(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の有する第１タイヤの下方に設置された第１導体と、車両の有する第２タイヤの下方に設置された第２導体とから、前記第１タイヤの有する第１タイヤ内導体及び前記第２タイヤの有する第２タイヤ内導体を介して、前記車両に給電する車両給電装置であって、
前記第１タイヤに近接し、前記第１タイヤ内導体と容量結合して、前記車両に配設された第１電極と、
前記第２タイヤに近接し、前記第２タイヤ内導体と容量結合して、前記車両に配設された第２電極と、
前記第１導体と前記第２導体の間に給電される交流電力を、前記第１電極と前記第２電極により受電する受電装置と
を有することを特徴とする車両給電装置。
【請求項２】
前記受電装置には、前記第１導体と前記第１タイヤ内導体間の容量及び前記第１電極と前記第１タイヤ内導体間の容量、前記第２導体と前記第２タイヤ内導体間の容量及び前記第２電極と前記第２タイヤ内導体間の容量を含む回路において、共振を生じさせるコイルを有することを特徴とする請求項１に記載の車両給電装置。
【請求項３】
前記第１導体と前記第２導体とは、前記第１タイヤ及び前記第２タイヤが走行する路面上に設置され、又は、路面下に埋設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両給電装置。
【請求項４】
前記第１導体と前記第２導体とは、駐車時に、前記第１タイヤ及び前記第２タイヤが接する路面上に設置され、又は、路面下に埋設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両給電装置。
【請求項５】
車両に対する給電装置において、
車両の有する第１タイヤの下方に設置された第１導体と、
車両の有する第２タイヤの下方に設置された第２導体と、
前記第１タイヤに近接し、前記第１タイヤの有する第１タイヤ内導体と容量結合して、前記車両に配設された第１電極と、
前記第２タイヤに近接し、前記第２タイヤの有する第２タイヤ内導体と容量結合して、前記車両に配設された第２電極と、
前記第１導体と前記第２導体の間に給電される交流電力を、前記第１電極と前記第２電極により受電する受電装置と
を有することを特徴とする車両給電装置。
【請求項６】
前記受電装置には、前記第１導体と前記第１タイヤ内導体間の容量及び前記第１電極と前記第１タイヤ内導体間の容量、前記第２導体と前記第２タイヤ内導体間の容量及び前記第２電極と前記第２タイヤ内導体間の容量を含む回路において、共振を生じさせるコイルを有することを特徴とする請求項５に記載の車両給電装置。
【請求項７】
前記第１導体と前記第２導体との間に前記交流電力を供給する電源装置を有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の車両給電装置。
【請求項８】
前記電源装置には、前記第１導体と前記第１タイヤ内導体間の容量及び前記第１電極と前記第１タイヤ内導体間の容量、前記第２導体と前記第２タイヤ内導体間の容量及び前記第２電極と前記第２タイヤ内導体間の容量を含む回路において、共振を生じさせるコイルを有することを特徴とする請求項７に記載の車両給電装置。
【請求項９】
車両に対する給電方法において、
車両の有する第１タイヤが接触する路面上、又は、路面下に第１導体を設置し、
車両の有する第２タイヤが接触する路面上、又は、路面下に第２導体を設置し、
前記第１タイヤに近接し、前記第１タイヤの有する第１タイヤ内導体と容量結合する第１電極を前記車両に配設し、
前記第２タイヤに近接し、前記第２タイヤの有する第２タイヤ内導体と容量結合する第２電極を前記車両に配設し、
前記第１導体と前記第２導体の間に交流電力を給電し、前記第１電極と前記第２電極により前記交流電力を受電する
ことを特徴する車両給電方法。
【請求項１０】
前記第１導体と前記第１タイヤ内導体間の容量及び前記第１電極と前記第１タイヤ内導体間の容量、前記第２導体と前記第２タイヤ内導体間の容量及び前記第２電極と前記第２タイヤ内導体間の容量を含む回路において、コイルを用いて、共振させて給電させる
ことを特徴とする請求項９に記載の車両給電方法。
【請求項１１】
前記車両への給電は、前記車両が路面を走行している時に、行われることを特徴する請求項９又は請求項１０に記載の車両給電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーを動力に用いる車両に対する路面からの給電装置及び給電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触による電力伝送方式は、大きくは、次の２つの方式に分類される。第１は、非放射による電力伝送であり、第２は、放射による電力伝送である。第１の方式には、主として、トランスの原理を用いた数ｋＨｚ以下の周波数で用いる電磁誘導方式と、数十ＭＨｚ程度の周波数を用いた近接場（近接場に蓄積される静的エネルギー）の電磁共鳴による電磁結合方式とがある。また、第２の方式には、マイクロ波送電による方式と、レーザ送電による方式とがある。
【０００３】
電磁誘導方式を用いた電力伝送として、下記特許文献１、２の技術が知られている。特許文献１の技術は、固定部から回転部への電力伝送に、５〜１０ｍｍだけ離間した送電コイルと受電コイルとの一対の電力コイルを用いて非接触で電力を伝送する装置が開示されている。同文献によると、数百ｋＨｚの周波数電力を固定部から回転部へ伝送し、回転部に設置された各種のセンサの検出信号を、電力コイルの外に設けた一対のデータコイルで、回転部から固定部へ、数ＭＨｚの信号で伝送するようにしている。また、固定部の送電コイルの入力インピーダンスが、送電コイルと受電コイルとの間隔により変化するので、送電コイルへの給電効率を向上させるために、送電コイルへ供給する電力の周波数を変化させることが行われている。
【０００４】
電磁共鳴による電磁結合方式として、最近、注目されている下記非特許文献１に開示の技術が知られている。同非特許文献１の技術は、２ｍ程度離間された、半径２５ｃｍのループ状の強く電磁結合した一対の電磁共鳴コイルを用いて、９．９ＭＨｚの正弦波電力を伝送できる技術が開示されている。
【０００５】
これらの給電方法は、車両が停車している時に給電するものである。車両が走行している時の給電方法として、下記特許文献２に開示の技術が知られている。この技術では、路面に一次コイルを埋設して、この一次コイルに対向して車体の底部に二次コイルを設けて、電磁誘導により一次コイルから二次コイルへの給電する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−３４０２８５
【特許文献２】特開平７−３９００７
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances, Andre Kurs, et.al, Science Vol.317, 6 July 2007
【非特許文献２】大平孝, " 行列ができる回路演習：アナログ回路を紙と鉛筆で考えよう[I] アナログ回路のポートパラメータ",電子情報通信学会誌, 第93巻, 第1 号, pp. 67-72, 2010 年1 月.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１の方法は、コイルの外部に共振回路を設ける方式であり、Ｑ値が小さく、効率の良い電力伝送はできない。この方式は、本質的には、電磁誘導方式であるため、原理的には、結合係数を大きくする方向の技術であり、両コイル間の距離は、５〜１０ｍｍ程度と狭くせざるを得ず、且つ、伝送効率が低くならざるを得ないという問題がある。また、１０ｍｍ以上、距離が離れると、効率の良い伝送ができないばかりか、送電コイルの入力インピーダンスが変化するために、送電周波数の調整が必要である。また、これらの電力伝送方式においては、外部共振回路を用いるため、共振特性は単峰性の特性である。
【０００９】
一方、電磁共鳴方式の上記の非特許文献１に開示の技術は、原理的には、共鳴型のコイルを用いて、送電コイルと受電コイルを全体としての近接場エネルギーによる電磁共鳴を用いた方式であり、原理上、Ｑ値が高く、比較的長距離の伝送が可能であり、放射損失がないため、伝送効率が高い無線電力伝送方式である。また、電磁共鳴を用いている関係上、周波数と送電コイルと受電コイルのＱ値が大きければ、結合係数は小さくとも（原理的には、０に近い状態でも）、高い伝送効率を実現することができる。この結果、非特許文献１によれば、１ｍ程度、両電力コイルを離間させても、９０％以上の伝送効率が実現できている。この共鳴の周波数特性は、双峰性の特性を示す。
【００１０】
しかしながら、非特許文献１の技術を用いて、大電力を送電する場合に、送電コイルと受電コイル間の距離が変化すると、伝送効率が高くなる２つの共鳴周波数が変化し、送電電力の周波数を伝送効率が最大となる周波数に最適設定していても、両コイル間の距離が長くなると、伝送効率が低下するという問題が発生する。
【００１１】
また、上記の方法では、走行中の車両への給電はできない。これに対して、特許文献２の方法は、一次コイルと二次コイルとを磁束結合させて、路面に埋設された一次コイルから車体に設置された二次コイルへ給電する方法である。この文献では、路面の凹凸を検出して、二次コイルと一次コイルとの距離を制御するようにしている。走行中に二次コイルの路面に対する高さを制御するものであるので、制御が複雑であると共に、現実的ではない。また、上記の全ての文献におけるコイル間の結合を用いる方法では、それらのコイル間の距離が長くなると、伝送効率が低下するという問題がある。
上記の何れの技術にしても、２つのコイルは近接し、且つ、それらのコイル間の距離は一定に保持されなければ、効率の高い電力伝送が実現されない。また、２つのコイル間の位置合せを必要とし、給電時の車両の駐車位置を正確に位置決めする必要がある。
【００１２】
本発明は、これらの問題を解決するために成されたものであり、一方の給電電極と他方の受電電極との距離が大きくとも、車両への効率の良い給電を可能とすることを目的とする。
また、一方の給電電極と他方の受電電極との距離が大きくとも、給電電極と受電電極間のインピーダンスが安定して、車両への効率の高い安定した給電を可能とすることを目的とする。
また、駐車給電においては、車両の位置決めを正確に行わなくとも、効率の高い給電を実現することを目的とする。
さらに、本発明は、車両の走行時においても、路面から車両に安定して給電することを可能とすることを目的とする。
本発明は、車両の有するタイヤを介して、路面から車体へ給電する車両給電装置及び車両給電方法であり、路面から、タイヤを介した車体への給電に関する従来技術は、全く、知られていない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の発明は、車両の有する第１タイヤの下方に設置された第１導体と、車両の有する第２タイヤの下方に設置された第２導体とから、第１タイヤの有する第１タイヤ内導体及び第２タイヤの有する第２タイヤ内導体を介して、車両に給電する車両給電装置であって、第１タイヤに近接し、第１タイヤ内導体と容量結合して、車両に配設された第１電極と、第２タイヤに近接し、第２タイヤ内導体と容量結合して、車両に配設された第２電極と、第１導体と第２導体の間に給電される交流電力を、第１電極と第２電極により受電する受電装置とを有することを特徴とする車両給電装置である。
【００１４】
本発明は、タイヤが静電容量を有していることに注目して、その静電容量を利用して、路面から車体への交流送電を実現したものである。内部にスチールベルトを有するタイヤにおいては、路面に対する接地部に当たるトレッドゴムの中に、リボン状の金属メッシュからなるスチールベルトがタイヤの外周に沿って設けられている。したがって、タイヤの外周面とこのスチールベルトとの間の距離は小さく、スチールベルトの面積が大きいために、タイヤの外周面とスチールベルトとの間に大きな静電容量が存在する。さらには、タイヤは、タイヤゴムを装着する金属性円筒形状のリムと、軸からリムの外周に接続する放射方向に伸び金属性のディスクを有している。タイヤの表面と、リムやディスクとの距離は短く、且つ、リムやディスクの面積は大きい。したがって、タイヤの表面とこれらのリムやディスクとの間にも大きな静電容量が存在する。すなわち、タイヤの外周面と同心の円筒形状の金属体との間に、円筒コンデンサが形成されることになる。このことは、タイヤの外周面に近接して（接触を含む）、回転角方向に異なる位置に、２つの導体を設ければ、この２つの導体の距離が大きくとも、２つの導体間の静電容量は大きく、２つの導体を電極とする静電容量の大きなコンデンサが形成されることになる。例えば、２つの導体をタイヤの直径方向の対向する位置に設けた場合には、２つの導体間の距離は、タイヤの直径だけ離れることになるが、２つの導体間の静電容量は大きい。このタイヤの有する静電容量を利用して、一方の導体から他方の導体にかけて、交流電力を伝送させることができる。これが、本件発明の原理である。
【００１５】
第１導体、第２導体は、路面上に配設されていても、路面下に埋設されていても良い。路面とは、一般道路の路面、駐車場の路面、車庫の床面、車止めなど、車両が通過する所のタイヤが接触する面など、タイヤと接触する面の意味である。第１導体、第２導体に、接して上、又は、アスファルト、コンクリート、板などを介在させた上に、第１タイヤ、第２タイヤが、それぞれ、位置される。第１導体、第２導体は、平板状の平面導体、平板状のメッシュ導体であっても良い。メッシュ導体の場合には、使用周波数の波長よりも十分に短い間隔のメッシュとする。同様に、第１電極、第２電極は、平板状の平面導体、円筒形のローラ導体、ゴムローラの外周表面に設けたリング状導体、タイヤの外周面に沿った円弧短冊状の導体、タイヤの外周面と同心の半円筒状の導体であっても良い。また、第１電極、第２電極は、タイヤカバー（フード）に絶縁して、タイヤの外周面に対面して取り付けても良い。また、第１電極と第２電極の導体は、メッシュ導体としても良い。メッシュ導体の場合には、使用周波数の波長よりも十分に短い間隔のメッシュとする。第１電極、第２電極は、それぞれ、第１タイヤ、第２タイヤに近接して設けられる。本発明において、近接は、タイヤに接触していることを含む概念である。例えば、第１電極、第２電極は、第１タイヤ、第２タイヤの外周面に、それぞれ、接触していたり、外周面に対して、一定の距離だけ離間して設けられていたり、ディスクや車軸に近接（接触を含む）して設けられていても良い。第１電極、第２電極は、第１タイヤ、第２タイヤに近接した複数の位置に、それぞれ、複数個設けられていても良い。容量が最も大きくなる位置に置かれた電極が交流電力の伝送に寄与することになるため、電極の配設位置に対する伝送特性の劣化を防止することができる。
【００１６】
第１タイヤと第２タイヤとの２つを用いるのは、路面から電流を供給する経路と、路面へ帰還する経路とを設けるためである。したがって、タイヤを介した路面から車両への電流の供給路と、車両からタイヤを介した路面への帰還路が形成されるのであれば、２以上のタイヤを用いても良い。例えば、電流の供給路に、第１、第３の２つのタイヤを並列に用いて、電流の帰還路に第２、第４の２つのタイヤを並列に用いても良い。また、電流の供給路に、第１のタイヤだけを用いて、電流の帰還路に第２、第４のタイヤを並列に用いても良い。逆に、電流の供給路に、第１、第３のタイヤを並列に用いて、電流の帰還路に第２のタイヤだけを用いても良い。また、車両は、タイヤを有する移動体の意味であり、自動車、オートバイ、自転車、ラジオコントロールカー、産業用車両、ロボットなどを含む。
【００１７】
受電装置は、交流電力を整流する整流回路や、整流後の電力を貯蔵するバッテリなどを有する回路である。受電装置には、第１導体と第１タイヤ内導体間の容量及び第１電極と第１タイヤ内導体間の容量、第２導体と第２タイヤ内導体間の容量及び第２電極と第２タイヤ内導体間の容量を含む回路において、共振を生じさせるコイルを有することが望ましい。タイヤによる容量に対してコイルを直列に挿入して直列共振させても、容量に対してコイルを並列に挿入して並列共振させても良い。また、分布定数回路により共振を実現しても良い。また、インピーダンスを整合させる整合回路を設けることが望ましい。
【００１８】
本発明は、走行中に給電する装置とすることも、駐車場や車庫において車両が停止している時に給電する給電装置とすることも可能である。すなわち、走行中に給電する場合には、第１導体と第２導体とは、第１タイヤ及び第２タイヤが走行する路面上に設置され、又は、路面下に埋設される。第１導体と第２導体とは、走行車線において、両側のタイヤが走行し得る幅と、間隔で、設ければ良い。標準の安定した走行において、路面から給電されて電力をバッテリに蓄電することで、交差点や、車線変更などにより、給電のための軌道からタイヤが、一時期、部分区間だけ外れても、走行を継続することは可能である。また、第１導体、第２導体と、第１電極、第２電極との間の第１タイヤ、第２タイヤを介在させた静電容量は、タイヤが回転しても変化しない。したがって、車両が走行していても、路面から車両に安定した給電が可能となる。
【００１９】
また、駐車場などにおいて車両が停止している時に給電するのであれば、第１導体と第２導体とは、駐車時に、第１タイヤ及び第２タイヤが接する路面上に設置され、又は、路面下に埋設される。又は、車輪止めの表面や内部に第１導体、第２導体を設けても良い。      
【００２０】
第２の発明は、車両に対する給電装置において、車両の有する第１タイヤの下方に設置された第１導体と、車両の有する第２タイヤの下方に設置された第２導体と、第１タイヤに近接し、第１タイヤの有する第１タイヤ内導体と容量結合して、車両に配設された第１電極と、第２タイヤに近接し、第２タイヤの有する第２タイヤ内導体と容量結合して、車両に配設された第２電極と、第１導体と第２導体の間に給電される交流電力を、第１電極と第２電極により受電する受電装置とを有することを特徴とする車両給電装置である。
【００２１】
この発明において、受電装置には、第１導体と第１タイヤ内導体間の容量及び第１電極と第１タイヤ内導体間の容量、第２導体と第２タイヤ内導体間の容量及び第２電極と第２タイヤ内導体間の容量を含む回路において、共振を生じさせるコイルを有することが望ましい。タイヤによる容量に対してコイルを直列に挿入して直列共振させても、容量に対してコイルを並列に挿入して並列共振させても良い。また、分布定数回路により共振を実現しても良い。また、第１電極、第２電極から左右を見たインピーダンスが等しくなるように、インピーダンスを整合させるための整合回路を有することが望ましい。
また、この発明において、第１導体と第２導体との間に交流電力を供給する電源装置を有しても良い。
さらに、この電源装置には、第１導体と第１タイヤ内導体間の容量及び第１電極と第１タイヤ内導体間の容量、第２導体と第２タイヤ内導体間の容量及び第２電極と第２タイヤ内導体間の容量を含む回路において、共振を生じさせるコイルを有することが望ましい。また、第１導体、第２導体から左右を見たインピーダンスが等しくなるように、インピーダンスを整合させるための整合回路を有することが望ましい。
【００２２】
また、車両に対する給電方法において、車両の有するタイヤを容量として、容量結合により路面から車両に交流電力を給電する車両給電方法とすることができる。
すなわち、上記した原理により、タイヤの有する静電容量を利用して、路面から車体に向け給電する車両給電方法である。この場合には、電流の供給路にタイヤを設けて、電流の帰還路には、タイヤを設けずに、直接、金属体を路面に近接（接触を含む）させたりする方法も考えられる。要するに、一方の経路にタイヤを介在させて、電力を車体に給電させれば良い。
【００２３】
第３の発明は、車両に対する給電方法において、車両の有する第１タイヤが接触する路面上、又は、路面下に第１導体を設置し、車両の有する第２タイヤが接触する路面上、又は、路面下に第２導体を設置し、第１タイヤに近接し、第１タイヤの有する第１タイヤ内導体と容量結合する第１電極を車両に配設し、第２タイヤに近接し、第２タイヤの有する第２タイヤ内導体と容量結合する第２電極を車両に配設し、第１導体と第２導体の間に交流電力を給電し、第１電極と第２電極により交流電力を受電することを特徴する車両給電方法である。
本発明は、第２の発明の車両給電装置に対応する給電方法の発明である。
【００２４】
この発明において、第１導体と第１電極間の容量（第１導体と第１タイヤ内導体間の容量及び第１電極と第１タイヤ内導体間の容量）、第２導体と第２電極間の容量（第２導体と第２タイヤ内導体間の容量及び第２電極と第２タイヤ内導体間の容量）を含む回路において、コイルを用いて、共振させて給電させるようにしても良い。このコイルは、第１導体、第２導体側の回路に設けても、第１電極、第２電極側の回路に設けても良い。コイルは容量と直列に挿入して直列共振を生じさせても、容量と並列に挿入して並列共振を生じさせるようにしても良い。また、コイルは、両方に設けても良い。また、第１導体、第２導体から左右を見たインピーダンスを等しくする整合回路、第１電極、第２電極から左右を見たインピーダンスを等しくする整合回路を、それぞに、設けても良い。
また、本発明において、車両への給電は、車両が路面を走行している時に、行われるようにしても良い。
なお、タイヤ内導体は、スチールベルトの他、リム、ディスク、ホイールも含む概念である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の車両給電装置、車両給電方法によると、タイヤの有する内導体を介在させたタイヤの有する静電容量を用いて、路面側に設けられた第１導体、第２導体と、車両側に設けられた第１電極、第２電極との間の電力伝送を行うようにしている。したがって、タイヤを介在させる電力伝送であるので、第１導体又は第２導体と、第１電極又は第２電極間の距離が長くとも、効率の良い電力伝送が実現できる。また、第１導体、第２導体の上方に、第１タイヤ、第２タイヤを位置させるだけで良いので、給電のための車両の位置決めが容易となる。また、走行道路の車線に沿って、線状の第１導体、第２導体を設置すれば、その第１導体と第２導体の上を両側のタイヤを通過させることで、効率の高い走行給電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の具体的な実施例１に係る車両給電装置の全体構成を示した構成図。
【図２】実施例１の車両給電装置の等価回路。
【図３】タイヤの軸断面図。
【図４．Ａ】タイヤの測定されたインピーダンスの実部の周波数特性。
【図４．Ｂ】タイヤの測定されたインピーダンスの虚部の周波数特性。
【図５．Ａ】タイヤの測定されたインピーダンスの絶対値の周波数特性。
【図５．Ｂ】タイヤの測定されたインピーダンスの位相の周波数特性。
【図６】タイヤの存在しない導体−電極間の測定されたインピーダンスの絶対値とタイヤの測定されたインピーダンスの絶対値との関係を示す周波数特性。
【図７】タイヤを介在させた導体−電極間の伝送特性を測定するための回路。
【図８．Ａ】ポート１からポート２への透過特性を示すスミスチャート。
【図８．Ｂ】タイヤを介在させた導体−電極間の伝送特性。
【図９】実施例１に係る車両給電装置の回路図。
【図１０】図９における車両給電装置の伝送特性。
【図１１】実施例２に係る車両給電装置のタイヤと電極との関係を示した構成図。
【図１２】実施例３に係る車両給電装置のタイヤと電極との関係を示した構成図。
【図１３】実施例４に係る車両給電方法を示した構成図。
【図１４】実施例５に係る車両給電方法を示した構成図。
【図１５】実施例５に係る車両給電方法の対称性を利用した回路図。
【図１６】実施例５の動作を説明するための等価回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２８】
図１は、実施例１の全体の構成を示している。給電には、車両の有するタイヤのうち２つのタイヤが選択される。例えば、右後輪の第１タイヤ１１、左後輪の第２タイヤ１２が選択され、第１タイヤ１１に接触して、その下方に、第１導体２１が設けられており、第２タイヤ１２に接触して、その下方に、第２導体２２が設けられている。第１導体２１と第２導体２２は、駐車場の路面上に設けられている。第１導体２１と第２導体２２の間に、車両に給電するための電源装置３０が設けられている。電源装置３０は、信号発生器３１と、その信号発生器３１の発生する信号を増幅して交流電力を出力する増幅器３２、コイル３３を有している。第１タイヤ１１の外周の上部には、外周と対面するように第１タイヤ１１とは非接触の平板状の第１電極４１と、第２タイヤ１２の外周の上部には、外周と対面するように第２タイヤ１２とは非接触の平板状の第２電極４２が設けられている。第１電極４１と第２電極４２は、車両の車体に取り付けられている。例えば、タイヤのフードからタイヤの外周面に向けて突出させたロッドの先端に、平板状の電極を設ければ良い。又は、タイヤのフード内面に、タイヤの外周に対面するように平板状の電極を設けても良い。第１電極４１と第２電極４２は整流回路４３に接続され、整流回路４３はバッテリィ４４に接続されている。車両の受電装置４０は、整流回路４３とバッテリィ４４とで構成されている。
【００２９】
図１の構造において、等価電気回路は、図２のようになる。信号発生器３１で発生された周波数１ＭＨｚの交流信号は増幅器３２で増幅されて交流電力Ｓ１が生成される。その交流電力Ｓ１が第１導体２１に供給される。
【００３０】
本実施例では、第１タイヤ１１と第２タイヤ１２は内部にスチールベルト（タイヤ内導体）を有するタイヤで構成されている。図３のタイヤの軸に垂直な断面図に示されているように、内部にスチールベルトを有するタイヤにおいては、路面に対する接地部に当たるトレッドゴムの中に、リボン状の金属メッシュからなるスチールベルト１３がタイヤの外周に沿って設けられている。したがって、第１タイヤ１１の外周面１５とこのスチールベルト１３との間の距離は小さく、スチールベルトの面積が大きいために、第１タイヤ１１の外周面１５とスチールベルト１３との間に大きな静電容量が存在する。すなわち、第１タイヤ１１の外周面１５と同心の円筒形状のスチールベルト１３との間に、円筒コンデンサが形成されることになる。
【００３１】
このタイヤの構造により、第１導体２１とスチールベルト１３との間に大きな静電容量Ｃ１が形成され、第１電極４１とスチールベルト１３との間に大きな静電容量Ｃ２が形成される。その結果、第１導体２１と第１電極４１との間には、容量Ｃ１と容量Ｃ２との直列接続による容量Ｃが形成されることになる。このように、第１導体２１と第１電極４１は、第１タイヤ１１を媒体とする静電容量を形成している。第１タイヤ１１は、ゴム材の中に金属メッシュから成るスチールベルト１３が埋め込まれているので、第１電極４１が、第１タイヤ１１の円周上のどの角度位置にあっても、安定した静電容量Ｃが形成される。このことは、第１タイヤ１１の外周面に近接して（接触を含む）、回転角方向に異なる位置に、２つの導体を設ければ、この２つの導体の距離が大きくとも、２つの導体間の静電容量は大きく、２つの導体を電極とする静電容量の大きなコンデンサが形成されることになる。例えば、２つの導体をタイヤの直径方向の対向する位置に設けた場合には、２つの導体間の距離は、タイヤの直径だけ離れることになるが、２つの導体間の静電容量は大きい。この第１タイヤの有する静電容量を利用して、第１導体２１から第１電極４１へ交流電力を伝送させることができる。第２タイヤ１２についても同様であり、第２導体２２と第２電極４２とは、第２タイヤ１２を媒体とする大きな静電容量を形成している。
【００３２】
第１導体２１から供給された交流電力Ｓ１は、第１タイヤ１１の有する容量により、第１電極４１に伝達されて、整流回路４３に入力する。また、帰還電流は、第２電極４２から、第２タイヤ１２の有する容量により、第２導体２２に誘導され、コイル３３を介してアースに流れる。コイル３３のインダクタンスは、交流電流の周波数１ＭＨｚにおいて、第１タイヤ１１の容量Ｃ、第２タイヤ１２の容量Ｃと、直列共振する値に設定されている。本発明は、第１導体２１と第２導体２２との間に交流電力を供給して、第１タイヤ１１、第２タイヤ１２を容量として用いて、共振作用により、整流回路４３に、高効率で交流電力を伝送する装置である。
【００３３】
次に、図３の配置関係において、第１電極４１と第１タイヤ１１の外周上面との距離を変化させて、第１導体２１と第１電極４１間のインピーダンスの周波数特性を測定した。図４．Ａはインピーダンスの実部、図４．Ｂはインピーダンスの虚部を表す。また、図５．Ａはインピーダンスの絶対値、図５．Ｂはインピーダンスの位相を表す。第１電極４１が第１タイヤ１１に接触している場合には、インピーダンスの絶対値は、離れている場合に比べて、周波数１ＭＨｚにおいて、１／３程度に小さくなり、進み位相は、１／１０程度小さくなることが分かる。しかし、第１電極４１を第１タイヤ１１の外周面から１ｃｍ〜４ｃｍの範囲で、離間しても、絶対値、位相とも、大きく変化していないことが分かる。
【００３４】
次に、これらの特性が、第１電極４１と第１導体２１との間に、第１タイヤ１１が存在することにより生じたものであることを確認した。第１タイヤ１１を除去して、第１電極４１と第１導体２１との間隔を、第１タイヤ１１の直径よりも短くして、第１電極４１と第１導体２１間のインピーダンスを測定した。その結果を図６に示す。すなわち、第１電極４１と第１導体２１との間のインピーダンスは、第１タイヤ１１が存在する場合には、存在しない場合に比べて１／１０に低下していることが分かる。したがって、第１タイヤ１１の存在が、第１導体２１から第１電極４１への高周波電力の伝送に寄与することが分かる。
【００３５】
次に、第１電極４１を第１タイヤの上部に接触させた状態において、第１導体２１から第１電極４１への伝送特性を測定した。第１電極４１を第１タイヤの上部の外周面に接触させた状態における第１導体２１と第１電極４１間のインピーダンスは、１ＭＨｚにおいて、約７００−ｊ約２０００Ωである。抵抗成分は、容量成分に比べて１／３程度に小さい。測定回路を図７の回路とした。ポート１に接続される電源系とポート２に接続される測定器の特性インピーダンスを５０Ωとして、そのインピーダンスに整合させるために、第１導体２１とポート１との間と、第１電極４１とポート２との間に、それぞれ、Ｔ形の低域通過フィルタを設けた。図８．Ａはポート１からポート２への透過係数及びポート１からポート１への反射係数を示すスミスチャート、図８．Ｂは、ポート１からポート２へのシミュレーションによる伝送特性及びポート１からポート１への反射係数を示している。図８．Ｂから理解されるように、第１導体２１と第１電極４１との間に第１タイヤ１１が存在する状態において、周波数１ＭＨｚにおいて、第１導体２１と第１電極４１間の伝送損失は略零であることが分かる。
【００３６】
図９は、増幅器３２と第１導体２１との間に第１整合回路３４を設け、第１電極４１と整流回路４３との間に第２整合回路４５を設けた回路図である。第１整合回路３４は電源装置３０の一部であり、第２整合回路４５は受電装置４０の一部である。また、第１整合回路３４のインダクタンス３５は、電源装置３０に設けられた、第１導体２１と第１電極４１間の容量Ｃ（第１導体２１と第１タイヤ内導体間の容量Ｃ１及び第１電極４１と第１タイヤ内導体間の容量Ｃ２）を含む回路で共振を生じさせるコイルに該当する。又、第２整合回路４５のインダクタンス４６は、受電装置４０に設けられた、第１導体２１と第１電極４１間の容量Ｃを含む回路で共振を生じさせるコイルに該当する。
【００３７】
図９の回路におけるポート１、２間（４端子回路網）での伝送特性を図１０に示す。周波数１ＭＨｚにおいて、損失が十分に小さいことが分かる。これは、タイヤのインピーダンスの抵抗成分が容量成分に比べて十分に小さいためと思われる。また、タイヤのインピーダンスの抵抗成分を上記の値７００Ωに対して±１０％変化させた時の伝送特性は、図１０の特性とほとんど変化がなく、周波数１ＭＨｚにおいて、損失が十分に小さい特性が得られた。また、タイヤのインピーダンスの容量性リアクタンス成分を上記の値２０００Ωに対して±１０％変化させた時の伝送特性は、図１０の特性とほとんど変化がなく、周波数１ＭＨｚにおいて、損失が十分に小さい特性が得られた。したがって、タイヤの種類や、走行時におけるタイヤの変形や、雨や雪などの外部環境の変化があっても、本車両給電装置は、車両への給電を安定して高効率で実現することができる。
【００３８】
第１整合回路３４、第２整合回路４５は、Ｔ形のＬ、Ｃ回路で構成したが、π型のＣ−Ｌ−Ｃ回路で構成しても良い。
【実施例２】
【００３９】
第１電極４１を、図１１に示すように、第１タイヤ１１にの外周面に回転接触する第１ローラ５１で構成したものである。他の構成については、実施例１と同一である。この構成によると、第１電極、第２電極を、第１タイヤ、第２タイヤの外周面に接触させることができ、第１電極と第１タイヤ内導体間の容量Ｃ２を大きくすることができ、したがって、第１導体と第１電極間の容量Ｃを大きくすることができる。同様に、第２電極と第２タイヤ内導体間の容量Ｃ２を大きくすることができ、第２導体と第２電極間の容量Ｃを大きくすることができ、効率の高い交流伝送が可能となる。
【実施例３】
【００４０】
タイヤのリムは、図１２のように構成されている。タイヤゴムを装着する金属性円筒形状のリム６１と、軸６３からリム６１の外周に接続する放射方向に伸び金属性のディスク６２を有している。これらの導体であるリム６１の外周面や、ディスク６２の外周先端部と、路面との距離は小さく、路面に対面する面積は大きい。したがって、第１導体、第２導体と、リム６１、ディスク６２との間、第１電極、第２電極と、リム６１と、ディスク６２との間で、大きいな容量が形成される。この容量を介しても、第１導体、第２導体から、第１電極、第２電極へ交流電力を効率良く伝送することができる。リム（ホイール）６１及びディスク６２はタイヤ内導体に該当する。
この場合に、第１電極５３は、ディスク６２に接近させて設けても良い。また、第１電極５５を、第１タイヤ１１を取り付けるディスク６４に近接させて設けても良い。また、第１電極５７を、車軸６３に近接させて設けても良い。第２電極についても同様である。車両給電装置の他の構成については、実施例１と同一である。
【実施例４】
【００４１】
図１３に示すように、本実施例は、車両７５の走行中に路面から車両に給電する実施例である。道路の一走行車線７０には、路面下に第１導体７１、第２導体７２が埋設されている。第１導体７１、第２導体７２は、車線７０に沿ってプレート状に長く形成されている。この２つの第１導体７１と第２導体７２間に交流電力が図示しない電源装置から供給されている。道路において、給電区間を定めて、多数の区間に分割して、第１導体７１と第２導体７２を区間毎に分離して、各区間毎に給電装置を設置して、各区間毎に給電するようにしても良い。第１導体７１、第２導体７２の幅は、第１タイヤ１１、第２タイヤ２２の幅の５倍程度の幅に形成されている。これにより、車線７０を走行する車両７５が車線の幅方向に位置が変動しても、第１導体７１、第２導体７２の上に、第１タイヤ１１、第２タイヤ１２が位置するようにすることができる。また、タイヤが回転してもその容量は変化しない。これにより、走行中であっても安定して、高効率で車両７５に給電することができる。この電力を車両の走行動力とすることができる。
【実施例５】
【００４２】
本実施例では、第１タイヤ１１のスチールベルト１３（図３）とリム（ホイール）６１とを電気的に接続し、軸６３（図１２）から受電するものである。第２タイヤ１２についても同様な構成である。全体の構成は、図１４に示されている。第１タイヤ１１は、第１導体２１上に位置し、第２タイヤ１２は第２導体２２上に位置する。第１導体２１と第２導体２２間に給電された交流電力を、第１タイヤ１１の軸６３１と、第２タイヤ１２の軸６３２の両端から受電するものである。第１導体２１と第２導体２２間に容量Ｃ1 を挿入し、軸６３１と軸６３２との間に容量Ｃ2 を挿入する。また、信号発生器３１と第１導体２１との間には、インダクタンタス３５が配設されている。rs は、等価抵抗である。また、インダクタンス４６は、軸６３１と整流回路４３との間に設けられている。
【００４３】
車両は構造が左右対称なので、供給する電圧も左右対称の差動モードとなる。そこで中心線上に対称面をとると、鏡像原理により、差動モード電圧は中心線上では零ボルトとなる。従って、それを仮想的な接地点と考えてよい。結論として、図１４の回路は図１５の回路と等価となる。並列容量は２倍、直列抵抗とインダクタは半分の値となっていることに注意する。これを電気的等価回路で表すと図１６となる。数式を見やすくするため、インダクタ、容量、抵抗を示す変数記号は、図１６に示すように添え字のない記号が用いられている。図１６の中のL-C-R-C-L の部分の電力透過効率を高めることが本実施例の目的である。もし、L もC も挿入せず、タイヤの抵抗R だけの場合は、電力透過効率が低くなるのは明白である。なぜなら、通常は電源内部インピーダンスや負荷抵抗（ここではどちらもz0 と記述してある）に比べて、タイヤの電気抵抗R はかなり高いからである。
【００４４】
以下に図１６の回路の動作を説明する。実際のタイヤは複素インピーダンスを持つが、ここでは簡単のため、これを純抵抗R で代表させて説明する。道路側にコイルL を直列に挿入し、その出力にコンデンサC を接地と並列に設ける。車載側はこれとは逆順にC とL を設ける。これらL とC の値は道路側と同じ値に設定する。なお、車載側のC の接地端子の接続先については後ほど説明する。交流電源の周波数をf とし、ω＝２πf と書く。交流電源の出力インピーダンスを車載負荷の入力インピーダンスと同じ値に設定する。これをz0 と書くこととする。通常、タイヤの電気抵抗R はz0 よりも遥かに高い。
【００４５】
すなわち、
【数１】
0005777139.tif 000002
であることが本実施例の適用条件である。また、本実施例はL とC の値を
【数２】
0005777139.tif 000003
と設定し、かつ、コイルのリアクタンス値をタイヤ抵抗より十分大きく
【数３】
0005777139.tif 000004
と設定することを特徴とする。
【００４６】
以下にこの動作原理を説明する。タイヤ部分の抵抗R だけからなる回路のアドミタンス行列は、非特許文献２に記載の計算手法により
【数４】
0005777139.tif 000005
である。この両側に並列にC を設けることにより、そのアドミタンス行列は
【数５】
0005777139.tif 000006
となる。
また、この回路のインピーダンス行列は、上記の逆行列、すなわち
【数６】
0005777139.tif 000007
である。さらに、この回路の両側にL を直列に挿入すると、そのインピーダンス行列Z は
【数７】
0005777139.tif 000008
となる。これを行列の成分毎に分解して書くと、対角成分は
【数８】
0005777139.tif 000009
である。
【００４７】
これに式(2) を適用してL を消去すると
【数９】
0005777139.tif 000010
となる。同様に、非対角成分は
【数１０】
0005777139.tif 000011
である。すなわち
【数１１】
0005777139.tif 000012
かつ
【数１２】
0005777139.tif 000013
である。
【００４８】
これらの結果を、インピーダンス行列を散乱行列に変換する公式（非特許文献２）に代入すると
【数１３】
0005777139.tif 000014
を得る。この散乱行列から非対角成分だけ抽出すると
【数１４】
0005777139.tif 000015
となる。これより、電力透過係数｜S21｜2 は
【数１５】
0005777139.tif 000016
となる。
【００４９】
これはまた、式(2) を用いるとC の代わりにL で表現することもできる。つまり、
【数１６】
0005777139.tif 000017
である。条件式(1)(3)すなわちz0 <<R <<ωL を考慮すると、上式の分母の初項と末項は中間項に比べてより高次の微小量なので、近似式として
【数１７】
0005777139.tif 000018
を得る。
例えば数値例として、タイヤ部分を透過する電力透過効率96% 以上、つまり｜S21｜2 > 0.96とするには
【数１８】
0005777139.tif 000019
すなわち
【数１９】
0005777139.tif 000020
と設定すればよい。
【００５０】
上記の動作解析は、図１、図９の実施例についても成立する。このように、電源インピーダンスや負荷インピーダンスに比べて高い抵抗値をもつタイヤであっても、それを透過して電力を効率よく伝送することが本発明により可能となる。たとえば、走行中の車両に２個１組のタイヤを通じて電気エネルギーを充電するシステムなどに有効である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、電気自動車などの電気を動力とする車両に対する安定した高効率の給電装置、給電方法に用いることができる。走行中の給電に用いることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１１…第１タイヤ
１２…第２タイヤ
１３…スチールベルト
２１…第１導体
２２…第２導体
３０…電源装置
４０…受電装置
４１…第１電極
４２…第２電極
【図１】
0005777139.tif 000021
【図２】
0005777139.tif 000022
【図３】
0005777139.tif 000023
【図４．Ａ】
0005777139.tif 000024
【図４．Ｂ】
0005777139.tif 000025
【図５．Ａ】
0005777139.tif 000026
【図５．Ｂ】
0005777139.tif 000027
【図６】
0005777139.tif 000028
【図７】
0005777139.tif 000029
【図８．Ａ】
0005777139.tif 000030
【図８．Ｂ】
0005777139.tif 000031
【図９】
0005777139.tif 000032
【図１０】
0005777139.tif 000033
【図１１】
0005777139.tif 000034
【図１２】
0005777139.tif 000035
【図１３】
0005777139.tif 000036
【図１４】
0005777139.tif 000037
【図１５】
0005777139.tif 000038
【図１６】
0005777139.tif 000039