(57)【要約】【課題】給電側コイルと受電側コイルとの位置ずれに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電部から受電部へ高効率で電力を供給することができる給電システムを提供する。【解決手段】給電部３のインピーダンスを可変にする可変インダクタンスＬ１を給電側ヘリカルコイル３３に並列接続する。ＣＰＵ９は、位置センサ１０を用いて給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の中心軸の位置ずれｄを検出し、その位置ずれｄに応じて可変インダクタンスＬ１を調整して、給電部３のインピーダンスを調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力が供給される給電側コイルが設けられた給電手段と、前記給電側コイルと電磁共鳴して前記給電側コイルからの電力を受電する受電側コイルが設けられた受電手段と、を備えた給電システムにおいて、
前記給電手段及び前記受電手段の少なくとも一方に設けられ、設けられた前記給電手段及び前記受電手段の少なくとも一方のインピーダンスを可変にする整合器と、
前記給電側コイルと前記受電側コイルとの相対位置を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段により検出された位置に応じて前記整合器を調整して、前記整合器が設けられた前記給電手段及び前記受電手段の少なくとも一方のインピーダンスを調整するインピーダンス調整手段と、
を備えたことを特徴とする給電システム。
【請求項２】
前記位置検出手段は、前記給電側コイルの中心軸と前記受電側コイルの中心軸との位置ずれを相対位置として検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給電システムに係り、特に、給電側コイルから受電側コイルに非接触で電力を供給する給電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上述した給電システムとして、例えば図５に示すものが知られている（例えば非特許文献１、２）。同図に示すように、給電システム１は、給電手段としての給電部３と、受電手段としての受電部５と、を備えている。上記給電部３は、電力が供給される給電側ループアンテナ３２と、給電側ループアンテナ３２に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置され、給電側ループアンテナ３２に電磁結合された給電側コイルとしての給電側ヘリカルコイル３３と、が設けられている。上記給電側ループアンテナ３２に電力が供給されると、その電力が電磁誘導により給電側ヘリカルコイル３３に送られる。
【０００３】
上記受電部５は、給電側ヘリカルコイル３３に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置されると電磁共鳴する受電側コイルとしての受電側ヘリカルコイル５１と、この受電側ヘリカルコイル５１に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置され当該受電側ヘリカルコイル５１に電磁結合された受電側ループアンテナ５２と、が設けられている。給電側ヘリカルコイル３３に電力が送られると、その電力が磁界の共鳴によって受電側ヘリカルコイル５１にワイヤレスで送られる。
【０００４】
さらに、受電側ヘリカルコイル５１に電力が送られると、その電力が電磁誘導によって受電側ループアンテナ５２に送られ、この受電側ループアンテナ５２に接続されたバッテリなどの負荷に供給される。上述した給電システム１によれば、給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１との電磁共鳴により非接触で給電側から受電側に電力を供給することができる。
【０００５】
そして、上述した受電部５を自動車４に設け、給電部３を道路２などに設けることにより、上述した給電システム１を利用してワイヤレスで自動車４に搭載されたバッテリに電力を供給することが考えられている。ところで、上述した給電システム１においては、給電側ヘリカルコイル３３の中心軸Ｚ１と、受電側ヘリカルコイル５１の中心軸Ｚ２と、が同軸となるように、自動車４を停車させることは難しく、図５に示すように、中心軸Ｚ１、Ｚ２の位置ずれｄが生じることがある。
【０００６】
本発明者らは、上述した図５に示す給電システム１において、中心軸Ｚ１、Ｚ２の位置ずれｄ＝０の場合、位置ずれｄ＝０．３７５Ｄ（Ｄ＝受電側ヘリカルコイル５１の直径）の場合それぞれについて、周波数ｆ０付近での受電側ループアンテナ５２の伝送効率Ｓ２１2をシミュレーションした。結果を図３の鎖線、一点鎖線で示す。
【０００７】
同図に示すように、周波数ｆ０での伝送効率Ｓ２１2は、位置ずれｄが０のときは９７％程度であるのに対して、位置ずれｄが０．３７５Ｄのときは８７％程度まで低下してしまう、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】A.Kurs,A.Karalis,R.Moffatt,J.D.Joannopoulos,P.Fisher,M.Soljacic,"Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances",Science,Vol.317,pp.83-86,July6,2007
【非特許文献２】M.Soljacic,A.Karalis,J.Joannopoulos,A.Kurs,R.Moffatt,P.fisgeR,"電力を無線伝送する技術を開発  実験で６０Ｗの電球を点灯“、日経エレクトロニクス,3Dec.2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、給電側コイルと受電側コイルとの位置ずれｄに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電手段から受電手段へ高効率で電力を供給することができる給電システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するための請求項１記載の発明は、電力が供給される給電側コイルが設けられた給電手段と、前記給電側コイルと電磁共鳴して前記給電側コイルからの電力を受電する受電側コイルが設けられた受電手段と、を備えた給電システムにおいて、前記給電手段及び前記受電手段の少なくとも一方に設けられ、設けられた前記給電手段及び前記受電手段の少なくとも一方のインピーダンスを可変にする整合器と、前記給電側コイルと前記受電側コイルとの相対位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段により検出された位置に応じて前記整合器を調整して、前記整合器が設けられた前記給電手段及び前記受電手段の少なくとも一方のインピーダンスを調整するインピーダンス調整手段と、を備えたことを特徴とする給電システムに存する。
【００１１】
請求項２記載の発明は、前記位置検出手段は、前記給電側コイルの中心軸と前記受電側コイルの中心軸との位置ずれｄを相対位置として検出することを特徴とする請求項１に記載の給電システムに存する。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、インピーダンス調整手段が、位置検出手段により検出された給電側コイルと受電側コイルとの相対位置に応じて整合器を調整して、整合器が設けられた給電手段及び受電手段の少なくとも一方のインピーダンスを調整するので、給電側コイルと受電側コイルとの位置ずれｄに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電手段から受電手段へ高効率で電力を供給することができる。
【００１３】
請求項２記載の発明によれば、位置検出手段は、給電側コイルの中心軸と受電側コイルの中心軸との位置ずれｄを相対位置として検出するので、中心軸の位置ずれｄに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電手段から受電手段へ高効率で電力を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の給電システムを示す図である。
【図２】図１に示す給電システムを構成する給電側ループアンテナ、給電側ヘリカルコイル、受電側ヘリカルコイル及び受電側ループアンテナの斜視図である。
【図３】給電側、受電側ヘリカルコイルの巻数が２の給電システムにおいて、給電側、受電側ヘリカルコイルの中心軸の位置ずれｄ＝０で整合がある場合、位置ずれｄ＝０．３７５Ｄで整合がある場合、位置ずれｄ＝０．３７５Ｄで整合がない場合、それぞれの周波数ｆ０付近での伝送効率Ｓ２１2を示すグラフである。
【図４】給電側、受電側ヘリカルコイルの巻数が１の給電システムにおいて、給電側、受電側ヘリカルコイルの中心軸の位置ずれｄ＝０で整合がある場合、位置ずれｄ＝０．３７５Ｄで整合がある場合、位置ずれｄ＝０．３７５Ｄで整合がない場合、それぞれの周波数ｆ０付近での伝送効率Ｓ２１2を示すグラフである。
【図５】従来の給電システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の給電システムを図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本発明の給電システムを示す図である。図２は、図１に示す給電システムを構成する給電側ループアンテナ、給電側ヘリカルコイル、受電側ヘリカルコイル及び受電側ループアンテナの斜視図である。同図に示すように、給電システム１は、道路２上などに設けられた給電手段としての給電部３と、自動車４の腹部分などに設けられた受電手段としての受電部５と、を備えている。
【００１６】
上記給電部３は、直流電源６から供給される直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器３１と、ＤＣ／ＡＣ変換器３１により変換された交流電力が供給される給電側ループアンテナ３２と、給電側ループアンテナ３２に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置され、給電側ループアンテナ３２に電磁結合された給電側ヘリカルコイル３３と、給電側ヘリカルコイル３３に並列接続されたキャパシタＣ１及び整合器としての可変インダクタＬ１と、が設けられている。
【００１７】
上記給電側ループアンテナ３２は、円ループ状に設けられていて、その中心軸が道路２から自動車４の腹部分に向かう方向、即ち鉛直方向に沿うように配置されている。この給電側ループアンテナ３２の両端には、ＤＣ／ＡＣ変換器３１が接続されていて、上述したようにＤＣ／ＡＣ変換器３１により変換された交流電力が供給される。
【００１８】
上記給電側ヘリカルコイル３３は、例えば巻線をヘリカル状に巻いて構成されている。本実施形態においては、給電側ヘリカルコイル３３は、その巻数が２巻に設けられている。また、給電側ヘリカルコイル３３は、上記給電側ループアンテナ３２の自動車４側に、給電側ループアンテナ３２と同軸上に配置されている。上記給電側ループアンテナ３２と給電側ヘリカルコイル３３とは、互いに電磁結合できる範囲内、即ち、給電側ループアンテナ３２に交流電力が供給され、交流電流が流れると給電側ヘリカルコイル３３に電磁誘導が発生するような範囲内で、互いに離間して設けられている。
【００１９】
上記コンデンサＣ１は、共鳴周波数を調整するために設けられている。上記可変インダクタンスＬ１は、後述するＣＰＵ９から出力される調整信号に応じてインダクタンスが変化するコイルである。
【００２０】
上記受電部５は、給電側ヘリカルコイル３３と電磁共鳴する受電側ヘリカルコイル５１と、この受電側ヘリカルコイル５１に対してその中心軸方向に対向するように配置され、受電側ヘリカルコイル５１に電磁結合された受電側ループアンテナ５２と、受電側ループアンテナ５２が受電した交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換器５３と、受電側ヘリカル５１に並列接続されたコンデンサＣ２と、が設けられている。
【００２１】
上記受電側ループアンテナ５２には、ＡＣ／ＤＣ変換器５３を介して車載バッテリなどの負荷７が接続されている。また、受電側ループアンテナ５２は、円形のループ状に設けられていて、その中心軸が自動車４の腹部分から道路２に向かう方向、即ち鉛直方向に沿うように配置されている。また、本実施形態においては、図２に示すように、上記受電側ループアンテナ５２は、上述した給電側ループアンテナ３２と同じ径に設けられているが、本発明はこれに限ったものではなく、例えば、受電側ループアンテナ５２の径が、上述した給電側ループアンテナ３２の径よりも小さく設けられていても良い。
【００２２】
上記受電側ヘリカルコイル５１は、例えば巻線を円形のヘリカルコイル状に巻いて構成されている。本実施形態においては、受電側ヘリカルコイル５１は、給電側ヘリカルコイル３３と同様に、その巻数が２巻に設けられている。また、上記受電側ヘリカルコイル５１は、上述した給電側ヘリカルコイル３３と同じ径に設けられているが、本発明はこれに限ったものではなく、例えば、受電側ヘリカルコイル５１の径が、上述した給電側ヘリカルコイル３３の径よりも小さく設けられていてもよい。
【００２３】
また、受電側ヘリカルコイル５１は、上述した受電側ループアンテナ５２の道路２側に、受電側ループアンテナ５２と同軸上に配置されている。これにより、受電側ループアンテナ５２と受電側ヘリカルコイル５１とは、互いに電磁結合する範囲内、即ち、受電側ヘリカルコイル５１に交流電流が流れると受電側ループアンテナ５２に誘導電流が発生する範囲内に、互いに離間して設けられている。上記コンデンサＣ２は、コンデンサＣ１と同様に、共鳴周波数を調整するために設けられている。これらコンデンサＣ１、Ｃ２は、給電側ヘリカルコイル３３及び受電側ヘリカルコイル５１の共鳴周波数が所望の周波数ｆ０（例えば１０ＭＨｚ）となるように容量が予め調整されている。
【００２４】
上述した給電システム１によれば、自動車４の受電部５が道路２に設けた給電部３に近づいて給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１とが中心軸方向に互いに間隔を空けて対向したとき、給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１とが電磁共鳴して給電部３から受電部５に非接触で電力を供給できる。
【００２５】
詳しく説明すると、上記給電側ループアンテナ３２に交流電力が供給されると、その電力が電磁誘導により給電側ヘリカルコイル３３に送られる。即ち、給電側ヘリカルコイル３３には、給電側ループアンテナ３２を介して電力が供給される。給電側ヘリカルコイル３３に電力が送られると、その電力が磁界の共鳴によって受電側ヘリカルコイル５１にワイヤレスで送られる。さらに、受電側ヘリカルコイル５１に電力が送られると、その電力が電磁誘導によって受電側ループアンテナ５２に送られ、この受電側ループアンテナ５２に接続された負荷７にＡＣ／ＤＣ変換器５３を介して供給される。
【００２６】
また、上述した給電システム１は、さらに図１に示すように、直流電源６とＤＣ／ＡＣ変換器３１との間に設けられたスイッチ８と、給電部３全体の制御を司るＣＰＵ９と、給電側ヘリカルコイル３３及び受電側ヘリカルコイル５１の相対位置を検出するための位置センサ１０と、を備えている。
【００２７】
上記ＣＰＵ９は、スイッチ８と、後述する受信器１０ｂとに接続されている。上記位置センサ１０は、自動車４に搭載され、受電側ヘリカルコイル５１の近傍に配置された送信器１０ａと、道路２側に配置され、給電側ヘリカルコイル３３の近傍に配置された受信器１０ｂと、を備えている。上記送信器１０ａは、受電側ヘリカルコイル５１の近傍に配置されるように自動車４の腹部分に配置されている。この送信器１０ａは、例えば、スポット光を出射する発光素子と、これら発光素子の発光を制御する制御回路などから構成されていて、定期的に上記スポット光を鉛直下側に向けて照射している。
【００２８】
上記受信器１０ｂは、給電側ヘリカルコイル３３の近傍に配置されるように道路２上に配置されている。受信器１０ｂは、スポット光を受光する受光面が形成された受光素子と、このスポット光が照射される受光面上の位置に応じた位置信号を出力する検出回路などから構成されていて、この検出回路からの位置信号をＣＰＵ９に対して出力している。
【００２９】
上記ＣＰＵ９は、上記受信器１０ｂからの位置信号に基づいて給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１との相対位置を検出する。具体的には、ＣＰＵ９は、給電側ヘリカルコイル３３の中心軸Ｚ１（図２）と受電側ヘリカルコイル５１の中心軸Ｚ２（図２）との位置ずれｄ（図５）を相対位置として検出する。なお、本実施形態では、位置センサ１０として、上述したように光学式のものを用いた例について説明するが、本発明はこれに限ったものではなく、他に超音波式や無線式など公知の位置センサ１０を用いてもよい。また、以上のことから明らかなように、上記位置センサ１０及びＣＰＵ９が、請求項中の位置検出手段を構成している。
【００３０】
次に、給電システム１の動作を説明する前に、本発明の原理について説明する。まず、本発明者らは、位置ずれｄ＝０の場合に最も高効率になるように可変インダクタンスＬ１のインダクタンスを調整して給電部５のインピーダンスを調整し、周波数ｆ０付近での受電側ループアンテナ５２の伝送効率Ｓ２１2をシミュレーションした。結果を図３の鎖線で示す。同図に示すように、位置ずれｄ＝０の場合は９７％の伝送効率Ｓ２１2が実現できている。
【００３１】
次に、本発明者らは、位置ずれｄ＝０．３７５Ｄ（Ｄ＝受電側ヘリカルコイル５１の直径）にして、周波数ｆ０付近での受電側ループアンテナ５２の伝送効率Ｓ２１2をシミュレーションした。結果を図３の一点鎖線で示す。なお、このときの可変インダクタンスＬ１のインダクタンスは位置ずれｄ＝０のときに調整した値と同じである。同図に示すように、位置ずれｄが発生すると伝送効率Ｓ２１2が８７％程度まで低下してしまう。
【００３２】
このように伝送効率Ｓ２１2が低下してしまう原因は、位置ずれｄ＝０のときに給電部３と受電部５とのインピーダンスが整合されていたとしても、位置ずれｄが生じるとインピーダンスの整合がくずれ、給電部３から送信した電力が受電部５で反射されてしまうためと考えられる。そこで、本発明者らは、位置ずれｄ＝０．３７５Ｄの場合に再び可変インダクタンスＬ１のインダクタンスを調整して、給電部３のインピーダンスを調整し、周波数ｆ０付近での受電側ループアンテナ５２の伝送効率Ｓ２１2をシミュレーションした。結果を図３の実線で示す。同図に示すように、インピーダンスを調整すると伝送効率Ｓ２１2は９３％程度まで改善した。
【００３３】
そこで、位置ずれｄと、最も良い伝送効率Ｓ２１2が得られる可変インダクタンスＬ１のインダクタンスと、の関係をシミュレーションや実験などにより求め、求めた関係を表すテーブルなどを図示しないメモリに予め記憶させる。そして、ＣＰＵ９は、受信器１０ｂからの位置信号により検出された位置ずれｄに対応するインダクタンスをメモリに記憶されたテーブルから求め、求めたインダクタンスとなるような調整信号を可変インダクタンスＬ１に対して出力する。
【００３４】
次に、上記概略で説明した給電システム１の詳細な動作について説明する。まず、ＣＰＵ９は、受信器１０ｂの位置信号を取り込んで、スポット光が受光されているか否かを判定する。スポット光が受光されていれば自動車２が近くにいると判定し、ＣＰＵ９は、次に、受信器１０ｂからの位置信号に基づいて中心軸Ｚ１、Ｚ２の位置ずれｄを求める。
【００３５】
その後、ＣＰＵ９は、インピーダンス調整手段として働き、求めた位置ずれｄに対応するインダクタンスをメモリに記憶されたテーブルなどから求め、求めたインダクタンスになるような調整信号を可変インダクタンスＬ１に対して出力する。次に、ＣＰＵ９は、スイッチ８をオンして、給電側ループアンテナ３２の交流電力を供給する。これにより、高効率を保ったまま給電部３から受電部５へワイヤレスで電力が送信される。
【００３６】
その後、ＣＰＵ９は、再び受信器１０ｂの位置信号を取り込んで、スポット光が受光されなくなると、自動車２が離れたと判定し、スイッチ８をオフして、給電側ループアンテナ３２に供給する交流電力を遮断する。
【００３７】
上述した給電システム１によれば、ＣＰＵ９が、位置センサ１０を用いて検出した給電側ヘリカルコイル３３の中心軸Ｚ１と受電側ヘリカルコイル５１の中心軸Ｚ２との位置ずれｄに応じて可変インダクタンスＬ１を調整して、可変インダクタンスＬ１が設けられた給電部３のインピーダンスを調整するので、給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１との位置ずれｄに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電部３から受電部５へ高効率で電力を供給することができる。
【００３８】
上述した給電システム１によれば、ＣＰＵ９は、位置センサ１０を用いて、給電側ヘリカルコイル３３の中心軸Ｚ１と受電側ヘリカルコイル５１の中心軸Ｚ２との位置ずれｄを相対位置として検出するので、中心軸Ｚ１、Ｚ２の位置ずれｄに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電部３から受電部５へ高効率で電力を供給することができる。
【００３９】
なお、上述した実施形態では、２巻きの給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１について説明していたが、本発明はこれに限ったものではない。給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の巻数としては、１巻きでも、３巻き以上であってもよい。本発明者らは、他の巻き数でも上記効果が得られることを検証すべく、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の巻数が１の給電システム１において、位置ずれｄ＝０で整合がある場合、位置ずれｄ＝０．３７５Ｄで整合がある場合、位置ずれｄ＝０．３７５Ｄで整合がない場合、それぞれの周波数ｆ０付近の伝送効率Ｓ２１2をシミュレーションした。結果を図４に示す。
【００４０】
同図に示すように、位置ずれｄ＝０の場合、伝送効率Ｓ２１2は９５％であった。これに対して、位置ずれｄ＝０．３７５Ｄの場合に整合がないと伝送効率Ｓ２１2は７３％に低下してしまう。可変インダクタンスＬ１を用いて整合を取った場合には伝送効率Ｓ２１2は８５％にまで改善できることが分かった。
【００４１】
また、上述した実施形態では、給電部３にのみ整合器である可変インダクタンスＬ１を設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、受電部５にのみ整合器を設けても良いし、給電部３と受電部５との両方に整合器を設けてもよい。
【００４２】
また、上述した実施形態では、整合器として、可変インダクタンスＬ１を用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。整合器としては、キャパシタや、キャパシタとインダクタンスとの組み合わせなど他に公知のものを用いても良い。
【００４３】
また、上述した実施形態では、給電側ヘリカルコイル３３に整合器としての可変インダクタンスＬ１を接続していたが、本発明はこれに限ったものではない。本発明は給電部３及び受電部５間のインピーダンスをマッチングさせていればよく、整合器を給電側、受電側ループアンテナ３２、５２に設けてもよいし、ＤＣ／ＡＣ変換器３１やＡＣ／ＤＣ変換器５３に設けてもよい。
【００４４】
また、上述した実施例では、位置ずれｄを検出して、その位置ずれｄによる伝送効率低下を防止するように可変インダクタンスＬ１を調整してたいが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１との中心軸方向の距離Ｘ（図３）を検出して、その距離Ｘの変動による伝送効率低下を防止するように可変インダクタンスＬ１を調整してもよい。
【００４５】
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１    給電システム
３    給電部（給電手段）
５    受電部（受電手段）
９    ＣＰＵ（インピーダンス調整手段、位置検出手段）
１０  位置センサ（位置検出手段）
３３  給電側ヘリカルコイル（給電側コイル）
５１  受電側ヘリカルコイル（受電側コイル）
Ｌ１  可変インダクタンス（整合器）
【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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