(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電コイルと受電コイルの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス給電するための装置であって、
複数の前記給電コイルと、
前記複数の給電コイルそれぞれに対応して設けられ、前記受電コイルを有する受電体からポジション信号を受信し、検知信号を発生させる複数の受信装置と、
前記ポジション信号を受信した受信装置に対応する給電コイルに、駆動周波数にて交流電流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に交流電力を給電させる送電制御回路と、
前記複数の受信装置それぞれに対応して設けられ、前記検知信号と基準電圧を比較する複数のコンパレータと、
前記複数のコンパレータそれぞれに対応して設けられ、各コンパレータの出力を分圧する複数の抵抗と、
２以上の前記受信装置が前記ポジション信号を受信したときにも、前記複数のコンパレータの分圧後の出力に基づき、いずれかの受信装置を排他的に選択する選択回路と、
を備え、
前記複数の抵抗は、差分が設けられており、
前記送電制御回路は、前記選択された受信装置に対応する給電コイルに前記交流電力を供給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、を更に備え、
前記送電制御回路は、前記検出された位相差が減少するように前記駆動周波数を調整す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、給電側の回路要素とは実質的に非共振の状態の前記給電コイルから、前記受電コイルに前記交流電力を給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】
前記給電コイルは、給電側の回路要素とは前記受電コイルの共振周波数を共振点とする共振回路を形成しない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５】
前記給電コイルに対して直列または並列にキャパシタが挿入されない構成であ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６】
前記複数のコンパレータの分圧後の出力が供給されるダイオード・オア接続された複数のフォトダイオードと、
前記複数のフォトダイオードそれぞれと対向する位置に設けられ、前記複数の給電コイルを導電制御するフォトスイッチと、を更に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項７】
前記複数のコンパレータのうち、分圧後の出力が最大出力となるコンパレータを選択し、選択結果を示す選択信号を出力する最大値検出器と、
前記複数の給電コイルのいずれかを前記選択信号にしたがって選択する接続制御回路と、を更に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のワイヤレス給電装置からワイヤレス給電される交流電力を受電コイルにて受電する装置であって、
前記受電コイルと、
自装置の位置を示すポジション信号を送信する送信装置と、
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交流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受電装置。
【請求項９】
前記ロードコイルに接続され、前記受電した交流電力により充電される蓄電池、を更に備えることを特徴とする請求項８に記載のワイヤレス受電装置。
【請求項１０】
前記ロードコイルにより受電される前記交流電力を動力源とする移動体として形成されることを特徴とする請求項８または９に記載のワイヤレス受電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレス給電に関し、特に、そのパワー制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境に優しい次世代の自動車として、ＥＶ（Electric Vehicle）が注目されつつある。ＥＶは電動機で走行するため、２次電池（蓄電池）を搭載する必要がある。一般的にＥＶに搭載される２次電池による走行距離は、完全に充電した場合でも１００ｋｍ程度といわれる。２次電池の容量を大きくすると車両重量が大きくなってしまうため好ましくない。
【０００３】
一方、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。
【０００４】
この中でも、磁場共振現象を利用するタイプ（Ｃ）は、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（特許文献７参照）。ワイヤレスであるため完全に絶縁されたシステム構成が可能であり、特に、雨天時の給電に効果的であると考えられる。以下、タイプ（Ｃ）を「磁場共振型」とよぶ。
【０００５】
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）。磁場共振型においては、給電側と受電側それぞれに共振回路（ＬＣ回路）が形成される。ここで、給電側共振回路の共振周波数と受電側共振回路の共振周波数を一致させておく。給電側共振回路を共振周波数ｆｒ１で共振させると、受電側共振回路も共振周波数ｆｒ１で共振する。このとき、最大の電力伝送効率にて交流電力を送電できる（特許文献６参照）。
【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
【特許文献５】米国公開２００９／００１５０７５号公報
【特許文献６】米国特許７７４１７３４号公報
【特許文献７】特許第４４５３７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献７においては、地中の一次自己共振コイル（給電コイル）から車両内の二次自己共振コイル（受電コイル）にワイヤレス給電している。また、一次自己共振コイルと二次自己共振コイルの距離に応じて自己共振コイルの共振周波数を調整することにより、電力伝送効率を安定させている（特許文献７、段落［００６９］参照）。
【０００８】
特許文献７は自己共振コイルの共振周波数のさまざまな調整方法を提案している。特許文献７の図６では可変コンデンサの容量を変更しているが、具体的な調整方法について記載がない。図７では可変キャパシタに代えて可変容量ダイオードが二次自己共振コイルに挿入されているが、やはり具体的な調整方法についての記載がない。図８では、コイル間をスイッチで繋ぐことによりインダクタンスを変更している。しかし、このようなやり方では数段階の調整ができるに過ぎず、精緻な調整は不可能である。図１５、図１６では、ＥＣＵ（Electric Control Unit）により高周波電力の周波数（共振周波数）を調整しているが、この場合にはソフトウェア制御が必要となるためシステムが複雑化してしまう。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みて完成された発明であり、その主たる目的は、複数の給電コイルを制御することにより、受電体に安定的に電力を供給することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明におけるワイヤレス給電装置は、給電コイルと受電コイルの磁場共振現象に基づき、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電するための装置である。この装置は、複数の給電コイルと、複数の給電コイルそれぞれに対応して設けられ、受電コイルを有する受電体からポジション信号を受信する複数の受信装置と、ポジション信号を受信した受信装置に対応する給電コイルに、駆動周波数にて交流電流を供給することにより、給電コイルから受電コイルに交流電力を給電させる送電制御回路を備える。
【００１１】
「給電コイルと受電コイルの磁場共振現象」とは、給電コイルが発生させる交流磁場に基づく受電コイル回路の共振現象を意味する。給電コイルに駆動周波数の交流電流を供給すると、給電コイルは駆動周波数の交流磁場を発生させる。この交流磁場により、給電コイルおよび受電コイルを主として磁場成分により結合（磁場結合）させることにより受電コイル回路を共振させる。このとき、受電コイルに大きな交流電流が流れる。複数の給電コイルのうち、どの給電コイルがもっとも受電体（受電コイル）に近いかはポジション信号により判定される。そして、ポジション信号により駆動対象となる給電コイルを選択することにより、受電体の位置に応じて最適なワイヤレス給電を実現しやすくなる。
【００１２】
２以上の受信装置がポジション信号を受信したときにも、いずれかの受信装置を排他的に選択する選択回路、を更に備えてもよい。送電制御回路は、選択された受信装置に対応する給電コイルに交流電力を供給してもよい。
【００１３】
駆動される給電コイルの数によって、ワイヤレス給電装置の共振周波数が変化してしまう。選択回路により複数の給電コイルを排他的に選択すれば、共振周波数を安定させやすくなる。
【００１４】
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、を更に備えてもよい。送電制御回路は、検出された位相差が減少するように駆動周波数を調整してもよい。
【００１５】
送電制御回路は、給電側の回路要素とは実質的に非共振の状態の給電コイルから、受電コイルに交流電力を給電させてもよい。
【００１６】
ここでいう「実質的に非共振」とは、給電コイルの共振をワイヤレス給電の必須構成要件としないことを意味する。給電コイルがなんらかの回路要素と偶発的に共振することまでも排除する意味ではない。
【００１７】
給電コイルは、給電側の回路要素とは受電コイルの共振周波数を共振点とする共振回路を形成しないとしてもよい。給電コイルに対して直列または並列にキャパシタが挿入されない構成としてもよい。
【００１８】
複数の給電コイルは地下に埋設され、地上を通過する受電体にワイヤレス給電してもよい。
【００１９】
本発明におけるワイヤレス受電装置は、上述のワイヤレス給電装置からワイヤレス給電される交流電力を受電コイルにて受電する装置である。この装置は、受電コイルと、自装置の位置を示すポジション信号を送信する送信装置と、受電コイルと磁気結合し、受電コイルが給電コイルから受電した交流電力を供給されるロードコイルを備える。
【００２０】
この装置は、ロードコイルに接続され、受電した交流電力により充電される蓄電池、を更に備えてもよい。この装置は、ロードコイルにより受電される交流電力を動力源とする移動体として形成されてもよい。移動体としては、たとえば、自動車、オートバイ、自転車、電車等が考えられる。
【００２１】
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】
【００２２】
本発明によれば、複数の給電コイルを制御することにより、受電体に安定的に電力を供給しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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原理図である。
【図２】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３】選択回路におけるダイオード・オア接続を模式的に示す図である。
【図４】送信装置の位置と検知信号の強度の関係を示すグラフである。
【図５】受電コイル回路のインピーダンス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】駆動周波数が共振周波数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。
【図８】駆動周波数が共振周波数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。
【図９】位相差指示電圧と駆動周波数の関係を示すグラフである。
【図１０】複数のワイヤレス給電装置を地面に埋設することにより、複数の車両にワイヤレス給電する状況を模式的に示す図である。
【図１１】駆動周波数を固定した場合において、ワイヤレス受電装置の位置と出力電圧、位相差の関係を示すグラフである。
【図１２】駆動周波数を可変とした場合において、ワイヤレス受電装置の位置と出力電圧、位相差の関係を示すグラフである。
【図１３】駆動周波数とワイヤレス受電装置の位置の関係を示すグラフである。
【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原理図である。
【図１５】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１６】第３実施形態において、複数の給電コイルが埋設されたテーブルの平面図である。
【図１７】テーブルにワイヤレス受電装置として形成されるランプを配置したときの断面図である。
【図１８】第４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１９】第５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。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
［第１実施形態］
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の原理図である。第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、ワイヤレス給電装置１１６とワイヤレス受電装置１１８を含む。ワイヤレス給電装置１１６は給電ＬＣ共振回路３００を含む。ワイヤレス受電装置１１８は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。そして、受電コイル回路１３０により受電ＬＣ共振回路３０２が形成される。
【００２６】
給電ＬＣ共振回路３００は、キャパシタＣ２と給電コイルＬ２を含む。受電ＬＣ共振回路３０２は、キャパシタＣ３と受電コイルＬ３を含む。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の磁場結合を無視できるほど両者が充分に離れた状態において給電ＬＣ共振回路３００および受電ＬＣ共振回路３０２それぞれの共振周波数が同一となるように、キャパシタＣ２、給電コイルＬ２、キャパシタＣ３、受電コイルＬ３が設定される。この共通の共振周波数をｆｒ０とする。
【００２７】
給電コイルＬ２と受電コイルＬ３を充分に磁場結合できる程度に近づけた状態では、給電ＬＣ共振回路３００、受電ＬＣ共振回路３０２およびその間に発生する相互インダクタンスにより新たな共振回路が形成される。この新共振回路は、相互インダクタンスの影響により２つの共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２を有する（ｆｒ１＜ｆｒ０＜ｆｒ２）。ワイヤレス給電装置１１６が、給電源ＶＧから共振周波数ｆｒ１にて交流電力を給電ＬＣ共振回路３００に供給すると、新共振回路の一部である給電ＬＣ共振回路３００は共振点１（共振周波数ｆｒ１）で共振する。給電ＬＣ共振回路３００が共振すると、給電コイルＬ２は共振周波数ｆｒ１の交流磁場を発生させる。同じく新共振回路の一部である受電ＬＣ共振回路３０２もこの交流磁場により共振する。給電ＬＣ共振回路３００と受電ＬＣ共振回路３０２が同一の共振周波数ｆｒ１にて共振するとき、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３に最大の電力伝送効率にてワイヤレス給電がなされる。ワイヤレス受電装置１１８の負荷ＬＤから受電電力が出力電力として取り出される。なお、新共振回路は、共振点１（共振周波数ｆｒ１）だけでなく共振点２（共振周波数ｆｒ２）でも共振可能である。
【００２８】
図２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。本実施形態におけるワイヤレス受電装置１１８（受電体）は、地上を走行するＥＶとして形成される。ワイヤレス受電装置１１８は、歩行者の携帯品や電車など他の移動体として形成されてもよい。第１実施形態におけるワイヤレス給電装置１１６（給電体）は、地下に設けられ、給電コイルＬ２が地面近傍に埋設される。同図右方向をｘ軸の正方向、上方向をｚ軸の正方向、同図紙面から奥に向かう方向をｙ軸の正方向とする。ワイヤレス受電装置１１８はｘ軸負方向に走行するものとする。
【００２９】
ワイヤレス給電装置１１６は、基本構成として、送電制御回路２００、給電コイル回路１２０、選択回路１０２および位相検出回路１１４を含む。送電制御回路２００は、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）２０２を含む。ワイヤレス受電装置１１８は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。
【００３０】
給電コイル回路１２０は、複数の給電コイルＬ２ａ〜Ｌ２ｄ（以下、まとめていうときには単に「給電コイルＬ２」とよぶ）を含む。各給電コイルＬ２と、受電コイル回路１３０が有する受電コイルＬ３の間には対向時において０．０２〜１．０ｍ程度の距離（コイル間距離）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Ｌ３にワイヤレスにて交流電力を送ることである。本実施形態においては共振周波数ｆｒ１＝１００ｋＨｚであるとして説明する。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。低周波数帯には、スイッチングトランジスタ（後述）のコストおよびスイッチング損失を抑制しやすい、電波法の規制が緩いといったメリットがある。
【００３１】
給電コイル回路１２０は、４つの給電コイルＬ２ａ〜Ｌ２ｄがトランスＴ２二次コイルＬｉに対して並列接続された回路である。給電コイルＬ２ａ〜Ｌ２ｄは、スイッチＳＷａ〜ＳＷｄによりそれぞれ導電制御される。スイッチＳＷはいずれもフォトスイッチであり、対応するフォトダイオードＰＤにより制御されるが詳細については後述する。同時に２以上のスイッチＳＷａ〜ＳＷｄがオンとなることはない。すなわち、トランスＴ２二次コイルＬｉと同時に２以上の給電コイルＬ２が接続されることはない。
【００３２】
トランスＴ２二次コイルＬｉは、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、電磁誘導により送電制御回路２００から交流電力を供給される。給電コイルＬ２の巻き数は７回、導体直径は５ｍｍ、給電コイルＬ２自体の形状は２８０ｍｍ×２８０ｍｍの正方形である。図２では、わかりやすさのため、給電コイルＬ２を円形に描いている。他のコイルについても同様である。図２に示す各コイルの材質はいずれも銅である。コイルは、アルミニウムなどの他の材質により形成されてもよい。給電コイル回路１２０には交流電流Ｉ２が流れる。
【００３３】
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ＬＣ共振回路（受電ＬＣ共振回路３０２）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。受電コイルＬ３の巻き数は７回、導体直径は５ｍｍ、受電コイルＬ３自体の形状は２８０ｍｍ×２８０ｍｍの正方形である。受電コイル回路１３０単体の共振周波数ｆｒ０も１００ｋＨｚ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。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が周波数ｆｒ１＝１００ｋＨｚにて交流磁場を発生させると、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３が磁場結合し、受電コイル回路１３０に大きな電流Ｉ３が流れる。このとき、給電コイルＬ２が発生させる交流磁場によって受電コイル回路１３０も共振する。
【００３４】
ロード回路１４０は、ロードコイルＬ４と整流回路１０８、充電制御回路１０４、リチウムイオン２次電池１０６が接続される回路である。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の距離はゼロである。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（電磁誘導による結合）している。ロードコイルＬ４の巻き数は１回、導体直径は５ｍｍ、ロードコイルＬ４自体の形状は３００ｍｍ×３００ｍｍ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に交流電流Ｉ４が流れる。交流電流Ｉ４は整流回路１０８の整流・平滑作用により直流に変換される。直流変換後、充電制御回路１０４の制御によりリチウムイオン２次電池１０６が充電される。
【００３５】
このように、ワイヤレス給電装置１１６の給電コイルＬ２からワイヤレス給電された交流電力は、ワイヤレス受電装置１１８の受電コイルＬ３に受電され、リチウムイオン２次電池１０６を充電する。
【００３６】
整流回路１０８等を受電コイル回路１３０に直接接続すると、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。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。
【００３７】
次に、送電制御回路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ＶＣＯ２０２が接続される。ＶＣＯ２０２は、駆動周波数ｆｏの交流電圧Ｖｏを発生させる「オシレータ」として機能する。交流電圧Ｖｏの波形は正弦波でもよいが、ここでは矩形波（デジタル波形）であるとして説明する。交流電圧Ｖｏ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。
【００３８】
本実施形態におけるＶＣＯ２０２は、モトローラ社：製品番号ＭＣ１４０４６Ｂの内蔵ユニットを利用している。ＶＣＯ２０２は、位相検出回路１１４から出力される位相差指示電圧ＳＣ（後述）に基づいて駆動周波数ｆｏを動的に変化させる機能も備える。
【００３９】
送電制御回路２００の電源となるのは、直流電源ＶＤＤにより充電されるキャパシタＣＡ、ＣＢである。キャパシタＣＡは図２に示す点Ｃと点Ｅの間、キャパシタＣＢは点Ｅと点Ｄの間に設けられる。キャパシタＣＡの電圧（ＣＥ間の電圧）をＶＡ、キャパシタＣＢの電圧（ＥＤ間の電圧）をＶＢとすると、ＶＡ＋ＶＢ（ＣＤ間の電圧）が入力電圧となる。キャパシタＣＡおよびＣＢは直流電圧源として機能する。
【００４０】
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。ＶＣＯ２０２が駆動周波数ｆｏにて交流電圧Ｖｏ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。
【００４１】
スイッチングトランジスタＱ１のドレインは、キャパシタＣＡの正極に接続される。キャパシタＣＡの負極は、トランスＴ２一次コイルＬｂ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。スイッチングトランジスタＱ２のソースは、キャパシタＣＢの負極に接続される。キャパシタＣＢの正極は、トランスＴ２一次コイルＬｂ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。
【００４２】
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。
【００４３】
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」とよぶ）は、キャパシタＣＡの正極から点Ｃ、スイッチングトランジスタＱ１、トランスＴ２一次コイルＬｂ、点Ｅを経由して負極に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電流経路の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００４４】
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」とよぶ）は、キャパシタＣＢの正極から点Ｅ、トランスＴ２一次コイルＬｂ、スイッチングトランジスタＱ２、点Ｄを経由して負極に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電流経路の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００４５】
送電制御回路２００においてトランスＴ２一次コイルＬｂを流れる電流を「電流ＩＳ」とよぶ。電流ＩＳは交流電流であり、第１電流経路を流れるときを正方向、第２電流経路を流れるときを負方向とよぶ。
【００４６】
ＶＣＯ２０２が駆動周波数ｆｏにて交流電圧Ｖｏを供給すると、第１電流経路と第２電流経路が駆動周波数ｆｏにて交互に切り替わる。駆動周波数ｆｏの交流電流ＩＳがトランスＴ２一次コイルＬｂを流れるため、給電コイル回路１２０にも駆動周波数ｆｏにて交流電流Ｉ２が流れる。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１に近いほど、電力伝送効率は高くなる。駆動周波数ｆｏ＝共振周波数ｆｒ１であれば、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は強く磁場結合する。このとき、電力伝送効率は最大となる。
【００４７】
共振周波数ｆｒ１は、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。受電コイル回路１３０を交換した場合にも共振周波数ｆｒ１は変化する。あるいは、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ｆｒ１を積極的に変化させたい場合もあるかもしれない。また、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３のコイル間距離がある程度近づくと共振周波数ｆｒ１が低下する。共振周波数ｆｒ１と駆動周波数ｆｏの差が変化すると電力伝送効率が変化する。リチウムイオン２次電池１０６を安定的に充電するためには、共振周波数ｆｒ１が変化したとき、共振周波数ｆｒ１に駆動周波数ｆｏを追随させる必要がある。
【００４８】
給電コイル回路１２０には検出コイルＬＳＳが設けられる。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。コア１５４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。
【００４９】
給電コイル回路１２０の電流経路の一部もコア１５４の貫通孔を貫通している。これは、コア１５４に対する給電コイル回路１２０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。給電コイルＬ２の交流電流Ｉ２が発生させる交流磁場により、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、Ｉ２・（Ｎｐ／Ｎｓ）となる。
【００５０】
検出コイルＬＳＳの両端には抵抗Ｒ４が接続される。抵抗Ｒ４の一端Ｂは接地され、他端Ａの電位ＶＳＳはコンパレータ１４２を介して位相検出回路１１４に接続される。
【００５１】
電位ＶＳＳは、コンパレータ１４２によって２値化され、Ｓ０信号となる。Ｓ０信号の高周波成分は、ダイオードＤ１によりカットされる。コンパレータ１４２は電位ＶＳＳ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３．０（Ｖ）を出力する。電位ＶＳＳは、コンパレータ１４２によってデジタル波形のＳ０信号に変換される。電流Ｉ２と誘導電流ＩＳＳは同相であり、誘導電流ＩＳＳと電位ＶＳＳ（Ｓ０信号）は同相である。また、送電制御回路２００を流れる交流電流ＩＳは電流Ｉ２と同相である。したがって、Ｓ０信号の波形を観察することにより交流電流ＩＳの電流位相を計測できる。
【００５２】
共振周波数ｆｒ１と駆動周波数ｆｏが一致するときには電流位相と電圧位相も一致する。共振周波数ｆｒ１と駆動周波数ｆｏのずれは、電流位相と電圧位相の位相差から計測できる。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、この位相差に基づいて、共振周波数ｆｒ１と駆動周波数ｆｏのずれを計測することにより、共振周波数ｆｒ１の変化に対して駆動周波数ｆｏを自動的に追随させる。
【００５３】
電流位相を示すＳ０信号は位相検出回路１１４に入力される。また、ＶＣＯ２０２が発生させる交流電圧Ｖｏも、電圧位相を示すＳ２信号として位相検出回路１１４に入力される。位相検出回路１１４は、Ｓ０、Ｓ２信号から電流位相と電圧位相のずれ（位相差）を検出し、位相差の大きさを示す位相差指示電圧ＳＣを生成する。位相差の検出により、共振周波数ｆｒ１と駆動周波数ｆｏのずれの大きさを検出する。位相差指示電圧ＳＣにしたがって駆動周波数ｆｏを制御することにより、駆動周波数ｆｏを共振周波数ｆｒ１に追随させることができる。位相検出回路１１４は、ＶＣＯ２０２と同じくモトローラ社：製品番号ＭＣ１４０４６Ｂの内蔵ユニット（Phase Comparator）を利用している。
【００５４】
たとえば、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１が乖離すると位相差が大きくなるため、位相比較回路１５０はこの位相差を小さくするように位相差指示電圧ＳＣを発生させればよい。したがって、共振周波数ｆｒ１が変化しても、電力伝送効率を一定に保ち、リチウムイオン２次電池１０６を安定的に充電できる。
【００５５】
４つの給電コイルＬ２ａ〜Ｌ２ｄは、ｘ軸方向に並べられる。ワイヤレス受電装置１１８が給電コイルＬ２ａ〜Ｌ２ｄのいずれかの上を通過すると、給電コイルＬ２から交流電力が供給される。給電コイルＬ２ａ〜Ｌ２ｄに対応して受信装置１１２ａ〜１１２ｄが埋設される。また、ワイヤレス受電装置１１８（車両）においては受電コイルＬ３のそばに送信装置１１０が設けられる。
【００５６】
送信装置１１０はポジション信号を地面に向かって送信し、受信装置１１２はこれを受信する。受信装置１１２は、ポジション信号を受信すると、検知信号を発生させる。検知信号の電圧レベル（強度）は、受信したポジション信号の電圧レベル（受信強度）によって変化する。受信装置１１２ａ〜１１２ｄからの検知信号は、それぞれ、コンパレータ１２２ａ〜１２２ｄの非反転端子に入力される。各コンパレータ１２２の反転端子には基準電位Ｖｒｅｆが設定される。すなわち、検知信号の電圧レベルが基準電圧Ｖｒｅｆ以上であるとき、コンパレータ１２２はハイレベルの電圧を出力する。
【００５７】
コンパレータ１２２ａ〜１２２ｄの出力は、抵抗Ｒ５ａ〜Ｒ５ｄにより分圧され、バッファ１２４ａ〜１２４ｄを通過した後、フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｄに供給される。各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｄの一端はバッファ１２４ａ〜１２４ｄにそれぞれ接続され、他端はいずれも抵抗Ｒ６を介して接地される。たとえば、受信装置１１２ａが強いポジション信号を受信すると、コンパレータ１２２ａには基準電位Ｖｒｅｆ以上の電圧が供給され、フォトダイオードＰＤａが発光する。この結果、フォトダイオードＰＤａに対向する位置に設けられるスイッチＳＷａ（フォトスイッチ）がオンとなり、給電コイルＬ２ａがトランスＴ２二次コイルＬｉと接続される。フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｄは、ダイオード・オア接続されているため、２以上のフォトダイオードＰＤが同時に発光することはない。これについては、図３、図４に関連して後述する。
【００５８】
このように、選択回路１０２は、４つのフォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｄを排他的に発光させることにより、４つのスイッチＳＷａ〜ＳＷｄを排他的に導通させる。４つの給電コイルＬ２ａ〜Ｌ２ｄのうち２以上が同時にキャパシタＣ２と接続されてしまうと、給電コイル回路１２０の共振周波数が設定値（１００ｋＨｚ）とは違う値になってしまう。このため、選択回路１０２では、同一インダクタンスの４つの給電コイルＬ２ａ〜Ｌ２ｄのうち１つだけが接続されるように制御し、給電コイル回路１２０の共振周波数の設定を維持している。
【００５９】
図３は、選択回路１０２におけるダイオード・オア接続を模式的に示す図である。フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｄには、受信装置１１２ａ〜１１２ｄから検知信号が供給される。上述のように、受信装置１１２は、送信装置１１０からポジション信号を受信すると検知信号を発生させる。ポジション信号の強度に応じて、いいかえれば、送信装置１１０と受信装置１１２の距離に応じて検知信号の強度も変化する。検知信号が基準電位Ｖｒｅｆ以上であれば、フォトダイオードＰＤが発光する。ここで、フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｄにそれぞれ対応して設けられる抵抗Ｒ５ａ〜Ｒ５ｄには差分が設けられている。具体的には、フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｄの入力電圧は、１２．０（Ｖ）、１１．５（Ｖ）、１１．０（Ｖ）、１０．５（Ｖ）となるように設定されている。いわゆるダイオード・オア接続となっているため、基準電位Ｖｒｅｆ以上の検知信号を発生する受信装置１１２が複数あるときにも、１つのフォトダイオードＰＤのみが発光するように制御される。なお、図２では、図面左側（ワイヤレス受電装置１１８の進行方向側）のフォトダイオードの入力電圧ほど高くなるように設定されているが、各フォトダイオードの入力電圧の設定値は任意である。
【００６０】
図４は、送信装置１１０の位置と検知信号の強度の関係を示すグラフである。ポジションＰ１は、受信装置１１２ｂと送信装置１１０が対向するときのワイヤレス受電装置１１８の位置に対応する。このときには、受信装置１１２ｂの検知信号の信号強度が最大となる。また、他の受信装置１１２ａ、１１２ｃ、１１２ｄは、ポジションＰ１においては基準電圧Ｖｒｅｆ以上の検知信号を発生しないため、フォトダイオードＰＤｂのみが発光する。この結果、給電コイルＬ２ｂから受電コイルＬ３にワイヤレス給電される。
【００６１】
ポジションＰ２は、受信装置１１２ａと送信装置１１０が対向するときのワイヤレス受電装置１１８の位置に対応する。このときには上記と同様の理由により、フォトダイオードＰＤａのみが発光する。この結果、給電コイルＬ２ａから受電コイルＬ３にワイヤレス給電される。
【００６２】
ポジションＰ３は、送信装置１１０が受信装置１１２ａおよび受信装置１１２ｂの中間点に位置するときに対応する。受信装置１１２ａおよび受信装置１１２ｂそれぞれからの検知信号はポジションＰ１、Ｐ２のときに比べると弱いが、いずれも基準電圧Ｖｒｅｆを超えている。しかし、フォトダイオードＰＤａ、ＰＤｂがダイオード・オア接続されているため、結果として、フォトダイオードＰＤａのみが発光する。いいかえれば、受信装置１１２ａおよび受信装置１１２ｂの双方がポジション信号を受信した場合、フォトダイオードＰＤａのみが発光するため、ワイヤレス受電装置１１８に効率的に給電できる。
【００６３】
まとめると、ワイヤレス受電装置１１８がワイヤレス給電装置１１６の上を通過するとき、給電コイルＬ２ｄ、Ｌ２ｃ、Ｌ２ｂ、Ｌ２ａの順にワイヤレス給電の主体が変更される。また、給電コイルＬ２の切り換えに際しては、常時、１つの給電コイルＬ２のみが選択される。この結果、４つの給電コイルＬ２ａ〜Ｌ２ｄから、常時、安定したワイヤレス給電が可能となる。しかも、位相検出回路１１４による駆動周波数ｆｏの自動調整機能により、電力伝送効率をいっそう安定させることができる。駆動周波数ｆｏの自動調整機能については、次の図５以降に関連して詳述する。
【００６４】
図５は、受電コイル回路１３０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、受電コイル回路１３０（キャパシタＣ３と受電コイルＬ３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。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、受電コイル回路１３０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。
【００６５】
図５においては、駆動周波数ｆｏ＝共振周波数ｆｒ１となるとき、インピーダンスＺは最低となり、受電コイル回路１３０は共振状態となる。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１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。
【００６６】
駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１と一致するとき、給電コイルＬ２には共振周波数ｆｒ１にて交流電流Ｉ２が流れ、受電コイル回路１３０にも共振周波数ｆｒ１にて交流電流Ｉ３が流れる。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、共振周波数ｆｒ１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。
【００６７】
駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１がずれると、給電コイルＬ２には非・共振周波数の交流電流Ｉ２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、電力伝送効率は急激に悪化する。
【００６８】
図６は、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１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。
【００６９】
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）に電流ＩＳが流れ始める。
【００７０】
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）に電流ＩＳが流れ始める。
【００７１】
電流ＩＳと誘導電流ＩＳＳは同相であり、Ｓ０信号は誘導電流ＩＳＳと同相である。このため、電流ＩＳの電流波形とＳ０信号の電圧波形は同期する。Ｓ０信号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。
【００７２】
電位ＶＳＳがアナログ波形となる場合にも、コンパレータ１４２はデジタル波形のＳ０信号を生成できる。電位ＶＳＳは、電流ＩＳに同期して変化する。位相検出回路１１４は、Ｓ２信号（駆動電圧Ｖｏ）の立ち上がりエッジ時刻と、Ｓ０信号の立ち上がりエッジ時刻を比較することにより位相差ｔｄを求める。コンパレータ１４２がＶＳＳをデジタル波形に変換（整形）するため、位相検出回路１１４は位相差ｔｄを検出しやすくなる。もちろん、位相検出回路１１４は、ＶＳＳとＶｏを直接比較して位相差ｔｄを検出してもよい。
【００７３】
図７は、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１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ｆｒ１よりも大きい場合、受電コイル回路１３０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Ｓ０信号は同相であるから、Ｓ０信号とＳ２信号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。
【００７４】
図６に示したように、駆動周波数ｆｏ＝共振周波数ｆｒ１のときには、第１期間の開始タイミングである時刻ｔ０から電流ＩＳが流れ始めＶＳＳ＞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ｆｒ１の場合、電流ＩＳＳは時刻ｔ０よりも遅い時刻ｔ５から流れ始めＶＳＳ＞０となるため、位相差ｔｄ＝ｔ０−ｔ５＜０となる。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１がずれると、電力伝送効率が悪化し、電流ＩＳやＶＳＳの振幅は共振時に比べて小さくなる。
【００７５】
図８は、駆動周波数が共振周波数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ｆｒ１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ｔ０よりも早い時刻ｔ６から流れ始めるため、位相差ｔｄ＝ｔ０−ｔ６＞０となる。電流ＩＳやＶＳＳの振幅は共振時に比べて小さくなる。
【００７６】
図９は、位相差指示電圧ＳＣと駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。図９に示す関係は、ＶＣＯ２０２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ｆｒ１の変化量に比例する。そこで、位相検出回路１１４は、位相差ｔｄに応じて位相差指示電圧ＳＣの変化量を決定し、その変化量に応じて駆動周波数ｆｏを決定する。
【００７７】
まず、初期状態では共振周波数ｆｒ１（＝ｆｒ０）＝１００ｋＨｚなので、駆動周波数ｆｏ＝１００ｋＨｚに設定される。位相差指示電圧ＳＣ＝３．０（Ｖ）に初期設定される。共振周波数ｆｒ１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ｆｒ１（＝９０ｋＨｚ）となるため、位相差ｔｄ＜０となる。位相差ｔｄは、共振周波数ｆｒ１の変化量（−１０ｋＨｚ）に比例する。位相検出回路１１４は、位相差ｔｄに応じて位相差指示電圧ＳＣの変化量を決定する。上記設例では、位相検出回路１１４は位相差指示電圧ＳＣの変化量を−１（Ｖ）とし、新たな位相差指示電圧ＳＣ＝２（Ｖ）を出力する。ＶＣＯ２０２は、図９のグラフに示す関係にしたがって、位相差指示電圧ＳＣ＝２．０（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ｆｒ１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。
【００７８】
図１０は、複数のワイヤレス給電装置１１６を地面に埋設することにより、複数の車両１２６にワイヤレス給電する状況を模式的に示す図である。本実施形態においては、１つのワイヤレス給電装置１１６につき４つの給電コイルＬ２を制御する。図１０の場合、４つのワイヤレス給電装置１１６ａ〜１１６ｄが埋設されているため、給電コイルＬ２の数は合計１６個である。地上を、車両１２６ａ、１２６ｂが通過している。いずれもＥＶである。
【００７９】
車両１２６ａはワイヤレス給電装置１１６ａの上を通過している。また、車両１２６ｂはワイヤレス給電装置１１６ｃ上を通過している。この結果、車両１２６ａはワイヤレス給電装置１１６ａ、車両１２６ｂはワイヤレス給電装置１１６ｃから給電される。
【００８０】
車両１２６から送信されるポジション信号は、車両のＩＤ情報を含んでもよい。たとえば、ナンバープレートをＩＤ情報としてもよい。ワイヤレス給電装置１１６ａがこのＩＤ情報とワイヤレス給電した電力量をインターネットなどの通信回線を介して外部装置に通知するころにより、後日、車両１２６の所有者に課金してもよい。
【００８１】
車両１２６は、常時、ポジション信号を送信する必要はない。リチウムイオン２次電池１０６の充電量が所定値以内となったときに自動的にポジション信号を送信するように制御すれば、車両１２６の運転手はリチウムイオン２次電池１０６の状態を意識せずにドライブを継続できる。もちろん、運転手が自らポジション信号のオン・オフを制御してもよい。ワイヤレス給電装置１１６は、直進コースに設置されてもよいし、交差点などの低速走行となりやすい場所に設置されてもよい。あるいは、駐車場などの停止場所に設置されてもよい。
【００８２】
図１１は、駆動周波数ｆｏを固定した場合において、ワイヤレス受電装置１１８の位置と出力電圧、位相差の関係を示すグラフである。このグラフは、直流電源ＶＤＤの電圧を２５（Ｖ）、リチウムイオン２次電池１０６の代わりに５（Ω）の負荷を接続したときの実験データを示す。この実験において、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３の直径はいずれも１００（ｍｍ）、コイル間距離は２０（ｍｍ）とする。送信装置１１０と受信装置１１２が完全に対向するとき、ｘ＝０（ｍｍ）としている。給電コイル回路１２０の共振周波数は１７０ｋＨｚに設定されている。図１１の出力電圧特性１２８、位相差特性１３２によれば、送信装置１１０と受信装置１１２のずれが約１５（ｍｍ）以内であれば、出力電圧は５（Ｖ）以上、位相差は１（％）以内に抑制できている。したがって、周波数追随させない場合には、送信装置１１０と受信装置１１２のずれが１５（ｍｍ）以上となる前に、隣の給電コイルＬ２からのワイヤレス給電に切り換えられるように各給電コイルＬ２を配置することが望ましい。
【００８３】
図１２は、駆動周波数ｆｏを可変とした場合において、ワイヤレス受電装置１１８の位置と出力電圧、位相差の関係を示すグラフである。位相検出回路１１４による周波数追随をさせる場合、コイル間距離が約４０（ｍｍ）以内であっても、出力電圧、位相差共に安定させることができる。
【００８４】
図１３は、駆動周波数ｆｏとワイヤレス受電装置１１８の位置の関係を示すグラフである。駆動周波数追随方式１３６は、位相検出回路１１４により駆動周波数ｆｏを共振周波数ｆｒ１に追随させるときの周波数特性を示す。駆動周波数固定方式１３４は、駆動周波数ｆｏを固定としたときの周波数特性を示す。駆動周波数追随方式１３６の場合、ｘ＝５０（ｍｍ）であってもフィードバック制御により駆動周波数ｆｏが調整されている。
【００８５】
［第２実施形態］
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１００の原理図である。第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００も、ワイヤレス給電装置１１６とワイヤレス受電装置１１８を含む。ただし、ワイヤレス受電装置１１８は受電ＬＣ共振回路３０２を含むが、ワイヤレス給電装置１１６は給電ＬＣ共振回路３００を含まない。すなわち、給電コイルＬ２は、ＬＣ共振回路の一部とはなっていない。より具体的には、給電コイルＬ２は、ワイヤレス給電装置１１６に含まれる他の回路要素とは共振回路を形成しない。給電コイルＬ２に対しては、直列・並列のいずれにもキャパシタが挿入されない。したがって、電力を伝送するときの周波数においては、給電コイルＬ２は非共振となる。
【００８６】
給電源ＶＧは、共振周波数ｆｒ１の交流電流を給電コイルＬ２に供給する。給電コイルＬ２は共振しないが、共振周波数ｆｒ１の交流磁場を発生させる。受電ＬＣ共振回路３０２は、この交流磁場により共振する。この結果、受電ＬＣ共振回路３０２には大きな交流電流が流れる。本発明者の検討により、ワイヤレス給電装置１１６においては必ずしもＬＣ共振回路を形成する必要がないことが判明した。給電コイルＬ２は、給電ＬＣ共振回路の一部ではないため、ワイヤレス給電装置１１６としては共振周波数ｆｒ１にて共振状態には移らない。一般的には、磁場共振型のワイヤレス給電は、給電側と受電側双方に共振回路を形成し、それぞれの共振回路を同一の共振周波数ｆｒ１（＝ｆｒ０）で共振させることにより、大電力の送電が可能となると解釈されている。しかし、給電ＬＣ共振回路３００を含まないワイヤレス給電装置１１６であっても、ワイヤレス受電装置１１８が受電ＬＣ共振回路３０２を含んでさえいれば、磁場共振型のワイヤレス給電を実現可能であることがわかった。
【００８７】
給電コイルＬ２と受電側コイルＬ３とが磁場結合しても、キャパシタＣ２が省略されているため新たな共振回路（共振回路同士の結合による新たな共振回路）が形成されない。この場合、給電コイルＬ２と受電側コイルＬ３との磁場結合は、その結合が強くなればなるほど受電ＬＣ共振回路３０２の共振周波数に影響を及ぼす。この共振周波数、すなわち共振周波数ｆｒ１近傍の周波数の交流電流を給電コイルＬ２に供給することにより、磁場共振型のワイヤレス給電が実現可能となる。また、キャパシタＣ２が不要であるためサイズやコスト面でも有利となる。
【００８８】
図１５は、第２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。第２実施形態のワイヤレス電力伝送システム１００においては、第１実施形態のワイヤレス電力伝送システム１００からキャパシタＣ２が省略されている。その他の点は、第１実施形態と同様である。
【００８９】
［第３実施形態］
図１６は、第３実施形態において、複数の給電コイルＬ２が埋設されたテーブル１３８の平面図である。給電コイルＬ２は、一列に限らず、テーブル１３８のような平面に二次元的に配列されてもよい。
【００９０】
図１７は、テーブル１３８にワイヤレス受電装置１１８として形成されるランプ１４２を配置したときの断面図である。テーブル１３８に２次元配置される複数の給電コイルＬ２を制御対象として、第１および第２実施形態として示したワイヤレス給電装置１１６を形成してもよい。ランプ１４２は、受電コイルＬ３やロードコイルＬ４を含むワイヤレス受電装置１１８として形成される。ランプ１４２の置き場所に応じて１つの給電コイルＬ２が選択される。この結果、ランプ１４２をどこに置くかに関わらず、最適な給電コイルＬ２からランプ１４２にワイヤレス給電される。
【００９１】
図１８は、第４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。第４実施形態におけるワイヤレス給電装置１１６も、基本構成として、送電制御回路２００、給電コイル回路１２０、選択回路１０２および位相検出回路１１４を含む。ワイヤレス受電装置１１８は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。
【００９２】
第４実施形態における４つの給電コイルＬ２は、接続制御回路１６２および最大値検出器１６０の制御よりトランスＴ２二次コイルＬｉに選択的に接続される。同時に２以上の給電コイルＬ２がトランスＴ２二次コイルＬｉと接続されることはない。
【００９３】
送信装置１１０はポジション信号を地面に向かって送信し、受信装置１１２はこれを受信する。受信装置１１２ａ〜１１２ｄからの検知信号は、それぞれ、コンパレータ１２２ａ〜１２２ｄの非反転端子に入力される。各コンパレータ１２２の反転端子には基準電位Ｖｒｅｆが設定される。すなわち、検知信号の電圧レベルが基準電圧Ｖｒｅｆ以上であるとき、コンパレータ１２２はハイレベルの電圧を出力する。
【００９４】
コンパレータ１２２ａ〜１２２ｄの出力は、抵抗Ｒ５ａ〜Ｒ５ｄにより分圧され、最大値検出器１６０に供給される。最大値検出器１６０は、最大出力となるコンパレータ１２２を選択し、その選択結果を示す選択信号を接続制御回路１６２に供給する。抵抗Ｒ５ａ〜Ｒ５ｄには差分が設けられている。具体的には、コンパレータ１２２ａ〜１２２ｄの最大出力電圧は、１２．０（Ｖ）、１１．５（Ｖ）、１１．０（Ｖ）、１０．５（Ｖ）となるように設定されている。最大値が一致しないため、最大値検出器１６０は２以上のコンパレータ１２２を同時に選択することはない。
【００９５】
接続制御回路１６２は、４つの給電コイルＬ２のいずれかを選択信号にしたがって選択する。たとえば、受信装置１１２ａがもっとも強いポジション信号を受信すると、給電コイルＬ２ａがトランスＴ２二次コイルＬｉと接続される。
【００９６】
図１９は、第２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。第２実施形態のワイヤレス電力伝送システム１００においては、第１実施形態のワイヤレス電力伝送システム１００からキャパシタＣ２が省略されている。その他の点は、第１実施形態と同様である。
【００９７】
以上、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００について説明した。第１および第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００によれば、複数の給電コイルＬ２のうちＥＶの位置に応じて最適な給電コイルＬ２を選択できる。また、周波数追随機能により、ＥＶに供給される電力がいっそう安定させている。特に、第２実施形態においてはキャパシタＣ２の不要化により、低周波数化や低コスト化、省サイズ化が可能となる。第３実施形態においても、ランプ１４２の置き場所に関わらず、好適なワイヤレス給電が可能となる。
【００９８】
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、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。
【００９９】
ワイヤレス電力伝送システム１００において伝送される「交流電力」は、エネルギーに限らず、信号として伝送されてもよい。アナログ信号やデジタル信号をワイヤレスにて送電する場合にも、本発明におけるワイヤレス電力伝送方法を適用可能である。ワイヤレス電力伝送システム１００は、移動体の停止位置に応じて複数のワイヤレス給電装置１１６のいずれかを選択的に制御してもよい。また、ワイヤレス給電装置１１６は地中に限らず、建物の床下や壁中等に埋設されてもよい。
【符号の説明】
【０１００】
１００、１０２  ワイヤレス電力伝送システム、１２０  給電コイル回路、１３０  受電コイル回路、１４０  ロード回路、２００、２０４  ワイヤレス給電装置、２０２  オシレータ、１００  ワイヤレス電力伝送システム、１０２  選択回路、１０４  充電制御回路、１０６  リチウムイオン２次電池、１０８  整流回路、１１０  送信装置、１１２  受信装置、１１４  位相検出回路、１１６  ワイヤレス給電装置、１１８  ワイヤレス受電装置、１２０  給電コイル回路、１２２  コンパレータ、１２４  バッファ、１２６  車両、１２８  出力電圧特性、１３０  受電コイル回路、１３２  位相差特性、１３４  駆動周波数固定方式、１３６  駆動周波数追随方式、１３８  テーブル、１４０  ロード回路、１４２  ランプ、１５４  コア、１６０  最大値検出器、１６２  接続制御回路、
２００  送電制御回路、２０２  ＶＣＯ、３００  給電ＬＣ共振回路、３０２  受電ＬＣ共振回路、ＬＤ  負荷、Ｌ２  給電コイル、Ｌ３  受電コイル、Ｃ２  キャパシタ、Ｃ３  キャパシタ、ＳＷ  スイッチ、ＬＳＳ  検出コイル、ＰＤ  フォトダイオード。
【図１】
0005891754.tif 000002
【図２】
0005891754.tif 000003
【図３】
0005891754.tif 000004
【図４】
0005891754.tif 000005
【図５】
0005891754.tif 000006
【図６】
0005891754.tif 000007
【図７】
0005891754.tif 000008
【図８】
0005891754.tif 000009
【図９】
0005891754.tif 000010
【図１０】
0005891754.tif 000011
【図１１】
0005891754.tif 000012
【図１２】
0005891754.tif 000013
【図１３】
0005891754.tif 000014
【図１４】
0005891754.tif 000015
【図１５】
0005891754.tif 000016
【図１６】
0005891754.tif 000017
【図１７】
0005891754.tif 000018
【図１８】
0005891754.tif 000019
【図１９】
0005891754.tif 000020