JP2016093084A - ワイヤレス給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤレス給電システムにおける効果的な給電システムの制御方法、並びに、効果的な給電システムの構成方法の提供【解決手段】ワイヤレス給電システムの伝送に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）は、給電部２０と受電部３０との間の情報のやりとりによって空間ギャップの値に対応して、常に適切な値が選択されるようにする。給電部２０と受電部３０のコイルの近傍またはコイル上に磁石を配置することにより、その引き合う磁力により両コイルが位置決めされるようにして効率を上げる。給電部２０と受電部３０の間に別途コイルとコンデンサから成る共振回路を挿入することによって、また、中空の導電物を挿入することによって、伝送距離を伸ばすことと伝送方向を変えることができるようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤレス給電システムに関し、給電システムの制御方法及び給電システムの構成方法に関する。

従来、ワイヤレス充電方式として、電磁誘導を用いた方式が知られており、コードレス電話の充電等に利用されている。この電磁誘導を利用したワイヤレスシステムは給電部と受電部から成り、それぞれ給電部側コイルと受電部側コイルを有しており、両コイル間で電磁誘導を利用して、給電部から受電部に電力を伝送するものである。

この電磁誘導で電力を伝送する際の周波数は給電部と受電部間の空間ギャップの値を考慮して、あらかじめ決められた一定値で、この値を後から変更することは行われていない。これは、構造上、給電部と受電部の間の空間ギャップの値が固定の場合は特に問題はない。しかし、給電部と受電部の間の空間ギャップの値が不定の場合は、このあらかじめ決めた周波数が、実際に給電部と受電部を設置した時の空間ギャップの値によっては必ずしも適切でない場合がある。

また、給電部側コイルと受電部側コイルの位置が適切でないと、伝送効率が下がるため、物理的に給電部側コイルと受電部側コイルの位置が適切になるように給電部と受電部の構造が作られている。

更に、この電磁誘導における電力の伝送可能距離は２ｃｍ程度であり、また、給電部側コイルと受電部側コイルは平行配置されている。

特開２０１４−３３４９９号公報 特開２０１４−１６８３６５号公報

解決しようとする問題点は、電磁誘導で電力を伝送する場合の周波数が給電部と受電部との空間ギャップの値によっては、適切でない場合が生じる点である。周波数が適切でなければ、給電部から受電部へ投入される電力も適切でなくなる。

例えば、受電部が給電部より投入される電力が過大の場合は、受電部は異常発熱するし、また、給電部より投入される電力が過小の場合は、受電部は動作に必要な電圧が得られず、動作不良となる。

また、給電部側コイルと受電部側コイルの位置合わせが給電部と受電部の構造で決まるので、給電部と受電部の間に挿入されるギャップの構造が不定の場合には対応できない点である。更に、電力の伝送可能距離が２ｃｍ程度しかなく、また、給電部側と受電部側のコイルの向きを平行以外にすることが難しい点である。

ワイヤレス給電システムの伝送に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）は、給電部と受電部との間の情報のやりとりによって空間ギャップの値に対応して、常に適切な値が選択されるようにする。周波数は受電部側のコイルと受電部側のコンデンサの共振周波数に近いほど、より大きな電力の伝送が可能となるので、給電部と受電部の空間ギャップの値が大きい時は、伝送に使用する周波数を上記共振周波数に近い値を選択し、逆に、給電部と受電部の空間ギャップの値が小さい時は、上記共振周波数から遠い値を選択するようにすればよい。

また、空間ギャップの値に応じて、ＰＷＭ値を選択するようにしてもよい。ＰＷＭ値が大きくパルス幅が大きいほど、より大きな電力の伝送が可能となるので、給電部と受電部の空間ギャップの値が大きい時は、伝送に使用するＰＷＭ値（パルス幅）の大きな値を選択し、逆に、給電部と受電部の空間ギャップの値が小さい時は、伝送に使用するＰＷＭ値（パルス幅）の小さな値を選択すればよい。

周波数とＰＷＭ値（パルス幅）を組み合わせて選択することも可能である。周波数とＰＷＭ値を組み合わせたテーブルを作り、そのテーブルから選択する。

給電側コイルと受電側コイルの位置合わせについては、給電側と受電側の双方に互いに引き合う磁石（例えば、給電側にＳ極側、受電側にＮ極側の磁石）を配置することにより、給電部の筐体と受電部の筐体が空間ギャップを作る構造物を介して互いに引き合うことにより、物理的に固定されると同時に、給電部側コイルと受電部側コイルの位置合わせが行われるようにすればよい。

電力伝送距離に関しては、給電部と受電部の間に別途コイルとコンデンサから成る共振回路を挿入することによって、伝送距離を伸ばすことが可能となる。更に、中空の導電物を挿入することにより、伝送距離を伸ばすこと、及び、伝送方向を変えることが可能となる。

本発明によれば、ワイヤレス給電システムにおいて、給電部と受電部の間の空間ギャップの値があらかじめ決まっていない場合においても、適切な電力伝送が行われ、給電部から受電部への伝送電力が過大または過小となることを防止することができる。また、給電部側と受電部側の両コイルの位置決めが常に適切に行われるようになり、両コイル間の結合係数を高め、伝送効率を上げることが可能となる。更には、ワイヤレス給電の伝送可能な距離を伸ばすと共に、伝送方向を変えることが可能となる。

図１は本発明のワイヤレス給電方式の給電部と受電部のブロック図である。 図２は本発明の図１と異なる方式のワイヤレス給電方式のブロック図である。 図３は電磁誘導を利用したワイヤレス給電方式における周波数−ゲイン特性の一例である。 図４は本発明における給電部と受電部の構造物が磁石によって引き合うことを示した図である。 図５は本発明における給電部と受電部の間にコイルとコンデンサの共振回路の挿入によって、ワイヤレス給電における伝送距離が伸びることを示した図である。 図６は本発明における磁石によって、給電部側コイルと受電部側コイルの位置決めが常に適切に行われ、両コイル間の結合係数が高められることを示した図である。 図７は本発明における給電部と受電部の間に中空の導電物を挿入することによって、ワイヤレス給電における伝送距離が伸びることを示した図である。 図８は本発明における給電部と受電部の間に中空の導電物を挿入することによって、ワイヤレス給電における電力伝送方向を変えられることを示した図である。

図面を参照して実施例を説明する。

図１は本発明のワイヤレス給電方式の給電部と受電部の一例のブロック図である。受電部はＬＥＤを搭載しており、図１のワイヤレス給電システムはワイヤレス照明装置を構成する。図１の方式では給電部２０と受電部３０と間で制御信号をやりとりして、その時の設置状況における給電部２０と受電部３０との間の空間ギャップの値に対応したワイヤレス給電における周波数とＰＷＭ値（パルス幅）を選択、決定する。

図１のブロック図における動作は以下の通りである。
受電部３０の動作：電源回路Ｂ３８の入力電圧ＡをＡＤ変換部３６でＡ／Ｄ変換して、その電圧に関する情報をマイコンＢ３２より制御信号送受信回路Ｂ３５と受電部側コイル３１を介して給電部２０に送信する。給電部２０より受電部３０を制御する場合（例えば、受電部ＬＥＤ３７のＯＮ／ＯＦＦ制御、受電部ＬＥＤ３７による可視光通信制御）の制御信号についても受電部側コイル３１を介して制御信号送受信回路Ｂ３５とマイコンＢ３２で情報の送受信を行う。

マイコンＢ３２のＱ２駆動出力ポートはオープンコレクタであり、Ｑ２がＯＮ時はＯＰ１によりＬＥＤ３７の電流が制御される。

給電部２０の動作：受電部３０より受信した受電部３０の電源回路Ｂ３８の入力電圧Ａに関する情報は給電部側コイル２１と制御信号送受信回路Ａ２５を介してマイコンＡ２２が受信する。受信した情報に基づいて、マイコンＡ２２は高周波発生部２６で生成する高周波の周波数及びＰＷＭ値（パルス幅）を選択して出力する。送電ドライバ２４は給電部側コイル２１を駆動するドライバである。

図２は図１と異なる方式のワイヤレス給電方式の一例のブロック図である。受電部は図１と同様、ＬＥＤを搭載しており、図１と同様、ワイヤレス照明装置を構成する。図２では受電部３０が電源回路Ｂ３８の入力電圧Ａに応じて、短時間の負荷変動を発生させ、給電部２０がその負荷変動のパターンを検出して、給電部２０と受電部３０のその時の設置状況における給電部２０と受電部３０の間の空間ギャップの値に対応した周波数とＰＷＭ値（パルス幅）を選択、決定する。

図２のブロック図における動作は以下の通りである。
受電部３０の動作：電源回路Ｂ３８の入力電圧ＡをＡＤ変換部３６でＡ／Ｄ変換して、その電圧に応じてＱ１のＯＮ時間を変える。図２の入力電圧Ａが高すぎる、低すぎる、適切の３段階に応じてＯＮ時間を変える。

例えば１０ｍｓ周期で下記の通りＱ１のＯＮ時間を変える。
入力電圧Ａが高すぎる場合：５ｍｓＯＮ、５ｍｓＯＦＦ。
入力電圧Ａが適切の場合：１．２ｍｓＯＮ、８．８ｍｓＯＦＦ。
入力電圧Ａが低すぎる場合：２．４ｍｓＯＮ、７．６ｍｓＯＦＦ
Ｑ１をＯＮすると、ＬＥＤ３７の電流が変化するため受電部３０の消費電流が変化し、それに伴って給電部２０の入力電流が変化する。給電部２０はその入力電流の変化している時間に応じて受電部３０の電源回路Ｂ３８の入力電圧Ａの値が基準値より高いのか低いのかあるいは、一定範囲内にあり適切なのか知ることができる。

マイコンＢ３２のＱ２駆動出力ポートはオープンコレクタであり、Ｑ２がＯＮ時はＯＰ１によりＬＥＤ３７の電流が制御される。

給電部２０の動作：電流検出部２８で検出した電流値をＡ／Ｄ変換部２７でＡ／Ｄ変換して、電流変化の起きている時間を計測する。計測結果に応じて、高周波発生部２６で生成する高周波の周波数及びＰＷＭ値（パルス幅）を選択して出力する。受電部３０の電源回路Ｂ３８の入力電圧Ａが高い時は、それが低くなるように、また、入力電圧Ａが低い時はそれが高くなるように選択する。入力電圧Ａが一定の範囲内にあれば、その時の高周波の周波数及びＰＷＭ値（パルス幅）を維持する。送電ドライバ２４は給電部側コイル２１を駆動するドライバである。

電流変化が起きない場合は受電部３０が無いと判定して、送電ドライバ２４を１０秒間停止（低消費電流モード）し、１０秒経過後に再検知動作を行う。以下これを繰り返す。

本ワイヤレス給電システムは組み合せにより、以下の（１）〜（２０）の特徴のうち複数の特徴を有するものである。

（１）電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、給電部と受電部の間の区間ギャップの値及び周囲環境等の設置状況に応じて、電磁誘導の際に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方を選択できるようにしたこと。

（２）電磁誘導の際に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方は給電部の入力電流の絶対値または入力電流の変化パターンに応じて、自動的に選択されるようにしたこと。

（３）電磁誘導の際に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方は給電部と受電部との相互間の通信によって選択されるようにしたこと。

（４）給電部と受電部との相互間の通信は給電部と受電部との電力伝送のための電磁誘導用コイルを使用して行い、周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方の選択のための情報以外にも給電部または受電部の制御のための情報の送受信を可能としたこと。

（５）受電部は給電部よりワイヤレス供給される電力の大きさに応じて、その負荷を変動させ、給電部は受電部の負荷変動に伴う、その入力電流の変化を検出するようにしたこと。

（６）受電部は給電部より供給される電力の大きさに応じて、その負荷変動のパターンを変え、給電部は負荷変動の変化パターンに応じて、給電部に現れる入力電流の変化パターンを検出し、受電部に供給される電力が一定の範囲内になるように、周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方を選択するようにしたこと。

（７）給電部と受電部との相互間の通信ができないことを検出して、受電部の非設置を検出するようにしたこと。

（８）受電部が設置時に一定の負荷変動パターンを生成する場合は、給電部がその負荷変動パターンによる入力電流変化パターンが検出できない時は、受電部の非設置を検出するようにしたこと。

（９）給電部の入力電流が一定範囲外であれば、受電部の非設置を検出するようにしたこと。

（１０）受電部の非設置を検出すると、給電部は受電部への電力供給を停止するようにしたこと。

（１１）受電部の非設置検出後、一定タイミング毎に受電部への電力供給を行い、受電部が設置されると、給電部と受電部との制御信号送受信が可能となることにより、新たに設置されたことを検出するようにしたこと。

（１２）受電部の非設置検出後、一定タイミング毎に受電部への電力供給を行い、受電部が設置されると給電部での入力電流の変化が検出できるようになることにより受電部が新たに設置されたことを検出するようにしたこと。

（１３）受電部の非設置検出後、一定タイミング毎に受電部への電力供給を行い、受電部が設置されると給電部での入力電流が一定の範囲内になることにより受電部が新たに設置されたことを検出するようにしたこと。

（１４）給電部と受電部にそれぞれ磁石を配置し、または、給電部と受電部のいずれかの構造物の一部が磁石に吸引される物質でできている場合はいずれか一方に磁石を配置し、その引き合う磁力により、固定物を挟んで給電部と受電部をその固定物に固定できるようにしたこと、及び、給電部と受電部の固定物とのそれぞれの接触面に摩擦係数が大きくなるような加工を施したこと。

また、給電部と受電部との間の空間ギャップが大きい等により給電部と受電部に配置した磁石による磁力だけでは、固定物への固定が困難または不安定な時には更に、給電部及び受電部に配置した磁石の磁力よりもより強力な磁石を配置した磁力増強用構造物を給電部と固定物との間及び受電部と固定物との間に配置することにより、安定的に給電部と受電部を固定物に固定できるようにしたこと。

（１５）給電部と受電部にそれぞれ磁石を配置し、または、給電部と受電部のいずれかの構造物の一部が磁石に吸引される物質でできている場合はいずれか一方に磁石を配置し、その引き合う磁力により、ワイヤレス給電時において、給電部コイルと受電部コイルの電磁結合の効率が良好になるように、両コイルが位置決めされるようにしたこと。

（１６）給電部と受電部にそれぞれ磁石を配置し、または、給電部と受電部のいずれかの構造物の一部が磁石に吸引される物質でできている場合はいずれか一方に磁石を配置し、その引き合う磁力により、ワイヤレス給電時において、給電部コイルと受電部コイルの電磁結合の効率が良好になるよう両コイルが位置決めされると同時に、その磁石により両コイル間の結合係数が高められ、電磁結合の効率が更に良好となるようにしたこと。

（１７）給電部コイルの近傍で受電部コイルへの対向側に伝送周波数またはその近傍の周波数における共振回路を構成する新たなコイルを追加配置することによって、ワイヤレス伝送における伝送距離を伸ばすことを可能としたこと。また、この時のその追加配置したコイルが共振回路を構成するか否かを給電部の制御によって決めること、また、共振回路を構成する場合はその共振周波数の値は給電部の制御によって選択可能としたこと。

（１８）給電部へ入力電源電圧の値の範囲によって給電部の動作を通常動作と通常動作以外とに分け、通常動作以外の電圧が入力された場合は給電部の動作モード設定等通常の給電動作以外の動作を行うようにしたこと。

（１９）給電部へ入力電源電圧の値が通常動作の範囲内の場合、給電部から制御を行って、その範囲内に入力電圧を可変させることにより、受電部への供給電力を制御するようにしたこと。

（２０）給電部と受電部の動作モードに異なる複数の動作モードを用意し、それらは給電部と受電部の動作モードは内蔵する不揮発性メモリに記録され、それぞれのメモリの内容は以下の方法によって変更できるようにしたこと。

給電部および受電部への入力電圧として通常動作時における電圧以外の電圧を印加し、その印加時間の長さによって２個以上の複数の動作モードから選択して変更できるものである。変更された動作モードは内蔵する不揮発メモリに記録され、通常動作時に戻った場合はこの変更された動作モードで動作をするというものである。

（２１）給電部と受電部の間に導電物を介在させることにより、ワイヤレス伝送における伝送距離を伸ばすことができるようにしたこと、及び、ワイヤレス伝送における伝送の方向を変えることができるようにしたこと。

各特徴の詳細を図面を参照して述べる。給電部２０と受電部３０の内部構成は図１または図２のブロックで構成されているとして述べている。

特徴（１）は給電部２０と受電部３０の間の空間ギャップの大きさ及び周囲環境等の設置状況に応じて、電磁誘導の際に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方を選択できるようにしていることを述べている。

図３は本発明における電磁誘導を利用したワイヤレス給電方式における周波数−ゲイン特性を示している。ゲインの大きい方が給電部２０と受電部３０の間の空間ギャップの値が小の場合の特性であり、ゲインの小さい方が給電部２０と受電部３０の間の空間ギャップの値が大の場合の特性である。

ゲインが大きすぎると、受電部３０に必要な入力電力に比べ過剰に電力が入力され、その結果、受電部３０の入力電圧が異常に高くなって、部品の電圧定格を超える、また、定格を超えなくても過大入力により部品が異常発熱することが考えられる。

逆に、ゲインが小さすぎると、受電部３０のある一定の動作に必要な電圧が入力されないことが考えられる。例えば、図１または図２のワイヤレス照明で言えば、受電部３０のマイコンＢ３２の動作は可能であるが、ＬＥＤ３７の明るさが不足する場合である。

特徴（２）は、例えば、給電部２０が入力電流を検出して、その絶対値が大きい時は受電部３０に過大入力が供給されていると判断して、その周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）を例えば図３の特性に合わせて変更することを述べている。給電部２０の入力電流の変化パターンを検出してその周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）を変更することは上記図２のブロック図の説明のところで述べている。

特徴（３）と特徴（４）の詳細は、図１のブロック図の説明のところで述べている。給電部２０と受電部３０の電磁誘導用コイルを利用した制御信号送受信は、給電部２０の周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の決定のためのみに使用するのでなく、給電部２０から受電部３０を制御する、また逆に受電部３０から給電部２０を制御する等の他の制御にも使用可能である。

図１におけるワイヤレス照明において、ＬＥＤを照明だけでなく、可視光通信にも利用することもできるが、その送信すべき通信コードを決めるための制御信号としても使用できる。

特徴（５）と特徴（６）の詳細は図２のブロック図の説明のところで述べている。受電部３０がワイヤレス伝送で供給される電力（入力電圧）に応じて、負荷変動を発生させ、給電部２０がその負荷変動を検出することにより、周波数及びＰＷＭ値（パルス幅）を変え、受電部３０への供給電力を一定の範囲内になるように制御しようというものである。

特徴（７）〜特徴（１０）は受電部３０の非設置検出方法と受電部３０の非設置を検出したら、給電部２０の電力供給を停止して、給電部２０の消費電力を低減することを述べている。あるいは、逆に受電部３０の設置が検出できない場合は給電部２０から受電部３０への電力を開始しないことを述べている。

図１のブロック図の場合は制御信号の送受信ができなくなったのを検出すると、受電部３０が非設置になったと判断する。あるいは、初めから制御信号の送受信ができない時は、初めから受電部３０が非設置であると判断する。これにより、給電部は正規の受電部３０が設置されたことを検出して初めて給電開始する（言い換えれば受電部３０を特定してから給電開始する）という動作が可能になる。

図２のブロック図の場合は一定の給電部２０の入力電流変動パターンが検出できなくなったら、受電部３０が非設置になったと判断する。あるいは、初めから一定の給電部２０の入力電流変動パターンが検出できない時は、初めから受電部３０が非設置であると判断する。これにより、図１のブロック図の場合と同様に、給電部は正規の受電部３０が設置されたことを検出して初めて給電開始する（言い換えれば受電部３０を特定してから給電開始する）という動作が可能になる。

また、給電部２０への入力電流は受電部３０が正常に動作している限りは一定の範囲内に収まるはずであり、この範囲外になれば、受電部３０は設置されていないと判断して、給電部２０の電力供給を停止することを述べている。

特徴（１１）〜特徴（１３）は受電部３０の非設置を検出して、給電部２０からの電力供給を停止した後は、一定タイミング毎に、給電部２０からの電力供給を行い、受電部３０がその後設置され、給電部２０と受電部３０の制御信号送受信が可能となる、または、給電部２０が入力電流の変化を検出できるようになる、または、給電部２０の入力電流が一定の範囲内にあることを検出できるようになれば、受電部３０が新たに設置されたということを給電部２０が認識するということを述べている。

特徴（１４）は給電部２０と受電部３０のそれぞれの筐体周囲にまたは、給電部２０と受電部３０のいずれかの構造物の一部が磁石に吸引される物質でできている場合はいずれか一方の筐体周囲に磁石を配置し、固定物に給電部２０と受電部３０を固定すると共に、ワイヤレス伝送を行うことを述べている。

ワイヤレス照明の場合は照明の取り付けが簡単になる。図４（１）に示すように給電部２０と受電部３０の引き合う磁力と重力が平行になるように配置する場合は磁力＞受電部３０の重力となれば、給電部２０と受電部３０を固定物に固定できる。

図４（２）に示すように、給電部２０と受電部３０の引き合う磁力と重力が垂直になるように配置する場合は、給電部２０及び受電部３０を固定するためには、磁力×受電部３０接触面の摩擦係数＞受電部３０の重力、及び磁力×給電部２０接触面の摩擦係数＞給電部２０の重力である必要がある。この時、摩擦係数＜１であり、摩擦係数がより大きくなるように、給電部２０接触面と受電部３０接触面に粗面加工が施されている。

更に、図４（３）に示すように給電部２０と受電部３０との間の空間ギャップの値が大きい等により給電部２０と受電部３０に配置した磁石による磁力だけでは、固定物への固定が困難または不安定な時には、給電部２０及び受電部３０に配置した磁石の磁力よりもより強力な磁石を配置した磁力増強用構造物を給電部２０と固定物との間及び受電部３０と固定物との間に配置することにより、安定的に給電部２０と受電部３０を固定物に固定できるようにしている。

この磁力増強用構造物を介しても、受電部３０と給電部２０のワイヤレス伝送を考慮し両者間のギャップの値が大きくならないように、磁石が配置されている以外の箇所は薄く作られている。

この磁力増強用構造物には周囲に給電部２０または受電部３０に配置した磁石と引き合う磁石が配置され（この磁石により給電部２０または受電部３０とこの磁力増強用構造物を固定する）、更にその外側には磁力増強用構造物同士が、大きなギャップを介しても引き合えるだけの強力磁石が配置されている。

磁力増強用構造物と固定物との接触面は摩擦係数が大きくなるような加工が施されている。なお、磁力増強用構造物と給電部２０または受電部３０との固定は、その間には空間ギャップを必要としないので、磁石でなく、ビス止め等で固定することもできる。

特徴（１５）は給電部２０と受電部３０にそれぞれ磁石を配置し、または、給電部２０と受電部３０のいずれかの構造物の一部が磁石に吸引される物質でできている場合はいずれか一方に磁石を配置し、その引き合う磁力により、ワイヤレス給電時における、給電部２０コイルと受電部３０コイルの両コイルを位置決めすることを述べている。この時、両コイルを同心円上に位置決めするようにすれば、最も電磁結合の効率が良くなる。

ワイヤレス給電時に両コイルの位置関係が物理的にずれると、コイル間の結合係数が小さくなり、想定している電力が給電できなくなるが、給電部２０と受電部３０のコイル近傍またはコイル上にそれぞれ磁石を配置し、その引き合う磁力を使って引き合うようにすれば、コイル間の結合係数を常に一定範囲内に保ち、よって、常に安定した電力のワイヤレス給電が実現できる。

また、図６に示すように、両コイル上に磁石を配置する場合は、給電部２０の構造物と受電部３０の構造物の物理的な大きさ、または、給電部側コイル２１と受電部側コイル３１の物理的な大きさが異なる場合においても、その引き合う磁力による給電部２０と受電部３０の物理的な固定及び、給電側コイル２１と受電側コイル３１の両コイルの位置決めが容易になる。

これはワイヤレス給電を使った充電等、常時ワイヤレス給電を行うのでなく、必要時のみワイヤレス給電を行うシステムにおいても、常に給電側と受電側の両コイルの位置が安定して、その結果、常に安定した電力が給電できることになり、有効である。

特徴（１６）は給電部２０と受電部３０にそれぞれ磁石を配置し、または、給電部２０と受電部３０のいずれかの構造物の一部が磁石に吸引される物質でできている場合はいずれか一方に磁石を配置し、その引き合う磁力により、ワイヤレス給電時における、給電部２０コイルと受電部３０コイルの両コイルを位置決めすると同時に、磁石をコイル上に配置することによって、磁石自身により給電部２０コイルと受電部３０コイルの間の結合係数が高められることを述べている。

両コイルの近傍または両コイル上に磁石を配置すれば、電磁結合の際の効率が高まるような両コイルの位置決めが自動的にできるし、両コイル間の結合係数も高まって、更に電磁結合の際の効率が高まり非常に有効である。
また、コイル上に配置する場合は給電部２０と受電部３０の物理的な大きさの低減につながり、給電部２０と受電部３０の小型化に寄与できる。（図６）

このように磁石が、▲１▼受電部３０を物理的に固定する、▲２▼受電部３０のコイルと給電部２０のコイルの物理的な位置を合わせて電磁誘導の効率を高める、▲３▼受電部３０のコイルと給電部２０のコイルの間の結合係数を高めるという３点の効果をもつように配置されることが特徴である。

特徴（１７）は受電部３０コイルへの対向側で給電部２０コイルに近傍にワイヤレス伝送に使用する周波数またはその近傍の周波数における共振回路を構成するコイル（中間コイル）とコンデンサを追加配置すると、伝送可能距離が伸びることを述べている。

給電部２０の電源電圧（給電コイルへの入力電圧）を上げることなく、給電部２０からの出力電力を上げることが可能となる。（図５（１）、（２））この時のその追加配置したコイル（中間コイル４０）が共振回路を構成するか否かあるいはその共振周波数の値は給電部２０の制御によって選択可能とする。

図５では給電部２０の制御により、コンデンサＣ１と追加配置したコイル（中間コイル４０）との共振、コンデンサＣ２と追加配置したコイル（中間コイル４０）との共振、共振なしの３通りが選択できることを示している。

特徴（１８）は、給電部２０へ入力電源電圧の値の範囲によって給電部２０の動作を通常動作と通常動作以外とに分け、通常動作以外の電圧が入力された場合は給電部２０の動作モード設定等、通常の給電動作以外の動作を行うようにしたことを特徴とすることを述べている。

例えば、給電部２０への入力電圧が１２Ｖ〜３６Ｖの場合は給電動作、給電部２０への入力電圧が５Ｖ〜１０Ｖ以下の場合は給電部２０への各種設定動作となるようにする。給電部２０への設定動作を行いたい場合は給電部２０へ電源供給するＤＣ電源１０の値を５Ｖ〜１０Ｖにすればよい。

特徴（１９）は給電部２０へ入力電源電圧の値が通常動作の範囲内の場合、給電部２０から制御を行って、その範囲内で入力電圧を可変させることにより、受電部への供給電力を制御することを特徴とすることを述べている。

特徴（１８）、（１９）で述べた制御を実現するための給電部２０への電源供給用のＤＣ電源（電源電圧可変可能）１０はその出力電圧を電源自身で設定できると共に、給電部２０からの制御によってその出力電圧を変えることも可能である。給電部２０への入力電圧は高ければ高いほど、受電部３０への供給電力を増加させることができる。

ＤＣ電源１０の出力電圧制御でなくて、単に給電部側コイル２１への印加電圧制御でもよい。入力されるＤＣ電源１０の入力電圧が一定でも、給電部２０の内部回路制御によって、給電部側コイル２１に印加される電圧を変えてもよい。

前述した給電部２０と受電部３０の間の空間ギャップの値及び周囲環境等の設置状況に応じて、電磁誘導の際に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方を選択する制御に加え、給電部２０への電源供給用のＤＣ電源１０の電圧制御または給電部側コイル２１への印加電圧の選択を付加してあらためて選択することが可能となる。

単に給電部２０と受電部３０の間の空間ギャップの値及び周囲環境等の設置状況に応じて、給電部２０への電源供給用のＤＣ電源１０の電圧制御または給電部側コイル２１への印加電圧の選択をするというだけでもよい。（図１と図２に給電部からＤＣ電源１０への制御出力としての電圧調整出力を記載している。）

特徴（２０）は給電部２０と受電部３０の動作モードに異なる複数の動作モードを用意し、それら給電部２０と受電部３０の動作モードは内蔵する不揮発性メモリに記録され、それぞれのメモリの内容が給電部２０及び受電部３０への通常動作時とは異なる入力電圧とその入力電圧の印加時間によって変更できるというものである。

例えばモード０は給電部２０と受電部３０の制御信号のやりとりを行って電磁誘導の際に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）を給電部２０と受電部３０の間のギャップに応じて選択するモード、モード１は給電部２０と受電部３０の制御信号のやりとりを行うが、受電部３０への入力電圧が高い場合のみ、受電部３０の発熱を考慮して、周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）を変更するが、受電部３０への入力電圧が低い場合は何も変更しないというモードである。

モード０は常に最適な周波数またはＰＷＭ値が選択されて受電部３０の入力電圧が一定範囲内に入り安定するように見えるが、逆に、設置状況によっては、頻繁に周波数またはＰＷＭ値が変わることによって受電部３０への入力電圧が細かく動き、例えばこの電圧によってＬＥＤ照明を駆動している場合はちらつきを感じる場合がある。この場合はモード１を選択するようにすればよい。

給電部２０への入力電圧を変えるには、例えば、ＤＣ２４Ｖで通常の動作をさせる場合は、この電圧を１０Ｖ以下（但し、例えば図１、図２の給電部２０のマイコンＡ２２を動作させるための電圧が電源回路Ａ２９で生成できる電圧として５Ｖ以上）に落としてパワーＯＮすればよい。ＤＣ１０Ｖ以下でパワーＯＮすると、給電部２０のモード変更が可能となり、このＤＣ１０Ｖ以下の印加時間によって、モードが２個以上の複数ある場合はモードを選択して変更できる。給電部２０から何らかの信号線を通じて、外部へモード変更を知らせることもできる。

受電部３０への入力電圧を変えるには、例えば、通常では給電部２０と受電部３０間のギャップ＝１５ｍｍまで動作する場合は、ギャップを２０ｍｍ以上離してパワーＯＮすればよい。ギャップが２０ｍｍ以上でパワーＯＮすると、受電部３０のモード変更が可能となり、この状態での印加時間によって、モードが２個以上の複数ある場合はモードを選択して変更できる。

受電部３０がＬＥＤ照明の場合はギャップが２０ｍｍ以上になって暗くなると、点滅させたりしてその点滅の周期を変えることによってモード変更を知らせることもできる。このようにして変更された動作モードにおける動作は通常動作時の入力電圧に戻った時点より開始する。

特徴（２１）は給電部２０と受電部３０の間に導電物を介在させることにより、ワイヤレス伝送における伝送距離を伸ばすこと、また、ワイヤレス伝送における伝送の方向を変えることができることを述べている。

この導電物とは、例えば、中空円筒状の導電物（中空導電物４１）であり、梱包用ガムテープの芯のような中が空洞で円筒状のものに薄いアルミテープを巻きつけたものをイメージすればよい。なお、中空部は空洞でなく、中空部の一部または全部を非導電物で満たしてもよいし、また、アルミテープで円筒状をショートさせてもさせなくてもよい。

また、伝送距離延伸と伝送方向変更の効果を更に上げるために、アルミテープは円筒状のものに１回巻きでなく、絶縁の上、複数回巻きつけてもよい。また、アルミテープを巻きつけるものは円筒状でなくて、角柱状でもよく、また、形状として閉じている必要はなく、特に形状にはこだわらない。

アルミテープに限らず、アルミテープのような渦電流損が少なくなるような導電物としての抵抗分が少なく、かつ、薄いものを使えば、効果的にワイヤレス伝送における伝送距離を伸ばすこと、また、ワイヤレス伝送における伝送の方向を変えることができる。

特徴（１７）における伝送周波数またはその近傍周波数における共振回路用のコイルの追加配置と組み合わせて伝送距離を更に伸ばすことも可能である。図７は共振回路用のコイルの追加配置と組み合わせた上で中空導電物４１を介在させることにより、伝送距離を大幅に伸ばすことができること（図７（２））、図８は給電部２０と受電部３０の配置を平行配置から（例えば垂直配置に）変えられること（図８（１）〜（３））を示している。

図８（１）では、曲がった形の中空円筒状の導電物４１の一方の開口部を給電部側コイル２１の近傍（中間コイル４０を使用する場合は中間コイル４０の近傍）に配置し、他方の開口部を受電部側コイル３１の近傍に配置して、給電部２０と受電部３０を互いに垂直となる位置関係に配置している。

図８（２）では真っ直ぐな形の中空円筒状の導電物４１の一方の開口部を給電部側コイル２１の近傍（中間コイル４０を使用する場合は中間コイル４０の近傍）に配置し、他方の開口部を受電部側コイル３１の近傍に配置して、給電部２０と受電部３０を互いに斜めとなる位置関係に配置している。

図８（３）では図８（２）で示した真っ直ぐな形の中空円筒状の導電物４１を２個用いて、給電部２０と受電部３０を互いに垂直となる位置関係に配置している。

本発明は電源コードを使わないことでメリットの出る水中照明装置や屋外照明装置（ワイヤレス照明）、充電装置（ワイヤレス充電）等に利用される。

１０ ＤＣ電源
２０ 給電部
２１ 給電部側コイル
２２ 給電部側制御回路（マイコンＡ）
２３ 給電側磁石
２４ 送電ドライバ
２５ 給電側制御信号送受信回路Ａ
２６ 高周波発生部
２７ 給電側入力電流Ａ／Ｄ変換部
２８ 給電側入力電流検出部
２９ 給電側電源回路Ａ
３０ 受電部
３１ 受電部側コイル
３２ 受電部側制御回路（マイコンＢ）
３３ 受電側磁石
３４ 共振回路
３５ 受電側制御信号送受信回路Ｂ
３６ 受電側入力電圧Ａ／Ｄ変換部
３７ ＬＥＤ
３８ 受電側電源回路Ｂ
４０ 中間コイル
４１ 中空導電物
Ｑ１ トランジスタ
Ｑ２ トランジスタ
ＯＰ１ オペアンプ

Claims (21)

1. 電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、給電部と受電部の間の空間ギャップの値及び周囲環境等の設置状況に応じて、電磁誘導の際に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方を選択できるようにしたことを特徴とするワイヤレス給電システム。
2. 電磁誘導の際に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方は給電部の入力電流の絶対値または入力電流の変化パターンに応じて、自動的に選択されるようにしたことを特徴とする請求項１記載のワイヤレス給電システム。
3. 電磁誘導の際に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方は給電部と受電部との相互間の通信によって選択されるようにしたことを特徴とする請求項１記載のワイヤレス給電システム。
4. 給電部と受電部との相互間の通信により、周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方の選択のための情報以外にも給電部または受電部の制御のための情報の送受信を可能とした請求項３記載ワイヤレス給電システム。
5. 電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、受電部は給電部よりワイヤレス供給される電力の大きさに応じて、その負荷を変動させ、給電部は受電部の負荷変動に伴う、その入力電流の変化を検出することを特徴とするワイヤレス給電システム。
6. 電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、受電部は給電部より供給される電力の大きさに応じて、その負荷変動のパターンを変え、給電部は負荷変動の変化パターンに応じて、給電部に現れる入力電流の変化パターンを検出し、受電部に供給される電力が一定の範囲内になるように、電磁誘導の際に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方を選択することを特徴とする請求項１記載のワイヤレス給電システム。
7. 電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、給電部と受電部との相互間の通信ができないことを検出して、受電部の非設置を検出するワイヤレス給電システム。
8. 電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、受電部が設置時に一定の負荷変動パターンを生成する場合は、給電部がその負荷変動パターンによって、入力電流変化パターンが検出できない時は、受電部の非設置を検出することを特徴とするワイヤレス給電システム。
9. 電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、給電部の入力電流が一定範囲外であれば、受電部の非設置を検出することを特徴とするワイヤレス給電システム。
10. 電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、受電部の非設置を検出すると、給電部は受電部への電力供給を停止することを特徴とする請求項７〜９記載のワイヤレス給電システム。
11. 電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、受電部の非設置検出後、一定タイミング毎に受電部への電力供給を行い、受電部が設置されると、給電部と受電部との制御信号送受信が可能となることにより、受電部が新たに設置されたことを検出するようにしたことを特徴とする請求項７記載のワイヤレス給電システム。
12. 電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、受電部の非設置検出後、一定タイミング毎に受電部への電力供給を行い、受電部が設置されると、給電部での入力電流の変化が検出できるようになることにより、受電部が新たに設置されたことを検出するようにしたことを特徴とする請求項８記載のワイヤレス給電システム。
13. 電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、受電部の非設置検出後、一定タイミング毎に受電部への電力供給を行い、受電部が設置されると、給電部での入力電流が一定の範囲内になることにより、受電部が新たに設置されたことを検出するようにしたことを特徴とする請求項９記載のワイヤレス給電システム。
14. 電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、給電部と受電部にそれぞれ磁石を配置し、または、給電部と受電部のいずれかの構造物の一部が磁石に吸引される物質でできている場合はいずれか一方に磁石を配置し、その引き合う磁力により、固定物を挟んで給電部と受電部をその固定物に固定できるようにしたこと、及び、給電部と受電部の固定物とのそれぞれの接触面に摩擦係数が大きくなるような加工を施したことを特徴とするワイヤレス給電システム。
15. 電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、給電部と受電部にそれぞれ磁石を配置し、または、給電部と受電部のいずれかの構造物の一部が磁石に吸引される物質でできている場合はいずれか一方に磁石を配置し、その引き合う磁力により、ワイヤレス給電時において、給電部コイルと受電部コイルの電磁結合の効率が良好になるように、両コイルが位置決めされるようにしたことを特徴とするワイヤレス給電システム。
16. 電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、給電部と受電部にそれぞれ磁石を配置し、または、給電部と受電部のいずれかの構造物の一部が磁石に吸引される物質でできている場合はいずれか一方に磁石を配置し、その引き合う磁力により、ワイヤレス給電時において、給電部コイルと受電部コイルの電磁結合の効率が良好になるよう両コイルが位置決めされると同時に、その磁石により両コイル間の結合係数が高められ、電磁結合の効率が良好になるようにしたことを特徴とする請求項１５記載のワイヤレス給電システム。
17. ワイヤレス給電において、給電部コイルの近傍で受電部コイルへの対向側に伝送周波数またはその近傍の周波数における共振回路を構成する新たなコイルを追加配置することによって、ワイヤレス伝送における伝送距離を伸ばすことができること、及び、この時のその追加配置したコイルが共振回路を構成するか否かを給電部の制御によって決めること、また、共振回路を構成する場合はその共振周波数の値は給電部の制御によって選択可能としたことを特徴とするワイヤレス給電システム。
18. ワイヤレス給電において、給電部へ入力電源電圧の値の範囲によって給電部の動作を通常動作と通常動作以外とに分け、通常動作以外の電圧が入力された場合は給電部の動作モード設定等、通常の給電動作以外の動作を行うようにしたことを特徴とするワイヤレス給電システム。
19. ワイヤレス給電において、給電部へ入力電源電圧の値が通常動作の範囲内の場合、給電部から制御を行って、その範囲内で入力電源電圧を可変させることにより、受電部への供給電力を制御することを特徴とするワイヤレス給電システム。
20. ワイヤレス給電において、給電部と受電部の動作モードに異なる複数の動作モードを用意し、それらの給電部と受電部の動作モードは内蔵する不揮発性メモリに記録され、それぞれのメモリの内容は、給電部および受電部への入力電圧として通常動作時における電圧以外の電圧を印加し、その印加時間によって２個以上の複数の動作モードから選択するという方法によって変更できるようにしたことを特徴とする請求項１８記載のワイヤレス給電システム。
21. ワイヤレス給電において、給電部と受電部の間に導電物を介在させることにより、ワイヤレス伝送における伝送距離を伸ばすこと、または、ワイヤレス伝送における伝送の方向を変えることを特徴とするワイヤレス給電システム。

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