JP2012135127A

JP2012135127A - 無線電力伝送システム、それに用いられる送電機器および受電機器、ならびに無線電力伝送方法

Info

Publication number: JP2012135127A
Application number: JP2010285499A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Kinoshita; 圭介木下; Junichi Kawamura; 純一川村; Shuta Okamura; 周太岡村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-07-12

Abstract

【課題】電力を伝送する対象ではない機器が近くに存在する場合にも、電力を伝送すべき対象となる機器にだけ選択的に電力伝送する無線電力伝送システムを提供する。
【解決手段】送電機器と受電機器の間で電力を無線伝送する場合に、送受信の共振回路の共振周波数と、共振回路に供給される電力信号の周波数と、送受信の共振回路に接続される回路のインピーダンスを同期して切り替える構成とすることで、電力を伝送したくない機器へ伝送される電力を低減し、電力を伝送したい機器へだけ電力を伝送することが可能となる。これにより、無線電力伝送に対応していない機器に電力が誤供給されて壊れるのを防止し、盗電しようとする機器に電力を盗まれるのを防止し、伝送したい受電機器に選択的に電力が伝送されない状況を防止することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、送電機器と受電機器とを電磁界の共振現象を用いた電磁結合によって電力を伝送する無線電力伝送システム、それに用いられる送電機器および受電機器、ならびに無線電力伝送方法に関する。特に、送電機器から受電機器に無線で電力伝送する際に、電力を伝送する対象ではない受電機器が近くに存在する場合にも、対象となる受電機器にのみ選択的に電力を伝送する無線電力伝送システムに関する。

携帯電話や地上デジタル放送などの技術開発が進み、有線で接続することなく、無線電波によって、データ、音声、またはテレビ放送などを受信する無線受信機器が普及している。一方で、無線受信機器の多くには電力が有線で供給されており、内蔵している充電池などを充電することで使用されている。無線による通信技術が発展する中、電力もまたデータ信号などと同様に無線で伝送する取組みが行われている。例えば、電動シェーバーや電動歯ブラシなどの用途において、電磁誘導による無線電力伝送方式を採用した製品が商品化されており、ユーザの利便性を高めることに成功している。

また、近年、電磁誘導方式よりも伝送距離を伸ばすことが可能であり、送電機器と受電機器とのお互いの位置の自由度をより高められるという利点を有する、電磁界の共振現象を用いた無線電力伝送方式が知られている。電磁界共振結合方式とも呼ばれるこの無線電力伝送技術について、研究、開発が進められており、無線電力伝送を行う適用範囲の更なる拡大が見込まれている。

特許文献１には、２つの共振コイルを介して無線電力伝送を行う場合の設計方法が示されている。以下、図５を用いて、この文献に示される無線電力伝送装置の動作を簡単に説明する。

図示するように、特許文献１に記載されている無線電力伝送装置は、送信共振回路１１から受信共振回路１２に無線で電力が伝送されるように構成されており、共振回路１１および１２のそれぞれには共振コイルが設けられている。また、各共振コイルには１次コイル８１、２次コイル８２がそれぞれ近接して配置されている。１次コイル８１には、交流電源９から交流信号が供給され、共振回路１１および１２の各共振コイルを介して負荷３３に電力が伝送される。

ここで、交流電源９から効率よく負荷３３に電力を供給するためには、交流電源９の出力インピーダンスと送信共振回路１１に対する入力インピーダンスとが整合している必要がある。このためには、交流電源９と送信共振回路１１との間に配置された１次コイル８１のインピーダンスを適切に設定することが重要である。１次コイル８１のインピーダンスを適切に設定することによって、インピーダンス整合を実現し、電力の伝送効率を向上させることができる。また、２次コイル８２は、受信共振回路１２と負荷３３とのインピーダンス整合が実現するように、そのインピーダンスが設定されている。

このような構成では、送信共振回路１１から受信共振回路１２に無線で電力を伝送する際に、１次コイル８１と２次コイル８２とを用いてインピーダンス整合が行われている。また、特許文献１に示される形態とは異なり、１次コイル８１や２次コイル８２を用いずにインピーダンス整合を行うことも可能である。例えば、交流電源９の出力インピーダンスと、送信共振回路１１の入力から負荷３３の方向を見たインピーダンスとを整合させ、かつ、受信共振回路１２の出力から交流電源９の方向を見たインピーダンスと負荷３３のインピーダンスとを整合させることによっても、交流電源９から負荷３３に効率よく電力を伝送することが可能である。電磁界の共振現象を利用する場合、送受信の共振回路に接続される回路のインピーダンス（交流電源９の出力インピーダンスや負荷３３のインピーダンス）が最適である（整合されている）状態で、送受信の共振回路の間の伝送効率は最大となる。

図３（ａ）は、共振周波数ｆｏに対してインピーダンスが整合している場合の共振周波数（または交流の周波数）と伝送効率との関係を示し、図３（ｂ）はインピーダンスがずれている場合のこれらの関係を示す。図３（ａ）に示すように、インピーダンスが整合している場合、共振周波数ｆｏにおいて伝送効率が最大となる周波数特性が得られる。しかし、インピーダンスが最適値と異なる場合には、例えば図３（ｂ）において曲線Ｃ１で示すように、共振周波数ｆｏでは伝送効率のピークを持たず、他の２つの周波数（ｆｏ₁、ｆｏ₂）でピークを持つ周波数特性となる。このとき、周波数ｆｏでの伝送効率は、図３（ａ）に示した場合と比べて低下する。また、曲線Ｃ２で示すように、周波数ｆｏにおいて伝送効率のピークが形成されるが、図３（ａ）に示した場合と比べて伝送効率が低下する特性を示す場合もある。このように、インピーダンスがずれていることで所定の周波数ｆｏでの伝送効率の低下が生じる。したがって、電磁界の共振現象を用いて無線電力伝送を行う場合、設定される共振周波数に対して、送受信の共振回路に接続する回路のインピーダンスを最適な値に設定することが重要である。

特開２０１０−１１４９６５号公報

送電する機器（送電機器）と受電する機器（例えば携帯電話などの受電機器）とが、互いに１対１、もしくは１対Ｎ（Ｎは２以上の整数）のような構成を採り、これらの間で電力を無線伝送する場合、送電対象としている受電機器に対して選択的に送電機器から電力が伝送されれば問題はない。しかし、送電機器または受電機器に近い位置に、送電対象としていない機器（非対象機器）が存在する場合も考えられる。ここで、送電対象としていない機器とは、無線電力伝送に対応していない機器や、無線電力伝送に対応しているが送電機器から伝送すべきではない、若しくは伝送したくない機器（盗電する機器など）を指す。

このとき、無線で電力伝送する方式では、非対象機器において偶然に共振周波数が一致し、かつ、インピーダンスが一致するというようなことが生じた場合には、送電機器とこれらとの間に共振電磁界による結合が生じる可能性がある。その結果、無線電力伝送に対応していない機器だと電力が誤供給されて破壊されるという問題や、盗電しようとする機器に電力を供給してしまい、本来伝送したい受電機器に電力が伝送されないという問題が発生する。したがって、無線で電力伝送を行う場合に、送電対象としている受電機器にのみ選択的に電力を供給することが困難であるという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、電力を伝送したくない機器に電力が伝送される可能性を低減し、電力を伝送したい機器にだけ電力を伝送する無線電力伝送システムおよびこれを用いた電力伝送方法を提供することを目的とする。

本発明の無線電力伝送システムは、第１共振回路を有する送電機器から第２共振回路を有する受電機器に、前記第１共振回路と前記第２共振回路との電磁界の共振現象による結合によって無線により電力を伝送する無線電力伝送システムであって、前記送電機器は、前記電力を伝送するために用いられる交流信号を発生する交流信号発生部と、前記第１共振回路と接続され、インピーダンス変換を行う第１インピーダンス変換部と、前記交流信号発生部に対して設けられ、前記交流信号の周波数を変化させる信号周波数制御部と、前記第１共振回路に対して設けられ、前記第１共振回路の共振周波数を変化させる第１共振周波数制御部とを備え、前記受電機器は、前記第２共振回路と接続され、インピーダンス変換を行う第２インピーダンス変換部と、前記第２共振回路に対して設けられ、前記第２共振回路の共振周波数を変化させる第２共振周波数制御部とを備える。前記信号周波数制御部が前記交流信号の周波数を変化させるように前記信号周波数制御部を制御するとき、前記第１および第２共振周波数制御部が前記第１および第２共振回路の共振周波数を変化させ、かつ、前記第１および第２インピーダンス変換部が前記インピーダンス変換を行う。

ある好ましい実施形態において、前記第１共振周波数制御部は、前記交流信号発生部から出力される前記交流信号の周波数にほぼ等しい共振周波数となるように前記第１共振回路の共振周波数を設定する。

ある好ましい実施形態において、前記第２共振周波数制御部は、前記交流信号発生部から出力される前記交流信号の周波数にほぼ等しい共振周波数となるように前記第２共振回路の共振周波数を設定する。

ある好ましい実施形態において、前記第１インピーダンス変換部は、前記第１共振回路の前記共振周波数において、前記交流信号発生部の出力インピーダンスと前記第１共振回路の入力インピーダンスとがインピーダンス整合するようにインピーダンス変換を行う。

ある好ましい実施形態において、前記受電装置は、前記第２共振回路からの出力を電力に変換する電力変換部をさらに備え、前記第２インピーダンス変換部は、前記第２共振回路の前記共振周波数において、前記第２共振回路の出力インピーダンスと前記電力変換部の入力インピーダンスとがインピーダンス整合するようにインピーダンス変換を行う。

ある好ましい実施形態において、前記送電機器は、前記信号周波数制御部、前記第１インピーダンス変換部、および第１共振周波数制御部の動作を制御する第１制御部を備え、
前記受電機器は、前記第２インピーダンス変換部および前記第２共振周波数制御部の動作を制御する第２制御部を備え、前記第１制御部と前記第２制御部とは、前記信号周波数制御部と、前記第１インピーダンス変換部と、前記第２インピーダンス変換部と、前記第１共振周波数制御部と、前記第２共振周波数制御部とを同期的に制御する。

ある好ましい実施形態において、前記第１制御部と前記第２制御部とは、同期をとるための情報を互いに通信する。

ある好ましい実施形態において、前記第１制御部は、前記信号周波数制御部と、前記第１インピーダンス変換部と、前記第１共振周波数制御部とを同期的に制御し、前記第１制御部の制御によって生じる前記第２インピーダンス変換部からの出力信号の変化が検知されたとき、前記第２制御部は、前記第２共振周波数制御部と前記第２インピーダンス変換部を同期的に制御する。

本発明の無線電力伝送システムは、第１共振回路を有する送電機器から第２共振回路を有する受電機器に、前記第１共振回路と前記第２共振回路との電磁界の共振現象による結合によって無線により電力を伝送する無線電力伝送システムであって、前記送電機器は、前記電力を伝送するために用いられる交流信号を発生する交流信号発生部と、前記第１共振回路と接続され、インピーダンス変換を行う第１インピーダンス変換部と、前記交流信号発生部に対して設けられ、前記交流信号の周波数を変化させる信号周波数制御部とを備え、前記受電機器は、前記第２共振回路と接続され、インピーダンス変換を行う第２インピーダンス変換部と、前記第２共振回路からの出力を電力に変換する電力変換部とを備える。前記第１インピーダンス変換部が前記インピーダンス変換を行い、かつ、前記第２インピーダンス変換部がインピーダンス変換を行うとき、前記信号周波数制御部が前記交流信号の周波数を変化させる。

ある好ましい実施形態において、前記送電機器は、前記信号周波数制御部、前記第１インピーダンス変換部、および第１共振周波数制御部の動作を制御する第１制御部を備え、
前記受電機器は、前記第２インピーダンス変換部および前記第２共振周波数制御部の動作を制御する第２制御部を備え、前記第１制御部と前記第２制御部とは、前記信号周波数制御部と、前記第１インピーダンス変換部と、前記第２インピーダンス変換部とを同期的に制御する。

ある好ましい実施形態において、前記第１制御部は、前記信号周波数制御部と前記第１インピーダンス変換部とを同期的に制御し、前記第１制御部の制御によって生じる前記第２インピーダンス変換部からの出力信号の変化が検出されたとき、前記第２制御部は前記第２インピーダンス変換部を制御する。

本発明の送電機器は、上記いずれかの無線電力伝送システムに用いられる前記送電機器である。

本発明の受電機器は、上記いずれかの無線電力伝送システムに用いられる前記受電機器である。

本発明の無線電力伝送方法は、第１共振回路を有する送電機器から第２共振回路を有する受電機器に、前記第１共振回路と前記第２共振回路との電磁界の共振現象による結合によって無線により電力を伝送する無線電力伝送システムを用いた無線電力伝送方法であって、前記第１共振回路に供給される交流信号の周波数を変化させるステップ（ａ）と、前記変化した前記交流信号の周波数に応じて、前記第１および第２共振回路の共振周波数を変化させるステップ（ｂ）と、前記変化された前記交流信号の周波数に応じて、前記送電機器と前記受電機器とでインピーダンス変換を行うステップ（ｃ）とを包含する。

本発明の無線電力伝送方法は、第１共振回路を有する送電機器から第２共振回路を有する受電機器に、前記第１共振回路と前記第２共振回路との電磁界の共振現象による結合によって無線により電力を伝送する無線電力伝送システムを用いた無線電力伝送方法であって、前記送電機器と前記受電機器とにおいてインピーダンス変換を行うステップであって、前記第１および第２共振回路の共振周波数とは異なる周波数において伝送効率のピークが形成されるようにインピーダンス変換を行うステップ（ａ）と、前記共振周波数とは異なる周波数を有する交流信号を前記第１共振回路に供給するステップ（ｂ）とを包含する。

本発明にかかる無線電力伝送システムによれば、送電機器と受電機器との間で電力を無線伝送する場合に、電力を伝送したい機器と電力を伝送したくない機器とが混在するような状況で、送電機器および受電機器の各共振回路の共振周波数、交流信号の周波数、および、各共振回路に接続される回路のインピーダンスを経時的に同期して変化させることで、電力を伝送したくない機器へ伝送される電力を低減し、電力を伝送したい機器に選択的に電力を伝送することが可能となる。また、送電機器と受電機器とでインピーダンスを調整するとともに、所定の周波数で交流信号を伝送することによって、この周波数以外の共振周波数を持つ共振回路を備えた送電非対象機器への送電の可能性を低減し、かつ、伝送される電力を低下させることができる。このようにして、無線電力伝送に対応していない機器に電力が誤供給されてその機器が壊れるのを防止することができる。また、盗電しようとする機器に電力を盗まれるのを防止し、盗電によって伝送対象の受電機器に電力が供給されないことを防止することができる。

本発明の実施の形態１にかかる無線電力伝送システムの構成を示すブロック図である。本発明の実施形態にかかる無線電力伝送システムの動作を説明するための図であり、（ａ）〜（ｃ）はインピーダンス整合を行わない場合の伝送効率に関する周波数特性を示し、（ｄ）はインピーダンス整合を行う場合の周波数特性を示す。本発明の無線電力伝送システムの動作を説明するための図であり、（ａ）はインピーダンス整合している場合の伝送効率に関する周波数特性を示し、（ｂ）はインピーダンスがずれている場合の周波数特性を示す。本発明の実施の形態２にかかる無線電力伝送システムの構成を示すブロック図である。従来の無線電力伝送システムの構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれらに限られるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の無線電力伝送システム１００の構成を示すブロック図である。図示するように、無線電力伝送システム１００は、送電機器１と受電機器２とを含む。

送電機器１は、交流を発生させる発振回路などを有する交流信号発生部３１と、交流信号発生部３１からの交流信号を受電機器２に送出するための送信共振回路１１とを有し、送信共振回路１１にはインピーダンス変換を行うためのインピーダンス変換部２１が接続されている。インピーダンス変換部２１は、例えば、交流信号発生部３１の出力インピーダンスと送信共振回路１１の入力インピーダンスとが整合するようにインピーダンス変換を行う。

送電機器１はまた、交流信号発生部３１から出力される交流信号の周波数を変化させる周波数制御部７１、インピーダンス変換部２１の動作を制御するインピーダンス制御部４１、送信共振回路１１の共振周波数を変化させる共振周波数制御部６１などを有する。インピーダンス制御部４１、共振周波数制御部６１および周波数制御部７１は、ソフトウェア等によって実現される制御部９１によって動作が制御されている。

受電機器２は、電磁界の共振現象によって送信共振回路１１から交流信号を非接触に受け取る受信共振回路１２と、受信共振回路１２からの出力を電力に変換する電力変換部５２とを有する。受信共振回路１２には、インピーダンス制御部４２によって動作が制御されるインピーダンス変換部２２が接続されている。インピーダンス変換部２２は、例えば、受信共振回路１２の出力インピーダンスと電力変換部５２の入力インピーダンスとが整合するようにインピーダンス変換を行う。受電機器２はまた、受信共振回路１２の共振周波数を変化させる共振周波数制御部６２を備えており、インピーダンス制御部４２および共振周波数制御部６２は制御部９２によって動作が制御される。

送信共振回路１１および受信共振回路１２のそれぞれは、送信コイル（または受信コイル）と、このコイルに直列、並列もしくはその組合せで接続された少なくとも１つのキャパシタとを用いて形成された共振回路である。各コイルは、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。

送信共振回路１１および受信共振回路１２は、これらの共振周波数が可変であるように構成されている。より具体的には、各コイルの中間にタップ（接続ポイント）を１つ以上設けてスイッチで接点を切り替えることによってインダクタンスを切り替えたり、共振回路を形成する複数のキャパシタをスイッチで切り替えてキャパシタンスを変更したりすることで共振周波数を変化させることができる。共振周波数制御部６１、６２は、それぞれ、制御部９１、９２からの指示に基づいて、各共振回路１１、１２の共振周波数を所定の値に変更する動作を行う。

インピーダンス変換部２１、２２は、インダクタンスやキャパシタンスが連続的に変化し得るＬ（コイル）やＣ（キャパシタ）を用いて構成することができる。また、それぞれ異なる特性値を持つ複数のＬ、Ｃを互いに直列、並列若しくはその組み合わせで接続し、スイッチによってＬ、Ｃの接続を切り替えてインピーダンスを変換するようにしてもよい。なお、インピーダンスを変換するとは、所定の周波数（例えば、共振回路の共振周波数）に対して、電力の伝送効率を向上させるように回路のインピーダンスを変化させることを意味する。

以上の構成を有する電力伝送システム１００において、共振回路１１、１２の共振周波数をｆｏ、ｆ₁、ｆ₂の３段階に切り替えるとともに、これらの共振周波数に適合するように、送電機器１の交流信号発生部３１が周波数ｆｏ、ｆ₁、ｆ₂のいずれかの周波数を有する交流信号を発生する場合を以下に説明する。

交流信号発生部３１は、周波数制御部７１からの出力に従って、周波数ｆｏ、ｆ₁、ｆ₂のいずれかの周波数を有する交流信号（高周波信号）を生成する。この交流信号は、インピーダンス変換部２１を介して送信共振回路１１に伝送される。ここで、インピーダンス制御部４１は、交流信号発生部３１の出力インピーダンスと送信共振回路１１の入力インピーダンスとがインピーダンス整合するように、インピーダンス変換部２１を制御する。また、共振周波数制御部６１は、交流信号発生部３１の交流信号の周波数と同じ共振周波数（ｆｏ、ｆ₁、ｆ₂のいずれか）となるように、送信共振回路１１を制御する。

制御部９１は、上述の周波数制御部７１、インピーダンス制御部４１、共振周波数制御部６１に対して、周波数ｆｏ、ｆ₁、ｆ₂のいずれかに設定するのか、またインピーダンス制御部４１がどのインピーダンス値に制御するのか、またどのタイミングで周波数およびインピーダンスを変更するのかを制御する。

受電機器２の受信共振回路１２は、送信共振回路１１からの交流信号を受信し、インピーダンス変換部２２を介して電力変換部５２に交流信号を伝達する。電力変換部５２は交流信号を直流電力に変換する。変換された電力は、受電機器２に設けられた他の回路などへと供給される。

ここで、受電機器２側の共振周波数制御部６２は、受信共振回路１２の共振周波数を、送信共振回路１１の共振周波数と等しくなるようにｆｏ、ｆ₁、ｆ₂のいずれかに設定する。また、インピーダンス制御部４２は、設定された周波数において、受信共振回路１２の出力インピーダンスと電力変換部５２の入力インピーダンスとがインピーダンス整合するように、インピーダンス変換部２２を制御する。

前述のように、電磁界の共振現象を用いる場合、送信共振回路１１および受信共振回路１２に接続される回路のインピーダンス（ここでは、送信共振回路１１からインピーダンス変換部２１を見たときのインピーダンス、および、受信共振回路１２からインピーダンス変換部２２を見たときのインピーダンス）が最適である（整合されている）状態であれば、送受信の共振回路の間の伝送効率は最大となる（図３（ａ））。しかし、インピーダンスが最適な値とは異なる場合は、例えば、図３（ｂ）の曲線Ｃ１で示すように、共振周波数がｆｏから変化して２つのピーク（ｆｏ₁、ｆｏ₂）を持つ周波数特性に変化し周波数ｆｏでの伝送効率が低下する。あるいは、図３（ｂ）の曲線Ｃ２で示すように、ピークは１つのまま（ｆｏ）だが伝送効率が低下してしまう。したがって、共振周波数ｆｏで電力を伝送しようとする場合には、送受信の共振器に接続される回路のインピーダンスを最適値に設定することが望ましく、このようにすれば伝送効率を最大にすることができる。

送電機器１と受電機器２とが無線電力伝送を行う構成において、無線電力伝送に対応していない機器（非対応機器）が近くに存在する場合に、その非対応機器が周波数ｆｏの信号に偶然共振して高周波信号を受信してしまうと、その機器が壊れてしまう可能性がある。また、電磁界の共振現象を用いて電磁結合を行う無線電力伝送に対応して、送電機器１から電力を盗もうとする機器（盗電機器）が近くに存在する場合に、送電機器１および受電機器２で共振周波数がｆｏで固定されていると、盗電機器側で共振周波数が特定され得る。さらに盗電機器においてインピーダンスの調整をされてしまうと、盗電される可能性が高まる。また、盗電する意図はない場合であっても、送電機器１と同じ共振周波数を有し、そのインピーダンスが、周波数ｆｏでの共振電磁結合を行うための最適値に近い値を有する受電機器では、送電機器１から電力が伝送され、本来電力を伝送したい対象である受電機器２に電力が伝送されないことになる。

そこで、本実施の形態１の送電機器１および受電機器２では、交流信号の周波数を制御する周波数制御部７１と、インピーダンス制御部４１、４２（およびインピーダンス変換部２１，２２）と、共振周波数制御部６１、６２とが同期して切り替え動作を行うように制御部９１、９２がこれらを制御する。具体的には、送電機器１から受電機器２へ伝送する交流信号発生部３１の周波数を“ｆｏ→ｆ₁→ｆ₂→ｆｏ→…”というように経時的に切り替えるとき、送信共振回路１１、受信共振回路１２の共振周波数も同期して“ｆｏ→ｆ₁→ｆ₂→ｆｏ→…”と切り替える。さらに、送受信の共振回路に接続される回路のインピーダンスも周波数の変化に同期して切り替えることで、本来電力を伝送したい受電機器２以外の機器が電力を受電する可能性を低減することができる。

ここで、制御部９１と制御部９２とが、周波数制御部７１、インピーダンス制御部４１、４２、共振周波数制御部６１、６２の制御を同期して行うために、制御部９１と制御部９２とで制御（切り替え動作）のタイミングを調整する必要がある。このために、制御部９１と制御部９２との間を、別途無線通信してもよい。また、交流信号発生部３１の振幅や位相などを変調することで同期のための情報を交流信号に重畳し、その同期情報によって、制御部９１から制御部９２に切り替えのタイミングを伝達するようにしてもよい。また、送電／受電機器１、２のそれぞれに設けられた内部時計やカウンタなどから得られる内部的な時間情報に基づいて、通信等を行うことなく、別個に切り替え動作を行う形態であってもよい。この場合には、予め設定された時刻において送電／受電機器１、２のそれぞれで予め設定された切り替え動作を行うようにすればよい。

さらに、切り替えるべき周波数の情報等を上記通信方法で通信するとともに、切り替えるタイミング自体は受電機器２側で検出される信号に基づいて判断することも可能である。すなわち、送電機器１の制御部９１が周波数制御部７１、インピーダンス制御部４１、共振周波数制御部６１を介して信号周波数や共振周波数などを変化させたとき、受電機器２が受信する交流信号の振幅は、受電機器２側の共振周波数が適合しなくなることによって低下する。したがって、受信共振回路１２もしくはインピーダンス変換部２２でその信号振幅の変化を検出し、この検出結果に基づいて制御部９２が共振周波数制御部６２、インピーダンス制御部４２を制御することによって、受電機器２側の共振周波数とインピーダンスを送電機器１側に同期させて切り替えることが可能である。

また、送電機器１が切り替え動作を行うタイミングで、交流信号の振幅を一時的に大きく、小さく、あるいは０に設定し、受電機器２でその振幅変化を検出すると受電機器２が切り替え動作を行うような方法でもよい。また、送電機器１が切り替え動作を行うタイミングで交流信号の位相を切り替え、受電機器２で受信した信号の位相変化が生じたのを検出したときに受電機器２が切り替え動作を行う方法も考えられる。

図２は、伝送効率に関する周波数の特性を示しており、共振周波数ｆｏから共振周波数ｆ₁、ｆ₂へ切り替えたときの周波数特性の変化を示している。交流信号発生部３１の出力である交流信号の周波数と、送信共振回路１１の共振周波数と、受信共振回路１２の共振周波数とがともにｆｏであって、そのときの送受信の共振回路１１、１２に接続されている回路のインピーダンスが最適値である場合、図２（ａ）に示すような特性となり、周波数ｆｏで伝送効率が最大となっている。

ここで、送電対象である受電機器２以外への電力伝送を防止する為に、交流信号発生部３１の出力信号の周波数と、送信共振回路１１および受信共振回路１２の共振周波数とをｆｏからｆ₁に、さらにｆ₂へと切り替えることとする。これにより、たまたま周波数ｆｏで共振してしまう非対象機器は、周波数ｆ₁、さらにｆ₂に切り替わることで受電しなくなる。また、盗電しようとする機器は、共振周波数がｆｏからｆ₁、ｆ₂と切り替わることで、共振することができなくなり、盗電ができなくなる。

ただし、交流信号発生部３１の出力信号の周波数と、送信共振回路１１および受信共振回路１２の共振周波数とをｆｏからｆ₁、ｆ₂に切り替えることで、送受信の共振回路に接続されている回路のインピーダンスが最適値からずれてしまう。この場合、図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、周波数ｆ₁、ｆ₂での伝送特性が劣化してしまい、本来電力を伝送したい受電機器２への電力伝送特性が劣化してしまう。したがって、電力伝送対象の受電機器２に対する伝送効率を低下させないためには、交流信号の周波数および共振回路１１、１２の共振周波数が切り替わるのに同期して、送受信の共振回路に接続されている回路のインピーダンスが最適となるように変更されることが好ましい。本実施形態では、交流信号周波数および共振周波数をｆｏからｆ₁またはｆ₂に変えるときに、周波数ｆ₁または周波数ｆ₂のそれぞれに対応する適切なインピーダンス値を持つように、インピーダンス変換部２１、２２が制御部９１、９２（およびインピーダンス制御部４１、４２）によって制御される。このようにすれば、図２（ｄ）に示すように、交流信号周波数や共振周波数がｆｏ、ｆ₁、ｆ₂で切り替わるときに、いずれの周波数が選択されている状態であっても、送電機器１から受電機器２への伝送効率を最大に設定することが可能となる。

このように、送電機器１と受電機器２との両方で選択的に共振周波数を切り替え、かつ、共振周波数にほぼ等しい周波数の交流信号を発生する制御が行われるが、切り替える周波数ｆｏ、ｆ₁、ｆ₂のそれぞれは、非対象機器との間に磁気共振による結合が生じない程度に離れていることが好ましい。

また、本実施の形態１では、周波数およびインピーダンスを３段階で切り替える構成としたが、電力を伝送したくない機器が偶然に特定の周波数で共振する可能性を低減するためには、切り替える周波数をより多段階に設定すればよい。より多くの周波数を切り替えるように共振回路や交流信号発生部を動作させることで、意図しない電力伝送が生じる割合を低下させることができる。

以上に説明したように、送電機器１から受電機器２へ無線電力伝送する機器において、交流信号の周波数と、共振回路の共振周波数と、送受信の共振回路に接続されている回路のインピーダンスを同期して切り替える構成とし、交流信号の周波数及び共振回路の共振周波数を時間的に順次切り替えていくことで、電力伝送効率を最大に保ちながら、伝送対象とする受電機器２にだけ選択的に電力を供給することができる。このようにすれば、無線電力伝送に対応していない機器や盗電しようとする機器に対して意図せず伝送されてしまう電力を低減することができる。

なお、以上には、送信共振回路１１、受信共振回路１２の共振周波数及び交流信号発生部３１が発生する交流信号の周波数を、ｆｏ、ｆ₁、ｆ₂の３段階で切り替える形態を説明したが、本発明はこの形態に限られるものではなく、上記周波数を２段階以上で切り替えることができればよい。また、可変コンデンサなどを用いて上記周波数を連続的に可変にする構成であってもよい。非対象機器（例えば盗電機器）への電力伝送の可能性などを低減するためには、より多くの共振周波数に切り替える構成を有することが好ましい。これらの構成は、それぞれが異なるキャパシタンスを有する複数のキャパシタをスイッチによって切り替える回路構成において、キャパシタの数を増やすなどの方法で容易に実現できる。

このように、本実施形態の無線電力伝送機器によれば、送電機器および受電機器の両方が同期するように、信号周波数、共振周波数、インピーダンスを動的に変化させることによって非対象機器への電力伝送の可能性を低減することができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における無線電力伝送システムのブロック構成を示す図である。図４において、実施の形態１と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。

実施の形態１では、交流信号の周波数と、共振回路の共振周波数と、共振回路に接続されている回路のインピーダンスとを同期して切り替える（変化させる）構成を説明した。これに対して、本実施の形態２では、交流信号の周波数と、共振回路に接続されている回路のインピーダンスとを切り替える構成を採っている。

上述したように、電磁界の共振現象を用いる場合、送信共振回路１１、受信共振回路１２に接続される回路のインピーダンスが最適であれば、送受信の共振回路の間の伝送効率は最大となるが、インピーダンスが最適な値とは異なる場合は、共振周波数がｆｏとは異なる周波数（ｆｏ₁、ｆｏ₂）で伝送効率のピークを２つ持つ周波数特性に変化する場合がある（図３（ｂ）に示す曲線Ｃ１）。

これは、送信共振回路１１と受信共振回路１２との距離がそれほど離れておらず、電磁界の共振現象による電磁結合が十分ある場合に生じ得る。例えば、共振回路の構成がＬＣ直列共振回路の場合であれば、最適なインピーダンスに対して小さいインピーダンス（静電容量の小さいキャパシタなど）が接続されていると、図３（ｂ）の曲線Ｃ１に示すような伝送効率の２つのピークが現れる。このとき、交流信号（高周波）を周波数ｆｏに設定して電力伝送すると、より低い伝送効率でしか伝送が行われない。しかし、２つのピークを示す周波数（ｆｏ₁、ｆｏ₂）で伝送すれば伝送効率を高く維持することが可能である。

そこで、本実施の形態２では、送電機器１の制御部９１および受電機器２の制御部９２が、共振回路に接続されている回路のインピーダンスを同期して切り替え（このとき、図３（ａ）に示す周波数特性と、図３（ｂ）の曲線Ｃ１で示す周波数特性との間で変化する）、さらに交流信号発生部３１の出力の交流信号の周波数をｆｏ、ｆｏ₁、ｆｏ₂の中から伝送効率が最大となる周波数に同期して切り替えることで、実施の形態１と同様に、送電機器１から受電機器２への電力伝送効率を最大に保つことが可能となる。また、無線電力伝送に対応していない機器や盗電しようとする機器に対しては、交流信号の周波数を切り替えて、それに付随して最適なインピーダンスが切り替わっていくことで、これらに意図せず伝送されてしまう電力を低減することが可能となる。

このような形態とすることで、実施の形態１とは異なり、送電機器１と受電機器２とに共振周波数制御部６１、６２を設けなくても良い。また、送信共振回路１１、受信共振回路１２が、共振周波数可変である構成でなくても良いため、部品点数や実装面積を削減することが可能となり、簡易な構成で製造コストを低減することが可能となる。

以上、共振回路の共振周波数においてインピーダンス整合を行うときにインピーダンスがずれている場合に生じる、共振回路の共振周波数とは僅かに異なる周波数を持つ高周波によって電力伝送を行う場合を説明した。ただし、インピーダンス変換を行わず、各共振回路の共振周波数のみを制御するようにしても送電すべき機器に選択的に電力を供給し得る。

本発明にかかる無線電力伝送システムは、送電機器と受電機器の間で電力を無線伝送する場合に、送受信の共振回路の共振周波数と、共振回路に供給される電力信号の共振周波数と、送受信の共振回路に接続される回路のインピーダンスを同期して切り替える構成とすることで、電力を伝送したくない機器へ伝送される電力を低減し、電力を伝送したい機器へだけ電力を伝送することを可能とし、無線電力伝送に対応していない機器に電力が誤供給されて壊れるのを防止し、盗電しようとする機器に電力を盗まれるのを防止し、本来伝送したい受電機器の方へ電力が伝送されない状況を防止することを可能とする特徴を有し、電力を伝送したい機器と電力を伝送したくない機器が混在するような状況で、機器を選択して無線電力伝送することが可能となるなど、数多くの電気製品に対して有用である。

１送電機器
２受電機器
１１送信共振回路
１２受信共振回路
２１、２２インピーダンス変換部
３１交流信号発生部
４１、４２インピーダンス制御部
５２電力変換部
６１、６２共振周波数制御部
７１周波数制御部
８１１次コイル
８２２次コイル
９交流電源
９１、９２制御部
１００無線電力伝送システム

Claims

第１共振回路を有する送電機器から第２共振回路を有する受電機器に、前記第１共振回路と前記第２共振回路との電磁界の共振現象による結合によって無線により電力を伝送する無線電力伝送システムであって、
前記送電機器は、
前記電力を伝送するために用いられる交流信号を発生する交流信号発生部と、
前記第１共振回路と接続され、インピーダンス変換を行う第１インピーダンス変換部と、
前記交流信号発生部に対して設けられ、前記交流信号の周波数を変化させる信号周波数制御部と、
前記第１共振回路に対して設けられ、前記第１共振回路の共振周波数を変化させる第１共振周波数制御部と
を備え、
前記受電機器は、
前記第２共振回路と接続され、インピーダンス変換を行う第２インピーダンス変換部と、
前記第２共振回路に対して設けられ、前記第２共振回路の共振周波数を変化させる第２共振周波数制御部と
を備え、
前記信号周波数制御部が前記交流信号の周波数を変化させるように前記交流信号発生部を制御するとき、前記第１および第２共振周波数制御部が前記第１および第２共振回路の共振周波数を変化させ、かつ、前記第１および第２インピーダンス変換部が前記インピーダンス変換を行う、無線電力伝送システム。
前記第１共振周波数制御部は、前記交流信号発生部から出力される前記交流信号の周波数にほぼ等しい共振周波数となるように前記第１共振回路の共振周波数を設定する請求項１に記載の無線電力伝送システム。
前記第２共振周波数制御部は、前記交流信号発生部から出力される前記交流信号の周波数にほぼ等しい共振周波数となるように前記第２共振回路の共振周波数を設定する請求項１または２に記載の無線電力伝送システム。
前記第１インピーダンス変換部は、前記第１共振回路の前記共振周波数において、前記交流信号発生部の出力インピーダンスと前記第１共振回路の入力インピーダンスとがインピーダンス整合するようにインピーダンス変換を行う請求項１から３のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
前記受電装置は、前記第２共振回路からの出力を電力に変換する電力変換部をさらに備え、
前記第２インピーダンス変換部は、前記第２共振回路の前記共振周波数において、前記第２共振回路の出力インピーダンスと前記電力変換部の入力インピーダンスとがインピーダンス整合するようにインピーダンス変換を行う請求項１から４のいずれか記載の無線電力伝送システム。
前記送電機器は、前記信号周波数制御部、前記第１インピーダンス変換部、および第１共振周波数制御部の動作を制御する第１制御部を備え、
前記受電機器は、前記第２インピーダンス変換部および前記第２共振周波数制御部の動作を制御する第２制御部を備え、
前記第１制御部と前記第２制御部とは、前記信号周波数制御部と、前記第１インピーダンス変換部と、前記第２インピーダンス変換部と、前記第１共振周波数制御部と、前記第２共振周波数制御部とを同期的に制御する請求項１から５のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
前記第１制御部と前記第２制御部とは、同期をとるための情報を互いに通信する請求項６に記載の無線電力伝送システム。
前記第１制御部は、前記信号周波数制御部と、前記第１インピーダンス変換部と、前記第１共振周波数制御部とを同期的に制御し、
前記第１制御部の制御によって生じる前記第２インピーダンス変換部からの出力信号の変化が検知されたとき、前記第２制御部は、前記第２共振周波数制御部と前記第２インピーダンス変換部を同期的に制御する請求項６に記載の無線電力伝送システム。
第１共振回路を有する送電機器から第２共振回路を有する受電機器に、前記第１共振回路と前記第２共振回路との電磁界の共振現象による結合によって無線により電力を伝送する無線電力伝送システムであって、
前記送電機器は、
前記電力を伝送するために用いられる交流信号を発生する交流信号発生部と、
前記第１共振回路と接続され、インピーダンス変換を行う第１インピーダンス変換部と、
前記交流信号発生部に対して設けられ、前記交流信号の周波数を変化させる信号周波数制御部と
を備え、
前記受電機器は、
前記第２共振回路と接続され、インピーダンス変換を行う第２インピーダンス変換部と、
前記第２共振回路からの出力を電力に変換する電力変換部と
を備え
前記第１インピーダンス変換部が前記インピーダンス変換を行い、かつ、前記第２インピーダンス変換部がインピーダンス変換を行うとき、前記信号周波数制御部が前記交流信号の周波数を変化させる無線電力システム。
前記第１インピーダンス変換部は、前記第１共振回路の前記共振周波数において、前記交流信号発生部の出力インピーダンスと前記第１共振回路の入力インピーダンスとがインピーダンス整合するようにインピーダンス変換を行う請求項９に記載の無線電力伝送システム。
前記受電装置は、前記第２共振回路からの出力を電力に変換する電力変換部をさらに備え、
前記第２インピーダンス変換部は、前記第２共振回路の前記共振周波数において、前記第２共振回路の出力インピーダンスと前記電力変換部の入力インピーダンスとがインピーダンス整合するようにインピーダンス変換を行う請求項９または１０に記載の無線電力伝送システム。
前記送電機器は、前記信号周波数制御部、前記第１インピーダンス変換部、および第１共振周波数制御部の動作を制御する第１制御部を備え、
前記受電機器は、前記第２インピーダンス変換部および前記第２共振周波数制御部の動作を制御する第２制御部を備え、
前記第１制御部と前記第２制御部とは、前記信号周波数制御部と、前記第１インピーダンス変換部と、前記第２インピーダンス変換部とを同期的に制御する請求項９から１１のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
前記第１制御部と前記第２制御部とは、同期をとるための情報を互いに通信する請求項１２に記載の無線電力伝送システム。
前記第１制御部は、前記信号周波数制御部と前記第１インピーダンス変換部とを同期的に制御し、
前記第１制御部の制御によって生じる前記第２インピーダンス変換部からの出力信号の変化が検出されたとき、前記第２制御部は前記第２インピーダンス変換部を制御する請求項１２に記載の無線電力伝送システム。
請求項１から１４のいずれかに記載の無線電力伝送システムに用いられる前記送電機器。
請求項１から１４のいずれかに記載の無線電力伝送システムに用いられる前記受電機器。
第１共振回路を有する送電機器から第２共振回路を有する受電機器に、前記第１共振回路と前記第２共振回路との電磁界の共振現象による結合によって無線により電力を伝送する無線電力伝送システムを用いた無線電力伝送方法であって、
前記第１共振回路に供給される交流信号の周波数を変化させるステップ（ａ）と、
前記変化した前記交流信号の周波数に応じて、前記第１および第２共振回路の共振周波数を変化させるステップ（ｂ）と、
前記変化された前記交流信号の周波数に応じて、前記送電機器と前記受電機器とでインピーダンス変換を行うステップ（ｃ）とを包含する無線電力伝送方法。
第１共振回路を有する送電機器から第２共振回路を有する受電機器に、前記第１共振回路と前記第２共振回路との電磁界の共振現象による結合によって無線により電力を伝送する無線電力伝送システムを用いた無線電力伝送方法であって、
前記送電機器と前記受電機器とにおいてインピーダンス変換を行うステップであって、前記第１および第２共振回路の共振周波数とは異なる周波数において伝送効率のピークが形成されるようにインピーダンス変換を行うステップ（ａ）と、
前記共振周波数とは異なる周波数を有する交流信号を前記第１共振回路に供給するステップ（ｂ）とを包含する無線電力伝送方法。