特許 6265324 非接触給電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6265324

(24)【登録日】2018年1月5日

(45)【発行日】2018年1月24日

(54)【発明の名称】非接触給電システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20180115BHJP

   H02J 50/40 20160101ALI20180115BHJP

   H02J 50/90 20160101ALI20180115BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/12

   H02J50/40

   H02J50/90

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-127091(P2013-127091)

(22)【出願日】2013年6月18日

(65)【公開番号】特開2015-2641(P2015-2641A)

(43)【公開日】2015年1月5日

【審査請求日】2016年6月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】504180239

【氏名又は名称】国立大学法人信州大学

(72)【発明者】

【氏名】水野 勉

(72)【発明者】

【氏名】卜 穎剛

【審査官】 赤穂 嘉紀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２２９３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０１４４８２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−０２９７９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０１４４８３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ５０／００−５０／９０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

送信コイルと受信コイルとの間における非接触給電システムであって、
前記送信コイルには、第１の給電回路と第１の位置検出回路が接続され、
前記受信コイルには、第２の給電回路と第２の位置検出回路が接続され、
前記第１の給電回路と第２の給電回路は、共振周波数fpにより前記送信コイルと受信コイルとを共振させて給電する共振回路を備え、
前記第１の位置検出回路と第２の位置検出回路は、前記共振周波数fpとは異なる共振周波数fdにより前記送信コイルと受信コイルとを共振させて前記送信コイルと受信コイルとの相互位置を検出する手段を備え、
前記第１の給電回路の入力には給電用電源が接続され、
前記第２の給電回路はバッテリーを含む負荷を有し、
前記第１の位置検出回路の入力には位置検出用電源が接続され、
前記第２の位置検出回路は位置検出用負荷を有する、
ことを特徴とする非接触給電システム。

【請求項2】

前記第１の給電回路は、前記共振周波数fpにより前記送信コイルを共振させる第１のフィルタ回路を備え、
前記第２の給電回路は、前記共振周波数fpにより前記受信コイルを共振させる第２のフィルタ回路を備え、
前記第１の位置検出回路は、前記共振周波数fdにより前記送信コイルを共振させる第３のフィルタ回路を備え、
前記第２の位置検出回路は、前記共振周波数fdにより前記受信コイルを共振させる第４のフィルタ回路を備えることを特徴とする請求項１記載の非接触給電システム。

【請求項3】

前記第１の位置検出回路は、前記送信コイルと受信コイルの相互間の位置の変動に基づく入力インピーダンスの変動を検知して、前記送信コイルと受信コイルとの相互位置を検知する検知回路を備えることを特徴とする請求項１または２記載の非接触給電システム。

【請求項4】

前記送信コイルと前記受信コイルは、単一あるいは複数の送信コイルと単一あるいは複数の受信コイルとの間において給電される配置に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の非接触給電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非接触給電システムに関し、より詳細には送受信コイル相互の位置検出機能を備えた非接触給電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

磁界共振結合形非接触給電は伝送距離が長く、位置ずれに強いことから近年盛んに研究されており、また電気自動車や家電製品への実用化が期待されている（非特許文献１〜４）。しかしながら、伝送距離の変化や送受信コイルの位置ずれが生ずることで伝送効率が低下し、漏れ磁束による人体への影響等の問題が懸念される。そこで、高効率での伝送の実現および給電可能位置を判定するために、送受信コイル相互の位置を検出する必要がある。

【0003】

送受信コイルの位置を検出する方法として、サーチコイルを用いる方法がある（非特許文献５）。しかしながら、この方法では受信側負荷のインピーダンス変化によって正確な位置検出ができないという問題がある。また、コイル間の距離を検出する方法として磁界共振結合を用いた距離センサが検討されている（非特許文献６〜８）。この距離センサを利用する方法は構成が簡単で安価であること、環境変化に強く、長距離の検出が行えるという利点がある。
なお、非接触給電システムにおいて、送受信コイルを位置検出に利用する方法はいくつか提案されている（特許文献１、２）。しかしながら、送受信コイルの相互位置を検出する従来方法は、給電と位置検出とを切り替えて行うもので、給電と位置検出とをリアルタイムで同時に行っているものではない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−６６２９１号公報

【特許文献2】特開２０１２−２４９４０３号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Y. Matsuda,H. Sakamoto:“Non-contact magnetic coupled power and datatransferring system for an electric vehicle”,J Magn Mater.,Vol. 310、 No. 2 Part 3 pp.2853-2855 (2007)

【非特許文献2】Aristeidis Karalis、 et.al.,:“Efficientwireless non-radiative mid-range energy transfer”,Annals of Physics, Vol. 323,pp. 34-48(2008)

【非特許文献3】居村岳広、岡部浩之、内田利之、堀洋一：「共振時の電磁界結合を利用した位置ずれに強いワイヤレス電力伝送-磁界型アンテナと電界型アンテナ-」、電気学会論文誌D,Vol. 130,No. 1 pp. 76-83、 (2010)

【非特許文献4】居村岳広、岡部浩之、内田利之、堀洋一：「等価回路から見た非接触電力伝送の磁界結合と電界結合に関する研究-共振時の電磁界結合を利用したワイヤレス電力伝送-」、電気学会論文誌D,Vol. 130,No. 1 pp. 84-92 (2010)

【非特許文献5】菅野勇一、三田祐輔、金子裕良、阿部茂、保田富夫、電気自動車用非接触給電装置のサーチコイルを用いた給電可能位置判定法、電気学会半導体電力変換研究会資料、Vol. SPC-12,No. 1-27 pp. 37-42 (2012)

【非特許文献6】G. Pirkl, K. Stockinger, and P. Lukowicz,Adapting Magnetic ResonantCoupling Based Relative Positioning Technology for Wearable Activity Recogntion,Proc. IEEE Symposium on Wearable Computers,pp. 47-54 (2008)

【非特許文献7】中村 荘亮、胡間遼、久保田 考、橋本 秀紀、磁界共振結合を用いた距離センサの提案とその誤差評価、電気学会論文誌D,Vol. 132,No.3 pp. 437-444 (2011)

【非特許文献8】水野 勉、雨宮 永宜、前田庸宏、橋本 静香、整合回路の切り替え機能を有する磁界共振結合を用いた距離センサ、電気学会マグネティックス研究会、Vol.MAG-9-001〜011, pp. 5-10 (2012)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

送受信コイルを用いる給電システムには磁界共振結合形の他に電磁誘導形の給電システムがある。これらの非接触給電システムにおいては、伝送距離の変化や送受信コイル相互の位置ずれを検知することが、効率的な給電を行う上で重要である。
本発明は、非接触給電システムにおいて、リアルタイムで給電と送受信コイルの位置検出を行うことを可能とし、これによって効率的な給電を可能にする非接触給電システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る非接触給電システムは、送信コイルと受信コイルとの間における非接触給電システムであって、前記送信コイルには、第１の給電回路と第１の位置検出回路が接続され、前記受信コイルには、第２の給電回路と第２の位置検出回路が接続され、前記第１の給電回路と第２の給電回路は、共振周波数fpにより前記送信コイルと受信コイルとを共振させて給電する共振回路を備え、前記第１の位置検出回路と第２の位置検出回路は、前記共振周波数fpとは異なる共振周波数fdにより前記送信コイルと受信コイルとを共振させて前記送信コイルと受信コイルとの相互位置を検出する手段を備え、前記第１の給電回路の入力には給電用電源が接続され、前記第２の給電回路はバッテリーを含む負荷を有し、前記第１の位置検出回路の入力には位置検出用電源が接続され、前記第２の位置検出回路は位置検出用負荷を有する、こと特徴とする。
なお、本発明に係る非接触給電システムは、送受信コイルを備える磁界共振結合形、電磁誘導形の給電システムに適用することができ、一対の送信コイルと受信コイルとの間における給電システムの他に、複数の送信コイルと単一または複数の受信コイルとの間の給電システム、単一の送信コイルと複数の受信コイルとの間の給電システムに適用することができる。
また、送受信コイルには、ヘリカルコイル、ソレノイドコイル、スパイラルコイル、鉄心を有するコイルが使用できる。

【0008】

また、前記第１の給電回路は、前記共振周波数f_pにより前記送信コイルを共振させる第１のフィルタ回路を備え、前記第２の給電回路は、前記共振周波数f_pにより前記受信コイルを共振させる第２のフィルタ回路を備え、前記第１の位置検出回路は、前記共振周波数f_dにより前記送信コイルを共振させる第３のフィルタ回路を備え、前記第２の位置検出回路は、前記共振周波数f_dにより前記受信コイルを共振させる第４のフィルタ回路を備えることにより、給電と送受信コイルの位置検出を的確に分離して行うことができる。

【0009】

また、前記第１の位置検出回路は、前記送信コイルと受信コイルの相互間の位置の変動に基づく入力インピーダンスの変動を検知して、前記送信コイルと受信コイルとの相互位置を検知する検知回路を備えることにより、容易に送信コイルと受信コイルの位置情報を得ることができ、位置情報の検知結果に基づいてより効果的な給電を可能にする制御を行うことができる。
また、前記送信コイルと前記受信コイルは、単一もしくは複数の送信コイルと単一もしくは複数の受信コイルとの間において給電される配置とすることができる。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る非接触給電システムによれば、リアルタイムで給電と送受信コイルの位置検出を行うことができ、送受信コイルの位置情報に基づいて効率的な給電を行うことができる。また、本発明に係る非接触給電システムは、単一あるいは複数の送信コイルと、単一あるいは複数の受信コイルとの間における給電システムに適用可能であり、種々用途の給電に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】非接触給電システムの構成例を示すブロック図である。

【図2】給電についての送信側と受信側の電流の流れを示す図である。

【図3】位置検出における送信側と受信側の電流の流れを示す図である。

【図4】解析に使用したヘリカルコイルの構成を示す図である。

【図5】非接触給電システムの等価回路である。

【図6】結合係数をパラメータとする伝送特性を示すグラフである。

【図7】最大伝送効率−結合係数特性を示すグラフである。

【図8】結合係数をパラメータとする検出側の入力インピーダンス−周波数特性を示すグラフである。

【図9】負荷インピーダンスをパラメータとする検出側の入力インピーダンス−結合係数特性を示すグラフである。

【図10】送信側の電流−結合係数特性を示すグラフである。

【図11】受信側の電流−結合係数特性を示すグラフである。

【図12】複数の送信コイルを平面上に配置した場合の一例を示す図である。

【図13】複数の送信コイルを立体的に配置した場合の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（非接触給電システム）
図1に送受信コイル相互の位置検出機能を有する非接触給電システムの構成例を示す。
この非接触給電システムは、磁界共振結合形の非接触給電システムであり、一対の送信コイル１０と受信コイル１２とを備え、給電回路として、周波数f_pの給電用電源E_pを備え、送信コイル１０と受信コイル１２とを周波数f_pにより共振させて給電する構成としている。

【0013】

本実施形態の非接触給電システムにおいて特徴とする構成は、送信コイル１０と受信コイル１２に、給電回路と位置検出回路の双方を設けたことにある。位置検出回路は送信コイル１０と受信コイル１２の相互位置を検出するためのもので、送信コイル１０と受信コイル１２とが一直線上に配置されたとして、そのときの相互の 距離、送信コイル１０と受信コイル１２との中心線位置の位置ずれ、相互の傾きのずれなどを検知するためのものである。

【0014】

図１において、送信側の給電回路は、第１のフィルタ回路１３を備える第１の給電回路１４であり、受信側の給電回路は、第２のフィルタ回路１５を備えた第２の給電回路１６である。また、送信側の位置検出回路は、第３のフィルタ回路１７、絶縁トランス１８、検出回路１９を備えた第１の位置検出回路２０であり、受信側の位置検出回路は、第４のフィルタ回路２１を備えた第２の位置検出回路２２である。
第１のフィルタ回路１３と第２のフィルタ回路１５は、給電用電源E_pの周波数f_pにより送信コイル１０と受信コイル１２とが共振するように回路設計されている。また、第３のフィルタ回路１７と第４のフィルタ回路２１は、位置検出用電源E_dの周波数f_dにより送信コイル１０と受信コイル１２とが共振するように回路設計されている。

【0015】

第１のフィルタ回路１３〜第４のフィルタ回路２１は、異なる周波数として設定した給電用電源と位置検出用電源の作用を重畳し、かつ分離する機能をもたせるために設けたものである。給電に用いる周波数f_pと位置検出に用いる周波数f_dを適当に設定することにより、異なる周波数による機能を的確に重畳しかつ分離することができる。

【0016】

送信コイル１０と受信コイル１２とを離間させて配置する場合、相互間距離に応じて受信コイル１２に鎖交する磁束が変化し、検出側の入力インピーダンスZ_din（第１の検出回路２０）が変化する。また、結合係数kは距離lに依存するから、結合係数kの変化を検出できればlを求めることができる。本実施形態においては、Z_dinに基づいてkを検出し、結合係数ｋと距離ｌとの関係から送信コイル１０と受信コイル１２との間の距離を検出する。
なお、第２の給電回路１６において、整流回路（不図示）及びバッテリーの負荷をZ_Lとしている。負荷インピーダンスZ_Lは、受信側の充電状態によって変化する。したがって、送信コイル１０と受信コイル１２との距離を正確に検知できるようにするには、Z_Lに依存してZ_dinが変化しないように回路設計する必要がある。

【0017】

（動作原理）
図２、３は、図１に示した非接触給電システムについて、給電における電流の流れ（図２）と、距離検出における電流の流れ（図３）を示したものである。
本実施形態の非接触給電システムでは、上述したように、給電についての共振回路として、第１のフィルタ回路１３と第２のフィルタ回路１５により、送信コイル１０と受信コイル１２とを周波数f_pで共振させる回路と、距離検出についての共振回路として、第３のフィルタ回路１７と第４のフィルタ回路２１により、送信コイル１０と受信コイル１２とを周波数f_dで共振させる回路を備える。

【0018】

図２に示す給電における電流の流れは次のようになる。
送信側では、第１のフィルタ回路１３を挿入することで送信コイル１０をf_pで共振させる。このとき、第３のフィルタ回路１７は、給電用電源E_p（第１の給電回路１４）による電流I_d1(f_p)が位置検出用電源E_d（第１の位置検出回路２０）へ流れ込むことを防止するように作用する。これにより、E_pによる電流I_p1(f_p)はE_dに流れずに送信コイル１０のみに流れる。
受信側では、第２のフィルタ回路１５を挿入することで受信コイル１２をf_pで共振させる。また、第４のフィルタ回路２１はE_pによる電流I_d2(f_p)が距離検出用負荷Z_d（第２の位置検出回路２２）に流れ込むのを防止する。その結果、電流I_d2(f_p)はZ_dに流れない。

【0019】

また、図３に示す位置検出（距離検出）における電流の流れは次のようになる。
送信側では、第３のフィルタ回路１７（第１の位置検出回路２０）を挿入することで送信コイル１０をf_dで共振させる。また、第１のフィルタ回路１３（第１の給電回路１４）はEdによる電流I_p1(f_d)のE_pへの流れ込みを防止する。その結果、E_dによる電流I_p1(f_d)はE_pに流れずに送信コイル１０にのみ流れる。
受信側では、第４のフィルタ回路２１（第２の位置検出回路２２）を挿入することで受信コイル１２をf_dで共振させる。また、第２のフィルタ回路１５はE_dによる電流I_p2 (f_d)の給電用負荷Z_L（第２の給電回路１６）への流れ込みを防止し、電流I_p2(f_d)は給電回路の負荷インピーダンスZ_Lには流れない。

【0020】

このように、給電時における周波数f_pの給電用電源E_pによる電流の作用は、第１の給電回路１４と第２の給電回路１６との間でのみ作用し、第１の位置検出回路２０と第２の位置検出回路２２には何ら作用を及ぼさない。また、位置検出における周波数f_dの位置検出用電源E_dによる電流の作用は、第１の位置検出回路２０と第２の位置検出回路２２との間でのみ作用し、第１の給電回路１４と第２の給電回路１６には何ら作用を及ぼさない。

【0021】

したがって、この非接触給電システムによれば、周波数f_pの給電用電源E_pと、f_pとは異なる周波数f_dの位置検出用電源E_dを同時入力する方法により、給電回路の負荷インピーダンスZ_Lの変化に依存せず、すなわち給電とは独立して、検出側の入力インピーダンスZ_dinを検出することができる。
検出側の入力インピーダンスZ_dinは、送信コイル１０と受信コイル１２との距離に依存して変化するから、検出側の入力インピーダンスZ_dinを検知することにより、送信コイル１０と受信コイル１２との距離を検出することができる。すなわち、本実施形態の非接触給電システムによれば、給電を行いながら、リアルタイムで送信コイル１０と受信コイル１２の位置（距離）を検出することが可能となる。

【0022】

図１に示した、検出回路１９は、位置検出回路により検出した入力インピーダンスZ_dinの値から、結合係数ｋを求め、ｋの値から送信コイル１０と受信コイル１２の距離ｌを演算して求める回路である。検出回路１９において、入力インピーダンスZ_dinの変化量を検出する方法には、回路に流れる電流値や電圧値の変化から検知する方法や、方向性結合器を使用して反射係数の変化から検知する方法を利用することができる。
検出回路１９は、送信コイル１０と受信コイル１２の相互間距離や、中心位置の位置ずれといった位置検出を行うタイミング等についても制御し、位置検出結果を出力して、たとえば、受信コイル１２を搭載した自動車を正規位置に移動させるといった制御に利用することも可能である。

【0023】

（送受信コイルの構造）
以下では、非接触給電システムの実際の回路例について、検出側の入力インピーダンスZ_dinから送受信コイルの位置（距離）検出が可能であることを解析した結果について説明する。
非接触給電システムにおいては、オープン形ヘリカルコイル（以下、ヘリカルコイル）、ソレノイドコイル、スパイラルコイル、及びこれらに鉄心を挿入したコイル等が使用できる。図４に、非接触給電システムの解析において、送信コイル１０及び受信コイル１２として使用したヘリカルコイルを示す。ヘリカルコイルの共振周波数を13.56MHzとするため、外径d_o＝304mm、内径d_i＝300mmとし、巻数Ｎ＝5、ピッチｐ＝3.5mm、軸線方向の長さl_a＝16mmとした。導線の導体径は2mmである。

【0024】

表1に周波数13.56MHzにおけるコイルのインピーダンス特性を示した。測定にはネットワークアナライザを用いた。なお、抵抗R、インダクタンスL、キャパシタンスCは周波数によらず一定としており、コイルのQ値は次式で与えられる。
Q＝ωL／R
ここで、ω：角周波数（＝２πｆ rad/s)。R、L、C、Qは送受信コイルで同じ値とする。

【表1】

【0025】

（等価回路）
図５に、上述した位置（距離）検出機能を備える非接触給電システムの等価回路を示す。送信コイル１０と受信コイル１２のヘリカルコイルの等価回路はR、L、Cを直列に接続したもので表現される。
給電用電源E_p＝10V、位置検出用電源E_d＝1Vであり、両者の内部インピーダンスは０Ωとした。なお、給電に用いる周波数f_pはISMバンドである13.56 MHz付近とし、周波数分離をしやすくするために、位置検出に用いる周波数f_dはf_pの10分の1以下である1MHz付近とした。さらに、給電回路と検出回路を絶縁するために絶縁トランス１８を挿入する。図５に示すように、給電側の入力電力をP_i、出力電力をP_oとする。

【0026】

【表2】

【0027】

表２に上記等価回路の回路素子の値を示す。f_p＝13.56 MHzにおいて第１のフィルタ回路１３と第２のフィルタ回路１５のコイルが共振し、かつE_dによる電流の流れ込みを防止するため、L_p1とC_p1、L_p2とC_p2をそれぞれ138μHと1pF、1.38mHと0.1pFとした。また、f_d＝1MHzにおいて第３のフィルタ回路１７と第４のフィルタ回路２１のコイルが共振し、かつE_pによる電流の流れ込みを防止するため、L_d1とL_d2を1.6 mHとした。なお、L₁とL_d1の抵抗成分としてR₁とR_dを1Ωとした。
充電に用いられているリチウムイオン電池は、充電状態によって内部インピーダンスが10Ωから20kΩ程度の範囲で変化する。そこで、負荷インピーダンスZ_Lを10Ω、100Ω、1 kΩ、10kΩとして解析した。

【0028】

（電力伝送）
表１と表２のパラメータを使用し、回路シミュレーションソフトを使用して解析した。E_p＝10V、E_d＝1V、f_d＝976.6ｋHzとした。図６に結合係数ｋをパラメータとする伝送特性を示す（E_p=10V、E_d=1V、f_d=976.6kHz、Z_L=10Ω）。
図６（ａ）は、入力電力-周波数特性である。k＝0.25とk＝0.50の場合に双峰特性があらわれた。双峰特性の影響で13.56MHz付近において入力電力P_iが減少した。また、Z_L＝100Ω、1kΩ、10kΩの場合でも双峰特性があらわれた。
図６（ｂ）は、出力電力-周波数特性である。k＝0.25とk＝0.50の場合に双峰特性があらわれた。双峰特性の影響で13.56MHz付近において出力電力P_oが減少した。

【0029】

そこで、伝送電力を大きくするためにはP_oが高くなる周波数に伝送周波数を切り替えることが考えられる。しかし、ISMバンドでは使用周波数範囲が決められている。たとえば、13.56 MHzでは使用周波数範囲が13.56 MHz±7kHz以内と定められている。したがって、最適な伝送が行える周波数に切り替えることは現実的ではなく、双峰特性への対応が必要である。

【0030】

図６（ｃ）に伝送効率-周波数特性を示した。伝送効率ηは次式により算出した。
η＝（P_o／P_i）×100（％）
伝送効率は、13.547MHzで最大となり、k＝0.01、0.25、0.50におけるηは、それぞれ33.9%、91.1%、91.1%であった。k＝0.25とk＝0.50における13.547 MHzでのP_i、P_oは非常に低いものの伝送効率ηは高くなる。P_iおよびP_oを向上するためにも双峰特性の改善が必要である。

【0031】

図７に、最大伝送効率-結合係数特性を示した（E_p=10V、f_p=13.547MHz、E_d=1V、f_d=976.6kHz、Z_L=10Ω）。図７に示す最大伝送効率η_mは、Z_L＝10Ω、f_p＝13.547MHzにおける伝送効率である。
図７から、結合係数ｋの値が0.05以上の場合には伝送効率が90％になることがわかる。また、図７は、結合係数0.01付近で急激に伝送効率が低下することを示す。これは非接触給電にみられる現象である。

【0032】

（距離検出）
図８に結合係数ｋをパラメータとする検出側の入力インピーダンス-周波数特性を示した（E_p=10V、f_p=13.547MHz、E_d=1V、Z_L=10Ω）。同図に基づきkが変化する際にZ_dinの変化が最も大きくなる（傾きが最も大きくなる）周波数を選定したところ、周波数f_d=976.6 kHzとなった。以降の解析では、位置検出用の周波数をf_d=976.6 kHzとして行う。

【0033】

図９に給電回路の出力側の負荷インピーダンスZ_Lをパラメータとする検出側の入力インピーダンス-結合係数特性を示す（E_p=10V、f_p=13.547MHz、E_d=1V、f_d=976.6kHz）。
k=0.01、0.25、0.50のときのZ_dinは、それぞれ5.49Ω、5.22Ω、4.50Ωであった。これより、k=0.01から0.25に変化させた場合におけるZ_dinの変化は5%であり、k=0.01から0.50に変化させた場合におけるZ_dinの変化は18%である。
また、k=0.50でZ_L=10Ω、10kΩのときのZ_dinは、それぞれ4.5003Ω、4.5008Ωであり、Z_Lに依存するZ_dinの変化は0.01%以下であった。なお、Z_Lに依存するZ_dinの変化量はｋ＝0.50のときが最大で、その他の場合はいずれもこれを下回っていた。

【0034】

図９に示す解析結果は、給電回路側の負荷インピーダンスZ_Lの変動には全く依存せずにZ_dinを測定することができること、すなわち位置検出回路の入力インピーダンスZ_dinから結合係数ｋを求めることができ、結合係数ｋに基づいて送信コイル１０と受信コイル１２との距離ｌを求めることができることを示す。

【0035】

（電流の重畳、分離特性：解析）
図１０は送信側における電流-結合係数特性を示したものである。
図１０（a）は、送信側の給電用電源に流れる電流-結合係数特性を示す（E_p=10V、f_p=13.547MHz、E_d=1V、f_d=976.6kHz、Z_L=10Ω）。k=0.01のとき、給電側の電流I_p1(f_p)と、位置検出回路から給電側に流れ込む電流I_p1(f_d)は、それぞれ627.4 mAと11.1 mAであり、位置検出回路から給電用電源へ流れる電流の影響は回避されている。また、k=0.50のとき、I_p1(f_p)とI_p1(f_d)は、それぞれ8.2 mAと13.5 mAで同程度となっている。これは、双峰特性の影響により、I_p1(f_p)が減少したためである。

【0036】

図１０（b）に送信側の位置検出回路での電流-結合係数特性を示した（E_p=10V、f_p=13.547MHz、E_d=1V、f_d=976.6kHz、Z_L=10Ω）。
k=0.01のとき、位置検出回路に流れ込む給電側からの電流I_d1(f_p)と、位置検出電源の電流I_d1(f_d)は、それぞれ81.9μAと182.2 mAであり、位置検出電源の電流I_d1(f_d)に対して給電用電源からの電流I_d1(f_p)は0.04%以下であり、給電用電源E_pの電流が位置検出用電源E_dに流れ込む作用は確実に回避されている。なお、図１０はZ_L=10Ωの場合を示すが、Z_L=10Ω以外のZ_Lについても同様の結果が得られた。

【0037】

図１１は受信側の電流−結合係数特性を示したものである（E_p=10V、f_p=13.547MHz、E_d=1V、f_d=976.6kHz、Z_L=10Ω）。
図１１（a）は給電用電源E_pと位置検出用電源E_dが負荷インピーダンスZ_Lの電流に及ぼす影響を解析したものである。図１１（a）に示すように、k=0.50のとき、I_p2(f_p)とI_p2(f_d)は、それぞれ25.6mAと61.9μAであった。すなわち、給電用電源E_pから流れる電流に対して、位置検出用電源E_dからZ_Lに流れ込む電流は常に0.2%以下であり、位置検出用電源E_dによる負荷インピーダンスZ_Lに対する影響は十分に小さくなっている。

【0038】

図１１（b）は受信用の位置検出回路に対する給電用電源E_pと位置検出用電源E_dの影響を調べた結果を示す。k=0.01のときにI_d2(f_p)とI_d2(f_d)は、それぞれ65.8μAと166.1μAであり、I_d2(f_d)に対してI_d2(f_p)は39.6%以下であった。この場合、受信側の検出回路には給電用電源E_pによる電流がある程度流れるが、図９に示すように、結合係数ｋの検出には支障がなく、受信側の検出回路に給電用電源が影響することについては問題はない。

【0039】

図１１（c）は、受信側の給電回路と位置検出回路に対する給電用電源E_pの影響を調べた結果を示す。k=0.50のとき、負荷インピーダンスZ_Lに流れる電流I_p2(f_p)と、位置検出回路に流れ込む電流I_d2(f_p)は、それぞれ25.6mAと4.3μAであり、I_p2(f_p)に対してI_d2(f_p)は0.02%であり、位置検出回路に流れ込む電流I_d2(f_p)は伝送効率にまったく影響を与えない十分に小さな値となっている。すなわち、給電回路と位置検出回路とは、f_p成分とf_d成分とが明確に分離されており、上述した非接触給電システムにより給電と位置（距離）検出の双方の機能を達成することが可能になる。

【0040】

上記実施形態の非接触給電システムは、一対の送信コイル１０と受信コイル１２との間における給電と相互の位置検出について適用した例であるが、本発明に係る非接触給電システムは、単一の送信コイルと受信コイルとの間における給電に適用する場合に限るものではない。
図１２は、平面内に２個以上の送信コイル１０を配置し、送信コイル１０に対向配置した一つの受信コイル１２との間において給電する例である。この場合も、複数の送信コイル１０と受信コイル１２との間に、給電用と位置検出用として異なる共振周波数を有する共振回路を設定することにより個々の送信コイル１０と受信コイル１２との間における給電と位置検出を分離して行うことができる。

【0041】

図１２においては、送信コイル１０を同一平面内に配置しているが、送信コイル１０は同一平面内に配置しなければならないものではない。送信コイル１０を高さ方向に異なる配置とすることも可能である。図１３は、三次元空間内に複数の送信コイル１０を配置し、送信コイル１０と受信コイル１２との間において給電する例を示す。このように三次元空間の任意位置に送信コイル１０を配置した場合も、上記例と同様の方法により、個々の送信コイル１０と受信コイル１２との給電と位置検出が可能である。このような三次元的に送信コイル１０を配置した場合は、送信コイル１０と受信コイル１２との間で給電する場合に、最も効率的に給電が行える給電コイル１０を選択して給電する、といった制御が可能になる。

【0042】

図１２、１３は、一つの受信コイル１２を使用する例であるが、本発明に係る非接触給電システムは、受信コイル１２を一つとする場合に限定されるものではない。たとえば、単一の送信コイル１０と複数個の受信コイル１２との間で非接触給電する場合、複数個の送信コイル１０と複数個の受信コイル１２との間で非接触給電する場合も、給電用の周波数と位置検出用の周波数を適宜設定することにより、給電作用と位置検出作用を分離、独立させて行うことが可能である。

【0043】

本発明に係る非接触給電システムは、給電と位置検出に異なる周波数を用いることにより、給電と位置検出とを重畳して行いながら、それぞれの作用を分離することを可能にしたものであり、受信コイル側の負荷に依存することなく位置検出を可能にした点で特徴的である。
また、給電に使用する送受信コイルを用いて給電と位置検出を行うことにより、回路構成を簡素化し、回路の小型化を図ることができるという利点がある。

【0044】

また、上記実施形態では、送受信コイルとしてヘリカルコイルを使用したが、ヘリカルコイル以外のソレノイドコイル、スパイラルコイル、鉄心を有するコイル等であっても、各素子の値を変えることにより上記実施形態と同様の非接触給電システムを構築することができる。

【0045】

また、上記実施形態では、磁界共振結合形非接触給電を例に給電作用と位置検出作用が独立してなされることを示したが、電磁誘導形非接触給電の場合も上記実施形態と同様に、給電回路と位置検出回路を設けることにより、給電作用と位置検出作用を独立して行うことができる。また、非接触給電方法として従来利用されている、電界結合方式やマイクロ波方式を用いた非接触給電の場合においても、給電と位置検出に異なる周波数を設定することにより、給電作用と位置検出作用が分離、独立して作用するように設計することが可能である。

【符号の説明】

【0046】

１０ 送信コイル
１２ 受信コイル
１３ 第１のフィルタ回路
１４ 第１の給電回路
１５ 第２のフィルタ回路
１６ 第２の給電回路
１７ 第３のフィルタ回路
１８ 絶縁トランス
１９ 検出回路
２０ 第１の位置検出回路
２１ 第４のフィルタ回路
２２ 第２の位置検出回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】