特開 2022-185965 ワイヤレス給電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022185965

(43)【公開日】2022-12-15

(54)【発明の名称】ワイヤレス給電システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/90 20160101AFI20221208BHJP

   H02J 50/12 20160101ALI20221208BHJP

   H02J 50/40 20160101ALI20221208BHJP

【ＦＩ】

H02J50/90

H02J50/12

H02J50/40

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021093928

(22)【出願日】2021-06-03

(71)【出願人】

【識別番号】000116079

【氏名又は名称】ローレルバンクマシン株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】500267170

【氏名又は名称】ローレル機械株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】500265501

【氏名又は名称】ローレル精機株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100169960

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 貴光

(72)【発明者】

【氏名】中西 秀行

(72)【発明者】

【氏名】土方 亘

(72)【発明者】

【氏名】大堀 隼輝

(72)【発明者】

【氏名】小澤 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】李 想

(57)【要約】

【課題】被給電装置を搭載した移動体の移動性を損なうことなく、給電装置と被給電装置との位置関係を精度良く把握して送受電を安定して行うワイヤレス給電システムを提供する。
【解決手段】磁界共鳴方式により電力を送電するワイヤレス給電システム１は、送電コイル２１をそれぞれ備えている給電装置２ａ～２ｃと、送電コイル２１から第１周波数の交流電力を受電する受電コイル３１と、第１周波数と異なる周波数である第２周波数の交流信号を出力するとともに交流信号を受電コイル３１から送信させる発信回路３７と、を備えている被給電装置３と、受電コイル３１から各給電装置２ａ～２ｃにそれぞれ伝播した交流信号の強度に基づいて、各給電装置２ａ～２ｃに対する受電コイル３１の位置を推定する位置推定装置６と、を備えている
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁界共鳴方式により電力を送電するワイヤレス給電システムであって、
送電コイルをそれぞれ備えている複数の給電装置と、
前記送電コイルから第１周波数の交流電力を受電する受電コイルと、前記第１周波数と異なる周波数である第２周波数の交流信号を出力するとともに前記交流信号を前記受電コイルから送信させる発信回路と、を備えている被給電装置と、
前記受電コイルから各給電装置にそれぞれ伝播した前記交流信号の強度に基づいて、各給電装置と受電装置との位置関係を推定する位置推定装置と、
を備えていることを特徴とするワイヤレス給電システム。

【請求項2】

磁界共鳴方式により電力を送電するワイヤレス給電システムであって、
送電コイルをそれぞれ備えている複数の給電装置と、
前記送電コイルから第１周波数の交流電力を受電する受電コイルと、前記第１周波数と同一又は前記第１周波数に対して所定範囲内の周波数の交流信号を出力するとともに前記交流信号を前記受電コイルから送信させる発信回路と、を備えている被給電装置と、
前記受電コイルから各給電装置にそれぞれ伝播した前記交流信号の強度に基づいて、各給電装置と受電装置との位置関係を推定する位置推定装置と、
を備えていることを特徴とするワイヤレス給電システム。

【請求項3】

前記位置推定装置は、
各送電コイルにそれぞれ対応して接続され、前記交流電力を遮断するとともに前記送電コイルが受信した前記交流信号を通過させる複数のフィルタ回路と、
前記複数のフィルタ回路をそれぞれ通過した前記交流信号の強度に基づいて、前記受電コイルに最も近い給電装置を推定する位置推定部と、
を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のワイヤレス給電システム。

【請求項4】

前記位置推定装置は、
各送電コイルの近傍にそれぞれ対応して設けられ、前記交流信号を受信する複数のアンテナコイルと、
前記複数のアンテナコイルがそれぞれ受信した前記交流信号の強度に基づいて、前記受電コイルに最も近い給電装置を推定する位置推定部と、
を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のワイヤレス給電システム。

【請求項5】

前記被給電装置は、前記受電コイルと前記交流電力が供給される負荷との間に設けられ、所定の周波数帯で駆動可能な整流回路をさらに備え、
前記第２周波数は、前記所定の周波数帯を超えた周波数又は前記整流回路の整流効率が所定の比率以下である周波数に設定されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のワイヤレス給電システム。

【請求項6】

前記整流回路は、複数のダイオードを有するダイオードブリッジ回路であり、
前記第２周波数は、前記ダイオードの応答周波数を超えた周波数又は前記ダイオードの出力がＤＣ特性の所定閾値より低くなる周波数に設定されていることを特徴とする請求項５に記載のワイヤレス給電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ワイヤレス給電システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、磁界共振結合（磁界共鳴）を利用したワイヤレス給電システムの研究開発が進められている。磁界共振結合とは、給電装置の共振回路に交流電流が流れることにより発生した磁場の振動が、被給電装置の共振回路に伝わって共振することで、各共振回路のコイルで生成された磁界が強固に結合した状態をいう。磁界共振結合を利用したワイヤレス給電は、従来の電磁誘導（磁界結合）を利用したワイヤレス給電と比較して、給電可能距離が長くなるという利点がある。

【0003】

特許文献１には、給電コイルＬ１から共振コイルＬ２に対して送電するとともに、被給電装置２００の置き方に自由度を持たせるために、多数の給電コイルL１を行列状に配置する構成が開示されている。また、特許文献１には、必要な給電コイルＬ１のみを駆動して給電コイルＬ１の消費電力を低減するために、発信回路２０３が所定の周波数でコイルＬ３を駆動し、コイルＬ３に物理的に最も近い共振コイルＬ０ｂが被給電装置２００からの信号を検知することにより、被給電装置２００の位置が検出される構成が開示されている。なお、符号は、特許文献１に記載されたものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６－１４９１６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上述したコイルＬ３を被給電装置２００に設けると、コイルＬ３の分だけ重量が増すとともに装置サイズが大型化するため、ＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等の移動体に被給電装置２００を搭載した場合、移動体の移動性が悪化するという問題があった。

【0006】

さらに、共振コイルＬ２とコイルＬ３との間で干渉が生じる虞があるため、共振コイルＬ２とコイルＬ３とを被給電装置２００に併せて搭載することは実用性に欠けるという問題があった。

【0007】

そこで、被給電装置を搭載した移動体の移動性を損なうことなく、且つ給電装置と被給電装置との位置関係を精度良く把握して送受電を安定して行うために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明に係るワイヤレス給電システムは、磁界共鳴方式により電力を送電するワイヤレス給電システムであって、送電コイルをそれぞれ備えている複数の給電装置と、前記送電コイルから第１周波数の交流電力を受電する受電コイルと、前記第１周波数と異なる周波数である第２周波数の交流信号を出力するとともに前記交流信号を前記受電コイルから送信させる発信回路と、を備えている被給電装置と、前記受電コイルから各給電装置にそれぞれ伝播した前記交流信号の強度に基づいて、各給電装置に対する前記受電コイルの位置を推定する位置推定装置と、を備えている。

【0009】

また、上記目的を達成するために、本発明に係るワイヤレス給電システムは、磁界共鳴方式により電力を送電するワイヤレス給電システムであって、送電コイルをそれぞれ備えている複数の給電装置と、前記送電コイルから第１周波数の交流電力を受電する受電コイルと、前記送電コイルから第１周波数の交流電力を受電する受電コイルと、前記第１周波数と同一又は前記第１周波数に対して所定範囲内の周波数の交流信号を出力するとともに前記交流信号を前記受電コイルから送信させる発信回路と、を備えている被給電装置と、前記受電コイルから各給電装置にそれぞれ伝播した前記交流信号の強度に基づいて、各給電装置と受電装置との位置関係を推定する位置推定装置と、を備えている。

【発明の効果】

【0010】

本発明は、被給電装置を搭載した移動体の移動性を損なうことなく、被給電装置の位置検知及び送受電を安定して行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明に係るワイヤレス給電システムの概要を示す模式図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成を示す模式図である。

【図3】本発明の第２実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係るワイヤレス給電システム１について図面に基づいて説明する。なお、以下では、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

【0013】

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

【0014】

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。

【0015】

＜ワイヤレス給電システムの構成＞
図１は、ワイヤレス給電システム１の概要を示す模式図である。図２は、ワイヤレス給電システム１の構成を示す模式図である。ワイヤレス給電システム１は、給電装置２と、被給電装置３と、を備え、磁界共振結合（磁界共鳴）を利用して、給電装置２から被給電装置３に電力を非接触で給電する。

【0016】

給電装置２は、被給電装置３を搭載した移動体４の上方に列状に３台設けられている。各給電装置２に接続された交流電源５は、給電装置２に対して交流電力を供給する。交流電力は、例えば、周波数１５０ｋＨｚ、電圧１０Ｖに設定されるが、交流電源５の周波数及び電圧は任意に変更可能である。

【0017】

移動体４は、被給電装置３が受電した交流電力で所定の空間内を移動可能に浮遊するロボット飛翔体等であるが、これに限定されるものではなく、例えば、車両、水中ロボット、カプセル内視鏡、心臓ペースメーカー等であっても構わない。

【0018】

また、ワイヤレス給電システム１は、上述した複数の給電装置２のうち、被給電装置３に最も近い給電装置２のみを駆動し、その他の給電装置２を駆動しないことで、給電装置２の消費電力を低減する位置推定装置６を備えている。位置推定装置６の構成については、後述する。

【0019】

以下の説明では、３台の給電装置２をそれぞれ区別する場合には、末尾にａ～ｃを付与する。また、給電装置２ａ～２ｃにそれぞれ対応する各種構成についても同様に符号の末尾にａ～ｃを付与する。

【0020】

＜給電装置の構成＞
図２に示すように、給電装置２ａは、送電コイル２１ａと、コンデンサ２２ａと、を備えている。また、送電コイル２１ａ及びコンデンサ２２ａは、直列に接続されて給電側共振回路２３ａを構成している。送電コイル２１ａのインダクタンス及びコンデンサ２２ａのキャパシタンスによって設定される給電側共振回路２３ａの共振周波数に応じた周波数の交流電圧が送電コイル２１ａに流れると、送電コイル２１ａをコイル軸方向に貫くように振動磁場が生じる。

【0021】

同様にして、給電装置２ｂは、送電コイル２１ｂとコンデンサ２２ｂとが直列に接続されて成る給電側共振回路２３ｂを備えており、送電コイル２１ｂのインダクタンス及びコンデンサ２２ｂのキャパシタンスによって設定される給電側共振回路２３ｂの共振周波数に応じた周波数の交流電圧が送電コイル２１ｂに流れると、送電コイル２１ｂをコイル軸方向に貫くように振動磁場が生じる。

【0022】

また、給電装置２ｃは、送電コイル２１ｃとコンデンサ２２ｃとが直列に接続されて成る給電側共振回路２３ｃを備えており、送電コイル２１ｃのインダクタンス及びコンデンサ２２ｃのキャパシタンスによって設定される給電側共振回路２３ｃの共振周波数に応じた周波数の交流電圧が送電コイル２１ｃに流れると、送電コイル２１ｃをコイル軸方向に貫くように振動磁場が生じる。

【0023】

送電コイル２１ａ～２１ｃは、電気伝導率の高い銅線等を円形に巻回して形成されている。なお、銅線内を流れる電流は、内部抵抗の影響によって銅線の中心部よりも表面付近を多く流れる。したがって、送電コイル２１ａ～２１ｃの線材に複数の銅線を撚り合わせたリッツ線を用いた場合には、同一径の１本の銅線と比べて、リッツ線の表面積が大きくなり、より多くの電流を流すことができ、電流損失を抑制できる。

【0024】

給電側共振回路２３ａには、スイッチ２４ａが直列に接続されている。また、給電側共振回路２３ｂには、スイッチ２４ｂが直列に接続され、給電側共振回路２３ｃには、スイッチ２４ｃが直列に接続されている。スイッチ２４ａ～２４ｃは、後述するコントローラ６４によって開閉制御される。

【0025】

＜被給電装置の構成＞
図２に示すように、被給電装置３は、受電コイル３１と、コンデンサ３２と、を備えている。

【0026】

受電コイル３１とコンデンサ３２とは、直列に接続されて受電側共振回路３３を構成している。受電コイル３１のインダクタンス及びコンデンサ３２のキャパシタンスによって設定される受電側共振回路３３の共振周波数は、給電側共振回路２３ａ～２３ｃの共振周波数と一致するように設定されている。これにより、送電コイル２１をコイル軸方向に貫くように生じた磁場の振動によって、受電コイル３１に誘導電流が流れ、受電コイル３１をコイル軸方向に貫くように振動磁場が生じ、送電コイル２１ａ～２１ｃ及び受電コイル３１の磁場が共鳴して強固に結合する。

【0027】

受電コイル３１は、電気伝導率の高い銅線等を円形に巻回して形成されている。なお、受電コイル３１も送電コイル２１と同様に、線材にリッツ線を用いるのが好ましい。

【0028】

受電コイル３１が共振受電した交流電力は、整流回路３４を介して負荷４１に供給される。負荷４１は、移動体４を構成するモータやバッテリ等である。

【0029】

整流回路３４は、４つのダイオード３５がブリッジ上に配置されて成るダイオードブリッジ回路であり、受電コイル３１が受電した交流電力に対して全波整流を行い、直流電圧を出力する。整流回路３４が出力した直流電圧は、コンデンサ３６により平滑化される。なお、整流回路３４は、図示したダイオードブリッジ回路に限定されるものではない。

【0030】

被給電装置３は、発信回路３７を備えている。発信回路３７は、整流回路３４が出力した電力で駆動し、所定の周波数の交流信号を受電コイル３１に出力する。発信回路３７から出力された交流信号は、受電コイル３１から給電装置２ａ～２ｃに向けて発信される。

【0031】

＜位置推定装置の構成＞
位置推定装置６は、給電装置２ａ～２ｃに対する被給電装置３（受電コイル３１）の相対的な位置を推定可能である。図２に示すように、位置推定装置６は、フィルタ回路６１ａ～６１ｃと、信号検出回路６２ａ～６２ｃと、位置推定部６３と、コントローラ６４と、を備えている。

【0032】

フィルタ回路６１ａ～６１ｃは、送電コイル２１ａ～２１ｃに対応してそれぞれ接続されている。フィルタ回路６１ａは、給電側共振回路２３ａ内に混在する交流電力と送電コイル２１ａが受信した交流信号とを分離して、交流信号を抽出する。同様に、フィルタ回路６１ｂは、給電側共振回路２３ｂ内に混在する交流電力と送電コイル２１ｂが受信した交流信号とを分離して交流信号を抽出し、フィルタ回路６１ｃは、給電側共振回路２３ｃ内に混在する交流電力と送電コイル２１ｃが受信した交流信号とを分離して交流信号を抽出する。

【0033】

すなわち、送電コイル２１ａ～２１ｃの交流電源５側には、送電コイル２１ａ～２１ｃから生じた交流電力と、発信回路３７により出力されて送電コイル２１ａ～２１ｃで受信した交流信号と、が混在した状態で供給されるため、交流信号のみを精度良く抽出することが難しい。そこで、送電コイル２１ａ～２１ｃの交流電源５側に設けられたフィルタ回路６１ａ～６１ｃが、送電コイル２１ａ～２１ｃから生じた交流電力と、発信回路３７により出力されて送電コイル２１ａ～２１ｃで受信した交流信号とを分離することにより、送電コイル２１ａ～２１ｃで受信した交流信号のみを通過させることができる。

【0034】

信号検出回路６２ａ～６２ｃは、フィルタ回路６１ａ～６１ｃに対応してそれぞれ接続されている。信号検出回路６２ａは、フィルタ回路６１ａが抽出した交流信号の強度を検出する。同様に、信号検出回路６２ｂは、フィルタ回路６１ｂが抽出した交流信号の強度を検出し、信号検出回路６２ｃは、フィルタ回路６１ｃが抽出した交流信号の強度を検出する。なお、信号検出回路６２ａ～６２ｃは、それぞれ独立した図示しないＤＣ電源により駆動する。

【0035】

位置推定部６３は、信号検出回路６２ａ～６２ｃがそれぞれ検出した交流信号の強度に基づいて、給電装置２ａ～２ｃに対する被給電装置３（受電コイル３１）の位置を推定する。コントローラ６４は、スイッチ２４ａ～２４ｃをオンオフ制御し、被給電装置３（受電コイル３１）の位置に対応するスイッチ２４ａ～２４ｃをオンして、他のスイッチ２４ａ～２４ｃをオフする。

【0036】

次に、ワイヤレス給電システム１の作用について、図面に基づいて説明する。

【0037】

＜初期送電＞
まず、３つの送電コイル２１の全て又は少なくとも何れか１つに交流電力を順次供給すると、被給電装置３に最も近い送電コイル２１に通電されたときに、通電された送電コイル２１をコイル軸方向に貫くように振動磁場が生じる。また、磁場の振動によって、受電コイル３１に誘導電流が流れ、受電コイル３１をコイル軸方向に貫くように振動磁場が生じる。このようにして、通電された送電コイル２１及び受電コイル３１の磁場が共鳴して強固に結合し、第１周波数（例えば、１５０ｋＨｚ）の交流電力が、送電コイル２１から受電コイル３１に送電される。

【0038】

なお、初期送電で給電装置２から被給電装置３へ供給される交流電力は、発信回路３７の駆動に足りる程度の小電力であっても構わない。

【0039】

＜信号発信＞
次に、受電コイル３１が受電して整流回路３４により整流された直流電圧によって、発信回路３７が駆動する。発信回路３７は、微弱な交流信号を受電コイル３１に対して出力する。

【0040】

発信回路３７が出力する交流信号の周波数は、交流信号が交流電力に干渉することを抑制するために、第１周波数及びその高調波と異なる周波数である第２周波数（例えば、数千ｋＨｚ）に設定される。

【0041】

第２周波数は、整流回路３４が駆動可能な周波数帯を超えた周波数又は整流回路３４の整流効率が所定比率（例えば、１／１０）以下となる周波数に設定されるのが好ましい。特に、整流回路３４としてダイオードブリッジ回路を用いた場合には、第２周波数は、ダイオード３５の応答周波数を超えた周波数又はダイオード３５の出力がＤＣ特性の所定閾値（例えば、１／１０）より低くなる周波数に設定されるのが好ましい。

【0042】

＜位置推定＞
交流信号が、受電コイル３１から給電装置２ａ～２ｃまで伝播して、受電コイル３１と磁場共鳴する送電コイル２１ａ～２１ｃが、受電コイル３１から発信された第２周波数の交流信号をそれぞれ受信すると、フィルタ回路６１ａ～６１ｃが、給電側共振回路２３ａ～２３ｃ内に存在する第１周波数の交流電力を遮断するとともに、第２周波数の交流信号を通過させる。そして、信号検出回路６２ａ～６２ｃは、フィルタ回路６１ａ～６１ｃを通過した交流信号の強度をそれぞれ検出する。

【0043】

次に、位置推定部６３は、信号検出回路６２ａ～６２ｃがそれぞれ検出した交流信号の強度に応じて、受電コイル３１に最も近い給電装置２ａ～２ｃを推定する。具体的には、位置推定部６３は、信号検出回路６２ａ～６２ｃがそれぞれ検出した交流信号の強度を比較し、最も強度が強い交流信号を受信した信号検出回路６２ａ～６２ｃに対応する給電装置２が受電コイル３１に最も近いと推定する。

【0044】

図２に示す本実施形態では、被給電装置３（受電コイル３１）が、給電装置２ｂに最も近い位置にある。そのため、受電コイル３１と送電コイル２１ｂとが磁場共鳴し、受電コイル３１から送信された交流信号は、強い強度で送電コイル２１ｂに受信される。

【0045】

一方、被給電装置３（受電コイル３１）は、給電装置２ａ、２ｃとコイルの径方向にオフセットした位置にあり、給電装置２ａ、２ｃと受電コイル３１との距離は、給電装置２ｂと受電コイル３１との距離に比べて遠い。したがって、受電コイル３１と送電コイル２１ａ、２１ｃとは磁場共鳴しない又は非常に弱い磁場共鳴状態となり、受電コイル３１から送信された交流信号は、送電コイル２１ａ、２１ｃで受信されない又は非常に弱い強度で受信される。

【0046】

以下では、上述したように、給電装置２ｂが受電コイル３１に最も近い場合を例に説明する。

【0047】

そして、コントローラ６４は、位置推定部６３が受電コイル３１に最も近いと選定した給電装置２ｂに対応するスイッチ２４ｂをオンするとともに、他の給電装置２ａ、２ｃに対応するスイッチ２４ａ、２４ｃをオフにする。

【0048】

＜本送電＞
通電された送電コイル２１ｂ及び受電コイル３１の磁場が共鳴して強固に結合し、第１周波数の交流電力が、送電コイル２１ｂから受電コイル３１に効率的に送電される。

【0049】

なお、送電コイル２１から受電コイル３１への初期送電は、所定周期（例えば、５秒毎）で行われるのが好ましい。これにより、移動体４が移動する場合であっても、移動体４の移動に追従するように受電コイル３１に最も近い給電装置２をリアルタイムで選定することができる。

【0050】

例えば、移動体４の移動に伴って、被給電装置３が給電装置２ｂの近傍から給電装置２ｃの近傍へ移動する場合には、信号検出回路６２ｂが検出する交流信号の強度が徐々に小さくなる一方で、信号検出回路６２ｃが検出する交流信号の強度が徐々に大きくなる。そして、交流信号の強度が逆転するタイミングで、コントローラ６４が、スイッチ２４ｂをオフするとともにスイッチ２４ｃをオンにすれば、被給電装置３への電力送電は途切れることなく行われ、最も効率的な電力送電を行うことができる。なお、交流信号の強度が逆転するタイミングの前後において、スイッチ２４ｂ、２４ｃを両方オンにすることにより、電力送電の安定性をさらに高めることができる。

【0051】

このようにして、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１は、磁界共鳴方式により電力を送電するワイヤレス給電システム１であって、送電コイル２１をそれぞれ備えている給電装置２ａ～２ｃと、送電コイル２１から第１周波数の交流電力を受電する受電コイル３１と、第１周波数と異なる周波数である第２周波数の交流信号を出力するとともに交流信号を受電コイル３１から送信させる発信回路３７と、を備えている被給電装置３と、受電コイル３１から各給電装置２ａ～２ｃにそれぞれ伝播した交流信号の強度に基づいて、給電装置２ａ～２ｃと受電コイル３１との位置関係を推定する位置推定装置６と、を備えている構成とした。

【0052】

この構成により、発信回路３７が、交流電力と同期しない周波数に設定された交流信号を出力し、受電コイル３１が、交流電力の受電と交流信号の送信に兼用され、位置推定装置６が、各送電コイル２１が受信した交流信号の強度に基づいて給電装置２ａ～２ｃと受電コイル３１との位置関係を推定することにより、給電装置２ａ～２ｃと被給電装置３との位置関係を精度良く把握して送受電を安定して行うことができ、さらに、移動体４を軽量且つ小型に構成することができる。

【0053】

また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１は、位置推定装置６が、送電コイル２１ａ～２１ｃにそれぞれ対応して接続され、交流電力を遮断するとともに送電コイル２１ａ～２１ｃが受信した交流信号を通過させるフィルタ回路６１ａ～６１ｃと、フィルタ回路６１ａ～６１ｃをそれぞれ通過した交流信号の強度に基づいて、受電コイル３１に最も近い送電コイル２１ａ～２１ｃを推定する位置推定部６３と、を備えている構成とした。

【0054】

この構成により、フィルタ回路６１ａ～６１ｃが、給電装置２ａ～２ｃ内に複数存在する周波数成分の信号から交流信号を取り出し、位置推定部６３が、フィルタ回路６１ａ～６１ｃが取り出した交流信号の強度に基づいて、受電コイル３１に最も近い送電コイル２１ａ～２１ｃを推定することにより、給電装置２ａ～２ｃと被給電装置３との位置関係を精度良く把握して送受電を安定して行うことができる。

【0055】

また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１は、被給電装置３は、受電コイル３１と交流電力が供給される負荷４１との間に設けられ、所定の周波数帯で駆動可能な整流回路３４をさらに備え、第２周波数は、所定の周波数帯を超えた周波数又は整流回路３４の整流効率が所定の比率以下である周波数に設定されている構成とした。

【0056】

この構成により、交流信号が、被給電装置３内で整流回路３４に干渉することを抑制できる。

【0057】

また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１は、整流回路３４は、複数のダイオード３５を有するダイオードブリッジ回路であり、第２周波数は、ダイオード３５の応答周波数を超えた周波数又はダイオード３５の出力がＤC特性の所定閾値より低くなる周波数に設定されている構成とした。

【0058】

この構成により、交流信号が、ダイオード３５から成るダイオードブリッジ回路に干渉することを抑制できる。

【0059】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るワイヤレス給電システム１について、図３に基づいて説明する。なお、後述するように、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１は、上述した第１実施形態に係るワイヤレス給電システム１と比較して、位置推定装置６の構成のみが異なるため、その他の共通する構成は同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0060】

位置推定装置６は、アンテナコイル６５ａ～６５ｃと、信号検出回路６２ａ～６２ｃと、位置推定部６３と、を備えている。

【0061】

アンテナコイル６５ａ～６５ｃは、送電コイル２１ａ～２１ｃの近傍の任意の位置（例えば、左右、前後又は上下）にそれぞれ対応して設けられ、受電コイル３１から発信された交流信号をそれぞれ受信する。すなわち、アンテナコイル６５ａは、受電コイル３１から送電コイル２１ａに向けて発信された交流信号を受信する。同様に、アンテナコイル６５ｂは、受電コイル３１から送電コイル２１ｂに向けて発信された交流信号を受信し、アンテナコイル６５ｃは、受電コイル３１から送電コイル２１ｃに向けて発信された交流信号を受信する。

【0062】

信号検出回路６２ａ～６２ｃは、アンテナコイル６５ａ～６５ｃに対応してそれぞれ接続されている。信号検出回路６２ａは、アンテナコイル６５ａが受信した交流信号の強度を検出する。同様に、信号検出回路６２ｂは、アンテナコイル６５ｂが受信した交流信号の強度を検出し、信号検出回路６２ｃは、アンテナコイル６５ｃが受信した交流信号の強度を検出する。なお、信号検出回路６２ａ～６２ｃは、それぞれ独立した図示しないＤＣ電源により駆動する。

【0063】

次に、ワイヤレス給電システム１の作用について説明する。

【0064】

＜初期送電＞
まず、３つの送電コイル２１の全て又は少なくとも何れか１つに交流電力を順次供給すると、被給電装置３に最も近い送電コイル２１に通電されたときに、通電された送電コイル２１をコイル軸方向に貫くように振動磁場が生じる。また、磁場の振動によって、受電コイル３１に誘導電流が流れ、受電コイル３１をコイル軸方向に貫くように振動磁場が生じる。このようにして、通電された送電コイル２１及び受電コイル３１の磁場が共鳴して強固に結合し、第１周波数（例えば、１５０ｋＨｚ）の交流電力が、送電コイル２１から受電コイル３１に送電される。

【0065】

なお、初期送電で給電装置２から被給電装置３へ供給される交流電力は、発信回路３７の駆動に足りる程度の小電力であっても構わない。

【0066】

＜信号発信＞
次に、受電コイル３１が受電して整流回路３４により整流された直流電圧によって、発信回路３７が駆動する。発信回路３７は、微弱な交流信号を受電コイル３１に対して出力する。

【0067】

発信回路３７が出力する交流信号の周波数は、交流信号が交流電力に干渉することを抑制するために、第１周波数及びその高調波と異なる周波数である第２周波数（例えば、数千ｋＨｚ）に設定される。

【0068】

第２周波数は、整流回路３４が駆動可能な周波数帯を超えた周波数又は整流回路３４の整流効率が所定比率（例えば、１／１０）以下となる周波数に設定されるのが好ましい。特に、整流回路３４としてダイオードブリッジ回路を用いた場合には、第２周波数は、ダイオード３５の応答周波数を超えた周波数又はダイオード３５の出力がＤＣ特性の所定閾値（例えば、１／１０）より低くなる周波数に設定されるのが好ましい。

【0069】

＜位置推定＞
次に、交流信号が、受電コイル３１から給電装置２ａ～２ｃまで伝播して、アンテナコイル６５ａ～６５ｃが、受電コイル３１から発信された第２周波数の交流信号をそれぞれ受信すると、信号検出回路６２ａ～６２ｃが、アンテナコイル６５ａ～６５ｃが受信した交流信号の強度をそれぞれ検出する。

【0070】

次に、位置推定部６３が、信号検出回路６２ａ～６２ｃが検出した交流信号の強度に応じて、受電コイル３１に最も近い給電装置２ａ～２ｃを推定する。具体的には、位置推定部６３は、信号検出回路６２ａ～６２ｃがそれぞれ検出した交流信号の強度を比較し、最も強度が強い交流信号を受信した信号検出回路６２ａ～６２ｃに対応する給電装置２が受電コイル３１に最も近いと推定する。

【0071】

図３に示す本実施形態では、第１実施形態と同様、被給電装置３（受電コイル３１）が、給電装置２ｂに最も近い位置にある。そのため、受電コイル３１から送信された交流信号は、強い強度でアンテナコイル６５ｂに受信される。

【0072】

一方、被給電装置３（受電コイル３１）は、給電装置２ａ、２ｃとコイルの径方向にオフセットした位置にあり、給電装置２ａ、２ｃと受電コイル３１との距離は、給電装置２ｂと受電コイル３１との距離に比べて遠い。したがって、受電コイル３１から送信された交流信号は、アンテナコイル６５ａ、６５ｃで受信されない又は非常に弱い強度で受信される。

【0073】

以下では、上述したように、給電装置２ｂが受電コイル３１に最も近い場合を例に説明する。

【0074】

そして、コントローラ６４は、位置推定部６３が受電コイル３１に最も近いと選定した給電装置２ｂに対応するスイッチ２４ｂをオンするとともに、他の給電装置２ａ、２ｃに対応するスイッチ２４ａ、２４ｃをオフにする。

【0075】

＜本送電＞
通電された送電コイル２１ｂ及び受電コイル３１の磁場が共鳴して強固に結合し、第１周波数の交流電力が、送電コイル２１ｂから受電コイル３１に効率的に送電される。

【0076】

なお、送電コイル２１から受電コイル３１への初期送電は、所定周期（例えば、５秒毎）に行われるのが好ましい。これにより、移動体４が移動する場合であっても、移動体４の移動に追従するように受電コイル３１に最も近い給電装置２をリアルタイムで選定することができる。

【0077】

例えば、移動体４の移動に伴って、被給電装置３が給電装置２ｂの近傍から給電装置２ｃの近傍へ移動する場合には、信号検出回路６２ｂが検出する交流信号の強度が徐々に小さくなる一方で、信号検出回路６２ｃが検出する交流信号の強度が徐々に大きくなる。そして、交流信号の強度が逆転するタイミングで、コントローラ６４が、スイッチ２４ｂをオフするとともにスイッチ２４ｃをオンにすれば、被給電装置３への電力送電は途切れることなく行われ、全電力もロスのない最も効率的な電力送電を行うことができる。なお、交流信号の強度が逆転するタイミングの前後において、スイッチ２４ｂ、２４ｃを両方オンにすることにより、電力送電の安定性をさらに高めることができる。

【0078】

このようにして、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１は、位置推定装置６は、送電コイル２１ａ～２１ｃの近傍にそれぞれ対応して設けられ、交流信号を受信するアンテナコイル６５ａ～６５ｃと、アンテナコイル６５ａ～６５ｃがそれぞれ受信した交流信号の強度に基づいて、受電コイル３１に最も近い給電装置２ａ～２ｃを推定する位置推定部６３と、を備えている構成とした。

【0079】

この構成により、位置推定部６３が、アンテナコイル６５ａ～６５ｃが受信した交流信号の強度に基づいて、受電コイル３１に最も近い給電装置２ａ～２ｃを推定することにより、給電装置２ａ～２ｃと被給電装置３との位置関係を精度良く把握して送受電を安定して行うことができる。

【0080】

（第３実施形態）
上述した第１、第２実施形態では、発信回路３７が出力する交流信号の周波数として、第１周波数及びその高調波と異なる周波数である第２周波数に設定される場合を例示して説明したが、発信回路３７が出力する交流信号の周波数は、第１周波数と同一又は送電コイル２１と受電コイル３１との共振状態を維持可能な所定範囲内（例えば、第１周波数の周波数に対して±１％）の周波数に設定されても構わない。

【0081】

このように構成すると、受電コイル３１と受電コイル３１に最も近い位置にある送電コイル２１とが共振状態になり、送電コイル２１と受電コイル３１とが離れた距離（例えば、１ｍ）にあっても、受電コイル３１から送信された交流信号は、最も近い送電コイル２１ａ～２１ｃの何れかで受信され、それに接続された信号検出回路６２ａ～６２ｃで検出される。

【0082】

このとき、送電コイル２１ａ～２１ｃの交流電源５側では、第１周波数の交流電力と発信回路３７が出力する交流信号とが混在して互いに干渉するものの、位置推定装置６は、交流信号を受信した送電コイル２１ａ～２１ｃの何れかが受電コイル３１に最も近いと推定可能なため、互いに干渉する交流電力と交流信号とを区別する必要はない。そこで、位置推定装置６は、干渉の影響により擾乱された交流信号を検出するか、または第１周波数を通さないローパスフィルタもしくはハイパスフィルタを用いて交流信号のみ抽出することにより、受電コイル３１に最も近い送電コイル２１を推定することができる。

【0083】

また、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り、上記以外にも種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。さらに、上述した各実施形態及び変形例のうち、何れかを組み合わせても構わないし、全てを組み合わせても構わない。

【0084】

また、上述した各実施形態では、送電コイル２１ａ～２１ｃを１列に配置した構成を図示して説明したが、送電コイル２１は、マトリクス状に配置されていても構わないし、空間内に三次元状に配置されていても構わない。

【0085】

なお、上述した各実施形態における交流信号の「強度」とは、交流信号の有無も含まれるものとする。例えば、信号検出回路６２ａ～６２ｃが交流信号を受信したと判断した場合には、交流信号の強度が強いとし、信号検出回路６２ａ～６２ｃが交流信号を受信できずに交流信号が無いと判断された場合には、交流信号の強度が弱いものとしても構わない。

【0086】

また、上述した各実施形態では、１台の被給電装置３に対して位置推定及び送電を行う場合を例に説明したが、２台以上の移動体４に対して位置推定及び送電を並行して行っても構わない。

【符号の説明】

【0087】

１ ：ワイヤレス給電システム
２、２ａ、２ｂ、２ｃ：給電装置
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ：送電コイル
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ：（給電装置の）コンデンサ
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ：給電側共振回路
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ：スイッチ
３ ：被給電装置
３１：受電コイル
３２：コンデンサ
３３：受電側共振回路
３４：整流回路
３５：ダイオード
３６：（被給電装置の）コンデンサ
３７：発信回路
４ ：移動体
４１：負荷
５ ：交流電源
６ ：位置推定装置
６１ａ、６１ｂ、６１ｃ：フィルタ回路
６２ａ、６２ｂ、６２ｃ：信号検出回路
６３：位置推定部
６４：コントローラ
６５ａ、６５ｂ、６５ｃ：アンテナコイル

【図1】

【図2】

【図3】