(57)【要約】  電力伝送を効率的に行うことができる電力伝送装置、及び、電力伝送方法を提供する。  電力伝送装置は、交流電源に接続される１次側コイルと、前記１次側コイルから電磁誘導によって電力を受電する１次側共振コイルと、前記１次側共振コイルとの間で生じる磁界共鳴によって前記１次側共振コイルから電磁誘導により電力を受電する２次側共振コイルと、前記２次側共振コイルから電磁誘導によって電力を受電する２次側コイルと、前記１次側共振コイルに供給される電圧の位相に対する、前記１次側共振コイルに流れる電流の位相の位相差を検出する位相差検出部と、前記１次側共振コイルに設けられる可変容量部と、前記可変容量部の静電容量を変化させたときの前記静電容量の変化量に対する前記位相差の変化度合に基づき、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合を判定する判定部とを含む。
2014207804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に接続される１次側コイルと、
前記１次側コイルから電磁誘導によって電力を受電する１次側共振コイルと、
前記１次側共振コイルとの間で生じる磁界共鳴によって前記１次側共振コイルから電磁誘導により電力を受電する２次側共振コイルと、
前記２次側共振コイルから電磁誘導によって電力を受電する２次側コイルと、
前記１次側共振コイルに供給される電圧の位相に対する、前記１次側共振コイルに流れる電流の位相の位相差を検出する位相差検出部と、
前記１次側共振コイルに設けられる可変容量部と、
前記可変容量部の静電容量を変化させたときの前記静電容量の変化量に対する前記位相差の変化度合に基づき、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合を判定する判定部と
を含む、電力伝送装置。
【請求項２】
前記判定部は、前記静電容量を増大させたときの前記静電容量の変化量に対する前記位相差の変化度合が、第１の遅延度合以上の遅延を表す場合に、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が第１結合度合以下であると判定する、請求項１記載の電力伝送装置。
【請求項３】
前記位相差検出部によって検出される前記位相差に基づいて前記可変容量部の静電容量値を制御することにより、前記１次側共振コイルに共振電流が流れるようにフィードバック制御を行う制御部をさらに含み、
前記制御部は、前記判定部によって前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が前記第１結合度合以下であると判定された場合に、前記位相差検出部によって検出される前記位相差に基づいて前記可変容量部の静電容量を制御することにより、前記フィードバック制御を行う、請求項２記載の電力伝送装置。
【請求項４】
前記判定部は、前記静電容量を増大させたときの前記静電容量の変化量に対する前記位相差の変化度合が、第１の遅延度合未満である場合に、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合は、第１結合度合より大きいと判定し、
前記制御部は、前記判定部によって前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が前記第１結合度合より大きいと判定された場合には、前記フィードバック制御を行わない制御モードを選択する、請求項３記載の電力伝送装置。
【請求項５】
前記判定部は、前記静電容量を増大させたときの前記静電容量の変化量に対する前記位相差の変化度合が、第１の遅延度合未満である場合に、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が、前記第１結合度合よりも大きい第２結合度合以上であるかどうかを判定し、
前記制御部は、前記判定部によって前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が前記第２結合度合以上と判定された場合には、前記フィードバック制御を行う制御系のゲインを逆極性のゲインに変換させた状態で前記フィードバック制御を行う、請求項３記載の電力伝送装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記判定部によって前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が前記第１結合度合以上と判定された場合には、ｋＱ積を低減させた状態で前記フィードバック制御を行う、請求項３記載の電力伝送装置。
【請求項７】
前記前記１次側共振コイルに設けられるエレメントをさらに含み、
前記エレメントを切り替えて結合係数ｋ又はＱ値を変化させることにより、前記ｋＱ積を低減させる、請求項６記載の電力伝送装置。
【請求項８】
前記可変容量部は、前記１次側共振コイルに接続される可変容量素子である、請求項１乃至７のいずれか一項記載の電力伝送装置。
【請求項９】
前記可変容量素子は、前記１次側共振コイルの両端に接続される、請求項８記載の電力伝送装置。
【請求項１０】
前記１次側共振コイルは、伸縮可能であり、かつ、伸縮することによって前記可変容量部として機能し、
前記制御部は、前記１次側共振コイルの長さを調整することで、前記１次側共振コイルの静電容量を制御する、請求項３乃至６のいずれか一項記載の電力伝送装置。
【請求項１１】
交流電源に接続される１次側コイルと、
前記１次側コイルから電磁誘導によって電力を受電する１次側共振コイルと、
前記１次側共振コイルとの間で生じる磁界共鳴によって前記１次側共振コイルから電磁誘導により電力を受電する２次側共振コイルと、
前記２次側共振コイルから電磁誘導によって電力を受電する２次側コイルと、
前記１次側共振コイルに供給される電圧の位相に対する、前記１次側共振コイルに流れる電流の位相の位相差を検出する位相差検出部と、
前記１次側共振コイルに設けられる可変容量部と
を含む電力伝送装置における電力伝送方法であって、
前記可変容量部の静電容量を変化させたときの前記静電容量の変化量に対する前記位相差の変化度合に基づき、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合を判定する、電力伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力伝送装置、及び、電力伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、受電装置の受電用共鳴器と電磁場を介して共鳴することにより受電装置へ非接触で送電する送電用共鳴器と、送電用共鳴器に接続され、所定の高周波電圧を発生する電源装置と、電源装置を制御することによって送電用共鳴器から受電用共鳴器への給電を制御する制御装置とを備える非接触給電設備がある。この非接触給電設備では、制御装置は、送電用共鳴器と受電用共鳴器との間の距離に応じて変化するインピーダンスの周波数特性に基づいて給電制御を実行する（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５２４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来の非接触給電設備は、インピーダンスの周波数特性を求めるために、高周波電力の周波数を変化させている。【０００５】
しかしながら、高周波電力の周波数は、法律等によって割り当てが定められており、自由に変化させることができないおそれがある。例えば、日本では、総務省によって割り当てられた周波数の高周波電力のみを用いることができるが、割り当てられていない周波数の高周波電力を用いることはできない。【０００６】
従って、従来の非接触給電設備には、給電制御を効率的に行いにくいという課題がある。【０００７】
そこで、電力伝送を効率的に行うことができる電力伝送装置、及び、電力伝送方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施の形態の電力伝送装置は、交流電源に接続される１次側コイルと、前記１次側コイルから電磁誘導によって電力を受電する１次側共振コイルと、前記１次側共振コイルとの間で生じる磁界共鳴によって前記１次側共振コイルから電磁誘導により電力を受電する２次側共振コイルと、前記２次側共振コイルから電磁誘導によって電力を受電する２次側コイルと、前記１次側共振コイルに供給される電圧の位相に対する、前記１次側共振コイルに流れる電流の位相の位相差を検出する位相差検出部と、前記１次側共振コイルに設けられる可変容量部と、前記可変容量部の静電容量を変化させたときの前記静電容量の変化量に対する前記位相差の変化度合に基づき、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合を判定する判定部とを含む。
【発明の効果】
【０００９】
電力伝送を効率的に行うことができる電力伝送装置、及び、電力伝送方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１の電力伝送装置を含む送電システム１０を示す図である。
【図２】実施の形態１の電力伝送装置１００を示す図である。
【図３】図２に示す電力伝送装置１００の制御系を示すブロック図である。
【図４】図２及び図３に示す電力伝送装置における共振周波数の制御を説明するための図である。
【図５】図２及び図３に示す電力伝送装置における共振周波数の制御を説明するための図である。
【図６】図２及び図３に示す電力伝送装置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７】図２及び図３に示す電力伝送装置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８】距離Ｄの変化による１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流の電流値の周波数特性を示す図である。
【図９】距離Ｄの変化による１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流の位相の周波数特性を示す図である。
【図１０】距離Ｄと、送電側から受電側へ伝送される電力の伝送効率との関係を示す図である。
【図１１】実施の形態１の電力伝送装置１００における、距離Ｄに対する伝送効率の低下率の特性を示す図である。
【図１２】実施の形態１の電力伝送装置１００の判定制御部１６０が実行する処理を示す図である。
【図１３】実施の形態１の変形例による１次側共振コイル１３Ａを示す図である。
【図１４】実施の形態２の電力伝送装置の判定制御部１６０が実行する処理を示す図である。
【図１５】実施の形態３の電力伝送装置の判定制御部１６０が実行する処理を示す図である。
【図１６】実施の形態３の電力伝送装置の１次側コイル１２、１次側共振コイル１３、２次側共振コイル２２、及び２次側コイル２３の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の電力伝送装置、及び、電力伝送方法を適用した実施の形態について説明する。
【００１２】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１の電力伝送装置を含む送電システム１０を示す図である。
【００１３】
図１に示すように、送電システム１０は、一次側(送電側)の送電器１と二次側(受電側)の受電器２を含む。送電システム１０は、送電器１及び受電器２を複数含んでもよい。なお、図１では実施の形態１の電力伝送装置を省略する。
【００１４】
送電器１は、交流電源１１と、１次側コイル１２及び１次側共振コイル１３を含む送電系コイルＴＣとを有し、受電器２は、２次側共振コイル２２及び２次側コイル２３を含む受電系コイルＲＣと、負荷デバイス２１とを有する。
【００１５】
図１に示すように、送電器１及び受電器２は、１次側共振コイル(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、１次側共振コイル１３から２次側共振コイル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】
また、実施の形態１では、交流電源１１が出力する交流電圧の周波数が６．７８ＭＨｚであり、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数が６．７８ＭＨｚである場合について説明する。
【００１７】
なお、送電系コイルＴＣにおいて、１次側コイル１２から１次側共振コイル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ＲＣにおいて、２次側共振コイル２２から２次側コイル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。
【００１８】
図２は、実施の形態１の電力伝送装置１００を示す図である。図２に示す電力伝送装置１００は、図１に示す送電システム１０に含まれる。図２に示すように、電力伝送装置１００は、送電系コイルＴＣ、受電系コイルＲＣ、交流電源１１、送電側制御回路１４、負荷となるデバイス２１、及び、受電側制御回路２４を備える。
【００１９】
なお、実施の形態１の電力伝送装置１００は、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の結合度合を判定する判定部を含むが、図２では省略する。判定部については、図３を用いて後述する。
【００２０】
送電系コイルＴＣは、１次側コイル１２及び１次側共振コイル１３を含む。１次側コイル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。
【００２１】
１次側共振コイル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、及び、コイル１３１の両端に接続されたコンデンサ１３２を含み、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。
【００２２】
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。
【００２３】
１次側共振コイル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。コンデンサ１３２は、可変容量素子の一例である。
【００２４】
図２に示す電力伝送装置では、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。
【００２５】
１次側コイル１２及び１次側共振コイル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、１次側共振コイル１３の内側に１次側コイル１２が設けられた状態で配置される。或いは、１次側共振コイル１３及び１次側コイル１２は、同軸上で適当な距離をあけて配置してもよい。
【００２６】
この状態で、交流電源１１から１次側コイル１２に交流電圧が印加されると、１次側コイル１２に生じた交番磁界による電磁誘導によって１次側共振コイル１３に共振電流が流れる。すなわち、電磁誘導によって、１次側コイル１２から１次側共振コイル１３に電力が伝送される。
【００２７】
また、受電系コイルＲＣは、２次側共振コイル２２及び２次側コイル２３を含む。２次側共振コイル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、及び、コイル２２１の両端に接続されたコンデンサ２２２を含む。２次側共振コイル２２の共振周波数ｆ0は、コイル２２１のインダクタンス及びコンデンサ２２２の静電容量に従って、前述した式(1)で示される。
【００２８】
２次側共振コイル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に示す電力伝送装置では、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。
【００２９】
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。
【００３０】
２次側コイル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。
【００３１】
２次側共振コイル２２及び２次側コイル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、２次側共振コイル２２の内側に２次側コイル２３が設けられた状態で配置される。或いは、２次側共振コイル２２及び２次側コイル２３は、同軸上で適当な距離をあけて配置してもよい。
【００３２】
この状態で、２次側共振コイル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２次側コイル２３に電流が流れる。すなわち、電磁誘導によって、２次側共振コイル２２から２次側コイル２３に電力が送られる。
【００３３】
ここで、送電系コイルＴＣから受電系コイルＲＣへは、磁界共鳴によって無線で電力を伝送するため、図２に示すように、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。
【００３４】
図２に示すように、電力伝送装置１００において、コイル軸心ＫＴ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ＴＣから受電系コイルＲＣに向かう方向が送電方向ＴＤである。
【００３５】
ここで、１次側共振コイル１３の共振周波数ｆｔ及び２次側共振コイル２２の共振周波数ｆｒ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。
【００３６】
図２に示す電力伝送装置１００では、送電側制御回路１４及び受電側制御回路２４により、交流電源１１の位相φｖｔ、並びに、１次側共振コイル１３及び２次側共振コイル２２に流れる電流の位相φｉｔ及びφｉｒを用いて、共振周波数ｆｔとｆｒの制御を行う。共振周波数ｆｔとｆｒは、交流電源１１の周波数ｆｄと等しくなるように制御される。
【００３７】
ここで、送電側制御回路１４は、送電系コイルＴＣに印加される電圧Ｖｔの位相φｖｔ及び送電系コイルＴＣに流れる電流Ｉｔの位相φｉｔを検出し、位相差Δφｔが所定の目標値φｍｔとなるように、送電系コイルＴＣの共振周波数ｆｔを可変制御する。
【００３８】
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、フィードバック制御部１４４、及び、位相送信部１４５を有する。
【００３９】
電流検出センサＳＥ１は、１次側共振コイル１３に流れる電流Ｉｔ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Ｉｔの波形に応じた電圧信号を出力する。
【００４０】
位相検出部１４１は、１次側コイル１２に印加される電圧Ｖｔの位相φｖｔを検出し、例えば、電圧Ｖｔ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Ｖｔ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。
【００４１】
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、１次側共振コイル１３に流れる電流Ｉｔの位相φｉｔを検出し、例えば、電流Ｉｔ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。
【００４２】
目標値設定部１４３は、位相差Δφｔの目標値φｍｔ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φｍｔを記憶するためのメモリが設けられている。目標値φｍｔ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。
【００４３】
なお、目標値φｍｔ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。
【００４４】
フィードバック制御部１４４は、交流電源１１の電圧Ｖｔの位相φｖｔと１次側共振コイル１３の電流Ｉｔの位相φｉｔとの位相差Δφｔが、設定された目標値φｍｔとなるように、１次側共振コイル１３の共振周波数ｆｔを可変制御する。
【００４５】
位相送信部１４５は、１次側コイル１２に供給される電圧Ｖｔの位相φｖｔ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Ｖｔ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。
【００４６】
受電側制御回路２４は、送電系コイルＴＣに供給される電圧ＶＴの位相φｖｔ及び受電系コイルＲＣに流れる電流ＩＲの位相φｉｒを検出し、それらの位相差Δφｒが所定の目標値φｍｒとなるように、受電系コイルＲＣの共振周波数ｆｒを可変制御する。
【００４７】
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、及び、フィードバック制御部２４４を有する。
【００４８】
電流検出センサＳＥ２は、２次側共振コイル２２に流れる電流Ｉｒ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Ｉｒの波形に応じた電圧信号を出力する。
【００４９】
位相受信部２４１は、位相送信部１４５から送信された位相φｖｔ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Ｖｔに応じた電圧信号を出力する。
【００５０】
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、２次側共振コイル２２に流れる電流Ｉｒの位相φｉｒを検出し、例えば、電流Ｉｒ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。
【００５１】
目標値設定部２４３は、位相差Δφｒの目標値φｍｒ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φｍｒを記憶するためのメモリが設けられている。目標値φｍｒとして、例えば、送電側制御回路１４における目標値φｍｔに「−９０°(−π／２ radian)」を加算した値が設定される。
【００５２】
すなわち、目標値φｍｒ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φｍｒの設定方法などについては、目標値φｍｔの場合と同様である。
【００５３】
フィードバック制御部２４４は、交流電源１１の電圧Ｖｔの位相φｖｔと２次側共振コイル２２の電流Ｉｒの位相φｉｒとの位相差Δφｒが、設定された目標値φｍｒとなるように、２次側共振コイル２２の共振周波数ｆｒを可変制御する。
【００５４】
なお、送電側制御回路１４における目標値設定部１４３とフィードバック制御部１４４は、共振周波数制御部の一例である。同様に、受電側制御回路２４における目標値設定部２４３とフィードバック制御部２４４は、共振周波数制御部の一例である。
【００５５】
また、上述のように、送電系コイルＴＣと受電系コイルＲＣは、図２に示すように、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ことが望ましい。
【００５６】
しかしながら、送電系コイルＴＣは電力を送電する装置側に配設され、受電系コイルＲＣは電力を受電する装置側に配設されるため、送電系コイルＴＣに含まれる１次側共振コイル１３と、受電系コイルＲＣに含まれる２次側共振コイル２２との位置関係は、常に一定ではなく、変化しうる。
【００５７】
また、磁界共鳴による電力の伝送は、電磁誘導による電力の伝送よりも電力を伝送可能な距離が長く、送電側と受電側がより離れている場合でも電力を伝送することができる。
【００５８】
このため、磁界共鳴による電力の伝送を行う場合には、送電側と受電側との間にある程度の距離がある場合がある。そして、電力伝送装置１００の用途によっては、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との間の距離は、送電側から受電側に電力を伝送する度に異なる可能性がある。
【００５９】
また、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の結合度合は、互いの間の距離等に応じて変わる。
【００６０】
このようなことから、実施の形態１の電力伝送装置１００は、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の結合度合に応じて、電力の伝送効率を最適化するために、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の結合度合を判定する。
【００６１】
図３は、図２に示す電力伝送装置１００の制御系を示すブロック図である。図３には、送電器１のフィードバック制御部１４４、判定制御部１６０、及び、受電器２のフィードバック制御部２４４の詳細を示す。
【００６２】
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１次側共振コイル１３に流れる電流Ｉｔの位相φｉｔが直接出力されているが、この位相φｉｔは、例えば、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。
【００６３】
図３に示すように、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、及び、ドライバ１５６を備える。
【００６４】
位相比較部１５１は、電流検出センサＳＥ１で検出された電流Ｉｔの位相φｉｔと、交流電源１１の電圧Ｖｔの位相φｖｔとを比較し、位相φｉｔと位相φｖｔとの位相差Δφｔを表す信号を出力する。位相比較部１５１から出力される位相差Δφｔを表す信号は、加算部１５２と判定制御部１６０に入力される。位相比較部１５１は、位相差検出部の一例である。
【００６５】
加算部１５２は、位相比較部１５１の出力する位相差Δφｔから、目標値設定部１４３に設定された目標値φｍｔを減算(反転して加算)する。従って、位相差Δφｔと目標値φｍｔが一致したときに、加算部１５２の出力は零となる。
【００６６】
加算部１５２の出力は、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及び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。
【００６７】
なお、ゲイン調整部１５４の調整端子１５４Ａには、判定制御部１６０からゲイン調整信号が入力される。ゲイン調整部１５４のゲインは、判定制御部１６０によって調整される。
【００６８】
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、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。
【００６９】
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。
【００７０】
なお、補償部１５５のオン／オフ制御端子１５５Ａは、判定制御部１６０に接続されている。補償部１５５は、判定制御部１６０からオン／オフ制御端子１５５Ａにオフ信号が入力されているときは、出力信号を出力しない。この結果、フィードバック制御が行われなくなる。補償部１５５は、判定制御部１６０からオン／オフ制御端子１５５Ａにオン信号が入力されると、出力信号を出力する。この結果、フィードバック制御が行われる。
【００７１】
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ＫＴｔ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。ドライバ１５６の制御端子１５６Ａには、判定制御部１６０からコンデンサ１３２の静電容量を調整する信号が入力される。
【００７２】
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及び上部電極を設け、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。
【００７３】
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。
【００７４】
判定制御部１６０は、判定部の一例である。判定制御部１６０は、位相比較部１５１の出力端子、ゲイン調整部１５４の調整端子１５４Ａ、補償部１５５のオン／オフ制御端子１５５Ａ、及びドライバ１５６の制御端子１５６Ａに接続されている。
【００７５】
判定制御部１６０は、補償部１５５をオフにした状態で、ドライバ１５６にコンデンサ１３２の静電容量を掃引させ、位相比較部１５１で検出される電流Ｉｔの位相φｉｔと電圧Ｖｔの位相φｖｔとの位相差の変化度合に基づいて、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合を判定する。
【００７６】
また、判定制御部１６０は、判定結果に基づき、ゲイン調整部１５４のゲインの調整、又は、補償部１５５のオン／オフの制御を行う。
【００７７】
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、及び、極性反転部２５７を備える。
【００７８】
なお、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。
【００７９】
なお、図２における送電側制御回路１４及び受電側制御回路２４、並びに、図３におけるフィードバック制御部１４４、判定制御部１６０、及び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。
【００８０】
例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ及び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。
【００８１】
図４及び図５は、図２及び図３に示す電力伝送装置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４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５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。
【００８２】
なお、位相φは、交流電源１１の電圧Ｖｔの位相φｖｔ、つまり１次側コイル１２に供給される電圧Ｖｔの位相φｖｔを基準とし、その位相差Δφを示す。すなわち、位相φｖｔと一致した場合には、位相φが０となる。位相φが負の値である場合は、交流電源１１から出力される交流電圧Ｖｔの位相φｖｔに対して、電流の位相が遅れていることを表す。一方、電流の位相φが正の値である場合は、交流電源１１から出力される交流電圧Ｖｔの位相φｖｔに対して、電流の位相が進んでいることを表す。
【００８３】
各曲線に付した参照符号ＣＢＡ１〜ＣＢＡ４及びＣＢＢ１〜ＣＢＢ４において、末尾の数字１、２、３、４は、それぞれ、１次側コイル１２、１次側共振コイル１３、２次側共振コイル２２、２次側コイル２３に対応することを示す。
【００８４】
さらに、図４及び図５は、共振周波数制御において、１次側共振コイル１３、または、１次側共振コイル１３及び２次側共振コイル２２を、その共振周波数ｆｔ，ｆｒが１０ＭＨｚとなるように制御する場合を示す。
【００８５】
このとき、目標値設定部１４３の目標値φｍｔは「−π radian (−１８０°)」に設定され、目標値設定部２４３の目標値φｍｒは「−３π／２ radian (−２７０°)」に設定される。
【００８６】
すなわち、目標値φｍｒは、目標値φｍｔに−π／２を加算した値「φｍｔ−π／２」、つまり目標値φｍｔよりもπ／２遅れた位相が設定される。
【００８７】
曲線ＣＢＡ２に示すように、１次側共振コイル１３の電流Ｉｔ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に示すように、１次側共振コイル１３の電流Ｉｔの位相φｉｔは、共振周波数ｆｔである１０ＭＨｚにおいて、−πとなっている。つまり、目標値φｍｔと一致している。
【００８８】
ここで、１次側共振コイル１３は、１次側コイル１２からみて直列共振回路と見ることができ、共振周波数ｆｔ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。
【００８９】
このように、１次側共振コイル１３に流れる電流Ｉｔの位相φｉｔは、共振周波数ｆｔの近辺において大きく変化する。位相φｉｔつまり位相差Δφｔが−πとなるように制御することによって、１次側共振コイル１３の共振周波数ｆｔを電圧Ｖｔの周波数ｆｄに高精度で一致させることができる。
【００９０】
なお、曲線ＣＢＡ１に示すように、１次側コイル１２に流れる電流Ｉも、共振周波数ｆｔにおいて最大となる。曲線ＣＢＢ１に示すように、１次側コイル１２に流れる電流Ｉの位相φｉは、共振周波数ｆｔの近辺において零または進み位相となり、共振周波数ｆｔから外れると−π／２となる。
【００９１】
曲線ＣＢＡ３に示すように、２次側共振コイル２２の電流Ｉｒ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。
【００９２】
曲線ＣＢＢ３に示すように、２次側共振コイル２２の電流Ｉｒの位相φｉｒは、共振周波数ｆｔである１０ＭＨｚにおいて、−３π／２となっている。つまり、目標値φｍｒと一致している。また、周波数ｆｄが共振周波数ｆｔ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ｆｔ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。
【００９３】
このように、１次側共振コイル１３及び２次側共振コイル２２に流れる電流Ｉｔ，Ｉｒの位相φｉｔ，φｉｒは、共振周波数ｆｔ，ｆｒの近辺において大きく変化する。位相φｉｔ，φｉｒつまり位相差Δφｔ，Δφｒが−πまたは−３π／２となるように制御することによって、１次側共振コイル１３及び２次側共振コイル２２の共振周波数ｆｔ，ｆｒを電圧Ｖｔの周波数ｆｄに高精度で一致させることができる。
【００９４】
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ＴＣ及び受電系コイルＲＣ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。
【００９５】
さらに、交流電源の電圧Ｖｔ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。
【００９６】
なお、スイープサーチ法では、例えば、送電系コイルＴＣまたは受電系コイルＲＣ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。
【００９７】
図６及び図７は、図２及び図３に示す電力伝送装置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６に示すように、シミュレーション条件としては、１次側コイル１２及び１次側共振コイル１３を同一平面上で同心状に配置し、２次側共振コイル２２及び２次側コイル２３も同一平面上で同心状に配置した。
【００９８】
また、送電系コイルＴＣ(１次側コイル１２及び１次側共振コイル１３)と受電系コイルＲＣ(２次側共振コイル２２及び２次側コイル２３)との距離Ｄ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。
【００９９】
さらに、図７に示すように、１次側コイル１２の外径をφ２０ｍｍとし巻数を１回に設定し、１次側共振コイル１３の外径をφ４０ｍｍとし巻数を５回に設定した。また、２次側共振コイル２２の外径をφ３０ｍｍとし巻数を５回に設定し、２次側コイル２３の外径をφ２０ｍｍとし巻数を１回に設定した。なお、１次側共振コイル１３及び２次側共振コイル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。
【０１００】
次に、図８を用いて、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との間の距離Ｄ（図６参照）を変えることによって１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合を変えた場合における１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の電流と位相の周波数特性について説明する。
【０１０１】
図８は、距離Ｄの変化による１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流の電流値の周波数特性を示す図である。図９は、距離Ｄの変化による１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流の位相の周波数特性を示す図である。
【０１０２】
図８及び図９に示す６つの周波数特性は、シミュレーションにおいて、距離Ｄを変化させるとともに、交流電源１１から出力される交流電圧の周波数を変化させることによって得たものである。
【０１０３】
図８の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）には、それぞれ、距離Ｄを３０ｍｍ、２０ｍｍ、１０ｍｍにした場合における１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流の電流値の周波数特性を示す。
【０１０４】
図８の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）における横軸は、交流電源１１から出力される交流電圧の周波数を示し、縦軸は１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流の電流値を示す。実線は１次側共振コイル１３に流れる電流の電流値を示し、破線は２次側共振コイル２２に流れる電流の電流値を示す。
【０１０５】
図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）には、それぞれ、距離Ｄを３０ｍｍ、２０ｍｍ、１０ｍｍにした場合の位相の１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流の位相の周波数特性を示す。
【０１０６】
図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）における横軸は、交流電源１１から出力される交流電力の周波数を示す。横軸に表される交流電源１１から出力される交流電力の周波数は、１次側共振コイル１３に与える電力の周波数に等しい。
【０１０７】
また、図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）における縦軸は１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流の位相を示す。実線は１次側共振コイル１３に流れる電流の位相を示し、破線は２次側共振コイル２２に流れる電流の位相を示す。
【０１０８】
ここで、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流の位相は、交流電源１１から出力される交流電圧の位相を基準とした位相差として表してある。すなわち、図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）には、交流電源１１から出力される交流電圧の位相を０(degrees)とした場合の１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流の位相を表す。
【０１０９】
図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）には、交流電源１１から出力される交流電圧の位相に対して１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流の位相が遅れるか、進むかが表される。
【０１１０】
図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）において、位相が負の値である場合は、交流電源１１から出力される交流電圧の位相に対して、電流の位相が遅れていることを表す。一方、電流の位相が正の値である場合は、交流電源１１から出力される交流電圧の位相に対して、電流の位相が進んでいることを表す。
【０１１１】
なお、図８及び図９の（Ａ）に示す距離Ｄが３０ｍｍの場合は、結合係数ｋが０．０２、Ｑ値がＱ＝１４５であり、ｋＱ積は約３．１である。図８及び図９の（Ｂ）に示す距離Ｄが２０ｍｍの場合は、結合係数ｋが０．０６、Ｑ値がＱ＝１４５であり、ｋＱ積は約８．３である。また、図８及び図９の（Ｃ）に示す距離Ｄが１０ｍｍの場合は、結合係数ｋが０．２、Ｑ値がＱ＝１４４であり、ｋＱ積は約２９である。
【０１１２】
ｋＱ積が高いほど、１次側共振コイル１３から２次側共振コイル２２への電力の伝送効率が高いため、ここでは便宜的に、Ｄ＝３０ｍｍの場合を弱結合、Ｄ＝２０ｍｍの場合を中結合、Ｄ＝１０ｍｍの場合を強結合と称す。
【０１１３】
弱結合、中結合、強結合は、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の結合度合を表す相対的な概念である。１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の結合度合が弱結合、中結合、強結合のいずれであるかは、距離Ｄだけではなく、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の外径、巻数、又はピッチ等によっても変わるため、距離Ｄの範囲だけで定義することは難しい。
【０１１４】
実施の形態１の電力伝送装置１００における弱結合、中結合、強結合の判断方法については後述する。
【０１１５】
図８の（Ａ）に示すように、弱結合（Ｄ＝１０ｍｍ）の場合に１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流は、ともに単峰型である。電流の最大値は、６．７８ＭＨｚにおいて得られており、これは、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数（６．７８ＭＨｚ）に等しい。
【０１１６】
図８の（Ｂ）に示すように、中結合（Ｄ＝２０ｍｍ）の場合に１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流は、ともに双峰型である。電流の最大値は、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数（６．７８ＭＨｚ）よりも低い約６．５ＭＨｚと、共振周波数（６．７８ＭＨｚ）よりも高い約７．１ＭＨｚにおいて得られている。
【０１１７】
図８の（Ｃ）に示すように、強結合（Ｄ＝３０ｍｍ）の場合に１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流は、ともに双峰型である。電流の最大値は、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数（６．７８ＭＨｚ）よりも低い約６．２ＭＨｚと、共振周波数（６．７８ＭＨｚ）よりも高い約７．６ＭＨｚにおいて得られている。
【０１１８】
以上のように、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２に流れる電流は、結合度合が比較的低いときは単峰型の特性を示し、結合度合が比較的高いときは双峰型の特性を示す。結合度合が高くなるにつれて、双峰型の特性の２つのピークは離れる傾向にある。
【０１１９】
また、図９の（Ａ）に実線で示すように、弱結合（Ｄ＝３０ｍｍ）の場合に１次側共振コイル１３に流れる電流の位相は、交流電源１１から出力される交流電圧の周波数の増大に伴い、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数（６．７８ＭＨｚ）の前後で遅れる傾向（右下がりの傾向）を示す。
【０１２０】
また、図９の（Ａ）に破線で示すように、弱結合（Ｄ＝３０ｍｍ）の場合に２次側共振コイル２２に流れる電流の位相は、交流電源１１から出力される交流電圧の周波数の増大に伴い、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数（６．７８ＭＨｚ）の前後で遅延する傾向（右下がりの特性）を示す。
【０１２１】
また、図９の（Ｂ）に実線で示すように、中結合（Ｄ＝２０ｍｍ）の場合に１次側共振コイル１３に流れる電流の位相は、交流電源１１から出力される交流電圧の周波数の増大に伴い、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数（６．７８ＭＨｚ）の前後で変化しない傾向（フラットな特性）を示す。
【０１２２】
また、図９の（Ｂ）に破線で示すように、中結合（Ｄ＝２０ｍｍ）の場合に２次側共振コイル２２に流れる電流の位相は、交流電源１１から出力される交流電圧の周波数の増大に伴い、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数（６．７８ＭＨｚ）の前後で減少する傾向（右下がりの特性）を示す。
【０１２３】
また、図９の（Ｃ）に実線で示すように、強結合（Ｄ＝１０ｍｍ）の場合に１次側共振コイル１３に流れる電流の位相は、交流電源１１から出力される交流電圧の周波数の増大に伴い、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数（６．７８ＭＨｚ）の前後で進む傾向（右上がりの特性）を示す。
【０１２４】
また、図９の（Ｃ）に破線で示すように、強結合（Ｄ＝１０ｍｍ）の場合に２次側共振コイル２２に流れる電流の位相は、交流電源１１から出力される交流電圧の周波数の増大に伴い、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数（６．７８ＭＨｚ）の前後で緩やかに遅れる傾向（緩やかな右下がりの特性）を示す。
【０１２５】
ここで、図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に実線で示す１次側共振コイル１３に流れる電流の位相に着目する。
【０１２６】
図９の（Ａ）に実線で示す弱結合（Ｄ＝３０ｍｍ）の場合の１次側共振コイル１３に流れる電流の位相は、交流電源１１から出力される交流電圧の周波数の増大に伴い、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数（６．７８ＭＨｚ）の前後で遅れる傾向（右下がりの特性）を示す。
【０１２７】
また、図９の（Ｂ）に実線で示す中結合（Ｄ＝２０ｍｍ）の場合の１次側共振コイル１３に流れる電流の位相は、交流電源１１から出力される交流電圧の周波数の増大に伴い、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数（６．７８ＭＨｚ）の前後で変化しない傾向（フラットな特性）を示す。
【０１２８】
また、図９の（Ｃ）に実線で示す強結合（Ｄ＝１０ｍｍ）の場合の１次側共振コイル１３に流れる電流の位相は、交流電源１１から出力される交流電圧の周波数の増大に伴い、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数（６．７８ＭＨｚ）の前後で進む傾向（右上がりの特性）を示す。
【０１２９】
すなわち、１次側共振コイル１３に流れる電流の位相は、交流電源１１から出力される交流電圧の周波数の増大に伴い、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数（６．７８ＭＨｚ）の前後で、遅れる傾向（右下がりの特性）、変化しない傾向（フラットな特性）、又は、進む傾向（右上がりの特性）を示す。
【０１３０】
また、ここで、コンデンサ１３２の静電容量を大きくすると、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数は低下する。これとは逆に、コンデンサ１３２の静電容量を小さくすると、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数は上昇する。これは、上述した式（１）から明らかである。
【０１３１】
共振周波数が低下すると、図８の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す電流の周波数特性は、左側にシフトする。このため、共振周波数が低下すると、図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す位相の周波数特性も左側にシフトする。図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す位相の周波数特性は、位相が０度である点（共振点）と、図８の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す電流の周波数特性の共振周波数とが一致するように、シフトする。
【０１３２】
ここで、実際に電力伝送装置１００で送電側から受電側に電力の伝送を行う際には、交流電源１１が出力する交流電圧の周波数は、電力伝送装置１００に割り当てられている周波数に設定される。電力伝送装置１００に割り当てられている周波数は、実施の形態１では、６．７８ＭＨｚである。
【０１３３】
このため、コンデンサ１３２の静電容量が連続的に増大するように掃引して１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数を低下させた場合に、１次側共振コイル１３に流れる電流の位相に変化があると、位相比較部１５１（図３参照）の出力が変化する。位相比較部１５１は、交流電源１１が出力する６．７８ＭＨｚの交流電圧の位相φｖｔと、１次側共振コイル１３に流れる電流の位相φｉｔとの位相差Δφｔを表す信号を出力する。
【０１３４】
ここで、弱結合である場合は、コンデンサ１３２の静電容量を掃引して１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数を低下させると、図９の（Ａ）に示す右下がりの特性が左側にずれることにより、６．７８ＭＨｚの交流電圧の位相φｖｔに対する電流の位相φｉｔは遅れる。この場合は、位相比較部１５１が出力する位相差Δφｔを表す信号は、位相の遅れを表す。
【０１３５】
また、中結合である場合は、コンデンサ１３２の静電容量を掃引して１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数を低下させて、図９の（Ｂ）に示すフラットな特性が左側にずれても、６．７８ＭＨｚの交流電圧の位相φｖｔに対する電流の位相φｉｔは殆ど変化しない。この場合は、位相比較部１５１が出力する位相差Δφｔを表す信号は、位相の変化が殆どないことを表す。
【０１３６】
また、強結合である場合は、コンデンサ１３２の静電容量を掃引して１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数を低下させると、図９の（Ｃ）に示す右上がりの特性が左側にずれることにより、６．７８ＭＨｚの交流電圧の位相φｖｔに対する電流の位相φｉｔは進む。この場合は、位相比較部１５１が出力する位相差Δφｔを表す信号は、位相の進みを表す。
【０１３７】
このように、コンデンサ１３２の静電容量を大きくした場合の位相比較部１５１が出力する位相差Δφｔを表す信号の変化は、送電側のみで検出することができる。
【０１３８】
すなわち、受電側を動かさない状態で、かつ、補償部（図３参照）をオフにして送電側のフィードバック制御をオフにした状態で、コンデンサ１３２の静電容量を掃引して１次側共振コイル１３の共振周波数を低下させたときの位相比較部１５１の出力に基づいて、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の結合度合を判定することができる。なお、受電側を動かさない状態とは、送電側から受電側に電力を伝送するときとは異なり、送電側で結合状態を判定するために、ごく小さな電力の交流源力を交流電源１１から出力させる状態をいう。
【０１３９】
この場合に、判定制御部１６０（図３参照）で位相比較部１５１の出力を検出すれば、判定制御部１６０で、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の結合度合を判定することができる。
【０１４０】
このように、位相比較部１５１において、交流電圧の位相φｖｔと、１次側共振コイル１３に流れる電流の位相φｉｔとの位相差を監視できるため、実施の形態１の電力伝送装置１００では、１次側共振コイル１３に流れる電流の位相に着目する。
【０１４１】
ここで、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の結合度合が、弱結合、中結合、強結合のいずれであるかは、実施の形態１では、次のように判断する。
【０１４２】
実施の形態１では、コンデンサ１３２の静電容量が連続的に増大するように掃引して１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数を低下させたときに、位相比較部１５１が出力する位相差Δφｔを表す信号に応じて、弱結合、中結合、強結合のいずれであるかを判定すればよい。
【０１４３】
位相差Δφｔが、位相の遅れを表す第１の所定値以下である場合には、弱結合であると判定する。第１の所定値は、負の値であり、具体的な値は、距離Ｄと、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の外径、巻数、又はピッチ等とに基づいて、シミュレーション又は実験によって決定すればよい。
【０１４４】
また、位相差Δφｔが、第１の所定値より大きく、かつ、位相の進みを表す第２の所定値未満である場合には、中結合であると判定する。第２の所定値は、正の値であり、具体的な値は、距離Ｄと、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の外径、巻数、又はピッチ等とに基づいて、シミュレーション又は実験によって決定すればよい。
【０１４５】
また、位相差Δφｔが、第２の所定値以上である場合には、強結合であると判定すればよい。
【０１４６】
また、上述したように、磁界共鳴による電力の伝送は、電磁誘導による電力の伝送よりも電力を伝送可能な距離が長く、送電側と受電側がより離れている場合でも電力を伝送することができる。
【０１４７】
このため、磁界共鳴による電力の伝送を行う場合には、送電側と受電側との間にある程度の距離がある場合がある。
【０１４８】
このため、実施の形態１の電力伝送装置１００では、フィードバック制御部１４４及び２４４（図２及び図３参照）によるフィードバック制御におけるゲイン等の設定は、弱結合を基準に設定されており、コンデンサ１３２、２２２の静電容量の増大に対して、電流の位相が遅れることが前提になっていることとする。
【０１４９】
なお、ここでは、コンデンサ１３２の静電容量が連続的に増大するように掃引して１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数を低下させた場合の位相比較部１５１の出力に基づいて１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の結合度合を判定する形態について説明する。
【０１５０】
しかしながら、コンデンサ１３２の静電容量が連続的に減少するように掃引した場合の位相比較部１５１の出力に基づいて１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の結合度合を判定してもよい。
【０１５１】
コンデンサ１３２の静電容量を小さくすると、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数が上昇するので、コンデンサ１３２の静電容量を大きくする場合とは逆方向に位相がずれた場合に、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の結合度合を同様に判定すればよい。
【０１５２】
次に、図１０を用いて、距離Ｄと、送電側から受電側への電力の伝送効率との関係について説明する。
【０１５３】
図１０は、距離Ｄと、送電側から受電側へ伝送される電力の伝送効率との関係を示す図である。図１０の縦軸に示す伝送効率は、１次側コイル１２に入力される電力に対する２次側コイル２３から取り出される電力の比率である。１次側コイル１２と２次側コイル２３との間は、１次側共振コイル１３及び２次側共振コイル２２を経て電力が伝送される。
【０１５４】
図１０に示す横軸は、交流電源１１が出力する交流電圧の周波数である。図１０に示す伝送効率の特性は、シミュレーションによって得たものである。横軸に表される交流電源１１から出力される交流電力の周波数は、１次側共振コイル１３に与える電力の周波数に等しい。
【０１５５】
図１０に示すように、伝送効率が最も高くなるのは、いずれの距離Ｄにおいても、１次側共振コイル１３及び２次側共振コイル２２の共振周波数（６．７８ＭＨｚ）の場合である。いずれの距離Ｄにおいても、周波数が６．７８ＭＨｚからずれるに従って、伝送効率は低下する傾向がある。
【０１５６】
また、距離Ｄが短いほど伝送効率が高く、かつ、周波数の変化に対する伝送効率の変化が少ない傾向がある。換言すれば、距離Ｄが長いほど伝送効率が低く、かつ、周波数の変化に対する伝送効率の変化が多い傾向がある。
【０１５７】
例えば、コンデンサ１３２の静電容量の調整可能な範囲が、６．７８ＭＨｚに合わせた場合を中心（０％）として、±１０％である場合には、１次側共振コイル１３及び２次側共振コイル２２の共振周波数の調整可能な範囲は、約±３．２％になる。これは、図１０に、６．７８ＭＨｚを中心として横方向の両矢印で示す範囲である。
【０１５８】
このような共振周波数の調整可能な範囲（約±３．２％）内においても、図１０に示すように、距離Ｄが短いほど伝送効率が高く、かつ、周波数の変化に対する伝送効率の変化が少なく、距離Ｄが長いほど伝送効率が低く、かつ、周波数の変化に対する伝送効率の変化が多い傾向がある。
【０１５９】
ところで、電力伝送装置１００で送電側から受電側に電力を伝送するときに、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の結合度合によらずに、フィードバック制御部１４４及び２４４（図２、３参照）によるフィードバック制御を行うと次のようになる。
【０１６０】
図９の（Ａ）に示すように、弱結合である場合に、コンデンサ１３２の静電容量を掃引して１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数を低下させると、図９の（Ａ）に示す右下がりの特性が左側にずれることにより、６．７８ＭＨｚの交流電圧の位相φｖｔに対する電流の位相φｉｔは遅れる。
【０１６１】
このように電流の位相が変化する場合に、フィードバック制御部１４４及び２４４（図２、３参照）によるフィードバック制御を行うと、送電側でコンデンサ１３２の静電容量の変化に対する電流の位相の変化が同一極性なので、フィードバック制御部１４４及び２４４によるゲインの調整等は問題なく働く。
【０１６２】
これは、フィードバック制御部１４４及び２４４によるフィードバック制御におけるゲイン等の設定が、弱結合を基準に設定されており、コンデンサ１３２、２２２の静電容量の増大に対して、電流の位相が遅れることが前提になっているからである。
【０１６３】
また、図９の（Ｂ）に示すように、中結合である場合は、コンデンサ１３２の静電容量を掃引して１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数を低下させて、図９の（Ｂ）に示すフラットな特性が左側にずれても、６．７８ＭＨｚの交流電圧の位相φｖｔに対する電流の位相φｉｔは殆ど変化しない。
【０１６４】
このように電流の位相が共振点の前後で殆ど変化しない場合に、フィードバック制御部１４４及び２４４（図２、３参照）によるフィードバック制御を行うと、送電側でコンデンサ１３２の静電容量を変化させても、電流の位相φｉｔが殆ど変化しないので、フィードバック制御部１４４によるゲイン調整が整合しなくなる。
【０１６５】
従って、中結合である場合は、フィードバック制御部１４４によるフィードバック制御が正常に機能しなくなり、この結果、フィードバック制御部２４４によるフィードバック制御も正常に機能しなくなおそれがある。
【０１６６】
また、図９の（Ｃ）に示すように、強結合である場合は、コンデンサ１３２の静電容量を掃引して１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数を低下させると、図９の（Ｃ）に示す右上がりの特性が左側にずれることにより、６．７８ＭＨｚの交流電圧の位相φｖｔに対する電流の位相φｉｔは進む。
【０１６７】
このように電流の位相が共振点の前後で電流の位相φｉｔは進む場合に、フィードバック制御部１４４及び２４４（図２、３参照）によるフィードバック制御を行うと、送電側でコンデンサ１３２の静電容量を変化に対する電流の位相の変化が、弱結合の場合の位相の変化とは逆極性になるため、フィードバック制御部１４４によるゲイン調整が整合しなくなる。
【０１６８】
このように、フィードバック制御部１４４によるゲイン調整と、コンデンサ１３２の静電容量を変化に対する電流の位相の変化とが逆極性になると、１次側共振コイル１３を流れる電流の共振周波数が定まらなくなり、制御が発散するおそれがある。
【０１６９】
また、例えば、図９の（Ｃ）に示すＸ点のような位置で、１次側共振コイル１３に流れる電流の共振周波数が落ち着く可能性があるが、Ｘ点は必ずしも適切な動作点ではなく、意図しない動作点である可能性がある。
【０１７０】
従って、強結合である場合は、フィードバック制御部１４４によるフィードバック制御が正常に機能しなくなり、この結果、フィードバック制御部２４４によるフィードバック制御も正常に機能しなくなおそれがある。
【０１７１】
一方、図１０に示したように、距離Ｄが比較的短い場合には、距離Ｄが比較的長い場合よりも伝送効率が高く、かつ、周波数の変化に対する変動が少ない。
【０１７２】
従って、実施の形態１の電力伝送装置１００では、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合の判定結果が弱結合の場合にのみ、フィードバック制御部１４４及び２４４によるフィードバック制御を行うこととする。
【０１７３】
そして、実施の形態１の電力伝送装置１００では、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合の判定結果が中結合又は強結合の場合には、フィードバック制御部１４４及び２４４によるフィードバック制御を行わないこととする。
【０１７４】
これは、次のような理由に基づくものである。フィードバック制御部１４４は、弱結合の場合を基準としてゲイン等の設定が行われている。また、弱結合のように距離Ｄが比較的長い場合には、図１０に示すように伝送効率は比較的低く、かつ、周波数の変化に対する伝送効率の変動が比較的大きい。
【０１７５】
このため、弱結合の場合には、フィードバック制御によって最適な動作点で動作させることによる恩恵が大きい。
【０１７６】
一方、中結合及び強結合の場合は、フィードバック制御部１４４による送信側でのフィードバック制御が正常に機能しないおそれがある。また、図１０に示すように、中結合及び強結合の場合は伝送効率は比較的高く、かつ、周波数の変化に対する伝送効率の変動が比較的小さい。
【０１７７】
このため、中結合及び強結合の場合は、フィードバック制御を行わなくても、ある程度良好な動作点で動作できると考えられる。
【０１７８】
以上のような理由から、実施の形態１の電力伝送装置１００では、弱結合の場合にのみフィードバック制御部１４４及び２４４によるフィードバック制御を行い、中結合又は強結合の場合には、フィードバック制御部１４４及び２４４によるフィードバック制御を行わないこととする。
【０１７９】
従って、実施の形態１の電力伝送装置１００では、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合が弱結合であるか、弱結合以外（中結合又は強結合）であるかの判定を行うことが必要になる。
【０１８０】
ここで、図１１を用いて、距離Ｄに対する伝送効率の低下率について考える。
【０１８１】
図１１は、実施の形態１の電力伝送装置１００における、距離Ｄに対する伝送効率の低下率の特性を示す図である。
【０１８２】
図１１において、横軸は、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との間の距離Ｄ（１次側コイル１２及び１次側共振コイル１３と、２次側共振コイル２２及び２次側コイル２３との間の距離Ｄ）を表す。また、縦軸は、伝送効率の低下率を示す。伝送効率の低下率とは、図９に示す共振周波数（６．７８ＭＨｚ）における伝送効率に対する、周波数が±３．２％変化した場合の伝送効率の低下分の最大値の割合である。
【０１８３】
図１１に示すように、距離Ｄの増大に伴い、伝送効率の低下率は増大している。
【０１８４】
ここで、弱結合と、弱結合以外（中結合又は強結合）とを区別するために、例えば、コンデンサ１３２の静電容量を±１０％の範囲で掃引した場合に、周波数が６．７８ＭＨｚである場合に比べて伝送効率が第３の所定値以上低下する場合に、弱結合であると判定することとする。
【０１８５】
そして、ここでは、一例として、第３の所定値（伝送効率）は１０％であることとする。このような場合には、距離Ｄ＝２５ｍｍの場合が、弱結合と弱結合以外との境界となる。
【０１８６】
このような場合には、距離Ｄが２５ｍｍ以上の場合に、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合が弱結合であると判定し、フィードバック制御部１４４及び２４４によるフィードバック制御を行うようにすればよい。フィードバック制御部１４４は、制御部の一例である。
【０１８７】
このため、距離Ｄが２５ｍｍ未満の場合には、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合が中結合又は強結合であると判定し、フィードバック制御部１４４及び２４４によるフィードバック制御を行わないようにすればよい。これは、フィードバック制御を行わない制御モードを選択することである。
【０１８８】
電力伝送装置１００は、距離Ｄを判別することはできないので、距離Ｄが２５ｍｍの場合に位相比較部１５１が出力する位相差Δφｔの変化率Δφｔ'に基づいて、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合が中結合又は強結合であると判定するようにすればよい。ここでは、距離Ｄが２５ｍｍの場合に位相比較部１５１が出力する位相差Δφｔの変化率Δφｔ'をαとする。変化率Δφｔ'は、コンデンサ１３２の静電容量の変化に対する位相差Δφｔの変化の割合を表す。換言すれば、変化率Δφｔ'は、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数の変化に対する位相差Δφｔの変化の割合を表す。コンデンサ１３２の静電容量は、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数に対応するからである。位相差変化率αは、第１の遅延度合を表す位相差の変化率の一例であり、弱結合は、第１結合度合の一例である。
【０１８９】
電力伝送装置１００は、受電側をオフにして、かつ、補償部１５５（図３参照）をオフにした状態で、コンデンサ１３２の静電容量が増大するように掃引したときに、位相比較部１５１が出力する位相差Δφｔの変化率がα以下になるか否かで、結合度合が弱結合又は弱結合以外のいずれであるかを判定すればよい。
【０１９０】
コンデンサ１３２の静電容量が増大するように掃引すると、１次側共振コイル１３に流れる電流Ｉｔの位相φｉｔは、交流電源１１が出力する交流電圧の位相φｖｔに対して遅れる方向に変化するため、位相比較部１５１で検出される位相差Δφｔの変化率は負の値になる。
【０１９１】
このため、距離Ｄが２５ｍｍの場合に位相比較部１５１が出力する位相差変化率αは、負の値である。
【０１９２】
次に、図１２を用いて、電力伝送装置１００における結合度合の判別と、フィードバック制御のオン／オフの切り替えについて説明する。
【０１９３】
図１２は、実施の形態１の電力伝送装置１００の判定制御部１６０が実行する処理を示す図である。判定処理部１６０は、電力伝送装置１００がオンになると、一連の処理を開始する（スタート）。
【０１９４】
判定制御部１６０は、フィードバック制御部１４４のフィードバック制御がオフになっているか否かを判定する（ステップＳ１１）。フィードバック制御部１４４のフィードバック（ＦＢ）制御は、補償部１５５のオン／オフ制御端子１５５Ａに判定制御部１６０からオフ信号を入力されることによってオフにされる。
【０１９５】
判定制御部１６０は、ステップＳ１１において、フィードバック制御部１４４がオフになっていない（Ｓ１１：ＮＯ）と判定すると、補償部１５５にオフ信号を入力してフィードバック制御部１４４をオフにする（ステップＳ１１Ａ）。
【０１９６】
判定制御部１６０は、ステップＳ１１において、フィードバック制御部１４４がオフになっている（Ｓ１１：ＹＥＳ）と判定すると、ドライバ１５６にコンデンサ１３２の静電容量を初期値から増大するように掃引させる（ステップＳ１２）。
【０１９７】
例えば、コンデンサ１２３の静電容量の調整可能な範囲が、６．７８ＭＨｚに合わせた場合を中心（０％）として、±１０％である場合には、ステップＳ１２の処理により、コンデンサ１２３の静電容量が、−１０％から＋１０％まで掃引される。
【０１９８】
次に、判定制御部１６０は、位相比較部１５１から入力される位相差φΔｔを検出する（ステップＳ１３）。
【０１９９】
次に、判定制御部１６０は、ステップＳ１３で検出した位相差φΔｔの変化率Δφｔ'に基づき、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合が弱結合であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。
【０２００】
例えば、距離Ｄが２５ｍｍの場合に位相比較部１５１が出力する位相差変化率αが、弱結合と弱結合以外（中結合又は強結合）との境界値である場合には、判定制御部１６０は、ステップＳ１３で検出した位相差φΔｔの変化率Δφｔ'と、位相差変化率αとを比較することによって、結合度合が弱結合であるか否かを判定すればよい。
【０２０１】
この場合、判定制御部１６０は、ステップＳ１３で検出した位相差φΔｔの変化率Δφｔ'が、位相差変化率α以下であれば、結合度合は弱結合であると判定し、ステップＳ１３で検出した位相差φΔｔが、位相差変化率αより大きければ、結合度合は弱結合以外であると判定することになる。
【０２０２】
判定制御部１６０は、結合状態が弱結合であると判定すると（Ｓ１４：ＹＥＳ）、フィードバック制御部１４４によるフィードバック制御をオンにするために、補償部１５５にオン信号を入力する（ステップＳ１５）。
【０２０３】
この結果、フィードバック制御が行われ、一連の処理は終了する（エンド）。フィードバック制御は、図４及び図５を用いて説明したように行われる。
【０２０４】
一方、判定制御部１６０は、ステップＳ１４において、結合状態が弱結合以外であると判定すると（Ｓ１４：ＮＯ）、結合状態が中結合であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１４は、結合状態が中結合又は強結合のいずれであるかを判定するステップである。
【０２０５】
例えば、図１１に示す距離Ｄに対する伝送効率の低下率の特性において、距離Ｄが１５ｍｍ以上の場合に、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合が中結合であると判定するようにすればよい。
【０２０６】
この場合は、距離Ｄが１５ｍｍである場合に位相比較部１５１が出力する位相差Δφｔの変化率Δφｔ'をβとし、位相比較部１５１が出力する位相差Δφｔの変化率Δφｔ'がβ以下になるか否かで、結合度合が中結合又は強結合のいずれであるかを判定すればよい。
【０２０７】
判定制御部１６０は、位相差Δφｔの変化率Δφｔ'がβ以下の場合に、結合状態は中結合である（Ｓ１６：ＹＥＳ）と判定し、一連の処理を終了する（エンド）。
【０２０８】
判定制御部１６０は、ステップＳ１６において、位相差Δφｔの変化率Δφｔ'がβ未満であると判定した場合（Ｓ１６：ＮＯ）は、結合状態が強結合であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。判定制御部１６０は、位相比較部１５１が出力する位相差Δφｔの変化率Δφｔ'がβ未満であれば、結合度合が強結合であると判定し（Ｓ１７：ＹＥＳ）、一連の処理を終了する（エンド）。
【０２０９】
なお、判定制御部１６０は、ステップＳ１７において、位相比較部１５１が出力する位相差Δφｔの変化率Δφｔ'がβ未満ではないと判定した場合は、フローをステップＳ１２にリターンする。判定制御部１６０が、ステップＳ１７でＮＯと判定する場合は、位相比較部１５１が出力する位相差Δφｔに異常がある等の場合である。
【０２１０】
以上の処理により、判定制御部１６０は、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合を判定し、弱結合である場合にはフィードバック制御部１４４のフィードバック制御をオンにする。この結果、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合が弱結合の状態で、送電側と受電側のフィードバック制御がともに行われて、最適な動作点での電力の伝送が行われる。
【０２１１】
一方、中結合又は強結合の場合は、フィードバック制御部１４４のフィードバック制御がオフにされた状態で、送電側から受電側に電力が伝送される。この場合は、コンデンサ１３２の静電容量は、可変量が０％の中央値、又は、予め設定された所定の値に設定すればよい。
【０２１２】
以上のように、実施の形態１によれば、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合に応じて、電力伝送を効率的に行うことができる電力伝送装置１００を提供することができる。
【０２１３】
なお、判定制御部１６０が内部メモリを備える場合は、次のようにしてもよい。ステップＳ１２でコンデンサ１３２の静電容量を初期値から増大するように掃引するときに、位相比較部１５１が出力する位相差Δφｔの変化率Δφｔ'が０度になる共振点を与える静電容量の値を内部メモリに格納してもよい。そして、ステップＳ１５でフィードバック制御をオンにする際に、判定制御部１６０が内部メモリに格納した静電容量を用いてドライバ１５６を駆動し、フィードバック制御の開始時から、共振点で動作するようにしてもよい。
【０２１４】
このように、フィードバック制御の開始時から共振点で動作するようにすれば、フィードバック制御において、動作点が共振点に引き込まれやすくなり、フィードバック制御における動作がより安定する。
【０２１５】
なお、以上では、ステップＳ１４において弱結合であると判定した場合に、フィードバック制御をオンにする形態について説明したが、結合状態が分かればよい場合は、ステップＳ１４の判定を終えた段階で、フローを終了してもよい。この場合は、結合状態を判定することができる電力伝送装置１００を提供することができる。
【０２１６】
また、以上では、１次側共振コイル１３の両端間に接続されるコンデンサ１３２の静電容量を変えることによって１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数を調整する形態について説明した。しかしながら、コンデンサ１３２を用いなくても、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２の共振周波数を調整することは可能である。
【０２１７】
図１３は、実施の形態１の変形例による１次側共振コイル１３Ａを示す図である。１次側共振コイル１３Ａは、螺旋コイルであり、螺旋コイルの巻線の間隔を変えることによって静電容量を調整する点が、ワンターンコイル１３１及びコンデンサ１３２を含む１次側共振コイル１３（図２及び図３参照）と異なる。
【０２１８】
１次側共振コイル１３Ａは、両端が保持部１３Ｂ１、１３Ｂ２によって保持されている。また、保持部１３Ｂ１、１３Ｂ２は、ステー１３Ｃ１、１３Ｃ２を介して、駆動部１３Ｄ１、１３Ｄ２に固定されている。駆動部１３Ｄ１、１３Ｄ２は、互いの間の間隔を調整できるように、移動可能である。駆動部１３Ｄ１、１３Ｄ２は、例えば、モーターのような駆動装置を有し、互いの間の間隔を調整することにより、１次側共振コイル１３Ａをコイル軸ｌの方向に伸縮させるために設けられている。１次側共振コイル１３Ａを伸縮させると、１次側共振コイル１３Ａの巻線同士の間隔が変わるため、浮遊容量が変化し、共振周波数を調整することができる。１次側共振コイル１３Ａを縮めれば浮遊容量は大きくなり、１次側共振コイル１３Ａを延ばせば浮遊容量は小さくなる。
【０２１９】
以上のように、１次側共振コイル１３Ａを伸縮させることによって共振周波数を調整してもよい。なお、駆動部１３Ｄ１、１３Ｄ２は、いずれか一方が固定されていてもよい。また、駆動部１３Ｄ１、１３Ｄ２は、モーター以外の駆動装置によって互いの間の間隔を調整してもよい。
【０２２０】
＜実施の形態２＞
実施の形態２の電力伝送装置は、結合度合が強結合であると判定した場合に、フィードバック制御部１４４のゲイン極性を逆極性に切り替えてフィードバック制御を行う点が実施の形態１の電力伝送装置１００と異なる。強結合は、第２結合度合の一例である。
【０２２１】
実施の形態２の電力伝送装置は、図２及び図３に示す実施の形態１の電力伝送装置１００と同様の構成を有し、判定制御部１６０による制御のみが実施の形態１の電力伝送装置１００と異なる。
【０２２２】
このため、以下の説明では図１乃至図１１を援用し、図１４のフローチャートを用いて相違点について説明する。
【０２２３】
図１４は、実施の形態２の電力伝送装置の判定制御部１６０が実行する処理を示す図である。図１４に示すステップＳ１〜Ｓ１７は、図１２に示す実施の形態１の電力伝送装置１００におけるステップＳ１〜Ｓ１７と同様であるため、重複説明を省略する。
【０２２４】
判定制御部１６０は、ステップＳ１７において、結合度合が強結合であると判定した場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）は、ゲイン極性を逆極性に切り替えた上で、補償部１５５にオン信号を入力し、フィードバック制御部１４４によるフィードバック制御を行わせる（ステップＳ２０）。
【０２２５】
判定制御部１６０は、ゲイン調整部１５４のゲイン極性を逆特性に切り替えることにより、フィードバック制御部１４４のゲイン極性を逆極性に切り替える。ゲイン調整部１５４のゲイン極性を逆特性に切り替えることは、実施の形態１におけるゲイン調整部１５４のゲインを−１倍することによって実現できる。
【０２２６】
この結果、フィードバック制御部１４４のゲイン極性を逆極性に切り替えた上で、強結合の状態で、送電側と受電側のフィードバック制御がともに行われて、最適な動作点での電力の伝送が行われる。
【０２２７】
以上のように、実施の形態２によれば、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合に応じて、電力伝送を効率的に行うことができる電力伝送装置を提供することができる。
【０２２８】
＜実施の形態３＞
実施の形態３の電力伝送装置は、結合度合が中結合又は強結合であると判定した場合に、１次側コイル１２及び１次側共振コイル１３を含む送電系コイルＴＣと、２次側共振コイル２２及び２次側コイル２３を含む受電系コイルＲＣとのｋＱ積を低減してフィードバック制御を行う点が実施の形態１の電力伝送装置１００と異なる。
【０２２９】
実施の形態３の電力伝送装置は、図２及び図３に示す実施の形態１の電力伝送装置１００と同様の構成を有し、判定制御部１６０による制御のみが実施の形態１の電力伝送装置１００と異なる。
【０２３０】
このため、以下の説明では図１乃至図１１を援用し、図１５のフローチャートを用いて相違点について説明する。
【０２３１】
図１５は、実施の形態３の電力伝送装置の判定制御部１６０が実行する処理を示す図である。図１５に示すステップＳ１〜Ｓ１７は、図１２に示す実施の形態１の電力伝送装置１００におけるステップＳ１〜Ｓ１７と同様であるため、重複説明を省略する。
【０２３２】
判定制御部１６０は、ステップＳ１６において、結合度合が中結合であると判定した場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）は、ｋＱ積を低減した上で、補償部１５５にオン信号を入力し、フィードバック制御部１４４によるフィードバック制御を行わせる（ステップＳ３０）。
【０２３３】
具体的には、判定制御部１６０は、送電系コイルＴＣと受電系コイルＲＣとのｋＱ積を低減した上で、中結合の状態で、送電側と受電側のフィードバック制御がともに行われて、最適な動作点での電力の伝送が行われる。
【０２３４】
また、判定制御部１６０は、ステップＳ１７において、結合度合が強結合であると判定した場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）も、ステップＳ１６において中結合であると判定した場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）と同様にｋＱ積を低減した上で、補償部１５５にオン信号を入力し、フィードバック制御部１４４によるフィードバック制御を行わせる（ステップＳ３０）。
【０２３５】
以上のように、実施の形態３によれば、１次側共振コイル１３と２次側共振コイル２２との結合度合に応じて、電力伝送を効率的に行うことができる電力伝送装置を提供することができる。
【０２３６】
なお、１次側共振コイル１３のｋＱ積の低減は、例えば、次のようにして実現すればよい。
【０２３７】
図１６は、実施の形態３の電力伝送装置の１次側コイル１２、１次側共振コイル１３、２次側共振コイル２２、及び２次側コイル２３の構成の一例を示す図である。ｋＱ積の低減は、例えば、１次側共振コイル１３に、エレメント３００を設けることによって実現すればよい。エレメント３００は、例えば、１次側共振コイル１３に直列に挿入される可変抵抗器、又は、１次側共振コイル１３に設けられるタップである。
【０２３８】
１次側共振コイル１３に直列に挿入される可変抵抗器の抵抗値を増大させれば、Ｑ値を増大させることができ、可変抵抗器の抵抗値を減少させれば、Ｑ値を減少させることができる。
【０２３９】
また、１次側共振コイル１３に設けられるタップは、磁界共鳴による電力伝送に用いる１次側共振コイル１３の実効的な巻数を変える素子であり、結合係数ｋを変えるために設けられる。例えば、１次側共振コイル１３の中点にタップを設けておき、判定制御部１６０がタップを切り替えることにより、磁界共鳴による電力伝送に用いる１次側共振コイル１３の実効的な巻数を１０巻又は５巻に切り替えられるようにすればよい。これにより、結合係数ｋを変更することができる。
【０２４０】
以上のように、エレメント３００を用いてＱ値又は結合係数ｋを変更することにより、ｋＱ積を低減することができる。
【０２４１】
以上、本発明の例示的な実施の形態の電力伝送装置、及び、電力伝送方法について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【０２４２】
１００  電力伝送装置
１１  交流電源
１２  １次側コイル
１３  １次側共振コイル
２２  ２次側共振コイル
２３  ２次側コイル
１４４  フィードバック制御部
１５１  位相比較部
１５２  加算部
１５３、１５４  ゲイン調整部
１５５  補償部
１５６  ドライバ
１６０  判定制御部
３００  エレメント
【図１】
2014207804.tif 000003
【図２】
2014207804.tif 000004
【図３】
2014207804.tif 000005
【図４】
2014207804.tif 000006
【図５】
2014207804.tif 000007
【図６】
2014207804.tif 000008
【図７】
2014207804.tif 000009
【図８】
2014207804.tif 000010
【図９】
2014207804.tif 000011
【図１０】
2014207804.tif 000012
【図１１】
2014207804.tif 000013
【図１２】
2014207804.tif 000014
【図１３】
2014207804.tif 000015
【図１４】
2014207804.tif 000016
【図１５】
2014207804.tif 000017
【図１６】
2014207804.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成27年12月3日(2015.12.3)
【手続補正１】
【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】
交流電源に接続される１次側コイルと、
前記１次側コイルから電磁誘導によって電力を受電する１次側共振コイルと、
前記１次側共振コイルとの間で生じる磁界共鳴によって前記１次側共振コイルから電磁誘導により電力を受電する２次側共振コイルと、
前記２次側共振コイルから電磁誘導によって電力を受電する２次側コイルと、
前記１次側共振コイルに供給される電圧の位相に対する、前記１次側共振コイルに流れる電流の位相の位相差を検出する位相差検出部と、
前記１次側共振コイルに設けられる可変容量部と、
前記可変容量部の静電容量を変化させたときの前記静電容量の変化量に対する前記位相差の変化度合に基づき、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合を判定する判定部と
を含む、電力伝送装置。
【請求項２】
前記判定部は、前記静電容量を増大させたときの前記静電容量の変化量に対する前記位相差の変化度合が、第１の遅延度合以上の遅延を表す場合に、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が第１結合度合以下であると判定する、請求項１記載の電力伝送装置。
【請求項３】
前記位相差検出部によって検出される前記位相差に基づいて前記可変容量部の静電容量値を制御することにより、前記１次側共振コイルに共振電流が流れるようにフィードバック制御を行う制御部をさらに含み、
前記制御部は、前記判定部によって前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が前記第１結合度合以下であると判定された場合に、前記位相差検出部によって検出される前記位相差に基づいて前記可変容量部の静電容量を制御することにより、前記フィードバック制御を行う、請求項２記載の電力伝送装置。
【請求項４】
前記判定部は、前記静電容量を増大させたときの前記静電容量の変化量に対する前記位相差の変化度合が、第１の遅延度合未満である場合に、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合は、第１結合度合より大きいと判定し、
前記制御部は、前記判定部によって前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が前記第１結合度合より大きいと判定された場合には、前記フィードバック制御を行わない制御モードを選択する、請求項３記載の電力伝送装置。
【請求項５】
前記判定部は、前記静電容量を増大させたときの前記静電容量の変化量に対する前記位相差の変化度合が、第１の遅延度合未満である場合に、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が、前記第１結合度合よりも大きい第２結合度合以上であるかどうかを判定し、
前記制御部は、前記判定部によって前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が前記第２結合度合以上と判定された場合には、前記フィードバック制御を行う制御系のゲインを逆極性のゲインに変換させた状態で前記フィードバック制御を行う、請求項３記載の電力伝送装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記判定部によって前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が前記第１結合度合以上と判定された場合には、ｋＱ積を低減させた状態で前記フィードバック制御を行う、請求項３記載の電力伝送装置。
【請求項７】
前記可変容量部は、前記１次側共振コイルに接続される可変容量素子である、請求項１乃至６のいずれか一項記載の電力伝送装置。
【請求項８】
前記１次側共振コイルは、伸縮可能であり、かつ、伸縮することによって前記可変容量部として機能し、
前記制御部は、前記１次側共振コイルの長さを調整することで、前記１次側共振コイルの静電容量を制御する、請求項３乃至６のいずれか一項記載の電力伝送装置。
【請求項９】
交流電源に接続される１次側コイルと、
前記１次側コイルから電磁誘導によって電力を受電する１次側共振コイルと、
前記１次側共振コイルとの間で生じる磁界共鳴によって前記１次側共振コイルから電磁誘導により電力を受電する２次側共振コイルと、
前記２次側共振コイルから電磁誘導によって電力を受電する２次側コイルと、
前記１次側共振コイルに供給される電圧の位相に対する、前記１次側共振コイルに流れる電流の位相の位相差を検出する位相差検出部と、
前記１次側共振コイルに設けられる可変容量部と
を含む電力伝送装置における電力伝送方法であって、
前記可変容量部の静電容量を変化させたときの前記静電容量の変化量に対する前記位相差の変化度合に基づき、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合を判定する、電力伝送方法。
【手続補正書】
【提出日】平成28年9月9日(2016.9.9)
【手続補正１】
【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】
交流電源に接続される１次側コイルと、
前記１次側コイルから電磁誘導によって電力を受電する１次側共振コイルと、
前記１次側共振コイルとの間で生じる磁界共鳴によって前記１次側共振コイルから電磁誘導により電力を受電する２次側共振コイルと、
前記２次側共振コイルから電磁誘導によって電力を受電する２次側コイルと、
前記１次側共振コイルに供給される電圧の位相に対する、前記１次側共振コイルに流れる電流の位相の位相差を検出する位相差検出部と、
前記１次側共振コイルに設けられる可変容量部と、
前記可変容量部の静電容量を変化させて前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの共振周波数を変化させたときの前記共振周波数の変化量に対する前記位相差の変化度合に基づき、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合を判定する判定部と
を含み、
前記判定部は、前記静電容量を増大させて前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの共振周波数を低下させたときの前記共振周波数の変化量に対する前記位相差の変化度合が、前記共振周波数の前後の所定の区間において第１の遅延度合以上の遅延を表す場合に、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が第１結合度合以下であると判定する、電力伝送装置。
【請求項２】
前記位相差検出部によって検出される前記位相差に基づいて前記可変容量部の静電容量値を制御することにより、前記１次側共振コイルに共振電流が流れるようにフィードバック制御を行う制御部をさらに含み、
前記制御部は、前記判定部によって前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が前記第１結合度合以下であると判定された場合に、前記位相差検出部によって検出される前記位相差に基づいて前記可変容量部の静電容量を制御することにより、前記フィードバック制御を行う、請求項１記載の電力伝送装置。
【請求項３】
前記判定部は、前記静電容量を増大させて前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの共振周波数を低下させたときの前記共振周波数の変化量に対する前記位相差の変化度合が、第１の遅延度合未満である場合に、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合は、第１結合度合より大きいと判定し、
前記制御部は、前記判定部によって前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が前記第１結合度合より大きいと判定された場合には、前記フィードバック制御を行わない制御モードを選択する、請求項２記載の電力伝送装置。
【請求項４】
前記判定部は、前記静電容量を増大させて前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの共振周波数を低下させたときの前記共振周波数の変化量に対する前記位相差の変化度合が、第１の遅延度合未満である場合に、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が、前記第１結合度合よりも大きい第２結合度合以上であるかどうかを判定し、
前記制御部は、前記判定部によって前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が前記第２結合度合以上と判定された場合には、前記フィードバック制御を行う制御系のゲインを逆極性のゲインに変換させた状態で前記フィードバック制御を行う、請求項２記載の電力伝送装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記判定部によって前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が前記第１結合度合以上と判定された場合には、ｋＱ積を低減させた状態で前記フィードバック制御を行う、請求項２記載の電力伝送装置。
【請求項６】
前記可変容量部は、前記１次側共振コイルに接続される可変容量素子である、請求項１乃至５のいずれか一項記載の電力伝送装置。
【請求項７】
前記１次側共振コイルは、伸縮可能であり、かつ、伸縮することによって前記可変容量部として機能し、
前記制御部は、前記１次側共振コイルの長さを調整することで、前記１次側共振コイルの静電容量を制御する、請求項２乃至５のいずれか一項記載の電力伝送装置。
【請求項８】
交流電源に接続される１次側コイルと、
前記１次側コイルから電磁誘導によって電力を受電する１次側共振コイルと、
前記１次側共振コイルとの間で生じる磁界共鳴によって前記１次側共振コイルから電磁誘導により電力を受電する２次側共振コイルと、
前記２次側共振コイルから電磁誘導によって電力を受電する２次側コイルと、
前記１次側共振コイルに供給される電圧の位相に対する、前記１次側共振コイルに流れる電流の位相の位相差を検出する位相差検出部と、
前記１次側共振コイルに設けられる可変容量部と
を含む電力伝送装置における電力伝送方法であって、
前記可変容量部の静電容量を変化させて前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの共振周波数を変化させたときの前記共振周波数の変化量に対する前記位相差の変化度合に基づき、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合を判定し、
前記静電容量を増大させて前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの共振周波数を低下させたときの前記共振周波数の変化量に対する前記位相差の変化度合が、前記共振周波数の前後の所定の区間において第１の遅延度合以上の遅延を表す場合に、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が第１結合度合以下であると判定する、電力伝送方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明の実施の形態の電力伝送装置は、交流電源に接続される１次側コイルと、前記１次側コイルから電磁誘導によって電力を受電する１次側共振コイルと、前記１次側共振コイルとの間で生じる磁界共鳴によって前記１次側共振コイルから電磁誘導により電力を受電する２次側共振コイルと、前記２次側共振コイルから電磁誘導によって電力を受電する２次側コイルと、前記１次側共振コイルに供給される電圧の位相に対する、前記１次側共振コイルに流れる電流の位相の位相差を検出する位相差検出部と、前記１次側共振コイルに設けられる可変容量部と、前記可変容量部の静電容量を変化させて前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの共振周波数を変化させたときの前記共振周波数の変化量に対する前記位相差の変化度合に基づき、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合を判定する判定部とを含み、前記判定部は、前記静電容量を増大させて前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの共振周波数を低下させたときの前記共振周波数の変化量に対する前記位相差の変化度合が、前記共振周波数の前後の所定の区間において第１の遅延度合以上の遅延を表す場合に、前記１次側共振コイル及び前記２次側共振コイルの結合度合が第１結合度合以下であると判定する。
【国際調査報告】
2014207804.tif 000019
2014207804.tif 000020
2014207804.tif 000021