JP2012139033A

JP2012139033A - 非接触電力伝送システムおよび受電アンテナ

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Publication number: JP2012139033A
Application number: JP2010289694A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Makita; 和政牧田
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP5587165B2

Abstract

【課題】従来の送電装置にも容易に適用でき、受電装置の小型化を妨げることなく共鳴状態の切り替えを可能とする非接触電力伝送システムおよび受電アンテナを提供すること。
【解決手段】送電アンテナ６と交流電源３とを有する送電装置１と、受電アンテナ１０と整流回路７とを有する受電装置２とを備え、送電アンテナ６と受電アンテナ１０間の電磁場の共鳴を利用して送電アンテナ６より受電アンテナ１０に電力を送電するように構成されている。送電アンテナ６は送電コイル５により構成され、受電アンテナ１０は、受電コイル１１と、受電コイル１１に電磁的に結合した共鳴コイル１２と、共鳴コイル１２に電磁的に結合した調整コイル１３と、調整コイル１３のインピーダンス切り替え手段とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、充電器などの送電装置と携帯電子機器などの受電装置との間で非接触で電力伝送を行う非接触電力伝送システムおよび受電アンテナに関し、特に、送電アンテナと受電アンテナ間の電磁場の共鳴を利用した共鳴型の非接触電力伝送システムおよび受電アンテナに関する。

近年、携帯電話、ヘッドセット、デジタルカメラ、デジタルビデオ等の携帯電子機器の充電には防水性、防塵性に優れた非接触電力伝送システムの使用が増加している。共鳴型の非接触電力伝送システムは、給電側の送電装置に備えた電力を送電する送電アンテナと、受電側の受電装置に備えた電力を受電する受電アンテナとを備え、特定の周波数の電磁場において共鳴現象が発生するよう構成し、この共鳴現象を利用して送電アンテナより受電アンテナに電力を送電するシステムである。

この共鳴型の非接触電力伝送システムは、送電アンテナと受電アンテナ間の共鳴により高い送電効率が得られること、送電アンテナと共鳴状態にある受電アンテナを有する特定の受電装置への送電が可能であることなどが特長である。この特長を利用するためには、送電装置側、または受電装置側で、共鳴状態を保持する、または共鳴状態の選択や切り替えを行う調整機能が必要である。これに関し、従来技術としては、例えば、特許文献１および特許文献２などに記載された技術が知られている。

図５は特許文献１に記載された共鳴型の非接触電力伝送システムの構成を示す図である。送電コイル３２と共鳴コイル３５とからなる送電アンテナと、送電アンテナに送電電力を供給する交流電源３１とを有する送電装置と、受電コイル３８と共鳴コイル３７とからなる受電アンテナと、受電した電力を直流電力に変換する整流回路３９とを有する受電装置とを備え、送電アンテナと受電アンテナ間の電磁場の結合による共鳴を利用して電力を送電する。送電装置の共鳴コイル３５にアクチュエータ３６などの可変機構を備えて共振周波数を離散的又は連続的に変え、それぞれ異なる固有の共振周波数を有する給電先、すなわち受電装置に対して選択的に給電する。

図６は特許文献２に記載された共鳴型の非接触電力伝送システムの構成を示す図である。送電コイル４２と共鳴コイル４３とからなる送電アンテナと、送電アンテナに送電電力を供給する交流電源４１とを有する送電装置４０と、受電コイル４５と共鳴コイル４４とからなる受電アンテナとを有する受電装置５０とを備え、送電アンテナと受電アンテナ間の電磁場の結合による共鳴を利用して電力を送電する。ここでは、受電コイル４５と負荷４６との間にインピーダンス可変回路４７を備え、送電アンテナと受電アンテナ間の距離や受電装置の負荷などが変化した場合に、共鳴系の入力インピーダンスの変化を抑制するようにインピーダンス可変回路４７のインピーダンスを調整する。

特開２０１０−６３２４５号公報特開２０１０−１４１９７７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では、送電装置に共振周波数を可変するためのアクチュエータなどの特殊な調整機構や部品を必要とするため、すでに製品化されている一般的な送電装置に適用することは困難である。また、特許文献２に記載された従来技術においては、受電コイルと負荷との間にインピーダンス可変回路を備える必要があるため、特に小型の携帯電子機器などの受電装置に組み込む場合、そのインピーダンス可変回路分のスペースが必要となり、携帯電子機器の小型化を妨げてしまうという問題がある。

そこで本発明の課題は、従来の送電装置にも容易に適用でき、受電装置の小型化を妨げることなく共鳴状態の切り替えを可能とする非接触電力伝送システムおよび受電アンテナを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送システムは、電力を送電する送電アンテナと、前記送電アンテナに送電電力を供給する交流電源とを有する送電装置と、前記送電アンテナから送電された電力を受電する受電アンテナと、前記受電アンテナで受電した電力を直流電力に変換する整流回路とを有する受電装置とを備える非接触電力伝送システムであって、前記送電アンテナと前記受電アンテナ間の電磁場の共鳴を利用して前記送電アンテナより前記受電アンテナに電力を送電するように構成され、前記受電アンテナは、受電コイルと、前記受電コイルに電磁的に結合した共鳴コイルと、前記共鳴コイルに電磁的に結合した調整コイルと、前記調整コイルのインピーダンス切り替え手段とを有することを特徴とする。

ここで、前記調整コイルのインピーダンス切り替え手段として、前記調整コイルの両端を開放状態、または短絡状態とする切り替え手段を有していてもよく、この場合、前記調整コイルの両端を開放状態、または短絡状態とする切り替え手段として半導体スイッチを用いてもよい。

また、本発明の非接触電力伝送システムは、前記送電装置と前記受電装置との間の通信手段を備えてもよい。

また、前記受電装置は、前記調整コイルの両端の開放状態または短絡状態への切り替えを行うか否かを判断する機能を有し、前記判断の結果により、前記切り替えを行ってもよい。

この場合、前記受電装置は、前記受電装置の内部の情報、または前記受電装置に接続された負荷から得た情報を基に上記の判断を行ってもよく、その情報は、前記受電装置から前記負荷への出力電流または前記負荷への出力電圧の少なくとも一方であってもよい。

また、前記送電装置より前記通信手段を介して行われる指示により、前記受電装置は前記調整コイルの両端の開放状態または短絡状態への切り替えを行ってもよい。

この場合、前記受電装置は、前記通信手段を介して前記送電装置に前記受電装置が有する情報を通知し、前記送電装置は、前記情報に基づいて前記調整コイルの両端の開放状態または短絡状態への切り替えを行うか否かの判断を行い、前記送電装置は、前記判断結果に基づいて前記受電装置に指示を行ってもよい。ここで、前記受電装置が前記送電装置に通知する情報は前記受電装置の識別情報であってもよい。

また、前記送電装置は、前記送電装置に近接して配置された前記受電装置の数および各々の識別情報を認識し、各々の前記受電装置について前記調整コイルの両端の開放状態または短絡状態への切り替えを行うか否かの判断を行い、前記判断結果に応じて各々の前記受電装置へ指示を行ってもよい。

本発明の受電アンテナは、電力を送電する送電アンテナと、前記送電アンテナに送電電力を供給する交流電源とを有する送電装置と、前記送電アンテナから送電された電力を受電する受電アンテナと、前記受電アンテナで受電した電力を直流電力に変換する整流回路とを有する受電装置とを備え、前記送電アンテナと前記受電アンテナ間の電磁場の共鳴を利用して前記送電アンテナより前記受電アンテナに電力を送電するように構成された非接触電力伝送システムに使用される受電アンテナであって、受電コイルと、前記受電コイルに電磁的に結合した共鳴コイルと、前記共鳴コイルに電磁的に結合した調整コイルと、前記調整コイルのインピーダンス切り替え手段とを有することを特徴とする。

以上のように、本発明の非接触電力伝送システムでは、受電アンテナとして、受電コイル、共鳴コイルに加えて調整コイルを備え、その調整コイルのインピーダンス切り替え手段、例えば調整コイルの両端の開放、短絡の切り替え手段を備えることによって共鳴状態の切り替えを可能とするものである。調整コイルは受電コイルや共鳴コイルと同様に平面コイルで構成できることから受電装置の小型化を妨げるものではなく、また、送電装置としては従来の送電装置を適用することができる。

以上のように、本発明によれば、従来の送電装置にも容易に適用でき、受電装置の小型化を妨げることなく共鳴状態の切り替えを可能とする非接触電力伝送システムおよび受電アンテナが得られる。

本発明による非接触電力伝送システムの一実施の形態の構成を示す図。従来の一般的な共鳴型の非接触電力伝送システムにおいて、受電アンテナの共振周波数を変えた場合の、受電アンテナの受電効率の測定結果の一例を示す図。調整コイルの有無および形状の違いによる受電アンテナのリアクタンスの周波数特性の変化の一例を示す図。本発明による非接触電力伝送システムの動作フローの一例を示すフローチャート図。特許文献１に記載された共鳴型の非接触電力伝送システムの構成を示す図。特許文献２に記載された共鳴型の非接触電力伝送システムの構成を示す図。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は本発明による非接触電力伝送システムの一実施の形態の構成を示す図である。本実施の形態の非接触電力伝送システムは、電力を送電する送電アンテナ６と、送電アンテナ６に送電電力を供給する交流電源３とを有する送電装置１と、送電アンテナ６から送電された電力を受電する受電アンテナ１０と、受電アンテナ１０で受電した電力を直流電力に変換する整流回路７とを有する受電装置２とを備える。送電アンテナ６と受電アンテナ１０間の電磁場の共鳴を利用して送電アンテナ６より受電アンテナ１０に電力を送電するように構成されている。送電アンテナ６は送電コイル５により構成され、受電アンテナ１０は、受電コイル１１と、受電コイル１１に電磁的に結合した共鳴コイル１２と、共鳴コイル１２に電磁的に結合した調整コイル１３と、調整コイル１３のインピーダンス切り替え手段とを有している。

ここで、送電コイル５は基板の表面、または裏面、または内層に形成されたコイルパターンからなる平面アンテナである。また、受電コイル１１と共鳴コイル１２、調整コイル１３も同じ基板の表面、または裏面、または内層に形成されたコイルパターンからなる平面アンテナであり、互いに電磁的に結合している。送電アンテナ６は、共鳴コイルを設けていないため、送電コイル５と、送電コイル５に接続されたインピーダンス調整回路により送電コイル５が受電アンテナ１０との間で共鳴するように構成されている。

また、半導体スイッチ１４により、調整コイル１３の両端を、開放状態、または短絡状態とする切り替えを行うように構成されている。半導体スイッチ１４はＦＥＴなどで構成される。半導体スイッチ１４のＯＮ／ＯＦＦ動作は、マイクロコンピュータなどで構成される制御回路８によって制御される。

図１には示されていないが、本実施の形態の非接触電力伝送システムは、送電装置１と受電装置２との間の通信手段を備えている。これは送電アンテナ６と受電アンテナ１０とを介した通信手段であってもよく、または送電装置１および受電装置２に他の通信専用のアンテナを設けてもよい。

図２は、従来の一般的な共鳴型の非接触電力伝送システムにおいて、受電アンテナの共振周波数を変えた場合の、受電アンテナの受電効率の測定結果の一例を示す図である。図２から、受電効率が最大となる受電アンテナの共振周波数があることがわかる。受電装置が電力を受電する時は、共振周波数をその受電効率が最大となる周波数の近傍となるようにして電力を受け、電力の供給が不要な時は、その周波数から離れた周波数に共振周波数を変化させる。

例えば、送電装置に複数の受電装置を近接配置して充電を行う場合、受電対象の受電装置の受電アンテナの共振周波数は受電効率が最大になる共振周波数の近傍に設定し、受電対象でない受電装置の受電アンテナの共振周波数は、その共振周波数から離すことで、送電装置からの送電電力を効率良く受電対象となる受電装置に送電することが可能となる。

図１において、受電装置２の制御回路８は、前記の通信手段を介した送電装置１からの指示により、半導体スイッチ１４のＯＮまたはＯＦＦを決定する。なお９は、負荷である。

半導体スイッチがＯＦＦ、つまり調整コイル１３が開放状態になると、受電アンテナ１０は調整コイルがない場合と等価である。半導体スイッチがＯＮ、すなわち調整コイル１３が短絡状態になると、調整コイル１３から共鳴コイル１２の磁束を打ち消す磁束が発生するため、共振周波数が高くなる。

図３は、調整コイルの有無および形状の違いによる受電アンテナのリアクタンスの周波数特性の変化の一例を示す図である。図３において、リアクタンスの値がピーク値となる周波数が受電アンテナ１０の共振周波数である。図３は、調整コイル１３がない場合と、調整コイル１３が、大、中、小と３種類の大きさで構成された場合のそれぞれの特性を示している。共振周波数は、図３に示すとおり、調整コイル１３が存在すると高周波側にシフトし、そのシフト量は調整コイル１３の大きさにより異なるので、調整コイル１３の大きさを選択することにより、半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦにより変化させたい周波数に合わせることが可能である。この場合、共振周波数のシフト量は、調整コイル１３と共鳴コイル１２との結合に依存するので、調整コイル１３の大きさだけでなく、その巻き数や、調整コイル１３と共鳴コイル１２の間の距離などでも調整できる。

また、受電アンテナ１０に複数の調整コイルを備え、受電アンテナ１０が半導体スイッチにより選択可能な３つ以上の共振周波数を有するように構成することも可能である。また、半導体スイッチは、受電アンテナ１０でなく、制御回路８に備えていてもよい。

図４は、本発明による非接触電力伝送システムの動作フローの一例を示すフローチャート図である。最初に送電装置は、手順２１として、近接配置されている受電装置の探索、すなわちポーリングをしながら送電対象の受電装置が送電装置の近傍にくるのを待機する。次に手順２２として、受電装置から識別情報（ＩＤ情報）を取得する。送電装置が受電装置から識別情報を取得して受電装置を認証すると、手順２３として、認証した受電装置が１台か複数台かを判別する。１台の場合は、手順２４として、異常検出を行いながら受電装置に送電を開始する。受電装置が複数台の場合は、手順２６として、各受電装置に受電対象であるか否かを通知し、受電対象でない受電装置へは、半導体スイッチをＯＮにして受電アンテナの共振周波数を切り替えることにより受電効率が最大となる共振周波数よりシフトさせるよう指示し、受電対象の受電装置だけが、効率良く電力を受電する状態に切り替える。次に、手順２７として、送電装置は異物検出を行いながら送電対象の受電装置への送電を開始する。なお、送電中は手順２５、または手順２８のように、いずれの場合も異物が検出されると送電を停止する。手順２９において、１台の送電が終了すると、手順３０として、他の受電対象の受電装置の有無を判断し、受電対象の受電装置がある場合は、各受電装置に受電対象であるか否かを通知するという動作を繰り返し、受電対象の受電装置への送電が終了するまで繰り返す。

ここで、受電装置の制御回路は、送電装置からの指示によるのではなく、受電装置の内部の情報、または受電装置に接続された負荷から得た情報を基に、半導体スイッチの切り替えを行うか否かの判断を行ってもよい。例えば、負荷への出力電流や出力電圧を検出し、負荷への出力電力が閾値以下になった場合に半導体スイッチをＯＦＦからＯＮに切り替えて受電アンテナの共振周波数をずらし、受電を終了することも可能である。また、負荷側から大電力が不要になった旨の情報を得た場合、半導体スイッチをＯＦＦからＯＮへ切り替えて受電を終了しても良い。

なお、本発明の非接触電力伝送システムおよび受電アンテナは、上記の実施の形態や動作フローの一例に示したものに限定されるものではないことはいうまでもなく、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、調整コイルのインピーダンス切り替え手段としては、調整コイルの両端を開放状態、または短絡状態とする切り替え手段以外にも、調整コイルにコンデンサ、コイル、抵抗などを接続し、それらの容量、インダクタンス、抵抗値のいずれかを切り替える手段を設けることも可能である。切り替え手段となる素子としては、半導体スイッチ以外のスイッチ素子を用いることができる。受電装置から送電装置に通知する情報としては、識別情報以外に受電装置に接続された負荷の情報や受電装置の充電状態などを示す情報であってもよい。

１、４０送電装置
２、５０受電装置
３、３１、４１交流電源
１２、３５、３７、４３、４４共鳴コイル
５、３２、４２送電コイル
６送電アンテナ
７、３９整流回路
８制御回路
９、４６負荷
１０受電アンテナ
１１、３８、４５受電コイル
１３調整コイル
１４半導体スイッチ
２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０手順
３６アクチュエータ
４７インピーダンス可変回路

Claims

電力を送電する送電アンテナと、前記送電アンテナに送電電力を供給する交流電源とを有する送電装置と、前記送電アンテナから送電された電力を受電する受電アンテナと、前記受電アンテナで受電した電力を直流電力に変換する整流回路とを有する受電装置とを備える非接触電力伝送システムであって、前記送電アンテナと前記受電アンテナ間の電磁場の共鳴を利用して前記送電アンテナより前記受電アンテナに電力を送電するように構成され、前記受電アンテナは、受電コイルと、前記受電コイルに電磁的に結合した共鳴コイルと、前記共鳴コイルに電磁的に結合した調整コイルと、前記調整コイルのインピーダンス切り替え手段とを有することを特徴とする非接触電力伝送システム。
前記調整コイルのインピーダンス切り替え手段として、前記調整コイルの両端を開放状態、または短絡状態とする切り替え手段を有することを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送システム。
前記調整コイルの両端を開放状態、または短絡状態とする切り替え手段として半導体スイッチを用いたことを特徴とする請求項２に記載の非接触電力伝送システム。
前記送電装置と前記受電装置との間の通信手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触電力伝送システム。
前記受電装置は、前記調整コイルの両端の開放状態または短絡状態への切り替えを行うか否かを判断する機能を有し、前記判断の結果により、前記切り替えを行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の非接触電力伝送システム。
前記受電装置は、前記受電装置の内部の情報、または前記受電装置に接続された負荷から得た情報を基に、前記調整コイルの両端の開放状態または短絡状態への切り替えを行うか否かの判断を行うことを特徴とする請求項５に記載の非接触電力伝送システム。
前記受電装置の内部の情報、または前記受電装置に接続された負荷から得た情報は、前記受電装置から前記負荷への出力電流または前記負荷への出力電圧の少なくとも一方であることを特徴とする請求項６に記載の非接触電力伝送システム。
前記送電装置より前記通信手段を介して行われる指示により、前記受電装置は前記調整コイルの両端の開放状態または短絡状態への切り替えを行うことを特徴とする請求項４に記載の非接触電力伝送および通信システム。
前記受電装置は、前記通信手段を介して前記送電装置に前記受電装置が有する情報を通知し、前記送電装置は、前記情報に基づいて前記調整コイルの両端の開放状態または短絡状態への切り替えを行うか否かの判断を行い、前記送電装置は、前記判断の結果に基づいて前記受電装置に指示を行うことを特徴とする請求項８に記載の非接触電力伝送システム。
前記受電装置が前記送電装置に通知する情報は前記受電装置の識別情報であることを特徴とする請求項９に記載の非接触電力伝送システム。
前記送電装置は、前記送電装置に近接して配置された前記受電装置の数および各々の識別情報を認識し、各々の前記受電装置について前記調整コイルの両端の開放状態または短絡状態への切り替えを行うか否かの判断を行い、前記判断の結果に応じて各々の前記受電装置へ指示を行うことを特徴とする請求項１０に記載の非接触電力伝送システム。
電力を送電する送電アンテナと、前記送電アンテナに送電電力を供給する交流電源とを有する送電装置と、前記送電アンテナから送電された電力を受電する受電アンテナと、前記受電アンテナで受電した電力を直流電力に変換する整流回路とを有する受電装置とを備え、前記送電アンテナと前記受電アンテナ間の電磁場の共鳴を利用して前記送電アンテナより前記受電アンテナに電力を送電するように構成された非接触電力伝送システムに使用される受電アンテナであって、受電コイルと、前記受電コイルに電磁的に結合した共鳴コイルと、前記共鳴コイルに電磁的に結合した調整コイルと、前記調整コイルのインピーダンス切り替え手段とを有することを特徴とする受電アンテナ。
前記調整コイルのインピーダンス切り替え手段として、前記調整コイルの両端を開放状態、または短絡状態とする切り替え手段を有することを特徴とする請求項１２に記載の受電アンテナ。
前記調整コイルの両端を開放状態、または短絡状態とする切り替え手段として半導体スイッチを用いたことを特徴とする請求項１３に記載の受電アンテナ。