JPWO2013080531A1 - 無線電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

本発明の無線電力伝送装置は、共振磁界結合によって非接触で電力を伝送することができる一対のアンテナであって、一方は共振周波数がｆｓの直列共振回路であり、他方は共振周波数がｆｐの並列共振回路である一対のアンテナを備える。また、この無線電力伝送装置は、高周波電力を送る側のアンテナに接続された発振器と、アンテナ間を伝送される電力の大きさに応じて伝送周波数を制御する制御部とを備える。fｓ／fｐは、１未満の値に設定されている。

Description

本発明は、共振磁界結合を利用して電力を無線で伝送する共振磁界結合型の非接触電力技術に関する。

特許文献１は、２つの共振器の間で空間を介してエネルギーを伝送する新しい無線エネルギー伝送装置を開示している。この無線エネルギー伝送装置では、共振器の周辺の空間に生じる共振周波数の振動エネルギーのしみ出し（エバネッセント・テール）を介して２つの共振器を結合することにより、振動エネルギーを無線（非接触）で伝送する。

一方で、古くから電磁誘導技術が存在する。これらの電力伝送技術が適用される電子機器の中には、一定電圧の電力の入力を受けて、何らかの電力変換や分圧、エネルギー伝送などのブロックを経た後に、機器へ供給する電圧を一定電圧とするよう要求するものが多い。例えばテレビなどのＡＶ機器について説明すると、入力はほぼ一定電圧のＡＣ電力を供給するコンセントから受け、最終的に電力を消費する機器内個別回路は所定の電圧を保って動作する。画面の輝度が変化した場合も電流量を変化させることで対応する。このように一定電圧の電力供給を電源から受け、一定電圧の電力を負荷に出力する動作のことを以後「定電圧動作」と記述することとする。

米国特許出願公開第２００８／０２７８２６４号明細書（図１２、図１４）

特許文献１に記載の無線エネルギー伝送回路では、大電力伝送時から小電力伝送時まで定電圧動作を行う際に高効率伝送特性を維持することが困難である。

本発明の実施形態は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その第１の目的は、大電力伝送時だけでなく小電力伝送時も高い効率を維持することが可能な無線電力伝送装置を提供することができる。

本発明の無線電力伝送装置共振磁界結合によって非接触で電力を伝送することができる一対のアンテナであって、一方は共振周波数がｆｓの直列共振回路であり、他方は共振周波数がｆｐの並列共振回路である一対のアンテナと、前記一対のアンテナのうち、高周波電力を送る側のアンテナに接続された発振器と、前記一対のアンテナ間を伝送される電力の大きさに応じて伝送周波数を制御する制御部とを備え、fｓ／fｐは、１未満の値に設定されている。

本発明の無線電力伝送装置によれば、共振磁界結合を利用してアンテナ間の伝送を行う際に、例えば広い伝送電力範囲において、電力伝送装置の高効率化を実現しうる。

本発明の無線電力伝送装置の実施形態の基本構成の一例を示す図である。 本発明の無線電力伝送装置の実施形態における共振回路の結合を模式的に示す図である。 本発明の無線電力伝送装置の実施形態におけるアンテナ対の等価回路の例を示す図である。 本発明の無線電力伝送装置の実施形態におけるアンテナ対の等価回路の他の例を示す図である。 ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合において、伝送電力（規格化伝送電力）と伝送効率との関係を示すグラフである。 ｆｓ／ｆｐを結合係数ｋによって定まる最適値（ｋの関数）に設定した無線電力伝送装置について、伝送効率（規格化伝送電力）と伝送電力との関係の一例を示すグラフである。 最適なｆｓ／ｆｐと結合係数ｋとの関係を示すグラフである。 「Ｄｉｐ率」を説明するためのグラフである。 負荷１１１と伝送周波数制御部１００とが接続された実施形態を示すブロック図である。 発電部１０３と伝送周波数制御部１００とが接続された実施形態を示すブロック図である。 本発明の実施形態における伝送電力の大きさと伝送電力の周波数との関係の一例を示すグラフである。 本発明の実施形態における伝送電力の大きさと伝送電力の周波数との関係の他の一例を示すグラフである。 本発明の実施形態における伝送電力の大きさと伝送電力の周波数との関係の更に他の例を示すグラフである。 本発明の実施形態における伝送電力の大きさと伝送電力の周波数との関係の更に他の例を示すグラフである。 送電アンテナおよび受電アンテナの構成例を示す斜視図である。 Ｄｉｐ率が２％以下になるｆｓ／ｆｐの範囲の上限（ｈｉｇｈ）・下限（ｌｏｗ）を規定する曲線と最適値（ｂｅｓｔ）を規定する曲線を記載するグラフである。 Ｄｉｐ率が１％以下になるｆｓ／ｆｐの範囲の上限（ｈｉｇｈ）・下限（ｌｏｗ）を規定する曲線と最適値（ｂｅｓｔ）を規定する曲線を記載するグラフである。 Ｄｉｐ率が０．５％以下になるｆｓ／ｆｐの範囲の上限（ｈｉｇｈ）・下限（ｌｏｗ）を規定する曲線と最適値（ｂｅｓｔ）を規定する曲線を記載するグラフである。 結合係数ｋに依存する基準値を定める関数の一例を示すグラフである。 結合係数ｋに依存する基準値を定める関数の他の例を示すグラフである。 結合係数ｋに依存する基準値を定める関数の更に他の例を示すグラフである。 ｆｓ／ｆｐを可変にする実施形態の動作例を示すグラフである。 ｋ＝０．１の場合における伝送効率と伝送電力との関係を示すグラフである。 図１８Ａの伝送効率を得るときの伝送周波数と伝送電力との関係を示すグラフである。 ｋ＝０．２の場合における伝送効率と伝送電力との関係を示すグラフである。 図１８Ａの伝送効率を得るときの伝送周波数と伝送電力との関係を示すグラフである。 ｋ＝０．３の場合における伝送効率と伝送電力との関係を示すグラフである。 図１８Ａの伝送効率を得るときの伝送周波数と伝送電力との関係を示すグラフである。 ｋ＝０．４の場合における伝送効率と伝送電力との関係を示すグラフである。 図１８Ａの伝送効率を得るときの伝送周波数と伝送電力との関係を示すグラフである。 Ｄｉｐ率とｆｓ／ｆｐとの関係を示すグラフである。 本発明の実施例について、ｋ＝０．３、ｆｓ／ｆｐ＝０．９２２の場合において、伝送周波数の制御を行うときの伝送効率（with f-ctrl）と、伝送周波数の制御を行わないときの伝送効率（w/o f-ctrl）とを示すグラフである。 比較例１の伝送効率の伝送電力依存性を示すグラフである。 比較例１の伝送周波数と伝送電力との関係を示すグラフである。 比較例２における伝送効率の伝送電力依存性を示すグラフである。 比較例２における伝送周波数の伝送電力依存性を示すグラフである。 比較例３および実施例１における伝送効率の伝送電力依存性を示すグラフである。 比較例３および実施例１における伝送周波数の伝送電力依存性を示すグラフである。 比較例４、５における伝送周波数の伝送電力依存性を示すグラフである。 比較例５における伝送周波数の伝送電力依存性を示すグラフである。

本発明の無線電力伝送装置の実施形態は、図１に示されるように、共振磁界結合によって非接触で高周波（ＲＦ）電力を伝送することができる一対のアンテナ（送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９）と、高周波電力を送る側の送電アンテナ１０７に接続された発振器１０３とを備えている。送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９の一方は共振周波数がｆｓの直列共振回路であり、他方は共振周波数がｆｐの並列共振回路である。受電アンテナ１０９は、送電アンテナ１０７に接触しておらず、送電アンテナ１０７から例えば数ミリメートル〜数十センチメートル程度は離間している。

この無線電力伝送装置は、さらに、アンテナ１０７、１０９間を伝送される高周波電力の周波数（伝送周波数）を制御する制御部（伝送周波数制御部）１００を備えている。伝送周波数制御部１００は、アンテナ１０７、１０９間を伝送される高周波電力の大きさ（伝送電力）に応じて伝送周波数を調整するように構成されている。伝送周波数は、例えば５０Ｈｚ〜３００ＧＨｚの範囲内で調整され得る。伝送周波数は、２０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲内に設定されてもよく、２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚの範囲内に設定されてもよく、２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲内に設定されてもよい。ある実施形態では、伝送周波数が６．７８ＭＨｚに設定される。

発振器１０３は、図示しない電源から供給される直流または交流のエネルギー（電力）を受け取り、供給されたエネルギーを伝送周波数のＲＦエネルギーに周波数変換する（ＤＣ／ＲＦ変換もしくはＡＣ／ＲＦ変換）。発振器１０３は、伝送周波数制御部１００に接続されており、伝送周波数制御部１００の働きにより、伝送周波数を変化させる。以下、発振器１０３から出力されたＲＦエネルギーは送電アンテナ１０７に入力される。電力伝送時、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０９は、互いの共振器が周辺空間に形成する共振磁界を介して磁気的に結合される。受電アンテナ１０９の出力部は負荷に接続されるが、受電アンテナ１０９の後段に周波数変換回路が接続されてもよい。

本発明の無線電力伝送装置の実施形態における「アンテナ」は、放射電磁界の送受信を行うための通常のアンテナではなく、共振器の電磁界の近傍成分（エバネッセント・テール）の結合を利用して２つの物体間でエネルギー伝送を行うための要素である。共振磁界を利用した無線電力伝送によれば、電磁波を遠方に伝搬させるときに生じるエネルギー損失（放射損失）が生じないため、極めて高い効率で電力を伝送することが可能になる。このような共振電磁界（近接場）の結合を利用したエネルギー伝送では、ファラデーの電磁誘導の法則を利用した公知の無線電力伝送に比べて損失が少ないだけではなく、例えば数メートルも離れた２つの共振器（アンテナ）間で高効率にエネルギーを伝送することが可能になる。

このような原理に基づく無線電力伝送を行うには、２つの共振アンテナ間で結合を生じさせる必要がある。ｆｓおよび／またはｆｐは、伝送周波数と一致する必要は無い。共振器間の結合に基づき高効率なエネルギー伝送を実現するために、本発明の実施形態では、ｆｓをｆｐよりも小さな値に設定し、かつ、伝送周波数を伝送電力に応じて変化させる。

図２は、共振周波数がｆｓの直列共振回路２００と共振周波数がｆｐの並列共振回路３００との間で、結合係数ｋの共振磁界結合が生じている様子を模式的に示している。

一般的に、固有の共振周波数を有する二つの共振器が電気的に結合した場合、共振周波数が変化することが知られている。仮に２つの共振器の共振周波数が同一であったとしても、上記結合により共振器対としての共振周波数は２つの周波数に分離する。結合共振器対が示す２つの共振周波数の内、周波数が高いものを偶モードの共振周波数（ｆＨ）、周波数が低いものを奇モードの共振周波数（ｆＬ）と呼ぶ。このとき、共振器間の結合係数ｋは、以下の式１で表される。
ｋ＝（ｆＨ²−ｆＬ²）÷（ｆＨ²＋ｆＬ²） ・・・（式１）

結合が強いほど、ｋは大きな値となり、２つの共振周波数の分離量が増大する。本発明の実施形態では、ｋの値を比較的低い値、すなわち、０＜ｋ≦０．５の範囲内に、好ましくは０．１≦ｋ≦０．５の範囲内に設定する。ｋの値は０．５を超えてもよいが、ｋの値を０．５以下に設定することにより、送受アンテナ間の距離の増大や、送受アンテナ間のサイズ非対称性など、共振磁界結合方式ならではの効果を顕著に得ることが可能になる。

図３Ａは、送電アンテナ１０７が直列共振回路であり、受電アンテナ１０９が並列共振回路である構成例の等価回路図である。図３Ａの構成例における送電アンテナ１０７は、第１インダクタ１０７ａおよび第１容量素子１０７ｂが直列に接続された直列共振回路であり、受電アンテナ１０９は第２インダクタ１０９ａおよび第２容量素子１０９ｂが並列に接続された並列共振回路である。送電アンテナ１０７の直列共振回路は寄生抵抗成分Ｒ１を有し、受電アンテナ１０９の並列共振回路は寄生抵抗成分Ｒ２を有している。本発明の無線電力伝送装置の実施形態では、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９が、直列共振回路および並列共振回路、という非対称な組み合わせで構成されている。本発明は、図３Ｂに示すように、送電アンテナ１０７が並列共振回路であり、受電アンテナ１０９が直列共振回路であってもよい。ｋの値を０．５以下に設定し、送電アンテナを直列共振回路、受電アンテナを並列共振回路に構成することにより、電力伝送後の受電電圧を上昇させるという効果を顕著に得ることも可能となる。また、ｋの値を０．５以下に設定し、送電アンテナを並列共振回路、受電アンテナを直列共振回路に構成することにより、電力伝送後の受電電圧を降下させるという効果を顕著に得ることも可能となる。

本明細書では、並列共振回路の共振周波数ｆｐに対する直列共振回路の共振周波数ｆｓの比率ｆｓ／ｆｐを「共振周波数比」と称することにする。本発明者は、共振周波数比ｆｓ／ｆｐを１．０に等しく設定した場合、伝送電力に依存して伝送効率が低下する問題が存在することを見出した。図４Ａは、この問題を示すグラフである。このグラフは、ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合において、伝送電力と伝送効率との関係を示している。図のグラフの横軸は、ある伝送電力の値によって規格化された伝送電力（規格化伝送電力：単位は％）である。規格化に用いる値は、任意であるが、例えば伝送される電力の最大値が使用され得る。本明細書では、この「規格化伝送電力」を簡単に「伝送電力」と称する場合がある。図４Ａの例では、規格化された伝送電力が約５０％のとき、伝送効率の顕著な低下が観察される。このような伝送効率の落ち込みをＤｉｐと称する。本発明者は、ｆｓ／ｆｐを、結合係数ｋに応じて選択された特定範囲内の値に設定することにより、伝送電力の変化に起因する伝送効率の低下を低減できることを見出した。また、伝送電力に応じて伝送周波数を変化させるときの伝送電力と伝送周波数との関係は、結合係数ｋに依存して変化する基準値とｆｓ／ｆｐの値との大小関係によって変化させることが好ましいことを見出し、本発明を完成した。

図４Ｂは、ｆｓ／ｆｐを、結合係数ｋによって定まる最適値（ｋの関数）に設定した無線電力伝送装置について、伝送効率と伝送電力との関係の一例を示すグラフである。図４Ｂの例では、伝送電力によらず伝送周波数を一定に固定している。図４Ａの曲線（破線）と図４Ｂの曲線（実線）との比較から明らかなように、ｆｓ／ｆｐを結合係数ｋに応じて選択された最適値に設定することにより、伝送電力の変化に起因する伝送効率低下を抑制することが可能になる。しかし、本発明者は、ｆｓ／ｆｐが、結合係数ｋに応じて選択された最適値（ｋの関数）から外れている場合に、伝送電力に応じて伝送周波数を調整することを見出した。

以下、ｆｓ／ｆｐと結合係数ｋとの関係を説明する。

まず、図５を参照する。図５は、横軸が結合係数ｋ、縦軸が共振周波数比ｆｓ／ｆｐのグラフである。実線の曲線は、以下の式２で表される二次式である。
ｆｓ／ｆｐ＝Ｆ（ｋ）
＝−０．６０７４×k²＋０．０４６６×k＋０．９９５５ ・・・（式２）

上記の式２は、結合係数ｋが与えられたときの最適（ｂｅｓｔ）なｆｓ／ｆｐを与える。ここで、「最適」の意味は、ｆｓ／ｆｐを変化させたとき、図４Ａに示されるような伝送効率の局所的低下が最も小さくなることである。「最適」は、伝送効率の局所的低下が全く生じないことを意味するわけではない。

ここで、伝送効率低下の程度を評価するため、「Ｄｉｐ率」という値を導入する。図６は、「Ｄｉｐ率」を説明するためのグラフであり、図４Ａの曲線（破線）および図４Ｂの曲線（実線）の両方を記載している。伝送効率が局所的に低下するＤｉｐ部分を有する曲線について、伝送効率が局所的に最小になる伝送電力をＰＤ、伝送電力ＰＤにおける伝送効率をＰＬとする。また、ｆｓ／ｆｐが最適化された場合の曲線について、伝送電力ＰＤにおける伝送効率をＰＵとする。このとき、Ｄｉｐ率は、ＰＵ−ＰＬによって表現される。Ｄｉｐ率は０％であることが最も好ましい（ｂｅｓｔ）が、０％である必要はない。

本発明の実施形態によれば、与えられたｋによって決まる基準値（ｋの関数）とｆｓ／ｆｐとの大小関係に応じて、伝送周波数と伝送電力との関係を変化させる。この基準値の好適な一例は、式２の二次式で表される関数Ｆ（ｋ）によって定められる。ｆｓ／ｆｐがＦ（ｋ）から外れている場合、伝送電力に応じて伝送周波数を適切に調整することにより、Ｄｉｐ率を小さくすることができる。ここで、与えられたｋの大きさは、「設計によって予め設定されたｋの大きさ」、「アンテナを設置した後、直接に測定されたｋの大きさ」、および「アンテナを設置した後、ｋに依存して変化する物理的パラメータを測定または観測することによって推定されたｋの大きさ」を含むものとする。

図１に示される例では、発振器１０３に接続された伝送周波数制御部１００が、アンテナ間の伝送電力の大きさに応じて伝送周波数を制御する。伝送周波数の変化を説明する際の分かりやすさのため、基準となる周波数ｆ０を導入する。ここで、周波数ｆ０は、ｆｓ／ｆｐが最適化された場合において、伝送電力が最大値における伝送電力の周波数である。

本実施形態では、図５に示す曲線、すなわち式２で定義される関数Ｆ（ｋ）が、結合係数ｋに依存する基準値であるものとする。したがって、本実施形態における伝送周波数制御部１００は、fｓ／fｐの値が図５の曲線よりも上側に位置するか、下側に位置するかによって伝送周波数の伝送電力依存性を変更することができる。なお、fｓ／fｐの値が図５の曲線上に位置する場合は、伝送周波数を伝送電力に依らず一定に保持してもよい。

fｓ／fｐが関数Ｆ（ｋ）を超える場合、本実施形態の伝送周波数制御部１００は、アンテナ１０７、１０９間を伝送される電力が基準値Ｐ１よりも高いとき、伝送周波数を周波数ｆ０よりも高い第１周波数範囲内の値に設定する。そして伝送電力が基準値Ｐ１よりも低いときは、伝送周波数を第１周波数範囲よりも低い第２（電力条件（範囲）における）周波数範囲内の値に設定する。この基準値Ｐ１は、最大伝送電力Ｐｍａｘよりも低く設定された値であり、好ましくは、最大伝送電力Ｐｍａｘの４０％以上８０％以下の範囲に設定され得る。伝送電力を最大伝送電力Ｐｍａｘよりも十分に低くするときは、送受アンテナ間の共振磁界の結合モードを切り替えることにより、伝送効率を高く維持することが可能になる。

一方、fｓ／fｐの値が関数Ｆ（ｋ）よりも小さい場合、本実施形態における伝送周波数制御部１００は、伝送電力が基準値Ｐ１よりも低いとき、伝送周波数を、周波数ｆpよりも高い第１周波数範囲内の値に設定する。そして、伝送電力が基準値Ｐ１よりも高いときは、伝送周波数を、第１周波数範囲よりも低い第２周波数範囲内の値に設定する。

伝送周波数制御部１００は、例えば、発振器１０３の発振周波数を制御するための信号（例えば周波数可変のパルス列）を生成し、発振器１０３に入力する。本実施形態では、図７Ａに示すように、受電アンテナ１０９の出力は負荷１１１に接続されている。この負荷１１１の状況（例えば消費される電力）に応じて、送電アンテナ１０７から受電アンテナ１０９に伝送すべき電力の大きさが変化し得る。図７Ａの例では、負荷１１１が必要とする伝送電力の大きさを示す情報または信号が、負荷１１１から制御部１００に与えられる。これに応答して、制御部１００は発振器１０３の発振周波数を増減させることができる。この結果、伝送電力の周波数が制御されることになる。

また、本発明の別の実施形態では、図７Ｂに示すように、発振器１０３が発電部１０２に接続され、周波数制御部１００は発電部１０２の状況に応じて発振器１０３の発信周波数を変化させることができる。発電部１０２は、例えば太陽電池などの発電素子を含んでいる。発電部１０２から発振器１０３に供給される電力は、発電部１０２の状況に応じて変化し得る。例えば、太陽電池が受ける太陽光の量に応じて発生する電力が変化し得る。このため、送電アンテナ１０７から受電アンテナ１０９に伝送すべき電力の大きさも変化し得る。図７Ｂの例では、発電部１０２で発電される電力、すなわち伝送電力の大きさを示す情報または信号が、発電部１０２から制御部１００に与えられる。これに応答して、伝送周波数制御部１００は発振器１０３の発振周波数を増減させることができる。この結果、伝送周波数が制御されることになる。

後述するように、伝送効率を低下させないように伝送周波数を伝送電力に応じて変化させるときの伝送周波数の伝送電力依存性は、fｓ／fｐの値と結合係数ｋとによって異なる。伝送電力の大きさと伝送周波数との関係は、予め実験などに基づいて決定され、無線電力伝送装置または負荷に設けられたメモリに記録されていてもよい。また、伝送電力の大きさと伝送周波数との関係は、実際の電力伝送中に、伝送効率に基づいて決定されてもよい。一般に、fｓ／fｐの値は、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９を製造するときに所定の大きさ（設計値）に設定されるが、fｓ／fｐの実際の値は、設計値からずれている可能性がある。したがって、無線電力伝送装置の設置後におけるfｓ／fｐの正確な値は不明になることがあり得る。そのような場合は、無線電力伝送装置の設置後に、実際に無線で電力を伝送し、Ｄｉｐ率が充分に小さくなるような伝送電力と伝送周波数との関係を決定すればよい。

図８Ａは、fｓ／fｐの値が結合係数ｋに依存する基準値以上の場合における、伝送する電力の強度と周波数との関係の一例を示すグラフである。図８Ａは、fｓ／fｐの値が結合係数ｋに依存する基準値を超える場合において、Ｄｉｐ率を小さくすることが可能な関係の一例を模式的に示している。図示される例では、第１周波数範囲での周波数は周波数ｆ０よりも高く設定される この例では、第１周波数範囲は、周波数ｆ０から偶モード共振周波数ｆＨまでの範囲であり、第２周波数範囲は、奇モード共振周波数ｆＬから周波数ｆ０までの範囲である。偶モードおよび奇モードの共振周波数ｆＨ、ｆＬは、前述した通りである。

制御部１００は、伝送電力が基準値Ｐ１よりも高い値から前記基準値Ｐ１よりも低い値に変化したとき、または、前記電力が前記基準値Ｐ１よりも低い値から前記基準値Ｐ１よりも高い値に変化したとき、伝送周波数を、前期第１周波数範囲内の値と前記第２周波数範囲内の値との間でホッピングさせる。制御部１００は、上記伝送周波数のホッピング制御によって一対のアンテナ間を結合する共振磁界のモードを偶モードと奇モードとの間で切り替える。

伝送電力と伝送周波数との関係は、図８Ａの例に限定されない。図８Ｂは、より複雑な関係の一例を示している。この例によれば、制御部１００は、伝送電力が基準値Ｐ１と、基準値Ｐ１よりも低い第２の基準値Ｐ２との間にあるとき、伝送周波数を、周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ２以下の値に設定する。そして、制御部１００は、伝送電力が第２の基準値Ｐ２よりも低いときは、伝送周波数を周波数ｆ２よりも高い値に設定する。伝送電力が充分に低いとき、例えば最大の伝送電力Ｐｍａｘの１０％以下のとき、伝送周波数は周波数ｆ０にほぼ等しく設定され得る。

伝送電力の大きさと伝送周波数との関係、および基準値Ｐ１、Ｐ２などの値は、与えられた伝送電力の大きさのもとで伝送効率を最適化する伝送周波数を決定することによって得られる。伝送電力の大きさと伝送周波数との関係の具体例については、後に詳しく説明する。なお、一対のアンテナの結合係数ｋは、電力伝送中に一定に維持され得る。

図８Ａまたは図８Ｂに示される例は、特に、fｓ／fｐが１に近い場合に採用され得る。前述したように、fｓ／fｐが式２の曲線上にある場合は、伝送周波数を伝送電力に応じて変化させる必要はない。このため、fｓ／fｐが式２の曲線に近い値を有している場合は、図８Ａまたは図８Ｂに示されるように伝送周波数を変化させる必要はない。

次に、伝送電力の大きさと伝送電力の周波数との関係の他の一例を説明する。図９Ａは、fｓ／fｐの値が結合係数ｋに依存する基準値未満の場合における、伝送する電力の強度と周波数との関係の一例を示すグラフである。fｓ／fｐの値と結合係数ｋに依存する基準値との大小関係に応じて、制御部１００による伝送周波数のホッピングの形態が異なる。図９Ａの例では、制御部１００は、伝送電力が基準値Ｐ１よりも高い値から前記基準値Ｐ１よりも低い値に変化したとき、伝送周波数を第２周波数範囲内の値から第１周波数範囲内の値に上昇させる。一方、伝送電力が前記基準値Ｐ１よりも低い値から前記基準値Ｐ１よりも高い値に変化したとき、制御部１００は、伝送周波数を第１周波数範囲内の値から第２周波数範囲内の値に低下させる。fｓ／fｐの値が結合係数ｋに依存する基準値未満の場合における伝送電力の大きさと伝送周波数との関係は、図９Ａの例に限定されない。図９Ｂは、より複雑な関係の一例を示している。

伝送電力の大きさと伝送周波数との関係、および基準値Ｐ１、Ｐ２などの値は、与えられた伝送電力の大きさのもとで伝送効率を最適化する伝送周波数を決定することによって得られる。伝送電力の大きさと伝送周波数との関係の具体例については、後に詳しく説明する。なお、一対のアンテナの結合係数ｋは、電力伝送中に一定に維持され得る。

無線電力伝送装置においては、伝送電力Ｐが最大（Ｐｍａｘ）となる動作条件において、高い伝送効率がされるべきであることはいうまでもないが、伝送電力を低減した伝送条件においてもやはり効率は高く維持されるべきである。更に、伝送電力がＰ＝Ｐｍａｘの場合も、Ｐ≠Ｐｍａｘの場合でも、定電圧動作を行うことができる。そこで、Ｐ＝Ｐｍａｘの条件での入出力インピーダンスＺｉｎ（Ｐ＝Ｐｍａｘ）、Ｚｏｕｔ（Ｐ＝Ｐｍａｘ）と任意の伝送電力Ｐ伝送時の入出力インピーダンスＺｉｎ、Ｚｏｕｔの間には、以下の関係が成立する。
Ｚｉｎ＝Ｚｉｎ（Ｐ＝Ｐｍａｘ）×（Ｐｍａｘ÷Ｐ） ・・・（式３）
Ｚｏｕｔ＝Ｚｏｕｔ（Ｐ＝Ｐｍａｘ）×（Ｐｍａｘ÷Ｐ） ・・・（式４）

すなわち、定電圧動作中、入出力インピーダンスは伝送電力に反比例して変化する。この条件下において、広い伝送電力範囲で伝送効率を高く維持することができる。本発明の無線電力伝送装置の実施形態における伝送周波数ｆｔｒは、電力の伝送量に応じて周波数ｆＬより大きくｆＨより小さい範囲内で可変制御される。

なお、この現象は、直列共振回路と並列共振回路という非対称な共振回路構造の組み合わせで送受アンテナを構成した場合に限定される。すなわち、送受アンテナが共に直列共振回路対や並列共振回路対で構成された場合は、本願発明の実施形態の効果は発現しない。また、送受アンテナが共に、外部回路から電磁誘導原理を利用してエネルギー給電を受ける回路構成（電磁誘導給電型と以下記述）の場合も、本願発明の実施形態の効果は発現しない。更には直列共振回路と電磁誘導給電型、並列共振回路と電磁誘導給電型、のハイブリッドな組み合わせの共振器対においても、本願発明の実施形態の効果は発現しない。

Ｐ１の値は、例えばＰｍａｘの４０％から８０％程度の電力値に設定され得る。ただし、Ｐ１の値は、この範囲内に限定されず、状況に応じて上記の範囲から外れてもよい。

伝送周波数の可変制御は、発振器１０３の発振周波数を制御することにより、容易に実現できる。

電力伝送中、送電アンテナと受電アンテナ間の結合係数ｋがほぼ一定に維持されることが望ましい。電力伝送中に結合係数ｋが大きく変動すると、定電圧動作を高い効率で実現することが困難になるからである。

発振器１０３には、Ｄ級、Ｅ級、Ｆ級などの、高効率且つ低歪な特性を実現できる増幅器を用いることができるし、ドハーティ増幅器を用いてもよい。インバータ回路など歪成分を含む出力信号を発生するスイッチング素子の後段に、低域通過フィルタまたは帯域通過フィルタを配置することにより、正弦波を高効率に生成してもよい。この際、無線伝送部が帯域通過フィルタの機能を兼用してもよい。ＡＣ入力から高周波出力を行う周波数変換回路であってもかまわない。いずれにしろ発振器に入力された電力はＲＦエネルギーに変換される。このＲＦエネルギーは、無線伝送部により、空間を介して非接触に伝送され、出力端子から出力される。

回路ブロック間でのＲＦエネルギーの多重反射を抑圧し、総合伝送効率を改善するためには、受電アンテナ１０９の出力端子が負荷に接続された状態において、発振器１０３から出力されるＲＦエネルギーの出力インピ−ダンスＺｏｃと送電アンテナ１０７の入力インピーダンスＺｉｎとを等しくすることができる。また、同様に、発振器１０３が送電アンテナ１０７に接続された状態で、受電アンテナの出力インピーダンスＺｏｕｔが、接続される負荷の抵抗値Ｒと等しくすることができる。

なお、本明細書において、２つのインピーダンスが「等しい」とは、インピーダンスが厳密に一致する場合に限られず、２つのインピーダンスの差異が、大きい方のインピーダンスの２５％以下である場合を含むものと定義する。

本実施形態における無線電力伝送の効率は、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０９との間隔（アンテナ間隔）や、送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０９を構成する回路素子の損失の大きさに依存する。なお、「アンテナ間隔」とは、実質的に２つのインダクタ１０７ａ、１０９ａの間隔である。アンテナ間隔は、アンテナの配置エリアの大きさを基準に評価することができる。

実施形態において、第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａは、図１０に斜視模式図を示したように、いずれも平面状に広がって形成される。インダクタの外形形状は任意に選択しうる。すなわち、正方形や円形だけでなく長方形、楕円形状なども選択しうる。ここで、アンテナの配置エリアの大きさとは、サイズが相対的に小さなアンテナの配置エリアの大きさを意味し、アンテナを構成するインダクタの外形が円形の場合はインダクタの直径、正方形の場合はインダクタの一辺の長さ、長方形の場合はインダクタの短辺の長さとする。

本実施形態における第１インダクタ１０７ａおよび第２インダクタ１０９ａは、それぞれ、巻数Ｎ１、Ｎ２のスパイラル構造を有している（Ｎ１＞１、Ｎ２＞１）が、巻数が１のループ構造を有していてもよい。これらのインダクタ１０７ａ、１０９ａは、一層の導電体パターンから構成されている必要は無く、積層された複数の導電体パターンを直列に接続した構成を有していてもよい。

第１インダクタ１０７ａ、第２インダクタ１０９ａは、良好な導電率を有する銅や銀などの導電体から好適に形成され得る。ＲＦエネルギーの高周波電流は、導電体の表面を集中して流れるため、発電効率を高めるため、導電体の表面を高導電率材料で被覆してもよい。導電体の断面中央に空洞を有する構成からインダクタ１０７ａ、１０９ａを形成すると、軽量化を実現することができる。更に、リッツ線などの並列配線構造を採用してインダクタ１０７ａ、１０９ａを形成すれば、単位長さ辺りの導体損失を低減できるため、直列共振回路、および並列共振回路のＱ値を向上させることができ、より高い効率で電力伝送が可能になる。

製造コストを抑制するために、インク印刷技術を用いて、配線を一括して形成することも可能である。第１インダクタ１０７ａおよび／または第２インダクタ１０９ａの周辺に磁性体を配置してもよい。インダクタ１０７ａ、１０９ａの間の結合係数を適度な値に設定できる空芯スパイラル構造を有するインダクタを用いることができる。

第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂには、例えばチップ形状、リード形状を有する、あらゆるタイプのキャパシタを利用できる。空気を介した２配線間の容量を第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂとして機能させることも可能である。第１、第２容量素子１０７ｂ、１０９ｂをＭＩＭキャパシタから構成する場合は、公知の半導体プロセスまたは多層基板プロセスを用いて低損失の容量回路を形成できる。

送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９の各々を構成する共振器のＱ値は、システムが要求するアンテナ間電力伝送の伝送効率、及び結合係数ｋの値にも依存するが、好ましくは１００以上、更に好ましくは２００以上、更に好ましくは５００以上、更に好ましくは１０００以上に設定される。高いＱ値を実現するには、上述したようにリッツ線の採用が効果的である。

以上の実施形態において、図８Ａに示すように伝送周波数を変化させるか、あるいは、図９Ａに示すように伝送周波数を変化させるかは、上記の式２の関数Ｆ（ｋ）によって定まる基準値とｆｓ／ｆｐとを比較して決定しているが、ｋの関数である基準値は、式２に限定されない。以下、この点を説明する。

まず、前述したように、伝送周波数を伝送電力によらず一定に保持する場合、ｆｓ／ｆｐの値が式２の二次式で定まる基準値に近づくほど、Ｄｉｐ率が低減する。このＤｉｐ率は、ｆｓ／ｆｐの値と基準値との差異が僅かであれば、十分に小さく抑えられる。このため、式２に近い関数によって、伝送周波数の変化のモードを区分けしてもよい。

図１１は、ｆｓ／ｆｐが１より小さい場合において、Ｄｉｐ率が２％以下になるｆｓ／ｆｐの範囲の上限（ｈｉｇｈ）・下限（ｌｏｗ）を規定する曲線と最適値（ｂｅｓｔ）を規定する曲線を記載するグラフである。以下の式５ａ、５ｂの関係を満たすようにｆｓおよびｆｐが設定されているとき、Ｄｉｐ率を２％以下に低減でき、且つｆｓ／ｆｐ＝１とした従来構成よりも低Ｄｉｐ率の電力伝送を実現できる。
０．１≦ｋ＜０．２９の場合
−０．７３０９×k²−０．０２６９×k＋０．９８６２≦ｆｓ／ｆｐ＜１ ・・・（式５ａ）
０．２９≦ｋ≦０．５の場合、
−０．７３０９×k²−０．０２６９×k＋０．９８６２≦ｆｓ／ｆｐ＜０．０８×k²−０．３５７×k＋１．０９４４ ・・・（式５ｂ）
なお、ｋ＝０．２９は、図１１の２％（ｈｉｇｈ）の曲線がｆｓ／ｆｐ＝１と交わる点である。

図１２は、ｆｓ／ｆｐが１より小さい場合において、Ｄｉｐ率が１％以下になるｆｓ／ｆｐの範囲の上限（ｈｉｇｈ）・下限（ｌｏｗ）を規定する曲線と最適値（ｂｅｓｔ）を規定する曲線を記載するグラフである。また、本願の構成がｆｓ／ｆｐ＝１の構成に対してＤｉｐ率に関して特性が改善する下限を規定する曲線（下限）も記載されている。以下の式６ａ、６ｂの関係を満たすようにｆｓおよびｆｐが設定されているとき、Ｄｉｐ率を１％以下に低減でき、且つｆｓ／ｆｐ＝１とした従来構成よりも低Ｄｉｐ率の電力伝送を実現できる。
０．１≦ｋ＜０．２１の場合
−０．７３４８×k²＋０．０８７×k＋０．９８８９≦ｆｓ／ｆｐ＜１ ・・・（式６ａ）
０．２１≦ｋ≦０．５の場合、
−０．７３４８×k²＋０．０８７×k＋０．９８８９≦ｆｓ／ｆｐ＜−０．５３７７×k²＋０．１００１８×k＋１．００１０６ ・・・（式６ｂ）
なお、ｋ＝０．２１は、図１２の１％（ｈｉｇｈ）の曲線がｆｓ／ｆｐ＝１と交わる点である。

図１３は、ｆｓ／ｆｐが１より小さい場合において、Ｄｉｐ率が０．５％以下になるｆｓ／ｆｐの範囲の上限（ｈｉｇｈ）・下限（ｌｏｗ）を規定する曲線と最適値（ｂｅｓｔ）を規定する曲線を記載するグラフである。また、本願の構成がｆｓ／ｆｐ＝１の構成に対してＤｉｐ率に関して特性が改善する下限を規定する曲線（下限）も記載されている。以下の式７ａ、７ｂの関係を満たすようにｆｓおよびｆｐが設定されているとき、Ｄｉｐ率を０．５％以下に低減できる。
０．１≦ｋ＜０．１５の場合、
−０．７２４２×k²＋０．０３２９×k＋０．９８９４≦ｆｓ／ｆｐ＜１ ・・・（式７ａ）
０．１５≦ｋ＜０．５の場合、
−０．７２４２×k²＋０．０３２９×k＋０．９８９４≦ｆｓ／ｆｐ＜−０．５１８３×k²＋０．０６０３×k＋１．００１６ ・・・（式７ｂ）
なお、ｋ＝０．１５は、図１３の０．５％（ｈｉｇｈ）の曲線がｆｓ／ｆｐ＝１と交わる点である。

このように、ｆｓ／ｆｐが式２の二次式で表される関数Ｆ（ｋ）に一致しない場合であっても、ｆｓ／ｆｐが図１１から図１３の各々に示される上限および下限の間にあれば、伝送周波数が一定でも、Ｄｉｐ率を比較的小さく抑制することは可能である。

したがって、結合係数ｋの関数が、図１１から図１３の各々に示される上限および下限の間にあれば、「ｋによって定まる基準値」として使用することが可能になる。基準値を規定する関数は、例えば、図１４に示すように結合係数に応じて直線的に変化する関数、図１５に示すように式２で示される曲線とは厳密に一致しない関数、あるいは、図１６に示すように結合係数変動に対し階段状に変化する関数であってもよい。これらの図に示されるように、基準値を規定する関数は、結合係数ｋが増加するとき、単調に減少する単調減少関数であり得る。

なお、無線電力伝送装置の設置後でも、送電アンテナ１０７および／または受電アンテナ１０９の共振周波数を可変に調整することが可能である。ｆｓ／ｆｐの値は、アンテナ１０７、１０９におけるインダクタンスおよびキャパシタタンスを種々の値に設計することによって調節することが可能である。

しかしながら、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９を構成する回路要素の特性には部品間でばらつきが発生し得る。そのため、ｆｓ／ｆｐの値が設計値からシフトすることが起こり得る。そのような場合、無線電力伝送装置の設置後における結合係数ｋの実際の値とｆｓ／ｆｐの実際の値との大小関係は、無線電力伝送装置の設置後に決定してもよい。

上述したように、結合係数ｋで定まる基準値とｆｓ／ｆｐの値との間の大小関係が不明な場合は、図８Ａおよび図９Ａの少なくとも一方のパターンで伝送周波数を変化させながら実際に無線電力伝送を行うことができる。そして、実際に行った無線電力伝送の際に伝送効率を測定し、伝送効率が最も高くなる伝送周波数の制御パターンを求めてもよい。伝送効率は、例えば、負荷の受電電力と発電部の送電電力の比に基づいて計算され得る。このように、ｆｓ／ｆｐと結合係数ｋとが既知でない場合でも、伝送周波数と伝送電力との間にある、より好ましい関係を決定することができる。

なお、「伝送効率が最も高くなる伝送周波数の制御パターン」は、無線電力伝送装置が取り得る伝送電力範囲の全てで動作させなくても、あらかじめ設定されたＰ１前後の一部の伝送電力範囲のみを用いた試験動作で判断しても良い。例えば、図８Ａのパターンで伝送周波数を変化させることが最適である場合、伝送電力Ｐ１より例えば１０％低い電力を送りながら伝送周波数を低減すると伝送効率の改善が確認できる。また、例えば、図９Ａのパターンで伝送周波数を変化させることが最適である場合、伝送電力Ｐ１より例えば１０％低い電力を送りながら伝送周波数を低減すると伝送効率の劣化が確認できる。伝送電力範囲の全域を用いず、電力Ｐ１と異なる電力値で試験動作を行うことで調整工程がより簡便になる。試験動作を行う電力値を電力Ｐ１より低い値に設定することが、省電力化できる。

また、送受アンテナの共振周波数設定に可変周波数制御機能を持たせることにより、ｆｓ／ｆｐの比は任意に調整可能である。

次に、図１７を参照しながら、送受アンテナの可変周波数制御の採用により、より高い効率で電力伝送を実現する方法を説明する。

第１工程として、伝送電力Ｐを図８Ａまたは図９Ａに示す電力Ｐ１の近傍の値Ｐ３に固定し、試験的に無線電力伝送を行いながら、伝送周波数を細かく掃引する。こうして、固定した電力値Ｐ３での最大伝送効率ｈｍａｘ（Ｐ３）を把握する。

次に第２工程として、送受アンテナの共振周波数比ｆｓ／ｆｐを初期値から変更する。送受アンテナの少なくともいずれかに共振周波数可変制御機能を与えておくことにより、無線電力伝送装置の設置後であっても、ｆｓ／ｆｐを調整することができる。例えば、送受アンテナの少なくとも一方の共振周波数を変化させることにより、初期条件では図１７の点Ａに位置していたｆｓ／ｆｐが点Ｂ１へ移動したとする。第３工程では、ｆｓ／ｆｐ条件を点Ｂ１に固定したまま、上述の第１工程と同様の試験を行う。その結果、点Ｂ１に位置するｆｓ／ｆｐの条件で、電力値Ｐ３における最大伝送効率ｈｍａｘ（Ｐ３）を把握できる。

第４工程では、第１工程と第３工程で得た、点Ａと点Ｂ１におけるｈｍａｘ（Ｐ３）を比較することで、点Ａと点Ｂ１のどちらがより好ましい伝送条件に対応するのかを決定する。

なお、第１工程や第３工程においてｈｍａｘ（Ｐ３）を把握するための伝送電力の値は、１つに限定されず、複数であってもよい。図１７に示される２点では、点Ａよりも点Ｂ１の条件の方が、Ｄｉｐが大きい。このため、無線電力伝送装置を点Ａの条件で動作させることも可能である。追加第３工程として、更にｆｓ／ｆｐを点Ｂ２に変化させた後、追加第４工程として、点Ａと点Ｂ２のｆｓ／ｆｐにおけるｈｍａｘ（Ｐ３）を比較してもよい。こうすることにより、点Ａと点Ｂ２のどちらがより好ましい伝送条件に対応するかを決定できる。

ｆｓ／ｆｐの値が異なる複数の条件で最大伝送効率を測定することにより、ｆｓ／ｆｐのより好ましい値を求めることが可能になる。図１７に示される３つの点Ａ、Ｂ１、Ｂ２の中では、点Ｂ２のｆｓ／ｆｐがＤｉｐを最も小さくする。

点Ｂ２のｆｓ／ｆｐで動作させる場合に、図８Ａおよび図９Ａのどちらの伝送周波数制御パターンが最適なのかは、第１工程で既に取得していた情報に基づいて決定され得る。

次に、第５工程として、電力値を、一旦、他の値Ｐ４に固定し、伝送周波数を細かく掃引し、その電力値Ｐ４における最大効率を導出する伝送周波数ｆｈｍａｘ（Ｐ４）を決定する。更に、伝送電力をＰ４から変化させながら同様の試験を行い、ｆｈｍａｘの電力依存性を取得する。

、このように送受アンテナの可変周波数制御と伝送周波数制御の両制御の採用により、より高効率な電力伝送動作を実現することが容易となる。

（実施例１）
以下、本発明の実施例１を説明する。

送電アンテナおよび受電アンテナは、その共振周波数を２５０ｋＨｚ付近となるように設計した。例えば送電アンテナは、インダクタンスが４１．０８μＨの第１インダクタとキャパシタンスが９．６９ｎＦの第１容量素子とを直列に接続することによって作製された。受電アンテナは、インダクタンスが４１．０８μＨの第２インダクタと第２容量素子とを並列に接続して作製された。送電アンテナと受電アンテナの共振周波数比は、第２容量素子のキャパシタンスを調整することで実現した。

第１および第２インダクタは、共に、直径８０μｍの銅配線を３００本ずつ互いに絶縁して並列に配置して構成したリッツ線により実現した。２つのインダクタの外形は共に直径１２ｃｍの円形であり、巻数は２０に設定した。送電アンテナ（共振器）の無負荷Ｑ値は４５０であった。送電アンテナと受電アンテナは、互いの形成面を平行に対向して配置し、対抗面間の間隔ｇを１．２〜５．５ｃｍの範囲で変化させることにより、結合係数を０．５から０．１の範囲で変化させた。最適なｆｓ／ｆｐの値は各結合係数条件によって異なる。よって、上述した間隔ｇ条件での結合係数を導出した後、計算機シミュレーションによって導出された最適なｆｓ／ｆｐ値とすべく、送受アンテナの各インダクタンスやキャパシタンスの値を微調整した。インダクタンスの調整は、巻き線数を初期値２０から異なる値に違えたり、隣接する巻き線間の間隔を局所的に調整したりすることで可能であった。キャパシタンスの調整は、積層セラミックコンデンサの容量値を変化させることで実現できた。

図１８Ａは、ｋ＝０．１の場合における実施例１についての伝送効率と伝送電力との関係を示すグラフである。図１８Ｂは、図１８Ａの伝送効率を得るときの伝送周波数と伝送電力との関係を示すグラフである。図における●はｆｓ／ｆｐ＝０．９９５の場合、△はｆｓ／ｆｐ＝０．９８５の場合、□はｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合（参考例）を示す。●のｆｓ／ｆｐは、式２の関数Ｆ（ｋ）で示される基準値にほぼ等しいが、△のｆｓ／ｆｐは式２の関数Ｆ（ｋ）で示される基準値よりも小さい。

図１８Ａからわかるように、ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合、伝送電力が約５０％で伝送効率が局所的に低下するＤｉｐが観察される。しかし、ｆｓ／ｆｐ＝０．９９５の場合、そのようなＤｉｐは観察されない。ｆｓ／ｆｐ＝０．９８５の場合は、ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合に比べて大きなＤｉｐが観察される。ｆｓ／ｆｐ＝０．９８５の場合、伝送周波数は、図１８Ｂに示されるように変化している。この変化のモードは、図９Ｂに示されるパターンを有している。一方、ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合、伝送周波数は、図１８Ｂに示されるように変化している。この変化のモードは、図８Ｂに示されるパターンを有している。なお、ｆｓ／ｆｐ＝１とした場合での、送受電アンテナの共振周波数は２５１．７ｋＨｚで、奇モード共振周波数ｆＬは２４０ｋＨｚで、偶モード共振周波数ｆＨは２６５．４ｋＨｚであった。また、ｆｓ／ｆｐ＝０．９９５とした場合の、送電アンテナの共振周波数は２５０ｋＨｚで、受電アンテナの共振周波数は２５２．５ｋＨｚで、奇モード共振周波数ｆＬは２３９．９ｋＨｚで、偶モード共振周波数ｆＨは２６５．２ｋＨｚであった。また、ｆｓ／ｆｐ＝０．９８５とした場合の、送電アンテナの共振周波数は２４７．７ｋＨｚで、受電アンテナの共振周波数は２５１．５ｋＨｚで、奇モード共振周波数ｆＬは２３９．９ｋＨｚで、偶モード共振周波数ｆＨは２６５．２ｋＨｚであった。

図１９Ａは、ｋ＝０．２の場合における実施例についての伝送効率と伝送電力との関係を示すグラフである。図１９Ｂは、図１９Ａの伝送効率を得るときの伝送周波数と伝送電力との関係を示すグラフである。図における●はｆｓ／ｆｐ＝０．９８の場合、△はｆｓ／ｆｐ＝０．９４３の場合、□はｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合（参考例）を示す。●のｆｓ／ｆｐは、式３の関数Ｆ（ｋ）で示される基準値にほぼ等しいが、△のｆｓ／ｆｐは式２の関数Ｆ（ｋ）で示される基準値よりも小さい。

図１９Ａからわかるように、ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合、伝送電力が約５０％で伝送効率が局所的に低下するＤｉｐが観察される。しかし、ｆｓ／ｆｐ＝０．９８の場合、そのようなＤｉｐは観察されない。ｆｓ／ｆｐ＝０．９４３の場合は、ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合に比べて大きなＤｉｐが観察される。ｆｓ／ｆｐ＝０．９４３の場合、伝送周波数は、図１９Ｂに示されるように変化している。この変化のモードは、図９Ｂに示されるパターンを有している。一方、ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合、伝送周波数は、図１９Ｂに示されるように変化している。この変化のモードは、図８Ｂに示されるパターンを有している。ｆｓ／ｆｐ＝０．９８の場合、伝送周波数は、伝送電力によらず、ほぼ一定である。なお、ｆｓ／ｆｐ＝１とした場合（送受電アンテナの共振周波数は２４７．７ｋＨｚ）の、奇モード共振周波数ｆＬは２２６ｋＨｚで、偶モード共振周波数ｆＨは２７６．８ｋＨｚであった。また、ｆｓ／ｆｐ＝０．９９５とした場合の、送電アンテナの共振周波数は２４８．８ｋＨｚで、受電アンテナの共振周波数は２５０．１ｋＨｚで、奇モード共振周波数ｆＬは２２５．９ｋＨｚで、偶モード共振周波数ｆＨは２７７ｋＨｚであった。また、ｆｓ／ｆｐ＝０．９４３とした場合の、送電アンテナの共振周波数は２４９．０ｋＨｚで、受電アンテナの共振周波数は２６４ｋＨｚで、奇モード共振周波数ｆＬは２３３．１ｋＨｚで、偶モード共振周波数ｆＨは２８７．８ｋＨｚであった。

図２０Ａは、ｋ＝０．３の場合における実施例１についての伝送効率と伝送電力との関係を示すグラフである。図２０Ｂは、図２０Ａの伝送効率を得るときの伝送周波数と伝送電力との関係を示すグラフである。図における●はｆｓ／ｆｐ＝０．９５４の場合、△はｆｓ／ｆｐ＝０．８９４の場合、□はｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合（参考例）を示す。●のｆｓ／ｆｐは、式２の関数Ｆ（ｋ）で示される基準値にほぼ等しいが、△のｆｓ／ｆｐは式２の関数Ｆ（ｋ）で示される基準値よりも小さい。

図２０Ａからわかるように、ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合、伝送電力が約５０％で伝送効率が局所的に低下するＤｉｐが観察される。しかし、ｆｓ／ｆｐ＝０．９５４の場合、そのようなＤｉｐは観察されない。ｆｓ／ｆｐ＝０．８９４の場合は、ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合に比べて大きなＤｉｐが観察される。ｆｓ／ｆｐ＝０．８９４の場合、伝送周波数は、図２０Ｂに示されるように変化している。この変化のモードは、図９Ｂに示されるパターンを有している。一方、ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合、伝送周波数は、図２０Ｂに示されるように変化している。この変化のモードは、図８Ｂに示されるパターンを有している。ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合、伝送周波数は、伝送電力によらず、ほぼ一定である。なお、ｆｓ／ｆｐ＝１とした場合（送受電アンテナの共振周波数は２５１．７ｋＨｚ）の、奇モード共振周波数ｆＬは２１８．８ｋＨｚで、偶モード共振周波数ｆＨは２９９．３ｋＨｚであった。また、ｆｓ／ｆｐ＝０．９５４とした場合の、送電アンテナの共振周波数は２４４．１ｋＨｚで、受電アンテナの共振周波数は２５５．９ｋＨｚで、奇モード共振周波数ｆＬは２１８．８ｋＨｚで、偶モード共振周波数ｆＨは２９９．３ｋＨｚであった。また、ｆｓ／ｆｐ＝０．８９４とした場合での、送電アンテナの共振周波数は２３２．２ｋＨｚで、受電アンテナの共振周波数は２５９．６ｋＨｚで、奇モード共振周波数ｆＬは２１３．２ｋＨｚで、偶モード共振周波数ｆＨは２９６．４ｋＨｚであった。

図２１Ａは、ｋ＝０．４の場合における実施例１についての伝送効率と伝送電力との関係を示すグラフである。図２１Ｂは、図２１Ａの伝送効率を得るときの伝送周波数と伝送電力との関係を示すグラフである。図における●はｆｓ／ｆｐ＝０．９１７の場合、△はｆｓ／ｆｐ＝０．８３７の場合、□はｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合（参考例）を示す。●のｆｓ／ｆｐは、式２の関数Ｆ（ｋ）で示される基準値にほぼ等しいが、△のｆｓ／ｆｐは式２の関数Ｆ（ｋ）で示される基準値よりも小さい。

図２１Ａからわかるように、ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合、伝送電力が約５０％で伝送効率が局所的に低下するＤｉｐが観察される。しかし、ｆｓ／ｆｐ＝０．９１７の場合、そのようなＤｉｐは観察されない。ｆｓ／ｆｐ＝０．８３７の場合は、ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合に比べて小さなＤｉｐが観察される。ｆｓ／ｆｐ＝０．８３７の場合、伝送周波数は、図２１Ｂに示されるように変化している。この変化のモードは、図９Ｂに示されるパターンを有している。一方、ｆｓ／ｆｐ＝１．０の場合、伝送周波数は、図２１Ｂに示されるように変化している。この変化のモードは、図８Ｂに示されるパターンを有している。ｆｓ／ｆｐ＝０．９１７の場合、伝送周波数は、伝送電力によらず、ほぼ一定である。なお、ｆｓ／ｆｐ＝１とした場合（送受電アンテナの共振周波数は２５１．７ｋＨｚ）の、奇モード共振周波数ｆＬは２１２．８ｋＨｚで、偶モード共振周波数ｆＨは３２５ｋＨｚであった。また、ｆｓ／ｆｐ＝０．９１７とした場合の、送電アンテナの共振周波数は２５２．０ｋＨｚで、受電アンテナの共振周波数は２７４．８ｋＨｚで、奇モード共振周波数ｆＬは２２１．４ｋＨｚで、偶モード共振周波数ｆＨは３４１．３ｋＨｚであった。また、ｆｓ／ｆｐ＝０．８９４とした場合での、送電アンテナの共振周波数は２５１．１ｋＨｚで、受電アンテナの共振周波数は２８０．９ｋＨｚで、奇モード共振周波数ｆＬは２２４．４ｋＨｚで、偶モード共振周波数ｆＨは３４３．５ｋＨｚであった。

図２２は、Ｄｉｐ率（％）とｆｓ／ｆｐとの関係を示すグラフである。このグラフには、ｋ＝０．１、０．２、０．３、０．４、０．５の曲線が示されている。図２２からわかるように、ｋが０．１から０．５までの範囲で変化しても、Ｄｉｐ率が０％となるｆｓ／ｆｐの最適値が存在する。また、この最適値からｆｓ／ｆｐが外れると、Ｄｉｐ率が増加する。

図２３は、ｋ＝０．３、ｆｓ／ｆｐ＝０．９２２の場合において、伝送周波数の制御を行うときの伝送効率（with f-ctrl）と、伝送周波数の制御を行わないときの伝送効率（w/o f-ctrl）とを示すグラフである。伝送周波数の制御を行わない場合、伝送電力が相対的に大きな領域で伝送効率の著しい低下がみられる。しかし、伝送周波数の制御を行って図９Ｂに示すように変化させると、伝送効率を大電力側で著しく改善できることがわかる。

（比較例１〜２）
実施例１では送電側アンテナと受電側アンテナの共振回路構成を非対称としたが、送受アンテナを対称な共振回路構成とした比較例１、２を作製した。比較例１では送受アンテナは共に直列共振回路、比較例２では送受アンテナは共に並列共振回路で構成した。実施例１と同様の検討を行い、定電圧動作時の各伝送電力での最大伝送効率と、最大伝送効率を実現する伝送周波数（ピーク周波数）とを導出した。ここでは、ｋ＝０．３、ｆｓ／ｆｐ＝０．９２２に設定した。比較例１の伝送効率の伝送電力依存性を図２４に示す。図２４から明らかなように、比較例１の伝送効率は狭い範囲でのみ高い。また、伝送周波数を制御しても、伝送効率の改善は小さい。

図２５は、比較例１の伝送周波数と伝送電力との関係を示すグラフである。図２５から明らかなように、比較例１の伝送周波数は、電力伝送領域が小電力側に向かうにしたがって、偶モード共振周波数３０２ｋＨｚを大きく超えた値になっており、本願発明の実施形態の周波数制御条件にも従っていなかった。同様に、送受アンテナのいずれも並列共振器から構成した比較例２の伝送効率を図２６に示し、伝送周波数の伝送電力依存性を図２７に示す。これらの図から明らかなように、比較例２でも本発明の実施形態の効果は発現しなかった。

（比較例３）
実施例１では送受アンテナに計測用の高周波入出力端子を直結することにより、外部回路から送受アンテナへの信号給電を行っていた。比較例３では、外部回路から送受アンテナへの信号給電を、電磁誘導原理を用いて行った。具体的には、それぞれ送受アンテナから３ｍｍ離間して対向した直径２０ｃｍ、巻き数６の非共振コイルを用い、外部回路から非共振コイルを励振し、非共振コイルから非接触で送受アンテナを励振した。実施例１と同様の検討を行い、定電圧動作時の各伝送電力での最大伝送効率と最大伝送効率を実現する伝送周波数を導出した。比較例３、実施例１の伝送効率の伝送電力依存性を図２８に示す。図２８からわかるように、比較例３では、小電力伝送領域に向かうにつれ生じる最大伝送効率の劣化が激しい。また、図２９より明らかなように、比較例３の伝送周波数は、伝送電力の増大に従い単調に増大しており、本願発明の実施形態の周波数制御条件にも従っていなかった。これは、比較例３の構成が、奇モード共振のみを利用して伝送電力の変動に対応していることを示しており、偶奇共振モードを最大限利用する本願発明の実施形態の動作原理とは異なることが実証された。

（比較例４、５）
比較例４と５では、送受アンテナの一方に対しては直結型の給電を行い、他方には電磁誘導給電を行った。直結型の給電については実施例１と同様の条件とした。また、電磁誘導給電については比較例３と同様の条件とした。表１に、実施例１と比較例１〜５の回路構成比較を示す。

比較例４、５についても、実施例１と同様の検討を行い、定電圧動作時の各伝送電力での最大伝送効率と最大伝送効率を実現する伝送周波数を導出した。図３０より明らかなように、比較例４の伝送周波数は、電力伝送領域が小電力側に向かうにしたがって、上昇する傾向を示しており、本願発明の周波数制御条件にも従っていなかった。同様に、比較例５の伝送周波数の伝送電力依存性を示した図３１から明らかなように、比較例５も本発明の実施形態の周波数制御条件に従っていなかった。

本願発明の無線電力伝送装置の実施形態は、一定電圧を供給する電源回路からエネルギー供給を受けて動作することが可能な、ＡＶ機器白物家電などのさまざまな機器への給電システムに適用できる。ＡＶ機器は、例えばテレビを含み、白物家電は、例えば洗濯機、冷蔵庫、およびエアコンを含む。

また、本発明の無線電力伝送装置の実施形態は、充電池を用いる電子機器、電動バイク、電動アシスト自転車、電気自動車への充電システムとして適用することも可能である。これは、リチウムイオン電池などの充電池への充電制御の一つとして、定電圧での充電制御が要求される場合があるからである。また、一定電圧で駆動するモータを伴う全ての電子機器に対しても本願発明のシステムの実施形態は適用しうる。

また、太陽光発電システムにおいて太陽電池セルへの照射太陽光強度（照度）が変化した場合、最大電力点（最大電力を発電するための電流、電圧値）は、電流が照度にほぼ比例し、電圧はほぼ一定となることが知られている。よって、本願発明の無線電力伝送装置の実施形態は、太陽光発電装置が発電する電力を集電するシステムにも適用できる。

１００ 伝送周波数制御部
１０３ 発振器
１０７ 送電アンテナ（送電側の共振器）
１０７ａ 第１インダクタ
１０７ｂ 第１キャパシタ
１０９ 受電アンテナ（受電側の共振器）
１０９ａ 第２インダクタ
１０９ｂ 第２キャパシタ
１１１ 負荷
１６１ 周波数変換回路
２００ 直列共振回路
３００ 並列共振回路

Claims (15)

1. 共振磁界結合によって非接触で電力を伝送することができる一対のアンテナであって、一方は共振周波数がｆｓの直列共振回路であり、他方は共振周波数がｆｐの並列共振回路である一対のアンテナと、
   前記一対のアンテナのうち、高周波電力を送る側のアンテナに接続された発振器と、
   前記一対のアンテナ間を伝送される電力の大きさに応じて伝送周波数を制御する制御部と、
   を備え、
   fｓ／fｐは、１未満の値に設定されている、無線電力伝送装置。
2. 前記制御部は、
   前記伝送周波数と前記電力との関係を、前記一対のアンテナ間の結合係数ｋに依存する基準値とfｓ／fｐとに基づいて変化させる、請求項１に記載の無線電力伝送装置。
3. 前記制御部は、
   fｓ／fｐの値が前記基準値未満の場合において、前記電力が基準値Ｐ１よりも低いとき、前記伝送周波数を、第１周波数範囲内の値に設定し、前記電力が前記基準値Ｐ１より高いときは、前記伝送周波数を、前記第１周波数範囲よりも低い第２周波数範囲内の値に設定する、請求項２に記載の無線電力伝送装置。
4. 前記制御部は、
   fｓ／fｐの値が前記基準値を超える場合において、前記電力が基準値Ｐ１よりも高いとき、前記伝送周波数を、第１周波数範囲内の値に設定し、前記電力が前記基準値Ｐ１より低いときは、前記伝送周波数を、前記第１周波数範囲よりも低い第２周波数範囲内の値に設定する、請求項２に記載の無線電力伝送装置。
5. 前記制御部は、
   fｓ／fｐの値が前記結合係数ｋに依存する基準値を超える場合において、前記電力が基準値Ｐ１よりも高いとき、前記伝送周波数を、第１周波数範囲内の値に設定し、前記電力が前記基準値Ｐ１よりも低いときは、前記伝送周波数を、前記第１周波数範囲よりも低い第２周波数範囲内の値に設定し、
   fｓ／fｐの値が前記基準値未満の場合において、前記電力が基準値Ｐ１よりも高いとき、前記伝送周波数を、前記周波数ｆpよりも低い第１周波数範囲内の値に設定し、前記電力が前記基準値Ｐ１よりも低いときは、前記伝送周波数を、前記第１周波数範囲よりも高い第２周波数範囲内の値に設定する、請求項１または２に記載の無線電力伝送装置。
6. 前記制御部は、
   fｓ／fｐの値が前記結合係数ｋに依存する基準値に一致する場合、伝送電力に依らず伝送周波数を一定値に保持する、請求項５に記載の無線電力伝送装置。
7. 前記基準値は、前記結合係数ｋの単調減少関数である、請求項２に記載の無線電力伝送装置。
8. 前記基準値は、１より小さく、かつ、−０．７３０９×k²−０．０２６９×k＋０．９８６２と０．０８×k²−０．３５７×k＋１．０９４４との間に含まれる大きさを有している、請求項７に記載の無線電力伝送装置。
9. 前記制御部は、
   異なる制御パターンで伝送周波数を変化させながら無線電力伝送を行って伝送効率を測定し、前記伝送効率が最も高くなる伝送周波数の制御パターンを決定する、請求項１から８のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
10. 前記制御部は、
    前記伝送電力の少なくとも１つの値において、伝送周波数の増加または減少に伴って伝送効率が上昇するか低下するかを評価し、前記評価結果に基づいて伝送周波数の制御パターンを決定する、請求項１から８のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
11. 前記一対のアンテナは、ｆｓおよびｆｐの少なくとも一方を変化させる共振周波数調整機能を有し、
    制御部は、無線電力伝送装置の設置後に、fｓ／fｐの値を変化させる、請求項１から８のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
12. 制御部は、無線電力伝送装置の設置後に、異なるfｓ／fｐの複数の値で無線電力伝送を実行し伝送効率を測定し、前記伝送効率に基づいて通常動作時のfｓ／fｐの値を決定する、請求項１１に記載の無線電力伝送装置。
13. 請求項１から１２の何れかに記載の無線電力伝送装置に使用される送電装置であって、
    前記一対のアンテナのうち高周波電力を送る側のアンテナと、
    前記アンテナに接続された発振器と、
    を備える、送電装置。
14. 請求項１から１２の何れかに記載の無線電力伝送装置に使用される受電装置であって、
    前記一対のアンテナのうち高周波電力を受け取る側のアンテナを備える、受電装置。
15. 請求項１から１２の何れかに記載の無線電力伝送装置に使用される制御装置であって、
    前記一対のアンテナ間を伝送される電力の大きさに応じて伝送周波数を制御する、制御装置。

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