WO2010116441A1

WO2010116441A1 - 無線電力供給システム、無線送電装置、および無線受電装置

Info

Publication number: WO2010116441A1
Application number: PCT/JP2009/056459
Authority: WO
Inventors: 昭嘉内田
Original assignee: 富士通株式会社
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-14
Also published as: CN102362408A; EP2416470B1; US20150091379A1; EP2416470A4; KR20110121623A; US9837828B2; JP5533856B2; US8933583B2; US20120001485A1; JPWO2010116441A1; EP2416470A1; KR101251436B1; CN102362408B

Abstract

　無線電力供給システムの無線送電装置（１）には、可変制御可能な共振周波数特性をもつ可変共振回路（１００）を有し、この可変共振回路（１００）を介して無線で電力を送出する無線送電部（１０）が設けられている。可変共振回路（１００）は、送電制御部（１３）によって共振周波数（ｆ１～ｆ３）が可変制御される。無線受電装置（２Ａ～２Ｃ）のそれぞれには、互いに異なる固有共振回路（２００Ａ～２００Ｃ）を有する無線受電部（２０）が設けられている。無線受電部（２０）は、固有共振回路（２００Ａ～２００Ｃ）が可変共振回路（１００）の共振周波数（ｆ１～ｆ３）に同調して磁場共鳴モードが生じることにより、無線送電部（１０）からの電力を無線で収受する。

Description

無線電力供給システム、無線送電装置、および無線受電装置

　本発明は、いわゆる磁場共鳴モードにより無線で電力を供給する無線電力供給システム、そのような無線電力供給システムに用いられる無線送電装置および無線受電装置に関する。

　無線による電力供給技術としては、電磁誘導や電波を利用したものに代わり、特許文献１に開示されるように磁場共鳴モードを利用した技術が近年提案されている。この磁場共鳴モードによる無線電力供給技術では、たとえば送電装置に共振角周波数ω１をもつ共振器を設けるとともに、受電装置に共振角周波数ω２をもつ共振器を設けている。共振器としては、コイルとコンデンサを接続した共振回路が適用される。これらの共振角周波数ω１，ω２を同調させ、共振器のサイズや配置を適当に調整すると、送電装置と受電装置との間にエネルギー転送可能な磁場共鳴モードが生じ、送電装置の共振器から受電装置の共振器へと無線により電力が伝えられる。このような無線電力供給技術によれば、電力の利用効率（エネルギー転送効率）が数十％程度とされ、装置間の離間距離も比較的大きくとることができ、送電装置に対して受電装置を数十ｃｍ以上離すことができる。

特表２００９－５０１５１０号公報

　しかしながら、磁場共鳴モードを利用する無線電力供給技術においては、送電可能な装置間の離間距離が大きくなることにより、一つの送電装置の周辺に複数の受電装置が配置されることがある。その際、これら複数の受電装置に対して同時に電力を供給しようとしても、それぞれの受電装置において必要とされる電力と、送電される電力が異なってしまう場合がある。これでは、全体としての送電効率が低下してしまう。

　たとえば、複数の受電装置が均等に電力を受け取ったとしても、腕時計や電卓のように消費電力の小さい装置と、それらの装置に比べて携帯電話といった消費電力の大きな装置とでは、必要な電力が異なるために効率的な送電を行うことができない。つまり、携帯電話に対して送電されるべき電力が腕時計や電卓に送電されてしまうために、携帯電話に対する送電効率が低下する。

　複数の携帯電話に電力を供給する場合においても、同様の問題が生じるおそれがある。たとえば、充電が完了して待ち受け電力しか必要としない装置と、通話中で無線電力を必要としつつさらに充電も行われる装置とでは、必要な電力が異なる。このような場合もまた、電力をより必要とする装置に対しての送電効率が低下する。

　複数の受電装置に対する送電効率は、それぞれの装置の特性だけでなく、送電装置と受電装置との距離や送電装置と受電装置との姿勢によっても異なる。たとえば、操作が行われていない携帯電話で充電が必要な装置と、充電が完了して通話中の携帯電話で無線電力が必要な装置とがあり、これら双方の装置がともにほぼ同じ電力量を必要としている場合を想定する。このとき、送電効率に適した距離および姿勢で充電のために静止している装置と、通話中により使用者に保持された状態にある装置とでは、送電効率に差が生じてしまう。

　つまり、上記磁場共鳴モードを利用した無線電力供給技術では、一つの送電装置から複数の受電装置に対して同時に給電を行う場合、全ての受電装置において同等のエネルギー転送効率を得ることができず、全体としての送電効率において劣る難点があった。

　本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、複数の装置に対してエネルギー転送効率を低下させることなく無線によって電力を効率よく供給することができる無線電力供給システムを提供することをその課題としている。また、本発明は、そのような無線電力供給システムに用いられる無線送電装置、および無線受電装置を提供することをその課題としている。

　上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

　本発明によれば、可変制御可能な共振周波数特性をもつ可変共振回路を有し、この可変共振回路を介して無線で電力を送出する無線送電装置と、上記可変共振回路の共振周波数特性を可変制御する送電制御部と、を備えた無線電力供給システムが提供される。このシステムには、互いに異なる固有の共振周波数特性をもつ固有共振回路をそれぞれ有し、この固有共振回路が上記可変共振回路の共振周波数に同調して磁場共鳴モードが生じることにより、上記無線送電装置からの電力を無線で収受する複数の無線受電装置が含まれる。

　本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明が適用された無線電力供給システムの一実施形態を示す構成図である。図１に示す無線送電装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。図１に示す無線受電装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。本発明が適用された無線電力供給システムの他の実施形態を示す構成図である。図４に示す無線受電装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。図４に示す無線送電装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。本発明が適用された無線電力供給システムの他の実施形態を示す構成図である。図７に示す無線受電装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。

　以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

　図１～３は、本発明が適用された無線電力供給システムの一実施形態を示している。本実施形態の無線電力供給システムは、無線送電装置１および複数の無線受電装置２Ａ～２Ｃを基本的な構成要素として備えている。無線送電装置１には、電源Ｐが接続されている。電源Ｐは、たとえば商用電源である。無線受電装置２Ａ～２Ｃのそれぞれには、バッテリＢ１～Ｂ３が接続されている。これらのバッテリＢ１～Ｂ３は、たとえばノート型ＰＣあるいは移動体通信端末といった電子機器に搭載されたものであり、無線受電装置２Ａ～２Ｃに接続された状態でバッテリとしての機能を果たす。

　無線送電装置１は、無線送電部１０、発振回路１１、電磁誘導コイル１２、送電制御部１３、および通信部１４を備えている。電源Ｐは、発振回路１１に接続されている。発振回路１１には、電磁誘導コイル１２が接続されており、この電磁誘導コイル１２を介して無線送電部１０に電力が伝えられる。送電制御部１３は、無線送電部１０、発振回路１１、および通信部１４に接続されており、これらとの間で各種の信号をやり取りする。

　無線送電部１０は、共振周波数を可変制御可能な可変共振回路１００を有する。可変共振回路１００には、空芯状の送電コイルＣｔと、この送電コイルＣｔに回路接続スイッチＳｗを介して選択的に接続される複数のコンデンサＣ１～Ｃ３とが含まれる。可変共振回路１００は、回路接続スイッチＳｗを介していずれかのコンデンサＣ１～Ｃ３が送電コイルＣｔに対して直列に接続されることにより閉回路となる。送電コイルＣｔには、電磁誘導コイル１２から所定周波数の交流電力が供給される。各コンデンサＣ１～Ｃ３は、互いに異なる静電容量（キャパシタンス）をもつ。このような送電コイルＣｔのインダクタンスをＬ、コンデンサＣ１～Ｃ３のキャパシタンスを同符号のＣ１～Ｃ３とする。この場合、可変共振回路１００は、入力された交流電力の周波数ｆがｆ１＝１／２π（ＬＣ１）^1/2、ｆ２＝１／２π（ＬＣ２）^1/2、ｆ３＝１／２π（ＬＣ３）^1/2といった周波数ｆ１～ｆ３に一致すると共振状態となる。これらの周波数ｆ１～ｆ３が可変共振回路１００の共振周波数となる。共振状態においては、コンデンサＣ１～Ｃ３内部の電圧による電場から送電コイルＣｔを流れる電流による自由空間の磁場へとエネルギーが周期的に交換される。共振状態の送電コイルＣｔに対して同一の共振周波数特性をもつコイル（後述する無線受電装置２Ａ～２Ｃの受電コイルＣｒ）をある程度近接させると、送電コイルＣｔからの磁場によって近接したコイルが共鳴する。このような磁場による共鳴現象を磁場共鳴モードと称する。磁場共鳴モードにおいては、送電コイルＣｔを流れる交流電力が近接したコイルへと無線で伝えられる。

　発振回路１１は、たとえばコルピッツ発振回路といった可変周波数発振回路であり、可変共振回路１００の共振周波数ｆ１～ｆ３に一致した交流電流を電磁誘導コイル１２に流す。

　電磁誘導コイル１２は、共振周波数ｆ１～ｆ３に一致した交流電力を可変共振回路１００の送電コイルＣｔへと電磁誘導によって伝える。この電磁誘導コイル１２と送電コイルＣｔとの離間距離は、送電コイルＣｔから無線受電装置２Ａ～２Ｃの受電コイルＣｒまでの距離（たとえば数十ｃｍ）に比べて相当小さく、たとえば１ｃｍ程度である。このように、可変共振回路１００と電磁誘導コイル１２とを電気的に分離することで、可変共振回路１００のＱ値を高めることが可能となる。このＱ値とは、共振の鋭さを表す指標であって、コイルの純抵抗と放射抵抗により決まり、これらの値が小さい程大きなＱ値を得ることができる。電磁誘導コイル１２は、磁場共鳴を用いず電磁誘導を利用するため、共振周波数を考慮しなくてもよい。したがって、電磁誘導コイル１２については、これに接続された発振回路１１によって共振周波数が変化することを考慮しなくてもよい。これにより、電磁誘導コイル１２を用いる場合は、発振回路１１の設計自由度を向上させることが可能となる。なお、送電コイルに対しては、電磁誘導コイルを用いることなく有線で交流電力を供給するようにしてもよい。

　送電制御部１３は、通信部１４からの指令に応じて可変共振回路１００の回路接続スイッチＳｗを動作させ、可変共振回路１００の共振周波数ｆ１～ｆ３を可変制御する。たとえば回路接続スイッチＳｗを介してコンデンサＣ１が接続されると、可変共振回路１００の共振周波数がｆ１となり、コンデンサＣ２が接続されると共振周波数がｆ２となり、コンデンサＣ３が接続されると、共振周波数がｆ３となる。このように共振周波数ｆ１～ｆ３を可変制御する際、送電制御部１３は、発振回路１１で生成される交流周波数についても共振周波数ｆ１～ｆ３と一致させるように可変制御する。これにより、送電コイルＣｔは、異なる共振周波数ｆ１～ｆ３に応じて共振状態が変化させられる。

　通信部１４は、後述する無線受電装置２Ａ～２Ｃの通信部２３との間で各種の情報を無線でやり取りする。

　無線受電装置２Ａ～２Ｃのそれぞれは、無線受電部２０、電源回路２１、電磁誘導コイル２２、および通信部２４を備えている。バッテリＢ１～Ｂ３は、電源回路２１および通信部２４に接続されている。電源回路２１には、電磁誘導コイル２２が接続されており、この電磁誘導コイル２２を介して無線受電部２０で収受した電力が伝えられる。無線受電部２０は、無線送電部１０の可変共振回路１００と同様にＱ値を高めるために電源回路２１と直接接続されていない。無線受電部２０には、ＬＣ共振回路が含まれる。無線受電部２０は、電磁誘導コイル２２からの電磁誘導によって電力が取り出される。無線受電部２０と電磁誘導コイル２２は、電磁誘導によって電力を取り出すことができる程度の近距離に配置されている。

　無線受電部２０は、無線受電装置２Ａ～２Ｃごとに固有の共振周波数特性をもつ固有共振回路２００Ａ～２００Ｃを有する。固有共振回路２００Ａ～２００Ｃのそれぞれには、空芯状の受電コイルＣｒと、この受電コイルＣｒに接続されたコンデンサＣ１～Ｃ３とが含まれる。受電コイルＣｒは、たとえば送電コイルＣｔと同一の電気的特性をもち、本実施形態では受電コイルＣｒのインダクタンスが送電コイルＣｔと同じＬである。各固有共振回路２００Ａ～２００ＣのコンデンサＣ１～Ｃ３は、互いにキャパシタンスが異なる。これらのコンデンサＣ１～Ｃ３も、本実施形態では無線送電装置１におけるものと同一の電気的特性をもち、それぞれ同符号で示されるキャパシタンスＣ１～Ｃ３をもつ。すなわち、固有共振回路２００Ａ～２００Ｃは、無線受電装置２Ａ～２Ｃごとに可変共振回路１００によるものと同一の共振周波数ｆ１～ｆ３をもつ。

　なお、ここでいう同一の共振周波数とは、完全な同一を意味するものではない。シミュレーションなどにおいては、複数の共振回路の共振周波数が一致することはあっても、現実においては複数の共振回路の共振周波数が一致することはない。したがって、同一の共振周波数とは、実質的に同一の周波数を表す。この実質的に同一の範囲は、たとえばＱ値によって決定する。この実質的に同一の範囲は、Ｑ値が高ければ高いほど狭まり、その逆にＱ値が低ければ広がる。実質的に同一の範囲の目安としては、共振点の値が半値となる周波数範囲（半値幅）である。または、実質的に同一の範囲は、目標とする効率を達成する周波数範囲である。他の表現をするならば、実質的に同一の範囲は、コイルを離した位置関係で、電磁誘導よりも高い効率で電力が伝送できる周波数範囲（いわゆる磁場共鳴モードが生じる範囲）である。なお、このような周波数の同一の範囲は説明するまでもなく、当業者の常識の範囲内で決定する事項である。しかし、しばしば当業者の常識を有さない技術者が参照する場合がある。上記の説明はこのような場合を考慮して記載するのであって、この説明により発明の広がりを制限するものではない。

　たとえば、無線送電装置１の送電コイルＣｔが共振周波数ｆ１の共振状態にあるとき、この送電コイルＣｔに対してたとえば数十ｃｍ程度の距離まで無線受電装置２Ａの受電コイルＣｒを近づけると、共振周波数ｆ１の同調によって磁場共鳴モードが生じる。このような磁場共鳴モードが生じた状態においては、送電コイルＣｔからの電力が受電コイルＣｒへと無線で伝えられ、その電力が受電コイルＣｒに収受される。受電コイルＣｒによって収受された電力は、電磁誘導コイル２２を介して電源回路２１に取り込まれる。このとき、共振周波数ｆ１に同調しない他の無線受電装置２Ｂ，２Ｃと無線送電装置１との間には、磁場共鳴モードが生じないため、無線送電装置１からの電力が伝えられない。無線送電装置１の共振周波数をｆ２あるいはｆ３として無線受電装置２Ｂ，２Ｃの共振周波数ｆ２，ｆ３と同調させた場合も、同様に共振周波数ｆ２，ｆ３が同調した無線送電装置１と無線受電装置２Ｂ，２Ｃとの間にしか磁場共鳴モードが生じない。これにより、共振周波数ｆ１～ｆ３が同調した無線受電装置２Ａ～２Ｃにのみ比較的強い磁場共鳴モードが生じ、電力供給の必要な無線受電装置２Ａ～２Ｃに対して選択的に無線で電力が効率よく伝えられる。

　電源回路２１は、電磁誘導コイル２２を介して取り込んだ電力からバッテリＢ１～Ｂ３に必要な出力電力を生成する。

　電磁誘導コイル２２は、受電コイルＣｒからの電力を電源回路２１へと電磁誘導によって伝える。この電磁誘導コイル２２と受電コイルＣｒとの離間距離は、受電コイルＣｒから送電コイルＣｔまでの距離に比べて相当小さく、たとえば１ｃｍ程度である。なお、電源回路と受電コイルは、電磁誘導コイルを用いることなく有線で互いに接続し、受電コイルからの電力を電源回路に直接取り込むようにしてもよい。

　通信部２４は、無線送電装置１の通信部１４との間で各種の情報を無線でやり取りする。たとえばバッテリＢ１～Ｂ３の充電レベルが所定の基準レベル未満になると、バッテリＢ１～Ｂ３の制御回路（図示略）から通信部２４に充電要求が伝えられる。この充電要求に応じて通信部２４は、無線送電装置１の通信部１４に送電要求を発信する。このとき、通信部２４は、送電に必要な共振周波数ｆ１～ｆ３に関する情報も送電要求とともに発信する。送電要求先の通信部２４から共振周波数ｆ１～ｆ３に関する情報を受け取った無線送電装置１の通信部１４は、送電制御部１３に送電要求先の共振周波数ｆ１～ｆ３を伝える。これにより、無線送電装置１の可変共振回路１００は、送電要求先の共振周波数ｆ１～ｆ３に同調される。

　無線送電装置１および無線受電装置２Ａ～２Ｃは、図２および図３に示すような動作手順で無線送電処理および無線受電処理を実行する。

　まず、図２に示すように無線送電装置１の通信部１４は、通信可能な相手先として無線受電装置２Ａ～２Ｃを確認する（Ｓ１）。

　次に、通信部１４は、通信可能な無線受電装置２Ａ～２Ｃから送電要求があるか否か監視する（Ｓ２）。

　たとえば、一つの無線受電装置２Ａから送電要求を受信した場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、通信部１４は、その旨とともに無線受電装置２Ａの共振周波数ｆ１を送電制御部１３に伝える。これにより、送電制御部１３は、発振回路１１の交流周波数を共振周波数ｆ１に同調させるとともに、共振周波数ｆ１に対応するコンデンサＣ１を選択してこれに回路接続スイッチＳｗを接続させる（Ｓ３）。これにより、無線送電部１０の送電コイルＣｔは、共振周波数がｆ１となる共振状態となって送電を開始する（Ｓ４）。なお、複数の無線受電装置から送電要求があり、これを重複して受信した場合には、たとえば送電要求の受信順に対応すべき無線受電装置の共振周波数に同調させてもよいし、あるいは時分割処理によって必要な共振周波数に周期的に合わせてもよい。

　送電開始後、通信部１４は、相手先の無線受電装置２Ａから充電完了通知があるか否か監視する（Ｓ５）。

　無線受電装置２Ａから充電完了通知を受信した場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、通信部１４は、再びＳ２に戻って送電要求があるか否か監視する。

　Ｓ５において、無線受電装置２Ａから充電完了通知を受信していない場合（Ｓ５：ＮＯ）、無線受電装置２Ａに対して送電継続中にあるため、通信部１４は、無線受電装置２Ａから充電完了通知を受信するまでその監視を続ける。

　Ｓ２において、全ての無線受電装置２Ａ～２Ｃから送電要求がない場合（Ｓ２：ＮＯ）、無線送電装置１は、発振回路１１の動作を停止させた上で無線送電処理に関する一連の動作を終了する。無線送電処理の動作終了後は、Ｓ１に戻って繰り返し一連の動作が実行される。なお、他の無線受電装置２Ｂ，２Ｃから送電要求がある場合についても、同様に無線送電処理に関する一連の動作が実行される。

　一方、図３に示すようにたとえば一つの無線受電装置２Ａにおいては、通信部２４が通信可能な相手先として無線送電装置１を確認する（Ｓ１１）。

　無線送電装置１が確認された場合、通信部２４は、バッテリＢ１から充電要求があるか否か監視する（Ｓ１２）。

　バッテリＢ１から充電要求を受けた場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、通信部２４は、無線送電装置１に対して送電要求を発信するとともに、共振周波数ｆ１に関する情報を無線送電装置１に伝える（Ｓ１３）。これにより、無線送電装置１においては、送電開始の準備が行われ（図２のＳ３）、準備完了後に送電が開始される（図２のＳ４）。すなわち、送電要求を発信した無線受電装置２Ａと無線送電装置１との間には、共振周波数ｆ１の同調によって磁場共鳴モードが生じ、無線受電装置２Ａが受電を開始して送電コイルＣｔから受電コイルＣｒへと無線で電力が伝えられる（Ｓ１４）。無線受電装置２Ａに伝えられた電力は、受電コイルＣｒ、電磁誘導コイル２２、および電源回路２１を通じてバッテリＢ１に供給され、これによりバッテリＢ１の充電が行われる。このとき、共振周波数ｆ１に同調しない無線受電装置２Ｂ，２Ｃは、無線送電装置１との間に磁場共鳴モードが生じないので、電力が不必要に伝えられることはない。

　受電開始後、所定時間を経てバッテリＢ１の充電が完了すると（Ｓ１５）、通信部２４は、無線送電装置１に対して充電完了を通知する（Ｓ１６）。これにより、無線受電装置２Ａは、無線受電処理に関する一連の動作を終了する。無線受電処理の動作終了後は、Ｓ１１に戻って繰り返し一連の動作が実行される。

　Ｓ１２において、バッテリＢ１からの充電要求がない場合（Ｓ１２：ＮＯ）、無線受電装置２Ａは、無線受電処理に関する動作を終了する。なお、他の無線受電装置２Ｂ，２Ｃにおいても、同様に無線受電処理に関する一連の動作が実行される。

　したがって、本実施形態の無線電力供給システムでは、送電要求がなされた無線受電装置２Ａ～２Ｃに対して選択的に共振周波数ｆ１～ｆ３を同調させ、比較的強い磁場共鳴モードを生じさせることができる。これにより、必要な無線受電装置２Ａ～２Ｃに対してのみエネルギー転送効率が向上させられ、無線電力供給に伴う無駄な電力損失ができり限り抑えられるので、オンデマンド方式によって効率よく無線で電力を供給することができる。

　図４～８は、本発明が適用された無線電力供給システムの他の実施形態を示している。なお、先述した実施形態によるものと同一または類似の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。

　図４に示す無線電力供給システムにおいて、無線送電装置１は、無線送電部１０、発振回路１１、電磁誘導コイル１２、送電制御部１３、および通信部１４を備えている。無線送電部１０は、所定の共振周波数ｆをもつ送電共振回路１００’を有する。送電共振回路１００’は、送電コイルＣｔとコンデンサＣが直列に接続された閉回路である。送電コイルＣｔは、インダクタンスＬを有し、コンデンサＣは、同符号のキャパシタンスＣをもつ。この場合、送電共振回路１００’は、入力された交流電力の周波数がｆ＝１／２π（ＬＣ）^1/2といった周波数ｆに一致すると共振状態となる。すなわち、送電共振回路１００’の共振周波数はｆである。

　発振回路１１は、送電共振回路１００’の共振周波数ｆに一致した交流電流を電磁誘導コイル１２に流す。

　電磁誘導コイル１２は、共振周波数ｆに一致した交流電力を送電共振回路１００’の送電コイルＣｔへと電磁誘導によって無線で伝える。

　送電制御部１３は、通信部１４からの指令に応じて発振回路１１で生成される交流周波数を共振周波数ｆと一致させるように制御する。

　無線受電装置２Ａ～２Ｃは、同一の構成要素および電気的特性を有し、無線受電部２０、電源回路２１、電磁誘導コイル２２、通信部２４、および受電制御部２５を備えている。受電制御部２５は、無線受電部２０および通信部２４に接続されている。

　無線受電部２０は、無線送電装置１の送電共振回路１００’と同一の共振周波数特性をもつ受電共振回路２００を有する。すなわち、受電共振回路２００には、送電コイルＣｔと同一の電気的特性をもつ受電コイルＣｒと、この受電コイルＣｒに回路接続スイッチＳｗを介して接続されるコンデンサＣとが含まれる。コンデンサＣは、送電共振回路１００’のコンデンサＣと同一の電気的特性をもつ。受電コイルＣｒは、インダクタンスＬを有し、コンデンサＣは、同符号のキャパシタンスＣをもつ。このような受電共振回路２００は、回路接続スイッチＳｗを介してコンデンサＣと受電コイルＣｒが直列に接続されることにより閉回路となる。

　たとえば、無線送電装置１の送電コイルＣｔが共振周波数ｆの共振状態にあり、かつ、一つの無線受電装置２Ａにおける受電共振回路２００を閉回路とした上で受電コイルＣｒを送電コイルＣｔを近づけると、共振周波数ｆの同調によって磁場共鳴モードが生じる。これにより、送電コイルＣｔからの電力は、受電コイルＣｒへと無線で伝えられ、その電力が受電コイルＣｒに収受される。受電コイルＣｒによって収受された電力は、電磁誘導コイル２２を介して電源回路２１に取り込まれる。このとき、回路接続スイッチＳｗが開状態で受電共振回路２００が閉回路になっていない他の無線受電装置２Ｂ，２Ｃと無線送電装置１との間には、磁場共鳴モードが生じない。すなわち、回路接続スイッチＳｗが開状態の無線受電装置２Ｂ，２Ｃには、無線送電装置１からの電力が伝えられない。これらの無線受電装置２Ｂ，２Ｃにおいても回路接続スイッチＳｗが閉状態とされた場合には、共振周波数ｆが同調させられるため、無線送電装置１との間に磁場共鳴モードが生じる。これにより、たとえば複数の無線受電装置２Ａ，２Ｂ，２Ｃにおける回路接続スイッチＳｗが全て閉状態の場合、これら全ての無線受電装置２Ａ，２Ｂ，２Ｃとの間に磁場共鳴モードが生じ、同時に無線で電力が伝えられる。

　通信部２４は、無線送電装置１の通信部１４に送電要求を発信するほか、受信制御部２５に対してバッテリＢ１～Ｂ３からの充電要求や充電完了を伝える。

　受電制御部２５は、通信部２４から充電要求を受けると、それに応じて受電共振回路２００の回路接続スイッチＳｗを閉状態とする。これにより、受電共振回路２００は、閉回路となって送電共振回路１００’の共振周波数ｆに同調させられる。一方、通信部２４から充電完了が伝えられると、受電制御部２５は、受電共振回路２００の回路接続スイッチＳｗを開状態とする。これにより、受電共振回路２００は、共振状態から解除される。

　図４に示す無線受電装置２Ａ～２Ｃおよび無線送電装置１は、図５および図６に示すような動作手順で無線受電処理および無線送電処理を実行する。

　まず、図５に示すようにたとえば一つの無線受電装置２Ａにおいては、通信部２４が無線送電装置１を確認する（Ｓ２１）。

　無線送電装置１が確認された場合、通信部２４は、バッテリＢ１から充電要求があるか否か監視する（Ｓ２２）。

　バッテリＢ１から充電要求を受けた場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、通信部２４は、その旨を受電制御部２５に伝える。これにより、受電制御部２５は、回路接続スイッチＳｗを閉状態とする（Ｓ２３）。

　その後、通信部２４は、無線送電装置１に対して送電要求を発信する（Ｓ２４）。これにより、無線送電装置１においては、送電が開始される。すなわち、送電要求を発信した無線受電装置２Ａと無線送電装置１との間には、共振周波数ｆの同調によって磁場共鳴モードが生じ、無線受電装置２Ａが受電を開始して送電コイルＣｔから受電コイルＣｒへと無線で電力が伝えられる（Ｓ２５）。無線受電装置２Ａに伝えられた電力は、受電コイルＣｒ、電磁誘導コイル２２、および電源回路２１を通じてバッテリＢ１に供給され、これによりバッテリＢ１の充電が行われる。このとき、たとえば回路接続スイッチＳｗが開状態にある無線受電装置２Ｂ，２Ｃは、無線送電装置１との間に磁場共鳴モードが生じないので、電力が不必要に伝えられることはない。無線受電装置２Ｂ，２Ｃの回路接続スイッチＳｗが閉状態であれば、これらの無線受電装置２Ｂ，２Ｃに対しても同時に電力が伝えられる。

　受電開始後、所定時間を経てバッテリＢ１の充電が完了すると（Ｓ２６）、通信部２４は、無線送電装置１に対して充電完了を通知する（Ｓ２７）。このとき、通信部２４は、受電制御部２５に対しても充電完了を伝える。

　その後、受電制御部２５は、回路接続スイッチＳｗを開状態とする（Ｓ２８）。これにより、無線受電装置２Ａは、無線受電処理に関する一連の動作を終了する。無線受電処理の動作終了後は、Ｓ２１に戻って繰り返し一連の動作が実行される。

　Ｓ２２において、バッテリＢ１からの充電要求がない場合（Ｓ２２：ＮＯ）、無線受電装置２Ａは、無線受電処理に関する動作を終了する。なお、他の無線受電装置２Ｂ，２Ｃにおいても、同様に無線受電処理に関する一連の動作が実行される。

　一方、図６に示すように無線送電装置１の通信部１４は、最初に通信可能な相手先として無線受電装置２Ａ～２Ｃを確認する（Ｓ３１）。

　次に、通信部１４は、通信可能な無線受電装置２Ａ～２Ｃから送電要求があるか否か監視する（Ｓ３２）。

　たとえば、一つの無線受電装置２Ａから送電要求を受信した場合（Ｓ３２：ＹＥＳ）、通信部１４は、その旨を送電制御部１３に伝える。これにより、送電制御部１３は、発振回路１１を動作状態とし、交流周波数を共振周波数ｆに同調させる。これにより、無線送電部１０の送電コイルＣｔは、共振状態となって送電を開始する（Ｓ３３）。なお、複数の無線受電装置から送電要求があり、これを重複して受信した場合も同様である。したがって、無線送電装置は、送電要求がなされた全ての無線受電装置に対して同時に電力を供給することができる。

　送電開始後、通信部１４は、相手先の無線受電装置２Ａから充電完了通知があるか否か監視する（Ｓ３４）。

　無線受電装置２Ａから充電完了通知を受信した場合（Ｓ３４：ＹＥＳ）、通信部１４は、再びＳ３２に戻って送電要求があるか否か監視する。

　Ｓ３４において、無線受電装置２Ａから充電完了通知を受信していない場合（Ｓ３４：ＮＯ）、無線受電装置２Ａに対して送電継続中にあるため、通信部１４は、無線受電装置２Ａから充電完了通知を受信するまでその監視を続ける。

　Ｓ３２において、全ての無線受電装置２Ａ～２Ｃから送電要求がない場合（Ｓ３２：ＮＯ）、無線送電装置１は、発振回路１１の動作を停止させた上で無線送電処理に関する一連の動作を終了する。無線送電処理の動作終了後は、Ｓ１に戻って繰り返し一連の動作が実行される。なお、他の無線受電装置２Ｂ，２Ｃから送電要求がある場合についても、同様に無線送電処理に関する一連の動作が実行される。

　したがって、図４に示す無線電力供給システムによれば、送電共振回路１００’と受電共振回路２００との構成上の違いは回路接続スイッチＳｗの有無だけであり、これらの共振回路１００’，２００を比較的簡単でほぼ同一の回路構成とすることができる。このような無線電力供給システムによっても、オンデマンド方式によって効率よく無線で電力を供給することができる。

　なお、図４に示す無線電力供給システムの変形例としては、複数の無線受電装置から同時に送電要求がある場合でも、そのうちの一つに限り回路接続スイッチを閉状態とし、常に一つの無線受電装置にしか電力を供給しないようにしてもよい。そうした場合、無線送電装置は、必要な無線受電装置に対してより効率よく電力を供給することができる。

　図７に示す無線電力供給システムは、図４の無線電力供給システムに対して送電制御部および通信部を排除したようなシステムになっている。すなわち、無線送電装置１は、無線送電部１０、発振回路１１、および電磁誘導コイル１２を備えており、常に送電共振回路１００’が共振周波数をｆとした共振状態になっている。これにより、無線送電装置１は、磁場共鳴モードを生じうる無線受電装置２Ａ～２Ｃが付近に存在するか否かにかかわらず、常に電力を供給することができる状態にある。

　無線受電装置２Ａ～２Ｃは、同一の構成要素および電気的特性を有し、無線受電部２０、電源回路２１、電磁誘導コイル２２、および受電制御部２５を備えている。受電制御部２５は、無線受電部２０およびバッテリＢ１～Ｂ３に接続されている。受電制御部２５は、バッテリ残量が所定量未満になると、それに応じて受電共振回路２００の回路接続スイッチＳｗを閉状態とする。これにより、受電共振回路２００は、閉回路となって送電共振回路１００’と同一の共振周波数ｆに同調させられる。バッテリＢ１～Ｂ３の充電が完了すると、受電制御部２５は、受電共振回路２００の回路接続スイッチＳｗを開状態とする。これにより、受電共振回路２００は、共振状態から解除される。

　図７に示す無線受電装置２Ａ～２Ｃは、図８に示すような動作手順で無線受電処理を実行する。

　まず、図８に示すようにたとえば一つの無線受電装置２Ａにおいては、受電制御部２５がバッテリＢ１の残量を監視している（Ｓ４１）。

　バッテリＢ１の残量が所定量未満になると（Ｓ４１：ＹＥＳ）、受電制御部２５は、回路接続スイッチＳｗを閉状態とする（Ｓ４２）。

　このとき、無線送電装置１においては、送電コイルＣｔが共振状態にあって常に電力を供給することができる状態にある。そのため、回路接続スイッチＳｗを閉状態とした直後、無線受電装置２Ａにおいては、送電コイルＣｔの共振周波数ｆと同調することで受電コイルＣｒが共振状態となり、磁場共鳴モードによる受電が開始する（Ｓ４３）。これにより、受電コイルＣｒには、送電コイルＣｔからの電力が無線で伝えられる。無線受電装置２Ａに伝えられた電力は、受電コイルＣｒ、電磁誘導コイル２２、および電源回路２１を通じてバッテリＢ１に供給され、これによりバッテリＢ１の充電が行われる。このとき、たとえば図７に示すように回路接続スイッチＳｗが閉状態にある無線受電装置２Ｂにも同様に磁場共鳴モードが生じて電力が同時に伝えられる。一方、回路接続スイッチＳｗが開状態にある無線受電装置２Ｃにおいては、受電共振回路２００が閉回路になっていないので共振状にならず、無線送電装置１から電力が伝えられることはない。

　受電開始後、所定時間を経てバッテリＢ１の充電が完了すると（Ｓ４４）、受電制御部２５は、回路接続スイッチＳｗを開状態とする（Ｓ４５）。これにより、無線受電装置２Ａは、無線受電処理に関する一連の動作を終了する。無線受電処理の動作終了後は、Ｓ４１に戻って繰り返し一連の動作が実行される。

　Ｓ４１において、バッテリＢ１の残量が所定量以上ある場合（Ｓ４１：ＮＯ）、無線受電装置２Ａにおいては、受電制御部２５が回路接続スイッチＳｗを開状態とした上で無線受電処理に関する動作を終了する。なお、他の無線受電装置２Ｂ，２Ｃにおいても、同様に無線受電処理に関する一連の動作が実行される。

　したがって、図７に示す無線電力供給システムによれば、無線送電装置１および無線受電装置２Ａ～２Ｃに通信機能が不要とされることでより簡単な回路構成とすることができる。このような無線電力供給システムでは、通信機能が無くても電力を必要とする無線受電装置２Ａ～２Ｃの状況に応じて効率よく無線で電力を供給することができる。

　なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。

　上記実施形態で示した構成は、あくまでも一例にすぎず、仕様に応じて適宜設計変更することが可能である。

　コイル間に磁場共鳴モードを生じさせる際には、これらのコイル軸をできる限り同軸上に配置するのが好ましい。そのため、たとえば電力供給に関与するコイルについては、その方向をたとえば姿勢制御装置によって強制的に変化させるようにしてもよい。

　図１に対応する無線電力供給システムの変形例としては、複数のコンデンサを設ける代わりに可変容量コンデンサを設けてもよい。共振周波数を可変制御するための構成としては、コイルのリアクタンスを変化させる構成としてもよい。

　図４および図７に対応する無線電力供給システムの変形例としては、一定容量のコンデンサを設ける代わりに、コイルにある程度の浮遊容量が存在すれば、特にコンデンサを設けなくてもよい。このコイルの浮遊容量によって所望とする共振周波数特性を得ることができるためである。

　無線受電装置には、バッテリに限らず電子機器を直接接続するようにしてもよい。

　電源回路、通信部、受電制御部は、バッテリ保護回路などを含むバッテリ保護ＬＳＩに組み込んでもよい。その場合、バッテリ保護ＬＳＩは、受電共振回路やＡＣ－ＤＣコンバータで必要なインダクタンスやキャパシタンスと共に組み合わせて用いることにより、無線受電装置を実現することができる。

　無線受電装置の通信部は、無線送電装置の通信部との間における通信に限らず、たとえば受電共振回路から得られる電圧あるいは電流に基づいて他の無線受電装置の受電状況を取得するようにしてもよい。あるいは、通信部は、無線受電装置どうしで通信を行うことにより、他の無線受電装置の受電状況を取得するようにしてもよい。

Claims

　可変制御可能な共振周波数特性をもつ可変共振回路を有し、この可変共振回路を介して無線で電力を送出する無線送電装置と、
　上記可変共振回路の共振周波数特性を可変制御する送電制御部と、
　互いに異なる固有の共振周波数特性をもつ固有共振回路をそれぞれ有し、この固有共振回路が上記可変共振回路の共振周波数に同調して磁場共鳴モードが生じることにより、上記無線送電装置からの電力を無線で収受する複数の無線受電装置と、
　を備えている、無線電力供給システム。
　上記可変共振回路は、送電コイルと、この送電コイルに対して選択的に接続される異なる静電容量の複数のコンデンサとを有し、上記送電制御部は、上記送電コイルに対する上記複数のコンデンサの接続を選択的に制御する、請求項１に記載の無線電力供給システム。
　上記固有共振回路のそれぞれは、互いに異なる静電容量のコンデンサと、このコンデンサに接続された受電コイルとを有する、請求項２に記載の無線電力供給システム。
　所定の共振周波数特性をもつ送電共振回路を有し、この送電共振回路を介して無線で電力を送出する無線送電装置と、
　上記送電共振回路と同一の共振周波数特性をもつ受電共振回路をそれぞれ有し、この受電共振回路が上記送電共振回路の共振周波数に同調して磁場共鳴モードが生じることにより、上記無線送電装置からの電力を無線で収受する複数の無線受電装置と、
　上記無線受電装置ごとに上記受電共振回路の回路接続状態をオンオフ制御する受電制御部と、
　を備えている、無線電力供給システム。
　上記無線受電装置ごとに上記受電共振回路を介して収受した電力を蓄えるバッテリと、上記無線送電装置と上記複数の無線受電装置との間で上記バッテリの蓄電状況をやり取りする通信部とを備えており、上記無線送電装置は、上記通信部からの指令に応じて電力の送出を開始するとともに、上記受電制御部は、上記通信部からの指令に応じて上記無線受電装置ごとに上記受電共振回路の回路接続状態をオンオフ制御する、請求項４に記載の無線電力供給システム。
　上記無線受電装置ごとに上記受電共振回路を介して収受した電力を蓄えるバッテリを備えており、上記受電制御部は、上記無線受電装置ごとに上記バッテリの蓄電状況に応じて上記受電共振回路の回路接続状態をオンオフ制御する、請求項４に記載の無線電力供給システム。
　電力を磁界エネルギーとして送出可能な送電コイルを含む可変共振回路を有し、この可変共振回路が第１の周波数および第２の周波数で共振する特性をもち、共振状態の上記送電コイルから磁界エネルギーを送出する無線送電部と、
　上記可変共振回路の共振特性を上記第１の周波数および第２の周波数を用いて変化させる送電制御部と、
　磁界エネルギーを取り込み可能な第１受電コイルを含む第１受電共振回路を有し、この第１受電共振回路が上記第１の周波数で共振する特性をもち、上記送電コイルに共鳴して共振状態となった上記第１受電コイルにより磁界エネルギーを電力として収受する第１の無線受電部と、
　磁界エネルギーを取り込み可能な第２受電コイルを含む第２受電共振回路を有し、この第２受電共振回路が上記第２の周波数で共振する特性をもち、上記送電コイルに共鳴して共振状態となった上記第２受電コイルにより磁界エネルギーを電力として収受する第２の無線受電部と、
　を備えている、無線電力供給システム。
　電力を磁界エネルギーとして送出可能な送電コイルを含む送電共振回路を有し、この送電共振回路が送電周波数で共振する特性をもち、共振状態の上記送電コイルから磁界エネルギーを送出する無線送電部と、
　磁界エネルギーを取り込み可能な受電コイルを含む受電共振回路を有し、この受電共振回路が上記送電周波数で共振する特性をもち、上記送電コイルに共鳴して共振状態となった上記受電コイルにより磁界エネルギーを電力として収受する複数の無線受電部と、
　上記無線受電部ごとに上記受電共振回路の共振特性を劣化させるように制御する受電制御部と、
　を備えている、無線電力供給システム。
　可変制御可能な共振周波数特性をもつ可変共振回路と、
　上記可変共振回路の共振周波数特性を可変制御し、その共振周波数を受電側の共振周波数に同調させて磁場共鳴モードを生じさせることにより、上記可変共振回路を介して無線で電力を送出させる送電制御部と、
　を備えている、無線送電装置。
　送電側に応じた共振周波数特性をもち、送電側からの電力を無線で収受する受電共振回路と、
　上記受電共振回路を介して収受した電力を蓄えるバッテリと、
　上記バッテリの蓄電状況に応じて上記受電共振回路の回路接続状態をオンオフ制御し、回路接続状態オンで上記受電共振回路の共振周波数を送電側の共振周波数に同調させて磁場共鳴モードを生じさせることにより、送電側からの電力を無線で収受させる受電制御部と、
　を備えている、無線受電装置。