JP2013070473A - 無線電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一対のコイルを使用して電力伝送と通信とを同時並行して実施するのは困難であること。
【解決手段】送電部は、第１のベースバンド信号によって第１の搬送波を変調する送電部変調器と、送電コイルと、送電部変調器の出力信号を増幅し送電コイルに印加する信号を発生する送電部増幅器とを有する。受電部は、送電コイルから第１のベースバンド信号によって変調された第１の搬送波による信号を受信する受電コイルと、受電コイルで受信された信号を整流し電力を取り出す整流器と、受電コイルで受信された信号を復調し第１のベースバンド信号を出力する受電部復調器と、受電コイルで受信された信号を整流器と受電部復調器とに分配する方向性分岐器とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線により電力伝送と通信とを行う無線電力伝送装置に関する。

従来より電磁誘導や電波を使用して電力を無線で伝送する技術が提案されている。さらに近年、磁界共鳴型の無線伝送電力装置の実用化が図られている。後者の無線伝送電力装置においては、その電力伝送効率を高めるために、送電コイルと受電コイルとの間での共鳴現象を用いている。共鳴現象とは、共振する２つのコイルの間で磁場が結合し、エネルギー伝送が発生する現象であり、磁界共鳴とも呼ばれる。特に、高いＱ値を持つヘリカル型コイルを用いることで、伝送効率の向上を図ることが可能になる。

他方、無線電力伝送装置において、送電側と受電側との間で、電力だけでなく情報の伝送を行う技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、図６に示されるように、送電部と受電部とのそれぞれに、電力伝送を行うコイルを含む共鳴回路の他に、通信を行うアンテナを備えるようにした磁界共鳴型の無線伝送電力装置が記載されている。

他方、特許文献２には、一対のコイルを使用して電力伝送と通信とを時分割で行う電磁誘導型の無線伝送電力装置が記載されている。図７にその概要を示す。送電部から受電部に電力を伝送するときは、双方の切替部を切り替えて、送電部では電源部とコイルとが接続され、受電部ではコイルと受電部とが接続されるようにする。また、送電部から受電部にデータを送信するときは、送電部では通信部とコイルとが接続され、受電部ではコイルと通信部とが接続されるように切替部を設定する。

特開２０１０−２００５６３号公報 特開２０１１−６２００８号公報

電力伝送を行うコイルとは別に通信を行うアンテナを備える特許文献１等に記載される構成では、装置が大型化し、コストが高くなるという課題がある。一対のコイルを電力伝送と通信とに共用する特許文献２等に記載される構成によれば、上記課題を解消することが可能であるが、その反面、電力伝送と通信とを同時並行して実施することができないという課題がある。

本発明の目的は、上述したような課題、すなわち一対のコイルを使用して電力伝送と通信とを同時並行して実施するのは困難である、という課題を解決する無線電力伝送装置を提供することにある。

本発明の一形態にかかる無線電力伝送装置は、
送電部と受電部とを有する無線電力伝送装置であって、
上記送電部は、第１のベースバンド信号によって第１の搬送波を変調する送電部変調器と、送電コイルと、上記送電部変調器の出力信号を増幅し上記送電コイルに印加する信号を発生する送電部増幅器とを有し、
上記受電部は、上記送電コイルから上記第１のベースバンド信号によって変調された上記第１の搬送波による信号を受信する受電コイルと、上記受電コイルで受信された信号を整流し電力を取り出す整流器と、上記受電コイルで受信された信号を復調し上記第１のベースバンド信号を出力する受電部復調器と、上記受電コイルで受信された信号を上記整流器と上記受電部復調器とに分配する方向性分岐器とを有する
といった構成を採る。

本発明は上述したような構成を有するため、一対のコイルを使用して電力伝送と通信とを同時並行して実施することが可能である。

本発明の第１の実施形態のブロック図である。 本発明の第１の実施形態におけるパルス幅変調信号の波形図である。 本発明の第１の実施形態における各部の信号の波形図である。 本発明の第２の実施形態の制御手順を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態のブロック図である。 本発明に関連する技術のブロック図である。 本発明に関連する他の技術のブロック図である。

次に本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
[第１の実施形態]
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態としての無線電力伝送装置が示されている。本実施形態の無線電力伝送装置は、送電部１０１と受電部２０１とで構成される。

送電部１０１は、無線で電力を受電部２０１に送電し、かつ、受電部２０１との間で無線通信を行う装置である。受電部２０１は、送電部１０１からの電力を受電し、かつ、送電部１０１との間で無線通信を行う装置である。

送電部１０１は、送電コイル１０２、送電部切替器１０３、送電部増幅器１０４、送電部変調器１０５、および送電部復調器１０６で構成される。受電部２０１は、受電コイル２０２、受電部切替器２０３、方向性分岐器２０４、整流器２０５、受電部復調器２０６、受電部増幅器２０７、および受電部変調器２０８で構成される。

送電コイル１０２は、磁気エネルギーを貯め、送電コイル近傍に電磁場を形成し、受電コイル２０２に無線で電力を伝送する役割を果たす。さらに、送電コイル１０２は、受電コイル２０２との間において無線で通信信号を授受する役割を果たす。

送電部切替器１０３は、受信部２０１への電力伝送および通信信号の送信を行う際に、送電部増幅器１０４と送電コイル１０２とを接続する役割を果たす。また送電部切替器１０３は、受信部２０１からの通信信号を受信する際に、送電部復調器１０６と送電コイル１０２とを接続する役割を果たす。

送電部変調器１０５は、第１のベースバンド信号を元に搬送波であるＲＦ信号を変調する役割を果たす。送電部増幅器１０４は、送電部変調器１０５から出力された信号を増幅する役割を果たす。送電部復調器１０６は、送電コイル１０２で受信した変調されたＲＦ信号を第２のベースバンド信号に復調する役割を果たす。

受電コイル２０２は、送電コイル１０２近傍に形成された電磁場から無線で電力を供給されるほか、送電コイル１０２からの通信信号を受信する。受電部切替器２０３は、電力供給を受ける際および送信部１０１からの通信信号を受信する際に、方向性分岐器２０４と受電コイル２０２とを接続する。また受電部切替器２０３は、受電部２０１から送電部１０１へ通信信号を送信する際に、受電部増幅器２０７と受電コイル２０２とを接続する役割を果たす。

方向性分岐器２０４は、受電コイル２０２で受電した変調されたＲＦ信号を整流器２０５と受電部復調器２０６とに分配する役割を果たす。整流器２０５は、受電コイル２０２で受信したＲＦ信号をＤＣ信号に変換する役割を果たす。受電部復調器２０６は、受電コイル２０２で受信した変調されたＲＦ信号を第１のベースバンド信号に復調する役割を果たす。

受電部変調器２０８は、第２のベースバンド信号を元にＲＦ信号を変調する役割を果たす。受電部増幅器２０７は、受電部変調器２０８から出力された信号を増幅する役割を果たす。

送電コイル１０２および受電コイル２０２は、ヘリカルコイルなどのコイル形状で形成されていてもよい。送電コイル１０２および受電コイル２０２は、送電コイル１０２と受電コイル２０２の間で共鳴現象を生じれば、コイル形状でなくてもよい。例えば、スパイラル形状であってもよい。

送電部切替器１０３および受電部切替器２０３は、ＳＰＤＴ(Single Pole Double Throw)スイッチで構成されていてもよい。送電部切替器１０３および受電部切替器２０３は、経路を切替る機構を有していれば、ＳＰＤＴスイッチでなくてもよい。例えば、サーキュレータやデュプレクサなどで構成されていてもよい。

送電部増幅器１０４および受電部増幅器２０７は、Ｄ級増幅器であることが望ましい。ただし、送電部増幅器１０４および受電部増幅器２０７は、Ｅ級増幅器などの高効率増幅器であってもよい。

送電部変調器１０５および受電部変調器２０８は、ＲＦ信号をパルス幅変調した信号を出力するパルス幅変調器であることが望ましい。ＲＦ信号の周波数は、例えば13.56MHzが好ましい。ＲＦ信号をそれに比べて周波数の低いベースバンド信号で変調した信号の波形を図２に示す。図２に示されるように、１パルスの幅の中にＲＦ信号の多数の波が入っている。パルス幅変調では、ベースバンド信号の１や０の情報を、パルス幅並びにパルス間隔を対応させて変調を行う。

上記のパルス間隔は、送電コイル１０２および受電コイル２０２のＱ値をＱとした場合、Ｑ／π以上とすることが望ましい。このようにすることで、高いＱ値を持つコイルを用いた場合においても、通信を行うことが可能になる。

方向性分岐器２０４の分配比は、整流器２０５へ分配される電力量が受電部復調器２０６へ分配される電力量の１０倍以上となる１０対１以上が望ましい。その理由は、１０対１以上とすることで、通信が電力伝送へ与える影響が全電力の１０分の１以下になり、高効率で電力伝送が行えるためである。また、受電部復調器２０６へ分配される電力が全体の１０分の１以下であっても、通信は支障なく行えるためである。

但し、方向性分岐器２０４によって整流器２０５と受電部復調器２０６とに分配される分配比は、必ずしも１０対１以上でなくてもよく、整流器２０５へ分配される電力量が受電部復調器２０６よりも多ければよい。

整流器２０５は、半波整流型整流器や全波整流型整流器で構成されることが望ましい。

以上詳細に本実施形態の構成を述べたが、送電コイル１０２、送電部切替器１０３、送電部増幅器１０４、送電部変調器１０５、送電部復調器１０６、受電コイル２０２、受電部切替器２０３、方向性分岐器２０４、整流器２０５、受電部復調器２０６、受電部増幅器２０７、受電部変調器２０８以外の無線電力伝送装置の構成は、当業者にとってよく知られており、また本発明とは直接関係しないので、その詳細な構成は省略する。

次に本実施形態の動作を説明する。

送電部１０１から受電部２０１へ電力伝送と通信とを行う際、送電部１０１では切替器１０３により送電部増幅器１０４と送電コイル１０２とを接続し、受電部２０１では受電コイル２０２と方向性分岐器２０４とを接続する。このような接続状態の下で、送電部１０１の送電部変調器１０５は、ベースバンド信号を用いてＲＦ信号をパルス幅変調した信号を送電部増幅器１０４へ出力する。図３の上側の波形は、送電部変調器１０５の出力信号の波形を示している。送電部変調器１０５の出力信号は、送電部増幅器１０４によって増幅された後、切替器１０３を通じて送電コイル１０２に印加される。これによって送電コイル１０２が励起され、磁界共鳴によって、送電コイル１０２から受電コイル２０２に磁界エネルギーが伝送される。その結果、受電コイル２０２が励起され、受電コイル２０２に送電コイル１０２に印加された信号と同様の信号が発生する。

受電コイル２０２に発生した信号は、切替器２０３を通じて方向性分岐器２０４に入力され、さらに整流器２０５と受電部復調器２０６とに分配される。整流器２０５は、入力された信号を整流することによりＤＣ信号、すなわち電力を取り出す。取り出された電力は、例えば受電部２０１の各部へ供給される。

また、受電部復調器２０６は、入力された信号をパルス幅復調することによりベースバンド信号を生成し、出力する。受電部復調器２０６に入力される信号は、図３の下側の波形に示すように、共鳴現象や送電部増幅器１０４によるＤ級増幅等の影響を受けて位相歪や振幅歪を起こしている。しかし、位相歪や振幅歪は、主にＲＦ信号の位相歪や振幅歪となって現れており、パルス幅やパルス間隔にはほとんど影響を与えない。

次に、受電部２０１から送電部１０１へ通信を行う際の動作を説明する。

受電部２０１から送電部１０１へ通信を行う際、送電部１０１では切替器１０３により送電部復調器１０６と送電コイル１０２とを接続し、受電部２０１では受電コイル２０２と受電部増幅器２０７とを接続する。このような接続状態の下で、受電部２０１の受電部変調器２０８は、ベースバンド信号を用いてＲＦ信号をパルス幅変調した信号を受電部増幅器２０７へ出力する。受電部増幅器２０７は、受電部変調器２０８の出力信号を増幅して、切替器２０３を通じて受電コイル２０２に印加する。これによって受電コイル２０２が励起され、磁界共鳴によって、受電コイル２０２から送電コイル１０２に磁界エネルギーが伝送される。その結果、送電コイル１０２が励起され、送電コイル１０２に受電コイル２０２に印加された信号と同様の信号が発生する。

送電コイル１０２に発生した信号は、切替器１０３を通じて送電部復調器１０６に入力される。送電部復調器１０６は、入力された信号をパルス幅復調することによりベースバンド信号を生成し、出力する。送電部復調器１０６に入力される信号は、共鳴現象や受電部増幅器２０７によるＤ級増幅等の影響を受けて位相歪や振幅歪を起こしているが、パルス幅やパルス間隔にはほとんど影響がないため、パルス幅復調は支障なく実施することが可能である。

[効果]
本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）本実施形態によれば、一対の送電コイル１０２と受電コイル２０２とを使用して、送電部１０１から受電部２０１へ電力伝送と通信とを同時並行して実施することができる。その理由は、ベースバンド信号を用いてＲＦ信号を変調した信号で送電コイル１０２を励起し、磁界共鳴によって受電コイル２０２に励起した信号を方向性分岐器２０４によって整流器２０５と受電部復調器２０６とに分配し、整流器２０５による電力の取り出しと受電部復調器２０６による復調とを行うためである。

（２）本実施形態によれば、電力伝送と通信とが行える無線電力伝送装置の小型化と低コスト化が可能になる。その理由は、電力伝送と通信とで同じコイル（送電コイル１０２と受電コイル２０２）を用いて行うためである。

（３）本実施形態によれば、電力伝送と通信とが行える無線電力伝送装置の電力伝送効率の高効率化が可能になる。その理由の一つは、受電部２０１に方向性分岐器２０４を具備し、整流器２０５へ分配される電力量が受電部復調器２０６よりも多くしているためである。また他の理由は、１００パーセントに近い効率で信号を増幅できるＤ級増幅器を用いているからである。なお、Ｄ級増幅器ではその出力信号に位相歪や振幅歪が発生するけれども、本実施形態では通信にパルス幅変調を用いているため、通信への影響はほとんどない。

（４）本実施形態によれば、電力伝送と通信とが行える無線電力伝送装置の電力伝送効率を低下させずに通信を同時に行うことが可能になる。その理由は、パルス幅変調方式を用いているからである。電力伝送効率を高くするために共鳴現象を用いるが、共鳴においては信号の位相や振幅に歪を生じさせる。しかしながら、パルス幅変調方式では、位相や振幅が歪んでも、通信が可能になるからである。

（５）本実施形態によれば、切替器１０３および切替器２０３を備えているため、送電部１０１から受電部２０１への電力伝送および通信に加えて、受電部２０１から送電部１０１への通信を行うことが可能である。

[第２の実施形態]
本実施形態として、その基本的構成は第１の実施形態と同じであるが、より高効率な電力伝送と高い通信レートを可能にする切替器１０３、２０３の制御方法について、さらに工夫している。そのフローチャートを図４に示す。

図４を参照すると、切替器１０３、２０３は、待機状態のステップ３０１、送電要求するステップ３０２、受電待ち状態のステップ３０３、送電のステップ３０４、受電部から送電部へ通信するステップ３０５という５つのステップで制御される。

ステップ３０１は、送電コイル１０２と送電部復調器１０６とを接続し、かつ、受電コイル２０２と方向性分岐器２０４とを接続するステップである。ステップ３０２は、送電コイル１０２と送電部復調器１０６とを接続し、かつ、受電コイル２０２と受電部増幅器２０７とを接続するステップである。ステップ３０３は、送電コイル１０２と送電部復調器１０６とを接続し、受電コイル２０２と方向性切替器２０４とを接続するステップである。ステップ３０５は、送電コイル１０２と送電部復調器１０６とを接続し、受電コイル２０２と受電部増幅器２０７とを接続するステップである。

本実施形態においては、送電部１０１と受電部２０１とは、ステップ３０１を初期状態としている。

本実施形態において、送電部１０１から受電部２０１に電力を送電すると共に通信する場合には、ステップ３０１からステップ３０４に移行し、送電と通信とを開始する。送電と通信とが完了したら、初期状態のステップ３０１に戻る。

本実施形態において、受電部２０１から送電部１０１に送電の要求を行う場合には、ステップ３０１からステップ３０２に移行する。その後、ステップ３０３にて、一時的に待ち受け状態となる。その後ステップ３０４に移行し、送電を開始する（必要に応じて通信も開始する）。送電が完了したら、初期状態のステップ３０１に戻る。

本実施形態において、受電部２０１から送電部１０１に通信を行う場合には、ステップ３０１からステップ３０５に移行し、通信を開始する。通信が完了したら、初期状態のステップ３０１に戻る。

[第３の実施形態]
図５を参照すると、本発明の第３の実施形態としての無線電力伝送装置が示されている。本実施形態の無線電力伝送装置は、図１に示す第１の実施形態の無線電力伝送装置と比較して、送電部１０１から切替器１０３と送電部復調器１０６とが省略されていること、送電部１０１において送電部増幅器１０４と送電コイル１０２とを切替器１０３を介さずに接続していること、受電部２０１から切替器２０３と受電部変調器２０８と受電部増幅器２０７とが省略されていること、受電部２０１において方向性分岐器２０４と受電コイル２０２とを切替器２０３を介さずに接続していることである。

本実施形態における送電部１０１の送電コイル１０２、送電部変調器１０５、および送電部増幅器１０４は、図１の実施形態における送電部１０１の送電コイル１０２、送電部変調器１０５、および送電部増幅器１０４と同じである。また、本実施形態における受電部２０１の受電コイル２０２、方向性分岐器２０４、整流器２０５、および受電部復調器２０６は、図１の実施形態における受電コイル２０２、方向性分岐器２０４、整流器２０５、および受電部復調器２０６と同じである。

次に本実施形態の動作を説明する。

送電部１０１から受電部２０１へ電力伝送と通信とを行う際、送電部１０１の送電部変調器１０５は、ベースバンド信号を用いてＲＦ信号をパルス幅変調した信号を送電部増幅器１０４へ出力する。送電部変調器１０５の出力信号は、送電部増幅器１０４によって増幅された後、送電コイル１０２に印加される。これによって送電コイル１０２が励起され、磁界共鳴によって、送電コイル１０２から受電コイル２０２に磁界エネルギーが伝送される。その結果、受電コイル２０２が励起され、受電コイル２０２に送電コイル１０２に印加された信号と同様の信号が発生する。

受電コイル２０２に発生した信号は、方向性分岐器２０４に入力され、さらに整流器２０５と受電部復調器２０６とに分配される。整流器２０５は、入力された信号を整流することによりＤＣ信号、すなわち電力を取り出す。取り出された電力は、例えば受電部２０１の各部へ供給される。また、受電部復調器２０６は、入力された信号をパルス幅復調することによりベースバンド信号を生成し、出力する。

本実施形態によれば、第１の実施形態における上記（１）〜（４）と同様の効果を得ることができる。

１０１…送電部
１０２…送電コイル
１０３…送電部切替器
１０４…送電部増幅器
１０５…送電部変調器
１０６…送電部復調器
２０１…受電部
２０２…受電コイル
２０３…受電部切替器
２０４…方向性切替器
２０５…整流器
２０６…受電部復調器
２０７…受電部増幅器
２０８…受電部変調器
３０１…待機状態のステップ
３０２…送電要求するステップ
３０３…受電待ち状態のステップ
３０４…送電のステップ
３０５…受電部から送電部へ通信するステップ

Claims (10)

1. 送電部と受電部とを有する無線電力伝送装置であって、
   前記送電部は、第１のベースバンド信号によって第１の搬送波を変調する送電部変調器と、送電コイルと、前記送電部変調器の出力信号を増幅し前記送電コイルに印加する信号を発生する送電部増幅器とを有し、
   前記受電部は、前記送電コイルから前記第１のベースバンド信号によって変調された前記第１の搬送波による信号を受信する受電コイルと、前記受電コイルで受信された信号を整流し電力を取り出す整流器と、前記受電コイルで受信された信号を復調し前記第１のベースバンド信号を出力する受電部復調器と、前記受電コイルで受信された信号を前記整流器と前記受電部復調器とに分配する方向性分岐器とを有する
   ことを特徴とする無線電力伝送装置。
2. 前記受電部は、第２のベースバンド信号によって第２の搬送波を変調する受電部変調器と、前記受電部変調器の出力信号を増幅し前記受電コイルに印加する信号を発生する受電部増幅器と、前記受電コイルの接続先を前記方向性分岐器または前記受電部増幅器に切換える受電部切換器とを有し、
   前記送電部は、前記送電コイルで受信された信号を復調し前記第２のベースバンド信号を出力する送電部復調器と、前記送電コイルの接続先を前記送電部増幅器または前記送電部復調器に切換える送電部切換器とを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送装置。
3. 前記送電コイルと前記受電コイルとは互いに磁界共鳴して磁界エネルギーを伝送する磁界共鳴コイルである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の無線電力伝送装置。
4. 前記変調と復調はパルス幅変調とパルス幅復調である
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の無線電力伝送装置。
5. 前記増幅はＤ級増幅である
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の無線電力伝送装置。
6. 送電部と受電部とを有し、前記送信部が送電部変調器と送電コイルと送電部増幅器とを有し、前記受電部が受電コイルと整流器と受電部復調器と方向性分岐器とを有する無線電力伝送装置が実行する無線電力伝送方法であって、
   前記送電部の送電部変調器が、第１のベースバンド信号によって第１の搬送波を変調し、
   前記送電部の前記送電部増幅器が、前記送電部変調器の出力信号を増幅して前記送電コイルに印加し、
   前記受電部の前記受電コイルが、前記送電コイルから前記第１のベースバンド信号によって変調された前記第１の搬送波による信号を受信し、
   前記受電部の前記方向性分岐器が、前記受電コイルで受信された信号を前記整流器と前記受電部復調器とに分配し、
   前記受電部の前記整流器が、前記分配された信号を整流して電力を取り出すと共に、前記受電部復調器が、前記分配された信号を復調し前記第１のベースバンド信号を出力する、ことを特徴とする無線電力伝送方法。
7. 第１のベースバンド信号によって第１の搬送波を変調する送電部変調器と、送電コイルと、前記送電部変調器の出力信号を増幅し前記送電コイルに印加する信号を発生する送電部増幅器とを有する
   ことを特徴とする無線電力送信装置。
8. 前記送電コイルで受信された第２のベースバンド信号によって変調された第２の搬送波による信号を復調する送電部復調器と、前記送電コイルの接続先を前記送電部増幅器または前記送電部復調器に切換える送電部切換器とを有する
   ことを特徴とする請求項７に記載の無線電力送信装置。
9. 第１のベースバンド信号によって変調された第１の搬送波による信号を受信する受電コイルと、前記受電コイルで受信された信号を整流し電力を取り出す整流器と、前記受電コイルで受信された信号を復調し前記第１のベースバンド信号を出力する受電部復調器と、前記受電コイルで受信された信号を前記整流器と前記受電部復調器とに分配する方向性分岐器とを有する
   ことを特徴とする無線電力受信装置。
10. 第２のベースバンド信号によって第２の搬送波を変調する受電部変調器と、前記受電部変調器の出力信号を増幅し前記受電コイルに印加する信号を発生する受電部増幅器と、前記受電コイルの接続先を前記方向性分岐器または前記受電部増幅器に切換える受電部切換器とを有する
    ことを特徴とする請求項９に記載の無線電力受信装置。

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