(57)【要約】【課題】安全かつ高効率な送電装置を提供できる。【解決手段】  本開示の送電装置は、受電アンテナと、前記受電アンテナが受け取った交流電力を第１直流電力に変換する受電回路と、前記受電回路から前記第１直流電力が出力される負荷とを備える受電装置に対して非接触で交流電力を送電する。送電装置は、直流電源から入力された第２直流電力を交流電力に変換する送電回路と、前記送電回路から出力された前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、前記第１直流電力の電圧値を前記受電装置から入力する制御回路と、を具備する。前記制御回路は、前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を切り替え、前記入力した前記電圧値の中で、前記電圧値の極小値に対応する第１周波数と、前記第１周波数より高い周波数において極大値となる電圧値に対応する第２周波数とを検出し、前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に、前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を設定する。【選択図】図４
2015173587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電アンテナと、前記受電アンテナが受け取った交流電力を第１直流電力に変換する受電回路と、前記受電回路から前記第１直流電力が出力される負荷とを備える受電装置に対して非接触で交流電力を送電する送電装置であって、
直流電源から入力された第２直流電力を交流電力に変換する送電回路と、
前記送電回路から出力された前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、
前記受電装置から、前記受電装置において前記受電回路から前記負荷に出力された前記第１直流電力の電圧値を入力する制御回路と、を具備し、
前記制御回路は、前記送電回路を制御して前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を切り替え、
前記周波数を切り替える度に入力した前記第１直流電力の電圧値の中で、前記電圧値の極小値に対応する第１周波数と、前記第１周波数より高い周波数において極大値となる電圧値に対応する第２周波数とを検出し、
前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に、前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を設定する、
送電装置。
【請求項２】
前記制御回路は、
前記電圧値が所定値に達してから所定期間、前記交流電力の周波数を切り替え、
前記所定期間に入力した前記電圧値の中で、前記第１周波数と前記第２周波数とを検出し、
前記所定期間経過後に、前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に前記交流電力の周波数を設定する、
請求項１に記載の送電装置。
【請求項３】
前記制御回路は、
前記入力した前記電圧値の中で、前記第１周波数と前記第２周波数とを検出すると、前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に前記交流電力の周波数を設定する、
請求項１に記載の送電装置。
【請求項４】
前記制御回路は、前記交流電力の周波数を、高い周波数から低い周波数へ切り替える、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の送電装置。
【請求項５】
前記高い周波数は前記第２周波数より高い周波数である、
請求項４に記載の送電装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の送電装置と、前記受電装置とを備えた、
無線電力伝送システム。
【請求項７】
受電アンテナと、前記受電アンテナが受け取った交流電力を第１直流電力に変換する受電回路と、前記受電回路から前記第１直流電力が出力される負荷とを備える受電装置に対して送電装置により非接触で交流電力を送電する送電方法であって、
前記送電装置は、
直流電源から入力された第２直流電力を交流電力に変換する送電回路と、
前記送電回路から出力された前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、
前記受電装置において前記受電回路から前記負荷に出力された前記第１直流電力の電圧値を前記受電装置から入力する制御回路と、を具備し、
前記送電回路を制御して前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を切り替え、
前記入力した前記電圧値の中で、前記電圧値の極小値に対応する第１周波数と、前記第１周波数より高い周波数において極大値となる電圧値に対応する第２周波数とを検出し、
前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に、前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を設定する、
送電方法。
【請求項８】
請求項７に記載の送電方法を送電装置のコンピュータに実現させるためのプログラム。
【請求項９】
請求項７に記載の送電方法を送電装置のコンピュータに実現させるためのプログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、送電アンテナ及び受電アンテナの間で、非接触で電力を送る無線電力伝送システムおよび送電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機をはじめとする様々なモバイル機器が普及している。モバイル機器の消費電力量は、機能及び性能の向上ならびにコンテンツの多様化に起因して増大し続けている。予め決められた容量のバッテリで動作するモバイル機器の消費電力量が増大すると、当該モバイル機器の動作時間が短くなる。バッテリの容量の制限を補うための技術として、無線電力伝送システムが注目されている。無線電力伝送システムは、送電装置の送電アンテナと受電装置の受電アンテナとの間の電磁誘導によって送電装置から受電装置に非接触で電力を送る。特に、共振型の送電アンテナ及び受電アンテナを用いた無線電力伝送システムの方式は、共振磁界結合方式とも呼ばれ、送電アンテナ及び受電アンテナの位置が互いにずれているときであっても高い伝送効率を維持できる。このため、モバイル機器だけでなく、電気自動車など様々な分野における応用が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１６６６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、かかる従来技術では、安全かつ高効率な無線電力伝送システムの送電装置が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る送電装置は、受電アンテナと、前記受電アンテナが受け取った交流電力を第１直流電力に変換する受電回路と、前記受電回路から前記第１直流電力が出力される負荷とを備える受電装置に対して非接触で交流電力を送電する送電装置であって、
直流電源から入力された第２直流電力を交流電力に変換する送電回路と、
前記送電回路から出力された前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、
前記受電装置から、前記受電装置において前記受電回路から前記負荷に出力された前記第１直流電力の電圧値を入力する制御回路と、を具備し、
前記制御回路は、前記送電回路を制御して前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を切り替え、
前記周波数を切り替える度に入力した前記第１直流電力の電圧値の中で、前記電圧値の極小値に対応する第１周波数と、前記第１周波数より高い周波数において極大値となる電圧値に対応する第２周波数とを検出し、
前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に、前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を設定するものである。
【０００６】
上述の一般的かつ特定の態様は、システム、方法、集積回路、およびコンピュータプログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせを用いて実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の一態様によると、安全かつ高効率な送電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本開示の一態様の無線電力伝送システムの伝送効率と、伝送周波数との関係の例を示すグラフである。
【図２】図２は、無線電力伝送システムの構成の例を示す断面図である。
【図３】図３は、図２に示す送受電アンテナ間の磁界分布と伝送周波数との関係の例を示すグラフである。
【図４】図４は、実施形態１における無線電力伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、実施形態１における送電装置の詳細構成を示すブロック図である。
【図６Ａ】図６Ａは、実施形態１における伝送効率および負荷に与えられる電圧（出力電圧）と、伝送周波数との各々の関係を示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、実施形態１における磁界分布および出力電圧と、伝送周波数との各々の関係を示すグラフである。
【図７】図７は、実施形態１の変形例を示すブロック図である。
【図８】図８は、実施形態１における制御方式の処理を示すフローチャートである。
【図９】図９は、実施形態２における送電装置の詳細構成を示すブロック図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、送電回路の構成例を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、各スイッチング素子に入力されるパルスの位相ずれ量を説明するための図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、位相ずれ量が０度の場合のパルス電圧および出力電圧の波形の例を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、位相ずれ量が９０度の場合のパルス電圧および出力電圧の波形の例を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、デューティ比が５０％の場合のパルス電圧および出力電圧の波形の例を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、デューティ比が２５％の場合のパルス電圧および出力電圧の波形の例を示す図である。
【図１３】図１３は、実施形態２における出力電圧を所定値に維持したときの出力時間比と、伝送周波数との関係を示すグラフである。
【図１４】図１４は、実施形態２における制御方式の処理を示すフローチャートである。
【図１５】図１５は、実施形態３における送電装置の詳細構成を示すブロック図である。
【図１６】図１６は、実施形態３における出力電圧を所定値に維持したときのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧と、伝送周波数との関係を示すグラフである。
【図１７】図１７は、異物検出回路を備える送電装置の一例を示す図である。
【図１８】図１８は、実施形態１における制御方式の処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（本開示の基礎となった知見）
本発明者らは、「背景技術」の欄において記載した無線電力伝送システムに関し、以下の問題が生じることを見いだした。
【００１０】
「背景技術」の欄において記載した共振型の無線電力伝送システムにおいて、高い伝送効率を維持するためには、伝送経路上の各回路ブロックの入出力インピーダンスを整合させることが必要である。そのため、送電側回路ブロックおよび受電側回路ブロックの回路定数（インダクタンスおよびキャパシタンス）は、予め設定された２つの共振器の入出力インピーダンスに整合するように、システム設計時に決定される。
【００１１】
しかし、そのように回路定数が予め設定されたシステムでは、例えば送電アンテナおよび受電アンテナ間の配置関係が変化した場合のように、アンテナ周辺の環境が変化したことによって２つのアンテナのインピーダンスが変化してしまう場合、最適な伝送効率を与える周波数が変化することになる。また、負荷のインピーダンスが変化した場合も同様に、最適な伝送効率を与える周波数が変化する。
【００１２】
そこで、例えば特許文献１は、電力伝送を行う際に周波数を掃引して、伝送効率が最大となる周波数を決定することによって上記の課題に対応する無線電力伝送システムを開示している。
【００１３】
しかしながら、本発明者らが、実際に上記周波数での磁界強度を調べて見ると、伝送効率が最大となる周波数が、必ずしも安全な電力伝送を行える周波数とは限らないことが新たに判明した。
【００１４】
本発明者らは、この原因を以下のように分析した。
【００１５】
図１は、本開示の一態様の無線電力伝送システムの伝送効率と、伝送周波数との関係の例を示すグラフである。横軸は伝送周波数、縦軸は伝送効率Ｅｆｆである。本例は、回路シミュレータを用いて解析したものであり、後述する実施形態１（図４）と同様の構成を採用し、送電アンテナの仕様として、インダクタンス値を７．１９(μＨ)、周波数ｆ０における抵抗値を０．５６ｆ０(mΩ)、共振キャパシタ容量を４００（ｎＦ）とし、受電アンテナの仕様として、インダクタンス値を１６．７（μＨ）、周波数ｆ０に対する抵抗値を１．３１ｆ０(mΩ)、共振キャパシタ容量を１３７（ｎＦ）、結合係数を０．５７とした。また、ＤＣ電源１０２０の直流電圧Ｖｄｃを５Ｖ、周波数掃引範囲を８０ｋＨｚ〜１７０ｋＨｚとし、負荷のインピーダンスＲＬを５Ωとした。このグラフに示されるように、伝送効率Ｅｆｆは、約９０ｋＨｚの動作点１において最大となる。したがって、上記条件の無線電力伝送システムを用いて電力伝送を行う場合には、周波数を掃引し、動作点１を探索しながら、極力動作点１に近い周波数で動作させることで、高効率な電力伝送が可能となる。特許文献１も伝送効率が最も高くなる周波数で電力伝送を行っている。
【００１６】
図２は、無線電力伝送システムの概略構成を示す模式断面図である。無線電力伝送システムは送電装置１０００と受電装置１０１０を備える。送電装置１０００は送電アンテナ１００７を備え、受電装置１０１０は受電アンテナ１０１７を備える。これらのアンテナを通じて送電装置１０００から受電装置１０１０へ非接触で電力が伝送される。図２は、送電アンテナ１００７および受電アンテナ１０１７におけるコイルとして、平面状に巻回されたスパイラルコイルを用いた例を示している。
【００１７】
図３の左のグラフは、図２に示す送電アンテナ１００７と受電アンテナ１０１７との間の中心線Ｘ上の磁界分布を示した図である。横軸は各アンテナの中心軸からの距離Ｘ、縦軸は磁界強度Ｈを表している。この磁界分布は、電磁界シミュレータを用いて解析することによって得たものである。送電アンテナ１００７のコイルには外径４３（ｍｍ）、内径２０．５（ｍｍ）、巻数１０ターン、厚さ１（ｍｍ）のスパイラルコイルを用いた。受電アンテナ１０１７のコイルには外径４４．５（ｍｍ）×３０．５（ｍｍ）、内径２８．８（ｍｍ）×１４．８（ｍｍ）、巻数１４ターン、厚さ０．５（ｍｍ）の長方形のスパイラルコイルを用いた。中心線Ｘは、両アンテナの中心同士を結ぶ線分の中点を通り、受電アンテナの短軸と平行な線（図２のＸ軸参照）とし、送電および受電アンテナ間の距離は６（ｍｍ）とした。解析条件は図１の解析に用いた回路シミュレータにおける条件と同じである。
【００１８】
図３の左のグラフに示す磁界強度Ｈは、周波数が９０（ｋＨｚ）、１１０（ｋＨｚ）、１７０（ｋＨｚ）の場合を例に、中心線Ｘ上の各点について、１周期内のすべての位相における磁界強度のピーク値をプロットしたものである。図３の左のグラフにおける周波数９０（ｋＨｚ）の磁界分布は、図１における動作点１に対応する。図３の左のグラフより、周波数によって磁界分布は全く異なることがわかる。
【００１９】
図３の右のグラフは、図３の左のグラフに示すシミュレーションの掃引範囲内の周波数ごとに、中心線Ｘ上の磁界強度の最大値Ｈｍａｘをプロットしたものである。図３の右のグラフより、図１のグラフにおいて最大効率が得られる９０（ｋＨｚ）では、それ以上の他の周波数に比べ、磁界強度が非常に高いことがわかる。したがって、送電アンテナと受電アンテナとの間に金属異物が混入した場合、あるいは送電アンテナおよび受電アンテナの周辺に金属部品が配置された場合、両アンテナが発生させる磁界によって金属異物あるいは金属部品が発熱してしまい、安全な電力伝送を行うことができない。
【００２０】
以上の考察により、本発明者らは、上記の新たな課題を見出し、電力伝送を行う伝送周波数について、磁界強度という従来にない新たな指標に基づいて、送電装置が動作する動作周波数の範囲を決定する。このことにより、磁界強度を低減し、安全かつ高効率な電力伝送の両立を図れるので、以下の発明の各態様を想到するに至った。
【００２１】
本開示にかかる一態様は、
受電アンテナと、前記受電アンテナが受け取った交流電力を第１直流電力に変換する受電回路と、前記受電回路から前記第１直流電力が出力される負荷とを備える受電装置に対して非接触で交流電力を送電する送電装置であって、
直流電源から入力された第２直流電力を交流電力に変換する送電回路と、
前記送電回路から出力された前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、
前記受電装置から、前記受電装置において前記受電回路から前記負荷に出力された前記第１直流電力の電圧値を入力する制御回路と、を具備し、
前記制御回路は、前記送電回路を制御して前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を切り替え、
前記周波数を切り替える度に入力した前記第１直流電力の電圧値の中で、前記電圧値の極小値に対応する第１周波数と、前記第１周波数より高い周波数において極大値となる電圧値に対応する第２周波数とを検出し、
前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に、前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を設定するものである。
【００２２】
本発明者らは、伝送効率が最大となる周波数より高い周波数になる程、磁界強度が低下することを発見した。一方、伝送効率は最大ではないが、前記受電装置から入力した前記第１直流電力の電圧値の極小値に対応する第１周波数より高い周波数を用いると、磁界強度が低い状態で磁界強度がほぼ一定となることが分かった。さらに、前記周波数より高い周波数を用いた場合、伝送効率は最大ではないがそれ程低下しない周波数が存在することを発見した。この場合の前記周波数は、第１周波数と、前記第１周波数より高い周波数において極大値となる電圧値に対応する第２周波数との間の周波数であった。従って、磁界強度が低くかつ伝送効率が高い送電装置の動作周波数の範囲は、前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数であることが分かった。
【００２３】
本態様によると、前記入力した前記電圧値の中で、前記電圧値の極小値に対応する第１周波数と、前記第１周波数より高い周波数において極大値となる電圧値に対応する第２周波数とを検出する。そして、前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に、前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を設定する。これにより、磁界強度を低減し、安全かつ高効率な電力伝送を両立させることができる。その結果、送電アンテナと受電アンテナとの間に金属異物が混入した場合、あるいは、送電アンテナまたは受電アンテナの周辺に金属部品が配置された場合、伝送効率をあるレベル以上に維持しつつ、両アンテナが発生させる磁界によって金属異物あるいは金属部品が発熱することを抑制し、安全な電力伝送を実現できる。
【００２４】
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の具体的な実施形態を説明する。以下の説明において、同一または対応する要素には同一の参照符号を付している。
【００２５】
（実施形態１）
図４は本開示の第１の実施形態による無線電力伝送システムの構成を示すブロック図である。この無線電力伝送システムは、送電装置１０００と受電装置１０１０とを備える。本システムは、送電装置１０００から受電装置１０１０に非接触で電力を伝送する。送電装置１０００は、直流（ＤＣ）電源１０２０から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する送電回路１００１と、送電回路１００１から出力された交流電力を非接触で伝送する送電アンテナ１００７とを備える。送電アンテナ１００７は、送電コイル１００２と、送電回路１００１および送電コイル１００２の間に接続された共振キャパシタ１００３とを有する。受電装置１０１０は、送電アンテナ１００７と対向するように配置される。受電装置１０１０は、送電アンテナ１００７から送出された交流電力の少なくとも一部を受け取る受電アンテナ１０１７と、受電アンテナ１０１７から出力された交流電力の整流および平滑化を行う受電回路１０１３と、受電回路１０１３から出力された直流電力を受け取る負荷１０１４とを備える。受電アンテナ１０１７は、受電コイル１０１１と、受電回路１０１３および受電コイル１０１１の間に接続された共振キャパシタ１０１２とを有する。
【００２６】
受電装置１０１０は、例えばスマートフォン、タブレット端末、携帯端末などの電子機器、または電気自動車などの電動機械であり得る。送電装置１０００は、受電装置１０１０に非接触で電力を供給する充電器であり得る。負荷１０１４は、例えば二次電池であり、受電回路１０１３から出力された直流電力によって充電され得る。
【００２７】
受電装置１０１０は、受電回路１０１３が出力した直流電圧および直流電流を検出する出力検出回路１０１５と、出力検出回路１０１５による検出結果を送電装置１０００に伝達する通信回路１０１６とをさらに有している。出力検出回路１０１５は、伝送動作中、受電回路１０１３から出力された電圧および電流を所定の時間間隔で検出し、通信回路１０１６は、その検出結果を送電装置１０００に逐次伝達する。
【００２８】
送電装置１０００は、ＤＣ電源１０２０から入力された直流電圧および直流電流を検出する入力検出回路１００４と、送電回路１００１から出力される交流電力の周波数を制御する制御回路１００５とをさらに有している。制御回路１００５は、伝送動作を開始する際、まず、送電回路１００１から出力される交流電力の周波数を掃引し、通信回路１０１６から伝達された出力検出回路１０１５の検出結果に基づいて送電回路１００１の動作周波数範囲を設定する。その上で、送電回路１００１から出力される交流電力の周波数が、設定した動作周波数範囲内において、出力検出回路１０１５および入力検出回路１００４の各々の検出結果に基づいて決定される適切な周波数になるように送電回路１００１を制御する。ここで、「動作周波数範囲」とは、送電回路１００１が電力伝送のための動作を実行する際に設定され得る周波数の範囲を意味する。
【００２９】
このような構成により、本実施形態の無線電力伝送システムは、出力検出回路１０１５の検出結果に基づいて送電回路１００１の動作周波数範囲を、磁界強度の比較的低い周波数領域に設定することができる。磁界強度の比較的低い領域でのみ電力を伝送することにより、安全に非接触で電力を伝送できる。
【００３０】
以下、各構成要素をより詳細に説明する。
【００３１】
図５は、本実施形態による送電装置１０００の詳細構成を示すブロック図である。図４と共通する構成要素には同じ参照符号を付している。図５には、制御回路１００５によって実現される３つの機能ブロックが記載されている。具体的には、周波数制御部１０３０、最適周波数検出部１０３１、周波数範囲設定部１０３２である。制御回路１００５は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）と、メモリに格納されたコンピュータプログラムとの組み合わせによって実現され得る。ＣＰＵがコンピュータプログラムに記述された命令群を実行することにより、図５に示す各機能ブロックの機能を実現する。あるいは、１つの半導体回路にコンピュータプログラムを組み込んだＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等のハードウェアによって同様の機能が実現されてもよい。
【００３２】
周波数範囲設定部１０３２は、通信回路１０１６から伝達された出力検出回路１０１５の検出結果に基づいて、磁界強度の低い、安全な周波数領域を設定する。具体的には、まず、周波数範囲設定部１０３２は、周波数制御部１０３０が送電回路１００１の出力する交流電圧の周波数を掃引している間、出力検出回路１０１５の検出結果を逐次取得する。周波数範囲設定部１０３２は、その情報から、受電回路１０１３の出力電圧の周波数特性を得る。
【００３３】
図６Ａ、６Ｂは、出力電圧Ｖｏの周波数特性の例を示す図である。動作条件は、図１のシミュレーションに用いた条件と同様である。図６Ａには、出力電圧Ｖｏとともに、図１に示した伝送効率Ｅｆｆを併記している。図６Ｂには、出力電圧Ｖｏとともに、図３の右のグラフに示した最大磁界強度Ｈｍａｘを併記している。図６Ａ、６Ｂに示されているように、出力電圧Ｖｏは、周波数ｆ１ａにおいて極小値をとり、周波数ｆ１ａよりも高い周波数ｆ２ａにおいて第１の極大値をとり、周波数ｆ１ａよりも低い周波数ｆ３ａにおいて第２の極大値をとる。伝送効率Ｅｆｆについては、周波数ｆ３ａからｆ１ａの範囲内に最大となる周波数が存在する。一方、図６Ｂに示されているように、最大磁界強度Ｈｍａｘは、出力電圧Ｖｏが極小値となる周波数ｆ１ａよりも低い周波数領域で増大する。したがって、伝送効率Ｅｆｆを最大にする周波数で伝送を行った場合、不要発熱のリスクが高くなる。そこで、周波数範囲設定部１０３２は、送電回路１００１の動作周波数範囲として、実際に不要発熱のリスクのある周波数を実験的に確認した上で、図６Ａに示すように、周波数ｆ３ａと周波数ｆ１ａとの間に周波数下限ｆＬ１ａを設定する。すなわち、ｆ３ａ＜ｆＬ１ａ≦ｆ１ａを満足する周波数ｆＬ１ａを、送電回路１００１の動作周波数範囲の下限に設定する。動作周波数範囲の上限としては、例えば、伝送効率が比較的高い周波数ｆ２ａに設定する。動作周波数範囲をｆＬ１ａ〜ｆ２ａとすることで、安全性を確保した上で、高効率な電力伝送が可能となる。なお、周波数下限ｆＬ１ａは、固定した周波数の値として設定される必要はない。例えば、出力電圧Ｖｏが、周波数ｆ１ａにおける出力電圧Ｖｏの極小値の値から１０％増加した周波数をｆＬ１ａと設定してもよい。このようにすれば、出力電圧Ｖｏの変動に応じて周波数下限ｆＬ１ａを適切に決定できる。
【００３４】
図６Ａ、図６Ｂに示したシミュレーション結果は、前述の通り、負荷ＲＬ＝５Ω、結合係数０．５７の場合の結果である。負荷や結合係数が変動した場合、磁界強度Ｈｍａｘおよび出力電圧Ｖｏの周波数特性も変化し、安全な周波数領域も変化する。したがって、周波数範囲設定部１０３２は、出力検出回路１０１５の検出結果に基づいて負荷を算出し、負荷が変動した場合には、新たに動作周波数範囲を再設定してもよい。その際、周波数の掃引は、実際に電力を伝送する周波数よりも高い周波数から始動し、低い周波数へ向けて掃引するとよい。これは、図６Ｂに示されているように出力電圧Ｖｏおよび磁界強度Ｈｍａｘが低い領域である周波数の高い側から掃引を開始することで、より安全に最適周波数を探索することができるからである。
【００３５】
動作周波数範囲の下限は、図６Ｂに示すように、周波数ｆ１ａと周波数ｆ２ａとの間に設定してもよい。すなわち、ｆ１ａ＜ｆＬ２ａ＜ｆ２ａを満足する周波数ｆＬ２ａを、動作周波数の下限に設定してもよい。動作周波数範囲の下限をｆＬ２ａに設定することにより、負荷やアンテナ間の結合度の変動が起こった場合でも、磁界強度Ｈｍａｘの変動の少ない周波数領域で、より安全に電力を伝送することができる。
【００３６】
動作周波数範囲の下限をｆＬ１ａにするかｆＬ２ａにするかは、負荷の特性を踏まえ、予め選定しておけばよい。周波数ｆＬ１ａを下限に設定すれば、より高効率な電力伝送が可能となる。一方、周波数ｆＬ２ａを下限に設定すれば、より安全な電力伝送が可能となる。また、これらの例とは異なる周波数を動作周波数の下限に設定してもよい。
【００３７】
周波数範囲設定部１０３２が動作周波数範囲を設定すると、最適周波数検出部１０３１は、設定された動作周波数範囲内において、実際の伝送に用いる周波数を決定する。具体的には、通信回路１０１６から伝達された出力検出回路１０１５の検出結果と、入力検出回路１００４の検出結果とに基づいて、伝送効率を最大にする周波数を決定する。周波数制御部１０３０は、伝送周波数が最適周波数検出部１０３１によって決定された周波数になるように送電回路１００１を制御する。
【００３８】
最適周波数検出部１０３１は、例えば周波数ｆ２ａ以上の周波数から掃引を開始し、周波数ｆＬ１ａあるいは周波数ｆＬ２ａに到達する前に最大効率に到達した場合には、周波数の掃引を停止し、最大効率が得られる周波数で電力伝送を継続してもよい。
【００３９】
本実施形態における送電回路１００１は、例えば、公知のゲートドライバとＤ級フルブリッジインバータとの組み合わせによって構成され得る。送電回路１００１は、周波数制御部１０３０の指示に基づいてスイッチング動作を行うことにより、入力された直流電圧を交流電圧に変換する。ただし、送電回路１００１の構成はこれに限定されず、種々の発振回路を用いて実現可能である。
【００４０】
続いて、送電アンテナ１００７および受電アンテナ１０１７の構成例を説明する。
【００４１】
送電アンテナ１００７および受電アンテナ１０１７は、電磁誘導（共振磁界結合を含む）によって非接触で交流電力を伝送することができる。受電コイル１０１１は、送電コイル１００２に接触しておらず、送電コイル１００２から例えば数ミリメートル〜数十センチメートル程度離間している。伝送される高周波電力の周波数（伝送周波数）は、例えば５０Ｈｚ〜３００ＧＨｚの範囲に設定され得る。伝送周波数は、２０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲内に設定されてもよく、２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚの範囲内に設定されてもよく、２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲内に設定されてもよい。送電コイル１００２と受電コイル１０１１のサイズは同じである必要はない。送電コイル１００２の方が受電コイル１０１１よりも小型であってもよいし、その逆であってもよい。また、送電アンテナおよび受電アンテナは、複数のコイルを有していてもよい。
【００４２】
一般に、固有の共振周波数を有する二つの共振器が電気的に結合した場合、共振周波数が変化することが知られている。仮に２つの共振器の共振周波数が同一であったとしても、上記結合により共振器対としての共振周波数は２つの周波数に分離する。結合共振器対が示す２つの共振周波数の内、周波数が高いものを偶モードの共振周波数（ｆＨ）、周波数が低いものを奇モードの共振周波数（ｆＬ）と呼ぶ。このとき、共振器間の結合係数ｋは、以下の式１で表される。
ｋ＝（ｆＨ2−ｆＬ2）÷（ｆＨ2＋ｆＬ2）  ・・・（式１）
【００４３】
結合が強いほど、ｋは大きい値となり、２つの共振周波数の分離量が増大する。本実施形態では、ｋの値は比較的低い値、例えば、０．１＜ｋ＜０．６、ある例では０．２＜ｋ＜０．４の範囲内に設定され得る。ｋの値は０．６を超えてもよいが、ｋの値を０．６よりも小さい値に設定することにより、送受アンテナ間の距離の増大や、送受アンテナ間のサイズの非対称性などの影響を受けにくい。
【００４４】
各アンテナを構成する共振器のＱ値は、システムが要求するアンテナ間電力伝送の伝送効率、及び結合係数ｋの値にも依存するが、例えば数十〜１００、ある例では１００よりも大きい値に設定され得る。
【００４５】
図４に示す例では、送電アンテナ１００７は、送電コイル１００２と共振キャパシタ１００３とが直列に接続された直列共振回路である。受電アンテナ１０１７も、受電コイル１０１１と共振キャパシタ１０１２とが直列に接続された直列共振回路である。しかし、この例に限定されない。送電アンテナ１００７および受電アンテナ１０１７の一方または両方が並列共振回路であってもよい。
【００４６】
受電装置１０１０になり得る多くの電子機器は定電圧で動作する。その場合、図７に示すように、受電回路１０１３と負荷１０１４との間にＤＣ／ＤＣコンバータ１０１９を挿入してもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１９を挿入することで、負荷１０１４に供給する直流電圧を所定値に維持することができる。
【００４７】
通信回路１０１６の通信方法としては、例えば、受電回路１０１３の出力端に負荷インピーダンスを変動させるスイッチを設け、送電回路１００１の伝送周波数とは十分に異なる周波数でそのスイッチをオン／オフさせる方法がある。負荷に対して並列に抵抗や容量を入れて、その結線の導通を切り替えることで負荷インピーダンスを変化させることができる。負荷インピーダンスの変化により、送電回路１００１の入出力も変動する。このため、スイッチをオン／オフさせることにより、出力検出回路１０１５の検出結果を周波数変調して情報として送電装置１０００に伝達することができる。送電装置１０００では、スイッチのオン／オフによって生じる送電アンテナ１００７の両端電圧の変動や、送電回路１００１の入力端に発生する電流量の変化を検出し、検出結果を復調することによって伝達された情報を読み取ることができる。情報の伝達方法は上記の方法に限らず、ＮＦＣ（Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）やＷｉｒｅｌｅｓｓ  ＬＡＮなどのまったく別の通信方法によって情報を送信してもよい。
【００４８】
続いて、本実施形態における制御回路１００５による制御方式を説明する。以下の説明では、図６Ａに示すように、動作周波数範囲の下限をｆＬ１ａに設定する場合を想定する。
【００４９】
図８は、本制御方式の処理を示すフローチャートである。ＤＣ電源１０２０から直流電力を受けると、送電装置１０００における入力検出回路１００４は、ＤＣ電源１０２０から入力された電圧および電流を検出し、検出結果を周波数範囲設定部１０３２および最適周波数検出部１０３１に出力する。周波数制御部１０３０は、それぞれ、予め決められた初期の周波数を示す情報を送電回路１００１に出力する。これに基づいて、送電回路１００１は、ＤＣ電源１０２０から供給された直流電力を交流電力に変換し、送電アンテナ１００７および受電アンテナ１０１７を介して受電装置１０１０に送出する（ステップＳ１０１）。ここで初期周波数は、例えば、図６Ａに示す周波数ｆ２ａよりも十分高い値に設定される。
【００５０】
続いて、周波数範囲設定部１０３２は、受電装置１０１０との間で通信が確立しているか否かを判断する（ステップＳ１０２）。通信の確立は、受電側の通信回路１０１６から出力検出回路１０１５による検出結果が伝達されたか否かによって判断できる。周波数範囲設定部１０３２は、受電側からの情報を復調できたとき、通信が確立したと判断する。逆に、受電側からの情報を復調できなかったとき、通信が確立していないと判断する。通信が確立していない場合、周波数制御部１０３０は、送電回路１００１の出力を停止させる（ステップＳ１０３）。その後、所定時間が経過するまで待機し（ステップＳ１０４）、所定時間経過後、再びステップＳ１０１に戻る。
【００５１】
ステップＳ１０２において通信が確立していると判断した場合、周波数範囲設定部１０３２および最適周波数検出部１０３１は、通信回路１０１６から受電回路１０１３から出力された電圧および電流についてのフィードバックを受ける（ステップＳ１０５）。具体的には、ＤＣ電源１０２０から送電回路１００１、送電アンテナ１００７、受電アンテナ１０１７を介して送られてきた電力を受電回路１０１３が受けると、まず、出力検出回路１０１５が、受電回路１０１３から出力された電圧および電流を検出し、その検出結果を示す情報を通信回路１０１６に出力する。通信回路１０１６は、出力検出回路１０１５による検出結果を周波数範囲設定部１０３２および最適周波数検出部１０３１に伝達する。
【００５２】
受電装置１０１０からのフィードバックを受けた後、周波数範囲設定部１０３２は、そのときの伝送周波数がｆ２ａ、ｆ１ａ、ｆＬ１ａのいずれかであるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。具体的には、まず、受電回路１０１３から出力される電圧の値が極値であるか、極小値を超えて所定の割合だけ増加した値に到達したかを判定する。そのどちらでもないと判定した場合、最適周波数検出部１０３１は、そのときの伝送効率を周波数と関連付けて不図示のメモリなどの記録媒体に記録する（ステップＳ１０７）。伝送効率は、例えば、通信回路１０１６から伝達された出力検出回路１０１５の検出結果（出力電流および出力電圧）と、入力検出回路１００４の検出結果（入力電流および入力電圧）とに基づいて、送電側および受電側の各々の電力を算出し、それらの比から求めることができる。伝送効率と周波数とが記録されると、周波数制御部１０３０は、伝送周波数を所定の値だけ下げるように送電回路１００１に指示する（ステップＳ１０８）。周波数範囲設定部１０３２が出力電圧が極値であると判断した場合は、その周波数はｆ２ａ、ｆ１ａのいずれかであるため、その周波数を極大値または極小値を与える周波数として記録する（ステップＳ１０９）。出力電圧が極小値を超えて所定の割合だけ増加したと判断した場合は、その周波数はｆＬ１ａであるため、その周波数を動作周波数範囲の下限として記録する（ステップＳ１０９）。初期周波数がｆ２ａよりも高い周波数の場合、最初に記録されるのはｆ２ａである。一方、初期周波数がｆ２ａよりも低い周波数の場合、最初に記録されるのはｆ１ａである。
【００５３】
次に、周波数範囲設定部１０３２は、先のステップで記録した周波数がｆＬ１ａか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ｆＬ１ａは、ｆ１ａが記録された後に設定されるため、ｆ１ａが記録されるまでは、ここまでのループを繰り返す。
【００５４】
ｆＬ１ａは、例えば以下の式２で表される出力電圧Ｖｏについての不等式が、ｆ１ａの記録後、初めて満たされる周波数である。
Ｖｏ（ｆＬ１ａ）≧Ｖｏ（ｆ１ａ）×１．１  ・・・（式２）
【００５５】
式２は、周波数ｆ１ａのときの出力電圧Ｖｏ（ｆ１ａ）を基準に、出力電圧がＶｏ（ｆ１ａ）の１．１倍以上になった周波数を周波数下限ｆＬ１ａとして設定することを示している。この１．１倍という倍率は、実験などによってあらかじめ設定される値であり、不要発熱と伝送効率の観点から決定される。周波数範囲設定部１０３２は、周波数ｆＬ１ａを記録するまでは、ステップＳ１０５〜Ｓ１１０のループを繰り返す。周波数ｆＬ１ａを記録した場合、周波数範囲設定部１０３２は、最適周波数検出部１０３１にｆ２ａおよびｆＬ１ａの値を通知する（ステップＳ１１１）。
【００５６】
最後に、最適周波数検出部１０３１は、周波数範囲ｆＬ１ａ〜ｆ２ａの中で、これまで保持した伝送効率と周波数の中から、伝送効率が最大になる周波数を検出して周波数制御部１０３０に通知する。周波数制御部１０３０は、その周波数で電力伝送を行うように送電回路１００１を駆動し、伝送を継続する（ステップＳ１１２）。伝送を開始してから所定時間（例えば数秒〜数分）が経過すると、再びステップＳ１０２に戻り、周波数範囲設定部１０３２は、通信が確立しているかを判定する。これは、伝送中にアンテナの相対位置が変化したり、アンテナ周辺の環境が変化したりする可能性があることから、所定の時間間隔で動作周波数範囲を再設定し、最適な伝送周波数に変更するためである。
【００５７】
以上のように、本実施形態における制御回路１００５は、通信回路１０１６から伝達された出力検出回路１０１５の検出結果に基づいて、送電回路１００１の動作周波数範囲を設定し、その動作周波数範囲内で、入力検出回路１００４および出力検出回路１０１５の検出結果に基づいて、送電回路に出力させる交流電力の周波数を決定する。これにより、磁界強度の低い安全な動作周波数範囲で、伝送効率を高く維持することが可能となる。
【００５８】
なお、図８に示す処理は、動作周波数範囲の下限をｆＬ１ａに設定する場合の例であるが、下限をｆＬ２ａなどの他の値に設定する場合も同様の処理を適用できる。周波数ｆＬ１ａの代わりに周波数ｆＬ２ａを下限として設定する場合、周波数範囲設定部１０３２は、ステップＳ１０６において、周波数がｆ２ａまたはｆＬ２ａであるか否かを判定するようにすればよい。周波数ｆ２Ｌａの判定方法としては、例えば、出力電圧の極大値Ｖｏ（ｆ２ａ）を検出した後、以下の式３を初めて満足する周波数をｆＬ２ａとすればよい。
Ｖｏ（ｆＬ２ａ）≦Ｖｏ（ｆ２ａ）×０．９  ・・・（式３）
【００５９】
ここで、図１８のフローチャートを参照しながら、動作周波数の範囲が、周波数ｆ１aと周波数ｆ２ａとの間である場合の動作について、説明する。
【００６０】
図８と同様に、まず最初に送電回路１００１は、ＤＣ電源１０２０から供給された直流電力を交流電力に変換し、送電アンテナ１００７および受電アンテナ１０１７を介して受電装置１０１０に送出する（ステップＳ２０１）。ここで初期周波数ｆinitは、例えば、図６Ａに示す周波数ｆ２ａよりも十分高い値に設定される。
【００６１】
次に、受電装置における受電回路から負荷に出力された直流電力の電圧値を受電装置から入力する（ステップＳ２０２）。
【００６２】
次に、制御回路は、上記電圧値が所定値に達したかどうかを判断する（ステップＳ２０３）。上記電圧値が所定値を超えていない場合、ステップＳ２０２に戻る。
【００６３】
ステップＳ２０３において、上記電圧値が所定値を超えている場合、制御回路は、送電回路を制御して受電アンテナに送電する交流電力の周波数を切り替えて、所定期間、上記電圧値を記録する。そして、電圧の極小値に対応する第１周波数（ｆ１ａ）と、電圧の極大値に対応する第２周波数（ｆ２ａ）とを検出する（ステップＳ２０４）。
【００６４】
次に、制御回路は、ステップＳ２０３から所定期間が過ぎたかを判断する（ステップＳ２０５）。所定期間が過ぎていない場合、ステップＳ２０４に戻る。ここで、所定期間は、第１周波数（ｆ１ａ）と第２周波数（ｆ２ａ）が見つかるのに十分な時間に設定されている。
【００６５】
所定期間経過後、制御回路は、第１周波数（ｆ１ａ）と第２周波数（ｆ２ａ）との間の周波数に、受電アンテナに送電する交流電力の周波数を設定し、電力伝送を行う（ステップＳ２０６）。
【００６６】
さらにステップＳ２０６から所定時間が経過した場合、ステップＳ２０２に戻り、新たな探索を行う。所定時間が経過していない場合、ステップＳ２０６に戻る（ステップＳ２０７）。
【００６７】
尚、上記の例では、上記所定期間は、第１周波数（ｆ１ａ）と第２周波数（ｆ２ａ）が見つかるのに十分な時間に設定され、ステップＳ２０６への移行が行われている。しかし、ステップＳ２０６への移行は、他の方法で行ってもよい。例えば、ステップＳ２０４で交流電力の周波数を切り替える毎に、第１周波数（ｆ１ａ）と第２周波数（ｆ２ａ）を検出して、第１周波数（ｆ１ａ）と第２周波数（ｆ２ａ）が見つかった時点で行ってもよい。
【００６８】
（実施形態２）
図９は本開示の第２の実施形態による送電装置１０００の詳細構成を示すブロック図である。図５と共通または対応する構成要素には同じ参照符号を付しており、共通する事項についての説明は繰り返さない。
【００６９】
本実施形態では、受電回路１０１３から出力される電圧を一定に維持するように、制御回路１００５が送電回路１００１から出力される電圧の出力時間比を制御する。本実施形態における制御回路１００５は、出力時間比制御部１０３３と、最適出力時間比検出部１０３４とを有している。出力時間比制御部１０３３は、送電回路１００１の出力する電圧の出力時間比を制御する。送電回路１００１の出力電圧の出力時間比を変化させることで、受電回路１０１３が出力する直流電圧を変化させることができる。ここで、電圧の「出力時間比」とは、１周期のうち、所定値（例えば振幅の数％〜２０％程度）よりも絶対値の大きい電圧が出力される時間の割合を意味する。出力時間比は、送電回路１００１が有する複数のスイッチング素子に入力するパルスのデューティ比および位相の少なくとも一方を調整することによって制御され得る。
【００７０】
図１０Ａは、送電回路１００１の構成例を示す図である。この例における送電回路１００１は、４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を有するフルブリッジ構成の発振回路１００８と、各スイッチング素子に入力するパルスを発生させるパルス出力回路１００９とを有している。各スイッチング素子は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電界効果トランジスタによって実現され得る。パルス出力回路１００９が各スイッチング素子のゲートにパルスを入力することにより、各スイッチング素子を導通状態にすることができる。以下の説明では、各スイッチング素子のゲートに電圧が印加され、電流が流れる状態を「オン」と呼び、電圧が印加されずに電流が流れない状態を「オフ」と呼ぶ。
【００７１】
４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４は、導通時にＤＣ電源１０２０からの入力電圧と同じ極性の電圧を出力するスイッチング素子対（Ｓ１およびＳ４）と、導通時に入力電圧と逆の極性の電圧を出力するスイッチング素子対（Ｓ２およびＳ３）とによって構成されている。スイッチング素子Ｓ１およびＳ４をオンにしている状態と、スイッチング素子Ｓ２およびＳ３をオフにしている状態とを所定の周波数で交互に繰り返すことにより、入力された直流電圧を交流電圧に変換することができる。なお、図１０Ａには示されていないが、実際には、送電回路１００１から出力された電流を平滑化して送電アンテナ１００７に正弦波状の交流を入力するフィルタ回路などの他の要素も設けられ得る。
【００７２】
図１０Ｂは、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の各々に入力されるパルスのタイミングの一例を模式的に示す図である。位相ずれ量φは、スイッチング素子Ｓ１に入力されるパルスの位相とスイッチング素子Ｓ４に入力されるパルスの位相とのずれ、またはスイッチング素子Ｓ２に入力されるパルスの位相と、スイッチング素子Ｓ３に入力されるパルスの位相とのずれを表す。この位相ずれ量φを０度から９０度の範囲で変動させることにより、出力時間比を調整することができる。図１０Ｂに示す例では、パルス出力回路１００９は、スイッチング素子Ｓ１に入力されるパルスに対して、一定時間の同時オフ時間（「デッドタイム」と称する。）を設けた反転パルスをスイッチング素子Ｓ２に出力している。同様に、スイッチング素子Ｓ３への出力パルスに対して、前記一定時間の同時オフ時間を設けた反転パルスをスイッチング素子Ｓ４に出力している。スイッチング素子Ｓ１およびＳ２に入力する２つのパルス間と、スイッチング素子Ｓ３およびＳ４に入力する２つのパルス間にデッドタイムを設ける理由は、パルスの立ち上がりおよび立ち下がりの瞬間にスイッチング素子Ｓ１およびＳ２、またはスイッチング素子Ｓ３およびＳ４が同時にオンになって負荷短絡が生じ、スイッチング素子を破壊してしまうおそれを低減させるためである。このため、図１０Ｂに示す例では、各パルスのデューティ比は５０％よりも小さい値に設定されているが、デッドタイムを設けることは必須ではなく、各パルスのデューティ比は５０％であってもよい。
【００７３】
図１１Ａ、１１Ｂは、デッドタイムを設けなかった場合におけるスイッチング素子Ｓ１からＳ４の各々に入力されるパルスのタイミングの例を模式的に示す図である。図１１Ａは、位相のずれがない場合（φ＝０度）において、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４にそれぞれ印加されるパルス電圧、送電回路１００１から出力される電圧Ｖａ、および電圧Ｖａを正弦波に変換したときの電圧Ｖｏｕｔの波形の一例を示している。図１１Ｂは、位相が９０度ずれている場合（φ＝９０度）におけるこれらの電圧の波形の一例を示している。これらの図に示されるように、位相ずれ量φを０度よりも大きくすることにより、出力される交流電圧Ｖａの出力時間比、および正弦波電圧Ｖｏｕｔの振幅を小さくすることができる。
【００７４】
パルスの位相ずれ量φを変化させる代わりに、パルスのデューティ比を変化させることによって出力時間比を変化させてもよい。図１２Ａは、デューティ比が５０％の場合において、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４にそれぞれ印加されるパルス電圧、発振回路１００１から出力される電圧Ｖａ、および電圧Ｖａを正弦波に変換したときの電圧Ｖｏｕｔの波形の一例を示している。図１２Ｂは、デューティ比が２５％の場合におけるこれらの電圧の波形の一例を示している。これらの図に示されるように、デューティ比を５０％から下げることにより、出力される交流電圧Ｖａの出力時間比、および正弦波電圧Ｖｏｕｔの振幅を小さくすることができる。言い換えれば、デューティ比が５０％のときに最大出力が得られ、デューティ比を５０％よりも小さい任意の値に下げることで出力調整を行うことができる。
【００７５】
制御回路１００５は、パルスの位相ずれ量φまたはデューティ比を変化させるようにパルス出力回路１００９を制御することにより、送電回路１００１から出力される電圧の出力時間比を変化させることができる。最適出力時間比検出部１０３４は、通信回路１０１６から伝達された出力検出回路１０１５の検出結果に基づいて、受電回路１０１３の出力電圧が所定値に近づくように、送電回路１００１から出力される電圧の出力時間比を決定する。出力時間比制御部１０３３は、決定された出力時間比を実現するように、位相ずれ量φまたはデューティ比を制御する。これにより、受電装置１０１０にＤＣ／ＤＣコンバータを搭載しなくても、負荷１０１４に供給する直流電圧を所定値にすることが可能であり、ＤＣ／ＤＣコンバータによる電力の損失を低減できる。
【００７６】
次に、本実施形態における周波数範囲設定部１０３２による周波数範囲の設定方法を説明する。本実施形態では、送電回路１００１から出力される電圧の出力時間比を変化させることにより、受電回路１０１３の出力電圧を所定値に近づける制御を行う。したがって、受電回路１０１３の出力電圧を指標にして周波数範囲を設定することはできない。そこで、本実施形態では、受電回路１０１３の出力電圧を所定値に維持しているときの出力時間比（以下、「最適出力時間比」と称することがある。）を指標に周波数範囲を設定する。周波数範囲設定部１０３２は、伝送周波数を掃引し、各周波数において最適出力時間比検出部１０３４が決定した最適出力時間比の極大値あるいは極小値をとる周波数に基づいて周波数範囲を判定する。
【００７７】
図１３は、最適出力時間比検出部１０３４が決定した最適出力時間比と伝送周波数との関係を示すグラフである。回路定数は実施形態１と同様であり、出力時間比を制御し、受電回路１０１３の出力電圧を４．２Ｖに維持している点のみが実施形態１と異なる。図１３において、最適出力時間比Ｄｏは、周波数ｆ１ｂにおいて極大値をとり、周波数ｆ１ｂよりも高い周波数ｆ２ｂにおいて第１の極小値をとり、周波数ｆ１ｂよりも低い周波数ｆ３ｂにおいて第２の極小値をとる。この波形は、実施形態１における出力電圧Ｖｏの特性とは逆の傾向を示している。このため、実施形態１における周波数ｆ１ａ、ｆ２ａ、ｆ３ａを、それぞれ周波数ｆ１ｂ、ｆ２ｂ、ｆ３ｂに置き換え、極大値と極小値とを入れ替えれば、実施形態１で説明した制御をそのまま適用できる。本実施形態においては、動作周波数範囲の下限は、例えばｆ３ｂ＜ｆＬ１ｂ≦ｆ１ｂを満たす周波数ｆＬ１ｂ、またはｆ１ｂ＜ｆＬ２ｂ＜ｆ２ｂを満たす周波数ｆＬ２ｂなどの値に設定され得る。動作周波数範囲の上限は、例えば、周波数ｆ２ｂに設定され得る。
【００７８】
最適周波数検出部１０３１は、周波数範囲設定部１０３２の設定した動作周波数範囲内において、入力検出回路１００４の検出結果に基づいて、伝送効率を最大にする周波数を決定する。周波数制御部１０３０は、最適周波数検出部１０３１によって決定された周波数になるように送電回路１００１を制御する。このとき、図１３に示す最適出力時間比Ｄｏで動作しているときの負荷１０１４に供給される直流電圧は所定値に維持されている。したがって、ＤＣ電源１０２０が定電圧源である場合、最適出力時間比Ｄｏで動作しているときの直流電源１０２０からの入力電流を最小にすれば、無線電力伝送システム全体の伝送効率を最大にすることができる。一方、ＤＣ電源１０２０が定電流源である場合、最適出力時間比Ｄｏで動作しているときのＤＣ電源１０２０からの入力電圧を最小にすれば、無線電力伝送システム全体の伝送効率を最大にすることができる。すなわち、本実施形態では、通信回路１０１６から伝達された出力検出回路１０１５の検出結果を用いることなく、入力検出回路１００４の検出結果のうち、電流または電圧の情報のみに基づいて動作周波数を決定することができる。これにより、入力検出回路１００４の検出結果から算出される入力電力と、出力検出回路１０１５の検出結果から算出される出力電力とから算出される伝送効率を最大化するよりも、高速な処理が可能となる。よって、伝送効率の最大化にかかる収束時間を短縮することができる。本実施形態では、入力検出回路１００４は電流および電圧の少なくとも一方を検出する機能を備えていればよく、出力検出回路１０１５は出力時間比の決定に必要な受電回路１０１３の出力電圧を検出する機能を備えていればよい。
【００７９】
続いて、本実施形態における制御回路１００５による制御方式を説明する。
【００８０】
図１４は、本実施形態における制御方式を示すフローチャートである。本制御方式では、図８に示す実施形態１の制御にステップＳ２１２〜Ｓ２１３が加わり、周波数ｆ１ａ、ｆ２ａ、ｆＬ１ａが、それぞれ周波数ｆ１ｂ、ｆ２ｂ、ｆＬ１ｂに置換されている点を除いて、図８に示す動作と共通である。このため、図８に示す動作と異なる点を中心に説明する。本制御方式では、送電装置１０００が出力電圧Ｖｏを所定値に維持する制御を行うため、出力電圧Ｖｏに基づく動作周波数範囲の決定はできない。このため、最適出力時間比に基づいて動作周波数範囲を決定する。
【００８１】
本制御方式では、実施形態１と同様に、ステップＳ１０１における初期伝送が行われた後、ステップＳ１０２〜Ｓ１０５の処理を経て、最適出力時間比検出部１０３４は、負荷１０１４に与えられる電圧が所定の範囲内か否かを判定する（ステップＳ２１２）。最適出力時間比検出部１０３４は、まず、受電側で検出された出力電圧と、予め設定された出力すべき目標電圧との差を算出し、その差が所定の範囲内か否かを判断する。その差が所定の範囲内であれば、周波数範囲設定部１０３２へ処理を移行させる。逆に、その差が所定値の範囲外であれば、出力時間比制御部１０３３が出力時間比Ｄを変更する処理を行う（ステップＳ２１３）。このとき、最適出力時間比検出部１０３４は、出力時間比Ｄの変化幅ΔＤを決定し、その情報を出力時間比制御部１０３３に出力する。ここで、現在の出力電圧値が目標電圧値よりも高い場合にはΔＤは負の値になり、低い場合にはΔＤは正の値となる。ΔＤは一定の値であってもよいし、出力電圧および負荷の値から求められる最適な出力時間比を予めメモリなどにテーブルとして格納しておいてもよい。
【００８２】
出力時間比制御部１０３３は、現在の出力時間比Ｄと、出力時間比の変化幅ΔＤとから、新しい出力時間比（Ｄ＋ΔＤ）を求め、その情報を送電回路１００１に出力する。送電回路１００１は、新しい出力時間比（Ｄ＋ΔＤ）に対応する交流電圧を出力する。その後、ステップＳ１０５に戻り、ステップＳ２１２において、最適出力時間比検出部１０３４が、出力電圧と目標電圧値との差が所定の範囲内であると判定するまで、出力時間比Ｄを変更する処理が行われる。
【００８３】
ステップＳ２１２においてＹｅｓと判定されると、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６の時点では、出力電圧Ｖｏは一定の値となっているため、周波数ｆ２ｂ、ｆ１ｂ、ｆＬ１ｂを検出する際に、出力電圧Ｖｏを指標とすることはできない。そこで、本方式では、最適出力時間比検出部１０３４が決定した最適出力時間比Ｄｏを指標に判定を行う。図１３に示したとおり、最適出力時間比Ｄｏの極値を検出することにより、実施形態１と同様の制御を行うことが可能である。実施形態１と異なる点は、ステップＳ１０８において周波数を変更するたびに、最適出力時間比Ｄｏを探索するループ（ステップＳ１０５、Ｓ２１２、Ｓ２１３）が実行される点である。
【００８４】
以上のように、本制御方式では、まず最適出力時間比検出部１０３４が、受電回路１０１３の出力電圧を目標電圧値に近づける出力時間比を検出し、次に、周波数範囲設定部１０３２が、安全な動作周波数範囲を検出する。最後に、最適周波数検出部１０３１が、伝送効率がピークとなる伝送周波数を検出する。これにより、定電圧出力、安全性、伝送効率の３つを両立できる。
【００８５】
（実施形態３）
図１５は、本開示の第３の実施形態による送電装置１０００の詳細構成を示すブロック図である。図９と共通または対応する構成要素には同じ参照符号を付しており、共通する事項についての説明は繰り返さない。
【００８６】
本実施形態における送電装置１０００は、ＤＣ電源１０２０と送電回路１００１との間に接続された入力電圧変換回路１００６をさらに備えている。これにより、送電回路１００１に供給する直流電圧の大きさを変化させることができる。制御回路１００５は、入力電圧変換回路１００６から送電回路１００１に入力される電圧（以下、「入力電圧」と称する。）を制御する入力電圧制御部１０３５と、最適な入力電圧を決定する最適入力電圧検出部１０３６とを有する。
【００８７】
入力電圧変換回路１００６は、公知のＤＣ／ＤＣコンバータによって実現可能である。本実施形態では、送電回路１００１の各スイッチング素子に入力されるパルスは、所定の位相ずれ量およびデューティ比で固定されている。送電回路１００１に入力する直流電圧を入力電圧変換回路１００６によって変化させることにより、送電回路１００１から出力される電圧の振幅を調整することができる。入力電圧変換回路１００６は、例えば、チョークコイルを用いた非絶縁型のコンバータ、またはトランスを用いた絶縁型のコンバータなど、公知の構成を採用することができる。
【００８８】
入力電圧制御部１０３５は、入力電圧変換回路１００６を制御することにより、受電回路１０１３の出力電圧を変化させることができる。例えば、入力電圧変換回路１００６に含まれるスイッチング素子へのパルスの入力タイミングを調整するなどの方法により、入力電圧変換回路１００６から出力される電圧を変化させることができる。最適入力電圧検出部１０３６は、通信回路１０１６から伝達された出力検出回路１０１５の検出結果に基づいて、受電回路１０１３の出力電圧が所定値に近づくように、入力電圧変換回路１００６から出力される電圧を決定する。この最適な入力電圧を決定する方法は、実施形態２における最適出力時間比を決定する方法と同様である。
【００８９】
次に、本実施形態における周波数範囲設定部１０３２による動作周波数範囲の設定方法を説明する。本実施形態における周波数範囲設定部１０３２による周波数範囲の設定方法は、実施形態２における図１４に示す方法において、送電回路１００１の出力電圧の「出力時間比」を、送電回路１００１への「入力電圧」に置き換えたものと同じである。
【００９０】
図１６は、最適入力電圧検出部１０３６が決定した最適入力電圧Ｖｔと伝送周波数との関係を示すグラフである。回路定数は実施形態１におけるものと同様であり、入力電圧を制御し、受電回路１０１３の出力電圧を４．２Ｖに維持している点のみが実施形態１と異なる。図１６において、最適入力電圧Ｖｔは、周波数ｆ１ｃにおいて極大値をとり、周波数ｆ１ｃよりも高い周波数ｆ２ｃにおいて第１の極小値をとり、周波数ｆ１ｃよりも低い周波数ｆ３ｃにおいて第２の極小値をとる。これは、実施形態２と同様、実施形態１における出力電圧Ｖｏの特性の傾向を反転させた波形である。よって、実施形態１におけるｆ１ａ、ｆ２ａ、ｆ３ａを、周波数ｆ１ｃ、ｆ２ｃ、ｆ３ｃにそれぞれ置き換え、極大値と極小値とを入れ替えることで、実施形態１と同様の制御を行うことが可能である。本実施形態では、動作周波数範囲の下限は、例えばｆ３ｃ＜ｆＬ１ｃ≦ｆ１ｃを満たす周波数ｆＬ１ｃや、ｆ１ｃ＜ｆＬ２ｃ＜ｆ２ｃを満たす周波数ｆＬ２ｃなどの値に設定され得る。動作周波数範囲の上限は、例えば、周波数ｆ２ｃに設定され得る。
【００９１】
以上のように、第１〜３のいずれの実施形態においても、同様の制御を行うことが可能である。
【００９２】
（他の実施形態）
以上のように、本開示の技術の例示として、実施形態１〜３を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これらに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施形態１〜３で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。以下、他の実施形態を例示する。
【００９３】
上記の実施形態では、図８、１４、１８に示す動作を例示したが、これらの動作に限定されず、適宜改変を行ってもよい。例えば、図８および図１４におけるステップＳ１０１〜Ｓ１０４の間欠的な動作を省略してもよい。また、図１４の制御方式において、受電側の出力電圧を一定に維持しながら伝送効率の高い周波数を探索する代わりに、伝送効率の高い周波数に維持しながら出力電圧を一定にする最適出力時間比または最適入力電圧を探索してもよい。このように制御の順序が異なる場合であっても、同等の効果を得ることができる。以上の例に限らず、制御回路は、受電装置側で検出される電圧などの物理量に基づいて送電回路の動作周波数範囲を設定し、設定した動作周波数範囲内で、送電回路に出力させる交流電力の周波数を決定するように構成されていればよい。
【００９４】
送電装置１０００は、送電アンテナ１００７および受電アンテナ１０１７の周辺に存在する金属異物を検出する異物検出回路をさらに有していてもよい。図１７は、そのような無線電力伝送システムの例を示す図である。金属異物がアンテナに接近すると、送電アンテナ１００７における電圧あるいは電流が変化する。異物検出回路１０４０は、その変化を検出することにより、金属異物を検出する。制御回路１００５は、例えば、異物検出回路１０４０が金属異物を検出したときだけ周波数ｆＬ２ａ、ｆＬ２ｂ、またはｆＬ２ｃを下限とする動作周波数範囲を設定し、それ以外の場合には動作周波数範囲を設定しないといった制御を行うことが可能である。あるいは、通常は周波数ｆＬ１ａ、ｆＬ１ｂ、ｆＬ１ｃを動作周波数の下限に設定し、金属異物が接近したときだけ下限を周波数ｆＬ２ａ、ｆＬ２ｂ、ｆＬ２ｃにするといった制御を行ってもよい。このような制御によれば、金属異物がない場合には伝送効率を高く維持し、金属異物が接近した場合には安全性をより重視した無線電力伝送システムを実現することができる。
【００９５】
（本開示の各態様の概要）
以上説明したように、本開示は、例えば、以下に示す各態様の発明を含む。
【００９６】
本開示の第１の態様に係る送電装置は、
受電アンテナと、前記受電アンテナが受け取った交流電力を第１直流電力に変換する受電回路と、前記受電回路から前記第１直流電力が出力される負荷とを備える受電装置に対して非接触で交流電力を送電する送電装置であって、
直流電源から入力された第２直流電力を交流電力に変換する送電回路と、
前記送電回路から出力された前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、
前記受電装置から、前記受電装置において前記受電回路から前記負荷に出力された前記第１直流電力の電圧値を入力する制御回路と、を具備し、
前記制御回路は、前記送電回路を制御して前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を切り替え、
前記周波数を切り替える度に入力した前記第１直流電力の電圧値の中で、前記電圧値の極小値に対応する第１周波数と、前記第１周波数より高い周波数において極大値となる電圧値に対応する第２周波数とを検出し、
前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に、前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を設定する。
【００９７】
上記態様によると、前記入力した前記電圧値の中で、前記電圧値の極小値に対応する第１周波数と、前記第１周波数より高い周波数において極大値となる電圧値に対応する第２周波数とを検出する。そして、前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に、前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を設定する。これにより、磁界強度を低減し、安全かつ高効率な電力伝送を両立させることができる。その結果、送電アンテナと受電アンテナとの間に金属異物が混入した場合、あるいは、送電アンテナまたは受電アンテナの周辺に金属部品が配置された場合、伝送効率をあるレベル以上に維持しつつ、両アンテナが発生させる磁界によって金属異物あるいは金属部品が発熱することを抑制し、安全な電力伝送を実現できる。
【００９８】
本開示の第２の態様に係る送電装置は、
受電アンテナと、前記受電アンテナが受け取った交流電力を第１直流電力に変換する受電回路と、前記受電回路から前記第１直流電力が出力される負荷とを備える受電装置に対して非接触で交流電力を送電する送電装置であって、
直流電源から入力された第２直流電力を交流電力に変換する送電回路と、
前記送電回路から出力された前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、
前記受電装置において前記受電回路から前記負荷に出力された前記第１直流電力の電圧値を前記受電装置から入力する制御回路と、を具備し、
前記制御回路は、
前記受電回路から出力される前記第１直流電力の直流電圧が前記所定値に維持されている状態で、前記送電回路を制御して前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を切り替え、
前記送電回路から出力される交流電圧の出力時間比の極大値に対応する周波数ｆ１ｂと、前記周波数ｆ１ｂよりも高い周波数において、前記出力時間比の極小値に対応する周波数ｆ２ｂとを検出し、
前記周波数ｆ１ｂと前記周波数ｆ２ｂとの間の周波数に、前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を設定する。
【００９９】
本開示の第３の態様に係る送電装置は、
受電アンテナと、前記受電アンテナが受け取った交流電力を第１直流電力に変換する受電回路と、前記受電回路から前記第１直流電力が出力される負荷とを備える受電装置に対して非接触で交流電力を送電する送電装置であって、
直流電源から入力された第２直流電力の電圧の大きさを変化させる入力電圧変換回路と、
前記入力電圧変換回路から出力された第３直流電力を交流電力に変換する送電回路と、
前記送電回路から出力された前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、
前記受電装置において前記受電回路から前記負荷に出力された前記第１直流電力の電圧値を前記受電装置から入力する制御回路と、
を具備し、
前記制御回路は、
前記受電回路から出力される前記第１直流電力の直流電圧が前記所定値に維持されている状態で、前記送電回路を制御して前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を切り替え、
前記入力電圧変換回路の出力電圧の極大値に対応する周波数ｆ１ｃと、周波数ｆ１ｃよりも高い周波数において、前記出力電圧の極小値に対応する周波数ｆ２ｃを検出し、
前記周波数ｆ１ｃと前記周波数ｆ２ｃとの間の周波数に、前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を設定する。
【０１００】
本開示の第４の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜３のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
さらに、前記送電装置に入力された電流および電圧の少なくとも一方を検出する入力検出回路を備え、
前記制御回路は、前記動作周波数範囲内で、前記入力検出回路の検出結果に基づいて、前記受電回路から出力される直流電圧が所定値に維持されているときの前記入力電流が最小に近づくように前記周波数を変化させる。
【０１０１】
本開示の第５の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜４のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、前記制御回路は、前記電圧値が所定値に達してから所定期間、前記交流電力の周波数を切り替え、前記所定期間に入力した前記電圧値の中で、前記第１周波数と前記第２周波数とを検出し、
前記所定期間経過後に、前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に前記交流電力の周波数を設定してもよい。
【０１０２】
前記送電回路から出力された前記交流電力を前記受電アンテナが受電し始めると、前記受電回路から前記負荷に出力された前記第１直流電力の電圧が徐々に上昇する。前記電圧の上昇に伴って、前記制御回路が入力する前記電圧値も上昇する。
【０１０３】
上記態様によると、前記電圧値が所定値に達すると、前記電圧値を前記制御回路が入力する準備が整う。その後、所定期間、前記交流電力の周波数を切り替える。前記所定期間、入力した前記電圧値を記録する。前記所定期間は、前記第１周波数と前記第２周波数とを検出するのに十分な期間に設定されている。前記所定期間経過後に、前記所定期間に入力した前記電圧値の中で、前記第１周波数と前記第２周波数とを検出する。そして、前記検出した前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に前記交流電力の周波数を設定する。
【０１０４】
これにより、前記送電装置が前記受電装置に対して非接触で交流電力を送電する前の段階で、前記第１周波数と前記第２周波数とを適正に検出する。そのため、前記送電装置が前記受電装置に対して非接触で交流電力を送電する際には、前記適正に検出された前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数を用いて前記交流電力を送電できる。その結果、磁界強度を低減し、安全かつ高効率な電力伝送を両立させることができる。
【０１０５】
本開示の第６の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜５のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、前記制御回路は、前記入力した前記電圧値の中で、前記第１周波数と前記第２周波数とを検出すると、前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に前記交流電力の周波数を設定してもよい。
【０１０６】
上記態様によると、前記入力した前記電圧値の中で、前記第１周波数と前記第２周波数とを検出すると、前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に前記交流電力の周波数を設定する。そのため、前記第１周波数と前記第２周波数とを検出すれば、直ちに前記受電装置に対して交流電力を開始できる。その結果、前記交流電力の送電準備期間を短縮して、前記送電アンテナから前記受電アンテナへの前記交流電力の送電を早く開始できる。
【０１０７】
本開示の第７の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜６のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、前記制御回路は、前記送電回路を制御して前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を切り替え、前記切り替えた周波数の中で、前記第２直流電力に対する前記第１直流電力の割合である伝送効率の２つの極大値に対応する２つの周波数を検出し、前記２つの周波数の中で、より周波数が高いものを偶モードの周波数（ｆＨ）とし、より周波数が低いものを奇モードの周波数（ｆＬ）とした場合、前記受電アンテナと前記送電アンテナとの結合係数ｋは以下の式を満たし、
ｋ＝（ｆＨ2−ｆＬ2）÷（ｆＨ2＋ｆＬ2）
前記結合係数ｋは０．１＜ｋ＜０．６の範囲にしてもよい。
【０１０８】
上記態様によると、前記結合係数ｋの値を０．１＜ｋ＜０．６の範囲にする。即ち、前記結合係数を比較的低く抑えている。
【０１０９】
前記送電アンテナに対して前記受電アンテナが左右にずれたり、また、前記送電アンテナから前記受電アンテナが遠ざかったりすると、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の距離が増大する場合がある。
【０１１０】
前記結合係数ｋの値が高い場合、前記距離が増大する程、前記送電アンテナから放出される全磁束量に対する前記受電アンテナが捉える磁束量が減少する。前記磁束量が減少すると、前記負荷に出力する前記直流電力の電圧が低下する。その結果、当初の保持していた前記直流電力の電圧を維持するためには、前記送電アンテナは送電する交流電力の電力量を増加させる必要がある。このように、前記送電アンテナが送電する交流電力の電力量を増加させると、前記送電アンテナの周囲にある金属異物を発熱させる虞がある。よって、前記結合係数ｋの値が高い場合、前記送電アンテナと受電アンテナとの間の距離が増大すると安全性の観点で問題がある。
【０１１１】
一方、前記結合係数ｋの値が低い場合、前記送電アンテナと受電アンテナとの間の距離が増大しても、前記送電アンテナから送電される交流電力の電力量に対して前記受電アンテナが捉える電力量は、ほとんど変化しない。このように、前記送電アンテナと受電アンテナと間の距離変動に対して、前記受電アンテナにおいて捉えられる電力量の損失は、ほとんど変化しない。即ち、前記送電アンテナと受電アンテナと間の距離変動に対して、前記送電アンテナが送電する交流電力の電力量は、ほとんど変化しない。その結果、前記送電アンテナの周囲にある金属異物を発熱させる虞はなく安全である。
【０１１２】
このように、前記結合係数ｋの値を０．１＜ｋ＜０．６の範囲にすることで、前記送電アンテナと受電アンテナとの間の距離が増大した場合でも、安全性を確保することができ、送電アンテナから受電アンテナへの電力伝送を実現できる。
【０１１３】
本開示の第８の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜７のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、
前記結合係数ｋは０．２＜ｋ＜０．４にしてもよい。
【０１１４】
上記態様によると、前記結合係数ｋの値を０．２＜ｋ＜０．４の範囲にすることで、さらに安全性を確保しつつ、伝送効率の向上を図ることができる。また、前記結合係数ｋの値を０．２＜ｋ＜０．４の範囲にすることで、前記結合係数が変動しても、前記電力量の変化を抑え、前記送電回路の制御が追従できず前記電力伝送が途切れてしまうことを防ぐことができる。また、例えば、周波数で前記電力量（電圧）を制御する場合、極力使用する周波数範囲は狭い方がよいので、前記結合係数ｋの値を０．２＜ｋ＜０．４の範囲にするのが好ましい。また、例えば、位相で制御する場合は、０〜１８０度の範囲にされてしまうので、前記結合係数ｋの値を０．２＜ｋ＜０．４の範囲にするのが好ましい。
【０１１５】
本開示の第９の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜８のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、前記制御回路は、前記交流電力の周波数を、高い周波数から低い周波数へ切り替えてもよい。
【０１１６】
上記態様によると、前記交流電力の周波数を、高い周波数から低い周波数へ切り替える。前記周波数は高くなる程、前記受電回路から前記負荷に出力する前記直流電力の電圧が低くなる傾向がある。よって、前記交流電力の周波数を、前記高い周波数から前記低い周波数へ切り替えることで、前記直流電力の電圧を徐々に低い方から高い方へ上げることになる。そのため、前記受電装置に含まれる回路素子の破壊を防止できる。
【０１１７】
本開示の第１０の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜９のうちのいずれか１つの態様に係る送電装置において、前記高い周波数は前記第２周波数より高い周波数であってもよい。
【０１１８】
上記態様によると、前記高い周波数を前記第２周波数より高い周波数とすることで、前記直流電力の電圧が前記負荷の動作電圧より低い電圧から入力を開始するので、前記直流電力の電圧の入力開始時において、前記受電装置に含まれる回路素子の破壊を確実に防止できる。
【０１１９】
本開示の第１１の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１態様から第１０態様のいずれか１項に係る送電装置と、前記受電装置とを備えた。
【０１２０】
本開示の第１２の態様に係る送電方法は、受電アンテナと、前記受電アンテナが受け取った交流電力を第１直流電力に変換する受電回路と、前記受電回路から前記第１直流電力が出力される負荷とを備える受電装置に対して送電装置により非接触で交流電力を送電する送電方法であって、
前記送電装置は、
直流電源から入力された第２直流電力を交流電力に変換する送電回路と、
前記送電回路から出力された前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、
前記受電装置において前記受電回路から前記負荷に出力された前記第１直流電力の電圧値を前記受電装置から入力する制御回路と、を具備し、
前記送電回路を制御して前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を切り替え、
前記入力した前記電圧値の中で、前記電圧値の極小値に対応する第１周波数と、前記第１周波数より高い周波数において極大値となる電圧値に対応する第２周波数とを検出し、
前記第１周波数と前記第２周波数との間の周波数に、前記受電アンテナに送電する前記交流電力の周波数を設定する。
【０１２１】
本開示の第１３の態様に係るプログラムは、本開示の第１２態様に記載の送電方法を送電装置のコンピュータに実現させる。
【０１２２】
本開示の第１４の態様に係る記録媒体は、本開示の第１２態様に記載の送電方法を送電装置のコンピュータに実現させるためのプログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能な記録媒体である。
【０１２３】
本開示の第１５の態様に係る無線電力伝送システムは、送電装置と、受電装置と、
を備える無線電力伝送システムであって、
前記送電装置は、
入力された直流電力を交流電力に変換して出力する送電回路と、
前記送電回路から出力された前記交流電力を送出する送電アンテナと、
前記送電回路から出力される前記交流電力の周波数を変化させるように前記送電回路を制御する制御回路と、
前記送電装置に入力された電流および電圧の少なくとも一方を検出する入力検出回路と、
を有し、
前記受電装置は、
前記送電アンテナから送出された前記交流電力の少なくとも一部を受け取る受電アンテナと、
前記受電アンテナが受け取った前記交流電力を直流電力に変換して出力する受電回路と、
前記受電回路から出力された電圧を検出する出力検出回路と、
前記出力検出回路の検出結果を前記制御回路に伝達する通信回路と、
を有し、
前記制御回路は、前記通信回路から伝達された前記出力検出回路の検出結果に基づいて、前記送電回路の動作周波数範囲を設定し、前記動作周波数範囲内で、前記入力検出回路の検出結果に基づいて、前記送電回路に出力させる前記交流電力の周波数を決定する。
【０１２４】
本開示の第１６の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜１５のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記制御回路は、前記出力検出回路の検出結果が示す電圧が、周波数ｆ１ａにおいて極小値をとり、周波数ｆ１ａよりも高い周波数ｆ２ａにおいて第１の極大値をとり、周波数ｆ１ａよりも低い周波数ｆ３ａにおいて第２の極大値をとるとき、ｆ３ａ＜ｆＬ１ａ≦ｆ１ａで表される周波数ｆＬ１ａを、前記動作周波数範囲の下限に設定する。
【０１２５】
本開示の第１７の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜１６のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記制御回路は、前記出力検出回路の検出結果が示す電圧が、周波数ｆ１ａにおいて極小値をとり、周波数ｆ１ａよりも高い周波数ｆ２ａにおいて第１の極大値をとり、周波数ｆ１ａよりも低い周波数ｆ３ａにおいて第２の極大値をとるとき、ｆ１ａ＜ｆＬ２ａ＜ｆ２ａで表される周波数ｆＬ２ａを、前記動作周波数範囲の下限に設定する。
【０１２６】
本開示の第１８の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜１７のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記制御回路は、周波数ｆ２ａを前記動作周波数範囲の上限に設定する。
【０１２７】
本開示の第１９の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜１８のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記受電装置は、前記受電回路から出力された前記直流電圧の大きさを所定の値に変換して負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータをさらに有する。
【０１２８】
本開示の第２０の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜１９のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記制御回路は、前記出力検出回路の検出結果に基づいて、前記受電回路から出力される直流電圧が所定値に近づくように、前記送電回路から出力される交流電圧の出力時間比を変化させる。
【０１２９】
本開示の第２１の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜２０のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記制御回路は、前記受電回路から出力される前記直流電圧が前記所定値に維持されているときの前記出力時間比が、周波数ｆ１ｂにおいて極大値をとり、周波数ｆ１ｂよりも高い周波数ｆ２ｂにおいて第１の極小値をとり、周波数ｆ１ｂよりも低い周波数ｆ３ｂにおいて第２の極小値をとるとき、ｆ３ｂ＜ｆＬ１ｂ≦ｆ１ｂで表される周波数ｆＬ１ｂを、前記動作周波数範囲の下限に設定する。
【０１３０】
本開示の第２２の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜２１のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記制御回路は、前記受電回路から出力される前記直流電圧が前記所定値に維持されているときの前記出力時間比が、周波数ｆ１ｂにおいて極大値をとり、周波数ｆ１ｂよりも高い周波数ｆ２ｂにおいて第１の極小値をとり、周波数ｆ１ｂよりも低い周波数ｆ３ｂにおいて第２の極小値をとるとき、ｆ１ｂ＜ｆＬ２ｂ＜ｆ２ｂで表される周波数ｆＬ２ｂを、前記動作周波数範囲の下限に設定する。
【０１３１】
本開示の第２３の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜２２のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記制御回路は、周波数ｆ２ｂを前記動作周波数範囲の上限に設定する。
【０１３２】
本開示の第２４の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜２３のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記送電装置は、入力された直流電圧の大きさを変化させる入力電圧変換回路をさらに有し、
前記制御回路は、前記出力検出回路の検出結果に基づいて、前記受電回路から出力される直流電圧が所定値に近づくように、前記入力電圧変換回路を制御する。
【０１３３】
本開示の第２５の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜２４のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記制御回路は、前記受電回路から出力される前記直流電圧が前記所定値に維持されているときの前記入力電圧変換回路の出力電圧が、周波数ｆ１ｃにおいて極大値をとり、周波数ｆ１ｃよりも高い周波数ｆ２ｃにおいて第１の極小値をとり、周波数ｆ１ｃよりも低い周波数ｆ３ｃにおいて第２の極小値をとるとき、ｆ３ｃ＜ｆＬ１ｃ≦ｆ１ｃで表される周波数ｆＬ１ｃを、前記動作周波数範囲の下限に設定する。
【０１３４】
本開示の第２６の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜２５のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記制御回路は、前記受電回路から出力される前記直流電圧が前記所定値に維持されているときの前記入力電圧変換回路の出力電圧が、周波数ｆ１ｃにおいて極大値をとり、周波数ｆ１ｃよりも高い周波数ｆ２ｃにおいて第１の極小値をとり、周波数ｆ１ｃよりも低い周波数ｆ３ｃにおいて第２の極小値をとるとき、ｆ１ｃ＜ｆＬ２ｃ＜ｆ２ｃで表される周波数ｆＬ２ｃを、前記動作周波数範囲の下限に設定する。
【０１３５】
本開示の第２７の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜２６のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記制御回路は、周波数ｆ２ｃを前記動作周波数範囲の上限に設定する。
【０１３６】
本開示の第２８の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜２７のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記入力検出回路は、前記送電装置に入力された電流および電圧の両方を検出するように構成され、
前記出力検出回路は、前記受電回路から出力された電圧および電流の両方を検出するように構成され、
前記制御回路は、前記動作周波数範囲内で、前記出力検出回路および前記入力検出回路の各々の検出結果に基づいて、伝送効率が最大に近づくように前記周波数を変化させる。
【０１３７】
本開示の第２９の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜２８のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記制御回路は、前記動作周波数範囲内で、前記入力検出回路の検出結果に基づいて、前記受電回路から出力される直流電圧が所定値に維持されているときの前記入力電流が最小に近づくように前記周波数を変化させる。
【０１３８】
本開示の第３０の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜２９のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記送電装置は、前記送電アンテナおよび前記受電アンテナの周辺に存在する金属異物を検出する異物検出回路をさらに有し、
前記制御回路は、前記異物検出回路が前記金属異物を検出したとき、周波数ｆＬ２ａを、前記動作周波数範囲の下限に設定する。
【０１３９】
本開示の第３１の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜３０のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記送電装置は、前記送電アンテナおよび前記受電アンテナの周辺に存在する金属異物を検出する異物検出回路をさらに有し、
前記制御回路は、前記異物検出回路が前記金属異物を検出したとき、周波数ｆＬ２ｂを、前記動作周波数範囲の下限に設定する。
【０１４０】
本開示の第３２の態様に係る無線電力伝送システムは、本開示の第１〜３１のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムまたは無線電力伝送システムの送電装置において、
前記送電装置は、前記送電アンテナおよび前記受電アンテナの周辺に存在する金属異物を検出する異物検出回路をさらに有し、
前記制御回路は、前記異物検出回路が前記金属異物の混入を検出したとき、周波数ｆＬ２ｃを、前記動作周波数範囲の下限に設定する。
【０１４１】
本開示の第３３の態様に係る送電装置は、本開示の第１〜３２のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムに用いられる送電装置である。
【０１４２】
本開示の第３４の態様に係るプログラムは、本開示の第１〜３３のうちのいずれか１つの態様に係る無線電力伝送システムに用いられる送電装置に搭載されたコンピュータに、
前記通信回路から伝達された前記出力検出回路の検出結果に基づいて、前記送電回路の動作周波数範囲を設定し、前記動作周波数範囲内で、前記入力検出回路の検出結果に基づいて、前記送電回路に出力させる前記交流電力の周波数を決定するステップ
を実行させる。
【０１４３】
尚、上記送電装置、上記無線電力伝送システム、上記送電方法、上記プログラム、上記記録媒体の各々のカテゴリ−は、他のカテゴリ−に自由に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
本開示の技術は、例えばスマートフォンやタブレット端末、ノートＰＣなどの電子機器や、電気自動車などの電動機械に充給電を行う充給電システムに利用可能である。
【符号の説明】
【０１４５】
１０００    送電装置
１００１    送電回路
１００２    送電コイル
１００３、１０１２    共振キャパシタ
１００４    入力検出回路
１００５    制御回路
１００６    入力電圧変換回路
１００７    送電アンテナ
１００８    発振回路
１００９    パルス出力回路
１０１０    受電装置
１０１１    受電コイル
１０１３    受電回路
１０１４    負荷
１０１５    出力検出回路
１０１６    通信回路
１０１７    受電アンテナ
１０２０    直流（ＤＣ）電源
１０３０    周波数制御部
１０３１    最適周波数検出部
１０３２    周波数範囲設定部
１０３３    出力時間比制御部
１０３４    最適出力時間比検出部
１０３５    入力電圧制御部
１０３６    最適入力電圧検出部
１０４０    異物検出回路
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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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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