JP2013021906A - 非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力の伝送効率を高めることができる共鳴方式による非接触給電システムを提供する。
【解決手段】高周波電源と電気的に接続された送電用コイルと、送電用コイルとの電磁誘導によって、送電される送電用共鳴コイルと、磁気共鳴によって高周波電力が励起される受電用共鳴コイルと、受電用共鳴コイルとの電磁誘導によって高周波電力が励起される負荷用コイルと、負荷と、可変手段と、を有し、負荷が、負荷のインピーダンスを制御するマイクロプロセッサーと、負荷用コイルに励起された高周波電力を基に充電が行われるバッテリー充電装置およびバッテリーを有する非接触給電システムを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は受電装置を具備する非接触給電システムに関する。

電力供給源（以下、送電装置ともいう）と接触していない状態において、対象物（以下、受電装置ともいう）に対して給電を行う（非接触給電、ワイヤレス給電などともいう）方式として、磁気共鳴方式と呼ばれる方式が注目されている。磁気共鳴方式は、送電装置および受電装置の双方に設けられる共鳴コイルを磁気共鳴させることでエネルギーの伝搬路を形成する方式であり、他の方式（電磁誘導方式、電界誘導方式など）と比較して給電可能距離が長い。例えば、非特許文献１では、磁気共鳴方式における伝送効率が当該共鳴コイル間の距離が１ｍであれば約９０％、２ｍであれば約４５％という値を示すことが開示されている。

Ａｎｄｒｅ Ｋｕｒｓ， ｅｔ ａｌ．，"Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｖｉａ Ｓｔｒｏｎｇｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ"，Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３１７，ｐｐ・８３−８６，２００７

上述の磁気共鳴方式においては、等しい共鳴周波数を有する一対の共鳴コイルが共鳴した状態における磁気共鳴を利用して給電を行っており、送電装置が有する送電用共鳴用コイルと受電装置が有する受電用共鳴コイルとの距離（以下、コイル間距離ともいう）によって、効率が高い送電が可能な条件が異なってしまい、安定して効率の高い給電を行うことが困難である。

図８は、コイル間距離と電力の伝送効率の関係を示している。図８（Ａ１）は、コイル間距離が近すぎる場合、図８（Ｂ１）は、コイル間距離が適切な場合、図８（Ｃ１）は、コイル間距離が離れてすぎている場合をそれぞれ示し、図８（Ａ２）、図８（Ｂ２）、図８（Ｃ２）は、それぞれの伝送効率と周波数の関係を示している。

図８（Ｂ１）に示すように、コイル間距離が適切な場合、図８（Ｂ２）に示すように、周波数が共振周波数ｆ_０のとき電力の伝送効率は最大となる。しかしながら、図８（Ａ１）に示すように、コイル間距離が近すぎる場合でも電力の伝送効率にピークのスプリットが発生し、ピークは周波数ｆ_０’のときであり、共振周波数ｆ_０においてはピークの谷となってしまうため、電力の伝送効率が低下してしまう。また、図８（Ｃ１）に示すように、コイル間距離が離れている場合、図８（Ｃ２）ピークのスプリットは発生しないが共振周波数ｆ_０において、図８（Ｂ２）と比較して共鳴コイル間の磁気結合が弱くなるため、電力の伝送効率が低くなってしまう。なお、図８では、理解を容易にするため、高周波電源１１１と、送電用共鳴コイル１１２、送電用コイル１１７、負荷１２１、受電用共鳴コイル１２２、負荷用コイル１２９のみを示している。

図８に示すように、コイル間距離が適切な場合でないと最大効率がある共鳴周波数ｆ_０において得られないことが分かる。したがって、磁気共鳴型ワイヤレス給電は、コイル間距離が近い分には、一見して空間的制約が少ないように思われがちだが、実際には、コイルが密に磁気結合した際には電力の伝送効率が急激に低下するという問題を抱えている。

また、負荷が二次電池である場合、二次電池（たとえばリチウムイオン電池）は、通常、定電流充電期間と定電圧充電期間に分けて充電される。充電が開始された直後は、定電流充電で、印加電圧が徐々に増加するため、充電が進むにつれ、インピーダンスは徐々に増加する。定電圧充電に移行してからは充電電流が急激に下がるため、インピーダンスは一挙に増加してしまう。負荷のインピーダンスが変化すると、磁気共鳴による給電はさらに困難になる。

そこで、本発明の一態様は、電力の伝送効率を高めることができる共鳴方式による非接触給電システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、送電用コイルと、送電用コイルとの電磁誘導によって、送電される送電用共鳴コイルと、磁気共鳴によって高周波電力が励起される受電用共鳴コイルと、受電用共鳴コイルとの電磁誘導によって高周波電力が励起される負荷用コイルと、負荷用コイルと電気的に接続される負荷と、負荷への充電電流を制御する可変手段と、可変手段を制御するマイクロプロセッサーと、を有し、負荷が、負荷用コイルに励起された高周波電力を基に充電が行われるバッテリー充電装置およびバッテリーを有する非接触給電システムである。

本発明の他の一態様は、高周波電源と、送電用コイルと、送電用コイルとの電磁誘導によって、送電される送電用共鳴コイルと、高周波電源の出力を制御する第１のマイクロプロセッサーと、磁気共鳴によって高周波電力が励起される受電用共鳴コイルと、受電用共鳴コイルとの電磁誘導によって高周波電力が励起される負荷用コイルと、負荷用コイルと電気的に接続される負荷と、負荷への充電電流を制御する可変手段と、第２のマイクロプロセッサーと、を有し、負荷が、負荷用コイルに励起された高周波電力を基に充電が行われるバッテリー充電装置およびバッテリーを有し、第２のマイクロプロセッサーは、可変手段を制御し、かつ、第１のマイクロプロセッサーへ、高周波電源からの供給電流を制御するための信号を送る非接触給電システムである。

本発明の他の一態様は、上記の非接触給電システムにおいて、可変手段が、バッテリー充電装置に設けられるスイッチであることが好ましい。

本発明の他の一態様は、上記の非接触給電システムにおいて、負荷が、負荷用コイルと電気的に接続している整流回路を有することが好ましい。

本発明の一態様は、外部からの制御によって、負荷のインピーダンスを調節し、送電装置が有する送電用共鳴用コイルと、受電装置が有する受電用共鳴用コイルとがどのような位置関係であっても、その状況に応じて最も電力伝送効率が高くなる条件で給電することができる非接触給電システムを提供することができる。

給電システムの構成例を示す図。 給電システムの動作例を示すフローチャート。 給電システムの構成例を示す図。 給電システムの動作例を示すフローチャート。 給電システムの構成例を示す図。 給電システムの用途例を示す図。 実施例を説明するための図。 コイル間距離と電力の伝送効率の関係を示す図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同じ物を指し示す符号は異なる図面間において共通とする。

なお、各実施の形態の図面等において示す各構成の大きさ、層の厚さ、信号波形は、明瞭化のために誇張されて表記している場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。

なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様における共鳴方式による非接触給電を行う非接触給電システムについて説明する。

＜非接触給電システムの構成例＞
図１に、本発明の一態様に係る非接触給電システムの構成について示す。図１に示す非接触給電システムでは、磁気共鳴型電力伝送手法が適用されている。図１に示す非接触給電システムは、送電装置１４０および受電装置１５０を含むように構成される。図１では、送電装置１４０における送電用共鳴コイル１１２と、受電装置１５０における受電用共鳴コイル１２２とが共鳴することで、電磁波による給電を行うことができる。

送電装置１４０は、高周波電源１１１と、送電用共鳴コイル１１２と、送電用コイル１１７と、容量素子１１８とを有する。送電装置１４０において、高周波電源１１１は、送電用コイル１１７と接続される。送電用共鳴コイル１１２は、送電用コイル１１７と電磁誘導をし、送電用共鳴コイル１１２の一方の端子は、容量素子１１８の一方の端子と接続され、送電用共鳴コイル１１２の他方の端子は、容量素子１１８の他方の端子と接続されている。

なお、高周波電源１１１の構成は、送電用共鳴コイル１１２の自己共振周波数と同等の周波数を有する高周波電力を生成することが可能であれば、どのような構成としてもよい。

また、図１に示す受電装置１５０は、負荷１２１と、受電用共鳴コイル１２２と、マイクロプロセッサー１２５と、整流回路１２７と、負荷用コイル１２９と、容量素子１３０とを有し、負荷１２１は、バッテリー充電装置１２３、バッテリー１２４と、可変手段１２６と、を有する。受電装置１５０において、受電用共鳴コイル１２２と電磁誘導をする負荷用コイル１２９が、整流回路１２７を介して負荷１２１に接続されている。負荷１２１の可変手段１２６が、バッテリー充電装置１２３に内蔵されており、バッテリー１２４の一方の端子がバッテリー充電装置１２３と接続されており、バッテリー１２４の他方の端子が接地されている。

なお、容量素子１１８および容量素子１３０は、それぞれ送電用共鳴コイル１１２、受電用共鳴コイル１２２の浮遊容量であってもよいし、それぞれ独立に容量素子が設けられていてもよい。また、可変手段１２６は、バッテリー充電装置１２３の外部にあり、バッテリー充電装置１２３と接続されていてもよい。

高周波電源１１１からの交流電力である高周波電力が、整流回路１２７に与えられ、整流される。整流されることで得られた直流電圧および直流電流は、負荷１２１に与えられる。

なお、図示しないが、受電装置１５０において、整流回路１２７とマイクロプロセッサー１２５との間に、Ａ／Ｄ変換回路を設けてもよいし、マイクロプロセッサー１２５にＡ／Ｄ変換回路が内蔵されている構成としてもよい。

また、整流回路１２７と負荷１２１の間にＤＣＤＣコンバータを設ける構成としてもよい。整流回路で整流され、得られた直流電圧は、ＤＣＤＣコンバータに入力され、その大きさが調整されて出力される。

また、可変手段１２６は、受電装置１５０のバッテリー１２４への充電電流を制御することでバッテリー充電装置１２３およびバッテリー１２４のインピーダンスを制御させることができる。可変手段１２６として、例えば、バッテリー充電装置１２３に内蔵され、マイクロプロセッサー１２５によってスイッチングが制御されるスイッチを適用することが可能である。なお、可変手段１２６として、スイッチを適用する場合、高周波電力が印加されうるため、接点が存在するか否かを制御する機械的スイッチ（機械的リレー、ＭＥＭＳスイッチなど）を適用することが好ましい。

なお、コイルを用いた電力伝送技術において、高い伝送効率を示す指標となるパラメータとしてｋ×Ｑがある（ｋは結合係数、Ｑは共鳴コイルのＱ値）。結合係数ｋは、送電側の共鳴コイルと受電側の共鳴コイルとの磁気結合の度合いを示す係数である。また、Ｑ値は、共振回路の共振のピークの鋭さを表す値である。共鳴型非接触給電技術では、高い伝送効率を実現するため、当該送電用共鳴コイル１１２および受電用共鳴コイル１２２として、Ｑ値が非常に高く設定された共鳴コイル（例えば、Ｑは１００より大きい、または、ｋ×Ｑが１より大きい）を用いることが好ましい。

＜非接触給電システムにおける給電方法＞
次に、本発明の一態様に係る非接触給電システムにおける給電方法について図２を参照して説明する。図２は、非接触給電システムにおける給電方法の一例を示すフローチャートである。

まず、送電装置１４０に対して、受電装置１５０が任意の位置に設置されると、送電装置１４０の高周波電源１１１をオンとすることにより送電が開始される（図２に示すステップＳ１参照）。このとき、効率の良い送電が行われているとは限らない。つまり、伝送効率が最大であるとは限らない。なお、本実施の形態では、受電装置１５０のバッテリー１２４への充電電流を制御することでインピーダンスを調節する場合について説明する。

送電装置１４０から受電装置１５０へ送電が開始されると、送電装置１４０の送電用共鳴コイル１１２から受電装置１５０の受電用共鳴コイル１２２へ、磁気結合を介して送電され、さらに、整流回路１２７によって、直流電圧および直流電流に変換され、負荷１２１（例えば、二次電池、ＬＥＤ、ＩＣチップのいずれかを少なくとも含む）へ印加される。このとき、受電装置１５０の負荷１２１に印加される直流電圧値および直流電流値を取得する。このときの直流電圧値および直流電流値の積を電力値Ｐ１とする。取得した直流電圧値および直流電流値の積（電力値Ｐ１）のデータＤ１は、マイクロプロセッサー１２５に格納する（図２に示すステップＳ２_１参照）

次に、マイクロプロセッサー１２５によって可変手段１２６が制御され、バッテリー１２４の充電電流を変更させる。バッテリー１２４の充電電流が変わることでバッテリー充電装置１２３およびバッテリー１２４のインピーダンスが変わり、結果として負荷１２１全体のインピーダンスが変わる。同時にマイクロプロセッサー１２５は、負荷１２１に印加される直流電圧値および直流電流値を取得し、直流電圧値および直流電流値の積である電力値Ｐ２を算出する。電力値Ｐ２のデータＤ２は、マイクロプロセッサー１２５に格納する。

ｎ種類のインピーダンス変更を行い、その都度得た電力値のデータ（Ｄ１、Ｄ２、…、Ｄｎ）をマイクロプロセッサー１２５に格納する（図２に示すステップＳ２_ｎ参照）。

格納された電力値のデータ（Ｄ１、Ｄ２、…、Ｄｎ）の中から最も電力の伝送効率の高い条件で給電を行うようにマイクロプロセッサー１２５がバッテリー１２４の充電電流を変更させ、バッテリー１２４の充電を行う（図２に示すステップＳ３、Ｓ４参照）。

次に、一定期間（例えば、１０ｓｅｃ）、充電を行ったら、現状のインピーダンスで充電が最も電力の伝送効率の高い条件であるか否かを確認する。

再度、図２に示すステップＳ２_１〜ステップＳ２_ｎ、ステップＳ３を経て、バッテリー１２４の充電電流を変更させ、負荷１２１全体のインピーダンスが最適条件となるように設定し、充電を行う。

その後の処理は、ステップＳ２_１〜ステップＳ２_ｎ、ステップＳ３、ステップＳ４のループ処理が繰り返し実行され、充電が完了したら、高周波電源１１１をオフにする。

このように、上記ループ処理が繰り返されることにより、充電を行っている途中で、送電装置１４０と受電装置１５０との距離が変わった場合であっても、バッテリー１２４の充電を効率よく行うことができる。

図１に示す非接触給電システムにおいて、図２に示す給電方法を適用することで、送電装置１４０と受電装置１５０の配置に応じて、電力の伝送効率を高めることができるため、効率よく、給電を行うことができる。このため、給電利用者にとって、より利便性が高い給電システムを提供することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、図１とは一部異なる非接触給電システムの構成について説明する。

＜非接触給電システムの構成例＞
図３に、本発明の一態様に係る非接触給電システムの構成について示す。送電装置１６０は、高周波電源１１１と、送電用共鳴コイル１１２と、送電用コイル１１７と、容量素子１１８と、を有する点においては、図１と同様である。図１と異なる点は、送電装置１６０において、アンテナ１１３と、マイクロプロセッサー１１５と、第１の送受信回路１１９を有し、第１の送受信回路１１９は、マイクロプロセッサー１１５およびアンテナ１１３と接続され、マイクロプロセッサー１１５は高周波電源１１１と接続されている点にある。

また、受電装置１７０は、負荷１２１と、受電用共鳴コイル１２２と、マイクロプロセッサー１２５と、整流回路１２７と、負荷用コイル１２９と、容量素子１３０とを有し、負荷１２１は、バッテリー充電装置１２３と、バッテリー１２４と、可変手段１２６と、を有する点においては、図１と同様である。図１と異なる部分は、受電装置１７０において、アンテナ１３３と、第２の送受信回路１２８とを有し、第２の送受信回路１２８は、マイクロプロセッサー１２５およびアンテナ１３３と接続されている点にある。

図３に示す非接触給電システムの構成は、受電装置１７０で生成されている直流電圧値および直流電流値の情報をアンテナ１３３を用いて、送電装置１６０に返している。受電装置１７０における直流電圧値および直流電流値の情報を受け取った送電装置１６０は、必要に応じて、高周波電源１１１の出力を調整することができる。

たとえば、バッテリー１２４がリチウムイオン二次電池の場合、過電圧印加を防止するため、一定以上の電圧をバッテリー１２４に印加させない設計になっている。したがって、バッテリー１２４への印加電圧が必要以上に上昇してしまった時は、結局、バッテリー充電装置１２３に内蔵されている充電制御回路によって減圧されてしまい、その減圧されてしまった分の電力は無駄に消費してしまうので送電装置１６０の高周波電源１１１の出力電力を下げ、その充電状態を維持できる必要最低限の電力を供給することが好ましい。

＜非接触給電システムにおける給電方法＞
次に、本発明の一態様に係る非接触給電システムにおける給電方法について図４を参照して説明する。図４は、非接触給電システムにおける給電方法の一例を示すフローチャートである。

まず、送電装置１６０に対して、受電装置１７０が任意の位置に設置されると、送電装置１６０は受電装置１７０へ送電を開始する。送電装置１６０の高周波電源１１１をオンとすることにより送電が開始される（図４に示すステップＳ１１参照）。このとき、効率の良い送電が行われているとは限らない。つまり、伝送効率が最大であるとは限らない。なお、本実施の形態では、受電装置１７０のバッテリー１２４への充電電流を制御することでインピーダンスを調節する場合について説明する。

送電装置１６０から受電装置１７０へ送電が開始されると、送電装置１６０の送電用共鳴コイル１１２から受電装置１７０の受電用共鳴コイル１２２へ、磁気結合を介して送電され、さらに、整流回路１２７によって、直流電圧および直流電流に変換され、負荷１２１（例えば、二次電池、ＬＥＤ、ＩＣチップのいずれかを少なくとも含む）へ印加される。このとき、受電装置１７０の負荷１２１に印加される直流電圧値および直流電流値を取得する。このときの直流電圧値および直流電流値の積を電力値Ｐ１とする。取得した直流電圧値および直流電流値の積（電力値Ｐ１）のデータＤ１は、マイクロプロセッサー１２５に格納する（図４に示すステップＳ１２_１参照）。

次に、マイクロプロセッサー１２５によって可変手段１２６が制御され、バッテリー１２４の充電電流を変更させる。バッテリー１２４の充電電流が変わることでバッテリー充電装置１２３およびバッテリー１２４のインピーダンスが変わり、結果として、負荷１２１全体のインピーダンスが変わる。同時にマイクロプロセッサー１２５は、負荷１２１に印加される直流電圧値および直流電流値を取得し、直流電圧値および直流電流値の積である電力値Ｐ２を算出する。電力値Ｐ２のデータＤ２は、マイクロプロセッサー１２５に格納する。

ｎ種類のインピーダンス変更を行い、その都度得た電力値のデータ（Ｄ１、Ｄ２、…、Ｄｎ）をマイクロプロセッサー１２５に格納する（図４に示すステップＳ１２_ｎ参照）。

格納された電力値のデータ（Ｄ１、Ｄ２、…、Ｄｎ）の中から最も電力の伝送効率の高い条件で給電を行うようにマイクロプロセッサー１２５がバッテリー１２４の充電電流を変更させる（図４に示すステップＳ１３ａ参照）。

次に、マイクロプロセッサー１２５は高周波電源１１１から最適な電力が供給されるように、電力を調節する信号を第２の送受信回路１２８に出力し、第２の送受信回路１２８からアンテナ１３３およびアンテナ１１３を介して第１の送受信回路１１９へ送信し、第１の送受信回路１１９からマイクロプロセッサー１１５へ出力される。

マイクロプロセッサー１１５は、出力を調整するように高周波電源１１１に命令し、高周波電源１１１は、最適な電力を供給するように調整を行う。マイクロプロセッサー１１５は、第１の送受信回路１１９、アンテナ１１３、アンテナ１３３、第２の送受信回路１２８を介して高周波電源１１１の出力が適切であるかを調べるためにマイクロプロセッサー１２５に直流電圧値をモニターするように命令する。直流電圧値をモニターする処理を繰り返して、最適な電力を供給する。（図４に示すステップＳ１３ｂ参照）。例えば、充電完了間際の場合、高周波電源１１１は、現状より小さい電力を供給し、直流電圧値をモニターする処理を繰り返し行って、徐々に電力を小さくして最適な電力を供給する。

次に、マイクロプロセッサー１１５は、高周波電源１１１の出力を基に充電を継続するか否かを判定する。（図４に示すステップＳ１４参照）。高周波電源１１１の出力が０になり、充電を継続しないと判定された場合は、高周波電源１１１をオフにすることで、充電を完了させる（図４に示すステップＳ１５参照）。充電を継続すると判定された場合は、次のステップに進む。

次に、一定期間（例えば、１０ｓｅｃ）、充電を行ったら（図４に示すステップＳ１６参照）、現状のインピーダンスで充電が最も電力の伝送効率の高い条件であるか否かを確認する。

再度、図４に示すステップＳ１２_１〜ステップＳ１２_ｎ、ステップＳ１３ａ、ステップＳ１３ｂ、ステップＳ１４を経て、バッテリー１２４の充電電流を変更させ、負荷１２１全体のインピーダンスが最適条件となるように設定し、また、高周波電源１１１が最適出力となるように設定した後、充電を継続するか否かを判定する。

その後の処理は、ステップＳ１２_１〜ステップＳ１２_ｎ、ステップＳ１３ａ、ステップＳ１３ｂ、ステップＳ１４、ステップＳ１６のループ処理が繰り返し実行される。

このように、上記ループ処理が繰り返されることにより、充電を行っている途中で、送電装置１６０と受電装置１７０との距離が変わった場合であっても、バッテリー１２４の充電を効率よく行うことができる。

図３に示す非接触給電システムにおいて、図４に示す給電方法を適用することで、送電装置１６０と受電装置１７０の配置に応じて、電力の伝送効率を高めることができるため、効率よく、給電を行うことができる。このため、給電利用者にとって、より利便性が高い給電システムを提供することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、図１、図３とは一部異なる非接触給電システムの構成について説明する。

＜非接触給電システムの構成例＞
図５に、本発明の一態様に係る非接触給電システムの構成について示す。送電装置１８０は、高周波電源１１１と、送電用共鳴コイル１１２と、マイクロプロセッサー１１５と、送電用コイル１１７と、容量素子１１８と、第１の送受信回路１１９とを有する点においては、図３と同様である。図３と異なる点は、送電装置１８０において、方向性結合器１１４と、ミキサ１１６とを有し、高周波電源１１１は、ミキサ１１６およびマイクロプロセッサー１１５と接続されている点、第１の方向性結合器１１４は、ミキサ１１６、第１の送受信回路１１９および送電用コイル１１７と接続されている点、第１の送受信回路１１９は、ミキサ１１６およびマイクロプロセッサー１１５と接続されている点にある。

また、受電装置１９０は、負荷１２１と、受電用共鳴コイル１２２と、マイクロプロセッサー１２５と、整流回路１２７と、第２の送受信回路１２８と、負荷用コイル１２９と、容量素子１３０とを有し、負荷１２１は、バッテリー充電装置１２３と、バッテリー１２４と、可変手段１２６と、を有する点においては、図３と同様である。図３と異なる点は、受電装置１９０において、第２の方向性結合器１３４と、負荷１３５と、トランジスタ１３６を有し、整流回路１２７と負荷用コイル１２９の一方の端子の間に第２の方向性結合器１３４が設けられている点、負荷用コイル１２９の一方の端子と第２の方向性結合器１３４の間に負荷１３５が設けられている点、負荷１３５と負荷用コイル１２９の他方の端子との間にトランジスタ１３６が設けられている点にある。第２の方向性結合器１３４は、第２の送受信回路１２８と接続され、第２の送受信回路１２８は、トランジスタ１３６のゲートと接続され、トランジスタ１３６のソースまたはドレインの一方は負荷１３５と、トランジスタ１３６のソースまたはドレインの他方は負荷用コイル１２９の他方と接続されている。

トランジスタ１３６は、どのようなものを用いてもよいが、特に酸化物半導体を用いたトランジスタを適用することが好ましい。高純度化された酸化物半導体を適用したトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を、チャネル幅１μｍ当たり１０ｚＡ／μｍ未満、８５℃にて１００ｚＡ／μｍ未満レベルにまで低くすることができる。すなわち、測定限界近傍または測定限界近傍以下までオフ電流を下げることができる。このため、トランジスタのオン／オフに基づいて、送電装置１８０からみた受電装置１９０のインピーダンスを適切に変化させることができる。

ミキサ１１６は、アナログ乗算器であり、ミキサ１１６に高周波電源１１１の出力と第１の送受信回路１１９の出力が入力されると、２つの振動波形が掛け合わされ、共鳴周波数に変調信号が重畳される。

第１の方向性結合器１１４および第２の方向性結合器１３４は、順方向に伝送する電力（進行波）または逆方向に伝送する電力（反射波）に対する信号を取り出すことができる。本実施の形態では、第１の方向性結合器１１４に入力された信号は、送電用コイル１１７および第１の送受信回路１１９に伝送され、第２の方向性結合器１３４に入力された信号は、整流回路１２７および第２の送受信回路１２８に伝送される。

図５に示す非接触給電システムの構成は、受電装置１９０で生成されている直流電圧値および直流電流値の情報を送電装置１８０からみた受電装置１９０のインピーダンスの変化パターンによって送電装置１８０に返している。受電装置１９０における直流電圧値および直流電流値の情報を受け取った送電装置１８０は、必要に応じて、高周波電源１１１の出力を調整することができる。

たとえば、バッテリー１２４がリチウムイオン二次電池の場合、過電圧印加を防止するため、一定以上の電圧をバッテリー１２４に印加させない設計になっている。したがって、バッテリー１２４への印加電圧が必要以上に上昇してしまったような時は、結局、バッテリー充電装置１２３に内蔵されている充電制御回路によって減圧されてしまい、その減圧されてしまった分の電力は無駄に消費してしまうので送電装置１８０の高周波電源１１１の出力電力を下げ、その充電状態を維持できる必要最低限の電力を供給することが好ましい。

＜非接触給電システムにおける給電方法＞
次に、本発明の一態様に係る非接触給電システムにおける給電方法について先の実施の形態で用いた図４を参照して説明する。

送電が開始されてからバッテリー１２４のインピーダンスを変更させるまで（図４に示すステップＳ１１乃至ステップＳ１３ａ）は、先の実施の形態の給電方法を参酌する。

次に、マイクロプロセッサー１２５は、第２の方向性結合器１３４、第２の送受信回路１２８を介して得た復調信号に基づいて受電電力取得処理を行う。続いて、取得した受電電力情報を、第２の送受信回路１２８を介して変調信号として出力し、トランジスタ１３６のゲートに与える電圧を変化させる。トランジスタ１３６のゲートに与える電圧を変化させることにより、トランジスタ１３６のオン／オフに基づいて、送電装置１８０からみた受電装置１９０のインピーダンスが変化する。

送電装置１８０からみた受電装置１９０のインピーダンスの変化のパターンに付随して、送電用共鳴コイル１１２、送電用コイル１１７を介して逆電力（所望の方向と逆方向に伝送する電力）に振幅変調がかけられ、第１の方向性結合器１１４に信号が入力される。

上記のように振幅変調され、第１の方向性結合器１１４に入力された上記逆電力は、方向性結合器１１４によって第１の送受信回路１１９に伝達され、第１の送受信回路１１９によって復調され、マイクロプロセッサー１１５に入力される。マイクロプロセッサー１１５は、第１の送受信回路１１９より得た復調信号に応じ、出力を調整するように高周波電源１１１に命令し、結果として、高周波電源１１１は充電の進行状況に応じた最適な電力を供給する。（図４に示すステップＳ１３ｂ参照）。同時にマイクロプロセッサー１１５は、入力された逆電力を第１の送受信回路１１９を介してミキサ１１６に入力する。

次に、マイクロプロセッサー１１５は、高周波電源１１１の出力を基に充電を継続するか否かを判定する。（図４に示すステップＳ１４参照）。高周波電源１１１の出力が０になり、充電を継続しないと判定された場合は、高周波電源１１１をオフにすることで、充電を完了させる（図４に示すステップＳ１５参照）。充電を継続すると判定された場合は、次のステップに進む。

次に、一定期間（例えば、１０ｓｅｃ）、充電を行ったら（図４に示すステップＳ１６参照）、現状のインピーダンスで充電が最も電力の伝送効率の高い条件であるか否かを確認する。

再度、図４に示すステップＳ１２_１〜ステップＳ１２_ｎ、ステップＳ１３ａ、ステップＳ１３ｂ、ステップＳ１４を経て、バッテリー１２４の充電電流を変更させ、負荷１２１全体のインピーダンスが最適条件となるように設定し、また、高周波電源１１１が最適出力となるように設定した後、充電を継続するか否かを判定する。

その後の処理は、ステップＳ１２_１〜ステップＳ１２_ｎ、ステップＳ１３ａ、ステップＳ１３ｂ、ステップＳ１４、ステップＳ１６のループ処理が繰り返し実行される。

このように、上記ループ処理が繰り返されることにより、充電を行っている途中で、送電装置１８０と受電装置１９０との距離が変わった場合であっても、バッテリー１２４の充電を効率よく行うことができる。

図５に示す非接触給電システムにおいて、上記に示す給電方法を適用することで、送電装置１８０と受電装置１９０の配置に応じて、電力の伝送効率を高めることができるため、効率よく、給電を行うことができる。このため、給電利用者にとって、より利便性が高い給電システムを提供することができる。また、本実施の形態では、共鳴給電用のインターフェイスを介して非接触ＩＣ技術に基づく通信を行っている。したがって、本実施の形態の非接触給電システムを携帯電話等のモバイル機器に導入することで、別途の専用通信インターフェイスを設けなくとも、非接触のＩＣ乗車カードや電子マネー等のアプリケーションにおける情報の送受信を行うことができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した非接触給電システムを適用できる用途について説明する。なお、本発明の一態様に係る非接触給電システムを適用できる用途としては、例えば、携帯型の電子機器である、デジタルビデオカメラ、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機又は電子書籍等）、記録媒体を備えた画像再生装置（具体的にはＤｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ（ＤＶＤ）再生装置）などが挙げられる。また、電力を基に動力を得る電気自動車等の電気推進移動体が挙げられる。以下、一例について図面を用いて説明する。

図６（Ａ）は携帯電話及び携帯情報端末を非接触給電システムの用途とする一例であり、非接触給電システムは、送電装置７０１、受電装置７０３Ａを有する携帯電話７０２Ａ、受電装置７０３Ｂを有する携帯電話７０２Ｂ有している。上記実施の形態で説明した非接触給電システムは、送電装置７０１と受電装置７０３Ａとの間、および送電装置７０１と受電装置７０３Ｂとの間で適用することができる。

例えば、送電装置７０１には、上記実施の形態に示す送電装置１４０、送電装置１６０、送電装置１８０の構成が適用でき、受電装置７０３Ａおよび受電装置７０３Ｂには、上記実施の形態に示す受電装置１５０、受電装置１７０、受電装置１９０の構成が適用できる。

本発明の一態様に係る非接触給電システムを適用することにより、送電装置７０１と受電装置７０３Ａとの配置、および送電装置７０１と受電装置７０３Ｂとの配置に応じて、送電の効率を高めることができるため、送電装置７０１から受電装置７０３Ａおよび受電装置７０３Ｂへ電力を効率よく供給することができる。

図６（Ｂ）は電気推進移動体である電気自動車を非接触給電システムの用途とする一例であり、非接触給電システムは、送電装置７１１、受電装置７１３を有する電気自動車７１２を有している。上記実施の形態で説明した非接触給電システムは、送電装置７１１と受電装置７１３との間で適用することができる。

例えば、送電装置７１１には、上記実施の形態に示す送電装置１４０、送電装置１６０、送電装置１８０の構成が適用でき、受電装置７１３には、上記実施の形態に示す受電装置１５０、受電装置１７０、受電装置１９０の構成が適用できる。

本発明の一態様に係る非接触給電システムを適用することにより、送電装置７１１と受電装置７１３との配置に応じて、送電の効率を高めることができるため、送電装置７１１から受電装置７１３へ電力を効率よく供給することができる。

以上、上記実施の形態で説明した非接触給電システムは電力をもって駆動させる物品であればどのようなものにでも設けて使用することができる。

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

本実施例では、送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルとの間の伝送効率が最大となるバッテリーのインピーダンスが、送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルとの間（コイル間ともいう）の距離によって変化する様子を図７に示す。図７（Ａ）は、コイル間の距離がコイル間の伝送効率が最大となる距離よりも離れており、コイル間の磁気結合が弱い状態の場合、図７（Ｂ）は、コイル間の距離がコイル間の伝送効率が最大となる距離よりも近く、コイル間の磁気結合が強い状態の場合を示している。図７（Ａ）、図７（Ｂ）の横軸は周波数ｆ［ＭＨｚ］、縦軸は電力の伝送効率［％］を表している。また、バッテリーのインピーダンスを変える負荷抵抗は、２０Ω、３５Ω、５０Ω、１００Ωの４種類を用意し、測定を行った。

図７（Ａ）に示すように、コイル間の距離がコイル間の伝送効率が最大となる距離よりも離れている状態において、電力の伝送効率が最大（ｆ＝１３．５６ＭＨｚ）となるのは、バッテリーのインピーダンスが３５Ω〜５０Ω程度の時であるのが確認された。

また、図７（Ｂ）に示すように、コイル間の距離がコイル間の伝送効率が最大となる距離よりも近い状態において、電力の伝送効率が最大（ｆ＝１３．５６ＭＨｚ）となるのは、バッテリーのインピーダンスが２０Ω程度の時であるのが確認された。

図７に示すように、コイル間の位置関係、すなわち、コイル間の磁気結合度に応じて、常に最大の電力の伝送効率となるようにバッテリーのインピーダンスを、負荷抵抗を用いて調整すれば、電力を無駄に消費することなく充電を行うことができる。

１１１ 高周波電源
１１２ 送電用共鳴コイル
１１３ アンテナ
１１５ マイクロプロセッサー
１１７ 送電用コイル
１１８ 容量素子
１１９ 第１の送受信回路
１２１ 負荷
１２２ 受電用共鳴コイル
１２３ バッテリー充電装置
１２４ バッテリー
１２５ マイクロプロセッサー
１２６ 可変手段
１２７ 整流回路
１２８ 第２の送受信回路
１２９ 負荷用コイル
１３０ 容量素子
１３３ アンテナ
１３５ 負荷
１３６ トランジスタ
１４０ 送電装置
１５０ 受電装置
１６０ 送電装置
１７０ 受電装置
１８０ 送電装置
１９０ 受電装置
７０１ 送電装置
７０２Ａ 携帯電話
７０２Ｂ 携帯電話
７０３Ａ 受電装置
７０３Ｂ 受電装置
７１１ 送電装置
７１２ 電気自動車
７１３ 受電装置

Claims (6)

1. 送電用コイルと、
   前記送電用コイルとの電磁誘導によって、送電される送電用共鳴コイルと、
   磁気共鳴によって高周波電力が励起される受電用共鳴コイルと、
   前記受電用共鳴コイルとの電磁誘導によって高周波電力が励起される負荷用コイルと、
   前記負荷用コイルと電気的に接続される負荷と、
   前記負荷への充電電流を制御する可変手段と、
   前記可変手段を制御するマイクロプロセッサーと、を有し、
   前記負荷が、前記負荷用コイルに励起された高周波電力を基に充電が行われるバッテリー充電装置およびバッテリーを有する非接触給電システム。
2. 前記可変手段が、前記バッテリー充電装置に設けられるスイッチである、請求項１に記載の非接触給電システム。
3. 前記負荷が、前記負荷用コイルと電気的に接続している整流回路を有する、請求項１または請求項２に記載の非接触給電システム。
4. 高周波電源と、
   送電用コイルと、
   前記送電用コイルとの電磁誘導によって、送電される送電用共鳴コイルと、
   前記高周波電源の出力を制御する第１のマイクロプロセッサーと、
   磁気共鳴によって高周波電力が励起される受電用共鳴コイルと、
   前記受電用共鳴コイルとの電磁誘導によって高周波電力が励起される負荷用コイルと、
   前記負荷用コイルと電気的に接続される負荷と、
   前記負荷への充電電流を制御する可変手段と、
   第２のマイクロプロセッサーと、を有し、
   前記負荷が、前記負荷用コイルに励起された高周波電力を基に充電が行われるバッテリー充電装置およびバッテリーを有し、
   前記第２のマイクロプロセッサーは、前記可変手段を制御し、かつ、前記第１のマイクロプロセッサーへ、高周波電源からの供給電流を制御するための信号を送る非接触給電システム。
5. 前記可変手段が、前記バッテリー充電装置に設けられるスイッチである、請求項４に記載の非接触給電システム。
6. 前記負荷が、前記負荷用コイルと電気的に接続している整流回路を有する、請求項４または請求項５に記載の非接触給電システム。

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