WO2013145403A1 - 電界結合型ワイヤレス電力伝送システム及びそれに用いる受電装置 - Google Patents

Abstract

電力伝送システムの受電装置２００は、共振回路５０と並列に接続された過電圧抑制手段７０を備える。過電圧抑制手段７０は、インピーダンス素子で構成される。インピーダンス素子のインピーダンスは、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２との間の結合容量Ｃｍが、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略０に変化する過程において、インピーダンス素子を接続しない場合に比べて少なくとも一対の受電電極４１、４２間の電圧の上昇を抑制するような値に設定される。

Description

電界結合型ワイヤレス電力伝送システム及びそれに用いる受電装置

　本発明は、電界結合型ワイヤレス電力伝送システム及びそれに用いる受電装置に関する。

　近年、例えばスマートフォン、ラップトップパソコンなどのポータブル機器に対して、ワイヤレスで電力を供給するワイヤレス電力伝送システムが実用化されている。このようなワイヤレス電力伝送システムとして、例えば特許文献１や特許文献２に記載のものがある。

　特許文献１は、電磁誘導型のワイヤレス電力伝送システムを開示している。電磁誘導型のワイヤレス電力伝送システムは、送電装置と受電装置を有している。送電装置は送電コイルを備え、受電装置は受電コイルを備え、これらのコイル間で電磁誘導により電力が伝送される。

　特許文献２は、電界結合型のワイヤレス電力伝送システムを開示している。電界結合型のワイヤレス電力伝送システムは、送電装置と受電装置を有している。送電装置は送電電極を備え、受電装置は受電電極を備え、これらの電極間で静電誘導により電力が伝送される。

　図１１は、特許文献２の電界結合型ワイヤレス電力伝送システムの等価回路図である。この電界結合型ワイヤレス電力伝送システムは、送電装置１１０１と受電装置１２０１で構成され、送電装置１１０１の容量Ｃ１と受電装置１２０１の容量Ｃ２との間の結合容量Ｃｍを介して電力を電力する。送電装置１１０１はインダクタＬ１と容量Ｃ１でなるＬＣ共振回路を備え、受電装置１２０１はインダクタＬ２と容量Ｃ２でなるＬＣ共振回路を備える。このワイヤレス電力伝送システムでは、送電装置１１０１と受電装置１２０１とを結合させて、２つの共振回路を結合させたときに２つの共振周波数が発生する。電力伝送システムの電圧発生器１１の動作周波数（送電周波数）はこれらの共振周波数の中間の周波数に設定されている。

特開２００９－１１８５８７号公報 ＷＯ２０１１／１４８８０３号公報

　特許文献２のような電界結合型のワイヤレス電力伝送システムでは、送電装置上に受電装置を載置して送電している途中で受電装置を送電装置から引き離すと、受電装置が破損することがあった。

　本発明は、送電中に何らかの理由により受電装置が送電装置から引き離された場合でも受電装置の損傷を防止可能な電界結合型のワイヤレス電力伝送システム及び受電装置を提供することを目的とする。

　本発明の発明者は、上記の課題を解決するため、受電装置が送電装置から引き離される際に受電装置の破損が発生する原因を検討した結果、以下の知見を得た。

　図１２は、従来の電界結合型のワイヤレス電力伝送システムにおいて、受電装置を送電装置から引き離す過程における、受電装置側アクティブ電極と受電装置側パッシブ電極との間の電圧（以下、適宜「受電電極間電圧」という）、及び送電装置側アクティブ電極と送電装置側パッシブ電極との間の電圧（以下、適宜「送電電極間電圧」という）の周波数特性の変化を示す図である。具体的には、図１２（ａ）は、受電装置が送電装置上に載置された状態（通常の使用状態）における周波数特性を示す図である。図１２（ｂ）は、受電装置が送電装置から引き離され始めた状態における送電電極間電圧及び受電電極間電圧の周波数特性を示す図である。図１２（ｃ）は、受電装置が送電装置から図１２（ｂ）の場合よりもさらに引き離された状態における送電電極間電圧及び受電電極間電圧の周波数特性を示す図である。図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）における実線Ａ、Ａ′、Ａ″は受電電極間電圧の周波数特性を示し、破線Ｂ、Ｂ′、Ｂ″は送電電極間電圧の周波数特性を示す。なお、実線Ａ、Ａ′、Ａ″、及び破線Ｂ、Ｂ′、Ｂ″は、二次電池がほぼ満充電状態となり負荷インピーダンスが高くなっている状態のときにおける周波数特性を示す。これに対し、図１２（ａ）における一点鎖線Ｃは、二次電池がまだほとんど充電されておらず負荷インピーダンスが低い状態のときにおける受電電極間電圧の周波数特性を示す。図１２（ｂ）、（ｃ）では、これに対応する特性は省略している。

　図１２（ａ）から判別できるように、二次電池がほぼ満充電状態となり負荷インピーダンスが高くなっている状態のときは、二次電池が充電されていない状態に比べて、送電電極間電圧及び受電電極間電圧が高くなる。

　また、図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、送電電極間電圧及び受電電極間電圧はそれぞれ、異なる周波数において２つのピークを有する。これは、送電装置及び受電装置の有する共振回路の共振周波数を等しくして送電電極と受電電極を容量結合させたときにこの周波数の高周波側と低周波側に発生する２つの共振に伴うものであり、各ピークの周波数は共振周波数に対応する。これらのピーク（共振周波数）は、図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）から読み取れるように、受電装置が送電装置から引き離されるほど、つまり受電装置と送電装置の距離が大きくなるほど、高周波数側に移動する。このように、各ピーク（共振周波数）が高周波数側に移動するのは、受電装置と送電装置の距離が大きくなるにつれて、送電装置の送電電極と受電装置の受電電極との結合容量Ｃｍが減少するためであると考えられる。

　図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）における、ｆ１、ｆ１′、ｆ１″は、受電電極間電圧の低周波側の共振周波数を示し、ｆ２、ｆ２′、ｆ２″は、受電電極間電圧の高周波側の共振周波数を示す。また、ｆ３は、送電装置の動作周波数（送電周波数）を示す。動作周波数ｆ３は、送電装置の送電周波数（動作周波数）であり、図１２（ａ）の状態における低周波側の共振周波数ｆ１と高周波数側の共振周波数ｆ２との中間の周波数に設定されている。

　図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）から読み取れるように、受電電極間電圧の低周波側の共振周波数は、受電装置が送電装置から引き離されると、ｆ１、ｆ１′、ｆ１″と連続的に高周波側に移動していく。その際、図１２（ｃ）に示すように、低周波側の共振周波数ｆ１″と、動作周波数ｆ３が一致するときが発生し、このとき受電装置に発生する電圧が非常に高くなり、受電装置の損傷を引き起こす原因となる。図１３は、受電装置の引き離しにともなう、結合容量Ｃｍの変化に対する受電電極間電圧の変化を示したものである。受電装置の引き離しに伴って結合容量Ｃｍが小さくなると、上述のように共振周波数ｆ１、ｆ２が変化する。その結果、低周波側の共振周波数と動作周波数が重なる結合容量の近傍の結合容量Ｃｍにおいて、受電電極間電圧は一旦高くなり、その後、低下する。このように、送電中に急に受電装置の送電装置からの引き離しが発生して、受電装置と送電装置との間の距離が大きくなると、受電電極間に大きな受電電極間電圧（過電圧）が印加される場合がある。例えば、結合容量ＣｍがＣｍ１からＣｍ２に変化し、その際、受電電極間電圧が耐電圧Ｖｓを超えると、受電装置が破損する虞がある。以上が、受電装置が破損する原因と考えられる。このように、本発明者は、受電装置の引き離しに伴う結合容量の変化により、受電装置に高電圧が発生することが、受電装置の破損の原因であると考えた。そこで、本発明者は、受電装置側の共振回路に対して並列に接続されたインピーダンス素子を有し、共振周波数をずらすこと等が可能な、以下の構成を有する受電装置及び電力伝送システムを考案した。

　本発明の受電装置は、所定周波数の交流電圧を発生する電源回路と、少なくとも一対の送電電極と、電源回路と少なくとも一対の送電電極との間に接続され、少なくとも一対の送電電極間に交流電圧を印加する共振回路と、を備えた送電装置からワイヤレスで伝送される電力を受電する。この受電装置は、負荷回路と、送電装置の少なくとも一対の送電電極に対応して設けられ、少なくとも一対の送電電極との位置関係に応じた結合容量を生じる少なくとも一対の受電電極と、負荷回路と少なくとも一対の受電電極との間に接続され、負荷回路に交流電圧を印加する共振回路と、前記受電装置側の共振回路に対して並列に接続された過電圧抑制手段とを備え、過電圧抑制手段は、インピーダンス素子で構成され、インピーダンス素子のインピーダンスは、送電電極と受電電極との結合容量が、送電電極と受電電極とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略０に変化する過程において、前記インピーダンス素子を接続しない場合に比べて少なくとも一対の受電電極間の電圧の上昇を抑制するような値に設定される。

　本発明の電力伝送システムは、所定の周波数の交流電圧を発生する電源回路と、少なくとも一対の送電電極と、電源回路と少なくとも一対の送電電極との間に接続され、少なくとも一対の送電電極間に交流電圧を印加する共振回路と、を備えた送電装置と、前記本発明の受電装置と、を含む。

　本発明の電力伝送システム及び受電装置によれば、送電中に受電装置が送電装置から引き離された場合でも、共振周波数における高い受電電極間電圧が負荷回路に印加されることがない。したがって、受電装置及びそれに含まれる負荷回路が過電圧により破損するのを防止することができる。

実施形態１に係る送電装置と受電装置の斜視図である。 実施形態１に係るワイヤレス電力伝送システムの回路構成を示す図である。 実施形態１に係るワイヤレス電力伝送システムにおいて、負荷インピーダンスが高い状態における受電装置側アクティブ電極と受電装置側パッシブ電極との間の電圧の周波数特性の一例を示す図である。図３（ａ）は、送電装置と受電装置とが過電圧抑制手段としてのキャパシタが設けられている場合と設けられていない場合の特性を比較した図であり、図３（ｂ）は、キャパシタが設けられている場合において、受電装置が送電装置から引き離される際の共振周波数の変化を示した図である。 実施形態２に係るワイヤレス電力伝送システムの回路構成を示す図である。 実施形態２に係るワイヤレス電力伝送システムにおいて、負荷インピーダンスが高い状態における受電装置側アクティブ電極と受電装置側パッシブ電極との間の電圧の周波数特性の一例を示す図である。図５（ａ）は、送電装置と受電装置とが過電圧抑制手段としてのインダクタが設けられている場合と設けられていない場合の特性を比較した図であり、図５（ｂ）は、インダクタが設けられている場合において、受電装置が送電装置から引き離される際の共振周波数の変化を示した図である。 実施形態３に係るワイヤレス電力伝送システムの回路構成を示す図である。 実施形態４に係るワイヤレス電力伝送システムの回路構成を示す図である。 実施形態４に係るワイヤレス電力伝送システムにおける、結合容量に対する負荷入力電圧の特性を示す図である。 実施形態５に係るワイヤレス電力伝送システムの回路構成を示す図である。 実施形態５に係るワイヤレス電力伝送システムの受電装置の制御回路のより具体的な回路構成を示すである。 従来のワイヤレス電力伝送システムの等価回路図である。 従来の電界結合型のワイヤレス電力伝送システムにおいて、受電装置を送電装置から引き離す過程における、受電装置側アクティブ電極と受電装置側パッシブ電極との間の電圧、及び送電装置側アクティブ電極と送電装置側パッシブ電極との間の電圧の周波数特性の変化を示す図である。図１２（ａ）は、受電装置が送電装置上に載置された状態における周波数特性を示す図である。図１２（ｂ）は、受電装置が送電装置から引き離され始めた状態における送電電極間電圧及び受電電極間電圧の周波数特性を示す図である。図１２（ｃ）は、受電装置が送電装置から図１２（ｂ）の場合よりもさらに引き離された状態における送電電極間電圧及び受電電極間電圧の周波数特性を示す図である。 結合容量に対する受電装置側アクティブ電極と受電装置側パッシブ電極との間の電圧の特性を示す図である。

（実施形態１）
１．構成
　図１は、実施形態１における、電界結合型のワイヤレス電力伝送システムを構成する送電装置１００と受電装置２００の斜視図である。

　送電装置１００は送電装置側パッシブ電極３１と送電装置側アクティブ電極３２を備え、受電装置２００は受電装置側パッシブ電極４１と受電装置側アクティブ電極４２を備える。

　送電装置１００上に受電装置２００を載置することによって、送電装置側パッシブ電極３１と受電装置側パッシブ電極４１とが対向し、送電装置側アクティブ電極３２と受電装置側アクティブ電極４２とが対向する。このとき、送電装置側パッシブ電極３１及び送電装置側アクティブ電極３２と、受電装置側パッシブ電極４１及び受電装置側アクティブ電極４２との間に結合容量Ｃｍが生じる。送電装置１００は、結合容量Ｃｍを介した電界結合により受電装置２００へワイヤレスで電力を伝送する。

　図２は、実施形態１のワイヤレス電力伝送システムの回路構成を示す図である。

　送電装置１００は、電源回路１０、送電装置側共振回路２０、送電装置側パッシブ電極３１、送電装置側アクティブ電極３２を有する。

　電源回路１０は、所定の周波数の交流電圧を発生する。所定の周波数は、送電装置１００から受電装置２００への電力の伝送効率、ワイヤレス電力伝送システムにおける共振周波数との関係等を考慮して設定される。例えば、所定の周波数は１００ｋＨｚ～数１０ＭＨｚの間の高周波数に設定されるが、これに限定されるものではない。

　送電装置側共振回路２０は、電源回路１０と、送電装置側パッシブ電極３１及び送電装置側アクティブ電極３２との間に接続されている。

　昇圧トランスＴＲ１は、電源回路１０の発生する電圧を昇圧し、この昇圧した電圧を送電装置側パッシブ電極３１と送電装置側アクティブ電極３２との間に印加する。昇圧トランスＴＲ１は、電界結合による電力伝送の効率を向上させることを目的として設けられている。

　キャパシタＣｐ１は、昇圧トランスＴＲ１の出力端を短絡するように送電装置側パッシブ電極３１と送電装置側アクティブ電極３２との間に接続されている。キャパシタＣｐ１は、部品として設けられてもよいし、送電装置１００に含まれる配線等の寄生容量により構成してもよい。送電側では、昇圧トランスＴＲ１のインダクタンス成分(リーケージインダクタンス)と、キャパシタＣｐ１を含む容量で送電装置側共振回路２０を構成している。

　受電装置２００は、受電装置側パッシブ電極４１、受電装置側アクティブ電極４２、受電装置側共振回路５０及び負荷回路６０を有する。

　受電装置側パッシブ電極４１及び受電装置側アクティブ電極４２は、送電装置側パッシブ電極３１及び送電装置側アクティブ電極３２から結合容量Ｃｍを介して電力を受ける。

　負荷回路６０は、ダイオードＤ１～Ｄ４及びリップル除去用キャパシタＣｒを含む整流回路６１と、整流回路６１の二次側に接続された負荷ＲＬを有する。負荷ＲＬは、本実施形態では、整流後の電力により充電される二次電池である。二次電池は満充電状態に近づくとインピーダンスが増加する特性を有する。

　受電装置側共振回路５０は、負荷回路６０と、受電装置側パッシブ電極４１及び受電装置側アクティブ電極４２との間に接続されている。受電装置側共振回路５０は、降圧トランスＴＲ２と、キャパシタＣｐ２とを有する。

　降圧トランスＴＲ２は、受電装置側パッシブ電極４１と受電装置側アクティブ電極４２との間の電圧（以下、適宜「受電電極間電圧」という）を降圧して負荷回路６０に印加する。降圧トランスＴＲ２は、電界結合による電力伝送の効率を、昇圧トランスＴＲ１とで向上させることを目的として設けられている。

　キャパシタＣｐ２は、受電装置側パッシブ電極４１及び受電装置側アクティブ電極４２との間に接続されている。キャパシタＣｐ２は、部品として設けられてもよいし、受電装置２００に含まれる配線等の寄生容量により構成してもよい。受電側では、降圧トランスＴＲ２のインダクタンス成分と、キャパシタＣｐ２を含む容量で受電装置側共振回路５０を構成している。

　特に、本実施形態においては、受電装置２００の送電装置１００からの引き離しに伴う受電電圧の上昇を抑制するため過電圧抑制手段７０が設けられている。過電圧抑制手段７０は、受電装置側共振回路５０と並列に、すなわち降圧トランスＴＲ２の出力端を短絡するように設けられている。過電圧抑制手段７０は、インピーダンス素子で構成されている。インピーダンス素子のインピーダンスは、インピーダンス素子を接続しない場合に比べて一対の受電装置側パッシブ電極４１と受電装置側アクティブ電極４２との間の電圧の上昇を抑制するような値に設定される。

　本実施形態では、過電圧抑制手段７０をキャパシタＣｘにより構成している。キャパシタＣｘは、低周波側共振周波数と動作周波数の重なりを防止することで、受電装置２００での高電圧の発生を抑制する。

２．過電圧抑制手段としてのキャパシタＣｘ
　過電圧抑制手段７０としてのキャパシタＣｘについて説明する。キャパシタＣｘは、送電装置共振回路２０と受電装置側共振回路５０が結合容量により容量結合したときに発生する二つの共振周波数の内、低周波側の共振周波数を低周波側に所定のシフト量だけシフトさせる。キャパシタＣｘの容量は、低周波側の共振周波数を低周波側に所定のシフト量だけシフトさせるような値に設定される。本実施形態では、所定のシフト量は、受電装置２００を送電装置１００上に載置した状態から十分遠方に引き離す過程において低周波側の共振周波数が移動したとしても、低周波側の共振周波数が動作周波数ｆ３と重なることがないような量に設定される。

　具体的には、キャパシタＣｘの容量は、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２との間の結合容量Ｃｍが、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略０に変化する過程において、受電装置側共振回路５０により生じる低周波側及び高周波側の各共振周波数が動作周波数ｆ３と重なることがないような値に設定されている。送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とを容量結合させたときに生じる低周波側の共振周波数をｆ１、高周波側の共振周波数をｆ２、動作周波数をｆ３とする。キャパシタＣｘの容量は、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２との間の結合容量Ｃｍが、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略０に変化する過程において、ｆ１＜ｆ３＜ｆ２の関係が満たされるように設定されている。ここで、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２との間の結合容量Ｃｍが略０とは、結合容量Ｃｍが限りなく小さな値であることを意味する。

　なお、本実施形態では、送電装置１００から受電装置２００への送電の際、受電装置２００は送電装置１００上の所定位置に載置されているものとし、このときの送電装置と受電装置の位置関係を、通常送電時の所定の位置関係とする。所定の位置関係はこれに限定されない。例えば、受電装置２００は送電装置１００上の所定位置に載置されていなくても、受電装置２００と送電装置１００とが所定の位置関係にあることにより、送電装置１００の送電電極４１、４２と受電装置２００の受電電極３１、３２とが、通常送電時における所定の位置関係にあればよい。実施形態２～５において同様である。

　また、所定のシフト量は上記の値に限定されない。例えば、低周波側の共振周波数を低周波側に所定のシフト量だけシフトすることで、受電装置２００を送電装置１００上に載置した状態から十分遠方に引き離す過程において低周波側の共振周波数が動作周波数ｆ３と重なったときの受電電圧が受電装置２００の破損を招かないような低い電圧となるのであれば、そのような量に設定されてもよい。

　キャパシタＣｘの容量をｆ１＜ｆ３＜ｆ２の関係を満たすように設定したときの具体例について図３を参照して説明する。図３は、二次電池がほぼ満充電状態となり負荷インピーダンスが高い状態における受電装置側アクティブ電極４２と受電装置側パッシブ電極４１との間の電圧の周波数特性の一例を示す図である。具体的には、図３（ａ）は、送電装置１００と受電装置２００とが過電圧抑制手段７０としてのキャパシタＣｘが設けられている場合と設けられていない場合の特性を比較した図であり、実線はキャパシタＣｘが設けられている場合を示し、破線はキャパシタＣｘが設けられていない場合を示す。低周波側及び高周波側の共振周波数は、キャパシタＣｘが設けられていないときはｆ１ｏ、ｆ２ｏであるが、キャパシタＣｘが設けられているときはｆ１ｏ、ｆ２ｏよりも低いｆ１ｃ、ｆ２ｃとなる。つまり、キャパシタＣｘを設けることにより低周波側に移動する。このとき動作周波数ｆ３は、２つの共振周波数ｆ１ｃ、ｆ２ｃの中間の、受電電極間電圧の変化が少ない領域に位置する。そのため、受電装置２００の送電装置１００への載置位置のずれにより結合容量Ｃｍが若干変化して、受電電極間電圧の周波数特性が多少変化したとしても、受電電極間電圧の変動は少なく、安定した電力伝送を行うことができる。また、この中間領域の受電電極間電圧は、効率的な電力伝送に必要な一定以上の大きさを有しているため、効率的な電力伝送を行うことができる。

　図３（ｂ）は、キャパシタＣｘが設けられている場合において、受電装置２００が送電装置１００から引き離される際の共振周波数の変化を示した図である。実線は受電装置２００が送電装置１００から引き離される前（結合容量Ｃｍが第１の所定値のとき）を示し、破線は受電装置２００が送電装置１００から引き離された後（結合容量Ｃｍが第２の所定値のとき）を示す。受電装置２００が送電装置１００から引き離されると、結合容量Ｃｍが低下する。その結果、低周波側及び高周波側の共振周波数は、引き離される前のｆ１ｃ、ｆ２ｃからより高周波側のｆ１ｃ′、ｆ２ｃ′に移動する。しかし、低周波側の共振周波数が動作周波数ｆ３を超えて高周波側に移動することはない。また、高周波側の共振周波数は高周波側に、つまり動作周波数ｆ３とは反対側に移動する。したがって、受電装置２００の送電装置１００からの引き離しによる結合容量Ｃｍの変化（低下）により高周波側及び低周波側の各共振周波数が変化したとしても、動作周波数ｆ３と、高周波側及び低周波側の共振周波数が一致する（重なる）ことはない。よって、共振周波数における高い受電電極間電圧（過電圧）が負荷回路６０に印加されることがなく、負荷回路６０の破損を防止することができる。

３．まとめ
　本実施形態の電力伝送システムは、送電装置１００と受電装置２００との間でワイヤレスで電力を伝送する電力伝送システムである。送電装置１００は、一対の送電電極３１、３２と、電源回路１０と一対の送電電極３１、３２との間に設けられ、一対の送電電極３１、３２間に交流電圧を印加する送電装置側共振回路２０と、を備える。受電装置２００は、負荷回路６０と、送電装置１００の一対の送電電極３１、３２に対応して設けられ、一対の送電電極３１、３２との位置関係に応じた結合容量Ｃｍを生じる一対の受電電極４１、４２と、負荷回路６０と一対の受電電極４１、４２との間に設けられ、負荷回路６０に交流電圧を印加する受電装置側共振回路５０と、受電装置側共振回路５０と並列に接続された過電圧抑制手段７０とを備える。過電圧抑制手段７０は、インピーダンス素子で構成される。インピーダンス素子のインピーダンスは、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２との間の結合容量Ｃｍが、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略０に変化する過程において、インピーダンス素子を接続しない場合に比べて一対の受電電極４１、４２間の電圧の上昇を抑制するような値に設定されている。

　この構成によれば、送電中に受電装置が送電装置から引き離されたときの送電装置１００と受電装置２００との間の距離の変化に伴い、受電装置２００側における共振周波数が変化したとしても、共振周波数における高い受電電極間電圧が負荷回路６０に印加されることがない。したがって、受電装置２００及びそれに含まれる負荷回路６０の破損を防止することができる。

　なお、特許文献１の電磁誘導型のワイヤレス電力伝送システムには、過電圧から受電装置の負荷回路を保護するための構成として、受電装置の受電コイルとその下流の整流回路との間にヒューズを設け、整流回路の出力電圧が過大になると、ヒューズを溶断させることが開示されている。しかし、一度溶断したヒューズは復元しないので、過電圧を再度抑制可能とするためには、ヒューズの交換等の手間が生じる。

　これに対して、本実施形態では、過電圧抑制手段７０を、インピーダンス素子により構成したので、保護動作の際破損しにくい。よって、保護動作後も、特別な修理が必要なく、繰り返し保護動作を行うことができる。

　また、本実施形態では、インピーダンス素子は、低周波側の共振周波数を所定のシフト量だけシフトさせる素子であり、所定のシフト量は、前記結合容量Ｃｍが、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とが通常送電時の前記所定の位置関係にあるときの値から略ゼロに変化する過程において、低周波側の共振周波数が所定の送電周波数（動作周波数ｆ３）と重なることがないような値に設定されている。

　この構成によれば、過電圧抑制手段７０により、受電装置側共振回路５０により生じる各共振周波数と動作周波数ｆ３とが重なることがない。これにより、共振周波数における高い受電電極間電圧が負荷回路６０に印加されることがない。したがって、受電装置２００及びそれに含まれる負荷回路６０の破損を防止することができる。

　また、本実施形態では、キャパシタＣｘにより過電圧抑制手段７０を構成している。この構成によれば、過電圧抑制手段７０を容易にかつ小型に構成することができる。また、キャパシタＣｘを備えない従来の受電装置において、キャパシタＣｘを加えるだけで、つまり、従来の受電装置の構成を大きく変更することなく、過電圧を抑制することが可能となる。

　また、本実施形態では、キャパシタＣｘの容量は、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とを容量結合させたときに受電装置側の共振回路５０により生じる低周波側の共振周波数をｆ１、高周波側の共振周波数をｆ２、動作周波数をｆ３としたときにおいて、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２との間の結合容量Ｃｍが、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略０に変化する過程において、ｆ１＜ｆ３＜ｆ２の関係が満たされるように設定されている。

　この構成によれば、送電装置１００から受電装置２００の引き離しにより送電電極３１、３２と受電電極４１、４２との間の結合容量Ｃｍが、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略０に変化する過程において、低周波側及び高周波側の各共振周波数が動作周波数と重ならない。つまり、前述した負荷回路６０の破損を防止する効果が得られる。また、低周波側共振周波数と高周波側共振周波数の中間の領域に動作周波数が存在することとなり、効率的な電力伝送に必要な受電電極間電圧を得ることができる。つまり、効率的な電力伝送を行うことができる。

　また、本実施形態では、電源回路１０と前記送電電極との間に昇圧トランスＴＲ１が接続され、負荷回路６０と受電電極４１、４２との間に降圧トランスＴＲ２が接続されている。この構成によれば、送電電極３１、３２から受電電極４１、４２への電力伝送を高電圧で行うことができる。高電圧を用いることにより、伝送経路に流れる電流が比較的小さくても大きな電力を送ることができる。電流が小さければ、伝送経路における抵抗値による損失が小さくなる。そのため、電力伝送を高効率で行うことができる。

　なお、本実施形態では、キャパシタＣｘの容量は、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２との間の結合容量Ｃｍが、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略０に変化する過程において、受電装置側共振回路５０により生じる低周波側及び高周波側の各共振周波数が動作周波数ｆ３と重ならないようにする値に設定したが、これに限らない。例えば、キャパシタＣｘの容量は、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から減少する過程において、受電装置側共振回路５０により生じる低周波側及び高周波側の各共振周波数が動作周波数ｆ３と重なったとしても受電電極間電圧が受電装置２００に破損を生じさせる程度の高い電圧に到達しないようにする値に、設定してもよい。

（実施形態２）
　実施形態２について説明する。図４は、実施形態２に係るワイヤレス電力伝送システムの回路構成を示す図である。

　本実施形態では、過電圧抑制手段７０をインダクタＬｘにより構成している。その他の構成は実施形態１と同一である。インダクタＬｘは、低周波側共振周波数と動作周波数の重なりを防止することで、受電装置２００での高電圧の発生を抑制する。

　過電圧抑制手段７０としてのインダクタＬｘについて説明する。インダクタＬｘは、受電装置側共振回路５０により生じる低周波側及び高周波側の共振周波数を高周波側にシフトさせる。インダクタＬｘのインダクタンスは、低周波側の共振周波数を高周波側に所定のシフト量だけシフトさせるような値に設定される。本実施形態では、所定のシフト量は、受電装置２００を送電装置１００上に載置した状態から十分遠方に引き離す過程において低周波側の共振周波数が移動したとしても、低周波側の共振周波数が動作周波数ｆ３と重なることがないような量に設定される。具体的には、インダクタＬｘのインダクタンスは、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２との間の結合容量Ｃｍが、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略０に変化する過程において、受電装置側共振回路５０により生じる低周波側及び高周波側の各共振周波数が動作周波数ｆ３と重なることがないような値に設定されている。送電電極３１、３２と受電電極４１、４２との容量結合による低周波側の共振周波数をｆ１、高周波側の共振周波数をｆ２、動作周波数をｆ３とする。インダクタＬｘのインダクタンスは、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略０に変化する過程において、ｆ３＜ｆ１＜ｆ２の関係が満たされるように設定されている。

　インダクタＬｘのインダクタンスをｆ３＜ｆ１＜ｆ２の関係を満たすように設定したときの具体例について図５を参照して説明する。図５は、負荷ＲＬ（二次電池）がほぼ満充電状態となり負荷インピーダンスが高くなった状態における受電電極間電圧の周波数特性の一例を示す図である。具体的には、図５（ａ）は、過電圧抑制手段７０としてのインダクタＬｘが設けられている場合と設けられていない場合の特性を比較した図であり、実線はインダクタＬｘが設けられている場合を示し、破線はインダクタＬｘが設けられていない場合を示す。低周波側及び高周波側の共振周波数は、インダクタＬｘが設けられていないときはｆ１ｏ、ｆ２ｏであるが、インダクタＬｘが設けられているときはｆ１ｏ、ｆ２ｏよりも高いｆ１ｉ、ｆ２ｉ（図５（ａ)においてｆ２ｉはｆ１ｉよりも高周波側の図外に存在する）である。つまり、インダクタＬｘを設けることにより高周波側に移動する。このとき動作周波数ｆ３は、低周波側の共振周波数ｆ１ｉよりも若干低い周波数となっている。インダクタＬｘを設けることにより低周波側の共振周波数ｆ１ｉにおける受電電極間電圧は、インダクタＬｘが設けられていない場合よりも大きく低下し、効率的な電力伝送に必要な一定以上の大きさとなっている。そのため、効率的な電力伝送を行うことができる。また、低周波側の共振周波数ｆ１ｉにおける受電電極間電圧の変化は、インダクタＬｘが設けられていない場合よりも緩やかになっている。そのため、受電電極間電圧の周波数特性が多少変化したとしても、受電電極間電圧の変動は少なく、安定した電力伝送を行うことができる。

　図５（ｂ）は、インダクタＬｘが設けられている場合において、受電装置２００が送電装置１００から引き離される際の共振周波数の変化を示した図である。実線は受電装置２００が送電装置１００から引き離される前を示し、破線は受電装置２００が送電装置１００から引き離された後を示す。受電装置２００が送電装置１００から引き離されると、結合容量Ｃｍの低下により、低周波側及び高周波側の共振周波数（高周波側の共振周波数は図５（ｂ）において図外に存在する）は、引き離される前のｆ１ｉ、ｆ２ｉ（図５（ｂ)においてｆ２ｉはｆ１ｉよりも高周波側の図外に存在する）からｆ１ｉ′、ｆ２ｉ′（図５（ｂ)においてｆ２ｉ′はｆ１ｉ′よりも高周波側の図外に存在する）に高周波側へ、つまり動作周波数ｆ３とは反対側に移動する。したがって、受電装置２００の送電装置１００からの引き離しによる結合容量Ｃｍの変化（低下）により高周波側及び低周波側の共振周波数が変化したとしても、動作周波数ｆ３と、高周波側及び低周波側の共振周波数が重なることはない。よって、共振周波数における高い受電電極間電圧（過電圧）が負荷回路６０に印加されることがなく、負荷回路６０の破損を防止することができる。

　また、本実施形態によれば、インダクタＬｘにより過電圧抑制手段７０を構成していることにより、保護動作の際破損しにくい。よって、保護動作後も、特別な修理が必要なく、繰り返し保護動作を行うことができる。また、過電圧抑制手段７０を容易にかつ小型に構成することができる。

　なお、本実施形態では、インダクタＬｘのインダクタンスは、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２との間の結合容量Ｃｍが、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略０まで変化する過程において、受電装置側共振回路５０により生じる低周波側及び高周波側の各共振周波数が動作周波数ｆ３と重ならないようにする値に設定したが、これに限らない。例えば、インダクタＬｘのインダクタンスは、送電電極３１、３２と受電電極４１、４２とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から減少する過程において、受電装置側共振回路５０により生じる低周波側及び高周波側の各共振周波数が動作周波数ｆ３と重なったとしても受電電極間電圧が受電装置２００に破損を生じさせる程度の高い電圧に到達しないようにする値に、設定してもよい。

　なお、所定のシフト量は上記の値に限定されない。例えば、低周波側の共振周波数を高周波側に所定のシフト量だけシフトすることで、受電装置２００を送電装置１００上に載置した状態から十分遠方に引き離す過程において低周波側の共振周波数が動作周波数ｆ３と重なったときの受電電圧が受電装置２００の破損を招かないような低い電圧となるのであれば、そのような量に設定されてもよい。

（実施形態３）
　実施形態３について説明する。図６は、実施形態３に係るワイヤレス電力伝送システムの回路構成を示す図である。

　本実施形態では、過電圧抑制手段７０を、抵抗Ｒｘ（インピーダンス素子）により構成している。その他の構成は実施形態１と同一である。抵抗Ｒｘは、抵抗Ｒｘを接続しない場合に比べて、受電装置２００の受電装置側共振回路５０から見た負荷装置６０側のインピーダンスを低下させる素子である、これにより、受電装置２００での高電圧の発生を抑制する。

　抵抗Ｒｘの抵抗値は、低周波側共振周波数及び高低周波側共振周波数が変化して動作周波数と一致したとしても、受電電極間電圧が受電装置２００に異常を生じさせる程度の高い電圧に到達しないようする値に設定する。抵抗Ｒｘの抵抗値は、例えば受電装置側共振回路５０のインピーダンスよりも小さい値に設定され、低周波側共振周波数及び高低周波側共振周波数における受電装置側共振回路５０の二次側のインピーダンスを低下させる。例えば、抵抗Ｒｘの抵抗値は、１０～１００Ωに設定する。これにより、受電装置側共振回路５０の二次側の電圧が低下して、負荷回路６０に印加される電圧が低下し、負荷回路６０に損傷を生じさせることを防止する。

　このように過電圧抑制手段７０を抵抗Ｒｘにより構成することにより、システム全体としてのインピーダンスを抵抗Ｒｘが存在しない場合よりも低くすることができる。特に抵抗Ｒｘの抵抗値を１０～１００Ωに設定することにより、受電装置側共振回路５０の二次側のインピーダンスを、抵抗Ｒｘが存在しない場合よりも確実に低くすることができる。したがって、受電装置２００の送電装置１００からの引き離しによる結合容量Ｃｍの変化（低下）により高周波側及び低周波側の共振周波数が変化して、動作周波数と一致したとしても、高い受電電極間電圧（過電圧）が負荷回路６０に印加されることがない。よって、負荷回路６０の破損を防止することができる。

　また、本実施形態によれば、抵抗Ｒｘにより過電圧抑制手段７０を構成していることにより、保護動作の際破損しにくい。よって、保護動作後も、特別な修理が必要なく、繰り返し保護動作を行うことができる。また、過電圧抑制手段７０を容易にかつ小型に構成することができる。

（実施形態４）
　実施形態４について説明する。図７は、実施形態４に係るワイヤレス電力伝送システムの回路構成を示す図である。

　本実施形態では、過電圧抑制手段７０をキャパシタＣｘにより構成するとともに、キャパシタＣｘに直列にスイッチング素子ＳＷを設けている。また、整流回路６１での整流後の負荷ＲＬへの入力電圧（以下、適宜「負荷入力電圧」という）を検出し、検出した負荷入力電圧に基づいてスイッチング素子ＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路８０を設けている。その他の構成は実施形態１と同一である。

　制御回路８０は、検出した負荷入力電圧が所定電圧以上より高いときは、スイッチング素子ＳＷをＯＮに制御し、それ以外のときはスイッチング素子ＳＷをＯＦＦに制御する。所定電圧は、負荷回路６０の耐電圧等に基づき適宜設定すればよい。

　なお、キャパシタＣｘの容量は、実施形態１同様に設定されている。

　このような構成によれば、受電装置２００を送電装置１００から引き離すことにより結合容量Ｃｍが減少して低周波側の共振周波数が動作周波数に接近し、負荷入力電圧が所定電圧以上に上昇すると、スイッチング素子ＳＷがＯＮに制御され、キャパシタＣｘが接続される。これにより、低周波側及び高周波側の各共振周波数がそれぞれ低周波側に移動する。その結果、低周波側の共振周波数と動作周波数との重なりを防止でき、前記各実施形態同様、共振周波数における高い受電電極間電圧（過電圧）が負荷回路６０に印加されることがなく、負荷回路６０の破損を防止することができる。

　図８は、実施形態４に係るワイヤレス電力伝送システムにおける、結合容量Ｃｍに対する負荷回路入力電圧の特性を示す図である。破線はキャパシタＣｘ及びスイッチング素子ＳＷが設けられていない場合の特性である。本実施形態によれば、負荷回路入力電圧が所定電圧以上に上昇すると、スイッチング素子ＳＷがＯＮに制御されることにより、負荷入力電圧の跳ね上がりを抑え、負荷入力電圧を安定化できる。

　以上のように本実施形態では、実施形態１の構成に加え、負荷回路６０を構成する整流回路６１の二次側の負荷入力電圧を検出するとともに、検出された負荷入力電圧が所定の電圧より高かった場合に、スイッチング素子ＳＷをオンにするための制御信号を出力する制御回路８０（電圧検出回路）と、制御信号を受けてキャパシタＣｘの接続をオンに切り替えるスイッチング素子ＳＷと、をさらに備える。

　これにより、負荷入力電圧が所定電圧以上に上昇すると、スイッチング素子ＳＷがＯＮに制御されることにより、負荷入力電圧の跳ね上がりを抑え、負荷入力電圧を安定化できる。

　ここで、通常送電時においてもキャパシタＣｘが接続されていると、受電電極間電圧が低くなり電力伝送効率が低下する。しかし、本実施形態によれば、負荷入力電圧が所定電圧以上に上昇したときのみ、キャパシタＣｘを接続するので、伝送効率の低下を防止できる。

（実施形態５）
　実施形態５について説明する。図９は、実施形態５に係るワイヤレス電力伝送システムの回路構成を示す図である。

　本実施形態では、過電圧抑制手段７０を、直列に設けた２個のキャパシタＣｘ１、Ｃｘ２により構成するとともに、これらのキャパシタＣｘ１、Ｃｘ２の間にスイッチング素子ＳＷを設けている。また、整流回路６１での整流後の負荷入力電圧を検出するとともに、検出した電圧に基づいてスイッチング素子ＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路８０を設けている。その他の構成は実施形態１と同一である。

　このような構成により、実施形態４と同様の効果が得られる。なお、実施形態４では過電圧抑制手段７０を１個のキャパシタＣｘで構成した場合について、実施形態５では過電圧抑制手段７０を２個のキャパシタＣｘ１、Ｃｘ２で構成した場合について説明した。しかし、過電圧抑制手段７０を３個以上の数のキャパシタで構成することも可能である。

　図１０は、制御回路８０のより具体的な構成を示す図である。

　降圧トランスＴＲ２の一方の出力端Ｔ１にキャパシタＣｘ１及びスイッチング素子ＳＷ１の直列回路が接続され、他方の出力端Ｔ２にキャパシタＣｘ２及びスイッチング素子ＳＷ２の直列回路が接続されている。

　制御回路８０は、比較器ＣＯＭＰ、電圧源Ｖｃ等を備えている。比較器ＣＯＭＰは、電圧源Ｖｃの出力電圧を分圧した基準電圧と、整流回路６１のリップル除去用コンデンサＣｒの電圧とを比較する。そして、比較器ＣＯＭＰは、リップル除去用コンデンサＣｒの電圧が基準電圧以上となると、各スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２にＯＮ信号を出力する。

　このような構成により、制御回路８０を簡単な構成で実現できる。この回路のほか、ヒステリシスを持たせることで動作を安定化させることができる。スイッチング素子としてＦＥＴを用いたが、これに限定されるものでなく、電磁リレーなどのスイッチング素子も適用できる。

（その他の実施形態）

　なお、実施形態４、５で説明したスイッチング素子を有する構成は、引き離し時の電圧変動を抑える目的以外にも適用可能である。例えば、正常動作時にスイッチング素子を制御することにより、共振条件を変化させることができる。すなわち、後段の回路に出力する電圧を変化させ後段の回路の入力電圧の範囲を狭くしたい時のリミッタとしても用いることができる。

　実施形態４、５では、過電圧抑制手段としてのインピーダンス素子をキャパシタで構成した場合について説明したが、実施形態４～５の思想は、過電圧抑制手段としてのインピーダンス素子がインダクタや抵抗である場合にも適用可能である。

　上記各実施形態では、負荷回路としての二次電池がほぼ満充電状態となることにより負荷インピーダンスが高くなる場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、負荷回路が二次電池ではないが負荷インピーダンスが定常的にあるいは一時的に高くなるものであることにより、図１３（ｂ）のような特性を示すものに対しても本発明は適用可能である。
上記各実施形態では降圧トランスＴＲ２の二次側に並列に過電圧抑制手段７０を設けたが、降圧トランスＴＲ２の一次側に設けてもよい。トランスＴＲ２の一次側に過電圧抑制手段７０を設ける場合には、過電圧抑制手段７０のキャパシタを高耐電圧仕様のものにする必要がある。

　　１０　　電源回路
　　２０　　送電装置側共振回路
　　３１　　送電装置側パッシブ電極
　　３２　　送電装置側アクティブ電極
　　４１　　受電装置側パッシブ電極
　　４２　　受電装置側アクティブ電極
　　５０　　受電装置側共振回路
　　６０　　負荷回路
　　６１　　整流回路
　　７０　　過電圧抑制手段
　　８０　　制御回路
　　１００　　送電装置
　　２００　　受電装置
　　Ｃｐ１　　キャパシタ
　　Ｃｐ２　　キャパシタ
　　Ｃｘ、Ｃｘ１、Ｃｘ２　　キャパシタ
　　Ｌｘ　　インダクタ
　　Ｒｘ　　抵抗
　　ＲＬ　　　負荷
　　ＳＷ、ＳＷ１、ＳＷ２　　スイッチング素子
　　ＴＲ１　　昇圧トランス
　　ＴＲ２　　降圧トランス

Claims (12)

1. 　所定の送電周波数の交流電圧を発生する電源回路と、少なくとも一対の送電電極と、前記電源回路と前記少なくとも一対の送電電極との間に接続され、前記少なくとも一対の送電電極間に交流電圧を印加する共振回路と、を備えた送電装置からワイヤレスで伝送される電力を受電する受電装置であって、
   　負荷回路と、
   　前記送電装置の前記少なくとも一対の送電電極に対応して設けられ、前記少なくとも一対の送電電極との位置関係に応じた結合容量を生じる少なくとも一対の受電電極と、
   　前記負荷回路と前記少なくとも一対の受電電極との間に接続され、前記負荷回路に交流電圧を印加する共振回路と、
   　前記前記受電装置側共振回路に対して並列に接続された過電圧抑制手段とを備え、
   　前記過電圧抑制手段は、インピーダンス素子で構成され、
   　前記インピーダンス素子のインピーダンスは、前記送電電極と前記受電電極との結合容量が、前記送電電極と前記受電電極とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略０に変化する過程において、前記インピーダンス素子を接続しない場合に比べて前記少なくとも一対の受電電極間の電圧の上昇を抑制するような値に設定される、
   　受電装置。
2. 　前記インピーダンス素子は、前記送電装置側共振回路と前記受電装置側共振回路が前記結合容量により容量結合したときに発生する二つの共振周波数の内、低周波側の共振周波数を所定のシフト量だけシフトさせる素子であり、
   　前記所定のシフト量は、前記送電電極と前記受電電極との結合容量が、前記送電電極と前記受電電極とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略ゼロに変化する過程において、前記低周波側の共振周波数が前記所定の送電周波数と重なることがないような値に設定される、
   　請求項１に記載の受電装置。
3. 　前記インピーダンス素子は、前記インピーダンス素子を接続しない場合に比べて、当該受電装置の前記共振回路から見た前記負荷装置側のインピーダンスを低下させる素子である、
   　請求項１に記載の受電装置。
4. 　前記過電圧抑制手段はキャパシタである、
   　請求項１または２に記載の受電装置。
5. 　前記キャパシタの容量は、
   　前記送電電極と前記受電電極とを容量結合させたときに当該受電装置側の前記共振回路により生じる前記低周波側の共振周波数をｆ１、高周波側の共振周波数をｆ２、前記所定の送電周波数をｆ３としたときに、
   　前記送電電極と前記受電電極との結合容量が前記送電電極と前記受電電極とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略０に変化する過程において、ｆ１＜ｆ３＜ｆ２の関係が満たされるように設定されている。
   　請求項４に記載の受電装置。
6. 　前記過電圧抑制手段はインダクタである、
   　請求項１または２に記載の受電装置。
7. 　前記インダクタのインダクタンスは、
   　前記送電電極と前記受電電極とを容量結合させたときに当該受電装置側の前記共振回路により生じる前記低周波側の共振周波数をｆ１、高周波側の共振周波数をｆ２、前記所定の送電周波数をｆ３としたときに、前記送電電極と前記受電電極との結合容量が前記送電電極と前記受電電極とが通常送電時の所定の位置関係にあるときの値から略０まで変化する過程において、ｆ３＜ｆ１＜ｆ２の関係が満たされるように設定されている、
   　請求項６に記載の受電装置。
8. 　前記過電圧抑制手段は抵抗である、
   　請求項１または３に記載の受電装置。
9. 　前記抵抗の抵抗値は、１０～１００Ωに設定されている、
   　請求項８に記載の受電装置。
10. 　前記過電圧抑制手段に直列にスイッチング素子が設けられているとともに、
    　前記負荷回路を構成する整流回路の二次側の電圧を検出し、検出された電圧が所定の電圧より高いときに、前記スイッチング素子をオンに制御する制御回路が設けられている、
    　請求項１～９のいずれか１項に記載の受電装置。
11. 　前記送電装置側共振回路は昇圧トランスを含んで構成され、
    　前記受電装置側共振回路は降圧トランスを含んで構成される、
    　請求項１～１０のいずれか１項に記載の受電装置。
12. 　所定の周波数の交流電圧を発生する電源回路と、少なくとも一対の送電電極と、前記電源回路と前記少なくとも一対の送電電極との間に接続され、前記少なくとも一対の送電電極間に交流電圧を印加する共振回路と、を備えた送電装置と、
    　請求項１～１１のいずれか１項に記載の受電装置と、を含む
    　電力伝送システム。

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