JP2014135815A - 伝送システム、受電装置及び送電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 共振角周波数の変動を緩衝するためのコンデンサを有する伝送システム等の設計に着目し、このコンデンサの伝送効率を保持しつつ、より自由な設計を実現可能な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、送電装置から電気信号を電界結合により非接触にて受信する第1受電電極及び第2受電電極と、第1受電電極及び第2受電電極との間に接続する負荷抵抗及びコンデンサ部を有し、負荷抵抗及びコンデンサ部は、並列に接続するものであり、コンデンサ部は、中間導電体及び第1端部導電体によって形成される第1コンデンサ並びに中間導電体及び第2端部導電体によって形成される第2コンデンサを含む。
【選択図】 図1
【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、送電装置から電気信号を電界結合により非接触にて受信する第1受電電極及び第2受電電極と、第1受電電極及び第2受電電極との間に接続する負荷抵抗及びコンデンサ部を有し、負荷抵抗及びコンデンサ部は、並列に接続するものであり、コンデンサ部は、中間導電体及び第1端部導電体によって形成される第1コンデンサ並びに中間導電体及び第2端部導電体によって形成される第2コンデンサを含む。
【選択図】 図1
Description
本発明は、伝送システム、受電装置及び送電装置に関し、特に、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に関する。なお、「電気信号」には、電力が含まれるものとする。
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。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(特許文献1参照)が知られていた。
出願人らは、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開発してきた(特許文献2及び非特許文献1参照)。
T. Takahashi, et al., "Batteryless Electronic Paper using Wireless Power Transfer with Resonant Capacitive Coupling", The 19th International Display Workshops in conjunction with Asia Display 2012, 2012.
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。
また、特許文献2及び非特許文献1に記載されたコンデンサは、共振角周波数の変動を緩和するものである。そのため、いかに緩和するかについての検討が中心となっていた。
ゆえに、本発明は、共振角周波数の変動を緩衝するためのコンデンサを有する伝送システム等の設計に着目し、このコンデンサの伝送効率を保持しつつ、より自由な設計を実現可能な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(ここでいう「電気信号」には、電力が含まれるものとする)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、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第1受電電極及び第2受電電極と、前記第1受電電極及び前記第2受電電極との間に接続する負荷抵抗及びコンデンサ部を有し、前記負荷抵抗及び前記コンデンサ部は、並列に接続するものであり、前記コンデンサ部は、中間導電体及び第1端部導電体によって形成される第1コンデンサ並びに前記中間導電体及び第2端部導電体によって形成される第2コンデンサを含む、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、前記中間導電体は、前記受電装置の外部への電磁放射を防ぐシールド電極であり、前記第1受電電極、前記第2受電電極、前記第1端部導電体及び前記第2端部導電体は、前記中間導電体を基準にして、同じ側に存在する。
本発明の第3の観点は、第1又は第2の観点の伝送システムであって、前記第1端部導電体及び前記第2端部導電体は、それぞれ、前記第1受電電極及び前記第2受電電極である。
本発明の第4の観点は、第1から第3のいずれかの観点の伝送システムであって、前記中間導電体は、前記受電装置の外部への電磁放射を防ぐシールド電極であり、前記送電装置は、前記第1受電電極又は前記第2受電電極と対向して前記電気信号を送信する送電電極と、前記送電電極を制御する送電制御部とを有し、前記送電電極は、前記受電電極と対向する面に配置された複数のモジュール電極を有し、前記送電制御部は、前記送電電極を制御して、前記シールド電極と一部でも対向するモジュール電極にのみ前記電気信号を送信させる。
本発明の第5の観点は、第4の観点の伝送システムであって、前記受電電極間の最短距離は、前記モジュール電極の幅であって前記受電電極と対向する面の幅の最大値よりも大きい。
本発明の第6の観点は、第4又は第5の観点の伝送システムであって、前記モジュール電極は、それぞれセンサを有し、前記センサは、受電電極から光、電気又は磁気による接近信号を感知し、前記送電制御部は、前記送電電極を制御して、前記複数のモジュール電極のうち、前記接近信号を感知した前記センサを有するモジュール電極に前記電気信号を送信させる。
本発明の第7の観点は、電気信号(ここでいう「電気信号」には、電力が含まれるものとする)を送電装置から非接触にて受信する受電装置であって、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第1受電電極及び第2受電電極と、前記第1受電電極及び前記第2受電電極との間に接続する負荷抵抗及びコンデンサ部を有し、前記負荷抵抗及び前記コンデンサ部は、並列に接続するものであり、前記コンデンサ部は、中間導電体及び第1端部導電体によって形成される第1コンデンサ並びに前記中間導電体及び第2端部導電体によって形成される第2コンデンサを含む、受電装置である。
本発明の第8の観点は、電気信号(ここでいう「電気信号」には、電力が含まれるものとする)を非接触にて受電装置に送信する送電装置であって、前記受電装置は、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第1受電電極及び第2受電電極と、前記受電装置の外部への電磁放射を防ぐシールド電極とを有し、前記受電電極と対向して前記電気信号を送信する送電電極と、
前記送電電極を制御する送電制御部とを備え、前記送電電極は、前記受電電極と対向する面に配置された複数のモジュール電極を有し、前記送電制御部は、前記送電電極を制御して、前記シールド電極と一部でも対向するモジュール電極にのみ前記電気信号を送信させる、送電装置である。
前記送電電極を制御する送電制御部とを備え、前記送電電極は、前記受電電極と対向する面に配置された複数のモジュール電極を有し、前記送電制御部は、前記送電電極を制御して、前記シールド電極と一部でも対向するモジュール電極にのみ前記電気信号を送信させる、送電装置である。
なお、コンデンサ部は、3つ以上の端部導電体のうちから2つを第1端部導電体及び第2端部導電体としてそれぞれ選択して、第1コンデンサ及び第2コンデンサを形成させるものであってもよい。
また、第6の観点の伝送システムにおいて、前記第1受電電極は、前記接近信号を反射する際に前記接近信号を第1反射信号に変化させるものであり、前記第2受電電極は、前記接近信号を反射する際に前記接近信号を第2反射信号に変化させるものであり、前記送電制御部は、前記送電電極を制御して、前記第1反射信号を感知したセンサを有する前記モジュール電極に前記第1受電電極に対して放電させると共に、前記第2反射信号を感知したセンサを有する前記モジュール電極に前記第2反射信号に対して放電させる、伝送システムであってもよい。これにより、極性を判別して電気信号を伝送させることが可能となる。
さらに、第6の観点の伝送システムにおいて、前記センサは、前記接近信号の強度をも感知するものであってもよい。これにより、送電制御部は、受電電極の動きにリアルタイムに追随した送電制御を行うことが可能となる。
さらに、本願発明を、コンピュータを第4の観点における送電制御部として機能させるためのプログラムとしてとらえてもよい。また、そのようなプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体としてとらえてもよい。ここでいう記録媒体は、一時的に記録するものでもよいし、定常的に記録する記録媒体でもよい。
本発明の各観点によれば、1枚の中間導電体と第1端部導電体及び第2端部導電体を利用して2つのコンデンサを形成し、この2つのコンデンサが直列に接続することにより、共振角周波数の変動を緩衝するためのコンデンサとする。2つのコンデンサは、直列コンデンサであり、容量は小さくすることができる。そのため、伝送システムにおけるコンデンサの設計において、例えば、中間導電体を基準にして、第1端部導電体及び第2端部導電体を一方の側に集めて受電電極を薄くする等、受電装置を自由に設計することが可能になる。
また、本発明の第2の観点によれば、電気信号の伝送効率を維持しつつ、受電電極からの電磁放射による外部への悪影響をシールド電極を用いて低減することが可能となる。しかも、送電装置が有する送電電極から外部への電磁放射の影響を低減することも可能となる。
さらに、本発明の第2及び第3の観点によれば、中間導電体をシールド電極と共通化させたり、第1端部導電体及び第2端部導電体を第1受電電極及び第2受電電極と共通化させたりすることにより、受電装置において、共振角周波数の変動を緩衝するためのコンデンサを有しながら、部品点数の増加を避けることができる。
さらに、本発明の第4の観点によれば、送電電極からの電磁放射による外部への悪影響をもシールド電極を用いてより確実に遮断することが可能となる。
さらに、本発明の第5の観点によれば、複数の受電電極が同一の送電側の電極に対向しないので、効率よく電気信号を伝送することが容易となる。
以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。また、「電気信号」には、電力が含まれるものとする。
図1は、本願発明の実施例に係る伝送システム1の概要を示すブロック図である。以下、図1の伝送システム1の概要を説明する。
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。
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。受電回路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、最終的には機器部が有する負荷抵抗13に消費される。
コンデンサ部17は、第1端部導電体19(本願請求項中の「第1端部導電体」の一例)と、第2端部導電体21(本願請求項中の「第2端部導電体」の一例)と、中間導電体23(本願請求項中の「中間導電体」の一例)とを有する。第1端部導電体19、第2端部導電体21及び中間導電体23は、少なくとも2つのコンデンサを形成する。コンデンサを2つ備える受電装置3の装置構成の詳細は、後述する。
送電装置5は、交流信号生成部25と、第1送電電極27と、第2送電電極29とを備える。交流信号生成部25は、交流信号を生成する。第1送電電極25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29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27は、第1伝送コンデンサ31を形成する。第2受電電極11及び第2送電電極29は、第2伝送コンデンサ33を形成する。第1伝送コンデンサ31及び第2伝送コンデンサ33は、2つ合わせて結合容量Csの1つの結合コンデンサ35とみることができる。
続いて、図2を参照して、伝送システム1の等価回路の概要を説明する。図2は、伝送システム1の等価回路37の回路図である。
等価回路37は、抵抗値RLの負荷抵抗13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Cpのコンデンサ部17と、交流信号生成部19と、第1伝送コンデンサ31と、第2伝送コンデンサ33とを有する。負荷抵抗13と、第1伝送コンデンサ31と、交流信号生成部25と、第2伝送コンデンサ33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及びコンデンサ部17は、互いに並列に接続されている。
この回路において、Csよりも大きなCp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31及び第2伝送コンデンサ33の結合容量と並列に、容量Cpのコンデンサ部17が挿入されたことにより、共振角周波数ωcは、式(1)で表される。したがって、Csが変動してもCp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5内の回路規模を縮小することも可能となる。
特に、CpをCsよりも大きく設定することにより、Csが変動しても共振角周波数ωc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wc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、CsがCp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、Cs/(Cp+Cs)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。
ここで、コンデンサ部17は、第1端部導電体19と第1中間導電体39とが形成する第1コンデンサ45(本願請求項における「第1コンデンサ」の一例)、及び、第2端部導電体21と第2中間導電体41とが形成する第2コンデンサ47(本願請求項中の「第2コンデンサ」の一例)の2つのコンデンサを備える。第1中間導電体39、第2中間導電体41、及び、第1中間導電体39と第2中間導電体41とをつなぐ導線43とは、全体として中間導電体23に対応する。
コンデンサ部17のコンデンサを2つとすることにより、コンデンサが1つの場合よりも部品点数を減らす受電装置の機器を実現できる。受電装置の部品点数を減らす具体的な方策について、図3を参照して以下に述べる。図3は、本実施例に係る伝送システム1の概要を示す斜視図である。
受電装置3は、機器部49と、シールド電極51と、第1受電電極9と、第2受電電極11とを備える。また、送電装置5は、交流信号生成部25と、第1送電電極27と、第2送電電極29とを備える。
第1受電電極9とシールド電極51が第1コンデンサ45を形成する。また、第2受電電極11とシールド電極51が第2コンデンサ47を形成する。シールド電極51が中間導電体23を兼ね、第1受電電極9及び第2受電電極11がそれぞれ第1端部導電体19及び第2端部導電体21を兼ねる。そのため、等価回路を変更することなく部品点数を減らした受電装置を実現可能となる。
次に、送電装置5の送電制御について述べる。図4は、送電電極と受電電極の位置関係の一例を示す概略図である。
送電装置5は、複数のモジュール電極53を有する送電電極アレイ55を有する。各モジュール電極53は、受電装置3に対向する面が正六角形の形状で統一されている。送電制御部30は、モジュール電極53ごとに送電の有無を制御できる。
受電電極が接近したモジュール電極のみに送電させることにより、伝送効率を最大化することが可能となる。また、シールド電極と対向したモジュール電極のみに送電させることとなるため、送電電極の電磁放射による外部への影響を遮断することにもなる。なお、後述するように、受電電極と対向するモジュール電極に加えてシールド電極と一部でも対向するモジュール電極にも送電させてもよい。
さらに、図4を参照して、モジュール電極の形状や配置について述べる。第1受電電極9及び第2受電電極11が同一のモジュール電極と対向してしまうと、伝送効率の低下につながる。そのため、モジュール電極1つの幅の最大値d1と、2つの受電電極の最小距離d2との関係は、d1<d2とすることが好ましい。
図5は、送電電極の送電制御回路の一例を示す図である。以下、本実施例において、複数のモジュール電極の中から受電電極と対向するモジュール電極を判別する方法の一例について述べる。
送電装置5が備える送電制御回路52は、複数のモジュール電極53nと、電源57と、切替部59nと、電流計61とを有する。切替部59nは、モジュール電極53nごとにあって、それぞれモジュール電極53nに直列に接続されている。電源57及び電流計61は直列に接続され、各モジュール電極53n及び切替部59nと並列に接続されている。モジュール電極53n及び切替部59nのそれぞれは、互いに並列に接続されている。各切替部59nは、各モジュール電極53nと電源57の接続の有無を切り替えると共に、各モジュール電極53nを電源57の正極に接続するか負極に接続するかを切り替える。
受電電極と対向するモジュール電極を電極A、電極Aに隣接するモジュール電極を電極B、その他のモジュール電極を電極Cとする。また、受電電極と電極A、B、Cがそれぞれ形成するコンデンサ容量をそれぞれCA、CB、CCとする。このとき、CA>CB>CCとなる。そのため、切替部59nが各モジュール電極53nを電源57に接続した際に送電制御回路52を流れる電流を電流計61が計測することにより、受電電極と対向する電極Aを判別することが可能である。
このとき、受電電極と対向する電極Aのみに送電させてもよいし、電極Aに加えて隣接する電極Bにも送電させてもよい。さらに、電磁放射による外部への影響をシールド電極が十分にシールドできるモジュール電極に限り、電極Cにも送電させることとしてもよい。ここで、「十分にシールド」するとは、最低でも法律を遵守する程度には外部への電磁放射を低減することを意味する。
図6は、モジュール電極の他の一例を示す図である。以下、複数のモジュール電極の中から受電電極と対向するモジュール電極を判別する方法の他の一例について述べる。
モジュール電極63(本願請求項中の「モジュール電極」の他の一例)は、発光素子65、受光素子67及び制御回路69を備える。発光素子65は、受電装置3が接近する方向に向けて一定間隔で白色光を発する。受光素子67は、受電装置3からの反射光を検出する。制御回路は、各モジュール電極のON/OFFや極性を制御する。第1受電電極9は赤に着色されており、第2受電電極11は緑に着色されている。受光素子67は、赤の反射光と緑の反射光を受信して区別する。すなわち、第1受電電極及び第2受電電極の接近を区別することが可能である。結果として、モジュール電極63は、受電装置3の正極及び負極を区別して電気信号を送信可能である。
受光素子67が接近信号を受信することにより、受電電極の接近を判別することが可能である。また、さらに、受光素子67が接近信号の強度も判別するため、送電制御部30は、受電電極の動きにリアルタイムに追随した送電制御を行うことが可能となる。
なお、各モジュール電極63の受電電極に対向する面の形状は、六角形以外でもよいし、異なる形状であってもよい。また、各モジュール電極63の形状が統一されていなくてもよい。
また、図5において、スイッチング又はセンサ用の低電圧の電源と送電用の高電圧の電源とを別に設けてもよい。また、1つの電源を用いて低電圧と高電圧を切り替えてもよい。
さらに、発光素子67は、消費電力を低減するために一定間隔での発光が好ましいが、定常的に発光してもよい。
1・・・伝送システム、3・・・受電装置、5・・・送電装置、9・・・第1受電電極、11・・・第2受電電極、17・・・コンデンサ部、19・・・第1端部導電体、21・・・第2端部導電体、23・・・中間導電体、27・・・第1送電電極、29・・・第2送電電極、30・・・送電制御部、31・・・第1伝送コンデンサ、33・・・第2伝送コンデンサ、35・・・結合コンデンサ、45・・・第1コンデンサ、47・・・第2コンデンサ、51・・・シールド電極、53及び63・・・モジュール電極、65・・・発光素子、67・・・受光素子
Claims (8)
- 電力を含む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、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第1受電電極及び第2受電電極と、前記第1受電電極及び前記第2受電電極との間に接続する負荷抵抗及びコンデンサ部を有し、
前記負荷抵抗及び前記コンデンサ部は、並列に接続するものであり、
前記コンデンサ部は、中間導電体及び第1端部導電体によって形成される第1コンデンサ並びに前記中間導電体及び第2端部導電体によって形成される第2コンデンサを含む、伝送システム。 - 前記中間導電体は、前記受電装置の外部への電磁放射を防ぐシールド電極であり、
前記第1受電電極、前記第2受電電極、前記第1端部導電体及び前記第2端部導電体は、前記中間導電体を基準にして、同じ側に存在する、請求項1記載の伝送システム。 - 前記第1端部導電体及び前記第2端部導電体は、それぞれ、前記第1受電電極及び前記第2受電電極である、請求項1又は2に記載の伝送システム。
- 前記中間導電体は、前記受電装置の外部への電磁放射を防ぐシールド電極であり、
前記送電装置は、
前記第1受電電極又は前記第2受電電極と対向して前記電気信号を送信する送電電極と、
前記送電電極を制御する送電制御部とを有し、
前記送電電極は、前記受電電極と対向する面に配置された複数のモジュール電極を有し、
前記送電制御部は、前記送電電極を制御して、前記シールド電極と一部でも対向するモジュール電極にのみ前記電気信号を送信させる、請求項1から3のいずれかに記載の伝送システム。 - 前記受電電極間の最短距離は、前記モジュール電極の幅であって前記受電電極と対向する面の幅の最大値よりも大きい、請求項4記載の伝送システム。
- 前記モジュール電極は、それぞれセンサを有し、
前記センサは、受電電極から光、電気又は磁気による接近信号を感知し、
前記送電制御部は、前記送電電極を制御して、前記複数のモジュール電極のうち、前記接近信号を感知した前記センサを有するモジュール電極に前記電気信号を送信させる、請求項4又は5記載の伝送システム。 - 電力を含む電気信号を送電装置から非接触にて受信する受電装置であって、
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第1受電電極及び第2受電電極と、前記第1受電電極及び前記第2受電電極との間に接続する負荷抵抗及びコンデンサ部を有し、
前記負荷抵抗及び前記コンデンサ部は、並列に接続するものであり、
前記コンデンサ部は、中間導電体及び第1端部導電体によって形成される第1コンデンサ並びに前記中間導電体及び第2端部導電体によって形成される第2コンデンサを含む、受電装置。 - 電力を含む電気信号を非接触にて受電装置に送信する送電装置であって、
前記受電装置は、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第1受電電極及び第2受電電極と、前記受電装置の外部への電磁放射を防ぐシールド電極とを有し、
前記受電電極と対向して前記電気信号を送信する送電電極と、
前記送電電極を制御する送電制御部とを備え、
前記送電電極は、前記受電電極と対向する面に配置された複数のモジュール電極を有し、
前記送電制御部は、前記送電電極を制御して、前記シールド電極と一部でも対向するモジュール電極にのみ前記電気信号を送信させる、送電装置。
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2013
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