JP5748628B2 - ワイヤレス受電装置およびワイヤレス給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。

近年、携帯電話端末やノート型コンピュータなどの電子機器、あるいは電気自動車に対する給電技術として、ワイヤレス（非接触）電力伝送が着目されている。ワイヤレス送電は、主に電磁誘導型、電波受信型、電場・磁場共鳴型、の３つに分類される。

電磁誘導型は短距離（数ｃｍ以内）において利用され、数百ｋＨｚ以下の帯域で数百Ｗの電力を伝送することができる。電力の利用効率は６０〜９８％程度となっている。
数ｍ以上の比較的長い距離に給電する場合、電波受信型が利用される。電波受信型では、中波〜マイクロ波の帯域で数Ｗ以下の電力を伝送することができるが、電力の利用効率は低い。数ｍ程度の中距離を、比較的高い効率で給電する手法として、電場・磁場共鳴型が着目されている（非特許文献１参照）。

A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic、「Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer」、ANNALS of PHYSICS Vol. 323, pp.34-48, 2008, Jan.

図１は、比較技術に係るワイヤレス送電システムを示す図である。ワイヤレス送電システム１ｒは、ワイヤレス給電装置２ｒおよびワイヤレス受電装置４ｒを備える。ワイヤレス給電装置２ｒは、送信コイルＬ_ＴＸ、共振用キャパシタＣ_ＴＸ、交流電源１０ｒを備える。ワイヤレス受電装置４ｒは、受信コイルＬ_ＲＸ、共振用キャパシタＣ_ＲＸ、負荷７０を備える。

磁場（電場）共鳴型の電力伝送において重要となるのが共振周波数である。送信側のＬＣ共振回路の共振周波数は、ｆ_ＴＸ＝１／（２π√（Ｌ_ＴＸ・Ｃ_ＴＸ））、受信側の共振周波数は、ｆ_ＲＸ＝１／（２π√（Ｌ_ＲＸ・Ｃ_ＲＸ））であり、送受信双方の共振周波数と、交流電源１０ｒの周波数を適切に調節しなければ、効率よく電力伝送が行えない。ところが現実的には、さまざまな要因によって共振周波数は変動する。この変動した共振周波数を、受電装置側において、給電装置から伝送されてくる磁界（電界）そのものにもとづいてチューニングすることは難しい。なぜなら、受電装置側で検出される共振周波数は、受電装置側の共振周波数や位相の状態に応じてさらに変動する可能性があるからである。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、共振周波数を自動的にチューニング可能なワイヤレス給電装置、受電装置および給電システムの提供にある。

本発明のある態様は、ワイヤレス受電装置に対して、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置に関する。ワイヤレス給電装置は、送信コイルを含む送信アンテナと、送信アンテナの両端間に交流の駆動電圧を印加する電源と、送信アンテナとカップリングされ、送信アンテナに第１補正電流を注入し、または送信アンテナから第１補正電流を引き抜く自動チューニング補助回路と、を備える。自動チューニング補助回路は、第１補助コイルを含み、（１）第１補助コイルが送信アンテナにカップリングされて、第１補助コイルに流れる電流に応じた第１補正電流を、送信アンテナに注入しもしくは送信アンテナから引き抜く第１状態と、（２）第１補助コイルが送信アンテナから切り離され、第１補助コイルに流れる電流が、送信アンテナとは独立した電流経路に流れる第２状態と、を交互に繰り返す。
第１状態と第２状態は、駆動電圧と同じ周波数、もしくはその奇数倍または奇数分の１倍の周波数でスイッチングされてもよい。

送信アンテナの共振周波数が駆動電圧の周波数と一致する場合、第１補助コイルに流れる電流はゼロとなり、第１補正電流もゼロとなる。
送信アンテナの共振周波数が駆動電圧の周波数と一致しない場合、送信アンテナを含む共振回路のインピーダンスは容量性または誘導性となるため、送信アンテナには、駆動電圧に対して遅れたあるいは進んだ位相の電流が発生する。このとき、第１状態と第２状態をスイッチングすると、第１補助コイルに電流が流れ、その大きさ（および向き）は、送信アンテナに流れる電流と駆動電圧が同位相となるように調節される。その結果生成される第１補助電流によって、共振状態において送信アンテナに流れるべき電流と、自動チューニング補助回路が存在しないときに送信アンテナに流れる電流の差分が補正され、給電装置において擬似的な共振状態を実現できる。
この態様によれば、共振用キャパシタの容量値の調節などを行わなくても、送信アンテナを駆動電圧に対して自動的にチューニングすることができる。

本発明の別の態様もまた、ワイヤレス給電装置である。このワイヤレス給電装置は、送信コイルを含む送信アンテナと、送信アンテナの両端間に交流の駆動電圧を印加する電源と、送信アンテナとカップリングされ、送信アンテナに補正電流を注入し、または送信アンテナから補正電流を引き抜く自動チューニング補助回路と、を備える。自動チューニング補助回路は、送信アンテナとカップリングされる第１端子および第２端子と、第１端子と第２端子の間に設けられるＨブリッジ回路と、Ｈブリッジ回路の出力端子間に設けられた第３補助コイルと、を含む。
Ｈブリッジ回路は、駆動電圧と同じ周波数、もしくはその奇数倍または奇数分の１倍の周波数でスイッチングされてもよい。

この態様によると、駆動電圧のある位相から半周期の間において、Ｈブリッジ回路の４つのスイッチのうち、対角に位置する第１のペアがオンとなり、続く半周期の間、第２のペアがオンとなる。第１のペアがオンする半周期、第３補助コイルに流れる電流が第１の向きで送信アンテナに供給され、第２のペアがオンする半周期、第３補助コイルに流れる電流が第２の向きで送信アンテナに供給される。
送信アンテナの共振周波数が駆動電圧の周波数と一致する場合、第３補助コイルに流れる電流はゼロとなる。
送信アンテナの共振周波数が駆動電圧の周波数と一致しない場合、送信アンテナを含む共振回路のインピーダンスは容量性または誘導性となるため、送信アンテナには、駆動電圧に対して遅れたあるいは進んだ位相の電流が発生する。このとき、Ｈブリッジ回路をスイッチングすると、第３補助コイルに電流が流れ、その大きさ（および向き）は、送信アンテナに流れる電流と駆動電圧が同位相となるように調節される。その結果生成される第３補助電流によって、共振状態において送信アンテナに流れるべき電流と、自動チューニング補助回路が存在しないときに送信アンテナに流れる電流の差分が補正され、給電装置において擬似的な共振状態を実現できる。
この態様によれば、共振用キャパシタの容量値の調節などを行わなくても、送信アンテナを駆動電圧に対して自動的にチューニングすることができる。

本発明のさらに別の態様は、ワイヤレス給電装置から送信される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信するワイヤレス受電装置に関する。ワイヤレス受電装置は、受信コイルを含む受信アンテナと、受信アンテナとカップリングされ、受信アンテナに第１補正電流を注入し、または受信アンテナから第１補正電流を引き抜く自動チューニング補助回路と、を備える。自動チューニング補助回路は、第１補助コイルを含み、（１）第１補助コイルが受信アンテナにカップリングされて、第１補助コイルに流れる電流に応じた第１補正電流を、受信アンテナに注入しもしくは受信アンテナから引き抜く第１状態と、（２）第１補助コイルが受信アンテナから切り離され、第１補助コイルに流れる電流が、受信アンテナとは独立した電流経路に流れる第２状態と、を交互に繰り返す。
第１状態と第２状態は、電力信号と同じ周波数、もしくはその奇数倍または奇数分の１倍の周波数でスイッチングされてもよい。

受信アンテナの共振周波数が電力信号の周波数と一致する場合、第１補助コイルに流れる電流はゼロとなり、第１補正電流もゼロとなる。
受信アンテナの共振周波数が電力信号の周波数と一致しない場合、受信アンテナを含む共振回路のインピーダンスは容量性または誘導性となるため、受信アンテナには、電力信号に対して遅れたあるいは進んだ位相の電流が発生する。このとき、第１状態と第２状態をスイッチングすると、第１補助コイルに電流が流れ、その大きさ（および向き）は、受信アンテナに流れる電流と電力信号が同位相となるように調節される。その結果生成される第１補助電流によって、共振状態において受信アンテナに流れるべき電流と、自動チューニング補助回路が存在しないときに受信アンテナに流れる電流の差分が補正され、受電装置において擬似的な共振状態を実現できる。
この態様によれば、共振用キャパシタの容量値の調節などを行わなくても、受電アンテナを電力信号に対して自動的にチューニングすることができる。

本発明のさらに別の態様もまた、ワイヤレス受電装置である。ワイヤレス受電装置は、受信コイルを含む受信アンテナと、受信アンテナとカップリングされ、受信アンテナに補正電流を注入し、または受信アンテナから補正電流を引き抜く自動チューニング補助回路と、を備える。自動チューニング補助回路は、受信アンテナとカップリングされる第１端子および第２端子と、第１端子と第２端子の間に設けられるＨブリッジ回路と、Ｈブリッジ回路の出力端子間に設けられた第３補助コイルと、を含む。
Ｈブリッジ回路は、電力信号と同じ周波数、もしくはその奇数倍または奇数分の１倍の周波数でスイッチングされてもよい。

この態様によると、電力信号のある位相から半周期の間において、Ｈブリッジ回路の４つのスイッチのうち、対角に位置する第１のペアがオンとなり、続く半周期の間、第２のペアがオンとなる。第１のペアがオンする半周期、第３補助コイルに流れる電流が第１の向きで受信アンテナに供給され、第２のペアがオンする半周期、第３補助コイルに流れる電流が第２の向きで受信アンテナに供給される。
受信アンテナの共振周波数が電力信号の周波数と一致する場合、第３補助コイルに流れる電流はゼロとなる。
受信アンテナの共振周波数が電力信号の周波数と一致しない場合、受信アンテナを含む共振回路のインピーダンスは容量性または誘導性となるため、受信アンテナには、電力信号に対して遅れたあるいは進んだ位相の電流が発生する。このとき、Ｈブリッジ回路をスイッチングすると、第３補助コイルに電流が流れ、その大きさ（および向き）は、受信アンテナに流れる電流と電力信号が同位相となるように調節される。その結果生成される第３補助電流によって、共振状態において受信アンテナに流れるべき電流と、自動チューニング補助回路が存在しないときに受信アンテナに流れる電流の差分が補正され、受電装置において擬似的な共振状態を実現できる。
この態様によれば、共振用キャパシタの容量値の調節などを行わなくても、受信アンテナを電力信号に対して自動的にチューニングすることができる。

本発明の別の態様は、ワイヤレス給電システムに関する。ワイヤレス給電システムは、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信する上述のワイヤレス給電装置と、電力信号を受信する上述のワイヤレス受電装置と、を備えてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、共振周波数を自動的にチューニングできる。

比較技術に係るワイヤレス送電システムを示す図である。 第１の実施の形態に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、ＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチの構成例を示す図である。 図２のワイヤレス給電装置の動作を示す波形図である。 図２のワイヤレス給電装置の等価回路図である。 図６（ａ）は、自動チューニング補助回路を動作させない状態、図６（ｂ）は、自動チューニング補助回路を動作させたときの波形図である。 ｆ_ｃ＜ｆ_ＴＸの場合の、自動チューニング補助回路による疑似共振状態を説明するフェーザ図（ベクトル図）である。 ｆｃ＞ｆ_ＴＸの場合の、自動チューニング補助回路による疑似共振状態を説明するフェーザ図である。 第１の変形例に係る自動チューニング補助回路の構成を示す回路図である。 図９の自動チューニング補助回路の動作を示す波形図である。 図１１（ａ）、（ｂ）は、第２の変形例に係る自動チューニング補助回路の構成を示す回路図である。 図１２は、第３の変形例に係る自動チューニング補助回路の構成を示す回路図である。 第２の実施の形態に係る自動チューニング補助回路を備えるワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。 図１３のワイヤレス給電装置の動作を示す波形図である。 図１５は、図１３の自動チューニング補助回路の変形例を示す回路図である。 図１６（ａ）〜（ｇ）は、自動チューニング補助回路と送信アンテナのカップリングの続形態を示す回路図である。 第１の実施の形態に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。 図１７のワイヤレス受電装置の等価回路図である。 図１７のワイヤレス受電装置の動作を示す波形図である。 第１の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。 第２の実施の形態に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。 図２２（ａ）〜（ｆ）は、自動チューニング補助回路と受信アンテナのカップリングの形態を示す回路図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」、あるいは「部材Ａが、部材Ｂとカップリングされた状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

（ワイヤレス給電装置）
（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態に係るワイヤレス給電装置２の構成を示す回路図である。ワイヤレス給電装置２は、ワイヤレス受電装置（不図示）に対して電力信号Ｓ１を送出する。電力信号Ｓ１は、電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。

ワイヤレス給電装置２は、電源１０、送信アンテナ２０、自動チューニング補助回路（ＡＴＡＣ：Auto Tuning Assist Circuit）３０、制御部４０を備える。

送信アンテナ２０は、その第１端２１とその第２端２２の間に設けられた送信コイルＬ_ＴＸを含む。共振用キャパシタＣ_ＴＸは、送信コイルＬ_ＴＸと直列に設けられる。共振用キャパシタＣ_ＴＸと送信コイルＬ_ＴＸは入れかえてもよい。

電源１０は、送信アンテナ２０の両端間に、所定の送信周波数ｆ_ＴＸを有する交流の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶを印加する。駆動電圧Ｖ_ＤＲＶは、矩形波、台形波、正弦波をはじめとする任意の交流波形であって構わない。本実施の形態では、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶは、第１電圧レベル（電源電圧Ｖ_ＤＤ）と第２電圧レベル（接地電圧Ｖ_ＧＮＤ＝０Ｖ）でスイングする矩形波であるものとする。

電源１０は、直流電源１２、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１、第１ローサイドスイッチＳＷＬ１を含む。直流電源１２は、直流の電源電圧Ｖ_ＤＤを生成する。第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１および第１ローサイドスイッチＳＷＬ１は、直流電源１２の出力端子と固定電圧端子（接地端子）の間に順に直列に設けられる。制御部４０は、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１および第１ローサイドスイッチＳＷＬ１を、送信周波数ｆ_ＴＸで相補的にスイッチングする。電源１０は、Ｈブリッジ回路で構成してもよい。

自動チューニング補助回路３０は、送信アンテナ２０と直接的、あるいは間接的にカップリングされ、送信アンテナ２０に第１補正電流Ｉ_Ａを注入（ソース）し、または送信アンテナ２０から第１補正電流Ｉ_Ａを引き抜く（シンク）。図２では、自動チューニング補助回路３０は、送信アンテナ２０に直接カップリングされる。本実施の形態では、送信アンテナ２０から自動チューニング補助回路３０に向かう向き（シンク）を、第１補正電流Ｉ_Ａの正とする。

自動チューニング補助回路３０は、第１補助コイルＬ_Ａ１を含む。自動チューニング補助回路３０は、第１状態φ１と第２状態φ２を、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶと同じ周波数ｆ_ＴＸで交互に繰り返す。
第１状態φ１では、第１補助コイルＬ_Ａ１が送信アンテナ２０にカップリングされて、第１補助コイルＬ_Ａ１に流れる電流に応じた第１補正電流Ｉ_Ａが、送信アンテナ２０に注入され、もしくは送信アンテナ２０から引き抜かれる。
第２状態φ２では、第１補助コイルＬ_Ａ１が送信アンテナ２０から切り離され、第１補助コイルＬ_Ａ１に流れる電流Ｉ_ＬＡ１が、送信アンテナ２０とは独立した電流経路に流れる。

具体的には、自動チューニング補助回路３０は、第１補助コイルＬ_Ａ１に加えて、第１端子３１、第２端子３２、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２、制御部４０を備える。第１端子３１、第２端子３２は、送信アンテナ２０とカップリングされる。第１スイッチＳＷ１および第１補助コイルＬ_Ａ１は、第１端子３１と第２端子３２の間に直列に設けられる。第２スイッチＳＷ２は、第１補助コイルＬ_Ａ１に対して並列に設けられる。

制御部４０は、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２を、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶと同じ周波数ｆ_ＴＸで、かつ駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対してある位相差θ_ＴＸで相補的にスイッチングする。具体的には、第１状態φ１において第１スイッチＳＷ１をオン、第２スイッチＳＷ２をオフし、第２状態φ２において第１スイッチＳＷ１をオフ、第２スイッチＳＷ２をオンする。好ましくは位相差θ_ＴＸは、＋０°もしくは１８０°付近であってもよい。すなわち制御部４０の一部は、自動チューニング補助回路３０を構成する。

第１状態φ１において、第１スイッチＳＷ１がオンすることで第１補助コイルＬ_Ａ１が送信アンテナ２０とカップリングされる。第２状態φ２においては第２スイッチＳＷ２がオンすることで、第１補助コイルＬ_Ａ１に流れる電流Ｉ_ＡＬが、第２スイッチＳＷ２を含むループ経路に流れる。

第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ等を用いて構成できる。図３（ａ）、（ｂ）は、ＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチの構成例を示す図である。

図３（ａ）は、Ｎチャンネル、図３（ｂ）は、ＰチャンネルのＭＯＳＦＥＴを用いた構成を示す。ＭＯＳＦＥＴのバックゲートをソースと接続すると、バックゲートとドレイン間のボディダイオードがゲート電圧によらずに導通状態となる。したがって、ＭＯＳＦＥＴを単体で用いたスイッチでは、片方向に対する電流を阻止することができない。本明細書においてこのようなスイッチを片方向スイッチという。

図３（ｃ）〜（ｆ）のスイッチは、２つのＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ、もしくは２つのＰチャンネルＭＯＳＦＥＴが、それらのボディダイオードが逆向きとなるように接続される（バックトゥバック接続）。図３（ｃ）〜（ｆ）では、オフ状態において、いずれの方向にも電流が流れない。本明細書においてこのようなスイッチを、双方向スイッチという。

本実施の形態において、各スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、片方向スイッチ、双方向スイッチを用いて構成することができる。なお、片方向スイッチを用いる場合、各スイッチＳＷ１、ＳＷ２と直列に整流用のダイオードを設ける必要がある。この変形例については後述する。

以上がワイヤレス給電装置２の構成である。続いてその動作を説明する。

スイッチＳＷ１、ＳＷ２はそれぞれ、オフ状態においていずれの方向にも電流を流さない双方向スイッチであるものとする。

図４は、図２のワイヤレス給電装置２の動作を示す波形図である。本明細書における波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化されている。

図４は、上から順に、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶ、送信コイルＬ_ＴＸと共振用キャパシタＣ_ＴＸの両端間の共振電圧Ｖ_ＴＸ、送信アンテナ２０に流れる共振電流Ｉ_ＴＸ、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第１補正電流Ｉ_Ａ、第１補助コイルＬ_Ａ１に流れる電流Ｉ_ＬＡ１、を示す。スイッチを示す波形は、ハイレベルがオン状態を、ローレベルがオフ状態を示す。また共振電流Ｉ_ＴＸおよび共振電圧Ｖ_ＴＸは、自動チューニング補助回路３０を動作させてから十分な時間が経過した後の定常状態における波形を示す。

図４に示すように、矩形波の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶが送信アンテナ２０に印加される。制御部４０は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶと同じ周波数で、かつ駆動電圧Ｖ_ＤＲＶと同相θ_ＴＸ（＝０°）で、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２を相補的にスイッチングする。

第１状態φ１と第２状態φ２を繰り返すことにより、第１補助コイルＬ_Ａ１の電流Ｉ_ＬＡ１の大きさおよび向きは、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶと共振電流Ｉ_ＴＸの位相差がゼロとなるように、すなわち共振状態が成り立つポイントに収束する。

第２状態φ２では、電流Ｉ_ＬＡ１は第２スイッチＳＷ２を含むループに流れ、そのレベルは一定に保たれる。そして第１状態φ１では、電流Ｉ_ＬＡ１が、第１補正電流Ｉ_Ａとして送信アンテナ２０に供給される。自動チューニング補助回路３０は、第１補正電流Ｉ_Ａを送信アンテナ２０に供給する補正電流源と把握することができる。図５は、図２のワイヤレス給電装置２の等価回路図である。

図６（ａ）は、自動チューニング補助回路３０を動作させない状態、図６（ｂ）は、自動チューニング補助回路３０を動作させたときの波形図である。
はじめに図６（ａ）を参照し、自動チューニング補助回路３０を動作させない状態、すなわち第１スイッチＳＷ１をオフで固定し、第２スイッチＳＷ２をオンで固定した状態について説明する。これは、補正電流Ｉ_Ａがゼロの状態を示す。
送信アンテナ２０のインピーダンスＺは式（１）で与えられ、その共振周波数ｆ_ｃは式（２）で与えられる。なお、ここでは抵抗成分を無視しているが、実際の回路には直列抵抗が寄与することは言うまでもない。
Ｚ＝ｊωＬ_ＴＸ＋１／（ｊωＣ_ＴＸ） …（１）
ｆ_Ｃ＝１／（２π√（Ｌ_ＴＸ・Ｃ_ＴＸ）） …（２）

送信アンテナ２０は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの周波数ｆ_ＴＸが共振周波数ｆ_ｃより高い（ｆ_ＴＸ＞ｆ_ｃ）とき誘導性となり、送信アンテナ２０に流れる共振電流Ｉ_ＴＸの位相は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの位相に対して遅れる。反対に、周波数ｆ_ＴＸが共振周波数ｆ_ｃより低い（ｆ_ＴＸ＜ｆ_ｃ）とき容量性となり、共振電流Ｉ_ＴＸの位相は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対して進む。

図６（ａ）は、ｆ_ｃ＞ｆ_ＴＸの状態を示しており、共振電流Ｉ_ＴＸの位相は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対して位相差φ進んでいる。φが９０°でないのは、共振回路に直列の抵抗成分（不図示）が存在するためである。非共振状態ではインピーダンスＺが高くなるため、共振電流Ｉ_ＴＸの振幅が小さくなる。この状態では大きな電力を伝送することはできない。

続いて、図６（ｂ）を参照し、自動チューニング補助回路３０を動作させたときの動作を説明する。

自動チューニング補助回路３０を動作させると、送信アンテナ２０には、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対してある位相差を有する補正電流Ｉ_Ａが供給される。その結果、共振電流Ｉ_ＴＸの位相が駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの位相と一致し、擬似的な共振状態となる。これにより、共振電流Ｉ_ＴＸの振幅は、非共振状態よりも大きくなる。

図７は、ｆ_ｃ＜ｆ_ＴＸの場合の、自動チューニング補助回路３０による疑似共振状態を説明するフェーザ図（ベクトル図）である。
補正電流Ｉ_Ａ（ｆ_ＴＸ）は、図４の補正電流Ｉ_Ａの基本波成分（ｆ_ＴＸ）を意味する。この補正電流Ｉ_Ａ（ｆ_ＴＸ）は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対して位相差θを有する。

「重ねの理」によって、共振電流Ｉ_ＴＸは、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶによって誘起される電流成分Ｉ_ＤＲＶと、補正電流Ｉ_Ａ（ｆ_ＴＸ）の和で与えられる。補正電流Ｉ_Ａの振幅が最適化されることにより、２つの電流成分Ｉ_ＤＲＶとＩ_Ａ（ｆ_ＴＸ）の合成電流、すなわち共振電流Ｉ_ＴＸの位相を、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの位相（０°）と一致させることができ、疑似共振状態が実現できることが分かる。

以上がワイヤレス給電装置２の原理および動作である。
このようにワイヤレス給電装置２によれば、送信アンテナ２０の共振周波数ｆ_ｃを調節することなく、疑似共振状態を実現するように回路の状態を自動的にチューニングすることができる。ワイヤレス送電では、ワイヤレス給電装置２とワイヤレス受電装置４の位置関係によって、共振周波数が時々刻々と変化するが、ワイヤレス給電装置２によれば、その変化に高速に追従することができ、高効率な電力伝送が可能となる。

またワイヤレス給電で大電力を伝送しようとすると、共振用キャパシタＣ_ＴＸの両端間の電圧は非常に大きくなるため、バリコン（バリキャップ）の利用は制約される。ワイヤレス給電装置２によれば共振用キャパシタＣ_ＴＸの容量値を調節する必要がないため、バリコン等を使用する必要がないという利点もある。

ここでは、第１スイッチＳＷ１を、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１（駆動電圧Ｖ_ＤＲＶ）の位相に対してθ_ＴＸ＝０°の位相でスイッチングさせる場合を説明したが、位相差θ_ＴＸは０°である必要はなく、１８０°であってもよい。この場合、キャパシタ電流Ｉ_Ａの向きが逆となるように自動的に調節される。

すなわち、ｆ_ｃ＜ｆ_ＴＸの場合、θ_ＴＸ＝０°または１８０°とすることにより、疑似共振状態を実現できる。
位相差θ_ＴＸは、０°もしくは１８０°から外れていてもよい。この場合、図７に示すベクトル図において、電流成分Ｉ_ＤＲＶとＩ_Ａの位相差θ_ＴＸが９０°ではなくなるが、この場合でも、それらを合成した共振電流Ｉ_ＴＸの位相が０°となるように、補正電流Ｉ_Ａが自動的に調節される。ただし、位相差θ_ＴＸが０°もしくは１８０°に近いほど、補正電流Ｉ_Ａの振幅を小さくできるという利点がある。

ワイヤレス給電装置２は、ｆ_ｃ＜ｆ_ＴＸの場合のみでなく、ｆ_ｃ＞ｆ_ＴＸの場合においても、自動的に疑似共振状態を実現できる。この場合、θ_ＴＸ＝１８０°とすることが好ましい。

図８は、ｆ_ｃ＞ｆ_ＴＸの場合の、自動チューニング補助回路３０による疑似共振状態を説明するフェーザ図である。駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの位相を０°、補正電流Ｉ_Ａの位相をθとしている。ｆ_ｃ＞ｆ_ＴＸにおいて、電流の位相は電圧に対して進むが、この場合であっても、疑似共振状態が実現できる。

なおｆ_ｃ＞ｆ_ＴＸにおいて、位相差θ_ＴＸを０°付近としてもよい。この場合、疑似共振状態が得られるように、自動的に補正電流Ｉ_Ａの向きが逆になる。

続いて、ワイヤレス給電装置２の変形例を説明する。各変形例は、任意の他の変形例と組み合わせることができ、このような組み合わせも本発明の範囲に含まれる。

（第１の変形例）
図９は、第１の変形例に係る自動チューニング補助回路３０ａの構成を示す回路図である。自動チューニング補助回路３０ａは、図２の自動チューニング補助回路３０に加えて、第２補助コイルＬ_Ａ２を備える。
第１状態φ１において、第２補助コイルＬ_Ａ２が送信アンテナ２０から切り離され、第２補助コイルＬ_Ａ２に流れる電流Ｉ_ＬＡ２が、送信アンテナ２０とは独立した電流経路に流れる。第２状態φ２において、第２補助コイルＬ_Ａ２が送信アンテナ２０にカップリングされて、第２補助コイルＬ_Ａ２に流れる電流Ｉ_ＬＡ２に応じた第２補正電流Ｉ_Ａ２が、送信アンテナ２０に注入され、もしくは送信アンテナ２０から引き抜かれる。

第３スイッチＳＷ３および第２補助コイルＬ_Ａ２は、第１端子３１と第２端子３２の間に直列に設けられる。第４スイッチＳＷ４は、第２補助コイルＬ_Ａ２と並列に設けられる。制御部４０ａは、第１状態φ１において第４スイッチＳＷ４をオンし、第２状態φ２において第３スイッチＳＷ３をオンする。

図１０は、図９の自動チューニング補助回路３０ａの動作を示す波形図である。共振電流Ｉ_ＴＸおよび共振電圧Ｖ_ＴＸは、自動チューニング補助回路３０ａを動作させてから十分な時間が経過した後の定常状態における波形を示す。

図９の自動チューニング補助回路３０ａは、図２の自動チューニング補助回路３０を２個備え、それらが逆相で動作するものと理解できる。そして、第１補助コイルＬＡ１による補正電流Ｉ_Ａ１と、第２補助コイル_ＬＡ２による補正電流Ｉ_Ａ２は逆極性となる。送信アンテナ２０に供給される補正電流Ｉ_Ａは、２つの補正電流Ｉ_Ａ１、Ｉ_Ａ２の合計となる。

図９の自動チューニング補助回路３０ａによっても、擬似的な共振状態を実現できる。

（第２の変形例）
第２の変形例では、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２は、片方向スイッチを用いて構成される。図１１（ａ）、（ｂ）は、第２の変形例に係る自動チューニング補助回路の構成を示す回路図である。

図１１（ａ）、（ｂ）において、第１スイッチＳＷ１は、片方向スイッチＳＷ１ａと、それと直列に設けられた整流ダイオードＤ１ｂを含む。整流ダイオードＤ１ｂは、片方向スイッチＳＷ１ａの逆導通素子である寄生ダイオード（ボディダイオード）Ｄ１ａと逆向きに配置される。スイッチＳＷ１ａと整流ダイオードＤ１ｂの順序は入れ替えてもよい。

第２スイッチＳＷ２も第１スイッチＳＷ１と同様に構成され、片方向スイッチＳＷ２ａと、それと直列に設けられた整流ダイオードＤ２ｂを含む。整流ダイオードＤ２ｂは、片方向スイッチＳＷ２ａの寄生ダイオード（ボディダイオード）Ｄ２ａと逆向きに配置される。スイッチＳＷ２ａと整流ダイオードＤ２ｂの順序は入れ替えてもよい。

整流ダイオードＤ１ｂ、Ｄ２ｂを、寄生ダイオードＤ１ａ、Ｄ２ａと逆向きに設けることにより、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２が意図せずにオンするのを防止することができる。

なお、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２を双方向スイッチで構成する場合、自動チューニング補助回路３０は、正、負両方の補正電流Ｉ_Ａを生成可能であった。これに対して、図１１（ａ）の自動チューニング補助回路３０は、正の補正電流Ｉ_Ａを生成できるが、負の補正電流Ｉ_Ａは生成できない。反対に図１１（ｂ）の自動チューニング補助回路３０は、負の補正電流Ｉ_Ａを生成できるが、正の補正電流Ｉ_Ａは生成できない。したがって、図１１（ａ）、（ｂ）の自動チューニング補助回路３０では、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２のスイッチングの位相が制約される。

（第３の変形例）
図９の自動チューニング補助回路３０ａも、片方向スイッチを用いて構成できる。図１２は、第３の変形例に係る自動チューニング補助回路の構成を示す回路図である。図１２の自動チューニング補助回路３０ａにおいて、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２は、図１１（ａ）と同様に構成され、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４は、図１１（ｂ）と同様に構成される。図１２の自動チューニング補助回路３０ａによっても、図９の自動チューニング補助回路３０ａと同様の効果を得ることができる。

（第２の実施の形態）
図１３は、第２の実施の形態に係る自動チューニング補助回路３０ｂを備えるワイヤレス給電装置２ｂの構成を示す回路図である。自動チューニング補助回路３０ｂは、送信アンテナ２０とカップリングされ、送信アンテナ２０に補正電流Ｉ_Ａを注入し、または送信アンテナ２０から補正電流Ｉ_Ａを引き抜く。

自動チューニング補助回路３０ｂは、送信アンテナ２０とカップリングされる第１端子３１および第２端子３２と、Ｈブリッジ回路３６と、第３補助コイルＬ_Ａ３と、制御部４０ｂと、を備える。Ｈブリッジ回路３６は、第１端子３１と第２端子３２の間に設けられ、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶと同じ周波数でスイッチングされる。第３補助コイルＬ_Ａ３は、Ｈブリッジ回路３６の出力端子Ｐ１、Ｐ２間に設けられる。制御部４０ｂは、Ｈブリッジ回路３６を駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対してある位相差θ_ＴＸでスイッチングする。

図１４は、図１３のワイヤレス給電装置２の動作を示す波形図である。図１４において、Ｈブリッジ回路３６は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶと同相（θ_ＴＸ＝０°）でスイッチングする。
駆動電圧Ｖ_ＤＲＶのある位相から半周期の間において、Ｈブリッジ回路３６の４つのスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４のうち、対角に位置する第１のペアＳＷ１１、ＳＷ１４がオンとなり、続く半周期の間、第２のペアＳＷ１２、ＳＷ１３がオンとなる。第１のペアＳＷ１１、ＳＷ１４がオンする半周期、第３補助コイルＬ_Ａ３に流れる電流Ｉ_ＬＡ３が第１の向きで送信アンテナ２０に供給され、第２のペアＳＷ１２、ＳＷ１３がオンする半周期、第３補助コイルＬ_Ａ３に流れる電流Ｉ_ＬＡ３が第２の向きで送信アンテナ２０に供給される。

スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４は、片方向スイッチ、あるいは双方向スイッチを用いて構成することができるが、一旦、双方向スイッチを用いた構成および動作を説明する。なお、片方向スイッチを用いる場合、各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４と直列に整流用のダイオードを設ける必要がある。この変形例については後述する。

図１３の自動チューニング補助回路３０ｂの動作原理は、図２あるいは図９の自動チューニング補助回路と同様である。自動チューニング補助回路３０ｂが生成する補正電流Ｉ_Ａの波形は、図１０の補正電流Ｉ_Ａと同様となる。図１３のワイヤレス給電装置２ｂによっても、これまで説明したワイヤレス給電装置と同様の効果を得ることができる。

さらに図１３の自動チューニング補助回路３０ｂによれば、図９の自動チューニング補助回路３０ａと同一の機能を、ひとつのコイルで実現することができる。

続いて、第２の実施の形態に係る自動チューニング補助回路３０ｂの変形例を説明する。
図１５は、図１３の自動チューニング補助回路３０ｂの変形例を示す回路図である。この変形例では、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４は、片方向スイッチを用いて構成される。

各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４の構成は、図１１（ａ）、（ｂ）あるいは図１２に関して説明した通りである。スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２は、図１１（ａ）のスイッチＳＷ１、ＳＷ２と同様に構成され、スイッチＳＷ１３、ＳＷ１４は、図１１（ｂ）のスイッチＳＷ１、ＳＷ２と同様に構成される。
図１５の変形例によれば、図１３の自動チューニング補助回路３０ｂと同様の効果を得ることができる。

自動チューニング補助回路３０、３０ａ、３０ｂ（以下、単に自動チューニング補助回路３０という）と送信アンテナ２０のカップリングの形態には、さまざまな変形例がある。図１６（ａ）〜（ｇ）は、自動チューニング補助回路３０と送信アンテナ２０のカップリングの続形態を示す回路図である。

図１６（ａ）〜（ｄ）では、自動チューニング補助回路３０が送信アンテナ２０と直接カップリングされる。図１６（ｅ）、（ｆ）では、自動チューニング補助回路３０が送信アンテナ２０と磁気的に結合される。

図１６（ａ）は、図２や図９と同様である。図１６（ｂ）では、自動チューニング補助回路３０は、共振用キャパシタＣ_ＴＸとカップリングされる。具体的には、自動チューニング補助回路３０の第１端子３１は、共振用キャパシタＣ_ＴＸの一端に接続され、第２端子３２は、共振用キャパシタＣ_ＴＸの他端に接続される。

図１６（ｃ）の送信コイルＬ_ＴＸにはタップ３３が設けられる。自動チューニング補助回路３０の第１端子３１は、タップ３３と接続され、第２端子３２は、送信コイルＬ_ＴＸの一端と接続される。

図１６（ｄ）の送信アンテナ２０は、送信コイルＬ_ＴＸと直列に設けられた２つの共振用キャパシタＣ_ＴＸ１、Ｃ_ＴＸ２含む。自動チューニング補助回路３０の第１端子３１は、一方の共振用キャパシタＣ_ＴＸ２の一端に接続され、第２端子３２は、共振用キャパシタＣ_ＴＸ２の他端と接続される。

図１６（ｅ）のワイヤレス給電装置は、送信コイルＬ_ＴＸと磁気的に結合された第１コイルＬ１をさらに備える。自動チューニング補助回路３０の第１端子３１は、第１コイルＬ１の一端と接続され、第２端子３２は、第１コイルＬ１の他端と接続される。

図１６（ｆ）のワイヤレス給電装置は、トランスＴ１をさらに備える。トランスＴ１の１次巻線Ｗ１は、送信アンテナＬ_ＴＸと直列に設けられる。自動チューニング補助回路３０の第１端子３１は、トランスＴ１の２次巻線Ｗ２の一端と接続され、第２端子３２は、２次巻線Ｗ２の他端と接続される。

図１６（ｇ）のワイヤレス給電装置２では、電源１０と送信アンテナ２０が、トランスＴ２により結合される。別の観点から見れば、電源１０とトランスＴ２が、送信アンテナ２０の両端間に駆動電圧Ｖ_ＤＲＶを印加する電源１０ａを構成する。図１６（ｇ）において自動チューニング補助回路は図示していないが、図１６（ａ）〜（ｆ）のいずれの態様で、送信アンテナ２０とカップリングすればよい。

図１６（ａ）〜（ｇ）の変形例、あるいはこれらに類似する回路においても、擬似的な共振状態を実現できる。
また、図１６（ｃ）〜（ｆ）の構成では、図１６（ａ）、（ｂ）に比べて、自動チューニング補助回路３０の端子３１−３２間の電圧を下げることができる。したがって、自動チューニング補助回路３０を構成するスイッチに低耐圧素子を利用することができ、設計が容易となり、あるいは低コスト化できる。

第１、第２の実施の形態に係るワイヤレス給電装置において、自動チューニング補助回路のスイッチングの周波数は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの周波数と同じ場合を説明したが、それらの周波数が異なる場合であっても、疑似共振状態を実現できる。たとえば、自動チューニング補助回路３０のスイッチング周波数が、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの周波数の奇数倍である場合、あるいは、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの周波数の奇数分の１倍である場合にも、疑似共振状態を実現できる。スイッチング周波数と駆動電圧の周波数の関係は、システム全体の効率等を考慮して決めればよい。

（ワイヤレス受電装置）
上述した自動チューニング補助回路は、ワイヤレス受電装置にも利用することができる。以下では、ワイヤレス受電装置について説明する。

（第１の実施の形態）
図１７は、第１の実施の形態に係るワイヤレス受電装置４の構成を示す回路図である。ワイヤレス受電装置４は、上述の、あるいは全く別構成のワイヤレス給電装置から送信される電力信号Ｓ１を受ける。電力信号Ｓ１は、電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。

ワイヤレス受電装置４は、受信アンテナ５０、自動チューニング補助回路６０および電力を供給すべき負荷７０を備える。負荷７０には、図示しない整流回路、検波回路などが内蔵されてもよい。

受信アンテナ５０は、第１端５１と第２端５２の間に直列に設けられた受信コイルＬ_ＲＸおよび共振用キャパシタＣ_ＲＸを含む。

自動チューニング補助回路６０は、受信アンテナ５０とカップリングされ、受信アンテナ５０に第１補正電流Ｉ_Ａを注入し、または受信アンテナ５０から第１補正電流Ｉ_Ａを引き抜く。

自動チューニング補助回路６０は、第１端子６１、第２端子６２、第１補助コイルＬ_Ａ１、第５スイッチＳＷ５、第６スイッチＳＷ６、制御部６４を備え、上述の自動チューニング補助回路３０と同様に構成される。

自動チューニング補助回路６０は、第１状態φ１と第２状態φ２を、電力信号Ｓ１と同じ周波数で交互に繰り返す。第１状態φ１では、第５スイッチＳＷ５がオンし、第１補助コイルＬ_Ａ１が受信アンテナ５０にカップリングされて、第１補助コイルＬ_Ａ１に流れる電流Ｉ_ＬＡ１に応じた第１補正電流Ｉ_Ａが、受信アンテナ５０に注入され、もしくは受信アンテナ５０から引き抜かれる。
第２状態φ２では、第６スイッチＳＷ６がオンし、第１補助コイルＬ_Ａ１が受信アンテナ５０から切り離され、第１補助コイルＬ_Ａ１に流れる電流Ｉ_ＬＡ１が、受信アンテナ５０とは独立した電流経路（ＳＷ６）に流れる。

制御部６４は、第１状態φ１と第２状態φ２を、ワイヤレス給電装置（不図示）において送信アンテナに印加される駆動電圧と同じ周波数で、かつ駆動電圧に対して所定の位相差で切りかえてもよい。

第５スイッチＳＷ５、第６スイッチＳＷ６は、片方向スイッチ、あるいは双方向スイッチで構成される。片方向スイッチで構成する場合、制御部６４は、各スイッチを、それぞれの逆導通素子に電流が流れない位相でスイッチングする。

負荷７０は、受信アンテナ５０にカップリングされる。負荷７０と受信アンテナ５０の接続形態は特に限定されない。

以上がワイヤレス受電装置４の構成である。続いてその動作を説明する。図１８は、図１７のワイヤレス受電装置４の等価回路図である。ワイヤレス給電装置２における自動チューニング補助回路３０と同様に、自動チューニング補助回路６０は、補正電流Ｉ_Ａを受信アンテナ５０に供給する補正電流源と把握することができる。

図１９は、図１７のワイヤレス受電装置４の動作を示す波形図である。上から順に、受信コイルＬ_ＲＸと共振用キャパシタＣ_ＲＸの両端間の共振電圧Ｖ_ＲＸ、受信アンテナ５０に流れる共振電流Ｉ_ＲＸ、第５スイッチＳＷ５、第６スイッチＳＷ６、補正電流Ｉ_Ａ、第１補助コイルＬ_Ａ１の電流Ｉ_ＬＡ１を示す。共振電流Ｉ_ＲＸおよび共振電圧Ｖ_ＲＸは、実線が自動チューニング補助回路６０を動作させてから十分な時間が経過した後の定常状態（疑似共振状態）における波形を、破線が自動チューニング補助回路６０を動作させない非共振状態における波形を示す。

疑似共振状態を実現するためには、第５スイッチＳＷ５および第６スイッチＳＷ６を適切な周波数ｆ_ＴＸおよび位相θ_ＲＸでスイッチングさせる必要がある。そこでワイヤレス給電装置２からワイヤレス受電装置４に対して、周波数ｆ_ＴＸおよび位相θ_ＲＸを示すデータを送信してもよい。あるいはワイヤレス受電装置４は、位相θ_ＲＸをスイープし、最適な位相θ_ＲＸを検出してもよい。

以上がワイヤレス受電装置４の動作である。
このように図１７のワイヤレス受電装置４によれば、共振用キャパシタＣ_ＲＸの容量値を調節することなく、自動的に共振状態を実現することができる。

続いてワイヤレス受電装置４の変形例を説明する。

（第１の変形例）
図２０は、第１の変形例に係る自動チューニング補助回路６０ａの構成を示す回路図である。自動チューニング補助回路６０ａは、図９の自動チューニング補助回路３０ａと同様に構成され、図１７の自動チューニング補助回路６０に加えて、第７スイッチＳＷ７、第８スイッチＳＷ８、第２補助コイルＬ_Ａ２を備える。この変形例によれば、図１７のワイヤレス受電装置４と同様に、疑似共振状態を実現できる。

（第２の変形例）
ワイヤレス給電装置２と同様に、ワイヤレス受電装置４のスイッチを片方向スイッチを用いて構成することができる。第２の変形例に係るワイヤレス受電装置４ａでは、自動チューニング補助回路６０は片方向スイッチを用いて構成され、具体的には図１１（ａ）、（ｂ）の自動チューニング補助回路３０と同様に構成される。

（第３の変形例）
ワイヤレス受電装置４において、第１の変形例と第２の変形例の組み合わせも有効である。第３の変形例に係る自動チューニング補助回路６０は、図１２の自動チューニング補助回路３０と同様に構成される。

（第２の実施の形態）
図２１は、第２の実施の形態に係るワイヤレス受電装置４ｂの構成を示す回路図である。ワイヤレス受電装置４ｂは、自動チューニング補助回路６０ｂを備える。自動チューニング補助回路６０ｂは、図１３の自動チューニング補助回路３０ｂと同様に、Ｈブリッジ回路６６と第２制御部６４ｂを含む。第２制御部６４ｂは、Ｈブリッジ回路６６の第１のペアＳＷ１１、ＳＷ１４がオンとなる第１状態と、第２のペアＳＷ１２、ＳＷ１３がオンとなる第２状態と、を電力信号Ｓ１と同じ周波数でスイッチングする。

図２１の自動チューニング補助回路６０ｂによれば、第１の実施の形態の第１あるいは第３の変形例に係るワイヤレス受電装置４ａと同等の機能が、単一の補正コイルで実現できる。

第２の実施の形態に係るワイヤレス受電装置４においても、片方向スイッチを用いることができる。この変形例では、自動チューニング補助回路６０ｂを、図１５の自動チューニング補助回路３０ｂと同様に構成すればよい。

図２２（ａ）〜（ｆ）は、自動チューニング補助回路６０と受信アンテナ５０のカップリングの形態を示す回路図である。図２２（ａ）〜（ｆ）は、図１６（ａ）〜（ｆ）に対応する。図２２（ａ）〜（ｄ）では、自動チューニング補助回路６０が受信アンテナ５０と直接カップリングされる。図２２（ｅ）、（ｆ）では、自動チューニング補助回路６０が受信アンテナ５０と磁気的に結合される。

図２２（ａ）は、図１７と同様である。図２２（ｂ）では、自動チューニング補助回路６０は、共振用キャパシタＣ_ＲＸとカップリングされる。図２２（ｃ）の受信コイルＬ_ＲＸにはタップ６３が設けられる。自動チューニング補助回路６０の第１端子６１は、タップ６３と接続され、第２端子６２は、受信コイルＬ_ＲＸの一端と接続される。

図２２（ｄ）の受信アンテナ５０は、受信コイルＬ_ＲＸと直列に設けられた２つの共振用キャパシタＣ_ＲＸ１、Ｃ_ＲＸ２含む。自動チューニング補助回路６０の第１端子６１は、一方の共振用キャパシタＣ_ＴＸ２の一端に接続され、第２端子６２は、共振用キャパシタＣ_ＴＸ２の他端と接続される。

図２２（ｅ）のワイヤレス受電装置は、受信コイルＬ_ＲＸと磁気的に結合された第２コイルＬ２をさらに備える。自動チューニング補助回路６０の第１端子６１は、第２コイルＬ２の一端と接続され、第２端子６２は、第２コイルＬ２の他端と接続される。

図２２（ｆ）のワイヤレス受電装置は、トランスＴ２をさらに備える。トランスＴ２の１次巻線Ｗ１は、受信アンテナＬ_ＲＸと直列に設けられる。自動チューニング補助回路６０の第１端子６１は、トランスＴ２の２次巻線Ｗ２の一端と接続され、第２端子６２は、２次巻線Ｗ２の他端と接続される。

図２２（ａ）〜（ｆ）の変形例、あるいはこれらに類似する回路においても、擬似的な共振状態を実現できる。
また、図２２（ｃ）〜（ｆ）の構成では、図２２（ａ）、（ｂ）に比べて、自動チューニング補助回路６０の端子６１−６２間の電圧を下げることができる。したがって、自動チューニング補助回路６０を構成するスイッチに低耐圧素子を利用することができ、設計が容易となり、あるいは低コスト化できる。

第１、第２の実施の形態に係るワイヤレス受電装置において、自動チューニング補助回路のスイッチングの周波数は、電力信号の周波数と同じ場合を説明したが、それらの周波数が異なる場合であっても、疑似共振状態を実現できる。たとえば、自動チューニング補助回路６０のスイッチング周波数が、電力信号Ｓ２の周波数の奇数倍である場合、あるいは、電力信号Ｓ２の周波数の奇数分の１倍である場合にも、疑似共振状態を実現できる。スイッチング周波数と電力信号の周波数の関係は、システム全体の効率等を考慮して決めればよい。

（ワイヤレス送電システム）
上述のワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置を組み合わせることにより、ワイヤレス送電システムを実現できる。

ワイヤレス給電装置２、ワイヤレス受電装置４それぞれに自動チューニング補助回路３０、６０を設けることにより、負荷７０に対して最大電力を送信することが可能となる。当然ながら、変形例を含めた任意のワイヤレス給電装置２と、任意のワイヤレス受電装置４が組み合わせ可能であることは言うまでもない。

なお必ずしもワイヤレス給電装置２、ワイヤレス受電装置４の両方に自動チューニング補助回路を実装する必要はない。ワイヤレス給電装置２にのみ自動チューニング補助回路３０を設け、ワイヤレス受電装置４は、従来のように共振用キャパシタＣ_ＲＸの調節を行ってもよい。
反対にワイヤレス受電装置４にのみ自動チューニング補助回路６０を設け、ワイヤレス給電装置２は、従来のように共振用キャパシタＣ_ＴＸの調節を行ってもよい。

さらには、ワイヤレス給電装置２にのみ自動チューニング補助回路３０を設け、ワイヤレス受電装置４は、一切の調節機構を有さなくてもよい。あるいはワイヤレス受電装置４にのみ自動チューニング補助回路６０を設け、ワイヤレス給電装置２は、一切の調節機構を有さなくてもよい。
これらの場合、単一の自動チューニング補助回路によって、電源１０と負荷７０の間のインピーダンスマッチングがとれるようにチューニングされ、高効率な電力伝送が可能となる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

自動チューニング補助回路３０を備えるワイヤレス給電装置２においては、共振用キャパシタＣ_ＴＸを省略しても疑似共振状態が実現できる場合がある。この場合、共振用キャパシタＣ_ＴＸを省略してもよい。同様に自動チューニング補助回路６０を備えるワイヤレス受電装置４において、共振用キャパシタＣ_ＲＸを省略してもよい。

ワイヤレス給電装置２は、所定の規則（暗号コード）に従い、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの周波数ｆ_ＴＸおよび位相の少なくとも一方を変化させ、電力信号Ｓ１を暗号化する。暗号コードを知っているワイヤレス受電装置４は、その暗号コードにもとづき、自動チューニング補助回路６０のスイッチング周波数、位相を制御する。その結果、電力信号Ｓ１が暗号化されている場合でも、それを復号して電力供給を受けることができる。暗号コードを知らないワイヤレス受電装置は、自動チューニング補助回路６０のスイッチを適切に制御できないため、電力を受信することができなくなる。ワイヤレス電力伝送では、悪意の利用者による盗電が問題となりうるが、自動チューニング補助回路を利用することにより、この問題を解決することができる。
あるいは、単一のワイヤレス給電装置２が複数のワイヤレス受電装置４に給電する際に、自動チューニング補助回路を利用することにより端末毎の給電量を制御できる。

自動チューニング補助回路３０の用途は、ワイヤレス電力電送には限定されず、チューニングが必要なさまざまな用途に利用できる。

実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…ワイヤレス送電システム、２…ワイヤレス給電装置、４…ワイヤレス受電装置、１０…電源、１２…直流電源、ＳＷＨ１…第１ハイサイドスイッチ、ＳＷＬ１…第１ローサイドスイッチ、ＳＷＨ２…第２ハイサイドスイッチ、ＳＷＬ２…第２ローサイドスイッチ、２０…送信アンテナ、２１…第１端、２２…第２端、Ｌ_ＴＸ…送信コイル、Ｃ_ＴＸ…共振用キャパシタ、３０…自動チューニング補助回路、３１…第１端子、３２…第２端子、３４…Ｈブリッジ回路、Ｌ_Ａ１…第１補助コイル、Ｌ_Ａ２…第２補助コイル、Ｌ_Ａ３…第３補助コイル、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、４０…制御部、５０…受信アンテナ、Ｌ_ＲＸ…受信コイル、Ｃ_ＲＸ…共振用キャパシタ、５１…第１端、５２…第２端、６０…自動チューニング補助回路、ＳＷ３…第３スイッチ、ＳＷ４…第４スイッチ、６１…第１端子、６２…第２端子、６４…第２制御部、７０…負荷、ＳＷ５…第５スイッチ、ＳＷ６…第６スイッチ。

Claims (38)

1. ワイヤレス受電装置に対して、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置であって、
   送信コイルを含む送信アンテナと、
   前記送信アンテナの両端間に交流の駆動電圧を印加する電源と、
   前記送信アンテナとカップリングされ、前記送信アンテナに第１補正電流を注入し、または前記送信アンテナから第１補正電流を引き抜く自動チューニング補助回路と、
   を備え、
   前記自動チューニング補助回路は、第１補助コイルを含み、（１）前記第１補助コイルが前記送信アンテナにカップリングされて、前記第１補助コイルに流れる電流に応じた第１補正電流を、前記送信アンテナに注入しもしくは前記送信アンテナから引き抜く第１状態と、（２）前記第１補助コイルが前記送信アンテナから切り離され、前記第１補助コイルに流れる電流が、前記送信アンテナとは独立した電流経路に流れる第２状態と、を前記駆動電圧に応じたスイッチング周波数で交互に繰り返すことを特徴とするワイヤレス給電装置。
2. 前記第１状態と前記第２状態は、前記駆動電圧と同じ周波数、もしくはその奇数倍または奇数分の１倍の周波数でスイッチングされ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. 前記自動チューニング補助回路は、前記第１状態と前記第２状態を、前記駆動電圧に対してある位相差で切りかえる制御部をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置。
4. 前記自動チューニング補助回路は、
   前記送信アンテナとカップリングされる第１端子および第２端子と、
   前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、前記第１状態においてオンする第１スイッチおよび第１補助コイルと、
   前記第１補助コイルに対して並列に設けられ、前記第２状態においてオンする第２スイッチと、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
5. 前記第１スイッチおよび前記第２スイッチはそれぞれ、
   片方向スイッチと、
   前記片方向スイッチと直列に設けられ、かつ前記片方向スイッチの逆導通素子と逆向きに設けられた整流ダイオードと、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載のワイヤレス給電装置。
6. 前記第１スイッチおよび前記第２スイッチは、双方向スイッチで構成されることを特徴とする請求項４に記載のワイヤレス給電装置。
7. 前記自動チューニング補助回路は、第２補助コイルを含み、
   前記第１状態において、前記第２補助コイルが前記送信アンテナから切り離され、前記第２補助コイルに流れる電流が、前記送信アンテナとは独立した電流経路に流れ、
   前記第２状態において、前記第２補助コイルが前記送信アンテナにカップリングされて、前記第２補助コイルに流れる電流に応じた第２補正電流を、前記送信アンテナに注入しもしくは前記送信アンテナから引き抜くことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
8. 前記自動チューニング補助回路は、
   前記送信アンテナとカップリングされる第１端子および第２端子と、
   前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、前記第１状態においてオンする第１スイッチおよび第１補助コイルと、
   前記第１補助コイルに対して並列に設けられ、前記第２状態においてオンする第２スイッチと、
   前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、前記第２状態においてオンする第３スイッチおよび第２補助コイルと、
   前記第２補助コイルに対して並列に設けられ、前記第１状態においてオンする第４スイッチと、
   をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のワイヤレス給電装置。
9. ワイヤレス受電装置に対して、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置であって、
   送信コイルを含む送信アンテナと、
   前記送信アンテナの両端間に交流の駆動電圧を印加する電源と、
   前記送信アンテナとカップリングされる自動チューニング補助回路と、
   を備え、
   前記自動チューニング補助回路は、
   前記送信アンテナとカップリングされる第１端子および第２端子と、
   前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、第１スイッチおよび第１補助コイルと、
   前記第１補助コイルに対して並列に設けられた第２スイッチと、
   前記第１スイッチをオンする第１状態と、前記第２スイッチをオンする第２状態と、を前記駆動電圧に応じたスイッチング周波数でスイッチングする制御部と、
   を含むことを特徴とするワイヤレス給電装置。
10. 前記制御部は、前記第１状態と前記第２状態を、前記駆動電圧と同じ周波数、もしくはその奇数倍または奇数分の１倍の周波数でスイッチングすることを特徴とする請求項９に記載のワイヤレス給電装置。
11. 前記自動チューニング補助回路は、
    前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた第３スイッチおよび第２補助コイルと、
    前記第２補助コイルに対して並列に設けられた第４スイッチと、
    をさらに含み、
    前記制御部は、前記第１状態において前記第４スイッチをオンし、前記第２状態において前記第３スイッチをオンすることを特徴とする請求項９に記載のワイヤレス給電装置。
12. 前記自動チューニング補助回路は、前記送信アンテナと直接カップリングされることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
13. 前記自動チューニング補助回路は、前記送信アンテナとトランスを介してカップリングされることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
14. 前記第１端子は、前記送信コイルの一端に接続され、前記第２端子は、前記送信コイルの他端に接続されることを特徴とする請求項４、８、９のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
15. 前記送信アンテナは、前記送信コイルと直列に設けられた共振用キャパシタをさらに含み、
    前記第１端子は、前記共振用キャパシタの一端に接続され、前記第２端子は、前記共振用キャパシタの他端に接続されることを特徴とする請求項４、８、９のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
16. 前記送信コイルにはタップが設けられており、
    前記第１端子は、前記タップと接続され、
    前記第２端子は、前記送信コイルの一端と接続されることを特徴とする請求項４、８、９のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
17. 前記送信アンテナは、前記送信コイルと直列に設けられた２つの共振用キャパシタをさらに含み、
    前記第１端子は、一方の共振用キャパシタの一端に接続され、前記第２端子は、前記一方の共振用キャパシタの他端に接続されることを特徴とする請求項４、８、９のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
18. 前記送信コイルと磁気的に結合された第１コイルをさらに備え、
    前記第１端子は、前記第１コイルの一端と接続され、前記第２端子は、前記第１コイルの他端と接続されることを特徴とする請求項４、８、９のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
19. その１次巻線が前記送信アンテナと直列に設けられたトランスをさらに備え、
    前記第１端子は、前記トランスの２次巻線の一端と接続され、前記第２端子は、前記トランスの２次巻線の他端と接続されることを特徴とする請求項４、８、９のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
20. ワイヤレス給電装置から送信される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信するワイヤレス受電装置であって、
    受信コイルを含む受信アンテナと、
    前記受信アンテナとカップリングされ、前記受信アンテナに第１補正電流を注入し、または前記受信アンテナから第１補正電流を引き抜く自動チューニング補助回路と、
    を備え、
    前記自動チューニング補助回路は、第１補助コイルを含み、（１）前記第１補助コイルが前記受信アンテナにカップリングされて、前記第１補助コイルに流れる電流に応じた第１補正電流を、前記受信アンテナに注入しもしくは前記受信アンテナから引き抜く第１状態と、（２）前記第１補助コイルが前記受信アンテナから切り離され、前記第１補助コイルに流れる電流が、前記受信アンテナとは独立した電流経路に流れる第２状態と、を前記電力信号に応じたスイッチング周波数で交互に繰り返すことを特徴とするワイヤレス受電装置。
21. 前記第１状態と前記第２状態は、前記電力信号と同じ周波数、もしくはその奇数倍または奇数分の１倍の周波数でスイッチングされることを特徴とする請求項２０に記載のワイヤレス受電装置。
22. 前記自動チューニング補助回路は、前記第１状態と前記第２状態を、前記ワイヤレス給電装置において送信アンテナに印加される駆動電圧と同じ周波数で、かつ前記駆動電圧に対して所定の位相差で切りかえることを特徴とする請求項２０に記載のワイヤレス受電装置。
23. 前記自動チューニング補助回路は、
    前記受信アンテナとカップリングされる第１端子および第２端子と、
    前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、前記第１状態においてオンする第５スイッチおよび第１補助コイルと、
    前記第１補助コイルに対して並列に設けられ、前記第２状態においてオンする第６スイッチと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項２０から２２のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
24. 前記第５スイッチおよび前記第６スイッチはそれぞれ、
    片方向スイッチと、
    前記片方向スイッチと直列に設けられ、かつ前記片方向スイッチの逆導通素子と逆向きに設けられた整流ダイオードと、
    を含むことを特徴とする請求項２３に記載のワイヤレス受電装置。
25. 前記第５スイッチおよび前記第６スイッチは、双方向スイッチで構成されることを特徴とする請求項２３に記載のワイヤレス受電装置。
26. 前記自動チューニング補助回路は、第２補助コイルを含み、
    前記第１状態において、前記第２補助コイルが前記受信アンテナから切り離され、前記第２補助コイルに流れる電流が、前記受信アンテナとは独立した電流経路に流れ、
    前記第２状態において、前記第２補助コイルが前記受信アンテナにカップリングされて、前記第２補助コイルに流れる電流に応じた第２補正電流を、前記受信アンテナに注入しもしくは前記受信アンテナから引き抜くことを特徴とする請求項２０から２２のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
27. 前記自動チューニング補助回路は、
    前記受信アンテナとカップリングされる第１端子および第２端子と、
    前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、前記第１状態においてオンする第５スイッチおよび第１補助コイルと、
    前記第１補助コイルに対して並列に設けられ、前記第２状態においてオンする第６スイッチと、
    前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、前記第２状態においてオンする第７スイッチおよび第２補助コイルと、
    前記第２補助コイルに対して並列に設けられ、前記第１状態においてオンする第８スイッチと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載のワイヤレス受電装置。
28. ワイヤレス給電装置から送信される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信するワイヤレス受電装置であって、
    受信コイルを含む受信アンテナと、
    前記受信アンテナとカップリングされる自動チューニング補助回路と、
    を備え、
    前記自動チューニング補助回路は、
    前記受信アンテナとカップリングされる第１端子および第２端子と、
    前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、第５スイッチおよび第１補助コイルと、
    前記第１補助コイルに対して並列に設けられた第６スイッチと、
    前記第５スイッチをオンする第１状態と、前記第６スイッチをオンする第２状態と、を前記電力信号に応じたスイッチング周波数でスイッチングする制御部と、
    を含むことを特徴とするワイヤレス受電装置。
29. 前記制御部は、前記第１状態と前記第２状態を、前記電力信号と同じ周波数、もしくはその奇数倍または奇数分の１倍の周波数でスイッチングすることを特徴とする請求項２８に記載のワイヤレス受電装置。
30. 前記自動チューニング補助回路は、
    前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、第７スイッチおよび第２補助コイルと、
    前記第２補助コイルに対して並列に設けられた第８スイッチと、
    をさらに含み、
    前記制御部は、前記第１状態において前記第８スイッチをオンし、前記第２状態において前記第７スイッチをオンすることを特徴とする請求項２８に記載のワイヤレス受電装置。
31. 前記自動チューニング補助回路は、前記受信アンテナと直接カップリングされることを特徴とする請求項２０から３０のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
32. 前記自動チューニング補助回路は、前記受信アンテナとトランスを介してカップリングされることを特徴とする請求項２０から３０のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
33. 前記第１端子は、前記受信コイルの一端に接続され、前記第２端子は、前記受信コイルの他端に接続されることを特徴とする請求項２３、２７、２８のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
34. 前記受信アンテナは、前記受信コイルと直列に設けられた共振用キャパシタをさらに含み、
    前記第１端子は、前記共振用キャパシタの一端に接続され、前記第２端子は、前記共振用キャパシタの他端に接続されることを特徴とする請求項２３、２７、２８のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
35. 前記受信コイルにはタップが設けられており、
    前記第１端子は、前記タップと接続され、
    前記第２端子は、前記受信コイルの一端と接続されることを特徴とする請求項２３、２７、２８のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
36. 前記受信アンテナは、前記受信コイルと直列に設けられた２つの共振用キャパシタをさらに含み、
    前記第１端子は、一方の共振用キャパシタの一端に接続され、前記第２端子は、前記一方の共振用キャパシタの他端に接続されることを特徴とする請求項２３、２７、２８のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
37. 前記受信コイルと磁気的に結合された第１コイルをさらに備え、
    前記第１端子は、前記第１コイルの一端と接続され、前記第２端子は、前記第１コイルの他端と接続されることを特徴とする請求項２３、２７、２８のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
38. その１次巻線が前記受信アンテナと直列に設けられたトランスをさらに備え、
    前記第１端子は、前記トランスの２次巻線の一端と接続され、前記第２端子は、前記トランスの２次巻線の他端と接続されることを特徴とする請求項２３、２７、２８のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。

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