JP2012170315A - 受電装置、給電システム及び給電方法 - Google Patents

受電装置、給電システム及び給電方法 Download PDF

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Abstract

【課題】送電装置に対して複数の受電装置が存在する場合であっても、磁界共鳴方式による給電を良好に行うことが可能な受電装置を提供する。
【解決手段】受電装置は、共鳴コイルの自己共振周波数を変化させる可変手段を有する。これにより、送電装置に対して複数の受電装置が存在する場合であっても、複数の受電装置のいずれか一以外の受電装置のそれぞれが有する共鳴コイルの自己共振周波数を変化させることが可能となる。したがって、各受電装置に対して磁界共鳴を利用した給電を良好に行うことが可能となる。
【選択図】図1

Description

本発明は、受電装置に関する。特に、磁界共鳴方式によって給電が行われる受電装置に関する。また、当該受電装置を備えた給電システム及び当該給電システムにおける給電方法に関する。
電力供給源(以下、送電装置ともいう)との接点がない状態において、対象物(以下、受電装置ともいう)に対して給電を行う(非接触給電、ワイヤレス給電などともいう)方式として、磁界共鳴方式と呼ばれる方式が注目されている。磁界共鳴方式は、送電装置及び受電装置の双方に設けられる共鳴コイルを磁界共鳴させることでエネルギーの伝搬路を形成する方式であり、他の方式(電磁誘導方式、電界誘導方式など)と比較して給電可能距離が長い。例えば、非特許文献1では、磁界共鳴方式における伝送効率が共鳴コイル間の距離が1mであれば約90%、2mであれば約45%という値を示すことが開示されている。
Andre Kurs,et al.,"Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances"Science,vol.317,pp.83−86,2007
上述の磁界共鳴方式においては、一対の共鳴コイルが共鳴した状態における磁界結合を利用して給電を行っている。そのため、送電装置に対して受電装置が複数存在する場合、複数の受電装置のそれぞれが有する共鳴コイルの磁界が相互に干渉し、各受電装置に対して磁界共鳴を利用した給電を行うことが困難となる。そこで、本発明の一態様は、送電装置に対して複数の受電装置が存在する場合であっても、磁界共鳴方式による給電を良好に行うことが可能な受電装置を提供することを目的の一とする。
上述した目的は、受電装置が有する共鳴コイルの自己共振特性を変化させる可変手段を設けることによって達成することが可能である。
具体的には、本発明の一態様は、磁界共鳴によって高周波電圧が誘起される受電用共鳴コイルと、受電用共鳴コイルの自己共振周波数を変化させる可変手段と、受電用共鳴コイルとの電磁誘導によって高周波電圧が誘起される負荷用コイルと、一端が負荷用コイルの一端に接続され、他端が負荷用コイルの他端に接続される負荷と、負荷用コイルに誘起される高周波電圧から信号を復調する受電用復調回路と、受電用復調回路によって復調される信号に対して応答する応答手段と、受電用復調回路によって復調される信号に応じて、可変手段及び応答手段の動作を制御する受電用コントローラと、を有する受電装置である。
また、送電用コントローラと、高周波電圧を生成する高周波電源と、送電用コントローラにおいて生成される信号にしたがって高周波電圧を変調する変調回路と、変調回路によって変調された高周波電圧が印加される駆動用コイルと、駆動用コイルとの電磁誘導によって高周波電圧が誘起され、且つ同一又は略同一の自己共振周波数を有する共鳴コイルに対して磁界共鳴によって高周波電圧を誘起する送電用共鳴コイルと、駆動用コイルに印加される高周波電圧を復調する送電用復調回路と、を有する送電装置と、上記の受電装置と、を有し、受電用共鳴コイルは、送電用共鳴コイルとの磁界共鳴によって高周波電圧が誘起される給電システムも本発明の一態様である。
また、送電装置が給電対象となる複数の受電装置のいずれか一に対して磁界共鳴を利用した給電を行う給電方法であって、送電装置が、給電が必要か否かの応答を求める信号であるインベントリ信号を送信する第1のステップと、複数の受電装置のそれぞれが、インベントリ信号に応答する第2のステップと、送電装置が、給電対象以外の受電装置に対して受電用共鳴コイルの自己共振周波数を変化させることを求める信号である無効化信号を送信する第3のステップと、送電装置が、給電対象に対して給電を行う第4のステップと、を有する給電方法も本発明の一態様である。
本発明の一態様の受電装置は、共鳴コイルの自己共振周波数を変化させる可変手段を有する。これにより、送電装置に対して複数の受電装置が存在する場合であっても、給電対象となる受電装置以外の受電装置が有する共鳴コイルの自己共振周波数を変化させることが可能となる。したがって、各受電装置に対して磁界共鳴を利用した給電を良好に行うことが可能となる。
また、本発明の一態様の給電システムは、同一又は略同一の自己共振周波数を有する共鳴コイルに対して、磁界共鳴によって高周波電圧を誘起する送電用共鳴コイルを有する送電装置と、当該送電用共鳴コイルとの磁界共鳴によって高周波電圧が誘起される受電用共鳴コイルを有する受電装置と、を有する。したがって、当該送電用共鳴コイルと当該受電用共鳴コイルを容易に磁界共鳴状態とすることが可能である。また、本発明の一態様の給電システムにおいては、当該受電用共鳴コイルの自己共振周波数を変化させるか否かを当該送電装置が選択することが可能である。これにより、送電装置に対して複数の受電装置が存在する場合であっても、送電装置が給電対象となる複数の受電装置のいずれか一を選択することが可能となる。すなわち、複数の受電装置のいずれか一に対する給電を良好に行うことが可能となる。また、本発明の一態様の給電システムにおいては、当該給電を簡便な構成によって実現することが可能である。
また、本発明の一態様の給電方法は、給電対象となる受電装置以外の受電装置に対して、受電用共鳴コイルの自己共振周波数を変化させることを求める信号である無効化信号を送信する。そして、給電対象となる受電装置に対する給電を行う。これにより、送電装置に対して複数の受電装置が存在する場合であっても、給電対象となる受電装置に対して磁界共鳴を利用した給電を良好に行うことが可能となる。
受電装置の構成例を示す図。 給電システムの構成例を示す図。 給電システムの動作例を示すフローチャート。 給電システムの用途例を示す図。
以下では、本発明の実施の形態及び実施例について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。
(実施の形態1)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係る受電装置の一例について図1を参照して説明する。なお、当該受電装置は、磁界共鳴を利用して給電が行われる受電装置である。
<受電装置の構成例>
図1は、本実施の形態の受電装置を示す図である。図1に示す受電装置は、磁界共鳴によって高周波電圧が誘起される共鳴コイル10と、共鳴コイル10の自己共振周波数を変化させる可変手段11と、共鳴コイル10との電磁誘導によって高周波電圧が誘起されるコイル12と、一端がコイル12の一端に接続され、他端がコイル12の他端に接続される負荷13と、コイル12に励起される高周波電圧から信号を復調する復調回路14と、復調回路14によって復調される信号に対して応答する応答手段15と、復調回路14によって復調される信号に応じて、可変手段11及び応答手段15の動作を制御するコントローラ16と、を有する。また、共鳴コイル10には、配線間の浮遊容量17が存在している。
なお、図1においては、共鳴コイル10とコイル12を別途設ける構成について示したが、これらを共有の1つのコイルとすることも可能である。ただし、その場合、当該コイルの直列抵抗及びキャパシタンスが大きくなる。これは、Q値が小さくなることを意味する。したがって、図1に示すように共鳴コイル10及びコイル12を別途設ける構成とすることが好ましい。
また、可変手段11の構成は、共鳴コイル10の自己共振周波数を可逆的に変化させることができる構成であれば、どのような構成であってもよい。例えば、可変手段11として、共鳴コイル10の一端及び他端の間に設けられ、コントローラ16によってスイッチングが制御されるスイッチを適用することが可能である。なお、可変手段11として、スイッチを適用する場合、接点が存在するか否かを制御する機械的スイッチ(機械的リレー、MEMSスイッチなど)を適用することが好ましい。可変手段11には、高周波電圧が印加されうるからである。
また、負荷13の内部構成は、特定の構成に限定されない。例えば、負荷13が、ACDCコンバータ、DCDCコンバータ、バッテリーなどを有する構成とすることが可能である。特に、負荷13が、コイル12に誘起された高周波電圧を基に充電が行われるバッテリーを有する構成とすることが好ましい。磁界共鳴を利用する場合、中長距離においても高効率な電力供給を行うことが可能であるからである。また、負荷13が、コントローラ16によってインピーダンスが制御される整合回路を有する構成とすることも可能である。コントローラ16によって負荷13のインピーダンスを制御することで、外部の送電装置と当該受電装置の距離が最適距離よりも短い場合における電力の伝送効率を改善することなどが可能となる。
また、復調回路14の構成としては、高周波電圧に重畳する信号(例えば、振幅変調によって高周波電圧に重畳された信号)を判別し、デジタル信号として出力することが可能な回路であれば、どのような回路を適用してもよい。
また、応答手段15の構成は、外部の送電装置に対して応答することができる構成であれば、どのような構成としてもよい。例えば、応答手段15として、コイル12の一端及び他端の間に設けられ、且つ直列接続される抵抗及びスイッチを適用することが可能である。この場合、当該スイッチのスイッチングをコントローラ16によって制御することで、外部の送電装置に対して応答することが可能となる。また、当該スイッチとしては、機械的スイッチを適用することが好ましい。
また、図1に示す受電装置においては、共鳴コイル10には、配線間の浮遊容量17のみが存在する構成について示したが、共鳴コイル10の一端及び他端の間にキャパシタを設ける構成とすることも可能である。
<受電装置の動作例>
図1に示す受電装置の動作について以下に説明する。
まず、外部の送電装置が有する共鳴コイルとの磁界共鳴を利用して共鳴コイル10に高周波電圧が誘起される。そして、共鳴コイル10に誘起された高周波電圧は、電磁誘導を利用してコイル12へと伝搬される。すなわち、コイル12には、共鳴コイル10に誘起された高周波電圧に依拠した高周波電圧が誘起される。コイル12に誘起された高周波電圧に重畳された信号は、復調回路14によって復調される。復調回路14によって復調された信号は、コントローラ16に入力される。コントローラ16は、当該信号を用いて可変手段11及び応答手段15の動作を制御する。
なお、復調回路14によって復調される信号には、少なくともインベントリ信号及び無効化信号の2種類の信号が存在する。インベントリ信号とは、外部の送電装置が当該受電装置に対して給電が必要か否かの応答を求める信号である。また、無効化信号とは、外部の送電装置が当該受電装置に対して共鳴コイル10の自己共振周波数を変化させるように求める信号である。したがって、コントローラ16は、インベントリ信号が入力される場合には、応答手段15の動作を制御することによって外部の送電装置に対して応答する。また、コントローラ16は、無効化信号が入力される場合には、可変手段11の動作を制御することによって共鳴コイル10の自己共振周波数を変化させる。
そして、当該受電装置がインベントリ信号に対して給電が必要である旨の応答をした場合(その後に、当該受電装置が無効化信号を受信した場合を除く)には、外部の送電装置から負荷13に対する給電が行われる。なお、当該給電は、外部の送電装置から共鳴コイル10及びコイル12を介して負荷13に対して行われる。また、当該受電装置が無効化信号を受信した場合は、特定期間に渡って共鳴コイル10の自己共振周波数を変化させる。なお、当該特定期間経過後には、共鳴コイル10の自己共振周波数が復元される。
このように、本実施の形態の受電装置では、外部の送電装置が送信する無効化信号にしたがって共鳴コイル10の自己共振周波数を変化させることが可能である。これにより、外部の送電装置が有する共鳴コイルと当該受電装置が有する共鳴コイル10を磁界共鳴させないことが可能となる。したがって、外部の送電装置に対して複数の受電装置が存在する場合であっても、特定の一の受電装置を選択し、当該受電装置に対する磁界共鳴を利用した給電を良好に行うことが可能となる。
また、本実施の形態の受電装置では、信号の送受信及び給電のそれぞれを行う機構を別途設けるのではなく、両者を共通の共鳴コイル10及びコイル12を介して行われる。したがって、受電装置を小型化することが可能である。
なお、本実施の形態の内容又は内容の一部は、他の実施の形態の内容若しくは内容の一部又は実施例の内容若しくは内容の一部と適宜組み合わせることが可能である。
(実施の形態2)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係る給電システムの一例について図2を参照して説明する。なお、当該給電システムは、磁界共鳴を利用した給電を行う給電システムである。
<給電システムの構成例>
図2は、本実施の形態の給電システムを示す図である。図2に示す給電システムは、複数の受電装置100_1〜100_n(nは、2以上の自然数)と、送電装置200とを有する。ここで、複数の受電装置100_1〜100_nのそれぞれは、少なくとも送電装置200が備える共鳴コイル24の自己共振周波数と同一又は略同一の自己共振周波数を有する共鳴コイルを有する。本実施の形態においては、複数の受電装置100_1〜100_nとして、実施の形態1において説明した受電装置を適用することとする。そのため、本実施の形態においては、受電装置100_1〜100_nの説明は、実施の形態1の説明を援用することとする。なお、本実施の形態の給電システムにおいては、必ずしも複数の受電装置100_1〜100_nのそれぞれを同一構成とする必要はない。すなわち、複数の受電装置100_1〜100_nのそれぞれの構成又は機能の全てが共通である必要はないことを付記する。
送電装置200は、コントローラ20と、高周波電圧を生成する高周波電源21と、コントローラ20において生成される信号にしたがって高周波電圧を変調する変調回路22と、変調回路22によって変調された高周波電圧が印加されるコイル23と、コイル23との電磁誘導によって高周波電圧が励起される共鳴コイル24と、コイル23に印加される高周波電圧を復調する復調回路25とを有する。また、共鳴コイル24には、配線間の浮遊容量26が存在している。
なお、高周波電源21の構成は、共鳴コイル24の自己共振周波数と同等の周波数を有する高周波電圧を生成することが可能であれば、どのような構成としてもよい。
また、変調回路22の構成としては、高周波電圧を搬送波として信号を重畳する(例えば、振幅変調を行う)ことが可能な構成であればどのような構成を適用してもよい。
また、図2においては、コイル23と共鳴コイル24を別途設ける構成について示したが、これらを共有の1つのコイルとすることも可能である。ただし、その場合、当該コイルの直列抵抗及びキャパシタンスが大きくなる。これは、Q値が小さくなることを意味する。したがって、図2に示すようにコイル23及び共鳴コイル24を別途設ける構成とすることが好ましい。
また、復調回路25の構成としては、高周波電圧に重畳する信号(例えば、振幅変調によって高周波電圧に重畳された信号)を判別し、デジタル信号として出力することが可能な回路であれば、どのような回路を適用してもよい。
<給電システムを用いた給電方法>
以下では、本実施の形態に示す給電システムを用いた給電方法の一例について図3を参照して説明する。なお、図3は、給電システムにおける送電装置の動作の一例を示すフローチャートである。
送電装置が受電装置に対して給電が必要か否かの応答を求める信号であるインベントリ信号を送信する。なお、送電装置によるインベントリ信号の送信は、受電装置からの応答信号を受信するまでに渡って、定常的に行うこと、定期的に行うこと、又は不定期に行うこと(例えば、利用者の操作に応じて行うこと)が可能である。また、複数の受電装置の各々が送信する応答の混信を防ぐために、当該給電システムに衝突防止機能(アンチコリジョン機能)を付与しておくことが好ましい。
送電装置において応答の受信がある(当該インベントリ信号に対して応答する受電装置がある)場合、応答が複数あるか否か(当該インベントリ信号に対して応答する受電装置が複数存在するか否か)によって送電装置の動作が異なる。他方、送電装置における応答の受信がない(当該インベントリ信号に対して応答する受電装置がない)場合、給電動作が終了する。
応答が単一である場合、送電装置は、応答が給電を要請する信号(給電要請信号)であるか否かを判別する。そして、応答が給電要請信号である場合、送電装置は、給電要請信号を送信した受電装置に対する給電を行う。他方、応答が給電要請信号でない場合、給電動作が終了する。
応答が複数である場合、送電装置は、複数の応答に給電要請応答が含まれるか否かを判別する。そして、複数の応答に給電要請応答が含まれる場合、送電装置は、給電要請応答が単一であるか否かを判別する。他方、複数の応答に給電要請応答が含まれない場合、給電動作が終了する。
複数の応答に含まれる給電要請応答が単一である場合、送電装置は、給電要請応答を送信する受電装置(給電対象)以外の受電装置に対して、共鳴コイルの自己共振周波数を変化させるように求める信号である無効化信号を送信する。他方、複数の応答に含まれる給電要請応答が複数である場合、送電装置は、給電要請応答を送信する複数の受電装置のいずれか一(給電対象)を選択する。そして、当該給電対象以外の受電装置に対して、無効化信号を送信する。
このような動作を経ることによって、送電装置から単一の受電装置に対する給電を良好に行うことが可能となる。
また、本実施の形態において当該給電は、特定期間の経過後に終了することとする。そして、再度、送電装置がインベントリ信号を送信し、上述の動作を繰り返すこととする。このような動作を行うことにより、給電要請信号を送信する受電装置が複数存在する場合でも、複数の受電装置に対する給電を逐次的に行うことが可能となる。また、給電時間を制御することで、複数の受電装置に対する給電を擬似的に並行して行うことが可能となる。
なお、上述の動作においては、複数の受電装置のそれぞれが給電を要請するか否かの応答を送信する構成について例示しているが、本実施の形態の動作例は当該構成に限定されない。例えば、複数の受電装置のそれぞれが状態(例えば、充電状態)を示す信号を送電装置に送信し、当該信号を基に送電装置が給電対象となる受電装置を選択する構成とすることなども可能である。
このように、本実施の形態の給電システムでは、送電装置が送信する無効化信号にしたがって受電装置が有する共鳴コイルの自己共振周波数を変化させることが可能である。したがって、送電装置に対して複数の受電装置が存在する場合であっても、磁界共鳴を利用した給電を良好に行うことが可能となる。
また、本実施の形態の給電システムにおいては、送電装置が有する送電用共鳴コイルと受電装置が有する受電用共鳴コイルの自己共振周波数が同一又は略同一である。したがって、これらの共鳴コイルを容易に磁界共鳴状態とすることが可能である。すなわち、本実施の形態の給電システムにおいては、磁界共鳴を利用した給電を簡便な構成によって実現することが可能となる。
なお、本実施の形態の内容又は内容の一部は、他の実施の形態の内容若しくは内容の一部又は実施例の内容若しくは内容の一部と適宜組み合わせることが可能である。
本実施例では、実施の形態2で説明した給電システムを適用できる用途について説明する。なお、本発明の一態様に係る給電システムを適用できる用途としては、携帯型の電子機器である、デジタルビデオカメラ、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機又は電子書籍等)、記録媒体を備えた画像再生装置(具体的にはDigital Versatile Disc(DVD)再生装置)などが挙げられる。また、電力を基に動力を得る電気自動車等の電気推進移動体が挙げられる。以下、一例について図4を参照して説明する。
図4(A)は、携帯電話及び携帯情報端末を給電システムの用途とする一例であり、送電装置701、受電装置703Aを有する携帯電話702A、受電装置703Bを有する携帯電話702Bによって構成されている。実施の形態2で説明した給電システムは、送電装置701と受電装置703A及び受電装置703Bの間で適用することができる。
例えば、送電装置701には、実施の形態2に示す送電装置の構成が適用でき、受電装置703A及び受電装置703Bには、実施の形態1に示す受電装置の構成が適用できる。
本発明の一態様に係る給電システムを適用することにより、送電装置701から受電装置703A及び受電装置703Bへ電力を効率よく供給することができる。
図4(B)は、電気推進移動体である電気自動車を給電システムの用途とする一例であり、送電装置711と、受電装置713を有する電気自動車712とによって構成されている。実施の形態2で説明した給電システムは、送電装置711と受電装置713の間で適用することができる。
例えば、送電装置711には、実施の形態2に示す送電装置の構成が適用でき、受電装置713には、実施の形態1に示す受電装置の構成が適用できる。
本発明の一態様に係る給電システムを適用することにより、送電装置711から受電装置713へ電力を効率よく供給することができる。
以上、実施の形態2で説明した給電システムは、電力をもって駆動させる物品であればどのようなものにでも設けて使用することができる。
なお、本実施例の内容又は内容の一部は、実施の形態の内容又は内容の一部と適宜組み合わせることが可能である。
10 共鳴コイル
11 可変手段
12 コイル
13 負荷
14 復調回路
15 応答手段
16 コントローラ
17 浮遊容量
20 コントローラ
21 高周波電源
22 変調回路
23 コイル
24 共鳴コイル
25 復調回路
26 浮遊容量
100_1〜100_n 受電装置
200 送電装置
701 送電装置
702A 携帯電話
702B 携帯電話
703A 受電装置
703B 受電装置
711 送電装置
712 電気自動車
713 受電装置

Claims (8)

  1. 磁界共鳴によって高周波電圧が誘起される受電用共鳴コイルと、
    前記受電用共鳴コイルの自己共振周波数を変化させる可変手段と、
    前記受電用共鳴コイルとの電磁誘導によって高周波電圧が誘起される負荷用コイルと、
    一端が前記負荷用コイルの一端に電気的に接続され、他端が前記負荷用コイルの他端に電気的に接続される負荷と、
    前記負荷用コイルに誘起される高周波電圧から信号を復調する受電用復調回路と、
    前記受電用復調回路によって復調される信号に対して応答する応答手段と、
    前記受電用復調回路によって復調される信号に応じて、前記可変手段及び前記応答手段の動作を制御する受電用コントローラと、を有する受電装置。
  2. 前記受電用コントローラが、前記可変手段によって前記受電用共鳴コイルの自己共振周波数を変化させてから特定期間経過後に前記受電用共鳴コイルの自己共振周波数を復元する、請求項1に記載の受電装置。
  3. 前記負荷が、前記負荷用コイルに誘起された高周波電圧を基に充電が行われるバッテリーを有する、請求項1又は請求項2に記載の受電装置。
  4. 前記負荷が、前記受電用コントローラによってインピーダンスが制御される負荷用整合回路を有する、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の受電装置。
  5. 前記可変手段が、前記受電用共鳴コイルの一端及び他端の間に設けられるスイッチである、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の受電装置。
  6. 送電用コントローラと、
    高周波電圧を生成する高周波電源と、
    前記送電用コントローラにおいて生成される信号にしたがって高周波電圧を変調する変調回路と、
    前記変調回路によって変調された高周波電圧が印加される駆動用コイルと、
    前記駆動用コイルとの電磁誘導によって高周波電圧が誘起され、且つ同一又は略同一の自己共振周波数を有する共鳴コイルに対して磁界共鳴によって高周波電圧を誘起する送電用共鳴コイルと、
    前記駆動用コイルに印加される高周波電圧を復調する送電用復調回路と、を有する送電装置と、
    請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の受電装置と、を有し、
    前記受電用共鳴コイルは、前記送電用共鳴コイルとの磁界共鳴によって高周波電圧が誘起される給電システム。
  7. 前記送電装置が、前記送電用コントローラによってインピーダンスが制御される駆動用整合回路を有する、請求項6に記載の給電システム。
  8. 送電装置が給電対象となる複数の受電装置のいずれか一に対して磁界共鳴を利用した給電を行う給電方法であって、
    前記送電装置が、給電が必要か否かの応答を求める信号であるインベントリ信号を送信する第1のステップと、
    複数の前記受電装置のそれぞれが、前記インベントリ信号に応答する第2のステップと、
    前記送電装置が、前記給電対象以外の前記受電装置に対して前記受電用共鳴コイルの自己共振周波数を変化させることを求める信号である無効化信号を送信する第3のステップと、
    前記送電装置が、前記給電対象に対して給電を行う第4のステップと、を有する給電方法。
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