非接触電力伝送装置及び方法
【課題】コイルの相対的な位置関係が変化しても非接触での電力伝送を効率的に行うことができる非接触電力伝送装置及び方法を提供する。
【解決手段】非接触電力伝送装置１は、相対的な位置及び姿勢の少なくとも一方が可変である給電コイルＬ１及び受電コイルＬ２間で伝送されるべき電力を供給する給電回路１３と、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの変位を測定する変位測定部１４と、変位測定部１４の測定結果に基づいて給電コイルＬ１及び受電コイルＬ２間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求め、この周波数を有する電力が給電コイルＬ１及び受電コイルＬ２間で伝送されるよう給電回路１３を制御する制御部１５とを備える。
【解決手段】非接触電力伝送装置１は、相対的な位置及び姿勢の少なくとも一方が可変である給電コイルＬ１及び受電コイルＬ２間で伝送されるべき電力を供給する給電回路１３と、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの変位を測定する変位測定部１４と、変位測定部１４の測定結果に基づいて給電コイルＬ１及び受電コイルＬ２間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求め、この周波数を有する電力が給電コイルＬ１及び受電コイルＬ２間で伝送されるよう給電回路１３を制御する制御部１５とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力の伝送を非接触で行う非接触電力伝送装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触電力伝送装置は、電力を伝送するための配線（ケーブル）が不要であり、接点の耐久性や接点不良を考慮する必要が無く、水分等による漏電の心配が殆ど無い等の様々なメリットがある。このため、近年では、家庭用電化製品等の民生用機器或いは電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）やハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の車両に設けられたバッテリを充電するための電力を伝送する用途のみならず、産業用機器（例えば、ステージ、アーム、クレーン、ロボット等）を駆動する電力を伝送する用途にも用いられている。
【０００３】
以下の特許文献１には、半導体製造装置における搬送装置に対して非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置が開示されている。具体的には、搬送台の移動経路である搬送路に設定された停止位置に搬送台が停止したときに、停止位置に設けられた電圧供給装置から停止状態にある搬送台に対して電磁誘導の作用によって電力を供給する技術が開示されている。また、以下の特許文献２〜８には、携帯電話機等の民生用機器や車両等の移動体に対して非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−５１１３７号公報
【特許文献２】特開２００８−２３６９１６号公報
【特許文献３】特開２００９−２２５５５１号公報
【特許文献４】特開２０１０−１３０８７８号公報
【特許文献５】特開２０１０−１４１９７６号公報
【特許文献６】特開２０１０−１４１９７７号公報
【特許文献７】特開２０１０−１５８１５１号公報
【特許文献８】特開２０１０−１８３８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した民生用機器や車両に設けられたバッテリを充電する用途においては、給電対象たる民生用機器や車両が非接触電力伝送装置に対して予め規定された状態に配置され、給電対象が静止している状態で非接触電力伝送装置から給電対象への電力伝送が行われるのが殆どである。これに対し、上述した産業用機器を駆動する電力を伝送する用途においては、給電対象たるステージやアーム等の可動部が動いている状態（例えば、直線動や回転動している状態）で非接触電力伝送装置から給電対象への電力伝送が行われる場合もある。
【０００６】
可動部に対して電力を伝送する場合には、可動部が動くことによって、非接触電力伝送装置の給電コイルと可動部に設けられた受電コイルとの相対位置が変化する。このため、可動部がある特定位置に配置されている場合には高効率で電力伝送を行うことができるが、可動部がその特定位置からずれた位置に配置された場合には電力の伝送効率が低下してしまうという問題がある。電力の伝送効率が低下すると、バッテリの充電を行う場合には充電に要する時間が長くなるだけであるが、可動部に対する給電を行う場合には可動部で必要とされる電力が供給できなくなる。これにより、可動部の動作速度が低下する或いは可動部が動作しなくなる可能性が考えられる。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コイルの相対的な位置関係が変化しても非接触での電力伝送を効率的に行うことができる非接触電力伝送装置及び方法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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送装置は、相対的な位置及び姿勢の少なくとも一方が可変である第１，第２コイル（Ｌ１、Ｌ２）間で電力を非接触で伝送可能な非接触電力伝送装置（１）であって、前記第１，第２コイル間で伝送されるべき電力を供給する給電部（１３）と、前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量を測定する測定部（１４）と、前記測定部の測定結果に基づいて前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求め、該周波数を有する電力が前記第１，第２コイル間で伝送されるよう前記給電部を制御する制御部（１５）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の非接触電力伝送装置は、前記制御部が、前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量と、前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数との関係を示すテーブル（Ｔ）を用いて、前記周波数を求めることを特徴としている。
また、本発明の非接触電力伝送装置は、前記テーブルが、前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量と、前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数との関係を離散的に規定したものであり、前記制御部が、前記テーブルの内容を補間して前記周波数を求めることを特徴としている。
また、本発明の非接触電力伝送装置は、前記制御部が、前記測定部の測定結果に基づいて前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求める周波数選択器（１５ａ）と、前記周波数選択器で選択された周波数を有する信号を出力する発振回路（１５ｂ）と、前記発振回路から出力される信号に基づいて前記給電部を駆動制御する駆動制御回路（１５ｃ、１５ｄ）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の非接触電力伝送装置は、前記給電部が、前記駆動制御回路の駆動制御によって、直流電力を前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を有する交流電力に変換する電力変換回路を備えることを特徴としている。
また、本発明の非接触電力伝送装置は、前記第１，第２コイルの何れか一方が、位置及び姿勢が固定された固定部（Ｐ１）に設けられており、前記第１，第２コイルの何れか他方が、位置及び姿勢の少なくとも一方が可変である可動部（Ｐ２）に設けられていることを特徴としている。
本発明の非接触電力伝送方法は、相対的な位置及び姿勢の少なくとも一方が可変である第１，第２コイル（Ｌ１、Ｌ２）間で電力を非接触で伝送する非接触電力伝送方法であって、前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量を測定する第１ステップと、前記第１ステップの測定結果に基づいて前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求める第２ステップと、前記第２ステップで求められた周波数を有する電力が前記第１，第２コイル間で伝送されるよう前記第１，第２コイル間で伝送されるべき電力を供給する給電部（１３）を制御する第３ステップとを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量を測定し、この測定結果に基づいて第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求め、この周波数を有する電力が第１，第２コイル間で伝送されるよう給電部を制御しているため、第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢の少なくとも一方が変化したとしても、非接触での電力伝送を効率的に行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による非接触電力伝送装置の概要を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による非接触電力伝送装置の要部構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態で用いられる発振周波数テーブルの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による非接触電力伝送装置及び方法について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による非接触電力伝送装置の概要を示す図である。図１に示す通り、本実施形態の非接触電力伝送装置１は、給電コイルＬ１（第１コイル）と受電コイルＬ２（第２コイル）とを備えており、給電コイルＬ１から受電コイルＬ２に対して電力を非接触で伝送可能である。
【００１２】
図１に示す給電コイルＬ１及び受電コイルＬ２は、平面視形状（Ｚ方向に見た形状）が共に長方形形状のコイルであり、これらが近接した状態に配置されることによって電磁気結合回路が形成される。この電磁気結合回路は、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２とが電磁気的に結合して給電コイルＬ１から受電コイルＬ２への非接触の給電が行われる回路を意味し、「電磁誘導方式」で給電を行う回路と、「電磁界共鳴方式」で給電を行う回路との何れの回路であっても良い。
【００１３】
給電コイルＬ１は、位置及び姿勢が固定された固定部Ｐ１に設けられており、受電コイルＬ２は、位置及び姿勢が可変である可動部Ｐ２に設けられている。このため、可動部Ｐ２の位置及び姿勢が変化することによって、固定部Ｐ１の給電コイルＬ１と可動部Ｐ２の受電コイルＬ２との相対的な位置及び姿勢が変化する。尚、電力伝送効率の過度な低下を防止するため、固定部Ｐ１の給電コイルＬ１は、可動部Ｐ２の可動範囲内でおおむね受電コイルＬ２に正対する位置に取り付けられる。ここで、本明細書において、「位置」とは、図１中に示したＸＹＺ直交座標系におけるＸ方向，Ｙ方向，Ｚ方向の位置をいい、「姿勢」とはＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸周りの回転をいう。
【００１４】
尚、本実施形態では、説明を簡単にするために、可動部Ｐ２は、ＸＹ平面内の並行移動（２自由度）とＺ軸周りの回転（１自由度）との３自由度を有するものであるとする。このような固定部Ｐ１及び可動部Ｐ２を備える装置としては、例えば物体を載置した状態で移動させるステージ装置が挙げられる。つまり、物体を載置した状態で移動可能に構成されたステージが可動部Ｐ２であり、ステージをＸＹ平面内で並行移動させるとともにＺ軸周りに回転させるステージ駆動装置が固定部Ｐ１である。
【００１５】
図２は、本発明の一実施形態による非接触電力伝送装置の要部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、非接触電力伝送装置１は、固定部Ｐ１側（給電側）に設けられる構成と、可動部Ｐ２側（受電側）に設けられる構成とに大別される。給電側の構成は、上述した給電コイルＬ１に加えて、外部電源１１、整流回路１２、給電回路１３（給電部）、変位測定部１４（測定部）、及び制御部１５等からなる。これに対し、受電側の構成は、上述した受電コイルＬ２に加えて受電回路２１等からなる。尚、受電側に設けられる負荷２２は、非接触で伝送された電力が供給される負荷であり、例えば可動部Ｐ２を駆動するモータ等である。
【００１６】
外部電源１１は、可動部Ｐ２に伝送すべき電力を生成するために必要となる電力を供給する電源であり、例えば電圧が２００［Ｖ］である三相交流電力を供給する電源である。尚、この外部電源１１は、三相交流電源に限られることはなく、商用交流電源のような単相交流電力を供給する電源であっても良い。整流回路１２は、外部電源１１から供給される交流電力を整流して直流電力に変換する回路であり、例えば図２に示す通り、三相全波整流回路（ブリッジ整流回路）で実現される。
【００１７】
外部電源１１として燃料電池や太陽電池など直流電源を利用することも可能である。この場合、整流回路１２は省略可能である。
【００１８】
給電回路１３は、整流回路１２から供給される電力を、給電コイルＬ１と可動部Ｐ２に設けられる受電コイルＬ２とによって形成される電磁気結合回路を介して非接触で可動部Ｐ２に供給する。具体的に、給電回路１３は、制御部１５の制御の下で、整流回路１２からの直流電力を交流電力に変換して給電コイルＬ１に与えることにより、可動部Ｐ２に対する非接触給電を実現する。
【００１９】
つまり、給電回路１３は、制御部１５の制御によって、整流回路１２からの直流電力を交流電力に変換する電力変換回路である。この給電回路１３は、例えば図２に示す通り、スイッチングレッグ１３ａ，１３ｂ（直列接続された２つのトランジスタと、これら２つのトランジスタにそれぞれ並列接続されたダイオードとからなる回路）が並列接続された回路で実現される。尚、ここでは、トランジスタで代表させているが、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の電力制御半導体素子でもよい。
【００２０】
尚、給電回路１３と給電コイルＬ１との間には２つのコンデンサＣ１が設けられている。このコンデンサＣ１は、給電コイルＬ１とともに直列共振回路を形成する。給電コイルＬ１の一端は、一方のコンデンサＣ１を介して給電回路１３のスイッチングレッグ１３ａに接続されており、給電コイルＬ１の他端は、他方のコンデンサＣ１を介して給電回路１３のスイッチングレッグ１３ｂに接続されている。
【００２１】
変位測定部１４は、３つの変位測定器１４ａ〜１４ｃを備えており、固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対的な位置及び姿勢の変位を測定する。変位測定器１４ａは、上記の変位のうちのＸ方向における位置の変位（Ｘｍ）を測定する。変位測定器１４ｂは、上記の変位のうちのＹ方向における位置の変位（Ｙｍ）を測定する。変位測定器１４ｃは、上記の変位のうちのＺ軸周りの回転方向における回転角の変位（θｍ）を測定する。変位測定器１４ａ，１４ｂとしては、例えば磁歪式リニアセンサ、マグネスケール、光の干渉パターンを用いて測長器等を用いることができる。また、変位測定器１４ｃとしては、ロータリーエンコーダやレゾルバ等を使用することができる。
【００２２】
制御部１５は、変位測定部１４の測定結果（固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対的な位置及び姿勢の変位）に基づいて電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求め、この周波数を有する電力が給電コイルＬ１から受電コイルＬ２に伝送されるように、給電回路１３を制御する。具体的に、制御部１５は、発振周波数選択器１５ａ（周波数選択器）、発振回路１５ｂ、駆動クロック生成回路１５ｃ（駆動制御回路）、及びドライバ制御回路１５ｄ（駆動制御回路）を備える。
【００２３】
発振周波数選択器１５ａは、変位測定部１４の変位測定器１４ａ〜１４ｃからそれぞれ出力される変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせによって固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の位置を特定し、その位置における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を指示する発振周波数指令値Ｆを求めて出力する。具体的に、発振周波数選択器１５ａは、発振周波数テーブルＴを用いて、上記の発振周波数指令値Ｆを求める。尚、発振周波数選択器１５ａは、例えばＣＰＵ（中央処理装置）及びメモリ等を有するマイクロプロセッサと、発振周波数選択器１５ａの機能を実現するプログラムとの協働によって実現される。
【００２４】
図３は、本発明の一実施形態で用いられる発振周波数テーブルの一例を示す図である。図３に示す通り、発振周波数テーブルＴは、固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対的な位置及び姿勢の変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）と、電力の伝送効率を最大にし得る周波数（Ｆ）との関係を示すテーブルである。この発振周波数テーブルＴは、予め行われた実験やシミュレーションの結果に基づいて作成される。
【００２５】
図３に示す発振周波数テーブルＴは、固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対的な位置及び姿勢の変位の取り得る値が、Ｘ方向については０〜１００ｍｍであり、Ｙ方向については０〜５０ｍｍであり、Ｚ軸周りの回転方向については０〜３５９°である場合のテーブルである。この図３に示す通り、発振周波数テーブルＴでは、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせ毎に、電力の伝送効率を最大にし得る周波数（Ｆ）が規定されている。例えば、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）が（１１ｍｍ，１２ｍｍ，６°）である場合には、電力の伝送効率を最大にし得る周波数（Ｆ）として１０．３５ＭＨｚが規定されている。
【００２６】
ここで、図３に示す発振周波数テーブルＴは、変位Ｘｍ，Ｙｍについては１ｍｍ毎に規定され、変位θｍについては１°毎に規定されているため、これら変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせ数が膨大になり、発振周波数テーブルＴを作成する手間がかかる。このような手間を軽減するために、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の刻みが粗くされて、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）と電力の伝送効率を最大にし得る周波数（Ｆ）との関係が離散的に規定された発振周波数テーブルを作成して用いることもできる。例えば、変位Ｘｍ，Ｙｍについては１０ｍｍ毎に規定され、変位θｍについては１０°毎に規定されたものを用いることができる。
【００２７】
図３に示す発振周波数テーブルＴが用いられる場合には、発振周波数選択器１５ａは、発振周波数テーブルＴを参照して、変位測定器１４ａ〜１４ｃからそれぞれ出力される変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせに対応した周波数（Ｆ）を得ることによって、上記の発振周波数指令値Ｆを求める。即ち、発振周波数選択器１５ａは、発振周波数テーブルＴの検索のみによって発振周波数指令値Ｆを求める。
【００２８】
これに対し、上述した離散的な周波数テーブルが用いられる場合には、発振周波数選択器１５ａは、離散的な発振周波数テーブルを参照して、変位測定器１４ａ〜１４ｃからそれぞれ出力される変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせに近い組み合わせに対応した複数の周波数（Ｆ）を得て、これらに対して線形補間やスプライン補間等の補間を行うことにより上記の発振周波数指令値Ｆを求める。
【００２９】
例えば、上述した離散的な周波数テーブル（変位Ｘｍ，Ｙｍについては１０ｍｍ毎に規定され、変位θｍについては１０°毎に規定されたテーブル）が用いられる場合において、変位測定器１４ａ〜１４ｃから変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）として（３５ｍｍ，１５ｍｍ，５３°）が出力されたとする。すると、発振周波数選択器１５ａは、例えば以下の８つの周波数（Ｆ）を用いて線形補間を行って上記の発振周波数指令値Ｆを求める。
【００３０】
（３０ｍｍ，１０ｍｍ，５０°）に対応する周波数（Ｆ）
（３０ｍｍ，１０ｍｍ，６０°）に対応する周波数（Ｆ）
（３０ｍｍ，２０ｍｍ，５０°）に対応する周波数（Ｆ）
（３０ｍｍ，２０ｍｍ，６０°）に対応する周波数（Ｆ）
（４０ｍｍ，１０ｍｍ，５０°）に対応する周波数（Ｆ）
（４０ｍｍ，１０ｍｍ，６０°）に対応する周波数（Ｆ）
（４０ｍｍ，２０ｍｍ，５０°）に対応する周波数（Ｆ）
（４０ｍｍ，２０ｍｍ，６０°）に対応する周波数（Ｆ）
【００３１】
発振周波数テーブルＴをシミュレーションにより作成する場合には、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせ毎に、固定部Ｐ１に設けられた給電コイルＬ１の設計上の位置と可動部Ｐ２に設けられた受電コイルＬ２の設計上の位置とを座標変換して、給電コイルＬ１に対する受電コイルＬ２の相対位置を求める。そして、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせ毎に求められた相対位置の各々において、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との電磁気結合を、電磁界シミュレーション及び回路シミュレーションにより評価する。周波数を変えながら以上の評価を繰り返し行って、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせ毎に、効率が最大になる周波数を選択する。
【００３２】
発振周波数テーブルＴを実験により作成する場合には、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせ毎に、固定部Ｐ１側から給電される給電電力と可動部Ｐ２で受電される受電電力とをそれぞれ実際に測定し、受電電力を給電電力で除算して電力伝送効率を求める。周波数を変えながら上記の電力伝送効率を求め、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせ毎に、電力伝送効率が最大になる周波数を選択する。
【００３３】
発振回路１５ｂは、発振周波数選択器１５ａから出力される発振周波数指令値Ｆで示される周波数を有する信号を出力する。駆動クロック生成回路１５ｃは、発振回路１５ｂから出力される信号に基づいて、給電回路１３を駆動制御する基準となる駆動クロックを生成する。ドライバ制御回路１５ｄは、駆動クロック生成回路１５ｃから出力される駆動クロックに同期して給電回路１３を駆動制御する。具体的には、給電回路１３が備えるスイッチングレッグ１３ａ，１３ｂの各々に設けられたトランジスタのベース（パワーＭＯＳＦＥＴ若しくはＩＧＢＴの場合にはゲート）を駆動する。
【００３４】
受電回路２１は、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２とによって形成される電磁気結合回路を介して非接触で供給されてくる電力（交流電力）を受電し、受電した電力を直流電力に変換して負荷２２に供給する。具体的に、受電回路２１は、４つのダイオードからなるブリッジ整流回路と、ブリッジ整流回路の出力端に並列接続されたコンデンサとによって実現されている。尚、受電コイルＬ２と受電回路２１との間にはコンデンサＣ２が並列接続されている。
【００３５】
尚、上述した給電回路１３、給電コイルＬ１、受電コイルＬ２、及び受電回路２１の構成と動作の詳細は、例えば特開２００９−２２５５５１号公報（「電力伝送システム」）或いは特開２００８−２３６９１６号公報（「非接触電力伝送装置」）に開示されている。
【００３６】
次に、上記構成における非接触電力伝送装置の動作について説明する。尚、説明を簡単にするために、初期状態では、可動部Ｐ２が予め規定された基準位置（例えば、原点位置）に静止した状態に配置されており、変位測定部１４から出力される変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）は、（０ｍｍ，０ｍｍ，０°）であるとする。また、この基準位置における電力伝送効率を最大にする発振周波数指令値Ｆが発振周波数選択器１５ａから出力されているものとする。
【００３７】
かかる初期状態において、外部電源１１から供給される電力（例えば、三相交流電力）は、整流回路１２で整流されて直流電力に変換された後に給電回路１３に供給される。給電回路１３のスイッチングレッグ１３ａ，１３ｂの各々に設けられたトランジスタのベースは、制御部１５のドライバ制御回路１５ｄによって、発振周波数選択器１５ａから出力される発振周波数指令値Ｆに応じた周波数で駆動される。これにより、給電回路１３に供給された直流電力は、発振周波数指令値Ｆに応じた周波数（例えば、１１．５ＭＨｚ）を有する交流電力に変換される。
【００３８】
給電回路１３で変換された交流電力は、コンデンサＣ１を介して給電コイルＬ１に供給され、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２とによって形成される電磁気結合回路を介して非接触で可動部Ｐ２に伝送され、受電回路２１で受電される。受電回路２１で受電された交流電力は直流電力に変換された後に負荷２２に供給される。この直流電力が供給されると、例えば負荷２２としてのモータが駆動されて可動部Ｐ２が移動し、これにより固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対位置が変化する。
【００３９】
すると、固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対位置の変化が変位測定部１４で測定され、その測定結果を示す変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）が、変位測定部１４の変位測定器１４ａ〜１４ｃから制御部１５の発振周波数選択器１５ａに対してそれぞれ出力される（第１ステップ）。変位測定部１４からの変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）が入力されると、発振周波数選択器１５ａは、発振周波数テーブルＴを参照して、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）で示される位置における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を指示する発振周波数指令値Ｆを求めて出力する（第２ステップ）。
【００４０】
例えば、変位測定部１４からの変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）が（１１ｍｍ，１２ｍｍ，５°）である場合には、図３に示す発振周波数テーブルＴを参照して１０．３８ＭＨｚなる発振周波数指令値Ｆを求めて出力する。尚、発振周波数テーブルＴが前述した離散的な周波数テーブルである場合には、変位測定部１４からの変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせに近い組み合わせに対応した複数の周波数（Ｆ）を得て、これらに対して線形補間やスプライン補間等の補間を行うことにより上記の発振周波数指令値Ｆを求める。
【００４１】
発振周波数選択器１５ａから出力された発振周波数指令値Ｆは発振回路１５ｂに入力され、発振回路１５ｂからは発振周波数指令値Ｆで示される周波数を有する信号が出力される。この信号は駆動クロック生成回路１５ｃに入力され、給電回路１３を駆動制御する基準となる駆動クロックが生成されてドライバ制御回路１５ｄに出力される。ドライバ制御回路１５ｄは、駆動クロック生成回路１５ｃからの駆動クロックに同期して給電回路１３を駆動制御する（第３ステップ）。
【００４２】
これにより、整流回路１２からの直流電力は、給電回路１３において発振周波数指令値Ｆに応じた周波数（例えば、１０．３８ＭＨｚ）を有する交流電力に変換されて、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２とによって形成される電磁気結合回路を介して非接触で可動部Ｐ２に伝送される。以後、以上説明した動作が繰り返されることによって、固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対位置毎に電力の伝送効率が最大となるように、給電コイルＬ１から受電コイルＬ２に伝送される電力の周波数が制御される。
【００４３】
以上の通り、本実施形態では、固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対的な位置及び姿勢の変位を測定し、その測定結果に基づいて制御部１５が給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求め、この周波数を有する電力が給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間で伝送されるように給電回路１３を制御している。このため、給電コイルＬ１に対する受電コイルＬ２の相対的な位置や姿勢が変化しても、可動部Ｐ２に対する非接触での電力伝送を効率的に行うことができる。
【００４４】
以上、本発明の一実施形態による非接触電力伝送装置及び方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、固定部Ｐ１から可動部Ｐ２に対して電力を非接触で伝送する場合を例に挙げて説明したが、本発明は、可動部Ｐ２から固定部Ｐ１に対して電力を非接触で伝送する場合であっても、固定部Ｐ１と可動部Ｐ２との間で相互に電力を非接触で伝送する場合であっても適用可能である。また、本発明は、固定部Ｐ１と可動部Ｐ２との間で電力を非接触で伝送する場合に限られず、可動部間で電力を非接触で伝送する場合にも適用することができる。かかる場合において、電力の伝送方向は一方向のみでも、双方向でも良い。
【００４５】
また、上記実施形態では、可動部Ｐ２が、ＸＹ平面内の並行移動（２自由度）とＺ軸周りの回転（１自由度）とが可能な３自由度を有するものである場合を例に挙げて説明したが、可動部Ｐ２がより高い自由度を有するものであっても、より低い自由度を有するものであっても本発明を適用することができる。例えば、可動部Ｐ２が、ＸＹ平面内の並行移動に加えてＺ方向の移動やＸ軸，Ｙ軸周りの回転が可能であるものであっても、Ｘ方向の移動のみ或いはＺ軸周りの回転のみ可能であるものであっても本発明を適用することができる。
【００４６】
また、上記実施形態では、給電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の平面視形状が長方形形状である場合を例に挙げて説明した。しかしながら、給電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の平面視形状は、接触での電力伝送に適していれば任意の形状（例えば、正方形形状、円形形状、或いは楕円形状等）にすることが可能である。
【００４７】
また、上記実施形態では、固定部Ｐ１から可動部Ｐ２に伝送される電力の周波数を、発振回路１５ｂに発振周波数指令値Ｆを出力することによって変えていたが、インピーダンスを変化させることによって変えるようにしてもよい。例えば、電圧で容量が変化するキャパシタ（バリキャップ）をコンデンサＣ１に対して並列に接続し、キャパシタに加える電圧を制御してインピーダンスを変化させることによって伝送される電力の周波数を変えてもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、固定部Ｐ１及び可動部Ｐ２を備える装置としてステージ装置を例示した。しかしながら、本発明は、ステージ装置以外に、アーム、クレーン、ロボット等の可動部を有する産業用機器に適用することができ、更には民生用機器等の様々な機器にも適用することもできる。
【符号の説明】
【００４９】
１ 非接触電力伝送装置
１３ 給電回路
１４ 変位測定部
１５ 制御部
１５ａ 発振周波数選択器
１５ｂ 発振回路
１５ｃ 駆動クロック生成回路
１５ｄ ドライバ制御回路
Ｌ１ 給電コイル
Ｌ２ 受電コイル
Ｐ１ 固定部
Ｐ２ 可動部
Ｔ 発振周波数テーブル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力の伝送を非接触で行う非接触電力伝送装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触電力伝送装置は、電力を伝送するための配線（ケーブル）が不要であり、接点の耐久性や接点不良を考慮する必要が無く、水分等による漏電の心配が殆ど無い等の様々なメリットがある。このため、近年では、家庭用電化製品等の民生用機器或いは電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）やハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の車両に設けられたバッテリを充電するための電力を伝送する用途のみならず、産業用機器（例えば、ステージ、アーム、クレーン、ロボット等）を駆動する電力を伝送する用途にも用いられている。
【０００３】
以下の特許文献１には、半導体製造装置における搬送装置に対して非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置が開示されている。具体的には、搬送台の移動経路である搬送路に設定された停止位置に搬送台が停止したときに、停止位置に設けられた電圧供給装置から停止状態にある搬送台に対して電磁誘導の作用によって電力を供給する技術が開示されている。また、以下の特許文献２〜８には、携帯電話機等の民生用機器や車両等の移動体に対して非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−５１１３７号公報
【特許文献２】特開２００８−２３６９１６号公報
【特許文献３】特開２００９−２２５５５１号公報
【特許文献４】特開２０１０−１３０８７８号公報
【特許文献５】特開２０１０−１４１９７６号公報
【特許文献６】特開２０１０−１４１９７７号公報
【特許文献７】特開２０１０−１５８１５１号公報
【特許文献８】特開２０１０−１８３８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した民生用機器や車両に設けられたバッテリを充電する用途においては、給電対象たる民生用機器や車両が非接触電力伝送装置に対して予め規定された状態に配置され、給電対象が静止している状態で非接触電力伝送装置から給電対象への電力伝送が行われるのが殆どである。これに対し、上述した産業用機器を駆動する電力を伝送する用途においては、給電対象たるステージやアーム等の可動部が動いている状態（例えば、直線動や回転動している状態）で非接触電力伝送装置から給電対象への電力伝送が行われる場合もある。
【０００６】
可動部に対して電力を伝送する場合には、可動部が動くことによって、非接触電力伝送装置の給電コイルと可動部に設けられた受電コイルとの相対位置が変化する。このため、可動部がある特定位置に配置されている場合には高効率で電力伝送を行うことができるが、可動部がその特定位置からずれた位置に配置された場合には電力の伝送効率が低下してしまうという問題がある。電力の伝送効率が低下すると、バッテリの充電を行う場合には充電に要する時間が長くなるだけであるが、可動部に対する給電を行う場合には可動部で必要とされる電力が供給できなくなる。これにより、可動部の動作速度が低下する或いは可動部が動作しなくなる可能性が考えられる。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コイルの相対的な位置関係が変化しても非接触での電力伝送を効率的に行うことができる非接触電力伝送装置及び方法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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送装置は、相対的な位置及び姿勢の少なくとも一方が可変である第１，第２コイル（Ｌ１、Ｌ２）間で電力を非接触で伝送可能な非接触電力伝送装置（１）であって、前記第１，第２コイル間で伝送されるべき電力を供給する給電部（１３）と、前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量を測定する測定部（１４）と、前記測定部の測定結果に基づいて前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求め、該周波数を有する電力が前記第１，第２コイル間で伝送されるよう前記給電部を制御する制御部（１５）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の非接触電力伝送装置は、前記制御部が、前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量と、前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数との関係を示すテーブル（Ｔ）を用いて、前記周波数を求めることを特徴としている。
また、本発明の非接触電力伝送装置は、前記テーブルが、前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量と、前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数との関係を離散的に規定したものであり、前記制御部が、前記テーブルの内容を補間して前記周波数を求めることを特徴としている。
また、本発明の非接触電力伝送装置は、前記制御部が、前記測定部の測定結果に基づいて前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求める周波数選択器（１５ａ）と、前記周波数選択器で選択された周波数を有する信号を出力する発振回路（１５ｂ）と、前記発振回路から出力される信号に基づいて前記給電部を駆動制御する駆動制御回路（１５ｃ、１５ｄ）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の非接触電力伝送装置は、前記給電部が、前記駆動制御回路の駆動制御によって、直流電力を前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を有する交流電力に変換する電力変換回路を備えることを特徴としている。
また、本発明の非接触電力伝送装置は、前記第１，第２コイルの何れか一方が、位置及び姿勢が固定された固定部（Ｐ１）に設けられており、前記第１，第２コイルの何れか他方が、位置及び姿勢の少なくとも一方が可変である可動部（Ｐ２）に設けられていることを特徴としている。
本発明の非接触電力伝送方法は、相対的な位置及び姿勢の少なくとも一方が可変である第１，第２コイル（Ｌ１、Ｌ２）間で電力を非接触で伝送する非接触電力伝送方法であって、前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量を測定する第１ステップと、前記第１ステップの測定結果に基づいて前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求める第２ステップと、前記第２ステップで求められた周波数を有する電力が前記第１，第２コイル間で伝送されるよう前記第１，第２コイル間で伝送されるべき電力を供給する給電部（１３）を制御する第３ステップとを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量を測定し、この測定結果に基づいて第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求め、この周波数を有する電力が第１，第２コイル間で伝送されるよう給電部を制御しているため、第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢の少なくとも一方が変化したとしても、非接触での電力伝送を効率的に行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による非接触電力伝送装置の概要を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による非接触電力伝送装置の要部構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態で用いられる発振周波数テーブルの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による非接触電力伝送装置及び方法について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による非接触電力伝送装置の概要を示す図である。図１に示す通り、本実施形態の非接触電力伝送装置１は、給電コイルＬ１（第１コイル）と受電コイルＬ２（第２コイル）とを備えており、給電コイルＬ１から受電コイルＬ２に対して電力を非接触で伝送可能である。
【００１２】
図１に示す給電コイルＬ１及び受電コイルＬ２は、平面視形状（Ｚ方向に見た形状）が共に長方形形状のコイルであり、これらが近接した状態に配置されることによって電磁気結合回路が形成される。この電磁気結合回路は、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２とが電磁気的に結合して給電コイルＬ１から受電コイルＬ２への非接触の給電が行われる回路を意味し、「電磁誘導方式」で給電を行う回路と、「電磁界共鳴方式」で給電を行う回路との何れの回路であっても良い。
【００１３】
給電コイルＬ１は、位置及び姿勢が固定された固定部Ｐ１に設けられており、受電コイルＬ２は、位置及び姿勢が可変である可動部Ｐ２に設けられている。このため、可動部Ｐ２の位置及び姿勢が変化することによって、固定部Ｐ１の給電コイルＬ１と可動部Ｐ２の受電コイルＬ２との相対的な位置及び姿勢が変化する。尚、電力伝送効率の過度な低下を防止するため、固定部Ｐ１の給電コイルＬ１は、可動部Ｐ２の可動範囲内でおおむね受電コイルＬ２に正対する位置に取り付けられる。ここで、本明細書において、「位置」とは、図１中に示したＸＹＺ直交座標系におけるＸ方向，Ｙ方向，Ｚ方向の位置をいい、「姿勢」とはＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸周りの回転をいう。
【００１４】
尚、本実施形態では、説明を簡単にするために、可動部Ｐ２は、ＸＹ平面内の並行移動（２自由度）とＺ軸周りの回転（１自由度）との３自由度を有するものであるとする。このような固定部Ｐ１及び可動部Ｐ２を備える装置としては、例えば物体を載置した状態で移動させるステージ装置が挙げられる。つまり、物体を載置した状態で移動可能に構成されたステージが可動部Ｐ２であり、ステージをＸＹ平面内で並行移動させるとともにＺ軸周りに回転させるステージ駆動装置が固定部Ｐ１である。
【００１５】
図２は、本発明の一実施形態による非接触電力伝送装置の要部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、非接触電力伝送装置１は、固定部Ｐ１側（給電側）に設けられる構成と、可動部Ｐ２側（受電側）に設けられる構成とに大別される。給電側の構成は、上述した給電コイルＬ１に加えて、外部電源１１、整流回路１２、給電回路１３（給電部）、変位測定部１４（測定部）、及び制御部１５等からなる。これに対し、受電側の構成は、上述した受電コイルＬ２に加えて受電回路２１等からなる。尚、受電側に設けられる負荷２２は、非接触で伝送された電力が供給される負荷であり、例えば可動部Ｐ２を駆動するモータ等である。
【００１６】
外部電源１１は、可動部Ｐ２に伝送すべき電力を生成するために必要となる電力を供給する電源であり、例えば電圧が２００［Ｖ］である三相交流電力を供給する電源である。尚、この外部電源１１は、三相交流電源に限られることはなく、商用交流電源のような単相交流電力を供給する電源であっても良い。整流回路１２は、外部電源１１から供給される交流電力を整流して直流電力に変換する回路であり、例えば図２に示す通り、三相全波整流回路（ブリッジ整流回路）で実現される。
【００１７】
外部電源１１として燃料電池や太陽電池など直流電源を利用することも可能である。この場合、整流回路１２は省略可能である。
【００１８】
給電回路１３は、整流回路１２から供給される電力を、給電コイルＬ１と可動部Ｐ２に設けられる受電コイルＬ２とによって形成される電磁気結合回路を介して非接触で可動部Ｐ２に供給する。具体的に、給電回路１３は、制御部１５の制御の下で、整流回路１２からの直流電力を交流電力に変換して給電コイルＬ１に与えることにより、可動部Ｐ２に対する非接触給電を実現する。
【００１９】
つまり、給電回路１３は、制御部１５の制御によって、整流回路１２からの直流電力を交流電力に変換する電力変換回路である。この給電回路１３は、例えば図２に示す通り、スイッチングレッグ１３ａ，１３ｂ（直列接続された２つのトランジスタと、これら２つのトランジスタにそれぞれ並列接続されたダイオードとからなる回路）が並列接続された回路で実現される。尚、ここでは、トランジスタで代表させているが、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の電力制御半導体素子でもよい。
【００２０】
尚、給電回路１３と給電コイルＬ１との間には２つのコンデンサＣ１が設けられている。このコンデンサＣ１は、給電コイルＬ１とともに直列共振回路を形成する。給電コイルＬ１の一端は、一方のコンデンサＣ１を介して給電回路１３のスイッチングレッグ１３ａに接続されており、給電コイルＬ１の他端は、他方のコンデンサＣ１を介して給電回路１３のスイッチングレッグ１３ｂに接続されている。
【００２１】
変位測定部１４は、３つの変位測定器１４ａ〜１４ｃを備えており、固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対的な位置及び姿勢の変位を測定する。変位測定器１４ａは、上記の変位のうちのＸ方向における位置の変位（Ｘｍ）を測定する。変位測定器１４ｂは、上記の変位のうちのＹ方向における位置の変位（Ｙｍ）を測定する。変位測定器１４ｃは、上記の変位のうちのＺ軸周りの回転方向における回転角の変位（θｍ）を測定する。変位測定器１４ａ，１４ｂとしては、例えば磁歪式リニアセンサ、マグネスケール、光の干渉パターンを用いて測長器等を用いることができる。また、変位測定器１４ｃとしては、ロータリーエンコーダやレゾルバ等を使用することができる。
【００２２】
制御部１５は、変位測定部１４の測定結果（固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対的な位置及び姿勢の変位）に基づいて電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求め、この周波数を有する電力が給電コイルＬ１から受電コイルＬ２に伝送されるように、給電回路１３を制御する。具体的に、制御部１５は、発振周波数選択器１５ａ（周波数選択器）、発振回路１５ｂ、駆動クロック生成回路１５ｃ（駆動制御回路）、及びドライバ制御回路１５ｄ（駆動制御回路）を備える。
【００２３】
発振周波数選択器１５ａは、変位測定部１４の変位測定器１４ａ〜１４ｃからそれぞれ出力される変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせによって固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の位置を特定し、その位置における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を指示する発振周波数指令値Ｆを求めて出力する。具体的に、発振周波数選択器１５ａは、発振周波数テーブルＴを用いて、上記の発振周波数指令値Ｆを求める。尚、発振周波数選択器１５ａは、例えばＣＰＵ（中央処理装置）及びメモリ等を有するマイクロプロセッサと、発振周波数選択器１５ａの機能を実現するプログラムとの協働によって実現される。
【００２４】
図３は、本発明の一実施形態で用いられる発振周波数テーブルの一例を示す図である。図３に示す通り、発振周波数テーブルＴは、固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対的な位置及び姿勢の変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）と、電力の伝送効率を最大にし得る周波数（Ｆ）との関係を示すテーブルである。この発振周波数テーブルＴは、予め行われた実験やシミュレーションの結果に基づいて作成される。
【００２５】
図３に示す発振周波数テーブルＴは、固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対的な位置及び姿勢の変位の取り得る値が、Ｘ方向については０〜１００ｍｍであり、Ｙ方向については０〜５０ｍｍであり、Ｚ軸周りの回転方向については０〜３５９°である場合のテーブルである。この図３に示す通り、発振周波数テーブルＴでは、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせ毎に、電力の伝送効率を最大にし得る周波数（Ｆ）が規定されている。例えば、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）が（１１ｍｍ，１２ｍｍ，６°）である場合には、電力の伝送効率を最大にし得る周波数（Ｆ）として１０．３５ＭＨｚが規定されている。
【００２６】
ここで、図３に示す発振周波数テーブルＴは、変位Ｘｍ，Ｙｍについては１ｍｍ毎に規定され、変位θｍについては１°毎に規定されているため、これら変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせ数が膨大になり、発振周波数テーブルＴを作成する手間がかかる。このような手間を軽減するために、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の刻みが粗くされて、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）と電力の伝送効率を最大にし得る周波数（Ｆ）との関係が離散的に規定された発振周波数テーブルを作成して用いることもできる。例えば、変位Ｘｍ，Ｙｍについては１０ｍｍ毎に規定され、変位θｍについては１０°毎に規定されたものを用いることができる。
【００２７】
図３に示す発振周波数テーブルＴが用いられる場合には、発振周波数選択器１５ａは、発振周波数テーブルＴを参照して、変位測定器１４ａ〜１４ｃからそれぞれ出力される変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせに対応した周波数（Ｆ）を得ることによって、上記の発振周波数指令値Ｆを求める。即ち、発振周波数選択器１５ａは、発振周波数テーブルＴの検索のみによって発振周波数指令値Ｆを求める。
【００２８】
これに対し、上述した離散的な周波数テーブルが用いられる場合には、発振周波数選択器１５ａは、離散的な発振周波数テーブルを参照して、変位測定器１４ａ〜１４ｃからそれぞれ出力される変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせに近い組み合わせに対応した複数の周波数（Ｆ）を得て、これらに対して線形補間やスプライン補間等の補間を行うことにより上記の発振周波数指令値Ｆを求める。
【００２９】
例えば、上述した離散的な周波数テーブル（変位Ｘｍ，Ｙｍについては１０ｍｍ毎に規定され、変位θｍについては１０°毎に規定されたテーブル）が用いられる場合において、変位測定器１４ａ〜１４ｃから変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）として（３５ｍｍ，１５ｍｍ，５３°）が出力されたとする。すると、発振周波数選択器１５ａは、例えば以下の８つの周波数（Ｆ）を用いて線形補間を行って上記の発振周波数指令値Ｆを求める。
【００３０】
（３０ｍｍ，１０ｍｍ，５０°）に対応する周波数（Ｆ）
（３０ｍｍ，１０ｍｍ，６０°）に対応する周波数（Ｆ）
（３０ｍｍ，２０ｍｍ，５０°）に対応する周波数（Ｆ）
（３０ｍｍ，２０ｍｍ，６０°）に対応する周波数（Ｆ）
（４０ｍｍ，１０ｍｍ，５０°）に対応する周波数（Ｆ）
（４０ｍｍ，１０ｍｍ，６０°）に対応する周波数（Ｆ）
（４０ｍｍ，２０ｍｍ，５０°）に対応する周波数（Ｆ）
（４０ｍｍ，２０ｍｍ，６０°）に対応する周波数（Ｆ）
【００３１】
発振周波数テーブルＴをシミュレーションにより作成する場合には、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせ毎に、固定部Ｐ１に設けられた給電コイルＬ１の設計上の位置と可動部Ｐ２に設けられた受電コイルＬ２の設計上の位置とを座標変換して、給電コイルＬ１に対する受電コイルＬ２の相対位置を求める。そして、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせ毎に求められた相対位置の各々において、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との電磁気結合を、電磁界シミュレーション及び回路シミュレーションにより評価する。周波数を変えながら以上の評価を繰り返し行って、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせ毎に、効率が最大になる周波数を選択する。
【００３２】
発振周波数テーブルＴを実験により作成する場合には、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせ毎に、固定部Ｐ１側から給電される給電電力と可動部Ｐ２で受電される受電電力とをそれぞれ実際に測定し、受電電力を給電電力で除算して電力伝送効率を求める。周波数を変えながら上記の電力伝送効率を求め、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせ毎に、電力伝送効率が最大になる周波数を選択する。
【００３３】
発振回路１５ｂは、発振周波数選択器１５ａから出力される発振周波数指令値Ｆで示される周波数を有する信号を出力する。駆動クロック生成回路１５ｃは、発振回路１５ｂから出力される信号に基づいて、給電回路１３を駆動制御する基準となる駆動クロックを生成する。ドライバ制御回路１５ｄは、駆動クロック生成回路１５ｃから出力される駆動クロックに同期して給電回路１３を駆動制御する。具体的には、給電回路１３が備えるスイッチングレッグ１３ａ，１３ｂの各々に設けられたトランジスタのベース（パワーＭＯＳＦＥＴ若しくはＩＧＢＴの場合にはゲート）を駆動する。
【００３４】
受電回路２１は、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２とによって形成される電磁気結合回路を介して非接触で供給されてくる電力（交流電力）を受電し、受電した電力を直流電力に変換して負荷２２に供給する。具体的に、受電回路２１は、４つのダイオードからなるブリッジ整流回路と、ブリッジ整流回路の出力端に並列接続されたコンデンサとによって実現されている。尚、受電コイルＬ２と受電回路２１との間にはコンデンサＣ２が並列接続されている。
【００３５】
尚、上述した給電回路１３、給電コイルＬ１、受電コイルＬ２、及び受電回路２１の構成と動作の詳細は、例えば特開２００９−２２５５５１号公報（「電力伝送システム」）或いは特開２００８−２３６９１６号公報（「非接触電力伝送装置」）に開示されている。
【００３６】
次に、上記構成における非接触電力伝送装置の動作について説明する。尚、説明を簡単にするために、初期状態では、可動部Ｐ２が予め規定された基準位置（例えば、原点位置）に静止した状態に配置されており、変位測定部１４から出力される変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）は、（０ｍｍ，０ｍｍ，０°）であるとする。また、この基準位置における電力伝送効率を最大にする発振周波数指令値Ｆが発振周波数選択器１５ａから出力されているものとする。
【００３７】
かかる初期状態において、外部電源１１から供給される電力（例えば、三相交流電力）は、整流回路１２で整流されて直流電力に変換された後に給電回路１３に供給される。給電回路１３のスイッチングレッグ１３ａ，１３ｂの各々に設けられたトランジスタのベースは、制御部１５のドライバ制御回路１５ｄによって、発振周波数選択器１５ａから出力される発振周波数指令値Ｆに応じた周波数で駆動される。これにより、給電回路１３に供給された直流電力は、発振周波数指令値Ｆに応じた周波数（例えば、１１．５ＭＨｚ）を有する交流電力に変換される。
【００３８】
給電回路１３で変換された交流電力は、コンデンサＣ１を介して給電コイルＬ１に供給され、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２とによって形成される電磁気結合回路を介して非接触で可動部Ｐ２に伝送され、受電回路２１で受電される。受電回路２１で受電された交流電力は直流電力に変換された後に負荷２２に供給される。この直流電力が供給されると、例えば負荷２２としてのモータが駆動されて可動部Ｐ２が移動し、これにより固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対位置が変化する。
【００３９】
すると、固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対位置の変化が変位測定部１４で測定され、その測定結果を示す変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）が、変位測定部１４の変位測定器１４ａ〜１４ｃから制御部１５の発振周波数選択器１５ａに対してそれぞれ出力される（第１ステップ）。変位測定部１４からの変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）が入力されると、発振周波数選択器１５ａは、発振周波数テーブルＴを参照して、変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）で示される位置における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を指示する発振周波数指令値Ｆを求めて出力する（第２ステップ）。
【００４０】
例えば、変位測定部１４からの変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）が（１１ｍｍ，１２ｍｍ，５°）である場合には、図３に示す発振周波数テーブルＴを参照して１０．３８ＭＨｚなる発振周波数指令値Ｆを求めて出力する。尚、発振周波数テーブルＴが前述した離散的な周波数テーブルである場合には、変位測定部１４からの変位（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）の組み合わせに近い組み合わせに対応した複数の周波数（Ｆ）を得て、これらに対して線形補間やスプライン補間等の補間を行うことにより上記の発振周波数指令値Ｆを求める。
【００４１】
発振周波数選択器１５ａから出力された発振周波数指令値Ｆは発振回路１５ｂに入力され、発振回路１５ｂからは発振周波数指令値Ｆで示される周波数を有する信号が出力される。この信号は駆動クロック生成回路１５ｃに入力され、給電回路１３を駆動制御する基準となる駆動クロックが生成されてドライバ制御回路１５ｄに出力される。ドライバ制御回路１５ｄは、駆動クロック生成回路１５ｃからの駆動クロックに同期して給電回路１３を駆動制御する（第３ステップ）。
【００４２】
これにより、整流回路１２からの直流電力は、給電回路１３において発振周波数指令値Ｆに応じた周波数（例えば、１０．３８ＭＨｚ）を有する交流電力に変換されて、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２とによって形成される電磁気結合回路を介して非接触で可動部Ｐ２に伝送される。以後、以上説明した動作が繰り返されることによって、固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対位置毎に電力の伝送効率が最大となるように、給電コイルＬ１から受電コイルＬ２に伝送される電力の周波数が制御される。
【００４３】
以上の通り、本実施形態では、固定部Ｐ１に対する可動部Ｐ２の相対的な位置及び姿勢の変位を測定し、その測定結果に基づいて制御部１５が給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求め、この周波数を有する電力が給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間で伝送されるように給電回路１３を制御している。このため、給電コイルＬ１に対する受電コイルＬ２の相対的な位置や姿勢が変化しても、可動部Ｐ２に対する非接触での電力伝送を効率的に行うことができる。
【００４４】
以上、本発明の一実施形態による非接触電力伝送装置及び方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、固定部Ｐ１から可動部Ｐ２に対して電力を非接触で伝送する場合を例に挙げて説明したが、本発明は、可動部Ｐ２から固定部Ｐ１に対して電力を非接触で伝送する場合であっても、固定部Ｐ１と可動部Ｐ２との間で相互に電力を非接触で伝送する場合であっても適用可能である。また、本発明は、固定部Ｐ１と可動部Ｐ２との間で電力を非接触で伝送する場合に限られず、可動部間で電力を非接触で伝送する場合にも適用することができる。かかる場合において、電力の伝送方向は一方向のみでも、双方向でも良い。
【００４５】
また、上記実施形態では、可動部Ｐ２が、ＸＹ平面内の並行移動（２自由度）とＺ軸周りの回転（１自由度）とが可能な３自由度を有するものである場合を例に挙げて説明したが、可動部Ｐ２がより高い自由度を有するものであっても、より低い自由度を有するものであっても本発明を適用することができる。例えば、可動部Ｐ２が、ＸＹ平面内の並行移動に加えてＺ方向の移動やＸ軸，Ｙ軸周りの回転が可能であるものであっても、Ｘ方向の移動のみ或いはＺ軸周りの回転のみ可能であるものであっても本発明を適用することができる。
【００４６】
また、上記実施形態では、給電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の平面視形状が長方形形状である場合を例に挙げて説明した。しかしながら、給電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の平面視形状は、接触での電力伝送に適していれば任意の形状（例えば、正方形形状、円形形状、或いは楕円形状等）にすることが可能である。
【００４７】
また、上記実施形態では、固定部Ｐ１から可動部Ｐ２に伝送される電力の周波数を、発振回路１５ｂに発振周波数指令値Ｆを出力することによって変えていたが、インピーダンスを変化させることによって変えるようにしてもよい。例えば、電圧で容量が変化するキャパシタ（バリキャップ）をコンデンサＣ１に対して並列に接続し、キャパシタに加える電圧を制御してインピーダンスを変化させることによって伝送される電力の周波数を変えてもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、固定部Ｐ１及び可動部Ｐ２を備える装置としてステージ装置を例示した。しかしながら、本発明は、ステージ装置以外に、アーム、クレーン、ロボット等の可動部を有する産業用機器に適用することができ、更には民生用機器等の様々な機器にも適用することもできる。
【符号の説明】
【００４９】
１ 非接触電力伝送装置
１３ 給電回路
１４ 変位測定部
１５ 制御部
１５ａ 発振周波数選択器
１５ｂ 発振回路
１５ｃ 駆動クロック生成回路
１５ｄ ドライバ制御回路
Ｌ１ 給電コイル
Ｌ２ 受電コイル
Ｐ１ 固定部
Ｐ２ 可動部
Ｔ 発振周波数テーブル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的な位置及び姿勢の少なくとも一方が可変である第１，第２コイル間で電力を非接触で伝送可能な非接触電力伝送装置であって、
前記第１，第２コイル間で伝送されるべき電力を供給する給電部と、
前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量を測定する測定部と、
前記測定部の測定結果に基づいて前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求め、該周波数を有する電力が前記第１，第２コイル間で伝送されるよう前記給電部を制御する制御部と
を備えることを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量と、前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数との関係を示すテーブルを用いて、前記周波数を求めることを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項３】
前記テーブルは、前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量と、前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数との関係を離散的に規定したものであり、
前記制御部は、前記テーブルの内容を補間して前記周波数を求める
ことを特徴とする請求項２記載の非接触電力伝送装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記測定部の測定結果に基づいて前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求める周波数選択器と、
前記周波数選択器で選択された周波数を有する信号を出力する発振回路と、
前記発振回路から出力される信号に基づいて前記給電部を駆動制御する駆動制御回路と
を備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項５】
前記給電部は、前記駆動制御回路の駆動制御によって、直流電力を前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を有する交流電力に変換する電力変換回路を備えることを特徴とする請求項４記載の非接触電力伝送装置。
【請求項６】
前記第１，第２コイルの何れか一方は、位置及び姿勢が固定された固定部に設けられており、
前記第１，第２コイルの何れか他方は、位置及び姿勢の少なくとも一方が可変である可動部に設けられている
ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一方に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項７】
相対的な位置及び姿勢の少なくとも一方が可変である第１，第２コイル間で電力を非接触で伝送する非接触電力伝送方法であって、
前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量を測定する第１ステップと、
前記第１ステップの測定結果に基づいて前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求める第２ステップと、
前記第２ステップで求められた周波数を有する電力が前記第１，第２コイル間で伝送されるよう前記第１，第２コイル間で伝送されるべき電力を供給する給電部を制御する第３ステップと
を備えることを特徴とする非接触電力伝送方法。
【請求項１】
相対的な位置及び姿勢の少なくとも一方が可変である第１，第２コイル間で電力を非接触で伝送可能な非接触電力伝送装置であって、
前記第１，第２コイル間で伝送されるべき電力を供給する給電部と、
前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量を測定する測定部と、
前記測定部の測定結果に基づいて前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求め、該周波数を有する電力が前記第１，第２コイル間で伝送されるよう前記給電部を制御する制御部と
を備えることを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量と、前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数との関係を示すテーブルを用いて、前記周波数を求めることを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項３】
前記テーブルは、前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量と、前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数との関係を離散的に規定したものであり、
前記制御部は、前記テーブルの内容を補間して前記周波数を求める
ことを特徴とする請求項２記載の非接触電力伝送装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記測定部の測定結果に基づいて前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求める周波数選択器と、
前記周波数選択器で選択された周波数を有する信号を出力する発振回路と、
前記発振回路から出力される信号に基づいて前記給電部を駆動制御する駆動制御回路と
を備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項５】
前記給電部は、前記駆動制御回路の駆動制御によって、直流電力を前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を有する交流電力に変換する電力変換回路を備えることを特徴とする請求項４記載の非接触電力伝送装置。
【請求項６】
前記第１，第２コイルの何れか一方は、位置及び姿勢が固定された固定部に設けられており、
前記第１，第２コイルの何れか他方は、位置及び姿勢の少なくとも一方が可変である可動部に設けられている
ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一方に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項７】
相対的な位置及び姿勢の少なくとも一方が可変である第１，第２コイル間で電力を非接触で伝送する非接触電力伝送方法であって、
前記第１，第２コイルの相対的な位置及び姿勢のうち可変なものの量を測定する第１ステップと、
前記第１ステップの測定結果に基づいて前記第１，第２コイル間における電力の伝送効率を最大にし得る周波数を求める第２ステップと、
前記第２ステップで求められた周波数を有する電力が前記第１，第２コイル間で伝送されるよう前記第１，第２コイル間で伝送されるべき電力を供給する給電部を制御する第３ステップと
を備えることを特徴とする非接触電力伝送方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−１１５９３２（Ｐ２０１３−１１５９３２Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６０３１６（Ｐ２０１１−２６０３１６）
【出願日】平成２３年１１月２９日（２０１１．１１．２９）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２９日（２０１１．１１．２９）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
[ Back to top ]