JP5365306B2 - 無線電力供給システム - Google Patents

Description

本発明は、いわゆる磁場共鳴モードにより無線で電力を供給する無線電力供給システムに関する。

無線による電力供給技術としては、一般的に、電磁誘導を利用した技術、電波を利用した技術が知られている。これに対して、近年、磁場共鳴モードを利用した技術が提案されている。

磁場共鳴モードによる無線電力供給技術では、例えば、送電装置に共振周波数ｆｒ１を持つ共振器が設けられると共に、受電装置に共振周波数ｆｒ２を持つ共振器が設けられる。これらの共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２を同調させ、共振器のサイズや配置を適切に調整することにより、送電装置と受電装置との間に磁場共鳴モードによるエネルギー転送可能な磁場の結合状態が生じ、送電装置の共振器から受電装置の共振器へ無線により電力が伝送される。このような無線電力供給技術によれば、電力の伝送効率（エネルギー転送効率）を数十％程度とすることができ、送電装置と受電装置との間の距離を比較的大きく、例えば数１０ｃｍ程度の共振器に対して数１０ｃｍ以上とすることができる。

特表２００９−５０１５１０号公報

磁場共鳴モードによる無線電力供給においては、送電コイルの共鳴周波数と受電コイルの共鳴周波数とを同一の値に設定して電力を伝送する。これにより、磁場の共鳴現象を利用して、数１０ｃｍ程度の共振器に対して数１０ｃｍ〜数ｍという中程度の距離において、高い効率で、電力を伝送することができる。数１０ｃｍ〜数ｍという中程度の距離における高い効率での電力伝送を維持するためには、共鳴状態を維持する必要がある。

本発明は、送電装置から受電装置への電力の伝送効率の低下を防止することができる無線電力供給システムを提供することを目的とする。

開示される無線電力供給システムは、電源部と、送電共振コイルと、受電共振コイルと、電力受給部と、距離検出部と、送電周波数制御部と、受電周波数制御部とを備える。電源部は、電力を供給する。送電共振コイルは、磁場共鳴を生じさせる共振周波数において受電共振コイルとの磁場共鳴が可能であり、電源部から供給された電力を、磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして送電する。受電共振コイルは、共振周波数における送電共振コイルとの磁場共鳴が可能であり、送電共振コイルから送電された磁界エネルギーを、磁場共鳴を用いて受電する。電力受給部は、受電共振コイルが受電した磁界エネルギーを電力として出力する。距離検出部は、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離を検出する。送電周波数制御部は、送電共振コイルに対応して設けられ、送電共振コイルの共振周波数を、距離検出部が検出した距離に基づいて定まる値に変更する。受電周波数制御部は、受電共振コイルに対応して設けられ、受電共振コイルの共振周波数を、距離検出部が検出した距離に基づいて定まる値であって、変更された送電共振コイルの共振周波数の値と同一の値に変更する。

開示される無線電力供給システムによれば、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が変動した場合でも、送電共振コイルの共振周波数及び受電共振コイルの共振周波数を変更することにより、共鳴状態を維持することができる。従って、送電装置から受電装置への電力の伝送効率の低下を防止することができる。

無線電力供給システムの構成の一例を示す図である。 無線電力供給システムにおける伝送コイルの説明図である。 磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。 無線電力供給システムの構成の一例を示す図である。 磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。 磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。 磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。 磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。 磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。

本発明者は、磁場共鳴モードによる無線電力供給において、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が変動した場合における、高い効率での電力伝送の維持について検討した。換言すれば、磁場共鳴モードによる無線電力供給における、共鳴状態の維持について検討した。

図５は、磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。

図５（Ａ）に示すように、磁場共鳴モードによる無線電力供給においては、送電共振コイル５１２の共振周波数と、受電共振コイル５２２の共振周波数とを、同一の値ｆに設定する。これにより、送電共振コイル５１２から、受電共振コイル５２２へ、磁場共鳴を用いて電力が磁界エネルギーとして送電される。なお、電源部５１１は、送電共振コイル５１２に対して、電磁誘導により電力を供給する。受電共振コイル５２２は、電力受給部５２１に対して、電磁誘導により電力を供給する。

ここで、送電共振コイル５１２は、両端が開放されインダクタンスＬを有するコイルであり、浮遊容量による容量Ｃを有する。また、図５の例では浮遊容量による容量Ｃを想定しているが、素子コンデンサＣを挿入する場合もある。これにより、送電共振コイル５１２は、図５（Ｂ）に示すように、ＬＣ共振回路となる。送電共振コイル５１２の共振周波数ｆは、そのインダクタンスＬと容量Ｃとに基づいて、
ｆ＝１／２π（ＬＣ）^１／２・・・（式１）
により求まる。受電共振コイル５２２も同様である。従って、送電共振コイル５１２と受電共振コイル５２２について、それぞれのＬとＣの積が同じであることが必要となる。

図６〜図８は、磁場共鳴モードによる無線電力供給において、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が変動した場合における伝送電力又は伝送効率について、本発明者が検討した結果を示す。

図６は、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が最適である場合における、伝送周波数と伝送電力との関係を示す。図６において、横軸は周波数を示し、縦軸は伝送電力（ｄＢ）を示す。伝送周波数は、電力の伝送時における、送電共振コイルの共振周波数及び受電共振コイルの共振周波数である。

送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が最適である場合、伝送電力は、図６の曲線ａに示すようになる。即ち、伝送電力は、伝送周波数の変化に応じて変化し、伝送周波数が共振周波数ｆの近傍において、最大となり、最も高い効率で伝送される。

なお、図６においては、曲線ａの頂点の近傍の形状がやや歪んでいる。これは、送電共振コイル及び受電共振コイルにおける共振周波数以外の種々の条件に依存するものである。このため、図６においては、伝送周波数が共振周波数ｆである場合に伝送電力が最大とはなっていない。しかし、理想的には、伝送電力は、点線で示すように、伝送周波数が共振周波数ｆである場合に最大となると考えて良い。

図７は、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が最適距離よりも短い場合における、伝送周波数と伝送電力との関係を示す。図７において、横軸は周波数を示し、縦軸は伝送電力（ｄＢ）を示す。

送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が最適距離よりも短い場合、伝送電力は、図７の曲線ｂに示すようになる。即ち、図７の曲線ｂにおける伝送電力の大きさは、２つのピークを持つように、即ち、いわゆるスプリットの状態となる。この時、図６の曲線ａのピークが、曲線ｂの２つのピークの中間に対応するようになる。従って、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が最適距離よりも短い場合において、伝送周波数が共振周波数ｆであると、伝送電力が低下する。

図８は、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離と伝送効率との関係を示す。図８において、横軸は送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離を示し、縦軸は伝送効率（％）を示す。なお、伝送周波数は共振周波数ｆで一定であり、送電共振コイルへの電力の供給は１００％で一定である。

伝送効率は、図８に示すように、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離であるコイル距離の変化に応じて変化する。即ち、伝送効率は、コイル距離が最適距離ｄ０である場合に、最大となる。換言すれば、伝送効率が最大となる時のコイル距離が、その送電共振コイルと受電共振コイルにおける、換言すれば、その共振周波数ｆにおける最適距離ｄ０である。

コイル距離が最適距離ｄ０より短い場合、即ち、領域ａにおいては、伝送効率は、コイル距離が最適距離ｄ０より短くなるにつれて低下する。これは、図７に示す場合に相当する。また、コイル距離が最適距離ｄ０より長い場合、即ち、領域ｂにおいては、伝送効率は、コイル距離が最適距離ｄ０より長くなるにつれて低下する。これは、図６に示す場合に相当する。

以上のように、本発明者の検討によれば、磁場共鳴モードによる無線電力供給において、送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離であるコイル距離が変動した場合、伝送効率が低下し又は伝送不能となる。そこで、本発明においては、コイル距離が変動した場合、電力の伝送時における送電共振コイルの共振周波数及び受電共振コイルの共振周波数を変更する。

例えば、図７に示す状態において、共振周波数の値を、本来の共振周波数の値ｆよりも低くする（ｆ’とする）。これにより、図９（Ａ）に示すように、図７における曲線ｂを全体的に左方向に移動させて、曲線ｃとすることができる。これにより、曲線ｃにおける一方のピークを、曲線ａのピークに一致させることができる。

又は、図７に示す状態において、共振周波数の値を、本来の共振周波数の値ｆよりも高くする（ｆ’とする）。これにより、図９（Ｂ）に示すように、図７における曲線ｂを全体的に右方向に移動させて、曲線ｄとすることができる。これにより、曲線ｄにおける一方のピークを、曲線ａのピークに一致させることができる。

このような共振周波数の変更は、コイル距離が本来の共振周波数ｆについての最適距離ｄ０から変動したことに対応して、共振周波数を変更することにより、その時点のコイル距離が最適距離となるように補正したことに等しい。以上により、以下に開示の無線電力供給システムは、電力の伝送時における送電共振コイルの共振周波数及び受電共振コイルの共振周波数を変更することにより、共鳴状態を維持する。

図１は、無線電力供給システムの構成の一例を示す図である。

無線電力供給システムは、送電装置１と受電装置２とを備える。送電装置１と受電装置２は、磁気的結合３により結合される。送電装置１は、電源部１１と、送電共振コイル１２と、送電周波数制御部１３と、距離検出部１４とを備える。電源部１１は、発振回路１１１と、電力供給コイル１１２とを備える。受電装置２は、電力受給部２１と、受電共振コイル２２と、受電周波数制御部２３とを備える。電力受給部２１は、電力取出コイル２１１と、負荷２１２とを備える。

磁気的結合３は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間における、電磁誘導又は磁場共鳴により実現される。磁気的結合３を電磁誘導又は磁場共鳴のいずれにより実現するかは、図３を参照して後述するように、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離であるコイル距離に依存する。詳しくは後述するが、概略すると、コイル距離が短い場合には電磁誘導を用い、コイル距離がより長い場には磁場共鳴を用いる。磁気的結合３により、送電装置１は、受電装置２に対して、電気エネルギーを磁気的に伝送する。

電磁誘導は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離であるコイル距離が極めて小さい場合に成立する。これに対して、磁場共鳴は、コイル距離が比較的長い距離でも成立する。磁場共鳴においては、送電共振コイル１２の共振周波数と受電共振コイル２２の共振周波数とは同一でなければならない。そこで、図１の無線電力供給システムでは、比較的長い距離においても磁気的結合３を実現するために、送電共振コイル１２の共振周波数と受電共振コイル２２の共振周波数とは同一の値ｆとされる。コイル距離及び共振周波数の同一については、各々、後述する。

送電共振コイル１２及び受電共振コイル２２は、共振周波数ｆを同一とする必要があり、例えば双方とも銅で形成された直径３０ｃｍのヘリカル型コイルとされる。コイル距離は、例えば２００ｃｍとされる。共振周波数は、例えば１０ＭＨｚとされる。但し、共振周波数を同一とするためには、必ずしも同一の形状である必要はない。

送電共振コイル１２は、両端が開放されたコイルである。送電共振コイル１２には、Ｑ値を高めるために、電気回路が接続されない。送電共振コイル１２は、以下に述べるように、ＬＣ共振回路となる。共振の鋭さを表すＱ値は、コイルの純抵抗と放射抵抗により決まり、これらの値が小さい程大きな値を得ることができる。共振周波数ｆは、前述したように、式１により求まり、送電共振コイル１２に固有の値である。

送電共振コイル１２は、図５とは異なり、空芯状のコイル部と、コイル部に対して直列に接続されたコンデンサとを含む。送電共振コイル１２については、図２を参照して後述する。

送電共振コイル１２は、コイル部のインダクタンスをＬ、コンデンサの容量をＣとし、発振回路１１１から供給される交流電力の周波数をｆとした場合、式１で表される周波数で共振状態となる。この周波数ｆが共振周波数ｆとなる。共振状態においては、コンデンサ内部の電圧による電場から、コイル部を流れる電流による自由空間の磁場へ、エネルギーが周期的に交換される。

共振状態の送電共振コイル１２に対して、同一の共振周波数ｆを持つ受電共振コイル２２を近接させると、送電共振コイル１２からの磁場によって受電共振コイル２２が共鳴する。このような磁場による共鳴現象を磁場共鳴モードと称する。磁場共鳴モードにおいては、送電共振コイル１２の電力が、近接した受電共振コイル２２へ無線で伝送される。即ち、磁場共鳴モードは磁場を介しての共振回路の共鳴現象である。磁場共鳴モードを用いた送電においては、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離が、これらの半径を越える値であっても、高い効率で電力を伝送することができる。

送電装置１において、電源部１１は、送電共振コイル１２に対して電力を供給する。電源部１１の発振回路１１１は、電力供給コイル１１２に電力を供給する電源を備える。発振回路１１１は、例えばコルピッツ発振回路である。電力供給コイル１１２は、発振回路１１１から、例えば、後述する理由で、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間に磁場共鳴を生じさせる共振周波数ｆで、電力を供給される。

電力供給コイル１１２は、発振回路１１１から供給された電力を、電磁誘導により、送電共振コイル１２に供給する。従って、送電共振コイル１２と電力供給コイル１１２とは、電磁誘導により電力が供給できる程度の近距離に配置される。これにより、電源部１１と送電共振コイル１２との間において、電力は、電磁誘導を用いて伝送される。

送電共振コイル１２と電力供給コイル１１２との間において、磁界共鳴を用いず、電磁誘導を用いることにより、送電共振コイル１２から見て、電力供給コイル１１２の共振周波数を考慮しなくても良い。従って、電力供給コイル１１２は、電力供給コイル１１２に接続する発振回路１１１によって、送電共振コイル１２の共振周波数が変化する事を考慮しなくても良い。このため、電力供給コイル１１２を用いることにより、発振回路１１１の設計の自由度を向上することができる。また、後述するように、送電共振コイル１２の共振周波数を変更した場合でも、発振回路１１１の発振周波数を変更する必要がない。一方、発振回路１１１の発振周波数は、送電共振コイル１２との整合性から、送電共振コイル１２の共振周波数ｆで発振するようにされる。発振回路１１１の発振周波数は、送電共振コイル１２の共振周波数ｆ以外の周波数であっても良い。

送電共振コイル１２は、磁場共鳴を生じさせる共振周波数において受電共振コイル２２との磁場共鳴が可能とされる。送電共振コイル１２は、受電共振コイル２２に対して、電源部１１から供給された電力を、磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして送電し、又は、電磁誘導を用いて送電する。

この時、距離検出部１４は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離であるコイル距離を検出する。換言すれば、距離検出部１４は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２の相対関係を検出する検出器を備える。前述したように、コイル距離が短い場合には、電磁誘導が用いられる。また、磁場共鳴においては、コイル距離が変化すると、磁場共鳴を用いた伝送に適した共振周波数も変化する。

そこで、距離検出部１４は、例えば送電開始スイッチのオンに応じて、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の送電が開始されると、これらの間のコイル距離の検出を開始する。距離検出部１４は、コイル距離の検出結果を、逐次、送電周波数制御部１３に例えば有線により送信し、受電周波数制御部２３に例えばブルートゥースや赤外線通信等の無線により送信する。

コイル距離の検出は、種々の手段により行うことができる。例えば、市販の距離検出装置により、送電装置１と受電装置２との間の距離を測定し、この測定結果に基づいて、コイル距離を算出することができる。また、例えば、図４を参照して後述するように、受電装置２が自動車等に設けられる場合には、車載の車間距離測定装置により送電装置１と受電装置２との間の距離を測定するようにしても良い。更に、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との物理的な間隔を直接測定することにより、コイル距離を検出するようにしても良い。

なお、距離検出部１４に代えて、図１に点線で示すように、距離検出部２４を受電装置２に設けるようにしても良い。また、距離検出部１４及び距離検出部２４の双方を、送電装置１及び受電装置２に設けるようにしても良い。

送電周波数制御部１３は、送電共振コイル１２に対応して設けられる。送電周波数制御部１３は、距離検出部１４からコイル距離の検出結果を受信して、送電共振コイル１２の共振周波数ｆを、受信したコイル距離の検出結果に基づいて、その時点の共振周波数（第１共振周波数という）から、これとは異なる値の新たな共振周波数（第２共振周波数という）に変更する。換言すれば、送電周波数制御部１３は、送電共振特性を変更可能な送電共振回路である送電共振コイル１２の送電共振特性を変更する。

このために、送電周波数制御部１３は、例えば、コイル距離に応じて、当該コイル距離に応じた共振周波数を実現するための容量を格納するテーブルを備える。送電周波数制御部１３は、受信したコイル距離の検出結果を用いてテーブルを参照して、当該コイル距離に応じた共振周波数を実現するための容量を選択し、この容量を選択するための制御信号を形成する。そして、送電周波数制御部１３は、送電共振コイル１２に制御信号を印加して、送電共振コイル１２の第１共振周波数を、検出されたコイル距離に応じた値を持つ第２共振周波数に変更する。これにより、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離であるコイル距離が短い場合には、電磁誘導を用いたエネルギー伝送が可能となり、また、磁場共鳴においては、コイル距離に応じて、磁場共鳴を用いた伝送に適した共振周波数を設定することができる。

送電周波数制御部１３及び距離検出部１４は、ＣＰＵと、主メモリ上に存在し周波数制御処理及び距離検出処理を実行するプログラムとにより実現される。受電周波数制御部１４も同様である。距離検出部１４は、更に、予め設定された位置についての距離を測定する測定手段を備える。

なお、選択される容量の値には、後述するように、０を含む。これにより、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離であるコイル距離が短い場合には、電磁誘導を用いたエネルギー伝送が可能とされる。

受電装置２において、受電共振コイル２２は、共振周波数において送電共振コイル１２との磁場共鳴が可能とされる。受電共振コイル２２は、送電共振コイル１２から送電された磁界エネルギーを磁場共鳴を用いて受電し、又は、送電共振コイル１２から送電されたエネルギーを電磁誘導を用いて受電する。受電共振コイル２２の共振周波数は、前述したように、送電共振コイル１２の共振周波数ｆに一致する。

受電周波数制御部２３は、受電共振コイル２２に対応して設けられる。受電周波数制御部２３は、送電周波数制御部１３と同様にして、受電共振コイル２２の共振周波数ｆを変更する。即ち、受電周波数制御部２３は、距離検出部１４からコイル距離の検出結果を受信して、受信したコイル距離の検出結果に基づいて、その時点の共振周波数（第１共振周波数）から、これとは異なる値の新たな共振周波数（第２共振周波数）に変更する。換言すれば、受電周波数制御部２３は、受電共振特性を変更可能な受電共振回路である受電共振コイル２２の受電共振特性を変更する。

電力受給部２１は、受電共振コイル２２が受電したエネルギーを、電力として出力する。電力受給部２１の電力取出コイル２１１は、受電共振コイル２２から電磁誘導により電力を取り出す。従って、受電共振コイル２２と電力取出コイル２１１とは、電磁誘導により電力が取り出せる程度の近距離に配置される。これにより、受電共振コイル２２と電力受給部２１との間において、電力は、電磁誘導を用いて伝送される。

受電共振コイル２２と電力受給部２１との間において、磁界共鳴を用いず、電磁誘導を用いることにより、受電共振コイル２２から見て、電力取出コイル２１１の共振周波数を考慮しなくても良い。このため、電力取出コイル２１１を用いることにより、電力受給部２１の設計の自由度を向上することができる。また、後述するように、受電共振コイル２２の共振周波数を変更した場合でも、電力取出コイル２１１を変更する必要がない。

電力取出コイル２１１は、負荷２１２に接続される。負荷２１２は、電力取出コイル２１１から取り出された電力を消費する。負荷２１２は、例えば、電子機器、バッテリー、白熱灯等である。なお、電力供給コイル１１２と負荷２１２との間には、実際には、取り出した電力を負荷２１２で消費する電力に変換する出力回路が接続される。出力回路は、例えば、ＡＣ−ＤＣコンバータ、電圧変換回路、トランス、整流回路、充電量を監視する充電回路等である。

図２は、図１の無線電力供給システムにおける送電共振コイル及び受電共振コイルの説明図である。なお、前述したように、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２は同一の構造を有するので、以下においては、送電共振コイル１２のみについて説明し、受電共振コイル２２についての説明は省略する。

送電共振コイル１２は、図２（Ａ）に示すように、１個のコイル部１２１と、複数のコンデンサ１２２とを備える。コイル部１２１はインダクタンスＬを持つ。複数のコンデンサ１２２は、異なる容量Ｃ０〜Ｃ３を持つ４個のコンデンサと、容量を持たない配線Ｗと、切り替えスイッチＳＷとを含む。なお、例えば、容量Ｃ０のコンデンサを、コンデンサＣ０と言うこととする。配線Ｗは、容量が０のコンデンサＣ４であると考えて良い。従って、複数のコンデンサ１２２は、異なる容量Ｃ０〜Ｃ４を持つ５個のコンデンサを含むと言うことができる。複数のコンデンサ１２２は、並列接続される。切り替えスイッチＳＷは、コンデンサ１２２の容量Ｃ０〜Ｃ４を切り替える。

コイル部１２１は、図示しない切り替えスイッチを介して、複数のコンデンサ１２２と直列接続され、閉回路を構成する。従って、図２（Ａ）の送電共振コイル１２は、インダクタンスＬを固定して、容量Ｃを選択的に切り替えることにより、共振周波数ｆを変更することができる。

前述したように、送電周波数制御部１３は、コンデンサ１２２の複数のコンデンサＣ０〜Ｃ４のいずれかを選択する。このために、送電周波数制御部１３は、制御信号を送電共振コイル１２の複数のコンデンサ１２２の切り替えスイッチＳＷに印加する。なお、例えば、コンデンサＣ０の場合の共振周波数をｆ０と言うこととする。

例えば、コンデンサＣ０の容量が最大とされ、コンデンサＣ１〜Ｃ３はこの順にその容量が小さくされ、コンデンサＣ４即ち配線Ｗは容量が０とされる。コンデンサＣ０〜Ｃ３のいずれかが選択された場合、送電共振コイル１２は、選択されたコンデンサに応じた値の共振周波数を持つ。この場合、共振周波数は、予め設定された複数の値の中から、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離であるコイル距離に基づいて選択した値とされる。

コンデンサＣ４即ち配線Ｗが選択された場合、その容量が０であるので、送電共振コイル１２は、共振せず、共振周波数ｆを持たない。この場合、送電共振コイル１２は、電磁誘導を用いて、電力を受電共振コイル２２に送電する。

なお、送電共振コイル１２が、図２（Ｂ）に示すように、複数のコンデンサ１２２に代えて、１個の可変コンデンサ１２３を備えるようにしても良い。この場合、共振周波数は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離であるコイル距離に応じて定まる、連続的に可変な値とされる。送電周波数制御部１３は、制御信号により、可変コンデンサ１２３の値を選択する。このために、送電周波数制御部１３は、制御信号を送電共振コイル１２の可変コンデンサ１２３に印加する。

なお、可変コンデンサ１２３は、その容量として値０を取り得る。これにより、図２（Ｂ）の送電共振コイル１２は、電磁誘導を用いて、電力を受電共振コイル２２に送電することができる。

また、送電共振コイル１２が、図２（Ｃ）に示すように、１個の可変インダクタンス１２４と１個のコンデンサ１２５とを備えるようにしても良い。可変インダクタンス１２４とコンデンサ１２５は、直列接続され、閉回路を構成する。従って、図２（Ｃ）の送電共振コイル１２は、インダクタンスＬを連続的に切り替え、コンデンサの容量Ｃを固定することにより、共振周波数ｆを変更することができる。送電周波数制御部１３は、制御信号により、可変インダクタンス１２４の値を選択する。このために、送電周波数制御部１３は、制御信号を送電共振コイル１２の可変インダクタンス１２４に印加する。

なお、この場合、コンデンサ１２５の両端を短絡する、図示しないスイッチが設けられる。送電周波数制御部１３がこのスイッチをオンすることにより、コンデンサ１２５は、その容量を等価的に０とする。これにより、図２（Ｃ）の送電共振コイル１２は、電磁誘導を用いて、電力を受電共振コイル２２に送電することができる。

図３は、図１の無線電力供給システムにおける磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。図３において、横軸は送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離を示し、縦軸は伝送効率（％）を示す。なお、送電共振コイルへの供給電力は、１００％で一定である。

前述したように、図１の無線電力供給システムは、磁気的結合３を、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間における電磁誘導又は磁場共鳴により実現する。電磁誘導は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離であるコイル距離が、きわめて短い場合に実現可能である。更に、図１の無線電力供給システムは、磁場共鳴を用いて電力を伝送する場合に、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２の共振周波数を、コイル距離に基づいて変更する。

そこで、図１の無線電力供給システムにおいては、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離であるコイル距離を、図３に示すように、３つの領域Ｄ１〜Ｄ３に分別する。

領域Ｄ１は、コイル距離がｄ１より小さい領域である。領域Ｄ１はコイル距離が０である場合を含まない。領域Ｄ１は、磁場、又は、磁場が支配的な領域である。例えば、ｄ１は数ｍｍである。このように、領域Ｄ１は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２とが接してはいないが、極めて短い距離で対向している領域である。

従って、領域Ｄ１は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間で、電力を電磁誘導を用いて伝送可能な領域である。そこで、領域Ｄ１においては、電磁誘導を用いたエネルギー伝送の効率を高くするために、送電共振コイル１２及び受電共振コイル２２における容量成分が切り離される。この結果、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２は共振しないことになる。

領域Ｄ２は、コイル距離がｄ１〜ｄ２である領域である。領域Ｄ２は、近接場、又は、近接場が支配的な領域である。ｄ２は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２における共振周波数ｆでのエネルギー伝送において、最大の効率が得られる距離である。共振周波数ｆは、前述したように、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２におけるインダクタンス成分及び容量成分により定まる。従って、ｄ２は、共振周波数ｆについての最適距離ｄ０である。例えば、ｄ２は数１００ｃｍである。このように、領域Ｄ２は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２とが、中程度の距離で離間している距離である。

従って、領域Ｄ２は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間で、電力を磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして伝送可能な領域であり、かつ、電力を磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして伝送する場合において、コイル距離が大きくなるにつれて伝送効率が高くなる領域である。そこで、領域Ｄ２においては、磁場共鳴を用いたエネルギー伝送の効率を高くするために、送電共振コイル１２及び受電共振コイル２２における共振周波数ｆが、コイル距離に基づいて変更される。

実際には、領域Ｄ１と領域Ｄ２とは、明確に区別することはできない。即ち、図３に示すように、距離ｄ１の近傍においては、送電共振コイル１２及び受電共振コイル２２の設定条件によっては、両者の間において、電磁誘導も磁場共鳴も成立しうる。また、距離ｄ１の近傍においては、電磁誘導によるエネルギー伝送の効率が急激に低下し、一方、磁場共鳴によるエネルギー伝送の効率が急激に上昇する。そこで、例えば、図３に示すように、電磁誘導によるエネルギー伝送の効率の急激な低下が開始される距離が、ｄ１とされる。ｄ１は、経験的に又は実験的に定めることができる。

領域Ｄ３は、コイル距離がｄ２〜ｄ３である領域である。領域Ｄ３は、領域Ｄ２と同様に、近接場、又は、近接場が支配的な領域である。領域Ｄ３において、コイル距離がｄ３よりも大きくなると、伝送効率が著しく低下する結果、殆ど電力を磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして伝送することができなくなる。従って、領域Ｄ３の上限は、ｄ３であると考えることができる。コイル距離がｄ３より大きい領域は、電磁波の領域（電磁場）、又は、電磁波が支配的な領域である。例えば、ｄ３は１０ｍ程度である。このように、領域Ｄ３は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２とが、中程度の距離で離間している距離である。

従って、領域Ｄ３は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間で、電力を磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして伝送可能な領域であり、かつ、電力を磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして伝送する場合において、コイル距離が大きくなるにつれて伝送効率が低くなる領域である。換言すれば、伝送効率の観点からは、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２の共振周波数よりも、コイル距離の変動のほうが影響が大きい。そこで、領域Ｄ３においては、送電共振コイル１２及び受電共振コイル２２の共振周波数が値ｆ０で固定される。

なお、領域Ｄ２と領域Ｄ３とは、明確に区別することができる。即ち、図３に示すように、距離ｄ２は、前述したように、共振周波数ｆについての最適距離ｄ０である。従って、距離ｄ２は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２を設計した時点で、共振周波数ｆについての最適距離ｄ０として、予め知ることができる。

コイル距離が領域Ｄ１即ち磁場に属する場合、送電周波数制御部１３が、図２（Ａ）の送電共振コイル１２のコンデンサ１２２の容量を０とする。換言すれば、コンデンサＣ４即ち配線Ｗを選択する。また、受電周波数制御部２３が、同様に、受電共振コイル２２のコンデンサの容量を０とする。これにより、送電共振コイル１２は共振せず、受電共振コイル２２も共振しない。これと、コイル距離が領域Ｄ１に属する程度に短いこととに起因して、送電共振コイル１２は、受電共振コイル２２に対して、電力を電磁誘導を用いて伝送することができる。

コイル距離が領域Ｄ２即ち近接場に属する場合、送電周波数制御部１３が、図２（Ａ）の送電共振コイル１２の共振周波数をコイル距離に応じて定まる値とする。また、受電周波数制御部２３が、同様に、受電共振コイル２２の共振周波数をコイル距離に応じて定まる値であって、送電共振コイル１２の共振周波数の値と同一の値とする。これにより、送電共振コイル１２は、受電共振コイル２２に対して、磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして伝送することができる。

具体的には、コイル距離が領域Ｄ２即ち近接場の一方に属する場合においては、図２（Ａ）を参照して前述したように、送電周波数制御部１３が、図２（Ａ）の送電共振コイル１２のコンデンサ１２２の容量をＣ１〜Ｃ３のいずれかの値とする。これにより、送電周波数制御部１３が、送電共振コイル１２の共振周波数を予め設定された複数の値ｆ１〜ｆ３の中から、コイル距離に基づいて選択した値とする。また、受電周波数制御部２３が、同様に、受電共振コイル２２の共振周波数を予め設定された複数の値ｆ１〜ｆ３の中から、コイル距離に基づいて選択した値であって、送電共振コイル１２の共振周波数の値と同一の値とする。

例えば、図３の例においては、コイル距離ｄ１において、容量Ｃ３のコンデンサ１２２を選択して、共振周波数をｆ３とする。コイル距離ｄ１とｄ２の中間点の近傍において、容量Ｃ２のコンデンサ１２２を選択して、共振周波数をｆ２とする。コイル距離ｄ２の近傍において、容量Ｃ１のコンデンサ１２２を選択して、共振周波数をｆ１とする。コンデンサ１２２の容量の選択に代えて、コイル部１２１のインダクタンスＬ３〜Ｌ１を選択するようにしても良い。

なお、図２（Ｂ）に示すように、コイル距離に基づいて可変コンデンサ１２３の値を変化させることにより、共振周波数を連続的に変化させるようにしても良い。

ここで、共振周波数が同一とは、完全な同一である必要はなく、実質的に同一であれば良い。実質的に同一であるか否かは、Ｑ値に依存して決定される。実質的に同一である範囲は、Ｑ値が高ければ高い程狭くなり、Ｑ値が低ければ低いほど広くなる。実質的に同一の範囲は、例えば、共振点の値が半値となる周波数の範囲である。又は、実質的に同一の範囲は、目標とする効率を達成する周波数範囲である。又は、実質的に同一の範囲は、電磁誘導よりも高い効率で電力が伝送できる周波数範囲である。

コイル距離が領域Ｄ３即ち近接場の他方に属する場合、送電周波数制御部１３が、図２（Ａ）の送電共振コイル１２の共振周波数を、予め設定された共振周波数ｆ０で固定する。即ち、送電共振コイル１２において、容量Ｃ０のコンデンサ１２２が選択され、共振周波数をｆ０とされる。また、受電周波数制御部２３が、同様に、受電共振コイル２２の共振周波数を、予め設定された共振周波数であって、送電共振コイル１２の共振周波数の値ｆ０と同一の値とする。これにより、送電共振コイル１２は、受電共振コイル２２に対して、磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして伝送することができる。

なお、実際には、図４の例からも判るように、例えば、受電装置２は、送電装置１に対して、遠方から近づいてくる。換言すれば、受電装置２は、送電装置１に対して、領域Ｄ３、Ｄ２、Ｄ１の順に接近する。

従って、送電共振コイル１２及び受電共振コイル２２において、容量Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４（＝０）のコンデンサ１２２が、この順に選択される。換言すれば、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離であるコイル距離が領域Ｄ３に属する間は、容量Ｃ０のコンデンサ１２２が選択される。コイル距離が領域Ｄ２に属する間は、容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３のコンデンサ１２２が選択される。このために、領域Ｄ２は、送電周波数制御部１３のテーブルにおいて、コイル距離に基づいて、更に、容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に対応する３つのサブ領域に分割される。コイル距離が領域Ｄ１に属する間は、容量Ｃ４（＝０）のコンデンサ１２２が選択される。これにより、送電共振コイル１２の共振周波数及び受電共振コイル２２の共振周波数は、ｆ０、ｆ１、ｆ２、ｆ３の順に選択され、最後に共振しない状態が選択される。

図４は、無線電力供給システムの構成の一例を示す図であり、図５の無線電力供給システムを自動車に適用した例を示す。

自動車４は、例えば電気自動車又はいわゆるハイブリッド自動車のように、自動車４を駆動するためのバッテリーを備える。自動車４には受電装置２が設けられ、例えば駐車場や給電ステーションには送電装置１が設けられる。

例えば、図４（Ａ）に示すように、送電装置１及び送電共振コイル１２が駐車場等の床面に設けられ、受電装置２及び受電共振コイル２２が自動車４の底面に設けられる。又は、図４（Ｂ）に示すように、送電装置１及び送電共振コイル１２が駐車場等の壁面に設けられ、受電装置２及び受電共振コイル２２が自動車４の前面又は後面に設けられる。

これにより、自動車４が所定の位置に駐車すると、図４（Ａ）又は図４（Ｂ）に示すように、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２とが対向するようにされる。この時、車種や駐車の位置によって、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離であるコイル距離は、種々の値をとる。

このようにコイル距離が変動する場合でも、コイル距離に応じて送電共振コイル１２及び受電共振コイル２２の共振周波数が変更される。これにより、送電共振コイル１２から受電共振コイル２２へ、磁場共鳴を用いて、電力を磁界エネルギーとして効率よく伝送することができる。これに加えて、特に、図４（Ｂ）において、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離が極めて近接した場合でも、電磁誘導を用いて、電力を効率よく伝送することができる。この結果、短時間で自動車４のバッテリーを充電することができる。

なお、本発明は、自動車４に代えて、例えば、工場内や家庭内のロボット等の移動体にも、同様に適用することができる。

１ 送電装置
２ 受電装置
３ 磁気的結合
１１ 電源部
１２ 送電共振コイル
１３ 送電周波数制御部
１４、２４ 距離検出部
２１ 電力受給部
２２ 受電共振コイル
２３ 受電周波数制御部
１１１ 発振回路
１１２ 電力供給コイル
２１１ 電力取出コイル
２１２ 負荷

Claims (7)

1. 電力を供給する電源部と、
   磁場共鳴を生じさせる第１共振周波数において受電共振コイルとの磁場共鳴が可能であり、前記電源部から供給された前記電力を、前記磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして送電する送電共振コイルと、
   前記第１共振周波数において前記送電共振コイルとの磁場共鳴が可能であり、前記送電共振コイルから送電された前記磁界エネルギーを、前記磁場共鳴を用いて受電する受電共振コイルと、
   前記受電共振コイルが受電した前記磁界エネルギーを電力として出力する電力受給部と、
   前記送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離を検出する距離検出部と、
   前記送電共振コイルに対応して設けられ、前記送電共振コイルの前記第１共振周波数を、前記距離検出部が検出した前記距離に基づいて、前記第１共振周波数から前記第１共振周波数とは異なりかつ磁場共鳴を生じさせる第２共振周波数に変更する送電周波数制御部と、
   前記受電共振コイルに対応して設けられ、前記受電共振コイルの前記第１共振周波数を、前記距離検出部が検出した前記距離に基づいて前記第１共振周波数から前記第２共振周波数に変更する受電周波数制御部とを備える
   ことを特徴とする無線電力供給システム。
2. 前記電源部と前記送電共振コイルとの間で前記電力を電磁誘導を用いて伝送し、
   前記受電共振コイルと前記電力受給部との間で前記電力を電磁誘導を用いて伝送する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線電力供給システム。
3. 前記送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が、これらの間で前記電力を前記磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして伝送する場合において、前記距離が大きくなるにつれて伝送効率が高くなる領域に属する場合に、前記送電周波数制御部が前記送電共振コイルの前記第２共振周波数を前記距離に応じて定まる値とし、前記受電周波数制御部が前記受電共振コイルの前記第２共振周波数を前記距離に応じて定まる値であって、前記送電共振コイルの前記第２共振周波数の値と同一の値とすることにより、前記送電共振コイルと受電共振コイルとの間で前記電力を前記磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして伝送する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線電力供給システム。
4. 前記送電周波数制御部が前記送電共振コイルの前記第２共振周波数を予め設定された複数の値の中から前記距離に基づいて選択した値とし、前記受電周波数制御部が前記受電共振コイルの前記第２共振周波数を予め設定された複数の値の中から前記距離に基づいて選択した値であって、前記送電共振コイルの前記第２共振周波数の値と同一の値とする
   ことを特徴とする請求項３に記載の無線電力供給システム。
5. 前記送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が、これらの間で前記電力を前記磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして伝送する場合において、前記距離が大きくなるにつれて伝送効率が低くなる領域に属する場合に、前記送電周波数制御部が前記送電共振コイルの前記共振周波数を前記第１共振周波数とし、前記受電周波数制御部が前記受電共振コイルの前記共振周波数を前記第１共振周波数とすることにより、前記送電共振コイルと受電共振コイルとの間で前記電力を前記磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして伝送する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線電力供給システム。
6. 前記送電共振コイルがインダクタンスとコンデンサとを備え、
   前記受電共振コイルがインダクタンスとコンデンサとを備え、
   前記送電共振コイルと受電共振コイルとの間の距離が、これらの間で前記電力を電磁誘導を用いて伝送可能な領域に属する場合に、前記送電周波数制御部が前記送電共振コイルのコンデンサの容量を０とし、前記受電周波数制御部が前記受電共振コイルのコンデンサの容量を０とすることにより、前記送電共振コイルと受電共振コイルとの間で前記電力を前記電磁誘導を用いて伝送する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線電力供給システム。
7. 第１共振周波数で電力を供給する電源部と、
   前記電力を磁界エネルギーに変換して送電する送電コイルと、
   前記送電コイルを含み、送電共振特性を変更可能な送電共振回路と、
   前記送電共振回路の前記送電共振特性を変更する送電周波数制御部と、
   前記磁界エネルギーを受信して電力に変換する受電コイルと、
   前記受電コイルを含み、受電共振特性を変更可能な受電共振回路と、
   前記受電共振回路の前記受電共振特性を変更する受電周波数制御部と、
   前記送電コイルと前記受電コイルの間の距離を検出する検出器とを備え、
   前記送電共振特性および前記受電共振特性は、前記第１共振周波数で共鳴する共鳴特性を有する第１共鳴特性と、前記第１共振周波数とは異なる第２共振周波数で共振する共振特性を有し、かつ、前記第１共振周波数で共鳴する共鳴特性を有する第２共鳴特性との複数の共振特性を有し、前記検出器の出力に基づいて、送電周波数制御部と受電周波数制御部は、送電共振回路および受電共振回路の共振特性を、前記第１共鳴特性と前記第２共鳴特性とを切り替える
   ことを特徴とする無線電力供給システム。

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