JP2011030293A - 電力受信装置、電力伝送システム、充電装置および電力伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力送信装置から供給される交流磁界エネルギーを、効率良く、電力受信装置に伝送する。
【解決手段】電力受信装置２００Ｂは、特定の共鳴周波数を有し、非接触で他の共鳴素子と磁界共鳴関係により結合する共鳴素子２１Ｂと、共鳴素子２１Ｂで受け取った共鳴周波数の交流電流を整流する整流手段２３Ｂと、共鳴素子２１Ｂが他の共鳴素子１１，２１Ａとの磁界共鳴関係により結合する状態を保持しつつ、共鳴素子２１Ｂからの交流電流の整流手段２３Ｂへの供給路を遮断制御するためのスイッチ手段２５Ｂとを備える。スイッチ手段２５Ｂをオフとして、交流電流の整流手段２３Ｂへの供給路を遮断したときには、共鳴素子２１Ｂは、電力送信装置１０からの交流磁界エネルギーを、電力受信装置２１Ａに伝送する中継器として働く。
【選択図】図２

Description

この発明は、電磁場の共鳴を利用して電力を無線伝送する装置および方法に関する。

電力を無線伝送する技術としては、電磁誘導を利用するものが良く知られている。この電磁誘導を利用する電力伝送は、２つのコイルを近接させて、一方のコイルに電流を流したとき、それにより発生する磁束を媒介にして、他方のコイルに起電力を発生させるようにするものである。

しかし、この電磁誘導を利用する電力伝送では、２つのコイルを近接させなければならず、送信できる距離が制約されると言う問題があった。また、電磁誘導結合の際の結合の軸がずれると伝送効率が悪化するので、結合の軸合わせが重要となっている。

これに対して、最近、電磁場の共鳴を利用して電力伝送を行う方法が提案されている。この共鳴型の無線電力伝送では、３〜４メートルというような距離でも送電可能で、しかも大電力も送れる。このため、受電側に、内蔵する２次電池（充電式バッテリー）を有しないシステムも、容易に構築することができるという利点を有する。

また、共鳴する機構がなければエネルギーが伝わらないので、他の電子機器への影響が殆どないという特徴がある。さらに、多少、結合の軸合わせが悪くても伝送効率があまり落ちないと言う利点もある。

例えば、特許文献１（米国特許出願公開２００７／０２２２５４２号）には、磁界における共鳴現象を用いた電力伝送システムが開示されている。

図９に、この磁界共鳴現象を用いた電力伝送システムの構成例を示す。この図９は、電力の給電元の電力送信装置１０と、電力の給電先（受電側）の電力受信装置２０とが１対１の場合のシステム構成例を示すブロック図である。

電力送信装置１０は、この例では、共鳴素子１１と、励振素子１２と、周波数信号発生部１３とからなる。

共鳴素子１１は、例えば空芯コイルで構成されており、ループコイルとされている。また、励振素子１２は、例えば空芯コイルで構成されており、そのコイルの両端は、周波数信号発生部１３の出力端の一方および他方に接続されている。そして、共鳴素子１１と励振素子１２とは、電磁誘導により強く結合する関係になるように構成されている。

共鳴素子１１を構成する空芯コイルは、インダクタンスのみではなく、コイル内部容量（キャパシタンス）を有し、それらインダクタンスおよびキャパシタンスで定まる自己共振周波数を有している。

周波数信号発生部１３は、共鳴素子１１の自己共振周波数に等しい周波数の周波数信号を発生する。この周波数信号発生部１３は、コルピッツ型発振回路やハートレー型発振回路などにより構成される。

図示は省略するが、電力送信装置１０は、交流電源からの電源供給を受けて周波数信号発生部１３から周波数信号を発生させる。

一方、電力受信装置２０は、この例では、共鳴素子２１と、励振素子２２と、整流回路２３と、負荷２４とからなっている。

共鳴素子２１は、共鳴素子１１と同様に、例えば空芯コイルで構成されており、ループコイルとされている。また、励振素子２２は、例えば空芯コイルで構成されており、そのコイルの両端は、整流回路２３の入力端の一方および他方に接続されている。そして、これら共鳴素子２１と励振素子２２とは、電磁誘導により強く結合する関係になるように構成されている。

また、共鳴素子２１を構成する空芯コイルは、共鳴素子１１と同様に、インダクタンスのみではなく、コイル内部容量（キャパシタンス）を有し、それらインダクタンスおよびキャパシタンスで定まる自己共振周波数を有している。

そして、共鳴素子１１と共鳴素子２１との自己共振周波数は、互いに等しい周波数ｆｏとされる。

以上のようなシステム構成において、電力送信装置１０においては、周波数信号発生部１３から、共鳴素子１１および２１の自己共振周波数ｆｏに等しい周波数の周波数信号が励振素子１２に供給される。

したがって、励振素子１２を構成する空芯コイルには、この周波数ｆｏの交流電流が流れ、同じく空芯コイルからなる共鳴素子１１に、電磁誘導により、同じ周波数ｆｏの誘導電流を誘起させる。

この図９の例では、電力受信装置２０の共鳴素子２１を構成する空芯コイルの自己共振周波数は、周波数ｆｏであって、電力送信装置１０の共鳴素子１１の自己共振周波数とは一致している。したがって、電力送信装置１０の共鳴素子１１と、電力受信装置２０の共鳴素子２１とは、磁界共鳴関係になり、当該周波数ｆｏのときに結合量が最大になり、損失が最小となる。

以上のように、この例では、電力送信装置１０の共鳴素子１１と、電力受信装置２０の共鳴素子２１とは、磁界共鳴の関係になっているので、当該共鳴周波数ｆｏにおいて、共鳴素子１１から共鳴素子２１へと非接触で交流電流が供給される。

電力受信装置２０においては、共鳴素子２１に現れた交流電流により、電磁誘導によって励振素子２２に誘導電流が誘起される。そして、この励振素子２２に誘起された誘導電流は整流回路２３で整流されて直流電流とされ、負荷２４に、その電源電流として供給される。

以上のようにして、電力送信装置１０から電力受信装置２０へ、磁界共鳴現象が用いられて電力が無線伝送される。

この図９の例の電力伝送システムにおける周波数信号発生部１３からの周波数信号の周波数と、磁界共鳴の結合量との関係を、図１０に示す。この図１０から明らかなように、この例の電力伝送システムは、共鳴周波数ｆｏで最大の結合量となる周波数選択性を示すことがわかる。

また、図１１に、電力送信装置１０の共鳴素子１１と、電力受信装置２０の共鳴素子２１との距離Ｄと、磁界共鳴の結合量との関係を示す。この図１１からは、距離が近くなるにしたがって結合量は大きくなるが、あまりに距離が近くなったときには、かえって結合量が下がることがわかる。そして、ある共鳴周波数において、結合量が最大になる距離があることがわかる。

さらに、図１２は、共鳴周波数と最大結合量が得られる共鳴素子間距離との関係を示す図である。この図１２からは、共鳴周波数が低いと共鳴素子間隔を広くし、共鳴周波数が高いと共鳴素子間隔を狭くすることによって、最大結合量が得られることがわかる。

米国特許出願公開２００７／０２２２５４２号公報

上記のように、共鳴型の電力伝送方式では、電力送信装置と電力受信装置との距離が比較的離れていても、また、結合軸がずれていても、電力伝送が可能である。

そこで、図１３に示すように、一つの給電元の電力送信装置１０から、複数の給電先、図の例では２個の電力受信装置２０Ａ，２０Ｂに対して電力の伝送が可能となる。なお、電力受信装置２０Ａ，２０Ｂは、上述した電力受信装置２０と全く同様の構成を備え、対応する部位には、同じ参照番号にサフィックスＡまたはＢを付して示している。

ここで、電力送信装置１０の共鳴素子１１の自己共振周波数（共鳴周波数）と、２個の電力受信装置２０Ａ，２０Ｂの共鳴素子２１Ａ，２１Ｂの自己共振周波数（共鳴周波数）とは一致しているものとする。

前述したように、給電元と給電先との結合量は、共鳴素子間距離が近いほど大きいので、図１３の例では、電力送信装置１０に対して、電力受信装置２０Ｂの方が、電力受信装置２０Ａよりも結合量が大きい。

そして、給電元から給電先に送られる電力は、共鳴素子間の結合量が大きいほど大きくなるので、電力送信装置１０から送電される電力は、相対的に、電力受信装置２０Ｂへは大きくなり、電力受信装置２０Ａへは小さくなる。

ところで、電力受信装置２０Ａと電力受信装置２０Ｂの両装置が両方とも作動させる必要があって、負荷への直流電流の供給が必要な場合はさておき、いずれかの装置は作動する必要がない状態である場合が問題である。

すなわち、上述した電力受信装置のそれぞれは、常に、無線で伝送されてくる電力を受け取る構成である。このため、給電を必要としない電力受信装置であっても、それが電力送信装置１０からの電力の伝送を受けることができる位置にあると、無駄に電力が送電され、整流回路２３で整流され、消費されてしまう。

そして、図１３に示すように、電力送信装置１０と磁界共鳴関係になる電力受信装置が複数個あると、電力送信装置１０からの電力エネルギーは、それら複数個の電力受信装置に分配されて伝送される。このため、電力受信装置のそれぞれが受ける電力は、電力受信装置の数に応じて小さくなってしまい、給電を必要とする電力受信装置に十分に電力が電力送信装置から送れないという問題を生じる。

特に、図１３において、電力送信装置１０に近い位置の電力受信装置２０Ｂが作動する必要がなく、電力の受電を不要とする場合においては、分配関係で、給電を必要とする電力受信装置２０Ａに供給される電力が小さくなってしまい、効率的でない。

この発明は、以上のような問題点を解消することができる装置および方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明は、
特定の共鳴周波数を有し、非接触で他の共鳴素子と共鳴関係により結合する共鳴素子と、
前記共鳴素子で受け取ったエネルギーに応じた前記共鳴周波数の交流電流を整流する整流手段と、
前記共鳴素子からの前記交流電流の前記整流手段への供給路を遮断制御するためのスイッチ手段と、
を備え、
前記共鳴素子は、前記スイッチ手段により前記交流電流の前記整流手段への供給路を遮断したときにも、他の共鳴素子との共鳴関係により結合する状態を保持する
電力受電装置を提供する。

この発明による電力受信装置が、電力送信装置と共鳴関係により結合する位置であって、かつ、他の電力受信装置とも共鳴関係により結合する位置にある場合を考える。この場合、この発明による電力受信装置の共鳴素子は、電力送信装置が備える共鳴素子および他の電力受信装置の共鳴素子の両者と共鳴関係により結合する。

上記の構成のこの発明による電力受信装置では、給電を受ける必要がないときには、スイッチ手段により共鳴素子からの交流電流の整流手段への供給路が遮断される。

しかし、このとき、電力受信装置の共鳴素子は、他の共鳴素子と共鳴関係により結合する状態が保持されている。したがって、この発明による電力受信装置では、その共鳴素子が、電力送信装置から供給を受けた電力は、スイッチ手段により整流手段への電流の供給が遮断されているときには、共鳴関係により結合している他の電力受信装置の共鳴素子に受け渡される。

つまり、スイッチ手段により、共鳴素子からの交流電流の整流手段への供給路が遮断されたこの発明の電力受信装置の共鳴素子は、電力送信装置からの電力の、他の電力受信装置への中継手段としての役割を担う。

そして、この場合、他の電力受信装置は、電力送信装置との直接的な共鳴関係による結合による電力伝送を受けると共に、この発明による電力受信装置との共鳴関係による結合による電力伝送を受けることになり、給電量が増加することになる。

この発明によれば、電力送信装置から共鳴関係による結合によって送電される電力を、無駄に消費することなく、他の電力受信装置に、中継伝送することができる。

この発明による電力受信装置の実施形態の構成例を示す図である。 この発明による電力受信装置の実施形態を含む電力伝送システムの一例を説明するための図である。 この発明による電力受信装置の他の実施形態の構成例を示す図である。 図３の例の電力受信装置の要部の処理動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 この発明による電力伝送システムの実施形態としての充電システムの一例を説明するための図である。 この発明による電力伝送システムの実施形態としての充電システムの他の例の構成例を示す図である。 この発明による電力伝送システムの実施形態としての充電システムにおける電力送信装置での処理動作例を説明するためのフローチャートを示す図である。 この発明による電力伝送システムの実施形態としての充電システムにおける電力受信装置での処理動作例を説明するためのフローチャートを示す図である。 磁界共鳴型の電力伝送システムの構成例の一例を説明するための図である。 磁界共鳴型の電力伝送システムの特性を説明するための図である。 磁界共鳴型の電力伝送システムの特性を説明するための図である。 磁界共鳴型の電力伝送システムの特性を説明するための図である。 従来の磁界共鳴型の電力伝送システムの問題点を説明するための図である。

以下、この発明による電力受信装置およびこの電力受信装置を含む電力伝送システムの実施形態を、図を参照しながら説明する。

［電力受信装置の第１の実施形態］
図１は、この発明による電力受信装置の第１の実施形態の構成例を示すブロック図である。この図１の実施形態において、前述した図９の例の電力伝送システムにおける電力受信装置と同一の部分には、同一参照番号を付与するものとする。

図１に示すように、この第１の実施形態の電力受信装置２００は、この例では、共鳴素子２１と、励振素子２２と、整流回路２３と、負荷２４と、励振素子２２と整流回路２３との間の電流路に設けられる給電制御スイッチ２５とからなっている。

前述もしたように、共鳴素子２１は、共鳴素子１１と同様に、例えば空芯コイルで構成されており、ループコイルとされている。

また、励振素子２２は、例えば空芯コイルで構成されており、そのコイルの一端は、整流回路２３の入力端の一方に接続されている。また、この励振コイル２２を構成する空芯コイルの他端は、給電制御スイッチ２５を介して整流回路２３の入力端の他方に接続されている。

そして、共鳴素子２１と励振素子２２とは、電磁誘導により強く結合する関係になるように構成されている。

また、共鳴素子２１を構成する空芯コイルは、インダクタンスのみではなく、コイル内部容量（キャパシタンス）を有し、それらインダクタンスおよびキャパシタンスで定まる自己共振周波数ｆｏを有している。そして、前述したように、この共鳴素子１１の自己共振周波数ｆｏは、電力送信装置１０の共鳴素子１１の自己共振周波数と等しい周波数とされている。

給電制御スイッチ２５は、この例では、使用者により手動操作される機械的なスイッチや、使用者による所定の操作に応じてオン・オフするリレースイッチや半導体スイッチで構成される。

この給電制御スイッチ２５がオン（閉状態）とされているときには、この実施形態の電力受信装置２００においては、共鳴素子２１は、電力送信装置１０の共鳴素子１１とは、磁界共鳴関係により結合されて、上述した場合と同様の動作を行う。すなわち、共鳴素子２１に現れた交流電流により電磁誘導によって励振素子２２に誘導電流が誘起される。そして、この励振素子２２に誘起された誘導電流は整流回路２３で整流されて直流電流とされ、負荷２４に、その電源電流として供給される。

一方、給電制御スイッチ２５がオフ（開状態）のときには、励振素子２２には、電流が流れない状態にされる。したがって、電力送信装置１０の共鳴素子１１と、電力受信装置２００の共鳴素子２１とが、磁界共鳴関係により結合して、共鳴素子２１に交流電流が流れても、励振素子２２には、誘導電流は流れない。

すなわち、給電制御スイッチ２５がオフのときには、共鳴素子２１からの交流電流の整流回路への供給が遮断されることになる。

したがって、給電制御スイッチ２５がオフのときには、電力受信装置２００では、負荷２４に直流電流が供給されず、電力の消費はない。

しかし、このように給電制御スイッチ２５がオフである電力受信装置２００の共鳴素子２１は、他の電力受信装置の共鳴素子と磁界共鳴関係により結合可能である。そして、そのような他の電力受信装置が存在するときには、給電制御スイッチ２５がオフである電力受信装置２００の共鳴素子２１に伝送された交流磁界エネルギーは、当該他の電力受信装置の共鳴素子に送られる。

すなわち、給電制御スイッチ２５がオフである電力受信装置２００の共鳴素子２１は、電力送信装置１０から供給される交流磁界エネルギーを、他の電力受信装置の共鳴素子に伝送する中継器として働く。

この中継器として働く状態を、図２を参照してさらに説明する。なお、この図２は、この発明による電力伝送システムの一実施形態を示すものともなっている。

図２の例は、給電元の電力送信装置１０から、ある電力受信装置２００Ａに給電するのであるが、電力送信装置１０と磁界共鳴関係により結合できる他の電力受信装置２００Ｂが存在している場合を示している。

この図２の例において、電力受信装置２００Ａ，２００Ｂは、上述した実施形態の電力受信装置２００と全く同様の構成を備えるもので、対応する部位には、同じ参照番号に、対応するサフィックスＡまたはＢを付して示している。

図２の例では、給電を受ける必要のない電力受信装置２００Ｂの方が、給電を受けたい電力受信装置２００Ａよりも、給電元である電力送信装置１０に近く、電力送信装置１０との結合量が大である場合としている。

さらに、図２の例では、電力受信装置２００Ａと電力受信装置２００Ｂとは互いに磁界共鳴関係により結合する位置関係となっている。

そして、図２の例においては、電力受信装置２００Ａは、給電元の電力送信装置１０から給電を受けるために給電制御スイッチ２５Ａはオン（閉状態）とされている。一方、電力受信装置２００Ｂは、電力送信装置１０からの給電を受ける必要がないので、給電制御スイッチ２５はオフ（開状態）とされている。

したがって、電力送信装置１０と電力受信装置２００Ａとの間では、互いの共鳴素子１１，２１Ａが磁界共鳴関係により結合し、給電制御スイッチ２５Ａがオンであることから、励振素子２２Ａに誘導電流が流れる。この励振素子２２Ａに誘起された誘導電流が整流回路２３Ａで整流されて、直流電流とされ、負荷２４（図示は省略）に電源電流として供給される。

また、電力送信装置１０と電力受信装置２００Ｂとの間では、互いの共鳴素子１１，２１Ｂが磁界共鳴関係により結合し、電力送信装置１０からの交流磁界エネルギーが、電力受信装置２００Ｂの共鳴素子２１Ｂに伝送される。しかし、電力受信装置２００Ｂでは、給電制御スイッチはオフ（開状態）とされているので、励振素子２２Ｂには誘導電流が流れず、整流回路２３Ｂには電流は供給されず、電力消費されることはない。

ここで、電力受信装置２００Ａと電力受信装置２００Ｂとは互いに磁界共鳴関係により結合する位置関係となっている。したがって、電力受信装置２００Ｂの共鳴素子２１Ｂに電力送信装置１０から伝送された交流磁界エネルギーは、電力受信装置２００Ａの共鳴素子２１Ａに送られる。

すなわち、図２の例においては、電力送信装置１０から送出された交流磁界エネルギーの一部は、電力受信装置２００Ｂの共鳴素子２１Ｂを中継して、電力受信装置２００Ａの共鳴素子２１Ａに送られる。

図１３で説明した例においては、電力送信装置１０から電力受信装置２０Ｂに送られた交流磁界エネルギーは、電力受信装置２０Ｂで消費されてしまうが、この図２の例においては消費されずに、電力受信装置２００Ｂを中継して電力受信装置２００Ａに送られる。

以上のように、電力受信装置２００Ａは、電力送信装置１０からは、直接的な磁界共鳴関係による結合による給電を受けると共に、電力受信装置２００Ｂを中継した給電を受ける。したがって、この図２の例の場合には、電力受信装置２００Ａは、電力送信装置１０から送出された交流磁界エネルギーの全部を受け取ることができ、効率的な電力給電を受けることができる。

なお、図２から判るように、電力送信装置１０からの給電を受けようとする電力受信装置２００Ａは、給電制御スイッチ２５はオン状態であるので、給電制御スイッチ２５を備えない図９に示した電力受信装置２０の構成であっても良い。つまり、図２を電力伝送システムとして考えた場合、電力受信装置の全てが、この発明の実施形態の電力受信装置２００の構成を備えていなくても良い。

なお、上述の第１の実施形態では、給電制御スイッチ２５は、機械的なスイッチやリレースイッチとしたが、この給電制御スイッチ２５は半導体スイッチの構成とすることもできる。その場合には、使用者の操作入力に受ける制御部（例えばマイクロコンピュータなどからなる）を設け、その制御部が、使用者による当該電力受信装置を作動させるか否かの操作入力に応じて、給電制御スイッチ２５を切り替え制御するように構成する。つまり、使用者が当該電力受信装置を作動させる指示操作入力をしたときには、制御部は、給電制御スイッチをオンに制御し、当該電力受信装置を作動させないとする指示操作入力をしたときには、制御部は、給電制御スイッチをオフに制御する。

［電力受信装置の第２の実施形態］
第１の実施形態の電力受信装置２００においては、給電制御スイッチは、使用者の操作に応じてのみ切り替え制御されるものとした。これに対して、第２の実施形態は、電力受信装置の給電制御スイッチが自動的に切り替え制御される場合である。

図３に、この第２の実施形態の電力受信装置３００の構成例を示すブロック図を示す。この第２の実施形態の電力受信装置３００において、上述した第１の実施形態と同一部分には同一参照符号を付与して、その詳細な説明は省略する。

この第２の実施形態の電力受信装置３００は、充電式のバッテリー３０１Ｂを備え、この充電式バッテリーを充電するための充電回路３０１と、電源スイッチ３０２と、制御部３０３と、操作部３０４とを備える。

そして、この第２の実施形態の電力受信装置３００は、給電制御スイッチ２５の代わりに、給電制御スイッチ回路２５０を備える。この給電制御スイッチ回路２５０は、例えば半導体スイッチング素子により構成される。

この第２の実施形態では、電力送信装置１０からの無線電力伝送を受けて、バッテリー３０１Ｂの充電を行うと共に、負荷への電源電流の供給を行うようにする。

充電回路３０１は、給電制御スイッチ回路２５０がオンであるときに、整流回路２３からの直流電流により、バッテリー３０１Ｂを充電する。この例では、充電回路３０１は、バッテリー３０１Ｂの充電量が満杯（満充電）になったら、それを検知して、制御部３０３に通知する機能を備える。

電源スイッチ３０２は、整流回路２３の出力端と負荷２４との間に設けられ、制御部３０３からの切り替え信号によりオン・オフされる。この電源スイッチ３０２も、例えば半導体スイッチング素子により構成される。

給電制御スイッチ回路２５０がオンで、かつ、電源スイッチ３０２がオンとされているときには、電力送信装置１０からの無線電力伝送を受けて、充電回路３０１でバッテリー３０１Ｂの充電を行いながら、負荷２４への電源供給も行う。

制御部３０３は、例えばマイクロコンピュータを備え、これには、バッテリー３０１Ｂから常時電源が供給されるように構成されている。

操作部３０４は、電源キーを含み、制御部３０３に接続されている。制御部３０３は、操作部３０４で、電源キーの操作入力情報を受け取ると、電源オン操作か、あるいは電源オフ操作かを判断し、その判断結果に応じて電源スイッチ３０２をオン・オフ制御する。

また、制御部３０３は、充電回路３０１から、バッテリー３０１Ｂが満充電である旨の通知を受け取ると、給電制御スイッチ回路２５０をオフにする。したがって、このときには、電力受信装置３００は、電力送信装置１０から送られてくる交流磁界エネルギーは消費せず、上述したように、共鳴素子２１は、交流磁界エネルギーの中継器として働く。

バッテリー３０１Ｂが満充電でないときには、制御部３０３は、給電制御スイッチ回路２５０をオンとし、電力受信装置３００は、電力送信装置１０から送られてくる交流磁界エネルギーを整流回路により直流電流に変換して、自分自身で消費する。

図４は、制御部３０３での給電制御スイッチ回路２５０のオン・オフ制御のための処理動作を説明するためのフローチャートである。

制御部３０３は、充電回路３０１からの満充電であるか否かの通知をチェックする（ステップＳ１０１）。そして、制御部３０３は、バッテリー３０１Ｂが満充電の状態になっているか否か判別し（ステップＳ１０２）、満充電の状態になっていなければ、給電制御スイッチ回路２５０はオンのままとする（ステップＳ１０３）。そして、ステップＳ１０１に戻る。

また、ステップＳ１０２で、バッテリー３０１Ｂが満充電の状態になっていると判別したときには、制御部３０３は、給電制御スイッチ回路２５０をオフに切り替える（ステップＳ１０４）。そして、ステップＳ１０１に戻る。

この第２の実施形態の電力受信装置３００によれば、バッテリー３０１Ｂが満充電の状態になっているときには、電力送信装置１０からの給電を受ける必要がないので、給電制御スイッチ回路２５０が自動的にオフにされる。

したがって、この第２の実施形態の電力受信装置３００によれば、使用者は、第１の実施形態のように、給電制御スイッチを手動で切り替え操作しなくても、不要な交流磁界エネルギー消費を回避して、効率の良い無線電力伝送が可能となる。

また、電力送信装置１０からの交流磁界エネルギーを受ける複数の電力受信装置が、全て、この第３の実施形態の電力受信装置３００の構成を備える場合、複数の電力受信装置の全てが満充電の状態になるまでの時間を短縮化することができる。

すなわち、最初は、複数の電力受信装置３００の全てのバッテリーが満充電の状態でない場合には、電力送信装置１０からの交流磁界エネルギーは、複数の電力受信装置３００に分配されて充電がなされる。しかし、バッテリーが満充電の状態になった電力受信装置では、給電制御スイッチ回路２５０がオフにされて、前記交流磁界エネルギーの中継器となるので、未だ満充電になっていないバッテリーを持つ電力受信装置に伝送される交流磁界エネルギーが増加する。

これにより、電力送信装置１０からの交流磁界エネルギーを、効率よく、複数の電力受信装置の全てが満充電の状態になるまで伝送することができるので、複数の電力受信装置の全てを満充電にするまでの時間を短縮化することができる。

［第３の実施形態；電力伝送システムの実施形態（充電システムの実施形態）］
この第３の実施形態は、第２の実施形態の電力受信装置３００を充電する充電システム（充電装置）の実施形態である。図５は、この第３の実施形態の電力伝送システムとしての充電システムの外観を説明するための図である。

この実施形態の充電システムは、箱型の充電台の内部に電力送信装置１０が設けられ、充電台の上に複数個の電力受信装置３００が載置される構造とされている。

図５（Ａ）は、この実施形態の充電システムを構成する充電台４００の平面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＸ−Ｘ断面図を示すものである。

充電台４００は、非磁性体からなる扁平の箱型形状とされている。この充電台４００の内部には、当該充電台４００の中心位置に給電元としての電力送信装置１０が配置されている。図５（Ａ）に示す点線は、電力送信装置１０の共鳴素子１１を構成する空芯コイルを表している。

そして、この充電台４００における、複数の電力受信装置３００の載置面４００Ａには、電力受信装置３００が置かれるべき位置を示す複数個のマークＭＫ、図５の例では、円形マークが、例えば印刷などにより設けられている。

図５に示すように、マークＭＫは、電力送信装置１０が配置されている充電台４００の中心位置から等距離の円周上に、その中心が位置するように設けられている。これは、充電台に載置される複数個の電力受信装置３００と、電力送信装置１０との間の磁界共鳴関係による結合量が、全て同じになるようにするためである。

つまり、この例では、複数のマークＭＫのひとつの上に電力受信装置３００を載置すれば、どのマークＭＫであっても、その電力受信装置３００は、電力送信装置１０から同等の大きさの交流磁界エネルギーを受けることができる。

そして、この充電台４００の上に複数台の電力受信装置３００が載置されると、最初は、電力送信装置１０からは、全ての電力受信装置３００に均等に交流磁界エネルギーが分配供給される。

そして、いずれかの電力受信装置３００のバッテリー３０１Ｂが満充電になると、その電力受信装置３００の共鳴素子は、前述したように交流磁界エネルギーの中継器になる。したがって、バッテリー３０１Ｂが満充電でない他の電力受信装置３００に対しては、電力送信装置１０からの交流磁界エネルギーに加えて、中継器を経由した交流磁界エネルギーが加算伝送される。

つまり、バッテリー３０１Ｂが満充電となった電力受信装置３００では、受けていた交流磁界エネルギーを、自身で消費することなく、バッテリー３０１Ｂが満充電でない他の電力受信装置３００に中継するようにする。したがって、バッテリー３０１Ｂが満充電でない他の電力受信装置３００に与えられる交流磁界エネルギーは、それまでよりも大きくなる。

よって、この実施形態の充電システムによれば、複数個の電力受信装置に対して効率良く、充電が行われる。

［第４の実施形態；電力伝送システムの実施形態（充電システムの実施形態）］
この第４の実施形態も、第３の実施形態と同様に、電力伝送システムの一例としての充電システムの実施形態である。

この第４の実施形態における充電システムにおいては、充電台を備える基本的な構成は、第３の実施形態と同様であるが、充電電力の給電元の電力送信装置と、充電電力を受電する電力受信装置とは、それぞれ通信手段を備える構成が第３の実施形態と異なる。

そして、この４の実施形態においては、各電力受信装置は、通信手段を通じて、バッテリーの充電残量を、電力送信装置に送る。

電力送信装置は、受信した複数の電力受信装置のそれぞれの充電残量に応じて、充電スケジュールプランを作成し、当該充電スケジュールプランに応じて、複数個の電力受信装置のそれぞれに対して、給電制御スイッチ回路のオン・オフの制御指示を送る。

電力受信装置は、電力送信装置からの制御指示に応じて、自機の給電制御スイッチ回路のオン・オフを実行する。

これにより、この第４の実施形態の充電システムにおいては、複数個の電力受信装置を、適切な充電時間で迅速に充電することができる。

図６に、この第４の実施形態の充電システムを構成する電力送信装置１００と、電力受信装置５００の構成例のブロック図を示す。この図６のブロック図において、前述の実施形態と同一部分には、同一参照符号を付してある。

電力送信装置１００は、共鳴素子１１と、励振素子１２と、周波数信号発生部１３とに加えて、制御部１１１と、通信部１１２とを有する。

制御部１１１は、例えばマイクロコンピュータを備えて構成され、電力受信装置５００から通信部１１２を通じて受信した情報を解析したり、送信情報を生成して、通信部１１２を通じて、電力受信装置５００に送信するようにする。

通信部１１２は、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈやＺｉｇＢｅｅなどで構成される。

また、第２の実施形態の電力受信装置３００と同様に、給電制御スイッチ回路２５０と、充電式バッテリー３０１Ｂを充電する充電回路３０１と、電源スイッチ３０２と、制御部３０３と、操作部３０４を備えると共に、通信部５０１を備える。

充電回路３０１は、第２の実施形態とは若干異なり、制御部３０３に対して、バッテリー３０１Ｂの充電残量（電池残量）を通知すると共に、満充電を通知する。

制御部３０３は、この第４の実施形態では、充電回路３０１から受け取ったバッテリー３０１Ｂの充電残量（電池残量）を、自電力受信装置５００の識別情報とともに、通信部５０１を通じて電力送信装置１００に送信する。

この第４の実施形態では、操作部３０４を通じて、緊急に充電が必要か、ゆっくり充電でも良いか、などの付加情報を入力することができるように構成されている。

制御部３０３は、充電残量の通知の際には、この付加情報を併せて電力送信装置１００に送信するようにする。

また、制御部３０３は、充電回路３０１からバッテリー３０１Ｂが満充電になったことの通知を受け取ったときには、給電制御スイッチ回路２５０をオフにすると共に、当該バッテリー３０１Ｂが満充電になったことの通知を、自電力受信装置５００の識別情報とともに、通信部５０１を通じて電力送信装置１００に送信する。

電力送信装置１００の制御部１１１は、電力受信装置５００からの充電残量の通知や、満充電の通知を受け取ると、充電スケジュールプランを作成あるいは修正する。そして、制御部１１１は、当該充電スケジュールプランに応じて、複数個の電力受信装置のそれぞれに対する給電制御スイッチ回路のオン・オフの制御指示を生成して、通信部１１２を通じて送信する。

［電力送信装置１００の制御部１１１の処理動作］
図７は、電力送信装置１００の制御部１１１が実行する処理動作を説明するためのフローチャートである。

この図７の処理動作は、複数個の給電先としての電力受信装置５００が充電台に載置された後、充電システムの電源がオンとされ、電力送信装置１００に対して、電源供給がなされた場合を想定したものである。

制御部１１１は、通信部１１２で、給電先である複数個の電力受信装置５００から充電残量およびその付加情報を受信する（ステップＳ１１１）。

次に、制御部１１１は、受信した充電残量および付加情報から、複数個の電力受信装置５００に対する充電スケジュールプランを作成する（ステップＳ１１２）。

すなわち、制御部１１１は、受信した情報から各電力受信装置の識別情報を認識し、それぞれの充電残量および充電の緊急性などをチェックする。そして、受信した情報に基づいて、最適な充電スケジュールプランを作成し、その充電スケジュールプランに従って、各電力受信装置について、いずれの給電制御スイッチ回路２５０をオンにするか、あるいはオフにするかを決定する。

次に、制御部１１１は、決定したそれぞれの電力受信装置５００の給電制御スイッチ回路２５０のオン・オフ制御情報を、それぞれの電力受信装置５００に対して、その識別情報と対応させて通信部１１２を通じて送信する（ステップＳ１１３）。

次に、制御部１１１は、いずれかの電力受信装置５００から満充電情報を受信を監視し（ステップＳ１１４）、満充電情報を受信したと判別したときには、全ての電力受信装置５００が満充電となったか否か判別する（ステップＳ１１５）。

ステップＳ１１５で、全ての電力受信装置５００が満充電となってはいないと判別したときには、制御部１１１は、充電が完了していない複数個の電力受信装置５００について、充電スケジュールプランを修正する必要があるか否か判別する（ステップＳ１１６）。すなわち、例えば、バッテリーが満充電ではないが、給電制御スイッチ回路２５０がオフなっているものをオンに変更する必要がある場合があるので、その変更の必要性などを判断する。

ステップＳ１１６で、充電スケジュールプランの修正が必要ないと判別したときには、制御部１１１は、ステップＳ１１４に戻る。

ステップＳ１１６で、充電スケジュールプランを修正する必要があると判別したときには、制御部１１１は、満充電になった機器以外の電力受信装置についての充電スケジュールプランを再作成する。そして、その再作成した充電スケジュールプランに従って、満充電になった機器以外の各電力受信装置５００の給電制御スイッチ回路２５０のオン・オフ制御指示を生成し、各電力受信装置５００に送信する（ステップＳ１１７）。そして、ステップＳ１１４に戻り、このステップＳ１１４以降を繰り返す。

ステップＳ１１５で、全ての電力受信装置５００が満充電となったと判別したときには、制御部１１１は、電力送信装置１００の主電源を切り、この処理ルーチンを終了する。

［電力受信装置５００の制御部３０３の処理動作］
図８は、電力受信装置５００の制御部３０３が実行する処理動作を説明するためのフローチャートである。

制御部３０３は、給電元の電力送信装置１００に対して、自機の識別情報（ＩＤ）と、充電残量と、付加情報とを、通信部５０１を通じて送信する（ステップＳ２０１）。

次に、制御部３０３は、通信部５０１を通じて電力送信装置１００からの給電制御スイッチ回路２５０についてのオンまたはオフ指示を受信したか否か判別する（ステップＳ２０２）。

ステップＳ２０２で、給電制御スイッチ回路２５０についてのオンまたはオフ指示を受信してはいないと判別したときには、制御部３０３は、このステップＳ２０２を繰り返す。

また、ステップＳ２０２で、給電制御スイッチ回路２５０についてのオンまたはオフ指示を受信したと判別したときには、制御部３０３は、給電制御スイッチ回路２５０を受信した指示通りにオンまたはオフに制御する（ステップＳ２０３）。

次に、制御部３０３は、給電制御スイッチ回路２５０はオフとなっているか否か判別し（ステップＳ２０４）、オフとなっていると判別したときには、ステップＳ２０２に戻り、このステップＳ２０２以降の処理を繰り返す。

ステップＳ２０４で、給電制御スイッチ回路２５０はオフとなってはいないと判別したときには、制御部３０３は、バッテリー３０１Ｂが満充電になったか否か判別する（ステップＳ２０５）。

ステップＳ２０５で、バッテリー３０１Ｂが満充電になってはいないと判別したときには、制御部３０３はステップＳ２０２に戻り、このステップＳ２０２以降の処理を繰り返す。

ステップＳ２０５で、バッテリー３０１Ｂが満充電になったと判別したときには、制御部３０３は、給電元の電力送信装置１００に通信部５０１を通じて、満充電情報を、自機ＩＤと共に送信する（ステップＳ２０６）。

また、制御部３０３は、給電制御スイッチ回路２５０をオフに切り替え（ステップＳ２０７）、この処理ルーチンを終了する。

［他の実施形態および変形例］
なお、以上の例の説明では、電力送信装置１０からの交流磁界エネルギーを、給電制御スイッチがオフ状態である電力受信装置２００が他の電力受信装置に中継する場合のみを説明した。しかしながら、給電制御スイッチがオフ状態である電力受信装置２００が複数個存在する状況では、中継器として働く他の電力受信装置からの交流磁界エネルギーを、さらに他の電力受信装置に伝送するようにする場面も生じるものである。

また、上述の第４の実施形態の電力伝送システムは、充電システムの場合であるが、これに限られるものではない。例えば、複数個の電力受信装置のそれぞれは、充電式のバッテリーを備えるものではないが、自機が作動する必要があるか否かを電力送信装置に通知する機能を備える。一方、電力送信装置は、その通知に基づいて、電力受信装置の給電制御スイッチ回路をオン・オフ制御する指示を送るようにする機能を備える。

このような電力伝送システムによれば、電力送信装置は、電力受信装置からの自機が作動する必要があるか否かの情報を監視して、給電制御スイッチ回路をオン・オフ制御する指示を送ることで、常に、給電の必要な電力受信装置にのみ、適切に給電ができる。

また、上述の実施形態では、共鳴素子２１と整流回路２３との間には、励振素子２２を設けて、インピーダンス変換を行って、効率の良い交流電力伝送を行うようにしたが、励振素子は省略しても良い。

すなわち、その場合には、共鳴素子２１の両端を、整流回路２３の入力端の一方および他方に接続するようにするのであるが、この発明においては、給電制御スイッチを、共鳴素子２１の両端の一方と、整流回路２３の入力端の一方との間に設ける。

そして、この場合の給電制御スイッチは、電力受信装置で電力送信装置からの電力の供給を受けるときには、共鳴素子２１からの交流電流を整流回路２３へ供給する状態に切り替える。また、給電制御スイッチは、共鳴素子２１からの交流電流の整流回路２３への供給を遮断するときには、共鳴素子２１の一方の端部と整流回路２３の入力端の一方との接続を切断すると共に、共鳴素子２１の両端を接続してループコイルを形成するように切り替える。これにより、共鳴素子２１は、他の共鳴素子との磁界共鳴結合が可能の状態となる。

なお、以上の実施形態は、共鳴素子同士の共鳴関係が磁界共鳴の場合について説明したが、電界共鳴の場合にも、この発明は適用可能であることは言うまでもない。

１０，１００…電力送信装置、２０，２００，４００，５００…電力受信装置、１１，２１…共鳴素子、１２，２２…励振素子、１３…周波数信号発生部、２３…整流回路、２５…給電制御スイッチ、２５０…給電制御スイッチ回路、３０１…充電回路、３０３…制御部、１１２，５０１…通信部

Claims (14)

1. 特定の共鳴周波数を有し、非接触で他の共鳴素子と共鳴関係により結合する共鳴素子と、
   前記共鳴素子で受け取ったエネルギーに応じた前記共鳴周波数の交流電流を整流する整流手段と、
   前記共鳴素子からの前記交流電流の前記整流手段への供給路を遮断制御するためのスイッチ手段と、
   を備え、
   前記共鳴素子は、前記スイッチ手段により前記交流電流の前記整流手段への供給路を遮断したときにも、他の共鳴素子との共鳴関係により結合する状態を保持する
   電力受電装置。
2. 請求項１に記載の電力受信装置において、
   前記共鳴素子は、ループ上の電流路を保持することにより、前記他の共鳴素子との共鳴関係により結合する状態を保持する
   電力受電装置。
3. 請求項１に記載の電力受信装置において、
   前記共鳴素子に対して電磁誘導によって結合する励振素子を備え、
   前記共鳴素子と前記励振素子との電磁誘導結合によって前記励振素子に流れる誘導電流が前記整流手段に供給されて整流されると共に、前記スイッチ手段は、前記励振素子からの前記誘導電流の前記整流手段への供給路を遮断制御する位置に設けられる
   電力受信装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の電力受信装置において、
   前記スイッチ手段は、使用者の手動操作に応じて切り替え制御される
   電力受信装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の電力受信装置において、
   前記整流手段で整流されて得られる直流電流を電源電流として受ける負荷と、
   前記負荷を作動させるか否かを指示入力するため指示入力手段と、
   前記指示入力手段を通じた、前記負荷を作動させないとの指示入力に応じて、前記スイッチ手段を、前記供給路を通じた電流の整流手段への供給を遮断する状態に制御する手段と、
   を備える電力受信装置。
6. 請求項１または請求項２に記載の電力受信装置において、
   充電式のバッテリーと、
   前記整流手段で整流されて得られる直流電流により前記バッテリーを充電する充電回路と、
   前記バッテリーが満充電になったことを検知する検知手段と、
   前記検知手段で前記バッテリーが満充電になったことを検知したときに、前記スイッチ手段を前記供給路を通じた電流の整流手段への供給を遮断する状態に制御する手段と、
   を備える電力受信装置。
7. 請求項１または請求項２に記載の電力受信装置において、
   無線通信手段を備え、
   前記無線通信手段で受信した指示情報に基づいて前記スイッチ手段を切り替え制御する
   電力受信装置。
8. 電力送信装置と、複数個の電力受信装置とからなる電力伝送システムであって、
   前記電力送信装置は、
   特定の共鳴周波数を有し、非接触で他の共鳴素子と共鳴関係により結合する第１の共鳴素子と、
   前記共鳴周波数の交流電流を前記第１の共鳴素子に供給する周波数信号発生手段と、
   を備え、
   前記複数個の電力受信装置のそれぞれは、
   前記共鳴周波数を有し、非接触で他の共鳴素子と共鳴関係により結合する第２の共鳴素子と、
   前記第２の共鳴素子で受け取ったエネルギーに応じた前記共鳴周波数の交流電流を整流する整流手段と、
   を備えると共に、
   前記複数個の電力受信装置の少なくとも一つは、
   前記第２の共鳴素子からの前記交流電流の前記整流手段への供給を遮断制御するためのスイッチ手段をさらに備えると共に、前記第２の共鳴素子は、前記スイッチ手段により前記交流電流の前記整流手段への供給路を遮断したときにも、他の共鳴素子との共鳴関係により結合する状態を保持するようにし、
   前記スイッチ手段が前記供給路を遮断する状態に制御されている前記電力受信装置の前記第２の共鳴素子は、前記電力送信装置の前記第１の共鳴素子、または、他の前記電力受信装置の第２の共鳴素子と、共鳴関係により結合すると共に、さらに他の前記電力受信装置の前記第２の共鳴素子と共鳴関係により結合して、前記電力送信装置からの電力の送信の中継を行う
   電力伝送システム。
9. 請求項８に記載の電力伝送システムにおいて、
   前記複数個の電力受信装置のそれぞれは、
   前記第２の共鳴素子に対して電磁誘導によって結合する励振素子を備え、
   前記第２の共鳴素子と前記励振素子との電磁誘導結合によって前記励振素子に流れる誘導電流が前記整流手段に供給されて整流されると共に、前記スイッチ手段は、前記励振素子からの前記誘導電流の前記整流手段への供給を遮断制御する位置に設けられる
   電力伝送システム。
10. 特定の共鳴周波数を有し、非接触で他の共鳴素子と共鳴関係により結合する第１の共鳴素子と、
    前記第１の共鳴素子で受け取ったエネルギーに応じた前記共鳴周波数の交流電流を整流する整流手段と、
    前記第１の共鳴素子からの前記交流電流の前記整流手段への供給を遮断制御するためのスイッチ手段と、
    充電式のバッテリーと、
    前記整流手段で整流されて得られる直流電流により前記バッテリーを充電する充電回路と、
    を備え、前記第１の共鳴素子は、前記スイッチ手段により前記交流電流の前記整流手段への供給路を遮断したときにも、他の共鳴素子との共鳴関係により結合する状態を保持する電力受電装置の前記バッテリーを充電する充電装置であって、
    特定の共鳴周波数を有し、非接触で他の共鳴素子と共鳴関係により結合する第２の共鳴素子と、
    前記共鳴周波数の交流電流を前記第２の共鳴素子に供給する周波数信号発生手段と、
    複数個の前記電力受信装置が載置可能とされ、載置された前記複数個の電力受信装置のそれぞれの前記第１の共鳴素子と、前記第２の共鳴素子とが、共鳴関係により結合するようにされた載置台と、
    を備える充電装置。
11. 請求項１０に記載の充電装置において、
    前記電力受信装置は、
    前記バッテリーが満充電になったことを検知する検知手段と、
    前記検知手段で前記バッテリーが満充電になったことを検知したときに、前記スイッチ手段を前記供給路を遮断状態に制御する手段と、
    を備える充電装置。
12. 請求項１０に記載の充電装置において、
    前記電力受信装置と無線通信する無線通信手段を備え、
    前記無線通信手段により前記電力受信装置から受信した情報に基づいて、前記電力受信装置の前記スイッチ手段を切り替え制御する情報を生成し、前記無線通信手段を通じて前記電力受信装置に供給して、前記スイッチ手段を切り替え制御する
    充電装置。
13. 請求項１０に記載の充電装置において、
    前記載置台には、前記電力受信装置の推奨載置位置を示す表示がなされている
    充電装置。
14. 特定の共鳴周波数を有し、非接触で他の共鳴素子と共鳴関係により結合する第１の共鳴素子と、
    前記共鳴周波数の交流電流を前記第１の共鳴素子に供給する周波数信号発生手段と、
    を備える電力送信装置と、
    前記共鳴周波数を有し、非接触で他の共鳴素子と共鳴関係により結合する第２の共鳴素子と、
    前記第２の共鳴素子で受け取ったエネルギーに応じた前記共鳴周波数の交流電流を整流する整流手段と、
    を備える電力受信装置の複数個とからなる電力伝送システムであって、
    前記複数個の電力受信装置のうちの少なくとも１個は、
    前記第２の共鳴素子からの前記交流電流の前記整流手段への供給を遮断制御するためのスイッチ手段を備え、前記第２の共鳴素子は、前記スイッチ手段により前記交流電流の前記整流手段への供給路を遮断したときにも、他の共鳴素子との共鳴関係により結合する状態を保持する
    電力伝送システムにおける電力伝送方法であって、
    前記スイッチ手段を、前記供給路を遮断する状態に制御して、当該スイッチ手段により前記供給が遮断された状態にされた前記電力受信装置の前記第２の共鳴素子を、前記電力送信装置の前記第１の共鳴素子、または、他の前記電力受信装置の第２の共鳴素子と共鳴関係により結合させると共に、さらに他の前記電力受信装置の前記第２の共鳴素子と共鳴関係により結合させて、前記電力送信装置からの電力の送信の中継を行う
    電力伝送方法。

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