(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電コイルを備える送電装置と、それぞれ受電コイルを備える複数の受電装置とを備え、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して直列に構成されて、前記受電共振機構の磁界エネルギーが負荷に供給されるように構成され、
前記複数の受電装置は、第１等価抵抗値の負荷を有して前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が２つの極大値を有する双峰性となる第１受電装置と、等価抵抗値が前記第１等価抵抗値より大きな第２等価抵抗値の負荷を有して前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる第２受電装置と、を含み、
前記第１受電装置は、前記第１受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで定まる、前記動作周波数に対する前記２つの極大値のうちの高周波数側の極大値の周波数の離間量によって、前記第１受電装置における前記電圧利得が定められ、
前記第２受電装置は、前記第２受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで、前記第２受電装置における前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とするワイヤレス給電システム。
【請求項２】
送電コイルを備える送電装置と、それぞれ受電コイルを備える複数の受電装置とを備え、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して並列に構成されて、前記受電共振機構の電界エネルギーが負荷に供給されるように構成され、
前記複数の受電装置は、第３等価抵抗値の負荷を有して前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が２つの極大値を有する双峰性となる第３受電装置と、等価抵抗値が前記第３等価抵抗値より小さな第４等価抵抗値の負荷を有して前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる第４受電装置と、を含み、
前記第３受電装置は、前記第３受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで定まる、前記動作周波数に対する前記２つの極大値のうちの高周波数側の極大値の周波数の離間量によって、前記第３受電装置における前記電圧利得が定められ、
前記第４受電装置は、前記第４受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで定まる、前記動作周波数に対する前記単峰性の極大値の周波数の離間量によって、前記第４受電装置における前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とするワイヤレス給電システム。
【請求項３】
送電コイルを備える送電装置と、それぞれ受電コイルを備える複数の受電装置とを備え、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して直列に構成されて、前記受電共振機構の磁界エネルギーが負荷に供給されるように構成され、
前記複数の受電装置は、第１等価抵抗値の負荷を有して前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が２つの極大値を有する双峰性となる第１受電装置と、等価抵抗値が前記第１等価抵抗値より大きな第２等価抵抗値の負荷を有して前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる第２受電装置と、を含み、
前記第１受電装置は、前記第１受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで定まる、前記動作周波数に対する前記２つの極大値のうちの低周波数側の極大値の周波数の離間量によって、前記第１受電装置における前記電圧利得が定められ、
前記第２受電装置は、前記第２受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで、前記第２受電装置における前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とするワイヤレス給電システム。
【請求項４】
送電コイルを備える送電装置と、それぞれ受電コイルを備える複数の受電装置とを備え、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して並列に構成されて、前記受電共振機構の電界エネルギーが負荷に供給されるように構成され、
前記複数の受電装置は、第３等価抵抗値の負荷を有して前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が２つの極大値を有する双峰性となる第３受電装置と、等価抵抗値が前記第３等価抵抗値より小さな第４等価抵抗値の負荷を有して前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる第４受電装置と、を含み、
前記第３受電装置は、前記第３受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで定まる、前記動作周波数に対する前記２つの極大値のうちの低周波数側の極大値の周波数の離間量によって、前記第３受電装置における前記電圧利得が定められ、
前記第４受電装置は、前記第４受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで定まる、前記動作周波数に対する前記単峰性の極大値の周波数の離間量によって、前記第４受電装置における前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とするワイヤレス給電システム。
【請求項５】
前記結合係数は、前記送電コイルに対する前記受電コイルのサイズまたは形状の差によって定められる、請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス給電システム。
【請求項６】
前記結合係数は、前記送電コイルに対する前記受電コイルのコイル間距離によって定められる、請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス給電システム。
【請求項７】
請求項１または３に記載のワイヤレス給電システムを用いるワイヤレス給電方法であって、
前記第１受電装置と前記送電装置とを用いて前記第１受電装置へ前記送電装置からワイヤレス給電する、または前記第２受電装置と前記送電装置とを用いて前記第２受電装置へ前記送電装置からワイヤレス給電する、ワイヤレス給電方法。
【請求項８】
請求項２または４に記載のワイヤレス給電システムを用いるワイヤレス給電方法であって、
前記第３受電装置と前記送電装置とを用いて前記第３受電装置へ前記送電装置からワイヤレス給電する、または前記第４受電装置と前記送電装置とを用いて前記第４受電装置へ前記送電装置からワイヤレス給電する、ワイヤレス給電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電装置と受電装置が電磁界共鳴結合により結合して、ワイヤレスで電力を給電するワイヤレス給電システムおよびワイヤレス給電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ワイヤレス給電の実用化を目指して、システム全体の電力損失を低減する研究開発が活発化している。特に、送電共振機構と受電共振機構によって電磁界共鳴フィールドを形成し、電磁界共鳴結合によりワイヤレス給電を行うシステムでは、高周波磁界を共振器に与える方式とは異なり、電力給電の過程をシンプルにして電力損失を低減できる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１０１９０５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ワイヤレス給電システムは、互いに離れた位置にある送電装置から受電装置へ電力を供給するシステムであるので、例えば１つの送電装置が複数の受電装置へワイヤレスで電力を供給するシステムも考えられる。【０００５】
しかし、発明者は、ワイヤレス給電システムの研究開発によって、１つの送電装置から複数の受電装置へワイヤレスで電力を供給するシステムにおいては、次のような問題が生じることを見出した。【０００６】
（１）送電装置からみて等価抵抗値が異なる複数の受電装置に対しては、受電装置ごとに受電電圧（負荷供給電圧）が変化してしまう。【０００７】
（２）受電装置ごとに受電電圧が異なる場合、電圧変換装置を用いて所定電圧に安定化した状態で負荷へ電源電圧を供給する必要があるため、受電装置が大型化する。【０００８】
（３）受電電圧が所定値よりも低くなる受電装置と受電電圧が所定値よりも高くなる受電装置が混在し、所定値よりも低くなる受電装置では電力が不足し、所定値よりも高くなる受電装置では電力が過剰となる。電力の不足を回避するためには、送電電力を大きくする必要があり、送電装置が大型化する。また、電力の過剰を回避するために受電電力を無駄に消費したり、受電装置での電圧変換比を大きくしたりすると、放熱性等を考慮する必要があり、受電装置が大型化してしまう。【０００９】
本発明の目的は、上述の大型化の課題を解消し、且つ、ワイヤレス電力伝送効率を高く維持しつつ、１つの送電装置から複数の受電装置へワイヤレスで電力を供給する場合に、各受電装置の負荷に安定した電圧が供給されるワイヤレス給電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】
【００１０】
（１）本発明のワイヤレス給電システムは、送電コイルを備える送電装置と、それぞれ受電コイルを備える複数の受電装置とを備え、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して直列に構成されて、前記受電共振機構の磁界エネルギーが負荷に供給するように構成され、
前記複数の受電装置は、前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が２つの極大値を有する双峰性となる、第１等価抵抗値の負荷を有する第１受電装置と、前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる、等価抵抗値が前記第１等価抵抗値より大きな第２等価抵抗値の負荷を有する第２受電装置と、を含み、
前記第１受電装置は、前記第１受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定により、前記第１受電装置における前記２つの極大値のうち高周波数側の極大値の周波数と前記動作周波数との位置関係で前記電圧利得が定められ、
前記第２受電装置は、前記電圧利得が極大となる周波数が前記動作周波数と一致するように定められ、前記第２受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定によって前記第２受電装置における前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とする。【００１１】
上記構成により、受電装置の受電整流回路が受電共振機構に対して直列に構成され、受電コイルの磁気エネルギーが負荷に供給するように構成される場合に、ワイヤレス電力伝送効率が高まるとともに、各受電装置の負荷に安定した電圧が供給される。【００１２】
（２）本発明のワイヤレス給電システムは、送電コイルを備える送電装置と、それぞれ受電コイルを備える複数の受電装置とを備え、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して並列に構成されて、前記受電共振機構の電界エネルギーが負荷に供給するように構成され、
前記複数の受電装置は、前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が２つの極大値を有する双峰性となる、第３等価抵抗値の負荷を有する第３受電装置と、前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる、等価抵抗値が前記第３等価抵抗値より小さな第４等価抵抗値の負荷を有する第４受電装置と、を含み、
前記第３受電装置は、前記第３受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定により、前記第３受電装置における前記２つの極大値のうち高周波数側の極大値の周波数と前記動作周波数との位置関係で前記電圧利得が定められ、
前記第４受電装置は、前記第４受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定により、前記受電装置における前記電圧利得が極大となる周波数と前記動作周波数との位置関係で前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とする。【００１３】
上記構成により、受電装置の受電整流回路が受電共振機構に対して並列に構成され、受電コイルの電気エネルギーが負荷に供給するように構成される場合に、ワイヤレス電力伝送効率が高まるとともに、各受電装置の負荷に安定した電圧が供給される。【００１４】
（３）本発明のワイヤレス給電システムは、送電コイルを備える送電装置と、それぞれ受電コイルを備える複数の受電装置とを備え、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して直列に構成されて、前記受電共振機構の磁界エネルギーが負荷に供給するように構成され、
前記複数の受電装置は、前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が２つの極大値を有する双峰性となる、第１等価抵抗値の負荷を有する第１受電装置と、前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる、等価抵抗値が前記第１等価抵抗値より大きな第２等価抵抗値の負荷を有する第２受電装置と、を含み、
前記第１受電装置は、前記第１受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定により、前記第１受電装置における前記２つの極大値のうち低周波数側の極大値の周波数が前記動作周波数と一致するように定められ、前記第１受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定によって前記第１受電装置における前記電圧利得が定められ、
前記第２受電装置は、前記電圧利得が極大となる周波数が前記動作周波数と一致するように定められ、前記第２受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定によって前記第２受電装置における前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とする。【００１５】
上記構成により、受電装置の受電整流回路が受電共振機構に対して並列に構成され、受電コイルの電気エネルギーが負荷に供給するように構成される場合に、ワイヤレス電力伝送効率が高まるとともに、各受電装置の負荷に安定した電圧が供給される。【００１６】
（４）本発明のワイヤレス給電システムは、送電コイルを備える送電装置と、それぞれ受電コイルを備える複数の受電装置とを備え、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して並列に構成されて、前記受電共振機構の電界エネルギーが負荷に供給するように構成され、
前記複数の受電装置は、前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が２つの極大値を有する双峰性となる、第３等価抵抗値の負荷を有する第３受電装置と、前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる、等価抵抗値が前記第３等価抵抗値より小さな第４等価抵抗値の負荷を有する第４受電装置と、を含み、
前記第３受電装置は、前記第３受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定により、前記第３受電装置における前記２つの極大値のうち低周波数側の極大値の周波数が前記動作周波数と一致するように定められ、前記第３受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定によって前記第３受電装置における前記電圧利得が定められ、
前記第４受電装置は、前記第４受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定により、前記受電装置における前記電圧利得が極大となる周波数と前記動作周波数との位置関係で前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とする。【００１７】
上記構成により、受電装置の受電整流回路が受電共振機構に対して並列に構成され、受電コイルの電気エネルギーが負荷に供給するように構成される場合に、ワイヤレス電力伝送効率が高まるとともに、各受電装置の負荷に安定した電圧が供給される。【００１８】
（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記結合係数は、前記送電コイルに対する前記受電コイルのサイズまたは形状の差によって定められることが好ましい。これにより、送電コイルと受電コイルとの結合係数を受電装置ごとに容易に設定できる。【００１９】
（６）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記結合係数は、前記送電コイルに対する前記受電コイルのコイル間距離によって定められることが好ましい。これにより、送電コイルと受電コイルとの結合係数を受電装置ごとに容易に設定できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、上述の大型化の課題を解消し、且つ、ワイヤレス電力伝送効率を高く維持しつつ、１つの送電装置から複数の受電装置へワイヤレスで電力を供給する場合に、各受電装置の負荷に安定した電圧が供給される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１（Ａ）（Ｂ）は第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０１の回路図である。
【図２】図２（Ａ）は、電磁界共鳴結合回路９０と共振キャパシタCr、Crsで構成される等価的な電磁界共鳴結合を含めた複共振回路の回路図である。図２（Ｂ）はその複共振回路の等価回路図である。
【図３】図３は、図１（Ａ）（Ｂ）に示したワイヤレス給電システム１０１のエネルギー変換動作について示す、各部の電圧電流波形図である。
【図４】図４は、直流入力電圧に対する直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が、負荷の等価抵抗値の違いによってどのように変化するかを説明するための等価回路図である。
【図５】図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、複共振による共振特性を示す概略図である。
【図６】図６は、負荷Roの等価抵抗値＝1Ω（小さい値）のときの、電圧利得の周波数特性を示す図である。
【図７】図７は、負荷Roの等価抵抗値＝100Ω（大きい値）のときの、電圧利得の周波数特性を示す図である。
【図８】図８（Ａ）（Ｂ）は第２の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０２の回路図である。
【図９】図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は第３の実施形態のワイヤレス給電システム１０３の回路図である。
【図１０】図１０は第４の実施形態に係るワイヤレス給電システムにおいて、電磁界共鳴結合回路と共振キャパシタCr、Crsで構成される等価的な電磁界共鳴結合を含む共振回路の回路図である。
【図１１】図１１（Ａ）（Ｂ）は、第５の実施形態に係るワイヤレス給電システムにおける受電コイルのインダクタンスLsとキャパシタンスCrsとの直列共振回路にＬＣフィルタ回路が接続された例である。
【図１２】図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、第６の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０６の回路図である。
【図１３】図１３（Ａ）は、電磁界共鳴結合回路９０と共振キャパシタCp、Csで構成される等価的な電磁界共鳴結合を含めた複共振回路の回路図である。図１３（Ｂ）はその複共振回路の等価回路図である。
【図１４】図１４は、直流入力電圧に対する直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が、負荷の等価抵抗値の違いによってどのように変化するかを説明するための等価回路図である。
【図１５】図１５は、負荷Roの等価抵抗値＝100Ω（大きい値）のときの、電圧利得の周波数特性を示す図である。
【図１６】図１６は、負荷Roの等価抵抗値＝1Ω（小さい値）のときの、電圧利得の周波数特性を示す図である。
【図１７】図１７は第７の実施形態に係るワイヤレス給電システムにおける電磁界共鳴結合回路部分の回路図である。
【図１８】図１８は第８の実施形態に係るワイヤレス給電システムにおける電磁界共鳴結合回路部分の回路図である。
【図１９】図１９（Ａ）（Ｂ）は、第９の実施形態に係るワイヤレス給電システムにおける受電コイルのインダクタンスLsとキャパシタンスCrsとの並列共振回路にＬＣフィルタ回路が接続された例である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
《第１の実施形態》
第１の実施形態では、受電整流回路が受電共振機構に対して直列に構成され、受電コイルの磁気エネルギーが負荷に供給するように構成されたワイヤレス給電システムについて例示する。
【００２３】
図１（Ａ）（Ｂ）は第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０１の回路図である。ワイヤレス給電システム１０１は送電装置PSU、第１受電装置PRU1および第２受電装置PRU2を含む。図１（Ａ）（Ｂ）では、一つの受電装置PRU1またはPRU2と１つの送電装置PSUとの対を個別に表しているが、二つの受電装置PRU1，PRU2を含む複数の受電装置と１つの送電装置PSUとが同時に存在していてもよい。このことは後に示す別の実施形態についても同様である。
【００２４】
ワイヤレス給電システム１０１は、送電装置PSUの入力部に入力電源Viを備え、第１受電装置PRU1、第２受電装置PRU2の負荷Roへ安定した直流電圧を給電するシステムである。図１（Ａ）において、送電装置PSUの送電コイルnpと第１受電装置PRU1の受電コイルns1との距離はdx1であり、図１（Ｂ）において、送電装置PSUの送電コイルnpと第２受電装置PRU2の受電コイルns2との距離はdx2である。
【００２５】
送電装置PSUは、送電コイルnpと送電共振キャパシタCrとで構成される送電共振機構と、この送電共振機構に電気的に接続された送電交流電流発生回路とを備える。
【００２６】
送電交流電流発生回路は、等価的にスイッチング素子Q1、ダイオードDds1およびキャパシタCds1の並列接続回路で構成される第１スイッチ回路S1と、等価的にスイッチング素子Q2、ダイオードDds2およびキャパシタCds2の並列接続回路で構成される第２スイッチ回路S2とを備える。
【００２７】
また、送電装置PSUはスイッチング素子Q1，Q2を制御する、図外のスイッチング制御回路を備えている。スイッチング制御回路は、第１スイッチ回路S1のスイッチング素子Q1および第２スイッチ回路S2のスイッチング素子Q2を交互にオン／オフすることにより、送電交流電圧発生回路から交流電圧を発生させる。
【００２８】
本実施形態のワイヤレス給電システム１０１では、スイッチング素子Q1，Q2はＭＯＳＦＥＴなどの、寄生出力容量や寄生ダイオードを有するスイッチング素子であり、この寄生出力容量や寄生ダイオードを利用してスイッチ回路S1、S2を構成している。
【００２９】
上記スイッチング制御回路は第１スイッチング素子Q1および第２スイッチング素子Q2を所定の動作周波数でスイッチングすることで、直流電圧を送電共振機構に断続的に与えて送電共振機構に共振電流を発生させる。これにより、第１スイッチ回路S1および第２スイッチ回路S2の両端電圧を半周期毎の半波の正弦波状の波形とする。例えば、国際的なISM（Industrial, Scientific and Medical）バンドである6.78MHzや13.56MHzでスイッチング動作させる。
【００３０】
この例では、送電交流電圧発生回路は２つのスイッチ回路S1，S2を備えたハーフブリッジ回路を構成している。
【００３１】
受電装置PRU1，PRU2は、受電コイルns1，ns2および受電共振キャパシタCrsを含む受電共振機構と、受電コイルns1，ns2に接続されて、受電コイルns1，ns2に生じる交流電流を整流する受電整流回路ＲＣおよび平滑用キャパシタCoを備えている。
【００３２】
スイッチ回路S3は、スイッチング素子Q3、ダイオードDds3およびキャパシタCds3の並列接続回路で構成されている。同様に、スイッチ回路S4は、スイッチング素子Q4、ダイオードDds4およびキャパシタCds4の並列接続回路で構成されている。
【００３３】
また、受電装置PRU1，PRU2は、スイッチング素子Q3，Q4を制御する図外のスイッチング制御回路を備えている。このスイッチング制御回路は受電コイルns1，ns2に流れる電流を検出し、その極性反転に同期してスイッチング素子Q3，Q4を交互にオンオフする。これにより、受電共振機構に流れる共振電流が電流の流れる方向の変化に同期して整流されて、負荷に電流が供給される。
【００３４】
図３は、図１（Ａ）（Ｂ）に示したワイヤレス給電システム１０１のエネルギー変換動作について示す、各部の電圧電流波形図である。この例は、スイッチング素子が最適ゼロ電圧スイッチング（optimum ZVS）動作を行う場合でのスイッチング動作波形である。
【００３５】
本動作では、送電装置PSUの動作状態は、等価回路ごとにオン期間、オフ期間、２つの転流期間の４つの状態に区分できる。スイッチング素子Q1，Q2のゲート・ソース間電圧を電圧Vgs1，Vgs2、ドレイン・ソース間電圧を電圧Vds1，Vds2で表す。電磁界結合を含めた複共振回路の共鳴周波数frは、6.78MHzや13.56MHzよりも僅かに低く設計し、リアクタンスは十分小さい誘導性とする。スイッチング素子Q1、Q2は、両方がオフとなる短いデッドタイムtdを挟んで交互にオン／オフ動作を行う。２つのスイッチング素子Q1，Q2がオフとなるデッドタイムtdにおいて、共振電流irの遅れ電流を用いて２つのスイッチング素子Q1，Q2のキャパシタ（寄生容量）Cds1，Cds2を充放電して転流を行う。ZVS動作は、転流期間tcの後、寄生ダイオードの導通期間taにおいてスイッチング素子Q1，Q2をターンオンして実現する。１スイッチング周期における各状態でのエネルギー変換動作を次に示す。
【００３６】
(1)  状態１  時刻t1〜t2
送電側では、状態１において、スイッチング素子Q1は見かけ上、導通している。例えば、スイッチング素子Q1がGaN FETの場合は、スイッチング素子Q1の両端に逆方向の電圧-Vds1が与えられてゲート・ドレイン間に電圧（Vgd1）が与えられる。スイッチング素子Q1は、しきい値電圧をオフセット電圧とする逆導通モードとなり、逆並列ダイオードのように動作する。スイッチング素子 Q1の両端の等価的なダイオードDds1は導通し、この期間においてスイッチング素子Q1をターンオンすることでZVS動作が行われる。送電コイルnpには共振電流irが流れ、キャパシタCrは充電される。
【００３７】
受電側では、ダイオードDds3またはDds4は導通し、受電コイルns1，ns2に共振電流irsが流れる。ダイオードDds3が導通する際は、キャパシタCrsは放電し、受電コイルns1，ns2に誘起された電圧とキャパシタCrsの両端電圧とが加算されて、負荷Roに電圧（電力）が供給される。ダイオードDds4が導通する際は、キャパシタCrsは充電される。負荷RoにはキャパシタCoの電圧が印加されて電力が供給される。スイッチング素子Q1がターンオフすると状態２となる。
【００３８】
(2)  状態２  時刻t2〜t3
送電コイルnpに流れていた共振電流irによりスイッチング素子Q1の両端キャパシタCds1は充電され、スイッチング素子Q2の両端キャパシタCds2は放電される。電圧Vds1が電圧Vi、電圧Vds2が0Vになると状態３となる。
【００３９】
(3)  状態３  時刻t3〜t4
送電側では、状態３において、スイッチング素子Q2は導通している。例えば、スイッチング素子Q2がGaN FETの場合は、スイッチング素子Q2の両端に逆方向の電圧-Vds2が与えられてゲート・ドレイン間に電圧（Vgd2）が与えられる。スイッチング素子Q2は、しきい値電圧をオフセット電圧とする逆導通モードとなり、逆並列ダイオードのように動作する。スイッチング素子Q2の両端の等価的なダイオードDds2は導通し、この期間においてスイッチング素子Q2をターンオンすることでZVS動作が行われる。送電コイルnpには共振電流irが流れ、キャパシタCrは放電される。
【００４０】
受電側では、ダイオードDds3またはDds4は導通し、受電コイルns1，ns2に共振電流irsが流れる。ダイオードDds3が導通する際は、キャパシタCrsは放電し、受電コイルns1，ns2に誘起された電圧とキャパシタCrsの両端電圧とが加算されて、負荷Roに電力が供給される。ダイオードDds4が導通する際は、キャパシタCrsは充電される。負荷RoにはキャパシタCoの電圧が印加されて電力が供給される。スイッチング素子Q2がターンオフすると状態４となる。
【００４１】
(4)  状態４  時刻t4〜t1
送電コイルnpに流れていた共振電流irによりスイッチング素子Q1の両端キャパシタCds1は放電され、スイッチング素子Q2の両端キャパシタCds2は充電される。電圧Vds1が0V、電圧Vds2が電圧Viになると、再び状態１となる。以降、状態１〜４を周期的に繰り返す。
【００４２】
受電回路では、ダイオードDds3またはDds4が導通して順方向に電流が流れる。周期的な定常動作では、電流ir、irsの波形は共鳴現象によりほぼ正弦波となる。
【００４３】
このようにして、送電コイルnpと受電コイルns1，ns2との間に等価的に形成される相互インダクタンスMlおよび相互キャパシタンスMcで等価的な電磁界共鳴結合回路が構成されて、送電共振機構と受電共振機構とが共鳴し、電磁界共鳴フィールドが形成される。
【００４４】
図２（Ａ）は、電磁界共鳴結合回路９０と共振キャパシタCr、Crsで構成される等価的な電磁界共鳴結合を含めた複共振回路の回路図である。図２（Ｂ）はその等価回路図である。ここで、インダクタンスLpは送電コイルnpのインダクタンス、インダクタンスLsは受電コイルns1（，ns2）のインダクタンス、インダクタンスLmは、送電コイルnpと受電コイルns1（，ns2）との磁界共鳴結合により電力を伝送する等価的な相互インダクタンスである。キャパシタンスCmは、送電コイルnpと受電コイルns1（，ns2）との電界共鳴結合により電力を伝送する等価的な相互キャパシタンスである。また、キャパシタンスCpは送電コイルnpの寄生成分であり、キャパシタンスCs，Cs1は受電コイルns1（，ns2）の寄生成分である。
【００４５】
共鳴現象により、電磁界共鳴結合回路への入力電流ｉac in (t)は、共振電流の振幅をIacとして、近似的に次式で表すことができる。
【００４６】
ｉac in (t)  ＝Ｉac sin(ωsｔ)
但し、ωs＝２π／Ｔｓ
端子１−１’間には正弦波電流ｉac in (t)が与えられる。端子１−１’間には各周波数成分を含む電流が流入しようとするが、電磁界共鳴結合回路によってインピーダンスが大きくなる高次の周波数成分の電流波形はカットされ、共鳴動作を行なうことで、主にスイッチング周波数成分の共鳴電流波形のみが流れ、電力を効率良く伝送することができる。
【００４７】
図４は、直流入力電圧に対する直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が、負荷の等価抵抗値の違いによってどのように変化するかを説明するための等価回路図である。
【００４８】
送電交流電圧発生回路ALTのインピーダンスが無視できる程度に小さいものとすると、共振キャパシタCrおよびインダクタ｛（Lp−Lm）＋Lm｝による第１の共振回路が構成される。また、負荷の等価抵抗値が小さいと、共振キャパシタCrsおよびインダクタ｛（Ls−Lm）＋Lm｝による第２の共振回路が構成される。
【００４９】
このように、二つの共振回路が存在し、相互インダクタンスLmを介して結合するので、複合共振回路が構成され、偶モードと奇モードの共振モードが生じる。
【００５０】
ここで、送電コイルのインダクタンスと受電コイルのインダクタンスをいずれもLで表し、共振キャパシタCr，CrsをいずれもCで表すと、次の２つの共振周波数f1'，f1"が生じる。
【００５１】
f1'＝１／（２π√(L+Lm)C）
f1"＝１／（２π√(L-Lm)C）
また、送電コイルnpと受電コイルns1（，ns2）との結合による相互インダクタンスLmは、結合係数をkで表すと、
Lm＝k√(Lp・Ls) の関係にある。
【００５２】
図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、上記複共振による共振特性を示す概略図である。いずれも横軸は周波数、縦軸は直流入力電圧に対する直流出力電圧の比である電圧利得である。図５（Ａ）は相互インダクタンスLmが≒０のときであり、単峰性となる。図５（Ｃ）は相互インダクタンスLmが大きいときの特性であり、双峰性となる。図５（Ｂ）は相互インダクタンスLmが中程度であるときの特性であり、ほぼ単峰性である。
【００５３】
図４に示した負荷の等価抵抗値が大きいときは、複共振は生じないので、上記第１共振回路の共振周波数で共振する、単峰性となる。
【００５４】
したがって、負荷の等価抵抗値が小さく、且つ結合係数（結合度）kが大きいとき、直流入力電圧に対する直流出力電圧の比である電圧利得は双峰性となり、負荷の等価抵抗値が大きいとき、または、結合係数（結合度）kが小さいとき、電圧利得は単峰性となる。
【００５５】
図６、図７は、送電コイルnpと受電コイルnsとの結合係数を変化させたときの電圧利得の周波数特性を示す図である。図６は、負荷Roの等価抵抗値＝1Ω（小さい値）のときの特性、図７は、負荷Roの等価抵抗値＝100Ω（大きい値）のときの特性である。いずれも、結合係数kを0.01から0.65まで５段階に変化させている。
【００５６】
本実施形態のように、受電整流回路が受電共振機構に対して直列に構成されたワイヤレス給電システムにおいて、負荷の等価抵抗値が小さいとき、図６に表れているように、上述の複合共振が生じて、電圧利得の周波数特性は双峰性となる場合がある。
【００５７】
そこで、負荷の等価抵抗値が小さい受電装置については、
（１）受電電力が小さい場合において、結合度を小さくすること（例えばk = 0.65→0.1）により、共鳴周波数を動作周波数6.78MHzに近づける。このことで、受電電力を大きくする。
【００５８】
（２）受電電力を必要以上に受けとらないようにする場合には、結合度を大きくすること（例えばk = 0.1→0.65）により、共鳴周波数を動作周波数から離す。このことにより、受電電力を小さくする。
【００５９】
一方、等価抵抗値が大きいときは、図７に表れているように、複合共振は生じなくて、電圧利得の周波数特性は単峰性となる傾向にある。
【００６０】
そこで、負荷の等価抵抗値が大きい受電装置については、
（３）受電電力が小さい場合において、結合度を大きくすること（例えばk = 0.2→0.65）により、電圧利得を大きくして受電電力を大きくする。
【００６１】
（４）受電電力を必要以上に受けとらないようにする場合には、結合度を小さくすること（例えばk = 0.65→0.2）により、電圧利得を小さくして受電電力を小さくする。
【００６２】
図１（Ａ）に示した第１受電装置PRU1の負荷の等価抵抗値は、第１受電装置PRU1と送電装置PSUが結合している状態での電圧利得の周波数特性が双峰性となる程度に、小さい。また、図１（Ｂ）に示す第２受電装置PRU2の負荷の等価抵抗値は、第２受電装置PRU２と送電装置PSUが結合している状態での電圧利得の周波数特性が単峰性となる程度に、大きい。
【００６３】
そのため、第１受電装置PRU1は、受電コイルns1と送電コイルnpとの結合係数の設定により、電圧利得が極大となる一方の周波数（図６に示す例では、電圧利得が極大となる二つの周波数のうち高い方の周波数）と動作周波数との位置関係で電圧利得が定められる。第２受電装置PRU2は、電圧利得が極大となる周波数が動作周波数の近くに定められ、結合係数の設定によって電圧利得が定められる。
【００６４】
上記結合係数は、送電コイルnpに対する受電コイルns1，ns2のコイル間距離dx1，dx2によって定められる。図１（Ａ）（Ｂ）に示す例では、コイル間距離dx1はコイル間距離dx2より大きいので、第１受電装置の受電コイルns1と送電コイルnpとの結合係数は、第２受電装置の受電コイルns2と送電コイルnpとの結合係数より小さい。
【００６５】
このように、受電コイルの大きさが一定であっても、受電コイルと送電コイルとの距離によって、結合係数を受電装置ごとに設定できる。
【００６６】
以上に示した例では、等価抵抗値が小さい負荷を有する第１受電装置が、図６の双峰性ピークのうち高周波数側のピーク（結合係数の変動によってピーク周波数が相対的に大きく変位する側のピーク）の周波数が結合係数によって変位する特性を利用して電圧利得を定め、等価抵抗値が大きい負荷を有する第２受電装置が、図７の単峰性ピークの値（電圧利得）が結合係数によって変化する特性を利用して電圧利得を定めるものであった。この例以外に、等価抵抗値が小さい負荷を有する第１受電装置が、図６の双峰性ピークのうち低周波数側のピーク（結合係数の変動によってピーク周波数が相対的に大きく変位しない側のピーク）の値が結合係数によって変化する特性を利用して電圧利得を定めるようにしてもよい。
【００６７】
《第２の実施形態》
第２の実施形態では、送電コイルと受電コイルとの結合係数の他の設定構造について例示する。
【００６８】
図８（Ａ）（Ｂ）は第２の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０２の回路図である。ワイヤレス給電システム１０２は送電装置PSU、第１受電装置PRU1および第２受電装置PRU2を含む。
【００６９】
第１受電装置PRU1の受電コイルns1の半径r1と送電コイルnpの半径rとの差は、第２受電装置PRU2の受電コイルns2の半径r2と送電コイルnpの半径rとの差より小さい。一般に、結合する２つのコイル同士の径の差が大きいほど、コイル同士の結合係数は小さい。本実施形態では、送電装置PSUの送電コイルnpと第１、第２の受電装置PRU1，PRU2の受電コイルns1，ns2との距離dxは同じである。その他の構成は第１の実施形態で示したとおりである。
【００７０】
本実施形態のように、受電コイルと送電コイルとの結合係数は、送電コイルに対する受電コイルの大きさの差によって定めてもよい。これにより、送電コイルと受電コイルとの距離が一定であっても、結合係数を受電装置ごとに容易に設定できる。
【００７１】
《第３の実施形態》
第３の実施形態では、送電コイルと受電コイルの形式が第１、第２の実施形態とは異なる例について示す。
【００７２】
図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は第３の実施形態のワイヤレス給電システム１０３の回路図である。この例は、送電コイルnpと受電コイルns1，ns2にヘリカル状のコイルを用い、それぞれ中央で給電している。そのため、送電装置側のヘリカルコイルは等価的インダクタンスLpおよび等価的キャパシタンスCrを有し、共振回路を構成している。同様に、受電装置側のヘリカルコイルはインダクタンスLsおよびキャパシタンスCrsを有し、共振回路を構成している。そして、この二つのヘリカル状コイルは巻回軸がほぼ揃っている（ほぼ同軸）であることにより、送電コイルnpと受電コイルns1，ns2との間に電磁界共鳴結合回路が形成される。その他の構成は第１の実施形態で示したものと同じである。
【００７３】
このように、送電共振機構と受電共振機構とで、電界エネルギーと磁界エネルギーを相互にやり取りする。
【００７４】
図９（Ａ）に示す第１受電装置PRU1の受電コイルns1の半径r1と送電コイルnpの半径rとの差は、図９（Ｂ）に示す第２受電装置PRU2の受電コイルns2の半径r2と送電コイルnpの半径rとの差より大きい。また、図９（Ｃ）に示す第１受電装置PRU1の受電コイルns1と送電コイルnpとのコイル間距離は、図９（Ｂ）に示す第２受電装置PRU2の受電コイルns2と送電コイルnpとのコイル間距離より大きい。
【００７５】
このように、送電コイルおよび受電コイルがヘリカル状のコイルである場合も、コイルのサイズの差またはコイル間距離によって受電コイルと送電コイルとの結合係数を定めることができる。
【００７６】
《第４の実施形態》
第４の実施形態では、受電共振機構の他の例について示す。
【００７７】
図１０は第４の実施形態に係るワイヤレス給電システムにおいて、電磁界共鳴結合回路９０と共振キャパシタCr、Crsで構成される等価的な電磁界共鳴結合を含む共振回路の回路図である。第１〜第３の実施形態では、受電コイルは寄生成分であるキャパシタCsを備えたが、図１０に示すように、キャパシタCs等は必須ではない。受電コイルのインダクタンスLsとキャパシタンスCrsとが直列接続されて、直列共振回路が構成されていればよい。
【００７８】
《第５の実施形態》
第５の実施形態では、直列共振回路と受電整流回路との間にフィルタ回路を備える例を示す。
【００７９】
図１１（Ａ）は、受電コイルのインダクタンスLsとキャパシタンスCrsとの直列共振回路にＬＣフィルタ回路が接続された例である。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の構成に加えて、さらに受電コイルと並列にキャパシタンスCrs1を含む場合の回路図である。いずれも、端子２−２′間に受電整流回路が接続される。ＬＣフィルタ回路は動作周波数を通過させ、動作周波数より高次の高調波成分を遮断するローパスフィルタまたはバンドパスフィルタである。
【００８０】
このように、受電装置の直列共振回路と受電整流回路との間にＬＣフィルタ回路を備えることにより、受電共振機構に流れる電流波形の高調波成分を低減し、EMI（電磁干渉）ノイズを低減することができる。これにより、他の電子機器とのEMC（電磁両立性）を高めることができる。例えば、無線通信機器などとの混信を抑制できる。また、フィルタにより共振機構のインピーダンスを変換することができる。すなわちインピーダンス整合を図ることができる。これにより、負荷に適した電流と電圧を供給することができる。
【００８１】
《第６の実施形態》
第６の実施形態では、受電整流回路が受電共振機構に対して並列に構成され、受電コイルの電気エネルギーを負荷に供給するように構成されたワイヤレス給電システムについて例示する。
【００８２】
図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、第６の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０６の回路図である。ワイヤレス給電システム１０６は送電装置PSU、第３受電装置PRU3および第４受電装置PRU4を含む。
【００８３】
ワイヤレス給電システム１０６は、送電装置PSUの入力部に入力電源Viを備え、第３受電装置PRU3、第４受電装置PRU4の負荷Roへ安定した直流電圧を給電するシステムである。
【００８４】
送電装置PSUの構成は、第１〜第５の各実施形態で示したものと同じである。
【００８５】
受電装置PRU3，PRU4は、受電コイルns3，ns4および受電共振キャパシタCsを含む受電共振機構と、受電コイルns3，ns4に接続されて、受電コイルns3，ns4に生じる交流電流を整流するダイオードDds3による受電整流回路および平滑用キャパシタCoを備えている。
【００８６】
図１３（Ａ）は、電磁界共鳴結合回路９０と共振キャパシタCrで構成される等価的な電磁界共鳴結合を含めた複共振回路の回路図である。図１３（Ｂ）はその等価回路図である。ここで、インダクタンスLpは送電コイルnpのインダクタンス、インダクタンスLsは受電コイルns3（，ns4）のインダクタンス、インダクタンスLmは、送電コイルnpと受電コイルns3（，ns4）との磁界共鳴結合により電力を伝送する等価的な相互インダクタンスである。キャパシタンスCmは、送電コイルnpと受電コイルns3（，ns4）との電界共鳴結合により電力を伝送する等価的な相互キャパシタンスである。また、キャパシタンスCpは送電コイルnpの寄生成分であり、キャパシタンスCs，Cs1は受電コイルns3（，ns4）の寄生成分である。
【００８７】
第１の実施形態で示したとおり、端子１−１’間には正弦波電流ｉac in (t)が与えられる。端子１−１’間には各周波数成分を含む電流が流入しようとするが、電磁界共鳴結合回路によってインピーダンスが大きくなる高次の周波数成分の電流波形はカットされ、共鳴動作を行なうことで、主にスイッチング周波数成分の共鳴電流のみが流れ、電力を効率良く伝送することができる。
【００８８】
図１４は、直流入力電圧に対する直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が、負荷の等価抵抗値の違いによってどのように変化するかを説明するための等価回路図である。
【００８９】
共振キャパシタCpおよびインダクタ｛（Lp−Lm）＋Lm｝による第１の共振回路が構成される。また、負荷の等価抵抗値が大きいと、共振キャパシタCsおよびインダクタ｛（Ls−Lm）＋Lm｝による第２の共振回路が構成される。
【００９０】
このように、二つの共振回路が存在し、相互インダクタンスLmを介して結合するので、複合共振回路が構成され、偶モードと奇モードの共振モードが生じる。
【００９１】
ここで、送電コイルのインダクタンスと受電コイルのインダクタンスをいずれもLで表し、共振キャパシタCp，CsをいずれもCで表すと、次の２つの共振周波数が生じる。
【００９２】
f1'＝１／（２π√(L+Lm)C）
f1"＝１／（２π√(L-Lm)C）
また、送電コイルnpと受電コイルns3，ns4との結合による相互インダクタンスLmは、結合係数をkで表すと、
Lm＝k√(Lp・Ls) の関係にある。
【００９３】
したがって、第１の実施形態で図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示した例と同様に、電圧利得の周波数特性は、相互インダクタンスLmに応じて単峰性または双峰性となる。また、図１４に示した負荷の等価抵抗値が小さいときは、複共振は生じないので、上記第１共振回路の共振周波数で共振する、単峰性となる。
【００９４】
したがって、負荷の等価抵抗値が大きく、且つ結合係数（結合度）kが大きいとき、直流入力電圧に対する直流出力電圧の比である電圧利得は双峰性となり、負荷の等価抵抗値が小さいとき、または、結合係数（結合度）kが小さいとき、電圧利得は単峰性となる。
【００９５】
図１５、図１６は、送電コイルnpと受電コイルnsとの結合係数を変化させたときの電圧利得の周波数特性を示す図である。図１５は、負荷Roの等価抵抗値＝100Ω（大きい値）のときの特性、図１６は、負荷Roの等価抵抗値＝1Ω（小さい値）のときの特性である。いずれも、結合係数kを0.01から0.65まで５段階に変化させている。
【００９６】
本実施形態のように、受電整流回路が受電共振機構に対して並列に構成されたワイヤレス給電システムにおいて、負荷の等価抵抗値が大きいとき、図１５に表れているように、上述の複合共振が生じて、電圧利得の周波数特性は双峰性となる場合がある。
【００９７】
そこで、負荷の等価抵抗値が大きい受電装置については、
（１）受電電力が小さい場合において、結合度を小さくすること（例えばk = 0.65→0.2）により、共鳴周波数を動作周波数6.78MHzに近づける。このことで、受電電力を大きくする。
【００９８】
（２）受電電力を必要以上に受けとらないようにする場合には、結合度を大きくすること（例えばk = 0.2→0.65）により、共鳴周波数を動作周波数から離す。このことにより、受電電力を小さくする。
【００９９】
一方、等価抵抗値が小さいときは、図１６に表れているように、複合共振は生じなくて、電圧利得の周波数特性は単峰性となる。
【０１００】
そこで、負荷の等価抵抗値が小さい受電装置については、
（３）受電電力が小さい場合において、結合度を小さくすること（例えばk = 0.65→0.2）により、電圧利得を大きくして受電電力を大きくする。
【０１０１】
（４）受電電力を必要以上に受けとらないようにする場合には、結合度を大きくすること（例えばk = 0.2→0.65）により、電圧利得を小さくして受電電力を小さくする。
【０１０２】
図１２（Ａ）に示した受電装置PRU3の負荷の等価抵抗値は、受電装置PRU3と送電装置PSUが結合している状態での電圧利得の周波数特性が双峰性である程度に大きい。また、図１２（Ｂ）（Ｃ）に示す受電装置PRU4の負荷の等価抵抗値は、受電装置PRU4と送電装置PSUが結合している状態での電圧利得の周波数特性が単峰性である程度に小さい。
【０１０３】
そのため、第３受電装置PRU3は、受電コイルns1と送電コイルnpとの結合係数の設定により、電圧利得が極大となる一方の周波数（図１５に示す例では、電圧利得が極大となる２つの周波数のうち高い方の周波数）と動作周波数との位置関係で電圧利得が定められる。第４受電装置PRU4は、電圧利得が極大となる周波数が動作周波数の近くに定められ、結合係数の設定によって電圧利得が定められる。
【０１０４】
上記結合係数は、送電コイルnpに対する受電コイルns3，ns4のコイル間距離dx，dx4や、送電コイルnpの半径rと受電コイルns4の半径r4との差によって定められる。
【０１０５】
以上に示した例では、等価抵抗値が大きい負荷を有する第３受電装置が、図１５の双峰性ピークのうち高周波数側のピーク（結合係数の変動によってピーク周波数が相対的に大きく変位する側のピーク）の周波数が結合係数によって変位する特性を利用して電圧利得を定め、等価抵抗値が小さい負荷を有する第４受電装置が、図１６の単峰性ピークの周波数が結合係数によって変位する特性を利用して電圧利得を定めるものであった。この例以外に、等価抵抗値が大きい負荷を有する第３受電装置が、図１５の双峰性ピークのうち低周波数側のピーク（結合係数の変動によってピーク周波数が相対的に大きく変位しない側のピーク）の値が結合係数によって変化する特性を利用して電圧利得を定めるようにしてもよい。
【０１０６】
《第７の実施形態》
第７の実施形態では、受電共振機構の他の例について示す。
【０１０７】
図１７は第７の実施形態に係るワイヤレス給電システムにおける電磁界共鳴結合回路部分の回路図である。この例では、電磁界共鳴結合回路９０以外にキャパシタCr，Crs，Cs2を有する。キャパシタCr，Crs，Cs2を電子部品で構成することにより各キャパシタまたはコイルに加わる電圧値を調整することができる。さらに、例えばキャパシタCrsとCs2とで分圧することでキャパシタCs2より取り出す負荷への電力を調整することができる。
【０１０８】
《第８の実施形態》
第８の実施形態では、受電共振機構の他の例について示す。
【０１０９】
図１８は第８の実施形態に係るワイヤレス給電システムにおける電磁界共鳴結合回路部分の回路図である。この例では、送電コイルのインダクタンスLpと共振キャパシタCpとの間にキャパシタCrが挿入され、受電コイルのインダクタンスLsと共振キャパシタCsとの間にキャパシタCrsが挿入されている。キャパシタCr，Crs，Cs2を電子部品で構成することにより各キャパシタまたはコイルに加わる電圧値を調整することができる。さらに、例えばキャパシタCrsとCsとで分圧することでキャパシタCsより取り出す負荷への電力を調整することができる。
【０１１０】
《第９の実施形態》
第９の実施形態では、並列共振回路と受電整流回路との間にフィルタ回路を備える例を示す。
【０１１１】
図１９（Ａ）は、受電コイルのインダクタンスLsとキャパシタンスCsとの並列共振回路にＬＣフィルタ回路が接続された例である。図１９（Ｂ）は、直列にキャパシタンスCrs、並列にキャパシタンスCs2をさらに含む場合の回路図である。いずれも、端子２−２′間に受電整流回路が接続される。ＬＣフィルタ回路は動作周波数を通過させ、動作周波数より高次の高調波成分を遮断するローパスフィルタまたはバンドパスフィルタである。
【０１１２】
このように、受電装置の直列共振回路と受電整流回路との間にＬＣフィルタ回路を備えることにより、受電共振機構に流れる電流波形の高調波成分を低減し、EMI（電磁干渉）ノイズを低減することができる。これにより、他の電子機器とのEMC（電磁両立性）を高めることができる。例えば、無線通信機器などとの混信を抑制できる。また、フィルタにより共振機構のインピーダンスを変換することができる。すなわちインピーダンス整合を図ることができる。これにより、負荷に適した電流と電圧を供給することができる。
【０１１３】
なお、以上に示した各実施形態においては、送電コイルと受電コイルとの間で相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成されるものと説明したが、電界結合に比べて磁界結合が支配的で、主として磁界結合が構成される場合にも本発明は適用される。
【符号の説明】
【０１１４】
ALT…送電交流電圧発生回路
Cds…寄生容量
Cds1，Cds2…キャパシタ
Cds3，Cds4…キャパシタ
Cm…相互キャパシタンス
Co…平滑用キャパシタ
Cp，Cs…共振キャパシタ
Cr…送電共振キャパシタ
Crs，Cs…受電共振キャパシタ
Cs1，Cs2…キャパシタンス
Dds1，Dds2，Dds3，Dds4…ダイオード
Lm…相互インダクタンス
Lp…送電コイルのインダクタンス
Ls…受電コイルのインダクタンス
Mc…相互キャパシタンス
Ml…相互インダクタンス
np…送電コイル
ns，ns1，ns2，ns3，ns4…受電コイル
PRU1…第１受電装置
PRU2…第２受電装置
PRU3…第３受電装置
PRU4…第４受電装置
PSU…送電装置
Q1…第１スイッチング素子
Q2…第２スイッチング素子
Q3，Q4…スイッチング素子
ＲＣ…受電整流回路
Ro…負荷
S1…第１スイッチ回路
S2…第２スイッチ回路
S3，S4…スイッチ回路
９０…電磁界共鳴結合回路
１０１，１０２，１０３，１０６…ワイヤレス給電システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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