JP5664019B2 - ワイヤレス給電装置、ワイヤレス電力伝送システムおよびそれらを利用したテーブルと卓上ランプ - Google Patents

Description

本発明は、交流電力のワイヤレス給電に関し、特に、そのパワー制御に関する。

電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）の３種類に大別できる。

電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）は、電動シェーバーなどの身近な家電製品において一般的に利用されているが、距離を大きくすると電力伝送効率が急激に低下してしまうため数ｃｍ程度の近距離でしか使えないという課題がある。電波を利用するタイプ（Ｂ）は、遠距離で使えるが電力が小さいという課題がある。磁場共振現象を利用するタイプ（Ｃ）は、比較的新しい技術であり、数ｍ程度の中距離でも高い電力伝送効率を実現できることから特に期待されている。たとえば、ＥＶ（Electric Vehicle）の車両下部に受電コイルを埋め込み、地中の給電コイルから非接触にて電力を送り込むという案も検討されている。ワイヤレスであるため完全に絶縁されたシステム構成が可能であり、特に、雨天時の給電に効果的であると考えられる。以下、タイプ（Ｃ）を「磁場共振型」とよぶ。

磁場共振型は、マサチューセッツ工科大学が２００６年に発表した理論をベースとしている（特許文献１参照）。特許文献１では、４つのコイルを用意している。これらのコイルを給電側から順に「エキサイトコイル」、「給電コイル」、「受電コイル」、「ロードコイル」とよぶことにする。エキサイトコイルと給電コイルは近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。同様に、受電コイルとロードコイルも近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。これらの距離に比べると、給電コイルから受電コイルまでの距離は「中距離」であり、比較的大きい。このシステムの目的は、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電することである。

エキサイトコイルに交流電力を供給すると、電磁誘導の原理により給電コイルにも電流が流れる。給電コイルが磁場を発生させ、給電コイルと受電コイルが磁気的に共振すると、受電コイルには大きな電流が流れる。電磁誘導の原理によりロードコイルにも電流が流れ、ロードコイルと直列接続される負荷から交流電力が取り出される。磁場共振現象を利用することにより、給電コイルから受電コイルまでの距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。

米国公開２００８／０２７８２６４号公報 特開２００６−２３００３２号公報 国際公開２００６／０２２３６５号公報 米国公開２００９／００７２６２９号公報 米国公開２００９／００１５０７５号公報 特開２００８−１７２８７２号公報

本発明者は、ワイヤレス給電の利用可能性を拡げる上では、送電電力の大きさを制御する仕組みが必要であると考える。しかし、現在のところそのための提案はあまりなされていないのが現状である。

特許文献２では、直流電源Ｖ１を入力電圧源として送電電力を生成している。特許文献２には記載されていないが、たとえば、入力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータにより制御すれば、送電電力の大きさを制御できると考えられる。しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータにおいては、通常、１０〜２０％程度の電力損失が発生する。また、コストの観点からも、ＤＣ／ＤＣコンバータの利用は好ましくない。

本発明は、磁場共振型のワイヤレス給電において、送電電力を効率的に制御することを主たる目的とする。

本発明に係るワイヤレス給電装置は、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電するための装置である。この装置は、給電コイルに共振周波数にて交流電力を供給する送電制御回路と、給電コイルおよびキャパシタを含み、共振周波数にて共振する給電コイル回路と、共振周波数よりも低い制御周波数の制御信号を発生させる制御信号発生回路と、制御信号のレベルと所定の基準信号のレベルの間に所定の大小関係が成立するとき、有効信号を発生させる比較回路と、を備える。送電制御回路は、有効信号の発生期間中であることを条件として、交流電力を給電コイルに供給する。

「所定の大小関係」とは、たとえば、制御信号のレベルが基準信号のレベルよりも大きくなるときでもよいし、その逆でもよい。このような態様によれば、たとえば、制御信号が所定値以上となるときだけ有効信号を発生させることができる。そして、この有効信号の発生期間中に限り、ワイヤレス給電が実行される。給電実行期間と給電停止期間の時間比は基準信号のレベルによって変化するため、送電電力の大きさを任意に調整しやすくなる。時間制御方式であるため、電力損失も発生しにくくなる。

制御信号発生回路は、制御信号として、ノコギリ波状の信号を発生させてもよい。また、基準信号のレベルを調整するための基準信号調整回路、を更に備えてもよい。

給電コイルと磁気結合し、送電制御回路から供給される交流電力を給電コイルに供給するエキサイトコイル、を更に備えてもよい。送電制御回路は、第１および第２の電流経路を含み、第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、エキサイトコイルに交流電力を供給してもよい。

本発明に係るワイヤレス電力伝送システムは、上述したワイヤレス給電装置と、受電コイルと、受電コイルと磁気結合して、受電コイルが給電コイルから受電した電力を供給されるロードコイルを備える。

本発明に係るワイヤレス給電機能付きのテーブルは、上述したワイヤレス給電装置を備える。そして、テーブルの裏面または内部に給電コイルが備え付けられる。このような態様によれば、通常のテーブルと同様の外観を維持しつつ、テーブルにワイヤレス給電機能を持たせることができる。

本発明に係るワイヤレス受電機能付きの卓上ランプは、上述したテーブルからワイヤレスにて送電される交流電力を受電コイルにて受電する。この卓上ランプは、受電コイルとキャパシタを含み、給電コイルの共振周波数にて共振する受電コイル回路と、受電コイルと磁気結合することにより受電コイルから交流電力を受電するロードコイルと、ロードコイルから電力供給されるランプとを含むロード回路を備える。この卓上ランプは、テーブルに載置されるときに、テーブルの給電コイルから送電される交流電力を受電コイルにて受電し、ランプを発光させる。電源コードを不要化できるため、美観および安全面において優れる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、磁場共振型のワイヤレス給電において、送電電力を効率的に制御しやすくなる。

ワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。 有効信号発生回路の回路図である。 電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。 デューティ比と出力の関係を示すグラフである。 ワイヤレス電力伝送システムを応用したテーブルと卓上ランプの側面図である。 テーブルと卓上ランプの外観図である。 ワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図の変形例である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。

図１は、ワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム１００は、ワイヤレス給電装置１１６とワイヤレス受電装置１１８を含む。ワイヤレス給電装置１１６は、基本構成として、送電制御回路２００、エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０および有効信号発生回路２２０を含む。ワイヤレス受電装置１１８は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。

給電コイル回路１２０が有する給電コイルＬ２と、受電コイル回路１３０が有する受電コイルＬ３の間には０．２〜１．０ｍ程度の距離がある。ワイヤレス電力伝送システム１００の主目的は、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３にワイヤレスにて交流電力を送ることである。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、１００ｋＨｚ以下の共振周波数にて動作させることを想定したシステムである。本実施形態においては共振周波数＝１００ｋＨｚであるとして説明する。なお、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、たとえば、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）周波数帯のような高周波数帯にて動作させることも可能である。

エキサイト回路１１０は、エキサイトコイルＬ１とトランスＴ２二次コイルＬｉが直列接続された回路である。トランスＴ２二次コイルＬｉは、トランスＴ２一次コイルＬｂと共に結合トランスＴ２を形成し、電磁誘導により送電制御回路２００から交流電力を供給される。エキサイトコイルＬ１の巻き数は１回、導線直径は５ｍｍ、エキサイトコイルＬ１自体の形状は２１０ｍｍ×２１０ｍｍの正方形である。図１では、わかりやすさのため、エキサイトコイルＬ１を円形に描いている。他のコイルについても同様である。図１に示す各コイルの材質はいずれも銅である。エキサイト回路１１０には交流電流Ｉ１が流れる。

給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ２とキャパシタＣ２が直列接続された回路である。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２は互いに向かい合っている。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２の距離は１０ｍｍ以下と比較的近い。このため、エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２は電磁気的に強く結合している。給電コイルＬ２の巻き数は７回、導体直径は５ｍｍ、給電コイルＬ２自体の形状は２８０ｍｍ×２８０ｍｍの正方形である。エキサイトコイルＬ１に交流電流Ｉ１を流すと、電磁誘導の原理により給電コイルＬ２に起電力が発生し、給電コイル回路１２０には交流電流Ｉ２が流れる。交流電流Ｉ２は交流電流Ｉ１よりも格段に大きい。給電コイルＬ２とキャパシタＣ２それぞれの値は、給電コイル回路１２０の共振周波数が１００ｋＨｚとなるように設定される。

受電コイル回路１３０は、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３が直列接続された回路である。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は互いに向かい合っている。受電コイルＬ３の巻き数は７回、導体直径は５ｍｍ、受電コイルＬ３自体の形状は２８０ｍｍ×２８０ｍｍの正方形である。受電コイル回路１３０の共振周波数も１００ｋＨｚとなるように、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３それぞれの値が設定されている。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は同一形状である必要はない。給電コイルＬ２が共振周波数＝１００ｋＨｚにて磁界を発生させると、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は磁気的に共振し、受電コイル回路１３０にも大きな電流Ｉ３が流れる。

ロード回路１４０は、ロードコイルＬ４と負荷ＬＤが直列接続された回路である。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は互いに向かい合っている。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４の距離は１０ｍｍ以下と比較的近い。このため、受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は電磁的に強く結合している。ロードコイルＬ４の巻き数は１回、導体直径は５ｍｍ、ロードコイルＬ４自体の形状は３００ｍｍ×３００ｍｍである。受電コイルＬ３に電流Ｉ３が流れることにより、ロード回路１４０に起電力が発生し、ロード回路１４０に電流Ｉ４が流れる。こうして、ワイヤレス給電装置１１６の給電コイルＬ２から送電された交流電力は、ワイヤレス受電装置１１８の受電コイルＬ３により受電され、負荷ＬＤから取り出される。

負荷ＬＤを受電コイル回路１３０に直列接続すると、受電コイル回路１３０のＱ値が悪くなる。このため、受電用の受電コイル回路１３０と電力取り出し用のロード回路１４０を分離している。電力伝送効率を高めるためには、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３およびロードコイルＬ４の中心線を揃えることが好ましい。

次に、送電制御回路２００の構成を説明する。送電制御回路２００はハーフブリッジ型の電子回路である。まず、ゲート駆動用トランスＴ１の一次側に駆動回路１６２が接続される。駆動回路１６２は、既知の回路であり、たとえば、テキサス・インツルメンツ社の製品番号ＵＣＣ３７３２１のＩＣ（Integrated Circuit）を利用すればよい。駆動回路１６２には、オシレータ１６４と有効信号発生回路２２０が接続される。

オシレータ１６４は、所定の駆動周波数にてＩＮ信号（原信号）を発生させる。駆動周波数は、共振周波数と等しい１００ｋＨｚであるとする。ＩＮ信号は正弦波でもよいが、ここでは矩形波（デジタル波形）であるとして説明する。オシレータ１６４が発生させるＩＮ信号は駆動回路１６２のＩＮ入力となる。

有効信号発生回路２２０は、駆動周波数よりも低い制御周波数にてＥＮ信号（有効信号）を発生させる。本実施形態における制御周波数は、１．０ｋＨｚである。ＥＮ信号は矩形波（デジタル波）である。有効信号発生回路２２０が発生させるＥＮ信号は駆動回路１６２のＥＮ入力となる。なお、有効信号発生回路２２０の詳細については、図２に関連して後述する。

駆動回路１６２は、１．０ｋＨｚのＥＮ信号がハイレベルの期間(以下、「有効期間」とよぶ）に限り、１００ｋＨｚのＩＮ信号（原信号）をＤＲ信号（駆動信号）として出力する。ＥＮ信号がローレベルの期間(以下、「無効期間」とよぶ）においては、ＤＲ信号はゼロに固定される。有効期間中においては、１００ｋＨｚのＤＲ信号が供給されるため、トランスＴ１一次コイルＬｈには正負両方向に交互に電流が流れる。トランスＴ１一次コイルＬｈとトランスＴ１二次コイルＬｆ、トランスＴ１二次コイルＬｇはゲート駆動用の結合トランスＴ１を形成する。電磁誘導により、トランスＴ１二次コイルＬｆとトランスＴ１二次コイルＬｇにも正負の両方向に交互に電流が流れる。駆動回路１６２とゲート駆動用トランスＴ１が、送電制御回路２００の駆動系として、給電コイル回路１２０から受電コイル回路１３０等への送電を制御する。

トランスＴ１二次コイルＬｆの一端は、スイッチングトランジスタＱ１のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ１のソースと接続される。トランスＴ１二次コイルＬｇの一端は、別のスイッチングトランジスタＱ２のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ２のソースと接続される。有効期間中に１００ｋＨｚのＤＲ信号が供給されると、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２の各ゲートには、電圧Ｖｘ（Ｖｘ＞０）が１００ｋＨｚにて交互に印加される。このため、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は１００ｋＨｚにて交互にオン・オフする。スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は同一特性のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であるが、バイポーラトランジスタなど他のトランジスタでもよい。トランジスタの代わりにリレースイッチ等、他のスイッチを用いてもよい。

図１に示す点Ａと点Ｃの間にはキャパシタＣ５、点Ｃと点Ｂの間にはキャパシタＣ６が接続される。これらのキャパシタは、直流電源Ｖｄｄの直流電圧によって充電される。キャパシタＣ５の電圧（ＡＣ間の電圧）をＶＡ、キャパシタＣ６の電圧（ＣＢ間の電圧）をＶＢとすると、ＶＡ＋ＶＢ（ＡＢ間の電圧）が入力電圧Ｖ_ｉｎとなる。すなわち、キャパシタＣ５およびＣ６は直流電圧源として機能する。

スイッチングトランジスタＱ１のドレインは、キャパシタＣ５の正極に接続される。キャパシタＣ５の負極は、トランスＴ２一次コイルＬｂを介してスイッチングトランジスタＱ１のソースに接続される。スイッチングトランジスタＱ２のソースは、キャパシタＣ６の負極に接続される。キャパシタＣ６の正極は、トランスＴ２一次コイルＬｂを介して、スイッチングトランジスタＱ２のドレインに接続される。

スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２とよぶ。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ２とする。ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、ＩＤＳ２については、同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。

スイッチングトランジスタＱ１が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ２は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第１電流経路」とよぶ）は、キャパシタＣ５の正極から点Ａ、スイッチングトランジスタＱ１、トランスＴ２一次コイルＬｂ、点Ｃを経由して負極に帰還する経路となる。スイッチングトランジスタＱ１は、第１電流経路の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。

スイッチングトランジスタＱ２が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ１は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第２電流経路」とよぶ）は、キャパシタＣ６の正極から点Ｃ、トランスＴ２一次コイルＬｂ、スイッチングトランジスタＱ２、点Ｂを経由して負極に帰還する経路となる。スイッチングトランジスタＱ２は、第２電流経路の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。

送電制御回路２００においてトランスＴ２一次コイルＬｂを流れる電流を「電流Ｉｓ」とよぶ。電流Ｉｓは交流電流であり、第１電流経路を流れるときを正方向、第２電流経路を流れるときを負方向とよぶ。

有効期間中においては、オシレータ１６４が共振周波数と等しい駆動周波数にて供給するＩＮ信号がそのままＤＲ信号となるため、第１電流経路と第２電流経路は共振周波数にて交互に切り替わる。共振周波数の交流電流ＩｓがトランスＴ２一次コイルＬｂを流れるため、エキサイト回路１１０にも共振周波数にて交流電流Ｉ１が流れ、更に、給電コイル回路１２０にも共振周波数の交流電流Ｉ２が流れる。給電コイル回路１２０の給電コイルＬ２とキャパシタＣ２は共振状態となる。受電コイル回路１３０も同一共振周波数の共振回路であるから、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は磁気的に共振する。このとき、電力伝送効率は最大となる。

トランスＴ２一次コイルＬｂの巻き数をＮ１、トランスＴ２二次コイルＬｉの巻き数をＮ２とする。トランスＴ２一次コイルＬｂの交流電流Ｉｓが発生させる交流磁界により、トランスＴ２二次コイルＬｉには同相の誘導電流Ｉ１が流れる。結合トランスＴ２は、たとえば、フェライトコアを利用した小型トランス（トロイダル、ＥＥ型、ＥＩ型等）である。等アンペア・ターンの法則により、電流Ｉ１の大きさは、Ｉｓ・（Ｎ１／Ｎ２）となる。また、トランスＴ２二次コイルＬｉの電圧Ｖ２とトランスＴ２一次コイルＬｂの電圧Ｖ１の関係は、Ｖ２＝Ｖ１・（Ｎ２／Ｎ１）である。本実施形態においては、Ｎ１＞Ｎ２である。したがって、結合トランスＴ２により電圧Ｖ１は電圧Ｖ２に降圧される。Ｎ１とＮ２の巻き数比を調整することにより、エキサイト回路１１０に供給される電圧Ｖ２を調整できる。

図２は、有効信号発生回路２２０の回路図である。有効信号発生回路２２０は、制御信号発生回路２２２、比較回路２２４および基準信号調整回路２２６を含む。制御信号発生回路２２２の出力であるＳ１信号（制御信号）は比較回路２２４の負極端子、基準信号調整回路２２６の出力であるＳ２信号（基準信号）は比較回路２２４の正極端子に入力される。

制御信号発生回路２２２は、制御周波数＝１．０ｋＨｚにてノコギリ波状に変化する交流電圧をＳ１信号として発生させる。制御信号発生回路２２２は、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、キャパシタＣ７およびサイリスタ１１２を含む。サイリスタ１１２のゲートＧには、電源ＶＣＣの電源電圧を抵抗Ｒ１、Ｒ２により分圧したゲート電圧ＶＧが印加される。ゲート電圧ＶＧは一定値である。サイリスタ１１２のアノードＡは抵抗Ｒ３を介して電源ＶＣＣと接続され、キャパシタＣ７を介してグランドと接続される。電源電圧を抵抗Ｒ３により電圧降下させることにより、サイリスタ１１２にアノード電位ＶＡが印加される。Ｓ１信号はこのアノード電位ＶＡを示す。

アノード電位ＶＡ≦ゲート電位ＶＧのとき、サイリスタ１１２のアノード・カソード間はオフ（非導通）となり、この期間にはキャパシタＣ７が充電される。キャパシタＣ７が充電されるとアノード電位ＶＡ（Ｓ１信号）が高くなり、アノード電位ＶＡ＞ゲート電位ＶＧとなると、サイリスタ１１２のアノード・カソード間はオン（導通）となる。このとき、キャパシタＣ７の電荷がサイリスタ１１２を介して放電されるため、再び、アノード電位ＶＡ≦ゲート電位ＶＧとなる。制御信号発生回路２２２は、以上のプロセスを１．０ｋＨｚ（制御周波数）にて繰り返す。この結果、図３にて後述するようにノコギリ波状のＳ１信号が発生する。制御周波数は、キャパシタＣ７と抵抗Ｒ３の時定数によって定まる。本実施形態においては、制御信号Ｓ１は０．６〜３．０（Ｖ）の範囲(以下、「制御電圧範囲」とよぶ）で変化する。

基準信号調整回路２２６は、抵抗Ｒ４、Ｒ５および可変抵抗Ｒｖを含む回路である。電源ＶＣＣは、抵抗Ｒ４、可変抵抗Ｒｖ、抵抗Ｒ５の直列抵抗回路を介して、グランドと接続される。Ｓ２信号は、可変抵抗Ｒｖの中途電位を示す一定値の信号である。可変抵抗Ｒｖを調整すれば、Ｓ２信号のレベルを変化させることができる。基準信号調整回路２２６は、一定電圧をＳ２信号として発生させる。本実施形態においては、Ｓ２信号は０．５〜３．１（Ｖ）の範囲(以下、「基準電圧範囲」とよぶ）で調整される。すなわち、基準電圧範囲は制御電圧範囲を包含している。

比較回路２２４は、Ｓ２信号＞Ｓ１信号のとき、ハイレベルのＥＮ信号を出力し、それ以外のときにはローレベルのＥＮ信号を出力する。いいかえれば、Ｓ２信号＞Ｓ１信号の期間が有効期間となり、それ以外の期間が無効期間となる。

図３は、電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。制御信号発生回路２２２において、時刻ｔ０にキャパシタＣ７の充電が開始される。アノード電位ＶＡが徐々に上昇するため、Ｓ１信号も徐々に上昇する。時刻ｔ２にアノード電位ＶＡ＞ゲート電位ＶＧとなり、サイリスタ１１２のアノード・カソード間はオン（導通）となる。キャパシタＣ７が放電するため、アノード電位ＶＡ（Ｓ１信号）は最高値の３．０（Ｖ）から最低値の０．６（Ｖ）に急落する。この時刻ｔ０〜時刻ｔ２までの期間を「第１期間」とよぶ。同様に、時刻ｔ２〜時刻ｔ４までの期間を「第２期間」、時刻ｔ４〜時刻ｔ６までの期間を「第３期間」、時刻ｔ６〜時刻ｔ８までの期間を「第４期間」とよぶ。制御周波数＝１．０ｋＨｚであるから、各期間の長さは１．０（ｍｓｅｃ）である。

比較回路２２４は、Ｓ２信号とＳ１信号を比較し、Ｓ２信号＞Ｓ１信号となるときハイレベル、Ｓ２信号≦Ｓ１信号のときローレベルのＥＮ信号を発生させる。図３に示す第１期間の場合、時刻ｔ０〜ｔ１においてはＥＮ信号はハイレベル、時刻ｔ１〜時刻ｔ２においてはＥＮ信号はローレベルとなる。すなわち、第１期間（時刻ｔ０〜時刻ｔ２）のうち、時刻ｔ０〜時刻ｔ１が有効期間、時刻ｔ１〜時刻ｔ２が無効期間となる。Ｓ２信号のレベルを調整することにより、有効期間と無効期間のデューティ比を調整できる。第２期間以降についても同様である。

一方、オシレータ１６４は、駆動周波数＝共振周波数＝１００ｋＨｚにて、矩形波のＩＮ信号を持続的に発生させる。駆動回路１６２は、有効期間（時刻ｔ０〜時刻ｔ１）においてはＩＮ信号をそのままＤＲ信号として送出し、無効期間（時刻ｔ１〜時刻ｔ２）においては、ＤＲ信号をローレベルに固定する。この結果、有効期間（時刻ｔ０〜時刻ｔ１）に限り、共振周波数＝１００ｋＨｚのＤＲ信号が供給される。

図４は、デューティ比と出力の関係を示すグラフである。横軸はデューティ比（％）、左側縦軸は出力電力（Ｗ）、右側縦軸は出力電圧（Ｖ）を示す。負荷ＬＤ＝２０（Ω）とする。また、デューティ比が１００（％）のとき、すなわち、ＥＮ信号が常時ハイレベルのとき、負荷ＬＤから計測される電圧の実効値（出力電圧）は２０（Ｖ）、負荷ＬＤを流れる交流電流Ｉ４の実効値（出力電流）は２．０（Ａ）であるとする。この場合、出力電力Ｐ＝出力電圧Ｖ×出力電流Ｉ＝４０（Ｗ）となる。

出力電力特性２２８は、デューティ比と出力電力の関係を示すグラフである。また、出力電圧特性２３０は、デューティ比と出力電圧の関係を示す。図４に示すように、出力電力と出力電圧は、共にＥＮ信号を変数とする単調増加関数となる。

図５は、ワイヤレス電力伝送システム１００を応用したテーブル２３４と卓上ランプ２３２の側面図である。テーブル２３４は、ワイヤレス給電装置１１６の機能を有する。テーブル２３４の裏面には給電コイルＬ２が巻回され、その内側に同心にてエキサイトコイルＬ１が巻回される。給電コイルＬ２は、キャパシタＣ２と接続され、給電コイル回路１２０を形成する。給電コイル回路１２０は、全体としてテーブル板の裏面に設置されてもよいし、テーブル板内部に格納されてもよい。

エキサイトコイルＬ１は給電回路２３６と接続される。給電回路２３６は、送電制御回路２００と有効信号発生回路２２０を含む回路であり、調整ダイヤル２４０によりＳ２信号（基準信号）のレベルを変化させることができる。いいかえれば、調整ダイヤル２４０によりパワー制御できる。給電回路２３６は、整流回路２３８を介して商用交流電源と接続される。商用交流電源の交流電圧は整流回路２３８により直流電圧に変換され、給電回路２３６の電源Ｖｄｄとして供給される。

卓上ランプ２３２は、内部にワイヤレス受電装置１１８を含む。卓上ランプ２３２の下部には受電コイルＬ３が巻回され、その内側に同心にてロードコイルＬ４が巻回される。受電コイルＬ３にはキャパシタＣ３が接続され、受電コイル回路１３０を形成する。ロードコイルＬ４には、負荷ＬＤとしてランプが接続される。このランプは交流電流により点灯するランプでもよい。また、ロードコイルＬ４を流れる交流電流Ｉ４を、図示しない整流回路により直流電流に変換し、ランプに供給してもよい。

テーブル２３４は卓上ランプ２３２にワイヤレス給電する。したがって、卓上ランプ２３２には電源コードが不要化である。卓上ランプ２３２の明るさは、調整ダイヤル２４０によりテーブル２３４側から調整される。

図６は、テーブル２３４と卓上ランプ２３２の外観図である。図６に示すように、テーブル２３４は各コイルや給電回路２３６等を内蔵してもよい。また、テーブル２３４の側面あるいは表面に調整ダイヤル２４０を取り付けてもよい。図６においては、テーブル２３４の表面に３つの卓上ランプ２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃを載せている。このように複数の卓上ランプ２３２をテーブル２３４に載せても、電源コードが不要であるため、テーブル２３４の表面をすっきりと使うことができる。また、卓上ランプ２３２を自由にレイアウトできる。更に、美観の面だけでなく、電源コードに足をひっかけるといった事故が発生しないため安全面でも優れている。調整ダイヤル２４０により複数の卓上ランプ２３２をまとめて制御できるため、利便性も向上する。

図７は、ワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図の変形例である。変形例においては、送電制御回路２００がエキサイト回路１１０を介さずに、直接、給電コイル回路１２０を駆動する。図１と同一の符号を付した構成は、図１で説明した構成と同一または同様の機能を有する。

変形例における給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ２、キャパシタＣ２にトランスＴ２二次コイルＬｉが直列接続された回路である。トランスＴ２二次コイルＬｉは、トランスＴ２一次コイルＬｂと共に結合トランスＴ２を形成し、電磁誘導により送電制御回路２００から交流電力を供給される。このように、エキサイト回路１１０を介さず、送電制御回路２００から給電コイル回路１２０に直接交流電力を供給してもよい。

以上、実施形態に基づいてワイヤレス電力伝送システム１００を説明した。有効期間と無効期間のデューティ比を制御することにより、共振状態を維持したまま送電電力を任意に変化させることができる。また、送電電力の時間的な平均値を制御する方式であるため、電力損失が発生しにくい。また、駆動回路１６２やオシレータ１６４、有効信号発生回路２２０はコンパクトな回路であるため、送電制御回路２００の回路規模を抑制しやすくなる。

従来の卓上ランプは電源コードが邪魔になるため、ダイニングテーブルでは吊り下げ型のランプを使うことが多い。本実施形態におけるテーブル２３４によれば、卓上ランプの電源コードを不要化できる。このため、卓上ランプ２３２の利用性が高まる。たとえば、卓上ランプで照明する方が、料理を美味しく見せることができる場合もある。吊り下げ型のランプだと照明箇所が固定されてしまうが、卓上ランプ２３２はレイアウト自由であるため、多様な照明が可能である。しかも、複数の卓上ランプ２３２をテーブル２３４側でまとめて制御できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

送電制御回路２００はハーフブリッジ型の回路であるが、プッシュプル型の回路により形成されてもよい。有効信号発生回路２２０が発生させるＳ１信号（制御信号）は、ノコギリ波に限らず、三角波や正弦波など、所定期間において電圧値が漸増減する交流信号であればよい。

１００ ワイヤレス電力伝送システム、１１０ エキサイト回路、１１２ サイリスタ、１１６ ワイヤレス給電装置、１１８ ワイヤレス受電装置、１２０ 給電コイル回路、１３０ 受電コイル回路、１４０ ロード回路、１６２ 駆動回路、１６４ オシレータ、２００ 送電制御回路、２２０ 有効信号発生回路、２２２ 制御信号発生回路、２２４ 比較回路、２２６ 基準信号調整回路、２２８ 出力電力特性、２３０ 出力電圧特性、２３２ 卓上ランプ、２３４ テーブル、２３６ 給電回路、２３８ 整流回路、２４０ 調整ダイヤル、Ｌ１ エキサイトコイル、Ｌ２ 給電コイル、Ｌ３ 受電コイル、Ｌ４ ロードコイル。

Claims (5)

1. 給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
   前記給電コイルに前記共振周波数にて交流電力を供給する送電制御回路と、
   前記給電コイルおよびキャパシタを含み、前記共振周波数にて共振する給電コイル回路と、
   前記共振周波数よりも低い制御周波数の制御信号を発生させる制御信号発生回路と、
   前記制御信号のレベルと所定の基準信号のレベルの間に所定の大小関係が成立するとき、有効信号を発生させる比較回路と、
   前記基準信号のレベルを調整するための基準信号調整回路と、を備え、
   前記制御信号発生回路は、前記制御信号として、ノコギリ波状の信号を発生させ、
   前記基準信号の最高レベルは、前記制御信号の最高レベルよりも高く、
   前記基準信号の最低レベルは、前記制御信号の最低レベルよりも低く、
   前記送電制御回路は、前記有効信号の発生期間中であることを条件として、前記交流電力を前記給電コイルに供給することを特徴とするワイヤレス給電装置。
2. 前記給電コイルと磁気結合し、前記送電制御回路から供給される交流電力を前記給電コイルに供給するエキサイトコイル、を更に備え、
   前記送電制御回路は、第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記エキサイトコイルに前記交流電力を供給することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
3. 請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置と、
   前記受電コイルと、
   前記受電コイルと磁気結合し、前記受電コイルが前記給電コイルから受電した電力を供給されるロードコイルと、を備えることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
4. 請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置を備え、
   裏面または内部に前記給電コイルが備え付けられたワイヤレス給電機能付きのテーブル。
5. 請求項４に記載のテーブルからワイヤレスにて送電される交流電力を受電コイルにて受電する装置であって、
   前記受電コイルとキャパシタを含み、前記給電コイルの共振周波数にて共振する受電コイル回路と、
   前記受電コイルと磁気結合することにより前記受電コイルから前記交流電力を受電するロードコイルと、前記ロードコイルから電力供給されるランプとを含むロード回路と、を備え、
   前記テーブルに載置されるときに、前記テーブルの前記給電コイルから送電される前記交流電力を前記受電コイルが受電することにより前記ランプを発光させることを特徴とするワイヤレス受電機能付きの卓上ランプ。

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