(57)【要約】【課題】送電側コイルから受電側コイルに接続されている負荷に電力を高い効率で伝送することができる非接触電力伝送システム、非接触電力伝送システムのアンテナ設計方法、および非接触電力伝送方法を提供することを目的とする。【解決手段】非接触電力伝システムは、共振器が偶数の場合、送電コイルと隣り合う中継コイルとの結合係数ｋＳが、電力供給部が供給する電力の周波数ｆ０と隣り合う中継コイル同士の結合係数ｋＭと受電コイルと隣り合う中継コイルとの結合係数ｋＬと電力供給部の出力インピーダンスＲＳと負荷のインピーダンスＲＬと送電コイルおよび中継コイルそれぞれの自己インダクタンスＬと受電コイルの自己インダクタンスＬＬとに基づく関係式を満たし、共振器が奇数の場合、結合係数ｋｓが、周波数ｆ０と結合係数ｋＬとインピーダンスＲＳとインピーダンスＲＬと自己インダクタンスＬと自己インダクタンスＬＬとに基づく関係式を満たす。【選択図】図２
2017034940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電器と、負荷が接続されている受電器と、の間で磁界共振方式により電力を伝送する非接触電力伝送システムであって、
前記送電器に電力を供給する電力供給部と、
送電コイルとコンデンサを備え、前記電力供給部から供給された電力を共振させる前記送電器と、
前記送電器と前記受電器との間に、前記送電器によって発生する電磁誘導によって互いに結合し、中継コイルとコンデンサそれぞれを備えるｎ（ｎは１以上の整数）個の共振器と、
を備え、
前記送電器と前記共振器との共振周波数、および前記共振器と前記受電器との共振周波数は、前記電力供給部が供給する電力の周波数ｆ０であり、
前記共振器が偶数個の場合に、前記送電コイルと隣り合う前記中継コイルとの結合係数ｋＳが、前記周波数ｆ０と、隣り合う前記中継コイル同士の結合係数ｋＭと、前記受電器が有する受電コイルと隣り合う前記中継コイルとの結合係数ｋＬと、前記電力供給部の出力インピーダンスＲＳと、前記負荷のインピーダンスＲＬと、前記送電コイルおよび前記中継コイルそれぞれの自己インダクタンスＬと、前記受電コイルの自己インダクタンスＬＬとに基づく関係式を満たし、
前記共振器が奇数個の場合に、前記結合係数ｋｓが、前記周波数ｆ０と、前記結合係数ｋＬと、前記インピーダンスＲＳと、前記インピーダンスＲＬと、前記自己インダクタンスＬと、前記自己インダクタンスＬＬとに基づく関係式を満たす非接触電力伝送システム。
【請求項２】
前記共振器が偶数個の場合に、前記結合係数ｋｓが、下式の関係式を満たし、
【数１】
2017034940.tif 000057
前記送電コイルの自己インダクタンスと前記中継コイルの自己インダクタンスがともにＬであり、前記送電器が備えるコンデンサのキャパシタンスと前記共振器が備えるコンデンサのキャパシタンスがともにＣであり、前記自己インダクタンスＬと前記キャパシタンスＣと前記周波数ｆ０とが下式の関係式を満たし、
【数２】
2017034940.tif 000058
前記受電コイルの自己インダクタンスがＬＬであり、前記受電器が有するコンデンサのキャパシタンスがＣＬであり、前記自己インダクタンスＬＬと前記キャパシタンスＣＬと前記周波数ｆ０とが下式の関係式を満たす、
【数３】
2017034940.tif 000059
請求項１に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項３】
前記自己インダクタンスＬと前記自己インダクタンスＬＬとが等しい場合、前記結合係数ｋｓが、下式の関係式を満たす、
【数４】
2017034940.tif 000060
請求項２に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項４】
前記共振器が奇数個の場合に、前記結合係数ｋｓが、下式の関係式を満たし、
【数５】
2017034940.tif 000061
前記送電コイルの自己インダクタンスと前記共振器が備えるコイルの自己インダクタンスがともにＬであり、前記送電器が備えるコンデンサのキャパシタンスと前記共振器が備えるコンデンサのキャパシタンスがともにＣであり、前記自己インダクタンスＬと前記キャパシタンスＣと前記周波数ｆ０とが下式の関係式を満たし、
【数６】
2017034940.tif 000062
前記受電コイルの自己インダクタンスがＬＬであり、前記受電器が有するコンデンサのキャパシタンスがＣＬであり、前記自己インダクタンスＬＬと前記キャパシタンスＣＬと前記周波数ｆ０とが下式の関係式を満たす、
【数７】
2017034940.tif 000063
請求項１に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項５】
前記自己インダクタンスＬと前記自己インダクタンスＬＬとが等しい場合、前記結合係数ｋｓが、下式の関係式を満たす、
【数８】
2017034940.tif 000064
請求項４に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項６】
複数の前記共振器それぞれが備える中継コイル間の結合係数ｋＭ、前記電力供給部の出力インピーダンスＲＳ、前記送電コイルと隣接する前記中継コイルとの結合係数ｋＳ、前記送電コイルの自己インダクタンスＬＳ、前記受電コイルの自己インダクタンスＬＬ、前記電力供給部の出力電圧Ｖ、前記電力供給部から出力される交流の周波数ｆ０、前記中継コイルの個数、前記送電コイルと隣接する前記中継コイルとの結合係数ｋＳの関係式、前記受電コイルと隣接する前記中継コイルとの結合係数ｋＬの関係式と、が記憶されている記憶部と、
前記送電コイルに流れる電流値ＩＳを測定する電流測定回路と、
前記電力供給部から供給された周波数ｆ０の交流電圧が供給されたときの前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬを、前記受電器から受け取り、受け取った前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬと、前記電流測定回路によって測定された前記送電コイルに流れる電流値ＩＳと、前記記憶部に記憶されている各値と、を前記記憶部に記憶されている前記結合係数ｋＬの関係式に代入して、前記結合係数ｋＬを推定し、推定した結合係数ｋＬと、前記記憶部に記憶されている値と、前記受電器から受け取った前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬと、を用いて、前記送電コイルと、前記送電器と隣り合う前記中継コイルとの結合係数ｋｓが、前記電力供給部から前記負荷までの電力伝送効率が所定の値以上になり、または前記負荷に流れる電流値が所定の値以上になるように前記送電コイルの配置を変化させる制御回路と、
を備える請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項７】
前記制御回路は、
前記記憶部に記憶されている前記結合係数ｋＳの関係式に代入して、前記結合係数ｋＳを決定し、決定した前記結合係数ｋＳになるように前記送電コイルの配置を変化させる、
請求項６に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項８】
前記負荷に接続されている前記受電器、をさらに備え、
前記受電器は、
前記受電コイルと、前記コンデンサと、前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬを測定する測定回路と、前記測定回路によって測定された前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬを前記送電器に送信する通信回路、とを備える請求項６または請求項７に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項９】
送電コイルとコンデンサとを備える送電器と、
前記送電器と電磁結合し、前記送電器と受電器との間に中継コイルとコンデンサそれぞれを備えるｎ（ｎは１以上の整数）個の共振器と、
負荷が接続され前記共振器と電磁結合し、受電コイルとコンデンサとを有する受電器と、
の間で磁界共振方式により電力を伝送する非接触電力伝送システムにおけるアンテナ設計方法であって、
前記送電器と前記共振器との共振周波数、および前記共振器と前記受電器との共振周波数は、前記電力供給部が供給する電力の周波数ｆ０であり、
前記共振器が偶数個の場合に、前記送電コイルと隣り合う前記中継コイルとの結合係数ｋＳが、前記周波数ｆ０と、隣り合う前記中継コイル同士の結合係数ｋＭと、前記受電器が有する受電コイルと隣り合う前記中継コイルとの結合係数ｋＬと、前記電力供給部の出力インピーダンスＲＳと、前記負荷のインピーダンスＲＬと、前記送電コイルおよび前記中継コイルそれぞれの自己インダクタンスＬと、前記受電コイルの自己インダクタンスＬＬとに基づく関係式を満たすように設計する手順と、
前記共振器が奇数個の場合に、前記結合係数ｋｓが、前記周波数ｆ０と、前記結合係数ｋＬと、前記インピーダンスＲＳと、前記インピーダンスＲＬと、前記自己インダクタンスＬと、前記自己インダクタンスＬＬとに基づく関係式を満たすように設計する手順と、
を含む非接触電力伝送装システムのアンテナ設計方法。
【請求項１０】
送電コイルとコンデンサとを備える送電器と、
前記送電器と電磁結合し、前記送電器と受電器との間に中継コイルとコンデンサそれぞれを備えるｎ（ｎは１以上の整数）個の共振器と、
負荷が接続され前記共振器と電磁結合し、受電コイルとコンデンサとを有する受電器と、
の間で磁界共振方式により電力を伝送する非接触電力伝送システムにおける非接触電力伝送装方法であって、
前記送電器の制御回路が、複数の前記共振器それぞれが備える中継コイル間の結合係数ｋＭ、前記送電器に電力を供給する電力供給部の出力インピーダンスＲＳ、前記送電コイルと隣接する前記中継コイルとの結合係数ｋＳ、前記送電コイルの自己インダクタンスＬＳ、前記受電コイルの自己インダクタンスＬＬ、前記電力供給部の出力電圧Ｖ、前記電力供給部から出力される交流の周波数ｆ０、前記中継コイルの個数、前記送電コイルと隣接する前記中継コイルとの結合係数ｋＳの関係式、前記受電コイルと隣接する前記中継コイルとの結合係数ｋＬの関係式と、を記憶部に記憶させる記憶手順と、
前記送電器の電流測定回路が、前記送電コイルに流れる電流値ＩＳを測定する電流測定手順と、
前記送電器の制御回路が、前記電力供給部から供給された周波数ｆ０の交流電圧が供給されたときの前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬを、前記受電器から受け取る受け取り手順と、
前記送電器の制御回路が、前記受け取り手順によって受け取った前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬと、前記電流測定回路によって測定された前記送電コイルに流れる電流値ＩＳと、前記記憶部に記憶されている各値と、を前記記憶部に記憶されている前記結合係数ｋＬの関係式に代入して、前記結合係数ｋＬを推定する推定手順と、
前記送電器の制御回路が、前記推定手順によって推定された結合係数ｋＬと、前記記憶部に記憶されている値と、前記受電器から受け取った前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬと、を用いて、前記送電コイルと、前記送電コイルと隣り合う前記中継コイルとの結合係数ｋｓが、前記電力供給部から前記負荷までの電力伝送効率が所定の値以上になり、または前記負荷に流れる電流値が所定の値以上になるように前記送電コイルの配置を変化させる可動手順と、
を含む非接触電力伝送装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触電力伝送システム、非接触電力伝送システムのアンテナ設計方法、および非接触電力伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、非接触電力伝送が、電子機器の充電等に用いられている。このように、非接触で電力を供給する技術としては、電磁誘導方式、磁界共振方式、および電波方式等がある。電磁誘導方式とは、２つの隣接するコイルの片方に電流を流すと発生する磁束を媒介して隣接したもう片方に起電力が発生する電磁誘導を用いる方式である。磁界共振方式とは、電磁界の共振現象を利用した方式である。電波方式とは、電力を電磁波に変換しアンテナを介して送受信する方式である。
【０００３】
近年、上述した３方式のうち、磁界共振方式を用いた非接触給電および充電システムが特に注目されている。
磁界共振方式は、電磁誘導方式より長い距離に電力を供給することができ、共振周波数の調整により給電対象の絞り込みができ、送電側と受電側の向き合わせも多少軸がずれても電磁誘導方式と比較して伝送効率の変化が少ない。
また、磁界共振方式は、送電側コイルと受電側コイルとの間に、中継コイルを配置することで給電範囲を広げることもできる。中継コイルを用いた場合、送電側コイルから発せられた電力を、中継コイルが電磁界共振を用いて受電側コイルへ伝送する。
【０００４】
磁界共振方式を用いた非接触給電において、電力伝送効率は、コイルの位置関係や送電側のインピーダンスの値、そして受電側コイルに接続される負荷側のインピーダンスの値に大きく左右される。高い電力伝送効率を維持するためには、送電側コイルと受電側コイルの間でインピーダンス整合する必要がある。例えば、負荷側のインピーダンスの変化に合わせて、送電側コイルにおいて、複数の径の異なるコイルの接続を変更することで送電側のコイルの径を変更してインピーダンスを変化させ、双方のインピーダンスを整合させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、例えば２つの中継コイルを用いた磁界共振方式において、コイル同士による磁気結合の結合係数を変化させて送電側コイルと受電側コイルの間でインピーダンスの整合条件を制御することが提案されている。ここで、結合係数とは、送電側コイルと第１の中継コイルとの結合係数、第２の中継コイルと受電側コイルとの結合係数である（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１４２５５９号公報
【特許文献２】特表２０１２−５０３９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、送信側が有するコイルそれぞれの長さと、コイルの個数、接続を切り替えるスイッチの個数によって、実現可能なインピーダンスが限られていた。このため、送電側コイルから受電側コイルに接続されている負荷に電力を高い効率で伝送することができなかった。
また、特許文献２に記載の技術では、２つの中継コイルを用いた磁界共振方式において、送電側コイルと各中継コイルと受電側コイルそれぞれが有するコイルのインダクタンスと共振用のコンデンサの容量、送電側の出力インピーダンス、および負荷のインピーダンスに基づいて、どのように結合係数を変更するかが示されていない。このため、特許文献２に記載の技術では、送電側コイルと受電側コイルの間でインピーダンスの整合条件を適切に制御することができなかったため、送電側コイルから受電側コイルに接続されている負荷に電力を高い効率で伝送することができなかった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、送電側コイルから受電側コイルに接続されている負荷に電力を高い効率で伝送することができる非接触電力伝送システム、非接触電力伝送システムのアンテナ設計方法、および非接触電力伝送方法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】
【０００９】
（１）上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る非接触電力伝送システムは、送電器と、負荷が接続されている受電器と、の間で磁界共振方式により電力を伝送する非接触電力伝送システムであって、前記送電器に電力を供給する電力供給部と、送電コイルとコンデンサを備え、前記電力供給部から供給された電力を共振させる前記送電器と、前記送電器と前記受電器との間に、前記送電器によって発生する電磁誘導によって互いに結合し、中継コイルとコンデンサそれぞれを備えるｎ（ｎは１以上の整数）個の共振器と、を備え、前記送電器と前記共振器との共振周波数、および前記共振器と前記受電器との共振周波数は、前記電力供給部が供給する電力の周波数ｆ０であり、前記共振器が偶数個の場合に、前記送電コイルと隣り合う前記中継コイルとの結合係数ｋＳが、前記周波数ｆ０と、隣り合う前記中継コイル同士の結合係数ｋＭと、前記受電器が有する受電コイルと隣り合う前記中継コイルとの結合係数ｋＬと、前記電力供給部の出力インピーダンスＲＳと、前記負荷のインピーダンスＲＬと、前記送電コイルおよび前記中継コイルそれぞれの自己インダクタンスＬと、前記受電コイルの自己インダクタンスＬＬとに基づく関係式を満たし、前記共振器が奇数個の場合に、前記結合係数ｋｓが、前記周波数ｆ０と、前記結合係数ｋＬと、前記インピーダンスＲＳと、前記インピーダンスＲＬと、前記自己インダクタンスＬと、前記自己インダクタンスＬＬとに基づく関係式を満たす。
【００１０】
（２）また、本発明の一態様に係る非接触電力伝送システムにおいて、前記共振器が偶数個の場合に、前記結合係数ｋｓが、下式の関係式を満たし、
【００１１】
【数１】
2017034940.tif 000003
【００１２】
前記送電コイルの自己インダクタンスと前記中継コイルの自己インダクタンスがともにＬであり、前記送電器が備えるコンデンサのキャパシタンスと前記共振器が備えるコンデンサのキャパシタンスがともにＣであり、前記自己インダクタンスＬと前記キャパシタンスＣと前記周波数ｆ０とが下式の関係式を満たし、
【００１３】
【数２】
2017034940.tif 000004
【００１４】
前記受電コイルの自己インダクタンスがＬＬであり、前記受電器が有するコンデンサのキャパシタンスがＣＬであり、前記自己インダクタンスＬＬと前記キャパシタンスＣＬと前記周波数ｆ０とが下式の関係式を満たすようにしてもよい。
【００１５】
【数３】
2017034940.tif 000005
【００１６】
（３）また、本発明の一態様に係る非接触電力伝送システムにおいて、前記自己インダクタンスＬと前記自己インダクタンスＬＬとが等しい場合、前記結合係数ｋｓが、下式の関係式を満たすようにしてもよい。
【００１７】
【数４】
2017034940.tif 000006
【００１８】
（４）また、本発明の一態様に係る非接触電力伝送システムにおいて、前記共振器が奇数個の場合に、前記結合係数ｋｓが、下式の関係式を満たし、
【００１９】
【数５】
2017034940.tif 000007
【００２０】
前記送電コイルの自己インダクタンスと前記共振器が備えるコイルの自己インダクタンスがともにＬであり、前記送電器が備えるコンデンサのキャパシタンスと前記共振器が備えるコンデンサのキャパシタンスがともにＣであり、前記自己インダクタンスＬと前記キャパシタンスＣと前記周波数ｆ０とが下式の関係式を満たし、
【００２１】
【数６】
2017034940.tif 000008
【００２２】
前記受電コイルの自己インダクタンスがＬＬであり、前記受電器が有するコンデンサのキャパシタンスがＣＬであり、前記自己インダクタンスＬＬと前記キャパシタンスＣＬと前記周波数ｆ０とが下式の関係式を満たすようにしてもよい。
【００２３】
【数７】
2017034940.tif 000009
【００２４】
（５）また、本発明の一態様に係る非接触電力伝送システムにおいて、前記自己インダクタンスＬと前記自己インダクタンスＬＬとが等しい場合、前記結合係数ｋｓが、下式の関係式を満たすようにしてもよい。
【００２５】
【数８】
2017034940.tif 000010
【００２６】
（６）また、本発明の一態様に係る非接触電力伝送システムは、複数の前記共振器それぞれが備える中継コイル間の結合係数ｋＭ、前記電力供給部の出力インピーダンスＲＳ、前記送電コイルと隣接する前記中継コイルとの結合係数ｋＳ、前記送電コイルの自己インダクタンスＬＳ、前記受電コイルの自己インダクタンスＬＬ、前記電力供給部の出力電圧Ｖ、前記電力供給部から出力される交流の周波数ｆ０、前記中継コイルの個数、前記送電コイルと隣接する前記中継コイルとの結合係数ｋＳの関係式、前記受電コイルと隣接する前記中継コイルとの結合係数ｋＬの関係式と、が記憶されている記憶部と、前記送電コイルに流れる電流値ＩＳを測定する電流測定回路と、前記電力供給部から供給された周波数ｆ０の交流電圧が供給されたときの前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬを、前記受電器から受け取り、受け取った前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬと、前記電流測定回路によって測定された前記送電コイルに流れる電流値ＩＳと、前記記憶部に記憶されている各値と、を前記記憶部に記憶されている前記結合係数ｋＬの関係式に代入して、前記結合係数ｋＬを推定し、推定した結合係数ｋＬと、前記記憶部に記憶されている値と、前記受電器から受け取った前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬと、を用いて、前記送電コイルと、前記送電器と隣り合う前記中継コイルとの結合係数ｋｓが、前記電力供給部から前記負荷までの電力伝送効率が所定の値以上になり、または前記負荷に流れる電流値が所定の値以上になるように前記送電コイルの配置を変化させる制御回路と、を備えるようにしてもよい。
【００２７】
（７）また、本発明の一態様に係る非接触電力伝送システムにおいて、前記制御回路は、前記記憶部に記憶されている前記結合係数ｋＳの関係式に代入して、前記結合係数ｋＳを決定し、決定した前記結合係数ｋＳになるように前記送電コイルの配置を変化させるようにしてもよい。
【００２８】
（８）また、本発明の一態様に係る非接触電力伝送システムは、前記負荷に接続されている前記受電器、をさらに備え、前記受電器は、前記受電コイルと、前記コンデンサと、前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬを測定する測定回路と、前記測定回路によって測定された前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬを前記送電器に送信する通信回路、とを備えるようにしてもよい。
【００２９】
（９）上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る非接触電力伝送システムのアンテナ設計方法は、送電コイルとコンデンサとを備える送電器と、前記送電器と電磁結合し、前記送電器と受電器との間に中継コイルとコンデンサそれぞれを備えるｎ（ｎは１以上の整数）個の共振器と、負荷が接続され前記共振器と電磁結合し、受電コイルとコンデンサとを有する受電器と、の間で磁界共振方式により電力を伝送する非接触電力伝送システムにおけるアンテナ設計方法であって、前記送電器と前記共振器との共振周波数、および前記共振器と前記受電器との共振周波数は、前記電力供給部が供給する電力の周波数ｆ０であり、前記共振器が偶数個の場合に、前記送電コイルと隣り合う前記中継コイルとの結合係数ｋＳが、前記周波数ｆ０と、隣り合う前記中継コイル同士の結合係数ｋＭと、前記受電器が有する受電コイルと隣り合う前記中継コイルとの結合係数ｋＬと、前記電力供給部の出力インピーダンスＲＳと、前記負荷のインピーダンスＲＬと、前記送電コイルおよび前記中継コイルそれぞれの自己インダクタンスＬと、前記受電コイルの自己インダクタンスＬＬとに基づく関係式を満たすように設計する手順と、前記共振器が奇数個の場合に、前記結合係数ｋｓが、前記周波数ｆ０と、前記結合係数ｋＬと、前記インピーダンスＲＳと、前記インピーダンスＲＬと、前記自己インダクタンスＬと、前記自己インダクタンスＬＬとに基づく関係式を満たすように設計する手順と、を含む。
【００３０】
（１０）上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る非接触電力伝送装方法は、送電コイルとコンデンサとを備える送電器と、前記送電器と電磁結合し、前記送電器と受電器との間に中継コイルとコンデンサそれぞれを備えるｎ（ｎは１以上の整数）個の共振器と、負荷が接続され前記共振器と電磁結合し、受電コイルとコンデンサとを有する受電器と、の間で磁界共振方式により電力を伝送する非接触電力伝送システムにおける非接触電力伝送装方法であって、前記送電器の制御回路が、複数の前記共振器それぞれが備える中継コイル間の結合係数ｋＭ、前記送電器に電力を供給する電力供給部の出力インピーダンスＲＳ、前記送電コイルと隣接する前記中継コイルとの結合係数ｋＳ、前記送電コイルの自己インダクタンスＬＳ、前記受電コイルの自己インダクタンスＬＬ、前記電力供給部の出力電圧Ｖ、前記電力供給部から出力される交流の周波数ｆ０、前記中継コイルの個数、前記送電コイルと隣接する前記中継コイルとの結合係数ｋＳの関係式、前記受電コイルと隣接する前記中継コイルとの結合係数ｋＬの関係式と、を記憶部に記憶させる記憶手順と、前記送電器の電流測定回路が、前記送電コイルに流れる電流値ＩＳを測定する電流測定手順と、前記送電器の制御回路が、前記電力供給部から供給された周波数ｆ０の交流電圧が供給されたときの前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬを、前記受電器から受け取る受け取り手順と、前記送電器の制御回路が、前記受け取り手順によって受け取った前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬと、前記電流測定回路によって測定された前記送電コイルに流れる電流値ＩＳと、前記記憶部に記憶されている各値と、を前記記憶部に記憶されている前記結合係数ｋＬの関係式に代入して、前記結合係数ｋＬを推定する推定手順と、前記送電器の制御回路が、前記推定手順によって推定された結合係数ｋＬと、前記記憶部に記憶されている値と、前記受電器から受け取った前記負荷のインピーダンスＲＬまたは前記負荷に流れる電流値ＩＬと、を用いて、前記送電コイルと、前記送電コイルと隣り合う前記中継コイルとの結合係数ｋｓが、前記電力供給部から前記負荷までの電力伝送効率が所定の値以上になり、または前記負荷に流れる電流値が所定の値以上になるように前記送電コイルの配置を変化させる可動手順と、を含む。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、送電側コイルから受電側コイルに接続されている負荷に電力を高い効率で伝送することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施形態における非接触電力伝送システムを表す構成図である。
【図２】第１実施形態に係る非接触電力伝送システムの構成を模式的に示す図である。
【図３】第１実施形態に係る非接触電力伝送システムの等価回路図である。
【図４】伝送に用いるアンテナの等価回路である。
【図５】第１実施形態に係る共振条件を満たす場合の非接触電力伝送システムの等価回路図である。
【図６】図５の等価回路をＦパラメータを用いた二端子対回路で表した図である。
【図７】図５の等価回路をＦパラメータを用いた二端子対回路で表した図である。
【図８】第１実施形態に係る非接触電力伝送システムの電力伝送効率と負荷に流れる電流との関係の一例を表す図である。
【図９】第１実施形態の第１変形例に係る共振器が３個の場合の非接触電力伝送システムの等価回路図である。
【図１０】第１実施形態の第１変形例に係る共振条件を満たす場合の非接触電力伝送システムの等価回路図である。
【図１１】図１０の等価回路をＦパラメータを用いた二端子対回路で表した図である。
【図１２】第１実施形態の第１変形例に係る非接触電力伝送システムの電力伝送効率と負荷に流れる電流との関係の一例を表す図である。
【図１３】コイルが４つの場合におけるＦパラメータの等価回路図である。
【図１４】コイルが４つの場合におけるＦパラメータの等価回路図である。
【図１５】コイルが６つの場合におけるＦパラメータの等価回路図である。
【図１６】コイルが６つの場合におけるＦパラメータの等価回路図である。
【図１７】第１実施形態の第２変形例に係る共振器が２Ｎ個の場合の等価回路図である。
【図１８】第１実施形態の第３変形例に係る共振器が２Ｎ＋１個の場合の等価回路図である。
【図１９】第２実施形態に係る非接触電力伝送システムの構成を模式的に示す図である。
【図２０】第２実施形態に係る記憶部に記憶されている係数を表す図である。
【図２１】第２実施形態に係る記憶部に記憶されている関係式を表す図である。
【図２２】第２施形態に係る非接触電力伝送装置が行う送電コイルの制御処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
＜非接触電力伝送システム１の概要＞
まず、実施形態における非接触電力伝送システム１の概要について説明する。
図１は、実施形態における非接触電力伝送システム１を表す構成図である。
図１に示すように、非接触電力伝送システム１は、非接触電力伝送装置２と受電器３を含んで構成される。また、非接触電力伝送装置２は、送電器１０、ｎ（ｎは１以上の整数）個の共振器２０−１、・・・、２０−ｎを備えている。
【００３４】
まず、送電器１０の構成について説明する。
送電器１０は、高周波電源１１、送電コイル１２、および共振コンデンサ１３を備える。
高周波電源１１は、数百ｋＨｚ〜数十ＭＨｚ程度の交流の電力を送電コイル１２に供給する。高周波電源１１が供給する交流の周波数は、ｆ０である。
送電コイル１２の両端には、高周波電源１１が接続されている。また、送電コイル１２の途中には、共振コンデンサ１３が接続されている。すなわち、送電コイル１２と共振コンデンサ１３とは、直列に接続されている。また、送電コイル１２と共振コンデンサ１３は、周波数ｆ０で共振する値に設定されている。
【００３５】
次に、共振器２０−１、・・・、２０−ｎの構成について説明する。なお、共振器２０−１、・・・、２０−ｎのうちの１つを特定しない場合、単に共振器２０という。
共振器２０−１は、中継コイル２２−１および共振コンデンサ２３−１を備え、・・・、共振器２０−ｎは、中継コイル２２−ｎおよび共振コンデンサ２３−ｎを備える。なお、中継コイル２２−１、・・・、２２−ｎのうちの１つを特定しない場合、単に中継コイル２２という。また、共振コンデンサ２３−１、・・・、２３−ｎのうちの１つを特定しない場合、単に共振コンデンサ２３という。
中継コイル２２の両端は、短絡されている。また、中継コイル２２の途中には、共振コンデンサ２３が接続されている。すなわち、中継コイル２２と共振コンデンサ２３とは、直列に接続されている。また、中継コイル２２と共振コンデンサ２３は、周波数ｆ０で共振する値に設定されている。
【００３６】
次に、受電器３の構成について説明する。
受電器３は、負荷３１、受電コイル３２、および共振コンデンサ３３を備える。
負荷３１は、送電器１０から供給された電力の供給を受ける負荷であり、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）、モータ、電池（含む充電回路）等である。
受電コイル３２の両端には、負荷３１が接続されている。また、受電コイル３２の途中には、共振コンデンサ３３が接続されている。すなわち、受電コイル３２と共振コンデンサ３３とは、直列に接続されている。また、受電コイル３２と共振コンデンサ３３は、周波数ｆ０で共振する値に設定されている。
【００３７】
また、図１に示すように、送電コイル１２、中継コイル２２−１、・・・、中継コイル２２−ｎ、受電コイル３２が、それぞれのコイルの軸方向に一列に並べられている。
【００３８】
次に、非接触電力伝送システム１の動作について説明する。
送電器１０は、高周波電源１１から供給された周波数ｆ０の電力を、送電コイル１２のインダクタンスと、共振コンデンサ１３のキャパシタンスによって共振する。これにより、送電器１０には、周波数ｆ０の電流が送電コイル１２に流れることで磁束ｇ１（共振磁界）が発生する。そして、発生した磁束ｇ１が、中継コイル２２−１を貫く。
【００３９】
共振器２０−１の中継コイル２２−１には、送電コイル１２から発生した磁束ｇ１が貫く。中継コイル２２−１と共振コンデンサ２３−１には、中継コイル２２−１を貫いた磁束ｇ１を打ち消すように交流電流が流れる。共振器２０−１は、中継コイル２２−１に生じた周波数ｆ０の電力を、中継コイル２２−１のインダクタンスと、共振コンデンサ２３−１のキャパシタンスによって共振する。これにより、共振器２０−１には、周波数ｆ０の電流が中継コイル２２−１に流れることで磁束ｇ２（共振磁界）が発生する。そして、発生した磁束ｇ２が、中継コイル２２−１に隣接する中継コイル２２−２（不図示）を貫く。
【００４０】
共振器２０−ｎの中継コイル２２−ｎには、隣接する中継コイル２２−（ｎ−１）（不図示）から発生した磁束ｇｎ−１が貫く。中継コイル２２−ｎと共振コンデンサ２３−ｎには、中継コイル２２−ｎを貫いた磁束ｇｎ−１を打ち消すように交流電流が流れる。共振器２０−ｎは、中継コイル２２−ｎに生じた周波数ｆ０の電力を、中継コイル２２−ｎのインダクタンスと、共振コンデンサ２３−ｎのキャパシタンスによって共振する。これにより、共振器２０−ｎには、周波数ｆ０の電流が中継コイル２２−ｎに流れることで磁束ｇｎ（共振磁界）が発生する。そして、発生した磁束ｇｎが、中継コイル２２−ｎに隣接する受電コイル３２を貫く。
【００４１】
受電器３の受電コイル３２には、隣接する中継コイル２２−ｎから発生した磁束ｇｎが貫く。受電コイル３２と共振コンデンサ３３には、受電コイル３２を貫いた磁束ｇｎを打ち消すように交流電流が流れる。受電器３は、受電コイル３２に生じた周波数ｆ０の電力を、受電コイル３２のインダクタンスと、共振コンデンサ３３のキャパシタンスによって共振する。これにより、受電器３には、周波数ｆ０の電流が受電コイル３２と共振コンデンサ３３に流れる。そして、この周波数ｆ０の電力が、負荷３１に供給される。
【００４２】
また、図１に示す例では、送電器１０と共振器２０−１とが共振によって結合され、共振器２０−１と隣接する共振器２０−２とが共振によって結合され、・・・、共振器２０−（ｎ−１）と隣接する共振器２０−ｎとが共振によって結合され、共振器２０−ｎと隣接する受電器３とが共振によって結合されている。
また、送電コイル１２と中継コイル２２−１との間には結合係数ｋｓが存在し、中継コイル２２−１と隣接する中継コイル２２−２との間には結合係数ｋＭが存在し、・・・、中継コイル２２−（ｎ−１）と隣接する中継コイル２２−ｎとの間には結合係数ｋＭが存在し、中継コイル２２−ｎと隣接する受電コイル３２との間には結合係数ｋＬが存在している。
【００４３】
本実施形態では、共振器２０の個数が偶数個と奇数個それぞれの場合に、高周波電源１１から負荷３１までの電力伝送効率が最大かつ、負荷に流れる電流が最大となるように、送電コイル１２と隣接する中継コイル２２−１との結合係数ｋｓを、後述するように設定する。また、本実施形態では、上述した結合係数ｋｓになるように、送電コイル１２と中継コイル２２−１との配置関係を変更する。
【００４４】
［第１実施形態］
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図２は、本実施形態に係る非接触電力伝送システム１Ａの構成を模式的に示す図である。なお、図１で説明した非接触電力伝送システム１と同じ機能を有する構成要素には、同じ符号を用いて説明を省略する。
【００４５】
図２に示すように、非接触電力伝送システム１Ａは、非接触電力伝送装置２Ａと受電器３を含んで構成される。また、非接触電力伝送装置２Ａは、送電器１０Ａ、２個の共振器２０−１、２０−２を備えている。
送電器１０Ａは、高周波電源１１Ａ、送電コイル１２、共振コンデンサ１３、および可動部１４を備える。
共振器２０−１は、中継コイル２２−１および共振コンデンサ２３−１を備え、共振器２０−２は、中継コイル２２−２および共振コンデンサ２３−２を備える。
受電器３は、負荷３１、受電コイル３２、および共振コンデンサ３３を備える。
【００４６】
また、図２において、中継コイル２２−１、中継コイル２２−２、および受電コイル３２はそれぞれの形状が円形であり、各コイルのコイル面が平行に配置されている。図２において、中継コイル２２−１、中継コイル２２−２、および受電コイル３２のコイル面に平行な面をｘｙ平面とし、ｘｙ平面に垂直な方向をｚ軸方向とする。初期状態において、送電コイル１２は、ｘｙ平面に平行に配置されている。送電コイル１２、中継コイル２２−１、中継コイル２２−２、および受電コイル３２それぞれのｘｙ平面における中心は、軸ｇ１０１と略一致するように配置されている。なお、送電コイル１２、中継コイル２２−１、中継コイル２２−２、および受電コイル３２それぞれの形状は、円形に限られず、楕円形、矩形等の形状であってもよい。また、全てのコイルの形状が揃っている場合に限られず、各コイルの形状が異なっていてもよい。また、送電コイル１２、中継コイル２２−１、中継コイル２２−２、および受電コイル３２それぞれは、ソレノイド・コイルであってもよく、フラット・スパイラル・コイル等であってもよい。
【００４７】
また、送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数はｋＳである。なお、結合係数ｋＳは、１未満の値である。中継コイル２２−１と中継コイル２２−２との結合係数はｋＭである。中継コイル２２−２と受電コイル３２との結合係数はｋＬである。
【００４８】
中継コイル２２−１、中継コイル２２−２、および受電コイル３２は、固定されて配置されており、各コイルの位置や各コイルのコイル面の向きが一定に保たれている。送電コイル１２は、送電器１０Ａの可動部１４によって、回転軸ｇ１０２に対して回転可能なように配置されており、送電コイル１２のコイル面の向きが変更可能とされている。なお、回転軸ｇ１０２は、送電コイル１２が、ｘｙ平面に平行に配置されている場合、可動部１４のｘｚ平面における中心と、送電コイル１２のｙ軸方向の中心とを通る直線である。
【００４９】
まず、送電器１０Ａについて説明する。
高周波電源１１Ａは、受電器３の負荷３１に供給する高周波電力を生成する。高周波電源１１Ａは、例えばＡＣ−ＤＣ（交流−直流）コンバータ、インバータ、およびフィルタ等を含む。高周波電源１１Ａは、商用電源から入力される交流電圧をＡＣ−ＤＣコンバータによって直流電圧に変換し、変換した交流電圧をインバータとフィルタによって周波数がｆ０の高周波電圧に変換する。高周波電源１１Ａは、変換した高周波電圧を、送電コイル１２に供給する。また、高周波電源１１Ａの出力インピーダンスはＲＳである。
【００５０】
可動部１４は、高周波電源１１Ａと送電コイル１２の間に設けられている。可動部１４は、例えばモータ（不図示）によって、送電コイル１２を回転軸ｇ１０２に対して回転させることで、送電コイル１２のコイル面をｘｙ平面に対して傾ける。さらに、可動部１４は、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向のうち、少なくとも１つの軸方向の位置を変化させることで、送電コイル１２の位置を変化させることができる。これにより、送電コイル１２から発生する磁束が、中継コイル２２−１を貫く割合を調整することで、送電コイル１２と中継コイル２２−１の結合係数ｋｓを調整する。なお、可動部１４は、例えば非接触電力伝送システム１Ａの設置者または運用者によって、高周波電源１１Ａから負荷３１までの電力伝送効率と負荷３１に流れる電流とが最大になる結合係数ｋＳとなるように調整される。なお、高周波電源１１Ａから負荷３１までの電力伝送効率が最大となり、負荷３１に流れる電流が最大になる結合係数ｋｓについては、後述する。
【００５１】
送電コイル１２には、高周波電源１１Ａから、周波数がｆ０の高周波電圧が供給される。送電コイル１２のインダクタンスはＬである。共振コンデンサ１３のキャパシタンスはＣである。送電コイル１２と共振コンデンサ１３とは、直列に接続されている。
【００５２】
次に、共振器２０−１について説明する。
中継コイル２２−１は、送電コイル１２のコイル面がｘｙ平面に平行な場合、送電コイル１２のコイル面から所定の高さＨＳの位置でｘｙ平面に対して平行に配置されている。
中継コイル２２−１のインダクタンスは、送電コイル１２のインダクタンスと同じ値のＬである。共振コンデンサ２３−１のキャパシタンスは、共振コンデンサ１３のキャパシタンスと同じ値のＣである。中継コイル２２−１と共振コンデンサ２３−１とは、直列に接続されている。
【００５３】
次に、共振器２０−２について説明する。
中継コイル２２−２は、中継コイル２２−１のコイル面から所定の高さＨＭの位置でｘｙ平面に対して平行に配置されている。
中継コイル２２−２のインダクタンスは、送電コイル１２および中継コイル２２−１のインダクタンスと同じ値のＬである。共振コンデンサ２３−２のキャパシタンスは、送電器１０Ａの共振コンデンサ１３および共振器２０−１の共振コンデンサ２３−１のキャパシタンスと同じ値のＣである。中継コイル２２−２と共振コンデンサ２３−２とは、直列に接続されている。
【００５４】
次に、受電器３について説明する。
受電コイル３２は、中継コイル２２−２のコイル面から所定の高さＨＬの位置でｘｙ平面に対して平行に配置されている。
受電コイル３２のインダクタンスは、ＬＬである。共振コンデンサ３３のキャパシタンスはＣＬである。受電コイル３２と共振コンデンサ３３とは、直列に接続されている。
【００５５】
＜高周波電源１１Ａから負荷３１までの電力伝送効率が最大となり、負荷３１に流れる電流が最大になる結合係数ｋｓの説明＞
次に、高周波電源１１Ａから負荷までの電力伝送効率が最大となり、負荷３１に流れる電流が最大になる結合係数ｋｓについて、図２、図３、および図４を用いて説明する。
図３は、本実施形態に係る非接触電力伝送システム１Ａの等価回路図である。
図３において、高周波電源１１Ａから供給される交流電圧はＶである。送電コイル１２と中継コイル２２−１とが磁気共振結合し、中継コイル２２−１と中継コイル２２−２とが磁気共振結合し、中継コイル２２−２と受電コイル３２とが磁気共振結合しているため、非接触電力伝送システム１Ａの等価回路は、図３のように表される。図３に示すように、高周波電源１１Ａから出力される電流をＩＳ、負荷３１に流れる電流をＩＬとする。また、送電コイル１２と中継コイル２２−１との間の磁気結合による相互インダクタンスをＭＳ、中継コイル２２−１と中継コイル２２−２との間の磁気結合による相互インダクタンスをＭＭ、中継コイル２２−２と受電コイル３２との間の磁気結合による相互インダクタンスをＭＬとする。なお、送電コイル１２、中継コイル２２−１、中継コイル２２−２、受電コイル３２の導体損失抵抗は負荷３１のインピーダンスＲＬに比べて極めて小さいため、図３の等価回路においては考慮しない。
【００５６】
図４は、伝送に用いるアンテナの等価回路である。図４に示すように、アンテナの等価回路は、アンテナの自己インダクタンスＬＲ、アンテナの共振コンデンサのキャパシタンスＣＲ、アンテナの負荷ＲＲが直列に接続されるように表される。
伝送に用いるアンテナは、高周波電源１１Ａから供給された電力の周波数ｆ０で共振する。このため、自己インダクタンスＬＲとキャパシタンスＣＲとは、次式（１）の関係になる。すなわち、図４において、端子Ｔ１、Ｔ２から測定したインピーダンスの虚部が、共振周波数ｆ０において０になる。
【００５７】
【数９】
2017034940.tif 000011
【００５８】
図３に戻って、送電コイル１２、中継コイル２２−１、中継コイル２２−２それぞれの自己インダクタンスＬおよびキャパシタンスＣは、各々、式（１）の共振条件を満たすため、次式（２）の関係を満たす。また、受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬおよびキャパシタンスＣＬは、式（１）の共振条件を満たすため、次式（３）の関係を満たす。
【００５９】
【数１０】
2017034940.tif 000012
【００６０】
【数１１】
2017034940.tif 000013
【００６１】
図３に示した等価回路において、式（２）および式（３）の共振条件を満たす場合、非接触電力伝送システム１Ａの等価回路は、図５のように表される。
図５は、本実施形態に係る共振条件を満たす場合の非接触電力伝送システム１Ａの等価回路図である。図３に示した等価回路が周波数ｆ０で共振している場合、図５に示すように、等価回路は、図３の等価回路から送電コイル１２、中継コイル２２−１、中継コイル２２−２それぞれの自己インダクタンスＬ、受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬ、送電器１０Ａ、共振器２０−１、共振器２０−２それぞれの共振コンデンサ（１３、２３−１、２３−２）のキャパシタンスＣ、受電器３の共振コンデンサ３３のキャパシタンスＣＬを取り除いた形となる。
【００６２】
＜負荷３１に流れる電流ＩＬ＞
図５の等価回路において、送電コイル１２と中継コイル２２−１との相互インダクタンスＭＳと、送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳと、送電コイル１２と中継コイル２２−１それぞれの自己インダクタンスＬとの関係は、次式（４）のように表される。また、中継コイル２２−１と中継コイル２２−２との相互インダクタンスＭＭと、中継コイル２２−１と中継コイル２２−２との結合係数ｋＭと、中継コイル２２−１と中継コイル２２−２それぞれの自己インダクタンスＬとの関係は、次式（５）のように表される。また、中継コイル２２−２と受電コイル３２との相互インダクタンスＭＬと、中継コイル２２−２と受電コイル３２との結合係数ｋＬと、中継コイル２２−２の自己インダクタンスＬと、受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬとの関係は、次式（６）のように表される。
【００６３】
【数１２】
2017034940.tif 000014
【００６４】
【数１３】
2017034940.tif 000015
【００６５】
【数１４】
2017034940.tif 000016
【００６６】
次に、図５において負荷３１のインピーダンスＲＬへ流れる電流ＩＬは、高周波電源１１Ａから流れる電流ＩＳを用いて、次式（７）のように表される。
【００６７】
【数１５】
2017034940.tif 000017
【００６８】
さらに、高周波電源１１Ａから流れる電流ＩＳは、次式（８）のように表される。式（８）を式（７）に代入すると、負荷３１のインピーダンスＲＬへ流れる電流ＩＬは、次式（９）のように表される。
【００６９】
【数１６】
2017034940.tif 000018
【００７０】
【数１７】
2017034940.tif 000019
【００７１】
＜非接触電力伝送システム１Ａの電力伝送効率＞
ここで、図５の等価回路を、Ｆパラメータを用いた二端子対回路で表すと図６および図７のように表される。図６および図７は、図５の等価回路をＦパラメータを用いた二端子対回路で表した図である。
図６および図７において、端子１−１’間の電圧をＶ１、端子２−２’間の電圧をＶ２、端子１から二端子対回路に流れる電流および二端子対回路から端子１’に流れる電流をＩ１、二端子対回路から端子２に流れる電流および端子２’から二端子対回路に流れる電流をＩ２とする。また、Ｆパラメータにおける行列の成分をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとする。これにより、図６および図７の二端子対回路は、Ｆパラメータを用いて、次式（１０）のように表される。
【００７２】
【数１８】
2017034940.tif 000020
【００７３】
式（１０）において、各成分は、次式（１１）である。
【００７４】
【数１９】
2017034940.tif 000021
【００７５】
さらに、図５の等価回路を、Ｓパラメータを用いて表した場合、Ｓ２１は、次式（１２）のように表される。なお、Ｓ２１は、ＳパラメータにおけるＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２１、Ｓ２２の要素の内の１つで、挿入損失を表している。
【００７６】
【数２０】
2017034940.tif 000022
【００７７】
式（１２）に、式（１１）を代入すると、Ｓ２１は次式（１３）のようになる。
【００７８】
【数２１】
2017034940.tif 000023
【００７９】
高周波電源１１Ａから負荷３１までの電力伝送効率ηＳＬは、式（１３）のＳパラメータを用いて次式（１４）のように表される。
【００８０】
【数２２】
2017034940.tif 000024
【００８１】
＜非接触電力伝送システム１Ａの電力伝送効率と負荷３１に流れる電流ＩＬとの関係＞
ここで、図３の等価回路が、式（２）および式（３）の共振条件を満たして図６および図７のＦパラメータで表されるときの非接触電力伝送システム１Ａの電力伝送効率と負荷３１に流れる電流ＩＬとの関係を説明する。
ここで、高周波電源１１Ａの出力電圧Ｖを５［Ｖ］、出力インピーダンスＲＳを５０［Ω］、送電コイル１２、中継コイル２２−１、および中継コイル２２−２それぞれの自己インダクタンスＬを１０［μＨ］、負荷３１のインピーダンスＲＬを１００［Ω］、受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬを４［μＨ］とする。また、中継コイル２２−１と中継コイル２２−２との結合係数ｋＭを０．２、中継コイル２２−２と受電コイル３２との結合係数ｋＬを０．１５とする。送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳを０．０５から０．４５の間で変化させた場合の結合係数ｋＳと電力伝送効率ηＳＬとの関係は式（１４）より図８の実線ｇ２０１のようになる。また、結合係数ｋＳと負荷３１に流れる電流ＩＬとの関係は、式（９）より図８の破線ｇ２０２のようになる。
【００８２】
図８は、本実施形態に係る非接触電力伝送システム１Ａの電力伝送効率ηＳＬと負荷３１に流れる電流ＩＬとの関係の一例を表す図である。図８において、横軸は結合係数ｋＳ、縦軸は電力伝送効率ηＳＬ［％］と電流ＩＬ［Ａ］である。
図８の実線ｇ２０１のように、高周波電源１１Ａから負荷までの電力伝送効率ηＳＬが最大となる結合係数ｋＳが、１つだけ存在することを示している。さらに、図８の実線ｇ２０１と破線ｇ２０２のように、電力伝送効率ηＳＬが最大となるとき、負荷３１に流れる電流ＩＬも最大になることを示している。
【００８３】
図８の破線ｇ２０２が示すように、電流ＩＬが最大と成る結合係数ｋＳを求め、その結合係数ｋＳに調整することで電力伝送効率ηＳＬを最大にできる。
電流ＩＬが最大と成るときの電流ＩＬと結合係数ｋＳとの関係は、次式（１５）で表される。
【００８４】
【数２３】
2017034940.tif 000025
【００８５】
式（１５）に式（９）を代入することで、式（１５）は次式（１６）となり、電力伝送効率ηＳＬを最大となる結合係数ｋＳは、次式（１７）のように表される。
【００８６】
【数２４】
2017034940.tif 000026
【００８７】
【数２５】
2017034940.tif 000027
【００８８】
このように、送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳが式（１７）の関係を満たすとき、電力伝送効率ηＳＬおよび電流ＩＬを最大にすることができる。すなわち、送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳが式（１７）の関係を満たすとき、送電コイル１２と中継コイル２２−１とが最適な配置の関係になる。
本実施形態では、例えば非接触電力伝送システム１Ａの設置者または運用者によって、中継コイル２２−１に対して、送電コイル１２のコイル面の角度を可動部１４によって調整することで、結合係数ｋＳが式（１７）を満たすようにする。なお、結合係数ｋＳが式（１７）を満たすとは、例えば結合係数ｋＳ±３０％の値である。または、結合係数ｋＳが式（１７）を満たすとは、電力伝送効率ηＳＬが所定の値（例えば９０％）以上になる状態である。または、結合係数ｋＳが式（１７）を満たすとは、電流値が所定の値（図８の例において例えば０．０３３［Ａ］）以上になる状態である。
【００８９】
なお、図２では、送電コイル１２のコイル面の角度を変更する例を説明したが、これに限られない。中継コイル２２−１に対する送電コイル１２のｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向のうち、少なくとも１つの軸方向の位置を可動部１４によって変化させることで、結合係数ｋＳを調整するようにしてもよい。
【００９０】
［第１実施形態の第１変形例］
図２では、共振器２０が２個の偶数の例を説明したが、共振器２０の個数は１つ以上であればよく、奇数個であってもよい。
次に、共振器２０が３個である奇数個の例を説明する。
共振器２０が３個の場合、例えば図２において、共振器２０−２と受電器３との間に共振器２０−３（不図示）が配置されている。なお、共振器２０−３は、共振器２０−１および２０−２と同様に、インダクタンスがＬの中継コイル２２−３（不図示）と、キャパシタンスがＣの共振コンデンサ２３−３（不図示）とを備える。また、中継コイル２２−３は、例えば、中継コイル２２−２のコイル面から所定の高さＨＭの位置でｘｙ平面に対して平行に配置されている。そして、受電コイル３２は、中継コイル２２−３のコイル面から所定の高さＨＬの位置でｘｙ平面に対して平行に配置されている。
【００９１】
図９は、本実施形態の第１変形例に係る共振器２０が３個の場合の非接触電力伝送システム１Ｂの等価回路図である。なお、共振器２０−３が備える中継コイル２２−３のインダクタンスをＬ、共振コンデンサ２３−３のキャパシタンスをＣとする。また、共振器２０−２の中継コイル２２−２と、共振器２０−３の中継コイル２２−３との結合係数をｋＭとし、中継コイル２２−２と中継コイル２２−３との相互インダクタンスをＭＭとする。また、中継コイル２２−３と受電コイル３２との結合係数をｋＬとし、中継コイル２２−３と受電コイル３２との相互インダクタンスをＭＬとする。なお、図９の等価回路において、送電コイル１２、中継コイル２２−１、中継コイル２２−２、中継コイル２２−３、受電コイル３２の導体損失抵抗は無視する。
【００９２】
図３と同様に、送電コイル１２、中継コイル２２−１、中継コイル２２−２、中継コイル２２−３それぞれの自己インダクタンスＬおよびキャパシタンスＣは、各々、式（１）の共振条件を満たすため、次式（１８）の関係を満たす。また、受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬおよびキャパシタンスＣＬは、式（１）の共振条件を満たすため、次式（１９）の関係を満たす。
【００９３】
【数２６】
2017034940.tif 000028
【００９４】
【数２７】
2017034940.tif 000029
【００９５】
図９の等価回路において、式（１８）および式（１９）の共振条件を満たす場合、非接触電力伝送システム１Ｂの等価回路は、図１０のように表される。
図１０は、本実施形態の第１変形例に係る共振条件を満たす場合の非接触電力伝送システム１Ｂの等価回路図である。図９に示した等価回路が周波数ｆ０で共振している場合、図１０に示すように、等価回路は、図９の等価回路から送電コイル１２、中継コイル２２−１、中継コイル２２−２、中継コイル２２−３それぞれの自己インダクタンスＬ、受電コイルの自己インダクタンスＬＬ、送電器１０Ａ、共振器２０−１、共振器２０−２、共振器２０−３それぞれの共振コンデンサ（１３、２３−１、２３−２、２３−３）のキャパシタンスＣ、受電器３の共振コンデンサ３３のキャパシタンスＣＬを取り除いた形となる。
【００９６】
＜第１実施形態の第１変形例における負荷３１に流れる電流ＩＬ＞
また、図１０の等価回路において、送電コイル１２と中継コイル２２−１との相互インダクタンスＭＳと、送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳと、送電コイル１２と中継コイル２２−１それぞれの自己インダクタンスＬとの関係は、式（４）のように表される。中継コイル２２−１と中継コイル２２−２との相互インダクタンスＭＭと、中継コイル２２−１と中継コイル２２−２との結合係数ｋＭと、中継コイル２２−１と中継コイル２２−２それぞれの自己インダクタンスＬとの関係は、式（５）のように表される。中継コイル２２−２と中継コイル２２−３との相互インダクタンスＭＭと、中継コイル２２−２と中継コイル２２−３との結合係数ｋＭと、中継コイル２２−２と中継コイル２２−３それぞれの自己インダクタンスＬとの関係は、式（５）のように表される。中継コイル２２−３と受電コイル３２との相互インダクタンスＭＬと、中継コイル２２−３と受電コイル３２との結合係数ｋＬと、中継コイル２２−３の自己インダクタンスＬと、受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬとの関係は、式（６）のように表される。
【００９７】
次に、図１０において負荷３１のインピーダンスＲＬへ流れる電流ＩＬは、高周波電源１１Ａから流れる電流ＩＳを用いて、次式（２０）のように表される。
【００９８】
【数２８】
2017034940.tif 000030
【００９９】
さらに、高周波電源１１Ａから流れる電流ＩＳは、次式（２１）のように表される。式（２１）を式（２０）に代入すると、負荷３１のインピーダンスＲＬへ流れる電流ＩＬは、次式（２２）のように表される。
【０１００】
【数２９】
2017034940.tif 000031
【０１０１】
【数３０】
2017034940.tif 000032
【０１０２】
＜第１実施形態の第１変形例における非接触電力伝送システム１Ｂの電力伝送効率＞
ここで、図１０の等価回路を、Ｆパラメータを用いた二端子対回路で表すと図６および図１１のように表される。図１１は、図１０の等価回路をＦパラメータを用いた二端子対回路で表した図である。
図１１において、図７と同様に、端子１−１’間の電圧をＶ１、端子２−２’間の電圧をＶ２、端子１から二端子対回路に流れる電流および二端子対回路から端子１’に流れる電流をＩ１、二端子対回路から端子２に流れる電流および端子２’から二端子対回路に流れる電流をＩ２とする。また、Ｆパラメータにおける行列の成分をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとする。これにより、図１１の二端子対回路は、Ｆパラメータを用いて、式（１０）のように表される。
【０１０３】
式（１０）において、各成分は、次式（２３）である。
【０１０４】
【数３１】
2017034940.tif 000033
【０１０５】
さらに、図１１の等価回路を、Ｓパラメータを用いて表して、式（２３）を代入した場合、Ｓ２１は、次式（２４）のように表される。また、高周波電源１１Ａから負荷３１までの電力伝送効率ηＳＬは、式（２４）のＳパラメータを用いて式（１４）のように表される。
【０１０６】
【数３２】
2017034940.tif 000034
【０１０７】
＜第１実施形態の第１変形例における非接触電力伝送システム１Ｂの電力伝送効率と負荷３１に流れる電流ＩＬとの関係＞
ここで、図１０の等価回路が、式（１８）および式（１９）の共振条件を満たして図１１のＦパラメータで表されるときの非接触電力伝送システム１Ｂの電力伝送効率と負荷３１に流れる電流ＩＬとの関係を説明する。
ここで、高周波電源１１Ａの出力電圧Ｖを５［Ｖ］、出力インピーダンスＲＳを５０［Ω］、送電コイル１２、中継コイル２２−１、および中継コイル２２−２、中継コイル２２−３それぞれの自己インダクタンスＬを１０［μＨ］、負荷３１のインピーダンスＲＬを１００［Ω］、受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬを８［μＨ］とする。また、中継コイル２２−１と中継コイル２２−２との結合係数ｋＭを０．２、中継コイル２２−２と中継コイル２２−３との結合係数ｋＭを０．２、中継コイル２２−３と受電コイル３２との結合係数ｋＬを０．１５とする。送電コイル１２と中継コイル２２−１とのηＳＬを０．０５から０．４５の間で変化させた場合の結合係数ｋＳと電力伝送効率ηＳＬとの関係は式（１４）より図１２の実線ｇ２１１のようになる。また、結合係数ｋＳと負荷３１に流れる電流ＩＬとの関係は、式（１２）より図１２の破線ｇ２１２のようになる。
【０１０８】
図１２は、本実施形態の第１変形例に係る非接触電力伝送システム１Ｂの電力伝送効率ηＳＬと負荷３１に流れる電流ＩＬとの関係の一例を表す図である。図１２において、横軸は結合係数ｋＳ、縦軸は電力伝送効率ηＳＬ［％］と電流ＩＬ［Ａ］である。
図１２の実線ｇ２１１のように、高周波電源１１Ａから負荷３１までの電力伝送効率ηＳＬが最大となる結合係数ｋＳが、１つだけ存在することを示している。さらに、図１２の実線ｇ２１１と破線ｇ２１２のように、電力伝送効率ηＳＬが最大となるとき、負荷３１に流れる電流ＩＬも最大になることを示している。
【０１０９】
図１２の破線ｇ２０２が示すように、電流ＩＬが最大と成る結合係数ｋＳを求め、その結合係数ｋＳに調整することで電力伝送効率ηＳＬを最大にできる。
電流ＩＬが最大と成るときの電流ＩＬと結合係数ｋＳとの関係は、次式（２５）で表される。
【０１１０】
【数３３】
2017034940.tif 000035
【０１１１】
式（２５）に式（２２）を代入することで、式（２５）は次式（２６）となり、電力伝送効率ηＳＬが最大となる結合係数ｋＳは、次式（２７）のように表される。
【０１１２】
【数３４】
2017034940.tif 000036
【０１１３】
【数３５】
2017034940.tif 000037
【０１１４】
このように、中継コイル２２が３個の場合、送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳが式（２７）の関係を満たすとき、電力伝送効率ηＳＬおよび電流ＩＬを最大にすることができる。すなわち、送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳが式（２７）の関係を満たすとき、送電コイル１２と中継コイル２２−１とが最適な配置の関係になる。
本実施形態では、例えば非接触電力伝送システム１Ｂの設置者または運用者によって、中継コイル２２−１に対して、送電コイル１２の角度を可動部１４によって調整することで、結合係数ｋＳが式（２７）を満たすようにする。なお、結合係数ｋＳが式（２７）を満たすとは、例えば結合係数ｋＳ±３０％の値である。または、結合係数ｋＳが式（２７）を満たすとは、電力伝送効率ηＳＬが所定の値（例えば９０％）以上になる状態である。または、結合係数ｋＳが式（２７）を満たすとは、電流値が所定の値（図１２の例において例えば０．０３３［Ａ］）以上になる状態である。
【０１１５】
［第１実施形態の第２変形例］
図２では、共振器２０が２個の偶数個の例を説明したが、共振器２０の個数が４個以上の偶数個の例を説明する。共振器２０の個数が４個以上の偶数個であっても、送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳが式（１７）の関係を満たすとき、送電コイル１２と中継コイル２２−１とが最適な配置の関係になる。
【０１１６】
上述したように、コイルが４個（送電コイル１２が１つ、中継コイル２２が２つ、受電コイル３２が１つ）、共振条件を満たしている場合、図６は図１３のように分解されて表され、図７は図１４のように分解して表すことができる。図１３および図１４は、コイルが４つの場合におけるＦパラメータの等価回路図である。なお、図６は、図１３の各等価回路を縦続接続したものであり、図７は、図１４の各等価回路を縦続接続したものである。
Ｆパラメータにおいて、縦続接続された等価回路は、各等価回路の行列式の積で表されるため、図１３および図１４のＦパラメータは、次式（２８）のように表される。
【０１１７】
【数３６】
2017034940.tif 000038
【０１１８】
次に、２つの中継コイルを挿入し、コイルを６個（送電コイル１つ、中継コイル４つ、受電コイル１つ）にした場合、Ｆパラメータの等価回路は、図１５および図１６のように表される。図１５および図１６は、コイルが６つの場合におけるＦパラメータの等価回路図である。
Ｆパラメータにおいて、縦続接続された等価回路は、各等価回路の行列式の積で表されるため、図１５および図１６のＦパラメータは、次式（２９）のように表される。
【０１１９】
【数３７】
2017034940.tif 000039
【０１２０】
式（２８）と式（２９）とを比較すると、挿入した２つの中継コイルを表すＦパラメータが、マイナスの符号の単位行列になっているため、行列式における成分それぞれの符号が逆になっただけである。
電力伝送効率ηＳＬは、上述したように式（１０）で表され、Ｓパラメータの絶対値をとる。このため、コイルの総数が偶数個の場合、中継コイル２２が２個であっても４個であっても電力伝送効率ηＳＬに変化が無いことを表している。
以上のように、図１７に示す中継コイル２２の個数が２Ｎ（Ｎは１以上の整数）の場合、送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳが式（１７）の関係を満たすとき、電力伝送効率ηＳＬおよび電流ＩＬを最大にすることができる。図１７は、第１実施形態の第２変形例に係る共振器２０が２Ｎ個の場合の等価回路図である。
【０１２１】
［第１実施形態の第３変形例］
第１変形例では、共振器２０が３個の奇数個の例を説明したが、中継コイルが１つ、または５つ以上の奇数個の場合であっても、送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳが式（２７）の関係を満たすとき、電力伝送効率ηＳＬおよび電流ＩＬを最大にすることができることを説明する。
Ｆパラメータにおいて、縦続接続された等価回路は、各等価回路の行列式の積で表されるため、コイルの個数が５個（送電コイル１つ、中継コイル３つ、受電コイル１つ）の場合のＦパラメータは、次式（３０）のように表される。
【０１２２】
【数３８】
2017034940.tif 000040
【０１２３】
次に、２つの中継コイルを挿入し、コイルを７個（送電コイル１つ、中継コイル５つ、受電コイル１つ）にした場合、Ｆパラメータは、次式（３１）のように表される。
【０１２４】
【数３９】
2017034940.tif 000041
【０１２５】
式（３０）と式（３１）とを比較すると、挿入した２つの中継コイルを表すＦパラメータが、マイナスの符号の単位行列になっているため、行列式における成分それぞれの符号が逆になっただけである。
なお、中継コイルが１つの場合（コイルが３個；送電コイル１つ、中継コイル１つ、受電コイル１つ）、Ｆパラメータは、次式（３２）のように表される。
【０１２６】
【数４０】
2017034940.tif 000042
【０１２７】
式（３２）は、式（３１）と計算結果が同じである。
電力伝送効率ηＳＬは、上述したように式（１０）で表され、Ｓパラメータの絶対値をとる。このため、コイルの総数が奇数個の場合、中継コイル２２が１個、３個、または５個であっても電力伝送効率ηＳＬに変化が無いことを表している。
以上のように、図１８に示す中継コイル２２の個数が（２Ｎ＋１）（０は１以上の整数）の場合、送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳが式（２７）の関係を満たすとき、電力伝送効率ηＳＬおよび電流ＩＬを最大にすることができる。図１８は、第１実施形態の第３変形例に係る共振器が２Ｎ＋１個の場合の等価回路図である。
【０１２８】
なお、送電コイル１２の自己インダクタンスＬと、中継コイル２２の自己インダクタンスＬと、受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬとが等しく、かつ中継コイル２２の個数が偶数個の場合、結合係数ｋｓが、次式（３３）の関係式を満たす。
【０１２９】
【数４１】
2017034940.tif 000043
【０１３０】
また、送電コイル１２の自己インダクタンスＬと、中継コイル２２の自己インダクタンスＬと、受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬとが等しく、かつ中継コイル２２の個数が奇数個の場合、結合係数ｋｓが、次式（３４）の関係式を満たす。
【０１３１】
【数４２】
2017034940.tif 000044
【０１３２】
以上のように、本実施形態の非接触電力伝送システム１Ａは、送電器１０Ａと、負荷３１が接続されている受電器３と、の間で磁界共振方式により電力を伝送する非接触電力伝送システムであって、送電器に電力を供給する電力供給部（高周波電源１１Ａ）と、送電コイル１２とコンデンサ（共振コンデンサ１３）を備え、電力供給部から供給された電力を共振させる送電器と、送電器と受電器との間に、送電器によって発生する電磁誘導によって互いに結合し、中継コイル２２とコンデンサ（共振コンデンサ２３）それぞれを備えるｎ（ｎは１以上の整数）個の共振器２０と、を備え、前記送電器と前記共振器との共振周波数、および前記共振器と前記受電器との共振周波数は、前記電力供給部が供給する電力の周波数ｆ０であり、共振器が偶数個の場合に、送電コイルと隣り合う中継コイル２２−１との結合係数ｋＳが、周波数ｆ０と、隣り合う中継コイル同士（例えば中継コイル２２−１、中継コイル２２−２）の結合係数ｋＭと、受電器が有する受電コイル３２と隣り合う中継コイル２２−２との結合係数ｋＬと、電力供給部の出力インピーダンスＲＳと、負荷のインピーダンスＲＬと、送電コイルおよび中継コイルそれぞれの自己インダクタンスＬと、受電コイルの自己インダクタンスＬＬとに基づく関係式を満たし、共振器が奇数個の場合に、結合係数ｋｓが、周波数ｆ０と、結合係数ｋＬと、インピーダンスＲＳと、インピーダンスＲＬと、自己インダクタンスＬと、自己インダクタンスＬＬとに基づく関係式を満たす。
【０１３３】
この構成によって、本実施形態の非接触電力伝送システム１Ａは、送電側コイルから受電側コイルに接続されている負荷に電力を高い効率で伝送することができる。例えば、中継コイル２２が２個の場合、図８に示す例において、電力伝送効率が９０％以上となるように、結合係数ｋｓを約０．１２〜０．２５に設定する。これにより、非接触電力伝送システム１Ａは、送電コイル１２から負荷３１に電力を高い効率で伝送でき、かつ負荷に効率よく電流を供給することができる。
また、この構成によって、非接触電力伝送システム１Ａは、送電器１０Ａと共振器２０と受電器３それぞれが共振条件を満たすように設定され、送電器１０Ａと隣り合う共振器２０−１との結合係数ｋＳが関係式を満たすように設定されているので、送電コイル１２から負荷３１に電力を高い効率で伝送でき、かつ負荷に効率よく電流ＩＬを供給することができる。
【０１３４】
また、本実施形態の非接触電力伝送システム１Ａにおいて、共振器２０が偶数個の場合に、結合係数ｋｓが、下式の関係式を満たし、
【０１３５】
【数４３】
2017034940.tif 000045
【０１３６】
送電コイル１２の自己インダクタンスと中継コイル（中継コイル２２−１、２２−２、・・・）の自己インダクタンスがともにＬであり、送電器が備えるコンデンサ（共振コンデンサ１３）のキャパシタンスと共振器が備えるコンデンサ（共振コンデンサ２３−１、２３−２、・・・）のキャパシタンスがともにＣであり、自己インダクタンスＬとキャパシタンスＣと周波数ｆ０とが下式の関係式を満たし、
【０１３７】
【数４４】
2017034940.tif 000046
【０１３８】
受電器が有するコイル（受電コイル３２）の自己インダクタンスがＬＬであり、受電器が有するコンデンサ（共振コンデンサ３３）のキャパシタンスがＣＬであり、自己インダクタンスＬＬとキャパシタンスＣＬと周波数ｆ０とが下式の関係式を満たす。
【０１３９】
【数４５】
2017034940.tif 000047
【０１４０】
また、本実施形態の非接触電力伝送システム１Ａにおいて、自己インダクタンスＬと自己インダクタンスＬＬとが等しい場合、結合係数ｋｓが、下式の関係式を満たす。
【０１４１】
【数４６】
2017034940.tif 000048
【０１４２】
この構成によって、非接触電力伝送システム１Ａは、送電器１０、１０Ａの送電コイル１２と共振コンデンサ１３が式（２）の共振条件を満たすように設定され、共振器２０の中継コイル２２と共振コンデンサ２３とが式（２）を満たすように設定され、受電器３の受電コイル３２と共振コンデンサ３３とが式（３）を満たすように設定されている。そして、非接触電力伝送システム１Ａは、共振器２０ｎの個数が偶数個の場合に、結合係数ｋｓが、式（１７）または式（３３）の関係式を満たすように設定されている。非接触電力伝送装置２Ａは、このような関係式を満たすように結合係数ｋＳが設定されているので、電力供給部（高周波電源１１Ａ）から負荷３１までの電力伝送効率が所定の値以上になり、または負荷に流れる電流値が所定の値以上になる。
【０１４３】
また、本実施形態の非接触電力伝送システム１Ａにおいて、共振器２０が奇数個の場合に、結合係数ｋｓが、下式の関係式を満たし、
【０１４４】
【数４７】
2017034940.tif 000049
【０１４５】
送電コイル１２の自己インダクタンスと中継コイル（中継コイル２２−１、・・・）の自己インダクタンスがともにＬであり、送電器が備えるコンデンサ（共振コンデンサ１３）のキャパシタンスと共振器が備えるコンデンサ（共振コンデンサ２３−１、・・・）のキャパシタンスがともにＣであり、自己インダクタンスＬとキャパシタンスＣと周波数ｆ０とが下式の関係式を満たし、
【０１４６】
【数４８】
2017034940.tif 000050
【０１４７】
受電器３が有するコイル（受電コイル３２）の自己インダクタンスがＬＬであり、受電器が有するコンデンサ（共振コンデンサ３３）のキャパシタンスがＣＬであり、自己インダクタンスＬＬとキャパシタンスＣＬと周波数ｆ０とが下式の関係式を満たす。
【０１４８】
【数４９】
2017034940.tif 000051
【０１４９】
また、本実施形態の非接触電力伝送システム１Ａにおいて、自己インダクタンスＬと自己インダクタンスＬＬとが等しい場合、結合係数ｋｓが、下式の関係式を満たす。
【０１５０】
【数５０】
2017034940.tif 000052
【０１５１】
この構成によって、非接触電力伝送システム１Ａは、送電器１０、１０Ａの送電コイル１２と共振コンデンサ１３が式（１８）の共振条件を満たすように設定され、共振器２０の中継コイル２２と共振コンデンサ２３とが式（１８）を満たすように設定され、受電器３の受電コイル３２と共振コンデンサ３３とが式（１９）を満たすように設定されている。そして、非接触電力伝送システム１Ａは、共振器２０の個数が奇数個の場合に、結合係数ｋｓが、式（２７）または式（３４）の関係式を満たすように設定されている。非接触電力伝送システム１Ａは、このような関係式を満たすように結合係数ｋＳが設定されているので、電力供給部（高周波電源１１Ａ）から負荷３１までの電力伝送効率が所定の値以上になり、または負荷に流れる電流値が所定の値以上になる。
【０１５２】
［第２実施形態］
第１実施形態では、受電コイル３２に隣接する中継コイル２２−ｎと、受電コイル３２との間隔が所定の距離（例えばＨＬ）に固定されている例を説明した。中継コイル２２−ｎと受電コイル３２との間隔が固定されている場合、結合係数ｋＬは変化しない。
一方、中継コイル２２−ｎと受電コイル３２との間隔が変化した場合、結合係数ｋＬは変化する。本実施形態では、中継コイル２２−ｎと受電コイル３２との間隔が変化する場合であっても、送電側コイルから受電側コイルに接続されている負荷に電力を高い効率で伝送することができる非接触電力伝送装置について説明する。
【０１５３】
＜非接触電力伝送システム１Ｃの構成＞
図１９は、本実施形態に係る非接触電力伝送システム１Ｃの構成を模式的に示す図である。
図１９に示すように、非接触電力伝送システム１Ｃは、非接触電力伝送装置２Ｃと受電器３Ｃを含んで構成される。また、非接触電力伝送装置２Ｃは、送電器１０Ｃ、ｎ（ｎは１以上の整数）個の共振器２０−１、・・・、２０−ｎを備えている。なお、非接触電力伝送システム１と同じ機能を有する構成要素には、同じ符号を用いて説明を省略する。
【０１５４】
送電器１０Ｃは、高周波電源１１Ａ、送電コイル１２、共振コンデンサ１３、可動部１４、電流測定回路１５、記憶部１６、通信回路１７、および制御回路１８を備える。
共振器２０は、中継コイル２２および共振コンデンサ２３を備える。
受電器３Ｃは、負荷３１、受電コイル３２、共振コンデンサ３３、測定回路３４、および通信回路３５を備える。
【０１５５】
図１９において、中継コイル２２−１、・・・、中継コイル２２−ｎに平行な面をｘｙ平面とし、ｘｙ平面に垂直な方向をｚ軸方向とする。
また、初期状態において、送電コイル１２、中継コイル２２−１、・・・、中継コイル２２−ｎが、それぞれのコイルの回転軸ｇ１０１に対して一列に並べられている。
中継コイル２２−１は、送電コイル１２がｘｙ平面に平行な場合、コイル面から所定の高さの位置でｘｙ平面に対して平行に配置されている。
中継コイル２２は、互いにコイル面から所定の高さの位置でｘｙ平面に対して平行に配置されている。
【０１５６】
まず、受電器３Ｃについて説明する。
受電器３Ｃは、例えば携帯機器であり、利用者によって非接触電力伝送装置２Ｃに近接されることで、非接触電力伝送装置２Ｃからの電力を得る。
測定回路３４は、負荷３１のインピーダンスＲＬおよび負荷３１に流れる電流値ＩＬを測定し、測定したインピーダンスＲＬおよび負荷３１に流れる電流値ＩＬを示す情報を、通信回路３５に出力する。
なお、測定回路３４は、負荷３１に流れる電流値ＩＬのみを測定し、測定した電流値ＩＬを、通信回路３５によって送電側に送信するようにしてもよい。または、測定回路３４は、インピーダンスＲＬのみを測定し、測定したインピーダンスＲＬの値を、通信回路３５によって送電側に送信するようにしてもよい。
また、測定回路３４は、中継コイル２２の個数が偶数個の場合、インピーダンスＲＬを測定して、測定したインピーダンスＲＬを通信回路３５によって受電器３Ｃに送信するようにしてもよい。また、中継コイル２２の個数が奇数個の場合、負荷３１に流れる電流値ＩＬを測定して、測定した電流値ＩＬを通信回路３５によって受電器３Ｃに送信するようにしてもよい。
【０１５７】
通信回路３５は、測定回路３４が出力したインピーダンスＲＬの値および負荷３１に流れる電流値ＩＬを受電器３Ｃに送信する。なお、通信回路３５は、無線通信回路であり、有線通信回路であってもよい。
【０１５８】
次に、送電器１０Ｃについて説明する。
電流測定回路１５は、受電器３Ｃに伝送される電流値を、例えば送電コイル１２に流れる電流値ＩＳを測定することで測定し、測定した電流値を制御回路１８に出力する。
【０１５９】
記憶部１６には、図２０に示すように中継コイル２２間の結合係数ｋＭ、高周波電源１１Ａの出力インピーダンスＲＳ、送電コイル１２と隣接する中継コイル２２−１との結合係数ｋＳ、送電コイル１２の自己インダクタンスＬＳ、受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬ、高周波電源１１Ａの出力電圧Ｖ、高周波電源１１Ａから出力される交流の周波数ｆ０、中継コイル２２の個数または偶数個であるか奇数個であるかを示す情報が、制御回路１８によって予め記憶されている。図２０は、本実施形態に係る記憶部１６に記憶されている係数を表す図である。
また、記憶部１６には、図２１に示すように、中継コイル２２の個数が偶数個の場合の結合係数ｋＬの関係式｛次式（４３）｝とｋＳの関係式｛次式（４４）｝、中継コイル２２の個数が奇数個の場合の結合係数ｋＬの関係式｛次式（４５）｝とｋＳの関係式｛次式（４６）｝が予め記憶されている。図２１は、本実施形態に係る記憶部１６に記憶されている関係式を表す図である。
【０１６０】
【数５１】
2017034940.tif 000053
【０１６１】
【数５２】
2017034940.tif 000054
【０１６２】
【数５３】
2017034940.tif 000055
【０１６３】
【数５４】
2017034940.tif 000056
【０１６４】
通信回路１７は、受電器３Ｃが送信したインピーダンスＲＬの値および負荷３１に流れる電流値ＩＬを受信し、受信したインピーダンスＲＬの値および負荷３１に流れる電流値ＩＬを制御回路１８に出力する。
【０１６５】
制御回路１８は、電流測定回路１５が出力した電流値を取得し、通信回路１７が出力したインピーダンスＲＬの値および負荷３１に流れる電流値ＩＬを取得する。制御回路１８は、記憶部１６に記憶されている係数と関係式を読み出す。制御回路１８は、電流値ＩＳ、ＩＬ、インピーダンスＲＬの値、係数を、中継コイル２２の個数に応じて関係式（４３）または関係式（４４）に代入して、受電コイル３２と隣接する中継コイル２２−ｎとの結合係数ｋＬを推定する。制御回路１８は、推定した結合係数ｋＬ、読み出した係数、取得したインピーダンスＲＬの値を中継コイル２２の個数に応じて関係式（４５）または関係式（４６）に代入して、送電コイル１２と隣接する中継コイル２２−１との結合係数ｋＳを決定する。制御回路１８は、決定した結合係数ｋＳになるように、可動部１４を制御する。
なお、制御回路１８は、受電器３ＣからインピーダンスＲＬの値を受信した場合、受信したインピーダンスＲＬの値から電流値ＩＬを算出するようにしてもよい。または、制御回路１８は、受電器３Ｃから負荷３１に流れる電流値ＩＬを受信した場合、受信した電流値ＩＬからインピーダンスＲＬを算出するようにしてもよい。
【０１６６】
＜送電コイル１２の制御＞
次に、制御回路１８が行う非接触電力伝送装置２Ｃの制御処理の手順について説明する。
図２２は、本実施形態に係る非接触電力伝送装置２Ｃが行う送電コイル１２の制御処理のフローチャートである。
【０１６７】
（ステップＳ１０１）制御回路１８は、結合係数ｋＭ、出力インピーダンスＲＳ、結合係数ｋＳ、送電コイル１２の自己インダクタンスＬＳ、受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬ、高周波電源１１Ａの出力電圧Ｖ、高周波電源１１Ａから出力される交流の周波数ｆ０、中継コイル２２の個数を予め記憶させておく。なお、受電器３Ｃは、受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬの値を受電器３Ｃに送信するようにしてもよい。そして、制御回路１８は、上述した各値のうち、受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬを受電器３Ｃから受信し、受信した受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬを記憶部１６に記憶させるようにしてもよい。
【０１６８】
（ステップＳ１０２）受電器３Ｃの利用者は、非接触電力伝送装置２Ｃに受電器３Ｃを近接させる。続いて、高周波電源１１Ａは、周波数がｆ０の高周波電圧を、送電コイル１２に供給する。これにより、送電コイル１２と中継コイル２２−１とが磁気結合し、中継コイル２２−１と中継コイル２２−２とが磁気結合し、・・・、中継コイル２２−ｎと受電コイル３２とが磁気結合し、負荷３１に給電を開始する。
【０１６９】
（ステップＳ１０３）受電器３Ｃの測定回路３４は、負荷３１のインピーダンスＲＬおよび／または負荷３１に流れる電流値ＩＬを測定し、測定したインピーダンスＲＬの値および／または負荷３１に流れる電流値ＩＬを、通信回路３５によって送電側（非接触電力伝送装置２Ｃ）に送信することでフィードバックする。
【０１７０】
（ステップＳ１０４）電流測定回路１５は、送電コイル１２に流れる電流値ＩＳを常に、または所定の時間間隔で測定し、測定した電流値を制御回路１８に出力する。
【０１７１】
（ステップＳ１０５）中継コイル２２の個数が偶数の場合、制御回路１８は、受電器３Ｃから受信したインピーダンスＲＬ（または電流値ＩＬ）、測定された電流値ＩＳを、式（４３）を用いて中継コイル２２−ｎと受電コイル３２との結合係数ｋＬを決定する。または、中継コイル２２の個数が奇数の場合、制御回路１８は、受電器３Ｃから受信したインピーダンスＲＬ（または電流値ＩＬ）、測定された電流値ＩＳを、式（４５）を用いて結合係数ｋＬを決定する。
【０１７２】
（ステップＳ１０６）中継コイル２２の個数が偶数の場合、制御回路は、送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳが、式（４４）を満たすように可動部を制御する。または、中継コイル２２の個数が奇数の場合、制御回路は、送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳが、式（４６）を満たすように可動部を制御する。
【０１７３】
非接触電力伝送装置２Ｃは、受電器３ＣからインピーダンスＲＬの値（または電流値ＩＬ）が送信されているとき、所定の時間間隔でステップＳ１０３〜Ｓ１０６の処理を繰り返す。これにより、本実施形態によれば、中継コイル２２−ｎと受電コイル３２との位置が変化して中継コイル２２−ｎと受電コイル３２と結合係数ｋＬが変化する場合であっても、電力伝送効率および負荷３１に流れる電流値が所定の値以上となる送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳになるように、送電コイル１２のコイル面の傾きまたは位置を制御することができる。
【０１７４】
なお、本実施形態においても、送電コイル１２と中継コイル２２−１との配置の変化は、送電コイル１２の傾きを変更、中継コイル２２−１に対する送電コイル１２のｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向のうち、少なくとも１つの軸方向の位置を可動部１４によって変化させることで、結合係数ｋＳを調整するようにしてもよい。
【０１７５】
以上のように、本実施形態の非接触電力伝送システム１Ｃは、複数の共振器２０それぞれが備える中継コイル２２間の結合係数ｋＭ、電力供給部（高周波電源１１Ａ）の出力インピーダンスＲＳ、送電コイル１２と隣接する中継コイル２２−１との結合係数ｋＳ、送電コイルの自己インダクタンスＬＳ、受電コイル３２の自己インダクタンスＬＬ、電力供給部の出力電圧Ｖ、電力供給部から出力される交流の周波数ｆ０、中継コイルの個数、送電コイルと隣接する中継コイルとの結合係数ｋＳの関係式｛式（４４）、式（４６）｝、受電コイルと隣接する中継コイル２２−ｎとの結合係数ｋＬの関係式｛式（４３）、式（４５）｝と、が予め記憶されている記憶部１６と、送電コイルに流れる電流値ＩＳを測定する電流測定回路１５と、電力供給部から供給された周波数ｆ０の交流電圧が供給されたときの負荷３１のインピーダンスＲＬまたは負荷に流れる電流値ＩＬを、受電器３Ｃから受け取り、受け取った負荷のインピーダンスＲＬまたは負荷に流れる電流値ＩＬと、電流測定回路によって測定された送電コイルに流れる電流値ＩＳと、記憶部に記憶されている各値と、を記憶部に記憶されている結合係数ｋＬの関係式に代入して、結合係数ｋＬを推定し、推定した結合係数ｋＬと、記憶部に記憶されている値と、受電器から受け取った負荷のインピーダンスＲＬまたは負荷に流れる電流値ＩＬと、を用いて、送電コイルと、送電器と隣り合う中継コイル２２−１との結合係数ｋｓが、電力供給部から負荷までの電力伝送効率が所定の値以上になり、または負荷に流れる電流値ＩＬが所定の値以上になるように送電コイルの配置を変化させる制御回路１８と、を備える。
【０１７６】
また、本実施形態の非接触電力伝送システム１Ｃにおいて、制御回路１８は、記憶部１６に記憶されている結合係数ｋＳの関係式｛式（４４）、式（４６）｝に代入して、結合係数ｋＳを決定し、決定した結合係数ｋＳになるように送電コイルの配置を変化させる。
【０１７７】
以上のように、本実施形態の非接触電力伝送システム１Ｃは、負荷３１に接続されている受電器３Ｃ、をさらに備え、受電器は、受電コイル３２と、コンデンサ（共振コンデンサ３３）と、負荷のインピーダンスＲＬまたは負荷に流れる電流値ＩＬを測定する測定回路３４と、測定回路３４によって測定された負荷のインピーダンスＲＬまたは負荷に流れる電流値ＩＬを送電器１０Ｃに送信する通信回路３５、とを備える。
【０１７８】
この構成によって、本実施形態では、中継コイル２２−ｎと受電コイル３２との位置が変化して中継コイル２２−ｎと受電コイル３２と結合係数ｋＬが変化する場合であっても、電力伝送効率および負荷３１に流れる電流値が所定の値以上となる送電コイル１２と中継コイル２２−１との結合係数ｋＳになるように、送電コイル１２の傾きまたは位置を制御することができる。
【０１７９】
なお、第１実施形態または第２実施形態で説明した送電コイル１２、中継コイル２２、受電コイル３２は、１回巻き（１ターン）、または複数回巻き（複数ターン）であってもよい。
また、第１実施形態または第２実施形態で説明した各共振コンデンサとして、送電コイル１２、中継コイル２２、受電コイル３２それぞれが備える寄生容量を用いてもよい。
【０１８０】
なお、本発明における非接触電力伝送システム１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃの機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより結合係数ｋＳの推定、送電コイル１２の配置の制御等を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
【０１８１】
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
【符号の説明】
【０１８２】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…非接触電力伝送システム、２、２Ａ、２Ｃ…非接触電力伝送装置、３、３Ｃ…受電器、１０、１０Ａ、１０Ｃ…送電器、２０、２０−１、２０−２、・・・、２０−ｎ…共振器、１１、１１Ａ…高周波電源、１２…送電コイル、１３…共振コンデンサ、１４…可動部、１５…電流測定回路、１６…記憶部、１７…通信回路、１８…制御回路、２２、２２−１、２２−２、・・・、２２−ｎ…中継コイル、２３、２３−１、２３−２、・・・、２３−ｎ…共振コンデンサ、３１…負荷、３２…受電コイル、３３…共振コンデンサ、３４…測定回路、３５…通信回路、ｋｓ、ｋＭ、ｋＬ…結合係数
【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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【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１１】
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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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【図２１】
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【図２２】
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