(57)【要約】【課題】精度が高く、大型化を招くことなく受電側の台数の変化に応じてインピーダンスマッチングが図られ、伝達効率の高い無線給電装置の送電ユニットを提供する。【解決手段】無線給電装置１１の送電ユニット１０は、２台以上の移動体１２へ磁界共鳴を用いて非接触で電力を供給する。送電ユニット１０は、送電コイル２２、高周波生成部２１、コンデンサ回路グループ５１、５２および制御部２４を備える。コンデンサ回路グループ５１、５２は、送電コイル２２と直列に接続されている直列コンデンサ、および高周波を生成するスイッチング素子４１、４２と並列に接続されている並列コンデンサを有し、送電コイル２２とともに設定されるインピーダンスが異なっている。制御部２４は、送電コイル２２から電力を供給する移動体１２の数に応じて、コンデンサ回路グループ５１、５２を断続するスイッチ５１４、５１５、５２４、５２５を断続する。【選択図】図１
2018117404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
設備の構造面に設けられ、前記構造面を移動する２台以上の移動体へ磁界共鳴を用いて非接触で電力を供給する無線給電装置の送電ユニットであって、
前記移動体に設けられている受電コイルと対向する送電コイルと、
スイッチング素子を有し、前記送電コイルへ供給する高周波を生成する高周波生成部と、
前記送電コイルと直列に接続されている直列コンデンサ、および前記スイッチング素子と並列に接続されている並列コンデンサを有し、前記移動体の数に応じて設けられ前記送電コイルとともに設定されるインピーダンスが異なる２組以上のコンデンサ回路グループと、
前記送電コイルから電力を供給する前記移動体に数に応じて前記コンデンサ回路グループを断続するスイッチを制御する制御部と、
を備える無線給電装置の送電ユニット。
【請求項２】
主電源から前記送電コイルへ流れる電流を検出する電流センサをさらに備え、
前記制御部は、前記電流センサで検出した前記主電源から前記送電コイルへ流れる電流に応じて前記スイッチを制御する請求項１記載の無線給電装置の送電ユニット。
【請求項３】
前記移動体に設けられ、前記移動体の仕様を記憶している記憶部と、
前記記憶部に記憶されている前記移動体の仕様を読み取る読取部と、をさらに備え、
前記制御部は、前記読取部で前記記憶部から読み取った前記移動体の仕様に応じて前記スイッチを制御する請求項１記載の無線給電装置の送電ユニット。
【請求項４】
前記制御部は、前記送電コイルの長さに応じて前記スイッチを制御する請求項１記載の無線給電装置の送電ユニット。
【請求項５】
前記直列コンデンサの容量Ｃｃおよび前記並列コンデンサの容量Ｃｌは、以下の式に基づいて決定する請求項１から４のいずれか一項記載の無線給電装置の送電ユニット。
【数１】
2018117404.tif 000005
ωは、角速度であり、発振周波数をｆ０としたとき、ω＝２πｆ０として算出される。
ＱＬは、回路共振値である。
ｌ１は、送電コイルのインダクタンスである。
ｌ２は、受電コイルのインダクタンスである。
Ｍは、相互インダクタンスであり、Ｍ＝ｋ（ｌ１×ｌ２）１／２である。
Ｒｃは、回路のインピーダンスである。
Ｃｏｓｓは、スイッチング素子およびスイッチング素子の出力容量である。
αは、係数であり、発振回路の特性値である。
Ｌは、送電コイルのインダクタンスである。
【請求項６】
前記コンデンサ回路グループは、前記高周波生成部と電気的に脱着可能に設けられている請求項１から５のいずれか一項記載の無線給電装置の送電ユニット。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項記載の無線給電装置の送電ユニットであって、
前記高周波生成部の前記スイッチング素子は、
チョークコイルを介して主電源に接続され、逆位相で駆動される２つのＭＯＳＦＥＴであり、
２つの前記ＭＯＳＦＥＴのドレインが前記直列コンデンサおよび前記並列コンデンサを介して前記送電コイルに接続され、
２つの前記ＭＯＳＦＥＴのそれぞれに前記並列コンデンサが接続され、
前記制御部は、２つの前記ＭＯＳＦＥＴのそれぞれに接続されている前記直列コンデンサおよび前記並列コンデンサからなる前記コンデンサ回路グループを断続する前記スイッチを制御する無線給電装置の送電ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、設備で用いられる移動体へ無線で電力を供給する無線給電装置の送電ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力を伝達する手段として、送電側から受電側へ無線で電力を供給する無線給電装置の利用が進みつつある。この無線給電装置は、例えば工場などの設備と、この設備で用いられるＡＧＶ（Auto Guided Vehicle）やロボットなどの移動体との間における電力の供給にも用いることができる。これらＡＧＶやロボットなどの移動体は、設備の床面や壁面などの構造面に沿って移動する。そして、移動体は、受電コイルを通して構造面に設けられた送電ユニットの送電コイルから電力を受け取る。この場合、電力を供給する送電コイルは、複数の台数の移動体に対して同時に電力を供給できるように全長が設定されている。すなわち、送電コイルは、移動体の受電コイルと対向することにより、１台以上の移動体に対して同時に電力を供給することができる。ところが、磁界共鳴を利用する無線給電の場合、移動体の数によって送電コイルのインピーダンスが変化する。磁界共鳴を利用する場合、インピーダンスを最適化させるいわゆるインピーダンスマッチングが求められる。ところが、上述のように電力を供給する移動体の数が変化する場合、１台の移動体に最適化したインピーダンスでは、２台の移動体へ電力を供給するときインピーダンスが変化し、送電効率が低下するという問題がある。逆に、２台の移動体に最適化したインピーダンスでは、１台の移動体に対する送電効率が低下する。さらに、３台以上の移動体の場合も、同様の問題が生じる。このような問題を解決するために、特許文献１は、可変トランスの巻数比すなわちコイルの巻数を可変にすることにより、インピーダンスマッチングを図ることを提案している。
【０００３】
しかしながら、ＭＨｚ領域の高い周波数を利用する磁界共鳴の場合、特許文献１のように可変トランスを用いると、コアの損失が大きくなり、伝達効率の低下を招くという問題がある。また、トランスは、その体格が大きく、工場などの設備に設置することを前提とするＡＧＶやロボットの無線給電装置への適用が難しいという問題がある。すなわち、工場などの設備に設置する場合、周辺の機器との干渉などの問題から設置容積の低減が求められ、大型化するトランスの利用は困難である。さらに、トランスは、物理的な巻線を利用するため精度が確保しにくく、厳密なインピーダンスマッチングが困難であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１２２９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、精度が高く、大型化を招くことなく受電側の台数の変化に応じてインピーダンスマッチングが図られ、伝達効率の高い無線給電装置の送電ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明では、直列コンデンサおよび並列コンデンサを有するコンデンサ回路グループを備えている。コンデンサ回路グループは、受電の対象となる移動体の数に応じて設定されている。すなわち、同時に受電する移動体の最大数が２台の場合は２つのコンデンサ回路グループ、３台の場合は３つのコンデンサ回路グループが設定されている。そして、これら複数のコンデンサ回路グループは、それぞれ送電コイルとともに生じるインピーダンスが異なっている。すなわち、各コンデンサ回路グループは、受電の対象となる移動体の数にあわせてインピーダンスマッチングが図られている。制御部は、送電コイルから電力を供給する移動体の数にあわせて、コンデンサ回路グループを断続するスイッチを制御する。例えば送電コイルから電力の供給を受ける移動体が１台であるとき、制御部は１台の移動体に対してインピーダンスマッチングが図られたコンデンサ回路グループのスイッチを接続する。つまり、例えば送電コイルから電力の供給を受ける移動体がｎ台（ｎ≧２）であるとき、制御部はｎ台の移動体に対してインピーダンスマッチングが図られたｎ組のコンデンサ回路グループのスイッチを接続する。これにより、送電コイルから電力の供給をうける移動体の数が変化しても、常に最適化されたコンデンサ回路グループと送電コイルとが接続され、インピーダンスマッチングが図られる。したがって、移動体の数にかかわらず電力の伝達効率を高めることができる。
【０００７】
また、請求項１記載の発明の場合、インピーダンスは直列コンデンサおよび並列コンデンサの容量によって設定されている。直列コンデンサおよび並列コンデンサに用いられるコンデンサは、巻線を必要としないことから、体格が小さく、容量の精度も高い。したがって、精度を高くすることができ、大型化を招くことなく受電側の台数の変化に応じてインピーダンスマッチングを図ることができる。
【０００８】
請求項２記載の発明では、制御部は、電流センサで検出した主電源から送電コイルへ流れる電流に応じてスイッチを制御している。電力の供給を受ける移動体の数が増加すると、主電源から送電コイルへ流れる電流は増加する。これにより、送電コイルと対向している移動体の数、すなわち送電コイルから電力の供給を受ける移動体の数は、主電源から送電コイルへ電流によって検出される。そのため、制御部は、電流をもとに検出した移動体の数に応じて自動的にコンデンサ回路グループのスイッチを制御する。したがって、移動体の数が変化しても、迅速かつ確実にインピーダンスマッチングが図られ、伝達効率を向上することができる。
【０００９】
請求項３記載の発明では、制御部は、移動体に設けられている記憶部から読取部で読み取った移動体の仕様に応じてスイッチを制御している。移動体は、個体毎に搭載する機器の電気的な特性が異なる。例えば移動体が送電コイルから受け取った電力を蓄電池に蓄える場合、蓄電池の仕様ごとに電気的な特性が異なり、インピーダンスも異なる。そこで、記憶部は、この移動体の個体毎の特性を記憶している。そして、制御部は、移動体の個体毎の特性に応じて、最適化されたコンデンサ回路グループを選択する。すなわち、制御部は、移動体の数だけでなくその電気的な特性に応じて自動的にコンデンサのスイッチを制御する。したがって、移動体の数が変化しても、迅速かつ確実にインピーダンスマッチングが図られ、伝達効率を向上することができる。
【００１０】
請求項４記載の発明では、制御部は、送電コイルの長さに応じてスイッチを制御している。電力の供給を受ける移動体の数が増加すると、電力の供給のために稼働する送電コイルの全長が大きくなる。すなわち、送電コイルは、対向する受電コイルとの間で磁界共鳴が生じるとき、その磁界共鳴を生じる部分においてインピーダンスが低下する。そのため、送電コイルの全長が一定であっても、電力の伝達を行なう移動体の数が増えると、インピーダンスが低下する部分の長さ、つまり稼働する送電コイルの全長が増大する。送電コイルの全長が変化すると、電気的な特性が変化し、インピーダンスも変化する。そこで、制御部は、稼働する送電コイルの全長から移動体の数を検出し、この長さに応じて、最適化されたコンデンサの回路グループを選択する。そのため、制御部は、移動体の数に応じて変化する送電コイルの長さに応じて自動的にコンデンサ回路グループのスイッチを制御する。したがって、移動体の数が変化しても、迅速かつ確実にインピーダンスマッチングが図られ、伝達効率を向上することができる。
【００１１】
請求項６記載の発明では、コンデンサ回路グループは、高周波生成部と電気的に脱着可能に設けられている。コンデンサ回路グループは、例えばカプラによる接続などによって、高周波生成部と脱着可能に設けられている。これにより、移動体のインピーダンス特性が変化したとき、高周波生成部や送電コイルなどの送電ユニットの基幹部品を変更することなく、例えば基板に設けられたコンデンサ回路グループを交換することにより、インピーダンスマッチングが図られる。したがって、移動体の特性に応じてインピーダンスマッチングを容易かつ簡便に行なうことができる。
【００１２】
請求項７記載の発明では、２つのＭＯＳＦＥＴは、駆動信号が反転されており、それぞれ送電コイルに接続している。これにより、送電コイルの両端には、いわゆる交番的に電圧が印加される。したがって、送電コイルに流れる電流を増すことができ、伝達効率の向上を図ることができる。また、２つのＭＯＳＦＥＴのドレインに対して移動体の数に応じた直列コンデンサおよび並列コンデンサで構成されるコンデンサ回路グループが接続される。このコンデンサ回路グループを構成する直列コンデンサおよび並列コンデンサの容量は、数式によって一義的に決定される。したがって、移動体の数に応じた各コンデンサの容量の設定が容易になるとともに、小型モジュール化を図ることができ、実装サイズの小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態による無線給電装置の送電ユニットの電気的な回路を示す概略図
【図２】第１実施形態による無線給電装置の送電ユニットを適用した充電システムを示す概略図
【図３】第１実施形態の変形例による無線給電装置の送電ユニットの電気的な回路を示す概略図
【図４】第２実施形態による無線給電装置の送電ユニットの電気的な回路を示す概略図
【図５】第３実施形態による無線給電装置の送電ユニットを適用した充電システムを示す概略図
【図６】第４実施形態による無線給電装置の送電ユニットの電気的な回路を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、送電ユニットを適用した無線給電装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図２に第１実施形態による送電ユニット１０を適用した無線給電装置１１を示す。無線給電装置１１は、送電ユニット１０と、２台以上の移動体１２を備えている。なお、図２を含み第１実施形態では、説明の簡単のために２台の移動体１２を備える無線給電装置１１の例を示す。したがって、無線給電装置１１は、２台の移動体１２に限らず、３台以上の移動体１２を備えていてもよい。移動体１２は、例えば工場などの設備で用いられるＡＧＶである。２台の移動体１２は、同一の構造である。送電ユニット１０は、充電領域１３に設けられている。充電領域１３は、工場などの設備１４の構造面１５に設けられている。構造面１５は、設備１４の床面に限らず、壁面であってもよい。
【００１５】
送電ユニット１０は、高周波生成部２１、送電コイル２２、電流センサ２３および制御部２４を備えている。高周波生成部２１は、主電源２５に接続されている。高周波生成部２１は、例えばインバータを構成しており、主電源２５からの電力を用いて予め設定された高周波の電力を生成する。送電コイル２２は、薄い板状の平面コイルであり、無線給電装置１１を適用する設備の充電領域１３において床面などに設けられている。送電コイル２２は、高周波生成部２１で生成した高周波の電力が供給される。電流センサ２３は、主電源２５と高周波生成部２１との間に設けられ、主電源２５と高周波生成部２１との間を流れる電流を検出する。電流センサ２３は、検出した電流を制御部２４へ出力する。制御部２４は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成されており、送電ユニット１０をソフトウェア的に制御する。なお、制御部２４は、電気的な回路としてハードウェア的に構成してもよく、ソフトウェアとハードウェアとの協働によって作動する構成としてもよい。
【００１６】
移動体１２は、車体３１、駆動部３２および受電ユニット３３を備えている。車体３１は、駆動部３２によって設備において予め設定された経路に沿って駆動される。移動体１２は、駆動部３２で車輪３４を駆動することにより走行する。受電ユニット３３は、受電コイル３５、整流回路部３６、バッテリ３７、スイッチ３８および制御回路部３９を有している。受電コイル３５は、例えば車体３１の底面などに設けられており、設備の床面に設けられている送電ユニット１０の送電コイル２２と対向する。これにより、送電コイル２２に高周波生成部２１で生成した高周波を供給すると、送電コイル２２と受電コイル３５との間に磁界的な共鳴が生じる。この共鳴を利用することにより、送電コイル２２から受電コイル３５には無線によって電力が伝達される。すなわち、移動体１２の受電ユニット３３は、磁界共鳴を利用した無線給電により、送電ユニット１０から電力の供給を受ける。
【００１７】
整流回路部３６、バッテリ３７、スイッチ３８および制御回路部３９は、車体３１に搭載されている。整流回路部３６は、受電コイル３５で送電ユニット１０から受け取った高周波の電力を直流に整流する。バッテリ３７は、整流回路部３６で整流された電力を蓄える。バッテリ３７は、例えばリチウムイオン電池などの周知の二次電池で構成されている。スイッチ３８は、受電コイル３５を含む受電ユニット３３の電気的な回路を断続する。制御回路部３９は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成されており、移動体１２における受電ユニット３３をソフトウェア的に制御する。また、制御回路部３９は、駆動部３２を制御することにより、移動体１２の走行についても制御する。なお、制御回路部３９は、電気的な回路としてハードウェア的に構成してもよく、ソフトウェアとハードウェアとの協働によって作動する構成としてもよい。制御回路部３９は、バッテリ３７における充電量を検出し、検出したバッテリ３７の充電量に応じてスイッチ３８をオンまたはオフする。つまり、制御回路部３９は、バッテリ３７に充電容量が残っているときスイッチ３８をオンして、受電コイル３５による電力の受け取りを実行する。一方、制御回路部３９は、バッテリ３７に充電容量が残っていない、すなわちバッテリ３７が満充電のときスイッチ３８をオフして、受電コイル３５による電力の受け取りを停止する。このように、制御回路部３９は、バッテリ３７における充電容量に応じてスイッチ３８をオンまたはオフすることにより、バッテリ３７の充電を制御する。移動体１２は、バッテリ３７に蓄えられた電力を利用して駆動部３２によって駆動される。
【００１８】
次に、図１に基づいて無線給電装置１１の電気的な構成について説明する。
（送電ユニット）
送電ユニット１０は、上述のように高周波生成部２１を備えている。高周波生成部２１は、送電コイル２２に接続している。高周波生成部２１は、主電源２５から供給された電力に基づいて高周波を生成するスイッチング素子４１およびスイッチング素子４２を有している。高周波生成部２１は、これらスイッチング素子４１およびスイッチング素子４２のスイッチングによって高周波を生成する。スイッチング素子４１およびスイッチング素子４２は、ＭＯＳＦＥＴで構成されている。
【００１９】
第１実施形態の場合、高周波生成部２１は、２台の移動体１２に対応して第一コンデンサ回路グループ５１および第二コンデンサ回路グループ５２の２組のコンデンサ回路グループを有している。第一コンデンサ回路グループ５１は、送電コイル２２と直列に接続されているコンデンサ５１１を有している。コンデンサ５１１は、送電コイル２２とともにＬＣ発振回路を構成している。これにより送電コイル２２は、スイッチング素子４１およびスイッチング素子４２のスイッチングによって生成された高周波を発振する。コンデンサ５１１は、直列コンデンサである。また、第一コンデンサ回路グループ５１は、コンデンサ５１２およびコンデンサ５１３を有している。これらコンデンサ５１２およびコンデンサ５１３は、スイッチング素子４１、スイッチング素子４２および送電コイル２２と並列に接続されている。コンデンサ５１２およびコンデンサ５１３は、並列コンデンサである。第一コンデンサ回路グループ５１は、スイッチ５１４およびスイッチ５１５を有している。スイッチ５１４は、スイッチング素子４１と送電コイル２２との間を断続する。同様に、スイッチ５１５は、スイッチング素子４２と送電コイル２２との間を断続する。スイッチ５１４およびスイッチ５１５は、機械的なスイッチでもよく、スイッチング素子を用いてもよい。
【００２０】
第二コンデンサ回路グループ５２は、実質的には第一コンデンサ回路グループ５１と電気的な回路構成が共通している。具体的には、第二コンデンサ回路グループ５２は、送電コイル２２と直列に接続されているコンデンサ５２１を有している。コンデンサ５２１は、送電コイル２２とともにＬＣ発振回路を構成している。これにより送電コイル２２は、スイッチング素子４１およびスイッチング素子４２のスイッチングによって生成された高周波を発振する。コンデンサ５２１は、直列コンデンサである。また、第二コンデンサ回路グループ５２は、コンデンサ５２２およびコンデンサ５２３を有している。これらコンデンサ５２２およびコンデンサ５２３は、スイッチング素子４１およびスイッチング素子４２と並列に接続されている。コンデンサ５２２およびコンデンサ５２３は、並列コンデンサである。第二コンデンサ回路グループ５２は、スイッチ５２４およびスイッチ５２５を有している。スイッチ５２４は、スイッチング素子４１と送電コイル２２との間を断続する。同様に、スイッチ５２５は、スイッチング素子４２と送電コイル２２との間を断続する。スイッチ５２４およびスイッチ５２５は、機械的なスイッチでもよく、スイッチング素子を用いてもよい。
【００２１】
制御部２４は、電流センサ２３で検出した電流に基づいて、高周波生成部２１のスイッチ５１４、スイッチ５１５、スイッチ５２４およびスイッチ５２５をオンまたはオフする。具体的には、制御部２４は、送電コイル２２の発振に第一コンデンサ回路グループ５１を用いるとき、スイッチ５１４およびスイッチ５１５をオンにし、スイッチ５２４およびスイッチ５２５をオフにする。一方、制御部２４は、送電コイル２２の発振に第二コンデンサ回路グループ５２を用いるとき、スイッチ５１４およびスイッチ５１５をオフにし、スイッチ５２４およびスイッチ５２５をオンにする。これにより、第一コンデンサ回路グループ５１を用いるとき、高周波生成部２１は、スイッチング素子４１、コンデンサ５１１、送電コイル２２およびスイッチング素子４２を含む電気的な回路が構成され、この回路と並列にコンデンサ５１２およびコンデンサ５１３が含まれる。一方、第二コンデンサ回路グループ５２を用いるとき、高周波生成部２１は、スイッチング素子４１、コンデンサ５２１、送電コイル２２およびスイッチング素子４２を含む電気的な回路が構成され、この回路と並列にコンデンサ５２２およびコンデンサ５２３が含まれる。
【００２２】
スイッチング素子４１は、チョークコイル５３を介して主電源２５に接続している。同様に、スイッチング素子４２は、チョークコイル５４を介して主電源２５に接続している。スイッチング素子４１とスイッチング素子４２とは、逆位相で駆動される。スイッチング素子４１およびスイッチング素子４２は、それぞれＭＯＳＦＥＴのドレインが送電コイル２２に接続している。そして、スイッチング素子４１およびスイッチング素子４２と送電コイル２２との間には、第一コンデンサ回路グループ５１および第二コンデンサ回路グループ５２の各コンデンサが接続している。さらに、これらスイッチング素子４１およびスイッチング素子４２のそれぞれには、並列コンデンサであるコンデンサ５１２、コンデンサ５１３、コンデンサ５２２、コンデンサ５２３が並列に接続している。
【００２３】
（受電ユニット）
受電ユニット３３は、整流回路部３６を備えている。整流回路部３６は、受電コイル３５に接続している。整流回路部３６は、受電コイル３５で受け取った高周波を整流する整流素子３６１および整流素子３６２を有している。整流素子３６１および整流素子３６２は、一般にダイオードである。整流回路部３６は、これら整流素子３６１および整流素子３６２によって、高周波を直流に変換する。整流回路部３６は、バッテリ３７に接続している。整流回路部３６で整流された電力は、バッテリ３７に蓄えられる。
【００２４】
（制御部の作動）
制御部２４は、電流センサ２３で検出した電流によってスイッチ５１４およびスイッチ５１５、ならびにスイッチ５２４およびスイッチ５２５のオンまたはオフを切り替える。送電ユニット１０の送電コイル２２から移動体１２における受電ユニット３３の受電コイル３５へ伝達される電力は、移動体１２の数によって変化する。すなわち、送電コイル２２から受電コイル３５へ伝達される電力は、送電コイル２２との間で磁界共鳴を発生する移動体１２の数によって変化する。そのため、高周波生成部２１で消費される電力も、移動体１２の数によって変化する。つまり、移動体１２の数が増加することによって、高周波生成部２１で消費される電力も増大する。これにより、電流センサ２３で検出される電流は、移動体１２の数が増加するにつれて増大する。したがって、電流センサ２３で検出する電流の大きさは、送電コイル２２から電力の供給を受ける受電コイル３５の数、つまり移動体１２の数に相関する。
【００２５】
そこで、制御部２４は、電流センサ２３で検出した電流の大きさに応じて、電力を供給する対象となる移動体１２の数を検出し、検出した移動体１２に数に応じてスイッチ５１４、スイッチ５１５、スイッチ５２４およびスイッチ５２５を操作する。磁界共鳴を利用する場合、送電コイル２２と受電コイル３５との間には、インピーダンスの最適化、つまりインピーダンスマッチングが求められる。送電コイル２２と受電コイル３５との間でインピーダンスマッチングがなされていない場合、送電コイル２２と受電コイル３５との間で磁界共鳴が生じなかったり、磁界共鳴が生じても電力の伝達効率が著しく低下するなどの問題がある。一方、送電コイル２２と受電コイル３５との間のインピーダンスマッチングは、送電コイル２２と受電コイル３５との間において一対一で設定される。そのため、例えば１台の移動体１２に対して送電コイル２２と受電コイル３５とのインピーダンスマッチングを図ると、受電の対象となる移動体１２の数が２台になったとき、インピーダンスは最適な範囲から外れてしまう。一方、２台の移動体１２に対して送電コイル２２と受電コイル３５とのインピーダンスマッチングを図ると、受電の対象となる移動体１２の数が１台になったとき、インピーダンスは最適な範囲から外れてしまう。そのため、第１実施形態のように受電の対象となる移動体１２の数が変化するとき、いずれかの台数にインピーダンスマッチングを図ると、他の台数におけるインピーダンスが最適な範囲から外れ、電力の伝達効率の低下を招くことになる。
【００２６】
第１実施形態では、制御部２４は、上述のように電流センサ２３で検出した電流に基づいて、第一コンデンサ回路グループ５１と第二コンデンサ回路グループ５２とを切り替えている。すなわち、第１実施形態の場合、第一コンデンサ回路グループ５１におけるコンデンサ５１１、コンデンサ５１２およびコンデンサ５１３は、例えば１台の移動体１２に電力を供給する際のインピーダンスを最適化できる容量に設定されている。一方、第二コンデンサ回路グループ５２におけるコンデンサ５２１、コンデンサ５２２およびコンデンサ５２３は、例えば２台の移動体１２に電力を供給する際のインピーダンスを最適化できる容量に設定されている。これにより、制御部２４は、電流センサ２３で電流を検出することにより、充電の対象となる移動体１２の数を検出し、検出した移動体１２の数に応じて第一コンデンサ回路グループ５１と第二コンデンサ回路グループ５２とを切り替えている。その結果、送電ユニット１０は、充電のために充電領域１３に進入して受電の対象となっている移動体１２の数に応じて最適な回路系統が自動的に選択される。
【００２７】
第１実施形態では、スイッチング素子４１およびスイッチング素子４２と並列にコンデンサ５１２もしくはコンデンサ５１３、またはコンデンサ５２２もしくはコンデンサ５２３を接続することにより、例えばトランスのような巻線は必要としない。そのため、第１実施形態では、送電ユニット１０の小型化が容易であり、各コンデンサの容量の精度も高くなる。その結果、送電コイル２２のインピーダンスを高精度に調整することができる。
ここで、直列コンデンサであるコンデンサ５１１およびコンデンサ５２１の容量Ｃｃ、ならびに並列コンデンサであるコンデンサ５１２、５１３、５２２、５２３の容量Ｃｌは、以下の式によって算出される。
【００２８】
【数１】
2018117404.tif 000003
【００２９】
ωは、角速度であり、発振周波数をｆ０としたとき、ω＝２πｆ０として算出される。
ＱＬは、回路共振値である。
ｌ１は、送電コイルのインダクタンスである。
ｌ２は、受電コイルのインダクタンスである。
Ｍは、相互インダクタンスであり、Ｍ＝ｋ（ｌ１×ｌ２）１／２である。
Ｒｃは、回路のインピーダンスである。
Ｃｏｓｓは、スイッチング素子およびスイッチング素子の出力容量である。
αは、係数であり、発振回路の特性値である。
上記の式において、Ｌは、送電コイルのインダクタンスであり、次の式で算出される。
【００３０】
【数２】
2018117404.tif 000004
【００３１】
以上の式によって、直列コンデンサであるコンデンサ５１１およびコンデンサ５２１の容量Ｃｃ、ならびに並列コンデンサであるコンデンサ５１２、５１３、５２２、５２３の容量Ｃｌが算出される。
したがって、第一コンデンサ回路グループ５１の直列コンデンサであるコンデンサ５１１と第二コンデンサ回路グループ５２の直列コンデンサであるコンデンサ５２１とは、移動体１２の数に応じて変化するインピーダンスにあわせて異なる容量に設定されている。同様に、第一コンデンサ回路グループ５１の並列コンデンサであるコンデンサ５１２、５１３と第二コンデンサ回路グループ５２の並列コンデンサであるコンデンサ５２２、５２３とは、移動体１２の数に応じて変化するインピーダンスにあわせて異なる容量に設定されている。
【００３２】
次に、第１実施形態による無線給電装置１１の作動について説明する。
移動体１２は、設備において予め設定された経路を巡回する。そして、特定の時期になると、移動体１２は送電ユニット１０が設けられている充電領域１３へ移動する。移動体１２は、充電領域１３に到達すると、送電ユニット１０から電力の供給を受ける。このとき、移動体１２の制御回路部３９は、バッテリ３７の充電容量に基づいて、スイッチ３８のオンまたはオフを行なう。これにより、移動体１２の受電ユニット３３は、バッテリ３７に充電可能な容量が残っているとき、送電ユニット１０から磁界共鳴による無線で電力を受け取る。受電ユニット３３で受け取った電力は、整流回路部３６で整流された後、バッテリ３７に充電される。
【００３３】
充電領域１３には、２台以上の移動体１２が進入可能である。第１実施形態の場合、充電領域１３には２台の移動体１２が進入可能である。そのため、送電ユニット１０は、１台の移動体１２へ送電、２台の移動体１２へ送電、または２台の移動体１２のいずれにも送電を停止のいずれかの処理を実行する。充電領域１３に２台の移動体１２が進入しているときでも、いずれか一方の移動体１２のバッテリ３７に充電可能な容量が残っていないとき、この移動体１２には送電ユニット１０からの送電が行なわれない。そのため、充電領域１３に２台の移動体１２が進入している場合でも、１台の移動体１２にのみ送電が行なわれることがある。
【００３４】
このように、充電領域１３では、１台または２台の移動体１２へ電力の伝達が行なわれる。送電ユニット１０の制御部２４は、主電源２５から高周波生成部２１へ流れる電流の大きさに基づいて、充電領域１３において送電コイル２２から電力の供給を受ける移動体１２の数を検出する。そして、制御部２４は、充電領域１３において１台の移動体１２が電力の供給を受けると判断したとき、スイッチ５１４、５１５、５２４、５２５を駆動して、送電コイル２２を第一コンデンサ回路グループ５１に接続する。これにより、送電コイル２２は、第一コンデンサ回路グループ５１によって１台の移動体１２に対応するようにインピーダンスが最適化される。一方、制御部２４は、充電領域１３において２台の移動体１２が電力の供給を受けると判断したとき、スイッチ５１４、５１５、５２４、５２５を駆動して、送電コイル２２を第二コンデンサ回路グループ５２に接続する。これにより、送電コイル２２は、第二コンデンサ回路グループ５２によって２台の移動体１２に対応するようにインピーダンスが最適化される。さらに、制御部２４は、充電領域１３に電力の供給を受ける移動体１２がないとき、スイッチ５１４、５１５、５２４、５２５をすべてオフにして、高周波生成部２１と送電コイル２２との間を遮断する。これにより、送電コイル２２は、無用な電力を消費することなく、発振を停止する。
【００３５】
以上説明した第１実施形態では、第一コンデンサ回路グループ５１および第二コンデンサ回路グループ５２を備えている。第一コンデンサ回路グループ５１は、受電の対象となる移動体１２が１台であるときにインピーダンスが最適化されるようにコンデンサ５１１、５１２、５１３の容量が設定されている。また、第二コンデンサ回路グループ５２は、受電の対象となる移動体１２が２台であるときにインピーダンスが最適化されるようにコンデンサ５２１、５２２、５２３の容量が設定されている。制御部２４は、送電コイル２２から電力を供給する移動体１２の数にあわせて、第一コンデンサ回路グループ５１または第二コンデンサ回路グループ５２を断続するスイッチ５１４、５１５、５２４、５２５を制御する。これにより、送電コイル２２から電力の供給を受ける移動体１２の数が変化しても、送電コイル２２には常に最適化されたコンデンサ回路グループが接続され、インピーダンスマッチングが図られる。したがって、移動体１２の数にかかわらず電力の伝達効率を高めることができる。
【００３６】
また、第１実施形態では、第一コンデンサ回路グループ５１および第二コンデンサ回路グループ５２のインピーダンスは、送電コイル２２と直列に接続されているコンデンサ５１１、５２１、および送電コイル２２およびスイッチング素子４１、４２と並列に接続されているコンデンサ５１２、５１３、５２２、５２３の容量によって設定されている。これらのコンデンサ５１１、５１２、５１３、５２１、５２２、５２３は、トランスのように巻線を必要としないことから、体格が小さく、容量の精度も高い。したがって、精度を高くすることができ、大型化を招くことなく受電側の移動体１２の台数の変化に応じてインピーダンスの最適化を図ることができる。
【００３７】
第１実施形態では、制御部２４は、電流センサ２３で検出した主電源２５から送電コイル２２へ流れる電流に応じてスイッチ５１４、５１５、５２４、５２５を制御している。電力の供給を受ける移動体１２の数が増加すると、主電源２５から送電コイル２２へ流れる電流は増加する。これにより、送電コイル２２と対向している移動体１２の数、すなわち送電コイル２２から電力の供給を受ける移動体１２の数は、主電源２５から送電コイル２２へ流れる電流によって検出される。そのため、制御部２４は、電流に基づいて検出した移動体１２の数に応じて、スイッチ５１４、５１５、５２４、５２５を自動的に制御する。したがって、移動体１２の数が変化しても、迅速かつ確実にインピーダンスの最適化が図られ、電力の伝達効率を向上することができる。
【００３８】
（第１実施形態の変形例）
上記の第１実施形態では、図１に示すように第一コンデンサ回路グループ５１のスイッチング素子４１側、および第二コンデンサ回路グループ５２のスイッチング素子４１側において直列にコンデンサ５１１およびコンデンサ５１２を接続する例について説明した。しかし、図３に示すように第一コンデンサ回路グループ５１は、スイッチング素子４１側のコンデンサ５１１に加え、スイッチング素子４２側において送電コイル２２と直列に接続されたコンデンサ５１６を含んでいてもよい。同様に、第二コンデンサ回路グループ５２は、スイッチング素子４１側のコンデンサ５２１に加え、スイッチング素子４２側において送電コイル２２と直列に接続されたコンデンサ５２６を含んでいてもよい。このように、第一コンデンサ回路グループ５１および第二コンデンサ回路グループ５２は、スイッチング素子４２側において送電コイル２２と直列にコンデンサ５１６およびコンデンサ５２６を接続してもよい。第一コンデンサ回路グループ５１および第二コンデンサ回路グループ５２にコンデンサ５１６およびコンデンサ５２６を追加することにより、インピーダンスの設定をより詳細に行なうことができ、インピーダンスの最適化の精度向上および電力の伝達効率の向上を図ることができる。
【００３９】
また、第１実施形態では、２つのスイッチング素子４１、４２は、駆動信号が反転されており、それぞれ送電コイル２２に接続している。これにより、送電コイル２２の両端には、いわゆる交番的に電圧が印加される。したがって、送電コイル２２に流れる電流を増すことができ、伝達効率の向上を図ることができる。また、２つのスイッチング素子４１、４２のドレインにコンデンサ回路グループが接続される。このコンデンサ回路グループを構成する各コンデンサの容量は、上述の数式によって一義的に決定される。したがって、移動体１２の数に応じた各コンデンサの容量の設定が容易になるとともに、コンデンサ回路グループの小型モジュール化を図ることができ、実装サイズの小型化を実現することができる。さらに、第１実施形態の高周波生成部２１では、コンデンサ回路グループという同一形状の回路を追加するだけでインピーダンスの変化に対応可能である。したがって、移動体１２の数によって変化するインピーダンスに応じた回路設計を容易にすることができる。
【００４０】
なお、第一コンデンサ回路グループ５１および第二コンデンサ回路グループ５２は、第１実施形態とは逆に、送電コイル２２のスイッチング素子４２側において直列にコンデンサ５１６およびコンデンサ５２６を接続し、送電コイル２２のスイッチング素子４１側のコンデンサ５１１およびコンデンサ５２１を省略してもよい。このように、各コンデンサの配置は、対象とする移動体１２の特性に応じて、任意に変更することができる。
【００４１】
（第２実施形態）
第２実施形態による送電ユニットを適用した無線給電装置を図４に示す。
図４に示すように第２実施形態による無線給電装置１１は、記憶部６１を備えている。記憶部６１は、移動体１２に設けられており、移動体１２の仕様を記憶している。記憶部６１は、例えば２次元バーコードや記憶媒体などを有している。記憶部６１は、これらに限らず、移動体１２の仕様を記憶可能な構成であれば任意に適用することができる。また、移動体１２の仕様とは、例えば移動体１２に設けられているバッテリ３７の容量、あるいは移動体１２の個体毎に割り振られた固有番号などである。移動体１２の仕様は、これらの例示に限らず、移動体１２を識別可能であれば任意の識別子とすることができる。
【００４２】
送電ユニット１０は、読取部６２を備えている。読取部６２は、送電ユニット１０の制御部２４に接続している。読取部６２は、移動体１２に設けられた記憶部６１に記憶されている移動体１２の仕様を読み取り、制御部２４へ出力する。例えば記憶部６１が２次元のバーコードの場合、読取部６２は記憶部６１を光学的に読み取る。また、例えば記憶部６１が記憶媒体の場合、読取部６２は接触または非接触によって記憶部６１に記憶されているデータを読み取る。
【００４３】
制御部２４は、読取部６２で読み取った移動体１２に固有の仕様に基づいてスイッチ５１４、５１５、５２４、５２５を操作する。すなわち、制御部２４は、読取部６２で記憶部６１に記憶されている移動体１２の仕様を読み取ることにより、移動体１２の台数を取得できるだけでなく、移動体１２ごとのインピーダンス特性を取得する。制御部２４は、このように読取部６２で読み取った移動体１２ごとの仕様に応じてスイッチ５１４、５１５、５２４、５２５を切り替え、移動体１２の数および特性に応じたコンデンサ回路グループを選択する。
【００４４】
第２実施形態では、制御部２４は、移動体１２に設けられている記憶部６１から読取部６２で読み取った移動体１２の仕様に応じてスイッチ５１４、５１５、５２４、５２５を制御している。移動体１２は、個体毎に搭載する機器の電気的な特性が異なる。例えば移動体１２が送電コイル２２から受け取った電力をバッテリ３７に蓄える場合、バッテリ３７の仕様ごとに電気的な特性が異なり、インピーダンスも異なる。そこで、記憶部６１は、この移動体１２の個体毎の特性を記憶している。そして、制御部２４は、移動体１２の個体毎の特性に応じて、最適化されたコンデンサ回路グループを選択する。すなわち、制御部２４は、移動体１２の数だけでなくその電気的な特性に応じて自動的にスイッチ５１４、５１５、５２４、５２５を制御する。したがって、移動体１２の数が変化しても、迅速かつ確実にインピーダンスの最適化が図られ、電力の伝達効率を向上することができる。
【００４５】
（第３実施形態）
第３実施形態による送電ユニットを適用した無線給電装置を図５に示す。
図５に示すように第３実施形態による送電ユニット１０の送電コイル２２は、充電領域１３において複数の移動体１２が充電可能な長さに設定されている。図５に示す例の場合、送電コイル２２は、３台の移動体１２が同時に充電可能な長さに設定されている。磁界共鳴を利用する無線給電の場合、送電コイル２２と受電コイル３５とが対向した部分でインピーダンスが低下し、送電コイル２２から受電コイル３５へ電力が伝達される。つまり、送電コイル２２は、第３実施形態のように３台の移動体１２に対応する全長に設定されていても、その全長のすべての領域で発振するのではなく、相手となる受電コイル３５が対向している部分で磁界共鳴のための発振を生じる。このように、送電コイル２２において磁界共鳴が生じる領域、つまり送電コイル２２のインピーダンスが低下する領域の長さは、移動体１２の数によって増減する。例えば、送電の対象となる移動体１２が３台のとき、送電コイル２２において磁界共鳴が生じる領域は移動体１２が２台のときよりも長くなる。そこで、制御部２４は、この送電コイル２２におけるインピーダンスの変化に基づいて、送電コイル２２において磁界共鳴が生じている長さ、つまり稼働している送電コイル２２の全長を検出する。制御部２４は、送電コイル２２におけるインピーダンスの変化を検出することにより、送電コイル２２から電力の供給を受けている移動体１２の数を検出することができる。
【００４６】
制御部２４は、送電コイル２２でインピーダンスが変化した領域の長さに基づいて移動体１２の数を検出し、検出した移動体１２の数に基づいて、高周波生成部２１に設けられているスイッチ５１４、５１５、５２４、５２５の断続を操作する。これにより、制御部２４は、移動体１２の数によって変化するインピーダンスに応じて高周波生成部２１のコンデンサ回路グループを切り替える。
【００４７】
第３実施形態では、制御部２４は、電流センサ２３や読取部６２などを用いることなく、送電コイル２２のインピーダンスを検出することにより、移動体１２の数を検出している。そして、制御部２４は、検出した移動体１２の数に基づいて、高周波生成部２１に設けられているスイッチ５１４、５１５、５２４、５２５を操作して、コンデンサ回路グループを切り替えている。したがって、より簡単な回路構成でコンデンサ回路グループを切り替え、移動体１２の数が変化しても、迅速かつ確実にインピーダンスの最適化を図り、電力の伝達効率を向上することができる。
なお、第３実施形態では、充電領域１３の全長が３台の移動体１２に対応して設定されている例について説明したが、充電領域１３の全長は２台以上の任意の台数の移動体１２に対応して設定することができる。
【００４８】
（第４実施形態）
第４実施形態による送電ユニットを適用した無線給電装置を図６に示す。
図６に示す第４実施形態の場合、送電ユニット１０の第一コンデンサ回路グループ５１および第二コンデンサ回路グループ５２は、高周波生成部２１の基幹となる電気回路から電気的に分離可能である。すなわち、第一コンデンサ回路グループ５１および第二コンデンサ回路グループ５２は、例えばカプラ、スロット、コネクタなどの接続部７１、７２によって、高周波生成部２１と脱着可能である。
【００４９】
具体的には、図６に示す例の場合、第一コンデンサ回路グループ５１のコンデンサ５１１、５１２、５１３は、接続部７１によって周辺の電気回路から分離可能である。同様に、第二コンデンサ回路グループ５２のコンデンサ５２１、５２２、５２３は、接続部７２によって周辺の電気回路から分離可能である。この場合、第一コンデンサ回路グループ５１のコンデンサ５１１、５１２、５１３は、１枚の基板に設置され、この基板によって高周波生成部２１の基幹となる電気回路から分離する構成とすることができる。同様に、第二コンデンサ回路グループ５２のコンデンサ５２１、５２２、５２３は、１枚の基板に設置され、この基板によって高周波生成部２１の基幹となる電気回路から分離する構成とすることができる。
【００５０】
第４実施形態では、移動体１２のインピーダンス特性が変化したとき、高周波生成部２１のスイッチング素子４１、４２や送電コイル２２などの送電ユニット１０の基幹となる電気回路を変更することなく、例えばコンデンサが設けられた基板を交換することにより、インピーダンスの最適化が図られる。したがって、移動体１２の特性に応じてインピーダンスの最適化を容易かつ簡便に行なうことができる。
【００５１】
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
【符号の説明】
【００５２】
図面中、１０は送電ユニット、１１は無線給電装置、１２は移動体、１４は設備、１５は構造面、２１は高周波生成部、２２は送電コイル、２３は電流センサ、２４は制御部、２５は主電源、３５は受電コイル、４１、４２はスイッチング素子、５１は第一コンデンサ回路グループ（コンデンサ回路グループ）、５２は第二コンデンサ回路グループ（コンデンサ回路グループ）、６１は記憶部、６２は読取部、５１１、５１６、５２１、５２６はコンデンサ（直列コンデンサ）、５１２、５１３、５２２、５２３はコンデンサ（並列コンデンサ）、５１４、５１５、５２４、５２５はスイッチを示す。
【図１】
2018117404.tif 000006
【図２】
2018117404.tif 000007
【図３】
2018117404.tif 000008
【図４】
2018117404.tif 000009
【図５】
2018117404.tif 000010
【図６】
2018117404.tif 000011