JP6593661B2 - 無線電力伝送のための送電装置および受電装置ならびに無線電力伝送システム - Google Patents

Description

本開示は、共振器間の相対位置を検出する位置検出装置に関する。また、本開示は、このような位置検出装置を備え、かつ、非接触で電力を送電する無線電力伝送のための送電装置および受電装置ならび無線電力伝送システムにも関する。

近年、携帯電話機や電気自動車などの移動性を伴う電子機器やＥＶ機器において、無線充電を行うために種々の無線電力伝送システムの開発が進んでいる。無線電力伝送技術には、複数のコイルを対向させる電磁誘導方式および磁界共鳴方式、ならびに、複数の金属板を対向させる電界結合方式がある。電磁誘導方式による無線電力伝送システムは、送電コイル（送電アンテナ）を備えた送電装置と、受電コイル（受電アンテナ）を備えた受電装置とを含み、送電コイルによって生じた磁界を受電コイルが捕捉することにより、電極を直接に接触させることなく電力を送電することができる（特許文献１）。

また、特許文献２は、電界結合方式による無線電力伝送システムの例を開示している。

上記無線電力伝送システムにおいて、電力伝送を行う際に送受電コイルの位置がずれている場合、送電効率が低下するだけでなく、コイルの漏れ磁束によりコイル外の金属異物を加熱させるリスクも生じる。従って、送電コイルと受電コイルとの間の位置あわせは、安全かつ高効率に無線電力伝送をするために重要である。

国際公開第２０１１／０３３６６０号パンフレット 国際公開第２００７／１０７６４２号パンフレット 特開２００９−１１８５８７号公報

しかし、かかる従来技術では、送電コイルと受電コイルとの間の位置あわせを高精度で行う送電装置が求められていた。

本開示の一態様に係る送電装置は、
第１コイルを含む第１共振器を備え、第２コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有する第２共振器及び負荷を備えた受電装置の位置を検出する送電装置であって、
前記第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）及び前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で交流電力を発振する発振回路と、
前記第１共振器と前記第２共振器とが電磁的に結合しているときに前記第１共振器のインダクタンス値を測定する測定回路と、を備え、
前記測定回路は、前記第１の周波数（ｆ１）で前記発振回路が前記交流電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器のインダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と、前記第２の周波数ｆ２で前記発振回路が前記交流電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器のインダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を検出し、ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）の式によって算出される結合係数ｋを算出し、前記結合係数ｋに基づいて前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する、ものである。

本開示の一態様によると、送電コイルと受電コイルとの間の位置あわせを高精度で行う送電装置を提供できる。

なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

図１は、本開示による位置検出装置の限定的ではない例示的な実施形態の基本構成を示すブロック図である。 図２は、測定回路が第２共振器に接続され、発振器が第１共振器に接続されている構成例を示す図である。 図３は、発振回路および測定回路の両方が第２共振器に接続されている構成例を示す図である。 図４は、本開示による位置検出装置の基本的な動作を説明するための図である。 図５は、実施形態１に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。 図６は、実施形態１に係る無線電力伝送システムの動作原理を説明する図である。 図７は、実施形態１に係る無線電力伝送装置の位置あわせ動作のフローチャートである。 図８は、実施形態２に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。 図９は、実施形態３に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。 図１０は、実施形態４に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。 図１１Ａは、実施形態５に係る無線電力伝送システムを示す図である。 図１１Ｂは、実施形態５に係る無線電力伝送システムの動作を説明するための図である。 図１１Ｃは、実施形態５に係る無線電力伝送システムの動作を説明するための図である。 図１２Ａは、実施形態５に係る無線電力伝送システムの変形例を示す平面図である。 図１２Ｂは、実施形態５に係る無線電力伝送システムの変形例を示す右側面図である。 図１３は、実施形態１〜３に係る無線電力伝送システムの第１の実施例を示す図である。 図１４は、実施形態１〜３に係る無線電力伝送システムの第２の実施例を示す図である。 図１５は、実施形態１に係る無線電力伝送システムの第３の実施例を示す回路図である。 図１６は、図１５を用いた結合係数の推定結果を示す図である。

（本開示の基礎となった知見）
本発明者らは、「背景技術」の欄において記載した無線電力伝送システムの送電装置に関し、以下の問題が生じることを見いだした。

特許文献１の無線電力伝送システムの送電装置は、受電装置の負荷を変化させ、送電側から所定の周波数範囲において反射係数を測定する。こうして得た反射係数が最小となる周波数の差から送受電コイル間の結合係数を推定し、前記結合係数に基づいて位置あわせを行っている。

しかし、特許文献１では、送電装置に設けられた第１共振器、受電装置に設けられた第２共振器、負荷などのパラメ−タが確定している場合にのみ前記結合係数を正確に推定できる。よって、負荷が変動する場合は、正確に前記結合係数を推定できないという課題がある。また、特許文献１では、受電側の負荷の制御や、広帯域な反射係数測定が必須であるため、位置あわせ制御が低速であり、追随性に課題があった。

なお、特許文献１で推定される結合係数は、後述する結合係数ｋ［［ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）］の式によって算出されるｋ］とは異なるものである。

特許文献２は、電界結合方式による無線電力伝送システムの例を開示するものであって、第１共振器に対する第２共振器の相対位置を検出する指標である結合係数ｋに基づく位置あわせを開示していない。

特許文献３は、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する指標である結合係数ｋｉ［ｋｉ²＝１−Ｌｓ／Ｌｗ］の式によって算出されるｋｉ］を開示している。前記結合係数ｋは、前記第１共振器の第１コイルから出力される全磁束に対する、前記第２共振器の第２コイルを通過する磁束の割合を示すものである。従って、前記受電装置の前記負荷が変動しても磁束密度の強さは変動するが、前記第１コイルから出力される全磁束に対する、前記第２コイルを通過する磁束の割合は変動しない。従って、前記結合係数ｋは、負荷変動に対して強い指標であるので、前記結合係数ｋを用いることは、位置あわせを行うのに適している。

特許文献３は、前記結合係数ｋｉを算出するのに、前記第２コイルの両端が開放されている状態の時の前記第１共振器のインダクタンス値Ｌｗを測定する。そして、前記第２コイルの両端が短絡している状態の時の前記第１共振器のインダクタンス値Ｌｓを測定する。これらＬｗとＬｓの測定は同一の周波数ｆｃにて行われている（たとえば特許文献３の段落０３６２及び図７３）。

しかし、特許文献３は、前記第２コイルの両端が開放されている状態と短絡している状態とに切り替える方法については、何も開示していない。

一般的には、前記第２コイルの両端が実質的に開放されている状態と短絡している状態とに切り替えるには、例えば、前記受電装置の前記第２コイルの両端に短絡用スイッチを設け、前記短絡用スイッチを制御する制御回路を前記受電装置に設ける。そして、前記送電装置から前記受電装置に信号を送って前記短絡用スイッチを制御する必要がある。よって、前記短絡用スイッチ及び前記制御回路が必要となり部品点数が増加する。さらに、前記送電装置から前記受電装置に信号を送って、前記短絡用スイッチを用いて前記第２コイルの両端の導通と非導通を制御しなければならないという煩わしさ、及びコストの増加を招くという課題があった。

従って、コスト増を招くことなく、簡易な構成で、前記負荷が変動した場合でも、送電コイルと受電コイルとの間の位置あわせを高精度で行う送電装置が望まれている。

以上の考察により、本発明者らは、以下の発明の各態様を想到するに至った。

本開示の一態様は、
第１コイルを含む第１共振器を備え、第２コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有する第２共振器及び負荷を備えた受電装置の位置を検出する送電装置であって、
前記第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）及び前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で交流電力を発振する発振回路と、
前記第１共振器と前記第２共振器とが電磁的に結合しているときに前記第１共振器のインダクタンス値を測定する測定回路と、を備え、
前記測定回路は、前記第１の周波数（ｆ１）で前記発振回路が前記交流電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器のインダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と、前記第２の周波数ｆ２で前記発振回路が前記交流電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器のインダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を検出し、ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）の式によって算出される結合係数ｋを算出し、前記結合係数ｋに基づいて前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する、ものである。

上記態様によると、前記第２コイルの両端にキャパシタを設け、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を前記受電装置に設ける。このことにより、前記発振回路で前記第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）で駆動すると、前記キャパシタに電流が流れないので、前記第２コイルの両端が実質的に開放されている状態を作り出せる。また、前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で駆動すると、前記キャパシタに電流が流れるので、前記第２コイルの両端が短絡している状態を作り出せる。

よって、前記第２共振器の両端が実質的に開放されている状態の時の前記第１共振器のインダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）を測定するには、前記発振回路で第１の周波数（ｆ１）の交流電力を発振し、前記第１共振器のインダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）を測定すればよい。また、前記第２コイルの両端が短絡している状態の時の前記第１共振器のインダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を測定するには、前記発振回路で第２の周波数（ｆ２）の交流電力を発振し、前記第１共振器のインダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を測定すればよい。測定した前記第１共振器のインダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）とインダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）から前記結合係数を算出することができる。

従って、本開示の一態様によると、前記第２コイルの両端にキャパシタを設けるだけで、前記第２コイルの両端が実質的に開放されている状態と前記第２コイルの両端が短絡している状態とを作り出すことができる。そのため、前記短絡用スイッチ及び前記制御回路を前記受電装置に設ける必要はなく、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御する煩わしさをなくすことができる。その結果、前記結合係数を用いて位置あわせを行うので、コスト増を招くことなく、簡易な構成で前記負荷が変動しても高精度で位置あわせを行うことができる。

尚、特許文献３は、前記第２コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有する第２共振器を備えた受電装置を開示していない。従って、前記発振回路で前記第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）で駆動して、前記第２コイルの両端が実質的に開放されている状態を作り出していない。そして、前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で駆動して、前記第２コイルの両端が短絡している状態を作り出していない。

なお、前記「コイルの両端」における「コイル」の定義は、コイル部品単体のみに限定されない。

例えば、後述する図１５のように、受電共振器には受電コイルと直列の共振コンデンサ（例えば、Ｃ２ｓ）が含まれている。前記受電コイルと前記直列の共振コンデンサを合成した直列インピーダンスが、位置検出を行う周波数ｆ１、ｆ２において誘導性に見える場合、等価的なコイル（単に、等価コイルと呼んでもよい）として扱うことができる。従って、前記等価コイルの両端に並列コンデンサを備えることでも同様の効果を得ることができるので、「コイルの両端」における「コイル」の定義は、コイル部品単体のみに限定されない（図１５の説明文参照）。

本開示の具体的な実施形態を説明する前に、本開示による位置検出装置の基本構成を説明する。まず、図１を参照する。図１は、本開示による位置検出装置の限定的ではない例示的な実施形態の基本構成を示すブロック図である。

図１に例示されている位置検出装置１０００は、コイルおよびキャパシタを含む並列共振回路から構成された第２共振器２０に電磁的に結合した第１共振器１０に対する第２共振器２０の相対位置を検出する装置である。この位置検出装置１０００は、第１共振器１０と、第１共振器１０に接続された発振回路１５０と、発振回路１５０に接続された測定回路１６０とを備えている。

発振回路１５０は、第２共振器２０の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）、および、共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で発振できるように構成されている。また、測定回路１６０は、第１共振器１０の入力インダクタンス値を測定するように構成されている。この測定回路１６０は、第１の周波数ｆ１で発振回路１５０が発振しているときに測定回路１６０が測定した第１共振器１０の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と、第２の周波数ｆ２で発振回路１５０が発振しているときに測定回路１６０が測定した第１共振器１０の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）との比に基づいて、第１共振器１０に対する第２共振器２０の相対位置を検出するように構成されている。後に詳しく説明するように、入力インダクタンス値の比であるＬｉｎ（ｆ１）／Ｌｉｎ（ｆ２）を用いて、第１共振器１０と第２共振器２０との間の結合係数ｋを算出または推定することができる。結合係数ｋは、第１共振器１０に対する第２共振器２０の相対位置に依存して変化する。つまり、第１共振器１０と第２共振器２０とが電磁的に結合していないとき、結合係数ｋはゼロまたはゼロに近似される小さな値を持つ。一方、第１共振器１０と第２共振器２０とが電磁的に結合しているときは、第１共振器１０に第２共振器２０が接近してくると結合係数ｋが増加し、逆に第１共振器１０から第２共振器２０が離れると結合係数ｋは減少する。このため、結合係数ｋの算出値または推定値に基づいて、第１共振器１０に対する第２共振器２０の相対位置を決定することが可能になる。

本開示の相対位置検出装置では、異なる周波数で得られた２つの入力インダクタンス値の比、すなわち、Ｌｉｎ（ｆ１）／Ｌｉｎ（ｆ２）を用いる点に特徴を有している。なお、本開示において、第１共振器の入力インダクタンス値を測定することは、この入力インダクタンス値を直接的に測定することのみならず、入力インダクタンス値を変換した他の物理パラメータを測定することをも含むものとする。ある条件のもとでは、第１共振器１０と第２共振器２０とを電磁的に結合する電磁場の周波数が入力インダクタンス値に比例する（例えば電圧・周波数コンバータ）。また、ある条件のもとでは、第１共振器１０と第２共振器２０とを電磁的に結合する電磁場の周波数が入力インダクタンス値の２乗に反比例する（例えば自励式発振回路における発振周波数）。このため、第１共振器１０または第２共振器２０を流れる交流電流または交流電圧の周波数を測定することにより、実効的に「第１共振器の入力インダクタンス値」を測定することができ、その結果として、結合係数ｋの値を取得することが可能になる。

本開示における「相対位置」とは、空間座標中の絶対的な位置ではなく、第２共振器が第１共振器に接近しているか、第１共振器から遠ざかっているかをリアルタイムで検出するための基礎となる「相対距離情報」である。

次に、図２および図３を参照して、位置検出装置１０００が第２の共振器２０を備えている構成例を説明する。図２の例では、測定回路１６０が第２共振器に接続され、発振器１５０は第１共振器１０に接続されている。図３の例では、発振回路１５０および測定回路１６０の両方が第２共振器２０に接続されている。これらの例では、第２共振器２０が位置検出装置１０００に含まれており、位置検出装置１０００の移動に伴って第２共振器２０が移動する。

次に、図４を参照して本開示による位置検出装置の基本的な動作を説明する。前述したように、発振回路１５０は、第１共振器１０と第２共振器２０との間の電磁的な結合を実現するための電界または磁界の振動を周波数ｆ１、ｆ２で形成できれば、第１共振器１０および第２共振器２０のいずれに接続されていてもよいし、両方に接続されていてもよい。また、測定回路１６０も、第１共振器１０と第２共振器２０とが電磁的に結合されていれば、第１共振器１０および第２共振器２０のいずれに接続されていても、第１共振器１０の入力インダクタンス値、あるいは、第２共振器１０の入力インダクタンス値を直接的または間接的に測定し、それによって結合係数ｋを検出することが可能である。

本開示の位置検出装置は、無線電力伝送システムに使用される送電装置および受電装置の構成要素の少なくとも一部を利用して構成され得る。このため、この位置検出装置は、無線電力伝送システムに用いることが好都合である。しかし、この位置検出装置は、他の用途に使用することもできる。例えば、第１共振器１０および第２共振器２０の一方を「ＲＦタグ」に含めることができる。ＲＦタグは、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を行うために、情報を記録するメモリ（記憶素子）とデータの無線送受信を行うためのアンテナとを備える素子である。ＲＦタグは、電子タグ、ＩＣタグ、無線タグ、ＲＦＩＤタグ等、様々な呼び方をされている。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。なお、同様の構成要素には同一の符号を付している。

（実施形態１）
図５は、本開示の第１の実施形態に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。この無線電力伝送システムは、送電装置１００と受電装置２００とを備え、送電装置１００から受電装置２００へ無線で電力を送電することができる。送電装置１００は、例えばワイヤレス充電器であり、受電装置２００は、例えば携帯情報端末や電気自動車などの二次電池を備えた機器であり得る。本実施形態では、前述した位置検出装置が送電装置１００の側に設けられている。このため、送電装置１００は、受電装置２００に送電するだけでなく、受電装置２００における受電共振器２１０の位置が送電共振器１１０に対して適切な位置（充電可能な位置）にあるか否かを検出することができる。この検出を、本明細書では「位置あわせ」と呼ぶ。その検出結果は、例えば送電装置１００または受電装置２００に設けられた光源、ディスプレイ、スピーカなどの表示素子１７０または表示素子２７０から光、映像、音声などの情報として使用者に通知され得る。本明細書における「表示素子」は、視覚的情報を提示する素子に限定されず、聴覚的情報（音または音声）のみを提示する素子をも広く含むものとする。

本実施形態の無線電力伝送システムが備える位置検出装置のこのような機能により、使用者は、受電装置２００を送電装置１００に近づける際、受電共振器２１０が送電可能な適切な位置に到達したことを知ることができるため、受電装置２００の位置あわせを容易に行うことができる。

図５に示されるように、本実施形態における送電装置１００は、送電共振器１１０と、送電回路１２０と、電源１３０と、発振回路１５０と、測定回路１６０と、表示素子１７０とを備える。これらの構成要素のうち、送電共振器１１０、発振回路１５０、および測定回路１６０によって位置検出装置が構成されている。以下、位置検出装置の構成および動作を説明する。

送電共振器１１０は、後に図１５を参照して詳しく説明するように、送電コイルＬ１と、送電コイルＬ１に直列に接続されたコンデンサＣ１とを含む共振回路（第１共振回路）である。送電共振器１１０の共振状態は、発振回路１５０によって制御される。本実施形態では、位置検出のための第１共振器が無線電力伝送の送電共振器を兼ねている。

発振回路１５０は、送電共振器１１０に接続されており、受電共振器２１０の共振周波数ｆｒとは異なる２つの周波数で発振可能である。それら２つの周波数は共振周波数よりも低い第１の周波数ｆ１と、共振周波数よりも高い第２の周波数ｆ２に設定される。第１の周波数ｆ１は共振周波数の例えば８５％以下に設定され得るし、第２の周波数ｆ２は共振周波数の例えば１１５％以上に設定され得る。なお、電力伝送モードでは、受電装置２００が備える受電共振器２１０の共振周波数の交流エネルギが送電共振器１１０から受電共振器２１０へ送電される。電力伝送モードの周波数は、受電共振器２１０の共振周波数に完全に一致する必要はなく、その共振周波数の８５〜１１５％程度の範囲内の値に設定されればよい。また、電力伝送モードの周波数は必ずしも受電共振器２１０の共振周波数ｆｒの８５〜１１５％の範囲内に設定される必要はなく、この範囲とは異なる周波数帯を用いても良い。例えば、電力伝送の周波数帯を１００ｋＨｚ〜２００ｋＨｚとし、位置検出用の周波数をｆｒ＝１０００ｋＨｚとして設定してもよい。詳細は後述する実施例３で説明する。

測定回路１６０は、発振回路１５０から出力される交流エネルギの周波数（発振周波数）の変化を検出することによって受電共振器２１０の検出を行う。すなわち、測定回路１６０は、第１の周波数ｆ１で発振回路１５０が発振しているときに送電共振器１１０のインダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）を測定する。また、測定回路１５０は、第２の周波数ｆ２で発振回路１５０が発振しているときに送電共振器１１０のインダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を測定する。そして、測定回路１６０は、後述する原理から、２つのインダクタンス値の比に基づいて送電共振器１１０に対する受電共振器２１０の相対位置を検出する。

次に、受電装置２００について簡単に説明する。受電装置２００は、受電共振器２１０と、受電回路２２０と、負荷２３０と、表示素子２７０とを備える。受電共振器２１０は、後に詳しく説明するように、受電コイルＬ２と、受電コイルＬ２に並列に接続されたコンデンサＣ２とを含む共振回路（第２共振回路）であり、共振周波数は所定の値ｆｒに設定されている。受電共振器２１０が送電共振器１１０から空間を介して非接触で受け取った交流エネルギは、受電回路２２０において波形を変換し、負荷２３０に供給される。

本実施形態では、コイル対を用いる磁界共振によって無線電力伝送を行うが、無線電力伝送は、コンデンサ対を用いる電界共振によって行うことも可能である。本開示の位置検出装置は、コイル対の位置あわせのほか、コンデンサ対の位置あわせにも適用できる。以下、コイル対の位置あわせを例に位置あわせの原理を説明するが、この原理はコンデンサ対の位置あわせにも適用され得る。

図６は、本実施形態での位置あわせに使用する結合係数推定方法の動作原理を説明するための図である。ここでは、コイル対の結合係数を推定する手法について説明する。

送電コイルＬ１（インダクタンス値もＬ１と表す。）と周波数ｆｒで共振する受電コイルＬ２（インダクタンス値もＬ２と表す。）とが結合係数ｋで電磁的に結合しているとき、送電コイルから見た入力インダクタンスＬｉｎは次式で求められる。
Ｌｉｎ（ｆ）＝Ｌ１｛１−ｋ²／（１−（ｆｒ／ｆ）²）｝ ・・・式１

図６は、式１を模試的に示すグラフである。

周波数ｆ＜＜ｆｒにおいて、受電共振器２１０の両端は実質的に開放されて見える。ｆｒより低い第１の周波数ｆ１で測定した入力インダクタンス値をＬｉｎ（ｆ１）とする。一方、周波数ｆ＞＞ｆｒにおいて受電共振器２１０における並列コンデンサの両端は実質的に短絡しているように見える。ｆｒより高い第２の周波数ｆ２で測定した入力インダクタンス値をＬｉｎ（ｆ２）とする。

ｆ１、ｆ２の大きさが適切に設定されると、式１から以下の近似式が得られる。
Ｌｉｎ（ｆ１）≒Ｌ１
Ｌｉｎ（ｆ２）≒Ｌ１（１−ｋ²）

これらの２つの近似式から、以下の式２が得られる。
ｋ²≒１−Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１） ・・・式２

この式２によれば、測定値であるＬｉｎ（ｆ１）およびＬｉｎ（ｆ２）の比に基づいて結合係数ｋを算出することができる。ただし、式２は、受電コイル端を完全に開放にした場合の入力インダクタンクスＬｉｎ＿ｏｐｅｎ（ｆ）と受電コイル端を完全に短絡にした場合の入力インダクタンクスＬｉｎ＿ｓｈｏｒｔ（ｆ）との間に以下の式３、４の関係が成立する特殊な条件に基づく。
Ｌｉｎ＿ｏｐｅｎ（ｆ１）＝Ｌｉｎ＿ｏｐｅｎ（ｆ２） ・・・式３
Ｌｉｎ＿ｓｈｏｒｔ（ｆ１）＝Ｌｉｎ＿ｓｈｏｒｔ（ｆ２） ・・・式４

逆に言えば、式３、４が成立する適切な周波数ｆ１とｆ２を選定したうえで無線電力伝送システムを設計すれば、式２が成立し、結合係数ｋの推定が可能となる。通常、これらの周波数ｆ１、ｆ２は、共振器の寸法が波長に比べて十分小さいとみなせる周波数範囲に設定すれば実用上問題ない。

なお、自励式の発振回路を用いると、入力インダクタンスの変化を発振周波数の変化に直接変換することができる。すなわち、入力インダクタンスは発振周波数の２乗の逆数で決まるため、結合係数ｋは次式で書き換えることもできる。
ｋ²≒１−ｆ１²／ｆ２² ・・・式５

実用上は回路の線形・非線形要素などを含むため、式２、式５は補正が必要であるが、原理的にはこれらの式から結合係数ｋが推定可能である（補正例の詳細は実施例３において後述する）。

以上のことから、ｆ１とｆ２の各周波数で発振する動作を連続的に切り替えながら２つの周波数における入力インダクタンス値または発振周波数を測定すれば、測定結果から結合係数ｋを推定できる。結合係数ｋは送受電コイル間の距離に応じて変化するから、例えば、推定した結合係数ｋが所定の閾値以上になった場合、受電コイルが送電コイルに対向する位置に到達したとみなすことができる。位置あわせが完了すると、送電装置１００は、発振回路１５０の代わりに送電回路１２０を用いて送電を開始する。これにより、安全かつ高効率に受電装置２００に無線で電力が供給できる。

以下、図５の各要素の詳細を説明する。

本実施形態における位置検出装置は、第１共振器（送電共振器）１１０の電気特性（入力インダクタンス、発振周波数、および、これらに依存して変化するパラメータ）を測定する測定回路１６０と、第２共振器（受電共振器）の共振周波数とは異なる２つの周波数で発振可能な発振回路１５０を備えている。

送電共振器１１０は、コイルＬ１とコンデンサＣ１を含む。コイルＬ１は基板パターンで形成された薄型の平面コイルのほか、銅線やリッツ線、ツイスト線などを用いた巻き線コイルなどを用いることができる。十分な検出感度を確保するためには、コイルＬ１のＱ値は、例えば１００以上に設定され得るが、１００よりも小さい値に設定されていてもよい。コンデンサＣ１は必要に応じて含まなくても良く、その場合、コイルＬ１自身が有する自己共振特性を含めて送電共振器１１０を形成しても良い。

送電回路１２０は、位置あわせ完了後に送電のための交流エネルギを出力する回路である。送電回路１２０は、フルブリッジ型のインバータや、Ｄ級、Ｅ級などの他の種類の送電回路であってもよい。また、通信用の変復調回路や電圧・電流などを測定する各種センサを含めても良い。

電源１３０は、商用電源、一次電池、二次電池、太陽電池、燃料電池、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）電源、高容量のキャパシタ（例えば電気二重層キャパシタ）、商用電源に接続された電圧変換器、または、それらの組み合わせを用いて実現され得る全ての電源を含む。

送電制御回路１４０は、送電装置１００全体の動作を制御するプロセッサであり、例えばＣＰＵとコンピュータプログラムを格納したメモリとの組み合わせによって実現され得る。送電制御回路１４０は、本実施形態の動作を実現するように構成された専用のハードウェアであってもよい。送電制御回路１４０は、発振回路１５０の発振周波数の切替や、送電回路１２０による送電制御（送電状態の調整）や、測定回路１６０の検出結果に基づいて表示素子１７０を発光させる制御を行う。具体的には位置あわせモードにおいては、送電回路１２０の動作を停止し、発振回路１５０を駆動する。送電モードにおいては、発振回路１５０の動作を停止し、送電回路１２０を駆動する。送電制御回路１４０は、位置検出装置の測定結果に応じて送電開始周波数および送電電圧を決定する。

発振回路１５０には、例えばコルピッツ発振回路や、ハートレー発振回路、クラップ発振回路、フランクリン発振回路、ピアス発振回路など、ＬＣ共振原理に基づく公知の自励式の発振回路を用いることができる。本実施形態の特徴点は、コイルＬ１のインピーダンス変化を、周波数の変化に換算して高精度に検出する点にあるため、そのような検出が可能である限り、上記のものに限定されず、他の発振回路および回路トポロジを用いてもよい。なお、送電時に発振回路１５０を焼損する可能性がある場合は、送電共振器１１０と発振回路１５０との間にスイッチを設けて両者の間を送電時に電気的に遮断してもよい。また、結合係数ｋの決定に式２を用いる場合は、発振回路１５０と送電回路１２０の機能は同一なので両回路１５０、１２０を共用化してもよい。

測定回路１６０は、前述の発振周波数を測定したり、送電コイルＬ１の電圧・電流を測定して入力インダクタンスを算出するために用いられる。なお、図示しないが、測定回路１６０の少なくとも一部の機能と送電制御回路１４０の少なくとも一部の機能とは、半導体パッケージ（例えばマイクロコントローラやカスタムＩＣ）によって実現されてもよい。

表示素子１７０は、測定回路１６０による検出結果を使用者に通知するように構成されている。表示素子１７０は、相対位置（近接の程度）を示す「インジケータ」として機能するように構成されており、例えばＬＥＤまたは有機ＥＬなどの光源によって構成され、複数の光源の集合体であってもよい。表示素子１７０は、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の距離に応じて、複数の光源のうちの異なる光源を発光させたり、発光させる光源の数を段階的に変動させてもよい。また、表示素子１７０は、液晶表示素子または有機ＥＬ表示素子のようなディスプレイであってもよい。ディスプレイを用いると、画像または文字などで検出結果や位置あわせのレベルを表示させることができる。表示素子１７０は、光とともに、または光に代えて、音や音声で検出結果や位置あわせのレベルを表示するように構成されていてもよい。

次に、受電装置２００の構成要素を説明する。

受電共振器２１０は、受電コイルＬ２とコンデンサＣ２を含む。受電コイルＬ２とコンデンサＣ２は、送電共振器１１０における送電コイルＬ１およびコンデンサＣ１と同様のものであってもよいし、異なっていてもよい。重要な点は、インピーダンスＺ２＝１／ｊωＣ２が周波数ｆ１では相対的に大きくなるよう設定され、周波数ｆ２では相対的に小さくなるよう設定される点である。ここで、ｊは虚数単位、ωは角周波数であり、ω＝２π×周波数の関係が成立する。

受電共振器２１０と受電回路２２０との間に直列コンデンサを挿入しても良い。なお、受電共振器２１０は、不要であればコンデンサＣ２を含まなくても良く、コイルＬ２自身が有する自己共振特性を含めて受電共振器２１０を形成しても良い。

受電回路２２０は、整流回路や周波数変換回路、定電圧・定電流制御回路、通信用の変復調回路などの各種の回路を含み、受け取った交流エネルギを負荷２３０が利用可能な直流エネルギまたは低周波の交流エネルギに変換するように構成されている。また、受電共振器２１０の電圧・電流などを測定する各種センサを受電回路２２０中に含めてもよい。

負荷２３０は、例えば二次電池や高容量キャパシタであり、受電回路２２０から出力された電力によって充給電され得る。

本実施形態における受電制御回路２４０は、受電装置２００全体の動作を制御するプロセッサであり、例えばＣＰＵとコンピュータプログラムを格納したメモリとの組み合わせによって実現され得る。受電制御回路２４０は、この例に限定されず、本実施形態の動作を実現するように構成された専用のハードウェアであってもよい。受電制御回路２４０は、負荷２５０への充給電制御や、表示素子２７０の制御を行う。

本実施形態における発振周波数は、並列コンデンサＣ２が、ある程度、集中定数回路とみなせる２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚの低周波域に設定され得る。高い周波数ほど分解能が高く、高速に位置検出できるため、１０μｓｅｃ以下の周期で検出する場合には、発振周波数はその逆数である１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚに設定され得る。低速でも良い場合は、数ｋＨｚ〜１００ｋＨｚに設定され得る。

続いて、図７のフローチャートを参照しながら本実施形態の無線電力伝送システムの動作を説明する。

まず、送電装置１００が送電共振器１１０に対する受電共振器２１０の接近を感知すると、位置あわせモードを開始する。本実施形態における、この「接近」の感知は、上述した位置検出装置の動作原理に基づくものではなく、例えば、発振周波数や電圧の変化を検出することによって実行され得る。受電共振器２１０が送電共振器１１０に接近すると、受電共振器２１０の内部の金属（基板のグランドやコイルなど）の影響で発振周波数が増加したり、発振回路１５０から出力される電圧の振幅が低下する場合がある。また、受電共振器２１０における受電コイルＬ２が周辺回路への電磁ノイズの影響を低減するための電磁シールド（磁性体）を備えている場合、受電共振器２１０の接近に伴い、発振周波数が低下する場合もある。したがって、発振周波数や電圧の変化を検出することにより、受電共振器２１０の接近を感知することができる。送電制御回路１４０および発振回路１５０は、例えば１ｍｍ秒〜数秒に１回だけ数周期分の交流を発振する断続的発振（間欠動作）を行い、受電コイルＬ２の接近を感知した場合にのみ連続動作に切替えるように構成され得る。このような間欠動作を行うことにより、消費電力の増加を抑えながら、受電コイルＬ２の接近を感知することができる。この間欠動作における発振回路１５０の動作周波数はｆ１であってもよいし、他の周波数であってもよい。

次に、ステップＳ６００において、送電制御回路１４０は、発振回路１５０を周波数ｆ１で動作させる。

ステップＳ６０１において、測定回路１６０は、所定の時間経過後、入力インダクタンスを測定する。

ステップＳ６０２において、送電制御回路１４０は、発振回路１５０を周波数ｆ２で動作させる。

ステップＳ６０３において、測定回路１６０は、所定の時間経過後、入力インダクタンスを測定する。

この一連の測定結果から結合係数を式２によって算出し（ステップＳ６０４）、ステップＳ６０５で結合係数ｋが所定の第一の閾値を超えたか否かを判定する。第一の閾値は例えば０．３〜０．５の範囲内の数値に設定され得る。算出した結合係数ｋが所定の第一の閾値を超えた場合、受電コイルＬ２が送電コイルＬ１に十分に接近したと判断できるため、測定回路１６０は、そのことを示す情報を送電制御回路１４０に送る。この情報を受けた送電制御回路１４０は、発振回路１５０の発振を停止させる（ステップＳ６０６）。この際、送電制御回路１４０は、表示素子１７０を発光させたり、表示素子２７０に位置あわせが完了したことを表示してもよい。これにより、位置あわせが完了したことを使用者に知らせることができる。送電制御回路１４０がこのような通知の機能を有する場合、送電制御回路１４０は、「光源制御回路」または「表示制御回路」としての機能を有することになる。

この後、送電制御回路１４０は、送電回路１２０を駆動し、無線電力伝送を開始する。なお、無線電力伝送の開始は、発振回路１５０の発振を停止させた直後ではなく、例えば使用者が受電装置２００を送電装置１００の上に置くなどして周波数の変動が停止したことを確認してから行われてもよい。

一方、ステップＳ６０５において、結合係数ｋが所定の第一の閾値を超えない場合、位置あわせの途中であるか、受電装置２００が送電装置１００から離れてしまったか、を判定する必要がある。そこで、ステップＳ６０７において、結合係数ｋが所定の第二の閾値を下回ったか判定する。例えば第一の閾値が０．４に設定されている場合、第二の閾値は、０．０１に設定され得る。この例に限らず、第一および第二の閾値は任意に設定してよい。この判定の結果、結合係数ｋが所定の第二の閾値を下回っていなければ、位置あわせの途中であるため、ステップＳ６００に戻り、位置あわせを再開する。結合係数ｋが所定の第二の閾値を下回った場合、受電装置２００は送電装置１００から離れたと判断して、発振回路１５０の発振を停止し、位置あわせモードを終了させる。

特殊な条件として、結合係数ｋが所定の第１の閾値を超えず、第２の閾値を下回らないまま、使用者が位置あわせをやめた場合が存在する。この場合においては、例えば、ステップＳ６００〜Ｓ６０５、Ｓ６０７を何度もループすることになる。そのループ回数をカウントし、所定のカウント数を経過した場合に発振回路１５０の発振を停止し、位置あわせを終了するという例外処理を加えることで、上記無限ループを回避することができる。

なお、ここでは結合係数ｋを式２により算出したが、式５により算出してもよい。あるいは、式２または式５の補正式により算出してもよい。

以上の動作により、本実施形態の送電装置１００の位置検出装置は、受電装置２００における受電コイルＬ２の近接を検出し、そのことを示す情報を出力することができる。これにより、ユーザは受電装置２００が適切な位置に到達したことを知ることができるため、位置あわせを容易に行うことができる。

なお、本実施形態における動作は図７に示す動作に限定されない。例えば、ステップＳ６０５における判定処理を所定の結合係数ｋを超えたか否かの絶対量で評価するだけでなく、結合係数ｋの時間的な変化量が十分小さくなったことによって検出しても良い。また、複数の閾値を設け、結合係数ｋのレベルに応じて受電コイルＬ２の近接の程度を示す段階的な情報を表示素子１７０あるいは表示素子２７０に出力するようにしてもよい。

（実施形態２）
図８は、本開示の第２の実施形態に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。

本実施形態の基本構成は実施の形態１と同様であるが、送電共振器１１０に含まれる送電コイルと位置あわせに用いる検出コイルとを別にしている点が異なる。位置あわせのための検出コイルを別にすることにより、送電共振器１１０と発振回路１５０との間にスイッチが不要になるだけでなく、検出コイルと送電コイルとを異なる位置に配置できるため、送電装置１００の設計の自由度が向上する。

また、送電中に受電コイルが移動するような環境（例えば、車載充電器や、自走式ロボット、走行中給電）においては、送電しながら結合係数の時間変化をリアルタイムに計測できる。この計測結果に基づき、例えば結合係数の時間的変化に応じて送電周波数を最適な値に変更したり、安全に送電を停止することができる。これにより、無線電力伝送システムの安全性を高め、かつ、伝送効率を高めることができるという格別の効果がある。

なお、本実施形態では、送電共振器１１０ではなく検出コイル１１２が本開示における第１共振器として機能する。したがって、測定回路１６０は、第１の周波数ｆ１で発振回路１５０が発振しているときに検出コイル１１２の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）を測定し、第２の周波数ｆ２で発振回路１５０が発振しているときに検出コイル１１２の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を測定する。そして、これらの検出値に基づいて、検出コイル１１２に対する受電共振器２１０の相対位置が検出される。検出コイル１１２の送電共振器１１０に対する配置関係は既知であるため、検出コイル１１２に対する受電共振器２１０の相対位置が検出されると、その結果として、送電共振器１１０に対する受電共振器２１０の相対位置も検出される。検出コイル１１２は、典型的には送電共振器１１０に近接して配置されるため、検出コイル１１２に受電共振器２１０が十分に近接するように位置あわせが達成されると、受電共振器２１０と送電共振器１１０との距離も十分に小さくなり、無線電力伝送を効率よく実行することができる。

（実施形態３）
図９は、本開示の第３の実施形態に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。

本実施形態の基本構成は実施形態１と同様であるが、図１の考え方を図３の考え方に変更し、位置あわせのための発振回路２５０と測定回路２６０とを受電装置２００に搭載している点、および、送電共振器１１０が並列コンデンサを備え共振周波数ｆｒで共振している点が異なる。

送電装置１００に比べ、受電装置２００が大きい場合がある。例えば、タブレット端末など大型の受電装置２００を、小型の送電装置１００から充電する場合がある。このような場合、送電装置１００が位置あわせのための表示素子１７０を有していると、表示素子１７０が受電装置２００で隠れてしまい、正確に位置あわせができているか確認することが困難であるという課題がある。送電装置１００が位置あわせのための表示素子１７０を有している場合でも、使用者の位置あわせ時のユーザビリティが低下する場合がある。

本実施形態の無線電力伝送システムでは、位置あわせモードにおいて、受電装置２００が備える発振回路２５０が周波数ｆ１、ｆ２で発振しているときに、受電装置２００が備える測定回路２６０が、受電共振器２１０の周波数を測定することにより、受電共振器２１０の入力インピーダンスを測定することができる。すなわち、送電共振器１１０と受電共振器２１０とが電磁界で結合し、送電装置１００が位置あわせモードで動作しているときは、受電装置２００の受電共振器２１０においても、２つの周波数ｆ１、ｆ２の発振波形を観測できる。これを測定し、得られた発振周波数ｆ１、ｆ２の比から式５を用いて結合係数ｋを算出・推定することができる。これを実現するため、本実施形態の発振回路２５０には、ＬＣ共振原理に基づく公知の自励式の発振回路が使用される。なお、本実施の形態で得られる結合係数は、回路の可逆性が成り立つ系であれば、送電共振器側から結合係数を推定した場合も、受電共振器側から推定した場合も、同一の値を示す。すなわち、実施形態１および実施形態２で推定した結合係数と同じ値となる。

本実施形態によれば、例えば、送受電コイル間の結合係数ｋの変化に応じて受電装置２００の表示素子２７０の表示を変化させることにより、ユーザに正確に位置あわせができているか通知することができる。なお、本実施形態の構成は、受電装置２００が送電装置１００よりも大型である場合に限定されず、採用可能である。受電装置２００が発振回路２５０を備える場合、本実施形態の構成を採用することは容易である。

（実施形態４）
図１０は、本開示の第４の実施形態に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。基本構成は実施の形態３と同様であるが、位置あわせのための発振回路１５０および測定回路１６０が送電装置１００に設けられ、発振回路２５０が受電装置２００に設けられていない点で異なる。

実施形態３と同様にして測定回路２５０を用いて受電装置２００の側で算出・推定した結合係数ｋに応じて、受電装置２００の表示素子２７０によって、ユーザに現在の位置あわせの程度を通知する機能を実現できる。本実施形態の構成によれば、送電装置１００の側と受電装置２００の側の両方で位置あわせの程度を検出できる。また、受電装置２００には発振回路１５０が不要であるため、受電装置２００を薄型化できるという効果がある。

なお、実施形態３、４では、実施形態２と同様に、受電コイルと検出コイルとを別にしてもかまわない。

（実施形態５）
図１１Ａは、本開示の第５の実施形態に係る無線電力伝送システムを示す図である。本実施形態では、送電装置１００は無線充電装置（送電台）であり、受電装置２００はスマートフォンやタブレットといったモバイル端末である。本実施形態では、送電装置１００は、送電コイルＬ１を移動させる移動機構と、移動機構を制御する移動制御回路とをさらに備えている。この点を除く構成は実施の形態１におけるものと同様である。なお、移動制御回路は、送電制御回路１４０に組み込まれていてもよい。以下の説明では、送電制御回路１４０が移動制御回路の機能を有しているものとする。

本実施形態では、送電台１００への端末２００の積載を検知すると、送電制御回路１４０は、移動機構を制御し、送電コイルＬ１を、例えば初期位置Ｐ１から目標位置Ｐ３に向かって移動させる。この移動の初期方向は、図１１Ａに示すＸ方向でもＹ方向でもよいし、それ以外の任意の方向でもよい。

移動の間、送電制御回路１４０は発振動作を継続し、測定回路１６０は式２もしくは式５、または式２もしくは式５の補正式に基づく結合係数の推定を継続的に行う。送電コイルＬ１が端末内の受電コイルＬ２に接近すると、端末内部の金属（基板のグランドやアンテナなど）の影響により、図１１Ｂに示すように、発振周波数が増加する。発振周波数が増加し、閾値ｆｔｈを超えると、この閾値を下回らないように移動を継続させることにより、端末に沿って送電コイルＬ１を受電コイルＬ２に接近させることができる。この制御には、例えばＰＩＤ制御（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−ｉｎｔｅｇｒａｌ−ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）などの公知の制御技術を用いることができる。

図１１Ａに示す例では、送電コイルＬ１が位置Ｐ２まで移動すると、図１１Ｃに示すように結合係数ｋが増加し始める。測定回路１６０が結合係数ｋの増加を検出すると、送電制御回路１４０は、ＰＩＤ制御のパラメータを変更し、結合係数ｋが閾値ｋｔｈを超えるように受電コイルＬ２の中心位置Ｐ３を探索する。送電制御回路１４０は、例えば結合係数ｋが閾値ｋｔｈを超えた後、結合係数の変化量が実質的に０になったこと（すなわち極大値に達したこと）を検出すると、送電コイルＬ１の移動を停止し、送電を開始する。

本実施形態では、図１１Ａに示す構成の代わりに図１２Ａおよび図１２Ｂに示す構成を採用してもよい。図１２Ａは充電中の送電台１００および端末２００を示す平面図であり、図１２Ｂはその右側面図である。この例では、送電台１００は、端末２００を支持する位置あわせ補助突起１０１を備えている。端末２００が送電台１００の上に積載されるとき、補助突起１０１の効果により、端末２００の積載角度が固定されるため、図１１Ａに示す構成よりも探索が容易である。

本実施形態では、送電台１００への端末２００の積載を検知すると、送電制御回路１４０は、移動機構を制御し、送電コイルＬ１を位置Ｐ１から目標Ｐ３に向かって移動させる。この移動の初期方向は、例えば、Ｐ１からＰ１’へ向かう斜め方向に設定され得る。

その後の動作は、図１１Ｂおよび図１１Ｃを参照して説明した上記の動作と同様である。すなわち、移動の間、送電制御回路１４０は発振回路１５０の動作を継続させ、測定回路１６０は結合係数ｋの推定を連続的に行う。送電コイルＬ１が端末内の受電コイルＬ２に接近すると、端末内部の金属（基板のグランドやアンテナなど）の影響により、図１１Ｂに示すように発振周波数が増加する。発振周波数が増加し閾値ｆｔｈを超えると、この閾値を低下しないように移動を継続させることにより、送電コイルＬ１を受電コイルＬ２に接近させる。この制御には、ＰＩＤ制御などの公知の制御技術が用いられる。

送電コイルＬ１が位置Ｐ２まで移動すると、図１１Ｃに示すように、結合係数ｋが増加し始める。送電制御回路は、結合係数ｋの増加を検出すると、ＰＩＤ制御のパラメータを変更し、結合係数ｋが閾値ｋｔｈを超えるように受電コイルＬ２の中心位置Ｐ３を探索する。送電制御回路１４０は、例えば結合係数ｋが閾値ｋｔｈを超えた後、結合係数の変化量が実質的に０になったこと（すなわち極大値に達したこと）を検出すると、送電コイルＬ１の移動を停止し、送電を開始する。

以上のように、本実施形態によれば、まず発振周波数が閾値ｆｔｈを下回らないように送電コイルＬ１を移動させることにより、送電コイルＬ１を受電コイルＬ２に接近させる。その上で、式２もしくは式５、または式２もしくは式５の補正式に基づいて結合係数ｋが極大値をとる送電コイルＬ１の位置を探索する。これにより、端末２００の位置や向きによらず、送電コイルＬ１を受電コイルＬ２の近傍まで自動で接近させることができる。

（その他の実施形態）
上記の実施形態１〜５によれば、位置検出装置は、例えば数μＡ〜数ｍＡで動作可能であるため、省電力の回路で位置検出を実現し得る。一方、無線電力伝送時は、例えば数Ｗ〜数ｋＷの電力を送電共振器１１０から受電共振器２１０に伝送する。この無線電力伝送中に受電コイルが急激に位置ずれした場合に、送電モードから位置あわせモードに移行すると、コイルの蓄積エネルギが位置あわせ回路に流入し、位置あわせ回路の耐圧を越え焼損する可能性が生じる。

本実施形態では、無線電力伝送中にコイルに蓄積されたエネルギをグランドに逃がしてから位置あわせモードに移行する。こうすることにより、位置あわせ用の回路の焼損を防ぐことができる。具体的には、無線電力伝送モードから位置あわせモードに切り替える場合、まず、送電回路１２０に含まれるインバータのうち、グランドに直結されているＭＯＳＦＥＴのスイッチをＯＮにする。例えば、後述する図１５に示す回路構成においては、送電共振器１１０内のコイルＬ１およびグランドに直結されているスイッチＱ４をＯＮにする。これにより、送電共振器１１０内のコイルＬ１に蓄積されていたエネルギをグランドに逃がす。その後、所定の時間経過後に位置あわせモードを開始すればよい。このような動作は、前述した実施形態のいずれでも実現可能である。

本開示の結合係数推定方法は、無線電力伝送を電磁誘導または磁界共振によって実現する場合に限定されず、他の電力伝送方式によって実現する場合にも適用できる。例えば、コイル対でなく、電極対を電力伝送に用いる電界結合方式（特許文献２）においては、電極間の結合係数は次式で算出できる。
Ｃｉｎ（ｆ）＝Ｃ１｛１−ｋ²／（１−（ｆｒ／ｆ）²）｝ ・・・式６

Ｃｉｎ（ｆ）は送電共振器側の電極について測定され得る入力キャパシタンス値であり、Ｃ１は送電電極の容量値である。周波数ｆｒは、受電共振器の電極に並列インダクタを備えることで形成される並列共振回路の共振周波数である。本実施形態においては、式２、式５と同様に、２つの周波数における入力キャパシタンスの測定結果から結合係数が推定できる。入力キャパシタンスの測定手段は前述の通り、自励式の発振回路を用いてもよい。

（実施例１）
図１３は、送電装置１００および受電装置２００の実施例を示す図である。この例では、送電装置１００は机上に置かれた充電装置であり、受電装置２００はタブレット端末やスマートフォンといったモバイル端末である。本実施形態における送電装置１００はインジケータＩ１を備え、受電装置２００はインジケータＩ２およびＩ２ｄを備えている。インジケータＩ１、インジケータＩ２は前述した表示素子の例である。インジケータＩ２ｄは前述した複数の光源の集合体の例としてディスプレイを示している。図１３（ａ）は、位置あわせを開始した状態を示している。図１３（ｂ）は、モバイル端末を充電装置に近接させることにより、受電共振器２１０を送電共振器１１０に接近させるようにして位置あわせを行う途中の状態を示している。図１３（ｃ）は、位置あわせが完了した状態を示している。

充電装置２００の受電コイルＬ２が送電装置１００のコイルＬ１に近接することによる結合係数の変化に応じて、インジケータＩ１またはインジケータＩ２、Ｉ２ｄの状態を連続的に変化させ、位置決めのレベルをユーザに通知できる。例えば、位置あわせの程度に応じてインジケータＩ１、Ｉ２の明るさを増加させたり、送電共振器１１０と受電共振器２１０の位置あわせの程度を数値または図形描写でリアルタイムで図示しても良い。このようにすることで、ユーザ自身による位置あわせを送電装置もしくは受電装置で直感的にサポートできる。

なお、受電装置２００がインジケータＩ２を備えない場合、受電装置２００のディスプレイ上に位置あわせのレベルを示す情報を表示させてもよい。

（実施例２）
図１４は、送電装置１００および受電装置２００の他の例を示す図である。この例では、送電装置１００は道路に埋設された送電コイルを備える充電装置であり、受電装置２００は、受電コイルを備える電気自動車である。図１４（ａ）は、位置あわせを開始した状態を示している。図１４（ｂ）は、電気自動車を後退させることにより、受電共振器２１０を送電共振器１１０に接近させるようにして位置あわせを行う途中の状態を示している。図１４（ｃ）は、位置あわせが完了した状態を示している。

この例でも、インジケータＩ１、Ｉ２に位置あわせが適切に行われているか否かを通知させることにより、位置あわせをサポートできる。この例における電気自動車の駆動系は、推定した結合係数ｋの値に基づいて送電共振器１１０に対する受電共振器２１０の位置がずれていると判断した場合に、自動で受電装置２００が最適な位置まで移動するように構成されていてもよい。このような自動位置あわせは、送電装置１００が送電共振器１１０を受電共振器２１０に接近するように移動させることによって実行されてもよい。その場合、送電装置１００は、位置検出装置の出力に応じて送電共振器１１０を移動させる駆動機構を備えている。

（回路構成の例）
図１５は、本開示に係る実施形態１における無線電力伝送システムの回路構成の例を示す図である。

送電共振器１１０は、送電コイルＬ１と、送電コイルＬ１に直列に接続されたコンデンサＣ１とを有している。一方、受電共振器２１０は、受電コイルＬ２と、受電コイルＬ２に並列に接続されたコンデンサＣ２ｐと、受電コイルＬ２に直列に接続されたコンデンサＣ２ｓとを有している。

この実施例では、送電コイルＬ１の外形は３９ｍｍでインダクタンスはＬ１＝１３．６μＨに設定されている。受電コイルＬ２の外形は３４ｍｍでインダクタンスはＬ２＝１５．８μＨに設定されている。直列コンデンサＣ１の容量は１８０ｎＦ、直列コンデンサＣ２ｓおよび並列コンデンサＣ２ｐの容量は、それぞれ、Ｃ２ｓ＝１２０ｎＦ、Ｃ２ｐ＝１５９０ｐＦに設定されている。送電コイルＬ１は１００ｋＨｚで共振し、受電コイルＬ２は、１１５ｋＨｚと１０００ｋＨｚとで共振する。

送電コイルＬ１はスイッチＳ１、Ｓ２を介して発振回路１５０に接続されている。本実施例における発振回路１５０は、自励式のＬＣ発振回路として機能するピアス発振回路である。発振回路１５０が有する抵抗Ｒｆと抵抗Ｒｄは、回路の励振レベルを調整する素子である。発振回路１５０は、さらに発振周波数を変更するための調整インダクタＬｍとスイッチＳ３を備えている。受電コイルの共振周波数ｆｒ＝１１５ｋＨｚ，ｆｒ＝１０００ｋＨｚとは異なる２つの周波数、ｆ１＝４００ｋＨｚ（Ｓ１とＳ２オン、Ｓ３オフ）、ｆ２＝１５００ｋＨｚ（Ｓ１とＳ２オン、Ｓ３オン）で発振するようＬｍおよびＣ１１、Ｃ１２の値を決定した。Ｃ１およびＣ２ｓはｆ１、ｆ２において短絡に見え、Ｃ２ｐはｆ１では開放、ｆ２では短絡に見えるため、結合係数推定に係る主となるコンデンサはＣ２ｐであると考えてよい。なお、本実施例での結合係数の推定式は、式５を補正した次式（式７）を採用している。
ｋ²≒１−ｆ１²／（ｆ２²−ｆ３²）・・・式７

発振周波数ｆ３はＳ１とＳ２をオフ、Ｓ３をオンにした場合の発振周波数である。すなわち、周波数ｆ３を測定することは、調整インダクタLmのインダクタンス値を測定していることと等価である。送電コイルＬ１が周波数ｆ２で発振しているとき、その発振周波数には、送電コイルＬ１の入力インダクタンス値に基づく成分と、調整インダクタＬｍのインダクタンス値に基づく成分とが含まれている。このため、式７の第二項の分母においては、調整インダクタＬｍの影響を取り除いた上で結合係数を算出している。このように、測定回路１６０は、式５の代わりに式５に基づく補正式７によって算出される結合係数ｋに基づいて第１共振器１１０に対する第２共振器１２０の相対位置を検出してもよい。なお、自励式のＬＣ発振回路は、前述の通り種々の回路トポロジが存在するため、補正式は式７に限定されない。当業者であれば、異なる回路トポロジを採用したとしても、式５の補正式の導出は容易である。同様に、式２を用いる場合も、回路トポロジに応じて式２を補正した補正式を用いて結合係数ｋを算出してもよい。

ネットワークアナライザを用いた結合係数の実測結果と、図１５の位置検出装置を用いた結合係数の推定結果をあわせて図１６に示す。

測定結果を比較すると、実測結果と測定結果が良好に一致していることが判り、本開示の推定式の有効性が確認できる。例えば、結合係数が０．４以上のとき、安全かつ効率よく送電できる送電装置を設計した場合、図７のフローチャートの状態Ｓ６０５において、結合係数が０．４以上となる場合に位置あわせ成功となるよう閾値を設定したとすると、本実施例においては送受電コイルの相対位置ずれが±８ｍｍとなる充電装置を提供することができる。

本開示の第１の態様に係る送電装置は、
第１コイルを含む第１共振器を備え、第２コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有する第２共振器及び負荷を備えた受電装置の位置を検出する送電装置であって、
前記第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）及び前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で交流電力を発振する発振回路と、
前記第１共振器と前記第２共振器とが電磁的に結合しているときに前記第１共振器のインダクタンス値を測定する測定回路と、を備え、
前記測定回路は、前記第１の周波数（ｆ１）で前記発振回路が前記交流電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と、前記第２の周波数ｆ２で前記発振回路が前記交流電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を検出し、ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）の式によって算出される結合係数ｋを算出し、前記結合係数ｋに基づいて前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する。

上記態様によると、前記第２コイルの両端にキャパシタを設け、前記第２コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を前記受電装置に設ける。このことにより、前記発振回路で前記第２共振器（受電共振器）の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）で駆動すると、前記キャパシタに電流が流れないので、前記第２コイルの両端が実質的に開放されている状態を作り出せる。また、前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で駆動すると、前記キャパシタに電流が流れるので、前記第２コイルの両端が短絡している状態を作り出せる。

よって、前記第２共振器の両端が実質的に開放されて見える状態の時の前記第１共振器（送電共振器）の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）を測定するには、前記発振回路で第１の周波数（ｆ１）の前記交流電力を発振し、前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）を測定すればよい。また、前記第２コイルの両端が短絡しているように見える状態の時の前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を測定するには、前記発振回路で第２の周波数（ｆ２）の前記交流電力を発振し、前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を測定すればよい。測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）から前記結合係数を算出することができる。

例えば、特許文献３では、結合係数を算出するために、前記第２コイルの両端が実質的に開放されている状態と短絡している状態とに切り替える短絡用スイッチおよび前記短絡用スイッチを制御する第１の制御回路とが受電装置に必要である。また、前記第１の制御回路による前記短絡用スイッチの切替えを制御する第２の制御回路を前記送電装置に設ける必要がある。

従って、本開示の第１の態様によると、前記第２コイルの両端にキャパシタを設けるだけで、前記第２コイルの両端が実質的に開放されている状態と前記第２コイルの両端が短絡している状態とを作り出すことができる。そのため、前記第２コイルの両端に設けた前記短絡用スイッチ及び前記第１の制御回路を前記受電装置に設ける必要はなく、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御する煩わしさをなくすことができる。その結果、前記結合係数を用いて位置あわせを行うので、コスト増を招くことなく、簡易な構成で前記負荷が変動しても高精度で位置あわせを行うことができる。

本開示の第２の態様に係る送電装置は、本開示の第１の態様に係る送電装置において、前記発振回路に送電周波数、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）を設定し、
前記送電周波数を用いて前記送電装置から前記受電装置に無線電力を送電させ、また、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）を用いて前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を前記測定回路に検出させる制御回路を備える。

上記態様によると、前記１つの発振回路で、前記送電装置から前記受電装置に、前記送電周波数の前記無線電力を送電し、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）の前記交流電力を送電するので、部品点数が減りコストダウンが図れる。

本開示の第３の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜２のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記第２コイルが短絡しているとき、前記第１の周波数ｆ１に対応する入力インダクタンス値と前記第２の周波数ｆ２に対応する入力インダクタンス値とが実質的に等しい。

本開示の第４の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜３のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記測定回路は、前記発振回路が前記第１の周波数から前記第２の周波数に切替え、また、前記第２の周波数から前記第１の周波数に切替えてから所定の時間経過後、前記発振された交流電力の電圧、電流の振幅などを監視し、前記振幅が一定幅に収束したときに前記入力インダクタンス値を測定する。

上記態様によると、発振周波数を切替えた瞬間は過渡応答があり測定値が安定しないため、所定時間経過後に測定を開始することで精度よく入力インダクタンスを測定することができる。

本開示の第５の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜４のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記制御回路は、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置が、前記送電装置から前記受電装置への前記無線電力の送電が可能な位置であると判断した場合、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）から前記送電周波数に切り替えて、前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電させる。

上記態様によると、前記第１共振器に対する前記第２共振器の位置あわせが完了してから、前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電する。従って、安全性を確保しつつ、前記送電装置から前記受電装置に高い伝送効率で前記無線電力を伝送できる。

本開示の第６の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜５のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記第１共振器は、無線電力伝送に使用される送電コイルを含み、
前記発振回路と前記送電コイルとの間の電気的接続を切り替えるスイッチを備え、
前記無線電力伝送の送電時に、前記スイッチによって、前記発振回路と前記送電コイルとの間の電気的接続を遮断する。

上記態様によると、送電時の前記無線電力は、前記位置検出時に出力する交流電力より大きい。よって、送電時の前記無線電力によって、前記発振回路を焼損する可能性がある場合は、前記送電共振器と発振回路との間に前記スイッチを設けて両者の間を送電時に電気的に遮断して、前記位置検出を行う前記発振回路に前記無線電力が侵入してくることを防止することができる。

本開示の第７の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜６のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電する際に使用される第３コイルを含む第３共振器を、前記第１共振器とは別個に設けた。

上記態様によると、位置あわせのための前記第１コイル（検出コイル）を備えた前記第１共振器を別にすることにより、前記第１コイルと前記第３コイル（送電コイル）とを異なる位置に配置できるため、前記送電装置の設計の自由度が向上する。

また、送電中に前記第２コイル（受電コイル）が移動するような環境（例えば、車載充電器や、自走式ロボット、走行中給電）においては、送電しながら結合係数の時間変化をリアルタイムに計測できる。この計測結果に基づき、例えば結合係数の時間的変化に応じて送電周波数を最適な値に変更し、安全に送電を停止することができる。これにより、安全性を高め、かつ、伝送効率を高めることができる。

本開示の第８の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜７のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記制御回路は、
前記無線電力の送電を停止させた後、前記第１共振器に蓄積されたエネルギをグランドに放出する制御を行い、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を前記測定回路に検出させる。

上記態様によると、無線電力伝送中にコイルに蓄積されたエネルギをグランドに逃がしてから位置あわせモードに移行する。こうすることにより、位置あわせの処理用の回路の焼損を防ぐことができる。

本開示の第９の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜８のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記制御回路は、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置が、前記送電装置から前記受電装置への前記無線電力の送電が可能な位置であると判断した場合、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）から前記送電周波数に切り替えて、前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電させる。

本開示の第１０の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜9のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記送電コイルに電力を供給する送電回路と、
前記送電回路および前記発振回路を制御する前記制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記測定回路の測定結果に応じて前記送電回路を制御し、送電状態を調整する。

上記態様によると、前記測定回路による検出結果に基づき、例えば前記結合係数の時間的変化に応じて送電周波数および送電電圧を最適な値に決定し、安全に送電を停止することができる。これにより、無線電力伝送システムの安全性を高め、かつ、伝送効率を高めることができる。

本開示の第１１の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜１０のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記制御回路は、前記測定回路による検出結果に応じて送電周波数および送電電圧を決定する。

上記態様によると、前記測定回路による検出結果に基づき、例えば前記結合係数の時間的変化に応じて送電周波数および送電電圧の初期値を最適な値に決定し、安全に送電を停止することができる。これにより、無線電力伝送システムの安全性を高め、かつ、伝送効率を高めることができる。

本開示の第１２の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜１１のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記送電装置は、表示素子を有し、
前記制御回路は、前記結合係数ｋが所定値を超えたとき前記表示素子を表示させる。

上記態様によると、前記結合係数ｋが所定値を超えたとき、前記受電共振器の位置が前記送電共振器に対して適切な位置（充電可能な位置）にあると判断する。前記判断結果によって、例えば、前記送電装置または前記受電装置に設けられた光源、ディスプレイ、スピーカなどの前記表示素子を表示させる。そして、前記表示素子から光、映像、音声などの情報として使用者に通知し、前記受電共振器の位置が前記送電共振器に対して適切な位置（充電可能な位置）にあることを使用者に知らせることができる。前記表示素子は、視覚的情報を提示する素子に限定されず、聴覚的情報（音または音声）のみを提示する素子をも広く含むものとする。

本開示の第１３の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜１２のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記受電装置は、表示部を有し、
前記制御回路は、前記結合係数ｋが所定値を超えたとき、前記受電装置が前記送電装置から送電可能な領域に位置していることを示す表示情報を前記表示部に表示させるための制御コマンドを、前記受電装置に送出させる制御を行う。

上記態様によれば、前記受電装置に表示部を設けている。一般的な場合では、前記受電装置は前記送電装置の上側に位置するので、前記送電装置に設けられた前記表示部が前記受電装置で隠れてしまう場合がある。従って、前記送電装置の上側に位置する前記受電装置に前記表示部を設けることで、前記受電共振器の位置が前記送電共振器に対して適切な位置（充電可能な位置）にあることを使用者に知らせることができる。前記表示部は、例えば、スマ−トフォンのような面積が広い表示画面であってもよい。また、前記表示部は、前記表示素子であってもよい。

本開示の第１４の態様に係る送電装置は、
第１コイルを含む第１共振器を備え、第２コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有する第２共振器及び負荷を備えた受電装置の位置を検出する送電装置であって、
前記第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）及び前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で交流電力を発振する発振回路と、
前記第１共振器と前記第２共振器とが電磁的に結合しているときに前記第１共振器のインダクタンス値を測定する測定回路と、を備え、
前記測定回路は、前記第１の周波数（ｆ１）に対応する第１インダクタンス値が前記第１の周波数（ｆ１）の２乗に反比例するとき、且つ、前記第２の周波数（ｆ２）に対応する第２インダクタンスが前記第２の周波数（ｆ２）の２乗に反比例するとき、ｋ²＝１−（ｆ１）²／（ｆ２）²の式によって算出される結合係数ｋを算出し、前記結合係数ｋに基づいて前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する。

上記態様によると、前記発振回路が自励式の発振回路の場合、前記入力インダクタンス値をＬとし、前記キャパシタをＣとすると、前記自励式の発振回路の周波数ｆはLC共振原理に基づく発振回路である場合、ｆ＝１／（２π×（ＬＣ）＾（１／２））の式で表すことができる。容量Cは回路定数で既知であるから、前記入力インダクタンス値Ｌが前記発振回路の周波数の２乗に反比例するので、前記結合係数の式であるｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）をｋ²＝１−ｆ１²／ｆ２²の式に置き換えることができる。このことにより、前記測定回路で前記入力インダクタンスを測定していたが、前記発振回路が発振する周波数ｆ１及びｆ２の値を用いればよい。よって、前記測定回路で前記入力インダクタンスを測定する必要がなくなるので、前記結合係数を速く算出することができる。なお、前記周波数ｆ１及び前記周波数ｆ２の値は、前記第１共振器の前記周波数ｆ１及び前記周波数ｆ２を前記測定回路が測定してもよい。また、他の発振回路でも同様の考え方が適用でき当業者では容易に類推可能である。

本開示の第１５の態様に係る送電装置は、本開示の第１４の態様に係る送電装置において、
前記発振回路に送電周波数、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）を設定し、
前記送電周波数を用いて前記送電装置から前記受電装置に無線電力を送電させ、また、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）を用いて前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を前記測定回路に検出させる制御回路を備える。

上記態様によると、前記１つの発振回路で、前記送電装置から前記受電装置に、前記送電周波数の前記無線電力を送電し、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）の前記交流電力を送電するので、部品点数が減りコストダウンが図れる。

本開示の第１６の態様に係る送電装置は、本開示の第１４〜１５のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記第２コイルが短絡しているとき、前記第１の周波数ｆ１に対応する入力インダクタンス値と前記第２の周波数ｆ２に対応する入力インダクタンス値とが実質的に等しい。

本開示の第１７の態様に係る送電装置は、本開示の第１４〜１６のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記測定回路は、前記発振回路が前記第１の周波数から前記第２の周波数に切替え、また、前記第２の周波数から前記第１の周波数に切替えてから所定の時間経過後、前記発振された交流電力の電圧、電流の振幅などを監視し、前記振幅が一定幅に収束したときに前記入力インダクタンス値を測定する。

上記態様によると、発振周波数を切替えた瞬間は過渡応答があり測定値が安定しないため、所定時間経過後に測定を開始することで精度よく入力インダクタンスを測定することができる。

本開示の第１８の態様に係る送電装置は、本開示の第１４〜１７のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記制御回路は、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置が、前記送電装置から前記受電装置への前記無線電力の送電が可能な位置であると判断した場合、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）から前記送電周波数に切り替えて、前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電させる。

上記態様によると、前記第１共振器に対する前記第２共振器の位置あわせが完了してから、前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電する。従って、安全性を確保しつつ、前記送電装置から前記受電装置に高い伝送効率で前記無線電力を伝送できる。

本開示の第１９の態様に係る送電装置は、本開示の第１４〜１８のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記第１共振器は、無線電力伝送に使用される送電コイルを含み、
前記発振回路と前記送電コイルとの間の電気的接続を切り替えるスイッチを備え、
前記無線電力伝送の送電時に、前記スイッチによって、前記発振回路と前記送電コイルとの間の電気的接続を遮断する。

上記態様によると、送電時の前記無線電力は、前記位置検出時に出力する交流電力より大きい。よって、送電時の前記無線電力によって、前記発振回路を焼損する可能性がある場合は、前記送電共振器と発振回路との間に前記スイッチを設けて両者の間を送電時に電気的に遮断して、前記位置検出を行う前記発振回路に前記無線電力が侵入してくることを防止することができる。

本開示の第２０の態様に係る送電装置は、本開示の第１４〜１９のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電する際に使用される第３コイルを含む第３共振器を、前記第１共振器とは別個に設けた。

上記態様によると、位置あわせのための前記第１コイル（検出コイル）を備えた前記第１共振器を別にすることにより、前記第１コイルと前記第３コイル（送電コイル）とを異なる位置に配置できるため、前記送電装置の設計の自由度が向上する。

また、送電中に前記第２コイル（受電コイル）が移動するような環境（例えば、車載充電器や、自走式ロボット、走行中給電）においては、送電しながら結合係数の時間変化をリアルタイムに計測できる。この計測結果に基づき、例えば結合係数の時間的変化に応じて送電周波数を最適な値に変更し、安全に送電を停止することができる。これにより、安全性を高め、かつ、伝送効率を高めることができる。

本開示の第２１の態様に係る送電装置は、本開示の第１４〜２０のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記制御回路は、
前記無線電力の送電を停止させた後、前記第１共振器に蓄積されたエネルギをグランドに放出する制御を行い、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を前記測定回路に検出させる。

上記態様によると、無線電力伝送中にコイルに蓄積されたエネルギをグランドに逃がしてから位置あわせモードに移行する。こうすることにより、位置あわせの処理用の回路の焼損を防ぐことができる。

本開示の第２２の態様に係る送電装置は、本開示の第１４〜２１のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記制御回路は、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置が、前記送電装置から前記受電装置への前記無線電力の送電が可能な位置であると判断した場合、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）から前記送電周波数に切り替えて、前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電させる。

本開示の第２３の態様に係る送電装置は、本開示の第１４〜２２のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記送電コイルに電力を供給する送電回路と、
前記送電回路および前記発振回路を制御する前記制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記測定回路の測定結果に応じて前記送電回路を制御し、送電状態を調整する。

上記態様によると、前記測定回路による検出結果に基づき、例えば前記結合係数の時間的変化に応じて送電周波数および送電電圧を最適な値に決定し、安全に送電を停止することができる。これにより、無線電力伝送システムの安全性を高め、かつ、伝送効率を高めることができる。

本開示の第２４の態様に係る送電装置は、本開示の第１４〜２３のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記制御回路は、前記測定回路による検出結果に応じて送電周波数および送電電圧を決定する。

上記態様によると、前記測定回路による検出結果に基づき、例えば前記結合係数の時間的変化に応じて送電周波数および送電電圧の初期値を最適な値に決定し、安全に送電を停止することができる。これにより、無線電力伝送システムの安全性を高め、かつ、伝送効率を高めることができる。

本開示の第２５の態様に係る送電装置は、本開示の第１４〜２４のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記送電装置は、表示素子を有し、
前記制御回路は、前記結合係数ｋが所定値を超えたとき前記表示素子を表示させる。

上記態様によると、前記結合係数ｋが所定値を超えたとき、前記受電共振器の位置が前記送電共振器に対して適切な位置（充電可能な位置）にあると判断する。前記判断結果によって、例えば、前記送電装置または前記受電装置に設けられた光源、ディスプレイ、スピーカなどの前記表示素子を表示させる。そして、前記表示素子から光、映像、音声などの情報として使用者に通知し、前記受電共振器の位置が前記送電共振器に対して適切な位置（充電可能な位置）にあることを使用者に知らせることができる。前記表示素子は、視覚的情報を提示する素子に限定されず、聴覚的情報（音または音声）のみを提示する素子をも広く含むものとする。

本開示の第２６の態様に係る送電装置は、本開示の第１４〜２５のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記受電装置は、表示部を有し、
前記制御回路は、前記結合係数ｋが所定値を超えたとき、前記受電装置が前記送電装置から送電可能な領域に位置していることを示す表示情報を前記表示部に表示させるための制御コマンドを、前記受電装置に送出させる制御を行う。

上記態様によれば、前記受電装置に表示部を設けている。一般的な場合では、前記受電装置は前記送電装置の上側に位置するので、前記送電装置に設けられた前記表示部が前記受電装置で隠れてしまう場合がある。従って、前記送電装置の上側に位置する前記受電装置に前記表示部を設けることで、前記受電共振器の位置が前記送電共振器に対して適切な位置（充電可能な位置）にあることを使用者に知らせることができる。前記表示部は、例えば、スマ−トフォンのような面積が広い表示画面であってもよい。また、前記表示部は、前記表示素子であってもよい。

本開示の第２７の態様に係る送電装置は、
第１コイルを含む第１共振器を備え、第２コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有する第２共振器及び負荷を備えた受電装置の位置を検出する送電装置であって、
前記第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）及び前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で無線電力を発振する発振回路と、
前記第１共振器と前記第２共振器とが電磁的に結合しているときに前記第１共振器の入力インダクタンス値を測定する測定回路と、を備え、
前記測定回路は、前記第１の周波数（ｆ１）で前記発振回路が前記無線電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と、前記第２の周波数ｆ２で前記発振回路が前記無線電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を検出し、
前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）の比に基づいて、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する。

上記態様によると、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出は、前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）の比に基づいて、行っている。「前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）の比に基づいて」の意味について説明する。

結合係数ｋを算出する式１［ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）］は、
式２［Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）＝１−ｋ²］に変形できる。よって、Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）が決まると、結合係数を一意的に決めることができる。従って、前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）の比に基づいて、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出できる。

前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）はキャパシタが短絡した状態になるので、負荷変動の影響を受けない。一方、前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）はキャパシタが解放した状態になるので、負荷変動の影響を受ける。

しかし、特許文献１における結合係数の推定は、受電装置の負荷を変化させ、送電側から所定の周波数範囲において反射係数を測定して、結合係数を推定する。その場合、負荷が変動すると反射係数も変動し、結合係数も変動してしまう。その結果、正確な位置あわせができなくなる。このように、特許文献１のような負荷変動がダイレクトに結合係数の変動となる推定方法に比べ、上記態様である式２の分母である前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）のみが負荷変動を受ける結合係数の方が、位置あわせを正確に行うことができる。そして、前記第２コイルの両端にキャパシタを設けるだけなので、前記受電装置に配置される前記短絡用スイッチや制御回路が不要となり、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御しなければならないという煩わしさをなくすことができる。そして、コストの増加はほとんど招かない。

また、上記態様において、前記受電回路と前記負荷との間の電気的接続の導通または非導通を切り替える短絡用負荷スイッチを設け、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出している間は、前記短絡用負荷スイッチにより、前記受電回路と前記負荷との間の電気的接続を非導通とし、負荷変動の影響を受けないようにしてもよい。このようにすることで、前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）の比に基づいて、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する場合でも高精度に位置あわせを行うことができる。

一般的には、前記受電回路と前記負荷との間に、前記負荷に過電流が流れないように保護回路が設けられている。この保護回路を用いて、前記負荷の変動幅が閾値を超えたとき、前記受電回路と前記負荷との間の電気的接続を非導通としてもよい。また、送電前に受電回路と負荷の間の電気的接続を非道通にすることで、前述の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）は負荷の影響を排除できさらに高精度に結合係数を推定することが可能である。

本開示の第２８の態様に係る送電装置は、本開示の第２７の態様に係る送電装置において、
前記測定回路は、前記第１の周波数（ｆ１）で前記発振回路が前記無線電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と、前記第２の周波数ｆ２で前記発振回路が前記無線電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を検出し、
前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）の比の値と所定の基準値との差が所定の閾値以下の時、前記受電装置が前記送電装置から送電可能な領域に位置していると判断する。

上記態様によると、前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）の比である、Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）またはＬｉｎ（ｆ１）／Ｌｉｎ（ｆ２）の値と所定の基準値との差が所定の閾値以下の時、前記受電装置が前記送電装置から送電可能な領域に位置していると判断する。この方法により、Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）またはＬｉｎ（ｆ１）／Ｌｉｎ（ｆ２）という単純な計算で、前記受電装置が前記送電装置から送電可能な領域に位置していると判断できる。式１のような複雑な計算処理で結合係数ｋを求める必要がなくなるので、前記測定回路の計算処理の負荷が低減できる。

本開示の第２９の態様に係る送電装置は、本開示の第２７〜２８のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記発振回路に送電周波数、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）を設定し、
前記送電周波数を用いて前記送電装置から前記受電装置に無線電力を送電させ、また、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）を用いて前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を前記測定回路に検出させる制御回路を備える。

上記態様によると、前記１つの発振回路で、前記送電装置から前記受電装置に、前記送電周波数の前記無線電力を送電し、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）の前記交流電力を送電するので、部品点数が減りコストダウンが図れる。

本開示の第３０の態様に係る送電装置は、本開示の第２７〜２９のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記第２コイルが短絡しているとき、前記第１の周波数ｆ１に対応する入力インダクタンス値と前記第２の周波数ｆ２に対応する入力インダクタンス値とが実質的に等しい。

本開示の第３１の態様に係る送電装置は、本開示の第２７〜３０のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記測定回路は、前記発振回路が前記第１の周波数から前記第２の周波数に切替え、また、前記第２の周波数から前記第１の周波数に切替えてから所定の時間経過後、前記発振された交流電力の電圧、電流の振幅などを監視し、前記振幅が一定幅に収束したときに前記入力インダクタンス値を測定する。

上記態様によると、発振周波数を切替えた瞬間は過渡応答があり測定値が安定しないため、所定時間経過後に測定を開始することで精度よく入力インダクタンスを測定することができる。

本開示の第３２の態様に係る送電装置は、本開示の第２７〜３１のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記制御回路は、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置が、前記送電装置から前記受電装置への前記無線電力の送電が可能な位置であると判断した場合、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）から前記送電周波数に切り替えて、前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電させる。

上記態様によると、前記第１共振器に対する前記第２共振器の位置あわせが完了してから、前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電する。従って、安全性を確保しつつ、前記送電装置から前記受電装置に高い伝送効率で前記無線電力を伝送できる。

本開示の第３３の態様に係る送電装置は、本開示の第２７〜３２のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記第１共振器は、無線電力伝送に使用される送電コイルを含み、
前記発振回路と前記送電コイルとの間の電気的接続を切り替えるスイッチを備え、
前記無線電力伝送の送電時に、前記スイッチによって、前記発振回路と前記送電コイルとの間の電気的接続を遮断する。

上記態様によると、送電時の前記無線電力は、前記位置検出時に出力する交流電力より大きい。よって、送電時の前記無線電力によって、前記発振回路を焼損する可能性がある場合は、前記送電共振器と発振回路との間に前記スイッチを設けて両者の間を送電時に電気的に遮断して、前記位置検出を行う前記発振回路に前記無線電力が侵入してくることを防止することができる。

本開示の第３４の態様に係る送電装置は、本開示の第２７〜３３のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電する際に使用される第３コイルを含む第３共振器を、前記第１共振器とは別個に設けた。

上記態様によると、位置あわせのための前記第１コイル（検出コイル）を備えた前記第１共振器を別にすることにより、前記第１コイルと前記第３コイル（送電コイル）とを異なる位置に配置できるため、前記送電装置の設計の自由度が向上する。

また、送電中に前記第２コイル（受電コイル）が移動するような環境（例えば、車載充電器や、自走式ロボット、走行中給電）においては、送電しながら結合係数の時間変化をリアルタイムに計測できる。この計測結果に基づき、例えば結合係数の時間的変化に応じて送電周波数を最適な値に変更し、安全に送電を停止することができる。これにより、安全性を高め、かつ、伝送効率を高めることができる。

本開示の第３５の態様に係る送電装置は、本開示の第２７〜３４のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記制御回路は、
前記無線電力の送電を停止させた後、前記第１共振器に蓄積されたエネルギをグランドに放出する制御を行い、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を前記測定回路に検出させる。

上記態様によると、無線電力伝送中にコイルに蓄積されたエネルギをグランドに逃がしてから位置あわせモードに移行する。こうすることにより、位置あわせの処理用の回路の焼損を防ぐことができる。

本開示の第３６の態様に係る送電装置は、本開示の第２７〜３５のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記制御回路は、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置が、前記送電装置から前記受電装置への前記無線電力の送電が可能な位置であると判断した場合、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）から前記送電周波数に切り替えて、前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電させる。

本開示の第３７の態様に係る送電装置は、本開示の第２７〜３６のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記送電コイルに電力を供給する送電回路と、
前記送電回路および前記発振回路を制御する前記制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記測定回路の測定結果に応じて前記送電回路を制御し、送電状態を調整する。

上記態様によると、前記測定回路による検出結果に基づき、例えば前記結合係数の時間的変化に応じて送電周波数および送電電圧を最適な値に決定し、安全に送電を停止することができる。これにより、無線電力伝送システムの安全性を高め、かつ、伝送効率を高めることができる。

本開示の第３８の態様に係る送電装置は、本開示の第２７〜３７のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記制御回路は、前記測定回路による検出結果に応じて送電周波数および送電電圧を決定する。

上記態様によると、前記測定回路による検出結果に基づき、例えば前記結合係数の時間的変化に応じて送電周波数および送電電圧の初期値を最適な値に決定し、安全に送電を停止することができる。これにより、無線電力伝送システムの安全性を高め、かつ、伝送効率を高めることができる。

本開示の第３９の態様に係る送電装置は、本開示の第２７〜３８のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記送電装置は、表示素子を有し、
前記制御回路は、前記結合係数ｋが所定値を超えたとき前記表示素子を表示させる。

上記態様によると、前記結合係数ｋが所定値を超えたとき、前記受電共振器の位置が前記送電共振器に対して適切な位置（充電可能な位置）にあると判断する。前記判断結果によって、例えば、前記送電装置または前記受電装置に設けられた光源、ディスプレイ、スピーカなどの前記表示素子を表示させる。そして、前記表示素子から光、映像、音声などの情報として使用者に通知し、前記受電共振器の位置が前記送電共振器に対して適切な位置（充電可能な位置）にあることを使用者に知らせることができる。前記表示素子は、視覚的情報を提示する素子に限定されず、聴覚的情報（音または音声）のみを提示する素子をも広く含むものとする。

本開示の第４０の態様に係る送電装置は、本開示の第２７〜３９のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記受電装置は、表示部を有し、
前記制御回路は、前記結合係数ｋが所定値を超えたとき、前記受電装置が前記送電装置から送電可能な領域に位置していることを示す表示情報を前記表示部に表示させるための制御コマンドを、前記受電装置に送出させる制御を行う。

上記態様によると、前記受電装置に表示部を設けている。一般的な場合では、前記受電装置は前記送電装置の上側に位置するので、前記送電装置に設けられた前記表示部が前記受電装置で隠れてしまう場合がある。従って、前記送電装置の上側に位置する前記受電装置に前記表示部を設けることで、前記受電共振器の位置が前記送電共振器に対して適切な位置（充電可能な位置）にあることを使用者に知らせることができる。前記表示部は、例えば、スマ−トフォンのような面積が広い表示画面であってもよい。また、前記表示部は、前記表示素子であってもよい。

本開示の第４１の態様に係る受電装置は、
第１コイルを含む第１共振器及び負荷を備え、第２コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有する第２共振器を備えた送電装置の位置を検出する受電装置であって、
前記第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）及び前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で交流電力を発振する発振回路と、
前記第１共振器と前記第２共振器とが電磁的に結合しているときに前記第１共振器の入力インダクタンス値を測定する測定回路と、を備え、
前記測定回路は、前記第１の周波数（ｆ１）で前記発振回路が前記交流電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と、前記第２の周波数ｆ２で前記発振回路が前記交流電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を検出し、ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）の式によって算出される結合係数ｋを算出し、前記結合係数ｋに基づいて前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する。

上記態様によると、前記第２コイルの両端にキャパシタを設け、前記第２コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を前記送電装置に設ける。このことにより、前記発振回路で前記第１共振器（受電共振器）の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）で駆動すると、前記キャパシタに電流が流れないので、前記第２コイルの両端が実質的に開放されている状態を作り出せる。また、前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で駆動すると、前記キャパシタに電流が流れるので、前記第２コイルの両端が短絡している状態を作り出せる。

よって、前記第２共振器（送電共振器）の両端が実質的に開放されて見える状態の時の前記第２共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）を測定するには、前記発振回路で第１の周波数（ｆ１）の前記交流電力を発振し、前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）を測定すればよい。また、前記第２コイルの両端が短絡しているように見える状態の時の前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を測定するには、前記発振回路で第２の周波数（ｆ２）の前記交流電力を発振し、前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を測定すればよい。測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）から前記結合係数を算出することができる。

例えば、特許文献３では、結合係数を算出するために、前記第２コイルの両端が実質的に開放されている状態と短絡している状態とに切り替える短絡用スイッチおよび前記短絡用スイッチを制御する第１の制御回路とが受電装置に必要である。従って、本開示の一態様によると、前記第２コイルの両端にキャパシタを設けるだけで、前記第２コイルの両端が実質的に開放されている状態と前記第２コイルの両端が短絡している状態とを作り出すことができる。そのため、前記第２コイルの両端に設けた前記短絡用スイッチ及び第１の制御回路を前記送電装置に設ける必要はない。その結果、前記結合係数を用いて位置あわせを行うので、コスト増を招くことなく、簡易な構成で前記負荷が変動しても高精度で位置あわせを行うことができる。

なお、前記「コイルの両端」における「コイル」の定義は、コイル部品単体のみに限定されない。

例えば、送電共振器には送電コイルと直列の共振コンデンサが含まれていてもよい。前記送電コイルと前記直列の共振コンデンサを合成した直列インピーダンスが、位置検出を行う周波数ｆ１、ｆ２において誘導性に見える場合、等価的なコイル（単に、等価コイルと呼んでもよい）として扱うことができる。従って、前記等価コイルの両端に並列コンデンサを備えることでも同様の効果を得ることができるので、「コイルの両端」における「コイル」の定義は、コイル部品単体のみに限定されない。

本開示の第４２の態様に係る受電装置は、本開示の第４１の態様に係る受電装置において、
前記受電装置は、表示部を有し、前記制御回路は、前記結合係数ｋが所定値を超えたとき、前記受電装置が前記送電装置から送電可能な領域に位置していることを示す表示情報を前記表示部に表示する。

上記態様によると、前記受電装置に表示部を設けている。一般的な場合では、前記受電装置は前記送電装置の上側に位置するので、前記送電装置に設けられた前記表示素子が前記受電装置で隠れてしまう場合がある。従って、前記送電装置の上側に位置する前記受電装置に前記表示部を設けることで、前記受電共振器の位置が前記送電共振器に対して適切な位置（充電可能な位置）にあることを使用者に知らせることができる。前記表示部は、例えば、スマ−トフォンのような面積が広い表示画面であってもよい。また、前記表示部は、小さな表示部であってもよい。

本開示の第４３の態様に係る受電装置は、
第１コイルを含む第１共振器及び負荷を備え、第２コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有する第２共振器を備えた送電装置の位置を検出する受電装置であって、
前記第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）及び前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で交流電力を発振する発振回路と、
前記第１共振器と前記第２共振器とが電磁的に結合しているときに前記第１共振器の入力インダクタンス値を測定する測定回路と、を備え、
前記測定回路は、前記第１の周波数（ｆ１）に対応する第１インダクタンス値が前記第１の周波数（ｆ１）の２乗に反比例するとき、且つ、前記第２の周波数（ｆ２）に対応する第２インダクタンスが前記第２の周波数（ｆ２）の２乗に反比例するとき、ｋ²＝１−（ｆ１）²／（ｆ２）²の式によって算出される結合係数ｋを算出し、前記結合係数ｋに基づいて前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する。

本開示の第４４の態様に係る受電装置は、本開示の第４３の態様に係る受電装置において、
前記受電装置は、表示部を有し、前記制御回路は、前記結合係数ｋが所定値を超えたとき、前記受電装置が前記送電装置から送電可能な領域に位置していることを示す表示情報を前記表示部に表示させる。

上記態様によると、前記受電装置に表示部を設けている。一般的な場合では、前記受電装置は前記送電装置の上側に位置するので、前記送電装置に設けられた前記表示素子が前記受電装置で隠れてしまう場合がある。従って、前記送電装置の上側に位置する前記受電装置に前記表示部を設けることで、前記受電共振器の位置が前記送電共振器に対して適切な位置（充電可能な位置）にあることを使用者に知らせることができる。前記表示部は、例えば、スマ−トフォンのような面積が広い表示画面であってもよい。また、前記表示部は、小さな表示部であってもよい。

本開示の第４５の態様に係る送電装置は、
第１コイルを含む第１共振器及び負荷を備え、第２コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有する第２共振器を備えた送電装置の位置を検出する受電装置であって、
前記第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）及び前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で交流電力を発振する発振回路と、
前記第１共振器と前記第２共振器とが電磁的に結合しているときに前記第１共振器の入力インダクタンス値を測定する測定回路と、を備え、
前記測定回路は、前記第１の周波数（ｆ１）で前記発振回路が前記無線電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と、前記第２の周波数ｆ２で前記発振回路が前記無線電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を検出し、
前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）の比に基づいて、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する。

本開示の第４６の態様に係る送電装置は、本開示の第４５の態様に係る受電装置において、
前記測定回路は、前記第１の周波数（ｆ１）で前記発振回路が前記無線電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と、前記第２の周波数ｆ２で前記発振回路が前記無線電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を検出し、
前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）の比の値と所定の基準値との差が所定の閾値以下の時、前記受電装置が前記送電装置から送電可能な領域に位置していると判断する。

上記態様によると、前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）の比である、Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）またはＬｉｎ（ｆ１）／Ｌｉｎ（ｆ２）の値と所定の基準値との差が所定の閾値以下の時、前記受電装置が前記送電装置から送電可能な領域に位置していると判断する。この方法により、Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）またはＬｉｎ（ｆ１）／Ｌｉｎ（ｆ２）という単純な計算で、前記受電装置が前記送電装置から送電可能な領域に位置していると判断できる。式１のような複雑な計算処理で結合係数ｋを求める必要がなくなるので、前記測定回路の計算処理の負荷が低減できる。

本開示の第４７の態様に係る送電装置は、本開示の第４５〜４６のうちのいずれか１つの態様に係る受電装置において、
前記受電装置は、表示部を有し、前記制御回路は、前記結合係数ｋが所定値を超えたとき、前記受電装置が前記送電装置から送電可能な領域に位置していることを示す表示情報を前記表示部に表示する。

上記態様によると、前記受電装置に表示部を設けている。一般的な場合では、前記受電装置は前記送電装置の上側に位置するので、前記送電装置に設けられた前記表示素子が前記受電装置で隠れてしまう場合がある。従って、前記送電装置の上側に位置する前記受電装置に前記表示部を設けることで、前記受電共振器の位置が前記送電共振器に対して適切な位置（充電可能な位置）にあることを使用者に知らせることができる。前記表示部は、例えば、スマ−トフォンのような面積が広い表示画面であってもよい。また、前記表示部は、小さな表示部であってもよい。

本開示の第４８の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜４０のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置と、前記受電装置を備える。

本開示の第４９の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第４１〜４７のうちのいずれか１つの態様に係る受電装置と、前記送電装置を備える。

本開示の第５０の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜４０のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置と本開示の第４１〜４７のうちのいずれか１つの態様に係る受電装置とを備える。

本開示の第５１の態様に係る無線電力伝送システムは、
第１コイルを含む第１共振器と、前記第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）及び前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で交流電力を発振する発振回路とを備えた送電装置と、
第２コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有する第２共振器と、負荷と、前記第１共振器と前記第２共振器とが電磁的に結合しているときに前記第２共振器のインダクタンス値を測定する測定回路とを備えた受電装置とを有し、
前記測定回路は、前記第１の周波数（ｆ１）で前記発振回路が前記交流電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第２共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と、前記第２の周波数ｆ２で前記発振回路が前記交流電力を発振しているときに前記測定回路が測定した前記第２共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を検出し、ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）の式によって算出される結合係数ｋを算出し、前記結合係数ｋに基づいて前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する。

本開示の第５２の態様に係る位置検出装置は、コイルおよびキャパシタを含む並列共振回路から構成された第２共振器に電磁的に結合した第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する位置検出装置であって、第１共振器と、第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）および前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で発振可能な発振回路と、前記第１共振器の入力インダクタンス値を測定する測定回路と、を備え、前記測定回路は、前記第１の周波数ｆ１で前記発振回路が発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と、前記第２の周波数ｆ２で前記発振回路が発振しているときに前記測定回路が測定した前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）との比に基づいて、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する。

本開示の第５３の態様に係る位置検出装置は、本開示の第５２の態様に係る位置検出装置において、前記測定回路は、ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）の式よって算出される結合係数ｋに基づいて前記相対位置を検出する。

本開示の第５４の態様に係る位置検出装置は、本開示の第５２〜５３のうちのいずれか１つの態様に係る位置検出装置において、前記発振回路は、自励式の発振回路であり、かつ、前記入力インダクタンス値が発振周波数の２乗に反比例するように構成されており、前記測定回路は、ｋ²＝１−ｆ１²／ｆ２²の式によって算出される結合係数ｋに基づいて前記相対位置を検出する。

本開示の第５５の態様に係る位置検出装置は、本開示の第５２〜５４のうちのいずれか１つの態様に係る位置検出装置において、前記コイルが短絡しているときの前記入力インダクタンスが第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２とで一致するように構成されている。

本開示の第５６の態様に係る位置検出装置は、本開示の第５２〜５５のうちのいずれか１つの態様に係る位置検出装置において、前記測定回路は、前記発振回路の周波数を切替えてから所定の時間経過後、発振が安定した時点で前記入力インダクタンス値を測定するように構成されている。

本開示の第５７の態様に係る位置検出装置は、本開示の第５２〜５６のうちのいずれか１つの態様に係る位置検出装置において、前記第１共振器は、無線電力伝送に使用される送電コイルを含み、前記発振回路と前記送電コイルとの間の電気的接続を切り替えるスイッチを備え、前記スイッチによって無線電力伝送の送電モードと位置検出モードとを切替える。

本開示の第５８の態様に係る位置検出装置は、本開示の第５２〜５７のうちのいずれか１つの態様に係る位置検出装置において、前記第１共振器は、無線電力伝送に使用される送電コイルとは異なる検出コイルを含み、前記第２共振器のコイルと前記検出コイルとの間の結合係数の算出値に基づいて、前記第２共振器のコイルの前記検出コイルに対する相対位置を検出する。

本開示の第５９の態様に係る位置検出装置は、本開示の第５２〜５８のうちのいずれか１つの態様に係る位置検出装置において、無線電力伝送の送電モードから位置検出モードに切替えるとき、送電停止後、前記第１共振器に蓄積されたエネルギをグランドに放出し、位置検出モードに移行する。

本開示の第６０の態様に係る位置検出装置は、電磁的に結合した第１共振器に対する第２共振器の相対位置を検出する位置検出装置であって、前記第１共振器は、前記第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）および前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で発振可能な発振回路に接続されており、前記発振回路は、自励式の発振回路であり、かつ、前記第１共振器の入力インダクタンス値が発振周波数の２乗に反比例するように構成されており、前記位置検出装置は、コイルおよびキャパシタを含む並列共振回路から構成された第２共振器と、前記第２共振器の周波数を測定する測定回路と、を備え、前記測定回路は、前記第１の周波数ｆ１で前記発振回路が発振しているときに前記測定回路が測定した周波数ｆ１と、前記第２の周波数ｆ２で前記発振回路が発振しているときに前記測定回路が測定した周波数ｆ２との比に基づいて、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する。

本開示の第６１の態様に係る位置検出装置は、コイルおよびキャパシタを含む並列共振回路から構成された第１共振器に電磁的に結合した第２共振器に対する前記第１共振器の相対位置を検出する位置検出装置であって、第２共振器と、第１共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）および前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で発振可能な発振回路と、前記第２共振器の入力インダクタンス値を測定する測定回路と、を備え、前記測定回路は、前記第１の周波数ｆ１で前記発振回路が発振しているときに前記測定回路が測定した前記第２共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と、前記第２の周波数ｆ２で前記発振回路が発振しているときに前記測定回路が測定した前記第２共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）との比に基づいて、前記第２共振器に対する前記第１共振器の相対位置を検出する。

本開示の第６２の態様に係る位置検出装置は、本開示の第６１の態様に係る位置検出装置において、前記測定回路は、ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２）／Ｌｉｎ（ｆ１）の式によって算出される結合係数ｋに基づいて前記相対位置を検出する。

本開示の第６３の態様に係る位置検出装置は、本開示の第６１の態様に係る位置検出装置において、前記発振回路は、自励式の発振回路であり、かつ、前記入力インダクタンス値が発振周波数の２乗に反比例するように構成されており、前記測定回路は、ｋ²＝１−ｆ１²／ｆ２²の式によって算出される結合係数ｋに基づいて前記相対位置を検出する。

本開示の第６４の態様に係る位置検出装置は、本開示の第５２〜６５のうちのいずれか１つの態様に係る位置検出装置において、第１の表示素子と、前記第１の表示素子を制御する制御回路とを備え、算出された結合係数に応じて前記第１の表示素子の表示状態を前記制御回路で制御し、算出した結合係数が所定値を超えたとき、前記第１共振器に対する前記第２共振器の位置合わせが実現したことを示す情報を前記第１の表示素子に表示させる。

本開示の第６５の態様に係る位置検出装置は、本開示の第５２〜６５のうちのいずれか１つの態様に係る位置検出装置において、第２の表示素子と、前記第２の表示素子を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、算出された結合係数に応じて前記第２の表示素子の表示状態を制御し、算出した結合係数が所定値を超えたとき、前記第１共振器に対する前記第２共振器の位置合わせが実現したことを示す情報を前記第２の表示素子に表示させる。

本開示の第６６の態様に係る送電装置は、本開示の第５２〜６５のうちのいずれか１つの態様に係る位置検出装置と、前記送電コイルに電力を供給する送電回路と、前記送電回路および前記発振回路を制御する送電制御回路とを備えている。

本開示の第６７の態様に係る送電装置は、本開示の第５２〜６５のうちのいずれか１つの態様に係る位置検出装置と、前記送電コイルに電力を供給する送電回路と、前記送電回路および前記発振回路を制御する送電制御回路とを備え、前記送電制御回路は、前記位置検出装置の測定結果に応じて前記送電回路を制御し、送電状態を調整するように構成されている。

本開示の第６８の態様に係る送電装置は、本開示の第６６〜６７のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置の前記送電制御回路は、前記位置検出装置による検出結果に応じて送電周波数および送電電圧を決定する。

本開示の第６９の態様に係る受電装置は、本開示の第５２〜６５のうちのいずれか１つの態様に係る位置検出装置と、無線電力伝送によって前記第１共振器から前記第２共振器が受け取った電力を負荷に供給する受電回路とを備える。

本開示の位置検出装置、位置あわせ装置、および無線電力伝送システムは、例えば、電気自動車、ＡＶ機器、電池、医療機器などへの充電あるいは給電を行う用途に広く適用可能である。また、ＲＦタグに受電共振器を搭載し、そのリーダ／ライタに送電共振器を搭載することにより、例えば工場における製品または部品の位置ずれの検出に利用することも可能である。本開示の実施形態によれば、位置ずれに起因した効率低下や、漏れ磁束による近接金属の異常発熱リスクを回避することができる。

１００ 送電装置
１１０ 送電共振器（第１共振器）
１２０ 送電回路
１３０ 電源
１４０ 送電制御回路
１５０ 発振回路
１６０ 測定回路
１７０ 表示素子
２００ 受電装置
２１０ 受電共振器（第２共振器）
２２０ 受電回路
２３０ 負荷
２４０ 受電制御回路
２５０ 発振回路
２６０ 測定回路
２７０ 表示素子
Ｓ１〜Ｓ３ スイッチ
Ｉ１ 第１のインジケータ
Ｉ２ 第２のインジケータ

Claims (14)

1. 第１コイルを含む第１共振器を備え、第２コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有する第２共振器及び負荷を備えた受電装置の位置を検出する送電装置であって、
   前記第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）及び前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で交流電力を発振する発振回路と、
   前記第１共振器と前記第２共振器とが電磁的に結合しているときに前記第１共振器のインダクタンス値を測定する測定回路と、を備え、
   前記測定回路は、前記第１の周波数（ｆ１）で前記発振回路が前記交流電力を発振しているときの前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と、前記第２の周波数ｆ２で前記発振回路が前記交流電力を発振しているときの前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）とを測定し、前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）の比に基づいて前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する、
   送電装置。
2. 前記発振回路に送電周波数、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）を設定し、前記送電周波数を用いて前記送電装置から前記受電装置に無線電力を送電させ、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）を用いて前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を前記測定回路に検出させる制御回路を備えた、
   請求項１記載の送電装置。
3. 前記第２コイルが短絡しているとき、前記第１の周波数ｆ１に対応する入力インダクタンス値と前記第２の周波数ｆ２に対応する入力インダクタンス値とが一致する、
   請求項１または２に記載の送電装置。
4. 前記測定回路は、前記発振回路が前記第１の周波数から前記第２の周波数に切替えてから所定の時間経過後、または、前記第２の周波数から前記第１の周波数に切替えてから所定の時間経過後、前記発振された交流電力の電圧または電流の振幅を監視し、前記振幅が一定幅に収束したときに前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）または前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を測定する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の送電装置。
5. 送電周波数を用いて前記送電装置から前記受電装置に無線電力を送電する送電回路を備え、
   前記制御回路は、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置が、前記送電装置から前記受電装置への前記無線電力の送電が可能な位置であると判断した場合、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）から前記送電周波数に切り替えて、前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電させる、
   請求項２に記載の送電装置。
6. 前記第１共振器は、無線電力伝送に使用される送電コイルを含み、
   前記発振回路と前記送電コイルとの間の電気的接続を切り替えるスイッチを備え、
   前記無線電力伝送の送電時に、前記スイッチによって、前記発振回路と前記送電コイルとの間の電気的接続を遮断する、
   請求項５に記載の送電装置。
7. 前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電する際に使用される第３コイルを含む第３共振器を、前記第１共振器とは別個に備えた、
   請求項２または５に記載の送電装置。
8. 前記制御回路は、
   前記無線電力の送電を停止させた後、前記第１共振器に蓄積されたエネルギをグランドに放出する制御を行い、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を前記測定回路に検出させる、
   請求項２に記載の送電装置。
9. 前記制御回路は、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置が、前記送電装置から前記受電装置への前記無線電力の送電が可能な位置であると判断した場合、前記第１の周波数（ｆ１）及び前記第２の周波数（ｆ２）から前記送電周波数に切り替えて、前記送電装置から前記受電装置に前記無線電力を送電させる、
   請求項２、５、６のいずれか１項に記載の送電装置。
10. 前記送電コイルに電力を供給する送電回路と、
    前記送電回路および前記発振回路を制御する制御回路と、
    を備え、
    前記制御回路は、前記測定回路の測定結果に応じて前記送電回路を制御し、送電状態を調整する、
    請求項６に記載の送電装置。
11. 前記制御回路は、前記測定回路による測定結果に応じて送電周波数および送電電圧を決定する、
    請求項１０に記載の送電装置。
12. 前記受電装置は、表示部を有し、
    前記制御回路は、前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置が、前記送電装置から前記受電装置への前記無線電力の送電が可能な位置であると判断した場合、前記受電装置が前記送電装置から送電可能な領域に位置していることを示す表示情報を前記表示部に表示させるための制御コマンドを、前記受電装置に送出させる制御を行う、
    請求項２、５、６、９、１０、１１のいずれか１項に記載の送電装置。
13. 第１コイルを含む第１共振器及び負荷を備え、第２コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有する第２共振器を備えた送電装置の位置を検出する受電装置であって、
    前記第２共振器の共振周波数（ｆｒ）よりも低い第１の周波数（ｆ１）及び前記共振周波数（ｆｒ）よりも高い第２の周波数（ｆ２）で交流電力を発振する発振回路と、
    前記第１共振器と前記第２共振器とが電磁的に結合しているときに前記第１共振器の入力インダクタンス値を測定する測定回路と、を備え、
    前記測定回路は、前記第１の周波数（ｆ１）で前記発振回路が前記交流電力を発振しているときの前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と、前記第２の周波数ｆ２で前記発振回路が前記交流電力を発振しているときの前記第１共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）を測定し、前記インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と前記インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）の比に基づいて前記第１共振器に対する前記第２共振器の相対位置を検出する、
    受電装置。
14. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の送電装置及び請求項１３に記載の受電装置を備えた無線電力伝送システム。

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