ワイヤレス給電装置
【課題】磁場共振型のワイヤレス給電において、駆動系をシンプルに構成する。
【解決手段】給電コイルＬ２から受電コイルＬ３には磁気共振により電力が伝送される。駆動回路１６２は、共振周波数ｆｒの駆動信号ＤＲを出力し、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２を交互にオン・オフさせる。給電コイルＬ２には共振周波数ｆｒの交流電力が供給され、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３には共振周波数ｆｒの交流電力が供給される。給電コイルＬ２を流れる交流電流ＩＳが発生させる交流磁界により、検出コイルＬＳＳには誘導電流ＩＳＳが流れる。駆動回路１６２は、この誘導電流ＩＳＳが発生させる交流信号を利用して、駆動信号ＤＲの出力を継続させる。
【解決手段】給電コイルＬ２から受電コイルＬ３には磁気共振により電力が伝送される。駆動回路１６２は、共振周波数ｆｒの駆動信号ＤＲを出力し、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２を交互にオン・オフさせる。給電コイルＬ２には共振周波数ｆｒの交流電力が供給され、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３には共振周波数ｆｒの交流電力が供給される。給電コイルＬ２を流れる交流電流ＩＳが発生させる交流磁界により、検出コイルＬＳＳには誘導電流ＩＳＳが流れる。駆動回路１６２は、この誘導電流ＩＳＳが発生させる交流信号を利用して、駆動信号ＤＲの出力を継続させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレスにて電力を送るためのワイヤレス給電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）の３種類に大別できる。
【０００３】
電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）は、電動シェーバーなどの身近な家電製品において一般的に利用されているが、数ｃｍ程度の近距離でしか使えないという課題がある。電波を利用するタイプ（Ｂ）は、遠距離で使えるが電力が小さいという課題がある。共振現象を利用するタイプ（Ｃ）は、比較的新しい技術であり、数ｍ程度の中距離でも高い電力伝送効率を実現できることから特に期待されている。たとえば、ＥＶ（Electric Vehicle）の車両下部に受電コイルを埋め込み、地中の給電コイルから非接触にて電力を送り込むという案も検討されている。以下、タイプ（Ｃ）を「磁場共振型」とよぶ。
【０００４】
磁場共振型は、マサチューセッツ工科大学が２００６年に発表した理論をベースとしている（特許文献１参照）。特許文献１では、４つのコイルを用意している。これらのコイルを給電側から順に「エキサイトコイル」、「給電コイル」、「受電コイル」、「ロードコイル」とよぶことにする。エキサイトコイルと給電コイルは近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。同様に、受電コイルとロードコイルも近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。これらの距離に比べると、給電コイルから受電コイルまでの距離は「中距離」であり、比較的大きい。このシステムの目的は、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電することである。
【０００５】
エキサイトコイルに交流電力を供給すると、電磁誘導の原理により給電コイルにも電流が流れる。給電コイルが磁場を発生させ、給電コイルと受電コイルが磁気的に共振すると、受電コイルには大きな電流が流れる。電磁誘導の原理によりロードコイルにも電流が流れ、ロードコイルと直列接続される負荷から電力が取り出される。磁場共振現象を利用することにより、給電コイルから受電コイルの距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国公開２００８／０２７８２６４号公報
【特許文献２】特開２００６−２３００３２号公報
【特許文献３】国際公開２００６／０２２３６５号公報
【特許文献４】米国公開２００９／００７２６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
給電コイルから受電コイルへの電力伝送効率を最大化するためには、共振周波数の交流信号を生成する必要がある。たとえば、特許文献２では、発振器から所定周波数の信号（矩形波）を発生させ、更に、分周器によりその周波数を１／ｎ倍に分周している。そして、この分周信号によりドライブ用ブリッジ回路（給電手段）を駆動している。本発明者は、交流電力そのものを利用することにより、給電コイルの駆動系をよりシンプルに構成できることに想到した。
【０００８】
本発明は、本発明者による上記認識に基づいて完成された発明であり、磁場共振型のワイヤレス給電において、給電コイルの駆動系をシンプルな構成にて実現することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るワイヤレス給電装置は、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電するための装置である。この装置は、直列接続された第１のコイルおよびキャパシタを含む共振回路と、共振回路への第１および第２の方向からの電流の供給を制御する第１および第２のスイッチと、第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより共振回路を共振させ、第１のコイルを給電コイルとして、第１のコイルから受電コイルへ交流電力を送電させる送電制御回路を備える。送電制御回路は、交流電力により第１および第２のスイッチをフィードバック制御することにより、共振回路の共振状態を持続させる。
【００１０】
この装置は、エキサイトコイルを用いることなく、直接給電コイルを駆動できる。したがって、製造コストを抑え構成をコンパクトにしやすい。装置が発生させる交流電力を利用して第１および第２のスイッチをフィードバック制御するため、他の発振源を持たない場合でもワイヤレス給電を持続させやすくなる。この結果、給電システムの駆動系をシンプルに構成できる。
【００１１】
この装置は、交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる第２のコイルを更に備えてもよい。送電制御回路は、誘導電流により第１および第２のスイッチをフィードバック制御してもよい。交流電力が発生させる磁界により第２のコイル（検出コイル）に誘導電流を発生させ、その誘導電流を利用して第１および第２のスイッチをフィードバック制御するため、給電コイルに直接的な負荷がかかりにくい。このため、給電コイルの共振特性への影響を抑制しつつ、共振状態を維持しやすい構成となる。
【００１２】
送電制御回路は、共振回路のコイルを給電コイルとして動作させるのではなく、エキサイトコイルとして動作させ、別のコイルとして設けられる給電コイルに電力を供給させてもよい。
【００１３】
第２のコイルはトロイダルコアに巻回されてもよい。そして、このトロイダルコアに第１のコイルの一部を通過させることにより、第１コイルと第２コイルとで結合トランスを形成してもよい。このようにトロイダルコアを第１および第２のコイルで共有することにより、第２のコイルに誘導電流を好適に発生させることができる。
【００１４】
この装置は、有効信号を発生させる有効信号発生器、を更に備えてもよい。そして、送電制御回路は、有効信号の発生期間中であることを条件として、交流電力により第１および第２のスイッチを駆動してもよい。このような態様によれば、有効信号の発生期間の長さを制御することにより、交流電力の大きさや給電期間を調整しやすくなる。
【００１５】
送電制御回路は、有効信号の発生を契機として、第１および第２のスイッチのいずれかの駆動を開始してもよい。有効信号をいわば開始スイッチとすることにより、交流電力の給電開始タイミングを有効信号発生器により制御できる。また、有効信号が停止したとき、第１および第２のスイッチをいずれもオフとすることにより給電を強制停止させてもよい。
【００１６】
本発明に係る別のワイヤレス給電装置も、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電するための装置である。この装置は、第１および第２の電流経路を含む電源回路と、給電コイルと、給電コイルと磁気結合して電源回路から供給される交流電力を給電コイルに供給するエキサイトコイルと、第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを共振周波数にて交互に導通させることによりエキサイトコイルに交流電力を供給させる送電制御回路を備える。送電制御回路は、交流電力により第１および第２のスイッチをフィードバック制御することによりエキサイトコイルへの交流電力の供給を持続させる。
【００１７】
このような態様においても、装置が発生させる交流電力を利用して第１および第２のスイッチをフィードバック制御するため、発振源を持たなくてもワイヤレス給電を持続させやすくなる。この結果、給電システムの駆動系をシンプルに構成できる。
【００１８】
この装置は、交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる検出コイルを更に備えてもよい。そして、送電制御回路は、誘導電流により第１および第２のスイッチをフィードバック制御してもよい。
【００１９】
検出コイルは、給電コイルを流れる交流電流が発生させる磁界により誘導電流を発生させてもよいし、エキサイトコイルを流れる交流電流が発生させる磁界により誘導電流を発生させてもよい。
【００２０】
検出コイルはトロイダルコアに巻回されてもよい。そして、このトロイダルコアに給電コイルやエキサイトコイルの一部を通過させることにより、給電コイルおよびエキサイトコイルの一方と検出コイルとで結合トランスを形成してもよい。
【００２１】
この装置も、有効信号を発生させる有効信号発生器を更に備えてもよい。そして、送電制御回路は、有効信号の発生期間中であることを条件として、第１および第２のスイッチを駆動してもよい。また、送電制御回路は、有効信号の発生を契機として、第１および第２のスイッチのいずれかの駆動を開始してもよい。
【００２２】
本発明におけるワイヤレス電力伝送システムは、上述した各種のワイヤレス給電装置と、受電コイルと、受電コイルと磁気結合して、受電コイルが給電コイルから受電した電力を供給されるロードコイルを備える。
【００２３】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、磁場共振型のワイヤレス給電技術において、給電コイルの駆動系をシンプルな構成にて実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。
【図２】検出コイルおよび給電コイルの拡大構成図である。
【図３】電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。
【図４】波形増幅器の前後における制御電位の変化過程を示すタイムチャートである。
【図５】有効信号、制御信号および各スイッチングトランジスタのゲート電位の関係を示すタイミングチャートである。
【図６】第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの別例としてのシステム構成図である。
【図７】第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。
【図８】第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。
【図９】第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの別例としてのシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。まず、第１実施形態および第２実施形態としてハーフブリッジ型について説明する。次に、第３実施形態としてプッシュプル型について説明する。各実施形態を特に区別しないときには単に「本実施形態」とよぶ。
【００２７】
［第１実施形態：ハーフブリッジ型］
図１は、第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム１００は、ワイヤレス給電装置２００、受電コイル回路１３０およびロード回路１４０を含む。ワイヤレス給電装置２００は、その一部に給電コイルＬ２を含む。給電コイルＬ２と受電コイル回路１３０の間には数ｍ程度の距離がある。ワイヤレス電力伝送システム１００の主目的は、給電コイルＬ２から受電コイル回路１３０にワイヤレスにて交流電力を送電することである。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムは、１００ＭＨｚ前後の共振周波数ｆｒにて動作させることを想定したシステムである。したがって、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の共振周波数ｆｒは１００ＭＨｚに設定される。なお、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムは、たとえば、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）周波数帯のような高周波数帯にて動作させることも可能である。
【００２８】
ワイヤレス給電装置２００は、エキサイトコイルを介すことなく、給電コイルＬ２に交流電力を直接供給するハーフブリッジ型の回路である。図１に示すように、ワイヤレス給電装置２００は上下対称形となっている。給電コイルＬ２を流れる電流ＩＳは交流であり、同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。本実施形態における給電コイルＬ２の巻き数は７回、導線の直径は５ｍｍ、給電コイルＬ２自体の直径は２８０ｍｍである。
【００２９】
受電コイル回路１３０は、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３が直列接続された回路である。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は互いに向かい合っている。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の距離は、０．２ｍ〜１ｍ程度と比較的長い。本実施形態における受電コイルＬ３の巻き数は７回、導線の直径は５ｍｍ、受電コイルＬ３自体の直径は２８０ｍｍである。受電コイル回路１３０の共振周波数ｆｒも１００ＭＨｚとなるように、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３それぞれの値が設定されている。したがって、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は同一形状である必要はない。給電コイルＬ２が共振周波数ｆｒにて磁界を発生させると、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は磁気的に共振し、受電コイル回路１３０にも大きな電流Ｉ３が流れる。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流ＩＳの向きと電流Ｉ３の向きは逆（逆相）である。
【００３０】
ロード回路１４０は、ロードコイルＬ４と負荷Ｒが直列接続された回路である。本実施形態における負荷Ｒは電球である。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は互いに向かい合っている。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４の距離は１０ｍｍ以下と比較的近い。このため、受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は電磁的に強く結合している。本実施形態におけるロードコイルＬ４の巻き数は１回、導線の直径は３ｍｍ、ロードコイルＬ４自体の直径は２１０ｍｍである。受電コイルＬ３に電流Ｉ３が流れることにより、ロード回路１４０に起電力が発生し、ロード回路１４０に電流Ｉ４が流れる。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流Ｉ３の向きと電流Ｉ４の向きは逆（逆相）である。すなわち、電流Ｉ４は、電流ＩＳと同相である。こうして、電源回路２００の給電コイルＬ２から送電された交流電力は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０により受電され、負荷Ｒから取り出される。
【００３１】
負荷Ｒを受電コイル回路１３０に直列接続すると、受電コイル回路１３０のＱ値が悪くなる。このため、受電用の受電コイル回路１３０と電力取り出し用のロード回路１４０を分離している。また、電力伝送効率を高めるためには、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３およびロードコイルＬ４の中心線を揃えることが好ましい。
【００３２】
次に、ワイヤレス給電装置２００の構成を説明する。まず、ゲート駆動用トランスＴ１の一次側に駆動回路１６２が接続される。駆動回路１６２はトランスＴ１一次コイルＬｈに動作周波数ｆｏの交流電圧（駆動信号ＤＲ）を供給する回路である。ただし、駆動回路１６２は交流電圧を独自生成する発振器ではない。駆動回路１６２は、給電コイルＬ２から発生する交流電力を利用することにより共振周波数ｆｒと等しい動作周波数ｆｏの交流電圧（駆動信号ＤＲ）を供給する。詳細については後述する。
【００３３】
駆動信号ＤＲの電圧波形は正弦波でもよいが、ここでは矩形波であるとして説明する。この駆動信号ＤＲにより、トランスＴ１一次コイルＬｈには正負両方向に交互に電流が流れる。トランスＴ１一次コイルＬｈとトランスＴ１二次コイルＬｆ、トランスＴ１二次コイルＬｇはゲート駆動用の結合トランスＴ１を形成する。電磁誘導により、トランスＴ１二次コイルＬｆとトランスＴ１二次コイルＬｇにも正負の両方向に交互に電流が流れる。駆動回路１６２とゲート駆動用トランスＴ１が、ワイヤレス電力伝送システム１００の駆動系として、ワイヤレス電力伝送システム１００から受電コイル回路１３０等への送電を制御する。
【００３４】
トランスＴ１二次コイルＬｆの一端は、スイッチングトランジスタＱ１のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ１のソースと接続される。トランスＴ１二次コイルＬｇの一端は、別のスイッチングトランジスタＱ２のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ２のソースと接続される。駆動回路１６２が共振周波数ｆｒにて駆動信号ＤＲを発生させると、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２の各ゲートには、電圧Ｖｘ（Ｖｘ＞０）が共振周波数ｆｒにて交互に印加される。このため、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は共振周波数ｆｒにて交互にオン・オフする。スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は同一特性のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であるが、バイポーラトランジスタなど他のトランジスタでもよい。トランジスタの代わりにリレースイッチ等、他のスイッチを用いてもよい。
【００３５】
スイッチングトランジスタＱ１のドレインは、電源Ｖｄｄ１の正極に接続される。電源Ｖｄｄ１の負極は、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２を介して、スイッチングトランジスタＱ１のソースに接続される。電源Ｖｄｄ１の負極の電位は接地電位である。スイッチングトランジスタＱ２のソースは、電源Ｖｄｄ２の負極に接続される。電源Ｖｄｄ２の正極は、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２を介して、スイッチングトランジスタＱ２のドレインに接続される。電源Ｖｄｄ２の正極の電位は接地電位である。
【００３６】
スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２とよぶ。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ２とする。ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、ＩＤＳ２については、同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。
【００３７】
キャパシタＣ１と給電コイルＬ２は共振周波数ｆｒにて電流共振するように値設定される。いいかえれば、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２は、共振周波数ｆｒの「共振回路」を形成している。また、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２が存在することによりソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、ＩＤＳ２の電流波形は正弦波状となる。
【００３８】
スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ１が並列接続され、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ２が並列接続される。キャパシタＣＱ１とキャパシタＣＱ２は同一特性のキャパシタである。キャパシタＣＱ１はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形を整形し、キャパシタＣＱ２はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２の電圧波形を整形するために挿入される。キャパシタＣＱ１、ＣＱ２を省略しても、ワイヤレス給電装置２００によるワイヤレス給電は可能である。特に、共振周波数ｆｒが低いときには、これらのキャパシタの影響は小さくなる。
【００３９】
スイッチングトランジスタＱ１が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ２は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第１電流経路１０２」とよぶ）は、電源Ｖｄｄ１からスイッチングトランジスタＱ１、給電コイルＬ２、キャパシタＣ１を経由して帰還する経路となる。スイッチングトランジスタＱ１は、第１電流経路１０２の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００４０】
スイッチングトランジスタＱ２が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ１は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第２電流経路１０４」とよぶ）は、電源Ｖｄｄ２からキャパシタＣ１、給電コイルＬ２、スイッチングトランジスタＱ２を経由して帰還する経路となる。スイッチングトランジスタＱ２は、第２電流経路１０４の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００４１】
駆動回路１６２が共振周波数ｆｒにて駆動信号ＤＲを供給すると、第１電流経路１０２と第２電流経路１０４が共振周波数ｆｒにて交互に導通する。キャパシタＣ１と給電コイルＬ２には共振周波数ｆｒの交流電流が流れることになるため、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２は共振状態となる。受電コイル回路１３０も共振周波数ｆｒの共振回路であるから、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は磁気的に共振する。このとき、電力伝送効率は最大となる。
【００４２】
給電コイルＬ２の近くには、検出コイルＬＳＳが設置される。検出コイルＬＳＳは、貫通孔を有するコア１５４（トロイダルコア）にＮＳ回巻き付けられたコイルである。給電コイルＬ２の一部もコア１５４を貫通するため、給電コイルＬ２と検出コイルＬＳＳは結合トランスを形成する。共振周波数ｆｒの交流電流ＩＳが発生させる交流磁界により、検出コイルＬＳＳには共振周波数ｆｒの誘導電流ＩＳＳが流れる。電流ＩＳと誘導電流ＩＳＳは同相である。
【００４３】
検出コイルＬＳＳの両端には抵抗Ｒ３が接続される。抵抗Ｒ３の一端Ｂは接地され、他端ＡはキャパシタＣ５、波形増幅器１６０を介して駆動回路１６２に接続される。キャパシタＣ５は、接続点Ａの電位Ｖｔ０の電圧波形から直流成分をカットするために挿入される。カット後の電位を制御電位Ｖｔ１とよぶ。波形増幅器１６０は、アナログ波形の制御電位Ｖｔ１を増幅して２値化し、デジタル波形の制御電位Ｖｔ２に変換する。波形増幅器１６０は、制御電位Ｖｔ１が所定の閾値、たとえば、０．１（Ｖ）より大きくなると飽和電圧５（Ｖ）を出力する増幅器である。このため、電位Ｖｔ１がアナログ波形となる場合でも、波形増幅器１６０によって制御電位Ｖｔ１はデジタル波形の制御電位Ｖｔ２に変換される。詳細については図４に関連して後述する。制御電位Ｖｔ２は、制御信号ＩＮとして、駆動回路１６２に入力信号となる。
【００４４】
駆動回路１６２は、制御信号ＩＮおよび有効信号ＥＮを入力信号、駆動信号ＤＲを出力信号とする回路である。有効信号ＥＮは、有効信号発生器１６４から供給される２値の信号である。駆動回路１６２は、既知の回路であり、たとえば、テキサス・インツルメンツ社の製品番号ＵＣＣ３７３２１のＩＣ（Integrated Circuit）を利用すればよい。
【００４５】
有効信号ＥＮがローレベルからハイレベルに変化するとき、駆動信号ＤＲはハイレベルまたはローレベルに変化する。このため、トランスＴ１一次コイルＬｈにはいずれかの方向に瞬間的に電流が流れる。スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２のいずれかがオンとなるため、第１電流経路１０２か第２電流経路１０４のいずれかに電流ＩＳが流れる。ここでは、電流ＩＳは正方向（第１電流経路１０２）に流れたとする。給電コイルＬ２に正方向の電流ＩＳが流れると、検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳが発生し、駆動回路１６２にはハイレベルの制御信号ＩＮが入力される。共振回路（給電コイルＬ２とキャパシタＣ２）の共振現象により、やがて電流ＩＳの向きは負方向（第２電流経路１０４）に変化する。このとき、駆動回路１６２にはローレベルの制御信号が入力される。この結果、制御信号ＩＮは共振周波数ｆｒの矩形波となる。更に詳細については図４に関連して後述する。
【００４６】
有効信号ＥＮがハイレベルに維持されている期間においては、駆動信号ＤＲ＝制御信号ＩＮとなる。駆動信号ＤＲは矩形波となるため、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２が交互に導通し、共振状態が維持される。
【００４７】
有効信号ＥＮがローレベルとなると、駆動信号ＤＲは強制停止される。このときには、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２のいずれもオフとなり、電力供給は停止される。
【００４８】
ワイヤレス給電装置２００の動作周波数ｆｏが共振周波数ｆｒと一致するとき、給電コイルＬ２には共振周波数ｆｒにて交流電流ＩＳが流れ、受電コイル回路１３０にも共振周波数ｆｒにて交流電流Ｉ３が流れる。給電コイルＬ２およびキャパシタＣ１と、受電コイル回路１３０の受電コイルＬ３およびキャパシタＣ３は、同一の共振周波数ｆｒにて共振するため、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３への電力伝送効率は最大となる。
【００４９】
図２は、検出コイルＬＳＳおよび給電コイルＬ２の拡大構成図である。図２は、検出コイルＬＳＳの周辺構成を詳細に示す図である。コア１５４の形状は貫通孔を有する筒形状であり、その材質はフェライト、珪素鋼板、パーマロイ（permalloy）等の既知材料である。本実施形態における検出コイルＬＳＳの巻き数ＮＳは１００回である。コア１５４の貫通孔を給電コイルＬ２の一部が貫通している。これは、コア１５４に対する給電コイルＬ２の巻き数ＮＰが１回であることを意味する。このような構成により、検出コイルＬＳＳと給電コイルＬ２は結合トランスを形成する。
【００５０】
給電コイルＬ２が一次側巻線、検出コイルＬＳＳが二次側巻線となることにより両者間で結合トランスが形成される。給電コイルＬ２の交流電流ＩＳが発生させる交流磁界により、検出コイルＬＳＳには同相の誘導電流ＩＳＳが流れる。等アンペア・ターンの法則により、誘導電流ＩＳＳの大きさは、ＩＳ・（ＮＰ／ＮＳ）となる。検出コイルＬＳＳの一端Ａにおける電位Ｖｔ０が計測対象となる。検出コイルＬＳＳの他端Ｂは接地されるので、電位Ｖｔ０は抵抗Ｒ３に印加される電圧値に等しい。
【００５１】
図３は、電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間(以下、「第１期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン、スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる期間である。時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間(以下、「第２期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる期間、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間(以下、「第３期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン、スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる期間、時刻ｔ３〜時刻ｔ４の期間(以下、「第４期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる期間であるとする。
【００５２】
スイッチングトランジスタＱ１のゲート・ソース電圧ＶＧＳ１が所定の閾値Ｖｘを超えたとき、スイッチングトランジスタＱ１は飽和状態となる。したがって、第１期間の開始タイミングである時刻ｔ０にスイッチングトランジスタＱ１がオン（導通）となると、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１が流れ始める。いいかえれば、正方向（第１電流経路１０２）に電流ＩＳが流れ始める。共振回路（給電コイルＬ２とキャパシタＣ１）が電流共振するため、電流ＩＳの第１期間における電流波形は矩形波とはならず、立ち上がりと立ち下がりが緩やかになる。
【００５３】
第２期間の開始タイミングである時刻ｔ１にスイッチングトランジスタＱ１がオフ（非導通）となると、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は流れなくなる。代わりに、スイッチングトランジスタＱ２がオン（導通）となり、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２が流れはじめる。すなわち、負方向（第２電流経路１０４）に電流ＩＳが流れ始める。
【００５４】
電流ＩＳと誘導電流ＩＳＳは同相であり、電位Ｖｔ１は誘導電流ＩＳＳと同相である。このため、電流ＩＳの電流波形と電位Ｖｔ１の電圧波形は同期する。第３期間、第４期間以降は、第１期間、第２期間と同様の波形を繰り返す。
【００５５】
図４は、制御電位Ｖｔ１と制御電位Ｖｔ２の変化過程を示すタイムチャートである。図４では、有効信号ＥＮはハイレベルに固定されているものとする。トランスＴ１一次コイルＬｈに瞬間電流が流れると、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２のいずれかがオンとなり、第１電流経路１０２か第２電流経路１０４のいずれかの経路に電流ＩＳが流れる。以下、第１電流経路１０２に電流ＩＳが流れたとする。給電コイルＬ２に流れる正方向の電流ＩＳによって誘導電流ＩＳＳが発生する。図３に示したように、制御電位Ｖｔ１は正弦波状に増加する。波形増幅器１６０は制御電位Ｖｔ１を飽和電圧まで増幅する。したがって、電流ＩＳが正方向（第１電流経路１０２）に流れ始めると、駆動回路１６２にはハイレベルの制御信号ＩＮが入力される。
【００５６】
共振回路（給電コイルＬ２とキャパシタＣ１）の共振現象により、電流ＩＳは徐々に減少し、負方向（第２電流経路１０４）に流れようとする。このとき制御電位Ｖｔ１も徐々に減少し、波形増幅器１６０は最低電位（ローレベル）の制御電位Ｖｔ１を出力する。駆動回路１６２にはローレベルの制御信号ＩＮが入力されるため、ローレベルの駆動信号ＤＲが発生し、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる。スイッチングトランジスタＱ１はオフとなる。
【００５７】
以降は同様であり、共振回路（給電コイルＬ２とキャパシタＣ１）の共振現象により、電流ＩＳの流れる方向が共振周波数ｆｒにて変化する。電流ＩＳの流れる方向が変化するごとに制御電位Ｖｔ１が変化し、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２が交互に導通する。駆動回路１６２は、いったん共振現象を発生させた後は、その共振現象を利用してスイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２をフィードバック制御している。このため、ワイヤレス給電装置２００は発振器を持たなくても自励動作できる。
【００５８】
図５は、有効信号ＥＮ、制御信号ＩＮおよび各スイッチングトランジスタのゲート電位の関係を示すタイミングチャートである。時刻ｔ５からｔ６までの期間において有効信号ＥＮはローレベルである。時刻ｔ６からｔ７までの期間においては有効信号ＥＮはハイレベルである。有効信号ＥＮがローレベルに維持される期間を「停止期間」、有効信号ＥＮがハイレベルに維持される期間を「駆動期間」とよぶ。
【００５９】
まず、時刻ｔ５からｔ６の停止期間においては、駆動信号ＤＲはローレベルに固定される。トランスＴ１一次コイルＬｈに電流が流れないため、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２のいずれもオフである。ゲート・ソース電圧ＶＧＳ１、ＶＧＳ２はいずれもローレベルであり、共振回路に電流ＩＳが流れないため、制御信号ＩＮもローレベルに固定される。
【００６０】
時刻ｔ６に有効信号ＥＮがローレベルからハイレベルに変化すると、駆動信号ＤＲはハイレベルに変化する。トランスＴ１一次コイルＬｈに瞬間的に電流が流れ、電流ＩＳが流れ始める。電流ＩＳが流れると、共振回路は共振を開始し、共振周波数ｆｒにて変化するデジタルパルス状の制御信号ＩＮが発生する。駆動期間においては、制御信号ＩＮの立ち上がりと立ち下がりに同期して駆動信号ＤＲが変化する。駆動信号ＤＲが変化するごとに、トランスＴ１一次コイルＬｈには電流が流れる。トランスＴ１一次コイルＬｈに流れる交流電流によって、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は交互に導通する。このため、駆動期間（時刻ｔ６からｔ７の期間）においては、共振周波数ｆｒの交流電流ＩＳが流れ続ける。給電コイルＬ２は共振周波数ｆｒの交流電力を受電コイルＬ３に給電し続ける。
【００６１】
時刻ｔ７に有効信号ＥＮがローレベルに変化すると、駆動信号ＤＲはローレベルに固定され、電流ＩＳは流れなくなる。ワイヤレス給電装置２００からの給電も停止する。
【００６２】
ワイヤレス給電装置２００の場合、有効信号ＥＮのデューティ比を変化させれば、給電コイルＬ２から供給する交流電力の大きさを変化させることができる。本実施形態の場合、有効信号ＥＮのデューティ比を変化させることにより、負荷Ｒとして接続されている電球の明るさが変化する。
【００６３】
なお、誘導電流ＩＳＳではなく、電流ＩＳから制御信号ＩＮを直接生成すると、給電コイルＬ２に新たな負荷がかかり、共振回路のインピーダンスＺが変化するため、Ｑ値が悪化してしまう。共振している給電コイルＬ２の電流経路に駆動回路１６２等を直接接続するのは、音叉を触りながらその振動を測定するようなものである。ワイヤレス電力伝送システム１００では、給電コイルＬ２が発生させる交流磁界を利用して検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させることにより、制御信号ＩＮを生成している。ワイヤレス給電装置２００、特に、共振回路部分に負荷をかけない構成であることから、Ｑ値への影響を抑制しつつスイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２をフィードバック制御できる。
【００６４】
給電コイルＬ２に限らず、受電コイルＬ３やロードコイルＬ４などを一次コイルとして結合トランスを形成し、検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。
【００６５】
図６は、第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の別例としてのシステム構成図である。図１と同一の符号を付した構成は、図１で説明した構成と同一または同様の機能を有する。図１のシステム構成では給電コイルＬ２と検出コイルＬＳＳがコア１５４を共有することにより結合トランスを構成した。図６では、検出コイル回路１７０により制御電位Ｖｔ２を取り出している。検出コイル回路１７０は、コア１５４等を給電コイルＬ２等と共有しないため、設置自由度が高まるというメリットがある。
【００６６】
検出コイル回路１７０は、検出コイルＬＳＳと抵抗Ｒ３が直列接続された回路である。給電コイルＬ２が発生させる磁束が検出コイルＬＳＳを通過するように検出コイル回路１７０を設置する。図１と同じく、抵抗Ｒ３の一端Ｂは接地され、他端Ａから電位Ｖｔ０が検出される。給電コイルＬ２に流れる電流ＩＳが発生させる交流磁界により、検出コイル回路１７０には誘導電流ＩＳＳが流れる。この誘導電流ＩＳＳにより発生する電位Ｖｔ０から制御信号ＩＮを生成する。
【００６７】
検出コイル回路１７０を設置する目的は、給電コイルＬ２から受電することではなく、給電コイルＬ２から送電される交流電力と同期する制御信号ＩＮを取り出すことである。このため、検出コイルＬＳＳのサイズは給電コイルＬ２に比べて十分に小さくできる。なお、給電コイルＬ２に限らず、受電コイルＬ３を流れる電流Ｉ３やロードコイルＬ４を流れる電流Ｉ４が発生させる交流磁界に基づいて、検出コイル回路１７０に誘導電流ＩＳＳを発生させることにより、制御信号ＩＮを生成してもよい。
【００６８】
［第２実施形態：ハーフブリッジ型］
図７は、第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１０６のシステム構成図である。第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００では、駆動回路１６２によって給電コイルＬ２を直接駆動したが、第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１０６では、駆動回路１６２は給電コイルＬ２ではなくエキサイトコイルＬ１を駆動する。ワイヤレス電力伝送システム１０６の他の部分の構成は図１と同様である。図１と同一の符号を付した構成は、図１で説明した構成と同一または同様の機能を有する。
【００６９】
ワイヤレス給電装置２０４は、エキサイトコイルＬ１に共振周波数ｆｒにて交流電力を供給する。エキサイトコイルＬ１とキャパシタＣ１が共振周波数ｆｒの共振回路を形成する。給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ２とキャパシタＣ２が直列接続された回路である。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２は互いに向かい合っている。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２の距離は１０ｍｍ程度と比較的近い。このため、エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２は電磁気的に強く結合している。エキサイトコイルＬ１に電流ＩＳを流すと、給電コイル回路１２０に起電力が発生し、給電コイル回路１２０には電流Ｉ２が流れる。同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流ＩＳの向きと電流Ｉ２の向きは逆（逆相）である。電流Ｉ２は電流ＩＳよりも格段に大きい。給電コイルＬ２とキャパシタＣ２それぞれの値は、給電コイル回路１２０の共振周波数ｆｒが１００ｋＨｚとなるように設定すればよい。
【００７０】
第２実施形態では、エキサイトコイルＬ１の側に検出コイルＬＳＳを設置し、検出コイルＬＳＳとエキサイトコイルＬ１により結合トランスを形成する。交流電流ＩＳが発生させる磁界により、検出コイルＬＳＳには誘導電流ＩＳＳが流れる。この誘導電流ＩＳＳに基づいて第１実施形態と同様の方法により制御信号ＩＮを発生させる。
【００７１】
第２実施形態においても、エキサイトコイルＬ１に限らず、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３、ロードコイルＬ４などを一次コイルとして結合トランスを形成し、検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。図６に関連して説明した検出コイル回路１７０により誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。
【００７２】
［第３実施形態：プッシュプル型］
図８は、第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１０８のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム１０８は、ワイヤレス給電装置２０６と受電コイル回路１３０、ロード回路１４０を含む。ワイヤレス給電装置２０６の構成は、電源制御回路２０８、エキサイト回路１１０および給電コイル回路１２０に大別できる。給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０の間には数ｍ程度の距離がある。ワイヤレス電力伝送システム１０８の主目的も、給電コイル回路１２０から受電コイル回路１３０に電力を送ることである。図１や図６、図７と同一の符号を付した構成は、既に説明した構成と同一または同様の機能を有する。
【００７３】
エキサイト回路１１０は、エキサイトコイルＬ１とトランスＴ２二次コイルＬｉが直列接続された回路である。エキサイト回路１１０は、電源制御回路２０８側のトランスＴ２二次コイルＬｉを介して交流電力を供給される。トランスＴ２二次コイルＬｉは、トランスＴ２一次コイルＬｄおよびトランスＴ２一次コイルＬｂと共に結合トランスＴ２を形成し、電磁誘導により交流電力を供給される。エキサイトコイルＬ１の巻き数は１回、導線の直径は３ｍｍ、エキサイトコイルＬ１自体の直径は２１０ｍｍである。エキサイト回路１１０を流れる電流Ｉ１は交流であり、同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。
【００７４】
給電コイル回路１２０は、第２実施形態に示した給電コイル回路１２０の構成と同様であり、共振周波数ｆｒ＝１００ｋＨｚで共振する回路である。受電コイル回路１３０とロード回路１４０の構成は、第１および第２実施形態に示した構成と同様である。
【００７５】
電源制御回路２０８は、動作周波数ｆｏにて動作するプッシュプル型の回路であり、図１３に示すように上下対称形である。エキサイト回路１１０は、動作周波数ｆｏの交流電力を電源制御回路２０８から供給される。この場合、エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０およびロード回路１４０には、動作周波数ｆｏの電流Ｉ１〜Ｉ４が流れる。動作周波数ｆｏと共振周波数ｆｒが一致するとき、すなわち、動作周波数ｆｏ＝１００ｋＨｚとなるとき、給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０が磁場共振するため、電力伝送効率は最大となる。駆動回路１６２とゲート駆動用トランスＴ１が、ワイヤレス電力伝送システム１０８の駆動系として、ワイヤレス給電装置２０６から受電コイル回路１３０等への送電を制御する。
【００７６】
電源制御回路２０８に含まれるゲート駆動用トランスＴ１の一次側には、駆動回路１６２が接続される。駆動回路１６２は、共振周波数ｆｒと等しい動作周波数ｆｏの交流電圧（駆動信号ＤＲ）を発生させる。この駆動信号ＤＲにより、トランスＴ１一次コイルＬｈには正負の両方向に交互に電流が流れる。トランスＴ１一次コイルＬｈとトランスＴ１二次コイルＬｆ、トランスＴ１二次コイルＬｇはゲート駆動用の結合トランスＴ１を形成する。電磁誘導により、トランスＴ１二次コイルＬｇとトランスＴ１一次コイルＬｈにも正負の両方向に交互に電流が流れる。
【００７７】
トランスＴ１の二次コイルは中点接地される。すなわち、トランスＴ１二次コイルＬｆの一端とトランスＴ１二次コイルＬｇの一端は互いに接続され、そのまま接地される。トランスＴ１二次コイルＬｆの他端は、スイッチングトランジスタＱ１のゲートと接続され、トランスＴ１二次コイルＬｇの他端は、別のスイッチングトランジスタＱ２のゲートと接続される。スイッチングトランジスタＱ１のソースとスイッチングトランジスタＱ２のソースも接地されている。したがって、駆動回路１６２が共振周波数ｆｒにて交流電圧（駆動信号ＤＲ）を発生させると、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２の各ゲートには、電圧Ｖｘ（Ｖｘ＞０）が共振周波数ｆｒにて交互に印加される。すなわち、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は共振周波数ｆｒにて交互にオン・オフする。
【００７８】
スイッチングトランジスタＱ１のドレインは、トランスＴ２一次コイルＬｄと直列接続される。同様に、スイッチングトランジスタＱ２のドレインは、トランスＴ２一次コイルＬｂと直列接続される。トランスＴ２一次コイルＬｄとトランスＴ２一次コイルＬｃの接続点には、平滑用のインダクタＬａが接続され、さらに、電源Ｖｄｄが接続される。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ１が並列接続され、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ２が並列接続される。
【００７９】
キャパシタＣＱ１はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形を整形し、キャパシタＣＱ２はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２の電圧波形を整形するために挿入される。キャパシタＣＱ１、ＣＱ２を省略しても、ワイヤレス給電装置２０６によるワイヤレス給電は可能である。特に、共振周波数ｆｒが低い場合には、これらのキャパシタを省略しても電力伝送効率を維持しやすい。
【００８０】
エキサイト回路１１０の入力インピーダンスは５０（Ω）である。また、電源制御回路２０８の出力インピーダンスがこの入力インピーダンス５０（Ω）と等しくなるようにトランスＴ２一次コイルＬｂおよびトランスＴ２一次コイルＬｄの巻き数を設定している。電源制御回路２０８の出力インピーダンスとエキサイト回路１１０の入力インピーダンスが一致するとき、ワイヤレス給電装置２０６の出力は最大となる。
【００８１】
スイッチングトランジスタＱ１が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ２は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第１電流経路１１２」とよぶ）は、電源Ｖｄｄから平滑用のインダクタＬａ、トランスＴ２一次コイルＬｄ、スイッチングトランジスタＱ１を経由してグランドへ至る経路となる。スイッチングトランジスタＱ１は、第１電流経路１１２の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００８２】
スイッチングトランジスタＱ２が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ１は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第２電流経路１１４」とよぶ）は、電源Ｖｄｄから平滑用のインダクタＬａ、トランスＴ２一次コイルＬｂ、スイッチングトランジスタＱ２を経由してグランドへ至る経路となる。スイッチングトランジスタＱ２は、第２電流経路１１４の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００８３】
第３実施形態では、エキサイト回路１１０の側に検出コイルＬＳＳを設置し、エキサイト回路１１０の一部と検出コイルＬＳＳにより結合トランスを形成する。交流電流Ｉ１が発生させる磁界により、検出コイルＬＳＳには誘導電流ＩＳＳが流れる。この誘導電流ＩＳＳに基づいて第１実施形態や第２実施形態と同様の方法にて制御信号ＩＮを生成する。
【００８４】
図９は、第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１０８の別例としてのシステム構成図である。図８と同一の符号を付した構成は、図８で説明した構成と同一または同様の機能を有する。図８のシステム構成ではエキサイト回路１１０と検出コイルＬＳＳがコア１５４を共有することにより結合トランスを構成しているが、図９のシステム構成では給電コイル回路１２０と検出コイルＬＳＳがコア１５４を共有することにより結合トランスを形成している。
【００８５】
エキサイト回路１１０や給電コイル回路１２０に限らず、受電コイル回路１３０、ロード回路１４０などを一次コイル側として結合トランスを形成し、検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。図６に関連して説明した検出コイル回路１７０により誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。
【００８６】
以上、実施形態に基づいてワイヤレス電力伝送システム１００、１０６、１０８を説明した。本実施形態においては、外部の発振器によって交流電力を制御するのではなく、発生させた交流電力から制御信号ＩＮを生成し、この制御信号ＩＮによりワイヤレス給電装置をフィードバック制御している。このため、発振器を設置しなくても、交流電力を持続的に供給させ続けることができるため、システム構成がシンプルとなる。
【００８７】
給電コイルＬ２、受電コイルＬ３、ロードコイルＬ４は、いずれも同一の共振周波数ｆｒにて共振するため、これらのコイルになんらかの負荷を接続するとＱ値が敏感に反応してしまう。エキサイトコイルＬ１を利用する場合についても同様である。本実施形態においては、送受電対象となる交流電力を駆動回路１６２に直接フィードバックさせるのではなく、送受電時に発生する交流磁界により検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させ、この誘導電流ＩＳＳによって駆動回路１６２を動作させている。このため、フィードバック制御の共振特性（Ｑ値）に対する影響を抑制しやすくなる。
【００８８】
また、仮になんらかの原因で発振停止となっても、有効信号発生器１６４が有効信号ＥＮをローレベルからハイレベルに変化させることにより、トランスＴ１一次コイルＬｈに電流を流すことができる。有効信号発生器１６４は、共振周波数ｆｒよりも遙かに低い周波数にて有効信号ＥＮを制御できる。
【００８９】
電源Ｖｄｄ１、Ｖｄｄ２、Ｖｄｄが定電源であっても、有効信号発生器１６４のデューティ比を調整することにより交流電力の大きさを制御できるため、システム全体としてのコストダウンを図りやすい。
【００９０】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【符号の説明】
【００９１】
１００、１０６、１０８ ワイヤレス電力伝送システム
１０２、１１２ 第１電流経路
１０４、１１４ 第２電流経路
１１０ エキサイト回路
１２０ 給電コイル回路
１３０ 受電コイル回路
１４０ ロード回路
１５４ コア
１６０ 波形増幅器
１６２ 駆動回路
１６４ 有効信号発生器
１７０ 検出コイル回路
２００、２０４、２０６ ワイヤレス給電装置
２０８ 電源制御回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレスにて電力を送るためのワイヤレス給電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）の３種類に大別できる。
【０００３】
電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）は、電動シェーバーなどの身近な家電製品において一般的に利用されているが、数ｃｍ程度の近距離でしか使えないという課題がある。電波を利用するタイプ（Ｂ）は、遠距離で使えるが電力が小さいという課題がある。共振現象を利用するタイプ（Ｃ）は、比較的新しい技術であり、数ｍ程度の中距離でも高い電力伝送効率を実現できることから特に期待されている。たとえば、ＥＶ（Electric Vehicle）の車両下部に受電コイルを埋め込み、地中の給電コイルから非接触にて電力を送り込むという案も検討されている。以下、タイプ（Ｃ）を「磁場共振型」とよぶ。
【０００４】
磁場共振型は、マサチューセッツ工科大学が２００６年に発表した理論をベースとしている（特許文献１参照）。特許文献１では、４つのコイルを用意している。これらのコイルを給電側から順に「エキサイトコイル」、「給電コイル」、「受電コイル」、「ロードコイル」とよぶことにする。エキサイトコイルと給電コイルは近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。同様に、受電コイルとロードコイルも近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。これらの距離に比べると、給電コイルから受電コイルまでの距離は「中距離」であり、比較的大きい。このシステムの目的は、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電することである。
【０００５】
エキサイトコイルに交流電力を供給すると、電磁誘導の原理により給電コイルにも電流が流れる。給電コイルが磁場を発生させ、給電コイルと受電コイルが磁気的に共振すると、受電コイルには大きな電流が流れる。電磁誘導の原理によりロードコイルにも電流が流れ、ロードコイルと直列接続される負荷から電力が取り出される。磁場共振現象を利用することにより、給電コイルから受電コイルの距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国公開２００８／０２７８２６４号公報
【特許文献２】特開２００６−２３００３２号公報
【特許文献３】国際公開２００６／０２２３６５号公報
【特許文献４】米国公開２００９／００７２６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
給電コイルから受電コイルへの電力伝送効率を最大化するためには、共振周波数の交流信号を生成する必要がある。たとえば、特許文献２では、発振器から所定周波数の信号（矩形波）を発生させ、更に、分周器によりその周波数を１／ｎ倍に分周している。そして、この分周信号によりドライブ用ブリッジ回路（給電手段）を駆動している。本発明者は、交流電力そのものを利用することにより、給電コイルの駆動系をよりシンプルに構成できることに想到した。
【０００８】
本発明は、本発明者による上記認識に基づいて完成された発明であり、磁場共振型のワイヤレス給電において、給電コイルの駆動系をシンプルな構成にて実現することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るワイヤレス給電装置は、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電するための装置である。この装置は、直列接続された第１のコイルおよびキャパシタを含む共振回路と、共振回路への第１および第２の方向からの電流の供給を制御する第１および第２のスイッチと、第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより共振回路を共振させ、第１のコイルを給電コイルとして、第１のコイルから受電コイルへ交流電力を送電させる送電制御回路を備える。送電制御回路は、交流電力により第１および第２のスイッチをフィードバック制御することにより、共振回路の共振状態を持続させる。
【００１０】
この装置は、エキサイトコイルを用いることなく、直接給電コイルを駆動できる。したがって、製造コストを抑え構成をコンパクトにしやすい。装置が発生させる交流電力を利用して第１および第２のスイッチをフィードバック制御するため、他の発振源を持たない場合でもワイヤレス給電を持続させやすくなる。この結果、給電システムの駆動系をシンプルに構成できる。
【００１１】
この装置は、交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる第２のコイルを更に備えてもよい。送電制御回路は、誘導電流により第１および第２のスイッチをフィードバック制御してもよい。交流電力が発生させる磁界により第２のコイル（検出コイル）に誘導電流を発生させ、その誘導電流を利用して第１および第２のスイッチをフィードバック制御するため、給電コイルに直接的な負荷がかかりにくい。このため、給電コイルの共振特性への影響を抑制しつつ、共振状態を維持しやすい構成となる。
【００１２】
送電制御回路は、共振回路のコイルを給電コイルとして動作させるのではなく、エキサイトコイルとして動作させ、別のコイルとして設けられる給電コイルに電力を供給させてもよい。
【００１３】
第２のコイルはトロイダルコアに巻回されてもよい。そして、このトロイダルコアに第１のコイルの一部を通過させることにより、第１コイルと第２コイルとで結合トランスを形成してもよい。このようにトロイダルコアを第１および第２のコイルで共有することにより、第２のコイルに誘導電流を好適に発生させることができる。
【００１４】
この装置は、有効信号を発生させる有効信号発生器、を更に備えてもよい。そして、送電制御回路は、有効信号の発生期間中であることを条件として、交流電力により第１および第２のスイッチを駆動してもよい。このような態様によれば、有効信号の発生期間の長さを制御することにより、交流電力の大きさや給電期間を調整しやすくなる。
【００１５】
送電制御回路は、有効信号の発生を契機として、第１および第２のスイッチのいずれかの駆動を開始してもよい。有効信号をいわば開始スイッチとすることにより、交流電力の給電開始タイミングを有効信号発生器により制御できる。また、有効信号が停止したとき、第１および第２のスイッチをいずれもオフとすることにより給電を強制停止させてもよい。
【００１６】
本発明に係る別のワイヤレス給電装置も、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電するための装置である。この装置は、第１および第２の電流経路を含む電源回路と、給電コイルと、給電コイルと磁気結合して電源回路から供給される交流電力を給電コイルに供給するエキサイトコイルと、第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを共振周波数にて交互に導通させることによりエキサイトコイルに交流電力を供給させる送電制御回路を備える。送電制御回路は、交流電力により第１および第２のスイッチをフィードバック制御することによりエキサイトコイルへの交流電力の供給を持続させる。
【００１７】
このような態様においても、装置が発生させる交流電力を利用して第１および第２のスイッチをフィードバック制御するため、発振源を持たなくてもワイヤレス給電を持続させやすくなる。この結果、給電システムの駆動系をシンプルに構成できる。
【００１８】
この装置は、交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる検出コイルを更に備えてもよい。そして、送電制御回路は、誘導電流により第１および第２のスイッチをフィードバック制御してもよい。
【００１９】
検出コイルは、給電コイルを流れる交流電流が発生させる磁界により誘導電流を発生させてもよいし、エキサイトコイルを流れる交流電流が発生させる磁界により誘導電流を発生させてもよい。
【００２０】
検出コイルはトロイダルコアに巻回されてもよい。そして、このトロイダルコアに給電コイルやエキサイトコイルの一部を通過させることにより、給電コイルおよびエキサイトコイルの一方と検出コイルとで結合トランスを形成してもよい。
【００２１】
この装置も、有効信号を発生させる有効信号発生器を更に備えてもよい。そして、送電制御回路は、有効信号の発生期間中であることを条件として、第１および第２のスイッチを駆動してもよい。また、送電制御回路は、有効信号の発生を契機として、第１および第２のスイッチのいずれかの駆動を開始してもよい。
【００２２】
本発明におけるワイヤレス電力伝送システムは、上述した各種のワイヤレス給電装置と、受電コイルと、受電コイルと磁気結合して、受電コイルが給電コイルから受電した電力を供給されるロードコイルを備える。
【００２３】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、磁場共振型のワイヤレス給電技術において、給電コイルの駆動系をシンプルな構成にて実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。
【図２】検出コイルおよび給電コイルの拡大構成図である。
【図３】電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。
【図４】波形増幅器の前後における制御電位の変化過程を示すタイムチャートである。
【図５】有効信号、制御信号および各スイッチングトランジスタのゲート電位の関係を示すタイミングチャートである。
【図６】第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの別例としてのシステム構成図である。
【図７】第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。
【図８】第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。
【図９】第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの別例としてのシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。まず、第１実施形態および第２実施形態としてハーフブリッジ型について説明する。次に、第３実施形態としてプッシュプル型について説明する。各実施形態を特に区別しないときには単に「本実施形態」とよぶ。
【００２７】
［第１実施形態：ハーフブリッジ型］
図１は、第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム１００は、ワイヤレス給電装置２００、受電コイル回路１３０およびロード回路１４０を含む。ワイヤレス給電装置２００は、その一部に給電コイルＬ２を含む。給電コイルＬ２と受電コイル回路１３０の間には数ｍ程度の距離がある。ワイヤレス電力伝送システム１００の主目的は、給電コイルＬ２から受電コイル回路１３０にワイヤレスにて交流電力を送電することである。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムは、１００ＭＨｚ前後の共振周波数ｆｒにて動作させることを想定したシステムである。したがって、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の共振周波数ｆｒは１００ＭＨｚに設定される。なお、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムは、たとえば、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）周波数帯のような高周波数帯にて動作させることも可能である。
【００２８】
ワイヤレス給電装置２００は、エキサイトコイルを介すことなく、給電コイルＬ２に交流電力を直接供給するハーフブリッジ型の回路である。図１に示すように、ワイヤレス給電装置２００は上下対称形となっている。給電コイルＬ２を流れる電流ＩＳは交流であり、同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。本実施形態における給電コイルＬ２の巻き数は７回、導線の直径は５ｍｍ、給電コイルＬ２自体の直径は２８０ｍｍである。
【００２９】
受電コイル回路１３０は、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３が直列接続された回路である。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は互いに向かい合っている。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の距離は、０．２ｍ〜１ｍ程度と比較的長い。本実施形態における受電コイルＬ３の巻き数は７回、導線の直径は５ｍｍ、受電コイルＬ３自体の直径は２８０ｍｍである。受電コイル回路１３０の共振周波数ｆｒも１００ＭＨｚとなるように、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３それぞれの値が設定されている。したがって、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は同一形状である必要はない。給電コイルＬ２が共振周波数ｆｒにて磁界を発生させると、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は磁気的に共振し、受電コイル回路１３０にも大きな電流Ｉ３が流れる。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流ＩＳの向きと電流Ｉ３の向きは逆（逆相）である。
【００３０】
ロード回路１４０は、ロードコイルＬ４と負荷Ｒが直列接続された回路である。本実施形態における負荷Ｒは電球である。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は互いに向かい合っている。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４の距離は１０ｍｍ以下と比較的近い。このため、受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は電磁的に強く結合している。本実施形態におけるロードコイルＬ４の巻き数は１回、導線の直径は３ｍｍ、ロードコイルＬ４自体の直径は２１０ｍｍである。受電コイルＬ３に電流Ｉ３が流れることにより、ロード回路１４０に起電力が発生し、ロード回路１４０に電流Ｉ４が流れる。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流Ｉ３の向きと電流Ｉ４の向きは逆（逆相）である。すなわち、電流Ｉ４は、電流ＩＳと同相である。こうして、電源回路２００の給電コイルＬ２から送電された交流電力は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０により受電され、負荷Ｒから取り出される。
【００３１】
負荷Ｒを受電コイル回路１３０に直列接続すると、受電コイル回路１３０のＱ値が悪くなる。このため、受電用の受電コイル回路１３０と電力取り出し用のロード回路１４０を分離している。また、電力伝送効率を高めるためには、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３およびロードコイルＬ４の中心線を揃えることが好ましい。
【００３２】
次に、ワイヤレス給電装置２００の構成を説明する。まず、ゲート駆動用トランスＴ１の一次側に駆動回路１６２が接続される。駆動回路１６２はトランスＴ１一次コイルＬｈに動作周波数ｆｏの交流電圧（駆動信号ＤＲ）を供給する回路である。ただし、駆動回路１６２は交流電圧を独自生成する発振器ではない。駆動回路１６２は、給電コイルＬ２から発生する交流電力を利用することにより共振周波数ｆｒと等しい動作周波数ｆｏの交流電圧（駆動信号ＤＲ）を供給する。詳細については後述する。
【００３３】
駆動信号ＤＲの電圧波形は正弦波でもよいが、ここでは矩形波であるとして説明する。この駆動信号ＤＲにより、トランスＴ１一次コイルＬｈには正負両方向に交互に電流が流れる。トランスＴ１一次コイルＬｈとトランスＴ１二次コイルＬｆ、トランスＴ１二次コイルＬｇはゲート駆動用の結合トランスＴ１を形成する。電磁誘導により、トランスＴ１二次コイルＬｆとトランスＴ１二次コイルＬｇにも正負の両方向に交互に電流が流れる。駆動回路１６２とゲート駆動用トランスＴ１が、ワイヤレス電力伝送システム１００の駆動系として、ワイヤレス電力伝送システム１００から受電コイル回路１３０等への送電を制御する。
【００３４】
トランスＴ１二次コイルＬｆの一端は、スイッチングトランジスタＱ１のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ１のソースと接続される。トランスＴ１二次コイルＬｇの一端は、別のスイッチングトランジスタＱ２のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ２のソースと接続される。駆動回路１６２が共振周波数ｆｒにて駆動信号ＤＲを発生させると、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２の各ゲートには、電圧Ｖｘ（Ｖｘ＞０）が共振周波数ｆｒにて交互に印加される。このため、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は共振周波数ｆｒにて交互にオン・オフする。スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は同一特性のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であるが、バイポーラトランジスタなど他のトランジスタでもよい。トランジスタの代わりにリレースイッチ等、他のスイッチを用いてもよい。
【００３５】
スイッチングトランジスタＱ１のドレインは、電源Ｖｄｄ１の正極に接続される。電源Ｖｄｄ１の負極は、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２を介して、スイッチングトランジスタＱ１のソースに接続される。電源Ｖｄｄ１の負極の電位は接地電位である。スイッチングトランジスタＱ２のソースは、電源Ｖｄｄ２の負極に接続される。電源Ｖｄｄ２の正極は、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２を介して、スイッチングトランジスタＱ２のドレインに接続される。電源Ｖｄｄ２の正極の電位は接地電位である。
【００３６】
スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２とよぶ。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ２とする。ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、ＩＤＳ２については、同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。
【００３７】
キャパシタＣ１と給電コイルＬ２は共振周波数ｆｒにて電流共振するように値設定される。いいかえれば、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２は、共振周波数ｆｒの「共振回路」を形成している。また、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２が存在することによりソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、ＩＤＳ２の電流波形は正弦波状となる。
【００３８】
スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ１が並列接続され、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ２が並列接続される。キャパシタＣＱ１とキャパシタＣＱ２は同一特性のキャパシタである。キャパシタＣＱ１はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形を整形し、キャパシタＣＱ２はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２の電圧波形を整形するために挿入される。キャパシタＣＱ１、ＣＱ２を省略しても、ワイヤレス給電装置２００によるワイヤレス給電は可能である。特に、共振周波数ｆｒが低いときには、これらのキャパシタの影響は小さくなる。
【００３９】
スイッチングトランジスタＱ１が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ２は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第１電流経路１０２」とよぶ）は、電源Ｖｄｄ１からスイッチングトランジスタＱ１、給電コイルＬ２、キャパシタＣ１を経由して帰還する経路となる。スイッチングトランジスタＱ１は、第１電流経路１０２の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００４０】
スイッチングトランジスタＱ２が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ１は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第２電流経路１０４」とよぶ）は、電源Ｖｄｄ２からキャパシタＣ１、給電コイルＬ２、スイッチングトランジスタＱ２を経由して帰還する経路となる。スイッチングトランジスタＱ２は、第２電流経路１０４の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００４１】
駆動回路１６２が共振周波数ｆｒにて駆動信号ＤＲを供給すると、第１電流経路１０２と第２電流経路１０４が共振周波数ｆｒにて交互に導通する。キャパシタＣ１と給電コイルＬ２には共振周波数ｆｒの交流電流が流れることになるため、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２は共振状態となる。受電コイル回路１３０も共振周波数ｆｒの共振回路であるから、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は磁気的に共振する。このとき、電力伝送効率は最大となる。
【００４２】
給電コイルＬ２の近くには、検出コイルＬＳＳが設置される。検出コイルＬＳＳは、貫通孔を有するコア１５４（トロイダルコア）にＮＳ回巻き付けられたコイルである。給電コイルＬ２の一部もコア１５４を貫通するため、給電コイルＬ２と検出コイルＬＳＳは結合トランスを形成する。共振周波数ｆｒの交流電流ＩＳが発生させる交流磁界により、検出コイルＬＳＳには共振周波数ｆｒの誘導電流ＩＳＳが流れる。電流ＩＳと誘導電流ＩＳＳは同相である。
【００４３】
検出コイルＬＳＳの両端には抵抗Ｒ３が接続される。抵抗Ｒ３の一端Ｂは接地され、他端ＡはキャパシタＣ５、波形増幅器１６０を介して駆動回路１６２に接続される。キャパシタＣ５は、接続点Ａの電位Ｖｔ０の電圧波形から直流成分をカットするために挿入される。カット後の電位を制御電位Ｖｔ１とよぶ。波形増幅器１６０は、アナログ波形の制御電位Ｖｔ１を増幅して２値化し、デジタル波形の制御電位Ｖｔ２に変換する。波形増幅器１６０は、制御電位Ｖｔ１が所定の閾値、たとえば、０．１（Ｖ）より大きくなると飽和電圧５（Ｖ）を出力する増幅器である。このため、電位Ｖｔ１がアナログ波形となる場合でも、波形増幅器１６０によって制御電位Ｖｔ１はデジタル波形の制御電位Ｖｔ２に変換される。詳細については図４に関連して後述する。制御電位Ｖｔ２は、制御信号ＩＮとして、駆動回路１６２に入力信号となる。
【００４４】
駆動回路１６２は、制御信号ＩＮおよび有効信号ＥＮを入力信号、駆動信号ＤＲを出力信号とする回路である。有効信号ＥＮは、有効信号発生器１６４から供給される２値の信号である。駆動回路１６２は、既知の回路であり、たとえば、テキサス・インツルメンツ社の製品番号ＵＣＣ３７３２１のＩＣ（Integrated Circuit）を利用すればよい。
【００４５】
有効信号ＥＮがローレベルからハイレベルに変化するとき、駆動信号ＤＲはハイレベルまたはローレベルに変化する。このため、トランスＴ１一次コイルＬｈにはいずれかの方向に瞬間的に電流が流れる。スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２のいずれかがオンとなるため、第１電流経路１０２か第２電流経路１０４のいずれかに電流ＩＳが流れる。ここでは、電流ＩＳは正方向（第１電流経路１０２）に流れたとする。給電コイルＬ２に正方向の電流ＩＳが流れると、検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳが発生し、駆動回路１６２にはハイレベルの制御信号ＩＮが入力される。共振回路（給電コイルＬ２とキャパシタＣ２）の共振現象により、やがて電流ＩＳの向きは負方向（第２電流経路１０４）に変化する。このとき、駆動回路１６２にはローレベルの制御信号が入力される。この結果、制御信号ＩＮは共振周波数ｆｒの矩形波となる。更に詳細については図４に関連して後述する。
【００４６】
有効信号ＥＮがハイレベルに維持されている期間においては、駆動信号ＤＲ＝制御信号ＩＮとなる。駆動信号ＤＲは矩形波となるため、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２が交互に導通し、共振状態が維持される。
【００４７】
有効信号ＥＮがローレベルとなると、駆動信号ＤＲは強制停止される。このときには、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２のいずれもオフとなり、電力供給は停止される。
【００４８】
ワイヤレス給電装置２００の動作周波数ｆｏが共振周波数ｆｒと一致するとき、給電コイルＬ２には共振周波数ｆｒにて交流電流ＩＳが流れ、受電コイル回路１３０にも共振周波数ｆｒにて交流電流Ｉ３が流れる。給電コイルＬ２およびキャパシタＣ１と、受電コイル回路１３０の受電コイルＬ３およびキャパシタＣ３は、同一の共振周波数ｆｒにて共振するため、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３への電力伝送効率は最大となる。
【００４９】
図２は、検出コイルＬＳＳおよび給電コイルＬ２の拡大構成図である。図２は、検出コイルＬＳＳの周辺構成を詳細に示す図である。コア１５４の形状は貫通孔を有する筒形状であり、その材質はフェライト、珪素鋼板、パーマロイ（permalloy）等の既知材料である。本実施形態における検出コイルＬＳＳの巻き数ＮＳは１００回である。コア１５４の貫通孔を給電コイルＬ２の一部が貫通している。これは、コア１５４に対する給電コイルＬ２の巻き数ＮＰが１回であることを意味する。このような構成により、検出コイルＬＳＳと給電コイルＬ２は結合トランスを形成する。
【００５０】
給電コイルＬ２が一次側巻線、検出コイルＬＳＳが二次側巻線となることにより両者間で結合トランスが形成される。給電コイルＬ２の交流電流ＩＳが発生させる交流磁界により、検出コイルＬＳＳには同相の誘導電流ＩＳＳが流れる。等アンペア・ターンの法則により、誘導電流ＩＳＳの大きさは、ＩＳ・（ＮＰ／ＮＳ）となる。検出コイルＬＳＳの一端Ａにおける電位Ｖｔ０が計測対象となる。検出コイルＬＳＳの他端Ｂは接地されるので、電位Ｖｔ０は抵抗Ｒ３に印加される電圧値に等しい。
【００５１】
図３は、電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間(以下、「第１期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン、スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる期間である。時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間(以下、「第２期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる期間、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間(以下、「第３期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン、スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる期間、時刻ｔ３〜時刻ｔ４の期間(以下、「第４期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる期間であるとする。
【００５２】
スイッチングトランジスタＱ１のゲート・ソース電圧ＶＧＳ１が所定の閾値Ｖｘを超えたとき、スイッチングトランジスタＱ１は飽和状態となる。したがって、第１期間の開始タイミングである時刻ｔ０にスイッチングトランジスタＱ１がオン（導通）となると、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１が流れ始める。いいかえれば、正方向（第１電流経路１０２）に電流ＩＳが流れ始める。共振回路（給電コイルＬ２とキャパシタＣ１）が電流共振するため、電流ＩＳの第１期間における電流波形は矩形波とはならず、立ち上がりと立ち下がりが緩やかになる。
【００５３】
第２期間の開始タイミングである時刻ｔ１にスイッチングトランジスタＱ１がオフ（非導通）となると、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は流れなくなる。代わりに、スイッチングトランジスタＱ２がオン（導通）となり、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２が流れはじめる。すなわち、負方向（第２電流経路１０４）に電流ＩＳが流れ始める。
【００５４】
電流ＩＳと誘導電流ＩＳＳは同相であり、電位Ｖｔ１は誘導電流ＩＳＳと同相である。このため、電流ＩＳの電流波形と電位Ｖｔ１の電圧波形は同期する。第３期間、第４期間以降は、第１期間、第２期間と同様の波形を繰り返す。
【００５５】
図４は、制御電位Ｖｔ１と制御電位Ｖｔ２の変化過程を示すタイムチャートである。図４では、有効信号ＥＮはハイレベルに固定されているものとする。トランスＴ１一次コイルＬｈに瞬間電流が流れると、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２のいずれかがオンとなり、第１電流経路１０２か第２電流経路１０４のいずれかの経路に電流ＩＳが流れる。以下、第１電流経路１０２に電流ＩＳが流れたとする。給電コイルＬ２に流れる正方向の電流ＩＳによって誘導電流ＩＳＳが発生する。図３に示したように、制御電位Ｖｔ１は正弦波状に増加する。波形増幅器１６０は制御電位Ｖｔ１を飽和電圧まで増幅する。したがって、電流ＩＳが正方向（第１電流経路１０２）に流れ始めると、駆動回路１６２にはハイレベルの制御信号ＩＮが入力される。
【００５６】
共振回路（給電コイルＬ２とキャパシタＣ１）の共振現象により、電流ＩＳは徐々に減少し、負方向（第２電流経路１０４）に流れようとする。このとき制御電位Ｖｔ１も徐々に減少し、波形増幅器１６０は最低電位（ローレベル）の制御電位Ｖｔ１を出力する。駆動回路１６２にはローレベルの制御信号ＩＮが入力されるため、ローレベルの駆動信号ＤＲが発生し、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる。スイッチングトランジスタＱ１はオフとなる。
【００５７】
以降は同様であり、共振回路（給電コイルＬ２とキャパシタＣ１）の共振現象により、電流ＩＳの流れる方向が共振周波数ｆｒにて変化する。電流ＩＳの流れる方向が変化するごとに制御電位Ｖｔ１が変化し、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２が交互に導通する。駆動回路１６２は、いったん共振現象を発生させた後は、その共振現象を利用してスイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２をフィードバック制御している。このため、ワイヤレス給電装置２００は発振器を持たなくても自励動作できる。
【００５８】
図５は、有効信号ＥＮ、制御信号ＩＮおよび各スイッチングトランジスタのゲート電位の関係を示すタイミングチャートである。時刻ｔ５からｔ６までの期間において有効信号ＥＮはローレベルである。時刻ｔ６からｔ７までの期間においては有効信号ＥＮはハイレベルである。有効信号ＥＮがローレベルに維持される期間を「停止期間」、有効信号ＥＮがハイレベルに維持される期間を「駆動期間」とよぶ。
【００５９】
まず、時刻ｔ５からｔ６の停止期間においては、駆動信号ＤＲはローレベルに固定される。トランスＴ１一次コイルＬｈに電流が流れないため、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２のいずれもオフである。ゲート・ソース電圧ＶＧＳ１、ＶＧＳ２はいずれもローレベルであり、共振回路に電流ＩＳが流れないため、制御信号ＩＮもローレベルに固定される。
【００６０】
時刻ｔ６に有効信号ＥＮがローレベルからハイレベルに変化すると、駆動信号ＤＲはハイレベルに変化する。トランスＴ１一次コイルＬｈに瞬間的に電流が流れ、電流ＩＳが流れ始める。電流ＩＳが流れると、共振回路は共振を開始し、共振周波数ｆｒにて変化するデジタルパルス状の制御信号ＩＮが発生する。駆動期間においては、制御信号ＩＮの立ち上がりと立ち下がりに同期して駆動信号ＤＲが変化する。駆動信号ＤＲが変化するごとに、トランスＴ１一次コイルＬｈには電流が流れる。トランスＴ１一次コイルＬｈに流れる交流電流によって、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は交互に導通する。このため、駆動期間（時刻ｔ６からｔ７の期間）においては、共振周波数ｆｒの交流電流ＩＳが流れ続ける。給電コイルＬ２は共振周波数ｆｒの交流電力を受電コイルＬ３に給電し続ける。
【００６１】
時刻ｔ７に有効信号ＥＮがローレベルに変化すると、駆動信号ＤＲはローレベルに固定され、電流ＩＳは流れなくなる。ワイヤレス給電装置２００からの給電も停止する。
【００６２】
ワイヤレス給電装置２００の場合、有効信号ＥＮのデューティ比を変化させれば、給電コイルＬ２から供給する交流電力の大きさを変化させることができる。本実施形態の場合、有効信号ＥＮのデューティ比を変化させることにより、負荷Ｒとして接続されている電球の明るさが変化する。
【００６３】
なお、誘導電流ＩＳＳではなく、電流ＩＳから制御信号ＩＮを直接生成すると、給電コイルＬ２に新たな負荷がかかり、共振回路のインピーダンスＺが変化するため、Ｑ値が悪化してしまう。共振している給電コイルＬ２の電流経路に駆動回路１６２等を直接接続するのは、音叉を触りながらその振動を測定するようなものである。ワイヤレス電力伝送システム１００では、給電コイルＬ２が発生させる交流磁界を利用して検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させることにより、制御信号ＩＮを生成している。ワイヤレス給電装置２００、特に、共振回路部分に負荷をかけない構成であることから、Ｑ値への影響を抑制しつつスイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２をフィードバック制御できる。
【００６４】
給電コイルＬ２に限らず、受電コイルＬ３やロードコイルＬ４などを一次コイルとして結合トランスを形成し、検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。
【００６５】
図６は、第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の別例としてのシステム構成図である。図１と同一の符号を付した構成は、図１で説明した構成と同一または同様の機能を有する。図１のシステム構成では給電コイルＬ２と検出コイルＬＳＳがコア１５４を共有することにより結合トランスを構成した。図６では、検出コイル回路１７０により制御電位Ｖｔ２を取り出している。検出コイル回路１７０は、コア１５４等を給電コイルＬ２等と共有しないため、設置自由度が高まるというメリットがある。
【００６６】
検出コイル回路１７０は、検出コイルＬＳＳと抵抗Ｒ３が直列接続された回路である。給電コイルＬ２が発生させる磁束が検出コイルＬＳＳを通過するように検出コイル回路１７０を設置する。図１と同じく、抵抗Ｒ３の一端Ｂは接地され、他端Ａから電位Ｖｔ０が検出される。給電コイルＬ２に流れる電流ＩＳが発生させる交流磁界により、検出コイル回路１７０には誘導電流ＩＳＳが流れる。この誘導電流ＩＳＳにより発生する電位Ｖｔ０から制御信号ＩＮを生成する。
【００６７】
検出コイル回路１７０を設置する目的は、給電コイルＬ２から受電することではなく、給電コイルＬ２から送電される交流電力と同期する制御信号ＩＮを取り出すことである。このため、検出コイルＬＳＳのサイズは給電コイルＬ２に比べて十分に小さくできる。なお、給電コイルＬ２に限らず、受電コイルＬ３を流れる電流Ｉ３やロードコイルＬ４を流れる電流Ｉ４が発生させる交流磁界に基づいて、検出コイル回路１７０に誘導電流ＩＳＳを発生させることにより、制御信号ＩＮを生成してもよい。
【００６８】
［第２実施形態：ハーフブリッジ型］
図７は、第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１０６のシステム構成図である。第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００では、駆動回路１６２によって給電コイルＬ２を直接駆動したが、第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１０６では、駆動回路１６２は給電コイルＬ２ではなくエキサイトコイルＬ１を駆動する。ワイヤレス電力伝送システム１０６の他の部分の構成は図１と同様である。図１と同一の符号を付した構成は、図１で説明した構成と同一または同様の機能を有する。
【００６９】
ワイヤレス給電装置２０４は、エキサイトコイルＬ１に共振周波数ｆｒにて交流電力を供給する。エキサイトコイルＬ１とキャパシタＣ１が共振周波数ｆｒの共振回路を形成する。給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ２とキャパシタＣ２が直列接続された回路である。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２は互いに向かい合っている。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２の距離は１０ｍｍ程度と比較的近い。このため、エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２は電磁気的に強く結合している。エキサイトコイルＬ１に電流ＩＳを流すと、給電コイル回路１２０に起電力が発生し、給電コイル回路１２０には電流Ｉ２が流れる。同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流ＩＳの向きと電流Ｉ２の向きは逆（逆相）である。電流Ｉ２は電流ＩＳよりも格段に大きい。給電コイルＬ２とキャパシタＣ２それぞれの値は、給電コイル回路１２０の共振周波数ｆｒが１００ｋＨｚとなるように設定すればよい。
【００７０】
第２実施形態では、エキサイトコイルＬ１の側に検出コイルＬＳＳを設置し、検出コイルＬＳＳとエキサイトコイルＬ１により結合トランスを形成する。交流電流ＩＳが発生させる磁界により、検出コイルＬＳＳには誘導電流ＩＳＳが流れる。この誘導電流ＩＳＳに基づいて第１実施形態と同様の方法により制御信号ＩＮを発生させる。
【００７１】
第２実施形態においても、エキサイトコイルＬ１に限らず、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３、ロードコイルＬ４などを一次コイルとして結合トランスを形成し、検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。図６に関連して説明した検出コイル回路１７０により誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。
【００７２】
［第３実施形態：プッシュプル型］
図８は、第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１０８のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム１０８は、ワイヤレス給電装置２０６と受電コイル回路１３０、ロード回路１４０を含む。ワイヤレス給電装置２０６の構成は、電源制御回路２０８、エキサイト回路１１０および給電コイル回路１２０に大別できる。給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０の間には数ｍ程度の距離がある。ワイヤレス電力伝送システム１０８の主目的も、給電コイル回路１２０から受電コイル回路１３０に電力を送ることである。図１や図６、図７と同一の符号を付した構成は、既に説明した構成と同一または同様の機能を有する。
【００７３】
エキサイト回路１１０は、エキサイトコイルＬ１とトランスＴ２二次コイルＬｉが直列接続された回路である。エキサイト回路１１０は、電源制御回路２０８側のトランスＴ２二次コイルＬｉを介して交流電力を供給される。トランスＴ２二次コイルＬｉは、トランスＴ２一次コイルＬｄおよびトランスＴ２一次コイルＬｂと共に結合トランスＴ２を形成し、電磁誘導により交流電力を供給される。エキサイトコイルＬ１の巻き数は１回、導線の直径は３ｍｍ、エキサイトコイルＬ１自体の直径は２１０ｍｍである。エキサイト回路１１０を流れる電流Ｉ１は交流であり、同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。
【００７４】
給電コイル回路１２０は、第２実施形態に示した給電コイル回路１２０の構成と同様であり、共振周波数ｆｒ＝１００ｋＨｚで共振する回路である。受電コイル回路１３０とロード回路１４０の構成は、第１および第２実施形態に示した構成と同様である。
【００７５】
電源制御回路２０８は、動作周波数ｆｏにて動作するプッシュプル型の回路であり、図１３に示すように上下対称形である。エキサイト回路１１０は、動作周波数ｆｏの交流電力を電源制御回路２０８から供給される。この場合、エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０およびロード回路１４０には、動作周波数ｆｏの電流Ｉ１〜Ｉ４が流れる。動作周波数ｆｏと共振周波数ｆｒが一致するとき、すなわち、動作周波数ｆｏ＝１００ｋＨｚとなるとき、給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０が磁場共振するため、電力伝送効率は最大となる。駆動回路１６２とゲート駆動用トランスＴ１が、ワイヤレス電力伝送システム１０８の駆動系として、ワイヤレス給電装置２０６から受電コイル回路１３０等への送電を制御する。
【００７６】
電源制御回路２０８に含まれるゲート駆動用トランスＴ１の一次側には、駆動回路１６２が接続される。駆動回路１６２は、共振周波数ｆｒと等しい動作周波数ｆｏの交流電圧（駆動信号ＤＲ）を発生させる。この駆動信号ＤＲにより、トランスＴ１一次コイルＬｈには正負の両方向に交互に電流が流れる。トランスＴ１一次コイルＬｈとトランスＴ１二次コイルＬｆ、トランスＴ１二次コイルＬｇはゲート駆動用の結合トランスＴ１を形成する。電磁誘導により、トランスＴ１二次コイルＬｇとトランスＴ１一次コイルＬｈにも正負の両方向に交互に電流が流れる。
【００７７】
トランスＴ１の二次コイルは中点接地される。すなわち、トランスＴ１二次コイルＬｆの一端とトランスＴ１二次コイルＬｇの一端は互いに接続され、そのまま接地される。トランスＴ１二次コイルＬｆの他端は、スイッチングトランジスタＱ１のゲートと接続され、トランスＴ１二次コイルＬｇの他端は、別のスイッチングトランジスタＱ２のゲートと接続される。スイッチングトランジスタＱ１のソースとスイッチングトランジスタＱ２のソースも接地されている。したがって、駆動回路１６２が共振周波数ｆｒにて交流電圧（駆動信号ＤＲ）を発生させると、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２の各ゲートには、電圧Ｖｘ（Ｖｘ＞０）が共振周波数ｆｒにて交互に印加される。すなわち、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は共振周波数ｆｒにて交互にオン・オフする。
【００７８】
スイッチングトランジスタＱ１のドレインは、トランスＴ２一次コイルＬｄと直列接続される。同様に、スイッチングトランジスタＱ２のドレインは、トランスＴ２一次コイルＬｂと直列接続される。トランスＴ２一次コイルＬｄとトランスＴ２一次コイルＬｃの接続点には、平滑用のインダクタＬａが接続され、さらに、電源Ｖｄｄが接続される。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ１が並列接続され、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ２が並列接続される。
【００７９】
キャパシタＣＱ１はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形を整形し、キャパシタＣＱ２はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２の電圧波形を整形するために挿入される。キャパシタＣＱ１、ＣＱ２を省略しても、ワイヤレス給電装置２０６によるワイヤレス給電は可能である。特に、共振周波数ｆｒが低い場合には、これらのキャパシタを省略しても電力伝送効率を維持しやすい。
【００８０】
エキサイト回路１１０の入力インピーダンスは５０（Ω）である。また、電源制御回路２０８の出力インピーダンスがこの入力インピーダンス５０（Ω）と等しくなるようにトランスＴ２一次コイルＬｂおよびトランスＴ２一次コイルＬｄの巻き数を設定している。電源制御回路２０８の出力インピーダンスとエキサイト回路１１０の入力インピーダンスが一致するとき、ワイヤレス給電装置２０６の出力は最大となる。
【００８１】
スイッチングトランジスタＱ１が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ２は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第１電流経路１１２」とよぶ）は、電源Ｖｄｄから平滑用のインダクタＬａ、トランスＴ２一次コイルＬｄ、スイッチングトランジスタＱ１を経由してグランドへ至る経路となる。スイッチングトランジスタＱ１は、第１電流経路１１２の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００８２】
スイッチングトランジスタＱ２が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ１は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第２電流経路１１４」とよぶ）は、電源Ｖｄｄから平滑用のインダクタＬａ、トランスＴ２一次コイルＬｂ、スイッチングトランジスタＱ２を経由してグランドへ至る経路となる。スイッチングトランジスタＱ２は、第２電流経路１１４の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００８３】
第３実施形態では、エキサイト回路１１０の側に検出コイルＬＳＳを設置し、エキサイト回路１１０の一部と検出コイルＬＳＳにより結合トランスを形成する。交流電流Ｉ１が発生させる磁界により、検出コイルＬＳＳには誘導電流ＩＳＳが流れる。この誘導電流ＩＳＳに基づいて第１実施形態や第２実施形態と同様の方法にて制御信号ＩＮを生成する。
【００８４】
図９は、第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１０８の別例としてのシステム構成図である。図８と同一の符号を付した構成は、図８で説明した構成と同一または同様の機能を有する。図８のシステム構成ではエキサイト回路１１０と検出コイルＬＳＳがコア１５４を共有することにより結合トランスを構成しているが、図９のシステム構成では給電コイル回路１２０と検出コイルＬＳＳがコア１５４を共有することにより結合トランスを形成している。
【００８５】
エキサイト回路１１０や給電コイル回路１２０に限らず、受電コイル回路１３０、ロード回路１４０などを一次コイル側として結合トランスを形成し、検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。図６に関連して説明した検出コイル回路１７０により誘導電流ＩＳＳを発生させてもよい。
【００８６】
以上、実施形態に基づいてワイヤレス電力伝送システム１００、１０６、１０８を説明した。本実施形態においては、外部の発振器によって交流電力を制御するのではなく、発生させた交流電力から制御信号ＩＮを生成し、この制御信号ＩＮによりワイヤレス給電装置をフィードバック制御している。このため、発振器を設置しなくても、交流電力を持続的に供給させ続けることができるため、システム構成がシンプルとなる。
【００８７】
給電コイルＬ２、受電コイルＬ３、ロードコイルＬ４は、いずれも同一の共振周波数ｆｒにて共振するため、これらのコイルになんらかの負荷を接続するとＱ値が敏感に反応してしまう。エキサイトコイルＬ１を利用する場合についても同様である。本実施形態においては、送受電対象となる交流電力を駆動回路１６２に直接フィードバックさせるのではなく、送受電時に発生する交流磁界により検出コイルＬＳＳに誘導電流ＩＳＳを発生させ、この誘導電流ＩＳＳによって駆動回路１６２を動作させている。このため、フィードバック制御の共振特性（Ｑ値）に対する影響を抑制しやすくなる。
【００８８】
また、仮になんらかの原因で発振停止となっても、有効信号発生器１６４が有効信号ＥＮをローレベルからハイレベルに変化させることにより、トランスＴ１一次コイルＬｈに電流を流すことができる。有効信号発生器１６４は、共振周波数ｆｒよりも遙かに低い周波数にて有効信号ＥＮを制御できる。
【００８９】
電源Ｖｄｄ１、Ｖｄｄ２、Ｖｄｄが定電源であっても、有効信号発生器１６４のデューティ比を調整することにより交流電力の大きさを制御できるため、システム全体としてのコストダウンを図りやすい。
【００９０】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【符号の説明】
【００９１】
１００、１０６、１０８ ワイヤレス電力伝送システム
１０２、１１２ 第１電流経路
１０４、１１４ 第２電流経路
１１０ エキサイト回路
１２０ 給電コイル回路
１３０ 受電コイル回路
１４０ ロード回路
１５４ コア
１６０ 波形増幅器
１６２ 駆動回路
１６４ 有効信号発生器
１７０ 検出コイル回路
２００、２０４、２０６ ワイヤレス給電装置
２０８ 電源制御回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
直列接続された第１のコイルおよびキャパシタを含み、前記共振周波数にて共振する共振回路と、
前記共振回路への第１の方向からの電流の供給を制御する第１のスイッチと、
前記共振回路への第２の方向からの電流の供給を制御する第２のスイッチと、
前記第１および第２のスイッチを前記共振周波数にて交互に導通させることにより前記共振回路を共振させ、前記第１のコイルを前記給電コイルとして、前記第１のコイルから前記受電コイルへ交流電力を送電させる送電制御回路と、
前記第１および第２のスイッチを駆動可能な駆動期間と駆動不可能な停止期間を設定するための有効信号を発生させる有効信号発生回路と、を備え、
前記送電制御回路は、前記駆動期間において前記交流電力により前記第１および第２のスイッチをフィードバック制御することにより、前記共振回路の共振状態を持続させることを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項２】
前記有効信号における前記駆動期間と前記停止期間のデューティ比は変更可能であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項３】
前記送電制御回路は、前記有効信号の発生を契機として、前記第１および第２のスイッチのいずれかの駆動を開始することを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項４】
前記交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる第２のコイル、を更に備え、
前記送電制御回路は、前記誘導電流により前記第１および前記第２のスイッチをフィードバック制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項５】
前記送電制御回路は、前記第１のコイルから、前記第１のコイルとは別のコイルである前記給電コイルに前記交流電力を供給することにより、前記給電コイルから前記受電コイルへ前記交流電力を送電させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項６】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
第１および第２の電流経路を含む電源回路と、
前記給電コイルと、
前記給電コイルと磁気結合し、前記電源回路から供給される交流電力を前記給電コイルに供給するエキサイトコイルと、
前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを前記共振周波数にて交互に導通させることにより前記エキサイトコイルに前記交流電力を供給する送電制御回路と、
前記第１および第２のスイッチを駆動可能な駆動期間と駆動不可能な停止期間を設定するための有効信号を発生させる有効信号発生回路と、を備え、
前記送電制御回路は、前記駆動期間において前記交流電力により前記第１および第２のスイッチをフィードバック制御することにより、前記共振回路の共振状態を持続させることを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項７】
前記有効信号における前記駆動期間と前記停止期間のデューティ比は変更可能であることを特徴とする請求項６に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項８】
前記送電制御回路は、前記有効信号の発生を契機として、前記第１および第２のスイッチのいずれかの駆動を開始することを特徴とする請求項６または７に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項９】
前記交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる検出コイル、を更に備え、
前記送電制御回路は、前記誘導電流により前記第１および前記第２のスイッチをフィードバック制御することを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項１０】
前記検出コイルは、前記給電コイルを流れる交流電流が発生させる磁界により前記誘導電流を発生させるコイルであることを特徴とする請求項９に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項１】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
直列接続された第１のコイルおよびキャパシタを含み、前記共振周波数にて共振する共振回路と、
前記共振回路への第１の方向からの電流の供給を制御する第１のスイッチと、
前記共振回路への第２の方向からの電流の供給を制御する第２のスイッチと、
前記第１および第２のスイッチを前記共振周波数にて交互に導通させることにより前記共振回路を共振させ、前記第１のコイルを前記給電コイルとして、前記第１のコイルから前記受電コイルへ交流電力を送電させる送電制御回路と、
前記第１および第２のスイッチを駆動可能な駆動期間と駆動不可能な停止期間を設定するための有効信号を発生させる有効信号発生回路と、を備え、
前記送電制御回路は、前記駆動期間において前記交流電力により前記第１および第２のスイッチをフィードバック制御することにより、前記共振回路の共振状態を持続させることを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項２】
前記有効信号における前記駆動期間と前記停止期間のデューティ比は変更可能であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項３】
前記送電制御回路は、前記有効信号の発生を契機として、前記第１および第２のスイッチのいずれかの駆動を開始することを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項４】
前記交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる第２のコイル、を更に備え、
前記送電制御回路は、前記誘導電流により前記第１および前記第２のスイッチをフィードバック制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項５】
前記送電制御回路は、前記第１のコイルから、前記第１のコイルとは別のコイルである前記給電コイルに前記交流電力を供給することにより、前記給電コイルから前記受電コイルへ前記交流電力を送電させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項６】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
第１および第２の電流経路を含む電源回路と、
前記給電コイルと、
前記給電コイルと磁気結合し、前記電源回路から供給される交流電力を前記給電コイルに供給するエキサイトコイルと、
前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを前記共振周波数にて交互に導通させることにより前記エキサイトコイルに前記交流電力を供給する送電制御回路と、
前記第１および第２のスイッチを駆動可能な駆動期間と駆動不可能な停止期間を設定するための有効信号を発生させる有効信号発生回路と、を備え、
前記送電制御回路は、前記駆動期間において前記交流電力により前記第１および第２のスイッチをフィードバック制御することにより、前記共振回路の共振状態を持続させることを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項７】
前記有効信号における前記駆動期間と前記停止期間のデューティ比は変更可能であることを特徴とする請求項６に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項８】
前記送電制御回路は、前記有効信号の発生を契機として、前記第１および第２のスイッチのいずれかの駆動を開始することを特徴とする請求項６または７に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項９】
前記交流電力が発生させる磁界により誘導電流を発生させる検出コイル、を更に備え、
前記送電制御回路は、前記誘導電流により前記第１および前記第２のスイッチをフィードバック制御することを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項１０】
前記検出コイルは、前記給電コイルを流れる交流電流が発生させる磁界により前記誘導電流を発生させるコイルであることを特徴とする請求項９に記載のワイヤレス給電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−３４３８０（Ｐ２０１３−３４３８０Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２４００６６（Ｐ２０１２−２４００６６）
【出願日】平成２４年１０月３１日（２０１２．１０．３１）
【分割の表示】特願２００９−２１２８０４（Ｐ２００９−２１２８０４）の分割
【原出願日】平成２１年９月１５日（２００９．９．１５）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月３１日（２０１２．１０．３１）
【分割の表示】特願２００９−２１２８０４（Ｐ２００９−２１２８０４）の分割
【原出願日】平成２１年９月１５日（２００９．９．１５）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
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