JP2012060850A - 共鳴型無線電力伝送装置および共鳴型無線電力伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】送電部の共振部と受電部の共振部が磁界共鳴の関係にあり、送電部から受電部に電力を無線送電する共鳴型無線電力伝送装置において、送電効率を改善する。
【解決手段】送電部は、周波数が異なる交流電力を出力し、かつ出力インピーダンスを調整する手段を含む可変周波数電源と、可変周波数電源の交流電力を印加する励起コイルと、インダクタンスおよび容量から構成され、励起コイルに近接して電磁誘導により励起コイルに印加された交流電力を誘起する共振部と、励起コイルの入力電力の振幅と位相を検出する第１の電力検出手段と、励起コイルの反射電力の振幅と位相を検出する第２の電力検出手段と、第１の電力検出手段と第２の電力検出手段の出力から、可変周波数電源の周波数における可変周波数電源からみた入力インピーダンスを算出し、当該入力インピーダンスに応じて可変周波数電源の周波数および出力インピーダンスを調整する制御部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、送電部から受電部へ送電する際の送電効率を改善する共鳴型無線電力伝送装置および共鳴型無線電力伝送方法に関する。

Andre Kursらが提案している共鳴型無線電力伝送は、送電部と受電部に配置した共鳴素子間を磁界共鳴の関係にすることで送電効率を改善する非接触電力伝送方法の一種である（非特許文献１，非特許文献２）。この共鳴型無線電力伝送は、電磁誘導を利用した非接触給電方法と比較して、軸ずれに対する許容範囲が広く、ある程度離れた距離でも伝送効率が高効率になる特徴を有している。

図９は、従来の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す。
図９において、送電部１００の交流電源１０１の出力は、励起コイル１０２に印加される。励起コイル１０２は共鳴コイル１０３と近接しており、電磁誘導により共鳴コイル１０３に電力が誘起する。共鳴コイル１０３は受電部２００の共鳴コイル２０１と磁界共鳴の関係にあり、共鳴コイル１０３を励振した電力は、受電部２００の共鳴コイル２０１も励振する。共鳴コイル間が磁界共鳴の関係にある場合には、図２に示すように、ある特定の共鳴周波数では、共鳴コイルの高いＱ値により高効率で電力を送ることができる。共鳴コイル２０１は励起コイル２０２と電磁誘導で結合しており、共鳴コイル２０１を励振した電力は、励起コイル２０２に印加される。励起コイル２０２で誘起された電力は、整流回路２０３で直流成分に変換され、充電器や回路の電源に供給される。

Andre Kurs, et al."Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances, " Science, Vol.317, pp.83-85, 2007. Aristeidis Karalis, et al."Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer, " Annals of Physics, Vol.323, No.1, pp.34-48, Apr. 2007.

共鳴コイル間が磁界共鳴の関係となる単純な条件は、送電部と受電部の共鳴コイルの容量とインダクタンスが互いに等しい場合である。しかし、共鳴コイルの形状誤差や経年劣化などから、これらの値が設計値から変動することが予想される。この場合には、元来図２の特性であったものに対して、図３に示すように、共鳴周波数がシフトするとともに送電効率も劣化する。このような共鳴周波数の変動と送電効率の劣化を抑制するために、共鳴コイル間で形状などを調整して容量とインダクタンス値を等しくする方法が考えられるが、装置などに実装した後の調整は難しいと考えられる。

本発明は、送電部と受電部の共鳴コイル間で容量とインダクタンスが異なる場合に、送電部だけの簡易な調整により、送電効率の改善と共鳴周波数を調整することができる共鳴型無線電力伝送装置および共鳴型無線電力伝送方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、送電部の共振部と受電部の共振部が磁界共鳴の関係にあり、送電部から受電部に電力を無線送電する共鳴型無線電力伝送装置において、送電部は、周波数が異なる交流電力を出力し、かつ出力インピーダンスを調整する手段を含む可変周波数電源と、可変周波数電源の交流電力を印加する励起コイルと、インダクタンスおよび容量から構成され、励起コイルに近接して電磁誘導により励起コイルに印加された交流電力を誘起する共振部と、励起コイルの入力電力の振幅と位相を検出する第１の電力検出手段と、励起コイルの反射電力の振幅と位相を検出する第２の電力検出手段と、第１の電力検出手段と第２の電力検出手段の出力から、可変周波数電源の周波数における可変周波数電源からみた入力インピーダンスを算出し、当該入力インピーダンスに応じて可変周波数電源の周波数および出力インピーダンスを調整する制御部とを備え、受電部は、インダクタンスおよび容量から構成される共振部と、当該共振部と近接して当該共振部に励振された交流電力を電磁誘導により誘起する励起コイルと、当該励起コイルに誘起された交流電力を直流電力に変換する整流回路とを備える。

第１の発明の共鳴型無線電力伝送装置における送電部の制御部は、可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数における入力インピーダンスの実部と最も近い値を可変周波数電源の出力インピーダンスの実部として設定して送電する構成である。

第２の発明は、送電部の共振部と受電部の共振部が磁界共鳴の関係にあり、送電部から受電部に電力を無線送電する共鳴型無線電力伝送装置において、送電部は、周波数が異なる交流電力を出力する可変周波数電源と、可変周波数電源の交流電力を印加する励起コイルと、少なくとも一方の値が可変設定できるインダクタンスおよび容量から構成され、励起コイルに近接して電磁誘導により励起コイルに印加された交流電力を誘起する共振部と、励起コイルの入力電力の振幅と位相を検出する第１の電力検出手段と、励起コイルの反射電力の振幅と位相を検出する第２の電力検出手段と、第１の電力検出手段と第２の電力検出手段の出力から、可変周波数電源の周波数における可変周波数電源からみた入力インピーダンスを算出し、当該入力インピーダンスに応じて可変周波数電源の周波数と、インダクタンスの値または容量の値を調整する制御部とを備え、受電部は、インダクタンスおよび容量から構成される共振部と、当該共振部と近接して当該共振部に励振された交流電力を電磁誘導により誘起する励起コイルと、当該励起コイルに誘起された交流電力を直流電力に変換する整流回路とを備える。

第２の発明の共鳴型無線電力伝送装置における送電部の共振部は、インダクタンスの値を可変設定でき、可変周波数電源からみた入力インピーダンスの調整に供する可変インダクタンスを備え、送電部の制御部は、可変インダクタンスの値を離散的または連続的に変化させるとともに、可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数での入力インピーダンスの実部と可変周波数電源の出力インピーダンスの実部が等しくなるように、可変インダクタンスの値を設定して送電する構成である。

第２の発明の共鳴型無線電力伝送装置における送電部の共振部は、容量の値を可変設定でき、可変周波数電源からみた入力インピーダンスの調整に供する可変容量を備え、送電部の制御部は、可変容量の値を離散的または連続的に変化させるとともに、可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数での入力インピーダンスの実部と可変周波数電源の出力インピーダンスの実部が等しくなるように、可変容量の値を設定して送電する構成である。

第２の発明の共鳴型無線電力伝送装置における送電部の共振部は、インダクタンスおよび容量の値を可変設定でき、可変周波数電源からみた入力インピーダンスの調整に供する可変インダクタンスおよび可変容量を備え、送電部の制御部は、可変インダクタンスおよび可変容量の値を離散的または連続的に変化させるとともに、可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数での入力インピーダンスの実部と可変周波数電源の出力インピーダンスの実部が等しくなるように、可変インダクタンスおよび可変容量の値を設定して送電する構成である。

第３の発明は、送電部の共振部と受電部の共振部が磁界共鳴の関係にあり、送電部から受電部に電力を無線送電する共鳴型無線電力伝送方法において、送電部は、周波数が異なる交流電力を出力し、かつ出力インピーダンスを調整する手段を含む可変周波数電源と、可変周波数電源の交流電力を印加する励起コイルと、インダクタンスおよび容量から構成され、励起コイルに近接して電磁誘導により励起コイルに印加された交流電力を誘起する共振部と、励起コイルの入力電力の振幅と位相を検出する第１の電力検出手段と、励起コイルの反射電力の振幅と位相を検出する第２の電力検出手段と、第１の電力検出手段と第２の電力検出手段の出力から、可変周波数電源の周波数における可変周波数電源からみた入力インピーダンスを算出し、当該入力インピーダンスに応じて可変周波数電源の周波数および出力インピーダンスを調整する制御部とを用いて送電を行い、受電部は、インダクタンスおよび容量から構成される共振部と、当該共振部と近接して当該共振部に励振された交流電力を電磁誘導により誘起する励起コイルと、当該励起コイルに誘起された交流電力を直流電力に変換する整流回路とを用いて受電を行い、送電部の制御部は、可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数における入力インピーダンスの実部と最も近い値を可変周波数電源の出力インピーダンスの実部として設定して送電する。

第４の発明は、送電部の共振部と受電部の共振部が磁界共鳴の関係にあり、送電部から受電部に電力を無線送電する共鳴型無線電力伝送方法において、送電部は、周波数が異なる交流電力を出力する可変周波数電源と、可変周波数電源の交流電力を印加する励起コイルと、少なくとも一方の値が可変設定できるインダクタンスおよび容量から構成され、励起コイルに近接して電磁誘導により励起コイルに印加された交流電力を誘起する共振部と、励起コイルの入力電力の振幅と位相を検出する第１の電力検出手段と、励起コイルの反射電力の振幅と位相を検出する第２の電力検出手段と、第１の電力検出手段と第２の電力検出手段の出力から、可変周波数電源の周波数における可変周波数電源からみた入力インピーダンスを算出し、当該入力インピーダンスに応じて可変周波数電源の周波数および入力インピーダンスを調整する制御部とを用いて送電を行い、受電部は、インダクタンスおよび容量から構成される共振部と、当該共振部と近接して当該共振部に励振された交流電力を電磁誘導により誘起する励起コイルと、当該励起コイルに誘起された交流電力を直流電力に変換する整流回路とを用いて受電を行い、送電部の共振部は、インダクタンスの値を可変設定でき、可変周波数電源からみた入力インピーダンスの調整に供する可変インダクタンスを用い、送電部の制御部は、可変インダクタンスの値を離散的または連続的に変化させるとともに、可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数での入力インピーダンスの実部と可変周波数電源の出力インピーダンスの実部が等しくなるように、可変インダクタンスの値を設定して送電する。

第４の発明の共鳴型無線電力伝送方法における送電部の共振部は、可変インダクタンスに代えて、容量の値を可変設定でき、可変周波数電源からみた入力インピーダンスの調整に供する可変容量を用い、送電部の制御部は、可変容量の値を離散的または連続的に変化させるとともに、可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数での入力インピーダンスの実部と可変周波数電源の出力インピーダンスの実部が等しくなるように、可変容量の値を設定して送電する。

第４の発明の共鳴型無線電力伝送方法における送電部の共振部は、可変インダクタンスに加えて、容量の値を可変設定でき、可変周波数電源からみた入力インピーダンスの調整に供する可変容量を用い、送電部の制御部は、可変インダクタンスおよび可変容量の値を離散的または連続的に変化させるとともに、可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数での入力インピーダンスの実部と可変周波数電源の出力インピーダンスの実部が等しくなるように、可変インダクタンスおよび可変容量の値を設定して送電する。

本発明は、送電部と受電部の入出力インピーダンス、共振部間のインダクタンスや容量が一致していない場合に、送電部において、電源周波数を挿引して励起コイルの入力電力と反射電力の比と位相差を測定し、入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出する。そして、入力インピーダンスの虚部がゼロとなる周波数（共鳴周波数）と、それに対応する入力インピーダンスの実部を求め、可変周波数電源の周波数と出力インピーダンスを調整し、あるいは共振部のインダクタンスと容量を適切な値に設定して入力インピーダンスを調整することにより、効率良く電力を送電部から受電部に送電することが可能となる。

本発明の共鳴型無線電力伝送装置の実施例構成を示す図である。 送電効率の周波数特性（共振部間のインダクタンスと容量が一致の場合）を示す図である。 送電効率の周波数特性（共振部間のインダクタンスと容量が不一致の場合）を示す図である。 インピーダンス整合のための処理手順を示すフローチャートである。 インピーダンス整合のための処理手順を説明する図である。 送電効率の周波数特性（出力インピーダンスの実部を調整した場合）を示す図である。 インダクタンスの誤差と共鳴周波数における入力インピーダンスの関係を示す図である。 容量の誤差と共鳴周波数における入力インピーダンスの関係を示す図である。 従来の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す図である。

図１は、本発明の共鳴型無線電力伝送装置の実施例構成を示す。
図１において、送電部１の可変周波数電源２は、離散的または連続的に周波数が異なる電力を出力する構成である。可変周波数電源２の出力電力の一部は、分配器３を介して電力検出器４に入力して振幅と位相が検出される。可変周波数電源２の出力電力の残りは、方向性結合器５を介して励起コイル６に印加される。可変インダクタンス７と可変容量８から構成される共振部９は、励起コイル６と近接しており、励起コイル６に印加された電力は、電磁誘導により共振部９を励振する。さらに共振部９は、受電部１０のインダクタンス１２と容量１３からなる共振部１１と磁界共鳴の関係にあり、図２に示すように、ある特定の周波数（共鳴周波数）では共振部の高いＱ値により送電部１と受電部２の結合効率が大きくなる。従って、送電部１は、可変周波数電源２の周波数を当該共鳴周波数に設定して受電部２に送電することにより、効率良く電力を伝送することが可能となる。このとき、共振部９で励振された共鳴周波数の電力は、受電部１０の共振部１１を高効率で励振する。共振部１１は励起コイル１４と近接しており、共振部１１を励振した電力は、電磁誘導により励起コイル１４に電力を誘起する。励起コイル１４に誘起された電力は、整流回路１５で直流成分に変換して出力される。

以下、図１の共鳴型無線電力伝送装置において、送電部１の可変周波数電源２の出力インピーダンスを調整する場合、送電部１の共振部９のインダクタンスを調整して可変周波数電源２からみた入力インピーダンスを調整する場合、送電部１の共振部９の容量を調整して可変周波数電源２からみた入力インピーダンスを調整する場合についてそれぞれ説明する。

（出力インピーダンスを調整する場合）
送電部１の共振部９と受電部１０の共振部１１が共鳴条件にない周波数の交流電力は、励起コイル６で反射する。この反射電力は、方向性結合器５を経由して電力検出器１６に入力する。電力検出器１６は、反射電力の振幅と位相を測定し、その結果を制御部１７に出力する。制御部１７は、電力検出器４で検出された励起コイル６の入力電力の振幅と位相と、電力検出器１６で検出された反射電力の振幅と位相とから入力インピーダンスを計算する。また、制御部１２は、入力インピーダンスの計算結果から、可変周波数電源２の周波数および出力インピーダンスを調整し、また共振部９のインダクタンスおよび容量をそれぞれ調整する（後者の調整方法の詳細については後述）。

送信部１の共振部９と受電部１０の共振部１１が磁界共鳴の関係となる最も簡単な条件は、可変インダクタンス７とインダクタンス１２のインダクタンス値が一致し、可変容量８と容量１３の容量値が一致する場合である。しかし、製造過程での偏差、温度変化や経年劣化などにより、素子毎に容量値やインダクタンス値は異なるため、共振部９，１１間でインダクタンス値および容量値を常に一致させることは困難である。

例えば、共振部間でインダクタンス値および容量値がそれぞれ異なる場合、図３で示されるように、共鳴周波数での電力伝送効率は劣化する。これは、例えばマイクロ波回路における交流電源の一般的な出力インピーダンスを50Ωとしたとき、共鳴周波数における交流電源から見た入力インピーダンスの実部が50Ωではなくなっており、出力インピーダンスが50Ωの交流電源と整合が取れていないため、励起コイルで送電電力の一部が反射して電力伝送効率が劣化するためである。これに対し、交流電源の出力インピーダンスの実部を共鳴周波数における入力インピーダンスの実部に一致させた場合には、入力インピーダンスの虚部はゼロであり、入力インピーダンスと出力インピーダンスの整合が取れるため、電力伝送効率は改善される。

図４は、インピーダンス整合のための処理手順を示す。
図４において、最初に可変周波数電源２の出力インピーダンスを50Ωに設定する（Ｓ１）。次に、可変周波数電源２の周波数を離散的または連続的に掃引し、励起コイル６に印加する（Ｓ２）。可変周波数電源２と励起コイル６の間には、分配器３と方向性結合器５が挿入されており、それぞれ励起コイル６への入力電力と励起コイル６からの反射電力が電力検出部４，１６で測定され、制御部１７に入力する。制御部１７は、励起コイル６の入力電力と反射電力との振幅比Γと位相差 exp(jθ) を求める（Ｓ３）。次に、求めたΓとθから入力インピーダンスの実部Ｒと虚部Ｘを、以下の式から求める（Ｓ４）。
Ｒ＝50×（１−Γ²)／((１−Γcos(θ))²＋(Γsin(θ))²)
Ｘ＝50×（２Γsin(θ))／((１−Γcos(θ))²＋(Γsin(θ))²)

入力インピーダンスの虚部Ｘがゼロとなる周波数が共鳴周波数なので、図５で示すように、離散的または連続的にＸの周波数特性を測定し、線形近似などによりＸが０となる周波数を求めて共鳴周波数Ｆr とする（Ｓ５）。同様に、Ｓ４で求めた入力インピーダンスの実部Ｒの周波数特性から、Ｘが０すなわち共鳴周波数に対応する実部Ｒの値を線形近似などにより求めてＲr とする（Ｓ６）。最後に、可変周波数電源２の周波数を共鳴周波数Ｆr に、出力インピーダンスをＲr に再設定して、励起コイル６に入力する。図６の実線は、入出力インピーダンスの整合を取った場合である。入出力インピーダンスの整合を取った場合に、周波数が低い方の共鳴周波数で反射が低減されるため、伝送効率が改善される。

（インダクタンスを調整する場合）
送電部１の共振部９の可変インダクタンス７と、受電部１０の共振部１１のインダクタンス１２が一致していない場合に、整合を取って送電効率を改善する方法について説明する。

前述と同様に可変周波数電源２の周波数を挿引するとともに、可変インダクタンス７を変化させて入力インピーダンスの実部と虚部を求める。インダクタンスの誤差が生じている場合には、図７に示すように、共鳴周波数における入力インピーダンスの実数部が50Ωからずれる。従って、共鳴周波数における入力インピーダンスの実数部が50Ωとなるように、可変インダクタンス７の値を調整することで、整合が取れて送電効率を高くすることが可能となる。

具体的には、可変周波数電源２の周波数を離散的に掃引しながら、周波数ごとにＸ＝０となる可変インダクタンス７の値とそのときのＲの値を取得する。この結果により、Ｒが50Ωに最も近くなる可変インダクタンス７の値を線形近似等により算出し、その値に対応する周波数を特定する。以上により得られた可変インダクタンス７の値と可変周波数電源２の周波数を、それ以降の設定値とする。

（容量を調整する場合）
送電部１の共振部９の可変容量８と、受電部１０の共振部１１の容量１３が一致していない場合に、整合を取って送電効率を改善する方法について説明する。

インダクタンスの場合と同様に可変周波数電源２の周波数を挿引するとともに、可変容量８を変化させて入力インピーダンスの実部と虚部を求める。容量の誤差が生じている場合には、図８に示すように、共鳴周波数における入力インピーダンスの実数部が50Ωからずれる。従って、共鳴周波数における入力インピーダンスの実数部が50Ωとなるように、可変容量８の値を調整することで、整合が取れて送電効率を高くすることが可能となる。

具体的には、可変周波数電源２の周波数を離散的に変更しながら、周波数ごとにＸ＝０となる可変容量８の値とそのときのＲの値を取得する。この結果により、Ｒが50Ωに最も近くなる可変容量８の値を線形近似等により算出し、その値に対応する周波数を特定する。以上により得られた可変容量８の値と可変周波数電源２の周波数を、それ以降の設定値とする。

なお、インダクタンスと容量の双方が可変である場合には、周波数ごとにインダクタンスと容量の組合せについて、周波数ごとにＸ＝０となる当該組合せの値とそのときのＲの値を取得してもよい。このようにすることで、例えば可変インダクタンス７と可変容量８の設定範囲の狭い素子を使用する場合等にも対応ができるようになる。

１，１００ 送電部
２ 可変周波数電源
３ 分配器
４，１６ 電力検出器
５ 方向性結合器
６，１４，１０２，２０２ 励起コイル
７ 可変インダクタンス
８ 可変容量
９，１１ 共振部
１０，２００ 受電部
１２ インダクタンス
１３ 容量
１５，２０３ 整流回路
１７ 制御部
１０１ 交流電源
１０３，２０１ 共鳴コイル

Claims (10)

1. 送電部の共振部と受電部の共振部が磁界共鳴の関係にあり、送電部から受電部に電力を無線送電する共鳴型無線電力伝送装置において、
   前記送電部は、周波数が異なる交流電力を出力し、かつ出力インピーダンスを調整する手段を含む可変周波数電源と、前記可変周波数電源の交流電力を印加する励起コイルと、インダクタンスおよび容量から構成され、前記励起コイルに近接して電磁誘導により前記励起コイルに印加された交流電力を誘起する共振部と、前記励起コイルの入力電力の振幅と位相を検出する第１の電力検出手段と、前記励起コイルの反射電力の振幅と位相を検出する第２の電力検出手段と、前記第１の電力検出手段と前記第２の電力検出手段の出力から、前記可変周波数電源の周波数における前記可変周波数電源からみた入力インピーダンスを算出し、当該入力インピーダンスに応じて前記可変周波数電源の周波数および出力インピーダンスを調整する制御部とを備え、
   前記受電部は、インダクタンスおよび容量から構成される共振部と、当該共振部と近接して当該共振部に励振された交流電力を電磁誘導により誘起する励起コイルと、当該励起コイルに誘起された交流電力を直流電力に変換する整流回路とを備えた
   ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
2. 請求項１に記載の共鳴型無線電力伝送装置において、
   前記送電部の制御部は、前記可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して前記入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、前記入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を前記可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数における入力インピーダンスの実部と最も近い値を前記可変周波数電源の出力インピーダンスの実部として設定して送電する構成である
   ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
3. 送電部の共振部と受電部の共振部が磁界共鳴の関係にあり、送電部から受電部に電力を無線送電する共鳴型無線電力伝送装置において、
   前記送電部は、周波数が異なる交流電力を出力する可変周波数電源と、前記可変周波数電源の交流電力を印加する励起コイルと、少なくとも一方の値が可変設定できるインダクタンスおよび容量から構成され、前記励起コイルに近接して電磁誘導により前記励起コイルに印加された交流電力を誘起する共振部と、前記励起コイルの入力電力の振幅と位相を検出する第１の電力検出手段と、前記励起コイルの反射電力の振幅と位相を検出する第２の電力検出手段と、前記第１の電力検出手段と前記第２の電力検出手段の出力から、前記可変周波数電源の周波数における前記可変周波数電源からみた入力インピーダンスを算出し、当該入力インピーダンスに応じて前記可変周波数電源の周波数と、前記インダクタンスの値または前記容量の値を調整する制御部とを備え、
   前記受電部は、インダクタンスおよび容量から構成される共振部と、当該共振部と近接して当該共振部に励振された交流電力を電磁誘導により誘起する励起コイルと、当該励起コイルに誘起された交流電力を直流電力に変換する整流回路とを備えた
   ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
4. 請求項３に記載の共鳴型無線電力伝送装置において、
   前記送電部の共振部は、前記インダクタンスの値を可変設定でき、前記可変周波数電源からみた入力インピーダンスの調整に供する可変インダクタンスを備え、
   前記送電部の制御部は、前記可変インダクタンスの値を離散的または連続的に変化させるとともに、前記可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して前記入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、前記入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を前記可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数での入力インピーダンスの実部と前記可変周波数電源の出力インピーダンスの実部が等しくなるように、前記可変インダクタンスの値を設定して送電する構成である
   ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
5. 請求項３に記載の共鳴型無線電力伝送装置において、
   前記送電部の共振部は、前記容量の値を可変設定でき、前記可変周波数電源からみた入力インピーダンスの調整に供する可変容量を備え、
   前記送電部の制御部は、前記可変容量の値を離散的または連続的に変化させるとともに、前記可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して前記入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、前記入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を前記可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数での入力インピーダンスの実部と前記可変周波数電源の出力インピーダンスの実部が等しくなるように、前記可変容量の値を設定して送電する構成である
   ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
6. 請求項３に記載の共鳴型無線電力伝送装置において、
   前記送電部の共振部は、前記インダクタンスおよび前記容量の値を可変設定でき、前記可変周波数電源からみた入力インピーダンスの調整に供する可変インダクタンスおよび可変容量を備え、
   前記送電部の制御部は、前記可変インダクタンスおよび前記可変容量の値を離散的または連続的に変化させるとともに、前記可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して前記入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、前記入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を前記可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数での入力インピーダンスの実部と前記可変周波数電源の出力インピーダンスの実部が等しくなるように、前記可変インダクタンスおよび前記可変容量の値を設定して送電する構成である
   ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
7. 送電部の共振部と受電部の共振部が磁界共鳴の関係にあり、送電部から受電部に電力を無線送電する共鳴型無線電力伝送方法において、
   前記送電部は、周波数が異なる交流電力を出力し、かつ出力インピーダンスを調整する手段を含む可変周波数電源と、前記可変周波数電源の交流電力を印加する励起コイルと、インダクタンスおよび容量から構成され、前記励起コイルに近接して電磁誘導により前記励起コイルに印加された交流電力を誘起する共振部と、前記励起コイルの入力電力の振幅と位相を検出する第１の電力検出手段と、前記励起コイルの反射電力の振幅と位相を検出する第２の電力検出手段と、前記第１の電力検出手段と前記第２の電力検出手段の出力から、前記可変周波数電源の周波数における前記可変周波数電源からみた入力インピーダンスを算出し、当該入力インピーダンスに応じて前記可変周波数電源の周波数および出力インピーダンスを調整する制御部とを用いて送電を行い、
   前記受電部は、インダクタンスおよび容量から構成される共振部と、当該共振部と近接して当該共振部に励振された交流電力を電磁誘導により誘起する励起コイルと、当該励起コイルに誘起された交流電力を直流電力に変換する整流回路とを用いて受電を行い、
   前記送電部の制御部は、前記可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して前記入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、前記入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を前記可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数における入力インピーダンスの実部と最も近い値を前記可変周波数電源の出力インピーダンスの実部として設定して送電する
   ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送方法。
8. 送電部の共振部と受電部の共振部が磁界共鳴の関係にあり、送電部から受電部に電力を無線送電する共鳴型無線電力伝送方法において、
   前記送電部は、周波数が異なる交流電力を出力する可変周波数電源と、前記可変周波数電源の交流電力を印加する励起コイルと、少なくとも一方の値が可変設定できるインダクタンスおよび容量から構成され、前記励起コイルに近接して電磁誘導により前記励起コイルに印加された交流電力を誘起する共振部と、前記励起コイルの入力電力の振幅と位相を検出する第１の電力検出手段と、前記励起コイルの反射電力の振幅と位相を検出する第２の電力検出手段と、前記第１の電力検出手段と前記第２の電力検出手段の出力から、前記可変周波数電源の周波数における前記可変周波数電源からみた入力インピーダンスを算出し、当該入力インピーダンスに応じて前記可変周波数電源の周波数および入力インピーダンスを調整する制御部とを用いて送電を行い、
   前記受電部は、インダクタンスおよび容量から構成される共振部と、当該共振部と近接して当該共振部に励振された交流電力を電磁誘導により誘起する励起コイルと、当該励起コイルに誘起された交流電力を直流電力に変換する整流回路とを用いて受電を行い、
   前記送電部の共振部は、前記インダクタンスの値を可変設定でき、前記可変周波数電源からみた入力インピーダンスの調整に供する可変インダクタンスを用い、
   前記送電部の制御部は、前記可変インダクタンスの値を離散的または連続的に変化させるとともに、前記可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して前記入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、前記入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を前記可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数での入力インピーダンスの実部と前記可変周波数電源の出力インピーダンスの実部が等しくなるように、前記可変インダクタンスの値を設定して送電する
   ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送方法。
9. 請求項８に記載の共鳴型無線電力伝送方法において、
   前記送電部の共振部は、前記可変インダクタンスに代えて、前記容量の値を可変設定でき、前記可変周波数電源からみた入力インピーダンスの調整に供する可変容量を用い、
   前記送電部の制御部は、前記可変容量の値を離散的または連続的に変化させるとともに、前記可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して前記入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、前記入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を前記可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数での入力インピーダンスの実部と前記可変周波数電源の出力インピーダンスの実部が等しくなるように、前記可変容量の値を設定して送電する
   ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送方法。
10. 請求項８に記載の共鳴型無線電力伝送方法において、
    前記送電部の共振部は、前記可変インダクタンスに加えて、前記容量の値を可変設定でき、前記可変周波数電源からみた入力インピーダンスの調整に供する可変容量を用い、
    前記送電部の制御部は、前記可変インダクタンスおよび前記可変容量の値を離散的または連続的に変化させるとともに、前記可変周波数電源の周波数を離散的または連続的に掃引して前記入力インピーダンスの実部と虚部の周波数特性を算出し、前記入力インピーダンスの虚部がゼロとなる共鳴周波数を前記可変周波数電源の周波数として設定し、当該共鳴周波数での入力インピーダンスの実部と前記可変周波数電源の出力インピーダンスの実部が等しくなるように、前記可変インダクタンスおよび前記可変容量の値を設定して送電する
    ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送方法。

Images