(57)【要約】  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。前記整合回路は、前記第１の電極に接続された第１のインダクタと、前記第２の電極に接続された第２のインダクタと、第１のキャパシタとを備える。前記第１のキャパシタは、前記第１の電極と前記第１のインダクタとの間の配線と、前記第２の電極と前記第２のインダクタとの間の配線との間に接続されている。第一のインダクタと第二のインダクタは負の結合係数で磁気結合している。
2019189578.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の電極に接続された第１のインダクタと、
前記第２の電極に接続された第２のインダクタと、
前記第１の電極と前記第１のインダクタとの間の配線と、前記第２の電極と前記第２のインダクタとの間の配線との間に接続された第１のキャパシタと、
を備え、
前記第１のインダクタは、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、
前記第２のインダクタは、前記第２の電極の反対側において、前記電力変換回路の第２の端子に直接的または間接的に接続される、
電極ユニット。
【請求項２】
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ｋは、
−１＜ｋ＜０を満足する、
請求項１に記載の電極ユニット。
【請求項３】
前記交流電力の周波数をｆ１、前記第１のインダクタのインダクタンス値をＬｔ１、前記第２のインダクタのインダクタンス値をＬｔ２、前記第１のキャパシタのキャパシタンス値をＣｔ１とするとき、周波数ｆ１は、１／（２π（（Ｌｔ１＋Ｌｔ２）Ｃｔ１）１／２）の０．５倍から１．５倍の範囲内の値に設定される、
請求項１または２に記載の電極ユニット。
【請求項４】
前記第１のインダクタのインダクタンス値をＬｔ１、前記第２のインダクタのインダクタンス値をＬｔ２とするとき、
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、
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】
電力伝送時において、前記電力変換回路から出力される前記交流電力または前記電力変換回路に入力される前記交流電力の電圧の実効値をＶ０、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の実効値をＶ１とするとき、
２．１４＜Ｖ１／Ｖ０＜５０
を満足する、請求項１から４のいずれかに記載の電極ユニット。
【請求項６】
前記整合回路は、
前記第１のインダクタと前記第１の端子との間に接続される第２のキャパシタと、
前記第１のインダクタと前記第２のキャパシタとの間の配線と、前記第２のインダクタと前記第２の端子との間の配線との間に接続された第３のインダクタと、
をさらに備える、
請求項５に記載の電極ユニット。
【請求項７】
前記整合回路は、
前記第１のインダクタと前記第１の端子との間に接続される第２のキャパシタと、
前記第２のインダクタと前記第２の端子との間に接続される第３のキャパシタと、
前記第１のインダクタと前記第２のキャパシタとの間の配線と、前記第２のインダクタと前記第３のキャパシタとの間の配線との間に接続された第３のインダクタと、
をさらに備える、
請求項５に記載の電極ユニット。
【請求項８】
前記整合回路は、前記第１のインダクタと前記第１の端子との間に接続される第３のインダクタをさらに備える、請求項７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のインダクタと前記第３のインダクタとの間の配線と、前記第２のインダクタと前記第２の端子との間の配線との間に接続された第２のキャパシタをさらに備える、請求項８に記載の電極ユニット。
【請求項１０】
前記整合回路は、
前記第２のインダクタと前記第２の端子との間に接続される第４のインダクタと、
前記第１のインダクタと前記第３のインダクタとの間の配線と、前記第２のインダクタと前記第４のインダクタとの間の配線との間に接続された第２のキャパシタをさらに備える、請求項８に記載の電極ユニット。
【請求項１１】
前記整合回路は、
前記電力変換回路に接続される直列共振回路と、
前記第１および第２のインダクタに接続され、前記直列共振回路に磁気的に結合する並列共振回路と、
を備える、
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１２】
請求項１から１１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、
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、
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１４】
請求項１２に記載の送電装置と、
請求項１３に記載の受電装置と、
を備える無線電力伝送システム。
【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、電磁誘導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、そのような電界結合方式による無線電力伝送システムの一例を開示している。
【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
【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電力伝送の効率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の電極に接続された第１のインダクタと、前記第２の電極に接続された第２のインダクタと、前記第１の電極と前記第１のインダクタとの間の配線と、前記第２の電極と前記第２のインダクタとの間の配線との間に接続された第１のキャパシタと、を備える。前記第１のインダクタは、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。前記第２のインダクタは、前記第２の電極の反対側において、前記電力変換回路の第２の端子に直接的または間接的に接続される。【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電力伝送の効率を向上させる。
【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、第１の比較例におけるシステム構成を示す図である。
【図４】図４は、第２の比較例におけるシステム構成を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図３に示す送電装置における共振器対の構成を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４に示す送電装置における共振器対の構成を示す図である。
【図６】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の概略図である。
【図７Ａ】図７Ａは、整合回路の第１の変形例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、整合回路の第２の変形例を示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、整合回路の第３の変形例を示す図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、整合回路の第４の変形例を示す図である。
【図７Ｅ】図７Ｅは、整合回路の第５の変形例を示す図である。
【図７Ｆ】図７Ｆは、整合回路の第６の変形例を示す図である。
【図８】図８は、本開示の例示的な実施形態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９】図９は、２つのインダクタの構成例を模式的に示す図である。
【図１０】図１０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１１】図１１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１２】図１２は、無線電力伝送システムの第１の変形例を示す図である。
【図１３】図１３は、無線電力伝送システムの第２の変形例を示す図である。
【図１４】図１４は、無線電力伝送システムの第３の変形例を示す図である。
【図１５】図１５は、無線電力伝送システムの第４の変形例を示す図である。
【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。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（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一対の送電電極１２０に出力する。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、一対の送電電極１２０に出力する。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。この回路構成は、特許文献２に開示された構成に類似する。
【００１９】
送電装置１００における整合回路１８０は、第１並列共振回路１３０と、第２並列共振回路１４０とを備える。第１並列共振回路１３０は、電力変換回路１１０に接続されている。第２並列共振回路１４０は、第１並列共振回路１３０と一対の送電電極１２０との間に配置されている。第２並列共振回路１４０は、一対の送電電極１２０に接続され、第１並列共振回路１３０に磁気的に結合する。第１並列共振回路１３０は、コイルＬ１とキャパシタＣ１とが並列に接続された構成を有する。第２並列共振回路１４０は、コイルＬ２とキャパシタＣ２とが並列に接続された構成を有する。コイルＬ１とコイルＬ２とは、結合係数ｋ１で結合する変圧器を構成する。コイルＬ１とコイルＬ２との巻数比（１：Ｎ１）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、第３並列共振回路２３０と、第４並列共振回路２４０とを備える。第３並列共振回路２３０は、一対の受電電極２２０に接続されている。第４並列共振回路２４０は、第３の並列共振回路２３０と電力変換回路２１０との間に配置され、第３並列共振回路２３０に磁気的に結合する。電力変換回路２１０は、第４並列共振回路２４０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。第３並列共振回路２３０は、コイルＬ３とキャパシタＣ３とが並列に接続された構成を有する。第４並列共振回路２４０は、コイルＬ４とキャパシタＣ４とが並列に接続された構成を有する。コイルＬ３とコイルＬ４とは、結合係数ｋ２で結合する変圧器を構成する。コイルＬ３とコイルＬ４との巻数比（Ｎ２：１）は、所望の変圧比を実現する値に設定される。
【００２１】
４つの並列共振回路１３０、１４０、２３０、２４０の共振周波数は一致しており、電力変換回路１１０は、その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、各並列共振回路１３０、１４０、２３０、２４０は、電力伝送時に共振状態になる。
【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との間には、比誘電率の高い誘電体が設けられ得る。このような構成により、２つの送電電極１２０と２つの受電電極２２０との間のキャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２を極力高い状態にすることができる。キャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２を極力高い状態にして電力を伝送する理由は、送電電極１２０と受電電極２２０との相対位置が変化したとしても、安定して電力を伝送できるようにするためである。キャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２が非常に大きい場合、電極１２０、２２０のインピーダンスは、共振時の並列共振回路２３０、２４０のインピーダンスよりも遥かに小さくなる。その結果、送電電極１２０と受電電極２２０との相対位置に変化が生じてキャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２が変動したとしても、負荷３３０に与えられる電圧の変動を小さくすることができる。
【００２３】
このように、図３に示す構成では、電極１２０、２２０のインピーダンスを小さくするために、キャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２を大きくする必要がある。そのために、電極間の距離をできる限り小さくし、かつ、電極間に誘電率の高い誘電体が配置される。
【００２４】
しかし、そのような構成では、送電装置１００および受電装置２００の相互の配置関係に制約が生じる。幅広い用途に応用できるようにするためには、電極間に誘電体を設けずに空隙にした場合であっても高い伝送効率を維持できることが望まれる。また、電極１２０、２２０間の距離が比較的長い場合（例えば、５ｍｍ〜数十ｍｍ）であっても高い伝送効率を維持できることが望まれる。
【００２５】
図４は、上記の課題を解決し得る回路構成の一例を示している。図４の例では、整合回路１８０、２８０のそれぞれが、直列共振回路と並列共振回路との組み合わせを備える。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。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。このような構成によれば、電極１２０、２２０間のキャパシタンスが小さい場合であってもインピーダンス整合を実現し易い。
【００２６】
図４の構成の利点について、図５Ａおよび図５Ｂを参照しながら説明する。
【００２７】
図５Ａは、図３に示す送電装置１００における共振器対の構成を示している。図５Ｂは、図４に示す送電装置１００における共振器対の構成を示している。
【００２８】
図５Ａに示す構成では、電源側（図の左側）および電極側（図の右側）の両方の共振器が並列共振回路である。このため、共振時、つまり伝送周波数ｆ１が共振周波数ｆ０に一致する場合のインピーダンスが、両共振器ともに無限大に近くなる。このため、電源出力端子側の低い出力インピーダンスと電極入力部側の高い入力インピーダンスとを整合させることが困難である。
【００２９】
他方、図５Ｂに示す構成では、電源側の共振回路が直列共振回路であるため、電源出力端子側の低い出力インピーダンスと、電極入力部側の高い入力インピーダンスとを整合させ易い。直列共振回路は、共振時にインピーダンスがゼロ（０）に近くなるため、低い入出力インピーダンスの外部回路との整合に適している。他方、並列共振回路は、共振時にインピーダンスが無限大に近くなるため、高い入出力インピーダンスの外部回路との整合に適している。よって、図５Ｂに示す構成のように、低い出力インピーダンスの電源出力端子側に直列共振回路を配置し、高い入力インピーダンスの電極入力部側に並列共振回路を配置することにより、インピーダンス整合を容易に実現することができる。
【００３０】
上記のことは、送電装置１００に限らず、受電装置２００についても同様に成立する。すなわち、図４に示すように、受電電極２２０に近い側に並列共振回路を配置し、負荷３３０に近い側に直列共振回路を配置することにより、受電装置２００におけるインピーダンス整合を容易に実現することができる。
【００３１】
このように、図４に示す構成によれば、インピーダンスの整合度を高め、電力伝送の効率を向上させることができる。しかし、本願発明者は、さらに検討を重ねることにより、電力伝送効率をさらに向上させることが可能な整合回路の構成に想到した。
【００３２】
図６は、そのような整合回路と２つの電極とを備えた電極ユニットの概略的な構成の例を示す図である。この電極ユニット５０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５０は、送電電極対または受電電極対である第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。
【００３３】
電極２０ａ、２０ｂには、電力伝送時に互いに逆位相の電圧が印加される。本明細書において「逆位相」とは、位相差が９０度よりも大きく、２７０度よりも小さいことを意味する。典型的には、電極２０ａ、２０ｂには、位相が約１８０度異なる交流電圧が印加される。整合回路８０は、送電装置または受電装置における電力変換回路６０と、電極２０ａ、２０ｂとの間に接続される。
【００３４】
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が送電装置に搭載される場合、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。電力変換回路６０が受電装置に搭載される場合、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。
【００３５】
整合回路８０は、第１の電極２０ａに接続された第１のインダクタＬｔ１と、第２の電極２０ｂに接続された第２のインダクタＬｔ２と、第１のキャパシタＣｔ１とを含む。第１のキャパシタＣｔ１は、第１の電極２０ａと第１のインダクタＬｔ１との間の配線４０ａと、第２の電極２０ｂと第２のインダクタＬｔ２との間の配線４０ｂとの間に接続されている。第１のキャパシタＣｔ１を「並列容量素子」と呼ぶこともある。第１のインダクタＬｔ１は、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。
【００３６】
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。
【００３７】
以上の構成を備える電極ユニット５０を、送電装置および受電装置の少なくとも一方に設けることにより、後に詳しく説明するように、より整合性を向上することができ、電力伝送の効率をさらに向上させることができる。
【００３８】
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。この場合、第１のインダクタＬｔ１、第２のインダクタＬｔ２、および第１のキャパシタＣｔ１と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。
【００３９】
以下の説明では、インダクタを表すＬｔ１、Ｌｔ２などの参照符号は、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。同様に、キャパシタを表すＣｔ１などの参照符号は、そのキャパシタのキャパシタンス値を表す記号としても用いる。
【００４０】
本開示の実施形態における整合回路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１の関係を満たす。
【数１】
2019189578.tif 000003
【００４１】
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１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。
【００４２】
次に、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。
【００４３】
第１のキャパシタＣｔ１のキャパシタンス値Ｃｔ１は、上述の通り、Ｌｔ１とＬｔ２との関係からその値が決定される。
【００４４】
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とするとき、例えばＶ１／Ｖ０＞２．１４が満たされる。この下限値２．１４は、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化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とした場合の比率である。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が満たされてもよい。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Ｖ１／Ｖ０の範囲の上限は制限されない。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。
【００４５】
整合回路８０は、図６に示す要素以外の回路素子を含んでいてもよい。図７Ａから図７Ｆを参照しながら、整合回路８０の他の例を説明する。
【００４６】
図７Ａ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、第２のキャパシタＣｔ２と、第３のキャパシタＣｔ３と、第３のインダクタＬｔ３とをさらに備える。第２のキャパシタ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と第２のキャパシタＣｔ２との間の配線と、第２のインダクタＬｔ２と第３のキャパシタ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。この構成は、図６に示す構成に、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、フィルタを多段化することになり、整合性が向上することから、伝送効率をさらに向上させることができる。
【００４７】
図７Ｂ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、第２のキャパシタＣｔ２と、第３のインダクタＬｔ３とをさらに備える。第２のキャパシタ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と第２のキャパシタ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。この構成は、図６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７Ａ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。
【００４８】
図７Ｃ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、第２のキャパシタ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。第２のキャパシタ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６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。
【００４９】
図７Ｄ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、第２のキャパシタ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。第２のキャパシタ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６に示す構成に、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７Ｄの構成は、図６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。
【００５０】
図７Ｅ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。
【００５１】
図７Ｆ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６に示す整合回路の構成の前段に、図４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。
【００５２】
図６から７Ｆに示す各整合回路は、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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の電極の一方は、並列する２つの部分に分割されていてもよい。その場合、当該２つの部分の間に、第１の電極および第２の電極の他方が配置される。当該２つの部分には同一の位相の電圧が印加される。こ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。ある例では、当該２つの部分、および第１および第２の電極の他方は、同一の方向に延びた構造を有する。当該２つの部分の幅は、例えば前記第２の電極の幅の半分に近い値に設定され得る。例えば、当該２つの部分の幅は、前記第２の電極の幅の０．４倍以上０．６倍以下に設定され得る。このように、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」と称することがある。
【００５５】
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、前記電力変換回路とを備える。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。
【００５６】
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、前記電力変換回路とを備える。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。
【００５７】
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、上記の送電装置と、上記の受電装置とを備える。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
（実施形態）
図８は、本開示の例示的な実施形態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。
【００６１】
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８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。
【００６２】
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６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Ｃｔ１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Ｃｔ１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。
【００６３】
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６に示す整合回路８０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Ｃｒ１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Ｃｒ１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。
【００６４】
以下、各構成要素をより詳細に説明する。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１２０」と記載することがある。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
図９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９の左側入出力端子から同相の電流が入力された場合、図９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。
【００７２】
インダクタＬｔ１、Ｌｔ２は、必ずしも図９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。
【００７３】
キャパシタＣｔ１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Ｃｔ１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。
【００７４】
受電装置２００におけるインダクタＬｒ１、Ｌｒ２およびキャパシタＣｒ１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Ｃｒ１とそれぞれ同様の構成を有する。
【００７５】
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。各キャパシタＣｔ１、Ｃｒ１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。
【００７６】
図１０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と、制御回路１１２とを含む。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１１２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１０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。
【００７７】
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。
【００７８】
図１１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。
【００７９】
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。
【００８０】
次に、本実施形態の効果を説明する。
【００８１】
本実施形態では、図３および図４に示す各例とは異なり、高い比率の昇降圧特性が求められる整合回路１８０、２８０においてトランス（transformer）を直列に挿入した構成を有しない。図３および図４の各例では、高い昇圧比または降圧比を実現するために、インダクタンス比Ｌ２／Ｌ１およびＬ３／Ｌ４を高くせざるを得ない。例えば図３の例では、インダクタンス比Ｌ２／Ｌ１およびＬ３／Ｌ４は、数十程度の高い値になり得る。図４の例でも、インダクタンス比Ｌ２／Ｌ１およびＬ３／Ｌ４は、高い値になり得る。低いインダクタンスのインダクタのＱ値を向上することは困難であり、高いインダクタンスのインダクタのＱ値を向上することにも制約がある。また、トランスを挿入することによる損失は、当該トランスを構成するインダクタ間の結合係数の絶対値にも強く依存する。このため、インダクタ対は強く結合することが求められる。これらの例では、損失の低いインダクタの組み合わせで低損失トランスを実現することが困難となる。また、高いインダクタンスのインダクタを用いると自己共振周波数の低下を招くため、高調波ノイズの漏洩を招きやすくなる。
【００８２】
これに対し、図８に示す実施形態では、インダクタンスＬｔ１、Ｌｔ２は、ほぼ等しい値に設定され、インダクタンスＬｒ１、Ｌｒ２も、ほぼ等しい値に設定されることになる。同程度のインダクタンスのインダクタは内径などのサイズを同程度で形成することが容易なため、結果として両インダクタ間の結合を高めることが容易である。また、片方のインダクタの損失によってインダクタ対全体として損失が生じるという制約からも解放される。このため、低損失なインダクタの組み合わせで高効率な整合回路を容易に実現することができる。
【００８３】
さらに、本実施形態では、ノイズを低減する効果も奏する。各電極に繋がる経路に直列にインダクタが挿入された構成のため、高調波ノイズが抑制される。特に、インダクタＬｔ１、Ｌｔ２間の結合係数、およびインダクタＬｒ１、Ｌｒ２間の結合係数を、−１より大きく−０未満の範囲で設計した場合には、ノイズ抑制効果がさらに顕著になる。
【００８４】
本発明者は、図３（比較例１）、図４（比較例２）、図８（実施例）のそれぞれの構成において、高周波電力を伝送した場合の伝送特性を比較した。その結果、表１に示す結果が得られた。
【００８５】
【表１】
2019189578.tif 000004
【００８６】
表１の結果は、以下の条件で得られた。電極１２０ａ−２２０ａ、電極１２０ｂ−２２０ｂ間の結合容量はそれぞれ８０ｐＦ、伝送周波数は４８０ｋＨｚとして解析を行った。入力直流電圧は２００Ｖ、伝送電力は２ｋＷである。各例の整合回路にはインダクタ対が多数存在する。それらの結合係数の絶対値を最大でも０．８、と制限して解析を行った。発熱の値は、比較例２における送電側のインダクタＬ１での発熱量を１００として規格化した値である。３倍波インダクタ電流の値は、比較例２におけるインダクタＬ１に流れる３倍波電流を１００として規格化した値である。比較例１および比較例２についてはインダクタＬ１の３倍波電流が、実施例においてはインダクタＬｔ１の３倍波電流強度が表１に示されている。
【００８７】
表１からわかるように、実施例では、比較例１、２と比較して、伝送効率が向上し、整合回路内のインダクタの発熱の総和が抑制され、整合回路内のインダクタに流れる３倍波電流の総和が低減することも確認された。
【００８８】
次に、本実施形態の変形例を説明する。
【００８９】
整合回路１８０、２８０は、図８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７Ａから図７Ｆに示すような様々な構成を採り得る。
【００９０】
図１２は、整合回路１８０、２８０の各々が、図７Ｄ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。前述のシミュレーションと同様の条件で、伝送効率が８９．２％にまで向上することが確認できた。
【００９１】
図１３は、整合回路１８０が図７Ｃに示す構成を有し、整合回路２８０が図７Ａに示す構成を有する例を示している。図１４は、整合回路１８０が図７Ｅに示す構成を有し、整合回路２８０は図８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。
【００９２】
図１５は、整合回路１８０、２８０の各々が、図７Ｆ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。
【００９３】
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。
【００９４】
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】
【００９５】
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】
【００９６】
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
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
３３０  負荷
【図１】
2019189578.tif 000005
【図２】
2019189578.tif 000006
【図３】
2019189578.tif 000007
【図４】
2019189578.tif 000008
【図５Ａ】
2019189578.tif 000009
【図５Ｂ】
2019189578.tif 000010
【図６】
2019189578.tif 000011
【図７Ａ】
2019189578.tif 000012
【図７Ｂ】
2019189578.tif 000013
【図７Ｃ】
2019189578.tif 000014
【図７Ｄ】
2019189578.tif 000015
【図７Ｅ】
2019189578.tif 000016
【図７Ｆ】
2019189578.tif 000017
【図８】
2019189578.tif 000018
【図９】
2019189578.tif 000019
【図１０】
2019189578.tif 000020
【図１１】
2019189578.tif 000021
【図１２】
2019189578.tif 000022
【図１３】
2019189578.tif 000023
【図１４】
2019189578.tif 000024
【図１５】
2019189578.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】令和2年9月25日(2020.9.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、電磁誘導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、そのような電界結合方式による無線電力伝送システムの一例を開示している。
【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
【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電力伝送の効率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の電極に接続された第１のインダクタと、前記第２の電極に接続された第２のインダクタと、前記第１の電極と前記第１のインダクタとの間の配線と、前記第２の電極と前記第２のインダクタとの間の配線との間に接続された第１のキャパシタと、を備える。前記第１のインダクタは、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。前記第２のインダクタは、前記第２の電極の反対側において、前記電力変換回路の第２の端子に直接的または間接的に接続される。
【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電力伝送の効率を向上させる。
【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、第１の比較例におけるシステム構成を示す図である。
【図４】図４は、第２の比較例におけるシステム構成を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図３に示す送電装置における共振器対の構成を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４に示す送電装置における共振器対の構成を示す図である。
【図６】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の概略図である。
【図７Ａ】図７Ａは、整合回路の第１の変形例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、整合回路の第２の変形例を示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、整合回路の第３の変形例を示す図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、整合回路の第４の変形例を示す図である。
【図７Ｅ】図７Ｅは、整合回路の第５の変形例を示す図である。
【図７Ｆ】図７Ｆは、整合回路の第６の変形例を示す図である。
【図８】図８は、本開示の例示的な実施形態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９】図９は、２つのインダクタの構成例を模式的に示す図である。
【図１０】図１０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１１】図１１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１２】図１２は、無線電力伝送システムの第１の変形例を示す図である。
【図１３】図１３は、無線電力伝送システムの第２の変形例を示す図である。
【図１４】図１４は、無線電力伝送システムの第３の変形例を示す図である。
【図１５】図１５は、無線電力伝送システムの第４の変形例を示す図である。
【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。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（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一対の送電電極１２０に出力する。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、一対の送電電極１２０に出力する。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。この回路構成は、特許文献２に開示された構成に類似する。
【００１９】
送電装置１００における整合回路１８０は、第１並列共振回路１３０と、第２並列共振回路１４０とを備える。第１並列共振回路１３０は、電力変換回路１１０に接続されている。第２並列共振回路１４０は、第１並列共振回路１３０と一対の送電電極１２０との間に配置されている。第２並列共振回路１４０は、一対の送電電極１２０に接続され、第１並列共振回路１３０に磁気的に結合する。第１並列共振回路１３０は、コイルＬ１とキャパシタＣ１とが並列に接続された構成を有する。第２並列共振回路１４０は、コイルＬ２とキャパシタＣ２とが並列に接続された構成を有する。コイルＬ１とコイルＬ２とは、結合係数ｋ１で結合する変圧器を構成する。コイルＬ１とコイルＬ２との巻数比（１：Ｎ１）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、第３並列共振回路２３０と、第４並列共振回路２４０とを備える。第３並列共振回路２３０は、一対の受電電極２２０に接続されている。第４並列共振回路２４０は、第３並列共振回路２３０と電力変換回路２１０との間に配置され、第３並列共振回路２３０に磁気的に結合する。電力変換回路２１０は、第４並列共振回路２４０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。第３並列共振回路２３０は、コイルＬ３とキャパシタＣ３とが並列に接続された構成を有する。第４並列共振回路２４０は、コイルＬ４とキャパシタＣ４とが並列に接続された構成を有する。コイルＬ３とコイルＬ４とは、結合係数ｋ２で結合する変圧器を構成する。コイルＬ３とコイルＬ４との巻数比（Ｎ２：１）は、所望の変圧比を実現する値に設定される。
【００２１】
４つの並列共振回路１３０、１４０、２３０、２４０の共振周波数は一致しており、電力変換回路１１０は、その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、各並列共振回路１３０、１４０、２３０、２４０は、電力伝送時に共振状態になる。
【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との間には、比誘電率の高い誘電体が設けられ得る。このような構成により、２つの送電電極１２０と２つの受電電極２２０との間のキャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２を極力高い状態にすることができる。キャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２を極力高い状態にして電力を伝送する理由は、送電電極１２０と受電電極２２０との相対位置が変化したとしても、安定して電力を伝送できるようにするためである。キャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２が非常に大きい場合、電極１２０、２２０のインピーダンスは、共振時の並列共振回路２３０、２４０のインピーダンスよりも遥かに小さくなる。その結果、送電電極１２０と受電電極２２０との相対位置に変化が生じてキャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２が変動したとしても、負荷３３０に与えられる電圧の変動を小さくすることができる。
【００２３】
このように、図３に示す構成では、電極１２０、２２０のインピーダンスを小さくするために、キャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２を大きくする必要がある。そのために、電極間の距離をできる限り小さくし、かつ、電極間に誘電率の高い誘電体が配置される。
【００２４】
しかし、そのような構成では、送電装置１００および受電装置２００の相互の配置関係に制約が生じる。幅広い用途に応用できるようにするためには、電極間に誘電体を設けずに空隙にした場合であっても高い伝送効率を維持できることが望まれる。また、電極１２０、２２０間の距離が比較的長い場合（例えば、５ｍｍ〜数十ｍｍ）であっても高い伝送効率を維持できることが望まれる。
【００２５】
図４は、上記の課題を解決し得る回路構成の一例を示している。図４の例では、整合回路１８０、２８０のそれぞれが、直列共振回路と並列共振回路との組み合わせを備える。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。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。このような構成によれば、電極１２０、２２０間のキャパシタンスが小さい場合であってもインピーダンス整合を実現し易い。
【００２６】
図４の構成の利点について、図５Ａおよび図５Ｂを参照しながら説明する。
【００２７】
図５Ａは、図３に示す送電装置１００における共振器対の構成を示している。図５Ｂは、図４に示す送電装置１００における共振器対の構成を示している。
【００２８】
図５Ａに示す構成では、電源側（図の左側）および電極側（図の右側）の両方の共振器が並列共振回路である。このため、共振時、つまり伝送周波数ｆ１が共振周波数ｆ０に一致する場合のインピーダンスが、両共振器ともに無限大に近くなる。このため、電源出力端子側の低い出力インピーダンスと電極入力部側の高い入力インピーダンスとを整合させることが困難である。
【００２９】
他方、図５Ｂに示す構成では、電源側の共振回路が直列共振回路であるため、電源出力端子側の低い出力インピーダンスと、電極入力部側の高い入力インピーダンスとを整合させ易い。直列共振回路は、共振時にインピーダンスがゼロ（０）に近くなるため、低い入出力インピーダンスの外部回路との整合に適している。他方、並列共振回路は、共振時にインピーダンスが無限大に近くなるため、高い入出力インピーダンスの外部回路との整合に適している。よって、図５Ｂに示す構成のように、低い出力インピーダンスの電源出力端子側に直列共振回路を配置し、高い入力インピーダンスの電極入力部側に並列共振回路を配置することにより、インピーダンス整合を容易に実現することができる。
【００３０】
上記のことは、送電装置１００に限らず、受電装置２００についても同様に成立する。すなわち、図４に示すように、受電電極２２０に近い側に並列共振回路を配置し、負荷３３０に近い側に直列共振回路を配置することにより、受電装置２００におけるインピーダンス整合を容易に実現することができる。
【００３１】
このように、図４に示す構成によれば、インピーダンスの整合度を高め、電力伝送の効率を向上させることができる。しかし、本願発明者は、さらに検討を重ねることにより、電力伝送効率をさらに向上させることが可能な整合回路の構成に想到した。
【００３２】
図６は、そのような整合回路と２つの電極とを備えた電極ユニットの概略的な構成の例を示す図である。この電極ユニット５０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５０は、送電電極対または受電電極対である第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。
【００３３】
電極２０ａ、２０ｂには、電力伝送時に互いに逆位相の電圧が印加される。本明細書において「逆位相」とは、位相差が９０度よりも大きく、２７０度よりも小さいことを意味する。典型的には、電極２０ａ、２０ｂには、位相が約１８０度異なる交流電圧が印加される。整合回路８０は、送電装置または受電装置における電力変換回路６０と、電極２０ａ、２０ｂとの間に接続される。
【００３４】
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が送電装置に搭載される場合、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。電力変換回路６０が受電装置に搭載される場合、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。
【００３５】
整合回路８０は、第１の電極２０ａに接続された第１のインダクタＬｔ１と、第２の電極２０ｂに接続された第２のインダクタＬｔ２と、第１のキャパシタＣｔ１とを含む。第１のキャパシタＣｔ１は、第１の電極２０ａと第１のインダクタＬｔ１との間の配線４０ａと、第２の電極２０ｂと第２のインダクタＬｔ２との間の配線４０ｂとの間に接続されている。第１のキャパシタＣｔ１を「並列容量素子」と呼ぶこともある。第１のインダクタＬｔ１は、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。
【００３６】
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。
【００３７】
以上の構成を備える電極ユニット５０を、送電装置および受電装置の少なくとも一方に設けることにより、後に詳しく説明するように、より整合性を向上することができ、電力伝送の効率をさらに向上させることができる。
【００３８】
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。この場合、第１のインダクタＬｔ１、第２のインダクタＬｔ２、および第１のキャパシタＣｔ１と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。
【００３９】
以下の説明では、インダクタを表すＬｔ１、Ｌｔ２などの参照符号は、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。同様に、キャパシタを表すＣｔ１などの参照符号は、そのキャパシタのキャパシタンス値を表す記号としても用いる。
【００４０】
本開示の実施形態における整合回路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１の関係を満たす。
【数１】
2019189578.tif 000026
【００４１】
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１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。
【００４２】
次に、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。
【００４３】
第１のキャパシタＣｔ１のキャパシタンス値Ｃｔ１は、上述の通り、Ｌｔ１とＬｔ２との関係からその値が決定される。
【００４４】
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とするとき、例えばＶ１／Ｖ０＞２．１４が満たされる。この下限値２．１４は、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化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とした場合の比率である。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が満たされてもよい。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Ｖ１／Ｖ０の範囲の上限は制限されない。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の降圧回路として機能する。
【００４５】
整合回路８０は、図６に示す要素以外の回路素子を含んでいてもよい。図７Ａから図７Ｆを参照しながら、整合回路８０の他の例を説明する。
【００４６】
図７Ａ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、第２のキャパシタＣｔ２と、第３のキャパシタＣｔ３と、第３のインダクタＬｔ３とをさらに備える。第２のキャパシタ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と第２のキャパシタＣｔ２との間の配線と、第２のインダクタＬｔ２と第３のキャパシタ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。この構成は、図６に示す構成に、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、フィルタを多段化することになり、整合性が向上することから、伝送効率をさらに向上させることができる。
【００４７】
図７Ｂ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、第２のキャパシタＣｔ２と、第３のインダクタＬｔ３とをさらに備える。第２のキャパシタ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と第２のキャパシタ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。この構成は、図６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７Ａ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。
【００４８】
図７Ｃ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、第２のキャパシタ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。第２のキャパシタ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６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。
【００４９】
図７Ｄ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、第２のキャパシタ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。第２のキャパシタ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６に示す構成に、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７Ｄの構成は、図６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。
【００５０】
図７Ｅ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。
【００５１】
図７Ｆ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６に示す整合回路の構成の前段に、図４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。
【００５２】
図６から７Ｆに示す各整合回路は、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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の電極の一方は、並列する２つの部分に分割されていてもよい。その場合、当該２つの部分の間に、第１の電極および第２の電極の他方が配置される。当該２つの部分には同一の位相の電圧が印加される。こ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。ある例では、当該２つの部分、および第１および第２の電極の他方は、同一の方向に延びた構造を有する。当該２つの部分の幅は、例えば前記第２の電極の幅の半分に近い値に設定され得る。例えば、当該２つの部分の幅は、前記第２の電極の幅の０．４倍以上０．６倍以下に設定され得る。このように、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」と称することがある。
【００５５】
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、前記電力変換回路とを備える。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。
【００５６】
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、前記電力変換回路とを備える。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。
【００５７】
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、上記の送電装置と、上記の受電装置とを備える。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
（実施形態）
図８は、本開示の例示的な実施形態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。
【００６１】
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８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。
【００６２】
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６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Ｃｔ１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Ｃｔ１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。
【００６３】
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６に示す整合回路８０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Ｃｒ１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Ｃｒ１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。
【００６４】
以下、各構成要素をより詳細に説明する。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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
図９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９の左側入出力端子から同相の電流が入力された場合、図９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。
【００７２】
インダクタＬｔ１、Ｌｔ２は、必ずしも図９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。
【００７３】
キャパシタＣｔ１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Ｃｔ１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。
【００７４】
受電装置２００におけるインダクタＬｒ１、Ｌｒ２およびキャパシタＣｒ１も、送電装置１００におけるインダクタＬｔ１、Ｌｔ２およびキャパシタＣｔ１とそれぞれ同様の構成を有する。
【００７５】
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。各キャパシタＣｔ１、Ｃｒ１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。
【００７６】
図１０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と、制御回路１１２とを含む。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１１２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１０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。
【００７７】
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。
【００７８】
図１１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。
【００７９】
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。
【００８０】
次に、本実施形態の効果を説明する。
【００８１】
本実施形態では、図３および図４に示す各例とは異なり、高い比率の昇降圧特性が求められる整合回路１８０、２８０においてトランス（transformer）を直列に挿入した構成を有しない。図３および図４の各例では、高い昇圧比または降圧比を実現するために、インダクタンス比Ｌ２／Ｌ１およびＬ３／Ｌ４を高くせざるを得ない。例えば図３の例では、インダクタンス比Ｌ２／Ｌ１およびＬ３／Ｌ４は、数十程度の高い値になり得る。図４の例でも、インダクタンス比Ｌ２／Ｌ１およびＬ３／Ｌ４は、高い値になり得る。低いインダクタンスのインダクタのＱ値を向上することは困難であり、高いインダクタンスのインダクタのＱ値を向上することにも制約がある。また、トランスを挿入することによる損失は、当該トランスを構成するインダクタ間の結合係数の絶対値にも強く依存する。このため、インダクタ対は強く結合することが求められる。これらの例では、損失の低いインダクタの組み合わせで低損失トランスを実現することが困難となる。また、高いインダクタンスのインダクタを用いると自己共振周波数の低下を招くため、高調波ノイズの漏洩を招きやすくなる。
【００８２】
これに対し、図８に示す実施形態では、インダクタンスＬｔ１、Ｌｔ２は、ほぼ等しい値に設定され、インダクタンスＬｒ１、Ｌｒ２も、ほぼ等しい値に設定されることになる。同程度のインダクタンスのインダクタは内径などのサイズを同程度で形成することが容易なため、結果として両インダクタ間の結合を高めることが容易である。また、片方のインダクタの損失によってインダクタ対全体として損失が生じるという制約からも解放される。このため、低損失なインダクタの組み合わせで高効率な整合回路を容易に実現することができる。
【００８３】
さらに、本実施形態では、ノイズを低減する効果も奏する。各電極に繋がる経路に直列にインダクタが挿入された構成のため、高調波ノイズが抑制される。特に、インダクタＬｔ１、Ｌｔ２間の結合係数、およびインダクタＬｒ１、Ｌｒ２間の結合係数を、−１より大きく−０未満の範囲で設計した場合には、ノイズ抑制効果がさらに顕著になる。
【００８４】
本発明者は、図３（比較例１）、図４（比較例２）、図８（実施例）のそれぞれの構成において、高周波電力を伝送した場合の伝送特性を比較した。その結果、表１に示す結果が得られた。
【００８５】
【表１】
2019189578.tif 000027
【００８６】
表１の結果は、以下の条件で得られた。電極１２０ａ−２２０ａ、電極１２０ｂ−２２０ｂ間の結合容量はそれぞれ８０ｐＦ、伝送周波数は４８０ｋＨｚとして解析を行った。入力直流電圧は２００Ｖ、伝送電力は２ｋＷである。各例の整合回路にはインダクタ対が多数存在する。それらの結合係数の絶対値を最大でも０．８、と制限して解析を行った。発熱の値は、比較例２における送電側のインダクタＬ１での発熱量を１００として規格化した値である。３倍波インダクタ電流の値は、比較例２におけるインダクタＬ１に流れる３倍波電流を１００として規格化した値である。比較例１および比較例２についてはインダクタＬ１の３倍波電流が、実施例においてはインダクタＬｔ１の３倍波電流強度が表１に示されている。
【００８７】
表１からわかるように、実施例では、比較例１、２と比較して、伝送効率が向上し、整合回路内のインダクタの発熱の総和が抑制され、整合回路内のインダクタに流れる３倍波電流の総和が低減することも確認された。
【００８８】
次に、本実施形態の変形例を説明する。
【００８９】
整合回路１８０、２８０は、図８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７Ａから図７Ｆに示すような様々な構成を採り得る。
【００９０】
図１２は、整合回路１８０、２８０の各々が、図７Ｄ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。前述のシミュレーションと同様の条件で、伝送効率が８９．２％にまで向上することが確認できた。
【００９１】
図１３は、整合回路１８０が図７Ｃに示す構成を有し、整合回路２８０が図７Ａに示す構成を有する例を示している。図１４は、整合回路１８０が図７Ｅに示す構成を有し、整合回路２８０は図８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。
【００９２】
図１５は、整合回路１８０、２８０の各々が、図７Ｆ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１１０（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。
【００９３】
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。
【００９４】
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】
【００９５】
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】
【００９６】
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
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
３３０  負荷
【国際調査報告】
2019189578.tif 000028
2019189578.tif 000029
2019189578.tif 000030
2019189578.tif 000031
2019189578.tif 000032
2019189578.tif 000033