JP2013146182A - 受電装置及び給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置への給電における電力伝送効率の減少を抑制可能な給電システム、及び、給電と同時に行われる通信の安定性を確保可能な給電システムを得る。
【解決手段】交流電源と、第１の電磁誘導コイルと、第１の共鳴コイルと、及び第１のコンデンサとを有する送電装置と、第２の共鳴コイルと、第２のコンデンサと、第２の電磁誘導コイルとを有するアンテナ部と、整流回路と、蓄電装置と、当該蓄電装置に流れる電流値を検出する電流検出回路と、当該蓄電装置にかかる電圧値を検出する電圧検出回路とを有する充電回路部と、当該検出された電流値及び電圧値を基に選択信号を生成する制御回路と、当該選択信号によりオン状態又はオフ状態となる複数のスイッチと、当該複数のスイッチのそれぞれに電気的に接続された受動素子とを有する通信制御部と、を有する受電装置とを有する給電システムに関する。
【選択図】図１

Description

開示される発明の一態様は、受電装置及び給電システムに関する。

様々な電子機器の普及が進み、多種多様な製品が市場に出荷されている。近年では、携帯電話及びデジタルビデオカメラ等の携帯型の電子機器の普及が顕著である。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も製品として市場に登場しつつある。

携帯電話、デジタルビデオカメラまたは電気推進移動体には、蓄電手段である蓄電装置（バッテリ、蓄電池ともいう）が内蔵されている。当該蓄電装置の給電は、殆どが給電手段である家庭用交流電源より直接的に接触させて行われているのが現状である。また蓄電装置を具備しない構成または蓄電装置に給電された電力を用いない構成では、家庭用交流電源より配線等を介して直接給電し動作させているのが現状である。

一方で非接触により蓄電装置の給電または負荷への給電を行う方式についての研究開発も進んでおり、代表的な方式として、電磁結合方式（電磁誘導方式ともいう）（特許文献１参照）、電波方式（マイクロ波方式ともいう）、磁界共鳴方式（共振方式ともいう）（特許文献２及び特許文献３参照）が挙げられる。

特許文献２に示されるように、磁界共鳴方式の非接触給電技術においては、電力を受ける側の装置（以下、受電装置という）及び電力を供給する側の装置（以下、送電装置という）のそれぞれが、共鳴コイルを有している。また受電装置及び送電装置には、それぞれ電磁誘導コイルが設けられている。送電装置における電源から共鳴コイルへの給電、及び、受電装置における共鳴コイルから負荷への給電は、電磁誘導コイルを介して行われる。

送電装置の共鳴コイル及び受電装置の共鳴コイルは、特定の周波数で磁界共鳴現象が発現するよう、それぞれの共振周波数（ＬＣ共振）が一致するよう設定されている。

これら送電装置の共鳴コイル及び受電装置の共鳴コイルが対向し、磁界共鳴現象を起こすことにより、当該共鳴コイル間距離が離れている状態でも、効率の良い電力伝送が実現できる（非特許文献１参照）。

特開２０１１−２２３７１６号公報 特開２０１１−２９７９９号公報 特開２０１１−１６６８８３号公報

「ワイヤレス給電２０１０ 非接触充電と無線電力伝送のすべて」日経エレクトロニクス、２０１０年３月、ｐｐ．６６−８１

ところが、蓄電装置への充電が進行すると、蓄電装置への充電電流が減少し、受電装置の抵抗値が増大するという問題が生じる。

受電装置の抵抗値が増大することは、磁界共鳴現象にて電力伝送を行う共鳴コイル同士の結合に多大な影響を与え、その結果、電力伝送効率が減少する恐れが生じる。例えば、受電装置の抵抗値が増大することで、共鳴コイルのＬＣ共振が維持できず、発現していた磁界共鳴現象が起こらなくなる。

また非接触給電システムにおいて、電磁誘導コイル及び共鳴コイルを用いて、給電と同時に送電装置及び受電装置間で通信を行うと、送電装置及び受電装置それぞれの情報が交換できるので好適である。例えば、蓄電装置への充電完了した場合、蓄電装置への充電完了という情報を受電装置から送電装置へ送信し、送電装置から受電装置への電力伝送を停止させる。これにより、蓄電装置への過充電を防ぐことが可能である。

しかしながら受電装置の抵抗値が増大すると、受電装置及び送電装置間で送信される変調信号の変調度に影響が生じる。変調信号の変調度に影響が生じると、送電装置又は受電装置の一方、又はその両方が受信した変調信号を読み取ることができず、その結果、送電装置及び受電装置間で通信の安定性を確保できなくなるという恐れが生じる。

以上を鑑みて、開示される発明の一様態は、蓄電装置への給電における電力伝送効率の減少を抑制可能な給電システムを得ることを課題の一とする。

また開示される発明の一様態は、給電と同時に行われる通信の安定性を確保可能な給電システムを得ることを課題の一とする。

開示される発明の一様態は、共鳴コイルと、コンデンサと、電磁誘導コイルとを有するアンテナ部と、整流回路と、蓄電装置と、当該蓄電装置に流れる電流値を検出する電流検出回路と、当該蓄電装置にかかる電圧値を検出する電圧検出回路とを有する充電回路部と、当該検出された電流値及び電圧値を基に選択信号を生成する制御回路と、当該選択信号によりオン状態又はオフ状態となる複数のスイッチと、当該複数のスイッチのそれぞれに電気的に接続された受動素子とを有する通信制御部と、を有することを特徴とする受電装置に関する。

開示される発明の一様態は、交流電源と、第１の電磁誘導コイルと、第１の共鳴コイルと、及び第１のコンデンサとを有する送電装置と、第２の共鳴コイルと、第２のコンデンサと、第２の電磁誘導コイルとを有するアンテナ部と、整流回路と、蓄電装置と、当該蓄電装置に流れる電流値を検出する電流検出回路と、当該蓄電装置にかかる電圧値を検出する電圧検出回路とを有する充電回路部と、当該検出された電流値及び電圧値を基に選択信号を生成する制御回路と、当該選択信号によりオン状態又はオフ状態となる複数のスイッチと、当該複数のスイッチのそれぞれに電気的に接続された受動素子とを有する通信制御部と、を有する受電装置とを有することを特徴とする給電システムに関する。

蓄電装置への充電が進行すると、蓄電装置の抵抗値が増大し、受電装置全体の抵抗値が増大する。これにより、電力伝送効率が減少してしまう。しかしながら、蓄電装置に流れる電流値及び蓄電装置にかかる電圧値に基づき、通信制御部に設けられた受動素子のうち最適なものを接続する。これにより、磁界共鳴現象にて電力伝送を行う共鳴コイル同士の結合への影響を抑制し、送電装置及び受電装置間の電力伝送効率が常に最良の状態を維持することができる。

また、蓄電装置への充電が進行して蓄電装置さらには受電装置の抵抗値が増大すると、給電と同時に行われる送電装置及び受電装置間での通信において、通信に用いられる変調信号の変調度が変化する。変調信号の変調度が変化し、信号として読み取り不可能な状態になった場合、送電装置及び受電装置間での通信は不可能となる。よって、蓄電装置への充電が進行して受電装置の抵抗値が増大すると、通信の不安定さが増大してしまう。しかしながら、蓄電装置に流れる電流値及び蓄電装置にかかる電圧値に基づき、通信制御部に設けられた受動素子のうち最適なものを接続することにより、送電装置及び受電装置間の変調信号の変調度が常に最良の状態を維持することができる。これにより、送電装置及び受電装置間での通信を安定化させることが可能である。

開示される発明の一様態において、当該受動素子は、コンデンサ、コイル、及び抵抗のいずれか一であることを特徴とする。

開示される発明の一様態において、当該複数のスイッチは、それぞれトランジスタであることを特徴とする。

開示される発明の一様態により、蓄電装置への給電における電力伝送効率の減少を抑制可能な給電システムを得ることができる。

また開示される発明の一様態により、給電と同時に行われる通信の安定性を確保可能な給電システムを得ることができる。

給電システムの回路図。 給電システムの動作を示すフローチャート。 給電システムの回路図。 電圧振幅を説明する図。 負荷を変化させた場合の周波数及び電力伝送効率との関係を示す図。 負荷の抵抗値と通信成功確率との関係を示す図。 負荷の抵抗値と電力伝送効率との関係を示す図。

以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及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。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、説明を分かりやすくするために、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。

なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。

＜給電システムの構成＞
図１は、無線通信機能を組み込んだ給電システムの回路図である。図１に示す給電システムは、送電装置１００及び受電装置１１０を有する。

図１に示す給電システムでは、送電装置１００で発生させる電磁波に振幅変調をかけ、当該振幅変調をかけた電磁波（変調信号）を用いて送電装置１００及び受電装置１１０間で無線通信を行う。なお、送電装置１００から受電装置１１０へ送信される変調信号を送信信号とする。また受電装置１１０から送電装置１００へ送信される変調信号を返信信号とする。

送電装置１００は、交流電力を生成する交流電源１０１、第１の電磁誘導コイル１０２、第１の共鳴コイル１０３、第１のコンデンサ１０４を有している。

また受電装置１１０は、第２のコンデンサ１１１、第２の共鳴コイル１１２、及び第２の電磁誘導コイル１１３を有するアンテナ部１１４を有している。また受電装置１１０は、整流回路１１５、平滑化回路１１６、電流検出回路１１７、電圧検出回路１１８、及び蓄電装置１１９を有する充電回路部１３０を有している。さらに受電装置１１０は、制御回路１２１、信号受信回路１２２、及び調整回路１２６を有する通信制御部１２０を有している。調整回路１２６は、第１のスイッチであるトランジスタ１２４＿１、第１の受動素子であるコンデンサ１２５＿１、第２のスイッチであるトランジスタ１２４＿２、第２の受動素子であるコイル１２５＿２、第ｎ−１のスイッチであるトランジスタ１２４＿ｎ−１、第ｎ−１の受動素子である抵抗１２５＿ｎ−１、第ｎのスイッチであるトランジスタ１２４＿ｎ、第ｎの受動素子である抵抗１２５＿ｎを有している。

なお、ｎは２以上の自然数である。また本実施の形態では、第１の受動素子としてコンデンサ１２５＿１、第２の受動素子としてコイル１２５＿２、第ｎ−１の受動素子として抵抗１２５＿ｎ−１、第ｎの受動素子として抵抗１２５＿ｎを用いたが、第１の受動素子乃至第ｎの受動素子それぞれは、コンデンサ、コイル、抵抗のいずれか一を用いればよく、図１で示す第１の受動素子、第２の受動素子、第ｎ−１の受動素子、第ｎの受動素子は、あくまで一例である。第１の受動素子乃至第ｎの受動素子それぞれとしてどのような受動素子を用いるか、また受動素子の数（ｎの数）の決定方法の詳細については後述する。

交流電源１０１は、所定の周波数の交流電力を生成する電源である。交流電源１０１の第１の端子及び第２の端子は、第１の電磁誘導コイル１０２の一方の端子及び他方の端子にそれぞれ電気的に接続されている。

ここで「電気的に接続」とは直接電気的に接続されることの他、間接的に電気的に接続されることも含む。従って、交流電源１０１の第１の端子及び第２の端子は、第１の電磁誘導コイル１０２の一方の端子及び他方の端子にそれぞれ直接電気的に接続されることの他、交流電源１０１の第１の端子及び第２の端子は、別の電極や配線を介して、第１の電磁誘導コイル１０２の一方の端子及び他方の端子にそれぞれ電気的に接続されることも含む。

第１の共鳴コイル１０３の一方の端子及び他方の端子は、第１のコンデンサ１０４の一方の端子及び他方の端子にそれぞれ電気的に接続されている。

交流電源１０１から第１の共鳴コイル１０３への給電は、第１の電磁誘導コイル１０２を介して電磁結合方式を用いて行われる。

送電装置１００の第１の電磁誘導コイル１０２、及び後述する受電装置１１０の第２の電磁誘導コイル１１３は、例えば１ループ程度に巻かれたコイルであり、送電装置１００の第１の共鳴コイル１０３、及び後述する受電装置１１０の第２の共鳴コイル１１２は、例えば数ループ程度に巻かれたコイルである。

送電装置１００の第１の共鳴コイル１０３、及び後述する受電装置１１０の第２の共鳴コイル１１２は、両端が開放されたコイルである。当該第１の共鳴コイル１０３及び第２の共鳴コイル１１２は、浮遊容量によるコンデンサを有する。これによって、当該第１の共鳴コイル１０３及び第２の共鳴コイル１１２は、ＬＣ共振回路となる。なお、コンデンサは浮遊容量方式に限らず、コイルの両端にコンデンサを電気的に接続してＬＣ共振回路を実現してもよい。

送電装置１００の第１の共鳴コイル１０３及び受電装置１１０の第２の共鳴コイル１１２は、特定の周波数で磁界共鳴現象が発現するよう、それぞれの共振周波数（ＬＣ共振）が一致するよう設定されている。

これら送電装置１００の第１の共鳴コイル１０３及び受電装置１１０の第２の共鳴コイル１１２が対向し、磁界共鳴現象を起こすことにより、当該共鳴コイル間距離が離れている状態でも、効率の良い電力伝送が実現できる。

なおコイルを用いた電力伝送技術において、高い伝送効率を示す指標となるパラメータとしてｋ×Ｑがある（ｋは結合係数、Ｑは共鳴コイルのＱ値）。結合係数ｋは、給電側の共鳴コイルと受電側の共鳴コイルとの結合の度合いを示す係数である。またＱ値は、共振回路の共振のピークの鋭さを表す値である。磁界共鳴方式の給電技術では、高い伝送効率を実現するため、当該第１の共鳴コイル１０３及び共第２の共鳴コイル１１２として、Ｑ値が非常に高く設定された共鳴コイル（例えば、Ｑは１００より大きい（ｋ×Ｑが１より大きい））を用いることが好ましい。

受電装置１１０において、第２の共鳴コイル１１２の一方の端子及び他方の端子は、第２のコンデンサ１１１の一方の端子及び他方の端子にそれぞれ電気的に接続されている。

なお図１において、送電装置１００は、第１の電磁誘導コイル１０２、第１の共鳴コイル１０３、及び第１のコンデンサ１０４（送電素子とする）、並びに、受電装置１１０は、第２の電磁誘導コイル１１３、第２の共鳴コイル１１２、及び第２のコンデンサ１１１（受電素子とする）を有しているが、これに限定されない。当該送電素子及び当該受電素子は、それぞれ、ヘリカルアンテナを用いた磁界型の素子や、メアンダラインアンテナを用いた電界型の素子を用いてもよい。

第２の電磁誘導コイル１１３の一方の端子は、整流回路１１５の第１の端子、及び通信制御部１２０の第１の端子に電気的に接続されている。第２の電磁誘導コイル１１３の他方の端子は、整流回路１１５の第２の端子、及び通信制御部１２０の第２の端子に電気的に接続されている。

整流回路１１５は、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器（ＡＣ−ＤＣコンバータ）として機能する。本実施の形態の整流回路１１５として、例えば、４つのダイオードから構成される整流ブリッジを用いる。整流回路１１５の第１の端子は、第２の電磁誘導コイル１１３の一方の端子、及び通信制御部１２０の第１の端子に電気的に接続されている。整流回路１１５の第２の端子は、第２の電磁誘導コイル１１３の他方の端子、及び通信制御部１２０の第２の端子に電気的に接続されている。整流回路１１５の第３の端子は、平滑化回路１１６の第１の端子、及び電流検出回路１１７の第１の端子に電気的に接続されている。整流回路１１５の第４の端子は、接地されている。

平滑化回路１１６は、整流回路１１５から出力された直流電力を蓄え、かつ放出することにより、直流電力を平滑化する機能を有する。平滑化回路１１６として、本実施の形態ではコンデンサを用いる。平滑化回路１１６の第１の端子は、整流回路１１５の第３の端子、及び電流検出回路１１７の第１の端子に電気的に接続されている。平滑化回路１１６の第２の端子は、接地されている。なお平滑化回路１１６は、必要がなければ設けない構成にすることも可能である。

電流検出回路１１７は、蓄電装置１１９に流れる電流値を検出する回路である。電流検出回路１１７の第１の端子は、整流回路１１５の第３の端子、及び平滑化回路１１６の第１の端子に電気的に接続されている。電流検出回路１１７の第２の端子は、電圧検出回路１１８の第１の端子、及び蓄電装置１１９の正極に電気的に接続されている。電流検出回路１１７の第３の端子は、通信制御部１２０の第３の端子に電気的に接続されており、蓄電装置１１９に流れる電流値の情報（信号）を通信制御部１２０に入力する。

電圧検出回路１１８は、蓄電装置１１９にかかる電圧値を検出する回路である。電圧検出回路１１８の第１の端子は、電流検出回路１１７の第２の端子、及び蓄電装置１１９の正極に電気的に接続されている。電圧検出回路１１８の第２の端子は、蓄電装置１１９の負極に電気的に接続されており、接地されている。電圧検出回路１１８の第３の端子は、通信制御部１２０の第４の端子に電気的に接続されており、蓄電装置１１９にかかる電圧値の情報（信号）を通信制御部１２０に入力する。

蓄電装置１１９の正極は、電流検出回路１１７の第２の端子、及び電圧検出回路１１８の第１の端子に電気的に接続されている。蓄電装置１１９の負極は、電圧検出回路１１８の第２の端子に電気的に接続されており、接地されている。

上述のように、通信制御部１２０は、制御回路１２１、信号受信回路１２２、及び調整回路１２６を有している。

制御回路１２１は、送電装置１００から送信される送信信号を処理及び解析する機能や、受電装置１１０の情報を有する返信信号を生成する機能を有する。さらに制御回路１２１は、電流検出回路１１７にて検出された蓄電装置１１９に流れる電流値の情報（信号）及び電圧検出回路１１８にて検出された蓄電装置１１９にかかる電圧値の情報（信号）が入力され、当該電流値の情報及び電圧値の情報を基に、第１のスイッチ乃至第ｎのスイッチのオン状態及びオフ状態を制御する選択信号を生成する機能を有する。当該選択信号に基づいて、第１のスイッチ乃至第ｎのスイッチはオン状態又はオフ状態となり、第１のスイッチ乃至第ｎのスイッチに接続されている受動素子のうち、オン状態となるスイッチに接続されている受動素子が電気的に機能する。

制御回路１２１の第１の端子は、通信制御部１２０の第１の端子であり、トランジスタ１２４＿１のソース又はドレインの一方、トランジスタ１２４＿２のソース又はドレインの一方、トランジスタ１２４＿ｎ−１のソース又はドレインの一方、及びトランジスタ１２４＿ｎのソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。制御回路１２１の第２の端子は、通信制御部１２０の第２の端子であり、信号受信回路１２２の第１の端子、コンデンサ１２５＿１の一方の端子、コイル１２５＿２の一方の端子、抵抗１２５＿ｎ−１の一方の端子、及び抵抗１２５＿ｎの一方の端子に電気的に接続されている。制御回路１２１の第３の端子は、通信制御部１２０の第３の端子であり、電流検出回路１１７の第３の端子に電気的に接続されている。制御回路１２１の第４の端子は、通信制御部１２０の第４の端子であり、電圧検出回路１１８の第３の端子に電気的に接続されている。制御回路１２１の第５の端子は、トランジスタ１２４＿１のゲート、トランジスタ１２４＿２のゲート、トランジスタ１２４＿ｎ−１のゲート、及びトランジスタ１２４＿ｎのゲートに電気的に接続されている。制御回路１２１の第６の端子は、信号受信回路１２２の第２の端子に電気的に接続されている。

信号受信回路１２２は、デコーダともいい、受信した送信信号を、制御回路１２１が解析できるように信号を整形する。また信号受信回路１２２は、ノイズ等の除去を行う機能を有する。信号受信回路１２２の第１の端子は、制御回路１２１の第２の端子、コンデンサ１２５＿１の一方の端子、コイル１２５＿２の一方の端子、抵抗１２５＿ｎ−１の一方の端子、及び抵抗１２５＿ｎの一方の端子に電気的に接続されている。信号受信回路１２２の第２の端子は、制御回路１２１の第６の端子に電気的に接続されている。

第１のスイッチであるトランジスタ１２４＿１のソース又はドレインの一方は、制御回路１２１の第１の端子、トランジスタ１２４＿２のソース又はドレインの一方、トランジスタ１２４＿ｎ−１のソース又はドレインの一方、及びトランジスタ１２４＿ｎのソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ１２４＿１のソース又はドレインの他方は、コンデンサ１２５＿１の他方の端子に電気的に接続されている。トランジスタ１２４＿１のゲートは、制御回路１２１の第５の端子、トランジスタ１２４＿２のゲート、トランジスタ１２４＿ｎ−１のゲート、及びトランジスタ１２４＿ｎのゲートに電気的に接続されている。

第１の受動素子であるコンデンサ１２５＿１の一方の端子は、制御回路１２１の第２の端子、信号受信回路１２２の第１の端子、コイル１２５＿２の一方の端子、抵抗１２５＿ｎ−１の一方の端子、及び抵抗１２５＿ｎの一方の端子に電気的に接続されている。コンデンサ１２５＿１の他方の端子は、トランジスタ１２４＿１のソース又はドレインの他方に電気的に接続されている。

第２のスイッチであるトランジスタ１２４＿２のソース又はドレインの一方は、制御回路１２１の第１の端子、トランジスタ１２４＿１のソース又はドレインの一方、トランジスタ１２４＿ｎ−１のソース又はドレインの一方、及びトランジスタ１２４＿ｎのソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ１２４＿２のソース又はドレインの他方は、コイル１２５＿２の他方の端子に電気的に接続されている。トランジスタ１２４＿２のゲートは、制御回路１２１の第５の端子、トランジスタ１２４＿１のゲート、トランジスタ１２４＿ｎ−１のゲート、及びトランジスタ１２４＿ｎのゲートに電気的に接続されている。

第２の受動素子であるコイル１２５＿２の一方の端子は、制御回路１２１の第２の端子、信号受信回路１２２の第１の端子、コンデンサ１２５＿１の一方の端子、抵抗１２５＿ｎ−１の一方の端子、及び抵抗１２５＿ｎの一方の端子に電気的に接続されている。コイル１２５＿２の他方の端子は、トランジスタ１２４＿２のソース又はドレインの他方に電気的に接続されている。

第ｎ−１のスイッチであるトランジスタ１２４＿ｎ−１のソース又はドレインの一方は、制御回路１２１の第１の端子、トランジスタ１２４＿１のソース又はドレインの一方、トランジスタ１２４＿２のソース又はドレインの一方、及びトランジスタ１２４＿ｎのソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ１２４＿ｎ−１のソース又はドレインの他方は、抵抗１２５＿ｎ−１の他方の端子に電気的に接続されている。トランジスタ１２４＿ｎ−１のゲートは、制御回路１２１の第５の端子、トランジスタ１２４＿１のゲート、トランジスタ１２４＿２のゲート、及びトランジスタ１２４＿ｎのゲートに電気的に接続されている。

第ｎ−１の受動素子である抵抗１２５＿ｎ−１の一方の端子は、制御回路１２１の第２の端子、信号受信回路１２２の第１の端子、コンデンサ１２５＿１の一方の端子、コイル１２５＿２の一方の端子、及び抵抗１２５＿ｎの一方の端子に電気的に接続されている。抵抗１２５＿ｎ−１の他方の端子は、トランジスタ１２４＿ｎ−１のソース又はドレインの他方に電気的に接続されている。

第ｎのスイッチであるトランジスタ１２４＿ｎのソース又はドレインの一方は、制御回路１２１の第１の端子、トランジスタ１２４＿１のソース又はドレインの一方、トランジスタ１２４＿２のソース又はドレインの一方、及びトランジスタ１２４＿ｎ−１のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ１２４＿ｎのソース又はドレインの他方は、抵抗１２５＿ｎの他方の端子に電気的に接続されている。トランジスタ１２４＿ｎ−１のゲートは、制御回路１２１の第５の端子、トランジスタ１２４＿１のゲート、トランジスタ１２４＿２のゲート、及びトランジスタ１２４＿ｎのゲートに電気的に接続されている。

第ｎの受動素子である抵抗１２５＿ｎの一方の端子は、制御回路１２１の第２の端子、信号受信回路１２２の第１の端子、コンデンサ１２５＿１の一方の端子、コイル１２５＿２の一方の端子、及び抵抗１２５＿ｎ−１の一方の端子に電気的に接続されている。抵抗１２５＿ｎの他方の端子は、トランジスタ１２４＿ｎのソース又はドレインの他方に電気的に接続されている。

なお上述のように、第１の受動素子乃至第ｎの受動素子それぞれは、コンデンサ、コイル、抵抗のいずれか一を用いればよく、図１で示す第１の受動素子、第２の受動素子、第ｎ−１の受動素子、第ｎの受動素子は、あくまで一例である。調整回路１２６に設けられた第１の受動素子乃至第ｎの受動素子のうち、どの受動素子を用いるか、すなわち、どの受動素子に接続されたスイッチをオン状態にするかは、充電が進行するにつれて増大する受電装置１１０の蓄電装置１１９の抵抗値の情報（信号）に基づき、送電装置１００及び受電装置１１０間の電力伝送効率及び変調信号の変調度が最良となるように決定する。なお蓄電装置１１９の抵抗値の情報（信号）は、蓄電装置１１９に流れる電流値の情報（信号）及び蓄電装置１１９にかかる電圧値の情報（信号）から計算される。制御回路１２１は、蓄電装置１１９の抵抗値の情報（信号）に基づいて、蓄電装置１１９への充電が進行すると同時に、いずれのスイッチをオン状態又はオフ状態とし、いずれの受動素子を用いるかを決定する。

以上により、送電装置及び受電装置間の電力伝送効率が常に最良の状態を維持することができる。よって、蓄電装置への給電における電力伝送効率の減少を抑制可能な給電システムを得ることができる。

また送電装置及び受電装置間の通信に用いられる変調信号の変調度が常に最良の状態を維持することができる。よって、給電と同時に行われる通信の安定性を確保可能な給電システムを得ることができる。

＜動作を示すフローチャート＞
図２は、本実施の形態の給電システムの動作を示すフローチャートである。

まず、送電装置１００が交流電力を送電及び送信信号を送信する（Ｓ１０１）。交流電力及び送信信号は、第１の電磁誘導コイル１０２から第１の共鳴コイル１０３へ電磁結合にて伝送される。第１の共鳴コイル１０３及び第１のコンデンサ１０４、並びに、第２の共鳴コイル１１２及び第２のコンデンサ１１１は、それぞれの共振周波数（ＬＣ共振）が同じになるよう調整されている。これにより第１の共鳴コイル１０３及び第２の共鳴コイル１１２との間で特定の周波数で磁界共鳴現象が発現し、受電装置１１０が交流電力を受電及び送信信号を受信することができる（Ｓ１０２）。

受電した交流電力を充電回路部１３０へ入力し、受信した送信信号を通信制御部１２０へ入力する（Ｓ１０３）。

充電回路部１３０では、入力された交流電力が整流回路１１５にて整流され、交流電力から直流電力に変換される（Ｓ１０４）。

得られた直流電力が蓄電装置１１９に入力される際に、蓄電装置１１９を流れる電流値が電流検出回路１１７により、蓄電装置１１９にかかる電圧値が電圧検出回路１１８により検出される（Ｓ１０５）。得られた電流値及び電圧値の情報（信号）は、それぞれ通信制御部１２０の制御回路１２１に入力される。また、当該直流電力により蓄電装置１１９が充電される（Ｓ１０６）。

またステップＳ１０３の後、通信制御部１２０へ入力された送信信号は、信号受信回路１２２へ入力される（Ｓ１１１）。信号受信回路１２２では、送信信号を制御回路１２１が解析できるように送信信号を整形する。

信号受信回路１２２にて整形された送信信号は制御回路１２１へ入力され、制御回路１２１にて解析される（Ｓ１１２）。

ステップＳ１０５にて検出された電流値及び電圧値の情報（信号）が、制御回路１２１へ入力される。入力された情報（信号）を基に、制御回路１２１が第１の受動素子乃至第ｎの受動素子のいずれを用いれば、送電装置１００及び受電装置１１０間の最良の電力伝送効率及び変調信号（送信信号及び返信信号）の最良の変調度が得られるかを決定する（Ｓ１１３）。

ステップＳ１１３での決定に基づき、制御回路１２１がいずれのスイッチをオン状態又はオフ状態にするかを決定する選択信号を生成し、当該選択信号により第１の受動素子乃至第ｎの受動素子に接続されているスイッチのオン状態及びオフ状態を切り替える（Ｓ１１４）。これにより、最良の電力伝送効率及び最良の変調度となるように、受電装置１１０の抵抗値が変化する。

ステップＳ１１４により、最良の変調度となった返信信号が受電装置１１０から送電装置１００へ送信される（Ｓ１１５）。

当該返信信号を受信した送電装置１００は、受信した返信信号に基づいて、新たな送信信号を受電装置１１０へ送信する。

以上により、本実施の形態の給電システムでは、蓄電装置１１９への充電の進行と共に、受電装置１１０の抵抗値が上昇しても、常に最良の伝送効率で交流電力を伝送し、かつ最良な変調度の変調信号で通信を行うことが可能である。

以上本実施の形態により、蓄電装置への給電における電力伝送効率の減少を抑制しかつ、給電と同時に行われる通信の安定性を確保することができる。

本実施例では、開示される発明の一様態の給電システムにて行った測定の結果について説明する。

＜給電システムの構成＞
図３に本実施例で用いた給電システムの構成を示す。図３に示す給電システムは、送電装置１００及び受電装置１４０を有している。なお図３に示す送電装置１００及び図１に示す送電装置１００は同様であるため、その説明は実施の形態１の説明を援用する。

図３に示す受電装置１４０は、アンテナ部１１４、負荷部１４２、及び通信制御部１４１を有している。負荷部１４２は、整流回路１１５、平滑化回路１１６、電流検出回路１１７、電圧検出回路１１８、負荷１２９を有している。通信制御部１４１は、抵抗１３１、スイッチ１３２、ダイオード１３３、及び制御回路１３５を有している。また、スイッチ１３２の第１の端子及び制御回路１３５は配線１３４で接続されている。

受電装置１４０のアンテナ部１１４、整流回路１１５、平滑化回路１１６、電流検出回路１１７、及び電圧検出回路１１８は実施の形態１と同様のため、その説明は実施の形態１の説明を援用する。

受電装置１４０の負荷１２９は、図１の蓄電装置１１９の代わりに設けられている。また受電装置１４０の抵抗１３１は、図１の調整回路１２６の代わりに設けられている。本実施例では、調整回路１２６中のトランジスタ１２４＿１乃至トランジスタ１２４＿ｎのオン状態及びオフ状態を切り替える代わりに、抵抗１３１の抵抗値を変化させることにより、変調信号の変調度を調整した。また比較として、抵抗１３１の抵抗値を変化させず、変調信号の変調度を調整しないものについても測定を行った。以上の条件で、電力伝送効率及び通信成功確率との関係を調べた。

負荷１２９に流れる電流値は、電流検出回路１１７によって検出される。また負荷１２９にかかる電圧値は、電圧検出回路１１８によって検出される。当該検出された電流値及び電圧値は、制御回路１３５に入力される。抵抗１３１の第１の端子は、通信制御部１４１の第１の端子であり、第２の電磁誘導コイル１１３の一方の端子、整流回路１１５の第１の端子、及びダイオード１３３の入力端子に電気的に接続されている。抵抗１３１の第２の端子は、スイッチ１３２の第２の端子に電気的に接続されている。

スイッチ１３２は、第１の端子に入力される制御回路１３５からの信号に基づき、第２の端子及び第３の端子の電気的接続及び非接続を制御する。スイッチ１３２の第１の端子は、配線１３４を介して制御回路１３５の第２の端子に電気的に接続されている。なお、配線１３４の電位を電位Ｖｃとする（詳細は後述）。スイッチ１３２の第２の端子は、抵抗１３１の第２の端子に電気的に接続されている。スイッチ１３２の第３の端子は、通信制御部１４１の第２の端子であり、第２の電磁誘導コイル１１３の他方の端子、及び整流回路１１５の第２の端子に電気的に接続されている。

ダイオード１３３の入力端子は、抵抗１３１の第１の端子に電気的に接続されている。ダイオード１３３の出力端子は、制御回路１３５の第１の端子に電気的に接続されている。

制御回路１３５は、送電装置１００から送信される送信信号を処理及び解析する機能や、受電装置１４０の情報を有する返信信号を生成する機能や、抵抗１３１の抵抗値を制御する機能や、配線１３４を介してスイッチ１３２の第１の端子に印加される電位Ｖｃを制御する機能を有する。

制御回路１３５の第２の端子から出力されるハイレベル電位又はローレベル電位を、配線１３４を用いて、スイッチ１３２の第１の端子に印加する。これにより、制御回路１３５の第２の端子から出力される電位がハイレベル電位の場合は、スイッチ１３２の第２の端子及び第３の端子が電気的に接続され、制御回路１３５の第２の端子から出力される電位がローレベル電位の場合は、スイッチ１３２の第２の端子及び第３の端子は電気的に接続されない。

制御回路１３５の第１の端子は、ダイオード１３３の出力端子に電気的に接続されている。制御回路１３５の第２の端子は、配線１３４を介してスイッチ１３２の第１の端子に電気的に接続されている。制御回路１３５の第３の端子には、電流検出回路１１７からの電流値の情報（信号）が入力される。制御回路１３５の第４の端子には、電圧検出回路１１８からの電圧値の情報（信号）が入力される。

＜電力伝送＞
図５に、負荷１２９の抵抗値を、５０Ω、１００Ω、１０００Ω、５０００Ωに変化させた場合の周波数及び電力伝送効率との関係を示す。図５には、例えば、ＲＦＩＤ技術を用いた無線通信システムの周波数として用いられる１３．５６ＭＨｚにおいて、負荷１２９の抵抗値が上がるほど電力伝送効率が下がることが示されている。

図７では、抵抗１３１の抵抗値を変化させた場合と変化させない場合において、負荷１２９の抵抗値と電力伝送効率との関係を示す。図７において、周波数は１３．５６ＭＨｚで測定した。なお抵抗１３１の抵抗値を変化させる場合は、図２のフローチャートに基づき、負荷１２９に流れる電流値及び負荷１２９にかかる電圧値をフィードバックさせて抵抗１３１の抵抗値を変化させた。

図７に示されるように、抵抗１３１の抵抗値を変化させた場合では、電力伝送効率は９０％以上でほぼ一定である。しかしながら、抵抗１３１の抵抗値を変化させない場合では、負荷１２９の抵抗値が増大するにつれ電力伝送効率は減少し、特に負荷１２９の抵抗値が１００Ω付近で急激に減少する。このように抵抗１３１の抵抗値を変化させない場合では、負荷１２９の抵抗値が増大するにつれ電力伝送効率は減少する。

本実施例により、抵抗１３１の抵抗値を変化させ、変調信号の変調度を調整した給電システムでは、電力伝送効率の減少が抑制可能であることが明らかになった。

＜通信＞
図４は、抵抗１３１の抵抗値を変化させた場合の配線１３４の電位Ｖｃの電圧振幅及び交流電源１０１の電位Ｖ０の電圧振幅を示す図である。なお図４（Ａ）及び図４（Ｃ）において、縦軸は電位Ｖｃであり、横軸は時間である。また図４（Ｂ）及び図４（Ｄ）において、縦軸は電位Ｖ０であり、横軸は時間である。また図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は通信成功時、図４（Ｃ）及び図４（Ｄ）は通信不成功時の電位Ｖｃの電圧振幅及び電位Ｖ０の電圧振幅を示している。なお図４（Ａ）及び図４（Ｃ）に示される電位Ｖｃの電圧振幅は、いずれも同じものである。電位Ｖｃがハイレベル電位からローレベル電位に変化すると、電位Ｖ０の電圧振幅が小さくなる。逆に、電位Ｖｃがローレベル電位からハイレベル電位に変化すると、電位Ｖ０の電圧振幅が大きくなる。

なお本実施例では、ハイレベル電位を３．３Ｖ、及び、ローレベル電位を０Ｖとした。

図４（Ｂ）及び図４（Ｄ）に示されるしきい値電位Ｖｔとは、ハイレベル電位かローレベル電位かを決定する基準となる電位である。本実施例では、電圧振幅の極大値がしきい値電位Ｖｔより大きい場合はハイレベル電位であるとみなし、電圧振幅の極大値がしきい値電位Ｖｔより小さい場合はローレベル電位であるとみなしている。なお本実施例において、しきい値電位Ｖｔの値は、電位Ｖ０のノイズの電圧の振幅を考慮して決定される。

図４（Ｂ）に示されるように、通信成功時では、電位Ｖｃのハイレベル電位からローレベル電位への変化、又は電位Ｖｃのローレベル電位からハイレベル電位への変化に対応する電位Ｖ０の電圧振幅に、充分な差が見られる。このように電位Ｖ０の電圧振幅に充分な差が存在する場合は、変調信号の授受を行うことができる。

一方、図４（Ｄ）に示されるように、電位Ｖｃがハイレベル電位からローレベル電位へ変化、又は電位Ｖｃがローレベル電位からハイレベル電位へ変化しても、通信不成功時では、電位Ｖ０の電圧振幅には充分な差が見られない。すなわち、図４（Ｄ）に示される電位Ｖ０の電圧振幅では、常にハイレベル電位とみなされ、この電圧振幅では信号が伝達できない。よって、図４（Ｄ）に示される電位Ｖ０が得られる場合は、通信は不可能である。

また図６では、抵抗１３１の抵抗値を変化させた場合と変化させない場合において、負荷１２９の抵抗値と通信成功確率との関係を示す。図６においても、周波数は１３．５６ＭＨｚで測定した。

なお本実施例では、送電装置１００から受電装置１４０へ変調信号（送信信号）を送信、受電装置１４０が当該送信された変調信号を受信、受電装置１４０が当該受信した変調信号に対する変調信号（返信信号）を送電装置１００に返信する動作を１回とし、当該動作を５０回行った。図６における通信成功確率とは、当該動作５０回のうち通信が成功した回数を割合にしたものである。

図６に示されるように、抵抗１３１の抵抗値を変化させた場合では、通信成功確率は９０％以上でほぼ一定である。しかしながら、抵抗１３１の抵抗値を変化させない場合では、負荷１２９の抵抗値が増大するにつれ通信成功確率は減少し、負荷１２９の抵抗値が３０Ωの時に通信成功確率は０％となってしまう。つまり、抵抗１３１の抵抗値を変化させない場合において、負荷１２９の抵抗値が３０Ω以上では、送電装置１００及び受電装置１４０間の通信は不可能である。

以上本実施例により、負荷１２９が増大した場合においても、抵抗１３１の抵抗値を変化させれば、電力伝送効率の減少が抑制可能であることが明らかになった。

また本実施例により、負荷１２９が増大した場合においても、抵抗１３１の抵抗値を変化させ、変調信号の変調度を調整すれば、通信の安定性を確保できることが明らかになった。

１００ 送電装置
１０１ 交流電源
１０２ 第１の電磁誘導コイル
１０３ 第１の共鳴コイル
１０４ 第１のコンデンサ
１１０ 受電装置
１１１ 第２のコンデンサ
１１２ 第２の共鳴コイル
１１３ 第２の電磁誘導コイル
１１４ アンテナ部
１１５ 整流回路
１１６ 平滑化回路
１１７ 電流検出回路
１１８ 電圧検出回路
１１９ 蓄電装置
１２０ 通信制御部
１２１ 制御回路
１２２ 信号受信回路
１２４＿１ トランジスタ
１２４＿２ トランジスタ
１２４＿ｎ−１ トランジスタ
１２４＿ｎ トランジスタ
１２５＿１ コンデンサ
１２５＿２ コイル
１２５＿ｎ−１ 抵抗
１２５＿ｎ 抵抗
１２６ 調整回路
１２９ 負荷
１３０ 充電回路部
１３１ 抵抗
１３２ スイッチ
１３３ ダイオード
１３４ 配線
１３５ 制御回路
１４０ 受電装置
１４１ 通信制御部
１４２ 負荷部

Claims (6)

1. 共鳴コイルと、コンデンサと、電磁誘導コイルとを有するアンテナ部と、
   整流回路と、蓄電装置と、前記蓄電装置に流れる電流値を検出する電流検出回路と、前記蓄電装置にかかる電圧値を検出する電圧検出回路とを有する充電回路部と、
   前記検出された電流値及び電圧値を基に選択信号を生成する制御回路と、前記選択信号によりオン状態又はオフ状態となる複数のスイッチと、前記複数のスイッチのそれぞれに電気的に接続された受動素子とを有する通信制御部と、
   を有することを特徴とする受電装置。
2. 請求項１において、
   前記受動素子は、コンデンサ、コイル、及び抵抗のいずれか一であることを特徴とする受電装置。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記複数のスイッチは、それぞれトランジスタであることを特徴とする受電装置。
4. 交流電源と、第１の電磁誘導コイルと、第１の共鳴コイルと、及び第１のコンデンサとを有する送電装置と、
   第２の共鳴コイルと、第２のコンデンサと、第２の電磁誘導コイルとを有するアンテナ部と、
   整流回路と、蓄電装置と、前記蓄電装置に流れる電流値を検出する電流検出回路と、前記蓄電装置にかかる電圧値を検出する電圧検出回路とを有する充電回路部と、
   前記検出された電流値及び電圧値を基に選択信号を生成する制御回路と、前記選択信号によりオン状態又はオフ状態となる複数のスイッチと、前記複数のスイッチのそれぞれに電気的に接続された受動素子とを有する通信制御部と、
   を有する受電装置と、
   を有することを特徴とする給電システム。
5. 請求項４において、
   前記受動素子は、コンデンサ、コイル、及び抵抗のいずれか一であることを特徴とする給電システム。
6. 請求項４又は請求項５において、
   前記複数のスイッチは、それぞれトランジスタであることを特徴とする給電システム。

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