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特許5748861ワイヤレス受電装置、ワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システム
(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】5748861
(24)【登録日】2015年5月22日
(45)【発行日】2015年7月15日
(54)【発明の名称】ワイヤレス受電装置、ワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システム
(51)【国際特許分類】
H02J 17/00 20060101AFI20150625BHJP
【ＦＩ】
H02J17/00 B
【請求項の数】32
【全頁数】42
(21)【出願番号】特願2013-539515(P2013-539515)
(86)(22)【出願日】2012年10月5日
(86)【国際出願番号】JP2012006443
(87)【国際公開番号】WO2013057896
(87)【国際公開日】20130425
【審査請求日】2014年3月17日
(31)【優先権主張番号】特願2011-229179(P2011-229179)
(32)【優先日】2011年10月18日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】390005175
【氏名又は名称】株式会社アドバンテスト
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(74)【代理人】
【識別番号】100109047
【弁理士】
【氏名又は名称】村田 雄祐
(74)【代理人】
【識別番号】100109081
【弁理士】
【氏名又は名称】三木 友由
(74)【代理人】
【識別番号】100133215
【弁理士】
【氏名又は名称】真家 大樹
(72)【発明者】
【氏名】圓道 祐樹
(72)【発明者】
【氏名】古川 靖夫
【審査官】
石川 晃
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許出願公開第２０１１／０１４８２１５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特表２０１０−５４１５３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−２０１２１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１１−５０７４８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−３０１６４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平１１−１５５２４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００１−１１２１０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１１−０８３１７８（ＪＰ，Ａ）
(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】
ワイヤレス受電装置に対して、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置であって、
それぞれが送信コイルを含む、複数チャンネルの送信アンテナと、
前記複数チャンネルのひとつであるチューニングチャンネルの送信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、
前記チューニングチャンネルにおいて、前記送信アンテナと前記自動チューニング補助回路の両端間に交流の駆動電圧を印加するとともに、その他のチャンネルにおいて、前記送信アンテナの両端間に交流の駆動電圧を印加する電源と、
を備え、
前記自動チューニング補助回路は、
第１端子と、
第２端子と、
それぞれが、第１電極、第２電極を有するＮ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタと、
それぞれが、前記第１端子、前記第２端子、前記Ｎ個の補助キャパシタの前記第１電極、前記第２電極のうち２つの間に設けられた複数のスイッチと、
前記複数のスイッチそれぞれを、前記駆動電圧と同期してスイッチングする第１制御部と、
を含むことを特徴とするワイヤレス給電装置。
それぞれが送信コイルを含む、複数チャンネルの送信アンテナと、
前記複数チャンネルのひとつであるチューニングチャンネルの送信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、
前記チューニングチャンネルにおいて、前記送信アンテナと前記自動チューニング補助回路の両端間に交流の駆動電圧を印加するとともに、その他のチャンネルにおいて、前記送信アンテナの両端間に交流の駆動電圧を印加する電源と、
を備え、
前記自動チューニング補助回路は、
第１端子と、
第２端子と、
それぞれが、第１電極、第２電極を有するＮ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタと、
それぞれが、前記第１端子、前記第２端子、前記Ｎ個の補助キャパシタの前記第１電極、前記第２電極のうち２つの間に設けられた複数のスイッチと、
前記複数のスイッチそれぞれを、前記駆動電圧と同期してスイッチングする第１制御部と、
を含むことを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項2】
前記チューニングチャンネルは、前記複数チャンネルのうちの複数であり、前記自動チューニング補助回路は、チューニングチャンネルごとに設けられることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項3】
前記チューニングチャンネルは、前記複数チャンネルのすべてであることを特徴とする請求項２に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項4】
前記第１制御部は、前記複数のスイッチそれぞれを、前記駆動電圧と同じ周波数、その奇数倍または奇数分の１倍の周波数でスイッチングすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項5】
前記自動チューニング補助回路は、
前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、第１スイッチおよび第１補助キャパシタと、
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第１スイッチおよび前記第１補助キャパシタに対して並列に設けられた第２スイッチと、
を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、第１スイッチおよび第１補助キャパシタと、
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第１スイッチおよび前記第１補助キャパシタに対して並列に設けられた第２スイッチと、
を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項6】
前記自動チューニング補助回路は、
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第２スイッチと直列に設けられた第２補助キャパシタをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のワイヤレス給電装置。
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第２スイッチと直列に設けられた第２補助キャパシタをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項7】
前記自動チューニング補助回路は、
前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、第１スイッチおよび第２スイッチと、
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチに対して並列な経路上に順に直列に設けられた第３スイッチおよび第４スイッチと、
前記第１スイッチと前記第２スイッチの接続点と、前記第３スイッチと前記第４スイッチの接続点との間に設けられた第１補助キャパシタと、
を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、第１スイッチおよび第２スイッチと、
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチに対して並列な経路上に順に直列に設けられた第３スイッチおよび第４スイッチと、
前記第１スイッチと前記第２スイッチの接続点と、前記第３スイッチと前記第４スイッチの接続点との間に設けられた第１補助キャパシタと、
を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項8】
前記電源は、
直流電源と、
前記直流電源の出力端子と固定電圧端子の間に順に直列に設けられた第１ハイサイドスイッチおよび第１ローサイドスイッチと、
を含み、
前記チューニングチャンネルにおいて、前記送信アンテナおよび前記自動チューニング補助回路は、前記第１ハイサイドスイッチおよび前記第１ローサイドスイッチの接続点と前記固定電圧端子との間に直列にカップリングされることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
直流電源と、
前記直流電源の出力端子と固定電圧端子の間に順に直列に設けられた第１ハイサイドスイッチおよび第１ローサイドスイッチと、
を含み、
前記チューニングチャンネルにおいて、前記送信アンテナおよび前記自動チューニング補助回路は、前記第１ハイサイドスイッチおよび前記第１ローサイドスイッチの接続点と前記固定電圧端子との間に直列にカップリングされることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項9】
前記電源は、
直流電源と、
前記直流電源の出力端子と固定電圧端子の間に順に直列に設けられた第１ハイサイドスイッチおよび第１ローサイドスイッチと、
前記直流電源の出力端子と前記固定電圧端子の間に順に直列に設けられた第２ハイサイドスイッチおよび第２ローサイドスイッチと、
を含み、
前記チューニングチャンネルにおいて、前記送信アンテナおよび前記自動チューニング補助回路は、前記第１ハイサイドスイッチおよび前記第１ローサイドスイッチの接続点と、前記第２ハイサイドスイッチおよび前記第２ローサイドスイッチの接続点との間に直列にカップリングされることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
直流電源と、
前記直流電源の出力端子と固定電圧端子の間に順に直列に設けられた第１ハイサイドスイッチおよび第１ローサイドスイッチと、
前記直流電源の出力端子と前記固定電圧端子の間に順に直列に設けられた第２ハイサイドスイッチおよび第２ローサイドスイッチと、
を含み、
前記チューニングチャンネルにおいて、前記送信アンテナおよび前記自動チューニング補助回路は、前記第１ハイサイドスイッチおよび前記第１ローサイドスイッチの接続点と、前記第２ハイサイドスイッチおよび前記第２ローサイドスイッチの接続点との間に直列にカップリングされることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項10】
前記自動チューニング補助回路は、トランスを介して、チューニングチャンネルの前記送信アンテナと直列にカップリングされることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項11】
前記送信アンテナは、前記送信コイルと直列に設けられた共振用キャパシタを含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項12】
前記電源は、前記送信アンテナおよび前記自動チューニング補助回路の両端間に、トランスを介して交流の駆動電圧を印加することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項13】
請求項１から１２のいずれかに記載のワイヤレス給電装置と、
前記ワイヤレス給電装置からの電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。
前記ワイヤレス給電装置からの電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。
【請求項14】
ワイヤレス給電装置から送信される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信するワイヤレス受電装置であって、
それぞれが受信コイルを含み、共通の負荷に受信した電力を供給する複数チャンネルの受信アンテナと、
前記複数チャンネルのひとつであるチューニングチャンネルの受信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、
を備え、
前記自動チューニング補助回路は、
第１端子と、
第２端子と、
それぞれが、第１電極、第２電極を有するＮ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタと、
それぞれが、前記第１端子、前記第２端子、前記Ｎ個の補助キャパシタの前記第１電極、前記第２電極のうち２つの間に設けられた複数のスイッチと、
前記複数のスイッチそれぞれを前記電力信号に応じたスイッチング周波数でスイッチングする第２制御部と、
を含むことを特徴とするワイヤレス受電装置。
それぞれが受信コイルを含み、共通の負荷に受信した電力を供給する複数チャンネルの受信アンテナと、
前記複数チャンネルのひとつであるチューニングチャンネルの受信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、
を備え、
前記自動チューニング補助回路は、
第１端子と、
第２端子と、
それぞれが、第１電極、第２電極を有するＮ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタと、
それぞれが、前記第１端子、前記第２端子、前記Ｎ個の補助キャパシタの前記第１電極、前記第２電極のうち２つの間に設けられた複数のスイッチと、
前記複数のスイッチそれぞれを前記電力信号に応じたスイッチング周波数でスイッチングする第２制御部と、
を含むことを特徴とするワイヤレス受電装置。
【請求項15】
前記チューニングチャンネルは、前記複数チャンネルのうちの複数であり、前記自動チューニング補助回路は、チューニングチャンネルごとに設けられることを特徴とする請求項１４に記載のワイヤレス受電装置。
【請求項16】
前記チューニングチャンネルは、前記複数チャンネルのすべてであることを特徴とする請求項１５に記載のワイヤレス受電装置。
【請求項17】
前記第２制御部は、前記複数のスイッチそれぞれを、前記電力信号と同じ周波数、その奇数倍または奇数分の１倍の周波数でスイッチングすることを特徴とする請求項１４から１６のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
【請求項18】
前記自動チューニング補助回路は、
前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、第３スイッチおよび第３補助キャパシタと、
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第３スイッチおよび前記第３補助キャパシタに対して並列に設けられた第４スイッチと、
を含むことを特徴とする請求項１４から１７のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、第３スイッチおよび第３補助キャパシタと、
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第３スイッチおよび前記第３補助キャパシタに対して並列に設けられた第４スイッチと、
を含むことを特徴とする請求項１４から１７のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
【請求項19】
前記自動チューニング補助回路は、
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第４スイッチと直列に設けられた第４補助キャパシタをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載のワイヤレス受電装置。
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第４スイッチと直列に設けられた第４補助キャパシタをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載のワイヤレス受電装置。
【請求項20】
前記自動チューニング補助回路は、
前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、第５スイッチおよび第６スイッチと、
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第５スイッチおよび前記第６スイッチに対して並列に、かつ順に直列に設けられた第７スイッチおよび第８スイッチと、
前記第５スイッチと前記第６スイッチの接続点と、前記第７スイッチと前記第８スイッチの接続点との間に設けられた第２補助キャパシタと、
を含むことを特徴とする請求項１４から１７のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、第５スイッチおよび第６スイッチと、
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第５スイッチおよび前記第６スイッチに対して並列に、かつ順に直列に設けられた第７スイッチおよび第８スイッチと、
前記第５スイッチと前記第６スイッチの接続点と、前記第７スイッチと前記第８スイッチの接続点との間に設けられた第２補助キャパシタと、
を含むことを特徴とする請求項１４から１７のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
【請求項21】
前記自動チューニング補助回路は、トランスを介して前記受信アンテナと直列にカップリングされることを特徴とする請求項１４から２０のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
【請求項22】
前記受信アンテナは、前記受信コイルと直列に設けられた共振用キャパシタを含むことを特徴とする請求項１４から２１のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
【請求項23】
電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置と、
前記電力信号を受信する請求項１４から２２のいずれかに記載のワイヤレス受電装置と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。
前記電力信号を受信する請求項１４から２２のいずれかに記載のワイヤレス受電装置と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。
【請求項24】
請求項１から１２のいずれかに記載のワイヤレス給電装置と、
前記ワイヤレス給電装置からの前記電力信号を受信する請求項１４から２２のいずれかに記載のワイヤレス受電装置と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。
前記ワイヤレス給電装置からの前記電力信号を受信する請求項１４から２２のいずれかに記載のワイヤレス受電装置と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。
【請求項25】
ワイヤレス受電装置に対して、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置であって、
それぞれが送信コイルを含む、複数チャンネルの送信アンテナと、
前記複数チャンネルのひとつであるチューニングチャンネルの送信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、
前記チューニングチャンネルにおいて、前記送信アンテナと前記自動チューニング補助回路の両端間に交流の駆動電圧を印加するとともに、その他のチャンネルにおいて、前記送信アンテナの両端間に交流の駆動電圧を印加する電源と、
を備え、
前記自動チューニング補助回路は、
少なくともひとつの補助キャパシタと、
前記送信コイルに流れる電流によって前記少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれを充電および放電するために設けられた複数のスイッチと、
前記複数のスイッチを前記駆動電圧と同期してスイッチングすることにより、前記少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれの両端間にキャパシタ電圧を発生させるとともに、前記少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれのキャパシタ電圧に応じた補正電圧を、前記送信コイルに印加せしめる第１制御部と、
を含むことを特徴とするワイヤレス給電装置。
それぞれが送信コイルを含む、複数チャンネルの送信アンテナと、
前記複数チャンネルのひとつであるチューニングチャンネルの送信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、
前記チューニングチャンネルにおいて、前記送信アンテナと前記自動チューニング補助回路の両端間に交流の駆動電圧を印加するとともに、その他のチャンネルにおいて、前記送信アンテナの両端間に交流の駆動電圧を印加する電源と、
を備え、
前記自動チューニング補助回路は、
少なくともひとつの補助キャパシタと、
前記送信コイルに流れる電流によって前記少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれを充電および放電するために設けられた複数のスイッチと、
前記複数のスイッチを前記駆動電圧と同期してスイッチングすることにより、前記少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれの両端間にキャパシタ電圧を発生させるとともに、前記少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれのキャパシタ電圧に応じた補正電圧を、前記送信コイルに印加せしめる第１制御部と、
を含むことを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項26】
前記チューニングチャンネルは、前記複数チャンネルのうちの複数であり、前記自動チューニング補助回路は、チューニングチャンネルごとに設けられることを特徴とする請求項２５に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項27】
前記チューニングチャンネルは、前記複数チャンネルのすべてであることを特徴とする請求項２６に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項28】
前記第１制御部は、前記複数のスイッチそれぞれを、前記駆動電圧と同じ周波数、その奇数倍または奇数分の１倍の周波数でスイッチングすることを特徴とする請求項２５から２７のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項29】
ワイヤレス給電装置から送信される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信するワイヤレス受電装置であって、
それぞれが受信コイルを含み、共通の負荷に受信した電力を供給する複数チャンネルの受信アンテナと、
前記複数チャンネルのひとつであるチューニングチャンネルの受信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、
を備え、
前記自動チューニング補助回路は、
少なくともひとつの補助キャパシタと、
前記受信コイルに流れる電流によって前記少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれを充電および放電するために設けられた複数のスイッチと、
前記複数のスイッチを前記電力信号に応じたスイッチング周波数でスイッチングすることにより、前記少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれの両端間にキャパシタ電圧を発生させるとともに、前記少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれのキャパシタ電圧に応じた補正電圧を、前記受信コイルに印加せしめる第２制御部と、
を含むことを特徴とするワイヤレス受電装置。
それぞれが受信コイルを含み、共通の負荷に受信した電力を供給する複数チャンネルの受信アンテナと、
前記複数チャンネルのひとつであるチューニングチャンネルの受信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、
を備え、
前記自動チューニング補助回路は、
少なくともひとつの補助キャパシタと、
前記受信コイルに流れる電流によって前記少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれを充電および放電するために設けられた複数のスイッチと、
前記複数のスイッチを前記電力信号に応じたスイッチング周波数でスイッチングすることにより、前記少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれの両端間にキャパシタ電圧を発生させるとともに、前記少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれのキャパシタ電圧に応じた補正電圧を、前記受信コイルに印加せしめる第２制御部と、
を含むことを特徴とするワイヤレス受電装置。
【請求項30】
前記チューニングチャンネルは、前記複数チャンネルのうちの複数であり、前記自動チューニング補助回路は、チューニングチャンネルごとに設けられることを特徴とする請求項２９に記載のワイヤレス受電装置。
【請求項31】
前記チューニングチャンネルは、前記複数チャンネルのすべてであることを特徴とする請求項３０に記載のワイヤレス受電装置。
【請求項32】
前記第２制御部は、前記複数のスイッチそれぞれを、前記電力信号と同じ周波数、その奇数倍または奇数分の１倍の周波数でスイッチングすることを特徴とする請求項２９から３１のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。【背景技術】
【0002】
近年、携帯電話端末やノート型コンピュータなどの電子機器、あるいは電気自動車に対する給電技術として、ワイヤレス（非接触）電力伝送が着目されている。ワイヤレス送電は、主に電磁誘導型、電波受信型、電場・磁場共鳴型、の３つに分類される。【0003】
電磁誘導型は短距離（数ｃｍ以内）において利用され、数百ｋＨｚ以下の帯域で数百Ｗの電力を伝送することができる。電力の利用効率は６０〜９８％程度となっている。数ｍ以上の比較的長い距離に給電する場合、電波受信型が利用される。電波受信型では、中波〜マイクロ波の帯域で数Ｗ以下の電力を伝送することができるが、電力の利用効率は低い。数ｍ程度の中距離を、比較的高い効率で給電する手法として、電場・磁場共鳴型が着目されている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic、「Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer」、ANNALS of PHYSICS Vol. 323, pp.34-48, 2008, Jan.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
図１は、比較技術に係るワイヤレス送電システムを示す図である。ワイヤレス送電システム１ｒは、ワイヤレス給電装置２ｒおよびワイヤレス受電装置４ｒを備える。ワイヤレス給電装置２ｒは、送信コイルＬＴＸ、共振用キャパシタＣＴＸ、交流電源１０ｒを備える。ワイヤレス受電装置４ｒは、受信コイルＬＲＸ、共振用キャパシタＣＲＸ、負荷７０を備える。【0006】
磁場（電場）共鳴型の電力伝送において重要となるのが共振周波数である。送信側のＬＣ共振回路の共振周波数は、ｆＴＸ＝１／（２π√（ＬＴＸ・ＣＴＸ））、受信側の共振周波数は、ｆＲＸ＝１／（２π√（ＬＲＸ・ＣＲＸ））であり、送受信双方の共振周波数と、交流電源１０ｒの周波数を適切に調節しなければ、効率よく電力伝送が行えない。ところが現実的には、さまざまな要因によって共振周波数は変動する。この変動した共振周波数を、受電装置側において、給電装置から伝送されてくる磁界（電界）そのものにもとづいてチューニングすることは難しい。なぜなら、受電装置側で検出される共振周波数は、受電装置側の共振周波数や位相の状態に応じてさらに変動する可能性があるからである。【0007】
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、共振周波数を自動的にチューニング可能なワイヤレス給電装置、受電装置および給電システムの提供にある。【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明のある態様は、ワイヤレス受電装置に対して、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置に関する。ワイヤレス給電装置は、それぞれが送信コイルを含む複数チャンネルの送信アンテナと、複数チャンネルのひとつであるチューニングチャンネルの送信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、チューニングチャンネルにおいて、送信アンテナと自動チューニング補助回路の両端間に交流の駆動電圧を印加するとともに、その他のチャンネルにおいて、送信アンテナの両端間に交流の駆動電圧を印加する電源と、を備える。自動チューニング補助回路は、第１端子と、第２端子と、それぞれが、第１電極、第２電極を有するＮ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタと、それぞれが、第１端子、第２端子、Ｎ個の補助キャパシタの第１電極、第２電極のうち２つの間に設けられた複数のスイッチと、複数のスイッチそれぞれを、駆動電圧と同期してスイッチングする第１制御部と、を含む。【0009】
本発明の別の態様もワイヤレス給電装置に関する。ワイヤレス給電装置は、それぞれが送信コイルを含む、複数チャンネルの送信アンテナと、複数チャンネルのひとつであるチューニングチャンネルの送信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、チューニングチャンネルにおいて、送信アンテナと自動チューニング補助回路の両端間に交流の駆動電圧を印加するとともに、その他のチャンネルにおいて、送信アンテナの両端間に交流の駆動電圧を印加する電源と、を備える。自動チューニング補助回路は、少なくともひとつの補助キャパシタと、送信コイルに流れる電流によって少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれを充電および放電するために設けられた複数のスイッチと、複数のスイッチをスイッチングすることにより、少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれの両端間にキャパシタ電圧を発生させるとともに、少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれのキャパシタ電圧に応じた補正電圧を、送信コイルに印加せしめる第１制御部と、を含む。【0010】
駆動電圧の周波数が、送信アンテナを含む共振回路の共振周波数と一致しない場合、共振回路は容量性または誘導性となるため、送信アンテナには、駆動電圧に対して遅れたあるいは進んだ位相の共振電流が発生する。この状態で複数のスイッチを、駆動電圧に対してある位相差でスイッチングすると、各補助キャパシタは、共振電流と駆動電圧が同位相となるように充電もしくは放電される。そして各補助キャパシタに生ずる補正電圧が、送信アンテナに印加されることにより、擬似的な共振状態を実現できる。この態様によれば、共振用キャパシタの容量値の調節などを行わなくても、送信アンテナを駆動電圧に対して自動的にチューニングすることができる。なお、本明細書において「位相差」はゼロ、すなわち同相の場合も含む。そして、送信アンテナを複数チャンネル設けることにより、単一のコイルと単一のキャパシタにより電力を送信する給電装置に比べて、各チャンネルの送信アンテナのコイルおよび／またはキャパシタに印加される電圧を低下させることができる。したがって低耐圧のスイッチやキャパシタを用いて自動チューニング補助回路を構成することにより、低コスト化が実現でき、あるいは設計の自由度を高めることができる。
この場合において、複数チャンネルの送信コイル同士を、磁気的に結合することにより、各チャンネルそれぞれに対して自動チューニング補助回路を設けずとも、ひとつのチューニングチャンネルに対して自動チューニング補助回路を設けることにより、複数チャンネルの送信アンテナ全体として、擬似的な共振状態を実現することができる。
【0011】
チューニングチャンネルは、複数チャンネルのうちの複数であり、自動チューニング補助回路は、チューニングチャンネルごとに設けられてもよい。チューニングチャンネルは、複数チャンネルのすべてであってもよい。チューニングチャンネルの数を増やすことにより、チューニング具チャンネルがひとつの場合に比べて、より柔軟に、または正確に、共振状態を実現できる。
【0012】
第１制御部は、複数のスイッチそれぞれを、駆動電圧と同じ周波数、その奇数倍または奇数分の１倍の周波数でスイッチングしてもよい。【0013】
自動チューニング補助回路は、第１端子と第２端子の間に直列に設けられた、第１スイッチおよび第１補助キャパシタと、第１端子と第２端子の間に、第１スイッチおよび第１補助キャパシタに対して並列に設けられた第２スイッチと、を含んでもよい。【0014】
自動チューニング補助回路は、第１端子と第２端子の間に、第２スイッチと直列に設けられた第２補助キャパシタをさらに含んでもよい。【0015】
自動チューニング補助回路は、第１端子と第２端子の間に直列に設けられた、第１スイッチおよび第２スイッチと、第１端子と第２端子の間に、第１スイッチおよび第２スイッチに対して並列な経路上に順に直列に設けられた第３スイッチおよび第４スイッチと、第１スイッチと第２スイッチの接続点と、第３スイッチと第４スイッチの接続点との間の設けられた第１補助キャパシタと、を含んでもよい。【0016】
本発明の別の態様は、ワイヤレス給電装置から送信される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信するワイヤレス受電装置に関する。ワイヤレス受電装置は、それぞれが受信コイルを含み、共通の負荷に受信した電力を供給する複数チャンネルの受信アンテナと、複数チャンネルのひとつであるチューニングチャンネルの受信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、を備える。自動チューニング補助回路は、第１端子と、第２端子と、それぞれが、第１電極、第２電極を有するＮ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタと、それぞれが、第１端子、第２端子、Ｎ個の補助キャパシタの第１電極、第２電極のうち２つの間に設けられた複数のスイッチと、複数のスイッチそれぞれをスイッチングする第２制御部と、を含む。【0017】
本発明の別の態様もワイヤレス受電装置に関する。ワイヤレス受電装置は、それぞれが受信コイルを含み、共通の負荷に受信した電力を供給する複数チャンネルの受信アンテナと、複数チャンネルのひとつであるチューニングチャンネルの受信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、を備える。自動チューニング補助回路は、少なくともひとつの補助キャパシタと、受信コイルに流れる電流によって少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれを充電および放電するために設けられた複数のスイッチと、複数のスイッチをスイッチングすることにより、少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれの両端間にキャパシタ電圧を発生させるとともに、少なくともひとつの補助キャパシタそれぞれのキャパシタ電圧に応じた補正電圧を、受信コイルに印加せしめる第２制御部と、を含む。【0018】
電力信号の周波数が、受信アンテナを含む共振回路の共振周波数と一致しない場合、共振回路は容量性または誘導性となるため、共振回路に流れる共振電流と共振回路に生ずる共振電圧の間には、位相遅れあるいは位相進みが生ずる。この状態で複数のスイッチを、電力信号と同じ周波数でスイッチングすると、各補助キャパシタは、共振電流と共振電圧が同位相となるように充電もしくは放電される。そして各補助キャパシタに生ずる補正電圧が、受信アンテナに印加されることにより、擬似的な共振状態を実現できる。この態様によれば、共振用キャパシタの容量値の調節などを行わなくても、受信アンテナを電力信号に対して自動的にチューニングすることができる。そして、受信アンテナを複数チャンネル設けることにより、単一のコイルと単一のキャパシタにより電力を受信する受電装置に比べて、各チャンネルのコイルおよび／またはキャパシタに印加される電圧を低下させることができる。したがって電子回路部品を用いた電気的手段によって、回路パラメータを調節することが可能となり、従来よりも低コストで柔軟な制御が可能となる。
この場合において、複数チャンネルの受信コイル同士を、磁気的に結合することにより、各チャンネルそれぞれに対して自動チューニング補助回路を設けずとも、少なくともひとつのチューニングチャンネルに対して自動チューニング補助回路を設けることにより、複数チャンネルの受信アンテナ全体として、擬似的な共振状態を実現することができる。
【0019】
チューニングチャンネルは、複数チャンネルのうちの複数であり、自動チューニング補助回路は、チューニングチャンネルごとに設けられてもよい。チューニングチャンネルは、複数チャンネルのすべてであってもよい。チューニングチャンネルの数を増やすことにより、チューニング具チャンネルがひとつの場合に比べて、より柔軟に、または正確に、共振状態を実現できる。
【0020】
第２制御部は、複数のスイッチそれぞれを、電力信号と同じ周波数、その奇数倍または奇数分の１倍の周波数でスイッチングしてもよい。【0021】
自動チューニング補助回路は、第１端子と第２端子の間に直列に設けられた、第３スイッチおよび第３補助キャパシタと、第１端子と第２端子の間に、第３スイッチおよび第３補助キャパシタに対して並列に設けられた第４スイッチと、を含んでもよい。【0022】
自動チューニング補助回路は、第１端子と第２端子の間に、第４スイッチと直列に設けられた第４補助キャパシタをさらに含んでもよい。【0023】
自動チューニング補助回路は、第１端子と第２端子の間に直列に設けられた、第５スイッチおよび第６スイッチと、第１端子と第２端子の間に、第５スイッチおよび第６スイッチに対して並列に、かつ順に直列に設けられた第７スイッチおよび第８スイッチと、第５スイッチと第６スイッチの接続点と、第７スイッチと第８スイッチの接続点との間の設けられた第２補助キャパシタと、を含んでもよい。【0024】
本発明の別の態様は、ワイヤレス給電システムに関する。ワイヤレス給電システムは、上述のいずれかの態様のワイヤレス給電装置、および／または、上述のいずれかの態様のワイヤレス受電装置と、を備える。【0025】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。【発明の効果】
【0026】
本発明のある態様によれば、共振周波数を自動的にチューニングできる。【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】比較技術に係るワイヤレス送電システムを示す図である。
【図2】第１の実施の形態に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。
【図7】ｆｃ＜ｆＴＸの場合の、自動チューニング補助回路による疑似共振状態を説明するフェーザ図である。
【図8】非共振状態および共振状態における共振電流を示す図である。
【図9】ｆｃ＞ｆＴＸの場合の、自動チューニング補助回路による疑似共振状態を説明するフェーザ図である。
【図10】第１の変形例に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。
【図11】第２の変形例に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。
【図12】第３の変形例に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。
【図14】第１の実施の形態に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。
【図18】第３の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。
【図20】第１の実施の形態に係るワイヤレス送電システムの構成例を示す回路図である。
【図22】第２の実施の形態に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。
【図24】第１の変形例に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。
【図26】第２の実施の形態に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。
【図29】第３の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。
【図30】第３の実施の形態に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。
【図31】第３の実施の形態の第１の変形例に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。
【図32】図３２（ａ）は、単一のコイルを有するワイヤレス給電装置を、図３２（ｂ）、（ｃ）は、２個に分割されたコイルを有するワイヤレス給電装置を、図３２（ｄ）は、Ｎ個に分割されたコイルを有するワイヤレス給電装置を示す図である。
【図33】第３の実施の形態に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。
【図34】第４の実施の形態に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。
【図35】第４の実施の形態に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。【0029】
本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」、あるいは「部材Ａが、部材Ｂとカップリングされた状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【0030】
（第１の実施の形態）（ワイヤレス給電装置）
図２は、第１の実施の形態に係るワイヤレス給電装置２の構成を示す回路図である。ワイヤレス給電装置２は、ワイヤレス受電装置（不図示）に対して電力信号Ｓ１を送出する。電力信号Ｓ１は、電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。
【0031】
ワイヤレス給電装置２は、電源１０、送信アンテナ２０、自動チューニング補助回路３０、第１制御部４０を備える。【0032】
送信アンテナ２０は、その第１端２１とその第２端２２の間に設けられた送信コイルＬＴＸを含む。共振用キャパシタＣＴＸは、送信コイルＬＴＸと直列に設けられる。共振用キャパシタＣＴＸと送信コイルＬＴＸは入れかえてもよい。【0033】
自動チューニング補助回路３０は、送信アンテナ２０と直列にカップリングされる。電源１０は、送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路３０の両端間に、所定の送信周波数ｆＴＸを有する交流の駆動電圧ＶＤＲＶを印加する。駆動電圧ＶＤＲＶは、矩形波、台形波、正弦波をはじめとする任意の交流波形であって構わない。本実施の形態では、駆動電圧ＶＤＲＶは、第１電圧レベル（電源電圧ＶＤＤ）と第２電圧レベル（接地電圧ＶＧＮＤ＝０Ｖ）でスイングする矩形波であるものとする。【0034】
電源１０は、直流電源１２、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１、第１ローサイドスイッチＳＷＬ１を含む。直流電源１２は、直流の電源電圧ＶＤＤを生成する。第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１および第１ローサイドスイッチＳＷＬ１は、直流電源１２の出力端子と固定電圧端子（接地端子）の間に順に直列に設けられる。第１制御部４０は、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１および第１ローサイドスイッチＳＷＬ１を、送信周波数ｆＴＸで相補的にスイッチングする。【0035】
自動チューニング補助回路３０は、第１端子３１、第２端子３２、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第１補助キャパシタＣＡ１を備える。【0036】
第１スイッチＳＷ１および第１補助キャパシタＣＡ１は、第１端子３１および第２端子３２の間に直列に設けられる。第１スイッチＳＷ１と第１補助キャパシタＣＡ１は入れかえてもよい。第２スイッチＳＷ２は、第１端子３１と第２端子３２の間に、第１スイッチＳＷ１および第１補助キャパシタＣＡ１に対して並列に設けられる。第１補助キャパシタＣＡ１の容量値は、共振用キャパシタＣＴＸに比べて十分に大きいことが望ましい。【0037】
第１制御部４０は、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２を、駆動電圧ＶＤＲＶと同じ周波数ｆＴＸで、かつ駆動電圧ＶＤＲＶに対してある位相差θＴＸで相補的にスイッチングする。好ましくは位相差θＴＸは、＋９０°もしくは−９０°（２７０°）付近であってもよい。すなわち第１制御部４０の一部は、自動チューニング補助回路３０を構成する。【0038】
第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ等を用いて構成できる。図３（ａ）、（ｂ）は、ＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチの構成例を示す図である。【0039】
図３（ａ）は、Ｎチャンネル、図３（ｂ）は、ＰチャンネルのＭＯＳＦＥＴを用いた構成を示す。ＭＯＳＦＥＴのバックゲートをソースと接続すると、バックゲートとドレイン間のボディダイオードがゲート電圧によらずに導通状態となる。したがって、ＭＯＳＦＥＴを単体で用いたスイッチでは、片方向に対する電流を阻止することができない。本明細書においてこのようなスイッチを片方向スイッチという。【0040】
図３（ｃ）〜（ｆ）のスイッチは、２つのＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ、もしくは２つのＰチャンネルＭＯＳＦＥＴが、それらのボディダイオードが逆向きとなるように接続される（バックトゥバック接続）。図３（ｃ）〜（ｆ）では、オフ状態において、いずれの方向にも電流が流れない。本明細書においてこのようなスイッチを、双方向スイッチという。【0041】
本実施の形態において、各スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、片方向スイッチ、両方向スイッチのいずれでも構成することができる。なお、片方向スイッチを用いる場合、それらのスイッチングの位相に注意を払う必要がある。これについては後述する。【0042】
以上がワイヤレス給電装置２の構成である。続いてその動作を説明する。【0043】
スイッチＳＷ１、ＳＷ２はそれぞれ、オフ状態においていずれの方向にも電流を流さない双方向スイッチであるものとする。【0044】
図４は、図２のワイヤレス給電装置２の動作を示す波形図である。図４は、上から順に、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１、第１ローサイドスイッチＳＷＬ１、駆動電圧ＶＤＲＶ、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第１補助キャパシタＣＡ１の電圧ＶＣＡ１、第１端子３１の電圧ＶＡ、送信アンテナ２０に流れる共振電流ＩＴＸ、送信コイルＬＴＸと共振用キャパシタＣＴＸの両端間の共振電圧ＶＴＸを示す。スイッチを示す波形は、ハイレベルがオン状態を、ローレベルがオフ状態を示す。また共振電流ＩＴＸおよび共振電圧ＶＴＸは、自動チューニング補助回路３０を動作させてから十分な時間が経過した後の定常状態における波形を示す。【0045】
図４に示すように、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１、第１ローサイドスイッチＳＷＬ１を相補的にスイッチングすることにより、矩形波の駆動電圧ＶＤＲＶが生成され、送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路３０の両端間に印加される。第１制御部４０は、駆動電圧ＶＤＲＶと同じ周波数で、かつ駆動電圧ＶＤＲＶに対してθＴＸ（＝９０°）遅れた位相で、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２を相補的にスイッチングする。共振電流ＩＴＸは、第１スイッチＳＷ１のオン時間ＴＯＮ１において第１補助キャパシタＣＡ１に流れ、第２スイッチＳＷ２のオン時間ＴＯＮ２において、第２スイッチＳＷ２を介して接地に流れる。つまり、第１補助キャパシタＣＡ１は、共振電流ＩＴＸによって充放電され、その結果、第１補助キャパシタＣＡ１には、キャパシタ電圧ＶＣＡ１が発生する。【0046】
自動チューニング補助回路３０は、送信アンテナ２０の第２端２２に補正電圧ＶＡを印加する。補正電圧ＶＡは、第１スイッチＳＷ１がオンの期間ＴＯＮ１において、第１補助キャパシタ電圧ＶＣＡ１をとり、第２スイッチＳＷ２がオンの期間ＴＯＮ２において、接地電圧ＶＧＮＤをとる。自動チューニング補助回路３０は、補正電圧ＶＡを送信アンテナ２０に印加する補正電源と把握することができる。図５は、図２のワイヤレス給電装置２の等価回路図である。【0047】
図６（ａ）は、自動チューニング補助回路３０を動作させない状態、図６（ｂ）は、自動チューニング補助回路３０を動作させたときの波形図である。はじめに図６（ａ）を参照し、自動チューニング補助回路３０を動作させない状態、すなわち第１スイッチＳＷ１をオフで固定し、第２スイッチＳＷ２をオンで固定した状態について説明する。これは、補正電圧ＶＡが接地電圧ＶＧＮＤに固定される状態を示す。
送信アンテナ２０のインピーダンスＺは式（１）で与えられ、その共振周波数ｆｃは式（２）で与えられる。なお、ここでは抵抗成分を無視しているが、実際の回路には直列抵抗が寄与することは言うまでもない。
Ｚ＝ｊωＬＴＸ＋１／（ｊωＣＴＸ） …（１）
ｆＣ＝１／（２π√（ＬＴＸ・ＣＴＸ）） …（２）
【0048】
送信アンテナ２０は、駆動電圧ＶＤＲＶの周波数ｆＴＸが共振周波数ｆｃより高い（ｆＴＸ＞ｆｃ）とき誘導性となり、送信アンテナ２０に流れる共振電流ＩＴＸの位相は、駆動電圧ＶＤＲＶの位相に対して遅れる。反対に、周波数ｆＴＸが共振周波数ｆｃより低い（ｆＴＸ＜ｆｃ）とき容量性となり、共振電流ＩＴＸの位相は、駆動電圧ＶＤＲＶに対して進む。【0049】
図６（ａ）は、ｆｃ＞ｆＴＸの状態を示しており、共振電流ＩＴＸの位相は、駆動電圧ＶＤＲＶに対して位相差φ進んでいる。φが９０°でないのは、共振回路に直列の抵抗成分（不図示）が存在するためである。非共振状態ではインピーダンスＺが高くなるため、共振電流ＩＴＸの振幅が小さくなる。この状態では大きな電力を伝送することはできない。【0050】
続いて、図６（ｂ）を参照し、自動チューニング補助回路３０を動作させたときの動作を説明する。【0051】
自動チューニング補助回路３０を動作させると、送信アンテナ２０には駆動電圧ＶＤＲＶに対してθＴＸ＝９０°遅れた位相の補正電圧ＶＡが印加される。その結果、共振電流ＩＴＸの位相が駆動電圧ＶＤＲＶの位相と一致し、擬似的な共振状態となる。これにより、共振電流ＩＴＸの振幅は、非共振状態よりも大きくなる。【0052】
図７は、ｆｃ＜ｆＴＸの場合の、自動チューニング補助回路３０による疑似共振状態を説明するフェーザ図（ベクトル図）である。駆動電圧ＶＤＲＶの位相は０°、補正電圧ＶＡの位相はθＴＸ＝９０°である。ｆｃ＜ｆＴＸにおいて、電流の位相は、電圧に対して位相差φ遅れる。したがって駆動電圧ＶＤＲＶと電流成分ＩＤＲＶの位相差はφであり、補正電圧ＶＡと電流成分ＩＡの位相差もφである。
【0053】
「重ねの理」によって、共振電流ＩＴＸは、駆動電圧ＶＤＲＶによって誘起される電流成分ＩＤＲＶと、補正電圧ＶＡによって誘起される電流成分ＩＡの和で与えられる。駆動電圧ＶＤＲＶと補正電圧ＶＡは位相差θＴＸ（＝９０°）を有するため、電流成分ＩＤＲＶとＩＡの位相差も９０°となる。補正電圧ＶＡの振幅、言い換えれば電流成分ＩＡの振幅を最適化すれば、２つの電流成分ＩＤＲＶとＩＡの合成電流、すなわち共振電流ＩＴＸの位相を、駆動電圧ＶＤＲＶの位相（０°）と一致させることができ、疑似共振状態が実現できることが分かる。【0054】
実施の形態に係るワイヤレス給電装置２の優れた利点のひとつは、疑似共振状態を満足する補正電圧ＶＡを自動的に生成できる点である。図８は、非共振状態および共振状態における共振電流ＩＴＸを示す図である。波形（Ｉ）は、非共振状態における共振電流ＩＴＸを示す。スイッチＳＷ１がオンの期間ＴＯＮ１において、第１補助キャパシタＣＡ１は、共振電流ＩＴＸによって充放電される。具体的には、第１補助キャパシタＣＡ１は、共振電流ＩＴＸが正の期間に充電され、負の期間に放電される。その結果、正の期間が長ければキャパシタ電圧ＶＣＡ１は増大し、負の期間が長ければキャパシタ電圧ＶＣＡ１は低下する。
【0055】
あるサイクルのオン時間ＴＯＮ１において、キャパシタ電圧ＶＣＡ１が増大する。そして、増大したキャパシタ電圧ＶＣＡ１に応じた補正電圧ＶＡが送信アンテナ２０に印加される。そうすると、次のサイクルでは、共振電流ＩＴＸの位相が前のサイクルより進む。これを繰り返すと、キャパシタ電圧ＶＣＡ１がサイクル毎に増加しながら、共振電流ＩＴＸの位相が徐々に進んでいき、駆動電圧ＶＤＲＶの位相と一致するポイント（共振点）までシフトしていく。共振電流ＩＴＸの位相が進みすぎると、反対に第１補助キャパシタＣＡ１の放電電流の方が大きくなり、キャパシタ電圧ＶＣＡ１が低下する方向にフィードバックがかかり、共振点に引き戻される。共振点では１サイクルでの第１補助キャパシタＣＡ１の充電電流と放電電流がバランスし、キャパシタ電圧ＶＣＡ１が平衡状態となり、擬似的な共振状態が持続する。このように、図２のワイヤレス給電装置２によれば、疑似共振状態を生ずるために必要な補正電圧ＶＡを自動的に生成できる。【0056】
以上がワイヤレス給電装置２の動作である。このようにワイヤレス給電装置２によれば、送信アンテナ２０の共振周波数ｆｃを調節することなく、疑似共振状態を実現するように回路の状態を自動的にチューニングすることができる。ワイヤレス送電では、ワイヤレス給電装置２とワイヤレス受電装置４の位置関係によって、共振周波数が時々刻々と変化するが、ワイヤレス給電装置２によれば、その変化に高速に追従することができ、高効率な電力伝送が可能となる。
【0057】
またワイヤレス給電で大電力を伝送しようとすると、共振用キャパシタＣＴＸの両端間の電圧は非常に大きくなるため、バリコン（バリキャップ）の利用は制約される。ワイヤレス給電装置２によれば共振用キャパシタＣＴＸの容量値を調節する必要がないため、バリコン等を使用する必要がないという利点もある。【0058】
ここでは、第１スイッチＳＷ１を、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１の位相に対してθＴＸ＝９０°遅れた位相でスイッチングさせる場合を説明したが、位相差θＴＸは９０°である必要はなく、２７０°（−９０°）であってもよい。この場合、キャパシタ電圧ＶＣＡ１が負電圧となるように自動的に調節されるからである。【0059】
すなわち、ｆｃ＜ｆＴＸの場合、θＴＸ＝９０°または２７０°とすることにより、疑似共振状態を実現できる。位相差θＴＸは、９０°もしくは２７０°から外れていてもよい。この場合、図７に示すベクトル図において、電流成分ＩＤＲＶとＩＡの位相差θＴＸが９０°ではなくなるが、この場合でも、それらを合成した共振電流ＩＴＸの位相が０°となるように、キャパシタ電圧ＶＣＡ１が自動的に調節される。ただし、位相差θＴＸが９０°もしくは２７０°に近いほど、電流成分ＩＡの振幅、言い換えればキャパシタ電圧ＶＣＡ１の絶対値が小さくできるという利点がある。
【0060】
なお、ｆｃ＜ｆＴＸの場合にθＴＸ＝２７０°とできるのは、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２を双方向スイッチを用いて構成した場合に限られる。第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２が片方向スイッチである場合には、θＴＸ＝２７０°とすることはできない。この場合、ボディダイオードに電流が流れてしまうからである。片方向スイッチを用いる場合、逆導通素子であるボディダイオードに電流が流れないような位相で、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２をスイッチングさせる必要がある。【0061】
ワイヤレス給電装置２は、ｆｃ＜ｆＴＸの場合のみでなく、ｆｃ＞ｆＴＸの場合においても、自動的に疑似共振状態を実現できる。この場合、θＴＸ＝２７０°（−９０°）とすることが好ましい。【0062】
図９は、ｆｃ＞ｆＴＸの場合の、自動チューニング補助回路３０による疑似共振状態を説明するフェーザ図である。駆動電圧ＶＤＲＶの位相を０°、補正電圧ＶＡの位相をθＴＸ＝２７０°（−９０°）としている。ｆｃ＞ｆＴＸにおいて、電流の位相は電圧に対して進むが、この場合であっても、疑似共振状態が実現できる。【0063】
なおｆｃ＞ｆＴＸにおいて、位相差θＴＸを９０°付近としてもよい。この場合、疑似共振状態が得られるように、自動的にキャパシタ電圧ＶＣＡ１が負電圧となる。【0064】
ただし、ｆｃ＜ｆＴＸの場合にθＴＸ＝９０°とできるのは、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２を双方向スイッチを用いて構成した場合に限られる。第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２が片方向スイッチである場合には、θＴＸ＝９０°とすることはできない。上述したように、ボディダイオードに電流が流れてしまうからである。【0065】
続いて、ワイヤレス給電装置２の変形例を説明する。各変形例は、任意の他の変形例と組み合わせることができ、このような組み合わせも本発明の範囲に含まれる。【0066】
図１０は、第１の変形例に係るワイヤレス給電装置２ａの構成を示す回路図である。自動チューニング補助回路３０ａは、第１端子３１と第２端子３２の間に、第２スイッチＳＷ２と直列に設けられた第２補助キャパシタＣＡ２を備える。【0067】
この変形例において、補正電圧ＶＡは、第１スイッチＳＷ１のオン時間ＴＯＮ１においてキャパシタ電圧ＶＣＡ１と等しくなり、第２スイッチＳＷ２のオン時間ＴＯＮ２においてキャパシタ電圧ＶＣＡ２と等しくなる。【0068】
ワイヤレス給電装置２ａによれば、キャパシタ電圧ＶＣＡ１、ＶＣＡ２を最適化されることにより、ｆＴＸ＞ｆｃ、ｆＴＸ＜ｆｃいずれの場合も疑似共振状態を実現できる。【0069】
図１１は、第２の変形例に係るワイヤレス給電装置２ｂの構成を示す回路図である。自動チューニング補助回路３０ｂは、充電回路３４および検出抵抗Ｒｓを備える。検出電流Ｒｓは、共振電流ＩＴＸの経路上に設けられる。検出抵抗Ｒｓには、共振電流ＩＴＸに比例した検出電圧Ｖｓが発生する。充電回路３４は、検出電圧Ｖｓにもとづき、第１補助キャパシタＣＡ１を、疑似共振状態となるようなレベルに充電する。上述のように、キャパシタ電圧ＶＣＡ１は自動的に最適なレベルとなるが、充電回路３４を設けることにより、より短い時間で、疑似共振状態とすることができる。【0070】
図１２は、第３の変形例に係るワイヤレス給電装置２ｃの構成を示す回路図である。これまでは電源がハーフブリッジ回路の場合を説明したが、図１２の電源１０ｃはＨブリッジ回路で構成される。第２ハイサイドスイッチＳＷＨ２および第２ローサイドスイッチＳＷＬ２は、直流電源１２の出力端子と固定電圧端子（接地端子）の間に順に直列に設けられる。
【0071】
第１制御部４０ｃは、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１と第２ローサイドスイッチＳＷＬ２のペアがオンの状態と、第２ハイサイドスイッチＳＷＨ２と第１ローサイドスイッチＳＷＬ１のペアがオンの状態を、交互に繰り返す。第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１と第１ローサイドスイッチＳＷＬ１の接続点（第１出力端子）ＯＵＴ１と、第２ハイサイドスイッチＳＷＨ２と第２ローサイドスイッチＳＷＬ２の接続点（第２出力端子）ＯＵＴ２には、互いに逆相の駆動電圧ＶＤＲＶ、＃ＶＤＲＶが発生する。送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路３０ｃは、第１出力端子ＯＵＴ１と第２出力端子ＯＵＴ２の間に直列にカップリングされる。
【0072】
図１２のワイヤレス給電装置２ｃによっても、これまで説明したワイヤレス給電装置と同様の効果を得ることができる。【0073】
図１３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第４、第５の変形例に係るワイヤレス給電装置２ｄ、２ｅの構成を示す回路図である。第１制御部４０は省略される。図１３（ａ）のワイヤレス給電装置２ｄにおいて、自動チューニング補助回路３０ｄは、第１トランスＴ１を介して送信アンテナ２０と直列にカップリングされる。具体的には、第１トランスＴ１の２次巻線Ｗ２は第１端子３１と第２端子３２の間に設けられ、その１次巻線Ｗ１は、送信アンテナ２０と直列に設けられる。電源１０は、送信アンテナ２０と１次巻線Ｗ１の両端間に駆動電圧を印加する。
【0074】
このワイヤレス給電装置２ｄでは、第１トランスＴ１を介して送信アンテナ２０と自動チューニング補助回路３０ｄの間のエネルギーの授受が行われる。この構成によっても、これまで説明したワイヤレス給電装置と同様の効果を得ることができる。【0075】
図１３（ｂ）では、電源１０が第２トランスＴ２を介して送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路３０ｄの両端間に駆動電圧ＶＤＲＶを印加する。具体的には第２トランスＴ２の２次巻線Ｗ２は、送信アンテナ２０と直列に設けられる。電源１０は、第２トランスＴ２の１次巻線Ｗ１の両端に駆動電圧ＶＤＲＶを印加する。【0076】
このワイヤレス給電装置２ｅでは、駆動電圧ＶＤＲＶは、第２トランスＴ２を介して送信アンテナ２０と自動チューニング補助回路３０ｄの両端間に印加される。この構成によっても、これまで説明したワイヤレス給電装置と同様の効果を得ることができる。ワイヤレス給電装置２ｅにおいて、第１トランスＴ１を省略してもよい。図１３（ａ）、（ｂ）における電源１０は、Ｈブリッジ回路、ハーフブリッジ回路、その他の電源のいずれであってもよい。【0077】
（ワイヤレス受電装置）上述した自動チューニング補助回路は、ワイヤレス受電装置にも利用することができる。以下では、ワイヤレス受電装置について説明する。
【0078】
図１４は、第１の実施の形態に係るワイヤレス受電装置４の構成を示す回路図である。ワイヤレス受電装置４は、上述の、あるいは全く別構成のワイヤレス給電装置から送信される電力信号Ｓ１を受ける。電力信号Ｓ１は、電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。【0079】
ワイヤレス受電装置４は、受信アンテナ５０、自動チューニング補助回路６０および電力を供給すべき負荷７０を備える。負荷７０には、図示しない整流回路、検波回路などが内蔵されてもよい。【0080】
受信アンテナ５０は、第１端５１と第２端５２の間に直列に設けられた受信コイルＬＲＸおよび共振用キャパシタＣＲＸを含む。【0081】
自動チューニング補助回路６０は、上述の自動チューニング補助回路３０と同様に構成される。具体的には、第３スイッチＳＷ３および第３補助キャパシタＣＡ３は、第１端子６１と第２端子６２の間に直列に設けられる。第４スイッチＳＷ４は、第１端子６１と第２端子６２の間に、第３スイッチＳＷ３および第３補助キャパシタＣＡ３と並列に設けられる。【0082】
第２制御部６４は、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４を、電力信号Ｓ１と同じ周波数で、かつ送信側においてアンテナに印加される駆動電圧（ＶＤＲＶ）に対してある位相差θＲＸで相補的にスイッチングする。たとえばθＲＸ＝１８０°または０°であることが好ましい。【0083】
自動チューニング補助回路６０は、受信アンテナ５０と直列にカップリングされる。また電力を供給すべき負荷７０は、第３補助キャパシタＣＡ３に接続される。【0084】
以上がワイヤレス受電装置４の構成である。続いてその動作を説明する。図１５は、図１４のワイヤレス受電装置４の等価回路図である。ワイヤレス給電装置２における自動チューニング補助回路３０と同様に、自動チューニング補助回路６０は、補正電圧ＶＡを受信アンテナ５０に印加する補正電源と把握することができる。補正電圧ＶＡは、第３スイッチＳＷ３のオン時間ＴＯＮ３において、第３補助キャパシタＣＡ３の電圧ＶＣＡ３となり、第４スイッチＳＷ４のオン時間ＴＯＮ４において接地電圧となる。【0085】
図１６は、図１４のワイヤレス受電装置４の動作を示す波形図である。図１６は上から順に、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４、補正電圧ＶＡ、受信アンテナ５０に流れる共振電流ＩＲＸ、受信コイルＬＲＸと共振用キャパシタＣＲＸの両端間の共振電圧ＶＲＸを示す。スイッチを示す波形は、ハイレベルがオン状態を、ローレベルがオフ状態を示す。共振電流ＩＲＸおよび共振電圧ＶＲＸは、実線が自動チューニング補助回路６０を動作させてから十分な時間が経過した後の定常状態（疑似共振状態）における波形を、破線が自動チューニング補助回路６０を動作させない非共振状態における波形を示す。【0086】
第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４を、ワイヤレス給電装置側の駆動電圧ＶＤＲＶに対して１８０°または０°シフトした位相θＲＸで相補的にスイッチングさせることにより、第３補助キャパシタＣＡ３が充電、または放電される。そして補正電圧ＶＡが受信アンテナ５０に印加されることにより、共振電流ＩＡの位相が、送信側の駆動電圧ＶＤＲＶの位相と一致し、疑似共振状態が実現できる。【0087】
疑似共振状態を実現するためには、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４を適切な周波数ｆＴＸおよび位相θＲＸでスイッチングさせる必要がある。そこでワイヤレス給電装置２からワイヤレス受電装置４に対して、周波数ｆＴＸおよび位相θＲＸを示すデータを送信してもよい。あるいはワイヤレス受電装置４は、位相θＲＸをスイープし、最適な位相θＲＸを検出してもよい。【0089】
続いてワイヤレス受電装置４の変形例を説明する。【0090】
図１４では、負荷７０が第３補助キャパシタＣＡ３と接続される場合を説明したが、負荷７０は別の位置に設けられてもよい。図１７（ａ）、（ｂ）は、第１、第２の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。図１７（ａ）のワイヤレス受電装置４ａにおいて、負荷７０ａは、受信アンテナ５０および自動チューニング補助回路６０と直列に設けられる。具体的には負荷７０ａは受信アンテナ５０の第１端５１に接続される。【0091】
図１７（ｂ）のワイヤレス受電装置４ｂは、第３トランスＴ３を備え、受信アンテナ５０と負荷７０ｂは、第３トランスＴ３によって絶縁される。第３トランスＴ３の１次巻線Ｗ１は、受信アンテナ５０と直列に設けられ、２次巻線Ｗ２に負荷７０ｂが接続される。【0092】
図１７（ａ）、（ｂ）に示すように、受信アンテナ５０と直列に負荷を接続した場合、負荷のインピーダンスが低い場合には、自動チューニング補助回路６０による調整をしなくても、ある程度の電力を取り出すことができるという利点がある。一方で、負荷の抵抗成分によって受信アンテナ５０のＱ値が低下するため、大電力が取り出しにくくなる。【0093】
反対に図４のように自動チューニング補助回路６０から電力を取り出す場合、負荷７０によって受信アンテナ５０のＱ値が低下しないため、負荷７０のインピーダンスが高い場合でも、大電力を取り出すことができる。一方、負荷７０のインピーダンスが低すぎる場合、自動チューニング補助回路６０の動作が阻害されるという問題がある。【0094】
したがって、負荷をいずれの位置に配置するかは、送電すべき電力や、負荷のインピーダンス等を考慮して決定すればよい。【0095】
図１８は、第３の変形例に係るワイヤレス受電装置４ｃの構成を示す回路図である。自動チューニング補助回路６０ｃは、第１端子６１と第２端子６２の間に第４スイッチＳＷ４と直列に設けられた第４補助キャパシタＣＡ４をさらに備える。負荷７０の位置は限定されない。【0096】
この変形例において、補正電圧ＶＡは、第３スイッチＳＷ３のオン時間ＴＯＮ３においてキャパシタ電圧ＶＣＡ３と等しくなり、第４スイッチＳＷ４のオン時間ＴＯＮ４においてキャパシタ電圧ＶＣＡ４と等しくなる。このワイヤレス受電装置４ｃによれば、ｆＴＸ＞ｆｃ、ｆＴＸ＜ｆｃそれぞれの状態において疑似共振状態となるように、キャパシタ電圧ＶＣＡ１、ＶＣＡ２を最適化することができる。【0097】
ワイヤレス受電装置において、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４は、片方向スイッチ、双方向スイッチのいずれで構成してもよい。片方向スイッチで構成する場合、それぞれの逆導通素子に電流が流れない位相で、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４をスイッチングする必要がある。【0098】
図１９（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、第４、第５の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。第２制御部６４は省略される。図１９（ａ）のワイヤレス受電装置４ｄにおいて、自動チューニング補助回路６０ｄは、第４トランスＴ４を介して受信アンテナ５０と直列にカップリングされる。具体的には、第４トランスＴ４の２次巻線Ｗ２は第１端子６１と第２端子６２の間に設けられ、その１次巻線Ｗ１は、受信アンテナ５０と直列に設けられる。
【0099】
このワイヤレス受電装置４ｄでは、第４トランスＴ４を介して受信アンテナ５０と自動チューニング補助回路６０ｄの間のエネルギーの授受が行われる。この構成によっても、これまで説明したワイヤレス受電装置と同様の効果を得ることができる。【0100】
図１９（ｂ）では、負荷７０が第５トランスＴ５を介して受信アンテナ５０および自動チューニング補助回路６０ｄとカップリングされる。具体的には第５トランスＴ５の１次巻線Ｗ１は、受信アンテナ５０と直列に接続される。負荷７０は、第５トランスＴ５の２次巻線Ｗ２の両端に接続される。【0101】
この構成によっても、これまで説明したワイヤレス受電装置と同様の効果を得ることができる。ワイヤレス受電装置４ｅにおいて、第４トランスＴ４を省略してもよい。図１９（ａ）において負荷７０を第３補助キャパシタＣＡ３とカップリングしてもよい。あるいは図１９（ｂ）において負荷７０を第３補助キャパシタＣＡ３と第５トランスＴ５を介してカップリングしてもよい。【0102】
（ワイヤレス送電システム）上述のワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置を組み合わせることにより、ワイヤレス送電システムを実現できる。
【0103】
図２０は、第１の実施の形態に係るワイヤレス送電システムの構成例を示す回路図である。ワイヤレス送電システム１は、ワイヤレス給電装置２とワイヤレス受電装置４を備える。【0104】
負荷７０は、負荷回路７６に加えて、整流回路７２およびスイッチングレギュレータ７４を備える。整流回路７２は同期検波回路であり、平滑用キャパシタＣ３、第３ハイサイドスイッチＳＷＨ３、第３ローサイドスイッチＳＷＬ３を備える。【0105】
スイッチングレギュレータ７４は、昇降圧コンバータであり、負荷回路７６に対して最大電力を供給できるように制御される。スイッチングレギュレータ７４の構成および動作は公知であるため、ここでの説明は省略する。【0107】
ワイヤレス給電装置２において、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２は、駆動電圧ＶＤＲＶに対してθＴＸ＝９０°遅れた位相で駆動される。その結果、ワイヤレス給電装置２において疑似共振状態が成立する。【0108】
ワイヤレス受電装置４においては、ワイヤレス給電装置２側の駆動電圧ＶＤＲＶに対してθＲＸ＝１８０°遅れた位相で、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４が駆動される。また第３スイッチＳＷ３は、第１スイッチＳＷ１に対して９０°遅れた位相で駆動される。その結果、ワイヤレス受電装置４においても疑似共振状態が成立する。【0109】
整流回路７２の第３ハイサイドスイッチＳＷＨ３および第３ローサイドスイッチＳＷＬ３は、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４に対して９０°遅れた位相で駆動される。その結果、平滑用キャパシタＣ３に直流電圧が発生する。この直流電圧は、スイッチングレギュレータ７４によって負荷回路７６に最適な電圧レベルに変換される。【0110】
以上がワイヤレス送電システム１の動作である。このようにワイヤレス送電システム１によれば、ワイヤレス給電装置２、ワイヤレス受電装置４それぞれに自動チューニング補助回路を設けることにより、負荷７０に対して最大電力を送信することが可能となる。【0111】
当然ながら、変形例を含めた任意のワイヤレス給電装置２と、任意のワイヤレス受電装置４が組み合わせ可能であることは言うまでもない。【0112】
図２０では、ワイヤレス給電装置２、ワイヤレス受電装置４の両方に自動チューニング補助回路を実装する場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。ワイヤレス給電装置２にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス受電装置は、従来のように共振用キャパシタＣＲＸの調節を行ってもよい。
反対にワイヤレス受電装置４にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス給電装置２は、従来のように共振用キャパシタＣＴＸの調節を行ってもよい。
【0113】
さらには、ワイヤレス給電装置２にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス受電装置４は、一切の調節機構を有さなくてもよい。あるいはワイヤレス受電装置４にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス給電装置２は、一切の調節機構を有さなくてもよい。これらの場合、単一の自動チューニング補助回路によって、電源１０と負荷７０の間のインピーダンスマッチングがとれるようにチューニングされ、高効率な電力伝送が可能となる。この場合に、自動チューニング補助回路のスイッチングの位相θＴＸ（θＲＸ）の最適値は９０°もしくは２７０°（１８０°もしくは０°）から外れることに留意すべきである。
【0114】
以上、本発明について、第１の実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。【0115】
自動チューニング補助回路３０を備えるワイヤレス給電装置２においては、共振用キャパシタＣＴＸを省略しても疑似共振状態が実現できる場合がある。この場合、共振用キャパシタＣＴＸを省略してもよい。同様に自動チューニング補助回路６０を備えるワイヤレス受電装置４において、共振用キャパシタＣＲＸを省略してもよい。【0116】
ワイヤレス給電装置２は、所定の規則（暗号コード）に従い、駆動電圧ＶＤＲＶの周波数ｆＴＸおよび位相の少なくとも一方を変化させ、電力信号Ｓ１を暗号化する。暗号コードを知っているワイヤレス受電装置４は、その暗号コードにもとづき、自動チューニング補助回路６０のスイッチング周波数、位相を制御する。その結果、電力信号Ｓ１が暗号化されている場合でも、それを復号して電力供給を受けることができる。暗号コードを知らないワイヤレス受電装置は、自動チューニング補助回路６０のスイッチを適切に制御できないため、電力を受信することができなくなる。ワイヤレス電力伝送では、悪意の利用者による盗電が問題となりうるが、自動チューニング補助回路を利用することにより、この問題を解決することができる。あるいは、単一のワイヤレス給電装置２が複数のワイヤレス受電装置４に給電する際に、自動チューニング補助回路を利用することにより端末毎の給電量を制御できる。
【0117】
（第２の実施の形態）第１の実施の形態では、２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２を含む自動チューニング補助回路を説明した。第２の実施の形態における自動チューニング補助回路は、４つのスイッチを含んで構成される。自動チューニング補助回路８０を除くブロックの構成については、第１の実施の形態と同様である。また、第１の実施の形態で説明したさまざまな変形例は、第２の実施の形態においても有効である。
【0118】
（ワイヤレス給電装置）図２２は、第２の実施の形態に係るワイヤレス給電装置２の構成を示す回路図である。ワイヤレス給電装置２は、ワイヤレス受電装置（不図示）に対して電力信号Ｓ１を送出する。電力信号Ｓ１は、電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。
【0119】
ワイヤレス給電装置６は、電源１０、送信アンテナ２０、自動チューニング補助回路８０、第１制御部４０を備える。【0120】
送信アンテナ２０は、その第１端２１とその第２端２２の間に設けられた送信コイルＬＴＸを含む。共振用キャパシタＣＴＸは、送信コイルＬＴＸと直列に設けられる。共振用キャパシタＣＴＸと送信コイルＬＴＸは入れかえてもよい。【0121】
自動チューニング補助回路８０は、送信アンテナ２０と直列にカップリングされる。電源１０は、図２と同様にハーフブリッジ回路で構成され、送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路８０の両端間に、所定の送信周波数ｆＴＸを有する交流の駆動電圧ＶＤＲＶを印加する。駆動電圧ＶＤＲＶは、矩形波、台形波、正弦波をはじめとする任意の交流波形であって構わない。本実施の形態では、駆動電圧ＶＤＲＶは、第１電圧レベル（電源電圧ＶＤＤ）と第２電圧レベル（接地電圧ＶＧＮＤ＝０Ｖ）でスイングする矩形波であるものとする。【0122】
電源１０は、図２の電源１０と同様にハーフブリッジ回路で構成される。第１制御部４０は、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１および第１ローサイドスイッチＳＷＬ１を、送信周波数ｆＴＸで相補的にスイッチングする。【0123】
第２の実施の形態において、自動チューニング補助回路８０は、第１端子８１、第２端子８２、第１スイッチＳＷｃ１〜第４スイッチＳＷｃ４、第１補助キャパシタＣＡ５を備える。【0124】
第１スイッチＳＷｃ１および第２スイッチＳＷｃ２は、第１端子８１と第２端子８２の間に順に直列に設けられる。第３スイッチＳＷｃ３および第４スイッチＳＷｃ４は、第１端子８１と第２端子８２の間に順に直列に、かつ第１スイッチＳＷｃ１および第２スイッチＳＷｃ２に対して並列に設けられる。第１補助キャパシタＣＡ５は、第１スイッチＳＷｃ１と第２スイッチＳＷｃ２の接続点Ｎ１と、第３スイッチＳＷｃ３と第４スイッチＳＷｃ４の接続点Ｎ２の間に設けられる。第１補助キャパシタＣＡ５の容量値は、共振用キャパシタＣＴＸに比べて十分に大きいことが望ましい。【0125】
第１制御部４０は、第１スイッチＳＷｃ１〜第４スイッチＳＷｃ４を、駆動電圧ＶＤＲＶと同じ周波数ｆＴＸで、かつ駆動電圧ＶＤＲＶに対してある位相差θＴＸでスイッチングする。好ましくは位相差θＴＸは、＋９０°もしくは−９０°（２７０°）付近であってもよい。すなわち第１制御部４０の一部は、自動チューニング補助回路８０を構成する。【0126】
第１の実施の形態と同様に、第１スイッチＳＷｃ１〜第４スイッチＳＷｃ４は、双方向スイッチ、あるいは片方向スイッチのいずれかでも構成できる。片方向スイッチを用いる場合、それらのスイッチングの位相に注意を払う必要があることも、すでに説明した通りである。【0127】
以上がワイヤレス給電装置６の構成である。続いてその動作を説明する。【0128】
図２３は、図２２のワイヤレス給電装置６の動作を示す波形図である。図２３は、上から順に、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１、第１ローサイドスイッチＳＷＬ１、駆動電圧ＶＤＲＶ、第１スイッチＳＷｃ１、第２スイッチＳＷｃ２、第３スイッチＳＷｃ３、第４スイッチＳＷｃ４、第１端子８１に生ずる補正電圧ＶＡ、送信アンテナ２０に流れる共振電流ＩＴＸ、送信コイルＬＴＸと共振用キャパシタＣＴＸの両端間の共振電圧ＶＴＸを示す。スイッチを示す波形は、ハイレベルがオン状態を、ローレベルがオフ状態を示す。また共振電流ＩＴＸおよび共振電圧ＶＴＸは、自動チューニング補助回路３０を動作させてから十分な時間が経過した後の定常状態における波形を示す。【0129】
図２３に示すように、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１、第１ローサイドスイッチＳＷＬ１を相補的にスイッチングすることにより、矩形波の駆動電圧ＶＤＲＶが送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路３０の両端間に印加される。第１制御部４０は、駆動電圧ＶＤＲＶと同じ周波数で、かつ駆動電圧ＶＤＲＶに対してθＴＸ（＝９０°）遅れた位相で、第１スイッチＳＷｃ１および第４スイッチＳＷｃ４を含む第１のペアＰ１を駆動し、第１のペアＰ１と相補的に、すなわち１８０°ずれた位相で、第２スイッチＳＷｃ２および第３スイッチＳＷｃ３を含む第２のペアＰ２を駆動する。【0130】
共振電流ＩＴＸは、第１のペアＰ１のオン時間ＴＯＮ１において、第１スイッチＳＷｃ１、第１補助キャパシタＣＡ５、第４スイッチＳＷｃ４を含む経路に流れ、第２のペアＰ２のオン時間ＴＯＮ２において、第３スイッチＳＷｃ３、第１補助キャパシタＣＡ５、第２スイッチＳＷｃ２を含む経路に流れる。【0131】
つまり、第１補助キャパシタＣＡ５は、共振電流ＩＴＸによって充放電され、その結果、第１補助キャパシタＣＡ５には、キャパシタ電圧ＶＣＡ５が発生する。【0132】
自動チューニング補助回路８０は、送信アンテナ２０の第２端２２に補正電圧ＶＡを印加する。補正電圧ＶＡは、第１のペアＰ１がオンの期間ＴＯＮ１において第１の極性をとり、第２のペアＰ２がオンの期間ＴＯＮ２において第２の極性をとる。自動チューニング補助回路８０は、補正電圧ＶＡを送信アンテナ２０に印加する補正電源と把握することができる。すなわち、ワイヤレス給電装置６の等価回路は、図５の等価回路と同等とみなすことができ、その動作原理も同様であることがわかる。【0133】
すなわち自動チューニング補助回路８０を動作させると、送信アンテナ２０に対して、駆動電圧ＶＤＲＶに対してθＴＸ＝９０°遅れた位相の補正電圧ＶＡが印加される。その結果、共振電流ＩＴＸの位相が駆動電圧ＶＤＲＶの位相と一致し、擬似的な共振状態となる。これにより、共振電流ＩＴＸの振幅は、非共振状態よりも大きくなる。これは、図７、図９のフェーザ図に示される通りである。【0134】
第２の実施の形態における自動チューニング補助回路８０の動作は、第１の実施の形態において図８を参照して説明した通りであり、疑似共振状態を満足する補正電圧ＶＡを自動的に生成することができる。【0135】
以上がワイヤレス給電装置６の動作である。このようにワイヤレス給電装置６によれば、送信アンテナ２０の共振周波数ｆｃを調節することなく、疑似共振状態を実現するように回路の状態を自動的にチューニングすることができる。ワイヤレス送電では、ワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置の位置関係によって、共振周波数が時々刻々と変化するが、ワイヤレス給電装置６によれば、その変化に高速に追従することができ、高効率な電力伝送が可能となる。
【0136】
またワイヤレス給電で大電力を伝送しようとすると、共振用キャパシタＣＴＸの両端間の電圧は非常に大きくなるため、バリコン（バリキャップ）の利用は制約される。ワイヤレス給電装置６によれば共振用キャパシタＣＴＸの容量値を調節する必要がないため、バリコン等を使用する必要がないという利点もある。【0137】
ここでは、第１スイッチＳＷｃ１、第４スイッチＳＷｃ４を含む第１ペアを、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１（駆動電圧ＶＤＲＶ）の位相に対してθＴＸ＝９０°遅れた位相でスイッチングさせる場合を説明したが、位相差θＴＸは９０°である必要はなく、２７０°（−９０°）であってもよい。この場合、キャパシタ電圧ＶＣＡ１が逆極性となるように自動的に調節されるからである。ただし、第１スイッチＳＷｃ１〜第４スイッチＳＷｃ４を片方向スイッチを用いて構成する場合には、逆導通素子に電流が流れない位相でスイッチングする必要がある。具体的には、ｆｃ＜ｆＴＸのときにθＴＸ＝９０°
ｆｃ＞ｆＴＸのときにθＴＸ＝２７０°
とすることが望ましい。
【0138】
また第１の実施の形態で説明したように、位相差θＴＸは、９０°もしくは２７０°から外れていてもよい。【0139】
続いて、ワイヤレス給電装置６の変形例を説明する。各変形例は、任意の他の変形例と組み合わせることができ、このような組み合わせも本発明の範囲に含まれる。【0140】
図２４は、第１の変形例に係るワイヤレス給電装置６ａの構成を示す回路図である。図２４の電源１０ｃはＨブリッジ回路で構成される。送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路８０ａは、電源１０ｃの第１出力端子ＯＵＴ１と第２出力端子ＯＵＴ２の間に直列に設けられる。さらに直流阻止用のキャパシタＣ２が、送信アンテナ２０と自動チューニング補助回路８０ａと直列に設けられる。自動チューニング補助回路８０ａにおいて、第１補助キャパシタＣＡ５の一端（Ｎ２）は接地される。【0141】
図２４のワイヤレス給電装置６ａによっても、これまで説明したワイヤレス給電装置と同様の効果を得ることができる。【0142】
第１の実施の形態で説明したように、電源、自動チューニング補助回路、その両方は、トランスを介して送信アンテナ２０とカップリングされてもよい。図２５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ第２〜第４の変形例に係るワイヤレス給電装置６ｂ〜６ｄの構成を示す回路図である。第１制御部４０は省略される。【0143】
図２５（ａ）のワイヤレス給電装置６ｂでは、自動チューニング補助回路８０ａは、第６トランスＴ６を介して送信アンテナ２０と直列にカップリングされる。具体的には、第６トランスＴ６の１次巻線Ｗ１が、送信アンテナ２０と直列に設けられ、その２次巻線Ｗ２は、自動チューニング補助回路８０ａの第１端子６１と第２端子６２の間に設けられる。電源１０ｃは、送信アンテナ２０と第６トランスＴ６の１次巻線Ｗ１の両端間に駆動電圧を印加する。【0144】
図２５（ｂ）のワイヤレス給電装置６ｃでは、電源１０ｃは、第７トランスＴ７を介して、送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路８０ａとカップリングされる。電源１０ｃは、第７トランスＴ７の１次巻線Ｗ１の両端に駆動電圧を印加する。送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路８０ａは、２次巻線Ｗ２と直列に設けられる。【0145】
図２５（ｃ）のワイヤレス給電装置６ｄでは、ハーフブリッジ構成の電源１０が、第７トランスＴ７を介して送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路８０ａとカップリングされる。電源１０の出力端子と第７トランスＴ７の第１巻線Ｗ１の間には、直流阻止用のキャパシタＣ３が設けられる。【0146】
さらに図２５（ａ）〜（ｃ）の変形例を組み合わせて、電源、自動チューニング補助回路の両方を、送信アンテナに対してトランスで結合してもよい。【0147】
これらの変形例によっても、これまで説明したワイヤレス給電装置と同様の効果を得ることができる。【0148】
（ワイヤレス受電装置）上述した第２の実施の形態に係る自動チューニング補助回路は、ワイヤレス受電装置にも利用することができる。以下では、ワイヤレス受電装置について説明する。
【0149】
図２６は、第２の実施の形態に係るワイヤレス受電装置８の構成を示す回路図である。ワイヤレス受電装置８は、上述の、あるいは全く別構成のワイヤレス給電装置から送信される電力信号Ｓ１を受ける。電力信号Ｓ１は、電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。【0150】
ワイヤレス受電装置８は、受信アンテナ５０、自動チューニング補助回路９０および電力を供給すべき負荷７０を備える。負荷７０には、図示しない整流回路、検波回路などが内蔵されてもよい。【0151】
受信アンテナ５０は、第１端５１と第２端５２の間に直列に設けられた受信コイルＬＲＸおよび共振用キャパシタＣＲＸを含む。【0152】
自動チューニング補助回路９０は、図２２の自動チューニング補助回路８０と同様に構成される。具体的には、自動チューニング補助回路９０、第１端子９１、第５スイッチＳＷｃ５〜第８スイッチＳＷｃ８、第２補助キャパシタＣＡ６を備える。【0153】
第５スイッチＳＷｃ５および第６スイッチＳＷｃ６は、第１端子９１と第２端子９２の間に直列に設けられる。第７スイッチＳＷｃ７および第８スイッチＳＷｃ８は、第１端子９１と第２端子９２の間に順に直列に、かつ第５スイッチＳＷｃ５および第６スイッチＳＷｃ６に対して並列に設けられる。第２補助キャパシタＣＡ６は、第５スイッチＳＷｃ５と第６スイッチＳＷｃ６の接続点Ｎ３と、第７スイッチＳＷｃ７と第８スイッチＳＷｃ８の接続点Ｎ４の間に設けられる。第２補助キャパシタＣＡ６の容量値は、共振用キャパシタＣＲＸに比べて十分に大きいことが望ましい。【0154】
第２制御部９４は、第５スイッチＳＷｃ５〜第８スイッチＳＷｃ８を、電力信号Ｓ１と同じ周波数で、かつ送信側においてアンテナに印加される駆動電圧（ＶＤＲＶ）に対してある位相差θＲＸでスイッチングする。たとえばθＲＸ＝１８０°または０°であることが好ましい。【0155】
自動チューニング補助回路９０は、受信アンテナ５０と直列にカップリングされる。また電力を供給すべき負荷７０は、受信アンテナ５０および自動チューニング補助回路９０と直接に設けられる。【0156】
以上がワイヤレス受電装置８の構成である。続いてその動作を説明する。ワイヤレス受電装置８の等価回路図は、図１５のワイヤレス受電装置４と同等である。ワイヤレス給電装置６における自動チューニング補助回路８０と同様に、自動チューニング補助回路９０は、補正電圧ＶＡを受信アンテナ５０に印加する補正電源と把握することができる。【0157】
図２７は、図２６のワイヤレス受電装置８の動作を示す波形図である。図２７は上から順に、第５スイッチＳＷｃ５〜第８スイッチＳＷｃ８、補正電圧ＶＡ、受信アンテナ５０に流れる共振電流ＩＲＸ、受信コイルＬＲＸと共振用キャパシタＣＲＸの両端間の共振電圧ＶＲＸを示す。スイッチを示す波形は、ハイレベルがオン状態を、ローレベルがオフ状態を示す。【0158】
第５スイッチＳＷｃ５および第８スイッチＳＷｃ８を含む第１のペアは、ワイヤレス給電装置側の駆動電圧ＶＤＲＶに対して１８０°または０°シフトした位相θＲＸで相補的にスイッチングされる。第６スイッチＳＷｃ６および第７スイッチＳＷｃ７を含む第２のペアは、第１のペアと相補的にスイッチングされる。共振電流ＩＲＸは、第１のペアのオン時間ＴＯＮ１において、第５スイッチＳＷｃ５、第２補助キャパシタＣＡ６、第８スイッチＳＷｃ８を含む経路に流れ、第２のペアのオン時間ＴＯＮ２において、第６スイッチＳＷｃ６、第２補助キャパシタＣＡ６、第７スイッチＳＷｃ７を含む経路に流れる。【0159】
第２補助キャパシタＣＡ６は、共振電流ＩＲＸによって充放電され、その結果、第２補助キャパシタＣＡ６には、キャパシタ電圧ＶＣＡ６が発生する。そしてキャパシタ電圧ＶＣＡ６に応じた補正電圧ＶＡが受信アンテナ５０に印加されることにより、共振電流ＩＡの位相が、送信側の駆動電圧ＶＤＲＶの位相と一致し、疑似共振状態が実現できる。【0160】
疑似共振状態を実現するためには、第５スイッチＳＷｃ５および第８スイッチＳＷｃ８を適切な周波数ｆＴＸおよび位相θＲＸでスイッチングさせる必要がある。そこでワイヤレス給電装置からワイヤレス受電装置８に対して、周波数ｆＴＸおよび位相θＲＸを示すデータを送信してもよい。あるいはワイヤレス受電装置８は、位相θＲＸをスイープし、最適な位相θＲＸを検出してもよい。【0162】
続いてワイヤレス受電装置８の変形例を説明する。【0163】
図２６では、負荷７０の一端を接地して基準電位としているが、負荷７０の一端を接地する代わりに、自動チューニング補助回路９０の第２補助キャパシタＣＡ６の一端、すなわち接続点Ｎ３またはＮ４の一方を接地してもよい。【0164】
図２８（ａ）、（ｂ）は、第２、第３の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。【0165】
図２６では、負荷７０が受信アンテナ５０と直列に接続される場合を説明したが、負荷７０は別の位置に設けられてもよい。図２８（ａ）に示す第１の変形例に係るワイヤレス受電装置８ａでは、自動チューニング補助回路９０ａの接続点Ｎ４が接地される。負荷７０ａは、第２補助キャパシタＣＡ６と並列に設けられる。すなわち負荷７０ａには、第２補助キャパシタＣＡ６に生ずるキャパシタ電圧ＶＣＡ６が供給される。
【0166】
図２８（ｂ）に示す第２の変形例に係るワイヤレス受電装置８ｂでは、負荷７０ｂは、受信アンテナ５０および自動チューニング補助回路９０ａと直列な経路に、第８トランスＴ８を介してカップリングされる。【0167】
図２８（ｃ）、（ｄ）は、負荷の構成例を示す回路図である。図２８（ｃ）の負荷７０ｃは、ダイオード整流回路７２ｃと、負荷回路７６を含む。図２８（ｄ）の負荷７０ｄは、同期検波回路７２ｄと負荷回路７６を含む。負荷回路は、図２０に示すようにさらにスイッチングレギュレータ７４を備えてもよい。【0168】
自動チューニング補助回路９０は、受信アンテナ５０に対してトランスを介して直列に結合されてもよい。図２９は、第３の変形例に係るワイヤレス受電装置８ｃの構成を示す回路図である。自動チューニング補助回路９０ａは、第９トランスＴ９を介して、受信アンテナ５０と直列にカップリングされる。負荷は、受信アンテナ５０および１次巻線Ｗ１と直列に設けられてもよいし、第２補助キャパシタＣＡ６と並列に設けられてもよい。【0169】
これらの変形例によっても、図２６のワイヤレス受電装置８と同様の効果を得ることができる。【0170】
図２６のように受信アンテナ５０と直列に負荷を接続した場合、負荷のインピーダンスが低い場合には、自動チューニング補助回路９０による調整をしなくても、ある程度の電力を取り出すことができるという利点がある。一方で、負荷の抵抗成分によって受信アンテナ５０のＱ値が低下するため、大電力が取り出しにくくなる。【0171】
反対に図２８（ａ）のように自動チューニング補助回路９０ａから電力を取り出す場合、負荷７０によって受信アンテナ５０のＱ値が低下しないため、負荷７０ａのインピーダンスが高い場合でも、大電力を取り出すことができる。一方、負荷７０ａのインピーダンスが低すぎる場合、自動チューニング補助回路６０の動作が阻害されるという問題がある。【0172】
したがって、負荷をいずれの位置に配置するかは、送電すべき電力や、負荷のインピーダンス等を考慮して決定すればよい。【0173】
第５スイッチＳＷｃ５〜第８スイッチＳＷｃ８は、双方向スイッチ、あるいは片方向スイッチのいずれかでも構成できる。片方向スイッチを用いる場合、それらのスイッチングの位相に注意を払う必要があることも、すでに説明した通りである。【0174】
（ワイヤレス送電システム）第２の実施の形態で説明したワイヤレス給電装置６とワイヤレス受電装置８を組み合わせることにより、ワイヤレス送電システムを実現できる。
【0175】
また、ワイヤレス給電装置６、ワイヤレス受電装置８の両方に自動チューニング補助回路を実装する場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。ワイヤレス給電装置６にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス受電装置は、従来のように共振用キャパシタＣＲＸの調節を行ってもよい。反対にワイヤレス受電装置８にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス給電装置６は、従来のように共振用キャパシタＣＴＸの調節を行ってもよい。
【0176】
さらには、ワイヤレス給電装置６にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス受電装置８は、一切の調節機構を有さなくてもよい。あるいはワイヤレス受電装置８にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス給電装置６は、一切の調節機構を有さなくてもよい。これらの場合、単一の自動チューニング補助回路によって、電源１０と負荷７０の間のインピーダンスマッチングがとれるようにチューニングされ、高効率な電力伝送が可能となる。この場合に、自動チューニング補助回路のスイッチングの位相θＴＸ（θＲＸ）の最適値は９０°もしくは２７０°（１８０°もしくは０°）から外れることに留意すべきである。
【0177】
あるいは、第１の実施の形態に係るワイヤレス給電装置２を、第２の実施の形態に係るワイヤレス受電装置８と組み合わせてもよいし、ワイヤレス受電装置４をワイヤレス給電装置６と組み合わせてもよい。【0178】
以上、本発明について、第２の実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。【0179】
自動チューニング補助回路８０を備えるワイヤレス給電装置６においては、共振用キャパシタＣＴＸを省略しても疑似共振状態が実現できる場合がある。この場合、共振用キャパシタＣＴＸを省略してもよい。同様に自動チューニング補助回路９０を備えるワイヤレス受電装置８において、共振用キャパシタＣＲＸを省略してもよい。【0180】
ワイヤレス給電装置６は、所定の規則（暗号コード）に従い、駆動電圧ＶＤＲＶの周波数ｆＴＸおよび位相の少なくとも一方を変化させ、電力信号Ｓ１を暗号化する。暗号コードを知っているワイヤレス受電装置８は、その暗号コードにもとづき、自動チューニング補助回路９０のスイッチング周波数、位相を制御する。その結果、電力信号Ｓ１が暗号化されている場合でも、それを復号して電力供給を受けることができる。暗号コードを知らないワイヤレス受電装置は、自動チューニング補助回路９０のスイッチを適切に制御できないため、電力を受信することができなくなる。ワイヤレス電力伝送では、悪意の利用者による盗電が問題となりうるが、自動チューニング補助回路を利用することにより、この問題を解決することができる。あるいは、単一のワイヤレス給電装置６が複数のワイヤレス受電装置８に給電する際に、自動チューニング補助回路を利用することにより端末毎の給電量を制御できる。
【0181】
自動チューニング補助回路３０の用途は、ワイヤレス電力電送には限定されず、チューニングが必要なさまざまな用途に利用できる。【0182】
（第３の実施の形態）第１、第２の実施の形態において、単一の送信コイルＬＴＸあるいは単一の受信コイルＬＲＸが設けられていた。これに対して、第３の実施の形態では、複数の送信コイルＬＴＸ、複数の受信コイルＬＲＸが設けられる。
【0183】
（ワイヤレス給電装置）図３０は、第３の実施の形態に係るワイヤレス給電装置３の構成を示す回路図である。ワイヤレス給電装置３は、複数ｎ（ｎは２以上の整数）チャンネルの送信アンテナ２０＿１〜２０＿ｎを有する。各送信アンテナ２０は、直列に接続された共振用キャパシタＣＴＸおよび送信コイルＬＴＸを有する。第３の実施の形態では、第１、第２の実施の形態ではひとつであった送信コイルＬＴＸが、複数の送信コイルＬＴＸに分割されており、これを本実施の形態において「コイル分割」と称する。各チャンネルの送信コイルＬＴＸは、共通の磁性体（コア）に巻き付けられており、磁気的に互いに結合されている。複数の送信コイルＬＴＸは空芯コイルであってもよい。この場合でも、コアを用いた場合に比べて結合度は低下するものの、コイル同士がある程度近接していれば複数の送信コイルＬＴＸは磁気的に結合される。
【0184】
複数チャンネルのひとつ（図３０においてはｎ番目のチャンネル）は、チューニングチャンネルとされる。チューニングチャンネルにおいて、上述のいずれかの実施の形態、あるいはその変形例で説明した自動チューニング補助回路３０もしくは８０が、送信アンテナ２０＿ｎと直列にカップリングされる。【0185】
電源１０は、チューニングチャンネルにおいて、送信アンテナ２０＿ｎと自動チューニング補助回路３０（８０）の両端間に、交流の駆動電圧ＶＤＲＶを印加する。また電源１０は、その他のチャンネルにおいては、送信アンテナ２０の両端間に交流の駆動電圧ＶＤＲＶを印加する。【0186】
電源１０は、チャンネルごとに設けられた電源１０＿１〜１０＿ｎを含む。各電源１０＿１〜１０＿ｎ−１は、対応する送信アンテナ２０＿１〜２０＿ｎ−１に駆動電圧ＶＤＲＶを印加し、電源１０＿ｎは、送信アンテナ２０＿ｎと自動チューニング補助回路３０（８０）の両端間に駆動電圧ＶＤＲＶを印加する。上述したように、駆動電圧ＶＤＲＶは、矩形波、台形波、正弦波をはじめとする任意の交流波形であって構わない。【0187】
図３１は、第３の実施の形態の第１の変形例に係るワイヤレス給電装置３ａの構成を示す回路図である。この変形例において、送信アンテナ２０＿１〜２０＿ｎそれぞれの駆動電圧ＶＤＲＶが印加される端子を共通に接続し、単一の電源によって、送信アンテナ２０＿１〜２０＿ｎが駆動される。【0188】
続いて、コイル分割の原理を説明する。図３２（ａ）は、単一のコイルを有するワイヤレス給電装置２ｒを、図３２（ｂ）、（ｃ）は、２個に分割されたコイルを有するワイヤレス給電装置を、図３２（ｄ）は、Ｎ個に分割されたコイルを有するワイヤレス給電装置３を示す図である。【0189】
図３２（ａ）のワイヤレス給電装置は、単一の送信コイルＬ１と、共振用キャパシタＣ１を有し、図１のワイヤレス給電装置２ｒに対応する。図３２（ｂ）の送信コイルＬ１１、Ｌ１２は、図３２（ａ）の送信コイルＬ１を２分割したものであり、分割前の送信コイルＬ１のインダクタンスをＬとするとき、分割後のコイルＬ１１、Ｌ１２のインダクタンスは、Ｌ／２であることが直ちに理解される。また、図３２（ｂ）の共振用キャパシタＣ１１、Ｃ１２は、図３２（ａ）のキャパシタＣ１を２分割したものであり、キャパシタＣ１の容量値をＣとするとき、共振用キャパシタＣ１１、Ｃ１２の容量値が２×Ｃであることが直ちに理解される。【0190】
そして、図３２（ｂ）のコイルＬ１１、Ｌ１２と、共振用キャパシタＣ１１、Ｃ１２の順序を任意に入れ替えたとしても、交流電源１０から送信アンテナ（共振回路１４）を見たインピーダンスは変わらない。したがって、各送信コイルＬ１１、Ｌ１２に流れる電流も変わらず、生成される電力信号Ｓ１の強度も同じである。つまり図３２（ｃ）に示すように、分割された送信コイルＬ１と分割された共振用キャパシタＣ１が交互に配置されるように並び替えたとしても、図３２（ａ）と同じ強度の磁界を発生することができる。分割数を２より大きい整数Ｎに一般化すると、図３２（ｄ）のワイヤレス給電装置３の構成が導かれる。この場合、分割されたコイルＬ１１〜Ｌ１ｎのインダクタンスはＬ／ｎであり、分割された共振用キャパシタＣ１１〜Ｃ１ｎの容量値は、ｎ×Ｃである。【0191】
図３２（ａ）の送信コイルＬ１の両端間の電圧の振幅をＶＬ、共振用キャパシタＣ１の両端間の電圧の振幅をＶＣとする。共振条件を満たすとき、ＶＬ＝ＶＣが成り立つ。図３２（ｄ）のワイヤレス給電装置３においては、分割された送信コイルＬ１ｉの両端間の電圧はＶＬ／ｎで与えられ、分割された共振用キャパシタＣ１ｉの両端間の電圧はＶＣ／ｎで与えられる。【0192】
図３２（ｄ）のワイヤレス給電装置３の利点は、図１のワイヤレス給電装置２ｒとの対比によって明確となる。図１のワイヤレス給電装置２ｒによって大電力を供給するためには、送信コイルＬ１に大電流を流す必要があり、共振電圧ＶＣ、ＶＬは、数百Ｖあるいはそれ以上となりうる。【0193】
ワイヤレス給電装置の現実的な用途を考慮すると、共振周波数の調整やＱ値の変更のために、共振用キャパシタＣ１の容量値および／または送信コイルＬ１のインダクタンスは調節可能に構成しておく必要がある。ところが、共振電圧ＶＣ、ＶＬが数百Ｖの場合、耐圧が低いトランジスタ素子やダイオードなどの電子回路部品を用いることは、困難であるため、機械的な手段を用いる必要がある。【0194】
これに対して図３２（ｄ）のワイヤレス給電装置３によれば、コイル数ｎを増やすことにより、分割された送信コイルＬ１、分割された共振用キャパシタＣ１それぞれの共振電圧ＶＣｉ、ＶＬｉの振幅を小さくすることができ、これによりトランジスタ素子やダイオードなどの電子回路部品を用いた電気的手段によって、共振周波数やＱ値の調節などが可能となる。言い換えれば分割数ｎは、共振電圧ＶＣ１、ＶＬ１が、電子回路部品が利用可能な程度まで低下するように決めればよい。電気的手段による共振周波数やＱ値が調整は、モータ駆動のバリコンなどを用いた機械的な調整に比べて高速であるという利点もある。【0195】
共振電圧ＶＣ、ＶＬを従来よりも小さくすることにより、トランジスタ素子を用いたインプリメントが可能となる。そしてトランジスタ素子に印加される電圧を数Ｖ程度まで下げることにより、ＣＭＯＳプロセスを用いて半導体基板上に形成することができる。つまり複数の交流電源１０を単一のＩＣに集積化したり、共振用キャパシタＣ１や送信コイルＬ１の定数を変化させるためのスイッチ素子を単一のＩＣに集積化することが可能となる。【0196】
以下の考察により、図３２（ｄ）のワイヤレス給電装置３から、図３０のワイヤレス給電装置３が導かれることが明らかになる。図３２（ｄ）のワイヤレス給電装置３において、隣接する分割された送信コイルＬ１ｉと分割された共振用キャパシタＣ１ｉのペアは、共振回路１４ｉを形成していると把握できる。そして図３２（ｄ）の交流電源１０が生成する電気信号Ｓ２の電圧振幅をＶＤＲＶとするとき、共振回路１４１〜１４ｎそれぞれには、ＶＤＲＶ／ｎの電圧が印加されている。なぜなら各共振回路１４１〜１４ｎそれぞれのインピーダンスは等しいからである。
【0197】
したがって、図３０交流電源１０＿１〜１０＿ｎが生成する駆動電圧が、図３２（ｄ）の交流電源１０が生成する駆動電圧ＶＤＲＶの１／ｎ倍であり、図３０の分割された送信コイルＬ１１〜Ｌ１ｎの結合度Ｋが、図３２（ｄ）の分割された送信コイルＬ１１〜Ｌ１ｎの結合度Ｋと等しければ、図３０のワイヤレス給電装置３は、図３２（ｄ）のワイヤレス給電装置３と同じ強度の電気信号Ｓ２を発生させることができる。【0198】
以上がワイヤレス給電装置３の構成である。【0199】
第１、第２の実施の形態において、送信アンテナ２０には、数十〜数百Ｖを超える共振電圧が発生する。したがって、自動チューニング補助回路３０（８０）を構成するスイッチおよび補助キャパシタを、高耐圧素子を用いて構成する必要がある。これに対して第３の実施の形態では、自動チューニング補助回路３０（８０）に印加される電圧が低下するため、低耐圧素子を用いて自動チューニング補助回路３０（８０）を構成することができる。したがって、低コスト化が実現でき、あるいは設計の自由度を高めることができる。
【0200】
さらに複数の送信コイルＬＴＸを磁性体により結合させた場合、あるチャンネルにおいて回路の状態を制御すると、その影響が他のチャンネルに及ぶ。言い換えれば、チューニングチャンネルの自動チューニング補助回路３０（８０）は、ワイヤレス給電装置３全体として擬似的な共振状態が成立するように動作することになる。したがって、すべてのチャンネルに自動チューニング補助回路３０（８０）を設ける必要がないため、回路を簡略化することができる。【0201】
また、送信コイルの個数が増えることにより、送信コイルひとつが発生する磁束密度を下げることができるため、磁界の空間的な集中を抑制できる。これは、人体保護の観点において有利である。【0202】
（ワイヤレス受電装置）図３３は、第４の実施の形態に係るワイヤレス受電装置５の構成を示す回路図である。ワイヤレス受電装置５は、複数ｎ（ｎは２以上の整数）チャンネルの受信アンテナ５０＿１〜５０＿ｎを有する。各受信アンテナ５０は、直列に接続された共振用キャパシタＣＲＸおよび受信コイルＬＲＸを有する。各チャンネルの受信コイルＬＲＸは、共通の磁性体（コア）に巻き付けられており、磁気的に互いに結合されている。複数の受信コイルＬＲＸは空芯コイルであってもよい。この場合でも、コアを用いた場合に比べて結合度は低下するものの、コイル同士がある程度近接していれば複数の受信コイルＬＲＸは磁気的に結合される。
【0203】
複数の受信アンテナ５０により受信された電力は、共通の負荷７０に供給される。負荷７０と受信アンテナ５０の接続態様は限定されず、上述のいずれかの形態を採用しうる。複数チャンネルのひとつ（図３３においてはｎ番目のチャンネル）は、チューニングチャンネルとされる。チューニングチャンネルにおいて、上述のいずれかの実施の形態、あるいはその変形例で説明した自動チューニング補助回路６０もしくは９０が、受信アンテナ５０＿ｎと直列にカップリングされる。【0204】
以上がワイヤレス受電装置５の構成である。このワイヤレス受電装置５によれば、受信アンテナ５０の個数ｎを増やすにしたがい、共振用キャパシタＣＲＸ、受信コイルＬＲＸそれぞれに生ずる共振電圧の振幅を小さくできる。
【0205】
第１、第２の実施の形態において、受信アンテナ５０には、数十〜数百Ｖを超える共振電圧が発生する。したがって、自動チューニング補助回路６０（９０）を構成するスイッチおよび補助キャパシタを、高耐圧素子を用いて構成する必要がある。これに対して第３の実施の形態では、自動チューニング補助回路６０（９０）に印加される電圧が低下するため、低耐圧素子を用いて自動チューニング補助回路６０（９０）を構成することができる。したがって、低コスト化が実現でき、あるいは設計の自由度を高めることができる。
【0206】
さらに複数の受信コイルＲＴＸを磁性体により結合させた場合、あるチャンネルにおいて回路の状態を制御すると、その影響が他のチャンネルに及ぶ。言い換えれば、チューニングチャンネルの自動チューニング補助回路６０（９０）は、ワイヤレス受電装置５全体として擬似的な共振状態が成立するように動作することになる。したがって、すべてのチャンネルに自動チューニング補助回路６０（９０）を設ける必要がないため、回路を簡略化することができる。【0207】
また、受信コイルの個数が増えることにより、各受信コイルの周辺に発生する磁束密度を下げることができるため、磁界の空間的な集中を抑制できる。これは、人体保護の観点において有利である。【0208】
（第４の実施の形態）（ワイヤレス給電装置）
図３４は、第４の実施の形態に係るワイヤレス給電装置３ｂの構成を示す回路図である。第３の実施の形態で説明したように、複数の送信コイルが、ある程度強く結合している場合、単一のチャンネルのみに自動チューニング補助回路３０（８０）を設けることにより、すべてのチャンネルにおいて、擬似的な共振状態を実現することができる。ところが、第３の実施の形態では、複数のコイル同士が結合している必要があるため、コイルのレイアウトに制約が生ずる。
【0209】
以下で説明する第４の実施の形態に係るワイヤレス給電装置３ｂは、複数のコイルの結合が弱い場合に利用可能である。【0210】
図３０のワイヤレス給電装置３では、チューニングチャンネルがひとつであったが、この実施の形態では、チューニングチャンネルは複数であり、チューニングチャンネルごとに自動チューニング補助回路３０（８０）が設けられる。図３４には、すべてのチャンネルに自動チューニング補助回路３０（８０）が設けられる場合を示す。【0211】
続いて、図３４のワイヤレス給電装置３ｂの動作を説明する。ワイヤレス給電装置３ｂにおいて、各チャンネルの電源１０は、送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路３０（８０）の両端間に、同じ位相で駆動電圧を印加する。また、各チャンネルの自動チューニング補助回路３０（８０）も、駆動電圧に対して同じ角度シフトした位相でスイッチングする。【0212】
ワイヤレス給電装置３ｂの利点は、図３０のワイヤレス給電装置３との対比によって明確となる。そこで図３０のワイヤレス給電装置３において生じうる問題を説明する。理解の容易化のため、ｎ＝２であり、かつ２つのチャンネルの送信コイルの結合が非常に小さいものとする。【0213】
いま、２つのチャンネルのコイルに対して、ワイヤレス受電装置が近接したとする。給電装置と受電装置はそれぞれが相互作用を及ぼす。ワイヤレス受電装置の近接により、各チャンネルそれぞれの共振条件が変化する。このとき、自動チューニング補助回路３０（８０）が設けられたチューニングチャンネルでは、擬似的な共振状態が成立するようにコイル電流の位相がシフトする。一方、他方の非チューニングチャンネルでは、そのチャンネルの送信アンテナ２０とワイヤレス受電装置の合成インピーダンスに応じた位相で、コイル電流が流れる。【0214】
このとき、２つのチャンネルの送信コイルに流れる電流の位相は一致しないため、２つのチャンネルの送信コイルが発生する電力信号（電磁界）は互いに打ち消し合ってしまい、ワイヤレス受電装置に、大きな電力を送信できない。【0215】
これに対して、図３４のワイヤレス給電装置３ｂによれば、複数のチャンネルそれぞれにおいて、擬似的な共振状態が成立する。つまりすべてのチャンネルにおいて、一様に、コイル電流の位相が駆動電圧に対して９０度シフトした状態となる。【0216】
したがって、２つのチャンネルの送信コイルが発生する電力信号（電磁界）は打ち消し合わずに、ワイヤレス受電装置に大きな電力を送信できる。【0217】
（ワイヤレス受電装置）図３５は、第４の実施の形態に係るワイヤレス受電装置５ａの構成を示す回路図である。第３の実施の形態で説明したように、複数の受信コイルが、ある程度強く結合している場合、単一のチャンネルのみに自動チューニング補助回路６０（９０）を設けることにより、すべてのチャンネルにおいて、擬似的な共振状態を実現することができる。ところが、第３の実施の形態では、複数のコイル同士が結合している必要があるため、コイルのレイアウトに制約が生ずる。
【0218】
以下で説明する第４の実施の形態に係るワイヤレス受電装置５ａは、複数のコイルの結合が弱い場合に利用可能である。【0219】
図３３のワイヤレス受電装置５では、チューニングチャンネルがひとつであったが、第５の実施の形態では、チューニングチャンネルは複数であり、チューニングチャンネルごとに自動チューニング補助回路６０（９０）が設けられる。図３５には、すべてのチャンネルに自動チューニング補助回路６０（９０）が設けられる場合を示す。【0220】
続いて、図３５のワイヤレス受電装置５ａの動作を説明する。ワイヤレス受電装置５ａにおいて、各チャンネルの自動チューニング補助回路６０（９０）は、同じ位相でスイッチングする。【0221】
図３５のワイヤレス受電装置５ａによれば、複数の受信コイルＬＲＸ同士の結合が弱い場合に、大きな電力を受信し、負荷７０に供給できる。【0222】
図３６（ａ）、（ｂ）は、第４の実施の形態における複数の送信コイルもしくは受信コイルのレイアウト例を示す図である。図３６（ａ）では、複数の送信コイル（もしくは受信コイル）が、同一平面上に複数の配置される。【0223】
図３６（ｂ）では、複数の送信コイル（もしくは受信コイル）が、異なる平面に配置される。より具体的には、各コイルのループを含む平面が、互いに垂直となるように配置される。図３６（ａ）のレイアウトでは、電力強度が非常に弱いヌル点が生じうるが、図３６（ｂ）のレイアウトでは、ヌル点を減らすことができる。【0224】
図３６（ａ）、（ｂ）に示すように、第４の実施の形態では、複数のチャンネルに自動チューニング補助回路を設けたことにより、複数の送信コイル同士、複数の受信コイル同士の結合度が低くてもよいため、柔軟なレイアウトが可能となる。【0225】
実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。【符号の説明】
【0226】
１…ワイヤレス送電システム、２…ワイヤレス給電装置、３…ワイヤレス給電装置、４…ワイヤレス受電装置、５…ワイヤレス受電装置、６…ワイヤレス給電装置、８…ワイヤレス受電装置、１０…電源、１２…直流電源、ＳＷＨ１…第１ハイサイドスイッチ、ＳＷＬ１…第１ローサイドスイッチ、ＳＷＨ２…第２ハイサイドスイッチ、ＳＷＬ２…第２ローサイドスイッチ、２０…送信アンテナ、２２…第１端、２４…第２端、ＬＴＸ…送信コイル、ＣＴＸ…共振用キャパシタ、３０…自動チューニング補助回路、３１…第１端子、３２…第２端子、３４…充電回路、ＣＡ１…第１補助キャパシタ、ＣＡ２…第２補助キャパシタ、ＣＡ３…第３補助キャパシタ、ＣＡ４…第４補助キャパシタ、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、４０…第１制御部、５０…受信アンテナ、ＬＲＸ…受信コイル、ＣＲＸ…共振用キャパシタ、５１…第１端、５２…第２端、６０…自動チューニング補助回路、ＳＷ３…第３スイッチ、ＳＷ４…第４スイッチ、６１…第１端子、６２…第２端子、６４…第２制御部、７０…負荷、７２…整流回路、ＳＷＨ３…第３ハイサイドスイッチ、ＳＷＬ３…第３ローサイドスイッチ、７４…スイッチングレギュレータ、７６…負荷回路、８０…自動チューニング補助回路、８１…第１端子、８２…第２端子、ＳＷｃ１…第１スイッチ、ＳＷｃ２…第２スイッチ、ＳＷｃ３…第３スイッチ、ＳＷｃ４…第４スイッチ、ＣＡ５…第１補助キャパシタ、９０…自動チューニング補助回路、９１…第１端子、９２…第２端子、ＳＷｃ５…第５スイッチ、ＳＷｃ６…第６スイッチ、ＳＷｃ７…第７スイッチ、ＳＷｃ８…第８スイッチ、ＣＡ６…第２補助キャパシタ、９４…第２制御部。【産業上の利用可能性】
【0227】
本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。