JP2013158196A - 伝送システム及び受電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電界結合によって電気信号を送受信する伝送システムにおいて負荷抵抗に安定して効率よく電力を供給する伝送システム等を提供する。
【解決手段】 電気信号を送信する送電装置と、電気信号を非接触にて受信する受電装置とを備える伝送システムであって、受電装置は、負荷抵抗、コイル部、コンデンサ部、第１受電電極及び第２受電電極を有し、第１受電電極、コイル部及び第２受電電極は、順に直列に接続されており、負荷抵抗は、コイル部の一部又は全部と並列に接続され、コンデンサ部は、コイル部と並列に接続されており、送電装置は、第１送電電極及び第２送電電極を有し、第１送電電極及び第１受電電極が形成する第１伝送コンデンサ並びに第２送電電極及び第２受電電極が形成する第２伝送コンデンサの結合容量と、コンデンサ部の容量とにより決定される角周波数により、受電装置に電気信号を送信することを特徴とする伝送システムである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、伝送システム及び受電装置に関し、特に、電気信号（電力を含む。また、電力に情報信号を重畳させた信号を含む。以下、同様。）を送る送電装置と電気信号を非接触にて受け取る受電装置とを備える伝送システム等に関する。

従来、送電装置から受電装置へと非接触にて電気信号を伝送する伝送システムが開発されてきた。このうち、電磁誘導を応用して電気信号を伝送する方式は、送電側と受電側とで位置関係を精密に調整する必要があった。そこで、位置関係の制約を緩和する方式として、例えば、静電界を用いて非接触にて電気信号を伝送する伝送システムが知られている（特許文献１参照）。

特許文献１記載の伝送システムは、送電装置及び受電装置を備える。送電装置は、交流電源、第１送電電極及び第２送電電極を有する。受電装置は、負荷、コイル、第１受電電極及び第２受電電極を有する。受電装置の回路は、第１受電電極、コイル、第２受電電極が順に直列に接続されており、コイルと並列に負荷及びコンデンサが接続されている。第１送電電極と第１受電電極が第１伝送コンデンサを形成し、第２送電電極と第２受電電極が第２伝送コンデンサを形成する。第１伝送コンデンサ及び第２伝送コンデンサは、２つ合わせて１つの結合コンデンサとみることができる。

特開２０１０−１９３６９２号公報

しかしながら、特許文献１には、例えば００５２段落に、複数の並列共振回路の並列共振角周波数が相互に等しくなるように、各並列共振回路におけるコンデンサのキャパシタンス及びコイルのインダクタンスが設定されていることが記載されているように、各並列共振回路の相互関係により並列共振を実現することが記載されているのみである。００５５段落には、結合コンデンサのキャパシタンスの変動の影響を低減させるために、負荷部のインピーダンスをきわめて大きい値にすることが記載されているが、安定性・効率性を考慮した具体的な回路設計について記載されていない。

ゆえに、本発明は、電界結合によって電気信号を送受信する伝送システムにおいて、負荷抵抗に安定して効率よく電力を供給する伝送システム等を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点は、電気信号を送信する送電装置と、前記電気信号を非接触にて受信する受電装置とを備える伝送システムであって、前記受電装置は、負荷抵抗、コイル部、コンデンサ部、第１受電電極及び第２受電電極を有し、前記第１受電電極及び前記第２受電電極は、前記送電装置から前記電気信号を電界結合により非接触にて受信するものであり、前記第１受電電極、前記コイル部及び前記第２受電電極は、順に直列に接続されており、前記負荷抵抗は、前記コイル部の一部又は全部と並列に接続され、前記コンデンサ部は、前記コイル部と並列に接続されており、前記送電装置は、前記電気信号を電界結合により非接触にて送信するための第１送電電極及び第２送電電極を有し、前記第１送電電極及び前記第１受電電極が形成する第１伝送コンデンサ並びに前記第２送電電極及び前記第２受電電極が形成する第２伝送コンデンサの結合容量と、前記コンデンサ部の容量とにより決定される角周波数により、前記受電装置に前記電気信号を送信することを特徴とする伝送システムである。

本発明の第２の観点は、第１の観点の伝送システムであって、前記コイル部は、直列に接続された第１コイル及び第２コイルを有し、前記負荷抵抗は、前記第１コイルと直列に接続され、前記第２コイルと並列に接続されている。

本発明の第３の観点は、第２の観点の伝送システムであって、前記第２コイルのインダクタンスは、前記第１コイルのインダクタンスよりも小さい。

本発明の第４の観点は、第３の観点の伝送システムであって、前記第２コイルのインダクタンスは、式（eq1）で表されることを特徴とする。

本発明の第５の観点は、第１から第４のいずれかの観点の伝送システムであって、式（eq2）で表される角周波数により、前記受電装置に前記電気信号を送信することを特徴とする。

本発明の第６の観点は、送電装置から送信された電気信号を非接触にて受信する受信装置であって、負荷抵抗、コイル部、第１受電電極及び第２受電電極を備え、前記第１受電電極及び前記第２受電電極は、前記送電装置から前記電気信号を電界結合により非接触にて受信するものであり、前記第１受電電極、前記コイル部及び前記第２受電電極は、順に直列に接続され、前記コイル部は、直列に接続された第１コイル及び第２コイルを有し、前記負荷抵抗は、前記第１コイルと直列に接続され、前記第２コイルと並列に接続されている、受電装置である。

式(eq1)において、Ｌ_２；第２コイルのインダクタンス、Ｌ；第１コイルのインダクタンス及び第２コイルのインダクタンスの和、Ｃ_ｓ；前記送電装置及び前記受電装置の接合容量、Ｃ_ｐ；前記コンデンサ部の容量、Ｒ；前記第１コイル又は前記第２コイルのコイル抵抗、Ｒ_Ｌ；前記負荷の抵抗である。

式(eq2)において、ω_ｃ；前記送電装置が送信する電気信号の角周波数、Ｌ；前記コイル部のインダクタンス、Ｃ_ｓ；前記結合容量、Ｃ_ｐ；前記コンデンサ部の容量である。

さらに、本願発明を、電気信号を送る送電装置と送電装置から非接触にて電気信号を受け取る電子ペーパー装置又は受電装置とを備えた伝送システムにおける伝送方法の発明と捉えてもよい。あるいは、本願発明を電子ペーパー装置又は受電装置を生産する生産方法の発明と捉えてもよい。

本発明の各観点によれば、送電装置と受電装置とが形成する接合容量（第１伝送コンデンサ及び第２伝送コンデンサの結合容量）を考慮した正確な共振角周波数で電力を供給することが容易となる。そのため、負荷抵抗に安定して効率よく電力を供給することが可能となる。

しかも、送電装置側で広い角周波数での変調が不要となることにより、送電装置内の回路規模を縮小することも可能となる。

ここで、実際の結合容量を含めた回路において共振角周波数は、結合容量にも依存する。負荷抵抗に安定して大きな電力を供給するためには、単に、並列共振回路のみならず結合容量にも基づく角周波数で送信することが重要である。

すなわち、特許文献１に記載されているように、従来は、単に電力供給を実現することが主たる目的であり、その安定性・効率性については、抽象的な検討にとどまるものであった。例えば、特許文献１では、送電装置内部と受電装置内部（負荷部）の並列共振角周波数を一致させることを主たる目的としている。効率性を考慮すると、結合容量の影響を考慮する必要があるが、特許文献１には負荷部のインピーダンスを極めて大きくすることで結合容量の影響を可能な限り無視することが抽象的に記載されているのみである。すなわち、抽象的な安定性のみが考慮の対象とされており、効率性が考慮されていない。

本願発明の第１の観点によれば、コンデンサ部を設け、結合容量と共に、このコンデンサ部の容量をも考慮することにより、効率性を得ることが可能になる。

すなわち、特許文献１記載の各並列共振回路におけるコンデンサは、並列共振を実現するために設けられているものである。例えば、特許文献１には、結合容量を無視して決定された送電装置と受電装置の共振角周波数からずれた角周波数で送電を行うことは記載も示唆もされていない。これに対し、本願発明は、送電装置が、結合容量と前記コンデンサ部の容量とにより決定される角周波数により受電装置に電気信号を送信することから、コンデンサ部は、電力供給の安定性だけでなく効率性の向上をも実現するために設けられたものであり、目的を異にするものである。

また、本願発明の第６の観点にあるように、負荷を、コイル部の一部に並列に接続することによっても、効率性を向上することが可能になる。

また、第２の観点によれば、負荷抵抗Ｒ_Ｌは、第２コイルとのみ並列に接続されている。これにより、ゲインＧを増大することが可能となる。特に、ゲインがαの値に対して極大かつ最大となる点は、当業者が通常予想しなかったことであり、発明者らの研究開発の過程で見出された知見である。極大値は、第１コイルを設けない場合（α＝１）よりも大きな値をとる。したがって、負荷抵抗に対して安定して必要な電力を供給することがさらに容易となる。

特に、第３の観点によれば、第２コイルのインダクタンスを第１コイルのインダクタンスよりも小さくした場合（α＜０．５）において、ゲインが極大値をとる。そのため、大きなゲインの下で負荷抵抗に電力を供給することが可能となる。

さらに、第４の観点によれば、第２コイルのインダクタンスを式(eq１）の値とすることにより、ゲインが極大かつ最大となる。したがって、負荷抵抗に対して安定して必要な電力を供給することがさらに容易となる。

さらに、第５の観点によれば、送電装置が接合容量の影響も考慮した式(eq2)の共振角周波数で電気信号を送信する。そのため、負荷抵抗に対して安定して必要な電力を供給することがさらに容易となる。

なお、特開２００９−２９６８５７号公報に記載された伝送システムにおいては、負荷と並列にコンデンサが接続している。

しかし、特開２００９−２９６８５７号公報に記載のコンデンサは、整流された後の直流を平滑化するものにすぎない。このコンデンサは、共振には寄与せず、共振角周波数のふれ幅を小さくすることができない。そのため、この文献には、コンデンサを用いて共振角周波数の変化量を小さくして制御を容易とすることについて記載も示唆もない。そもそも、この文献に記載された伝送システムは、直列共振回路であるため、本願の並列共振回路とは異なる技術に関するものである。

本願発明の実施の形態に係る伝送システムのブロック図である。 本願発明の実施例１に係る伝送回路の回路図の一例である。 本願発明の実施例２に係る伝送回路の回路図の一例である。 図３の回路におけるαとゲインとの関係を示すグラフである。

以下に、図面を参照して、本願発明を実施するための形態について述べる。ただし、本願発明の実施形態は、以下の実施例に限定されるものではない。

まず、図１を参照して、本願発明に係る伝送システムについて説明する。図１は、本願発明の実施の形態に係る伝送システム１のブロック図である。

伝送システム１（本願請求項中の「伝送システム」の一例）は、受電装置３（本願請求項中の「受電装置」の一例）と送電装置５（本願請求項中の「送電装置」の一例）とを備える。受電装置３は、２つの受電電極を用いて送電装置５から電界結合により非接触にて電気信号を受け取る。送電装置５は、受電装置３に非接触にて電気信号を送る。

受電装置３は、受電回路７と、第１受電電極９（本願請求項中の「第１受電電極」の一例）と、第２受電電極１１（本願請求項中の「第２受電電極」の一例）とを有する。共振回路７は、負荷抵抗１３（本願請求項中の「負荷抵抗」の一例）と、コイル部１５（本願請求項中の「コイル部」の一例）と、コンデンサ部１７（本願請求項中の「コンデンサ部」の一例）とを有する。第１受電電極９及び第２受電電極１１は、送電装置５から非接触にて電気信号を受け取る。受け取った電気信号から生成された交流信号は、受電回路７において共振され、最終的には負荷抵抗１３に消費される。

送電装置５は、交流信号生成部１９と、第１送電電極２１（本願請求項中の「第１送電電極」の一例）と、第２送電電極２３（本願請求項中の「第２送電電極」の一例）とを備える。交流信号生成部１９は、交流信号を生成する。第１送電電極２１は、第１受電電極９に対向しており、第１受電電極９に向けて電気信号を放射する。第２送電電極２３は、第２受電電極１１に対向しており、第２受電電極１１に向けて電気信号を放射する。第１受電電極９及び第１送電電極２１は、第１伝送コンデンサ２２（本願請求項中の「第１伝送コンデンサ」の一例）を形成する。第２受電電極１１及び第２送電電極２３は、第２伝送コンデンサ２４（本願請求項中の「第２伝送コンデンサ」の一例）を形成する。第１伝送コンデンサ２２及び第２伝送コンデンサ２４は、２つ合わせて結合容量Ｃ_ｓ（本願請求項中の「結合容量」の一例）の１つの結合コンデンサ２５とみることができる。

続いて、図２を参照して、本願発明の実施の形態における伝送回路について述べる。図２は、本願発明の実施例１に係る伝送回路１０の回路図である。

伝送回路１０は、抵抗値Ｒ_Ｌの負荷抵抗１３（本願請求項中の「負荷抵抗」の一例）と、インダクタンスＬのコイル１５（本願請求項中の「コイル部」の一例）と、キャパシタンスＣ_ｐのコンデンサ１７（本願請求項中の「コンデンサ部」の一例）と、交流信号生成部１９と、第１受電電極９（本願請求項中の「第１受電電極」の一例）と第１送電電極２１（本願請求項中の「第１送電電極」の一例）が対向して形成する第１伝送コンデンサ２２と、第２受電電極１１（本願請求項中の「第２受電電極」の一例）と第２送電電極２３（本願請求項中の「第２送電電極」の一例）が対向して形成する第２伝送コンデンサ２４とを有する。負荷抵抗１３と、第１伝送コンデンサと、交流信号生成部１９と、第２伝送コンデンサ２４とは、順に直列で接続され、閉回路を形成する。負荷抵抗１３、コイル１５及びコンデンサ１７は、互いに並列に接続されている。

この回路において、Ｃ_ｓよりも大きなＣ_ｐを設定することにより、送電装置から受電装置へ電気信号を共振角周波数で伝送する際、共振角周波数の変動が小さくなり、制御を容易とすることができる。

具体的には、第１伝送コンデンサ及び第２伝送コンデンサの結合容量と並列に、容量Ｃ_ｐのコンデンサが挿入されたことにより、共振角周波数ω_ｃは、式（１）で表される。したがって、Ｃ_ｓが変動してもＣ_ｐが共振角周波数の変動を緩衝する役割を果たすことが可能となる。しかも、送電装置側で高度な制御が不要となることにより、送電装置内の回路規模を縮小することも可能となる。

特に、Ｃ_ｐをＣ_ｓよりも大きく設定することにより、Ｃ_ｓが変動しても共振角周波数ω_ｃに及ぼす影響を小さくすることが可能となる。したがって、共振角周波数を制御することが容易となる。結果として、負荷抵抗に安定して大きな電力を供給することが可能となる。

特許文献１では複数の並列共振回路が存在し、並列共振角周波数が共通となるようにコンデンサのキャパシタンス及びコイルのインダクタンスを決定するとされている（例えば特許文献１の００５２段落）。すなわち、並列共振回路のみで決まる角周波数を与えるとしている。

しかし、この共振角周波数ω_ｃは、並列共振回路のみで決まる角周波数ではない。並列共振回路で決まる角周波数で共振するためには、式（１）に示されるように、Ｃ_ｓがＣ_ｐに比べ極めて小さくなければならない。ところが、そのような場合は、Ｃ_ｓ／（Ｃ_ｐ＋Ｃ_ｓ）のファクターに比例するゲインＧが、極めて小さくなってしまう。したがって、負荷抵抗に安定して大きな電力を供給するためには、単に、並列共振回路のみで与えられる角周波数ではなく、接合容量に基づく角周波数で送信することが重要である。

次に、図３を参照して、共振角周波数におけるゲインを増大させることができる伝送回路について述べる。図３は、実施例２に係る伝送回路５０の回路図である。以下、伝送回路１０と異なる点について中心に述べる。

伝送回路５０は、コイル部として、第１コイル６５_１、第１抵抗成分６６_１、第２コイル６５_２、第２抵抗成分６６_２を有する。第１コイル６５_１、第１抵抗成分６６_１、第２コイル６５_２、第２抵抗成分６６_２は、直列で接続され、これらの回路素子全体としてコンデンサ６７と並列に接続されている。また、負荷抵抗６３は、第２コイル６５_２及び第２抵抗成分６６_２のみと並列に接続されており、第１コイル６５_１及び第１抵抗成分６６_１とは直列に接続されている。

第１コイル及び第２コイルのインダクタンスをそれぞれＬ_１及びＬ_２とし、第１コイル及び第２コイルのインダクタンスの和をＬとする。また、Ｌ_２のＬに占める割合をαとする。このように伝送回路１０におけるコイル１５を分割して第２コイル６５_２にのみ負荷抵抗を並列に接続することにより、ゲインを増大することが可能となる。以下に理由を述べる。

図３の回路において、ゲインＧは、式（２）で表される。ここで、第１コイル６５_１のインダクタンスＬ_１及び第２コイル６５_２のインダクタンスＬ_２の和をＬとする（式（３））。また、Ｌ_２のＬに占める比をαとする。このとき、共振角周波数ω_cは、式（５）で表され、共振時のゲインは、式（６）で表される。ゲインのαに関する偏微分が０となる条件（式（７）、（８））より、αが式（９−１）で表される値となるとき、ゲインが極大（かつ最大）となる。Ｒ<<Ｒ_Ｌとすることにより、αの値は、式（９−２）で近似される。この式より、式（eq1）が得られる。また、このときのゲインは、式（１０−１）で表され、同じく式（１０−２）で近似される。

ここで、式（２）で表されるゲインＧは、Ｌ_１がＬ_２よりも十分に小さければ、式（２）右辺の分母の第１項が０に近づき、式（１１−１）で近似される。Ｌ_１がＬ_２よりも十分に大きければ、式（２）右辺の分母の第２項が０に近づき、ゲインＧは、式（１１−２）で近似される。

このとき、ゲインは、式（４）で表されたαに対して極大値をもつこととなる。極大値は、第１コイルを設けない場合（α＝１）よりも大きな値をとる。したがって、負荷抵抗に対して安定して必要な電力を供給することがさらに容易となる。特に、第２コイルのインダクタンスを第１コイルのインダクタンスよりも小さくした場合（α＜０．５）において、ゲインが極大値をとる。そのため、大きなゲインの下で負荷抵抗に電力を供給することが可能となる。したがって、負荷抵抗に対して安定して必要な電力を供給することがさらに容易となる。

αとゲインの関係について、グラフを用いて説明する。図４は、図３の回路におけるαとゲインとの関係を示すグラフである。

図４に示すように、α＝０から０．１３まではゲインが単調に増加し、α＝０．１３でゲインが極大かつ最大となり、α＝０．１３からα＝１まではゲインが単調に減少する。

コイルを分割しない図２の伝送回路１０（α＝１のケース）と比較すると、ゲインが極大かつ最大となるαの値（約０．１３）では、ゲインが３倍にも達することが分かる。このような顕著な効果は、本願の発明者らが見出すまで予想できなかったものである。

なお、負荷６１は、電力を蓄えるバッテリーであってもよい。

１・・・伝送システム、３・・・受電装置、５・・・送電装置、７・・・受電回路、９及び５９・・・第１受電電極、１０及び５０・・・伝送回路、１１及び６１・・・第２受電電極、１３及び６３・・・負荷抵抗、１５及び６５・・・コイル部、１７及び６７・・・コンデンサ部、２５及び７５・・・結合コンデンサ

Claims (6)

1. 電気信号を送信する送電装置と、前記電気信号を非接触にて受信する受電装置とを備える伝送システムであって、
   前記受電装置は、負荷抵抗、コイル部、コンデンサ部、第１受電電極及び第２受電電極を有し、
   前記第１受電電極及び前記第２受電電極は、前記送電装置から前記電気信号を電界結合により非接触にて受信するものであり、
   前記第１受電電極、前記コイル部及び前記第２受電電極は、順に直列に接続されており、
   前記負荷抵抗は、前記コイル部の一部又は全部と並列に接続され、
   前記コンデンサ部は、前記コイル部と並列に接続されており、
   前記送電装置は、前記電気信号を電界結合により非接触にて送信するための第１送電電極及び第２送電電極を有し、
   前記第１送電電極及び前記第１受電電極が形成する第１伝送コンデンサ並びに前記第２送電電極及び前記第２受電電極が形成する第２伝送コンデンサの結合容量と、前記コンデンサ部の容量とにより決定される角周波数により、前記受電装置に前記電気信号を送信することを特徴とする、伝送システム。
2. 前記コイル部は、直列に接続された第１コイル及び第２コイルを有し、
   前記負荷抵抗は、
   前記第１コイルと直列に接続され、
   前記第２コイルと並列に接続されている、請求項１記載の伝送システム。
3. 前記第２コイルのインダクタンスは、前記第１コイルのインダクタンスよりも小さい、請求項２記載の伝送システム。
4. 前記第２コイルのインダクタンスは、式（eq1）で表されることを特徴とする、請求項３記載の伝送システム。
   ここで、Ｌ_２；前記第２コイルのインダクタンス、Ｌ；前記第１コイルのインダクタンス及び前記第２コイルのインダクタンスの和、Ｃ_ｓ；前記結合容量、Ｃ_ｐ；前記コンデンサ部の容量、Ｒ；前記第１コイル又は前記第２コイルのコイル抵抗、Ｒ_Ｌ；前記負荷の抵抗である。
5. 前記送電装置は、式（eq2）で表される角周波数により、前記受電装置に前記電気信号を送信することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の伝送システム。
   ここで、ω_ｃ；前記送電装置が送信する電気信号の角周波数、Ｌ；前記コイル部のインダクタンス、Ｃ_ｓ；前記結合容量、Ｃ_ｐ；前記コンデンサ部の容量である。
6. 送電装置から送信された電気信号を非接触にて受信する受信装置であって、
   負荷抵抗、コイル部、第１受電電極及び第２受電電極を備え、
   前記第１受電電極及び前記第２受電電極は、前記送電装置から前記電気信号を電界結合により非接触にて受信するものであり、
   前記第１受電電極、前記コイル部及び前記第２受電電極は、順に直列に接続され、
   前記コイル部は、直列に接続された第１コイル及び第２コイルを有し、
   前記負荷抵抗は、
   前記第１コイルと直列に接続され、
   前記第２コイルと並列に接続されている、受電装置。