WO2012147339A1

WO2012147339A1 - 無線電力伝送装置

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Publication number: WO2012147339A1
Application number: PCT/JP2012/002816
Authority: WO
Inventors: 菅野　浩; 山本　浩司
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2012-11-01
Also published as: EP2704291B1; CN102918748A; CN102918748B; US10103581B2; EP2704291A4; JP5172050B2; JPWO2012147339A1; EP2704291A1; US20170163099A1; EP3093949A1; US9620995B2; US20120274149A1; EP3093949B1

Abstract

　本発明の無線電力伝送装置は、周波数ｆ０の共振磁界結合によって非接触で電力を伝送することができる一対のアンテナ１０７、１０９であって、一方は直列共振回路であり、他方は並列共振回路である一対のアンテナ１０７、１０９と、前記一対のアンテナ１０７、１０９間を伝送される電力の大きさに応じて伝送周波数を制御する制御部１００とを備える。制御部１００は、アンテナ間を伝送される電力が基準値Ｐ１よりも高いとき、伝送周波数を周波数ｆ０よりも高い第１レベル範囲内の値に設定し、電力が基準値Ｐ１よりも低いときは、伝送周波数を第１レベル範囲よりも低い第２レベル範囲内の値に設定する。

Description

無線電力伝送装置

　本発明は、共振磁界結合を利用して電力を無線で伝送する共振磁界結合型の非接触電力技術に関する。

　特許文献１は、２つの共振器の間で空間を介してエネルギーを伝送する新しい無線エネルギー伝送装置を開示している。この無線エネルギー伝送装置では、共振器の周辺の空間に生じる共振周波数の振動エネルギーのしみ出し（エバネッセント・テール）を介して２つの共振器を結合することにより、振動エネルギーを無線（非接触）で伝送する。

　一方で、古くから電磁誘導技術が存在する。これらの電力伝送技術が適用される電子機器の中には、一定電圧の電力の入力を受けて、何らかの電力変換や分圧、エネルギー伝送などのブロックを経た後に、機器へ供給する電圧を一定電圧とするよう要求するものが多い。例えばテレビなどのＡＶ機器について説明すると、入力はほぼ一定電圧のＡＣ電力を供給するコンセントから受け、最終的に電力を消費する機器内個別回路は所定の電圧を保って動作する。画面の輝度が変化した場合も電流量を変化させることで対応する。このように一定電圧の電力供給を電源から受け、一定電圧の電力を負荷に出力する動作のことを以後「定電圧動作」と記述することとする。

米国特許出願公開第２００８／０２７８２６４号明細書（図１２、図１４）

　特許文献１に記載の無線エネルギー伝送回路では、大電力伝送時から小電力伝送時まで定電圧動作を行う際に高効率伝送特性を維持することが困難である。

　本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その第１の目的は、所定入力電圧の電力入力に対し、所定出力電圧の電力出力を行い、且つ、大電力伝送時だけでなく小電力伝送時も高い効率を維持することが可能な無線電力伝送装置を提供することにある。

　本発明の無線電力伝送装置は、周波数ｆ０の共振磁界結合によって非接触で電力を伝送することができる一対のアンテナであって、一方は直列共振回路であり、他方は並列共振回路である一対のアンテナと、前記一対のアンテナ間を伝送される電力の大きさに応じて伝送周波数を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記電力が基準値Ｐ１よりも高いとき、前記伝送周波数を、前記周波数ｆ０よりも高い第１レベル範囲内の値に設定し、前記電力が前記基準値Ｐ１よりも低いときは、前記伝送周波数を、前記第１レベル範囲よりも低い第２レベル範囲内の値に設定する。

　ある実施形態において、前記制御部は、前記電力が前記基準値Ｐ１よりも高い値から前記基準値Ｐ１よりも低い値に変化したとき、または、前記電力が前記基準値Ｐ１よりも低い値から前記基準値Ｐ１よりも高い値に変化したとき、前記伝送周波数を、前記第１レベル範囲内の値と前記第２レベル範囲内の値との間でホッピングさせる。

　ある実施形態において、前記制御部は、前記伝送周波数をホッピングさせるとき、前記一対のアンテナ間を結合する共振磁界のモードを偶モードと奇モードとの間で切り替える。

　ある実施形態において、前記制御部は、前記伝送電力が前記基準値Ｐ１と、前記基準値Ｐ１よりも低い第２の基準値Ｐ２との間にあるとき、前記伝送周波数を、前記周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ２以下の値に設定し、前記伝送電力が前記第２の基準値Ｐ２よりも低いときは、前記伝送周波数を前記周波数ｆ２よりも高い値に設定する。

　ある実施形態において、前記第１レベル範囲は、前記周波数ｆ０から偶モードの共振周波数ｆＨまでの範囲であり、前記第２レベル範囲は、奇モードの共振周波数ｆＬから前記周波数ｆ０までの範囲である。

　ある実施形態において、前記制御部は、前記伝送電力が前記基準値Ｐ１に等しいとき、前記伝送周波数を前記周波数ｆ０に等しい値に設定する。

　ある実施形態において、前記一対のアンテナの共振磁界は、それぞれ、前記周波数ｆ０に等しい。

　ある実施形態において、前記一対のアンテナの結合係数ｋは、電力伝送中に一定に維持される。

　ある実施形態において、前記基準値Ｐ１は、最大伝送電力Ｐｍａｘの６０％以上８０％以下の範囲に設定される。

　ある実施形態において、前記伝送周波数の最大値をｆｔｒｍａｘ、偶モードの共振周波数をｆＨとするとき、前記制御部は、前記電力が基準値Ｐ１よりも高いとき、前記伝送周波数の最大値ｆｔｒｍａｘを、Ｒｈｉｇｈ＝（ｆｔｒｍａｘ－ｆ０）÷（ｆＨ－ｆ０）×１００の式によって定義されるＲｈｉｇｈが１８％から５６％の範囲内になるように設定する。

　ある実施形態において、前記伝送周波数の最小値をｆｔｒｍｉｎ、奇モードの共振周波数をｆＬとするとき、前記制御部は、前記電力が基準値Ｐ１よりも低いとき、前記伝送周波数の最小値ｆｔｒｍｉｎを、Ｒｌｏｗ＝（ｆ０－ｆｔｒｍｉｎ）÷（ｆ０－ｆＬ）×１００の式によって定義されるＲｌｏｗが２１％から４５％の範囲内になるように設定する。

　ある実施形態において、前記一対のアンテナのうち、受電側のアンテナの出力端子と後段の負荷とが接続された状態において、送電側のアンテナにＲＦエネルギーを与える発振器の出力インピ－ダンスＺｏｃと送電アンテナの入力インピーダンスＺｉｎとが相互に等しい。

　ある実施形態において、前記一対のアンテナのうち、送電側のアンテナにＲＦエネルギーを与える発振器の出力端子と前記送電側のアンテナの入力端子とが接続された状態において、受電側のアンテナの出力インピーダンスＺｏｕｔと後段に接続される負荷の入力インピーダンスとが相互に等しい。

　本発明の無線電力伝送装置によれば、共振磁界結合を利用してアンテナ間の伝送を行う際に、例えば広い伝送電力範囲において、所定入力電圧のエネルギー入力に対して所定出力電圧のエネルギーを出力する電力伝送装置の高効率化を実現しうる。

本発明の無線電力伝送装置の基本構成の一例を示す図である。本発明の無線電力伝送装置の基本構成の他の例を示す図である。本発明の無線電力伝送装置の基本構成の他の例を示す図である。伝送電力と伝送周波数との関係の一例を示す図である。伝送電力と伝送周波数との関係の他の例を示す図である。本発明の無線電力伝送装置の基本構成を示す図である。本発明の無線電力伝送装置におけるアンテナ対の等価回路を示す図である。本発明の無線電力伝送装置におけるアンテナ対の等価回路を示す図である。本発明の無線電力伝送装置におけるアンテナ対の斜視模式図である。本発明の実施例における無線伝送部の伝送効率の伝送電力依存性を示すグラフである。本発明の実施例における周波数の伝送電力依存性を示すグラフである。本発明の実施例における周波数の伝送電力依存性を示すグラフである。本発明の比較例における無線伝送部の伝送効率の伝送電力依存性を示すグラフである。本発明の比較例におけるピーク周波数の伝送電力依存性を示すグラフである。本発明の比較例における無線伝送部の伝送効率の伝送電力依存性を示すグラフである。本発明の比較例におけるピーク周波数の伝送電力依存性を示すグラフである。本発明の比較例における無線伝送部の伝送効率の伝送電力依存性を示すグラフである。本発明の比較例におけるピーク周波数の伝送電力依存性を示すグラフである。本発明の比較例におけるピーク周波数の伝送電力依存性を示すグラフである。本発明の比較例におけるピーク周波数の伝送電力依存性を示すグラフである。

　本発明の無線電力伝送装置の好ましい実施形態は、図１Ａに例示されるように、周波数ｆ０の共振磁界結合によって非接触で電力を伝送することができる一対のアンテナ１０７、１０９と、この一対のアンテナ１０７、１０９間を伝送される電力の大きさに応じて伝送周波数を制御する制御部（周波数制御部）１００とを備える。この一対のアンテナの一方は直列共振回路であり、他方は並列共振回路である。制御部１００は、アンテナ１０７、１０９間を伝送される電力が基準値Ｐ１よりも高いとき、伝送周波数を周波数ｆ０よりも高い第１レベル範囲内の値に設定し、電力が基準値Ｐ１よりも低いときは、伝送周波数を第１レベル範囲よりも低い第２レベル範囲内の値に設定する。この基準値Ｐ１は、最大伝送電力Ｐｍａｘよりも低く設定された値であり、好ましくは、最大伝送電力Ｐｍａｘの６０％以上８０％以下の範囲に設定され得る。本発明者は、共振磁界結合を利用する無線電力伝送装置で定電圧動作を実行するとき、後述するように、最大伝送電力Ｐｍａｘよりも十分に低くするときは、送受アンテナ間の共振磁界の結合モードを切り替えることにより、伝送効率を高く維持することが可能になることを見出した。本発明は、この知見に基づいている。基準値Ｐ１よりも高いか低いかに応じて伝送周波数を変化させることにより、結合モードの切り替えが実現できる。

　図１Ａの無線電力伝送装置は、発振周波数ｆ０の発振器１０３を備えている。図２に別の実施の形態を示すように、受電アンテナの後段に周波数変換回路１６１を接続してもよい。発振器１０３は、図示しない電源から供給される直流もしくは交流のエネルギー（電力）を受け取り、供給されたエネルギーを周波数ｆｔｒのＲＦエネルギーに周波数変換する（ＤＣ／ＲＦ変換もしくはＡＣ／ＲＦ変換）。本明細書では、この周波数ｆｔｒを伝送周波数と呼ぶ。

　発振器１０３から出力されたＲＦエネルギーは、発振器１０３に接続された送電アンテナ１０７に入力される。送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０９は、それぞれの共振周波数ｆＴ、ｆＲが該等しくなるようにあらかじめ設計された共振器対である。送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０９は、互いの共振器が周辺空間に形成する共振磁界を介して磁気的に結合される。結果として、共振磁界結合によって、受電アンテナ１０９は、送電アンテナ１０７によって送出されたＲＦエネルギーの少なくとも一部を効率良く受け取ることができる。

　制御部１００は、発振器１０３の発振周波数を制御するための信号（例えば周波数可変のパルス列）を生成し、発振器１０３に入力する。本発明のある実施形態では、図１Ｂに示すよう、受電アンテナ１０９の出力は負荷１１１に接続されている。この負荷１１１の状況（例えば消費される電力）に応じて、送電アンテナ１０７から受電アンテナ１０９に伝送すべき電力の大きさが変化し得る。図１Ｂの例では、負荷１１１が必要とする伝送電力の大きさを示す情報または信号が、負荷１１１から制御部１００に与えられる。これに応答して、制御部１００は発振器１０３の発振周波数を増減させることができる。この結果、伝送電力の周波数が制御されることになる。

　また、本発明の別の実施形態では、図１Ｃに示すように示すように、発振器１０３が発電部１０２に接続され、周波数制御部１００は発電部１０２の状況に応じて発振器１０３の発信周波数を変化させることができる。発電部１０２は、例えば太陽電池などの発電素子を含んでいる。発電部１０２から発振器１０３に供給される電力は、発電部１０２の状況に応じて変化し得る。例えば、太陽電池が受ける太陽光の量に応じて発生する電力が変化し得る。このため、送電アンテナ１０７から受電アンテナ１０９に伝送すべき電力の大きさも変化し得る。図１Ｃの例では、発電部１０２で発電される電力、すなわち伝送電力の大きさを示す情報または信号が、発電部１０２から制御部１００に与えられる。これに応答して、制御部１００は発振器１０３の発振周波数を増減させることができる。この結果、伝送電力の周波数が制御されることになる。

　伝送電力の大きさと伝送周波数との関係は、予め実験などに基づいて決定され、無線電力伝送装置または負荷に設けられたメモリに記録されていてもよい。また、伝送電力の大きさと伝送周波数との関係は、実際の電力伝送中に、伝送効率に基づいて決定されてもよい。

　図１Ｄは、伝送電力の大きさと伝送電力の周波数との関係の一例を示すグラフである。図示されるように、第１レベル範囲は前記周波数ｆ０よりも高い。この例では、第１レベル範囲は、周波数ｆ０から偶モード共振周波数ｆＨまでの範囲であり、第２レベル範囲は、奇モード共振周波数ｆＬから周波数ｆ０までの範囲である。偶モードおよび奇モードの共振周波数ｆＨ、ｆＬについては、後述する。

　制御部１００は、伝送電力が基準値Ｐ１よりも高い値から前記基準値Ｐ１よりも低い値に変化したとき、または、前記電力が前記基準値Ｐ１よりも低い値から前記基準値Ｐ１よりも高い値に変化したとき、伝送周波数を、第１レベル範囲内の値と前記第２レベル範囲内の値との間でホッピングさせる。制御部１００は、伝送周波数をホッピングさせるとき、一対のアンテナ間を結合する共振磁界のモードを偶モードと奇モードとの間で切り替える。なお、ある好ましい実施形態では、伝送電力が基準値Ｐ１に等しいとき、伝送周波数は周波数ｆ０に等しい値に設定され得る。

　伝送電力の大きさと伝送周波数との関係は、図１Ｄの例に限定されない。図１Ｅは、より複雑な関係の一例を示している。この例によれば、制御部１００は、伝送電力が基準値Ｐ１と、基準値Ｐ１よりも低い第２の基準値Ｐ２との間にあるとき、伝送周波数を、周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ２以下の値に設定する。そして、制御部１００は、伝送電力が第２の基準値Ｐ２よりも低いときは、伝送周波数を周波数ｆ２よりも高い値に設定する。伝送電力が充分に低いとき、例えば最大の伝送電力Ｐｍａｘの１０％以下のとき、伝送周波数は周波数ｆ０にほぼ等しく設定されることが好ましい。

　伝送電力の大きさと伝送周波数との関係、および基準値Ｐ１、Ｐ２などの値は、与えられた伝送電力の大きさのもとで伝送効率を最適化する伝送周波数を決定することによって得られる。伝送電力の大きさと伝送周波数との関係の具体例については、後に詳しく説明する。なお、一対のアンテナの結合係数ｋは、電力伝送中に一定に維持されることが好ましい。

　図２に示す周波数変換回路１６１は、受電アンテナ１０９から供給されるＲＦエネルギー（電力）を受け取り、負荷や系統など電力を送出する最終段のブロックにおいて必要とされる周波数に電力を変換する。したがって、変換後の電力の周波数はＤＣでもＡＣでも、もしくは別の周波数でもよい。受電アンテナ１０９は、送電アンテナ１０７に接触しておらず、送電アンテナ１０７から例えば数ミリメートル～数十センチメートル程度は離間している。周波数ｆ０は、例えば５０Ｈｚ～３００ＧＨｚ、より好ましくは２０ｋＨｚ～１０ＧＨｚ、さらに好ましくは２０ｋＨｚ～２０ＭＨｚ、さらに好ましくは２０ｋＨｚ～１ＭＨｚ、に設定される。

　本発明の無線電力伝送装置における「アンテナ」は、放射電磁界の送受信を行うための通常のアンテナではなく、共振器の電磁界の近傍成分（エバネッセント・テール）の結合を利用して２つの物体間でエネルギー伝送を行うための要素である。共振磁界を利用した無線電力伝送によれば、電磁波を遠方に伝搬させるときに生じるエネルギー損失（放射損失）が生じないため、極めて高い効率で電力を伝送することが可能になる。このような共振電磁界（近接場）の結合を利用したエネルギー伝送では、ファラデーの電磁誘導の法則を利用した公知の無線電力伝送に比べて損失が少ないだけではなく、例えば数メートルも離れた２つの共振器（アンテナ）間で高効率にエネルギーを伝送することが可能になる。

　このような原理に基づく無線電力伝送を行うには、２つの共振アンテナ間で結合を生じさせる必要がある。ｆＴおよび／またはｆＲは、周波数ｆ０と完全に一致する必要は無い。共振器間の結合に基づき高効率なエネルギー伝送を実現するためには、ｆＴ＝ｆＲが理想的であるが、ｆＴとｆＲとの差異が充分に小さければよい。本明細書において、「周波数ｆＴが周波数ｆＲに等しい」とは、以下の式１が満足される場合であると定義する。
（式１）　｜ｆＴ－ｆＲ｜≦ｆＴ／ＱＴ＋ｆＲ／ＱＲ
ここで、ＱＴは送電アンテナの共振器としてのＱ値、ＱＲは受電アンテナの共振器としてのＱ値である。一般に、共振周波数をＸ、共振器のＱ値をＱｘとした場合、この共振器の共振が生じる帯域はＸ／Ｑｘに相当する。｜ｆＴ－ｆＲ｜≦ｆＴ／ＱＴ＋ｆＲ／ＱＲの関係が設立すれば、２つの共振器間で共振磁界結合によるエネルギー伝送が実現する。

　（等価回路について－非対称共振器対：直列共振回路と並列共振回路の組み合わせ）
　次に、図３を参照する。図３は、本発明の無線電力伝送装置におけるアンテナ対の等価回路を示す図である。図３に示すように、本発明における送電アンテナ１０７は、第１インダクタ１０７ａおよび第１容量素子１０７ｂが直列に接続された直列共振回路であり、受電アンテナ１０９は第２インダクタ１０９ａおよび第２容量素子１０９ｂが並列に接続された並列共振回路である。なお、送電アンテナ１０７の直列共振回路は寄生抵抗成分Ｒ１を有し、受電アンテナ１０９の並列共振回路は寄生抵抗成分Ｒ２を有している。本発明の無線伝送部は、送電アンテナと受電アンテナの構成が、直列共振回路と並列共振回路、という非対称な組み合わせで構成されている。すなわち、図４にも示すように、送電アンテナ１０７が並列共振回路であり、受電アンテナ１０９が直列共振回路であっても同様の効果を発現する。

　一般的に、固有の共振周波数を有する二つの共振器が電気的に結合した場合、共振周波数が変化することが知られている。仮に２つの共振器の共振周波数が同一（周波数：ｆ０）であったとしても、上記結合により共振器対としての共振周波数は２つの周波数に分離する。結合共振器対が示す２つの共振周波数の内、周波数が高いものを偶モードの共振周波数（ｆＨ）、周波数が低いものを奇モードの共振周波数（ｆＬ）と呼ぶ。また、
（式２）　ｋ＝（ｆＨ＾２－ｆＬ＾２）÷（ｆＨ＾２＋ｆＬ＾２）
で示されるｋが共振器間の結合係数に相当する。結合が強いほどｋは大きな値となり、２つの共振周波数の分離量が増大する。

　無線電力伝送装置においては、伝送電力Ｐが最大（Ｐｍａｘ）となる動作条件において、高い伝送効率が維持されるべきであることはいうまでもないが、伝送電力を低減した伝送条件においてもやはり効率は高く維持されるべきである。更に、伝送電力がＰ＝Ｐｍａｘの場合も、Ｐ≠Ｐｍａｘの場合でも、定電圧動作を行うことが好ましい。そこで、Ｐ＝Ｐｍａｘの条件での入出力インピーダンスＺｉｎ（Ｐ＝Ｐｍａｘ）、Ｚｏｕｔ（Ｐ＝Ｐｍａｘ）と任意の伝送電力Ｐ伝送時の入出力インピーダンスＺｉｎ、Ｚｏｕｔの間には、以下の関係が成立する。
　（式３）　Ｚｉｎ＝Ｚｉｎ（Ｐ＝Ｐｍａｘ）×（Ｐｍａｘ÷Ｐ）
　（式４）　Ｚｏｕｔ＝Ｚｏｕｔ（Ｐ＝Ｐｍａｘ）×（Ｐｍａｘ÷Ｐ）

　すなわち、定電圧動作中、入出力インピーダンスは伝送電力に反比例して変化する。この条件下において、広い伝送電力範囲で伝送効率を高く維持することが本願発明の目的となる。この目的を達成するために、本発明の無線電力伝送装置における伝送周波数ｆｔｒは、電力の伝送量に応じて周波数ｆＬより大きくｆＨより小さい範囲内で可変制御される。具体的には、所定電力（Ｐ１）からＰｍａｘまでの電力伝送範囲では、偶モード共振からの寄与が大きい周波数帯で電力を伝送することにより、高効率伝送が実現可能である。一方、所定電力（Ｐ１）より伝送電力が低く設定される伝送電力範囲では、奇モード共振からの寄与が大きい周波数帯で電力を伝送することにより、高効率伝送が実現できる。すなわち、伝送電力をＰとすると、Ｐ１≦Ｐ≦Ｐｍａｘの範囲において、ｆ０＜ｆｔｒ＜ｆＨであり、Ｐ＜Ｐ１では、ｆＬ＜ｆｔｒ＜ｆ０である。

　より詳細に記述すると、Ｐ１≦Ｐ≦Ｐｍａｘの範囲において、Ｐ１近傍での伝送電力条件での最適ｆｔｒ（Ｐ→Ｐ１）は、Ｐｍａｘ近傍での伝送電力条件での最適ｆｔｒ（Ｐ→Ｐｍａｘ）より高い値に設定される。また、Ｐ＜Ｐ１の範囲では、Ｐ１近傍での伝送電力条件での最適ｆｔｒ（Ｐ→Ｐ１）は、極めて小電力な伝送条件での最適ｆｔｒ（Ｐ→０）より低い値に設定される。すなわち、本願発明の好ましい実施形態では、Ｐ≧Ｐ１とＰ＜Ｐ１の範囲で設定するｆｔｒの値に不連続性が生じる。本願発明の好ましい実施形態では、低インピーダンス伝送条件では偶モード共振を利用し、高インピーダンス伝送条件では奇モード共振を利用する。アンテナ対の共振モードを伝送電力条件に応じて切り替えることにより、広範囲な入出力インピーダンスに対して高効率伝送の維持を実現する。

　なお、好ましい実施形態では、Ｐ１≦Ｐ≦Ｐｍａｘの範囲におけるｆｔｒの最大値ｆｔｒｍａｘの値は、以下の（式５）で定義されるＲｈｉｇｈが１８％から５６％の範囲内の値を示すように設定される。
（式５）Ｒｈｉｇｈ＝（ｆｔｒｍａｘ－ｆ０）÷（ｆＨ－ｆ０）×１００

　このようにすることにより、幅広い電力範囲に対して高効率な定電圧動作を実現できる。また、同様の理由から、Ｐ＜Ｐ１におけるｆｔｒの最小値ｆｔｒｍｉｎの値は、以下の（式６）で定義されるＲｌｏｗが２１％から４５％の範囲内の値を示すように設定されることが好ましい。
（式６）Ｒｌｏｗ＝（ｆ０－ｆｔｒｍｉｎ）÷（ｆ０－ｆＬ）×１００

　なお、この現象は、直列共振回路と並列共振回路という非対称な共振回路構造の組み合わせで送受アンテナを構成した場合に限定される。すなわち、送受アンテナが共に直列共振回路対や並列共振回路対で構成された場合は、本願発明の効果は発現しない。また、送受アンテナが共に、外部回路から電磁誘導原理を利用してエネルギー給電を受ける回路構成（電磁誘導給電型と以下記述）の場合も、本願発明の効果は発現しない。更には直列共振回路と電磁誘導給電型、並列共振回路と電磁誘導給電型、のハイブリッドな組み合わせの共振器対においても、本願発明の効果は発現しない。

　Ｐ１の値は、例えばＰｍａｘの６０％から８０％程度の電力値に設定され得る。ただし、Ｐ１の値は、この範囲内に限定されず、状況に応じて上記の範囲から外れてもよい。

　伝送周波数の可変制御は、発振器１０３の発振周波数を制御することにより、容易に実現できる。

　電力伝送中、送電アンテナと受電アンテナ間の結合係数ｋがほぼ一定に維持されることが望ましい。電力伝送中に結合係数ｋが大きく変動すると、定電圧動作を高い効率で実現することが困難になるからである。

　発振器１０３には、Ｄ級、Ｅ級、Ｆ級などの、高効率且つ低歪な特性を実現できる増幅器を用いることができるし、ドハーティ増幅器を用いてもよい。歪成分を含む出力信号を発生するスイッチング素子の後段に、低域通過フィルタまたは帯域通過フィルタを配置することにより、正弦波を高効率に生成してもよい。ＡＣ入力から高周波出力を行う周波数変換回路であってもかまわない。いずれにしろ発振器に入力された電力はＲＦエネルギーに変換される。このＲＦエネルギーは、無線伝送部により、空間を介して非接触に伝送され、出力端子から出力される。

　回路ブロック間でのＲＦエネルギーの多重反射を抑圧し、総合伝送効率を改善するためには、受電アンテナ１０９の出力端子が負荷に接続された状態において、発振器１０３から出力されるＲＦエネルギーの出力インピ－ダンスＺｏｃと送電アンテナ１０７の入力インピーダンスＺｉｎとを等しくすることが好ましい。また、同様に、発振器１０３が送電アンテナ１０７に接続された状態で、受電アンテナの出力インピーダンスＺｏｕｔが、接続される負荷の抵抗値Ｒと等しくすることが好ましい。

　なお、本明細書において、２つのインピーダンスが「等しい」とは、インピーダンスが厳密に一致する場合に限られず、２つのインピーダンスの差異が、大きい方のインピーダンスの２５％以下である場合を含むものと定義する。

　本実施形態における無線電力伝送の効率は、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０９との間隔（アンテナ間隔）や、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０９を構成する回路素子の損失の大きさに依存する。なお、「アンテナ間隔」とは、実質的に２つのインダクタ１０７ａ、１０９ａの間隔である。アンテナ間隔は、アンテナの配置エリアの大きさを基準に評価することができる。

　好ましい実施形態において、第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａは、図５に斜視模式図を示したように、いずれも平面状に広がって形成される。インダクタの外形形状は任意に選択しうる。すなわち、正方形や円形だけでなく長方形、楕円形状なども選択しうる。ここで、アンテナの配置エリアの大きさとは、サイズが相対的に小さなアンテナの配置エリアの大きさを意味し、アンテナを構成するインダクタの外形が円形の場合はインダクタの直径、正方形の場合はインダクタの一辺の長さ、長方形の場合はインダクタの短辺の長さとする。

　本実施形態における第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａは、それぞれ、巻数Ｎ１、Ｎ２のスパイラル構造を有している（Ｎ１＞１、Ｎ２＞１）が、巻数が１のループ構造を有していてもよい。これらのインダクタ１０７ａ、１０９ａは、一層の導電体パターンから構成されている必要は無く、積層された複数の導電体パターンを直列に接続した構成を有していてもよい。

　第１インダクタ１０７ａ、第２インダクタ１０９ａは、良好な導電率を有する銅や銀などの導電体から好適に形成され得る。ＲＦエネルギーの高周波電流は、導電体の表面を集中して流れるため、発電効率を高めるため、導電体の表面を高導電率材料で被覆してもよい。導電体の断面中央に空洞を有する構成からインダクタ１０７ａ、１０９ａを形成すると、軽量化を実現することができる。更に、リッツ線などの並列配線構造を採用してインダクタ１０７ａ、１０９ａを形成すれば、単位長さ辺りの導体損失を低減できるため、直列共振回路、および並列共振回路のＱ値を向上させることができ、より高い効率で電力伝送が可能になる。

　製造コストを抑制するために、インク印刷技術を用いて、配線を一括して形成することも可能である。第１インダクタ１０７ａおよび／または第２インダクタ１０９ａの周辺に磁性体を配置してもよい。インダクタ１０７ａ、１０９ａの間の結合係数を適度な値に設定できる空芯スパイラル構造を有するインダクタを用いることがより好ましい。

　第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂには、例えばチップ形状、リード形状を有する、あらゆるタイプのキャパシタを利用できる。空気を介した２配線間の容量を第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂとして機能させることも可能である。第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂをＭＩＭキャパシタから構成する場合は、公知の半導体プロセスまたは多層基板プロセスを用いて低損失の容量回路を形成できる。

　送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９の各々を構成する共振器のＱ値は、システムが要求するアンテナ間電力伝送の伝送効率、及び結合係数ｋの値にも依存するが、好ましくは１００以上、更に好ましくは２００以上、更に好ましくは５００以上、更に好ましくは１０００以上に設定される。高いＱ値を実現するには、上述したようにリッツ線の採用が効果的である。

（実施例１）
　以下、本発明の実施例１を説明する。

　送電アンテナおよび受電アンテナは、その共振周波数を共に０．５５ＭＨｚとなるように設計した。送電アンテナは、インダクタンスが３．６７μＨの第１インダクタとキャパシタンスが４１００ｐＦの第１容量素子とを直列に接続することによって作製された。受電アンテナは、インダクタンスが３．６７μＨの第２インダクタとキャパシタンスが４１００ｐＦの第２容量素子とを並列に接続して作製された。

　第１および第２インダクタは、共に、直径７５μｍの銅配線を１２０本ずつ互いに絶縁して並列に配置して構成したリッツ線により実現した。２つのインダクタの外形は共に直径２０ｃｍの円形であり、巻数は８に設定した。送電アンテナ（共振器）の無負荷Ｑ値は４５０であった。送電アンテナと受電アンテナは、互いの形成面を平行に対向して配置し、対抗面間の間隔ｇを１０ｃｍとした。作製された共振器の共振周波数は５４４．６ｋＨｚ、送受アンテナ間の結合係数ｋは０．２６３、奇モード共振周波数は４８１．７ｋＨｚ、偶モード共振周波数は６３２ｋＨｚであった。

　送電アンテナのＲＦ入力端子と、受電アンテナのＲＦ出力端子をネットワークアナライザに接続して、２端子間の高周波伝送特性を測定した。共振器間の無線伝送効率を最大とする最適な入出力インピーダンスＺｉｎとＺｏｕｔを導出した。導出は、以下の２段階の手順で行った。まず、２つのアンテナ（共振器）の入出力端子間の高周波特性を、５０Ωの端子インピーダンスのネットワークアナライザにて測定し、５０Ωを基準インピーダンスとする測定データを得た。次に、上記測定データを基に、端子での信号反射が最小化し、伝送電力が最大化するような入出力端子のインピーダンス条件Ｚｉｎ、Ｚｏｕｔ、伝送周波数ｆｔｒを、回路シミュレータ上で導出した。導出されたＺｉｎ、Ｚｏｕｔ、ｆｔｒを最大電力Ｐｍａｘ伝送時の伝送条件Ｚｉｎ（Ｐ＝Ｐｍａｘ）、Ｚｏｕｔ（Ｐ＝Ｐｍａｘ）、ｆｔｒ（Ｐ＝Ｐｍａｘ）として用いる。

　次に、伝送電力を増減した条件下で、最大伝送効率η（Ｐ）を実現するピーク周波数を回路シミュレータ上で導出した。伝送電力が増減すると、定電圧動作条件を維持するため、Ｚｉｎ、Ｚｏｕｔは、増減する伝送電力に反比例する。こうして、伝送電力に応じて最適化されるピーク周波数が得られる。このピーク周波数に伝送周波数ｆｔｒ（Ｐ）を一致させることにより、伝送電力が増減しても、伝送効率を高く維持することが可能となる。

　図６は、導出したη（Ｐ）の伝送電力依存性を示すグラフである。グラフの縦軸は最大伝送効率η、横軸は伝送電力である。グラフ横軸の１００％の条件がＰ＝Ｐｍａｘに相当している。比較のため、伝送周波数ｆｔｒを、ｆｔｒ（Ｐ＝Ｐｍａｘ）のまま固定した場合のη（Ｐ）の挙動も図中に点線で追加した。

　実施例１において、Ｐ１はＰｍａｘに対して７４．５％に相当する。図６の実線のカーブと点線のカーブとを比較することにより、本実施例の効果は、特にＰ＜Ｐｍａｘ×６０％の領域で顕著に現れることが分かった。

　図７は、導出したピーク周波数（ｆｔｒ（Ｐ）に相当）の伝送電力依存性を示すグラフである。ｆｔｒ（Ｐ）は、Ｐ＜Ｐ１では、ｆＬ（＝４８１．７ｋＨｚ）＜ｆｔｒ（Ｐ）＜ｆ０（＝５４４．６ｋＨｚ）であった。また、Ｐ≧Ｐ１では、ｆ０＜ｆｔｒ（Ｐ）＜ｆＨ（＝６３２ｋＨｚ）であった。全範囲においては、５２６．１ｋＨｚ≦ｆｔｒ（Ｐ）≦５７８．３ｋＨｚであった。

　なお、奇モード共振周波数の固有周波数からの変動量に対する固有周波数からｆｔｒ（Ｐ）の最小値までの変動量（Ｒｌｏｗ＝（ｆ０－ｆｔｒｍｉｎ）÷（ｆ０－ｆＬ）×１００）は、２９．４％となった。また、偶モード共振周波数の固有周波数からの変動量に対するｆｔｒ（Ｐ）の最大値から固有周波数までの変動量（Ｒｈｉｇｈ＝（ｆｔｒｍａｘ－ｆ０）÷（ｆＨ－ｆ０）×１００）は、３８．６％であった。

　次に、表１に示すように、送受アンテナ間の距離を変動させたシステムについて、評価を行った（実施例２から６）。実施例２から６は、実施形例１と基本的な構成は共通するが、結合係数ｋが異なる。結合係数ｋは送受アンテナ間の距離に依存するからである。

　図８は、実施例５について、無線部最大伝送効率の伝送電力依存性を示すグラフである。図８からわかるように、実施例５の場合でも、伝送電力が低い領域で高い伝送効率を維持できる。

　表１から分かるように、結合係数ｋが０．０５６から０．４０３まで幅広い範囲で、実施例１と同様の効果が得られることが分かった。結合係数ｋの広い範囲の共振器間結合において、Ｐ１は６２％から７８％の範囲であった。Ｒｌｏｗは２１．２％から４２．４％の範囲であり、Ｒｈｉｇｈは１８．８％から５５．７％の範囲であった。

　送電側アンテナと受電側アンテナを入れ替え、送電側アンテナを並列共振回路として構成し、受電側アンテナを直列共振回路として構成した場合でも同様の特性が得られた。

（比較例１～２）
　実施例１では送電側アンテナと受電側アンテナの共振回路構成を非対称としたが、送受アンテナを対称な共振回路構成とした比較例１、２を作製した。比較例１では送受アンテナは共に直列共振回路、比較例２では送受アンテナは共に並列共振回路で構成した。実施例１から６と同様の検討を行い、定電圧動作時の各伝送電力での最大伝送効率と最大伝送効率を実現するピーク周波数を導出した。比較例１の伝送効率の伝送電力依存性を示した図９より明らかなように、小電力伝送領域において比較例１の伝送効率は殆ど改善されなかった。また、図１０より明らかなように、比較例１のピーク周波数は、電力伝送領域が小電力側に向かうにしたがって、偶モード共振周波数６３２ｋＨｚを大きく超えた値になっており、本願発明の周波数制御条件にも従っていなかった。同様に、比較例２の伝送効率、ピーク周波数の伝送電力依存性を示した図１１、図１２より明らかなように、比較例２でも本発明の効果は発現しなかった。

（比較例３）
　実施例１では送受アンテナに計測用の高周波入出力端子を直結することにより、外部回路から送受アンテナへの信号給電を行っていた。比較例３では、外部回路から送受アンテナへの信号給電を、電磁誘導原理を用いて行った。具体的には、それぞれ送受アンテナから３ｍｍ離間して対向した直径２０ｃｍ、巻き数６の非共振コイルを用い、外部回路から非共振コイルを励振し、非共振コイルから非接触で送受アンテナを励振した。実施例１から６と同様の検討を行い、定電圧動作時の各伝送電力での最大伝送効率と最大伝送効率を実現するピーク周波数を導出した。比較例３、実施例１の伝送効率の伝送電力依存性を示した図１３と図６の比較より明らかなように、小電力伝送領域に向かうにつれ生じる最大伝送効率の劣化は比較例３の方が激しく、また全ての伝送電力領域において、比較例３の最大伝送効率は実施例１の最大伝送効率を下回った。例えば、伝送電力１００％の設定における最大伝送効率は、比較例３では９７．３％であるのに対し、実施例１では９９．０％であった。また、図１４より明らかなように、比較例３のピーク周波数は、伝送電力の増大に従い単調に増大しており、本願発明の周波数制御条件にも従っていなかった。これは、比較例３の構成が、奇モード共振のみを利用して伝送電力の変動に対応していることを示しており、偶奇共振モードを最大限利用する本願発明の動作原理とは異なることが実証された。

（比較例４、５）
　比較例４と５では、送受アンテナの一方に対しては直結型の給電を行い、他方には電磁誘導給電を行った。直結型の給電については実施例１～６と同様の条件とした。また、電磁誘導給電については比較例３と同様の条件とした。表２に、実施例１と比較例１～５の回路構成比較を示す。

　比較例４、５についても、実施例１～６と同様の検討を行い、定電圧動作時の各伝送電力での最大伝送効率と最大伝送効率を実現するピーク周波数を導出した。図１５より明らかなように、比較例４のピーク周波数は、電力伝送領域が小電力側に向かうにしたがって、上昇する傾向を示しており、本願発明の周波数制御条件にも従っていなかった。同様に、比較例５のピーク周波数の伝送電力依存性を示した図１６より明らかなように、比較例５も本発明の周波数制御条件に従っていなかった。

　本願発明の無線電力伝送装置は、一定電圧を供給する電源回路からエネルギー供給を受けて動作することが可能な、ＡＶ機器白物家電などのさまざまな機器への給電システムに適用できる。ＡＶ機器は、例えばテレビを含み、白物家電は、例えば洗濯機、冷蔵庫、およびエアコンを含む。

　また、本発明の無線電力伝送装置は、充電池を用いる電子機器、電動バイク、電動アシスト自転車、電気自動車への充電システムとして適用することも可能である。これは、リチウムイオン電池などの充電池への充電制御の一つとして、定電圧での充電制御が要求される場合があるからである。また、一定電圧で駆動するモータを伴う全ての電子機器に対しても本願発明のシステムは適用しうる。

　また、太陽光発電システムにおいて太陽電池セルへの照射太陽光強度（照度）が変化した場合、最大電力点（最大電力を発電するための電流、電圧値）は、電流が照度にほぼ比例し、電圧はほぼ一定となることが知られている。よって、本願発明の無線電力伝送装置は、太陽光発電装置が発電する電力を集電するシステムにも適用できる。

　１０３　発振器
　１０７　送電アンテナ（送電側の共振器）
　１０７ａ　第１インダクタ
　１０７ｂ　第１キャパシタ
　１０９　受電アンテナ（受電側の共振器）
　１０９ａ　第２インダクタ
　１０９ｂ　第２キャパシタ
　１１１　負荷
　１６１　周波数変換回路

Claims

　周波数ｆ０の共振磁界結合によって非接触で電力を伝送することができる一対のアンテナであって、一方は直列共振回路であり、他方は並列共振回路である一対のアンテナと、
　前記一対のアンテナ間を伝送される電力の大きさに応じて伝送周波数を制御する制御部と、
を備え、
　前記制御部は、
　前記電力が基準値Ｐ１よりも高いとき、前記伝送周波数を、前記周波数ｆ０よりも高い第１レベル範囲内の値に設定し、
　前記電力が前記基準値Ｐ１よりも低いときは、前記伝送周波数を、前記第１レベル範囲よりも低い第２レベル範囲内の値に設定する、無線電力伝送装置。
　前記制御部は、前記電力が前記基準値Ｐ１よりも高い値から前記基準値Ｐ１よりも低い値に変化したとき、または、前記電力が前記基準値Ｐ１よりも低い値から前記基準値Ｐ１よりも高い値に変化したとき、前記伝送周波数を、前記第１レベル範囲内の値と前記第２レベル範囲内の値との間でホッピングさせる、請求項１に記載の無線電力伝送装置。
　前記制御部は、前記伝送周波数をホッピングさせるとき、前記一対のアンテナ間を結合する共振磁界のモードを偶モードと奇モードとの間で切り替える、請求項２に記載の無線電力伝送装置。
　前記制御部は、
　前記伝送電力が前記基準値Ｐ１と、前記基準値Ｐ１よりも低い第２の基準値Ｐ２との間にあるとき、前記伝送周波数を、前記周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ２以下の値に設定し、
　前記伝送電力が前記第２の基準値Ｐ２よりも低いときは、前記伝送周波数を前記周波数ｆ２よりも高い値に設定する請求項１から３のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
　前記第１レベル範囲は、前記周波数ｆ０から偶モードの共振周波数ｆＨまでの範囲であり、
　前記第２レベル範囲は、奇モードの共振周波数ｆＬから前記周波数ｆ０までの範囲である、請求項１から４のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
　前記制御部は、
　前記伝送電力が前記基準値Ｐ１に等しいとき、前記伝送周波数を前記周波数ｆ０に等しい値に設定する請求項１から５のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
　前記一対のアンテナの共振周波数は、それぞれ、前記周波数ｆ０に等しい請求項１から６のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
　前記一対のアンテナの結合係数ｋは、電力伝送中に一定に維持される、請求項１から７のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
　前記基準値Ｐ１は、最大伝送電力Ｐｍａｘの６０％以上８０％以下の範囲に設定される、請求項１から８のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
　前記伝送周波数の最大値をｆｔｒｍａｘ、偶モードの共振周波数をｆＨとするとき、
　前記制御部は、
　前記電力が基準値Ｐ１よりも高いとき、前記伝送周波数の最大値ｆｔｒｍａｘを、
　Ｒｈｉｇｈ＝（ｆｔｒｍａｘ－ｆ０）÷（ｆＨ－ｆ０）×１００の式によって定義されるＲｈｉｇｈが１８％から５６％の範囲内になるように設定する、請求項１から９のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
　前記伝送周波数の最小値をｆｔｒｍｉｎ、奇モードの共振周波数をｆＬとするとき、
　前記制御部は、
　前記電力が基準値Ｐ１よりも低いとき、前記伝送周波数の最小値ｆｔｒｍｉｎを、
　Ｒｌｏｗ＝（ｆ０－ｆｔｒｍｉｎ）÷（ｆ０－ｆＬ）×１００の式によって定義されるＲｌｏｗが２１％から４５％の範囲内になるように設定する、請求項１から１０のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
　前記一対のアンテナのうち、受電側のアンテナの出力端子と後段の負荷とが接続された状態において、送電側のアンテナにＲＦエネルギーを与える発振器の出力インピ－ダンスＺｏｃと送電アンテナの入力インピーダンスＺｉｎとが相互に等しい請求項１から１１のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
　前記一対のアンテナのうち、送電側のアンテナにＲＦエネルギーを与える発振器の出力端子と前記送電側のアンテナの入力端子とが接続された状態において、受電側のアンテナの出力インピーダンスＺｏｕｔと後段に接続される負荷の入力インピーダンスとが相互に等しい請求項１から１２のいずれかに記載の無線電力伝送装置。