JP5764082B2

JP5764082B2 - ワイヤレス受電装置、ワイヤレス給電装置およびワイヤレス送電システム

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Publication number: JP5764082B2
Application number: JP2012049661A
Authority: JP
Inventors: 祐樹圓道; 古川　靖夫; 靖夫古川
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2032-03-06
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Description

本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。

近年、携帯電話端末やノート型コンピュータなどの電子機器、あるいは電気自動車に対する給電技術として、ワイヤレス（非接触）電力伝送が着目されている。ワイヤレス送電は、主に電磁誘導型、電波受信型、電場・磁場共鳴型、の３つに分類される。

電磁誘導型は短距離（数ｃｍ以内）において利用され、数百ｋＨｚ以下の帯域で数百Ｗの電力を伝送することができる。電力の利用効率は６０〜９８％程度となっている。
数ｍ以上の比較的長い距離に給電する場合、電波受信型が利用される。電波受信型では、中波〜マイクロ波の帯域で数Ｗ以下の電力を伝送することができるが、電力の利用効率は低い。数ｍ程度の中距離を、比較的高い効率で給電する手法として、電場・磁場共鳴型が着目されている（非特許文献１参照）。

A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic、「Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer」、ANNALS of PHYSICS Vol. 323, pp.34-48, 2008, Jan.

図１は、比較技術に係るワイヤレス送電システムを示す図である。ワイヤレス送電システム１ｒは、ワイヤレス給電装置２ｒおよびワイヤレス受電装置４ｒを備える。ワイヤレス給電装置２ｒは、送信コイルＬ_ＴＸ、共振用キャパシタＣ_ＴＸ、交流電源１０ｒを備える。ワイヤレス受電装置４ｒは、受信コイルＬ_ＲＸ、共振用キャパシタＣ_ＲＸ、負荷７０を備える。

このようなワイヤレス送電システム１ｒにおいて、効率的な給電を行うためには、ワイヤレス給電装置２ｒ、ワイヤレス受電装置４ｒそれぞれにおいて共振条件が満たされる必要がある。

ワイヤレス送電システム１が共振状態にあるときに、送信コイルＬ_ＴＸと受信コイルＬ_ＲＸの間に金属片などの異物が挿入されると、共振条件が変化し、共振状態が乱される。また、ワイヤレス受電装置４ｒの移動にともない、送信コイルＬ_ＴＸと受信コイルＬ_ＲＸの結合係数が変化すると、共振条件が変化し、共振状態が乱される。あるいは、悪意のユーザが盗電を行う場合にも、共振状態が乱される。

ワイヤレス送電システム１ｒにおいて、共振状態の乱れを検出することができれば、検出結果を、チューニングに反映させたり、システムの保護に活用することができ、便宜である。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、異物の混入、盗電など共振状態を乱す事象を検出可能なワイヤレス給電装置、受電装置および送電システムの提供にある。

本発明のある態様は、ワイヤレス受電装置に対して、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置に関する。ワイヤレス給電装置は、送信コイルを含む送信アンテナと、送信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、送信アンテナおよび自動チューニング補助回路の両端間に交流の駆動電圧を印加する電源と、を備える。自動チューニング補助回路は、第１端子と、第２端子と、Ｎ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタと、それぞれが、第１端子、第２端子、Ｎ個の補助キャパシタの端子のうち２つの間に設けられた複数のスイッチと、複数のスイッチそれぞれを、駆動電圧と同期して、かつ駆動電圧に対してある位相差でスイッチングする第１制御部と、Ｎ個の補助キャパシタのうち少なくともひとつに生ずる電圧を監視する電圧監視部と、を備える。

送信アンテナが周囲の回路素子ならびにワイヤレス受電装置とともに形成する共振回路の共振周波数は、時々刻々と変化する。そして駆動電圧の周波数が、送信アンテナを含む共振回路の共振周波数と一致しない場合、共振回路は容量性または誘導性となるため、送信アンテナには、駆動電圧に対して遅れたあるいは進んだ位相の電流が発生する。この状態で、自動チューニング補助回路の複数のスイッチを、駆動電圧に対してある位相差でスイッチングすると、Ｎ個の補助キャパシタはそれぞれ、電流と駆動電圧が同位相となるように充電もしくは放電される。そしてＮ個の補助キャパシタそれぞれに生ずる電圧（キャパシタ電圧という）が、送信アンテナに印加されることにより、擬似的な共振状態を実現できる。この態様によれば、共振用キャパシタの容量値の調節などを行わなくても、送信アンテナを駆動電圧に対して自動的にチューニングすることができる。なお、本明細書において「位相差」はゼロ、すなわち同相の場合も含む。
さらに共振回路の共振条件の変動にともない、Ｎ個の補助キャパシタそれぞれに生ずるキャパシタ電圧は変化するため、キャパシタ電圧を監視することにより、共振状態を乱す事象を検出することができる。

本発明の別の態様は、ワイヤレス給電装置から送信される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信するワイヤレス受電装置に関する。このワイヤレス受電装置は、受信コイルを含む受信アンテナと、受信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、を備える。自動チューニング補助回路は、第１端子と、第２端子と、Ｎ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタと、それぞれが、第１端子、第２端子、Ｎ個の補助キャパシタの端子のうち２つの間に設けられた複数のスイッチと、複数のスイッチそれぞれを、電力信号と同期してスイッチングする第２制御部と、Ｎ個の補助キャパシタの少なくともひとつに生ずる電圧を監視する電圧監視部と、を備える。

受信アンテナが周囲の回路素子ならびにワイヤレス給電装置とともに形成する共振回路の共振周波数は、時々刻々と変化する。そして電力信号の周波数が、受信アンテナを含む共振回路の共振周波数と一致しない場合、共振回路は容量性または誘導性となるため、共振回路に流れる電流と共振回路に生ずる電圧の間には、位相遅れあるいは位相進みが生ずる。この状態で複数のスイッチを、電力信号と同期してスイッチングすると、Ｎ個の補助キャパシタそれぞれは、電流と電圧が同位相となるように充電もしくは放電される。そして補助キャパシタに生ずるキャパシタ電圧が、受信アンテナに印加されることにより、擬似的な共振状態を実現できる。この態様によれば、共振用キャパシタの容量値の調節などを行わなくても、受信アンテナを電力信号に対して自動的にチューニングすることができる。
さらに共振回路の共振条件の変動にともない、Ｎ個の補助キャパシタそれぞれに生ずるキャパシタ電圧は変化するため、キャパシタ電圧を監視することにより、共振状態を乱す事象を検出することができる。

ある態様のワイヤレス給電装置あるいはワイヤレス受電装置において、電圧監視部は、補助キャパシタに生ずる電圧が所定の範囲に含まれるか否かを判定してもよい。
ワイヤレス送電システムが安定しているとき、補助キャパシタに生ずるキャパシタ電圧は、ある範囲内で安定化される。このような状態で、共振状態を乱す事象が発生すると、キャパシタ電圧はその範囲から逸脱する。この態様によれば、キャパシタ電圧の変動範囲を監視することにより、共振状態を乱す事象を検出できる。

ある態様のワイヤレス給電装置あるいはワイヤレス受電装置において、電圧監視部は、補助キャパシタに生ずる電圧を時間微分した波形を監視してもよい。
自動チューニング補助回路による通常時のチューニングにともなってキャパシタ電圧は変動するが、このときの変動は比較的長い時間スケールで発生する。一方、異物の混入、盗電を目的とした端末の近接などの事象は、非常に短い時間スケールで発生する。そこでキャパシタ電圧を時間微分した波形を監視することにより、通常のチューニングにともなう変動と、異物の混入、盗電を目的とした端末の近接などの事象に起因する変動を区別できる。

本発明の別の態様は、ワイヤレス送電システムに関する。このワイヤレス送電システムは、上述のワイヤレス給電装置と、上述のワイヤレス受電装置の少なくとも一方を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、異物の混入、盗電など共振状態を乱す事象を検出可能なワイヤレス給電装置、受電装置および送電システムの提供にある。

比較技術に係るワイヤレス送電システムを示す図である。第１の実施の形態に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。図３（ａ）〜（ｆ）は、ＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチの構成例を示す図である。図２のワイヤレス給電装置の動作を示す波形図である。図２のワイヤレス給電装置の等価回路図である。図６（ａ）は、自動チューニング補助回路を動作させない状態、図６（ｂ）は、自動チューニング補助回路を動作させたときの波形図である。ｆ_ｃ＜ｆ_ＴＸの場合の、自動チューニング補助回路による疑似共振状態を説明するフェーザ図である。非共振状態および共振状態における共振電流を示す図である。ｆ_ｃ＞ｆ_ＴＸの場合の、自動チューニング補助回路による疑似共振状態を説明するフェーザ図である。第１の変形例に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。第２の変形例に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。第３の変形例に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。図１３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第４、第５の変形例に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。第１の実施の形態に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。図１４のワイヤレス受電装置の等価回路図である。図１４のワイヤレス受電装置の動作を示す波形図である。図１７（ａ）、（ｂ）は、第１、第２の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。第３の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。図１９（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、第４、第５の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。第１の実施の形態に係るワイヤレス送電システムの構成例を示す回路図である。図２０のワイヤレス送電システムの動作を示す波形図である。第２の実施の形態に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。図２２のワイヤレス給電装置の動作を示す波形図である。第１の変形例に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。図２５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ第２〜第４の変形例に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。第２の実施の形態に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。図２６のワイヤレス受電装置の動作を示す波形図である。図２８（ａ）、（ｂ）は、第２、第３の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図であり、図２８（ｃ）、（ｄ）は、負荷の構成例を示す回路図である。第３の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。第３の実施の形態に係るワイヤレス給電装置の構成を示すブロック図である。第１の監視方式を示す波形図である。キャパシタ電圧と所定の範囲の関係を示す図である。第２の監視方法を示す波形図である。第３の実施の形態に係るワイヤレス受電装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」、あるいは「部材Ａが、部材Ｂとカップリングされた状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

（第１の実施の形態）
（ワイヤレス給電装置）
図２は、第１の実施の形態に係るワイヤレス給電装置２の構成を示す回路図である。ワイヤレス給電装置２は、ワイヤレス受電装置（不図示）に対して電力信号Ｓ１を送出する。電力信号Ｓ１は、電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。

ワイヤレス給電装置２は、電源１０、送信アンテナ２０、自動チューニング補助回路３０、第１制御部４０を備える。

送信アンテナ２０は、その第１端２１とその第２端２２の間に設けられた送信コイルＬ_ＴＸを含む。共振用キャパシタＣ_ＴＸは、送信コイルＬ_ＴＸと直列に設けられる。共振用キャパシタＣ_ＴＸと送信コイルＬ_ＴＸは入れかえてもよい。

自動チューニング補助回路３０は、送信アンテナ２０と直列にカップリングされる。電源１０は、送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路３０の両端間に、所定の送信周波数ｆ_ＴＸを有する交流の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶを印加する。駆動電圧Ｖ_ＤＲＶは、矩形波、台形波、正弦波をはじめとする任意の交流波形であって構わない。本実施の形態では、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶは、第１電圧レベル（電源電圧Ｖ_ＤＤ）と第２電圧レベル（接地電圧Ｖ_ＧＮＤ＝０Ｖ）でスイングする矩形波であるものとする。

電源１０は、直流電源１２、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１、第１ローサイドスイッチＳＷＬ１を含む。直流電源１２は、直流の電源電圧Ｖ_ＤＤを生成する。第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１および第１ローサイドスイッチＳＷＬ１は、直流電源１２の出力端子と固定電圧端子（接地端子）の間に順に直列に設けられる。第１制御部４０は、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１および第１ローサイドスイッチＳＷＬ１を、送信周波数ｆ_ＴＸで相補的にスイッチングする。

自動チューニング補助回路３０は、第１端子３１、第２端子３２、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第１補助キャパシタＣ_Ａ１を備える。

第１スイッチＳＷ１および第１補助キャパシタＣ_Ａ１は、第１端子３１および第２端子３２の間に直列に設けられる。第１スイッチＳＷ１と第１補助キャパシタＣ_Ａ１は入れかえてもよい。第２スイッチＳＷ２は、第１端子３１と第２端子３２の間に、第１スイッチＳＷ１および第１補助キャパシタＣ_Ａ１に対して並列に設けられる。第１補助キャパシタＣ_Ａ１の容量値は、共振用キャパシタＣ_ＴＸに比べて十分に大きいことが望ましい。

第１制御部４０は、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２を、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶと同じ周波数ｆ_ＴＸで、かつ駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対してある位相差θ_ＴＸで相補的にスイッチングする。好ましくは位相差θ_ＴＸは、＋９０°もしくは−９０°（２７０°）付近であってもよい。すなわち第１制御部４０の一部は、自動チューニング補助回路３０を構成する。

第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ等を用いて構成できる。図３（ａ）、（ｂ）は、ＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチの構成例を示す図である。

図３（ａ）は、Ｎチャンネル、図３（ｂ）は、ＰチャンネルのＭＯＳＦＥＴを用いた構成を示す。ＭＯＳＦＥＴのバックゲートをソースと接続すると、バックゲートとドレイン間のボディダイオードがゲート電圧によらずに導通状態となる。したがって、ＭＯＳＦＥＴを単体で用いたスイッチでは、片方向に対する電流を阻止することができない。本明細書においてこのようなスイッチを片方向スイッチという。

図３（ｃ）〜（ｆ）のスイッチは、２つのＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ、もしくは２つのＰチャンネルＭＯＳＦＥＴが、それらのボディダイオードが逆向きとなるように接続される（バックトゥバック接続）。図３（ｃ）〜（ｆ）では、オフ状態において、いずれの方向にも電流が流れない。本明細書においてこのようなスイッチを、双方向スイッチという。

本実施の形態において、各スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、片方向スイッチ、両方向スイッチのいずれでも構成することができる。なお、片方向スイッチを用いる場合、それらのスイッチングの位相に注意を払う必要がある。これについては後述する。

以上がワイヤレス給電装置２の構成である。続いてその動作を説明する。

スイッチＳＷ１、ＳＷ２はそれぞれ、オフ状態においていずれの方向にも電流を流さない双方向スイッチであるものとする。

図４は、図２のワイヤレス給電装置２の動作を示す波形図である。図４は、上から順に、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１、第１ローサイドスイッチＳＷＬ１、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶ、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第１補助キャパシタＣ_Ａ１の電圧Ｖ_ＣＡ１、第１端子３１の電圧Ｖ_Ａ、送信アンテナ２０に流れる共振電流Ｉ_ＴＸ、送信コイルＬ_ＴＸと共振用キャパシタＣ_ＴＸの両端間の共振電圧Ｖ_ＴＸを示す。スイッチを示す波形は、ハイレベルがオン状態を、ローレベルがオフ状態を示す。また共振電流Ｉ_ＴＸおよび共振電圧Ｖ_ＴＸは、自動チューニング補助回路３０を動作させてから十分な時間が経過した後の定常状態における波形を示す。

図４に示すように、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１、第１ローサイドスイッチＳＷＬ１を相補的にスイッチングすることにより、矩形波の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶが生成され、送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路３０の両端間に印加される。第１制御部４０は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶと同じ周波数で、かつ駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対してθ_ＴＸ（＝９０°）遅れた位相で、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２を相補的にスイッチングする。共振電流Ｉ_ＴＸは、第１スイッチＳＷ１のオン時間Ｔ_ＯＮ１において第１補助キャパシタＣ_Ａ１に流れ、第２スイッチＳＷ２のオン時間Ｔ_ＯＮ２において、第２スイッチＳＷ２を介して接地に流れる。つまり、第１補助キャパシタＣ_Ａ１は、共振電流Ｉ_ＴＸによって充放電され、その結果、第１補助キャパシタＣ_Ａ１には、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１が発生する。

自動チューニング補助回路３０は、送信アンテナ２０の第２端２２に補正電圧Ｖ_Ａを印加する。補正電圧Ｖ_Ａは、第１スイッチＳＷ１がオンの期間Ｔ_ＯＮ１において、第１補助キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１をとり、第２スイッチＳＷ２がオンの期間Ｔ_ＯＮ２において、接地電圧Ｖ_ＧＮＤをとる。自動チューニング補助回路３０は、補正電圧Ｖ_Ａを送信アンテナ２０に印加する補正電源と把握することができる。図５は、図２のワイヤレス給電装置２の等価回路図である。

図６（ａ）は、自動チューニング補助回路３０を動作させない状態、図６（ｂ）は、自動チューニング補助回路３０を動作させたときの波形図である。
はじめに図６（ａ）を参照し、自動チューニング補助回路３０を動作させない状態、すなわち第１スイッチＳＷ１をオフで固定し、第２スイッチＳＷ２をオンで固定した状態について説明する。これは、補正電圧Ｖ_Ａが接地電圧Ｖ_ＧＮＤに固定される状態を示す。
送信アンテナ２０のインピーダンスＺは式（１）で与えられ、その共振周波数ｆ_ｃは式（２）で与えられる。なお、ここでは抵抗成分を無視しているが、実際の回路には直列抵抗が寄与することは言うまでもない。
Ｚ＝ｊωＬ_ＴＸ＋１／（ｊωＣ_ＴＸ） …（１）
ｆ_Ｃ＝１／（２π√（Ｌ_ＴＸ・Ｃ_ＴＸ）） …（２）

送信アンテナ２０は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの周波数ｆ_ＴＸが共振周波数ｆ_ｃより高い（ｆ_ＴＸ＞ｆ_ｃ）とき誘導性となり、送信アンテナ２０に流れる共振電流Ｉ_ＴＸの位相は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの位相に対して遅れる。反対に、周波数ｆ_ＴＸが共振周波数ｆ_ｃより低い（ｆ_ＴＸ＜ｆ_ｃ）とき容量性となり、共振電流Ｉ_ＴＸの位相は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対して進む。

図６（ａ）は、ｆ_ｃ＞ｆ_ＴＸの状態を示しており、共振電流Ｉ_ＴＸの位相は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対して位相差φ進んでいる。φが９０°でないのは、共振回路に直列の抵抗成分（不図示）が存在するためである。非共振状態ではインピーダンスＺが高くなるため、共振電流Ｉ_ＴＸの振幅が小さくなる。この状態では大きな電力を伝送することはできない。

続いて、図６（ｂ）を参照し、自動チューニング補助回路３０を動作させたときの動作を説明する。

自動チューニング補助回路３０を動作させると、送信アンテナ２０には駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対してθ_ＴＸ＝９０°遅れた位相の補正電圧Ｖ_Ａが印加される。その結果、共振電流Ｉ_ＴＸの位相が駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの位相と一致し、擬似的な共振状態となる。これにより、共振電流Ｉ_ＴＸの振幅は、非共振状態よりも大きくなる。

図７は、ｆ_ｃ＜ｆ_ＴＸの場合の、自動チューニング補助回路３０による疑似共振状態を説明するフェーザ図（ベクトル図）である。
駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの位相は０°、補正電圧Ｖ_Ａの位相はθ_ＴＸ＝９０°である。ｆ_ｃ＜ｆ_ＴＸにおいて、電流の位相は、電圧に対して位相差φ遅れる。したがって駆動電圧Ｖ_ＤＲＶと電流成分Ｉ_ＤＲＶの位相差はφであり、補正電圧Ｖ_Ａと電流成分Ｉ_Ａの位相差もφである。

「重ねの理」によって、共振電流Ｉ_ＴＸは、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶによって誘起される電流成分Ｉ_ＤＲＶと、補正電圧Ｖ_Ａによって誘起される電流成分Ｉ_Ａの和で与えられる。駆動電圧Ｖ_ＤＲＶと補正電圧Ｖ_Ａは位相差θ_ＴＸ（＝９０°）を有するため、電流成分Ｉ_ＤＲＶとＩ_Ａの位相差も９０°となる。補正電圧Ｖ_Ａの振幅、言い換えれば電流成分Ｉ_Ａの振幅を最適化すれば、２つの電流成分Ｉ_ＤＲＶとＩ_Ａの合成電流、すなわち共振電流Ｉ_ＴＸの位相を、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの位相（０°）と一致させることができ、疑似共振状態が実現できることが分かる。

実施の形態に係るワイヤレス給電装置２の優れた利点のひとつは、疑似共振状態を満足する補正電圧Ｖ_Ａを自動的に生成できる点である。
図８は、非共振状態および共振状態における共振電流Ｉ_ＴＸを示す図である。波形（Ｉ）は、非共振状態における共振電流Ｉ_ＴＸを示す。スイッチＳＷ１がオンの期間Ｔ_ＯＮ１において、第１補助キャパシタＣ_Ａ１は、共振電流Ｉ_ＴＸによって充放電される。具体的には、第１補助キャパシタＣ_Ａ１は、共振電流Ｉ_ＴＸが正の期間に充電され、負の期間に放電される。その結果、正の期間が長ければキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１は増大し、負の期間が長ければキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１は低下する。

あるサイクルのオン時間Ｔ_ＯＮ１において、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１が増大する。そして、増大したキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１に応じた補正電圧Ｖ_Ａが送信アンテナ２０に印加される。そうすると、次のサイクルでは、共振電流Ｉ_ＴＸの位相が前のサイクルより進む。これを繰り返すと、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１がサイクル毎に増加しながら、共振電流Ｉ_ＴＸの位相が徐々に進んでいき、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの位相と一致するポイント（共振点）までシフトしていく。共振電流Ｉ_ＴＸの位相が進みすぎると、反対に第１補助キャパシタＣ_Ａ１の放電電流の方が大きくなり、キャパシタ電圧ＶＣ_Ａ１が低下する方向にフィードバックがかかり、共振点に引き戻される。共振点では１サイクルでの第１補助キャパシタＣ_Ａ１の充電電流と放電電流がバランスし、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１が平衡状態となり、擬似的な共振状態が持続する。このように、図２のワイヤレス給電装置２によれば、疑似共振状態を生ずるために必要な補正電圧Ｖ_Ａを自動的に生成できる。

以上がワイヤレス給電装置２の動作である。
このようにワイヤレス給電装置２によれば、送信アンテナ２０の共振周波数ｆ_ｃを調節することなく、疑似共振状態を実現するように回路の状態を自動的にチューニングすることができる。ワイヤレス送電では、ワイヤレス給電装置２とワイヤレス受電装置４の位置関係によって、共振周波数が時々刻々と変化するが、ワイヤレス給電装置２によれば、その変化に高速に追従することができ、高効率な電力伝送が可能となる。

またワイヤレス給電で大電力を伝送しようとすると、共振用キャパシタＣ_ＴＸの両端間の電圧は非常に大きくなるため、バリコン（バリキャップ）の利用は制約される。ワイヤレス給電装置２によれば共振用キャパシタＣ_ＴＸの容量値を調節する必要がないため、バリコン等を使用する必要がないという利点もある。

ここでは、第１スイッチＳＷ１を、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１の位相に対してθ_ＴＸ＝９０°遅れた位相でスイッチングさせる場合を説明したが、位相差θ_ＴＸは９０°である必要はなく、２７０°（−９０°）であってもよい。この場合、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１が負電圧となるように自動的に調節されるからである。

すなわち、ｆ_ｃ＜ｆ_ＴＸの場合、θ_ＴＸ＝９０°または２７０°とすることにより、疑似共振状態を実現できる。
位相差θ_ＴＸは、９０°もしくは２７０°から外れていてもよい。この場合、図７に示すベクトル図において、電流成分Ｉ_ＤＲＶとＩ_Ａの位相差θ_ＴＸが９０°ではなくなるが、この場合でも、それらを合成した共振電流Ｉ_ＴＸの位相が０°となるように、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１が自動的に調節される。ただし、位相差θ_ＴＸが９０°もしくは２７０°に近いほど、電流成分Ｉ_Ａの振幅、言い換えればキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１の絶対値が小さくできるという利点がある。

なお、ｆ_ｃ＜ｆ_ＴＸの場合にθ_ＴＸ＝２７０°とできるのは、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２を双方向スイッチを用いて構成した場合に限られる。第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２が片方向スイッチである場合には、θ_ＴＸ＝２７０°とすることはできない。この場合、ボディダイオードに電流が流れてしまうからである。片方向スイッチを用いる場合、逆導通素子であるボディダイオードに電流が流れないような位相で、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２をスイッチングさせる必要がある。

ワイヤレス給電装置２は、ｆ_ｃ＜ｆ_ＴＸの場合のみでなく、ｆ_ｃ＞ｆ_ＴＸの場合においても、自動的に疑似共振状態を実現できる。この場合、θ_ＴＸ＝２７０°（−９０°）とすることが好ましい。

図９は、ｆ_ｃ＞ｆ_ＴＸの場合の、自動チューニング補助回路３０による疑似共振状態を説明するフェーザ図である。駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの位相を０°、補正電圧Ｖ_Ａの位相をθ_ＴＸ＝２７０°（−９０°）としている。ｆ_ｃ＞ｆ_ＴＸにおいて、電流の位相は電圧に対して進むが、この場合であっても、疑似共振状態が実現できる。

なおｆ_ｃ＞ｆ_ＴＸにおいて、位相差θ_ＴＸを９０°付近としてもよい。この場合、疑似共振状態が得られるように、自動的にキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１が負電圧となる。

ただし、ｆ_ｃ＜ｆ_ＴＸの場合にθ_ＴＸ＝９０°とできるのは、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２を双方向スイッチを用いて構成した場合に限られる。第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２が片方向スイッチである場合には、θ_ＴＸ＝９０°とすることはできない。上述したように、ボディダイオードに電流が流れてしまうからである。

続いて、ワイヤレス給電装置２の変形例を説明する。各変形例は、任意の他の変形例と組み合わせることができ、このような組み合わせも本発明の範囲に含まれる。

図１０は、第１の変形例に係るワイヤレス給電装置２ａの構成を示す回路図である。自動チューニング補助回路３０ａは、第１端子３１と第２端子３２の間に、第２スイッチＳＷ２と直列に設けられた第２補助キャパシタＣ_Ａ２を備える。

この変形例において、補正電圧Ｖ_Ａは、第１スイッチＳＷ１のオン時間Ｔ_ＯＮ１においてキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１と等しくなり、第２スイッチＳＷ２のオン時間Ｔ_ＯＮ２においてキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ２と等しくなる。

ワイヤレス給電装置２ａによれば、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１、Ｖ_ＣＡ２を最適化されることにより、ｆ_ＴＸ＞ｆ_ｃ、ｆ_ＴＸ＜ｆ_ｃいずれの場合も疑似共振状態を実現できる。

図１１は、第２の変形例に係るワイヤレス給電装置２ｂの構成を示す回路図である。自動チューニング補助回路３０ｂは、充電回路３４および検出抵抗Ｒｓを備える。検出電流Ｒｓは、共振電流Ｉ_ＴＸの経路上に設けられる。検出抵抗Ｒｓには、共振電流Ｉ_ＴＸに比例した検出電圧Ｖｓが発生する。充電回路３４は、検出電圧Ｖｓにもとづき、第１補助キャパシタＣ_Ａ１を、疑似共振状態となるようなレベルに充電する。上述のように、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１は自動的に最適なレベルとなるが、充電回路３４を設けることにより、より短い時間で、疑似共振状態とすることができる。

図１２は、第３の変形例に係るワイヤレス給電装置２ｃの構成を示す回路図である。
これまでは電源がハーフブリッジ回路の場合を説明したが、図１２の電源１０ｃはＨブリッジ回路で構成される。第２ハイサイドスイッチＳＷＨ２および第２ローサイドスイッチＳＷＬ２は、直流電源１２の出力端子と固定電圧端子（接地端子）の間に順に直列に設けられる。

第１制御部４０ｃは、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１と第２ローサイドスイッチＳＷＬ２のペアがオンの状態と、第２ハイサイドスイッチＳＷＨ２と第１ローサイドスイッチＳＷＬ１のペアがオンの状態を、交互に繰り返す。
第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１と第１ローサイドスイッチＳＷＬ１の接続点（第１出力端子）ＯＵＴ１と、第２ハイサイドスイッチＳＷＨ２と第２ローサイドスイッチＳＷＬ２の接続点（第２出力端子）ＯＵＴ２には、互いに逆相の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶ、＃Ｖ_ＤＲＶが発生する。送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路３０ｃは、第１出力端子ＯＵＴ１と第２出力端子ＯＵＴ２の間に直列にカップリングされる。

図１２のワイヤレス給電装置２ｃによっても、これまで説明したワイヤレス給電装置と同様の効果を得ることができる。

図１３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第４、第５の変形例に係るワイヤレス給電装置２ｄ、２ｅの構成を示す回路図である。第１制御部４０は省略される。
図１３（ａ）のワイヤレス給電装置２ｄにおいて、自動チューニング補助回路３０ｄは、第１トランスＴ１を介して送信アンテナ２０と直列にカップリングされる。具体的には、第１トランスＴ１の２次巻線Ｗ２は第１端子３１と第２端子３２の間に設けられ、その１次巻線Ｗ１は、送信アンテナ２０と直列に設けられる。電源１０は、送信アンテナ２０と１次巻線Ｗ１の両端間に駆動電圧を印加する。

このワイヤレス給電装置２ｄでは、第１トランスＴ１を介して送信アンテナ２０と自動チューニング補助回路３０ｄの間のエネルギーの授受が行われる。この構成によっても、これまで説明したワイヤレス給電装置と同様の効果を得ることができる。

図１３（ｂ）では、電源１０が第２トランスＴ２を介して送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路３０ｄの両端間に駆動電圧Ｖ_ＤＲＶを印加する。具体的には第２トランスＴ２の２次巻線Ｗ２は、送信アンテナ２０と直列に設けられる。電源１０は、第２トランスＴ２の１次巻線Ｗ１の両端に駆動電圧Ｖ_ＤＲＶを印加する。

このワイヤレス給電装置２ｅでは、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶは、第２トランスＴ２を介して送信アンテナ２０と自動チューニング補助回路３０ｄの両端間に印加される。この構成によっても、これまで説明したワイヤレス給電装置と同様の効果を得ることができる。ワイヤレス給電装置２ｅにおいて、第１トランスＴ１を省略してもよい。図１３（ａ）、（ｂ）における電源１０は、Ｈブリッジ回路、ハーフブリッジ回路、その他の電源のいずれであってもよい。

（ワイヤレス受電装置）
上述した自動チューニング補助回路は、ワイヤレス受電装置にも利用することができる。以下では、ワイヤレス受電装置について説明する。

図１４は、第１の実施の形態に係るワイヤレス受電装置４の構成を示す回路図である。ワイヤレス受電装置４は、上述の、あるいは全く別構成のワイヤレス給電装置から送信される電力信号Ｓ１を受ける。電力信号Ｓ１は、電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。

ワイヤレス受電装置４は、受信アンテナ５０、自動チューニング補助回路６０および電力を供給すべき負荷７０を備える。負荷７０には、図示しない整流回路、検波回路などが内蔵されてもよい。

受信アンテナ５０は、第１端５１と第２端５２の間に直列に設けられた受信コイルＬ_ＲＸおよび共振用キャパシタＣ_ＲＸを含む。

自動チューニング補助回路６０は、上述の自動チューニング補助回路３０と同様に構成される。具体的には、第３スイッチＳＷ３および第３補助キャパシタＣ_Ａ３は、第１端子６１と第２端子６２の間に直列に設けられる。第４スイッチＳＷ４は、第１端子６１と第２端子６２の間に、第３スイッチＳＷ３および第３補助キャパシタＣ_Ａ３と並列に設けられる。

第２制御部６４は、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４を、電力信号Ｓ１と同じ周波数で、かつ送信側においてアンテナに印加される駆動電圧（Ｖ_ＤＲＶ）に対してある位相差θ_ＲＸで相補的にスイッチングする。たとえばθ_ＲＸ＝１８０°または０°であることが好ましい。

自動チューニング補助回路６０は、受信アンテナ５０と直列にカップリングされる。また電力を供給すべき負荷７０は、第３補助キャパシタＣ_Ａ３に接続される。

以上がワイヤレス受電装置４の構成である。続いてその動作を説明する。図１５は、図１４のワイヤレス受電装置４の等価回路図である。ワイヤレス給電装置２における自動チューニング補助回路３０と同様に、自動チューニング補助回路６０は、補正電圧Ｖ_Ａを受信アンテナ５０に印加する補正電源と把握することができる。補正電圧Ｖ_Ａは、第３スイッチＳＷ３のオン時間Ｔ_ＯＮ３において、第３補助キャパシタＣ_Ａ３の電圧Ｖ_ＣＡ３となり、第４スイッチＳＷ４のオン時間Ｔ_ＯＮ４において接地電圧となる。

図１６は、図１４のワイヤレス受電装置４の動作を示す波形図である。図１６は上から順に、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４、補正電圧Ｖ_Ａ、受信アンテナ５０に流れる共振電流Ｉ_ＲＸ、受信コイルＬ_ＲＸと共振用キャパシタＣ_ＲＸの両端間の共振電圧Ｖ_ＲＸを示す。スイッチを示す波形は、ハイレベルがオン状態を、ローレベルがオフ状態を示す。共振電流Ｉ_ＲＸおよび共振電圧Ｖ_ＲＸは、実線が自動チューニング補助回路６０を動作させてから十分な時間が経過した後の定常状態（疑似共振状態）における波形を、破線が自動チューニング補助回路６０を動作させない非共振状態における波形を示す。

第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４を、ワイヤレス給電装置側の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対して１８０°または０°シフトした位相θ_ＲＸで相補的にスイッチングさせることにより、第３補助キャパシタＣ_Ａ３が充電、または放電される。そして補正電圧Ｖ_Ａが受信アンテナ５０に印加されることにより、共振電流Ｉ_Ａの位相が、送信側の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの位相と一致し、疑似共振状態が実現できる。

疑似共振状態を実現するためには、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４を適切な周波数ｆ_ＴＸおよび位相θ_ＲＸでスイッチングさせる必要がある。そこでワイヤレス給電装置２からワイヤレス受電装置４に対して、周波数ｆ_ＴＸおよび位相θ_ＲＸを示すデータを送信してもよい。あるいはワイヤレス受電装置４は、位相θ_ＲＸをスイープし、最適な位相θ_ＲＸを検出してもよい。

以上がワイヤレス受電装置４の動作である。
このように図１４のワイヤレス受電装置４によれば、共振用キャパシタＣ_ＲＸの容量値を調節することなく、自動的に共振状態を実現することができる。

続いてワイヤレス受電装置４の変形例を説明する。

図１４では、負荷７０が第３補助キャパシタＣ_Ａ３と接続される場合を説明したが、負荷７０は別の位置に設けられてもよい。図１７（ａ）、（ｂ）は、第１、第２の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。図１７（ａ）のワイヤレス受電装置４ａにおいて、負荷７０ａは、受信アンテナ５０および自動チューニング補助回路６０と直列に設けられる。具体的には負荷７０ａは受信アンテナ５０の第１端５１に接続される。

図１７（ｂ）のワイヤレス受電装置４ｂは、第３トランスＴ３を備え、受信アンテナ５０と負荷７０ｂは、第３トランスＴ３によって絶縁される。第３トランスＴ３の１次巻線Ｗ１は、受信アンテナ５０と直列に設けられ、２次巻線Ｗ２に負荷７０ｂが接続される。

図１７（ａ）、（ｂ）に示すように、受信アンテナ５０と直列に負荷を接続した場合、負荷のインピーダンスが低い場合には、自動チューニング補助回路６０による調整をしなくても、ある程度の電力を取り出すことができるという利点がある。一方で、負荷の抵抗成分によって受信アンテナ５０のＱ値が低下するため、大電力が取り出しにくくなる。

反対に図４のように自動チューニング補助回路６０から電力を取り出す場合、負荷７０によって受信アンテナ５０のＱ値が低下しないため、負荷７０のインピーダンスが高い場合でも、大電力を取り出すことができる。一方、負荷７０のインピーダンスが低すぎる場合、自動チューニング補助回路６０の動作が阻害されるという問題がある。

したがって、負荷をいずれの位置に配置するかは、送電すべき電力や、負荷のインピーダンス等を考慮して決定すればよい。

図１８は、第３の変形例に係るワイヤレス受電装置４ｃの構成を示す回路図である。自動チューニング補助回路６０ｃは、第１端子６１と第２端子６２の間に第４スイッチＳＷ４と直列に設けられた第４補助キャパシタＣ_Ａ４をさらに備える。負荷７０の位置は限定されない。

この変形例において、補正電圧Ｖ_Ａは、第３スイッチＳＷ３のオン時間Ｔ_ＯＮ３においてキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ３と等しくなり、第４スイッチＳＷ４のオン時間Ｔ_ＯＮ４においてキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ４と等しくなる。このワイヤレス受電装置４ｃによれば、ｆ_ＴＸ＞ｆ_ｃ、ｆ_ＴＸ＜ｆ_ｃそれぞれの状態において疑似共振状態となるように、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１、Ｖ_ＣＡ２を最適化することができる。

ワイヤレス受電装置において、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４は、片方向スイッチ、双方向スイッチのいずれで構成してもよい。片方向スイッチで構成する場合、それぞれの逆導通素子に電流が流れない位相で、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４をスイッチングする必要がある。

図１９（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、第４、第５の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。第２制御部６４は省略される。
図１９（ａ）のワイヤレス受電装置４ｄにおいて、自動チューニング補助回路６０ｄは、第４トランスＴ４を介して受信アンテナ５０と直列にカップリングされる。具体的には、第４トランスＴ４の２次巻線Ｗ２は第１端子６１と第２端子６２の間に設けられ、その１次巻線Ｗ１は、受信アンテナ５０と直列に設けられる。

このワイヤレス受電装置４ｄでは、第４トランスＴ４を介して受信アンテナ５０と自動チューニング補助回路６０ｄの間のエネルギーの授受が行われる。この構成によっても、これまで説明したワイヤレス受電装置と同様の効果を得ることができる。

図１９（ｂ）では、負荷７０が第５トランスＴ５を介して受信アンテナ５０および自動チューニング補助回路６０ｄとカップリングされる。具体的には第５トランスＴ５の１次巻線Ｗ１は、受信アンテナ５０と直列に接続される。負荷７０は、第５トランスＴ５の２次巻線Ｗ２の両端に接続される。

この構成によっても、これまで説明したワイヤレス受電装置と同様の効果を得ることができる。ワイヤレス受電装置４ｅにおいて、第４トランスＴ４を省略してもよい。図１９（ａ）において負荷７０を第３補助キャパシタＣ_Ａ３とカップリングしてもよい。あるいは図１９（ｂ）において負荷７０を第３補助キャパシタＣ_Ａ３と第５トランスＴ５を介してカップリングしてもよい。

（ワイヤレス送電システム）
上述のワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置を組み合わせることにより、ワイヤレス送電システムを実現できる。

図２０は、第１の実施の形態に係るワイヤレス送電システムの構成例を示す回路図である。ワイヤレス送電システム１は、ワイヤレス給電装置２とワイヤレス受電装置４を備える。

負荷７０は、負荷回路７６に加えて、整流回路７２およびスイッチングレギュレータ７４を備える。整流回路７２は同期検波回路であり、平滑用キャパシタＣ３、第３ハイサイドスイッチＳＷＨ３、第３ローサイドスイッチＳＷＬ３を備える。

スイッチングレギュレータ７４は、昇降圧コンバータであり、負荷回路７６に対して最大電力を供給できるように制御される。スイッチングレギュレータ７４の構成および動作は公知であるため、ここでの説明は省略する。

以上がワイヤレス送電システム１の構成である。図２１は、図２０のワイヤレス送電システム１の動作を示す波形図である。

ワイヤレス給電装置２において、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対してθ_ＴＸ＝９０°遅れた位相で駆動される。その結果、ワイヤレス給電装置２において疑似共振状態が成立する。

ワイヤレス受電装置４においては、ワイヤレス給電装置２側の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対してθ_ＲＸ＝１８０°遅れた位相で、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４が駆動される。また第３スイッチＳＷ３は、第１スイッチＳＷ１に対して９０°遅れた位相で駆動される。その結果、ワイヤレス受電装置４においても疑似共振状態が成立する。

整流回路７２の第３ハイサイドスイッチＳＷＨ３および第３ローサイドスイッチＳＷＬ３は、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４に対して９０°遅れた位相で駆動される。その結果、平滑用キャパシタＣ３に直流電圧が発生する。この直流電圧は、スイッチングレギュレータ７４によって負荷回路７６に最適な電圧レベルに変換される。

以上がワイヤレス送電システム１の動作である。このようにワイヤレス送電システム１によれば、ワイヤレス給電装置２、ワイヤレス受電装置４それぞれに自動チューニング補助回路を設けることにより、負荷７０に対して最大電力を送信することが可能となる。

当然ながら、変形例を含めた任意のワイヤレス給電装置２と、任意のワイヤレス受電装置４が組み合わせ可能であることは言うまでもない。

図２０では、ワイヤレス給電装置２、ワイヤレス受電装置４の両方に自動チューニング補助回路を実装する場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。
ワイヤレス給電装置２にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス受電装置は、従来のように共振用キャパシタＣ_ＲＸの調節を行ってもよい。
反対にワイヤレス受電装置４にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス給電装置２は、従来のように共振用キャパシタＣ_ＴＸの調節を行ってもよい。

さらには、ワイヤレス給電装置２にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス受電装置４は、一切の調節機構を有さなくてもよい。あるいはワイヤレス受電装置４にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス給電装置２は、一切の調節機構を有さなくてもよい。
これらの場合、単一の自動チューニング補助回路によって、電源１０と負荷７０の間のインピーダンスマッチングがとれるようにチューニングされ、高効率な電力伝送が可能となる。この場合に、自動チューニング補助回路のスイッチングの位相θ_ＴＸ（θ_ＲＸ）の最適値は９０°もしくは２７０°（１８０°もしくは０°）から外れることに留意すべきである。

以上、本発明について、第１の実施の形態をもとに説明した。この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み合わ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。以下、こうした変形例について説明する。

自動チューニング補助回路３０を備えるワイヤレス給電装置２においては、共振用キャパシタＣ_ＴＸを省略しても疑似共振状態が実現できる場合がある。この場合、共振用キャパシタＣ_ＴＸを省略してもよい。同様に自動チューニング補助回路６０を備えるワイヤレス受電装置４において、共振用キャパシタＣ_ＲＸを省略してもよい。

ワイヤレス給電装置２は、所定の規則（暗号コード）に従い、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの周波数ｆ_ＴＸおよび位相の少なくとも一方を変化させ、電力信号Ｓ１を暗号化する。暗号コードを知っているワイヤレス受電装置４は、その暗号コードにもとづき、自動チューニング補助回路６０のスイッチング周波数、位相を制御する。その結果、電力信号Ｓ１が暗号化されている場合でも、それを復号して電力供給を受けることができる。暗号コードを知らないワイヤレス受電装置は、自動チューニング補助回路６０のスイッチを適切に制御できないため、電力を受信することができなくなる。ワイヤレス電力伝送では、悪意の利用者による盗電が問題となりうるが、自動チューニング補助回路を利用することにより、この問題を解決することができる。
あるいは、単一のワイヤレス給電装置２が複数のワイヤレス受電装置４に給電する際に、自動チューニング補助回路を利用することにより端末毎の給電量を制御できる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２を含む自動チューニング補助回路を説明した。第２の実施の形態における自動チューニング補助回路は、４つのスイッチを含んで構成される。自動チューニング補助回路８０を除くブロックの構成については、第１の実施の形態と同様である。また、第１の実施の形態で説明したさまざまな変形例は、第２の実施の形態においても有効である。

（ワイヤレス給電装置）
図２２は、第２の実施の形態に係るワイヤレス給電装置２の構成を示す回路図である。ワイヤレス給電装置２は、ワイヤレス受電装置（不図示）に対して電力信号Ｓ１を送出する。電力信号Ｓ１は、電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。

ワイヤレス給電装置６は、電源１０、送信アンテナ２０、自動チューニング補助回路８０、第１制御部４０を備える。

自動チューニング補助回路８０は、送信アンテナ２０と直列にカップリングされる。電源１０は、図２と同様にハーフブリッジ回路で構成され、送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路８０の両端間に、所定の送信周波数ｆ_ＴＸを有する交流の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶを印加する。駆動電圧Ｖ_ＤＲＶは、矩形波、台形波、正弦波をはじめとする任意の交流波形であって構わない。本実施の形態では、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶは、第１電圧レベル（電源電圧Ｖ_ＤＤ）と第２電圧レベル（接地電圧Ｖ_ＧＮＤ＝０Ｖ）でスイングする矩形波であるものとする。

電源１０は、図２の電源１０と同様にハーフブリッジ回路で構成される。第１制御部４０は、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１および第１ローサイドスイッチＳＷＬ１を、送信周波数ｆ_ＴＸで相補的にスイッチングする。

第２の実施の形態において、自動チューニング補助回路８０は、第１端子８１、第２端子８２、第１スイッチＳＷｃ１〜第４スイッチＳＷｃ４、第１補助キャパシタＣ_Ａ５を備える。

第１スイッチＳＷｃ１および第２スイッチＳＷｃ２は、第１端子８１と第２端子８２の間に順に直列に設けられる。第３スイッチＳＷｃ３および第４スイッチＳＷｃ４は、第１端子８１と第２端子８２の間に順に直列に、かつ第１スイッチＳＷｃ１および第２スイッチＳＷｃ２に対して並列に設けられる。第１補助キャパシタＣ_Ａ５は、第１スイッチＳＷｃ１と第２スイッチＳＷｃ２の接続点Ｎ１と、第３スイッチＳＷｃ３と第４スイッチＳＷｃ４の接続点Ｎ２の間に設けられる。第１補助キャパシタＣ_Ａ５の容量値は、共振用キャパシタＣ_ＴＸに比べて十分に大きいことが望ましい。

第１制御部４０は、第１スイッチＳＷｃ１〜第４スイッチＳＷｃ４を、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶと同じ周波数ｆ_ＴＸで、かつ駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対してある位相差θ_ＴＸでスイッチングする。好ましくは位相差θ_ＴＸは、＋９０°もしくは−９０°（２７０°）付近であってもよい。すなわち第１制御部４０の一部は、自動チューニング補助回路８０を構成する。

第１の実施の形態と同様に、第１スイッチＳＷｃ１〜第４スイッチＳＷｃ４は、双方向スイッチ、あるいは片方向スイッチのいずれかでも構成できる。片方向スイッチを用いる場合、それらのスイッチングの位相に注意を払う必要があることも、すでに説明した通りである。

以上がワイヤレス給電装置６の構成である。続いてその動作を説明する。

図２３は、図２２のワイヤレス給電装置６の動作を示す波形図である。図２３は、上から順に、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１、第１ローサイドスイッチＳＷＬ１、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶ、第１スイッチＳＷｃ１、第２スイッチＳＷｃ２、第３スイッチＳＷｃ３、第４スイッチＳＷｃ４、第１端子８１に生ずる補正電圧Ｖ_Ａ、送信アンテナ２０に流れる共振電流Ｉ_ＴＸ、送信コイルＬ_ＴＸと共振用キャパシタＣ_ＴＸの両端間の共振電圧Ｖ_ＴＸを示す。スイッチを示す波形は、ハイレベルがオン状態を、ローレベルがオフ状態を示す。また共振電流Ｉ_ＴＸおよび共振電圧Ｖ_ＴＸは、自動チューニング補助回路３０を動作させてから十分な時間が経過した後の定常状態における波形を示す。

図２３に示すように、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１、第１ローサイドスイッチＳＷＬ１を相補的にスイッチングすることにより、矩形波の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶが送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路３０の両端間に印加される。第１制御部４０は、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶと同じ周波数で、かつ駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対してθ_ＴＸ（＝９０°）遅れた位相で、第１スイッチＳＷｃ１および第４スイッチＳＷｃ４を含む第１のペアＰ１を駆動し、第１のペアＰ１と相補的に、すなわち１８０°ずれた位相で、第２スイッチＳＷｃ２および第３スイッチＳＷｃ３を含む第２のペアＰ２を駆動する。

共振電流Ｉ_ＴＸは、第１のペアＰ１のオン時間Ｔ_ＯＮ１において、第１スイッチＳＷｃ１、第１補助キャパシタＣ_Ａ５、第４スイッチＳＷｃ４を含む経路に流れ、第２のペアＰ２のオン時間Ｔ_ＯＮ２において、第３スイッチＳＷｃ３、第１補助キャパシタＣ_Ａ５、第２スイッチＳＷｃ２を含む経路に流れる。

つまり、第１補助キャパシタＣ_Ａ５は、共振電流Ｉ_ＴＸによって充放電され、その結果、第１補助キャパシタＣ_Ａ５には、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ５が発生する。

自動チューニング補助回路８０は、送信アンテナ２０の第２端２２に補正電圧Ｖ_Ａを印加する。補正電圧Ｖ_Ａは、第１のペアＰ１がオンの期間Ｔ_ＯＮ１において第１の極性をとり、第２のペアＰ２がオンの期間Ｔ_ＯＮ２において第２の極性をとる。自動チューニング補助回路８０は、補正電圧Ｖ_Ａを送信アンテナ２０に印加する補正電源と把握することができる。すなわち、ワイヤレス給電装置６の等価回路は、図５の等価回路と同等とみなすことができ、その動作原理も同様であることがわかる。

すなわち自動チューニング補助回路８０を動作させると、送信アンテナ２０に対して、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対してθ_ＴＸ＝９０°遅れた位相の補正電圧Ｖ_Ａが印加される。その結果、共振電流Ｉ_ＴＸの位相が駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの位相と一致し、擬似的な共振状態となる。これにより、共振電流Ｉ_ＴＸの振幅は、非共振状態よりも大きくなる。これは、図７、図９のフェーザ図に示される通りである。

第２の実施の形態における自動チューニング補助回路８０の動作は、第１の実施の形態において図８を参照して説明した通りであり、疑似共振状態を満足する補正電圧Ｖ_Ａを自動的に生成することができる。

以上がワイヤレス給電装置６の動作である。
このようにワイヤレス給電装置６によれば、送信アンテナ２０の共振周波数ｆ_ｃを調節することなく、疑似共振状態を実現するように回路の状態を自動的にチューニングすることができる。ワイヤレス送電では、ワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置の位置関係によって、共振周波数が時々刻々と変化するが、ワイヤレス給電装置６によれば、その変化に高速に追従することができ、高効率な電力伝送が可能となる。

またワイヤレス給電で大電力を伝送しようとすると、共振用キャパシタＣ_ＴＸの両端間の電圧は非常に大きくなるため、バリコン（バリキャップ）の利用は制約される。ワイヤレス給電装置６によれば共振用キャパシタＣ_ＴＸの容量値を調節する必要がないため、バリコン等を使用する必要がないという利点もある。

ここでは、第１スイッチＳＷｃ１、第４スイッチＳＷｃ４を含む第１ペアを、第１ハイサイドスイッチＳＷＨ１（駆動電圧Ｖ_ＤＲＶ）の位相に対してθ_ＴＸ＝９０°遅れた位相でスイッチングさせる場合を説明したが、位相差θ_ＴＸは９０°である必要はなく、２７０°（−９０°）であってもよい。この場合、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１が逆極性となるように自動的に調節されるからである。ただし、第１スイッチＳＷｃ１〜第４スイッチＳＷｃ４を片方向スイッチを用いて構成する場合には、逆導通素子に電流が流れない位相でスイッチングする必要がある。具体的には、
ｆ_ｃ＜ｆ_ＴＸのときにθ_ＴＸ＝９０°
ｆ_ｃ＞ｆ_ＴＸのときにθ_ＴＸ＝２７０°
とすることが望ましい。

また第１の実施の形態で説明したように、位相差θ_ＴＸは、９０°もしくは２７０°から外れていてもよい。

続いて、ワイヤレス給電装置６の変形例を説明する。各変形例は、任意の他の変形例と組み合わせることができ、このような組み合わせも本発明の範囲に含まれる。

図２４は、第１の変形例に係るワイヤレス給電装置６ａの構成を示す回路図である。図２４の電源１０ｃはＨブリッジ回路で構成される。送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路８０ａは、電源１０ｃの第１出力端子ＯＵＴ１と第２出力端子ＯＵＴ２の間に直列に設けられる。さらに直流阻止用のキャパシタＣ２が、送信アンテナ２０と自動チューニング補助回路８０ａと直列に設けられる。自動チューニング補助回路８０ａにおいて、第１補助キャパシタＣ_Ａ５の一端（Ｎ２）は接地される。

図２４のワイヤレス給電装置６ａによっても、これまで説明したワイヤレス給電装置と同様の効果を得ることができる。

第１の実施の形態で説明したように、電源、自動チューニング補助回路、その両方は、トランスを介して送信アンテナ２０とカップリングされてもよい。図２５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ第２〜第４の変形例に係るワイヤレス給電装置６ｂ〜６ｄの構成を示す回路図である。第１制御部４０は省略される。

図２５（ａ）のワイヤレス給電装置６ｂでは、自動チューニング補助回路８０ａは、第６トランスＴ６を介して送信アンテナ２０と直列にカップリングされる。具体的には、第６トランスＴ６の１次巻線Ｗ１が、送信アンテナ２０と直列に設けられ、その２次巻線Ｗ２は、自動チューニング補助回路８０ａの第１端子６１と第２端子６２の間に設けられる。電源１０ｃは、送信アンテナ２０と第６トランスＴ６の１次巻線Ｗ１の両端間に駆動電圧を印加する。

図２５（ｂ）のワイヤレス給電装置６ｃでは、電源１０ｃは、第７トランスＴ７を介して、送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路８０ａとカップリングされる。電源１０ｃは、第７トランスＴ７の１次巻線Ｗ１の両端に駆動電圧を印加する。送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路８０ａは、２次巻線Ｗ２と直列に設けられる。

図２５（ｃ）のワイヤレス給電装置６ｄでは、ハーフブリッジ構成の電源１０が、第７トランスＴ７を介して送信アンテナ２０および自動チューニング補助回路８０ａとカップリングされる。電源１０の出力端子と第７トランスＴ７の第１巻線Ｗ１の間には、直流阻止用のキャパシタＣ３が設けられる。

さらに図２５（ａ）〜（ｃ）の変形例を組み合わせて、電源、自動チューニング補助回路の両方を、送信アンテナに対してトランスで結合してもよい。

これらの変形例によっても、これまで説明したワイヤレス給電装置と同様の効果を得ることができる。

（ワイヤレス受電装置）
上述した第２の実施の形態に係る自動チューニング補助回路は、ワイヤレス受電装置にも利用することができる。以下では、ワイヤレス受電装置について説明する。

図２６は、第２の実施の形態に係るワイヤレス受電装置８の構成を示す回路図である。ワイヤレス受電装置８は、上述の、あるいは全く別構成のワイヤレス給電装置から送信される電力信号Ｓ１を受ける。電力信号Ｓ１は、電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。

ワイヤレス受電装置８は、受信アンテナ５０、自動チューニング補助回路９０および電力を供給すべき負荷７０を備える。負荷７０には、図示しない整流回路、検波回路などが内蔵されてもよい。

自動チューニング補助回路９０は、図２２の自動チューニング補助回路８０と同様に構成される。具体的には、自動チューニング補助回路９０、第１端子９１、第５スイッチＳＷｃ５〜第８スイッチＳＷｃ８、第２補助キャパシタＣ_Ａ６を備える。

第５スイッチＳＷｃ５および第６スイッチＳＷｃ６は、第１端子９１と第２端子９２の間に直列に設けられる。第７スイッチＳＷｃ７および第８スイッチＳＷｃ８は、第１端子９１と第２端子９２の間に順に直列に、かつ第５スイッチＳＷｃ５および第６スイッチＳＷｃ６に対して並列に設けられる。第２補助キャパシタＣ_Ａ６は、第５スイッチＳＷｃ５と第６スイッチＳＷｃ６の接続点Ｎ３と、第７スイッチＳＷｃ７と第８スイッチＳＷｃ８の接続点Ｎ４の間に設けられる。第２補助キャパシタＣ_Ａ６の容量値は、共振用キャパシタＣ_ＲＸに比べて十分に大きいことが望ましい。

第２制御部９４は、第５スイッチＳＷｃ５〜第８スイッチＳＷｃ８を、電力信号Ｓ１と同じ周波数で、かつ送信側においてアンテナに印加される駆動電圧（Ｖ_ＤＲＶ）に対してある位相差θ_ＲＸでスイッチングする。たとえばθ_ＲＸ＝１８０°または０°であることが好ましい。

自動チューニング補助回路９０は、受信アンテナ５０と直列にカップリングされる。また電力を供給すべき負荷７０は、受信アンテナ５０および自動チューニング補助回路９０と直接に設けられる。

以上がワイヤレス受電装置８の構成である。続いてその動作を説明する。ワイヤレス受電装置８の等価回路図は、図１５のワイヤレス受電装置４と同等である。ワイヤレス給電装置６における自動チューニング補助回路８０と同様に、自動チューニング補助回路９０は、補正電圧Ｖ_Ａを受信アンテナ５０に印加する補正電源と把握することができる。

図２７は、図２６のワイヤレス受電装置８の動作を示す波形図である。図２７は上から順に、第５スイッチＳＷｃ５〜第８スイッチＳＷｃ８、補正電圧Ｖ_Ａ、受信アンテナ５０に流れる共振電流Ｉ_ＲＸ、受信コイルＬ_ＲＸと共振用キャパシタＣ_ＲＸの両端間の共振電圧Ｖ_ＲＸを示す。スイッチを示す波形は、ハイレベルがオン状態を、ローレベルがオフ状態を示す。

第５スイッチＳＷｃ５および第８スイッチＳＷｃ８を含む第１のペアは、ワイヤレス給電装置側の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対して１８０°または０°シフトした位相θ_ＲＸで相補的にスイッチングされる。第６スイッチＳＷｃ６および第７スイッチＳＷｃ７を含む第２のペアは、第１のペアと相補的にスイッチングされる。共振電流Ｉ_ＲＸは、第１のペアのオン時間Ｔ_ＯＮ１において、第５スイッチＳＷｃ５、第２補助キャパシタＣ_Ａ６、第８スイッチＳＷｃ８を含む経路に流れ、第２のペアのオン時間Ｔ_ＯＮ２において、第６スイッチＳＷｃ６、第２補助キャパシタＣ_Ａ６、第７スイッチＳＷｃ７を含む経路に流れる。

第２補助キャパシタＣ_Ａ６は、共振電流Ｉ_ＲＸによって充放電され、その結果、第２補助キャパシタＣ_Ａ６には、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ６が発生する。そしてキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ６に応じた補正電圧Ｖ_Ａが受信アンテナ５０に印加されることにより、共振電流Ｉ_Ａの位相が、送信側の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの位相と一致し、疑似共振状態が実現できる。

疑似共振状態を実現するためには、第５スイッチＳＷｃ５および第８スイッチＳＷｃ８を適切な周波数ｆ_ＴＸおよび位相θ_ＲＸでスイッチングさせる必要がある。そこでワイヤレス給電装置からワイヤレス受電装置８に対して、周波数ｆ_ＴＸおよび位相θ_ＲＸを示すデータを送信してもよい。あるいはワイヤレス受電装置８は、位相θ_ＲＸをスイープし、最適な位相θ_ＲＸを検出してもよい。

以上がワイヤレス受電装置８の動作である。
このように図２６のワイヤレス受電装置８によれば、共振用キャパシタＣ_ＲＸの容量値を調節することなく、自動的に共振状態を実現することができる。

続いてワイヤレス受電装置８の変形例を説明する。

図２６では、負荷７０の一端を接地して基準電位としているが、負荷７０の一端を接地する代わりに、自動チューニング補助回路９０の第２補助キャパシタＣ_Ａ６の一端、すなわち接続点Ｎ３またはＮ４の一方を接地してもよい。

図２８（ａ）、（ｂ）は、第２、第３の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。

図２６では、負荷７０が受信アンテナ５０と直列に接続される場合を説明したが、負荷７０は別の位置に設けられてもよい。
図２８（ａ）に示す第１の変形例に係るワイヤレス受電装置８ａでは、自動チューニング補助回路９０ａの接続点Ｎ４が接地される。負荷７０ａは、第２補助キャパシタＣ_Ａ６と並列に設けられる。すなわち負荷７０ａには、第２補助キャパシタＣ_Ａ６に生ずるキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ６が供給される。

図２８（ｂ）に示す第２の変形例に係るワイヤレス受電装置８ｂでは、負荷７０ｂは、受信アンテナ５０および自動チューニング補助回路９０ａと直列な経路に、第８トランスＴ８を介してカップリングされる。

図２８（ｃ）、（ｄ）は、負荷の構成例を示す回路図である。図２８（ｃ）の負荷７０ｃは、ダイオード整流回路７２ｃと、負荷回路７６を含む。図２８（ｄ）の負荷７０ｄは、同期検波回路７２ｄと負荷回路７６を含む。負荷回路は、図２０に示すようにさらにスイッチングレギュレータ７４を備えてもよい。

自動チューニング補助回路９０は、受信アンテナ５０に対してトランスを介して直列に結合されてもよい。図２９は、第３の変形例に係るワイヤレス受電装置８ｃの構成を示す回路図である。自動チューニング補助回路９０ａは、第９トランスＴ９を介して、受信アンテナ５０と直列にカップリングされる。負荷は、受信アンテナ５０および１次巻線Ｗ１と直列に設けられてもよいし、第２補助キャパシタＣ_Ａ６と並列に設けられてもよい。

これらの変形例によっても、図２６のワイヤレス受電装置８と同様の効果を得ることができる。

図２６のように受信アンテナ５０と直列に負荷を接続した場合、負荷のインピーダンスが低い場合には、自動チューニング補助回路９０による調整をしなくても、ある程度の電力を取り出すことができるという利点がある。一方で、負荷の抵抗成分によって受信アンテナ５０のＱ値が低下するため、大電力が取り出しにくくなる。

反対に図２８（ａ）のように自動チューニング補助回路９０ａから電力を取り出す場合、負荷７０によって受信アンテナ５０のＱ値が低下しないため、負荷７０ａのインピーダンスが高い場合でも、大電力を取り出すことができる。一方、負荷７０ａのインピーダンスが低すぎる場合、自動チューニング補助回路６０の動作が阻害されるという問題がある。

第５スイッチＳＷｃ５〜第８スイッチＳＷｃ８は、双方向スイッチ、あるいは片方向スイッチのいずれかでも構成できる。片方向スイッチを用いる場合、それらのスイッチングの位相に注意を払う必要があることも、すでに説明した通りである。

（ワイヤレス送電システム）
第２の実施の形態で説明したワイヤレス給電装置６とワイヤレス受電装置８を組み合わせることにより、ワイヤレス送電システムを実現できる。

また、ワイヤレス給電装置６、ワイヤレス受電装置８の両方に自動チューニング補助回路を実装する場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。
ワイヤレス給電装置６にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス受電装置は、従来のように共振用キャパシタＣ_ＲＸの調節を行ってもよい。反対にワイヤレス受電装置８にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス給電装置６は、従来のように共振用キャパシタＣ_ＴＸの調節を行ってもよい。

さらには、ワイヤレス給電装置６にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス受電装置８は、一切の調節機構を有さなくてもよい。あるいはワイヤレス受電装置８にのみ自動チューニング補助回路を設け、ワイヤレス給電装置６は、一切の調節機構を有さなくてもよい。
これらの場合、単一の自動チューニング補助回路によって、電源１０と負荷７０の間のインピーダンスマッチングがとれるようにチューニングされ、高効率な電力伝送が可能となる。この場合に、自動チューニング補助回路のスイッチングの位相θ_ＴＸ（θ_ＲＸ）の最適値は９０°もしくは２７０°（１８０°もしくは０°）から外れることに留意すべきである。

あるいは、第１の実施の形態に係るワイヤレス給電装置２を、第２の実施の形態に係るワイヤレス受電装置８と組み合わせてもよいし、ワイヤレス受電装置４をワイヤレス給電装置６と組み合わせてもよい。

以上、本発明について、第２の実施の形態をもとに説明した。この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み合わ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。以下、こうした変形例について説明する。

自動チューニング補助回路８０を備えるワイヤレス給電装置６においては、共振用キャパシタＣ_ＴＸを省略しても疑似共振状態が実現できる場合がある。この場合、共振用キャパシタＣ_ＴＸを省略してもよい。同様に自動チューニング補助回路９０を備えるワイヤレス受電装置８において、共振用キャパシタＣ_ＲＸを省略してもよい。

ワイヤレス給電装置６は、所定の規則（暗号コード）に従い、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶの周波数ｆ_ＴＸおよび位相の少なくとも一方を変化させ、電力信号Ｓ１を暗号化する。暗号コードを知っているワイヤレス受電装置８は、その暗号コードにもとづき、自動チューニング補助回路９０のスイッチング周波数、位相を制御する。その結果、電力信号Ｓ１が暗号化されている場合でも、それを復号して電力供給を受けることができる。暗号コードを知らないワイヤレス受電装置は、自動チューニング補助回路９０のスイッチを適切に制御できないため、電力を受信することができなくなる。ワイヤレス電力伝送では、悪意の利用者による盗電が問題となりうるが、自動チューニング補助回路を利用することにより、この問題を解決することができる。
あるいは、単一のワイヤレス給電装置６が複数のワイヤレス受電装置８に給電する際に、自動チューニング補助回路を利用することにより端末毎の給電量を制御できる。

自動チューニング補助回路３０の用途は、ワイヤレス電力電送には限定されず、チューニングが必要なさまざまな用途に利用できる。

（第３の実施の形態）
第１あるいは第２の実施の形態およびその変形例で説明したワイヤレス給電装置２あるいはワイヤレス受電装置４が共振状態にあるときに、送信コイルＬ_ＴＸと受信コイルＬ_ＲＸの間に金属片などの異物が挿入されると、共振条件が変化し、共振状態が乱される。また、ワイヤレス受電装置４ｒの移動にともない、送信コイルＬ_ＴＸと受信コイルＬ_ＲＸの結合係数が変化すると、共振条件が変化し、共振状態が乱される。あるいは、悪意のユーザが盗電を行う場合にも、共振状態が乱される。第３の実施の形態では、ワイヤレス送電システム１ｒにおいて、共振状態の乱れを検出する技術について説明する。

（ワイヤレス給電装置）
図３０は、第３の実施の形態に係るワイヤレス給電装置２ｆの構成を示すブロック図である。ワイヤレス給電装置２ｆの基本的な構成は、図２のそれと同様である。図３０の自動チューニング補助回路３０ｆは、複数のスイッチＳＷ１、ＳＷ２、第１補助キャパシタＣ_Ａ１に加えて、電圧監視部３６を備える。

上述のように、共振回路の共振条件の変動に追従して、第１補助キャパシタＣ_Ａ１の電圧Ｖ_ＣＡは変化する。電圧監視部３６は、第１補助キャパシタＣ_Ａ１に生ずるキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１を監視する。第１制御部４０は、電圧監視部３６による監視結果を受け、所定の処理を行う。以下、電圧監視部３６による監視および第１制御部４０による処理の具体例を説明する。

（第１の監視方式）
電圧監視部３６は、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１が所定の範囲（Ｖ_ＭＩＮ〜Ｖ_ＭＡＸ）に含まれるか否かを判定し、所定の範囲から逸脱したときにアサート（たとえばハイレベル）される第１検出信号ＤＥＴ１を生成する。

図３１は、第１の監視方式を示す波形図である。時刻ｔ０より前において、ワイヤレス給電装置２およびワイヤレス受電装置は安定した共振状態にあり、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１は、所定の範囲（Ｖ_ＭＩＮ〜Ｖ_ＭＡＸ）内で変動している。時刻ｔ０に、送信コイルＬ_ＴＸの近傍に金属片などの異物が挿入されたり、ワイヤレス受電装置の位置が急激に変化したり、盗電を意図する受電端末が近接するなど、共振状態を乱す事象が発生すると、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１が所定の範囲（Ｖ_ＭＩＮ〜Ｖ_ＭＡＸ）から逸脱し、第１検出信号ＤＥＴ１がアサートされる。

このように、ワイヤレス給電装置２ｆによれば、キャパシタ電圧ＶＣ_Ａ１を監視することにより、共振状態を乱す事象を検出できる。

第１制御部４０は、第１検出信号ＤＥＴ１に応じて、さまざまな処理を行うことができる。たとえば第１制御部４０は、第１検出信号ＤＥＴ１がアサートされると、電源１０を停止し、ワイヤレス受電装置への給電を一旦停止する。そして、第１検出信号ＤＥＴ１に加えて、第１検出信号ＤＥＴ１以外の情報、たとえばワイヤレス給電装置２ｆが給電している電力を示すデータ、給電先のワイヤレス受電装置が受電している電力を示すデータなどを参照することにより、検出した事象が許容すべき事象か、許容されない事象かを判定する。許容すべき事象とは、単にワイヤレス受電装置が移動したことによる共振状態の乱れなどである。許容すべきでない事象とは、悪意のユーザによる盗電、あるいは異物の混入などである。

第１検出信号ＤＥＴ１が示す事象が許容すべきものであるとき、第１制御部４０は、時刻ｔ１に給電を再開する。このとき、電圧監視部３６は、所定の範囲（Ｖ_ＭＩＮ〜Ｖ_ＭＡＸ）を、新たな共振状態に対応した電圧範囲Ｖ_ＭＩＮ’〜Ｖ_ＭＡＸ’に変更する。

第１検出信号ＤＥＴ１が示す事象が許容すべきものでないとき、第１制御部４０は、ただちに給電を再開せず、その事象に応じた処理を行う。たとえばワイヤレス受電装置４が不適切な位置にあるために、正常に給電できない可能性がある場合、図示しない通信ユニットを用いて、ワイヤレス受電装置に対して、移動を促すデータを送信してもよい。あるいは盗電の可能性がある場合には、送信周波数ｆ_ＴＸを変更し、あるいはワイヤレス受電装置との間で再認証を行ってもよい。

電圧監視部３６は、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１と比較する所定の範囲を、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１に応じて変化させてもよい。図３２は、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１と所定の範囲の関係を示す図である。たとえば電圧監視部３６は、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１の移動平均（実線）を基準として所定の範囲を設定してもよい。これにより、共振条件が緩やかに変化したときには第１検出信号ＤＥＴ１はアサートされず、急激に変化した場合のみ、第１検出信号ＤＥＴ１をアサートできる。つまり移動平均の平均期間に応じて、検出する事象を選別することができる。たとえば異物の混入にともなうキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１の変動は急峻であるため、移動平均の平均期間を短くすれば、このような事象を選択的に検出できる。

（第２の監視方法）
電圧監視部３６は、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１に加えて、あるいはそれに代えて、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１のその時間微分波形を監視する。たとえば電圧監視部３６は、時間微分が所定の範囲（ＳＭＩＮ〜Ｓ_ＭＡＸ）から逸脱すると第２検出信号ＤＥＴ２をアサートする。

キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１は、自動チューニング補助回路３０ｆによる通常時のチューニングにともなって変動するところ、このときの変動は比較的長い時間スケールで発生する。一方、異物の混入、盗電を目的とした端末の近接などの事象は、非常に短い時間スケールで発生する。そこでキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１を時間微分した波形を監視することにより、通常のチューニングにともなう変動と、異物の混入、盗電を目的とした端末の近接などの事象に起因する変動を区別できる。

図３３は、第２の監視方法を示す波形図である。キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１は所定の電圧範囲（Ｖ_ＭＩＮ〜Ｖ_ＭＡＸ）内で変動する。時刻ｔ０より前においてキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１は緩やかに変動するため、時間微分は所定の範囲に収まっている。時刻ｔ０に、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１が、所定の範囲（Ｖ_ＭＩＮ〜Ｖ_ＭＡＸ）内で急峻に変動したとする。この場合、第１検出信号ＤＥＴ１はアサートされないが、第２検出信号ＤＥＴ２がアサートされる。この場合、第１制御部４０は、短い時間スケールで共振状態を乱す事象が発生したものと推定し、それに応じた処理を行う。

このように、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１に加えて、その時間微分波形を監視することにより、２つの検出信号ＤＥＴ１、ＤＥＴ２の組み合わせに応じて、第１制御部４０の処理を分岐させることができる。

送信コイルＬ_ＴＸ、共振用キャパシタＣ_ＴＸに生ずる共振電圧は数百Ｖ〜数ｋＶの振幅を有する交流電圧である。したがってこれらを直接監視することで共振状態の乱れを検出するためには高耐圧な回路が必要とされ、また交流電圧の振幅を検出するための回路（たとえば整流回路）が必要となる。これに対して、本実施の形態において電圧監視部３６が監視するキャパシタ電圧は、送信コイルＬ_ＴＸ、共振用キャパシタＣ_ＴＸに生ずる共振電圧に比べて振幅が小さいため、電圧監視部３６を低耐圧素子で構成でき、また、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡを監視する場合、共振電圧のように振幅を測定する必要がないため、回路を簡素化できる。

以上が第３の実施の形態に係るワイヤレス給電装置２ｆの説明である。なお、自動チューニング補助回路およびワイヤレス給電装置の構成は、図３０のそれには限定されない。すなわち電圧監視部３６は、第１、第２の実施の形態で説明した様々な回路、具体的には、図１０、図１１、図１２、図１３（ａ）、（ｂ）の自動チューニング補助回路３０、あるいは図２２、図２４、図２５の自動チューニング補助回路８０、それらの変形例に設けてもよい。補助キャパシタが複数設けられる場合には、電圧監視部３６はその中のひとつを監視してもよいし、複数を同時に監視してもよい。

（ワイヤレス受電装置）
電圧監視部３６は、ワイヤレス受電装置４の自動チューニング補助回路６０に設けてもよい。図３４は、第３の実施の形態に係るワイヤレス受電装置４ｆの構成を示すブロック図である。ワイヤレス受電装置４ｆの基本的な構成は、図１４のワイヤレス受電装置４と同様である。図３４の自動チューニング補助回路６０ｆは、複数のスイッチＳＷ３、ＳＷ４、第３補助キャパシタＣ_Ａ３に加えて、電圧監視部３６を備える。

電圧監視部３６の動作は、ワイヤレス給電装置２ｆに設けた場合と同様であるため説明を省略する。

ワイヤレス受電装置においても、自動チューニング補助回路６０ｆの補助キャパシタＣ_Ａ３に生ずる電圧Ｖ_ＣＡ３は、共振条件の変動に追従して変化する。したがってキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ３を監視することにより、共振状態を乱す事象を検出することができる。

以上が第３の実施の形態に係るワイヤレス受電装置４ｆの説明である。なお、自動チューニング補助回路およびワイヤレス受電装置の構成は、図３４のそれには限定されない。すなわち電圧監視部３６は、第１、第２の実施の形態で説明した様々な回路、具体的には、図１７（ａ）、（ｂ）、図１８、図１９（ａ）、（ｂ）、図２０の自動チューニング補助回路６０、あるいは図２６、図２８（ａ）〜（ｄ）、図２９の自動チューニング補助回路９０、それらの変形例に設けてもよい。補助キャパシタが複数設けられる場合には、電圧監視部３６はその中のひとつを監視してもよいし、複数を同時に監視してもよい。

以上、本発明について、第３の実施の形態をもとに説明した。この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み合わ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。以下、こうした変形例について説明する。

実施の形態では、電圧監視部３６は、補助キャパシタに生ずる電圧にもとづいて、共振状態を乱す事象を検出したが、それに代えて、自動チューニング補助回路３０の第１端子３１に生ずる補正電圧Ｖ_Ａ、自動チューニング補助回路６０の第１端子６１に生ずる補正電圧Ｖ_Ａ、自動チューニング補助回路８０の第１端子８１に生ずる補正電圧Ｖ_Ａ、自動チューニング補助回路９０の第１端子９１に生ずる補正電圧Ｖ_Ａを監視してもよく、この場合も本発明の範囲に含まれる。

実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…ワイヤレス送電システム、２…ワイヤレス給電装置、４…ワイヤレス受電装置、６…ワイヤレス給電装置、８…ワイヤレス受電装置、１０…電源、１２…直流電源、ＳＷＨ１…第１ハイサイドスイッチ、ＳＷＬ１…第１ローサイドスイッチ、ＳＷＨ２…第２ハイサイドスイッチ、ＳＷＬ２…第２ローサイドスイッチ、２０…送信アンテナ、２２…第１端、２４…第２端、Ｌ_ＴＸ…送信コイル、Ｃ_ＴＸ…共振用キャパシタ、３０…自動チューニング補助回路、３１…第１端子、３２…第２端子、３４…充電回路、Ｃ_Ａ１…第１補助キャパシタ、Ｃ_Ａ２…第２補助キャパシタ、Ｃ_Ａ３…第３補助キャパシタ、Ｃ_Ａ４…第４補助キャパシタ、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、４０…第１制御部、５０…受信アンテナ、Ｌ_ＲＸ…受信コイル、Ｃ_ＲＸ…共振用キャパシタ、５１…第１端、５２…第２端、６０…自動チューニング補助回路、ＳＷ３…第３スイッチ、ＳＷ４…第４スイッチ、６１…第１端子、６２…第２端子、６４…第２制御部、７０…負荷、７２…整流回路、ＳＷＨ３…第３ハイサイドスイッチ、ＳＷＬ３…第３ローサイドスイッチ、７４…スイッチングレギュレータ、７６…負荷回路、８０…自動チューニング補助回路、８１…第１端子、８２…第２端子、ＳＷｃ１…第１スイッチ、ＳＷｃ２…第２スイッチ、ＳＷｃ３…第３スイッチ、ＳＷｃ４…第４スイッチ、Ｃ_Ａ５…第１補助キャパシタ、９０…自動チューニング補助回路、９１…第１端子、９２…第２端子、ＳＷｃ５…第５スイッチ、ＳＷｃ６…第６スイッチ、ＳＷｃ７…第７スイッチ、ＳＷｃ８…第８スイッチ、Ｃ_Ａ６…第２補助キャパシタ、９４…第２制御部、３６…電圧監視部。

Claims

ワイヤレス受電装置に対して、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置であって、
送信コイルを含む送信アンテナと、
前記送信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、
前記送信アンテナおよび前記自動チューニング補助回路の両端間に交流の駆動電圧を印加する電源と、
を備え、
前記自動チューニング補助回路は、
第１端子と、
第２端子と、
Ｎ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタと、
それぞれが、前記第１端子、前記第２端子、前記Ｎ個の補助キャパシタの端子のうち２つの間に設けられた複数のスイッチと、
前記複数のスイッチそれぞれを、前記駆動電圧と同期して、かつ駆動電圧に対してある位相差でスイッチングする第１制御部と、
前記Ｎ個の補助キャパシタのうち少なくともひとつに生ずる電圧を監視することにより共振状態を乱す事象を検出する電圧監視部と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。
前記電圧監視部は、前記補助キャパシタに生ずる電圧が所定の範囲に含まれるか否かを判定す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。
前記電圧監視部は、前記補助キャパシタに生ずる電圧を時間微分した波形を監視す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１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置と、
前記ワイヤレス給電装置からの電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、
を備えることを特徴とするワイヤレス送電システム。
ワイヤレス給電装置から送信される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信するワイヤレス受電装置であって、
整流回路または検波回路を含む負荷と、
受信コイルを含む受信アンテナと、
前記受信アンテナと直列にカップリングされる自動チューニング補助回路と、
を備え、
前記自動チューニング補助回路は、
第１端子と、
第２端子と、
Ｎ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタと、
それぞれが、前記第１端子、前記第２端子、前記Ｎ個の補助キャパシタの端子のうち２つの間に設けられた複数のスイッチと、
前記複数のスイッチそれぞれを、前記電力信号と同期してスイッチングする第２制御部と、
前記Ｎ個の補助キャパシタのうち少なくともひとつに生ずる電圧を監視することにより共振状態を乱す事象を検出する電圧監視部と、
を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。
前記電圧監視部は、前記補助キャパシタに生ずる電圧が所定の範囲に含まれるか否かを判定することを特徴とする請求項５に記載のワイヤレス受電装置。
前記電圧監視部は、前記補助キャパシタに生ずる電圧を時間微分した波形を監視することを特徴とする請求項５に記載のワイヤレス受電装置。
電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置と、
前記電力信号を受信する請求項５から７のいずれかに記載のワイヤレス受電装置と、
を備えることを特徴とするワイヤレス送電システム。
前記複数のスイッチは、第１スイッチおよび第２スイッチを含み、
前記Ｎ個の補助キャパシタは、第１補助キャパシタを含み、
前記第１スイッチおよび前記第１補助キャパシタは、前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられ、
前記第２スイッチは、前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第１スイッチおよび前記第１補助キャパシタに対して並列に設けられ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。
前記自動チューニング補助回路は、
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第２スイッチと直列に設けられた第２補助キャパシタをさらに含む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。
前記複数のスイッチは、第３スイッチおよび第４スイッチを含み、
前記Ｎ個の補助キャパシタは、第３補助キャパシタを含み、
前記第３スイッチおよび前記第３補助キャパシタは、前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられ、
前記第４スイッチは、前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第３スイッチおよび前記第３補助キャパシタに対して並列に設けられることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
前記自動チューニング補助回路は、
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第４スイッチと直列に設けられた第４補助キャパシタをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のワイヤレス受電装置。
前記複数のスイッチは、
前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、第１スイッチおよび第２スイッチと、
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチに対して並列な経路上に順に直列に設けられた第３スイッチおよび第４スイッチと、
を含み、
前記Ｎ個の補助キャパシタは、第５補助キャパシタを含み、
前記第５補助キャパシタは、前記第１スイッチと前記第２スイッチの接続点と、前記第３スイッチと前記第４スイッチの接続点との間の設けられ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。
前記複数のスイッチは、
前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられた、第５スイッチおよび第６スイッチと、
前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第５スイッチおよび前記第６スイッチに対して並列な経路上に順に直列に設けられた第７スイッチおよび第８スイッチと、
を含み、
前記Ｎ個の補助キャパシタは、第６補助キャパシタを含み、
前記第６補助キャパシタは、前記第５スイッチと前記第６スイッチの接続点と、前記第７スイッチと前記第８スイッチの接続点との間の設けられることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。