(57)【要約】【課題】１つの無線送電装置から複数の無線受電装置に対して、非接触で同時に適切な給電を行う。【解決手段】本開示の態様に係る無線送電装置は、複数の周波数に対応した各高周波電力を複数の無線受電装置に送電する送電アンテナと、複数の無線受電装置の各々から、各無線受電装置の要求電圧の値と、各無線受電装置により無線送電装置から受電された受電電圧の値とを取得する受信回路と、各受信回路から要求電圧の値及び受電電圧の値を取得し、各無線受電装置に送電する高周波電力の周波数を制御する制御回路とを備え、制御回路は、各無線受電装置における要求電圧及び受電電圧の誤差の総和を最小化するように、上記送電アンテナから各無線受電装置送電される高周波電力の周波数を変化させる。【選択図】図１
2015111997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の無線受電装置に高周波電力を送電する無線電力伝送システムの無線送電装置であって、
上記複数の無線受電装置の各々に対して、複数の周波数に対応した各高周波電力を送電する送電アンテナと、
上記複数の各無線受電装置の各々から、上記各々の無線受電装置の要求電圧の値及び上記複数の周波数の各々に対応する上記各々の無線受電装置の受電電圧の値を取得する複数の受信回路と、
上記複数の受信回路から上記要求電圧の値及び上記受電電圧の値を取得し、上記複数の無線受電装置の各々に送電する高周波電力の周波数を制御する制御回路と、を備え、
上記制御回路は、
上記複数の周波数の中の各周波数で順次、上記各周波数に対応した高周波電力を上記複数の無線受電装置に送電を行い、
上記複数の周波数の中の第１の周波数に対応する高周波電力を送電した場合における上記各々の無線受電装置の上記要求電圧と上記受電電圧との誤差を合計した第１総和と、上記複数の周波数の中の第２の周波数に対応する高周波電力を送電した場合における上記各々の無線受電装置の上記要求電圧と上記受電電圧との誤差を合計した第２総和とを比較し、
上記第１総和及び上記第２総和の中でいずれか小さい方の総和に対応する周波数に近い第３の周波数を設定し、上記第３の周波数に対応する高周波電力を上記複数の無線受電装置の各々に送電し、
上記複数の無線受電装置の各々について上記誤差を予め決められた基準内に収束させる、
無線送電装置。
【請求項２】
上記制御回路は、上記第１総和及び上記第２総和の中で小さい方の総和と、上記第３の周波数に対応する高周波電力を送電した場合における上記各々の無線受電装置の上記要求電圧と上記受電電圧との誤差を合計した第３総和とを比較し、上記小さい方の総和及び上記第３総和の中でさらに小さい方の総和に対応する周波数に近い第４の周波数を設定し、上記第４の周波数に対応する高周波電力を上記複数の無線受電装置の各々に送電し、
上記処理を繰り返して上記誤差の総和が最小となる周波数を決定し、上記誤差の総和が最小となる周波数に対応する高周波電力を上記複数の無線受電装置の各々に送電する、
請求項１記載の無線送電装置。
【請求項３】
上記無線送電装置は、さらに、電源装置から入力した電圧の電圧値を変化させて上記送電アンテナに出力する電圧調整回路を有し、
上記制御回路は、上記誤差の総和を最小化した後で、上記複数の無線受電装置の中の少なくとも１つの無線受電装置において、上記要求電圧と上記受電電圧との誤差が予め決められたしきい値を超えるとき、上記電圧調整回路から上記送電アンテナに出力される電圧値を低下させ、上記少なくとも１つの無線受電装置における上記要求電圧と上記受電電圧との誤差を上記しきい値以下にする、
請求項２記載の無線送電装置。
【請求項４】
上記送電アンテナ及び上記無線受電装置の受電アンテナの少なくとも一方は、可変な回路定数を有する回路素子を有し、
上記制御回路は、上記送電アンテナ及び上記受電アンテナの少なくとも一方の回路定数を変化させる、
請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の無線送電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の上記無線送電装置と、上記複数の無線受電装置とを有する、
無線電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、送電コイル及び受電コイルの間の磁気結合によって非接触で電力を送る無線送電装置及び無線電力伝送システムに関する。
【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つつある。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において、そ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、無線送電装置の送電コイルと無線受電装置の受電コイルとの間の電磁誘導によって無線送電装置から無線受電装置に非接触で電力を送る。特に、共振型の送電コイル及び受電コイル（共振磁界結合）を用いた無線電力伝送システムは、送電コイル及び受電コイル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ので、様々な分野における応用が期待されている。
【０００３】
例えば、特許文献１〜４の無線電力伝送システムが知られている。特許文献１〜４の無線電力伝送システムによれば、コイルの周辺の空間に生じる高周波磁界を介して２つのコイルを結合することにより、コイル間の空間を介して非接触（無線）で電力を伝送する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０１６９８５号公報
【特許文献２】国際公開第２０１２／０８１５１９号パンフレット
【特許文献３】国際公開第２０１２／１６４７４４号パンフレット
【特許文献４】特開２０１３−０３４３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術では、１つの無線送電装置から複数の無線受電装置に対して、非接触で同時に適切な給電を行うことができなかった。
【０００６】
本開示の目的は、１つの無線送電装置から複数の無線受電装置に非接触で同時に適切な給電を行うことができる無線送電装置及び無線電力伝送システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の態様に係る無線送電装置は、複数の周波数に対応した各高周波電力を複数の無線受電装置に送電する送電アンテナと、複数の無線受電装置の各々から、各無線受電装置の要求電圧の値と、各無線受電装置により無線送電装置から受電された受電電圧の値とを取得する受信回路と、各受信回路から要求電圧の値及び受電電圧の値を取得し、各無線受電装置に送電する高周波電力の周波数を制御する制御回路とを備え、制御回路は、各無線受電装置における要求電圧及び受電電圧の誤差の総和を最小化するように、上記送電アンテナから各無線受電装置送電される高周波電力の周波数を変化させる。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の無線送電装置によれば、１つの無線送電装置から複数の無線受電装置に対して、非接触で同時に適切な給電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係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２】図１の送電アンテナ２２−１及び受電アンテナ３１−１の実装例を示す等価回路図である。
【図３】図１の送電アンテナ２２−１及び受電アンテナ３１−１の第１の変形例に係る送電アンテナ２２ａ−１及び受電アンテナ３１ａ−１を示す等価回路図である。
【図４】図１の送電アンテナ２２−１及び受電アンテナ３１−１の第２の変形例に係る送電アンテナ２２ｂ−１及び受電アンテナ３１ｂ−１を示す等価回路図である。
【図５】図１の送電アンテナ２２−１及び受電アンテナ３１−１の第３の変形例に係る送電アンテナ２２ｃ−１及び受電アンテナ３１ｃ−１を示す等価回路図である。
【図６】図１の無線送電装置２の制御回路２４によって実行される送電制御処理を示すフローチャートである。
【図７】第１の実施形態の変形例に係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８】第２の実施形態に係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９】第２の実施形態の変形例に係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１０】図９の発振回路２１Ｃの詳細構成を示す回路図である。
【図１１】図８の無線送電装置２Ｂの制御回路２４Ｂによって実行される送電制御処理を示すフローチャートである。
【図１２】第３の実施形態に係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１３】図１２の送電アンテナ２２Ｄ−１及び受電アンテナ３１Ｄ−１の実装例を示す等価回路図である。
【図１４】図１３のキャパシタＣ１の実装例を示す回路図である。
【図１５】実施例１に係る受電電圧Ｖ１，Ｖ２、全体誤差指数Ｅｓの周波数特性を示すグラフである。
【図１６】実施例２に係る受電電圧Ｖ１，Ｖ２、全体誤差指数Ｅｓの周波数特性を示すグラフである（発振回路２１の入力電圧１０Ｖのとき）。
【図１７】実施例２に係る受電電圧Ｖ１，Ｖ２、全体誤差指数Ｅｓの周波数特性を示すグラフである（発振回路２１の入力電圧６．９４Ｖのとき）。
【図１８】実施例３に係る全体誤差指数Ｅｓの周波数特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜発明の基礎となった知見＞
本発明者は、「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。
【００１１】
特許文献１から３は、送電コイルを有する１つ無線送電装置が、受電コイルを有する１つの無線受電装置に電力を伝送する一般的な無線電力伝送システムを開示するに過ぎない。
【００１２】
これに対し、特許文献４では、１つの無線送電装置は送電コイルを有するが、この送電コイルから複数の無線受電装置に対して、非接触で同時に給電を行う非接触給電装置を開示している。上記特許文献４の方法は、上記送電コイルから複数の無線受電装置に供給された電力の和に基づき、上記送電コイルの周波数を決定するものである。ここで、上記送電コイルの周波数を送電側回路における駆動周波数と以後、言い換えても良い。
【００１３】
一般的に、異なる無線受電装置は、異なる負荷特性を有し、異なる電力を要求することが想定される。さらに、異なる無線受電装置に接続される異なる負荷は、それぞれ、異なる入力電圧範囲内で動作することが想定される。例えば、無線受電装置が充電池（二次電池）を備えたモバイル機器であり、無線送電装置がこの充電池に充電する目的で使用される場合には、異なる負荷に応じてきめ細かな充電電圧の制御が必要となる。しかしながら、上記送電コイルから複数の無線受電装置に供給された電力の和に基づき、送電側回路における駆動周波数を決定した場合、複数の無線受電装置に送る電力を個別に制御することができない。
【００１４】
そのため、上記送電コイルから複数の無線受電装置に同時に電力供給する場合、例えば、複数の無線受電装置が受電する電力の総和を最大化するように無線送電装置の送電側回路における駆動周波数を決定することも考えられる。しかし、ある一の無線受電装置において、上記一の無線受電装置が要求する要求電圧と、上記一の無線受電装置が受電して負荷に出力する電圧との間に差（誤差）が生じ、特に、上記負荷に出力する電圧が上記要求電圧を大きく超過する場合が発生しうる。上記負荷に出力する電圧の超過は、上記一の無線受電装置においては、安全な充電動作の妨げになりうるし、上記一の無線受電装置を構成する回路素子の破壊にもなりうる。また、別の状態として、上記負荷に出力する電圧が上記要求電圧に到達しない場合が発生しうる。その結果、安定した充電動作や給電動作の実現が困難になるという課題がある。上記負荷に出力する電圧を出力電圧と以後、言い換えても良い。
【００１５】
上記課題の原因は、以下のように考えられる。
【００１６】
例えば、複数の無線受電装置が受電する電力の総和を最大化するように送電側回路における駆動周波数を決定する場合、各々の無線受電装置に供給される電力は、各々の無線受電装置の要求電力を満たすことになる。しかしながら、この場合でも、上記複数の各々の無線受電装置の共振周波数や、要求する電力、要求する電圧、受電コイルが接続される負荷、あるいは、送電コイルと受電コイル間の結合係数が、必ずしも一致していないことに起因して、いずれかの無線受電装置において、要求電圧と出力電圧との誤差が生じる可能性がある。
【００１７】
このように、上記例では、複数の無線受電装置が受電する電力の総和を最大化するような送電側回路の駆動周波数を決定することは、複数の無線受電装置に対して適切な充電、及び給電動作を実現するには至らない。
【００１８】
すなわち、上記複数の無線受電装置の各々において要求電圧と受電電圧との誤差を低減することは考慮されていない。
【００１９】
つまり、上記特許文献１から上記特許文献４のいずれにも、複数の無線受電装置において要求電圧と受電電圧との誤差をできるだけ小さくするという着想がない。そのため、複数の無線受電装置が受電する電力の総和を最大化するように送電側回路の駆動周波数を決定したとしても、各無線受電装置の受電電圧が目標電圧範囲を満足することができない場合がある。ここで、目標電圧範囲とは、無線受電装置の要求電圧を中心として、無線受電装置によって許容される電圧の範囲のことである。
【００２０】
そこで、無線送電装置には、１つの無線送電装置から複数の無線受電装置に同時に電力供給するとき、各無線受電装置の受電電圧が目標電圧範囲を満足するように制御することが望まれている。そして、無線送電装置には、１つの無線送電装置から複数の無線受電装置に対して、非接触で同時に適切な給電を行うことが望まれている。
【００２１】
以上の考察により、本発明者は、以下の発明の各態様を想到するに至った。
【００２２】
本開示の一態様に係る無線送電装置は、
複数の無線受電装置に高周波電力を送電する無線電力伝送システムの無線送電装置であって、
上記複数の無線受電装置の各々に対して、複数の周波数に対応した各高周波電力を送電する送電アンテナと、
上記複数の各無線受電装置の各々から、上記各々の無線受電装置の要求電圧の値及び上記複数の周波数の各々に対応する上記各々の無線受電装置の受電電圧の値を取得する複数の受信回路と、
上記複数の受信回路から上記要求電圧の値及び上記受電電圧の値を取得し、上記複数の無線受電装置の各々に送電する高周波電力の周波数を制御する制御回路と、を備え、
上記制御回路は、
上記複数の周波数の中の各周波数で順次、上記各周波数に対応した高周波電力を上記複数の無線受電装置に送電を行い、
上記複数の周波数の中の第１の周波数に対応する高周波電力を送電した場合における上記各々の無線受電装置の上記要求電圧と上記受電電圧との誤差を合計した第１総和と、上記複数の周波数の中の第２の周波数に対応する高周波電力を送電した場合における上記各々の無線受電装置の上記要求電圧と上記受電電圧との誤差を合計した第２総和とを比較し、
上記第１総和及び上記第２総和の中でいずれか小さい方の総和に対応する周波数に近い第３の周波数を設定し、上記第３の周波数に対応する高周波電力を上記複数の無線受電装置の各々に送電し、
上記複数の無線受電装置の各々について上記誤差を予め決められた基準内に収束させる。
【００２３】
上記態様によれば、１つの無線送電装置から複数の無線受電装置に同時に電力供給するとき、各無線受電装置の要求電圧と、上記各無線受電装置において無線送電装置から受電された受電電圧との誤差の総和を低減する。上記誤差を小さくする周波数を用いて高周波電力を上記複数の無線受電装置の各々に送電することにより、複数の無線受電装置の各々において受電電圧が目標電圧範囲を満足するように受電電圧を制御することが可能となる。その結果、１つの無線送電装置から複数の無線受電装置に対して、非接触で同時に適切な給電を行うことができる。ここで、１つの無線送電装置は、上記複数の無線受電装置の各々に対して、複数の周波数に対応した各高周波電力を送電アンテナに送電する１つの発振回路のみを備えている。
【００２４】
上記態様において、例えば、上記制御回路は、上記第１総和及び上記第２総和の中で小さい方の総和と、上記第３の周波数に対応する高周波電力を送電した場合における上記各々の無線受電装置の上記要求電圧と上記受電電圧との誤差を合計した第３総和とを比較し、上記小さい方の総和及び上記第３総和の中でさらに小さい方の総和に対応する周波数に近い第４の周波数を設定し、上記第４の周波数に対応する高周波電力を上記複数の無線受電装置の各々に送電し、
上記処理を繰り返して上記誤差の総和が最小となる周波数を決定し、上記誤差の総和が最小となる周波数に対応する高周波電力を上記複数の無線受電装置の各々に送電してもよい。
【００２５】
上記態様によれば、上記誤差の総和がより小さくなる周波数を決定する処理を繰り返すことにより、上記誤差の総和が最小となる周波数を決定するので、各無線受電装置の受電電圧が目標電圧範囲を満足するように受電電圧を制御することが可能となる。
【００２６】
上記態様において、例えば、上記無線送電装置は、さらに、電源装置から入力した電圧の電圧値を変化させて上記送電アンテナに出力する電圧調整回路を有し、
上記制御回路は、上記誤差の総和を最小化した後で、上記複数の無線受電装置の中の少なくとも１つの無線受電装置において、上記要求電圧と上記受電電圧との誤差が予め決められたしきい値を超えるとき、上記電圧調整回路から上記送電アンテナに出力される電圧値を低下させ、上記少なくとも１つの無線受電装置における上記要求電圧と上記受電電圧との誤差を上記しきい値以下にしてもよい。
【００２７】
上記態様によれば、上記誤差の総和を最小化した後で、上記複数の無線受電装置のうちの少なくとも１つにおいて上記無線受電装置の誤差が予め決められたしきい値を超える場合がある。その場合、上記電圧調整回路の出力電圧を低下させ、上記誤差が上記しきい値以下にすることで、各無線受電装置の受電電圧が目標電圧範囲を満足するように受電電圧を制御することが可能となる。
【００２８】
上記態様において、例えば、上記送電アンテナ及び上記無線受電装置の受電アンテナの少なくとも一方は、可変な回路定数を有する回路素子を有し、
上記制御回路は、上記送電アンテナ及び上記受電アンテナの少なくとも一方の回路定数を変化させてもよい。
【００２９】
上記のいずれの態様の送電制御を行っても依然として、全ての無線受電装置の受電電圧が目標電圧範囲を満足できない場合がある。そこで、上記態様によれば、上記送電アンテナ及び上記受電アンテナの少なくとも一方の回路定数を変化させて、上記誤差の総和の周波数特性を変化させる。つまり、上記誤差の総和の最小値が変化する。その結果、各無線受電装置の受電電圧が目標電圧範囲を満足するように受電電圧を制御することが可能となる。
【００３０】
上記態様において、例えば、上記各無線受電装置の誤差は、当該無線受電装置の要求電圧、当該無線受電装置の受電電圧、上記複数の無線受電装置の要求電圧の平均値、及び上記複数の無線受電装置の受電電圧の平均値に基づいて計算されてもよい。
【００３１】
上記態様において、例えば、上記無線送電装置は、可変な周波数を有する高周波電力を発生して上記送電アンテナに供給する送電回路を備え、上記送電回路は、入力電圧から可変な出力電圧を発生する電力変換回路と、上記電力変換回路の出力電圧から可変な周波数の高周波電力を発生するインバータ回路とを含んでもよい。
【００３２】
上記態様において、例えば、上記送電回路は、複数のスイッチをスイッチングする信号の位相を変化させることにより可変な出力電圧を有する高周波電力を発生するインバータ回路を含んでもよい。
【００３３】
上記態様において、例えば、上記送電回路は、可変なデューティ比でスイッチングすることにより可変な出力電圧を有する高周波電力を発生するインバータ回路を含んでもよい。
【００３４】
なお、上記の態様は、上記無線送電装置と、上記複数の無線受電装置とを有する無線電力伝送システムとして実現されてもよい。
【００３５】
上記態様において、例えば、上記各無線受電装置は、受電コイルを含む共振回路を含む受電アンテナと、上記無線受電装置の要求電圧の値と、上記無線受電装置により上記無線送電装置から受電された受電電圧の値とを上記無線送電装置に送信する送信回路とを備えてもよい。
【００３６】
上記態様において、例えば、上記各無線受電装置は、充電池をさらに備え、上記無線送電装置から高周波電力の供給を受けて上記充電池に充電してもよい。
【００３７】
本開示の別の態様に係る無線送電装置は、
１つの無線送電装置及び複数の無線受電装置を含む無線電力伝送システムの無線送電装置において、
上記各無線受電装置は、受電コイルを含む共振回路を含む受電アンテナを備え、
上記無線送電装置は、
送電コイルを含む共振回路を含み、上記各無線受電装置の受電アンテナと電磁的に結合する少なくとも１つの送電アンテナと、
可変な周波数を有する高周波電力を発生して上記送電アンテナに供給する送電回路と、
上記各無線受電装置から、当該無線受電装置の要求電圧の値と、当該無線受電装置により上記無線送電装置から受電された受電電圧の値とを取得する受信回路と、
上記送電回路を制御する制御回路とを備え、
上記制御回路は、
上記各無線受電装置について、当該無線受電装置の要求電圧及び受電電圧の誤差を表す相対誤差指数を計算し、
上記各無線受電装置の相対誤差指数から上記複数の無線受電装置の全体誤差指数を計算し、
上記全体誤差指数を最小化するように、上記送電回路によって発生される高周波電力の周波数を変化させる。
【００３８】
上記態様において、例えば、上記各無線受電装置の相対誤差指数は、当該無線受電装置の要求電圧、当該無線受電装置の受電電圧、上記複数の無線受電装置の要求電圧の平均値、及び上記複数の無線受電装置の受電電圧の平均値に基づいて計算されてもよい。
【００３９】
上記態様において、例えば、上記送電回路は可変な出力電圧を有し、上記制御回路は、上記全体誤差指数を最小化した後で、上記複数の無線受電装置のうちの少なくとも１つにおいて当該無線受電装置の要求電圧及び受電電圧の誤差が予め決められたしきい値を超えるとき、上記誤差が上記しきい値以下になるまで上記送電回路の出力電圧を低下させてもよい。
【００４０】
上記態様において、上記送電回路は、入力電圧から可変な出力電圧を発生する電力変換回路と、上記電力変換回路の出力電圧から可変な周波数の高周波電力を発生するインバータ回路とを含んでいてもよい。
【００４１】
上記態様において、例えば、上記送電回路は、複数のスイッチをスイッチングする信号の位相を変化させることにより可変な出力電圧を有する高周波電力を発生するインバータ回路を含んでいてもよい。
【００４２】
上記態様において、例えば、上記送電回路は、可変なデューティ比でスイッチングすることにより可変な出力電圧を有する高周波電力を発生するインバータ回路を含んでいてもよい。
【００４３】
上記態様において、例えば、上記送電アンテナ及び上記受電アンテナの少なくとも一方は可変な回路定数を有し、上記制御回路は、上記送電アンテナ及び上記受電アンテナの少なくとも一方の回路定数を変化させてもよい。
【００４４】
なお、上記の態様は、上記無線送電装置と、上記複数の無線受電装置とを有する無線電力伝送システムとして実現されてもよい。
【００４５】
上記態様において、例えば、上記各無線受電装置は、受電コイルを含む共振回路を含む受電アンテナと、上記無線受電装置の要求電圧の値と、上記無線受電装置により上記無線送電装置から受電された受電電圧の値とを上記無線送電装置に送信する送信回路とを備えていてもよい。
【００４６】
上記態様において、例えば、上記各無線受電装置は、充電池をさらに備え、上記無線送電装置から高周波電力の供給を受けて上記充電池に充電してもよい。
【００４７】
以下、実施形態に係る無線電力伝送システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００４８】
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係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１の無線電力伝送システムは、直流の電源装置１に接続された１つの無線送電装置２と、無線送電装置２から電力供給を受ける複数の無線受電装置３−１〜３−Ｎとを含む。
【００４９】
図１の無線送電装置２は、発振回路２１、複数の送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎ、複数の受信回路２３−１〜２３−Ｎ、及び制御回路２４を備える。発振回路２１は、可変な周波数ｆ０を有する高周波電力を発生し、送電アンテナ２２−１〜２４−Ｎに供給するインバータ回路である。送電アンテナ２２−１〜２４−Ｎのそれぞれは、送電コイルを含む共振回路を含み、各無線受電装置３−１〜３−Ｎの受電アンテナ３１−１〜３１−Ｎ（後述）と電磁的に結合する。受信回路２３−１〜２３−Ｎは、送電アンテナ２２−１〜２４−Ｎにそれぞれ接続され、各無線受電装置３−１〜３−Ｎの消費電力を変化させることにより各無線受電装置３−１〜３−Ｎから無線送電装置２に送られた負荷変調信号を受信して復調する。これにより、受信回路２３−１〜２３−Ｎは、各無線受電装置３−１〜３−Ｎから、当該無線受電装置の要求電圧の値と、当該無線受電装置により無線送電装置２から受電された受電電圧の値とを取得し、制御回路２４に送る。制御回路２４は、発振回路２１を制御し、発振回路２１によって発生される高周波電力の周波数ｆ０を変化させる。
【００５０】
発振回路２１によって発生される高周波電力の周波数ｆ０は、例えば５０Ｈｚ〜３００ＧＨｚ、ある例では１００ｋＨｚ〜１０ＧＨｚ、典型的には５００ｋＨｚ〜２０ＭＨｚに設定される。なお、用途によっては、１０ｋＨｚ〜１ＧＨｚ、２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚ、１００ｋＨｚ〜２０５ｋＨｚ、あるいは、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲に設定される。本明細書では、このような周波数ｆ０の振動磁界によって伝送される電力を「高周波電力（ＲＦ電力）」と称する。
【００５１】
図１の無線受電装置３−１は、受電アンテナ３１−１、整流回路３２−１、制御回路３３−１、送信回路３４−１及び負荷装置３５−１を備える。受電アンテナ３１−１は、受電コイルを含む共振回路を含み、送電アンテナ２２−１〜２４−Ｎのうちの少なくとも１つの送電アンテナ２２−１に電磁的に結合する。複数の無線受電装置が存在するとき、送電アンテナ２２−１〜２４−Ｎと、各無線受電装置３−１〜３−Ｎの受電アンテナ３１−１〜３１−Ｎとは、例えば１対１に対応する。整流回路３２−１は、受電アンテナ３１−１を介して無線送電装置２から受けた電力の整流及び平滑化を行って負荷装置３５−１に供給する。制御回路３３−１は、整流回路３２−１の出力電圧Ｖ１の値（すなわち、無線受電装置３−１により無線送電装置２から受電された受電電圧の値）を取得し、さらに、負荷装置３５−１によって要求される要求電圧の値を取得する。制御回路３３−１は、さらに、送信回路３４−１は、例えば、無線受電装置３−１の消費電力を変化させることにより負荷変調信号を発生する負荷変調回路を含む。これにより、送信回路３４−１は、制御回路３３−１の制御下で無線受電装置３−１の要求電圧の値と、無線受電装置３−１の受電電圧Ｖ１の値とを無線送電装置２に送信する。負荷装置３５−１は、例えば充電池である。負荷装置３５−１が充電池のとき、無線受電装置３−１は、無線送電装置２から高周波電力の供給を受けて充電池に充電する。
【００５２】
図１の無線受電装置３−２〜３−Ｎもまた、無線受電装置３−１と同様に構成される。
【００５３】
図１の無線電力伝送システムは、第１の送電アンテナ２２−１及び第１の受電アンテナ３１−１からなる第１の送受アンテナ対４−１、第２の送電アンテナ２２−２及び第２の受電アンテナ３１−２からなる第２送受アンテナ対４−２、…、第Ｎの送電アンテナ２２−Ｎ及び第１の受電アンテナ３１−Ｎからなる第Ｎの送受アンテナ対４−Ｎを含み、送受アンテナ対の間で磁界結合によって非接触で電力を伝送する。第ｎ（１≦ｎ≦Ｎ）の送電アンテナ対において、送電アンテナ２２−ｎと受電アンテナ３１−ｎは、適切な結合係数ｋｎで磁界結合する。適切な結合係数ｋｎは、０．０１以上１未満、好ましくは０．１以上０．７５以下、の値に設定される。適切な結合係数ｋｎを得るために、送電アンテナ及び受電アンテナは互いに近接して配置される。
【００５４】
図２は、図１の送電アンテナ２２−１及び受電アンテナ３１−１の実装例を示す等価回路図である。送電アンテナ２２−１及び受電アンテナ３１−１は、コイル形状のインダクタＬ１，Ｌ２を少なくとも含み、磁界結合によって結合される。送電アンテナ及び受電アンテナの少なくとも一方には、周波数ｆ０近傍において共振するよう、キャパシタが付与される。例えば、図２に示すように、送電アンテナ２２−１は、インダクタＬ１及びキャパシタＣ１が直列に接続された直列共振回路であり、受電アンテナ３１−１は、インダクタＬ２及びキャパシタＣ２が並列に接続された並列共振回路である。なお、送電アンテナ２２−１の直列共振回路は寄生抵抗成分Ｒ１を有し、受電アンテナ３１−１の並列共振回路は寄生抵抗成分Ｒ２を有している。図３は、図１の送電アンテナ２２−１及び受電アンテナ３１−１の第１の変形例に係る送電アンテナ２２ａ−１及び受電アンテナ３１ａ−１を示す等価回路図である。図４は、図１の送電アンテナ２２−１及び受電アンテナ３１−１の第２の変形例に係る送電アンテナ２２ｂ−１及び受電アンテナ３１ｂ−１を示す等価回路図である。図５は、図１の送電アンテナ２２−１及び受電アンテナ３１−１の第３の変形例に係る送電アンテナ２２ｃ−１及び受電アンテナ３１ｃ−１を示す等価回路図である。インダクタ及びキャパシタの接続は、直列共振、並列共振、両者の組み合わせのいずれであってもよい。図２の例とは異なり、送電アンテナが並列共振回路を構成してもよく、受電アンテナが直列共振回路を構成してもよい。また、片方のアンテナが非共振回路であってもよい。
【００５５】
図１の他の送電アンテナ２２−２〜２２−Ｎ及び他の受電アンテナ３１−２〜３１−Ｎもまた、図２〜図５の送電アンテナ及び受電アンテナと同様に構成される。
【００５６】
また、第３の実施形態で説明するように、送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎの共振周波数及び受電アンテナ３１−１〜３１−Ｎの共振周波数は、可変であってもよい。
【００５７】
発振回路２１から出力された高周波電力は、発振回路２１に接続された送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎに入力される。送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎ及び受電アンテナ３１−１〜３１−Ｎは、互いの共振回路が形成する共振磁界によって結合され、受電アンテナ３１−１〜３１−Ｎは、送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎによって送出された高周波電力を受け取ることができる。受電アンテナ３１−１〜３１−Ｎは、送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎに接触せず、送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎから例えば１ｍｍ〜数ｍ程度は離間している。
【００５８】
図１の無線電力伝送システムにおいて、複数の無線受電装置３−１〜３−Ｎに同時に電力供給するとき、各無線受電装置の要求電圧（目標電圧）Ｖｃ１，Ｖｃ２，…，ＶｃＮと、当該無線受電装置により無線送電装置２から受電された受電電圧Ｖ１，Ｖ２，…，ＶＮとの間に誤差が生じている可能性がある。以下、この誤差を低減するための方法について説明する。
【００５９】
制御回路２４は、無線受電装置３−１〜３−Ｎのそれぞれについて、当該無線受電装置の要求電圧Ｖｃｎ及び受電電圧Ｖｎ（１≦ｎ≦Ｎ）の誤差（＝｜Ｖｎ−Ｖｃｎ｜）を表す相対誤差指数Ｅｎを計算し、各無線受電装置の相対誤差指数Ｅ１〜ＥＮから無線受電装置３−１〜３−Ｎの全体誤差指数Ｅｓを計算する。尚、相対誤差指数Ｅｎを単に誤差と呼んでもよい。
【００６０】
各無線受電装置の相対誤差指数Ｅ１〜ＥＮと、全体誤差指数Ｅｓとを以下のように定義する。要求電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２，…，ＶｃＮの平均値をＶｃａｖとし、受電電圧Ｖ１，Ｖ２，…，ＶＮの平均値をＶａｖとすると、無線受電装置３−１の相対誤差指数Ｅ１は、例えば、次式で与えられる。
【００６１】
［数１］
Ｅ１＝｜（Ｖ１×Ｖｃａｖ÷Ｖａｖ）−Ｖｃ１｜
【００６２】
要求電圧の平均値Ｖｃａｖは次式で定義される。
【００６３】
［数２］
Ｖｃａｖ＝（Ｖｃ１＋Ｖｃ２＋…＋ＶｃＮ）÷Ｎ
【００６４】
受電電圧の平均値Ｖａｖは、受電電圧Ｖ１〜ＶＮの単純平均であってもよく、重み付けられた平均であってもよい。前者の場合、受電電圧の平均値Ｖａｖは次式で定義される。
【００６５】
［数３］
Ｖａｖ＝（Ｖ１＋Ｖ２＋…＋ＶＮ）÷Ｎ
【００６６】
重み付けられた受電電圧の平均値Ｖａｖは次式で定義される。
【００６７】
［数４］
Ｖａｖ＝（ａ１・Ｖ１＋ａ２・Ｖ２＋…＋ａＮ・ＶＮ）／（ａ１＋ａ２＋…＋ａＮ）
【００６８】
重み付けられた受電電圧の平均値Ｖａｖは、例えば、大きな要求電力を有する無線受電装置３−ｎ（１≦ｎ≦Ｎ）に対して大きな係数ａｎを設定するために使用可能である。
【００６９】
いずれにせよ、無線受電装置３−１〜３−Ｎの全体誤差指数Ｅｓは、相対誤差指数Ｅ１〜ＥＮから、例えば次式で定義される。
【００７０】
［数５］
Ｅｓ＝Ｅ１＋Ｅ２＋…＋ＥＮ
又は
［数６］
Ｅｓ＝Ｅ１２＋Ｅ２２＋…＋ＥＮ２
【００７１】
また、全体誤差指数Ｅｓについても、重み付けを考慮して次式のように定義してもよい。
【００７２】
［数７］
Ｅｓ＝ｂ１×Ｅ１＋ｂ２×Ｅ２＋…＋ｂＮ×ＥＮ
又は
［数８］
Ｅｓ＝ｂ１×Ｅ１ｍ＋ｃ２×Ｅ２ｍ＋…＋ｃＮ×ＥＮｍ（ｍ：実数）
【００７３】
制御回路２４は、全体誤差指数Ｅｓを最小化するように、発振回路２１によって発生される高周波電力の周波数ｆ０を変化させる。
【００７４】
図６は、図１の無線送電装置２の制御回路２４によって実行される送電制御処理を示すフローチャートである。
【００７５】
ステップＳ１において、制御回路２４は、反復のパラメータｎを０に初期化する。ステップＳ２において、制御回路２４は、発振回路２１により周波数ｆ（ｎ）で高周波電力を発生させ、送電を開始する。周波数ｆ（ｎ）は、予め決められた初期値ｆ（０）及びステップ幅Δｆを有する。周波数ｆ（ｎ）は、初期値ｆ（０）から最終値ｆ（Ｌ）まで、ステップ幅Δｆで増加して行く。発振回路２１は、初期値ｆ（０）から最終値ｆ（Ｌ）まで、ステップ幅Δｆで増加する全ての周波数の高周波電力を出力できるように設定されている。ここで、ステップ幅Δｆは一定でなくても良い。
【００７６】
制御回路２４は、無線送電装置２から無線受電装置３−１〜３−Ｎに高周波電力を送電した後、各無線受電装置３−１〜３−Ｎから、当該無線受電装置の要求電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮの値と、当該無線受電装置の受電電圧Ｖ１〜ＶＮの値とを取得する。制御回路２４は、要求電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮ及び受電電圧Ｖ１〜ＶＮから数１〜数８を用いて全体誤差電圧Ｅｓ（ｎ）を計算して内部に格納する。ステップＳ３において、制御回路２４は、すべての無線受電装置３−１〜３−Ｎにおいて誤差電圧が予め決められた基準を満たすか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ９に進み、ＮＯのときはステップＳ４に進む。ここで、誤差電圧は、要求電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮと受電電圧Ｖ１〜ＶＮとの差であってもよく、相対誤差指数Ｅ１〜ＥＮであってもよい。
【００７７】
ステップＳ４において、制御回路２４は、パラメータｎを１だけインクリメントする。ステップＳ５において、制御回路２４は、発振回路２１により新たな周波数ｆ（ｎ）で高周波電力を発生させて送電する。制御回路２４は、無線送電装置２から無線受電装置３−１〜３−Ｎに高周波電力を送電した後、各無線受電装置３−１〜３−Ｎから、当該無線受電装置の要求電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮの値と、当該無線受電装置の受電電圧Ｖ１〜ＶＮの値とを取得する。制御回路２４は、要求電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮ及び受電電圧Ｖ１〜ＶＮから数１〜数８を用いて全体誤差電圧Ｅｓ（ｎ）を計算して内部に格納する。ステップＳ６において、制御回路２４は、再び、すべての無線受電装置３−１〜３−Ｎにおいて誤差電圧が予め決められた基準を満たすか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ９に進み、ＮＯのときはステップＳ７に進む。ステップＳ７において、制御回路２４は、現在の全体誤差指数Ｅｓ（ｎ）が以前の全体誤差指数Ｅｓ（ｎ−１）よりも低いか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ４に戻り、ＮＯのときはステップＳ８に進む。ステップＳ８において、制御回路２４は、周波数の探索の向きを反転し（すなわち、ステップ幅Δｆに−１を乗算し）、ステップＳ４に戻る。
【００７８】
ステップＳ４〜Ｓ８では、発振回路２１により周波数をｆ（ｎ）からｆ（ｎ＋１）へ変
更しながら、最小の全体誤差指数Ｅｓ（ｎ）をもたらす周波数ｆ（ｎ）を探索する。周波数をｆ（ｎ−１）からｆ（ｎ）へ変更することで全体誤差指数Ｅｓが増加した場合は、周波数ｆ（ｎ＋１）は、（ｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ））と（ｆ（ｎ）−ｆ（ｎ−１））の符号が逆となるような値に設定することが可能である。また、周波数をｆ（ｎ−１）からｆ（ｎ）へ変更することで全体誤差指数Ｅｓが低下した場合は、（ｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ））と（ｆ（ｎ）−ｆ（ｎ−１））の符号が同符号となるような値に設定することが可能である。周波数のステップ幅（周波数調整の分解能）に相当する｜ｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ）｜及び｜ｆ（ｎ）−ｆ（ｎ−１）｜は、同一の値でなくてもよい。
【００７９】
上記のステップＳ４〜ステップＳ８について、詳細に説明する。ステップＳ７において、制御回路２４は、上記複数の周波数である初期値ｆ（０）〜最終値ｆ（Ｌ）の中の第１の周波数ｆ（ｎ−１）に対応する高周波電力を送電した場合における上記各々の無線受電装置の上記要求電圧及び上記受電電圧の誤差を合計した第１総和Ｅｓ（ｎ−１）と、上記複数の周波数の中の第２の周波数ｆ（ｎ）に対応する高周波電力を送電した場合における上記各々の無線受電装置の上記要求電圧及び上記受電電圧の誤差を合計した第２総和Ｅｓ（ｎ）とを比較する。
【００８０】
まず、ステップＳ７のＹＥＳの場合の動作について説明する。この場合、上記第１総和Ｅｓ（ｎ−１）より上記第２総和Ｅｓ（ｎ）の方が小さいので、上記第２の周波数ｆ（ｎ）が上記誤差の総和が小さい周波数となる。この時、上記各々の誤差も小さくなる。
そして、制御回路２４は、上記第２の周波数ｆ（ｎ）にステップ幅Δｆを増加させて（ステップＳ４）、上記第２の周波数ｆ（ｎ）に近い第３の周波数を設定する。
【００８１】
次に、ステップＳ７のＮＯの場合の動作（ステップＳ８の動作）について説明する。この場合は、上記第１総和Ｅｓ（ｎ−１）より上記第２総和Ｅｓ（ｎ）の方が大きいので、上記第１の周波数ｆ（ｎ−１）が上記誤差の総和が小さい周波数となる。この時、上記各々の誤差も小さくなる。そして、制御回路２４は、上記第１の周波数ｆ（ｎ−１）に近い第３の周波数を設定する。
【００８２】
ここで、上記第１の周波数ｆ（ｎ−１）に近い第３の周波数の意味について説明する。上記第３の周波数は、周波数ｆ（ｎ）−｜ｆ（ｎ）−ｆ（ｎ−１）｜／２より低い周波数という意味である。つまり、第３の周波数は、上記第２の周波数ｆ（ｎ）より低い周波数に設定したので、上記第２の周波数ｆ（ｎ）から低い周波数に反転している（ステップＳ８）。
【００８３】
以上、上記複数の各周波数ｆ（０）〜ｆ（Ｌ）中から、上記誤差の総和を低減し、上記誤差を小さくする上記第３周波数を繰り返し設定することにより、上記複数の無線受電装置の全てについて上記誤差を予め決められた基準内に収束させることができる。
【００８４】
ステップＳ９において、受電電圧Ｖ１〜ＶＮがそれぞれ要求電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮに十分に一致した状態にあり、制御回路２４は、周波数ｆ（ｎ）を有する高周波電力の伝送を継続する。ステップＳ１０において、制御回路２４は、例えば無線受電装置３−１〜３−Ｎから送電停止の要求があったとき、高周波電力の伝送を終了する。図１の無線電力伝送システムによれば、各無線受電装置３−１〜３−Ｎの受電電圧が目標電圧範囲を満足するように無線送電装置２の出力電圧を制御して電力伝送を実現することができる。
【００８５】
図１の無線電力伝送システムは、相対誤差指数Ｅ１〜ＥＮのバランスを保ちながら、複数の無線受電装置に同時に電力供給するときの全体誤差指数Ｅｓを低減することを目的としている。各無線受電装置３−ｎの相対誤差指数Ｅｎ（１≦ｎ≦Ｎ）を導出する式において、当該無線受電装置３−ｎの要求電圧Ｖｃｎ及び受電電圧Ｖｎだけでなく、複数の無線受電装置３−１〜３−Ｎの要求電圧の平均値Ｖｃａｖ、及び複数の無線受電装置３−１〜３−Ｎの受電電圧の平均値Ｖａｖを考慮することで、複数の無線受電装置３−１〜３−Ｎの動作のバランスを適切に維持することができる。
【００８６】
図７は、第１の実施形態の変形例に係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。送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎと受電アンテナ３１−１〜３１−Ｎとが１対１に対応することに限定されず、１つの送電アンテナから複数の受電アンテナに電力供給してもよい。図７の無線送電装置２Ａは、図１の無線送電装置２の送電アンテナ２２−１，２２−２及び受信回路２３−１，２３−２に代えて、送電アンテナ２２Ａ−１及び受信回路２３Ａ−１を備える。送電アンテナ２２Ａ−１は、無線受電装置３−１，３−２の受電アンテナ３１−１，３１−２と電磁的に結合する。受信回路２３Ａ−１は、送電アンテナ２２Ａ−１に接続され、無線受電装置３−１，３−２から無線送電装置２に送られた負荷変調信号を受信して復調する。図７の無線電力伝送システムによっても、図１の無線電力伝送システムと同様に、各無線受電装置３−１〜３−Ｎの受電電圧が目標電圧範囲を満足するように無線送電装置２Ａの出力電圧を制御して電力伝送を実現することができる。
【００８７】
発振回路２１は、典型的には、入力された直流電力を周波数ｆ０の高周波電力に変換する（ＤＣ−ＲＦ変換）。発振回路２１には、Ｄ級、Ｅ級、Ｆ級などの、高効率且つ低歪な特性を実現する増幅器を用いてもよく、ドハーティ増幅器を用いてもよい。発振回路２１において、歪成分を含む出力信号を発生するスイッチング素子の後段に、低域通過フィルタ、帯域通過フィルタ、又は帯域阻止フィルタを配置することにより、高効率な正弦波を生成してもよい。発振回路２１は、入力された交流電力を高周波電力に変換してもよい。
【００８８】
無線受電装置３−１〜３−Ｎの受電電圧Ｖ１〜ＶＮは、図１及び図７に示すように整流された直流電圧に限定されない。無線受電装置が整流回路を持たない場合、その受電電圧は、受電アンテナの出力電圧であってもよい。無線受電装置が整流回路に代えて周波数変換回路を備える場合、その受電電圧は、周波数変換回路から出力される交流電圧であってもよい。これらの場合においても、無線送電装置２の制御回路２４は、要求電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮ及び受電電圧Ｖ１〜ＶＮから、各無線受電装置の相対誤差指数Ｅ１〜ＥＮ及び全体誤差指数Ｅｓを計算する。
【００８９】
各無線受電装置３−１〜３−Ｎは、要求電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮの値及び受電電圧Ｖ１〜ＶＮの値を無線送電装置２に送るために、受電アンテナ３１−１〜３１−Ｎ及び送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎ以外の経路を用いてもよく、また、負荷変調信号以外の通信方法を用いてもよい。
【００９０】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態に係る無線電力伝送システムでは、第１の実施形態の無線電力伝送システムにおいて、発振回路２１が可変な出力電圧を有するように構成される。発振回路２１の出力電圧を増減すると、複数の無線受電装置３−１〜３−Ｎの受電電圧Ｖ１〜ＶＮの間の比を概ね保ちながら、受電電圧Ｖ１〜ＶＮを増減することができる。
【００９１】
図８は、第２の実施形態に係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８の無線送電装置２Ｂは、図１の無線送電装置２の構成に加えて電圧調整回路２５をさらに備え、また、図１の制御回路２４に代えて制御回路２４Ｂを備える。電圧調整回路２５は、直流の電源装置１から得られた入力電圧から可変な出力電圧を発生する。電圧調整回路２５は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータ、などである。発振回路２１は、電圧調整回路２５の出力電圧から可変な周波数の高周波電力を発生する。また、発振回路２１は、可変な入力電圧（電圧調整回路２５の出力電圧）を有する結果、可変な出力電圧を有する。制御回路２４Ｂは、電圧調整回路２５を制御し、電圧調整回路２５の出力電圧を変化させ、発振回路２１を制御し、発振回路２１によって発生される高周波電力の周波数ｆ０を変化させる。
【００９２】
図９は、第２の実施形態の変形例に係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９の無線送電装置２Ｃは、図１の無線送電装置２の発振回路２１及び制御回路２４に代えて、発振回路２１Ｃ及び制御回路２４Ｃを備える。発振回路２１Ｃは、複数のスイッチをスイッチングする信号の位相を変化させることにより可変な出力電圧を有する高周波電力を発生するインバータ回路である。
【００９３】
図１０は、図９の発振回路２１Ｃの詳細構成を示す回路図である。発振回路２１Ｃは、複数のスイッチＳ１〜Ｓ４及びパルス発生回路２１Ｃａを備えるフルブリッジインバータ回路である。パルス発生回路２１Ｃａは、制御回路２４Ｃの制御下で、スイッチＳ１〜Ｓ４をスイッチングする信号を発生する。スイッチＳ１はスイッチＳ２が開いているとき閉じられ、スイッチＳ２はスイッチＳ１が開いているとき閉じられる。同様に、スイッチＳ３はスイッチＳ４が開いているとき閉じられ、スイッチＳ４はスイッチＳ３が開いているとき閉じられる。スイッチＳ３，Ｓ４をスイッチングする信号は、スイッチＳ１，Ｓ２をスイッチングする信号に対して、所定の位相差θｔを有する。この位相差θｔが変化すると、発振回路２１Ｃの出力電圧が変化する。
【００９４】
制御回路２４Ｃは、発振回路２１Ｃを制御し、発振回路２１Ｃによって発生される高周波電力の周波数ｆ０及び出力電圧を変化させる。
【００９５】
図９において、発振回路２１Ｃは、複数のスイッチをスイッチングする信号の位相を変化させることに代えて、可変なデューティ比でスイッチングすることにより可変な出力電圧を有する高周波電力を発生するインバータ回路であってもよい。
【００９６】
第２の実施形態に係る無線電力伝送システムは、以上の３つの手段のいずれか、もしくはその組み合わせによって発振回路２１の出力電圧を増減し、複数の無線受電装置３−１〜３−Ｎの受電電圧Ｖ１〜ＶＮの間の比を概ね保ちながら、受電電圧Ｖ１〜ＶＮを要求電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮに近づける。
【００９７】
図１１は、図８の無線送電装置２Ｂの制御回路２４Ｂによって実行される送電制御処理を示すフローチャートである。制御回路２４Ｂは、全体誤差指数Ｅｓを最小化した後で、複数の無線受電装置３−１〜３−Ｎのうちの少なくとも１つにおいて当該無線受電装置の要求電圧及び受電電圧の誤差が予め決められたしきい値を超えるとき、誤差がしきい値以下になるまで発振回路２１の出力電圧を低下させる。図１１のステップＳ１１〜Ｓ１６，Ｓ２１〜Ｓ２２は、図６のステップＳ１〜Ｓ６，Ｓ９〜Ｓ１０と同様である。ステップＳ１７において、制御回路２４Ｂは、現在の全体誤差指数Ｅｓ（ｎ）が以前の全体誤差指数Ｅｓ（ｎ−１）よりも低いか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ１４に戻り、ＮＯのときはステップＳ１８に進む。ステップＳ１８において、制御回路２４Ｂは、１つ前の反復ｎ−１における全体誤差指数Ｅｓ（ｎ−１）が２つ前の反復ｎ−２における全体誤差指数Ｅｓ（ｎ−２）よりも低いか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ１９に進み、ＮＯのときはステップＳ２２に進む。ステップＳ１８がＹＥＳのとき、１つ前の反復ｎ−１における全体誤差指数Ｅｓ（ｎ−１）は極小値である。従って、周波数ｆ（ｎ−１）で高周波電力を伝送するとき、要求電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮ及び受電電圧Ｖ１〜ＶＮの間の誤差は、互いにほぼ等しくなる。ステップＳ１９において、制御回路２４Ｂは、パラメータｎを１だけデクリメントする。ステップＳ２０において、制御回路２４Ｂは、発振回路２１の出力電圧を低下させる。発振回路２１の出力電圧を低下させることにより、複数の無線受電装置３−１〜３−Ｎの受電電圧Ｖ１〜ＶＮの間の比を概ね保ちながら、要求電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮ及び受電電圧Ｖ１〜ＶＮの間の誤差をさらに低下させることができる。低下させる電圧比は、Ｖｃ１／Ｖ１である。ステップＳ２１において、受電電圧Ｖ１〜ＶＮがそれぞれ要求電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮに十分に一致した状態にあり、制御回路２４Ｂは、周波数ｆ（ｎ）を有する高周波電力の伝送を継続する。ステップＳ２２において、制御回路２４Ｂは、例えば無線受電装置３−１〜３−Ｎから送電停止の要求があったとき、高周波電力の伝送を終了する。
【００９８】
図１１のステップＳ２０において、すべての無線受電装置３−１〜３−Ｎにおいて誤差電圧が予め決められた基準を満たし、なお余裕があるとき、発振回路２１の出力電圧を増大させてもよい。
【００９９】
図１１を参照して説明したように、全体誤差指数Ｅｓを最小化する周波数を発見した後に、発振回路２１の出力電圧を増減することで、要求電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮ及び受電電圧Ｖ１〜ＶＮの間の誤差をさらに低下させることができる。発明者は、各無線受電装置３−１〜３−Ｎの相対誤差指数Ｅ１〜ＥＮが数１〜数８で定義される場合、発振回路２１の出力電圧を増減する前後で全体誤差指数Ｅｓの周波数特性は殆ど変化しないことを発見した。このため、周波数制御による低減された全体誤差指数Ｅｓが収束していない段階で電圧制御を行っても、全体誤差指数Ｅｓの値は殆ど変化しない。よって、周波数制御と電圧制御を同時に行いながら、同時動作する複数台の無線受電装置の受電電圧を、目標範囲内に収束させることが可能である。
【０１００】
図１１の送電制御処理は、図９の制御回路２４Ｃによっても同様に実行される。
【０１０１】
＜第３の実施形態＞
図１２は、第３の実施形態に係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１２の無線電力伝送システムは、送電アンテナ及び受電アンテナの少なくとも一方が可変な回路定数を有し、無線送電装置の制御回路は、送電アンテナ及び受電アンテナの少なくとも一方の回路定数を変化させる。
【０１０２】
図１２の無線送電装置２Ｄは、図１の無線送電装置２の送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎ及び制御回路２４に代えて、送電アンテナ２２Ｄ−１〜２２Ｄ−Ｎ及び制御回路２４Ｄ
を備える。送電アンテナ２２Ｄ−１〜２２Ｄ−Ｎは可変な回路定数を有する。制御回路２４Ｄは、送電アンテナ２２Ｄ−１〜２２Ｄ−Ｎの回路定数を変化させる。
【０１０３】
図１２の無線受電装置３Ｄ−１は、図１の無線受電装置３−１の受電アンテナ３１−１及び制御回路３３−１に代えて、受電アンテナ３１Ｄ−１及び制御回路３３Ｄ−１を備える。受電アンテナ３１Ｄ−１は可変な回路定数を有する。制御回路３３Ｄ−１は、無線送電装置２Ｄの制御回路２４Ｄの制御下で、受電アンテナ３１Ｄ−１の回路定数を変化させる。他の無線受電装置３Ｄ−２〜３Ｄ−Ｎもまた、無線受電装置３Ｄ−１と同様に構成される。
【０１０４】
図１３は、図１２の送電アンテナ２２Ｄ−１及び受電アンテナ３１Ｄ−１の実装例を示す等価回路図である。送電アンテナ２２Ｄ−１及び受電アンテナ３１Ｄ−１に含まれるインダクタ及びキャパシタの少なくとも一方の回路定数（インダクタンス又は容量）が可変である。図１４は、図１３のキャパシタＣ１の実装例を示す回路図である。図１４は、一例として、送電アンテナ２２Ｄ−１が可変な容量を有する共振キャパシタを含む場合の構成に示す。図１４の回路構成ならば、スイッチＳＷの開閉により、容量Ｃ０と、Ｃ０及びＣａｄの合成容量とのいずれかを選択することができる。追加する容量Ｃａｄの値は、例えばＣ０に対して０．５倍から１０倍程度の範囲とする。制御回路２４Ｄは、回路定数を変更するために必要な制御信号を送出し、インダクタンス又は容量などの回路特性を制御することで、結果的にアンテナ特性を可変する。
【０１０５】
第３の実施形態では、送電アンテナの回路定数及び受電アンテナの少なくとも一方の回路定数を変更することで、全体誤差指数Ｅｓの周波数特性が変化する。送電アンテナ及び受電アンテナの少なくともいずれかの等価インピーダンスが変化するので、変更前と比べて全体誤差指数Ｅｓの周波数特性を異なる傾向に調整される。第１及び第２の実施形態の送電制御処理を実行しても、受電電圧Ｖ１〜ＶＮのすべてを要求電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮまで収束させることが依然として困難である場合が存在する。第３の実施形態の構成を導入して全体誤差指数Ｅｓの周波数特性を制御することで、この問題を解決する可能性を増大させることができる。
【０１０６】
送電アンテナの回路定数及び受電アンテナの少なくとも一方の回路定数は、無線受電装置３Ｄ−１〜３Ｄ−Ｎの制御回路３３Ｄ−１〜３３Ｄ−Ｎによって制御されてもよい。
【０１０７】
回路定数を変更することによる効果は、第１の実施形態で導入された周波数制御がもたらす効果と、第２の実施形態で導入された電圧制御がもたらす効果とは独立したものである。このため、周波数及び電圧の制御を行うタイミングとは独立して、回路定数を制御してもよい。
【０１０８】
＜変形例＞
なお、無線受電装置の受電電圧が所定の誤差範囲を許容する場合には、上記誤差範囲を考慮した上で受電電圧の平均値Ｖａｖの定義を修正してもかまわない。例えば、要求電圧Ｖｃ１に対して（Ｖｃ１０±Ｖｃ１ｅ）という範囲内に許容受電電圧が定義される場合に、受電電圧の平均値Ｖａｖへ反映させる要求電圧Ｖｃ１の値を（Ｖｃ１０−Ｖｃ１ｅ）以上（Ｖｃ１０＋Ｖｃ１ｅ）以下の範囲から選択することが可能である。
【０１０９】
また、送電を要求している無線受電装置の全てに対して、要求を満たす電力を供給できない場合、電力供給する対象の無線受電装置の一部を除外して、残りの無線受電装置のみに対して、全体誤差指数Ｅｓを低減する条件を探索して、その結果に基づいて電力供給を行ってもよい。この場合、無線送電装置２の制御回路２４によって開閉可能なスイッチ素子を、発振回路２１と送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎの間に設けておき、電力供給する対象から除外する無線受電装置の受電アンテナと対向する送電アンテナへ接続される経路では、上記スイッチを非導通状態に設定する。
【０１１０】
以下、図１５〜図１８を参照して、本開示に係る実施形態のシミュレーション結果について説明する。
【０１１１】
図１５は、実施例１に係る受電電圧Ｖ１，Ｖ２、全体誤差指数Ｅｓの周波数特性を示すグラフである。実施例１として、周波数１００ｋＨｚ〜１４０ｋＨｚの動作周波数範囲で、結合係数が０．２５の対称な送受アンテナ対に対し、１つの発振回路（フルブリッジインバータ回路）で同時に充電する無線電力伝送システムを作製した。２つの無線受電装置３−１，３−２が存在し、それぞれ充電電圧として５Ｖを要求し、許容される充電電圧誤差は２００ｍＶであった。また、無線受電装置３−１，３−２の充電池はそれぞれ１．１６Ａ及び０．９３Ａを要求する非対称な負荷状態であった。ここで、要求電圧Ｖｃ１＝Ｖｃ２＝５Ｖに対し、発振回路を８Ｖの直流で駆動し、動作周波数ｆ０を変化させながら、受電電圧Ｖ１，Ｖ２を測定した。なお、無線受電装置３−１，３−２は、受電アンテナ３１−１，３１−２の後段にダイオードブリッジからなる整流回路３２−１、３２−２を備え、直流の受電電圧Ｖ１，Ｖ２を測定した。また、Ｖｃａｖ＝５Ｖとし、数１を用いて相対誤差指数Ｅ１，Ｅ２を計算し、数５を用いて全体誤差指数Ｅｓを計算した。
【０１１２】
図１５によれば、全体誤差指数Ｅｓの周波数特性より、１２６．５ｋＨｚにおいて、全体誤差指数Ｅｓが最小になることが分かった。また、１２６．５ｋＨｚにおける受電電圧Ｖ１，Ｖ２はそれぞれ４．８４２Ｖと５．１６Ｖであり、５Ｖ±０．１６Ｖの充電制御が可能であった。
【０１１３】
図１６は、実施例２に係る受電電圧Ｖ１，Ｖ２、全体誤差指数Ｅｓの周波数特性を示すグラフである（発振回路２１の入力電圧１０Ｖのとき）。実施例２として、実施例１の無線電力伝送システムにおいて、発振回路の前段に、１２Ｖの入力電圧を所定電圧へ降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを接続した。実施例２における無線受電装置３−１，３−２の要求電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２は４．３Ｖであり、許容される充電電圧誤差は１５０ｍＶであった。また、無線受電装置３−１，３−２の充電池はそれぞれ１Ａ及び０．８Ａを要求する非対称な負荷状態であった。図１６によれば、全体誤差指数Ｅｓが１２７ｋＨｚで極小値になったことから、複数の無線受電装置３−１，３−２に同時に充電するときに最適な周波数が１２７ｋＨｚであることが分かった。図１７は、実施例２に係る受電電圧Ｖ１，Ｖ２、全体誤差指数Ｅｓの周波数特性を示すグラフである（発振回路２１の入力電圧６．９４Ｖのとき）。次に、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作条件を調整し、発振回路２１へ入力する直流電圧を制御した。入力電圧を１０Ｖに設定して動作させた際の受電電圧Ｖ１，Ｖ２の平均値が６．２Ｖだったので、入力電圧として、１０（Ｖ）×４．３（Ｖ）÷６．２（Ｖ）＝６．９４（Ｖ）を選択した。図１６及び図１７を比較結果から明らかなように、全体誤差指数Ｅｓの周波数特性は発振回路の入力電圧に依存せず、入力電圧が１０Ｖの場合と同様に、１２７ｋＨｚが複数の無線受電装置３−１，３−２を同時に充電する場合に最適な周波数であることが指示された。また、周波数制御と電圧制御機能の併用により、Ｖ１＝４．１７３Ｖ、Ｖ２＝４．４４０Ｖを得て、両方の受電電圧ともに、要求電圧である４．３Ｖ（±１４０ｍＶ）を満足することができた。
【０１１４】
図１８は、実施例３に係る全体誤差指数Ｅｓの周波数特性を示すグラフである。実施例１、２では、送電アンテナ回路には、インダクタに対し１８０ｎＦの直列キャパシタが接続されて共振回路を形成していた。実施例３では、実施例１、２の送電アンテナのキャパシタを、図１４に示す可変容量回路とした。Ｃ０＝１８０ｎＦ、Ｃａｄ＝３６０ｎＦとした。無線受電装置３−１，３−２のうちで負荷が高い側である無線受電装置３−１に対向する送電アンテナ２２Ｄ−１において、容量を、１８０ｎＦと、１８０ｎＦ及び３６０ｎＦの合成容量である１２０ｎＦとの間で切り換え可能な構成とした。
【０１１５】
実施例３における無線受電装置３−１，３−２の要求電圧は４．３Ｖであり（Ｖｃａｖ＝４．３Ｖ）、許容される充電電圧誤差は５０ｍＶであった。また、無線受電装置３−１，３−２の充電池はそれぞれ１Ａと０．５Ａを要求する非対称な負荷状態であった。図１８において、点線は、２つの送電アンテナ２２Ｄ−１，２２Ｄ−２のキャパシタの容量を共に固定値である１８０ｎＦとし、発振回路２１への入力電圧を８Ｖとした場合（比較例）を示す。図１８において、実線は、無線受電装置３−１に対向する側の送電アンテナ２２Ｄ−１においてのみ回路定数を調整し、キャパシタの容量を１２０ｎＦへ変更した場合（実施例３）を示す。図１８によれば、比較例よりも実施例３の方が全体誤差指数Ｅｓの極小値を低減できることが分かった。これは、負荷が高い側の無線受電装置に給電する送電アンテナの共振容量を低減するように可変容量回路を制御することで、複数の無線受電装置の受電電圧をバランスよく要求電圧へ収束可能であることを示している。
【０１１６】
より具体的に検証するために、比較例にて、発振回路２１の入力電圧（ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧）を最適値である６．６Ｖに設定し、発振回路２１に１２７ｋＨｚを設定して動作させたとき、要求電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２から受電電圧Ｖ１，Ｖ２までの誤差はそれぞれ−３５９ｍＶと３６６ｍＶより低下させることができなかった。一方、実施例３にて、発振回路２１の入力電圧を最適値である５．３Ｖに設定し、発振回路２１に１２１ｋＨｚを設定して動作させたとき、要求電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２から受電電圧Ｖ１，Ｖ２までの誤差をそれぞれ＋２２ｍＶと−２１ｍＶの範囲内にまで低下することができた。
【０１１７】
ここに開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定を意図したものではない。本開示の範囲は、以上の説明によってではなく、特許請求の範囲によって決まり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での変形を含むすべての態様を包含することを意図している。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本開示に係る無線送電装置及び無線電力伝送システムは、１つの無線送電装置から複数の無線受電装置に同時に電力供給するとき、対応する無線受電装置ごとに発振回路を設けることを必要とせずに、無線送電装置の出力電圧を高精度で制御することができる。従って、低コストで汎用性の高い無線送電装置（例えば無接点充電器）を提供することができる。
【０１１９】
本開示に係る無線送電装置及び無線電力伝送システムは、充電池を用いる電子機器、電動バイク、電動アシスト自転車又は電気自動車の充電システムに適用できる。また、本開示に係る無線送電装置及び無線電力伝送システムは、ＡＶ機器及び白物家電などのさまざまな機器への給電システムに適用できる。ここで、ＡＶ機器は、例えば、スマートホン、タブレット端末装置、テレビ及びラップトップ型のパーソナルコンピュータを含み、白物家電は、例えば、洗濯機、冷蔵庫、及び空気調和機を含む。
【符号の説明】
【０１２０】
１…電源装置、
２，２Ａ〜２Ｄ…無線送電装置、
３−１〜３−Ｎ，３Ｄ−１〜３Ｄ−Ｎ…無線受電装置、
４−１４〜４−Ｎ…送受アンテナ対、
２１，２１Ｃ…インバータ回路、
２１Ｃａ…パルス発生回路、
２２−１〜２２−Ｎ，２２Ａ，２２Ｄ−１〜２２Ｄ−Ｎ…送電アンテナ、
２３−１〜２３−Ｎ，２３Ａ…受信回路、
２４，２４Ｂ〜２４Ｄ…制御回路、
２５…電圧調整回路、
３１−１〜３１−Ｎ，３１Ｄ−１〜３１Ｄ−Ｎ…受電アンテナ、
３２−１〜３２−Ｎ…整流回路、
３３−１〜３３−Ｎ，３３Ｄ−１〜３３Ｄ−Ｎ…制御回路、
３４−１〜３４−Ｎ…送信回路、
３５−１〜３５−Ｎ…負荷装置、
Ｃ１〜Ｃ３，Ｃ０，Ｃａｄ…キャパシタ、
Ｌ１…送電コイル、
Ｌ２…受電コイル、
Ｒ１，Ｒ２…寄生抵抗成分、
Ｓ１〜Ｓ４，ＳＷ…スイッチ。
【図１】
2015111997.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成26年10月24日(2014.10.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
図１の無線送電装置２は、発振回路２１、複数の送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎ、複数の受信回路２３−１〜２３−Ｎ、及び制御回路２４を備える。発振回路２１は、可変な周波数ｆ０を有する高周波電力を発生し、送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎに供給するインバータ回路である。送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎのそれぞれは、送電コイルを含む共振回路を含み、各無線受電装置３−１〜３−Ｎの受電アンテナ３１−１〜３１−Ｎ（後述）と電磁的に結合する。受信回路２３−１〜２３−Ｎは、送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎにそれぞれ接続され、各無線受電装置３−１〜３−Ｎの消費電力を変化させることにより各無線受電装置３−１〜３−Ｎから無線送電装置２に送られた負荷変調信号を受信して復調する。これにより、受信回路２３−１〜２３−Ｎは、各無線受電装置３−１〜３−Ｎから、当該無線受電装置の要求電圧の値と、当該無線受電装置により無線送電装置２から受電された受電電圧の値とを取得し、制御回路２４に送る。制御回路２４は、発振回路２１を制御し、発振回路２１によって発生される高周波電力の周波数ｆ０を変化させる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
図１の無線受電装置３−１は、受電アンテナ３１−１、整流回路３２−１、制御回路３３−１、送信回路３４−１及び負荷装置３５−１を備える。受電アンテナ３１−１は、受電コイルを含む共振回路を含み、送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎのうちの少なくとも１つの送電アンテナ２２−１に電磁的に結合する。複数の無線受電装置が存在するとき、送電アンテナ２２−１〜２２−Ｎと、各無線受電装置３−１〜３−Ｎの受電アンテナ３１−１〜３１−Ｎとは、例えば１対１に対応する。整流回路３２−１は、受電アンテナ３１−１を介して無線送電装置２から受けた電力の整流及び平滑化を行って負荷装置３５−１に供給する。制御回路３３−１は、整流回路３２−１の出力電圧Ｖ１の値（すなわち、無線受電装置３−１により無線送電装置２から受電された受電電圧の値）を取得し、さらに、負荷装置３５−１によって要求される要求電圧の値を取得する。さらに、送信回路３４−１は、例えば、無線受電装置３−１の消費電力を変化させることにより負荷変調信号を発生する負荷変調回路を含む。これにより、送信回路３４−１は、制御回路３３−１の制御下で無線受電装置３−１の要求電圧の値と、無線受電装置３−１の受電電圧Ｖ１の値とを無線送電装置２に送信する。負荷装置３５−１は、例えば充電池である。負荷装置３５−１が充電池のとき、無線受電装置３−１は、無線送電装置２から高周波電力の供給を受けて充電池に充電する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
図１の無線電力伝送システムは、第１の送電アンテナ２２−１及び第１の受電アンテナ３１−１からなる第１の送受アンテナ対４−１、第２の送電アンテナ２２−２及び第２の受電アンテナ３１−２からなる第２送受アンテナ対４−２、…、第Ｎの送電アンテナ２２−Ｎ及び第Ｎの受電アンテナ３１−Ｎからなる第Ｎの送受アンテナ対４−Ｎを含み、送受アンテナ対の間で磁界結合によって非接触で電力を伝送する。第ｎ（１≦ｎ≦Ｎ）の送受アンテナ対において、送電アンテナ２２−ｎと受電アンテナ３１−ｎは、適切な結合係数ｋｎで磁界結合する。適切な結合係数ｋｎは、０．０１以上１未満、好ましくは０．１以上０．７５以下、の値に設定される。適切な結合係数ｋｎを得るために、送電アンテナ及び受電アンテナは互いに近接して配置される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７２】
［数７］
Ｅｓ＝ｂ１×Ｅ１＋ｂ２×Ｅ２＋…＋ｂＮ×ＥＮ
又は
［数８］
Ｅｓ＝ｃ１×Ｅ１ｍ＋ｃ２×Ｅ２ｍ＋…＋ｃＮ×ＥＮｍ（ｍ：実数）