JP5522271B2 - ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置、ワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、非接触で電力伝送を行うためのワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置、及び、ワイヤレス電力伝送システムに関する。

下記特許文献１には、ワイヤレス給電装置からワイヤレス受電装置へ非接触（無線）で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムが開示されている。このワイヤレス電力伝送システムでは、電磁誘導作用を利用して電力伝送を行う。そのため、ワイヤレス給電装置１０は、給電コイル１４と給電コンデンサ１５とを有する給電共振回路を備え、また、ワイヤレス受電装置２０も、受電コイル２１と受電コンデンサ２２とを有する受電共振回路を備える。なお、給電コイル１４と受電コイル２１とが給電トランスＴｆを構成し、これらの間で電磁誘導作用を利用して非接触で電力伝送が行われる。

このように電磁誘導作用を利用したワイヤレス電力伝送システムでは、伝送電力の力率を「１」近傍にして電力伝送を効率的に行う。しかしながら、給電コイル１４と受電コイル２１との相対距離が変化すると、これらのコイルの相互インダクタンスが変化し、伝送電力の力率が低下してしまう。その結果、効率的な電力伝送を行うことができなくなる。

この点に関し、特許文献１には、給電トランスの相互インダクタンスの変化に応じた給電共振回路の共振電流の周波数を探索し、給電共振回路に供給する電圧の周波数をこの共振電流の周波数に応じた値とする発明が開示されている。そのために、ワイヤレス給電装置１０は、給電共振回路に接続された電圧型インバータ１３をＰＷＭ制御する制御装置３０において、周波数制御回路３１を備える。周波数制御回路３１は、電圧型インバータ１３の出力電流を検出し、電圧型インバータ１３の出力電力の力率が１となるように、電圧型インバータ１３の出力電圧の位相周波数制御を行う。具体的には、周波数制御回路３１は、電圧型インバータ１３が零電流スイッチングを行うように制御する。

ところで、近年、非接触（無線）で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムとして、ワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置との間の磁場共振現象（磁場共鳴現象）を利用して電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムが考案されている。このワイヤレス電力伝送システムでも、ワイヤレス給電装置は、給電コイルと給電コンデンサとを有する給電共振回路を備え、また、ワイヤレス受電装置も、受電コイルと受電コンデンサとを有する受電共振回路を備える。これらの間で磁場共振現象を利用して非接触で電力伝送が行われる。

特開２０１０−１６６６９３号公報

ところで、本願発明者は、特許文献１に開示の技術を、磁場共振現象を利用したワイヤレス電力伝送システムに適用した場合、給電共振回路と受電共振回路との２つの共振回路を備えるシステムでは、伝送電力の力率が１となる周波数が２つ存在することを発見した。これにより、このようなワイヤレス電力伝送システムでは、伝送電力の力率を１とする位相周波数制御を行う場合に、誤動作の虞がある。

そこで、本発明は、磁場共振現象を利用して非接触で電力伝送を行う際に、誤動作なく、効率的な電力伝送を行うことが可能なワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置、及び、ワイヤレス電力伝送システムを提供することを目的とする。

本発明のワイヤレス給電装置は、受電コイルと受電コンデンサとを含む受電共振回路を有するワイヤレス受電装置に非接触で電力供給を行うワイヤレス給電装置であって、給電コイルと、受電共振回路の共振電流を検出する共振電流検出器と、給電コイルに交流電流を供給することによって、給電コイルと受電コイルとの磁場共振現象に基づき、給電コイルから受電コイルに電力供給を行わせる制御回路であって、交流電流の周波数と共振電流検出器によって検出した共振電流の周波数とを関連付ける当該制御回路とを備え、給電コイルは、実質的に共振回路を構成せず、共振電流検出器は、検出コイルと検出コンデンサとを含む検出共振回路を有し、検出コイルと受電コイルとの磁場共振現象に基づき、受電共振回路の共振電流を検出し、共振電流検出器における検出コイルの巻回領域は、給電コイルの巻回領域より小さく、共振電流検出器における検出コイルは、巻回中心軸が給電コイルによって生じる磁場ベクトルに対して８０°以上１００°以下の角度をなすように配置されている。

ここで、「実質的に共振回路を構成しない」とは、受電共振回路の共振周波数を共振周波数とする共振回路を形成しないことを意味するものであり、給電コイルが何らかの回路要素と偶発的に共振することまでも排除する意味ではない。例えば、「実質的に共振回路を構成しない」とは、受電共振回路の共振周波数を共振周波数とする共振回路を形成するために、給電コイルに対して直列又は並列にコンデンサを設けることを行わないことを意味するものである。

また、「給電コイルと受電コイルとの磁場共振現象」とは、給電コイルによって発生する交流磁場に基づく受電共振回路の共振現象を意味する。給電コイルに交流電流を供給すると、給電コイルによって交流磁場が発生する。これによって、給電コイルと受電コイルとが磁場結合し、受電共振回路が共振する。その際、例えば、交流電流の周波数と受電共振回路の共振周波数とを関連付ければ、給電コイル自体が共振しなくても、伝送電力の力率を１とすることができ、高効率な電力伝送を行うことが可能となる。例えば、「交流電流の周波数と受電共振回路の共振周波数とを関連付ける」とは、交流電流の周波数と受電共振回路の共振周波数とを略一致させることである。なお、交流電流の周波数と受電共振回路の共振周波数とは完全に一致せずとも、例えば、±２０％程度の誤差範囲内で略一致させれば、伝送電力の力率を高めることができ、高効率な電力伝送を行うことが可能となる。これより、「交流電流の周波数と受電共振回路の共振周波数とを関連付ける」とは、交流電流の周波数と受電共振回路の共振周波数とを±２０％程度の誤差範囲内で略一致させることも含むものとする。

また、「受電共振回路の共振電流を検出する」とは、受電共振回路を流れる共振電流に応じた信号（共振電流に関しての情報）を検出することを意味している。

このように、このワイヤレス給電装置によれば、給電コイルが実質的に共振回路を構成しないので、伝送電力の力率が１となる周波数は１つとなる。したがって、伝送電力の力率を１とする制御を行う場合に、すなわち、共振電流検出器及び制御回路によって、給電コイルに供給する交流電流の周波数と受電共振回路の共振電流の周波数とを関連付ける制御において、誤動作を防止することができる。

ところで、このようなワイヤレス給電装置では、通常は、給電コイルを流れる電流を検出する電流センサや、或いはカレントトランスを用いて受電共振回路の共振電流を検出する。しかしながら、このようにして共振電流を検出すると、給電コイルが実質的に共振回路を構成しないので、例えば給電コイルと受電コイルとの間の距離が大きくなると、受電共振回路の共振電流を正確に検出することが困難となる場合があり改善の余地があった。

そこで、このワイヤレス給電装置では、共振電流検出器によって、磁場共振現象を利用して非接触で受電共振回路の共振電流を検出する。また、共振電流検出器における検出コイルの巻回領域が、給電コイルの巻回領域より小さく、この検出コイルは、巻回中心軸が給電コイルによって生じる磁場ベクトル（磁力線）に対して８０°以上１００°以下の角度をなすように配置されている。これにより、共振電流検出器は、検出コイルと受電コイルとの磁場共振現象を利用して、非接触で受電共振回路の共振状態の情報を得ることが可能となるだけでなく、更に、給電コイルの磁場を検出することなく、受電コイルの磁場を正確に検出することが可能となる。

上記した共振電流検出器における検出コイルの巻回領域の長さであって、給電コイルの巻回径方向における当該検出コイルの巻回領域の長さは、当該巻回径方向における給電コイルの巻回領域の長さの１／１０倍以下である。更には、上記した共振電流検出器における検出コイルの巻回領域の長さであって、給電コイルの巻回径方向における当該検出コイルの巻回領域の長さは、当該巻回径方向における給電コイルの巻線領域の長さ以下である。この構成によれば、共振電流検出器は、給電コイルの磁場を検出することなく、受電コイルの磁場を正確に検出することが可能となる。

また、上記した共振電流検出器における検出コイルは、給電コイルの巻線上に配置されている。この構成によれば、共振電流検出器は、給電コイルの磁場を検出することなく、受電コイルの磁場を正確に検出することが可能となる。

また、上記した共振電流検出器は、検出共振回路のＱ値を低下させるための検出抵抗素子を更に備える。共振電流検出器の目的は、受電側共振周波数をモニタするためであり、検出コイルには大電流を流す必要はない。

また、上記したワイヤレス給電装置は、複数の共振電流検出器と、複数の共振電流検出器からの出力信号を加算する加算器とを更に備え、制御回路は、交流電流の周波数と加算器からの出力信号の周波数とを関連付ける。この構成によれば、給電コイルの巻回中心軸と受電コイルの巻回中心軸とが一致し（受電コイルが給電コイルに対して真上に位置し）、給電コイルと受電コイルとが互いに平行である場合のみならず、受電コイルが給電コイルに対して斜めにずれた場合（相対的に横方向にずれると共に、非平行となる場合）にも、受電共振回路の共振電流を効率的に検出することが可能となる。

本発明の別のワイヤレス給電装置は、受電コイルと受電コンデンサとを含む受電共振回路を有するワイヤレス受電装置に非接触で電力供給を行うワイヤレス給電装置であって、給電コイルと、受電共振回路の共振電流を検出する共振電流検出器と、給電コイルに交流電流を供給することによって、給電コイルと受電コイルとの磁場共振現象に基づき、給電コイルから受電コイルに電力供給を行わせる制御回路であって、交流電流の周波数と共振電流検出器によって検出した共振電流の周波数とを関連付ける当該制御回路とを備え、給電コイルは、実質的に共振回路を構成せず、共振電流検出器は、磁気検出素子を有し、受電コイルの磁場に基づき、受電共振回路の共振電流を検出し、共振電流検出器における磁気検出素子の外形は、給電コイルの巻回領域より小さく、共振電流検出器における磁気検出素子は、磁気検出方向が給電コイルによって生じる磁場ベクトルに対して８０°以上１００°以下の角度をなすように配置されている。

このワイヤレス給電装置でも、給電コイルが実質的に共振回路を構成しないので、伝送電力の力率が１となる周波数は１つとなる。したがって、伝送電力の力率を１とする制御を行う場合に、すなわち、共振電流検出器及び制御回路によって、給電コイルに供給する交流電流の周波数と受電共振回路の共振電流の周波数とを関連付ける制御において、誤動作を防止することができる。

また、このワイヤレス給電装置では、共振電流検出器における磁気検出素子の外形が、給電コイルの巻回領域より小さく、この磁気検出素子は、磁気検出方向が給電コイルによって生じる磁場ベクトル（磁力線）に対して８０°以上１００°以下の角度をなすように配置されている。これにより、共振電流検出器は、給電コイルの磁場を検出することなく、受電コイルの磁場を正確に検出することが可能となる。

本発明のワイヤレス受電装置は、上記のワイヤレス給電装置から非接触で電力取得を行うワイヤレス受電装置であって、受電コイルと受電コンデンサとを含む受電共振回路を有し、ワイヤレス給電装置における給電コイルとワイヤレス受電装置における受電コイルとの磁場共振現象に基づき、受電コイルによって給電コイルから電力取得を行う。

このワイヤレス受電装置によれば、上記したワイヤレス給電装置から非接触で電力取得を行うので、伝送電力の力率を１とする制御を行う場合に、誤動作を防止することができる。また、共振電流検出器が給電コイルの磁場を検出することなく、受電コイルの磁場を正確に検出することが可能となる。

本発明のワイヤレス電力伝送システムは、上記のワイヤレス給電装置と上記のワイヤレス受電装置との間で非接触で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムであって、ワイヤレス給電装置における給電コイルとワイヤレス受電装置における受電コイルとの磁場共振現象に基づき、給電コイルから受電コイルに電力伝送を行う。

このワイヤレス電力伝送システムによれば、上記したワイヤレス給電装置から非接触で電力取得を行うので、伝送電力の力率を１とする制御を行う場合に、誤動作を防止することができる。また、給電コイルの磁場を検出することなく、受電コイルの磁場を正確に検出することが可能となる。

本発明によれば、磁場共振現象を利用して非接触で電力伝送を行う際に、誤動作なく、効率的な電力伝送を行うことができる。

図１は、図３に示す給電コイル、検出コイル、受電コイル、及び、受電ロードコイルの物理的な構造を示す断面図である。 図２は、図１に示す検出コイルの複数の例を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム、ワイヤレス給電装置、及び、ワイヤレス受電装置の電気的な構成を示す図である。 図４は、本発明の第２の実施形態に係るワイヤレス給電装置の電気的な構成を示す図である。 図５は、給電コイルに対する検出コイルの複数の配置例を示す図である。 図６は、図５に示す検出コイルによって検出した磁場共振状態を示す図である。 図７は、給電コイルと受電コイルとの距離に対する共振周波数を示す図である。 図８は、給電コイルの交流電流の周波数に対する受電共振回路の共振電流を示す図である（給電コイルと受電コイルとの距離８０ｍｍ） 図９は、図５に示す検出コイルによって検出する電流であって、給電コイル１の磁場に基づく電流を模式的に示す図である。 図１０は、図１１に示す給電コイル及び検出コイルの物理的な構造を示す上面図及び断面図である。 図１１は、本発明の第３の実施形態に係るワイヤレス給電装置の電気的な構成を示す図である。 図１２は、給電コイルと受電コイルとの位置ずれを模式的に示す図である。 図１３は、給電コイルに対する検出コイルの複数の配置例を示す図である。 図１４は、給電コイルに対する磁気検出素子の複数の配置例を示す図である。 図１５は、本発明の変形例に係るワイヤレス電力伝送システム、ワイヤレス給電装置、及び、ワイヤレス受電装置の主要部構成を示す断面図である。 図１６は、給電コイル及び検出コイルの複数の形状例を示す図である。 図１７は、給電コイルに対する検出コイルの複数の配置例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
［第１の実施形態］

図３は、本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの電気的な構成を示す図である。図３に示すワイヤレス電力伝送システム１００は、ワイヤレス給電装置１１０とワイヤレス受電装置１２０とを備え、ワイヤレス給電装置１１０からワイヤレス受電装置１２０へ非接触で電力伝送を行うものである。

ワイヤレス給電装置１１０は、給電コイル１と、共振電流検出器６と、制御回路１１１とを有する。一方、ワイヤレス受電装置１２０は、受電コイル７と受電コンデンサ８とからなる受電共振回路１２２を有する。

ワイヤレス給電装置１１０では、制御回路１１１が、給電コイル１に交流電流（例えば、方形波または正弦波の電流）を供給することによって、給電コイル１と受電コイル７との磁場共振現象に基づき、給電コイル１から受電コイル７に電力供給が行われる。ここで、「給電コイル１と受電コイル７との磁場共振現象」とは、給電コイル１によって発生する交流磁場に基づく受電共振回路１２２の共振現象を意味する。給電コイル１に交流電流を供給すると、給電コイル１によって交流磁場が発生する。これによって、給電コイル１と受電コイル７とが磁場結合し、受電共振回路１２２が共振する。その際、制御回路１１１は、交流電流の周波数を、共振電流検出器６によって検出された受電共振回路１２２の共振電流の周波数に一致させる。すると、給電コイル１自体が共振しなくても、伝送電力の力率を１とすることができ、高効率な電力伝送を行うことが可能となる。

このように、ワイヤレス給電装置１１０では、給電コイル１は、実質的に共振回路を構成しない。ここで、「実質的に共振回路を構成しない」とは、受電共振回路１２２の共振周波数を共振周波数とする共振回路を形成しないことを意味するものであり、給電コイル１が何らかの回路要素と偶発的に共振することまでも排除する意味ではない。例えば、「実質的に共振回路を構成しない」とは、受電共振回路１２２の共振周波数を共振周波数とする共振回路を形成するために、給電コイル１に対して直列又は並列にコンデンサを設けることを行わないことを意味するものである。

ワイヤレス給電装置１１０では、給電コイル１と受電コイル７との磁場結合が強くなればなるほど受電共振回路１２２の共振周波数に影響が及ぶ。すなわち、給電コイル１と受電コイル７とを十分に磁場結合できる程度に近づけた状態での受電共振回路１２２の共振周波数は、給電コイル１と受電コイル７との磁場結合を無視できるほど両者が充分に離れた状態における受電共振回路１２２単独での共振周波数に対してずれていく。受電共振回路１２２の共振周波数近傍の周波数の交流電流を給電コイル１に供給することにより、磁場共振型のワイヤレス給電が実現可能となる。

なお、ワイヤレス受電装置１２０では、受電コイル７と磁場結合する受電ロードコイル９を介して、負荷１０に電力が供給される。これにより、負荷１０に起因する受電共振回路のＱ値の低下を抑制することができる。

次に、ワイヤレス給電装置１１０における制御回路１１１について詳細に説明する。制御回路１１１は、高周波増幅器２と、位相比較器３と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）５とを有する。

位相比較器３は、共振電流検出器６によって検出された受電共振回路１２２の共振電流に応じた電圧と、ＶＣＯ５からの出力電圧との位相差に応じたパルス電圧を生成し、ＬＰＦ４へ出力する。ＬＰＦ４は、位相比較器３からのパルス電圧を平均化し、それをＶＣＯ５へ出力する。ＶＣＯ５は、ＬＰＦ４からの電圧を制御電圧として、この電圧に応じた周波数を有する交流電圧を生成する。このように、位相比較器３、ＬＰＦ４、及び、ＶＣＯ５は、いわゆるＰＬＬ回路を構成し、共振電流検出器６によって検出された受電共振回路１２２の共振電流の位相周波数に応じた位相周波数を有する交流電圧を生成する。

高周波増幅器２は、この交流電圧に応じて、受電共振回路１２２の共振電流の位相周波数に一致した位相周波数を有する交流電流を、給電コイル１に供給する。

次に、ワイヤレス給電装置１１０における共振電流検出器６について詳細に説明する。共振電流検出器６は、検出コイル６ａと、検出抵抗素子６ｂと、検出コンデンサ６ｃとからなる直列の検出共振回路１１２を有する。検出コイル６ａと受電コイル７との磁場結合を無視できるほど両者が十分に離れた状態では、検出共振回路１１２の共振周波数が受電共振回路１２２の共振周波数とほぼ等しくなるように、検出コイル６ａのインダクタンス、検出コンデンサ６ｃのキャパシタンス、受電コイル７のインダクタンス、受電コンデンサ８のキャパシタンスが設定されている。したがって、検出コイル６ａと受電コイル７との磁場共振現象（検出共振回路１１２と受電共振回路１２２との磁場共振現象）に基づき、受電共振回路１２２の共振電流を検出する。これにより、給電コイルが実質的に共振回路を構成しない場合においても、共振電流検出器６は、磁場共振現象を利用して、非接触で受電共振回路１２２の共振状態の情報を得ることが可能となる。本実施形態では、受電共振回路１２２の共振電流の位相周波数情報として、検出コンデンサ６ｃの両端電圧が位相比較器３に供給される。検出コンデンサ６ｃは、検出コイル６ａの浮遊容量として形成されていてもよいし、集中定数素子 (Lumped element)として設けられていてもよく、検出コイル６ａと共振回路を形成すればよい。

図１は、図３に示す給電コイル１、検出コイル６ａ、受電コイル７、及び、受電ロードコイル９の物理的な構造を示す断面図である。なお、図１には、これらのコイルの周辺回路要素が電気的に示されている。

給電コイル１と受電コイル７とは、互いに対向して設けられており、受電ロードコイル９は、受電コイル７の外周を巻回している。そして、検出コイル６ａは、給電コイル１と受電コイル７との間において、給電コイル１に隣接している。給電コイル１は、例えばスパイラルコイルでもよいし、ソレノイドコイルでもよいし、ループコイルであってもよい。また、検出コイル６ａは、図２に示すように、空芯コイルであってもよいし（図２ａ）、円筒型のフェライトを磁心としたコイルであってもよいし（図２ｂ）、ドラム型フェライトを磁心としたコイルであってもよい（図２ｃ）。

また、給電コイル１及び検出コイル６ａは、図１６に示すように、円形状に巻回していてもよいし（図１６ａ）、楕円形状に巻回していてもよいし（図１６ｂ）、長方形状に巻回していてもよいし（図１６ｃ）、あるいは、多角形状に巻回していてもよい。なお、受電コイル７及び受電ロードコイル９は、給電コイル１に対応した形状であることが好ましい。

この検出コイル６ａの巻回領域ＲＥ６ａは、給電コイル１の巻回領域ＲＥ１よりも十分に小さい（例えば、巻線の巻回領域の面積比で１／１０以下であることが好ましく、更に好ましくは１／１００以下である）。例えば、給電コイル１の巻回径方向Ｒにおける検出コイル６ａの巻回領域ＲＥ６ａの長さ（円形状の場合には巻回径）ｒ６ａは、巻回径方向Ｒにおける給電コイル１の巻回領域ＲＥ１の長さ（円形状の場合には巻回径）ｒ１の１／１０倍以下であることが好ましい。更に好ましくは、巻回径方向Ｒにおける検出コイル６ａの巻回領域ＲＥ６ａの長さｒ６ａは、巻回径方向Ｒにおける給電コイル１の巻線領域の長さ（コイル巻線の巻幅、給電コイル１の巻数が１である場合には巻線径）ｄ１以下である。検出コイル６ａの巻回領域ＲＥ６ａが比較的大きいと、検出コイル６ａによって発生する磁場が比較的大きくなり、給電コイル１及び受電コイル７に影響を与えてしまう。しかしながら、本実施形態によれば、検出コイル６ａの巻回領域ＲＥ６ａが比較的小さいので、検出コイル６ａによって発生する磁場の強さを十分に小さくすることができ、給電コイル１及び受電コイル７への影響を低減することができる。また、検出コイル６ａの巻回領域ＲＥ６ａが比較的大きいと、給電コイル１と検出共振回路１１２とが共振回路を構成してしまい、共振周波数が２つ存在してしまうこととなるが、本実施形態によれば、検出コイル６ａの巻回領域ＲＥ６ａが比較的小さいので、給電コイル１と検出共振回路１１２とが共振回路を構成することがない。

また、検出コイル６ａは、図１７（ａ）〜（ｃ）に示すように、巻回中心軸Ｘが給電コイル１によって生じる磁場ベクトル（磁力線）Ｈに対して９０°±１０°の角度の範囲にあるように配置されている。これにより、検出コイル６ａは給電コイル１の磁場の影響を受けない。なお、検出コイル６ａの巻回中心軸Ｘは、磁場ベクトルＨに対して９０°±５°の角度の範囲にあることが好ましく、磁場ベクトルＨに直交することが更に好ましい。

図１３（ａ）に示すように、検出コイル６ａは、給電コイル１の巻線上に配置されることとなる。しかしながら、図１３（ｂ），（ｃ）に示すように、検出コイル６ａは、巻回中心軸Ｘが磁場ベクトルＨに対して９０°±１０°の角度の範囲にあるように、磁場ベクトルＨに沿って、給電コイル１の巻線の周りを周回するように傾けて配置されてもよい。例えば、図１３（ａ）に対して（θ＝０°）、図１３（ｂ）では、検出コイル６ａの巻回中心軸Ｘがθ＝１０°傾けられており、図１３（ｃ）では、検出コイル６ａの巻回中心軸Ｘがθ＝２０°傾けられている。ここで、例えば、検出コイル６ａが給電コイル１の巻線の略真上に配置されている場合には給電コイル１の巻回径方向Ｒや、給電コイル１の巻回領域の面（給電コイル面）に沿った方向を磁場ベクトルＨの方向として定めても良い。また、例えば、給電コイル１により生じる磁場ベクトルＨの方向を、電磁界シミュレーションにより定めてもよいし、更には、ホール素子を用いて磁場ベクトルＨの方向を直接求めてもよい。また、検出コイル６ａは、検出コイル６ａの巻回中心軸Ｘが給電コイル１によって生じる磁場ベクトルＨに対して９０°±１０°の角度の範囲にあるような位置に配置されていれば位置は特に限定されないが、図１や図１３に示すように、給電コイル１の近傍であって、給電コイル１と受電コイル７とが対抗する側に配置されていることが好ましく、給電コイル１の巻線上であると更に好ましい。

また、検出コイル６ａを含む検出共振回路では、検出抵抗素子６ｂによってＱ値を下げ、検出共振回路の共振電流を低下させている。共振電流検出器６の目的は、受電側共振周波数をモニタするためであり、検出コイル６ａには大電流を流す必要はない。検出抵抗素子６ｂは、検出共振回路のＱ値低下手段であり、図３のように、検出コイル６ａや検出コンデンサ６ｃとは独立して設けられていてもよいし、Ｑ値の小さな検出コイル６ａや検出コンデンサ６ｃを用いて、その等価抵抗成分として設けられていてもよい。

この第１の実施形態のワイヤレス給電装置１１０、ワイヤレス受電装置１２０、及び、ワイヤレス電力伝送システム１００によれば、給電コイル１と受電コイル７との距離が変化して、給電コイル１と受電コイル７との相互インダクタンスが変化しても、図７に示すように、共振電流検出器６及び制御回路１１１によって、給電コイル１に供給する交流電流の周波数を受電共振回路１２２の共振電流の周波数に一致させるように自動的に制御される。したがって、常に、伝送電力の力率が１となり、伝送電力が最大となる。

そして、第１の実施形態のワイヤレス給電装置１１０、ワイヤレス受電装置１２０、及び、ワイヤレス電力伝送システム１００によれば、給電コイル１が実質的に共振回路を構成しないので、図８に示すように、伝送電力の力率が１となる周波数は１つとなる。したがって、伝送電力の力率を１とする位相周波数制御を行う場合に、すなわち、共振電流検出器６及び制御回路１１１によって、給電コイル１に供給する交流電流の周波数を受電共振回路１２２の共振電流の周波数に一致させる自動制御において、誤動作を防止することができる。

ところで、このようなワイヤレス給電装置では、通常は、給電コイルを流れる電流を検出する電流センサや、或いはカレントトランスを用いて非接触で受電共振回路の共振電流を検出する。しかしながら、このようにして共振電流を検出すると、給電コイルが実質的に共振回路を構成しないので、例えば、給電コイルと受電コイルとの間の距離が大きくなると、受電共振回路の共振電流を正確に検出することが困難となる場合があり改善の余地があった。

そこで、第１の実施形態のワイヤレス給電装置１１０、ワイヤレス受電装置１２０、及び、ワイヤレス電力伝送システム１００では、共振電流検出器６における検出コイル６ａの巻回領域Ｒ６ａが、給電コイル１の巻回領域ＲＥ１より小さく、この検出コイル６ａは、巻回中心軸Ｘが給電コイル１によって生じる磁場ベクトル（磁力線）Ｈに対して９０°±１０°の角度をなすように配置されている。これにより、共振電流検出器６は、検出コイル６ａと受電コイル７との磁場共振現象を利用して、非接触で受電共振回路１２２の共振状態の情報を得ることが可能となるだけでなく、更に、給電コイル１の磁場を検出することなく、受電コイルの磁場を正確に検出することが可能となる。以下では、この作用効果について検証する。

図５（Ａ）〜（Ｄ）は、検出コイル６ａの異なる配置を示す図である。図５（Ａ）では、給電コイル１の巻回中心軸（例えば、給電コイル１の巻線が円形に巻回されている場合、給電コイル１の巻回領域の中央）に検出コイル６ａを配置し、図５（Ｂ）では、給電コイル１の巻線の内側近傍に検出コイル６ａを配置し、図５（Ｃ）では、給電コイル１の巻線の外側近傍に検出コイル６ａを配置した。そして、図５（Ｄ）では、本実施形態のように、給電コイル１の巻線の略真上に検出コイル６ａを配置した。

また、図６（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す検出コイル６ａによって検出した磁場共振状態を示す図である。図６では、検出コンデンサ６ｃの両端電圧及び電流を検出し、これらの電圧と電流との位相差Ｐ６を示す。位相差は、電圧位相を基準として電流位相が進んでいる状態をマイナスとし、逆に遅れている状態をプラスとして表す。なお、この測定では、ＶＣＯの周波数を強制変更して、周波数を変更した。また、比較のために、受電コイル７の共振状態として、受電コイル７の電圧と電流との位相差Ｐ７も示す。受電コイル７の電圧及び電流は、電流プローブ測定器を使用し、受電コイル７を直接プロービングすることにより得た。なお、検出コイル６ａと受電コイル７と距離は８０ｍｍである。

また、図９（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す検出コイル６ａによって検出する電流であって、給電コイル１の磁場に基づく電流を模式的に示す図である。

図６（Ａ）によれば、検出コイル６ａが給電コイル１の巻回中心軸に配置される場合、検出共振回路１１２の電圧と電流との位相差Ｐ６は、受電共振回路１２２の電圧と電流との位相差Ｐ７に一致しておらず、またゼロになる周波数（制御回路の制御ポイント）がない。これより、図５（Ａ）に示す検出コイル６ａの配置では、受電共振回路１２２の共振状態を検出することが困難であった。これは、図９（Ａ）に示すように、検出コイル６ａが給電コイル１の磁場をも検出してしまうことにより、受電コイル７が発生する磁場の正しい位相が検出できないことによるものと考えられる。

同様に、図６（Ｂ）によれば、検出コイル６ａが給電コイル１の巻線の内側近傍に配置される場合、検出共振回路１１２における電圧と電流との位相差Ｐ６は、受電共振回路１２２の電圧と電流との位相差Ｐ７に一致しておらず、またゼロになる周波数がない。これより、図５（Ｂ）に示す検出コイル６ａの配置でも、受電共振回路１２２の共振状態を検出することが困難であった。これは、図９（Ｂ）に示すように、検出コイル６ａが給電コイル１の磁場をも検出してしまうことにより、受電コイル７が発生する磁場の正しい位相が検出できないことによるものと考えられる。

同様に、図６（Ｃ）によれば、検出コイル６ａが給電コイル１の巻線の外側近傍に配置される場合、検出共振回路１１２における電圧と電流との位相差Ｐ６は、受電共振回路１２２の電圧と電流との位相差Ｐ７に一致しておらず、またゼロになる周波数がない。これより、図５（Ｃ）に示す検出コイル６ａの配置でも、受電共振回路１２２の共振状態を検出することが困難であった。これは、図９（Ｃ）に示すように、検出コイル６ａが給電コイル１の磁場（逆位相）をも検出してしまうことにより、受電コイル７が発生する磁場の正しい位相が検出できないことによるものと考えられる。

一方、図６（Ｄ）によれば、本実施形態のように、検出コイル６ａが給電コイル１の巻線のほぼ真上に配置される場合、検出共振回路１１２における電圧と電流との位相差Ｐ６は、受電共振回路１２２の電圧と電流との位相差Ｐ７と一致した。これより、図５（Ｄ）に示す検出コイル６ａの配置によれば、受電共振回路１２２の共振状態を正確に検出することができた。これは、検出コイル６ａの巻回中心軸Ｘが給電コイル１によって発生する磁場ベクトルＨに直交するので、検出コイル６ａは、図９（Ｄ）に示すように、給電コイル１によって発生する磁場を検出することなく、受電コイル７によって発生する磁場を主として検出することによるものと考えられる。
［第２の実施形態］

図４は、本発明の第２の実施形態に係るワイヤレス給電装置１１０Ａの電気的な構成を示す図である。このように、ワイヤレス電力伝送システム１００は、ワイヤレス給電装置１１０に代えてワイヤレス給電装置１１０Ａを備えてもよい。

ワイヤレス給電装置１１０Ａは、ワイヤレス給電装置１１０において共振電流検出器６に代えて共振電流検出器６Ａを備えている点で第１の実施形態と異なる。ワイヤレス給電装置１１０Ａのその他の構成はワイヤレス給電装置１１０と同一である。

共振電流検出器６Ａは、共振電流検出器６において、検出コイル６ａ、検出抵抗素子６ｂ、及び、検出コンデンサ６ｃからなる検出共振回路１１２に代えて、ホール素子（磁気検出素子、磁気センサ）６ｄ、電流源６ｅ、オペアンプ６ｆ、及び、抵抗素子Ｒ１，Ｒ２を有する。

ホール素子６ｄは、電流源６ｅからの電流によって駆動され、受電コイル７によって発生する磁場に基づいて、受電コイル７の共振電流に応じた電圧を生成し、抵抗素子Ｒ１を介してオペアンプ６ｆへ出力する。オペアンプ６ｆのマイナス入力端子と出力端子の間には抵抗素子Ｒ２が接続されており、プラス入力端子と接地電位との間にも抵抗素子Ｒ２が接続されている。オペアンプ６ｆは、Ｒ２／Ｒ１で表される増幅率で信号を増幅する。

このホール素子６ｄの外形は、給電コイル１の巻回領域ＲＥ１よりも十分に小さい。例えば、ホール素子６ｄの外形は、給電コイル１の巻回径方向Ｒにおける給電コイル１の巻回領域ＲＥ１の長さ（円形状の場合には巻回径）ｒ１の１／１０倍以下であることが好ましく、更に好ましくは、巻回径方向Ｒにおける給電コイル１の巻線領域の長さ（コイル巻線の巻幅、給電コイル１の巻数が１である場合には巻線径）ｄ１以下である。

また、ホール素子６ｄは、図１４（ａ）〜（ｂ）に示すように、磁気検出方向Ｘが給電コイル１によって生じる磁場ベクトル（磁力線）Ｈに対して９０°±１０°の角度をなすように配置されている。なお、ホール素子６ｄの磁気検出方向Ｘは、磁場ベクトルＨに対して９０°±５°の角度をなすことが好ましく、磁場ベクトルＨに直交することが更に好ましい。

具体的には、図２ｄ及び図１４（ａ）に示すように、ホール素子６ｄは、給電コイル１の巻線上に配置されることとなる。しかしながら、図１４（ｂ）に示すように、ホール素子６ｄは、磁気検出方向Ｘが磁場ベクトルＨに対して９０°±１０°の角度をなすように、磁場ベクトルＨに沿って、給電コイル１の巻線の周りを周回するように傾けて配置されてもよい。例えば、図１４（ａ）に対して（θ＝０°）、図１４（ｂ）では、ホール素子６ｄの磁気検出方向Ｘがθ＝１０°傾けられている。

なお、ホール素子６ｄに代えてＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子等の磁気センサが用いられてもよい。

この第２の実施形態のワイヤレス給電装置１１０Ａでも、第１の実施形態のワイヤレス給電装置１１０と同様の利点を得ることができる。
［第３の実施形態］

図１１は、本発明の第３の実施形態に係るワイヤレス給電装置１１０Ｂの電気的な構成を示す図である。このように、ワイヤレス電力伝送システム１００は、ワイヤレス給電装置１１０に代えてワイヤレス給電装置１１０Ｂを備えてもよい。

ワイヤレス給電装置１１０Ｂは、ワイヤレス給電装置１１０において共振電流検出器６に代えて４つの共振電流検出器６を備え、更に加算器１１を備えている点で第１の実施形態と異なる。加算器１１は、４つの共振電流検出器６における検出コンデンサ６ｃの両端電圧を加算し、位相比較器３へ出力する。ワイヤレス給電装置１１０Ｂのその他の構成はワイヤレス給電装置１１０と同一である。

図１０（ａ）は、４つの共振電流検出器６における検出コイル６ａの給電コイル１に対する配置を受電コイル側から示す図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）におけるＸ−Ｘ線に沿う断面図である。検出コイル６ａは、給電コイル１の巻回周上において、それぞれ９０°ずつずれて、等間隔に配置されている。

この第３の実施形態のワイヤレス給電装置１１０Ｂでも、第１の実施形態のワイヤレス給電装置１１０と同様の利点を得ることができる。

更に、第３の実施形態のワイヤレス給電装置１１０Ｂによれば、図１２（ａ）に示すように、給電コイル１の巻回中心軸と受電コイル７の巻回中心軸とが一致し（受電コイル７が給電コイル１に対して真上に位置し）、給電コイル１と受電コイル７とが互いに平行である場合のみならず、図１２（ｂ）に示すように、受電コイル７が給電コイル１に対して斜めにずれた場合（相対的に横方向にずれると共に、非平行となる場合）にも、受電共振回路１２２の共振電流を効率的に検出することが可能となる。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、第３の実施形態では、共振電流検出器を４個備える形態を例示したが、共振電流検出器の数はこれに限定されない。例えば、共振電流検出器は２個でも３個でも良いし、あるいは５個以上でもあってもよい。また、これらの共振電流検出器は、給電コイルの巻回周上において等間隔に配置されなくてもよい。

また、第３の実施形態では、給電コイルに対する受電コイルのずれを、複数の共振電流検出器を備えることで解消する例を示したが、図１５に示すように、アクチュエータ部１２を備えることによって解消してもよい。図１５に示すように、給電コイル１の巻回面に対して受電コイル７の巻回面が斜めに向かい合うような位置関係となる場合、給電コイル１の巻回面と受電コイル７の巻回面とが常に平行になるようにアクチュエータ部１２を制御する。これにより、電力伝送効率が向上すると共に、更に共振電流検出器を設けた場合には、磁場共振状態をより安定して検出することが可能となる。

また、本実施の形態では、制御回路１１１は、給電コイル１に供給する交流電流の周波数と受電側共振回路１２２の共振電流の周波数とを一致させるように制御しているが、交流電流の周波数と受電共振回路１２２の共振周波数とは完全に一致せずとも、例えば、±２０％程度の誤差範囲内で略一致させれば（関連付ければ）、伝送電力の力率を高めることができ、高効率な電力伝送を行うことが可能となる。

また、本実施の形態では、制御回路１１１は、受電側共振回路１２２の共振電流の周波数に一致した周波数を有する交流電流を、給電コイル１に供給するようにして、受電側共振回路１２２の共振電流の周波数と、給電コイル１に供給する交流電流の周波数とを一致させるように制御しているが、制御回路１１１は、受電側共振回路１２２の共振電流の周波数に略一致させるように、例えば、給電コイル１のインダクタンスを調整することにより、受電側共振回路１２２の共振電流の周波数と、給電コイル１に供給する交流電流の周波数とを略一致させるように制御してもよい。

また、本発明の特徴は、電力伝送のみならず、信号伝送においても適用可能である。例えば、磁場共振現象を利用して、アナログ信号やデジタル信号を非接触で伝送する場合にも、本発明のワイヤレス電力伝送システムを適用可能である。

なお、本発明は、（１）携帯電話、音楽プレーヤー、ＴＶやゲーム機等のコントローラ、ＬＥＤ照明などの家電製品への非接触給電又は充電、（２）工場内の搬送ロボット、２足ロボット、掃除ロボットなどの産業機器への非接触給電又は充電、（３）例えば、車体に受電コイルを配置し、駐車場や道路等に給電コイルを埋設するＨＥＶ、ＥＶ等の非接触充電、（４）太陽光発電から住宅内の家電製品、照明などへの非接触給電又は充電を行うシステムに適用可能である。

なお、本明細書では、磁場共振現象のための素子を「コイル」と称したが、関連の技術分野によっては、「トランスミッタ」や「アンテナ」等と称することもある。

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることができることは、当業者によって認識される。本発明は実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来るすべての修正及び変更に権利を請求する。

磁場共振現象を利用して非接触で電力伝送を行う際に、誤動作なく、効率的な電力伝送を行う用途に適用することができる。

１ 給電コイル、
２ 高周波増幅器
３ 位相比較器
６，６Ａ 共振電流検出器
６ａ 検出コイル
６ｂ 検出抵抗素子
６ｃ 検出コンデンサ
６ｄ ホール素子
６ｅ 電流源
６ｆ オペアンプ
７ 受電コイル
８ 受電コンデンサ
９ 受電ロードコイル
１０ 負荷
１１ 加算器
１２ アクチュエータ部
１００ ワイヤレス電力伝送システム
１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ ワイヤレス給電装置
１１１ 制御回路
１１２ 検出共振回路
１２０ ワイヤレス受電装置
１２２ 受電共振回路

Claims (10)

1. 受電コイルと受電コンデンサとを含む受電共振回路を有するワイヤレス受電装置に非接触で電力供給を行うワイヤレス給電装置であって、
   給電コイルと、
   前記受電共振回路の共振電流を検出する共振電流検出器と、
   前記給電コイルに交流電流を供給することによって、前記給電コイルと前記受電コイルとの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルに電力供給を行わせる制御回路であって、前記交流電流の周波数と前記共振電流検出器によって検出した共振電流の周波数とを関連付ける当該制御回路と、を備え、
   前記給電コイルは、実質的に共振回路を構成せず、
   前記共振電流検出器は、検出コイルと検出コンデンサとを含む検出共振回路を有し、前記検出コイルと前記受電コイルとの磁場共振現象に基づき、前記受電共振回路の共振電流を検出し、
   前記共振電流検出器における前記検出コイルの巻回領域は、前記給電コイルの巻回領域より小さく、
   前記共振電流検出器における前記検出コイルは、巻回中心軸が前記給電コイルによって生じる磁場ベクトルに対して８０°以上１００°以下の角度をなすように配置されている、
   ワイヤレス給電装置。
2. 前記共振電流検出器における前記検出コイルの巻回領域の長さであって、前記給電コイルの巻回径方向における当該検出コイルの巻回領域の長さは、当該巻回径方向における前記給電コイルの巻回領域の長さの１／１０倍以下である、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
3. 前記共振電流検出器における前記検出コイルの巻回領域の長さであって、前記給電コイルの巻回径方向における当該検出コイルの巻回領域の長さは、当該巻回径方向における前記給電コイルの巻線領域の長さ以下である、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
4. 前記共振電流検出器における前記検出コイルは、前記給電コイルの巻線上に配置されている、請求項２に記載のワイヤレス給電装置。
5. 前記共振電流検出器における前記検出コイルは、前記給電コイルの巻線上に配置されている、請求項３に記載のワイヤレス給電装置。
6. 前記共振電流検出器は、前記検出共振回路のＱ値を低下させるための検出抵抗素子を更に備える、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
7. 複数の前記共振電流検出器と、複数の前記共振電流検出器からの出力信号を加算する加算器とを更に備え、
   前記制御回路は、前記交流電流の周波数と前記加算器からの出力信号の周波数とを関連付ける、
   請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
8. 受電コイルと受電コンデンサとを含む受電共振回路を有するワイヤレス受電装置に非接触で電力供給を行うワイヤレス給電装置であって、
   給電コイルと、
   前記受電共振回路の共振電流を検出する共振電流検出器と、
   前記給電コイルに交流電流を供給することによって、前記給電コイルと前記受電コイルとの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルに電力供給を行わせる制御回路であって、前記交流電流の周波数と前記共振電流検出器によって検出した共振電流の周波数とを関連付ける当該制御回路と、を備え、
   前記給電コイルは、実質的に共振回路を構成せず、
   前記共振電流検出器は、磁気検出素子を有し、前記受電コイルの磁場に基づき、前記受電共振回路の共振電流を検出し、
   前記共振電流検出器における前記磁気検出素子の外形は、前記給電コイルの巻回領域より小さく、
   前記共振電流検出器における前記磁気検出素子は、磁気検出方向が前記給電コイルによって生じる磁場ベクトルに対して８０°以上１００°以下の角度をなすように配置されている、
   ワイヤレス給電装置。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載のワイヤレス給電装置から非接触で電力取得を行うワイヤレス受電装置であって、
   受電コイルと受電コンデンサとを含む受電共振回路を有し、前記ワイヤレス給電装置における給電コイルと前記受電コイルとの磁場共振現象に基づき、前記受電コイルによって前記給電コイルから電力取得を行う当該ワイヤレス受電装置。
10. 請求項１〜８の何れか１項に記載のワイヤレス給電装置と請求項９に記載のワイヤレス受電装置との間で非接触で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムであって、前記ワイヤレス給電装置における給電コイルと前記ワイヤレス受電装置における受電コイルとの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルに電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システム。

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