JP2013243788A - 電界結合型非接触電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】効率を上げて送電及び受電を行うことができる電界結合型非接触電力伝送システムを提供する。
【解決手段】電界結合型非接触電力伝送システム１０は、送電側装置１１と受電側装置１１とを備える。送電側装置１１及び受電側装置１１は、電界結合するための電極２０，２２と、昇圧手段を備えた送電部１２と、降圧手段を備えた受電部１４と、データ通信を行うためのデータ通信部１８と、を備え、送電側装置の電極と受電側装置の電極との間の電界結合によって電気エネルギーが伝送される。少なくとも降圧手段は圧電トランス２４を含み、送電側装置のデータ通信部１８は、受電側装置のデータ通信部１８から受電側装置の受電強度に関する情報を受信し、前記送電部は、この受電強度に関する情報に基づき、電極に印加する電圧の駆動周波数を決定する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、非接触で電力を伝送するシステムにおいて、電界結合を利用した電界結合型非接触電力伝送システムに関する。

近年、携帯電話や高機能携帯電話（スマートフォン等）、タブレット端末、可搬型コンピュータ等の携帯機器の使用が増加するにつれて、電力の使用が増え、電池の消耗が激しくなっており、頻繁に充電が必要となっている。

特許文献１では、携帯機器同士での送電及び受電を可能とするものとして、受電ユニットと送電ユニットとを有する非接触電力伝送装置を提案する。

ところで、非接触での電力供給方式としては、特許文献２、３で示されるように、電磁誘導方式、電磁界共鳴方式、電界結合方式の３つの方式が知られており、現在は電磁誘導方式が主流となっている。

電磁誘導方式では、コイル間の電磁誘導結合を用いており、一方のコイルに流す電流によって磁界が作られ、他方のコイルに発生する誘導電流によって電力を伝送する。よって、一方のコイルを通過する磁束が他方のコイルを通る必要があるため、２つの機器の位置決めが厳密になり、位置ずれがあると効率が極端に悪化するという問題がある。

これに対して、電界結合方式は、電圧が印加された電極によって電界が作られ、容量結合によって電力を伝送するため、その位置決めの厳密性が緩和されるという利点がある。

電界結合方式では、電極に高電圧を印加する必要があり、昇圧回路及び降圧回路が必要である。昇圧回路及び降圧回路としては、巻線コイルを用いたインバータトランスや圧電トランスを用いることができる。

特開２００６−６０９１０号公報 特開２０１２−３４４４７号公報 特開２００９−２９６８５７号公報

しかしながら、昇圧回路及び降圧回路は、各回路固有の共振周波数（固有共振周波数又は固有周波数ともいう）が存在し各回路でそれぞれ異なり、また送電側の昇圧回路と受電側の降圧回路のずれ（距離及び位置）によっても共振周波数が異なってしまう。その結果、効率よく作動させて、電力を伝送することが困難であるという問題がある。

本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、効率を上げて送電及び受電を行うことができる電界結合型非接触電力伝送システムを提供することをその目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、送電側装置と受電側装置とを備えた電界結合型非接触電力伝送システムであって、
前記送電側装置は、
前記受電側装置と電界結合するための電極と、電極に印加するための電圧を昇圧する昇圧手段とを備えた送電部と、
前記受電側装置とデータ通信を行うためのデータ通信部と、
を備え、
前記受電側装置は、
前記送電側装置と電界結合するための電極と、電極に印加された電圧を降圧する降圧手段とを備えた受電部と、
前記送電側装置とデータ通信を行うためのデータ通信部と、
を備え、
前記送電側装置の電極と前記受電側装置の電極との間の電界結合によって電力が伝送され、
前記送電側装置のデータ通信部は、電力伝送中の受電側装置での受電強度に関する情報を受信し、前記送電部は、この受電強度に関する情報に基づき、電極に印加する電圧の駆動周波数を決定することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記送電側装置は、周波数を変化させる掃引を行うことができ、受電側装置のデータ通信部から掃引に応答した受電強度に関する情報を受信することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２の発明において、前記昇圧手段と前記降圧手段との間には、送電側装置の電極と受電側装置の電極の間のキャパシタンスと共にＬＣ共振回路を構成するインダクタンス要素が設けられていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記インダクタンス要素によるインダクタンスが調整可能であることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記インダクタンスの調整は、電力伝送中の受電側装置での受電強度に関する情報に基づき行われることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発明において、前記降圧手段及び前記昇圧手段の少なくとも一方は圧電トランスを含むことを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発明において、前記降圧手段及び前記昇圧手段の少なくとも一方はインバータトランスを含むことを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の発明において、前記送電側装置は、前記送電側装置のデータ通信部での受信結果により、受電側装置の有無を判定することを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記送電側装置は、周波数を所定周波数量変化させることで行い、時間的に離散的に変化する周波数の掃引を行うことを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の発明において、前記送電側装置は、伝送するべき電力が蓄電された二次電池を含み、二次電池の残量に応じて、送電動作を停止することを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の発明において、
前記送電側装置または前記受電側装置は、
誘電体基板と、
前記電極の一つを構成し、前記誘電体基板の一方の面上に形成されたメイン導体と、
前記電極の別の電極を構成し、前記誘電体基板の一方の面上に形成され、一部にギャップを有する第１ループ状導体及び前記誘電体基板の他方の面上に形成され、一部にギャップを有し、第１ループ状導体と導通する第２ループ状導体と、
前記データ通信部のデータ通信用コイルを構成し、誘電体基板内で第１ループ状導体と第２ループ状導体との間に配置されたコイル状導体と、
を備える、ことを特徴とする。

請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の発明において、前記送電側装置の電極の一つを構成するメイン導体と、前記受電側装置の電極の一つを構成するメイン導体との間には、メイン導体よりも面積の大きい中間導体が配設されることを特徴とする。

本発明によれば、送電側装置のデータ通信部は、受電側装置の受電強度に関する情報を受信し、送電部は、この受電強度に関する情報に基づき、駆動周波数を決定することにより、昇圧手段及び降圧手段の共振周波数の相違や距離及び位置の変化があっても、効率のよい駆動周波数で電力を伝送することができ、送電側装置から受電側装置へと効率的に送電／受電を行うことができるようになる。

本発明の第１実施形態による電界結合型非接触電力伝送システムを構成する装置のブロック図である。 圧電トランスの斜視図である。 圧電トランスの周波数特性を表す図である。 制御回路のブロック図である。 制御回路のデジタルスイープ回路のブロック図である。 デジタルスイープ回路の一部のブロック図である。 駆動スイッチング信号の掃引波形を表すグラフである。 図５の掃引の説明図である。 掃引途中で周波数の変化率を変えた場合の駆動スイッチング信号の掃引波形を表すグラフである。 図７の掃引の説明図である。 送電及び受電の動作のフローチャートである。 送電側装置と受電側装置を表すブロック図である。 送電側装置の圧電トランスの共振特性と、受電側装置の圧電トランスの共振特性と、駆動周波数との関係を表す説明図である。 本発明の第２実施形態による送電側装置と受電側装置を表すブロック図である。 本発明の第３実施形態による送電側装置と受電側装置を表すブロック図である。 本発明の第４実施形態による電界結合型非接触電力伝送システムを構成する装置のブロック図である。 送電側装置の圧電トランスの共振特性と、受電側装置の圧電トランスの共振特性と、ＬＣ共振回路の共振特性と、駆動周波数との関係を表す説明図である。 本発明の第５実施形態による電界結合型非接触電力伝送システムを構成する装置のブロック図である。 送電側装置の圧電トランスの共振特性と、受電側装置の圧電トランスの共振特性から、ＬＣ共振回路の共振特性と、駆動周波数との関係を表す説明図である。 本発明の第６実施形態によるデジタルスイープ回路のブロック図である。 インターリーブ制御回路のブロック図とそのタイミングチャートである。 第６実施形態による駆動スイッチング信号の掃引波形を表すグラフである。 図２０の掃引の説明図である。 本発明の電極とデータ用通信コイルの構造を表す第７実施形態であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は説明断面図である。 本発明の電極とデータ用通信コイルの構造を表す第８実施形態であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は説明断面図である。 本発明の電界結合型非接触電力伝送システムを利用した応用例を表す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の実施形態による電界結合型非接触電力伝送システムのブロック図である。

電界結合型非接触電力伝送システム１０を構成する装置１１は大別して、送電部１２と、受電部１４と、データ通信部１８とを備える。尚、この例では、装置１１が携帯機器であるものとして説明する。

送電部１２と受電部１４は、一対の電極２０、２２と、圧電トランス２４とを共通の構成要素としており、スイッチ１６によって送電部１２と受電部１４のいずれかが選択されるようになっている。スイッチ１６は後述の制御回路３２により自動でまたは手動で切り換え可能である。

送電部１２においては圧電トランス２４が昇圧手段として、受電部１４においては圧電トランス２４が降圧手段として機能する。また、圧電トランス２４の出力信号の変化を検出する検出器２６を備える。検出器２６は、圧電トランス２４と容量結合する検出器かまたは漏れ磁束を検出する検出器等で構成することができる。

さらに、送電部１２は、駆動回路３０と、制御回路３２とを備え、受電部１４は、ダイオードブリッジからなる整流回路４０と、平滑回路４２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ４４と、充電制御回路４６と、伝送するべき電力を蓄電する二次電池で構成される電源部４８と、電源部４８への充電を切換える充電スイッチ４９とを備える。

データ通信部１８は、データ通信用コイル５０と、データ通信制御回路５２とを備える。
さらに、装置１１は、電源スイッチ６０を介して給電される負荷６２を備える。

送電部１２と受電部１４とで共通に使用される圧電トランス２４は、図２に示すように、厚み方向に分極方向を持つ一次側と長さ方向に分極方向を持つ二次側とを有する圧電材料２４２からなり、一次側に設けられた一次側電極対２４４と、二次側に設けられた二次側電極２４６とを備える。一次側電極対２４４から一次側に与えられた電気エネルギーを逆圧電効果によって機械的に弾性エネルギーに変換し、弾性エネルギーを二次側の圧電効果によって変換して、二次側電極２４６から高圧の電気エネルギーを得ることができる。逆に、二次側電極２４６からの高圧の電気エネルギーを弾性エネルギーに変換し、一次側電極対２４４から低圧の電気エネルギーを得ることができる。

圧電トランス２４の共振周波数は、圧電材料の弾性波伝播速度と圧電トランス２４の寸法で決まり、温度、湿度等の環境変動、自己発熱によっても変化し、負荷が変動しても変化し、図３に示すように、無負荷状態から負荷状態になると、昇圧比が小さくなる。

圧電トランス２４を駆動する駆動回路３０は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子３００を備える。この例では、４つのスイッチング素子３００ａ〜ｄからなるフルブリッジ回路が構成される。制御回路３２からのスイッチング駆動信号によって、４つのスイッチング素子３００ａ〜ｄのうち、３００ａ及び３００ｂと、３００ｄ及び３００ｃとが交互に開閉するようになっており、このスイッチング動作により電源部４８の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ３０２で変換した直流電圧を正負に交互に変化する信号に変換する。駆動回路３２と圧電トランス２４との間には、チョークコイルＬ０とコンデンサＣ０を設けて、圧電トランス２４の入力容量と共に直列共振回路を構成するようにして、圧電トランス２４への入力波形を正弦波として高周波成分の低減を図ることができる。

制御回路３２は、ＣＰＵまたはＣＰＵとＣＰＬＤといったロジック回路との組み合わせ、ＥＥＰＲＯＭといった不揮発性メモリ３２０、ＲＴＣ及び／または発振器３２２を含むことができ、前述のように圧電トランス２４を駆動するべく共振周波数を含む周波数範囲の掃引を行うスイッチング駆動信号を出力すると共に、設定の駆動周波数のスイッチング駆動信号を出力する。

図４は、共振周波数を含む周波数範囲の掃引をデジタル的に行うスイッチング駆動信号を出力するための制御回路３２の一例を表すブロック図である。

制御回路３２は、第１時間Ｔ１の計時を行う第１時間タイマ回路３３０と、第２時間Ｔ２の計時を行う第２時間タイマ回路３３２と、デジタル掃引を行うデジタルスイープ回路３３４と、デジタルスイープ回路３３４からの出力を制御する出力制御回路３３６と、を備える。発振器３２２からのクロック信号に基づき、第１時間タイマ回路３３０は第１時間Ｔ１オンになる第１信号を生成し、第２時間タイマ回路３３２は第１時間タイマ回路３３０と同期して第２時間Ｔ２（＜Ｔ１）でオンオフを繰り返す第２信号を生成し、これらの信号はデジタルスイープ回路３３４に入力される。

デジタルスイープ回路３３４は、第１バイナリカウンタ３４０と、マルチプレクサ３４２と、デコーダ３４４と、第２バイナリカウンタ３４６と、第３時間タイマ回路３４８と、レジスタ３５０と、コンパレータ３５２と、フリップフロップ３５４と、最大値検出回路３６０と、を備え、第１時間タイマ回路３３０からの第１信号によって動作する。

第１バイナリカウンタ３４０は、発振器３２２からのクロック信号に基づき計数を行うもので、第２時間タイマ回路３３２からの第２信号をトリガとして計数を開始する。

第３時間タイマ回路３４８は、発振器３２２からのクロック信号に基づき、第３時間Ｔ３（＜Ｔ２＜Ｔ１）でオンオフを繰り返す第３信号を生成する。第３時間タイマ回路３４８からの第３信号は、第２バイナリカウンタ３４６によって、「周波数変更数」として計数される。

第２バイナリカウンタ３４６の出力は、デコーダ３４４でデコードされてマルチプレクサ３４２に入力される。マルチプレクサ３４２は、デコーダ３４４によってデコードされた第２バイナリカウンタ３４６の各周波数変更数にそれぞれ対応する計数値が第１バイナリカウンタ３４０から出力されると、信号を出力するようになっている（図４Ｃ参照）。これにより、周波数変更数に対応した時間間隔の信号が出されるために、周波数変更数に応じた周波数の信号が出されることになり、周波数を変化させることができる。マルチプレクサ３４２の出力は、フリップフロップ３５４を通してスイッチング駆動信号となると共に、第１バイナリカウンタ３４０及び第２バイナリカウンタ３４６のリセット信号となる。

また、第２バイナリカウンタ３４６は、決められた所定回数計数すると、計数を停止すると共に、第２時間タイマ回路３３２からの第２信号によってリセットされる。

こうして、得られたスイッチング駆動信号は、周波数変更数が変化する毎、即ち第３時間Ｔ３で、所定周波数Δｆ分だけ減少された信号を出力し、第２信号の第２時間Ｔ２を掃引時間とし、掃引を繰り返し、第１時間Ｔ１の経過で掃引を停止する。

第３時間Ｔ３を、掃引の途中から変化させたい場合には、コンパレータ３５２に変更するべき周波数に対応する周波数変更数が設定値として入力される。この周波数変更数は、コンパレータ３５２により第２バイナリカウンタ３４６の計数値と比較されて、第２バイナリカウンタ３４６の計数値が設定値と一致するとレジスタ３５０が書き換えられて、第３時間タイマ回路３４８から出力される第３信号の第３時間Ｔ３を変更することができる。

以上のように構成される制御回路３２によって、図５及び図６に示す周波数を持つ駆動スイッチング信号が出力される。図示の例では、ある共振周波数ｆ0（例えば、２００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ）を持つ圧電トランス２４に対して、共振周波数ｆ0を中心としたｆ１〜ｆ２の周波数範囲で、第３時間Ｔ３でΔｆずつ変化（減少）させている。第３時間Ｔ３＝２ｍｓとして、１回の掃引は２ｍｓ×４０＝８０ｍｓとなっている。よって、第２バイナリカウンタ３４６で計数する周波数変更数の最大値を４０程度迄とするとよく、第２時間Ｔ２を８０ｍｓ程度とするとよい。図６に示したように、Ｔ２＝８０ｍｓでｆ１〜ｆ２の周波数範囲に亘り掃引を行っており、Ｔ１＝２ｓで掃引と休止を繰り返しており、掃引波形は図５に示したように、近似的に直線的になる。

また、掃引途中で、第３時間Ｔ３を２ｍｓから４ｍｓに変化させると、図７及び図８に示すように、掃引波形が変わり、近似的に折線とすることもできる。また、周波数変更数を設定値にすれば、設定の周波数のスイッチング駆動信号が得られる。

以上のように、圧電トランス２４の共振周波数を含む周波数範囲でスイッチング駆動信号の周波数を変化させる掃引を行うことで、周波数範囲の中のいずれかの周波数で圧電トランス２４は共振周波数で動作することになる。

検出器２６は、圧電トランス２４の出力信号の変化を検出するものであり、この検出器２６からの電圧検出信号は制御回路３２に入力される。

制御回路３２は、検出器２６からの検出値を取り込むことができ、これが受電時には、受電強度に関する情報となる。

また、制御回路３２には、充電制御回路４６からの充電信号が入力されると共に、電源スイッチ６０がＯＮかＯＦＦかを検知する検知信号が入力される。または、制御回路３２は、電源スイッチ６０の検知を行う代わりに、受電部１４の受電モードとそうでないモードとを識別することができるようになっているとよい。

不揮発性メモリ３２０は、装置１１の識別情報、その他の情報を格納する。識別情報は、相手装置との間で送電及び受電が可能であるか否かを識別できる情報を含み、圧電トランス２４の共振周波数に関する情報を含めることもできる。圧電トランス２４の共振周波数の情報は、ノミナル値とすることができる。

データ用通信コイル５０は、近距離無線通信（ＮＦＣ）を可能とするコイルとし、送電側及び受電側との間で電磁誘導結合され、例えば、１３．５６ＭＨｚの搬送波の伝送を可能とする。

データ通信制御回路５２は、図示しない制御回路と、変調回路と、復調回路と、送受信回路と、を備え、搬送波に対して任意の変調を行い、送電時に、送電側及び受電側の装置との間でデータの通信を行う。

以上の装置１１同士で構成される電界結合型非接触電力伝送システム１０における送電及び受電の動作を送電側装置１１の行う処理として、図９のフローチャートに基づいて説明する。ここでは、図１０に示すように、送電側装置１１と受電側装置１１との間で送電／受電が行われる場合を想定しており、送電側装置１１のスイッチ１６は送電部１２を、受電側装置１１のスイッチ１６は受電部１４を選択するように切り換えられている。

送電側装置１１は、第１時間Ｔ１に亘り周波数掃引を行う（ステップＳ１０）。周波数掃引を行いながら、受電側装置１１の制御回路３２は、検出器２６からの検出値を取り込む。送電側装置１１は、受電側装置１１との間で互いのデータ通信部１８を用いてデータ通信を行い、受電側装置１１の制御回路３２から受電側装置１１の検出器２６で検出された検出値を読み出し、検出値が最大となる周波数（周波数変更数）を探索し、最大となる検出値を基準値と比較する（ステップＳ１２）。受電側装置１１がセットされていなければ、受電側装置１１の検出器２６で検出された検出値が基準値よりも小さくなるか、または送電側装置１１のデータ通信部１８で受信されるデータがないので、その場合にはステップＳ１０に戻り、処理を繰り返す。

受電側装置１１がセットされていると判定された場合には、送電側装置１１は受電側装置１１との間で互いのデータ通信部１８を用いてデータ通信を行い、受電側装置１１の制御回路３２から受電側装置１１の電源スイッチ６０のＯＮ／ＯＦＦを表すデータを受信して、受電側装置１１の電源スイッチ６０がＯＮになっているかを判定し（ステップＳ１４）、ＯＮになっている場合には処理を終了する。受電側装置１１の電源スイッチ６０がＯＮになっており、受電側装置１１の負荷への通電中、例えば携帯電話である場合に通話中等に充電を行うと、電池の寿命が短くなるためである。

ステップＳ１４で電源スイッチ６０がＯＦＦになっていると判定された場合には、送電側装置１１は受電側装置１１との間で互いのデータ通信部１８を用いて受電側装置１１の制御回路３２の不揮発性メモリ３２０に格納された識別情報の読み出しを行い、同時に、送電側装置１１の不揮発性メモリ３２０に格納された識別情報の読み出しを行い、相互識別処理を行う(ステップＳ１６)。相互識別処理は、互いの識別情報から送電／受電可能な装置同士であるかどうかの判定を行うものである。送電／受電可能な装置同士でない場合には送電は停止する。

送電／受電可能な装置同士であることが判定されると、次に、駆動する周波数の設定を行う（ステップＳ１８）。そのため、前述のように探索された受電側装置１１の検出器２６からの検出値が最大値となる共振周波数を駆動周波数ｆｄとして駆動回路３０のスイッチング素子３００ａ〜ｄを駆動する。この決定された駆動周波数は、一般的には送電側装置１１の昇圧手段の共振周波数ｆｓ、及び受電側装置１１の降圧手段の共振周波数ｆｒとの間の略中間の周波数となっているものと推定される（図１１）。

以上により、圧電トランス２４の帯域幅は小さいものの、両方の装置１１の共振周波数に近い周波数で動作させることができるため、各装置１１の圧電トランス２４の昇圧及び降圧を効率的に行うことができ、電極２０、２０間での容量結合によって、送電側装置１１から受電側装置１１へと電力が伝送され、送電が行われ（ステップＳ２０）、電源部４８の充電が行われる。

さらに、送電側装置１１は、受電側装置１１との間で互いのデータ通信部１８を用いてデータ通信を行い、ステップ１２と同様に、受電側装置１１の制御回路３２から受電側装置１１の検出器２６で検出された検出値を読み出し、基準値と比較する（ステップＳ２２）。途中でセットが外れてしまっている場合には、送電を停止し、一方、ステップＳ２２で大きい場合には、再びステップ１４と同様に、受電側装置１１の電源スイッチ６０がＯＮになっているかを判定し（ステップＳ２４）、ＯＮになっている場合には、充電スイッチ４９を切り換えて、充電を停止し（ステップＳ２５）、負荷への送電とする。そして、送電側装置１１の制御回路３２で受けた充電制御回路４６からの信号により電源部４８の電池容量を検出し、所定充電率（例えば、５０％）を下回ったかどうかを判定する（ステップＳ２６）。下回った場合には、送電側装置１１自身の電池容量が不足するために、送電を停止する。

所定充電率以上である場合には、送電側装置１１の電源部４８の電池容量に余裕があるものとして、ステップＳ２０〜Ｓ２６を繰り返す。

こうして、圧電トランス２４の帯域幅は小さいものの、装置１１同士の間で効率的に送電／受電を行うことができるようになる。圧電トランスを使用することにより、軽量化、小型化、薄型化、効率の向上を図ることができ、発熱や高周波ノイズの発生も抑えることができる。

また、各装置１１のスイッチ１６を夫々切り換えることにより、送電側装置１１であった装置を受電側装置に、受電側装置１１であった装置を送電側装置に簡単に変更することができる。これによって、携帯機器同士で送電及び受電を行うことができるため、２台以上の携帯機器を携帯している場合には、電池容量が十分な携帯機器から送電して電池容量が不足している携帯機器へ充電することができ、利便性が増すことになる。

但し、本発明は携帯機器同士の送電及び受電に限るものではなく、送電側装置１１または受電側装置１１を据置装置とすることもでき、その場合には、据置装置は、受電部１４または送電部１２の少なくとも一部の要素を省略することも可能であり、電源部４８は、商用電源、整流回路及びＤＣ−ＤＣコンバータ等で構成することもできる。また、ステップＳ２６の判定も不要である。

（第２実施形態）
図１２は、本発明の第２実施形態による送電側装置と受電側装置を表すブロック図であり、第１実施形態と同一・同様の要素は同一の符号を付して、その説明を省略する。

この実施形態では、送電側装置１１及び受電側装置１１共に、昇圧手段及び降圧手段として巻線コイルによるインバータトランス２５としている。また、受電部１４は、受電電圧を検出する検出器４５を備える。

インバータトランス２５のインダクタンスと、電極２０、２２によるキャパシタンスとによって構成されるＬＣ共振回路において、送電側装置１１と受電側装置１１との距離が異なると、キャパシタンスＣが異なるために、その共振周波数が異なってしまうという問題がある。

従って、この実施形態では、送電側装置１１は、第１時間Ｔ１に亘り周波数掃引を行うときに、受電側装置１１との間で互いのデータ通信部１８を用いてデータ通信を行い、受電側装置１１の制御回路３２で取り込んだ検出器４５からの検出値の情報を受電強度に関する情報を受信し、どの周波数で受電電圧が最大になるかを検出し、これに基づき、駆動周波数を決定することができる。

こうして、装置１１同士の間で効率的に送電／受電を行うことができるようになる。また、インバータトランス２５は帯域幅が広いために、共振周波数が多少ずれても、効率を保持することができる。

送電側装置１１または受電側装置１１は、携帯機器であってもよいが据置装置とすることもできる。

（第３実施形態）
図１３は、本発明の第３実施形態による送電側装置と受電側装置を表すブロック図であり、前実施形態と同一・同様の要素は同一の符号を付して、その説明を省略する。

前実施形態では、送電側装置１１及び受電側装置１１が同じ構成をなしていたが、図１３に示したように、送電側装置１１及び受電側装置１１の一方が圧電トランス２４を備え、他方が巻線コイルによるインバータトランス２５を備えることも可能である。

図示したように、送電側装置１１がインバータトランス２５を備え、受電側装置１１が圧電トランス２４を備える場合、図９のフローチャートにおける駆動周波数の決定において、送電側装置１１は周波数の掃引を行うと共に、受電側装置１１との間で互いのデータ通信部１８を用いてデータ通信を行い、受電側装置１１の検出器２６からの検出値を読み出し、検出値が最大値となる周波数を駆動周波数として決定する。インバータトランス２５の帯域は広いので、圧電トランス２４の共振周波数に近い周波数を駆動周波数とすることで、送電側装置から受電側装置へと効率的に送電／受電を行うことができるようになる。

（第４実施形態）
図１４は、本発明の第４実施形態による送電側装置と受電側装置を表すブロック図であり、前実施形態と同一・同様の要素は同一の符号を付して、その説明及び図示を省略する。

この実施形態では、第１実施形態に示した装置１１に加えて、電極２０と圧電トランス２４との間に、インダクタンス要素としてのチョークコイルＬ２を設け、このチョークコイルＬ２のインダクタンスＬ２と電極２０、２２のキャパシタンスＣとでＬＣ共振回路を構成している。

ＬＣ共振回路は、図１５に示すように、送電側装置１１の共振周波数ｆｓと、受電側装置１１の共振周波数ｆｒと、を包絡する共振特性となるように設定されるとよく、駆動周波数ｆｄは、送電側装置１１の共振周波数ｆｓと受電側装置１１の共振周波数ｆｒの略中間周波数となるように、設定する。このようにＬＣ共振回路を構成することによって、伝送効率をさらに向上させることができる。

（第５実施形態）
図１６は、本発明の第５実施形態による送電側装置と受電側装置を表すブロック図であり、前実施形態と同一・同様の要素は同一の符号を付して、その説明及び図示を省略する。

この実施形態では、第４実施形態に示した装置１１に加えて、受電側装置１１の電極２０と圧電トランス２４との間に、チョークコイルＬ３と直列に第２チョークコイルＬ４を設けており、これらコイルＬ３、Ｌ４はインダクタンス要素を構成し、さらに第２チョークコイルＬ４と並列にスイッチＳＷを設けている。

スイッチＳＷが閉となっている状態では、第２チョークコイルＬ４の両端が短絡されるために、チョークコイルＬ２、Ｌ３のインダクタンスと電極２０、２２のキャパシタンスＣとで構成されるＬＣ共振回路の共振周波数は、

で表される。一方、スイッチＳＷが開となっている状態では、チョークコイルＬ２、Ｌ３と第２チョークコイルＬ４と電極２０、２２のキャパシタンスＣとで構成されるＬＣ共振回路の共振周波数は、

で表される。

インダクタンス要素のインダクタンスと、電極２０、２２によるキャパシタンスとによって構成されるＬＣ共振回路において、送電側装置１１と受電側装置１１との距離が異なり、または送電側装置１１の電極と受電側装置１１の電極の配置が変わると、キャパシタンスＣが異なるために、その共振周波数が異なってしまい、圧電トランス２４の共振周波数からずれてしまう恐れがある。即ち、送電側装置１１と受電側装置１１との距離が大きくなり、または送電側装置１１の電極と受電側装置１１の電極との対向配置関係がずれると、キャパシタンスＣが小さくなるので、ＬＣ共振周波数が高い方にシフトしてしまうが（図１７の実線参照）、その場合にスイッチＳＷを切り換えて第２チョークコイルＬ４のインダクタンスを追加することで、その共振周波数を低い方へと遷移させて（図１７の仮想線参照）、ＬＣ共振特性が、送電側装置１１の共振周波数ｆｓと、受電側装置１１の共振周波数ｆｒと、を包絡するように調整することができるようになる。

そのため、受電側装置１１において、検出器２６からの検出信号を監視し、検出信号が低下した場合に、スイッチＳＷを切り換えて、共振周波数に近づけるようにする。

図示した例では、１つのスイッチＳＷのみを備えているが、スイッチＳＷとコイルの並列回路を複数直列に備えてもよい。制御回路３２は、スイッチＳＷを定期的に切り換えることにより、検出信号が最大になる切換状態を判定し、共振周波数に近づくインダクタンスとなる切換状態を検出して、常に最適な切換状態にするとよい。また、このスイッチＳＷとコイルの複数の並列回路は、送電側装置１１に設けることもでき、受電側装置１１の検出器２６からの検出信号を、互いのデータ通信部１８を用いて受信して、送電側装置１１で検出信号が最大となるスイッチＳＷの切換を行うこともできる。こうして、ＬＣ共振回路の共振周波数を調整可能とすることによって、伝送効率をさらに向上させることができる。

（第６実施形態）
図１８は、第１実施形態におけるデジタルスイープ回路３３４を変形した第６実施形態を表す図である。

デジタル掃引では、周波数が離散的に変化するので、共振周波数に必ずしも一致せずに、その近傍の掃引になる可能性がある。周波数の変化量Δｆを小さくすれば、共振周波数に一致する可能性が高くなるが、回路が大型化するという問題がある。即ち、単純に周波数の変化量Δｆを１／２にすると、前記周波数変更数が２倍になるために、デコーダ及びマルチプレクサ等の構成素子がほぼ２倍必要になり、回路が大型化し、高コストになる。

そのため、この実施形態では、掃引毎に周波数をずらすインターリーブ方式とし、１回の掃引当りの周波数変更数の最大数は第１実施形態の場合と同じにしつつ、実質的に周波数変更数の最大数を２倍にするものであり、デジタルスイープ回路３３４はインターリーブ制御回路３６２を備える。

インターリーブ制御回路３６２は、マルチプレクサ３４２からの出力をクロック信号に対して、１８０度位相がずれたタイミングの信号を出力するものであり、具体的には、図１９に示すようなインバータ３６４、フリップフロップ３６６、３６８、ＯＲ回路３７０、掃引毎にフリップフロップ３６６、３６８からの出力を交互に切り替えるスイッチ３７２から構成することができる。図中丸印のタイミングでリセット信号がかかる。

第１実施形態における周波数に対して、マルチプレクサ３４２からの出力を１８０度位相がずらした信号を出力することで、周波数の変化量をΔｆ／２となる信号を出力することができ、実質的に周波数変更数を第１実施形態の２倍（図示例で４０個→８０個）にすることができ（図２０、図２１参照）、より直線に近い掃引を行うことができる。

共振周波数の探索においては、交互の掃引に亘り最大の検出値を示す周波数を探索してそれを駆動周波数とする。

（第７実施形態）
図２２は、本発明の電極２０、２２とデータ用通信コイル５０の構造を表す図である。図２２において、誘電体基板７０（基板厚０．８ｍｍ〜１．６ｍｍ）の一方の面の中央部に電極２０を構成するメイン導体７２が設けられており、その中央が給電点７２ａとなる。また、誘電体基板７０の一方の面のメイン導体７２の周りに、ループ状導体７４Ａが設けられており、誘電体基板７０の他方の面にも、ループ状導体７４Ａと同様のループ状導体７４Ｂが対向して設けられており、これらのループ状導体７４Ａと７４Ｂとは、誘電体基板７０を貫通する接続導体７４Ｃによって互いに導通しており、これらループ状導体７４Ａ、７４Ｂ及び接続導体７４Ｃによって電極２２が構成される。ループ状導体７４Ａ及びループ状導体７４Ｂには、一部、ループを切り欠いたギャップ７４Ｄが形成される。

これらの導体７２、７４Ａ、７４Ｂは、銅箔エッチングから形成される。

誘電体基板７０内のループ状導体７４Ａと７４Ｂとの間には、ループ状導体７４Ａ、７４Ｂと平行に、データ通信用コイル５０を構成するコイル状導体８０が埋設される。

また、誘電体基板７０の他方の面から所定の距離ｄ（約４〜５ｍｍ）離反して磁性体板８２と金属遮蔽板８４とが配設される。誘電体基板７０と磁性体板８２との間には任意のスペーサを設ける。

以上の構成により、コイル状導体８０は、ループ状導体７４Ａとループ状導体７４Ｂとによって上下が挟まれており、ループ状導体７４Ａとループ状導体７４Ｂをグランドとしたときに、コイル状導体８０の静電シールドをすることができる。よって、コイル状導体８０の電力が大きい場合にも遠方の電界を減衰させることができ、電界が周囲に与える影響を低減することができる。コイル状導体８０によって発生する磁界は、第１ループ状導体７４Ａ及び７４Ｂに設けたギャップ７４Ｄにより減衰せずに、外部に発生させることができる。

尚、電極２２を構成するループ状導体７４Ａ、７４Ｂは省略することもできるが、電極２２を設けることにより電極２０同士の容量を増加させることができる効果がある。

また、磁性体板８２によって、コイル状導体８０への金属の影響を緩和させ、金属遮蔽板８４によって、他の電子部品への高周波高圧電圧の影響を低減させることができる。

（第８実施形態）
図２３は、さらに図２２に示した構成に加えて、中間電極を構成し、メイン導体７２よりも面積が大きい導体板９０をメイン導体７２から離反して配置したものである。よって、送電／受電時には、送電側装置１１の電極２０と受電側装置１１の電極２０との間に中間電極を構成する導体板９０が配置されることになるために、送電側装置１１の電極２０であるメイン導体７２に給電された高電圧は、導体板９０に容量結合されて、導体板９０がさらに受電側装置１１の電極２０であるメイン導体７２に容量結合される。よって、受電側装置１１の電極２０は、導体板９０との間での容量結合が確保されればよいために、その配置の規制がより緩和されて、送電／受電エリアを拡大させることができる。

（応用例）
図２４は、本発明の電界結合型非接触電力伝送システムの応用例を示す説明図である。

本発明によれば、携帯機器からの送電も簡単にできるようになるので、これを利用して新たなエネルギー循環システムを構成することが可能になる。

具体的には、電車、バス、電気自動車のような自動車といった交通機関５００の利用の際の電子チケット発行要求やコンビニエンスストア、ドラッグストア、スーパーマーケットといった店舗における購買５０２の際の代金支払いを、蓄電余力のある携帯機器等の装置１１を用いて行う。この際に、装置１１の送電部１２から送電を行う。この送電は、交通機関５００の電子チケットまたは購買５０２の代金の支払いの少なくとも一部に充ててもよいし、または、支払いとは全く分離して、電気エネルギーの寄付としてもよい。電子チケット発行処理、決済処理は、装置１１のデータ通信部１８を用いたデータ通信によって行う。

送電された電気エネルギーは集められて、２次電池からなる蓄電器５０４において蓄電されることができる。蓄電器５０４で蓄電された電気エネルギーは、例えば、学校、劇場といった公共施設５０６における充電場所に設けられ少なくとも送電部１２を備えた装置１１から受電部１４を備えた装置１１へと送電されることで、循環する。

こうした電気エネルギーの循環により新規のビジネスモデルを構築することが可能である。

１０ 電界結合型非接触電力伝送システム
１１ 装置（送電側装置及び受電側装置）
１２ 送電部
１４ 受電部
１８ データ通信部
２０、２２ 電極
２４ 圧電トランス（昇圧手段、降圧手段）
２５ インバータトランス（昇圧手段、降圧手段）
５０ データ通信用コイル
７０ 誘電体基板
７２ メイン導体
７４Ａ 第１ループ状導体
７４Ｂ 第２ループ状導体
７４Ｄ ギャップ
８０ コイル状導体
９０ 導体板（中間導体）
Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ チョークコイル（インダクタンス要素）

Claims (12)

1. 送電側装置と受電側装置とを備えた電界結合型非接触電力伝送システムであって、
   前記送電側装置は、
   前記受電側装置と電界結合するための電極と、電極に印加するための電圧を昇圧する昇圧手段とを備えた送電部と、
   前記受電側装置とデータ通信を行うためのデータ通信部と、
   を備え、
   前記受電側装置は、
   前記送電側装置と電界結合するための電極と、電極に印加された電圧を降圧する降圧手段とを備えた受電部と、
   前記送電側装置とデータ通信を行うためのデータ通信部と、
   を備え、
   前記送電側装置の電極と前記受電側装置の電極との間の電界結合によって電力が伝送され、
   前記送電側装置のデータ通信部は、電力伝送中の受電側装置での受電強度に関する情報を受信し、前記送電部は、この受電強度に関する情報に基づき、電極に印加する電圧の駆動周波数を決定することを特徴とする電界結合型非接触電力伝送システム。
2. 前記送電側装置は、周波数を変化させる掃引を行うことができ、受電側装置のデータ通信部から掃引に応答した受電強度に関する情報を受信することを特徴とする請求項１記載の電界結合型非接触電力伝送システム。
3. 前記昇圧手段と前記降圧手段との間には、送電側装置の電極と受電側装置の電極の間のキャパシタンスと共にＬＣ共振回路を構成するインダクタンス要素が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の電界結合型非接触電力伝送システム。
4. 前記インダクタンス要素によるインダクタンスが調整可能であることを特徴とする請求項３に記載の電界結合型非接触電力伝送システム。
5. 前記インダクタンスの調整は、電力伝送中の受電側装置での受電強度に関する情報に基づき行われることを特徴とする請求項４記載の電界結合型非接触電力伝送システム。
6. 前記降圧手段及び前記昇圧手段の少なくとも一方は圧電トランスを含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電界結合型非接触電力伝送システム。
7. 前記降圧手段及び前記昇圧手段の少なくとも一方はインバータトランスを含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電界結合型非接触電力伝送システム。
8. 前記送電側装置は、前記送電側装置のデータ通信部での受信結果により、受電側装置の有無を判定することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電界結合型非接触電力伝送システム。
9. 前記送電側装置は、周波数を所定周波数量変化させることで行い、時間的に離散的に変化する周波数の掃引を行うことを特徴とする請求項２記載の電界結合型非接触電力伝送システム。
10. 前記送電側装置は、伝送するべき電力が蓄電された二次電池を含み、二次電池の残量に応じて、送電動作を停止することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の電界結合型非接触電力伝送システム。
11. 前記送電側装置または前記受電側装置は、
    誘電体基板と、
    前記電極の一つを構成し、前記誘電体基板の一方の面上に形成されたメイン導体と、
    前記電極の別の電極を構成し、前記誘電体基板の一方の面上に形成され、一部にギャップを有する第１ループ状導体及び前記誘電体基板の他方の面上に形成され、一部にギャップを有し、第１ループ状導体と導通する第２ループ状導体と、
    前記データ通信部のデータ通信用コイルを構成し、誘電体基板内で第１ループ状導体と第２ループ状導体との間に配置されたコイル状導体と、
    を備える、ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の電界結合型非接触電力伝送システム。
12. 前記送電側装置の電極の一つを構成するメイン導体と、前記受電側装置の電極の一つを構成するメイン導体との間には、メイン導体よりも面積の大きい中間導体が配設されることを特徴とする請求項１１記載の電界結合型非接触電力伝送システム。