(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
直列接続された第１のコイルおよびキャパシタを含む共振回路と、
前記共振回路への第１の方向からの電流の供給を制御する第１のスイッチと、
前記共振回路への第２の方向からの電流の供給を制御する第２のスイッチと、
前記第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより前記共振回路を共振させ、前記第１のコイルを前記給電コイルとして、前記第１のコイルから前記受電コイルへ交流電力を送電させる送電制御回路と、
前記交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる第２のコイルと、
前記交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備え、
前記第１および第２のスイッチを流れる電流の経路と前記共振回路を流れる電流の経路は結合トランスにより分離され、前記結合トランスを介して、前記共振回路に交流電力が供給され、
前記位相検出回路は、前記第２のコイルに流れる誘導電流の位相を計測することにより、前記交流電力の電流位相を計測することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項２】
前記検出された位相差が減少するように前記送電制御回路の駆動周波数を調整することにより、前記駆動周波数を前記共振周波数に追随させる駆動周波数追随回路、を更に備え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】
前記送電制御回路は、前記第１のコイルから、前記第１のコイルとは別のコイルである前記給電コイルに前記交流電力を供給することにより、前記給電コイルから前記受電コイルへ前記交流電力を送電させることを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項４】
前記交流電力の電流波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第１波形整流器と、
前記交流電力の電圧波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第２波形整流器と、を更に備え、
前記位相検出回路は、２種類のデジタル波形のエッジを比較することにより、前記位相差を検出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】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
直列接続された第１のコイルおよびキャパシタを含む共振回路と、
前記共振回路への第１の方向からの電流の供給を制御する第１のスイッチと、
前記共振回路への第２の方向からの電流の供給を制御する第２のスイッチと、
前記第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより前記共振回路を共振させ、前記第１のコイルを前記給電コイルとして、前記第１のコイルから前記受電コイルへ交流電力を送電させる送電制御回路と、
前記交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる第２のコイルと、
前記交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備え、
前記第２のコイルはトロイダルコアに巻回されており、前記トロイダルコアに前記第１のコイルの一部を通過させることにより、前記第１コイルと前記第２コイルとで結合トランスを形成し、
前記位相検出回路は、前記第２のコイルに流れる誘導電流の位相を計測することにより、前記交流電力の電流位相を計測することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項６】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
直列接続された第１のコイルおよびキャパシタを含む共振回路と、
前記共振回路への第１の方向からの電流の供給を制御する第１のスイッチと、
前記共振回路への第２の方向からの電流の供給を制御する第２のスイッチと、
前記第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより前記共振回路を共振させ、前記第１のコイルを前記給電コイルとして、前記第１のコイルから前記受電コイルへ交流電力を送電させる送電制御回路と、
前記交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる第２のコイルと、
前記交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備え、
前記第２のコイルの両端に抵抗を並列接続し、
前記位相検出回路は、前記抵抗に印加される電圧の変化から前記第２のコイルに流れる誘導電流の位相を計測することにより、前記交流電力の電流位相を計測することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項７】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
電源回路と、
前記給電コイルと、
前記給電コイルと磁気結合し、前記電源回路から供給される交流電力を前記給電コイルに供給するエキサイトコイルと、
前記交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる検出コイルと、
前記交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備え、
前記検出コイルはトロイダルコアに巻回されており、前記トロイダルコアに前記エキサイトコイルの一部を通過させることにより、前記エキサイトコイルと前記検出コイルとで結合トランスを形成し、
前記電源回路は、第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記エキサイトコイルに前記交流電力を供給し、
前記位相検出回路は、前記検出コイルに流れる前記誘導電流の位相を計測することにより、前記交流電力の電流位相を計測することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項８】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
前記給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給する電源回路と、
前記給電コイルおよびキャパシタを含み、前記共振周波数にて共振する給電コイル回路と、
前記給電コイル回路の交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる検出コイルと、
前記交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備え、
前記検出コイルはトロイダルコアに巻回されており、前記トロイダルコアに前記給電コイルの一部を通過させることにより、前記給電コイルと前記検出コイルとで結合トランスを形成し、
前記電源回路は、第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記給電コイル回路に前記交流電力を供給し、
前記位相検出回路は、前記検出コイルに流れる前記誘導電流の位相を計測することにより、前記交流電力の電流位相を計測することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項９】
前記検出コイルは、前記給電コイルを流れる交流電流が発生させる磁界により前記誘導電流を発生させるコイルであることを特徴とする請求項７または８に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項１０】
前記検出コイルは、前記エキサイトコイルを流れる交流電流が発生させる磁界により前記誘導電流を発生させるコイルであることを特徴とする請求項７に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項１１】
前記検出された位相差が減少するように前記送電制御回路の駆動周波数を調整することにより、前記駆動周波数を前記共振周波数に追随させる駆動周波数追随回路、を更に備えることを特徴とする請求項７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】
前記交流電力の電流波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第１波形整流器と、
前記交流電力の電圧波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第２波形整流器と、を更に備え、
前記位相検出回路は、２種類のデジタル波形のエッジを比較することにより、前記位相差を検出することを特徴とする請求項７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】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
電源回路と、
前記給電コイルと、
前記給電コイルと磁気結合し、前記電源回路から供給される交流電力を前記給電コイルに供給するエキサイトコイルと、
前記交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる検出コイルと、
前記交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備え、
前記検出コイルはトロイダルコアに巻回されており、前記トロイダルコアに前記給電コイルの一部を通過させることにより、前記給電コイルと前記検出コイルとで結合トランスを形成し、
前記電源回路は、第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記エキサイトコイルに前記交流電力を供給し、
前記位相検出回路は、前記検出コイルに流れる前記誘導電流の位相を計測することにより、前記交流電力の電流位相を計測することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項１４】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
電源回路と、
前記給電コイルと、
前記給電コイルと磁気結合し、前記電源回路から供給される交流電力を前記給電コイルに供給するエキサイトコイルと、
前記交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる検出コイルと、
前記交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備え、
前記検出コイルの両端に抵抗を並列接続し、
前記電源回路は、第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記エキサイトコイルに前記交流電力を供給し、
前記位相検出回路は、前記抵抗に印加される電圧の変化から前記検出コイルに流れる前記誘導電流の位相を計測することにより、前記交流電力の電流位相を計測することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項１５】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
前記給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給する電源回路と、
前記給電コイルおよびキャパシタを含み、前記共振周波数にて共振する給電コイル回路と、
前記給電コイル回路の交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる検出コイルと、
前記交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備え、
前記検出コイルの両端に抵抗を並列接続し、
前記電源回路は、第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記給電コイル回路に前記交流電力を供給し、
前記位相検出回路は、前記抵抗に印加される電圧の変化から前記検出コイルに流れる前記誘導電流の位相を計測することにより、前記交流電力の電流位相を計測することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれかに記載のワイヤレス給電装置と、
前記受電コイルと、
前記受電コイルと磁気結合し、前記受電コイルが前記給電コイルから受電した電力を供給されるロードコイルと、を備えることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレスにて電力を送るためのワイヤレス給電装置、および、ワイヤレス電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）の３種類に大別できる。
【０００３】
電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）は、電動シェーバーなどの身近な家電製品において一般的に利用されているが、数ｃｍ程度の近距離でしか使えないという課題がある。電波を利用するタイプ（Ｂ）は、遠距離で使えるが電力が小さいという課題がある。共振現象を利用するタイプ（Ｃ）は、比較的新しい技術であり、数ｍ程度の中距離でも高い電力伝送効率を実現できることから特に期待されている。たとえば、ＥＶ（Electric Vehicle）の車両下部に受電コイルを埋め込み、地中の給電コイルから非接触にて電力を送り込むという案も検討されている。以下、タイプ（Ｃ）を「磁場共振型」とよぶ。
【０００４】
磁場共振型は、マサチューセッツ工科大学が２００６年に発表した理論をベースとしている（特許文献１参照）。特許文献１では、４つのコイルを用意している。これらのコイルを給電側から順に「エキサイトコイル」、「給電コイル」、「受電コイル」、「ロードコイル」とよぶことにする。エキサイトコイルと給電コイルは近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。同様に、受電コイルとロードコイルも近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。これらの距離に比べると、給電コイルから受電コイルまでの距離は「中距離」であり、比較的大きい。このシステムの目的は、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電することである。
【０００５】
エキサイトコイルに交流電力を供給すると、電磁誘導の原理により給電コイルにも電流が流れる。給電コイルが磁場を発生させ、給電コイルと受電コイルが磁気的に共振すると、受電コイルには大きな電流が流れる。電磁誘導の原理によりロードコイルにも電流が流れ、ロードコイルと直列接続される負荷Ｒから電力が取り出される。磁場共振現象を利用することにより、給電コイルから受電コイルの距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国公開２００８／０２７８２６４号公報
【特許文献２】特開２００６−２３００３２号公報
【特許文献３】国際公開２００６／０２２３６５号公報
【特許文献４】米国公開２００９／００７２６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
磁場共振現象を発生させるためには、エキサイトコイルや給電コイルに交流電力を供給する際、電源回路の駆動周波数を共振周波数に一致させる必要がある。たとえば、特許文献２は、駆動周波数と共振周波数が一致しているか検出する技術を開示する。特許文献２では、給電コイルに相当する１次コイルＬ１の電圧位相を基準位相と比較することにより、共振状態にあるか否かを判定している（特許文献２の段落［００４３］、［００４４］、図１等参照）。しかし、特許文献２の場合、共振させるべき１次コイルＬ１の電圧波形そのものを計測対象としているため、計測行為によって共振特性（Ｑ値）が悪化しやすい。いいかえれば、「計測の影響」を受けやすいシステム構成となっている。
【０００８】
本発明は、上記課題に基づいて完成された発明であり、磁場共振型のワイヤレス給電において、共振特性への影響を抑制しつつ供給電力の位相を検出することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るワイヤレス給電装置は、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電するための装置である。この装置は、直列接続された第１のコイルおよびキャパシタを含む共振回路と、共振回路への第１および第２の方向からの電流の供給を制御する第１および第２のスイッチと、第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより共振回路を共振させ、第１のコイルを給電コイルとして、第１のコイルから受電コイルへ交流電力を送電させる送電制御回路と、交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる第２のコイルと、交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備える。ここで、位相検出回路は、第２のコイルに流れる誘導電流の位相を計測することにより、交流電力の電流位相を計測する。
【００１０】
この装置は、エキサイトコイルを用いることなく、直接給電コイルを駆動できる。したがって、製造コストを抑え構成をコンパクトにしやすい。電源回路の駆動周波数を共振周波数と一致させれば、システム全体としての電力伝送効率が高くなる。交流電力が発生させる磁界により第２のコイル（検出コイル）に誘導電流を発生させ、その誘導電流から電流位相を計測するため、給電コイルに直接的な計測負荷がかからない。このため、給電コイルの共振特性への影響を抑制しつつ、電圧位相と電流位相の位相差（ずれ）を検出して共振状態が保たれているかを監視できる。
【００１１】
第１および第２のスイッチを流れる電流の経路と共振回路を流れる電流の経路は結合トランスにより分離されてもよい。そして、結合トランスを介して、共振回路に交流電力を供給してもよい。
【００１２】
この装置は、検出された位相差が減少するように送電制御回路の駆動周波数を調整することにより、駆動周波数を共振周波数に追随させる駆動周波数追随回路、を更に備えてもよい。共振周波数に駆動周波数を追随させることができるため、電力伝送効率を高い状態に維持しやすくなる。
【００１３】
送電制御回路は、共振回路のコイルを給電コイルとして動作させるのではなく、エキサイトコイルとして動作させ、別のコイルとして設けられる給電コイルに電力を供給させてもよい。
【００１４】
第２のコイルはトロイダルコアに巻回されてもよい。そして、このトロイダルコアに第１のコイルの一部を通過させることにより、第１コイルと第２コイルとで結合トランスを形成してもよい。このようにトロイダルコアを第１および第２のコイルで共有することにより、第２のコイルに誘導電流を好適に発生させることができる。
【００１５】
第２のコイルの両端に抵抗を並列接続してもよい。そして、位相検出回路は、この抵抗に印加される電圧の変化から電流位相を計測してもよい。
【００１６】
この装置は、交流電力の電流波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第１波形整流器と、交流電力の電圧波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第２波形整流器と、を更に備えてもよい。位相検出回路は、２種類のデジタル波形のエッジを比較することにより、位相差を検出してもよい。デジタル化により電流波形と電圧波形の位相を比較するときの基準点が明確になるため、位相検出回路が位相差を特定しやすくなる。
【００１７】
本発明に係る別のワイヤレス給電装置は、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電するための装置である。この装置は、電源回路と、給電コイルと、給電コイルと磁気結合し、電源回路から供給される交流電力を給電コイルに供給するエキサイトコイルと、交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる検出コイルと、交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備える。電源回路は、第１および第２の電流経路を含み、第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、エキサイトコイルに交流電力を供給する。位相検出回路は、検出コイルに流れる誘導電流の位相を計測することにより、交流電力の電流位相を計測する。
【００１８】
本発明に係る更に別のワイヤレス給電装置も、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電するための装置である。この装置は、給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給する電源回路と、給電コイルおよびキャパシタを含み共振周波数にて共振する給電コイル回路と、給電コイル回路の交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる検出コイルと、交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路を備える。電源回路は、第１および第２の電流経路を含み、第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、給電コイル回路に前記交流電力を供給する。位相検出回路は、検出コイルに流れる誘導電流の位相を計測することにより、交流電力の電流位相を計測する。
【００１９】
このような態様においても、電源回路の駆動周波数を共振周波数と一致させれば、システム全体としての電力伝送効率が高くなる。検出コイルの誘導電流から電流位相を計測するため、給電コイルに直接的な計測負荷がかからない。
【００２０】
検出コイルは、給電コイルを流れる交流電流が発生させる磁界により誘導電流を発生させてもよいし、エキサイトコイルを流れる交流電流が発生させる磁界により誘導電流を発生させてもよい。
【００２１】
この装置においても、検出された位相差が減少するように送電制御回路の駆動周波数を調整することにより、駆動周波数を共振周波数に追随させる駆動周波数追随回路を備えてもよい。共振周波数に駆動周波数を追随させることができるため、電力伝送効率を高い状態に維持しやすくなる。
【００２２】
検出コイルはトロイダルコアに巻回されてもよい。そして、このトロイダルコアに給電コイルやエキサイトコイルの一部を通過させることにより、給電コイルおよびエキサイトコイルの一方と検出コイルとで結合トランスを形成してもよい。また、検出コイルの両端に抵抗を並列接続し、抵抗に印加される電圧の変化から電流位相を計測してもよい。
【００２３】
この装置も、交流電力の電流波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第１波形整流器と、交流電力の電圧波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第２波形整流器を更に備えてもよい。位相検出回路は、２種類のデジタル波形のエッジを比較することにより、位相差を検出してもよい。
【００２４】
本発明におけるワイヤレス電力伝送システムは、上述した各種のワイヤレス給電装置と、受電コイルと、受電コイルと磁気結合して、受電コイルが給電コイルから受電した電力を供給されるロードコイルを備える。
【００２５】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、磁場共振型のワイヤレス給電技術において、共振特性への影響を抑制しつつ供給電力の位相を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。
【図２】検出コイルおよび給電コイルの拡大構成図である。
【図３】検出コイルと給電コイルが形成する結合トランスの等価回路図である。
【図４】共振回路のインピーダンスＺと駆動周波数の関係を示すグラフである。
【図５】出力電力効率と駆動周波数の関係を示すグラフである。
【図６】駆動周波数と共振周波数が一致するときの電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。
【図７】駆動周波数＞共振周波数のときの電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。
【図８】駆動周波数＜共振周波数のときの電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。
【図９】位相検出回路へ入力される各種電圧の変化過程を示すタイムチャートである。
【図１０】制御電圧と駆動周波数の関係を示すグラフである。
【図１１】第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第１変形例のシステム構成図である。
【図１２】第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第２変形例のシステム構成図である。
【図１３】第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第３変形例のシステム構成図である。
【図１４】第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。
【図１５】第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。
【図１６】第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第１変形例のシステム構成図である。
【図１７】第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの第２変形例のシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。まず、第１実施形態および第２実施形態としてハーフブリッジ型について説明する。次に、第３実施形態としてプッシュプル型について説明する。各実施形態を特に区別しないときには単に「本実施形態」とよぶ。
【００２９】
［第１実施形態：ハーフブリッジ型］
図１は、第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム１００は、基本構成として、電源回路２００、受電コイル回路１３０およびロード回路１４０を含む。また、ワイヤレス電力伝送システム１００は、駆動周波数ｆｏを自動的に調整するための構成として、第１波形整流器１４２、第２波形整流器１４４、位相検出回路１５０および駆動周波数追随回路１５２を含む。電源回路２００は、その一部に給電コイルＬ２を含む。給電コイルＬ２と受電コイル回路１３０の間には数ｍ程度の距離がある。ワイヤレス電力伝送システム１００の主目的は、給電コイルＬ２から受電コイル回路１３０にワイヤレスにて電力を送ることである。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムは、１００ＭＨｚ前後の共振周波数ｆｒにて動作させることを想定したシステムである。したがって、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の共振周波数ｆｒは１００ＭＨｚに設定される。なお、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムは、たとえば、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）周波数帯のような高周波数帯にて動作させることも可能である。
【００３０】
電源回路２００は、エキサイトコイルを介すことなく、給電コイルＬ２に交流電力を直接供給するハーフブリッジ型の回路である。図１に示すように、電源回路２００は上下対称形となっている。給電コイルＬ２を流れる電流ＩＳは交流であり、同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。本実施形態における給電コイルＬ２の巻き数は７回、導線の直径は５ｍｍ、給電コイルＬ２自体の直径は２８０ｍｍである。
【００３１】
受電コイル回路１３０は、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３が直列接続された回路である。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は互いに向かい合っている。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の距離は、０．２ｍ〜１ｍ程度と比較的長い。本実施形態における受電コイルＬ３の巻き数は７回、導線の直径は５ｍｍ、受電コイルＬ３自体の直径は２８０ｍｍである。受電コイル回路１３０の共振周波数ｆｒも１００ＭＨｚとなるように、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３それぞれの値が設定されている。したがって、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は同一形状である必要はない。給電コイルＬ２が共振周波数ｆｒにて磁界を発生させると、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は磁気的に共振し、受電コイル回路１３０にも大きな電流Ｉ３が流れる。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流ＩＳの向きと電流Ｉ３の向きは逆（逆相）である。
【００３２】
ロード回路１４０は、ロードコイルＬ４と負荷Ｒが直列接続された回路である。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は互いに向かい合っている。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４の距離は１０ｍｍ以下と比較的近い。このため、受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は電磁的に強く結合している。本実施形態におけるロードコイルＬ４の巻き数は１回、導線の直径は３ｍｍ、ロードコイルＬ４自体の直径は２１０ｍｍである。受電コイルＬ３に電流Ｉ３が流れることにより、ロード回路１４０に起電力が発生し、ロード回路１４０に電流Ｉ４が流れる。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流Ｉ３の向きと電流Ｉ４の向きは逆（逆相）である。すなわち、電流Ｉ４は、電流ＩＳと同相である。こうして、電源回路２００の給電コイルＬ２から送電された交流電力は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０により受電され、負荷Ｒから取り出される。
【００３３】
負荷Ｒを受電コイル回路１３０に直列接続すると、受電コイル回路１３０のＱ値が悪くなる。このため、受電用の受電コイル回路１３０と電力取り出し用のロード回路１４０を分離している。また、電力伝送効率を高めるためには、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３およびロードコイルＬ４の中心線を揃えることが好ましい。
【００３４】
次に、電源回路２００の構成を説明する。まず、ゲート駆動用トランスＴ１の一次側にオシレータ２０２が接続される。オシレータ２０２は、駆動周波数ｆｏにて交流電圧を発生させる「送電制御回路」として機能する。電圧波形は正弦波でもよいが、ここでは矩形波であるとして説明する。この交流電圧により、トランスＴ１一次コイルＬｈには正負両方向に交互に電流が流れる。トランスＴ１一次コイルＬｈとトランスＴ１二次コイルＬｆ、トランスＴ１二次コイルＬｇはゲート駆動用の結合トランスＴ１を形成する。電磁誘導により、トランスＴ１二次コイルＬｆとトランスＴ１二次コイルＬｇにも正負の両方向に交互に電流が流れる。
【００３５】
トランスＴ１二次コイルＬｆの一端は、スイッチングトランジスタＱ１のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ１のソースと接続される。トランスＴ１二次コイルＬｇの一端は、別のスイッチングトランジスタＱ２のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ２のソースと接続される。オシレータ２０２が駆動周波数ｆｏにて交流電圧を発生させると、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２の各ゲートには、電圧Ｖｘ（Ｖｘ＞０）が駆動周波数ｆｏにて交互に印加される。このため、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は駆動周波数ｆｏにて交互にオン・オフする。スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は同一特性のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であるが、バイポーラトランジスタなど他のトランジスタでもよい。トランジスタの代わりにリレースイッチ等、他のスイッチを用いてもよい。
【００３６】
スイッチングトランジスタＱ１のドレインは、電源Ｖｄｄ１の正極に接続される。電源Ｖｄｄ１の負極は、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２を介して、スイッチングトランジスタＱ１のソースに接続される。電源Ｖｄｄ１の負極の電位は接地電位である。スイッチングトランジスタＱ２のソースは、電源Ｖｄｄ２の負極に接続される。電源Ｖｄｄ２の正極は、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２を介して、スイッチングトランジスタＱ２のドレインに接続される。電源Ｖｄｄ２の正極の電位は接地電位である。
【００３７】
スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２とよぶ。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ２とする。ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、ＩＤＳ２については、同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。
【００３８】
キャパシタＣ１と給電コイルＬ２は共振周波数ｆｒにて電流共振するように値設定される。いいかえれば、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２は、共振周波数ｆｒの「共振回路」を形成している。また、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２が存在することによりソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、ＩＤＳ２の電流波形は正弦波状となる。
【００３９】
スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ１が並列接続され、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ２が並列接続される。キャパシタＣＱ１とキャパシタＣＱ２は同一特性のキャパシタである。キャパシタＣＱ１はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形を整形し、キャパシタＣＱ２はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２の電圧波形を整形するために挿入される。キャパシタＣＱ１、ＣＱ２を省略しても、電源回路２００によるワイヤレス給電は可能である。特に、駆動周波数ｆｏが低いときには、これらのキャパシタの影響は小さくなる。
【００４０】
スイッチングトランジスタＱ１が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ２は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第１電流経路１０２」とよぶ）は、電源Ｖｄｄ１からスイッチングトランジスタＱ１、給電コイルＬ２、キャパシタＣ１を経由して帰還する経路となる。スイッチングトランジスタＱ１は、第１電流経路１０２の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００４１】
スイッチングトランジスタＱ２が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ１は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第２電流経路１０４」とよぶ）は、電源Ｖｄｄ２からキャパシタＣ１、給電コイルＬ２、スイッチングトランジスタＱ２を経由して帰還する経路となる。スイッチングトランジスタＱ２は、第２電流経路１０４の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００４２】
オシレータ２０２が共振周波数ｆｒにて交流電圧を供給すると、第１電流経路１０２と第２電流経路１０４が共振周波数ｆｒにて交互に切り替わる。キャパシタＣ１と給電コイルＬ２には共振周波数ｆｒの交流電流が流れるため、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２は共振状態となる。受電コイル回路１３０も共振周波数ｆｒの共振回路であるから、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は磁気的に共振する。このとき、電力伝送効率は最大となる。
【００４３】
共振周波数ｆｒは、給電コイル回路１２０や受電コイル回路１３０の使用状態や使用環境によって微妙に変化する。また、給電コイルＬ２や受電コイル回路１３０を交換した場合にも共振周波数ｆｒは変化する。あるいは、キャパシタＣ１やキャパシタＣ３の静電容量を可変とすることにより共振周波数ｆｒを積極的に変化させたい場合もあるかもしれない。このような場合でも、ワイヤレス電力伝送システム１００は、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒを自動的に一致させることができる。
【００４４】
駆動周波数ｆｏを共振周波数ｆｒに追随させるため、以下の構成を追加する。まず、オシレータ２０２の両端に抵抗Ｒ１、Ｒ２を接続する。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点Ａは、第２波形整流器１４４を介して位相検出回路１５０に接続される。位相検出回路１５０は、接続点Ａの電位Ｖｐ１に基づいて、後述の方法により、電源回路２００が供給する交流電力の電圧位相を計測する。
【００４５】
オシレータ２０２が生成する交流電圧は抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２により分圧され、その中間電位として電位Ｖｐ１が取り出されている。分圧することによりにより、オシレータ２０２の発生させる交流電圧が大きい場合でも、扱いやすい電圧に降圧できる。オシレータ２０２が発生させる交流電圧をそのまま取り扱えるのであれば、分圧は必須ではない。なお、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１、ＶＤＳ２や、ソース・ゲート電圧ＶＧＳ１、ＶＧＳ２などから電圧位相を計測してもよい。
【００４６】
給電コイルＬ２の側には、検出コイルＬＳＳが設置される。検出コイルＬＳＳは、貫通孔を有するコア１５４（トロイダルコア）にＮＳ回巻き付けられたコイルである。給電コイルＬ２の一部もコア１５４を貫通するため、給電コイルＬ２と検出コイルＬＳＳは結合トランスを形成する。交流電流ＩＳが発生させる交流磁界により、検出コイルＬＳＳには誘導電流ＩＳＳが流れる。電流ＩＳと誘導電流ＩＳＳは同相である。
【００４７】
検出コイルＬＳＳの両端には抵抗Ｒ３が接続される。抵抗Ｒ３の一端Ｂは接地され、他端Ｃは第１波形整流器１４２を介して位相検出回路１５０に接続される。位相検出回路１５０は、接続点Ｃの電位Ｖｑ１に基づいて、後述の方法により、電源回路２００が供給する交流電力の電流位相を計測する。電流ＩＳと誘導電流ＩＳＳは同相であり、誘導電流ＩＳＳと電位Ｖｑ１は同相である。したがって、電流ＩＳの電流位相は、電位Ｖｑ１の電圧位相により計測可能である。電位Ｖｐ１および電位Ｖｑ１の電圧波形を比較すれば、電圧位相と電流位相の位相のずれを検出できる。
【００４８】
電位Ｖｐ１と電位Ｖｑ１は、それぞれ、第１波形整流器１４２と第２波形整流器１４４によって２値化される。詳細については次の図９に関連して後述するが、第１波形整流器１４２は、電位Ｖｐ１が所定の閾値、たとえば、０．１（Ｖ）より大きくなると飽和電圧Ｖｐ２＝５（Ｖ）を出力する増幅器である。このため、電位Ｖｐ１がアナログ波形となる場合でも、第１波形整流器１４２によって電位Ｖｐ１をデジタル波形の電圧Ｖｐ２に変換される。オシレータ２０２が矩形波ではなく、正弦波等のアナログ波形にて交流電圧を発生させる場合には第１波形整流器１４２は特に有効に機能する。第２波形整流器１４４も、電位Ｖｑ１が所定の閾値より大きくなると飽和電圧Ｖｑ２＝５（Ｖ）を出力する増幅器である。第２波形整流器１４４により、アナログ波形の電位Ｖｑ１はデジタル波形の電圧Ｖｑ２に変換される。
【００４９】
位相検出回路１５０は、電位Ｖｑ１と電位Ｖｑ２を比較し、その位相差ｔｄを算出する。位相検出回路１５０は、位相差ｔｄに応じて制御電圧Ｖｔを変化させる。駆動周波数追随回路１５２は、制御電圧Ｖｔにしたがってオシレータ２０２の駆動周波数ｆｏを調整する。
【００５０】
なお、駆動周波数追随回路１５２とオシレータ２０２を一体化し、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）として提供してもよい。また、ＶＣＯの後段に増幅器を設け、トランスＴ１一次コイルＬｈへ供給される交流電圧を増幅してもよい。
【００５１】
図２は、検出コイルＬＳＳおよび給電コイルＬ２の拡大構成図である。図２は、検出コイルＬＳＳの周辺構成を詳細に示す図である。コア１５４の形状は貫通孔を有する筒形状であり、その材質はフェライト、珪素鋼板、パーマロイ（permalloy）等の既知材料である。本実施形態における検出コイルＬＳＳの巻き数ＮＳは１００回である。コア１５４の貫通孔を給電コイルＬ２の一部が貫通している。これは、コア１５４に対する給電コイルＬ２の巻き数ＮＰが１回であることを意味する。このような構成により、検出コイルＬＳＳと給電コイルＬ２は結合トランスを形成する。
【００５２】
図３は、検出コイルＬＳＳと給電コイルＬ２が形成する結合トランスの等価回路図である。給電コイルＬ２が一次側巻線、検出コイルＬＳＳが二次側巻線となることにより両者間で結合トランスが形成される。給電コイルＬ２の交流電流ＩＳが発生させる交流磁界により、検出コイルＬＳＳには同相の誘導電流ＩＳＳが流れる。等アンペア・ターンの法則により、誘導電流ＩＳＳの大きさは、ＩＳ・（ＮＰ／ＮＳ）となる。検出コイルＬＳＳの一端Ｃにおける電位Ｖｑ１が計測の対象となる。検出コイルＬＳＳの他端Ｂは接地されるので、電位Ｖｑ１は抵抗Ｒ３に印加される電圧値に等しい。
【００５３】
図４は、共振回路のインピーダンスＺと駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。縦軸は、電源回路２００中における共振回路部分（キャパシタＣ１と給電コイルＬ２の直列回路）のインピーダンスＺを示す。横軸は駆動周波数ｆｏを示す。共振回路のインピーダンスＺは、共振時において最低値Ｚｍｉｎとなる。共振時にＺｍｉｎ＝０となるのが理想であるが、共振回路には若干の抵抗成分が含まれるため、Ｚｍｉｎは通常ゼロとはならない。
【００５４】
図４においては、駆動周波数ｆｏ＝１００ＭＨｚ、すなわち、駆動周波数ｆｏ＝共振周波数ｆｒとなるとき、インピーダンスＺは最低となり、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２は共振状態となる。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒがずれると、インピーダンスＺにおける容量性リアクタンスまたは誘導性リアクタンスが優勢となるためインピーダンスＺも大きくなる。
【００５５】
電源回路２００の駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒと一致するとき、給電コイルＬ２には共振周波数ｆｒにて交流電流ＩＳが流れ、受電コイル回路１３０にも共振周波数ｆｒにて交流電流Ｉ３が流れる。給電コイルＬ２およびキャパシタＣ１と、受電コイル回路１３０の受電コイルＬ３およびキャパシタＣ３は、同一の共振周波数ｆｒにて共振するため、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３への電力伝送効率は最大となる。
【００５６】
駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒがずれると、給電コイルＬ２には非・共振周波数の交流電流ＩＳが流れる。このため、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は磁気的に共振できなくなるため、電力伝送効率は急速に悪化する。
【００５７】
図５は、出力電力効率と駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。出力電力効率とは、給電コイルＬ２から実際に給電される電力の最大出力値に対する割合を示す。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒと一致するときには、電流位相と電圧位相の差がゼロとなり、電力伝送効率が最大となるので、出力電力効率＝１００（％）となる。出力電力効率は、負荷Ｒから取り出される電力の大きさによって計測できる。
【００５８】
図５に示すグラフによれば、共振周波数ｆｒ＝１００ｋＨｚのときに駆動周波数ｆｏ＝１０５ｋＨｚに設定した場合には、出力電力効率は７５（％）程度まで低下している。すなわち、両者が５ｋＨｚずれることによって電力伝送効率は２５（％）も低下している。
【００５９】
図６は、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒが一致するときの電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間(以下、「第１期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン、スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる期間である。時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間(以下、「第２期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる期間、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間(以下、「第３期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン、スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる期間、時刻ｔ３〜時刻ｔ４の期間(以下、「第４期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる期間であるとする。
【００６０】
スイッチングトランジスタＱ１のゲート・ソース電圧ＶＧＳ１が所定の閾値Ｖｘを超えたとき、スイッチングトランジスタＱ１は飽和状態となる。したがって、第１期間の開始タイミングである時刻ｔ０にスイッチングトランジスタＱ１がオン（導通）となると、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１が流れ始める。いいかえれば、正方向（第１電流経路１０２）に電流ＩＳが流れ始める。共振回路（給電コイルＬ２とキャパシタＣ１）が電流共振するため、電流ＩＳの第１期間における電流波形は矩形波とはならず、立ち上がりと立ち下がりが緩やかになる。
【００６１】
第２期間の開始タイミングである時刻ｔ１にスイッチングトランジスタＱ１がオフ（非導通）となると、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は流れなくなる。代わりに、スイッチングトランジスタＱ２がオン（導通）となり、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２が流れはじめる。すなわち、負方向（第２電流経路１０４）に電流ＩＳが流れ始める。
【００６２】
電流ＩＳと誘導電流ＩＳＳは同相であり、電位Ｖｑ１は誘導電流ＩＳＳと同相である。このため、電流ＩＳの電流波形と電位Ｖｑ１の電圧波形は同期する。電位Ｖｑ１の電圧波形を観察することにより、電流ＩＳ（ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、ＩＤＳ２）の電流位相を計測できる。第３期間、第４期間以降は、第１期間、第２期間と同様の波形を繰り返す。
【００６３】
図７は、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも大きい場合の電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも大きい場合、共振回路のインピーダンスＺには誘導性リアクタンス成分が現れ、交流電流ＩＳの電流位相は電圧位相に対して遅れる。上述のように、電流ＩＳと電位Ｖｑ１は同相であるから、電位Ｖｐ１と電位Ｖｑ１の電圧波形を比較すれば、供給電力における電流位相と電圧位相の位相差ｔｄを検出できる。
【００６４】
図６に示したように、駆動周波数ｆｏ＝共振周波数ｆｒのときには、第２期間の開始タイミングである時刻ｔ１から電流ＩＳが流れ始め電位Ｖｑ１＞０となる。この場合には、位相差ｔｄ＝０である。駆動周波数ｆｏ＞共振周波数ｆｒの場合、電流ＩＳは時刻ｔ１よりも遅い時刻ｔ５から流れ始めＶｑ１＞０となるため、位相差ｔｄ＝ｔ１−ｔ５＜０となる。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒがずれると、出力電力効率が悪化し、電流ＩＳや電圧Ｖｑ１の振幅は共振時に比べて小さくなる。
【００６５】
図８は、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも小さい場合の電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも小さい場合、インピーダンスＺに容量性リアクタンス成分が現れ、電流ＩＳの電流位相は電圧位相に対して進む。電流ＩＳは時刻ｔ１よりも早い時刻ｔ６から流れ始めるため、位相差ｔｄ＝ｔ１−ｔ６＞０となる。電流ＩＳや電圧Ｖｑ１の振幅は共振時に比べて小さくなる。
【００６６】
図９は、位相検出回路１５０へ入力される各種電圧の変化過程を示すタイムチャートである。電位Ｖｐ１は、オシレータ２０２の交流電圧に同期して変化する。第１期間と第３期間において電位Ｖｐ１＞０となる。第１波形整流器１４２は、電位Ｖｐ１が所定値、たとえば、０．１（Ｖ）以上となると５（Ｖ）に飽和する増幅器である。このため、電位Ｖｐ１がアナログ波形となる場合にも、第１波形整流器１４２はデジタル波形の電圧Ｖｐ２を生成できる。
【００６７】
電位Ｖｑ１は、電流ＩＳに同期して変化する。図９では、駆動周波数ｆｏ＜共振周波数ｆｒの場合の波形を示している。したがって、電流位相が電圧位相よりも進んでいる。第２波形整流器１４４は、アナログ波形の電位Ｖｑ１を増幅し、デジタル波形の電圧Ｖｑ２を生成する。
【００６８】
位相検出回路１５０は、電圧Ｖｐ２の立ち上がりエッジ時刻ｔ０と、電圧Ｖｑ２の立ち上がりエッジ時刻ｔ６を比較し、ｔ０−ｔ６により位相差ｔｄを求める。第１波形整流器１４２と第２波形整流器１４４により、電位Ｖｐ１と電位Ｖｑ１をデジタル波形に変換（整形）することにより、位相検出回路１５０は位相差ｔｄを検出しやすくなる。もちろん、位相検出回路１５０は、電位Ｖｐ１と電位Ｖｑ１を直接比較して位相差ｔｄを検出してもよい。
【００６９】
特許文献２のように、給電コイルＬ２に流れる電流ＩＳを計測対象とすると、給電コイルＬ２に新たな負荷がかかり、共振回路のインピーダンスＺが変化するため、Ｑ値が悪化してしまう。共振している給電コイルＬ２の電流経路に位相検出回路１５０を直接接続するのは、音叉を触りながらその振動を測定するようなものである。ワイヤレス電力伝送システム１００では、給電コイルＬ２が発生させる交流磁界を利用して検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させることにより、電流位相を計測している。電源回路２００、特に、電源回路２００の共振回路部分に計測負荷をかけない構成であることから、Ｑ値への影響を抑制しつつ電流位相を計測できる。
【００７０】
なお、給電コイルＬ２に限らず、受電コイルＬ３やロードコイルＬ４などを一次コイルとして結合トランスを形成し、検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。
【００７１】
図１０は、制御電圧Ｖｔと駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。図１０に示す関係は、駆動周波数追随回路１５２において設定されている。位相差ｔｄの大きさは、共振周波数ｆｒの変化量に比例する。そこで、位相検出回路１５０は、位相差ｔｄに応じて制御電圧Ｖｔの変化量を決定し、駆動周波数追随回路１５２は制御電圧Ｖｔに応じて駆動周波数ｆｏを決定する。
【００７２】
まず、初期状態では共振周波数ｆｒ＝１００ｋＨｚなので、駆動周波数ｆｏ＝１００ｋＨｚに設定される。制御電圧Ｖｔ＝３（Ｖ）に初期設定される。共振周波数ｆｒが１００ｋＨｚから９０ｋＨｚに変化した場合を想定する。駆動周波数ｆｏ（＝１００ｋＨｚ）＞共振周波数ｆｏ（＝９０ｋＨｚ）となるため、位相差ｔｄ＜０となる。位相差ｔｄは、共振周波数ｆｒの変化量（−１０ｋＨｚ）に比例する。位相検出回路１５０は、位相差ｔｄに応じて制御電圧Ｖｔの変化量を決定する。上記設例では、位相検出回路１５０は制御電圧Ｖｔの変化量を−１（Ｖ）とし、新たな制御電圧Ｖｔ＝２（Ｖ）を出力する。駆動周波数追随回路１５２は、図１０のグラフに示す関係にしたがって、制御電圧Ｖｔ＝２（Ｖ）に対応する駆動周波数ｆｏ＝９０ｋＨｚを出力する。このような処理により、共振周波数ｆｒが変化しても駆動周波数ｆｏを自動的に追随させることができる。
【００７３】
位相検出回路１５０と駆動周波数追随回路１５２、オシレータ２０２はワンチップとして回路構成されてもよい。また、位相検出回路１５０や駆動周波数追随回路１５２の処理はソフトウェアにより処理されてもよい。たとえば、位相差ｔｄと駆動周波数ｆｏの変化量とをあらかじめ対応づけた設定情報を保持しておき、検出された位相差ｔｄの大きさに応じて駆動周波数ｆｏを調整してもよい。
【００７４】
図１１は、第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の第１変形例としてのシステム構成図である。図１と同一の符号を付した構成は、図１で説明した構成と同一または同様の機能を有する。第１変形例においては、一次コイルＬｊと二次コイルＬｋにより形成される結合トランスが含まれる。すなわち、キャパシタＣ１および給電コイルＬ２により形成される共振回路は、電源Ｖｄｄ１、Ｖｄｄ２、スイッチングトランジスタＱ１、Ｑ２等の電源系から物理的に分離されている。オシレータ２０２により制御される交流電力は、この結合トランスを介して、共振回路（キャパシタＣ１および給電コイルＬ２）に供給される。
【００７５】
図１２は、第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の第２変形例としてのシステム構成図である。図１と同一の符号を付した構成は、図１で説明した構成と同一または同様の機能を有する。図１のシステム構成では給電コイルＬ２と検出コイルＬＳＳがコア１５４を共有することにより結合トランスを構成した。図１２では、検出コイル回路１７０により電流位相を計測している。検出コイル回路１７０は、コア１５４等を電源回路２００と共有しないため、設置自由度が高まるというメリットがある。
【００７６】
検出コイル回路１７０は、検出コイルＬＳＳと抵抗Ｒ３が直列接続された回路である。給電コイルＬ２が発生させる磁束が検出コイルＬＳＳを通過するように検出コイル回路１７０を設置する。図１と同じく、抵抗Ｒ３の一端Ｂは接地され、他端Ｃから電位Ｖｑ１が検出される。給電コイルＬ２に流れる電流ＩＳが発生させる交流磁界により、検出コイル回路１７０には誘導電流ＩＳＳが流れる。この誘導電流ＩＳＳにより発生する電位Ｖｑ１を計測することにより、電圧位相と電流位相の位相差ｔｄを計測できる。
【００７７】
検出コイル回路１７０を設置する目的は、給電コイルＬ２から受電することではなく、給電コイルＬ２から送電される交流電力の電流位相を計測することである。このため、検出コイルＬＳＳのサイズは給電コイルＬ２に比べて十分に小さくできる。なお、給電コイルＬ２に限らず、受電コイルＬ３を流れる電流Ｉ３やロードコイルＬ４を流れる電流Ｉ４が発生させる交流磁界に基づいて、検出コイル回路１７０に誘導電流ＩＳＳを発生させることにより、位相差ｔｄを計測することもできる。
【００７８】
図１３は、第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の第３変形例としてのシステム構成図である。図１、図１１、図１２と同一の符号を付した構成は、図１、図１１、図１２で説明した構成と同一または同様の機能を有する。第３変形例においては、第１変形例と同様、一次コイルＬｊと二次コイルＬｋにより形成される結合トランスが含まれる。キャパシタＣ１および給電コイルＬ２により形成される共振回路は、電源Ｖｄｄ１、Ｖｄｄ２、スイッチングトランジスタＱ１、Ｑ２等の電源系から物理的に分離されている。オシレータ２０２により制御される交流電力は、この結合トランスを介して、共振回路（キャパシタＣ１および給電コイルＬ２）に供給される。
【００７９】
［第２実施形態：ハーフブリッジ型］
図１４は、第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１０６のシステム構成図である。第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００では、オシレータ２０２が給電コイルＬ２を直接駆動したが、第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１０６では、オシレータ２０２は給電コイルＬ２ではなくエキサイトコイルＬ１を駆動する。ワイヤレス電力伝送システム１０６の他の部分の構成は図１等と同様である。図１等と同一の符号を付した構成は、図１等で説明した構成と同一または同様の機能を有する。
【００８０】
電源回路２０４は、エキサイトコイルＬ１に共振周波数ｆｒにて交流電力を供給する。エキサイトコイルＬ１とキャパシタＣ１が共振周波数ｆｒの共振回路を形成する。給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ２とキャパシタＣ２が直列接続された回路である。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２は互いに向かい合っている。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２の距離は１０ｍｍ程度と比較的近い。このため、エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２は電磁気的に強く結合している。エキサイトコイルＬ１に電流ＩＳを流すと、給電コイル回路１２０に起電力が発生し、給電コイル回路１２０には電流Ｉ２が流れる。同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流ＩＳの向きと電流Ｉ２の向きは逆（逆相）である。電流Ｉ２は電流ＩＳよりも格段に大きい。給電コイルＬ２とキャパシタＣ２それぞれの値は、給電コイル回路１２０の共振周波数ｆｒが１００ｋＨｚとなるように設定すればよい。
【００８１】
ワイヤレス電力伝送システム１０６においても、オシレータ２０２の両端に抵抗Ｒ１、Ｒ２を接続し、その接続点Ａの電位Ｖｐ１により電圧位相を計測する。第２実施形態では、エキサイトコイルＬ１の側に検出コイルＬＳＳを設置し、検出コイルＬＳＳとエキサイトコイルＬ１により結合トランスを形成する。交流電流ＩＳが発生させる磁界により、検出コイルＬＳＳには誘導電流ＩＳＳが流れる。この誘導電流ＩＳＳに基づいて第１実施形態と同様の方法により電流位相を計測する。
【００８２】
第２実施形態においても、エキサイトコイルＬ１に限らず、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３、ロードコイルＬ４などを一次コイルとして結合トランスを形成し、検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。図１２、図１３に関連して説明した検出コイル回路１７０により誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。
【００８３】
［第３実施形態：プッシュプル型］
図１５は、第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１０８のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム１０８は、電源回路２０６と、エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０、ロード回路１４０を含む。給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０の間には数ｍ程度の距離がある。ワイヤレス電力伝送システム１０８の主目的も、給電コイル回路１２０から受電コイル回路１３０に電力を送ることである。図１、図１１〜図１４と同一の符号を付した構成は、既に説明した構成と同一または同様の機能を有する。
【００８４】
エキサイト回路１１０は、エキサイトコイルＬ１とトランスＴ２二次コイルＬｉが直列接続された回路である。エキサイト回路１１０は、電源回路２０６からトランスＴ２二次コイルＬｉを介して交流電力を供給される。トランスＴ２二次コイルＬｉは、電源回路２０６のトランスＴ２一次コイルＬｄおよびトランスＴ２一次コイルＬｂと共に結合トランスＴ２を形成し、電磁誘導により交流電力を供給される。エキサイトコイルＬ１の巻き数は１回、導線の直径は３ｍｍ、エキサイトコイルＬ１自体の直径は２１０ｍｍである。エキサイト回路１１０を流れる電流Ｉ１は交流であり、同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。
【００８５】
給電コイル回路１２０は、第２実施形態に示した給電コイル回路１２０の構成と同様であり、共振周波数ｆｒ＝１００ｋＨｚで共振する回路である。受電コイル回路１３０とロード回路１４０の構成は、第１および第２実施形態に示した構成と同様である。
【００８６】
電源回路２０６は、駆動周波数ｆｏにて動作するプッシュプル型の回路であり、図１３に示すように上下対称形である。エキサイト回路１１０は、駆動周波数ｆｏの交流電力を電源回路２０６から供給される。この場合、エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０およびロード回路１４０には、駆動周波数ｆｏの電流Ｉ１〜Ｉ４が流れる。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒが一致するとき、すなわち、駆動周波数ｆｏ＝１００ｋＨｚとなるとき、給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０が磁場共振するため、電力伝送効率は最大となる。
【００８７】
電源回路２０６に含まれるゲート駆動用トランスＴ１の一次側には、オシレータ２０２が接続される。オシレータ２０２は、駆動周波数ｆｏの交流電圧を発生させる。この交流電圧により、トランスＴ１一次コイルＬｈには正負の両方向に交互に電流が流れる。トランスＴ１一次コイルＬｈとトランスＴ１二次コイルＬｆ、トランスＴ１二次コイルＬｇはゲート駆動用の結合トランスＴ１を形成する。電磁誘導により、トランスＴ１二次コイルＬｇとトランスＴ１一次コイルＬｈにも正負の両方向に交互に電流が流れる。
【００８８】
トランスＴ１の二次コイルは中点接地される。すなわち、トランスＴ１二次コイルＬｆの一端とトランスＴ１二次コイルＬｇの一端は互いに接続され、そのまま接地される。トランスＴ１二次コイルＬｆの他端は、スイッチングトランジスタＱ１のゲートと接続され、トランスＴ１二次コイルＬｇの他端は、別のスイッチングトランジスタＱ２のゲートと接続される。スイッチングトランジスタＱ１のソースとスイッチングトランジスタＱ２のソースも接地されている。したがって、オシレータ２０２が駆動周波数ｆｏにて交流電圧を発生させると、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２の各ゲートには、電圧Ｖｘ（Ｖｘ＞０）が駆動周波数ｆｏにて交互に印加される。すなわち、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は駆動周波数ｆｏにて交互にオン・オフする。
【００８９】
スイッチングトランジスタＱ１のドレインは、トランスＴ２一次コイルＬｄと直列接続される。同様に、スイッチングトランジスタＱ２のドレインは、トランスＴ２一次コイルＬｂと直列接続される。トランスＴ２一次コイルＬｄとトランスＴ２一次コイルＬｃの接続点には、平滑用のインダクタＬａが接続され、さらに、電源Ｖｄｄが接続される。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ１が並列接続され、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ２が並列接続される。
【００９０】
キャパシタＣＱ１はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形を整形し、キャパシタＣＱ２はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２の電圧波形を整形するために挿入される。キャパシタＣＱ１、ＣＱ２を省略しても、電源回路２０６によるワイヤレス給電は可能である。特に、駆動周波数ｆｏが低い場合には、これらのキャパシタを省略しても電力伝送効率を維持しやすい。
【００９１】
エキサイト回路１１０の入力インピーダンスは５０（Ω）である。また、電源回路２０６の出力インピーダンスがこの入力インピーダンス５０（Ω）と等しくなるようにトランスＴ２一次コイルＬｂおよびトランスＴ２一次コイルＬｄの巻き数を設定している。電源回路２０６の出力インピーダンスとエキサイト回路１１０の入力インピーダンスが一致するとき、電源回路２０６の出力は最大となる。
【００９２】
スイッチングトランジスタＱ１が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ２は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第１電流経路１１２」とよぶ）は、電源Ｖｄｄから平滑用のインダクタＬａ、トランスＴ２一次コイルＬｄ、スイッチングトランジスタＱ１を経由してグランドへ至る経路となる。スイッチングトランジスタＱ１は、第１電流経路１１２の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００９３】
スイッチングトランジスタＱ２が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ１は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第２電流経路１１４」とよぶ）は、電源Ｖｄｄから平滑用のインダクタＬａ、トランスＴ２一次コイルＬｂ、スイッチングトランジスタＱ２を経由してグランドへ至る経路となる。スイッチングトランジスタＱ２は、第２電流経路１１４の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００９４】
ワイヤレス電力伝送システム１０８においても、オシレータ２０２の両端に抵抗Ｒ１、Ｒ２を接続し、その接続点Ａの電位Ｖｐ１から電圧位相を計測する。第３実施形態では、エキサイト回路１１０の側に検出コイルＬＳＳを設置し、エキサイト回路１１０の一部と検出コイルＬＳＳにより結合トランスを形成する。交流電流Ｉ１が発生させる磁界により、検出コイルＬＳＳには誘導電流ＩＳＳが流れる。この誘導電流ＩＳＳに基づいて第１実施形態や第２実施形態と同様の方法にて電流位相を計測する。電流位相と電圧位相の位相差ｔｄを位相検出回路１５０にて検出し、駆動周波数追随回路１５２が位相差ｔｄに応じてオシレータ２０２の駆動周波数ｆｏを調整することにより、共振状態を維持する。
【００９５】
図１６は、第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１０８の第１変形例としてのシステム構成図である。図１５と同一の符号を付した構成は、図１５で説明した構成と同一または同様の機能を有する。図１５のシステム構成ではエキサイト回路１１０と検出コイルＬＳＳがコア１５４を共有することにより結合トランスを構成しているが、図１６のシステム構成では給電コイル回路１２０と検出コイルＬＳＳがコア１５４を共有することにより結合トランスを形成している。
【００９６】
エキサイト回路１１０や給電コイル回路１２０に限らず、受電コイル回路１３０、ロード回路１４０などを一次コイル側として結合トランスを形成し、検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。図１２、図１３に関連して説明した検出コイル回路１７０により誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。
【００９７】
図１７は、第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１０８の第２変形例としてのシステム構成図である。図１５、図１６と同一の符号を付した構成は、図１５、図１６で説明した構成と同一または同様の機能を有する。第２変形例におけるワイヤレス電力伝送システム１０８では、電源回路２０６がエキサイト回路１１０を介さずに、直接、給電コイル回路１２０を駆動する。
【００９８】
ワイヤレス電力伝送システム１０８の給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ２、キャパシタＣ２にトランスＴ２二次コイルＬｉが直列接続された回路である。トランスＴ２二次コイルＬｉは、トランスＴ２一次コイルＬｂ、トランスＴ２一次コイルＬｄと共に結合トランスＴ２を形成し、電磁誘導により電源回路２０６から交流電力を供給される。このように、エキサイト回路１１０を介さず、電源回路２０６から給電コイル回路１２０に直接交流電力を供給してもよい。
【００９９】
以上、実施形態に基づいてワイヤレス電力伝送システム１００、１０６、１０８を説明した。給電コイルＬ２、受電コイルＬ３、ロードコイルＬ４は、いずれも同一の共振周波数ｆｒにて共振するため、これらのコイルになんらかの負荷を接続するとＱ値が敏感に反応してしまう。エキサイトコイルＬ１を利用する場合についても同様である。本実施形態においては、送受電対象となる交流電力自体を計測対象とするのではなく、送受電時に発生する交流磁界により誘導電流ＩＳＳを発生させることにより、電流位相を計測している。このため、システムの共振特性（Ｑ値）に対する計測の影響を抑制しやすい。
【０１００】
図４や図５に関連して説明したように、磁場共振型のワイヤレス給電の場合、共振周波数ｆｒと駆動周波数ｆｏの一致度が電力伝送効率に大きく影響する。位相検出回路１５０や駆動周波数追随回路１５２等を設ければ、共振周波数ｆｒが変化しても駆動周波数ｆｏを自動的に追随させることができるため、使用条件が変化しても、電力伝送効率を最大値に維持しやすくなる。
【０１０１】
ワイヤレス電力伝送システム１００の場合、エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２の距離を給電コイルＬ２および受電コイルＬ３の直径と同一にして実験してみたところ（共振周波数ｆｒ＝１００ｋＨｚ）、給電コイル回路１２０から送電された電力の約７０％をロード回路１４０から取り出すことができた。
【０１０２】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合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。
【符号の説明】
【０１０３】
１００、１０６、１０８  ワイヤレス電力伝送システム
１０２、１１２  第１電流経路
１０４、１１４  第２電流経路
１１０  エキサイト回路
１２０  給電コイル回路
１３０  受電コイル回路
１４０  ロード回路
１４２  第１波形整流器
１４４  第２波形整流器
１５０  位相検出回路
１５２  駆動周波数追随回路
１５４  コア
１７０  検出コイル回路
２００、２０４、２０６  電源回路
２０２  オシレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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