JP2011244684A - 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給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】共振周波数や位相を正確にチューニング可能なワイヤレス給電装置、受電装置および給電システムを提供する。
【解決手段】ワイヤレス受電装置３００ｃは、ブリッジ回路１２ｃと、ブリッジ回路１２ｃを制御する制御部１４を備える。ワイヤレス給電装置２００ｃは、ワイヤレス受電装置３００ｃに対して電力信号Ｓ１とともに、ブリッジ回路１２ｃの制御タイミングを示す制御信号Ｓ３を送出する。受信機３２は、ワイヤレス給電装置２００ｃから送出される制御信号Ｓ３を受信する。制御部１４は、ブリッジ回路１２ｃを制御信号Ｓ３に応じて制御する。
【選択図】図７

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。ワイヤレス電力伝送は、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.

磁場（電場）共鳴型の電力伝送において重要となるのが共鳴する共振周波数であり、この周波数を正確に合わせなければ、電力伝送が行えない。ところが現実的には、さまざまな要因によって共振周波数は変動する。この変動した共振周波数を、受電装置側において、給電装置から伝送されてくる磁界（電界）そのものにもとづいてチューニングすることは難しい。なぜなら、受電装置側で検出される共振周波数は、受電装置側の共振周波数や位相の状態に応じてさらに変動する可能性があるからである。

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、共振周波数や位相を正確にチューニング可能なワイヤレス給電装置、受電装置および給電システムの提供にある。

本発明のある態様は、ワイヤレス給電装置から送出される電界、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。ワイヤレス受電装置は、電力信号を受信するための受信コイルと、受信コイルに接続され、その内部の各スイッチのオン、オフ状態が、第１状態と第２状態で切りかえ可能に構成されたブリッジ回路と、給電装置から送出される、第１状態と前記第２状態の切りかえの周波数情報および位相情報の少なくとも一方を含む制御信号を受信する受信機と、ブリッジ回路の第１状態と第２状態を、制御信号に応じて切りかえる制御部と、を備える。

ワイヤレス受電装置のＱ値は、ブリッジ回路の第１状態と第２状態の切りかえのタイミング、言い換えれば共振周波数および位相に応じて変化する。つまりワイヤレス給電装置からワイヤレス受電装置に給電される電力すなわち給電効率は、ワイヤレス受電装置における第１状態と第２状態の切りかえのタイミングに応じて変化する。ワイヤレス給電装置は、自らがワイヤレス受電装置に給電した電力を知ることができるため、この電力が最大値あるいは所定値となるように、制御信号を発生することにより、給電装置における共振周波数や位相を所望の給電量が得られるように柔軟に制御できる。

制御信号は、周波数情報と位相情報の両方を含んでもよい。この場合、制御信号は、第１状態と第２状態の切りかえのタイミングを示すパルス信号であってもよい。

制御信号は、第１状態と第２状態の切りかえの周波数情報を含んでもよい。この場合、受電装置においては制御信号に応じて周波数をチューニングし、給電装置において電力信号の位相を調節することで、給電量を制御できる。

制御信号は光信号であってもよい。あるいは制御信号は電波であってもよい。

制御信号は暗号化されてもよい。本ワイヤレス受電装置は、受信機が受信した制御信号を復号化する復号器をさらに備えてもよい。
この場合、復号するためのキーを有するワイヤレス受電装置に対してのみ、選択的に給電を行うことができる。

ブリッジ回路は、受信コイルと閉ループを形成するように順に直列に接続された第１、第２スイッチであって、当該第１、第２スイッチの接続点がその第１端子の電位が固定されているキャパシタの第２端子と接続された第１、第２スイッチと、第１、第２スイッチと並列な経路に順に直列に設けられた第３、第４スイッチであって、当該第３、第４スイッチの接続点の電位が固定されている第３、第４スイッチと、を含んでもよい。制御部は、第１スイッチおよび第４スイッチがオンし、第２スイッチおよび第３スイッチがオフする第１状態と、第１スイッチおよび第４スイッチがオフし、第２スイッチおよび第３スイッチがオンする第２状態と、を制御信号が示すタイミングで切りかえてもよい。

制御部は、制御信号に応じて、第１、第２状態に加え、第１、第２スイッチが両方オンする第３状態もしくは第３、第４スイッチが両方オンする第４状態を切りかえてもよい。第３あるいは第４状態では、受信コイルと共振用キャパシタおよびオンする２つのスイッチによって、直列な共振ループが形成され、最もＱ値の高い状態を作り出すことができる。

制御部は、制御信号に応じて、第１、第２状態に加え、第１から第４スイッチがすべてオフする第５状態を切りかえてもよい。スイッチングの周期は一定としつつ、第１状態から第２状態への間および第２状態から第１状態への間に第５状態を挿入し、その長さを調節することにより、受信コイルや共振用キャパシタの回路定数を変更することなく、実効的な共振周波数を調節することができる。

第１、第２スイッチは、受信コイルに代えて、受信コイルと密に結合された補助コイルと閉ループを形成するように設けられてもよい。

本発明の別の態様は、ワイヤレス受電装置に対し、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送出するワイヤレス給電装置に関する。ワイヤレス受電装置は、電力信号を受信するための受信コイルと、その第１端子の電位が固定されたキャパシタと、受信コイルとキャパシタとの間に設けられ、その内部の各スイッチのオン、オフ状態が、第１状態と第２状態で切りかえ可能に構成されたブリッジ回路と、給電装置から送出される、第１状態と第２状態の切りかえの周波数情報および位相情報の少なくとも一方を含む制御信号を受信する受信機と、ブリッジ回路の第１状態と前記第２状態を、制御信号に応じて切りかえる制御部と、を備える。ワイヤレス給電装置は、電力信号を送信するための送信コイルと、制御信号を生成する制御信号生成部と、制御信号を送信するための送信機と、を備える。

ワイヤレス受電装置のＱ値は、ブリッジ回路の第１状態と第２状態の切りかえのタイミングに応じて変化する。つまりワイヤレス給電装置からワイヤレス受電装置に給電される電力、言い換えれば給電効率は、ワイヤレス受電装置における第１状態と第２状態の切りえのタイミングに応じて変化する。ワイヤレス給電装置は、自らがワイヤレス受電装置に給電した電力を知ることができるため、この電力が最大値、あるいは所定値となるように、制御信号を発生することにより、給電量を任意に制御することができる。

制御信号は、周波数情報と位相情報の両方を含んでもよい。この場合、制御信号は、第１状態と第２状態の切りかえのタイミングを示すパルス信号であってもよい。

制御信号生成部は、送信コイルに印加される電圧と送信コイルに流れる電流にもとづいて、第１状態と第２状態の切りかえのタイミングを決定してもよい。

制御信号は、第１状態と第２状態の切りかえの周波数情報のみを含んでもよい。ワイヤレス給電装置は、送信コイルに印加される電圧と送信コイルに流れる電流にもとづいて、送信コイルから送信する電力信号の位相を調節してもよい。

制御信号は可視光信号であってもよい。送信機は、可視光信号である制御信号を、ワイヤレス受電装置が電力信号を受信可能な範囲に照射してもよい。
この場合、ワイヤレス受電装置が搭載される機器のユーザは、制御信号が照射される明るい領域を目印として、受電可能な位置を知ることができる。

ワイヤレス給電装置は、制御信号を暗号化する暗号化部をさらに備えてもよい。
この場合、復号するためのキー（コード）を有するワイヤレス受電装置に対してのみ、選択的に給電を行うことができる。

本発明の別の態様は、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、電力信号を受信するための受信コイルと、受信コイルとともに共振回路を形成する共振用キャパシタと、給電装置から送出される、電力信号の周波数を示す制御信号を受信する受信機と、制御信号に応じて、共振回路のインピーダンスを変化させ、共振回路を電力信号と共振させる制御部と、を備える。

制御信号は暗号化されてもよい。ワイヤレス受電装置は、受信機が受信した制御信号を復号化する復号器をさらに備えてもよい。

本発明の別の態様は、ワイヤレス受電装置に関する。ワイヤレス給電装置は、電力信号を送信するための送信コイルと、制御信号を生成する制御信号生成部と、制御信号を送信するための送信機と、を備える。

ワイヤレス給電装置は、制御信号を暗号化する暗号化部をさらに備えてもよい。

制御信号は可視光信号であってもよい。送信機は、可視光信号である制御信号を、ワイヤレス受電装置が電力信号を受信可能な範囲に照射してもよい。

本発明のさらに別の態様は、ワイヤレス給電システムである。このワイヤレス給電システムは、上述のいずれかのワイヤレス給電装置と、上述のいずれかのワイヤレス受電装置と、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、共振周波数や位相を正確にチューニングできる。

第１の実施の形態に係るワイヤレス給電システムの構成を示す回路図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、図１のワイヤレス受電装置の動作を示す回路図である。 図１のワイヤレス受電装置の動作を示す波形図である。 比較技術としての同期整流回路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受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受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７のワイヤレス給電システムの動作を示すタイムチャートである。 第１の変形例に係るワイヤレス給電システムの構成を示す図である。 第２の変形例に係るワイヤレス給電システムの構成を示す図である。 第３の実施の形態に係るワイヤレス給電システムの構成を示す図である。 第２、第３の実施の形態に係るワイヤレス給電システムの設置例を示す図である。

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」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）
図１は、第１の実施の形態に係るワイヤレス給電システム１００の構成を示す回路図である。この回路図には、回路定数が例示されるが、これらの数値は本発明を限定するものではない。ワイヤレス給電システム１００は、ワイヤレス給電装置２００およびワイヤレス受電装置３００を備える。はじめにワイヤレス給電装置２００の構成を説明する。

ワイヤレス給電装置２００は、ワイヤレス受電装置３００に対して電力信号を送出する。ワイヤレス給電システム１００では、電力信号Ｓ１として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２００は、交流電源１０、送信コイルＬ１、キャパシタＣ２を備える。交流電源１０は、所定の周波数を有する、あるいは周波数変調された、もしくは位相変調、振幅変調などが施された電気信号Ｓ２を発生する。本実施の形態においては説明の簡潔化と理解の容易化のため、電気信号Ｓ２が一定の周波数を有する交流信号である場合を説明する。たとえば電気信号Ｓ２の周波数は、数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚの間で適宜選択される。

送信コイルＬ１は、交流電源１０が発生した電気信号Ｓ２を、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む近傍界（電力信号）Ｓ１として空間に放射するアンテナである。送信キャパシタＣ２は、送信コイルＬ１と直列に設けられる。抵抗Ｒ１は、送信コイルＬ１と直列な抵抗成分を示す。

以上がワイヤレス給電装置２００の構成である。続いてワイヤレス受電装置３００の構成を説明する。

ワイヤレス受電装置３００は、ワイヤレス給電装置２００から送出される電力信号Ｓ１を受信する。ワイヤレス受電装置３００は、受信コイルＬ２、共振用キャパシタＣ１、Ｈブリッジ回路１２、制御部１４、電力保存用キャパシタＣ３を備える。共振用キャパシタＣ１は、受信コイルＬ２とともに共振回路を形成する。

受信コイルＬ２は、送信コイルＬ１からの電力信号Ｓ１を受信する。受信コイルＬ２には、電力信号Ｓ１に応じた誘起電流（共振電流）Ｉ_ＣＯＩＬが流れ、ワイヤレス受電装置３００はこの誘起電流から電力を取り出す。

電力保存用キャパシタＣ３の第１端子は接地され、その電位が固定されている。Ｈブリッジ回路１２は、第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４を含む。第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２は、受信コイルＬ２および共振用キャパシタＣ１と閉ループを形成するように順に直列に接続される。第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２の接続点Ｎ１は、電力保存用キャパシタＣ３の第２端子と接続される。損失抵抗Ｒ２は、ワイヤレス受電装置３００における損失を示している。負荷抵抗Ｒ３は、電力保存用キャパシタＣ３に蓄えられた電力によって駆動される負荷を示しており、回路素子としての抵抗を意味するものではない。負荷抵抗Ｒ３には、電力保存用キャパシタＣ３に生ずる電圧Ｖ_ＰＷＲが供給される。

第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４は、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２と並列な経路に、順に直列に設けられる。第３スイッチＳＷ３と第４スイッチＳＷ４の接続点Ｎ２は接地されて、その電位が固定されている。

Ｈブリッジ回路１２を構成する第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）あるいはバイポーラトランジスタ、あるいはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子を用いて構成できる。

制御部１４は第１スイッチＳＷ１から第４スイッチＳＷ４を制御する。
具体的には制御部１４は、第１状態φ１と、第２状態φ２が切りかえ可能に構成される。第１状態φ１において、第１スイッチＳＷ１および第４スイッチＳＷ４がオンし、第２スイッチＳＷ２および第３スイッチＳＷ３がオフする。第２状態φ２において、第１スイッチＳＷ１および第４スイッチＳＷ４がオフし、第２スイッチＳＷ２および第３スイッチＳＷ３がオンする。

受信コイルＬ２に生ずる誘起電流Ｉ_ＣＯＩＬが交流波形を有している。制御部１４は、誘起電流Ｉ_ＣＯＩＬがそれぞれピークおよびボトム付近となるタイミングで、第１状態φ１と第２状態φ２を切りかえる。

以上がワイヤレス給電システム１００の構成である。続いてその動作を説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、図１のワイヤレス受電装置３００の動作を示す回路図である。図２（ａ）は第１状態φ１における各スイッチの状態および電流の様子を、図２（ｂ）は第２状態φ２における各スイッチの状態および電流の様子を示す。図３は、図１のワイヤレス受電装置３００の動作を示す波形図である。図３には上から順に、電力保存用キャパシタＣ３に生ずる電圧Ｖ_ＰＷＲ、電力保存用キャパシタＣ３に流れ込む電流Ｉ_Ｃ３、第２スイッチＳＷ２および第３スイッチＳＷ３の状態、第１スイッチＳＷ１および第４スイッチＳＷ４の状態、ならびに受信コイルＬ２の誘起電流Ｉ_ＣＯＩＬを示す。

図３において、第２スイッチＳＷ２および第３スイッチＳＷ３は、＋１Ｖのときがフルオンに、０Ｖのときがオフに対応する。また第１スイッチＳＷ１および第４スイッチＳＷ４は、−１Ｖのときがフルオンに、０Ｖのときがオフに対応する。スイッチの状態を示す電圧レベルは便宜的なものである。また、電流波形は、図１の矢印の方向を正にとっている。

いま、図１のワイヤレス給電装置２００から交流の電力信号Ｓ１が送出される。この電力信号Ｓ１に応じて、受信コイルＬ２には誘起電流Ｉ_ＣＯＩＬは交流電流が流れる。

制御部１４は、電力信号Ｓ１と同期して、第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４のオン、オフ状態を制御する。第１状態φ１では、図２（ａ）に示すように接地端子から第４スイッチＳＷ４、受信コイルＬ２、共振用キャパシタＣ１、第１スイッチＳＷ１を介して電流Ｉ_Ｃ３が流れる。第２状態φ２では、図２（ｂ）に示すように接地端子から第３スイッチＳＷ３、受信コイルＬ２、共振用キャパシタＣ１、第２スイッチＳＷ２を介して電流Ｉ_Ｃ３が流れる。

電力保存用キャパシタＣ３が十分な大きな容量を持ち、電圧源として扱えるとすると、共振回路の駆動電圧として利用することが可能である。そこで、Ｈブリッジ回路１２および制御部１４によって、電力保存用キャパシタＣ３を受信コイルＬ２に対して、誘起電流（共振電流）Ｉ_ＣＯＩＬのゼロクロス点に対して９０度シフトした位相でカップリングすることにより、受信コイルＬ２の抵抗成分などによる損失を、電源である電力保存用キャパシタＣ３によって補うことができる。

共振回路のＱ値は、抵抗Ｒに反比例するところ、電力保存用キャパシタＣ３によって抵抗Ｒによる損失を完全に補うことができれば、抵抗Ｒはゼロとみなすことができ、Ｑ値が無限大（∞）の共振回路と等価となる。

このように、実施の形態に係るワイヤレス受電装置３００によれば、Ｈブリッジ回路１２によって電力保存用キャパシタＣ３の生ずる電圧を、受信コイルＬ２に対して適切なタイミングで印加することにより、実効的なＱ値を非常に高めることができる。

ワイヤレス受電装置３００のＱ値が高くなると、送信コイルＬ１と受信コイルＬ２の間の結合係数ｋが小さくても、言い換えればワイヤレス受電装置３００とワイヤレス給電装置２００の距離が長い場合であっても、高効率な電力伝送が実現できる。

なお、第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４のオン、オフを切りかえるタイミングは、図３で説明したそれには限定されない。オン、オフを切りかえるタイミングを制御することにより、共振回路のＱ値をコントロールできるため、積極的に低いＱ値を実現したい場合には、オン、オフの切りかえタイミングを図３のそれから意図的にずらしてもよい。

また、図１の構成によれば、Ｑ値を増大するためのＨブリッジ回路１２が、整流回路としても機能するため、後述する変形例のように、ダイオードなどを有する整流回路が不要となるというメリットもある。

なお、上述のＨブリッジ回路１２を、一般的な同期整流回路と混同してはならない。図４は、比較技術としての同期整流回路の動作を示す波形図である。同期整流回路では、共振電流Ｉ_ＣＯＩＬのゼロクロス点のタイミングで、第１状態φ１と第２状態φ２が切りかえられる。この場合、電力保存用キャパシタＣ３に流れ込む電流Ｉ_Ｃ３は、全波整流された波形となる。ただし、ダイオードによる整流とは異なり電圧ロスは存在しない。このような同期整流回路では、共振回路の損失を補うことができず、Ｑ値を高めることはできない。

以上、本発明について、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。

図５は、第１の変形例に係るワイヤレス受電装置３００ａの構成を示す回路図である。なお図１と重複する一部の回路は省略している。図５のワイヤレス受電装置３００ａが図１のワイヤレス受電装置３００と異なる点は、負荷の位置である。具体的に図５においては、抵抗Ｒ３ではなく、抵抗Ｒ６が負荷となっている。電力保存用キャパシタＣ３と並列な抵抗Ｒ３は無視して差し支えない。

図５のワイヤレス受電装置３００ａは、図１のワイヤレス受電装置３００に加えて、補助コイルＬ３、整流回路１６、インダクタＬ４を備える。

補助コイルＬ３は受信コイルＬ２と密に結合されている。整流回路１６は、補助コイルＬ３に流れる電流Ｉ_Ｌ３を全波整流する。インダクタＬ４は、整流回路１６の出力側に、負荷抵抗Ｒ６と直列に設けられる。

図５の構成によれば、受信コイルＬ２および共振用キャパシタＣ１を含む共振回路のＱ値が、Ｈブリッジ回路１２および電力保存用キャパシタＣ３を含むＱ値増大回路によって増大される。その結果、受信コイルＬ２と密に結合された補助コイルＬ３にも、大きな電流Ｉ_Ｌ３が誘起され、負荷抵抗Ｒ６に大電力を供給することができる。

図６は、第２の変形例に係るワイヤレス受電装置３００ｂの構成を示す回路図である。ワイヤレス受電装置３００ｂは、受信コイルＬ２と密に結合された補助コイルＬ３を備える。そしてＨブリッジ回路１２ｂは、受信コイルＬ２ではなく、補助コイルＬ３に接続される。Ｈブリッジ回路１２ｂと電力保存用キャパシタＣ３の間には、並列に接続されたインダクタＬ４および抵抗Ｒ５が設けられる。

整流回路１６ｂは、受信コイルＬ２および共振用キャパシタＣ１を含む共振回路に流れる電流を全波整流する。電力保存用キャパシタＣ４は整流回路１６ｂの出力側に設けられており、整流回路１６ｂにより全波整流された電流を平滑化する。電力保存用キャパシタＣ４に生ずる電圧が負荷抵抗Ｒ６に供給される。

図６の構成によれば、Ｈブリッジ回路１２ｂおよび電力保存用キャパシタＣ３を含むＱ値増大回路は、補助コイルＬ３を介して、受信コイルＬ２および共振用キャパシタＣ１を含む共振回路のＱ値を増大することができる。その結果、電力を高効率で受信できる。

（第２の実施の形態）
図７は、第２の実施の形態に係るワイヤレス給電システム１００ｃの構成を示す図である。ワイヤレス給電システム１００ｃは、ワイヤレス給電装置２００ｃ、ワイヤレス給電装置２００ｃを備える。

ワイヤレス受電装置３００ｃは、受信コイルＬ２、電力保存用キャパシタＣ３、Ｈブリッジ回路１２、制御部１４、受信機３２および負荷であるデバイスＲ３を備える。

受信コイルＬ２は、電力信号Ｓ１を受信する。電力保存用キャパシタＣ３は、その一端の電位が固定されている。ブリッジ回路１２ｃは、受信コイルＬ２とキャパシタＣ３との間に設けられ、その内部の各スイッチのオン、オフ状態が、第１状態φ１と第２状態φ２で切りかえ可能に構成される。ブリッジ回路１２ｃは、図１のＨブリッジ回路１２であってもよいし、別の構成の、たとえばハーフブリッジ回路であってもよい。つまりブリッジ回路１２ｃは、第１状態φ１と第２状態φ２の切りかえタイミングに応じて、受信側のＱ値を制御可能であれば、その構成は限定されない。またブリッジ回路１２ｃと、受信コイルＬ２およびデバイスＲ３との接続態様は、図７に限定されず、図５や図６の構成としてもよい。

受信機３２は、ワイヤレス給電装置２００ｃから送出される制御信号Ｓ３を受信する。制御信号Ｓ３は、第１状態φ１と第２状態φ２の切りかえの周波数情報および位相情報の少なくとも一方を含む。第２の実施の形態では、制御信号Ｓ３が周波数情報と位相情報の両方を含む場合、すなわち、制御信号Ｓ３が第１状態φ１と第２状態φ２の切りかえタイミングを示す場合を説明する。制御信号Ｓ３はたとえば光信号であり、切りかえタイミングごとにレベルが遷移する、あるいはエッジを有するパルス信号であってもよい。この場合、受信機３２として、フォトダイオードやフォトトランジスタを利用することができる。もちろん制御信号Ｓ３は、光信号に限定されず、電波あるいは磁気であってもよい。この場合、受信機３２はコイルを有する電波受信機であってもよい。

制御部１４は、ブリッジ回路１２ｃの第１状態φ１と第２状態φ２を、制御信号Ｓ３が示すタイミングで交互に切りかえる。以上がワイヤレス受電装置３００ｃの構成である。

ワイヤレス給電装置２００ｃは、交流電源１０、制御信号生成部２０、送信コイルＬ１、送信機２２を備える。

送信コイルＬ１は、電力信号Ｓ１を送信する。交流電源１０は、所定の周波数ｆを有する、あるいは周波数変調された、もしくは位相変調、振幅変調などが施された電気信号Ｓ２を発生する。説明の簡略化および理解の容易のため、本実施の形態においても、交流電源１０は、一定の周波数ｆの交流信号を発生するものとする。

制御信号生成部２０は、制御信号Ｓ３を生成する。上述のように、制御信号Ｓ３は、ワイヤレス受電装置３００ｃにおいて第１状態φ１と第２状態φ２を切りかえるタイミングを指示する信号である。より具体的にいえば、切りかえタイミングは、切りかえの周波数ｆ（共振周波数）と、切りかえの位相θによって規定される。

制御信号生成部２０は、この共振周波数ｆを、交流電源１０が発生する電気信号Ｓ２の周波数ｆに応じて決定することができる。

また制御信号生成部２０は、送信コイルＬ１において消費される電力、言い換えれば受信コイルＬ２に給電される電力に応じて、切りかえの位相θを決定することができる。たとえば送信コイルＬ１と受信コイルＬ２の間の結合係数がゼロであれば、ワイヤレス給電装置２００ｃの送信コイルＬ１における消費電力は実質的にゼロとなる。送信コイルＬ１と受信コイルＬ２の結合係数が高くなれば、送信コイルＬ１での消費電力が増大する。

制御信号生成部２０は、送信コイルＬ１に印加される電圧Ｖ_Ｌ１と、送信コイルＬ１に流れる電流Ｉ_Ｌ１にもとづいて、切りかえの位相θを決定することができる。すなわち、電圧Ｖ_Ｌ１と電流Ｉ_Ｌ１の積である電力が、最大値、あるいは所望の値に近づくように、切りかえ位相θを制御することができる。

たとえば最大の電力を送信したい場合には、制御信号生成部２０は、コイル電流Ｉ_Ｌ１とコイル電圧Ｖ_Ｌ１の位相が一致するように制御信号Ｓ３の位相θを制御する。反対に、制御信号Ｓ３の位相θを意図的に伝送効率が最大となるタイミングからシフトすることにより、給電電力を制限することも可能である。

送信機２２は、制御信号生成部２０において生成された制御信号Ｓ３を光信号に変換し、ワイヤレス受電装置３００ｃへと送信する。送信機２２は、ＬＥＤ（発光ダイオード）やレーザダイオードなどを利用することができる。制御信号Ｓ３が電磁波の場合、送信機２２は電波発信機を用いればよい。

以上がワイヤレス給電システム１００ｃの構成である。続いてその動作を説明する。
図８は、図７のワイヤレス給電システム１００ｃの動作を示すタイムチャートである。
制御信号Ｓ３は、電力信号Ｓ１の周波数の２倍の周波数を有し、かつブリッジ回路１２ｃの切りかえタイミングにエッジを有するパルス信号であり、制御信号Ｓ３と電力信号Ｓ１の間には位相差θが存在する。制御信号生成部２０は、電力信号Ｓ１の周波数に応じて制御信号Ｓ３の周波数を制御するとともに、電力信号Ｓ１に対する制御信号Ｓ３の位相θを制御する。

これにより、ワイヤレス受電装置３００ｃのブリッジ回路１２ｃのスイッチングのタイミングは、制御信号Ｓ３にもとづき制御され、ワイヤレス給電装置２００ｃ側で意図した電力を伝送することができる。

特にワイヤレス給電システム１００ｃが移動可能なデバイスに搭載される場合には、送信コイルＬ１と受信コイルＬ２の距離や、互いの向きに応じて、同じ電力を送電するために必要な位相θは時々刻々と変化しうる。このような状況においても、ワイヤレス給電装置２００ｃは、送信コイルＬ１から受信コイルＬ２に送電される電力をモニターすることができるため、常に安定した電力を供給できるように、位相θを適応的に変化させることができる。

またワイヤレス受電装置３００ｃにおいては、受信コイルＬ２に生ずる電圧Ｖ_Ｌ２、受信コイルＬ２に流れる電流Ｉ_Ｌ２を検出する必要がなく、回路構成を簡素化することができる。

さらに本実施の形態によれば、ワイヤレス給電装置によって、電力信号Ｓ１を任意に変調した場合でも、ワイヤレス受電装置は適切に電力を受けることができる。なぜなら、電力信号Ｓ１が変調される場合、ワイヤレス受電装置における第１状態φ１と第２状態φ２の最適な切りかえタイミングは時々刻々と変化するところ、ワイヤレス受電装置３００が制御信号Ｓ３にもとづいてこの変化に追従できるからである。
このことは、ワイヤレス給電装置２００ｃの送信機２２と対応した受信機３２を備えるワイヤレス給電装置２００ｃのみに選択的に給電できることを意味する。

続いて図７のワイヤレス給電システム１００ｃの変形例を説明する。

（第１の変形例）
図９は、第１の変形例に係るワイヤレス給電システム１００ｄの構成を示す図である。
ワイヤレス給電装置２００ｄは、図７のワイヤレス給電装置２００ｃに加えて暗号化部４０を備える。暗号化部４０は、あらかじめ決められた暗号化コードＣＯＤＥ１にもとづいて制御信号Ｓ３を暗号化する。送信機２２は、暗号化された制御信号Ｓ３を送信する。

ワイヤレス受電装置３００ｄは、図７のワイヤレス受電装置３００ｃに加えて復号器４２を備える。復号器４２は、暗号化された制御信号Ｓ３を、復号化コードＣＯＤＥ２にもとづいて復号する。制御部１４は復号化された制御信号Ｓ３にもとづいて、ブリッジ回路１２ｃを制御する。

以上がワイヤレス給電システム１００ｄの構成である。
このワイヤレス給電システム１００ｄによれば、暗号化コードＣＯＤＥ１に対応した正しい復号化コードＣＯＤＥ２を知っているワイヤレス受電装置３００ｄのみが、ワイヤレス給電装置２００ｄから給電を受けることができ、正しい復号化コードＣＯＤＥを知らないワイヤレス給電装置２００ｄに対する給電を制限することができる。ワイヤレス給電システム１００ｄは、電力に課金が必要なシステムなどに好適に利用できる。

（第２の変形例）
図７、図９のワイヤレス給電システムにおいては、周波数情報と位相情報の両方を含む制御信号Ｓ３が、電力信号Ｓ１に付随して伝送された。これに対して以下で説明する第２の変形例では、制御信号Ｓ３は周波数情報のみを含む。

図１０は、第２の変形例に係るワイヤレス給電システム１００ｅの構成を示す図である。

制御信号Ｓ３は、電力信号Ｓ１の周波数を示すデジタルデータを含む。制御部１４は、制御信号Ｓ３が示す周波数にてブリッジ回路１２ｃをスイッチングする。制御部１４は、ブリッジ回路１２ｃのスイッチングの位相θの制御は行わず、つまり制御部１４は任意の位相でブリッジ回路１２ｃをスイッチングする。

ワイヤレス給電装置２００ｅの交流電源１０は、電気信号Ｓ２の位相を調節可能に構成される。ブリッジ回路１２ｃがある固定的な位相でスイッチングされる状態において、制御信号生成部２０ｅは、送信コイルＬ１の消費電力をモニターしながら、電気信号Ｓ２の位相θをスイープさせる。このことは、ブリッジ回路１２ｃのスイッチングの位相を制御することと等価であるから、位相θに応じてブリッジ回路１２ｃにおけるＱ値が変動し、送信コイルＬ１と受信コイルＬ２の結合係数が変化する。

したがって第２の変形例によれば、交流電源１０を制御して電気信号Ｓ２すなわち電力信号Ｓ１の位相を調節することにより、所望の電力を供給できる。

（第３の実施の形態）
第２の実施の形態では、ブリッジ回路１２ｃを備えるワイヤレス受電装置３００ｃを説明した。第３の実施の形態では、共振回路を備えるワイヤレス受電装置３００ｆについて説明する。

図１１は、第３の実施の形態に係るワイヤレス給電システム１００ｆの構成を示す図である。ワイヤレス給電装置２００ｆは、電力信号Ｓ１の周波数が可変に構成される。制御部６０は、交流電源１０を制御することにより、電力信号Ｓ１の周波数ｆを制御する。また電力信号Ｓ１の周波数ｆに応じて送信用キャパシタＣ５の容量値を制御して、送信アンテナ（Ｌ１、Ｃ５）の共振周波数をチューニングする。送信機２２は、電力信号Ｓ１の周波数ｆを示す制御信号Ｓ３を、電力信号Ｓ１とともに送信する。

受信機３２は、制御信号Ｓ３を受信する。共振用キャパシタＣ１および受信コイルＬ２は共振回路３６を形成し、その共振周波数はチューニング可能に構成される。制御部３４は、制御信号Ｓ３にもとづき共振回路３６のインピーダンスを変化させ、共振回路３６を電力信号Ｓ１と共振させる。

第３の実施の形態に係るワイヤレス給電システム１００ｆによれば、ワイヤレス受電装置３００ｆに、受信コイルＬ２に生ずる電圧や電流を検出する回路が不要となり、共振回路３６のインピーダンスを正確にチューニングできる。

また本実施の形態によれば、ワイヤレス給電装置によって、電力信号Ｓ１を任意に変調した場合でも、ワイヤレス受電装置は適切に電力を受けることができる。なぜなら、電力信号Ｓ１が変調される場合、ワイヤレス受電装置において設定すべき共振周波数（共振回路３６のインピーダンス）は時々刻々と変化するところ、ワイヤレス受電装置は制御信号Ｓ３にもとづいてこの変化に追従できるからである。
このことは、ワイヤレス給電装置２００ｆの送信機２２と対応した受信機３２を備えるワイヤレス給電装置２００ｆのみに選択的に給電できることを意味する。

なお図１１のワイヤレス給電装置２００ｆ、ワイヤレス受電装置３００ｆそれぞれに、暗号化部４０、復号器４２を設けてもよい。この場合、復号するためのキーを有するワイヤレス受電装置に対してのみ、選択的に給電を行うことができる。

図１２は、第２、第３の実施の形態に係るワイヤレス給電システムの設置例を示す図である。ワイヤレス給電装置２００ｃ〜２００ｆ（２００と総称する）は、天井５６に設置される。
送信コイルＬ１から送出される電力信号Ｓ１がある程度の指向性を有する場合、ワイヤレス受電装置３００ｃ〜３００ｆ（３００と総称する）を搭載するデバイス５４は、領域５０の内側でのみ、電力を受けることができ、領域５０の外では電力を受けることができない。

そこで送信機２２からの制御信号Ｓ３を可視光とし、その照射領域５２を、領域５０とほぼ一致させる。制御信号Ｓ３は人間が知覚できるよりも十分に速い周波数でスイッチングするため、ユーザには制御信号Ｓ３が、単なる照明として知覚される。デバイス５４のユーザは、可視光である制御信号Ｓ３を頼りにして、デバイス５４を給電可能な領域５０に移動させることができる。電力信号Ｓ１は人間の目には見えないため、制御信号Ｓ３を可視光とし、給電可能な領域５０のランドマークとして利用することは非常に有用である。

また図１０の設置形態は、複数の送信コイルＬ１を設置する際のハンドオーバーに利用することができる。また伝送効率が悪いポイント（ＮＵＬＬ点）を、利用者に意識させずに明示することができる。

制御部１４は、制御信号Ｓ３に応じて、第１、第２状態φ１、φ２に加えて、第３状態φ３もしくは第４状態φ４の少なくとも一方が切りかえ可能に構成されてもよい。第３状態φ３では、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２がオンする。第４状態φ４では、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４がオンする。

第３状態φ３あるいは第４状態φ４では、受信コイルＬ１と共振用キャパシタＣ１およびオンする２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２（もしくはＳＷ３、ＳＷ４）によって、直列な共振ループが形成され、最もＱ値の高い状態を作り出すことができる。

制御部１４は、制御信号Ｓ３に応じて、第１状態φ１、第２状態φ２に加えて、第１から第４スイッチＳＷ１〜ＳＷ４がすべてオフする第５状態φ５を切りかえてもよい。スイッチングの周期は一定としつつ、第１状態φ１から第２状態φ２へ遷移する間、および第２状態φ２から第１状態φ１へ遷移する間に第５状態φ５を挿入し、その長さ（デッドタイムもしくはデッドバンドと称する）を調節することにより、受信コイルＬ２や共振用キャパシタＣ１の回路定数を変更することなく、実効的な共振周波数を調節することができる。

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。

１００…ワイヤレス給電システム、２００…ワイヤレス給電装置、３００…ワイヤレス受電装置、１０…交流電源、１２…Ｈブリッジ回路、１２ｃ…ブリッジ回路、１４…制御部、１６…整流回路、２０…制御信号生成部、２２…送信機、３２…受信機、４０…暗号化部、４２…復号器、Ｌ１…送信コイル、Ｌ２…受信コイル、Ｌ３…補助コイル、Ｃ２…キャパシタ、Ｃ１…共振用キャパシタ、Ｃ３…電力保存用キャパシタ、Ｒ２…損失抵抗、Ｒ３…負荷抵抗、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、ＳＷ３…第３スイッチ、ＳＷ４…第４スイッチ、Ｓ１…電力信号、Ｓ３…制御信号。

Claims (22)

1. ワイヤレス給電装置から送出される電界、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、
   前記電力信号を受信するための受信コイルと、
   前記受信コイルに接続され、その内部の各スイッチのオン、オフ状態が、第１状態と第２状態で切りかえ可能に構成されたブリッジ回路と、
   前記給電装置から送出される、前記第１状態と前記第２状態の切りかえの周波数情報および位相情報の少なくとも一方を含む制御信号を受信する受信機と、
   前記ブリッジ回路の前記第１状態と前記第２状態を、前記制御信号に応じて切りかえる制御部と、
   を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。
2. 前記制御信号は、前記第１状態と前記第２状態の切りかえのタイミングを示すパルス信号であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス受電装置。
3. 前記制御信号は、前記第１状態と前記第２状態の切りかえの周波数情報を含むことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス受電装置。
4. 前記制御信号は光信号であ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受電装置。
5. 前記制御信号は暗号化されており、
   本ワイヤレス受電装置は、前記受信機が受信した前記制御信号を復号化する復号器をさらに備え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受電装置。
6. 前記ブリッジ回路は、
   前記受信コイルと閉ループを形成するように順に直列に接続された第１、第２スイッチであって、当該第１、第２スイッチの接続点が、その第１端子の電位が固定されているキャパシタの第２端子と接続された第１、第２スイッチと、
   前記第１、第２スイッチと並列な経路に順に直列に設けられた第３、第４スイッチであって、当該第３、第４スイッチの接続点の電位が固定されている第３、第４スイッチと、
   を含み、
   前記制御部は、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチがオンし、前記第２スイッチおよび前記第３スイッチがオフする第１状態と、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチがオフし、前記第２スイッチおよび前記第３スイッチがオンする第２状態と、を前記制御信号が示すタイミングで切りかえることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
7. 前記第１、第２スイッチは、前記受信コイルに代えて、前記受信コイルと密に結合された補助コイルと閉ループを形成するように設けられることを特徴とする請求項６に記載のワイヤレス受電装置。
8. ワイヤレス受電装置に対し、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送出するワイヤレス給電装置であって、
   前記ワイヤレス受電装置は、
   前記電力信号を受信するための受信コイルと、
   その第１端子の電位が固定されたキャパシタと、
   前記受信コイルと前記キャパシタとの間に設けられ、その内部の各スイッチのオン、オフ状態が、第１状態と第２状態で切りかえ可能に構成されたブリッジ回路と、
   前記給電装置から送出される、前記第１状態と前記第２状態の切りかえの周波数情報および位相情報の少なくとも一方を含む制御信号を受信する受信機と、
   前記ブリッジ回路の前記第１状態と前記第２状態を、前記制御信号に応じて切りかえる制御部と、
   を備え、
   本ワイヤレス給電装置は、
   前記電力信号を送信するための送信コイルと、
   前記制御信号を生成する制御信号生成部と、
   前記制御信号を送信するための送信機と、
   を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。
9. 前記制御信号は、前記第１状態と前記第２状態の切りかえのタイミングを示すパルス信号であることを特徴とする請求項８に記載のワイヤレス給電装置。
10. 前記制御信号生成部は、
    前記送信コイルに印加される電圧と前記送信コイルに流れる電流にもとづいて、前記第１状態と前記第２状態の切りかえのタイミングを決定す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。
11. 前記制御信号は、前記第１状態と前記第２状態の切りかえの周波数情報のみを含み、
    本ワイヤレス給電装置は、
    前記送信コイルに印加される電圧と前記送信コイルに流れる電流にもとづいて、前記送信コイルから送信する前記電力信号の位相を調節することを特徴とする請求項８に記載のワイヤレス給電装置。
12. 前記制御信号は可視光信号であり、
    前記送信機は、前記可視光信号を、前記ワイヤレス受電装置が前記電力信号を受信可能な範囲に照射することを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
13. 前記制御信号を暗号化する暗号化部をさらに備えることを特徴とする請求項８から１２のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
14. 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請求項１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給電システム。
15. 請求項８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請求項１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給電システム。
16. ワイヤレス給電装置から送出される電界、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、
    前記電力信号を受信するための受信コイルと、
    前記受信コイルとともに共振回路を形成する共振用キャパシタと、
    前記給電装置から送出される、前記電力信号の周波数を示す制御信号を受信する受信機と、
    前記制御信号に応じて、前記共振回路のインピーダンスを変化させ、前記共振回路を前記電力信号と共振させる制御部と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。
17. 前記制御信号は暗号化されており、
    本ワイヤレス受電装置は、前記受信機が受信した前記制御信号を復号化する復号器をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載のワイヤレス受電装置。
18. ワイヤレス受電装置に対し、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送出するワイヤレス給電装置であって、
    前記ワイヤレス受電装置は、
    前記電力信号を受信するための受信コイルと、
    前記受信コイルとともに共振回路を形成する共振用キャパシタと、
    前記給電装置から送出される、前記電力信号の周波数を示す制御信号を受信する受信機と、
    前記制御信号に応じて、前記共振回路のインピーダンスを変化させ、前記共振回路を前記電力信号と共振させる制御部と、
    を備え、
    本ワイヤレス給電装置は、
    前記電力信号を送信するための送信コイルと、
    前記制御信号を生成する制御信号生成部と、
    前記制御信号を送信するための送信機と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。
19. 前記制御信号を暗号化する暗号化部をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載のワイヤレス給電装置。
20. 前記制御信号は可視光信号であり、
    前記送信機は、前記可視光信号を、前記ワイヤレス受電装置が前記電力信号を受信可能な範囲に照射することを特徴とする請求項１８に記載のワイヤレス給電装置。
21. 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請求項１８に記載のワイヤレス給電装置と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。
22. 請求項１６に記載のワイヤレス受電装置と、
    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給電装置と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。

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