非接触電力伝送装置
【課題】共鳴コイル間の距離を測定するのに専用の距離センサを設けることなく、共鳴コイル間の距離が電力伝送を効率良く行うことができるか否かを判断することができる非接触電力伝送装置を提供する。
【解決手段】非接触電力伝送装置は給電側設備１０と受電側設備２０とを備え、給電側設備１０は交流電源１１と、交流電源１１から交流電圧が印加される１次コイル１２と、１次側共鳴コイル１３と、コントローラ１４と、１次コイル１２の電圧を測定する電圧センサ１５とを備えている。受電側設備２０は２次側共鳴コイル２１と、２次コイル２２と、２次コイル２２に接続された充電器２３と、充電器２３に接続された２次電池２４と、充電コントローラ２５とを備えている。コントローラ１４は、電圧センサ１５により測定された電圧から１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離を演算する。
【解決手段】非接触電力伝送装置は給電側設備１０と受電側設備２０とを備え、給電側設備１０は交流電源１１と、交流電源１１から交流電圧が印加される１次コイル１２と、１次側共鳴コイル１３と、コントローラ１４と、１次コイル１２の電圧を測定する電圧センサ１５とを備えている。受電側設備２０は２次側共鳴コイル２１と、２次コイル２２と、２次コイル２２に接続された充電器２３と、充電器２３に接続された２次電池２４と、充電コントローラ２５とを備えている。コントローラ１４は、電圧センサ１５により測定された電圧から１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離を演算する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触電力伝送装置に係り、詳しくは共鳴型の非接触電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
共鳴型の非接触電力伝送装置として、例えば非特許文献１及び特許文献１に記載されたものが知られている。この非接触電力伝送装置は、図９に示すように、二つの銅線コイル５１，５２を離れた状態で配置し、一方の銅線コイル５１から他方の銅線コイル５２に電磁場の共鳴によって電力を伝送することが紹介されている。具体的には、交流電源５３に接続された１次コイル５４で発生した磁場を銅線コイル５１，５２による磁場共鳴により増強し、２次コイル５５により増強された銅線コイル５２付近の磁場から電磁誘導を利用して電力を取り出し、負荷５６に供給する。そして、半径３０ｃｍの銅線コイル５１，５２を２ｍ離して配置した場合に、負荷５６としての６０Ｗの電灯を点灯できることが確認されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】ＮＩＫＫＥＩ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ２００７．１２．３ １１７頁〜１２８頁
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開特許ＷＯ／２００７／００８６４６ Ａ２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この共鳴型の非接触電力伝送装置において交流電源の電力を負荷に効率よく供給するには、送信側（送電側）の銅線コイル５１と受信側（受電側）の銅線コイル５２との共鳴周波数で送信側の銅線コイル５１に１次コイル５４から電力を供給することが必要になる。しかし、従来技術には非接触電力伝送装置の概要が記載されているだけで、具体的にどのようにすればそのような条件を満足できる非接触電力伝送装置を得ることができるのかに付いては記載されていない。
【０００６】
また、共鳴型の非接触電力伝送装置においては交流電源の電力を負荷に効率良く供給するには、交流電源から電力を効率良く共鳴系に供給することが必要になる。そして、交流電源から一定周波数の交流電圧を出力して電力伝送を行う場合、共鳴コイル間の距離、即ち２つの銅線コイル５１，５２間の距離が変化すると電力伝送効率が変化する。したがって、送電側と受電側との距離が変化する状態で使用される非接触電力伝送装置、例えば、車両やロボット等の移動体に受電側が搭載されて使用される場合は、電力伝送が効率良く行われる共鳴コイル間の距離に移動体が停止した状態で電力伝送を行う必要がある。共鳴コイル間の距離を測定するのに専用の距離センサを設けると、その分、製造に手間がかかり、装置が大型化する。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、共鳴コイル間の距離を測定するのに専用の距離センサを設けることなく、共鳴コイル間の距離が電力伝送を効率良く行うことができるか否かを判断することができる非接触電力伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、交流電源と、交流電源から交流電圧が印加される１次コイルと、１次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルと、負荷が接続された２次コイルとを備える非接触電力伝送装置である。そして、前記１次コイルの電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段により測定された電圧から前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとの距離を演算する距離演算手段とを備えている。
【０００９】
本願発明者は、１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの距離、即ち共鳴コイル間の距離と１次コイルの電圧とに所定の関係があるということを見いだし、この知見に基づいてこの発明を完成した。ここで、「交流電源」とは、交流電圧を出力する電源を意味する。
【００１０】
この発明では、１次コイル、１次側共鳴コイル、２次側共鳴コイル、２次コイル及び負荷が共鳴系を構成し、交流電源から１次コイルに共鳴系の共鳴周波数で交流電圧が印加され、印加された周波数と同じ周波数の電磁界が発生する。この電磁界の強さが１次側共鳴コイル及び２次側共鳴コイルにおける共鳴現象によって増大され、２次コイルによりエネルギーとして取り出される。電力伝送が効率良く行われるためには、共鳴コイル間の距離、即ち１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの距離が共鳴系の共鳴周波数によって決まる所定の範囲となる必要がある。この発明の非接触電力伝送装置では、電圧測定手段により測定された１次コイルの両端の電圧に基づいて１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの距離が演算されるため、共鳴コイル間の距離を測定するのに専用の距離センサを設けることなく、共鳴コイル間の距離が電力伝送を効率良く行うのに適しているか否かを判断することができる。したがって、電力伝送を効率良く行うのに適していない状態で電力伝送を行うことを回避することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記距離演算手段は、前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとの軸方向の距離を演算する。したがって、この発明の非接触電力伝送装置は、例えば、交流電源、１次コイル及び１次側共鳴コイルが固定状態で設けられ、２次側共鳴コイル、２次コイル及び負荷は、１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとが同軸上に位置する状態で移動可能な構成の場合に適している。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記距離演算手段は、前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとが同軸上に位置する状態からの軸と垂直方向へのズレ量を演算する。したがって、この発明の非接触電力伝送装置は、例えば、交流電源、１次コイル及び１次側共鳴コイルが固定状態で設けられ、２次側共鳴コイル、２次コイル及び負荷は、２次側共鳴コイルの中心軸が１次側共鳴コイルの中心軸と平行な状態で、中心軸と直交する方向に移動可能な構成の場合に適している。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記２次側共鳴コイル、前記２次コイル及び前記負荷は移動体に搭載され、前記移動体には前記距離演算手段の演算結果に基づいて前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとが適切な位置関係にあるか否かを報知する報知手段が設けられている。
【００１４】
この発明では、非接触電力伝送装置は、移動体（例えば車両）に２次側共鳴コイル、２次コイル及び負荷が搭載される。そして、１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとが適切な位置関係にあるか否かが報知手段により報知される。そのため、移動体が交流電源から給電される位置に停止する際、停止位置が給電に適切な位置になるように停止することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、共鳴コイル間の距離を測定するのに専用の距離センサを設けることなく、共鳴コイル間の距離が電力伝送を効率良く行うことができるか否かを判断することができる非接触電力伝送装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態における非接触電力伝送装置の構成図。
【図２】車両が充電位置に停止したときの１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの関係を示す模式側面図。
【図３】同じく模式平面図。
【図４】共鳴コイルの軸ずれ量と１次コイルの電圧との関係を示すグラフ。
【図５】共鳴コイル間の距離を一定として負荷を変えた場合における負荷と１次コイルの電圧との関係を示すグラフ。
【図６】第２の実施形態における車両が充電位置に停止したときの１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの関係を示す模式図。
【図７】共鳴コイル間の距離と１次コイルの電圧との関係を示すグラフ。
【図８】別の実施形態の１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの関係を示す模式図。
【図９】従来技術の非接触電力伝送装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１の実施形態）
以下、本発明を移動体に搭載された２次電池に対して非接触充電を行うシステムに具体化した第１の実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
【００１８】
図１は、非接触電力伝送装置の構成を模式的に示す。図１に示すように、非接触電力伝送装置は、給電側設備（送電側設備）１０と、受電側設備２０とで構成されている。給電側設備１０は充電ステーションに設けられ、受電側設備２０は移動体としての車両３０に搭載されている。
【００１９】
給電側設備１０は、交流電源１１と、交流電源１１から交流電圧が印加される１次コイル１２と、１次側共鳴コイル１３と、コントローラ１４とを備えている。１次コイル１２と１次側共鳴コイル１３とは同軸上に位置するように配設されている。１次コイル１２には１次コイル１２の両端の電圧を測定する電圧測定手段としての電圧センサ１５が接続されている。電圧センサ１５の検出信号はコントローラ１４に入力される。１次側共鳴コイル１３にはコンデンサＣが接続されている。交流電源１１は交流電圧を出力する電源である。交流電源１１はコントローラ１４による制御によって所定周波数（共鳴周波数）の交流電圧を出力するように構成されている。
【００２０】
受電側設備２０は、２次側共鳴コイル２１と、２次コイル２２と、２次コイル２２に接続された充電器２３と、充電器２３に接続された２次電池２４と、充電コントローラ２５とを備えている。２次側共鳴コイル２１にはコンデンサＣが接続されている。２次側共鳴コイル２１と２次コイル２２とは同軸上に位置するように配設されている。２次コイル２２は周囲の磁界から電磁誘導を利用して電力を取り出し、充電器２３に出力する。充電器２３は、２次コイル２２から出力される交流を整流する整流回路（図示せず）と、整流された直流を２次電池２４に充電するのに適した電圧に昇圧する昇圧回路（図示せず）とを備えている。充電コントローラ２５は、充電時に充電器２３の昇圧回路のスイッチング素子を制御する。充電器２３及び２次電池２４は負荷を構成する。
【００２１】
車両３０には、２次電池２４の充電量を検出する充電量センサ２６が設けられている。充電コントローラ２５は充電量センサ２６の検出信号を入力して充電状態を判断する。コントローラ１４と、充電コントローラ２５とは図示しない無線通信装置を介して通信可能になっている。充電量センサ２６で検出された２次電池２４の充電量のデータは、図示しない無線通信装置を介してコントローラ１４に送られるようになっている。また、車両３０には１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが、適切な位置関係にあるか否かを報知する報知手段２７が設けられている。報知手段２７としては、例えば、適切な位置関係にある状態で点灯するＬＥＤと、適切な位置関係にない状態で点灯するＬＥＤとが使用される。報知手段２７は充電コントローラ２５からの指令で点灯が制御される。
【００２２】
１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル２１、２次コイル２２、充電器２３及び２次電池２４は共鳴系２８を構成し、交流電源１１から供給される電力を非接触で伝送する。１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２は電線により形成されている。コイルを構成する電線には、例えば、絶縁ビニル被覆線が使用される。コイルの径や巻数は、伝送しようとする電力の大きさ等に対応して適宜設定される。この実施形態では１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２は、同じ径に形成されている。１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１は同じに形成され、各コンデンサＣとして同じコンデンサが使用されている。
【００２３】
コントローラ１４は、ＣＰＵ１４ａ及びメモリ１４ｂを備え、メモリ１４ｂには１次コイル１２の電圧、即ち電圧センサ１５の検出電圧データから１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離を演算する制御プログラムが記憶されている。コントローラ１４は、電圧センサ１５によって検出された電圧から１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離を演算する距離演算手段を構成する。この実施形態ではコントローラ１４は、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが同軸上に位置する状態からの軸と垂直方向へのズレ量（以下、単に軸ズレ量と称す。）を演算する。そして、コントローラ１４は、軸ズレ量から１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが、適切な位置関係にあるか否かを判断し、判断結果を充電コントローラ２５に送信する。充電コントローラ２５は、コントローラ１４からの判断結果に基づいて報知手段２７を点灯制御する。
【００２４】
メモリ１４ｂには、２次電池２４の充電量が予め設定された値における１次コイル１２の電圧と、軸ズレ量との関係を示すデータがマップとして記憶されている。この充電量の予め設定された値とは、２次電池２４への充電開始時における充電量を意味し、この実施形態では、２次電池２４が充電すべき状態になった時の充電量と、その値より小さくその値の状態から車両３０が充電ステーションまで走行する間に２次電池２４の電力が使用された後の複数の充電量とに対して前記データがそれぞれ記憶されている。これらのデータは予め試験により求められる。
【００２５】
コントローラ１４は、充電時には、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離に対応した適切な周波数の交流電流が供給されるように交流電源１１を制御するようになっている。ここで、適切な周波数とは、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離（共鳴コイル間距離）における周波数を意味し、共鳴系２８における入力インピーダンスの値と周波数との関係をグラフにした場合、入力インピーダンスの値の極大点と極小点の間の周波数を意味する。また、共鳴系２８における電力伝送効率が最も良い周波数を共鳴周波数とする。
【００２６】
図２に示すように、１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３は、地上に形成された穴２９の中に配設され、コイルの中心軸が地上面に対して直交する方向に延びるように、かつ１次側共鳴コイル１３が１次コイル１２の上方に位置するように設けられている。なお、穴２９の開口は車両３０の移動に支障がないように図示しないカバーで覆われている。
【００２７】
図２及び図３に示すように、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２は、車両３０の底部の車幅方向の略中央、かつ車両３０の後寄りに、コイルの中心軸が車両３０の上下方向に延びるように、かつ２次側共鳴コイル２１が２次コイル２２の下方に位置するように設けられている。
【００２８】
次に前記のように構成された非接触電力伝送装置の作用を説明する。
２次電池２４の充電量が予め設定された値まで低下すると、２次電池２４の充電を行う必要がある。２次電池２４に充電を行う場合には、車両３０は給電側設備１０の１次側共鳴コイル１３が設けられた充電位置に駐車（停止）する必要がある。充電が効率良く行われるためには、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との軸ズレ量が予め設定された範囲内となるように車両３０を駐車させる必要がある。軸ズレ量は、例えば、図３に示すように、１次側共鳴コイル１３の中心と直交する直線Ｌ１と、２次側共鳴コイル２１の中心と直交し、かつ直線Ｌ１と平行な直線Ｌ２との距離となる。
【００２９】
共鳴系２８において、１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１の軸方向の距離が一定で、負荷が一定の場合、図４に示すように、共鳴系２８の電圧、即ち１次コイル１２の両端の電圧と、１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１の軸ズレ量とは所定の関係を有し、１次コイル１２の両端の電圧が分かれば軸ズレ量が分かる。このとき、交流電源１１は、次のように設定される。すなわち、交流電源１１に１次コイル１２を接続しない状態（出力開放状態）または特定の固定負荷（例えば５０Ω抵抗）を接続した状態で、出力電圧がある値（例えば１０Ｖｐｐ）となるように、交流電源１１を設定する。その設定のまま、交流電源１１を１次コイル１２に接続して、電圧を測定する。交流電源１１と１次コイル１２を切り離して行う設定を、電圧を測定する都度行う必要はなく、例えば電圧を測定する直前に、１次コイルを接続したまま交流電源１１が上記のような状態となるようにしてもよい。また、共鳴系２８において、１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１の軸方向の距離が一定の場合、図５に示すように、１次コイル１２の電圧と負荷とは所定の関係を有する。この実施形態では、１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１の軸方向の距離は一定のため、車両３０が充電のために充電位置に駐車する際の負荷に対応した図４に示すような電圧と軸ズレ量との関係を示すグラフに基づいて、１次コイル１２の電圧から１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１の軸ズレ量を求めることができる。なお、図４及び図５は、１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル２１、２次コイル２２の巻径を３００ｍｍ程度とした場合の一例である。
【００３０】
車両３０が充電位置へ移動する際、コントローラ１４は、車両側から車両３０が充電位置へ移動する旨の信号を受信すると、交流電源１１を駆動させるとともに電圧センサ１５の出力信号を入力する。そして、前記のように交流電源１１を設定し、交流電源１１から１次コイル１２に共鳴周波数で交流電圧が印加されることにより１次コイル１２に磁場が発生する。この磁場が１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とによる磁場共鳴により増強され、増強された２次側共鳴コイル２１付近の磁場から２次コイル２２により電磁誘導を利用して電力が取り出されて充電器２３に供給される。
【００３１】
コントローラ１４は、電圧センサ１５により測定された１次コイル１２の両端の電圧と、充電コントローラ２５から受信した２次電池２４の充電量データとから、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離、具体的には１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との軸ズレ量を演算する。また、コントローラ１４は、演算結果に基づいて１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが適切な位置関係にあるか否か、例えば軸ズレ量が予め設定された範囲内にあるか否かを判断し、判断結果のデータを充電コントローラ２５に送信する。充電コントローラ２５は、そのデータに基づいて報知手段２７を制御する。即ち、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが適切な位置関係にあればそれを報知する青色発光ＬＥＤを点灯させ、適切な位置関係になければそれを報知する赤色発光ＬＥＤを点灯させる。車両３０の運転者は報知手段２７の点灯状態を参考にして、車両３０を適切な充電位置に停止させる。
【００３２】
車両３０が適切な充電位置に駐車した後、充電コントローラ２５が充電器２３のスイッチング素子の制御を開始し、充電が開始される。交流電源１１から１次コイル１２に出力された交流電圧により１次コイル１２に磁場が発生する。この磁場が１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とによる磁場共鳴により増強され、増強された２次側共鳴コイル２１付近の磁場から２次コイル２２により電磁誘導を利用して電力が取り出されて充電器２３に供給される。充電器２３に供給された交流は整流回路で整流された後、昇圧回路で２次電池２４に充電するのに適した電圧に昇圧されて２次電池２４に充電される。充電コントローラ２５は、例えば、充電量センサ２６の出力信号と、２次電池２４の電圧が所定電圧になった時点からの経過時間により充電完了を判断し、充電が完了すると、コントローラ１４に充電完了信号を送信する。コントローラ１４は、充電完了信号を受信すると電力伝送を終了する。
【００３３】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）非接触電力伝送装置は、交流電源１１と、交流電源１１から交流電圧が印加される１次コイル１２と、１次側共鳴コイル１３と、２次側共鳴コイル２１と、負荷（充電器２３及び２次電池２４）が接続された２次コイル２２とを備えている。また、１次コイル１２の両端の電圧を測定する電圧測定手段（電圧センサ１５）と、電圧測定手段により測定された電圧から１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離（共鳴コイル間の距離）を演算する距離演算手段（コントローラ１４）とを備えている。そのため、共鳴コイル間の距離を測定するのに専用の距離センサを設けることなく、共鳴コイル間の距離が電力伝送を効率良く行うのに適しているか否かを判断することができる。したがって、電力伝送を効率良く行うのに適していない状態で電力伝送を行うことを回避することができる。
【００３４】
（２）距離演算手段（コントローラ１４）は、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが同軸上に位置する状態からの軸と垂直方向へのズレ量を演算する。したがって、例えば、交流電源１１、１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３が固定状態で設けられ、２次側共鳴コイル２１、２次コイル２２及び負荷は、２次側共鳴コイル２１の中心軸が１次側共鳴コイル１３の中心軸と平行な状態で、中心軸と直交する方向に移動可能な構成の場合に適している。
【００３５】
（３）２次側共鳴コイル２１、２次コイル２２及び負荷を構成する充電器２３及び２次電池２４は、移動体（車両３０）に搭載され、移動体には距離演算手段の演算結果に基づいて１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが適切な位置関係にあるか否かを報知する報知手段２７が設けられている。そのため、移動体が交流電源１１から給電される位置に停止する際、停止位置が給電に適切な位置になるように停止することができる。
【００３６】
（４）非接触電力伝送装置は、車両３０に搭載された２次電池２４に対して非接触充電を行うシステムに適用されている。２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２は車両３０に搭載されるとともに２次コイル２２は負荷を構成する充電器２３を介して２次電池２４に接続されており、交流電源１１、１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３は２次電池２４に非接触状態で充電を行う給電側設備１０に装備されている。したがって、効率良く充電を行うことができる。
【００３７】
（５）車両３０の底部に２次側共鳴コイル２１を設け、給電側設備１０の１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３は地上に形成された穴２９の中に設けられているため、１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３の配置スペースの確保が容易になる。また、車両３０が充電位置に前進、後進のどちらからでも進入することができる。
【００３８】
（６）２次コイル２２から出力される交流電流を整流回路で整流しただけで２次電池２４に充電するのではなく、２次電池２４で充電するのに適した電圧に昇圧回路で昇圧して充電するため、２次電池２４をより効率良く充電することができる。
【００３９】
（７）１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１にコンデンサＣが接続されている。したがって、１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１のコイルの巻数を増やすことなく共鳴周波数を下げることができる。また、共鳴周波数が同じであれば、１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１を、コンデンサＣを接続しない場合に比べて小型化することができる。
【００４０】
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図６及び図７にしたがって説明する。この実施形態では、１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２の軸心の延びる方向が異なっている。また、距離演算手段（コントローラ）が、軸ズレ量を演算する代わりに１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との軸方向の距離を演算する点が第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と基本的に同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４１】
図６に示すように、１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３は、充電ステーションの地上に突出するように設けられた給電側設備１０の収容ボックス３１内に、軸心が地上面に対して水平方向に延びるように設けられている。また、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２は、車両３０の前側に軸心が車両３０の前後方向に延びるように、かつ１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３の軸心と同じ高さになるように設けられている。
【００４２】
コントローラ１４のメモリ１４ｂには、２次電池２４の充電量が予め設定された値における１次コイル１２の両端の電圧と、軸ズレ量との関係の代わりに、１次コイル１２の両端の電圧と、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との軸方向の距離（以下、コイル間距離と称す場合もある。）との関係を示すデータがマップとして記憶されている。この実施形態では、２次電池２４が充電すべき状態になった時の充電量と、その値より小さくその値の状態から車両３０が充電ステーションまで走行する間に２次電池２４の電力が使用された後の複数の充電量とに対して前記データが、例えば図７に示すような、電圧とコイル間距離との関係を示すグラフとしてそれぞれ記憶されている。これらのデータは予め試験により求められる。
【００４３】
充電ステーションには、車両３０が充電する際に、給電側設備１０と対向する位置へ移動するのを案内するガイドラインが設けられており、運転者はガイドラインに沿って車両３０を前進で充電位置まで移動させる。車両３０が充電位置へ移動する際、コントローラ１４は、車両側から車両３０が充電位置へ移動する旨の信号を受信すると、交流電源１１を駆動させるとともに電圧センサ１５の出力信号を入力する。そして、コントローラ１４は、電圧センサ１５により測定された１次コイル１２の両端の電圧と、充電コントローラ２５から受信した２次電池２４の充電量データとから、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との軸方向の距離を演算し、演算結果に基づいてコイル間距離が適切な値か否かを判断する。コントローラ１４は判断結果のデータを充電コントローラ２５に送信し、充電コントローラ２５は、そのデータに基づいて報知手段２７を制御する。車両３０の運転者は報知手段２７の点灯状態を参考にして、車両３０を適切な充電位置に停止させる。
【００４４】
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態の（１），（３），（６），（７）と同様な効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（８）距離演算手段（コントローラ１４）は、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との軸方向の距離を演算する。したがって、非接触電力伝送装置は、交流電源１１、１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３が固定状態で設けられ、２次側共鳴コイル２１、２次コイル２２及び負荷（充電器２３及び２次電池２４）は、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが同軸上に位置する状態で移動可能な構成の場合に適している。
【００４５】
（９）車両３０の前側に２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２をその軸心が車両３０の前後方向に延びるように設け、給電側設備１０の１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３は地上に突出形成された収容ボックス３１内に設けられている。したがって、１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３を収容する穴２９を地上に形成する必要がない。また、車高が異なる車両３０の場合、地上面から車体の底部までの距離が異なる場合が多く、車高の異なる車両３０において給電側設備１０の１次側共鳴コイル１３から車体の底部近くに設けられた２次側共鳴コイル２１までの軸方向の距離を共通にするのが難しく、給電側設備１０を車高の異なる車両３０毎に設ける必要がある。しかし、この実施形態の場合は、車高が異なる車両３０に適用する場合、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２の中心軸の高さを、給電側設備１０の１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３の中心軸の高さに合わせて設定することにより、車高が異なる車両３０で同じ給電側設備１０を使用することができる。
【００４６】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 第１の実施形態において、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２を設ける位置は、車幅方向の略中央でかつ車両３０の後側寄りに限らず、例えば、前側寄りに設けたり、車両３０の前後方向の中央部に設けたり、車幅方向の中央から外れた位置に設けたりしてもよい。
【００４７】
○ 第２の実施形態のように給電側設備１０の収容ボックス３１が地上から突設される構成において、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２の組を車両３０の後側に設けてもよい。この場合、車両３０は後退で充電位置まで移動する必要がある。
【００４８】
○ ２次側共鳴コイル２１をコイルの軸心が水平方向に延びるように設ける場合、２次側共鳴コイル２１を車両３０の前側又は後側においてコイルの軸心が車両３０の前後方向に延びるように設ける代わりに、図８に示すように、車両３０の側部にコイルの軸心が車幅方向に延びるように設けてもよい。この場合、充電ステーションには、車両３０が充電する際に給電側設備１０と対向する位置へ移動するのを案内するガイドラインが設けられており、運転者はガイドラインに沿って車両３０を前進で充電位置まで移動させる。
【００４９】
○ コントローラ１４は、電圧測定手段（電圧センサ１５）により測定された１次コイル１２の両端の電圧から１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離を演算すればよい。即ち、第１の実施形態のように１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１の軸方向の距離が一定で、２次側共鳴コイル２１が移動する場合や、第２の実施形態のように２次側共鳴コイル２１が１次側共鳴コイル１３と同軸状態で１次側共鳴コイル１３に向かって移動する構成に限らない。例えば、２次側共鳴コイル２１が１次側共鳴コイル１３と同軸上にない状態で１次側共鳴コイル１３との軸方向の距離が小さくなるように移動する場合に、電圧測定手段（電圧センサ１５）により測定された１次コイル１２の両端の電圧から１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離を演算してもよい。この場合、マップあるいは計算式として、２次側共鳴コイル２１が１次側共鳴コイル１３と同軸状態で移動する場合のものを使用する。しかし、許容範囲を狭く設定することで支障はない。
【００５０】
○ コントローラ１４は、充電コントローラ２５から充電完了信号を受信して電力伝送を終了する代わりに、充電時に電圧センサ１５の検出信号に基づいて１次コイル１２の両端の電圧から負荷の変動を演算するとともに２次電池２４の充電状態を推定して、電力伝送の終了時期を決定してもよい。例えば、充電開始後、１次コイル１２の両端の電圧が所定電圧になった時点からの経過時間により充電完了時期、即ち電力伝送の終了時期を判断してもよい。
【００５１】
○ 移動体は運転者を必要とする車両３０に限らず、例えば、無人搬送車や２次電池を備えた自走式のロボットであってもよい。
○ 移動体は２次電池を備えたものに限らず、コンベア等の移送手段により定められた作業位置に移動されるとともに、電力で駆動されるモータを備えた装置であってもよい。この場合、モータが負荷を構成し、移動体には２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２が設けられる。また、作業位置毎に交流電源１１、１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３及びコントローラ１４が設けられる。そして、移動体が作業位置に移動された状態で、交流電源１１から装置に電力が供給される。この場合、コントローラ１４は、負荷（モータ）への給電時に電圧センサ１５の検出信号に基づいて負荷の変動を演算するとともに、交流電源１１の出力周波数を負荷に対応した適切な周波数に変更するようにしてもよい。
【００５２】
○ 報知手段２７を車両３０側に設ける代わりに給電側設備１０に設けてもよい。例えば、車両３０の運転者から視認し易い箇所に、報知手段２７を設け、コントローラ１４からの指令で報知手段２７の点灯を制御する。この場合、車両３０毎に報知手段２７を設けなくても運転者は報知手段２７の点灯状態から車両３０を適正な充電位置に駐車させることができる。
【００５３】
○ 電線を巻回してコイルを形成する場合、コイルは円筒状に限らない。例えば、三角筒状、四角筒状、六角筒状等の多角筒状や楕円筒状等の単純な形状の筒状としたり、対称図形ではなく他の異形断面の筒状としたりしてもよい。
【００５４】
○ １次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１は、電線が筒状に巻回されたコイルに限らず、例えば、電線が一平面上で周回し、かつ周回部の長さが順次変化するように巻回された形状としてもよい。この場合、コイルが扁平になり、コイルを配置するスペースとしてコイルの軸方向の長さを短くできる。
【００５５】
○ コイルは、電線が密巻されて隣接する巻回部が接触する構成でも、巻回部が接触しないように巻回部の間隔を空けて電線が巻回された構成であってもよい。
○ １次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２が全て同じ径に形成されている必要はない。例えば、１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１は同じ径で、１次コイル１２及び２次コイル２２は異なる径としてもよい。
【００５６】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項４に記載の発明において、前記移動体は車両であり、前記負荷として充電器及び２次電池が前記車両に搭載され、前記２次側共鳴コイル及び前記２次コイルは、コイルの軸心が前記車両の上下方向に延びるように設けられ、前記１次コイル及び前記１次側共鳴コイルは、充電位置に駐車した車両の下方に位置し、かつコイルの軸心が地上面に対して直交する方向に延びるように設けられている。
【００５７】
（２）交流電源と、交流電源から交流電圧が印加される１次コイルと、１次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルと、負荷が接続された２次コイルとを備える非接触電力伝送装置であって、前記１次コイルの電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段により測定された電圧から前記負荷の状態を判断する判断手段とを備えている非接触電力伝送装置。
【符号の説明】
【００５８】
１１…交流電源、１２…１次コイル、１３…１次側共鳴コイル、１４…距離演算手段としてのコントローラ、１５…電圧測定手段としての電圧センサ、２１…２次側共鳴コイル、２２…２次コイル、２３…負荷を構成する充電器、２４…同じく２次電池、２７…報知手段、３０…移動体としての車両。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触電力伝送装置に係り、詳しくは共鳴型の非接触電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
共鳴型の非接触電力伝送装置として、例えば非特許文献１及び特許文献１に記載されたものが知られている。この非接触電力伝送装置は、図９に示すように、二つの銅線コイル５１，５２を離れた状態で配置し、一方の銅線コイル５１から他方の銅線コイル５２に電磁場の共鳴によって電力を伝送することが紹介されている。具体的には、交流電源５３に接続された１次コイル５４で発生した磁場を銅線コイル５１，５２による磁場共鳴により増強し、２次コイル５５により増強された銅線コイル５２付近の磁場から電磁誘導を利用して電力を取り出し、負荷５６に供給する。そして、半径３０ｃｍの銅線コイル５１，５２を２ｍ離して配置した場合に、負荷５６としての６０Ｗの電灯を点灯できることが確認されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】ＮＩＫＫＥＩ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ２００７．１２．３ １１７頁〜１２８頁
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開特許ＷＯ／２００７／００８６４６ Ａ２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この共鳴型の非接触電力伝送装置において交流電源の電力を負荷に効率よく供給するには、送信側（送電側）の銅線コイル５１と受信側（受電側）の銅線コイル５２との共鳴周波数で送信側の銅線コイル５１に１次コイル５４から電力を供給することが必要になる。しかし、従来技術には非接触電力伝送装置の概要が記載されているだけで、具体的にどのようにすればそのような条件を満足できる非接触電力伝送装置を得ることができるのかに付いては記載されていない。
【０００６】
また、共鳴型の非接触電力伝送装置においては交流電源の電力を負荷に効率良く供給するには、交流電源から電力を効率良く共鳴系に供給することが必要になる。そして、交流電源から一定周波数の交流電圧を出力して電力伝送を行う場合、共鳴コイル間の距離、即ち２つの銅線コイル５１，５２間の距離が変化すると電力伝送効率が変化する。したがって、送電側と受電側との距離が変化する状態で使用される非接触電力伝送装置、例えば、車両やロボット等の移動体に受電側が搭載されて使用される場合は、電力伝送が効率良く行われる共鳴コイル間の距離に移動体が停止した状態で電力伝送を行う必要がある。共鳴コイル間の距離を測定するのに専用の距離センサを設けると、その分、製造に手間がかかり、装置が大型化する。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、共鳴コイル間の距離を測定するのに専用の距離センサを設けることなく、共鳴コイル間の距離が電力伝送を効率良く行うことができるか否かを判断することができる非接触電力伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、交流電源と、交流電源から交流電圧が印加される１次コイルと、１次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルと、負荷が接続された２次コイルとを備える非接触電力伝送装置である。そして、前記１次コイルの電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段により測定された電圧から前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとの距離を演算する距離演算手段とを備えている。
【０００９】
本願発明者は、１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの距離、即ち共鳴コイル間の距離と１次コイルの電圧とに所定の関係があるということを見いだし、この知見に基づいてこの発明を完成した。ここで、「交流電源」とは、交流電圧を出力する電源を意味する。
【００１０】
この発明では、１次コイル、１次側共鳴コイル、２次側共鳴コイル、２次コイル及び負荷が共鳴系を構成し、交流電源から１次コイルに共鳴系の共鳴周波数で交流電圧が印加され、印加された周波数と同じ周波数の電磁界が発生する。この電磁界の強さが１次側共鳴コイル及び２次側共鳴コイルにおける共鳴現象によって増大され、２次コイルによりエネルギーとして取り出される。電力伝送が効率良く行われるためには、共鳴コイル間の距離、即ち１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの距離が共鳴系の共鳴周波数によって決まる所定の範囲となる必要がある。この発明の非接触電力伝送装置では、電圧測定手段により測定された１次コイルの両端の電圧に基づいて１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの距離が演算されるため、共鳴コイル間の距離を測定するのに専用の距離センサを設けることなく、共鳴コイル間の距離が電力伝送を効率良く行うのに適しているか否かを判断することができる。したがって、電力伝送を効率良く行うのに適していない状態で電力伝送を行うことを回避することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記距離演算手段は、前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとの軸方向の距離を演算する。したがって、この発明の非接触電力伝送装置は、例えば、交流電源、１次コイル及び１次側共鳴コイルが固定状態で設けられ、２次側共鳴コイル、２次コイル及び負荷は、１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとが同軸上に位置する状態で移動可能な構成の場合に適している。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記距離演算手段は、前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとが同軸上に位置する状態からの軸と垂直方向へのズレ量を演算する。したがって、この発明の非接触電力伝送装置は、例えば、交流電源、１次コイル及び１次側共鳴コイルが固定状態で設けられ、２次側共鳴コイル、２次コイル及び負荷は、２次側共鳴コイルの中心軸が１次側共鳴コイルの中心軸と平行な状態で、中心軸と直交する方向に移動可能な構成の場合に適している。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記２次側共鳴コイル、前記２次コイル及び前記負荷は移動体に搭載され、前記移動体には前記距離演算手段の演算結果に基づいて前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとが適切な位置関係にあるか否かを報知する報知手段が設けられている。
【００１４】
この発明では、非接触電力伝送装置は、移動体（例えば車両）に２次側共鳴コイル、２次コイル及び負荷が搭載される。そして、１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとが適切な位置関係にあるか否かが報知手段により報知される。そのため、移動体が交流電源から給電される位置に停止する際、停止位置が給電に適切な位置になるように停止することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、共鳴コイル間の距離を測定するのに専用の距離センサを設けることなく、共鳴コイル間の距離が電力伝送を効率良く行うことができるか否かを判断することができる非接触電力伝送装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態における非接触電力伝送装置の構成図。
【図２】車両が充電位置に停止したときの１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの関係を示す模式側面図。
【図３】同じく模式平面図。
【図４】共鳴コイルの軸ずれ量と１次コイルの電圧との関係を示すグラフ。
【図５】共鳴コイル間の距離を一定として負荷を変えた場合における負荷と１次コイルの電圧との関係を示すグラフ。
【図６】第２の実施形態における車両が充電位置に停止したときの１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの関係を示す模式図。
【図７】共鳴コイル間の距離と１次コイルの電圧との関係を示すグラフ。
【図８】別の実施形態の１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの関係を示す模式図。
【図９】従来技術の非接触電力伝送装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１の実施形態）
以下、本発明を移動体に搭載された２次電池に対して非接触充電を行うシステムに具体化した第１の実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
【００１８】
図１は、非接触電力伝送装置の構成を模式的に示す。図１に示すように、非接触電力伝送装置は、給電側設備（送電側設備）１０と、受電側設備２０とで構成されている。給電側設備１０は充電ステーションに設けられ、受電側設備２０は移動体としての車両３０に搭載されている。
【００１９】
給電側設備１０は、交流電源１１と、交流電源１１から交流電圧が印加される１次コイル１２と、１次側共鳴コイル１３と、コントローラ１４とを備えている。１次コイル１２と１次側共鳴コイル１３とは同軸上に位置するように配設されている。１次コイル１２には１次コイル１２の両端の電圧を測定する電圧測定手段としての電圧センサ１５が接続されている。電圧センサ１５の検出信号はコントローラ１４に入力される。１次側共鳴コイル１３にはコンデンサＣが接続されている。交流電源１１は交流電圧を出力する電源である。交流電源１１はコントローラ１４による制御によって所定周波数（共鳴周波数）の交流電圧を出力するように構成されている。
【００２０】
受電側設備２０は、２次側共鳴コイル２１と、２次コイル２２と、２次コイル２２に接続された充電器２３と、充電器２３に接続された２次電池２４と、充電コントローラ２５とを備えている。２次側共鳴コイル２１にはコンデンサＣが接続されている。２次側共鳴コイル２１と２次コイル２２とは同軸上に位置するように配設されている。２次コイル２２は周囲の磁界から電磁誘導を利用して電力を取り出し、充電器２３に出力する。充電器２３は、２次コイル２２から出力される交流を整流する整流回路（図示せず）と、整流された直流を２次電池２４に充電するのに適した電圧に昇圧する昇圧回路（図示せず）とを備えている。充電コントローラ２５は、充電時に充電器２３の昇圧回路のスイッチング素子を制御する。充電器２３及び２次電池２４は負荷を構成する。
【００２１】
車両３０には、２次電池２４の充電量を検出する充電量センサ２６が設けられている。充電コントローラ２５は充電量センサ２６の検出信号を入力して充電状態を判断する。コントローラ１４と、充電コントローラ２５とは図示しない無線通信装置を介して通信可能になっている。充電量センサ２６で検出された２次電池２４の充電量のデータは、図示しない無線通信装置を介してコントローラ１４に送られるようになっている。また、車両３０には１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが、適切な位置関係にあるか否かを報知する報知手段２７が設けられている。報知手段２７としては、例えば、適切な位置関係にある状態で点灯するＬＥＤと、適切な位置関係にない状態で点灯するＬＥＤとが使用される。報知手段２７は充電コントローラ２５からの指令で点灯が制御される。
【００２２】
１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル２１、２次コイル２２、充電器２３及び２次電池２４は共鳴系２８を構成し、交流電源１１から供給される電力を非接触で伝送する。１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２は電線により形成されている。コイルを構成する電線には、例えば、絶縁ビニル被覆線が使用される。コイルの径や巻数は、伝送しようとする電力の大きさ等に対応して適宜設定される。この実施形態では１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２は、同じ径に形成されている。１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１は同じに形成され、各コンデンサＣとして同じコンデンサが使用されている。
【００２３】
コントローラ１４は、ＣＰＵ１４ａ及びメモリ１４ｂを備え、メモリ１４ｂには１次コイル１２の電圧、即ち電圧センサ１５の検出電圧データから１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離を演算する制御プログラムが記憶されている。コントローラ１４は、電圧センサ１５によって検出された電圧から１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離を演算する距離演算手段を構成する。この実施形態ではコントローラ１４は、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが同軸上に位置する状態からの軸と垂直方向へのズレ量（以下、単に軸ズレ量と称す。）を演算する。そして、コントローラ１４は、軸ズレ量から１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが、適切な位置関係にあるか否かを判断し、判断結果を充電コントローラ２５に送信する。充電コントローラ２５は、コントローラ１４からの判断結果に基づいて報知手段２７を点灯制御する。
【００２４】
メモリ１４ｂには、２次電池２４の充電量が予め設定された値における１次コイル１２の電圧と、軸ズレ量との関係を示すデータがマップとして記憶されている。この充電量の予め設定された値とは、２次電池２４への充電開始時における充電量を意味し、この実施形態では、２次電池２４が充電すべき状態になった時の充電量と、その値より小さくその値の状態から車両３０が充電ステーションまで走行する間に２次電池２４の電力が使用された後の複数の充電量とに対して前記データがそれぞれ記憶されている。これらのデータは予め試験により求められる。
【００２５】
コントローラ１４は、充電時には、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離に対応した適切な周波数の交流電流が供給されるように交流電源１１を制御するようになっている。ここで、適切な周波数とは、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離（共鳴コイル間距離）における周波数を意味し、共鳴系２８における入力インピーダンスの値と周波数との関係をグラフにした場合、入力インピーダンスの値の極大点と極小点の間の周波数を意味する。また、共鳴系２８における電力伝送効率が最も良い周波数を共鳴周波数とする。
【００２６】
図２に示すように、１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３は、地上に形成された穴２９の中に配設され、コイルの中心軸が地上面に対して直交する方向に延びるように、かつ１次側共鳴コイル１３が１次コイル１２の上方に位置するように設けられている。なお、穴２９の開口は車両３０の移動に支障がないように図示しないカバーで覆われている。
【００２７】
図２及び図３に示すように、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２は、車両３０の底部の車幅方向の略中央、かつ車両３０の後寄りに、コイルの中心軸が車両３０の上下方向に延びるように、かつ２次側共鳴コイル２１が２次コイル２２の下方に位置するように設けられている。
【００２８】
次に前記のように構成された非接触電力伝送装置の作用を説明する。
２次電池２４の充電量が予め設定された値まで低下すると、２次電池２４の充電を行う必要がある。２次電池２４に充電を行う場合には、車両３０は給電側設備１０の１次側共鳴コイル１３が設けられた充電位置に駐車（停止）する必要がある。充電が効率良く行われるためには、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との軸ズレ量が予め設定された範囲内となるように車両３０を駐車させる必要がある。軸ズレ量は、例えば、図３に示すように、１次側共鳴コイル１３の中心と直交する直線Ｌ１と、２次側共鳴コイル２１の中心と直交し、かつ直線Ｌ１と平行な直線Ｌ２との距離となる。
【００２９】
共鳴系２８において、１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１の軸方向の距離が一定で、負荷が一定の場合、図４に示すように、共鳴系２８の電圧、即ち１次コイル１２の両端の電圧と、１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１の軸ズレ量とは所定の関係を有し、１次コイル１２の両端の電圧が分かれば軸ズレ量が分かる。このとき、交流電源１１は、次のように設定される。すなわち、交流電源１１に１次コイル１２を接続しない状態（出力開放状態）または特定の固定負荷（例えば５０Ω抵抗）を接続した状態で、出力電圧がある値（例えば１０Ｖｐｐ）となるように、交流電源１１を設定する。その設定のまま、交流電源１１を１次コイル１２に接続して、電圧を測定する。交流電源１１と１次コイル１２を切り離して行う設定を、電圧を測定する都度行う必要はなく、例えば電圧を測定する直前に、１次コイルを接続したまま交流電源１１が上記のような状態となるようにしてもよい。また、共鳴系２８において、１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１の軸方向の距離が一定の場合、図５に示すように、１次コイル１２の電圧と負荷とは所定の関係を有する。この実施形態では、１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１の軸方向の距離は一定のため、車両３０が充電のために充電位置に駐車する際の負荷に対応した図４に示すような電圧と軸ズレ量との関係を示すグラフに基づいて、１次コイル１２の電圧から１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１の軸ズレ量を求めることができる。なお、図４及び図５は、１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル２１、２次コイル２２の巻径を３００ｍｍ程度とした場合の一例である。
【００３０】
車両３０が充電位置へ移動する際、コントローラ１４は、車両側から車両３０が充電位置へ移動する旨の信号を受信すると、交流電源１１を駆動させるとともに電圧センサ１５の出力信号を入力する。そして、前記のように交流電源１１を設定し、交流電源１１から１次コイル１２に共鳴周波数で交流電圧が印加されることにより１次コイル１２に磁場が発生する。この磁場が１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とによる磁場共鳴により増強され、増強された２次側共鳴コイル２１付近の磁場から２次コイル２２により電磁誘導を利用して電力が取り出されて充電器２３に供給される。
【００３１】
コントローラ１４は、電圧センサ１５により測定された１次コイル１２の両端の電圧と、充電コントローラ２５から受信した２次電池２４の充電量データとから、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離、具体的には１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との軸ズレ量を演算する。また、コントローラ１４は、演算結果に基づいて１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが適切な位置関係にあるか否か、例えば軸ズレ量が予め設定された範囲内にあるか否かを判断し、判断結果のデータを充電コントローラ２５に送信する。充電コントローラ２５は、そのデータに基づいて報知手段２７を制御する。即ち、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが適切な位置関係にあればそれを報知する青色発光ＬＥＤを点灯させ、適切な位置関係になければそれを報知する赤色発光ＬＥＤを点灯させる。車両３０の運転者は報知手段２７の点灯状態を参考にして、車両３０を適切な充電位置に停止させる。
【００３２】
車両３０が適切な充電位置に駐車した後、充電コントローラ２５が充電器２３のスイッチング素子の制御を開始し、充電が開始される。交流電源１１から１次コイル１２に出力された交流電圧により１次コイル１２に磁場が発生する。この磁場が１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とによる磁場共鳴により増強され、増強された２次側共鳴コイル２１付近の磁場から２次コイル２２により電磁誘導を利用して電力が取り出されて充電器２３に供給される。充電器２３に供給された交流は整流回路で整流された後、昇圧回路で２次電池２４に充電するのに適した電圧に昇圧されて２次電池２４に充電される。充電コントローラ２５は、例えば、充電量センサ２６の出力信号と、２次電池２４の電圧が所定電圧になった時点からの経過時間により充電完了を判断し、充電が完了すると、コントローラ１４に充電完了信号を送信する。コントローラ１４は、充電完了信号を受信すると電力伝送を終了する。
【００３３】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）非接触電力伝送装置は、交流電源１１と、交流電源１１から交流電圧が印加される１次コイル１２と、１次側共鳴コイル１３と、２次側共鳴コイル２１と、負荷（充電器２３及び２次電池２４）が接続された２次コイル２２とを備えている。また、１次コイル１２の両端の電圧を測定する電圧測定手段（電圧センサ１５）と、電圧測定手段により測定された電圧から１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離（共鳴コイル間の距離）を演算する距離演算手段（コントローラ１４）とを備えている。そのため、共鳴コイル間の距離を測定するのに専用の距離センサを設けることなく、共鳴コイル間の距離が電力伝送を効率良く行うのに適しているか否かを判断することができる。したがって、電力伝送を効率良く行うのに適していない状態で電力伝送を行うことを回避することができる。
【００３４】
（２）距離演算手段（コントローラ１４）は、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが同軸上に位置する状態からの軸と垂直方向へのズレ量を演算する。したがって、例えば、交流電源１１、１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３が固定状態で設けられ、２次側共鳴コイル２１、２次コイル２２及び負荷は、２次側共鳴コイル２１の中心軸が１次側共鳴コイル１３の中心軸と平行な状態で、中心軸と直交する方向に移動可能な構成の場合に適している。
【００３５】
（３）２次側共鳴コイル２１、２次コイル２２及び負荷を構成する充電器２３及び２次電池２４は、移動体（車両３０）に搭載され、移動体には距離演算手段の演算結果に基づいて１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが適切な位置関係にあるか否かを報知する報知手段２７が設けられている。そのため、移動体が交流電源１１から給電される位置に停止する際、停止位置が給電に適切な位置になるように停止することができる。
【００３６】
（４）非接触電力伝送装置は、車両３０に搭載された２次電池２４に対して非接触充電を行うシステムに適用されている。２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２は車両３０に搭載されるとともに２次コイル２２は負荷を構成する充電器２３を介して２次電池２４に接続されており、交流電源１１、１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３は２次電池２４に非接触状態で充電を行う給電側設備１０に装備されている。したがって、効率良く充電を行うことができる。
【００３７】
（５）車両３０の底部に２次側共鳴コイル２１を設け、給電側設備１０の１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３は地上に形成された穴２９の中に設けられているため、１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３の配置スペースの確保が容易になる。また、車両３０が充電位置に前進、後進のどちらからでも進入することができる。
【００３８】
（６）２次コイル２２から出力される交流電流を整流回路で整流しただけで２次電池２４に充電するのではなく、２次電池２４で充電するのに適した電圧に昇圧回路で昇圧して充電するため、２次電池２４をより効率良く充電することができる。
【００３９】
（７）１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１にコンデンサＣが接続されている。したがって、１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１のコイルの巻数を増やすことなく共鳴周波数を下げることができる。また、共鳴周波数が同じであれば、１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１を、コンデンサＣを接続しない場合に比べて小型化することができる。
【００４０】
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図６及び図７にしたがって説明する。この実施形態では、１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２の軸心の延びる方向が異なっている。また、距離演算手段（コントローラ）が、軸ズレ量を演算する代わりに１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との軸方向の距離を演算する点が第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と基本的に同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４１】
図６に示すように、１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３は、充電ステーションの地上に突出するように設けられた給電側設備１０の収容ボックス３１内に、軸心が地上面に対して水平方向に延びるように設けられている。また、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２は、車両３０の前側に軸心が車両３０の前後方向に延びるように、かつ１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３の軸心と同じ高さになるように設けられている。
【００４２】
コントローラ１４のメモリ１４ｂには、２次電池２４の充電量が予め設定された値における１次コイル１２の両端の電圧と、軸ズレ量との関係の代わりに、１次コイル１２の両端の電圧と、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との軸方向の距離（以下、コイル間距離と称す場合もある。）との関係を示すデータがマップとして記憶されている。この実施形態では、２次電池２４が充電すべき状態になった時の充電量と、その値より小さくその値の状態から車両３０が充電ステーションまで走行する間に２次電池２４の電力が使用された後の複数の充電量とに対して前記データが、例えば図７に示すような、電圧とコイル間距離との関係を示すグラフとしてそれぞれ記憶されている。これらのデータは予め試験により求められる。
【００４３】
充電ステーションには、車両３０が充電する際に、給電側設備１０と対向する位置へ移動するのを案内するガイドラインが設けられており、運転者はガイドラインに沿って車両３０を前進で充電位置まで移動させる。車両３０が充電位置へ移動する際、コントローラ１４は、車両側から車両３０が充電位置へ移動する旨の信号を受信すると、交流電源１１を駆動させるとともに電圧センサ１５の出力信号を入力する。そして、コントローラ１４は、電圧センサ１５により測定された１次コイル１２の両端の電圧と、充電コントローラ２５から受信した２次電池２４の充電量データとから、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との軸方向の距離を演算し、演算結果に基づいてコイル間距離が適切な値か否かを判断する。コントローラ１４は判断結果のデータを充電コントローラ２５に送信し、充電コントローラ２５は、そのデータに基づいて報知手段２７を制御する。車両３０の運転者は報知手段２７の点灯状態を参考にして、車両３０を適切な充電位置に停止させる。
【００４４】
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態の（１），（３），（６），（７）と同様な効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（８）距離演算手段（コントローラ１４）は、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との軸方向の距離を演算する。したがって、非接触電力伝送装置は、交流電源１１、１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３が固定状態で設けられ、２次側共鳴コイル２１、２次コイル２２及び負荷（充電器２３及び２次電池２４）は、１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１とが同軸上に位置する状態で移動可能な構成の場合に適している。
【００４５】
（９）車両３０の前側に２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２をその軸心が車両３０の前後方向に延びるように設け、給電側設備１０の１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３は地上に突出形成された収容ボックス３１内に設けられている。したがって、１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３を収容する穴２９を地上に形成する必要がない。また、車高が異なる車両３０の場合、地上面から車体の底部までの距離が異なる場合が多く、車高の異なる車両３０において給電側設備１０の１次側共鳴コイル１３から車体の底部近くに設けられた２次側共鳴コイル２１までの軸方向の距離を共通にするのが難しく、給電側設備１０を車高の異なる車両３０毎に設ける必要がある。しかし、この実施形態の場合は、車高が異なる車両３０に適用する場合、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２の中心軸の高さを、給電側設備１０の１次コイル１２及び１次側共鳴コイル１３の中心軸の高さに合わせて設定することにより、車高が異なる車両３０で同じ給電側設備１０を使用することができる。
【００４６】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 第１の実施形態において、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２を設ける位置は、車幅方向の略中央でかつ車両３０の後側寄りに限らず、例えば、前側寄りに設けたり、車両３０の前後方向の中央部に設けたり、車幅方向の中央から外れた位置に設けたりしてもよい。
【００４７】
○ 第２の実施形態のように給電側設備１０の収容ボックス３１が地上から突設される構成において、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２の組を車両３０の後側に設けてもよい。この場合、車両３０は後退で充電位置まで移動する必要がある。
【００４８】
○ ２次側共鳴コイル２１をコイルの軸心が水平方向に延びるように設ける場合、２次側共鳴コイル２１を車両３０の前側又は後側においてコイルの軸心が車両３０の前後方向に延びるように設ける代わりに、図８に示すように、車両３０の側部にコイルの軸心が車幅方向に延びるように設けてもよい。この場合、充電ステーションには、車両３０が充電する際に給電側設備１０と対向する位置へ移動するのを案内するガイドラインが設けられており、運転者はガイドラインに沿って車両３０を前進で充電位置まで移動させる。
【００４９】
○ コントローラ１４は、電圧測定手段（電圧センサ１５）により測定された１次コイル１２の両端の電圧から１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離を演算すればよい。即ち、第１の実施形態のように１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１の軸方向の距離が一定で、２次側共鳴コイル２１が移動する場合や、第２の実施形態のように２次側共鳴コイル２１が１次側共鳴コイル１３と同軸状態で１次側共鳴コイル１３に向かって移動する構成に限らない。例えば、２次側共鳴コイル２１が１次側共鳴コイル１３と同軸上にない状態で１次側共鳴コイル１３との軸方向の距離が小さくなるように移動する場合に、電圧測定手段（電圧センサ１５）により測定された１次コイル１２の両端の電圧から１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル２１との距離を演算してもよい。この場合、マップあるいは計算式として、２次側共鳴コイル２１が１次側共鳴コイル１３と同軸状態で移動する場合のものを使用する。しかし、許容範囲を狭く設定することで支障はない。
【００５０】
○ コントローラ１４は、充電コントローラ２５から充電完了信号を受信して電力伝送を終了する代わりに、充電時に電圧センサ１５の検出信号に基づいて１次コイル１２の両端の電圧から負荷の変動を演算するとともに２次電池２４の充電状態を推定して、電力伝送の終了時期を決定してもよい。例えば、充電開始後、１次コイル１２の両端の電圧が所定電圧になった時点からの経過時間により充電完了時期、即ち電力伝送の終了時期を判断してもよい。
【００５１】
○ 移動体は運転者を必要とする車両３０に限らず、例えば、無人搬送車や２次電池を備えた自走式のロボットであってもよい。
○ 移動体は２次電池を備えたものに限らず、コンベア等の移送手段により定められた作業位置に移動されるとともに、電力で駆動されるモータを備えた装置であってもよい。この場合、モータが負荷を構成し、移動体には２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２が設けられる。また、作業位置毎に交流電源１１、１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３及びコントローラ１４が設けられる。そして、移動体が作業位置に移動された状態で、交流電源１１から装置に電力が供給される。この場合、コントローラ１４は、負荷（モータ）への給電時に電圧センサ１５の検出信号に基づいて負荷の変動を演算するとともに、交流電源１１の出力周波数を負荷に対応した適切な周波数に変更するようにしてもよい。
【００５２】
○ 報知手段２７を車両３０側に設ける代わりに給電側設備１０に設けてもよい。例えば、車両３０の運転者から視認し易い箇所に、報知手段２７を設け、コントローラ１４からの指令で報知手段２７の点灯を制御する。この場合、車両３０毎に報知手段２７を設けなくても運転者は報知手段２７の点灯状態から車両３０を適正な充電位置に駐車させることができる。
【００５３】
○ 電線を巻回してコイルを形成する場合、コイルは円筒状に限らない。例えば、三角筒状、四角筒状、六角筒状等の多角筒状や楕円筒状等の単純な形状の筒状としたり、対称図形ではなく他の異形断面の筒状としたりしてもよい。
【００５４】
○ １次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１は、電線が筒状に巻回されたコイルに限らず、例えば、電線が一平面上で周回し、かつ周回部の長さが順次変化するように巻回された形状としてもよい。この場合、コイルが扁平になり、コイルを配置するスペースとしてコイルの軸方向の長さを短くできる。
【００５５】
○ コイルは、電線が密巻されて隣接する巻回部が接触する構成でも、巻回部が接触しないように巻回部の間隔を空けて電線が巻回された構成であってもよい。
○ １次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル２１及び２次コイル２２が全て同じ径に形成されている必要はない。例えば、１次側共鳴コイル１３及び２次側共鳴コイル２１は同じ径で、１次コイル１２及び２次コイル２２は異なる径としてもよい。
【００５６】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項４に記載の発明において、前記移動体は車両であり、前記負荷として充電器及び２次電池が前記車両に搭載され、前記２次側共鳴コイル及び前記２次コイルは、コイルの軸心が前記車両の上下方向に延びるように設けられ、前記１次コイル及び前記１次側共鳴コイルは、充電位置に駐車した車両の下方に位置し、かつコイルの軸心が地上面に対して直交する方向に延びるように設けられている。
【００５７】
（２）交流電源と、交流電源から交流電圧が印加される１次コイルと、１次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルと、負荷が接続された２次コイルとを備える非接触電力伝送装置であって、前記１次コイルの電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段により測定された電圧から前記負荷の状態を判断する判断手段とを備えている非接触電力伝送装置。
【符号の説明】
【００５８】
１１…交流電源、１２…１次コイル、１３…１次側共鳴コイル、１４…距離演算手段としてのコントローラ、１５…電圧測定手段としての電圧センサ、２１…２次側共鳴コイル、２２…２次コイル、２３…負荷を構成する充電器、２４…同じく２次電池、２７…報知手段、３０…移動体としての車両。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と、交流電源から交流電圧が印加される１次コイルと、１次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルと、負荷が接続された２次コイルとを備える非接触電力伝送装置であって、
前記１次コイルの電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段により測定された電圧から前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとの距離を演算する距離演算手段とを備えていることを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記距離演算手段は、前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとの軸方向の距離を演算する請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項３】
前記距離演算手段は、前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとが同軸上に位置する状態からの軸と垂直方向へのズレ量を演算する請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項４】
前記２次側共鳴コイル、前記２次コイル及び前記負荷は移動体に搭載され、前記移動体には前記距離演算手段の演算結果に基づいて前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとが適切な位置関係にあるか否かを報知する報知手段が設けられている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項１】
交流電源と、交流電源から交流電圧が印加される１次コイルと、１次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルと、負荷が接続された２次コイルとを備える非接触電力伝送装置であって、
前記１次コイルの電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段により測定された電圧から前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとの距離を演算する距離演算手段とを備えていることを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記距離演算手段は、前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとの軸方向の距離を演算する請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項３】
前記距離演算手段は、前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとが同軸上に位置する状態からの軸と垂直方向へのズレ量を演算する請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項４】
前記２次側共鳴コイル、前記２次コイル及び前記負荷は移動体に搭載され、前記移動体には前記距離演算手段の演算結果に基づいて前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとが適切な位置関係にあるか否かを報知する報知手段が設けられている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−１８３８１４（Ｐ２０１０−１８３８１４Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７６７６（Ｐ２００９−２７６７６）
【出願日】平成２１年２月９日（２００９．２．９）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月９日（２００９．２．９）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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