WO2017213031A1

WO2017213031A1 - ワイヤレス給電システム、ワイヤレス電力送電装置およびワイヤレス電力受電装置

Info

Publication number: WO2017213031A1
Application number: PCT/JP2017/020543
Authority: WO
Inventors: 達也細谷
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2016-06-06
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2017-12-14
Also published as: US20190089200A1; JP6711401B2; CN109314407B; DE112017002357T5; CN109314407A; JPWO2017213031A1; US10756577B2

Abstract

ワイヤレス給電システム（３０１）は送電装置（１０１）と受電装置（２０１）とを備える。送電装置（１０１）の制御回路（１２）は、受電装置からの伝送信号の復調結果に基づいて決定されたパルス密度をDe1、送電回路（１１）からの出力検出値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe2、スイッチ素子（Ｑ１１，Ｑ１２）の温度検出値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe3、でそれぞれ表すと、De1＞De2＞De3の関係となるように、所定期間あたりの発振パルス数の密度を制御するパルス密度変調制御方式により、送電回路（１１）を動作させる。

Description

ワイヤレス給電システム、ワイヤレス電力送電装置およびワイヤレス電力受電装置

　本発明は、高周波電力を送電装置から受電装置へワイヤレスで給電するワイヤレス給電システム、そのシステムを構成するワイヤレス電力送電装置およびワイヤレス電力受電装置に関する発明である。

　電力送電装置から電力受電装置へ磁界結合によりワイヤレスで電力を給電するワイヤレス給電システムにおいては、電力送電装置が送電用コイルを備え、電力受電装置が受電用コイルを備える。このようなワイヤレス給電システムにおいて、送電用コイルおよび受電用コイルを信号の伝送に兼用するワイヤレス給電システムが特許文献１に示されている。

　上記特許文献１に示されているワイヤレス給電システムでは、受電コイルに接続される共振周波数変更回路が共振回路の共振周波数を変調することで、負荷変調信号を搬送波に重畳し、送電装置の検波回路は、上記変調信号を検波することで、受電装置からの信号を受信する。そして、送電装置は受電装置からの信号に応じて供給電力を適正に制御する。

国際公開第２０１３／０４２５７０号

　ワイヤレス給電システムにおいて、送電コイルと受電コイルとの相対位置、送電コイルと受電コイルとの結合の強さ、負荷の消費電力、送電装置の入力電圧等はそれぞれ独立に変化する。このため、送電回路および受電回路の異常状態からの保護や、送電装置から受電装置への高効率での電力供給は困難である。

　これまで、送電回路や受電回路を保護しつつ、ワイヤレス給電を高効率化させることで、安全性・信頼性と高効率化とを両立させることは殆ど成されていない。

　本発明の目的は、ワイヤレス給電システムの安全性・信頼性の確保および電力供給の高効率化を図った、ワイヤレス給電システム、それを構成するワイヤレス電力送電装置およびワイヤレス電力受電装置を得ることにある。

（１）本発明のワイヤレス給電システムは、
　送電コイルと、当該送電コイルに高周波電力を供給する送電回路と、を有する送電装置と、
　前記送電コイルに対して結合する受電コイルと、当該受電コイルが受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路と、前記直流電力を消費する負荷回路とを有する受電装置と、を備え、
　前記受電装置は、負荷の状態を検出する負荷検出手段と、前記負荷検出手段の検出結果に基づいて前記送電装置に向けての伝送信号を生成する信号生成手段と、前記伝送信号を前記送電コイルと前記受電コイルとの結合を用いて伝送する伝送信号制御回路と、を有し、
　前記送電装置は、前記伝送信号を復調する復調回路と、前記送電回路の動作により出力される電力を検出する出力検出手段と、前記送電装置の発熱部の温度を検出する温度検出手段と、前記送電回路を制御する制御回路と、を有し、
　前記制御回路は、所定期間あたりの発振パルス数の密度を変化させて電力の流れを制御するパルス密度変調制御方式を用い、前記復調回路による復調結果に基づいて決定されたパルス密度をDe1、前記出力検出手段が検出した値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe2、前記温度検出手段が検出した値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe3とすると、前記パルス密度De1、De2、De3に対して、De1＞De2＞De3の関係で前記送電回路を動作させる。

　上記構成により、パルス密度変調制御方式で送電回路が動作する際に、温度検出手段が所定温度値に達した状態で（すなわち過熱検出時に）パルス密度が最も制限され、出力検出手段が所定出力値に達した状態で（すなわち出力が上限に達したときに）パルス密度が次に制限される。そして、それ以外の状態では前記復調回路による復調結果に基づいて決定されたパルス密度で送電回路がパルス密度変調制御される。

　したがって、送電装置の発熱部の過熱状態または、送電装置からの過出力状態が制限され、それ以外の通常時には、受電装置からの伝送信号に応じた、フィードバックによるパルス密度で、送電回路がパルス密度変調されるので、高効率での電力供給がなされる。

（２）前記送電コイルと共に送電共振回路を構成する送電共振キャパシタと、前記受電コイルと共に受電共振回路を構成する受電共振キャパシタとを備え、
　前記信号生成手段は、前記送電回路から前記負荷回路側をみた入力インピーダンスを変化させて、前記送電共振回路と前記受電共振回路との電磁界結合による電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を切り替える共鳴変調回路を有し、
　前記復調回路は、前記電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態に応じて変化する変量に基づいて前記伝送信号を復調する、
　構成であることが好ましい。

　上記構成により、送電装置および受電装置の状態が不定であることによって、送電共振回路における共振電圧の振幅や位相が変動する場合でも、受電装置から送電装置への信号伝達の安定性が高い。

（３）例えば、前記受電回路は前記受電コイルに生じる電圧を直流電圧に変換する整流平滑回路を備え、前記負荷検出手段は、前記直流電圧に基づいて前記負荷の状態を検出する。

　上記構成により、負荷への供給電圧が検出され、送電装置へのフィードバックによって、結果的に負荷供給電圧が安定化される。

（４）例えば、前記制御回路は、前記温度検出手段の検出値と所定しきい値との比較による発振制限を、前記出力検出手段の検出値と所定出力値との比較による発振制限より優先して行う。

　上記構成により、過熱保護が過出力保護より重要である場合に、より安全性が高まる。

（５）例えば、前記制御回路は、前記出力検出手段の検出値と前記所定出力値との比較による発振制限を、前記温度検出手段の検出値と前記所定温度値との比較による発振制限より優先して行う。

　上記構成により、過出力保護が過熱保護より重要である場合に、より安全性が高まる。

（６）本発明のワイヤレス電力送電装置は、
　受電コイルと、当該受電コイルが受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路と、前記直流電力を消費する負荷回路と、当該負荷回路の状態を検出する負荷検出手段と、前記負荷検出手段の検出結果に基づいて伝送信号を生成する信号生成手段と、前記伝送信号を前記受電コイルを用いて伝送する伝送信号制御回路と、を有する受電装置、と共にワイヤレス給電システムが構成されるワイヤレス電力送電装置であって、
　前記受電コイルに対して結合する送電コイルと、当該送電コイルに高周波電力を供給する送電回路と、前記伝送信号を復調する復調回路と、前記送電回路の動作により出力される電力を検出する出力検出手段と、前記送電回路の発熱部の温度を検出する温度検出手段と、前記送電回路を制御する制御回路と、を有し、
　前記制御回路は、所定期間あたりの発振パルス数の密度を変化させて電力の流れを制御するパルス密度変調制御方式を用い、前記復調回路による復調結果に基づいて決定されたパルス密度をDe1、前記出力検出手段が検出した値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe2、前記温度検出手段が検出した値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe3とすると、前記パルス密度De1、De2、De3に対して、De1＞De2＞De3の関係で前記送電回路を動作させる。

　上記構成により、送電装置の発熱部の過熱状態または、送電装置からの過出力状態が制限され、それ以外の通常時には、受電装置からの伝送信号に応じた、フィードバックによるパルス密度で、送電回路がパルス密度変調されるので、高効率での電力供給がなされる。

（７）本発明のワイヤレス電力受電装置は、
　送電コイルと、当該送電コイルと共に送電共振回路を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに高周波電力を供給する送電回路と、伝送信号を復調する復調回路と、前記送電回路の動作により出力される電力を検出する出力検出手段と、発熱部の温度を検出する温度検出手段と、所定期間あたりの発振パルス数の密度を変化させて電力の流れを制御するパルス密度変調制御方式を用い、前記復調回路による復調結果に基づいて決定されたパルス密度をDe1、前記出力検出手段が検出した値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe2、前記温度検出手段が検出した値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe3とすると、前記パルス密度De1、De2、De3に対して、De1＞De2＞De3の関係で前記送電回路を動作させる制御回路と、を有する送電装置、と共にワイヤレス給電システムが構成されるワイヤレス電力受電装置であって、
　前記送電コイルに対して結合する受電コイルと、当該受電コイルと共に受電共振回路を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルが受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路と、前記直流電力を消費する負荷回路と、負荷の状態を検出する負荷検出手段と、前記負荷検出手段の検出結果に基づいて前記送電装置に向けての前記伝送信号を生成する信号生成手段と、前記伝送信号を前記送電コイルと前記受電コイルとの結合を用いて伝送する伝送信号制御回路と、
　前記送電回路から前記負荷回路側をみた入力インピーダンスを変化させて、前記送電共振回路と前記受電共振回路との電磁界結合による電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を切り替える共鳴変調回路と、を有し、
　前記伝送信号制御回路は、前記伝送信号に対して前記入力インピーダンスの時間的変化での一定期間あたりの変化量に変換して前記共鳴変調回路を制御する。

　本発明によれば、ワイヤレス給電システムの安全性・信頼性の確保および電力供給の高効率化を図った、ワイヤレス給電システム、それを構成するワイヤレス電力送電装置およびワイヤレス電力受電装置が得られる。

図１は、第１の実施形態に係るワイヤレス電力送電装置、ワイヤレス電力受電装置、およびそれらで構成されるワイヤレス給電システムの回路図である。図２は、制御回路１２によるパルス密度変調制御の例を示す図である。図３は送電装置１０１の制御回路１２の処理内容について示すフローチャートである。図４は、図３のステップＳ１２の処理（信号復調）の処理内容を示すフローチャートである。図５は受電装置２０１の伝送信号制御回路２６の処理内容について示すフローチャートである。図６は、第１の実施形態に係る別のワイヤレス給電システムの回路図である。図７は、第２の実施形態に係るワイヤレス給電システムにおける送電装置１０１の制御回路１２の処理内容について示すフローチャートである。図８は第３の実施形態に係るワイヤレス給電システム３０３の回路図である。図９（Ａ）は第４の実施形態に係る受電装置２０４Ａの回路図であり、図９（Ｂ）は第３の実施形態に係る受電装置２０４Ｂの回路図であり、図９（Ｃ）は第３の実施形態に係る受電装置２０４Ｃの回路図である。

　以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

《第１の実施形態》
　図１は、第１の実施形態に係るワイヤレス電力送電装置、ワイヤレス電力受電装置、およびそれらで構成されるワイヤレス給電システムの回路図である。

　ワイヤレス給電システム３０１Ａはワイヤレス電力送電装置１０１とワイヤレス電力受電装置２０１とで構成される。ワイヤレス電力送電装置（以降、単に「送電装置」という。）１０１は、送電コイル１０と共振キャパシタＣ１０を備える送電共振回路１９と、この送電コイル１０に高周波電力を供給する送電回路１１とを有する。ワイヤレス電力受電装置（以降、単に「受電装置」という。）２０１は、送電コイル１０に対して磁界結合する受電コイル２０と、共振キャパシタＣ２１を備える受電共振回路２９と、この受電コイル２０が受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路２１と、この直流電力を消費する負荷回路２２とを有する。

　送電共振回路１９と受電共振回路２９は電磁界結合する。この電磁界結合では、磁気結合、電界結合またはこれらの複合によって、離れて位置する送電共振回路１９と受電共振回路２９とが相互に作用し、それぞれの共振回路が有する磁界エネルギーと電界エネルギーが互いに合わさって交換され、振動が発生する。

　送電共振回路１９では、主に送電コイル１０と送電共振キャパシタＣ１０の間において、それぞれが有する磁界エネルギーと電界エネルギーとが交換され、電気的な振動が発生する。

　同様に、受電共振回路２９では、主に受電コイル２０と受電共振キャパシタＣ２１の間において、それぞれが有する磁界エネルギーと電界エネルギーとが交換され、電気的な振動が発生する。これらが電磁界共鳴条件を満たすことで電磁界共鳴が成立する。

　受電装置２０１は、送電回路１１から負荷回路２２側をみた入力インピーダンスを変化させることによって、上記電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を切り替える共鳴変調回路２３を備える。また、受電装置２０１は、伝送信号を上記入力インピーダンスの時間変化での一定期間あたりの変化量に変換して共鳴変調回路２３を制御する伝送信号制御回路２６を有する。

　上記電磁界共鳴条件の成立状態では、送電回路１１から負荷回路側をみた入力インピーダンス（すなわち、送電側から受電側をみた、スイッチング周波数での入力インピーダンス）の虚部が０または無限大付近となる。電磁界共鳴条件の不成立状態では、上記入力インピーダンスの虚部はある値をもつ。

　送電装置１０１は、後述するように、上記電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を判定し、その判定結果の時間変化での一定期間あたりの変化量を伝送信号に復調する復調回路を有する。

　送電回路１１は、制御回路１２、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２、キャパシタＣ１０，Ｃ１１、電流検出抵抗Ｒ１、温度検出素子１８、共振電圧検出回路１３を備える。制御回路１２は、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２をオン／オフ駆動する。送電コイル１０とキャパシタＣ１０とで送電共振回路１９が構成される。キャパシタＣ１１は入力電圧を安定化し、また、電圧電流の高調波成分を抑制する。

　制御回路１２は、所定期間あたりの発振パルス数の密度を制御するパルス密度変調制御方式（ＰＤＭ：Pulse Density Modulation）でスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２をスイッチングする。このスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２のスイッチングによって、送電共振回路１９に共振電流が流れる。

　上記送電共振回路１９の共振周波数ｆ０は給電用に適した周波数である。例えば６ＭＨｚ以上１４ＭＨｚ以下の周波数、特に例えばＩＳＭバンドの一つである６．７８ＭＨｚである。

　温度検出素子１８は、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２の近傍に、または熱的に結合する位置に、設けられている。制御回路１２は温度検出素子１８を用いて、発熱素子であるスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２の温度を検出する。例えば、温度検出素子１８がサーミスタ等の感温抵抗素子である場合には、温度検出素子１８の抵抗値変化によって変化する電圧を読み取る。この処理を行う制御回路１２の部分が本発明に係る「温度検出手段」に相当する。

　電流検出抵抗Ｒ１には、入力電源Ｅから送電回路１１に供給される直流入力電流ｉｄｃが流れる。制御回路１２は電流検出抵抗Ｒ１による降下電圧を読み取ることによって、入力電源Ｅから供給される直流入力電流ｉｄｃを検出する。この直流入力電流ｉｄｃは送電回路１１の動作により出力される高周波電流の大きさに比例する。

　共振電圧検出回路１３は、送電コイル１０とキャパシタＣ１０とによる共振回路の共振電圧を検波し、共振電圧に比例した直流電圧に変換する。制御回路１２はこの直流電圧を読み取る。

　制御回路１２は、上記直流入力電流ｉｄｃと、共振電圧に比例した直流電圧とに基づいて、送電回路１１の動作により出力される電力の大きさに応じた値を検出する。この検出処理を行う制御回路１２の部分が本発明に係る「出力検出手段」に相当する。

　受電回路２１は、上記共鳴変調回路２３、整流回路２４、キャパシタＣ２２、電圧検出回路２５および上記伝送信号制御回路２６を備える。

　共鳴変調回路２３は、スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０ＮおよびキャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２１を備える。受電コイル２０とキャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２１とで受電共振回路２９が構成される。キャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２１は本発明に係る「共振キャパシタ」の一例である。スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオフ状態であるとき、主にキャパシタＣ２１のキャパシタンスと受電コイル２０のインダクタンスとで受電共振回路２９の共振周波数が定まる。スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオン状態であるとき、主にキャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２１の並列合成キャパシタンスと受電コイル２０のインダクタンスとで受電共振回路２９の共振周波数が定まる。

　整流回路２４は上記受電共振回路２９の共振電圧を整流し、キャパシタＣ２２は整流電圧を平滑する。電圧検出回路２５は受電回路２１の出力電圧（負荷回路２２への供給電圧）を検出する。電圧検出回路２５は本発明に係る「負荷検出手段」の一例である。伝送信号制御回路２６はスイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎの状態を切り替える。このことによって、上記受電共振回路２９の共振周波数を切り替える。ここで、スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオフ状態での共振周波数をｆ１、スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオン状態での共振周波数をｆ２とすると、ｆ１≠ｆ２である。そして、周波数ｆ１または周波数ｆ２が送電共振回路１９の共振周波数ｆ０と等しくなるように回路定数を設定しておく。

　ｆ０＝ｆ１≠ｆ２の関係に設定されている場合は、上記スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオフ状態であるとき、すなわち共鳴変調回路２３の共振周波数がｆ１であるとき、送電共振回路１９と受電共振回路２９とは電磁界共鳴条件が成立する。そして、上記スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオン状態であるとき、すなわち受電共振回路２９の共振周波数がｆ２であるとき、送電共振回路１９と受電共振回路２９とは共振結合しない。すなわち電磁界共鳴条件は成立しない。このように、スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎのオン／オフによって、上記電磁界共鳴条件の成立／不成立が定まる。伝送信号制御回路２６は本発明に係る「信号生成手段」の一例である。

　一方、送電回路１１においては、上記電磁界共鳴条件が成立しているか否かによって、入力電源Ｅから供給される電流量が変化する。電磁界共鳴している状態では、電磁界共鳴していない状態に比較して、送電共振回路１９から受電共振回路２９へのエネルギーの供給量が大きい。すなわち、電磁界共鳴している状態では、電磁界共鳴していない状態に比較して、入力電源Ｅから送電回路１１に供給される電流量が大きい。

　上記制御回路１２は、上記電流検出抵抗Ｒ１の降下電圧または共振電圧検出回路１３の出力電圧に基づいて上記電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を検知することによって上記伝送信号を復調する。この処理を行う制御回路１２の部分が本発明に係る「復調回路」に相当する。

　以上の作用により、受電装置２０１は送電装置１０１へ所定の情報（伝送信号）を送信する。

　上記制御回路１２は、前記復調回路による復調結果に基づいて決定されたパルス密度をDe1、前記出力検出手段が検出した値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe2、前記温度検出手段が検出した値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe3とすると、前記パルス密度De1、De2、De3に対して、De1＞De2＞De3の関係において、所定期間あたりの発振パルス数の密度を変化させて電力の流れを制御するパルス密度変調制御方式を用い、送電回路１１を動作させる。

　図２は、上記制御回路１２によるパルス密度変調制御の例を示す図である。図２において、「負荷電圧」は負荷回路２２への供給電圧、「共振電圧」は送電共振回路１９の共振電圧、「温度」は温度検出素子１８による検出値、「発振信号」はスイッチ素子Ｑ１１またはＱ１２のゲート信号である。横軸は経過時間である。

　図２に表れているように、定常状態では、負荷電圧はその下限値Vminと上限値Vmaxとの間に収まるようにパルス密度変調される。このフィードバック制御によって負荷電圧が安定化される。パルス密度De1は、この定常状態でのパルス密度である。

　また、図２に表れているように、共振電圧が上限値Vdmaxに達するとパルス密度は抑制される。パルス密度De2は、共振電圧が上限値Vdmaxに達する状態でのパルス密度である。

　また、図２に表れているように、温度が上限値Vhmaxに達するとパルス密度は抑制される。パルス密度De3は、温度が上限値Vhmaxに達する状態でのパルス密度である。本実施形態では、パルス密度De3＝０である。すなわちパルス密度De3では、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２はいずれもオフ状態に保たれる。

　なお、本実施形態では、時刻ｔ１－ｔ２間において、共振電圧は上限値Vdmax未満、且つ温度は上限値Vhmax未満であるので、この期間のパルス密度も、定常状態でのパルス密度De1と表すことができる。

　上述のとおり、図１に示した制御回路１２は、De1＞De2＞De3の関係となるようにパルス数の密度を制御する。例えば、１所定期間でのパルス数を２１とし、
　De1=１５／２１以上２１／２１以下
　De2=３／２１
　De3=０／２１
　とする。このことにより、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２の過熱検出時にパルス密度が最も制限され、出力が上限に達したときにパルス密度が次に制限される。そして、それ以外の状態では、受電装置からのフィードバックに基づいて決定されたパルス密度で送電回路がパルス密度変調制御される。したがって、送電装置の発熱部の過熱状態または、送電装置からの過出力状態が発振制限により制限され、それ以外の通常時には、受電装置からの伝送信号に応じた、フィードバックによるパルス密度で、送電回路がパルス密度変調されるので、高効率での電力供給がなされる。

　次に、図１に示した送電装置１０１と受電装置２０１の処理内容についてフローチャートを参照して説明する。

　図３は送電装置１０１の制御回路１２の処理内容について示すフローチャートである。先ず、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２のスイッチングを開始することで、送電装置１０１から受電装置２０１へワイヤレス給電を開始する（Ｓ１１）。この状態で、受電装置から伝送される伝送信号を復調する（Ｓ１２）。このステップＳ１２の詳細な処理については後述する。続いて、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２が過熱状態であるか否かを判定する（Ｓ１３）。過熱状態でなければ、送電回路１１が過出力状態であるか否かを判定する（Ｓ１４）。過出力状態でなければ、ステップＳ１２での復調結果に応じたパルス密度Ｄｅ１で、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２をパルス密度変調制御する（Ｓ１５）。過熱状態であれば、パルス密度De3でスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２をパルス密度変調制御する（Ｓ１３→Ｓ１７）。過出力状態であれば、パルス密度De2でスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２をパルス密度変調制御する（Ｓ１４→Ｓ１６）。

　図４は、図３のステップＳ１２の処理（信号復調）の処理内容を示すフローチャートである。先ず、電流検出抵抗Ｒ１の降下電圧を読み取る（Ｓ１２１）。この電圧は電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態に応じて変化する変量である。続いて、今回の変量と前回の変量との差である変化量を検出する（Ｓ１２２）。この変化量と所定のしきい値との大小比較を行うことで、すなわち２値化することで、伝送信号を復調する（Ｓ１２３）。そして、所定ビット数のコードに復号する。

　図５は受電装置２０１の伝送信号制御回路２６の処理内容について示すフローチャートである。受電によって、伝送信号制御回路２６に規定値以上の電源電圧が印加されると、伝送信号制御回路２６は動作を開始する。先ず、負荷供給電圧を読み取り、この電圧が規定値を保つようにフィードバックデータを生成し、これを伝送信号として送電装置へ伝送する（Ｓ２１→Ｓ２２）。既に述べたとおり、送電装置１０１はこの伝送信号を復調し、フィードバックデータを復号し、それに応じて、供給電力を適宜調整する。このステップＳ２１，Ｓ２２の処理を繰り返すことによって、受電電力を安定化する。

　図６は、本実施形態の別のワイヤレス給電システムの回路図である。

　ワイヤレス給電システム３０１Ｂは送電装置１０１と受電装置２０１とで構成される。図６における送電装置１０１と、図１に示した送電装置１０１とは、電流検出抵抗Ｒ１の位置が異なる。その他の構成は図１に示したとおりである。

　このように、電流検出抵抗Ｒ１をグランドラインに挿入し、この電流検出抵抗Ｒ１の降下電圧を読み取るようにしてもよい。

　本実施形態によれば、図３のステップＳ１３，Ｓ１４に示したように、過熱判定を過出力判定より先に行うことで、過熱保護が優先的に行われる。このことで、特にスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２の保護効果を高めることができる。

　なお、上記の実施形態としてフロー駆動型で処理を実行するシステム構成を示したが、電流の変化や時間経過をトリガとして処理を実行するイベントドリブン方式でシステムを構成してもよい。

《第２の実施形態》
　第２の実施形態では、第１実施形態とは制御回路１２による保護動作が異なるワイヤレス給電システムについて示す。

　第２の実施形態に係るワイヤレス給電システムの回路構成は図１に示したものと同じである。図７は送電装置１０１の制御回路１２の処理内容について示すフローチャートである。先ず、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２のスイッチングを開始することで、送電装置１０１から受電装置２０１へワイヤレス給電を開始する（Ｓ１１）。この状態で、受電装置から伝送される伝送信号を復調する（Ｓ１２）。続いて、過出力状態であるか否かを判定する（Ｓ１３）。過出力状態でなければ、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２が過熱状態であるか否かを判定する（Ｓ１４）。過熱状態でなければ、ステップＳ１２での復調結果に応じたパルス密度Ｄｅ１で、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２をパルス密度変調制御する（Ｓ１５）。過出力状態であれば、パルス密度De2でスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２をパルス密度変調制御する（Ｓ１３→Ｓ１７）。過熱状態であれば、パルス密度De3でスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２をパルス密度変調制御する（Ｓ１４→Ｓ１６）。

　第１の実施形態で示した例とは、過熱の判定と過出力の判定との順序が異なる。このように、過出力判定を過熱判定より先に行うことで、過出力の保護が優先的に行われる。このことで、特に送電回路１１に対する安全性を高めることができる。

《第３の実施形態》
　第３の実施形態では、第１実施形態とは異なる共鳴変調回路の構成を備えるワイヤレス給電システムについて示す。

　図８は第３の実施形態に係るワイヤレス給電システム３０３の回路図である。図１に示したワイヤレス給電システム３０１Ａとは、受電装置２０１の共鳴変調回路２３の構成が異なる。ワイヤレス給電システム３０３の共鳴変調回路２３は、スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０ＮおよびキャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２３を備える。受電コイル２０とキャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２３とスイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎとで共鳴変調回路が構成される。キャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２３は本発明に係る「共振キャパシタ」の一例である。キャパシタＣ２３に流れる共振電流は整流回路２４を介して流れる。スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオフ状態であるとき、主にキャパシタＣ２３のキャパシタンスと受電コイル２０のインダクタンスとで共振周波数が定まる。スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオン状態であるとき、主にキャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２３の並列合成キャパシタンスと受電コイル２０のインダクタンスとで共振周波数が定まる。

　本実施形態のように、共鳴変調回路２３の共振キャパシタの一部（キャパシタＣ２３）は整流回路に対して直列接続されてもよい。

《第４の実施形態》
　第４の実施形態では、受電装置が備える整流回路の幾つかの例を示す。

　図９（Ａ）は第４の実施形態に係る受電装置２０４Ａの回路図であり、図９（Ｂ）は第４の実施形態に係る受電装置２０４Ｂの回路図であり、図９（Ｃ）は第４の実施形態に係る受電装置２０４Ｃの回路図である。

　受電装置２０４Ａが備える整流回路２４Ａは、ダイオードＤ１による半波整流回路である。受電装置２０４Ｂが備える整流回路２４Ｂは、ダイオードＤ１，Ｄ２による倍電圧整流回路である。受電装置２０４Ｃが備える整流回路２４Ｃは、ダイオードブリッジＤＢによる全波整流回路である。

　本実施形態で示すように、受電装置には各種整流回路を設けることができる。受電装置２０４Ａのように、半波整流回路を備える場合には、両波について共振電流が流れるように、共振キャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２１の両方が受電コイル２０に対して並列接続されることが好ましい。受電装置２０４Ｂのように倍電圧整流回路を設ける場合や、受電装置２０4Ｃのように全波整流回路を設ける場合には、両波の共振電流が整流回路を流れるので、共振キャパシタの一方のキャパシタＣ２３は受電コイル２０に対して直列接続されていてもよい。

　なお、以上に示した各実施形態では、キャパシタとスイッチ回路との接続回路により可変容量回路が構成される例を示したが、制御電圧によってキャパシタンスが変化する可変容量素子を含む回路で可変容量回路を構成してもよい。

　また、以上に示した各実施形態では、受電装置から送電装置への情報（伝送信号）の送信を、電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を変化させることで行っている。しかし、受電装置から送電装置への情報（伝送信号）の送信は、これに限らず、例えば無線モジュールを受電装置と送電装置の両方に搭載して、この無線モジュールで情報（伝送信号）のやり取りを行ってもよい。

　また、以上に示した各実施形態では、送電装置を送電専用の装置、受電装置を受電専用の装置として表したが、送電回路および受電回路を両装置が備える場合には、双方向での給電および伝送信号の送受が可能である。

　最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

Ｃ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２１，Ｃ２３…共振キャパシタ
Ｄ１，Ｄ２…ダイオード
ＤＢ…ダイオードブリッジ
Ｅ…入力電源
ｉｄｃ…直流入力電流
Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎ…スイッチ素子
Ｒ１…電流検出抵抗
１０…送電コイル
１１…送電回路
１２…制御回路
１３…共振電圧検出回路
１８…温度検出素子
１９…送電共振回路
２０…受電コイル
２１…受電回路
２２…負荷回路
２３…共鳴変調回路
２４，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ…整流回路
２５…電圧検出回路
２６…伝送信号制御回路
２９…受電共振回路
１０１…ワイヤレス電力送電装置
２０１，２０４Ａ，２０４Ｂ，２０４Ｃ…ワイヤレス電力受電装置
３０１Ａ，３０１Ｂ，３０３…ワイヤレス給電システム

Claims

　送電コイルと、当該送電コイルに高周波電力を供給する送電回路と、を有する送電装置と、
　前記送電コイルに対して結合する受電コイルと、当該受電コイルが受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路と、前記直流電力を消費する負荷回路とを有する受電装置と、を備え、
　前記受電装置は、負荷の状態を検出する負荷検出手段と、前記負荷検出手段の検出結果に基づいて前記送電装置に向けての伝送信号を生成する信号生成手段と、前記伝送信号を前記送電コイルと前記受電コイルとの結合を用いて伝送する伝送信号制御回路と、を有し、
　前記送電装置は、前記伝送信号を復調する復調回路と、前記送電回路の動作により出力される電力を検出する出力検出手段と、前記送電装置の発熱部の温度を検出する温度検出手段と、前記送電回路を制御する制御回路と、を有し、
　前記制御回路は、所定期間あたりの発振パルス数の密度を変化させて電力の流れを制御するパルス密度変調制御方式を用い、前記復調回路による復調結果に基づいて決定されたパルス密度をDe1、前記出力検出手段が検出した値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe2、前記温度検出手段が検出した値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe3とすると、前記パルス密度De1、De2、De3に対して、De1＞De2＞De3の関係で前記送電回路を動作させるワイヤレス給電システム。
　前記送電コイルと共に送電共振回路を構成する送電共振キャパシタと、前記受電コイルと共に受電共振回路を構成する受電共振キャパシタとを備え、
　前記信号生成手段は、前記送電回路から前記負荷回路側をみた入力インピーダンスを変化させて、前記送電共振回路と前記受電共振回路との電磁界結合による電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を切り替える共鳴変調回路を有し、
　前記復調回路は、前記電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態に応じて変化する変量に基づいて前記伝送信号を復調する、請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
　前記受電回路は前記受電コイルに生じる電圧を直流電圧に変換する整流平滑回路を備え、
　前記負荷検出手段は、前記直流電圧に基づいて前記負荷の状態を検出する、請求項１または２に記載のワイヤレス給電システム。
　前記制御回路は、前記温度検出手段の検出値と所定しきい値との比較による発振制限を、前記出力検出手段の検出値と所定出力値との比較による発振制限より優先して行う、請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電システム。
　前記制御回路は、前記出力検出手段の検出値と所定出力値との比較による発振制限を、前記温度検出手段の検出値と所定温度値との比較による発振制限より優先して行う、請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電システム。
　受電コイルと、当該受電コイルが受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路と、前記直流電力を消費する負荷回路と、当該負荷回路の状態を検出する負荷検出手段と、前記負荷検出手段の検出結果に基づいて伝送信号を生成する信号生成手段と、前記伝送信号を前記受電コイルを用いて伝送する伝送信号制御回路と、を有する受電装置、と共にワイヤレス給電システムが構成されるワイヤレス電力送電装置であって、
　前記受電コイルに対して結合する送電コイルと、当該送電コイルに高周波電力を供給する送電回路と、前記伝送信号を復調する復調回路と、前記送電回路の動作により出力される電力を検出する出力検出手段と、前記送電回路の発熱部の温度を検出する温度検出手段と、前記送電回路を制御する制御回路と、を有し、
　前記制御回路は、所定期間あたりの発振パルス数の密度を変化させて電力の流れを制御するパルス密度変調制御方式を用い、前記復調回路による復調結果に基づいて決定されたパルス密度をDe1、前記出力検出手段が検出した値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe2、前記温度検出手段が検出した値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe3とすると、前記パルス密度De1、De2、De3に対して、De1＞De2＞De3の関係で前記送電回路を動作させる、ワイヤレス電力送電装置。
　送電コイルと、当該送電コイルと共に送電共振回路を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに高周波電力を供給する送電回路と、伝送信号を復調する復調回路と、前記送電回路の動作により出力される電力を検出する出力検出手段と、発熱部の温度を検出する温度検出手段と、所定期間あたりの発振パルス数の密度を変化させて電力の流れを制御するパルス密度変調制御方式を用い、前記復調回路による復調結果に基づいて決定されたパルス密度をDe1、前記出力検出手段が検出した値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe2、前記温度検出手段が検出した値が所定値に達した状態でのパルス密度をDe3とすると、前記パルス密度De1、De2、De3に対して、De1＞De2＞De3の関係で前記送電回路を動作させる制御回路と、を有する送電装置、と共にワイヤレス給電システムが構成されるワイヤレス電力受電装置であって、
　前記送電コイルに対して結合する受電コイルと、当該受電コイルと共に受電共振回路を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルが受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路と、前記直流電力を消費する負荷回路と、負荷の状態を検出する負荷検出手段と、前記負荷検出手段の検出結果に基づいて前記送電装置に向けての前記伝送信号を生成する信号生成手段と、前記伝送信号を前記送電コイルと前記受電コイルとの結合を用いて伝送する伝送信号制御回路と、
　前記送電回路から前記負荷回路側をみた入力インピーダンスを変化させて、前記送電共振回路と前記受電共振回路との電磁界結合による電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を切り替える共鳴変調回路と、を有し、
　前記伝送信号制御回路は、前記伝送信号に対して前記入力インピーダンスの時間的変化での一定期間あたりの変化量に変換して前記共鳴変調回路を制御する、ワイヤレス電力受電装置。