特許 5736991 ワイヤレス給電装置およびワイヤレス電力伝送システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5736991

(24)【登録日】2015年5月1日

(45)【発行日】2015年6月17日

(54)【発明の名称】ワイヤレス給電装置およびワイヤレス電力伝送システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 17/00 20060101AFI20150528BHJP

【ＦＩ】

   H02J17/00 B

【請求項の数】3

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2011-133292(P2011-133292)

(22)【出願日】2011年6月15日

(65)【公開番号】特開2012-44857(P2012-44857A)

(43)【公開日】2012年3月1日

【審査請求日】2014年3月3日

(31)【優先権主張番号】特願2010-164461(P2010-164461)

(32)【優先日】2010年7月22日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】浦野 高志

【審査官】 関口 明紀

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−１５００７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２６２４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０８８１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／０８９１４６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の給電電極および第１の受電電極により構成された第１のキャパシタと第２の給電電極および第２の受電電極により構成された第２のキャパシタとを介して電力を供給するワイヤレス電力伝送システムであって、
前記第１および第２のキャパシタならびに第１のコイルを含む共振回路と、
第１および第２のスイッチを含み、前記共振回路の送電側共振部に供給される交流電力を、前記第１および第２のスイッチを交互にオンオフさせることにより生成する電源回路と、
前記第１および第２のスイッチをオンオフさせる駆動電圧の電圧位相を検出し、前記共振回路の送電側共振部を流れる共振電流の電流位相を、当該共振電流が発生させる磁界により誘導電流を発生させる第２のコイルを用いて検出し、前記電圧位相と前記電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、
前記駆動電圧の周波数を調整する駆動周波数追随回路と、を備え、
前記駆動周波数追随回路は、前記位相差が減少するように前記駆動電圧の周波数を調整することを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。

【請求項2】

前記電源回路は、前記駆動電圧を発生させる発振回路を備え、当該発振回路から出力される前記駆動電圧がトランスを介して前記第１および第２のスイッチに供給されることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス電力伝送システム。

【請求項3】

前記共振回路は第３のコイルをさらに備え、
前記第１のコイルは、前記共振回路の送電側共振部の一部を構成し、
前記第３のコイルは、前記共振回路の受電側共振部の一部を構成することを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス電力伝送システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ワイヤレスにて電力を送るためのワイヤレス給電装置、および、ワイヤレス電力伝送システムに関する。

【背景技術】

【0002】

電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ、（Ｂ）電波を利用するタイプ、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプの３種類に大別できる。このうち、磁場共振現象を利用するタイプ（Ｃ）は、比較的新しい技術である。以下、タイプ（Ｃ）を「磁場共振型」とよぶ。

【0003】

磁場共振型は、マサチューセッツ工科大学が２００６年に発表した理論をベースとしている（特許文献１参照）。磁場共振型では、給電コイルと受電コイルを向かい合わせ、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電する。ここで、給電コイルと受電コイルが磁気的に共振すると、受電コイルには大きな電流が流れる。磁場共振現象を利用することにより、給電コイルから受電コイルまでの距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。

【0004】

また、磁場共振に限らず、電場共振によるワイヤレス給電も提案されている（特許文献８参照）。キャパシタを構成する２枚の電極の一方を給電電極、他方を受電電極とし、給電電極と受電電極を電気的に共振させると、すなわち、キャパシタを共振させると、給電電極から受電電極に高効率にてワイヤレス給電できる。このようなタイプを「電場共振型」とよぶ。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国公開２００８／０２７８２６４号公報

【特許文献2】特開２００６−２３００３２号公報

【特許文献3】国際公開２００６／０２２３６５号公報

【特許文献4】米国公開２００９／００７２６２９号公報

【特許文献5】米国公開２００９／００１５０７５号公報

【特許文献6】実用新案登録３１４９１４６号公報

【特許文献7】特開２００８−３１０９６３号公報

【特許文献8】特表２００９−８９５２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

共振周波数は、ワイヤレス給電の実行環境によって変化する。電場共振型の場合、給電電極と受電電極の距離や位置が変化すると、キャパシタの静電容量が変化するため、共振周波数が変化する。電場共振型において高効率のワイヤレス給電を実現するためには、電源回路の駆動周波数と共振周波数のずれをリアルタイムに検出する必要がある。

【0007】

本発明は、上記課題に基づいて完成された発明であり、電場共振型のワイヤレス給電において、供給電力の位相を検出することを主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係るワイヤレス給電装置は、第１および第２のキャパシタ、第１のコイルおよび負荷が接続された共振回路のうち、第１のキャパシタを構成する２枚の電極のうちの一方、第２のキャパシタを構成する２枚の電極のうちの一方を含む送電側共振部と、送電側共振部への第１の方向からの電流の供給を制御する第１のスイッチと、送電側共振部への第２の方向からの電流の供給を制御する第２のスイッチと、第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより共振回路に含まれる第１および第２のキャパシタと第１のコイルを共振させ、第１および第２のキャパシタそれぞれについて一方の電極から他方の電極へ交流電力を送電させる送電制御回路と、交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる第２のコイルと、交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路を備える。位相検出回路は、第２のコイルに流れる誘導電流の位相を計測することにより、交流電力の電流位相を計測する。

【0009】

電源回路の駆動周波数を共振周波数と一致させれば、システム全体としての電力伝送効率が高くなる。交流電力が発生させる磁界により第２のコイル（検出コイル）に誘導電流を発生させ、その誘導電流から電流位相を計測するため、共振回路に直接的な計測負荷がかからない。このため、共振特性への影響を抑制しつつ、電圧位相と電流位相の位相差（ずれ）を検出して共振状態が保たれているかを監視できる。

【0010】

第１および第２のスイッチを流れる電流の経路と送電側共振部を流れる電流の経路を結合トランスにより分離し、結合トランスを介して、送電側共振部に交流電力を供給してもよい。

【0011】

この装置は、検出された位相差が減少するように送電制御回路の駆動周波数を調整することにより、駆動周波数を共振回路の共振周波数に追随させる駆動周波数追随回路を更に備えてもよい。共振周波数に駆動周波数を追随させることができるため、電力伝送効率を高い状態に維持しやすくなる。

【0012】

第２のコイルの両端に抵抗を並列接続してもよい。そして、位相検出回路は、抵抗に印加される電圧の変化から電流位相を計測してもよい。

【0013】

この装置は、交流電力の電流波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第１波形整流器と、交流電力の電圧波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第２波形整流器を更に備えてもよい。位相検出回路は、２種類のデジタル波形のエッジを比較することにより、位相差を検出してもよい。デジタル化により電流波形と電圧波形の位相を比較するときの基準点が明確になるため、位相検出回路が位相差を特定しやすくなる。

【0014】

第１および第２のキャパシタは、いずれも円形状の電極を対向させることにより形成されてもよい。第１および第２のキャパシタの一方は円盤形状の電極を対向させることにより形成され、他方は円環形状の電極を対向させることにより形成されてもよい。更に、円盤形状の電極と円環形状の電極を略同一平面上に配置し、かつ、円盤形状の電極を円環形状の電極の内部に配置してもよい。

【0015】

本発明におけるワイヤレス電力伝送システムは、第１および第２のキャパシタ、第１のコイルおよび負荷が接続された共振回路と、共振回路への第１の方向からの電流の供給を制御する第１のスイッチと、共振回路への第２の方向からの電流の供給を制御する第２のスイッチと、第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより共振回路に含まれる第１および第２のキャパシタと第１のコイルを共振させ、第１および第２のキャパシタそれぞれについて、一方の電極から他方の電極へ交流電力を送電させる送電制御回路と、交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる第２のコイルと、交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路を備える。位相検出回路は、第２のコイルに流れる誘導電流の位相を計測することにより、交流電力の電流位相を計測する。

【0016】

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、電場共振型のワイヤレス給電において供給電力の位相を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】ワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。

【図2】共振回路のインピーダンスＺと駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。

【図3】キャパシタＣ１、Ｃ２の外観図である。

【図4】駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒが一致するときの電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。

【図5】駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも大きい場合の電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。

【図6】駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも小さい場合の電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。

【図7】位相検出回路へ入力される各種電圧の変化過程を示すタイムチャートである。

【図8】制御電圧Ｖｔと駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。

【図9】ワイヤレス電力伝送システムを応用したテーブルと卓上ランプの側面図である。

【図10】ワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図の第１変形例である。

【図11】ワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図の第２変形例である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。

【0020】

図１は、ワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム１００は、基本構成として、ワイヤレス給電装置２００とワイヤレス受電装置３００を含む。ワイヤレス給電装置２００は、電源回路２０２と共振回路２０４の一部を含む。共振回路２０４の残部はワイヤレス受電装置３００に含まれる。共振回路２０４のうち、ワイヤレス給電装置２００側を送電側共振部２０６、ワイヤレス受電装置３００側を受電側共振部２０８とよぶ。

【0021】

また、ワイヤレス電力伝送システム１００は、駆動周波数ｆｏを自動的に調整するための構成として、第１波形整流器１４２、第２波形整流器１４４、位相検出回路１５０および駆動周波数追随回路１５２を含む。

【0022】

共振回路２０４は、キャパシタＣ１、Ｃ２を含む。キャパシタＣ１、Ｃ２は、いずれも２枚の電極を対向させすることにより形成される。キャパシタＣ１の２枚の電極のうち、送電側共振部２０６側の電極を給電電極ＣＳ１、受電側共振部２０８側の電極を受電電極ＣＲ１とよぶ。同様に、キャパシタＣ２の２枚の電極のうち、送電側共振部２０６側の電極を給電電極ＣＳ２、受電側共振部２０８側の電極を受電電極ＣＲ２とよぶ。共振回路２０４における送電側共振部２０６と受電側共振部２０８は、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２により物理的に分離されている。ワイヤレス電力伝送システム１００の主目的は、給電電極ＣＳ１、ＣＳ２から受電電極ＣＲ１、ＣＲ２にワイヤレスにて電力を送ることである。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、１００ｋＨｚ前後の共振周波数ｆｒにて動作させることを想定したシステムである。したがって、共振回路２０４の共振周波数ｆｒは１００ｋＨｚに設定される。なお、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムは、たとえば、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）周波数帯のような高周波数帯にて動作させることも可能である。

【0023】

電源回路２０２は、共振回路２０４に交流電力を供給するハーフブリッジ型の回路である。図１に示すように、電源回路２０２は上下対称形となっている。電源回路２０２のコイルＬａと共振回路２０４のコイルＬｂは結合トランスＴ２を形成する。コイルＬａは結合トランスＴ２の一次巻線（トランスＴ２一次コイル）であり、コイルＬｂは結合トランスＴ２の二次巻線（トランスＴ２二次コイル）である。結合トランスＴ２の一次巻線の巻数は、結合トランスＴ２の二次巻線の巻数よりも大きい。コイルＬａを流れる電流Ｉｓは交流であり、同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。交流電流Ｉｓが流れると、共振回路２０４に交流電流Ｉ１が流れる。

【0024】

共振回路２０４は、結合トランスＴ２の二次巻線ＬｂとコイルＬｃ（第１のコイル）、キャパシタＣ２、負荷Ｒ、キャパシタＣ１が直列接続された回路である。共振回路２０４に交流電流Ｉ１が流れると、負荷Ｒに電力が供給される。このとき、交流電流Ｉ１の周波数が共振回路２０４の共振周波数と一致するとき、負荷Ｒには最大電力が供給される。共振回路２０４の共振周波数ｆｒは、キャパシタＣ１、Ｃ２の合成値をＣＰとすると、２πｆ・Ｌｃ＝１／（２πｆ・ＣＰ）が成立するときの周波数である。コイルＬｃはワイヤレス給電装置２００側に設けられているので、ワイヤレス受電装置３００を軽量、小型にできる。なお、後述のように、コイルＬｃをワイヤレス受電装置３００側に設けてもよい。

【0025】

次に、電源回路２０２の構成を説明する。まず、ゲート駆動用トランスＴ１の一次側にオシレータ２１０が接続される。オシレータ２１０は、駆動周波数ｆｏにて交流電圧を発生させる「送電制御回路」として機能する。電圧波形は正弦波でもよいが、ここでは矩形波であるとして説明する。この交流電圧により、トランスＴ１一次コイルＬｈには正負両方向に交互に電流が流れる。トランスＴ１一次コイルＬｈとトランスＴ１二次コイルＬｆ、トランスＴ１二次コイルＬｇはゲート駆動用の結合トランスＴ１を形成する。電磁誘導により、トランスＴ１二次コイルＬｆとトランスＴ１二次コイルＬｇにも正負の両方向に交互に電流が流れる。

【0026】

トランスＴ１二次コイルＬｆの一端は、スイッチングトランジスタＱ１のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ１のソースと接続される。トランスＴ１二次コイルＬｇの一端は、別のスイッチングトランジスタＱ２のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ２のソースと接続される。オシレータ２１０が駆動周波数ｆｏにて交流電圧を発生させると、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２の各ゲートには、電圧Ｖｘ（Ｖｘ＞０）が駆動周波数ｆｏにて交互に印加される。このため、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は駆動周波数ｆｏにて交互にオン・オフする。スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は同一特性のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であるが、バイポーラトランジスタなど他のトランジスタでもよい。トランジスタの代わりにリレースイッチ等、他のスイッチを用いてもよい。

【0027】

スイッチングトランジスタＱ１のドレインは、電源ＶＤＤ１の正極に接続される。電源ＶＤＤ１の負極は、結合トランスＴ２の一次側であるコイルＬａを介して、スイッチングトランジスタＱ１のソースに接続される。電源ＶＤＤ１の負極の電位は接地電位である。スイッチングトランジスタＱ２のソースは、電源ＶＤＤ２の負極に接続される。電源ＶＤＤ２の正極は、コイルＬａを介して、スイッチングトランジスタＱ２のドレインに接続される。電源ＶＤＤ２の正極の電位は接地電位である。

【0028】

スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２とよぶ。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ２とする。ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、ＩＤＳ２については、同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。

【0029】

スイッチングトランジスタＱ１が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ２は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第１電流経路」とよぶ）は、電源ＶＤＤ１からスイッチングトランジスタＱ１、コイルＬａを経由して帰還する経路となる。スイッチングトランジスタＱ１は、第１電流経路の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。

【0030】

スイッチングトランジスタＱ２が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ１は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第２電流経路」とよぶ）は、電源ＶＤＤ２から給電コイルＬａ、スイッチングトランジスタＱ２を経由して帰還する経路となる。スイッチングトランジスタＱ２は、第２電流経路の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。

【0031】

オシレータ２１０が共振周波数ｆｒにて交流電圧を供給すると、第１電流経路と第２電流経路が共振周波数ｆｒにて交互に切り替わる。コイルＬａには共振周波数ｆｒの交流電流Ｉｓが流れるため、ワイヤレス受電装置３００にも共振周波数ｆｒにて交流電流Ｉ１が流れる。このとき、給電電極ＣＳ１と受電電極ＣＲ１、給電電極ＣＳ２と受電電極ＣＲ２は電気的に共振し、給電電極ＣＳ１、ＣＳ２から受電電極ＣＲ１、ＣＲ２への電力伝送効率は最大となる。

【0032】

共振周波数ｆｒは、ワイヤレス電力伝送システム１００の使用状態や使用環境によって微妙に変化する。また、キャパシタＣ１、Ｃ２やコイルＬｃを交換した場合にも共振周波数ｆｒは変化する。あるいは、キャパシタＣ１、Ｃ２の静電容量を可変とすることにより共振周波数ｆｒを積極的に変化させたい場合もあるかもしれない。このような場合でも、ワイヤレス電力伝送システム１００は、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒを自動的に一致させることができる。

【0033】

駆動周波数ｆｏを共振周波数ｆｒに追随させるため、以下の構成を追加する。まず、オシレータ２１０の両端に抵抗Ｒ１、Ｒ２を接続する。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点Ａは、第２波形整流器１４４を介して位相検出回路１５０に接続される。位相検出回路１５０は、接続点Ａの電位Ｖｐ１に基づいて、後述の方法により、電源回路２００が供給する交流電力の電圧位相を計測する。

【0034】

オシレータ２１０が生成する交流電圧は抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２により分圧され、その中間電位として電位Ｖｐ１が取り出されている。分圧することによりにより、オシレータ２１０の発生させる交流電圧が大きい場合でも、扱いやすい電圧に降圧できる。オシレータ２１０が発生させる交流電圧をそのまま取り扱えるのであれば、分圧は必須ではない。なお、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１、ＶＤＳ２や、ソース・ゲート電圧ＶＧＳ１、ＶＧＳ２などから電圧位相を計測してもよい。

【0035】

共振回路２０４の側には、検出コイルＬＳＳが設置される。検出コイルＬＳＳは、貫通孔を有するコア１５４（トロイダルコア）に導線を巻き付けることにより形成されるコイルである。コア１５４の材質はフェライト、珪素鋼板、パーマロイ（permalloy）等の既知材料である。共振回路２０４の一部がコア１５４を貫通する。交流電流Ｉ１が発生させる交流磁界により、検出コイルＬＳＳには誘導電流ＩＳＳが流れる。電流Ｉ１と誘導電流ＩＳＳは同相である。

【0036】

検出コイルＬＳＳの両端には抵抗Ｒ３が接続される。抵抗Ｒ３の一端Ｂは接地され、他端Ｃは第１波形整流器１４２を介して位相検出回路１５０に接続される。位相検出回路１５０は、接続点Ｃの電位Ｖｑ１に基づいて、後述の方法により、送電側共振部２０６が受電側共振部２０８に供給する交流電力の電流位相を計測する。電流Ｉ１と誘導電流ＩＳＳは同相であり、誘導電流ＩＳＳと電位Ｖｑ１は同相である。したがって、電流Ｉ１の電流位相は、電位Ｖｑ１の電圧位相により計測可能である。電位Ｖｐ１および電位Ｖｑ１の電圧波形を比較すれば、電圧位相と電流位相の位相のずれを検出できる。

【0037】

電位Ｖｑ１と電位Ｖｐ１は、それぞれ、第１波形整流器１４２と第２波形整流器１４４によって２値化される。詳細については次の図７に関連して後述するが、第１波形整流器１４４は、電位Ｖｑ１が所定の閾値、たとえば、０．１（Ｖ）より大きくなると飽和電圧Ｖｑ２＝５（Ｖ）を出力する増幅器である。このため、電位Ｖｑ１がアナログ波形となる場合でも、第１波形整流器１４２によって電位Ｖｑ１をデジタル波形の電圧Ｖｑ２に変換される。オシレータ２１０が矩形波ではなく、正弦波等のアナログ波形にて交流電圧を発生させる場合には第１波形整流器１４２は特に有効に機能する。第２波形整流器１４４も、電位Ｖｐ１が所定の閾値より大きくなると飽和電圧Ｖｐ２＝５（Ｖ）を出力する増幅器である。第２波形整流器１４４により、アナログ波形の電位Ｖｐ１はデジタル波形の電圧Ｖｐ２に変換される。

【0038】

位相検出回路１５０は、電位Ｖｑ２と電位Ｖｐ２を比較し、その位相差ｔｄを算出する。位相検出回路１５０は、位相差ｔｄに応じて制御電圧Ｖｔを変化させる。駆動周波数追随回路１５２は、制御電圧Ｖｔにしたがってオシレータ２１０の駆動周波数ｆｏを調整する。

【0039】

なお、駆動周波数追随回路１５２とオシレータ２１０を一体化し、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）として提供してもよい。また、ＶＣＯの後段に増幅器を設け、トランスＴ１一次コイルＬｈへ供給される交流電圧を増幅してもよい。

【0040】

図２は、共振回路２０４のインピーダンスＺと駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。縦軸は、共振回路２０４におけるキャパシタＣ１、Ｃ２、コイルＬｃのインピーダンスＺを示す。横軸は駆動周波数ｆｏを示す。共振回路２０４のインピーダンスＺは、共振時において最低値Ｚ_ｍｉｎとなる。

【0041】

図２においては、駆動周波数ｆｏ＝１００ｋＨｚ、すなわち、駆動周波数ｆｏ＝共振周波数ｆｒとなるとき、インピーダンスＺは最低となり、キャパシタＣ１、Ｃ２とコイルＬｃは共振状態となる。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒがずれると、インピーダンスＺにおける容量性リアクタンスまたは誘導性リアクタンスが優勢となるためインピーダンスＺも大きくなる。

【0042】

駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒと一致するとき、共振回路２０４には共振周波数ｆｒにて交流電流Ｉ１が流れる。このとき、給電電極ＣＳ１、ＣＳ２から受電電極ＣＲ１、ＣＲ２への電力伝送効率は最大となる。

【0043】

駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒがずれると、共振回路２０４には非・共振周波数の交流電流Ｉ１が流れる。共振回路２０４は共振しなくなるため、電力伝送効率は急速に悪化する。

【0044】

図３は、キャパシタＣ１、Ｃ２の外観図である。キャパシタＣ１、Ｃ２は、２枚の電極を対向させることにより形成される。この対向面積が変化すると、静電容量も変化する。キャパシタＣ１、Ｃ２の静電容量が変化すると、共振周波数ｆｒが変化する。

【0045】

本実施形態においては、キャパシタＣ１の給電電極ＣＳ１、受電電極ＣＲ１は、円環形状を有する。また、キャパシタＣ２の給電電極ＣＳ２、受電電極ＣＲ２は円盤形状を有する。キャパシタＣ２が円環形状、キャパシタＣ１が円盤形状でもよい。各電極を円形とすれば、各電極が回転方向に位置変化しても対向面積はまったく変化しない。このため、キャパシタＣ１、Ｃ２の静電容量、ひいては、共振周波数ｆｒを安定させやすくなる。

【0046】

キャパシタＣ１の給電電極ＣＳ１と、キャパシタＣ２の給電電極ＣＳ２は同一平面上に形成され、かつ、給電電極ＣＳ１の内部に給電電極ＣＳ２が配置される。同様に、キャパシタＣ１の受電電極ＣＲ１と、キャパシタＣ２の受電電極ＣＲ２は同一平面上に形成され、かつ、受電電極ＣＲ１の内部に受電電極ＣＲ２が配置される。キャパシタＣ１の内部にキャパシタＣ２が収められる構成となるため、共振回路２０４をコンパクトに形成できる。

【0047】

図４は、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒが一致するときの電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間(以下、「第１期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン、スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる期間である。時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間(以下、「第２期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる期間、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間(以下、「第３期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン、スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる期間、時刻ｔ３〜時刻ｔ４の期間(以下、「第４期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる期間であるとする。

【0048】

スイッチングトランジスタＱ１のゲート・ソース電圧ＶＧＳ１が所定の閾値Ｖｘを超えたとき、スイッチングトランジスタＱ１は飽和状態となる。したがって、第１期間の開始タイミングである時刻ｔ０にスイッチングトランジスタＱ１がオン（導通）となると、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１が流れ始める。いいかえれば、正方向（第１電流経路）に電流ＩＳが流れ始める。

【0049】

第２期間の開始タイミングである時刻ｔ１にスイッチングトランジスタＱ１がオフ（非導通）となると、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は流れなくなる。代わりに、スイッチングトランジスタＱ２がオン（導通）となり、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２が流れはじめる。すなわち、負方向（第２電流経路）に電流ＩＳが流れ始める。

【0050】

電流ＩＳと、電流Ｉ１、誘導電流ＩＳＳは同相であり、電位Ｖｑ１は誘導電流ＩＳＳと同相である。このため、電流ＩＳの電流波形と電位Ｖｑ１の電圧波形は同期する。電位Ｖｑ１の電圧波形を観察することにより、電流ＩＳ（ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、ＩＤＳ２）の電流位相を計測できる。第３期間、第４期間以降は、第１期間、第２期間と同様の波形を繰り返す。

【0051】

図５は、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも大きい場合の電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも大きい場合、共振回路２０４のインピーダンスＺには誘導性リアクタンス成分が現れ、交流電流ＩＳの電流位相は電圧位相に対して遅れる。上述のように、電流ＩＳと電位Ｖｑ１は同相であるから、電位Ｖｐ１と電位Ｖｑ１の電圧波形を比較すれば、供給電力における電流位相と電圧位相の位相差ｔｄを検出できる。

【0052】

図４に示したように、駆動周波数ｆｏ＝共振周波数ｆｒのときには、第２期間の開始タイミングである時刻ｔ１から電流ＩＳが流れ始め電位Ｖｑ１＞０となる。この場合には、位相差ｔｄ＝０である。駆動周波数ｆｏ＞共振周波数ｆｒの場合、電流ＩＳは時刻ｔ１よりも遅い時刻ｔ５から流れ始めＶｑ１＞０となるため、位相差ｔｄ＝ｔ０−ｔ５＜０となる。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒがずれると、出力電力効率が悪化し、電流ＩＳや電圧Ｖｑ１の振幅は共振時に比べて小さくなる。

【0053】

図６は、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも小さい場合の電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも小さい場合、インピーダンスＺに容量性リアクタンス成分が現れ、電流ＩＳの電流位相は電圧位相に対して進む。電流ＩＳは時刻ｔ１よりも早い時刻ｔ６から流れ始めるため、位相差ｔｄ＝ｔ０−ｔ６＞０となる。電流ＩＳや電圧Ｖｑ１の振幅は共振時に比べて小さくなる。

【0054】

図７は、位相検出回路１５０へ入力される各種電圧の変化過程を示すタイムチャートである。電位Ｖｐ１は、オシレータ２１０の交流電圧に同期して変化する。第１期間と第３期間において電位Ｖｐ１＞０となる。第１波形整流器１４２は、電位Ｖｑ１が所定値、たとえば、０．１（Ｖ）以上となると５（Ｖ）に飽和する増幅器である。このため、電位Ｖｑ１がアナログ波形となる場合にも、第１波形整流器１４２はデジタル波形の電圧Ｖｑ２を生成できる。

【0055】

電位Ｖｑ１は、電流ＩＳ、Ｉ１に同期して変化する。図７では、駆動周波数ｆｏ＜共振周波数ｆｒの場合の波形を示している。したがって、電流位相が電圧位相よりも進んでいる。第２波形整流器１４４は、アナログ波形の電位Ｖｐ１を増幅し、デジタル波形の電圧Ｖｐ２を生成する。

【0056】

位相検出回路１５０は、電圧Ｖｐ２の立ち上がりエッジ時刻ｔ０と、電圧Ｖｑ２の立ち上がりエッジ時刻ｔ６を比較し、ｔ０−ｔ６により位相差ｔｄを求める。第１波形整流器１４２と第２波形整流器１４４により、電位Ｖｑ１と電位Ｖｐ１をデジタル波形に変換（整形）することにより、位相検出回路１５０は位相差ｔｄを検出しやすくなる。もちろん、位相検出回路１５０は、電位Ｖｑ１と電位Ｖｐ１を直接比較して位相差ｔｄを検出してもよい。

【0057】

ワイヤレス電力伝送システム１００では、共振回路２０４が発生させる交流磁界を利用して検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させることにより、電流位相を計測している。このため、共振回路２０４への計測負荷を抑制しつつ電流位相を計測できる。

【0058】

図８は、制御電圧Ｖｔと駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。図８に示す関係は、駆動周波数追随回路１５２において設定されている。位相差ｔｄの大きさは、共振周波数ｆｒの変化量に比例する。そこで、位相検出回路１５０は、位相差ｔｄに応じて制御電圧Ｖｔの変化量を決定し、駆動周波数追随回路１５２は制御電圧Ｖｔに応じて駆動周波数ｆｏを決定する。

【0059】

まず、初期状態では共振周波数ｆｒ＝１００ｋＨｚなので、駆動周波数ｆｏ＝１００ｋＨｚに設定される。制御電圧Ｖｔ＝３（Ｖ）に初期設定される。共振周波数ｆｒが１００ｋＨｚから９０ｋＨｚに変化した場合を想定する。駆動周波数ｆｏ（＝１００ｋＨｚ）＞共振周波数ｆｒ（＝９０ｋＨｚ）となるため、位相差ｔｄ＜０となる。位相差ｔｄは、共振周波数ｆｒの変化量（−１０ｋＨｚ）に比例する。位相検出回路１５０は、位相差ｔｄに応じて制御電圧Ｖｔの変化量を決定する。上記設例では、位相検出回路１５０は制御電圧Ｖｔの変化量を−１（Ｖ）とし、新たな制御電圧Ｖｔ＝２（Ｖ）を出力する。駆動周波数追随回路１５２は、図８のグラフに示す関係にしたがって、制御電圧Ｖｔ＝２（Ｖ）に対応する駆動周波数ｆｏ＝９０ｋＨｚを出力する。このような処理により、共振周波数ｆｒが変化しても駆動周波数ｆｏを自動的に追随させることができる。

【0060】

位相検出回路１５０と駆動周波数追随回路１５２、オシレータ２１０はワンチップとして回路構成されてもよい。また、位相検出回路１５０や駆動周波数追随回路１５２の処理はソフトウェアにより処理されてもよい。たとえば、位相差ｔｄと駆動周波数ｆｏの変化量とをあらかじめ対応づけた設定情報を保持しておき、検出された位相差ｔｄの大きさに応じて駆動周波数ｆｏを調整してもよい。

【0061】

図９は、ワイヤレス電力伝送システム１００を応用したテーブル１０２と卓上ランプ１０４の側面図である。テーブル１０２は、ワイヤレス給電装置２００の機能を内蔵する。ワイヤレス給電装置２００は、全体としてテーブル板の裏面に設置されてもよいし、テーブル板内部に格納されてもよい。

【0062】

給電電極ＣＳ１、ＣＳ２はワイヤレス給電装置２００から交流電力を供給される。卓上ランプ１０４は、ワイヤレス受電装置３００の機能を内蔵する。卓上ランプ１０４は、受電電極ＣＲ１、ＣＲ２を含む。テーブル１０２の給電電極ＣＳ１、ＣＳ２と受電電極ＣＲ１、ＣＲ２が向かい合うように、卓上ランプ１０４をテーブル１０２に置くと、テーブル１０２の給電電極ＣＳ１、ＣＳ２から卓上ランプ１０４にワイヤレス給電される。ランプは、図１の負荷Ｒに対応する。このランプは交流電流により点灯するランプでもよい。あるいは、共振回路２０４に流れる交流電流Ｉ１を、図示しない整流回路により直流電流に変換し、ランプに供給してもよい。

【0063】

図１０は、ワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図の第１変形例である。コイルＬｃは、共振回路２０４の一部であればよい。図１０に示すように、コイルＬｃを、送電側共振部２０６側ではなく受電側共振部２０８側に設けてもよい。この場合、複数のワイヤレス受電装置３００を設け、ワイヤレス受電装置３００ごとに共振回路２０４の共振周波数ｆｒを調整してもよい。

【0064】

図１１は、ワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図の第２変形例である。図１１に示すように、送電側共振部２０６にコイルＬｃ１、受電側共振部２０８にコイルＬｃ２を別々に設けてもよい（Ｌｃ＝Ｌｃ１＋Ｌｃ２）。この場合にも複数のワイヤレス受電装置３００を設ければ、ワイヤレス受電装置３００ごとに共振周波数ｆｒを調整できる。また、第１変形例のコイルＬｃよりも、コイルＬｃ２を軽量・小型化できる。

【0065】

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

【0066】

たとえば、結合トランスＴ２を介さずに、電源回路２０２から共振回路２０４に電力を供給してもよい。この場合、コイルＬｃの全部または一部を電源回路２０２側に設けることも可能である。

【符号の説明】

【0067】

１００ ワイヤレス電力伝送システム、１０２ テーブル、１０４ 卓上ランプ、１４２ 第１波形整流器、１４４ 第２波形整流器、１５０ 位相検出回路、１５２ 駆動周波数追随回路、１５４ コア、２００ ワイヤレス給電装置、２０２ 電源回路、２０４ 共振回路、２０６ 送電側共振部、２０８ 受電側共振部、２１０ オシレータ、３００ ワイヤレス受電装置、Ｃ１ キャパシタ、Ｃ２ キャパシタ、ＣＳ１ 給電電極、ＣＲ１ 受電電極、ＣＳ２ 給電電極、ＣＲ２ 受電電極。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】