(57)【要約】【課題】コイルの位置を検出できる無線電力伝送システムを提供すること。【解決手段】移動体に設置され受電コイル１０３を有する受電装置２０と、受電コイル１０３に対し非接触で電力を供給する送電コイル１０２を有する送電装置１０とを備える無線電力伝送システムであって、受信電波の強度を検知する複数のアンテナ素子を有し、受電装置２０に設置される第１のアンテナ３０１と、送電装置１０に設置され、第１のアンテナ３０１と主偏波を同じとし、第１のアンテナ３０１に向けて高周波電力を出力可能に構成された第２のアンテナ３０４と、第１のアンテナ３０１が有する複数のアンテナ素子による受信電界に基づき、少なくとも、送電コイル１０２に対する受電コイル１０３の方向を求める演算手段２０１とを備え、複数のアンテナ素子は互いに対角状に略半波長の間隔を設けて配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体に設置され受電コイルを有する受電装置と、前記受電コイルに対し非接触で電力を供給する送電コイルを有する送電装置とを備える無線電力伝送システムであって、
受信電波の強度を検知する複数のアンテナ素子を有し、前記受電装置及び前記送電装置のいずれか一方に設置される第１のアンテナと、
前記受電装置及び前記送電装置のいずれか他方に設置され、前記第１のアンテナと主偏波を同じとし、前記第１のアンテナに向けて高周波電力を出力可能に構成された第２のアンテナと、
前記第１のアンテナが有する複数のアンテナ素子による受信電界に基づき、少なくとも、前記送電コイルに対する前記受電コイルの方向を求める演算手段とを備え、
前記複数のアンテナ素子は互いに対角状に略半波長の間隔を設けて配置されることを特徴とする、無線電力伝送システム。
【請求項２】
前記第１のアンテナの周囲に配置され、前記第２のアンテナからの電波の反射を抑制する電波反射抑止手段をさらに備える、請求項１に記載の無線電力伝送システム。
【請求項３】
前記第２のアンテナは、前記受電コイルのコイル軸方向に指向性を有することを特徴とする、請求項１に記載の無線電力伝送システム。
【請求項４】
前記演算手段はさらに、前記送電コイルに対する前記受電コイルの距離を求めることを特徴とする、請求項１に記載の無線電力伝送システム。
【請求項５】
送電装置であって、
受電装置に備わる受電コイルに対し非接触で送電を行う送電コイルと、
前記受電装置に備わる受電側アンテナからの受信電波の強度を検知する複数のアンテナ素子を有する送電側アンテナとを備え、
前記複数のアンテナ素子は互いに対角状に略半波長の間隔を設けて配置されることを特徴とする、送電装置。
【請求項６】
前記送電側アンテナが有する複数のアンテナ素子による受信電界に基づき、少なくとも、前記送電コイルに対する前記受電コイルの方向を求める演算手段をさらに備える、請求項５に記載の送電装置。
【請求項７】
外部からの受信電波の強度を検知する送電側アンテナと、送電コイルとを備える送電装置から、非接触で電力の供給を受ける受電装置であって、
前記送電コイルから非接触で電力の供給を受ける受電コイルと、
前記送電側アンテナと主偏波を同じとし、前記送電側アンテナに向けて高周波電力を出力可能に構成された受電側アンテナとを備える、受電装置。
【請求項８】
前記送電側アンテナによる受信電界に基づき、少なくとも、前記送電コイルに対する前記受電コイルの方向を求める演算手段をさらに備える、請求項７に記載の送電装置。
【請求項９】
送電装置であって、
受電装置に備わる受電コイルに対し非接触で送電を行う送電コイルと、
受信電波の強度を検知する複数のアンテナ素子を有しかつ前記受電装置に備わる受電側アンテナと主偏波を同じとし、前記受電側アンテナに向けて高周波電力を出力可能に構成された送電側アンテナとを備える、送電装置。
【請求項１０】
前記受電側アンテナが有する複数のアンテナ素子による受信電界に基づき、少なくとも、
前記送電コイルに対する前記受電コイルの方向を求める演算手段をさらに備える、請求項９に記載の送電装置。
【請求項１１】
外部からの受信電波の強度を検知する送電側アンテナと、送電コイルとを備える送電装置から、非接触で電力の供給を受ける受電装置であって、
前記送電コイルから非接触で電力の供給を受ける受電コイルと、
複数のアンテナ素子を有する受電側アンテナとを備え、
前記複数のアンテナ素子は互いに対角状に略半波長の間隔を設けて配置されることを特徴とする、受電装置。
【請求項１２】
前記受電側アンテナによる受信電界に基づき、少なくとも、前記送電コイルに対する前記受電コイルの方向を求める演算手段をさらに備える、請求項１１に記載の送電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電コイルおよび受電コイルの間の位置関係を検出可能な無線電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば電気自動車などへの非接触充電のために、無線電力伝送システムが開発されている。この無線電力伝送システムにおいては、充電装置側に送電コイルが、電気自動車側に受電コイルが設けられ、電磁誘導方式を用いることにより非接触で高効率の伝送効率を実現してきた。しかしながら、この電磁誘導による無線電力伝送システムでは、例えば送電コイルに対する受電コイルの位置ずれにより、伝送効率が大きく劣化することが知られている。
【０００３】
伝送効率の劣化防止のため、従来は両コイル間の位置ずれにより生じた相互インダクタンスの変化を電気的に検出することにより位置ずれを検出し、システムの動作を制御してきた（例えば特許文献１、２、３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１０１５７８号公報
【特許文献２】特開平１０−３２２２４７号公報
【特許文献３】特開２００８−２８８８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１、２、３の方法では、両コイル間の位置ずれを検出することはできても、例えば送電コイルに対する受電コイルの位置を知ることはできないため、両コイル同士の位置合わせをすることはできなかった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に鑑み、両コイル間の相対位置を検出できる無線電力伝送システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、移動体に設置され受電コイルを有する受電装置と、前記受電コイルに対し非接触で電力を供給する送電コイルを有する送電装置とを備える無線電力伝送システムであって、受信電波の強度を検知する複数のアンテナ素子を有し、前記受電装置及び前記送電装置のいずれか一方に設置される第１のアンテナと、前記受電装置及び前記送電装置のいずれか他方に設置され、前記第１のアンテナと主偏波を同じとし、前記第１のアンテナに向けて高周波電力を出力可能に構成された第２のアンテナと、前記第１のアンテナが有する複数のアンテナ素子による受信電界に基づき、少なくとも、前記送電コイルに対する前記受電コイルの方向を求める演算手段とを備え、前記複数のアンテナ素子は互いに対角状に略半波長の間隔を設けて配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように、本発明はコイルの位置を検出できる無線電力伝送装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１における無線電力伝送システムの構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態１における第１のアンテナ３０１の構成を示す図
【図３】本発明の実施の形態１における第２のアンテナ３０４の構成を示す図
【図４】本発明の実施の形態１における受電コイル１０３の位置情報検出手順を示した図
【図５】本発明の実施の形態１における車４００への搭載例を示した図
【図６】本発明の実施の形態１におけるＹ方向に第１のアンテナ３０１と第３のアンテナ３１３を配置した場合のＺＹ平面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の無線電力伝送システムを実施するための形態について、図面に沿って説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１１】
（実施の形態１）
以下に、本発明の無線電力伝送システムの実施の形態１の詳細について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の無線電力伝送システムの構成を示す図である。図１において、無線電力伝送システムは、所定の場所に配置される送電装置１０と、移動体側に設置される受電装置２０とを備えている。ここで、本無線電力伝送システムは、典型的には、例えば電気自動車のような電気推進車両の非接触給電システムに応用される。この場合、受電装置２０は、移動体としての電気推進車両に設置され、送電装置１０は、典型的には駐車場に固定的に設置される。なお、送電装置１０は、固設に限らず、移動可能に構成されてもかまわない。
【００１３】
送電装置１０は、高周波発振源１０１と、送電コイル１０２と、第１のアンテナ３０１と、位置演算手段３０８と、送電側位置情報通知手段３０９と、送電側ＧＰＳ受信機３１１と、送電側無線通信手段２０２と、送電側制御手段２０１とを備えている。
【００１４】
また、受電装置２０は、受電コイル１０３と、負荷回路１０４と、第２のアンテナ３０４と、電波出力手段３０７と、受電側位置情報通知手段３１０と、受電側ＧＰＳ受信機３１２と、受電側無線通信手段２０４と、受電側制御手段２０３とを備えている。
【００１５】
高周波発振源１０１は、高周波電力を生成し出力する発振源である。送電コイル１０２は、高周波発振源１０１に接続され、高周波の磁界を発生するコイルである。
【００１６】
受電コイル１０３は、送電コイル１０２から発生する磁界をうけて電力を得るコイルである。負荷回路１０４は、受電コイル１０３に接続され、受電コイル１０３から得られた電力を供給する整流回路、電池などを含む回路である。
【００１７】
送電側制御手段２０１は、例えばマイクロコンピュータやプロセッサを含んでおり、後述する各種処理を行う。その一例として、送電側制御手段２０１は、無線通信手段である送電側無線通信手段２０２を用いて後述する受電側制御手段２０３と制御情報をやり取りする。
【００１８】
受電側制御手段２０３は、例えばマイクロコンピュータやプロセッサを含んでおり、後述する各種処理を行う。その一例として、受電側制御手段２０３は、無線通信手段である受電側無線通信手段２０４を用いて送電側制御手段２０１と制御情報をやり取りする。
【００１９】
なお、送電側無線通信手段２０２は、後述する第１のアンテナ３０１を用いて無線通信を行ってもよい。また、受電側無線通信手段２０４は後述する第２のアンテナ３０４を用いて無線通信を行ってもよい。
【００２０】
第１のアンテナ３０１は送電コイル１０２の近辺に配置され、後述する第２のアンテナ３０４の発生する電波を受信するアンテナである。
【００２１】
図２は、第１のアンテナ３０１の詳細な構成を例示する図である。Ｘ、ＹおよびＺは、各々の座標軸を示しており、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交する。図２において、第１のアンテナ３０１は、ループ状の導体であるループアンテナ素子３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄを有しており、各素子３０１ａ、３０１ｄは、全ループアンテナ素子３０１ａ〜３０１ｄの設置エリア（点線で囲まれる部分を参照）の略対角に配置され、各素子３０１ｂ、３０１ｃも、同様に、この設置エリアにおいて異なる対角に配置される。また、設置エリアの辺に沿って並ぶ２つの素子（例えば素子３０１ａと素子３０１ｂ）は、略半波長λ／２の間隔を空けて配置される。各素子３０１ａ〜３０１ｄのループ軸方向は、送電コイル１０２のコイル軸方向と直交し、各素子３０１ａ〜３０１ｄのループの周囲長が半波長以下である。これにより、各ループアンテナ素子３０１ａ〜３０１ｄは磁流アンテナとして動作するため、送電コイル１０２の背面に配置される部材の電気定数の変化による特性への影響を阻止することができる。さらにアンテナ素子間の相互結合を低く抑えることができる。
【００２２】
電波反射防止手段３０２は、第１のアンテナ３０１の周囲に配置され、後述する第２のアンテナ３０４からの電波の反射を抑制する手段であり、電波吸収体などにより構成される。これにより第１のアンテナ３０１は、周囲からの電波の反射の影響を受けずに、後述する第２のアンテナ３０４からの電波の電界強度を検知することができる。
【００２３】
導体板３０３は、第１のアンテナ３０１の背面に配置された板状の導体である。これにより、第１のアンテナ３０１の背面に配置される部材の電気定数の変化による特性への影響を阻止することができる。なお、背面は、図２において、各ループアンテナ素子３０１ａ〜３０１ｄに対してＺ軸の負方向側の面である。
【００２４】
再度、図１を参照する。図１に示すように、第２のアンテナ３０４は、受電コイル１０３の近辺に配置される。
【００２５】
図３は、図１に示す第２のアンテナ３０４の詳細な構成を例示する図である。図３において、Ｘ、ＹおよびＺは、各々の座標軸を示しており、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交する。また、各座標軸の向きは、図２の座標軸の向きと一致する。第２のアンテナ３０４は、受電コイル１０３のコイル軸方向に指向性（点線部分を参照）を有するパッチアンテナで構成される。第１のアンテナ３０１の主偏波と第２のアンテナ３０４の主偏波が一致するように給電点３０５より第２のアンテナ３０４に給電される。
【００２６】
導体板３０６は、第１のアンテナ３０１と同様の理由により、第２のアンテナ３０４の背面に配置された板状の導体である。ここで、背面とは、図３において、第２のアンテナ３０４に対してＺ軸の正方向側の面である。
【００２７】
再度図１を参照する。電波出力手段３０７は、高周波電力を生成し、第２のアンテナ３０４へ出力する発振源である。これにより第２のアンテナ３０４から電波を出力する。
【００２８】
位置演算手段３０８は、例えばマイクロコンピュータやプロセッサを含んでおり、マイクロコンピュータ等により、第２のアンテナ３０４から第１のアンテナ３０１が備える複数のループアンテナ素子３０１ａ〜３０１ｄが受信した各電波強度の和と差の比から電波の到来方向を検出し、さらに受電コイル１０３の位置を算出する。
【００２９】
送電側位置情報通知手段３０９は、送電側制御手段２０１に接続されるディスプレイやスピーカを含んでいる。この送電側位置情報通知手段３０９は、受電コイル１０３の位置情報を、スピーカやディスプレイから音や画像などとして出力し、ユーザに通知する。
【００３０】
受電側位置情報通知手段３１０は、受電側制御手段２０３に接続されるディスプレイやスピーカを含んでいる。この受電側位置情報通知手段３１０は、受電コイル１０３の位置情報を、スピーカやディスプレイから音や画像などとして出力し、ユーザに通知する。
【００３１】
送電側ＧＰＳ受信機３１１は、送電側制御手段２０１に接続され、ＧＰＳ衛星からの電波を受信することにより自分が存在する位置のデータ（以下、位置データという）を出力するＧＰＳ受信機である。
【００３２】
受電側ＧＰＳ受信機３１２は受電側制御手段２０３に接続され、ＧＰＳ衛星からの電波を受信することにより、自分が存在する位置データを出力するＧＰＳ受信機である。
【００３３】
以上のように構成された無線電力伝送システムについて、図４を参照しつつ、受電コイル１０３の位置情報検出手順を説明する。
【００３４】
まずステップ１において、送電側制御手段２０１および受電側制御手段２０３は、送電側ＧＰＳ受信機３１１と受電側ＧＰＳ受信機３１２が出力する位置データより、送電装置１０と受電装置２０の間の距離を算出する。この距離算出のために、送電側制御手段２０１は、送電側ＧＰＳ受信機３１１の出力位置データを、送電側無線通信手段２０２を介して、受電装置２０に送る。受電装置２０においては、受電側制御手段２０３は、受電側無線通信手段２０４を介して、送電装置１０からの位置データを受け取り、受け取った位置データと、受電側ＧＰＳ受信機３１２の出力位置データとを用いて、送電装置１０及び受電装置２０の間の距離を算出する。なお、送電側制御手段２０１も、同様の方法で、受電装置２０の位置データを受け取り、これを用いて送電装置１０及び受電装置２０の間の距離を算出する。
【００３５】
この算出した距離がある所定距離以下になった場合、受電装置２０および送電装置１０が互いに近接したエリア内にあるとみなして、送電側制御手段２０１および受電側制御手段２０３は位置情報検出を開始する。
【００３６】
ステップ２において電波出力手段３０７は高周波電力を生成し、第２のアンテナ３０４に出力する。第２のアンテナ３０４は、与えられた電力を電波に変換して空間に出力する。
【００３７】
ステップ３において、位置演算手段３０８は、第２のアンテナ３０４からの電波を、第１のアンテナ３０１が備えるループアンテナ素子３０１ａ〜３０１ｄのそれぞれにて受信し、それぞれの電界強度Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃ、Ｅｄを測定する。
【００３８】
ステップ４において位置演算手段３０８は、得られた電波の強度の測定結果から、第１のアンテナ３０１に対する第２のアンテナ３０４の方向を算出する。
【００３９】
図２において、ＺＹ面内の方位方向θ１は次の式によりＡを計算することで推定できる。
Ａ＝（−Ｅａ＋Ｅｂ−Ｅｃ＋Ｅｄ）／（Ｅａ＋Ｅｂ＋Ｅｃ＋Ｅｄ）
Ａの絶対値が大きいほどＺ軸に対する角度θ１の絶対値が大きい。またＡが正の場合、角度θ１は正となり、Ａが負の場合、角度θ１は負となる。
【００４０】
ＺＸ面内の方位方向θ２は次の式によりＢを計算することで推定できる。
Ｂ＝（−Ｅａ−Ｅｂ＋Ｅｃ＋Ｅｄ）／（Ｅａ＋Ｅｂ＋Ｅｃ＋Ｅｄ）
Ｂの絶対値が大きいほどＺ軸に対する角度θ２の絶対値が大きい。またＢが正の場合、角度θ２は正となり、Ｂが負の場合、角度θ２は負となる。
【００４１】
角度θ１、θ２を算出することにより第２のアンテナ３０４の方向が得られる。
【００４２】
アンテナ素子３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄは互いに略半波長の間隔を設けて配置される。方位方向θ１、θ２が０度の場合、Ａ、Ｂの分母は最大となり、分子は０となる。方位方向θ１、θ２が９０度の場合、Ａ、Ｂの分母は０となり、分子は最大となる。つまりアンテナ素子の間隔を略半波長とすることで、方位方向θ１、θ２の変化に対するＡ，Ｂの変化量を大きくすることができるため、方位方向の推定精度を高めることができる。
【００４３】
ステップ５において位置演算手段３０８は受電コイル１０３の位置情報を算出する。具体的には、位置演算手段３０８は、受電コイル１０３と第２のアンテナ３０４の位置関係より、受電コイル１０３の位置を算出する。
【００４４】
ステップ６において送電側位置情報通知手段３０９、受電側位置情報通知手段３１０は、受電コイル１０３の位置情報を使用者などへ通知する。
【００４５】
なお、以上の実施形態では、送電コイル１０２側に第１のアンテナ３０１および位置演算手段３０８、受電コイル１０３側に第２のアンテナ３０４および電波出力手段３０７を備える構成例について説明したが、受電コイル１０３側に第１のアンテナ３０１および位置演算手段３０８、送電コイル１０２側に第２のアンテナ３０４および電波出力手段３０７を備える構成であってもよい。
【００４６】
図５は、本発明の無線電力伝送システムを電気推進車両（以下単に車両という）４００への搭載例を示した図である。図５では、複数の送電コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃが地上側に、受電コイル１０３は車４００側に搭載される例を示している。上記の手順により受電コイル１０３の位置を算出し、高周波発振源１０１は複数の送電コイルのうちもっとも受電コイル１０３に近接した送電コイルを選択して受電コイル１０３へ送電を行う。送電コイルを複数用いた場合について述べたが、受電コイルを複数用いてもよい。
以上により、本発明の無線電力伝送装置はコイルの位置検出を実現できる。
【００４７】
なお、以上の実施の形態では、電気推進車両の非接触給電システムへの応用例を説明したが、これに限らず、例えば、受電装置２０は、移動体の他の例としての携帯機器に設置され、また、送電装置１０は、この携帯機器向けの充電器に設置されてもかまわない。
【００４８】
また、以上の実施の形態では、第１のアンテナ３０１を図２のように構成し、第２のアンテナ３０４を図３のように構成した例を説明したが、これに限らず、第１のアンテナを図３のように構成し、第２のアンテナを図２のように構成してもかまわない。
【００４９】
また、以上の実施の形態では、第１のアンテナ３０１は送電コイル１０２の近辺に設けられ、第２のアンテナ３０４は受電コイル１０３の近辺に設けられるとして説明した。しかし、本発明のように、受電コイル１０３及び送電コイル１０２の相対的位置関係を求めるのであれば、第１のアンテナ３０１は送電装置１０に設けられ、第２のアンテナ３０４は受電装置２０に設けられていれば良い。
【００５０】
また、第１のアンテナ３０１と同様のアンテナ構成である第３のアンテナ３１３を設け
ることで送電コイル１０２、受電コイル１０３間の距離を算出してもよい。図６はＹ方向に第１のアンテナ３０１と第３のアンテナ３１３を配置した場合のＺＹ平面図である。第２のアンテナ３０４からの電波を第１のアンテナ３０１と第３のアンテナ３１３にて受信し、それぞれ第２のアンテナ３０４の方向θ１、θ３を算出する。算出された各方向が交わる点に第２のアンテナ３０４が位置するため、第１のアンテナ３０１、第３のアンテナ３１３と第２のアンテナ３０４間のＺ方向における距離が求まり、送電コイル１０２、受電コイル１０３間の距離を求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の無線電力伝送システムは、コイルの位置検出ができる。よって、本発明の無線電力伝送システムを、例えば、携帯機器、電気推進車両などの非接触充電器として適用できる。
【符号の説明】
【００５２】
１０１  高周波発振源
１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ  送電コイル
１０３  受電コイル
１０４  負荷回路
２０１  送電側制御手段
２０２  送電側無線通信手段
２０３  受電側制御手段
２０４  受電側無線通信手段
３０１  第１のアンテナ
３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ  アンテナ素子
３０２  電波反射防止手段
３０３、３０６  導体板
３０４  第２のアンテナ
３０５  給電点
３０７  電波出力手段
３０８  位置演算手段
３０９  送電側位置情報通知手段
３１０  受電側位置情報通知手段
３１１  送電側ＧＰＳ受信機
３１２  受電側ＧＰＳ受信機
３１３  第３のアンテナ
４００  電気推進車両
【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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