JP2014204237A - 振幅変調回路、及び非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変調度が１００％未満の場合でも対応でき、且つ高速な振幅変調を可能とする振幅変調回路を提供する。
【解決手段】第１コイル部と第２コイル部を有した送電コイル、前記第１コイル部の磁界放射に関与しない変調用コイル、及び共振コンデンサを備え、発振部から電力を供給される共振回路と、前記第１コイル部と前記第２コイル部が直列に接続される状態と、前記第１コイル部と前記変調用コイルが直列に接続される状態とを、送信データのレベル切替えタイミング及び前記共振回路におけるコイル電流がゼロとなるタイミングに応じて、切替える切替え部と、を備え、前記第１コイル部と前記第２コイル部が直列に接続されたときの合成インダクタンスと、前記第１コイル部と前記変調用コイルが直列に接続されたときの合成インダクタンスは等しく設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、振幅変調回路に関する。

従来、デジタル信号を搬送波の振幅を変化させることにより変調する振幅変調であるＡＳＫ変調（amplitude shift keying）が知られている。

例えば特許文献１には、ＡＳＫ変調を用いた送信機として、同期リクエスト信号の立ち下り又は立ち上がりに同期してＮ型ＦＥＴをオフ又はオンとし、共振回路におけるコンデンサとグランドを遮断・接続するものが開示されている。

これによれば、コンデンサをグランドから遮断したとき、共振エネルギーが共振コンデンサに蓄えられるので、共振信号（送信信号）の立ち下り時間が短くなる。また、次に共振が始まるときには、共振エネルギーが共振コンデンサに既に蓄えられているので、新たな共振がすぐに始まり、共振信号の立ち上がり時間が短くなる。従って、高速なＡＳＫ変調が可能となる。

また、特許文献２には、ＡＳＫ変調を用いた送信回路として、共振回路のコンデンサに蓄えられたエネルギーが最大になったタイミングでスイッチ素子をオフとするものが開示されている。スイッチ素子をオフとしたとき、コイルからのエネルギー放出はないので、アンテナであるコイルからも送信信号は出力されない。そして、共振回路に入力される入力電圧の位相が、スイッチ素子が先にオフした位相に一致するタイミングで、スイッチ素子をオンとする。これにより、すぐに共振を再開することができ、コイルから送信信号が出力される。従って、高速なＡＳＫ変調が可能となる。

特開２００１−４５０７５号公報 特開平４−２９３３２０号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に開示された技術では、変調度が１００％の場合でしか対応できないため、電力を伝送する場合には伝送電力が低減してしまうといった問題があった。

そこで、本発明は、変調度が１００％未満の場合でも対応でき、且つ高速な振幅変調を可能とする振幅変調回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の一態様に係る振幅変調回路は、第１コイル部と第２コイル部を有した送電コイル、前記第１コイル部の磁界放射に関与しない変調用コイル、及び共振コンデンサを備え、発振部から電力を供給される共振回路と、前記第１コイル部と前記第２コイル部が直列に接続される状態と、前記第１コイル部と前記変調用コイルが直列に接続される状態とを、送信データのレベル切替えタイミング及び前記共振回路におけるコイル電流がゼロとなるタイミングに応じて、切替える切替え部と、を備え、前記第１コイル部と前記第２コイル部が直列に接続されたときの前記第１コイル部と前記第２コイル部の合成インダクタンスと、前記第１コイル部と前記変調用コイルが直列に接続されたときの前記第１コイル部と前記変調用コイルの合成インダクタンスは等しく設定されている構成としている。なお、合成インダクタンスを設計上等しくしているが、実機上で若干誤差が生じる場合も本構成の範囲内である。

このような構成によれば、第１コイル部と第２コイル部から磁界が放射される状態と、第１コイル部のみから磁界放射される状態が切替えられ、振幅変調が行われる。第１コイル部と第２コイル部の分割比によって変調度を任意に設定でき、放射磁界の振幅の小さい箇所で振幅をゼロ以外に設定できるので、伝送電力の低減を抑制できる。

また、コイル電流がゼロになるタイミング、即ち共振コンデンサに蓄積されたエネルギーが最大となるタイミングに応じて切替え部を切替えるので、エネルギー損失が抑制される。そして、切替前後でコイルの合成インダクタンスが変化しないので、共振周波数は変化しない。従って、変調時の放射磁界の振幅変化の応答時間を短くでき、高速な振幅変調が可能となる。

また、上記構成において、前記切替え部は、前記コイル電流がゼロとなったことを検出されたタイミングで切替えることが望ましい。これにより、エネルギー損失がなくなり、変調時の放射磁界の振幅変化の応答時間を極力短くできる。

また、上記構成において、前記発振部の周波数は振幅変調周波数の整数倍であり、前記送信データのレベル切替えタイミングと前記コイル電流がゼロとなるタイミングが一致することとしてもよい。これにより、送信データのレベル切替えタイミングに対応して変調を行うことができる。

また、上記構成において、前記送信データのレベル切替えタイミングが前記コイル電流がゼロとなるタイミングからずれており、前記切替え部は、前記送信データのレベル切替えタイミングの直後の前記コイル電流がゼロとなるタイミングで切替えることとしてもよい。

また、上記構成において、前記共振コンデンサは、前記送電コイル及び前記変調用コイルから成るコイル部に直列に設けられることとしてもよい。これにより、インピーダンスの低い発振部を用いることができ、用途範囲が広くなる。

また、上記構成において、前記共振コンデンサは、前記送電コイル及び前記変調用コイルから成るコイル部に並列に設けられることとしてもよい。これにより、インピーダンスの高い発振部を用いることができる。

また、上記いずれかの構成において、前記変調用コイルは、その中心軸が前記第１コイル部の中心軸に直交するよう配置されることとしてもよい。これにより、低コストで第１コイル部の磁界放射に関与しないようにすることができる。

また、上記いずれかの構成において、前記変調用コイルは、トロイダル状コア材に巻線が巻かれた構成を有することとしてもよい。これにより、変調用コイルから外部への磁界放射を抑えて第１コイル部の磁界放射に関与しないようにでき、省スペース化も可能である。

また、上記いずれかの構成において、元データとサブキャリアに基づいて前記送信データを生成する送信データ生成部を更に備えたこととしてもよい。これにより、サブキャリアの周波数によって、他のデータ通信との混信を抑制できる。

また、本発明の一態様に係る非接触給電装置は、上記いずれかの構成である振幅変調回路と、前記振幅変調回路が備える前記共振回路に電力を供給する発振部と、を備えた構成とする。

本発明によると、変調時に伝送電力の低減を抑制し、且つ高速な振幅変調を可能とする。

本発明の第１実施形態に係る非接触給電装置の構成図である。 本発明の第１実施形態に係る発振部の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るコンデンサ電圧、コイル電流、及びコイル電流ゼロの検出タイミングの一例を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係るコイル電流ゼロの検出タイミング、送信データ、各コイル電流、及び放射磁界の一例を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る非接触給電装置を電気自動車の充電に適用した例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る非接触給電装置の構成図である。 本発明の第３実施形態に係る送信データ生成部を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る送信データの生成方法を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る非接触給電装置を電動歯ブラシの充電に適用した例を示す図である。

＜第１実施形態＞
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明の第１実施形態に係る非接触給電装置の構成を図１に示す。図１に示す非接触給電装置１０は、発振部１と、電流検出部２と、変調制御部３と、共振コンデンサＣ１と、送電コイルＬ１と、変調用コイルＬ２と、切替スイッチＳＷ１と、を備えている。なお、電流検出部２と、変調制御部３と、共振コンデンサＣ１と、送電コイルＬ１と、変調用コイルＬ２と、切替スイッチＳＷ１とから、ＡＳＫ変調回路が構成される。

送電コイルＬ１は、第１コイル部Ｌ１１と、第２コイル部Ｌ１２に分割されており、共振コンデンサＣ１と第１コイル部Ｌ１１と第２コイル部Ｌ１２は、直列に接続される。また、第１コイル部Ｌ１１と第２コイル部Ｌ１２との接続点は、変調用コイルＬ２の一端に接続され、共振コンデンサＣ１と第１コイル部Ｌ１１と変調用コイルＬ２も直列に接続される。よって、共振コンデンサＣ１と送電コイルＬ１と変調用コイルＬ２とから直列共振回路が構成される。

上記直列共振回路に電力を供給する発振部１の発振周波数は、直列共振回路の共振周波数に設定されている。発振部１はインピーダンスの低いものを使用でき、その一例を図２に示す。図２に示す例の発振部１は、発振信号源Ｓと、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２と、インバータＩＶを備える。スイッチ素子Ｑ１の制御端子には発振信号源Ｓが直接接続され、スイッチ素子Ｑ２の制御端子には発振信号源ＳがインバータＩＶを介して接続される。スイッチ素子Ｑ１とＱ２は、電源Ｖｄｄとグランドの間に直列接続され、スイッチ素子Ｑ１とＱ２の接続点から出力が取り出される。電源Ｖｄｄは、非接触給電装置の用途に応じて、例えば５Ｖや１００Ｖなどに設定できる。

切替スイッチＳＷ１は、第２コイル部Ｌ１２の一端側と変調用コイルＬ２の一端側の接続切替えを行うスイッチである。切替スイッチＳＷ１が第２コイル部Ｌ１２の一端側へ切替えられた場合は、第１コイル部Ｌ１１と第２コイル部Ｌ１２が直列接続された状態となり、発振部１からの電力が共振コンデンサＣ１と第１コイル部Ｌ１１と第２コイル部Ｌ１２に供給され、共振コンデンサＣ１と、第１コイル部Ｌ１１及び第２コイル部Ｌ１２からなる共振コイルの間で共振周波数の周期で交互にエネルギーのやり取りが行われる。このとき、図３に示すように、共振コンデンサＣ１の電圧がピークとなるタイミングでコイル電流はゼロとなる。

一方、切替スイッチＳＷ１が変調用コイルＬ２の一端側へ切替えられた場合は、第１コイル部Ｌ１１と変調用コイルＬ２が直列接続された状態となり、共振部１からの電力が共振コンデンサＣ１と第１コイル部Ｌ１１と変調用コイルＬ２に供給され、共振コンデンサＣ１と、第１コイル部Ｌ１１及び変調用コイルＬ２からなる共振コイルの間で共振周波数の周期で交互にエネルギーのやり取りが行われる。このときも、図３に示すように、共振コンデンサＣ１の電圧がピークとなるタイミングでコイル電流はゼロとなる。

切替スイッチＳＷ１により、第１コイル部Ｌ１１と第２コイル部Ｌ１２からなる共振コイルと、第１コイル部Ｌ１１と変調用コイルＬ２とからなる共振コイルに切替えられるが、両方の共振コイルのインダクタンス（合成インダクタンス）は等しくなるように設定される。これにより、いずれに切替えられた場合でも共振周波数は変化しないようにできる。

変調制御部３は、電流検出部２により検出されるコイル電流がゼロとなるタイミングを検出する。コイル電流がゼロとなることを検出するタイミングを図３に示す。このタイミングは、共振コンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーが最大になる、つまりコンデンサ電圧がピークとなるタイミングと同じである。なお、電流検出部２を設けずに、変調制御部３は、共振コンデンサＣ１と第１コイル部Ｌ１１の接続点ａの電圧がピークとなるタイミングを検出してもよい。

そして、変調制御部３は、入力されたデジタルデータである送信データのレベルが切替わるタイミングと、コイル電流がゼロとなるタイミングに応じて、切替スイッチＳＷ１を切替える。

具体的には、送信データがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ切替わるタイミングと、コイル電流がゼロとなるタイミングに応じて、第２コイル部Ｌ１２の一端側から変調用コイルＬ２の一端側へ切替スイッチＳＷを切替える。図４に示す例では、送信データのレベル切替えタイミングとコイル電流がゼロとなる検出タイミングが一致するので、コイル電流がゼロとなるタイミングで切替える。これにより、切替前では第１コイル部Ｌ１１と第２コイル部Ｌ１２に流れていたコイル電流が、第１コイル部Ｌ１１と変調用コイルＬ２に流れるコイル電流に切替わる。即ち、図４に示すように、第２コイル部Ｌ１２には電流が流れなくなり、代わりに変調用コイルＬ２に電流が流れ始める。

コイル電流がゼロとなるタイミング、即ち、共振コンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーが最大となるタイミングで切替えるので、エネルギーを損失しない。そして、切替前後で共振周波数は変化しないので、切替直後から切替直前と同じ振幅でコイル電流が流れる。

ここで、変調用コイルＬ２は、例えばその中心軸が第１コイル部Ｌ１１（送電コイルＬ１）の中心軸と直交するように配置され、第１コイル部Ｌ１１の磁界放射に変調用コイルＬ２は関与しない。従って、切替前は第１コイル部Ｌ１１と第２コイル部Ｌ１２から軸方向に放射された磁界が、第１コイル部Ｌ１１のみから軸方向に放射される磁界に切替わる。放射された磁界は、送信信号として、送電コイルＬ１の軸線上に受電コイルを有する受電装置（不図示）に送信される。これにより、非接触給電装置１０と受電装置の間で電力伝送及びデータ通信が行われる。

切替後は第１コイル部Ｌ１１のみから磁界が放射されるため、図４に示すように、切替前に比して放射磁界の振幅が小さくなる。

また、送信データがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへ切替わるタイミングと、コイル電流がゼロとなるタイミングに応じて、変調用コイルＬ２の一端側から第２コイル部Ｌ１２にの一端側へ切替スイッチＳＷを切替える。図４に示す例では、送信データのレベル切替えタイミングとコイル電流がゼロとなる検出タイミングが一致するので、コイル電流がゼロとなるタイミングで切替える。これにより、切替前では第１コイル部Ｌ１１と変調用コイルＬ２に流れていたコイル電流が、第１コイル部Ｌ１１と第２コイル部Ｌ１２に流れるコイル電流に切替わる。即ち、図４に示すように、変調用コイルＬ２には電流が流れなくなり、代わりに第２コイル部Ｌ１２に電流が流れ始める。

上記と同様、エネルギーを損失せず、切替前後で共振周波数は変化しないので、切替直後から切替直前と同じ振幅でコイル電流が流れる。そして、切替前は第１コイル部Ｌ１１のみから放射された磁界が、第１コイル部Ｌ１１に加えて第２コイル部Ｌ１２から放射される磁界に切替わるので、図４に示すように、切替前に比して放射磁界の振幅が大きくなる。

このようなＡＳＫ変調の変調度は、
（第１コイル部Ｌ１１による磁界強度）／（第１コイル部Ｌ１１及び第２コイル部Ｌ１２による磁界強度）
で表され、送電コイルＬ１における第１コイル部Ｌ１１と第２コイル部Ｌ１２の分割比（ほぼ巻数比）の設定により、変調度を任意に設定できる。従って、変調時に放射磁界の振幅の小さい箇所で振幅をゼロ以外に設定でき、電力を伝送する際に伝送電力が低減することを抑制できる。

また、切替え直後に切替前と同じ振幅でコイル電流（共振電流）が流れるので、放射磁界の振幅変化の応答時間を極力短くできる。従って、高速なＡＳＫ変調が可能となる。

なお、第１コイル部Ｌ１１の磁界放射に関与しない変調用コイルＬ２としては、トロイダル（輪）状コア材に巻線が巻かれた構成としてもよい。これにより、変調用コイルＬ２から外部への磁束放射を抑制でき、省スペース化にも有効である。

また、発振部１の周波数は、ＡＳＫ変調周波数の整数倍とすれば、コイル電流がゼロとなるタイミングと送信データのレベル切替タイミングを同期（一致）させることができる。なお、コイル電流がゼロとなるタイミングを送信データのレベル切替タイミングからずらすようにしてもよい。この場合、送信データのレベル切替タイミングの直後のコイル電流がゼロとなるタイミングで切替スイッチＳＷ１を切替えればよい。

また、本実施形態に係る非接触給電装置１０を電気自動車の充電に適用する場合の模式的なシステム例を図５に示す。図５に示すように、例えば充電スタンドや駐車場などの施設において、駐車した電気自動車１５１が備える受電装置１５と対向するよう地面側に非接触給電装置１０が配置される。これにより、非接触給電装置１０から受電装置１５に電力が伝送され、電気自動車１５１のバッテリに電力が充電される。また、非接触給電装置１０から受電装置１５にデータ送信を行える。

なお、本実施形態に係る非接触給電装置１０は、自動車の充電以外にも、例えば電動歯ブラシやスマートフォンなどの充電にも適用可能である。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る非接触給電装置の構成を図６に示す。図６に示す非接触給電装置２０においては、第１実施形態との相違点として、切替スイッチＳＷ１の切替により第１コイル部Ｌ１１及び第２コイル部Ｌ１２からなる送電コイルＬ１、又は第１コイル部Ｌ１１と変調用コイルＬ２とからなるコイル部が共振コンデンサＣ１と並列接続される。よって、共振コンデンサＣ１と送電コイルＬ１と変調用コイルＬ２とから並列共振回路が構成される。

変調制御部１２は、入力されたデジタルデータである送信データのレベルが切替わるタイミングと、電流検出部１１により検出されたコイル電流がゼロとなるタイミングに応じて、切替スイッチＳＷ１を切替える。なお、図６における共振コンデンサＣ１両端電圧のピークとなるタイミングを検出し、そのタイミングに応じて切替スイッチＳＷ１を切替えてもよい。

これにより、第１コイル部Ｌ１１と第２コイル部Ｌ１２の分割比によって任意に変調度を設定でき、放射磁界の振幅が小さくなる箇所で振幅をゼロ以外とすることができ、伝送する電力が低減することを抑制できる。また、切替スイッチＳＷ１を切替える際に、共振コンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーが最大となり、エネルギー損失がないので、切替直後に切替直前の振幅でコイル電流（共振電流）が流れる。従って、変調時の放射磁界の振幅変化の応答時間を極力短くでき、高速なＡＳＫ変調が可能となる。

上記効果は第１実施形態と同様であるが、特に本実施形態では、発振部１としてインピーダンスの高い発振部を用いるときに有効である。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態の特徴は、上述した第１実施形態及び第２実施形態における送信データの生成方法にある。本実施形態に係る送信データの生成についての構成を図７に示し、送信データの生成についての波形例を図８に示す。図７に示すように送信データ生成部３１は、入力される元データとサブキャリアに基づいて送信データを生成する。送信データ生成部３１は、上述の変調制御部３（第１実施形態）又は変調制御部１２（第２実施形態）の前段側に設けられる。

図８に示すように、元データのＨｉｇｈレベルの箇所ではサブキャリアがそのまま送信データとなり、元データのＬｏｗレベルの箇所ではサブキャリアを反転させることで送信データを生成する。

例えば本実施形態に係る送信データ生成部３１を適用した非接触給電装置１０又は２０を電動歯ブラシの充電に適用した場合の模式的な構成例を図９に示す。図９に示すように、非接触給電装置１０又は２０に電動歯ブラシ３２を載置し、非接触給電装置１０又は２０からＡＳＫ変調された磁界を電動歯ブラシ３２へ放射することで、データ通信及び電力伝送が行える。

図９に示すように、電動歯ブラシ３２を載置する非接触給電装置１０又は２０は複数隣接して配置される場合もある。この場合、非接触給電装置同士で通信を行うと、隣の非接触給電装置から送信された信号が自己の非接触給電装置に載置された電動歯ブラシ３２に伝送される場合がある。このようなときでも、非接触給電装置から電動歯ブラシ３２への通信にはサブキャリアを用いるので、サブキャリアの周波数によって、隣接する非接触給電装置からの送信信号との混信を抑制できる。

なお、本実施形態は、電動歯ブラシに限らず、例えば隣接する非接触給電装置が並んだ電気自動車用の充電スタンドなどにも適用可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々変形が可能である。

１ 発振部
２ 電流検出部
３ 変調制御部
Ｃ１ 共振コンデンサ
Ｌ１ 送電コイル
Ｌ１１ 第１コイル部
Ｌ１２ 第２コイル部
Ｌ２ 変調用コイル
ＳＷ１ 切替スイッチ
１０、２０ 非接触給電装置
１１ 電流検出部
１２ 変調制御部
１５ 受電装置
１５１ 電気自動車
３１ 送信データ生成部
３２ 電動歯ブラシ

Claims (10)

1. 第１コイル部と第２コイル部を有した送電コイル、前記第１コイル部の磁界放射に関与しない変調用コイル、及び共振コンデンサを備え、発振部から電力を供給される共振回路と、
   前記第１コイル部と前記第２コイル部が直列に接続される状態と、前記第１コイル部と前記変調用コイルが直列に接続される状態とを、送信データのレベル切替えタイミング及び前記共振回路におけるコイル電流がゼロとなるタイミングに応じて、切替える切替え部と、を備え、
   前記第１コイル部と前記第２コイル部が直列に接続されたときの前記第１コイル部と前記第２コイル部の合成インダクタンスと、前記第１コイル部と前記変調用コイルが直列に接続されたときの前記第１コイル部と前記変調用コイルの合成インダクタンスは等しく設定されている、振幅変調回路。
2. 前記切替え部は、前記コイル電流がゼロとなったことを検出されたタイミングで切替えることを特徴とする請求項１に記載の振幅変調回路。
3. 前記発振部の周波数は振幅変調周波数の整数倍であり、前記送信データのレベル切替えタイミングと前記コイル電流がゼロとなるタイミングが一致することを特徴とする請求項２に記載の振幅変調回路。
4. 前記送信データのレベル切替えタイミングが前記コイル電流がゼロとなるタイミングからずれており、前記切替え部は、前記送信データのレベル切替えタイミングの直後の前記コイル電流がゼロとなるタイミングで切替えることを特徴とする請求項２に記載の振幅変調回路。
5. 前記共振コンデンサは、前記送電コイル及び前記変調用コイルから成るコイル部に直列に設けられることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の振幅変調回路。
6. 前記共振コンデンサは、前記送電コイル及び前記変調用コイルから成るコイル部に並列に設けられることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の振幅変調回路。
7. 前記変調用コイルは、その中心軸が前記第１コイル部の中心軸に直交するよう配置されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の振幅変調回路。
8. 前記変調用コイルは、トロイダル状コア材に巻線が巻かれた構成を有することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の振幅変調回路。
9. 元データとサブキャリアに基づいて前記送信データを生成する送信データ生成部を更に備えたことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の振幅変調回路。
10. 請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の振幅変調回路と、前記振幅変調回路が備える前記共振回路に電力を供給する発振部と、を備えた非接触給電装置。

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