(57)【要約】【課題】共鳴回路間の密結合状態における電力の伝送効率の低下を抑制する。【解決手段】共鳴回路１４０は、インダクタンスおよびキャパシタンスを有する共鳴回路であり、結合コイル１３０からの電気信号に基づいて磁界を発生させる。周波数発生器１１１乃至１１３は、共鳴回路１４０の共鳴周波数の近傍の周波数帯域である近傍帯域における互いに異なる周波数成分からなる電気信号の電力をそれぞれ生成する。電力合成回路１２０は、近傍帯域における複数の周波数発生器１１１乃至１１３から発生される周波数成分からなる電気信号の電力を合成して、結合コイル１３０を介してその合成された電気信号を共鳴回路１４０に出力する。受電装置２００は、共鳴回路２４０と共鳴回路１４０との間の磁界共鳴による結合によって、電力供給装置１００からの電力を受ける。【選択図】図１
2010200563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インダクタンスおよびキャパシタンスを有する共鳴回路と、
前記インダクタンスおよびキャパシタンスにより定まる共鳴周波数の近傍の周波数帯域である近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号の電力を合成して前記合成された電気信号を前記共鳴回路に出力する電力合成回路と
を具備する電力供給装置。
【請求項２】
前記共鳴回路と前記電力合成回路との間を結合する誘導素子をさらに具備する請求項１記載の電力供給装置。
【請求項３】
前記近傍帯域における前記複数の周波数成分からなる電気信号を発生させて前記発生させた電気信号の電力を前記電力合成回路に出力する複数の周波数発生器をさらに具備する請求項２記載の電力供給装置。
【請求項４】
前記近傍帯域における周波数成分からなる電気信号を発生させて前記発生させた電気信号の電力を前記電力合成回路に出力する周波数発生器と、
前記周波数発生器から発生された電気信号を変調するための変調信号を生成する変調信号生成回路とをさらに具備し、
前記電力合成回路は、前記周波数発生器から出力された電気信号の電力と前記変調信号生成回路により生成された変調信号とに基づいて生成された前記複数の周波数成分からなる電気信号の電力を合成する
請求項２記載の電力供給装置。
【請求項５】
前記近傍帯域は、前記共鳴回路と受電装置における前記共鳴回路との間の磁界共鳴による臨界結合状態の最大利得に対して所定の利得低下した低域側および高域側の周波数の間の周波数帯域である請求項１記載の電力供給装置。
【請求項６】
インダクタンスおよびキャパシタンスを有する共鳴回路と、前記インダクタンスおよびキャパシタンスにより定まる共鳴周波数の近傍の周波数帯域である近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号の電力を合成して前記合成された電気信号を前記共鳴回路に出力する電力合成回路とを備える電力供給装置と、
前記電力供給装置の前記共鳴回路との磁界共鳴により電力を受けるための前記共鳴回路を備える受電装置と
を具備する電力伝送システム。
【請求項７】
インダクタンスおよびキャパシタンスを有する第１の共鳴回路と、前記インダクタンスおよびキャパシタンスにより定まる共鳴周波数の近傍の周波数帯域である近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号を発生させる複数の周波数発生器と、前記複数の周波数発生器の各々から発生された前記複数の周波数成分からなる電気信号の電力を合成して前記合成された電気信号を前記第１の共鳴回路に出力する電力合成回路と、前記複数の周波数発生器の各々から発生された前記複数の周波数成分のうち不要と判定された周波数成分を示す周波数情報を受信する受信部と、前記複数の周波数発生器のうち前記不要と判定された周波数成分からなる電気信号を発生させている周波数発生器を前記周波数情報に基づいて停止させるように制御する周波数発生器制御部とを備える電力供給装置と、
前記電力供給装置から磁界共鳴により電力を受けるための第２の共鳴回路と、前記第２の共鳴回路から出力された電気信号における各周波数成分のレベルに基づいて不要となる周波数成分を判定することによって前記周波数情報を生成する周波数情報生成部と、前記周波数情報生成部により生成された周波数情報を前記電力供給装置に送信する送信部とを備える受電装置と
を具備する電力送信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力伝送システムに関し、特に磁界共鳴を用いて電力を供給する電力供給装置および電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、無線による電力伝送技術として電磁誘導を利用するものが広く用いられている。これに対して、近年、電場または磁場の共鳴を利用した電力伝送技術が注目されている。例えば、コイルおよびキャパシタからなる共鳴回路により生じる磁界の共鳴現象を用いた電力伝送システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０２２２５４２号（図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の従来技術では、磁界共鳴の結合により電力を伝送することができる。この場合、共鳴回路間の磁界共鳴による結合度は共鳴回路間の距離により変化することから、共鳴回路間の距離が短くなるほど結合度は高くなり、電力の伝送効率は高くなる。しかしながら、共鳴回路間の距離が短くなり過ぎると、この結合特性は、単峰特性の最大利得となる周波数において利得が低下するため、単峰特性から双峰特性に変化する。このように結合特性が双峰特性となる状態を密結合状態という。
【０００５】
このため、共鳴回路に供給する電気信号の周波数を、単峰特性の最大利得に対応する周波数に設定することによって電力を伝送する場合には、共鳴回路間の距離が近くなり過ぎると、電力の伝送効率が低下してしまうという問題が生じる。
【０００６】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、共鳴回路間の密結合状態における電力の伝送効率の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その第１の側面は、インダクタンスおよびキャパシタンスを有する共鳴回路と、上記インダクタンスおよびキャパシタンスにより定まる共鳴周波数の近傍の周波数帯域である近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号の電力を合成して上記合成された電気信号を上記共鳴回路に出力する電力合成回路とを具備する電力供給装置である。これにより、共鳴回路の共鳴周波数の近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号の電力を合成して共鳴回路に出力することによって、共鳴回路から磁界を発生させるという作用をもたらす。
【０００８】
また、この第１の側面において、上記共鳴回路と上記電力合成回路との間を結合する誘導素子をさらに具備するようにしてもよい。これにより、共鳴回路と電力合成回路との間のインピーダンスを整合させるという作用をもたらす。この場合において、上記近傍帯域における上記複数の周波数成分からなる電気信号を発生させて上記発生させた電気信号の電力を上記電力合成回路に出力する複数の周波数発生器をさらに具備するようにしてもよい。これにより、複数の周波数発生器により複数の周波数成分からなる電気信号の電力を電力合成回路に出力させるという作用をもたらす。
【０００９】
また、上記共鳴回路と上記電力合成回路との間を結合する誘導素子をさらに具備する場合において、上記近傍帯域における周波数成分からなる電気信号を発生させて上記発生させた電気信号の電力を上記電力合成回路に出力する周波数発生器と、上記周波数発生器から発生された電気信号を変調するための変調信号を生成する変調信号生成回路とをさらに具備し、上記電力合成回路は、上記周波数発生器から出力された電気信号の電力と上記変調信号生成回路により生成された変調信号とに基づいて生成された上記複数の周波数成分からなる電気信号の電力を合成するようにしてもよい。これにより、周波数発生器から出力された電気信号の電力と、変調信号生成回路により生成された変調信号とに基づいて生成された複数の周波数成分からなる電気信号の電力を、電力合成回路により合成させるという作用をもたらす。
【００１０】
また、この第１の側面において、上記近傍帯域は、上記共鳴回路と受電装置における上記共鳴回路との間の磁界共鳴による臨界結合状態の最大利得に対して所定の利得低下した低域側および高域側の周波数の間の周波数帯域としてもよい。これにより、臨界結合状態の最大利得に対して所定の利得低下した低域側および高域側の周波数の間の周波数帯域における複数の周波数成分からなる電気信号の電力を合成させるという作用をもたらす。
【００１１】
また、本発明の第２の側面は、インダクタンスおよびキャパシタンスを有する共鳴回路と、上記インダクタンスおよびキャパシタンスにより定まる共鳴周波数の近傍の周波数帯域である近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号の電力を合成して上記合成された電気信号を上記共鳴回路に出力する電力合成回路とを備える電力供給装置と、上記電力供給装置の上記共鳴回路との磁界共鳴により電力を受けるための上記共鳴回路を備える受電装置とを具備する電力伝送システムである。これにより、電力合成回路により合成された複数の周波数成分からなる電気信号を共鳴回路に出力することによって、電力供給装置の共鳴回路と受電装置の共鳴回路との間の磁界共鳴による結合により、受電装置に電力を供給させるという作用をもたらす。
【００１２】
また、本発明の第３の側面は、インダクタンスおよびキャパシタンスを有する第１の共鳴回路と、上記インダクタンスおよびキャパシタンスにより定まる共鳴周波数の近傍の周波数帯域である近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号を発生させる複数の周波数発生器と、上記複数の周波数発生器の各々から発生された上記複数の周波数成分からなる電気信号の電力を合成して上記合成された電気信号を上記第１の共鳴回路に出力する電力合成回路と、上記複数の周波数発生器の各々から発生された上記複数の周波数成分のうち不要と判定された周波数成分を示す周波数情報を受信する受信部と、上記複数の周波数発生器のうち上記不要と判定された周波数成分からなる電気信号を発生させている周波数発生器を上記周波数情報に基づいて停止させるように制御する周波数発生器制御部とを備える電力供給装置と、上記電力供給装置から磁界共鳴により電力を受けるための第２の共鳴回路と、上記第２の共鳴回路から出力された電気信号における各周波数成分のレベルに基づいて不要となる周波数成分を判定することによって上記周波数情報を生成する周波数情報生成部と、上記周波数情報生成部により生成された周波数情報を上記電力供給装置に送信する送信部とを備える受電装置とを具備する電力送信システムである。これにより、第２の共鳴回路から出力された電気信号における各周波数成分のレベルに基づいて不要となる周波数成分を判定して、その判定された周波数成分を示す周波数情報に基づいて、複数の周波数発生器のうち、不要と判定された周波数成分からなる電気信号を発生させている周波数発生器を停止させるという作用をもたらす。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、共鳴回路間の密結合状態における電力の伝送効率の低下を抑制することができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施の形態における電力伝送システムの一構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における共鳴回路１４０および２４０の間の磁界共鳴による結合に関する図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における共鳴回路１４０および２４０の間の磁界共鳴による結合によって伝送される電力を概念的に例示する図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における電力伝送システムの一構成例を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における電力供給装置１００の構成の第１の変形例を示すブロック図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における電力供給装置１００の構成の第２の変形例を示すブロック図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における電力供給装置１００の構成の第３の変形例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
１．第１の実施の形態（電力供給手法：複数の周波数発生器により電力供給を行う例）
２．第２の実施の形態（周波数制御：不要な周波数発生器を停止する例）
３．第１の実施の形態における電力供給装置の構成の変形例
【００１６】
＜１．第１の実施の形態＞
［電力伝送システムの構成例］
図１は、本発明の第１の実施の形態における電力伝送システムの一構成例を示すブロック図である。この電力伝送システムは、磁界共鳴による結合を用いて電力を供給する電力供給装置１００と、電力供給装置１００からの電力を受ける受電装置２００とを備える。ここでは、受電装置２００として、電力供給装置１００から電力を受けることによって任意の場所に移動するロボットなどの移動体を想定する。このため、電力伝送システムにおける電力供給装置１００と受電装置２００との間の距離は変化する。
【００１７】
電力供給装置１００は、周波数発生器１１１乃至１１３と、電力合成回路１２０と、結合コイル１３０と、共鳴回路１４０とを備える。また、受電装置２００は、負荷回路２１０と、整流回路２２０と、結合コイル２３０と、共鳴回路２４０とを備える。なお、電力供給装置１００および受電装置２００は、特許請求の範囲に記載の電力供給装置および受電装置の一例である。
【００１８】
周波数発生器１１１乃至１１３は、共鳴回路１４０の共鳴周波数の近傍の周波数帯域である近傍帯域における互いに異なる周波数成分からなる電気信号を発生させるものである。すなわち、この周波数発生器１１１乃至１１３は、受電装置２００に供給するための電力をそれぞれ生成する。この周波数発生器１１１乃至１１３は、近傍帯域における第１周波数（ｆ１）、第２周波数（ｆ２）および第ｎ周波数（ｆｎ）の成分からなる電気信号をそれぞれ発生させる。
【００１９】
この周波数発生器１１１乃至１１３は、例えば、コルピッツ形発振回路やハートレ形発振回路などにより実現される。また、この周波数発生器１１１乃至１１３は、発生させた電気信号の電力を電力合成回路１２０にそれぞれ出力する。なお、周波数発生器１１１乃至１１３は、特許請求の範囲に記載の複数の周波数発生器の一例である。
【００２０】
電力合成回路１２０は、複数の周波数発生器１１１乃至１１３から出力された電気信号の電力を合成するものである。また、この電力合成回路１２０は、その合成された複数の周波数成分からなる電気信号を結合コイル１３０に出力する。なお、電力合成回路１２０は、特許請求の範囲に記載の電力合成回路の一例である。
【００２１】
結合コイル１３０は、共鳴回路１４０と電力合成回路１２０との間を結合する誘導素子である。この結合コイル１３０は、電力合成回路１２０と共鳴回路１４０との間のインピーダンスの整合を取ることにより、電気信号の反射を防止するためのものである。この結合コイル１３０は、例えば、コイルにより実現される。また、この結合コイル１３０は、電力合成回路１２０から供給される電気信号を電磁誘導作用により共鳴回路１４０に出力する。なお、結合コイル１３０は、特許請求の範囲に記載の誘導素子の一例である。
【００２２】
共鳴回路１４０は、結合コイル１３０から出力された電気信号に基づいて、主に磁界を発生させるための回路である。この共鳴回路１４０は、インダクタンスおよびキャパシタンスを有する。この共鳴回路１４０は、例えば、コイルにより実現される。この場合には、コイルの線間容量がキャパシタンスとしての役割を果たす。この共鳴回路１４０は、共鳴周波数において磁界強度が最も高くなる。この共鳴周波数は、共鳴回路１４０の有するインダクタンスおよびキャパシタンスにより定まる。なお、共鳴回路１４０は、特許請求の範囲に記載の電力供給装置における共鳴回路および第１の共鳴回路の一例である。
【００２３】
共鳴回路２４０は、当該共鳴回路２４０と共鳴回路１４０との間の磁界共鳴による磁界結合によって電力供給装置１００からの電力を受けるための回路である。この共鳴回路２４０は、インダクタンスおよびキャパシタンスを有する。この共鳴回路２４０は、共鳴回路１４０と同等の共鳴周波数を有する。また、この共鳴回路２４０は、共鳴回路１４０との磁界結合により生じる電気信号の電力を結合コイル２３０に出力する。なお、共鳴回路２４０は、特許請求の範囲に記載の受電装置における共鳴回路および第２の共鳴回路の一例である。
【００２４】
結合コイル２３０は、共鳴回路２４０と整流回路２２０との間を結合する誘導素子である。この結合コイル２３０は、整流回路２２０と共鳴回路２４０との間のインピーダンスの整合を取ることにより、電気信号の反射を防止するためのものである。この結合コイル２３０は、例えば、コイルにより実現される。また、この結合コイル２３０は、共鳴回路２４０との電磁誘導作用により生じる電気信号である交流電圧を整流回路２２０に供給する。
【００２５】
整流回路２２０は、結合コイル２３０から供給された交流電圧を整流することによって、電源電圧としての直流電圧を生成するものである。この整流回路２２０は、その生成された電源電圧を負荷回路２１０に供給する。
【００２６】
負荷回路２１０は、整流回路２２０からの電源電圧を受けることによって、一定の動作を行うものである。この負荷回路２１０は、例えば、電源電圧を受けることによって、任意の場所に受電装置２００を移動させる。
【００２７】
このように、共鳴回路１４０および２４０の間の磁界共鳴による結合によって、近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号の電力を、電力供給装置１００から受電装置２００に供給することができる。ここで、共鳴回路１４０および２４０の間の磁界共鳴による結合について、以下に図面を参照して説明する。
【００２８】
［共鳴回路間の結合特性の例］
図２は、本発明の第１の実施の形態における共鳴回路１４０および２４０の間の磁界共鳴による結合に関する図である。
【００２９】
図２（ａ）は、共鳴回路１４０および２４０の等価回路を例示する図である。図２（ａ）には、誘導素子１４１および２４１と、容量素子１４２および２４２とが示されている。誘導素子１４１および２４１は、インダクタンスを有する素子である。容量素子１４２および２４２は、キャパシタンスを有する素子である。
【００３０】
共鳴回路１４０は、誘導素子１４１および容量素子１４２により構成される。この共鳴回路１４０の共鳴周波数は、誘導素子１４１のインダクタンスおよび容量素子１４２のキャパシタンスにより定まる。また、共鳴回路２４０は、誘導素子２４１および容量素子２４２により構成される。この共鳴回路２４０の共鳴周波数は、誘導素子２４１のインダクタンスおよび容量素子２４２のキャパシタンスにより定まる。なお、この場合において、電力の伝送効率を高めるため、共鳴回路１４０および２４０の共鳴周波数は同一となるように調整される。
【００３１】
このように、共鳴回路１４０および２４０は、誘導素子１４１および２４１と、容量素子１４２および２４２とにより等価的に表わすことができる。これは、複同調回路の等価回路と同様の構成であるため、この共鳴回路１４０および２４０は複同調回路として動作する。このため、共鳴回路１４０および２４０の間の結合については、式１のように、複同調回路における結合の状態を示す総合指数Ｓにより表わすことができる。
【数１】
2010200563.tif 000003
【００３２】
ここで、Ｑ１およびＱ２は、共鳴回路１４０および２４０の性能指数であり、共鳴回路１４０および２４０の有する磁界強度の周波数特性における尖鋭度（ピークの鋭さ）を表わす係数である。本発明の第１の実施の形態では、この共鳴回路１４０および２４０の有する磁界強度の周波数特性は事前に決まるため、性能指数Ｑ１およびＱ２は定数となる。また、式１に示したｋは、結合係数であり、次式により表わされる。
【数２】
2010200563.tif 000004
【００３３】
ここで、Ｌ１およびＬ２は、それぞれ誘導素子１４１および２４１のインダクタンスである。Ｍは相互インダクタンスであり、共鳴回路１４０および２４０の間の距離に応じて変化する。例えば、共鳴回路１４０および２４０の間の距離が短くなるほど、相互インダクタンスＭは大きくなる。本発明の第１の実施の形態では、インダクタンスＬ１およびＬ２は事前に設定されていることから、結合係数ｋは、共鳴回路１４０および２４０の間の距離に応じて変化する。
【００３４】
このように、式１に示した総合指数Ｓは、結合係数ｋに比例することから、共鳴回路１４０および２４０の間の距離に応じて変化する。すなわち、共鳴回路１４０および２４０の間の距離が短くなるほど、総合指数Ｓは大きくなる。
【００３５】
図２（ｂ）は、複同調回路として動作する共鳴回路１４０および２４０の間の結合特性を例示する図である。ここでは、疎結合特性３１０と、臨界結合特性３２０と、密結合特性３３０とが示されている。また、横軸を周波数とし、縦軸を利得としている。
【００３６】
疎結合特性３１０は、共鳴回路１４０および２４０の間の結合の状態を表わす総合指数Ｓが「１」未満である場合における共鳴回路１４０および２４０の間の結合状態を示す周波数特性である。ここでは、このような結合状態を疎結合状態という。この疎結合特性３１０は、共鳴回路１４０および２４０の共鳴周波数（ｆｒ）において利得が最大となる単峰特性を示す。
【００３７】
臨界結合特性３２０は、総合指数Ｓが「１」である場合における共鳴回路１４０および２４０の間の結合状態を示す周波数特性である。ここでは、このような結合状態を臨界結合状態という。この臨界結合特性３２０は、共鳴周波数（ｆｒ）における利得（Ｇｍａｘ）が最大となる単峰特性を示す。このとき、共鳴周波数（ｆｒ）における最大利得が最も大きくなる。すなわち、共鳴回路１４０および２４０の共鳴周波数（ｆｒ）が合致しており、かつ、臨界結合状態である場合において、共鳴周波数（ｆｒ）における利得が最大となる。
【００３８】
密結合特性３３０は、総合指数Ｓが「１」より大きい場合における共鳴回路１４０および２４０の間の結合状態を示す周波数特性である。ここでは、このような結合状態を密結合状態という。この密結合特性３３０は、共鳴周波数（ｆｒ）が谷の部分となる双峰特性を示す。
【００３９】
このように、共鳴回路１４０および２４０の間の結合特性は、総合指数Ｓの大きさに応じて周波数特性が変化する。上述のように、この総合指数Ｓの大きさは、結合係数ｋの大きさに比例することから、共鳴回路１４０および２４０の間の距離に応じて変化する。このため、共鳴回路１４０および２４０の間の距離が短くなるほど、共鳴回路１４０および２４０の間の結合特性は、総合指数Ｓが大きくなって、疎結合状態から臨界結合状態に遷移する。さらに、距離が短くなり過ぎると、共鳴回路１４０および２４０の間の結合特性は、臨界結合状態から密結合状態となり、双峰特性を示すようになる。
【００４０】
このため、共鳴周波数（ｆｒ）と同一の周波数成分のみからなる電気信号を共鳴回路１４０に出力することによって受電装置２００に電力を供給する場合には、距離が短くなり過ぎると、密結合状態となって、共鳴周波数（ｆｒ）における利得が低下する。これにより、電力供給装置１００から受電装置２００に電力を伝送する伝送効率が低下してしまう。
【００４１】
このような共鳴回路１４０および２４０の間の密結合状態による伝送効率の低下を抑制するために、本発明の第１の実施の形態では、近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号を共鳴回路１４０に供給する。これにより、密結合状態における電力の伝送効率の低下を抑制することができる。ここで、近傍帯域とは、図１で述べたとおり、共鳴周波数（ｆｒ）の近傍を中心とする周波数帯域であり、複数の周波数成分からなる電気信号を共鳴回路１４０に供給することによって、密結合状態による電力の伝送効率の低下を抑制できる程度の周波数帯域である。この近傍帯域は、臨界結合特性３２０において共鳴周波数（ｆｒ）を頂点とする山の両側の裾付近の間の周波数帯域に設定するのが望ましい。
【００４２】
この近傍帯域は、共鳴回路１４０および２４０の間の磁界共鳴による臨界結合状態の最大利得（Ｇｍａｘ）に対して所定の利得（ΔＧ）低下した利得に対応する低域側の周波数（ｆｌ）および高域側の周波数（ｆｈ）の間の周波数帯域として定めることができる。この近傍帯域は、例えば、複数の周波数成分の周波数間隔または結合特性に応じて、最大利得（Ｇｍａｘ）に対し３ｄＢ、５ｄＢ、１０ｄＢまたは２０ｄＢ低下した低域側および高域側の周波数の間の周波数帯域として定めてもよい。なお、近傍帯域は、特許請求の範囲に記載の近傍帯域の一例である。
【００４３】
次に、近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号を共鳴回路１４０に供給することによる電力の伝送効率について次図を参照して簡単に説明する。
【００４４】
［電力伝送効率の低下抑制の例］
図３は、本発明の第１の実施の形態における共鳴回路１４０および２４０の間の磁界共鳴による結合によって伝送される電力を概念的に例示する図である。図３（ａ）乃至（ｃ）は、臨界結合状態において伝送される電力に関する図であり、図３（ｄ）乃至（ｆ）は、密結合状態において受電装置２００に伝送される電力に関する図である。ここでは、横軸は周波数である。
【００４５】
図３（ａ）および（ｄ）には、図２に示した臨界結合特性３２０および３３０が示されている。図３（ｂ）および（ｅ）には、共鳴回路１４０に供給される電気信号における周波数特性が示されている。ここでは、周波数発生器１１１乃至１１３により、近傍帯域における周波数成分（ｆｒ−３乃至ｆｒ＋３）３２１乃至３２７からなる電気信号の電力がそれぞれ生成させる。そして、電力合成回路１２０により、その合成された電気信号が結合コイル１３０を介して共振回路１４０に供給されることを想定している。また、縦軸は、共鳴回路１４０に供給される電気信号の電力である。
【００４６】
図３（ｃ）および（ｆ）には、理解を容易にするため、図３（ａ）および（ｂ）に示した臨界結合特性３２０および密結合特性３３０をそれぞれ重ねて示している。また、縦軸は、共鳴回路２４０から出力される電気信号の電力である。
【００４７】
図３（ｃ）には、臨界結合状態における共鳴回路２４０から出力される電気信号の周波数成分（ｆｒ−３乃至ｆｒ＋３）３４１乃至３４７が示されている。この周波数成分（ｆｒ−３乃至ｆｒ＋３）３４１乃至３４７の電力は、臨界結合特性３２０に応じたレベルとなる。すなわち、共鳴回路１４０および２４０の間の磁界共鳴による結合特性によって、図３（ｂ）に示した電気信号の電力は、周波数成分（ｆｒ−３乃至ｆｒ＋３）３４１乃至３４７からなる電気信号の電力となり、受電装置２００に供給される。
【００４８】
図３（ｆ）には、密結合状態における共鳴回路２４０から出力される電気信号の周波数成分（ｆｒ−３乃至ｆｒ＋３）３５１乃至３５７が示されている。周波数成分（ｆｒ−３乃至ｆｒ＋３）３５１乃至３５７は、密結合特性３３０に応じたレベルとなる。すなわち、共鳴回路１４０および２４０の間の磁界共鳴による結合特性によって、図３（ｅ）に示した電気信号の電力は、図３（ｆ）に示した電気信号の電力となり、受電装置２００に供給される。このように、電気信号が複数の周波数成分を有するため、共鳴回路１４０および２４０の間の結合が密結合状態となって共鳴周波数（ｆｒ）３５１における利得が低下しても、他の周波数成分によって電力の供給が補完される。
【００４９】
このように、近傍帯域における複数の周波数成分（ｆｒ−３乃至ｆｒ＋３）３２１乃至３２７からなる電気信号を共鳴回路１４０に供給することによって、密結合状態における電力の伝送効率の低下を軽減することができる。すなわち、共鳴回路１４０および２４０の間の距離が短くなり過ぎることにより、磁界結合が密結合状態となったとしても、電力伝送効率の低下を抑制することができる。なお、本発明の第１の実施の形態では、共鳴回路１４０および２４０の間の距離によっては、受電装置２００への電力供給にそれほど寄与しない周波数成分を含む電気信号が受電装置２００に供給される場合がある。このため、受電装置２００への電力供給に寄与しない周波数成分を低減するために改良したものを本発明の第２の実施の形態として以下に詳細に説明する。
【００５０】
＜２．第２の実施の形態＞
［電力伝送システムの構成例］
図４は、本発明の第２の実施の形態における電力伝送システムの一構成例を示すブロック図である。この電力伝送システムは、図１に示した電力伝送システムと同様に電力供給装置１００および受電装置２００を備えている。この電力供給装置１００は、図１に示した電力供給装置１００の構成に加えて、通信部１７０および周波数発生器制御部１８０を備えている。また、受電装置２００は、図１に示した受電装置２００の構成に加えて、スペクトラム解析部２５０と、周波数情報生成部２６０と、通信部２７０とを備えている。ここでは、図１に示した電力伝送システムの構成と同様のものについては、図１と同一の符号を付してここでの説明を省略する。
【００５１】
この例では、周波数発生器１１１乃至１１３により発生された互いに異なる周波数成分からなる電気信号の電力を電力合成回路１２０により合成して、結合コイル１３０を介してその合成された電気信号を共鳴回路１４０に出力していることを想定している。この場合において、共鳴回路１４０および２４０の間の磁界共鳴により共鳴回路２４０から出力される電気信号の電力が結合コイル２３０を介して整流回路２２０およびスペクトラム解析部２５０に供給される。また、整流回路２２０により整流された電源電圧は、負荷回路２１０およびスペクトラム解析部２５０に供給される。
【００５２】
スペクトラム解析部２５０は、結合コイル２３０から供給される電気信号における周波数成分と、その周波数成分の電力レベルとを算出するものである。このスペクトラム解析部２５０は、例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）を用いることによって、電気信号における周波数成分およびその電力レベルを算出する。このスペクトラム解析部２５０は、その算出結果を周波数情報生成部２６０に供給する。
【００５３】
周波数情報生成部２６０は、スペクトラム解析部２５０により算出された算出結果に基づいて、電力の供給にあまり寄与していない周波数成分である不要となる周波数成分を判定するものである。この周波数情報生成部２６０は、例えば、予め設定された絶対レベル閾値と、各周波数成分のレベルとに基づいて不要となる周波数成分を判定する。この例において、周波数情報生成部２６０は、絶対レベル閾値に比べて低いレベルの周波数成分を不要となる周波数成分と判定する。
【００５４】
その他の判定例として、この周波数情報生成部２６０は、スペクトラム解析部２５０により算出された複数の周波数成分のうち、電力レベルが最も高い周波数成分のレベルを基準レベルとして不要となる周波数成分を判定する。周波数情報生成部２６０は、例えば、予め電力差閾値を設けておき、基準レベルとの電力レベルの差が電力差閾値に比べて大きい周波数成分を不要となる周波数成分と判定する。あるいは、周波数情報生成部２６０は、予め電力比閾値を設けておき、基準レベルとの電力レベルの比が電力比閾値に比べて大きい周波数成分を不要となる周波数成分と判定する。
【００５５】
また、周波数情報生成部２６０は、その不要となる周波数成分と判定された周波数成分の値を示す周波数情報を生成する。すなわち、この周波数情報生成部２６０は、共鳴回路２４０から出力された電気信号における各周波数成分のレベルに基づいて不要となる周波数成分を判定することによって周波数情報を生成する。そして、周波数情報生成部２６０は、その生成された周波数情報を通信部２７０に供給する。なお、周波数情報生成部２６０は、特許請求の範囲に記載の周波数情報生成部の一例である。
【００５６】
通信部２７０は、当該通信部２７０と電力供給装置１００における通信部１７０との間の通信を行うものである。この通信部２７０は、周波数情報生成部２６０により生成された周波数情報を通信部１７０に送信する。なお、通信部２７０は、特許請求の範囲に記載の送信部の一例である。
【００５７】
通信部１７０は、当該通信部１７０と受電装置２００における通信部２７０との間の通信を行うものである。この通信部１７０は、受電装置２００における通信部２７０から送信された周波数情報を受信する。そして、通信部１７０は、その受信された周波数情報を周波数発生器制御部１８０に供給する。なお、通信部１７０は、特許請求の範囲に記載の受信部の一例である。また、この通信部２７０および１７０の間の通信は、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈなどの無線通信により実現される。
【００５８】
周波数発生器制御部１８０は、通信部１７０から供給された周波数情報に基づいて、複数の周波数発生器１１１乃至１１３のうち、不要と判定された周波数成分からなる電気信号を発生させている周波数発生器を停止させるように制御するものである。すなわち、この周波数発生器制御部１８０は、周波数情報に示された不要となる周波数成分の値に基づいて、その周波数成分の値に対応する周波数発生器を特定する。そして、周波数発生器制御部１８０は、その特定された周波数発生器を停止させることによって、周波数発生器から発生される電気信号を停止させる。なお、周波数発生器制御部１８０は、特許請求の範囲に記載の周波数発生器制御部の一例である。
【００５９】
このように、周波数情報生成部２６０を設けて、共鳴回路２４０から出力された電気信号における各周波数成分のレベルに基づいて不要となる周波数成分を判定することによって、不要となる周波数成分を削減することができる。これにより、周波数発生器１１１乃至１１３による無駄な電気信号の生成を低減させることができるため、電力供給装置１００の電力消費を抑制することができる。
【００６０】
なお、ここでは、不要となる周波数成分と判定された周波数発生器を停止する例について説明したが、電力供給装置１００および受電装置２００の間の距離が離れることによって、供給される電力が不足することも考えられる。このため、周波数発生器制御部１８０により、不要となる周波数成分と判定されたことによって停止させた周波数発生器を、一定期間経過後に、再び電気信号を発生させるようにしてもよい。
【００６１】
あるいは、スペクトラム解析部２５０により、結合コイル２３０から供給される電気信号の全電力を計測させる。そして、その計測された電力が一定のレベルより低くなった場合には、全ての周波数発生器から電気信号を発生させるための緊急情報を生成させるようにしてもよい。この場合において、周波数発生器制御部１８０は、その緊急情報に基づいて、停止させていた周波数発生器から電気信号を発生させるように制御する。
【００６２】
また、ここでは、複数の周波数発生器１１１乃至１１３を設けることによって、近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号を共鳴回路１４０に供給する例について説明したが、これに限られるものではない。以下に、他の構成により複数の周波数成分からなる電気信号を生成する例について図面を参照して説明する。
【００６３】
＜３．第１の実施の形態における電力供給装置の構成の変形例＞
［スペクトラムを拡散させた電気信号を用いる例］
図５は、本発明の第１の実施の形態における電力供給装置１００の構成の第１の変形例を示すブロック図である。この電力供給装置１００は、図１に示した複数の周波数発生器１１１乃至１１３および電力合成回路１２０に代えて、周波数発生器１１４と、変調信号生成回路１１５と、変調回路１２１とを備えている。ここでは、結合コイル１３０および共鳴回路１４０は、図１に示したものと同様であるため、同一符号を付してここでの説明を省略する。
【００６４】
周波数発生器１１４は、一定の周波数成分からなる電気信号を発生させるものである。この周波数発生器１１４は、例えば、共鳴回路１４０の共鳴周波数（ｆｒ）と同じ周波数成分からなる電気信号の電力を生成する。また、この周波数発生器１１４は、その発生させた電気信号の電力を変調回路１２１に供給する。なお、周波数発生器１１４は、特許請求の範囲に記載の周波数発生器の一例である。
【００６５】
変調信号生成回路１１５は、周波数発生器１１４から発生された電気信号を変調するための変調信号を生成するものである。この変調信号生成回路１１５は、例えば、スペクトラム拡散のための擬似乱数雑音（ＰＮ：Pseudorandom Noise）符号を変調信号として生成する。また、変調信号生成回路１１５は、その生成された変調信号を変調回路１２１に供給する。なお、変調信号生成回路１１５は、特許請求の範囲に記載の変調信号生成回路の一例である。
【００６６】
変調回路１２１は、周波数発生器１１４から発生された電気信号の電力と、変調信号生成回路１１５により生成された変調信号とに基づいて生成された複数の周波数成分からなる電気信号の電力を合成するものである。この変調回路１２１は、例えば、周波数発生器１１４から発生された電気信号に変調信号生成回路１１５からの擬似乱数雑音符号を乗算することによって、近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号を生成する。すなわち、変調回路１２１は、周波数発生器１１４からの電気信号におけるスペクトラムを拡散することによって、近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号を生成する。また、変調回路１２１は、合成された電気信号を結合コイル１３０に出力する。なお、この変調回路１２１は、特許請求の範囲に記載の電力合成回路の一例である。
【００６７】
このように、変調回路１２１を設けることによって、近傍帯域において電気信号のスペクトラムを拡散させることができる。これにより、共鳴回路１４０および２４０の間の結合が密結合状態となり、結合特性が変化したとしても、電力伝送の効率低下を抑制することができる。
【００６８】
なお、ここでは、変調回路１２１によりスペクトラム拡散を行う例について示したが、周波数発生器１１４からの電気信号を振幅変調または位相変調することによって、近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号を生成するようにしてもよい。この場合、変調信号生成回路１１５は、変調回路１２１から出力される電気信号におけるスペクトラムが近傍周帯域において拡散されるように変調信号を生成する。
【００６９】
［デジタル処理により生成された電気信号を用いる例］
図６は、本発明の第１の実施の形態における電力供給装置１００の構成の第２の変形例を示すブロック図である。この電力供給装置１００は、図１に示した周波数発生器１１１乃至１１３および電力合成回路１２０に代えて、波形メモリ１１６と、プロセッサ１２２と、Ｄ／Ａ（digital to analog）変換器１８１と、ローパスフィルタ１８２とを備えている。ここでは、結合コイル１３０および共鳴回路１４０は、図１に示したものと同様であるため、同一符号を付してここでの説明を省略する。
【００７０】
波形メモリ１１６は、近傍帯域における複数の周波数成分からなる電気信号を発生させるために、波形信号を生成するための波形生成データを保持するものである。この波形メモリ１１６は、その保持された波形生成データをプロセッサ１２２に供給する。
【００７１】
プロセッサ１２２は、波形メモリ１１６に保持された波形生成データに基づいて、デジタル信号である波形信号を生成する。すなわち、プロセッサ１２２は、複数の周波数成分からなる電気信号を合成するために波形信号を生成する。このプロセッサ１２２は、その生成された波形信号をＤ／Ａ変換器１８１に供給する。
【００７２】
Ｄ／Ａ変換器１８１は、プロセッサ１２２から供給されたデジタル信号である波形信号をアナログ信号に変換することによって、複数の周波数成分からなる電気信号を生成するものである。このＤ／Ａ変換器１８１は、その生成された電気信号をローパスフィルタ１８２に供給する。
【００７３】
ローパスフィルタ１８２は、プロセッサ１２２により生成された波形信号に含まれる高域成分を除去するためのフィルタである。また、ローパスフィルタ１８２は、高域成分が除去された電気信号を結合コイル１３０に供給する。
【００７４】
このように、波形メモリ１１６、プロセッサ１２２およびＤ／Ａ変換器１８１を設けることによって、図１に示した構成により生成される電気信号と同様の電気信号を生成することができる。なお、複数の周波数成分からなる電気信号を生成することにより、電力の伝送効率の低下を抑制する例について説明したが、単一周波数成分を近傍帯域内において変動させることによって密結合状態における伝送効率の低下を緩和させるようにしてもよい。以下に、単一周波数成分を変動させる例について次図を参照して説明する。
【００７５】
［単一周波数成分を変動させた電気信号を用いる例］
図７は、本発明の第１の実施の形態における電力供給装置１００の構成の第３の変形例を示すブロック図である。この電力供給装置１００は、図１に示した複数の周波数発生器１１１乃至１１３および電力合成回路１２０に代えて、可変周波数発生器１１７および周波数制御回路１１８を備えている。ここでは、結合コイル１３０および共鳴回路１４０は、図１に示したものと同様であるため、同一符号を付してここでの説明を省略する。
【００７６】
可変周波数発生器１１７は、単一の周波数成分からなる電気信号を発生させるものである。この可変周波数発生器１１７は、周波数制御回路１１８から供給される制御信号に基づいて、その発生させた電気信号の周波数成分を近傍帯域において変動させる。この可変周波数発生器１１７は、例えば、電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）により実現される。また、可変周波数発生器１１７は、その発生させた電気信号を結合コイル１３０に供給する。
【００７７】
周波数制御回路１１８は、可変周波数発生器１１７から発生される電気信号の周波数成分を近傍帯域内において変動させるための制御信号を生成するものである。この周波数制御回路１１８は、例えば、可変周波数発生器１１７が電圧制御発振器である場合には、電圧制御回路により実現される。また、周波数制御回路１１８は、その生成された制御信号を可変周波数発生器１１７に供給する。
【００７８】
このように、可変周波数発生器１１７および周波数制御回路１１８を設けることによって、共鳴回路１４０に供給される電気信号の周波数成分を近傍帯域内において変動させることができる。これにより、共鳴回路１４０および２４０の間の距離が短くなり過ぎても、電力の伝送効率の低下を緩和することができる。
【００７９】
このように、本発明の実施の形態によれば、共鳴回路１４０および２４０の間の磁界共鳴による結合が密結合状態となっても、電力の伝送効率の低下を抑制することができる。
【００８０】
なお、本発明の実施の形態は本発明を具現化するための一例を示したものであり、上述のように特許請求の範囲における発明特定事項とそれぞれ対応関係を有する。ただし、本発明は実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形を施すことができる。
【符号の説明】
【００８１】
１００  電力供給装置
１１１〜１１４  周波数発生器
１１５  変調信号生成回路
１１６  波形メモリ
１１７  可変周波数発生器
１１８  周波数制御回路
１２０  電力合成回路
１２１  変調回路
１２２  プロセッサ
１３０、２３０  結合コイル
１４０、２４０  共鳴回路
１４１、２４１  誘導素子
１４２、２４２  容量素子
１７０、２７０  通信部
１８０  周波数発生器制御部
１８１  Ｄ／Ａ変換器
１８２  ローパスフィルタ
２００  受電装置
２１０  負荷回路
２２０  整流回路
２５０  スペクトラム解析部
２６０  周波数情報生成部
【図１】
2010200563.tif 000005
【図２】
2010200563.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010200563.tif 000009
【図６】
2010200563.tif 000010
【図７】
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