JP2010011654A - 電力伝送装置、給電装置及び受電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】結合係数が１未満の電力伝送において伝送効率を向上させることができる電力伝送装置、給電装置及び受電装置を提供すること。
【解決手段】この電力伝送装置１は、一次回路１００と二次回路２００とを結合し、結合係数が１未満であるトランスＴ１と、一次回路１００及び二次回路２００のそれぞれに配置され、トランスＴ１を構成するコイル１１０，２１０と直列に接続されるキャパシタンスＣ_１，Ｃ_２と、を有し、一次回路１００及び二次回路２００の回路定数は、一次回路１００と二次回路２００とが同一の周波数で共振し、かつ、結合係数の二乗と一次回路１００のＱ値と二次回路２００のＱ値との積が１になるように設定され、一次回路１００は、トランスＴ１により共振周波数の搬送波を用いて二次回路２００に電力を伝送する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、電力伝送装置、給電装置及び受電装置に関する。

近年、様々な電子機器が開発され、携帯型の機器も広く普及している。このような携帯機器や他の据え置きの機器の一部は、電源として電池を内蔵し、定期的に外部より電力の供給を受けて電池を充電する必要がある。この電力供給方法としては、大きく分けて、例えば有線方式と無線方式とがある。有線方式によれば、例えば、充電する機器の端子に、電力を供給する端子を電気的に直接接続し、この接点を介した電力供給が行われる。一方、無線方式によれば、例えば、トランスを使用し、充電する機器と電力を供給する機器とを非接触で電磁気的に結合して、電界や磁界を使用した電力供給が行われる。この無線方式による電力供給は、機器間の端子を接続する必要がないなどの多くの利点を有し、様々な機器に使用されつつある。

この無線方式の電力供給では、トランスのエネルギー伝送効率が重要である。例えば、磁束の漏洩がない鉄心で結合された結合係数が１のトランスのエネルギー伝送効率は、１にできることはよく知られている。トランスのエネルギー伝送効率は、数式を用いて確認することができる。

特開２００６−１２３８５４８号公報 共立出版、電磁気学演習ｐ２７７、ｐ２７８ Ａｎｎａｌｓ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．３２３，ｎｏ．１，ｐｐ３４−３８，Ｊａｎ ２００８，"Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｍｉｄ−ｒａｎｇｅ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ"

しかしながら、結合係数が１のトランスは、磁性体のコアが閉磁路をなして結合されるため、非接触の電力伝送には適さない。一方、このような磁性体の閉磁路のコアを使用しないトランスでは、結合係数を１にすることは難しく、それに伴いトランスのエネルギー伝送効率も低下してしまう。従って、閉磁路で結合しないコアを用いるトランスや、磁性体コアを使用しないトランスなどのように、結合係数が１未満の電力伝送でも、伝送効率を向上させることが可能な電力伝送装置が希求されている。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、結合係数が１未満の電力伝送において伝送効率を向上させることが可能な、新規かつ改良された電力伝送装置、給電装置及び受電装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、一次回路と二次回路とを結合し、結合係数が１未満であるトランスと、上記一次回路及び上記二次回路のそれぞれに配置され、上記トランスを構成するコイルと直列に接続されるキャパシタンスと、を有し、上記一次回路及び上記二次回路の回路定数は、上記一次回路と上記二次回路とが同一の周波数で共振し、かつ、上記結合係数の二乗と上記一次回路のＱ値と上記二次回路のＱ値との積が１になるように設定され、上記一次回路は、上記トランスにより上記共振周波数の搬送波を用いて上記二次回路に電力を伝送する、電力伝送装置が提供される。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、一次回路と二次回路とを結合し、結合係数が１未満である第１トランスと、上記二次回路と三次回路とを結合する第２トランスと、上記一次回路、上記二次回路及び上記三次回路のそれぞれに配置され、上記第１又は第２トランスを構成するコイルと直列に接続されるキャパシタンスと、を有し、上記一次回路、上記二次回路及び上記三次回路の回路定数は、上記一次回路、上記二次回路及び上記三次回路が同一の周波数で共振し、かつ、上記第１トランスの結合係数の二乗と上記一次回路のインダクタンス及び抵抗との積が上記第２トランスの結合係数の二乗と上記三次回路のインダクタンス及び抵抗との積に一致するように設定され、上記一次回路は、上記第１トランス及び上記第２トランスにより上記共振周波数の搬送波を用いて上記二次回路を介して上記三次回路に電力を伝送する、電力伝送装置が提供される。

また、上記一次回路は、出力電流が上記コイルと上記キャパシタンスとを含む共振回路を経て上記共振周波数において正帰還する増幅器を含む発振回路更に有してもよい。このようなこうせいによれば、上記発振回路を使うことで、設計時の回路定数の誤差、使用時の結合係数の変化などで、共振周波数が変化していても自動的にその周波数で発振することができ、最適な状態を維持することができる。

また、上記増幅器の増幅率は、２以上であってもよい。

また、上記増幅器は、出力電流の全てが上記共振回路を通過するように上記共振回路に接続されていてもよい。この構成によれば、さらに、この発振回路は、通常の発振回路とは異なり、出力電流のほとんど全てがコイルに流れるので、発振回路での電力の損失を低減できる。

また、上記トランスは、閉磁路を形成する磁性体コアを有さなくてもよい。

また、上記一次回路は、電力と共に情報を伝送するために、上記搬送波を変調させてもよい。

また、上記三次回路は、上記第２トランスより得られる電力を全波整流する全波整流回路を更に有し、上記三次回路のキャパシタンスは、上記第２トランスを構成するコイルと、上記全波整流回路との間に配置されてもよい。この構成によれば、キャパシタンスを配置して全波整流回路を利用することで、第２トランスからみた三次回路は共振回路をなし、最適な状態を実現することができる。一方、負荷側からみると全波整流の機能が実現して、効率的に直流成分を取り出すこともできる。

また、上記全波整流回路は、複数の能動素子により構成されてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、直列に接続されたコイル及びキャパシタンスを含む二次回路を有する受電装置の上記コイルに対して結合係数が１未満のトランスを形成して結合するコイルと、上記コイルと直列に接続されるキャパシタンスと、を含む一次回路を有し、上記一次回路の回路定数は、上記一次回路と上記二次回路とが同一の周波数で共振し、かつ、上記結合係数の二乗と上記一次回路のＱ値と上記二次回路のＱ値との積が１になるように設定され、上記一次回路は、上記トランスにより上記共振周波数の搬送波を用いて上記二次回路に電力を伝送する、給電装置が提供される。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、直列に接続されたコイル及びキャパシタンスを含む一次回路を有する給電装置の上記コイルに対して結合係数が１未満のトランスを形成して結合するコイルと、上記コイルに直列に接続されたキャパシタンスと、を含む二次回路を有し、上記二次回路の回路定数は、上記一次回路と上記二次回路とが同一の周波数で共振し、かつ、上記結合係数の二乗と上記一次回路のＱ値と上記二次回路のＱ値との積が１になるように設定され、上記二次回路は、上記トランスで上記一次回路が上記共振周波数の搬送波により伝送する電力を受電する、受電装置が提供される。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、直列に接続されたコイル及びキャパシタンスをそれぞれ含み一のトランスを介して結合した二次回路及び三次回路を有する給電装置の上記二次回路のコイルに対して結合係数が１未満の他のトランスを形成して結合するコイルと、上記コイルと直列に接続されるキャパシタンスと、を含む一次回路を有し、上記一次回路の回路定数は、上記一次回路、上記二次回路及び上記三次回路が同一の周波数で共振し、かつ、上記他のトランスの結合係数の二乗と上記一次回路のインダクタンス及び抵抗との積が上記一のトランスの結合係数の二乗と上記三次回路のインダクタンス及び抵抗との積に一致するように設定され、上記一次回路は、上記他のトランス及び上記一のトランスにより上記共振周波数の搬送波を用いて上記二次回路を介して上記三次回路に電力を伝送する、給電装置が提供される。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、直列に接続されたコイル及びキャパシタンスを含む一次回路を有する給電装置の上記コイルに対して結合係数が１未満の第１トランスを形成して結合する第１コイルと、上記コイルに直列に接続されたキャパシタンスと、を有する二次回路と、上記第１コイルと直列に接続された上記二次回路が有する第２コイルに対して第２トランスを形成して結合する第３コイルと、上記第３コイルに直列に接続されたキャパシタンスと、を有する三次回路と、を有し、上記二次回路及び上記三次回路の回路定数は、上記一次回路、上記二次回路及び上記三次回路が同一の周波数で共振し、かつ、上記第１トランスの結合係数の二乗と上記一次回路のインダクタンス及び抵抗との積が上記第２トランスの結合係数の二乗と上記三次回路のコンダクタンス及び抵抗との積に一致するように設定され、上記三次回路は、上記第２トランスで上記一次回路が上記共振周波数の搬送波により上記二次回路を介して伝送する電力を受電する、受電装置が提供される。

以上説明したように本発明によれば、結合係数が１未満の電力伝送において伝送効率を向上させることができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜関連技術に係る電力伝送装置＞
まず、本発明の各実施形態に係る電力伝送装置について説明する前に、図１４を参照しつつ、磁束の漏洩がない鉄心で結合された結合係数が１のトランスを使用した関連技術に係る電力伝送装置について説明する。図１４は、関連技術に係るトランスによる電力伝送を説明するための説明図である。

図１４には、関連技術に係る電力伝送装置９においてトランスＴ９によってエネルギーが伝送される様子を模式的に示した。

ここで左側の抵抗Ｒ_１，インダクタンスＬ_１を含む閉回路は、トランスＴ９の一次回路９１０であり、交流電圧Ｖを供給するように構成されている。ここで抵抗Ｒ_１は、回路上の抵抗成分と電圧供給源の出力抵抗分の和であり、また、インダクタンスＬ_１は、回路上のインダクタンス成分とトランスＴ９の一次側コイル１１０のインダクタンスの和を模式的に表したものである。

また、右側の抵抗Ｒ_２、インダクタンスＬ_２を含む閉回路は、トランスＴ９の二次回路９２０であり、負荷に電流を供給するようになっている。抵抗Ｒ_２は、回路上の抵抗成分と負荷への入力抵抗の和であり、インダクタンスＬ_２は、一次回路９１０と同様、回路上のインダクタンスとトランスＴ９の二次側のコイル２１０のインダクタンスの和を模式的に表したものである。

また、相互インダクタンスＭは、一次回路９１０と二次回路９２０を結合させるトランスＴ９で実現するが、ここでは、漏洩磁束がなく結合係数が１となるように、磁性体コアＦを含むようなトランスＴ９であるものとする。

このとき、一次回路９１０、二次回路９２０におけるオームの法則は、数式１−１の連立方程式となる。この結果、二次回路９２０に流れる電流値は、数式１−２で表される。ここで、一次回路９１０の抵抗Ｒ_１を信号源インピーダンスであるとして、二次回路９２０の抵抗Ｒ_２を負荷インピーダンスとする。このとき信号源インピーダンスから負荷インピーダンスへのＳパラメータは、数式１−３で表される。

関連技術に係るトランスＴ９のエネルギー伝送効率は、数式１−３の絶対値の二乗で表される。この数式１−３のエネルギー伝送効率は１ではないが、結合係数が１であれば、例えば、Ｒ_１Ｌ_２＝Ｌ_１Ｒ_２のようにして、ある程度高い周波数の交流電圧を供給することで、エネルギー伝送効率をほとんど１にできる。

なお、Ｒ_１Ｌ_２＝Ｌ_１Ｒ_２を満たす例は、Ｒ_１＝Ｒ_２＝Ｒ、Ｌ_１＝Ｌ_２＝Ｌなどがある。また、ここでいうエネルギー伝送効率とは、負荷が受ける電力と、信号源が負荷に対して供給しうる最大電力との比率のことである。また、伝送効率が１の場合は、接触式の電力伝送と同等の伝送効率であることを意味している。結合係数ｋが１のときは、相互インダクタンスＭは、Ｍ＝ｋＬ＝Ｌなる。このとき、数式１−３は、数式１−４のように変形できる。したがって、数式１−５の条件をみたすとき、エネルギー伝送効率は１にできる。

このように磁束の漏洩のない結合係数１のトランスＴ９であれば、供給する交流電圧の周波数をある程度高くすることで伝送効率を１にできる。

しかしながら、このようなトランスＴ９は、磁性体コアＦが閉磁路をなして、結合されていなければならないため、非接触の電力伝送には適さない。

そこで、閉磁路で結合しないコアを用いる、あるいは、磁性体コアＦを取り除いてトランスを空芯にすることで、非接触の電力伝送に利用することが考えられる。

しかしながら、このようなトランスの結合係数を１にすることは、物理的には非常に困難である。結合係数が１以下になると、供給する交流電圧を高い周波数にしても、その伝送効率は、結合係数ｋに比例して低下するため、伝送効率を１とすることは難しい。

そこで、結合係数が低下しても高効率を実現する方法として、トランスの一次回路９１０及び二次回路９２０に同一周波数の共振周波数を用いる方法などが提案されている。

しかし、これらの方法は、結合係数の低下による伝送効率の低下を改善するものではあるが、伝送効率を１にして接触型のように高い効率を実現するのは難しい。

本発明の発明者は、電力伝送装置について鋭意研究を行った結果、上記の関連技術に係る電力伝送装置の改善点等を見出し、そして、結合係数が１未満の電力伝送において伝送効率を向上させることができる本発明を完成させた。以下、本発明の各実施形態に係る電力伝送装置について説明する。

＜本発明の各実施形態の概要＞
まず、本発明の個々の実施形態について説明する前に、図１Ａ及び図１Ｂを参照しつつ、本発明の各実施形態の概要について説明する。図１Ａは、本発明の各実施形態に係る一の電力伝送装置の等価回路を模式的に示したものである。

（電力伝送装置１）
本発明の各実施形態に係る電力伝送装置１は、図１Ａに示すように、電力を供給する側の一次回路（給電装置ともいう）１００と、電力を受取る側の二次回路（受電装置ともいう）２００と、一次回路１００及び二次回路２００で構成され非接触で電力を供給するためのトランスＴ１と、を含む。

図１Ａにおいて、トランスＴ１の一次回路１００は、電圧供給源の回路（図示せず）に、抵抗Ｒ_１及びトランスＴ１の一次側コイル１１０（インダクタンスＬ_１）のほかに、キャパシタンスＣ_１を直列に接続したものである。関連技術に係るトランスの伝送効率を解析した場合の例と同様、抵抗Ｒ_１は、回路上の抵抗成分と電圧供給源の出力抵抗分の和であり、また、インダクタンスＬ_１は、回路上のインダクタンス成分とトランスＴ１のインダクタンスの和を表したものであるとする。

また、トランスＴ１の二次回路２００は、電力を受ける負荷回路（図示せず）に、抵抗Ｒ_２、トランスＴ１の二次側のコイル２１０（インダクタンスＬ_２）のほかに、キャパシタンスＣ_２を直列に接続したものである。関連技術に係るトランスを説明した場合と同様、抵抗Ｒ_２は、回路上の抵抗成分と負荷の入力抵抗成分の和であり、インダクタンスＬ_１は、一次回路１００と同様、回路上のインダクタンスとトランスＴ１のインダクタンスの和を表したものとする。

また、相互インダクタンスｍは、図１Ａでは、一次回路１００と二次回路２００を結合させるトランスＴ１で実現しているが、例えば、結合係数が１ではなくてもよく、磁性体コアを含まない空芯トランスでもよい。更には、相互インダクタンスｍは、例えば、一次回路１００及び二次回路２００上のコイル、または、ループアンテナを二つ配置しただけのものであってもよい。

このとき、一次回路１００、二次回路２００におけるオームの法則は、数式２−１の連立方程式となる。その結果、一次回路１００の信号源インピーダンスから、二次回路２００の負荷インピーダンスへのＳパラメータは、数式２−２で表される。従って、このトランスＴ１のエネルギー伝送効率は、数式２−２の絶対値の二乗となる。数式２−２のエネルギー伝送効率を１にするために、本発明の各実施形態に係る電力伝送装置の以下のような条件を順次適用していく。

まず、≪条件１：一次回路１００と二次回路２００が同一の周波数で共振する≫という条件を適用する。

一次回路１００と二次回路２００の共振周波数を簡単に同一にするため、ここでは、Ｌ_１＝Ｌ_２＝Ｌ、Ｃ_１＝Ｃ_２＝Ｃを満たすものとする。このとき、一次回路１００、および、二次回路２００の共振周波数共振周波数ω_ｒｅｓは数式２−３で表される。

この共振周波数でのエネルギー伝送効率は、数式２−４の二乗で表される。
ここで、数式２−４の分母の二項と分子の項の関係を見ると、相加相乗平均の不等式の関係から、数式２−４は１以下であることが判る。そして、分母の二項が同一であるときに限って、すなわち数式２−５の関係がなりたつときに限って、数式２−４の二乗、すなわち、エネルギー伝送効率は１となる。

そこで、数式２−５の関係を変形していくと数式２−６のようになる。
すなわち、≪条件２：結合係数の二乗と一次回路１００のＱ値と二次回路２００のＱ値との積が１である≫という条件を満たすときに、共振周波数でのエネルギー伝送効率が１になることがわかる。ただし、ここでＱ値については、数式２−７に示すような直列共振回路のＱ値の関係式を使っている。

以上のように、電力伝送装置１では、
条件１：一次回路１００と二次回路２００を同一共振周波数の直列共振回路にして、
条件２：そのＱ値の積と結合係数の二乗との積を１となるようにすれば、
結合係数が１でなくてもエネルギー伝送効率を１にできることがわかる。
なお、この条件２を結合係数について変形すれば、数式２のようになる。

このように結合係数が１でなくても、数式２−６（又は数式２）をみたすように回路定数を決めれば、共振周波数の搬送波を用いて電力を伝送することにより、エネルギー伝送効率を１にすることができる。よって、電線やトランスの磁性体コアなどの物理的媒体がない非接触式の電力伝送でも、接触式の電力伝送と同じ効率でエネルギーを転送できる。

以上説明した本発明の各実施形態に係る電力伝送装置１は、電力を受取る二次回路２００が、電力伝送用のトランスＴ１以外のトランスを有さない場合の構成を示している。これに対して、例えば、電力を受取る二次回路２００が更に他のトランスを利用して三次回路に電力を供給する場合には、本発明の各実施形態では、以下で説明する電力伝送装置２を使用することができる。

（電力伝送装置２）
図１Ｂは、本発明の各実施形態に係る他の電力伝送装置の等価回路を模式的に示したものである。

この電力伝送装置２は、上記電力伝送装置１と同様に、図１Ｂに示すように、電力を供給する側の一次回路１００と、電力を受取る側の二次回路２００と、一次回路１００及び二次回路２００で構成され非接触で電力を供給するためのトランスＴ１とを含む。そして、電力伝送装置２は、更に二次回路２００から電力を受取る三次回路３００と、二次回路２００及び三次回路３００で構成され非接触で電力を供給するためのトランスＴ２とを含む。なお、トランスＴ１は、第１トランス及び他のトランスの一例であり、トランスＴ２は、第２トランス及び一のトランスの一例である。

図１Ｂに示す一次回路１００において、抵抗Ｒ_１は、回路上の抵抗成分と電圧供給源の出力抵抗分の和であり、また、インダクタンスＬ_１は、回路上のインダクタンス成分とトランスＴ１のインダクタンスの和を表したものである。キャパシタンスＣ_１は、ＬＣ共振を起こさせるものである。

また、二次回路２００において、抵抗Ｒ_２は、回路上の抵抗成分であり、また、インダクタンスＬ_２は、回路上のインダクタンス成分と２つのトランスＴ１，Ｔ２のインダクタンスの和を表したものであるとする。キャパシタンスＣ_２は、ＬＣ共振を起こさせるものである。

また、相互インダクタンスｍは、一次回路１００と二次回路２００を非閉磁路のトランスＴ１で結合させる相互インダクタンスである。結合係数ｋは、コイルの位置関係から決まり、上記電力伝送装置１と同様に１である必要はない。

さらに、三次回路３００において、抵抗Ｒ_３は、抵抗成分と負荷の入力抵抗成分の和であり、インダクタンスＬ_２は、回路上のインダクタンスとトランスＴ２のインダクタンスの和である。キャパシタンスＣ_３は、ＬＣ共振を起こさせるものである。

また、相互インダクタンスＭは、二次回路２００と三次回路３００とを、二次側コイル２２０と三次側コイル３２０とによるトランスＴ２で結合させるときの相互インダクタンスである。結合係数は、１に近いものが望ましい。

一次回路１００、二次回路２００、三次回路３００のインピーダンスをそれぞれＺ_１、Ｚ_２、Ｚ_３とする。これらのインピーダンスは、それぞれ各回路を構成する回路定数の直列インピーダンスである。このとき、一次回路１００、二次回路２００、三次回路３００におけるオームの法則は、数式３−１の連立方程式となる。その結果、一次回路１００の信号源インピーダンスから、二次回路２００の負荷インピーダンスへのＳパラメータは、数式３−２で表される。従って、このトランスのエネルギー伝送効率は、数式３−２の絶対値の二乗となる。数式３−２のエネルギー伝送効率を１にするために、本発明の各実施形態に係る電力伝送装置に以下のような条件を順次適用していく。

まず、≪条件３：一次回路、二次回路、三次回路が同一の周波数で共振する≫という条件を適用する。

一次回路１００〜三次回路３００の共振周波数を簡単に同一にするため、ここでは、Ｌ_１＝Ｌ_２/２＝Ｌ_３＝Ｌ、Ｃ_１＝２Ｃ_２＝Ｃ_３＝Ｃを満たすものとする。このとき、一次回路１００、二次回路２００、三次回路３００の共振周波数共振周波数ω_ｒｅｓは数式３−３で表される。

この共振周波数でのエネルギー伝送効率は数式３−４の二乗で表される。
ここで、数式３−４の分母の二項と分子の項の関係を見る。すると、分母の第一項は、二次回路の抵抗Ｒ_２を小さくすることで無視できる大きさにできる。そこで、例えば、この二次回路の抵抗Ｒ_２を、一次回路及び二次回路のＱ値に比べて十分に小さく、例えば１０分の１以下となるように設定することにより、分母の第一項を無視できる大きさとすることができる。このとき、分子と、分母の第二、三項は相加相乗平均の不等式の関係から、数式３−４は１以下であるが、分母の第二、三項が同一であるときに限って、すなわち数式３−５の関係がなりたつときに限って、数式３−４の二乗、すなわち、エネルギー伝送効率は１となる。

そこで、数式３−５の関係を変形していくと数式３−６のようになる。
すなわち、≪条件４：左側のトランスＴ１の結合係数ｋの二乗と一次回路１００のインダクタンスＬ_１及び抵抗Ｒ_１との積が、右側のトランスＴ２の結合係数ｋ’の二乗と三次回路３００のインダクタンスＬ_３及び抵抗Ｒ_３との積に一致する≫という条件を満たすときに、共振周波数でのエネルギー伝送効率が１になることがわかる。

以上のように、電力伝送装置２では、
条件３：一次回路１００、二次回路２００、三次回路３００を同一共振周波数の直列共振回路にして、
条件４：左側のトランスＴ１の結合係数ｋの二乗と一次回路１００のインダクタンスＬ_１及び抵抗Ｒ_１との積が、右側のトランスＴ２の結合係数ｋ’の二乗と三次回路３００のインダクタンスＬ_３及び抵抗Ｒ_３との積に一致させれば、
結合係数が１でなくてもエネルギー伝送効率を１にできることがわかる。

このように結合係数が１でなくても、数式３−６をみたすように回路定数を決めれば、エネルギー伝送効率を１にすることができるので、電線やトランスの磁性体コアなどの物理的媒体がない非接触式の電力伝送でも、接触式の電力伝送と同じ効率でエネルギーを転送できる。

以上、本発明の各実施形態に係る電力伝送装置１，２の概要について説明した。次に、具体的な本発明の各実施形態について説明する。なお、以下で説明する各実施形態に係る電力伝送装置は、上記電力伝送装置１，２で説明した条件１及び条件２、又は、条件３及び条件４を満たすように構成される。そして、各実施形態に係る電力伝送装置は、上記電力伝送装置１，２で説明した原理等に基づいて、電力伝送効率を向上させることができる。

＜第１実施形態に係る電力伝送装置＞
図２Ａは、本発明の第１実施形態に係る電力伝送装置について説明するための説明図である。

図２Ａにおける二つの機器１３，１４のうち、下側の機器１３は、据え置き機器（例えば、デスクトップＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、改札機器、カードリーダなど）、又は、据え置きに準じる機器（例えば、ノートＰＣなど）である。一方、上側の機器１４は、携帯機器である。

これらの機器は、一次回路１００Ａ又は二次回路２００Ｂとして、いずれも上述の本発明の各実施形態に係るコイル（又はループアンテナ）１１０，２１０と、キャパシタンス（図示せず）Ｃ_１，Ｃ_２と、を含む。それ以外に、下側の据え置き機器１３は、例えば、給電回路とＡＣ電源アダプタなどを含む電子回路１３０を有し、上側の携帯機器１４は、例えば、無電地の受電回路などを含む電子回路２３０を有し、必要に応じては電池などを有しているものとする。このコイル、給電回路、受電回路の回路定数などは、上記（条件１）及び（条件２）、又は、（条件３）及び（条件４）を満たすように設定される。このコイル、給電回路、受電回路の詳細な構成は、後述するものとする。

この機器１３から機器１４への本発明の各実施形態による効率のよい給電は、例えば、下側の機器１３の給電機能をＯＮにした状態で、上側の機器１４を近づける、あるいは、もともと近くにある上側の機器１４の受電機能をＯＮにすることで開始されてもよい。

ここでなされる給電は、例えば、上側の機器１４の本体部分に電源がないような無電地の状態、あるいは、電池などはあるが電源はＯＦＦの状態であっても、上側の機器１４を何らかの動作ができるようにすることに、用いられてもよい。また、この給電は、上側の機器１４の電池残量がたりなくなった場合の電力の補助や、あるいは、充電などに用いることも考えられる。さらに、この給電は、必要に応じて、下側の機器１３で搬送波に対して、例えばＯＯＫ（オン・オフ・キーイング）などのような変調を加えて、下側の機器１３から上側の機器１４へ、なんらかの情報を送信してもよい。あるいは、この給電は、下側の機器１３から出力される搬送波を上側の機器１４が負荷変調することで、上側の機器１４から下側の機器１３に対してなんらかの情報を送信してもよい。つまり、この電力伝送装置は、通信装置としても使用可能である。なお、このことは、以下で説明する他の実施形態においても、同様である。

このような機能は、関連技術に係るＩＣカードに対するカードリーダの給電機能に似ているが、本実施形態に係る電力伝送装置１１は、関連技術に係るＩＣカードと比べて、伝送効率を向上させることができる。従って、本実施形態に係る電力伝送装置１１は、関連技術に係るカードリーダとＩＣカードでは出来なかったような、カードリーダの省エネ化、携帯機器１４側で多くのエネルギーを必要とする処理の実現、携帯機器１４側の充電補助などを実現できる。

＜第２実施形態に係る電力伝送装置＞
また、図２Ｂは、本発明の第２実施形態に係る電力伝送装置について説明するための説明図である。

図２Ｂにおける二つの機器１４，１５は、それぞれ携帯型の機器である。

この二つの機器１５，１４は、一次回路１００Ｂ及び二次回路２００Ａとして、それぞれ上述の本発明の各実施形態に係るコイル（又はループアンテナ）１１０，２１０と、キャパシタンス（図示せず）Ｃ_１，Ｃ_２と、を含む。それ以外に、二つの機器１５，１４は、例えば給電回路・受電回路・電池などを含む電子回路１３０，２３０と、を有する。そして、二つの機器は、いずれも電池などで駆動される。このコイル、給電回路、受電回路の回路定数などは、上記（条件１）及び（条件２）、又は、（条件３）及び（条件４）を満たすように設定される。このコイル、給電回路、受電回路の詳細な構成は、後述するものとする。

これらの携帯機器は、図２Ａに示した第１実施形態の例と異なり、対等であるので、いずれも給電機能、受電機能を有することが可能である。しかし、ここでは説明の便宜上、例えば、下側の機器１５が、給電機能を有し、上側の機器１４が、受電機能を有するものとする。

この場合、機器１５から機器１４への本発明の各実施形態による効率のよい給電は、例えば、上側の機器１４の受電機能と、下側の機器１５の給電機能とを共にＯＮにしたり、近づけたりすることで開始されてもよい。

この給電は、例えば、上側の機器１４の本体はＯＦＦであっても、何らかの動作ができるようにすることに用いられてもよい。また、この給電は、上側の機器１４の電池がたりなく充電が必要である場合などに用いることも考えられる。あるいは、この給電は、何らかの情報を送信するために搬送波に情報が搭載されていてもよい。

このような機能は、携帯機器１４，１５間での通信を行う際に、一方の電源が入っていなくてもよいわけであるから、使い道が向上する。

＜第１実施形態及び第２実施形態の給電回路及び受電回路＞
以下、図２Ａ、図２Ｂの機器に内蔵されるコイル１１０，２１０を含む給電回路及び受電回路の詳細を順に説明していき、本発明の各実施形態に係る電力伝送装置が伝送効率を１にすることができることを計算及びシミュレーションで示す。

図３は、図２Ａ，図２Ｂなどの各実施形態に用いるコイル１１０，２１０を模式的に表したものである。

ここでは計算の都合上、下側の一次回路のコイル１１０は、縦長ａ、横長ｂの長方形形状で、さらに、コイルを構成する導線は直径２ｒの円柱形であるとする。なお、ｒ＜＜ａ、ｂとする。また、上側の二次回路のコイル２１０は、下側のコイル１１０と全く同じものを、コイル面に垂直に距離ｄだけ離して配置したものとする。なお、ｒ＜＜ｄである。ここでは、長方形の形状をした２つのコイル１１０，２１０を考えているが、これらのコイル１１０，２１０は、長方形の形状でなくてもよく、通常の円形コイル、楕円型のコイル、などさまざまな形状が考えられる。ここで長方形の形状を用いている理由は、長方形形状の２つのコイル１１０，２１０を同軸上に配置して対向させた場合の相互インダクタンスが解析的に計算でき、設計を容易にするためである。

図３に表した２つのコイル１１０，２１０の相互インダクタンス、および、それぞれのコイル１１０，２１０の自己インダクタンスは、上記非特許文献１に示されるように、それぞれ数式４−１、数式４−２で表すことができる。

なお、図３のコイル１１０，２１０は、説明の便宜のため、いずれも巻き数が１としているが、もちろん、巻き数が２以上のものも考えられる。また巻き方についても、同一平面内に渦巻き状に、あるいは、立体的に螺旋状になっていてもよい。

ここで一次回路のコイル１１０とその自己インダクタンスをＬ_１、二次回路のコイル２１０とその自己インダクタンスをＬ_２とするならば、二つのコイル１１０，２１０の結合係数ｋは、相互インダクタンスＭを用いて、数式４−３で表される。そこで、実際に回路を検討する際には、数式４−３の結合係数ｋに対して、例えば、数式２−６の関係（条件２）を満たすＱ値をもつ一次回路、二次回路を作成する。なお、三次回路まで含める場合には、数式３−６の関係（条件４）を満たすように、一次回路〜三次回路を作成するばよい。

例えば、２ｒ＝０．８ｍｍのエナメル銅線を使って、ａ＝ｂ＝３．８ｃｍの正方形コイルを２つ作り、ｄ＝１ｃｍの距離に配置することを考える。このとき、Ｍ＝２５ｎＨ、Ｌ＝１２０ｎＨ、ｋ＝０．２１である。簡単のため、一次回路と二次回路のＱ値を等しいものとするならば、Ｑ値はｋの逆数となり、Ｑ＝４．８である。

例えば、一次回路、二次回路の出力インピーダンスをＲ＝１０Ωとする。このとき、Ｌ＝１２０ｎＨであるから、Ｑ値の条件をみたすためには、Ｃ＝５０ｐＦとすればよい。なお、このときの共振周波数はｆ＝６０ＭＨｚとなる。

この例では、一次回路、二次回路のコイル１１０，２１０の巻き数を１と仮定しているが、一次回路のコイル１１０の巻き数をｎ_１、二次回路のコイル２１０の巻き数をｎ_２とする場合、相互インダクタンスＭ、一次回路の自己インダクタンスＬ_１，二次回路の自己インダクタンスＬ_２は、それぞれ数式４−４のようになる。なお、数式４−５に示すように、結合係数ｋは、理論的には巻き数にはよらない。すなわち、一次、二次回路に必要とされる、数式２−６を満たすＱ値は、巻き数を変更しても変わらない。

しかしながら、一次回路、二次回路のＬは、巻き数に応じて大きくなる。したがって、数式２−７からわかるように、巻き数を大きくすることでＱ値を大きくすることができる。つまり、Ｑ値が数式２−６（又は数式２）を満たすように、コイル１１０，２１０の巻き数を調整することが可能である。さらに、巻き数を増やすことで、共振周波数を下げることも出来るため、周波数の低い回路、すなわち、比較的簡単な回路で実現できるようになる。例えば、一次回路、二次回路の巻き数を２とする。このとき、一次回路、二次回路の自己インダクタンスは、Ｌ_１＝Ｌ_２＝４８４ｎＨ、また、相互インダクタンスは、Ｍ＝１００ｎＨとなる。そこで、Ｃ＝２０７ｐＦにすることで、Ｑ値の条件を満たすことが出来る。このときの共振周波数はｆ＝１５．９ＭＨｚとなり、巻き数が１の場合よりも低い周波数で実現できることがわかる。

コイル１１０，２１０のサイズや、コイル１１０，２１０間の距離を変更する、あるいは、入出力のインピーダンスを変更する場合も、以上のような手順で、ｋ、Ｃを求めて、最適に電力を伝送するようなパラメータを決定することができる。

以上示したような≪条件１及び条件２、又は、条件３及び条件４（「本発明の各実施形態の条件」ともいう。）≫を満たす一次回路、二次回路に接続されたトランスにおいて、数式２−２による伝送特性を計算した結果を図４に示した。

図４では、比較のために上記のトランスを関連技術に係るトランスの一次回路、二次回路に接続した場合を示している。図４では、関連技術に係るトランスの伝送特性を細い線で、また、本発明の各実施形態の条件をみたすトランスの伝送特性を太い線で示した。

図４に示すように、本発明の各実施形態のトランスでは、共振周波数１６ＭＨｚの周辺において、関連技術に係るトランスと比べて伝送特性が急峻に向上するのみならず、その頂点では、伝送効率１を実現していることがわかる。このように、結合係数が１ではないトランスであっても、一次回路、二次回路を本発明の各実施形態の条件を満たすように設計することで、伝送効率を１に出来ることがわかる。

＜第１実施形態及び第２実施形態のシミュレーション＞
以上の説明は、回路理論に基づいて伝送効率を計算したものであるが、この現象が電磁現象として起こっていることを確認するため電磁界シミュレータを使って、同様の伝送特性を計算した。ここでは、ＡＮＳＯＦＴ社の電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いて計算した結果を示す。

図５は、電磁界シミュレータで計算する本発明の各実施形態に係るコイル１１０，２１０のモデルを示したものである。

図５において、下側の正方形コイル１１０と上側の正方形コイル２１０は、同じ大きさであって、一辺の長さは３．８ｃｍ、コイルの導線の断面は一辺が０．８ｍｍの正方形である。また、この二つのコイル１１０，２１０は、中心の距離がちょうど１ｃｍ隔てて配置されている。ここでは、下側のコイル１１０を一次回路に、また上側のコイル２１０を二次回路に接続するものとしている。つまり、一次回路側のコイル１１０の両端は、信号源ポートとキャパシタンスＣ_１が直列に接続されている。また、二次回路側のコイル２１０の両端は、負荷ポートとキャパシタンスＣ_２が直列に接続されている。そして、電磁界シミュレータで、信号源ポートから負荷ポートへの伝送特性、すなわち、Ｓ_２１パラメータを計算した。

図６は、図５の一次側コイルに接続された信号源ポートから二次側コイルに接続された負荷ポートへの伝送特性をＳパラメータを用いて示している。

図６では、関連技術に係る回路による伝送特性を細い線で示した。この結果は、一次側のコイル１１０、二次側のコイル２１０とも、キャパシタンスＣ_１，Ｃ_２を介さず直接ポートに接続した場合の結果である。また、本発明の各実施形態の条件をみたす回路による伝送特性を太い線で示した。

図６に示すように、本発明の各実施形態による回路では、共振周波数２０ＭＨｚの周辺において、伝送効率１（０ｄＢ）を実現していることがわかる。この結果は、理論計算ともよく一致しており、本発明の各実施形態に係る電力伝送装置が効果を発揮することが電磁界シミュレーションを用いても確認できる。

また、図７は、図５で示した２つのコイル間の距離を５ｃｍとして、本発明の各実施形態の条件を満たすパラメータを適用した場合の伝送特性を示すグラフである。

コイル間の距離を５ｃｍにすると、数式４−１，数式４−２，数式４−３から、結合定数は、０．０１８と求まる。そこで、信号源、負荷のインピーダンスを１Ωにして、本発明の各実施形態の条件を満たすようなキャパシタンスＣ_１，Ｃ_２を求めると１５１ｐＦと計算され、このときの共振周波数は、１９ＭＨｚとなる。

図７には、数式２−２の理論計算の結果と、電磁界シミュレーションによる結果を両方示した。図７において、太い線は電磁界シミュレーションの結果を示し、細い線は、理論計算の結果を示している。数式２−２の理論計算と電磁界シミュレーションの結果は、共振周波数の若干のずれがみられるが、いずれも伝送効率が１程度（０ｄＢ）となることが確認できた。電磁界シミュレーションで１より少し小さい理由は、計算時の周波数の分解能による。

以上説明したように、本発明の各実施形態に係る電力伝送装置は、非閉磁路のトランスのエネルギー伝送効率を向上することができる。なお、ここでいう非閉磁路のトランスとは、２つのコイル１１０，２１０が、コイル１１０，２１０の幅の２倍近くはなれた距離にあるような、トランスとしては、かなり離れた距離にあるものであってもよい。つまり、本発明の各実施形態に係る電力伝送装置は、このような場合のエネルギー伝送効率をも１近くにすることが可能である。

以上、本発明の各実施形態の概要を説明した後、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について説明した。ここで説明した各実施形態に係る電力伝送装置によれば、一次回路及び二次回路（及び三次回路）にキャパシタンスを配置し、本発明の各実施形態の条件を満たすことにより、電力伝送効率を向上させることができる。なお、この各実施形態に係る電力伝送装置では、一次回路に電力供給源が接続される場合について説明した。上記各実施形態において電力供給源は特に限定されるものではないが、上記各実施形態に適した発振回路を有する電力供給源を使用することにより、更に電力伝送効率を向上させつつ安定化させることが可能である。そこで、以下では、電力供給源として使用される発振回路などについて説明する。

＜第３実施形態に係る電力伝送装置＞
図８Ａは、本発明の第３実施形態に係る電力伝送装置を示す回路図である。図８Ａにおいて、電力伝送装置２１の一次回路は下段に示す部分であり、二次回路は上段に示す部分である。この一次回路及び二次回路は、基本的には上記本発明の各実施形態の概要等で説明したように構成されるが、一次回路が電力供給源として特殊な発振回路を有する点が異なる。なお、以下では、一次回路を給電装置（給電装置１００Ｃ）と言い、二次回路（及び三次回路）を受電装置（受電装置２００Ｃ）と言う。

図８Ａに示すように、本実施形態の給電装置１００Ｃは、電力伝送用のコイル１１０と、共振用のキャパシタンス（コンデンサ）Ｃ_１と、増幅器（例えばオペアンプＯＰ）を用いた発振回路ＥＯ１と、を有する。図８Ａに示す給電装置１００Ｃは、電力伝送用のコイル１１０と、共振用キャパシタンスＣ_１とによる直列ＬＣ共振回路が、オペアンプＯＰの入力と出力の間に接続されて正帰還ループを形成する。

電力伝送用のコイル１１０とキャパシタンスＣ_１との直列共振回路の両端は、それぞれオペアンプＯＰの＋入力部と出力部とに接続される。また、オペアンプＯＰの＋入力部は、抵抗Ｒ_１を介して基準電位に接続される。さらに、オペアンプＯＰの−入力部は、抵抗ｒ_１を介して基準電位に接続され、負帰還ループ（非反転増幅器）を成す抵抗ｒ_２を介して出力部に接続されることで、増幅器の効果を実現している。このようにして発振回路を実現する。

＜第４実施形態に係る電力伝送装置＞
図８Ｂは、本発明の第４実施形態に係る電力伝送装置の給電装置を示す回路図である。
図８Ｂに示す本実施形態の給電装置１００Ｄは、オペアンプＯＰとして片電源（単電源）を用いる例である。オペアンプＯＰを片電源で用いるのであれば、さらに、抵抗Ｒ_ｂを用いて、出力にバイアスを与える。

図８Ａ、図８Ｂに示した本発明の第３実施形態及び第４実施形態では、増幅器として、オペアンプＯＰを用いた例を示したが、増幅器には単なるアンプを用いてもよく、また、トランジスタによる増幅回路を用いてもよい。

さらに、図８Ａ、図８Ｂに示した本発明の第３実施形態及び第４実施形態に係る給電装置１００Ｃ，１００Ｄは、電力伝送用のコイル１１０を含む直列共振回路が正帰還ループとなっているが、この部分が回路の見かけ上、負帰還ループとなってもよい。例えば、電力伝送用のコイル１１０による遅延時間によって、増幅器の入力と出力で搬送波の位相がπ変化する場合、搬送波が反転する。よって、このような負帰還ループを実質的に正帰還ループとするためには、増幅器として反転増幅器を用いることも可能である。本発明の第３及び第４実施形態に係る給電装置１００Ｃ，１００Ｄは、このように見かけ上正帰還ループになっていない回路であっても、正帰還ループとして作用して発振を起こす回路を含んでいるものとする。

この他に、この給電装置１００Ｃ，１００Ｄから情報を送る場合は、例えば、オペアンプＯＰの電源や帰還ループなどに電界効果トランジスタ（図示せず）を接続し、回路の接続を切断等することによりスイッチングすることで、搬送波に情報に応じた変調を施すことも可能である。

＜第３実施形態及び第４実施形態に係る電力伝送装置の特徴＞
図８Ａ、図８Ｂに示した電力伝送用のコイル１１０を含む発振回路ＥＯ１，ＥＯ２は、以下のような特徴を持つ。
１．発振回路の出力電流は、すべて電力伝送用のコイル１１０を通過する。
２．二次回路が近づいてた場合の共振周波数の変動に対して追従する。

（第１の特徴）
図８Ａ及び図８Ｂの回路構成を見ると、オペアンプＯＰからの出力は、増幅動作を安定させる抵抗ｒ_２以外にはコイル１１０のみに接続されている。つまり、オペアンプＯＰを使用した増幅器からの出力は全て、発振回路ＥＯ１，ＥＯ２が上記第１の特徴を有することは、容易にわかる。この第１の特徴を有することにより、第３及び第４実施形態に係る電力伝送装置は、発振した電力を効率よく負荷側に送ることが可能である。

この第３実施形態及び第４実施形態に対して、本発明の別の第５実施形態及び第６実施形態として、図８Ａ、図８Ｂの発振回路の代わりに、よく知られているＬＣ発振回路であるコルピッツ回路やハートレー回路を用いることも考えられる。

図９Ａは、オペアンプＯＰを使ったコルピッツ発振回路ＥＯ３の一例であり、帰還ループ部分は、コイル１１０と２つのキャパシタンスＣ_１，Ｃ_４でπ型のフィルタをなしている。また、図９Ｂは、オペアンプＯＰを使ったハートレー発振回路ＥＯ４の一例であり、帰還ループ部分は、キャパシタンスＣ_１と２つのコイル１１０でπ型のフィルタをなしている。

この第５及び第６実施形態を実施する上では、これらの発振回路ＥＯ３，ＥＯ４のコイル１１０部分を電力伝送用のコイルとして使用することにより、電力伝送装置を形成することもできる。しかしながら、これらの回路のコイル１１０部分に流れる電流は、オペアンプＯＰの出力を全て受け取るものではない。したがって、このような第５実施形態及び第６実施形態に係る発振回路ＥＯ３，ＥＯ４を使う場合は、電力の利用効率は高くない。

これに対して、上記第３実施形態及び第４実施形態では、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、特にオペアンプＯＰから出力される全ての電流がコイル１１０部分に流れるようにすることを目的とした特殊な回路構成の発振回路ＥＯ１，ＥＯ２を使用する。つまり、この発振回路ＥＯ１，ＥＯ２によれば、電力伝送用のコイル１１０とキャパシタンスＣ_１との直列共振回路の両端が、それぞれオペアンプＯＰの＋入力部と出力部とに接続される。そして、オペアンプＯＰには、コイル１１０と増幅器の効果を実現するための負帰還ループを成す抵抗ｒ_２と以外の構成は、接続されていない。換言すれば、オペアンプＯＰを使用した増幅器の出力部には、コイル１１０のみが接続される。従ってその結果、上記第３実施形態及び第４実施形態に係る電力伝送装置は、増幅器からの出力電流を全てコイル１１０に通電させることができるので、発振した電力を効率よく負荷側に送ることを可能にしている。

（第２の特徴）
上記第２の特徴を説明するために、まず、２つのコイル１１０，２１０間の距離に対して共振周波数が変化する現象について説明する。図１０は、２つのコイル１１０，２１０の距離ｄと、電力伝送効率との関係を示したグラフである。なお、図１０における電力伝送効率は、伝達ゲインの二乗で、散乱パラメータ（Ｓパラメータ）から｜Ｓ_２１｜を計算することで求めた。

図１０では、３種類の回路についての結果を示した。図１０の実線のカーブは、コイル間の距離が１ｃｍの場合に最適化した場合の回路の電力伝送効率の距離依存特性である。また、破線のカーブは、３ｃｍの場合の電力伝送効率の距離依存特性であり、一点鎖線は、５ｃｍの場合の電力伝送効率の距離依存特性である。

図１０において横軸は、コイル間の距離、また、縦軸は電力伝送効率を表している。これらの３つの曲線は、最適化した距離と一致する１ｃｍ、３ｃｍ、５ｃｍのときに、それぞれ伝送効率が１となる。これに対し、それより近づけたり、あるいは、遠ざけたりすることで、伝送効率は低下する。

遠ざける場合に伝送効率が下がる原因は、結合定数ｋが低下することなどにある。一方、近づける場合には、結合係数ｋが上がるにも関わらず、伝送効率は下がる。この伝送効率が下がる理由について検討するために、適切な距離から近づけた場合の周波数特性を調べた結果を説明する。

図１１は、コイル間ｄの距離が５ｃｍで共振周波数が１９ＭＨｚのときに伝送効率が１になるように調整した回路について、コイル間ｄの距離が５ｃｍの場合と、１ｃｍの伝送特性を比較したものである。コイル間の距離ｄが５ｃｍである場合の伝送効率を細い線で、また、コイル間ｄの距離が１ｃｍである場合の伝送効率を太い線で示した。

前述のようにコイル間の距離ｄが５ｃｍのものは１９ＭＨｚで共振している。ところが、コイル間距離をさらに狭めていくと、共振する周波数は２つに分裂して、コイル間の距離ｄが１ｃｍになると１７ＭＨｚと２１ＭＨｚの二つの共振になることがわかる。このとき、元の共振周波数１９ＭＨｚでの伝送効率は、１０ｄＢ以上減衰しており、これが、距離を近づけていく場合の伝送効率の減衰の原因である。

この分裂した共振周波数（１７ＭＨｚと２１ＭＨｚ）では、その伝送効率が１であることから、インピーダンス整合が成立していると考えられる。そこで、分裂した共振周波数を詳しく調べるため一次回路の信号源と負荷とのインピーダンス整合の条件を考えた。

数式５−１は、このインピーダンス整合の条件を示したものである。ただし、数式５−１のインピーダンスＺ_１，Ｚ_２は、一次回路、二次回路の直列インピーダンスであって、数式５−２で与えられる。

次に、このようなコイル１１０，１２０間距離に対して図８Ａの発振回路ＥＯ１について、その発振条件を考える。

図８Ａに示す本発明の第３実施形態に係る発振回路ＥＯ１の発振条件は、一巡伝達関数から求められるので、まず一巡伝達関数を計算した。一巡伝達関数は、数式５−３で与えられるが、数式５−３の第一項は、増幅器（例えばオペアンプＯＰ）がもつ増幅率を表し、また、第二項は、増幅器の出力電圧と入力電圧の比を分圧の法則で求めたものである。この発振回路の発振条件は、数式５−４で与えられる。

このうち周波数条件（数式５−４の二段目）は、数式５−１の周波数条件と全く同じものであり、発振回路ＥＯ１が、分裂した共振周波数で発振することがわかる。

以上のようにして、発振回路ＥＯ１は、二次回路（つまりコイル２１０）が近づいてきて共振周波数が変動しても、その共振周波数で常に発振して最適な搬送波を生成して電力を伝送することができる。なお、発振の振幅条件（数式５−４）の一段目からは、増幅器の増幅率は２以上であることが条件であることがわかる。

上記第４実施形態に係る発振回路ＥＯ２についても、同様のことが言える。従って、本発明の第３実施形態及び第４実施形態に係る電力伝送装置は、それぞれ発振回路ＥＯ１，ＥＯ２を有することにより、コイル１１０，１２０間の距離ｄが近づいたとしても、発信周波数を最適な値に追従させることができる。よって、この電力伝送装置は、電力伝送効率が高い状態を維持することができる。

次に、受電装置について、図８Ａの上段に示した受電装置２００Ｃを例に挙げて説明する。図８Ａの上段の受電装置２００Ｃは、電力受電用のコイル２１０とＬＣ共振を実現するためのキャパシタンスＣ_２と、抵抗Ｒ_２が接続されている。ここで負荷の抵抗Ｒ_２は、電球のような単純な負荷であってもよく、また、抵抗Ｒ_２の変わりに、入力インピーダンスがＲ_２である回路であってもよい。この場合は、数式２−６に従うように、各回路定数を決定していくことにより、本発明の各実施形態を実現できる。

一方、図１Ｂのように、二次回路２００からトランスＴ２などを介して三次回路３００に接続するような例も考えられる。ここでは、トランスＴ２の結合係数は１に出来るだけ近いものが望ましい。この場合は、数式３−６に従うように各回路定数を決定していく。さらに、三次回路３００に、整流回路、特に全波整流回路を接続して、交流直流変換をすることも考えられる。この場合の例を、第７実施形態及び第８実施形態で説明する。なお、第７実施形態及び第８実施形態では、給電装置（一次回路）については数式３−６（条件４）に従う回路定数を有する以外、同様の構成を使用することができるため、以下では受電装置（二次回路及び三次回路）について説明する。

＜第７実施形態に係る電力伝送装置＞
図１２は、本発明の第７実施形態に係る電力伝送装置について説明するための説明図である。

図１２に示す第７実施形態に係る電力伝送装置の受電装置側は、二次回路２００と三次回路３００ＧをトランスＴ３で結合して、このトランスＴ３の三次回路３００Ｇ側の両端を４つのダイオードＤで構成するダイオードブリッジＤＢに接続して全波整流を行うような回路例である。ただし、通常のダイオードブリッジＤＢと異なり、トランスＴ３とダイオードブリッジＤＢとの間には直列にキャパシタンスＣ_３が含まれている。このキャパシタンスは、三次回路３００Ｇが、一次回路１００と二次回路２００と同じ周波数で共振するように決定される。

交流直流変換をする方法としては半波整流などもあるが、ここでは、全波整流が望ましい。この理由は、三次回路３００ＧのトランスＴ３からみて、全波整流回路をつかうと共振回路としてみることができ、図１Ｂと同様の回路として扱うことが出来るが、半波整流の場合にはそのように見えないからである。同様な理由から、キャパシタンスＣ_３は、ダイオードブリッジＤＢよりも後段につけることは望ましくない。つまり、キャパシタンスＣ_３は、三次側コイル３２０とダイオードブリッジＤＢとの間に配置されることが望ましい。なお、ここでは、全波整流の際に発生する高周波をのぞくためのフィルタ処理を行う素子は省略した。

＜第８実施形態に係る電力伝送装置＞
図１３は、本発明の第８実施形態に係る電力伝送装置について説明するための説明図である。

図１２のダイオードブリッジＤＢによる全波整流回路は、ダイオードＤが動作するまでの電圧分の損失があるため高い効率を求めるためには必ずしも適切ではない。そこで、例えば、図１３のようなコンパレータＣＯとＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）３３０を使った全波整流回路も考えられる。

この回路は、ダイオードＤによる整流作用の代わりに、能動素子であるコンパレータＣＯとＦＥＴ３３０を使って整流を行うことで、ダイオードＤで損失する電圧低下分をなくすものである。

この回路では、トランスＴ３の両端の極性が反転すると直ちに、コンパレータＣＯの出力が切り替わって、スイッチングされるＦＥＴ３３０が変化し、負荷側でつねに同方向の電流が流れる。ただし、ＦＥＴ３３０は損失が極めて少ないものを使い、コンパレータＣＯは高速なものを用いることが望ましい。このような構成にすれば、ダイオードＤの整流作用で起こっていたような電圧低下をなくすことができ、整流時の損失を低減することができる。

ただし、ここでは、コンパレータＣＯが能動素子であるため、別の電源が必要である。
また、全体での電力利用効率をよくするためには、このコンパレータＣＯを駆動する電力が、電力伝送装置の供給する電力と比べて充分小さいことが望ましい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の各実施形態に係る一の電力伝送装置による非接触電力伝送を説明する説明図である。 本発明の各実施形態に係る他の電力伝送装置による非接触電力伝送を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態に係る電力伝送装置を説明する説明図である。 本発明の第２実施形態に係る電力伝送装置を説明する説明図である。 本発明の各実施形態に係る電力伝送装置が有するコイルを回路理論により説明する説明図である。 本発明の各実施形態による伝送効率を、回路理論に基づく計算結果により説明する説明図である。 本発明の各実施形態に係る電力伝送装置が有するコイルを電磁界シミュレーションにより説明する説明図である。 本発明の各実施形態による伝送効率を、電磁界シミュレーションに基づく計算結果により説明する説明図である。 本発明の各実施形態による伝送効率を、電磁界シミュレーションに基づく計算結果により説明する説明図である。 本発明の第３実施形態に係る電力伝送装置を説明する説明図である。 本発明の第４実施形態に係る電力伝送装置を説明する説明図である。 本発明の第５実施形態に係る電力伝送装置を説明する説明図である。 本発明の第６実施形態に係る電力伝送装置を説明する説明図である。 本発明の各実施形態に係る電力伝送装置において、コイル間距離に対する電力伝送の効率の変化を説明する説明図である。 本発明の各実施形態に係る電力伝送装置において、コイル間距離を近づけた場合の周波数特性を説明する説明図である。 本発明の第７実施形態に係る電力伝送装置を説明する説明図である。 本発明の第８実施形態に係る電力伝送装置を説明する説明図である。 関連技術に係るトランスによる電力伝送を説明するための説明図である。

符号の説明

１，２，１１，１２，２１ 電力伝送装置
１３，１４，１５ 機器
１００，１００Ａ，１００Ｂ 一次回路
１００Ｃ，１００Ｄ 給電装置
１１０ コイル
１３０ 電子回路
２００，２００Ａ 二次回路
２００Ｃ 受電装置
２１０ コイル
２２０ 二次側コイル
２３０ 電子回路
３００，３００Ｇ，３００Ｈ 三次回路
３２０ 三次側コイル
３３０ ＦＥＴ
Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３ キャパシタンス
ＣＯ コンパレータ
Ｄ ダイオード
ＤＢ ダイオードブリッジ
ＥＯ１，ＥＯ２，ＥＯ３，ＥＯ４ 発振回路
Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３ インダクタンス
ｍ，Ｍ 相互インダクタンス
ＯＰ オペアンプ
Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，Ｒ_ｂ，ｒ_１，ｒ_２ 抵抗
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ トランス

Claims (13)

1. 一次回路と二次回路とを結合し、結合係数が１未満であるトランスと、
   前記一次回路及び前記二次回路のそれぞれに配置され、前記トランスを構成するコイルと直列に接続されるキャパシタンスと、
   を有し、
   前記一次回路及び前記二次回路の回路定数は、前記一次回路と前記二次回路とが同一の周波数で共振し、かつ、前記結合係数の二乗と前記一次回路のＱ値と前記二次回路のＱ値との積が１になるように設定され、
   前記一次回路は、前記トランスにより共振周波数の搬送波を用いて前記二次回路に電力を伝送する、電力伝送装置。
2. 一次回路と二次回路とを結合し、結合係数が１未満である第１トランスと、
   前記二次回路と三次回路とを結合する第２トランスと、
   前記一次回路、前記二次回路及び前記三次回路のそれぞれに配置され、前記第１又は第２トランスを構成するコイルと直列に接続されるキャパシタンスと、
   を有し、
   前記一次回路、前記二次回路及び前記三次回路の回路定数は、前記一次回路、前記二次回路及び前記三次回路が同一の周波数で共振し、かつ、前記第１トランスの結合係数の二乗と前記一次回路のインダクタンス及び抵抗との積が前記第２トランスの結合係数の二乗と前記三次回路のインダクタンス及び抵抗との積に一致するように設定され、
   前記一次回路は、前記第１トランス及び前記第２トランスにより共振周波数の搬送波を用いて前記二次回路を介して前記三次回路に電力を伝送する、電力伝送装置。
3. 前記一次回路は、出力電流が前記コイルと前記キャパシタンスとを含む共振回路を経て前記共振周波数において正帰還する増幅器を含む発振回路を更に有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の電力伝送装置。
4. 前記増幅器の増幅率は、２以上であることを特徴とする、請求項３に記載の電力伝送装置。
5. 前記増幅器は、出力電流の全てが前記共振回路を通過するように前記共振回路に接続されている、請求項３に記載の電力伝送装置。
6. 前記トランスは、閉磁路を形成する磁性体コアを有さない、請求項１又は２に記載の電力伝送装置。
7. 前記一次回路は、電力と共に情報を伝送するために前記搬送波を変調させる、請求項１又は２に記載の電力伝送装置。
8. 前記三次回路は、前記第２トランスより得られる電力を全波整流する全波整流回路を更に有し、
   前記三次回路のキャパシタンスは、前記第２トランスを構成するコイルと、前記全波整流回路との間に配置される、請求項２に記載の電力伝送装置。
9. 前記全波整流回路は、複数の能動素子により構成される、請求項８に記載の電力伝送装置。
10. 直列に接続されたコイル及びキャパシタンスを含む二次回路を有する受電装置の前記コイルに対して結合係数が１未満のトランスを形成して結合するコイルと、前記コイルと直列に接続されるキャパシタンスと、を含む一次回路を有し、
    前記一次回路の回路定数は、前記一次回路と前記二次回路とが同一の周波数で共振し、かつ、前記結合係数の二乗と前記一次回路のＱ値と前記二次回路のＱ値との積が１になるように設定され、
    前記一次回路は、前記トランスにより共振周波数の搬送波を用いて前記二次回路に電力を伝送する、給電装置。
11. 直列に接続されたコイル及びキャパシタンスを含む一次回路を有する給電装置の前記コイルに対して結合係数が１未満のトランスを形成して結合するコイルと、前記コイルに直列に接続されたキャパシタンスと、を含む二次回路を有し、
    前記二次回路の回路定数は、前記一次回路と前記二次回路とが同一の周波数で共振し、かつ、前記結合係数の二乗と前記一次回路のＱ値と前記二次回路のＱ値との積が１になるように設定され、
    前記二次回路は、前記トランスで前記一次回路が前共振周波数の搬送波により伝送する電力を受電する、受電装置。
12. 直列に接続されたコイル及びキャパシタンスをそれぞれ含み一のトランスを介して結合した二次回路及び三次回路を有する給電装置の前記二次回路のコイルに対して結合係数が１未満の他のトランスを形成して結合するコイルと、前記コイルと直列に接続されるキャパシタンスと、を含む一次回路を有し、
    前記一次回路の回路定数は、前記一次回路、前記二次回路及び前記三次回路が同一の周波数で共振し、かつ、前記他のトランスの結合係数の二乗と前記一次回路のインダクタンス及び抵抗との積が前記一のトランスの結合係数の二乗と前記三次回路のインダクタンス及び抵抗との積に一致するように設定され、
    前記一次回路は、前記他のトランス及び前記一のトランスにより前記共振周波数の搬送波を用いて前記二次回路を介して前記三次回路に電力を伝送する、給電装置。
13. 直列に接続されたコイル及びキャパシタンスを含む一次回路を有する給電装置の前記コイルに対して結合係数が１未満の第１トランスを形成して結合する第１コイルと、前記コイルに直列に接続されたキャパシタンスと、を有する二次回路と、
    前記第１コイルと直列に接続された前記二次回路が有する第２コイルに対して第２トランスを形成して結合する第３コイルと、前記第３コイルに直列に接続されたキャパシタンスと、を有する三次回路と、
    を有し、
    前記二次回路及び前記三次回路の回路定数は、前記一次回路、前記二次回路及び前記三次回路が同一の周波数で共振し、かつ、前記第１トランスの結合係数の二乗と前記一次回路のインダクタンス及び抵抗との積が前記第２トランスの結合係数の二乗と前記三次回路のインダクタンス及び抵抗との積に一致するように設定され、
    前記三次回路は、前記第２トランスで前記一次回路が前記共振周波数の搬送波により前記二次回路を介して伝送する電力を受電する、受電装置。

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