JP5868304B2 - ワイヤレス受電装置およびそれに利用可能なインピーダンス制御回路、インピーダンス制御方法 - 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。ワイヤレス電力伝送は、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.

磁界結合による電力伝送において、電磁誘導のコイル間結合係数ｋは、距離の３乗で減少する。したがって送信コイルと受信コイルの相対的な位置の変動に伴い、結合係数ｋも時々刻々と変化する。

本発明者らは、このような共鳴型の電力伝送システムにおいて、給電効率ならびに供給可能な電力量が、結合係数ｋおよび受電装置側のインピーダンスをパラメータとして変化することを認識するに至った。言い換えれば、結合係数ｋの変動にともなって、受電装置側のインピーダンスをダイナミックに変化させることができれば、給電効率や電力量を制御しうる。

なお以上の考察を、本発明の分野における共通の一般知識の範囲として捉えてはならない。さらに言えば、上記考察自体が、本出願人が、はじめて想到したものである。

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、受電装置のインピーダンスを制御可能なインピーダンス制御回路の提供にある。

本発明のある態様は、ワイヤレス給電装置から送出される電界、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使用されるインピーダンス制御回路に関する。インピーダンス制御回路は、電力信号を受信するための受信アンテナと負荷の間に設けられる。インピーダンス制御回路は、受信アンテナの一端と負荷の一端の間に設けられた第１スイッチと、受信コイルの一端と他端の間に設けられた第２スイッチと、第１、第２スイッチのスイッチング動作を制御するコントローラと、を備える。コントローラは、電力信号の周期に対する第１スイッチのオン時間の比率を変更可能に構成される。

この態様によると、受信アンテナから負荷側を見たインピーダンスを、第１スイッチのオン時間の比率（デューティ比）に応じて変化させることができる。

コントローラは、受信コイルに誘起される電流が第１方向に流れようとする第１半周期のうち、可変のオン時間の間、第１スイッチをオン、第２スイッチをオフし、第１半周期の残りの時間の間、第１スイッチをオフ、第２スイッチをオンしてもよい。
この場合、第１半周期の残りの間、第２スイッチをオンすることにより、その期間の、受信アンテナから負荷側を見たインピーダンスが低下する。したがって、受信アンテナから負荷側を見たインピーダンスの時間平均値を、同期整流する場合に比べて低下させることができる。

コントローラは、受信コイルに誘起される電流が第１方向に流れようとする第１半周期のうち、可変のオン時間の間、第１スイッチをオン、第２スイッチをオフし、第１半周期の残りの時間の間、第１スイッチおよび第２スイッチをオフしてもよい。
この場合、第１半周期の残りの間、第２スイッチをオフすることにより、その期間の、受信アンテナから負荷側を見たインピーダンスが増大する。したがって、受信アンテナから負荷側を見たインピーダンスの時間平均値を、同期整流する場合に比べて増大させることができる。

コントローラは、受信コイルに誘起される電流が第２方向に流れようとする第２半周期の間、第１スイッチをオフ、第２スイッチをオンしてもよい。

本発明の別の態様もまた、インピーダンス制御回路である。このインピーダンス制御回路は、受信アンテナの一端と負荷の一端の間に設けられた第３スイッチと、受信コイルの一端と他端の間に設けられたインピーダンス素子と、第３スイッチのスイッチング動作を制御するコントローラと、を備える。コントローラは、電力信号の周期に対する第３スイッチのオン時間の比率を変更可能に構成される。

この態様によると、受信アンテナから負荷側を見たインピーダンスを、第３スイッチのオン時間の比率（デューティ比）に応じて変化させることができる。

コントローラは、受信アンテナに誘起される電流が第１方向に流れようとする第１半周期のうち、可変のオン時間の間、第３スイッチをオンし、第１半周期の残りの間、第３スイッチをオフしてもよい。

コントローラは、受信アンテナに誘起される電流が第２方向に流れようとする第２半周期の間、第３スイッチをオフしてもよい。

インピーダンス素子は、キャパシタを含んでもよい。これにより、第１半周期のうち、第３スイッチがオフする期間、受信アンテナの両端間の電圧が、回路の耐圧を超えて増大するのを抑制できる。

インピーダンス素子は、ダイオードを含んでもよい。この場合、ダイオードがクランプ素子として機能するため、第１半周期のうち、第３スイッチがオフする期間、受信アンテナの両端間の電圧が、回路の耐圧を超えて増大するのを抑制できる。

本発明のさらに別の態様もまた、インピーダンス制御回路である。このインピーダンス制御回路は、受信アンテナの一端と接続される第１入力ラインと、受信アンテナの他端と接続される第２入力ラインと、負荷の一端と接続される第１出力ラインと、負荷の他端と接続される第２出力ラインと、第１入力ラインと第１出力ラインの間に設けられた第１スイッチと、第２入力ラインと第１出力ラインの間に設けられた第２スイッチと、第１入力ラインと第２出力ラインの間に設けられた第３スイッチと、第２入力ラインと第２出力ラインの間に設けられた第４スイッチと、を含むＨブリッジ回路と、Ｈブリッジ回路の第１スイッチから第４スイッチのスイッチング動作を制御するコントローラと、を備える。コントローラは、第１スイッチから第４スイッチそれぞれのスイッチング動作の位相を変更可能に構成される。

この態様によると、受信アンテナから負荷側を見たインピーダンスを、第１スイッチから第４スイッチの位相に応じて変化させることができる。

コントローラは、第１スイッチおよび第３スイッチのペアを電力信号と同じ周波数で相補的にスイッチングするとともに、第２スイッチおよび第４スイッチのペアを電力信号と同じ周波数で相補的にスイッチングするよう構成され、かつ、コントローラは、第１スイッチおよび第３スイッチのペアのスイッチング動作の位相と、第２スイッチおよび第４スイッチのペアのスイッチング動作の位相と、が独立に変更可能に構成されてもよい。

コントローラは、第１スイッチおよび第４スイッチをオンしつつ、第２スイッチおよび第３スイッチをオフする第１状態と、第１スイッチおよび第２スイッチをオンしつつ、第３スイッチおよび第４スイッチをオフする、または第１スイッチおよび第２スイッチをオフしつつ、第３スイッチおよび第４スイッチをオンする、第２状態と、第２スイッチおよび第３スイッチをオンしつつ、第１スイッチおよび第４スイッチをオフする第３状態と、第１スイッチおよび第２スイッチをオンしつつ、第３スイッチおよび第４スイッチをオフする、または第１スイッチおよび第２スイッチをオフしつつ、第３スイッチおよび第４スイッチをオンする、第４状態と、を、電力信号と同期して順に遷移し、かつ第１状態から第４状態の長さを変更可能に構成され、かつ第１状態から第４状態に遷移する位相が変更可能であってもよい。

本発明の別の態様は、ワイヤレス受電装置である。このワイヤレス受電装置は、ワイヤレス給電装置から送出される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信する受信アンテナと、受信アンテナと接続される上述のいずれかのインピーダンス制御回路と、を備える。

本発明の別の態様は、ワイヤレス給電システムである。この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出するワイヤレス給電装置と、上述のワイヤレス受電装置と、を備える。

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、受電装置のインピーダンスを制御できる。

実施の形態に係るワイヤレス給電システムの構成を示す回路図である。 第１の実施の形態に係るインピーダンス制御部を備えるワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、第２、第３モードにおけるインピーダンス制御部の動作波形図である。 第２モードによるスイッチング制御を行ったときの、デューティ比ｄと受信端インピーダンスＺの関係を示す図である。 第２の実施の形態に係るインピーダンス制御部を備えるワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。 図５のインピーダンス制御部の動作波形図である。 第３の実施の形態に係るインピーダンス制御部を備えるワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。 図７のインピーダンス制御部の基本動作を示す波形図である。 φ１＝０°、φ２＝１８０°のときのワイヤレス受電装置の動作波形図である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、φ１＝０°、φ２＝１８０°のときのワイヤレス受電装置１０ｂの電流経路を示す図である。 φ１＝６０°、φ２＝１２０°のときのワイヤレス受電装置の動作波形図である。 図１２（ａ）〜（ｄ）は、φ１＝６０°、φ２＝１２０°のときのワイヤレス受電装置の電流経路を示す図である。 φ１＝３０°、φ２＝１５０°のときのワイヤレス受電装置の動作波形図である。 送受信コイル間の結合度ｋと給電効率の関係を、受信端インピーダンスＺをパラメータとして示す図である。

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」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、電気的な接続状態に影響を及ぼさない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、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係るワイヤレス給電システム１の構成を示す回路図である。ワイヤレス給電システム１は、ワイヤレス給電装置２およびワイヤレス受電装置１０を備える。はじめにワイヤレス給電装置２の構成を説明する。

ワイヤレス給電装置２は、ワイヤレス受電装置１０に対して電力信号を送出する。ワイヤレス給電システム１では、電力信号Ｓ１として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、交流電源４、送信コイルＬ_ＴＸ、共振用キャパシタＣ_ＴＸを備える。交流電源４は、所定の周波数を有する、あるいは周波数変調された、もしくは位相変調、振幅変調などが施された駆動信号を発生し、それにより送信アンテナＬ_ＴＸにコイル電流Ｉ_ＴＸを発生させる。本実施の形態においては説明の簡潔化と理解の容易化のため、駆動信号が一定の周波数を有する交流信号である場合を説明する。たとえば駆動信号の周波数は、数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚの間で適宜選択される。

送信コイルＬ_ＴＸは、交流電源４が発生した駆動信号Ｓ２に応答して、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む近傍界（電力信号）Ｓ１として空間に放射するアンテナである。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、共振回路を形成する。共振用キャパシタＣ_ＴＸは、共振回路の共振周波数を、駆動信号Ｓ２の周波数にチューニングする。

以上がワイヤレス給電装置２の構成である。続いてワイヤレス受電装置１０の構成を説明する。

ワイヤレス受電装置１０は、ワイヤレス給電装置２から送出される電力信号Ｓ１を受信する。ワイヤレス受電装置１０は、受信アンテナ２０、負荷３０およびインピーダンス制御部４０を備える。

受信アンテナ２０は、送信コイルＬ_ＴＸからの電力信号Ｓ１を受信する。受信アンテナ２０は、直列に接続された受信コイルＬ_ＲＸおよび共振用キャパシタＣ_ＲＸを含む。受信アンテナ２０の共振周波数は、電力信号Ｓ１の周波数にチューニングされる。

受信コイルＬ_ＲＸには、電力信号Ｓ１に応じて誘起されるコイル電流（共振電流）Ｉ_ＲＸが流れ、ワイヤレス受電装置１０はこのコイル電流Ｉ_ＲＸから電力を取り出す。

インピーダンス制御部４０は、受信アンテナ２０と負荷３０の間に設けられる。インピーダンス制御部４０は、受信アンテナ２０に流れるコイル電流Ｉ_ＲＸを整流し、負荷３０に供給するとともに、受信アンテナ２０から負荷３０側を望んだインピーダンス（受信端インピーダンスＺという）を制御する。負荷３０の種類は特に限定されないが、一般的にはその等価回路は、並列に接続された電荷保持用のコンデンサＣ１と抵抗成分Ｒ１を含む。キャパシタＣ１と抵抗成分Ｒ１の合成インピーダンスをＲｏとする。

以上がワイヤレス給電システム１の全体構成の説明である。続いてインピーダンス制御部４０について説明する。

（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態に係るインピーダンス制御部４０を備えるワイヤレス受電装置１０の構成を示す回路図である。

インピーダンス制御部４０は、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２およびコントローラ４２を備える。
第１スイッチＳＷ１は、受信アンテナ２０の一端２２と負荷３０の一端３２の間に設けられる。第２スイッチＳＷ２は、受信アンテナ２０の一端２２と他端２４の間に設けられる。第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などを利用して構成することができる。第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２は片方向スイッチであってもよいし、双方向スイッチであってもよい。コントローラ４２は、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２のスイッチング動作を制御する。

コントローラ４２は、電力信号Ｓ１の周期、言い換えればコイル電流Ｉ_ＲＸの周期Ｔｐに対する、第１スイッチＳＷ１のオン時間Ｔ_ＯＮの比率ｄ＝Ｔ_ＯＮ／Ｔｐを変更可能に構成される。

本実施の形態において、コイル電流Ｉ_ＲＸが図２の矢印の方向に流れる向きを正に、反対に流れる向きを負にとる。上述のように、インピーダンス制御部４０は、コイル電流Ｉ_ＲＸを整流して負荷３０に供給する。以下、インピーダンス制御部４０について説明する。インピーダンス制御部４０は、少なくとも第１モードと第２モードが切りかえ可能に構成される。

（１）第１モード
第１モードでは、コントローラ４２は、コイル電流Ｉ_ＲＸを同期整流する。具体的には、受信アンテナ２０に誘起されるコイル電流Ｉ_ＲＸが第１方向（正方向）に流れようとする第１半周期の期間の全部（Ｔ_ＯＮ＝Ｔｐ／２）にわたり、第１スイッチＳＷ１をオンし、第２スイッチＳＷ２をオンする。受信アンテナ２０に誘起されるコイル電流Ｉ_ＲＸが第２方向（負方向）に流れようとする第２半周期（Ｔｐ／２）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。第１モードによれば、コイル電流Ｉ_ＲＸが半波整流され、負荷３０に供給される。

インピーダンス制御部４０は、第１モードの同期整流動作を基本として、以下で説明する第２、第３モードでは、第１半周期における第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２のスイッチング動作を変化させることにより、受信アンテナ２０から負荷側を見た受信端インピーダンスＺを変化させる。

（２）第２モード
図３（ａ）は、第２モードにおけるインピーダンス制御部４０の動作波形図である。なお、いくつかの図面において、コイル電流Ｉ_ＲＸが正弦波として示されるが、これは受信アンテナ２０に仮想的な抵抗負荷が接続したときに発生しうる仮想的な波形を示すものであり、実際のコイル電流Ｉ_ＲＸの波形とは異なることに留意されたい。

コントローラ４２は、受信アンテナ２０に誘起されるコイル電流Ｉ_ＲＸが正の方向に流れようとする第１半周期Ｔａのうち、可変のオン時間Ｔ_ＯＮ（＝Ｔｐ×ｄ）間、第１スイッチＳＷ１をオン、第２スイッチＳＷ２をオフし、第１半周期Ｔａの残りの間（Ｔｐ／２−Ｔ_ＯＮ）、第１スイッチＳＷ１をオフ、第２スイッチＳＷ２をオンする。上述のように第２半周期Ｔｂにおいては、第１スイッチＳＷ１はオフ、第２スイッチＳＷ２はオンする。

インピーダンス制御部４０は、第１、第２モードに加えて、第３モードで動作可能に構成されてもよい。
（３）第３モード
図３（ｂ）は、第３モードにおけるインピーダンス制御部４０の動作波形図である。
コントローラ４２は、受信アンテナ２０に誘起されるコイル電流Ｉ_ＲＸが正の向きに流れようとする第１半周期Ｔａのうち、可変のオン時間Ｔ_ＯＮ（＝Ｔｐ×ｄ）間、第１スイッチＳＷ１をオン、第２スイッチＳＷ２をオフし、第１半周期Ｔａの残りの間（Ｔｐ／２−Ｔ_ＯＮ）、第１スイッチＳＷ１をオフ、第２スイッチＳＷ２をオフする。第２半周期Ｔｂにおいてコントローラ４２は、第１、第２モードと同様に、第１スイッチＳＷ１はオフ、第２スイッチＳＷ２はオンする。

以上がワイヤレス給電装置２の構成および動作である。ワイヤレス給電装置２によれば、以下の効果を得ることができる。

図４は、第２モードによるスイッチング制御を行ったときの、デューティ比ｄと受信端インピーダンスＺの関係を示す図である。ｄ＝０．５のとき、（１）で説明した第１モードとなり、インピーダンスＺは最大値となる。

デューティ比ｄを０．５より小さくすると、第１半周期Ｔａ内の第１スイッチＳＷ１がオフの期間、受信アンテナ２０は第２スイッチＳＷ２によって短絡され、受信端インピーダンスの瞬時値Ｚ（ｔ）が低下する。デューティ比ｄを小さくすることは、受信アンテナ２０の両端間がショートされる期間が長くなることを意味する。受電端インピーダンスＺは、受信アンテナ２０から負荷３０を見たインピーダンスの瞬時値Ｚ（ｔ）の時間平均値であるから、第２モードを選択し、デューティ比ｄを減少させることにより、受電端インピーダンスＺを低下させることができる。

第３モードにおいてデューティ比ｄを減少させる場合を考える。デューティ比ｄを０．５より小さくすると、第１半周期Ｔａ内の第１スイッチＳＷ１がオフの期間、受信アンテナ２０の両端間は開放され、受信端インピーダンスの瞬時値Ｚ（ｔ）が増大する。デューティ比ｄを小さくすることは、受信アンテナ２０の両端間が開放される期間が長くなることを意味する。受電端インピーダンスＺは、受信アンテナ２０から負荷３０を見たインピーダンスの瞬時値Ｚ（ｔ）の時間平均値であるから、第３モードを選択し、デューティ比ｄを減少させることにより、受電端インピーダンスＺを増大させることができる。

ワイヤレス受電装置においては、その各ノードに生ずる電圧の振幅は非常に大きくなる。したがって、従来の高周波回路では、インピーダンス制御には、メカニカルな機構を利用したバリコン（バリキャップ）などを利用する必要があり、コストが高くなるという問題があった。また、機械的なインピーダンス可変素子は、応答性が遅いため、結合係数ｋの変動に追従できないという問題がある。

これに対して実施の形態に係るインピーダンス制御部４０によれば、電気的なスイッチＳＷ１、ＳＷ２を用いることにより低コスト化が可能となり、また高速制御が可能であるため、結合係数ｋの高速な変動に追従できる。

（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態に係るインピーダンス制御部４０ａを備えるワイヤレス受電装置１０ａの構成を示す回路図である。

インピーダンス制御部４０ａは、第３スイッチＳＷ３、インピーダンス素子４４およびコントローラ４２ａを備える。

第３スイッチＳＷ３は、受信アンテナ２０の一端２２と負荷３０の一端３２の間に設けられる。第３スイッチＳＷ３は、片方向スイッチまたは双方向スイッチであり、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴなどで構成される。インピーダンス素子４４は、受信アンテナ２０の一端２２と他端２４の間に設けられる。

コントローラ４２ａは、第３スイッチのスイッチング動作を制御する。コントローラ４２ａは、電力信号Ｓ１の周期、つまりコイル電流Ｉ_ＲＸの周期Ｔｐに対する第３スイッチＳＷ３のオン時間Ｔ_ＯＮの比率ｄを変更可能に構成される。

コントローラ４２ａは、受信アンテナ２０に誘起されるコイル電流Ｉ_ＲＸが正方向に流れようとする第１半周期Ｔａのうち、可変のオン時間Ｔ_ＯＮ（＝Ｔｐ×ｄ）の間、第３スイッチＳＷ３をオンし、第１半周期Ｔａの残りの間、第３スイッチＳＷ３をオフする。またコントローラ４２ａは、受信アンテナ２０に誘起されるコイル電流Ｉ_ＲＸが負方向に流れようとする第２半周期Ｔｂの間、第３スイッチＳＷ３をオフする。

インピーダンス素子４４は、第１半周期Ｔａにおいて第３スイッチＳＷ３がオフしたときに、受信アンテナ２０の両端間のインピーダンスが瞬時的に跳ね上がるのを抑制するために設けられる。図５に示すようにインピーダンス素子４４は、キャパシタが好適に利用できる。キャパシタに代えて、クランプ回路やツェナーダイオードなどを用いてもよい。

続いてインピーダンス制御部４０ａの動作を説明する。
図６は、図５のインピーダンス制御部４０ａの動作波形図である。
コントローラ４２ａは、コイル電流Ｉ_ＲＸが正方向に流れようとする第１半周期Ｔａのうち、可変のオン時間Ｔ_ＯＮ（＝Ｔｐ×ｄ）間、第３スイッチＳＷ３をオンする。この間、受信端インピーダンスの瞬時値Ｚ（ｔ）は、負荷３０とインピーダンス素子４４の合成インピーダンスＲｂと等しい。

またコントローラ４２ａは、第１半周期Ｔａの残りの間（Ｔｐ／２−Ｔ_ＯＮ）、第３スイッチＳＷ３をオフする。この間、受信端インピーダンスの瞬時値Ｚ（ｔ）は、インピーダンス素子４４のインピーダンスＲｃと等しく、その値は負荷３０のインピーダンスよりも高い。

図５のインピーダンス制御部４０ａにおいて、ｄ＝０．５のときは、第１の実施の形態の（１）で説明した第１モードと等価であり、受信端インピーダンスＺは最小値Ｒｏとなる。

図５のインピーダンス制御部４０ａは、図２のインピーダンス制御部４０を第３モードで動作させたときの等価と把握できる。具体的には、図２の第１スイッチＳＷ１が図５の第３スイッチＳＷ３に、図２の第２スイッチＳＷ２は、図５のインピーダンス素子４４に対応する。図２の第２スイッチＳＷ２をＭＯＳＦＥＴで構成した場合、そのボディダイオードがクランプ回路として動作する。

図５のインピーダンス制御部４０ａにおいて、デューティ比ｄを０．５より小さくすると、第１半周期Ｔａ内の第３スイッチＳＷ３がオフの期間、受信アンテナ２０は実質的に開放され、受信端インピーダンスの瞬時値Ｚ（ｔ）が増大する。デューティ比ｄを小さくすることは、受信アンテナ２０の両端間が開放される期間が長くなることを意味する。受電端インピーダンスＺは、受信アンテナ２０から負荷３０を見たインピーダンスの瞬時値Ｚ（ｔ）の時間平均値であるから、第３モードを選択し、デューティ比ｄを減少させることにより、受電端インピーダンスＺを、最小値Ｒｏよりも増大させることができる。

そのほか図２のインピーダンス制御部４０と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施の形態）
図７は、第３の実施の形態に係るインピーダンス制御部４０ｂを備えるワイヤレス受電装置１０ｂの構成を示す回路図である。

ワイヤレス受電装置１０ｂは、第１入力ライン４５、第２入力ライン４６、第１出力ライン４７、第２出力ライン４８、Ｈブリッジ回路４９、コントローラ４２ｂを備える。

第１入力ライン４５は受信アンテナ２０の一端２２と接続され、第２入力ライン４６は受信アンテナ２０の他端２４と接続される。第１出力ライン４７は負荷３０の一端３２と接続され、第２出力ライン４８は負荷３０の他端３４と接続される。

Ｈブリッジ回路４９は、第１入力ライン４５、第２入力ライン４６、第１出力ライン４７、第２出力ライン４８と接続され、入力ライン４５、４６に入力されたコイル電流ＩＲＸを整流し、出力ライン４７、４８を介して負荷３０に供給するとともに、受信アンテナ２０から負荷３０側を望んだ受信端インピーダンスＺを制御する。

Ｈブリッジ回路４９は、第１スイッチＳＷｂ１、第２スイッチＳＷｂ２、第３スイッチＳＷｂ３、第４スイッチＳＷｂ４を含む。第１スイッチＳＷｂ１は、第１入力ライン４５と第１出力ライン４７の間に設けられ、第２スイッチＳＷｂ２は、第２入力ライン４６と第１出力ライン４７の間に設けられる。第３スイッチＳＷｂ３は、第１入力ライン４５と第２出力ライン４８の間に設けられ、第４スイッチＳＷｂ４は、第２入力ライン４６と第２出力ライン４８の間に設けられる。

コントローラ４２ｂは、第１スイッチＳＷｂ１から第４スイッチＳＷｂ４を制御する。より具体的には、コントローラ４２ｂは、第１スイッチＳＷｂ１から第４スイッチＳＷｂ４それぞれのスイッチング動作の位相を変更可能に構成される。

コントローラ４２ｂによるスイッチング動作の制御を説明する。

図８は、図７のインピーダンス制御部４０ｂの基本動作を示す波形図である。
コントローラ４２ｂは、第１スイッチＳＷｂ１および第３スイッチＳＷｂ３のペアを電力信号Ｓ１、すなわちコイル電流Ｉ_ＲＸと同じ周波数で相補的にスイッチングする。同様に、コントローラ４２ｂは、第２スイッチＳＷｂ２および第４スイッチＳＷｂ４のペアをコイル電流Ｉ_ＲＸと同じ周波数で相補的にスイッチングする。そしてコントローラ４２ｂは、第１スイッチＳＷｂ１および第３スイッチＳＷｂ３のペアのスイッチング動作の位相φ１と、第２スイッチＳＷｂ２および第４スイッチＳＷｂ４のペアのスイッチング動作の位相φ２と、が独立に変更可能に構成される。本実施の形態では、位相φ１、φ２は、コイル電流Ｉ_ＲＸの向きが、第２方向（負方向）から第１方向（正方向）に反転する時刻を基準とする。

以上がインピーダンス制御部４０ｂの構成である。続いてその動作を説明する。

インピーダンス制御部４０ｂは、位相φ１、φ２を変化させることにより、受信端インピーダンスＺを変化させる。

（１） 同期整流動作
図９は、φ１＝０°、φ２＝１８０°のときのワイヤレス受電装置１０ｂの動作波形図である。図１０（ａ）、（ｂ）は、φ１＝０°、φ２＝１８０°のときのワイヤレス受電装置１０ｂの電流経路を示す図である。第１半周期Ｔａにおいては、図１０（ａ）に示すように第１スイッチＳＷｂ１、第４スイッチＳＷｂ４がオンする（第１状態ＳＴ１）。第２半周期Ｔｂにおいては、図１０（ｂ）に示すように第２スイッチＳＷｂ２、第３スイッチＳＷｂ３がオンする（第３状態ＳＴ３）。インピーダンス制御部４０ｂは、電力信号Ｓ１と同期して、第１状態ＳＴ１と第３状態ＳＴ３を交互に繰り返す。

インピーダンス制御部４０ｂは、この同期整流動作を基本として、位相φ１、φ２を変化させることにより、受信アンテナ２０から負荷３０側を見た受信端インピーダンスＺを変化させる。

（２） 受信端インピーダンスを低下させる動作
図１１は、φ１＝６０°、φ２＝１２０°のときのワイヤレス受電装置１０ｂの動作波形図である。図１２（ａ）〜（ｄ）は、φ１＝６０°、φ２＝１２０°のときのワイヤレス受電装置１０ｂの電流経路を示す図である。

図１１に示すように、ワイヤレス受電装置１０ｂは第１状態ＳＴ１〜第４状態ＳＴ４を順に繰り返す。第１状態ＳＴ１では、図１２（ａ）に示すように、第１スイッチＳＷｂ１、第４スイッチＳＷｂ４がオンし、コイル電流Ｉ_ＲＸが負荷３０に供給される。

続く第２状態ＳＴ２では、図１２（ｂ）に示すように第１スイッチＳＷｂ１、第２スイッチＳＷｂ２がオンし、コイル電流Ｉ_ＲＸがループ経路に流れる。

第３状態ＳＴ３では、図１２（ｃ）に示すように、第２スイッチＳＷｂ２、第３スイッチＳＷｂ３がオンし、コイル電流Ｉ_ＲＸが負荷３０に供給される。

続く第４状態ＳＴ４では、図１２（ｄ）に示すように、第３スイッチＳＷｂ３、第４スイッチＳＷｂ４がオンし、コイル電流Ｉ_ＲＸがループ経路に流れる。

第２状態ＳＴ２、第４状態ＳＴ４において、受信アンテナ２０が短絡されるため、受信端インピーダンスの瞬時値Ｚ（ｔ）は低くなる。その結果、第１状態ＳＴ１〜第４状態ＳＴ４を繰り返すことにより、同期整流時に比べて、受信端インピーダンスＺを低下させることができる。そして第２状態ＳＴ２、第４状態ＳＴ４を長くするほど、受信端インピーダンスＺを低くすることができる。

（３） 受信端インピーダンスを増大させる動作
図１３は、φ１＝３０°、φ２＝１５０°のときのワイヤレス受電装置１０ｂの動作波形図である。この場合も、インピーダンス制御部４０ｂは、第１状態ＳＴ１から第４状態ＳＴ４を順に繰り返す。（２）の動作との相違点は、各期間の長さと、遷移するタイミングである。

図１３の位相で制御するとき、負荷３０に流れ込む電流Ｉ_ＬＯＡＤは非常に小さくなる。つまり、Ｚ＝Ｖ_ＩＮ／Ｉ_ＬＯＡＤで与えられる受信端インピーダンスＺは増大する。

このように、第３の実施の形態に係るインピーダンス制御部４０ｂによれば、Ｈブリッジ回路を構成する４個のスイッチのスイッチング動作の位相を変化させることにより、受信端インピーダンスＺを、同期整流動作の場合よりも高くしたり、低くしたりすることができる。

第１から第３の実施の形態で説明したように、インピーダンス制御部４０を設けることにより、受信端インピーダンスＺを変化させることが可能となる。続いて、受信端インピーダンスＺの制御の一例を説明する。

図１４は、送受信コイル間の結合度ｋと給電効率の関係を、受信端インピーダンスＺをパラメータとして示す図である。受信端インピーダンスＺを１Ωとした場合、結合度ｋが小さい領域では相対的に高い効率が得られるが、結合度ｋが大きな領域では効率が相対的に低くなる。反対に、受信端インピーダンスＺを１０００Ωとした場合、結合度ｋが大きい領域では相対的に高い効率が得られるが、結合度ｋが小さな領域では効率が相対的に低くなる。

第１から第３の実施の形態に係るインピーダンス制御部を用いれば、そのときどきの結合度ｋにおいて最も高い効率が得られる受信端インピーダンスＺを実現することができる。

あるいは、第１から第３の実施の形態に係るインピーダンス制御部を用いれば、そのときどきの結合度ｋにおいて最も大きな給電量が得られる受信端インピーダンスＺを実現することができる。

なお、実際のワイヤレス給電システムにおいて、そのときどきの結合度ｋを直接モニターすることは難しい。したがって、インピーダンス制御部４０は、結合度ｋと相関を有する情報、たとえばコイル電流や、負荷に供給される電圧などをモニタし、検出値にもとづいて、各スイッチのスイッチング動作を制御してもよい。

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。

第３の実施の形態において、第２状態ＳＴ２において第１スイッチＳＷｂ１、第２スイッチＳＷｂ２でループを形成することとしたが、それに代えて、第３スイッチＳＷｂ３、第４スイッチＳＷｂ４でループを形成してもよい。同様に、第３の実施の形態では第４状態ＳＴ４において、第３スイッチＳＷｂ３、第４スイッチＳＷｂ４でループを形成することとしたが、それに代えて、第１スイッチＳＷｂ１、第２スイッチＳＷｂ２でループを形成してもよい。

また第３の実施の形態において、第１スイッチＳＷｂ１と第３スイッチＳＷｂ３をペアとし、第２スイッチＳＷｂ２と第４スイッチＳＷｂ４をペアとし、位相φ１、φ２を変化させることにより、第１状態ＳＴ１から第４状態ＳＴ４を実現する制御を説明したが、本発明はそれには限定されない。すなわち、第１スイッチＳＷｂ１から第４スイッチＳＷｂ４を独立に制御することにより、第１状態ＳＴ１から第４状態ＳＴ４を実現してもよい。

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…ワイヤレス給電システム、２…ワイヤレス給電装置、４…交流電源、１０…ワイヤレス受電装置、２０…受信アンテナ、３０…負荷、４０…インピーダンス制御部、４２…コントローラ、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、ＳＷ３…第３スイッチ、４４…インピーダンス素子、４５…第１入力ライン、４６…第２入力ライン、４７…第１出力ライン、４８…第２出力ライン、４９…Ｈブリッジ回路、ＳＷｂ１…第１スイッチ、ＳＷｂ２…第２スイッチ、ＳＷｂ３…第３スイッチ、ＳＷｂ４…第４スイッチ。

Claims (12)

1. ワイヤレス給電装置から送出される電界、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使用され、前記電力信号を受信するための受信アンテナと負荷の間に設けられるインピーダンス制御回路であって、
   前記受信アンテナの一端と前記負荷の一端の間に設けられた第１スイッチと、
   前記受信アンテナの前記一端と他端の間に設けられた第２スイッチと、
   前記第１、第２スイッチのスイッチング動作を制御するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、前記電力信号の周期に対する前記第１スイッチのオン時間の比率を変更し、
   前記コントローラは、前記受信アンテナに誘起される電流が第１方向に流れようとする第１半周期のうち、可変のオン時間の間、前記第１スイッチをオン、前記第２スイッチをオフし、前記第１半周期の残りの間、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチをオフすることを特徴とするインピーダンス制御回路。
2. ワイヤレス給電装置から送出される電界、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使用され、前記電力信号を受信するための受信アンテナと負荷の間に設けられるインピーダンス制御回路であって、
   前記受信アンテナの一端と前記負荷の一端の間に設けられた第１スイッチと、
   前記受信アンテナの前記一端と他端の間に設けられた第２スイッチと、
   前記第１、第２スイッチのスイッチング動作を制御するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、前記電力信号の周期に対する前記第１スイッチのオン時間の比率を変更し、
   前記コントローラは、前記受信アンテナに誘起される電流が第１方向に流れようとする第１半周期のうち、可変のオン時間の間、前記第１スイッチをオン、前記第２スイッチをオフし、前記第１半周期の残りの間、前記第１スイッチをオフ、前記第２スイッチをオンし、
   前記コントローラは、前記受信アンテナに誘起される電流が第２方向に流れようとする第２半周期の間、前記第１スイッチをオフ、前記第２スイッチをオンすることを特徴とするインピーダンス制御回路。
3. ワイヤレス給電装置から送出される電界、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使用され、前記電力信号を受信するための受信アンテナと負荷の間に設けられるインピーダンス制御回路であって、
   前記受信アンテナの一端と前記負荷の一端の間に設けられた第１スイッチと、
   前記受信アンテナの前記一端と他端の間に設けられた第２スイッチと、
   前記第１、第２スイッチのスイッチング動作を制御するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、前記電力信号の周期に対する前記第１スイッチのオン時間の比率を変更し、
   前記コントローラは、前記受信アンテナに誘起される電流が第１方向に流れようとする第１半周期のうち、可変のオン時間の間、前記第１スイッチをオン、前記第２スイッチをオフし、前記第１半周期の残りの間、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチをオフし、
   前記コントローラは、前記受信アンテナに誘起される電流が第２方向に流れようとする第２半周期の間、前記第１スイッチをオフ、前記第２スイッチをオンすることを特徴とするインピーダンス制御回路。
4. ワイヤレス給電装置から送出される電界、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使用され、前記電力信号を受信するための受信アンテナと負荷の間に設けられるインピーダンス制御回路であって、
   前記受信アンテナの一端と前記負荷の一端の間であって、電荷保持用のコンデンサよりも前記受信アンテナ側に設けられた第３スイッチと、
   前記受信アンテナの前記一端と他端の間に設けられたインピーダンス素子と、
   前記第３スイッチのスイッチング動作を制御することにより、前記受信アンテナに流れるコイル電流を整流し、前記負荷に供給するとともに、前記受信アンテナから前記負荷側を望んだインピーダンスを制御するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、前記電力信号の周期に対する前記第３スイッチのオン時間の比率を変更可能に構成されることを特徴とするインピーダンス制御回路。
5. 前記コントローラは、
   前記受信アンテナに誘起される電流が第１方向に流れようとする第１半周期のうち、可変のオン時間の間、前記第３スイッチをオンし、前記第１半周期の残りの間、前記第３スイッチをオフすることを特徴とする請求項４に記載のインピーダンス制御回路。
6. 前記コントローラは、
   前記受信アンテナに誘起される電流が第２方向に流れようとする第２半周期の間、前記第３スイッチをオフすることを特徴とする請求項５に記載のインピーダンス制御回路。
7. 前記インピーダンス素子は、キャパシタを含むことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載のインピーダンス制御回路。
8. 前記インピーダンス素子は、クランプ回路を含むことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載のインピーダンス制御回路。
9. 前記インピーダンス素子は、ダイオードを含むことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載のインピーダンス制御回路。
10. ワイヤレス給電装置から送出される電界、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使用され、前記電力信号を受信するための受信アンテナと負荷の間に設けられるインピーダンス制御回路であって、
    前記受信アンテナの一端と接続される第１入力ラインと、
    前記受信アンテナの他端と接続される第２入力ラインと、
    前記負荷の一端と接続される第１出力ラインと、
    前記負荷の他端と接続される第２出力ラインと、
    前記第１入力ラインと前記第１出力ラインの間に設けられた第１スイッチと、前記第２入力ラインと前記第１出力ラインの間に設けられた第２スイッチと、前記第１入力ラインと前記第２出力ラインの間に設けられた第３スイッチと、前記第２入力ラインと前記第２出力ラインの間に設けられた第４スイッチと、を含むＨブリッジ回路と、
    前記Ｈブリッジ回路の前記第１スイッチから前記第４スイッチのスイッチング動作を制御するコントローラと、
    を備え、
    前記コントローラは、
    前記第１スイッチおよび前記第４スイッチをオンしつつ、前記第２スイッチおよび前記第３スイッチをオフする第１状態と、
    （i）前記第１スイッチおよび前記第２スイッチをオンしつつ、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチをオフする、または（ii）前記第１スイッチおよび前記第２スイッチをオフしつつ、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチをオンする、第２状態と、
    前記第２スイッチおよび前記第３スイッチをオンしつつ、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチをオフする第３状態と、
    （i）前記第１スイッチおよび前記第２スイッチをオンしつつ、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチをオフする、または（ii）前記第１スイッチおよび前記第２スイッチをオフしつつ、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチをオンする、第４状態と、
    を、前記電力信号と同期して順に遷移し、かつ前記第１状態から前記第４状態の長さを変更可能に構成され、かつ前記第１状態から前記第４状態に遷移する位相が変更可能であることを特徴とするインピーダンス制御回路。
11. ワイヤレス給電装置から送出される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信する受信アンテナと、
    前記受信アンテナと接続される請求項１から１０のいずれかに記載のインピーダンス制御回路と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。
12. ワイヤレス給電装置から送出される電界、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おいて、前記電力信号を受信するための受信アンテナから負荷を望んだインピーダンスを制御する方法であって、
    前記受信アンテナと前記負荷の間であって、電荷保持用のコンデンサよりも前記受信アンテナ側に、第３スイッチを含むスイッチング回路を挿入するステップと、
    前記第３スイッチをスイッチングすることにより、前記受信アンテナに誘起される電流を整流し、前記負荷に供給するステップと、
    前記電力信号の周期に対する前記第３スイッチのオン時間の比率を変化させるステップと、
    を備えることを特徴とする方法。

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