JP2018196288A - 非接触給電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】送電側の装置の送信コイルと受電側の装置の受信コイル間の結合度の変化による受信側の装置の共振回路の共振周波数の変動を抑制することが可能な非接触給電装置を提供する。【解決手段】非接触給電装置１の送電装置２は、送信コイル１４と、送信コイル１４が共振しないスイッチング周波数を持つ交流電力を送信コイル１４に供給する電力供給回路１０とを有する。また非接触給電装置１の受電装置３は、受信コイル２１と共振コンデンサ２２とが並列共振し、受信コイル２１と直列または並列に接続される第１のコイル２３とを有する共振回路２０と、受信コイル２１と直列に接続されるコイル２３とを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、非接触給電装置に関する。
従来より、金属の接点などを介さずに、空間を通じて電力を伝送する、いわゆる非接触給電（ワイヤレス給電とも呼ばれる）技術が研究されている。
非接触給電技術の一つとして、電磁誘導により給電する方式が知られている。電磁誘導により給電する方式では、一次直列二次並列コンデンサ方式（以下、ＳＰ方式と呼ぶ）が利用される（例えば、非特許文献１を参照）。ＳＰ方式では、一次側（送電側）に、トランスの一部として動作する送信コイルと直列にコンデンサが接続され、二次側（受電側）に、トランスの他の一部として動作する受信コイルと並列にコンデンサが接続される。
ＳＰ方式では、受電側の受信コイル及びコンデンサにより構成される共振回路が並列共振するために、共振回路からの出力は定電流出力となる。そのため、受電側で定電圧出力となる、一次直列二次直列コンデンサ方式（以下、ＳＳ方式と呼ぶ）と比較して、ＳＰ方式の方が一般的に制御が難しい。これは、一般的な電子機器は定電圧で制御されるためである。
また、ＳＰ方式において、受電側の共振回路のコイルに対して直列に接続されるリアクトルを設ける技術が提案されている（例えば、非特許文献１及び特許文献１を参照）。なお、この技術による方式は、ＳＰＬ方式と呼ばれることもある。本明細書でも、この方式をＳＰＬ方式と呼ぶ。
特開２０１５−４２０５１号公報
渡辺他、「一方向非接触給電から拡張容易な双方向非接触給電システム」、電気学会論文誌Ｄ、IEEJ Transactions on Industry Applications、Vol.133、No.7、pp.707-713、2013年
ＳＰＬ方式が採用された非接触給電装置では、伝送される電力の高調波成分が低減されて理想変圧器特性が得られるので、力率が改善され、その結果として、電力伝送効率が向上する。
ＳＰＬ方式が採用される場合でも、非接触給電装置は、定電圧出力動作するように使用されることが好ましい。さらに、用途によっては、送信コイルと受信コイル間の結合度が一定でない場合でも、送信コイルに供給される交流電力の周波数を調整可能な範囲が限定されることがある。このような場合、結合度の変化による、受信コイルを含む共振回路の共振周波数の変動が抑制されることが好ましい。
そこで、本発明は、送電側の装置の送信コイルと受電側の装置の受信コイル間の結合度の変化による受信側の装置の共振回路の共振周波数の変動を抑制することが可能な非接触給電装置を提供することを目的とする。
本発明の一つの形態として、送電装置と、送電装置から非接触で電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置が提供される。この非接触給電装置において、送電装置は、受電装置へ電力を供給する送信コイルと、送信コイルに対して、送信コイルが共振しない調整可能なスイッチング周波数を持ち、かつ調整可能な電圧を持つ交流電力を供給する電力供給回路とを有する。一方、受電装置は、送電装置からの電力を受信する受信コイルと、受信コイルと並列に接続される共振コンデンサと、受信コイルと直列または並列に接続される第１のコイルとを有する共振回路と、共振回路から出力される電力を整流する整流回路と、共振回路と整流回路の間に、受信コイルと直列に接続される第２のコイルとを有する。
この非接触給電装置において、受電装置の共振回路が有する第１のコイルは、送電装置から受電装置へ電力伝送される間も送信コイルと結合しないことが好ましい。
またこの非接触給電装置において、送電装置は、送信コイルと直列に接続される第３のコイルをさらに有することが好ましい。
またこの非接触給電装置において、受電装置は、共振回路から出力される電力の出力電圧を測定してその出力電圧の測定値を求める電圧検出回路と、出力電圧の測定値に基づいて、非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否か、及び、出力電圧の測定値が所定の電圧の許容範囲内に含まれるか否かを判定する定電圧判定回路と、非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否か、及び、出力電圧の測定値が所定の電圧の許容範囲内に含まれるか否かを表す判定情報を含む信号を送電装置へ送信する送信器とをさらに有することが好ましい。また送電装置は、判定情報を含む信号を受信する受信器と、判定情報に応じて、電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する制御回路とをさらに有することが好ましい。
さらに、この非接触給電装置において、送電装置の制御回路は、判定情報が定電圧出力動作していないことを表す場合、受電装置の整流回路と接続される負荷回路の抵抗が変化しても出力電圧の測定値が変化しなくなるように、電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数を制御することが好ましい。
また、この場合において、送電装置の制御回路は、判定情報が定電圧出力動作していることを表し、かつ、出力電圧の測定値が所定の電圧の許容範囲に含まれないことを表す場合、出力電圧の測定値がその許容範囲内に含まれるように、電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力の電圧を制御することが好ましい。
あるいは、この非接触給電装置において、電力供給回路は、送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を調整可能であり、送電装置は、送信コイルに流れる電流を測定してその電流の測定値を求める電流検出回路と、電流の測定値に応じて、電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する制御回路とをさらに有することが好ましい。
この場合において、送電装置の制御回路は、スイッチング周波数を変化させながら、電流の測定値を監視して、電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数を検出し、検出されたスイッチング周波数を持つ交流電力が送信コイルに供給されるように電力供給回路を制御することが好ましい。
また本発明の他の形態によれば、送電装置と、送電装置から非接触で電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置が提供される。この非接触給電装置において、受電装置は、送電装置からの電力を受信する受信コイルと、受信コイルと並列に接続される共振コンデンサとを有する共振回路と、共振回路から出力される電力を整流する整流回路と、共振回路と整流回路の間に、受信コイルと直列に接続される第１のコイルとを有する。一方、送電装置は、受電装置へ電力を供給する送信コイルと、送信コイルと直列に接続され、送電装置から受電装置へ電力伝送される間も受信コイルと結合しない第２のコイルと、送信コイルに対して、送信コイルが共振しない調整可能なスイッチング周波数を持ち、かつ調整可能な電圧を持つ交流電力を供給する電力供給回路とを有する。
この非接触給電装置において、受電装置は、共振回路から出力される電力の出力電圧を測定してその出力電圧の測定値を求める電圧検出回路と、出力電圧の測定値に基づいて、非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否か、及び、共振回路の出力電圧の測定値が所定の電圧の許容範囲内に含まれるか否かを判定する定電圧判定回路と、非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否か、及び、共振回路の出力電圧の測定値が所定の電圧の許容範囲内に含まれるか否かを表す判定情報を含む信号を送電装置へ送信する送信器とをさらに有することが好ましい。一方、送電装置は、判定情報を含む信号を受信する受信器と、判定情報に応じて、電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する制御回路とをさらに有することが好ましい。
本発明に係る非接触給電装置は、送電側の装置の送信コイルと受電側の装置の受信コイル間の結合度の変化による受信側の装置の共振回路の共振周波数の変動を抑制することができるという効果を奏する。
ＳＰＬ方式による非接触給電装置の等価回路図である。 ＳＰＬ方式の非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。 ＳＰＬ方式による非接触給電装置の入力インピーダンスの周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。 本発明の一つの実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。 本実施形態による非接触給電装置の等価回路図である。 本実施形態による非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。 図６に示されたシミュレーションにおいて、結合度に応じて送信コイルに印加する電圧を変化させたときの、出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。 本実施形態による非接触給電装置における、送信コイルに印加される交流電力についての電圧の位相に対する電流の位相の遅れの周波数特性を示す図である。 変形例による非接触給電装置の等価回路図である。 結合度に応じて送信コイルに印加する電圧を変化させたときの、変形例による非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。 他の変形例による非接触給電装置の等価回路図である。 結合度に応じて送信コイルに印加する電圧を変化させたときの、他の変形例による非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。 さらに他の変形例による非接触給電装置の等価回路図である。 結合度に応じて送信コイルに印加する電圧を変化させたときの、さらに他の変形例による非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。 非接触給電装置の出力電圧の周波数特性と入力インピーダンスの周波数特性との関係の一例を示す図である。 変形例による、非接触給電装置の概略構成図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、変形例による、電力供給回路の回路図である。
以下、本発明の一つの実施形態による非接触給電装置を、図を参照しつつ説明する。
最初に、本発明による非接触給電装置の理解を容易にするために、ＳＰＬ方式による非接触給電装置による、定電圧出力動作について説明する。
図１は、ＳＰＬ方式による非接触給電装置の等価回路図である。この等価回路１００において、送電側の共振回路の送信コイルと受電側の共振回路の受信コイルとが結合して、n:1の理想トランスを形成するものとする。Cr1は、送電側の共振回路における、送信コイルと直列接続されるコンデンサの静電容量である。Lr及びLmは、送電側の共振回路の漏れインダクタンス及び励磁インダクタンスである。なお、送電側の共振回路の送信コイルのインダクタンスLpは、(Lm+Lr)と等しく、送信コイルと受信コイル間の結合度をkとすると、Lr=(1-k)Lp、Lm=kLpである。また、Riは、送電側の巻線抵抗値であり、Risは、受電側の巻線抵抗値である。Cpは、受電側の共振回路における、受信コイルと並列接続されるコンデンサの静電容量である。Lopは、受信コイルと直列接続されるコイルのインダクタンスである。そしてRacは、負荷回路Roの交流等価抵抗値であり、Rac=(8/π2)×Roで表される。
等価回路１００より、ＳＰＬ方式の非接触給電装置のF行列Fspl(s, k, Rac)は、次式で表される。
Figure 2018196288
 ここでs=j2πfである。ただしfは、送電側の共振回路に供給される交流電力の周波数である。またkは送信コイルと受信コイル間の結合度である。
F行列の定義から、SPL方式の非接触給電装置の出力利得Gspl(s, k, Rac)は、次式で表される。
Figure 2018196288
 ここでVinは、送電側の共振回路に供給される交流電力の電圧（振幅）であり、Fspl(s,k,Rac)0,0は、（１）式で表されたF行列における左上の要素を表す。
図２は、（２）式に従って算出される、ＳＰＬ方式の非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図２において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。グラフ２０１は、結合度k=0.15、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ２０２は、結合度k=0.15、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ２０３は、結合度k=0.3、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ２０４は、結合度k=0.3、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ２０５は、結合度k=0.6、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ２０６は、結合度k=0.6、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。なお、このシミュレーションでは、Lp=174μH、Cr1=Cp=20nF、Lop=3Lp、Ri=Ris=0.3Ω、n=1、Vin=200V、Ro=200Ω(Rac≒162.1Ω)とした。
図２においてポイント２１１〜２１６で示されるように、結合度kが一定となる条件下で負荷回路の交流等価抵抗値が変化しても出力電圧が略一定となる（すなわち、結合度kが一定の場合に定電圧出力となる）、周波数と出力電圧の組み合わせは６通りある。このうち、低周波数側のポイント２１１〜２１３は、送電側の共振回路の共振周波数に近く、送電側の共振回路の共振に影響される。一方、高周波数側のポイント２１４〜２１６は、送電側の共振回路の共振周波数よりもある程度高く、送電側の共振回路の共振による影響は少ない。一般に、ＳＰＬ方式では、送電側の共振回路も共振させるので、非接触給電装置を定電圧出力動作させるためには、ポイント２１１〜２１３に示されるような周波数を持つ交流電力を送電側の共振回路に供給することとなる。
図３は、ＳＰＬ方式による非接触給電装置の入力インピーダンスZinspl(s,k,Rac)の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図３において、横軸は周波数を表し、縦軸は入力インピーダンスを表す。そしてグラフ３０１〜３０４は、それぞれ、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとし、結合度kを0.001、0.15、0.3、0.6としたときの、入力インピーダンスZinspl(s,k,Rac)の周波数特性を表す。なお、グラフ３０１〜３０４に示される入力インピーダンスZinspl(s,k,Rac)の周波数特性は、次式で表される、入力インピーダンスZinspl(s,k,Rac)の算出式に、図２に示したシミュレーションで用いた各パラメータの値を入力することで算出した。
Figure 2018196288
 ここで、Fspl(s,k,Rac)1,0は、（１）式で表されたF行列における左下の要素を表す。
図３に示されるように、送電側の共振回路の共振周波数に近い周波数領域では、結合度が低くなるほど、定電圧出力となる周波数において、入力インピーダンスが低くなる。例えば、ポイント２１１で示される、結合度k=0.15のときに定電圧出力動作可能な周波数f1では、結合度k=0.15での入力インピーダンスは10Ωよりも小さい値となる。これは、送電側の共振回路の共振により、その共振回路に流れる電流が増加して送信コイルに蓄えられるエネルギーが増加するためである。そのため、ＳＰＬ方式では、結合度が低い場合に送電側の共振回路に交流電力を供給するとエネルギーの損失が増大してしまう。また、ポイント２１１〜２１３から分かるように、結合度が上昇しても、必ずしも出力利得は向上しない。
一方、送電側の共振回路の共振周波数よりも高く、送電側の共振回路が共振せず、かつ、結合度が変化しても定電圧出力動作可能な周波数領域（例えば、図２におけるポイント２１４に相当する周波数f3からポイント２１６に相当する周波数f4の範囲）では、入力インピーダンスもある程度大きくなるため、エネルギーの損失は抑制される。しかし、この周波数領域は、送電側の共振回路が共振し、かつ、定電圧出力動作可能な周波数領域（周波数f2〜f1）よりも広くなってしまう。
これは、受電側の共振回路の共振周波数が結合度に依存して変動してしまうためと考えられる。
そこで、本発明の実施形態による非接触給電装置は、送信コイルが共振しない周波数を持つ交流電力を送信コイルに供給する送電装置から、並列共振する共振回路と、共振回路が有する受信コイルと直列に接続されたコイルを有する受電装置へ給電する。そして受電装置の共振回路に、受信コイルと別個に、電力伝送時にも送信コイルと結合しないコイルを設ける。これにより、この非接触給電装置は、結合度の変動によるエネルギー損失の増加を抑制するとともに、送信コイルと受信コイル間の結合度の変化による受電装置の共振回路の共振周波数の変動を抑制することで、定電圧出力動作を実行する際の送信コイルに供給される交流電力の周波数の調整範囲を狭くする。
さらに、この非接触給電装置は、受電側の共振回路の出力電圧を測定し、その測定値が定電圧出力動作時の電圧の許容範囲に収まるように、送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御することで、送信コイルと受信コイル間の結合度、あるいは負荷回路の抵抗値が変化しても、定電圧出力動作を維持する。
なお、本明細書において、定電圧出力動作とは、非接触給電装置に接続される負荷回路の仕様などに応じて定められる電圧の許容範囲（例えば、所定の電圧基準値の±10%以内）内で出力電圧が維持されるように、非接触給電装置が動作することをいう。
図４は、本発明の一つの実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。図４に示されるように、非接触給電装置１は、送電装置２と、送電装置２から空間を介して非接触で電力伝送される受電装置３とを有する。送電装置２は、電力供給回路１０と、送信コイル１４と、コンデンサ１５と、受信器１６と、ゲートドライバ１７−１、１７−２と、制御回路１８とを有する。一方、受電装置３は、受信コイル２１、共振コンデンサ２２及びコイル２３を有する共振回路２０と、コイル２４と、整流平滑回路２５と、負荷回路２８と、電圧検出回路２９と、定電圧判定回路３０と、送信器３３とを有する。
先ず、送電装置２について説明する。
電力供給回路１０は、調節可能なスイッチング周波数、及び、調節可能な電圧を持つ交流電力を送信コイル１４へ供給する。そのために、電力供給回路１０は、電源１１と、力率改善回路１２と、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４とを有する。
電源１１は、所定の脈流電圧を持つ電力を供給する。そのために、電源１１は、商用の交流電源と接続され、その交流電源から供給された交流電力を整流するための全波整流回路を有する。
力率改善回路１２は、電源１１から出力された電力の電圧を、制御回路１８からの制御に応じた電圧に変換して出力する。そのために、力率改善回路１２は、例えば、電源１１の正極側端子から順に直列に接続されるコイルL及びダイオードDと、コイルLとダイオードDの間にドレイン端子が接続され、電源１１の負極側端子にソース端子が接続されたnチャネル型のMOSFETであるスイッチング素子SWと、ダイオードDを挟んでスイッチング素子SWと並列に接続される平滑コンデンサCを有する。またスイッチング素子SWのゲート端子は、ゲートドライバ１７−１と接続される。さらに、力率改善回路１２は、電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される二つの抵抗R1、R2を有する。この抵抗R1、R2は、ダイオードDと平滑コンデンサCとの間に、平滑コンデンサCと並列に接続される。そして抵抗R1と抵抗R2間の電圧が、ダイオードDから出力される電圧を表すものとして、制御回路１８により測定される。
制御回路１８により指示されたデューティ比にしたがって、かつ、ダイオードDから出力される電流波形の軌跡が、電源１１から供給される電圧の軌跡と一致するように、ゲートドライバ１７−１がスイッチング素子SWのオン／オフを制御することにより、力率改善回路１２は、力率改善動作を実行する。そしてスイッチング素子SWがオンとなるデューティ比が高くなるほど、ダイオードDから出力される電圧は高くなる。
ダイオードDから出力される電圧は、平滑コンデンサCにより平滑化されて、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４を介して送信コイル１４へ供給される。
なお、力率改善回路１２は、上記の構成に限られず、制御回路１８からの制御によって出力電圧を調整可能な他の構成を有していてもよい。
４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。そして４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４のうち、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２は、電源１１の正極側端子と負極側端子との間に、力率改善回路１２を介して直列に接続される。また本実施形態では、電源１１の正極側に、スイッチング素子１３−１が接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１３−２が接続される。そしてスイッチング素子１３−１のドレイン端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１３−１のソース端子は、スイッチング素子１３−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１３−２のソース端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１３−１のソース端子、及び、スイッチング素子１３−２のドレイン端子は、コンデンサ１５を介して送信コイル１４の一端に接続され、スイッチング素子１３−２のソース端子は、スイッチング素子１３−４を介して送信コイル１４の他端に接続される。
同様に、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４のうち、スイッチング素子１３−３とスイッチング素子１３−４は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−２と並列に、かつ、力率改善回路１２を介して電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また、電源１１の正極側に、スイッチング素子１３−３が接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１３−４が接続される。そしてスイッチング素子１３−３のドレイン端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１３−３のソース端子は、スイッチング素子１３−４のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１３−４のソース端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１３−３のソース端子、及び、スイッチング素子１３−４のドレイン端子は、送信コイル１４の他端に接続される。
また、各スイッチング素子１３−１〜１３−４のゲート端子は、ゲートドライバ１７−２を介して制御回路１８と接続される。さらに、各スイッチング素子１３−１〜１３−４のゲート端子は、オンとなる電圧が印加されたときにそのスイッチング素子がオンとなることを保証するために、それぞれ、抵抗を介して自素子のソース端子と接続されてもよい。そして各スイッチング素子１３−１〜１３−４は、制御回路１８からの制御信号にしたがって、調整可能なスイッチング周波数にてオン／オフが切り替えられる。本実施形態では、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４とがオンとなっている間、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３とがオフとなり、逆に、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３とがオンとなっている間、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４とがオフとなるように、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４の組と、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３との組について交互にオン／オフが切り替えられる。これにより、電源１１から力率改善回路１２を介して供給された直流電力は、各スイッチング素子のスイッチング周波数を持つ交流電力に変換されて、送信コイル１４に供給される。
そして送信コイル１４は、電力供給回路１０から供給された交流電力を、空間を介して受電装置３の共振回路２０へ伝送する。
コンデンサ１５は、送信コイル１４と直列に接続され、送信コイル１４に流れる直流を遮断する。なお、スイッチング周波数が調整される周波数範囲において送信コイル１４とコンデンサ１５とが共振回路として動作しないよう、送信コイル１４とコンデンサ１５の共振周波数は、受電装置３の共振回路２０の共振周波数及びスイッチング周波数が調整される周波数範囲の下限周波数よりも小さくなるように、コンデンサ１５の静電容量が設定されることが好ましい。
受信器１６は、受電装置３の送信器３３から無線信号を受信する度に、その無線信号から、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否かなどを表す判定情報を取り出して、制御回路１８へ出力する。そのために、受信器１６は、例えば、所定の無線通信規格に準じて無線信号を受信するアンテナと、その無線信号を復調する通信回路とを有する。なお、所定の無線通信規格は、例えば、ISO/IEC 15693、ZigBee（登録商標）、あるいはBluetooth（登録商標）とすることができる。
ゲートドライバ１７−１は、制御回路１８から、力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフを切り替える制御信号を受信し、その制御信号に応じて、スイッチング素子SWのゲート端子に印加する電圧を変化させる。すなわち、ゲートドライバ１７−１は、スイッチング素子SWをオンにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子SWのゲート端子に、スイッチング素子SWがオンとなる相対的に高い電圧を印加する。一方、ゲートドライバ１７−１は、スイッチング素子SWをオフにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子SWのゲート端子に、スイッチング素子SWがオフとなる、相対的に低い電圧を印加する。これにより、ゲートドライバ１７−１は、制御回路１８により指示されたタイミングで力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフを切り替える。
ゲートドライバ１７−２は、制御回路１８から、各スイッチング素子１３−１〜１３−４のオン／オフを切り替える制御信号を受信し、その制御信号に応じて、各スイッチング素子１３−１〜１３−４のゲート端子に印加する電圧を変化させる。すなわち、ゲートドライバ１７−２は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４をオンにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子１３−１のゲート端子及びスイッチング素子１３−４のゲート端子に、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４がオンとなる相対的に高い電圧を印加する。これにより、電源１１からの電流が、スイッチング素子１３−１、送信コイル１４及びスイッチング素子１３−４を介して流れるようになる。一方、ゲートドライバ１７−２は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４をオフにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子１３−１のゲート端子及びスイッチング素子１３−４のゲート端子に、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４がオフとなり、電源１１からの電流がスイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４を流れなくなる、相対的に低い電圧を印加する。ゲートドライバ１７−２は、スイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３についても同様に、ゲート端子に印加する電圧を制御する。したがって、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４がオフとなり、スイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３がオンとなると、電源１１からの電流が、スイッチング素子１３−３、送信コイル１４及びスイッチング素子１３−２を介して流れるようになる。
制御回路１８は、例えば、不揮発性のメモリ回路及び揮発性のメモリ回路と、演算回路と、他の回路と接続するためのインターフェース回路とを有する。そして制御回路１８は、受信器１６から判定情報を受け取る度に、その判定情報に応じて、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する。
そのために、本実施形態では、制御回路１８は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組とが交互にオンとなり、かつ、スイッチング周波数に対応する１周期内でスイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組がオンとなっている期間とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組がオンとなっている期間とが等しくなるように、各スイッチング素子１３−１〜１３−４を制御する。なお、制御回路１８は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組が同時にオンとなり、電源１１が短絡されることを防止するために、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組のオン／オフを切り替える際に、両方のスイッチング素子の組がオフとなるデッドタイムを設けてもよい。
また、制御回路１８は、スイッチング周波数と、そのスイッチング周波数にて定電圧出力となる、送信コイル１４への印加電圧に相当する、力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフ制御のデューティ比との関係を表す参照テーブルを参照して、スイッチング周波数に応じたデューティ比を選択する。そして制御回路１８は、そのデューティ比と、力率改善回路１２のダイオードDからの出力電圧の変化に応じて、スイッチング素子SWのオン／オフを切り替えるタイミングを決定し、そのタイミングを表す制御信号をゲートドライバ１７−１へ出力する。
さらに、受信器１６が受電装置３からの無線信号を受信できない場合、受電装置３は、送電装置２から電力供給を受けることができる位置に存在しない、すなわち、送電装置２は待機状態にあると想定される。そこでこの場合、制御回路１８は、スイッチング素子SWのオン／オフ制御のデューティ比を設定可能な最小値としてもよい。あるいは、制御回路１８は、比較的短い一定期間（例えば、数秒程度）、スイッチング素子SWのオン／オフ制御のデューティ比を予め設定された値として電力供給回路１０を動作させ、その後、比較的長い期間（例えば、数分程度）、各スイッチング素子をオフに保って電力供給回路１０から送信コイル１４への電力供給を停止するといった制御を繰り返す、いわゆるバーストモードで電力供給回路１０を制御してもよい。これにより、送電装置２が待機状態となっている間、送信コイル１４に印加される電圧も設定可能な最小値となるので、エネルギーの損失が抑制される。
なお、制御回路１８による、スイッチング周波数及び送信コイル１４への印加電圧の制御の詳細については後述する。
次に、受電装置３について説明する。
共振回路２０は、直列に接続される受信コイル２１及びコイル２３と、共振コンデンサ２２とが並列に接続されるＬＣ共振回路である。そして共振回路２０が有する受信コイル２１の一端が、コイル２３を介して共振コンデンサ２２の一端に接続されるとともに、コイル２４を介して整流平滑回路２５の一方の入力端子に接続される。また、受信コイル２１の他端が共振コンデンサ２２の他端に接続されるとともに、整流平滑回路２５の他方の入力端子に接続される。
受信コイル２１は、送電装置２の送信コイル１４に流れる交流電流と共振することで、送信コイル１４から電力を受信する。そして受信コイル２１は、コイル２３、共振コンデンサ２２及びコイル２４を介して、受信した電力を整流平滑回路２５へ出力する。なお、受信コイル２１の巻き数と、送電装置２の送信コイル１４の巻き数は同一でもよく、あるいは、異なっていてもよい。
共振コンデンサ２２は、その一端で、コイル２３を介して受信コイル２１の一端と接続されるとともに、コイル２４と接続され、他端で受信コイル２１の他端及び整流平滑回路２５と接続される。そして共振コンデンサ２２は、受信コイル２１にて受信した電力を、コイル２４を介して整流平滑回路２５へ出力する。
コイル２３は、受信コイル２１の一端と共振コンデンサ２２の一端との間に接続される。そしてコイル２３は、受信コイル２１及び共振コンデンサ２２とともに、ＬＣ共振回路を構成する。またコイル２３は、受信コイル２１と異なり、送電装置２から受電装置３へ電力伝送される間も、送信コイル１４と結合しないように設けられる。そのため、共振回路２０の共振周波数fr2は、次式で表される。
Figure 2018196288
 ここで、Cpは、共振コンデンサ２２の静電容量であり、L2は、受信コイル２１のインダクタンスである。Lr2は、送信コイル１４を短絡した際の受信コイル２１のインダクタンスであり、kは送信コイル１４と受信コイル２１の結合度である。またL3は、コイル２３のインダクタンスである。（４）式から明らかなように、コイル２３が無い場合（すなわち、L3=0）と比較して、結合度kが変化したときの共振回路２０の共振周波数fr2の変動が抑制されることが分かる。インダクタンスL3が大きいほど、共振周波数の変化が小さくなるので、スイッチング周波数の調整範囲も狭くなる。一方、インダクタンスL3が大きいほど、出力電力の利得は低下する。そのため、コイル２３のインダクタンスL3は、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数について、設定可能な調整範囲に応じて設定される。例えば、その調整範囲が略80kHz〜略90kHzである場合、コイル２３のインダクタンスL3は、送信コイル１４を短絡した際の受信コイル２１のインダクタンスLr2より大きく、かつ、そのインダクタンスLr2の３倍未満に設定されることが好ましい。しかし、コイル２３のインダクタンスL3は、この例に限定されるものではない。
コイル２４は、共振回路２０と整流平滑回路２５との間に接続される。本実施形態では、コイル２４は、受信コイル２１及びコイル２３と直列となるように、その一端で共振回路２０のコイル２３及び共振コンデンサ２２と接続され、他端で整流平滑回路２５と接続される。そしてコイル２４は、共振回路２０からの電力を整流平滑回路２５へ出力する。なお、このコイル２４が設けられることにより、ＳＰＬ方式と同様に、受電した電力の高調波成分が抑制される。
整流平滑回路２５は、整流回路の一例であり、ブリッジ接続された４個のダイオードを有する全波整流回路２６と平滑コンデンサ２７とを有し、共振回路２０により受信され、かつ、コイル２４を介して受け取った電力を整流し、かつ、平滑化して、直流電力に変換する。そして整流平滑回路２５は、その直流電力を、負荷回路２８に出力する。
電圧検出回路２９は、整流平滑回路２５の両端子間の出力電圧を所定の周期ごとに測定する。整流平滑回路２５の両端子間の出力電圧は、共振回路２０の出力電圧と１対１に対応するので、整流平滑回路２５の両端子間の出力電圧の測定値は、間接的に共振回路２０の出力電圧の測定値となる。電圧検出回路２９は、例えば、直流電圧を検出できる公知の様々な電圧検出回路の何れかとすることができる。そして電圧検出回路２９は、その出力電圧の測定値を表す電圧検出信号を定電圧判定回路３０へ出力する。
定電圧判定回路３０は、電圧検出回路２９から受け取った出力電圧の測定値に基づいて、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否か、及び、出力電圧の測定値が定電圧出力動作が行われているときの電圧の許容範囲内に含まれているか否か判定する。そして定電圧判定回路３０は、その判定結果を送信器３３へ通知する。そのために、定電圧判定回路３０は、例えば、電圧の許容範囲を記憶するメモリ回路と、出力電圧の測定値と電圧の許容範囲とを比較する演算回路とを有する判定回路３１を有する。
さらに、定電圧判定回路３０は、整流平滑回路２５と負荷回路２８との間に接続される、MOSFETといったスイッチング素子３２を有する。このスイッチング素子３２は、オフとなると整流平滑回路２５から負荷回路２８へ電流が流れないようにし（すなわち、Rac=∞）、一方、オンとなると整流平滑回路２５から負荷回路２８へ電流が流れるようにする。そして定電圧判定回路３０の判定回路３１は、出力電圧の測定値が、電圧の許容範囲から外れている間、所定の周期でスイッチング素子３２のオン／オフを切り替える。これにより、その所定の周期で、整流平滑回路２５と接続される、負荷回路２８を含む回路全体の抵抗値が変化する。したがって、判定回路３１は、スイッチング素子３２のオン／オフを切り替えながら、出力電圧の測定値が略一定となるか否かを判定することで、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否かを判定できる。そこで、判定回路３１は、所定の周期でスイッチング素子３２のオン／オフを切り替えても出力電圧の測定値が略一定となっている間、非接触給電装置１が定電圧出力動作していることを送信器３３へ通知する。
また、判定回路３１は、出力電圧の測定値が所定の周期よりも長い一定期間の間、非接触給電装置１が定電圧出力動作している場合、スイッチング素子３２のオン／オフの切り替えを停止して、オンとなる状態を維持する。そして判定回路３１は、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれるか否か判定し、その判定結果を送信器３３へ通知する。
その際、判定回路３１は、出力電圧の測定値が所定の周期よりも長い一定期間の間、電圧の許容範囲に含まれる場合、非接触給電装置１が定電圧出力動作しており、かつ、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲内であることを表す判定結果を送信器３３へ通知する。
なお、変形例によれば、定電圧判定回路３０は、整流平滑回路２５に対して、負荷回路２８と並列に接続される抵抗を有していてもよい。この場合、スイッチング素子３２は、その抵抗と直列、かつ、負荷回路２８と並列となるように設けられてもよい。この場合には、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれる間、判定回路３１は、スイッチング素子３２をオフにする。一方、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲から外れると、上記の実施形態と同様に、判定回路３１は、所定の周期でスイッチング素子３２のオン／オフを切り替えればよい。この変形例によれば、非接触給電装置１が定電圧出力動作していない場合にも、負荷回路２８への電力供給が継続される。
さらに他の変形例によれば、上記の抵抗と並列、かつ、負荷回路２８と直列に、MOSFETといった第２のスイッチング素子が設けられてもよい。この場合、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれる間、判定回路３１は、第２のスイッチング素子をオンにして、負荷回路２８への電力供給を可能とする。一方、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲から外れると、判定回路３１は、第２のスイッチング素子をオフにして、負荷回路２８への電力供給を停止してもよい。これにより、送電装置２においてスイッチング周波数が調整されている間に、受電した電力の電圧が過度に高くなっても、その過度に高い電圧が負荷回路２８に印加されることが防止される。
送信器３３は、所定の送信周期ごとに、定電圧判定回路３０の判定回路３１から受け取った判定結果に応じて、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否か、及び、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれるか否かを表す判定情報を含む無線信号を生成し、その無線信号を送電装置２の受信器１６へ向けて送信する。そのために、送信器３３は、例えば、所定の無線通信規格に準じて無線信号を生成する通信回路と、その無線信号を出力するアンテナとを有する。なお、所定の無線通信規格は、受信器１６と同様に、例えば、ISO/IEC 15693、ZigBee（登録商標）、あるいはBluetooth（登録商標）とすることができる。
以下、非接触給電装置１の動作の詳細について説明する。
本実施形態では、送電装置２の制御回路１８は、受信器１６から受け取った判定情報に基づいて、非接触給電装置１が定電圧出力動作を継続するように、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する。
図５は、本実施形態による非接触給電装置１の等価回路図である。この等価回路５００において、送電装置２の送信コイル１４と受電装置３の共振回路２０の受信コイル２１とが結合して、n:1の理想トランスを形成するものとする。Cr1は、送信コイル１４と直列接続されるコンデンサ１５の静電容量である。Lr及びLmは、送信コイル１４による漏れインダクタンス及び励磁インダクタンスである。なお、送信コイル１４のインダクタンスLpは、(Lm+Lr)と等しく、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度をkとすると、Lr=(1-k)Lp、Lm=kLpである。また、Riは、送電側の巻線抵抗値であり、Risは、受電側の巻線抵抗値である。Cpは、共振回路２０の共振コンデンサ２２の静電容量である。L1は、共振回路２０に含まれる、受信コイル２１と直列接続されるコイル２３のインダクタンスである。またL2は、共振回路２０と整流平滑回路２５間に接続されるコイル２４のインダクタンスである。そしてRoは、負荷回路２８の抵抗値（交流等価抵抗値Rac=(8/π2)×Ro）である。
等価回路５００より、非接触給電装置１のF行列Fp(s, k, Rac)は、次式で表される。
Figure 2018196288
したがって、（２）式と同様に、非接触給電装置１の出力利得Gp(s, k, Rac)は次式で表される。
Figure 2018196288
 ここでVinは、送電側の共振回路に供給される交流電力の電圧（振幅）であり、Fp(s,k,Rac)0,0は、（５）式で表されたF行列における左上の要素を表す。
図６は、（６）式に従って算出される、非接触給電装置１の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図６において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。グラフ６０１は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ６０２は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ６０３は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ６０４は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ６０５は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ６０６は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。なお、このシミュレーションでは、Lp=174μH、Cr1=2μF、Cp=10nF、L1=350μH、L2=1300μH、Ri=Ris=0.3Ω、n=1、Ro=150Ω、Vin=800Vとした。
図６では、送信コイル１４が共振しないため、図６に示される周波数の範囲では、図２と比較して、低周波数側で出力電圧の極値がなくなっている。しかし、この場合でも、結合度kが変化しない条件下で、負荷回路の交流等価抵抗値が変化しても出力電圧が略一定となる（すなわち、定電圧出力となる）、周波数と出力電圧の組み合わせは、結合度ごとに（図のポイント６１１〜６１３の３通り）存在する。したがって、送信コイル１４が共振しないスイッチング周波数を持つ交流電力を送信コイル１４に印加しても、負荷回路２８の抵抗値の変化に対して非接触給電装置１を定電圧出力動作させることができることが分かる。
さらに、ポイント６１１〜６１３で示される通り、負荷回路２８の抵抗値の変動に関して定電圧出力となるときの出力電圧は、結合度に応じて互いに異なっているものの、この出力電圧の差は、送信コイル１４に印加する電圧を調節することで、結合度によらず、略一定の出力電圧とすることができる。
図７は、図６に示されたシミュレーションにおいて、結合度に応じて送信コイル１４に印加する電圧を変化させたときの、出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図７において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。グラフ７０１は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ７０２は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ７０３は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧を(0.49*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ７０４は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧を(0.49*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ７０５は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧を(0.22*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ７０６は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac、送信コイル１４に印加される電圧を(0.22*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。
図６に示されたポイント６１１〜６１３に対応する、結合度kが変化しない条件下で、負荷回路２８の交流等価抵抗値が変化しても出力電圧が略一定となる（すなわち、定電圧出力となる）、周波数と出力電圧の組み合わせは、ポイント７１１〜７１３の３通りとなる。そしてポイント７１１〜７１３のそれぞれの出力電圧は、互いに略等しい。
以上により、負荷回路２８の抵抗値及び結合度の何れが変動しても、送信コイル１４に印加する交流電力のスイッチング周波数及び電圧を適切に調節することで、出力電圧が略一定に保たれることが分かる。
さらに、ポイント７１１に相当する周波数f1からポイント７１３に相当する周波数f2までの周波数領域は、図２に示される、ポイント２１４に相当する周波数f3からポイント２１６に相当する周波数f4までの周波数領域よりも大幅に狭くなっている。このことから、非接触給電装置１を定電圧出力動作させる際の周波数の調整範囲は、ＳＰＬ方式による非接触給電装置を、送電側の共振回路が共振しない周波数にて定電圧出力動作させたときの周波数の調整範囲よりも狭くできることが分かる。
以上により、制御回路１８は、定電圧出力動作を達成するために、下記のように送信コイル１４に印加される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する。
受電装置３から受信器１６を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、非接触給電装置１が定電圧出力動作していないことが示されている場合、制御回路１８は、交流電力のスイッチング周波数を所定の周波数領域内で変化させる。所定の周波数領域は、例えば、送電装置２から受電装置３への給電が行われる場合における、送信コイル１４と受信コイル２１間の想定される結合度の最小値において定電圧出力となる周波数を下限とし、送信コイル１４と受信コイル２１間の想定される結合度の最大値において定電圧出力となる周波数を上限とする周波数領域とすることができる。
制御回路１８は、スイッチング周波数を変化させる際、所定の周波数領域の下限から上限まで順にスイッチング周波数を高くしてもよく、あるいは、逆に、所定の周波数領域の上限から下限まで順にスイッチング周波数を低くしてもよい。その際、制御回路１８は、受電装置３の定電圧判定回路３０が出力電圧が略一定となったか否かを調べることができるように、定電圧判定回路３０の判定回路３１がスイッチング素子３２のオンとオフを切り替える周期よりも長い期間、同じスイッチング周波数を保つように、ステップ状にスイッチング周波数を変化させることが好ましい。
なお、制御回路１８は、スイッチング周波数を調整している間、送信コイル１４に印加する電圧を下限の電圧にまで低下させることが好ましい。これにより、受電装置３に供給される電力の電圧が過度に高くなることが抑制される。
制御回路１８は、受電装置３から受信器１６を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲には含まれないものの、負荷回路２８の抵抗が変化しても略一定となること、すなわち、定電圧出力動作が行われていることが示されていると、それ以降、スイッチング周波数を一定に保つ。そして次に、制御回路１８は、スイッチング周波数と、そのスイッチング周波数において結合度によらず一定の電圧出力となる、力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフ制御のデューティ比との関係を示す参照テーブルを参照して、そのデューティ比を決定する。そして制御回路１８は、そのデューティ比に従って力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフを切り替えるよう、ゲートドライバ１７−１を制御する。これにより、共振回路２０からの出力電圧が電圧の許容範囲に含まれるように、すなわち、結合度によらずに一定の電圧が出力されるように、送信コイル１４に印加される電圧が調整される。そして制御回路１８は、受電装置３から受信器１６を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれることが示されると、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を一定に保つ。
なお、制御回路１８は、上記の参照テーブルを参照してデューティ比を決定する代わりに、受電装置３から受信器１６を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれることが示されるようになるまで、徐々にデューティ比を変化させてもよい。
また、エネルギー伝送効率を向上するためには、送電装置２の電力供給回路１０及び送信コイル１４が継続してソフトスイッチング（誘導性）動作することが好ましい。電力供給回路１０及び送信コイル１４がソフトスイッチング動作するためには、送信コイル１４を流れる電流の位相が印加される電圧の位相よりも遅れることが好ましい。これにより、例えば、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４がオンとなる際に、スイッチング素子１３−１のソース端子からドレイン端子へ向かって電流が流れることになるので、電力供給回路１０及び送信コイル１４がソフトスイッチング動作することとなり、スイッチングロスの発生が抑制される。
図８は、本実施形態による非接触給電装置１における、送信コイル１４に印加される交流電力についての電圧の位相に対する電流の位相の遅れの周波数特性を示す図である。図８において、横軸は周波数を表し、縦軸は位相を表す。なお、この図において、位相が正の値を持つ場合、電圧の位相に対して電流の位相が遅れていることを示す。グラフ８０１は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRacとしたときの位相の遅れの周波数特性を表す。またグラフ８０２は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの位相の遅れの周波数特性を表す。また、グラフ８０３は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRacとしたときの位相の遅れの周波数特性を表す。またグラフ８０４は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの位相の遅れの周波数特性を表す。さらに、グラフ８０５は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRacとしたときの位相の遅れの周波数特性を表す。またグラフ８０６は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの位相の遅れの周波数特性を表す。
グラフ８０１〜８０６に示されるように、図７に示されるポイント７１１〜７１３に対応する周波数を含む周波数領域において、すなわち、非接触給電装置１を定電圧出力動作させる周波数領域では、結合度によらず、位相の遅れが常に正の値を持っていることが分かる。したがって、本実施形態による非接触給電装置１は、電力供給回路１０及び送信コイル１４をソフトスイッチング動作させることができることが分かる。
以上に説明してきたように、この非接触給電装置は、受電装置の共振回路に、受信コイルと直列に接続される、電力伝送時にも送信コイルと結合しないコイルを設けることで、送信コイルと受信コイル間の結合度の変化による、その共振回路の共振周波数の変化を抑制する。これにより、この非接触給電装置は、結合度が一定とならない環境下において定電圧出力動作する場合における、送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数の調整範囲を狭めることができる。またこの非接触給電装置は、送電装置の送信コイルに、送信コイルが共振しないスイッチング周波数を持つ交流電力を供給することで、結合度が低下する場合でも、入力インピーダンスがある程度の大きさを持つようにして、送信コイルに流れる電流の増加を抑制する。そのため、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が低い場合でも、エネルギーの損失を抑制できる。また、この非接触給電装置は、受電装置の共振回路の出力電圧をモニタし、その出力電圧に応じて、送信コイルに印加される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する。これにより、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化したり、負荷回路の抵抗値が変化する場合でも、定電圧出力動作することができる。
変形例によれば、受電装置３の共振回路２０において、電力伝送時にも送信コイル１４と結合しないコイル２３は、共振コンデンサ２２と直列、かつ、受信コイル２１と並列に接続されてもよい。
図９は、この変形例による非接触給電装置の等価回路図である。図９に示される等価回路９００は、図５に示される等価回路５００と比較して、コイル２３（インダクタンスL1に相当）が、共振コンデンサ２２（静電容量Cpに相当）と直列に接続され、送信コイル１４と受信コイル２１とが結合して構成される理想トランスと並列になっている点で相違する。この変形例による非接触給電装置のF行列Fp2(s, k, Rac)は、次式で表される。
Figure 2018196288
したがって、（２）式と同様に、非接触給電装置１の出力利得Gp2(s, k, Rac)は次式で表される。
Figure 2018196288
 ここでVinは、送電側の共振回路に供給される交流電力の電圧（振幅）であり、Fp2(s,k,Rac)0,0は、（７）式で表されたF行列における左上の要素を表す。
図１０は、（８）式に従って算出され、かつ、結合度に応じて送信コイル１４に印加する電圧を変化させたときの、この変形例による非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図１０において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。グラフ１００１は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１００２は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ１００３は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧を(0.48*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１００４は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧を(0.48*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ１００５は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧を(0.17*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１００６は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧を(0.17*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。なお、このシミュレーションでは、Lp=174μH、Cr1=2μF、Cp=10nF、L1=260μH、L2=430μH、Ri=Ris=0.3Ω、n=1、Ro=150Ω、Vin=800Vとした。
図１０に示される通り、この変形例でも、結合度kが変化しない条件下で、負荷回路２８の交流等価抵抗値が変化しても出力電圧が略一定となる、周波数と出力電圧の組み合わせは、結合度ごとに（図のポイント１０１１〜１０１３の３通り）存在する。またこの変形例における、ポイント１０１１に対応する周波数f1'からポイント１０１３に対応する周波数f2'までの範囲は、図７に示される、ポイント７１１対応する周波数f1からポイント７１３に対応する周波数f2までの範囲と略等しい。したがって、この変形例による非接触給電装置も、結合度が一定とならなくても定電圧出力動作することができるとともに、送信コイル１４に供給される交流電力の周波数の調整範囲を狭くすることができる。その際、この変形例では、図７のシミュレーションに用いた各回路素子のパラメータ値と図１０のシミュレーションに用いた各回路素子のパラメータ値から分かるように、周波数の調整範囲を同程度に設定するために、上記の実施形態と比較して、コイル２３及びコイル２４のそれぞれのインダクタンスを低くすることができる。
また他の変形例によれば、受電装置３の共振回路２０に、送信コイル１４と結合しないコイルを設ける代わりに、送電装置２において、送信コイル１４と直列に接続され、かつ、電力伝送時にも受信コイル２１と結合しないコイルが設けられてもよい。
図１１は、この変形例による非接触給電装置の等価回路図である。図１１に示される等価回路１１００は、図５に示される等価回路５００と比較して、インダクタンスL1に相当する、電力伝送時にも受信コイル２１と結合しないコイルが、送信コイル１４と直列に接続されるように設けられる点で相違する。
この場合、共振回路２０の共振周波数fr2は、次式で表される。
Figure 2018196288
 ここで、Cpは、共振コンデンサ２２の静電容量であり、L2は、受信コイル２１のインダクタンスである。Lr2は、送信コイル１４を短絡した際の受信コイル２１のインダクタンスであり、kは送信コイル１４と受信コイル２１の結合度である。またL3は、送信コイル１４と直列に接続されるコイルのインダクタンスである。結合度kが常に0以上1以下となるため、送信コイル１４と直列に接続されるコイルが無い場合（すなわち、L3=0）と比較して、（９）式において結合度kが大きくなるほど、右辺の分母がより大きくなり、その結果として、共振周波数fr2の上昇が抑制される。したがって、結合度kが変化したときの共振回路２０の共振周波数fr2の変動が抑制されることが分かる。
図１２は、結合度に応じて送信コイル１４に印加する電圧を変化させたときの、この変形例による非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図１２において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。グラフ１２０１は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１２０２は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ１２０３は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧を(0.48*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１２０４は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧を(0.48*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ１２０５は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧を(0.22*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１２０６は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧を(0.22*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。なお、このシミュレーションでは、Lp=174μH、Cr1=2μF、Cp=25nF、L1=240μH、L2=1300μH、Ri=Ris=0.3Ω、n=1、Ro=150Ω、Vin=800Vとした。
この例では、上記の実施形態よりも、負荷回路２８の抵抗変化による出力電圧の変動は大きくなるものの、ポイント１２１１〜ポイント１２１３で示されるように、結合度ごとに、出力電圧の変動が抑制される周波数がある。またこの変形例でも、結合度の変動に伴う、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数の調整範囲は上記の実施形態と同程度となる。
さらに他の変形例によれば、受電装置３の共振回路２０に、電力伝送時にも送信コイル１４と結合しないコイル２３を設けるとともに、送電装置２の送信コイル１４と直列に接続される、電力伝送時にも受信コイル２１と結合しないコイルを設けてもよい。
図１３は、この変形例による非接触給電装置の等価回路図である。図１３に示される等価回路１３００は、図９に示される、受電装置３の共振回路２０に、共振コンデンサ２２と直列に接続される、送信コイル１４と結合しないコイル（インダクタンスL1に相当）が含まれる等価回路９００と比較して、インダクタンスL3に相当する、電力伝送時にも受信コイル２１と結合しないコイルが、送信コイル１４と直列に接続されるように設けられる点で相違する。
図１４は、結合度に応じて送信コイル１４に印加する電圧を変化させたときの、この変形例による非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図１４において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。グラフ１４０１は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１４０２は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ１４０３は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧を(0.48*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１４０４は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧を(0.48*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ１４０５は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧を(0.22*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１４０６は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧を(0.22*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。なお、このシミュレーションでは、Lp=174μH、Cr1=2μF、Cp=9.2nF、L1=260μH、L2=1000μH、L3=180μH、Ri=Ris=0.3Ω、n=1、Ro=150Ω、Vin=800Vとした。
この変形例でも、ポイント１４１１〜ポイント１４１３で示されるように、結合度ごとに、出力電圧の変動が抑制される周波数がある。さらに、この変形例では、結合度の変動に伴う、ポイント１４１１に対応する周波数f1''からポイント１４１３に対応する周波数f2''までの、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数の調整範囲は、上記の実施形態によるスイッチング周波数の調整範囲（図７に示される周波数f1〜f2）よりもさらに狭くすることができる。
なお、上記の各変形例についても、送電装置２の制御回路１８は、上記の実施形態と同様に、受信した判定情報に基づいて、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を調整することで、非接触給電装置を、結合度が一定でない場合でも、定電圧出力動作させることができる。
また、発明者は、受電装置の負荷回路の抵抗値が予め設定された値となる場合には、上記の実施形態または変形例による非接触給電装置が定電圧出力動作する周波数において、この非接触給電装置の入力インピーダンスが極小値となるという知見を得た。
図１５は、ＳＰＬ方式の非接触給電装置の出力電圧の周波数特性と入力インピーダンスの周波数特性との関係の一例を示す図である。図１５の上側のグラフにおいて、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。また、図１５の下側のグラフにおいて、横軸は、周波数を表し、縦軸は、入力インピーダンスを表す。なお、このシミュレーションでは、図２に示されたシミュレーションに用いられた各回路素子のパラメータの値と同じ値を使用した。上側のグラフにおいて、グラフ１５０１（図２のグラフ２０３と同一）は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRacとしたときの非接触給電装置１の出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１５０２（図２のグラフ２０４と同一）は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの非接触給電装置１の出力電圧の周波数特性を表す。また、下側のグラフにおいて、グラフ１５１１は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRacとしたときの非接触給電装置１の入力インピーダンスの周波数特性を表す。さらに、グラフ１５１２は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(100*Rac)としたときの非接触給電装置１の入力インピーダンスの周波数特性を表す。
図１５に示されるように、非接触給電装置１が定電圧出力動作する周波数f0では、負荷回路２７の交流等価抵抗値がRacのときの入力インピーダンスは極小値となる。すなわち、周波数f0にて、送信コイル１４に流れる電流は極大値を持つ。
そこで変形例によれば、送電装置の制御回路は、送信コイルを流れる電流の周波数特性に応じて、非接触給電装置が定電圧出力動作するか否かを判定してもよい。
図１６は、この変形例による、非接触給電装置の概略構成図である。図１６に示されるように、非接触給電装置４１は、送電装置４２と、送電装置４２から空間を介して非接触で電力伝送される受電装置４３とを有する。送電装置４２は、電力供給回路５０と、送信コイル５４と、コンデンサ５５と、電流検出回路５６と、受信器５７と、ゲートドライバ５８と、制御回路５９とを有する。一方、受電装置４３は、受信コイル６１、共振コンデンサ６２及びコイル６３を有する共振回路６０と、コイル６４と、全波整流回路６６と平滑コンデンサ６７を有する整流平滑回路６５と、負荷回路６８と、電圧検出回路６９と、定電圧判定回路７０と、固定負荷回路７３と、送信器７４とを有する。
非接触給電装置４１は、図４に示された非接触給電装置１と比較して、送電装置４２については、電力供給回路５０の構成と、電流検出回路５６を有する点と、制御回路５９による制御の一部が相違する。また、受電装置４３については、固定負荷回路７３を有する点で相違する。そこで以下では、上記の相違点及び関連する部分について説明する。
電力供給回路５０は、調節可能なスイッチング周波数、及び、調節可能な電圧を持つ交流電力を送信コイル５４へ供給する。そのために、電力供給回路５０は、電圧可変電源５１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２と、３個のスイッチング素子５３−１〜５３−３とを有する。
電圧可変電源５１は、直流電力を供給し、その直流電力の電圧を制御回路５９からの制御によって調整可能な電源である。なお、電圧可変電源５１は、供給する電圧を調整可能な様々な回路構成の何れを有していてもよい。非接触給電装置４１が定電圧出力動作している間、電圧可変電源５１から供給される直流電力は、スイッチング素子５３−１及び５３−２を介して交流電力に変換されて送信コイル５４へ供給される。一方、非接触給電装置４１が定電圧出力動作するためのスイッチング周波数の調整が行われている間、電圧可変電源５１から供給される直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２及びスイッチング素子５３−３を介して送信コイル５４へ供給される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の入力端子は、電圧可変電源５１の正極側端子と接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の出力端子は、ダイオードD及びスイッチング素子５３−３を介してコンデンサ５５の一端と接続される。そしてＤＣ／ＤＣコンバータ５２は、電圧可変電源５１から供給された直流電力の電圧を所定の電圧（例えば、5V）に低下させる。
非接触給電装置４１が定電圧出力動作するためのスイッチング周波数の調整が行われている間、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２から出力された電圧は、ダイオードD、スイッチング素子５３−３及びコンデンサ５５を介して送信コイル５４へ供給される。
スイッチング素子５３−１〜５３−３は、それぞれ、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。スイッチング素子５３−１とスイッチング素子５３−２は、電圧可変電源５１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また、電圧可変電源５１の正極側に、スイッチング素子５３−１が接続され、一方、電圧可変電源５１の負極側に、スイッチング素子５３−２が接続される。そしてスイッチング素子５３−１のドレイン端子は、電圧可変電源５１の正極側端子と接続され、スイッチング素子５３−１のソース端子は、スイッチング素子５３−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子５３−１のソース端子、及び、スイッチング素子５３−２のドレイン端子は、コンデンサ５５を介して送信コイル５４の一端と接続される。さらに、スイッチング素子５３−２のソース端子は、電圧可変電源５１の負極側端子、及び、電流検出回路５６を介して送信コイル５４の他端と接続される。
また、スイッチング素子５３−３のドレイン端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の出力端子と接続され、スイッチング素子５３−３のソース端子は、コンデンサ５５を介して送信コイル５４の一端と接続される。そして各スイッチング素子のゲート端子は、ゲートドライバ５８と接続される。
非接触給電装置４１が定電圧出力動作している間、ゲートドライバ５８は、制御回路５９からの制御信号に従って、スイッチング素子５３−３をオフに保つ。またゲートドライバ５８は、制御回路５９からの制御信号に従って、スイッチング素子５３−１とスイッチング素子５３−２のオン／オフを、定電圧出力動作となるスイッチング周波数にて交互に切り替える。すなわち、スイッチング素子５３−１がオンとなり、スイッチング素子５３−２がオフとなる場合には、電圧可変電源５１からスイッチング素子５３−１を介してコンデンサ５５へ電力が供給されてコンデンサ５５が充電されるのに伴って、送信コイル５４へ電流が流れる。一方、スイッチング素子５３−１がオフとなり、スイッチング素子５３−２がオンとなる場合には、コンデンサ５５が放電して、コンデンサ５５から送信コイル５４へ電流が流れる。
また、非接触給電装置４１が定電圧出力動作するためのスイッチング周波数の調整が行われている間、ゲートドライバ５８は、制御回路５９からの制御信号に従って、スイッチング素子５３−１をオフに保ち、その代わりに、制御回路５９からの制御信号に従って、スイッチング素子５３−３とスイッチング素子５３−２のオン／オフを、スイッチング周波数にて交互に切り替える。
コンデンサ５５は、送信コイル５４と電力供給回路５０の間に接続される。そしてコンデンサ５５は、各スイッチング素子のスイッチング周波数でのオン／オフの切り替えに応じて充電と放電とを繰り返すことで、送信コイル５４に、スイッチング周波数を持つ交流電力を供給する。なお、スイッチング周波数が調整される周波数範囲において送信コイル５４とコンデンサ５５とが共振回路として動作しないよう、送信コイル５４とコンデンサ５５の共振周波数は、受電装置４３の共振回路６０の共振周波数及びスイッチング周波数が調整される周波数範囲の下限周波数よりも小さくなるように、コンデンサ５５の静電容量が設定されることが好ましい。
電流検出回路５６は、送信コイル５４と電力供給回路５０との間に接続され、送信コイル５４を流れる電流を測定する。そして電流検出回路５６は、電流の測定値を制御回路５９へ出力する。なお、電流検出回路５６は、電流検出回路５６に対して直列に接続される分流用のコンデンサ（図示せず）とともに、送信コイル５４に対して、コンデンサ５５と並列に接続されてもよい。この場合、電流検出回路５６は、間接的に送信コイル５４に流れる電流を測定できる。
また、受電装置４３の定電圧判定回路７０は、上記の実施形態による判定回路３０及びスイッチング素子３１と同様の判定回路７１及びスイッチング素子７２を有する。
定電圧判定回路７０の判定回路７１は、電圧検出回路６９による、共振回路６０からの出力電圧の測定値が、電圧の許容範囲内に保たれている間、すなわち、非接触給電装置４０が定電圧出力動作を行っている間、スイッチング素子７２をオンにして、共振回路６０からの出力電圧が整流平滑回路６５を介して負荷回路６８へ供給されるようにする。一方、出力電圧の測定値が、電圧の許容範囲から外れている間、判定回路７１は、スイッチング素子７２をオフにして、共振回路６０からの出力電圧が負荷回路６８へ供給されないようにする。
固定負荷回路７３は、整流平滑回路６５に対して、負荷回路６８と並列に接続され、スイッチング周波数の調整が行われている間、負荷回路６８の基準となる負荷（例えば、図１５に示されるシミュレーションによるRac）と略等しい負荷を受電装置４３に提供する。そのために、固定負荷回路７３は、整流平滑回路６５に対して負荷回路６８と並列に接続され、かつ、負荷回路６８の基準となる負荷に応じた抵抗値を持つ抵抗R1を有する。そして抵抗R1は、nチャネル型のMOSFETといったスイッチング素子SW1と直列に接続される。さらに、固定負荷回路７３は、整流平滑回路６５の両出力端子間に、正極側から順に直列に接続される抵抗R2とnpn型のバイポーラトランジスタといったスイッチング素子SW2とを有する。また抵抗R2とスイッチング素子SW2とは、抵抗R1と並列に接続される。そしてスイッチング素子SW1のゲート端子は、抵抗R2とスイッチング素子SW2の一端（この例では、コレクタ端子）との間に接続される。さらに、スイッチング素子SW2のベース端子は、抵抗R3及び逆バイアスされたツェナーダイオードZDを介して整流平滑回路６５の正極側端子と接続される。
非接触給電装置４１が定電圧出力動作している間、共振回路６０の出力電圧は、ツェナーダイオードZDの降伏電圧よりも高く、その結果としてスイッチング素子SW2のベース端子には、ツェナーダイオードZD及び抵抗R3を介して電流が供給され、スイッチング素子SW2はオンとなる。その結果、スイッチング素子SW1のゲート端子に印加される電圧は低下して、スイッチング素子SW1はオフとなる。そのため、抵抗R1には共振回路６０からの出力電圧は印加されない。
一方、非接触給電装置４１が定電圧出力動作するためのスイッチング周波数の調整が行われている間、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２から送信コイル５４へ供給される電力の電圧が低いため、送電装置４２から受電装置４３へ供給される電力も低下する。そのため、共振回路６０からの出力電圧も低下して、ツェナーダイオードZDの降伏電圧よりも低くなる。その結果、スイッチング素子SW2はオフとなり、これに伴い、スイッチング素子SW1のゲート端子に印加される電圧が上昇し、スイッチング素子SW1がオンとなる。そのため、共振回路６０からの出力電圧が、抵抗R1に印加されることとなる。その結果、抵抗R1の持つ固定の負荷が受電装置４３に提供される。
以下、この変形例による、送電装置４２の制御回路５９の動作について説明する。制御回路５９は、非接触給電装置４１が定電圧出力動作している間、上記の実施形態と同様に、受電装置４３の共振回路６０からの出力電圧の測定値が所定の許容範囲内となるように、スイッチング周波数に応じた電圧を持つ直流電圧を送信コイル５４に供給するよう、電力供給回路５０の電圧可変電源５１を制御する。また制御回路５９は、ゲートドライバ５８を介して、スイッチング素子５３−３をオフに保つとともに、定電圧出力動作するスイッチング周波数にて、スイッチング素子５３−１及び５３−２のオン／オフを切り替える。
一方、受電装置４３から受信器５７を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、非接触給電装置４１が定電圧出力動作していないことが示されている場合、制御回路５９は、ゲートドライバ５８を介してスイッチング素子５３−１をオフに保つとともに、スイッチング素子５３−３及び５３−２のオン／オフを交互に切り替えることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２から送信コイル５４に電力が供給されるようにする。また制御回路５９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２から送信コイル５４に供給される電圧が所定値となるように、電圧可変電源５１を制御する。これにより、制御回路５９は、送電装置４２から受電装置４３へ供給される電力を、受電装置４３の固定負荷回路７３の抵抗R1に電圧が印加される程度となるまで低下させる。
そして制御回路５９は、スイッチング周波数を変化させながら、電流検出回路５６による、送信コイル５４に流れる電流の測定値を監視して、その電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数を検出する。送信コイル５４に流れる電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数は、図１５に示される周波数f0といった、非接触給電装置４１の入力インピーダンスが極小値となる周波数、すなわち、非接触給電装置４１が定電圧出力動作する周波数である。そこで制御回路５９は、送信コイル５４に流れる電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数が検出されると、そのスイッチング周波数にて、電圧可変電源５１からの電力が送信コイル５４に供給されるように、ゲートドライバ５８を介してスイッチング素子５３−１及び５３−２のオン／オフを制御する。また制御回路５９は、スイッチング素子５３−３をオフにする。これにより、制御回路５９は、非接触給電装置４１を定電圧出力動作させることが可能となる。また制御回路５９は、上記のように、受電装置４３の共振回路６０からの出力電圧の測定値が所定の許容範囲内となるように、スイッチング周波数に応じた電圧を持つ直流電圧が送信コイル５４に供給されるよう、電力供給回路５０の電圧可変電源５１を制御する。
この変形例によれば、送電装置の制御回路は、送電装置の送信コイルに流れる電流を監視することで、非接触給電装置が定電圧出力動作するスイッチング周波数を検出することができる。
なお、図１６に示される変形例においても、図９に示される変形例と同様に、受電装置４３の共振回路６０において、電力伝送時にも送信コイル５４と結合しないコイル６３は、共振コンデンサ６２と直列、かつ、受信コイル６１と並列に接続されてもよい。あるいは、図１１または図１３に示される変形例と同様に、受電装置４３の共振回路６０に、送信コイル５４と結合しないコイルとともに、あるいは、そのコイルを設ける代わりに、送電装置４２において、送信コイル５４と直列に接続され、かつ、電力伝送時にも受信コイル６１と結合しないコイルが設けられてもよい。この場合も、送電装置の制御回路は、送電装置の送信コイルに流れる電流を監視することで、非接触給電装置が定電圧出力動作するスイッチング周波数を検出することができる。
他の変形例によれば、送電装置において、送信コイルに交流電力を供給する電力供給回路は、スイッチング周波数及び送信コイルに印加する電圧を可変に調節できる回路であれば、上記の実施形態及び変形例とは異なる回路構成を持っていてもよい。
図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、それぞれ、変形例による、電力供給回路の回路図である。
図１７（ａ）に示される電力供給回路１１０は、電源１１と、力率改善回路１２と、二つのスイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−２と、送信コイル１４と直列に接続される、直流遮断用のコンデンサ１５とを有する。なお、この変形例においても、各スイッチング素子は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。また、力率改善回路１２は、例えば、上記の実施形態における力率改善回路１２と同一とすることができる。
この変形例では、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２は、電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また、電源１１の正極側に、スイッチング素子１３−１が接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１３−２が接続される。そしてスイッチング素子１３−１のドレイン端子は、電源１１の正極側端子と力率改善回路１２を介して接続され、スイッチング素子１３−１のソース端子は、スイッチング素子１３−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１３−２のソース端子は、電源１１の負極側端子と力率改善回路１２を介して接続される。さらに、スイッチング素子１３−１のソース端子、及び、スイッチング素子１３−２のドレイン端子は、送信コイル１４の一端に接続され、スイッチング素子１３−２のソース端子は、コンデンサ１５を介して送信コイル１４の他端に接続される。また、各スイッチング素子のゲート端子は、ゲートドライバ１７−２と接続される。
この変形例では、ゲートドライバ１７−２が、制御回路からの制御信号に従って、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２のオン／オフを交互に切り替えればよい。すなわち、スイッチング素子１３−１がオンとなり、スイッチング素子１３−２がオフとなる場合には、電源１１から力率改善回路１２及びスイッチング素子１３−１を介して送信コイル１４へ電流が流れ、コンデンサ１５が充電される。一方、スイッチング素子１３−１がオフとなり、スイッチング素子１３−２がオンとなる場合には、コンデンサ１５が放電して、コンデンサ１５から送信コイル１４及びスイッチング素子１３−２を介して電流が流れる。したがって、この変形例では、制御回路が、受電装置３から受信した判定情報に応じて、ゲートドライバ１７−２を介して、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２のオン／オフを切り替えるスイッチング周波数を制御すればよい。
図１７（ｂ）に示される電力供給回路１２０も、電力供給回路１１０と同様に、電源１１と、力率改善回路１２と、二つのスイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−２と、送信コイル１４と直列に接続されるコンデンサ１５とを有する。ただし、電力供給回路１２０は、電力供給回路１１０と比較して、送信コイル１４の一端が電源１１の正極側端子と力率改善回路１２を介して接続され、送信コイル１４の他端がコンデンサ１５を介してスイッチング素子１３−１のソース端子、及び、スイッチング素子１３−２のドレイン端子と接続される。
この変形例でも、ゲートドライバ１７−２が、制御回路からの制御信号に従って、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２のオン／オフを交互に切り替えればよい。
なお、図１７（ａ）に示される電力供給回路１１０及び図１７（ｂ）に示される電力供給回路１２０について、スイッチング周波数が調整される周波数範囲において送信コイル１４とコンデンサ１５とが共振回路として動作しないよう、送信コイル１４とコンデンサ１５の共振周波数は、受電装置３の共振回路２０の共振周波数及びスイッチング周波数が調整される周波数範囲の下限周波数よりも小さくなるように、コンデンサ１５の静電容量が設定されることが好ましい。
また、上記の実施形態または図９、図１１あるいは図１３に示される変形例において、送信コイル１４と直列に接続される、直流遮断用のコンデンサ１５が省略されてもよい。
さらに、図４に示される実施形態、及び、図９、１１、図１７（ａ）及び図１７（ｂ）に示される変形例において、電源と力率改善回路の代わりに、図１６に示されるように、電圧可変電源が用いられてもよい。逆に、図１６に示される変形例において、電圧可変電源の代わりに、図４に示される実施形態における電源と力率改善回路とが用いられてもよい。さらに、図１６に示される変形例において、スイッチング周波数が調整されている間の所定の電圧を持つ電力を送信コイル５４に供給可能なように、電圧可変電源５１が構成されてもよい。この場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２及びスイッチング素子５３−３は省略されてもよい。
また、送電装置２の受信器１６と受電装置３の送信器３３とを有線にて接続することが可能な場合には、受信器１６及び送信器３３は、それぞれ、判定情報を含む信号を有線にて通信可能な通信回路を有していればよい。
このように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
１、４１ 非接触給電装置
２、４２ 送電装置
１０、１１０、１２０ 電力供給回路
１１ 電源
１２ 力率改善回路
５１ 電圧可変電源
５２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３−１〜１３−４、５３−１〜５３−３ スイッチング素子
１４、５４ 送信コイル
１５、５５ コンデンサ
５６ 電流検出回路
１６、５７ 受信器
１７−１、１７−２、５８ ゲートドライバ
１８、５９ 制御回路
３、４３ 受電装置
２０、６０ 共振回路
２１、６１ 受信コイル
２２、６２ 共振コンデンサ
２３、２４、６３、６４ コイル
２５、６５ 整流平滑回路
２６、６６ 全波整流回路
２７、６７ 平滑コンデンサ
２８、６８ 負荷回路
２９、６９ 電圧検出回路
３０、７０ 定電圧判定回路
３１、７１ 判定回路
３２、７２ スイッチング素子
７３ 固定負荷回路
３３、７４ 送信器
１１１ 交流電源

Claims (10)

  1. 送電装置と、前記送電装置から非接触で電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置であって、
    前記送電装置は、
    前記受電装置へ電力を供給する送信コイルと、
    前記送信コイルに対して、前記送信コイルが共振しない調整可能なスイッチング周波数を持ち、かつ調整可能な電圧を持つ交流電力を供給する電力供給回路とを有し、
    前記受電装置は、
    前記送電装置からの電力を受信する受信コイルと、前記受信コイルと並列に接続される共振コンデンサと、前記受信コイルと直列または並列に接続される第１のコイルとを有する共振回路と、
    前記共振回路から出力される電力を整流する整流回路と、
    前記共振回路と前記整流回路の間に、前記受信コイルと直列に接続される第２のコイルと、
    を有する非接触給電装置。
  2. 前記第１のコイルは、前記送電装置から前記受電装置へ電力伝送される間も前記送信コイルと結合しない、請求項１に記載の非接触給電装置。
  3. 前記送電装置は、前記送信コイルと直列に接続される第３のコイルをさらに有する、請求項１または２に記載の非接触給電装置。
  4. 前記受電装置は、
    前記共振回路から出力される電力の出力電圧を測定して当該出力電圧の測定値を求める電圧検出回路と、
    前記出力電圧の測定値に基づいて、前記非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否か、及び、前記出力電圧の測定値が所定の電圧の許容範囲内に含まれるか否かを判定する定電圧判定回路と、
    前記非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否か、及び、前記出力電圧の測定値が所定の電圧の許容範囲内に含まれるか否かを表す判定情報を含む信号を前記送電装置へ送信する送信器とをさらに有し、
    前記送電装置は、
    前記判定情報を含む信号を受信する受信器と、
    前記判定情報に応じて、前記電力供給回路から前記送信コイルに供給される前記交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する制御回路とをさらに有する、請求項１〜３の何れか一項に記載の非接触給電装置。
  5. 前記制御回路は、前記判定情報が、前記非接触給電装置が定電圧出力動作していないことを表す場合、前記受電装置の前記整流回路と接続される負荷回路の抵抗が変化しても前記出力電圧の測定値が変化しなくなるように、前記電力供給回路から前記送信コイルに供給される前記交流電力のスイッチング周波数を制御する、請求項４に記載の非接触給電装置。
  6. 前記制御回路は、前記判定情報が、前記非接触給電装置が定電圧出力動作していることを表し、かつ、前記出力電圧の測定値が前記所定の電圧の許容範囲に含まれないことを表す場合、前記出力電圧の測定値が前記所定の電圧の許容範囲内に含まれるように、前記電力供給回路から前記送信コイルに供給される前記交流電力の電圧を制御する、請求項５に記載の非接触給電装置。
  7. 前記電力供給回路は、前記送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を調整可能であり、
    前記送電装置は、
    前記送信コイルに流れる電流を測定して当該電流の測定値を求める電流検出回路と、
    前記電流の測定値に応じて、前記電力供給回路から前記送信コイルに供給される前記交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する制御回路とをさらに有する、請求項１〜３の何れか一項に記載の非接触給電装置。
  8. 前記制御回路は、前記スイッチング周波数を変化させながら、前記電流の測定値を監視して、前記電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数を検出し、検出されたスイッチング周波数を持つ交流電力が前記送信コイルに供給されるように前記電力供給回路を制御する、請求項７に記載の非接触給電装置。
  9. 送電装置と、前記送電装置から非接触で電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置であって、
    前記受電装置は、
    前記送電装置からの電力を受信する受信コイルと、前記受信コイルと並列に接続される共振コンデンサとを有する共振回路と、
    前記共振回路から出力される電力を整流する整流回路と、
    前記共振回路と前記整流回路の間に、前記受信コイルと直列に接続される第１のコイルとを有し、
    前記送電装置は、
    前記受電装置へ電力を供給する送信コイルと、
    前記送信コイルと直列に接続され、前記送電装置から前記受電装置へ電力伝送される間も前記受信コイルと結合しない第２のコイルと、
    前記送信コイルに対して、前記送信コイルが共振しない調整可能なスイッチング周波数を持ち、かつ調整可能な電圧を持つ交流電力を供給する電力供給回路と、
    を有する非接触給電装置。
  10. 前記受電装置は、
    前記共振回路から出力される電力の出力電圧を測定して当該出力電圧の測定値を求める電圧検出回路と、
    前記出力電圧の測定値に基づいて、前記非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否か、及び、前記出力電圧の測定値が所定の電圧の許容範囲内に含まれるか否かを判定する定電圧判定回路と、
    前記非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否か、及び、前記出力電圧の測定値が前記所定の電圧の許容範囲内に含まれるか否かを表す判定情報を含む信号を前記送電装置へ送信する送信器とをさらに有し、
    前記送電装置は、
    前記判定情報を含む信号を受信する受信器と、
    前記判定情報に応じて、前記電力供給回路から前記送信コイルに供給される前記交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する制御回路とをさらに有する、請求項９に記載の非接触給電装置。
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