(57)【要約】【課題】磁場共振型のワイヤレス給電において、負荷電圧を安定させる。【解決手段】給電コイルＬ２から受電コイルＬ３には磁気共振により電力が伝送される。ＶＣＯ２０２は、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を駆動周波数ｆｏにて交互にオン・オフさせ、給電コイルＬ２に交流電力を供給し、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３に交流電力を供給する。位相検出回路１１４は電流位相と電圧位相の位相差を検出し、ＶＣＯ２０２はこの位相差がゼロとなるように駆動周波数ｆｏを調整する。負荷電圧が変化したときには電流位相の検出値が調整され、結果として駆動周波数ｆｏが調整される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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送電制御回路と、
前記給電コイルおよびキャパシタを含み、前記受電コイルの共振周波数にて共振する給電コイル回路と、
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、
前記交流電力の受電側から、出力の大きさを示す出力信号を受信する信号受信回路と、を備え、
前記送電制御回路は、前記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により前記駆動周波数を前記共振周波数に追随させ、
更に、前記位相検出回路は、前記電圧位相および前記電流位相の双方または一方について検出された位相値を前記出力信号に応じて事後調整することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項２】
前記位相検出回路は、前記交流電力の電圧成分および電流成分の双方または一方をノコギリ波状の信号に変換した上で、前記位相差を検出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】
前記信号受信回路は、光信号として前記出力信号を受信す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】
前記位相検出回路は、前記交流電力の電圧レベルが第１の基準値となるタイミングである第１の位相値と前記交流電力の電流レベルが第２の基準値となるタイミングである第２の位相値を比較することにより前記位相差を検出し、前記出力信号により前記第１および第２の基準値の双方または一方を変更することにより前記第１および第２の位相値の双方または一方を事後調整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】
前記出力信号は、信号周波数の大きさにより出力の大きさを示す交流信号であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項６】
前記給電コイルと磁気結合し、前記送電制御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、を更に備え、
前記送電制御回路は、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のスイッチを駆動周波数にて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することを特徴とする請求項１から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を更に備え、
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から、前記交流電力の電流位相を計測することを特徴とする請求項１から６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、
前記受電コイルとキャパシタを含み、前記給電コイルの共振周波数にて共振する受電コイル回路と、
前記受電コイルと磁気結合することにより前記受電コイルから前記交流電力を受電するロードコイルと、前記ロードコイルから電力を供給される負荷とを含むロード回路と、
前記ロード回路の一部に印加される出力電圧の大きさを示す出力信号を前記ワイヤレス給電装置に送信する信号送信回路と、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】
前記信号送信回路は、前記出力電圧と基準電圧の差分値を示す信号として前記出力信号を送信す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】
前記基準電圧が調整可能に形成されたことを特徴とする請求項９に記載のワイヤレス受電装置。
【請求項１１】
前記出力信号は、前記出力電圧の大きさを信号周波数の大きさにより示す交流信号であることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
【請求項１２】
前記ロード回路には整流回路が設けられ、前記整流回路により直流電圧として前記出力電圧を生成することを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
【請求項１３】
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システムであって、
前記給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給する送電制御回路と、
前記給電コイルおよび第１のキャパシタを含む給電コイル回路と、
前記受電コイルおよび第２のキャパシタを含む受電コイル回路と、
前記受電コイルと磁気結合することにより前記受電コイルから前記交流電力を受電するロードコイルと、前記ロードコイルから電力を供給される負荷とを含むロード回路と、
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、
前記送電制御回路は、前記位相差が減少するように前記駆動周波数を調整し、
更に、前記位相検出回路は、前記ロード回路の一部に印加される出力電圧の大きさに応じて、前記電圧位相および前記電流位相の双方または一方について検出された位相値を事後調整す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、ワイヤレス給電に関し、特に、そのパワー制御に関する。
【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、距離を大きくすると電力伝送効率が急激に低下してしまうため数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。磁場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。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。
【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から交流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まで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
【特許文献５】米国公開２００９／００１５０７５号公報
【特許文献６】特開２００８−１７２８７２号公報
【特許文献７】特開２００６−７４８４８号公報
【特許文献８】特開２００３−３３０１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者は、ワイヤレス給電の利用可能性を拡げるためには、給電電力を自動制御して出力を安定させる仕組みが必要であると考える。特許文献７が開示する非接触電力伝送装置は、上記タイプ（Ａ）ではあるが、受電側の２次側ユニットが出力電圧の大きさを送電側の１次側ユニットに伝え、１次側ユニットは出力電圧に応じて給電電力を制御している。具体的には、コイルＬ４（２次側ユニット）からコイルＬ３（１次側ユニット）に、出力電圧の大きさを示す信号を送信している。
【０００８】
特許文献７の非接触電力伝送装置は、１次側直列共振回路や２次側直列共振回路の共振周波数が一定であることを暗黙の前提としている。しかし、磁場共振型の場合には給電コイルと受電コイルの位置関係等により共振周波数が変化しやすいため、特許文献７の仕組みを磁場共振型にそのまま応用しても実際的ではない。また、磁場共振型の場合、給電コイルや受電コイルが発生させる磁場が、コイルＬ４からＬ３への電磁波による信号伝送に大きな影響を及ぼすと考えられる。
【０００９】
本発明は、磁場共振型のワイヤレス給電において、給電電力を効率的に制御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】
【００１０】
本発明に係るワイヤレス給電装置は、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、給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給する送電制御回路と、給電コイルおよびキャパシタを含む回路であって受電コイルの共振周波数にて共振する給電コイル回路と、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、受電側から出力の大きさを示す出力信号を受信する信号受信回路を備える。送電制御回路は、位相差が減少するように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。更に、位相検出回路は、電圧位相および電流位相の双方または一方について検出された位相値を出力信号に応じて事後調整する。
【００１１】
交流電力の電流位相と電圧位相を比較してその位相差を検出し、位相差が減少するように駆動周波数を調整すれば、共振周波数に駆動周波数を追随させることができる。この結果、共振周波数が変化しても、電力伝送効率を一定に維持しやすくなる。また、出力電圧が変化したとき、その変化量に応じて電圧位相や電流位相を事後調整すれば、調整後の位相差に応じて駆動周波数が変化する。駆動周波数をパラメータとして給電電力をフィードバック制御できるので、出力電圧を安定させやすくなる。
【００１２】
位相検出回路は、交流電力の電圧成分および電流成分の双方または一方をノコギリ波状の信号に変換した上で、位相差を検出してもよい。信号受信回路は、赤外線などの光信号として出力信号を受信してもよい。また、出力信号は、信号周波数の大きさにより出力の大きさを示す交流信号であってもよい。位相検出回路は、交流電力の電圧レベルが第１の基準値となるタイミングである第１の位相値と電力の電流レベルが第２の基準値となるタイミングである第２の位相値を比較することにより位相差を検出し、出力信号により第１および第２の基準値の双方または一方を変更することにより第１および第２の位相値の双方または一方を事後調整してもよい。
【００１３】
この装置は、給電コイルと磁気結合し送電制御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を備えてもよい。送電制御回路は、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のスイッチを駆動周波数にて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してもよい。
【００１４】
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を更に備えてもよい。位相検出回路は、検出コイルに流れる誘導電流の位相から、交流電力の電流位相を計測してもよい。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りにくくなる。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。
【００１５】
本発明に係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、受電コイルとキャパシタを含み、給電コイルの共振周波数にて共振する受電コイル回路と、受電コイルと磁気結合することにより受電コイルから交流電力を受電するロードコイルと、ロードコイルから電力を供給される負荷とを含むロード回路と、ロード回路の一部に印加される出力電圧の大きさを示す出力信号をワイヤレス給電装置に送信する信号送信回路を備える。
【００１６】
信号送信回路は、出力電圧と基準電圧の差分値を示す信号として出力信号を送信してもよい。基準電圧は手動にて調整可能であってもよい。出力信号は、出力電圧の大きさを信号周波数の大きさにより示す交流信号であってもよい。ロード回路に整流回路を設け、整流回路により直流電圧として出力電圧を生成してもよい。
【００１７】
本発明に係るワイヤレス電力伝送システムは、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システムである。このシステムは、給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給する送電制御回路と、給電コイルおよび第１のキャパシタを含む給電コイル回路と、受電コイルおよび第２のキャパシタを含む受電コイル回路と、受電コイルと磁気結合することにより受電コイルから交流電力を受電するロードコイルと、ロードコイルから電力を供給される負荷とを含むロード回路と、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。送電制御回路は、位相差が減少するように駆動周波数を調整する。更に、位相検出回路は、ロード回路の一部に印加される出力電圧の大きさに応じて、電圧位相および電流位相の双方または一方について検出された位相値を事後調整する。
【００１８】
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】
【００１９】
本発明によれば、磁場共振型のワイヤレス給電において、給電電力を効率的に制御しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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】負荷電流と負荷電圧の関係を示すグラフである。
【図３】コイル間距離と負荷電圧の関係を示すグラフである。
【図４】給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】信号送信回路の回路図である。
【図７】ＶＦ変換器における信号周波数とＴ０信号の関係を示すグラフである。
【図８】信号受信回路の回路図である。
【図９】ＦＶ変換器における信号周波数とＴ２信号の関係を示すグラフである。
【図１０】電流位相検出回路の回路図である。
【図１１】Ｓ０信号とＳ１信号の関係を示すタイムチャートである。
【図１２】変形例におけるワイヤレス受電装置の回路図である。
【図１３】ワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図の変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
図１は、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、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、基本構成として、送電制御回路２００、エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、位相検出回路１１４および信号受信回路１１２を含む。ワイヤレス受電装置１１８は、受電コイル回路１３０、ロード回路１４０および信号送信回路１２２を含む。
【００２３】
給電コイル回路１２０が有する給電コイルＬ２と、受電コイル回路１３０が有する受電コイルＬ３の間には０．２〜１．０ｍ程度の距離（以下、「コイル間距離」とよぶ）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ｆｒ＝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。
【００２４】
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。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。エキサイトコイルＬ１の巻き数は１回、導線直径は５ｍｍ、エキサイトコイルＬ１自体の形状は２１０ｍｍ×２１０ｍｍの正方形である。図１では、わかりやすさのため、エキサイトコイルＬ１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１に示す各コイルの材質はいずれも銅である。エキサイト回路１１０には交流電流Ｉ１が流れる。
【００２５】
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以下と比較的近い。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。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。エキサイトコイルＬ１に交流電流Ｉ１を流すと、電磁誘導の原理により給電コイルＬ２に起電力が発生し、給電コイル回路１２０には交流電流Ｉ２が流れる。交流電流Ｉ２は交流電流Ｉ１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となるように設定される。
【００２６】
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。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の共振周波数ｆｒ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が共振周波数ｆｒ＝１００ｋＨｚ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。
【００２７】
ロード回路１４０は、ロードコイルＬ４が整流回路１２４と計測回路１２６を介して負荷ＬＤと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。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１２４により直流電流に整流される。一部は計測回路１２６を流れるが、大部分は直流電流Ｉ５として負荷ＬＤを流れる。整流回路１２４は、ブリッジ回路１２８とキャパシタＣ５により構成される一般的な回路である。計測回路１２６については後述する。
【００２８】
ワイヤレス給電装置１１６の給電コイルＬ２から送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により受電され、負荷ＬＤから直流電力として取り出される。負荷ＬＤに印加される電圧を「負荷電圧Ｖ５」とよぶ。
【００２９】
負荷ＬＤ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。
【００３０】
計測回路１２６は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、制御電源Ｖｓおよびコンパレータ１３２を含む。負荷電圧Ｖ５は、抵抗Ｒ１、Ｒ２により分圧される。抵抗Ｒ２の両端に印加される電圧を「出力電圧」とよぶ。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点Ｆの電位は「計測電位」としてコンパレータ１３２の負極端子に入力される。コンパレータ１３２の正極端子には制御電源Ｖｓが接続される。制御電源Ｖｓによる正極端子の入力電圧を「基準電位」とよぶ。制御電源Ｖｓは、可変直流電圧源であり任意に電圧調整可能である。コンパレータ１３２は、計測電位と基準電位の差分（以下、「補正電圧」とよぶ）を増幅し、その増幅後の値をＴ０信号として出力する。Ｔ０信号は直流電圧信号であり、補正電圧の大きさを示す。いいかえれば、Ｔ０信号は負荷電圧Ｖ５の変化を示す信号である。詳しくは後述するが、本実施形態のワイヤレス電力伝送システム１００では、この補正電圧がゼロとなるように給電電力を制御することにより、出力電圧（負荷電圧Ｖ５）を安定させている。
【００３１】
信号送信回路１２２は、直流電圧信号のＴ０信号を交流光信号のＴ１信号に変換する。Ｔ１信号は、出力の大きさを示す「出力信号」であり、ワイヤレス給電装置１１６の信号受信回路１１２により受光される。Ｔ１信号により、給電側は補正電圧の大きさを認識できる。信号送信回路１２２の回路構成および処理内容は、図６、図７に関連して後述する。また、信号受信回路１１２の回路構成および処理内容は、図８、図９に関連して後述する。
【００３２】
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ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）２０２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。
【００３３】
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、位相比較回路１５０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。
【００３４】
駆動周波数ｆｏの最小値はｆｏ１＝９０ｋＨｚ、最大値はｆｏ２＝９９ｋＨｚであるとして説明する。位相差指示電圧ＳＣの適正範囲は、１．０〜４．０（Ｖ）である。位相差指示電圧ＳＣと駆動周波数ｆｏは正比例する。すなわち、位相差指示電圧ＳＣ＝１．０（Ｖ）のとき駆動周波数ｆｏ＝ｆｏ１＝９０ｋＨｚであり、ＳＣ＝４．０（Ｖ）のときｆｏ＝ｆｏ２＝９９ｋＨｚとなる。
【００３５】
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１に示す点Ｃと点Ｅの間、キャパシタＣＢは点Ｅと点Ｃ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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、エキサイト回路１１０にも駆動周波数ｆｏにて交流電流Ｉ１が流れ、更に、給電コイル回路１２０にも駆動周波数ｆｏの交流電流Ｉ２が流れる。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ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ｆｒであれば、給電コイル回路１２０の給電コイルＬ２とキャパシタＣ２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】
ただし、本実施形態の場合、駆動周波数ｆｏの動作範囲には共振周波数ｆｒは含まれないため、電力伝送効率が最大となることはない。これは電力伝送効率を最大化するよりも、負荷電圧Ｖ５の安定を優先しているためである。負荷電圧Ｖ５の変化は補正電圧により検出できるため、ワイヤレス給電装置１１６は補正電圧がゼロとなるように駆動周波数ｆｏを自動調整する。詳細については後述する。
【００４４】
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。給電コイル回路１２０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Ｃ２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。また、本発明者の実験により、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３のコイル間距離をある程度近づけると共振周波数ｆｒが低下し始めることがわかっている。共振周波数ｆｒ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。電力伝送効率が変化すると、負荷電圧Ｖ５が変化する。したがって、負荷電圧Ｖ５を安定させるためには、共振周波数ｆｏが変化したときでも、共振周波数ｆｒと駆動周波数ｆｒの差を一定に保つ必要がある。
【００４５】
本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、共振周波数ｆｒの変化に対して駆動周波数ｆｏを自動的に追随させる駆動周波数追随機能を備える。
【００４６】
位相検出回路１１４は、電流位相検出回路１４４、位相比較回路１５０およびローパスフィルタ１５２を含む。ローパスフィルタ１５２は、抵抗Ｒ３とキャパシタＣ６が直列接続された回路であり、位相差指示電圧ＳＣの高周波数成分をカットするために挿入される。本実施形態における位相比較回路１５０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。したがって、位相比較回路１５０とＶＣＯ２０２は、ワンチップにて実現可能である。
【００４７】
電流位相検出回路１４４は、電流位相を示す信号として、Ｓ１信号を発生させる。Ｓ１信号は位相比較回路１５０に入力される。また、ＶＣＯ２０２が発生させる交流電圧Ｖｏは、電圧位相を示すＳ０信号として位相比較回路１５０に入力される。位相比較回路１５０は、Ｓ０、Ｓ１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ｆｒと駆動周波数ｆｏのずれの大きさ検出できる。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と共振周波数ｆｒの位相差を一定に保つことができる。
【００４８】
たとえば、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ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ｆｒが変化しても、電力伝送効率を一定に保ち、負荷電圧Ｖ５を安定させることができる。電流位相検出回路１４４の回路構成については図１０、Ｓ０信号とＳ１信号の関係については図１１、図１２に関連して後に詳述する。
【００４９】
なお、トランスＴ１一次コイルＬｈの両端に抵抗を並列接続し、交流電圧Ｖｏを分圧してＳ０信号としてもよい。分圧により、ＶＣＯ２０２の発生させる交流電圧Ｖｏが大きい場合でも、扱いやすい電圧に降圧できる。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。
【００５０】
たとえ共振周波数ｆｒが一定であっても、負荷電圧Ｖ５が変化することがある。たとえば、負荷ＬＤが可変抵抗器であるときや負荷ＬＤ自体を取り替えたときに負荷電圧Ｖ５は変化する。本実施形態では、負荷電圧Ｖ５の変化を補正電圧として検出し、補正電圧がゼロとなるように駆動周波数ｆｏを自動調整することにより、負荷電圧Ｖ５を安定させる。
【００５１】
補正電圧は、Ｔ１信号（交流光信号）として、信号送信回路１２２から信号受信回路１１２に伝達される。信号受信回路１１２は、交流光信号であるＴ１信号を直流電圧信号であるＴ２信号に変換する。Ｔ２信号の電圧レベルは補正電圧に正比例する。
【００５２】
電流位相検出回路１４４は、電流位相を示すＳ２信号（交流電圧信号）を補正電圧を示すＴ２信号（直流電圧信号）によって調整し、補正電流位相としてのＳ１信号（交流電圧信号）を出力する。Ｔ２信号がゼロのとき、すなわち、負荷電圧Ｖ５が所望値にあるときには、Ｓ２信号がそのままＳ１信号となる。位相比較回路１５０は、交流電力の電圧位相と電流位相の位相差をＳ０信号とＳ１信号に基づいて検出し、位相差指示電圧ＳＣを出力する。ＶＣＯ２０２は、位相差指示電圧ＳＣに基づいて、駆動周波数ｆｏを調整する。より具体的には、ＶＣＯ２０２は交流電圧Ｖｏのパルス幅を変化させることにより、駆動周波数ｆｏを変化させる。
【００５３】
補正電圧がゼロでないとき、すなわち、Ｔ２信号がゼロでないときにも、位相比較回路１５０は、交流電力の電圧位相と電流位相の位相差をＳ０信号とＳ１信号に基づいて検出し、位相差指示電圧ＳＣを出力する。ただし、このときのＳ１信号は、Ｓ２信号をＴ２信号に応じて補正した信号であるため、実際の電流位相を示す信号ではない。補正電圧に基づく調整ロジックについては、図１１に関連して更に詳述する。
【００５４】
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。
【００５５】
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、Ｉ２・（Ｎｐ／Ｎｓ）となる。
【００５６】
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を介して電流位相検出回路１４４に接続される。
【００５７】
電位ＶＳＳは、コンパレータ１４２によって２値化され、Ｓ２信号となる。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Ｓ２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（Ｓ２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、Ｓ２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。
【００５８】
図２は、負荷電流Ｉ５と負荷電圧Ｖ５の関係を示すグラフである。横軸は負荷ＬＤを流れる負荷電流Ｉ５（直流）の大きさを示し、縦軸は負荷電圧Ｖ５を示す。非調整時特性１３４は、補正電圧に基づく調整をしない場合の電流・電圧特性を示す。非調整時特性１３４の場合、負荷ＬＤが大きくなると負荷電流Ｉ５は減少し、負荷電圧Ｖ５は増加する。反対に負荷ＬＤが小さくなると負荷電流Ｉ５は増加し、負荷電圧Ｖ５は減少する。このように、給電電力が一定であっても負荷ＬＤを変更すると負荷電圧Ｖ５も変化する。
【００５９】
本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、調整時特性１３６に示す電流・電圧特性を実現する。具体的には、補正電圧に基づいてＳ１信号を調整することにより、電力伝送効率を変化させ、負荷電圧Ｖ５を安定させる。
【００６０】
図３は、コイル間距離ｄと負荷電圧Ｖ５の関係を示すグラフである。横軸は給電コイルＬ２と受電コイルＬ３のコイル間距離ｄ、縦軸は負荷電圧Ｖ５を示す。非調整時特性１４６は、補正電圧に基づく調整をしない場合の電圧・距離特性を示す。先述したように、コイル間距離ｄによって共振周波数ｆｒが変化する。共振周波数ｆｒが変化し、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒの差が変化すると、電力伝送効率が変化する。共振周波数ｆｒに駆動周波数ｆｏを追随させても、負荷電圧Ｖ５はコイル間距離ｄによって多少変化する。
【００６１】
本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、調整時特性１４８に示す電圧・距離特性を実現する。補正電圧に基づいてＳ１信号を調整することにより、電力伝送効率を変化させ、負荷電圧Ｖ５を安定させる。
【００６２】
図４は、給電コイル回路１２０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、給電コイル回路１２０（キャパシタＣ２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。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、給電コイル回路１２０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。
【００６３】
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Ｃ２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。
【００６４】
駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒが乖離するほどインピーダンスＺは大きくなり、電力伝送効率は低下する。したがって、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒの差を変化させることにより、電力伝送効率を変化させることができる。
【００６５】
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。本実施形態のワイヤレス電力伝送システム１００においては、駆動周波数ｆｏは共振周波数ｆｒよりも低いｆｏ１〜ｆｏ２の範囲で調整される。
【００６６】
図６は、信号送信回路１２２の回路図である。信号送信回路１２２は、赤外線ＬＥＤ（Light Emitting Diode）１５８と、トランジスタＱ３、ＶＦ変換器１５６を含む。トランジスタＱ３はエミッタ接地されるバイポーラ・トランジスタであり、ベースとエミッタは抵抗Ｒ６を介して接続される。赤外線ＬＥＤ１５８の一端は、抵抗Ｒ５を介して電源ＶＣＣと接続され、他端はトランジスタＱ３のベースに接続される。トランジスタＱ３のベースにはＶＦ変換器１５６も接続される。
【００６７】
計測回路１２６は、補正電圧を示すＴ０信号（直流電圧信号）をＶＦ変換器１５６に送る。ＶＦ変換器１５６は、デューティ比５０％のパルス信号であるＴ３信号（交流電圧信号）を発生させる。Ｔ３信号の信号周波数ｆｓ１は、Ｔ０信号（補正電圧）に応じて変化する。図７は、ＶＦ変換器１５６における信号周波数ｆｓ１とＴ０信号の関係を示すグラフである。
【００６８】
Ｔ３信号（交流電圧信号）は、赤外線ＬＥＤ１５８によりＴ１信号（交流光信号）に変化する。赤外線ＬＥＤ１５８は、Ｔ１信号（交流光信号）を信号受信回路１１２に送る。Ｔ１信号は、信号周波数ｆｓ１にて点滅する光信号（赤外線信号）である。赤外線波長は９４０ｎｍ程度である。Ｔ１信号は数ｍ程度の距離まで届くため、コイル間距離ｄが大きくても十分に対応できる。赤外線は、給電コイルＬ２が発生させる磁界の影響をほとんど受けないため、Ｔ１信号と給電電力はお互いにほとんど影響しないというメリットもある。
【００６９】
図８は、信号受信回路１１２の回路図である。信号受信回路１１２は、フォトダイオード１６０と電圧変換部１６４、ＦＶ変換器１３８を含む。電圧変換部１６４は、コンパレータ１６２と抵抗Ｒ７を含む。
【００７０】
フォトダイオード１６０は、信号周波数ｆｓ１のＴ１信号（交流光信号）を受光する。Ｔ１信号（交流光信号）は、電圧変換部１６４によりＴ４信号（交流電圧信号）に変換される。電圧変換部１６４においては１（ルクス）あたり１（ｍＶ）が出力されるように抵抗Ｒ７を調整している。受光時のＴ１信号の明るさは０〜２０００（ルクス）程度であるため、Ｔ４信号の電圧レベルは０〜２．０（Ｖ）程度である。Ｔ４信号は、信号周波数ｆｓ１にて変化するパルス状の電圧信号である。また、Ｔ４信号のデューティ比は５０％である。Ｔ４信号（交流電圧信号）は、ＦＶ変換器１３８により一定値のＴ２信号（直流電圧信号）に変換される。図９は、ＦＶ変換器１３８における信号周波数ｆｓ１とＴ２信号の関係を示すグラフである。信号周波数ｆｓ１が高いほど、Ｔ２信号の電圧レベルは高く設定される。
【００７１】
図１０は、電流位相検出回路１４４の回路図である。電流位相検出回路１４４は、コンパレータ１６６と電流波形整形回路１６８を含む。まず、電位ＶＳＳはコンパレータ１４２によりデジタル波形のＳ２信号に整形され、電流波形整形回路１６８に入力される。電流波形整形回路１６８は、このデジタル波形（矩形波）のＳ２信号をノコギリ波状のＳ３信号に整形する。電流波形整形回路１６８においては、Ｓ２信号の経路に抵抗Ｒ８が間挿され、抵抗Ｒ８にはダイオードＤ１が並列接続される。また、Ｓ２信号の伝達経路は、キャパシタＣ７を介してグランド接地される。
【００７２】
Ｓ３信号（交流電圧信号）はコンパレータ１６６の正極端子、信号受信回路１１２の出力であるＴ２信号（直流電圧信号）はコンパレータ１６６の負極端子に入力される。Ｓ３信号は電流位相を示す信号であり、Ｔ２信号は補正電圧を示す直流電圧信号である。
【００７３】
Ｓ３＞Ｔ２のとき、コンパレータ１６６はハイレベルのＳ１信号を出力し、それ以外のときにはローレベルのＳ１信号を出力する。実際の出力波形については図１１以降に関連して詳述する。
【００７４】
図１１は、Ｓ０信号とＳ１信号の関係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。
【００７５】
時刻ｔ０において交流電圧Ｖｏ（Ｓ０信号）は最低値の０．０（Ｖ）から最大値の３．０（Ｖ）に変化する。第１期間が終了する時刻ｔ１に交流電圧Ｖｏ（Ｓ０信号）は最大値の３．０（Ｖ）から最低値の０．０（Ｖ）に変化する。以下、時刻ｔ０のようにＳ０信号が立ち上がるタイミングを「電圧位相値」とよぶ。
【００７６】
駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも小さい場合、給電コイル回路１２０（ＬＣ共振回路）のインピーダンス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。電流位相を示すＳ２信号は時刻ｔ０よりも早い時刻ｔ６に立ち上がる。以下、時刻ｔ６のようにＳ２信号が立ち上がるタイミングを「電流位相値」とよぶ。図１１の場合、ｔ０−ｔ６が位相差を示す。ｔ０−ｔ６＞０なので電流位相が電圧位相に対して進んでいる。
【００７７】
時刻ｔ６にＳ２信号が立ち上がると、Ｓ３信号のレベルも上昇し始める。Ｓ２信号がゼロになる時刻ｔ８に、Ｓ３信号も最大の３．０（Ｖ）から０．０（Ｖ）に急降下する。
【００７８】
Ｔ２信号は補正電圧の大きさによってレベルが変化する直流電圧信号である。図１１では、補正電圧が検出され、負荷電圧Ｖ５が所望値からずれている状態を示している。
【００７９】
Ｓ３信号とＴ２信号は、それぞれ、コンパレータ１６６の正極端子と負極端子に入力され、その出力がＳ１信号となる。Ｓ３＞Ｔ３のときにはＳ１＞０、Ｓ３≦Ｔ３のときにはＳ１＝０である。図１１では、時刻ｔ０よりも後の時刻ｔ７（以下、このようなタイミングを「補正後の電流位相値」ともよぶ）にＳ３＞Ｔ３となっている。Ｔ２信号の電圧レベルが、補正後の電流位相値を決定する「基準値」となる。
【００８０】
位相比較回路１５０は、Ｓ０信号の立ち上がり時刻ｔ０とＳ１信号の立ち上がり時刻ｔ７を比較して位相差ｔｄとして検出する。実際の位相差はｔ０−ｔ６（＞０）であるが、位相比較回路１５０によって認識される位相差はｔ０−ｔ７（＜０）である。位相比較回路１５０はｔ０−ｔ７に応じた位相差指示電圧ＳＣを出力する。ＶＣＯ２０２は、電流位相が電圧位相より遅れている、すなわち、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも大きいと判断し、駆動周波数ｆｏを低下させて位相差を解消しようとする。この結果、電力伝送効率が低下し、負荷電圧Ｖ５が抑制され、補正電圧が解消されるようにフィードバック制御される。
【００８１】
図１２は、変形例におけるワイヤレス受電装置１１８の回路図である。図１では、負荷ＬＤに直流電流Ｉ５を供給していたが、変形例として負荷ＬＤに交流電流Ｉ４をそのまま供給してもよい。この場合には、ロードコイルＬ４の一部に整流回路１２４と計測回路１２６を接続し、Ｔ０信号を出力してもよい。
【００８２】
図１３は、ワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図の変形例である。変形例においては、送電制御回路２００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。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。
【００８３】
変形例における給電コイル回路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。このように、エキサイト回路１１０を介さず、送電制御回路２００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。
【００８４】
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を説明した。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の差により電力伝送効率を制御できる。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、電力伝送効率を一定に維持しやすくなる。また、負荷ＬＤやコイル間距離ｄが変化したときも、補正電圧に基づくフィードバック制御により負荷電圧Ｖ５を一定に保つことができる。補正電圧に基づいてＳ１信号を変化させることにより、電力伝送効率を事後調整できる。本発明者の実験によれば、Ｓ１信号のレベル調整によって、有意な電力損失の発生は認められなかった。
【００８５】
直流電圧信号であるＴ０信号は交流光信号であるＴ１信号に変換され、ワイヤレス受電装置１１８からワイヤレス給電装置１１６に照射される。光信号であるＴ１信号は給電コイルＬ２等が発生させる磁界の影響をほとんど受けないため、良好に信号伝送できるというメリットがある。
【００８６】
また、受電側において基準電位を手動調整してもよい。計測電位が変化したときだけでなく基準電圧が変化したときにも補正電圧が検出され、結果として、電力伝送効率が調整される。たとえば、基準電位を低下させると、計測電位を低下させるようなフィードバック制御がなされ、負荷電圧Ｖ５も低下する。すなわち、受電側にて給電電力を制御できる。
【００８７】
応用例として、ワイヤレス給電装置１１６をテーブルと一体化し、ワイヤレス受電装置１１８をテーブルに載置される卓上ランプに内蔵してもよい。従来の卓上ランプは電源コードが邪魔になるため、ダイニングテーブルでは吊り下げ型のランプを使うことが多い。上記応用例によれば、卓上ランプの電源コードを不要化できる。このため、卓上ランプの利用性が高まる。たとえば、卓上ランプで照明する方が、料理を美味しく見せることができる場合もある。吊り下げ型のランプだと照明箇所が固定されてしまうが、卓上ランプはレイアウト自由であるため、多様な照明が可能である。しかも、複数の卓上ランプがテーブルに載置されているときでも、１つの卓上ランプの基準電位を調整すれば、他の卓上ランプの明るさをまとめて制御できる。
【００８８】
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。
【００８９】
送電制御回路２００はハーフブリッジ型の回路であるが、プッシュプル型の回路により形成されてもよい。電流波形整形回路１６８が発生させるＳ３信号は、ノコギリ波に限らず、三角波や正弦波など、所定期間において電圧値が漸増減する交流信号であればよい。本実施形態においては、電流位相を調整するとして説明したが、電圧位相をＴ０信号により調整してもよい。また、出力電圧に限らず電流や電力等に基づいてフィードバック制御してもよい。
【００９０】
本実施形態においては、Ｔ１信号（交流光信号）の信号周波数ｆｓ１が補正電圧を示すとして説明したが、Ｔ１信号の振幅やデューティ比等により補正電圧を表現してもよい。あるいは、補正電圧を示す数値情報をデジタル信号として送信してもよい。Ｔ１信号は、赤外線などの光信号に限らず、無線信号であってもよい。いずれにしても、駆動周波数ｆｏや共振周波数ｆｒなどの周波数帯から十分に離れた周波数帯の信号であればよい。赤外線ＬＥＤ１５８やフォトダイオード１６０は比較的安価であるため、本実施形態では光信号を採用している。
【符号の説明】
【００９１】
１００  ワイヤレス電力伝送システム、１１０  エキサイト回路、１１２  信号受信回路、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  信号送信回路、１２４  整流回路、１２６  計測回路、１２８  ブリッジ回路、１３０  受電コイル回路、１３２  コンパレータ、１３４  非調整時特性、１３６  調整時特性、１３８  ＦＶ変換器、１４０  ロード回路、１４２  コンパレータ、１４４  電流位相検出回路、１４６  非調整時特性、１４８  調整時特性、１５０  位相比較回路、１５２  ローパスフィルタ、１５４  コア、１５６  ＶＦ変換器、１５８  赤外線ＬＥＤ、１６０  フォトダイオード、１６２  コンパレータ、１６４  電圧変換部、１６６  コンパレータ、１６８  電流波形整形回路、２００  送電制御回路、２０２  ＶＣＯ、Ｌ１  エキサイトコイル、Ｌ２  給電コイル、Ｌ３  受電コイル、Ｌ４  ロードコイル。
【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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