(57)【要約】  送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る受電共振コイルと、所定の周波数で発振する電圧を出力する受電側位相調整用発振部と、前記送電器との間で通信を行う受電側通信部と、前記受電側通信部からの出力を受け取り、前記受電側位相調整用発振部からの出力電圧を使用して前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行う受電側制御部と、を有し、ハード的負荷および費用の増加を抑えつつ電力伝送の効率を向上させる。
2014118895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る受電共振コイルと、
所定の周波数で発振する電圧を出力する受電側位相調整用発振部と、
前記送電器との間で通信を行う受電側通信部と、
前記受電側通信部からの出力を受け取り、前記受電側位相調整用発振部からの出力電圧を使用して前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行う受電側制御部と、を有する、
ことを特徴とする受電器。
【請求項２】
さらに、
前記受電共振コイルからの電力を、電磁誘導を利用して受け取る電力取出コイルと、
前記電力取出コイルから取り出された電力を受け取る負荷デバイスと、
前記負荷デバイスに相当する抵抗値を有するダミー負荷と、を有し、
前記受電側制御部は、
前記受電共振コイルに対して前記受電側位相調整用発振部の出力電圧を印加すると共に、前記電力取出コイルの負荷を前記ダミー負荷として前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の受電器。
【請求項３】
前記受電側制御部は、
前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行った後、前記受電側位相調整用発振部を停止して、前記受電共振コイルが前記送電器からの電力を受け取るようにすると共に、前記電力取出コイルの負荷を前記負荷デバイスとして前記送電器からの電力を受け取る、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の受電器。
【請求項４】
さらに、
前記受電側位相調整用発振部からの出力電圧の位相および前記受電共振コイルを流れる電流の位相を比較する第１位相比較部と、
前記第１位相比較部から出力される位相差を目標値に従って制御する受電側フィードバック制御部と、を有し、
前記受電側フィードバック制御部は、
前記受電共振コイルに設けられた容量値が可変のコンデンサを制御して、前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行う、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の受電器。
【請求項５】
さらに、
前記目標値を設定する目標値設定部を有し、前記受電側フィードバック制御部は、前記目標値設定部の出力を受け取る、
ことを特徴とする請求項４に記載の受電器。
【請求項６】
前記目標値は、前記受電側制御部から出力され、前記受電側フィードバック制御部は、前記受電側制御部の出力を受け取る、
ことを特徴とする請求項４に記載の受電器。
【請求項７】
前記受電共振コイルの共振周波数の調整は、所定の間隔で繰り返して行う、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の受電器。
【請求項８】
さらに、
前記受電共振コイルの温度を測定する第１温度センサを有し、
前記受電側制御部は、
前記第１温度センサからの第１温度信号を受け取って制御を行う、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の受電器。
【請求項９】
前記受電側制御部は、
前記第１温度センサからの第１温度信号を、前記受電側通信部を介して前記送電器に送信する、
ことを特徴とする請求項８に記載の受電器。
【請求項１０】
少なくとも１つの送電器、および、少なくとも１つの受電器を含む無線電力伝送システムであって、
前記受電器は、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の受電器である、
ことを特徴とする無線電力伝送システム。
【請求項１１】
前記送電器は、
所定の周波数で発振する電圧を出力する交流電源と、
前記交流電源の出力電圧を受け取る電力供給コイルと、
前記電力供給コイルからの電力を、電磁誘導を利用して受け取り、前記受電共振コイルに対して、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により電力を伝送する送電共振コイルと、
前記受電器との間で通信を行う送電側通信部と、を有する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１２】
前記送電器は、さらに、
前記送電側通信部からの出力を受け取り、前記交流電源からの出力電圧を使用して前記送電共振コイルの共振周波数の調整を行う送電側制御部を有する、
ことを特徴とする請求項１１に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１３】
前記送電側制御部は、
前記交流電源からの出力電圧を、前記送電器から前記受電器に対して電力を伝送するときの電圧よりも低い電圧にして、前記送電共振コイルの共振周波数の調整を行う、
ことを特徴とする請求項１２に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１４】
前記送電側制御部による前記送電共振コイルの共振周波数の調整は、前記受電側制御部による前記受電共振コイルの共振周波数の調整の直前に行う、
ことを特徴とする請求項１３に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１５】
前記送電側制御部による前記送電共振コイルの共振周波数は、前記受電側制御部による前記受電共振コイルの共振周波数と同じ周波数である、
ことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１６】
前記送電器は、さらに、
前記送電共振コイルの温度を測定する第２温度センサを有し、
前記送電側制御部は、
前記第２温度センサからの第２温度信号を受け取って制御を行う、
ことを特徴とする請求項１２乃至請求項１５のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１７】
前記送電側制御部は、
前記第２温度センサからの第２温度信号と共に、前記受電側通信部および前記送電側通信部を介して前記受電器の前記第１温度センサからの第１温度信号を受け取って、温度異常時の処理を行う、
ことを特徴とする請求項１６に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１８】
前記送電器は、さらに、
前記交流電源からの出力電圧の位相および前記送電共振コイルを流れる電流の位相を比較する第２位相比較部と、
前記第２位相比較部から出力される位相差を目標値に従って制御する送電側フィードバック制御部と、を有し、
前記送電側フィードバック制御部は、
前記送電共振コイルに設けられた容量値が可変のコンデンサを制御して、前記送電共振コイルの共振周波数の調整を行う、
ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１７のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１９】
送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受電器が受け取る無線電力伝送方法であって、
前記受電器に対して所定の周波数で発振する電圧を出力する受電側位相調整用発振部を設け、
前記受電側位相調整用発振部からの出力電圧を使用して前記受電器の共振周波数の調整を行う、
ことを特徴とする無線電力伝送方法。
【請求項２０】
前記送電器における交流電源からの出力電圧を、前記送電器から前記受電器に対して電力を伝送するときの電圧よりも低い電圧にして、前記送電器の共振周波数の調整を行い、
前記送電器の共振周波数は、前記受電器の共振周波数と同じ周波数である、
ことを特徴とする請求項１９に記載の無線電力伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願で言及する実施例は、無線電力伝送システム、受電器および無線電力伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電源供給や充電を行うために、無線で電力を伝送する技術が注目されている。例えば、携帯端末やノートパソコンを始めとした様々な電子機器や家電機器、或いは、電力インフラ機器に対して、無線で電力伝送を行う無線電力伝送システムが研究・開発されている。【０００３】
このような無線電力伝送(ワイヤレス電力伝送：Wireless Power Transfer)としては、一般的に、電磁誘導を利用した技術や電波を利用した技術が知られている。これに対して、近年、送電器と受電器の距離をある程度離しつつ、複数の受電器に対する電力伝送および受電器の三次元的な様々な姿勢に対する電力伝送が可能なものとして、磁界共鳴や電界共振を利用した電力伝送技術に対する期待が高まっている。【０００４】
従来、磁界共鳴を利用した無線電力伝送技術としては、様々な提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０９９０７１号パンフレット
【特許文献２】特開２０１０−１４８１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、従来、電源供給や充電を行うために無線で電力を伝送する無線電力伝送技術が注目されている。しかしながら、例えば、電力伝送に使用する送電器と受電器の共振周波数にずれが存在すると伝送効率が低下するため、リアルタイムの位相制御を行って伝送効率の低下を防ぐことが考えられている。【０００７】
しかしながら、無線電力伝送システムにおける共振周波数は、例えば、数百ＫＨｚ〜数十ＭＨｚであるため、リアルタイムの位相制御を行うためには、例えば、送電器および受電器に対して専用の通信回路を設けることになる。その結果、送電器および受電器のハード的負荷が増大して費用も嵩むことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態によれば、送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る受電共振コイルと、受電側通信部と、受電側制御部と、を有する受電器が提供される。【０００９】
前記受電側位相調整用発振部は、所定の周波数で発振する電圧を出力し、前記受電側通信部は、前記送電器との間で通信を行う。前記受電側制御部は、前記受電側通信部からの出力を受け取り、前記受電側位相調整用発振部からの出力電圧を使用して前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行う。
【発明の効果】
【００１０】
開示の無線電力伝送システム、受電器および無線電力伝送方法は、ハード的負荷および費用の増加を抑えつつ電力伝送の効率を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、無線電力伝送システムを模式的に示す図である。
【図２】図２は、無線電力伝送システムの一例を示すブロック図である。
【図３】図３は、図２に示す無線電力伝送システムを制御系に注目して示すブロック図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図２および図３に示す無線電力伝送システムにおける共振周波数の制御を説明するための図(その１)である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図２および図３に示す無線電力伝送システムにおける共振周波数の制御を説明するための図(その２)である。
【図５Ａ】図５Ａは、図２および図３に示す無線電力伝送システムにおけるシミュレーション条件を説明するための図(その１)である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図２および図３に示す無線電力伝送システムにおけるシミュレーション条件を説明するための図(その２)である。
【図６Ａ】図６Ａは、図５Ａおよび図５Ｂに示すシミュレーション条件で行った図２および図３に示す無線電力伝送システムのシミュレーション結果を示す図(その１)である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図５Ａおよび図５Ｂに示すシミュレーション条件で行った図２および図３に示す無線電力伝送システムのシミュレーション結果を示す図(その２)である。
【図７】図７は、第１実施例の無線電力伝送システムを示すブロック図である。
【図８】図８は、第２実施例の無線電力伝送システムを示すブロック図である。
【図９】図９は、図８に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図(その１)である。
【図１０】図１０は、図８に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図(その２)である。
【図１１】図１１は、図８に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図(その３)である。
【図１２】図１２は、図８に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図(その４)である。
【図１３】図１３は、第３実施例の無線電力伝送システムを示すブロック図である。
【図１４】図１４は、図１３に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図(その１)である。
【図１５】図１５は、図１３に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図(その２)である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
まず、無線電力伝送(ワイヤレス電力伝送)システム、受電器および無線電力伝送方法の実施例を詳述する前に、無線電力伝送システムの一例およびその課題を、図１〜図６Ｂを参照して説明する。
【００１３】
図１は、無線電力伝送システムを模式的に示す図である。図１に示されるように、無線電力伝送システムは、一次側(送電側：送電器)１および二次側(受電側：受電器)２を有する。なお、送電器１および受電器２は、それぞれ複数であってもよい。
【００１４】
送電器１は、交流電源１１と、電力供給コイル１２および送電共振コイル１３を含む送電系コイルＳＣとを有し、受電器２は、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３を含む受電系コイルＪＣと、負荷デバイス２１とを有する。
【００１５】
図１に示されるように、送電器１および受電器２は、送電共振コイル(ＬＣ共振器)１３と受電共振コイル(ＬＣ共振器)２２の間の磁界共鳴(磁界共振)により、送電器１から受電器２へエネルギー(電力)の伝送を行う。ここで、ＬＣ共振器１３から２２への電力伝送は、磁界共鳴だけでなく電界共鳴(電界共振)等も可能であるが、以下の説明では、主として磁界共鳴を例として説明する。
【００１６】
なお、送電系コイルＳＣにおいて、電力供給コイル１２から送電共振コイル１３への電力伝送は電磁誘導を利用して行い、また、受電系コイルＪＣにおいて、受電共振コイル２２から電力取出コイル２３への電力伝送も電磁誘導を利用して行うようになっている。
【００１７】
図２は、無線電力伝送システムの一例を示すブロック図であり、図１に示す無線電力伝送システムをより詳細にしめすものである。図２に示されるように、電力伝送システムは、送電系コイルＳＣ、受電系コイルＪＣ、交流電源１１、送電側制御回路１４、負荷となるデバイス２１、および、受電側制御回路２４を備える。
【００１８】
前述したように、送電系コイルＳＣは、電力供給コイル１２および送電共振コイル１３を含む。電力供給コイル１２は、例えば、銅線またはアルミニウム線などの金属線が円周状に複数回巻かれたものであり、その両端に交流電源１１による交流電圧(高周波電圧)が印加される。
【００１９】
送電共振コイル１３は、例えば、銅線またはアルミニウム線などの金属線が円周状に巻かれたコイル１３１、および、コイル１３１の両端に接続されたコンデンサ１３２を含み、それらによる共振回路を形成する。なお、共振周波数ｆ0は、次の式(1)で示される。
【００２０】
f0＝１／｛２π(ＬＣ)1/2｝  ……  (１)
ここで、Ｌはコイル１３１のインダクタンス、Ｃはコンデンサ１３２の静電容量である。
【００２１】
送電共振コイル１３のコイル１３１は、例えば、ワンターンコイルであり、また、コンデンサ１３２は、種々の形式のコンデンサが適用可能であるが、できるだけ損失が少なく十分な耐圧を有するものが好ましい。
【００２２】
図２に示す無線電力伝送システムでは、共振周波数を可変するために、コンデンサ１３２として可変コンデンサが用いられている。可変コンデンサとしては、例えば、ＭＥＭＳ技術を用いて製作された可変容量デバイスや半導体を用いた可変容量デバイス(バラクタ)を適用することができる。
【００２３】
電力供給コイル１２および送電共振コイル１３は、電磁的に互いに密に結合するように、例えば、同一平面上で同心状に配置される。すなわち、送電共振コイル１３の内側に電力供給コイル１２が設けられた状態で配置される。或いは、送電共振コイル１３および電力供給コイル１２は、同軸上で適当な距離をあけて配置してもよい。
【００２４】
この状態で、交流電源１１から電力供給コイル１２に交流電圧が印加されると、電力供給コイル１２に生じた交番磁界による電磁誘導によって送電共振コイル１３に共振電流が流れる。すなわち、電磁誘導によって、電力供給コイル１２から送電共振コイル１３に電力が伝送される。
【００２５】
また、受電系コイルＪＣは、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３を含む。受電共振コイル２２は、例えば、銅線またはアルミニウム線などの金属線が円周状に巻かれたコイル２２１、および、コイル２２１の両端に接続されたコンデンサ２２２を含む。受電共振コイル２２の共振周波数ｆ0は、コイル２２１のインダクタンスおよびコンデンサ２２２の静電容量に従って、前述した式(1)で示される。
【００２６】
受電共振コイル２２のコイル２２１は、例えば、ワンターンコイルであり、また、コンデンサ２２２は、前述したように、種々の形式のコンデンサが適用可能である。図２に示す無線電力伝送システムでは、共振周波数を可変するために、コンデンサ２２２として可変コンデンサが用いられる。
【００２７】
可変コンデンサとしては、コンデンサ１３２と同様に、例えば、ＭＥＭＳ技術を用いて製作された可変容量デバイスや半導体を用いたバラクタを適用することができる。
【００２８】
電力取出コイル２３は、例えば、銅線またはアルミニウム線などの金属線が円周状に複数回巻かれたものであり、その両端に負荷であるデバイス２１が接続される。なお、負荷デバイス２１としては、例えば、受電器２の電源として使用するバッテリやそのバッテリを充電するための回路である。
【００２９】
受電共振コイル２２および電力取出コイル２３は、電磁的に互いに密に結合するように、例えば、同一平面上で同心状に配置される。すなわち、受電共振コイル２２の内側に電力取出コイル２３が設けられた状態で配置される。或いは、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３は、同軸上で適当な距離をあけて配置してもよい。
【００３０】
この状態で、受電共振コイル２２に共振電流が流れると、それによって発生した交番磁界による電磁誘導によって電力取出コイル２３に電流が流れる。すなわち、電磁誘導によって、受電共振コイル２２から電力取出コイル２３に電力が送られる。
【００３１】
ここで、送電系コイルＳＣから受電系コイルＪＣへは、磁界共鳴によって無線で電力を伝送するため、図２に示されるように、コイル面が互いに平行で、コイル軸心が互いに一致するかまたは余りずれないように、互いに適当な距離の範囲内に配置される。
【００３２】
図２に示されるように、電力伝送システムにおいて、コイル軸心ＫＳに沿う方向が磁界ＫＫの主な放射方向であり、送電系コイルＳＣから受電系コイルＪＣに向かう方向が送電方向ＳＨである。
【００３３】
ここで、送電共振コイル１３の共振周波数ｆｓおよび受電共振コイル２２の共振周波数ｆｊが、両方とも交流電源１１の周波数ｆｄと一致しているとき、最大の電力が伝送される。
【００３４】
しかしながら、それらの共振周波数ｆｓおよびｆｊが互いにずれたり、共振周波数ｆｓおよびｆｊと交流電源１１の周波数ｆｄとがずれたりすると、伝送される電力は低下し、電力伝送の効率が低下することになる。
【００３５】
そこで、図２に示す電力伝送システムでは、送電側制御回路１４および受電側制御回路２４により、交流電源１１の位相φｖｓ、並びに、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２に流れる電流の位相φｉｓおよびφｉｊを用いて、共振周波数の制御を行う。
【００３６】
ここで、送電側制御回路１４は、送電系コイルＳＣに印加される電圧Ｖｓの位相φｖｓおよび送電系コイルＳＣに流れる電流Ｉｓの位相φｉｓを検出し、位相差Δφｓが所定の目標値φｍｓとなるように、送電系コイルＳＣの共振周波数ｆｓを可変制御する。
【００３７】
すなわち、送電側制御回路１４は、電流検出センサＳＥ１、位相検出部１４１，１４２、目標値設定部１４３、送電側フィードバック制御部１４４、および、位相送信部１４５を有する。
【００３８】
電流検出センサＳＥ１は、送電共振コイル１３に流れる電流Ｉｓを検出する。電流検出センサＳＥ１としては、例えば、ホール素子、磁気抵抗素子または検出コイルなどを用いることができる。この電流検出センサＳＥ１は、例えば、電流Ｉｓの波形に応じた電圧信号を出力する。
【００３９】
位相検出部１４１は、電力供給コイル１２に印加される電圧Ｖｓの位相φｖｓを検出し、例えば、電圧Ｖｓの波形に応じた電圧信号を出力する。ここで、位相検出部１４１は、電圧Ｖｓをそのまま出力してもよく、また、適当な抵抗によって分圧して出力してもよい。そのため、位相検出部１４１は、単なる導線、或いは、１つまたは複数の抵抗素子とすることもできる。
【００４０】
位相検出部１４２は、電流検出センサＳＥ１からの出力に基づいて、送電共振コイル１３に流れる電流Ｉｓの位相φｉｓを検出し、例えば、電流Ｉｓの波形に応じた電圧信号を出力する。ここで、位相検出部１４２は、電流検出センサＳＥ１の出力をそのまま出力してもよい。そのため、電流検出センサＳＥ１は、位相検出部１４２を兼ねるようにすることもできる。
【００４１】
目標値設定部１４３は、位相差Δφｓの目標値φｍｓを設定して記憶する。そのため、目標値設定部１４３には、目標値φｍｓを記憶するためのメモリが設けられている。目標値φｍｓとしては、例えば、「−１８０°(−π radian)」または「−１８０°に適当な補正値ａを加えた値」などが設定される。
【００４２】
なお、目標値φｍｓの設定は、予め記憶された１つまたは複数のデータの中から選択することにより行ってもよく、また、ＣＰＵやキーボードなどからの指令によって行われるようにしてもよい。
【００４３】
送電側フィードバック制御部１４４は、交流電源１１の電圧Ｖｓの位相φｖｓと送電共振コイル１３の電流Ｉｓの位相φｉｓとの位相差Δφｓが、設定された目標値φｍｓとなるように、送電共振コイル１３の共振周波数ｆｓを可変制御する。
【００４４】
位相送信部１４５は、電力供給コイル１２に供給される電圧Ｖｓの位相φｖｓについての情報を、受電側制御回路２４に対してアナログ信号またはデジタル信号として無線で送信する。ここで、例えば、Ｓ／Ｎ比を向上させるために、電圧Ｖｓの波形に応じた電圧信号を整数倍に逓倍して送信することもできる。
【００４５】
受電側制御回路２４は、送電系コイルＳＣに供給される電圧ＶＳの位相φｖｓおよび受電系コイルＪＣに流れる電流ＩＪの位相φｉｊを検出し、それらの位相差Δφｊが所定の目標値φｍｊとなるように、受電系コイルＪＣの共振周波数ｆｊを可変制御する。
【００４６】
すなわち、受電側制御回路２４は、電流検出センサＳＥ２、位相受信部２４１、位相検出部２４２、目標値設定部２４３、および、受電側フィードバック制御部２４４を有する。
【００４７】
電流検出センサＳＥ２は、受電共振コイル２２に流れる電流Ｉｊを検出する。電流検出センサＳＥ２としては、例えば、ホール素子、磁気抵抗素子または検出コイルなどを用いることができる。この電流検出センサＳＥ２は、例えば、電流Ｉｊの波形に応じた電圧信号を出力する。
【００４８】
位相受信部２４１は、位相送信部１４５から送信された位相φｖｓについての情報を受け取って出力する。ここで、位相送信部１４５で電圧信号を逓倍した場合には、位相受信部２４１で元に戻すために分周を行う。位相受信部２４１は、例えば、電圧Ｖｓに応じた電圧信号を出力する。
【００４９】
位相検出部２４２は、電流検出センサＳＥ２からの出力に基づいて、受電共振コイル２２に流れる電流Ｉｊの位相φｉｊを検出し、例えば、電流Ｉｊの波形に応じた電圧信号を出力する。ここで、位相検出部２４２は、電流検出センサＳＥ２の出力をそのまま出力してもよい。そのため、電流検出センサＳＥ２は、位相検出部２４２を兼ねるようにすることもできる。
【００５０】
目標値設定部２４３は、位相差Δφｊの目標値φｍｊを設定して記憶する。そのため、目標値設定部２４３には、目標値φｍｊを記憶するためのメモリが設けられている。目標値φｍｊとして、例えば、送電側制御回路１４における目標値φｍｓに「−９０°(−π／２ radian)」を加算した値が設定される。
【００５１】
すなわち、目標値φｍｊとしては、例えば、「−２７０°(−３π／２ radian)」または「−２７０°に適当な補正値ａを加えた値」などが設定される。なお、目標値φｍｊの設定方法などについては、目標値φｍｓの場合と同様である。
【００５２】
受電側フィードバック制御部２４４は、交流電源１１の電圧Ｖｓの位相φｖｓと受電共振コイル２２の電流Ｉｊの位相φｉｊとの位相差Δφｊが、設定された目標値φｍｊとなるように、受電共振コイル２２の共振周波数ｆｊを可変制御する。
【００５３】
なお、送電側制御回路１４における目標値設定部１４３と送電側フィードバック制御部１４４、並びに、受電側制御回路２４における目標値設定部２４３と受電側フィードバック制御部２４４は、それぞれ共振周波数制御部の単なる例である。
【００５４】
図３は、図２に示す無線電力伝送システムを制御系に注目して示すブロック図であり、送電器１の送電側フィードバック制御部１４４、および、受電器２の受電側フィードバック制御部２４４を詳細に示すものである。
【００５５】
ここで、図３のブロック図では、簡略化のために、図２における位相検出部１４１，１４２，２４１，２４２は省略されている。すなわち、図３では、電流検出センサＳＥ１から送電共振コイル１３に流れる電流Ｉｓの位相φｉｓが直接出力されているが、この位相φｉｓは、例えば、送電側フィードバック制御部１４４に設けた位相検出部１４２を介して出力されてもよい。
【００５６】
図３に示されるように、送電側フィードバック制御部１４４は、位相比較部１５１、加算部１５２、ゲイン調整部１５３，１５４、補償部１５５、ドライバ１５６、および、極性反転部１５７などを備える。
【００５７】
位相比較部１５１は、電流検出センサＳＥ１で検出された電流Ｉｓの位相φｉｓと、交流電源１１の電圧Ｖｓの位相φｖｓとを比較し、それらの差である位相差Δφｓを出力する。
【００５８】
加算部１５２は、位相比較１５１の出力する位相差Δφｓから、目標値設定部１４３に設定された目標値φｍｓを減算(反転して加算)する。従って、位相差Δφｓと目標値φｍｓが一致したときに、加算部１５２の出力は零となる。
【００５９】
加算部１５２の出力は、極性反転部１５７により極性が反転されて、ゲイン調整部１５４に入力され、さらに、補償部１５５に入力される。ここで、ゲイン調整部１５３および１５４は、制御が正しく行われるように、それぞれ入力される値またはデータに対するゲイン(利得)を調整し、或いは、データなどの換算を行う。
【００６０】
補償部１５５は、例えば、低周波成分に対するゲインを定める。すなわち、送電側フィードバック制御部１４４は、例えば、コンデンサ１３２であるＭＥＭＳ可変容量デバイスに対するフィードバック制御を行うサーボ系とみることができる。
【００６１】
従って、補償部１５５には、サーボ系の安定化、高速化、高精度化を図るための適当なサーボフィルタが用いられる。また、このようなサーボ系においてＰＩＤ(Proportional Integral Derivative Controller)動作を行わせるためのフィルタ回路または微分積分回路などが、適宜使用される。
【００６２】
ドライバ１５６は、例えば、コンデンサ１３２であるＭＥＭＳ可変容量デバイスに対して制御信号ＫＳｓを出力し、そのＭＥＭＳ可変容量デバイスの静電容量を可変制御する。
【００６３】
ここで、ＭＥＭＳ可変容量デバイス(ＭＥＭＳ可変キャパシタ)は、例えば、ガラスの基板上に下部電極および上部電極を設け、それら電極間に印加する電圧による静電吸引力で生じる撓みに起因した間隙の変化を利用して、静電容量を変化させるようになっている。
【００６４】
なお、ＭＥＭＳ可変容量デバイス(コンデンサ１３２)は、キャパシタのための電極と駆動のための電極とが別個に設けられることもある。また、駆動のための電極に印加する電圧と静電容量の変化量との関係が線形ではないため、例えば、ドライバ１５６において、その変換のための演算またはテーブル換算などを適宜行うようになっている。
【００６５】
受電側フィードバック制御部２４４は、位相比較部２５１、加算部２５２、ゲイン調整部２５３，２５４、補償部２５５、ドライバ２５６、および、極性反転部２５７などを備える。
【００６６】
なお、受電側フィードバック制御部２４４における各部の動作は、実質的に、上述した送電側フィードバック制御部１４４における各部の動作と同様なので、その説明は省略する。
【００６７】
なお、図２における送電側制御回路１４および受電側制御回路２４、並びに、図３における送電側フィードバック制御部１４４および受電側フィードバック制御部２４４などは、ソフトウエアまたはハードウエア、或いは、それらの組み合わせで実現可能である。
【００６８】
例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどのメモリ、その他の周辺素子などを含むコンピュータを用い、適当なコンピュータプログラムをＣＰＵに実行させることで実現することができる。その場合、適当なハードウエア回路を併用することになる。
【００６９】
図４Ａおよび図４Ｂは、図２および図３に示す無線電力伝送システムにおける共振周波数の制御を説明するための図である。ここで、図４Ａにおいて、横軸は交流電源１１の周波数ｆ[ＭＨｚ]を示し、縦軸は各コイルに流れる電流Ｉの大きさ[ｄＢ]を示す。また、図４Ｂにおいて、横軸は交流電源１１の周波数ｆ[ＭＨｚ]を示し、縦軸は各コイルに流れる電流Ｉの位相φ[radian]を示す。
【００７０】
なお、位相φは、交流電源１１の電圧Ｖｓの位相φｖｓ、つまり電力供給コイル１２に供給される電圧Ｖｓの位相φｖｓを基準とし、その位相差Δφを示す。すなわち、位相φｖｓと一致した場合には、位相φが０となる。
【００７１】
各曲線に付した参照符号ＣＢＡ１〜ＣＢＡ４およびＣＢＢ１〜ＣＢＢ４において、末尾の数字１、２、３、４は、それぞれ、電力供給コイル１２、送電共振コイル１３、受電共振コイル２２、電力取出コイル２３に対応することを示す。
【００７２】
さらに、図４Ａおよび図４Ｂは、共振周波数制御において、送電共振コイル１３、または、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２を、その共振周波数ｆｓ，ｆｊが１０ＭＨｚとなるように制御する場合を示す。
【００７３】
このとき、目標値設定部１４３の目標値φｍｓは「−π radian (−１８０°)」に設定され、目標値設定部１４３の目標値φｍｊは「−３π／２ radian (−２７０°)」に設定される。
【００７４】
すなわち、目標値φｍｊは、目標値φｍｓに−π／２を加算した値「φｍｓ−π／２」、つまり目標値φｍｓよりもπ／２遅れた位相が設定される。
【００７５】
曲線ＣＢＡ２に示されるように、送電共振コイル１３の電流Ｉｓは、交流電源１１の周波数ｆｄと一致する１０ＭＨｚにおいて最大となっている。また、曲線ＣＢＢ２に示されるように、送電共振コイル１３の電流Ｉｓの位相φｉｓは、共振周波数ｆｓである１０ＭＨｚにおいて、−πとなっている。つまり、目標値φｍｓと一致している。
【００７６】
ここで、送電共振コイル１３は、電力供給コイル１２からみて直列共振回路と見ることができ、共振周波数ｆｓよりも低い周波数ｆｄにおいては容量性となって−π／２に近づき、高い周波数ｆｄにおいては誘導性となって−３π／２に近づく。
【００７７】
このように、送電共振コイル１３に流れる電流Ｉｓの位相φｉｓは、共振周波数ｆｓの近辺において大きく変化する。位相φｉｓつまり位相差Δφｓが−πとなるように制御することによって、送電共振コイル１３の共振周波数ｆｓを電圧Ｖｓの周波数ｆｄに高精度で一致させることができる。
【００７８】
なお、曲線ＣＢＡ１に示されるように、電力供給コイル１２に流れる電流Ｉも、共振周波数ｆｓにおいて最大となる。曲線ＣＢＢ１に示されるように、電力供給コイル１２に流れる電流Ｉの位相φｉは、共振周波数ｆｓの近辺において零または進み位相となり、共振周波数ｆｓから外れると−π／２となる。
【００７９】
曲線ＣＢＡ３に示されるように、受電共振コイル２２の電流Ｉｊは、交流電源１１の周波数ｆｄと一致する１０ＭＨｚにおいて最大となっている。
【００８０】
曲線ＣＢＢ３に示されるように、受電共振コイル２２の電流Ｉｊの位相φｉｊは、共振周波数ｆｓである１０ＭＨｚにおいて、−３π／２となっている。つまり、目標値φｍｊと一致している。また、周波数ｆｄが共振周波数ｆｓよりも低くなった場合に、位相差Δφが減少して−π／２に近づき、共振周波数ｆｓよりも高くなった場合に、位相差Δφが増大して−５π／２つまり−π／２に近づく。
【００８１】
このように、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２に流れる電流Ｉｓ，Ｉｊの位相φｉｓ，φｉｊは、共振周波数ｆｓ，ｆｊの近辺において大きく変化する。位相φｉｓ，φｉｊつまり位相差Δφｓ，Δφｊが−πまたは−３π／２となるように制御することによって、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２の共振周波数ｆｓ，ｆｊを電圧Ｖｓの周波数ｆｄに高精度で一致させることができる。
【００８２】
これにより、環境要因などの変化があっても、送電系コイルＳＣおよび受電系コイルＪＣの共振周波数を交流電源１１の周波数ｆｄに正確に一致させることができ、送電装置３から受電装置４に対して、常に最大の効率で電力を伝送することが可能になる。
【００８３】
さらに、交流電源の電圧Ｖｓに対するコイル電流の位相差Δφを基に制御を行うため、例えば、スイープサーチ法による場合のように電流の振幅の変動による影響を受けることがなく、正確な制御を行うことができる。
【００８４】
なお、スイープサーチ法では、例えば、送電系コイルＳＣまたは受電系コイルＪＣにおけるＬまたはＣをスイープさせ、コイルの電流値が最大(ピーク)となる位置を試行錯誤的にサーチする。
【００８５】
図５Ａおよび図５Ｂは、図２および図３に示す無線電力伝送システムにおけるシミュレーション条件を説明するための図である。図５Ａに示されるように、シミュレーション条件としては、電力供給コイル１２および送電共振コイル１３を同一平面上で同心状に配置し、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３も同一平面上で同心状に配置した。
【００８６】
また、送電系コイルＳＣ(電力供給コイル１２および送電共振コイル１３)と受電系コイルＪＣ(受電共振コイル２２および電力取出コイル２３)との距離ｄｄを２５ｍｍに設定し、駆動周波数(交流電源１１の周波数ｆｄ)を７ＭＨｚに設定した。さらに、負荷(負荷デバイス２１の抵抗値)を１０Ωに設定し、各コイルの巻線の太さをφ０．５ｍｍに設定した。
【００８７】
さらに、図５Ｂに示されるように、電力供給コイル１２の外径をφ３０ｍｍとし巻数を１回に設定し、送電共振コイル１３の外径をφ４０ｍｍとし巻数を５回に設定した。また、受電共振コイル２２の外径をφ３０ｍｍとし巻数を５回に設定し、電力取出コイル２３の外径をφ２０ｍｍとし巻数を１回に設定した。なお、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２における隣接する巻線の中心間の距離(ピッチ)を、０．８ｍｍに設定した。
【００８８】
図６Ａおよび図６Ｂは、図５Ａおよび図５Ｂに示すシミュレーション条件で行った図２および図３に示す無線電力伝送システムのシミュレーション結果を示す図である。
【００８９】
ここで、図６Ａにおいて、縦軸は駆動電圧の振幅を正規化(最大振幅が『１』)して示し、横軸は時間を正規化(１／７ＭＨｚが『１』)して示す。また、参照符号φdは、送電側の駆動電圧ＬＬ１および受電側の駆動電圧ＬＬ２の位相遅れを示す。さらに、図６Ｂにおいて、縦軸は送電効率(最大が『１』)を示し、横軸は位相遅れφd(deg：°)を示す。
【００９０】
図６Ｂに示されるように、送電効率は、送電側の駆動電圧ＬＬ１および受電側の駆動電圧ＬＬ２の位相遅れφdが大きくなるに従って低下する。特に、位相遅れφdが４０°を超えると、送電効率が大幅に低下するのが分かる。
【００９１】
なお、駆動周波数が７ＭＨｚのとき、１°の位相遅れに対する遅延時間ｔｄは、ｔｄ＝１÷(７×１０6×３６０)＝３．９７×１０-10 [sec] に対応する。従って、例えば、３０°の位相遅れに対応する遅延時間Ｔｄは、Ｔｄ＝３．９７×１０-10×３０＝１．１９×１０-8 [sec]、すなわち、１１．９ｎsec になる。
【００９２】
上述したように、例えば、図２および図３に示す無線電力伝送システムにより電力の伝送を行う場合、非常に短い遅延時間ｔｄに対しても送電効率が低下することになる。そのため、受電側の制御には、交流電源１１の電圧波形の位相を遅滞なく正確に認識することが前提となる。
【００９３】
ここで、送電器１および受電器２は、互いの位置や送電電力等に関する情報を送受信する通信回路を有しているが、これらの通信回路では、例えば、７ＭＨｚ(一般的に、数百ＫＨｚ〜数十ＭＨｚ)の駆動電圧の位相制御を行うデータを処理するのは困難である。
【００９４】
そのため、図２および図３に示す無線電力伝送システムでは、送電器１に専用の位相送信部１４５を設けると共に、受電器２に専用の位相受信部２４１を設け、送電器１における交流電源１１の電圧波形の位相を遅滞なく正確に受電器２へ伝えるようになっている。
【００９５】
このように、図２および図３に示す無線電力伝送システムでは、高速なデータ伝送が可能な専用の位相送信部１４５および位相受信部２４１をそれぞれ送電器１および受電器２に設けるため、ハード的負担が大きくなって費用も嵩むことになる。
【００９６】
以下、無線電力伝送(ワイヤレス電力伝送)システムおよび無線電力伝送方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。図７は、第１実施例の無線電力伝送システムを示すブロック図である。
【００９７】
図７と前述した図３との比較から明らかなように、第１実施例の無線電力伝送システムでは、送電器１において、専用の位相送信部１４５の代わりに、送電側制御部１６および送電側通信部１７を設けている。
【００９８】
さらに、第１実施例の無線電力伝送システムは、受電器２において、専用の位相受信部２４１の代わりに、受電側制御部２６，受電側通信部２７および受電側位相調整用発振部２８を設けている。
【００９９】
ここで、第１実施例の無線電力伝送システムでは、例えば、図３に示す無線電力伝送システムのような高速なデータ伝送が不要なため、送電側通信部１７および受電側通信部２７は、互いの位置や送電電力等の情報を送受信する通信回路を兼用してもよい。
【０１００】
すなわち、第１実施例の無線電力伝送システムでは、例えば、数百ＫＨｚ〜数十ＭＨｚの共振周波数をリアルタイムで位相制御しなくてもよいため、一般的に設けられている通信回路をそのまま利用することができる。
【０１０１】
なお、送電器１における交流電源１１、電力供給コイル１２、送電共振コイル１３、コンデンサ１３２、電流検出センサＳＥ１、および、送電側フィードバック制御部１４４等の構成および動作は、実質的に図３を参照して説明したのと同様である。
【０１０２】
また、受電器２における受電共振コイル２２、電力取出コイル２３、コンデンサ２２２、電流検出センサＳＥ２、および、受電側フィードバック制御部２４４等の構成および動作は、実質的に図３を参照して説明したのと同様である。
【０１０３】
ここで、図７に示す第１実施例の無線電力伝送システムでは、送電器１における目標値φｍｓは目標値設定部１４３から出力され、また、受電器２における目標値φｍｊは目標値設定部２４３から出力されている。
【０１０４】
図８は、第２実施例の無線電力伝送システムを示すブロック図であり、図９〜図１２は、図８に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図である。
【０１０５】
ここで、図８〜図１０は、送電器１において、送電側制御部１６、送電側通信部１７、交流電源１１、電力供給コイル１２、送電共振コイル１３、コンデンサ(可変容量デバイス)１３２および送電側フィードバック制御部１４４に注目して示したものである。
【０１０６】
なお、前述した図７では、送電器１の位相比較部(第２位相比較部)１５１が送電側フィードバック制御部１４４の内部に設けられているが、図８〜図１０では、位相比較部１５１と送電側フィードバック制御部１４４(位相比較部１５１を除く)が別に描かれている。
【０１０７】
また、図８〜図１０は、受電器２において、受電側制御部２６、受電側通信部２７、受電側位相調整用発振部２８、受電共振コイル２２、電力取出コイル２３、コンデンサ２２２および受電側フィードバック制御部２４４に注目して示したものでもある。
【０１０８】
なお、前述した図７では、受電器２の位相比較部(第１位相比較部)２５１が受電側フィードバック制御部２４４の内部に設けられているが、図８〜図１０では、位相比較部２５１と受電側フィードバック制御部２４４(位相比較部２５１を除く)が別に描かれている。
【０１０９】
さらに、図８〜図１０において、整流回路２１１および負荷(例えば、バッテリ：抵抗値ＲＬ)２１２を有する負荷デバイス２１、並びに、負荷２１２の抵抗値ＲＬにほぼ等しい抵抗値ＲＬ’のダミー負荷２９もスイッチＳＷ１〜ＳＷ４と共に描かれている。
【０１１０】
また、図８〜図１０において、電力供給コイル１２、送電共振コイル１３、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３の各コイルは、それぞれ抵抗Ｒ1，Ｒ2，Ｒ13およびＲ4並びにインダクタＬ1，Ｌ2，Ｌ3およびＬ4により等価回路的に描かれている。なお、電力供給コイル１２、送電共振コイル１３、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３に流れる電流は、Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3およびＩ4として示されている。
【０１１１】
そして、図８に示す第２実施例の無線電力伝送システムでは、送電器１における目標値φｍｓは送電側制御部１６から出力され、また、受電器２における目標値φｍｊは受電側制御部２６から出力されるようになっている。
【０１１２】
すなわち、第２実施例の無線電力伝送システムは、送電器１が目標値設定部１４３を有しておらず、受電器２が目標値設定部２４３を有していない点を除いて、実質的に第１実施例の無線電力伝送システムと同様の構成とされている。
【０１１３】
従って、第１実施例の無線電力伝送システムの動作は、目標値φｍｓおよびφｍｊの出力個所が異なるだけで、以下に詳述する第２実施例の無線電力伝送システムの動作と同様である。
【０１１４】
このように、目標値φｍｓおよびφｍｊを送電側制御部１６および受電側制御部２６から出力することにより、各目標値を、利用する無線電力伝送システムに最適な値として制御し、或いは、他の機能を実現するためにて変化させて制御することが可能になる。
【０１１５】
図８に示されるように、送電器１において、送電側フィードバック制御部１４４に対する目標値(位相差Δφｓの目標値)φｍｓは、送電側制御部１６から出力され、また、交流電源１１は、送電側制御部１６からの制御信号Ｓｐｓにより制御される。
【０１１６】
さらに、受電器２において、受電側フィードバック制御部２４４に対する目標値(位相差Δφｊの目標値)φｍｊは、受電側制御部２６から出力され、また、受電側位相調整用発振部２８は、受電側制御部２６からの制御信号Ｓｐｊにより制御される。
【０１１７】
ここで、受電器２における受電側位相調整用発振部２８は、電力伝送に使用する周波数、すなわち、送電器１における交流電源１１と同じ固定の発振周波数の信号(電圧ＶＢ)を出力する。なお、交流電源１１および受電側位相調整用発振部２８は、例えば、水晶振動子を利用してその発振周波数が正確に同じ周波数に制御されている。
【０１１８】
図８に示されるように、受電器２において、受電共振コイル２２にはスイッチＳＷ１が設けられ、受電側位相調整用発振部２８と受電共振コイル２２の間にはスイッチＳＷ２が設けられている。
【０１１９】
また、受電器２において、電力取出コイル２３と負荷デバイス２１の間にはスイッチＳＷ３が設けられ、電力取出コイル２３の両端には、スイッチＳＷ４を介してダミー負荷２９が設けられている。
【０１２０】
スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、例えば、ゲートに制御信号が印加されたｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ(ｎＭＯＳトランジスタ)とされ、各制御信号のレベルが高レベル『Ｈ』のときにオンし、低レベル『Ｌ』のときにオフする。
【０１２１】
なお、スイッチＳＷ１およびＳＷ３の制御端子(ｎＭＯＳトランジスタのゲート)には、受電側制御部２６からの制御信号ＣＳｊが印加され、スイッチＳＷ２およびＳＷ４の制御端子には、制御信号ＣＳｊをインバータで反転した制御信号／ＣＳｊが印加される。
【０１２２】
まず、受電側制御部２６からの制御信号ＣＳｊが『Ｌ』(制御信号／ＣＳｊが『Ｈ』)のとき、スイッチＳＷ１およびＳＷ３がオフしてスイッチＳＷ２およびＳＷ４がオンする。この状態は、図９に示す共振周波数の調整時に対応する。
【０１２３】
すなわち、図９に示されるように、共振周波数の調整時において、受電器２の受電側位相調整用発振部２８は、受電側制御部２６からの制御信号Ｓｐｊにより動作状態(オン)とされる。
【０１２４】
さらに、スイッチＳＷ１がオフでスイッチＳＷ２がオンすることで、受電側位相調整用発振部２８の出力電圧ＶＢは、受電共振コイル２２の両端に印加される。このとき、電力取出コイル２３は、スイッチＳＷ３がオフすることで負荷デバイス２１と切り離され、代わりに、オン状態のスイッチＳＷ４を介してダミー負荷２９に接続される。
【０１２５】
ここで、ダミー負荷２９の抵抗値ＲＬ’は、負荷デバイス２１の負荷２１２の抵抗値ＲＬとほぼ等しく設定され、また、受電側制御部２６から受電側フィードバック制御部２４４に与えられる目標値φｍｊは、例えば、０°に設定されている。
【０１２６】
なお、受電側位相調整用発振部２８からの出力電圧ＶＢは、受電器２における共振周波数を調整するために使用されるので、その電力容量は微小でよい。そのため、微小電力容量の電圧ＶＢでは、例えば、負荷デバイス２１の整流回路(整流用ＩＣ)２１１が動作せず、或いは、非線形特性により負荷抵抗２１２の抵抗値ＲＬが正確に反映されないことになる。
【０１２７】
そこで、電力取出コイル２３に対して、実際の負荷デバイス２１の代わりに、負荷抵抗２１２に相当するダミー負荷２９を接続し、微小電力容量の電圧ＶＢで受電器２の共振周波数調整を行うようになっている。
【０１２８】
以上により、受電器２において、受電側位相調整用発振部２８の出力電圧ＶＢの位相φｖｓ’と、その電圧ＶＢにより受電共振コイル２２を流れる電流Ｉ3の位相φｉｊとの位相差Δφｊが目標値φｍｊ(＝０°)となるようにフィードバック制御が行われる。すなわち、受電側フィードバック制御部２４４は、位相差Δφｊが目標値φｍｊとなるように、制御信号ＫＳｊを介してコンデンサ２２２の静電容量を所定の値に制御する。
【０１２９】
なお、第２実施例の無線電力伝送システムでは、図１１のタイミングチャートに示されるように、共振周波数の調整時(共振調整)において、まず、期間Ｔｃｓで送電器１の共振周波数を調整し、その後、期間Ｔｃｊで受電器２の共振周波数を調整する。
【０１３０】
従って、図１１に示されるように、上述した受電器２における共振周波数の調整は、共振調整の処理を行う期間の後半の期間Ｔｃｊで行い、前半の期間期間Ｔｃｓでは、送電器１における共振周波数の調整を行うようになっている。
【０１３１】
すなわち、共振調整の処理を行う期間の前半の期間期間Ｔｃｓにおいて、送電器１の交流電源１１は、送電側制御部１６からの制御信号Ｓｐｓにより低出力状態(調整用出力状態)とされる。
【０１３２】
この交流電源１１の低出力状態において、交流電源１１は、受電器２に対して電力を伝送するための電圧を出力するのではなく、単に、送電器１における共振周波数を調整するための低い電圧を出力する。
【０１３３】
これにより、送電器１では、交流電源１１の出力電圧ＶＡの位相φｖｓと、その電圧ＶＡにより送電共振コイル１３を流れる電流Ｉｓの位相φｉｓとの位相差Δφｊが目標値φｍｊ(＝１８０°)となるようにフィードバック制御が行われる。
【０１３４】
このフィードバック制御は、例えば、図２〜図４Ｂを参照して説明したように、送電側フィードバック制御部１４４が、位相差Δφｓが目標値φｍｓとなるように、制御信号ＫＳｓを介してコンデンサ１３２の静電容量を所定の値に制御する。
【０１３５】
ここで、送電器１における共振周波数の調整は、必ずしも受電器２における共振周波数の調整の直前に行わなくてもよく、受電器２における共振周波数の調整と同時またはその直後、或いは、他の適切なタイミングで行うこともできる。
【０１３６】
次に、受電側制御部２６からの制御信号ＣＳｊが『Ｈ』(制御信号／ＣＳｊが『Ｌ』)のとき、スイッチＳＷ１およびＳＷ３がオンしてスイッチＳＷ２およびＳＷ４がオフする。この状態は、図１０に示す給電時(通常の送電器１から受電器２へ無線により電力を伝送する状態)に対応する。
【０１３７】
すなわち、図１０に示されるように、給電時において、受電器２の受電側位相調整用発振部２８は、受電側制御部２６からの制御信号Ｓｐｊにより停止状態(オフ)とされ、また、スイッチＳＷ２がオフとなって受電共振コイル２２から切り離される。
【０１３８】
さらに、スイッチＳＷ１がオンすることで受電共振コイル２２は、送電器１における送電共振コイル１３からの電力を磁界共鳴(磁界共振)により受け取る。このとき、電力取出コイル２３は、スイッチＳＷ３がオンしてスイッチＳＷ４がオフすることで負荷デバイス２１に接続される。
【０１３９】
また、送電器１では、送電側制御部１６からの制御信号Ｓｐｓにより交流電源１１は、動作状態(低電力動作状態ではなく、通常の動作状態)とされる。
【０１４０】
ここで、送電器１における送電共振コイル１３の共振周波数は、期間Ｔｃｓで交流電源１１の周波数と一致するように制御され、受電器２における受電共振コイル２２の共振周波数は、受電側位相調整用発振部２８の周波数と一致するように制御されている。また、交流電源１１の周波数と受電側位相調整用発振部２８の周波数とは、例えば、水晶振動子を利用して正確に制御されている。
【０１４１】
従って、双方で共振周波数の調整が行われた送電器１から受電器２への磁界共鳴による電力伝送は、高い送電効率で行うことが可能になる。図１１では、送電器１および受電器２における共振周波数の調整期間(Ｔｃｓ，Ｔｃｊ：共振調整)が所定の間隔で繰り返されるようになっている。
【０１４２】
なお、この共振調整を繰り返す所定の間隔としては、送電器１および受電器２の数や電力容量、或いは、周囲の環境等により様々に設定することができ、例えば、数分間隔に設定することができる。
【０１４３】
次に、図１２のフローチャートを参照して、第２実施例の無線電力伝送システムの動作の流れを説明する。まず、無線電力伝送処理が開始(スタート)すると、ステップＳＴ１０１およびＳＴ２０１において、送電側(送電器１)の送電側通信部１７および受電側(受電器２)の受電側通信部２７により通信および応答確認を行って、次のステップに進む。
【０１４４】
すなわち、ステップＳＴ１０１およびＳＴ２０１では、例えば、受電器２が送電器１により送電可能な範囲に存在するか、並びに、受電器２の位置や傾きおよび送電する電力等の情報の受け渡し、或いは、有料の電力伝送システムにおける受電器２の認証等を行う。
【０１４５】
送電側では、次に、ステップＳＴ１０２に進んで、図９および図１１の期間Ｔｃｓを参照して説明した送電器１における共振周波数の調整(共振調整)を開始する。すなわち、ステップＳＴ１０３において、交流電源１１の出力電圧ＶＡを調整用出力電圧(低出力電圧)とし、ステップＳＴ１０４に進んで位相差の制御を行う。
【０１４６】
すなわち、ステップＳＴ１０４では、送電側フィードバック制御部１４４による位相差の制御処理を行い、ステップＳＴ１０５において、位相差Δφｓが目標値φｍｓよりも小さくなるまでステップＳＴ１０４の位相差の制御処理を繰り返す。
【０１４７】
そして、ステップＳＴ１０５において、位相差Δφｓが目標値φｍｓにより規定された範囲内になったと判定すると、ステップＳＴ１０６に進んで、送電器１における共振調整処理を終了し、次のステップＳＴ１０７に進む。
【０１４８】
ここで、図９および図１１を参照して説明したように、期間Ｔｃｓにおいて送電器１の共振周波数調整処理が終了すると、受電側では、ステップＳＴ２０２において、期間Ｔｃｓに続く期間Ｔｃｊで受電器２における共振周波数の調整(共振調整)を開始する。
【０１４９】
なお、受電器２は、送電側通信部１７および受電側通信部２７の通信により、送電器１の共振周波数調整処理の終了を認識し、ステップＳＴ２０２の受電器２における共振調整を開始する。
【０１５０】
すなわち、ステップＳＴ２０３において、図９を参照して説明したスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の切り替えを行い、さらに、ステップＳＴ２０４に進んで、受電側制御部２６により受電側位相調整用発振部２８を動作状態(電圧ＶＢを出力)とする。
【０１５１】
具体的に、スイッチＳＷ１およびＳＷ３をオフしてスイッチＳＷ２およびＳＷ４をオンし、受電側位相調整用発振部２８の出力電圧ＶＢを受電共振コイル２２の両端に印加する。さらに、電力取出コイル２３に対して、負荷デバイス２１を切り離し、代わりにダミー負荷２９を接続する。
【０１５２】
さらに、ステップＳＴ２０５に進んで、受電側フィードバック制御部２４４による位相差の制御処理を行い、ステップＳＴ２０６において、位相差Δφｊが目標値φｍｊよりも小さくなるまでステップＳＴ２０５の位相差の制御処理を繰り返す。
【０１５３】
そして、ステップＳＴ２０６において、位相差Δφｊが目標値φｍｊにより規定された範囲内になったと判定すると、ステップＳＴ２０７に進んで、図１０を参照して説明したスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の切り替えを行い、ステップＳＴ２０８に進む。
【０１５４】
ステップＳＴ２０８では、受電側制御部２６により受電側位相調整用発振部２８を停止状態(電圧ＶＢを停止)とし、ステップＳＴ２０９に進んで、受電器２における共振調整処理を終了し、その旨を送電側へ通知する。
【０１５５】
すなわち、送電器１は、送電側通信部１７および受電側通信部２７の通信により、受電器２の共振周波数調整処理の終了を認識し、ステップＳＴ１０７における送電を開始する。
【０１５６】
すなわち、図１０を参照して説明したように、送電側では、ステップＳＴ１０８において、送電側制御部１６からの制御信号Ｓｐｓにより交流電源１１は、低電力動作状態ではなく、通常の動作状態とされ、送電用の出力電圧ＶＢを出力する。
【０１５７】
従って、送電器１および受電器２は、両方とも共振周波数の調整が行われた状態とされ、この状態で送電器１から受電器２に対して磁界共鳴による電力伝送が行われるため、高い送電効率による電力伝送が可能となる。
【０１５８】
さらに、ステップＳＴ１０９に進んで、一定時間が経過したと判定すると、ステップＳＴ１０１(ＳＴ２０１)に戻って同様の処理を繰り返す。すなわち、送電器１および受電器２における共振周波数の調整を所定の間隔で繰り返すようになっている。
【０１５９】
ここで、ステップＳＴ１０３において、交流電源１１の出力電圧ＶＡは、調整用の低出力電圧とされるため、例えば、送電器１の共振周波数の調整を終了した後に受電器２の共振周波数の調整を開始するのではなく、両者を並列的に行うこともできる。
【０１６０】
すなわち、前述したように、送電器１における共振周波数の調整は、必ずしも受電器２における共振周波数の調整の直前に行わなくてもよく、受電器２における共振周波数の調整と同時またはその直後、或いは、他の適切なタイミングで行うこともできる。
【０１６１】
このように、第２実施例の無線電力伝送システムによれば、送電器による交流電源の電圧波形の位相を遅滞なく正確に受電器へ伝えなくてもよいため、高速なデータ伝送が可能な専用の通信回路が不要となり、ハード的負担を低減して費用も削減することができる。これは、前述した第１実施例および後述する第３実施例でも同様である。
【０１６２】
図１３は、第３実施例の無線電力伝送システムを示すブロック図である。り、図１４および図１５は、図１３に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図である。図１３と前述した図８との比較から明らかなように、第３実施例の無線電力伝送システムでは、送電器１が温度センサ(第２温度センサ)１００を含み、受電器２が温度センサ(第１温度センサ)２００を含む。
【０１６３】
ここで、温度センサ１００は、送電器１における電力供給コイル１２および送電共振コイル１３の温度を測定(検知)し、その温度信号(第２温度信号)Ｔｓｓを送電側制御部１６に出力する。また、温度センサ２００は、受電器２における受電共振コイル２２および電力取出コイル２３の温度を測定し、その温度信号(第１温度信号)Ｔｓｊを受電側制御部２６に出力する。
【０１６４】
なお、例えば、電力供給コイル１２および送電共振コイル１３が同軸状に配置されていない場合、温度センサ１００は、送電共振コイル１３の温度を測定するだけでもよい。同様に、例えば、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３が同軸状に配置されていない場合、温度センサ２００は、受電共振コイル２２の温度を測定するだけでもよい。
【０１６５】
次に、図１３に示す無線電力伝送システムにおける動作を、図１４のタイミングチャートおよび図１５のフローチャートを参照して説明する。なお、図１４のタイミングチャートにおいて、給電時(期間Ｔｐｓ)および共振調整時(期間ＴｃｓおよびＴｃｊ)は、実質的に図１１と同様であり、その説明は省略する。
【０１６６】
また、図１５のフローチャートにおいて、送電側(送電器１)のステップＳＴ１０１〜ＳＴ１０８の処理、並びに、受電側(受電器２)のステップＳＴ２０１〜ＳＴ２０９の処理は、実質的に図１２と同様であり、その説明は省略する。
【０１６７】
図１５に示されるように、受電側のステップＳＴ２０９において、受電器２における共振調整処理を終了し、その旨を送電側へ通知して送電側のステップＳＴ１０７で送電を開始すると、受電側では、ステップＳＴ２１０に進む。
【０１６８】
すなわち、受電側のステップＳＴ２１０では、受電器２に設けられた温度センサ２００が異常を検知したかどうか、すなわち、受電側温度センサ２００による受電共振コイル２２および電力取出コイル２３の温度信号Ｔｓｊが異常値かどうかを判定する。ステップＳＴ２１０において、温度センサ２００が異常をしないと判定すれば、そのままの状態で、送電器１から受電器２への電力伝送を継続する。
【０１６９】
一方、ステップＳＴ２１０において、温度センサ２００が異常をしたと判定、すなわち、温度信号Ｔｓｊが異常を示す閾値温度Ｔｈａを超えたと判定すると、ステップＳＴ２１１に進んで、温度センサ２００による異常検知を受信側へ送信する。この受電側のステップＳＴ２１１における異常の検知は、受電側に送信され、ステップＳＴ１１０における送受電温度監視として処理される。
【０１７０】
さらに、受電側では、ステップＳＴ２１２に進んで、受電側温度センサ２００が正常値を検知したかどうかを判定する。ステップＳＴ２１２において、受電側温度センサ２００が正常値を検知しないと判定すると、そのままの状態で受電側温度センサ２００が正常値を検知するのを待つ。
【０１７１】
なお、受電側のステップＳＴ２１２の処理は、後述するように、送電側では、ステップＳＴ１１２の処理により送電用出力電圧ＶＡが停止されるため、電力伝送も停止されることになり、受電側温度センサ２００からの温度信号Ｔｓｊは時間と共に低下する。
【０１７２】
受電側のステップＳＴ２１２において、受電側温度センサ２００が正常値を検知したと判定すると、ステップＳＴ２１３に進んで、送電側に対して受電側温度センサ２００が正常値を検知したことを伝えると共に、ステップＳＴ２１０に戻って同様の処理を行う。
【０１７３】
図１５に示されるように、送電側のステップＳＴ１０８において、交流電源１１が通常の送電動作を行うための送電用出力電圧ＶＢを出力すると、ステップＳＴ１１０に進んで、送受電温度監視を行う。
【０１７４】
このステップＳＴ１１０における送受電温度監視は、送電器１の温度センサ１００による電力供給コイル１２および送電共振コイル１３の温度監視、並びに、受電器２の温度センサ２００による受電共振コイル２２および電力取出コイル２３の温度監視である。
【０１７５】
ここで、送電側温度センサ１００により検出された温度信号Ｔｓｓは、そのまま送電側制御部１６に入力されるが、受電側温度センサ２００により検出された温度信号Ｔｓｊは、通信(通信部１７，２７等)を介して送電側制御部１６に送信される。
【０１７６】
すなわち、ステップＳＴ１１１において、送電側温度センサ１００または受電側温度センサ２００が異常を検知したかどうかを判定し、両方とも異常を検知しないと判定すれば、送受電温度監視を行いながら、送電器１から受電器２への電力伝送を継続する。
【０１７７】
一方、ステップＳＴ１１１において、送電側温度センサ１００または受電側温度センサ２００の少なくとも一方が異常を検知したと判定すると、ステップＳＴ１１２に進んで、送電用出力電圧ＶＡを停止する。すなわち、送電側制御部１６は、制御信号Ｓｐｓにより交流電源１１の動作を停止させる。
【０１７８】
この交流電源１１の動作停止(電圧ＶＢの停止)期間は、図１４において、温度センサ(１００，２００)の温度信号(Ｔｓｓ，Ｔｓｊ)が異常を示す閾値温度Ｔｈａを超えてから、通常動作の上限温度Ｔｈｂよりも低くなるまでの期間(停止期間)Ｔｓｔに対応する。
【０１７９】
ステップＳＴ１１２で送電用出力電圧ＶＢを停止すると、次に、ステップＳＴ１１３に進んで、再び送受電温度監視を行う。すなわち、ステップＳＴ１１４において、送電側温度センサ１００および受電側温度センサ２００の両方が正常値を検知したかどうかを判定し、少なくとも一方が異常を検知したと判定すれば、送受電温度監視を行いながら、送電用出力電圧ＶＢの停止を継続する。
【０１８０】
一方、ステップＳＴ１１４において、送電側温度センサ１００および受電側温度センサ２００の両方が正常値を検知したと判定すると、ステップＳＴ１０１(ＳＴ２０１)に戻る。
【０１８１】
すなわち、温度センサ１００および２００により検出された温度信号ＴｓｓおよびＴｓｊが通常動作の上限温度Ｔｈｂよりも低くなり、正常値の範囲になったと判定すると、ステップＳＴ１０１およびＳＴ２０１に戻って同様の処理を繰り返す。
【０１８２】
なお、図１３に示す第３実施例の無線電力伝送システムにおいても、例えば、図７の第１実施例と同様に、送電器１および受電器２に対してそれぞれ目標値設定部１４３および２４３を設け、目標値φｍｓおよびφｍｊを出力するようにしてもよい。
【０１８３】
上述した無線電力伝送システムの実施例において、送電器１および受電器２は１つとして説明したが、それぞれ複数であってもよいのはいうまでもない。また、送電共振コイル(ＬＣ共振器)１３から受電共振コイル(ＬＣ共振器)２２への電力伝送は、磁界共鳴(磁界共振)に限定されるものではなく、例えば、電界共鳴(電界共振)等を利用するものであってもよい。
【０１８４】
ここに記載されている全ての例および条件的な用語は、読者が、本発明と技術の進展のために発明者により与えられる概念とを理解する際の助けとなるように、教育的な目的を意図したものである。
【０１８５】
また、具体的に記載されている上記の例および条件、並びに、本発明の優位性および劣等性を示すことに関する本明細書における例の構成に限定されることなく、解釈されるべきものである。
【０１８６】
さらに、本発明の実施例は詳細に説明されているが、本発明の精神および範囲から外れることなく、様々な変更、置換および修正をこれに加えることが可能であると解すべきである。
【符号の説明】
【０１８７】
１    送電器(一次側：送電側)
２    受電器(二次側：受電側)
１１    交流電源
１２    電力供給コイル
１３    送電共振コイル(ＬＣ共振器)
１４    送電側制御回路
１６    送電側制御部
１７    送電側通信部
２１    負荷デバイス
２２    受電共振コイル(ＬＣ共振器)
２３    電力取出コイル
２４    受電側制御回路
２６    受電側制御部
２７    受電側通信部
２８    受電側位相調整用発振部
２９    ダミー負荷
１００    温度センサ(第２温度センサ)
１３２，２２２    コンデンサ(可変コンデンサ：可変容量デバイス)
１４３，２４３    目標値設定部
１４４    送電側フィードバック制御部
１４５    位相送信部
１５１    位相比較部(第２位相比較部)
２００    温度センサ(第１温度センサ)
２１１    整流回路(整流用ＩＣ)
２１２    負荷抵抗
２４１    位相受信部
２４４    受電側フィードバック制御部
２５１    位相比較部(第１位相比較部)
ＳＣ    送電系コイル
ＪＣ    受電系コイル
【図１】
2014118895.tif 000003
【図２】
2014118895.tif 000004
【図３】
2014118895.tif 000005
【図４Ａ】
2014118895.tif 000006
【図４Ｂ】
2014118895.tif 000007
【図５Ａ】
2014118895.tif 000008
【図５Ｂ】
2014118895.tif 000009
【図６Ａ】
2014118895.tif 000010
【図６Ｂ】
2014118895.tif 000011
【図７】
2014118895.tif 000012
【図８】
2014118895.tif 000013
【図９】
2014118895.tif 000014
【図１０】
2014118895.tif 000015
【図１１】
2014118895.tif 000016
【図１２】
2014118895.tif 000017
【図１３】
2014118895.tif 000018
【図１４】
2014118895.tif 000019
【図１５】
2014118895.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成27年7月13日(2015.7.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願で言及する実施例は、無線電力伝送システム、受電器および無線電力伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電源供給や充電を行うために、無線で電力を伝送する技術が注目されている。例えば、携帯端末やノートパソコンを始めとした様々な電子機器や家電機器、或いは、電力インフラ機器に対して、無線で電力伝送を行う無線電力伝送システムが研究・開発されている。
【０００３】
このような無線電力伝送(ワイヤレス電力伝送：Wireless Power Transfer)としては、一般的に、電磁誘導を利用した技術や電波を利用した技術が知られている。これに対して、近年、送電器と受電器の距離をある程度離しつつ、複数の受電器に対する電力伝送および受電器の三次元的な様々な姿勢に対する電力伝送が可能なものとして、磁界共鳴や電界共振を利用した電力伝送技術に対する期待が高まっている。
【０００４】
従来、磁界共鳴を利用した無線電力伝送技術としては、様々な提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０９９０７１号
【特許文献２】特開２０１０−１４８１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、従来、電源供給や充電を行うために無線で電力を伝送する無線電力伝送技術が注目されている。しかしながら、例えば、電力伝送に使用する送電器と受電器の共振周波数に位相ずれが存在すると伝送効率が低下するため、リアルタイムの位相制御を行って伝送効率の低下を防ぐことが考えられている。
【０００７】
しかしながら、無線電力伝送システムにおける共振周波数は、例えば、数百ＫＨｚ〜数十ＭＨｚであるため、リアルタイムの位相制御を行うためには、例えば、送電器および受電器に対して専用の通信回路を設けることになる。その結果、送電器および受電器のハード的負荷が増大して費用も嵩むことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態によれば、送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る受電共振コイルと、受電側位相調整用発振部と、受電側通信部と、受電側制御部と、を有する受電器が提供される。
【０００９】
前記受電側位相調整用発振部は、所定の周波数で発振する電圧を出力し、前記受電側通信部は、前記送電器との間で通信を行う。前記受電側制御部は、前記受電側通信部からの出力を受け取り、前記受電側位相調整用発振部からの出力電圧を使用して前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行う。
【発明の効果】
【００１０】
開示の無線電力伝送システム、受電器および無線電力伝送方法は、ハード的負荷および費用の増加を抑えつつ電力伝送の効率を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、無線電力伝送システムを模式的に示す図である。
【図２】図２は、無線電力伝送システムの一例を示すブロック図である。
【図３】図３は、図２に示す無線電力伝送システムを制御系に注目して示すブロック図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図２および図３に示す無線電力伝送システムにおける共振周波数の制御を説明するための図(その１)である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図２および図３に示す無線電力伝送システムにおける共振周波数の制御を説明するための図(その２)である。
【図５Ａ】図５Ａは、図２および図３に示す無線電力伝送システムにおけるシミュレーション条件を説明するための図(その１)である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図２および図３に示す無線電力伝送システムにおけるシミュレーション条件を説明するための図(その２)である。
【図６Ａ】図６Ａは、図５Ａおよび図５Ｂに示すシミュレーション条件で行った図２および図３に示す無線電力伝送システムのシミュレーション結果を示す図(その１)である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図５Ａおよび図５Ｂに示すシミュレーション条件で行った図２および図３に示す無線電力伝送システムのシミュレーション結果を示す図(その２)である。
【図７】図７は、第１実施例の無線電力伝送システムを示すブロック図である。
【図８】図８は、第２実施例の無線電力伝送システムを示すブロック図である。
【図９】図９は、図８に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図(その１)である。
【図１０】図１０は、図８に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図(その２)である。
【図１１】図１１は、図８に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図(その３)である。
【図１２】図１２は、図８に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図(その４)である。
【図１３】図１３は、第３実施例の無線電力伝送システムを示すブロック図である。
【図１４】図１４は、図１３に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図(その１)である。
【図１５】図１５は、図１３に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図(その２)である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
まず、無線電力伝送(ワイヤレス電力伝送)システム、受電器および無線電力伝送方法の実施例を詳述する前に、無線電力伝送システムの一例およびその課題を、図１〜図６Ｂを参照して説明する。
【００１３】
図１は、無線電力伝送システムを模式的に示す図である。図１に示されるように、無線電力伝送システムは、一次側(送電側：送電器)１および二次側(受電側：受電器)２を有する。なお、送電器１および受電器２は、それぞれ複数であってもよい。
【００１４】
送電器１は、交流電源１１と、電力供給コイル１２および送電共振コイル１３を含む送電系コイルＳＣとを有し、受電器２は、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３を含む受電系コイルＪＣと、負荷デバイス２１とを有する。
【００１５】
図１に示されるように、送電器１および受電器２は、送電共振コイル(ＬＣ共振器)１３と受電共振コイル(ＬＣ共振器)２２の間の磁界共鳴(磁界共振)により、送電器１から受電器２へエネルギー(電力)の伝送を行う。ここで、ＬＣ共振器１３から２２への電力伝送は、磁界共鳴だけでなく電界共鳴(電界共振)等も可能であるが、以下の説明では、主として磁界共鳴を例として説明する。
【００１６】
なお、送電系コイルＳＣにおいて、電力供給コイル１２から送電共振コイル１３への電力伝送は電磁誘導を利用して行い、また、受電系コイルＪＣにおいて、受電共振コイル２２から電力取出コイル２３への電力伝送も電磁誘導を利用して行うようになっている。
【００１７】
図２は、無線電力伝送システムの一例を示すブロック図であり、図１に示す無線電力伝送システムをより詳細にしめすものである。図２に示されるように、電力伝送システムは、送電系コイルＳＣ、受電系コイルＪＣ、交流電源１１、送電側制御回路１４、負荷となるデバイス２１、および、受電側制御回路２４を備える。
【００１８】
前述したように、送電系コイルＳＣは、電力供給コイル１２および送電共振コイル１３を含む。電力供給コイル１２は、例えば、銅線またはアルミニウム線などの金属線が円周状に複数回巻かれたものであり、その両端に交流電源１１による交流電圧(高周波電圧)が印加される。
【００１９】
送電共振コイル１３は、例えば、銅線またはアルミニウム線などの金属線が円周状に巻かれたコイル１３１、および、コイル１３１の両端に接続されたコンデンサ１３２を含み、それらによる共振回路を形成する。なお、共振周波数ｆ0は、次の式(1)で示される。
【００２０】
f0＝１／｛２π(ＬＣ)1/2｝  ……  (１)
ここで、Ｌはコイル１３１のインダクタンス、Ｃはコンデンサ１３２の静電容量である。
【００２１】
送電共振コイル１３のコイル１３１は、例えば、ワンターンコイルであり、また、コンデンサ１３２は、種々の形式のコンデンサが適用可能であるが、できるだけ損失が少なく十分な耐圧を有するものが好ましい。
【００２２】
図２に示す無線電力伝送システムでは、共振周波数を可変するために、コンデンサ１３２として可変コンデンサが用いられている。可変コンデンサとしては、例えば、ＭＥＭＳ技術を用いて製作された可変容量デバイスや半導体を用いた可変容量デバイス(バラクタ)を適用することができる。
【００２３】
電力供給コイル１２および送電共振コイル１３は、電磁的に互いに密に結合するように、例えば、同一平面上で同心状に配置される。すなわち、送電共振コイル１３の内側に電力供給コイル１２が設けられた状態で配置される。或いは、送電共振コイル１３および電力供給コイル１２は、同軸上で適当な距離をあけて配置してもよい。
【００２４】
この状態で、交流電源１１から電力供給コイル１２に交流電圧が印加されると、電力供給コイル１２に生じた交番磁界による電磁誘導によって送電共振コイル１３に共振電流が流れる。すなわち、電磁誘導によって、電力供給コイル１２から送電共振コイル１３に電力が伝送される。
【００２５】
また、受電系コイルＪＣは、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３を含む。受電共振コイル２２は、例えば、銅線またはアルミニウム線などの金属線が円周状に巻かれたコイル２２１、および、コイル２２１の両端に接続されたコンデンサ２２２を含む。受電共振コイル２２の共振周波数ｆ0は、コイル２２１のインダクタンスおよびコンデンサ２２２の静電容量に従って、前述した式(1)で示される。
【００２６】
受電共振コイル２２のコイル２２１は、例えば、ワンターンコイルであり、また、コンデンサ２２２は、前述したように、種々の形式のコンデンサが適用可能である。図２に示す無線電力伝送システムでは、共振周波数を可変するために、コンデンサ２２２として可変コンデンサが用いられる。
【００２７】
可変コンデンサとしては、コンデンサ１３２と同様に、例えば、ＭＥＭＳ技術を用いて製作された可変容量デバイスや半導体を用いたバラクタを適用することができる。
【００２８】
電力取出コイル２３は、例えば、銅線またはアルミニウム線などの金属線が円周状に複数回巻かれたものであり、その両端に負荷であるデバイス２１が接続される。なお、負荷デバイス２１としては、例えば、受電器２の電源として使用するバッテリやそのバッテリを充電するための回路である。
【００２９】
受電共振コイル２２および電力取出コイル２３は、電磁的に互いに密に結合するように、例えば、同一平面上で同心状に配置される。すなわち、受電共振コイル２２の内側に電力取出コイル２３が設けられた状態で配置される。或いは、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３は、同軸上で適当な距離をあけて配置してもよい。
【００３０】
この状態で、受電共振コイル２２に共振電流が流れると、それによって発生した交番磁界による電磁誘導によって電力取出コイル２３に電流が流れる。すなわち、電磁誘導によって、受電共振コイル２２から電力取出コイル２３に電力が送られる。
【００３１】
ここで、送電系コイルＳＣから受電系コイルＪＣへは、磁界共鳴によって無線で電力を伝送するため、図２に示されるように、コイル面が互いに平行で、コイル軸心が互いに一致するかまたは余りずれないように、互いに適当な距離の範囲内に配置される。
【００３２】
図２に示されるように、電力伝送システムにおいて、コイル軸心ＫＳに沿う方向が磁界ＫＫの主な放射方向であり、送電系コイルＳＣから受電系コイルＪＣに向かう方向が送電方向ＳＨである。
【００３３】
ここで、送電共振コイル１３の共振周波数ｆｓおよび受電共振コイル２２の共振周波数ｆｊが、両方とも交流電源１１の周波数ｆｄと一致しているとき、最大の電力が伝送される。
【００３４】
しかしながら、それらの共振周波数ｆｓおよびｆｊが互いにずれたり、共振周波数ｆｓおよびｆｊと交流電源１１の周波数ｆｄとがずれたりすると、伝送される電力は低下し、電力伝送の効率が低下することになる。
【００３５】
そこで、図２に示す電力伝送システムでは、送電側制御回路１４および受電側制御回路２４により、交流電源１１の位相φｖｓ、並びに、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２に流れる電流の位相φｉｓおよびφｉｊを用いて、共振周波数の制御を行う。
【００３６】
ここで、送電側制御回路１４は、送電系コイルＳＣに印加される電圧Ｖｓの位相φｖｓおよび送電系コイルＳＣに流れる電流Ｉｓの位相φｉｓを検出し、位相差Δφｓが所定の目標値φｍｓとなるように、送電系コイルＳＣの共振周波数ｆｓを可変制御する。
【００３７】
すなわち、送電側制御回路１４は、電流検出センサＳＥ１、位相検出部１４１，１４２、目標値設定部１４３、送電側フィードバック制御部１４４、および、位相送信部１４５を有する。
【００３８】
電流検出センサＳＥ１は、送電共振コイル１３に流れる電流Ｉｓを検出する。電流検出センサＳＥ１としては、例えば、ホール素子、磁気抵抗素子または検出コイルなどを用いることができる。この電流検出センサＳＥ１は、例えば、電流Ｉｓの波形に応じた電圧信号を出力する。
【００３９】
位相検出部１４１は、電力供給コイル１２に印加される電圧Ｖｓの位相φｖｓを検出し、例えば、電圧Ｖｓの波形に応じた電圧信号を出力する。ここで、位相検出部１４１は、電圧Ｖｓをそのまま出力してもよく、また、適当な抵抗によって分圧して出力してもよい。そのため、位相検出部１４１は、単なる導線、或いは、１つまたは複数の抵抗素子とすることもできる。
【００４０】
位相検出部１４２は、電流検出センサＳＥ１からの出力に基づいて、送電共振コイル１３に流れる電流Ｉｓの位相φｉｓを検出し、例えば、電流Ｉｓの波形に応じた電圧信号を出力する。ここで、位相検出部１４２は、電流検出センサＳＥ１の出力をそのまま出力してもよい。そのため、電流検出センサＳＥ１は、位相検出部１４２を兼ねるようにすることもできる。
【００４１】
目標値設定部１４３は、位相差Δφｓの目標値φｍｓを設定して記憶する。そのため、目標値設定部１４３には、目標値φｍｓを記憶するためのメモリが設けられている。目標値φｍｓとしては、例えば、「−１８０°(−π radian)」または「−１８０°に適当な補正値ａを加えた値」などが設定される。
【００４２】
なお、目標値φｍｓの設定は、予め記憶された１つまたは複数のデータの中から選択することにより行ってもよく、また、ＣＰＵやキーボードなどからの指令によって行われるようにしてもよい。
【００４３】
送電側フィードバック制御部１４４は、交流電源１１の電圧Ｖｓの位相φｖｓと送電共振コイル１３の電流Ｉｓの位相φｉｓとの位相差Δφｓが、設定された目標値φｍｓとなるように、送電共振コイル１３の共振周波数ｆｓを可変制御する。
【００４４】
位相送信部１４５は、電力供給コイル１２に供給される電圧Ｖｓの位相φｖｓについての情報を、受電側制御回路２４に対してアナログ信号またはデジタル信号として無線で送信する。ここで、例えば、Ｓ／Ｎ比を向上させるために、電圧Ｖｓの波形に応じた電圧信号を整数倍に逓倍して送信することもできる。
【００４５】
受電側制御回路２４は、送電系コイルＳＣに供給される電圧ＶＳの位相φｖｓおよび受電系コイルＪＣに流れる電流Ｉｊの位相φｉｊを検出し、それらの位相差Δφｊが所定の目標値φｍｊとなるように、受電系コイルＪＣの共振周波数ｆｊを可変制御する。
【００４６】
すなわち、受電側制御回路２４は、電流検出センサＳＥ２、位相受信部２４１、位相検出部２４２、目標値設定部２４３、および、受電側フィードバック制御部２４４を有する。
【００４７】
電流検出センサＳＥ２は、受電共振コイル２２に流れる電流Ｉｊを検出する。電流検出センサＳＥ２としては、例えば、ホール素子、磁気抵抗素子または検出コイルなどを用いることができる。この電流検出センサＳＥ２は、例えば、電流Ｉｊの波形に応じた電圧信号を出力する。
【００４８】
位相受信部２４１は、位相送信部１４５から送信された位相φｖｓについての情報を受け取って出力する。ここで、位相送信部１４５で電圧信号を逓倍した場合には、位相受信部２４１で元に戻すために分周を行う。位相受信部２４１は、例えば、電圧Ｖｓに応じた電圧信号を出力する。
【００４９】
位相検出部２４２は、電流検出センサＳＥ２からの出力に基づいて、受電共振コイル２２に流れる電流Ｉｊの位相φｉｊを検出し、例えば、電流Ｉｊの波形に応じた電圧信号を出力する。ここで、位相検出部２４２は、電流検出センサＳＥ２の出力をそのまま出力してもよい。そのため、電流検出センサＳＥ２は、位相検出部２４２を兼ねるようにすることもできる。
【００５０】
目標値設定部２４３は、位相差Δφｊの目標値φｍｊを設定して記憶する。そのため、目標値設定部２４３には、目標値φｍｊを記憶するためのメモリが設けられている。目標値φｍｊとして、例えば、送電側制御回路１４における目標値φｍｓに「−９０°(−π／２ radian)」を加算した値が設定される。
【００５１】
すなわち、目標値φｍｊとしては、例えば、「−２７０°(−３π／２ radian)」または「−２７０°に適当な補正値ａを加えた値」などが設定される。なお、目標値φｍｊの設定方法などについては、目標値φｍｓの場合と同様である。
【００５２】
受電側フィードバック制御部２４４は、交流電源１１の電圧Ｖｓの位相φｖｓと受電共振コイル２２の電流Ｉｊの位相φｉｊとの位相差Δφｊが、設定された目標値φｍｊとなるように、受電共振コイル２２の共振周波数ｆｊを可変制御する。
【００５３】
なお、送電側制御回路１４における目標値設定部１４３と送電側フィードバック制御部１４４、並びに、受電側制御回路２４における目標値設定部２４３と受電側フィードバック制御部２４４は、それぞれ共振周波数制御部の単なる例である。
【００５４】
図３は、図２に示す無線電力伝送システムを制御系に注目して示すブロック図であり、送電器１の送電側フィードバック制御部１４４、および、受電器２の受電側フィードバック制御部２４４を詳細に示すものである。
【００５５】
ここで、図３のブロック図では、簡略化のために、図２における位相検出部１４１，１４２，２４１，２４２は省略されている。すなわち、図３では、電流検出センサＳＥ１から送電共振コイル１３に流れる電流Ｉｓの位相φｉｓが直接出力されているが、この位相φｉｓは、例えば、送電側フィードバック制御部１４４に設けた位相検出部１４２を介して出力されてもよい。
【００５６】
図３に示されるように、送電側フィードバック制御部１４４は、位相比較部１５１、加算部１５２、ゲイン調整部１５３，１５４、補償部１５５、ドライバ１５６、および、極性反転部１５７などを備える。
【００５７】
位相比較部１５１は、電流検出センサＳＥ１で検出された電流Ｉｓの位相φｉｓと、交流電源１１の電圧Ｖｓの位相φｖｓとを比較し、それらの差である位相差Δφｓを出力する。
【００５８】
加算部１５２は、位相比較１５１の出力する位相差Δφｓから、目標値設定部１４３に設定された目標値φｍｓを減算(反転して加算)する。従って、位相差Δφｓと目標値φｍｓが一致したときに、加算部１５２の出力は零となる。
【００５９】
加算部１５２の出力は、極性反転部１５７により極性が反転されて、ゲイン調整部１５４に入力され、さらに、補償部１５５に入力される。ここで、ゲイン調整部１５３および１５４は、制御が正しく行われるように、それぞれ入力される値またはデータに対するゲイン(利得)を調整し、或いは、データなどの換算を行う。
【００６０】
補償部１５５は、例えば、低周波成分に対するゲインを定める。すなわち、送電側フィードバック制御部１４４は、例えば、コンデンサ１３２であるＭＥＭＳ可変容量デバイスに対するフィードバック制御を行うサーボ系とみることができる。
【００６１】
従って、補償部１５５には、サーボ系の安定化、高速化、高精度化を図るための適当なサーボフィルタが用いられる。また、このようなサーボ系においてＰＩＤ(Proportional Integral Derivative Controller)動作を行わせるためのフィルタ回路または微分積分回路などが、適宜使用される。
【００６２】
ドライバ１５６は、例えば、コンデンサ１３２であるＭＥＭＳ可変容量デバイスに対して制御信号ＫＳｓを出力し、そのＭＥＭＳ可変容量デバイスの静電容量を可変制御する。
【００６３】
ここで、ＭＥＭＳ可変容量デバイス(ＭＥＭＳ可変キャパシタ)は、例えば、ガラスの基板上に下部電極および上部電極を設け、それら電極間に印加する電圧による静電吸引力で生じる撓みに起因した間隙の変化を利用して、静電容量を変化させるようになっている。
【００６４】
なお、ＭＥＭＳ可変容量デバイス(コンデンサ１３２)は、キャパシタのための電極と駆動のための電極とが別個に設けられることもある。また、駆動のための電極に印加する電圧と静電容量の変化量との関係が線形ではないため、例えば、ドライバ１５６において、その変換のための演算またはテーブル換算などを適宜行うようになっている。
【００６５】
受電側フィードバック制御部２４４は、位相比較部２５１、加算部２５２、ゲイン調整部２５３，２５４、補償部２５５、ドライバ２５６、および、極性反転部２５７などを備える。
【００６６】
なお、受電側フィードバック制御部２４４における各部の動作は、実質的に、上述した送電側フィードバック制御部１４４における各部の動作と同様なので、その説明は省略する。
【００６７】
なお、図２における送電側制御回路１４および受電側制御回路２４、並びに、図３における送電側フィードバック制御部１４４および受電側フィードバック制御部２４４などは、ソフトウエアまたはハードウエア、或いは、それらの組み合わせで実現可能である。
【００６８】
例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどのメモリ、その他の周辺素子などを含むコンピュータを用い、適当なコンピュータプログラムをＣＰＵに実行させることで実現することができる。その場合、適当なハードウエア回路を併用することになる。
【００６９】
図４Ａおよび図４Ｂは、図２および図３に示す無線電力伝送システムにおける共振周波数の制御を説明するための図である。ここで、図４Ａにおいて、横軸は交流電源１１の周波数ｆ[ＭＨｚ]を示し、縦軸は各コイルに流れる電流Ｉの大きさ[ｄＢ]を示す。また、図４Ｂにおいて、横軸は交流電源１１の周波数ｆ[ＭＨｚ]を示し、縦軸は各コイルに流れる電流Ｉの位相φ[radian]を示す。
【００７０】
なお、位相φは、交流電源１１の電圧Ｖｓの位相φｖｓ、つまり電力供給コイル１２に供給される電圧Ｖｓの位相φｖｓを基準とし、その位相差Δφを示す。すなわち、位相φｖｓと一致した場合には、位相φが０となる。
【００７１】
各曲線に付した参照符号ＣＢＡ１〜ＣＢＡ４およびＣＢＢ１〜ＣＢＢ４において、末尾の数字１、２、３、４は、それぞれ、電力供給コイル１２、送電共振コイル１３、受電共振コイル２２、電力取出コイル２３に対応することを示す。
【００７２】
さらに、図４Ａおよび図４Ｂは、共振周波数制御において、送電共振コイル１３、または、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２を、その共振周波数ｆｓ，ｆｊが１０ＭＨｚとなるように制御する場合を示す。
【００７３】
このとき、目標値設定部１４３の目標値φｍｓは「−π radian (−１８０°)」に設定され、目標値設定部１４３の目標値φｍｊは「−３π／２ radian (−２７０°)」に設定される。
【００７４】
すなわち、目標値φｍｊは、目標値φｍｓに−π／２を加算した値「φｍｓ−π／２」、つまり目標値φｍｓよりもπ／２遅れた位相が設定される。
【００７５】
曲線ＣＢＡ２に示されるように、送電共振コイル１３の電流Ｉｓは、交流電源１１の周波数ｆｄと一致する１０ＭＨｚにおいて最大となっている。また、曲線ＣＢＢ２に示されるように、送電共振コイル１３の電流Ｉｓの位相φｉｓは、共振周波数ｆｓである１０ＭＨｚにおいて、−πとなっている。つまり、目標値φｍｓと一致している。
【００７６】
ここで、送電共振コイル１３は、電力供給コイル１２からみて直列共振回路と見ることができ、共振周波数ｆｓよりも低い周波数ｆｄにおいては容量性となって−π／２に近づき、高い周波数ｆｄにおいては誘導性となって−３π／２に近づく。
【００７７】
このように、送電共振コイル１３に流れる電流Ｉｓの位相φｉｓは、共振周波数ｆｓの近辺において大きく変化する。位相φｉｓつまり位相差Δφｓが−πとなるように制御することによって、送電共振コイル１３の共振周波数ｆｓを電圧Ｖｓの周波数ｆｄに高精度で一致させることができる。
【００７８】
なお、曲線ＣＢＡ１に示されるように、電力供給コイル１２に流れる電流Ｉも、共振周波数ｆｓにおいて最大となる。曲線ＣＢＢ１に示されるように、電力供給コイル１２に流れる電流Ｉの位相φｉは、共振周波数ｆｓの近辺において零または進み位相となり、共振周波数ｆｓから外れると−π／２となる。
【００７９】
曲線ＣＢＡ３に示されるように、受電共振コイル２２の電流Ｉｊは、交流電源１１の周波数ｆｄと一致する１０ＭＨｚにおいて最大となっている。
【００８０】
曲線ＣＢＢ３に示されるように、受電共振コイル２２の電流Ｉｊの位相φｉｊは、共振周波数ｆｓである１０ＭＨｚにおいて、−３π／２となっている。つまり、目標値φｍｊと一致している。また、周波数ｆｄが共振周波数ｆｓよりも低くなった場合に、位相差Δφが減少して−π／２に近づき、共振周波数ｆｓよりも高くなった場合に、位相差Δφが増大して−５π／２つまり−π／２に近づく。
【００８１】
このように、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２に流れる電流Ｉｓ，Ｉｊの位相φｉｓ，φｉｊは、共振周波数ｆｓ，ｆｊの近辺において大きく変化する。位相φｉｓ，φｉｊつまり位相差Δφｓ，Δφｊが−πまたは−３π／２となるように制御することによって、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２の共振周波数ｆｓ，ｆｊを電圧Ｖｓの周波数ｆｄに高精度で一致させることができる。
【００８２】
これにより、環境要因などの変化があっても、送電系コイルＳＣおよび受電系コイルＪＣの共振周波数を交流電源１１の周波数ｆｄに正確に一致させることができ、送電装置３から受電装置４に対して、常に最大の効率で電力を伝送することが可能になる。
【００８３】
さらに、交流電源の電圧Ｖｓに対するコイル電流の位相差Δφを基に制御を行うため、例えば、スイープサーチ法による場合のように電流の振幅の変動による影響を受けることがなく、正確な制御を行うことができる。
【００８４】
なお、スイープサーチ法では、例えば、送電系コイルＳＣまたは受電系コイルＪＣにおけるＬまたはＣをスイープさせ、コイルの電流値が最大(ピーク)となる位置を試行錯誤的にサーチする。
【００８５】
図５Ａおよび図５Ｂは、図２および図３に示す無線電力伝送システムにおけるシミュレーション条件を説明するための図である。図５Ａに示されるように、シミュレーション条件としては、電力供給コイル１２および送電共振コイル１３を同一平面上で同心状に配置し、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３も同一平面上で同心状に配置した。
【００８６】
また、送電系コイルＳＣ(電力供給コイル１２および送電共振コイル１３)と受電系コイルＪＣ(受電共振コイル２２および電力取出コイル２３)との距離ｄｄを２５ｍｍに設定し、駆動周波数(交流電源１１の周波数ｆｄ)を７ＭＨｚに設定した。さらに、負荷(負荷デバイス２１の抵抗値)を１０Ωに設定し、各コイルの巻線の太さをφ０．５ｍｍに設定した。
【００８７】
さらに、図５Ｂに示されるように、電力供給コイル１２の外径をφ３０ｍｍとし巻数を１回に設定し、送電共振コイル１３の外径をφ４０ｍｍとし巻数を５回に設定した。また、受電共振コイル２２の外径をφ３０ｍｍとし巻数を５回に設定し、電力取出コイル２３の外径をφ２０ｍｍとし巻数を１回に設定した。なお、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２における隣接する巻線の中心間の距離(ピッチ)を、０．８ｍｍに設定した。
【００８８】
図６Ａおよび図６Ｂは、図５Ａおよび図５Ｂに示すシミュレーション条件で行った図２および図３に示す無線電力伝送システムのシミュレーション結果を示す図である。
【００８９】
ここで、図６Ａにおいて、縦軸は駆動電圧の振幅を正規化(最大振幅が『１』)して示し、横軸は時間を正規化(１／７ＭＨｚが『１』)して示す。また、参照符号φdは、送電側の駆動電圧ＬＬ１および受電側の駆動電圧ＬＬ２の位相遅れを示す。さらに、図６Ｂにおいて、縦軸は送電効率(最大が『１』)を示し、横軸は位相遅れφd(deg：°)を示す。
【００９０】
図６Ｂに示されるように、送電効率は、送電側の駆動電圧ＬＬ１および受電側の駆動電圧ＬＬ２の位相遅れφdが大きくなるに従って低下する。特に、位相遅れφdが４０°を超えると、送電効率が大幅に低下するのが分かる。
【００９１】
なお、駆動周波数が７ＭＨｚのとき、１°の位相遅れに対する遅延時間ｔｄは、ｔｄ＝１÷(７×１０6×３６０)＝３．９７×１０-10 [sec] に対応する。従って、例えば、３０°の位相遅れに対応する遅延時間Ｔｄは、Ｔｄ＝３．９７×１０-10×３０＝１．１９×１０-8 [sec]、すなわち、１１．９ｎsec になる。
【００９２】
上述したように、例えば、図２および図３に示す無線電力伝送システムにより電力の伝送を行う場合、非常に短い遅延時間ｔｄに対しても送電効率が低下することになる。そのため、受電側の制御には、交流電源１１の電圧波形の位相を遅滞なく正確に認識することが前提となる。
【００９３】
ここで、送電器１および受電器２は、互いの位置や送電電力等に関する情報を送受信する通信回路を有しているが、これらの通信回路では、例えば、７ＭＨｚ(一般的に、数百ＫＨｚ〜数十ＭＨｚ)の駆動電圧の位相制御を行うデータを処理するのは困難である。
【００９４】
そのため、図２および図３に示す無線電力伝送システムでは、送電器１に専用の位相送信部１４５を設けると共に、受電器２に専用の位相受信部２４１を設け、送電器１における交流電源１１の電圧波形の位相を遅滞なく正確に受電器２へ伝えるようになっている。
【００９５】
このように、図２および図３に示す無線電力伝送システムでは、大量のデータ伝送が可能な専用の位相送信部１４５および位相受信部２４１をそれぞれ送電器１および受電器２に設けるため、ハード的負担が大きくなって費用も嵩むことになる。
【００９６】
以下、無線電力伝送(ワイヤレス電力伝送)システムおよび無線電力伝送方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。図７は、第１実施例の無線電力伝送システムを示すブロック図である。
【００９７】
図７と前述した図３との比較から明らかなように、第１実施例の無線電力伝送システムでは、送電器１において、専用の位相送信部１４５の代わりに、送電側制御部１６および送電側通信部１７を設けている。
【００９８】
さらに、第１実施例の無線電力伝送システムは、受電器２において、専用の位相受信部２４１の代わりに、受電側制御部２６，受電側通信部２７および受電側位相調整用発振部２８を設けている。
【００９９】
ここで、第１実施例の無線電力伝送システムでは、例えば、図３に示す無線電力伝送システムのような大量のデータ伝送が不要なため、送電側通信部１７および受電側通信部２７は、互いの位置や送電電力等の情報を送受信する通信回路を兼用してもよい。
【０１００】
すなわち、第１実施例の無線電力伝送システムでは、例えば、数百ＫＨｚ〜数十ＭＨｚの共振周波数をリアルタイムで位相制御しなくてもよいため、一般的に設けられている通信回路をそのまま利用することができる。
【０１０１】
なお、送電器１における交流電源１１、電力供給コイル１２、送電共振コイル１３、コンデンサ１３２、電流検出センサＳＥ１、および、送電側フィードバック制御部１４４等の構成および動作は、実質的に図３を参照して説明したのと同様である。
【０１０２】
また、受電器２における受電共振コイル２２、電力取出コイル２３、コンデンサ２２２、電流検出センサＳＥ２、および、受電側フィードバック制御部２４４等の構成および動作は、実質的に図３を参照して説明したのと同様である。
【０１０３】
ここで、図７に示す第１実施例の無線電力伝送システムでは、送電器１における目標値φｍｓは目標値設定部１４３から出力され、また、受電器２における目標値φｍｊは目標値設定部２４３から出力されている。
【０１０４】
図８は、第２実施例の無線電力伝送システムを示すブロック図であり、図９〜図１２は、図８に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図である。
【０１０５】
ここで、図８〜図１０は、送電器１において、送電側制御部１６、送電側通信部１７、交流電源１１、電力供給コイル１２、送電共振コイル１３、コンデンサ(可変容量デバイス)１３２および送電側フィードバック制御部１４４に注目して示したものである。
【０１０６】
なお、前述した図７では、送電器１の位相比較部(第２位相比較部)１５１が送電側フィードバック制御部１４４の内部に設けられているが、図８〜図１０では、位相比較部１５１と送電側フィードバック制御部１４４(位相比較部１５１を除く)が別に描かれている。
【０１０７】
また、図８〜図１０は、受電器２において、受電側制御部２６、受電側通信部２７、受電側位相調整用発振部２８、受電共振コイル２２、電力取出コイル２３、コンデンサ２２２および受電側フィードバック制御部２４４に注目して示したものでもある。
【０１０８】
なお、前述した図７では、受電器２の位相比較部(第１位相比較部)２５１が受電側フィードバック制御部２４４の内部に設けられているが、図８〜図１０では、位相比較部２５１と受電側フィードバック制御部２４４(位相比較部２５１を除く)が別に描かれている。
【０１０９】
さらに、図８〜図１０において、整流回路２１１および負荷(例えば、バッテリ：抵抗値ＲＬ)２１２を有する負荷デバイス２１、並びに、負荷２１２の抵抗値ＲＬにほぼ等しい抵抗値ＲＬ’のダミー負荷２９もスイッチＳＷ１〜ＳＷ４と共に描かれている。
【０１１０】
また、図８〜図１０において、電力供給コイル１２、送電共振コイル１３、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３の各コイルは、それぞれ抵抗Ｒ1，Ｒ2，Ｒ13およびＲ4並びにインダクタＬ1，Ｌ2，Ｌ3およびＬ4により等価回路的に描かれている。なお、電力供給コイル１２、送電共振コイル１３、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３に流れる電流は、Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3およびＩ4として示されている。
【０１１１】
そして、図８に示す第２実施例の無線電力伝送システムでは、送電器１における目標値φｍｓは送電側制御部１６から出力され、また、受電器２における目標値φｍｊは受電側制御部２６から出力されるようになっている。
【０１１２】
すなわち、第２実施例の無線電力伝送システムは、送電器１が目標値設定部１４３を有しておらず、受電器２が目標値設定部２４３を有していない点を除いて、実質的に第１実施例の無線電力伝送システムと同様の構成とされている。
【０１１３】
従って、第１実施例の無線電力伝送システムの動作は、目標値φｍｓおよびφｍｊの出力個所が異なるだけで、以下に詳述する第２実施例の無線電力伝送システムの動作と同様である。
【０１１４】
このように、目標値φｍｓおよびφｍｊを送電側制御部１６および受電側制御部２６から出力することにより、各目標値を、利用する無線電力伝送システムに最適な値として制御し、或いは、他の機能を実現するためにて変化させて制御することが可能になる。
【０１１５】
図８に示されるように、送電器１において、送電側フィードバック制御部１４４に対する目標値(位相差Δφｓの目標値)φｍｓは、送電側制御部１６から出力され、また、交流電源１１は、送電側制御部１６からの制御信号Ｓｐｓにより制御される。
【０１１６】
さらに、受電器２において、受電側フィードバック制御部２４４に対する目標値(位相差Δφｊの目標値)φｍｊは、受電側制御部２６から出力され、また、受電側位相調整用発振部２８は、受電側制御部２６からの制御信号Ｓｐｊにより制御される。
【０１１７】
ここで、受電器２における受電側位相調整用発振部２８は、電力伝送に使用する周波数、すなわち、送電器１における交流電源１１と同じ固定の発振周波数の信号(電圧ＶＢ)を出力する。なお、交流電源１１および受電側位相調整用発振部２８は、例えば、水晶振動子を利用してその発振周波数が正確に同じ周波数に制御されている。
【０１１８】
図８に示されるように、受電器２において、受電共振コイル２２にはスイッチＳＷ１が設けられ、受電側位相調整用発振部２８と受電共振コイル２２の間にはスイッチＳＷ２が設けられている。
【０１１９】
また、受電器２において、電力取出コイル２３と負荷デバイス２１の間にはスイッチＳＷ３が設けられ、電力取出コイル２３の両端には、スイッチＳＷ４を介してダミー負荷２９が設けられている。
【０１２０】
スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、例えば、ゲートに制御信号が印加されたｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ(ｎＭＯＳトランジスタ)とされ、各制御信号のレベルが高レベル『Ｈ』のときにオンし、低レベル『Ｌ』のときにオフする。
【０１２１】
なお、スイッチＳＷ１およびＳＷ３の制御端子(ｎＭＯＳトランジスタのゲート)には、受電側制御部２６からの制御信号ＣＳｊが印加され、スイッチＳＷ２およびＳＷ４の制御端子には、制御信号ＣＳｊをインバータで反転した制御信号／ＣＳｊが印加される。
【０１２２】
まず、受電側制御部２６からの制御信号ＣＳｊが『Ｌ』(制御信号／ＣＳｊが『Ｈ』)のとき、スイッチＳＷ１およびＳＷ３がオフしてスイッチＳＷ２およびＳＷ４がオンする。この状態は、図９に示す共振周波数の調整時に対応する。
【０１２３】
すなわち、図９に示されるように、共振周波数の調整時において、受電器２の受電側位相調整用発振部２８は、受電側制御部２６からの制御信号Ｓｐｊにより動作状態(オン)とされる。
【０１２４】
さらに、スイッチＳＷ１がオフでスイッチＳＷ２がオンすることで、受電側位相調整用発振部２８の出力電圧ＶＢは、受電共振コイル２２の両端に印加される。このとき、電力取出コイル２３は、スイッチＳＷ３がオフすることで負荷デバイス２１と切り離され、代わりに、オン状態のスイッチＳＷ４を介してダミー負荷２９に接続される。
【０１２５】
ここで、ダミー負荷２９の抵抗値ＲＬ’は、負荷デバイス２１の負荷２１２の抵抗値ＲＬとほぼ等しく設定され、また、受電側制御部２６から受電側フィードバック制御部２４４に与えられる目標値φｍｊは、例えば、０°に設定されている。
【０１２６】
なお、受電側位相調整用発振部２８からの出力電圧ＶＢは、受電器２における共振周波数を調整するために使用されるので、その電力容量は微小でよい。そのため、微小電力容量の電圧ＶＢでは、例えば、負荷デバイス２１の整流回路(整流用ＩＣ)２１１が動作せず、或いは、非線形特性により負荷抵抗２１２の抵抗値ＲＬが正確に反映されないことになる。
【０１２７】
そこで、電力取出コイル２３に対して、実際の負荷デバイス２１の代わりに、負荷抵抗２１２に相当するダミー負荷２９を接続し、微小電力容量の電圧ＶＢで受電器２の共振周波数調整を行うようになっている。
【０１２８】
以上により、受電器２において、受電側位相調整用発振部２８の出力電圧ＶＢの位相φｖｓ’と、その電圧ＶＢにより受電共振コイル２２を流れる電流Ｉ3の位相φｉｊとの位相差Δφｊが目標値φｍｊ(＝０°)となるようにフィードバック制御が行われる。すなわち、受電側フィードバック制御部２４４は、位相差Δφｊが目標値φｍｊとなるように、制御信号ＫＳｊを介してコンデンサ２２２の静電容量を所定の値に制御する。
【０１２９】
なお、第２実施例の無線電力伝送システムでは、図１１のタイミングチャートに示されるように、共振周波数の調整時(共振調整)において、まず、期間Ｔｃｓで送電器１の共振周波数を調整し、その後、期間Ｔｃｊで受電器２の共振周波数を調整する。
【０１３０】
従って、図１１に示されるように、上述した受電器２における共振周波数の調整は、共振調整の処理を行う期間の後半の期間Ｔｃｊで行い、前半の期間期間Ｔｃｓでは、送電器１における共振周波数の調整を行うようになっている。
【０１３１】
すなわち、共振調整の処理を行う期間の前半の期間期間Ｔｃｓにおいて、送電器１の交流電源１１は、送電側制御部１６からの制御信号Ｓｐｓにより低出力状態(調整用出力状態)とされる。
【０１３２】
この交流電源１１の低出力状態において、交流電源１１は、受電器２に対して電力を伝送するための電圧を出力するのではなく、単に、送電器１における共振周波数を調整するための低い電圧を出力する。
【０１３３】
これにより、送電器１では、交流電源１１の出力電圧ＶＡの位相φｖｓと、その電圧ＶＡにより送電共振コイル１３を流れる電流Ｉｓの位相φｉｓとの位相差Δφｊが目標値φｍｊ(＝１８０°)となるようにフィードバック制御が行われる。
【０１３４】
このフィードバック制御は、例えば、図２〜図４Ｂを参照して説明したように、送電側フィードバック制御部１４４が、位相差Δφｓが目標値φｍｓとなるように、制御信号ＫＳｓを介してコンデンサ１３２の静電容量を所定の値に制御する。
【０１３５】
ここで、送電器１における共振周波数の調整は、必ずしも受電器２における共振周波数の調整の直前に行わなくてもよく、受電器２における共振周波数の調整と同時またはその直後、或いは、他の適切なタイミングで行うこともできる。
【０１３６】
次に、受電側制御部２６からの制御信号ＣＳｊが『Ｈ』(制御信号／ＣＳｊが『Ｌ』)のとき、スイッチＳＷ１およびＳＷ３がオンしてスイッチＳＷ２およびＳＷ４がオフする。この状態は、図１０に示す給電時(通常の送電器１から受電器２へ無線により電力を伝送する状態)に対応する。
【０１３７】
すなわち、図１０に示されるように、給電時において、受電器２の受電側位相調整用発振部２８は、受電側制御部２６からの制御信号Ｓｐｊにより停止状態(オフ)とされ、また、スイッチＳＷ２がオフとなって受電共振コイル２２から切り離される。
【０１３８】
さらに、スイッチＳＷ１がオンすることで受電共振コイル２２は、送電器１における送電共振コイル１３からの電力を磁界共鳴(磁界共振)により受け取る。このとき、電力取出コイル２３は、スイッチＳＷ３がオンしてスイッチＳＷ４がオフすることで負荷デバイス２１に接続される。
【０１３９】
また、送電器１では、送電側制御部１６からの制御信号Ｓｐｓにより交流電源１１は、動作状態(低電力動作状態ではなく、通常の動作状態)とされる。
【０１４０】
ここで、送電器１における送電共振コイル１３の共振周波数は、期間Ｔｃｓで交流電源１１の周波数と一致するように制御され、受電器２における受電共振コイル２２の共振周波数は、受電側位相調整用発振部２８の周波数と一致するように制御されている。また、交流電源１１の周波数と受電側位相調整用発振部２８の周波数とは、例えば、水晶振動子を利用して正確に制御されている。
【０１４１】
従って、双方で共振周波数の調整が行われた送電器１から受電器２への磁界共鳴による電力伝送は、高い送電効率で行うことが可能になる。図１１では、送電器１および受電器２における共振周波数の調整期間(Ｔｃｓ，Ｔｃｊ：共振調整)が所定の間隔で繰り返されるようになっている。
【０１４２】
なお、この共振調整を繰り返す所定の間隔としては、送電器１および受電器２の数や電力容量、或いは、周囲の環境等により様々に設定することができ、例えば、数分間隔に設定することができる。
【０１４３】
次に、図１２のフローチャートを参照して、第２実施例の無線電力伝送システムの動作の流れを説明する。まず、無線電力伝送処理が開始(スタート)すると、ステップＳＴ１０１およびＳＴ２０１において、送電側(送電器１)の送電側通信部１７および受電側(受電器２)の受電側通信部２７により通信および応答確認を行って、次のステップに進む。
【０１４４】
すなわち、ステップＳＴ１０１およびＳＴ２０１では、例えば、受電器２が送電器１により送電可能な範囲に存在するか、並びに、受電器２の位置や傾きおよび送電する電力等の情報の受け渡し、或いは、有料の電力伝送システムにおける受電器２の認証等を行う。
【０１４５】
送電側では、次に、ステップＳＴ１０２に進んで、図９および図１１の期間Ｔｃｓを参照して説明した送電器１における共振周波数の調整(共振調整)を開始する。すなわち、ステップＳＴ１０３において、交流電源１１の出力電圧ＶＡを調整用出力電圧(低出力電圧)とし、ステップＳＴ１０４に進んで位相差の制御を行う。
【０１４６】
すなわち、ステップＳＴ１０４では、送電側フィードバック制御部１４４による位相差の制御処理を行い、ステップＳＴ１０５において、位相差Δφｓが目標値φｍｓよりも小さくなるまでステップＳＴ１０４の位相差の制御処理を繰り返す。
【０１４７】
そして、ステップＳＴ１０５において、位相差Δφｓが目標値φｍｓにより規定された範囲内になったと判定すると、ステップＳＴ１０６に進んで、送電器１における共振調整処理を終了し、次のステップＳＴ１０７に進む。
【０１４８】
ここで、図９および図１１を参照して説明したように、期間Ｔｃｓにおいて送電器１の共振周波数調整処理が終了すると、受電側では、ステップＳＴ２０２において、期間Ｔｃｓに続く期間Ｔｃｊで受電器２における共振周波数の調整(共振調整)を開始する。
【０１４９】
なお、受電器２は、送電側通信部１７および受電側通信部２７の通信により、送電器１の共振周波数調整処理の終了を認識し、ステップＳＴ２０２の受電器２における共振調整を開始する。
【０１５０】
すなわち、ステップＳＴ２０３において、図９を参照して説明したスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の切り替えを行い、さらに、ステップＳＴ２０４に進んで、受電側制御部２６により受電側位相調整用発振部２８を動作状態(電圧ＶＢを出力)とする。
【０１５１】
具体的に、スイッチＳＷ１およびＳＷ３をオフしてスイッチＳＷ２およびＳＷ４をオンし、受電側位相調整用発振部２８の出力電圧ＶＢを受電共振コイル２２の両端に印加する。さらに、電力取出コイル２３に対して、負荷デバイス２１を切り離し、代わりにダミー負荷２９を接続する。
【０１５２】
さらに、ステップＳＴ２０５に進んで、受電側フィードバック制御部２４４による位相差の制御処理を行い、ステップＳＴ２０６において、位相差Δφｊが目標値φｍｊよりも小さくなるまでステップＳＴ２０５の位相差の制御処理を繰り返す。
【０１５３】
そして、ステップＳＴ２０６において、位相差Δφｊが目標値φｍｊにより規定された範囲内になったと判定すると、ステップＳＴ２０７に進んで、図１０を参照して説明したスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の切り替えを行い、ステップＳＴ２０８に進む。
【０１５４】
ステップＳＴ２０８では、受電側制御部２６により受電側位相調整用発振部２８を停止状態(電圧ＶＢを停止)とし、ステップＳＴ２０９に進んで、受電器２における共振調整処理を終了し、その旨を送電側へ通知する。
【０１５５】
すなわち、送電器１は、送電側通信部１７および受電側通信部２７の通信により、受電器２の共振周波数調整処理の終了を認識し、ステップＳＴ１０７における送電を開始する。
【０１５６】
すなわち、図１０を参照して説明したように、送電側では、ステップＳＴ１０８において、送電側制御部１６からの制御信号Ｓｐｓにより交流電源１１は、低電力動作状態ではなく、通常の動作状態とされ、送電用の出力電圧ＶＢを出力する。
【０１５７】
従って、送電器１および受電器２は、両方とも共振周波数の調整が行われた状態とされ、この状態で送電器１から受電器２に対して磁界共鳴による電力伝送が行われるため、高い送電効率による電力伝送が可能となる。
【０１５８】
さらに、ステップＳＴ１０９に進んで、一定時間が経過したと判定すると、ステップＳＴ１０１(ＳＴ２０１)に戻って同様の処理を繰り返す。すなわち、送電器１および受電器２における共振周波数の調整を所定の間隔で繰り返すようになっている。
【０１５９】
ここで、ステップＳＴ１０３において、交流電源１１の出力電圧ＶＡは、調整用の低出力電圧とされるため、例えば、送電器１の共振周波数の調整を終了した後に受電器２の共振周波数の調整を開始するのではなく、両者を並列的に行うこともできる。
【０１６０】
すなわち、前述したように、送電器１における共振周波数の調整は、必ずしも受電器２における共振周波数の調整の直前に行わなくてもよく、受電器２における共振周波数の調整と同時またはその直後、或いは、他の適切なタイミングで行うこともできる。
【０１６１】
このように、第２実施例の無線電力伝送システムによれば、送電器のる交流電源の電圧波形の位相を遅滞なく正確に受電器へ伝えなくてもよいため、大量のデータ伝送が可能な専用の通信回路が不要となり、ハード的負担を低減して費用も削減することができる。これは、前述した第１実施例および後述する第３実施例でも同様である。
【０１６２】
図１３は、第３実施例の無線電力伝送システムを示すブロック図である。図１４および図１５は、図１３に示す無線電力伝送システムにおける動作を説明するための図である。図１３と前述した図８との比較から明らかなように、第３実施例の無線電力伝送システムでは、送電器１が温度センサ(第２温度センサ)１００を含み、受電器２が温度センサ(第１温度センサ)２００を含む。
【０１６３】
ここで、温度センサ１００は、送電器１における電力供給コイル１２および送電共振コイル１３の温度を測定(検知)し、その温度信号(第２温度信号)Ｔｓｓを送電側制御部１６に出力する。また、温度センサ２００は、受電器２における受電共振コイル２２および電力取出コイル２３の温度を測定し、その温度信号(第１温度信号)Ｔｓｊを受電側制御部２６に出力する。
【０１６４】
なお、例えば、電力供給コイル１２および送電共振コイル１３が同軸状に配置されていない場合、温度センサ１００は、送電共振コイル１３の温度を測定するだけでもよい。同様に、例えば、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３が同軸状に配置されていない場合、温度センサ２００は、受電共振コイル２２の温度を測定するだけでもよい。
【０１６５】
次に、図１３に示す無線電力伝送システムにおける動作を、図１４のタイミングチャートおよび図１５のフローチャートを参照して説明する。なお、図１４のタイミングチャートにおいて、給電時(期間Ｔｐｓ)および共振調整時(期間ＴｃｓおよびＴｃｊ)は、実質的に図１１と同様であり、その説明は省略する。
【０１６６】
また、図１５のフローチャートにおいて、送電側(送電器１)のステップＳＴ１０１〜ＳＴ１０８の処理、並びに、受電側(受電器２)のステップＳＴ２０１〜ＳＴ２０９の処理は、実質的に図１２と同様であり、その説明は省略する。
【０１６７】
図１５に示されるように、受電側のステップＳＴ２０９において、受電器２における共振調整処理を終了し、その旨を送電側へ通知して送電側のステップＳＴ１０７で送電を開始すると、受電側では、ステップＳＴ２１０に進む。
【０１６８】
すなわち、受電側のステップＳＴ２１０では、受電器２に設けられた温度センサ２００が異常を検知したかどうか、すなわち、受電側温度センサ２００による受電共振コイル２２および電力取出コイル２３の温度信号Ｔｓｊが異常値かどうかを判定する。ステップＳＴ２１０において、温度センサ２００が異常を検知しないと判定すれば、そのままの状態で、送電器１から受電器２への電力伝送を継続する。
【０１６９】
一方、ステップＳＴ２１０において、温度センサ２００が異常を検知したと判定、すなわち、温度信号Ｔｓｊが異常を示す閾値温度Ｔｈａを超えたと判定すると、ステップＳＴ２１１に進んで、温度センサ２００による異常検知を受信側へ送信する。この受電側のステップＳＴ２１１における異常の検知は、受電側に送信され、ステップＳＴ１１０における送受電温度監視として処理される。
【０１７０】
さらに、受電側では、ステップＳＴ２１２に進んで、受電側温度センサ２００が正常値を検知したかどうかを判定する。ステップＳＴ２１２において、受電側温度センサ２００が正常値を検知しないと判定すると、そのままの状態で受電側温度センサ２００が正常値を検知するのを待つ。
【０１７１】
なお、受電側のステップＳＴ２１２の処理は、後述するように、送電側では、ステップＳＴ１１２の処理により送電用出力電圧ＶＡが停止されるため、電力伝送も停止されることになり、受電側温度センサ２００からの温度信号Ｔｓｊは時間と共に低下する。
【０１７２】
受電側のステップＳＴ２１２において、受電側温度センサ２００が正常値を検知したと判定すると、ステップＳＴ２１３に進んで、送電側に対して受電側温度センサ２００が正常値を検知したことを伝えると共に、ステップＳＴ２１０に戻って同様の処理を行う。
【０１７３】
図１５に示されるように、送電側のステップＳＴ１０８において、交流電源１１が通常の送電動作を行うための送電用出力電圧ＶＢを出力すると、ステップＳＴ１１０に進んで、送受電温度監視を行う。
【０１７４】
このステップＳＴ１１０における送受電温度監視は、送電器１の温度センサ１００による電力供給コイル１２および送電共振コイル１３の温度監視、並びに、受電器２の温度センサ２００による受電共振コイル２２および電力取出コイル２３の温度監視である。
【０１７５】
ここで、送電側温度センサ１００により検出された温度信号Ｔｓｓは、そのまま送電側制御部１６に入力されるが、受電側温度センサ２００により検出された温度信号Ｔｓｊは、通信(通信部１７，２７等)を介して送電側制御部１６に送信される。
【０１７６】
すなわち、ステップＳＴ１１１において、送電側温度センサ１００または受電側温度センサ２００が異常を検知したかどうかを判定し、両方とも異常を検知しないと判定すれば、送受電温度監視を行いながら、送電器１から受電器２への電力伝送を継続する。
【０１７７】
一方、ステップＳＴ１１１において、送電側温度センサ１００または受電側温度センサ２００の少なくとも一方が異常を検知したと判定すると、ステップＳＴ１１２に進んで、送電用出力電圧ＶＡを停止する。すなわち、送電側制御部１６は、制御信号Ｓｐｓにより交流電源１１の動作を停止させる。
【０１７８】
この交流電源１１の動作停止(電圧ＶＢの停止)期間は、図１４において、温度センサ(１００，２００)の温度信号(Ｔｓｓ，Ｔｓｊ)が異常を示す閾値温度Ｔｈａを超えてから、通常動作の上限温度Ｔｈｂよりも低くなるまでの期間(停止期間)Ｔｓｔに対応する。
【０１７９】
ステップＳＴ１１２で送電用出力電圧ＶＢを停止すると、次に、ステップＳＴ１１３に進んで、再び送受電温度監視を行う。すなわち、ステップＳＴ１１４において、送電側温度センサ１００および受電側温度センサ２００の両方が正常値を検知したかどうかを判定し、少なくとも一方が異常を検知したと判定すれば、送受電温度監視を行いながら、送電用出力電圧ＶＢの停止を継続する。
【０１８０】
一方、ステップＳＴ１１４において、送電側温度センサ１００および受電側温度センサ２００の両方が正常値を検知したと判定すると、ステップＳＴ１０１(ＳＴ２０１)に戻る。
【０１８１】
すなわち、温度センサ１００および２００により検出された温度信号ＴｓｓおよびＴｓｊが通常動作の上限温度Ｔｈｂよりも低くなり、正常値の範囲になったと判定すると、ステップＳＴ１０１およびＳＴ２０１に戻って同様の処理を繰り返す。
【０１８２】
なお、図１３に示す第３実施例の無線電力伝送システムにおいても、例えば、図７の第１実施例と同様に、送電器１および受電器２に対してそれぞれ目標値設定部１４３および２４３を設け、目標値φｍｓおよびφｍｊを出力するようにしてもよい。
【０１８３】
上述した無線電力伝送システムの実施例において、送電器１および受電器２は１つとして説明したが、それぞれ複数であってもよいのはいうまでもない。また、送電共振コイル(ＬＣ共振器)１３から受電共振コイル(ＬＣ共振器)２２への電力伝送は、磁界共鳴(磁界共振)に限定されるものではなく、例えば、電界共鳴(電界共振)等を利用するものであってもよい。
【０１８４】
ここに記載されている全ての例および条件的な用語は、読者が、本発明と技術の進展のために発明者により与えられる概念とを理解する際の助けとなるように、教育的な目的を意図したものである。
【０１８５】
また、具体的に記載されている上記の例および条件、並びに、本発明の優位性および劣等性を示すことに関する本明細書における例の構成に限定されることなく、解釈されるべきものである。
【０１８６】
さらに、本発明の実施例は詳細に説明されているが、本発明の精神および範囲から外れることなく、様々な変更、置換および修正をこれに加えることが可能であると解すべきである。
【０１８７】
以上の実施例を含む実施形態に関し、さらに、以下の付記を開示する。
（付記１）
送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る受電共振コイルと、
所定の周波数で発振する電圧を出力する受電側位相調整用発振部と、
前記送電器との間で通信を行う受電側通信部と、
前記受電側通信部からの出力を受け取り、前記受電側位相調整用発振部からの出力電圧を使用して前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行う受電側制御部と、を有する、
ことを特徴とする受電器。
【０１８８】
（付記２）
さらに、
前記受電共振コイルからの電力を、電磁誘導を利用して受け取る電力取出コイルと、
前記電力取出コイルから取り出された電力を受け取る負荷デバイスと、
前記負荷デバイスに相当する抵抗値を有するダミー負荷と、を有し、
前記受電側制御部は、
前記受電共振コイルに対して前記受電側位相調整用発振部の出力電圧を印加すると共に、前記電力取出コイルの負荷を前記ダミー負荷として前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行う、
ことを特徴とする付記１に記載の受電器。
【０１８９】
（付記３）
前記受電側制御部は、
前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行った後、前記受電側位相調整用発振部を停止して、前記受電共振コイルが前記送電器からの電力を受け取るようにすると共に、前記電力取出コイルの負荷を前記負荷デバイスとして前記送電器からの電力を受け取る、
ことを特徴とする付記１または付記２に記載の受電器。
【０１９０】
（付記４）
さらに、
前記受電側位相調整用発振部からの出力電圧の位相および前記受電共振コイルを流れる電流の位相を比較する第１位相比較部と、
前記第１位相比較部から出力される位相差を目標値に従って制御する受電側フィードバック制御部と、を有し、
前記受電側フィードバック制御部は、
前記受電共振コイルに設けられた容量値が可変のコンデンサを制御して、前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行う、
ことを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１項に記載の受電器。
【０１９１】
（付記５）
さらに、
前記目標値を設定する目標値設定部を有し、前記受電側フィードバック制御部は、前記目標値設定部の出力を受け取る、
ことを特徴とする付記４に記載の受電器。
【０１９２】
（付記６）
前記目標値は、前記受電側制御部から出力され、前記受電側フィードバック制御部は、前記受電側制御部の出力を受け取る、
ことを特徴とする付記４に記載の受電器。
【０１９３】
（付記７）
前記受電共振コイルの共振周波数の調整は、所定の間隔で繰り返して行う、
ことを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１項に記載の受電器。
【０１９４】
（付記８）
さらに、
前記受電共振コイルの温度を測定する第１温度センサを有し、
前記受電側制御部は、
前記第１温度センサからの第１温度信号を受け取って制御を行う、
ことを特徴とする付記１乃至付記７のいずれか１項に記載の受電器。
【０１９５】
（付記９）
前記受電側制御部は、
前記第１温度センサからの第１温度信号を、前記受電側通信部を介して前記送電器に送信する、
ことを特徴とする付記８に記載の受電器。
【０１９６】
（付記１０）
少なくとも１つの送電器、および、少なくとも１つの受電器を含む無線電力伝送システムであって、
前記受電器は、付記１乃至付記９のいずれか１項に記載の受電器である、
ことを特徴とする無線電力伝送システム。
【０１９７】
（付記１１）
前記送電器は、
所定の周波数で発振する電圧を出力する交流電源と、
前記交流電源の出力電圧を受け取る電力供給コイルと、
前記電力供給コイルからの電力を、電磁誘導を利用して受け取り、前記受電共振コイルに対して、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により電力を伝送する送電共振コイルと、
前記受電器との間で通信を行う送電側通信部と、を有する、
ことを特徴とする付記１０に記載の無線電力伝送システム。
【０１９８】
（付記１２）
前記送電器は、さらに、
前記送電側通信部からの出力を受け取り、前記交流電源からの出力電圧を使用して前記送電共振コイルの共振周波数の調整を行う送電側制御部を有する、
ことを特徴とする付記１１に記載の無線電力伝送システム。
【０１９９】
（付記１３）
前記送電側制御部は、
前記交流電源からの出力電圧を、前記送電器から前記受電器に対して電力を伝送するときの電圧よりも低い電圧にして、前記送電共振コイルの共振周波数の調整を行う、
ことを特徴とする付記１２に記載の無線電力伝送システム。
【０２００】
（付記１４）
前記送電側制御部による前記送電共振コイルの共振周波数の調整は、前記受電側制御部による前記受電共振コイルの共振周波数の調整の直前に行う、
ことを特徴とする付記１３に記載の無線電力伝送システム。
【０２０１】
（付記１５）
前記送電側制御部による前記送電共振コイルの共振周波数は、前記受電側制御部による前記受電共振コイルの共振周波数と同じ周波数である、
ことを特徴とする付記１３または付記１４に記載の無線電力伝送システム。
【０２０２】
（付記１６）
前記送電器は、さらに、
前記送電共振コイルの温度を測定する第２温度センサを有し、
前記送電側制御部は、
前記第２温度センサからの第２温度信号を受け取って制御を行う、
ことを特徴とする付記１２乃至付記１５のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
【０２０３】
（付記１７）
前記送電側制御部は、
前記第２温度センサからの第２温度信号と共に、前記受電側通信部および前記送電側通信部を介して前記受電器の前記第１温度センサからの第１温度信号を受け取って、温度異常時の処理を行う、
ことを特徴とする付記１６に記載の無線電力伝送システム。
【０２０４】
（付記１８）
前記送電器は、さらに、
前記交流電源からの出力電圧の位相および前記送電共振コイルを流れる電流の位相を比較する第２位相比較部と、
前記第２位相比較部から出力される位相差を目標値に従って制御する送電側フィードバック制御部と、を有し、
前記送電側フィードバック制御部は、
前記送電共振コイルに設けられた容量値が可変のコンデンサを制御して、前記送電共振コイルの共振周波数の調整を行う、
ことを特徴とする付記１０乃至付記１７のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
【０２０５】
（付記１９）
送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受電器が受け取る無線電力伝送方法であって、
前記受電器に対して所定の周波数で発振する電圧を出力する受電側位相調整用発振部を設け、
前記受電側位相調整用発振部からの出力電圧を使用して前記受電器の共振周波数の調整を行う、
ことを特徴とする無線電力伝送方法。
【０２０６】
（付記２０）
前記送電器における交流電源からの出力電圧を、前記送電器から前記受電器に対して電力を伝送するときの電圧よりも低い電圧にして、前記送電器の共振周波数の調整を行い、
前記送電器の共振周波数は、前記受電器の共振周波数と同じ周波数である、
ことを特徴とする付記１９に記載の無線電力伝送方法。
【符号の説明】
【０２０７】
１    送電器(一次側：送電側)
２    受電器(二次側：受電側)
１１    交流電源
１２    電力供給コイル
１３    送電共振コイル(ＬＣ共振器)
１４    送電側制御回路
１６    送電側制御部
１７    送電側通信部
２１    負荷デバイス
２２    受電共振コイル(ＬＣ共振器)
２３    電力取出コイル
２４    受電側制御回路
２６    受電側制御部
２７    受電側通信部
２８    受電側位相調整用発振部
２９    ダミー負荷
１００    温度センサ(第２温度センサ)
１３２，２２２    コンデンサ(可変コンデンサ：可変容量デバイス)
１４３，２４３    目標値設定部
１４４    送電側フィードバック制御部
１４５    位相送信部
１５１    位相比較部(第２位相比較部)
２００    温度センサ(第１温度センサ)
２１１    整流回路(整流用ＩＣ)
２１２    負荷抵抗
２４１    位相受信部
２４４    受電側フィードバック制御部
２５１    位相比較部(第１位相比較部)
ＳＣ    送電系コイル
ＪＣ    受電系コイル
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る受電共振コイルと、
所定の周波数で発振する電圧を出力する受電側位相調整用発振部と、
前記送電器との間で通信を行う受電側通信部と、
前記受電側通信部からの出力を受け取り、前記受電側位相調整用発振部からの出力電圧を使用して前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行う受電側制御部と、を有する、
ことを特徴とする受電器。
【請求項２】
さらに、
前記受電共振コイルからの電力を、電磁誘導を利用して受け取る電力取出コイルと、
前記電力取出コイルから取り出された電力を受け取る負荷デバイスと、
前記負荷デバイスに相当する抵抗値を有するダミー負荷と、を有し、
前記受電側制御部は、
前記受電共振コイルに対して前記受電側位相調整用発振部の出力電圧を印加すると共に、前記電力取出コイルの負荷を前記ダミー負荷として前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の受電器。
【請求項３】
前記受電側制御部は、
前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行った後、前記受電側位相調整用発振部を停止して、前記受電共振コイルが前記送電器からの電力を受け取るようにすると共に、前記電力取出コイルの負荷を前記負荷デバイスとして前記送電器からの電力を受け取る、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の受電器。
【請求項４】
さらに、
前記受電側位相調整用発振部からの出力電圧の位相および前記受電共振コイルを流れる電流の位相を比較する第１位相比較部と、
前記第１位相比較部から出力される位相差を目標値に従って制御する受電側フィードバック制御部と、を有し、
前記受電側フィードバック制御部は、
前記受電共振コイルに設けられた可変のコンデンサを制御して、前記受電共振コイルの共振周波数の調整を行う、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の受電器。
【請求項５】
前記受電共振コイルの共振周波数の調整は、所定の間隔で繰り返して行う、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の受電器。
【請求項６】
さらに、
前記受電共振コイルの温度を測定する第１温度センサを有し、
前記受電側制御部は、
前記第１温度センサからの第１温度信号を受け取って制御を行う、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の受電器。
【請求項７】
少なくとも１つの送電器、および、少なくとも１つの受電器を含む無線電力伝送システムであって、
前記受電器は、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の受電器である、
ことを特徴とする無線電力伝送システム。
【請求項８】
前記送電器は、
所定の周波数で発振する電圧を出力する交流電源と、
前記交流電源の出力電圧を受け取る電力供給コイルと、
前記電力供給コイルからの電力を、電磁誘導を利用して受け取り、前記受電共振コイルに対して、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により電力を伝送する送電共振コイルと、
前記受電器との間で通信を行う送電側通信部と、
前記送電側通信部からの出力を受け取り、前記交流電源からの出力電圧を使用して前記送電共振コイルの共振周波数の調整を行う送電側制御部と、を有する、
ことを特徴とする請求項７に記載の無線電力伝送システム。
【請求項９】
前記送電器は、さらに、
前記送電側通信部からの出力を受け取り、前記交流電源からの出力電圧を使用して前記送電共振コイルの共振周波数の調整を行う送電側制御部と、
前記送電共振コイルの温度を測定する第２温度センサと、を有し、
前記送電側制御部は、
前記第２温度センサからの第２温度信号を受け取って制御を行う、
ことを特徴とする請求項８に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１０】
送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受電器が受け取る無線電力伝送方法であって、
前記受電器に対して所定の周波数で発振する電圧を出力する受電側位相調整用発振部を設け、
前記受電側位相調整用発振部からの出力電圧を使用して前記受電器の共振周波数の調整を行う、
ことを特徴とする無線電力伝送方法。
【国際調査報告】
2014118895.tif 000021
2014118895.tif 000022
2014118895.tif 000023
2014118895.tif 000024