特許 7484946 非接触給電システム

(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】

(24)【登録日】2024-05-08

(45)【発行日】2024-05-16

(54)【発明の名称】非接触給電システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20240509BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20240509BHJP

【ＦＩ】

H02J50/12

H02J7/00 301D

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2022008670

(22)【出願日】2022-01-24

(65)【公開番号】P2022130305

(43)【公開日】2022-09-06

【審査請求日】2023-01-05

(31)【優先権主張番号】P 2021028217

(32)【優先日】2021-02-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 将也

(72)【発明者】

【氏名】柴沼 満

(72)【発明者】

【氏名】加藤 和行

(72)【発明者】

【氏名】中屋敷 侑生

(72)【発明者】

【氏名】高橋 英介

(72)【発明者】

【氏名】山口 宜久

【審査官】清水 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１０１０７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１５９３３０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ７／００－７／１２

７／３４－７／３６

５０／００－５０／９０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

送電装置から受電装置に非接触で電力が供給される非接触給電システムであって、
送電用の１次側コイル（１１２）及び１次側コンデンサ（１１４，１１４Ｃ，１１４Ｄ）で構成される１次側共振回路（１１０，１１０Ｂ，１１０Ｃ，１１０Ｄ）と、
予め定めた動作周波数の交流電力を前記１次側共振回路に印加する交流電源装置（１３０，１３０Ｅ，１３０Ｆ）と、
を有する送電装置（１００，１００Ｅ，１００Ｆ）と、
前記１次側コイルと磁気的に結合される受電用の２次側コイル（２１２）、及び、２次側コンデンサ（２１４）で構成される２次側共振回路（２１０）を有する受電装置（２００）と、
前記１次側コイル及び前記２次側コイルのそれぞれと磁気的に結合した状態となるように配置される３次側コイル（３１２）、及び、前記３次側コイルとともに短絡共振回路を構成する３次側コンデンサ（３１４，３１４Ｃ，３１４Ｄ）で構成される３次側共振回路（３１０，３１０Ｂ，３１０Ｃ，３１０Ｄ）と、
を備え、
前記１次側コンデンサのキャパシタンスは、自己インダクタンスＬ１の前記１次側コイルと角周波数ω０の前記動作周波数で共振するように、下式（１）に従ったキャパシタンスＣ１に設定され、
前記３次側コンデンサのキャパシタンスは、自己インダクタンスＬ３の前記３次側コイルと前記動作周波数で共振するように、下式（２）に従ったキャパシタンスＣ３に設定され、
前記２次側コンデンサのキャパシタンスは、前記１次側コイル、前記２次側コイル、及び前記３次側コイルのそれぞれの自己インダクタンスとそれぞれの相互インダクタンスとによって生じる前記交流電力の無効電力成分が小さくなるように設定される、
非接触給電システム。

【数21】

【数22】

【請求項2】

請求項１に記載の非接触給電システムであって、
前記２次側コンデンサのキャパシタンスは、前記２次側コイルの自己インダクタンスＬ２と前記角周波数ω０とで表される下式（３）に従ったキャパシタンスＣ２ｒよりも大きな値に設定される、非接触給電システム。

【数23】

【請求項3】

請求項２に記載の非接触給電システムであって、
前記２次側コンデンサのキャパシタンスは、前記２次側コイルの自己インダクタンスＬ２と、前記１次側コイルと前記２次側コイルとの相互インダクタンスＭ１２と、前記１次側コイルと前記３次側コイルとの相互インダクタンスＭ１３と、前記３次側コイルと前記２次側コイルとの相互インダクタンスＭ３２と、前記角周波数ω０とから、下式（４）に従ったキャパシタンスＣ２に設定される、非接触給電システム。

【数24】

【請求項4】

請求項２に記載の非接触給電システムであって、
前記２次側コンデンサのキャパシタンスは、前記２次側コイルの自己インダクタンスＬ２と、前記１次側コイルと前記２次側コイルとの相互インダクタンスＭ１２と、前記１次側コイルと前記３次側コイルとの相互インダクタンスＭ１３と、前記３次側コイルと前記２次側コイルとの相互インダクタンスＭ３２と、前記角周波数ω０とから、下式（４）に従って設定されるキャパシタンスＣ２に対して＋２５％の誤差範囲内に設定される、非接触給電システム。

【数25】

【請求項5】

請求項２に記載の非接触給電システムであって、
前記３次側コイルは、前記１次側コイルに直列に接続されており、
前記３次側コンデンサは、前記３次側コイルに並列に接続されており、
前記２次側コンデンサのキャパシタンスは、前記２次側コイルの自己インダクタンスＬ２と、前記３次側コイルの自己インダクタンスＬ３と、前記１次側コイルと前記２次側コイルとの相互インダクタンスＭ１２と、前記１次側コイルと前記３次側コイルとの相互インダクタンスＭ１３と、前記３次側コイルと前記２次側コイルとの相互インダクタンスＭ３２と、前記角周波数ω０とから、下式（５）に従ったキャパシタンスＣ２に設定される、非接触給電システム。

【数26】

【請求項6】

請求項２に記載の非接触給電システムであって、
前記３次側コイルは、前記１次側コイルに直列に接続されており、
前記３次側コンデンサは、前記３次側コイルに並列に接続されており、
前記２次側コンデンサのキャパシタンスは、前記２次側コイルの自己インダクタンスＬ２と、前記３次側コイルの自己インダクタンスＬ３と、前記１次側コイルと前記２次側コイルとの相互インダクタンスＭ１２と、前記１次側コイルと前記３次側コイルとの相互インダクタンスＭ１３と、前記３次側コイルと前記２次側コイルとの相互インダクタンスＭ３２と、前記角周波数ω０とから、下式（５）に従って設定されるキャパシタンスＣ２に対して＋２５％の誤差範囲内に設定される、非接触給電システム。

【数27】

【請求項7】

請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の非接触給電システムであって、
前記３次側コイルは、前記１次側コイルに対して一定の結合状態となるように配置される、非接触給電システム。

【請求項8】

請求項７に記載の非接触給電システムであって、
前記１次側コイル及び前記３次側コイルはプリント基板で一体形成されており、前記２次側コンデンサ及び前記３次側コンデンサは、前記プリント基板の面上に実装される、非接触給電システム。

【請求項9】

請求項７または請求項８に記載の非接触給電システムであって、
前記１次側コンデンサ（１１４Ｃ，１１４Ｄ）は、キャパシタンスが可変な可変コンデンサで構成され、
前記非接触給電システムは、さらに、
前記１次側コイルに流れるコイル電流を検出し、前記コイル電流の値に応じて前記１次側コンデンサのキャパシタンスを変化させるキャパシタンス制御部（１５０Ｃ，１５０Ｄ）を有し、
前記キャパシタンス制御部は、前記コイル電流の値が減少した場合に、前記１次側コンデンサのキャパシタンスを前記式（１）に従ったキャパシタンスＣ１よりも低くする、
非接触給電システム。

【請求項10】

請求項９に記載の非接触給電システムであって、
前記３次側コンデンサも、キャパシタンスが可変な可変コンデンサで構成され、
前記キャパシタンス制御部は、さらに、前記３次側コンデンサのキャパシタンスを前記式（２）に従ったキャパシタンスＣ３よりも低くする、
非接触給電システム。

【請求項11】

請求項１０に記載の非接触給電システムであって、
前記キャパシタンス制御部は、前記１次側コンデンサのキャパシタンスを小さくした後に、前記３次側コンデンサのキャパシタンスを小さくする、非接触給電システム。

【請求項12】

請求項７から請求項１１までのいずれか一項に記載の非接触給電システムであって、
前記２次側コイルが前記１次側コイルに接近して離反するように移動する場合の移動方向において、前記１次側コイルの中心位置とコイル端との間の１／２の位置から前記コイル端までの間の範囲のいずれかの位置に、前記２次側コイルの中心位置が存在する状態における、前記１次側コイルと前記２次側コイルとの結合状態と、前記１次側コイルと前記３次側コイルとの結合状態と、前記３次側コイルと前記２次側コイルとの結合状態を基準として、前記２次側コンデンサのキャパシタンスを設定する、非接触給電システム。

【請求項13】

請求項７から請求項１１までのいずれか一項に記載の非接触給電システムであって、
前記２次側コイルが前記１次側コイルに接近して離反するように移動する場合の移動方向において、前記１次側コイルの中心位置とコイル端との間の１／２の位置から前記１次側コイルの中心位置までの間の範囲のいずれかの位置に、前記２次側コイルの中心位置が存在する状態における、前記１次側コイルと前記２次側コイルとの結合状態と、前記１次側コイルと前記３次側コイルとの結合状態と、前記３次側コイルと前記２次側コイルとの結合状態を基準として、前記２次側コンデンサのキャパシタンスを設定する、非接触給電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、非接触給電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

１次側である送電側から２次側である受電側に誘導により非接触で電力を供給する非接触給電システムが種々提案されている。例えば、特許文献１には、システム周波数において共振する中間共振ループを経て、１次誘導導線（１次側コイル）から２次共振ピックアップ回路に電力を誘導する誘導電力伝達システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特表２００２－５０８９１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、１次側の共振回路から２次側の共振回路に電力を誘導する非接触給電システムに含まれる複数の共振回路について、従来技術と同様に、それぞれ、共振回路のコンデンサのキャパシタンスを、誘導する電力の周波数で共振回路のコイルの自己インダクタンスと共振するように設定した場合、誘導する電力の力率の低下を招くという問題がある。そして、この誘導する電力の力率の低下の問題は、１次側の共振回路に電力を出力する装置側の損失の増大の問題を招く。この問題は、１次側の共振回路のコイルと、２次側の共振回路のコイルとの間の結合係数が高いほど顕著となる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一形態によれば、送電装置から受電装置に非接触で電力が供給される非接触給電システムが提供される。この非接触給電システムは、送電用の１次側コイル（１１２）及び１次側コンデンサ（１１４，１１４Ｃ，１１４Ｄ）で構成される１次側共振回路（１１０，１１０Ｂ，１１０Ｃ，１１０Ｄ）と、予め定めた動作周波数の交流電力を前記１次側共振回路に印加する交流電源装置（１３０，１３０Ｅ，１３０Ｆ）と、を有する送電装置（１００，１００Ｅ，１００Ｆ）と、前記１次側コイルと磁気的に結合される受電用の２次側コイル（２１２）、及び、２次側コンデンサ（２１４）で構成される２次側共振回路（２１０）を有する受電装置（２００）と、前記１次側コイル及び前記２次側コイルのそれぞれと磁気的に結合した状態となるように配置される３次側コイル（３１２）、及び、前記３次側コイルとともに短絡共振回路を構成する３次側コンデンサ（３１４，３１４Ｃ，３１４Ｄ）で構成される３次側共振回路（３１０，３１０Ｂ，３１０Ｃ，３１０Ｄ）と、を備える。前記１次側コンデンサのキャパシタンスは、自己インダクタンスＬ１の前記１次側コイルと角周波数ω０の前記動作周波数で共振するように、下式（１）に従ったキャパシタンスＣ１に設定される。前記３次側コンデンサのキャパシタンスは、自己インダクタンスＬ３の前記３次側コイルと前記動作周波数で共振するように、下式（２）に従ったキャパシタンスＣ３に設定される。前記２次側コンデンサのキャパシタンスは、前記１次側コイル、前記２次側コイル、及び前記３次側コイルのそれぞれの自己インダクタンスとそれぞれの相互インダクタンスとによって生じる前記交流電力の無効電力成分が小さくなるように設定される。

【数1】

【数2】

この形態の非接触給電システムによれば、送電装置から受電装置への給電時において、交流電源装置から１次側共振回路に印加する交流電力の無効成分を小さくすることができるので、１次側共振回路に印加される交流電力の力率の低下を抑制することができる。これにより、交流電源装置側の損失を低減することができる。例えば、交流電源装置にインバータやフィルタが含まれる場合において、インバータやフィルタで発生する損失を低減することができる。また、１次側共振回路の１次側コンデンサのキャパシタンス及び３次側共振回路の３次側コンデンサのキャパシタンスを、１次側コイル、２次側コイル、及び３次側コイルのそれぞれの結合の度合いを示す結合係数に関係なく設定できる。これにより、送電装置からの給電が可能となる受電装置のバリエーションを多くすることが容易である。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態の非接触給電システムの概略構成図。

【図2】第１実施形態の設定における負荷抵抗と力率の関係を示す説明図。

【図3】２次側コンデンサのキャパシタンスの誤差と力率の関係を示す説明図。

【図4】第２実施形態の１次側コイルと３次側コイルの配置について示す説明図。

【図5】一体形成された１次側コイルと３次側コイルの構成を示す説明図。

【図6】第３実施形態の非接触給電システムの概略構成図。

【図7】第３実施形態の設定における負荷抵抗と力率の関係を示す説明図。

【図8A】２次側コンデンサのキャパシタンスの誤差と力率の関係を示す説明図。

【図8B】３次側コンデンサのキャパシタンスと１次側コイルのコイル電流との関係を示す説明図。

【図9】第４実施形態の非接触給電システムの概略構成図。

【図10】第５実施形態の非接触給電システムの概略構成図。

【図11】第５実施形態の非接触給電システムの別の概略構成図。

【図12】非接触給電システムの各回路定数の設計条件を示す説明図。

【図13】非接触給電システムの各回路定数の別の設計条件を示す説明図。

【図14】設計条件と力率の関係を示す説明図。

【図15】設計条件の違いによる電力の脈動を示す第１の説明図。

【図16】設計条件の違いによる電力の脈動を示す第２の説明図。

【図17】車両用非接触給システムの概略構成図。

【図18】車両用非接触給システムの別の概略構成図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

Ａ．第１実施形態：
図１に示すように、第１実施形態の非接触給電システムは、送電装置１００と、送電装置１００から非接触で電力が供給される受電装置２００と、３次側共振回路３１０と、を備えている。

【0008】

送電装置１００は、１次側共振回路１１０と、交流電源装置１３０と、を備えている。１次側共振回路１１０は、共振による誘導によって受電装置２００への電力の供給を実行する回路である。１次側共振回路１１０は、１次側コイル１１２と、１次側コイル１１２に直列に接続された１次側コンデンサ１１４と、を有している。１次側コンデンサ１１４は、１次側コイル１１２に印加された電力を共振させるための共振コンデンサである。交流電源装置１３０は、予め定められた動作周波数ｆ０（角周波数ω０）の交流電力を１次側共振回路１１０に印加する装置である。交流電源装置１３０は、外部電源の交流電力を直流電力に変換する電源装置や、電源装置から供給される直流電力を動作周波数の交流電力に変換するインバータ等を含む装置として構成される。なお、インバータの後段にフィルタを含む場合もある。

【0009】

受電装置２００は、電子機器や電気自動車等のように、電力を利用して作動する種々の装置に搭載される。受電装置２００は、２次側共振回路２１０と、受電回路２２０と、バッテリ２３０と、を備えている。２次側共振回路２１０も、１次側共振回路１１０と同様に、直列に接続された２次側コイル２１２と、共振コンデンサとしての２次側コンデンサ２１４と、を有している。２次側共振回路２１０は、２次側コイル２１２と１次側コイル１１２との間が磁気的に結合された共振結合の状態において、２次側コイル２１２に誘導された交流電力を得る回路である。

【0010】

受電回路２２０は、例えば、２次側共振回路２１０で得られた交流電力を直流電力に変換し、バッテリ２３０に充電する回路である。バッテリに充電された電力は、受電装置２００が搭載された装置において電力として利用される。すなわち、受電回路２２０及びバッテリ２３０は、２次側共振回路２１０の負荷として機能する。そこで、以下では、受電回路２２０及びバッテリ２３０を負荷抵抗ＲＬとして説明する場合もある。

【0011】

３次側共振回路３１０は、３次側コイル３１２と、共振コンデンサである３次側コンデンサ３１４とが直列に接続された閉回路で構成されている。

【0012】

送電装置１００から受電装置２００への給電が行なわれる場合には、２次側共振回路２１０は、２次側コイル２１２が１次側共振回路１１０の１次側コイル１１２と磁気的に結合された状態となるように配置される。また、３次側共振回路３１０は、３次側コイル３１２が１次側コイル１１２及び２次側コイル２１２のそれぞれと磁気的に結合された状態となるように配置される。なお、図１では、各コイルが互いに磁気的に結合された状態にあることを２本の平行な直線にて示している。

【0013】

１次側共振回路１１０において、１次側コイル１１２の自己インダクタンスをＬ１とした場合に、１次側コンデンサ１１４のキャパシタンスは、１次側コンデンサ１１４と１次側コイル１１２とが動作周波数ｆ０の角周波数ω０で共振するように、下式（１）に従ったキャパシタンスＣ１に設定される。

【数3】

【0014】

３次側共振回路３１０において、３次側コイル３１２の自己インダクタンスをＬ３とした場合に、３次側コンデンサ３１４のキャパシタンスは、３次側コンデンサ３１４と３次側コイル３１２とが角周波数ω０で共振するように、下式（２）に従ったキャパシタンスＣ３に設定される。

【数4】

【0015】

２次側共振回路２１０において、２次側コイル２１２の自己インダクタンスをＬ２とした場合、２次側コンデンサ２１４のキャパシタンスは、下式（３）に従ったキャパシタンスＣ２ｒよりも大きな値に設定されることが好ましく、具体的には、下式（４）に従ったキャパシタンスＣ２に設定されることが最も好ましい。なお、キャパシタンスＣ２ｒは、２次側コンデンサ２１４と２次側コイル２１２とが角周波数ω０で共振するように設定される値である。

【数5】

【数6】

Ｍｎｍはｎ次側コイルとｍ次側コイルの相互インダクタンスである。相互インダクタンスＭｎｍは、Ｍｎｍ＝ｋｎｍ√（Ｌｎ・Ｌｍ）で表されるので、上式（４）は、下式（６）のように表すこともできる。

【数7】

ｋｎｍは、ｎ次側コイルとｍ次側コイルの磁気的な結合状態の違い、すなわち、結合の度合いを示す結合係数であり、コイル間の配置関係に応じて、－１よりも大きく＋１未満の値をとる。Ｌｎはｎ次側コイルの自己インダクタンス、Ｌｍはｍ次側コイルの自己インダクタンスである。従って、相互インダクタンスＭｎｍの大きさは、結合係数ｋｎｍの大きさが大きいほど大きくなる。

【0016】

コイル間に磁気的な結合がない場合の結合係数ｋｎｍは０でとなり、相互インダクタンスＭｎｍは０となる。例えば、受電装置２００が存在しない場合には、１次側コイル１１２と２次側コイル２１２の結合係数ｋ１２はｋ１２＝０となり、相互インダクタンスＭ１２はＭ１２＝０となる。

【0017】

なお、２次側コンデンサ２１４のキャパシタンスを、上式（４）に従ったキャパシタンスＣ２に設定する場合に用いられる相互インダクタンスＭ１２，Ｍ１３，Ｍ３２は、予め設定した各コイルの配置関係における結合係数ｋ１２，ｋ１３，ｋ３２から求められる値が利用される。

【0018】

ここで、交流電源装置１３０から１次側共振回路１１０を見た入力インピーダンスＺｉｎは、１次側共振回路１１０、２次側共振回路２１０、及び３次側共振回路３１０のそれぞれにおける回路方程式から、下式（７）となる。

【数8】

なお、上式（７）は、１次側コイル１１２、２次側コイル２１２、及び３次側コイル３１２の巻線抵抗ｒ１，ｒ２，ｒ３が動作周波数ｆ０におけるリアクタンス［ω０・Ｌ１］,［ω０・Ｌ２］，［ω０・Ｌ３］に比べて十分小さいため、抵抗成分が省略されて示されている。

【0019】

交流電源装置１３０から１次側共振回路１１０に印加する交流電力を高効率で２次側共振回路２１０に供給するためには、上式（７）において、虚数成分を小さくして、交流電力の力率を高くすることが求められ、理想的には、虚数成分を０とすることが好ましい。

【0020】

そこで、上式（７）の第１項［ｊω０・Ｌ１＋１／（ｊω０・Ｃ１）］を０とすることにより、上式（１）が求められる。また、上式（１）のように設定した場合、１次側コイル１１２と２次側コイル２１２と３次側コイル３１２との相互の結合状態に関係なく、１次側共振回路１１０の回路定数を設定可能となる。

【0021】

また、上式（７）の第２項及び第３項の｛（Ｍ１３／Ｍ３２）^２［ｊω０・Ｌ２＋１／（ｊω０・Ｃ２）］－２ｊω０・Ｍ１２・Ｍ１３／Ｍ３２｝を０とすることにより、上式（４）が求められる。

【0022】

また、上式（２）は、上式（１）のキャパシタンスＣ１と同様に、１次側コイル１１２と２次側コイル２１２と３次側コイル３１２との相互の結合状態に関係なく、３次側共振回路３１０の回路定数を設定可能とするものとして、求められる。

【0023】

なお、上式（２）は、以下で説明するようにしても求められる。例えば、３次側コイル３１２が１次側コイル１１２と一定の配置関係で構成されている状態において、受電装置２００が存在しない場合に、交流電源装置１３０から１次側共振回路１１０への過大な入力電流を抑えるために、入力インピーダンスＺｉｎが最大となるように設計することが求められる。この場合の入力インピーダンスＺｉｎは、１次側共振回路１１０及び３次側共振回路３１０のそれぞれにおける回路方程式から、下式（８）となる。

【数9】

上式（８）も、上式（７）と同様に抵抗成分が省略されて示されている。

【0024】

上式（８）で表される入力インピーダンスＺｉｎが最大となるのは、第４項の分母の虚数成分［ｊω０・Ｌ３＋１／（ｊω０・Ｃ３）］が０となる場合である。そこで、［ｊω０・Ｌ３＋１／（ｊω０・Ｃ３）］＝０から、上式（２）が求められる。

【0025】

２次側コンデンサ２１４のキャパシタンスを、上式（４）に従って設定した実施形態の場合と、上式（３）に従って設定した比較例の場合について、負荷抵抗ＲＬと力率の関係をシミュレーションしたところ、図２に示す結果が得られた。なお、１次側コンデンサ１１４のキャパシタンスＣ１及び３次側コンデンサ３１４のキャパシタンスＣ３は、上式（１），（２）に従って設定されている。比較例の設定の場合、交流電力の無効成分の影響により力率は１より小さく、特に、負荷抵抗ＲＬが小さいほど、すなわち、負荷が大きいほど、力率は小さくなっている。これに対して、本実施形態の設定の場合、負荷抵抗ＲＬの大きさによらずに力率は１で一定とすることができ、最も高効率な交流電力の伝送が可能であることを確認した。

【0026】

また、上式（４）に従って設定されるキャパシタンスＣ２からの誤差［％］と力率との関係をシミュレーションしたところ、図３に示す結果が得られた。図３からわかるように、２次側コンデンサ２１４のキャパシタンスは、上式（４）に従って設定されたキャパシタンスＣ２でなくても、交流電力の無効成分を抑制して力率の低下を抑制できることを確認した。例えば、－２５％から＋４５％の誤差の範囲内の値であれば、力率０．６以上とすることができ、－１５％から＋２５％の誤差の範囲内の値であれば、力率０．８以上とすることができる。ここで、上記数値は、小数点第二位を四捨五入した値で表されている。なお、マイナス側の誤差に比べプラス側の誤差の方が、力率の低下率がなだらかであるので、０％から＋２５％の誤差の範囲内の値とするほうが好ましい。

【0027】

また、上式（４）の［Ｍ１２・Ｍ３２／Ｍ１３］は通常、正の値とされるので、上式（４）に従って設定されるキャパシタンスＣ２は、上式（３）に従って求められるキャパシタンスＣ２ｒに比べて大きな値（Ｃ２＞Ｃ２ｒ）となる。従って、２次側コンデンサ２１４のキャパシタンスは、交流電力の無効成分を抑制して力率の低下を抑制するように、上式（３）に従って求められるキャパシタンスＣ２ｒよりも大きな値に設定されるようにしてもよい。なお、［Ｍ１２・Ｍ３２／Ｍ１３］は、各コイルの結合状態によっては負の値となる場合もある。この場合には、上式（４）に従って設定されるキャパシタンスＣ２は、上式（３）に従って求められるキャパシタンスＣ２ｒに比べて小さな値（Ｃ２＜Ｃ２ｒ）となる。従って、この場合には、２次側コンデンサ２１４のキャパシタンスは、交流電力の無効成分を抑制して力率の低下を抑制するように、上式（３）に従って求められるキャパシタンスＣ２ｒよりも小さな値に設定されるようにしてもよい。

【0028】

以上のことから、２次側コンデンサ２１４のキャパシタンスは、１次側コイル１１２、２次側コイル２１２、及び３次側コイル３１２のそれぞれの自己インダクタンスＬ１，Ｌ２，Ｌ３とそれぞれの相互インダクタンスＭ１２，Ｍ１３，Ｍ３２とによって生じる交流電力の無効電力成分が小さくなり力率の低下が小さくなるように設定されるようにしてもよい。

【0029】

以上説明したように、本実施形態では、送電装置１００から受電装置２００への給電時において、交流電源装置１３０から１次側共振回路１１０に印加される交流電力の力率の低下を抑制することができ、高効率な給電が可能である。

【0030】

Ｂ．第２実施形態：
第１実施形態では、２次側共振回路２１０の２次側コイル２１２が１次側共振回路１１０の１次側コイル１１２と磁気的に結合された状態となるように配置され、３次側共振回路３１０の３次側コイル３１２が１次側コイル１１２及び２次側コイル２１２のそれぞれと磁気的に結合された状態となるように配置される、として説明した。すなわち、第１実施形態では、１次側コイル１１２と２次側コイル２１２と３次側コイル３１２の具体的な配置関係について特に限定していない。そこで、第２実施形態では、各コイルの好ましい配置について説明する。

【0031】

図４に示すように、３次側コイル３１２は、１次側コイル１１２に対向する２次側コイル２１２とは反対側で１次側コイル１１２に積層配置されることが好ましい。また、図示は省略するが、３次側コイル３１２は、２次側コイル２１２と同じ側で１次側コイル１１２に積層配置されてもよい。また、図示は省略するが、１次側コイル１１２の側方に並べて隣接配置されてもよい。すなわち、３次側コイル３１２は、１次側コイル１１２に対して一定の結合係数ｋ１３を有する結合状態となるような位置関係となるように１次側コイル１１２の側すなわち送電装置１００側に配置されることが好ましい。但し、１次側コイル１１２と３次側コイル３１２を積層配置される方が、並べて配置されるよりも結合係数ｋ１３を容易に高めることができる。

【0032】

ここで、上式（７）で示される入力インピーダンスＺｉｎは、上式（１），（２），（４）により、負荷抵抗ＲＬを用いた下式（９）に整理される。

【数10】

【0033】

上記したように、３次側コイル３１２が１次側コイル１１２の側に配置された場合、１次側コイル１１２と３次側コイル３１２の位置関係は変化しないため、結合係数ｋ１３は一定である。これに対して、２次側コイル２１２が１次側コイル１１２から離れて行くと、３次側コイル３１２と２次側コイル２１２の結合係数ｋ３２は減少することになるので、上式（９）で示される入力インピーダンスＺｉｎが増加することになる。従って、２次側コイル２１２が離れて行き、送電装置１００から受電装置２００への給電が行なわれない場合に、入力インピーダンスＺｉｎが増加することで、交流電源装置１３０から１次側共振回路１１０に印加される電力、具体的には１次側コイル１１２に流れるコイル電流を減少させることができる。これにより、無駄な電力損失を低減することができ、１次側コイル１１２で発生する漏洩磁束を低減することができる。

【0034】

なお、図５に示すように、１次側コイル１１２と３次側コイル３１２とを、多層のプリント基板ＰＣＢで一体形成し、１次側コンデンサ１１４及び３次側コンデンサ３１４をプリント基板ＰＣＢの面上に実装配置することがより好ましい。このようにすれば、１次側コイル１１２と３次側コイル３１２の結合係数ｋ１３を高めることができる。

【0035】

ここで、送電装置１００から受電装置２００への交流電力の伝送効率ηは、１次側共振回路１１０、２次側共振回路２１０及び３次側共振回路３１０のそれぞれにおける回路方程式から、下式（１０）となる。

【数11】

【0036】

そして、上式（１０）で示される伝送効率ηは、２次側コンデンサ２１４のキャパシタンスＣ２が上式（４）に従った場合に最大となる。この場合の最適負荷ＲＬｏｐｔは、下式（１１）となる。

【数12】

【0037】

上式（１０）に上式（１１）を代入し、ｋｎｍ（ｎｍ＝１２，１３，３２）及びＱｉ（＝ω０・Ｌｉ／ｒｉ）（ｉ＝１，２，３）を用いて整理すると、最大効率ηｍａｘは、下式（１２）で表される。なお、ｒｉはｉ次側コイルの巻線抵抗である。

【数13】

【0038】

上式（１２）から、１次側コイル１１２と３次側コイル３１２の結合係数ｋ１３あるいは３次側コイル３１２と２次側コイル２１２の結合係数ｋ３２を高くすれば伝送効率を向上可能であることがわかる。以上のことから、上記したように、１次側コイル１１２と３次側コイル３１２とを、多層のプリント基板ＰＣＢで一体形成することにより、１次側コイル１１２と３次側コイル３１２の結合係数ｋ１３を高めることが好ましい。このようにすれば、伝送効率の向上を図ることができる。また、１次側コンデンサ１１４及び３次側コンデンサ３１４も同一プリント基板上に実装配置することで、配線による寄生のインダクタンス成分やキャパシタンス成分、抵抗成分を低減することができ、共振周波数のずれを抑制することができる。

【0039】

なお、上述したように、２次側コイル２１２と３次側コイル３１２とをプリント基板で一体形成することも可能であるが、上記したように、受電装置２００が存在しない場合に、入力インピーダンスＺｉｎを増加させるためには、１次側コイル１１２と３次側コイル３１２をプリント基板で一体形成する方が好ましい。

【0040】

なお、図５の例では、２層のプリント基板の一方の面に１次側コイル１１２を形成し、他方の面に３次側コイル３１２を形成し構成を例に説明したが、３層以上の多層のプリント基板を用いて１次側コイル１１２と３次側コイル３１２を一体形成する構成としてもよい。

【0041】

Ｃ．第３実施形態:
図１に示した第１実施形態の構成では、１次側共振回路１１０に対して３次側共振回路３１０が独立した回路となっている。これに対して、図６に示すように、第３実施形態の構成では、３次側共振回路３１０Ｂの３次側コイル３１２が、１次側共振回路１１０Ｂの１次側コイル１１２に直列に接続され、３次側共振回路３１０Ｂの３次側コンデンサ３１４が３次側コイル３１２に並列に接続された構成とすることも可能である。

【0042】

１次側共振回路１１０Ｂにおいても、１次側コイル１１２の自己インダクタンスをＬ１とした場合に、１次側コンデンサ１１４のキャパシタンスは、１次側コンデンサ１１４と１次側コイル１１２とが動作周波数ｆ０の角周波数ω０で共振するように、上式（１）に従ったキャパシタンスＣ１に設定されればよい。これは、第１実施形態の１次側共振回路１１０に対して説明したのと同様の理由による。

【0043】

また、３次側共振回路３１０Ｂにおいても、３次側コイル３１２の自己インダクタンスをＬ３とした場合に、３次側コンデンサ３１４のキャパシタンスは、３次側コンデンサ３１４と３次側コイル３１２とが角周波数ω０で共振するように、上式（２）に従ったキャパシタンスＣ３に設定されればよい。これも、第１実施形態の３次側共振回路３１０に対して説明したのと同様の理由による。

【0044】

本実施形態の２次側共振回路２１０では、第１実施形態と同様に、２次側コンデンサ２１４のキャパシタンスは、２次側コイル２１２の自己インダクタンスをＬ２とした場合に、上式（３）に従ったキャパシタンスＣ２ｒよりも大きな値に設定されることが好ましい。また、２次側コンデンサ２１４のキャパシタンスの最も好ましい設定は、以下で説明するように、上式（４）に従ったキャパシタンスＣ２の設定ではなく、下式（５）に従ったキャパシタンスＣ２の設定となる。

【数14】

【0045】

上式（５）は、以下で説明するように導出される。交流電源装置１３０から１次側共振回路１１０Ｂ及び３次側共振回路３１０Ｂを見た入力インピーダンスＺｉｎは、１次側共振回路１１０Ｂ、２次側共振回路２１０、及び３次側共振回路３１０Ｂのそれぞれにおける回路方程式、並びに、上式（１）及び上式（２）から、下式（１３）となる。

【数15】

なお、上式（１３）も、上式（７）と同様の理由から、抵抗成分が省略されて示されている。

【0046】

交流電源装置１３０から１次側共振回路１１０Ｂに印加する交流電力を高効率で２次側共振回路２１０に供給するためには、上式（１３）において、虚数成分を小さくして、交流電力の力率を高くすることが求められ、理想的には、虚数成分を０とすることが好ましい。

【0047】

そこで、上式（１３）の第１項～第４項の虚数成分を０とすることにより、上式（５）が求められる。

【0048】

２次側コンデンサ２１４のキャパシタンスを、上式（５）に従って設定した実施形態の場合と、上式（３）に従って設定した比較例の場合について、負荷抵抗ＲＬと力率の関係をシミュレーションしたところ、図７に示す結果が得られた。なお、１次側コンデンサ１１４のキャパシタンスＣ１及び３次側コンデンサ３１４のキャパシタンスＣ３は、上式（１），（２）に従って設定されている。比較例の設定の場合、第１実施形態の場合（図２参照）の比較例に比べれば高くなっているが、交流電力の無効成分の影響により力率は１より小さく、特に、負荷抵抗ＲＬが小さいほど、すなわち、負荷が大きいほど、力率は小さくなっている。これに対して、本実施形態の設定の場合には、負荷抵抗ＲＬの大きさによらずに力率は１で一定とすることができ、最も高効率な交流電力の伝送が可能であることを確認した。

【0049】

また、上式（５）に従って設定されるキャパシタンスＣ２からの誤差［％］と力率との関係をシミュレーションしたところ、図８Ａに示す結果が得られた。図８Ａからわかるように、２次側コンデンサ２１４のキャパシタンスは、上式（５）に従って設定されたキャパシタンスＣ２でなくても、交流電力の無効成分を抑制して力率の低下を抑制できることを確認した。例えば、－２５％から＋４５％の誤差の範囲内の値であれば、力率０．６以上とすることができ、－１５％から＋２５％の誤差の範囲内の値であれば、力率０．８以上とすることができる。ここで、上記数値は、小数点第二位を四捨五入した値で表されている。なお、マイナス側の誤差に比べプラス側の誤差の方が、力率の低下率がなだらかであるので、０％から＋２５％の誤差の範囲内の値とするほうが好ましい。

【0050】

なお、本実施形態においても、１次側コイル１１２と３次側コイル３１２の配置には、第２実施形態で説明した配置が適用可能である。

【0051】

以上説明したように、本実施形態においても、送電装置１００から受電装置２００への給電時において、交流電源装置１３０から１次側共振回路１１０に印加される交流電力の力率の低下を抑制することができ、高効率な給電が可能である。

【0052】

また、図１で示した１次側共振回路１１０に対して３次側共振回路３１０が独立した回路構成（以下、単に「独立型回路」とも呼ぶ）と、図６に示す本実施形態における３次側コイル３１２が１次側コイル１１２に接続される回路構成（以下、単に「接続型回路」とも呼ぶ）とのそれぞれにおいて、キャパシタンスＣ３と、１次側コイル１１２に流れるコイル電流との関係をシミュレーションしたところ、図８Ｂに示す結果が得られた。図８Ｂに示す「共振点」とは、上記式（２）に従って設定されたキャパシタンスＣ３である。図８Ｂから分かるように、キャパシタンスＣ３が共振点からずれると、１次側コイル１１２にはコイル電流が流れる。キャパシタンスＣ３の共振点からのずれは、例えば、３次側コンデンサ３１４の製造誤差等に起因して発生することがある。キャパシタンスＣ３のずれ量が大きくなると、１次側コイル１１２に流れるコイル電流も大きくなる。

【0053】

上述したように、２次側コイル２１２が１次側コイル１１２から離れると、上式（９）で示される入力インピーダンスＺｉｎを増加させることにより、１次側コイル１１２に流れるコイル電流を減少させている。１次側コイル１１２に流れるコイル電流が所定値以下となることを検出することにより、２次側コイル２１２の不存在を検出できる。しかしながら、図８Ｂに示すように、キャパシタンスＣ３が共振点からずれてしまうと、１次側コイル１１２に大きなコイル電流が流れ得るため、２次側コイル２１２の存在・不存在の検出精度が低下するおそれがある。

【0054】

図８Ｂに示すシミュレーション結果によれば、本実施形態における接続型回路の方が、キャパシタンスＣ３が共振点からずれる場合に１次側コイル１１２に流れるコイル電流を、図１に示す独立型回路に比べて小さくすることができる。したがって、本実施形態によれば、３次側コンデンサ３１４の製造誤差などによりキャパシタンスＣ３が共振点からずれた場合であっても、２次側コイル２１２の存在・不存在の検出精度が低下することを図１に示す独立型回路よりも抑制しやすくできる。

【0055】

Ｄ．第４実施形態：
第２実施形態で説明した入力インピーダンスＺｉｎの変化によるコイル電流の減少を検出すれば、給電の対象となる受電装置２００の有無を送電装置１００側で検出することができる。

【0056】

図９の非接触給電システムは、図１の構成に加えて、コイル電流の減少を検出することで受電装置２００の有無を検出可能な受電側検出回路１５０を備えている。受電側検出回路１５０は、電流検出回路１５２と、整流回路１５４と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５６と、コンパレータ１５８と、を備えている。

【0057】

電流検出回路１５２は、例えば、交流電源装置１３０と１次側共振回路１１０とを接続する一方の配線に流れる交流のコイル電流（Ｉ）を検出し、コイル電流に対応する交流の検出電圧（Ｖ）に変換して出力する。電流検出回路１５２は、他方の配線に流れるコイル電流を検出するようにしてもよい。整流回路１５４は、交流の検出電圧を整流する。ローパスフィルタ１５６は、整流された検出電圧に含まれるノイズ等の高周波成分を除去する。コンパレータ１５８は、給電の対象となる受電装置２００が存在し、検出電圧が閾値電圧Ｖｔｈよりも大きい、すなわち、コイル電流が大きい場合には、検出信号Ｓｄとして、「受電側有り」を示すＨレベル信号を出力する。一方、コンパレータ１５８は、給電の対象となる受電装置２００が存在しなくなり、検出電圧が閾値電圧Ｖｔｈよりも小さくなった、すなわち、コイル電流が減少した場合には、検出信号Ｓｄとして、「受電側無し」を示すＬレベル信号を出力する。これにより、検出信号ＳｄがＨレベルの場合には、給電の対象となる受電装置２００が存在することを検出することができ、検出信号ＳｄがＬレベルの場合には、給電の対象となる受電装置２００が存在しないことを検出することができる。なお、コンパレータ１５８の入力を入れ替えて、検出信号Ｓｄを、「受電側有り」と「受電側無し」とで反対のレベル信号としてもよい。

【0058】

また、図示及び具体的な説明は省略するが、検出信号Ｓｄが「受電側有り」を示すレベル信号となった場合、給電の対象となる受電装置２００が存在するので、交流電源装置１３０が動作するように制御して、交流電源装置１３０から１次側共振回路１１０に交流電力を印加する。これにより、送電装置１００から受電装置２００に高効率で給電を行なうことができる。また、検出信号Ｓｄが「受電側無し」を示すレベル信号となった場合、給電の対象となる受電装置２００が存在せず非給電の状態となるので、交流電源装置１３０が動作しないように制御して、交流電源装置１３０から１次側共振回路１１０への交流電力の印加が行われないようにする。これにより、交流電源装置１３０から１次側共振回路１１０への無駄な電力の供給をさらに低減することができ、１次側コイル１１２で発生する漏洩磁束をさらに低減することができる。

【0059】

なお、上記説明では、受電側検出回路１５０として、コイル電流の減少を検出する構成を例に説明したが、コイル電流の減少によって１次側コイル１１２によって発生する磁束の低下を検出する構成も可能である。この場合、例えば、電流検出回路１５２に代えて、磁気センサ等を用いた磁束検出回路やコイル等を用いた誘導電流検出回路により、１次側コイル１１２の磁束の低下を検出するようにすればよい。

【0060】

以上説明した第４実施形態では、第１実施形態の構成（図１参照）に本実施形態を適用した構成を例として説明したが、第３実施形態（図６参照）の構成にも、同様に、本実施形態を適用可能である。

【0061】

Ｅ．第５実施形態：
第２実施形態で説明したように、第１実施形態の構成（図１参照）において３次側コイル３１２が１次側コイル１１２の側に配置された場合、２次側コイル２１２が存在しなくなると、上式（９）で示される入力インピーダンスＺｉｎが増加するので、１次側コイル１１２に流れるコイル電流は減少する。しかしながら、このコイル電流は、待機電流として１次側コイル１１２に継続して流れることになる。この待機電流Ｉ１ｓは、下式（１４）で表される。

【数16】

【0062】

待機電流Ｉ１ｓは、上式（１４）に含まれる１次側共振回路１１０及び３次側共振回路の回路定数の値によっては数アンペア程度となる場合があるため、無駄な電力損失となり、１次側コイル１１２による漏洩磁束の発生を招く。

【0063】

また、３次側コイル３１２にも、下式（１５）で表される待機電流Ｉ３ｓが流れたままとなる。待機電流Ｉ３ｓも、待機電流Ｉ１ｓと同様に、３次側コイル３１２による漏洩磁束の発生を招く。

【数17】

【0064】

そこで、例えば、以下で説明するように、１次側コイル１１２を流れるコイル電流の減少を検出した場合、すなわち、非給電の状態となった場合に、１次側コンデンサ１１４及び３次側コンデンサ３１４のキャパシタンスを、上式（１）及び上式（２）で設定される値よりも小さくすることが考えられる。このようにすれば、入力インピーダンスＺｉｎを大きくして、上式（１４）で表される待機電流Ｉ１ｓ及び上式（１５）で表される待機電流Ｉ３ｓを小さくすることができる。

【0065】

図１０の非接触給電システムは、図１の１次側共振回路１１０及び３次側共振回路３１０に代えて１次側共振回路１１０Ｃ及び３次側共振回路３１０Ｃを備えるとともに、受電側検出回路１５０Ｃを備えている。

【0066】

１次側共振回路１１０Ｃは、１次側コンデンサ１１４（図１参照）に代えて、キャパシタンスの大きさが可変可能な可変コンデンサを１次側コンデンサ１１４Ｃとして用いている。この１次側コンデンサ１１４Ｃは、第１コンデンサ１１４ｌと、第１コンデンサ１１４ｌに直列に接続された双方向スイッチＳＷ１と、第１コンデンサ１１４ｌ及び双方向スイッチＳＷ１に並列に配置された第２コンデンサ１１４ｓと、を有するユニットである。第２コンデンサ１１４ｓのキャパシタンスＣｓ１は、第１コンデンサ１１４ｌのキャパシタンスＣｌ１よりも小さい。第１コンデンサ１１４ｌは、双方向スイッチＳＷ１がオンの場合に第２コンデンサ１１４ｓに並列に接続され、双方向スイッチＳＷ１がオフの場合には解放される。従って、１次側コンデンサ１１４ＣのキャパシタンスＣ１ｃは、双方向スイッチＳＷ１がオフの場合には、第２コンデンサ１１４ｓのキャパシタンスＣｓ１となり、双方向スイッチＳＷ１がオンの場合には、第１コンデンサ１１４ｌのキャパシタンスＣｌ１と第２コンデンサ１１４ｓのキャパシタンスＣｓ１の和［Ｃｌ１＋Ｃｓ１］となる。

【0067】

３次側共振回路３１０Ｃも、３次側コンデンサ３１４（図１参照）に代えて、キャパシタンスの大きさが可変可能な可変コンデンサを３次側コンデンサ３１４Ｃとして用いている。この３次側コンデンサ３１４Ｃも、第１コンデンサ３１４ｌと、第１コンデンサ３１４ｌに直列に接続された双方向スイッチＳＷ３と、第１コンデンサ３１４ｌ及び双方向スイッチＳＷ３に並列に配置された第２コンデンサ３１４ｓと、を有するユニットである。第２コンデンサ３１４ｓのキャパシタンスＣｓ３は、第１コンデンサ３１４ｌのキャパシタンスＣｌ３よりも小さい。第１コンデンサ３１４ｌは、双方向スイッチＳＷ３がオンの場合に第２コンデンサ３１４ｓに並列に接続され、双方向スイッチＳＷ３がオフの場合には解放される。従って、３次側コンデンサ３１４ＣのキャパシタンスＣ３ｃは、双方向スイッチＳＷ３がオフの場合には、第２コンデンサ３１４ｓのキャパシタンスＣｓ３となり、双方向スイッチＳＷ３がオンの場合には、第１コンデンサ３１４ｌのキャパシタンスＣｌ３と第２コンデンサ３１４ｓのキャパシタンスＣｓ３の和［Ｃｌ３＋Ｃｓ３］となる。

【0068】

なお、１次側コンデンサ１１４Ｃの第２コンデンサ１１４ｓのキャパシタンスＣｓ１、及び、３次側コンデンサ３１４Ｃの第２コンデンサ３１４ｓのキャパシタンスＣｓ３は、上式（１４）の待機電流Ｉ１ｓ及び上式（１５）の待機電流Ｉ３ｓが所望の値となるような小さな値に設定されればよい。また、１次側コンデンサ１１４Ｃの第１コンデンサ１１４ｌのキャパシタンスＣｌ１は、［Ｃｌ１＋Ｃｓ１］が上式（１）に従ったキャパシタンスＣ１に等しくなるように設定さればよい。また、３次側コンデンサ３１４Ｃの第１コンデンサ３１４ｌのキャパシタンスＣｌ３は、［Ｃｌ３＋Ｃｓ３］が上式（２）に従ったキャパシタンスＣ３に等しくなるように設定されればよい。

【0069】

受電側検出回路１５０Ｃは、受電側検出回路１５０（図５参照）のコンパレータ１５８が出力する検出信号Ｓｄを遅延させる遅延回路１５９を備えている。１次側コンデンサ１１４Ｃの双方向スイッチＳＷ１には、コンパレータ１５８が出力する検出信号Ｓｄが切替信号として入力される。３次側コンデンサ３１４Ｃの双方向スイッチＳＷ３には、遅延回路１５９で遅延された検出信号Ｓｄが切替信号として入力される。

【0070】

給電時には、検出信号ＳｄがＨレベルとなって双方向スイッチＳＷ１，ＳＷ３はオンとなり、１次側コンデンサ１１４ＣのキャパシタンスＣ１ｃが上式（１）に従ったキャパシタンスＣ１に設定され、３次側コンデンサ３１４ＣのキャパシタンスＣ３ｃも上式（２）に従ったキャパシタンスＣ３に設定される。これにより、非接触給電システムは、第１実施形態と同様に動作可能となる。

【0071】

一方非給電時には、検出信号ＳｄがＬレベルとなって双方向スイッチＳＷ１，ＳＷ３がオフとなり、１次側コンデンサ１１４ＣのキャパシタンスＣ１ｃがキャパシタンスＣ１よりも小さなキャパシタンスＣｓ１に設定され、３次側コンデンサ３１４ＣのキャパシタンスＣ３ｃもキャパシタンスＣ３よりも小さなキャパシタンスＣｓ３に設定される。これにより、上式（１４）の待機電流Ｉ１及び上式（１５）の待機電流Ｉ３をそれぞれ小さくすることができ、大きな待機電流Ｉ１ｓが流れることによる無駄な電力損失を抑制することができる。また、第４実施形態で説明したような交流電源装置１３０の動作の制御を省略することも可能である。また、待機電流Ｉ１ｓ，Ｉ３ｓによる漏洩磁束の発生を抑制することもできる。

【0072】

以上の説明からわかるように、受電側検出回路１５０Ｃは１次側コンデンサ１１４Ｃ及び３次側コンデンサ３１４Ｃのキャパシタンスを変化させる「キャパシタンス制御部」に相当する。

【0073】

なお、給電時の１次側コンデンサ１１４ＣのキャパシタンスＣ１ｃは、上式（１）に示したように、１次側コイル１１２の自己インダクタンスに対して共振するように設定すればよいので、比較的小さな値に設定することができる。このため、１次側コンデンサ１１４Ｃに用いられる第１コンデンサ１１４ｌのキャパシタンスＣｌ１及び第２コンデンサ１１４ｓのキャパシタンスＣｓ１は、比較的小さな値に設定することができ、コンデンサの大型化を抑制することができる。３次側コンデンサ３１４のキャパシタンスも同様である。

【0074】

ここで、１次側コンデンサ１１４ＣのキャパシタンスＣ１ｃ、２次側コンデンサ２１４のキャパシタンスＣ２、３次側コンデンサ３１４ＣのキャパシタンスＣ３ｃは、従来例として知られる以下の式（Ｒｆ１）～（Ｒｆ３）を用いてそれぞれ算出することもできる。

【0075】

【数18】

【0076】

【数19】

【0077】

【数20】

【0078】

従来例における上記式（Ｒｆ１）によれば、１次側コンデンサ１１４ＣのキャパシタンスＣ１ｃを導出するためには、分母において結合係数を用いた（１－ｋ１３・ｋ１２／ｋ３２）を乗じることになり、上記式（１）を用いて算出する場合よりもキャパシタンスＣ１ｃの値が大きくなり得る。ここで、送電装置１００から受電装置２００への給電が行なわれない場合において、１次側コイル１１２に流れるコイル電流を所定の電流値まで減少させるために必要なコンデンサの容量の目標値は一定である。そのため、従来例のように上記式（Ｒｆ１）を用いることによりキャパシタンスＣ１ｃが大きく設定される場合よりも、上記式（１）を用いてキャパシタンスＣ１ｃが小さく設定される場合の方が、給電停止時に同じ電流値まで抑圧するために必要なキャパシタンスＣ１ｃの可変幅を小さくすることができる。したがって、本実施形態によれば、上記式（１）を用いてキャパシタンスＣ１ｃを設定することにより、可変コンデンサとしての１次側コンデンサ１１Ｃを小型化することができる。

【0079】

なお、検出信号Ｓｄを遅延させて、１次側コンデンサ１１４ＣのキャパシタンスＣ１ｃを変化させた後、３次側コンデンサ３１４ＣのキャパシタンスＣ３ｃを変化させているのは、以下の理由による。まず、検出信号ＳｄがＬレベルとなった時点では、１次側コイル１１２を流れるコイル電流は減少しているので、この時点で１次側コンデンサ１１４Ｃの双方向スイッチＳＷ１の切替を行なえば、この切替による大きなサージ電圧の発生を抑制できるからである。また、１次側コンデンサ１１４ＣのキャパシタンスＣ１ｃの減少に従って、３次側コイル３１２を流れるコイル電流が減少するので、この時点で３次側コンデンサ３１４Ｃの双方向スイッチＳＷ３の切替を行なえば、この切替による大きなサージ電圧の発生を抑制できるからである。この切替によるサージ電圧の発生を許容するのであれば、遅延回路１５９は省略可能である。

【0080】

図１１の非接触給電システムは、図１０の１次側共振回路１１０Ｃ及び３次側共振回路３１０Ｃに代えて１次側共振回路１１０Ｄ及び３次側共振回路３１０Ｄを備えるとともに、受電側検出回路１５０Ｃに代えて受電側検出回路１５０Ｄを備えている。

【0081】

１次側共振回路１１０Ｄは、与えられる制御入力、本例では、制御電圧Ｖｃに応じてキャパシタンスＣ１ｄが変化する可変コンデンサの素子を１次側コンデンサ１１４Ｄとして用いている。３次側共振回路３１０Ｄも同様に、制御電圧Ｖｃに応じてキャパシタンスＣ３ｄが変化する一般的な可変コンデンサの素子を３次側コンデンサ３１４Ｄとして用いている。

【0082】

受電側検出回路１５０Ｄは、用いられた１次側コンデンサ１１４Ｄ及び３次側コンデンサ３１４Ｄに対応させるため、受電側検出回路１５０Ｃのコンパレータ１５８を電圧変換回路１５８Ｄとしている。電圧変換回路１５８Ｄは、基準電圧Ｖｒｃに対する検出電圧の差分の大きさに応じた制御電圧Ｖｃを出力する差動増幅回路である。また、遅延回路１５９を、電圧が変化する制御電圧Ｖｃを遅可能な遅延回路１５９Ｄとしている。

【0083】

ここで、１次側コンデンサ１１４Ｄとして利用する可変コンデンサ及び３次側コンデンサ３１４Ｄとして用いる可変コンデンサは、制御電圧Ｖｃが大きいほど容量が小さくなる特性を有しているとする。この場合、電圧変換回路１５８Ｄから出力される制御電圧Ｖｃは、給電時においてＣ１ｄ＝Ｃ１及びＣ３ｄ＝Ｃ３に対応する電圧Ｖｌとなり、非給電時においてＣ１ｄ＝Ｃｓ１（＜Ｃ１）及びＣ３ｄ＝Ｃｓ３（＜Ｃ３）に対応する電圧Ｖｈ（＞Ｖｌ）となるように制御される必要がある。このため、電圧変換回路１５８Ｄは、上記の制御電圧Ｖｃの制御に合わせて、電流検出回路１５２の検出電圧が大きくなるほど、出力する制御電圧Ｖｃが小さくなるように、差動増幅回路を用いて構成された電圧変換回路１５８Ｄの負入力に検出電圧を入力する構成としている。なお、可変コンデンサが逆の特性を有している場合には、電圧変換回路１５８Ｄの差動増幅回路の正入力に検出電圧を入力する構成とすればよい。

【0084】

図１１の非接触給電システムにおいても、図１０の非接触給電システムと同様に、給電時において第１実施形態と同様に動作可能となる。また、非給電時において、大きな待機電流Ｉ１ｓが流れることによる無駄な電力損失を抑制することができる。また、第４実施形態で説明したような交流電源装置１３０の動作の制御を省略することも可能である。また、待機電流Ｉ１ｓ，Ｉ３ｓによる漏洩磁束の発生を抑制することもできる。

【0085】

なお、給電時の１次側コンデンサ１１４ＤのキャパシタンスＣ１ｄも、１次側コンデンサ１１４ｃのキャパシタンスＣ１ｃと同様に、比較的小さな値に設定することができる。このため、給電時と非給電時のキャパシタンスの可変幅を小さくすることができるので、１次側コンデンサ１１４Ｄとして制御入力に応じてキャパシタンスが変化する可変コンデンサの素子を容易に利用することが可能である。

【0086】

以上の説明からわかるように、受電側検出回路１５０Ｄは１次側コンデンサ１１４Ｄ及び３次側コンデンサ３１４Ｄのキャパシタンスを変化させる「キャパシタンス制御部」に相当する。

【0087】

なお、図１０及び図１１では、１次側共振回路１１０Ｃ，１１０Ｄの１次側コンデンサ１１４Ｃ，１１４Ｄ及び３次側共振回路３１０Ｃ，３１０Ｄの３次側コンデンサ３１４Ｃ，３１４Ｄを可変コンデンサとする構成を例に説明した。しかしながら、３次側コンデンサについては可変コンデンサではなく、キャパシタンスが一定のコンデンサとし、１次側コンデンサのみを可変コンデンサとするようにしてもよい。この場合、待機電流Ｉ３ｓによる漏洩磁束の抑制は不可となるが、大きな待機電流Ｉ１ｓが流れることによる無駄な電力損失の抑制及び漏洩磁束の発生を抑制することは可能である。

【0088】

以上説明した第５実施形態では、第１実施形態の構成（図１参照）に本実施形態を適用した構成を例として説明したが、第３実施形態（図６参照）の構成にも、同様に本実施形態を適用可能である。

【0089】

Ｆ．第６実施形態：
非接触給電システムの各回路定数の設定は、通常、１次側コイル１１２及び２次側コイル２１２（図１，図６参照）が正対した状態、すなわち、１次側コイル１１２の中心軸と２次側コイル２１２の中心軸とが一致するように対向した状態を設計点として、行なわれている。これに対して、第１，第３実施形態で説明した交流電力の高力率化のための２次側コンデンサのキャパシタンスの設定は、例えば、以下で説明する設計点で行なうことが好ましい。

【0090】

まず、図１２に示すように、２次側コイル２１２が１次側コイル１１２に接近して離反するように移動する場合を前提とする。そして、その移動方向において、１次側コイル１１２の中心軸ＣＸ１の位置（中心位置Ｐｃ）とコイル端－Ｐｅ，＋Ｐｅとの間の１／２の位置－Ｐｈ，＋Ｐｈからコイル端－Ｐｅ,＋Ｐｅまでの間の範囲Ｒｄのいずれかの位置に、２次側コイル２１２の中心軸ＣＸ２の位置（中心位置）が存在する状態を設計点とすることが考えられる。以下、この設計点を「設計点１」とも呼ぶ。

【0091】

また、同様に、図１３に示すように、２次側コイル２１２の１次側コイル１１２に対する移動方向において、１次側コイル１１２の中心位置Ｐｃとコイル端－Ｐｅ，＋Ｐｅとの間の１／２の位置－Ｐｈ，＋Ｐｈから中心位置Ｐｃまでの間の範囲Ｒｄのいずれかの位置に、２次側コイル２１２の中心位置が存在する状態を設計点とすることが考えられる。以下、この設計点を「設計点２」とも呼ぶ。

【0092】

図１４には、設計点２に従った設定例２における力率と、設計点１に従った設定例１における力率が比較して示されている。設定例１は、設計点１の一例として１次側コイル１１２のコイル端－Ｐｅと１／２位置－Ｐｈの中間位置を２次側コイル２１２の中心位置とした場合を例としており、設定例２は、設計点２の一例として１次側コイル１１２の中心位置Ｐｃを２次側コイル２１２の中心位置とした場合を例としている。

【0093】

設定例２では、２次側コイル２１２の中心位置が設計点すなわち１次側コイル１１２の中心位置Ｐｃからずれるに従って力率が低下する。これに対して、設定例１では、１次側コイル１１２の中心位置Ｐｃ付近では力率は少し低下するが、広範囲で高い力率を確保することができる。従って、１次側コイル１１２に対して２次側コイル２１２の位置が正対している状態だけでなく広範囲で高い力率を確保するには、設計点１の条件で設計することが好ましい。

【0094】

一方、図示は省略するが、１次側コイル１１２が移動方向（図１２,図１３参照）に沿って複数配列されている場合には、以下で説明するように、設計点２の条件で設計する方が好ましい。設計点１の条件で設計した場合、図１５に示すように、配列されたコイル１とコイル２の間のコイル端側の領域において、隣接する両方から給電される電力が重畳されることになって、電力の脈動が大きくなってしまう。これに対して、設計点２の条件で設計した場合には、図１６に示すように、隣接する両方から給電される電力の重畳を小さくすることができるので、電力の脈動を小さくすることができる。

【0095】

Ｇ．第７実施形態：
上記実施形態の非接触給電システムでは、１組の１次側共振回路及び３次側共振回路を備える構成を例に説明したが、１次側共振回路及び３次側共振回路を１組の送電部として、複数の送電部を有する構成としてもよい。

【0096】

例えば、図１７に示すように、図９に示した１次側共振回路１１０及び３次側共振回路３１０と受電側検出回路１５０とを複数備えた非接触給電システムを、車両用非接触給電システムとして適用可能である。図１７に示す車両用非接触給電システムは、車両走行路ＲＳの走路に沿って敷設された送電装置１００Ｅから車両ＶＨに搭載された受電装置２００（図９参照）に対して電力を供給することが可能な給電システムである。車両ＶＨは、例えば、電気自動車やハイブリッド車等の電力を動力として利用する車両として構成される。図１７において、ｘ軸方向は車両走行路ＲＳの車線に沿った車両ＶＨの進行方向を示し、ｙ軸方向は車両走行路ＲＳの幅方向を示し、ｚ軸方向は垂直上方向を示す。後述する他の図におけるｘ，ｙ，ｚ軸の方向も、図１７と同じ方向を示している。

【0097】

送電装置１００Ｅは、図９に示した１次側共振回路１１０及び３次側共振回路３１０と受電側検出回路１５０とを１組の送電部として、複数の送電部を有している。また、送電装置１００Ｅは、交流電源装置１３０Ｅを有している。交流電源装置１３０Ｅは、電源回路１３２と、各１次側共振回路１１０に電力を印加するための複数の送電出力回路１３４とを、を有している。

【0098】

各１次側共振回路１１０の１次側コイル１１２（図９参照）は、車両走行路ＲＳの走路に沿って順に敷設されている。また、各３次側共振回路３１０の３次側コイル３１２（図９参照）は、対応する１次側コイル１１２に積層配置されている（図４，図５参照）。

【0099】

電源回路１３２は、外部電源の交流電力を直流電力に変換する装置であり、送電出力回路１３４は、電源回路１３２から供給される直流電力を動作周波数の交流電力に変換するインバータ等を含む装置である。各送電出力回路１３４は、対応する受電側検出回路１５０によって動作が制御される。

【0100】

車両ＶＨに搭載された受電装置２００は、２次側共振回路２１０と、受電回路２２０と、バッテリ２３０と、を備えている（図９参照）。２次側共振回路２１０の２次側コイル２１２は、車両ＶＨの底部に、１次側共振回路１１０の１次側コイル１１２（図４参照）に対向するように設置されている。２次側共振回路２１０に誘導された電力は、受電回路２２０を介してバッテリ２３０に充電され、不図示のモータ等を駆動するために利用される。

【0101】

受電側検出回路１５０は、第４実施形態（図９参照）で説明したように、対応する１次側コイル１１２に対して給電の対象となる２次側コイル２１２の有無、すなわち、受電装置２００が搭載された車両ＶＨの有無を検出する。そして、受電側検出回路１５０は、車両ＶＨの存在を検出した場合には、対応する送電出力回路１３４を動作させて、対応する１次側共振回路１１０に電力を印加させ、車両ＶＨの受電装置２００への給電を実行する。また、受電側検出回路１５０は、車両ＶＨの存在を検出しなかった場合には、対応する送電出力回路１３４の動作を停止させる。

【0102】

この車両用非接触給電システムにおいても、上記実施形態の非接触給電システムと同様の効果を得ることができる。

【0103】

なお、無断な電力損失や漏洩磁束について考慮しなくてよい場合には、受電側検出回路１５０を省略して、各送電出力回路１３４を常時動作状態とする構成としてもよい。また、第２実施形態で説明したように、２次側コイル２１２が存在しない場合に１次側共振回路１１０の入力インピーダンスＺｉｎが増加し、１次側共振回路１１０に流れる電流の減少が大きくなる構成の場合にも、受電側検出回路１５０を省略する構成としてもよい。この場合、複数の送電出力回路１３４を省略して１つの送電出力回路１３４を備える構成とすることができる。

【0104】

また、図１８に示すように、図１０に示した１次側共振回路１１０Ｃ及び３次側共振回路３１０Ｃと受電側検出回路１５０Ｃとを複数備えた非接触給電システムを、車両用非接触給電システムとして適用可能である。図１８に示す車両用非接触給電システムは、車両走行路ＲＳの走路に沿って敷設された送電装置１００Ｆから車両ＶＨに搭載された受電装置２００（図１０参照）に対して電力を供給することが可能な給電システムである。

【0105】

送電装置１００Ｆは、図１０に示した１次側共振回路１１０Ｃと３次側共振回路３１０Ｃと受電側検出回路１５０Ｃとを１組の送電部として、複数の送電部を有している。また、送電装置１００Ｆは、交流電源装置１３０Ｆを有している。交流電源装置１３０Ｆは、交流電源装置１３０Ｅ（図１７参照）のように、複数の送電出力回路１３４を有するのではなく、１つの送電出力回路１３４を有している。

【0106】

各１次側共振回路１１０Ｃの１次側コイル１１２（図１０参照）は、図１７の１次側共振回路１１０と同様に、車両走行路ＲＳの走路に沿って順に敷設されている。また、各３次側共振回路３１０Ｃの３次側コイル３１２（図１０参照）は、図１７の３次側共振回路３１０と同様に、対応する１次側コイル１１２に積層配置されている（図４，図５参照）。

【0107】

車両ＶＨに搭載された受電装置２００は、図１７の車両用非接触給電システムと同様である。

【0108】

受電側検出回路１５０Ｃは、第５実施形態（図１０参照）で説明したように、対応する１次側コイル１１２に対して給電の対象となる２次側コイル２１２の有無、すなわち、受電装置２００が搭載された車両ＶＨの有無を検出する。そして、受電側検出回路１５０Ｃは、車両ＶＨの存在を検出した場合には、対応する１次側共振回路１１０Ｃの１次側コンデンサ１１４Ｃを給電時用のキャパシタンスに変化させる。これにより、給電時用のキャパシタンスとなった１次側コンデンサ１１４Ｃを有する１次側共振回路１１０Ｃに対して、送電出力回路１３４から電力が印加され、車両ＶＨの受電装置２００への給電が実行される。また、受電側検出回路１５０は、車両ＶＨの存在を検出しなかった場合には、対応する１次側共振回路１１０Ｃの１次側コンデンサ１１４Ｃを非給電時用のキャパシタンスに変化させる。これにより、非給電時用のキャパシタンスとなった１次側コンデンサ１１４Ｃを有する１次側共振回路１１０Ｃの入力インピーダンスＺｉｎが大きくなって、対応する１次側共振回路１１０Ｃに対して電力が印加されなくなる。すなわち、給電時用に設定された１次側コンデンサ１１４Ｃを有する１次側共振回路１１０Ｃにのみ電流が供給され、非給電時用に設定された１次側コンデンサ１１４Ｃを有する１次側共振回路１１０Ｃには電流が供給されない。これにより、無駄な電力損失を抑制することができ、複数の送電出力回路１３４を省略して、１つの送電出力回路１３４で複数の１次側共振回路１１０Ｃを駆動することが可能である。

【0109】

この車両用非接触給電システムにおいても、上記実施形態の非接触給電システムと同様の効果を得ることができる。

【0110】

また、図示および説明は省略するが、図１１に示した１次側共振回路１１０Ｄ及び３次側共振回路３１０Ｄと受電側検出回路１５０Ｄとを複数備えた非接触給電システムを、車両用非接触給電システムとして適用可能である。

【0111】

以上説明した車両用非接触給電システム（図１７，１８参照）は、第１実施形態の構成（図１参照）を利用した非接触給電システムを例として説明したが、第３実施形態（図６参照）の構成を利用した非接触給電システムを適用することも可能である。

【0112】

以上説明した車両用非接触給電システムのように、１次側共振回路及び３次側共振回路を１組の送電部として、複数の送電部を有する非接触給電システムにおいても、上記実施形態の非接触給電システムと同様の効果を得ることができる。

【0113】

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

【符号の説明】

【0114】

１００，１００Ｅ，１００Ｆ…送電装置、１１０，１１０Ｂ，１１０Ｃ，１１０Ｄ…１次側共振回路、１１２…１次側コイル、１１４，１１４Ｃ，１１４Ｄ…１次側コイル、１３０，１３０Ｅ，１３０Ｆ…交流電源装置、１３２…電源回路、１３４…送電出力回路、１５０，１５０Ｃ，１５０Ｄ…受電側検出回路、１５２…電流検出回路、１５４…整流回路、１５６…ローパスフィルタ、１５８…コンパレータ、１５８Ｄ…電圧変換回路、２００…受電装置、２１０…２次側共振回路、２１２…２次側コイル、２１４…２次側コンデンサ、２２０…受電回路、２３０…バッテリ、３１０，３１０Ｂ，３１０Ｃ，３１０Ｄ…３次側共振回路、３１２…３次側コイル、３１４，３１４Ｃ，３１４Ｄ…３次側コンデンサ、１１４ｌ…第１コンデンサ、１１４ｓ…第２コンデンサ、３１４ｌ…第１コンデンサ、３１４ｓ…第２コンデンサ、ＲＳ…車両走行路、ＶＨ…車両

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】