JP2011050140A - 非接触給電装置、非接触受電装置、非接触給電方法、非接触受電方法および非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】共鳴方式を用い、非接触で電力の送受を行う場合に、電力の送り側と受け側との間の距離が接近し密結合状態となった場合であっても、伝送効率を高く維持できるようにする。
【解決手段】交流電源１１からの交流電力を共鳴素子１４に供給し、これによって共鳴素子１４に磁界を発生させて、共鳴により相手方となる受電装置に対して交流電力を供給する構成を有する。交流電源１１と共鳴素子１４との間に自動整合器１２を設け、ここで、交流電力の供給先の受電装置との間における結合係数に応じて、共鳴素子１４のインピーダンスを適応的に調整する。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、磁界共鳴や電界共鳴などの共鳴を用いて電力の送受を行う装置、方法およびシステムに関する。

非接触で電気エネルギーを伝送可能にする技術として、電磁誘導方式と、磁界共鳴方式とが存在する。そして、電磁誘導方式と磁界共鳴方式とでは、種々の違いがあり、近年においては、磁界共鳴方式を用いたエネルギー伝送が注目されている。

図９は、磁界共鳴方式の非接触給電システムの基本的な構成を説明するための概念図である。図９に示す非接触給電システムは、送り側（給電装置）１００と、受け側（受電装置）２００とからなっている。

送り側１００は、交流電源１０１と共振素子１０２とを備えている。交流電源１０１は、共鳴素子１０１の自己共鳴周波数（自己共振周波数）と同じ交流電力（交流電流）を発生させ、これを共鳴素子１０１に供給する。

受け側２００は、共鳴素子２０１と負荷回路２０２で構成されている。送り側の共鳴素子１０１と受け側の共鳴素子２０１とは、自己共鳴周波数が同じものであり、お互いに磁界結合している。

したがって、送り側１００の交流電源１０１で発生させた交流電力が共鳴素子１０２に供給されることにより、共鳴素子１０２に磁界が発生する。そして、送り側の共鳴素子１０２と受け側２００の共鳴素子２０１との間で磁界結合を生じさせ、受け側の共鳴素子に交流電力を誘起させ、これが負荷回路２０２に供給されるようになっている。

しかしながら、図９に示した磁界共鳴方式の非接触給電システムの場合、送り側１００においては、交流電源１０１と共鳴素子１０２との間で電力の反射が発生する。同様に、受け側２００においては、共鳴素子２０１と負荷回路２０２との間で電力の反射が発生する。このため、効率よく電力伝送を行うことができない。

また、通常、磁界共鳴方式の非接触給電システムにおいては、交流電力として中心周波数ｆ０の無変調正弦波が用いられる。この無変調正弦波は無変調であるため、占有周波数帯域幅が狭い（理想的には０（ゼロ）Ｈｚ）。

従って、その無変調正弦波を伝達する共鳴コイルに必要な周波数帯域も数Ｈｚ程度と狭いものでよいが、伝送効率を高めるために、損失が低い（「Ｑ値」が高い）事が求められる。なお、ここで、「Ｑ値」は、共振回路の共振のピークの鋭さを表すものであり、共振のピークが鋭くなれば、交流電力の伝送効率を高めることができる。

つまり、磁界共鳴方式の非接触電力伝送において、高い伝送効率を得るためには、送り側１００の共鳴素子１０２や、受け側２００の共鳴素子２０１において、Ｑ値を極力高くすることが望ましい。

しかし、図９に示したように、送り側１００において共鳴素子１０２を直接に交流電源１１に接続した場合、回路インピーダンスの影響により、共鳴素子１０２のＱ値が下がってしまう。同様に、受け側２００においても共鳴素子２０１を直接に負荷回路２０２に接続すると、回路インピーダンスの影響により、共鳴素子２０１のＱ値が下がってしまう。

そこで、電力の反射やＱ値の低下を防止するため、送り側１００と受け側２００との双方において、励振素子を用いるようにすることが行われている。

図１０は、送り側１００と受け側２００とのそれぞれにおいて、励振素子を設けることによって電力の反射やＱ値の低下を防止するようにした磁界共鳴方式の非接触給電システムの構成例を示すブロック図である。

図１０に示すように、送り側１００は、交流電源１０１と共鳴素子との間に励振素子１０３を設けた構成となっている。受け側２００は、共鳴素子２０１と負荷回路２０２との間に励振素子２０３と整流回路２０４とを設けた構成となっている。

ここで、送り側１００は、例えば、充電台などとして実現されるものであり、受け側２００は、例えば、携帯電話端末などの携帯電子機器として実現されるものである。

そして、送り側１００の内部では、交流電源１０１に対して励振素子１０３が接続され、励振素子１０３と共鳴素子１０２とが電磁誘導により強く結合する構成となっている。同様に、受け側２００の内部では、共鳴素子２０１と励振素子２０３とが電磁誘導により強く結合し、この励振素子２０３が整流回路２０４に接続され、整流回路２０４と負荷回路２０２とが接続される構成となっている。

そして、図９に示したシステムの場合と同様に、送り側１００の共鳴素子１０２と、受け側２００の共鳴素子２０１の自己共鳴周波数（自己共振周波数）が一致したときに磁界共鳴関係になり、結合量が最大で、損失が最小となる。

すなわち、図１０に示した非接触給電システムにおいては、まず、送り側１００において、交流電源１０１からの所定周波数の交流電力（交流電流）が励振素子１０３に供給され、これが電磁誘導によって共鳴素子１０２へ交流電力を誘起させる。ここで、交流電源１０１において発生させる交流電力の周波数は、供給元の共鳴素子１０２と供給先の共鳴素子２０１との自己共鳴周波数と同一になるようにしている。

そして、上述したように、送り側１００の共鳴素子１０２と受け側２００の共鳴素子２０１とは互いに磁界共鳴の関係に配置されており、共鳴周波数（共振周波数）において共鳴素子１０２から共鳴素子２０１へと非接触で交流電力が供給される。

受け側２００において、送り側１００の共鳴素子１０２からの交流電力は、共鳴素子２０１により受け付けられる。共鳴素子２０１からの交流電力は、電磁誘導により励振素子２０３を通じて整流回路２０４に供給され、ここで直流電力（直流電流）に変換されて、種々の負荷回路２０２に供給される。

このようにして、送り側１００から受け側２００に対して、非接触で交流電力が供給するようにされる。なお、整流回路２０４から出力された直流電力は、例えば、バッテリが接続された負荷回路である充電回路に供給され、当該バッテリの充電に用いられるなどされることになる。

そして、図１０に示したように構成される送り側と受け側とが１対１に対応する非接触給電システムにおいては、以下のような特徴がある。

当該非接触給電システムにおいては、図１１に示すような交流電源の周波数と結合量の関係を有する。図１１を見ると分かるように、交流電源の周波数が低かったり、逆に高かったりしても結合量は大きくならず、磁界共鳴現象を発生させる特定の周波数においてのみ、結合量が最大となる。すなわち、磁界共鳴により周波数選択性を示すことが分る。

また、当該非接触給電システムにおいては、図１２に示すような共鳴素子１０２、２０１間の距離と結合量の関係を有する。図１２を見ると分かるように、共鳴素子間の距離が遠くなれば結合量は落ちる。

しかし、共鳴素子間の距離が近いからといって結合量が大きくなるわけではなく、ある共鳴周波数に於いて、結合量が最大となる距離が存在する。また、図１２から、共鳴素子間の距離がある程度の範囲であれば、一定以上の結合量を確保できることも分かる。

また、当該非接触給電システムにおいては、図１３に示すような共鳴周波数と最大結合量が得られる共鳴素子間距離との関係を有する。すなわち、共鳴周波数が低いと共鳴素子間隔は広いことが分かる。また、共鳴周波数が高いと共鳴素子間隔を狭くすることによって最大結合量が得られることが分かる。

現在、既に広く用いられている電磁誘導方式の非接触給電システムでは、送り側と受け側とで磁束を共有する必要があり、効率良く電力を送るには給電元と給電先とを極近接して配置する必要があり、結合の軸合わせも重要である。

一方、磁界共鳴現象を用いた非接触給電システムでは、上述のように、磁界共鳴現象という原理から、電磁誘導方式よりも距離を離して電力伝送することができ、かつ、多少軸合わせが悪くても伝送効率があまり落ちないという利点がある。

なお、後に記す特許文献１には、上述したような磁界共鳴方式を用いた電力伝送システムに関する技術が開示されている。

米国特許出願公開第２００７／０２２２５４２号

そして、図９、図１０を用いて説明した磁界共鳴方式の非接触電力給電システムの場合、送り側１００の共鳴素子１０２と受け側２００の共鳴素子２０１との間の距離が近づきすぎると、図１２にも示したように結合量が小さくなり伝送効率が劣化する。

これは、送り側１００の共鳴素子１０２と受け側２００の共鳴素子２０１との間の距離が余りにも近く、密結合状態だと共鳴周波数が分離して双峰特性となってしまうため、中心周波数での電力の伝送効率が悪くなるためである。

換言すると、図９、図１０に示したように構成される磁界共鳴方式の非接触給電システムにおいては、送り側１００と受け側２００との間の距離が適正に保たれないと、共鳴素子間の結合係数ｋが変わり、インピーダンスマッチングに不整合が生じる。

このように、インピーダンスマッチングに不整合が生じた場合、インピーダンスが低下するために電力の反射が発生して、電力の伝送効率が悪化してしまうという問題が発生する。このため、共鳴素子間において密結合状態となった場合であっても、電力の伝送効率を低下させないようにすることが望まれる。

以上のことに鑑み、この発明は、共鳴方式を用い、非接触で電力の送受を行う場合に、電力の送り側と受け側との間の距離が接近し密結合状態となった場合であっても、伝送効率を高く維持できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明の非接触給電装置は、
共鳴により非接触で交流電力を供給するための共鳴素子と、
前記共鳴素子に供給する交流電力を発生させる交流電源部と、
前記交流電源部と前記共鳴素子との間に設けられ、交流電力の供給先との間における結合係数に応じて、インピーダンスを可変に制御するインピーダンス調整手段と
を備える。

この請求項１に記載の発明の非接触給電装置によれば、交流電源部からの交流電力は、共鳴素子に供給され、これによって共鳴素子に磁界を発生させて、共鳴により受電装置に対して交流電力を供給するようにされている。

そして、交流電源部と共鳴素子との間に設けられるインピーダンス調整手段によって、交流電力の供給先との間における結合係数に応じて、インピーダンスが適切になるように調整される。

これにより、当該非接触給電装置と、電力の供給先の受電装置との距離が変化することにより、両者間の結合係数が変化した場合であっても、共鳴素子のインピーダンスを適切に調整し、非接触での電力供給を高効率に行うことができるようにされる。

また、請求項２に記載の発明の非接触給電装置は、請求項１に記載の非接触給電装置であって、
前記インピーダンス調整手段は、
可変インダクタンスと可変キャパシタンスとの一方あるいは両方からなる調整手段と、
前記結合係数に応じて変化する反射電力の大きさを検出する検出手段と、
前記検出手段で検出された前記反射電力の大きさに基づいて、前記調整手段を制御する制御手段と
からなる。

この請求項２に記載の発明の非接触給電装置によれば、検出手段により、結合係数に応じて変化する反射電力の大きさが検出され、この検出結果が制御手段に通知される。そして、制御手段によって、可変インダクタンスと可変キャパシタンスとの一方あるいは両方を備えた調整手段が制御され、共鳴素子のインピーダンスが常時適正に制御される。

これにより、当該非接触給電装置と、電力の供給先の受電装置との距離が変化することにより、両者間の結合係数が変化した場合であっても、共鳴素子のインピーダンスを適切に調整し、非接触での電力供給を高効率に行うことができるようにされる。

この発明によれば、共鳴方式を用い、非接触で電力の送受を行う場合に、電力の送り側と受け側との間の距離が変わって密結合状態になっても、インピーダンスのマッチングを適正にとることで、伝送効率を高く維持することができる。

この発明の位置実施の形態が適用された磁界共鳴方式の非接触給電システムの構成例を説明するための図である。 基本的な構成の非接触給電システムの等価回路を示す図である。 図２に示した基本的な構成の非接触給電システムの等価回路において成立する関係式を示す図である。 最大伝送効率η_ＭＡＸと値Ｓ（＝ｋ×Ｑ）との関係を示すグラフである。 結合係数を変化させた場合の電力の伝送特性を示すグラフである。 結合係数を変化させると共に、電源インピーダンスＲ_Ｓと負荷インピーダンスＲ_Ｌの値を変化させるようにした場合の電力の伝送特性を示すグラフである。 図７は、送り側１の自動整合器１２の構成例を説明するためのブロック図である。 図８は、受け側２の自動整合器２３の構成例を説明するためのブロック図である。 磁界共鳴方式の非接触給電システムの基本的な構成を説明するための概念図である。 励振素子を設けた磁界共鳴方式の非接触給電システムの構成例を示すブロック図である。 磁界共鳴方式の非接触給電システムにおける周波数特性について説明するための図である。 磁界共鳴方式の非接触給電システムにおける共鳴素子間距離と結合量の関係を説明するための図である。 磁界共鳴方式の非接触給電システムにおける共鳴周波数と最大結合量が得られる共鳴素子間距離の関係を説明するための図である。

以下、図を参照しながら、この発明による装置、方法、システムの一実施の形態について説明する。この発明は、磁界共鳴方式、電界共鳴方式、電磁共鳴方式等の種々の共鳴方式に適用可能なものであるが、以下においては磁界共鳴方式を用いる場合を例にして説明する。

［非接触給電システムの概要］
図１は、この実施の形態の磁界共鳴方式の非接触給電システムの構成例を説明するための図である。図１に示すように、この実施の形態の非接触給電システムは、送り側（給電元）１と、受け側（給電先）２とからなっている。

送り側１は、磁界共鳴方式を用い、非接触で他の電子機器に対して電力の供給を行うものであり、非接触給電装置としての機能を実現するものである。具体的には、例えば、充電装置（クレイドル）等の電子機器などとして実現される。

また、受け側２は、この実施の形態においては、送り側１から非接触で電力の供給を受けて、これを自機の負荷回路の駆動に用いるものであり、非接触受電装置の機能を実現するものである。具体的には、例えば、携帯電話端末など、外部から非接触で電力の供給を受ける必要のある種々の電子機器として実現される。

送り側１は、図１に示すように、交流電源１１、自動整合器１２、励振素子１３、送電用共鳴素子１４を備えたものである。この実施の形態において、励振素子１３と送電用共鳴素子１４とは、空芯コイルの構成とされたものである。

そして、送り側１においては、自動整合器１２と励振素子１３とでインピーダンス変換器１５としての機能を実現している。ここで、励振素子１３は、交流電源１１と送電用共鳴素子１４との間のインピーダンスの整合を取ることによって、電力の反射を防止する。

また、励振素子１３は、固定的に送電用共鳴素子１４のインピーダンスを適切な値とすることによって、共鳴素子１４のＱ値を高く維持する機能を実現する。

そして、励振素子１３を用いたインピーダンスの変換比は固定である。このため、電力の伝送距離によって変動することになる結合係数ｋによって変動するインピーダンスにマッチングするようにインピーダンスを制御する必要がある。

そこで、自動整合器１２は、詳しくは後述もするが、伝送距離によって変動する結合係数ｋに応じて、可変に送電用共鳴素子１４を有する共振回路のインピーダンスを調整する機能を実現している。このように、自動整合器１２は、インピーダンス変換比を可変に制御する機能を有するものである。

一方、受け側２は、図１に示すように、受電用共鳴素子２１、励振素子２２、自動整合器２３、整流回路２４、負荷回路２５を備えたものである。この実施の形態において、受電用共鳴素子２１と励振素子２２とは、空芯コイルの構成とされたものである。

そして、受け側２においては、励振素子２２と自動整合器２３とでインピーダンス変換器２６としての機能を実現している。ここで、励振素子２２は、受電用共鳴素子２１と整流回路２３との間のインピーダンスの整合を取ることによって、電力の反射を防止する。

また、励振素子２２は、固定的に共鳴素子２１のインピーダンスを適切な値に維持することによって、受電用共鳴素子２１のＱ値を高く維持する機能を実現する。

そして、励振素子２２を用いたインピーダンスの変換比は固定である。このため、受け側２においても、電力の伝送距離によって変動することになる結合係数ｋによって変動するインピーダンスにマッチングするようにインピーダンスを制御する必要がある、
そこで、自動整合器２３は、詳しくは後述もするが、伝送距離によって変動する結合係数ｋに応じて、可変に受電用共鳴素子２１を有する共振回路のインピーダンスを調整する機能を実現している。このように、自動整合器２３は、インピーダンス変換比を可変に制御する機能を有するものである。

そして、送り側１の送電用共鳴素子１４と受け側２の受電用共鳴素子とは、自己共鳴周波数が同じであり、お互いに磁界結合している。そして、これらの共鳴素子間の入出力インピーダンスは、共鳴素子間の結合係数ｋと共鳴素子のＱ値に依存し、結合係数ｋとＱ値とが高いほど入力インピーダンスは低くなると言う関係がある。

そして、送り側１の交流電源１１は、送り側１の送電用共鳴素子１４の自己共鳴周波数（自己共振周波数）と同一、あるいは、略同一の周波数の交流電力（交流電流）を発生させて、これを自動整合器１２を介して励振素子１３に供給する。送り側１の交流電源１１は、目的とする周波数の交流電力を発生させるため、例えば、コルピッツ型発信回路やハートレ型発振回路などを含むものである。

送り側１の励振素子１３は、交流電源１１からの交流電力によって励振されることにより、送電用共鳴素子１４に交流電力を供給する素子である。交流電源１１からの交流電力の供給を受ける励振素子１３と送電用共鳴素子１４とは電磁誘導により強く結合するようにされている。このため、交流電源１１からの交流電力は、励振素子１３を介して、送電用共鳴素子１４に供給される。

そして、送電用共鳴素子１４は、励振素子１３から供給される交流電力により磁界を発生させる。送電用共鳴素子１４は、インダクタンスＬ及びキャパシタンスＣを有する。送電用共鳴素子１４は、共鳴周波数において磁界強度が最も高くなる。

すなわち、送電用共鳴素子１４の共鳴周波数ｆ_０１を求めるための式は、図３の式（１−１）に示すものとなる。図３に示した式（１−１）において、文字Ｌ_１は送電用共鳴素子１４の有するインダクタンスであり、文字Ｃ_１は送電用共鳴素子１４の有するキャパシタンスである。

したがって、送電用共鳴素子１４の共鳴周波数ｆ_０１は、送電用共鳴素子１４の有するインダクタンスＬ_１とキャパシタンスＣ_１とにより定まる。上述したように、送電用共鳴素子１４は、空芯コイルにより構成されるので、送電用共鳴素子１４の線間容量がキャパシタンスとしての役割を果たすことになる。そして、送電用共鳴素子１４は、コイルの軸方向に磁界を発生させる。

一方、受け側２の受電用共鳴素子２１は、磁界共鳴による磁界結合によって、送り側１からの交流電力の供給を受けるための素子である。受け側２の受電用共鳴素子２１は、図３の式（１−２）に示すように、インダクタンスＬ_２とキャパシタンスＣ_２を有し、送り側１の送電用共鳴素子１４と同一、あるいは、略同一の共鳴周波数を有するものである。

そして、上述したように、受け側２の受電用共鳴素子２１は、空芯コイルの構成とされているので、線間容量がキャパシタンスとしての役割を果たす。そして、図１に示したように、送り側１の送電用共鳴素子１４に対して、受け側２の受電用共鳴素子２１は磁界共鳴により接続される。

これにより、共鳴周波数（共振周波数）において、送り側１の送電用共鳴素子１４から受け側２の受電用共鳴素子２１に対して、磁界共鳴により非接触で交流電力が供給される。

そして、上述したように、受け側２においては、受電用共鳴素子２１と励振素子２２とが電磁誘導により結合され、受電用共鳴素子２１から励振素子２２、自動整合器２３を通じて交流電力が整流回路２４に供給される。

整流回路２４は、励振素子２２、自動整合器２３を通じて供給される交流電力から、後段の負荷回路２５に供給する直流電力を形成し、これを負荷回路２５に供給する。負荷回路３４は、例えば、バッテリを有する充電回路などの種々の回路部分である。

このように、この実施の形態の磁界共鳴方式の非接触給電システムにおいては、送り側１から受け側２に対して、非接触で電力の送電（給電）を行うことができるようにされる。

そして、上述もしたように、送り側１においては、励振素子１３を用いることによって、電力反射の防止、送電用共鳴素子１４を有する共鳴回路のインピーダンスを適切に保ち、Ｑ値を高く維持し、電力の伝送効率を高効率に保つようにしている。

同様に、受け側２においても、励振素子２２を用いることによって、電力反射の防止、受電用共鳴素子２１を有する共鳴回路のインピーダンスを適切に保ち、Ｑ値を高く維持し、電力の伝送効率を高効率に保つようにしている。

しかし、詳しくは後述もするが、送り側１と受け側２とが近接し、送電用共鳴素子１４と受電用共鳴素子２１とにおいて密結合状態となると、共鳴周波数が分離して双峰特性になり、共振周波数での伝送効率は悪くなってしまう。

これは、送電用共鳴素子１４と受電用共鳴素子２１との伝送距離が変化すると、両者間の結合係数ｋが変わるために、非接触給電システムにおける入出力でインピーダンス不整合が生じ、伝送効率が低下するためである。

そこで、送り側１においては、自動整合器１２により、伝送距離に応じて変化する結合係数ｋに応じて適応的にインピーダンスを調整することができるようにしている。同様に、受け側２においても、自動整合器２３において、伝送距離に応じて変化する結合係数ｋに応じて適応的にインピーダンスを調整することができるようにしている。

［インピーダンスの調整方法］
送り側１の送電用共鳴素子１４と受け側２の受電用共鳴素子２１とは自己共鳴周波数が同じであり、お互いに磁界結合している。そして、送電用共鳴素子１４と受電用共鳴素子２１との間の伝送効率は共鳴素子間の結合係数ｋと共鳴素子のＱ値とに依存し、結合係数ｋとＱ値とが高いほど電力の伝送効率は高くなる。

また、結合係数ｋは、共鳴素子間の距離と共鳴素子の寸法に依存し、共鳴素子の寸法が大きく、共鳴素子間の距離が短いほど結合が大きくなり高効率となる。しかし、共鳴素子の寸法は固定であるので、結合係数ｋは、共鳴素子間の距離に応じて変化するものであると言える。

そこで、上述もしたように、送り側１の自動整合器１２においては、送り側１と受け側２との間の結合係数ｋに応じて、送電用共鳴素子１４を有する共振回路のインピーダンスを調整できるようにしている。

同様に、受け側２の自動整合器２３においては、送り側１と受け側２との間の結合係数ｋに応じて、受電用共鳴素子２１を有する共振回路のインピーダンスを調整できるようにしている。

ここで、送り側１と受け側２との間の結合係数ｋに応じて、送り側１の送電用共鳴素子１４を有する共振回路のインピーダンスや受け側２の受電用共鳴素子２１を有する共振回路のインピーダンスを調整できることについて具体的に説明する。

図２は、例えば図９に示した場合と同様に、送り側１が交流電源１１と送電用共鳴素子１４とからなり、受け側２が受電用共鳴素子２１と負荷回路２５とからなる基本的な構成の非接触給電システムの等価回路を示す図である。また、図３は、図２に示した基本的な構成の非接触給電システムの等価回路において成立する幾つかの関係式を示す図である。

図２に示すように、送り側１の交流電源１１は、インピーダンスＲ_Ｓを有するものとして表現できる。また、送り側１の送電用共鳴素子１４は、インダクタンスＬ_１、キャパシタンスＣ_１、抵抗Ｒ_１からなる共振回路の構成を有するものとして表すことができる。

また、受け側２の受電用共鳴素子２１は、インダクタンスＬ_２、キャパシタンスＣ_２、抵抗Ｒ_２からなる共振回路の構成を有するものとして表すことができる。また、受け側２の負荷回路２５は、インピーダンスＲ_Ｌを有するものとして表現できる。

そして、図２に示した等価回路において、送り側１の送電用共振素子１４の共鳴周波数ｆ_０１は、図３の式（１−１）で表すことができる。また、受け側２の受電用共振素子２１の共振周波数ｆ_０２は、図３の式（１−２）で表すことができる。

また、図２に示した等価回路において、送り側１の送電用共振素子１４のＱ値（Ｑ_１）は、図３の式（２−１）で表すことができる。また、受け側２の受電用共振素子２１のＱ値（Ｑ_２）は、図３の式（２−２）で表すことができる。また、受け側２の負荷回路２５のＱ値（Ｑ_Ｌ）は、図３の式（２−３）で表すことができる。

ここで、送り側１の送電共振素子１４と受け側２の受電共振素子２１との間の結合係数を文字ｋで表す。また、共振素子（共振回路）１４と共振素子（共振回路）２１の回路Ｑ値を文字Ｑで表す。そして、これらの乗算値（ｋ×Ｑ）を文字Ｓで表す。

つまり、Ｓ＝ｋ×Ｑとする。この場合、最大伝送効率η_ＭＡＸは、図３に示した式（３）で表される。図３の式（３）から分かるように、最大伝送効率η_ＭＡＸは、Ｓ（＝ｋ×Ｑ）の関数として表される。

図４は、図３の式（３）によって示される最大伝送効率η_ＭＡＸと値Ｓ（＝ｋ×Ｑ）との関係を示すグラフである。図４から分かるように、値Ｓが値２０より大きくなると（Ｓ＞２０のとき）、最大伝送効率η_ＭＡＸは９０％以上となることが分かる。すなわち、伝送効率は、結合係数ｋに依存していることが分かる。

そして、最大伝送効率η_ＭＡＸが、９０％以上である場合には、送り側１と受け側２における入出力のインピーダンス（インピーダンスＲ_Ｓ、Ｒ_Ｌ）は整合しており、この時の入出力のインピーダンスＲ_Ｌは、図３の式（４）で表される。

図３に示した式（４）より明らかであるように、入出力のインピーダンスＲ_Ｌは、Ｓ（＝ｋ×Ｑ）の関数となっている。従って、結合係数ｋが変動すると、入出力のインピーダンスＲ_Ｌも変動することが分かる。

ここで、図２に示した等価回路において、Ｌ_１＝Ｌ_２＝１［μＨ］、Ｃ_１＝Ｃ_２＝１［ｐＦ］、Ｒ_１＝Ｒ_２＝１０［Ω］とすると、送電用共振素子１４と受電用共振素子２１のＱ値は、Ｑ_１＝Ｑ_２＝１００となり、共鳴周波数ｆ_０１＝Ｆ_０２＝１５９．２３［ＭＨｚ］となる。

この状態のときに、電源インピーダンスＲ_Ｓと負荷インピーダンスＲ_Ｌを共に３０００［Ω］に固定し、結合係数ｋを、０．０１、０．０４、０．０７、０．１と変化させた場合の伝送特性を図５に示す。

図５から分かるように、結合係数ｋが大きくなり密結合状態になると、伝送特性は双峰特性となり、中心周波数において、減衰量が大きくなって、電力の伝送効率が低下していることが分かる。

そこで、上述したように、結合係数ｋを、０．０１、０．０４、０．０７、０．１と変化させると共に、電源インピーダンスＲ_Ｓと負荷インピーダンスＲ_Ｌの値を、図３に示した式（４）のように可変にしたときの電力の伝送特性を図６に示す。

図６から分かるように、結合係数ｋが大きくなり密結合状態となっても、インピーダンスを調整することによって双峰特性とならず、中心周波数においても電力の伝送効率が低下していないことが分かる。

実際には、電源インピーダンスＲ_Ｓと負荷インピーダンスＲ_Ｌとの値は固定である。このため、図１を用いて上述したように、この実施の形態の非接触給電システムにおいては、送り側１にはインピーダンス調整のための自動整合器１２を設け、受け側２にはインピーダンス調整のための自動整合器２３を設けている。

そして、上述もしたように、送り側１の自動整合器１２においては、結合係数ｋの大きさに応じて送り側１のインピーダンスを調整することにより、送電用共鳴素子１４のＱ値を高く維持し、電力の伝送効率を高く保つようにする。

同様に、受け側２の自動整合器２３においては、結合係数ｋの大きさに応じて受け側２のインピーダンスを調整することにより、送電用共鳴素子２１のＱ値を高く維持し、電力の伝送効率を高く保つようにする。

これにより、図１に示した非接触給電システムにおいては、結合係数ｋの大きさに応じて、送り側１と受け側２のインピーダンスを適切に制御し、常時、図６に示したように、中心周波数部分においても電力の伝送効率を低下させることがないようにしている。

［自動整合器１２、２３の構成例］
次に、送り側１の自動整合器１２と受け側２の自動整合器２３の具体的な構成例について説明する。上述したように、送電用共鳴素子１４と受電用共鳴素子間の距離が接近し、密結合状態となると、送り側１、受け側２におけるインピーダンスが低下することにより、電力の伝送効率が低下する。

そして、インピーダンスが低下すると言うことは、反射電力が増えることを意味する。そこで、結合係数ｋの変化を直接に検知する変わりに、反射電力を検知するようにし、反射電力が無くなるようにインピーダンスの調整を行うようにする。

まず、送り側１の自動整合器１２の構成例について説明する。図７は、送り側１の自動整合器１２の構成例を説明するためのブロック図である。図７に示すように、送り側１の自動整合器１２は、方向性結合器１２１、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）変換回路１２２、マイクロコンピュータ（以下、マイコンと略称する。）１２３、ＬＣ可変回路１２４からなっている。

方向性結合器１２１は、この例の場合、３ポート（単方向性結合器）のデバイスであり、上述したように結合係数ｋに応じて変化する反射電力を検出して、これをＡ／Ｄ変換器１２２に供給する。

Ａ／Ｄ変換器１２２は、方向性結合器１２１からの反射電力をデジタル信号に変換し、これをマイコン１２３に供給する。マイコン１２３は、Ａ／Ｄ変換器１２２からの反射電力の大きさに基づいて、ＬＣ可変回路１２４を制御する制御信号を形成し、これをＬＣ可変回路１２４に供給する。

ＬＣ可変回路１２４は、この例の場合、可変インダクタンスと可変キャパシタンスとを備え、マイコン１２３からの制御信号に基づいて、可変インダクタンスと可変キャパシタンスを制御し、送り側１のインピーダンスを調整する。

この場合、インダクタンスの大きさやキャパシタンスの容量を調整することによって、送り側１のインピーダンスを調整し、図６を用いて説明したように、双峰特性をなくすようにして、密結合時の伝送効率の劣化を防止することができるようにされる。

つまり、反射電力が大きい場合に、これをゼロにするように、ＬＣ可変回路１２４のインダクタンスの大きさやキャパシタンスの容量を調整する。これによって、送り側１の共振回路のインダクタンスが適正に調整され、送り側１において、双峰特性を回避して、中心周波数において電力の伝達特性が劣化しないようにされる。

次に、受け側２の自動整合器２３の構成例について説明する。受け側２の自動整合器２３も基本的には、図７に示した送り側の自動整合器１２と同様に構成されるものある。

図８は、受け側２の自動整合器２３の構成例を説明するためのブロック図である。図８に示すように、受け側２の自動整合器２３は、方向性結合器２３１、Ａ／Ｄ変換回路２３２、マイコン２３３、ＬＣ可変回路２３４からなるものである。

方向性結合器２３１は、上述した送り側１の方向性結合器１２１と同様に、３ポート（単方向性結合器）のデバイスであり、結合係数ｋに応じて変化する反射電力を検出して、これをＡ／Ｄ変換器２３２に供給するものである。

Ａ／Ｄ変換器２３２は、方向性結合器２３１からの反射電力をデジタル信号に変換し、これをマイコン２３３に供給する。マイコン２３３は、Ａ／Ｄ変換器２３２からの反射電力の大きさに基づいて、ＬＣ可変回路２３４を制御する制御信号を形成し、これをＬＣ可変回路２３４に供給する。

ＬＣ可変回路２３４は、送り側１のＬＣ可変回路１２４と同様に、可変インダクタンスと可変キャパシタンスとを備え、マイコン２３３からの制御信号に基づいて、可変インダクタンスと可変キャパシタンスを制御し、受け側２のインピーダンスを調整する。

この場合、インダクタンスの大きさやキャパシタンスの容量を調整することによって、受け側２のインピーダンスを調整し、図６を用いて説明したように、双峰特性をなくすようにして、密結合時の伝送効率の劣化を防止することができるようにされる。

つまり、反射電力が大きい場合に、これをゼロにするように、ＬＣ可変回路２３４のインダクタンスの大きさやキャパシタンスの容量を調整する。これによって、受け側２の共振回路のインダクタンスが適正に調整され、受け側２においても、双峰特性を回避して、中心周波数において電力の伝達特性が劣化しないようにされる。

図７に示した自動整合器１２と、図８に示した自動整合器２３とを用いることによって、送り側１と受け側２とのそれぞれにおいて、インピーダンスマッチングを適切に行うようにすることができる。

なお、自動整合器１２、２３のそれぞれは、Ｌ型回路（Ｌマッチ）、Ｔ型回路（Ｔマッチ）、Π型回路（Πマッチ）のローパスフィルタまたはハイパスフィルタの構成として実現することが可能である。

また、図７に示した自動整合器１２においては、ＬＣ可変回路１２４を用いるようにした。しかしこれに限るものではない。共振回路のインピーダンスを適切に調整可能であれば、可変インダクタンスと可変キャパシタンスのいずれか一方を用いた調整回路をＬＣ可変回路１２４の代わりに用いるようにしてもよい。

また、図８に示した自動整合器２３においては、ＬＣ可変回路２３４を用いるようにした。しかしこれに限るものではない。共振回路のインピーダンスを適切に調整可能であれば、可変インダクタンスと可変キャパシタンスのいずれか一方を用いた調整回路をＬＣ可変回路２３４の代わりに用いるようにしてもよい。

［変形例］
なお、上述もしたように、最大伝送効率η_ＭＡＸは、Ｓ（＝ｋ×Ｑ）の関数として表されるものであることを説明した。そして、Ｓ＝ｋ×Ｑであることから、最大伝送効率η_ＭＡＸは、送電用共振素子１４や受電用共振素子２１のＱ値に依存しているとも言える。

このため、図３の式（２−１）、（２−２）のように求められるＱ値に基づいて、ＬＣ可変回路１２４、２３４を制御し、Ｑ値が所定の値となるように、送り側１のインピーダンスや受け側２のインピーダンスを制御するようにしてももちろんよい。

また、受け側２においては、例えば、整流回路２４の前段における交流電力の大きさや、整流回路２４の後段における直流電力の大きさに基づいて、これらの電力の大きさの所定の大きさとなるように、受け側２のインピーダンスを調整するようにしてもよい。

例えば、図８に示した自動整合器２４において、方向性結合器２３１に代えて、整流回路２４の前段において交流電力の大きさを検出する検出器を設け、その検出出力を自動整合器２３のＡ／Ｄ変換器２３２にフィードバックする。

Ａ／Ｄ変換器２３２は、交流電力の大きさをデジタル信号に変換し、これをマイコン２３３に供給し、マイコン２３３がＬＣ可変回路２３４を制御してインピーダンスを調整し、交流電力の大きさを目的とする大きさに調整する構成とすることも可能である。

同様に、図８に示した自動整合器２４において、方向性結合器２３１に代えて、整流回路２４の後段において直流電力の大きさを検出する検出器を設け、その検出出力を自動整合器２３のＡ／Ｄ変換器２３２にフィードバックする。

Ａ／Ｄ変換器２３２は、直流電力の大きさをデジタル信号に変換し、これをマイコン２３３に供給し、マイコン２３３がＬＣ可変回路２３４を制御してインピーダンスを調整し、直流電力の大きさを目的とする大きさに調整する構成とすることも可能である。

［実施の形態の効果］
伝送距離が変動して結合係数ｋが変わっても、入出力のインピーダンスのマッチングを取ることで、伝送効率を上げることができる。また、密結合状態でも中心周波数での伝送効率の低下を防ぐことができる。

また、密結合状態において双峰特性ではなく単峰特性とすることができ、伝送特性をより広帯域とすることができるので、電力の送受ではなく、通信を行うような場合であってもこの発明を適用し、データを近接距離においても高速かつ正確に伝送することもできる。

［この発明のシステム、方法］
なお、図１に示したように、送る側（非接触給電装置）１と受け側（非接触受電装置）２とからなる非接触給電システムが、この発明による非接触給電システムが適用されて形成されたものである。

また、図１〜図７を用いて説明した送り側１における給電方法がこの発明による非接触給電方法である。つまり、交流電力を発生させる交流電源１１と交流電源１１からの交流電力を共鳴により非接触で他の電子機器に供給するための共鳴素子１４との間において、交流電力の供給先との間における結合係数ｋの大きさに応じて、共鳴素子のインピーダンスを可変に制御する方法が、この発明の非接触給電方法である。当該方法は、図１、図７を示した構成の装置において実現するようにされている。

同様に、図１〜図６、図８を用いて説明した送り側１における受電方法がこの発明による非接触給電方法である。つまり、送り側１の共鳴素子１４から共鳴により非接触で交流電力の供給を受ける共鳴素子２１と当該共鳴素子２１を通じて受け付けた交流電力から直流電力を生成して出力する整流回路２４との間において、送り側１との間における結合係数ｋの大きさに応じて、共鳴素子２１のインピーダンスを可変に制御する方法が、この発明の非接触受電方法である。当該方法は、図１、図７を示した構成の装置において実現するようにされている。

［その他］
なお、上述した実施の形態において、図１に示した送り側１の送電用共鳴素子１４が、請求項１における共鳴素子としての機能を実現し、送り側１の交流電源１１が、請求項１における交流電源部を実現している。また、送り側１の自動整合器１２が、請求項１におけるインピーダンス調整手段を実現している。

また、図７に示したＬＣ可変回路１２４が、請求項２における調整手段を実現し、方向性結合器１２１が、請求項２における検出手段を実現し、マイコン１２３が、請求項２における制御手段を実現している。

また、図１に示した受け側２の受電用共鳴素子２１が、請求項３における共鳴素子としての機能を実現し、受け側２の整流回路２４が、請求項３における整流回路を実現している。また、受け側２の自動整合器２３が、請求項３におけるインピーダンス調整手段を実現している。

また、図８に示したＬＣ可変回路２３４が、請求項４における調整手段を実現し、方向性結合器２３１が、請求項４における検出手段を実現し、マイコン２３３が、請求項４における制御手段を実現している。

また、上述した実施の形態において、受け側２は、例えば、携帯電話端末などとして実現されるものであることを説明したが、これに限るものではない。携帯型の音楽再生機、携帯型ゲーム機、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、電子手帳など、外部から電力の供給を受ける必要のある種々の電子機器、特に、携帯されて利用される携帯用電子機器に適用して好適なものである。

また、上述した実施の形態においては、磁界共鳴方式の非接触電力給電システムにこの発明を適用した場合を説明したが、これに限るものではない。電力ではなく、同じ方式で近接した機器間で情報の伝送を行う場合や情報と電力の伝送を行う場合にも、この発明を適用することもできる。

この場合、伝送効率を図６に示したようにブロードとすることができるので、種々の情報の伝送を高速かつ正確に行うことができる。

また、上述した実施の形態においては、磁界共鳴方式により非接触で電力を供給する場合を例にして説明したが、磁界共鳴方式だけでなく、電界共鳴方式、電磁共鳴方式を用いて非接触で電力の供給する場合であっても、この発明を同様に適用することができる。

１…送り側、１１…交流電源、１２…自動整合器、１３…励振素子、１４…共鳴素子、２…受け側、２１…共鳴素子、２２…励振素子、２３…自動整合器、２４…整流回路、２５…負荷回路、１２１、２３１…方向性結合器、１２２、２３２…Ａ／Ｄ変換器、１２３、２３３…マイクロコンピュータ、１２４、２３４…ＬＣ可変回路

Claims (7)

1. 共鳴により非接触で交流電力を供給するための共鳴素子と、
   前記共鳴素子に供給する交流電力を発生させる交流電源部と、
   前記交流電源部と前記共鳴素子との間に設けられ、交流電力の供給先との間における結合係数の大きさに応じて、インピーダンスを可変に制御するようにするインピーダンス調整手段と
   を備える非接触給電装置。
2. 請求項１に記載の非接触給電装置であって、
   前記インピーダンス調整手段は、
   可変インダクタンスと可変キャパシタンスとの一方あるいは両方からなる調整手段と、
   前記結合係数に応じて変化する反射電力の大きさを検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出された前記反射電力の大きさに基づいて、前記調整手段を制御する制御手段と
   からなる非接触給電装置。
3. 給電元の共鳴素子から共鳴により非接触で交流電力の供給を受ける共鳴素子と、
   前記共鳴素子を通じて受け付けた交流電力から直流電力を生成して出力する整流回路と、
   前記共鳴素子と前記整流回路との間に設けられ、交流電力の供給元との間における結合係数の大きさに応じて、インピーダンスを可変に制御するインピーダンス調整手段と
   を備える非接触受電装置。
4. 請求項３に記載の非接触受電装置であって、
   前記インピーダンス調整手段は、
   可変インダクタンスと可変キャパシタンスとの一方あるいは両方からなる調整手段と、
   前記結合係数に応じて変化する反射電力の大きさを検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出された前記反射電力の大きさに基づいて、前記調整手段を制御する制御手段と
   からなる非接触給電装置。
5. 交流電力を発生させる交流電源部と当該交流電源部からの交流電力を共鳴により非接触で他の電子機器に供給するための共鳴素子との間において、
   前記交流電力の供給先との間における結合係数の大きさに応じて、インピーダンスを可変に制御するインピーダンス調整工程を有する非接触給電方法。
6. 給電元の共鳴素子から共鳴により非接触で交流電力の供給を受ける共鳴素子と前記共鳴素子を通じて受け付けた交流電力から直流電力を生成して出力する整流回路との間において、
   交流電力の供給元との間における結合係数の大きさに応じて、インピーダンスを可変に制御するインピーダンス調整を有する非接触受電方法。
7. 共鳴により非接触で交流電力を供給するための共鳴素子と、
   前記共鳴素子に供給する交流電力を発生させる交流電源部と、
   前記交流電源部と前記共鳴素子との間に設けられ、交流電力の供給先との間における結合係数の大きさに応じて、インピーダンスを可変に制御するインピーダンス調整手段と
   を備える非接触給電装置と、
   前記非接触給電装置の共鳴素子から共鳴により非接触で交流電力の供給を受ける共鳴素子と、
   前記共鳴素子を通じて受け付けた交流電力から直流電力を生成して出力する整流回路と、
   前記共鳴素子と前記整流回路との間に設けられ、交流電力の供給元との間における結合係数の大きさに応じて、インピーダンスを可変に制御するインピーダンス調整手段と
   を備える非接触受電装置とからなる非接触給電システム。

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