(57)【要約】【課題】新たな機器を設けずに、給電モジュールと受電モジュールとが給電可能領域にない場合（待機状態）における給電モジュールの消費電力を低減することができる給電モジュール及び給電モジュールの電力供給方法を提供する。【解決手段】交流電源６に接続された給電モジュール２から、受電モジュール３に対して共振現象を利用して電力を供給する給電モジュール２に関して、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinが、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinよりも大きくなる、電源周波数で作動させる。【選択図】図１２
2014241667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源に接続された給電モジュールから、受電モジュールに対して共振現象を利用して電力を供給する給電モジュールであって、
前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されていない待機状態における前記給電モジュールの入力インピーダンスが、前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されている給電状態における前記給電モジュール及び前記受電モジュールの入力インピーダンスよりも大きくなる、前記電源の電源周波数で作動させることを特徴とする給電モジュール。
【請求項２】
前記給電モジュールは、給電コイル、給電共振器、及び、受電共振器を有し、
前記受電モジュールは、受電コイルを有し、
前記給電共振器と前記受電共振器との間で起こる共振現象を利用して電力を供給する請求項１に記載の給電モジュール。
【請求項３】
前記給電モジュールは、給電コイル、及び、給電共振器を有し、
前記受電モジュールは、受電共振器、及び、受電コイルを有し、
前記給電共振器と前記受電共振器との間で起こる共振現象を利用して電力を供給する請求項１に記載の給電モジュール。
【請求項４】
前記給電モジュールは、給電コイルを有し、
前記受電モジュールは、給電共振器、受電共振器、及び、受電コイルを有し、
前記給電共振器と前記受電共振器との間で起こる共振現象を利用して電力を供給する請求項１に記載の給電モジュール。
【請求項５】
電源に接続された給電モジュールから、受電モジュールに対して共振現象を利用して電力を供給する給電モジュールの電力供給方法であって、
前記電源の電源周波数を、前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されていない待機状態における前記給電モジュールの入力インピーダンスが、前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されている給電状態における前記給電モジュール及び前記受電モジュールの入力インピーダンスよりも大きくなる帯域に調整することを特徴とする給電モジュールの電力供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線電力伝送に用いる給電モジュール及び給電モジュールの電力供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノート型ＰＣ、タブレット型ＰＣ、デジタルカメラ、携帯電話、携帯ゲーム機、イヤホン型音楽プレイヤー、無線式ヘッドセット、補聴器、レコーダーなど人が携帯しながら使用できる携帯型の電子機器が急速に普及してきている。そして、これらの携帯型の電子機器の多くには充電池が搭載されており、定期的な充電が必要とされる。この電子機器の充電池への充電作業を簡易にするために、給電モジュールと電子機器に搭載された受電モジュールとの間で無線による電力伝送を利用した給電技術（磁界を変化させて電力伝送を行う無線電力伝送技術）により、充電池を充電する機器が増えつつある。
【０００３】
無線電力伝送技術としては、コイル間の電磁誘導を利用して電力伝送を行う技術や（例えば、特許文献１参照）、給電装置（給電モジュール）及び受電装置（受電モジュール）が備える共振器（コイル）間の共振現象（磁界共鳴状態）を利用して磁場を結合させることにより電力伝送を行う技術が挙げられる（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
例えば、上記給電モジュール及び受電モジュールが備える共振器（コイル）間の共振現象（磁界共鳴状態）を利用して磁場を結合させることにより無線電力伝送をするときには、受電モジュールを給電モジュールに近づけて、給電モジュールから受電モジュールに対して給電できる距離（給電可能領域）になるように配置して使用する必要がある。このような使用過程において、給電モジュールと受電モジュールとが給電可能領域内にない場合、給電モジュールでは、受電モジュールが給電可能領域に近接配置されるのに備えて常に電力が供給され続け、無駄に電力が消費されてしまう問題がある（待機電力が大きくなる）。
【０００５】
この問題に対して、何らかの検出部（センサ等）を給電モジュール又は受電モジュールに設け、その検出部が、給電モジュールと受電モジュールとが給電可能領域内に配置されたことによる各種の変化を検出し、その検出結果をトリガーとして給電モジュールに電力供給を開始する対処法が提案されている。
【０００６】
例えば、特許文献３の給電システムの給電装置（給電モジュール）には、検出部（電流・電圧検出部１１３）が設けられ、この検出部で測定した電流値・電圧値に基づきインピーダンスを求め、このインピーダンスの変化（インピーダンスの増加量など：段落[0047]等参照）を予め設定した閾値と比較することにより、給電装置（給電モジュール）と２次側機器（受電モジュール）とが給電可能領域にあるか否かを判断する構成が記載されている。
【０００７】
確かに、上記のように検出部を設けて、給電モジュールと受電モジュールとが給電可能領域にあるか否かを判断すれば、給電モジュールと受電モジュールとが給電可能領域にないと判断した場合は、給電モジュールへの電力供給を止めて無駄に電力が消費されるのを防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４６２４７６８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３９７６９号公報
【特許文献３】特開２０１３−６２８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記のように検出部を新たに設けることは、コストが掛かるうえに、給電モジュールの小型化の点からも不都合である。
また、検出部を設けた場合でも、所定の時間間隔を空けて（間欠的に）検出部を動作させる必要があり、この検出部の動作に電力が必要となり、給電モジュールと受電モジュールとが給電可能領域にない場合でも電力は消費されることになる（特許文献３の段落[0044]参照）。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、新たな機器を設けずに、給電モジュールと受電モジュールとが給電可能領域にない場合（待機状態）における給電モジュールの消費電力を低減することができる給電モジュール及び給電モジュールの電力供給方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための発明の一つは、電源に接続された給電モジュールから、受電モジュールに対して共振現象を利用して電力を供給する給電モジュールであって、
前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されていない待機状態における前記給電モジュールの入力インピーダンスが、前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されている給電状態における前記給電モジュール及び前記受電モジュールの入力インピーダンスよりも大きくなる、前記電源の電源周波数で作動させることを特徴としている。
【００１２】
上記構成によれば、待機状態における給電モジュールの入力インピーダンスが、給電状態における給電モジュール及び受電モジュールの入力インピーダンスよりも大きくなるため、待機状態における給電モジュールの消費電力を給電状態における消費電力よりも低減することができる。
【００１３】
また、上記課題を解決するための発明の一つは、前記給電モジュールは、給電コイル、給電共振器、及び、受電共振器を有し、前記受電モジュールは、受電コイルを有し、前記給電共振器と前記受電共振器との間で起こる共振現象を利用して電力を供給する上記に記載の給電モジュールである。
【００１４】
上記構成によれば、待機状態における給電モジュールの入力インピーダンスを、給電コイル、給電共振器、及び、受電共振器を有する給電モジュールの入力インピーダンスとして構成することができる。
これによれば、給電モジュールは、少なくとも給電コイル、給電共振器、及び、受電共振器の３つの要素によって構成されているため、給電モジュールの入力インピーダンスを決定するための要素が多くなる。そして、給電モジュールの入力インピーダンスを決定するための要素が多くなるということは、電源の電源周波数に対する給電モジュールの入力インピーダンスの関係を決定するための要素も多くなるため、給電モジュールの設計自由度を高めることができる。
また、受電モジュールを、受電コイルを有する構成としているため、受電モジュールのコンパクト化を実現することができる。
【００１５】
また、上記課題を解決するための発明の一つは、前記給電モジュールは、給電コイル、及び、給電共振器を有し、前記受電モジュールは、受電共振器、及び、受電コイルを有し、前記給電共振器と前記受電共振器との間で起こる共振現象を利用して電力を供給する上記に記載の給電モジュールである。
【００１６】
上記構成によれば、待機状態における給電モジュールの入力インピーダンスを、給電コイル、及び、給電共振器を有する給電モジュールの入力インピーダンスとして構成することができる。
これによれば、給電モジュールは、少なくとも給電コイル、及び、給電共振器の２つの要素によって構成されているため、給電モジュールの入力インピーダンスを決定するための要素が多くなる。そして、給電モジュールの入力インピーダンスを決定するための要素が多くなるということは、電源の電源周波数に対する給電モジュールの入力インピーダンスの関係を決定するための要素も多くなるため、給電モジュールの設計自由度を高めることができる。
また、受電モジュールを、受電共振器、受電コイルを有する構成としているため、受電モジュールのコンパクト化を実現することができる。
【００１７】
また、上記課題を解決するための発明の一つは、前記給電モジュールは、給電コイルを有し、前記受電モジュールは、給電共振器、受電共振器、及び、受電コイルを有し、前記給電共振器と前記受電共振器との間で起こる共振現象を利用して電力を供給する上記に記載の給電モジュールである。
【００１８】
上記構成によれば、待機状態における給電モジュールの入力インピーダンスを、給電コイルの入力インピーダンスとして構成することができる。
これによれば、給電モジュールは、主に給電コイルの１つの要素によって構成されているため、給電モジュールの入力インピーダンスを決定するための要素を単一化することができる。そして、給電モジュールの入力インピーダンスを決定するための要素を単一化することができるということは、電源の電源周波数に対する給電モジュールの入力インピーダンスの関係を決定するための要素も単一化することができるため、給電モジュールの設計の簡素化を図ることができる。
【００１９】
また、上記課題を解決するための発明の一つは、電源に接続された給電モジュールから、受電モジュールに対して共振現象を利用して電力を供給する給電モジュールの電力供給方法であって、
前記電源の電源周波数を、前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されていない待機状態における前記給電モジュールの入力インピーダンスが、前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されている給電状態における前記給電モジュール及び前記受電モジュールの入力インピーダンスよりも大きくなる帯域に調整することを特徴としている。
【００２０】
上記方法によれば、待機状態における給電モジュールの入力インピーダンスが、給電状態における給電モジュール及び受電モジュールの入力インピーダンスよりも大きくなるため、待機状態における給電モジュールの消費電力を給電状態における消費電力よりも低減することができる。
【発明の効果】
【００２１】
新たな機器を設けずに、給電モジュールと受電モジュールとが給電可能領域にない場合（待機状態）における給電モジュールの消費電力を低減することができる給電モジュール及び給電モジュールの電力供給方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】給電モジュールを搭載した充電器、及び、受電モジュールを搭載した無線式ヘッドセットの説明図である。
【図２】待機状態における給電モジュール及び受電モジュールの説明図である。
【図３】給電状態における給電モジュール及び受電モジュールを等価回路で示した説明図である。
【図４】電源周波数に対する伝送特性『Ｓ２１』の関係を示したグラフである。
【図５】実施例１−１に係る給電モジュールを等価回路で示した説明図である。
【図６】実施例１−１に係る解析結果を示すグラフである。
【図７】実施例１−２に係る給電モジュールを等価回路で示した説明図である。
【図８】実施例１−２に係る解析結果を示すグラフである。
【図９】実施例１−３に係る給電モジュールを等価回路で示した説明図である。
【図１０】実施例１−３に係る解析結果を示すグラフである。
【図１１】実施例２−１に係る給電モジュールを等価回路で示した説明図である。
【図１２】実施例２−１に係る解析結果を示すグラフである。
【図１３】実施例２−２に係る給電モジュールを等価回路で示した説明図である。
【図１４】実施例２−２に係る解析結果を示すグラフである。
【図１５】実施例２−３に係る給電モジュールを等価回路で示した説明図である。
【図１６】実施例２−３に係る解析結果を示すグラフである。
【図１７】実施例３−１に係る解析結果を示すグラフである。
【図１８】実施例３−２に係る解析結果を示すグラフである。
【図１９】実施例３−３に係る解析結果を示すグラフである。
【図２０】実施例４−１に係る解析結果を示すグラフである。
【図２１】実施例４−２に係る解析結果を示すグラフである。
【図２２】実施例４−３に係る解析結果を示すグラフである。
【図２３】給電モジュールを搭載した充電器、及び、受電モジュールを搭載した無線式ヘッドセットの設計方法を説明したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に本発明である無線電力伝送に用いる給電モジュール、及び、給電モジュールの電力供給方法の実施形態について説明する。
【００２４】
（実施形態）
まず、本実施形態では、無線電力伝送を実現する、給電モジュール２を備えた充電器１０１、及び、受電モジュール３を備えた無線式ヘッドセット１０２を例に説明する。
【００２５】
（充電器１０１及び無線式ヘッドセット１０２の構成）
充電器１０１は、図１に示すように、給電コイル２１及び給電共振器２２を有した給電モジュール２を備えている。また、無線式ヘッドセット１０２は、イヤホンスピーカ部１０２ａ、受電コイル３１及び受電共振器３２を有した受電モジュール３を備えている。そして、給電モジュール２の給電コイル２１には、給電モジュール２に供給する電力の電源周波数を所定の値に設定した発振回路を備えた交流電源６が接続され、受電モジュール３の受電コイル３１には、受電された交流電力を整流化する安定回路７及び過充電を防止する充電回路８を介して充電池９が接続されている。なお、図１では、説明の都合上、安定回路７、充電回路８及び充電池９を受電モジュール３の外に記載しているが、実際は、ソレノイド状の受電コイル３１及び受電共振器３２のコイル内周側に配置されている。また、本実施形態における安定回路７、充電回路８、及び、充電池９は、図１に示すように、最終的な電力の給電先となる被給電機器１０であり、被給電機器１０は、受電モジュール３に接続された電力の給電先の機器全体の総称である。
【００２６】
また、図示しないが、充電器１０１は、無線式ヘッドセット１０２を収納するための、無線式ヘッドセット１０２の形状に即した収納溝が設けられており、この充電器１０１の収納溝に無線式ヘッドセット１０２を収納することにより、充電器１０１が備える給電モジュール２と無線式ヘッドセット１０２が備える受電モジュール３とが対向配置されるように無線式ヘッドセット１０２を位置決めすることができるようになっている。
【００２７】
給電コイル２１は、交流電源６から得られた電力を電磁誘導によって給電共振器２２に供給する役割を果たす。この給電コイル２１は、図３に示すように、抵抗器Ｒ１、コイルＬ１、及び、コンデンサＣ１を要素とするＲＬＣ回路を構成している。なお、コイルＬ１部分は、線径０．４ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を１８回巻きにしたコイル径１５ｍｍφのソレノイドコイルである。また、給電コイル２１を構成する回路素子が有する合計のインピーダンスをＺ１としており、本実施形態では、給電コイル２１を構成する抵抗器Ｒ１、コイルＬ１、及び、コンデンサＣ１を要素とするＲＬＣ回路（回路素子）が有する合計のインピーダンスをＺ１とする。また、給電コイル２１に流れる電流をＩ１とする。
【００２８】
受電コイル３１は、給電共振器２２から受電共振器３２に磁界エネルギーとして伝送された電力を電磁誘導によって受電し、安定回路７及び充電回路８を介して充電池９に供給する役割を果たす。この受電コイル３１は、給電コイル２１同様に、図３に示すように、抵抗器Ｒ４、コイルＬ４、及び、コンデンサＣ４を要素とするＲＬＣ回路を構成している。なお、コイルＬ４部分は、線径０．４ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を１８回巻きにしたコイル径１５ｍｍφのソレノイドコイルである。また、受電コイル３１を構成する回路素子が有する合計のインピーダンスをＺ４としており、本実施形態では、受電コイル３１を構成する抵抗器Ｒ４、コイルＬ４、及び、コンデンサＣ４を要素とするＲＬＣ回路（回路素子）が有する合計のインピーダンスをＺ４とする。また、受電コイル３１に接続された被給電機器１０の合計のインピーダンスをＺＬとするが、本実施形態では、図３に示すように、受電コイル３１に接続された安定回路７、充電回路８及び充電池９（被給電機器１０）の各負荷インピーダンスを合わせたものを便宜的に抵抗器ＲＬ（ＺＬに相当）としている。また、受電コイル３１に流れる電流をＩ４する。
【００２９】
給電共振器２２は、図３に示すように、抵抗器Ｒ２、コイルＬ２、及び、コンデンサＣ２を要素とするＲＬＣ回路を構成している。また、受電共振器３２は、図３に示すように、抵抗器Ｒ３、コイルＬ３、及び、コンデンサＣ３を要素とするＲＬＣ回路を構成している。そして、給電共振器２２及び受電共振器３２は、それぞれ共振回路となり、磁界共鳴状態を創出する役割を果たす。ここで、磁界共鳴状態（共振現象）とは、２つ以上のコイルが共振周波数帯域において共振することをいう。また、給電共振器２２を構成する回路素子が有する合計のインピーダンスをＺ２とし、本実施形態では、給電共振器２２を構成する、抵抗器Ｒ２、コイルＬ２、及び、コンデンサＣ２を要素とするＲＬＣ回路（回路素子）が有する合計のインピーダンスをＺ２とする。また、受電共振器３２を構成する回路素子が有する合計のインピーダンスをＺ３とし、本実施形態では、受電共振器３２を構成する、抵抗器Ｒ３、コイルＬ３、及び、コンデンサＣ３を要素とするＲＬＣ回路（回路素子）が有する合計のインピーダンスをＺ３とする。また、給電共振器２２に流れる電流をＩ２とし、受電共振器３２に流れる電流をＩ３とする。
【００３０】
また、給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電コイル３１における共振回路としてのＲＬＣ回路では、インダクタンスをＬ、コンデンサ容量をＣとすると、（式１）によって定まるｆが共振周波数となる。そして、本実施形態における給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電コイル３１の共振周波数は、１．０ＭＨｚとしている。
2014241667.tif 000003
・・・（式１）
【００３１】
また、給電共振器２２及び受電共振器３２は、線径０．４ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を１８回巻きにしたコイル径１５ｍｍφのソレノイドコイルである。また、給電共振器２２及び受電共振器３２における共振周波数は上記のように一致させている。なお、給電共振器２２及び受電共振器３２は、コイルを使用した共振器であれば、スパイラル型やソレノイド型などのコイルであってもよい。
【００３２】
また、給電コイル２１と給電共振器２２との間の距離をｄ１２とし、給電共振器２２と受電共振器３２との間の距離をｄ２３とし、受電共振器３２と受電コイル３１との間の距離をｄ３４としている（図１参照）。
【００３３】
また、図３に示すように、給電コイル２１のコイルＬ１と給電共振器２２のコイルＬ２との間の相互インダクタンスをＭ１２、給電共振器２２のコイルＬ２と受電共振器３２のコイルＬ３との間の相互インダクタンスをＭ２３、受電共振器３２のコイルＬ３と受電コイル３１のコイルＬ４との間の相互インダクタンスをＭ３４としている。また、給電モジュール２及び受電モジュール３において、コイルＬ１とコイルＬ２との間の結合係数をｋ１２と表記し、コイルＬ２とコイルＬ３との間の結合係数をｋ２３と表記し、コイルＬ３とコイルＬ４との間の結合係数をｋ３４と表記している。
【００３４】
また、給電コイル２１のＲＬＣ回路のＲ１、Ｌ１、Ｃ１、給電共振器２２のＲＬＣ回路のＲ２、Ｌ２、Ｃ２、受電共振器３２のＲＬＣ回路のＲ３、Ｌ３、Ｃ３、受電コイル３１のＲＬＣ回路のＲ４、Ｌ４、Ｃ４における抵抗値、インダクタンス、コンデンサ容量、及び、結合係数ｋ１２、ｋ２３、ｋ３４は、設計・製造段階等で変更可能なパラメータとして設定される。
【００３５】
上記給電モジュール２及び受電モジュール３によれば、給電共振器２２の共振周波数と受電共振器３２の共振周波数とを一致させた場合、給電共振器２２と受電共振器３２との間に磁界共鳴状態を創出することができる。給電共振器２２及び受電共振器３２が共振した状態で磁界共鳴状態が創出されると、給電共振器２２から受電共振器３２に電力を磁界エネルギーとして伝送することが可能となり、給電モジュール２を備えた充電器１０１から、受電モジュール３を備えた無線式ヘッドセット１０２に電力が無線伝送され、無線式ヘッドセット１０２内に設けられた充電池９が充電される。
【００３６】
ここで、図１及び図３に示すように、給電モジュール２から受電モジュール３に対して電力が供給されている状態を給電状態とする。この給電状態は、給電モジュール２及び受電モジュール３が備える給電共振器２２と受電共振器３２とが磁界共鳴状態を創出したときとも言える。また、給電状態は、給電共振器２２と受電共振器３２との間の距離ｄ２３がある程度近接配置された場合（給電可能領域）に成立する状態でもある。また、本実施形態では、無線式ヘッドセット１０２における充電池９に充電がなされている状態が給電状態といえる。
【００３７】
一方、図２に示すように、給電モジュール２から受電モジュール３に対して電力が供給されていない状態を待機状態とする。この待機状態は、給電モジュール２及び受電モジュール３が備える給電共振器２２と受電共振器３２とが磁界共鳴状態を創出していないときとも言える。また、待機状態は、給電共振器２２と受電共振器３２との間の距離ｄ２３が、上記磁界共鳴状態を創出しない程度の配置関係にある場合に成立する状態でもある。また、本実施形態では、無線式ヘッドセット１０２における充電池９に充電がなされていない状態が待機状態といえる。
【００３８】
（待機状態の入力インピーダンスと給電状態の入力インピーダンスの関係）
次に、上記待機状態、及び、給電状態の概念を踏まえて、待機状態における給電モジュール２の消費電力を低減するための、給電モジュール２及び受電モジュール３に関する、待機状態の入力インピーダンスと給電状態の入力インピーダンスとの関係を説明する。
【００３９】
まず、無線電力伝送を利用した電力伝送において、待機状態における消費電力を低減させる必要性を説明する。上述したように、給電モジュール２及び受電モジュール３が備える給電共振器２２と受電共振器３２との間の共振現象（磁界共鳴状態）を利用して磁場を結合させることにより無線電力伝送をするときには、受電モジュール３を給電モジュール２に近づけて、給電モジュール２から受電モジュール３に対して給電できる距離（給電可能領域）になるように配置して使用する必要がある。このような使用過程において、給電モジュールと受電モジュールとが給電可能領域内にない場合（待機状態）、給電モジュールでは、受電モジュールが給電可能領域に近接配置される（給電状態）のに備えて常に電力が供給され続けた状態になる。
そうすると、待機状態における給電モジュール２の消費電力は無駄になってしまう。
一方、待機状態では、受電モジュールが給電可能領域に近接配置された際に、すぐに給電状態に移行できるように給電モジュール２に電力を供給され続ける必要がある。
そうすると、待機状態における消費電力は、給電状態における消費電力よりも抑制されることが求められる。
そこで、待機状態における消費電力を、給電状態における消費電力よりも抑制するためには、消費電力Ｐは下記（式２）により算出されることから、待機状態における入力インピーダンスＺinの値を、給電状態における入力インピーダンスＺinの値よりも大きくすればよいことが分かる。なお、交流電源６によって給電モジュール２に印加される電圧Ｖ（実効値）は一定に保持されるため、電圧Ｖは可変要素とはしていない。
2014241667.tif 000004
・・・（式２）
【００４０】
従って、本実施形態に係る給電モジュール２は、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinが、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinよりも大きくなるように設定され、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinが、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinよりも大きくなる電源周波数で作動させることにより実現される。そして、このように構成することにより、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinが、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinよりも大きくなるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を給電状態における消費電力よりも低減することができる。
【００４１】
以下実施例を示して説明する。以下の実施例では、様々な構成をした給電モジュール２及び受電モジュール３を用いて、待機状態（ＯＦＦ）における電源周波数に対する入力インピーダンスＺinと給電状態（ＯＮ）における電源周波数に対する入力インピーダンスＺinを解析した。なお、実施例では、安定回路７、充電回路８、及び、充電池９の代わりに可変抵抗器１１（Ｒｌ）を接続して解析している。
【００４２】
また、実施例１−１〜実施例２−３では、給電状態における、給電モジュール２及び受電モジュール３に供給する電力の電源周波数に対する伝送特性『Ｓ２１』が、双峰性の性質を有するもので解析している。また、実施例３−１〜実施例４−３では、給電状態における、給電モジュール２及び受電モジュール３に供給する電力の電源周波数に対する伝送特性『Ｓ２１』が、単峰性の性質を有するもので解析している。
【００４３】
ここで、伝送特性『Ｓ２１』とは、ネットワークアナライザを給電モジュール２及び受電モジュール３に接続して計測される信号を表しており、デシベル表示され、数値が大きいほど電力伝送効率が高いことを意味する。そして、給電モジュール２及び受電モジュール３に供給する電力の電源周波数に対する伝送特性『Ｓ２１』は、給電モジュール２及び受電モジュール３の間の磁界による結びつき度合い（磁界結合）の強度により、単峰性の性質を有するものと双峰性の性質を有するものに分かれる。そして、単峰性とは、電源周波数に対する伝送特性『Ｓ２１』のピークが一つで、そのピークが共振周波数帯域(ｆo）において現れるものをいう（図４の破線５１参照）。一方、双峰性とは、電源周波数に対する伝送特性『Ｓ２１』のピークが二つあり、その二つのピークが共振周波数よりも低い電源周波数帯域(fL)と共振周波数よりも高い電源周波数帯域(fH)において現れるものをいう（図４の実線５２参照）。更に詳細に双峰性を定義すると、上記ネットワークアナライザに給電モジュール２及び受電モジュール３を接続して計測される反射特性『Ｓ１１』が二つのピークを有する状態をいう。従って、電源周波数に対する伝送特性『Ｓ２１』のピークが一見して一つに見えたとしても、計測されている反射特性『Ｓ１１』が二つのピークを有する場合には、双峰性の性質を有するものとする。
【００４４】
上記単峰性の性質を有する給電モジュール２及び受電モジュール３においては、図４の破線５１に示すように、電源周波数が共振周波数ｆ０で伝送特性『Ｓ２１』が最大化する（電力伝送効率が最大化する）。
【００４５】
一方、双峰性の性質を有する給電モジュール２及び受電モジュール３では、図４の実線５２に示すように、伝送特性『Ｓ２１』は、共振周波数ｆoよりも低い電源周波数帯域(fL)と共振周波数ｆoよりも高い電源周波数帯域(fH)において最大化する。
【００４６】
なお、一般的に、給電共振器２２と受電共振器３２との間の距離が同じであれば、双峰性における伝送特性『Ｓ２１』の最大値（fL又はfHでの伝送特性『Ｓ２１』の値）は、単峰性における伝送特性『Ｓ２１』の最大値(ｆ０での伝送特性『Ｓ２１』の値)よりも低い値になる（図４のグラフ参照）。
【００４７】
例えば、伝送特性『Ｓ２１』が双峰性の性質を有する場合に、共振周波数ｆoよりも低い周波数帯域に現れるピーク(fL)付近の周波数帯域に給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定した場合、給電共振器２２及び受電共振器３２が同位相で共振状態となり、給電共振器２２に流れる電流の向きと受電共振器３２に流れる電流の向きとが同じ向きになる。その結果、図４のグラフに示すように、電力伝送効率の最大化を目的にした一般的な無線電力伝送装置における伝送特性『Ｓ２１』（破線５１）には及ばないが、電源周波数を給電共振器２２及び受電共振器３２が有する共振周波数と一致させない場合でも、伝送特性『Ｓ２１』の値を比較的高い値にすることができる（実線５２）。ここで、給電共振器２２に流れる電流の向きと受電共振器３２に流れる電流の向きとが同じ向きとなる共振状態を同相共振モードと呼ぶことにする。また、同相共振モードにおいて、伝送特性『Ｓ２１』が双峰性の性質を有する場合に、共振周波数ｆoよりも低い周波数帯域に給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定することを広義の同相共振モードと定義し、更に、『Ｓ２１』の共振周波数ｆoよりも低い周波数帯域に現れるピーク(fL)付近（『Ｓ２１』の値がおよそ−１０ｄＢ以上となる範囲）の周波数帯域に給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定することを狭義の同相共振モードと定義する。なお、狭義の同相共振モードにおいて、『Ｓ２１』の共振周波数ｆoよりも低い周波数帯域に現れるピーク(fL)に給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定することを最狭義の同相共振モードとする。
【００４８】
また、上記同相共振モードでは、給電共振器２２の外周側に発生する磁界と受電共振器３２の外周側に発生する磁界とが打ち消し合うことにより、給電共振器２２及び受電共振器３２の外周側に、磁界による影響が低減されて、給電共振器２２及び受電共振器３２の外周側以外の磁界強度（例えば、給電共振器２２及び受電共振器３２の内周側の磁界強度）よりも小さな磁界強度を有する磁界空間を形成することができる。そして、この磁界空間に磁界の影響を低減させたい安定回路７や充電回路８や充電池９などを収納した場合、安定回路７や充電回路８や充電池９などに対して、磁界に起因する渦電流の発生を低減・防止して、発熱による悪影響を抑制することが可能となる。
【００４９】
一方、例えば、伝送特性『Ｓ２１』が双峰性の性質を有する場合に、共振周波数ｆoよりも高い周波数帯域に現れるピーク(fH)付近の周波数帯域に給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定した場合、給電共振器２２及び受電共振器３２が逆位相で共振状態となり、給電共振器２２に流れる電流の向きと受電共振器３２に流れる電流の向きとが逆向きになる。その結果、図４のグラフに示すように、電力伝送効率の最大化を目的にした一般的な無線電力伝送装置における伝送特性『Ｓ２１』（破線５１）には及ばないが、電源周波数を給電共振器２２及び受電共振器３２が有する共振周波数と一致させない場合でも、伝送特性『Ｓ２１』の値を比較的高い値にすることができる（実線５２）。ここで、給電共振器２２に流れる電流の向きと受電共振器３２に流れる電流の向きとが逆向きとなる共振状態を逆相共振モードと呼ぶことにする。また、逆相共振モードにおいて、伝送特性『Ｓ２１』が双峰性の性質を有する場合に、共振周波数ｆoよりも高い周波数帯域に給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定することを広義の逆相共振モードと定義し、更に、『Ｓ２１』の共振周波数ｆoよりも高い周波数帯域に現れるピーク(fH)付近（『Ｓ２１』の値がおよそ−１０ｄＢ以上となる範囲）の周波数帯域に給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定することを狭義の逆相共振モードと定義する。なお、狭義の逆相共振モードにおいて、『Ｓ２１』の共振周波数ｆoよりも高い周波数帯域に現れるピーク(fH)に給電モジュール２に供給する交流電力の電源周波数を設定することを最狭義の逆相共振モードとする。
【００５０】
また、上記逆相共振モードでは、給電共振器２２の内周側に発生する磁界と受電共振器３２の内周側に発生する磁界とが打ち消し合うことにより、給電共振器２２及び受電共振器３２の内周側に、磁界による影響が低減されて、給電共振器２２及び受電共振器３２の内周側以外の磁界強度（例えば、給電共振器２２及び受電共振器３２の外周側の磁界強度）よりも小さな磁界強度を有する磁界空間を形成することができる。そして、この磁界空間に磁界の影響を低減させたい安定回路７や充電回路８や充電池９などを収納した場合、安定回路７や充電回路８や充電池９などに対して、磁界に起因する渦電流の発生を低減・防止して、発熱による悪影響を抑制することが可能となる。また、この逆相共振モードにより形成される磁界空間は、給電共振器２２及び受電共振器３２の内周側に形成されるので、この空間に安定回路７や充電回路８や充電池９などの電子部品を組み込むことにより給電モジュール２及び受電モジュール３自体のコンパクト化・設計自由度の向上が実現される。
【００５１】
（実施例１−１）
実施例１−１に係る給電モジュール２は、図５に示すように、給電コイル２１及び給電共振器２２を備えた構成をしている。一方、受電モジュール３は、受電共振器３２及び受電コイル３１を備えた構成をしている。そして、給電コイル２１は、抵抗器Ｒ１、コイルＬ１、及び、コンデンサＣ１を要素とするＲＬＣ直列回路を構成しており（共振あり）、コイルＬ１部分は、線径０．４ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を１８回巻きにしたコイル径１５ｍｍφのソレノイドコイルである。同様に、受電コイル３１も、抵抗器Ｒ４、コイルＬ４、及び、コンデンサＣ４を要素とするＲＬＣ直列回路を構成しており、コイルＬ４部分は、線径０．４ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を１８回巻きにしたコイル径１５ｍｍφのソレノイドコイルである。また、給電共振器２２は、抵抗器Ｒ２、コイルＬ２、及び、コンデンサＣ２を要素とするＲＬＣ直列回路を構成しており、コイルＬ２部分は、線径０．４ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を１８回巻きにしたコイル径１５ｍｍφのソレノイドコイルである。また、受電共振器３２は、抵抗器Ｒ３、コイルＬ３、及び、コンデンサＣ３を要素とするＲＬＣ直列回路を構成しており、コイルＬ３部分は、線径０．４ｍｍφの銅線材（絶縁被膜付）を１８回巻きにしたコイル径１５ｍｍφのソレノイドコイルである。そして、実施例１−１におけるＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の値をそれぞれ、０．５Ωに設定した。また、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の値をそれぞれ、４．５μＨに設定した。また、被給電機器１０のＲＬは１００Ωである。また、給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電コイル３１における共振周波数は１．０ＭＨｚである。また、各結合係数ｋ１２、ｋ２３、ｋ３４は０．３である（なお、給電状態での結合係数の値である）。
【００５２】
待機状態では、図５に示すように、給電モジュール２を構成する給電コイル２１及び給電共振器２２における入力インピーダンスをＺinとしている。また、図３に示すように、給電状態では、給電モジュール２を構成する給電コイル２１、給電共振器２２、及び、受電モジュール３を構成する受電共振器３２、受電コイル３１における入力インピーダンスをＺinとしている。
【００５３】
実施例１−１における給電モジュール２及び受電モジュール３に関する、待機状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図６の破線）と給電状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図６の実線）の解析結果を図６に示す。これを見ると、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺin（図６の破線）が、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺin（図６の実線）よりも大きくなる電源周波数帯域は、約０．７８〜０．８４ＭＨｚの帯域Ａ１、約０．９２〜１．０９ＭＨｚの帯域Ａ２、及び、約１．２８〜１．５（解析上限）ＭＨｚの帯域Ａ３の３つの帯域があることが分かる。
【００５４】
実施例１−１において、電源周波数を帯域Ａ１又は帯域Ａ３に設定したときよりも、帯域Ａ２、特に１．０ＭＨｚに設定したときに、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinと、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinとの差が最も大きくなるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を、電源周波数を帯域Ａ１又は帯域Ａ３に設定したときよりも低減することができる。もっとも、前述したように、双峰性の性質を有する給電モジュール２及び受電モジュール３では、図４の実線５２に示すように、伝送特性『Ｓ２１』は、共振周波数帯域において低い値を示すため給電状態における電力伝送効率は低くなる傾向にある。
【００５５】
（実施例１−２）
実施例１−２に係る給電モジュール２は、図７に示すように、給電コイル２１、給電共振器２２、及び受電共振器３２を備えた構成をしている。一方、受電モジュール３は、受電コイル３１を備えた構成をしている。なお、給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電コイル３１それぞれの構成は実施例１−１と同様である。
【００５６】
待機状態では、図７に示すように、給電モジュール２を構成する給電コイル２１、給電共振器２２、及び、受電共振器３２における入力インピーダンスをＺinとしている。また、図３に示すように、給電状態では、給電モジュール２を構成する給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電モジュール３を構成する受電コイル３１における入力インピーダンスをＺinとしている。
【００５７】
実施例１−２における給電モジュール２及び受電モジュール３に関する、待機状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図８の破線）と給電状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図８の実線）の解析結果を図８に示す。これを見ると、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺin（図８の破線）が、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺin（図８の実線）よりも大きくなる電源周波数帯域は、約０．８７〜０．８９ＭＨｚの帯域Ｂ１、及び、約１．１４〜１．２２ＭＨｚの帯域Ｂ２の２つの帯域があることが分かる。
【００５８】
実施例１−２において、電源周波数を帯域Ｂ１に設定したとき、又は、帯域Ｂ２、特に１．１９ＭＨｚ付近に設定したときに、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinと、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinとの差が大きくなるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を低減することができる。更に、前述したように、双峰性の性質を有する給電モジュール２及び受電モジュール３では、図４の実線５２に示すように、伝送特性『Ｓ２１』は、共振周波数ｆoよりも低い電源周波数帯域(fL：最狭義の同相共振モード)と共振周波数ｆoよりも高い電源周波数帯域(fH：最狭義の逆相共振モード)において最大化する。そして、実施例１−２では、帯域Ｂ１と狭義の同相共振モードにおける電源周波数帯域とがほぼ一致し、また、帯域Ｂ２と狭義の逆相共振モードにおける電源周波数帯域とがほぼ一致するため、電源周波数を帯域Ｂ１又は帯域Ｂ２に設定した場合には、給電状態における電力伝送効率を比較的高くすることができる。
【００５９】
（実施例１−３）
実施例１−３に係る給電モジュール２は、図９に示すように、給電コイル２１を備えた構成をしている。一方、受電モジュール３は、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電コイル３１を備えた構成をしている。なお、給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電コイル３１それぞれの構成は実施例１−１と同様である。
【００６０】
待機状態では、図９に示すように、給電モジュール２を構成する給電コイル２１における入力インピーダンスをＺinとしている。また、図３に示すように、給電状態では、給電モジュール２を構成する給電コイル２１、及び、受電モジュール３を構成する給電共振器２２、受電共振器３２、受電コイル３１における入力インピーダンスをＺinとしている。
【００６１】
実施例１−３における給電モジュール２及び受電モジュール３に関する、待機状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図１０の破線）と給電状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図１０の実線）の解析結果を図１０に示す。これを見ると、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺin（図１０の破線）が、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺin（図１０の実線）よりも大きくなる電源周波数帯域は、約０．６０〜０．８５ＭＨｚの帯域Ｃ１、及び、約１．２５〜１．５（解析上限）ＭＨｚの帯域Ｃ２の２つの帯域があることが分かる。
【００６２】
実施例１−３において、電源周波数を帯域Ｃ１の０．８４ＭＨｚ付近に設定したとき、又は、帯域Ｃ２の１．３２ＭＨｚ付近に設定したときに、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinと、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinとの差が比較的大きくなるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を低減することができる。更に、前述したように、双峰性の性質を有する給電モジュール２及び受電モジュール３では、図４の実線５２に示すように、伝送特性『Ｓ２１』は、共振周波数ｆoよりも低い電源周波数帯域(fL)と共振周波数ｆoよりも高い電源周波数帯域(fH)において最大化する。そして、実施例１−３では、帯域Ｃ１（特に０．８４ＭＨｚ付近）に狭義の同相共振モードの電源周波数帯域が含まれ、また、帯域Ｃ２（特に１．３２ＭＨｚ付近）に狭義の逆相共振モードの電源周波数帯域が含まれるため、電源周波数を狭義の同相共振モード、又は、狭義の逆相共振モードに設定した場合、帯域Ｃ１又は帯域Ｃ２を含むことになり、給電状態における電力伝送効率を比較的高くすることができる。
【００６３】
（実施例２−１）
実施例２−１〜実施例２−３は、実施例１−１〜実施例１−３とは異なり、給電モジュール２に含まれる給電コイル２１を構成するＲＬＣ回路（抵抗器Ｒ１、コイルＬ１、及び、コンデンサＣ１）のコンデンサＣ１が、図１１、図１３、図１５に示すように、並列接続されている。
【００６４】
実施例２−１に係る給電モジュール２は、図１１に示すように、給電コイル２１及び給電共振器２２を備えた構成をしている。一方、受電モジュール３は、受電共振器３２及び受電コイル３１を備えた構成をしている。そして、前述したように給電コイル２１は、抵抗器Ｒ１、コイルＬ１、及び、コンデンサＣ１を要素としたＲＬＣ回路であり、コンデンサＣ１が並列接続されている。なお、他の構成は実施例１−１と同様である。
【００６５】
待機状態では、図１１に示すように、給電モジュール２を構成する給電コイル２１及び給電共振器２２における入力インピーダンスをＺinとしている。また、給電状態では、給電モジュール２を構成する給電コイル２１、給電共振器２２、及び、受電モジュール３を構成する受電共振器３２、受電コイル３１における入力インピーダンスをＺinとしている。
【００６６】
実施例２−１における給電モジュール２及び受電モジュール３に関する、待機状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図１２の破線）と給電状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図１２の実線）の解析結果を図１２に示す。これを見ると、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺin（図１２の破線）が、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺin（図１２の実線）よりも大きくなる電源周波数帯域は、約０．８４〜０．９３ＭＨｚの帯域Ｄ１、及び、約１．１２〜１．３０ＭＨｚの帯域Ｄ２の２つの帯域があることが分かる。
【００６７】
実施例２−１において、電源周波数を帯域Ｄ１、特に０．８８ＭＨｚ付近に設定したとき、又は、帯域Ｄ２に設定したときに、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinと、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinとの差が最も大きくなるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を低減することができる。更に、前述したように、双峰性の性質を有する給電モジュール２及び受電モジュール３では、図４の実線５２に示すように、伝送特性『Ｓ２１』は、共振周波数ｆoよりも低い電源周波数帯域(fL：最狭義の同相共振モード)と共振周波数ｆoよりも高い電源周波数帯域(fH：最狭義の逆相共振モード)において最大化する。そして、実施例２−１では、帯域Ｄ１と狭義の同相共振モードにおける電源周波数帯域とがほぼ一致し、また、帯域Ｄ２と狭義の逆相共振モードにおける電源周波数帯域とがほぼ一致するため、電源周波数を帯域Ｄ１又は帯域Ｄ２に設定した場合には、給電状態における電力伝送効率を比較的高くすることができる。
【００６８】
（実施例２−２）
実施例２−２に係る給電モジュール２は、図１３に示すように、給電コイル２１、給電共振器２２、及び受電共振器３２を備えた構成をしている。一方、受電モジュール３は、受電コイル３１を備えた構成をしている。なお、給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電コイル３１それぞれの構成は実施例２−１と同様である。
【００６９】
待機状態では、図１３に示すように、給電モジュール２を構成する給電コイル２１、給電共振器２２、及び、受電共振器３２における入力インピーダンスをＺinとしている。また、給電状態では、給電モジュール２を構成する給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電モジュール３を構成する受電コイル３１における入力インピーダンスをＺinとしている。
【００７０】
実施例２−２における給電モジュール２及び受電モジュール３に関する、待機状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図１４の破線）と給電状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図１４の実線）の解析結果を図１４に示す。これを見ると、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺin（図１４の破線）が、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺin（図１４の実線）よりも大きくなる電源周波数帯域は、約０．８３〜０．８４ＭＨｚの帯域Ｅ１、約０．９８〜１．０２ＭＨｚの帯域Ｅ２、及び、約１．３０〜１．３５ＭＨｚの帯域Ｅ３の３つの帯域があることが分かる。
【００７１】
実施例２−２において、電源周波数を帯域Ｅ２、特に１．０ＭＨｚ付近に設定したときに、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinと、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinとの差が最も大きくなるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を、低減することができる。もっとも、前述したように、双峰性の性質を有する給電モジュール２及び受電モジュール３では、図４の実線５２に示すように、伝送特性『Ｓ２１』は、共振周波数帯域において低い値を示すため給電状態における電力伝送効率は低くなる傾向にある。また、前述したように、双峰性の性質を有する給電モジュール２及び受電モジュール３では、図４の実線５２に示すように、伝送特性『Ｓ２１』は、共振周波数ｆoよりも低い電源周波数帯域(fL：最狭義の同相共振モード)と共振周波数ｆoよりも高い電源周波数帯域(fH：最狭義の逆相共振モード)において最大化する。そして、帯域Ｅ１（特に０．８４ＭＨｚ付近）が狭義の同相共振モードの電源周波数帯域に含まれ、また、帯域Ｅ３（特に１．３２ＭＨｚ付近）が狭義の逆相共振モードの電源周波数帯域に含まれるため、電源周波数を帯域Ｅ１又は帯域Ｅ３に設定した場合には、給電状態における電力伝送効率を比較的高くすることができる。
【００７２】
（実施例２−３）
実施例２−３に係る給電モジュール２は、図１５に示すように、給電コイル２１を備えた構成をしている。一方、受電モジュール３は、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電コイル３１を備えた構成をしている。なお、給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電コイル３１それぞれの構成は実施例２−１と同様である。
【００７３】
待機状態では、図１５に示すように、給電モジュール２を構成する給電コイル２１における入力インピーダンスをＺinとしている。また、給電状態では、給電モジュール２を構成する給電コイル２１、及び、受電モジュール３を構成する給電共振器２２、受電共振器３２、受電コイル３１における入力インピーダンスをＺinとしている。
【００７４】
実施例２−３における給電モジュール２及び受電モジュール３に関する、待機状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図１６の破線）と給電状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図１６の実線）の解析結果を図１６に示す。これを見ると、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺin（図１６の破線）が、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺin（図１６の実線）よりも大きくなる電源周波数帯域は、約０．８６〜１．２８ＭＨｚの帯域Ｆ１があることが分かる。
【００７５】
実施例２−３において、電源周波数を帯域Ｆ１、特に１．０ＭＨｚに設定したときに、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinと、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinとの差が最も大きくなるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を、最も低減することができる。
【００７６】
（実施例３−１）
前述したように実施例３−１〜実施例４−３では、給電状態における、給電モジュール２及び受電モジュール３に供給する電力の電源周波数に対する伝送特性『Ｓ２１』が、単峰性の性質を有するもので解析している。具体的には、実施例３−１〜実施例４−３で使用する給電モジュール２及び受電モジュール３は、実施例１−１〜実施例２−３で使用したものとほぼ同じであり、相違するのは、給電共振器２２におけるコイルＬ２と受電共振器３２におけるコイルＬ３との間の結合係数ｋ２３を０．０３に設定した点である（結合係数ｋ２３を変えて、伝送特性『Ｓ２１』が、単峰性の性質を有するように設定）。
【００７７】
実施例３−１に係る給電モジュール２は、給電コイル２１及び給電共振器２２を備えた構成をしている。一方、受電モジュール３は、受電共振器３２及び受電コイル３１を備えた構成をしている。そして、結合係数ｋ２３を０．０３に設定（単峰性に設定）した以外の構成は実施例１−１と同様である。
【００７８】
実施例３−１における給電モジュール２及び受電モジュール３に関する、待機状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図１７の破線）と給電状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図１７の実線）の解析結果を図１７に示す。これを見ると、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺin（図１７の破線）が、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺin（図１７の実線）よりも大きくなる電源周波数帯域は、約０．９９〜１．０１ＭＨｚの帯域Ｇ１があることが分かる。
【００７９】
実施例３−１において、電源周波数を帯域Ｇ１、特に１．０ＭＨｚ付近（共振周波数帯域）に設定したときに、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinと、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinとの差が最も大きくなるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を、最も低減することができる。しかも、前述したように、単峰性の性質を有する給電モジュール２及び受電モジュール３においては、図４の破線５１に示すように、電源周波数が共振周波数ｆ０で伝送特性『Ｓ２１』が最大化する（電力伝送効率が最大化する）。従って、実施例３−１では、電源周波数を帯域Ｇ１、特に１．０ＭＨｚ付近（共振周波数帯域）に設定したときに、伝送特性『Ｓ２１』は、共振周波数帯域において最も高い値を示すため給電状態における電力伝送効率が高くなる。
【００８０】
（実施例３−２）
実施例３−２に係る給電モジュール２は、給電コイル２１、給電共振器２２、及び受電共振器３２を備えた構成をしている。一方、受電モジュール３は、受電コイル３１を備えた構成をしている。そして、前述したように結合係数ｋ２３を０．０３に設定（単峰性に設定）した以外の構成は実施例１−２と同様である。
【００８１】
実施例３−２における給電モジュール２及び受電モジュール３に関する、待機状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図１８の破線）と給電状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図１８の実線）の解析結果を図１８に示す。これを見ると、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺin（図１８の破線）が、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺin（図１８の実線）よりも大きくなる電源周波数帯域は、０．９６〜０．９８ＭＨｚの帯域Ｈ１、及び、約１．０２〜１．０４ＭＨｚの帯域Ｈ２の２つの帯域があることが分かる。
【００８２】
実施例３−２において、電源周波数を帯域Ｈ１、又は、帯域Ｈ２に設定したときに、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinと、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinとの間に差が生じるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を低減することができる。
【００８３】
（実施例３−３）
実施例３−３に係る給電モジュール２は、給電コイル２１を備えた構成をしている。一方、受電モジュール３は、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電コイル３１を備えた構成をしている。そして、前述したように結合係数ｋ２３を０．０３に設定（単峰性に設定）した以外の構成は実施例１−３と同様である。
【００８４】
実施例３−３における給電モジュール２及び受電モジュール３に関する、待機状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図１９の破線）と給電状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図１９の実線）の解析結果を図１９に示す。これを見ると、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺin（図１９の破線）が、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺin（図１９の実線）よりも大きくなる電源周波数帯域は、約０．６０〜０．９１ＭＨｚの帯域Ｉ１、及び、約１．１３〜１．５（解析上限）ＭＨｚの帯域Ｉ２の２つの帯域があることが分かる。
【００８５】
実施例３−３において、電源周波数を帯域Ｉ１、又は、帯域Ｉ２に設定したときに、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinと、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinとの間に差が生じるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を、低減することができる。もっとも、前述したように、単峰性の性質を有する給電モジュール２及び受電モジュール３では、図４の破線５１に示すように、伝送特性『Ｓ２１』は、共振周波数帯域において高い値を示し、それ以外の帯域は比較的低い値になるため給電状態における電力伝送効率は低くなる傾向にある。
【００８６】
（実施例４−１）
実施例４−１〜実施例４−３は、実施例３−１〜実施例３−３とは異なり、給電モジュール２に含まれる給電コイル２１を構成するＲＬＣ回路（抵抗器Ｒ１、コイルＬ１、及び、コンデンサＣ１）のコンデンサＣ１が、実施例２−１〜実施例２−３同様に、並列接続されている。
【００８７】
実施例４−１に係る給電モジュール２は、給電コイル２１及び給電共振器２２を備えた構成をしている。一方、受電モジュール３は、受電共振器３２及び受電コイル３１を備えた構成をしている。そして、前述したように給電コイル２１は、抵抗器Ｒ１、コイルＬ１、及び、コンデンサＣ１を要素としたＲＬＣ回路であり、コンデンサＣ１が並列接続されている。また、実施例３−１同様に、給電共振器２２におけるコイルＬ２と受電共振器３２におけるコイルＬ３との間の結合係数ｋ２３を０．０３に設定している（単峰性に設定）。なお、他の構成は実施例３−１と同様である。
【００８８】
実施例４−１における給電モジュール２及び受電モジュール３に関する、待機状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図２０の破線）と給電状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図２０の実線）の解析結果を図２０に示す。これを見ると、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺin（図２０の破線）が、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺin（図２０の実線）よりも大きくなる電源周波数帯域は、０．８８〜０．９９ＭＨｚの帯域Ｊ１、及び、約１．０６〜１．１９ＭＨｚの帯域Ｊ２の２つの帯域があることが分かる。なお、図２０には、グラフだけでは分かりにくいため、帯域Ｊ１及び帯域Ｊ２における、給電状態の電源周波数に対する入力インピーダンスＺin及び待機状態の電源周波数に対する入力インピーダンスＺinの数値データを記載している。
【００８９】
実施例４−１において、電源周波数を帯域Ｊ１、又は、帯域Ｊ２に設定したときに、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinと、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinとの間に差が生じるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を、低減することができる。
【００９０】
（実施例４−２）
実施例４−２に係る給電モジュール２は、給電コイル２１、給電共振器２２、及び受電共振器３２を備えた構成をしている。一方、受電モジュール３は、受電コイル３１を備えた構成をしている。なお、給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電コイル３１それぞれの構成は実施例４−１と同様である。
【００９１】
実施例４−２における給電モジュール２及び受電モジュール３に関する、待機状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図２１の破線）と給電状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図２１の実線）の解析結果を図２１に示す。これを見ると、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺin（図２１の破線）が、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺin（図２１の実線）よりも大きくなる電源周波数帯域は、約０．８７〜０．８８ＭＨｚの帯域Ｋ１、約１．００〜１．０３ＭＨｚの帯域Ｋ２、及び、約１．１９〜１．２１ＭＨｚの帯域Ｋ３の３つの帯域があることが分かる。
【００９２】
実施例４−２において、電源周波数を帯域Ｋ１、帯域Ｋ２、又は、帯域Ｋ３に設定したときに、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinと、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinとの間に差が生じるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を、低減することができる。
【００９３】
（実施例４−３）
実施例４−３に係る給電モジュール２は、給電コイル２１を備えた構成をしている。一方、受電モジュール３は、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電コイル３１を備えた構成をしている。なお、給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２、及び、受電コイル３１それぞれの構成は実施例４−１と同様である。
【００９４】
実施例４−３における給電モジュール２及び受電モジュール３に関する、待機状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図２２の破線）と給電状態における電源周波数に対する入力インピーダンスＺin（図２２の実線）の解析結果を図２２に示す。これを見ると、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺin（図２２の破線）が、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺin（図２２の実線）よりも大きくなる電源周波数帯域は、約０．９２〜１．１４ＭＨｚの帯域Ｌ１があることが分かる。
【００９５】
実施例４−３において、電源周波数を帯域Ｌ１、特に１．０ＭＨｚ（共振周波数帯域）に設定したときに、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinと、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinとの差が最も大きくなるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を、最も低減することができる。更に、前述したように、単峰性の性質を有する給電モジュール２及び受電モジュール３では、図４の破線５１に示すように、伝送特性『Ｓ２１』は、共振周波数帯域において最も高い値を示すため給電状態における電力伝送効率は高くなる。
【００９６】
上記実施例１−１〜実施例４−３で説明したように、本実施形態に係る給電モジュール２は、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinが、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinよりも大きくなるように設定され、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinが、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinよりも大きくなる電源周波数帯域で作動させることにより実現される。そして、このように構成することにより、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinが、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinよりも大きくなるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を給電状態における消費電力よりも低減することが可能となる。
【００９７】
なお、給電モジュール２及び受電モジュール３を、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinが、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinよりも大きくなるように設定する要素（パラメータ）としては、給電コイル２１のＲＬＣ回路のＲ１、Ｌ１、Ｃ１、給電共振器２２のＲＬＣ回路のＲ２、Ｌ２、Ｃ２、受電共振器３２のＲＬＣ回路のＲ３、Ｌ３、Ｃ３、受電コイル３１のＲＬＣ回路のＲ４、Ｌ４、Ｃ４における抵抗値、インダクタンス、コンデンサ容量、結合係数ｋ１２、ｋ２３、ｋ３４、負荷インピーダンス（負荷抵抗）などの設定値が挙げられる。また、給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２、受電コイル３１におけるＲＬＣ回路を直列にするか並列にするかコンデンサを接続しないかも、上記要素（パラメータ）となる。また、給電モジュール２に、給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２の何れかを盛り込むか否かも上記要素（パラメータ）となる。
【００９８】
また、実施例１−２、実施例２−２、実施例３−２、実施例４−２の構成によれば、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinを、給電コイル２１、給電共振器２２、及び、受電共振器３２を有する給電モジュール２の入力インピーダンスとして構成することができる。
これによれば、給電モジュール２は、少なくとも給電コイル２１、給電共振器２２、及び、受電共振器３２の３つの要素によって構成されているため、給電モジュール２の入力インピーダンスＺinを決定するための要素が多くなる。そして、給電モジュール２の入力インピーダンスＺinを決定するための要素が多くなるということは、交流電源６の電源周波数に対する給電モジュール２の入力インピーダンスＺinの関係を決定するための要素も多くなるため、給電モジュール２の設計自由度を高めることができる。
また、受電モジュール３は、受電コイル３１を有する構成とすることができるため、受電モジュール３のコンパクト化を実現することができる。
【００９９】
また、実施例１−１、実施例２−１、実施例３−１、実施例４−１の構成によれば、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinを、給電コイル２１、及び、給電共振器２２を有する給電モジュール２の入力インピーダンスＺinとして構成することができる。
これによれば、給電モジュール２は、少なくとも給電コイル２１、及び、給電共振器２２の２つの要素によって構成されているため、給電モジュール２の入力インピーダンスＺinを決定するための要素が多くなる。そして、給電モジュール２の入力インピーダンスＺinを決定するための要素が多くなるということは、交流電源６の電源周波数に対する給電モジュール２の入力インピーダンスＺinの関係を決定するための要素も多くなるため、給電モジュール２の設計自由度を高めることができる。
また、受電モジュール３を、受電共振器３２、受電コイル３１を有する構成としているため、受電モジュール３のコンパクト化を実現することができる。
【０１００】
また、実施例１−３、実施例２−３、実施例３−３、実施例４−３の構成によれば、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinを、給電コイル２１の入力インピーダンスＺinとして構成することができる。
これによれば、給電モジュール２は、主に給電コイル２１の１つの要素によって構成されているため、給電モジュール２の入力インピーダンスＺinを決定するための要素を単一化することができる。そして、給電モジュール２の入力インピーダンスＺinを決定するための要素を単一化することができるということは、交流電源６の電源周波数に対する給電モジュール２の入力インピーダンスＺinの関係を決定するための要素も単一化することができるため、給電モジュール２の設計の簡素化を図ることができる。
【０１０１】
（設計方法）
次に、給電モジュール２及び受電モジュール３を製造する一工程である、設計方法（調整）について、図２３を参照して説明する。
【０１０２】
本設計方法で設計されるのは、図１に示す給電モジュール２を備えた充電器１０１、及び、受電モジュール３を備えた無線式ヘッドセット１０２である。
【０１０３】
まず、図２３に示すように、充電池９の容量、及び、充電池９の充電に必要とされる充電電流から、受電モジュール３が受電する受電電力量が決まる（Ｓ１）。
【０１０４】
次に、給電共振器２２と受電共振器３２との間の距離を決定する（Ｓ２）。これは、受電モジュール３を内蔵した無線式ヘッドセット１０２を、給電モジュール２を内蔵した充電器１０１に載置した際の給電共振器２２と受電共振器３２との間の距離ｄ２３であり、使用形態としては給電状態である。より詳細には、給電共振器２２と受電共振器３２との間の距離ｄ２３は、無線式ヘッドセット１０２と充電器１０１の形状・構造を考慮して決定される。
【０１０５】
また、無線式ヘッドセット１０２及び充電器１０１の大きさ・形状・構造を踏まえて、給電コイル２１、給電共振器２２、受電コイル３１、及び、受電共振器３２のコイル径が決定される（Ｓ３）。
【０１０６】
上記Ｓ２〜Ｓ３の手順を経ることにより、給電共振器２２（コイルＬ２）と受電共振器３２（コイルＬ３）との間の結合係数ｋ２３と、電力伝送効率が決まることになる。
【０１０７】
上記Ｓ１で決定した受電モジュール３が受電する受電電力量、及び、Ｓ２〜Ｓ３の手順を経て決定された電力伝送効率より、給電モジュール２に給電する必要最低限の給電電力量が決定される（Ｓ４）。
【０１０８】
そして、上記受電モジュール３が受電する受電電力量、電力伝送効率、及び、給電モジュール２に給電する必要最低限の給電電力量を踏まえて、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺｉｎの設計値が決まる（Ｓ５）。
【０１０９】
そして、Ｓ５で決定された給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺｉｎの設計値に基づき、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺｉｎが、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺｉｎよりも大きくなるように、各要素（パラメータ）を決定する。具体的に、給電モジュール２及び受電モジュール３を、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinが、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinよりも大きくなるように設定する要素（パラメータ）としては、給電コイル２１のＲＬＣ回路のＲ１、Ｌ１、Ｃ１、給電共振器２２のＲＬＣ回路のＲ２、Ｌ２、Ｃ２、受電共振器３２のＲＬＣ回路のＲ３、Ｌ３、Ｃ３、受電コイル３１のＲＬＣ回路のＲ４、Ｌ４、Ｃ４における抵抗値、インダクタンス、コンデンサ容量、結合係数ｋ１２、ｋ２３、ｋ３４、負荷インピーダンス（負荷抵抗）などの設定値が挙げられる。また、給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２、受電コイル３１におけるＲＬＣ回路を直列にするか並列にするかコンデンサを接続しないかも、上記要素（パラメータ）となる。また、給電モジュール２に、給電コイル２１、給電共振器２２、受電共振器３２の何れかを盛り込むか否かも上記要素（パラメータ）となる。
【０１１０】
上記方法によれば、待機状態における給電モジュール２の入力インピーダンスＺinが、給電状態における給電モジュール２及び受電モジュール３の入力インピーダンスＺinよりも大きくなるため、待機状態における給電モジュール２の消費電力を給電状態における消費電力よりも低減することができる。
【０１１１】
（その他の実施形態）
上記の説明では、無線式ヘッドセット１０２を例示して説明したが、充電池を備えた機器であれば、タブレット型ＰＣ、デジタルカメラ、携帯電話、イヤホン型音楽プレイヤー、補聴器、集音器などにも使用することができる。
【０１１２】
また、上記では、被給電機器１０に充電池９を含む受電モジュール３として説明したが、これに限らず、被給電機器１０に直接電力を消費しながら可動する機器を採用してもよい。
【０１１３】
また、上記説明では、給電モジュール２及び受電モジュール３を携帯型の電子機器に搭載した場合を想定して説明したが、用途はこれら小型なものに限らず、必要電力量に合わせて仕様を変更することにより、例えば、比較的大型な電気自動車（ＥＶ）における無線充電システムや、より小型な医療用の無線式胃カメラなどにも搭載することができる。
【０１１４】
以上の詳細な説明では、本発明をより容易に理解できるように、特徴的部分を中心に説明したが、本発明は、以上の詳細な説明に記載する実施形態・実施例に限定されず、その他の実施形態・実施例にも適用することができ、その適用範囲は可能な限り広く解釈されるべきである。また、本明細書において用いた用語及び語法は、本発明を的確に説明するために用いたものであり、本発明の解釈を制限するために用いたものではない。また、当業者であれば、本明細書に記載された発明の概念から、本発明の概念に含まれる他の構成、システム、方法等を推考することは容易であると思われる。従って、請求の範囲の記載は、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で均等な構成を含むものであるとみなされるべきである。また、本発明の目的及び本発明の効果を充分に理解するために、すでに開示されている文献等を充分に参酌することが望まれる。
【符号の説明】
【０１１５】
２  給電モジュール
３  受電モジュール
６  交流電源
７  安定回路
８  充電回路
９  充電池
１０  被給電機器
１１  可変抵抗器
２１  給電コイル
２２  給電共振器
３１  受電コイル
３２  受電共振器
１０２  無線式ヘッドセット
１０１  充電器
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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