JP6099292B1 - 送電装置およびこれを備える磁界共鳴型電力伝送システム - Google Patents

Abstract

磁界共鳴型電力伝送システムにおいて伝送効率を高めることのできる技術を提供することを課題とする。解決手段として、受電装置と対をなして磁界共鳴型電力伝送システムを構成する送電装置（２０）は、交流電力を発生する電源部（２２）と、送電インダクタンスおよび送電容量から求まる送電共振周波数によって電源部（２２）からの交流電力を受電装置へワイヤレスで送電する送電共振回路部（２４）と、を備える。電源部（２２）は、送電共振周波数に合うよう交流電力の周波数を調整するＤＤＳ回路部（４０）を備える。送電共振回路部（２４）は、印加電圧によって変化する可変容量を有し、交流電力の周波数に合うよう送電容量に含まれる可変容量によって送電共振周波数を調整する送電可変容量コンデンサ（２８ｖａ、２８ｖｂ）を備える。

Description

本発明は、送電装置と受電装置との間において、磁界共鳴（磁界共振結合）によってワイヤレス（非接触）で電力を伝送（電送）する磁界共鳴型電力伝送システムに関する。

ワイヤレス電力伝送（ワイヤレス給電）は、近年注目されている分野であり、電磁誘導型（数百ＫＨｚ帯）、インダクタンス（Ｌ）および容量（Ｃ）を用いるＬＣ共振による電界共鳴型や磁界共鳴型（ＭＨｚ帯）、マイクロ波を利用したマイクロ波型（ＧＨｚ帯）などの方式がある。これら方式のそれぞれには特徴（利点、欠点）がある。例えば、既に実用化されて携帯端末、歯ブラシ、髭剃り器などに利用されている電磁誘導型は近距離用であり伝送距離が短く（１ｍｍ程度）、他方、磁界共鳴型は伝送距離が数ｃｍから数ｍと長い。この磁界共鳴型は、数Ｗから数十ＫＷと比較的高い電力が伝送可能であり、人体や水でのエネルギー吸収がほとんどなく、誘電体損失が避けられるといった利点もあり、注目が集まっている。

特許第５７０５０７９号公報（特許文献１）には、送電装置側の送電コイルと受電装置側の受電コイル間の電力伝送を、磁界共鳴によって非接触（ワイヤレス）で行う非接触電力伝送装置に関する技術が記載されている。この技術では、送電装置の共振周波数を受電装置の共振周波数に対して適切な関係に調整する機能を有する送電補助装置を加えた構成において、送電装置と送電補助装置の間の受電空間に受電装置が配置された状態で非接触電力伝送が行われる（特にその明細書段落［００２９］−［００３０］、図１参照）。

特許第５７０５０７９号公報

磁界共鳴型電力伝送システムにおいては、送電装置の送電共振周波数と受電装置の受電共振周波数との共振点を一致させないと効率良く電力伝送することができず、またその不一致の程度によっては給電できない状況も発生する。

共振点が一致しない原因としては、例えば、量産工程における送電装置や受電装置の共振回路部を構成するコイルのインダクタンスやコンデンサの容量の製造誤差（機差バラツキ）がある。また、例えば、温度などの使用環境によってもインダクタンスや容量の変動がある。これら原因による共振回路部の共振周波数のバラツキを抑制するためにコイルやコンデンサの精度や品質を向上させると、製品コストが高くなってしまうおそれもある。

ところで、送電共振周波数と受電共振周波数の共振点の調整を行う場合には、使用前の装置固有の状態に合わせる静的な調整や、使用中の装置状態（環境状態）に合わせる動的な調整がある。例えば、バリコン（可変容量コンデンサ）を用いて手動で共振周波数の調整を静的に行うことが考えられる（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、手動によるバリコンの調整では、バラツキが生じてしまい、特に、共振周波数の動的な調整に対応させるのは困難となってしまう。また、手動ではなくバリコンの動的な調整にモータなどのアクチュエータを用いる場合は、装置が大型化してしまうし、その制御も複雑となってしまう。また、インダクタンスに取り付けられたコアにアクチュエータを用いる場合も同様である。

本発明の目的は、磁界共鳴型電力伝送システムにおいて伝送効率を高めることのできる技術を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。本発明の一解決手段に係る受電装置と対をなして磁界共鳴型電力伝送システムを構成する送電装置であって、交流電力を発生する電源部と、送電インダクタンスおよび送電容量から求まる送電共振周波数によって前記電源部からの前記交流電力を前記受電装置へワイヤレスで送電する送電共振回路部と、を備えており、前記電源部は、前記送電共振周波数に合うよう前記交流電力の周波数を調整するＤＤＳ（デジタル直接合成発振器；Direct synthesis Digital Synthesizer）回路部を備え、前記送電共振回路部は、印加電圧によって変化する可変容量を有し、前記交流電力の周波数に合うよう前記送電容量に含まれる前記可変容量によって前記送電共振周波数を調整する送電可変容量コンデンサを備えることを特徴とする。

この送電装置によれば、ＤＤＳ回路部によるデジタル的な調整と、送電可変容量コンデンサ（例えば、バリキャップダイオード）によるアナログ的な調整のハイブリッドな調整によって、交流電力の周波数と送電共振周波数との共振点を合わせやすくでき、送電力を最大限引き出すことができる。このような送電装置によれば、磁気共鳴型電力伝送システムにおいて受電装置との共振点を合わせやすく、伝送効率を高めることができる。

また、送電共振回路部を構成する送電コイルの製造誤差によってインダクタンスなどが変化してしまう場合でも、その送電共振周波数に一致するよう交流電力の周波数を調整することができる。また、共振コイルの交換によってインダクタンスを変化させて異なる規格の周波数帯での送電を行う場合であっても、電源部を交換せずにＤＤＳ回路部によってその規格値および規格調整範囲内への周波数調整を行うことができる。また、ＤＤＳ回路部によれば、例えば、最小周波数の数ｋＨｚから最大周波数の数１０ＭＨｚまでで１Ｈｚ単位での調整を行うこともできる。

また、送電可変容量コンデンサによれば、送電容量を調整することができ、交流電力の周波数に送電共振周波数に合わせることや、温度変動や製造誤差による送電共振周波数のずれを修正（補正）することができる。また、容量の異なる固定コンデンサと組み合わせる自由度があり、電力量、送電距離など多様な仕様へ対応することもできる。

また、前記一解決手段に係る送電装置において、送電ＣＰＵと、前記電源部と前記送電共振回路部との間を結合する出力トランスと、前記出力トランスの前記送電共振回路部側で結合され、前記送電共振回路部の共振電圧を間接的に検出する検出コイルと、を更に備えており、前記送電ＣＰＵは、前記検出コイルで検出された検出電圧を送電フィードバック信号として処理する機能と、前記送電フィードバック信号の電圧値が最大となる前記交流電力の周波数を前記ＤＤＳ回路部へ出力する機能と、前記送電フィードバック信号の電圧値が最大となる前記送電可変容量コンデンサの印加電圧を前記送電可変容量コンデンサへ出力する機能と、を備えることが好適である。

これによれば、交流電力の周波数と送電共振周波数とを自動調整して合わせることができ、目的および用途・環境により多様な磁界共鳴型電力伝送システムへ柔軟に対応することができる。また、送電共振回路部の送電コイル（共振コイル）に直接的に検出コイルを接続する構成ではないため、送電インダクタンスの変化による送電共振周波数の影響を除外することができ、伝送効率を高めることができる。また、磁界共鳴型電力伝送システムが例えば送電コイルの交換によって異なる規格の周波数帯での電力伝送を行う場合であっても、検出コイルを制御基板から交換せずに簡便にフィードバック制御を行うことができる。

また、前記一解決手段に係る送電装置において、前記電源部は、前記ＤＤＳ回路部の出力を増幅させる電力増幅回路部を更に備えることが好適である。これによれば、ＤＤＳ回路部からの出力が小さい場合であっても、出力を増幅させることができる。

また、前記一解決手段に係る送電装置において、種類の異なる複数の送電コンデンサのいずれかを選択する複数の送電ジャンパピンを更に備えており、前記送電容量に含まれる選択された前記送電コンデンサの静電容量によって、前記送電共振周波数が調整される構成であることが好適である。これによれば、種々の特徴を有する共振回路部とすることができる。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次のとおりである。前記一実施形態によれば、磁界共鳴型電力伝送システムにおいて伝送効率を高めることができる。

本発明の実施形態に係る磁界共鳴型電力伝送システムの概略回路図である。 図１に示す磁界共鳴型電力伝送システムを構成する送電装置の概略回路図である。 図２に示す送電装置の送電共振回路部の電圧波形図である。 図１に示す磁界共鳴型電力伝送システムを構成する受電装置の概略回路図である。 図４に示す受電装置の受電共振回路部の電圧波形図である。

以下の本発明における実施形態では、必要な場合に複数のセクションなどに分けて説明するが、原則、それらはお互いに無関係ではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細などの関係にある。このため、全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、構成要素の数（個数、数値、量、範囲などを含む）については、特に明示した場合や原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。また、構成要素などの形状に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合などを除き、実質的にその形状などに近似または類似するものなどを含むものとする。

本発明の実施形態に係る磁界共鳴型電力伝送システム１０について図面を参照して説明する。図１は、磁界共鳴型電力伝送システム１０の概略回路図である。磁界共鳴型電力伝送システム１０は、対をなす送電装置２０および受電装置７０を備えている。磁界共鳴型電力伝送システム１０では、送電装置２０と受電装置７０との間（伝送領域）を例えば規格で設定される基本周波数ｆｂの磁界共鳴ＭＲによってワイヤレスで交流電力が伝送される。そして、送電装置２０から受電装置７０へ伝送された交流電力が受電装置７０に接続された負荷部１００で消費される。

送電装置２０は、電源部２２と、送電共振回路部２４（送電側の共振回路部）と、を備えている。電源部２２は、高周波（周波数ｆ０）の交流電力を発生する。送電共振回路部２４は、ＬＣ共振回路部であり、送電インダクタンスＬ１および送電容量Ｃ１から求まる送電共振周波数ｆ１＝１／（２π×（Ｌ１×Ｃ１）^１／２）によって電源部２２からの交流電力を受電装置７０へワイヤレスで送電する。送電共振回路部２４は、送電コイル２６（共振コイル）および送電コンデンサ２８（共振コンデンサ）を備えている。送電コイル２６のインダクタンスが送電インダクタンスＬ１に含まれる。また、送電コンデンサ２８の容量が送電容量Ｃ１に含まれる。このため、送電共振周波数ｆ１が規格による基本周波数ｆｂに合うよう送電コイル２６や送電コンデンサ２８が選択される。

また、送電装置２０は、送電ループコイル３０を更に備え、送電コイル２６と送電ループコイル３０との間で発生する電磁誘導ＥＩによって電源部２２から送電共振回路部２４へ交流電力を伝送する。すなわち、磁界共鳴型電力伝送システム１０では、電源部２２の交流電力を送電ループコイル３０で磁界として発生させ、送電共振回路部２４（送電コイル２６）で共振させることで磁界強度を増幅させている。

受電装置７０は、受電共振回路部７４（受電側の共振回路部）を備えている。受電共振回路部７４は、受電インダクタンスＬ２および受電容量Ｃ２から求まる受電共振周波数ｆ２＝１／（２π×（Ｌ２×Ｃ２）^１／２）によって送電装置２０からの交流電力をワイヤレスで受電する。受電共振回路部７４は、受電コイル７６（共振コイル）および受電コンデンサ７８（共振コンデンサ）を備えている。受電コイル７６のインダクタンスが受電インダクタンスＬ２に含まれる。受電コンデンサ７８の容量が受電容量Ｃ２に含まれる。このため、例えば、受電共振周波数ｆ２が規格による基本周波数に合うよう受電コイル７６や受電コンデンサ７８が選択される。

また、受電装置７０は、受電ループコイル８０を更に備え、受電コイル７６と受電ループコイル８０との間で発生する電磁誘導ＥＩを用いて、受電共振回路部７４から負荷部１００へ交流電力を伝送する。すなわち、磁界共鳴型電力伝送システム１０では、送電装置２０からの交流電力は、磁界共鳴によって受電コイル７６へ伝送され、そして、電磁誘導ＥＩによって受電ループコイル８０へ伝送されて、負荷部１００で消費される。

次に、本発明の実施形態に係る送電装置２０について図面を参照して具体的に説明する。図２は、磁界共鳴型電力伝送システム１０を構成する送電装置２０の概略回路図である。

図２に示す送電装置２０は、図１に示した電源部２２、送電共振回路部２４および送電ループコイル３０の他に、更に送電ＣＰＵ３２（中央処理装置）と、出力トランス３４と、検出コイル３６を有する送電検出回路部３８と、を備えている。送電装置２０では、例えば、送電ＣＰＵ３２などの部品が図示しない制御基板に実装される。この制御基板には、回路部を構成する配線が形成される。また、送電装置２０では、電源部２２と送電共振回路部２４との間（具体的には、電源部２２と送電ループコイル３０との間）が出力トランス３４によって結合される。また、送電装置２０では、送電検出回路部３８によって送電共振回路部２４の共振電圧が検出される。

電源部２２は、ＤＤＳ（デジタル直接合成発振器；Direct synthesis Digital Synthesizer）回路部４０を備えている。ＤＤＳ回路部４０は、単一で固定の発振源から任意の周波数の正弦波をデジタル的に生成することができ、送電共振周波数ｆ１に合うよう交流電力の周波数ｆ０を調整することができる（デジタル共振周波数制御）。デジタル共振周波数制御は、送電ＣＰＵ３２からＤＤＳ回路部４０へシリアル通信にて所定の周波数で設定指示し（例えば、６．７８ＭＨｚの場合、６７８００００が送信される）、ＤＤＳ回路部４０に交流電力（交流波形）を出力させる。

そして、電源部２２は、更に、ＤＤＳ回路部４０の出力を増幅させる電力増幅回路部４２を備えている。この電力増幅回路部４２によれば、ＤＤＳ回路部４０からの交流電力の出力が電圧、電流とも低い場合であっても、その出力を増幅させることができる。増幅された電力は、電源部２２と送電共振回路部２４との間を結合する出力トランス３４（励磁インダクタンス）にエネルギーとして蓄えられ、送電ループコイル３０で磁界を発生させる。

送電共振回路部２４は、ＬＣ共振回路部を構成するため、送電コイル２６と、種類の異なる複数の送電コンデンサ２８（２８ｂａ、２８ｂｂ、２８ｂｃ、２８ｖａ、２８ｖｂ）と、を備えている。種類の異なる送電コンデンサ２８としては、容量が固定された送電固定コンデンサ２８ｂａ、２８ｂｂ、２８ｂｃと、容量が可変となる送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂとがある。送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂは、印加電圧によって変化する可変容量を有するもので、例えば、バリキャップダイオード（バラクタダイオードともいう）である。この送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂは、ツイン方式を採用し、電源部２２の交流電力の周波数ｆ０に合うよう可変容量（送電容量Ｃ１に含まれる）によって送電共振周波数ｆ１を調整することができる（アナログ共振周波数制御）。

ここでのアナログ共振周波数制御は、交流電力の周波数ｆ０と送電共振周波数ｆ１とが合うように、送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂであるバリキャップダイオードのアノードに印加する電圧を、送電ＣＰＵ３２のＤ／Ａ変換部から出力する。アナログ共振周波数制御は、例えば、送電ＣＰＵ３２からの２５６（８ビット）の分解能で出力したものをオペアンプ部（図示せず）にて増幅した直流電圧（最大２４Ｖまでの可変直流電圧）で共振点合わせをする。すなわち、アナログ共振周波数制御は、送電共振回路部２４（送電コイル２６）で高電圧を発生させて電界レベルを最大にするようにする。

また、送電装置２０は、複数の送電コンデンサ２８のいずれかを選択する複数の送電ジャンパピン４４（４４ａ、４４ｂ、４４ｃ）を備え、送電コイル２６の電圧値、調整可能範囲によって組合せを任意に選択できる回路方式（回路構造）を採用している。これによれば、複数の送電コンデンサ２８のうち送電固定コンデンサ２８ｂａ、２８ｂｂを基準として、他の送電コンデンサ２８との組合せによって、送電共振回路部２４の送電容量Ｃ１を調整することができる。また、送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂ（例えば、バリキャップダイオード）の耐圧が低い場合であっても、送電ジャンパピン４４の選択により分圧して送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂに印加される電圧を抑制することができる。このように、送電ジャンパピン４４の選択、すなわち、送電コンデンサ２８の選択により、種々の特徴を有する送電共振回路部２４とすることができる。

例えば、送電ジャンパピン４４の選択において、送電ジャンパピン４４ａを有効（接続）とし、その他の送電ジャンパピン４４ｂ、４４ｃを無効（非接続）とする。この場合、送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂと、送電固定コンデンサ２８ｂａ、２８ｂｂと、が選択されて送電共振回路部２４が構成される。この構成によれば、送電コイル２６に高電圧が印加され、送電容量Ｃ１の調整範囲が狭い場合に対応することができる。

また、送電ジャンパピン４４の選択において、送電ジャンパピン４４ｂを有効とし、その他の送電ジャンパピン４４ａ、４４ｃを無効とする。この場合、送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂと、送電固定コンデンサ２８ｂａ、２８ｂｂと、が選択されて送電共振回路部２４が構成される。この構成によれば、送電コイル２６に低電圧が印加され、送電容量Ｃ１の調整範囲が中程度の場合に対応することができる。

また、送電ジャンパピン４４の選択において、送電ジャンパピン４４ｃを有効とし、その他の送電ジャンパピン４４ａ、４４ｂを無効とする。この場合、送電可変容量コンデンサ２８ｖｂと、送電固定コンデンサ２８ｂａ、２８ｂｂ、２８ｂｃと、が選択されて送電共振回路部２４が構成される。この構成によれば、例えば、送電コイル２６に高電圧が印加され、送電容量Ｃ１の調整範囲が広い場合に対応することができる。

このような送電共振回路部２４によれば、受電装置７０の負荷電力や、送電コイル２６と受電コイル７６との間の距離（伝送領域）による送電電力量などの条件（特性）によって、送電コンデンサ２８の組合せを任意に選択できる。すなわち、送電装置２０は、送電コイル２６の電圧値や、送電容量Ｃ１の調整可能な範囲によって送電コンデンサ２８の組合せを任意に選択することができ、装置としての柔軟性が高いものである。

ここで、種々の送電コンデンサ２８（送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂおよび送電固定コンデンサ２８ｂａ、２８ｂｂ、２８ｂｃ）の組合せの一例について以下で具体的に説明する。

送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂに用いられるバリキャップダイオードは、定格範囲内で、印加電圧に対する容量の直線性があるものである。一般的なバリキャップダイオードは、逆耐電圧が通常のもので３０Ｖ程度、高いもので９０Ｖ程度である。これに対して、送電装置２０の送電コイル２６には、ピーク・ピーク値が４００Ｖ以上の高電圧が掛かる場合がある。この点、逆耐電圧が６００Ｖ程度のバリキャップダイオードもあるが、電圧可変に対する容量の直線性が低いか、直線性でも調整範囲が狭いものである。また、バリキャップダイオードの逆耐電圧が送電コイル２６に掛かる電圧より高いもの（定格範囲以内）であっても、２００℃以上の高温に達してしまい、バリキャップダイオードとその制御基板とを接合するハンダを溶融する場合や、バリキャップダイオードの素子破壊が発生する場合もある。

そこで、送電コイル２６（共振コイル）に掛かる電圧が高電圧の場合、送電ジャンパピン４４ａを有効とし、その他の送電ジャンパピン４４ｂ、４４ｃを無効とすることで、送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂの各バリキャップダイオードで分圧することができる。すなわち、バリキャップダイオードの定格範囲内まで印加電圧を下げることができる。

また、送電コイル２６（共振コイル）に掛かる電圧が高電圧の場合、送電ジャンパピン４４ｃを有効とし、その他の送電ジャンパピン４４ａ、４４ｂを無効とすることで、送電コイル２６側に接続するのは逆耐電圧の高い送電固定コンデンサ２８ｂｃを用いることができる。前述したバリキャップダイオードの分圧では、送電容量Ｃ１の調整範囲が狭くなるので微調整の場合はよいが、調整範囲をより広く確保するためには、送電可変容量コンデンサ２８ｖｂと送電固定コンデンサ２８ｂｃの組合せとすることが好適である。

ところで、送電装置２０は、送電共振回路部２４の共振電圧、すなわち送電コイル２６に印加される交流電圧を検出する送電検出回路部３８を備えている。この送電検出回路部３８は、検出コイル３６と、整流回路部４６（ダイオードブリッジ回路部）と、オペアンプ部４８と、を備えている。送電検出回路部３８では、電源部２２と送電共振回路部２４との間を結合する出力トランス３４を設けており、この出力トランス３４の送電共振回路部２４側で検出コイル３６を結合（接続）している。

このような送電検出回路部３８によれば、送電共振回路部２４（送電コイル２６）に直接的に検出コイル３６を接続する構成ではないため、送電インダクタンスＬ１の変化による送電共振周波数ｆ１の影響を除外することができ、伝送効率を高めることができる。また、送電コイル２６を換装して基本周波数ｆｂの帯域を変える場合であっても、その都度、制御基板から検出コイル３６を交換する構成ではないため、共振電圧を簡便に検出することができる。

検出コイル３６は、送電共振回路部２４の共振電圧の波高値を間接的に検出（測定）し、直接的には送電ループコイル３０に掛かる交流電圧を検出する。また、整流回路部４６は、検出された交流電圧を直流電圧に整流する。また、オペアンプ部４８は、その直流電圧を送電ＣＰＵ３２のＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部に入力可能な電圧値（例えば、３．３Ｖ〜５Ｖ）にまで減衰（変換）する。この直流電圧の減衰としては、抵抗分圧してもよい。このように、送電装置２０では、減衰された直流電圧（検出電圧）が送電ＣＰＵ３２のＡ／Ｄ変換部に入力されるようフィードバック制御が行われる。

そして、送電ＣＰＵ３２は、送電検出回路部３８（検出コイル３６）で検出された検出電圧を送電フィードバック信号として処理する機能を備えている。また、本実施形態では、ＤＤＳ回路部４０を含んで電源部２２を構成している。このため、送電ＣＰＵ３２は、送電フィードバック信号の電圧値が最大となる交流電力の周波数ｆ０をＤＤＳ回路部４０へ出力する機能を備えている。また、本実施形態では、送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂを含んで送電共振回路部２４を構成している。このため、送電ＣＰＵ３２は、送電フィードバック信号の電圧値が最大となる送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂの印加電圧を、送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂへ出力する機能を備えている。

これによれば、交流電力の周波数ｆ０と送電共振周波数ｆ１とを自動調整して合わせることができ、目的および用途・環境により多様な磁界共鳴型電力伝送システム１０へ柔軟に対応することができる。また、磁界共鳴型電力伝送システム１０が例えば送電共振回路部２４を構成する送電コイル２６の交換によって異なる規格の周波数帯での電力伝送を行う場合であっても、送電コイル２６を制御基板から交換せずに簡便にフィードバック制御を行うことができる。

図３は、送電装置２０の送電共振回路部２４（送電コイル２６）の電圧波形図であり、共振点一致前の電圧波形Ｔ１と共振点一致後の電圧波形Ｔ２とを比較して示している。図３に示す電圧波形図では、横軸、縦軸をそれぞれ任意定数の時間ｔ、電圧Ｖとしている。送電装置２０によれば、図３に示すように、電圧波形Ｔ１の波高値Ｖｔ１（ピーク・ピーク値）に対して、より高い電圧波形Ｔ２の波高値Ｖｔ２（ピーク・ピーク値）を得ることができる。すなわち、送電装置２０からは高効率で電力を送電することができ、磁界共鳴型電力伝送システム１０において伝送効率を高めることができる。

このように送電装置２０によれば、ＤＤＳ回路部４０によるデジタル的な調整と、送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂによるアナログ的な調整のハイブリッドな調整によって、交流電力の周波数ｆ０と送電共振周波数ｆ１との共振点を合わせやすくなる。したがって、送電装置２０によれば、送電力を最大限引き出すことができる。また、送電装置２０によれば、磁気共鳴型電力伝送システム１０において受電装置７０とも共振点を合わせやすく、伝送効率を高めることができる。

また、送電共振回路部２４を構成する送電コイル２６の製造誤差によって送電インダクタンスＬ１などが変化してしまう場合でも、その送電共振周波数ｆ１に一致するよう交流電力の周波数ｆ０を調整することができる。また、例えば、送電コイル２６の交換によって送電インダクタンスＬ１を変化させて異なる規格の周波数帯での送電を行う場合であっても、電源部２２を交換せずにＤＤＳ回路部４０によってその規格値および規格調整範囲内への周波数調整を行うことができる。例えば、工業用周波数１３．５６ＭＨｚやその１／２である６．７８ＭＨｚなどその他仕様の基本周波数ｆｂへ適用させることも容易に可能である。

また、ＤＤＳ回路部４０によれば、例えば、最小周波数の数ｋＨｚから最大周波数の数１０ＭＨｚまでで１Ｈｚ単位での調整を行うこともできる。また、送電ＣＰＵ３２では、送電フィードバック信号を監視し、その電圧値が最大（共振点一致）となるようＤＤＳ回路部４０に対して１Ｈｚ単位でデジタル的に調整することができる。このため、交流電力の周波数ｆ０と送電共振周波数ｆ１とを合わせることが、高速および高精度に、且つ、容易に行うことができる。

また、送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂによれば、送電容量Ｃ１を調整することができ、交流電力の周波数ｆ０に送電共振周波数ｆ１を合わせることや、温度変動や製造誤差による送電共振周波数ｆ１のずれを修正（補正）することができる。また、容量の異なる送電固定コンデンサ２８ｂａ、２８ｂｂ、２８ｂｃと組み合わせる自由度があり、電力量、送電距離など多様な仕様へ対応することもできる。

ここで、送電装置２０の静的調整方法（キャリブレーション）の一例について説明する。この送電装置２０では、基本周波数ｆｂに合う送電共振周波数ｆ１となるよう送電共振回路部２４の送電コイル２６および送電コンデンサ２８が選択されている。まず、送電ＣＰＵ３２は、Ｄ／Ａ変換部の出力が中点である１２８デジットの１２Ｖとなるよう設定し、送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂ（逆耐電圧が例えば３０Ｖ）へ出力する。次いで、送電ＣＰＵ３２は、規定の基本周波数ｆｂを設定し、ＤＤＳ回路部４０へ出力する。このとき、送電ＣＰＵ３２は、ＤＤＳ回路部４０への出力値を送電ＣＰＵ３２内のメモリに記憶しておく。

次いで、送電ＣＰＵ３２は、周波数変動の刻みΔｆ（例えば、基本周波数ｆｂの０．５％）とし、基本周波数ｆｂに対して上下規定値（基本周波数ｆｂの−１０％〜＋１０％）まで可変させて、ＤＤＳ回路部４０へ出力し、送電フィードバック信号の電圧値の最大値を探索（監視）する。ここでは、送電コイル２６と送電コンデンサ２８の誤差が合わせて１０％無いものとして、周波数変動の刻みΔｆを基本周波数ｆｂの０．５％としている。このとき、送電ＣＰＵ３２は、送電フィードバック信号の電圧値が最大値となったときの出力値（周波数）を送電ＣＰＵ３２内のメモリに記憶しておく。

次いで、送電ＣＰＵ３２は、１デジット単位で可変させて、Ｄ／Ａ変換部から送電可変容量コンデンサ２８ｖａ、２８ｖｂへ出力し、送電フィードバック信号の電圧値の最大値を探索する。このとき、送電ＣＰＵ３２は、送電フィードバック信号の電圧値が最大値となったときの出力値（電圧値）を送電ＣＰＵ３２内のメモリに記憶しておく。このようにして、送電装置２０の共振点を合わせることができる。

次に、本発明の実施形態に係る受電装置７０について図面を参照して具体的に説明する。図４は、磁界共鳴型電力伝送システム１０を構成する受電装置７０の概略回路図である。

図４に示す受電装置７０は、図１に示した受電共振回路部７４および受電ループコイル８０の他に、更に受電ＣＰＵ８２（中央処理装置）と、受電検出回路部８８と、電源レギュレータ９０と、を備えている。受電装置７０では、例えば、受電ＣＰＵ８２などの部品が図示しない制御基板に実装される。この制御基板には、回路部を構成する配線が形成される。また、受電装置７０では、受電検出回路部８８によって受電共振回路部７４の共振電圧が検出される。

受電共振回路部７４は、ＬＣ共振回路部を構成するため、受電コイル７６と、種類の異なる複数の受電コンデンサ７８（７８ｂａ、７８ｂｂ、７８ｂｃ、７８ｖａ、７８ｖｂ）と、を備えている。種類の異なる受電コンデンサ７８としては、容量が固定された受電固定コンデンサ７８ｂａ、７８ｂｂ、７８ｂｃと、容量が可変となる受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂとがある。受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂは、印加電圧によって変化する可変容量を有するもので、例えば、バリキャップダイオード（バラクタダイオードともいう）である。この受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂは、ツイン方式を採用し、送電装置２０の送電共振周波数ｆ１に合うよう可変容量（送電容量Ｃ２に含まれる）によって受電共振周波数ｆ２を調整することができる（アナログ共振周波数制御）。

ここでのアナログ共振周波数制御は、送電共振周波数ｆ１と受電共振周波数ｆ２が合うように、受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂであるバリキャップダイオードのアノードに印加する電圧を、受電ＣＰＵ８２のＤ／Ａ変換部から出力する。アナログ共振周波数制御は、例えば、受電ＣＰＵ８２からの２５６（８ビット）の分解能で出力したものをオペアンプ部（図示せず）にて増幅した直流電圧（最大２４Ｖまでの可変直流電圧）で共振点合わせをする。すなわち、アナログ共振周波数制御は、受電共振回路部７４（受電コイル７６）で高電圧を受電して電界レベルを最大にするようにする。

また、受電装置７０は、複数の受電コンデンサ７８のいずれかを選択する複数の受電ジャンパピン９４（９４ａ、９４ｂ、９４ｃ）を備え、受電コイル７６の電圧値、調整可能範囲によって組合せを任意に選択できる回路方式（回路構造）を採用している。これによれば、複数の受電コンデンサ７８のうち受電固定コンデンサ７８ｂａ、７８ｂｂを基準として、他の受電コンデンサ７８との組合せによって、受電共振回路部７４の受電容量Ｃ２を調整することができる。また、受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂ（例えば、バリキャップダイオード）の耐圧が低い場合であっても、受電ジャンパピン９４の選択により分圧して受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂに印加される電圧を抑制することができる。このように、受電ジャンパピン９４の選択、すなわち、受電コンデンサ７８の選択により、種々の特徴を有する受電共振回路部７４とすることができる。

例えば、受電ジャンパピン９４の選択において、受電ジャンパピン９４ａを有効（接続）とし、その他の受電ジャンパピン９４ｂ、９４ｃを無効（非接続）とする。この場合、受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂと、受電固定コンデンサ７８ｂａ、７８ｂｂと、が選択されて受電共振回路部７４が構成される。この構成によれば、受電コイル７６に高電圧が印加され、受電容量Ｃ２の調整範囲が狭い場合に対応することができる。

また、受電ジャンパピン９４の選択において、受電ジャンパピン９４ｂを有効とし、その他の受電ジャンパピン９４ａ、９４ｃを無効とする。この場合、受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂと、受電固定コンデンサ７８ｂａ、７８ｂｂと、が選択されて受電共振回路部７４が構成される。この構成によれば、受電コイル７６に低電圧が印加され、受電容量Ｃ２の調整範囲が中程度の場合に対応することができる。

また、受電ジャンパピン９４の選択において、受電ジャンパピン９４ｃを有効とし、その他の受電ジャンパピン９４ａ、９４ｂを無効とする。この場合、受電可変容量コンデンサ７８ｖｂと、受電固定コンデンサ７８ｂａ、７８ｂｂ、７８ｂｃと、が選択されて受電共振回路部７４が構成される。この構成によれば、例えば、受電コイル７６に高電圧が印加され、受電容量Ｃ２の調整範囲が広い場合に対応することができる。

このような受電共振回路部７４によれば、送電コイル２６と受電コイル７６との間の距離（伝送領域）による送電電力量などの条件（特性）によって、受電コンデンサ７８の組合せを選択できる。すなわち、受電装置７０は、受電コイル７６の電圧値や、受電容量Ｃ２の調整可能な範囲によって受電コンデンサ７８の組合せを選択することができ、装置としての柔軟性が高いものである。

ここで、種々の受電コンデンサ７８（受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂおよび受電固定コンデンサ７８ｂａ、７８ｂｂ、７８ｂｃ）の組合せの一例について以下で具体的に説明する。

受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂに用いられるバリキャップダイオードは、定格範囲内で、印加電圧に対する容量の直線性があるものである。一般的なバリキャップダイオードは、逆耐電圧が通常のもので３０Ｖ程度、高いもので９０Ｖ程度である。これに対して、受電装置７０の受電コイル７６には、ピーク・ピーク値が１００Ｖ以上の高電圧が掛かる場合がある。この点、逆耐電圧が６００Ｖ程度のバリキャップダイオードもあるが、電圧可変に対する容量の直線性が低いか、直線性でも調整範囲が狭いものである。また、バリキャップダイオードの逆耐電圧が受電コイル７６に掛かる電圧より高いもの（定格範囲以内）であっても、２００℃以上の高温に達してしまい、バリキャップダイオードとその制御基板とを接合するハンダを溶融する場合や、バリキャップダイオードの素子破壊が発生する場合もある。

そこで、受電コイル７６（共振コイル）に掛かる電圧が高電圧の場合、受電ジャンパピン９４ａを有効とし、その他の受電ジャンパピン９４ｂ、９４ｃを無効とすることで、受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂの各バリキャップダイオードで分圧することができる。すなわち、バリキャップダイオードの定格範囲内まで印加電圧を下げることができる。

また、受電コイル７６（共振コイル）に掛かる電圧が高電圧の場合、受電ジャンパピン９４ｃを有効とし、その他の受電ジャンパピン９４ａ、９４ｂを無効とすることで、受電コイル７６側に接続するのは逆耐電圧の高い受電固定コンデンサ７８ｂｃを用いることができる。前述したバリキャップダイオードの分圧では、受電容量Ｃ２の調整範囲が狭くなるので微調整の場合はよいが、調整範囲をより広く確保するためには、受電可変容量コンデンサ７８ｖｂと受電固定コンデンサ７８ｂｃの組合せとすることが好適である。

ところで、受電装置７０は、受電共振回路部７４の共振電圧、すなわち受電コイル７６に印加される交流電圧を検出する受電検出回路部８８を備えている。この受電検出回路部８８は、整流回路部９６（ダイオードブリッジ回路部）と、オペアンプ部９８と、を備えている。整流回路部９６は、受電ループコイル８０の両端で検出された交流電圧を直流電圧に整流する。また、オペアンプ部９８は、その直流電圧を受電ＣＰＵ８２のＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部に入力可能な電圧値（例えば、３．３Ｖ〜５Ｖ）にまで減衰（変換）する。この直流電圧の減衰としては、抵抗分圧してもよい。

このように、受電装置７０では、受電ループコイル８０の共振交流電圧（波高値）を測定し、整流回路部９６で直流電圧に整流し、更にオペアンプ部９８で減衰して受電ＣＰＵ８２のＡ／Ｄ変換部に入力されるようフィードバック制御が行われる。このフィードバック制御は、送電装置２０からの入力値が最大になるよう受電共振周波数ｆ２を制御する。

このように、受電装置７０では、減衰された直流電圧（検出電圧）が受電ＣＰＵ８２のＡ／Ｄ変換部に入力されるようフィードバック制御が行われる。また、受電装置７０では、整流回路部９６から負荷部１００へ出力するにあたり、電源レギュレータ９０を介することで、電圧・電流（電力）を一定に保つよう制御が行われる。このとき、受電ＣＰＵ８２は、電源レギュレータ９０からの負荷部１００への出力値を受電ＣＰＵ８２内のメモリに記憶しておく。

そして、受電ＣＰＵ８２は、受電検出回路部８８で検出された検出電圧を受電フィードバック信号として処理する機能を備えている。また、本実施形態では、受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂを含んで受電共振回路部７４を構成している。このため、受電ＣＰＵ８２は、受電フィードバック信号の電圧値が最大となる受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂの印加電圧を、受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂへ出力する機能を備えている。

このような受電装置７０によれば、送電共振周波数ｆ１と受電共振周波数ｆ２とを自動調整して合わせることができ、目的および用途・環境により多様な磁界共鳴型電力伝送システム１０へ柔軟に対応することができる。例えば、送電装置２０に対して受電装置７０を配置すると、送電装置２０の送電コイル２６と受電装置７０の受電コイル７６との結合状態となるが、相互インダクタンスが変化する、つまり共振点に変化が発生してしまう。この状態でも、受電装置７０が電力を受電し、また、受電ＣＰＵ８２が動作しているが、共振点が最大に一致していない場合もある。そこで、受電装置７０では、受電コイル７６から整流後の電圧を受電フィードバック信号として、その値が最大となるように、受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂに印加する電圧を受電ＣＰＵ８２で制御している。

また、磁界共鳴型電力伝送システム１０が例えば受電共振回路部７４を構成する受電コイル７６の交換によって異なる規格の周波数帯での電力伝送を行う場合であっても、受電コイル７６を制御基板から交換せずに簡便にフィードバック制御を行うことができる。そして、受電装置７０は、送電装置２０から受電コイル７６（共振コイル）で受電した磁界を受電ループコイル８０に電磁誘導ＥＩで伝え、この磁界によって発生した電力を負荷部１００へ供給することができる。

図５は、受電装置７０の受電共振回路部７４（受電コイル７６）の電圧波形図であり、共振点一致前の電圧波形Ｒ１と共振点一致後の電圧波形Ｒ２とを比較して示している。図５に示す電圧波形図では、横軸、縦軸をそれぞれ任意定数の時間ｔ、電圧Ｖとしている。受電装置７０によれば、図５に示すように、電圧波形Ｒ１の波高値Ｖｒ１（ピーク・ピーク値）に対して、より高い電圧波形Ｒ２の波高値Ｖｒ２（ピーク・ピーク値）を得ることができる。すなわち、受電装置７０からは高効率で電力を受電することができ、磁界共鳴型電力伝送システム１０において伝送効率を高めることができる。

このように受電装置７０によれば、受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂによるアナログ的な調整によって、送電共振周波数ｆ１と受電共振周波数ｆ２との共振点を合わせやすくなる。したがって、受電装置７０によれば、送電装置２０と共振点を合わせやすく、受電力を最大限引き出すことができ、磁界共鳴型電力伝送システム１０において伝送効率を高めることができる。

また、受電可変容量コンデンサ７８ｖａ、７８ｖｂによれば、受電容量Ｃ２を調整することができ、送電共振周波数ｆ１に受電共振周波数ｆ２に合わせることや、温度変動や製造誤差による受電共振周波数ｆ２のずれを修正（補正）することができる。また、容量の異なる受電固定コンデンサ７８ｂａ、７８ｂｂ、７８ｂｃと組み合わせる自由度があり、電力量、送電距離など多様な仕様へ対応することもできる。

このように、対をなす送電装置２０および受電装置７０を備える磁界共鳴型電力伝送システム１０によれば、機差バラツキを吸収して共振点を合わせることができ、また、温度変動による共振点のズレを調整して合わせることができる。また、送電装置２０と受電装置７０との間（伝送領域）において空間的位置ズレ（水平・鉛直方向）に対しても調整して共振点を合わせることができる。したがって、磁界共鳴型電力伝送システム１０によれば、伝送効率を高めることができ、最大効率での電力伝送を行うことができる。

以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、次のとおり、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

前記実施形態では、送電装置において、電源部を構成するＤＤＳ回路部によるデジタル的な調整と、共振回路部の送電容量を構成する可変容量コンデンサによるアナログ的な調整のハイブリッドな共振点調整を行う構成について説明した。これに限らず、送電装置にＤＤＳ回路部によるデジタル的な共振点調整のみを行わせることもできる。この送電装置による調整方法は、まず、動作に必要な周波数を送電ＣＰＵからＤＤＳ回路部に送信することで、ＤＤＳ回路部から規定の交流電力（正弦波）を出力する。この交流電力の周波数は、規定の基本周波数（送電コイルによる送電インダクタンスと送電コンデンサによる送電容量の組合せ）により決定される。そして、出力トランスからの送電フィードバック信号の電圧値が最大になるように送電ＣＰＵで制御し、ＤＤＳ回路部にて周波数を可変させて共振点を調整する。

他方、送電装置に可変容量コンデンサによるアナログ的な共振点調整のみを行わせることもできる。この送電装置による調整方法は、まず、動作に必要な周波数を送電ＣＰＵからＤＤＳ回路部に送信することで、ＤＤＳ回路部から規定の交流電力（正弦波）を出力する。この交流電力の周波数は、規定の基本周波数により決定される。そして、出力トランスからの送電フィードバック信号の電圧値が最大になるように送電ＣＰＵで制御し、可変容量コンデンサに印加する電圧を可変させて共振点を調整する。

また、前記実施形態で説明した可変容量コンデンサが発熱し過ぎる場合においては、印加される電圧を分圧する他、可変容量コンデンサにヒートシンクまたはファンの少なくともいずれかを取り付けて、発熱へ対応させることもできる。

また、前記実施形態で説明した磁界共鳴型電力伝送システムによれば、例えば、ＵＳＢ用充電回路を負荷部に組み込めば、携帯端末やＵＳＢで動作するアクチュエータ等の機器を接続することができる。また、受電装置を水中等の液中や、電池交換が容易でない密閉空間での電力伝送を行うことができるため、センシングしたり、アクチュエータを駆動させたりすることができる。

また、前記実施形態で説明した送電装置および受電装置のそれぞれにワイヤレス通信モジュールを実装して情報のやり取りを行うことで、ワイヤレス電力伝送の利用を拡大することができる。

Claims (6)

1. 受電装置と対をなして磁界共鳴型電力伝送システムを構成する送電装置であって、
   交流電力を発生する電源部と、
   送電インダクタンスおよび送電容量から求まる送電共振周波数によって前記電源部からの前記交流電力を前記受電装置へワイヤレスで送電する送電共振回路部と、
   送電ＣＰＵと、
   前記電源部と前記送電共振回路部との間を結合する出力トランスと、
   前記出力トランスの前記送電共振回路部側で結合され、前記送電共振回路部の共振電圧を間接的に検出する検出コイルと、
   を備えており、
   前記電源部は、前記送電共振周波数に合うよう前記交流電力の周波数を調整するＤＤＳ回路部を備え、
   前記送電共振回路部は、印加電圧によって変化する可変容量を有し、前記交流電力の周波数に合うよう前記送電容量に含まれる前記可変容量によって前記送電共振周波数を調整する送電可変容量コンデンサを備え、
   前記送電ＣＰＵは、前記検出コイルで検出された検出電圧を送電フィードバック信号として処理する機能と、前記送電フィードバック信号の電圧値が最大となる前記交流電力の周波数を前記ＤＤＳ回路部へ出力する機能と、前記送電フィードバック信号の電圧値が最大となる前記送電可変容量コンデンサの印加電圧を前記送電可変容量コンデンサへ出力する機能と、を備えることを特徴とする送電装置。
2. 受電装置と対をなして磁界共鳴型電力伝送システムを構成する送電装置であって、
   交流電力を発生する電源部と、
   送電インダクタンスおよび送電容量から求まる送電共振周波数によって前記電源部からの前記交流電力を前記受電装置へワイヤレスで送電する送電共振回路部と、
   送電ＣＰＵと、
   前記電源部と前記送電共振回路部との間を結合する出力トランスと、
   前記出力トランスの前記送電共振回路部側で結合され、前記送電共振回路部の共振電圧を間接的に検出する検出コイルと、
   を備えており、
   前記電源部は、前記送電共振周波数に合うよう前記交流電力の周波数を調整するＤＤＳ回路部を備え、
   前記送電ＣＰＵは、前記検出コイルで検出された検出電圧を送電フィードバック信号として処理する機能と、前記送電フィードバック信号の電圧値が最大となる前記交流電力の周波数を前記ＤＤＳ回路部へ出力する機能と、を備えることを特徴とする送電装置。
3. 請求項１または２記載の送電装置において、
   前記電源部は、前記ＤＤＳ回路部の出力を増幅させる電力増幅回路部を更に備えることを特徴とする送電装置。
4. 受電装置と対をなして磁界共鳴型電力伝送システムを構成する送電装置であって、
   交流電力を発生する電源部と、
   送電インダクタンスおよび送電容量から求まる送電共振周波数によって前記電源部からの前記交流電力を前記受電装置へワイヤレスで送電する送電共振回路部と、
   送電ＣＰＵと、
   前記電源部と前記送電共振回路部との間を結合する出力トランスと、
   前記出力トランスの前記送電共振回路部側で結合され、前記送電共振回路部の共振電圧を間接的に検出する検出コイルと、
   を備えており、
   前記送電共振回路部は、印加電圧によって変化する可変容量を有し、前記交流電力の周波数に合うよう前記送電容量に含まれる前記可変容量によって前記送電共振周波数を調整する送電可変容量コンデンサを備え、
   前記送電ＣＰＵは、前記検出コイルで検出された検出電圧を送電フィードバック信号として処理する機能と、前記送電フィードバック信号の電圧値が最大となる前記送電可変容量コンデンサの印加電圧を前記送電可変容量コンデンサへ出力する機能と、を備えることを特徴とする送電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の送電装置において、
   種類の異なる複数の送電コンデンサのいずれかを選択する複数の送電ジャンパピンを更に備えており、
   前記送電容量に含まれる選択された前記送電コンデンサの静電容量によって、前記送電共振周波数が調整される構成であることを特徴とする送電装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の送電装置と、
   前記送電装置と対をなす前記受電装置と、
   を備えることを特徴とする磁界共鳴型電力伝送システム。

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