WO2013098975A1 - 無線電力供給装置、無線電力供給システム及び無線電力供給方法 - Google Patents

Abstract

　無線電力供給システムは、無線電力供給装置及び送電コイル（６、３１、３２）を備えている。無線電力供給システムは、さらに受電コイル（７、４１、４２）を備えていてもよい。無線電力供給装置は、電力供給部（３、１３）、検出部（４、１４）及び制御部（５、１５）を備えている。電力供給部（３、１３）は、送電コイル（６、３１、３２）に、送電コイル（６、３１、３２）と受電コイル（７、４１、４２）との間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する。送電コイル（６、３１、３２）は、磁界共鳴を用いて電力を磁界エネルギーとして送出する。検出部（４、１４）は、送電コイル（６、３１、３２）に印加される電圧に対する送電コイル（６、３１、３２）に流れる電流の位相差を検出する。制御部（５、１５）は、位相差に基づいて電力供給部（３、１３）が供給する電力の大きさを切り替える。

Description

無線電力供給装置、無線電力供給システム及び無線電力供給方法

　この発明は、無線電力供給装置、無線電力供給システム及び無線電力供給方法に関する。

　従来、無線で電力を供給する方法の一つに、磁界共鳴を用いて送電コイルから電力を磁界エネルギーとして送出し、送電コイルと受電コイルとの間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する方法がある。このような方法において、送電コイルに流れる電流を検出し、検出された電流の周波数特性により、送電コイルと受電コイルとの結合強度を判定することで、送電コイルと受電コイルとの相対位置を最適化し、電力伝送効率を向上させる方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０－２３９６９０号公報

　しかしながら、従来の方法では、送電コイルへ供給する電力の周波数を繰り返し掃引し、その都度、送電コイルと受電コイルとの結合強度を判定するため、送電コイルと受電コイルとの相対位置が電力伝送効率のよい状態にあることを検出するのに時間がかかってしまう。そのため、例えば受電コイルを有する車などの移動体に、例えば道路に埋め込まれた送電コイルから移動体の移動中に電力を伝送するような場合、電力伝送効率のよい状態を検出した時点で、実際には既に電力伝送効率のよい状態が終わっていることがある。つまり、送電コイルから受電コイルへ効率よく電力を伝送することができないという問題点がある。

　開示の無線電力供給装置、無線電力供給システム及び無線電力供給方法は、送電コイルから受電コイルへ効率よく電力を伝送することを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するため、無線電力供給装置は、電力供給部、検出部及び制御部を備えている。電力供給部は、送電コイルに、送電コイルと受電コイルとの間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する。送電コイルは、磁界共鳴を用いて電力を磁界エネルギーとして送出する。検出部は、送電コイルに印加される電圧に対する送電コイルに流れる電流の位相差を検出する。制御部は、位相差に基づいて電力供給部が供給する電力の大きさを切り替える。

　開示の無線電力供給装置、無線電力供給システム及び無線電力供給方法によれば、送電コイルから受電コイルへ効率よく電力を伝送することができるという効果を奏する。

図１は、実施例１にかかる無線電力供給装置及び無線電力供給システムを示すブロック図である。 図２は、実施例１にかかる無線電力供給装置における信号の流れを示すブロック図である。 図３は、実施例１にかかる無線電力供給方法を示すフローチャートである。 図４は、実施例２にかかる無線電力供給装置及び無線電力供給システムの第１の例を示すブロック図である。 図５は、実施例２にかかる無線電力供給装置の第１の例における信号の流れを示すブロック図である。 図６は、実施例２にかかる無線電力供給システムにおけるコイル電流の特性を説明する特性図である。 図７は、実施例２にかかる無線電力供給システムにおけるコイル電圧の波形とコイル電流の波形の一例を示す波形図である。 図８は、実施例２にかかる無線電力供給システムにおける位相差の基準値と電力伝送効率との関係を示す特性図である。 図９は、実施例２にかかる無線電力供給方法の第１の例を示すフローチャートである。 図１０は、実施例２にかかる無線電力供給方法の第２の例を示すフローチャートである。 図１１は、実施例２にかかる無線電力供給装置及び無線電力供給システムの適用例を示す模式図である。 図１２は、実施例２にかかる無線電力供給装置及び無線電力供給システムの第２の例を示すブロック図である。 図１３は、実施例２にかかる無線電力供給装置及び無線電力供給システムの第３の例を示すブロック図である。 図１４は、実施例３にかかる無線電力供給装置及び無線電力供給システムを示すブロック図である。 図１５は、実施例３にかかる無線電力供給装置における信号の流れを示すブロック図である。 図１６は、実施例３にかかる無線電力供給装置における整合回路の一例を示す回路図である。 図１７は、実施例３にかかる無線電力供給方法の第１の例を示すフローチャートである。 図１８は、実施例３にかかる無線電力供給方法の第２の例を示すフローチャートである。 図１９は、実施例３にかかる無線電力供給方法の第２の例を示すフローチャートである。

　以下に、この発明にかかる無線電力供給装置、無線電力供給システム及び無線電力供給方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。以下の各実施例の説明においては、同様の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

（実施例１）
・無線電力供給装置及び無線電力供給システムの説明
　図１は、実施例１にかかる無線電力供給装置及び無線電力供給システムを示すブロック図である。図２は、実施例１にかかる無線電力供給装置における信号の流れを示すブロック図である。

　図１及び図２に示すように、無線電力供給システム１は、無線電力供給装置２及び送電コイル６を備えている。無線電力供給装置２は、電力供給部３、検出部４及び制御部５を備えている。また、無線電力供給システム１は、受電コイル７を備えていてもよい。受電コイル７には、負荷８が接続されていてもよい。

　送電コイル６は、電力供給部３に接続されている。電力供給部３は、送電コイル６に、送電コイル６と受電コイル７との間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する。送電コイル６は、電力供給部３から供給された電力を、磁界共鳴を用いて磁界エネルギーとして送出する。

　検出部４は、送電コイル６、及び電力供給部３と送電コイル６との間のノードに接続されている。検出部４には、送電コイル６に印加される電圧に基づく信号が入力する。検出部４には、送電コイル６に流れる電流に基づく信号が入力する。検出部４は、送電コイル６に印加される電圧に対する送電コイル６に流れる電流の位相差を検出する。送電コイル６に印加される電圧に対する送電コイル６に流れる電流の位相差は、送電コイル６に対する受電コイル７の相対位置に応じて変化する。

　制御部５は、検出部４に接続されている。制御部５には、検出部４により検出された位相差に基づく信号が入力する。電力供給部３には、制御部５が接続されている。制御部５は、入力された位相差に基づいて、電力供給部３が送電コイル６に供給する電力の大きさを切り替える。

　受電コイル７には、送電コイル６との間の磁界共鳴によって電流が流れる。負荷８は、受電コイル７に電流が流れることによって受電コイル７に発生した電力を消費する。つまり、負荷８は、送電コイル６から受電コイル７へ伝送された電力を消費することになる。

・無線電力供給方法の説明
　図３は、実施例１にかかる無線電力供給方法を示すフローチャートである。図３に示すように、無線電力供給システム１において、無線電力供給装置２による無線での電力供給が開始されると、まず、電力供給部３は、送電コイル６に、送電コイル６と受電コイル７との間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する（ステップＳ１）。

　次いで、検出部４は、送電コイル６に印加される電圧に対する送電コイル６に流れる電流の位相差を検出する（ステップＳ２）。次いで、制御部５は、ステップＳ２で検出された位相差に基づいて、電力供給部３が送電コイル６に供給する電力の大きさを切り替える（ステップＳ３）。そして、無線電力供給装置２は、一連の処理を終了する。

　実施例１によれば、送電コイル６に印加される電圧に対する送電コイル６に流れる電流の位相差を検出することによって、送電コイル６と受電コイル７との相対位置が電力伝送効率のよい状態にあることを即座に検出することができる。従って、電力供給部３から送電コイル６へ小電力を供給して検出部４で位相差を検出し続け、電力伝送効率のよい状態にあるときの位相差を検出したら、送電コイル６へ大電力を供給することによって、送電コイル６から受電コイル７へ効率よく電力を伝送することができる。

（実施例２）
・無線電力供給装置及び無線電力供給システムの第１の例の説明
　図４は、実施例２にかかる無線電力供給装置及び無線電力供給システムの第１の例を示すブロック図である。図５は、実施例２にかかる無線電力供給装置の第１の例における信号の流れを示すブロック図である。

　図４及び図５に示すように、無線電力供給システム１１は、無線電力供給装置１２、並びに送電コイルとして例えば第１コイル３１及び第２コイル３２を備えている。また、無線電力供給システム１１は、受電コイルとして例えば第３コイル４１及び第４コイル４２を備えていてもよい。第４コイル４２には、負荷４３が接続されていてもよい。

　無線電力供給装置１２は、第１コイル３１に電力を供給する。無線電力供給装置１２は、電力供給部として例えば電源アンプ１３、検出部として例えば位相比較器１４、及び制御部としてコントローラ１５を備えている。また、無線電力供給装置１２は、第１及び第２の電流検出回路１６，１７、第１～第３のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Ｂａｎｄ－Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）１８，１９，２０及び第１～第３の自動利得制御（ＡＧＣ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｇａｉｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路２１，２２，２３を備えていてもよい。

　第１コイル３１は、電源アンプ１３に接続されている。電源アンプ１３は、第１コイル３１に、第２コイル３２と第３コイル４１との間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する。電源アンプ１３は、コントローラ１５によって出力電力を変えることができる構成のものである。第１コイル３１から第２コイル３２へは、電磁誘導方式でエネルギーが伝達されてもよい。

　第２コイル３２にはコンデンサ３３が接続されている。コンデンサ３３は、第２コイル３２に寄生する素子であってもよい。第２コイル３２及びコンデンサ３３を含むＬＣ共振コイルの共振周波数は、伝送する電力の周波数と略同じであってもよい。第２コイル３２は、例えば第１コイル３１との間の電磁誘導により生じた電力を、磁界共鳴を用いて磁界エネルギーとして送出する。

　第３コイル４１にはコンデンサ４４が接続されている。コンデンサ４４は、第３コイル４１に寄生する素子であってもよい。第３コイル４１及びコンデンサ４４を含むＬＣ共振コイルの共振周波数は、伝送する電力の周波数と略同じであってもよい。第３コイル４１には、第２コイル３２から送出された磁界エネルギーによって磁界共鳴が起こり、電流が流れる。つまり、磁界共鳴によって第２コイル３２から第３コイル４１へエネルギーが伝達される。

　第３コイル４１から第４コイル４２へは、電磁誘導方式でエネルギーが伝達されてもよい。負荷４３は、第４コイル４２へ伝達されたエネルギー、すなわち電力を消費する。

　第１バンドパスフィルタ１８は、電源アンプ１３に接続された第１コイル３１の入力端に接続されている。第１バンドパスフィルタ１８の中心周波数は、伝送する電力の周波数に一致またはおおよそ一致していてもよい。第１バンドパスフィルタ１８は、伝送する電力の周波数よりも高い周波数及び低い周波数の成分を除去する。

　第１自動利得制御回路２１は、第１バンドパスフィルタ１８に接続されている。第１自動利得制御回路２１は、第１バンドパスフィルタ１８を通過した信号の利得を、位相比較器１４での位相比較に適した利得に調整する。

　第１電流検出回路１６は、第１コイル３１に接続されている。第１電流検出回路１６は、例えばホールセンサなどの電流を検出できる素子を含んでいる。第１電流検出回路１６は、第１コイル３１を流れる電流を検出し、電流量に応じた電圧信号を出力する。

　第２バンドパスフィルタ１９は、第１電流検出回路１６の出力端に接続されている。第２バンドパスフィルタ１９の中心周波数は、伝送する電力の周波数に一致またはおおよそ一致していてもよい。第２バンドパスフィルタ１９は、第１電流検出回路１６の出力信号のうち、伝送する電力の周波数よりも高い周波数及び低い周波数の成分を除去する。

　第２自動利得制御回路２２は、第２バンドパスフィルタ１９に接続されている。第２自動利得制御回路２２は、第２バンドパスフィルタ１９を通過した信号の利得を、位相比較器１４での位相比較に適した利得に調整する。

　第２電流検出回路１７は、第２コイル３２に接続されている。第２電流検出回路１７は、例えばホールセンサなどの電流を検出できる素子を含んでいる。第２電流検出回路１７は、第２コイル３２を流れる電流を検出し、電流量に応じた電圧信号を出力する。

　第３バンドパスフィルタ２０は、第２電流検出回路１７の出力端に接続されている。第３バンドパスフィルタ２０の中心周波数は、伝送する電力の周波数に一致またはおおよそ一致していてもよい。第３バンドパスフィルタ２０は、第２電流検出回路１７の出力信号のうち、伝送する電力の周波数よりも高い周波数及び低い周波数の成分を除去する。

　第３自動利得制御回路２３は、第３バンドパスフィルタ２０に接続されている。第３自動利得制御回路２３は、第３バンドパスフィルタ２０を通過した信号の利得を、位相比較器１４での位相比較に適した利得に調整する。

　位相比較器１４は、第１～第３の自動利得制御回路２１，２２，２３に接続されている。位相比較器１４には、第１～第３の自動利得制御回路２１，２２，２３の出力信号が入力する。位相比較器１４は、第１コイル３１に印加される電圧に対する第１コイル３１に流れる電流の位相差を検出する。位相比較器１４は、第１コイル３１に印加される電圧に対する第２コイル３２に流れる電流の位相差を検出する。

　第１コイル３１に印加される電圧に対する第１コイル３１または第２コイル３２にそれぞれ流れる電流の位相差は、第２コイル３２に対する第３コイル４１の相対位置に応じて変化する。位相比較器１４は、例えば二つの信号の位相差を、二つの信号がそれぞれゼロ点と交差するゼロクロス点の時間差に基づいて検出してもよい。

　コントローラ１５は、位相比較器１４に接続されている。コントローラ１５は、例えばプロセッサが後述する無線電力供給方法を実現するプログラムを実行することにより実現されてもよいし、ハードウェアで構成されていてもよい。ここでは、コントローラ１５は、プロセッサと無線電力供給方法を実現するプログラムにより実現されるとして説明する。

　コントローラ１５には、位相比較器１４により検出された位相差に基づく信号が入力する。コントローラ１５は、第１コイル３１に印加される電圧に対する第１コイル３１に流れる電流の位相差に基づく信号を、予め設定されている第１コイル３１用の基準値と比較する。コントローラ１５は、第１コイル３１に印加される電圧に対する第２コイル３２に流れる電流の位相差に基づく信号を、予め設定されている第２コイル３２用の基準値と比較する。コントローラ１５は、それらの比較結果に基づいて、電源アンプ１３が第１コイル３１に供給する電力の大きさを切り替える。

　比較の際に用いられる位相差の基準値は、例えば電力伝送効率に基づいて設定されていてもよい。位相差の基準値と電力伝送効率との関係については、後述する。比較の際に用いられる位相差の基準値は、コントローラ１５に内蔵されているメモリ（図示省略）や外部のメモリ（図示省略）に記憶されていてもよい。また、無線電力供給方法を実現するプログラムも、コントローラ内蔵のメモリや外部メモリに記憶されていてもよい。

　電源アンプ１３には、コントローラ１５が接続されている。電源アンプ１３には、コントローラ１５から、出力電力を切り替える制御信号が入力する。電源アンプ１３は、制御信号に基づいて、第１コイル３１に供給する電力の大きさを切り替える。

・各コイルに流れる電流の特性
　磁界共鳴方式で二つのコイルが結合する場合、二つのコイルの結合強度によって、コイルに流れる電流の周波数特性に違いが現れることが知られている。例えば、二つのコイルの結合強度が強い状態（強結合状態）のときには、双峰特性（ピークスプリット）が現れる。二つのコイルの結合強度が弱い状態（弱結合状態）のときには、単峰特性が現れる（例えば、特許文献１参照）。

　強結合状態及び弱結合状態については、特許文献１において定義されている。それによれば、例えば第２コイル３２の単位時間当たりのエネルギー損失をＧ１とし、第３コイル４１の単位時間当たりのエネルギー損失をＧ２とし、簡便のため両コイルのエネルギー損失特性が同じであるとして、［Ｇ＝Ｇ１＝Ｇ２］とする。単位時間当たりのエネルギー流の大きさ（第２コイル３２と第３コイル４１との間の結合強度）をκとすると、［κ／Ｇ］が１よりも大きい場合を「強結合状態」と定義し、［κ／Ｇ］が１以下の場合を「弱結合状態」と定義している。ここでは、一例としてこの定義を用いる。

　第２コイル３２と第３コイル４１との結合状態は、第２コイル３２と第３コイル４１との相対位置に応じて変化する。例えば第２コイル３２の軸と第３コイル４１の軸との位置ずれ量が大きくなるほど結合状態は弱くなり、第２コイル３２の軸と第３コイル４１の軸との位置ずれ量が小さくなるほど結合状態が強くなる。

　図６は、実施例２にかかる無線電力供給システムにおけるコイル電流の特性を説明する特性図である。図６において、符号５１で示す特性図には、強結合状態において第１～第４の各コイル３１，３２，４１，４２に流れる電流の振幅の周波数特性が示されている。この特性図５１に示すように、強結合状態では、第１～第４の各コイル３１，３２，４１，４２について双峰特性が現れている。

　図６において、符号５２で示す特性図には、弱結合状態において第１～第４の各コイル３１，３２，４１，４２に流れる電流の振幅の周波数特性が示されている。この特性図５２に示すように、弱結合状態では、第１～第４の各コイル３１，３２，４１，４２について単峰特性が現れている。

　図６において、符号５３で示す特性図には、強結合状態において第１コイル３１に印加される電圧に対する第１～第４の各コイル３１，３２，４１，４２に流れる電流の位相差の周波数特性が示されている。図６において、符号５４で示す特性図には、弱結合状態において第１コイル３１に印加される電圧に対する第１～第４の各コイル３１，３２，４１，４２に流れる電流の位相差の周波数特性が示されている。

　これらの特性図５３，５４において、○印及び破線の矢印で対応関係を示すように、伝送する電力の周波数ｆａでの位相差は、第２コイル３２と第３コイル４１との結合状態の強さとともに連続的に変化する。従って、第１コイル３１に印加される電圧に対する第１及び第２のコイル３１，３２の一方または両方に流れる電流の位相差を検出することによって、第２コイル３２と第３コイル４１との結合状態の強さを判断することができる。

　図７は、実施例２にかかる無線電力供給システムにおけるコイル電圧の波形とコイル電流の波形の一例を示す波形図である。ただし、波形の振幅は規格化して表示している。図７において、符号５５で示す波形図には、第１コイル３１に印加される電圧（第１コイル電圧）の波形と第１コイル３１に流れる電流（第１コイル電流）の波形が示されている。第１コイル電流の波形は、第１コイル電圧の波形に対して位相差φ１だけずれた波形となる。

　図７において、符号５６で示す波形図には、第１コイル３１に印加される電圧（第１コイル電圧）の波形と第２コイル３２に流れる電流（第２コイル電流）の波形が示されている。第２コイル電流の波形は、第１コイル電圧の波形に対して位相差φ２だけずれた波形となる。上述したように、位相差φ１及び位相差φ２は、第２コイル３２と第３コイル４１との結合状態の強さとともに連続的に変化する。

・位相差の基準値と電力伝送効率との関係
　図８は、実施例２にかかる無線電力供給システムにおける位相差の基準値と電力伝送効率との関係を示す特性図である。図８において、符号５７で示す特性図には、第２コイル３２の軸と第３コイル４１の軸との位置ずれ量に対する電力伝送効率のシミュレーション結果が示されている。電力伝送効率は、第１コイル３１に入力された電力と負荷４３で消費された電力との割合である。

　図８において、符号５８で示す特性図には、第２コイル３２の軸と第３コイル４１の軸との位置ずれ量に対する第１コイル電流の位相差φ１及び第２コイル電流の位相差φ２のシミュレーション結果が示されている。これらの特性図５７，５８において、第２コイル３２の軸と第３コイル４１の軸とが一致する状態のときが、位置ずれ量が０のときである。

　特に限定しないが、特性図５７に示す例のように、電力伝送効率が例えば０．８に達するまでは検出区間とし、電力伝送効率が例えば０．８以上のときを給電区間とし、電力伝送効率が例えば０．８よりも低くなっていく区間を次の給電対象待ちの区間としてもよい。なお、検出区間から給電区間へ移行するときの電力伝送効率の値と、給電区間から次の給電対象待ちの区間へ移行するときの電力伝送効率の値とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。ここでは、同じであるとして説明する。

　検出区間では、電源アンプ１３の出力が小電力に制御されてもよい。検出区間における小電力は、第１コイル電流の位相差φ１または第２コイル電流の位相差φ２を検出できる程度の微弱な電力であってもよい。給電区間では、電源アンプ１３の出力は本出力であり、検出区間よりも大きい電力に制御されてもよい。本出力の電力は、負荷４３に供給するのに十分な電力であってもよい。

　次の給電対象待ちの区間は、次の給電対象の物体が近づいてくるのを待機する区間である。次の給電対象待ちの区間では、電源アンプ１３の出力が小電力に制御されるか、停止されてもよい。次の給電対象待ちの区間において小電力に制御される場合には、第１コイル電流の位相差φ１または第２コイル電流の位相差φ２を検出できる程度の微弱な電力に制御されてもよい。

　特性図５７より、検出区間から給電区間へ移行するときの第２コイル３２の軸と第３コイル４１の軸との位置ずれ量Ｘａが求まる。また、特性図５７より、給電区間から次の給電対象待ちの区間へ移行するときの第２コイル３２の軸と第３コイル４１の軸との位置ずれ量Ｘｂが求まる。

　特性図５８より、位置ずれ量Ｘａに対応する第１コイル電流の位相差φ１の値φａが第１コイル電流に対する第１基準値として求まり、位置ずれ量Ｘｂに対応する第１コイル電流の位相差φ１の値φｂが第１コイル電流に対する第２基準値として求まる。また、特性図５８より、位置ずれ量Ｘａに対応する第２コイル電流の位相差φ２の値φｃが第２コイル電流に対する第１基準値として求まり、位置ずれ量Ｘｂに対応する第２コイル電流の位相差φ２の値φｄが第２コイル電流に対する第２基準値として求まる。

　なお、第１コイル電流に対する第１基準値φａと第２基準値φｂとは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。ここでは、同じであるとして説明する。第２コイル電流に対する第１基準値φｃと第２基準値φｄとは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。ここでは、同じであるとして説明する。

・無線電力供給方法の第１の例の説明
　図９は、実施例２にかかる無線電力供給方法の第１の例を示すフローチャートである。図９に示すように、無線電力供給装置１２において無線電力供給処理が開始されると、コントローラ１５は、電源アンプ１３に対して小電力出力を指示する（ステップＳ１１）。それによって、電源アンプ１３は、第１コイル３１へ小電力を出力する。無線電力供給装置１２は、第１コイル電流の位相差φ１及び第２コイル電流の位相差φ２の検出を開始する。

　そして、第１コイル電流の位相差φ１が第１コイル電流に対する第１基準値φａをクロスするか、または第２コイル電流の位相差φ２が第２コイル電流に対する第１基準値φｃをクロスするまで、待機する（ステップＳ１２：Ｎｏ）。第１コイル電流の位相差φ１が第１コイル電流に対する第１基準値φａをクロスするか、または第２コイル電流の位相差φ２が第２コイル電流に対する第１基準値φｃをクロスしたら（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、コントローラ１５は、電源アンプ１３に対して本出力を指示する（ステップＳ１３）。それによって、電源アンプ１３は、第１コイル３１へ本出力の電力、すなわち大電力を出力する。

　そして、第１コイル電流の位相差φ１が第１コイル電流に対する第２基準値φｂをクロスするか、または第２コイル電流の位相差φ２が第２コイル電流に対する第２基準値φｄをクロスするまで、待機する（ステップＳ１４：Ｎｏ）。第１コイル電流の位相差φ１が第１コイル電流に対する第２基準値φｂをクロスするか、または第２コイル電流の位相差φ２が第２コイル電流に対する第２基準値φｄをクロスしたら（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、コントローラ１５は、一連の処理を終了する。

・無線電力供給方法の第２の例の説明
　第２の例では、無線電力供給処理の開始直後は、電源アンプ１３の出力が停止しており、移動体が、第２コイル３２に位相差検出を行い得る程度に接近したことを検知して電源アンプ１３の小電力出力が開始される。従って、特に図示しないが、移動体が第２コイル３２に接近したことを検知する外部センサや、検知したことをコントローラ１５へ通知する通信システムが無線電力供給システム１１に設けられる。

　図１０は、実施例２にかかる無線電力供給方法の第２の例を示すフローチャートである。図１０に示すように、無線電力供給装置１２において無線電力供給処理が開始された後、外部センサにより移動体が接近したことを検知するまで待機する（ステップＳ２１：Ｎｏ）。移動体が接近したことを検知すると（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、コントローラ１５は、上述したステップＳ１１～ステップＳ１４の処理を行う（ステップＳ２２～ステップＳ２５）。

　第１コイル電流の位相差φ１が第１コイル電流に対する第２基準値φｂをクロスするか、または第２コイル電流の位相差φ２が第２コイル電流に対する第２基準値φｄをクロスしたら（ステップＳ２５：Ｙｅｓ）、コントローラ１５は、電源アンプ１３に対して小電力出力を指示する（ステップＳ２６）。それによって、電源アンプ１３は、第１コイル３１へ小電力を出力する。無線電力供給装置１２は、第１コイル電流の位相差φ１及び第２コイル電流の位相差φ２の検出を続ける。

　そして、第１コイル電流の位相差φ１が第１コイル電流に対する第４基準値をクロスするか、または第２コイル電流の位相差φ２が第２コイル電流に対する第４基準値をクロスするまで、待機する（ステップＳ２７：Ｎｏ）。第４基準値は、電源アンプ１３の小電力出力を停止するための基準値であり、例えば検出区間から給電区間へ移行するときの電力伝送効率の値よりも低い値に対応する位相差の値であってもよい。この第４基準値は、コントローラ１５に内蔵されているメモリや外部のメモリに記憶されていてもよい。

　第１コイル電流の位相差φ１が第１コイル電流に対する第４基準値をクロスするか、または第２コイル電流の位相差φ２が第２コイル電流に対する第４基準値をクロスしたら（ステップＳ２７：Ｙｅｓ）、コントローラ１５は、例えば電源アンプ１３に対して小電力出力の停止を指示し、一連の処理を終了する。一連の処理が終了した後は、次の給電対象の移動体が接近してきたことを外部センサが検知するまで、電源アンプ１３の出力は停止した状態である。

・無線電力供給装置及び無線電力供給システムの適用例
　図１１は、実施例２にかかる無線電力供給装置及び無線電力供給システムの適用例を示す模式図である。図１１に示す例は、無線電力供給装置及び無線電力供給システムを、車などの移動体の電池を充電するシステムに適用したものである。

　図１１に示すように、例えば、無線電力供給装置１２、第１コイル３１、第２コイル３２及びコンデンサ３３は、道路６１に埋め込まれていてもよい。第３コイル４１、第４コイル４２、負荷４３及びコンデンサ４４は、移動体６２に積載されていてもよい。負荷４３は、例えば移動体６２を動かすモータ（図示せず）などに電力を供給する電池であってもよい。

　なお、無線電力供給装置及び無線電力供給システムは、車などの移動体の電池を充電する適用例以外にも、携帯電話機やスマートフォンなどの携帯端末の充電、または携帯端末や家電製品への電力供給にも適用できる。また、メーカの工場での検査工程のラインにおいて、検査対象の製品を載せてラインを流れる台車に受電側のシステムを設け、ラインの下に送電側のシステムを設けるようにしてもよい。このような構成のラインでは、検査時に、送電側のシステムから受電側のシステムへ無線で電力を供給し、受電側のシステムから製品に電力を供給することができる。

・無線電力供給装置及び無線電力供給システムの第２の例の説明
　図１２は、実施例２にかかる無線電力供給装置及び無線電力供給システムの第２の例を示すブロック図である。図１２に示すように、第２の例では、第１コイル３１に印加される電圧に対する第１コイル３１に流れる電流の位相差を検出し、その位相差に基づいて電源アンプ１３の出力を切り替える例である。従って、この例では、第２電流検出回路１７、第３バンドパスフィルタ２０及び第３自動利得制御回路２３（図４参照）は、設けられていなくてもよい。

・無線電力供給装置及び無線電力供給システムの第３の例の説明
　図１３は、実施例２にかかる無線電力供給装置及び無線電力供給システムの第３の例を示すブロック図である。図１３に示すように、第３の例では、第１コイル３１に印加される電圧に対する第２コイル３２に流れる電流の位相差を検出し、その位相差に基づいて電源アンプ１３の出力を切り替える例である。従って、この例では、第１電流検出回路１６、第２バンドパスフィルタ１９及び第２自動利得制御回路２２（図４参照）は、設けられていなくてもよい。

　実施例２によれば、第１コイル３１に印加される電圧に対する第１及び第２のコイル３１，３２の一方または両方に流れる電流の位相差を検出することによって、第２コイル３２と第３コイル４１との相対位置が電力伝送効率のよい状態にあることを即座に検出することができる。従って、電源アンプ１３から第１コイル３１へ小電力を供給して位相比較器１４で位相差を検出し続け、電力伝送効率のよい状態にあるときの位相差を検出したら、第１コイル３１へ大電力を供給することによって、第２コイル３２から第３コイル４１へ効率よく電力を伝送することができる。

　また、実施例２によれば、電力伝送効率が高い状態のときに本出力によって電力を伝送し、電力伝送効率が低い状態のときには小電力出力とすることによって、省エネルギー化を図ることができ、また不要な電波放射を抑制することができる。さらに、外部センサなどを用いて小電力出力の開始タイミングを検知することによって、より一層、省エネルギー化を図ることができる。

　また、第１及び第２のコイル３１，３２の一方または両方に流れる電流の振幅に基づいて第２コイル３２と第３コイル４１との相対位置が電力伝送効率のよい状態にあることを検出する構成の場合には、第１コイル３１に供給する電力の大きさが切り替わるため、安定して検出することができない。それに対して、実施例２によれば、位相差に基づいて第２コイル３２と第３コイル４１との相対位置が電力伝送効率のよい状態にあることを検出するので、第１コイル３１に供給する電力の大きさが切り替わっても、安定して検出することができる。

　また、実施例２によれば、バンドパスフィルタ１８，１９，２０や自動利得制御回路２１，２２，２３により波形処理を行ってから位相比較器１４で位相差を検出するので、位相差を検出する際のＳ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　Ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｉｏ）が向上する。さらに、バンドパスフィルタ１８，１９，２０の中心周波数が、伝送する電力の周波数に一致またはおおよそ一致していることによって、さらにＳ／Ｎが向上する。

（実施例３）
・無線電力供給装置及び無線電力供給システムの説明
　図１４は、実施例３にかかる無線電力供給装置及び無線電力供給システムを示すブロック図である。図１５は、実施例３にかかる無線電力供給装置における信号の流れを示すブロック図である。

　図１４及び図１５に示すように、実施例３では、電源アンプ１３と第１コイル３１との間に、インピーダンスマッチングを行う整合回路７１が接続されている。整合回路７１は、コントローラ１５に接続されていて、コントローラ１５の制御によってインピーダンスの整合を取ることができる構成のものである。

・整合回路の一例の説明
　図１６は、実施例３にかかる無線電力供給装置における整合回路の一例を示す回路図である。図１６に示すように、整合回路７１は、インダクタ切り替えスイッチ７２及びコンデンサ切り替えスイッチ７３を備えている。

　インダクタ切り替えスイッチ７２には、複数のインダクタ７４が設けられており、コントローラ１５からの制御信号によって第１コイル３１に接続されるインダクタが切り替えられる。コンデンサ切り替えスイッチ７３には、複数のコンデンサ７５が設けられており、コントローラ１５からの制御信号によって第１コイル３１に接続されるコンデンサが切り替えられる。

　コントローラ１５は、第１コイル電流の位相差φ１及び第２コイル電流の位相差φ２に基づいて、整合回路７１のインダクタ７４及びコンデンサ７５の組み合わせを変える。整合回路７１は、インダクタ７４及びコンデンサ７５の組み合わせが変わることによって、離散的にインピーダンスマッチングを行う。なお、整合回路７１は、例えばコンデンサ７５の容量をリニアに変化させることによって、インピーダンスマッチングを連続的に行うようにしてもよい。

・無線電力供給方法の第１の例の説明
　図１７は、実施例３にかかる無線電力供給方法の第１の例を示すフローチャートである。図１７に示すように、無線電力供給装置１２において無線電力供給処理が開始されると、コントローラ１５は、整合回路７１を初期化する（ステップＳ３１）。整合回路７１の初期状態におけるインダクタ７４及びコンデンサ７５の組み合わせは、予め決められている。

　次いで、コントローラ１５は、上述したステップＳ１１～ステップＳ１３の処理を行う（ステップＳ３２～ステップＳ３４）。そして、第１コイル電流の位相差φ１が第１コイル電流に対する第３基準値をクロスするか、または第２コイル電流の位相差φ２が第２コイル電流に対する第３基準値をクロスするまで、待機する（ステップＳ３５：Ｎｏ）。

　第３基準値は、整合回路７１の切り替えを行ってインピーダンスマッチングを取るための基準値であり、例えば上述した第１基準値と第２基準値との間に、整合回路７１の切り替えを行う回数分、設定されている。例えば、整合回路７１においてインダクタ７４とコンデンサ７５とを９通りの組み合わせで切り替える場合には、第１基準値と第２基準値との間に第３基準値が８個設定されていてもよい。この第３基準値は、コントローラ１５に内蔵されているメモリや外部のメモリに記憶されていてもよい。

　第１コイル電流の位相差φ１が第１コイル電流に対する第３基準値をクロスするか、または第２コイル電流の位相差φ２が第２コイル電流に対する第３基準値をクロスしたら（ステップＳ３５：Ｙｅｓ）、コントローラ１５は、整合回路７１に切り替えを指示する（ステップＳ３６）。それによって、整合回路７１は、インダクタ７４とコンデンサ７５との組み合わせを切り替える。

　インダクタ７４とコンデンサ７５との組み合わせについては、第１番目の組み合わせ、第２番目の組み合わせ、第３番目の組み合わせ、というように何番目の組み合わせではどのインダクタ７４とどのコンデンサ７５とを組み合わせるかということが予め決まっていてもよい。そして、コントローラ１５から切り替え指示があるたびに、第１番目の組み合わせから順に組み合わせが切り替わるようにしてもよい。この場合、第１番目の組み合わせは、ステップＳ３１で初期化されたときの組み合わせであってもよい。

　整合回路７１の切り替えが予め設定されている回数分終了するまで（ステップＳ３７：Ｎｏ）、ステップＳ３５～ステップＳ３７を繰り返し、第１コイル電流の位相差φ１または第２コイル電流の位相差φ２に応じてインピーダンスマッチングを取る。整合回路７１の切り替えが予め設定されている回数分終了したら（ステップＳ３７：Ｙｅｓ）、第１コイル電流の位相差φ１が第１コイル電流に対する第２基準値φｂをクロスするか、または第２コイル電流の位相差φ２が第２コイル電流に対する第２基準値φｄをクロスするまで、待機する（ステップＳ３８：Ｎｏ）。第１コイル電流の位相差φ１が第１コイル電流に対する第２基準値φｂをクロスするか、または第２コイル電流の位相差φ２が第２コイル電流に対する第２基準値φｄをクロスしたら（ステップＳ３８：Ｙｅｓ）、コントローラ１５は、一連の処理を終了する。

・無線電力供給方法の第２の例の説明
　第２の例は、実施例２における無線電力供給方法の第２の例と同様である。すなわち、外部センサにより、移動体が、第２コイル３２に位相差検出を行い得る程度に接近したことを検知すると、電源アンプ１３の小電力出力が開始される。

　図１８及び図１９は、実施例３にかかる無線電力供給方法の第２の例を示すフローチャートであり、図１９は、図１８の続きである。図１８及び図１９に示すように、無線電力供給装置１２において無線電力供給処理が開始された後、外部センサにより移動体が接近したことを検知するまで待機する（ステップＳ４１：Ｎｏ）。移動体が接近したことを検知すると（ステップＳ４１：Ｙｅｓ）、コントローラ１５は、上述したステップＳ３１～ステップＳ３８の処理を行う（ステップＳ４２～ステップＳ４９）。

　第１コイル電流の位相差φ１が第１コイル電流に対する第２基準値φｂをクロスするか、または第２コイル電流の位相差φ２が第２コイル電流に対する第２基準値φｄをクロスしたら（ステップＳ４９：Ｙｅｓ）、コントローラ１５は、上述したステップＳ２６～ステップＳ２７の処理を行う（ステップＳ５０～ステップＳ５１）。そして、コントローラ１５は、一連の処理を終了する。

　実施例３によれば、実施例２と同様の効果が得られる。また、実施例３によれば、第１コイル電流の位相差φ１または第２コイル電流の位相差φ２に応じて整合回路７１の切り替えを行ってインピーダンスマッチングを取るので、不要な反射電力を抑えることができる。

　１，１１　無線電力供給システム
　２，１２　無線電力供給装置
　３，１３　電力供給部
　４，１４　検出部
　５，１５　制御部
　６，３１，３２　送電コイル
　７，４１，４２　受電コイル

Claims (13)

1. 　磁界共鳴を用いて電力を磁界エネルギーとして送出する送電コイルに、前記送電コイルと受電コイルとの間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する電力供給部と、
   　前記送電コイルに印加される電圧に対する前記送電コイルに流れる電流の位相差を検出する検出部と、
   　前記位相差に基づいて前記電力供給部が供給する電力の大きさを切り替える制御部と、
   　を備えることを特徴とする無線電力供給装置。
2. 　前記制御部は、前記位相差が第１基準値に達すると前記電力を、前記位相差が前記第１基準値に達する前よりも大きくし、前記位相差が第２基準値に達すると前記電力を、前記位相差が前記第２基準値に達する前よりも小さくするか、または停止することを特徴とする請求項１に記載の無線電力供給装置。
3. 　前記第１基準値及び前記第２基準値は、前記送電コイルから前記受電コイルへ伝送される電力の伝送効率に基づいて設定されていることを特徴とする請求項２に記載の無線電力供給装置。
4. 　前記送電コイルには、前記電力供給部から電力が供給される第１コイルと、前記第１コイルとの間で生じる電磁誘導により前記第１コイルから供給された電力を磁界共鳴により前記受電コイルへ送出する第２コイルと、が含まれており、
   　前記検出部は、前記第１コイルに流れる電流及び前記第２コイルに流れる電流の一方または両方について、前記送電コイルに印加される電圧に対する位相差を検出することを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の無線電力供給装置。
5. 　磁界共鳴を用いて電力を磁界エネルギーとして送出する送電コイルと、
   　前記送電コイルに、前記送電コイルと受電コイルとの間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する電力供給部と、
   　前記送電コイルに印加される電圧に対する前記送電コイルに流れる電流の位相差を検出する検出部と、
   　前記位相差に基づいて前記電力供給部が供給する電力の大きさを切り替える制御部と、
   　を備えることを特徴とする無線電力供給システム。
6. 　前記制御部は、前記位相差が第１基準値に達すると前記電力を、前記位相差が前記第１基準値に達する前よりも大きくし、前記位相差が第２基準値に達すると前記電力を、前記位相差が前記第２基準値に達する前よりも小さくするか、または停止することを特徴とする請求項５に記載の無線電力供給システム。
7. 　前記第１基準値及び前記第２基準値は、前記送電コイルから前記受電コイルへ伝送される電力の伝送効率に基づいて設定されていることを特徴とする請求項６に記載の無線電力供給システム。
8. 　前記送電コイルには、前記電力供給部から電力が供給される第１コイルと、前記第１コイルとの間で生じる電磁誘導により前記第１コイルから供給された電力を磁界共鳴により前記受電コイルへ送出する第２コイルと、が含まれており、
   　前記検出部は、前記第１コイルに流れる電流及び前記第２コイルに流れる電流の一方または両方について、前記送電コイルに印加される電圧に対する位相差を検出することを特徴とする請求項５～７のいずれか一つに記載の無線電力供給システム。
9. 　前記送電コイルとの間で生じる磁界共鳴により前記送電コイルから電力が伝送される前記受電コイル、をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の無線電力供給システム。
10. 　磁界共鳴を用いて電力を磁界エネルギーとして送出する送電コイルに、前記送電コイルと受電コイルとの間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給し、
    　前記送電コイルに印加される電圧に対する前記送電コイルに流れる電流の位相差を検出し、
    　前記位相差に基づいて前記送電コイルに供給する前記電力の大きさを切り替えることを特徴とする無線電力供給方法。
11. 　前記位相差が第１基準値に達すると前記電力を、前記位相差が前記第１基準値に達する前よりも大きくし、前記位相差が第２基準値に達すると前記電力を、前記位相差が前記第２基準値に達する前よりも小さくするか、または停止することを特徴とする請求項１０に記載の無線電力供給方法。
12. 　前記第１基準値及び前記第２基準値は、前記送電コイルから前記受電コイルへ伝送される電力の伝送効率に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１１に記載の無線電力供給方法。
13. 　前記送電コイルには、電力が供給される第１コイルと、前記第１コイルとの間で生じる電磁誘導により前記第１コイルから供給された電力を磁界共鳴により前記受電コイルへ送出する第２コイルと、が含まれており、
    　前記第１コイルに流れる電流及び前記第２コイルに流れる電流の一方または両方について、前記送電コイルに印加される電圧に対する位相差を検出することを特徴とする請求項１０～１２のいずれか一つに記載の無線電力供給方法。

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