(57)【要約】【課題】回路素子の特性にばらつきがある場合でも、良好な電力伝送特性を維持する。【解決手段】電極ユニットは、第１の電極および第２の電極と、前記送電装置または前記受電装置における電力変換回路と前記第１および第２の電極との間に接続される整合回路とを備える。前記電力変換回路は、第１および第２の端子を備える。前記整合回路は、前記第１の電極と前記第１の端子との間の配線と、前記第２の電極と前記第２の端子との間の配線との間に接続されたキャパシタ群と、を備える。前記キャパシタ群は、前記第１の配線と前記第２の配線との間において直列に接続された第１のキャパシタおよび並列キャパシタ群を含む。前記並列キャパシタ群は、互いに並列に配置された複数の並列キャパシタを含む。前記複数の並列キャパシタの少なくとも１つは、前記第１および第２の配線間の経路への接続／非接続の状態を切り替えることが可能である。【選択図】図６
2019176621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界結合方式の無線電力伝送システムにおける送電装置または受電装置において用いられる電極ユニットであって、
送電電極対または受電電極対である第１の電極および第２の電極と、
前記送電装置または前記受電装置における電力変換回路と前記第１および第２の電極との間に接続される整合回路と、
を備え、
前記電力変換回路は、第１の端子および第２の端子を備え、電源から出力された電力を伝送用の交流電力に変換して前記第１および第２の端子から出力する、または、前記第１および第２の端子に入力された交流電力を負荷が利用する他の形態の電力に変換して出力し、
前記整合回路は、
前記第１の電極と前記第１の端子との間の第１の配線と、
前記第２の電極と前記第２の端子との間の第２の配線と、
前記第１の配線と前記第２の配線との間に接続されたキャパシタ群と、
を備え、
前記キャパシタ群は、前記第１および第２の配線のうち、電力伝送時に、前記第１および第２の端子に印加される電圧よりも高い電圧が印加される部位に接続され、
前記キャパシタ群は、前記第１の配線と前記第２の配線との間において直列に接続された第１のキャパシタおよび並列キャパシタ群を含み、
前記並列キャパシタ群は、互いに並列に配置された複数の並列キャパシタを含み、
前記複数の並列キャパシタの少なくとも１つは、前記第１および第２の配線間の経路への接続／非接続の状態を切り替えることが可能である、
電極ユニット。
【請求項２】
前記複数の並列キャパシタの前記少なくとも１つの前記接続／非接続を切替えるスイッチをさらに備える、請求項１に記載の電極ユニット。
【請求項３】
前記並列キャパシタ群に含まれる各並列キャパシタのキャパシタンスは、前記第１のキャパシタのキャパシタンスの２倍以上である、請求項１または２に記載の電極ユニット。
【請求項４】
前記キャパシタ群は、前記第１のキャパシタおよび前記並列キャパシタ群に直列に接続された第２のキャパシタを含み、
前記並列キャパシタ群は、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの間に接続されている、
請求項１から３のいずれかに記載の電極ユニット。
【請求項５】
前記並列キャパシタ群に含まれる各並列キャパシタのキャパシタンスは、前記第１および第２のキャパシタの各々のキャパシタンスの２倍以上である、請求項４に記載の電極ユニット。
【請求項６】
前記並列キャパシタ群は、３つ以上の並列キャパシタを含み、
前記３つ以上の並列キャパシタの少なくとも２つは、前記接続／非接続の状態を切り替えることが可能である、
請求項１から５のいずれかに記載の電極ユニット。
【請求項７】
前記複数の並列キャパシタのキャパシタンスは、全て異なっている、請求項１から６のいずれかに記載の電極ユニット。
【請求項８】
前記整合回路は、昇圧または降圧を行う回路部分を含み、前記キャパシタ群に印加される電圧は、前記第１および第２の端子間の電圧の２．１４倍よりも大きい、請求項１から７のいずれかに記載の電極ユニット。
【請求項９】
前記整合回路は、
前記第１の配線を介して前記第１の電極に接続され、前記第１の電極の反対側において、前記電力変換回路の前記第１の端子に直接的または間接的に接続される第１のインダクタと、
前記第２の配線を介して前記第２の電極に接続され、前記第２の電極の反対側において、前記電力変換回路の前記第２の端子に直接的または間接的に接続される第２のインダクタと、
をさらに備え、
前記キャパシタ群は、前記第１の配線における前記第１のインダクタと前記第１の電極との間の部位と、前記第２の配線における前記第２のインダクタと前記第２の電極との間の部位との間に接続されている、
請求項１から８のいずれかに記載の電極ユニット。
【請求項１０】
前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとの結合係数をｋとするとき、
−１≦ｋ＜０を満たす、
請求項９に記載の電極ユニット。
【請求項１１】
前記整合回路は、前記キャパシタ群に並列に接続された並列インダクタをさらに備える、請求項１から１０のいずれかに記載の電極ユニット。
【請求項１２】
前記並列インダクタおよび前記キャパシタ群は、並列共振回路の一部であり、
前記整合回路は、前記電力変換回路の前記第１および第２の端子に接続される直列共振回路をさらに備え、
前記直列共振回路および前記並列共振回路は、磁気的に結合し、昇圧または降圧を行う、請求項１１に記載の電極ユニット。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれかに記載の電極ユニットと、
前記電力変換回路と、
前記複数の並列キャパシタの前記少なくとも１つの前記接続／非接続の状態を切り替えることによって前記キャパシタ群の合成キャパシタンスを調整する制御回路と、
を備え、
前記電力変換回路は、前記電源から出力された電力を、前記交流電力に変換して出力する、
送電装置。
【請求項１４】
請求項１から１２のいずれかに記載の電極ユニットと、
前記電力変換回路と、
前記複数の並列キャパシタの前記少なくとも１つの接続／非接続の状態を切り替えることによって前記キャパシタ群の合成キャパシタンスを調整する制御回路と、
を備え、
前記電力変換回路は、前記整合回路から出力された前記交流電力を、前記他の形態の電力に変換して出力する、
受電装置。
【請求項１５】
送電装置と、受電装置とを備え、
前記送電装置は、請求項１３に記載の送電装置である、かつ／または、
前記受電装置は、請求項１４に記載の受電装置である、
無線電力伝送システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の無線電力伝送システムにおける前記送電装置および／または前記受電装置における前記並列キャパシタ群の接続の組み合わせと電力伝送特性との関係を示すデータを、前記送電装置および／または前記受電装置から収集し、
収集した前記データに基づいて、前記並列キャパシタ群の接続の可能な組み合わせの中から１つの組み合わせを決定し、
前記送電装置が前記受電装置に電力を伝送する次の機会に、前記送電装置および／または前記受電装置の前記制御回路に、決定した前記並列キャパシタ群の接続の前記組み合わせを選択させる、
制御方法。
【請求項１７】
前記無線電力伝送システムは、複数の送電装置および複数の受電装置を備え、
前記複数の送電装置の各々は、請求項１３に記載の送電装置であり、
各送電装置における前記並列キャパシタ群の接続の組み合わせと、前記送電装置から各受電装置への電力伝送特性との関係を示すデータを、各送電装置から収集し、
収集した前記データに基づいて、前記並列キャパシタ群の接続の可能な組み合わせの中から１つの組み合わせを、前記送電装置と前記受電装置のペア毎に決定し、
前記並列キャパシタ群の接続の組み合わせが決定された送電装置と受電装置との電力伝送が行われる次の機会に、前記送電装置の前記制御回路に、決定した前記並列キャパシタ群の接続の前記組み合わせを選択させる、
請求項１６に記載の制御方法。
【請求項１８】
電界結合方式の無線電力伝送システムにおける送電装置または受電装置において用いられる電極ユニットであって、
送電電極対または受電電極対である第１の電極および第２の電極と、
前記送電装置または前記受電装置における電力変換回路と前記第１および第２の電極との間に接続される整合回路と、
を備え、
前記電力変換回路は、第１の端子および第２の端子を備え、電源から出力された電力を伝送用の交流電力に変換して前記第１および第２の端子から出力する、または、前記第１および第２の端子に入力された交流電力を負荷が利用する他の形態の電力に変換して出力し、
前記整合回路は、
前記第１の電極と前記第１の端子との間の第１の配線と、
前記第２の電極と前記第２の端子との間の第２の配線と、
前記第１の配線と前記第２の配線との間に接続されたリアクタンス素子群と、
を備え、
前記リアクタンス素子群は、前記第１および第２の配線のうち、電力伝送時に、前記第１および第２の端子に印加される電圧よりも高い電圧が印加される部位に接続され、
前記リアクタンス素子群は、前記第１の配線と前記第２の配線との間において直列に接続された第１のリアクタンス素子および並列リアクタンス素子群を含み、
前記並列リアクタンス素子群は、互いに並列に配置された複数の並列リアクタンス素子を含み、
前記複数の並列リアクタンス素子の少なくとも１つは、前記第１および第２の配線間の経路への接続／非接続の状態を切り替えることが可能である、
電極ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電極ユニット、送電装置、受電装置、および無線電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機および電気自動車などの移動性を伴う機器に、無線すなわち非接触で電力を伝送する無線電力伝送技術の開発が進められている。無線電力伝送技術には、磁界結合方式および電界結合方式などの方式がある。このうち、電界結合方式による無線電力伝送システムは、一対の送電電極と一対の受電電極とが対向した状態で、一対の送電電極から一対の受電電極に無線で交流電力が伝送される。特許文献１および特許文献２は、電界結合方式による無線電力伝送システムの例を開示している。他方、特許文献３は、磁界結合方式の無線電力伝送システムの例を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１４０６６５号
【特許文献２】特開２０１０−１９３６９２号公報
【特許文献３】特開２０１６−２２６２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、電界結合方式による無線電力伝送システムの伝送特性を向上させる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る電極ユニットは、電界結合方式の無線電力伝送システムにおける送電装置または受電装置において用いられる。前記電極ユニットは、送電電極対または受電電極対である第１の電極および第２の電極と、前記送電装置または前記受電装置における電力変換回路と前記第１および第２の電極との間に接続される整合回路と、を備える。前記電力変換回路は、第１の端子および第２の端子を備え、電源から出力された電力を伝送用の交流電力に変換して前記第１および第２の端子から出力する、または、前記第１および第２の端子に入力された交流電力を負荷が利用する他の形態の電力に変換して出力する。前記整合回路は、前記第１の電極と前記第１の端子との間の第１の配線と、前記第２の電極と前記第２の端子との間の第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との間に接続されたキャパシタ群と、を備える。前記キャパシタ群は、前記第１および第２の配線のうち、電力伝送時に、前記第１および第２の端子に印加される電圧よりも高い電圧が印加される部位に接続される。前記キャパシタ群は、前記第１の配線と前記第２の配線との間において直列に接続された第１のキャパシタおよび並列キャパシタ群を含む。前記並列キャパシタ群は、互いに並列に配置された複数の並列キャパシタを含む。前記複数の並列キャパシタの少なくとも１つは、前記第１および第２の配線間の経路への接続／非接続の状態を切り替えることが可能である。
【０００６】
本開示の包括的または具体的な態様は、装置、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得る。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】
【０００７】
本開示の技術によれば、電界結合方式による無線電力伝送システムの伝送特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、電界結合方式による無線電力伝送システムの一例を模式的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示す無線電力伝送システムの概略的な構成を示す図である。
【図３】図３は、整合回路１８０、２８０の回路構成の一例を示す図である。
【図４】図４は、整合回路１８０、２８０の回路構成の他の例を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、２つの電極と電力変換回路との間の２つの配線の間に接続されるキャパシタＣを模式的に示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、キャパシタンスを調整可能な回路の例を模式的に示す図である。
【図６】図６は、実施形態１における電極ユニットの基本的な構成を模式的に示す図である。
【図７】図７は、電極ユニットの他の例を示す図である。
【図８】図８は、電極ユニットのさらに他の例を示す図である。
【図９】図９は、電極ユニットのさらに他の例を示す図である。
【図１０】図１０は、電極ユニットのさらに他の例を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、整合回路の第１の変形例を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、整合回路の第２の変形例を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、整合回路の第３の変形例を示す図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、整合回路の第４の変形例を示す図である。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、整合回路の第５の変形例を示す図である。
【図１１Ｆ】図１１Ｆは、整合回路の第６の変形例を示す図である。
【図１１Ｇ】図１１Ｇは、整合回路の第７の変形例を示す図である。
【図１２】図１２は、実施形態２における無線電力伝送システムの構成を示す図である。
【図１３】図１３は、２つのインダクタＬｔ１、Ｌｔ２の構成例を模式的に示す図である。
【図１４】図１４は、送電装置における電力変換回路の構成例を模式的に示す図である。
【図１５】図１５は、受電装置における電力変換回路の構成例を模式的に示す図である。
【図１６】図１６は、無線電力伝送システムの他の例を示す図である。
【図１７】図１７は、無線電力伝送システムのさらに他の例を示す図である。
【図１８】図１８は、無線電力伝送システムのさらに他の例を示す図である。
【図１９】図１９は、無線電力伝送システムの他の例を示す図である。
【図２０】図２０は、電力伝送試験の動作の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（本開示の基礎となった知見）
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
【００１０】
図１は、電界結合方式による無線電力伝送システムの一例を模式的に示す図である。「電界結合方式」とは、複数の送電電極を含む送電電極群と複数の受電電極を含む受電電極群との間の電界結合（「容量結合」とも称する）により、送電電極群から受電電極群に無線で電力が伝送される伝送方式をいう。簡単のため、送電電極群および受電電極群の各々が、２つの電極の対によって構成される場合の例を説明する。なお、送電電極群および受電電極群の各々は、３つ以上の電極を含んでいてもよい。その場合、送電電極群および受電電極群の各々における隣り合う任意の２つの電極には、逆位相の交流電圧が印加される。
【００１１】
図１に示す無線電力伝送システムは、無人搬送車（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＡＧＶ）である移動体１０に無線で電力を伝送するシステムである。移動体１０は、例えば工場または倉庫において物品の搬送に用いられ得る。このシステムでは、床面３０に平板状の一対の送電電極１２０が配置されている。移動体１０は、電力伝送時に一対の送電電極１２０に対向する一対の受電電極を備える。移動体１０は、一対の送電電極１２０から伝送された交流電力を、一対の受電電極によって受け取る。受け取られた電力は、移動体１０が備えるモータ、二次電池、または蓄電用のキャパシタなどの負荷に供給される。これにより、移動体１０の駆動または充電が行われる。
【００１２】
図１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、図示されているＸＹＺ座標を用いる。送電電極１２０が延びる方向をＹ方向、送電電極１２０の表面に垂直な方向をＺ方向、Ｙ方向およびＺ方向に垂直な方向、すなわち送電電極１２０の幅方向をＸ方向とする。なお、本願の図面に示される構造物の向きは、説明のわかりやす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なんら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。
【００１３】
図２は、図１に示す無線電力伝送システムの概略的な構成を示す図である。この無線電力伝送システムは、送電装置１００と、移動体１０とを備える。
【００１４】
送電装置１００は、一対の送電電極１２０と、整合回路１８０と、電力変換回路１１０とを備える。電力変換回路１１０は、電源３１０から出力された電力を伝送用の交流電力に変換して出力する。電力変換回路１１０は、例えば、インバータ回路などの交流出力回路を含み得る。電力変換回路１１０は、例えば電源３１０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。電源３１０は交流電源であってもよい。その場合、電力変換回路１１０は、電源３１０から供給された交流電力を、異なる周波数または電圧の交流電力に変換して出力する。整合回路１８０は、電力変換回路１１０と一対の送電電極１２０との間に接続されている。整合回路１８０は、電力変換回路１１０と一対の送電電極１２０との間のインピーダンスの整合度を向上させる。
【００１５】
移動体１０は、受電装置２００と、負荷３３０とを備える。受電装置２００は、一対の受電電極２２０と、整合回路２８０と、電力変換回路２１０とを備える。電力変換回路２１０は、一対の受電電極２２０が受け取った交流電力を負荷３３０が要求する電力に変換して負荷３３０に供給する。電力変換回路２１０は、例えば整流回路または周波数変換回路等の各種の回路を含み得る。受電電極２２０と電力変換回路２１０との間に、インピーダンスの不整合を低減する整合回路２８０が挿入されている。
【００１６】
負荷３３０は、例えばモータ、蓄電用のキャパシタ、または二次電池などの、電力を消費または蓄積する機器である。一対の送電電極１２０と、一対の受電電極２２０との間の電界結合により、両者が対向した状態で電力が無線で伝送される。伝送された電力は、負荷３３０に供給される。
【００１７】
この例において、各送電電極１２０は、床面３０にほぼ平行に配置される。各送電電極１２０は、床面３０に交差して配置されていてもよい。例えば、壁に配置される場合には、各送電電極１２０は、床面３０にほぼ垂直に配置され得る。移動体１０における各受電電極２２０も、送電電極１２０に対向するように、床面に交差して配置され得る。このように、受電電極２２０の配置は、送電電極１２０の配置に応じて決定される。
【００１８】
図３は、整合回路１８０、２８０の回路構成の一例を示す図である。
【００１９】
図３に示す送電装置１００における整合回路１８０は、直列共振回路１３０ｓと、並列共振回路１４０ｐとを備える。直列共振回路１３０ｓは、電力変換回路１１０に接続されている。並列共振回路１４０ｐは、直列共振回路１３０ｓと一対の送電電極１２０との間に配置されている。並列共振回路１４０ｐは、一対の送電電極１２０に接続され、直列共振回路１３０ｓに磁気的に結合する。直列共振回路１３０ｓは、インダクタＬ１とキャパシタＣ１とが直列に接続された構成を有する。並列共振回路１４０ｐは、インダクタＬ２とキャパシタＣ２とが並列に接続された構成を有する。インダクタＬ１とインダクタＬ２とは、結合係数ｋ１で結合する変圧器を構成する。インダクタＬ１とインダクタＬ２との巻数比は、所望の変圧比を実現する値に設定されている。
【００２０】
受電装置２００における整合回路２８０は、並列共振回路２３０ｐと、直列共振回路２４０ｓとを備える。並列共振回路２３０ｐは、一対の受電電極２２０に接続されている。直列共振回路２４０ｓは、第３の並列共振回路２３０ｐと電力変換回路２１０との間に配置され、並列共振回路２３０ｐに磁気的に結合する。電力変換回路２１０は、直列共振回路２４０ｓから出力された交流電力を直流電力に変換して負荷３３０に供給する。並列共振回路２３０ｐは、インダクタＬ３とキャパシタＣ３とが並列に接続された構成を有する。直列共振回路２４０ｓは、インダクタＬ４とキャパシタＣ４とが並列に接続された構成を有する。インダクタＬ３とインダクタＬ４とは、結合係数ｋ２で結合する変圧器を構成する。インダクタＬ３とインダクタＬ４との巻数比は、所望の変圧比を実現する値に設定される。
【００２１】
４つの共振回路１３０ｓ、１４０ｐ、２３０ｐ、２４０ｓの共振周波数が一致するように、各回路素子のインダクタンスまたはキャパシタンスが設定される。電力変換回路１１０は、当該共振周波数に等しい周波数の交流電力を出力する。これにより、各共振回路１３０ｓ、１４０ｐ、２３０ｐ、２４０ｓは、電力伝送時に共振状態になり、高い伝送効率が維持される。
【００２２】
送電電極１２０と受電電極２２０とは、互いに近接して対向するように配置される。送電電極１２０と受電電極２２０との間は、例えば空隙である。送電電極１２０と受電電極２２０との間に比誘電率の高い誘電体が設けられていてもよい。
【００２３】
図３に示す構成によれば、例えば特許文献２に開示された整合回路の構成と比較して、電力伝送の効率を高くすることができる。
【００２４】
図４は、整合回路１８０、２８０の回路構成の他の例を示す図である。
【００２５】
この例では、送電側の整合回路１８０は、インダクタＬｔ１、Ｌｔ２、およびキャパシタＣｔ１を備える。インダクタＬｔ１は、送電電極１２０ａと、電力変換回路１１０の第１の端子１１０ａとの間に直列回路素子として接続されている。インダクタＬｔ２は、送電電極１２０ｂと、電力変換回路１１０の第２の端子１１０ｂとの間に直列回路素子として接続されている。キャパシタＣｔ１は、送電電極１２０ａとインダクタＬｔ１との間の配線と、送電電極１２０ｂとインダクタＬｔ２との間の配線との間に並列回路素子として接続されている。
【００２６】
受電側の整合回路２８０は、インダクタＬｒ１、Ｌｒ２、およびキャパシタＣｒ１を備える。インダクタＬｒ１は、受電電極２２０ａと、電力変換回路２１０の第１の端子２１０ａとの間に直列回路素子として接続されている。インダクタＬｒ２は、受電電極２２０ｂと、電力変換回路２１０の第２の端子２１０ｂとの間に直列回路素子として接続されている。キャパシタＣｒ１は、受電電極２２０ａとインダクタＬｒ１との間の配線と、受電電極２２０ｂとインダクタＬｒ２との間の配線との間に並列回路素子として接続されている。
【００２７】
インダクタＬｔ１とＬｔ２との結合係数ｋｔは、例えば−１＜ｋｔ＜０を満足する値に設定され得る。同様に、インダクタＬｒ１とＬｒ２との結合係数ｋｒは、例えば−１＜ｋｒ＜０を満足する値に設定され得る。インダクタＬｔ１とＬｔ２は、コモンモードチョークフィルタとしての機能を果たすことも可能である。同様に、インダクタＬｒ１とＬｒ２は、コモンモードチョークフィルタとしての機能を果たすことも可能である。これにより、コモンモード電流に起因した伝送周波数帯および低次の高調波における磁界漏洩強度を効果的に低減することができる。インダクタＬｔ１、Ｌｔ２、およびキャパシタＣｔ１によって構成される共振器、ならびにインダクタＬｒ１、Ｌｒ２、およびキャパシタＣｒ１によって構成される共振器を、「コモンモードチョーク共振器」と称することがある。
【００２８】
図４に示す構成によれば、図３に示す構成と比較して、さらに高い電力伝送効率を実現することができる。
【００２９】
図３および図４に示す整合回路１８０、２８０は、いずれも１つ以上のＬＣ共振回路を含む。伝送効率を高めるためには、各共振回路の共振周波数を等しくし、かつ伝送する電力の周波数（以下、「伝送周波数」と称する）を、当該共振周波数に等しくすることが望ましい。
【００３０】
しかし、インダクタおよびキャパシタなどの回路素子には、一般に、製造誤差に起因する特性のばらつきが生じる。特にインダクタのインダクタンスにはばらつきが生じやすい。インダクタのインダクタンスは、設計値の５％から１０％程度の誤差を含むことが一般的である。キャパシタのキャパシタンスについても、設計値の１％を超える誤差を含むことが一般的である。
【００３１】
ここで、ＬＣ共振回路の合成インダクタンスをＬ、合成キャパシタンスをＣとすると、共振周波数は、ｆｒｅｓ＝１／２π√（ＬＣ）で表される。インダクタンスＬおよびキャパシタンスＣの少なくとも一方が設計された値からずれると、共振周波数も設計された値からずれる。その場合、整合回路内の共振回路で反射される電力が増大し、伝送効率の低下を招く。
【００３２】
このような課題を解決するために、図３に示すキャパシタＣ２、Ｃ３、または図４に示すキャパシタＣｔ１、Ｃｒ１におけるキャパシタンスを調整できるようにする対策が考えられる。それらのキャパシタンスを適切に調整できれば、インダクタなどの回路素子の特性にばらつきがある場合でも、その影響を緩和することができる。
【００３３】
図５Ａは、２つの電極と電力変換回路との間の２つの配線の間に接続されるキャパシタＣを模式的に示す図である。このキャパシタＣは、図３に示すキャパシタＣ２、Ｃ３、および図４に示すキャパシタＣｔ１、Ｃｒ１のいずれかに相当する。この回路のキャパシタンスを調整できるようにするために、例えば、キャパシタＣに並列に、接続／非接続の状態を切り替えることが可能な他のキャパシタを配置する対策が考えられる。
【００３４】
図５Ｂは、そのような対策がなされた回路を模式的に示す図である。図５Ｂの例では、２つの配線の間に、２つのキャパシタＣａおよびＣｂが、並列に接続されている。一方のキャパシタＣｂにはスイッチが接続されている。このスイッチのオン／オフを切り替えることにより、キャパシタＣａを経路から切断したり接続したりすることができる。
【００３５】
キャパシタＣｂのキャパシタンスは、キャパシタＣａのキャパシタンスよりも小さい値に設定される。キャパシタＣｂのキャパシタンスは、キャパシタＣａのキャパシタンスの、例えば１％から１０％程度の値に設定され得る。一例として、キャパシタＣａのキャパシタンス値が１６３．９ｐＦであり、キャパシタＣｂのキャパシタンス値が４．２ｐＦである場合を考える。この場合、スイッチの開閉により、この回路の合成キャパシタンスを、１６３．９ｐＦと１６８．１ｐＦとの間で切り替えることができる。これにより、共振周波数の調整が可能である。共振回路に含まれる回路素子のインダクタンスまたはキャパシタンスの値が設計値からずれていた場合であっても、そのずれを補償するようにスイッチを調整することにより、ずれの影響を小さくすることができる。
【００３６】
しかし、本発明者らは、図５Ｂのような構成を、本開示が対象とする電界結合方式の無線電力伝送システムに適用すると、以下の課題が生じることを見出した。電界結合方式の無線電力伝送システムでは、送電電極群と受電電極群との間は、例えば空隙である。また、電極間隔が比較的広くても、例えば、５ｍｍから数十ｍｍ程度の間隔を隔てても良好な伝送特性を実現できることが望ましい。その場合、電極間には、一般的な電子機器で使用される電圧よりも遥かに高い電圧が印加される。電極間には、例えば６００Ｖから１０ｋＶ程度の高い電圧が印加され得る。この電圧は、送電装置における電力変換回路に含まれるインバータ回路の出力電圧（例えば、５０Ｖから２８０Ｖ程度）と比較しても遥かに高い。
【００３７】
その場合、図５Ｂに示すキャパシタＣｂに接続されるスイッチには、非常に高い電圧Ｖ（例えば、６００Ｖから１０ｋＶ程度）が印加され得る。一般的な半導体スイッチの耐圧性能を考慮すると、そのような高い電圧を印加した場合、スイッチが破壊される可能性がある。非常に高い耐圧性能を有する高価なスイッチを用いることは可能であるが、その場合、送電装置または受電装置のコストの増加を招く。したがって、図５Ｂのような構成を、高電圧が印加される電極近傍の回路に適用することは現実的ではない。
【００３８】
本発明者らは、以上の課題を見出し、上記課題を解決するために、以下に説明する本開示の実施形態の構成に想到した。以下、本開示の実施形態の概要を説明する。
【００３９】
本開示の一態様に係る電極ユニットは、電界結合方式の無線電力伝送システムにおける送電装置または受電装置において用いられる電極ユニットである。前記電極ユニットは、送電電極対または受電電極対である第１の電極および第２の電極と、前記送電装置または前記受電装置における電力変換回路と前記第１および第２の電極との間に接続される整合回路と、を備える。前記電力変換回路は、第１の端子および第２の端子を備え、電源から出力された電力を伝送用の交流電力に変換して前記第１および第２の端子から出力する、または、前記第１および第２の端子に入力された交流電力を負荷が利用する他の形態の電力に変換して出力する。前記整合回路は、前記第１の電極と前記第１の端子との間の第１の配線と、前記第２の電極と前記第２の端子との間の第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との間に接続されたキャパシタ群と、を備える。前記キャパシタ群は、前記第１および第２の配線のうち、電力伝送時に、前記第１および第２の端子に印加される電圧よりも高い電圧が印加される部位に接続される。前記キャパシタ群は、前記第１の配線と前記第２の配線との間において直列に接続された第１のキャパシタおよび並列キャパシタ群を含む。前記並列キャパシタ群は、互いに並列に配置された複数の並列キャパシタを含む。前記複数の並列キャパシタの少なくとも１つは、前記第１および第２の配線間の経路への接続／非接続の状態を切り替えることが可能である。
【００４０】
前記複数の並列キャパシタの前記少なくとも１つの前記接続／非接続を切替えるスイッチをさらに備え得る。各スイッチは、送電装置または受電装置に搭載される制御回路によって制御され得る。
【００４１】
上記態様によれば、前記複数の並列キャパシタの各々に印加される電圧を実用的な範囲まで低減することができる。その結果、一般的な半導体スイッチを用いた場合でも、スイッチを破壊することなく、キャパシタ群の合成キャパシタンスを調整することが可能になる。
【００４２】
上記態様における各キャパシタは、相互に接続された複数のキャパシタの集合であってもよい。言い換えれば、各キャパシタは、単一の容量素子である必要はない。各キャパシタがインダクタンス成分を有していてもよい。キャパシタ群は、１つ以上のインダクタを含んでいてもよい。
【００４３】
なお、スイッチを用いて並列キャパシタの接続／非接続の状態を切り替えることは必須の要件ではない。例えば、電極ユニットを含む装置の製造時または導入作業時に、作業者が測定器を用いて複数の並列キャパシタの最適な組み合わせを決定し、必要な並列キャパシタのみを経路に接続してもよい。この際、半導体スイッチを用いずに、半田付けなどの作業によって並列キャパシタの接続を行ってもよい。
【００４４】
上記の作業は、電極ユニットを含む装置の製造時または導入作業時にのみ行われてもよい。システム運用中は、経路に接続される並列キャパシタの組み合わせが固定されていてもよい。
【００４５】
上記態様における「キャパシタ」を「インダクタ」に置換した構成であっても、同様の調整が可能である。本明細書において、キャパシタとインダクタとを、「リアクタンス素子」と総称する。
【００４６】
本開示の他の態様に係る電極ユニットは、電界結合方式の無線電力伝送システムにおける送電装置または受電装置において用いられる電極ユニットである。前記電極ユニットは、送電電極対または受電電極対である第１の電極および第２の電極と、前記送電装置または前記受電装置における電力変換回路と前記第１および第２の電極との間に接続される整合回路と、を備える。前記電力変換回路は、第１の端子および第２の端子を備え、電源から出力された電力を伝送用の交流電力に変換して前記第１および第２の端子から出力する、または、前記第１および第２の端子に入力された交流電力を負荷が利用する他の形態の電力に変換して出力する。前記整合回路は、前記第１の電極と前記第１の端子との間の第１の配線と、前記第２の電極と前記第２の端子との間の第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との間に接続されたリアクタンス素子群と、を備える。前記リアクタンス素子群は、前記第１および第２の配線のうち、電力伝送時に、前記第１および第２の端子に印加される電圧よりも高い電圧が印加される部位に接続される。前記リアクタンス素子群は、前記第１の配線と前記第２の配線との間において直列に接続された第１のリアクタンス素子および並列リアクタンス素子群を含む。前記並列リアクタンス素子群は、互いに並列に配置された複数の並列リアクタンス素子を含む。前記複数の並列リアクタンス素子の少なくとも１つは、前記第１および第２の配線間の経路への接続／非接続の状態を切り替えることが可能である。
【００４７】
上記態様によれば、前記複数の並列リアクタンス素子の各々に印加される電圧を実用的な範囲まで低減することができる。その結果、一般的な半導体スイッチを用いた場合でも、スイッチを破壊することなく、リアクタンス群のインピーダンスを調整することが可能になる。
【００４８】
本明細書において、送電装置に搭載される電極ユニットを「送電電極ユニット」と称し、受電装置に搭載される電極ユニットを「受電電極ユニット」と称することがある。電極ユニットが送電装置に搭載される場合、第１の電極および第２の電極の各々を「送電電極」と呼ぶ。電極ユニットが受電装置に搭載される場合、第１の電極および第２の電極の各々を「受電電極」と呼ぶ。電力伝送時には一対の送電電極と一対の受電電極とが対向する。これらの間の電界結合によって一対の送電電極から一対の受電電極へ電力が伝送される。
【００４９】
送電電極ユニットおよび受電電極ユニットの各々において、第１の電極および第２の電極の各々は、複数の部分に分割されていてもよい。当該複数の部分は、同一の方向に延びた構造を有し、ほぼ平行に配置され得る。当該複数の部分には、同位相の交流電圧が印加される。これらの電極の隣り合う任意の２つの部分には、互いに逆位相の交流電圧が印加される。言い換えれば、第１の電極の部分と第２の電極の部分とが、交互に配列される。そのような構成によれば、第１の電極と第２の電極との境界上の漏洩電界を抑制する効果も得ることができる。第１および第２の電極の少なくとも一方が２つの部分に分割された構成では、電力伝送に寄与する電極が実質的に３つ以上存在することになる。このような構成に言及するときには、それらの３つの電極を「電極群」と称する。
【００５０】
本開示の他の態様に係る送電装置は、上記の電極ユニットと、電力変換回路とを備える。電力変換回路は、電源から出力された電力を、伝送用の交流電力に変換して出力する。送電装置は、複数の並列キャパシタの少なくとも１つの接続／非接続の状態を切り替えることによってキャパシタ群の合成キャパシタンスを調整する制御回路を備えていてもよい。
【００５１】
本開示のさらに他の態様に係る受電装置は、上記の電極ユニットと、電力変換回路とを備える。電力変換回路は、整合回路から出力された交流電力を、他の形態の電力に変換して出力する。受電装置は、複数の並列キャパシタの少なくとも１つの接続／非接続の状態を切り替えることによってキャパシタ群の合成キャパシタンスを調整する制御回路を備えていてもよい。
【００５２】
本開示のさらに他の態様に係る無線電力伝送システムは、送電装置と、受電装置とを備える。送電装置および受電装置の一方または両方は、前述の電極ユニットを備える。送電装置および受電装置の一方または両方は、少なくとも１つの接続／非接続の状態を切り替えることによってキャパシタ群の合成キャパシタンスを調整する制御回路を備えていてもよい。
【００５３】
本開示のさらに他の態様に係る制御方法は、前記無線電力伝送システムにおける前記送電装置および／または前記受電装置における前記並列キャパシタ群の接続の組み合わせと電力伝送特性との関係を示すデータを、前記送電装置および／または前記受電装置から収集するステップと、収集した前記データに基づいて、前記並列キャパシタ群の接続の可能な組み合わせの中から１つの組み合わせを決定するステップと、前記送電装置が前記受電装置に電力を伝送する次の機会に、前記送電装置および／または前記受電装置の前記制御回路に、決定した前記並列キャパシタ群の接続の前記組み合わせを選択させるステップと、を含む。
【００５４】
前記無線電力伝送システムは、複数の送電装置および複数の受電装置を備えていてもよい。前記複数の送電装置の各々は、前記電極ユニットと、複数の並列キャパシタの少なくとも１つの接続／非接続の状態を切り替える制御回路とを備え得る。前記制御方法は、各送電装置における前記並列キャパシタ群の接続の組み合わせと、前記送電装置から各受電装置への電力伝送特性との関係を示すデータを、各送電装置から収集するステップと、収集した前記データに基づいて、前記並列キャパシタ群の接続の可能な組み合わせの中から１つの組み合わせを、前記送電装置と前記受電装置のペア毎に決定するステップと、前記並列キャパシタ群の接続の組み合わせが決定された送電装置と受電装置との電力伝送が行われる次の機会に、前記送電装置の前記制御回路に、決定した前記並列キャパシタ群の接続の前記組み合わせを選択させるステップとを含んでいてもよい。
【００５５】
受電装置は、例えば移動体に搭載され得る。本開示における「移動体」は、前述の搬送ロボットのような車両に限定されず、電力によって駆動される任意の可動物体を意味する。移動体には、例えば、電気モータおよび１以上の車輪を備える電動車両が含まれる。そのような車両は、例えば、前述の搬送ロボットなどの無人搬送車（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＡＧＶ）、電気自動車（ＥＶ）、電動カート、電動車椅子であり得る。本開示における「移動体」には、車輪を有しない可動物体も含まれる。例えば、二足歩行ロボット、マルチコプターなどの無人航空機（Ｕｎｍａｎｎｅｄ  Ａｅｒｉａｌ  Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＵＡＶ、所謂ドローン）、有人の電動航空機、およびエレベータも、「移動体」に含まれる。
【００５６】
以下、本開示の実施形態をより詳細に説明する。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のを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、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、同一または類似の構成要素については、同じ参照符号を付している。
【００５７】
（実施形態１）
図６は、本開示の例示的な実施形態における電極ユニット５０の基本的な構成を模式的に示す図である。図６には、電極ユニット５０の外部の要素である電力変換回路６０も示されている。電極ユニット５０および電力変換回路６０は、電界結合方式の無線電力伝送システムにおける送電装置または受電装置に搭載されて使用される。
【００５８】
電極ユニット５０は、第１の電極２０ａおよび第２の電極２０ｂと、整合回路８０とを備える。整合回路８０は、電力変換回路６０と電極２０ａ、２０ｂとの間に接続される。電極２０ａ、２０ｂは、送電電極対または受電電極対として機能する。
【００５９】
電力変換回路６０は、第１の端子６０ａおよび第２の端子６０ｂを備える。電力変換回路６０が送電装置に設けられる場合、電力変換回路６０は、電源から出力された電力を伝送用の交流電力に変換して第１の端子６０ａおよび第２の端子６０ｂから出力する。送電装置に設けられる電力変換回路６０は、例えばインバータ回路であり得る。電力変換回路６０が受電装置に設けられる場合、電力変換回路６０は、第１の端子６０ａおよび第２の端子６０ｂに入力された交流電力を、負荷が利用する他の形態の電力に変換して出力する。受電装置に設けられる電力変換回路６０は、例えば整流回路であり得る。
【００６０】
整合回路８０は、第１の配線４０ａと、第２の配線４０ｂと、キャパシタ群９０とを備える。第１の配線４０ａは、第１の電極２０ａと第１の端子６０ａとの間に配置される。第２の配線４０ｂは、第２の電極２０ｂと第２の端子６０ｂとの間に配置される。ここで、配線が２つの要素の「間に配置される」とは、それらの要素同士を電気的に接続することを意味する。第１の端子６０ａと第１の電極２０ａとの間、および第２の端子６０ｂと第２の電極２０ｂとの間の接続は、間接的な接続であってもよい。例えば、間にキャパシタ、インダクタ、フィルタ回路、またはトランス（tranformer）などの任意の回路要素を介してそれらが接続されていてもよい。
【００６１】
キャパシタ群９０は、第１の配線４０ａと第２の配線４０ｂとの間に接続されている。キャパシタ群９０は、電力伝送時に、第１の端子６０ａおよび第２の端子６０ｂに印加される電圧よりも高い電圧が印加される部位に接続される。言い換えれば、キャパシタ群９０には、電力変換回路６０の端子６０ａ、６０ｂ間の電圧よりも高い電圧が印加される。
【００６２】
図６には示されていないが、電力変換回路６０とキャパシタ群９０との間には、電圧変換（すなわち昇圧または降圧）を行う回路部分が配置され得る。キャパシタ群９０に印加される電圧は、例えば端子６０ａ、６０ｂ間の電圧の２．１４倍よりも大きい。例えば２００Ｖの交流電源から供給される交流エネルギーを平滑した直流エネルギーを電力源として用い、線路間電圧差が交流低圧基準上限値の６００Ｖとした場合の比率が上記値となる。また、別の例としては、１００Ｖの交流電源から供給される交流エネルギーを平滑した直流エネルギーを電力源として用い、線路間電圧差が交流低圧基準上限値の６００Ｖとした場合の比率から、Ｖ１／Ｖ０＞４．２８が満たされる。また、別の例としては、１００Ｖの交流電源から供給される交流エネルギーを平滑した直流エネルギーを電力源として用い、線路間電圧差が交流高圧基準上限値の７０００Ｖとした場合の比率から、Ｖ１／Ｖ０＜５０が満たされてもよい。また、別の例としては、２００Ｖの交流電源から供給される交流エネルギーを平滑した直流エネルギーを電力源として用い、線路間電圧差が交流高圧基準上限値の７０００Ｖとした場合の比率から、Ｖ１／Ｖ０＜２５が満たされてもよい。もちろん、線路間電圧差が特別高圧基準に相当する７０００Ｖ以上の値となっても安全上の配慮がなされた場合、本開示の実施形態の設計における上記倍率Ｖ１／Ｖ０の範囲上限を制限するものではない。
【００６３】
図６に示すキャパシタ群９０は、整合回路８０に含まれる共振回路の一部であり得る。当該共振回路は、キャパシタ群９０以外にも、例えば１つ以上のインダクタを含み得る。共振回路は、例えば図３に示す共振回路１４０ｐ、２３０ｐ、および図４に示す整合回路１８０、２８０のいずれかにおけるキャパシタを、キャパシタ群９０に置換した構造を備え得る。
【００６４】
キャパシタ群９０は、第１の配線４０ａと第２の配線４０ｂとの間において直列に接続された第１のキャパシタＣａおよび並列キャパシタ群９２を含む。並列キャパシタ群９２は、互いに並列に配置された複数の並列キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２を含む。図６に示す例では、並列キャパシタの個数は２であるが、３以上であってもよい。複数の並列キャパシタの少なくとも１つは、第１の配線４０ａと第２の配線４０ｂとの間の経路への接続／非接続の状態を切り替えることができるように構成される。図６の例では、２つの並列キャパシタのうちの一方の並列キャパシタＣｐ２が、接続／非接続の状態を切り替えるスイッチＳＷを含む。なお、本明細書では、スイッチが並列キャパシタに接続され、その並列キャパシタの経路への接続および切断を切り替えることができる場合、「並列キャパシタがスイッチを含む」と表現することがある。以下の説明では、キャパシタを表す参照符号Ｃａ、Ｃｐ１、Ｃｐ２等は、そのキャパシタのキャパシタンスの値を表す記号としても用いる。後述するインダクタについても同様に、インダクタを表す参照符号を、そのインダクタのインダクタンスの値を表す記号としても用いる。
【００６５】
並列キャパシタ群９２を構成する各並列キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２の入出力端に印加される電圧と、第１のキャパシタＣａの入出力端に印加される電圧との間には、分圧条件が成立している。すなわち、並列キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２の合成キャパシタンスＣｐｃｐとキャパシタンスＣａの関係から、並列キャパシタ群９２の一部を非導通とした場合にスイッチの両端に印加される電圧が決定される。このことから、並列キャパシタ群９２に含まれる複数の並列キャパシタの合成キャパシタンスＣｐｃｐは、第１のキャパシタＣａのキャパシタンスよりも高い値に設定されることが好ましい。各並列キャパシタのキャパシタンスは、第１のキャパシタＣａのキャパシタンスの、例えば２倍以上であり得る。ある例において、各並列キャパシタのキャパシタンスは、第１のキャパシタＣａのキャパシタンスの５倍から１００倍程度の値であり得る。この倍率が高いほど、各並列キャパシタおよびスイッチＳＷに印加される電圧が小さくなり、スイッチＳＷを破壊するリスクを低減できる。キャパシタＣｐ２のキャパシタンスは、キャパシタＣｐ１のキャパシタンスの、例えば０．２倍から１００倍程度の値に設定され得る。ただしこの範囲から外れていても正常に機能し得る。極端に小さい値に設定しても合成容量の補正幅が限定されてしまうし、極端に高い値を設定しても容量回路の巨大化を招く割に合成容量の変動幅は飽和してしまう。このため、上記範囲が実用的に妥当な範囲といえる。本実施形態におけるキャパシタ群９０が実現する合成キャパシタンスの可変幅は、キャパシタ群９０が一部をなす共振回路の別の構成要素であるインダクタのインダクタンスのばらつき幅と同程度に設定されうる。このルールに従い、本実施形態の無線電力伝送システム内の共振回路内の共振周波数を設計値に近い値に適切に維持することが可能となる。
【００６６】
一例として、Ｃａ＝１７４ｐＦ、Ｃｐ１＝３３２１ｐＦ、Ｃｐ２＝３２８０ｐＦの場合を考える。キャパシタ群９０に印加される電圧（ピーク値を意味する。以下同じ。）を、例えば５ｋＶとする。この場合、キャパシタＣｐ２のスイッチがオフのとき、キャパシタＣａには４．７５ｋＶの電圧が印加され、キャパシタＣｐ１には２５０Ｖの電圧が印加される。キャパシタＣｐ２のスイッチがオンのときには、キャパシタＣａには４．８７ｋＶの電圧が印加され、キャパシタＣｐ１およびＣｐ２には１３０Ｖの電圧が印加される。図５Ｂの構成を採用した場合には、同じ電圧条件では、スイッチに５ｋＶの耐圧性能が必要である。これに対し、図６の構成を採用した場合には、スイッチには２５０Ｖ程度の耐圧性能があればよい。すなわち、スイッチの耐圧性能を１／２０程度に低減できる。ここで、例えば両端電圧の一つの目安として、交流低圧基準上限値の６００Ｖおよび交流高圧基準上限値の７０００Ｖが挙げられる。一方、安価で低損失な半導体スイッチが利用可能な耐圧レンジとして、例えば２５０Ｖおよび５００Ｖ、といった値が挙げられる。並列キャパシタ群９２におけるキャパシタンスＣｐ１、Ｃｐ２と第１のキャパシタのキャパシタンスＣａは、上記関係を基に適切に設定される。
【００６７】
このように、図６の構成を採用することにより、スイッチに要求される耐圧性能を大きく低減することができる。このため、汎用的な半導体スイッチを用いて、キャパシタ群９０の合成キャパシタンスを調整することができる。
【００６８】
図６に示すキャパシタ群９０の構成は一例にすぎず、様々な変形が可能である。以下、キャパシタ群９０の他の構成例を説明する。
【００６９】
図７は、電極ユニット５０の他の例を示す図である。この例では、キャパシタ群９０は、第２のキャパシタＣｂをさらに含む。第２のキャパシタＣｂは、第１のキャパシタＣａおよび並列キャパシタ群９２に直列に接続されている。第１のキャパシタＣａは、第１の配線４０ａに直接接続されている。第２のキャパシタＣａは第２の配線４０ｂに直接接続されている。並列キャパシタ群９２は、第１のキャパシタＣａと第２のキャパシタＣｂとの間に接続されている。
【００７０】
並列キャパシタＣｐ２は、スイッチによってオン／オフの制御が可能である。この制御は、外部の制御回路からスイッチに入力される制御信号によって行われる。スイッチは、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴなどの半導体スイッチであり得る。制御回路は、スイッチに制御信号を送ることにより、オン／オフの切り替えを行う。
【００７１】
この例では、各並列キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２のキャパシタンスは、第１のキャパシタＣａおよび第２のキャパシタＣｂの各々のキャパシタンスよりも高い。各並列キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２のキャパシタンスは、第１のキャパシタＣａおよび第２のキャパシタＣｂの各々のキャパシタンスの例えば２倍以上に設定され得る。
【００７２】
図７に示す構成によれば、キャパシタ群９０の配置の対称性が高いため、スイッチＳＷの開放時にスイッチＳＷに印加される交流電圧が０Ｖ付近で推移する。そのため、外部の制御回路がスイッチＳＷに制御信号を印加しやすいという利点がある。この効果を最大化するためにも、第１のキャパシタＣａおよび第２のキャパシタＣｂの値は等しく設定されうる。
【００７３】
前述のように、並列キャパシタ群９２は、３つ以上の並列キャパシタを含んでいてもよい。その場合、３つ以上の並列キャパシタの少なくとも２つは、接続／非接続の状態を切り替えることができるように構成され得る。
【００７４】
図８は、並列キャパシタ群９２が３つの並列キャパシタを含む例を示す図である。この例では、図６の例と比較して、並列キャパシタの数が３個に増加している。スイッチ付きの並列キャパシタＣｐ３が追加されている。並列キャパシタＣｐ１は、スイッチを介することなく第１のキャパシタＣａに直列に接続されている。並列キャパシタＣｐ２およびＣｐ３の各々は、スイッチによって経路への接続／非接続を切替えることができる。キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２、Ｃｐ３のキャパシタンスは、キャパシタＣａのキャパシタンスよりも大きい値に設定され得る。キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２、Ｃｐ３のキャパシタンスは、同一の値に設定されていてもよいし、全て異なる値に設定されていてもよい。
【００７５】
図９は、電極ユニットの他の構成例を示す図である。この例では、図７の例と比較して、並列キャパシタの数が３個に増加している。並列キャパシタＣｐ１は、スイッチを介することなく第１のキャパシタＣａおよび第２のキャパシタＣｂに直列に接続されている。並列キャパシタＣｐ２およびＣｐ３の各々は、スイッチによって経路への接続／非接続を切替えることができる。キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２、Ｃｐ３のキャパシタンスは、キャパシタＣａ、Ｃｂのキャパシタンスよりも大きい値に設定される。キャパシタＣｐ１、Ｃｐ２、Ｃｐ３のキャパシタンスは、同一の値に設定されていてもよいし、全て異なる値に設定されていてもよい。
【００７６】
図６および図７に示す構成では、並列キャパシタ群９２の選択可能な状態、すなわち選択可能な合成キャパシタンスの数は２である。これに対し、図８および図９に示す構成では、並列キャパシタ群９２の選択可能な状態の数が４に増加する。このため、共振周波数の更なる微調整が可能である。
【００７７】
オン／オフの切り替えが可能で且つ異なるキャパシタンスをもつ並列キャパシタの数をＮとすると、選択可能なキャパシタンスの状態数は、２Ｎで表される。Ｎ＝１の場合は状態数は２であるが、Ｎ＝２の場合は状態数は４になり、Ｎ＝３の場合は状態数は８になる。Ｎが増加するにつれて、選択可能な状態の数が飛躍的に増加し、共振周波数の微調整が容易になる。
【００７８】
本実施形態の電極ユニット５０において、共振回路の一部を構成するインダクタのインダクタンスＬｉｎｔがΔＬだけ変動した場合を考察する。インダクタは製造ばらつきによる特性変動が特に大きい。例えばΔＬ／Ｌｉｎｔが±１０％程度に達することは、量産時には容易に発生しうる。仮に１０％のΔＬ／Ｌｉｎｔを補正して設計時の適切な共振条件が維持されるためには、本実施形態におけるキャパシタ群９０も当初の設計値Ｃｉｎｔに対し１０％近い変動幅となるΔＣを持たなければならない。キャパシタ群９０における選択可能なスイッチ状態の数が２の場合、生成しうる共振周波数は、以下のｆ１ｐおよびｆ１ｍの２つである。
【数１】
2019176621.tif 000003
【数２】
2019176621.tif 000004
【００７９】
ΔＬが正であった場合、後者のｆ１ｐが選択されることになる。一方、製造ばらつきが例えば何等かの統計的な分布（例えば正規分布等）に従うと仮定すると、量産時に用いられる大部分のインダクタは、ばらつき幅の上限値ほどばらつかずに導入されることにもなる。仮に、設計値通りのインダクタンスＬｉｎｔでインダクタが実現されたとすると、キャパシタ群９０における選択可能なスイッチ状態の数が２の場合に生成しうる共振周波数は、以下のｆ１ｐおよびｆ１ｍになってしまう。
【数３】
2019176621.tif 000005
【数４】
2019176621.tif 000006
【００８０】
仮にインダクタの製造ばらつきが大きいことを見越して、ΔＣを大きく設定してしまうと、ｆ１ｐとｆ２ｐとも、当初の設計共振周波数である以下の値ｆ１ｉｎｔから大きく逸脱することになる。
【数５】
2019176621.tif 000007
【００８１】
このような場合、電力伝送特性の大きな劣化を招きかねない。このため、本実施形態におけるキャパシタンスの可変可能な状態数を２から３以上の値に増加させることで飛躍的にシステムの歩留まりを増大させることが可能となる。
【００８２】
以上のように、本実施形態によれば、整合回路８０内のインダクタまたはキャパシタなどの回路素子の特性が設計された特性からずれていたとしても、事後的にそのずれを補償することができる。結果として、電極ユニットを備える装置の歩留まりを改善することができる。
【００８３】
電極ユニットは、送電装置および受電装置の一方に設けられていてもよいし、両方に設けられていてもよい。送電装置および受電装置の両方が上記の電極ユニットを備える場合、送電装置および受電装置の各々で、上記のキャパシタンスの調整を行い、伝送特性を最適化することができる。ここで、送電装置における並列キャパシタ群の選択可能な状態数をＮｔとし、受電装置における並列キャパシタ群の選択可能な状態数をＮｒとする。システム全体で選択可能なキャパシタンスの組み合わせは、２（Ｎｔ＋Ｎｒ）で表される。ＮｔおよびＮｒが大きいほど、回路素子の特性のばらつきの影響を低減し易くなる。
【００８４】
一例として、図４に示す回路構成の無線電力伝送システムにおいて、キャパシタＣｔ１およびＣｒ１の各々に、本実施形態における可変整合回路の構成を適用した場合の品質性能を解析によって見積もった。本解析では、製造時のばらつきによる各インダクタのインダクタンス値の設計値からの変動率を±１０％、各キャパシタのキャパシタンス値の設計値からの変動率を±５％とした。対向する送電電極対と受電電極対との間の結合時の容量は８０ｐＦとした。周波数４８５ｋＨｚおよび入力電圧２００Ｖの条件で２ｋＷの電力が出力されるようにシステムを動作させた場合の効率を性能指標とした。実施例として、（Ｎｔ，Ｎｒ）＝（１，１），（１，２），（２，１），（２，２）の４パターンについて解析した。比較例として、本実施形態の可変整合回路構成を採用しなかった場合（Ｎｔ＝０、Ｎｒ＝０の場合）についても解析した。整合回路内の各受動素子群の定数（インダクタンスおよびキャパシタンス）が正規分布に従ってばらついた場合に、効率の低下率が５％以内に収まった条件の発生比率を製造歩留まりとした。ここで、各実施例では、半導体スイッチ部に印加される電圧を線路間に印加される電圧の４００分の１程度に低減し、２５０Ｖの耐圧性能を持つ半導体スイッチで実現可能な構成とした。また、並列キャパシタ群における並列キャパシタンスの配分は、条件を探索した結果、歩留まりが最大化した条件にそれぞれ設定した。
【００８５】
【表１】
2019176621.tif 000008
【００８６】
表１に示すように、Ｎｔ＝０，Ｎｒ＝０の比較例では、歩留まりが２２．５％に留まった。これに対し、Ｎｔ＝１，Ｎｒ＝１の実施例では、歩留まりが３０．５％に改善した。Ｎｔ＝１，Ｎｒ＝２の実施例およびＮｔ＝２，Ｎｒ＝１の実施例では、歩留まりが４７．３％に改善した。さらに、Ｎｔ＝２，Ｎｒ＝２の実施例では、歩留まりが６０．７％に改善した。以上の結果から、本実施形態における可変整合回路を適用することの有効性が確認された。
【００８７】
次に、電極ユニットにおける整合回路８０の構成のより具体的な例を説明する。
【００８８】
図１０は、電極ユニットの他の構成例を示す図である。この例における整合回路８０は、図４に示す共振回路の構成に、図９に示すキャパシタ群９０の構成を適用した構造を有する。この例における整合回路８０は、第１のインダクタＬｔ１と、第２のインダクタＬｔ２とをさらに備える。第１のインダクタＬｔ１は、第１の配線４０ａを介して第１の電極２０ａに接続され、第１の電極２０ａに接続される端子とは反対の側の端子において、電力変換回路６０の第１の端子６０ａに直接的または間接的に接続される。第２のインダクタＬｔ２は、第２の配線４０ｂを介して第２の電極２０ｂに接続され、第２の電極２０ｂに接続される端子とは反対の側の端子において、電力変換回路６０の第２の端子６０ｂに直接的または間接的に接続される。キャパシタ群９０は、第１の配線４０ａにおける、第１のインダクタＬｔ１と第１の電極２０ａとの間の部位と、第２の配線４０ｂにおける、第２のインダクタＬｔ２と第２の電極２０ｂとの間の部位との間に接続されている。
【００８９】
電力変換回路６０とインダクタＬｔ１またはＬｔ２との間には、他のインダクタ、キャパシタ、フィルタ回路、または変圧器などの回路要素が挿入され得る。その場合、インダクタＬｔ１またはＬｔ２は、電力変換回路６０の端子６０ａまたは６０ｂに、間接的に接続される。
【００９０】
第１のインダクタＬｔ１と第２のインダクタＬｔ２との結合係数ｋは、例えば−１＜ｋ＜０を満足する値に設定され得る。結果として、第１のインダクタＬｔ１および第２のインダクタＬｔ２は、コモンモードチョークフィルタの機能を果たしてもよい。これにより、電極側へ出力される不要輻射の要因となり得るコモンモードノイズの強度を低減することもできる。
【００９１】
この例における整合回路８０においては、インダクタＬｔ１とＬｔ２が結合係数ｋで磁気的に結合した上で、結果としてインダクタＬｔ１とＬｔ２の対において発生する漏れインダクタンスとキャパシタＣｔ１のキャパシタンスとが共振ループを構成する。コモンモードチョーク共振器の共振周波数ｆ０、インダクタンスＬｔ１、Ｌｔ２、およびキャパシタンスＣｔ１は、以下の数６の関係を満たす。
【数６】
2019176621.tif 000009
【００９２】
実際の設計においては、電力変換回路６０の側に追加される回路および電極２０ａ、２０ｂの側に追加される回路の影響、および入出力のインピーダンスなどの関係から、厳密には上式の値と実際の共振周波数との間に差異が生じる場合がある。その場合でも、共振周波数は、上式の値から概ね５０％以内の誤差の範囲になるように設計される。また、コモンモードチョーク共振器の共振周波数ｆ０と伝送周波数ｆ１がほぼ等しく設定される。したがって、伝送される交流電力の周波数ｆ１は、例えば数６に示すｆ０の値の０．５倍から１．５倍の範囲内の値に設定され得る。
【００９３】
コモンモードチョーク共振器内において、インダクタンスＬｔ１およびＬｔ２は、例えばほぼ同じ値に設定される。一般的なインダクタの製造ばらつきの範囲を±２０％以内とすると、インダクタンスＬｔ１とＬｔ２との差は、例えば４０％以内に設定される。言い換えれば、Ｌｔ１とＬｔ２との差は、Ｌｔ１およびＬｔ２の平均値の０．４倍よりも小さい。より好ましくはインダクタンスＬｔ１とＬｔ２との差は±１０％以内に設定される。この場合、Ｌｔ１とＬｔ２との差は、Ｌｔ１およびＬｔ２の平均値の０．１倍よりも小さい。本開示の実施形態の無線電力伝送システムにおいて、電極面積の拡大に制約がある中、省面積で大電力を伝送するには、コモンモードチョーク共振器の出力端に接続される電極２０ａと電極２０ｂの電圧位相差が１８０度を保つことが好ましい。インダクタンスＬｔ１とＬｔ２を等しく保つことが本開示の実施形態の無線電力伝送システムにおける回路対称性の維持につながり、より好ましい効果をもたらす。
【００９４】
電力伝送時において、電力変換回路６０から出力される交流電力または電力変換回路６０に入力される交流電力の電圧の実効値をＶ０、第１の電極２０ａと第２の電極２０ｂとの間の電圧の実効値をＶ１とする。このとき、前述のように、例えば２．１＜Ｖ１／Ｖ０＜５０が満たされる。整合回路８０が送電装置に設けられる場合、整合回路８０は、昇圧比Ｖ１／Ｖ２の昇圧回路として機能する。整合回路８０が受電装置に設けられる場合、整合回路８０は、降圧比Ｖ０／Ｖ１の高圧回路として機能する。
【００９５】
図１０では、キャパシタ群９０の構成が、図９に示す構成と同じであるが、これに限定されない。例えば、図６から図８のいずれかに示すキャパシタ群９０の構成を適用してもよい。また、並列キャパシタの個数は４個以上であってもよい。並列キャパシタの個数が例えば４個の場合、並列キャパシタのうちの少なくとも３個のキャパシタは、異なるキャパシタンスをもつ。それらのキャパシタは、スイッチによって接続／非接続を切り替えることができるように構成され得る。
【００９６】
整合回路８０は、図１０に示す要素以外の回路素子を含んでいてもよい。図１１Ａから図１１Ｆを参照しながら、整合回路８０の他の例を説明する。図１１Ａから図１１Ｆにおいて、キャパシタ群９０は、１つのブロックとして簡略化して表されている。
【００９７】
図１１Ａは、整合回路８０の第１の変形例を示す図である。この整合回路８０は、キャパシタＣｔ２、Ｃｔ３と、第３のインダクタＬｔ３とをさらに備える。キャパシタＣｔ２は、第１のインダクタＬｔ１と第１の端子６０ａとの間に直列回路素子として接続される。キャパシタＣｔ３は、第２のインダクタＬｔ２と第２の端子６０ｂとの間に直列回路素子として接続される。第３のインダクタＬｔ３は、第１のインダクタＬｔ１とキャパシタＣｔ２との間の配線と、第２のインダクタＬｔ２とキャパシタＣｔ３との間の配線との間に並列回路素子として接続される。第３のインダクタＬｔ３は、キャパシタ群９０に並列に接続されている。この構成は、図１０に示す整合回路の構成の前段に、対称的な回路構成を有するハイパスフィルタが追加された構成であると言える。このような構成によれば、伝送効率をさらに向上させることができる。
【００９８】
図１１Ｂは、整合回路８０の第２の変形例を示す図である。この整合回路８０は、キャパシタＣｔ２と、第３のインダクタＬｔ３とをさらに備える。キャパシタＣｔ２は、第１のインダクタＬｔ１と第１の端子６０ａとの間に直列回路素子として接続される。第３のインダクタＬｔ３は、第１のインダクタＬｔ１とキャパシタＣｔ２との間の配線と、第２のインダクタＬｔ２と第２の端子６０ｂとの間の配線との間に並列回路素子として接続される。第３のインダクタＬｔ３は、キャパシタ群９０に並列に接続されている。この構成は、図１０に示す整合回路の構成の前段に、非対称な回路構成を有するハイパスフィルタが追加された構成であると言える。図１１Ａの構成と比較して、回路の正負対称性は低下するが素子数を削減することが可能である。このような構成によっても伝送効率をさらに向上させることができる。
【００９９】
図１１Ｃは、整合回路８０の第３の変形例を示す図である。この整合回路８０は、第３のインダクタＬｔ３と、キャパシタＣｔ２とをさらに備える。第３のインダクタＬｔ３は、第１のインダクタＬｔ１と第１の端子６０ａとの間に直列回路素子として接続される。キャパシタＣｔ２は、第１のインダクタＬｔ１と第３のインダクタＬｔ３との間の配線と、第２のインダクタＬｔ２と第２の端子６０ｂとの間の配線との間に並列回路素子として接続される。この構成は、図１０に示す整合回路の構成の前段に、非対称な回路構成を有するローパスフィルタが追加された構成であると言える。このような構成によっても伝送効率をさらに向上させることができる。
【０１００】
図１１Ｄは、整合回路８０の第４の変形例を示す図である。この整合回路８０は、第３のインダクタＬｔ３と、第４のインダクタＬｔ４と、キャパシタＣｔ２とを備える。第３のインダクタＬｔ３は、第１のインダクタＬｔ１と第１の端子６０ａとの間に直列回路素子として接続される。第４のインダクタＬｔ４は、第２のインダクタＬｔ２と第２の端子６０ｂとの間に直列回路素子として接続される。キャパシタＣｔ２は、第１のインダクタＬｔ１と第３のインダクタＬｔ３との間の配線と、第２のインダクタＬｔ２と第４のインダクタＬｔ４との間の配線との間に並列回路素子として接続される。第３のインダクタＬｔ３と、第４のインダクタＬｔ４は、例えば負の結合係数で結合するように設計され得る。この構成は、図１０に示す整合回路の構成の前段に、対称的な回路構成を有するローパスフィルタが追加された構成であると言える。このような構成によっても伝送効率をさらに向上させることができる。なお、図１１Ｄの構成は、図１０に示すコモンモードチョーク共振器が多段接続された構成であるとも見做せる。接続されるコモンモードチョーク共振器の段数は２に限らず、３以上であってもよい。
【０１０１】
図１１Ｅは、整合回路８０の第５の変形例を示す図である。この整合回路８０は、第３のインダクタＬｔ３をさらに備える。第３のインダクタＬｔ３は、第１のインダクタＬｔ１と第１の端子６０ａとの間に直列回路素子として接続される。第１のインダクタＬｔ１と第２のインダクタＬｔ２との間の結合に加え、例えば第２のインダクタＬｔ２と結合しないインダクタが整合のために必要となる場合、このような構成によっても伝送効率を向上させることができる。
【０１０２】
図１１Ｆは、整合回路８０の第６の変形例を示す図である。この整合回路８０は、電力変換回路に接続される直列共振回路１３０ｓと、直列共振回路１３０ｓに磁気的に結合する並列共振回路１４０ｐとをさらに備える。並列共振回路１４０ｐは、第１のインダクタＬｔ１および第２のインダクタＬｔ２に接続されている。この構成は、図１０に示す整合回路の構成の前段に、図３に示す共振回路１３０ｓ、１４０ｐが追加された構成であると言える。このような構成によれば、変圧比をさらに高め、良好な特性を実現することができる。
【０１０３】
図１１Ｇは、整合回路８０の第７の変形例を示す図である。この整合回路８０は、図３に示す整合回路１８０、２８０におけるキャパシタＣ２またはＣ３を、キャパシタ群９０に置換した構造を備える。整合回路８０は、キャパシタ群９０に並列に接続された並列インダクタＬ２をさらに備える。並列インダクタＬ２およびキャパシタ群９０は、並列共振回路１４０ｐの一部である。整合回路８０は、電力変換回路の端子６０ａおよび端子６０ｂに接続される直列共振回路１３０ｓをさらに備える。直列共振回路１３０ｓは、直列に接続されたインダクタＬ１およびキャパシタＣ１を含む。直列共振回路１３０ｓおよび並列共振回路１４０ｐは、磁気的に結合し、昇圧回路または降圧回路として機能する。このような構造であっても、本実施形態の効果を得ることができる。
【０１０４】
前述の各整合回路は、送電装置にも受電装置にも用いられ得る。各整合回路が送電装置に用いられる場合、図の右側の２つの端子は２つの送電電極にそれぞれ接続され、端子６０ａ、６０ｂは例えばインバータ回路の端子であり得る。各整合回路が受電装置に用いられる場合、図の右端の２つの端子は２つの受電電極に接続され、端子６０ａ、６０ｂは例えば整流回路の端子であり得る。
【０１０５】
（実施形態２）
次に、電極ユニットを搭載した送電装置および受電装置を備える無線電力伝送システムの構成例を説明する。
【０１０６】
図１２は、実施形態２における無線電力伝送システムの構成を示す図である。本実施形態の無線電力伝送システムは、図１および図２を参照して説明した移動体１０への給電の用途に利用される。
【０１０７】
無線電力伝送システムは、送電装置１００と、受電装置２００とを備える。図１２には、本システムの外部の要素である電源３１０および負荷３３０も示されている。電源３１０および負荷３３０は、無線電力伝送システムに含まれていてもよい。
【０１０８】
送電装置１００は、第１の電力変換回路１１０と、第１の整合回路１８０と、２つの送電電極１２０ａ、１２０ｂと、制御回路１５０とを備える。第１の整合回路１８０は、第１の電力変換回路１１０と２つの送電電極１２０ａ、１２０ｂとの間に接続されている。第１の整合回路１８０は、図１０に示す整合回路８０と同様の構成を有する。第１の整合回路１８０は、インダクタＬｔ１、Ｌｔ２と、キャパシタ群１９０とを含む。インダクタＬｔ１は、電力変換回路１１０の一方の端子１１０ａと一方の送電電極１２０ａとの間に接続されている。インダクタＬｔ２は、電力変換回路１１０の他方の端子１１０ｂと他方の送電電極１２０ｂとの間に接続されている。キャパシタ群１９０は、インダクタＬｔ１と送電電極１２０ａとの間の配線と、インダクタＬｔ２と送電電極１２０ｂとの間の配線との間に接続されている。
【０１０９】
受電装置２００は、２つの受電電極２２０ａ、２２０ｂと、第２の整合回路２８０と、第２の電力変換回路２１０と、制御回路２５０とを備える。第２の整合回路２８０は、２つの受電電極２２０ａ、２２０ｂと第２の電力変換回路２１０との間に接続されている。第２の整合回路２８０も、図１０に示す整合回路８０と同様の構成を有する。第２の整合回路２８０は、インダクタＬｒ１、Ｌｒ２と、キャパシタ群２９０とを含む。インダクタＬｒ１は、電力変換回路２１０の一方の端子２１０ａと一方の受電電極２２０ａとの間に接続されている。インダクタＬｒ２は、電力変換回路２１０の他方の端子２１０ｂと他方の受電電極２２０ｂとの間に接続されている。キャパシタ群２９０は、インダクタＬｒ１と受電電極２２０ａとの間の配線と、インダクタＬｒ２と受電電極２２０ｂとの間の配線との間に接続されている。
【０１１０】
以下、各構成要素をより詳細に説明する。なお、インダクタを表す参照符号Ｌｔ１、Ｌｔ２、Ｌｒ１、Ｌｒ２は、そのインダクタのインダクタンス値を表す記号としても用いる。以下の説明において、送電電極１２０ａ、１２０ｂを区別せずに「送電電極１２０」と記載することがある。同様に、受電電極２２０ａ、２２０ｂを区別せずに「受電電極２２０」と記載することがある。
【０１１１】
図１に示す移動体１０の筐体、送電電極１２０ａ、１２０ｂ、および受電電極２２０ａ、２２０ｂのそれぞれのサイズは、特に限定されないが、例えば以下のサイズに設定され得る。送電電極１２０ａ、１２０ｂの長さ（図１に示すＹ方向のサイズ）は、例えば５０ｃｍから２０ｍの範囲内に設定され得る。送電電極１２０ａ、１２０ｂのそれぞれの幅（図１に示すＸ方向のサイズ）は、例えば０．５ｃｍから１ｍの範囲内に設定され得る。移動体１０の筐体の進行方向および横方向におけるそれぞれのサイズは、例えば、２０ｃｍから５ｍの範囲内に設定され得る。受電電極２２０ａ、２２０ｂのそれぞれの長さ（すなわち、進行方向におけるサイズ）は、例えば５ｃｍから２ｍの範囲内に設定され得る。受電電極２２０ａ、２２０ｂのそれぞれの幅（すなわち、横方向におけるサイズ）は、例えば２ｃｍから２ｍの範囲内に設定され得る。送電電極対の間のギャップ、および受電電極対の間のギャップは、例えば１ｍｍから４０ｃｍの範囲内に設定され得る。送電電極１２０ａ、１２０ｂと受電電極２２０ａ、２２０ｂとの間の距離は、例えば５ｍｍから３０ｍｍ程度であり得る。但し、これらの数値範囲に限定されない。
【０１１２】
負荷３３０は、例えば駆動用の電気モータ、および蓄電用のキャパシタまたは二次電池を含み得る。負荷３３０は、電力変換回路２１０から出力された直流電力によって駆動または充電される。
【０１１３】
電気モータは、直流モータ、永久磁石同期モータ、誘導モータ、ステッピングモータ、リラクタンスモータなどの、任意のモータであり得る。モータは、シャフトおよびギア等を介して移動体１０の車輪を回転させ、移動体１０を移動させる。モータの種類に応じて、電力変換回路２１０は、整流回路、インバータ回路、インバータ制御回路などの、各種の回路を含み得る。電力変換回路２１０は、交流モータを駆動するために、受電したエネルギー（すなわち交流電力）の周波数を、モータを駆動するための周波数に直接変換するコンバータ回路を含んでいてもよい。
【０１１４】
蓄電用のキャパシタは、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、高容量かつ低抵抗のキャパシタであり得る。このようなキャパシタを蓄電器として用いることにより、二次電池を用いた場合よりも、急速な充電が可能である。キャパシタに代えて、リチウムイオン電池等の二次電池を用いてもよい。その場合、充電に要する時間は増加するが、より多くのエネルギーを蓄えることができる。移動体１０は、キャパシタまたは二次電池に蓄えられた電力によってモータを駆動して移動する。
【０１１５】
移動体１０が移動すると、キャパシタまたは二次電池の蓄電量が低下する。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１０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。この移動は、不図示の中央管理装置による制御の元で行われてもよいし、移動体１０が自律的に判断して行ってもよい。送電装置１００は、工場内の複数の箇所に設置され得る。
【０１１６】
送電装置１００における整合回路１８０は、電力変換回路１１０のインピーダンスと送電電極１２０ａ、１２０ｂのインピーダンスとを整合させる。インダクタＬｔ１とインダクタＬｔ２は、所定の結合係数で結合するコモンモードチョークフィルタとして機能し得る。これらのインダクタＬｔ１、Ｌｔ２のインダクタンス値は、ほぼ等しい値に設定されている。
【０１１７】
図１３は、２つのインダクタＬｔ１、Ｌｔ２の構成例を模式的に示す図である。この例では、２つのインダクタＬｔ１、Ｌｔ２が、リング状またはトロイダル状の磁性体であるコア４１０の周囲に巻回されている。コア４１０は、例えば軟磁性のフェライトコアであり得る。インダクタＬｔ１、Ｌｔ２は、コア４１０を介して負の結合係数を実現する向きに配置されている。具体的には、インダクタＬｔ１、Ｌｔ２の結合係数をｋとすると、−１＜ｋ＜０である。結合係数ｋが−１に近いほど、伝送効率の観点からは良好な特性が得られる。また、インダクタＬｔ１、Ｌｔ２に図１３の左側入出力端子から同相の電流が入力された場合、図１３右側の出力端子へは同相の電流が出力されない。このような構成により、回路前段で発生し得るコモンモードノイズが後段に伝達される確率を抑圧できる。
【０１１８】
インダクタＬｔ１、Ｌｔ２は、必ずしも図１３のような構造を有していなくてもよい。インダクタＬｔ１，Ｌｔ２の各々は、低損失特性を得るために空芯構造を有していてもよい。なお、結合係数は、例えばＪＩＳＣ５３２１に規定された方法で測定できる。
【０１１９】
キャパシタ群１９０に含まれる各キャパシタのキャパシタンスは、インダクタＬｔ１、Ｌｔ２の漏れインダクタンスとの間で共振するように設計され得る。インダクタＬｔ１、Ｌｔ２およびキャパシタ群１９０によって構成されるコモンモードチョーク共振回路の共振周波数は、電力変換回路１１０が出力する交流電力の周波数ｆ１に等しい値に設計され得る。この共振周波数は、例えば、伝送周波数ｆ１の５０〜１５０％程度の範囲内の値に設定されていてもよい。電力伝送の周波数ｆ１は、例えば５０Ｈｚ〜３００ＧＨｚ、ある例では２０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚ、他の例では２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚ、さらに他の例では８０ｋＨｚ〜１４ＭＨｚに設定され得る。
【０１２０】
制御回路１５０は、例えばマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）などの、プロセッサとメモリとを備えた回路であり得る。制御回路１５０は、電力変換回路１１０に含まれる各スイッチおよびキャパシタ群１９０に含まれる並列キャパシタに接続されたスイッチを制御する。各スイッチは、例えばトランジスタを含む半導体スイッチであり得る。制御回路１５０は、各スイッチに制御信号を送ることにより、各スイッチのオン／オフの切り替えを行うことができる。
【０１２１】
受電装置２００におけるインダクタＬｒ１、Ｌｒ２およびキャパシタ群２９０も、送電装置１００におけるインダクタＬｔ１、Ｌｔ１およびキャパシタ群１９０とそれぞれ同様の構成を有する。受電装置２００における制御回路２５０は、制御回路１５０と同様の構成を有する。制御回路２５０は、受電装置２００におけるキャパシタ群２９０における並列キャパシタに接続されたスイッチを制御する。
【０１２２】
各インダクタＬｔ１、Ｌｔ２、Ｌｒ１、Ｌｒ２は、例えば、銅もしくはアルミニウムなどの材料によって形成されるリッツ線またはツイスト線などを用いた巻き線コイルであり得る。回路基板上に形成された平面コイルまたは積層コイルを用いてもよい。キャパシタ群１９０における各キャパシタには、例えばチップ形状またはリード形状を有するあらゆるタイプのキャパシタを利用できる。空気を介した２配線間の容量を各キャパシタとして機能させることも可能である。
【０１２３】
図１４は、送電装置１００における電力変換回路１１０の構成例を模式的に示す図である。この例では、電源３１０は直流電源である。電力変換回路１１０は、４つのスイッチング素子を含むフルブリッジ型のインバータ回路を含む。各スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタによって構成され得る。制御回路１５０は、各スイッチング素子の導通（オン）および非導通（オフ）の状態を制御する制御信号を出力するゲートドライバと、ゲートドライバに制御信号を出力させるプロセッサとを有する。プロセッサは、例えばマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）におけるＣＰＵであり得る。図１４に示すフルブリッジ型のインバータ回路の代わりに、ハーフブリッジ型のインバータ回路、または、Ｅ級などの他の発振回路を用いてもよい。
【０１２４】
電力変換回路１１０は、通信用の変復調回路、および電圧・電流などを測定する各種のセンサなどの他の要素を有していてもよい。電力変換回路１１０が通信用の変復調回路を有する場合、交流電力に重畳してデータを受電装置２００に送信することができる。電源３１０が交流電源の場合は、電力変換回路１１０は、入力された交流電力を、周波数または電圧の異なる電力伝送用の交流電力に変換する。
【０１２５】
図１５は、受電装置２００における電力変換回路２１０の構成例を模式的に示す図である。この例では、電力変換回路２１０は、ダイオードブリッジと平滑コンデンサとを含む全波整流回路である。電力変換回路２１０は、他の整流器の構成を有していてもよい。電力変換回路２１０は、電力変換回路２１０の他にも、定電圧・定電流制御回路、通信用の変復調回路などの各種の回路を含んでいてもよい。電力変換回路２１０は、受け取った交流エネルギーを負荷３３０が利用可能な直流エネルギーに変換する。電圧・電流などを測定する各種センサが電力変換回路２１０に含まれていてもよい。負荷３３０が利用するエネルギーが交流エネルギーである場合は、電力変換回路２１０は、直流ではなく交流エネルギーを出力するように構成される。
【０１２６】
電源３１０は、例えば、商用電源、一次電池、二次電池、太陽電池、燃料電池、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）電源、高容量のキャパシタ（例えば電気二重層キャパシタ）、商用電源に接続された電圧変換器などの任意の電源であってよい。電源３１０は直流電源であっても交流電源であってもよい。
【０１２７】
本実施形態における送電装置１００におけるキャパシタ群１９０および受電装置２００におけるキャパシタ群２９０の各々は、例えば図６から図１１Ｇを参照して説明したいずれかの回路構成を有する。図６から図１１Ｇにおいて１つのキャパシタとして表現されている素子は、単一のキャパシタに限らず、１つ以上のキャパシタと１つ以上のインダクタとの集合体であってもよい。キャパシタ群９０は、図示されているキャパシタだけでなく、インダクタおよび抵抗器などの他の回路素子を含み得る。
【０１２８】
次に、本実施形態の変形例を説明する。
【０１２９】
整合回路１８０、２８０は、図１２に示す構成に限らず、多様な変形が可能である。整合回路１８０、２８０の各々は、例えば図１１Ａから図１１Ｇに示すような様々な構成を採り得る。
【０１３０】
図１６は、整合回路１８０、２８０の各々が、図１１Ｄに示す構成を有する例を示している。この例のように、２つのインダクタと並列容量素子の組み合わせを多段接続することにより、伝送効率をさらに向上させることができる。
【０１３１】
図１７は、整合回路１８０が図１１Ｃに示す構成を有し、整合回路２８０が図１１Ａに示す構成を有する例を示している。図１８は、整合回路１８０が図１１Ｅに示す構成を有し、整合回路２８０は図１０と同様の構成を有する例を示している。これらの例のように、整合回路１８０、２８０が同様の回路構成を有している必要はない。
【０１３２】
図１９は、整合回路１８０、２８０の各々が、図１１Ｆに示す構成を有する例を示している。送電側の整合回路１８０は、電力変換回路１１０と、コモンモードチョーク共振器との間に、直列共振回路１３０ｓおよび並列共振回路１４０ｐを備える。受電側の整合回路２８０は、電力変換回路２１０と、コモンモードチョーク共振器との間に直列共振回路２３０ｓおよび並列共振回路２４０ｐを備える。このようにトランスを利用することで、整合回路１８０の昇圧比および整合回路２８０の降圧比を増加させることが容易になる。より低い電圧の電源で電力変換回路１０（例えば周波数変換回路）を駆動させることができれば、高価格なパワー半導体を必要とせず装置の低コスト化が図れる。また、結合電極部（すなわち電極１２０、２２０）での結合容量に制約がある場合でも、省面積の電極で大電力を送ることが可能となる。
【０１３３】
本実施形態では、送電装置１００および受電装置２００の両方が、キャパシタ群１９０の合成キャパシタンスを調整する機能を有する。言い換えれば、送電装置１００および受電装置２００の両方において、共振周波数の調整が可能である。このため、各回路素子のインダクタンスまたはキャパシタンスが、設計された値からずれていたとしても、ずれの影響を低減できる。さらに、送電装置１００と受電装置２００との組み合わせが変化した場合でも、それらのキャパシタンスを最適な組み合わせに調整することで、伝送特性を最適化できる。
【０１３４】
本実施形態の無線電力伝送システムでは、運用を開始する前に、所望の伝送特性を実現する最適なキャパシタンス条件を決定する電力伝送試験を実施することができる。そのような電力伝送試験は、例えば以下の流れで行われ得る。
【０１３５】
図２０は、電力伝送試験の動作の一例を示すフローチャートである。この例では、所望の伝送特性として、伝送効率を最大化する特性を実現するためのキャパシタ群の組み合わせを、送電装置が自動で決定する。
【０１３６】
まず、送電装置と受電装置との位置合わせが行われる（ステップＳ１００）。位置合わせとは、送電電極１２０と受電電極２２０とが対向する状態になるように、受電装置を移動させる動作を意味する。位置合わせは、例えばカメラもしくは距離センサを用いた画像処理、または送電回路もしくは受電回路内の電圧、電流、電力などの測定値の変動に基づいて行われ得る。
【０１３７】
次に、制御回路１５０は、キャパシタ群の組み合わせを初期状態にして送電する（ステップＳ１１０）。初期状態とは、例えば並列キャパシタ群９２のうち、スイッチが設けられていないキャパシタのみを導通状態にした状態であり得る。この送電は、通常の送電とは異なり、例えば試験用の微弱な送電であり得る。使用される周波数も、通常の送電時の周波数とは異なっていてもよい。制御回路１５０は、伝送効率を測定し、制御回路１５０内のメモリに記録する（ステップＳ１２０）。このステップＳ１２０は、キャパシタ群の組み合わせを変更しながら、その都度行われる（ステップＳ１３０、Ｓ１４０）。伝送効率は、例えば、送電装置１００における電圧および電流の測定値から計算される送電電力と、受電装置２００における電圧および電流の測定値から計算される受電電力との比から計算することができる。制御回路１５０は、受電装置２００における受電電力を知るために、不図示の通信回路を介して、受電電力の情報を取得してもよい。
【０１３８】
並列キャパシタ群の全ての組み合わせについて測定が完了すると（ステップＳ１３０におけるＹｅｓ）、制御回路１５０は、伝送効率の測定結果を比較し、伝送効率が最大になる並列キャパシタの組み合わせを決定する（ステップＳ１５０）。そして、決定した組み合わせに含まれるキャパシタをオンに設定する（ステップＳ１６０）。
【０１３９】
このように、制御回路１５０は、並列キャパシタ群のオン／オフの組み合わせを順次変化させ、変化させる度に伝送特性に依存するパラメータ（この例では伝送効率）を測定する。制御回路１５０は、当該パラメータの測定結果を比較して並列キャパシタ群のオン／オフの最適な組み合わせを決定する。このような動作により、電力伝送試験を自動で行うことができる。
【０１４０】
図２０に示す動作は、送電装置１００における制御回路１５０に限らず、受電装置２００における制御回路２５０が実行してもよい。送電装置１００と受電装置２００の各々がキャパシタンスの調整機能を有する場合、送電装置１００と受電装置２００の可能なキャパシタンスの各々について、伝送試験が行われ得る。
【０１４１】
複数の送電装置と、複数の受電装置とを備える無線電力伝送システムにおいては、各送電装置および各受電装置を制御する管理装置が配置され得る。管理装置は、送電装置と受電装置のペア毎に、選択されたキャパシタンスと、電力伝送特性との関係を示すデータを収集してもよい。伝送特性とは、例えば、電力伝送の効率または電力、電圧などの特性である。各送電装置は、それぞれの受電装置に送電したときの伝送特性を示すデータと、そのときに選択された並列キャパシタの組み合わせを示すデータとを、管理装置に送信してもよい。管理装置は、送電装置と受電装置のペアごとに、送電装置および受電装置のキャパシタンスをどのように設定するかを決定し、送電装置および受電装置に指示してもよい。
【０１４２】
図２０に示す例では、送電装置は、受電装置に電力を伝送するとき、並列キャパシタの組み合わせを変更しながら予備的な電力伝送を行い、最も伝送効率の高い組み合わせを決定する。この動作における並列キャパシタの組み合わせの選択順序を、管理装置が決定してもよい。管理装置は、送電装置と受電装置のペアごとに、過去に選択された並列キャパシタの組み合わせと、伝送特性との関連を示すデータを収集している。そのデータを統計的に処理することにより、キャパシタの組み合わせの最適な順序を決定できる。
【０１４３】
管理装置は、送電中に、送電装置または受電装置から、キャパシタンス状態の変化が及ぼす特性変動に関するデータを収集してもよい。収集したデータに基づいて、次に同じ送電装置と受電装置との組み合わせで電力伝送が行われるときに、過去に効率が低かったキャパシタンス状態の組み合わせを回避する制御を実行してもよい。言い換えれば、管理装置は、伝送効率が高い一部のキャパシタンス状態の組み合わせのみを、送電装置または受電装置に設定するように指示してもよい。
【０１４４】
上記のようなデータの収集は、システムの敷設または導入時の試験充電時、または出荷前に行ってもよい。送電装置または管理装置の記録媒体に、送電装置と受電装置の組み合わせごとに最適なキャパシタンス状態を示すデータを記録してもよい。そのような調整を予め実行しておくことにより、さらに効率的な送電動作を実現できる。
【０１４５】
なお、以上の構成および動作は一例にすぎず、様々な変形が可能である。例えば、キャパシタ群１９０に含まれるキャパシタの数および配置は適宜変更してもよい。並列キャパシタの少なくとも１つは、可変容量素子であってもよい。可変容量素子を用いる場合、スイッチを省略できる。可変容量素子と、スイッチによるオン／オフが可能な容量素子とを組み合わせてもよい。また、図２０に示す動作を、複数の周波数のそれぞれについて実行し、最も伝送効率の高い並列キャパシタ群の組み合わせを決定してもよい。伝送効率に代えて、電力、電圧、発熱量などの、伝送特性に依存する他のパラメータの測定結果を比較して、所望の伝送特性を実現する最適な容量を決定してもよい。
【０１４６】
以上の各実施形態におけるキャパシタンスの調整方法は、インダクタンスの調整方法にもそのまま適用することができる。例えば、各実施形態におけるキャパシタ群に含まれる各キャパシタをインダクタに置換した構成も可能である。
【０１４７】
並列キャパシタ群または並列リアクタンス素子を設ける位置は、送電電極または受電電極に近接していなくてもよい。例えば、電力変換回路の端子間電圧よりも高い電圧が印加される部位にそれらが設けられていれば、前述の効果が有効である。
【０１４８】
上記の実施形態における各電極は、同一の方向に平行に延びた構造を有しているが、用途によってはそのような構造でなくてもよい。例えば、各電極が、正方形などの矩形形状を有していてもよい。そのような矩形形状の複数の電極が一方向に並ぶ形態であれば、本開示の技術を適用できる。また、全ての電極の表面が同一平面上にあることは必須の要件ではない。さらに、各電極の表面は、完全に平面的な形状を有している必要はなく、例えば湾曲した形状または凹凸を含む形状を有していてもよい。そのような表面も、概略的に平面的であれば、「平面状の表面」と称する。また、各電極は、路面に対して傾斜していてもよい。
【０１４９】
本開示の実施形態における無線電力伝送システムは、前述のように、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１０は、物品を積載する荷台を有し、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。しかし、本開示における無線電力伝送システムおよび移動体は、このような用途に限らず、他の様々な用途に利用され得る。例えば、移動体は、ＡＧＶに限らず、他の産業機械、サービスロボット、電気自動車、フォークリフト、マルチコプター（ドローン）、エレベータ等であってもよい。無線電力伝送システムは、工場内に限らず、例えば、店舗、病院、家庭、道路、滑走路その他のあらゆる場所で利用され得る。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
本開示の技術は、電力によって駆動される任意の機器に利用できる。例えば、電気自動車（ＥＶ）、工場で用いられる無人搬送車（ＡＧＶ）、フォークリフト、無人航空機（ＵＡＶ）、またはエレベータなどの移動体に利用され得る。
【符号の説明】
【０１５１】
１０    移動体
２０ａ、２０ｂ    電極
３０    床面
４０ａ、４０ｂ  配線
５０  電極ユニット
６０  電力変換回路
６０ａ、６０ｂ  端子
８０  整合回路
９０  キャパシタ群
９２  並列キャパシタ群
１００  送電装置
１１０  電力変換回路
１２０  送電電極
１３０  第１並列共振回路
１３０ｓ  送電側直列共振回路
１４０  第２並列共振回路
１４０ｐ  送電側並列共振回路
１８０  整合回路
２００  受電装置
２１０  電力変換回路
２２０  受電電極
２３０  第３並列共振回路
２３０ｐ  受電側並列共振回路
２４０  第４並列共振回路
２４０ｓ  受電側直列共振回路
２８０  整合回路
３１０  電源
３２０  誘電体
３３０  負荷
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【図１１Ｇ】
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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１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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