JP6414642B2 - 送電装置およびワイヤレス給電システム - Google Patents

送電装置およびワイヤレス給電システム Download PDF

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Description

本発明は、送電コイルを備える送電装置と受電コイルを備える受電装置とで構成され、送電装置から受電装置へワイヤレスで電力を伝送するワイヤレス給電装置に関するものである。
近年、ワイヤレス給電の実用化を目指して、システム全体の電力損失を低減する研究開発が活発化している。特に、電磁界共鳴フィールドを形成し、電磁界共鳴結合によりワイヤレス給電を行うシステムでは、電力給電の過程を簡素化して電力損失を低減できる（特許文献１参照）。
特許第５３２１７５８号公報
従来のワイヤレス給電装置の構成例を図３０に示す。このワイヤレス給電装置は、送電装置Txpと受電装置Rxpとで構成される。送電装置Txpは、送電コイルＬ１２と、送電コイルＬ１２とともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタＣｒと、送電共振機構１２に電気的に接続されて、直流入力電圧を送電共振機構１２に断続的に与え、送電コイルＬ１２に交流電圧を発生させる送電回路１１と、を備える。受電装置Rxpは、受電コイルＬ２１と、受電コイルＬ２１とともに受電共振機構２１を構成する受電共振キャパシタＣｒｓと、受電共振機構２１に電気的に接続されて、負荷に電力を供給する受電回路２２と、を備える。
このようなワイヤレス給電装置において、従来の送電回路１１は、図３０に示すように、２つの電力半導体素子Ｑ１，Ｑ２による電力ブロック１０３と、電力半導体素子Ｑ１，Ｑ２を駆動する駆動ブロック１０２と、駆動ブロック１０２へ制御信号を与える制御ブロック１０１とを備える。制御ブロック１０１は所定周波数の信号を発生する発振回路１と駆動ブロック１０２へ制御信号を与える制御回路２とを備える。
本願の発明者は、このような従来のワイヤレス給電装置に対して、次のような課題を見出した。
（１）送電回路１１の回路構成は大掛かりであり、送電装置の小型化が困難であった。
（２）一般に、制御ブロック１０１、駆動ブロック１０２、電力ブロック１０３は、電源電圧が異なるために、複数の電源電圧をつくり、備えなければならない。そのため、送電装置が大型化する。
（３）電力ブロック１０３のレイアウトに応じた配線が必要であり、その配線などにより、電磁雑音の放射が大きい。
（４）電力ブロック１０３のレイアウトに応じて電磁雑音特性は変化する。したがって、送電回路１１の設計ごとに電磁雑音の対策を施す必要があり、設計が複雑である。
（５）電力ブロック１０３は個別の電力半導体素子Ｑ１，Ｑ２を用いて構成されるので、実装スペースが大きく、送電回路１１の小型化が困難である。
（６）個別の電力半導体素子Ｑ１，Ｑ２は、一般に、放熱板がパッケージの中に個別に封入されているため、実装スペースが大きく、送電回路１１の小型化が困難である。また、電力半導体素子Ｑ１，Ｑ２を独立して配置した際に、電力半導体素子Ｑ１とＱ２との間の熱抵抗は大きい。そのため、電力半導体素子Ｑ１，Ｑ２の発熱を平準化して放熱しようとすると、そのための構造が複雑になり、送電回路１１の小型化が困難となる。
そこで、本発明の目的は、小型化が容易で電磁雑音特性に優れた送電装置、および、それを備えるワイヤレス給電システムを提供することにある。
（１）本発明の送電装置は、
送電コイルと、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電共振機構に電気的に接続されて、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電回路と、を備える送電装置と、
受電コイルと、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電共振機構に電気的に接続されて、負荷に電力を供給する受電回路と、を備える受電装置と、を備え、
前記送電装置から前記受電装置へ電力を供給するワイヤレス給電システムにおける送電装置であって、
前記送電回路は、それぞれ電子回路によって構成される、制御回路部と電力回路部とを備え、
前記電力回路部は、複数の端子を有するパッケージに封入された集積回路で構成され、
前記集積回路は、前記送電共振機構に電気的に直接接続され、
前記制御回路部は、前記電力回路部へ駆動信号を出力し、
前記電力回路部は、入力された前記駆動信号によって、前記集積回路の内部に備えたトランジスタを駆動させて、前記直流入力電圧を前記送電共振機構へ断続的に与えることを特徴とする。
上記構成により、
（ａ）送電回路の電力回路部が集積回路で構成されることにより、送電装置の小型軽量化が図れる。このことにより、簡便なワイヤレス給電システムを実現できる。
（ｂ）電力回路部を集積化することによって実装密度を高めることができ、高周波の高速動作においても電磁雑音の発生を抑制できる。
（ｃ）電力回路部の電子回路を小型パッケージに封入することにより、放熱構造が簡素化される。
（ｄ）複数の電力半導体素子を小型パッケージに封入することにより、電力半導体素子の放熱板をパッケージの中に個別に封入することが不要となり、放熱構造が簡素化され、送電回路の小型化が可能となる。
といった作用効果を奏する。
（２）上記（１）において、前記制御回路部および前記電力回路部の少なくとも一部は、複数の端子を有する単一の小型パッケージに封入された、複数のロジックゲート回路を備えたCMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）標準ロジックＩＣまたはTTL（TransistorTransistor Logic）標準ロジックＩＣによって構成されることが好ましい。これにより、市場流通量が多い標準ロジックICを用いて送電装置を構成することで、圧倒的に安価な送電装置を構成することができる。また、これまでにないほど圧倒的に小型でシンプルなワイヤレス給電を実現できる。
（３）上記（２）において、前記CMOS標準ロジックＩＣまたは前記TTL標準ロジックＩＣは、４個の２入力NANDゲートであることが好ましい。これにより、単一の標準ロジックICを用いて送電装置を構成することが可能となる。また、圧倒的に安価でシンプルな送電装置を構成できる。
（４）上記（３）において、前記制御回路部は、前記４個のNANDゲートのうち１つのNANDゲートと発振子とで構成される発振回路を含み、前記電力回路部は前記４個のNANDゲートのうち残余のNANDゲートを含むことが好ましい。これにより、標準ロジックICを用いて制御回路部と電力回路部の両方を構成することができ、標準ロジックIC内の回路を有効に利用できる。
（５）上記（４）において、前記制御回路部は、前記残余のNANDゲートのうち１つの（並列接続されない）NANDゲートが前記発振回路の出力部に接続されることが好ましい。これにより、上記１つのNANDゲート（駆動回路部）で波形が整形され、電力回路部のスイッチング動作のタイミングが揃うことにより、より大きな電力を扱うことができる。また、電力回路部のスイッチング動作のタイミングがずれることにより発生する電力損失の集中を抑制できる。
（６）上記（４）または（５）において、前記残余のNANDゲートのうち、複数のNANDゲートは並列接続されていることが好ましい。これにより、電力回路部の電流容量が大きくなって、より大きな電力を扱うことができる。
（７）上記（２）において、前記CMOS標準ロジックＩＣまたは前記TTL標準ロジックＩＣは、６個のNOTゲートであることが好ましい。これにより、単一の標準ロジックICを用いて送電装置を構成することが可能となる。また、圧倒的に安価でシンプルな送電装置を構成できる。
（８）上記（７）において、前記制御回路部は、前記６個のNOTゲートのうち１つのNOTゲートと発振子とで構成される発振回路を含み、前記電力回路部は前記６個のNOTゲートのうち残余のNOTゲートを含むことが好ましい。これにより、標準ロジックICを用いて制御回路部と電力回路部の両方を構成することができ、標準ロジックIC内の回路を有効に利用できる。
（９）上記（８）において、前記制御回路部は、前記残余のNOTゲートのうち１つの（並列接続されない）NOTゲートが前記発振回路の出力部に接続されることが好ましい。これにより、上記１つのNANDゲート（駆動回路部）で波形が整形され、電力回路部のスイッチング動作のタイミングが揃うことにより、より大きな電力を扱うことができる。また、電力回路部のスイッチング動作のタイミングがずれることにより発生する電力損失の集中を抑制できる。
（１０）上記（８）または（９）において、前記残余のNOTゲートのうち、複数のNOTゲートは並列接続されていることが好ましい。これにより、電力回路部の電流容量が大きくなって、より大きな電力を扱うことができる。
（１１）上記（１）において、前記電力回路部は、パッケージに封入されたFET駆動ドライバＩＣによって構成されることが好ましい。このように、FET駆動ドライバＩＣを電力回路部として用いることで、簡素な回路で送電装置を構成できる。また、標準ロジックＩＣを用いる場合に比較して、より大きな電力を給電することができる。
（１２）上記（２）から（１１）のいずれかにおいて、前記電力回路部の出力部（出力段）は、電源とグランドとの間にブリッジ接続された２つのトランジスタで構成されることが好ましい。これにより、送電共振機構に対するソース電流およびシンク電流の対称性が高まり、高効率で共振電流が流れる。
（１３）上記（１）から（１２）のいずれかにおいて、振子は、圧電振動子（水晶振動子を含む）がパッケージに封入された素子であることが好ましい。これにより、制御回路部の小型軽量化が図れる。
（１４）上記（４）から（６）のいずれか、または（８）から（１０）のいずれかにおいて、前記発振回路の発振周波数は、ISMバンドの周波数である、6.78MHz、13.56MHzまたは27.12MHzのいずれかであることが好ましい。これにより、無線通信との電波障害を避けることができ、また、電磁両立性を高めることが可能となる。さらに、スイッチング周波数が高いほどスイッチング損失などの電力損失は増加する傾向にあるため、ISMバンドのなかで、低めの周波数である6.78MHz、または13.56MHzや27.12MHzを利用することは、ワイヤレス給電装置における電力損失低減と電磁両立性の２つの両立が可能となる。
（１５）上記（１）から（１４）のいずれかにおいて、前記電力回路部の最終段に、スイッチング周波数の電流を通過させ、高調波の電流を抑制するフィルタ回路を備えることが好ましい。これにより、高調波成分が抑制されて高周波の高速動作においても電磁雑音の発生を抑制できる。
（１６）（１）から（１５）のいずれかにおいて、前記電力回路部におけるスイッチング動作において、相補的に動作するトランジスタが共に非導通となるデッドタイムを備え、電圧に対する遅れ電流を生成することが好ましい。これにより、デッドタイムにおいて電流を転流させ、ゼロ電圧スイッチング動作を実現することによりトランジスタでの電力損失を低減できる。
（１７）上記（１）から（１６）のいずれかにおいて、前記電力回路部および前記制御回路部は、同じ電圧値を有する電源電圧で動作することが好ましい。これにより、送電回路を動作させる電源電圧を単一電圧源とすることにより、複数の電圧源を備える必要がなく、小型軽量な送電装置を実現できる。
（１８）本発明のワイヤレス給電システムは、
上記（１）から（１７）のいずれかに記載の送電装置および受電装置を備え、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、磁界結合や電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
互いに離れて位置する前記送電装置から前記受電装置へ電力を供給することを特徴とする。
上記構成により、小型化された送電装置を備えた、簡便なワイヤレス給電システムを実現できる。また、電磁雑音特性に優れた送電装置を備えたワイヤレス給電システムを実現できる。
（１９）上記（１８）において、中継コイルと中継共振キャパシタとを含んで構成される中継共振機構を有する中継装置を備え、
前記送電共振機構と前記受電共振機構と前記中継共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルと前記中継コイルとの間で、磁界結合および電界結合によって電磁界共鳴結合が構成されることが好ましい。
上記構成によれば、中継装置によって電磁界共鳴フィールドが拡大され、ワイヤレス給電を実現したい空間領域を拡大できる。
（２０）上記（１９）において、前記中継コイルの数は複数であってもよい。これにより、電磁界共鳴フィールドを任意に拡大することができ、ワイヤレス給電を実現したい空間領域を任意に設計することが可能となる。
（２１）上記（１９）、（２０）において、前記送電共振機構、前記受電共振機構および前記中継共振機構それぞれが有する単独の独立共振周波数のうち少なくとも２つは同じであることが好ましい。このようにして、独立共振周波数を一致させることにより、共振特性が単峰性となる状況において、距離の変化などによる結合係数の変化に対して、共鳴周波数の変化を抑制でき、安定したワイヤレス給電を実施できる。
本発明によれば、小型化が容易で電磁雑音特性に優れた送電装置、および、それを備えるワイヤレス給電システムが得られる。
図１は第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム３０１のブロック図である。 図２は、本実施形態のワイヤレス給電システム３０１の回路図である。 図３は図２に示した送電回路の構成を分解図示するものである。 図４（Ａ）はNANDゲートの回路記号である。図４（Ｂ）はTTLによる回路図であり、図４（Ｃ）はCMOSによる回路図である。 図５は、電力回路部１１２の各部の状態、電圧波形および送電コイルに流れる電流の波形図である。 図６Ａは第２の実施形態に係る送電装置の回路図である。 図６Ｂは図６Ａに示した回路の、ＩＣ等の部品の接続関係を示す図である。 図７は第２の実施形態に係る送電回路が構成された回路基板の平面図である。 図８Ａは第３の実施形態に係る送電装置の回路図である。 図８Ｂは図８Ａに示した回路の、ＩＣ等の部品の接続関係を示す図である。 図９は第３の実施形態に係る送電回路が構成された回路基板の平面図である。 図１０は第４の実施形態に係るワイヤレス給電システム３０４の回路図である。 図１１は図１０に示した送電回路の構成を分解図示するものである。 図１２（Ａ）はNOTゲートの回路記号である。図１２（Ｂ）はTTLによる回路図であり、図１２（Ｃ）はCMOSによる回路図である。 図１３は第５の実施形態に係るワイヤレス給電システムの回路図である。 図１４は第５の実施形態に係る別のワイヤレス給電システムの回路図である。 図１５は第５の実施形態に係るさらに別のワイヤレス給電システムの回路図である。 図１６は第６の実施形態に係る送電装置の回路図である。 図１７はFETドライバＩＣ（ＩＣｄ）の、内部回路と端子との接続関係を示す図である。 図１８はFETドライバＩＣ（ＩＣｄ）の回路の構成を示す回路図である。 図１９は第６の実施形態に係る送電回路が構成された回路基板の平面図である。 図２０は第７の実施形態に係る送電装置の回路図である。 図２１は図２０内のFETドライバＩＣ（ＩＣｅ）の回路の構成を示す回路図である。 図２２は第８の実施形態に係るワイヤレス給電システムの部分回路図である。 図２３は、図２２中の各部の電圧電流波形図である。 図２４は、第９の実施形態に係るワイヤレス給電システムの、送電コイルＬ１２、受電コイルＬ２１および中継コイルＬ３１について、それらの形状と位置関係を示す斜視図である。 図２５は、送電コイルＬ１２、受電コイルＬ２１および中継コイルＬ３１の磁界強度の例を表すコンター図である。 図２６は複数の受電装置を備えるワイヤレス給電システムの斜視図（写真）である。 図２７は、第１０の実施形態に係るワイヤレス給電システムの、送電コイルＬ１２、受電コイルＬ２１および中継コイルＬ３１，Ｌ３２について、それらの形状と位置関係を示す斜視図である。 図２８は、送電コイルＬ１２、受電コイルＬ２１および中継コイルＬ３１，Ｌ３２の磁界強度の例を表すコンター図である。 図２９は１つの送電コイルと１５個の中継コイルを備えるワイヤレス給電システムの磁界強度のコンター図である。 図３０は従来のワイヤレス給電装置の構成例を示す図である。
以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能である。第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム３０１のブロック図である。このワイヤレス給電システムは送電装置Txpと受電装置Rxpとで構成される。送電装置Txpは、送電コイルＬ１２と、送電コイルＬ１２とともに送電共振機構１２を構成する送電共振キャパシタＣｒと、送電共振機構１２に電気的に接続されて、直流入力電圧を送電共振機構１２に断続的に与え、送電コイルＬ１２に交流電圧を発生させる送電回路１１と、を備える。受電装置Rxpは、受電コイルＬ２１と、受電コイルＬ２１とともに受電共振機構２１を構成する受電共振キャパシタＣｒｓと、受電共振機構２１に電気的に接続されて、負荷に電力を供給する受電回路２２と、を備える。
送電共振機構１２と受電共振機構２１のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成される。この電磁界共鳴フィールドを、図１では共鳴部２０として表している。
送電装置Txpには入力電源１０が接続され、受電装置Rxpには負荷３０が接続されて、送電装置Txpから受電装置Rxpへ電力が供給される。
送電回路１１は入力電源電圧を交番電圧に変換する制御回路部１１１と、その交番電圧を電力変換する電力回路部１１２を備える。受電回路２２には整流平滑回路２２１を備える。
図２は、本実施形態のワイヤレス給電システム３０１の回路図である。図３は図２に示した送電回路の構成を分解図示するものである。
電力回路部１１２は、複数の端子を有する小型パッケージに封入された集積回路の一部で構成され、この集積回路は、送電コイルＬ１２と送電共振キャパシタＣｒとによる送電共振機構に電気的に直接接続される。制御回路部１１１は、発振子（水晶振動子）Ｘ１を含んで所定周波数で発振して電力回路部１１２へ駆動信号を出力する。
電力回路部１１２は、駆動信号を入力して、集積回路の内部に備えたトランジスタによって、直流電圧を上記送電共振機構へ断続的に与える。
制御回路部１１１および電力回路部１１２は、複数の端子を有する単一の小型パッケージに封入された、複数のゲート回路を備えたCMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）標準ロジックＩＣまたはTTL（TransistorTransistor Logic）標準ロジックＩＣによって構成される。本実施形態では、１つのパッケージに４個の２入力NANDゲートを含む標準ロジックＩＣである。
制御回路部１１１は、４個のNANDゲートのうち１つのNANDゲート（NAND1）と発振器ＸＯとを含む発振回路と、１つのNANDゲート（NAND2）で構成される駆動回路とを備える。このNANDゲート（NAND2）は発振回路の出力信号を入力し、電力回路部１１２へ駆動信号を出力する。
電力回路部１１２は４個のNANDゲートのうち残余のNANDゲート（NAND3，NAND4）で構成される。２つのNANDゲート（NAND3，NAND4）は並列接続されている。すなわち、NANDゲート（NAND3，NAND4）の入力、出力、電源、グランドの各端子がそれぞれ並列接続されている。
図４（Ａ）は上記NANDゲートの回路記号である。図４（Ｂ）はTTLによる回路図であり、図４（Ｃ）はCMOSによる回路図である。本実施形態において、NANDゲートは、トランジスタＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４による、入力Aと入力Bの否定論理積Cを出力するロジックゲート回路である。
図４（Ｂ）に示すバイポーラトランジスタで構成されるTTLでは、常に回路に電流が流れるのに対し、CMOSでは論理が反転する際にMOSFETのゲートを飽和させる（または飽和状態のゲートから電荷を引き抜く）ための電流が流れるだけであるため、消費電力の少ない論理回路を実現できる。CMOSは、pチャネルMOS-FETＱ１３，Ｑ１４とnチャネルMOS-FETＱ１１，Ｑ１２とを相補形に接続した構造である。この回路において、電源電圧Vddはグランド電位に対して3V〜15V程度の電圧である。
図２、図３において、発振器ＸＯは発振子（水晶振動子）X1とキャパシタCL1，CL2とを含む１つの部品である。NANDゲートNAND1と帰還抵抗Ｒ２とによって反転増幅回路が構成され、この反転増幅回路、発振子X1、キャパシタCL1，CL2，C11，C12および抵抗Ｒ１２によってコルピッツ型の発振回路が構成される。この発振回路の発振周波数は、発振子X1の共振周波数と反共振周波数との間での誘導性リアクタンスとキャパシタCL1，CL2，C11，C12のキャパシタンスとで定まる。実質的に発振子X1の共振周波数と発振周波数とはほぼ等しい。
本実施形態の発振回路の発振周波数は、ISMバンドの周波数である、6.78MHz、13.56MHzまたは27.12MHzのいずれかである。ISMバンドとは、ISM (ISM:Industry-Science-Medical)バンド、産業科学医療用バンドのことであり、国際電気通信連合(ITU)により、電波をもっぱら無線通信以外の産業・科学・医療に高周波エネルギー源として利用するために割り当てられた周波数帯である。ISM周波数帯で運用する無線通信業務は、これら（産業科学医療）の使用によって生じ得る有害な混信を容認しなければならないことになっているために、無線通信以外に電波を利用することがISMバンド本来の利用である。
電力を供給するワイヤレス給電システムにおいては、動作周波数であるスイッチング周波数にISMバンドを用いることで、無線通信との電波障害を避けることができ、また、電磁両立性を高めることが可能となる。さらに、スイッチング周波数が高いほどスイッチング損失などの電力損失は増加する傾向にあるため、ISMバンドのなかで、低めの周波数である6.78MHz、または13.56MHzや27.12MHzを利用することは、ワイヤレス給電装置における電力損失低減と電磁両立性の２つの両立が可能となる。
図３において、電圧v1の波形は、振幅をVccとする正弦波状の波形である。電圧v2の波形は、同じ周波数、同じ振幅の方形波（または台形波）である。NANDゲートNAND2は、電圧v2の波形を整形して、振幅Vccの方形波（または台形波）を出力する。NANDゲートNAND3，NAND4は、方形波（または台形波）電圧v3を入力することで電圧v4を出力する。これにより、電圧v4が送電共振機構に断続的に与えられる。
送電コイルＬ１２と送電共振キャパシタＣｒとによる送電共振機構１２（図１参照）の共振周波数、および受電コイルＬ２１と受電共振キャパシタＣｒｓとによる受電共振機構２１の共振周波数は上記発振周波数と実質的に等しい。このように、直流入力電圧が断続的に送電共振機構に与えられることにより、送電コイルＬ１２と受電コイルＬ２１の間で電磁界共鳴が生じる。
ここで、電力回路部１１２の動作について示す。図５は、電力回路部１１２の各部の状態、電圧波形および送電コイルに流れる電流の波形図である。電力回路部１１２の入力電圧Ｖ３がローレベルであるとき、図４（Ｂ）（Ｃ）に示したトランジスタＱ１１，Ｑ１２はオフ、Ｑ１３，Ｑ１４はオンとなる。電力回路部１１２の入力電圧Ｖ３がハイレベルであるとき、トランジスタＱ１１，Ｑ１２はオン、Ｑ１３，Ｑ１４はオフとなる。
各状態でのエネルギー変換動作は次のとおりである。
（１） 状態１
電力回路部１１２のNANDゲートNAND3，NAND4それぞれのトランジスタＱ１１，Ｑ１２がオフ、Ｑ１３，Ｑ１４がオンのとき、送電コイルＬ１２には共振電流irが流れ、送電共振キャパシタCrは充電される。
受電側では、ダイオードD3またはD4は導通し、受電コイルＬ２１に共振電流irsが流れる。ダイオードＤ３が導通する際は、受電共振キャパシタCrsは放電し、受電コイルＬ２１に誘起された電圧と受電共振キャパシタCrsの両端電圧が加算されて負荷Roに電力が供給される。ダイオードD4が導通する際は、受電共振キャパシタCrsは充電される。負荷RoにはキャパシタCoの電圧が印加されて電力が供給される。
（２） 状態２
トランジスタＱ１１，Ｑ１２がオン、Ｑ１３，Ｑ１４がオフのとき、送電コイルＬ１２には共振電流irが流れ、送電共振キャパシタCrは放電される。
受電側では、ダイオードD3またはD4は導通し、受電コイルＬ２１に共振電流irsが流れる。ダイオードD3が導通する際は、受電共振キャパシタCrsは放電し、受電コイルＬ２１に誘起された電圧と受電共振キャパシタCrsの両端電圧が加算されて負荷Roに電力が供給される。ダイオードD4が導通する際は，受電共振キャパシタCrsは充電される。負荷RoにはキャパシタCoの電圧が印加されて電力が供給される。
以降，状態１，２を周期的に繰り返す。周期的な定常動作では，電流ir，irsの波形は共鳴現象によりほぼ正弦波となる。
本実施形態によれば、次のような効果を奏する。
（ａ）送電回路１１の主要部が集積回路で構成されることにより、送電装置の小型、軽量化、ワイヤレス給電システムの小型軽量化を図ることができる。
（ｂ）簡素な送電装置の構成により、簡便なワイヤレス給電システムを実現できる。
（ｃ）電力回路部１１２を集積化することによって実装密度を高めることができ、高周波の高速動作においても電磁雑音の発生を抑制することができる。
（ｄ）電力回路部１１２の電子回路を小型パッケージに封入することにより、放熱構造が簡素化できる。
《第２の実施形態》
第２の実施形態では、１つの微小な回路基板に構成した送電回路について示す。
図６Ａは第２の実施形態に係る送電装置の回路図であり、図６Ｂは図６Ａに示した回路の、ＩＣ等の部品の接続関係を示す図である。図７はその送電回路が構成された回路基板の平面図である。コネクタＣＮ１には、例えば電圧５Ｖの入力電源が接続される。コネクタＣＮ２には送電コイルＬ１２が接続される。電源ラインとグランドとの間には、入力電源からの電圧供給を示すＬＥＤおよび抵抗Ｒ１による回路が接続されている。また、電源ラインとグランドとの間に平滑用キャパシタＣ１１および高周波フィルタ用キャパシタＣ１２が接続されている。さらに、電源ラインとグランドとの間に標準ロジックＩＣ（ＩＣ４）が接続されている。このＩＣ４は４個のNANDゲート（NAND1，NAND2，NAND3，NAND4）を備える。１つのNANDゲートNAND1の入出力間に抵抗Ｒ２，Ｒ３および発振器ＸＯが接続されている。図６ＢにおいてＩＣ４の周囲に付した番号は、４個のNANDゲートを内蔵する標準ロジックＩＣの端子番号である。NANDゲートNAND3，NAND4の出力とコネクタＣＮ２との間にキャパシタＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３の並列回路が直列接続されている。このキャパシタＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３の並列回路は送電共振キャパシタとして作用する。
図７において、基板上の各部品の符号は、図６Ｂに示した各部品の符号に対応する。この図７に表れているように、本実施形態によれば、必要な部品点数が少なく、１つの微小な回路基板に送電回路が構成できる。
《第３の実施形態》
第３の実施形態では、第２の実施形態とは電力回路部の構成が異なる例について示す。
図８Ａは第３の実施形態に係る送電装置の回路図であり、図８Ｂは図８Ａに示した回路の、ＩＣ等の部品の接続関係を示す図である。図９は第３の実施形態に係る送電回路が構成された回路基板の平面図である。コネクタＣＮ１には、例えば電圧５Ｖの入力電源が接続される。コネクタＣＮ２には送電コイルＬ１２が接続される。
発振回路ＯＳＣは、発振器ＸＯおよびバッファアンプAMPを含む１つの部品である。電源ラインと発振回路ＯＳＣの電源端子との間には、ＬＥＤおよび抵抗Ｒ１による回路が接続されている。発振回路ＯＳＣの電源端子とグランド間には平滑用キャパシタＣ２が接続されている。
電源ラインとグランドとの間には平滑用キャパシタＣ１１および高周波フィルタ用キャパシタＣ１２が接続されている。また、電源ラインとグランドとの間に標準ロジックＩＣ（ＩＣ４）が接続されている。このＩＣ４は４個のNANDゲート（NAND1，NAND2，NAND3，NAND4）を備え、それぞれ並列接続されている。発振回路ＯＳＣの出力は抵抗Ｒ３を介して４個のNANDゲートの並列回路に入力される。図８ＢにおいてＩＣ４の周囲に付した番号は、４個のNANDゲートを内蔵する標準ロジックＩＣの端子番号である。４個のNANDゲートの並列回路の出力とコネクタＣＮ２との間にキャパシタＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３の並列回路が直列接続されている。このキャパシタＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３の並列回路は送電共振キャパシタとして作用する。
発振回路ＯＳＣが発振状態であると、発振回路ＯＳＣの消費電流によって、ＬＥＤは点灯する。このことにより、発振状態の有無をＬＥＤの状態で確認できる。
図９において、基板上の各部品の符号は、図８Ｂに示した各部品の符号に対応する。この図９に表れているように、本実施形態によれば、必要な部品点数が少なく、１つの微小な回路基板に送電回路が構成できる。
本実施形態によれば、４個の２入力NANDゲートの並列接続回路によって電力回路部が構成されることで、出力電流（シンク電流およびソース電流）が大きくなって、給電電力が大きくなる。
《第４の実施形態》
第４の実施形態では、６個のNOTゲートを内蔵する標準ロジックＩＣを用いた送電回路等について示す。
図１０は第４の実施形態に係るワイヤレス給電システム３０４の回路図である。図１１は図１０に示した送電回路の構成を分解図示するものである。
電力回路部１１２は、複数の端子を有する小型パッケージに封入された集積回路の一部で構成され、この集積回路は、送電コイルＬ１２と送電共振キャパシタＣｒとによる送電共振機構に電気的に直接接続される。制御回路部１１１は、発振子（水晶振動子）Ｘ１を含んで所定周波数で発振して電力回路部１１２へ駆動信号を出力する。
制御回路部１１１および電力回路部１１２は、複数の端子を有する単一の小型パッケージに封入された、複数のゲート回路を備えたCMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）標準ロジックＩＣまたはTTL（TransistorTransistor Logic）標準ロジックＩＣによって構成される。本実施形態では、１つのパッケージに６個のNOTゲートを含む標準ロジックＩＣである。
制御回路部１１１は、６個のNOTゲートのうち１つのNOTゲート（NOT1）と発振器ＸＯとを含む発振回路と、１つのNOTゲート（NOT2）で構成される駆動回路とを備える。このNOTゲート（NOT2）は発振回路の出力信号を入力し、電力回路部１１２へ駆動信号を出力する。
電力回路部１１２は６個のNOTゲートのうち残余のNOTゲート（NOT3，NOT4，NOT5，NOT6）で構成される。４つのNOTゲート（NOT3，NOT4，NOT5，NOT6）は並列接続されている。すなわち、NOTゲート（NOT3，NOT4，NOT5，NOT6）の入力、出力、電源、グランドの各端子がそれぞれ並列接続されている。
図１２（Ａ）は上記NOTゲートの回路記号である。図１２（Ｂ）はTTLによる回路図であり、図１２（Ｃ）はCMOSによる回路図である。本実施形態において、NOTゲートは、トランジスタＱ１５，Ｑ１６による、入力Aの否定Bを出力するロジックゲート回路である。CMOSを使った最も基本的な回路が図１２（Ｃ）に示すNOTゲートである。
図１０、図１１において、発振器ＸＯは発振子（水晶振動子）X1とキャパシタCL1，CL2とを含む１つの部品である。NOTゲートNOT1と帰還抵抗Ｒ２とによって反転増幅回路が構成され、この反転増幅回路、発振子X1、およびキャパシタCL1，CL2，C11によってコルピッツ型の発振回路が構成される。この発振回路の発振周波数は、発振子X1の共振周波数と反共振周波数との間での誘導性リアクタンスとキャパシタCL1，CL2，C11のキャパシタンスとで定まる。実質的に発振子X1の共振周波数と発振周波数とはほぼ等しい。
図１１の各電圧ｖ１，ｖ２，ｖ３の波形は第１の実施形態で図３に示した送電回路の場合と同じである。
本実施形態によれば、電力回路部の出力部（出力段）は、電源とグランドとの間にブリッジ接続された２つのトランジスタで構成されるので、送電共振機構に対するソース電流およびシンク電流の対称性が高まり、高効率で共振電流が流れる。すなわち電力伝送効率が高まる。
《第５の実施形態》
第５の実施形態では、フィルタを備える送電回路の例を示す。図１３、図１４、図１５は第５の実施形態に係るワイヤレス給電システムの回路図である。いずれのワイヤレス給電システムも、電力回路部の最終段に、スイッチング周波数の電流を通過させ、高調波の電流を抑制するフィルタ回路を備える。すなわち、送電共振キャパシタＣｒおよび送電コイルＬ１２による共振機構と送電装置の電力回路部１１２との間にフィルタが設けられている。その他の構成は第４の実施形態で図１０に示したワイヤレス給電システムの構成と同じである。
図１３に示す例では、Ｃ−Ｌ−Ｃのπ型のローパスフィルタＦ１が設けられている。図１４に示す例では、Ｌ−ＣのＬ型のローパスフィルタＦ２が設けられている。図１５に示す例では、並列接続のキャパシタと直列接続のインダクタによるライン型のローパスフィルタＦ３が設けられている。
上記ローパスフィルタＦ１，Ｆ２，Ｆ３の遮断周波数は発振回路の発振周波数とその高調波周波数との間に設定されている。このことにより、高調波成分が抑制されて高周波の高速動作においても電磁雑音の発生を抑制できる。
《第６の実施形態》
第６の実施形態では、小型パッケージに封入されたFET駆動ドライバＩＣによって電力回路部が構成された例を示す。
図１６は第６の実施形態に係る送電装置の回路図である。図１７はFETドライバＩＣ（ＩＣｄ）の、内部回路と端子との接続関係を示す図である。図１８はFETドライバＩＣ（ＩＣｄ）の回路の構成を示す回路図である。図１９は第６の実施形態に係る送電回路が構成された回路基板の平面図である。
第３の実施形態で図８に示した送電回路では電力回路部を標準ロジックＩＣ（ＩＣ４）で構成したのに対し、本実施形態では、電力回路部をFETドライバＩＣ（ＩＣｄ）で構成している。その他の構成は、第３の実施形態で示した構成と同じである。
FETドライバＩＣ（ＩＣｄ）は図１７に示すように、ロジック回路ＬＣおよび増幅回路Ａ１，Ａ２を含む。FETドライバＩＣ（ＩＣｄ）の端子ＶＳ＋は正電源電圧入力端子、端子ＶＳ−は負電源電圧入力端子、端子ＧＮＤはグランド端子である。端子ＶＨはハイレベル電圧入力端子、端子ＶＬはローレベル電圧入力端子である。端子ＩＮは方形波信号入力端子、端子ＯＥは出力イネーブル信号入力端子である。端子ＯＵＴはFET駆動信号出力端子である。但し、この実施形態では、端子ＯＵＴには、図１６に示すように、送電共振機構が接続される。
FETドライバＩＣ（ＩＣｄ）は、具体的には図１８に示すように構成される。ロジック回路ＬＣは、端子ＯＥがハイレベルであり、且つ、端子ＩＮがハイレベルであるとき、ハイレベルを出力し、それ以外の状態では出力をローレベルにする。
トランジスタＱ２０の入力がハイレベルになれば、トランジスタＱ２１はオフ状態、Ｑ２２はオン状態になる。そのため、トランジスタＱ２３はオンし、Ｑ２４はオフする。この状態で、端子ＶＨ→トランジスタＱ２３→端子ＯＵＴの経路でソース電流が流れる。トランジスタＱ２０の入力がローレベルになれば、トランジスタＱ２１はオン状態、Ｑ２２はオフ状態になる。そのため、トランジスタＱ２３はオフし、Ｑ２４はオンする。この状態で、端子ＯＵＴ→トランジスタＱ２４→端子ＶＬの経路でシンク電流が流れる。
なお、図１６において発振回路ＯＳＣの動作電圧とFETドライバＩＣ（ＩＣｄ）の電源電圧（入力電圧）は異なる電圧値とすることもできる。例えば、FETドライバＩＣ（ＩＣｄ）の電源電圧（入力電圧）を大きくすることで送電電力を大きくすることができる。
図１９において、基板上の各部品の符号は、図１６に示した各部品の符号に対応する。この図１９に表れているように、本実施形態によれば、必要な部品点数が少なく、１つの微小な回路基板に送電回路が構成できる。
《第７の実施形態》
第７の実施形態では、小型パッケージに封入されたFET駆動ドライバＩＣによってＥ級スイッチングを行う電力回路部が構成された例を示す。
図２０は第７の実施形態に係る送電装置の回路図である。図２１はFETドライバＩＣ（ＩＣｅ）の回路の構成を示す回路図である。
第６の実施形態ではＤ級スイッチング回路による送電回路を構成したのに対し、本実施形態では、単一のFETを用いるＥ級スイッチング回路を構成している。
図２０において、発振回路ＯＳＣは、発振器ＸＯおよびバッファアンプAMPを含む１つの部品である。電源ラインと発振回路ＯＳＣの電源端子との間には、ＬＥＤおよび抵抗Ｒ１による回路が接続されている。発振回路ＯＳＣの電源端子とグランド間には平滑用キャパシタＣ２が接続されている。
電源ラインとグランドとの間には平滑用キャパシタＣ１１および高周波フィルタ用キャパシタＣ１２が接続されている。電源ラインとグランドとの間に、インダクタＬｅおよびキャパシタＣｅの直列回路が接続されている。
発振回路ＯＳＣの出力は、抵抗Ｒ３を介してFETドライバＩＣ（ＩＣｅ）の入力端子ＩＮに接続される。FETドライバＩＣ（ＩＣｅ）の出力端子ＯＵＴは、インダクタＬｅとキャパシタＣｅとの接続点に接続されている。また、FETドライバＩＣ（ＩＣｅ）の出力端子ＯＵＴとコネクタＣＮ２との間にキャパシタＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３の並列回路が直列接続されている。このキャパシタＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３の並列回路は送電共振キャパシタとして作用する。キャパシタＣｅとキャパシタＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３の並列回路と送電コイルＬ１２とで送電共振機構が構成される。
FETドライバＩＣ（ＩＣｅ）は、具体的には図２１に示すように構成される。端子ＯＵＴと端子ＧＮＤとの間にMOS-FETＱ２５が接続されている。端子ＩＮの電圧はMOS-FETＱ２５ゲート信号として印加される。
図２１に示す例では、MOS-FETＱ２５のドレイン・ゲート間には、ダイナミック・クランプ回路１１３が接続されている。また、MOS-FETＱ２５のゲート信号のラインとグランドとの間には、各種保護回路や制御回路１１４，１１５，１１６が設けられている。
図２０に示したインダクタＬｅは実質的に直流電流を流すためのインダクタとして働き、キャパシタＣｅとキャパシタＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３の並列回路と送電コイルＬ１２とで送電共振機構を構成し、スイッチング動作における平均的な実質の共振周波数は、発振回路ＯＳＣの発振周波数と等しい。そのため、MOS-FETＱ２５のオンオフによって、送電コイル１２に共振電流が流れ、端子ＯＵＴからは、半波正弦波状の共振電圧が出力される。
このように、送電回路をＥ級スイッチング回路で構成することもできる。
《第８の実施形態》
第８の実施形態では、送電共振機構に直接接続される回路が、ハイサイドMOS-FETとローサイドMOS-FETとで構成される例、およびその動作について示す。
図２２は第８の実施形態に係るワイヤレス給電システムの部分回路図である。図２２において、送電コイルＬ１２および送電共振キャパシタＣｒによる送電共振機構に接続される回路の最終段は、ハイサイドのMOS-FETＱ２とローサイドのMOS-FETＱ１とで構成される。この回路はFETドライバＩＣの最終段である。また、図２２に示す例では、受電装置Rxpの整流平滑回路２２１はMOS-FETＱ３，Ｑ４による同期整流回路を備える。MOS-FETＱ１には寄生ダイオードDds1、寄生容量Cds1を備え、MOS-FETＱ２には寄生ダイオードDds2、寄生容量Cds2を備える。また、MOS-FETＱ３には寄生ダイオードDds3、寄生容量Cds3を備え、MOS-FETＱ４には寄生ダイオードDds4、寄生容量Cds4を備える。
上記最終段の回路は例えばFETドライバＩＣの最終段に相当する。
図２３は、図２２中の各部の電圧電流波形図である。送電回路の動作状態は、等価回路ごとにオン期間、オフ期間、2つの転流期間、の4つの状態に区分できる。FET Q1、Q2のゲート・ソース間電圧を電圧vgs1、vgs2、ドレイン・ソース間電圧を電圧vds1、vds2とする。電磁界結合を含めた複共振回路の共鳴周波数frは、6.78MHzよりも僅かに低く設計し、リアクタンスは十分小さい誘導性とする。FET Q1、Q2は、両FETがともにオフとなる短いデットタイムを挟んで交互にオン、オフ動作を行う。２つのFETがオフとなるデッドタイムtdにおいて、共振電流irの遅れ電流を用いて２つのFETの寄生容量Cds1，Cds2を充放電して転流を行う。ZVS動作は、転流期間tcの後、寄生ダイオード導通期間taにおいてFETをターンオンして実現する。このように、電圧に対する遅れ電流を流すことによって、スイッチング速度を高めることができ、スイッチング時間を短くすることができる。
１スイッチング周期における各状態でのエネルギー変換動作を次に示す。
(1) 状態1 時刻t1〜t2
送電側では、FET Q1は導通している。FET Q1の両端の等価的なダイオードDds1は導通し、この期間においてFET Q1をターンオンすることでZVS動作が行われる。送電コイルＬ１２には共振電流irが流れ、キャパシタCrは充電される。
受電側では、ダイオードD3またはD4は導通し、受電コイルＬ２１に共振電流irsが流れる。ダイオードD3が導通する際は、キャパシタCrsは放電し、受電コイルＬ２１に誘起された電圧とキャパシタCrsの両端電圧が加算されて負荷Roに電力が供給される。ダイオードD4が導通する際は、キャパシタCrsは充電される。負荷RoにはキャパシタCoの電圧が印加されて電力が供給される。FET Q1がターンオフすると状態2となる。
(2) 状態2 時刻t2〜t3
送電コイルＬ１２に流れていた共振電流irによりFET Q1の寄生容量Cds1は充電され、FET Q2の寄生容量Cds2は放電される。電圧vds1が電圧Vi、電圧vds2が0Vになると状態3となる。
(3) 状態3 時刻t3〜t4
送電側では、FET Q2は導通している。FET Q2の両端の等価的なダイオードDds2は導通し、この期間においてFET Q2をターンオンすることでZVS動作が行われる。送電コイルＬ１２には共振電流irが流れ、キャパシタCrは放電される。
受電側では、ダイオードD3またはD4は導通し、受電コイルＬ２１に共振電流irsが流れる。ダイオードD3が導通する際は、キャパシタCrsは放電し、受電コイルＬ２１に誘起された電圧とキャパシタCrsの両端電圧が加算されて負荷Roに電力が供給される。ダイオードD4が導通する際は、キャパシタCrsは充電される。負荷RoにはキャパシタCoの電圧が印加されて電力が供給される。FET Q2がターンオフすると状態4となる。
(4) 状態4 時刻t4〜t1
送電コイルＬ１２に流れていた共振電流irによりFET Q1の寄生容量Cds1は放電され、FET Q2の寄生容量Cds2は充電される。電圧vds1が0V、電圧vds2が電圧Viになると再び状態1となる。以降、状態1〜4を周期的に繰り返す。
受電回路では、ダイオードD3またはD4が導通して順方向に電流が流れて整流をする。周期的な定常動作では、電流ir、irsの波形は共鳴現象によりほぼ正弦波となる。
《第９の実施形態》
第９の実施形態では、中継装置を備えたワイヤレス給電システムの例を示す。
図２４は第９の実施形態に係るワイヤレス給電システムの、送電コイルＬ１２、受電コイルＬ２１および中継コイルＬ３１について、それらの形状と位置関係を示す斜視図である。本実施形態では、送電コイルＬ１２は直径500mmの１ターンの円形ループ状コイルである。この送電コイルＬ１２に送電共振キャパシタＣｒおよび送電回路１１が接続されている。これら送電コイルＬ１２、送電共振キャパシタＣｒおよび送電回路１１によって送電装置が構成される。送電回路１１および受電回路２２の構成は第１の実施形態等で示したとおりである。
中継コイルＬ３１は直径500mmの１ターンの円形ループ状コイルである。この中継コイルＬ３１には中継共振キャパシタＣｒｒが接続されている。これら中継コイルＬ３１および中継共振キャパシタＣｒｒによって中継装置RRxpが構成される。
受電コイルＬ２１は正方形状または長方形状のループコイルである。この受電コイルＬ２１に受電共振キャパシタＣｒｓおよび受電回路２２が接続されている。これら受電コイルＬ２１、受電共振キャパシタＣｒｓおよび受電回路２２によって受電装置が構成される。この受電装置は中継コイルＬ３１の内側に配置されている。
中継コイルＬ３１と中継共振キャパシタＣｒｒとによって中継共振機構が構成される。この中継共振機構単独の共振周波数は、送電コイルＬ１２と送電共振キャパシタＣｒとによる送電共振機構単独の共振周波数と実質的に等しい。また、受電コイルＬ２１と受電共振キャパシタＣｒｓとによる受電共振機構単独の共振周波数とも実質的に等しい。
送電共振機構と受電共振機構と中継共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーは相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成される。このことにより、送電コイルＬ１２と受電コイルＬ２１と中継コイルＬ３１との間で、磁界結合および電界結合によって電磁界共鳴結合が構成される。
図２５は送電コイルＬ１２、受電コイルＬ２１および中継コイルＬ３１の磁界強度の例を表すコンター図である。
図２４においては、送電コイルＬ１２と中継コイルＬ３１との磁界結合を磁束φ１で表している。また、中継コイルＬ３１と受電コイルＬ２１の磁界結合を磁束φ２で表している。さらに、送電コイルＬ１２と受電コイルＬ２１との磁界結合を磁束φ１で表している。
本実施形態によれば、中継装置によって電磁界共鳴フィールドが拡大され、ワイヤレス給電を実現したい空間領域を拡大できる。
図２６は単一の送電装置と複数の受電装置を備えるワイヤレス給電システムの斜視図（写真）である。この例では、送電コイルＬ１２の内側に３つの受電装置が配置されている。また、中継コイルＬ３１の内側に１つの受電装置が配置されている。送電コイルＬ１２、送電共振キャパシタＣｒおよび送電回路１１によって送電装置が構成される。受電コイルＬ２１Ａ、受電共振キャパシタＣｒｓＡおよび受電回路２２Ａによって第１受電装置が構成される。同様に、受電コイルＬ２１Ｂ、受電共振キャパシタＣｒｓＢおよび受電回路２２Ｂによって第２受電装置が構成され、受電コイルＬ２１Ｃ、受電共振キャパシタＣｒｓＣおよび受電回路２２Ｃによって第３受電装置が構成され、受電コイルＬ２１Ｄ、受電共振キャパシタＣｒｓＤおよび受電回路２２Ｄによって第４受電装置が構成される。これら受電装置の負荷はＬＥＤである。
図２６に示すように、中継装置RRxpによって電磁界共鳴フィールドが拡大され、ワイヤレス給電を実現したい空間領域を拡大できるので、より多くの受電装置に同時に給電することもできる。
《第１０の実施形態》
第１０の実施形態では、複数の中継装置を備えたワイヤレス給電システムの例を示す。
図２７は第１０の実施形態に係るワイヤレス給電システムの、送電コイルＬ１２、受電コイルＬ２１および中継コイルＬ３１，Ｌ３２について、それらの形状と位置関係を示す斜視図である。
中継コイルＬ３１，Ｌ３２はそれぞれ円形ループ状コイルである。中継コイルＬ３１とそれに接続される中継共振キャパシタＣｒｒ１とで第１中継装置RRxp1が構成され、中継コイルＬ３２とそれに接続される中継共振キャパシタＣｒｒ２とで第２中継装置RRxp2が構成される。これら中継装置RRxp1，RRxp2の構成は、第９の実施形態で図２４に示したとおりである。
受電コイルＬ２１は正方形状または長方形状のループコイルである。この受電コイルＬ２１に受電共振キャパシタＣｒｓおよび受電回路２２が接続されている。これら受電コイルＬ２１、受電共振キャパシタＣｒｓおよび受電回路２２によって受電装置が構成される。この受電装置は中継コイルＬ３２の内側に配置されている。
図２８は送電コイルＬ１２、受電コイルＬ２１および中継コイルＬ３１，Ｌ３２の磁界強度の例を表すコンター図である。
このように複数の中継装置を備える場合にも、送電共振機構と受電共振機構と複数の中継共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーは相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成される。このことにより、送電コイルＬ１２と受電コイルＬ２１と中継コイルＬ３１，Ｌ３２との間で、磁界結合および電界結合によって電磁界共鳴結合が構成される。
図２７、図２８の例では２つの中継装置を備えたが、３つ以上の中継装置を備えてもよい。図２９は１つの送電コイルと１５個の中継コイルを備えるワイヤレス給電システムの磁界強度のコンター図である。この例は、４行４列で合計１６個の円形ループ状コイルのうち１つ（図２９において左奥のコイル）が送電コイル、残り１５個が中継コイルである。受電コイルＬ２１は送電コイルから最も離れた位置の中継コイル（図２９において右手前のコイル）の内側は配置されている。
本実施形態によれば、複数の中継装置によって電磁界共鳴フィールドがより拡大され、ワイヤレス給電を実現したい空間領域をさらに拡大できる。
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。例えば、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
Ａ１，Ａ２…増幅回路
AMP…バッファアンプ
Ｃ１１…平滑用キャパシタ
Ｃ１２…高周波フィルタ用キャパシタ
Ｃ２…平滑用キャパシタ
Ｃｄｓ１，Ｃｄｓ２，Ｃｄｓ３，Ｃｄｓ４…寄生容量
ＣＮ１，ＣＮ２…コネクタ
Ｃｒ…送電共振キャパシタ
Ｃｒｓ…受電共振キャパシタ
Ｃｒｒ…中継共振キャパシタ
Ｄｄｓ１，Ｄｄｓ２，Ｄｄｓ３，Ｄｄｓ４…寄生ダイオード
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３…ローパスフィルタ
ＩＣ４…標準ロジックＩＣ
ＩＣｄ…FETドライバＩＣ
Ｌ１２…送電コイル
Ｌ２１，Ｌ２１Ａ，Ｌ２１Ｂ，Ｌ２１Ｃ，Ｌ２１Ｄ…受電コイル
Ｌ３１，Ｌ３２…中継コイル
ＬＣ…ロジック回路
ＮＡＮＤ１，ＮＡＮＤ２，ＮＡＮＤ３，ＮＡＮＤ４…NANDゲート
ＮＯＴ１，ＮＯＴ２，ＮＯＴ３，ＮＯＴ４，ＮＯＴ５，ＮＯＴ６…NOTゲート
ＯＳＣ…発振回路
Ｒ２…帰還抵抗
Ｒｏ…負荷
Ｒｘｐ…受電装置
Ｔｘｐ…送電装置
Ｘ１…発振子（水晶振動子）
ＸＯ…発振器
２…制御回路
１０…入力電源
１１…送電回路
１２…送電共振機構
２０…共鳴部
２１…受電共振機構
２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ…受電回路
３０…負荷
１０１…制御ブロック
１０２…駆動ブロック
１０３…電力ブロック
１１１…制御回路部
１１２…電力回路部
２２１…整流平滑回路
３０１，３０４…ワイヤレス給電システム

Claims (22)

  1. 送電コイルと、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電共振機構に電気的に接続されて、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電回路と、を備える送電装置と、
    受電コイルと、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電共振機構に電気的に接続されて、負荷に電力を供給する受電回路と、を備える受電装置と、を備え、
    前記送電装置から前記受電装置へ電力を供給するワイヤレス給電システムにおける送電装置であって、
    前記送電回路は、それぞれ電子回路によって構成され、グランド電位を共通電位とする制御回路部および電力回路部を備え、
    前記電力回路部は、複数の端子を有するパッケージに封入された集積回路で構成され、
    前記集積回路は、前記送電共振機構に電気的に直接接続され、
    前記制御回路部は、前記電力回路部へ駆動信号を出力し、
    前記電力回路部は、入力された前記駆動信号によって、前記集積回路の内部に備えたトランジスタを駆動させることによって当該電力回路部を通して前記直流入力電圧を前記送電共振機構へ断続的に与えることを特徴とする、送電装置。
  2. 前記制御回路部および前記電力回路部の少なくとも一部は、複数の端子を有する単一のパッケージに封入された、複数のロジックゲート回路を備えたCMOS標準ロジックＩＣまたはTTL標準ロジックＩＣによって構成された、請求項１に記載の送電装置。
  3. 前記CMOS標準ロジックＩＣまたは前記TTL標準ロジックＩＣは、４個の２入力NANDゲートである、請求項２に記載の送電装置。
  4. 前記制御回路部は、前記４個のNANDゲートのうち１つのNANDゲートと発振子とで構成される発振回路を含み、前記電力回路部は前記４個のNANDゲートのうち残余のNANDゲートを含む、請求項３に記載の送電装置。
  5. 前記制御回路部は、前記残余のNANDゲートのうち１つのNANDゲートが前記発振回路の出力部に接続された、請求項４に記載の送電装置。
  6. 前記残余のNANDゲートのうち、複数のNANDゲートは並列接続されている、請求項４または５に記載の送電装置。
  7. 前記CMOS標準ロジックＩＣまたは前記TTL標準ロジックＩＣは、６個のNOTゲートである、請求項２に記載の送電装置。
  8. 前記制御回路部は、前記６個のNOTゲートのうち１つのNOTゲートと発振子とで構成される発振回路を含み、前記電力回路部は前記６個のNOTゲートのうち残余のNOTゲートを含む、請求項７に記載の送電装置。
  9. 前記制御回路部は、前記残余のNOTゲートのうち１つのNOTゲートが前記発振回路の出力部に接続された、請求項８に記載の送電装置。
  10. 前記残余のNOTゲートのうち、複数のNOTゲートは並列接続されている、請求項８または９に記載の送電装置。
  11. 前記電力回路部は、パッケージに封入されたFET駆動ドライバＩＣによって構成された、請求項１に記載の送電装置。
  12. 前記電力回路部の出力部は、電源とグランドとの間にブリッジ接続された２つのトランジスタで構成される、請求項１１に記載の送電装置。
  13. 前記発振子は、圧電振動子がパッケージに封入された素子である、請求項４から６のいずれか、または請求項８から１０のいずれかに記載の送電装置。
  14. 前記発振回路の発振周波数は、ISMバンドの周波数である、6.78MHz、13.56MHzまたは27.12MHzのいずれかである、請求項４から６のいずれか、または請求項８から１０のいずれかに記載の送電装置。
  15. 前記電力回路部の最終段に、スイッチング周波数の電流を通過させ、高調波の電流を抑制するフィルタ回路を備える、請求項１から１４のいずれかに記載の送電装置。
  16. 前記電力回路部におけるスイッチング動作において、相補的に動作するトランジスタが共に非導通となるデッドタイムを備え、電圧に対する遅れ電流を生成することを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載の送電装置。
  17. 前記電力回路部および前記制御回路部は、同じ電圧値を有する電源電圧で動作する、請求項１から１６のいずれかに記載の送電装置。
  18. 前記送電コイルの一端は前記グランド電位に接続された、請求項１から１７のいずれかに記載の送電装置。
  19. 請求項１から１８のいずれかに記載の送電装置および受電装置を備え、
    前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
    前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、磁界結合や電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
    互いに離れて位置する前記送電装置から前記受電装置へ電力を供給するワイヤレス給電システム。
  20. 中継コイルと中継共振キャパシタとを含んで構成される中継共振機構を有する中継装置を備え、
    前記送電共振機構と前記受電共振機構と前記中継共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
    前記送電コイルと前記受電コイルと前記中継コイルとの間で、磁界結合および電界結合によって電磁界共鳴結合が構成される、請求項１９に記載のワイヤレス給電システム。
  21. 前記中継コイルの数は複数である、請求項２０に記載のワイヤレス給電システム。
  22. 前記送電共振機構、前記受電共振機構および前記中継共振機構それぞれが有する単独の独立共振周波数のうち少なくとも２つは同じである、請求項２０または２１に記載のワイヤレス給電システム。
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