WO2012090700A1

WO2012090700A1 - ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置、ワイヤレス伝送システム

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Publication number: WO2012090700A1
Application number: PCT/JP2011/078811
Authority: WO
Inventors: 浦野　高志
Original assignee: Tdk株式会社
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2012-07-05
Also published as: US20120161534A1; US8664803B2; JPWO2012090700A1

Abstract

　本発明の一実施形態に係るワイヤレス受電装置１２０は、ワイヤレス給電装置１１０から非接触で電力取得を行うワイヤレス受電装置であって、受電コイル７と受電コンデンサ８とを含み、ワイヤレス給電装置１１０における給電コイル１と受電コイル７との磁場共振現象に基づき、受電コイル７によって給電コイル１から電力取得を行うための受電共振回路１２２と、受電コイル７から非接触で電力供給を受ける受電ロードコイル９と、受電ロードコイル９と負荷１１との間に配置され、受電ロードコイル９に接続される一次側のインピーダンスが負荷１１に接続される二次側のインピーダンスよりも高いインピーダンス変換器１０と、を備える。

Description

ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置、ワイヤレス伝送システム

　本発明は、非接触で電力伝送を行うためのワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置、及び、ワイヤレス電力伝送システムに関する。

　下記特許文献１には、ワイヤレス給電装置からワイヤレス受電装置へ非接触（無線）で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムが開示されている。このワイヤレス電力伝送システムでは、ワイヤレス給電装置１及びワイヤレス受電装置２が、それぞれ、給電共振回路１２、受電共振回路２１を備え、これらの間で磁場共振現象（磁場共鳴現象）を利用して非接触で電力伝送が行われる。

　この種のワイヤレス電力伝送システムでは、例えば給電共振回路１２と受電共振回路２１との相対距離が変化すると、給電共振回路１２と受電共振回路２１との結合状態が変化し、電力伝送効率が低下してしまう。

　この点に関し、特許文献１には、給電側から見たインピーダンスを検出し、このインピーダンスの絶対値又は位相に応じて給電共振回路１２に供給する交流電力の周波数を設定する発明が開示されている。そのため、ワイヤレス給電装置１は、給電共振回路１２に交流電力を入力する発振器１１と、所定の周波数範囲内で給電側から見たインピーダンスを検出するインピーダンス検出装置４と、インピーダンスの絶対値又は位相に応じて、給電用共振器１２に入力する交流電力の周波数を設定する周波数可変装置３とを備える。これにより、給電共振回路１２と受電共振回路２１との結合状態が変わっても電力伝送効率の低下を抑制することができるとしている。

　なお、特許文献１に開示のワイヤレス受電装置２はロードコイル２１２（受電ロードコイル２１２）を備え、受電共振回路２１における受電コイル２１１は、受電ロードコイル２１２との電磁結合を介して負荷５に接続されている。これにより、負荷の影響により、受電共振回路２１の自己共振周波数が変化することを抑制することができるとしている。

特開２０１０－２３３４４２号公報

　ところで、電力伝送効率の観点によれば、受電共振回路における受電コイルと受電ロードコイルとの結合度合い（結合係数）は高いことが好ましい。しかしながら、受電コイルと受電ロードコイルとの結合度合いが高い場合、負荷のインピーダンスが低いと、受電共振回路のＱ値が低下してしまい、受電共振回路の共振電流が低下してしまう。その結果、電力伝送効率が低下してしまう。

　また、受電共振回路に流れる共振電流が大きいほど（すなわち、Ｑ値が高いほど）、給電共振回路と受電共振回路との相対距離を大きくすることができる。これより、上記した電力伝送効率の低下は、給電共振回路と受電共振回路との相対距離が大きくなるほど顕著に現れる。

　そこで、本発明は、受電コイルと受電ロードコイルとの結合度合いを高めても、かつ、負荷のインピーダンスが低くても、電力伝送効率の低下を抑制することが可能なワイヤレス受電装置、ワイヤレス給電装置、及び、ワイヤレス電力伝送システムを提供することを目的とする。

　本発明のワイヤレス受電装置は、ワイヤレス給電装置から非接触で電力取得を行うワイヤレス受電装置であって、受電コイルと受電コンデンサとを含み、ワイヤレス給電装置における給電コイルと受電コイルとの磁場共振現象に基づき、受電コイルによって給電コイルから電力取得を行うための受電共振回路と、受電コイルから非接触で電力供給を受ける受電ロードコイルと、受電ロードコイルと負荷との間に配置され、受電ロードコイルに接続される一次側のインピーダンスが負荷に接続される二次側のインピーダンスよりも高いインピーダンス変換器と、を備える。

　ここで、「給電コイルと受電コイルとの磁場共振現象」とは、給電コイルによって発生する交流磁場に基づく受電共振回路の共振現象を意味する。給電コイルに交流電流が流れると、給電コイルによって交流磁場が発生する。これによって、給電コイルと受電コイルとが磁場結合し、受電共振回路が共振する。その際、例えば、交流電流の周波数と受電共振回路の共振周波数とを略一致させれば、伝送電力の力率を１とすることができ、高効率な電力伝送を行うことが可能となる。

　このワイヤレス受電装置によれば、受電ロードコイルと負荷との間にインピーダンス変換器が配置され、インピーダンス変換器における受電ロードコイル側のインピーダンスが高いので、受電コイルと受電ロードコイルとの結合度合いを高めても、かつ、負荷のインピーダンスが低くても、受電共振回路のＱ値が低下することを抑制することができ、受電共振回路の共振電流が低下することを抑制することができる。その結果、ワイヤレス給電装置からの電力伝送効率の低下を抑制することができる。

　特に、負荷の影響による電力伝送効率の低下は、給電コイルと受電コイルとの間の距離が大きくなるほど顕著に現れるが、このワイヤレス受電装置によれば、給電コイルと受電コイルとの間の距離が大きい場合に、電力伝送効率の低下の抑制効果が大きい。

　上記したインピーダンス変換器は、前記受電ロードコイルと複数の負荷との間に配置され、前記受電ロードコイルに接続される一次側のインピーダンスが、前記複数の負荷それぞれに接続される複数の二次側のインピーダンスのうちの少なくとも１つよりも高くてもよい。

　また、上記したインピーダンス変換器は、一次側巻線と二次側巻線とを有するトランスであり、受電ロードコイルに接続される一次側巻線の巻数が負荷に接続される二次側巻線の巻数よりも大きくてもよい。

　本発明のワイヤレス給電装置は、上記のワイヤレス受電装置に非接触で電力供給を行うワイヤレス給電装置であって、給電コイルと、受電共振回路の共振電流を検出する共振電流検出器と、給電コイルに交流電流を供給することによって、給電コイルと受電コイルとの磁場共振現象に基づき、給電コイルから受電コイルに電力供給を行わせる制御回路であって、交流電流の周波数と共振電流検出器によって検出した共振電流の周波数とを関連付ける当該制御回路と、を備える。上記した給電コイルは、実質的に共振回路を構成しない形態であってもよい。

　ここで、「実質的に共振回路を構成しない」とは、受電共振回路の共振周波数を共振周波数とする共振回路を形成しないことを意味するものであり、給電コイルが何らかの回路要素と偶発的に共振することまでも排除する意味ではない。例えば、「実質的に共振回路を構成しない」とは、受電共振回路の共振周波数を共振周波数とする共振回路を形成するために、給電コイルに対して直列又は並列にコンデンサを設けることを行わないことを意味するものである。

　また、「給電コイルと受電コイルとの磁場共振現象」とは、上述したように、給電コイルによって発生する交流磁場に基づく受電共振回路の共振現象を意味する。給電コイルに交流電流を供給すると、給電コイルによって交流磁場が発生する。これによって、給電コイルと受電コイルとが磁場結合し、受電共振回路が共振する。その際、例えば、交流電流の周波数と受電共振回路の共振周波数とを関連付ければ、給電コイル自体が共振しなくても、伝送電力の力率を１とすることができ、高効率な電力伝送を行うことが可能となる。例えば、「交流電流の周波数と受電共振回路の共振周波数とを関連付ける」とは、交流電流の周波数と受電共振回路の共振周波数とを略一致させることである。なお、交流電流の周波数と受電共振回路の共振周波数とは完全に一致せずとも、例えば、±２０％程度の誤差範囲内で略一致させれば、伝送電力の力率を高めることができ、高効率な電力伝送を行うことが可能となる。これより、「交流電流の周波数と受電共振回路の共振周波数とを関連付ける」とは、交流電流の周波数と受電共振回路の共振周波数とを±２０％程度の誤差範囲内で略一致させることも含むものとする。

　また、「受電共振回路の共振電流を検出する」とは、受電共振回路を流れる共振電流に応じた信号（共振電流に関しての情報）を検出することを意味している。

　ところで、本願発明者らは、特許文献１に開示のように、給電共振回路と受電共振回路との２つの共振回路を備えるシステムでは、伝送電力の力率が１となる周波数が２つ存在することを発見した。これにより、このようなワイヤレス電力伝送システムでは、伝送電力の力率を１とする位相周波数制御を行う場合に、誤動作の虞がある。

　しかしながら、このワイヤレス給電装置によれば、給電コイルが実質的に共振回路を構成しないので、伝送電力の力率が１となる周波数は１つとなる。したがって、伝送電力の力率を１とする制御を行う場合に、すなわち、共振電流検出器及び制御回路によって、給電コイルに供給する交流電流の周波数と受電共振回路の共振電流の周波数とを関連付ける制御において、誤動作を防止することができる。

　上記した制御回路は、共振電流検出器によって検出した共振電流に応じた電圧と出力交流電圧との位相差に応じたパルス電圧を生成する位相比較器と、パルス電圧を平滑化するローパスフィルタと、平滑化されたパルス電圧に基づいた周波数を有する出力交流電圧を生成する電圧制御発振器と、出力交流電圧の周波数に応じた周波数を有する交流電流を給電コイルに供給する高周波増幅器と、を有する。

　本願発明者らは、給電コイルに供給する交流電流の周波数と受電共振回路の共振電流の周波数とを関連付ける制御として、特許文献１（例えば、図７）に開示のように周波数スイープ制御を用いると、１スイープごとに、給電コイルに供給する交流電流の周波数と受電共振回路の共振電流の周波数とが大きくずれてしまい、誤動作の虞があることを見出した。

　しかしながら、このワイヤレス給電装置によれば、制御回路が、位相比較器（Phase Detector：ＰＤ）と、ローパスフィルタ（Low-pass filter：ＬＰＦ）と、電圧制御発振器（Voltage
Controlled Oscillator：ＶＣＯ）とから構成される所謂フェーズロックドループ（Phase Locked Loop：ＰＬＬ）回路による制御を用いるので、給電コイルに供給する交流電流の周波数と受電共振回路の共振電流の周波数とが常に関連付けされ、その結果、誤動作を防止することができる。

　本発明のワイヤレス電力伝送システムは、上記のワイヤレス給電装置と上記のワイヤレス受電装置との間で非接触で電力伝送を行うワイヤレス伝送システムであって、ワイヤレス給電装置における給電コイルとワイヤレス受電装置における受電コイルとの磁場共振現象に基づき、給電コイルから受電コイルに電力伝送を行う。

　このワイヤレス電力伝送システムによれば、上記したワイヤレス受電装置によって非接触で電力取得を行うので、受電コイルと受電ロードコイルとの結合度合いを高めても、かつ、負荷のインピーダンスが低くても、ワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置との間の電力伝送効率の低下を抑制することができる。特に、給電コイルと受電コイルとの間の距離が大きい場合に、電力伝送効率の低下の抑制効果が大きい。

　本発明によれば、受電コイルと受電ロードコイルとの結合度合いを高めても、かつ、負荷のインピーダンスが低くても、電力伝送効率の低下を抑制することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの電気的な概略構成を示す概略図である。図２は、図１に示す給電コイル、受電コイル、及び、受電ロードコイルの物理的な構造を示す断面図である。図３は、従来例に係るワイヤレス電力伝送システムの電気的な概略構成、及び、給電コイル、受電コイル、及び、受電ロードコイルの物理的な構造を示す断面図である。図４Ａは、本発明の比較例のワイヤレス電力伝送システムの磁場共振現象の原理図であり、図４Ｂは、図４Ａに示すワイヤレス電力伝送システムの磁場共振現象における共振電流の周波数－位相特性を示す図である。図５Ａは、本発明の第１の実施形態のワイヤレス電力伝送システムの磁場共振現象の原理図であり、図５Ｂは、図５Ａに示すワイヤレス電力伝送システムの磁場共振現象における共振電流の周波数－位相特性を示す図である。図６は、図６Ａ及び図６Ｂは、比較例のワイヤレス電力伝送システムのおけるワイヤレス給電装置の周波数制御を示す概略図である。図７は、本実施形態のワイヤレス電力伝送システムにおけるワイヤレス給電装置の周波数制御を示す概略図である。図８は、本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの電気的な構成を示す図であり、図１に示すワイヤレス給電装置の電気的な構成を詳細に示す図である。図９は、実施例及び比較例のワイヤレス電力伝送システムの電力伝送効率の測定結果を示す図である。図１０は、実施例及び比較例のワイヤレス電力伝送システムの受電共振回路の共振電流の測定結果を示す図である。図１１は、実施例及び比較例のワイヤレス電力伝送システムの給電コイル（又は給電エキサイトコイル）に供給する交流電流の周波数の測定結果を示す図である。図１２は、本発明の第２の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの電気的な概略構成を示す概略図である。

　以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
［第１の実施形態］

　図１は、本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの電気的な概略構成を示す概略図であり、図２は、図１に示す給電コイル、受電コイル、及び、受電ロードコイルの物理的な構造を示す断面図である。図１及び図２に示すワイヤレス電力伝送システム１００は、ワイヤレス給電装置１１０とワイヤレス受電装置１２０とを備え、ワイヤレス給電装置１１０からワイヤレス受電装置１２０へ非接触で電力伝送を行うものである。なお、図１及び図２では、ワイヤレス給電装置が概略的に示されている。
（第１の特徴）

　まず、ワイヤレス受電装置１２０について説明する。ワイヤレス受電装置１２０は、受電コイル７と受電コンデンサ８とからなる受電共振回路１２２と、受電ロードコイル９と、出力トランス（インピーダンス変換器）１０とを有する。

　受電共振回路１２２における受電コイル７は、ワイヤレス給電装置１１０における給電コイル１との磁場共振現象に基づき、給電コイル１から電力取得を行う。受電コイル７は、受電ロードコイル９と電磁結合しており、受電ロードコイル９へ電力を転送する。電力の伝送効率の観点によれば、受電コイル７と受電ロードコイル９との結合度合いは高いことが好ましく、例えば、受電ロードコイル９と受電コイル７との結合係数は０．９以上に設定される。本実施形態では、図２に示すように、受電コイル７の外側に隣接して受電ロードコイル９を巻回することにより、これらの結合度合いを高めている。受電ロードコイル９は、出力トランス１０を介して負荷１１に電力を供給する。

　出力トランス１０の一次側は受電ロードコイル９に接続されており、二次側は負荷１１に接続されている。出力トランス１０の一次側巻線Ｎｐの巻数は、二次側巻線Ｎｓの巻数より大きい。これにより、出力トランス１０の一次側のインピーダンスは高く、出力トランス１０の二次側のインピーダンスは小さい。すなわち、出力トランス１０は、一次側が高インピーダンスであり、二次側が低インピーダンスであるインピーダンス変換器である。例えば、負荷１１は１００Ω程度と低いことがあり、この場合、出力トランス１０の一次側のインピーダンスは約５００Ωに設定される。

　ここで、図３に、従来例に係るワイヤレス電力伝送システムの電気的な概略構成、及び、給電コイル、受電コイル、及び、受電ロードコイルの物理的な構造を示す。この従来例のワイヤレス電力伝送システム１００Ｘは、ワイヤレス電力伝送システム１００においてワイヤレス受電装置１２０に代えてワイヤレス受電装置１２０Ｘを備えている構成で第１の実施形態と異なる。また、ワイヤレス受電装置１２０Ｘは、ワイヤレス受電装置１２０において出力トランス１０を有していない構成で第１の実施形態と異なる。

　この従来例のワイヤレス受電装置１２０Ｘでは、電力伝送効率の観点から、受電共振回路１２２における受電コイル７と受電ロードコイル９との結合度合い（結合係数）を高めた場合、負荷１１のインピーダンスが低いと、負荷１１の影響により受電共振回路１２２のＱ値が低下してしまい、受電共振回路１２２の共振電流が低下してしまう。その結果、ワイヤレス給電装置１１０からの電力伝送効率が低下してしまう。

　しかしながら、第１の実施形態のワイヤレス受電装置１２０によれば、受電ロードコイル９と負荷１１との間に出力トランス１０が配置され、出力トランス１０における受電ロードコイル９側のインピーダンスが高いので、受電コイル７と受電ロードコイル９との結合度合いを高めても、かつ、負荷１１のインピーダンスが低くても、受電共振回路１２２のＱ値が低下することを抑制することができ、受電共振回路１２２の共振電流が低下する（受電共振回路１２２を流れる電流の電流値が小さくなる）ことを抑制することができる。その結果、ワイヤレス給電装置１１０からの電力伝送効率の低下を抑制することができる。なお、出力トランス１０のインピーダンス比（出力トランス１０の二次側インピーダンスに対する一次側インピーダンスの比）は、１より大きければよいが、例えば、出力トランス１０から負荷１１側をみたインピーダンスが数十Ω以下の場合には、インピーダンス比は５以上にするのが好ましい。

　特に、負荷１１の影響による電力伝送効率の低下は、給電コイル１と受電コイル７との間の距離が大きくなるほど顕著に現れるが、第１の実施形態のワイヤレス受電装置１２０によれば、給電コイル１と受電コイル７との間の距離が大きい場合に、電力伝送効率の低下の抑制効果が大きい。
（第２の特徴）

　次に、図１及び図２に加えて図８を参照しながら、ワイヤレス給電装置１１０について説明する。図８は、本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの電気的な構成を示す図であり、図１に示すワイヤレス給電装置の電気的な構成を詳細に示す図である。このワイヤレス給電装置１１０は、給電コイル１と、共振電流検出器６と、制御回路１１１とを有する。

　ワイヤレス給電装置１１０では、制御回路１１１が、給電コイル１に交流電流（例えば、方形波または正弦波の電流）を供給することによって、給電コイル１と受電コイル７との磁場共振現象に基づき、給電コイル１から受電コイル７に電力供給が行われる。ここで、「給電コイル１と受電コイル７との磁場共振現象」とは、給電コイル１によって発生する交流磁場に基づく受電共振回路１２２の共振現象を意味する。給電コイル１に交流電流を供給すると、給電コイル１によって交流磁場が発生する。これによって、給電コイル１と受電コイル７とが磁場結合し、受電共振回路１２２が共振する。その際、制御回路１１１は、交流電流の周波数を、共振電流検出器６によって検出された受電共振回路１２２の共振電流の周波数に一致させる。すると、給電コイル１自体が共振しなくても、伝送電力の力率を１とすることができ、高効率な電力伝送を行うことが可能となる。なお、給電コイル１と受電コイル７とは磁気的に結合しているので、ワイヤレス給電装置１１０に設けられた共振電流検出器６で受電共振回路１２２の共振電流の情報を検知することができる。ここで、受電共振回路１２２の共振電流を直接に検出してもよい。この場合、例えば、ワイヤレス受電装置１２０に信号送信装置を設けると共に、ワイヤレス給電装置１１０に信号受信装置を設け、その検出値の情報信号を、ワイヤレス受電装置１２０に設けられた信号送信装置から送信し、ワイヤレス給電装置１１０に設けられた信号受信装置で受信する。この受信した情報信号を共振電流検出器６で検出してもよい。

　このように、ワイヤレス給電装置１１０では、給電コイル１は、実質的に共振回路を構成しない。ここで、「実質的に共振回路を構成しない」とは、受電共振回路１２２の共振周波数を共振周波数とする共振回路を形成しないことを意味するものであり、給電コイル１が何らかの回路要素と偶発的に共振することまでも排除する意味ではない。例えば、「実質的に共振回路を構成しない」とは、受電共振回路１２２の共振周波数を共振周波数とする共振回路を形成するために、給電コイル１に対して直列又は並列にコンデンサを設けることを行わないことを意味するものである。

　ワイヤレス給電装置１１０では、給電コイル１と受電コイル７との磁場結合が強くなればなるほど受電共振回路１２２の共振周波数に影響が及ぶ。すなわち、給電コイル１と受電コイル７とを十分に磁場結合できる程度に近づけた状態での受電共振回路１２２の共振周波数は、給電コイル１と受電コイル７との磁場結合を無視できるほど両者が充分に離れた状態における受電共振回路１２２単独での共振周波数に対してずれていく。受電共振回路１２２の共振周波数近傍の周波数の交流電流を給電コイル１に供給することにより、磁場共振型のワイヤレス給電が実現可能となる。

　ここで、図４及び図５を参照する。図５Ａは、本実施形態のワイヤレス電力伝送システムの磁場共振現象の原理図であり、図５Ｂは、図５Ａに示すワイヤレス電力伝送システムの磁場共振現象における共振電流の周波数－位相特性を示す図である。一方、図４Ａは、比較例のワイヤレス電力伝送システムの磁場共振現象の原理図であり、図４Ｂは、図４Ａに示すワイヤレス電力伝送システムの磁場共振現象における共振電流の周波数－位相特性を示す図である。図４Ｂ及び図５Ｂでは、共振電圧の位相を基準とする共振電流の位相の周波数特性が示されている。なお、図４Ａは、特許文献１に開示のワイヤレス電力伝送システムの磁場共振現象に相当するものである。

　図４Ａに示すように、比較例のワイヤレス電力伝送システム１００Ａはワイヤレス電力伝送システム１００においてワイヤレス給電装置１１０に代えてワイヤレス給電装置１１０Ａを備える構成で本実施形態と異なっている。ワイヤレス給電装置１１０Ａは、ワイヤレス給電装置１１０において給電コイル１に代えて給電共振回路１１２と給電エキサイトコイル１１３とを有する構成で本実施形態と異なっている。給電共振回路１１２は、給電コイル１１４と給電コンデンサ１１５とからなり、給電コイル１１４は給電エキサイトコイル１１３と電磁結合されている。

　このワイヤレス給電装置１１０Ａでは、制御回路１１１が、給電エキサイトコイル１１３に交流電流（例えば、方形波または正弦波の電流）を供給することによって、給電エキサイトコイル１１３と給電コイル１１４との電磁誘導作用に基づき、給電共振回路１１２に共振電流が流れる。その結果、給電コイル１１４と受電コイル７との磁場共振現象に基づき、給電コイル１１４から受電コイル７に電力供給が行われる。このワイヤレス給電装置１１０Ａでは、電力伝送効率の観点より、給電共振回路１１２の共振周波数と受電共振回路１２２の共振周波数が等しくなるように設定される。

　しかしながら、給電共振回路１１２と受電共振回路１２２との２つの共振回路を備えるシステムでは、給電コイル１１４と受電コイル７とを近づけると、給電コイル１１４と受電コイル７との結合により、伝送電力の力率が１となる共振周波数が２つ生じることがある。すなわち、図４Ｂに示すように、給電側から見た共振電流と共振電圧との位相差がゼロになる周波数が、ｆｒ１，ｆｒ２の２つ存在してしまう。その結果、伝送電力の力率が１となるように、すなわち、共振電流と共振電圧との位相差がゼロになるように、制御回路１１１によって、給電エキサイトコイル１１３に供給する交流電流の位相／周波数を変化させる位相／周波数制御（交流電流の周波数を受電共振回路１２２の共振電流の周波数に一致させる自動追従制御）において、誤動作を生じるおそれがある。

　一方、本実施形態のシステムでは、図５Ａに示すように、給電コイル１が実質的に共振回路を構成せず、ＬＣ共振回路は受電共振回路１２２のみであるので、図５Ｂに示すように、伝送電力の力率が１となる共振周波数、すなわち、共振電流と共振電圧との位相差がゼロになる共振周波数はｆｒ１の１つとなる。したがって、伝送電力の力率が１となるように、すなわち、共振電流と共振電圧との位相差がゼロになるように、制御回路１１１によって、給電コイル１に供給する交流電流の位相／周波数を変化させる位相／周波数制御（交流電流の周波数を受電共振回路１２２の共振電流の周波数に一致させる自動追従制御）において、誤動作を防止することができる。

　なお、本発明は、給電共振回路１１２と受電共振回路１２２との２つの共振回路を備える比較例のワイヤレス電力伝送システム１００Ａを権利範囲から除くものではない。すなわち、図１に示すワイヤレス電力伝送システム１００において、図５Ａに示すワイヤレス給電装置１１０に代えてワイヤレス給電装置１１０Ａを備える構成にしてもよい。
（第３の特徴）

　次に、図８を参照しながら、ワイヤレス給電装置１１０における制御回路１１１について詳細に説明する。制御回路１１１は、高周波増幅器２と、位相比較器３と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）５とを有する。

　位相比較器３は、共振電流検出器６によって検出された受電共振回路１２２の共振電流に応じた電圧とＶＣＯ５からの出力電圧との位相差に応じたパルス電圧を生成し、そのパルス電圧をＬＰＦ４へ出力する。ＬＰＦ４は、位相比較器３からのパルス電圧を平均化し、ＶＣＯ５へ出力する。ＶＣＯ５は、ＬＰＦ４からの電圧を制御電圧として、この電圧に応じた周波数を有する交流電圧を生成する。このように、位相比較器３、ＬＰＦ４、及び、ＶＣＯ５は、いわゆるＰＬＬ回路を構成し、共振電流検出器６によって検出された受電共振回路１２２の共振電流の位相周波数に応じた位相周波数を有する交流電圧を生成する。

　高周波増幅器２は、この交流電圧に応じて、受電共振回路１２２の共振電流の位相周波数に一致した位相周波数を有する交流電流を、給電コイル１に供給する。例えば、高周波増幅器２としては、正弦波駆動回路が用いられるが、ＭＯＳ－ＦＥＴ等のスイッチング素子を使用したハーフブリッジ回路のスイッチング電源なども適用可能である。

　次に、ワイヤレス給電装置１１０における共振電流検出器６について詳細に説明する。共振電流検出器６は、受電共振回路１２２の共振状態の情報を取得する。例えば、共振電流検出器６としては、電流センサやカレントトランスなどが用いられ、受電共振回路１２２の共振電流を検出する。本実施形態では、受電共振回路１２２の共振電流の位相周波数情報として、電圧信号が位相比較器３に供給される。

　ここで、図６及び図７を参照する。図７は、本実施形態のワイヤレス電力伝送システムにおけるワイヤレス給電装置の周波数制御を示す概略図であり、図６Ａ及び図６Ｂは、比較例のワイヤレス電力伝送システムのおけるワイヤレス給電装置の周波数制御を示す概略図である。なお、図６Ａ及び図６Ｂは、特許文献１に開示のワイヤレス給電装置の周波数制御に相当するものである。

　図６Ａに示すように、給電コイル１に供給する交流電流の周波数をｆ１からｆ２までの範囲でスィープさせ（スイープ特性Ｓ）、その周波数スィープ範囲内にある共振周波数ｆｒを探索することによって、給電コイル１に供給する交流電流の周波数ｆ０を設定して維持する制御（周波数スイープ制御）を行う場合、給電コイル１と受電コイル７との間の距離が時間と共に刻々と変化すると、各スイープ時間ｔ１、ｔ２、ｔ３、・・・、ｔ６の１スィープ毎にエラーが大きく発生して、伝送電力が間欠的となってしまう。そのため、負荷を駆動するための平均電力が低下するという問題を生じるおそれがある。なお、図６Ｂに示すように、給電コイル１と受電コイル７との間の距離の変動の頻度が少ないと、比較的に上記問題は少ないが、給電コイル１と受電コイル７との間の距離が頻繁に変化する場合には、特にこの問題を生じる可能性は大きくなる。

　一方、図７によれば、本実施形態では、制御回路１１１が、位相比較器３と、ＬＰＦ４と、ＶＣＯ５とから構成される所謂ＰＬＬ回路による制御を用いるので、給電コイル１と受電コイル７との間の距離が時間的に刻々と変化しても、給電側コイル１における電圧位相と電流位相の位相差が常にゼロとなるように交流電流の周波数制御が行われる。その結果、エラーが発生しない状態で、交流電流の周波数が受電共振回路の共振電流の周波数に常に追尾する良好な制御が可能となり、最大電力が連続的に得られる。

　本実施形態のように、給電コイル１に流れる交流電流の周波数を、受電共振回路の共振周波数に自動チューニングする構成により、給電コイル１と受電コイル７との間の距離の変化に対して、リアルタイムに周波数追従させることができるため、給電コイル１と受電コイル７との間の距離が大きくなって、しかも、これらのコイル間距離が時間的に激しく変化するような場合であっても、有効なシステムを得ることが可能となる。

　なお、本発明は、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、給電コイル１に供給する交流電流の周波数制御において周波数スイープ制御を行う比較例のワイヤレス電力伝送システムを権利範囲から除くものではない。すなわち、図１に示すワイヤレス電力伝送システム１００におけるワイヤレス給電装置１１０において、制御回路１１１に代えて、周波数スイープ制御を行う制御回路を備える構成にしてもよい。
（実施例）

　以下では、図１、図２及び図８に示す本実施形態のワイヤレス電力伝送システム１００を実施例として製作し、評価を行った。この評価では、図３に示す従来例との対比評価を行った。

　実施例及び従来例の共通事項
受信共振回路１２２の共振周波数：約１７０ｋＨｚ～２００ｋＨｚ
給電コイル１及び受電コイル７：内径約Φ１６０ｍｍ、コイル厚み約１０ｍｍ、表皮効果を低減させるためにリッツ銅線を使用
受電側ロードコイル９の外径：約Φ２００ｍｍ、コイル厚み約１０ｍｍ、表皮効果を低減させるためにリッツ銅線を使用

　実施例の特徴事項
出力トランス１０：フェライトコアを使用（例えば、一般的なＥＥ型やＥＩ型のものを使用可能）、一次側のインピーダンスは約５００Ω
負荷１１：負荷には２００ｋＨｚ以下の略正弦波の交流が流れるので、無誘導（Ｌ成分がゼロ）の厚膜抵抗器を使用、抵抗値約１００Ω

　本評価では、給電コイル１と受電コイル７との間の距離を変更し、電力伝送効率、受電共振回路１２２の共振電流、及び、給電コイル１（又は給電エキサイトコイル１１３）に供給する交流電流の周波数を測定した。これらの評価結果をそれぞれ図９～１１に示す。なお、図９～１１では、本実施例の測定結果を曲線Ａで示し、従来例の測定結果を曲線Ｂで示す。

　図９によれば、従来例では、給電コイル１と受電コイル７との間の距離ｄ(ｍｍ)が長くなる（大きくなる）に従って、電力伝送効率η（％）が急激に低下しているのに対して、本実施例では、出力トランス１０の1次側の入力インピーダンス（例えば500Ω）を負荷１１の１００Ωよりも高い５００Ωとすることにより、給電コイル１と受電コイル７との間の距離ｄがこれらのコイル直径（内径）Φの１／２倍の８０ｍｍでも電力伝送効率ηが９０％以上であり、コイル間距離ｄが更に長くなった場合にも電力伝送効率ηの低下が少なかった。すなわち、出力トランス１０を設ける本実施例によれば、出力トランス１０を設けない従来例と比較して、電力伝送効率ηの低下を改善できた。特に、給電コイル１と受電コイル７との間の距離ｄが離れれば離れるほど、電力伝送効率ηの改善効果が顕著であった。すなわち、本実施例によれば、給電コイル１と受電コイル７とを離しても（コイル間の距離を長くしても）、良好な伝送効率が得られた。

　また、図１０によれば、本実施例では、従来例と比較して、コイル間距離ｄに関わらず、受電共振回路１２２に流れる共振電流の低下を抑制することができた。これは、本実施例では、従来例と比較して、受電コイル７近傍に発生する磁場が強くなり、磁場共振作用が強くなったことを示す。

　また、図１１によれば、コイル間距離ｄに関わらず、本実施例と従来例とでは、給電コイル１又は給電エキサイトコイル１１３に供給する交流電流の周波数が、ほとんど変わらなかった。なお、コイル間距離ｄに応じて交流電流の周波数が変化しているのは、給電コイル１と受電コイル７との結合度合いが変化することによるものである。
［第２の実施形態］

　図１２は、本発明の第２の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの電気的な構成を示す図である。このように、ワイヤレス電力伝送システム１００Ｂは、ワイヤレス受電装置１２０に代えてワイヤレス受電装置１２０Ｂを備えてもよい。

　ワイヤレス受電装置１２０Ｂは、ワイヤレス受電装置１２０において出力トランス１０に代えて出力トランス１０Ｂを備えている点で第１の実施形態と異なる。出力トランス１０Ｂは、二次側に４つの巻線Ｎｓ１～Ｎｓ４を備えており、４つの出力を取り出し可能になっている点でトランス１０と異なる。各二次側巻線Ｎｓ１～Ｎｓ４には、個々に負荷１１ａ～１１ｄが接続可能になっている。出力トランス１０Ｂの一次側のインピーダンスは、例えば５００Ωで、出力トランス１０Ｂの二次側から負荷１１ａ～１１ｄ側をみたインピーダンスは、例えば、それぞれ１０Ω、５０Ω、１００Ω、３００Ωである。出力トランス１０Ｂの一次側巻線Ｎｐの巻数は、出力トランス１０Ｂのいずれの二次側巻線Ｎｓ１～Ｎｓ４の巻数より大きい。

　この第２の実施形態に係るワイヤレス受電装置１２０Ｂでも、第１の実施形態のワイヤレス受電装置１２０と同様の利点を得ることができる。すなわち、この第２の実施形態に係るワイヤレス受電装置１２０Ｂによれば、出力トランス１０Ｂの一次側のインピーダンスが、出力トランス１０Ｂの二次側に接続されたいずれの負荷のインピーダンスよりも大きいので、ワイヤレス給電装置１１０から、個々の負荷への電力伝送効率の低下を抑えることができる。

　また、出力トランス１０Ｂの一次側のインピーダンスは、出力トランス１０Ｂの二次側のそれぞれの負荷のインピーダンスの少なくとも一つより高くしてもよい。例えば出力トランス１０Ｂの一次側のインピーダンスを２００Ωにしてもよく、この場合、負荷１１ａ～１１ｃへの電力伝送効率の低下を抑えることができる。すなわち、出力トランス１０Ｂの二次側から負荷１１側をみたインピーダンスが低いほど（例えば数十Ω以下）電力伝送効率の低下を効果的に抑えることができるため、出力トランス１０Ｂの一次側巻線の巻数をそれほど大きくすることなく、第１の実施形態のワイヤレス電力伝送システム１００と同様の利点を得ることができる。

　ここで、ワイヤレス受電装置１２０Ｂでは、例えば、何らかの制御が必要であり、その制御用ＩＣを使用する場合には、巻線Ｎｓ１はメインの出力として負荷１１ａを駆動し、巻線Ｎｓ２～Ｎｓ４には制御用ＩＣの補助電源用として負荷１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ（例えば、ＡＣ／ＤＣコンバータ）を接続して、巻線Ｎｓ２～Ｎｓ４からそれぞれ＋５Ｖ、＋１２Ｖ、－１２Ｖの直流電圧を出力するように、用いることが可能となる。

　なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、第２の実施形態では、出力トランス１０Ａが二次側に４つの巻線を備える形態を例示したが、出力トランス１０Ａの二次側巻線の数はこれに限定されない。例えば、出力トランス１０Ａの二次側巻線の数は２個でも３個でも良いし、あるいは５個以上でもあってもよい。

　また、本実施の形態では、制御回路１１１は、給電コイル１に供給する交流電流の周波数と受電側共振回路１２２の共振電流の周波数とを一致させるように制御しているが、交流電流の周波数と受電共振回路１２２の共振周波数とは完全に一致せずとも、例えば、±２０％程度の誤差範囲内で略一致させれば（関連付ければ）、伝送電力の力率を高めることができ、高効率な電力伝送を行うことが可能となる。

　また、本実施の形態では、制御回路１１１は、受電側共振回路１２２の共振電流の周波数に一致した周波数を有する交流電流を、給電コイル１に供給するようにして、受電側共振回路１２２の共振電流の周波数と、給電コイル１に供給する交流電流の周波数とを一致させるように制御しているが、制御回路１１１は、受電側共振回路１２２の共振電流の周波数に略一致させるように、例えば、給電コイル１のインダクタンスを調整することにより、受電側共振回路１２２の共振電流の周波数と、給電コイル１に供給する交流電流の周波数とを略一致させるように制御してもよい。

　また、本発明の特徴は、電力伝送のみならず、信号伝送においても適用可能である。例えば、磁場共振現象を利用して、アナログ信号やデジタル信号を非接触で伝送する場合にも、本発明のワイヤレス電力伝送システムを適用可能である。

　なお、本発明は、（１）携帯電話、音楽プレーヤー、ＴＶやゲーム機等のコントローラ、ＬＥＤ照明などの家電製品への非接触給電又は充電、（２）工場内の搬送ロボット、２足ロボット、掃除ロボットなどの産業機器への非接触給電又は充電、（３）例えば、車体に受電コイルを配置し、駐車場や道路等に給電コイルを埋設するＨＥＶ、ＥＶ等の非接触充電、（４）太陽光発電から住宅内の家電製品、照明などへの非接触給電又は充電を行うシステムに適用可能である。

　なお、本明細書では、磁場共振現象のための素子を「コイル」と称したが、関連の技術分野によっては、「トランスミッタ」や「アンテナ」等と称することもある。

　以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることができることは、当業者によって認識される。本発明は実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来るすべての修正及び変更に権利を請求する。

　受電コイルと受電ロードコイルとの結合度合いを高めても、かつ、負荷のインピーダンスが低くても、電力伝送効率の低下を抑制する用途に適用することができる。

　１　給電コイル
　２　高周波増幅器
　３　位相比較器
　６　共振電流検出器
　７　受電コイル
　８　受電コンデンサ
　９　受電ロードコイル
　１０，１０Ａ，１０Ｂ　出力トランス（インピーダンス変換器）
　１１，１１ａ～１１ｄ　負荷
　１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｘ　ワイヤレス電力伝送システム
　１１０，１１０Ａ　ワイヤレス給電装置
　１１１　制御回路
　１１２　給電共振回路
　１１３　給電エキサイトコイル
　１１４　給電コイル
　１１５　給電コンデンサ
　１２０，１２０Ｂ，１２０Ｘ　ワイヤレス受電装置
　１２２　受電共振回路
　Ｎｐ　一次側巻線
　Ｎｓ，Ｎｓ１～Ｎｓ４　二次側巻線

Claims

　ワイヤレス給電装置から非接触で電力取得を行うワイヤレス受電装置であって、
　受電コイルと受電コンデンサとを含み、前記ワイヤレス給電装置における給電コイルと前記受電コイルとの磁場共振現象に基づき、前記受電コイルによって前記給電コイルから電力取得を行うための受電共振回路と、
　前記受電コイルから非接触で電力供給を受ける受電ロードコイルと、
　前記受電ロードコイルと負荷との間に配置され、前記受電ロードコイルに接続される一次側のインピーダンスが前記負荷に接続される二次側のインピーダンスよりも高いインピーダンス変換器と、
を備える、ワイヤレス受電装置。
　前記インピーダンス変換器は、前記受電ロードコイルと複数の負荷との間に配置され、前記受電ロードコイルに接続される一次側のインピーダンスが、前記複数の負荷それぞれに接続される複数の二次側のインピーダンスのうちの少なくとも１つよりも高い、請求項１に記載のワイヤレス受電装置。
　前記インピーダンス変換器は、一次側巻線と二次側巻線とを有するトランスであり、前記受電ロードコイルに接続される一次側巻線の巻数が前記負荷に接続される二次側巻線の巻数よりも大きい、請求項１に記載のワイヤレス受電装置。
　請求項１に記載のワイヤレス受電装置に非接触で電力供給を行うワイヤレス給電装置であって、
　給電コイルと、
　前記受電共振回路の共振電流を検出する共振電流検出器と、
　前記給電コイルに交流電流を供給することによって、前記給電コイルと前記受電コイルとの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルに電力供給を行わせる制御回路であって、前記交流電流の周波数と前記共振電流検出器によって検出した共振電流の周波数とを関連付ける当該制御回路と、
を備える、ワイヤレス給電装置。
　前記給電コイルは、実質的に共振回路を構成しない、請求項４に記載のワイヤレス給電装置。
　前記制御回路は、
　前記共振電流検出器によって検出した共振電流に応じた電圧と出力交流電圧との位相差に応じたパルス電圧を生成する位相比較器と、
　前記パルス電圧を平滑化するローパスフィルタと、
　平滑化された前記パルス電圧に基づいた周波数を有する前記出力交流電圧を生成する電圧制御発振器と、
　前記出力交流電圧の周波数に応じた周波数を有する前記交流電流を前記給電コイルに供給する高周波増幅器と、
を有する、請求項４に記載のワイヤレス給電装置。
　請求項４又は６に記載のワイヤレス給電装置と請求項１に記載のワイヤレス受電装置との間で非接触で電力伝送を行うワイヤレス伝送システムであって、前記ワイヤレス給電装置における給電コイルと前記ワイヤレス受電装置における受電コイルとの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルに電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システム。