前記キャパシタから前記モータへの電力の供給を停止し、  前記キャパシタへの充電が完了した後は、前記スイッチをオンにして前記キャパシタから前記モータへの前記電力の供給を開始する、項目１から４のいずれかに記載の移動体システム。
【０１１９】  ［項目７］  前記キャパシタは、電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタである、項目１から４のいずれかに記載の移動体システム。
【０１２０】  ［項目８］  前記移動体は、バッテリレス移動体である、項目１から７のいずれかに記載の移動体システム。
【０１２１】  ［項目９］  前記移動体は、前記モータによって駆動される駆動輪を含む複数の車輪を有する無人搬送機である、項目１から８のいずれかに記載の移動体システム。
【０１２２】  ［項目１０］  無線送電装置と、  前記無線送電装置から無線で伝送された電力によって駆動される移動体と、を備え、  前記無線送電装置は、  直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、  前記インバータ回路から出力された前記交流電力の少なくとも一部を空間に送出する送電共振器と、  前記インバータ回路を制御する送電制御回路と、を有し、  前記移動体は、  前記送電共振器が、磁界共振または電磁誘導によって前記送電共振器に結合し得る受電共振器と、  前記受電共振器に接続され、前記受電共振器が受け取った交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、  前記整流器から出力された電力を蓄えるキャパシタと、  前記キャパシタに蓄えられた電力を用いて動作し、前記移動体を移動させるモータと、  前記整流器と前記キャパシタとの間、かつ前記キャパシタと前記モータとの間に接続された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであって、前記移動体のインピーダンスを前記送電装置のインピーダンスに整合させ、前記整流器から出力された電圧を降圧して前記キャパシタに与え、前記キャパシタから出力された電圧を昇圧して前記モータに与える双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、  前記キャパシタに入力される電流および電圧を検出する第１検出器と、  前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する受電制御回路と、を有し、  前記受電制御回路は、前記キャパシタへの充電を行う際、前記第１検出器によって検出された前記電流および前記電圧に基づいて、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのインピーダンス、および前記インバータ回路に出力させる前記交流電力の電圧指令値を決定し、前記電圧指令値を示す情報を前記送電制御回路に送信し、  前記送電制御回路は、受信した前記情報に基づいて、前記インバータ回路から出力させる前記交流電力の電圧を変化させる、移動体システム。
【０１２３】  ［項目１１］  前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記キャパシタに並列に接続された少なくとも２つのスイッチング素子を有し、  前記受電制御回路は、前記少なくとも２つのスイッチング素子のスイッチングタイミングを調整することにより、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの前記インピーダンスおよび前記降圧比を決定する、項目１０に記載の移動体システム。
【０１２４】  ［項目１２］  前記送電装置は、前記送電共振器に入力される電流および電圧を検出する第２検出器をさらに有し、  前記送電制御回路は、前記第２検出器によって検出された前記電流および前記電圧を示す第２の情報を前記受電制御回路に送信し、  前記受電制御回路は、受信した前記第２の情報と、前記第１検出器によって検出された前記電流および前記電圧とに基づいて、前記２つのスイッチング素子のスイッチングタイミング、および前記電圧指令値を決定する、項目１１に記載の移動体システム。
【０１２５】  ［項目１３］  前記移動体は、前記モータに与えられる電圧を検出する第３検出器をさらに有し、  前記受電制御回路は、前記キャパシタから前記モータに電力が供給されている間に、前記第３検出器によって検出された前記電圧に基づいて前記２つのスイッチング素子のスイッチングタイミングを調整して前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧比を増加させる、項目１０から１２のいずれかに記載の移動体システム。
【０１２６】  ［項目１４］  前記移動体は、前記キャパシタと前記モータとの間に接続されたスイッチをさらに有し、  前記受電制御回路は、  前記第１検出器によって検出された前記キャパシタの電圧が閾値を超えるまでは前記スイッチをオフにして前記キャパシタから前記モータへの電力の供給を停止し、  前記キャパシタの電圧が前記閾値を超えたとき、前記スイッチをオンにして前記キャパシタから前記モータへの前記電力の供給を開始する、項目１０から１３のいずれかに記載の移動体システム。
【０１２７】  ［項目１５］  前記キャパシタへの充電が行われている間、  前記受電制御回路は、前記送電共振器に入力された電流および電圧、ならびに前記第１検出器によって検出された前記電流および前記電圧に基づいて、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのインピーダンスを前記送電装置のインピーダンスに整合させ、前記インバータ回路に出力させる前記交流電力の電圧指令値を更新し、前記電圧指令値を示す情報を前記送電制御回路に送信し、  前記送電制御回路は、受信した前記情報に基づいて、前記インバータ回路から出力させる前記交流電力の電圧を変化させる、項目１０から１４のいずれかに記載の移動体システム。
【０１２８】  ［項目１６］  前記キャパシタは、電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタである、項目１０から１５のいずれかに記載の移動体システム。
【０１２９】  ［項目１７］  前記移動体は、バッテリレス移動体である、項目１０から１６のいずれかに記載の移動体システム。
【０１３０】  ［項目１８］  前記移動体は、前記モータによって駆動される駆動輪を含む複数の車輪を有する無人搬送機である、項目１０から１６のいずれかに記載の移動体システム。
【０１３１】  ［項目１９］  送電共振器を有する少なくとも１つの無線送電装置から無線で伝送された電力によって駆動される移動体であって、  磁界共振または電磁誘導によって前記送電共振器に結合し得る受電共振器と、  前記受電共振器に接続され、前記受電共振器が受け取った交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、  前記整流器から出力された電力を蓄えるキャパシタと、  前記キャパシタに蓄えられた電力を用いて動作し、前記移動体を移動させるモータと、  前記キャパシタと前記モータとの間に接続され、前記キャパシタから出力された電圧を昇圧または降圧して前記モータに与えるＤＣ−ＤＣコンバータと、  前記モータに与えられる電圧を検出する検出器と、  検出された前記電圧に基づいて前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する受電制御回路であって、前記キャパシタから前記モータに電力が供給されている間に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧比を増加させる、または降圧比を減少させる受電制御回路と、を備える移動体。
【０１３２】  ［項目２０］  インバータ回路および前記インバータ回路に接続された送電共振器を有する少なくとも１つの無線送電装置から無線で伝送された電力によって駆動される移動体であって、  磁界共振または電磁誘導によって前記送電共振器に結合し得る受電共振器と、  前記受電共振器に接続され、前記受電共振器が受け取った交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、  前記整流器から出力された電力を蓄えるキャパシタと、  前記キャパシタに蓄えられた電力を用いて動作し、前記移動体を移動させるモータと、  前記整流器と前記キャパシタとの間、かつ前記キャパシタと前記モータとの間に接続された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであって、前記移動体のインピーダンスを前記送電装置のインピーダンスに整合させ、前記整流器から出力された電圧を降圧して前記キャパシタに与え、前記キャパシタから出力された電圧を昇圧して前記モータに与える双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、  前記キャパシタに入力される電流および電圧を検出する検出器と、  前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する受電制御回路と、を備え、  前記受電制御回路は、前記キャパシタへの充電を行う際、前記第１検出器によって検出された前記電流および前記電圧に基づいて、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのインピーダンス、および前記インバータ回路に出力させる前記交流電力の電圧指令値を決定し、前記電圧指令値を示す情報を前記無線送電装置に送信する、移動体。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】  本開示の技術は、例えば工場内で使用される無人搬送車（ＡＧＶ）への無線電力伝送システムに適用され得る。本開示の技術は、ＡＧＶに限らず、他の産業機械またはサービスロボット等の移動体に適用できる。
【符号の説明】
【０１３４】  ５０    直流（ＤＣ）電源  １００  無線送電装置  １０５  送電コイルユニット  １１０  送電共振器  １１２  送電コイル  １１２ａ  第１の上側部分  １１２ａ  第１の下側部分  １１２ｃ  第１の矩形面  １２０  インバータ回路  １３０  電流検出器  １４０  送電制御回路  １４２  制御IC  １４３  メモリ  １４４  ゲートドライバ  １８０  第２検出器  ２００  移動体  ２０５  受電コイルユニット  ２０７  駆動輪  ２１０  受電共振器  ２１２  受電コイル  ２１２ａ  第２の上側部分  ２１２ａ  第２の下側部分  ２１２ｃ  第２の矩形面  ２２０  整流器  ２３０  キャパシタ  ２４０  モータ  ２５０  ＤＣ−ＤＣコンバータ（昇圧チョッパ回路）  ２６０  電圧検出器  ２６２  電圧検出器  ２７０  受電制御回路  ２７２  制御IC  ２７３  メモリ  ２７４  ゲートドライバ  ２８０  第１検出器
【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６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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