JP5639693B1 - 無線電力伝送装置及び無線電力伝送装置の供給電力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】充電時間の短縮及び二次電池の寿命を縮めるのを防止することができる無線電力伝送装置を提供する。【解決手段】無線電力伝送装置１は、被給電機器１０を含む無線電力伝送装置１の入力インピーダンスＺinを測定する電流・電圧検出部４と、電流・電圧検出部４が測定した入力インピーダンスＺinの変化を利用して、定電流充電期間（ＣＣ）が終了したか否かを判定し、定電流充電期間（ＣＣ）が終了したと判定した場合に、リチウムイオン二次電池９に対する充電を終了させる制御機器５とを備えた構成をしている。【選択図】図１

Description

本発明は、電源に接続された給電モジュールから、定電流・定電圧充電方式により充電可能な二次電池を含む被給電機器が接続された受電モジュールに対して共振現象によって電力を供給する無線電力伝送装置及び無線電力伝送装置の供給電力制御方法に関する。

近年、ノート型ＰＣ、タブレット型ＰＣ、デジタルカメラ、携帯電話、携帯ゲーム機、イヤホン型音楽プレイヤー、無線式ヘッドセット、補聴器、レコーダーなど人が携帯しながら使用できる携帯型の電子機器が急速に普及してきている。そして、これらの携帯型の電子機器の多くには充電池が搭載されており、定期的な充電が必要とされる。この電子機器の充電池への充電作業を簡易にするために、給電装置と電子機器に搭載された受電装置との間で無線による電力伝送を利用した給電技術（磁界を変化させて電力伝送を行う無線電力伝送技術）により、充電池を充電する機器が増えつつある。

例えば、無線電力伝送技術としては、コイル間の電磁誘導を利用して電力伝送を行う技術や（例えば、特許文献１参照）、給電装置及び受電装置が備える共振器（コイル）間の共振現象（磁界共鳴状態）を利用して磁場を結合させることにより電力伝送を行う技術が挙げられる（例えば、特許文献２参照）。

また、充電池（例えば、リチウムイオン二次電池など）を充電する方式に関しては、定電流定電圧充電方式が知られている。定電流定電圧充電方式では、充電を開始してからしばらくの間は、定電流による充電が行われる。そして、定電流による充電が行われている間に印加される電圧が、所定の上限電圧まで上昇したら、その上限電圧に保持されたまま定電圧による充電が行われる。

特許第４６２４７６８号公報 特開２０１０−２３９７６９号公報

もっとも、上記無線による電力伝送を行う無線電力伝送装置によって、リチウムイオン二次電池を定電流定電圧充電方式によって充電する場合、定電流充電から定電圧充電に移行したときに、図５に示すように、充電池に供給される電流値が減衰してしまう。その結果、定電圧充電時には、充電時間に対する充電量が低下してしまい、満充電までに時間を要していた。

また、一般に、リチウムイオン二次電池等の二次電池は満充電を繰り返すことにより、二次電池の寿命が短くなる傾向にある。

そこで、本発明の目的は、充電時間の短縮及び二次電池の寿命を縮めるのを防止することができる無線電力伝送装置を提供することにある。

上記課題を解決するための発明の一つは、電源に接続された給電モジュールから、定電流・定電圧充電方式により充電可能な二次電池を含む被給電機器が接続された受電モジュールに対して共振現象によって電力を供給する無線電力伝送装置であって、前記無線電力伝送装置は、前記被給電機器を含む無線電力伝送装置の入力インピーダンスを測定する入力インピーダンス測定器と、前記入力インピーダンス測定器が測定した入力インピーダンスの変化を利用して、前記被給電機器の前記二次電池における定電流充電期間が終了したか否かを判定し、前記定電流充電期間が終了したと判定した場合に、充電を終了させる制御機器と、を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、定電流充電から定電圧充電に移行して充電可能な二次電池に、共振現象を利用した充電をするに際して、入力インピーダンス測定器が測定した入力インピーダンスの変化があったときに、定電流充電期間が終了したと判定させて、この定電流充電期間の終了をもって充電を終了させることができる。
一般に、二次電池は満充電を繰り返すより、満充電せずにある程度の容量を残して充電を終えるような充電を繰り返す方が、二次電池の寿命を延ばすことができる。このため、上記のように二次電池に対して定電流充電期間のみの充電で終了させることにより、満充電せずにある程度の容量を残した充電が可能となり、二次電池の寿命を延ばすことができる。なお、一般に、定電流・定電圧充電方式により充電可能な二次電池は、定電流充電期間のみの充電で満充電の約８０％の充電が可能でるため十分な充電量を確保することができる。
また、定電圧充電を経ずに、定電流充電期間の終了をもって充電を終了させることができるので、充電時間の短縮を図ることができる。

また、上記課題を解決するための発明の一つは、上記無線電力伝送装置において、前記制御機器は、前記入力インピーダンス測定器が測定した前記入力インピーダンスが、所定の閾値よりも低い値から前記閾値を超えて、前記閾値を上回ったとき、又は、所定の閾値よりも高い値から前記閾値を超えて、前記閾値を下回ったときに、前記定電流充電期間が終了したと判定することを特徴としている。

上記構成によれば、入力インピーダンス測定器が測定した入力インピーダンスが、所定の閾値を、上回る又は下回ったときに、定電流充電期間が終了したと判定することができる。

また、上記課題を解決するための発明の一つは、上記無線電力伝送装置において、前記制御機器は、前記入力インピーダンス測定器が測定した、充電時間に対する前記入力インピーダンスの変化量である負荷変動特性が、所定の閾値よりも低い値から前記閾値を超えて、前記閾値を上回ったとき、又は、所定の閾値よりも高い値から前記閾値を超えて、前記閾値を下回ったときに、前記定電流充電期間が終了したと判定することを特徴としている。

上記構成によれば、入力インピーダンス測定器が測定した、充電時間に対する入力インピーダンスの変化量である負荷変動特性が、所定の閾値を、上回る又は下回ったときに、定電流充電期間が終了したと判定することができる。

また、上記課題を解決するための発明の一つは、上記無線電力伝送装置において、前記給電モジュール及び前記受電のモジュールは、少なくとも給電コイル、給電共振器、受電共振器及び受電コイルを備え、前記給電コイルと前記給電共振器との間の結合係数、前記給電共振器と前記受電共振器との間の結合係数、及び、前記受電共振器と前記受電コイルとの間の結合係数の少なくとも一つを調整することにより、前記負荷変動特性が調整可能であることを特徴としている。

上記構成によれば、給電コイルと給電共振器との間の結合係数、給電共振器と受電共振器との間の結合係数、及び、受電共振器と受電コイルとの間の結合係数の少なくとも一つを調整することにより、負荷変動特性を調整することができる。
これにより、例えば、負荷変動特性を大きくすれば、短時間での負荷変動特性の変化が大きくなるため、入力インピーダンス測定器での測定精度を上げることができる。

また、上記課題を解決するための発明の一つは、上記無線電力伝送装置において、前記給電コイルと前記給電共振器との間の結合係数を大きくすることにより、前記負荷変動特性を大きくすることを特徴としている。

上記構成によれば、給電コイルと給電共振器との間の結合係数を大きくすることにより、負荷変動特性を大きくすることができる。これにより、短時間での負荷変動特性の変化が大きくなるため、入力インピーダンス測定器での測定精度を上げることができる。

また、上記課題を解決するための発明の一つは、上記無線電力伝送装置において、前記受電共振器と前記受電コイルとの間の結合係数を大きくすることにより、前記負荷変動特性を大きくすることを特徴としている。

上記構成によれば、受電共振器と受電コイルとの間の結合係数を大きくすることにより、負荷変動特性を大きくすることができる。これにより、短時間での負荷変動特性の変化が大きくなるため、入力インピーダンス測定器での測定精度を上げることができる。

また、上記課題を解決するための発明の一つは、上記無線電力伝送装置において、前記給電コイルと前記給電共振器との間の結合係数、及び、前記受電共振器と前記受電コイルとの間の結合係数を大きくすることにより、前記負荷変動特性を大きくすることを特徴としている。

上記構成によれば、給電コイルと給電共振器との間の結合係数、及び、受電共振器と受電コイルとの間の結合係数を大きくすることができる。これにより、短時間での負荷変動特性の変化が大きくなるため、入力インピーダンス測定器での測定精度を上げることができる。

また、上記課題を解決するための発明の一つは、電源に接続された給電モジュールから、定電流・定電圧充電方式により充電可能な二次電池を含む被給電機器が接続された受電モジュールに対して磁界を変化させて電力を供給する無線電力伝送装置の供給電力制御方法であって、前記無線電力伝送装置は、前記電力伝送装置の入力インピーダンスを測定する入力インピーダンス測定器と、制御機器と、を備え、前記制御機器は、前記入力インピーダンス測定器が測定した入力インピーダンスの変化を利用して、前記被給電機器の前記二次電池における定電流充電期間が終了したか否かを判定する処理と、前記定電流充電期間が終了したと判定した場合に、充電を終了させる処理と、を実行することを特徴としている。

上記方法によれば、定電流充電から定電圧充電に移行して充電可能な二次電池に、共振現象を利用した充電をするに際して、入力インピーダンス測定器が測定した入力インピーダンスの変化があったときに、定電流充電期間が終了したと判定させて、この定電流充電期間の終了をもって充電を終了させることができる。
一般に、二次電池は満充電を繰り返すより、満充電せずにある程度の容量を残して充電を終えるような充電を繰り返す方が、二次電池の寿命を延ばすことができる。このため、上記のように二次電池に対して定電流充電期間のみの充電で終了させることにより、満充電せずにある程度の容量を残した充電が可能となり、二次電池の寿命を延ばすことができる。なお、一般に、定電流・定電圧充電方式により充電可能な二次電池は、定電流充電期間のみの充電で満充電の約８０％の充電が可能でるため十分な充電量を確保することができる。
また、定電圧充電を経ずに、定電流充電期間の終了をもって充電を終了させることができるので、充電時間の短縮を図ることができる。

充電時間の短縮及び二次電池の寿命を縮めるのを防止することができる無線電力伝送装置を提供することができる。

給電モジュールを搭載した充電器、及び、受電モジュールを搭載した無線式ヘッドセットの説明図である。 無線電力伝送装置のブロック図である。 無線電力伝送装置の概略説明図である。 無線電力伝送装置を等価回路で示した説明図である。 リチウムイオン二次電池の充電特性を示すグラフである。 電源周波数に対する伝送特性『Ｓ２１』の関係を示した説明図である。 電源周波数に対する入力インピーダンスＺ_inの関係を示したグラフである。 測定実験１−１に係る測定結果を示すグラフである。 測定実験１−２に係る測定結果を示すグラフである。 測定実験１−３に係る測定結果を示すグラフである。 測定実験２−１及び測定実験２−２に係る測定結果を示すグラフである。 測定実験２−３及び測定実験２−４に係る測定結果を示すグラフである。 測定実験２−５に係る測定結果を示すグラフである。 無線電力伝送における、コイル間距離と結合係数との関係を示すグラフである。 制御機器が実行する充電動作フローを説明したフローチャートである。

以下に本発明に係る無線電力伝送装置、及び、無線電力伝送装置の供給電力制御方法の実施形態について説明する。

（実施形態）
まず、本実施形態では、図１に示すように、無線電力伝送装置１として、給電モジュール２を備えた充電器１０１、及び、受電モジュール３を備えた無線式ヘッドセット１０２を例に説明する。

（無線電力伝送装置１の構成）
図１に示すように、無線電力伝送装置１は、充電器１０１及び無線式ヘッドセット１０２によって構成されている。そして、充電器１０１は、図２に示すように、給電コイル２１及び給電共振器２２を有した給電モジュール２と、電流・電圧検出部４（入力インピーダンス測定器に相当）と、制御機器５とを備えている。また、無線式ヘッドセット１０２は、イヤホンスピーカ部１０２ａ、受電コイル３１及び受電共振器３２を有した受電モジュール３と、受電された交流電力を整流化する安定回路７と、過充電を防止する充電回路８と、リチウムイオン二次電池とを備えている（なお、音響機器としての装置は省略している）。そして、給電モジュール２の給電コイル２１には、制御機器５を介して、給電モジュール２に電力を供給する交流電源６（外部の電力供給源６１、発振回路６２）が接続され、受電モジュール３の受電コイル３１には、安定回路７及び充電回路８を介してリチウムイオン二次電池９が接続されている。なお、図面では、説明の都合上、安定回路７、充電回路８及びリチウムイオン二次電池９を受電モジュール３の外に記載しているが、実際は、ソレノイド状の受電コイル３１及び受電共振器３２のコイル内周側に配置されている。また、本実施形態における安定回路７、充電回路８、及び、リチウムイオン二次電池９は、図１及び図２に示すように、最終的な電力の給電先となる被給電機器１０であり、被給電機器１０は、受電モジュール３に接続された電力の給電先の機器全体の総称である。

また、図示しないが、充電器１０１は、無線式ヘッドセット１０２を収納するための、無線式ヘッドセット１０２の形状に即した収納溝が設けられており、この充電器１０１の収納溝に無線式ヘッドセット１０２を収納することにより、充電器１０１が備える給電モジュール２と無線式ヘッドセット１０２が備える受電モジュール３とが対向配置されるように無線式ヘッドセット１０２を位置決めすることができるようになっている。

給電コイル２１は、交流電源６から得られた電力を電磁誘導によって給電共振器２２に供給する役割を果たす。この給電コイル２１は、図４に示すように、抵抗器Ｒ_１、コイルＬ_１、及び、コンデンサＣ_１を要素とするＲＬＣ回路を構成している。なお、コイルＬ_１部分は、銅線材（絶縁被膜付）を使用して、コイル径を１５ｍｍφに設定している。また、給電コイル２１を構成する回路素子が有する合計のインピーダンスをＺ_１とし、本実施形態では、給電コイル２１を構成する抵抗器Ｒ_１、コイルＬ_１、及び、コンデンサＣ_１を要素とするＲＬＣ回路（回路素子）が有する合計のインピーダンスをＺ_１としている。また、給電コイル２１に流れる電流をＩ_１する。

受電コイル３１は、給電共振器２２から受電共振器３２に磁界エネルギーとして伝送された電力を電磁誘導によって受電し、安定回路７及び充電回路８を介してリチウムイオン二次電池９に供給する役割を果たす。この受電コイル３１は、給電コイル２１同様に、図４に示すように、抵抗器Ｒ_４、コイルＬ_４、及び、コンデンサＣ_４を要素とするＲＬＣ回路を構成している。なお、コイルＬ_４部分は、銅線材（絶縁被膜付）を使用して、コイル径１１ｍｍφに設定している。また、受電コイル３１を構成する回路素子が有する合計のインピーダンスをＺ_４とし、本実施形態では、受電コイル３１を構成する抵抗器Ｒ_４、コイルＬ_４、及び、コンデンサＣ_４を要素とするＲＬＣ回路（回路素子）が有する合計のインピーダンスをＺ_４としている。また、受電コイル３１に接続された被給電機器１０の合計のインピーダンスをＺ_Ｌとしている。また、受電コイル３１に流れる電流をＩ_４としている。なお、被給電機器１０の合計のインピーダンスをＺ_Ｌとしているが、便宜的にＲ_Ｌと置き換えてもよい。

給電共振器２２は、図４に示すように、抵抗器Ｒ_２、コイルＬ_２、及び、コンデンサＣ_２を要素とするＲＬＣ回路を構成している。また、受電共振器３２は、図４に示すように、抵抗器Ｒ_３、コイルＬ_３、及び、コンデンサＣ_３を要素とするＲＬＣ回路を構成している。そして、給電共振器２２及び受電共振器３２は、それぞれ共振回路となり、磁界共鳴状態を創出する役割を果たす。ここで、磁界共鳴状態（共振現象）とは、２つ以上のコイルが共振周波数において共振することをいう。また、給電共振器２２を構成する回路素子が有する合計のインピーダンスをＺ_２とし、本実施形態では、給電共振器２２を構成する、抵抗器Ｒ_２、コイルＬ_２、及び、コンデンサＣ_２を要素とするＲＬＣ回路（回路素子）が有する合計のインピーダンスをＺ_２としている。また、受電共振器３２を構成する回路素子が有する合計のインピーダンスをＺ_３とし、本実施形態では、受電共振器３２を構成する、抵抗器Ｒ_３、コイルＬ_３、及び、コンデンサＣ_３を要素とするＲＬＣ回路（回路素子）が有する合計のインピーダンスをＺ_３としている。また、給電共振器２２に流れる電流をＩ_２とし、受電共振器３２に流れる電流をＩ_３とする。

また、給電共振器２２及び受電共振器３２における共振回路としてのＲＬＣ回路では、インダクタンスをＬ、コンデンサ容量をＣとすると、（式１）によって定まるｆが共振周波数となる。そして、本実施形態における給電コイル２１、給電共振器２２、受電コイル３１、及び、受電共振器３２の共振周波数は、９７０ｋＭＨｚとしている。
・・・（式１）

また、給電共振器２２は、銅線材（絶縁被膜付）により構成したコイル径１５ｍｍφのソレノイド型のコイルを使用している。また、受電共振器３２は、銅線材（絶縁被膜付）により構成したコイル径１１ｍｍφのソレノイド型のコイルを使用している。また、給電共振器２２及び受電共振器３２における共振周波数は一致させている。なお、給電共振器２２及び受電共振器３２は、コイルを使用した共振器であれば、スパイラル型やソレノイド型などのコイルであってもよい。

また、給電コイル２１と給電共振器２２との間の距離をｄ１２とし、給電共振器２２と受電共振器３２との間の距離をｄ２３とし、受電共振器３２と受電コイル３１との間の距離をｄ３４としている（図１参照）。

また、図４に示すように、給電コイル２１のコイルＬ_１と給電共振器２２のコイルＬ_２との間の相互インダクタンスをＭ_１２、給電共振器２２のコイルＬ_２と受電共振器３２のコイルＬ_３との間の相互インダクタンスをＭ_２３、受電共振器３２のコイルＬ_３と受電コイル３１のコイルＬ_４との間の相互インダクタンスをＭ_３４としている。また、無線電力伝送装置１において、コイルＬ_１とコイルＬ_２との間の結合係数をｋ_１２と表記し、コイルＬ_２とコイルＬ_３との間の結合係数をｋ_２３と表記し、コイルＬ_３とコイルＬ_４との間の結合係数をｋ_３４と表記している。

また、無線電力伝送装置１（安定回路７、充電回路８及びリチウムイオン二次電池９含む）の回路図を示すと図３の下図のようになる。これは、無線電力伝送装置１（安定回路７、充電回路８及びリチウムイオン二次電池９含む）全体を一つの入力インピーダンスＺ_inに置き換えて示したものであり、無線電力伝送装置１に印加する電圧を電圧Ｖ_in、無線電力伝送装置１に入力する電流をＩ_inとしている。

なお、無線電力伝送装置１の入力インピーダンスＺ_inをより詳細に表すために、無線電力伝送装置１の構成を等価回路によって表すと図４に示すようになる。そして、図４の等価回路より、無線電力伝送装置１の入力インピーダンスＺ_inは、（式２）のように表記することができる。

・・・（式２）

そして、本実施形態における無線電力伝送装置１の給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電コイル３１におけるインピーダンスＺ_１、Ｚ_２、Ｚ_３、Ｚ_４、Ｚ_Ｌは、それぞれ（式３）のように表記することができる。
・・・（式３）

次に、（式２）に（式３）を導入すると、（式４）のようになる。

・・・（式４）

そして、給電コイル２１のＲＬＣ回路のＲ_１、Ｌ_１、Ｃ_１、給電共振器２２のＲＬＣ回路のＲ_２、Ｌ_２、Ｃ_２、受電共振器３２のＲＬＣ回路のＲ_３、Ｌ_３、Ｃ_３、受電コイル３１のＲＬＣ回路のＲ_４、Ｌ_４、Ｃ_４における抵抗値、インダクタンス、コンデンサ容量、及び、結合係数ｋ_１２、ｋ_２３、ｋ_３４は、設計・製造段階等で変更可能なパラメータとして、上記（式４）の関係式を満たすように設定されていることが望ましい。

また、充電器１０１が備える、電流・電圧検出部４は、電流検出部及び電圧検出部を有しており、それぞれ、無線電力伝送装置１に印加される電圧Ｖ_in、無線電力伝送装置１に入力される電流Ｉ_inを検出する。

制御機器５は、詳細は後述するが、電流・電圧検出部４が検出した電圧Ｖ_in及び電流Ｉ_inに基づいて入力インピーダンスＺ_inを求め（式５参照）、求められた入力インピーダンスＺ_inの変化に従い、交流電源６から給電モジュール２に電力を供給するか否かを判断する機能を有し、電力を供給しない旨の判断がなされた場合には、交流電源６から給電モジュール２への電力の供給を遮断する機能を有する。なお、制御機器５は、例えばマイクロコンピュータ・記憶装置等によって構成される。また、電圧Ｖ_in及び電流Ｉ_inを検出する電流・電圧検出部４は、入力インピーダンス測定器に相当する。

・・・（式５）

（リチウムイオン二次電池９の充電時における充電特性）
次に、本実施形態に係る無線電力伝送装置１を使用した際の電力の給電先であるリチウムイオン二次電池９の充電時における充電特性を踏まえた対処方法について説明する。

本実施形態では、電力が給電される被給電機器１０の一つとしてリチウムイオン二次電池９を使用している。そして、一般的に、リチウムイオン二次電池９を充電するには、定電流定電圧充電方式が採用されている。この定電流定電圧充電方式によるリチウムイオン二次電池９の充電では、図５のリチウムイオン二次電池９の充電特性のグラフに示すように、充電を開始してからしばらくの間は、リチウムイオン二次電池９に対して定電流(Ｉ_ｃｈ)による充電が行われる（ＣＣ：コンスタントカレント）。そして、定電流による充電が行われている間にリチウムイオン二次電池９に印加される電圧(Ｖ_ｃｈ)が、所定の上限電圧（本実施形態では、４．２Ｖ）まで上昇する。電圧(Ｖ_ｃｈ)が上限電圧まで上昇すると、その上限電圧に保持されたまま定電圧による充電に移行する（ＣＶ：コンスタントボルテージ）。定電圧（ＣＶ）による充電が行われると、リチウムイオン二次電池９に入力される電流値(Ｉ_ｃｈ)が減衰していき、所定の電流値、又は、所定時間経過後に満充電となる。

もっとも、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電（ＣＶ）に移行したときに、図５に示すように、リチウムイオン二次電池９に供給される電流値（Ｉ_ｃｈ）が減衰してしまう。その結果、定電圧充電時（ＣＶ）には、充電時間に対する充電量が低下してしまい、満充電までに時間を要することになる。

上記充電特性より、定電流充電（ＣＣ）の終了をもって、リチウムイオン二次電池９への充電を終了させることにより、充電時間の短縮を図ることができることがわかる。なお、定電流・定電圧充電方式により充電可能なリチウムイオン二次電池９は、定電流充電期間（ＣＣ）のみの充電で満充電の約８０％の充電が可能でるため、定電流充電（ＣＣ）の終了をもって、リチウムイオン二次電池９への充電を終了させても、十分な充電量を確保することができる。更に、一般に、リチウムイオン二次電池９は満充電を繰り返すことにより、寿命が短くなる傾向にあることが知られているため、満充電せずに、定電流充電（ＣＣ）の終了をもって、リチウムイオン二次電池９への充電を終了させることにより、リチウムイオン二次電池９の寿命を延ばすことができる。

そこで、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電（ＣＶ）に移行したか否かを判定し、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電（ＣＶ）に移行したと判定した場合に定電流充電（ＣＣ）が終了したとして、リチウムイオン二次電池９への充電を終了させることにより上記目的を達成することが可能である。

具体的には、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電（ＣＶ）に移行した際に、リチウムイオン二次電池９に入力される電流値(Ｉ_ｃｈ)が減衰するのに伴い、リチウムイオン二次電池９を含めた被給電機器１０の負荷インピーダンスの値が上がることになる。

そうすると、被給電機器１０を含めた無線電力伝送装置１全体の入力インピーダンスＺ_inも変動することになる（図８参照）。

そこで、本実施形態に係る無線電力伝送装置１の充電動作では、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電（ＣＶ）に移行した際の被給電機器１０を含めた無線電力伝送装置１全体の入力インピーダンスＺ_inの変化を測定して、入力インピーダンスＺ_inの変化が測定された場合に、定電流充電（ＣＣ）期間が終了したとして、リチウムイオン二次電池９への充電を終了させている。

（入力インピーダンスＺ_inの変化）
本実施形態では、入力インピーダンスＺ_inの変化を測定して定電流充電（ＣＣ）期間が終了したか否かを判定しているが、この入力インピーダンスＺ_inの変化としては、入力インピーダンスＺ_inが、所定の閾値を、上回る又は下回ったときに、定電流充電期間が終了したと判定する方法と、充電時間に対する入力インピーダンスＺ_inの変化量である負荷変動特性が、所定の閾値を、上回る又は下回ったときに、定電流充電期間が終了したと判定する方法を採用している。いずれの方法を採用するにしても、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電（ＣＶ）に移行した際に、入力インピーダンスＺ_inがどのように変化をするのかを予め知った上で所定の閾値を設定する必要がある。そこで、以下に入力インピーダンスＺ_inの変化の設定について測定実験を参照して説明する。

ここで、負荷変動特性とは、定電流充電から定電圧充電に移行した時における充電時間に対する無線電力伝送装置１の入力インピーダンスＺ_inの値の変化量であり、この負荷変動特性は、Ｘ軸を充電時間、Ｙ軸を入力インピーダンスＺ_in値とした場合における（図８の入力インピーダンスＺ_in参照）、Ｘ軸の所定の変化量（ΔＸ）に対するＹ軸の所定の変化量（ΔＹ）であり、傾きを意味する。従って、負荷変動特性が大きくなると、充電時間に対する無線電力伝送装置１の入力インピーダンスＺ_inの値の変化量が大きくなり、傾きが急になる。

（定電圧充電移行時の入力インピーダンスＺ_inの増減傾向の設定）
本実施形態では、無線電力伝送装置１を使用して、リチウムイオン二次電池９に定電流定電圧充電を行う場合、定電圧充電移行時（ＣＶ）の入力インピーダンスＺ_inの値を大きくするために、後述する無線電力伝送装置１に供給する電力の電源周波数に対する無線電力伝送装置１の伝送特性『Ｓ２１』が双峰性の性質を有するように、給電コイル２１のＲＬＣ回路のＲ_１、Ｌ_１、Ｃ_１、給電共振器２２のＲＬＣ回路のＲ_２、Ｌ_２、Ｃ_２、受電共振器３２のＲＬＣ回路のＲ_３、Ｌ_３、Ｃ_３、受電コイル３１のＲＬＣ回路のＲ_４、Ｌ_４、Ｃ_４における抵抗値、インダクタンス、コンデンサ容量、及び、結合係数ｋ_１２、ｋ_２３、ｋ_３４などの給電モジュール２及び受電モジュール３を構成する変更可能なパラメータを設定する。そして、無線電力伝送装置１に供給する電力の電源周波数に対する無線電力伝送装置１の伝送特性『Ｓ２１』を双峰性の性質を有するようにしたうえで、無線電力伝送装置１に供給する電力の電源周波数を調整することによって、定電圧充電時における無線電力伝送装置１の入力インピーダンス値の増減傾向を設定している。

（測定実験１−１〜１−３）
上記無線電力伝送装置１に供給する電力の電源周波数に対する無線電力伝送装置１の伝送特性『Ｓ２１』を双峰性の性質を有するように設定した場合に、無線電力伝送装置１に供給する電力の電源周波数を調整することによって、定電圧充電移行時における無線電力伝送装置１の入力インピーダンス値がどのような増減傾向を示すのかを、測定実験１−１〜１−３により説明する。

測定実験１−１〜１−３で使用する無線電力伝送装置１では、給電コイル２１は、抵抗器Ｒ_１、コイルＬ_１、コンデンサＣ_１を要素とするＲＬＣ回路を構成しており、コイルＬ_１部分は、コイル径を１５ｍｍφに設定している。同様に、受電コイル３１は、抵抗器Ｒ_４、コイルＬ_４、コンデンサＣ_４を要素とするＲＬＣ回路を構成しており、コイルＬ_４部分は、コイル径を１１ｍｍφに設定している。また、給電共振器２２は、抵抗器Ｒ_２、コイルＬ_２、及び、コンデンサＣ_２を要素とするＲＬＣ回路を構成しており、コイルＬ_２部分は、コイル径１５ｍｍφのソレノイド型のコイルを使用している。また、受電共振器３２は、抵抗器Ｒ_３、コイルＬ_３、及び、コンデンサＣ_３を要素とするＲＬＣ回路を構成しており、コイルＬ_３部分は、コイル径１１ｍｍφのソレノイド型のコイルを使用している。そして、測定実験１−１〜１−３に使用する無線電力伝送装置１におけるＲ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４の値をそれぞれ、０．６５Ω、０．６５Ω、２．４７Ω、２．０Ωに設定した。また、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４の値をそれぞれ、３．１μＨ、３．１μＨ、１８．４μＨ、１２．５μＨに設定した。また、結合係数ｋ_１２、ｋ_２３、ｋ_３４をそれぞれ、０．４６、０．２０、０．５２に設定した。また、給電共振器２２及び受電共振器３２における共振周波数は９７０ｋＨｚである。

そして、測定実験１−１〜１−３では、上記構成により、無線電力伝送装置１を双峰性の性質に設定したうえで、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を、後述する同相共振モード（fL）、逆相共振モード(fH)、及び、共振周波数（ｆ0）の３つの状態（図６参照）に変えて、リチウムイオン二次電池９に充電（給電）を行った際の電流Ｉ_in、及び入力インピーダンスＺ_inを測定する。なお、測定実験１−１〜１−３では、無線電力伝送装置１への交流電源６からの入力電圧Ｖ_ｉｎ＝５Ｖのときの充電時間（Charging Time(min)）に対する電流Ｉ_in、及び、入力インピーダンスＺ_inを測定する。

（双峰性の性質）
ここで、本測定実験においては、無線電力伝送装置１に供給する電力の電源周波数に対する無線電力伝送装置１の伝送特性『Ｓ２１』が、双峰性の性質を有するもので測定している。そして、伝送特性『Ｓ２１』とは、ネットワークアナライザ（アジレント・テクノロジー株式会社製のＥ５０６１Ｂなど）を無線電力伝送装置１に接続して計測される信号を表しており、デシベル表示され、数値が大きいほど電力伝送効率が高いことを意味する。そして、無線電力伝送装置１に供給する電力の電源周波数に対する無線電力伝送装置１の伝送特性『Ｓ２１』は、給電モジュール２及び受電モジュール３の間の磁界による結びつき度合い（磁界結合）の強度により、単峰性の性質を有するものと双峰性の性質を有するものに分かれる。そして、単峰性とは、電源周波数に対する伝送特性『Ｓ２１』のピークが一つで、そのピークが共振周波数帯域(ｆ0）において現れるものをいう（図６の破線５１参照）。一方、双峰性とは、電源周波数に対する伝送特性『Ｓ２１』のピークが二つあり、その二つのピークが共振周波数よりも低い電源周波数帯域(fL)と共振周波数よりも高い電源周波数帯域(fH)において現れるものをいう（図６の実線５２参照）。更に詳細に双峰性を定義すると、上記ネットワークアナライザに無線電力伝送装置１を接続して計測される反射特性『Ｓ１１』が二つのピークを有する状態をいう。従って、電源周波数に対する伝送特性『Ｓ２１』のピークが一見して一つに見えたとしても、計測されている反射特性『Ｓ１１』が二つのピークを有する場合には、双峰性の性質を有するものとする。なお、電力伝送効率とは、給電モジュール２に供給される電力に対する、受電モジュール３が受電する電力の比率のことをいう。

上記単峰性の性質を有する無線電力伝送装置１においては、図６の破線５１に示すように、電源周波数が共振周波数ｆ0で伝送特性『Ｓ２１』が最大化する（電力伝送効率が最大化する）。

一方、双峰性の性質を有する無線電力伝送装置１では、図６の実線５２に示すように、伝送特性『Ｓ２１』は、共振周波数ｆ0よりも低い電源周波数帯域(fL)と共振周波数ｆ0よりも高い電源周波数帯域(fH)において最大化する。

なお、一般的に、給電共振器と受電共振器との間の距離が同じであれば、双峰性における伝送特性『Ｓ２１』の最大値（fL又はfHでの伝送特性『Ｓ２１』の値）は、単峰性における伝送特性『Ｓ２１』の最大値(ｆ0での伝送特性『Ｓ２１』の値)よりも低い値になる（図６のグラフ参照）。

具体的には、双峰性における低周波側のピーク付近の周波数fLに、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定した場合（同相共振モード）、給電共振器２２及び受電共振器３２が同位相で共振状態となり、給電共振器２２に流れる電流の向きと受電共振器３２に流れる電流の向きとが同じ向きになる。その結果、図６のグラフに示すように、電力伝送効率の最大化を目的にした一般的な無線電力伝送装置における伝送特性『Ｓ２１』（破線５１）には及ばないが、電源周波数を給電モジュール２が備える給電共振器２２及び受電モジュール３が備える受電共振器３２が有する共振周波数と一致させない場合でも、伝送特性『Ｓ２１』の値を比較的高い値にすることができる。ここで、給電モジュール２におけるコイル（給電共振器２２）に流れる電流の向きと受電モジュール３におけるコイル（受電共振器３２）に流れる電流の向きとが同じ向きとなる共振状態を同相共振モードと呼ぶことにする。

また、上記同相共振モードでは、給電共振器２２の外周側に発生する磁界と受電共振器３２の外周側に発生する磁界とが打ち消し合うことにより、給電共振器２２及び受電共振器３２の外周側に、磁界による影響が低減されて、給電共振器２２及び受電共振器３２の外周側以外の磁界強度（例えば、給電共振器２２及び受電共振器３２の内周側の磁界強度）よりも小さな磁界強度を有する磁界空間を形成することができる。そして、この磁界空間に磁界の影響を低減させたい安定回路７や充電回路８やリチウムイオン二次電池９などを収納した場合、安定回路７や充電回路８やリチウムイオン二次電池９などに対して、磁界に起因する渦電流の発生を低減・防止して、発熱による悪影響を抑制することが可能となる。

一方、双峰性における高周波側のピーク付近の周波数fHに、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定した場合（逆相共振モード）、給電共振器２２及び受電共振器３２が逆位相で共振状態となり、給電共振器２２に流れる電流の向きと受電共振器３２に流れる電流の向きとが逆向きになる。その結果、図６のグラフに示すように、電力伝送効率の最大化を目的にした一般的な無線電力伝送装置における伝送特性『Ｓ２１』（破線５１）には及ばないが、電源周波数を給電モジュール２が備える給電共振器２２及び受電モジュール３が備える受電共振器３２が有する共振周波数と一致させない場合でも、伝送特性『Ｓ２１』の値を比較的高い値にすることができる。ここで、給電モジュール２におけるコイル（給電共振器２２）に流れる電流の向きと受電モジュール３におけるコイル（受電共振器３２）に流れる電流の向きとが逆向きとなる共振状態を逆相共振モードと呼ぶことにする。

また、上記逆相共振モードでは、給電共振器２２の内周側に発生する磁界と受電共振器３２の内周側に発生する磁界とが打ち消し合うことにより、給電共振器２２及び受電共振器３２の内周側に、磁界による影響が低減されて、給電共振器２２及び受電共振器３２の内周側以外の磁界強度（例えば、給電共振器２２及び受電共振器３２の外周側の磁界強度）よりも小さな磁界強度を有する磁界空間を形成することができる。そして、この磁界空間に磁界の影響を低減させたい安定回路７や充電回路８やリチウムイオン二次電池９などを収納した場合、安定回路７や充電回路８やリチウムイオン二次電池９などに対して、磁界に起因する渦電流の発生を低減・防止して、発熱による悪影響を抑制することが可能となる。また、この逆相共振モードにより形成される磁界空間は、給電共振器２２及び受電共振器３２の内周側に形成されるので、この空間に安定回路７や充電回路８やリチウムイオン二次電池９などの電子部品を組み込むことにより無線電力伝送装置１自体のコンパクト化・設計自由度の向上が実現される。

また、上記のように無線電力伝送装置１に供給する電力の電源周波数に対する無線電力伝送装置１の伝送特性『Ｓ２１』が、双峰性の性質を有する場合、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を同相共振モード（fL）、又は、逆相共振モード(fH)に設定した際に、図７に示すように、電力伝送効率を高い値に維持した状態で、無線電力伝送装置１の入力インピーダンスＺ_inの値の最大化を図ることができる（実線５５参照）。また、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を共振周波数（ｆ0）に設定した際に、図７に示すように、無線電力伝送装置１の入力インピーダンスＺ_inの値の最小化を図ることができる（実線５５参照）。そして、本測定実験１−１〜１−３では、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を同相共振モード（fL）、逆相共振モード(fH)、及び、共振周波数（ｆ0）の３つの状態で、リチウムイオン二次電池９に充電（給電）を行った際の電流Ｉ_in、及び入力インピーダンスＺ_inを測定している。

なお、本実施形態では、無線電力伝送装置１に供給する電力の電源周波数に対する無線電力伝送装置１の伝送特性『Ｓ２１』が双峰性の性質を有するものであれば、給電コイル２１のＲＬＣ回路のＲ_１、Ｌ_１、Ｃ_１、給電共振器２２のＲＬＣ回路のＲ_２、Ｌ_２、Ｃ_２、受電共振器３２のＲＬＣ回路のＲ_３、Ｌ_３、Ｃ_３、受電コイル３１のＲＬＣ回路のＲ_４、Ｌ_４、Ｃ_４における抵抗値、インダクタンス、コンデンサ容量、及び、結合係数ｋ_１２、ｋ_２３、ｋ_３４などの給電モジュール２及び受電モジュール３を構成する変更可能なパラメータの設定・組み合わせは設計事項であり自由に設定することができる。

（測定実験１−１：電源周波数を同相共振モードに設定した場合）
測定実験１−１では、双峰性における低周波側のピーク付近の周波数fLに、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定した場合（同相共振モード：fL＝８７０ｋＨｚ）の充電時間（Charging Time(min)）に対する入力電流Ｉ_in、及び、入力インピーダンスＺ_inを測定し、その測定結果を図８に示す。なお、入力電圧Ｖ_ｉｎは５Ｖ（一定）である。

図８の測定結果より、定電流による充電（ＣＣ）から定電圧による充電（ＣＶ）に移行してからの入力インピーダンスＺ_inの値が増加傾向になっているのが分かる。

上記測定実験１−１より、無線電力伝送装置１に供給する電力の電源周波数に対する無線電力伝送装置１の伝送特性『Ｓ２１』を双峰性の性質を有するように設定したうえで、双峰性における低周波側のピーク付近の周波数fLに、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定した場合、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電（ＣＶ）に移行してからの入力インピーダンスＺ_inの値を増加傾向にすることができる。これにより、定電流充電期間が終了したと判定するための所定の閾値を、定電流充電時の入力インピーダンスＺ_inよりも高い値にすることにより、判定可能となる。同様に、定電流充電期間が終了したと判定するための所定の閾値を、定電流充電時の負荷変動特性よりも高い値にすることにより、判定可能となる。

（測定実験１−２：電源周波数を逆相共振モードに設定した場合）
測定実験１−２では、双峰性における高周波側のピーク付近の周波数fHに、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定した場合（逆相共振モード：fH＝１０７０ｋＨｚ）の充電時間（Charging Time(min)）に対する入力電流Ｉ_in、及び、入力インピーダンスＺ_inを測定し、その測定結果を図９に示す。なお、入力電圧Ｖ_ｉｎは５Ｖ（一定）である。

図９の測定結果より、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電（ＣＶ）に移行してからの入力インピーダンスＺ_inの値が増加傾向になっているのが分かる。

上記測定実験１−２より、無線電力伝送装置１に供給する電力の電源周波数に対する無線電力伝送装置１の伝送特性『Ｓ２１』を双峰性の性質を有するように設定したうえで、双峰性における高周波側のピーク付近の周波数fHに、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定した場合、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電（ＣＶ）に移行してからの入力インピーダンスＺ_inの値を増加傾向にすることができる。これにより、定電流充電期間が終了したと判定するための所定の閾値を、定電流充電時の入力インピーダンスＺ_inよりも高い値にすることにより、判定可能となる。同様に、定電流充電期間が終了したと判定するための所定の閾値を、定電流充電時の負荷変動特性よりも高い値にすることにより、判定可能となる。

（測定実験１−３：電源周波数を共振周波数に設定した場合）
測定実験１−３では、双峰性における共振周波数ｆ0に、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定した場合（共振周波数：ｆ0＝９７０ｋＨｚ）の充電時間（Charging Time(min)）に対する入力電流Ｉ_in、及び、入力インピーダンスＺ_inを測定し、その測定結果を図１０に示す。なお、入力電圧Ｖ_ｉｎは５Ｖ（一定）である。

図１０の測定結果より、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電（ＣＶ）に移行してからの入力インピーダンスＺ_inの値が減少傾向になっているのが分かる。

上記測定実験１−３より、無線電力伝送装置１に供給する電力の電源周波数に対する無線電力伝送装置１の伝送特性『Ｓ２１』を双峰性の性質を有するように設定したうえで、双峰性における共振周波数ｆ0に、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定した場合、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電（ＣＶ）に移行してからの入力インピーダンスＺ_inの値を減少傾向にすることができる。これにより、定電流充電期間が終了したと判定するための所定の閾値を、定電流充電時の入力インピーダンスＺ_inよりも低い値にすることにより、判定可能となる。同様に、定電流充電期間が終了したと判定するための所定の閾値を、定電流充電時の負荷変動特性よりも低い値にすることにより、判定可能となる。

（負荷変動特性の設定）
次に、例えば、上記測定実験１−１のように定電圧充電時（ＣＶ）における無線電力伝送装置１の入力インピーダンス値の増減傾向を増加傾向に設定した場合、充電時間に対する無線電力伝送装置１の入力インピーダンスＺ_inの値の変化量である負荷変動特性を大きくすることができれば、短時間での負荷変動特性の変化が大きくなるため、電圧検出部４（制御機器５含む）での測定精度を上げることができる。ここで測定精度としては、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電時（ＣＶ）に移行したことを短時間で判断することが挙げられる。

（結合係数による負荷変動特性の調整）
本実施形態では、結合係数ｋ_１２、ｋ_２３、ｋ_３４、を変えることにより、上記負荷変動特性を調整する。そして、結合係数ｋ_１２、ｋ_２３、ｋ_３４、をどのように変えることにより、負荷変動特性がどのように変わるのかを、測定実験２−１〜２−５により説明する。

（測定実験２−１）
測定実験２−１で使用する無線電力伝送装置１におけるＲ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４の値をそれぞれ、０．６５Ω、０．６５Ω、２．４７Ω、２．０Ωに設定した。また、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４の値をそれぞれ、３．１μＨ、３．１μＨ、１８．４μＨ、１２．５μＨに設定した。また、給電共振器２２及び受電共振器３２における共振周波数は９７０ｋＨｚである。

そして、測定実験２−１では、上記構成により、無線電力伝送装置１を双峰性の性質に設定したうえで、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を、逆相共振モード(fH)に設定している。そして、結合係数ｋ_２３、ｋ_３４をそれぞれ、０．２０、０．５２に固定したうえで、結合係数ｋ_１２を０．３にした場合と、結合係数ｋ_１２を０．４６にした場合における、リチウムイオン二次電池９に充電（給電）を行った際の入力インピーダンスＺ_inを測定した。なお、測定実験２−１では、無線電力伝送装置１への交流電源６からの入力電圧Ｖ_ｉｎ＝５Ｖのときの充電時間（Charging Time(min)）に対する入力インピーダンスＺ_inを測定している。

図１１の測定実験２−１の測定結果より、結合係数ｋ_１２を０．３にした場合は、定電圧充電時（ＣＶ）における充電時間に対する入力インピーダンスＺ_inの値の変化量はおよそ１０Ωであるのに対して、結合係数ｋ_１２を０．４６にした場合は、定電圧充電時（ＣＶ）における充電時間に対する入力インピーダンスＺ_inの値の変化量はおよそ２０Ωである。従って、結合係数ｋ_１２を０．３にした場合よりも、結合係数ｋ_１２を０．４６にした場合の方が、負荷変動特性が大きいことが分かる。

（測定実験２−２）
測定実験２−２で使用する無線電力伝送装置１は、測定実験２−１と同じものである。そして、測定実験２−２では、無線電力伝送装置１を双峰性の性質に設定したうえで、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を、給電共振器２２及び受電共振器３２が有する共振周波数(f0)に設定している。そして、結合係数ｋ_２３、ｋ_３４をそれぞれ、０．２０、０．５２に固定したうえで、結合係数ｋ_１２を０．３にした場合と、結合係数ｋ_１２を０．４６にした場合における、リチウムイオン二次電池９に充電（給電）を行った際の入力インピーダンスＺ_inを測定した。なお、測定実験２−２では、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を、給電共振器２２及び受電共振器３２が有する共振周波数(f0)に設定することにより、定電流による充電（ＣＣ）から定電圧による充電（ＣＶ）に移行してからの入力インピーダンスＺ_inの値が減少傾向になるようにしている。

図１１の測定実験２−２の測定結果より、結合係数ｋ_１２を０．３にした場合は、定電圧充電時（ＣＶ）における充電時間に対する入力インピーダンスＺ_inの値の変化量はおよそ３Ωであるのに対して、結合係数ｋ_１２を０．４６にした場合は、定電圧充電時（ＣＶ）における充電時間に対する入力インピーダンスＺ_inの値の変化量はおよそ６Ωである。従って、結合係数ｋ_１２を０．３にした場合よりも、結合係数ｋ_１２を０．４６にした場合の方が、負荷変動特性が大きいことが分かる。なお、この場合の定電圧充電時における充電時間に対する無線電力伝送装置１の入力インピーダンスＺ_inの値の変化量である傾きはマイナス（−）であるが、負荷変動特性を絶対値で評価して、測定実験２−２の場合も負荷変動特性が大きいと評価する。

（測定実験２−３）
測定実験２−３で使用する無線電力伝送装置１は、測定実験２−１と同じものである。そして、測定実験２−２では、無線電力伝送装置１を双峰性の性質に設定したうえで、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を、逆相共振モード(fH)に設定している。そして、結合係数ｋ_１２、ｋ_２３をそれぞれ、０．４６、０．２０に固定したうえで、結合係数ｋ_３４を０．２５にした場合と、結合係数ｋ_３４を０．５２にした場合における、リチウムイオン二次電池９に充電（給電）を行った際の入力インピーダンスＺ_inを測定した。

図１２の測定実験２−３の測定結果より、結合係数ｋ_３４を０．２５にした場合は、定電圧充電時（ＣＶ）における充電時間に対する入力インピーダンスＺ_inの値の変化量はおよそ１５Ωであるのに対して、結合係数ｋ_３４を０．５２にした場合は、定電圧充電時（ＣＶ）における充電時間に対する入力インピーダンスＺ_inの値の変化量はおよそ２０Ωである。従って、結合係数ｋ_３４を０．２５にした場合よりも、結合係数ｋ_３４を０．５２にした場合の方が、負荷変動特性が大きいことが分かる。

（測定実験２−４）
測定実験２−４で使用する無線電力伝送装置１は、測定実験２−１と同じものである。そして、測定実験２−４では、無線電力伝送装置１を双峰性の性質に設定したうえで、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を、給電共振器２２及び受電共振器３２が有する共振周波数(f0)に設定している。そして、結合係数ｋ_１２、ｋ_２３をそれぞれ、０．４６、０．２０に固定したうえで、結合係数ｋ_３４を０．２５にした場合と、結合係数ｋ_３４を０．５２にした場合における、リチウムイオン二次電池９に充電（給電）を行った際の入力インピーダンスＺ_inを測定した。なお、測定実験２−４では、測定実験２−２同様に、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を、給電共振器２２及び受電共振器３２が有する共振周波数(f0)に設定することにより、定電流による充電（ＣＣ）から定電圧による充電（ＣＶ）に移行してからの入力インピーダンスＺ_inの値が減少傾向になるようにしている。

図１２の測定実験２−４の測定結果より、結合係数ｋ_３４を０．２５にした場合は、定電圧充電時（ＣＶ）における充電時間に対する入力インピーダンスＺ_inの値の変化量はおよそ１．５Ωであるのに対して、結合係数ｋ_３４を０．５２にした場合は、定電圧充電時（ＣＶ）における充電時間に対する入力インピーダンスＺ_inの値の変化量はおよそ６Ωである。従って、結合係数ｋ_３４を０．２５にした場合よりも、結合係数ｋ_３４を０．５２にした場合の方が、負荷変動特性が大きいことが分かる。

（測定実験２−５）
測定実験２−５で使用する無線電力伝送装置１におけるＲ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４の値をそれぞれ、０．７Ω、０．７Ω、２．５Ω、２．０Ωに設定した。また、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４の値をそれぞれ、３．１μＨ、３．１μＨ、１８．４μＨ、１２．５μＨに設定した。また、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４の値をそれぞれ、８．７ｎＦ、８．７ｎＦ、１．５ｎＦ、２．３ｎＦに設定した。また、給電共振器２２及び受電共振器３２における共振周波数は９７０ｋＨｚである。

そして、測定実験２−５では、上記構成により、無線電力伝送装置１を双峰性の性質に設定したうえで、給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を、逆相共振モード(fH)に設定している。そして、結合係数ｋ_２３を、０．２０に固定したうえで、結合係数ｋ_１２を０．３８、及び、結合係数ｋ_３４を０．３７にした場合と、結合係数ｋ_１２を０．４６、及び、結合係数ｋ_３４を０．５２にした場合における、リチウムイオン二次電池９に充電（給電）を行った際の入力インピーダンスＺ_in、及び、入力電流Ｉ_in(Ｉ_１)を測定した。なお、測定実験２−５でも、無線電力伝送装置１への交流電源６からの入力電圧Ｖ_ｉｎ＝５Ｖのときの充電時間（Charging Time(min)）に対する入力インピーダンスＺ_in、及び、入力電流Ｉ_inを測定する。

図１３の測定実験２−５の入力インピーダンスＺ_inの測定結果より、結合係数ｋ_１２を０．３８、及び、結合係数ｋ_３４を０．３７にした場合は、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電（ＣＶ）に移行した際における充電時間に対する入力インピーダンスＺ_inの値の変化量はおよそ１２Ω（４１Ω−２９Ω）であるのに対して、結合係数ｋ_１２を０．４６、及び、結合係数ｋ_３４を０．５２にした場合は、定電圧充電時（ＣＶ）における充電時間に対する入力インピーダンスＺ_inの値の変化量はおよそ１７Ω（４７Ω−３０Ω）である。従って、結合係数ｋ_１２を０．３８、及び、結合係数ｋ_３４を０．３７にした場合よりも、結合係数ｋ_１２を０．４６、及び、結合係数ｋ_３４を０．５２にした場合の方が、負荷変動特性が大きいことが分かる。

上記のように、負荷変動特性を大きくすれば、短時間での負荷変動特性の変化が大きくなるため、電圧検出部４（制御機器５含む）での測定精度を上げることができる。

（結合係数の調整方法）
次に、上記負荷変動特性を調整するためのパラメータである結合係数の調整方法について説明する。

図１４に示すように、無線電力伝送において、コイル間の距離と結合係数ｋとの関係は、コイルとコイルとの間の距離を縮める（短くする）と結合係数ｋの値が高くなる傾向がある。これを本実施形態に係る無線電力伝送装置１に当てはめると、給電コイル２１と給電共振器２２との間の距離ｄ１２、給電共振器２２と受電共振器３２との間の距離ｄ２３、受電共振器３２と受電コイル３１との間の距離ｄ３４をそれぞれ縮めることによって、給電コイル２１（コイルＬ_１）と給電共振器２２（コイルＬ_２）との間の結合係数ｋ_１２、給電共振器２２（コイルＬ_２）と受電共振器３２（コイルＬ_３）との間の結合係数ｋ_２３、受電共振器３２（コイルＬ_３）と受電コイル３１（コイルＬ_４）との間の結合係数ｋ_３４を高めることができる。逆に、給電コイル２１と給電共振器２２との間の距離ｄ１２、給電共振器２２と受電共振器３２との間の距離ｄ２３、受電共振器３２と受電コイル３１との間の距離ｄ３４をそれぞれ伸ばすことによって、給電コイル２１（コイルＬ_１）と給電共振器２２（コイルＬ_２）との間の結合係数ｋ_１２、給電共振器２２（コイルＬ_２）と受電共振器３２（コイルＬ_３）との間の結合係数ｋ_２３、受電共振器３２（コイルＬ_３）と受電コイル３１（コイルＬ_４）との間の結合係数ｋ_３４を低めることができる。

（無線電力伝送装置１の充電動作：充電動作フロー）
上記無線電力伝送装置１の構成等を踏まえて、無線電力伝送装置１を利用したリチウムイオン二次電池９の充電動作について説明する（供給電力制御方法）。具体的には、無線電力伝送装置１において、主に制御機器５が実行する充電動作フロー（処理）を、図１５を参照して説明する。

まず、無線式ヘッドセット１０２が充電器１０１に載置されることにより、給電共振器２２及び受電共振器３２が共振した状態で磁界共鳴状態が創出され、給電共振器２２から受電共振器３２に電力が磁界エネルギーとして伝送される。そして、受電共振器３２で受電された電力が受電コイル３１、安定回路７及び充電回路８を介してリチウムイオン二次電池９に給電されて定電流充電（ＣＣ）が開始される。なお、本説明では、無線式ヘッドセット１０２が充電器１０１に載置したときのリチウムイオン二次電池９の充電量は０％として説明する。

次に、制御機器５は、電流・電圧検出部４によって、無線電力伝送装置１に印加される電圧Ｖ_in、無線電力伝送装置１に入力される電流Ｉ_inが検出されたか否かを判定する（Ｓ１）。なお、電流・電圧検出部４による電流Ｉ_in、電圧Ｖ_inの検出は、所定の時間間隔を空けて行なわれる（この所定の時間間隔は、任意に設定可能なものである）。

そして、電圧Ｖ_in、電流Ｉ_inが検出されない場合（Ｓ１：ＮＯ）、電圧Ｖ_in、電流Ｉ_inが検出されるまで待機状態となる。

一方、電圧Ｖ_in、電流Ｉ_inが検出された場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、制御機器５は、電流・電圧検出部４が検出した電圧Ｖ_in及び電流Ｉ_inに基づいて入力インピーダンスＺ_inを算出する（式５参照）（Ｓ２）。

そして、制御機器５は、Ｓ２で算出した入力インピーダンスＺ_inが、予め設定された閾値を超えたか否かを判定する（Ｓ３）。そして、Ｓ２で算出した入力インピーダンスＺ_inが、予め設定された閾値を超えていない場合（Ｓ３：ＮＯ）、Ｓ１の処理に移行する。

一方、Ｓ２で算出した入力インピーダンスＺ_inが、予め設定された閾値を超えた場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、制御機器５は、交流電源６から給電モジュール２への電力の供給を遮断する（Ｓ４）。即ち、リチウムイオン二次電池９に対する充電を終了させる。そして、本フローは終了される。

例えば、図８に示す測定実験１−１で使用した無線電力伝送装置１の場合で説明すると、閾値を２５Ωに設定していた場合、定電流充電（ＣＣ）の間は、入力インピーダンスＺ_inが２２Ωでほぼ維持されているが、定電圧充電（ＣＶ）に移行すると、入力インピーダンスＺ_inが増加していく。すると、充電時間がおよそ４５minのところで、入力インピーダンスＺ_inが２５Ωに達する。そこで、制御機器５は、Ｓ２で算出した入力インピーダンスＺ_inが、予め設定された閾値（２５Ω）を超えたと判断し、交流電源６から給電モジュール２への電力の供給を遮断することで、リチウムイオン二次電池９に対する充電を終了させる。

なお、上記では、入力インピーダンスＺ_inが、所定の閾値を超えたときに、定電流充電期間が終了したと判定する場合の充電動作フローである。一方、負荷変動特性が、所定の閾値を超えたときに、定電流充電期間が終了したと判定する場合は、Ｓ２において、負荷変動特性を算出し、それが、所定の閾値を超えた場合に（Ｓ３）、制御機器５が交流電源６から給電モジュール２への電力の供給を遮断することで（Ｓ４）、リチウムイオン二次電池９に対する充電を終了させる。

（効果）
上記構成・方法によれば、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電（ＣＶ）に移行することにより充電可能なリチウムイオン二次電池９に、共振現象を利用した充電をするに際して、制御機器５は、電流・電圧検出部４が測定した電流Ｉ_in及び電圧Ｖ_inに基づいて算出された入力インピーダンスＺ_inの値に変化があったときに、定電流充電期間（ＣＣ）が終了したと判定して、この定電流充電期間（ＣＣ）の終了をもってリチウムイオン二次電池９に対する充電を終了させることができる。
一般に、リチウムイオン二次電池９は、満充電を繰り返すより、満充電せずにある程度の容量を残して充電を終えるような充電を繰り返す方が、リチウムイオン二次電池９の寿命を延ばすことができる。このため、上記のようにリチウムイオン二次電池９に対して定電流充電期間（ＣＣ）のみの充電で終了させることにより、満充電せずにある程度の容量を残した充電が可能となり、リチウムイオン二次電池９の寿命を延ばすことができる。なお、一般に、定電流・定電圧充電方式により充電可能なリチウムイオン二次電池９は、定電流充電期間（ＣＣ）のみの充電で満充電の約８０％の充電が可能でるため十分な充電量を確保することができる。
また、定電圧充電（ＣＶ）を経ずに、定電流充電期間（ＣＣ）の終了をもってリチウムイオン二次電池９に対する充電を終了させることができるので、充電時間の短縮を図ることができる。

また、上記構成によれば、電流・電圧検出部４が測定した電流Ｉ_in及び電圧Ｖ_inに基づいて算出された入力インピーダンスＺ_inの値が、所定の閾値を、上回る又は下回ったときに、定電流充電期間（ＣＣ）が終了したと判定することができる。

また、上記構成によれば、電流・電圧検出部４が測定した電流Ｉ_in及び電圧Ｖ_inに基づいて算出された負荷変動特性が、所定の閾値を、上回る又は下回ったときに、定電流充電期間（ＣＣ）が終了したと判定することができる。

また、上記構成によれば、給電コイル２１と給電共振器２２との間の結合係数ｋ_１２、給電共振器２２と受電共振器３２との間の結合係数ｋ_２３、及び、受電共振器３２と受電コイル３１との間の結合係数ｋ_３４の少なくとも一つを調整することにより、負荷変動特性を調整することができる。これにより、例えば、負荷変動特性を大きくすれば、短時間での負荷変動特性の変化が大きくなるため、電圧検出部４（制御機器５含む）での測定精度を上げることができる。

また、上記構成によれば、給電コイル２１と給電共振器２２との間の結合係数ｋ_１２を大きくすることにより、負荷変動特性を大きくすることができる。これにより、短時間での負荷変動特性の変化が大きくなるため、電圧検出部４（制御機器５含む）での測定精度を上げることができる。

また、上記構成によれば、受電共振器３２と受電コイル３１との間の結合係数ｋ_３４を大きくすることにより、負荷変動特性を大きくすることができる。これにより、短時間での負荷変動特性の変化が大きくなるため、電圧検出部４（制御機器５含む）での測定精度を上げることができる。

また、上記構成によれば、給電コイル２１と給電共振器２２との間の結合係数ｋ_１２、及び、受電共振器３２と受電コイル３１との間の結合係数ｋ_３４を大きくすることができる。これにより、短時間での負荷変動特性の変化が大きくなるため、電圧検出部４（制御機器５含む）での測定精度を上げることができる。

（その他の実施形態）
上記説明では、無線式ヘッドセット１０２を例示して説明したが、二次電池を備えた機器であれば、タブレット型ＰＣ、デジタルカメラ、携帯電話、イヤホン型音楽プレイヤー、補聴器、集音器などにも使用することができる。

また、上記説明では、無線電力伝送装置１を携帯型の電子機器に搭載した場合を想定して説明したが、用途はこれら小型なものに限らず、必要電力量に合わせて仕様を変更することにより、例えば、比較的大型な電気自動車（ＥＶ）における無線充電システムや、より小型な医療用の無線式胃カメラなどにも搭載することができる。

以上の詳細な説明では、本発明をより容易に理解できるように、特徴的部分を中心に説明したが、本発明は、以上の詳細な説明に記載する実施形態・実施例に限定されず、その他の実施形態・実施例にも適用することができ、その適用範囲は可能な限り広く解釈されるべきである。また、本明細書において用いた用語及び語法は、本発明を的確に説明するために用いたものであり、本発明の解釈を制限するために用いたものではない。また、当業者であれば、本明細書に記載された発明の概念から、本発明の概念に含まれる他の構成、システム、方法等を推考することは容易であると思われる。従って、請求の範囲の記載は、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で均等な構成を含むものであるとみなされるべきである。また、本発明の目的及び本発明の効果を充分に理解するために、すでに開示されている文献等を充分に参酌することが望まれる。

１ 無線電力伝送装置
２ 給電モジュール
３ 受電モジュール
４ 電流・電圧検出部
５ 制御機器
６ 交流電源
７ 安定回路
８ 充電回路
９ リチウムイオン二次電池
１０ 被給電機器
２１ 給電コイル
２２ 給電共振器
３１ 受電コイル
３２ 受電共振器
１０２ 無線式ヘッドセット
１０１ 充電器

Claims (8)

1. 電源に接続された給電モジュールから、定電流・定電圧充電方式により充電可能な二次電池を含む被給電機器が接続された受電モジュールに対して共振現象によって電力を供給する無線電力伝送装置であって、
   前記無線電力伝送装置は、
   前記被給電機器を含む無線電力伝送装置の入力インピーダンスを測定する入力インピーダンス測定器と、
   前記入力インピーダンス測定器が測定した入力インピーダンスの変化を利用して、前記被給電機器の前記二次電池における定電流充電期間が終了したか否かを判定し、前記定電流充電期間が終了したと判定した場合に、充電を終了させる制御機器と、
   を備えたことを特徴とする。
2. 前記制御機器は、前記入力インピーダンス測定器が測定した前記入力インピーダンスが、所定の閾値よりも低い値から前記閾値を超えて、前記閾値を上回ったとき、又は、所定の閾値よりも高い値から前記閾値を超えて、前記閾値を下回ったときに、前記定電流充電期間が終了したと判定することを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送装置。
3. 前記制御機器は、前記入力インピーダンス測定器が測定した、充電時間に対する前記入力インピーダンスの変化量である負荷変動特性が、所定の閾値よりも低い値から前記閾値を超えて、前記閾値を上回ったとき、又は、所定の閾値よりも高い値から前記閾値を超えて、前記閾値を下回ったときに、前記定電流充電期間が終了したと判定することを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送装置。
4. 前記給電モジュール及び前記受電モジュールは、少なくとも給電コイル、給電共振器、受電共振器及び受電コイルを備え、
   前記給電コイルと前記給電共振器との間の結合係数、前記給電共振器と前記受電共振器との間の結合係数、及び、前記受電共振器と前記受電コイルとの間の結合係数の少なくとも一つを調整することにより、前記負荷変動特性が調整可能であることを特徴とする請求項３に記載の無線電力伝送装置。
5. 前記給電コイルと前記給電共振器との間の結合係数を大きくすることにより、前記負荷変動特性を大きくすることを特徴とする請求項４に記載の無線電力伝送装置。
6. 前記受電共振器と前記受電コイルとの間の結合係数を大きくすることにより、前記負荷変動特性を大きくすることを特徴とする請求項４に記載の無線電力伝送装置。
7. 前記給電コイルと前記給電共振器との間の結合係数、及び、前記受電共振器と前記受電コイルとの間の結合係数を大きくすることにより、前記負荷変動特性を大きくすることを特徴とする請求項４に記載の無線電力伝送装置。
8. 電源に接続された給電モジュールから、定電流・定電圧充電方式により充電可能な二次電池を含む被給電機器が接続された受電モジュールに対して磁界を変化させて電力を供給する無線電力伝送装置の供給電力制御方法であって、
   前記無線電力伝送装置は、
   前記電力伝送装置の入力インピーダンスを測定する入力インピーダンス測定器と、
   制御機器と、を備え、
   前記制御機器は、
   前記入力インピーダンス測定器が測定した入力インピーダンスの変化を利用して、前記被給電機器の前記二次電池における定電流充電期間が終了したか否かを判定する処理と、
   前記定電流充電期間が終了したと判定した場合に、充電を終了させる処理と、を実行する。