JP5180406B2 - 無線電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、送電部から受電部に非接触でエネルギを伝送できる無線電力伝送装置に関する。また、本発明は、この無線電力伝送装置と組み合わせて使用される受電部を備える装置、および無線電力伝送装置システムに関している。

現在、各種電気機器への給電方法は、電線（有線）によって行うことが一般的である。有線による給電は、電線内に電力を閉じ込めて行うため、電力供給の安定性や、感電等に対する安全性の面で利点がある。しかし、コンセントから電気機器までの間を電線でつなぐことは、機器の可搬性を大きく妨げる。また、有線電力伝送は、見栄えがすっきりせず、人や物が電線に引っかかって転倒する等の危険性も有する。コンセントと電線端とが金属接点で接続されるため、防水性／防塵性の確保も必要となる。

このような有線電力伝送の課題を解決する方法として、各種電気機器への給電を非接触で行う無線電力伝送方式が注目されている。無線電力伝送の方式としては、従来検討されていた電磁誘導方式に加えて、特許文献１に記載の磁気共振方式が提案されている。磁気共振方式は、共振アンテナ間の共振モード間結合を利用する方式である。磁気共振方式によれば、従来の電磁誘導方式に比べて、長距離の高効率電力伝送が可能になる。また、共振磁界の利用は、共振電界の利用に比べ、周辺生体への影響も小さいと考えられている。

特許文献２には、磁気共振方式を用いた無線電力伝送装置の応用例が示されている。この応用例によれば、送電を行う一次コイルと、受電を行う二次コイルとの間に三次コイルを設けることにより、二次コイルへさらに効率よく大電力を送ることができる。すなわち、三次コイルは一次コイルと二次コイルの間で電力中継を行っている。このように、送電−受電用共振器（コイル）間の距離が略固定の場合は、中継用共振器の設置場所や共振周波数を最適化することにより、電力伝送の効率を最大化することができる。

米国出願公開２００８／０２７８２６４−Ａ１公報（図６、図１１） 特許第４３１８７４２号

特許文献２に記載されているような中継共振器を備える無線電力伝送装置では、電力を無線で受け取る共振器（受電共振器）の位置をほぼ固定する必要がある。

本発明の１つの目的は、電力伝送時に電力を受け取る装置の位置の自由度を高められる無線電力伝送装置を提供することにある。

本発明の無線電力伝送装置は、共振磁界を介して送電部から受電部へ無線で電力伝送を行う無線電力伝送装置であって、共振周波数ｆ０で共振する送電部と、前記共振周波数ｆ０を含む複数の周波数から選択された周波数で共振し得る少なくとも１つの中継部と、受電部の配置に応じて前記中継部の共振条件を特定する共振条件情報を出力し、前記共振条件情報に基づいて前記中継部の共振条件を制御する共振制御部とを備える。

ある実施形態において、前記少なくとも１つの中継部は、前記共振周波数ｆ０を含む複数の周波数から選択された周波数で共振し得る第１から第ｎ（ｎは２以上の整数）の中継部を含み、前記共振制御部は、前記受電部の配置に応じて前記第１から第ｎの中継部の共振条件を特定する共振条件情報を出力し、前記共振条件情報に基づいて各中継部の共振条件を制御する。

ある実施形態において、前記共振制御部から前記中継部に前記共振条件情報を伝達する通信システムを備える。

ある実施形態において、前記受電部の位置を検出し、前記受電部の位置情報を出力する位置検出部を備える。

ある実施形態において、前記受電部の位置情報は、前記受電部に含まれる受電共振器の位置に関する情報である。

ある実施形態において、前記中継部は、前記共振周波数ｆ０で共振する中継共振器と、前記共振制御部から前記共振条件情報を受け取り、前記共振条件情報に基づいて前記中継共振器の共振条件を変化させる共振調整回路とを備える。

ある実施形態において、前記共振制御部および前記中継部は、それぞれ、通信部を備え、前記中継部は、前記通信部を介して、前記共振制御部から前記共振条件情報を受け取る。

ある実施形態において、前記位置検出部は、前記中継部に設けられており、前記中継部が備える前記通信部は、前記位置検出部が出力した前記受電部の位置情報を、前記共振制御部が備える前記通信部に伝達する。

ある実施形態において、前記共振制御部および前記位置検出部は、それぞれ、通信部を備え、前記位置検出部が備える前記通信部は、前記受電部の位置情報を前記共振制御部が備える前記通信部に伝達する。

ある実施形態において、前記共振制御部は、前記受電部の位置情報に基づいて、前記共振周波数ｆ０で共振させない中継部を選択し、当該選択の結果に基づいて前記共振条件情報を出力する。

ある実施形態において、前記共振制御部は、前記受電部に最も近接する中継部以外の少なくとも１つの中継部が前記共振周波数ｆ０で共振しないようにする。

ある実施形態において、前記共振制御部は、前記受電部が前記送電部に近接するとき、前記送電部に最も近接する中継部が前記共振周波数ｆ０で共振しないようにする。

ある実施形態において、前記共振制御部は、隣接する２つの中継部に挟まれた領域内に前記受電部が位置するとき、前記送電部と前記受電部との間に位置する少なくとも１つの中継部が前記共振周波数ｆ０で共振するようにする。

ある実施形態において、前記共振制御部は、前記送電部から前記受電部に直接に電力伝送を行うことが可能なとき、前記送電部と前記受電部とに挟まれる領域に存在するすべての前記中継部が前記共振周波数ｆ０で共振しないようにする。

ある実施形態において、前記共振制御部は、前記送電部から前記受電部に直接に電力伝送を行うことが可能なとき、前記受電部に最も近接する前記中継部が前記共振周波数ｆ０で共振しないようにする。

ある実施形態において、前記送電部は、前記共振周波数ｆ０の共振信号を生成する共振信号生成部と、前記共振信号に基づいて共振磁界を生成する送電共振器と、を備える。

ある実施形態において、前記送電部は、前記送電共振器の共振周波数を変化させる共振調整回路を備える。

ある実施形態において、前記送電部および前記中継部の少なくとも一部は、建物壁、床、または天井内に埋め込まれている。

本発明の装置は、上記いずれかの無線電力伝送装置と組み合わせて使用される受電部を備える装置であって、前記受電部は、前記共振周波数ｆ０で共振することにより、前記無線電力伝送装置の前記送電部または前記中継部からエネルギを受け取る受電共振器と、前記エネルギを電源エネルギに変換する出力変換部とを備える。

ある実施形態において、前記受電部は、前記共振制御部から共振条件情報を受け取ることが可能な通信部と、前記共振条件情報に基づいて前記受電共振器を制御する共振調整回路とを備える。

ある実施形態において、前記受電部は、前記受電部の位置を検出し、当該検出結果に基づいて生成した位置情報を出力する位置検出部を備え、前記通信部によって前記位置情報を前記共振制御部に伝達する。

本発明の無線電力伝送システムは、共振周波数ｆ０で共振する送電部と、前記共振周波数ｆ０を含む複数の周波数から選択された周波数で共振し得る少なくとも１つの中継部と、前記共振周波数ｆ０で共振する少なくとも１つの受電部と、前記受電部の配置に応じて前記中継部の共振条件を特定する共振条件情報を出力し、前記共振条件情報に基づいて前記中継部の共振条件を制御する共振制御部とを備える。

ある実施形態において、前記少なくとも１つの受電部は、前記共振周波数ｆ０を含む複数の周波数から選択された周波数で共振し得る複数の受電部を含み、前記共振制御部は、前記複数の受電部の配置に応じて前記中継部および前記複数の受電部の共振条件を特定する共振条件情報を出力し、前記共振条件情報に基づいて前記中継部および前記受電部の共振条件を制御し、前記複数の受電部に対して時分割で給電を行う。

ある実施形態において、前記送電部は、相互に直交する複数の送電共振器を有している。

ある実施形態において、前記受電部に含まれる受電共振器の方向を検出し、当該検出結果に基づく方向情報を出力する方向検出部を備えており、前記送電部は、前記方向情報に基づいて前記複数の送電共振器から選択された１つの送電共振器を前記共振周波数ｆ０で共振させる。

本発明の無線電力伝送装置およびシステムによれば、受電部に無線で電力を伝送できる範囲が広がる。また、本発明によれば、受電部の配置に応じた効率的な電力伝送を実現できる。

本発明による無線電力伝送装置システムを示す図 受電部２００の位置が異なる本発明による無線電力伝送装置システムを示す図 本発明の無線電力伝送装置が備える送電部１００の基本構成例を示す図 本発明の無線電力伝送装置が備える中継部３００の基本構成例を示す図 本発明の無線電力伝送装置が備える共振制御部６００の基本構成例を示す図 本発明の無線電力伝送装置から電力の供給を受ける受電部２００の基本構成例を示す図 複数の中継部３００を備える本発明による無線電力伝送システムを示す図 本発明の実施形態１における無線電力伝送装置１の構成を示す図 実施形態１の無線電力伝送装置１において受電共振器２０が第１の中継共振器３０−１に近接する場合を示す図 実施形態１の無線電力伝送装置１において受電共振器２０が第２の中継共振器３０−２に近接する場合を示す図 本発明の実施形態１に係る、不要に結合する中継共振器３０が存在する場合の伝送効率評価系を示す模式図 本発明の実施形態１に係る、不要に結合する中継共振器３０が存在しない場合の伝送効率評価系を示す模式図 本発明の実施形態２における無線電力伝送装置１の構成を示す図 実施形態２における中継部３００の基本構成例を示す図 本発明の実施形態２における無線電力伝送システムの構成例を示す図 実施形態２における受電部２００の基本構成例を示す図 実施形態２において、各中継共振器３０−１、３０−２に共振調整回路６０が接続されている構成例を示す図 実施形態２の無線電力伝送装置１において受電共振器２０が送電共振器１０に近接する場合を示す図 実施形態２の無線電力伝送装置において受電共振器２０が第２の中継共振器３０−２に近接する場合を示す図 本発明の実施形態２の無線電力伝送装置において、送電部１０と受電部２０との間に位置する複数の中継共振器３０の一部が中継に寄与しない例を示す図 本発明の実施形態２の無線電力伝送装置において、第２の中継共振器３０−２に最も近接する受電共振器２０が第１の中継共振器３０−１と結合する例を示す図 本発明の実施形態２の無線電力伝送装置において、一端を開放したらせん状のリング配線を中継共振器３０として配置した例を示す図 本発明の実施形態３における無線電力伝送装置の構成を示す図であり、３つの送電共振器１０−１、１０−２、１０−３の配置関係を示す図 本発明の実施形態４の無線電力伝送装置において、送電共振器１０と、送電共振器１０に接続された共振調整回路６０とを有する送電部の構成例を示す図 本発明の実施形態４の無線電力伝送装置において、受電共振器２０に共振調整回路６０が接続された受電部の構成例を示す図 本発明の実施形態５における無線電力伝送システムの構成例を示す図 実施形態５における送電動作を示す図 本発明の無線電力伝送システムにおける非結合周波数領域を示す図

まず、図１Ａおよび図１Ｂを参照して、本発明による無線電力伝送システムの基本構成例を説明する。図１Ａおよび図１Ｂは、いずれも、本発明による無線電力伝送装置１の構成例と、この無線電力伝送装置１から電力の供給を受ける受電部（受電機器）２００とを示すブロック図である。図１Ａと図１Ｂとでは、受電部２００の配置が異なるが、無線電力伝送装置１の構成は同一である。

図１Ａおよび図１Ｂに示される無線電力伝送装置１は、共振周波数ｆ０で共振する送電部１００と、共振周波数ｆ０を含む複数の周波数から選択された周波数で共振し得る中継部３００と、中継部３００の共振条件を制御するための共振制御部６００とを備えている。

受電部２００は、無線電力伝送装置１が電力を供給する対象となる機器であり、無線電力伝送装置１と組み合せられて「無線電力伝送システム」を構成する。受電部２００の位置は、図１Ａおよび図１Ｂに示されるように変化し得る。受電部２００は、典型的には、パソコン、ノートパソコンなどのオフィス機器、壁掛けテレビ、モバイルＡＶ機器などのＡＶ機器、補聴器などのヘルスケア機器であり得る。また、受電部２００は、電気自動車、電動バイク、ロボット、太陽電池、燃料電池などであってもよい。また、１つの無線電力伝送装置１から電力を受け取ることができる受電部２００の個数は１つに限定されない。

送電部１００、中継部３００、および受電部２００は、それぞれ、共振磁界によって結合し得る共振器（アンテナ）を有している。送電部１００が有する共振器を「送電共振器１０」、中継部３００が有する共振器を「中継共振器３０」、受電部２００が有する共振器を「受電共振器２０」と称する。これらの共振器１０、２０、３０は、それぞれ、インダクタおよび容量素子が直列または並列に接続された共振回路によって構成される。

本明細書において、「送電部１００が共振する」とは、送電部１００が備える送電共振器１０が共振することを意味する。同様に、「中継部３００が共振する」とは、中継部３００が備える中継共振器３０が共振することを意味し、「受電部２００が共振する」とは受電部２００が備える受電共振器２０が共振することを意味する。

図１Ｃは、送電部１００の基本的な構成例を示している。送電部１００は、送電アンテナとして機能する送電共振器１０と、送電共振器１０に高周波エネルギを供給する共振信号生成部４０とを備える。共振信号生成部４０は、外部の電源４５から直流または交流のエネルギを受け取り、周波数ｆｃ＝ｆ０の高周波エネルギを出力する。送電共振器１０は、周波数ｆ０の磁界エネルギを周辺空間に分布させることより、送電共振器１０の周囲に周波数ｆ０で振動する共振磁界を形成する。

図１Ｄは、中継部３００の基本的な構成例を示している。中継部３００は、中継アンテナとして機能する中継共振器３０と、中継部３００の共振周波数を変化させることができる共振調整回路６０と、共振制御部６００（図１Ａおよび図１Ｂ）から送られてくる信号を受け取るための通信部８０とを備えている。中継部３００は、共振調整回路６０の働きにより、「可変共振器」として機能する。共振調整回路６０の構成例は後述する。通信部８０を介した信号の伝送は、有線または無線のいずれによって行われても良い。

図１Ｅは、共振制御部６００の基本的な構成例を示している。共振制御部６００は、受電部２００の配置に応じて中継部３００の共振条件を特定する情報（共振条件情報）を決定するプロセッサ６２と、中継部３００に共振条件情報を送信するための通信部８０とを備えている。共振制御部６００は、受電部２００の配置に応じて中継部３００の共振条件情報を出力し、この情報によって特定された共振条件で中継部３００を共振させる。すなわち、中継部３００の共振周波数は、共振制御部６００から受け取る共振条件情報に応じて、ｆ０とｆ０以外の値との間で切り替えられる。共振制御部６００の主要部は、中継共振器３０の共振状態を制御するためのプログラムが内蔵された汎用性のあるコンピュータまたはコントローラによって構成され得るが、専用のハードウェアによって実現されていてもよい。

図１Ｆは、受電部２００の基本的な構成例を示している。受電部２００は、受電アンテナとして機能する受電共振器２０と、受電共振器２０に接続された出力変換部５０と、出力変換部５０に接続された負荷９０とを備えている。受電共振器２０は、無線電力伝送装置１が形成する共振周波数ｆ０の共振磁界と結合することにより、無線電力伝送装置１からエネルギを受け取ることができる。負荷９０は、受電共振器２０が共振磁界を介して受け取ったエネルギを消費する回路であり、受電部２００の種類によって様々である。出力変換部５０は、受電共振器２０が得たエネルギを、負荷９０が必要とする電圧の直流電力、または負荷９０が必要とする周波数及び電圧の交流電力に変換する。

次に、受電部２００が図１Ａに示す位置にある場合と図１Ｂに示す位置にある場合とで、中継部３００の共振条件が変更されることを説明する。

受電部２００が図１Ａに示すように中継部３００に近接し、送電部１００から遠く離れている場合、共振制御部６００は、中継部３００の共振周波数をｆ０に設定することにより、中継部３００を周波数ｆ０の共振磁界に結合させることができる。こうすることにより、中継部３００を介して送電部１００から遠く離れた受電部２００に無線で電力を供給することが可能になる。

一方、受電部２００が図１Ｂに示すように送電部１００に近接する場合は、送電部１００から受電部２００に直接的に電力を伝送できる。このため、共振制御部６００は、中継部３００の共振周波数をｆ０以外の値に変更する。こうすることにより、中継部３００は周波数ｆ０の共振磁界と結合しない状態になる。その結果、送電部１００から受電部２００への電力伝送にとって不要な中継部３００を介することによるエネルギ伝送の損失を避けることが可能になる。

このように無線電力伝送装置１によれば、受電部２００の配置に応じて共振制御部６００が中継部３００の共振条件を変化させることができるため、受電部２００の配置に応じて最も効率的なエネルギ伝送を実現することが可能になる。

無線電力伝送装置１が備える中継部３００の個数は１つに限定されない。無線電力伝送装置１は、第１から第ｎ（ｎは２以上の整数）の中継部３００を備えていても良い。無線電力伝送装置１が複数の中継部３００を備える場合も、受電部２００の配置に応じて、電力伝送に不要な中継部３００を共振磁界に結合させないようにすることにより、効率の良い伝送経路を選択することができる。

図１Ｇは、複数の中継部３００を備える無線電力伝送装置１の基本構成例を示している。図１Ｇに示す無線電力伝送装置１は、共振周波数ｆ０を含む複数の周波数から選択された周波数で共振し得る複数の中継部３００を備えていること以外の点では、図１Ａおよび図１Ｂに示した無線電力伝送装置１の構成と同様の構成を備えている。

無線電力伝送装置１が複数の中継部３００を備える場合、共振制御部６００は、受電部２００の配置に応じて複数の中継部３００の各々の共振条件を特定する情報（共振条件情報）を出力し、この情報によって特定された共振条件で各中継部３００を共振させる。

図１Ｇの構成例によれば、受電部２００の配置に応じて、どの中継部３００を共振磁界に結合させ、どの中継部３００を共振磁界に結合させないようにするかが、共振制御部６００によって制御される。こうして、不要な中継部３００を介することなく、必要な中継部３００を介して効率的な無線電力伝送を実現できる。

なお、本明細書において「受電部の配置」とは、受電部２００が単数のときは、受電部２００が備える受電共振器２０の位置（受電位置）を意味する。受電部２００が複数存在する場合、各受電部が備える受電共振器２０の位置の組（セット）である。なお、「位置の組」は、複数の受電共振器の位置関係を規定する。

この「受電位置」とは、３次元座標で定まる空間内の正確な位置に限定されない。「受電位置」を示す情報とは、無線電力伝送装置１に含まれる送電共振器１０および中継共振器３０のうち、受電共振器２０に最も近い共振器を特定する情報である。従って、受電位置を示す情報は、受電位置の空間座標を特定する情報に限定されず、受電共振器２０に最も近い共振器１０、３０を特定する情報を含む。また、受電位置を示す情報は、受電共振器２０に最も近い共振器１０、３０を特定するために用いることのできる各種の情報（送電共振器１０からの距離を示す情報、または受電共振器２０が複数のエリアのどのエリア内に位置するかを示す情報など）を広く含むものとする。このような受電位置を示す情報は、ユーザによって共振制御部６００に入力されても良いし、また、無線電力伝送装置１が受電位置を検出する受電位置検出部を備えていても良い。

（実施形態１）
以下、本発明の第１の実施形態における無線電力伝送装置を説明する。

本実施形態の無線電力伝送装置１は、図１Ｇに示すように、共振周波数ｆ０で共振する送電部１００と、２つの中継共振部３００と、共振制御部６００とを備えている。

次に、図２を参照する。図２は、本実施形態における無線電力伝送装置１が備える送電共振器１０および中継共振器３０の配置関係を示している。図２では、２つの中継共振器３０に異なる参照符号、すなわち、「３０−１」、「３０−２」を付している。複数の中継共振器３０の各々を区別する場合は、各々の中継共振器に「３０−１」、「３０−２」、「３０−・・・」のような参照符号を付すが、これらの中継共振器を総称する場合には「３０」の参照符号を付する。

なお、図２では、共振器１０、３０を構成するインダクタの配置関係を明確にするため、ｘｙｚ座標（３次元直交座標）を記載している。ｘｙｚ座標は、後に参照する図面にも必要に応じて記載している。以下の説明において特に必要のない構成要素の一部（例えば通信部８０など）は、図面における記載を適宜省略している。

図２に示す無線電力伝送装置１では、送電共振器１０のインダクタによって規定される共振器面がｘｙ面に平行であり、この共振器面の中心はｘｙｚ座標の原点に位置している。また、第１の中継共振器３０−１および第２の中継共振器３０−２の各インダクタによって規定される共振器面も、それぞれ、ｘｙ面に平行であり、かつ、各共振器面の中心がｚ軸上に位置するように配置されている。また、送電共振器１０および中継共振器３０−１、３０−２の間隔は、共振磁界によって、送電共振器１０と第１の中継共振器３０−１とが結合するとともに、第１の中継共振器３０−１と第２の中継共振器３０−２とが結合できるように設定されている。

無線電力伝送装置１は、室内に配置される必要はなく、その一部または全部が屋外に配置されていてもよい。無線電力伝送装置１が室内に配置される場合、送電部１００および中継部３００の少なくとも一部は、例えば建物壁、床、天井内に埋め込まれていてもよい。具体的には、送電共振器１０は例えば床の中に埋め込まれ得る。また、第１の中継共振器３０−１および第２の中継共振器３０−２は、そのインダクタの配線が部屋の内部を取り囲むように４つの壁面内に埋め込まれ得る。第２の中継共振器３０−２は天井内に埋め込まれても良い。このように、送電共振器１０および中継共振器３０が部屋の床、壁、天井に埋め込まれていると、ユーザは無線電力伝送装置の存在を特に意識することなく、受電機器に電力を供給することが可能になる。この場合、ユーザは、各共振器１０、３０が備えるインダクタの内部に位置することになる。このため、共振磁界による人体、周辺機器等への影響を十分考慮し、無線伝送を行う電力の量を規定することが望ましい。

次に、図３Ａおよび図３Ｂを参照する。図３Ａは、本実施形態の無線電力伝送装置において受電共振器２０が第１の中継共振器３０−１に近接する場合を示す図である。図３Ｂは、この無線電力伝送装置において受電共振器２０が第２の中継共振器３０−２に近接する場合を示す図である。図３Ａと図３Ｂとの間にある相違点は、受電共振器２０の配置である。

図３Ａに示す例では、受電共振器２０が第１の中継共振器３０−１と第２の中継共振器３０−２との間に位置している。これに対し、図３Ｂでは、受電共振器２０が第２中継共振器３０−２よりも送電共振器１０から離れた位置に置かれている。受電共振器２０は、その位置により、最も強く結合すべき共振器が送電共振器１０および中継共振器３０−１、３０−２の中から選択される。

まず、図３Ａに示す位置に受電共振器２０がある場合について、本実施形態の動作を説明する。図３Ａに示す位置の受電共振器２０は、第１の中継共振器３０−１と最も強く結合することにより、送電共振器１０からのエネルギを高い効率で受け取ることができる。したがって、図３Ａの配置例では、送電共振器１０から受電共振器２０に電力を伝送するため、共振周波数ｆ０で共振する磁界により、送電共振器１０と第１の中継共振器３０−１とを結合する。

共振信号生成部４０は、周波数ｆｃ＝ｆ０を主成分とする搬送波を送電共振器１０に印加する。その結果、送電共振器１０は周波数ｆ０で共振し、周波数ｆ０の共振磁界を周辺空間に形成する。第１の中継共振器３０−１が周波数ｆ０で共振するとき、共振磁界を介して、送電共振器１０から第１の中継共振器３０−１にエネルギが無線で伝達される。

図３Ａの配置例では、この共振磁界を介して第１の中継共振器３０−１と受電共振器２０とが結合しているため、第１の中継共振器３０−１から受電共振器２０にエネルギが伝達される。受電共振器２０の後段には、出力変換部５０が接続されている。出力変換部５０は、受電共振器２０が得たエネルギを直流または交流（５０Ｈｚ，６０Ｈｚなど）の電力に変換し、所望の負荷９０に給電を行う。

本実施形態における第２の中継共振器３０−２には、共振磁界との結合を解除すること、即ち「非結合」にすることができるように、第２の中継共振器３０−２の共振周波数を変更し得る共振調整回路６０が接続されている。共振調整回路６０は、図３Ａに例示するように、スイッチ、容量成分Ｃ、インダクタ成分Ｌおよび抵抗成分Ｒなどの少なくとも１つを備えている。

第２の中継共振器３０−２のインダクタ、容量および抵抗は、周波数ｆ０で共振するように構成されているとする。この場合、例えば、共振調整回路６０のスイッチ等を用いて、第２の中継共振器３０−２の両端の接続状態（直結／開放）を切り替えることにより、第２の中継共振器３０−２の共振周波数を変化させることができる。すなわち、共振調整回路６０が第２の中継共振器３０−２のいずれかの箇所を接地することにより、第２の中継共振器３０−２の共振周波数をｆ０からｆ０以外の値に変更することができる。

また、共振調整回路６０は、第２の中継共振器３０−２が構成する共振回路に容量成分Ｃ、インダクタンス成分Ｌ、および負荷成分Ｒの少なくとも１の成分を付加または削除することを切り替えることにより、第２の中継共振器３０−２の共振周波数を変更するように構成されていてもよい。すなわち、共振調整回路６０は、第２の中継共振器３０−２が構成する共振回路におけるインダクタ成分、容量成分および抵抗成分の少なくとも１つの大きさを変化させることにより、第２の中継共振器３０−２の共振周波数をｆ０とｆ０以外の値との間でスイッチングすることができる構成を備えている。したがって、第２の中継共振器３０−２は、共振調整回路６０と組み合わせられることにより、全体として可変共振器として動作することができる。なお、共振調整回路６０が中継共振器３０の共振周波数を変化させる方法は、上記の例に限定されない。

図３Ａに示す配置例において、送電共振器１０から受電共振器２０への電力伝送は、第１の中継共振器３０−１を介して行われる。このため、第２の中継共振器３０−２は受電共振器２０への電力伝送に寄与しない。第２の中継共振器３０−２の共振周波数をｆ０に設定すると、第２の中継共振器３０−２は第１の中継共振器３０−１と不要に結合する。そのような不要な結合が生じると、送電共振器１０から第１の中継共振器３０−１に伝達されたエネルギは、第２の中継共振器３０−２にも無駄に伝達されてしまう。その結果、第１の中継共振器３０−１から受電共振器２０への電力伝送の効率が低下することになる。

図３Ａに示す配置例では、共振調整回路６０が第２の中継共振器３０−２の共振周波数をｆ０以外の値に変化させることにより、第１の中継共振器３０−１と第２の中継共振器３０−２との間を非結合にし、受電共振器２０への電力伝送効率を高めることができる。

次に、図３Ｂに示す位置に受電共振器２０がある場合について、本実施形態の動作を説明する。

図３Ｂに示すように、受電共振器２０が第１の中継共振器３０−１から離れ、第２の中継共振器３０−２に近接した位置に置かれている場合は、受電共振器２０へ電力を伝送するときに、第２の中継共振器３０−２の中継機能を利用することが好ましい。このため、共振調整回路６０は、第２の中継共振器３０−２の共振周波数をｆ０に設定し、それによって、第２の中継共振器３０−２を第１の中継共振器３０−１と結合する。

図３Ａおよび図３Ｂの例では、共振調整回路６０が第２の中継共振器３０−２のみに接続されている。しかし、共振調整回路６０は、第１の中継共振器３０−１に接続されていてもよい。共振調整回路６０を第１の中継共振器３０−１に接続しておくと、第１の中継共振器３０−１の共振周波数を変更することが可能になる。 次に、第２の中継共振器３０−２が共振周波数ｆ０で第１の中継共振器３０−１と結合する場合、および結合しない場合において、送電共振器１０から受電共振器２０への電力伝送効率の評価結果を説明する。

図４は、第２の中継共振器３０−２を共振周波数ｆ０で結合する場合の伝送効率評価系を模式的に示す図である。全共振器はｘｙ平面と平行な共振器面を有する。送電共振器１０および受電共振器２０の共振器サイズは、いずれも、３０ｃｍ角である。また、第１の中継共振器３０−１および第２の中継共振器３０−２の共振器サイズは、いずれも、３００ｃｍ角である。このような系は、例えば１辺の長さが３ｍの正方形の床を持つ部屋の壁面（壁内）に沿って中継共振器３０−１、３０−２を異なる高さに設置することにより実現される。受電共振器２０は、このような部屋内のノートパソコン（３０ｃｍ角の底面）等に備えられた共振器に相当する。

図４の系では、各共振器の中心位置の（ｘ，ｙ，ｚ）座標が、送電共振器１０で（−３０ｃｍ，−３０ｃｍ，−２６．２５ｃｍ）、受電共振器２０で（＋３０ｃｍ、＋３０ｃｍ，＋２６．２５ｃｍ）、第１の中継共振器３０−１で（０ｃｍ，０ｃｍ，０ｃｍ）、第２の中継共振器３０−２で（０ｃｍ，０ｃｍ，＋５２．５ｃｍ）である。

共振器１０、３０の導電線は、並列配線として知られるリッツ線を用いた。各共振器の導線の巻数は、送電／受電共振器１０、２０が６、中継共振器３０が３である。また、搬送波周波数ｆｃと、各共振器の共振周波数ｆ０は、共に５００ｋＨｚとした。また、インダクタ配線の導電率は７×１０⁸Ｓ／ｍとした。

これらの条件で電磁界解析を行った結果、送電共振器１０から受電共振器２０への電力伝送効率は２．６％であった。このように伝送効率が著しく劣化する要因は、第１の中継共振器３０−１と第２の中継共振器３０−２との結合が強固であり、第２の中継共振器３０−２に対して多大かつ不要な給電が行われるためであると考えられる。小型の受電共振器２０が任意の場所で効率よく受電できるようにするために、大型の中継共振器３０を密に配置すると、中継共振器３０間の結合が強固になる。

一般に、共振器間の距離Ｄが、小さい方の共振器径Ｌの長さを超えると、電力伝送効率が著しく劣化する。したがって、受電共振器２０が任意の場所で効率よく受電できるためには、任意の中継共振器３０と受電共振器２０との距離Ｄを、小さい方の共振器である受電共振器２０の共振器径Ｌ（図４では３０ｃｍ）程度までに留めておくことが望ましい。なお、共振器径Ｌは、共振器が正方形状の場合は一辺の長さ、長方形状の場合は短辺の長さ、円形状の場合は直径に相当する。したがって、中継共振器３０間の距離は、受電共振器２０の短辺または直径（インダクタの概略形状が円形の場合）の２倍以内、即ち図４の例においては６０ｃｍ程度までに留めておくことが望ましい。

また、共振器間の距離Ｄに対する、小さい方の共振器径Ｌの比、即ちＬ／Ｄが小さくなるほど、電力伝送効率は劣化する。ここで、第１の中継共振器３０−１と第２の中継共振器３０−２の組合せにおいては、Ｌ／Ｄが３００ｃｍ／５２．５ｃｍ＝５．７１４となるのに対して、第１の中継共振器３０−１と受電共振器２０の組合せにおいては、Ｌ／Ｄが３０／２６．２５＝１．１４３となる。したがって、第１の中継共振器３０−１は、受電共振器２０と比較して、第２の中継共振器３０−２と強固に結合する。このため、第１の中継共振器３０−１の周辺空間に分布するエネルギのほとんどは第２の中継共振器３０−２に受け取られて、受電共振器２０への電力伝送効率は著しく劣化する。

一方、図５には、図４に示す評価系と同一の評価条件において、第２の中継共振器３０−２を取り除いた場合の評価系を示す。即ち、第２の中継共振器３０−２が共振周波数ｆ０で非結合となるように制御した場合の評価系とみなすことができる。上記条件において、送電共振器１０から受電共振器２０への電力伝送効率が６９．６％まで改善する結果が得られた。図４および図５に示す２つの評価系で電力伝送効率を比較すると、不要な中継共振器３０を非結合にする効果が、約２７倍の効率比として現れている。なお、上記の評価を行うに際して、第１の中継共振器３０−１および第２の中継共振器３０−２における各共振器面の中心がｚ軸上にあることを前提にしている。しかし、本発明による効果は、これらの共振器面の中心がｚ軸からシフトしていても充分に得ることが可能である。

このように本実施形態では、受電共振器２０の位置に応じて、中継共振器３０の結合／非結合（即ち、共振周波数などの共振条件）を切り替えることにより、より広範囲の場所に対して高い効率の無線電力伝送を行うことが可能となる。受電共振器２０の位置に応じて行う共振条件の変更は、ユーザの手動によって行っても良い。例えば、ユーザが受電共振器２０に最も近接する中継共振器３０を特定する情報を共振制御部６００に入力するようにしてもよい。

なお、受電共振器２０の可搬性や、設置自由度の確保を考慮すると、受電共振器２０の位置を定期的に検出し、受電共振器２０の位置変化（移動）に追随して、中継共振器３０の共振条件を随時切り替えることが望ましい。このような受電共振器２０の位置検出は、手動ではなく、受電位置検出部を用いて行うことが望ましい。

（実施形態２）
次に、図６を参照しながら、本発明による無線電力伝送システムの他の実施形態を説明する。図６は、本実施形態における無線電力伝送装置１の構成例を示している。

この無線電力伝送装置１は、共振周波数ｆ０で共振する送電部１００と、共振周波数ｆ０を含む複数の周波数から選択された周波数で共振し得る中継部３００と、中継部３００の共振条件を制御するための共振制御部６００と、受電共振器２０の位置を検出する受電位置検出部７０とを備えている。なお、受電共振器２０は受電部２００の構成要素であるため、受電部２００の位置を検出すれば、受電共振器２０のおよその位置も検出される。

受電位置検出部７０は、受電共振器２０の位置（受電位置）を検出し、検出した位置を示す情報（位置情報）を出力する。この位置情報は、通信部８０を介して共振制御部６００に送られる。

図６では、受電位置検出部７０が、送電部１００および中継部３００とは別個の構成要素として記載されているが、受電位置検出部７０は、送電部１００および中継部３００のいずれかに設けられていても良い。図７は、中継部３００に受電位置検出部７０を設けた例を示している。この例における通信部８０は、共振制御部６００から出力された共振制御信号を受け取るだけではなく、受電位置検出部７０が出力する位置情報を共振制御部６００に伝達することもできる。通信部８０による信号（情報）の伝送は、実施形態１について説明したように、有線または無線のいずれによって行われても良い。

本発明による無線電力伝送装置が受電位置検出部７０を備える場合、受電共振器２０の位置が随時変化しても、その位置を受電位置検出部７０が検出し、検出された位置に応じて中継共振器３０の共振条件を随時切り替えることが可能になる。このような共振条件の変更を「共振条件の適応的（ａｄａｐｔｉｖｅ）な変更」と称することができる。

次に、図８を参照する。図８は、本実施形態における共振器１０、２０、３０の配置関係の一例を示している。図８に示す例では、複数の受電位置検出部７０が配列されている。このように複数の受電位置検出部７０を配列することにより、受電共振器２０の位置を高い精度で検出することが可能になる。

受電位置検出部７０は、以下に例示する種々の方法で受電共振器２０の位置を検出することが可能である。
（１）受電共振器２０を撮影し、画像認識により受電共振器２０の位置を決定する。
（２）電波または光を放出して受電共振器２０からの反射波に基づいて受電共振器２０の位置を決定する。
（３）受電共振器２０にビーコン発生器など取り付け、受電共振器からの信号を受け取り、受電共振器２０の位置を決定する。

受電位置検出部７０による位置検出の対象に、送電共振器１０や中継共振器３０が含まれていても良い。そうすることにより、これらの共振器１０、３０と受電共振器２０と距離などをより正確に推定することが可能になる。

なお、受電部２００そのものが、自己の位置を検出する構成を備えていても良い。このような構成を備える受電部２００の例を、図９に示す。図９の受電部２００は、受電共振器２０と、受電共振器２０に接続された出力変換部５０と、出力変換部５０に接続された負荷９０とを備え、かつ、受電位置検出部７０と、受電位置検出部７０に接続された通信部８０とを備えている。この通信部８０は、受電位置検出部７０が検出した受電位置を示す情報（位置情報）を共振制御部６００に伝達することができる。

共振制御部６００は受電共振器２０の位置情報に基づいて、各中継共振器３０の共振条件を決定する。「共振条件」を特定するパラメータは、例えば各中継共振器３０の共振周波数、各中継共振器による共振磁界との結合／非結合の状態を示す情報などであり得る。

第２の中継共振器３０−２に接続された共振調整回路６０は、共振制御部６００から受け取った共振条件情報に基づいて、第２の中継共振器３０−２の共振周波数を制御し、結合／非結合の条件（共振条件）を実現する。

本実施形態によれば、受電共振器２０の位置変化に追随して中継共振器の共振条件を随時切り替えることが可能となる。

上記の無線電力伝送装置では、第２の中継共振器３０−２のみに共振調整回路６０が接続されていたが、複数の中継共振器３０の各々に共振調整回路６０が接続されていれば、各中継部３００による共振磁界への結合／非結合を制御できる。その結果、受電部２００の配置に応じた、より効率的な電力伝送が可能になる。

以下、第１の中継共振器３０−１および第２の中継共振器３０−２の各々に共振調整回路６０が接続されている無線電力伝送装置において、各中継共振器３０の共振条件を決定する方法を説明する。

まず、図１０を参照する。図１０は、第１の中継共振器３０−１および第２の中継共振器３０−２の各々に共振調整回路６０が接続されている無線電力伝送装置の構成を示している。図１０に示す例でも、周波数ｆ０の共振磁界を介して、送電共振器１０と第１の中継共振器３０−１とが結合することが可能であり、かつ、第１の中継共振器３０−１と第２の中継共振器３０−２とが結合することも可能である。

次に、図１１Ａおよび図１１Ｂを参照する。図１１Ａおよび図１１Ｂは、図１０の無線電力伝送装置１に対する受電共振器２０の配置が異なる状態を示している。

図１１Ａに示す例では、送電共振器１０と受電共振器２０とが近接しているため、共振磁界を介して送電共振器１０と受電共振器２０とが直接に結合できる。このため、無線電力伝送に中継共振器３０を使用する必要がない。したがって、すべての中継共振器３０の共振周波数を非結合周波数領域に設定すればよい。中継共振器３０の数が多い場合、すべての中継共振器３０の共振周波数を非結合周波数領域に制御することが煩雑で有り得る。そのような場合、送電共振器１０と近接する一部の中継共振器３０−１のみを「非結合」としてもよい。

図１１Ｂでは、受電共振器２０が第２の中継共振器３０−２に近接している。この場合、受電共振器２０は第２の中継共振器３０−２と結合することが可能である。図１１Ｂの配置例では、第１の中継共振器３０−１の共振周波数をｆ０とは異なる値に設定し、第１の中継共振器３０−１と第２の中継共振器３０−２とを非結合にすると、送電共振器１０から第２中継共振器３０−２に電力を伝送することができなくなる場合がある。そのような場合、第１の中継共振器３０−１の共振周波数をｆ０とは異なる値に設定すると、受電共振器２０への給電もできなくなる。したがって、受電共振器２０に最も近接する中継共振器３０（図１１Ｂでは第２の中継共振器３０−２）への給電に必要となる中継共振器３０（図１１Ｂの例では第１の中継共振器３０−１）は、たとえ受電共振器２０に最も近接していなくても、共振周波数ｆ０で結合するように制御する。

送電共振器１０と第１の中継共振器３０−１との間隔、および第１の中継共振器３０−１と第２中継共振器３０−２との間隔が充分に狭いと、第１の中継共振器３０−１の共振周波数をｆ０とは異なる値に設定しても、送電共振器１０と第２中継共振器３０−２との間の結合が充分に強くなる場合がある。そのような場合は、第１の中継共振器３０−１を非結合にしても良い。

このように、複数の中継共振器３０どうしの間隔が狭い場合は、途中に位置する中継共振器を非結合にしても、相互に結合する残りの中継共振器３０によって送電共振器１０から受電共振器２０に給電を行うことが可能な場合がある。また、不必要な中継共振器３０を非結合にすることが電力伝送効率の観点で望ましい場合もある。

不必要な中継共振器３０を非結合にすると、結合する共振器間の距離が伸びるため、電力損失が発生する。一方、中継共振器３０が電磁エネルギを受け取り、再び放出する過程で発生する際にも電力損失が発生する。この中継過程で発生する電力損失が、中継共振器３０間の距離伸張による電力損失よりも大きい場合には、結合する中継共振器の数を減らすことが望ましい。

図１２は、４つの中継共振器３０−１、３０−２、３０−３、３０−４を備える無線電力伝送システムを示している。４つの中継共振器３０−１、３０−２、３０−３、３０−４には、それぞれ、４つの共振調整回路６０−１、６０−２、６０−３、６０−４が接続されている。

図１２の無線電力伝送システムにおける共振器間隔は、図１０の無線電力伝送システムにおける共振器間隔よりも狭い。図１２の構成では、第３の中継共振器３０−３が送電共振器１０と第１の中継共振器３０−１との間に配置され、第４の中継共振器３０−４が第１の中継共振器３０−１と第２の中継共振器３０−２との間に配置されている。

第３の中継共振器３０−３および第１の中継共振器３０−１から送電共振器１０までの距離は、相対的に短いため、共振周波数を制御すれば、第３の中継共振器３０−３および第１の中継共振器３０−１と送電共振器１０とは結合することが可能である。同様に、第３の中継共振器３０−３は、送電共振器１０、第１の中継共振器３０−１、および第４の中継共振器３０−４と結合可能である。第１の中継共振器３０−１は、送電共振器１０、第３の中継共振器３０−３、第４の中継共振器３０−４、第２の中継共振器３０−２と結合可能である。第４の中継共振器３０−４は、第３の中継共振器３０−３、第１の中継共振器３０−１、第２の中継共振器３０−２と結合可能である。第２の中継共振器３０−２は、第１の中継共振器３０−１、第４の中継共振器３０−４、受電共振器２０と結合可能である。

このような構成例では、受電共振器２０に給電を行うため、受電共振器２０と結合する第２の中継共振器３０−２に給電を行う必要がある。さらに、第２の中継共振器３０−２に給電を行うためには、第４の中継共振器３０−４または第１の中継共振器３０−１に給電を行う必要がある。一部の中継共振器を非結合にすることが有効な場合は、第２の中継共振器３０−２に結合可能な中継共振器のうち、第２の中継共振器３０−２からより遠方に位置する第１の中継共振器３０−１に給電を行えばよい。第１の中継共振器３０−１に給電を行うためには、第３の中継共振器３０−３に給電を行うか、或いは送電共振器１０から直接給電を行う必要がある。中継の数を減らすことが有効な場合、第１の中継共振器３０−１からより遠方に位置する送電共振器１０から直接に第１の中継共振器３０−１に給電を行えばよい。即ち、この場合、受電共振器２０への給電は、送電共振器１０から第１の中継共振器３０−１および第２の中継共振器３０−２を介して行えばよい。このような中継を実現するには、第３の中継共振器３０−３および第４の中継共振器３０−４の共振周波数をｆ０以外の値に設定すれば良い。

受電共振器２０が小型である場合、複数の中継共振器３０を密に配置することが望ましい。このような場合、複数の中継共振器３０のうちの一部の中継共振器を非結合にすることにより、中継回数を低減することが有効となり得る。

中継回数を減らして、受電共振器２０への電力伝送効率を向上するという観点から、受電共振器２０の大きさに依存して、受電共振器２０に最も近接する中継共振器３０を非結合とすることが望ましい場合もある。

次に、図１３を参照する。図１３は、受電共振器２０のサイズが中継共振器３０のサイズに略等しい例を示している。図１３の例では、受電共振器２０が第１の中継共振器３０−１と第２の中継共振器３０−２との間に位置し、かつ、第２の中継共振器３０−２に最も近接している。この例では、共振周波数ｆ０で送電共振器１０と第１の中継共振器３０−１とが結合するとともに、第１の中継共振器３０−１と第２の中継共振器３０−２とが結合する。また、この受電共振器２０は、サイズが大きいため、最も近接する第２の中継共振器３０−２と結合するだけではなく、第１の中継共振器３０−１とも結合できる。このため、中継回数を減らすという観点から、送電共振器１０から第１の中継共振器３０−１のみを介して、受電共振器２０に給電を行うことが望ましい。従って、第２の中継共振器３０−２が第１の中継共振器３０−１および受電共振器２０と不要に結合しないように、第２の中継共振器３０−２を共振周波数ｆ０で非結合となるように制御してもよい。

このように、受電共振器２０の位置のみならず、その共振器サイズをも考慮して、中継共振器３０の共振条件を切り替えることにより、広範囲に亘る安定的な高効率電力伝送を実現することが可能となる。

前述のように、位置情報や共振条件情報のやりとりは、無線または有線によって行うことができる。無線通信によって情報のやりとりを行う場合、無線電力伝送と無線通信の干渉を避けることが望ましい。このような干渉を避けるためには、通信周波数帯域が、各共振器の共振周波数、搬送波周波数、およびこれらの高調波周波数（共振周波数の整数倍）と重なり合わないようにすることが望ましい。電力伝送に使われる搬送波を変調し、共振器１０、２０、３０を介して通信を行っても構わない。

なお、無線による電力伝送が可能な範囲に置かれた全ての受電部２００に電力を供給するのではなく、許可された受電部２００のみに電力を供給するようにしても良い。その場合、共振制御部６００は通信によって受電部２００に認証情報を要求し、受電部２００から適切な認証情報が得られた場合のみ、電力伝送を許可するようにしても良い。このように、共振制御部６００、受電部２００、中継部３００の全部または一部の間において、通信によってやりとりされる情報は、共振条件情報および受電位置情報に限定されず、認証情報その他の情報を含んでいても良い。

上記の各共振器は、添付図面において、単一平面上の正方形状に巻かれた配線によって表現されている。この配線は共振器のインダクタを構成している。共振器のインダクタには、不図示の容量素子などが直接または並列に接続されている。

なお、共振器の形状は、図示されている形状の例に限定されない。図１４は、ｚ軸方向に厚さを有するらせん状のインダクタからなる第１の中継共振器３０−１を示している。図１４に示す第２の中継共振器３０−２は、閉ループ回路によって構成されておらず、一端を開放したリング配線によって構成されている。

上記の各実施形態では、各共振器１０、２０、３０の共振器面はｘｙ平面に平行であった。しかし、各共振器１０、２０、３０の共振器面はｘｙ平面に平行である必要はなく、任意の方向に向いていても良い。ただし、無線電力伝送の効率を高めるという観点から、各共振器１０、２０、３０の共振器面は略平行であることが好ましい。ここで、「略平行」とは、共振器面のなす角度が０°以上３０°以下の範囲にあることを意味するものとする。ただし、共振器面が「略平行」とは言えない角度（３０°超６０°以下、例えば４５°程度）をなす場合でも、無線電力伝送は可能である。

（実施形態３）
次に、図１５を参照しながら、本発明による無線電力伝送装置の更に他の実施形態を説明する。本実施形態の無線電力伝送装置は、３つの送電共振器１０−１、１０−２、１０−３を備えている。図１５は、これらの送電共振器１０−１、１０−２、１０−３の配置関係を示しており、中継共振器の記載は省略されている。

本実施形態における無線電力伝送装置では、３つの送電共振器１０−１、１０−２、１０−３の共振器面が、それぞれ、ｘｙ平面、ｙｚ平面、ｚｘ平面に平行である。３つの送電共振器１０−１、１０−２、１０−３によって囲まれる直方体領域に受電共振器２０が置かれると、受電共振器２０の向き（姿勢）によらず、３つの送電共振器１０−１、１０−２、１０−３から受電共振器２０に電力を伝送することが可能である。

複数の中継共振器の共振器面は、前述した実施形態のように、ｘｙ平面に平行に配置されてもよいし、ｙｚ平面またはｚｘ平面に平行に配置されていてもよい。また、ｘｙ平面、ｙｚ平面、およびｚｘ平面の各々に平行な複数の中継共振器が配置されていても良い。例えば、ｘｙ平面に平行な共振器面を有する複数の中継共振器と、ｙｚ平面に平行な共振器面を有する複数の中継共振器と、ｚｘ平面に平行な共振器面を有する複数の中継共振器とを組み合わせて配置してもよい。

無線電力伝送装置が、このような３つの送電共振器１０−１、１０−２、１０−３を備える場合、ある好ましい例では、受電部２００が受電共振器２０の共振面方向を検出するセンサ（例えばジャイロスコープ）を備えていても良い。このセンサによる検出結果として得られる方向の情報は、受電部２００が備える通信部を介して共振制御部６００に伝達され得る。共振制御部６００は、受電部２００の受電効率が相対的に最も高くなる方向の共振器面を有する送電共振器１０−１、１０−２、または１０−３から送電を行う。この場合において、共振器面方向が異なる複数の中継共振器が配置されているときは、複数の中継共振器のうちで受電効率が相対的に最も高くなる方向の共振器面を有する中継共振器３０の共振周波数をｆ０に設定し、それ以外の中継共振器３０の共振周波数はｆ０以外の値に設定することが好ましい。

本発明の無線電力伝送装置が共振器面の向きが異なる複数の送電共振器１０を備える場合、「受電部の配置」には、受電共振器２０の位置のみならず、受電共振器２０の共振器面の向き（方位）が含まれ得るものとする。

（実施形態４）
上記の各実施形態では、共振調整回路６０が中継共振器３０に接続され、中継部３００の共振周波数を調整するために使用されていた。しかし、共振調整回路６０は、送電共振器１０または受電共振器２０に接続されていても良い。

以下、共振調整回路６０を送電共振器１０および受電共振器２０に接続した無線電力伝送システムの例を説明する。

図１６は、搬送波発生部４０と送電共振器１０との間に共振調整回路６０を接続した送電部１００の構成例を示している。一方、図１７は、受電共振器２０と出力変換部５０との間に共振調整回路６０を接続した受電部２００の構成例を示す。本実施形態における無線電力伝送システムは、基本的に他の実施形態と同様の構成を備えており、かつ、送電部１００および受電部２００がそれぞれ図１６および図１７の構成を備えている。

図１６および図１７に示す共振調整回路６０は、図２を参照しながら説明した共振調整回路６０の構成と同様の構成を備えている。この共振調整回路６０によれば、接続された送電共振器１０や受電共振器２０の共振周波数をｆ０とｆ１（≠ｆ０）との間で切り換えることができる。

次に、図１６を参照しながら、本実施形態における送電部１００を説明する。図１６に示すように、送電共振器１０に接続された共振調整回路６０には、搬送波発生部４０から周波数ｆｃ＝ｆ１を主成分とする搬送波（正弦波の電気信号）が印加される。このとき、共振調整回路６０により、送電共振器１０の共振周波数をｆ１に設定すれば、周波数ｆ１の電磁エネルギを送電共振器１０の周辺空間に効率よく分布させることが可能となる。同様に、図１７に示す受電部２００によれば、その共振調整回路６０により、受電共振器２０の共振周波数をｆ１に設定すれば、周波数ｆ１の電磁エネルギを効率よく取り出すことが可能となる。

このように、図１６の送電部１００および図１７の受電部２００を利用すれば、共振周波数ｆ０で電力の伝送を行う送電共振器１０および受電共振器２０の組と、共振周波数ｆ１で電力の伝送を行う送電共振器１０および受電共振器２０の組とを１つの無線電力伝送システムに統合することが可能になる。また、中継共振器３０に接続される共振調整回路６０によって中継共振器３０の共振周波数をｆ０とｆ１との間で切り替えることにより、中継共振器３０は、共振周波数がｆ０のときでも、ｆ１のときでも必要な中継を行うことが可能になる。

（実施形態５）
以下、本発明による無線電力伝送システムの他の実施形態を説明する。

異なる位置に配置された複数の受電共振器２０に対して給電を行う場合、最良の効率で電力伝送を行うための中継共振器３０の共振条件が、受電共振器２０ごとに異なる場合がある。本実施形態の無線電力伝送システムでは、複数の受電共振器２０に対し時分割で電力を伝送することができる。

図１８は、本実施形態における無線電力伝送システムの構成例を示す図である。図１８の無線電力伝送システムは、共振周波数ｆ０で共振する送電共振器１０と、第１の中継共振器３０−１と、第２の中継共振器３０−２と、第１の受電共振器２０−１と、第２の受電共振器２０−２とを備えている。送電共振器１０の共振器面はｘｙ面に平行であり、共振器面の中心はｘｙｚ座標の原点に位置している。第１の中継共振器３０−１および第２の中継共振器３０−２も、それぞれの共振器面がｘｙ面に平行である。

本実施形態では、図１８に示すように、第１の受電共振器２０−１が第１の中継共振器３０−１に近接した位置に置かれ、第２の受電共振器２０−２が第２の中継共振器３０−２に近接した位置に置かれている。図１８に示す配置例では、１つの共振調整回路６０が第２の中継共振器３０−２のみならず、第１の受電共振器２０−１にも接続され得る。図１８では、共振調整回路６０が第２の中継共振器３０−２に接続され、第１の受電共振器２０−１には接続されていないが、この接続は切り替えることが可能である。例えばスイッチ（不図示）を用いた「結合切替」により、共振調整回路６０は第１の受電共振器２０−１に接続され得る。

前述したように、第１の受電共振器２０−１への給電を行うときは、第２の中継共振器３０−２の共振周波数を共振周波数ｆ０以外の周波数に設定することにより、共振周波数ｆ０では第１の中継共振器３０−１と第２の中継共振器３０−２とが非結合となるように制御することが好ましい。一方、第２の受電共振器２０−２への給電を行うときは、第２の中継共振器３０−２を共振周波数ｆ０で第１の中継共振器３０−１と結合するように制御することが好ましい。また、このとき、第１の受電共振器２０−１が第１の中継共振器３０−１や第２の中継共振器３０−２と非結合となることが好ましい。

本実施形態では、第１の受電共振器２０−１および第２の中継共振器３０−２の共振周波数を適切に切り替えることにより、第１の受電共振器２０−１への給電と第２の受電共振器２０−２への給電とを交互に実行する。

図１９は、第１の受電共振器２０−１および第２の中継共振器３０−２の共振条件を、時分割で切り替えるタイムチャートの一例を示す。図１９の例では、まず、期間Ｔ１において、第１の受電共振器２０−１に給電を行うため、第１の受電共振器２０−１の共振周波数をｆ０に設定し、かつ、第２の中継共振器３０−２の共振周波数をｆ０以外（非結合周波数領域）の値に設定する。この期間Ｔ１においては、第２の中継共振器３０−２が第１の中継共振器３０−２と結合しないため、第２の受電共振器２０−２への給電は実質的に行われない。

次の期間Ｔ２において、第２の受電共振器２０−２に給電を行うため、第１の受電共振器２０−１の共振周波数をｆ０以外（非結合周波数領域）に設定し、かつ、第２の中継共振器３０−２の共振周波数をｆ０に設定する。この期間Ｔ２においては、第２の中継共振器３０−２が第１の中継共振器３０−１と結合するため、第２の受電共振器２０−２への給電が行われる。また、この期間Ｔ２において、第１の受電共振器２０−１は、第１の中継共振器３０−１とも第２の中継共振器３０−２とも結合しないため、第１の受電共振器２０−１への給電は行われない。

本実施形態では、図１９に示すように、期間Ｔ１と期間Ｔ２とを交互に繰り返すことにより、各々の受電共振器２０−１、２０−２への給電効率が最良となる共振条件で給電を行うことができる。しかし、第１の受電共振器２０−１および第２の受電共振器２０−２への給電が交互に行われるため、個々の受電共振器に対する給電は断続的に行われる。受電共振器２０−１、２０−２の各々に接続される個々の負荷に持続的な給電を行うためには、例えば、負荷の前段に充電池を設ければよい。このような充電池には、その充電池が設けられた受電共振器への給電期間中に充電がなされる。その受電共振器への給電が停止している期間中に充電池が放電を行うことにより、負荷に対して電力を安定して供給することができる。

なお、期間Ｔ１と期間Ｔ２とは等しい長さに設定される必要はない。受電共振器２０−１、２０−２の各々に接続された負荷が必要とする電力量の比率に略比例させて、期間Ｔ１と期間Ｔ２の時間割合を変化させても構わない。また、受電共振器２０の個数も、２つに限定されない。例えば、３つの受電共振器２０−１、２０−２、２０−３に対して、それぞれ、期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３に電力を供給するようにしてもよい。

複数の受電共振器２０の各々について、どの期間に共振磁界と結合して電力を受け取るかを示す情報は、共振制御部６００が各受電共振器２０や中継共振器３０に送出する共振条件情報に含まれる。

次に、本明細書における共振器間の「結合／非結合」の定義を説明する。

一般に、共振器間の共振周波数差を大きくすると、これらの共振器は結合が弱くなり、非結合の状態を作り出すことができる。この共振周波数差によって、結合／非結合を定義する。

図２０は、共振器の反射量と周波数との関係を模式的に示すグラフである。ここで、反射量とは共振器への入力信号振幅に対する反射成分の信号振幅比（０以上１以下の値）と定義する。即ち、反射量とは共振器のＳ１１パラメータの値（真値）に相当する。例えば、反射量が１とは入力信号成分が共振器へ入力されずに全て反射され、反射量が０とは入力信号成分が全て共振器に入力されることを示す。グラフの縦軸は、共振器の反射量最小値を０として正規化したときの反射量を示している。この正規化された反射量は、全反射時の反射量を１、正規化前の反射量が最小となるときの反射量をＲｍｉｎ、正規化前の反射量をｘ、正規化後の反射量をｙとするとき、以下の式によって算出される。

規格化された反射量が０となる周波数が、その共振器の共振周波数となる。

図２０の曲線（ａ）は、共振周波数ｆ０の共振器の反射量特性を示す曲線である。この曲線（ａ）について、反射量が０以上１以下のある値Ａｔ（０≦Ａｔ≦１）以下となる周波数領域Ａを定義する。すなわち、周波数領域Ａに含まれる周波数では反射量がＡｔ以下になるが、周波数領域Ａから外れた周波数で反射量はＡｔを超えて大きくなる。

一方、図２０の曲線（ｂ）は、共振器の共振周波数をｆ０よりも低い値に設定したときの反射量と周波数との関係を示す曲線である。この曲線（ｂ）についても、反射量がＡｔ以下となる周波数領域Ｂを定義する。周波数領域Ｂの最大周波数が周波数領域Ａの最小周波数と一致するときの曲線（ｂ）の共振周波数をｆ１とする。図２０の曲線（ｃ）は、共振器の共振周波数をｆ０よりも高い値に設定したとき反射量と周波数との関係を示す曲線である。この曲線（ｃ）について、反射量がＡｔ以下となる周波数領域Ｃを定義する。周波数領域Ｃの最小周波数が周波数領域Ａの最大周波数と一致するときの曲線（ｃ）の共振周波数をｆ２とする。

こうして導出したｆ１以下の周波数領域およびｆ２以上の周波数領域を、周波数ｆ０に対する「非結合周波数領域」と定義する。また、「非結合にする」とは、共振周波数を「非結合周波数領域」内に設定することと定義する。なお、結合／非結合の境界は、反射量Ａｔの設定値によって異なる。非結合状態において、共振器間の結合をできるだけ弱めるためには、Ａｔをなるべく大きい値、例えば０．９またはそれ以上に設定することが望ましい。

なお、非結合を達成する周波数は、共振器の利得が所定値（例えば−２０ｄＢ）よりも小さくなるように設定してもよい。

本発明の無線電力伝送装置は、パソコン、ノートパソコンなどのオフィス機器や、壁掛けテレビ、モバイルＡＶ機器などのＡＶ機器、補聴器、ヘルスケア機器の充電・給電に適用できる。また、駐車中または走行中の電気自動車や電動バイクや、停止または移動中のロボットへの充電・給電にも適用できる。さらに、太陽電池や燃料電池からの集電システム、直流給電システムにおける機器との接続箇所、交流コンセント代替などの幅広い分野に応用できる。

１０ 送電共振器
１０−１ 第１の送電共振器
１０−２ 第２の送電共振器
１０−３ 第３の送電共振器
２０ 受電共振器
２０−１ 第１の受電共振器
２０−２ 第２の受電共振器
３０ 中継共振器
３０−１ 第１の中継共振器
３０−２ 第２の中継共振器
３０−３ 第３の中継共振器
３０−４ 第４の中継共振器
４０ 搬送波発生部
４５ 電源
５０ 出力変換部
６０ 共振調整回路
６０−１ 第１の共振調整回路
６０−２ 第２の共振調整回路
６０−３ 第３の共振調整回路
６０−４ 第４の共振調整回路
６２ プロセッサ
７０ 受電位置検出部
８０ 通信部
９０ 負荷
１００ 送電部
２００ 受電部
３００ 中継部
６００ 共振制御部

Claims (22)

1. 共振磁界を介して送電部から受電部へ無線で電力伝送を行う無線電力伝送装置であって、
   共振周波数ｆ０で共振する送電部と、
   前記共振周波数ｆ０を含む複数の周波数から選択された周波数で共振し得る第１から第ｎ（ｎは２以上の整数）の中継部と、
   受電部の配置に応じて前記第１から第ｎの中継部の共振条件を特定する共振条件情報を出力し、前記共振条件情報に基づいて各中継部の共振条件を制御する共振制御部と
   を備え、
   前記共振制御部は、前記受電部に最も近接する中継部以外の少なくとも１つの中継部が前記共振周波数ｆ０で共振しないようにする、
   無線電力伝送装置。
2. 共振磁界を介して送電部から受電部へ無線で電力伝送を行う無線電力伝送装置であって、
   共振周波数ｆ０で共振する送電部と、
   前記共振周波数ｆ０を含む複数の周波数から選択された周波数で共振し得る第１から第ｎ（ｎは２以上の整数）の中継部と、
   受電部の配置に応じて前記第１から第ｎの中継部の共振条件を特定する共振条件情報を出力し、前記共振条件情報に基づいて各中継部の共振条件を制御する共振制御部と
   を備え、
   前記共振制御部は、前記第１から第ｎの中継部のうち、隣接する２つの中継部に挟まれた領域内に前記受電部が位置するとき、前記送電部と前記受電部との間に位置する少なくとも１つの中継部が前記共振周波数ｆ０で共振するようにする、
   無線電力伝送装置。
3. 前記共振制御部から各中継部に前記共振条件情報を伝達する通信システムを備える、請求項１または２に記載の無線電力伝送装置。
4. 前記受電部の位置を検出し、前記受電部の位置情報を出力する位置検出部を備える請求項１から３のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
5. 前記受電部の位置情報は、前記受電部に含まれる受電共振器の位置に関する情報である、請求項４に記載の無線電力伝送装置。
6. 各中継部は、
   前記共振周波数ｆ０で共振する中継共振器と、
   前記共振制御部から前記共振条件情報を受け取り、前記共振条件情報に基づいて前記中継共振器の共振条件を変化させる共振調整回路と
   を備える、請求項１から５のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
7. 前記共振制御部および各中継部は、それぞれ、通信部を備え、
   各中継部は、前記通信部を介して、前記共振制御部から前記共振条件情報を受け取る、請求項１から６のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
8. 前記共振制御部および各中継部は、それぞれ、通信部を備え、
   各中継部は、前記通信部を介して、前記共振制御部から前記共振条件情報を受け取り、
   前記位置検出部は、各中継部に設けられており、
   各中継部が備える前記通信部は、前記位置検出部が出力した前記受電部の位置情報を、前記共振制御部が備える前記通信部に伝達する、請求項４または５に記載の無線電力伝送装置。
9. 前記共振制御部および前記位置検出部は、それぞれ、通信部を備え、
   前記位置検出部が備える前記通信部は、前記受電部の位置情報を前記共振制御部が備える前記通信部に伝達する、請求項４、５、および８のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
10. 前記共振制御部は、前記受電部の位置情報に基づいて、前記共振周波数ｆ０で共振させない中継部を選択し、当該選択の結果に基づいて前記共振条件情報を出力する、請求項１から９のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
11. 前記共振制御部は、前記受電部が前記送電部に近接するとき、前記送電部に最も近接する中継部が前記共振周波数ｆ０で共振しないようにする、請求項１から１０のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
12. 前記共振制御部は、前記送電部から前記受電部に直接に電力伝送を行うことが可能なとき、すべての前記中継部が前記共振周波数ｆ０で共振しないようにする、請求項１から１１のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
13. 前記送電部は、
    前記共振周波数ｆ０の共振信号を生成する共振信号生成部と、
    前記共振信号に基づいて共振磁界を生成する送電共振器と、
    を備える、請求項１から１２のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
14. 前記送電部は、前記送電共振器の共振周波数を変化させる共振調整回路を備える、請求項１３に記載の無線電力伝送装置。
15. 前記送電部および前記第１から第ｎの中継部の少なくとも一部は、建物壁、床、または天井内に埋め込まれている請求項１から１４に記載の無線電力伝送装置。
16. 請求項１から１５のいずれかに記載の無線電力伝送装置と、前記無線電力伝送装置と組み合わせて使用される受電部とを備える無線電力伝送システムであって、
    前記受電部は、
    前記共振周波数ｆ０で共振することにより、前記無線電力伝送装置の前記送電部または前記第１および第ｎの中継部からエネルギを受け取る受電共振器と、
    前記エネルギを電源エネルギに変換する出力変換部と、
    を備える無線電力伝送システム。
17. 前記受電部は、
    前記共振制御部から共振条件情報を受け取ることが可能な通信部と、
    前記共振条件情報に基づいて前記受電共振器を制御する共振調整回路と、
    を備える請求項１６に記載の無線電力伝送システム。
18. 共振周波数ｆ０で共振する送電部と、
    前記共振周波数ｆ０を含む複数の周波数から選択された周波数で共振し得る第１から第ｎ（ｎは２以上の整数）の中継部と、
    前記共振周波数ｆ０で共振する少なくとも１つの受電部と、
    前記受電部の配置に応じて前記第１から第ｎの中継部の共振条件を特定する共振条件情報を出力し、前記共振条件情報に基づいて各中継部の共振条件を制御する共振制御部と
    を備え、
    前記共振制御部は、前記受電部に最も近接する中継部以外の少なくとも１つの中継部が前記共振周波数ｆ０で共振しないようにする、
    無線電力伝送システム。
19. 共振周波数ｆ０で共振する送電部と、
    前記共振周波数ｆ０を含む複数の周波数から選択された周波数で共振し得る第１から第ｎ（ｎは２以上の整数）の中継部と、
    前記共振周波数ｆ０で共振する少なくとも１つの受電部と、
    前記受電部の配置に応じて前記第１から第ｎの中継部の共振条件を特定する共振条件情報を出力し、前記共振条件情報に基づいて各中継部の共振条件を制御する共振制御部と
    を備え、
    前記共振制御部は、前記第１から第ｎの中継部のうち、隣接する２つの中継部に挟まれた領域内に前記受電部が位置するとき、前記送電部と前記受電部との間に位置する少なくとも１つの中継部が前記共振周波数ｆ０で共振するようにする、
    無線電力伝送システム。
20. 前記少なくとも１つの受電部は、
    前記共振周波数ｆ０を含む複数の周波数から選択された周波数で共振し得る複数の受電部を含み、
    前記共振制御部は、
    前記複数の受電部の配置に応じて前記中継部および前記複数の受電部の共振条件を特定する共振条件情報を出力し、前記共振条件情報に基づいて前記中継部および前記受電部の共振条件を制御し、前記複数の受電部に対して時分割で給電を行う、請求項１８または１９に記載の無線電力伝送システム。
21. 前記送電部は、相互に直交する複数の送電共振器を有している、請求項１８から２０のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
22. 前記受電部に含まれる受電共振器の方向を検出し、当該検出結果に基づく方向情報を出力する方向検出部を備えており、
    前記送電部は、前記方向情報に基づいて前記複数の送電共振器から選択された１つの送電共振器を前記共振周波数ｆ０で共振させる、請求項２１に記載の無線電力伝送システム。

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