ホーム > 特許ランキング > 株式会社レーザーシステム
特開2023-132928結合共振型無線電力伝送システムの共振器、及び結合共振型無線電力伝送システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023132928
(43)【公開日】2023-09-22
(54)【発明の名称】結合共振型無線電力伝送システムの共振器、及び結合共振型無線電力伝送システム
(51)【国際特許分類】
H02J 50/12 20160101AFI20230914BHJP
【ＦＩ】
H02J50/12
【審査請求】有
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022038530
(22)【出願日】2022-03-11
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2022-10-18
(71)【出願人】
【識別番号】504221107
【氏名又は名称】株式会社レーザーシステム
(74)【代理人】
【識別番号】110002952
【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】大野 泰夫
(57)【要約】
【課題】より簡易な手法で、適正な電力値の送電を可能とする結合共振型無線電力伝送システムの共振器を提供すること。
【解決手段】結合共振型無線電力伝送システムに適用される共振器であって、キャパシタは、コイルに対して並列に接続された第１分割キャパシタと第２分割キャパシタとからなるｎセットの分割キャパシタ対を有し、前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の和は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一であり、前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の比は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なっており、前記第１スイッチと前記第２スイッチとは、前記ｎセットの分割キャパシタ対のいずれか一つが前記コイルと前記電源又は前記負荷とに接続するように動作する共振器。
【選択図】図５
【解決手段】結合共振型無線電力伝送システムに適用される共振器であって、キャパシタは、コイルに対して並列に接続された第１分割キャパシタと第２分割キャパシタとからなるｎセットの分割キャパシタ対を有し、前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の和は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一であり、前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の比は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なっており、前記第１スイッチと前記第２スイッチとは、前記ｎセットの分割キャパシタ対のいずれか一つが前記コイルと前記電源又は前記負荷とに接続するように動作する共振器。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
結合共振型無線電力伝送システムに適用される共振器であって、
直列共振回路を構成するキャパシタとコイルとを有し、
前記キャパシタは、前記コイルに対して並列に接続された第１分割キャパシタと第２分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対を有し、
前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の和は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一であり、
前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の比は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
前記第１分割キャパシタと前記第２分割キャパシタの容量分割点は、第１スイッチを介して前記コイルの一端に接続され、
前記第２分割キャパシタの他端は、第２スイッチを介して電源又は負荷の他端に接続され、
前記第１分割キャパシタの他端は、前記コイルの他端と前記電源又は前記負荷の他端の接続点に接続され、
前記第１スイッチと前記第２スイッチとは、前記ｎセットの分割キャパシタ対のいずれか一つが前記コイルと前記電源又は前記負荷とに接続するように動作する、
共振器。
直列共振回路を構成するキャパシタとコイルとを有し、
前記キャパシタは、前記コイルに対して並列に接続された第１分割キャパシタと第２分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対を有し、
前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の和は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一であり、
前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の比は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
前記第１分割キャパシタと前記第２分割キャパシタの容量分割点は、第１スイッチを介して前記コイルの一端に接続され、
前記第２分割キャパシタの他端は、第２スイッチを介して電源又は負荷の他端に接続され、
前記第１分割キャパシタの他端は、前記コイルの他端と前記電源又は前記負荷の他端の接続点に接続され、
前記第１スイッチと前記第２スイッチとは、前記ｎセットの分割キャパシタ対のいずれか一つが前記コイルと前記電源又は前記負荷とに接続するように動作する、
共振器。
【請求項2】
前記ｎセットの分割キャパシタ対のうちのｋ番目の分割キャパシタ対は、前記第１分割キャパシタの容量値ＣＡと前記第２分割キャパシタの容量値ＣＢの比ＣＢ／（ＣＡ＋ＣＢ）が、以下の式（１）の値となるように、設定されている、
請求項１に記載の共振器。
請求項１に記載の共振器。
【数1】
【請求項3】
結合共振型無線電力伝送システムに適用される共振器であって、
並列共振回路を構成するキャパシタとコイルとを有し、
前記キャパシタは、前記コイルに対して直列に接続された第３分割キャパシタと第４分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対を有し、
前記第３分割キャパシタの容量値の逆数と前記第４分割キャパシタの容量値の逆数の和は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一であり、
前記第３分割キャパシタの容量値と前記第４分割キャパシタの容量値の比は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
前記第３分割キャパシタと前記第４分割キャパシタの容量分割点は、第４スイッチを介して電源又は負荷の他端に接続され、
前記第３分割キャパシタの他端は、第３スイッチを介して前記コイルの一端に接続され、
前記第４分割キャパシタの他端は、前記コイルの他端と前記電源又は前記負荷の他端の接続点に接続され、
前記第３スイッチと前記第４スイッチとは、前記ｎセットの分割キャパシタ対のいずれか一つが前記コイルと前記電源又は前記負荷とに接続するように動作する、
共振器。
並列共振回路を構成するキャパシタとコイルとを有し、
前記キャパシタは、前記コイルに対して直列に接続された第３分割キャパシタと第４分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対を有し、
前記第３分割キャパシタの容量値の逆数と前記第４分割キャパシタの容量値の逆数の和は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一であり、
前記第３分割キャパシタの容量値と前記第４分割キャパシタの容量値の比は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
前記第３分割キャパシタと前記第４分割キャパシタの容量分割点は、第４スイッチを介して電源又は負荷の他端に接続され、
前記第３分割キャパシタの他端は、第３スイッチを介して前記コイルの一端に接続され、
前記第４分割キャパシタの他端は、前記コイルの他端と前記電源又は前記負荷の他端の接続点に接続され、
前記第３スイッチと前記第４スイッチとは、前記ｎセットの分割キャパシタ対のいずれか一つが前記コイルと前記電源又は前記負荷とに接続するように動作する、
共振器。
【請求項4】
前記ｎセットの分割キャパシタ対のうちのｋ番目の分割キャパシタ対は、前記第３分割キャパシタの容量値ＣＣと前記第４分割キャパシタの容量値ＣＤの比（ＣＣ＋ＣＤ）／ＣＣが、以下の式（２）の値となるように、設定されている、
請求項３に記載の共振器。
請求項３に記載の共振器。
【数2】
【請求項5】
送電側の共振器が請求項１に記載の共振器によって構成され、且つ、
受電側の共振器が請求項１に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
受電側の共振器が請求項１に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
【請求項6】
送電側の共振器が請求項３に記載の共振器によって構成され、且つ、
受電側の共振器が請求項１に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
受電側の共振器が請求項１に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
【請求項7】
送電側の共振器が請求項１に記載の共振器によって構成され、且つ、
受電側の共振器が請求項３に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
受電側の共振器が請求項３に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
【請求項8】
送電側の共振器が請求項３に記載の共振器によって構成され、且つ、
受電側の共振器が請求項３に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
受電側の共振器が請求項３に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、結合共振型無線電力伝送システムの共振器、及び結合共振型無線電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、コイルとキャパシタと組み合わせて構成した同一の共振周波数を有する共振器を設け、２つの共振器を電磁的に共鳴させることで遠距離送電を可能とする結合共振型無線電力伝送システム（以下、「無線電力伝送システム」と略称する）が注目されている。
【0003】
図１は、無線電力伝送システム（ここでは、直列共振回路を用いた無線電力伝送システム）の概念図である。図１では、左側に送電装置ＵＡ、右側に受電装置ＵＢを描いている。送電装置ＵＡは、コイル１とキャパシタ３とで構成される共振器と、当該共振器に対して交流電力を送出する電源５と、を有する。又、受電装置ＵＢは、コイル２とキャパシタ４とで構成される共振器と、当該共振器から交流電力を取得する負荷６と、を有する。
【0004】
この方式では、共鳴を用いているために条件が整えばコイルサイズの数倍の長距離でも電力が送れると言われている。しかしながら、実際には、２つの共振器間で電磁的に共鳴させるための調整が難しく、安定して高効率伝送を行うことはできていない。その大きな原因は、非接触給電では送受電器間の距離が固定されておらず、その変動のために共振器間の結合係数が変化してしまうことである。
【0005】
結合係数の変化により、共振器間の伝送特性がどのように変わるかについては非特許文献１に詳しく記載されている。そこでは、共振器の外部Ｑを結合係数に合わせて変化させることが必要であることが述べられている。
【0006】
尚、一般に使われる共振器のＱ値は、負荷が接続されていない状態でのＱ値で無負荷Ｑと称される。この無負荷Ｑは、共振器の特性インピーダンスとコイルの内部抵抗の比である。一方、共振器に信号を入力したり取り出すために接続する電源や負荷のインピーダンスによるＱ値は、外部Ｑと称される。
【0007】
共振器の外部Ｑは、一般に、共振器の持つ固有インピーダンスとそれに接続される負荷や電源のインピーダンスの比で決まる。但し、共振器を構成するコイルの大きさや構造は、用途や送電距離などで決まり、コイルそのものは、機械的な構成物であるため、そのインダクタンス値を任意に変更することは困難である。又、共振器の共振周波数は、コイルのインダクタンスとキャパシタの容量で決まるが、共振器の共振周波数を変更することは、回路部品のインピーダンス特性による制約や電波法上の制約などを含め難しく、結果的にキャパシタの容量を自由に変えることもできない。又、負荷のインピーダンスは、用途によってほぼ決められてしまう。又、電源のインピーダンスは、電源電圧と所望の電力量から決められてしまう。
【0008】
このように、従来技術に係る無線電力伝送システムでは、外部Ｑを変更できる要素は限られており、高効率な共鳴送電を、ｋ値が変動する中で実現し、維持することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特願２０２１－１４３９５９
【非特許文献】
【0010】
【非特許文献1】I.AwaiandT.Ishizaki、 "SuperiorityofBPFtheoryfordesignofcoupledresonatorWPTsystems,"Asia-PacificMicrowaveConference2011, pp. 1889-1892 (2011) INSPEC Accession Number: 12656013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
本願の発明者は、従来技術に係る無線電力伝送システムの上記問題点を鋭意検討し、ＬＣ共振器（以下、「共振器」と略称する）の外部Ｑを調整する方法として、共振器を構成するキャパシタを分割して、その分割点に給電する方法が有効であることを見出した（後述する図３（ｃ）及び図３（ｄ）を参照）。かかる給電方法によれば、共振器に接続される電源や負荷のインピーダンスを一定にしたまま、外部Ｑを自由に調整することが可能となる。詳細には、本願の出願人の先願である特許文献１を参照されたい。
【0012】
加えて、本願の発明者は、特許文献１の中で、そのキャパシタの構造として、図２に示すような可変キャパシタ（ここでは、直列共振器に用いる可変キャパシタ）が有効であることを示した。
【0013】
この可変キャパシタは、電気的に互いに分離され、同じ向きを向くように並んで配設された第１固定電極Ｅ１及び第２固定電極Ｅ２と、第１固定電極Ｅ１及び第２固定電極Ｅ２それぞれに対向するように、第１固定電極Ｅ１及び第２固定電極Ｅ２それぞれとの間の距離を一定に保ちながら、第１固定電極Ｅ１と第２固定電極Ｅ２とが並ぶ方向に沿って移動可能に配設された可動電極Ｅ３と、を有する。そして、一方の分割キャパシタは、第１固定電極Ｅ１と可動電極Ｅ３との間で構成され、他方の分割キャパシタは、第２固定電極Ｅ２と可動電極Ｅ３との間で構成されている。そして、この可変キャパシタは、可動電極Ｅ３を移動させたときに、第１固定電極Ｅ１と可動電極Ｅ３とが対向する面積と第２固定電極Ｅ２と可動電極Ｅ３とが対向する面積との和が一定となるように構成されている。
【0014】
かかるキャパシタ構造を用いることで、２つの分割キャパシタの並列合成容量を一定にしたまま、その容量値の比を調整することが可能である。これによって、共振周波数を一定に保ちながら、共振器の外部Ｑを調整することが可能となる。
【0015】
図２のようなキャパシタを実現する一態様としては、例えば、バリコンと称される機械的な回転を用いるキャパシタがある。原理的には、バリコンの回転角調整によって、外部Ｑを調整することは可能であるが、実際には、外部Ｑは、バリコンの回転角の僅かな変化で大きく変動してしまい、外部Ｑの調整作業は、極めて困難である。そして、結果として、適正な外部Ｑを確保又は維持することができず、送電側から受電側に対して適正な電力値の送電を実施することができないおそれがあった。
【0016】
本開示は、上記問題点に鑑みてなされたもので、より簡易な手法で、適正な電力値の送電を可能とする結合共振型無線電力伝送システムの共振器、及び結合共振型無線電力伝送システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
前述した課題を解決する主たる本開示は、
結合共振型無線電力伝送システムに適用される共振器であって、
直列共振回路を構成するキャパシタとコイルとを有し、
前記キャパシタは、前記コイルに対して並列に接続された第１分割キャパシタと第２分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対を有し、
前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の和は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一であり、
前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の比は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
前記第１分割キャパシタと前記第２分割キャパシタの容量分割点は、第１スイッチを介して前記コイルの一端に接続され、
前記第２分割キャパシタの他端は、第２スイッチを介して電源又は負荷の他端に接続され、
前記第１分割キャパシタの他端は、前記コイルの他端と前記電源又は前記負荷の他端の接続点に接続され、
前記第１スイッチと前記第２スイッチとは、前記ｎセットの分割キャパシタ対のいずれか一つが前記コイルと前記電源又は前記負荷とに接続するように動作する、
共振器である。
結合共振型無線電力伝送システムに適用される共振器であって、
直列共振回路を構成するキャパシタとコイルとを有し、
前記キャパシタは、前記コイルに対して並列に接続された第１分割キャパシタと第２分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対を有し、
前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の和は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一であり、
前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の比は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
前記第１分割キャパシタと前記第２分割キャパシタの容量分割点は、第１スイッチを介して前記コイルの一端に接続され、
前記第２分割キャパシタの他端は、第２スイッチを介して電源又は負荷の他端に接続され、
前記第１分割キャパシタの他端は、前記コイルの他端と前記電源又は前記負荷の他端の接続点に接続され、
前記第１スイッチと前記第２スイッチとは、前記ｎセットの分割キャパシタ対のいずれか一つが前記コイルと前記電源又は前記負荷とに接続するように動作する、
共振器である。
【0018】
又、結合共振型無線電力伝送システムに適用される共振器であって、
並列共振回路を構成するキャパシタとコイルとを有し、
前記キャパシタは、前記コイルに対して直列に接続された第３分割キャパシタと第４分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対を有し、
前記第３分割キャパシタの容量値の逆数と前記第４分割キャパシタの容量値の逆数の和は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一であり、
前記第３分割キャパシタの容量値と前記第４分割キャパシタの容量値の比は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
前記第３分割キャパシタと前記第４分割キャパシタの容量分割点は、第４スイッチを介して電源又は負荷の他端に接続され、
前記第３分割キャパシタの他端は、第３スイッチを介して前記コイルの一端に接続され、
前記第４分割キャパシタの他端は、前記コイルの他端と前記電源又は前記負荷の他端の接続点に接続され、
前記第３スイッチと前記第４スイッチとは、前記ｎセットの分割キャパシタ対のいずれか一つが前記コイルと前記電源又は前記負荷とに接続するように動作する、
共振器である。
並列共振回路を構成するキャパシタとコイルとを有し、
前記キャパシタは、前記コイルに対して直列に接続された第３分割キャパシタと第４分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対を有し、
前記第３分割キャパシタの容量値の逆数と前記第４分割キャパシタの容量値の逆数の和は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一であり、
前記第３分割キャパシタの容量値と前記第４分割キャパシタの容量値の比は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
前記第３分割キャパシタと前記第４分割キャパシタの容量分割点は、第４スイッチを介して電源又は負荷の他端に接続され、
前記第３分割キャパシタの他端は、第３スイッチを介して前記コイルの一端に接続され、
前記第４分割キャパシタの他端は、前記コイルの他端と前記電源又は前記負荷の他端の接続点に接続され、
前記第３スイッチと前記第４スイッチとは、前記ｎセットの分割キャパシタ対のいずれか一つが前記コイルと前記電源又は前記負荷とに接続するように動作する、
共振器である。
【発明の効果】
【0019】
本開示に係る結合共振型無線電力伝送システムの共振器によれば、より簡易な手法で、適正な電力値の送電が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】無線電力伝送システムの概念図
【図2】特許文献１に記載の可変キャパシタの構成を示す図
【図3】ＬＣ共振器の回路構成を示す図
【図4】無線電力伝送システムの構成を示す図
【図5】本実施形態に係る分割容量直列共振器の構成の一例を示す図
【図6】本実施形態に係る分割容量並列共振器の構成の一例を示す図
【図7】本実施形態に係る分割容量直列共振器を用いたＳ-Ｓ型の無線電力伝送システムにおいて、容量比a1を調整することによって制御される、共振器の入力インピーダンスの挙動の一例を示す図
【図8】本実施形態に係る分割容量直列共振器を用いたＳ-Ｓ型の無線電力伝送システムにおいて、容量比a1を調整することによって制御される、送電電力の挙動（実線）を示す図
【図9】送電側共振器の外部Ｑと受電側共振器の外部Ｑのアンバランスの問題を分析するために実施したシミュレーションの結果を示す図
【図10】本実施形態に係る分割容量並列共振器を用いたＰ－Ｐ型の無線電力伝送システムにおいて、容量比ｂ1を調整することによって制御される、共振器の入力インピーダンスZS1の挙動の一例を示す図
【図11】本実施形態に係る分割容量並列共振器を用いたＰ－Ｐ型の無線電力伝送システムにおいて、容量比ｂ1を調整することによって制御される、送電電力の挙動（実線）を示す図
【図12】本実施形態に係る無線電力伝送システムのシステム運用時の動作例を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。
【0022】
［無線電力伝送システムの概略構成］
本開示の一実施形態に係る無線電力伝送システムは、図１に示した無線電力伝送システムと同様に、送電装置ＵＡ及び受電装置ＵＢそれぞれに、コイルとキャパシタと組み合わせて構成した同一の共振周波数を有する共振器を設け、２つの共振器を共鳴させることで遠距離送電を可能とする結合共振型無線電力伝送システムである。
本開示の一実施形態に係る無線電力伝送システムは、図１に示した無線電力伝送システムと同様に、送電装置ＵＡ及び受電装置ＵＢそれぞれに、コイルとキャパシタと組み合わせて構成した同一の共振周波数を有する共振器を設け、２つの共振器を共鳴させることで遠距離送電を可能とする結合共振型無線電力伝送システムである。
【0023】
共振回路の共鳴を用いる無線送電は、機能的には電磁エネルギーを、空間を通して伝搬させるバンドパスフィルター（ＢＰＦ）である。バンドパスフィルターの設計理論(例えば、非特許文献１を参照)から、両共振器の外部Ｑの積が、後述する式(10)に示すように結合係数の逆数の２乗なら反射は起きず、寄生抵抗による損失を除けば１００％の伝送が可能となる。
【0024】
即ち、高効率な無線電力伝送を実現するためには、共振器の外部Ｑの調整が極めて重要である。これは、言い換えると、結合係数の変化に対応して、共振器への入力インピーダンスを一定の範囲に保つことを意味する。従来の共振器接続では結合係数が変化すれば入力インピーダンスが大幅に変化してしまい、これを調整する手段が無かった。
【0025】
本願の発明者は、かかる課題を解決するべく、無線電力伝送システムにおいて直列共振器を用いる場合には、容量分割直列共振回路（図３（ｃ）を参照）を採用し、そのキャパシタの分割容量比を変更する手段として、互いに異なる分割容量比を有するｎセットの分割キャパシタ対を設け、システム運用時には、当該ｎセットの分割キャパシタ対のうちから適切な分割容量比を有する分割キャパシタ対を選択できる構成とした（図５を参照）。
【0026】
又、無線電力伝送システムにおいて並列共振器を用いる場合には、容量分割並列共振回路（図３（ｄ）を参照）を採用し、そのキャパシタの分割容量比を変更する手段として、互いに異なる分割容量比を有するｎセットの分割キャパシタ対を設け、システム運用時には、当該ｎセットの分割キャパシタ対のうちから適切な分割容量比を有する分割キャパシタ対を選択できる構成とした（図６を参照）。
【0027】
かかる構成によって、共振器間の位置関係が変化した場合に起こる結合係数の変化に対して、共振器の外部Ｑを適正に調整し、電源から見た共振器の入力インピーダンスを一定の範囲内に維持することがスイッチの切替のみで可能となり、安定した非接触送電が可能となる。又、これにより、共鳴を用いた送電における共振器への入力インピーダンスと負荷側の出力インピーダンスの比を簡単に変更することもできる。
【0028】
【0029】
【0030】
この共振器に電源や負荷を接続する形態には、直列型（図３（ａ））と並列型（図３（ｂ））が存在する。電源、または負荷のインピーダンスをZS0とすると、外部Qは、直列共振回路では、以下の式(3a)のように定義でき、並列共振回路では、以下の式(3b)のように定義できる。
【数3】
【0031】
図３（ａ）、図３（ｂ）の基本的なLC共振器では、外部Qは接続する回路のインピーダンスで決まってしまう。これを調整可能とするために、直列型共振回路では図３（ｃ）のように容量を２つの並列容量に、並列型共振器では図３（ｄ）のように２つの直列容量に分割し、その分割点に負荷を接続する。
【0032】
容量分割直列共振回路のキャパシタ（図３（ｃ））は、コイルから見て並列に２分割され、且つ、２分割されて形成された２つの分割キャパシタのうちの一方の分割キャパシタのみに、送電部としての電源又は受電部としての負荷が直列に接続された構成を有する。尚、以下では、説明の便宜として、２つの分割キャパシタのうち一方を「第１分割キャパシタ」と称し、他方を「第２分割キャパシタ」とも称する。
【0033】
又、容量分割並列共振回路に適用するキャパシタ（図３（ｄ））は、図７Ｂに示したように、コイルから見て直列に２分割され、且つ、２分割されて形成された２つの分割キャパシタのうちの一方の分割キャパシタのみに、送電部としての電源又は受電部としての負荷が並列に接続された構成を有する。尚、以下では、説明の便宜として、２つの分割キャパシタのうち一方を「第３分割キャパシタ」と称し、他方を「第４分割キャパシタ」とも称する。
【0034】
ここで、容量分割直列共振回路において、第１分割キャパシタと第２分割キャパシタの容量調整を行う際に、共振周波数が変わらないようにするためには、以下の式(4a)を充足する必要がある。又、容量分割並列共振回路において、第３分割キャパシタと第４分割キャパシタの容量調整を行う際に、共振周波数が変わらないようにするためには、以下の式(4b)を充足する必要がある。
【数4】
【0035】
ここで、容量分割直列共振回路の第１分割キャパシタと第２分割キャパシタの容量比a0を次式(5a) のように定義し、容量分割並列共振回路の第３分割キャパシタと第４分割キャパシタの容量比b0を次式(5b)のように定義する。
【数5】
【0036】
このようにキャパシタを分割して、分割したキャパシタの一方側に負荷や電源を接続することで、直列共振回路では、回路方程式から式(3a)においてZS0がa2ZS0に置き換わった式となるため、外部Qは近似的に以下の式(6a)のように表される。同様に、並列共振回路では、回路方程式から式(3b)においてZS0がb2ZS0に置き換わった式となるため、外部Qは近似的に以下の式(6b)のように表される。
【数6】
【0037】
図４は、無線電力伝送システムの構成を示す図である。図４（ａ）は、送電側共振器と受電側共振器がともに、一般的な直列型（Ｓ型）の共振器によって構成された態様を示しており、図４（ｂ）は、送電側共振器と受電側共振器がともに、容量分割直列型（Ｓ型）の共振器によって構成された態様を示している。又、図４（ｃ）は、送電側共振器と受電側共振器がともに、一般的な並列型（Ｐ型）の共振器によって構成された態様を示しており、図４（ｄ）は、送電側共振器と受電側共振器がともに、容量分割並列型（Ｐ型）の共振器によって構成された態様を示している。
【0038】
尚、送電側共振器と受電側共振器を同じ構成にする必要は無いので、無線電力伝送システムには、４通りの構成がある。（１）Ｓ－Ｓ型；送電側受電側とも直列型、（２）Ｓ－Ｐ型；送電側直列型；受電側並列型、（３）Ｐ－Ｓ型；送電側並列型；受電側直列型、（４）Ｐ－Ｐ型；送電側受電側とも並列型、の４種である。
【0039】
次に、Ｓ－Ｓ型の無線電力伝送システム及びＰ－Ｐ型の無線電力伝送システムそれぞれについて、送電側共振器と受電側共振器の共振器結合と外部Ｑの関係を解析する。
【0040】
ＬＣ共振器２台を、同じ共振周波数に設定し、コイル同士を近づけて電磁的に共鳴させると、共振器間で高周波の信号伝送が行われ、その伝送特性は、共振周波数近傍でバンドパスフィルター特性となる。
【0041】
送電側共振器を1、受電側共振器を2とし、それぞれのコイルのインダクタンスをL1、L2、容量をC1、C2とすると、共振器の共振周波数ω0は、下記式(7)となり、共振器の特性インピーダンスZR1、ZR2は下記式(8)となる。
【数7】
【数8】
【0042】
ここで、送電側電源のインピーダンスをZS1、受電側負荷のインピーダンスをZS2とする。共振器を用いた共鳴送電で重要な役割を果たすのは、共振器間の結合係数kである。結合係数は、回路的にはコイル間の相互インダクタンスLMで与えられ、下記式(9)のようになる。尚、この結合係数はコイル間の位置関係により０～１の間の値となる。
【数9】
【0043】
非特許文献１によれば、両共振器の外部Qと結合係数kの間に次式(10)の関係があれば、信号は反射無く透過する。
【数10】
【0044】
この関係を、各種無線電力伝送システムに適用する（即ち、式(10)の外部Ｑに、式(6a)又は式(6b)を代入する）。負荷のインピーダンスZS2をRLとすると、Ｓ－Ｓ型では、電源側から見た負荷側のインピーダンス（即ち、送電側の共振器入り口の入力インピーダンスを意味する。以下、「共振器入り口の入力インピーダンス」と略称する。）は、次式(11)となる。尚、式(10)の関係を充足するとき、電源から負荷までインピーダンス整合が成立しているので、インピーダンス整合条件より、送電側の共振器入り口の入力インピーダンスと電源のインピーダンスとは、等値ZS1である。
【数11】
【0045】
同様に、Ｓ－Ｐ型では、送電側の共振器入り口の入力インピーダンスは、次式(12)となる。
【数12】
【0046】
同様に、Ｐ－Ｓ型では、送電側の共振器入り口の入力インピーダンスは、次式(13)となる。
【数13】
【0047】
同様に、Ｐ－Ｐ型では、送電側の共振器入り口の入力インピーダンスは、次式(14)となる。
【数14】
【0048】
いずれも負荷にRLをつなぐと、送電側の共振器入り口の入力インピーダンスは、上記各式のZS1となり、共振器インピーダンスZR1、ZR2、結合係数kおよび容量比a、bで決まることが分かる。つまり、共振器結合は負荷と電源との間のインピーダンス変換器として機能する。
【0049】
共鳴送電回路はインピーダンス変換回路であるが、問題はその比率が結合係数kで大きく変化することである。特に、無線電力伝送の場合、共振器の位置関係の変化により、結合係数kが大きく変化する。その結果、共振器入り口の入力インピーダンスが大きく変わってしまい、電源から取り出せる電力が減少したり、過大な電力で負荷を破壊するおそれがある。即ち、無線電力伝送において、送電電力を所定範囲内に保つためには、共振器入り口の入力インピーダンスを一定範囲内に維持する必要がある。
【0050】
そこで、本実施形態に係る無線電力伝送システムでは、容量分割直列共振回路（図３（ｃ））又は容量分割並列共振回路（図３（ｄ））を用いることによって、容量比a、bを変化させることで、共振器入り口の入力インピーダンスを変化させ、これにより、適正な送電電力に保つ構成となっている。
【0051】
尚、共鳴送電回路のインピーダンス変換比は、式(11)～式(14)のように、共振器のインピーダンスZR1、ZR2、受電側の負荷のインピーダンスZS2などで決まる。仮に、受電側の容量比を固定すれば、Ｓ－Ｓ型の場合、式(11)から共振器の入力インピーダンスZS1は、下記式(15)のようにk値と入力側の容量比a1で表される。ここで、固定値となる部分（ZR1ZR2/RL）をZAとおいた。
【数15】
【0052】
Ｐ－Ｐ構成でも同様である。仮に、受電側の容量比を固定すれば、Ｐ－Ｐ型の場合、式(14)から共振器の入力インピーダンスZS1は、下記式(16)のようにk値と入力側の容量比b1で表される。
【数16】
【0053】
式(15)、式(16)から分かるように、適切な容量比a1、b1を用意できれば、k値の変動に対して常に一定の入力インピーダンスZS1に維持することが可能である。
【0054】
［共振器の具体的構成］
図５は、本実施形態に係る分割容量直列共振器の構成の一例を示す図（ここでは、送電側共振器を示す）である。
図５は、本実施形態に係る分割容量直列共振器の構成の一例を示す図（ここでは、送電側共振器を示す）である。
【0055】
本実施形態に係る分割容量直列共振器は、
直列共振回路を構成するキャパシタ３とコイル１とを有し、
キャパシタ３は、コイル１に対して並列に接続された第１分割キャパシタと第２分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎを有し、
第１分割キャパシタの容量値と第２分割キャパシタの容量値の和は、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎの各分割キャパシタ対で同一であり、
第１分割キャパシタの容量値と第２分割キャパシタの容量値の比は、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎの各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
第１分割キャパシタと第２分割キャパシタの容量分割点は、第１スイッチ７を介してコイル１の一端に接続され、
第２分割キャパシタの他端は、第２スイッチ８を介して電源５（受電側共振器の場合には、負荷）の他端に接続され、
第１分割キャパシタの他端は、コイル１の他端と電源５（受電側共振器の場合には、負荷）の他端の接続点に接続され、
第１スイッチ７と第２スイッチ８とは、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎのいずれか一つがコイル１と電源５（受電側共振器の場合には、負荷）とに接続するように動作する、
共振器である。
直列共振回路を構成するキャパシタ３とコイル１とを有し、
キャパシタ３は、コイル１に対して並列に接続された第１分割キャパシタと第２分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎを有し、
第１分割キャパシタの容量値と第２分割キャパシタの容量値の和は、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎの各分割キャパシタ対で同一であり、
第１分割キャパシタの容量値と第２分割キャパシタの容量値の比は、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎの各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
第１分割キャパシタと第２分割キャパシタの容量分割点は、第１スイッチ７を介してコイル１の一端に接続され、
第２分割キャパシタの他端は、第２スイッチ８を介して電源５（受電側共振器の場合には、負荷）の他端に接続され、
第１分割キャパシタの他端は、コイル１の他端と電源５（受電側共振器の場合には、負荷）の他端の接続点に接続され、
第１スイッチ７と第２スイッチ８とは、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎのいずれか一つがコイル１と電源５（受電側共振器の場合には、負荷）とに接続するように動作する、
共振器である。
【0056】
ここで、第１分割キャパシタの容量値と第２分割キャパシタの容量値の和が、ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一としているのは、各分割キャパシタ対で共振周波数を同一とするためである。
【0057】
又、第１分割キャパシタの容量値と第２分割キャパシタの容量値の比が、ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なる構成としているのは、システム運用時に、適切なａ値を有する分割キャパシタ対を選択し得るようにするためである。より具体的には、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎのうちのｋ番目の分割キャパシタ対は、第１分割キャパシタの容量値ＣＡと第２分割キャパシタの容量値ＣＢの比ＣＢ／（ＣＡ＋ＣＢ）（即ち、ａ値）が、以下の(17)の値となるように、設定されている。
【数17】
【0058】
図６は、本実施形態に係る分割容量並列共振器の構成の一例を示す図（ここでは、送電側共振器を示す）である。
【0059】
本実施形態に係る分割容量並列共振器は、
並列共振回路を構成するキャパシタ３とコイル１とを有し、
キャパシタ３は、コイル１に対して直列に接続された第３分割キャパシタと第４分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎを有し、
第３分割キャパシタの容量値の逆数と第４分割キャパシタの容量値の逆数の和は、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎの各分割キャパシタ対で同一であり、
第３分割キャパシタの容量値と第４分割キャパシタの容量値の比は、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎの各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
第３分割キャパシタと第４分割キャパシタの容量分割点は、第４スイッチ１０を介して電源又は負荷の他端に接続され、
第３分割キャパシタの他端は、第３スイッチ９を介して前記コイルの一端に接続され、
第４分割キャパシタの他端は、コイル１の他端と電源５（受電側共振器の場合には、負荷）の他端の接続点に接続され、
第３スイッチ９と第４スイッチ１０とは、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎのいずれか一つがコイル１と電源５（受電側共振器の場合には、負荷）とに接続するように動作する、
共振器である。
並列共振回路を構成するキャパシタ３とコイル１とを有し、
キャパシタ３は、コイル１に対して直列に接続された第３分割キャパシタと第４分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎを有し、
第３分割キャパシタの容量値の逆数と第４分割キャパシタの容量値の逆数の和は、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎの各分割キャパシタ対で同一であり、
第３分割キャパシタの容量値と第４分割キャパシタの容量値の比は、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎの各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
第３分割キャパシタと第４分割キャパシタの容量分割点は、第４スイッチ１０を介して電源又は負荷の他端に接続され、
第３分割キャパシタの他端は、第３スイッチ９を介して前記コイルの一端に接続され、
第４分割キャパシタの他端は、コイル１の他端と電源５（受電側共振器の場合には、負荷）の他端の接続点に接続され、
第３スイッチ９と第４スイッチ１０とは、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎのいずれか一つがコイル１と電源５（受電側共振器の場合には、負荷）とに接続するように動作する、
共振器である。
【0060】
ここで、第３分割キャパシタの容量値の逆数と第４分割キャパシタの容量値の逆数の和が、ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一としているのは、各分割キャパシタ対で共振周波数を同一とするためである。
【0061】
又、第３分割キャパシタの容量値と第４分割キャパシタの容量値の比が、ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なる構成としているのは、システム運用時に、適切なｂ値を有する分割キャパシタ対を選択し得るようにするためである。より具体的には、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎのうちのｋ番目の分割キャパシタ対は、第３分割キャパシタの容量値ＣＣと第４分割キャパシタの容量値ＣＤの比（ＣＣ＋ＣＤ）／ＣＣ（即ち、b値）が、以下の式(18)の値となるように、設定されている。
【数18】
【0062】
尚、Ｓ－Ｓ型の無線電力伝送システムを用いる場合には、より好ましくは、送電側共振器及び受電側共振器の両方を図５に示す構成とする。又、Ｓ－Ｐ型の無線電力伝送システムを用いる場合には、より好ましくは、送電側共振器を図５に示す構成とし、受電側共振器を図６に示す構成とする。又、Ｐ－Ｓ型の無線電力伝送システムを用いる場合には、より好ましくは、送電側共振器を図６に示す構成とし、受電側共振器を図５に示す構成とする。又、Ｐ－Ｐ型の無線電力伝送システムを用いる場合には、より好ましくは、送電側共振器及び受電側共振器の両方を図６に示す構成とする。
【0063】
【0064】
［無線電力伝送システムの伝送特性］
図７は、本実施形態に係る分割容量直列共振器を用いたＳ－Ｓ型の無線電力伝送システムにおいて、容量比a1を調整することによって制御される、共振器の入力インピーダンスZS1の挙動の一例を示す図である。
図７は、本実施形態に係る分割容量直列共振器を用いたＳ－Ｓ型の無線電力伝送システムにおいて、容量比a1を調整することによって制御される、共振器の入力インピーダンスZS1の挙動の一例を示す図である。
【0065】
尚、図７中で、Zmin～Zmaxの間の範囲は、共振器の入力インピーダンスZS1として最適な範囲の一例である。以下、Zminを「目標下限インピーダンス値」と称し、Zmaxを「目標上限インピーダンス値」と称する。又、p1～p11は、それぞれ、異なるa1値を表している。
【0066】
一般に、電力伝送の場合、共振器のキャパシタには大きな電圧がかかるので、当該キャパシタにバラクタなどの可変容量半導体素子を使うことはできない。そのため、共振器を構成する際には、セラミックコンデンサなど、個別のキャパシタを電気的に接続して使うことになる。又、上記したように、共振器のキャパシタとして、バリコン等を用いて、バリコンの回転角位置を調整することで容量比a1を調整することは、調整精度の観点から、実際には困難である。
【0067】
そこで、本実施形態に係る分割容量直列共振器では、図５のように、互いに異なる容量比a1のｎセットの分割キャパシタ対を設け、システム運用時には、当該ｎセットの分割キャパシタ対のうちから一つを選択して使用できる構成としている。
【0068】
この際、k値の変動に対して、常に一定の入力インピーダンスZS1に維持し、且つ、送電電力を一定以上に維持するための分割キャパシタ対のセットについて検討する。
【0069】
まず、kが連続的に変化することを想定し、k=kiの時に、共振器の入力インピーダンスZS1が、Zminになるようにa1を設定し、その値をa1(i)とする。つまり、以下の式(19)のように定義する。
【数19】
【0070】
ここで、k値が増加しki+1となり、その際ZS1がZmaxになったとして、同様に、以下の式(20)のように定義する。
【数20】
【0071】
ここで、a1をa1(i+1)に切り替えて、ZS1をZminに戻すと、以下の式(21)のように表される。
【数21】
【0072】
この式(19)、式(20)、式(21)から、k値がkiからki+1に増加したときに、a1をa1(i)からa1(i+1)に変化させたときのa1の変化の比は、以下の式(22)のように表される。
【数22】
【0073】
つまりa1の値を、√(Zmax/Zmin)の比率で等比数列として多数用意しておけば、図７のように、無駄な重なり無く、かつ切れ目無く、共振器の入力インピーダンスZS1をZminとZmaxの間に維持することができる。
【0074】
例えば、電気的な接続を変更するにはロータリースイッチが用いられることが多い。広く使われている１１接点であれば１１段階の切り替えが可能で、分割キャパシタ対を１１セット用意しておけば、a1を、
の範囲で変化させることが可能である。
【数23】
【0075】
かかる観点から、本実施形態に係る分割容量直列共振器においては、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎのうちのｋ番目の分割キャパシタ対は、第１分割キャパシタの容量値ＣＡと第２分割キャパシタの容量値ＣＢの比ＣＢ／（ＣＡ＋ＣＢ）が、上記した式(18)に示すように、√(Zmax/Zmin)の比率で増加する等比数列の値となるように用意されている。
【0076】
図７では、k値が変わった場合、共振器の入力インピーダンスを80Ω～120Ωに納めるためのa1値が設定されている。具体的には、共振器をL=1.59μH、C=159pFで構成すると、共振周波数は10MHz、共振器インピーダンス100Ωになる。この共振器を２つ用いた場合の容量分割Ｓ－Ｓ型共鳴送電回路（図４(b)）で、仮に、RL=1kΩの負荷を付け、受電側の共振器のキャパシタの容量比a2を1とすれば、ZAは10Ωになる。そして、Zmin=80Ω、Zmax=120Ωなので、a1の変化の比率は√(120/80)=1.225である。
【0077】
図７では、はじめのa1、すなわちp1=0.0107とし、１１段回目のp11=0.0813 まで変えた場合の共振器の入力インピーダンスを示す。図７から、共振器の入力インピーダンスは、仮に、a1が固定されている場合にはkの値に応じて大きく変化するが、a1の値を切り替えていくことでk=0.03から0.28までの間で規定の間に維持できることが判る。
【0078】
以下の表１は、共振器の入力インピーダンスを80Ω～120Ωに納めるために設定された送電側共振器の１１セットの分割キャパシタ対の容量比a1それぞれの値と、そのときの外部Qを示す表である。上記したように、ここでは、受電側共振器の容量比はa2=1で固定されている。表１中のｋ値は、共振器の入力インピーダンスが１００Ωとなるときのｋ値である。表１中のＱｅ１は、送電側共振器の外部Ｑ、Ｑｅ２は受電側共振器の外部Ｑ（固定値）である。
【0079】
【表1】
【0080】
本実施形態に係る分割容量直列共振器において、システム運用時に、ｎセットの分割キャパシタ対のうちから一つを選択する具体的な手法としては、例えば、送電装置ＵＡから受電装置ＵＢに対して、電力伝送の試験実施を実行させ、その際の送電電力及び／又は受電電力をモニタリングし、その電力値が規定内に入るように接続対象の分割キャパシタ対（即ち、a1値）を切り替える手法を用いることができる（後述する図１２を参照）。
【0081】
尚、式(11)、(15)から判るように、受電側のa2でも同様なことができるし、両者を組み合わせればさらに広い範囲への適応が可能である。
【0082】
図８は、本実施形態に係る分割容量直列共振器を用いたＳ－Ｓ型の無線電力伝送システムにおいて、容量比a1を調整することによって制御される、送電電力の挙動（実線）を示す図である。
【0083】
ここでは、図７と同様に、容量比a1を調整した場合に、送電電力がどのように変化するかをシミュレーションによって算出した。尚、本シミュレーションでは、コイルの寄生抵抗をゼロと設定した。又、電源は10MHzで実効値100Vのサイン波を出力するものとして構成した。
【0084】
まず、コイルの内部抵抗はないとしているので、電源から送出される電力と負荷側の電力は一致している。図７では、k値の上昇と共に、インピーダンスが増える結果となっているが、送電電力はインピーダンスに逆比例するので、図８に示す送電電力は、k値の上昇と共に低下する。
【0085】
図８から、a1の値を選ぶことで、83～125Wの範囲で送電電力が調整可能なことが判る。この程度の変動であれば、受電側のレクテナ回路で十分に対応可能である。
【0086】
尚、上記では、コイルの寄生抵抗をゼロと設定した場合の送電電力（実線）について述べたが、実際には、コイルの内部抵抗、あるいは共振器の無負荷Qは、共鳴送電では重要なパラメータである。
【0087】
そこで、コイルの寄生抵抗を0.25Ω、無負荷Qを400とした場合の計算結果を図８に点線で示している。尚、図８では、山なりの点線の上側から、容量比a1がp11のときの透過特性、p10のときの透過特性、・・・p1のときの透過特性を表している。図８から、コイルの寄生抵抗を考慮した場合、コイルの寄生抵抗をゼロとした場合と比較して、送電電力が大幅に低下していることが判る。
【0088】
非特許文献1によれば、送電側共振器の外部Ｑと受電側共振器の外部Ｑを、以下の式(24)を充足するように、共に調整することによって、共振器結合では最平坦特性が得られることが示されている。
【数24】
【0089】
最平坦特性とは、広い周波数帯域に渡って反射が無い条件において得られる伝送特性であり、共振器の固有共振周波数（即ち、中心周波数）ｆ０を挟んである周波数帯域ｆ１からｆ２までで、伝送効率がほぼ１００％となる伝送特性を表す（バターワース型特性とも称される）。式(10)の条件（Ｑｅ１＊Ｑｅ２＝１／ｋ２）は、式(24)の条件（Ｑｅ１＝１／ｋ、且つ、Ｑｅ２＝１／ｋ）を一部に含むが、式(24)の条件は、送電側共振器の外部Ｑと受電側共振器の外部Ｑとを同程度にバランスさせることが重要であることを示している。
【0090】
非特許文献１によれば、最平坦特性を充足させることで、コイルの寄生抵抗による損失を最小化することが可能であることも示されている。これは、送電側共振器の外部Ｑと受電側共振器の外部Ｑがアンバランスとなると、コイルの内部抵抗による影響を受けやすくなり、伝送効率が低下してしまうためである。尚、表１に示すように、図８の送電電力が算出された条件では、送電側共振器の外部Ｑと受電側共振器の外部Ｑの比が１０００倍以上あり、大きなアンバランスが生じており、それが故に、コイルの寄生抵抗を考慮した場合、コイルの寄生抵抗をゼロとした場合と比較して、送電電力が大幅に低下したと考えられる。
【0091】
図９は、送電側共振器の外部Ｑと受電側共振器の外部Ｑのアンバランスの問題を分析するために実施したシミュレーションの結果を示す図である。図９では、図８と同様に、本実施形態に係る分割容量直列共振器において、容量比a1を調整することによって制御される、Ｓ－Ｓ型の無線電力伝送システムにおける送電電力を示している。但し、図９では、受電側共振器の容量比a2の値を0.135と設定し、図８の場合の容量比a2＝1よりも小さい値に設定している。
【0092】
以下の表２は、図９のシミュレーションで、共振器の入力インピーダンスを80Ω～120Ωに納めるために設定された送電側共振器の１１セットの分割キャパシタ対の容量比a1それぞれの値と、そのときの外部Qを示す表である。上記したように、ここでは、受電側共振器の容量比はa2=0.135で固定されている。
【0093】
【表2】
【0094】
先の例では容量比a1を0.0107～0.0813の間で変化させたが、ここでは、同じ出力を得るためには容量比0.122～0.925の間で変化させることになる。そうすると、図９から分かるように、先の例と同じkの変動範囲で、ほぼ同じ送電電力が得られる。
【0095】
又、この場合、図９の点線を参照すると分かるように、コイルの寄生抵抗を0.25Ω、無負荷Qを400としたときでも、送電電力は、コイルの寄生抵抗をゼロとしたときと比較して、大きく低下することは無い。尚、表２に示すように、この場合、p7でほぼQe1=Qe2で最平坦特性になっており、ｋ値の変動の範囲での送電側共振器の外部Ｑと受電側共振器の外部Ｑのアンバランスは大幅に解消している。
【0096】
次に、本実施形態に係る分割容量並列共振器を利用したＰ－Ｐ型の無線電力伝送システムにおける共振器の入力インピーダンス、及び伝送特性について説明する。分割容量並列共振器を利用したＰ－Ｐ型の無線電力伝送システムにおいても、上記と同様の結果を得ることが可能である。
【0097】
図１０は、本実施形態に係る分割容量並列共振器を用いたＰ－Ｐ型の無線電力伝送システムにおいて、容量比ｂ1を調整することによって制御される、共振器の入力インピーダンスZS1の挙動の一例を示す図である。
【0098】
尚、図１０中で、Zmin～Zmaxの間の範囲は、共振器の入力インピーダンスZS1として最適な範囲の一例である。又、q 1～q 11は、それぞれ、異なるｂ1値を表している。
【0099】
尚、図１０では、上記と同様に、L=1.59μH、C=159pFで共振器を構成とし、受電側に同じくRL=1kΩ、b2=1とすればZAは10Ωになる。図１０では、この構成でk値が変わった場合、共振器の入力インピーダンスを80Ω～120Ωに納めるためのb1値について計算を行っている。尚、並列型（P型）の場合は、結合係数ｋおよび容量比bは分子に来る。そのため、kが大きくなるとインピーダンスは低下し、それを回復するためにはbを小さくする必要がある。
【0100】
本実施形態に係る分割容量並列共振器においては、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎのうちのｋ番目の分割キャパシタ対は、第３分割キャパシタの容量値ＣＣと第４分割キャパシタの容量値ＣＤの比（ＣＣ＋ＣＤ）／ＣＣ（即ち、ｂ1値）が、上記した式(19)に示すように、√(Zmax/Zmin)の比率で増加する等比数列の値となるように用意されている。
【0101】
図１０では、はじめのb1、すなわちq1=1.25とし、１１段回目のq11=9.45まで変えた場合の共振器の入力インピーダンスを示す。この場合にも、b1の変化の比率√(Zmax/Zmin)は、1.225である。これによって、図１０に示すように、共振器の入力インピーダンスは、ｂ1値を切り替えていくことでk=0.03から0.3までの間で規定の間に維持できていることが判る。
【0102】
以下の表３は、図１０のシミュレーションで、共振器の入力インピーダンスを80Ω～120Ωに納めるために設定された送電側共振器の１１セットの分割キャパシタ対の容量比b1それぞれの値と、そのときの外部Ｑを示す表である。上記したように、ここでは、受電側共振器の容量比はb2=1で固定されている。表２中のｋ値は、共振器の入力インピーダンスが１００Ωとなるときのｋ値である。表２中のＱｅ１は、送電側共振器の外部Ｑ、Ｑｅ２は受電側共振器の外部Ｑ（固定値）である。
【0103】
【表3】
【0104】
図１１は、本実施形態に係る分割容量並列共振器を用いたＰ－Ｐ型の無線電力伝送システムにおいて、容量比ｂ1を調整することによって制御される、送電電力の挙動（実線）を示す図である。
【0105】
ここでは、図１０と同様に、容量比ｂ1を調整した場合に、送電電力がどのように変化するかをシミュレーションによって算出した。尚、本シミュレーションでは、コイルの寄生抵抗をゼロと設定した。又、電源は10MHzで実効値100Vのサイン波を出力するものとして構成した。
【0106】
図１１から、ｂ1の値を選ぶことで、83～125Wの範囲で送電電力が調整可能なことが判る。この程度の変動であれば、受電側のレクテナ回路で十分に対応可能である。
【0107】
尚、上記した透過特性制御は、Ｓ－Ｐ型の無線電力伝送システム、Ｐ－Ｓ型の無線電力伝送システムでも同様に可能であり、この場合も送電側のa1やb1、受電側のa2やb2によってインピーダンス変換比の変更ができる。即ち、共振器の入力インピーダンスをZmin～Zmaxの間に維持するためには、Zmin、Zmaxに合わせて、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎの各分割キャパシタ対の容量比を設定すればよい。
【0108】
［無線電力伝送システムのシステム運用時の動作例］
図１２は、本実施形態に係る無線電力伝送システムのシステム運用時の動作例を示すフローチャートである。尚、ここでは、Ｓ－Ｓ型の無線電力伝送システムの動作例のみを示す。図１２に示すフローチャートは、例えば、送電装置ＵＡの制御部（図示せず）が、コンピュータプログラムに従って実行する処理である。
図１２は、本実施形態に係る無線電力伝送システムのシステム運用時の動作例を示すフローチャートである。尚、ここでは、Ｓ－Ｓ型の無線電力伝送システムの動作例のみを示す。図１２に示すフローチャートは、例えば、送電装置ＵＡの制御部（図示せず）が、コンピュータプログラムに従って実行する処理である。
【0109】
ステップＳ１において、送電装置ＵＡの制御部は、受電装置ＵＢの制御部と通信し、電力伝送の試験実施を開始する。
【0110】
ステップＳ２において、送電装置ＵＡの制御部は、電力伝送の試験実施における伝送効率を測定する。この際、送電装置ＵＡの制御部は、例えば、送電装置ＵＡから送出する送電電力、及び受電装置ＵＢで測定される受電電力に基づいて、伝送効率を測定する。
【0111】
ステップＳ３において、送電装置ＵＡの制御部は、ステップＳ２で測定された伝送効率が、閾値（例えば、９５％）よりも大きいか否かを判定する。そして、ステップＳ２で測定された伝送効率が、閾値よりも大きい場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、ステップＳ５に処理を進め、閾値以下の場合（ステップＳ３：ＮＯ）、ステップＳ４に処理を進める。
【0112】
ステップＳ４において、送電装置ＵＡの制御部は、第１スイッチ７及び第２スイッチ８を切り替えて、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎのうち、電源及びコイルと接続する接続対象の分割キャパシタ対を切り替える。尚、この際、送電装置ＵＡの制御部は、容量比a1が段階的に大きくなるように（又は小さくなるように）、ｎセットの分割キャパシタ対３１、３２、３３、…３ｎのうちから、接続対象の分割キャパシタ対を選択する。そして、ステップＳ１に戻って、再び、電力伝送及び伝送効率の測定を実行する。
【0113】
本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいては、このステップＳ１～Ｓ４の処理を繰り返し実行することで、高い伝送効率を確保し得る容量比a1（即ち、分割キャパシタ対）を特定する。
【0114】
ステップＳ５において、送電装置ＵＡの制御部は、送電装置ＵＡから受電装置ＵＢに対して、電力伝送の本実施を実行させる。
【0115】
ステップＳ６において、送電装置ＵＡの制御部は、電力伝送を終了する条件が充足することを待ち受ける（Ｓ６：ＮＯ）。そして、終了条件を充足した場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、図１２のフローチャートの処理を終了する。尚、送電装置ＵＡの制御部は、例えば、受電装置ＵＢの負荷であるバッテリが満充電の状態に到った場合、終了条件を充足したと判定する。
【0116】
本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいては、以上のような一連の処理によって、高い伝送効率にて、送電装置ＵＡから受電装置ＵＢに対して、電力伝送を実行することが可能である。
【0117】
尚、図１２のフローチャートでは、受電側共振器のキャパシタの容量比a2を固定した条件下で、送電側共振器のキャパシタの容量比a1のみを調整することによって、送電電力を調整する態様を示した。かかる実施態様は、システム運用時に、受電側共振器のキャパシタの容量比a2の調整を不要とすることができる点で有用である。
【0118】
但し、最平坦特性を得るためには、より好ましくは、送電側共振器のキャパシタの容量比a1と、受電側共振器のキャパシタの容量比a2とをともに調整する。この場合、例えば、図１２のフローチャートのステップＳ１～Ｓ４の処理で、高い伝送効率を確保し得る送電側共振器の容量比a1（即ち、分割キャパシタ対）を特定した後、更に、受電側共振器についても、同様の処理を実施する。即ち、送電側共振器の容量比a1を固定した条件下で、受電側共振器の容量比a2（即ち、分割キャパシタ対）を段階的に切り替え、伝送効率が最大化する容量比a2を特定すればよい。
【0119】
これによって、より高い伝送効率にて、送電装置ＵＡから受電装置ＵＢに対して、電力伝送を実行することが可能である。
【0120】
［効果］
以上のように、本開示に係る共振器（図５又は図６を参照）によれば、共振器間の位置関係が変化した場合に起こる結合係数の変化に対して、共振器の外部Ｑを適正に調整し、電源から見た共振器の入力インピーダンスを一定の範囲内に維持することが、スイッチの切替のみで可能となり、安定した非接触送電が可能となる。
以上のように、本開示に係る共振器（図５又は図６を参照）によれば、共振器間の位置関係が変化した場合に起こる結合係数の変化に対して、共振器の外部Ｑを適正に調整し、電源から見た共振器の入力インピーダンスを一定の範囲内に維持することが、スイッチの切替のみで可能となり、安定した非接触送電が可能となる。
【0121】
加えて、共振器の調整は、送電電力がモニタできれば送受電の一方のみで可能である。さらに、送受電の両者にこの装置を置けば、常に最平坦特性という内部抵抗による損失の少ない条件を設定することができる。このように、本開示に係る共振器（図５又は図６を参照）によれば、これまで制御が難しいと言うことで普及が進まない、共鳴送電を簡単な方法で、高伝送効率にて実現することができる。
【0122】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【産業上の利用可能性】
【0123】
本開示に係る結合共振型無線電力伝送システムの共振器によれば、より簡易な手法で、適正な電力値の送電が可能である。
【符号の説明】
【0124】
ＵＡ 送電装置
ＵＢ 受電装置
１ 送電側コイル
２ 受電側コイル
３ 送電側キャパシタ
３１、３２、３３、…３ｎ 分割キャパシタ対
４ 受電側キャパシタ
５ 電源
６ 負荷
７ 第１スイッチ
８ 第２スイッチ
９ 第３スイッチ
１０ 第４スイッチ
ＵＢ 受電装置
１ 送電側コイル
２ 受電側コイル
３ 送電側キャパシタ
３１、３２、３３、…３ｎ 分割キャパシタ対
４ 受電側キャパシタ
５ 電源
６ 負荷
７ 第１スイッチ
８ 第２スイッチ
９ 第３スイッチ
１０ 第４スイッチ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【手続補正書】
【提出日】2022-07-27
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
結合共振型無線電力伝送システムに適用される共振器であって、
直列共振回路を構成するキャパシタとコイルとを有すると共に、
第１スイッチ、第２スイッチ、及び、送電部としての電源又は受電部としての負荷を有し、
前記キャパシタは、前記コイルに対して並列に接続された第１分割キャパシタと第２分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対を有し、
前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の和は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一であり、
前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の比は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
前記第１分割キャパシタと前記第２分割キャパシタの容量分割点は、前記第１スイッチを介して前記コイルの一端に接続され、
前記第２分割キャパシタの他端は、前記第２スイッチを介して前記電源又は前記負荷の第１端に接続され、
前記第１分割キャパシタの他端は、前記コイルの他端と前記電源又は前記負荷の第２端の接続点に接続され、
前記第１スイッチと前記第２スイッチとは、前記ｎセットの分割キャパシタ対のいずれか一つが前記コイルと前記電源又は前記負荷とに接続するように動作する、
共振器。
直列共振回路を構成するキャパシタとコイルとを有すると共に、
第１スイッチ、第２スイッチ、及び、送電部としての電源又は受電部としての負荷を有し、
前記キャパシタは、前記コイルに対して並列に接続された第１分割キャパシタと第２分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対を有し、
前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の和は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一であり、
前記第１分割キャパシタの容量値と前記第２分割キャパシタの容量値の比は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
前記第１分割キャパシタと前記第２分割キャパシタの容量分割点は、前記第１スイッチを介して前記コイルの一端に接続され、
前記第２分割キャパシタの他端は、前記第２スイッチを介して前記電源又は前記負荷の第１端に接続され、
前記第１分割キャパシタの他端は、前記コイルの他端と前記電源又は前記負荷の第２端の接続点に接続され、
前記第１スイッチと前記第２スイッチとは、前記ｎセットの分割キャパシタ対のいずれか一つが前記コイルと前記電源又は前記負荷とに接続するように動作する、
共振器。
【請求項2】
前記ｎセットの分割キャパシタ対のうちのｋ番目の分割キャパシタ対は、前記第１分割キャパシタの容量値ＣＡと前記第２分割キャパシタの容量値ＣＢの比ＣＢ／（ＣＡ＋ＣＢ）が、以下の式（１）の値となるように、設定されている、
請求項１に記載の共振器。
請求項１に記載の共振器。
【数1】
【請求項3】
結合共振型無線電力伝送システムに適用される共振器であって、
並列共振回路を構成するキャパシタとコイルとを有すると共に、
第３スイッチ、第４スイッチ、及び、送電部としての電源又は受電部としての負荷を有し、
前記キャパシタは、前記コイルに対して直列に接続された第３分割キャパシタと第４分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対を有し、
前記第３分割キャパシタの容量値の逆数と前記第４分割キャパシタの容量値の逆数の和は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一であり、
前記第３分割キャパシタの容量値と前記第４分割キャパシタの容量値の比は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
前記第３分割キャパシタと前記第４分割キャパシタの容量分割点は、前記第４スイッチを介して前記電源又は前記負荷の第１端に接続され、
前記第３分割キャパシタの他端は、前記第３スイッチを介して前記コイルの一端に接続され、
前記第４分割キャパシタの他端は、前記コイルの他端と前記電源又は前記負荷の第２端の接続点に接続され、
前記第３スイッチと前記第４スイッチとは、前記ｎセットの分割キャパシタ対のいずれか一つが前記コイルと前記電源又は前記負荷とに接続するように動作する、
共振器。
並列共振回路を構成するキャパシタとコイルとを有すると共に、
第３スイッチ、第４スイッチ、及び、送電部としての電源又は受電部としての負荷を有し、
前記キャパシタは、前記コイルに対して直列に接続された第３分割キャパシタと第４分割キャパシタとからなるｎ（但し、ｎは２以上の正の整数）セットの分割キャパシタ対を有し、
前記第３分割キャパシタの容量値の逆数と前記第４分割キャパシタの容量値の逆数の和は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で同一であり、
前記第３分割キャパシタの容量値と前記第４分割キャパシタの容量値の比は、前記ｎセットの分割キャパシタ対の各分割キャパシタ対で互いに異なっており、
前記第３分割キャパシタと前記第４分割キャパシタの容量分割点は、前記第４スイッチを介して前記電源又は前記負荷の第１端に接続され、
前記第３分割キャパシタの他端は、前記第３スイッチを介して前記コイルの一端に接続され、
前記第４分割キャパシタの他端は、前記コイルの他端と前記電源又は前記負荷の第２端の接続点に接続され、
前記第３スイッチと前記第４スイッチとは、前記ｎセットの分割キャパシタ対のいずれか一つが前記コイルと前記電源又は前記負荷とに接続するように動作する、
共振器。
【請求項4】
前記ｎセットの分割キャパシタ対のうちのｋ番目の分割キャパシタ対は、前記第３分割キャパシタの容量値ＣＣと前記第４分割キャパシタの容量値ＣＤの比（ＣＣ＋ＣＤ）／ＣＣが、以下の式（２）の値となるように、設定されている、
請求項３に記載の共振器。
請求項３に記載の共振器。
【数2】
【請求項5】
送電側の共振器が請求項１に記載の共振器によって構成され、且つ、
受電側の共振器が請求項１に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
受電側の共振器が請求項１に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
【請求項6】
送電側の共振器が請求項３に記載の共振器によって構成され、且つ、
受電側の共振器が請求項１に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
受電側の共振器が請求項１に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
【請求項7】
送電側の共振器が請求項１に記載の共振器によって構成され、且つ、
受電側の共振器が請求項３に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
受電側の共振器が請求項３に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
【請求項8】
送電側の共振器が請求項３に記載の共振器によって構成され、且つ、
受電側の共振器が請求項３に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。
受電側の共振器が請求項３に記載の共振器によって構成された、
結合共振型無線電力伝送システム。