JP6588190B2 - 無線給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線で電力を供給する無線給電装置に関する。

従来、生産設備では、さらなる消費エネルギーの低減が求められている。また、ロボットを用いる生産設備の場合、配線などを削減し、省スペース化を図るために無線による電力の供給が検討されている。このような生産設備では、ロボットなどの負荷の相互間において、電力を融通することにより生産設備全体で消費エネルギーの低減を図ることができる。すなわち、ロボットなどの負荷は、加速時に電力などのエネルギーを消費するのに対し、減速時にエネルギーを発生する。この減速時に発生するエネルギーを電力に変えて、他のロボットなどの負荷で消費することにより、生産設備全体における消費エネルギーの低減が図られる。

そこで、電力を無線で供給する技術として、電源側と負荷側との間の双方向で電力を融通する技術が提案されている（非特許文献１参照）。この技術は、電気自動車などの車両を前提としている。そのため、電源側と負荷側との間では、１００ｋＨｚ以下の帯域で電磁誘導を利用して無線による電力の融通を図っている。

しかし、周波数が１００ｋＨｚ以下の帯域の場合、十分な電力を供給するには、コイルの体格の大型化を招くという問題がある。車両の場合、車両自体に十分な大きさがあるため、体格の大きなコイルであっても制限は小さい。一方、生産設備のロボットでは、より小型のコイルでの電力の融通が求められる。すなわち、ロボットの場合、大型で重量の大きなコイルを用いると、ロボット自体の重量の増加、重量の増加にともなう駆動装置の大型化、さらには設備自体の大型化を招くという問題がある。

ところが、小型のコイルを用いて無線給電を行うためには、周波数がＭＨｚ帯域での電力の供給が必要となる。このように高い周波数帯域では、電磁誘導を用いるとスイッチングロスなどが発生するという問題がある。

平成２４年電気学会全国大会 ４−２０３

そこで、本発明は、高周波帯域による電力の無線給電により小型化および伝達効率の向上が図られ、安全性の高い無線給電装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、電源側に接続される第一ユニット、および負荷側に接続される第二ユニットを備えている。これら、一対の第一ユニットと第二ユニットとの間は、磁界共鳴を利用して数ＭＨｚから十数ＭＨｚの高周波によって電力が無線で伝送される。すなわち、第一ユニットと第二ユニットとの間では、電力は、磁界共鳴を用いて、高周波帯域による無線給電によって伝送される。したがって、共鳴コイルの大型化を回避することができるとともに、周辺設備の小型化も図ることができる。これとともに、磁界共鳴を利用した無線給電により、電磁誘導と比較して、より離れた距離での無線給電における伝達効率の向上を図ることができる。

また、請求項１記載の発明では、第二ユニットの位相制御手段は、電流検出手段で検出した電流に応じて、共振型アンプ回路に設けられているスイッチング手段の駆動位相を制御する。第一ユニットと第二ユニットとの間は、共振する高周波の位相差によって、伝送される電力の大きさが変化する。すなわち、電力の伝達効率は、第一ユニットと第二ユニットとの間で共振する高周波の位相差によって変化する。そこで、請求項１記載の発明では、電流検出手段で第二ユニットの蓄電手段に流れる電流を検出する。そして、位相制御手段は、この検出した電流に応じて第二ユニットの共振型アンプ回路のスイッチング手段における駆動位相を制御する。これにより、第一ユニットと第二ユニットとの間では、伝送される高周波の位相に差が形成される。そのため、第一ユニットと第二ユニットとの間で伝送される電力は、第一ユニットから発振する高周波の位相を維持したまま、第二ユニットのスイッチング手段における駆動位相を制御するだけで伝達効率が制御される。つまり、第二ユニットのスイッチング手段における駆動位相を制御することにより、第一ユニットの移相を維持したまま、第一ユニットと第二ユニットとの間の高周波の位相差が制御される。その結果、第一ユニットと第二ユニットとの間で伝送される電力の伝達効率は、容易に制御される。したがって、第一ユニットと第二ユニットとの間の位相差を制御することにより、簡単な構造で小型化および伝達効率の向上を図ることができる。

一方、請求項１記載の発明では、第一ユニットと第二ユニットとの間で位相差が生じているとき、この位相差は第一ユニットまたは第二ユニットの共鳴コイルにおけるインピーダンスの上昇を招くに過ぎない。つまり、伝達効率が著しく低下するほどの位相差が生じても、第一ユニットまたは第二ユニットの共振型アンプ回路において電気的な抵抗が増加するだけであり、意図しない電流の流れや過大な電流の流れが生じることはない。したがって、第一ユニットと第二ユニットとの間で大きな電力を伝送する場合でも、安全性を高めることができる。これにより、例えばロボットなどのように安全性が重視される設備に適用することができる。
さらに、請求項１記載の発明では、第一ユニットおよび第二ユニットの共鳴コイルはいずれも共振型アンプ回路の共振用のインダクタとして機能する。そのため、共振型アンプ回路は、共振用のインダクタを別途必要としない。したがって、回路構成の簡略化が図られるとともに、機器の小型化を促進することができる。

上述のように一対の第一ユニットと第二ユニットとは、第二ユニット側のスイッチング手段の駆動位相を制御することにより、第一ユニットと第二ユニットとの間における電力の伝達効率に限らず、第一ユニットと第二ユニットとの間の電力の伝送方向も制御可能である。すなわち、第一ユニットと第二ユニットとの間の位相差を制御することにより、第一ユニットから第二ユニットへの電力の伝送だけでなく、第二ユニットから第一ユニットへの電力の伝送も可能となる。第二ユニットに接続される負荷は、制動時の回生によって電力を発生する。請求項１記載の発明では、スイッチング手段の駆動位相を制御して、第一ユニットと第二ユニットとの間に位相差を形成することにより、この位相差によって電力の伝達効率だけでなく、伝送方向も制御される。回生によって生じた電力を第二ユニットから第一ユニットへ伝送することにより、第二ユニットに接続する負荷で発生したエネルギーは、第一ユニットを通して他の負荷へ伝送される。したがって、第二ユニットにおけるスイッチング手段の駆動位相の制御という簡単な制御により、第一ユニットと第二ユニットとの間の双方向で電力を伝送することができ、設備全体の消費電力の低減を図ることができる。これにより、例えばロボットなどのように小型化および軽量化が要求される設備に適用することができる。

第１実施形態による無線給電装置の電気的な構成を示す概略図 第１実施形態による無線給電装置を示す模式的な斜視図 第１実施形態による無線給電装置における移相器の構成を示す模式図 第１実施形態による無線給電装置において、第一ユニットと第二ユニットとの間の位相差と電流との関係を示す模式図 第１実施形態による無線給電装置において、初期化の処理の流れを示す概略図 第１実施形態による無線給電装置において、電力伝送中の処理の流れを示す概略図 第２実施形態による無線給電装置の電気的な構成を示す概略図 第２実施形態による無線給電装置における電流の変化を示す概略図 第３実施形態による無線給電装置の第一ユニットを示す図であって、（Ａ）は模式的な斜視図、（Ｂ）は電気的な構成を示す概略図 第３実施形態による無線給電装置の第二ユニットを示す図であって、（Ａ）は模式的な斜視図、（Ｂ）は電気的な構成を示す概略図 第４実施形態による無線給電装置の電気的な構成を示す概略図

以下、無線給電装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図１および図２に示すように、第１実施形態による無線給電装置１０は、第一ユニット１１および第二ユニット１２を備えている。第一ユニット１１は、外部の電源１３に接続している。第二ユニット１２は、この第一ユニット１１と対向して設けられ、例えばロボットなど電力を消費する負荷１４に接続している。第一ユニット１１と第二ユニット１２との間は、数ＭＨｚから十数ＭＨｚの高周波による磁界共鳴によって無線で電力が伝送される。第一ユニット１１は、電源１３だけでなく、電力を消費する他の負荷と接続していてもよい。

図１に示すように第一ユニット１１は、共振型アンプ回路２１、共鳴コイル２２および蓄電部２３を有している。共振型アンプ回路２１は、スイッチング素子２４、コンデンサ２５、コンデンサ２６およびコイル２７を有している。共振型アンプ回路２１および蓄電部２３は、図２に示すようにアンプ基板部２８に実装されている。また、図１に示すように共振型アンプ回路２１は、第一ユニット１１のキャリアクロックを生成するクロック生成部２９を有している。スイッチング素子２４は、クロック生成部２９で生成されたキャリアクロックに基づいて共振型アンプ回路２１をスイッチングする。このスイッチングで生成された高周波は、共鳴コイル２２へ供給される。共鳴コイル２２は、図２に示すようにアンプ基板部２８とは別体の基板３１に形成された平面コイルである。共鳴コイル２２は、図１に示すようにコンデンサ２５、コンデンサ２６およびコイル２７とともに共振回路を形成する。共鳴コイル２２は、第一ユニット１１から第二ユニット１２へ電力を伝送するとき、つまり送電するとき、共振型アンプ回路２１で生成された高周波を発振する。一方、共鳴コイル２２は、第二ユニット１２から第一ユニット１１へ電力を伝送するとき、つまり受電するとき、第二ユニット１２で発振された高周波を受信する。蓄電部２３は、例えば二次電池やキャパシタなどで構成されており、共振型アンプ回路２１を流れる電流を安定化させる。すなわち、蓄電部２３は、第一ユニット１１から第二ユニット１２へ送電するとき電源として機能し、第二ユニット１２から第一ユニット１１へ受電するとき蓄電器として機能する。これら、共振型アンプ回路２１および蓄電部２３は、図２に示すアンプ基板部２８に設けられている。

図１に示すように第二ユニット１２は、第一ユニット１１と同様に、共振型アンプ回路４１、共鳴コイル４２および蓄電部４３を有している。共振型アンプ回路４１は、スイッチング素子４４、コンデンサ４５、コンデンサ４６およびコイル４７を有している。共振型アンプ回路４１および蓄電部４３は、図２に示すようにアンプ基板部４８に実装されている。スイッチング素子４４は、後述する移相器６５で生成されたキャリアクロックに基づいて共振型アンプ回路４１をスイッチングする。このスイッチングで生成された高周波は、共鳴コイル４２へ供給される。第一ユニット１１から高周波が発振されると、磁界共鳴によって第二ユニット１２の共振型アンプ回路４１で共振が生じ、生じた共振によって第二ユニット１２の共振型アンプ回路４１は電流を生成する。共鳴コイル４２は、図２に示すようにアンプ基板部４８とは別体の基板５１に形成された平面コイルである。共鳴コイル４２は、図１に示すようにコンデンサ４５、コンデンサ４６およびコイル４７とともに共振回路を形成する。共鳴コイル４２は、第一ユニット１１から第二ユニット１２へ電力を伝送するとき、つまり受電するとき、第一ユニット１１で発振された高周波を受信する。一方、共鳴コイル４２は、第二ユニット１２から第一ユニット１１へ電力を伝送するとき、つまり送電するとき、共振型アンプ回路４１で生成された高周波を発振する。蓄電部４３は、例えば二次電池やキャパシタなどで構成されており、共振型アンプ回路４１を流れる電流を安定化させる。すなわち、蓄電部４３は、第二ユニット１２から第一ユニット１１へ送電するとき電源として機能し、第一ユニット１１から第二ユニット１２へ受電するとき蓄電器として機能する。これら、共振型アンプ回路４１および蓄電部４３は、図２に示すアンプ基板部４８に設けられている。

第二ユニット１２は、上記に加え、制御ユニット６０を備えている。制御ユニット６０は、アンプ基板部４８に実装されている。制御ユニット６０は、図１に示すように電流検出手段としての電流センサ６１、および位相制御部６２を有している。電流センサ６１は、共振型アンプ回路４１と蓄電部４３とを接続する電気回路の途中に設けられており、この電気回路を流れる電流の大きさを検出する。電流センサ６１は、電流の大きさとして電流の向きも検出する。位相制御部６２は、電流センサ４９、マイクロコンピュータ６３、Ａ／Ｄ変換器６４および移相器６５を有している。電流センサ４９は、位相制御の元となる共振型アンプ回路４１を流れる電流の移相をキャリアクロックとして検出する。すなわち、電流センサ４９は、共振型アンプ回路４１を流れる電流をサンプリングする。マイクロコンピュータ６３は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有しており、ＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムによって位相制御部６２、および移相器６５のデジタルポテンションメータ６６を制御し、電流センサ４９から入力されたキャリアクロックの移相を制御する。Ａ／Ｄ変換器６４は、電流センサ６１で検出した電流のアナログ値をデジタル値に変換してマイクロコンピュータ６３へ出力する。移相器６５は、例えば図３に示すようにデジタルポテンションメータ６６、およびボルテージフォロア回路６８から構成されている。マイクロコンピュータ６３は、電流センサ６１で検出した電流に基づいて、電流センサ４９から入力されるキャリアクロックの移相を、移相器６５で制御する。これにより、マイクロコンピュータ６３は、電流センサ６１で検出した電流に応じてデジタルポテンションメータ６６の値を変更し、移相器６５から生成されるキャリアクロックの移相を変更する。その結果、スイッチング素子４４を駆動するキャリアクロックの駆動位相が変更され、第二ユニット１２の共振型アンプ回路４１を流れる高周波の電流の位相が変化する。

第一ユニット１１のクロック生成部２９は、以下の式（１）に示すキャリアクロックを生成する。
Ｖ１＝Ｖ×ｓｉｎ（２πｆ×ｔ） （１）
これに対し、第二ユニット１２の移相器６５は、以下の式（２）に示すキャリアクロックを生成する。
Ｖ２＝Ｖ×ｓｉｎ（２πｆ×ｔ＋φ） （２）
これらの式（１）および式（２）に示すように、第一ユニット１１から発振される高周波と第二ユニット１２から発振される高周波との間には、位相φに相当する位相差が生じる。位相制御部６２は、この位相φを変化させることにより、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間の位相差を制御する。なお、移相器６５は、図３においてオールパス型を例に示しているが、制御可能であればこの例に限らない。

上述のように、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間で高周波による磁界共鳴が生じると、図１に示すように第一ユニット１１には電流Ｉ１が流れ、第二ユニット１２には電流Ｉ２が流れる。電流センサ６１は、この第二ユニット１２に流れる電流Ｉ２を検出する。
図４に示すように、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間に位相φの差が生じると、電流Ｉ１および電流Ｉ２の大きさおよび向きが変化する。すなわち、位相φの差を制御することによって、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間における電力の伝達効率だけでなく、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間の電力の伝送方向も変化する。一方、位相φの差が大きくなると、伝送される電力が不安定化しやすい。そこで、本実施形態の場合、−９０°≦φ≦９０°の範囲で位相φを制御している。すなわち、本実施形態の場合、位相φを制御する位相制御範囲は、−９０°≦φ≦９０°に設定している。この位相制御範囲は、一例であり、第一ユニット１１および第二ユニット１２の仕様や特性などに応じて任意に設定することができる。

第一ユニット１１および第二ユニット１２で発振する高周波は、数ＭＨｚから十数ＭＨｚに設定されている。ここで、共鳴コイル２２および共鳴コイル４２のインダクタンスをＬ_ｒｅｓｏとし、第一ユニット１１および第二ユニット１２の出力インピーダンスをＲ_Ｌとし、第一ユニット１１および第二ユニット１２の共振回路のＱ値をＱ_Ｌとし、キャリアクロックの周波数をｆ_ｄとしたとき、インダクタンスをＬ_ｒｅｓｏは、以下の式（３）で算出される。
Ｌ_ｒｅｓｏ＝（Ｑ_Ｌ×Ｒ_Ｌ）／（２πｆ_ｄ） （３）
上記の式（３）より、第一ユニット１１および第二ユニット１２で発振する高周波の周波数を高めるほど、インダクタンスＬ_ｒｅｓｏは低下する。その結果、発振する高周波の周波数が高い本実施形態は、外部へ放出されるノイズが低減され、負荷であるロボットなどのような外部の設備への影響が低減される。

次に、上記の構成による無線給電装置１０の位相制御の流れを図５および図６に基づいて説明する。
（初期化）
無線給電装置１０の第一ユニット１１と第二ユニット１２は、例えば個体差などにより高周波の発振特性に差が生じる。すなわち、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間では、接続される電源や負荷、あるいは自身の個体差などによって、位相差が位相制御範囲外となるおそれがある。そこで、無線給電装置１０は、起動されると、まず初期化の処理を実行する。初期化の処理は、制御ユニット６０において実行される。

初期化が開始されると、制御ユニット６０のマイクロコンピュータ６３は、電流センサ６１からＡ／Ｄ変換器６４を通して第二ユニット１２の共振型アンプ回路４１を流れる電流Ｉｍを検出する（Ｓ１０１）。制御ユニット６０は、予め設定された一定期間が経過するまで電流Ｉｍを検出する。制御ユニット６０は、設定された一定期間に応じて検出した電流Ｉｍから、この検出した電流ＩｍのばらつきΔＩを算出する（Ｓ１０２）。この電流ＩｍのばらつきΔＩは、例えば検出した電流の最大値と最小値との差などによって算出される。制御ユニット６０は、Ｓ１０２において電流ＩｍのばらつきΔＩを算出すると、算出したばらつきΔＩがしきい値ＢＩより小さいか否かを判断する（Ｓ１０３）。しきい値ＢＩは、無線給電装置１０の特性などに応じて任意に設定されている。本実施形態の場合、しきい値ＢＩは、電流の最大値および最小値から±１０％に設定している。

制御ユニット６０は、ばらつきΔＩがしきい値ＢＩ以上であるとき（Ｓ１０３：Ｎｏ）、位相φを加算する（Ｓ１０４）。ばらつきΔＩがしきい値ＢＩ以上であるとき、第二ユニット１２において設定されているキャリアクロックの位相が図４に示す位相制御範囲外にあると考えられる。すなわち、第一ユニット１１において設定されているキャリアクロックと第二ユニット１２において設定されているキャリアクロックとの位相差が過大であり、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間で安定した電力の伝送が行われていないと考えられる。そこで、制御ユニット６０は、位相φを加算して双方の位相差を調整する。このとき、制御ユニット６０は、例えば位相φを９０°程度加算する。制御ユニット６０は、Ｓ１０４において位相φを調整した後、Ｓ１０１へリターンし、電流ＩｍのばらつきΔＩがしきい値ＢＩより小さくなるまで処理を繰り返す。

一方、制御ユニット６０は、ばらつきΔＩがしきい値ＢＩより小さいとき（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）、電流センサ６１で電流を検出し、検出した値を電流Ｉｂとする（Ｓ１０５）。制御ユニット６０は、電流Ｉｂを検出すると、位相φを加算する（Ｓ１０６）。すなわち、制御ユニット６０は、電流Ｉｂを検出すると、第二ユニット１２におけるキャリアクロックの位相φを加算する。制御ユニット６０は、例えばφ＝５°程度の値を加算する。制御ユニット６０は、Ｓ１０６において位相φを加算すると、再び電流センサ６１で電流を検出し、検出した値を電流Ｉａとする（Ｓ１０７）。そして、制御ユニット６０は、Ｓ１０５で検出した電流Ｉｂと、Ｓ１０７で検出した電流Ｉａとを比較し、Ｉａ＞Ｉｂであるかを判断する（Ｓ１０８）。すなわち、制御ユニット６０は、位相φの加算によって、検出した電流Ｉａが加算前の電流Ｉｂに対して増大する傾向にあるか否かを判断する。

制御ユニット６０は、Ｓ１０８においてＩａ＞Ｉｂでないと判断したとき（Ｓ１０８：Ｎｏ）、位相φを変更した後の電流Ｉａがその前の電流Ｉｂ以下である、つまりＩａ≦Ｉｂであると判断し（Ｓ１０９）、Ｓ１０８へリターンする。これにより、制御ユニット６０は、検出した電流Ｉａが位相φの加算前の電流Ｉｂに対して増大する傾向になるまで位相φの加算を繰り返す。

一方、制御ユニット６０は、Ｓ１０８においてＩａ＞Ｉｂであると判断したとき（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）、電流センサ６１で電流を検出し、検出した値を電流Ｉｍとする（Ｓ１１０）。そして、制御ユニット６０は、このＳ１１０で検出した電流Ｉｍと初期目標電流Ｉｓとの差の絶対値が初期電流誤差ΔＩｓよりも小さいか否かを判断する（Ｓ１１１）。すなわち、制御ユニット６０は、｜Ｉｓ−Ｉｍ｜＜ΔＩｓであるか否かを判断する。ここで初期目標電流Ｉｓは、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間で伝送する電流の目標値に相当する。また、初期電流誤差ΔＩｓは、予め誤差として許容できる電流の大きさに基づいて設定される。本実施形態の場合、初期電流誤差ΔＩｓは、位相制御範囲における電流の最大値および最小値の±１０％に設定している。

制御ユニット６０は、Ｓ１１１において｜Ｉｓ−Ｉｍ｜＜ΔＩｓでないと判断すると（Ｓ１１１：Ｎｏ）、電流Ｉｍと初期目標電流Ｉｓとの差が初期電流誤差ΔＩｓよりも大きいか否かを判断する（Ｓ１１２）。すなわち、制御ユニット６０は、Ｉｓ−Ｉｍ＞ΔＩｓであるか否かを判断する。制御ユニット６０は、Ｉｓ−Ｉｍ＞ΔＩｓであると判断したとき（Ｓ１１２：Ｙｅｓ）、位相φを加算する（Ｓ１１３）。一方、制御ユニット６０は、Ｉｓ−Ｉｍ＞ΔＩｓであると判断したとき、位相φを減算する（Ｓ１１４）。このように、制御ユニット６０は、検出した電流Ｉｍに応じて、位相φを微調整する。制御ユニット６０は、例えばＳ１１３において位相φとしてφ＝１°を加算し、Ｓ１１４においてφ＝１°を減算する。

制御ユニット６０は、Ｓ１１１において｜Ｉｓ−Ｉｍ｜＜ΔＩｓであると判断すると（Ｓ１１１：Ｙｅｓ）、このときの位相φを初期位相φ０として設定する（Ｓ１１５）。すなわち、制御ユニット６０は、Ｓ１０６で設定した位相φ、Ｓ１１３で設定した位相φ、またはＳ１１４で設定した位相φを初期位相φ０として設定する。

このように、制御ユニット６０は、Ｓ１０１からＳ１０９の処理において、第二ユニット１２におけるキャリアクロックの位相φが位相制御範囲に収まるように位相φを調整する。これとともに、制御ユニット６０は、第二ユニット１２におけるキャリアクロックの位相φが位相制御範囲に収まると、Ｓ１１１からＳ１１５の処理において、初期目標電流Ｉｓが得られる位相φを探査し、初期位相φ０として設定する。

（電力伝送中）
制御ユニット６０は、初期化が完了すると、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間で電力の伝送を実行する。電力を伝送しているときの制御ユニット６０の処理の流れを図６に基づいて説明する。
制御ユニット６０は、第二ユニット１２に接続している負荷１４において電力が発生、すなわち回生電力が発生しているか否かを判断する（Ｓ２０１）。制御ユニット６０は、回生電力が発生しているとき（Ｓ２０１：Ｙｅｓ）、第二ユニット１２のキャリアクロックの位相φを加算する（Ｓ２０２）。一方、制御ユニット６０は、回生電力が発生していないとき（Ｓ２０１：Ｎｏ）、第二ユニット１２のキャリアクロックの位相φを減算する。すなわち、制御ユニット６０は、第一ユニット１１から第二ユニット１２へ電力を伝送するとき、キャリアクロックの位相φを減算する。一方、制御ユニット６０は、第二ユニット１２側で発生した回生電力を第二ユニット１２から第一ユニット１１へ伝送するとき、キャリアクロックの位相φを加算する。これにより、電力は、第二ユニット１２のキャリアクロックの位相φを調整することにより、第一ユニット１１から第二ユニット１２へだけでなく、第二ユニット１２から第一ユニット１１へも伝送される。

以上説明した第１実施形態では、一対の第一ユニット１１と第二ユニット１２との間は、磁界共鳴を利用して数ＭＨｚから十数ＭＨｚ以上の高周波で電力が無線で伝送される。すなわち、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間では、電力は、磁界共鳴を用いて、高周波帯域による無線給電によって伝送される。したがって、共鳴コイル２２および共鳴コイル４２の大型化を回避することができるとともに、周辺設備の小型化も図ることができる。これとともに、磁界共鳴を利用した無線給電により、電磁誘導と比較して伝達効率の向上を図ることができる。

また、第１実施形態では、第二ユニット１２の位相制御部６２は、電流センサ６１で検出した電流に応じて、スイッチング素子４４を駆動するキャリアクロックの位相φを制御する。第一ユニット１１と第二ユニット１２との間は、共振する高周波の位相差によって、伝送される電力の大きさが変化する。これにより、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間で伝送される電力は、第一ユニット１１から発振する高周波の位相を維持したまま、第二ユニット１２において位相φを制御するだけで伝達効率が制御される。つまり、第二ユニット１２の位相φを制御することにより、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間の高周波の位相差が制御される。その結果、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間で伝送される電力の伝達効率は、容易に制御される。したがって、簡単な構造で小型化および伝達効率の向上を図ることができる。

また、第１実施形態では、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間で位相差が生じているとき、この位相差は第一ユニット１１の共鳴コイル２２または第二ユニット１２の共鳴コイル４２におけるインピーダンスの上昇を招くに過ぎない。つまり、伝達効率が著しく低下するほどの位相差が生じても、第一ユニット１１の共振型アンプ回路２１または第二ユニット１２の共振型アンプ回路４１において電気的な抵抗が増加するだけであり、意図しない電流の流れや過大な電流の流れが生じることはない。したがって、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間で大きな電力を伝送する場合でも、安全性を高めることができる。

第１実施形態では、スイッチング素子４４を駆動するキャリアクロックの位相φを制御して、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間に位相差を形成することにより、この位相差によって電力の伝達効率だけでなく、伝送方向も制御する。これにより、第二ユニット１２に接続された負荷１４における回生によって生じた電力は、第二ユニット１２から第一ユニット１１へ伝送される。その結果、第二ユニット１２に接続する負荷１４で発生したエネルギーは、第一ユニット１１を通して他の負荷へ伝送される。したがって、第二ユニット１２におけるキャリアクロックの位相φの制御という簡単な制御により、第一ユニット１１と第二ユニット１２との間の双方向で電力を伝送することができ、設備全体の消費電力の低減を図ることができる。

第１実施形態では、第一ユニット１１の共鳴コイル２２および第二ユニット１２の共鳴コイル４２はいずれも共振型アンプ回路２１または共振型アンプ回路４１の共振用のインダクタとして機能する。そのため、共振型アンプ回路２１、４１は、共振用のインダクタを別途必要としない。したがって、回路構成の簡略化が図られるとともに、機器の小型化を促進することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による無線給電装置を図７に示す。
第２実施形態による無線給電装置１０は、一つの第一ユニット１１に対して、二つの第二ユニット７１、７２が設けられている例である。第二ユニット７１および第二ユニット７２は、いずれも同一の構造である。この場合、第一ユニット１１と第二ユニット７１との間での電力の伝送、および第一ユニット１１と第二ユニット７２との間での電力の伝送だけでなく、第一ユニット１１を中継として第二ユニット７１と第二ユニット７２との間の電力の伝送も可能である。

図８は、図７に示す無線給電装置１０を用いた実験結果を示している。第一ユニット１１を流れる電流はＩ１であり、第二ユニット７１を流れる電流はＩ３であり、第二ユニット７２を流れる電流はＩ５である。また、第二ユニット７１におけるキャリアクロックの位相はφ３であり、第二ユニット７２におけるキャリアクロックの位相はφ５である。図８（Ａ）は、第二ユニット７１および第二ユニット７２から第一ユニット１１へ電力を伝送する動作パターン１を示している。このとき、第二ユニット７１の位相φ３および第二ユニット７２の位相φ５は、いずれもφ３＝−９０°、φ５＝−９０°に設定している。図８（Ｂ）は、第一ユニット１１から第二ユニット７１および第二ユニット７２へ電力を伝送する動作パターン２を示している。このとき、第二ユニット７１の位相φ３および第二ユニット７２の位相φ５は、いずれもφ３＝＋９０°、φ５＝＋９０°に設定している。図８（Ｃ）は、第二ユニット７１から第一ユニット１１を経由して第二ユニット７２へ電力を伝送する動作パターン３を示している。このとき、第二ユニット７１の位相φ３は＋９０°に設定するとともに、第二ユニット７２の位相φ５は−９０°に設定している。この動作パターン３に示すように、第二ユニット７１から第一ユニット１１を中継して第二ユニット７２へ電力を伝送できることがわかる。

第２実施形態では、第一ユニット１１を中継させることにより、第二ユニット７１に接続された負荷１４の回生によって生じた電力は第一ユニット１１と対向する他の第二ユニット７２へ伝送される。逆の場合、すなわち第二ユニット７２から第二ユニット７１への電力の伝送も同様である。したがって、複数の第二ユニット７１、７２に接続する負荷１４の相互間で電力を融通することができ、設備全体の消費電力の低減を図ることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態による無線給電装置を図９および図１０に示す。
第３実施形態の場合、第一ユニット１１は、図９に示すようにスイッチング素子２４、コンデンサ２５、コンデンサ２６およびコイル２７から構成される電力変換部８１は、共鳴コイル２２が形成されている基板３１に実装されている。これに対し、キャリアクロックを生成するクロック生成部２９は、基板３１と別体のアンプ基板部８２に実装されている。第一ユニット１１の蓄電部２３は、クロック生成部２９とともにアンプ基板部４８に設けられている。一方、第二ユニット１２は、図１０に示すようにスイッチング素子４４、コンデンサ４５、コンデンサ４６およびコイル４７から構成される電力変換部８３は、共鳴コイル４２が形成されている基板５１に実装されている。これに対し、制御ユニット６０は、基板５１と別体のアンプ基板部４８に実装されている。第二ユニット１２の蓄電部４３は、制御ユニット６０などとともにアンプ基板部４８に設けられている。

第３実施形態では、第一ユニット１１において大電力の高周波を発生するスイッチング素子２４は、共鳴コイル２２が形成されている基板３１とは別体のアンプ基板部２８に設けられている。同様に、第二ユニット１２において大電力の高周波を発生するスイッチング素子４４は、共鳴コイル４２が形成されている基板５１とは別体のアンプ基板部４８に設けられている。これにより、スイッチング素子２４およびスイッチング素子４４は、高周波を発振する共鳴コイル２２および共鳴コイル４２と別の基板に設けられる。したがって、アンプ基板部２８およびアンプ基板部４８の高周波に対するシールドが容易になり、ノイズ対策を容易にすることができる。

（第４実施形態）
第４実施形態による無線給電装置を図１１に示す。
第４実施形態では、共鳴コイル基板９０と対向する二つのコイルユニット９１およびコイルユニット９２を備えている。共鳴コイル基板９０は、二つのコイルユニット９１、９２の双方に対向して設けられている。高周波を用いる無線給電装置１０の場合、電力を消費しない共鳴コイル９３は、電力を伝送する伝送路として機能する。第４実施形態の場合、二つのコイルユニット９１、９２は、いずれも電源１３または負荷１４の少なくともいずれか一方に接続している。これにより、二つのコイルユニット９１、９２は、いずれも第一ユニットとしても機能し、第二ユニットとしても機能する。すなわち、第４実施形態の場合、コイルユニット９１が不足する電力を他のコイルユニット９２へ伝送するとき、コイルユニット９１が第一ユニットとして機能し、コイルユニット９２が第二コイルユニットとして機能する。また、コイルユニット９２が不足する電力を他のコイルユニット９１へ伝送するとき、コイルユニット９２が第一ユニットとして機能し、コイルユニット９１が第二コイルユニットとして機能する。

また、第４実施形態の場合、二つのコイルユニット９１、９２は、電気的な構造が第１実施形態における第二ユニット１２と共通している。すなわち、第４実施形態では、コイルユニット９１、９２は、いずれも第一ユニットまたは第二ユニットとして機能する。そのため、コイルユニット９１、９２は、構造的にはより複雑な第二ユニットと共通している。そこで、図１１の場合、コイルユニット９１、９２には、第二ユニットと共通の符号を付している。

以上のように、第４実施形態では、共鳴コイル基板９０に形成された共鳴コイル９３を用いて構成を共通化したコイルユニット９１、９２により、双方向の電力の伝送を実行することができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

図面中、１０は無線給電装置、１１は第一ユニット、１２、７１、７２は第二ユニット、１３は電源、１４は負荷、２１、４１は共振型アンプ回路、２２、４２は共鳴コイル、２３、４３は蓄電部（蓄電手段）、２４、４４はスイッチング素子（スイッチング手段）、４９は電流センサ（位相制御手段）、６１は電流センサ（電流検出手段）、６２は位相制御部（位相制御手段）を示す。

Claims (1)

1. 電源に接続されている第一ユニットと、負荷に接続され前記第一ユニットとの間において磁界共鳴を利用して無線で電力を伝送する第二ユニットとを備える無線給電装置において、
   前記第一ユニットおよび前記第二ユニットは、スイッチング手段が設けられている共振型アンプ回路と、前記共振型アンプ回路で生成された高周波が供給され前記共振型アンプ回路における共振用のインダクタとして機能する共鳴コイルと、前記共振型アンプ回路に接続し充放電可能な蓄電手段と、をそれぞれ有し、
   前記第二ユニットは、
   前記蓄電手段に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段で検出した電流に応じて前記スイッチング手段の駆動位相を制御する位相制御手段と、を有し、
   前記位相制御手段は、前記スイッチング手段の駆動位相を制御することにより、前記第一ユニットから前記第二ユニットへ、および前記第二ユニットから前記第一ユニットへ双方向で電力を伝送するとともに、
   前記第二ユニットの共振型アンプ回路を流れる電流に基づいて前記第二ユニットにおける駆動位相を予め設定した位相制御範囲に収まるように調整し、予め設定した初期目標電流が得られる前記駆動位相を探査して初期位相として設定する初期化の処理を実行する制御ユニットをさらに備える無線給電装置。

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