JP2016195537A - 無線電力伝送システムおよび無線電力伝送方法 - Google Patents

無線電力伝送システムおよび無線電力伝送方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電力伝送を最適な状態で行うことができる無線電力伝送システムおよび無線電力伝送方法の提供を図る。
【解決手段】無線電力伝送システムは、複数の送電器１Ａ，１Ｂと、前記複数の送電器と通信可能な受電器２Ａ〜２Ｅと、を有し、前記送電器から前記受電器に対して、磁界共鳴または電界共振を利用して無線により電力伝送を行う。前記複数の送電器の内、１つの送電器をマスタ送電器１Ａに設定すると共に、他の送電器１Ｂをスレーブ送電器に設定する。前記マスタ送電器は、前記複数の送電器および前記少なくとも１つの受電器を制御して電力伝送を行う。
【選択図】図６Ａ

Description

この出願で言及する実施例は、無線電力伝送システムおよび無線電力伝送方法に関する。
近年、電源供給や充電を行うために、無線で電力を伝送する技術が注目されている。例えば、携帯端末やノートパソコンを始めとした様々な電子機器や家電機器、或いは、電力インフラ機器に対して、無線で電力伝送を行う無線電力伝送システムが研究・開発されている。
ところで、無線電力伝送(ワイヤレス電力伝送：Wireless Power Transfer)を利用する場合、電力を送る側の送電器と、送電器から送られた電力を受け取る側の受電器がそれぞれ異なるメーカの製品であっても支障なく使用するために標準化を行うのが好ましい。
従来、無線による電力伝送技術としては、一般的に、電磁誘導を利用した技術や電波を利用した技術が知られている。これに対して、近年、送電器と受電器の距離をある程度離しつつ、複数の受電器に対する電力伝送および受電器の三次元的な様々な姿勢に対する電力伝送が可能なものとして、磁界共振(磁界共鳴)や電界共振を利用した電力伝送技術に対する期待が高まっている。なお、電界共振も、電界共鳴と呼ぶこともある。
従来、無線電力伝送技術としては、様々な提案がなされている。
特開２０１０−２３９７６９号公報 米国特許第７８２５５４３号明細書
庄木 裕樹他(SHOKI Hiroki, et al.), 「ワイヤレス電力伝送技術に関する最新の標準化動向」, 電子情報通信学会技術研究報告(信学技報), WPT2011-19, December 2011.
前述したように、従来、電源供給や充電を行うために無線で電力を伝送する無線電力伝送技術が注目されている。しかしながら、例えば、磁界共鳴や電界共振を利用した電力伝送技術の標準化はなされていないのが現状である。
そのため、磁界共鳴や電界共振を利用した電力伝送システム、或いは、送電器および受電器の実用化の停滞が懸念されている。
一実施形態によれば、複数の送電器と、少なくとも１つの受電器と、を有し、前記送電器から前記受電器に対して、磁界共鳴または電界共振を利用して無線により電力伝送を行う無線電力伝送システムが提供される。
前記無線電力伝送システムは、前記複数の送電器の内、１つの送電器をマスタ送電器に設定すると共に、他の送電器をスレーブ送電器に設定する。前記マスタ送電器は、前記複数の送電器および前記少なくとも１つの受電器を制御して電力伝送を行う。
開示の無線電力伝送システムおよび無線電力伝送方法は、電力伝送を最適な状態で行うことができるという効果を奏する。
図１は、本実施例の無線電力伝送システムの一例を概略的に示すブロック図である。 図２Ａは、図１の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図(その１)である。 図２Ｂは、図１の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図(その２)である。 図２Ｃは、図１の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図(その３)である。 図３Ａは、独立共振コイルの例を示す回路図(その１)である。 図３Ｂは、独立共振コイルの例を示す回路図(その２)である。 図３Ｃは、独立共振コイルの例を示す回路図(その３)である。 図３Ｄは、独立共振コイルの例を示す回路図(その４)である。 図４Ａは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その１)である。 図４Ｂは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その２)である。 図４Ｃは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その３)である。 図４Ｄは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その４)である。 図５Ａは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図(その１)である。 図５Ｂは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図(その２)である。 図５Ｃは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図(その３)である。 図６Ａは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その１)である。 図６Ｂは、図６Ａにおける各受電器の状態を説明するための図である。 図６Ｃは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その２)である。 図６Ｄは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その３)である。 図６Ｅは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その４)である。 図６Ｆは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その５)である。 図７は、受電器の姿勢情報を説明するための図である。 図８Ａは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その１)である。 図８Ｂは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その２)である。 図８Ｃは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その３)である。 図８Ｄは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その４)である。 図８Ｅは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その５)である。 図８Ｆは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その６)である。 図８Ｇは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その７)である。 図８Ｈは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その８)である。 図９は、人の検出と送電器の出力調整を説明するための図である。 図１０は、図９における各受電器の状態を説明するための図である。 図１１は、バッテリ残量ゼロの受電器への対応を説明するための図である。 図１２Ａは、複数の送電器における同期の問題を説明するための図(その１)である。 図１２Ｂは、複数の送電器における同期の問題を説明するための図(その２)である。 図１２Ｃは、複数の送電器における同期の問題を説明するための図(その３)である。 図１３Ａは、複数の送電器における同期問題に対する第１同期手法を説明するための図(その１)である。 図１３Ｂは、複数の送電器における同期問題に対する第１同期手法を説明するための図(その２)である。 図１３Ｃは、複数の送電器における同期問題に対する第１同期手法を説明するための図(その３)である。 図１４Ａは、複数の送電器における同期問題に対する第２同期手法を説明するための図(その１)である。 図１４Ｂは、複数の送電器における同期問題に対する第２同期手法を説明するための図(その２)である。 図１４Ｃは、複数の送電器における同期問題に対する第２同期手法を説明するための図(その３)である。 図１５Ａは、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して説明した第２同期手法に適用する同期パターン混載通信を説明するための図(その１)である。 図１５Ｂは、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して説明した第２同期手法に適用する同期パターン混載通信を説明するための図(その２)である。 図１５Ｃは、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して説明した第２同期手法に適用する同期パターン混載通信を説明するための図(その３)である。 図１５Ｄは、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して説明した第２同期手法に適用する同期パターン混載通信を説明するための図(その４)である。 図１６は、本実施例の無線電力伝送システムの一例を示すブロック図である。 図１７は、図１６の無線電力伝送システムにおける送電器の一例を示すブロック図である。 図１８は、図１６の無線電力伝送システムにおける受電器の一例を示すブロック図である。 図１９は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第１例を説明するためのフローチャートである。 図２０は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第２例を説明するためのフローチャートである。 図２１は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第３例を説明するためのフローチャートである。 図２２は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第４例を説明するためのフローチャートである。 図２３は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第４例を説明するためのフローチャートである。 図２４は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第５例を説明するためのフローチャートである。
以下、無線電力伝送(ワイヤレス電力伝送)システムおよび無線電力伝送方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。図１は、本実施例の無線電力伝送システムの一例を概略的に示すブロック図である。
図１において、参照符号１は１次側(送電側：送電器)を示し、２は２次側(受電側：受電器)を示す。図１に示されるように、１次側１は、ワイヤレス送電部１１、高周波電源部１２、送電制御部１３および通信回路部(第１通信回路部)１４を含む。また、２次側２は、ワイヤレス受電部２１、受電回路部２２、受電制御部２３および通信回路部(第２通信回路部)２４を含む。
ワイヤレス送電部１１は、第１コイル(電力供給コイル)１１ｂおよび第２コイル(ＬＣ共振器)１１ａを含み、また、ワイヤレス受電部２１は、第３コイル(ＬＣ共振器)２１ａおよび第４コイル(電力取出コイル)２１ｂを含む。
図１に示されるように、１次側１と２次側２は、ＬＣ共振器１１ａとＬＣ共振器２１ａの間の磁界共鳴(電界共振)により、１次側１から２次側２へエネルギー(電力)の伝送を行う。なお、ＬＣ共振器１１ａからＬＣ共振器２１ａへの電力伝送は、磁界共鳴だけでなく電界共振等も可能であるが、以下の説明では、主として磁界共鳴を例として説明する。
１次側１と２次側２は、通信回路部１４と通信回路部２４により、通信(近距離通信)を行う。ここで、１次側１のＬＣ共振器１１ａと２次側２のＬＣ共振器２１ａによる電力の伝送距離(電力伝送範囲ＰＲ)は、１次側１の通信回路部１４と２次側２の通信回路部２４による通信距離(通信範囲ＣＲ)よりも短く設定される(ＰＲ＜ＣＲ)。
また、ＬＣ共振器１１ａおよび２１ａによる電力伝送は、通信回路部１４および２４による通信とは独立した方式(Out-band通信)になっている。具体的に、ＬＣ共振器１１ａおよび２１ａによる電力伝送は、例えば、６．７８ＭＨｚの周波数帯域を使用し、通信回路部１４および２４による通信は、例えば、２．４ＧＨｚの周波数帯域を使用する。この通信回路部１４および２４による通信としては、例えば、IEEE 802.11bに準拠するＤＳＳＳ方式の無線ＬＡＮやブルートゥース（登録商標）(Bluetooth（登録商標）)を利用することができる。
なお、本実施例の無線電力伝送システムは、例えば、使用する周波数の波長程度の距離の近傍界(near field)において、送電器１のＬＣ共振器１１ａと、受電器２のＬＣ共振器２１ａによる磁界共鳴または電界共振を利用して電力の伝送を行う。従って、電力伝送範囲(送電圏)ＰＲは、電力伝送に使用する周波数に従って変化する。
高周波電源部１２は、電力供給コイル(第１コイル)１１ｂに対して電力を供給し、電力供給コイル１１ｂは、その電力供給コイル１１ｂの至近に配設されたＬＣ共振器１１ａに対して電磁誘導を利用して電力を供給する。ＬＣ共振器１１ａは、ＬＣ共振器２１ａとの間に磁場共鳴を生じさせる共振周波数により、ＬＣ共振器２１ａ(２次側２)に電力を伝送する。
ＬＣ共振器２１ａは、そのＬＣ共振器２１ａの至近に配設された電力取出コイル(第４コイル)２１ｂに対して電磁誘導を利用して電力を供給する。電力取出コイル２１ｂには受電回路部２２が接続され、所定の電力が取り出される。なお、受電回路部２２からの電力は、例えば、バッテリ部２５におけるバッテリの充電、或いは、２次側２の回路に対する電源出力等として利用される。
ここで、１次側１の高周波電源部１２は、送電制御部１３により制御され、また、２次側２の受電回路部２２は、受電制御部２３により制御される。そして、送電制御部１３および受電制御部２３は、通信回路部１４および２４を介して接続され、１次側１から２次側２への電力伝送を最適な状態で行うことができるように、様々な制御を行うようになっている。
図２Ａ〜図２Ｃは、図１の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図であり、図２Ａおよび図２Ｂは、３コイル構成の例を示し、図２Ｃは、２コイル構成の例を示す。
すなわち、図１に示す無線電力伝送システムでは、ワイヤレス送電部１１が第１コイル１１ｂおよび第２コイル１１ａを含み、ワイヤレス受電部２１が第３コイル２１ａおよび第４コイルを含んでいる。
これに対して、図２Ａの例では、ワイヤレス受電部２１を１つのコイル(ＬＣ共振器)２１ａとし、図２Ｂの例では、ワイヤレス送電部１１を１つのコイル(ＬＣ共振器)１１ａとしている。
さらに、図２Ｃの例では、ワイヤレス受電部２１を１つのＬＣ共振器２１ａに設定すると共に、ワイヤレス送電部１１を１つのＬＣ共振器１１ａとしている。なお、図２Ａ〜図２Ｃは、単なる例であり、様々に変形することができるのはいうまでもない。
図３Ａ〜図３Ｄは、独立共振コイル(ＬＣ共振器２１ａ)の例を示す回路図であり、図４Ａ〜図４Ｄは、負荷または電源に接続された共振コイル(ＬＣ共振器２１ａ)の例を示す回路図である。ここで、図３Ａ〜図３Ｄは、図１および図２ＢにおけるＬＣ共振器２１ａに対応し、図４Ａ〜図４Ｄは、図２Ｂおよび図２ＣにおけるＬＣ共振器２１ａに対応する。
図３Ａおよび図４Ａに示す例は、ＬＣ共振器２１ａを、直列接続されたコイル(Ｌ)２１１，容量(Ｃ)２１２およびスイッチ２１３としたもので、通常時はスイッチ２１３をオフしておく。図３Ｂおよび図４Ｂに示す例は、ＬＣ共振器２１ａを、直列接続されたコイル(Ｌ)２１１および容量(Ｃ)２１２と、容量２１２に並列に接続されたスイッチ２１３としたもので、通常時はスイッチ２１３をオンしておく。
図３Ｃおよび図４Ｃに示す例は、図３Ｂおよび図４ＢのＬＣ共振器２１ａにおいて、容量２１２と並列に、直列接続されたスイッチ２１３および抵抗(Ｒ)２１４を設けたもので、通常時はスイッチ２１３をオンしておく。
図３Ｄおよび図４Ｄに示す例は、図３Ｂおよび図４ＢのＬＣ共振器２１ａにおいて、容量２１２と並列に、直列接続されたスイッチ２１３および他の容量(Ｃ')２１５を設けたもので、通常時はスイッチ２１３をオンしておく。
上述した各ＬＣ共振器２１ａにおいて、通常時にＬＣ共振器２１ａが動作しないように、スイッチ２１３をオフまたはオンに設定するようになっている。これは、例えば、不使用の受電器(2次側)２や故障した受電器２に対して電力が伝送されて発熱等が生じるのを避けるためである。
以上において、１次側(送電器)１のＬＣ共振器１１ａも図３Ａ〜図３Ｄおよび図４Ａ〜図４Ｄと同様にすることもできるが、送電器１のＬＣ共振器１１ａとしては、通常時に動作するようにして、高周波電源部１２の出力でオン／オフ制御してもよい。この場合、ＬＣ共振器１１ａは、図３Ａおよび図４Ａにおいて、スイッチ２１３を短絡したものになる。
以上により、複数の受電器２が存在する場合、送電器１から送電を行う所定の受電器２のＬＣ共振器２１ａのみを選択して動作可能な状態とすることにより、その選択された受電器２に対する電力の伝送を行うことが可能になる。
図５Ａ〜図５Ｃは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図である。図５Ａ〜図５Ｃにおいて、参照符号１Ａおよび１Ｂは送電器を示し、２は受電器を示す。図５Ａに示されるように、送電器１Ａの磁界共鳴に使用する送電用のＬＣ共振コイル１１ａＡと送電器１Ｂの磁界共鳴に使用する送電用のＬＣ共振コイル１１ａＢは、例えば、直交するように配設されている。
また、受電器２の磁界共鳴に使用するＬＣ共振コイル２１ａは、ＬＣ共振コイル１１ａＡおよびＬＣ共振コイル１１ａＢで囲まれた個所で異なる角度(平行にならない角度)に配置されている。
ここで、送電用のＬＣ共振コイル１１ａＡおよびＬＣ共振コイル１１ａＢは、１つの送電器に設けられることもある。すなわち、１つの送電器１が複数のワイヤレス送電部１１を含むこともある。ただし、以下の説明では、主として１つの送電器１が１つのワイヤレス送電部１１(ＬＣ共振コイル１１ａ)を含む場合を説明する。
なお、後に詳述するが、複数の送電器の内、１つの送電器をマスタとし、他の送電器をスレーブにするということは、１つのマスタ送電器の演算処理装置(ＣＰＵ)により、マスタ送電器およびスレーブ送電器に含まれる全てのＬＣ共振器を制御することを意味する。
図５Ｂは、共振コイル１１ａＡおよび共振コイル１１ａＢが同じ位相の磁界を出力している様子を示し、図５Ｃは、共振コイル１１ａＡおよび共振コイル１１ａＢが逆の位相の磁界を出力している様子を示す。
このように、複数の送電器１Ａ，１Ｂにより、任意の位置および姿勢(角度)の受電器２に対して電力を伝送する場合、送電器１Ａ，１Ｂの共振コイル１１ａＡ，１１ａＢに発生させる磁界は様々に変化することが分かる。
すなわち、本実施例の無線電力伝送システムは、複数の送電器と、少なくとも１つの受電器とを含み、受電器の位置(Ｘ,Ｙ,Ｚ)および姿勢(θX,θY,θZ)に応じて、その複数の送電器間の出力(強度および位相)を調整する。
図６Ａは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その１)であり、図６Ｂは、図６Ａにおける各受電器の状態を説明するための図であり、２つの送電器１Ａおよび１Ｂ、並びに、５つの受電器２Ａ〜２Ｅが設けられた場合を示すものである。
本実施例の無線電力伝送システムでは、複数の送電器１Ａ，１Ｂにおける１つの送電器１Ａをマスタ(主)とすると共に、他の送電器１Ｂをスレーブ(従)と定め、例えば、複数の送電器および受電器の最適化等の処理は、マスタ(送電器１Ａ)が決定するものとする。
図６Ａにおいて、参照符号ＰＲａは送電器１Ａの電力伝送範囲(マスタ送電圏)を示し、ＰＲｂは送電器１Ｂの電力伝送範囲(スレーブ送電圏)を示し、ＣＲａは送電器１Ａの通信範囲(マスタ通信圏)を示し、ＣＲｂは送電器１Ｂの通信範囲(スレーブ通信圏)を示す。
従って、受電器２Ａ〜２Ｅは、次のようになる。すなわち、図６Ｂに示されるように、受電器２Ａは、マスタ通信圏ＣＲａ外(×)、スレーブ通信圏Ｃｒｂ外、マスタ送電圏ＰＲａ外およびスレーブ送電圏ＰＲｂ外になり、単に送電器からの通信を待つことになる。
次に、受電器２Ｂは、マスタ通信圏ＣＲａ内(○)、スレーブ通信圏ＣＲｂ外、マスタ送電圏ＰＲａ外およびスレーブ送電圏ＰＲｂ外になり、マスタの送電器１Ａとの通信を行うことにより、電力圏外(マスタおよびスレーブの送電圏外)であることが確認できる。
また、受電器２Ｃは、マスタ通信圏ＣＲａ内、スレーブ通信圏ＣＲｂ内、マスタ送電ＰＲａ圏外およびスレーブ送電圏ＰＲｂ外になり、マスタおよびスレーブの送電器１Ａ，１Ｂとの通信を行うことにより、電力圏外であることが確認できる。
さらに、受電器２Ｄは、マスタ通信圏ＣＲａ内、スレーブ通信圏ＣＲｂ内、マスタ送電圏ＰＲａ内およびスレーブ送電圏ＰＲｂ外になり、送電器１Ａ，１Ｂとの通信を行うことにより、１Ａの電力圏内(マスタ送電圏ＰＲａ内)であることが確認できる。
そして、受電器２Ｅは、マスタ通信圏ＣＲａ内、スレーブ通信圏ＣＲｂ内、マスタ送電圏ＰＲａ内およびスレーブ送電圏ＰＲｂ内になり、送電器１Ａ，１Ｂとの通信を行うことにより、１Ａ，１Ｂの電力圏内(送電圏ＰＲａ，ＰＲｂ内)であることが確認できる。
ここで、複数の送電器において、マスタになる１つの送電器を決定するが、その決定方法としては、後述するように、例えば、その通信圏内に最も多くの受電器が存在する、或いは、その送電圏内に最も多くの受電器が存在するといった条件により決定する。
例えば、その通信圏内にそれぞれ１つの受電器が存在するといった同等の条件が成立する場合、例えば、受電器との間の通信強度といったさらなる条件を加えてマスタを決定するか、或いは、乱数表等を使用して任意の１つの送電器をマスタに決定してもよい。
ところで、異なる製造メーカによる送電器は、例えば、その送電器の強度や位相の最適化ルールはそれぞれ異なる。そこで、本実施例の無線電力伝送システムでは、複数の送電器の内の１つをマスタとして決めることで、そのマスタになった送電器が他のスレーブの送電器を含め、最適化を制御する。
図６Ｃ〜図６Ｅは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その２〜４)であり、複数の送電器間におけるマスタ／スレーブの決め方を説明するものである。
まず、複数の送電器において、マスタ送電器およびスレーブ送電器を設定するのは、送電器が互いに通信範囲(通信圏)内にあり、電力伝送範囲(送電圏)が重なっており、しかも、受電器により送電圏が重なっていることが検出される場合である。
すなわち、図６Ｃは、送電器１Ａの通信圏ＣＲａおよび送電器１Ｂの通信圏ＣＲｂは重なっているが、送電器１Ａの送電圏ＰＲａおよび送電器１Ｂの送電圏ＰＲｂは重なっていない場合を示す。このとき、互いの送電圏ＰＲａ，ＰＲｂは重ならないので、両方の送電器１Ａおよび１Ｂを、それぞれマスタ送電器として設定される。
次に、図６Ｄは、送電器１Ａの通信圏ＣＲａおよび送電圏ＰＲａと、送電器１Ｂの通信圏ＣＲｂおよび送電圏ＰＲｂが重なり、受電器２が送電圏ＰＲａおよびＰＲｂの両方に含まれる位置に存在する場合を示す。
この図６Ｄの場合には、送電器１Ａ，１Ｂが互いに通信圏ＣＲａ，ＣＲｂ内にあり、送電圏ＰＲａ，ＰＲｂが重なっており、しかも、受電器２により送電圏ＰＲａ，ＰＲｂが重なっていることが検出される。
従って、図６Ｄの場合には、送電器１Ａ，１Ｂの内、一方(１Ａ)をマスタ送電器に設定し、他方(１Ｂ)をスレーブ送電器に設定する。このとき、送電器１Ｂをマスタとし、送電器１Ａをスレーブとしてもよいが、いずれかをマスタ送電器に設定する。
さらに、図６Ｅは、送電器１Ａおよび１Ｂは、上述した図６Ｄと同じ位置関係に配設されているが、受電器２が存在しない(通信圏ＣＲａおよびＣＲｂに存在しない)場合であり、このときは、両方ともマスタに設定する。
なお、３つ以上の送電器に対しても、例えば、図６Ｄに相当する場合には、いずれか１つをマスタ送電器に設定する。なお、複数の送電器から１つのマスタ送電器を決定する手法は、様々なものが考えられるが、その一例を図６Ｆを参照して説明する。
図６Ｆは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その５)であり、４つの送電器１Ａ〜１Ｄが一列に並んだ場合を示すものである。ここで、送電器１Ａの通信圏ＣＲａは、送電器１Ｂを含むが送電器１Ｃおよび１Ｄを含まず、同様に、送電器１Ｄの通信圏ＣＲｄは、送電器１Ｃを含むが送電器１Ａおよび１Ｂを含まない。
また、送電器１Ｂの通信圏ＣＲｂは、送電器１Ａおよび１Ｃを含むが送電器１Ｄを含まず、同様に、送電器１Ｃの通信圏ＣＲｃは、送電器１Ｂおよび１Ｄを含むが送電器１Ａを含まない。
この図６Ｆの場合、例えば、送電器１Ｂをマスタ(マスタ送電器)とし、他の送電器１Ａ，１Ｃ，１Ｄをスレーブ(スレーブ送電器)に設定する。ここで、送電器１Ｃをマスタに設定することもできる。なお、送電器１Ｂをマスタに設定すると、送電器１Ｄに対して直接通信することは困難になるが、その場合、送電器１Ｄに対しては、送電器１Ｃを経由して通信を行い、最適化等の制御を行う。
このように、本実施例の無線電力伝送システムにおいて、複数の送電器から１つのマスタを決める場合、最も多くの送電器と直接通信が可能なものをマスタと決めるのが好ましい。
なお、図６Ｆでは、４つの送電器１Ａ〜１Ｄが直線上に並べられているが、実際には、例えば、部屋の壁や天井に埋め込まれ、机やテーブルに内蔵され、或いは、床やテーブル等に載置されるといった、様々な位置関係で複数の送電器が配設されることになる。
図７は、受電器の姿勢情報を説明するための図であり、マスタとされた送電器１Ａと２つの受電器２’および２”を示すものである。ところで、受電器２としては、例えば、二次元的な位置情報(Ｘ，Ｙ，Ｚ)だけで充電される２Ｄ充電の受電器２’と、三次元的な位置情報(Ｘ，Ｙ，Ｚ)および姿勢情報(θX,θY,θZ)により充電される３Ｄ充電の受電器２”が考えられる。
すなわち、受電器(２Ｄ)２’は、例えば、送電器の上面上に載置(平置き)することにより充電され、受電器(３Ｄ)２”は、例えば、送電器に対して任意の位置および姿勢の状態でも充電される。
このように、本実施例の無線電力伝送システムでは、２Ｄ充電の受電器２’と３Ｄ充電の受電器２”が混在しても、適切な送電処理を行うことができるようになっている。なお、３Ｄ充電に使用する姿勢情報(θX,θY,θZ)は、例えば、現状のスマートフォン等の受電器２”にも搭載されている三次元の加速度センサ等から得ることができる。
図８Ａ〜図８Ｄは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その１〜その４)であり、ＬＣ共振器の共振調整を行わない場合の分配制御を説明するためのものである。なお、図８Ａ〜図８Ｄでは、説明を簡略化するために、１つの送電器１のみが描かれているが、複数の送電器に対しても同様である。また、効率は、送電器１(ＬＣ共振器１１ａ)と受電器２(ＬＣ共振器２１ａ)の間の電力伝送効率を意味する。
まず、図８Ａに示されるように、受電電力(例えば、５Ｗ)が等しい２つの受電器２Ａ，２Ｂを送電器１上に平置きして２Ｄ充電を行う場合、例えば、受電器２Ａ，２Ｂに対する効率(例えば、８０％)は等しくなる。従って、図８Ａの場合には、２つの受電器２Ａ，２Ｂに対して同時に電力伝送を行う同時電力伝送モード(同時伝送モード)が可能になる。
次に、図８Ｂに示されるように、受電電力(５Ｗ)が等しい２つの受電器２Ａ，２Ｂを送電器１の上方に配置して３Ｄ充電を行う場合、例えば、受電器２Ａに対する効率は６０％になり、受電器２Ｂに対する効率は８０％になる。
ここで、図８Ｂにおいて、受電器２Ａおよび２Ｂで効率が異なるのは、例えば、送電器１に対する距離(位置)および姿勢が受電器２Ａ，２Ｂで異なるためである。従って、図８Ｂの場合には、同時伝送モードを適用することができず、受電器２Ａに対する充電と受電器２Ｂに対する充電を、時間を分割して行う時分割電力伝送モード(時分割モード)による電力伝送を行うことになる。
なお、同時伝送モードが可能な場合(例えば、図８Ａの場合)には、時分割モードが可能なのはいうまでもない。また、時分割モードにおいて、受電器２Ａに対する充電(電力伝送)を行っているときは、受電器２ＢのＬＣ共振器２１ａＢをオフし、逆に、受電器２Ｂに対する充電を行っているときは、受電器２ＡのＬＣ共振器２１ａＡをオフする。
また、図８Ｃに示されるように、受電電力が異なる２つの受電器２Ａ，２Ｃを送電器１上に平置きして２Ｄ充電を行う場合、例えば、受電器２Ａ，２Ｂに対する効率は等しくなる。
しかしながら、例えば、スマートフォンのような受電器２Ａの受電電力は５Ｗであるのに対して、ノートパソコンのような受電器２Ｃの受電電力は５０Ｗであり、受電器２Ａ，２Ｃの受電電力は異なる。この図８Ｃの場合も、図８Ｂの場合と同様に、同時伝送モードを適用することができず、時分割モードによる電力伝送を行うことになる。
さらに、図８Ｄに示されるように、例えば、受電電力が５Ｗの受電器２Ａと受電電力が５０Ｗの受電器２Ｃを送電器１の上方に配置して３Ｄ充電を行う場合、例えば、受電器２Ａに対する効率は６０％になり、受電器２Ｂに対する効率は８０％になる。従って、図８Ｃの場合も、図８Ｂおよび図８Ｃの場合と同様に、同時伝送モードを適用することができず、時分割モードによる電力伝送を行うことになる。
図８Ｅ〜図８Ｈは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その５〜その８)であり、ＬＣ共振器の共振調整を行う場合の分配制御を説明するためのものである。なお、図８Ｅ〜図８Ｈは、上述した図８Ａ〜図８Ｄに対応する。
まず、複数の受電器における受電電力が最大のもの(例えば、受電電力が５０Ｗのノートパソコン２Ｃ)に対して送電器１からの電力送電を行う。このとき、受電電力が最大ではない受電器(例えば、受電電力が５Ｗのスマートフォン２Ａ，２Ｂ)に関しては、その受電器２Ａ，２Ｂにおいて、最適な受電電力(５Ｗ)となるように、ＬＣ共振器２１ａＡ，２１ａＢの調整を行う。
すなわち、受電電力が最大ではない受電器２Ａ，２Ｂでは、それらのＬＣ共振器２１ａＡ，２１ａＢの共振周波数またはＱ値を変化させ、ＬＣ共振器２１ａＡ，２１ａＢが受け取る電力が受電器２Ａ，２Ｂの受電電力に適した値となるように調整(共振調整)を行う。
上述した共振調整を行うことにより、図８Ｅ〜図８Ｈの全ての場合において、同時伝送モードおよび時分割モードのいずれでも、電力伝送を行うことが可能になる。例えば、図８Ｆの場合には、受電器２ＢにおけるＬＣ共振器２１ａＢの共振周波数またはＱ値を適正値からずらすことで、受電器２Ａ，２Ｂに対する電力の同時伝送が可能になる。
また、図８Ｇおよび図８Ｈの場合には、いずれも受電器２ＡにおけるＬＣ共振器２１ａＡの共振周波数またはＱ値を適正値からずらすことで、受電器２Ａ，２Ｃに対する電力の同時伝送が可能になる。なお、上述した共振調整に関しては、本願と同一出願人により別途出願されているが、これに限らず、他の手法を適用することもできるのはいうまでもない。
上述した図８Ａ〜図８Ｄおよび図８Ｅ〜図８Ｈの処理、すなわち、送電器１における送電電力の強度や位相の制御、或いは、各受電器２Ａ〜２Ｃにおける制御は、マスタ送電器１により行われる。なお、図８Ａ〜図８Ｄおよび図８Ｅ〜図８Ｈでは、１つの送電器１のみが描かれているが、通常、複数の送電器から設定された１つのマスタ送電器が、上述した各処理の制御を行うことになる。
図９は、人の検出と送電器の出力調整を説明するための図であり、図１０は、図９における各受電器の状態を説明するための図である。図９において、参照符号ＳＲａは、送電器１Ａによる人(生体)の有無を検出する人感センサ(生体感知センサ(Ｓ２))による検出範囲(生体感知範囲：人感センサ範囲，人感センサ圏)を示す。
ここで、送電器１Ａの送電圏(電力伝送範囲)ＰＲａは、例えば、半径が２〜３メートル程度であり、人感センサ圏ＳＲａは、例えば、送電圏ＰＲａよりも広く、半径が４〜５ｍ程度であり、通信圏(通信範囲)ＣＲａは、半径が１０ｍ程度である。
すなわち、人感センサ圏ＳＲａは、送電圏ＰＲａよりも広く、通信圏ＣＲａは、人感センサ圏ＳＲａよりも広く、ＰＲａ＜ＳＲａ＜ＣＲａの関係が成立する。なお、上記送電圏ＰＲａ、人感センサ圏ＳＲａおよび通信圏ＣＲａは、単なる例であり、仕様により様々に変更されるのはいうまでもない。
従って、受電器２Ａ〜２Ｄは、次のようになる。すなわち、図１０に示されるように、受電器２Ａは、送電器１Ａの通信圏ＣＲａ外(×)、人感センサ圏ＳＲａ外および送電圏ＰＲａ外になり、単に送電器からの通信を待つことになる。
次に、受電器２Ｂは、通信圏ＣＲａ内(○)、人感センサ圏ＳＲａ外および送電圏ＰＲａ外になり、送電器１Ａとの通信を行うことにより、電力圏ＰＲａ外であることが確認できる。
また、受電器２Ｃは、通信圏ＣＲａ内、人感センサ圏ＳＲａ内および送電圏ＰＲａ外になり、送電器１Ａとの通信を行うことにより、電力圏ＰＲａ外であることが確認できる。さらに、受電器２Ｄは、通信圏ＣＲａ内、人感センサ圏ＳＲａ内および送電圏ＰＲａ内になり、送電器１Ａとの通信を行うことにより、電力圏ＰＲａ内であることが確認でき、さらに、人感センサの確認も行うことができる。
人感センサを用いた送電器１Ａの出力の制御例を説明する。例えば、人感センサ圏ＳＲａ内に人(生体)が存在しなければ、例えば、送電器１Ａからの送電出力を５０Ｗとし、逆に、人感センサ圏ＳＲａ内に人が存在していれば、例えば、送電器１Ａからの送電出力を５Ｗに低減する。
図１１は、バッテリ残量ゼロの受電器への対応を説明するための図である。まず、受電器の必要電力情報を得るためには、送電器と受電器の間の通信が必須であるが、例えば、受電器のバッテリ残量がゼロの状態では、通信を行えない。
そこで、バッテリ残量がゼロの受電器２Ｄ(２)に対しては、ワイヤレス受電部２１(ＬＣ共振器２１ａ)を使用して送電(受電)を行うのではなく、ＬＣ共振器２１ａはオフ状態のまま、例えば、電力取出コイル２１ｂを利用した電磁誘導により充電を行う。これは、受電器２のワイヤレス受電部２１がＬＣ共振器２１ａおよび電力取出コイル２１ｂを含む場合、すなわち、図１および図２Ｂの場合に有効である。
或いは、オフ状態のＬＣ共振器２１ａを利用して電磁誘導により充電を行うことも可能である。この場合、オフ状態でＬＣ共振器２１ａが開放状態になっている図４ＡのＬＣ共振器２１ａおよび図４ＣのＬＣ共振器２１ａは、除かれることになる。
ここで、図４ＣのＬＣ共振器２１ａが除かれるのは、抵抗２１４の抵抗値が受電回路部２２の接続抵抗よりも遥かに大きく、受電した電力が抵抗２１４により消費されてしまうからである。
図１１は、送電器(マスタ送電器)１Ａが複数の受電器２Ｂおよび２Ｃへ電力伝送を行っている状態で、バッテリ残量ゼロの受電器２Ｄを送電器１Ａの所定位置に接するように配置し、送電器１Ａのバッテリ残量ゼロモードを指定した様子を示す。
ここで、送電器１Ａでバッテリ残量ゼロモードが指定されると、例えば、送電器１Ａに設けられたバッテリ残量ゼロスイッチがオンされると、送電器１Ａは、受電器２Ｂおよび２Ｃ(に対する送電(電力伝送)を停止する。
さらに、送電器１Ａは、通信可能な通信圏ＣＲａ内に存在する受電器２Ａ〜２ＣのＬＣ共振器２１ａ(２１ａＡ〜２１ａＣ)の共振をオフ状態にする。なお、受電器２Ａには、元から電力伝送は行われておらず、既に、ＬＣ共振器２１ａＡはオフしている。
これにより、バッテリ残量ゼロの受電器２Ｄだけに対して電磁誘導(結合)を利用した電力伝送を行い、他の受電器２Ａ〜２Ｃに対しては、電磁誘導を利用した電力伝送が行われないようにする。
そして、バッテリ残量ゼロの受電器２Ｄは、例えば、電磁誘導を利用した電力伝送によりバッテリが充電され、送電器１Ａと受電器２Ｄとの通信が可能になるまで充電が継続される。
ここで、送電器１Ａによりバッテリ残量ゼロの受電器２Ｄを充電する処理は、例えば、テスト送電→小電力送電→中電力送電というように、電力を段階的に引き上げて受電器２Ｄの通信が回復するまで行うように制御してもよい。また、送電器１Ａと受電器２Ｄとの通信が可能になった後は、通常の磁界共鳴を利用した電力伝送を行う。もちろん、受電器２Ｄのバッテリの充電が十分になるまで、電磁誘導を利用した電力伝送をおこなってもよい。
図１２Ａ〜図１２Ｃは、複数の送電器における同期の問題を説明するための図であり、２つの送電器１Ａ[送電系１]および送電器１Ｂ[送電系２]において、電力伝送に使用する磁界共鳴の周波数がずれている場合の周波数同期の問題を説明するためのものである。
図１２Ａ〜図１２Ｃに示されるように、送電器１Ａの高周波電源部１２Ａの周波数ｆに対して、送電器１Ｂの高周波電源部１２Ｂの周波数がΔｆだけずれているとき(ｆ＋Δｆ)、これら２つの送電器１Ａ，１Ｂからの電力伝送を受けた受電器２では、うなりが生じる。
すなわち、受電器２のＬＣ共振器２１ａは、送電器１ＡのＬＣ共振器１１ａＡからの周波数ｆの磁界と、送電器１ＢのＬＣ共振器１１ａＢからの周波数ｆ＋Δｆの磁界と共振して電力を受け取る。
このとき、Δｆが数ヘルツ程度であっても、図１２Ｂおよび図１２Ｃに示されるように、受電器２のＬＣ共振器２１ａの出力にはうなりが含まれることになり、そのうなりを含むＬＣ共振器２１ａの出力が電源回路２２を介してバッテリ部２５に入力される。
具体的に、送電器１ＡのＬＣ共振器１１ａＡからの周波数が１０Ｍ［Ｈｚ］で、送電器１ＢのＬＣ共振器１１ａＢからの周波数が１０Ｍ＋１［Ｈｚ］の場合には、１［Ｈｚ］のうなりが発生する。
これは、いくら高精度の発振器を使用したとしても、ＬＣ共振器１１ａＡおよびＬＣ共振器１１ａＢを非同期で制御していたのではうなりを回避するのは難しく、送電効率の低下(例えば、半減以下に低下)を招くことになる。
その結果、受電器２では、送電される電力が大幅に低減する。すなわち、電力の送電元が複数の場合、駆動周波数がわずかにずれていても、合成磁界はうなりを生じて電力の伝送効率が大幅に低下することになる。
このような異なる送電器１Ａ，１Ｂによる共鳴周波数の違いは、例えば、使用する素子や製造段階により、或いは、送電器１Ａ，１Ｂが配設される周囲の温度等により生じる。
図１３Ａ〜図１３Ｃは、複数の送電器における同期問題に対する第１同期手法を説明するための図である。ここで、図１３Ａは、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが離れており同じ受電器(２)に対して同時に送電しない場合を示し、図１３Ｂおよび図１３Ｃは、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが近接しており同じ受電器(２)に対して送電する場合を示す。
図１３Ａ〜図１３Ｃに示されるように、各送電器１Ａ，１Ｂは、発振器１２１Ａ，１２１Ｂ、増幅器１２２Ａ，１２２Ｂ、ＰＬＬ(Phase Locke Loop)回路２１０Ａ，２１０Ｂおよび２つのスイッチＳＷ１１Ａ，ＳＷ１２Ａ，ＳＷ１１Ｂ，ＳＷ１２Ｂを含む。
なお、回路２１０Ａ，２１０Ｂは、ＰＬＬ回路に限定されるものではなく、例えば、ＤＬＬ(Delay Locked Loop)回路等の同期制御が可能な回路(同期回路)であれば、幅広く適用することができる。また、発振器１２１Ａ，１２１Ｂは、クォーツを利用した回路、或いは、ＰＬＬ回路等の同期回路であってもよい。
まず、図１３Ａに示されるように、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが離れていて互いの送電領域が重ならない場合、換言すると、同じ受電器(２)に対して同時に送電しない場合、各送電器１Ａおよび１Ｂは、それぞれプライマリに設定する。
すなわち、プライマリの送電器１Ａおよび１Ｂは、同期処理を行うことなく、それぞれの発振器１２１Ａおよび１２１Ｂの周波数を増幅器１２２Ａおよび１２２Ｂで増幅して出力し、独立に送電を行う。
次に、図１３Ｂおよび図１３Ｃを参照して、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが同じ受電器(２)に対して同時に送電する場合を説明する。これは、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが近接し、或いは、一方の送電器が出力を開始して他方の送電器の出力と重なる場合であり、いずれか１つの送電器(例えば、１Ａ)をプライマリに設定し、他の送電器(例えば、１Ｂ)をセカンダリに設定する。
なお、図１３Ｂおよび図１３Ｃでは、２つの送電器１Ａおよび１Ｂを例として説明するが、３つ以上の送電器に関しても、１つをプライマリ送電器に設定し、残りの送電器をセカンダリ送電器に設定する。
ここで、プライマリ送電器とセカンダリ送電器の決め方は、例えば、前述したマスタ送電器をプライマリ送電器とし、スレーブ送電器をセカンダリ送電器としてもよいが、独立に、プライマリ送電器およびセカンダリ送電器を決めることもできる。
すなわち、例えば、スレーブの１つをプライマリ送電器に設定し、マスタを含めた他のスレーブをセカンダリ送電器に設定してもよい。なお、図１３Ｂおよび図１３Ｃでは、１Ａをプライマリ送電器に設定し、１Ｂをセカンダリ送電器に設定している。
図１３Ｂに示されるように、同期を開始すると、プライマリ送電器１Ａは、自身の発振器１２１Ａの周波数で出力を継続する。このとき、セカンダリ送電器１Ｂは、スイッチＳＷ１１Ｂにより自身の発振器１２１Ｂと増幅器１２２Ｂの接続を切り離し、出力を停止する。
同時に、セカンダリ送電器１Ｂは、スイッチＳＷ１２ＢによりＬＣ共振器(送電コイル)１１ａＢとＰＬＬ回路２１０Ｂを接続し、ＬＣ共振器１１ａＢによりプライマリ送電器１ＡのＬＣ共振器１１ａＡからの電力を受電(受信)する。すなわち、セカンダリ送電器１Ｂは、送電を停止したＬＣ共振器１１ａＢを、プライマリ送電器１Ａの出力信号を受信するアンテナとして使用する。
ここで、セカンダリ送電器１Ｂの同期処理中、例えば、プライマリ送電器１Ａの出力レベルを同期用に低くなるように変更することもできる。また、同期処理中は、例えば、マスタ送電器の指示により、送電対象にある全ての受電器の充電を停止することが好ましい。なお、受電器の充電を停止する場合、各受電器の共振系(ＬＣ共振器)はオフするのが好ましい。
このように、プライマリ送電器１Ａは、その発振器１２１Ａの発振周波数が同期に使用されるということで、同期処理に関する指示は、マスタ送電器の指示に従って制御されるのはいうまでもない。
セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２１０Ｂは、ＬＣ共振器１１ａＢで受信した信号に従って、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に対する位相同期(周波数追従)を行い、ＰＬＬ回路２１０Ｂが周波数を追従した後、その周波数をロックする。これにより、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２１０Ｂは、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期した周波数の信号(クロック)を出力することになる。
さらに、図１３Ｃに示されるように、ＰＬＬ回路２１０Ｂの同期完了後、スイッチＳＷ１２ＢによりＬＣ共振器１１ａＢとＰＬＬ回路２１０Ｂの接続を遮断すると共に、スイッチＳＷ１１ＢによりＰＬＬ回路２１０Ｂと増幅器１２２Ｂを接続する。これにより、セカンダリ送電器１Ｂは、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期したＰＬＬ回路２１０Ｂの出力信号により送電を再開する。
このように、第１同期手法によれば、送電器１Ａ，１ＢのＬＣ共振器１１ｂＡ，１１ｂＢの駆動周波数を一致させて、送電器１Ａおよび１Ｂの両方から受電する受電器２のＬＣ共振器２１ａおけるうなりが生じないようにすることができる。
ここで、セカンダリ送電器１Ｂにおける駆動周波数の調整(同期処理)は、送電器１Ａ，１Ｂが配設される周囲の温度等による変化を補償するために、例えば、数分〜数十分程度の所定の時間間隔で繰り返し行うのが好ましい。
図１４Ａ〜図１４Ｃは、複数の送電器における同期問題に対する第２同期手法を説明するための図である。ここで、図１４Ａは、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが離れていて同じ受電器(２)に対して同時に送電しない場合を示し、図１４Ｂおよび図１４Ｃは、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが近接して同じ受電器(２)に対して送電する場合を示す。
図１４Ａ〜図１４Ｃに示されるように、各送電器１Ａ，１Ｂは、発振器１２１Ａ，１２１Ｂ、増幅器１２２Ａ，１２２Ｂ、ＰＬＬ回路２２０Ａ，２２０Ｂ、通信回路部(近距離通信回路)１４Ａ，１４ＢおよびスイッチＳＷ１３Ａ，ＳＷ１３Ｂを含む。なお、回路２２０Ａ，２２０Ｂは、ＰＬＬ回路に限定されるものではなく、例えば、ＤＬＬ回路等の同期制御が可能な同期回路であってもよいのは、前述した通りである。
図１３Ａ〜図１３Ｃを参照して説明した第１同期手法では、セカンダリ送電器１ＢのＬＣ共振器１１ａＢをアンテナとして使用し、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２１０Ｂの周波数を、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期させている。
これに対して、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して説明する第２同期手法は、プライマリ送電器１Ａの通信回路部１４Ａおよびセカンダリ送電器１Ｂの通信回路部１４Ｂを利用して、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂの周波数の同期制御を行う。
まず、図１４Ａに示されるように、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが離れていて互いの送電領域が重ならない場合、換言すると、同じ受電器(２)に対して同時に送電しない場合、各送電器１Ａおよび１Ｂは、それぞれプライマリとして送電を行う。
すなわち、プライマリの送電器１Ａおよび１Ｂは、同期処理を行うことなく、それぞれの発振器１２１Ａおよび１２１Ｂの周波数を増幅器１２２Ａおよび１２２Ｂで増幅して出力し、独立に送電を行う。これは、前述した図１３Ａと同様である。
次に、図１４Ｂおよび図１４Ｃを参照して、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが同じ受電器(２)に対して同時に送電する場合を説明する。これは、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが近接し、或いは、一方の送電器が出力を開始して他方の送電器の出力と重なる場合であり、いずれか１つの送電器(例えば、１Ａ)をプライマリに設定し、他の送電器(例えば、１Ｂ)をセカンダリに設定する。
なお、図１４Ｂおよび図１４Ｃでは、２つの送電器１Ａおよび１Ｂを例として説明するが、３つ以上の送電器に関しても、１つをプライマリ送電器に設定し、残りの送電器をセカンダリ送電器に設定する。
また、前述したように、プライマリ送電器とセカンダリ送電器の決め方は、例えば、マスタ送電器をプライマリ送電器とし、スレーブ送電器をセカンダリ送電器としてもよいが、独立に、プライマリ送電器およびセカンダリ送電器を決めることもできる。
図１４Ｂに示されるように、同期を開始すると、プライマリ送電器１Ａは、自身の発振器１２１Ａの周波数で出力を継続すると共に、その発振器１２１Ａから得られた同期パターンを、通信回路部１４Ａを介して出力する。
このとき、セカンダリ送電器１Ｂでは、スイッチＳＷ１３Ｂにより自身の発振器１２１Ｂと増幅器１２２Ｂの接続を切り離し、出力を停止する。なお、セカンダリ送電器１Ｂの出力を停止するは、ＰＬＬ回路２２０Ｂをプライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期(追従)させてから増幅器１２２Ｂに接続する初回の同期処理の時だけでよい。
すなわち、それ以降のセカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂをプライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期させる(例えば、数分〜数十分程度の間隔で行う)２回目以降の同期処理は、出力を停止しなくてもよい。
プライマリ送電器１Ａの通信回路部１４Ａから出力された発振器１２１Ａの同期パターンを含む無線信号は、セカンダリ送電器１Ｂの通信回路部１４Ｂで受信され、発振器１２１Ａの同期パターンは、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂに出力される。
セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂは、通信回路部１４Ｂにより受信された発振器１２１Ａの同期パターンに従って、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に対する位相同期(周波数追従)を行う。これにより、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂの周波数は、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数と同期が取られ、その周波数でロックされる。
その結果、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂは、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期した周波数の信号を出力する。
ここで、セカンダリ送電器１Ｂの同期処理中、プライマリ送電器１Ａの出力レベルは、通常通りのレベルを維持することにより、プライマリ送電器１Ａによる受電器(２)への送電を継続して行うことができる。
また、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂを同期させてから増幅器１２２Ｂに接続する最初の同期処理は、例えば、マスタ送電器の指示により、送電対象にある全ての受電器の充電を停止することが好ましい。なお、受電器の充電を停止する場合、各受電器の共振系(ＬＣ共振器)はオフするのが好ましい。
さらに、図１４Ｃに示されるように、ＰＬＬ回路２２０Ｂの同期完了後、スイッチＳＷ１３ＢによりＰＬＬ回路２２０Ｂと増幅器１２２Ｂを接続する。これにより、セカンダリ送電器１Ｂは、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期したＰＬＬ回路２２０Ｂの出力信号により送電を再開する。
なお、セカンダリ送電器１Ｂにおいて、同期完了後のＰＬＬ回路２２０Ｂを増幅器１２２Ｂに接続するのは、初回の同期処理の時だけであり、２回目以降の同期処理では、ＰＬＬ回路２２０Ｂと増幅器１２２Ｂの接続を維持したまま、周波数の同期を行う。
このように、第２同期手法によれば、送電器１Ａ，１ＢのＬＣ共振器１１ｂＡ，１１ｂＢの駆動周波数を一致させて、送電器１Ａおよび１Ｂの両方から受電する受電器２のＬＣ共振器２１ａおけるうなりが生じないようにすることができる。
ここで、セカンダリ送電器１Ｂにおける駆動周波数の調整(２回目以降の同期処理)は、例えば、送電器１Ａ，１Ｂが配設される周囲の温度等による変化を補償するために、数分〜数十分程度の所定の時間間隔で繰り返し行うのが好ましい。
図１５Ａ〜図１５Ｄは、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して説明した第２同期手法に適用する同期パターン混載通信を説明するための図である。ここで、図１５Ａは、プライマリ送電器１Ａの通信回路部１４Ａから出力される無線信号のイメージ(観念)を示し、図１５Ｂは、セカンダリ送電器１Ｂの通信回路部１４Ｂが受信する無線信号のイメージを示す。
また、図１５Ｃは、プライマリ送電器１Ａの通信回路部１４Ａに入力される変調前の信号のイメージを示し、図１５Ｄは、セカンダリ送電器１Ｂの通信回路部１４Ｂ(復調回路１４０Ｂ)に入力する無線信号および復調信号を示す。
まず、図１５Ａに示されるように、プライマリ送電器１Ａでは、通信回路部１４Ａにより、発振器１２１Ａの周波数(例えば、１０ＭＨｚ)に同期したパターンを混載した無線通信周波数(例えば、２．４ＧＨｚ)の信号を出力する。
すなわち、プライマリ送電器１Ａの通信回路部１４Ａは、セカンダリ送電器１Ｂの通信回路部１４Ｂとの間で同期パターン混載通信を行う。なお、発振器１２１Ａの周波数および無線通信周波数等は、１０ＭＨｚおよび２．４ＧＨｚに限定されるものではなく、様々な周波数が適用される。
さらに、図１５Ｂに示されるように、セカンダリ送電器１Ｂでは、通信回路部１４Ｂにより同期パターンを混載した無線通信周波数の信号を受信し、発振器１２１Ａの周波数を示す同期パターンＳＰと、その有効範囲を示す同期ウィンドウ信号ＳＷＳを出力する。
そして、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂの周波数は、同期パターンＳＰおよび同期ウィンドウ信号ＳＷＳに従って、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数と同期が取られ、その周波数(例えば、１０ＭＨｚ)でロックされる。これにより、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂは、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期した周波数の信号を出力することになる。
ここで、無線通信周波数の信号に混載する同期パターンは、同期する周波数(プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数)を伝達する情報を含めばよく、必ずしも実際の同期周波数の繰り返しパターン(或いは、その定数倍や定数分の一)でなくてもよい。
例えば、図１５Ｃに示されるように、プライマリ送電器１Ａでは、１０ＭＨｚの同期パターンが、他の通信情報を伝える２．４ＧＨｚの信号に混載された同期パターン混載信号を、通信回路部１４Ａ(変調回路)により変調し、無線信号として出力する。
プライマリ送電器１Ａの通信回路部１４Ａから出力された無線信号は、セカンダリ送電器１Ｂの通信回路部１４Ｂ(復調回路１４０Ｂ)により復調され、１０ＭＨｚの同期パターンと、２．４ＧＨｚの信号による他の通信情報が出力される。
ここで、セカンダリ送電器１Ｂの復調回路１４０Ｂは、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数を表す同期パターンを正確なタイミングで復調できるハードウェアとして形成するのが好ましい。
このように、復調回路１４０Ｂをハードウェアとして形成することで、例えば、復調時の遅延を一定のクロック遅延Ｄｃとすることができ、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂの同期処理を正確に行うことが可能になる。
このように、図１４Ａ〜図１５Ｄを参照して説明した第２同期手法は、図１３Ａ〜図１３Ｃを参照して説明した第１同期手法に対して、２回目以降の同期処理時にセカンダリ送電器１Ｂの送電を停止しなくてもよいという長所を有する。
以上において、プライマリ送電器１ＡのＬＣ共振器１１ａＡ、および、セカンダリ送電器１ＢのＬＣ共振器１１ａＢの駆動周波数を同期させる方法は、上述したものに限定されず、様々な手法が適用可能なのはいうまでもない。
図１６は、本実施例の無線電力伝送システムの一例を示すブロック図である。図１６に示されるように、送電器１は、ワイヤレス送電部１１、高周波電源部１２、送電制御部１３および通信回路部１４を含む。
受電器２は、ワイヤレス受電部２１、受電回路部２２、受電制御部２３、通信回路部２４およびバッテリ部２５を含む。ここで、送電器１および受電器２は、それぞれの通信回路部１４および２４を介して通信を行うと共に、ワイヤレス送電部１１とワイヤレス受電部２１との間の共鳴方式(磁界・電界)により電力の伝送を行う。
図１７は、図１６の無線電力伝送システムにおける送電器の一例を示すブロック図である。図１６および図１７に示されるように、送電器１において、ワイヤレス送電部１１は、ＬＣ共振器１１ａおよび電力供給コイル１１ｂを含む。高周波電源部１２は、発振器１２１、増幅器１２２および整合器１２３を含む。
送電制御部１３は、送電制御回路１３１および周波数ロック回路１３２を含む。ここで、周波数ロック回路１３２は、例えば、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して説明したＰＬＬ回路２２０Ａ，２２０Ｂに対応する。
前述したように、周波数ロック回路１３２は、通信回路部１４からの同期信号を受け取り、所定の間隔(例えば、数分〜数十分間隔)で、発振器１２１の同期処理を行う。発振器１２１は、所定の周波数(例えば、６．７８ＭＨｚ)の周波数の駆動信号を生成し、増幅器１２２および整合機１２３を介してワイヤレス送電部１１(電力供給コイル１１ｂ)に出力する。
送電制御回路１３１は、内部バス１３３で繋がれたＣＰＵ(演算処理装置)１３４、メモリ１３５および入出力回路(Ｉ／Ｏ部)１３６を含む。ここで、メモリ１３５は、フラッシュメモリ等の書き替え可能な不揮発性メモリ、および、ＤＲＡＭ(Dynamic Random Access Memory)等を含む。そして、後に詳述する送電器の様々な処理(ソフトウェアプログラム)を実行する。
送電器１には、例えば、受電器２の位置を検出する位置センサＳ１、人や動物等の生体を検知する人感センサ(生体感知センサ)Ｓ２および送電器１の異常を検知する異常検知センサＳ３が設けられている。
各センサＳ１〜Ｓ３の出力は、例えば、Ｉ／Ｏ部１３６を介してＣＰＵ１３４に入力され、メモリ１３５に格納されたソフトウェアプログラム(無線電力伝送プログラム、或いは、送電器の制御プログラム)に従った処理に利用される。
なお、無線電力伝送プログラム(送電器の制御プログラム)は、例えば、そのプログラムが記録された可搬型記録媒体(例えば、ＳＤ(Secure Digital)メモリカード)７０からＩ／Ｏ部１３６を介してメモリ１３５に格納されてもよい。
或いは、プログラム(データ)提供者６０のハードディスク装置６１から回線およびＩ／Ｏ部１３６を介してメモリ１３５に格納されてもよい。ここで、ハードディスク装置６１からＩ／Ｏ部１３６への回線は、通信回路部１４を利用した無線通信回線であってもよい。
また、無線電力伝送プログラムが記録された可搬記録媒体(コンピュータ読み取り可能な記録媒体)としては、他にＤＶＤ(Digital Versatile Disk)ディスクやブルーレイディスク(Blue-ray Disc)等の記録媒体であってもよい。さらに、図１７は、送電器１の単なる例を示すものであり、様々な変更および変形が可能である。
図１８は、図１６の無線電力伝送システムにおける受電器の一例を示すブロック図である。図１６および図１８に示されるように、受電器２において、ワイヤレス受電部２１は、ＬＣ共振器２１ａおよび電力取出コイル２１ｂを含む。受電回路部２２は、整流器２２１およびＤＣ−ＤＣコンバータ２２２を含み、バッテリ部２５は、バッテリ充電制御ＬＳＩ２５１およびバッテリ２５２を含む。
受電制御部２３は、内部バス２３３で繋がれたＣＰＵ(演算処理装置)２３４、メモリ２３５および入出力回路(Ｉ／Ｏ部)２３６を含む。ここで、メモリ２３５は、フラッシュメモリ等の書き替え可能な不揮発性メモリ、および、ＤＲＡＭ等を含む。そして、後に詳述する受電器の様々な処理(ソフトウェアプログラム)を実行する。
なお、受電器２は、スマートフォンやノートパソコンのような、もともと通信回路部１４や受電制御部２３に相当する回路を含んでいるものもあり、それらを使用することもできるが、例えば、受電制御部２３をモジュールとして新たに設けることもできる。また、受電器２が、通信回路部１４や受電制御部２３に相当する回路を含んでいない場合には、新たに設けることになる。
受電器２には、例えば、その受電器２の姿勢情報(θX,θY,θZ)を検出することのできるセンサ(三次元の加速度センサ)ＳＡが設けられている。このような加速度センサＳＡは、例えば、スマートフォン等には元から設けられているので、それを使用することができる。なお、受電器２が姿勢情報を検出することのできる加速度センサＳＡを持たない場合には、例えば、前述した３Ｄ充電を行えないが、２Ｄ充電を行うことは可能である。
さらに、受電器２に対しても、送電器１と同様に、位置センサＳ１、人感センサＳ２および異常検知センサＳ３を設けてもよいが、例えば、異常センサＳ３だけ設け、他の位置センサＳ１および人感センサＳ２は省略するといった仕様にすることもできる。
各センサＳＡ，Ｓ１〜Ｓ３の出力は、例えば、Ｉ／Ｏ部２３６を介してＣＰＵ２３４に入力され、メモリ２３５に格納されたソフトウェアプログラム(無線電力伝送プログラム、或いは、受電器の制御プログラム)に従った処理に利用される。
なお、無線電力伝送プログラム(受電器の制御プログラム)は、例えば、そのプログラムが記録された可搬型記録媒体(例えば、マイクロＳＤメモリカード)９０からＩ／Ｏ部２３６を介してメモリ２３５に格納されてもよい。
或いは、プログラム(データ)提供者８０のハードディスク装置８１から回線およびＩ／Ｏ部２３６を介してメモリ２３５に格納されてもよい。ここで、ハードディスク装置８１からＩ／Ｏ部２３６への回線は、通信回路部２４を利用した無線通信回線であってもよい。
また、無線電力伝送プログラムが記録された可搬記録媒体(コンピュータ読み取り可能な記録媒体)としては、他にＤＶＤディスクやブルーレイディスク等の記録媒体であってもよい。さらに、図１８は、受電器２の単なる例を示すものであり、様々な変更および変形が可能である。
以下、図１９〜図２４を参照して、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理を説明する。なお、図１９〜図２４において、各図の上から下に向かう方向が時間の流れを表している。また、送電側において、送電器の数は示していないが、複数の送電器(ＬＣ共振器：共振コイル)が設けられているものとする。
さらに、１つの送電器でも複数のＬＣ共振器を含むものは、複数の送電器と同等に扱う。従って、本実施例のように、複数の送電器の内、１つの送電器をマスタに設定するということは、１つの演算処理装置(ＣＰＵ)により、マスタ送電器およびスレーブ送電器に含まれる全てのＬＣ共振器を制御することを意味する。
図１９は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第１例を説明するためのフローチャートであり、送電側が複数のＬＣ共振器を含み、受電側が１つの受電器２の場合の処理を説明するものである。上述したように、１つの送電器１が複数のＬＣ共振器１１ａを含むものもあるが、説明を簡略化するために、１つの送電器１が１つのＬＣ共振器１１ａを有するものとして説明する。
図１９に示されるように、まず、送電側は、常時送信中(送電相手を確認中：ＳＴ１０１)で、複数の送電器１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，…が互いに検知する(ＳＴ１０２)。ここで、複数の送電器の内の１つをマスタ送電器１Ａとし、他をスレーブ送電器１Ｂ，１Ｃ，…として、マスタ／スレーブを確定する(ＳＴ１０３)。なお、以下の処理において、判断は、全てマスタ送電器１Ａ、すなわち、マスタ送電器１ＡのＣＰＵ１３４が行う。
さらに、常時送信中(受電相手を確認中：ＳＴ１０４)において、受電側の受電器２が通信に応答し(認証チェック：ＳＴ１０５)、送電側(マスタ送電器１Ａ)に対して必要電力を通知する(ＳＴ１０６)。
送電側では、センサＳ１(位置センサ)を確認して受電器の位置を確認し(ＳＴ１０７)、また、受電器２では、加速度センサＳＡで向きを確認して、その確認された向きを送信する(ＳＴ１０８)。
送電側では、確認された位置(位置情報)と受電器２から送信された向き(姿勢情報)から相対位置関係を確定し、推定効率を確定し(ＳＴ１０９)、整合条件の初期設定を行う(ＳＴ１１０)。
さらに、送電側(マスタ送電器１Ａ)では、各送電コイル(複数の送電器１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，…の各ＬＣ共振器)の強度および位相の初期設定を行う(ＳＴ１１１)。そして、受電側(受電器２)では、受電の準備を開始、すなわち、共振コイル(ＬＣ共振器)２１ａをオンする(ＳＴ１１２)。
次に、送電側では、テスト送電(例えば、１０％)して１０％出力を確認し(ＳＴ１１３)、センサＳ３(異常検知センサ)により異常の確認、すなわち、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ１１４)。ここで、テスト送電の１０％出力は、単なる例であり、これに限定されるものではない。このとき、受電器２は、受電を確認して、受電したことを送信する(ＳＴ１１５)。
送電側では、受電および送電から効率を演算し、想定効率内かどうかを確認する(ＳＴ１１６)。さらに、送電側では、センサＳ２(人感センサ)を確認して、人がいる時は小電力モードとし(ＳＴ１１７)、人がいない時は本格送電(１００％電力伝送)を行って１００％出力を確認する(ＳＴ１１８)。
さらに、センサＳ３(異常検知センサ)を確認して、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ１１９)。ここで、異常検知センサＳ３は、送電器１に設けてもよいが、受電器２に設けることもでき、異常検知センサＳ３を受電器２に設けた場合には、マスタ送電器１Ａに対して、異常検知センサＳ３による異常発熱の有無を送信することになる。
受電器２では、受電を確認して、受電したことを送信する(ＳＴ１２０)。送電側では、受電および送電から効率を演算し、想定効率内かどうかを確認する(ＳＴ１２１)。すなわち、送電側(全ての送電器１Ａ，１Ｂ，…)から送電された電力と、受電器２により受電された電力から送電の効率を演算することができ、その演算された効率が予め想定した効率内かどうかを確認する。なお、演算された効率が想定効率内ではない場合には、例えば、何らかの異常が発生したとして、送電の停止、並びに、アラームの発生や異常表示等を行う。
図２０は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第２例を説明するためのフローチャートであり、送電側が複数の送電器１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，…で、受電側が２つの受電器２Ａ，２Ｂの場合の処理を説明するものである。
図２０に示されるように、まず、送電側は、常時送信中(送電相手を確認中：ＳＴ２０１)で、受電側では、受電器２Ａが通信に応答(認証チェック)して必要電力を通知し(ＳＴ２０２)、受電器２Ｂが通信に応答(認証チェック)して必要電力を通知する(ＳＴ２０３)。
送電側では、センサＳ１(位置センサ)を確認して各受電器２Ａ，２Ｂの位置(位置情報)を確認する(ＳＴ２０４)。また、受電側では、受電器２Ａが加速度センサＳＡで向き(姿勢情報)を確認して、その確認された向きを送信し(ＳＴ２０５)、受電器２Ｂが加速度センサＳＡで向き確認して、その確認された向きを送信する(ＳＴ２０６)。
受電側では、位置(位置情報)と向き(姿勢情報)から相対位置関係を確定し、各推定効率を確定する(ＳＴ２０７)。さらに、整合条件の初期設定を行い(ＳＴ２０８)、各送電コイルの強度および位相の初期設定を行う(ＳＴ２０９)。
そして、受電器２Ａは、受電の準備を開始、すなわち、共振コイル２１ａＡをオンする(ＳＴ２１０)。送電側では、テスト送電(例えば、１０％)して１０％出力を確認し(ＳＴ２１１)、センサＳ３(異常検知センサ)により異常の確認、すなわち、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ２１２)。なお、異常検知センサＳ３は受電器２Ａ，２Ｂに設けてもよいのは、前述した通りである。
このとき、受電器２Ａは、受電を確認して、受電したことを送信し、共振コイル２１ａＡをオフする(ＳＴ２１３)。送電側では、受電および送電から効率を演算し、想定効率内１を確認する(ＳＴ２１４)。
次に、受電器２Ｂは、受電の準備を開始、すなわち、共振コイル２１ａＡをオンする(ＳＴ２１５)。送電側では、テスト送電(例えば、１０％)して１０％出力を確認し(ＳＴ２１６)、センサＳ３(異常検知センサ)により異常の確認、すなわち、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ２１７)。
このとき、受電器２Ｂは、受電を確認して、受電したことを送信し、共振コイル２１ａＢをオフする(ＳＴ２１８)。送電側では、受電および送電から効率を演算し、想定効率内２を確認する(ＳＴ２１９)。
このように、本実施例では、複数の受電器２Ａ，２Ｂに対して、順番にテスト送電を行って異常の有無を確認し、その後、複数の受電器２Ａ，２Ｂに対する分配条件を算出すると共に、図８Ｅ〜図８Ｈを参照して説明した共振調整(微調整)を行って同時伝送を可能とする。
すなわち、複数の受電器２Ａ，２Ｂに対するテスト送電が終了すると、分配条件を算出し、各受電器２Ａ，２Ｂに送信する(電力伝送する：ＳＴ２２０)。そして、受電器２Ａは、受電の準備を開始、すなわち、共振コイル２１ａＡをオンすると共に、微調整を行い(ＳＴ２２１)，受電器２Ｂは、受電の準備を開始、すなわち、共振コイル２１ａＢをオンすると共に、微調整を行う(ＳＴ２２２)。
送電側では、テスト送電(例えば、１０％)して１０％出力を確認し(ＳＴ２２３)、センサＳ３(異常検知センサ)により異常の確認、すなわち、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ２２４)。受電側では、受電器２Ａ，２Ｂの受電を確認して、送信する(ＳＴ２２５)。
送電側では、受電および送電から効率を演算し、想定効率内１および２を確認する(ＳＴ２２６)。さらに、送電側では、センサＳ２(人感センサ)を確認して、人がいる時は小電力モードとし(ＳＴ２２７)、人がいない時は本格送電(１００％電力伝送)を行って１００％出力を確認する(ＳＴ２２８)。
さらに、センサＳ３(異常検知センサ)を確認して、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ２２９)。受電側では、受電を確認して、受電したことを送信し(ＳＴ２３０)、送電側では、受電および送電から効率を演算し、想定効率内を確認する(ＳＴ２３１)。
なお、演算された効率が想定効率内ではない場合、例えば、送電の停止、並びに、アラームの発生や異常表示等を行うのは、前述した通りであり、また、以下に説明する同様の想定効率内の確認でも同様の処理を行う。
図２１は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第３例を説明するためのフローチャートであり、センサＳ２(人感センサ，生体感知センサ)による処理を説明するためのものである。
図２１に示されるように、送電側は、１００％出力を確認し(ＳＴ３０１)、センサＳ３(異常検知センサ)を確認して異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ３０２)。そして、受電側では、受電器２Ａ，２Ｂを確認して、受電したことを送信する(ＳＴ３０３)。
送電側では、受電および送電から効率を演算し、想定効率内かどうかを確認する(ＳＴ３０４)。さらに、センサＳ２(人感センサ)を確認して、人がいないと(ＳＴ３０５)、センサＳ１(位置センサ)を確認して受電器の位置を確認する(ＳＴ３０６)。
図２２は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第４例を説明するためのフローチャートであり、受電器で所定の充電量を達成したときの処理を説明するためのものである。
図２２に示されるように、受電側(受電器)は、所定の充電量が達成されると(ＳＴ４０１)、送電停止を依頼し、その送電停止依頼を送信する(ＳＴ４０２)。送電側は、受電器からの送電停止を受信し(ＳＴ４０３)、送電を停止する(ＳＴ４０４)。そして、受電器は、受電停止を確認し(ＳＴ４０５)、共振コイルをオフする(ＳＴ４０６)。
図２３は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第４例を説明するためのフローチャートであり、２つの受電器の内の一方で所定の充電量を達成したときの処理を説明するためのものである。
図２３に示されるように、受電側において、受電器２Ａで所定の充電量が達成されると(ＳＴ５０１)、受電器２Ａは送電停止を依頼し、その送電停止依頼を送信する(ＳＴ５０２)。このとき、受電器２Ｂは、所定の充電量が達成されていないものとする。
送電側は、受電器２Ａからの送電停止を受信し(ＳＴ５０３)、送電を一時停止する(ＳＴ５０４)。そして、受電器２Ａ，２Ｂは、受電停止を確認し(ＳＴ５０５)、受電器２Ａは、共振コイル１１ａＡをオフする(ＳＴ５０６)。送電側では、受電器２Ｂに対する電力伝送を行うために、送電を再開する(テスト送電も含めて、送電開始動作を行う：ＳＴ５０７)。
図２４は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第５例を説明するためのフローチャートであり、バッテリ残量ゼロのデバイスに対する処理を説明するためのものである。ここで、バッテリ残量ゼロのデバイスに対する処理では、位置センサＳ１および加速度センサＳＡによる情報は使用しない。
図２４に示されるように、送電側において、各デバイスへの送電中のとき(ＳＴ６０１)、受電側では、各デバイスが受電中になっている(ＳＴ６０２)。次に、ユーザがバッテリ残量ゼロのデバイス(受電器)を送電器の近くに配置する(ＳＴ６０３)。ここで、バッテリ残量ゼロの受電器を送電器の近くに配置する位置は、予め所定の受電位置が既定されている。
さらに、ユーザがバッテリ残量ゼロスイッチをオンする(ＳＴ６０４)。これにより、送電を停止し(ＳＴ６０５)、全ての受電系(受電器)へ共振コイルのオフを通信する(ＳＴ６０６)。受電側では、全ての受電器(バッテリ残量ゼロの受電器以外の全ての受電器)の共振コイルがオフする(ＳＴ６０７)。
送電側では(マスタ送電器は)、バッテリ残量ゼロの受電器が所定位置に置かれたとして相対位置関係を推定し(ＳＴ６０８)、整合条件を初期設定する(ＳＴ６０９)。すなわち、バッテリ残量ゼロの受電器に対しては、例えば、電磁誘導による結合を使用して送電を行うことになる。
さらに、各送電コイルの強度および位相を初期設定し(ＳＴ６１０)、テスト送電(例えば、１０％)して１０％出力を確認し(ＳＴ６１１)、センサＳ３(異常検知センサ)により異常の確認、すなわち、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ６１２)。
マスタ送電器は、センサＳ２(人感センサ)を確認して、人がいる時は小電力モードとし(ＳＴ６１３)、人がいない時は本格送電ＲＴ１(例えば、５Ｗ)して５Ｗ出力を確認する(ＳＴ６１４)。そして、センサＳ３(異常検知センサ)により異常の確認、すなわち、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ６１５)。
次に、本格送電ＲＴ１(例えば、５Ｗ)を所定時間(例えば、５分程度)継続し、受電器に対する通信を確認する(ＳＴ６１６)。これは、インピーダンスの安定を確認することでおこなってもよい(ＳＴ６１７)。ここで、受電側(バッテリ残量ゼロの受電器)では、例えば、充電が不十分だと通信は不可のままとなっている(ＳＴ６１８)。
さらに、本格送電ＲＴ２(例えば、１０Ｗ)して１０Ｗ出力を確認し(ＳＴ６１９)、センサＳ３(異常検知センサ)により異常の確認、すなわち、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ６２０)。
そして、本格送電ＲＴ２(例えば、１０Ｗ)を所定時間(例えば、５分程度)継続し、受電器に対する通信を確認する(ＳＴ６２１)。これは、インピーダンスの安定を確認することでおこなってもよい(ＳＴ６２２)。ここで、受電側(バッテリ残量ゼロの受電器)では、例えば、充電が進むと、バッテリ残量ゼロだった受電器は通信に応答する(ＳＴ６２３)。
送電側では、通常の受電器１つに対する送電を所定時間だけ継続する(ＳＴ６２４)。ここで、バッテリ残量ゼロだった受電器に対する送電は、電磁誘導を利用した送電によりバッテリの満充電までおこなってもよいが、ある程度(通信可能な状態まで)充電が進んだ後は、共鳴を利用した送電に切り替えてもよい。
そして、送電を停止し(ＳＴ６２５)、通常の送電開始より処理を再開(ＳＴ６２６)、すなわち、前述した図１９〜図２３を参照して説明した処理を実行する。
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。
１ 送電器(１次側，送電側)
１Ａ〜１Ｄ 送電器
２ 受電器(２次側，受電側)
２Ａ〜２Ｅ 受電器
１１ ワイヤレス送電部
１１ａ，１１ａＡ，１１ａＢ ＬＣ共振器(第２コイル，共振コイル)
１１ｂ，１１ｂＡ，１１ｂＢ 電力供給コイル(第１コイル)
１２ 高周波電源部
１３ 送電制御部
１４，１４Ａ，１４Ｂ 通信回路部(第１通信回路部)
２１ ワイヤレス受電部
２１ａ，２１ａＡ，２１ａＢ ＬＣ共振器(第３コイル，共振コイル)
２１ｂ，２１ｂＡ，２１ｂＢ 電力取出コイル(第４コイル)
２２ 受電回路部
２３ 受電制御部
２４ 通信回路部(第２通信回路部)
２５ バッテリ部
１２１，１２１Ａ，１２１Ｂ 発振器
１２２，１２２Ａ，１２２Ｂ 増幅回路
１２３ 整合器
１３１ 送電制御回路
１３２ 周波数ロック回路
１３３，２３３ 内部バス
１３４，２３４ 演算処理装置(ＣＰＵ)
１３５，２３５ メモリ
１３６，２３６ 入出力回路(Ｉ／Ｏ部)
１４０Ｂ 復調回路
２１０Ａ，２１０Ｂ，２２０Ａ，２２０Ｂ ＰＬＬ回路(同期回路)
Ｓ１ 位置センサ
Ｓ２ 人感センサ(生体感知センサ)
Ｓ３ 異常検知センサ
ＳＡ 三次元加速度センサ
この出願で言及する実施例は、無線電力伝送システムおよび無線電力伝送方法に関する。
近年、電源供給や充電を行うために、無線で電力を伝送する技術が注目されている。例えば、携帯端末やノートパソコンを始めとした様々な電子機器や家電機器、或いは、電力インフラ機器に対して、無線で電力伝送を行う無線電力伝送システムが研究・開発されている。
ところで、無線電力伝送(ワイヤレス電力伝送：Wireless Power Transfer)を利用する場合、電力を送る側の送電器と、送電器から送られた電力を受け取る側の受電器がそれぞれ異なるメーカの製品であっても支障なく使用するために標準化を行うのが好ましい。
従来、無線による電力伝送技術としては、一般的に、電磁誘導を利用した技術や電波を利用した技術が知られている。これに対して、近年、送電器と受電器の距離をある程度離しつつ、複数の受電器に対する電力伝送および受電器の三次元的な様々な姿勢に対する電力伝送が可能なものとして、磁界共振(磁界共鳴)や電界共振を利用した電力伝送技術に対する期待が高まっている。なお、電界共振も、電界共鳴と呼ぶこともある。
従来、無線電力伝送技術としては、様々な提案がなされている。
特開２０１０−２３９７６９号公報 米国特許第７８２５５４３号明細書
庄木 裕樹他(SHOKI Hiroki, et al.), 「ワイヤレス電力伝送技術に関する最新の標準化動向」, 電子情報通信学会技術研究報告(信学技報), WPT2011-19, December 2011.
前述したように、従来、電源供給や充電を行うために無線で電力を伝送する無線電力伝送技術が注目されている。しかしながら、例えば、磁界共鳴や電界共振を利用した電力伝送技術の標準化はなされていないのが現状である。
そのため、磁界共鳴や電界共振を利用した電力伝送システム、或いは、送電器および受電器の実用化の停滞が懸念されている。
一実施形態によれば、複数の送電器と、前記複数の送電器と通信可能な受電器と、を有し、前記複数の送電器のうち少なくとも１つの送電器から前記受電器に対して、磁界共鳴または電界共振を利用して無線により電力伝送を行う無線電力伝送システムが提供される。
前記複数の送電器のうち少なくとも１つの送電器は、前記受電器により検出された、前記複数の送電器のうち前記受電器へ送電可能な２以上の送電器の情報に基づき、前記複数の送電器のうち、１つの送電器をマスタ送電器に設定すると共に、他の送電器をスレーブ送電器に設定し、前記マスタ送電器は、前記複数の送電器のうち少なくとも１つの送電器を制御して前記受電器へ電力伝送を行う。
開示の無線電力伝送システムおよび無線電力伝送方法は、電力伝送を最適な状態で行うことができるという効果を奏する。
図１は、本実施例の無線電力伝送システムの一例を概略的に示すブロック図である。 図２Ａは、図１の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図(その１)である。 図２Ｂは、図１の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図(その２)である。 図２Ｃは、図１の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図(その３)である。 図３Ａは、独立共振コイルの例を示す回路図(その１)である。 図３Ｂは、独立共振コイルの例を示す回路図(その２)である。 図３Ｃは、独立共振コイルの例を示す回路図(その３)である。 図３Ｄは、独立共振コイルの例を示す回路図(その４)である。 図４Ａは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その１)である。 図４Ｂは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その２)である。 図４Ｃは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その３)である。 図４Ｄは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その４)である。 図５Ａは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図(その１)である。 図５Ｂは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図(その２)である。 図５Ｃは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図(その３)である。 図６Ａは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その１)である。 図６Ｂは、図６Ａにおける各受電器の状態を説明するための図である。 図６Ｃは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その２)である。 図６Ｄは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その３)である。 図６Ｅは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その４)である。 図６Ｆは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その５)である。 図７は、受電器の姿勢情報を説明するための図である。 図８Ａは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その１)である。 図８Ｂは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その２)である。 図８Ｃは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その３)である。 図８Ｄは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その４)である。 図８Ｅは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その５)である。 図８Ｆは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その６)である。 図８Ｇは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その７)である。 図８Ｈは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その８)である。 図９は、人の検出と送電器の出力調整を説明するための図である。 図１０は、図９における各受電器の状態を説明するための図である。 図１１は、バッテリ残量ゼロの受電器への対応を説明するための図である。 図１２Ａは、複数の送電器における同期の問題を説明するための図(その１)である。 図１２Ｂは、複数の送電器における同期の問題を説明するための図(その２)である。 図１２Ｃは、複数の送電器における同期の問題を説明するための図(その３)である。 図１３Ａは、複数の送電器における同期問題に対する第１同期手法を説明するための図(その１)である。 図１３Ｂは、複数の送電器における同期問題に対する第１同期手法を説明するための図(その２)である。 図１３Ｃは、複数の送電器における同期問題に対する第１同期手法を説明するための図(その３)である。 図１４Ａは、複数の送電器における同期問題に対する第２同期手法を説明するための図(その１)である。 図１４Ｂは、複数の送電器における同期問題に対する第２同期手法を説明するための図(その２)である。 図１４Ｃは、複数の送電器における同期問題に対する第２同期手法を説明するための図(その３)である。 図１５Ａは、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して説明した第２同期手法に適用する同期パターン混載通信を説明するための図(その１)である。 図１５Ｂは、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して説明した第２同期手法に適用する同期パターン混載通信を説明するための図(その２)である。 図１５Ｃは、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して説明した第２同期手法に適用する同期パターン混載通信を説明するための図(その３)である。 図１５Ｄは、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して説明した第２同期手法に適用する同期パターン混載通信を説明するための図(その４)である。 図１６は、本実施例の無線電力伝送システムの一例を示すブロック図である。 図１７は、図１６の無線電力伝送システムにおける送電器の一例を示すブロック図である。 図１８は、図１６の無線電力伝送システムにおける受電器の一例を示すブロック図である。 図１９は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第１例を説明するためのフローチャートである。 図２０は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第２例を説明するためのフローチャートである。 図２１は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第３例を説明するためのフローチャートである。 図２２は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第４例を説明するためのフローチャートである。 図２３は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第４例を説明するためのフローチャートである。 図２４は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第５例を説明するためのフローチャートである。
以下、無線電力伝送(ワイヤレス電力伝送)システムおよび無線電力伝送方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。図１は、本実施例の無線電力伝送システムの一例を概略的に示すブロック図である。
図１において、参照符号１は１次側(送電側：送電器)を示し、２は２次側(受電側：受電器)を示す。図１に示されるように、１次側１は、ワイヤレス送電部１１、高周波電源部１２、送電制御部１３および通信回路部(第１通信回路部)１４を含む。また、２次側２は、ワイヤレス受電部２１、受電回路部２２、受電制御部２３および通信回路部(第２通信回路部)２４を含む。
ワイヤレス送電部１１は、第１コイル(電力供給コイル)１１ｂおよび第２コイル(ＬＣ共振器)１１ａを含み、また、ワイヤレス受電部２１は、第３コイル(ＬＣ共振器)２１ａおよび第４コイル(電力取出コイル)２１ｂを含む。
図１に示されるように、１次側１と２次側２は、ＬＣ共振器１１ａとＬＣ共振器２１ａの間の磁界共鳴(電界共振)により、１次側１から２次側２へエネルギー(電力)の伝送を行う。なお、ＬＣ共振器１１ａからＬＣ共振器２１ａへの電力伝送は、磁界共鳴だけでなく電界共振等も可能であるが、以下の説明では、主として磁界共鳴を例として説明する。
１次側１と２次側２は、通信回路部１４と通信回路部２４により、通信(近距離通信)を行う。ここで、１次側１のＬＣ共振器１１ａと２次側２のＬＣ共振器２１ａによる電力の伝送距離(電力伝送範囲ＰＲ)は、１次側１の通信回路部１４と２次側２の通信回路部２４による通信距離(通信範囲ＣＲ)よりも短く設定される(ＰＲ＜ＣＲ)。
また、ＬＣ共振器１１ａおよび２１ａによる電力伝送は、通信回路部１４および２４による通信とは独立した方式(Out-band通信)になっている。具体的に、ＬＣ共振器１１ａおよび２１ａによる電力伝送は、例えば、６．７８ＭＨｚの周波数帯域を使用し、通信回路部１４および２４による通信は、例えば、２．４ＧＨｚの周波数帯域を使用する。この通信回路部１４および２４による通信としては、例えば、IEEE 802.11bに準拠するＤＳＳＳ方式の無線ＬＡＮやブルートゥース（登録商標）(Bluetooth（登録商標）)を利用することができる。
なお、本実施例の無線電力伝送システムは、例えば、使用する周波数の波長程度の距離の近傍界(near field)において、送電器１のＬＣ共振器１１ａと、受電器２のＬＣ共振器２１ａによる磁界共鳴または電界共振を利用して電力の伝送を行う。従って、電力伝送範囲(送電圏)ＰＲは、電力伝送に使用する周波数に従って変化する。
高周波電源部１２は、電力供給コイル(第１コイル)１１ｂに対して電力を供給し、電力供給コイル１１ｂは、その電力供給コイル１１ｂの至近に配設されたＬＣ共振器１１ａに対して電磁誘導を利用して電力を供給する。ＬＣ共振器１１ａは、ＬＣ共振器２１ａとの間に磁場共鳴を生じさせる共振周波数により、ＬＣ共振器２１ａ(２次側２)に電力を伝送する。
ＬＣ共振器２１ａは、そのＬＣ共振器２１ａの至近に配設された電力取出コイル(第４コイル)２１ｂに対して電磁誘導を利用して電力を供給する。電力取出コイル２１ｂには受電回路部２２が接続され、所定の電力が取り出される。なお、受電回路部２２からの電力は、例えば、バッテリ部２５におけるバッテリの充電、或いは、２次側２の回路に対する電源出力等として利用される。
ここで、１次側１の高周波電源部１２は、送電制御部１３により制御され、また、２次側２の受電回路部２２は、受電制御部２３により制御される。そして、送電制御部１３および受電制御部２３は、通信回路部１４および２４を介して接続され、１次側１から２次側２への電力伝送を最適な状態で行うことができるように、様々な制御を行うようになっている。
図２Ａ〜図２Ｃは、図１の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図であり、図２Ａおよび図２Ｂは、３コイル構成の例を示し、図２Ｃは、２コイル構成の例を示す。
すなわち、図１に示す無線電力伝送システムでは、ワイヤレス送電部１１が第１コイル１１ｂおよび第２コイル１１ａを含み、ワイヤレス受電部２１が第３コイル２１ａおよび第４コイル２１ｂを含んでいる。
これに対して、図２Ａの例では、ワイヤレス受電部２１を１つのコイル(ＬＣ共振器)２１ａとし、図２Ｂの例では、ワイヤレス送電部１１を１つのコイル(ＬＣ共振器)１１ａとしている。
さらに、図２Ｃの例では、ワイヤレス受電部２１を１つのＬＣ共振器２１ａに設定すると共に、ワイヤレス送電部１１を１つのＬＣ共振器１１ａとしている。なお、図２Ａ〜図２Ｃは、単なる例であり、様々に変形することができるのはいうまでもない。
図３Ａ〜図３Ｄは、独立共振コイル(ＬＣ共振器２１ａ)の例を示す回路図であり、図４Ａ〜図４Ｄは、負荷または電源に接続された共振コイル(ＬＣ共振器２１ａ)の例を示す回路図である。ここで、図３Ａ〜図３Ｄは、図１および図２ＢにおけるＬＣ共振器２１ａに対応し、図４Ａ〜図４Ｄは、図２Ａおよび図２ＣにおけるＬＣ共振器２１ａに対応する。
図３Ａおよび図４Ａに示す例は、ＬＣ共振器２１ａを、直列接続されたコイル(Ｌ)２１１，容量(Ｃ)２１２およびスイッチ２１３としたもので、通常時はスイッチ２１３をオフしておく。図３Ｂおよび図４Ｂに示す例は、ＬＣ共振器２１ａを、直列接続されたコイル(Ｌ)２１１および容量(Ｃ)２１２と、容量２１２に並列に接続されたスイッチ２１３としたもので、通常時はスイッチ２１３をオンしておく。
図３Ｃおよび図４Ｃに示す例は、図３Ｂおよび図４ＢのＬＣ共振器２１ａにおいて、容量２１２と並列に、直列接続されたスイッチ２１３および抵抗(Ｒ)２１４を設けたもので、通常時はスイッチ２１３をオンしておく。
図３Ｄおよび図４Ｄに示す例は、図３Ｂおよび図４ＢのＬＣ共振器２１ａにおいて、容量２１２と並列に、直列接続されたスイッチ２１３および他の容量(Ｃ')２１５を設けたもので、通常時はスイッチ２１３をオンしておく。
上述した各ＬＣ共振器２１ａにおいて、通常時にＬＣ共振器２１ａが動作しないように、スイッチ２１３をオフまたはオンに設定するようになっている。これは、例えば、不使用の受電器(2次側)２や故障した受電器２に対して電力が伝送されて発熱等が生じるのを避けるためである。
以上において、１次側(送電器)１のＬＣ共振器１１ａも図３Ａ〜図３Ｄおよび図４Ａ〜図４Ｄと同様にすることもできるが、送電器１のＬＣ共振器１１ａとしては、通常時に動作するようにして、高周波電源部１２の出力でオン／オフ制御してもよい。この場合、ＬＣ共振器１１ａは、図３Ａおよび図４Ａにおいて、スイッチ２１３を短絡したものになる。
以上により、複数の受電器２が存在する場合、送電器１から送電を行う所定の受電器２のＬＣ共振器２１ａのみを選択して動作可能な状態とすることにより、その選択された受電器２に対する電力の伝送を行うことが可能になる。
図５Ａ〜図５Ｃは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図である。図５Ａ〜図５Ｃにおいて、参照符号１Ａおよび１Ｂは送電器を示し、２は受電器を示す。図５Ａに示されるように、送電器１Ａの磁界共鳴に使用する送電用のＬＣ共振コイル１１ａＡと送電器１Ｂの磁界共鳴に使用する送電用のＬＣ共振コイル１１ａＢは、例えば、直交するように配設されている。
また、受電器２の磁界共鳴に使用するＬＣ共振コイル２１ａは、ＬＣ共振コイル１１ａＡおよびＬＣ共振コイル１１ａＢで囲まれた個所で異なる角度(平行にならない角度)に配置されている。
ここで、送電用のＬＣ共振コイル１１ａＡおよびＬＣ共振コイル１１ａＢは、１つの送電器に設けられることもある。すなわち、１つの送電器１が複数のワイヤレス送電部１１を含むこともある。ただし、以下の説明では、主として１つの送電器１が１つのワイヤレス送電部１１(ＬＣ共振コイル１１ａ)を含む場合を説明する。
なお、後に詳述するが、複数の送電器の内、１つの送電器をマスタとし、他の送電器をスレーブにするということは、１つのマスタ送電器の演算処理装置(ＣＰＵ)により、マスタ送電器およびスレーブ送電器に含まれる全てのＬＣ共振器を制御することを意味する。
図５Ｂは、共振コイル１１ａＡおよび共振コイル１１ａＢが同じ位相の磁界を出力している様子を示し、図５Ｃは、共振コイル１１ａＡおよび共振コイル１１ａＢが逆の位相の磁界を出力している様子を示す。
このように、複数の送電器１Ａ，１Ｂにより、任意の位置および姿勢(角度)の受電器２に対して電力を伝送する場合、送電器１Ａ，１Ｂの共振コイル１１ａＡ，１１ａＢに発生させる磁界は様々に変化することが分かる。
すなわち、本実施例の無線電力伝送システムは、複数の送電器と、少なくとも１つの受電器とを含み、受電器の位置(Ｘ,Ｙ,Ｚ)および姿勢(θX,θY,θZ)に応じて、その複数の送電器間の出力(強度および位相)を調整する。
図６Ａは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その１)であり、図６Ｂは、図６Ａにおける各受電器の状態を説明するための図であり、２つの送電器１Ａおよび１Ｂ、並びに、５つの受電器２Ａ〜２Ｅが設けられた場合を示すものである。
本実施例の無線電力伝送システムでは、複数の送電器１Ａ，１Ｂにおける１つの送電器１Ａをマスタ(主)とすると共に、他の送電器１Ｂをスレーブ(従)と定め、例えば、複数の送電器および受電器の最適化等の処理は、マスタ(送電器１Ａ)が決定するものとする。
図６Ａにおいて、参照符号ＰＲａは送電器１Ａの電力伝送範囲(マスタ送電圏)を示し、ＰＲｂは送電器１Ｂの電力伝送範囲(スレーブ送電圏)を示し、ＣＲａは送電器１Ａの通信範囲(マスタ通信圏)を示し、ＣＲｂは送電器１Ｂの通信範囲(スレーブ通信圏)を示す。
従って、受電器２Ａ〜２Ｅは、次のようになる。すなわち、図６Ｂに示されるように、受電器２Ａは、マスタ通信圏ＣＲａ外(×)、スレーブ通信圏ＣＲｂ外、マスタ送電圏ＰＲａ外およびスレーブ送電圏ＰＲｂ外になり、単に送電器からの通信を待つことになる。
次に、受電器２Ｂは、マスタ通信圏ＣＲａ内(○)、スレーブ通信圏ＣＲｂ外、マスタ送電圏ＰＲａ外およびスレーブ送電圏ＰＲｂ外になり、マスタの送電器１Ａとの通信を行うことにより、電力圏外(マスタおよびスレーブの送電圏外)であることが確認できる。
また、受電器２Ｃは、マスタ通信圏ＣＲａ内、スレーブ通信圏ＣＲｂ内、マスタ送電ＰＲａ圏外およびスレーブ送電圏ＰＲｂ外になり、マスタおよびスレーブの送電器１Ａ，１Ｂとの通信を行うことにより、電力圏外であることが確認できる。
さらに、受電器２Ｄは、マスタ通信圏ＣＲａ内、スレーブ通信圏ＣＲｂ内、マスタ送電圏ＰＲａ内およびスレーブ送電圏ＰＲｂ外になり、送電器１Ａ，１Ｂとの通信を行うことにより、１Ａの電力圏内(マスタ送電圏ＰＲａ内)であることが確認できる。
そして、受電器２Ｅは、マスタ通信圏ＣＲａ内、スレーブ通信圏ＣＲｂ内、マスタ送電圏ＰＲａ内およびスレーブ送電圏ＰＲｂ内になり、送電器１Ａ，１Ｂとの通信を行うことにより、１Ａ，１Ｂの電力圏内(送電圏ＰＲａ，ＰＲｂ内)であることが確認できる。
ここで、複数の送電器において、マスタになる１つの送電器を決定するが、その決定方法としては、後述するように、例えば、その通信圏内に最も多くの受電器が存在する、或いは、その送電圏内に最も多くの受電器が存在するといった条件により決定する。
例えば、その通信圏内にそれぞれ１つの受電器が存在するといった同等の条件が成立する場合、例えば、受電器との間の通信強度といったさらなる条件を加えてマスタを決定するか、或いは、乱数表等を使用して任意の１つの送電器をマスタに決定してもよい。
ところで、異なる製造メーカによる送電器は、例えば、その送電器の強度や位相の最適化ルールはそれぞれ異なる。そこで、本実施例の無線電力伝送システムでは、複数の送電器の内の１つをマスタとして決めることで、そのマスタになった送電器が他のスレーブの送電器を含め、最適化を制御する。
図６Ｃ〜図６Ｅは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その２〜４)であり、複数の送電器間におけるマスタ／スレーブの決め方を説明するものである。
まず、複数の送電器において、マスタ送電器およびスレーブ送電器を設定するのは、送電器が互いに通信範囲(通信圏)内にあり、電力伝送範囲(送電圏)が重なっており、しかも、受電器により送電圏が重なっていることが検出される場合である。
すなわち、図６Ｃは、送電器１Ａの通信圏ＣＲａおよび送電器１Ｂの通信圏ＣＲｂは重なっているが、送電器１Ａの送電圏ＰＲａおよび送電器１Ｂの送電圏ＰＲｂは重なっていない場合を示す。このとき、互いの送電圏ＰＲａ，ＰＲｂは重ならないので、両方の送電器１Ａおよび１Ｂを、それぞれマスタ送電器として設定される。
次に、図６Ｄは、送電器１Ａの通信圏ＣＲａおよび送電圏ＰＲａと、送電器１Ｂの通信圏ＣＲｂおよび送電圏ＰＲｂが重なり、受電器２が送電圏ＰＲａおよびＰＲｂの両方に含まれる位置に存在する場合を示す。
この図６Ｄの場合には、送電器１Ａ，１Ｂが互いに通信圏ＣＲａ，ＣＲｂ内にあり、送電圏ＰＲａ，ＰＲｂが重なっており、しかも、受電器２により送電圏ＰＲａ，ＰＲｂが重なっていることが検出される。
従って、図６Ｄの場合には、送電器１Ａ，１Ｂの内、一方(１Ａ)をマスタ送電器に設定し、他方(１Ｂ)をスレーブ送電器に設定する。このとき、送電器１Ｂをマスタとし、送電器１Ａをスレーブとしてもよいが、いずれかをマスタ送電器に設定する。
さらに、図６Ｅは、送電器１Ａおよび１Ｂは、上述した図６Ｄと同じ位置関係に配設されているが、受電器２が存在しない(通信圏ＣＲａおよびＣＲｂに存在しない)場合であり、このときは、両方ともマスタに設定する。
なお、３つ以上の送電器に対しても、例えば、図６Ｄに相当する場合には、いずれか１つをマスタ送電器に設定する。なお、複数の送電器から１つのマスタ送電器を決定する手法は、様々なものが考えられるが、その一例を図６Ｆを参照して説明する。
図６Ｆは、複数の送電器および受電器間の対応を説明するための図(その５)であり、４つの送電器１Ａ〜１Ｄが一列に並んだ場合を示すものである。ここで、送電器１Ａの通信圏ＣＲａは、送電器１Ｂを含むが送電器１Ｃおよび１Ｄを含まず、同様に、送電器１Ｄの通信圏ＣＲｄは、送電器１Ｃを含むが送電器１Ａおよび１Ｂを含まない。
また、送電器１Ｂの通信圏ＣＲｂは、送電器１Ａおよび１Ｃを含むが送電器１Ｄを含まず、同様に、送電器１Ｃの通信圏ＣＲｃは、送電器１Ｂおよび１Ｄを含むが送電器１Ａを含まない。
この図６Ｆの場合、例えば、送電器１Ｂをマスタ(マスタ送電器)とし、他の送電器１Ａ，１Ｃ，１Ｄをスレーブ(スレーブ送電器)に設定する。ここで、送電器１Ｃをマスタに設定することもできる。なお、送電器１Ｂをマスタに設定すると、送電器１Ｄに対して直接通信することは困難になるが、その場合、送電器１Ｄに対しては、送電器１Ｃを経由して通信を行い、最適化等の制御を行う。
このように、本実施例の無線電力伝送システムにおいて、複数の送電器から１つのマスタを決める場合、最も多くの送電器と直接通信が可能なものをマスタと決めるのが好ましい。
なお、図６Ｆでは、４つの送電器１Ａ〜１Ｄが直線上に並べられているが、実際には、例えば、部屋の壁や天井に埋め込まれ、机やテーブルに内蔵され、或いは、床やテーブル等に載置されるといった、様々な位置関係で複数の送電器が配設されることになる。
図７は、受電器の姿勢情報を説明するための図であり、マスタとされた送電器１Ａと２つの受電器２’および２”を示すものである。ところで、受電器２としては、例えば、二次元的な位置情報(Ｘ，Ｙ，Ｚ)だけで充電される２Ｄ充電の受電器２’と、三次元的な位置情報(Ｘ，Ｙ，Ｚ)および姿勢情報(θX,θY,θZ)により充電される３Ｄ充電の受電器２”が考えられる。
すなわち、受電器(２Ｄ)２’は、例えば、送電器の上面上に載置(平置き)することにより充電され、受電器(３Ｄ)２”は、例えば、送電器に対して任意の位置および姿勢の状態でも充電される。
このように、本実施例の無線電力伝送システムでは、２Ｄ充電の受電器２’と３Ｄ充電の受電器２”が混在しても、適切な送電処理を行うことができるようになっている。なお、３Ｄ充電に使用する姿勢情報(θX,θY,θZ)は、例えば、現状のスマートフォン等の受電器２”にも搭載されている三次元の加速度センサ等から得ることができる。
図８Ａ〜図８Ｄは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その１〜その４)であり、ＬＣ共振器の共振調整を行わない場合の分配制御を説明するためのものである。なお、図８Ａ〜図８Ｄでは、説明を簡略化するために、１つの送電器１のみが描かれているが、複数の送電器に対しても同様である。また、効率は、送電器１(ＬＣ共振器１１ａ)と受電器２(ＬＣ共振器２１ａ)の間の電力伝送効率を意味する。
まず、図８Ａに示されるように、受電電力(例えば、５Ｗ)が等しい２つの受電器２Ａ，２Ｂを送電器１上に平置きして２Ｄ充電を行う場合、例えば、受電器２Ａ，２Ｂに対する効率(例えば、８０％)は等しくなる。従って、図８Ａの場合には、２つの受電器２Ａ，２Ｂに対して同時に電力伝送を行う同時電力伝送モード(同時伝送モード)が可能になる。
次に、図８Ｂに示されるように、受電電力(５Ｗ)が等しい２つの受電器２Ａ，２Ｂを送電器１の上方に配置して３Ｄ充電を行う場合、例えば、受電器２Ａに対する効率は６０％になり、受電器２Ｂに対する効率は８０％になる。
ここで、図８Ｂにおいて、受電器２Ａおよび２Ｂで効率が異なるのは、例えば、送電器１に対する距離(位置)および姿勢が受電器２Ａ，２Ｂで異なるためである。従って、図８Ｂの場合には、同時伝送モードを適用することができず、受電器２Ａに対する充電と受電器２Ｂに対する充電を、時間を分割して行う時分割電力伝送モード(時分割モード)による電力伝送を行うことになる。
なお、同時伝送モードが可能な場合(例えば、図８Ａの場合)には、時分割モードが可能なのはいうまでもない。また、時分割モードにおいて、受電器２Ａに対する充電(電力伝送)を行っているときは、受電器２ＢのＬＣ共振器２１ａＢをオフし、逆に、受電器２Ｂに対する充電を行っているときは、受電器２ＡのＬＣ共振器２１ａＡをオフする。
また、図８Ｃに示されるように、受電電力が異なる２つの受電器２Ａ，２Ｃを送電器１上に平置きして２Ｄ充電を行う場合、例えば、受電器２Ａ，２Ｃに対する効率は等しくなる。
しかしながら、例えば、スマートフォンのような受電器２Ａの受電電力は５Ｗであるのに対して、ノートパソコンのような受電器２Ｃの受電電力は５０Ｗであり、受電器２Ａ，２Ｃの受電電力は異なる。この図８Ｃの場合も、図８Ｂの場合と同様に、同時伝送モードを適用することができず、時分割モードによる電力伝送を行うことになる。
さらに、図８Ｄに示されるように、例えば、受電電力が５Ｗの受電器２Ａと受電電力が５０Ｗの受電器２Ｃを送電器１の上方に配置して３Ｄ充電を行う場合、例えば、受電器２Ａに対する効率は６０％になり、受電器２Ｂに対する効率は８０％になる。従って、図８Ｃの場合も、図８Ｂおよび図８Ｃの場合と同様に、同時伝送モードを適用することができず、時分割モードによる電力伝送を行うことになる。
図８Ｅ〜図８Ｈは、複数の受電器への電力の分配制御を説明するための図(その５〜その８)であり、ＬＣ共振器の共振調整を行う場合の分配制御を説明するためのものである。なお、図８Ｅ〜図８Ｈは、上述した図８Ａ〜図８Ｄに対応する。
まず、複数の受電器における受電電力が最大のもの(例えば、受電電力が５０Ｗのノートパソコン２Ｃ)に対して送電器１からの電力送電を行う。このとき、受電電力が最大ではない受電器(例えば、受電電力が５Ｗのスマートフォン２Ａ，２Ｂ)に関しては、その受電器２Ａ，２Ｂにおいて、最適な受電電力(５Ｗ)となるように、ＬＣ共振器２１ａＡ，２１ａＢの調整を行う。
すなわち、受電電力が最大ではない受電器２Ａ，２Ｂでは、それらのＬＣ共振器２１ａＡ，２１ａＢの共振周波数またはＱ値を変化させ、ＬＣ共振器２１ａＡ，２１ａＢが受け取る電力が受電器２Ａ，２Ｂの受電電力に適した値となるように調整(共振調整)を行う。
上述した共振調整を行うことにより、図８Ｅ〜図８Ｈの全ての場合において、同時伝送モードおよび時分割モードのいずれでも、電力伝送を行うことが可能になる。例えば、図８Ｆの場合には、受電器２ＢにおけるＬＣ共振器２１ａＢの共振周波数またはＱ値を適正値からずらすことで、受電器２Ａ，２Ｂに対する電力の同時伝送が可能になる。
また、図８Ｇおよび図８Ｈの場合には、いずれも受電器２ＡにおけるＬＣ共振器２１ａＡの共振周波数またはＱ値を適正値からずらすことで、受電器２Ａ，２Ｃに対する電力の同時伝送が可能になる。なお、上述した共振調整に関しては、本願と同一出願人により別途出願されているが、これに限らず、他の手法を適用することもできるのはいうまでもない。
上述した図８Ａ〜図８Ｄおよび図８Ｅ〜図８Ｈの処理、すなわち、送電器１における送電電力の強度や位相の制御、或いは、各受電器２Ａ〜２Ｃにおける制御は、マスタ送電器１により行われる。なお、図８Ａ〜図８Ｄおよび図８Ｅ〜図８Ｈでは、１つの送電器１のみが描かれているが、通常、複数の送電器から設定された１つのマスタ送電器が、上述した各処理の制御を行うことになる。
図９は、人の検出と送電器の出力調整を説明するための図であり、図１０は、図９における各受電器の状態を説明するための図である。図９において、参照符号ＳＲａは、送電器１Ａによる人(生体)の有無を検出する人感センサ(生体感知センサ(Ｓ２))による検出範囲(生体感知範囲：人感センサ範囲，人感センサ圏)を示す。
ここで、送電器１Ａの送電圏(電力伝送範囲)ＰＲａは、例えば、半径が２〜３メートル程度であり、人感センサ圏ＳＲａは、例えば、送電圏ＰＲａよりも広く、半径が４〜５ｍ程度であり、通信圏(通信範囲)ＣＲａは、半径が１０ｍ程度である。
すなわち、人感センサ圏ＳＲａは、送電圏ＰＲａよりも広く、通信圏ＣＲａは、人感センサ圏ＳＲａよりも広く、ＰＲａ＜ＳＲａ＜ＣＲａの関係が成立する。なお、上記送電圏ＰＲａ、人感センサ圏ＳＲａおよび通信圏ＣＲａは、単なる例であり、仕様により様々に変更されるのはいうまでもない。
従って、受電器２Ａ〜２Ｄは、次のようになる。すなわち、図１０に示されるように、受電器２Ａは、送電器１Ａの通信圏ＣＲａ外(×)、人感センサ圏ＳＲａ外および送電圏ＰＲａ外になり、単に送電器からの通信を待つことになる。
次に、受電器２Ｂは、通信圏ＣＲａ内(○)、人感センサ圏ＳＲａ外および送電圏ＰＲａ外になり、送電器１Ａとの通信を行うことにより、電力圏ＰＲａ外であることが確認できる。
また、受電器２Ｃは、通信圏ＣＲａ内、人感センサ圏ＳＲａ内および送電圏ＰＲａ外になり、送電器１Ａとの通信を行うことにより、電力圏ＰＲａ外であることが確認できる。さらに、受電器２Ｄは、通信圏ＣＲａ内、人感センサ圏ＳＲａ内および送電圏ＰＲａ内になり、送電器１Ａとの通信を行うことにより、電力圏ＰＲａ内であることが確認でき、さらに、人感センサの確認も行うことができる。
人感センサを用いた送電器１Ａの出力の制御例を説明する。例えば、人感センサ圏ＳＲａ内に人(生体)が存在しなければ、例えば、送電器１Ａからの送電出力を５０Ｗとし、逆に、人感センサ圏ＳＲａ内に人が存在していれば、例えば、送電器１Ａからの送電出力を５Ｗに低減する。
図１１は、バッテリ残量ゼロの受電器への対応を説明するための図である。まず、受電器の必要電力情報を得るためには、送電器と受電器の間の通信が必須であるが、例えば、受電器のバッテリ残量がゼロの状態では、通信を行えない。
そこで、バッテリ残量がゼロの受電器２Ｄ(２)に対しては、ワイヤレス受電部２１(ＬＣ共振器２１ａ)を使用して送電(受電)を行うのではなく、ＬＣ共振器２１ａはオフ状態のまま、例えば、電力取出コイル２１ｂを利用した電磁誘導により充電を行う。これは、受電器２のワイヤレス受電部２１がＬＣ共振器２１ａおよび電力取出コイル２１ｂを含む場合、すなわち、図１および図２Ｂの場合に有効である。
或いは、オフ状態のＬＣ共振器２１ａを利用して電磁誘導により充電を行うことも可能である。この場合、オフ状態でＬＣ共振器２１ａが開放状態になっている図４ＡのＬＣ共振器２１ａおよび図４ＣのＬＣ共振器２１ａは、除かれることになる。
ここで、図４ＣのＬＣ共振器２１ａが除かれるのは、抵抗２１４の抵抗値が受電回路部２２の接続抵抗よりも遥かに大きく、受電した電力が抵抗２１４により消費されてしまうからである。
図１１は、送電器(マスタ送電器)１Ａが複数の受電器２Ｂおよび２Ｃへ電力伝送を行っている状態で、バッテリ残量ゼロの受電器２Ｄを送電器１Ａの所定位置に接するように配置し、送電器１Ａのバッテリ残量ゼロモードを指定した様子を示す。
ここで、送電器１Ａでバッテリ残量ゼロモードが指定されると、例えば、送電器１Ａに設けられたバッテリ残量ゼロスイッチがオンされると、送電器１Ａは、受電器２Ｂおよび２Ｃ(に対する送電(電力伝送)を停止する。
さらに、送電器１Ａは、通信可能な通信圏ＣＲａ内に存在する受電器２Ａ〜２ＣのＬＣ共振器２１ａ(２１ａＡ〜２１ａＣ)の共振をオフ状態にする。なお、受電器２Ａには、元から電力伝送は行われておらず、既に、ＬＣ共振器２１ａＡはオフしている。
これにより、バッテリ残量ゼロの受電器２Ｄだけに対して電磁誘導(結合)を利用した電力伝送を行い、他の受電器２Ａ〜２Ｃに対しては、電磁誘導を利用した電力伝送が行われないようにする。
そして、バッテリ残量ゼロの受電器２Ｄは、例えば、電磁誘導を利用した電力伝送によりバッテリが充電され、送電器１Ａと受電器２Ｄとの通信が可能になるまで充電が継続される。
ここで、送電器１Ａによりバッテリ残量ゼロの受電器２Ｄを充電する処理は、例えば、テスト送電→小電力送電→中電力送電というように、電力を段階的に引き上げて受電器２Ｄの通信が回復するまで行うように制御してもよい。また、送電器１Ａと受電器２Ｄとの通信が可能になった後は、通常の磁界共鳴を利用した電力伝送を行う。もちろん、受電器２Ｄのバッテリの充電が十分になるまで、電磁誘導を利用した電力伝送をおこなってもよい。
図１２Ａ〜図１２Ｃは、複数の送電器における同期の問題を説明するための図であり、２つの送電器１Ａ[送電系１]および送電器１Ｂ[送電系２]において、電力伝送に使用する磁界共鳴の周波数がずれている場合の周波数同期の問題を説明するためのものである。
図１２Ａ〜図１２Ｃに示されるように、送電器１Ａの高周波電源部１２Ａの周波数ｆに対して、送電器１Ｂの高周波電源部１２Ｂの周波数がΔｆだけずれているとき(ｆ＋Δｆ)、これら２つの送電器１Ａ，１Ｂからの電力伝送を受けた受電器２では、うなりが生じる。
すなわち、受電器２のＬＣ共振器２１ａは、送電器１ＡのＬＣ共振器１１ａＡからの周波数ｆの磁界と、送電器１ＢのＬＣ共振器１１ａＢからの周波数ｆ＋Δｆの磁界と共振して電力を受け取る。
このとき、Δｆが数ヘルツ程度であっても、図１２Ｂおよび図１２Ｃに示されるように、受電器２のＬＣ共振器２１ａの出力にはうなりが含まれることになり、そのうなりを含むＬＣ共振器２１ａの出力が電源回路２２を介してバッテリ部２５に入力される。
具体的に、送電器１ＡのＬＣ共振器１１ａＡからの周波数が１０Ｍ［Ｈｚ］で、送電器１ＢのＬＣ共振器１１ａＢからの周波数が１０Ｍ＋１［Ｈｚ］の場合には、１［Ｈｚ］のうなりが発生する。
これは、いくら高精度の発振器を使用したとしても、ＬＣ共振器１１ａＡおよびＬＣ共振器１１ａＢを非同期で制御していたのではうなりを回避するのは難しく、送電効率の低下(例えば、半減以下に低下)を招くことになる。
その結果、受電器２では、送電される電力が大幅に低減する。すなわち、電力の送電元が複数の場合、駆動周波数がわずかにずれていても、合成磁界はうなりを生じて電力の伝送効率が大幅に低下することになる。
このような異なる送電器１Ａ，１Ｂによる共鳴周波数の違いは、例えば、使用する素子や製造段階により、或いは、送電器１Ａ，１Ｂが配設される周囲の温度等により生じる。
図１３Ａ〜図１３Ｃは、複数の送電器における同期問題に対する第１同期手法を説明するための図である。ここで、図１３Ａは、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが離れており同じ受電器(２)に対して同時に送電しない場合を示し、図１３Ｂおよび図１３Ｃは、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが近接しており同じ受電器(２)に対して送電する場合を示す。
図１３Ａ〜図１３Ｃに示されるように、各送電器１Ａ，１Ｂは、発振器１２１Ａ，１２１Ｂ、増幅器１２２Ａ，１２２Ｂ、ＰＬＬ(Phase Locked Loop)回路２１０Ａ，２１０Ｂおよび２つのスイッチＳＷ１１Ａ，ＳＷ１２Ａ，ＳＷ１１Ｂ，ＳＷ１２Ｂを含む。
なお、回路２１０Ａ，２１０Ｂは、ＰＬＬ回路に限定されるものではなく、例えば、ＤＬＬ(Delay Locked Loop)回路等の同期制御が可能な回路(同期回路)であれば、幅広く適用することができる。また、発振器１２１Ａ，１２１Ｂは、クォーツを利用した回路、或いは、ＰＬＬ回路等の同期回路であってもよい。
まず、図１３Ａに示されるように、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが離れていて互いの送電領域が重ならない場合、換言すると、同じ受電器(２)に対して同時に送電しない場合、各送電器１Ａおよび１Ｂは、それぞれプライマリに設定する。
すなわち、プライマリの送電器１Ａおよび１Ｂは、同期処理を行うことなく、それぞれの発振器１２１Ａおよび１２１Ｂの周波数を増幅器１２２Ａおよび１２２Ｂで増幅して出力し、独立に送電を行う。
次に、図１３Ｂおよび図１３Ｃを参照して、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが同じ受電器(２)に対して同時に送電する場合を説明する。これは、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが近接し、或いは、一方の送電器が出力を開始して他方の送電器の出力と重なる場合であり、いずれか１つの送電器(例えば、１Ａ)をプライマリに設定し、他の送電器(例えば、１Ｂ)をセカンダリに設定する。
なお、図１３Ｂおよび図１３Ｃでは、２つの送電器１Ａおよび１Ｂを例として説明するが、３つ以上の送電器に関しても、１つをプライマリ送電器に設定し、残りの送電器をセカンダリ送電器に設定する。
ここで、プライマリ送電器とセカンダリ送電器の決め方は、例えば、前述したマスタ送電器をプライマリ送電器とし、スレーブ送電器をセカンダリ送電器としてもよいが、独立に、プライマリ送電器およびセカンダリ送電器を決めることもできる。
すなわち、例えば、スレーブの１つをプライマリ送電器に設定し、マスタを含めた他のスレーブをセカンダリ送電器に設定してもよい。なお、図１３Ｂおよび図１３Ｃでは、１Ａをプライマリ送電器に設定し、１Ｂをセカンダリ送電器に設定している。
図１３Ｂに示されるように、同期を開始すると、プライマリ送電器１Ａは、自身の発振器１２１Ａの周波数で出力を継続する。このとき、セカンダリ送電器１Ｂは、スイッチＳＷ１１Ｂにより自身の発振器１２１Ｂと増幅器１２２Ｂの接続を切り離し、出力を停止する。
同時に、セカンダリ送電器１Ｂは、スイッチＳＷ１２ＢによりＬＣ共振器(送電コイル)１１ａＢとＰＬＬ回路２１０Ｂを接続し、ＬＣ共振器１１ａＢによりプライマリ送電器１ＡのＬＣ共振器１１ａＡからの電力を受電(受信)する。すなわち、セカンダリ送電器１Ｂは、送電を停止したＬＣ共振器１１ａＢを、プライマリ送電器１Ａの出力信号を受信するアンテナとして使用する。
ここで、セカンダリ送電器１Ｂの同期処理中、例えば、プライマリ送電器１Ａの出力レベルを同期用に低くなるように変更することもできる。また、同期処理中は、例えば、マスタ送電器の指示により、送電対象にある全ての受電器の充電を停止することが好ましい。なお、受電器の充電を停止する場合、各受電器の共振系(ＬＣ共振器)はオフするのが好ましい。
このように、プライマリ送電器１Ａは、その発振器１２１Ａの発振周波数が同期に使用されるということで、同期処理に関する指示は、マスタ送電器の指示に従って制御されるのはいうまでもない。
セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２１０Ｂは、ＬＣ共振器１１ａＢで受信した信号に従って、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に対する位相同期(周波数追従)を行い、ＰＬＬ回路２１０Ｂが周波数を追従した後、その周波数をロックする。これにより、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２１０Ｂは、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期した周波数の信号(クロック)を出力することになる。
さらに、図１３Ｃに示されるように、ＰＬＬ回路２１０Ｂの同期完了後、スイッチＳＷ１２ＢによりＬＣ共振器１１ａＢとＰＬＬ回路２１０Ｂの接続を遮断すると共に、スイッチＳＷ１１ＢによりＰＬＬ回路２１０Ｂと増幅器１２２Ｂを接続する。これにより、セカンダリ送電器１Ｂは、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期したＰＬＬ回路２１０Ｂの出力信号により送電を再開する。
このように、第１同期手法によれば、送電器１Ａ，１ＢのＬＣ共振器１１ｂＡ，１１ｂＢの駆動周波数を一致させて、送電器１Ａおよび１Ｂの両方から受電する受電器２のＬＣ共振器２１ａおけるうなりが生じないようにすることができる。
ここで、セカンダリ送電器１Ｂにおける駆動周波数の調整(同期処理)は、送電器１Ａ，１Ｂが配設される周囲の温度等による変化を補償するために、例えば、数分〜数十分程度の所定の時間間隔で繰り返し行うのが好ましい。
図１４Ａ〜図１４Ｃは、複数の送電器における同期問題に対する第２同期手法を説明するための図である。ここで、図１４Ａは、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが離れていて同じ受電器(２)に対して同時に送電しない場合を示し、図１４Ｂおよび図１４Ｃは、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが近接して同じ受電器(２)に対して送電する場合を示す。
図１４Ａ〜図１４Ｃに示されるように、各送電器１Ａ，１Ｂは、発振器１２１Ａ，１２１Ｂ、増幅器１２２Ａ，１２２Ｂ、ＰＬＬ回路２２０Ａ，２２０Ｂ、通信回路部(近距離通信回路)１４Ａ，１４ＢおよびスイッチＳＷ１３Ａ，ＳＷ１３Ｂを含む。なお、回路２２０Ａ，２２０Ｂは、ＰＬＬ回路に限定されるものではなく、例えば、ＤＬＬ回路等の同期制御が可能な同期回路であってもよいのは、前述した通りである。
図１３Ａ〜図１３Ｃを参照して説明した第１同期手法では、セカンダリ送電器１ＢのＬＣ共振器１１ａＢをアンテナとして使用し、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２１０Ｂの周波数を、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期させている。
これに対して、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して説明する第２同期手法は、プライマリ送電器１Ａの通信回路部１４Ａおよびセカンダリ送電器１Ｂの通信回路部１４Ｂを利用して、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂの周波数の同期制御を行う。
まず、図１４Ａに示されるように、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが離れていて互いの送電領域が重ならない場合、換言すると、同じ受電器(２)に対して同時に送電しない場合、各送電器１Ａおよび１Ｂは、それぞれプライマリとして送電を行う。
すなわち、プライマリの送電器１Ａおよび１Ｂは、同期処理を行うことなく、それぞれの発振器１２１Ａおよび１２１Ｂの周波数を増幅器１２２Ａおよび１２２Ｂで増幅して出力し、独立に送電を行う。これは、前述した図１３Ａと同様である。
次に、図１４Ｂおよび図１４Ｃを参照して、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが同じ受電器(２)に対して同時に送電する場合を説明する。これは、例えば、２つの送電器１Ａおよび１Ｂが近接し、或いは、一方の送電器が出力を開始して他方の送電器の出力と重なる場合であり、いずれか１つの送電器(例えば、１Ａ)をプライマリに設定し、他の送電器(例えば、１Ｂ)をセカンダリに設定する。
なお、図１４Ｂおよび図１４Ｃでは、２つの送電器１Ａおよび１Ｂを例として説明するが、３つ以上の送電器に関しても、１つをプライマリ送電器に設定し、残りの送電器をセカンダリ送電器に設定する。
また、前述したように、プライマリ送電器とセカンダリ送電器の決め方は、例えば、マスタ送電器をプライマリ送電器とし、スレーブ送電器をセカンダリ送電器としてもよいが、独立に、プライマリ送電器およびセカンダリ送電器を決めることもできる。
図１４Ｂに示されるように、同期を開始すると、プライマリ送電器１Ａは、自身の発振器１２１Ａの周波数で出力を継続すると共に、その発振器１２１Ａから得られた同期パターンを、通信回路部１４Ａを介して出力する。
このとき、セカンダリ送電器１Ｂでは、スイッチＳＷ１３Ｂにより自身の発振器１２１Ｂと増幅器１２２Ｂの接続を切り離し、出力を停止する。なお、セカンダリ送電器１Ｂの出力を停止するは、ＰＬＬ回路２２０Ｂをプライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期(追従)させてから増幅器１２２Ｂに接続する初回の同期処理の時だけでよい。
すなわち、それ以降のセカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂをプライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期させる(例えば、数分〜数十分程度の間隔で行う)２回目以降の同期処理は、出力を停止しなくてもよい。
プライマリ送電器１Ａの通信回路部１４Ａから出力された発振器１２１Ａの同期パターンを含む無線信号は、セカンダリ送電器１Ｂの通信回路部１４Ｂで受信され、発振器１２１Ａの同期パターンは、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂに出力される。
セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂは、通信回路部１４Ｂにより受信された発振器１２１Ａの同期パターンに従って、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に対する位相同期(周波数追従)を行う。これにより、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂの周波数は、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数と同期が取られ、その周波数でロックされる。
その結果、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂは、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期した周波数の信号を出力する。
ここで、セカンダリ送電器１Ｂの同期処理中、プライマリ送電器１Ａの出力レベルは、通常通りのレベルを維持することにより、プライマリ送電器１Ａによる受電器(２)への送電を継続して行うことができる。
また、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂを同期させてから増幅器１２２Ｂに接続する最初の同期処理は、例えば、マスタ送電器の指示により、送電対象にある全ての受電器の充電を停止することが好ましい。なお、受電器の充電を停止する場合、各受電器の共振系(ＬＣ共振器)はオフするのが好ましい。
さらに、図１４Ｃに示されるように、ＰＬＬ回路２２０Ｂの同期完了後、スイッチＳＷ１３ＢによりＰＬＬ回路２２０Ｂと増幅器１２２Ｂを接続する。これにより、セカンダリ送電器１Ｂは、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期したＰＬＬ回路２２０Ｂの出力信号により送電を再開する。
なお、セカンダリ送電器１Ｂにおいて、同期完了後のＰＬＬ回路２２０Ｂを増幅器１２２Ｂに接続するのは、初回の同期処理の時だけであり、２回目以降の同期処理では、ＰＬＬ回路２２０Ｂと増幅器１２２Ｂの接続を維持したまま、周波数の同期を行う。
このように、第２同期手法によれば、送電器１Ａ，１ＢのＬＣ共振器１１ｂＡ，１１ｂＢの駆動周波数を一致させて、送電器１Ａおよび１Ｂの両方から受電する受電器２のＬＣ共振器２１ａおけるうなりが生じないようにすることができる。
ここで、セカンダリ送電器１Ｂにおける駆動周波数の調整(２回目以降の同期処理)は、例えば、送電器１Ａ，１Ｂが配設される周囲の温度等による変化を補償するために、数分〜数十分程度の所定の時間間隔で繰り返し行うのが好ましい。
図１５Ａ〜図１５Ｄは、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して説明した第２同期手法に適用する同期パターン混載通信を説明するための図である。ここで、図１５Ａは、プライマリ送電器１Ａの通信回路部１４Ａから出力される無線信号のイメージ(観念)を示し、図１５Ｂは、セカンダリ送電器１Ｂの通信回路部１４Ｂが受信する無線信号のイメージを示す。
また、図１５Ｃは、プライマリ送電器１Ａの通信回路部１４Ａに入力される変調前の信号のイメージを示し、図１５Ｄは、セカンダリ送電器１Ｂの通信回路部１４Ｂ(復調回路１４０Ｂ)に入力する無線信号および復調信号を示す。
まず、図１５Ａに示されるように、プライマリ送電器１Ａでは、通信回路部１４Ａにより、発振器１２１Ａの周波数(例えば、１０ＭＨｚ)に同期したパターンを混載した無線通信周波数(例えば、２．４ＧＨｚ)の信号を出力する。
すなわち、プライマリ送電器１Ａの通信回路部１４Ａは、セカンダリ送電器１Ｂの通信回路部１４Ｂとの間で同期パターン混載通信を行う。なお、発振器１２１Ａの周波数および無線通信周波数等は、１０ＭＨｚおよび２．４ＧＨｚに限定されるものではなく、様々な周波数が適用される。
さらに、図１５Ｂに示されるように、セカンダリ送電器１Ｂでは、通信回路部１４Ｂにより同期パターンを混載した無線通信周波数の信号を受信し、発振器１２１Ａの周波数を示す同期パターンＳＰと、その有効範囲を示す同期ウィンドウ信号ＳＷＳを出力する。
そして、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂの周波数は、同期パターンＳＰおよび同期ウィンドウ信号ＳＷＳに従って、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数と同期が取られ、その周波数(例えば、１０ＭＨｚ)でロックされる。これにより、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂは、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数に同期した周波数の信号を出力することになる。
ここで、無線通信周波数の信号に混載する同期パターンは、同期する周波数(プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数)を伝達する情報を含めばよく、必ずしも実際の同期周波数の繰り返しパターン(或いは、その定数倍や定数分の一)でなくてもよい。
例えば、図１５Ｃに示されるように、プライマリ送電器１Ａでは、１０ＭＨｚの同期パターンが、他の通信情報を伝える２．４ＧＨｚの信号に混載された同期パターン混載信号を、通信回路部１４Ａ(変調回路)により変調し、無線信号として出力する。
プライマリ送電器１Ａの通信回路部１４Ａから出力された無線信号は、セカンダリ送電器１Ｂの通信回路部１４Ｂ(復調回路１４０Ｂ)により復調され、１０ＭＨｚの同期パターンと、２．４ＧＨｚの信号による他の通信情報が出力される。
ここで、セカンダリ送電器１Ｂの復調回路１４０Ｂは、プライマリ送電器１Ａの発振器１２１Ａの周波数を表す同期パターンを正確なタイミングで復調できるハードウェアとして形成するのが好ましい。
このように、復調回路１４０Ｂをハードウェアとして形成することで、例えば、復調時の遅延を一定のクロック遅延Ｄｃとすることができ、セカンダリ送電器１ＢのＰＬＬ回路２２０Ｂの同期処理を正確に行うことが可能になる。
このように、図１４Ａ〜図１５Ｄを参照して説明した第２同期手法は、図１３Ａ〜図１３Ｃを参照して説明した第１同期手法に対して、２回目以降の同期処理時にセカンダリ送電器１Ｂの送電を停止しなくてもよいという長所を有する。
以上において、プライマリ送電器１ＡのＬＣ共振器１１ａＡ、および、セカンダリ送電器１ＢのＬＣ共振器１１ａＢの駆動周波数を同期させる方法は、上述したものに限定されず、様々な手法が適用可能なのはいうまでもない。
図１６は、本実施例の無線電力伝送システムの一例を示すブロック図である。図１６に示されるように、送電器１は、ワイヤレス送電部１１、高周波電源部１２、送電制御部１３および通信回路部１４を含む。
受電器２は、ワイヤレス受電部２１、受電回路部２２、受電制御部２３、通信回路部２４およびバッテリ部２５を含む。ここで、送電器１および受電器２は、それぞれの通信回路部１４および２４を介して通信を行うと共に、ワイヤレス送電部１１とワイヤレス受電部２１との間の共鳴方式(磁界・電界)により電力の伝送を行う。
図１７は、図１６の無線電力伝送システムにおける送電器の一例を示すブロック図である。図１６および図１７に示されるように、送電器１において、ワイヤレス送電部１１は、ＬＣ共振器１１ａおよび電力供給コイル１１ｂを含む。高周波電源部１２は、発振器１２１、増幅器１２２および整合器１２３を含む。
送電制御部１３は、送電制御回路１３１および周波数ロック回路１３２を含む。ここで、周波数ロック回路１３２は、例えば、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して説明したＰＬＬ回路２２０Ａ，２２０Ｂに対応する。
前述したように、周波数ロック回路１３２は、通信回路部１４からの同期信号を受け取り、所定の間隔(例えば、数分〜数十分間隔)で、発振器１２１の同期処理を行う。発振器１２１は、所定の周波数(例えば、６．７８ＭＨｚ)の駆動信号を生成し、増幅器１２２および整合器１２３を介してワイヤレス送電部１１(電力供給コイル１１ｂ)に出力する。
送電制御回路１３１は、内部バス１３３で繋がれたＣＰＵ(演算処理装置)１３４、メモリ１３５および入出力回路(Ｉ／Ｏ部)１３６を含む。ここで、メモリ１３５は、フラッシュメモリ等の書き替え可能な不揮発性メモリ、および、ＤＲＡＭ(Dynamic Random Access Memory)等を含む。そして、後に詳述する送電器の様々な処理(ソフトウェアプログラム)を実行する。
送電器１には、例えば、受電器２の位置を検出する位置センサＳ１、人や動物等の生体を検知する人感センサ(生体感知センサ)Ｓ２および送電器１の異常を検知する異常検知センサＳ３が設けられている。
各センサＳ１〜Ｓ３の出力は、例えば、Ｉ／Ｏ部１３６を介してＣＰＵ１３４に入力され、メモリ１３５に格納されたソフトウェアプログラム(無線電力伝送プログラム、或いは、送電器の制御プログラム)に従った処理に利用される。
なお、無線電力伝送プログラム(送電器の制御プログラム)は、例えば、そのプログラムが記録された可搬型記録媒体(例えば、ＳＤ(Secure Digital)メモリカード)７０からＩ／Ｏ部１３６を介してメモリ１３５に格納されてもよい。
或いは、プログラム(データ)提供者６０のハードディスク装置６１から回線およびＩ／Ｏ部１３６を介してメモリ１３５に格納されてもよい。ここで、ハードディスク装置６１からＩ／Ｏ部１３６への回線は、通信回路部１４を利用した無線通信回線であってもよい。
また、無線電力伝送プログラムが記録された可搬記録媒体(コンピュータ読み取り可能な記録媒体)としては、他にＤＶＤ(Digital Versatile Disk)ディスクやブルーレイディスク(Blue-ray Disc)等の記録媒体であってもよい。さらに、図１７は、送電器１の単なる例を示すものであり、様々な変更および変形が可能である。
図１８は、図１６の無線電力伝送システムにおける受電器の一例を示すブロック図である。図１６および図１８に示されるように、受電器２において、ワイヤレス受電部２１は、ＬＣ共振器２１ａおよび電力取出コイル２１ｂを含む。受電回路部２２は、整流器２２１およびＤＣ−ＤＣコンバータ２２２を含み、バッテリ部２５は、バッテリ充電制御ＬＳＩ２５１およびバッテリ２５２を含む。
受電制御部２３は、内部バス２３３で繋がれたＣＰＵ(演算処理装置)２３４、メモリ２３５および入出力回路(Ｉ／Ｏ部)２３６を含む。ここで、メモリ２３５は、フラッシュメモリ等の書き替え可能な不揮発性メモリ、および、ＤＲＡＭ等を含む。そして、後に詳述する受電器の様々な処理(ソフトウェアプログラム)を実行する。
なお、受電器２は、スマートフォンやノートパソコンのような、もともと通信回路部１４や受電制御部２３に相当する回路を含んでいるものもあり、それらを使用することもできるが、例えば、受電制御部２３をモジュールとして新たに設けることもできる。また、受電器２が、通信回路部１４や受電制御部２３に相当する回路を含んでいない場合には、新たに設けることになる。
受電器２には、例えば、その受電器２の姿勢情報(θX,θY,θZ)を検出することのできるセンサ(三次元の加速度センサ)ＳＡが設けられている。このような加速度センサＳＡは、例えば、スマートフォン等には元から設けられているので、それを使用することができる。なお、受電器２が姿勢情報を検出することのできる加速度センサＳＡを持たない場合には、例えば、前述した３Ｄ充電を行えないが、２Ｄ充電を行うことは可能である。
さらに、受電器２に対しても、送電器１と同様に、位置センサＳ１、人感センサＳ２および異常検知センサＳ３を設けてもよいが、例えば、異常検知センサＳ３だけ設け、他の位置センサＳ１および人感センサＳ２は省略するといった仕様にすることもできる。
各センサＳＡ，Ｓ１〜Ｓ３の出力は、例えば、Ｉ／Ｏ部２３６を介してＣＰＵ２３４に入力され、メモリ２３５に格納されたソフトウェアプログラム(無線電力伝送プログラム、或いは、受電器の制御プログラム)に従った処理に利用される。
なお、無線電力伝送プログラム(受電器の制御プログラム)は、例えば、そのプログラムが記録された可搬型記録媒体(例えば、マイクロＳＤメモリカード)９０からＩ／Ｏ部２３６を介してメモリ２３５に格納されてもよい。
或いは、プログラム(データ)提供者８０のハードディスク装置８１から回線およびＩ／Ｏ部２３６を介してメモリ２３５に格納されてもよい。ここで、ハードディスク装置８１からＩ／Ｏ部２３６への回線は、通信回路部２４を利用した無線通信回線であってもよい。
また、無線電力伝送プログラムが記録された可搬記録媒体(コンピュータ読み取り可能な記録媒体)としては、他にＤＶＤディスクやブルーレイディスク等の記録媒体であってもよい。さらに、図１８は、受電器２の単なる例を示すものであり、様々な変更および変形が可能である。
以下、図１９〜図２４を参照して、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理を説明する。なお、図１９〜図２４において、各図の上から下に向かう方向が時間の流れを表している。また、送電側において、送電器の数は示していないが、複数の送電器(ＬＣ共振器：共振コイル)が設けられているものとする。
さらに、１つの送電器でも複数のＬＣ共振器を含むものは、複数の送電器と同等に扱う。従って、本実施例のように、複数の送電器の内、１つの送電器をマスタに設定するということは、１つの演算処理装置(ＣＰＵ)により、マスタ送電器およびスレーブ送電器に含まれる全てのＬＣ共振器を制御することを意味する。
図１９は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第１例を説明するためのフローチャートであり、送電側が複数のＬＣ共振器を含み、受電側が１つの受電器２の場合の処理を説明するものである。上述したように、１つの送電器１が複数のＬＣ共振器１１ａを含むものもあるが、説明を簡略化するために、１つの送電器１が１つのＬＣ共振器１１ａを有するものとして説明する。
図１９に示されるように、まず、送電側は、常時送信中(送電相手を確認中：ＳＴ１０１)で、複数の送電器１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，…が互いに検知する(ＳＴ１０２)。ここで、複数の送電器の内の１つをマスタ送電器１Ａとし、他をスレーブ送電器１Ｂ，１Ｃ，…として、マスタ／スレーブを確定する(ＳＴ１０３)。なお、以下の処理において、判断は、全てマスタ送電器１Ａ、すなわち、マスタ送電器１ＡのＣＰＵ１３４が行う。
さらに、常時送信中(受電相手を確認中：ＳＴ１０４)において、受電側の受電器２が通信に応答し(認証チェック：ＳＴ１０５)、送電側(マスタ送電器１Ａ)に対して必要電力を通知する(ＳＴ１０６)。
送電側では、センサＳ１(位置センサ)を確認して受電器の位置を確認し(ＳＴ１０７)、また、受電器２では、加速度センサＳＡで向きを確認して、その確認された向きを送信する(ＳＴ１０８)。
送電側では、確認された位置(位置情報)と受電器２から送信された向き(姿勢情報)から相対位置関係を確定し、推定効率を確定し(ＳＴ１０９)、整合条件の初期設定を行う(ＳＴ１１０)。
さらに、送電側(マスタ送電器１Ａ)では、各送電コイル(複数の送電器１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，…の各ＬＣ共振器)の強度および位相の初期設定を行う(ＳＴ１１１)。そして、受電側(受電器２)では、受電の準備を開始、すなわち、共振コイル(ＬＣ共振器)２１ａをオンする(ＳＴ１１２)。
次に、送電側では、テスト送電(例えば、１０％)して１０％出力を確認し(ＳＴ１１３)、センサＳ３(異常検知センサ)により異常の確認、すなわち、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ１１４)。ここで、テスト送電の１０％出力は、単なる例であり、これに限定されるものではない。このとき、受電器２は、受電を確認して、受電したことを送信する(ＳＴ１１５)。
送電側では、受電および送電から効率を演算し、想定効率内かどうかを確認する(ＳＴ１１６)。さらに、送電側では、センサＳ２(人感センサ)を確認して、人がいる時は小電力モードとし(ＳＴ１１７)、人がいない時は本格送電(１００％電力伝送)を行って１００％出力を確認する(ＳＴ１１８)。
さらに、センサＳ３(異常検知センサ)を確認して、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ１１９)。ここで、異常検知センサＳ３は、送電器１に設けてもよいが、受電器２に設けることもでき、異常検知センサＳ３を受電器２に設けた場合には、マスタ送電器１Ａに対して、異常検知センサＳ３による異常発熱の有無を送信することになる。
受電器２では、受電を確認して、受電したことを送信する(ＳＴ１２０)。送電側では、受電および送電から効率を演算し、想定効率内かどうかを確認する(ＳＴ１２１)。すなわち、送電側(全ての送電器１Ａ，１Ｂ，…)から送電された電力と、受電器２により受電された電力から送電の効率を演算することができ、その演算された効率が予め想定した効率内かどうかを確認する。なお、演算された効率が想定効率内ではない場合には、例えば、何らかの異常が発生したとして、送電の停止、並びに、アラームの発生や異常表示等を行う。
図２０は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第２例を説明するためのフローチャートであり、送電側が複数の送電器１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，…で、受電側が２つの受電器２Ａ，２Ｂの場合の処理を説明するものである。
図２０に示されるように、まず、送電側は、常時送信中(受電相手を確認中：ＳＴ２０１)で、受電側では、受電器２Ａが通信に応答(認証チェック)して必要電力を通知し(ＳＴ２０２)、受電器２Ｂが通信に応答(認証チェック)して必要電力を通知する(ＳＴ２０３)。
送電側では、センサＳ１(位置センサ)を確認して各受電器２Ａ，２Ｂの位置(位置情報)を確認する(ＳＴ２０４)。また、受電側では、受電器２Ａが加速度センサＳＡで向き(姿勢情報)を確認して、その確認された向きを送信し(ＳＴ２０５)、受電器２Ｂが加速度センサＳＡで向き確認して、その確認された向きを送信する(ＳＴ２０６)。
受電側では、位置(位置情報)と向き(姿勢情報)から相対位置関係を確定し、各推定効率を確定する(ＳＴ２０７)。さらに、整合条件の初期設定を行い(ＳＴ２０８)、各送電コイルの強度および位相の初期設定を行う(ＳＴ２０９)。
そして、受電器２Ａは、受電の準備を開始、すなわち、共振コイル２１ａＡをオンする(ＳＴ２１０)。送電側では、テスト送電(例えば、１０％)して１０％出力を確認し(ＳＴ２１１)、センサＳ３(異常検知センサ)により異常の確認、すなわち、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ２１２)。なお、異常検知センサＳ３は受電器２Ａ，２Ｂに設けてもよいのは、前述した通りである。
このとき、受電器２Ａは、受電を確認して、受電したことを送信し、共振コイル２１ａＡをオフする(ＳＴ２１３)。送電側では、受電および送電から効率を演算し、想定効率内１を確認する(ＳＴ２１４)。
次に、受電器２Ｂは、受電の準備を開始、すなわち、共振コイル２１ａＡをオンする(ＳＴ２１５)。送電側では、テスト送電(例えば、１０％)して１０％出力を確認し(ＳＴ２１６)、センサＳ３(異常検知センサ)により異常の確認、すなわち、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ２１７)。
このとき、受電器２Ｂは、受電を確認して、受電したことを送信し、共振コイル２１ａＢをオフする(ＳＴ２１８)。送電側では、受電および送電から効率を演算し、想定効率内２を確認する(ＳＴ２１９)。
このように、本実施例では、複数の受電器２Ａ，２Ｂに対して、順番にテスト送電を行って異常の有無を確認し、その後、複数の受電器２Ａ，２Ｂに対する分配条件を算出すると共に、図８Ｅ〜図８Ｈを参照して説明した共振調整(微調整)を行って同時伝送を可能とする。
すなわち、複数の受電器２Ａ，２Ｂに対するテスト送電が終了すると、分配条件を算出し、各受電器２Ａ，２Ｂに送信する(電力伝送する：ＳＴ２２０)。そして、受電器２Ａは、受電の準備を開始、すなわち、共振コイル２１ａＡをオンすると共に、微調整を行い(ＳＴ２２１)，受電器２Ｂは、受電の準備を開始、すなわち、共振コイル２１ａＢをオンすると共に、微調整を行う(ＳＴ２２２)。
送電側では、テスト送電(例えば、１０％)して１０％出力を確認し(ＳＴ２２３)、センサＳ３(異常検知センサ)により異常の確認、すなわち、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ２２４)。受電側では、受電器２Ａ，２Ｂの受電を確認して、送信する(ＳＴ２２５)。
送電側では、受電および送電から効率を演算し、想定効率内１および２を確認する(ＳＴ２２６)。さらに、送電側では、センサＳ２(人感センサ)を確認して、人がいる時は小電力モードとし(ＳＴ２２７)、人がいない時は本格送電(１００％電力伝送)を行って１００％出力を確認する(ＳＴ２２８)。
さらに、センサＳ３(異常検知センサ)を確認して、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ２２９)。受電側では、受電を確認して、受電したことを送信し(ＳＴ２３０)、送電側では、受電および送電から効率を演算し、想定効率内を確認する(ＳＴ２３１)。
なお、演算された効率が想定効率内ではない場合、例えば、送電の停止、並びに、アラームの発生や異常表示等を行うのは、前述した通りであり、また、以下に説明する同様の想定効率内の確認でも同様の処理を行う。
図２１は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第３例を説明するためのフローチャートであり、センサＳ２(人感センサ，生体感知センサ)による処理を説明するためのものである。
図２１に示されるように、送電側は、１００％出力を確認し(ＳＴ３０１)、センサＳ３(異常検知センサ)を確認して異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ３０２)。そして、受電側では、受電器２Ａ，２Ｂを確認して、受電したことを送信する(ＳＴ３０３)。
送電側では、受電および送電から効率を演算し、想定効率内かどうかを確認する(ＳＴ３０４)。さらに、センサＳ２(人感センサ)を確認して、人がいないと(ＳＴ３０５)、センサＳ１(位置センサ)を確認して受電器の位置を確認する(ＳＴ３０６)。
図２２は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第４例を説明するためのフローチャートであり、受電器で所定の充電量を達成したときの処理を説明するためのものである。
図２２に示されるように、受電側(受電器)は、所定の充電量が達成されると(ＳＴ４０１)、送電停止を依頼し、その送電停止依頼を送信する(ＳＴ４０２)。送電側は、受電器からの送電停止を受信し(ＳＴ４０３)、送電を停止する(ＳＴ４０４)。そして、受電器は、受電停止を確認し(ＳＴ４０５)、共振コイルをオフする(ＳＴ４０６)。
図２３は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第４例を説明するためのフローチャートであり、２つの受電器の内の一方で所定の充電量を達成したときの処理を説明するためのものである。
図２３に示されるように、受電側において、受電器２Ａで所定の充電量が達成されると(ＳＴ５０１)、受電器２Ａは送電停止を依頼し、その送電停止依頼を送信する(ＳＴ５０２)。このとき、受電器２Ｂは、所定の充電量が達成されていないものとする。
送電側は、受電器２Ａからの送電停止を受信し(ＳＴ５０３)、送電を一時停止する(ＳＴ５０４)。そして、受電器２Ａ，２Ｂは、受電停止を確認し(ＳＴ５０５)、受電器２Ａは、共振コイル１１ａＡをオフする(ＳＴ５０６)。送電側では、受電器２Ｂに対する電力伝送を行うために、送電を再開する(テスト送電も含めて、送電開始動作を行う：ＳＴ５０７)。
図２４は、本実施例の無線電力伝送システムにおける処理の第５例を説明するためのフローチャートであり、バッテリ残量ゼロのデバイスに対する処理を説明するためのものである。ここで、バッテリ残量ゼロのデバイスに対する処理では、位置センサＳ１および加速度センサＳＡによる情報は使用しない。
図２４に示されるように、送電側において、各デバイスへの送電中のとき(ＳＴ６０１)、受電側では、各デバイスが受電中になっている(ＳＴ６０２)。次に、ユーザがバッテリ残量ゼロのデバイス(受電器)を送電器の近くに配置する(ＳＴ６０３)。ここで、バッテリ残量ゼロの受電器を送電器の近くに配置する位置は、予め所定の受電位置が既定されている。
さらに、ユーザがバッテリ残量ゼロスイッチをオンする(ＳＴ６０４)。これにより、送電を停止し(ＳＴ６０５)、全ての受電系(受電器)へ共振コイルのオフを通信する(ＳＴ６０６)。受電側では、全ての受電器(バッテリ残量ゼロの受電器以外の全ての受電器)の共振コイルがオフする(ＳＴ６０７)。
送電側では(マスタ送電器は)、バッテリ残量ゼロの受電器が所定位置に置かれたとして相対位置関係を推定し(ＳＴ６０８)、整合条件を初期設定する(ＳＴ６０９)。すなわち、バッテリ残量ゼロの受電器に対しては、例えば、電磁誘導による結合を使用して送電を行うことになる。
さらに、各送電コイルの強度および位相を初期設定し(ＳＴ６１０)、テスト送電(例えば、１０％)して１０％出力を確認し(ＳＴ６１１)、センサＳ３(異常検知センサ)により異常の確認、すなわち、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ６１２)。
マスタ送電器は、センサＳ２(人感センサ)を確認して、人がいる時は小電力モードとし(ＳＴ６１３)、人がいない時は本格送電ＲＴ１(例えば、５Ｗ)して５Ｗ出力を確認する(ＳＴ６１４)。そして、センサＳ３(異常検知センサ)により異常の確認、すなわち、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ６１５)。
次に、本格送電ＲＴ１(例えば、５Ｗ)を所定時間(例えば、５分程度)継続し、受電器に対する通信を確認する(ＳＴ６１６)。これは、インピーダンスの安定を確認することでおこなってもよい(ＳＴ６１７)。ここで、受電側(バッテリ残量ゼロの受電器)では、例えば、充電が不十分だと通信は不可のままとなっている(ＳＴ６１８)。
さらに、本格送電ＲＴ２(例えば、１０Ｗ)して１０Ｗ出力を確認し(ＳＴ６１９)、センサＳ３(異常検知センサ)により異常の確認、すなわち、異常発熱が発生していないことを確認する(ＳＴ６２０)。
そして、本格送電ＲＴ２(例えば、１０Ｗ)を所定時間(例えば、５分程度)継続し、受電器に対する通信を確認する(ＳＴ６２１)。これは、インピーダンスの安定を確認することでおこなってもよい(ＳＴ６２２)。ここで、受電側(バッテリ残量ゼロの受電器)では、例えば、充電が進むと、バッテリ残量ゼロだった受電器は通信に応答する(ＳＴ６２３)。
送電側では、通常の受電器１つに対する送電を所定時間だけ継続する(ＳＴ６２４)。ここで、バッテリ残量ゼロだった受電器に対する送電は、電磁誘導を利用した送電によりバッテリの満充電までおこなってもよいが、ある程度(通信可能な状態まで)充電が進んだ後は、共鳴を利用した送電に切り替えてもよい。
そして、送電を停止し(ＳＴ６２５)、通常の送電開始より処理を再開(ＳＴ６２６)、すなわち、前述した図１９〜図２３を参照して説明した処理を実行する。
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。
以上の実施例を含む実施形態に関し、さらに、以下の付記を開示する。
（付記１）
複数の送電器と、
少なくとも１つの受電器と、を有し、
前記送電器から前記受電器に対して、磁界共鳴または電界共振を利用して無線により電力伝送を行う無線電力伝送システムであって、
前記複数の送電器の内、１つの送電器をマスタ送電器に設定すると共に、他の送電器をスレーブ送電器に設定し、
前記マスタ送電器は、前記複数の送電器および前記少なくとも１つの受電器を制御して電力伝送を行う、
ことを特徴とする無線電力伝送システム。
（付記２）
前記送電器は、磁界共鳴または電界共振を利用して無線により電力を送電するワイヤレス送電部を含み、
前記受電器は、磁界共鳴または電界共振を利用して無線により送電された電力を受電するワイヤレス受電部を含む、
ことを特徴とする付記１に記載の無線電力伝送システム。
（付記３）
前記送電器は、他の前記送電器および前記受電器との間で通信を行う第１通信回路部を含み、
前記受電器は、前記送電器との間で通信を行う第２通信回路部を含む、
ことを特徴とする付記２に記載の無線電力伝送システム。
（付記４）
前記マスタ送電器は、
前記複数の送電器による電力伝送が可能な範囲を示す複数の電力伝送範囲の情報と、
前記複数の送電器による通信が可能な範囲を示す複数の通信範囲の情報と、
前記受電器の位置を示す位置情報と、を受け取って前記電力伝送を行う、
ことを特徴とする付記３に記載の無線電力伝送システム。
（付記５）
前記マスタ送電器は、さらに、
前記複数の電力伝送範囲内で、生体を感知する生体感知範囲の情報を受け取って前記電力伝送を行う、
ことを特徴とする付記４に記載の無線電力伝送システム。
（付記６）
前記マスタ送電器は、さらに、
前記電力伝送の対象となる受電器の姿勢情報を受け取って前記電力伝送を行う、
ことを特徴とする付記４または付記５に記載の無線電力伝送システム。
（付記７）
前記マスタ送電器は、
前記複数の送電器の内、少なくとも２つの送電器の電力伝送範囲が重なり、該重なった電力伝送範囲に少なくとも１つの受電器が含まれるときに設定される、
ことを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
（付記８）
前記マスタ送電器は、
前記複数の送電器の内、通信可能な送電器の数が最も多くなる送電器が選択される、
ことを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
（付記９）
前記受電器がバッテリ残量ゼロ受電器のとき、該バッテリ残量ゼロ受電器は、前記送電器に接するように配置される、
ことを特徴とする付記１乃至付記８のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
（付記１０）
前記送電器は、それぞれ発振器および同期回路を含み、
少なくとも１つの受電器に対して、複数の送電器が電力伝送を行うとき、
前記複数の送電器の内、１つの送電器をプライマリ送電器に設定すると共に、他の送電器をセカンダリ送電器に設定し、
前記プライマリ送電器は、前記発振器の周波数に従って電力伝送を行い、
前記セカンダリ送電器は、該セカンダリ送電器の前記同期回路を、前記プライマリ送電器の前記発振器の周波数に同期させ、その周波数が同期された前記セカンダリ送電器の前記同期回路の周波数に従って電力伝送を行う、
ことを特徴とする付記１乃至付記９のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
（付記１１）
複数の送電器と、少なくとも１つの受電器と、を有し、前記送電器から前記受電器に対して、磁界共鳴または電界共振を利用して無線により電力伝送を行う無線電力伝送方法であって、
前記複数の送電器の内、１つの送電器をマスタ送電器に設定すると共に、他の送電器をスレーブ送電器に設定し、
前記マスタ送電器は、前記複数の送電器および前記少なくとも１つの受電器を制御して電力伝送を行う、
ことを特徴とする無線電力伝送方法。
１ 送電器(１次側，送電側)
１Ａ〜１Ｄ 送電器
２ 受電器(２次側，受電側)
２Ａ〜２Ｅ 受電器
１１ ワイヤレス送電部
１１ａ，１１ａＡ，１１ａＢ ＬＣ共振器(第２コイル，共振コイル)
１１ｂ，１１ｂＡ，１１ｂＢ 電力供給コイル(第１コイル)
１２ 高周波電源部
１３ 送電制御部
１４，１４Ａ，１４Ｂ 通信回路部(第１通信回路部)
２１ ワイヤレス受電部
２１ａ，２１ａＡ，２１ａＢ ＬＣ共振器(第３コイル，共振コイル)
２１ｂ，２１ｂＡ，２１ｂＢ 電力取出コイル(第４コイル)
２２ 受電回路部
２３ 受電制御部
２４ 通信回路部(第２通信回路部)
２５ バッテリ部
１２１，１２１Ａ，１２１Ｂ 発振器
１２２，１２２Ａ，１２２Ｂ 増幅回路
１２３ 整合器
１３１ 送電制御回路
１３２ 周波数ロック回路
１３３，２３３ 内部バス
１３４，２３４ 演算処理装置(ＣＰＵ)
１３５，２３５ メモリ
１３６，２３６ 入出力回路(Ｉ／Ｏ部)
１４０Ｂ 復調回路
２１０Ａ，２１０Ｂ，２２０Ａ，２２０Ｂ ＰＬＬ回路(同期回路)
Ｓ１ 位置センサ
Ｓ２ 人感センサ(生体感知センサ)
Ｓ３ 異常検知センサ
ＳＡ 三次元加速度センサ

Claims (11)

  1. 複数の送電器と、
    少なくとも１つの受電器と、を有し、
    前記送電器から前記受電器に対して、磁界共鳴または電界共振を利用して無線により電力伝送を行う無線電力伝送システムであって、
    前記複数の送電器の内、１つの送電器をマスタ送電器に設定すると共に、他の送電器をスレーブ送電器に設定し、
    前記マスタ送電器は、前記複数の送電器および前記少なくとも１つの受電器を制御して電力伝送を行う、
    ことを特徴とする無線電力伝送システム。
  2. 前記送電器は、磁界共鳴または電界共振を利用して無線により電力を送電するワイヤレス送電部を含み、
    前記受電器は、磁界共鳴または電界共振を利用して無線により送電された電力を受電するワイヤレス受電部を含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送システム。
  3. 前記送電器は、他の前記送電器および前記受電器との間で通信を行う第１通信回路部を含み、
    前記受電器は、前記送電器との間で通信を行う第２通信回路部を含む、
    ことを特徴とする請求項２に記載の無線電力伝送システム。
  4. 前記マスタ送電器は、
    前記複数の送電器による電力伝送が可能な範囲を示す複数の電力伝送範囲の情報と、
    前記複数の送電器による通信が可能な範囲を示す複数の通信範囲の情報と、
    前記受電器の位置を示す位置情報と、を受け取って前記電力伝送を行う、
    ことを特徴とする請求項３に記載の無線電力伝送システム。
  5. 前記マスタ送電器は、さらに、
    前記複数の電力伝送範囲内で、生体を感知する生体感知範囲の情報を受け取って前記電力伝送を行う、
    ことを特徴とする請求項４に記載の無線電力伝送システム。
  6. 前記マスタ送電器は、さらに、
    前記電力伝送の対象となる受電器の姿勢情報を受け取って前記電力伝送を行う、
    ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の無線電力伝送システム。
  7. 前記マスタ送電器は、
    前記複数の送電器の内、少なくとも２つの送電器の電力伝送範囲が重なり、該重なった電力伝送範囲に少なくとも１つの受電器が含まれるときに設定される、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
  8. 前記マスタ送電器は、
    前記複数の送電器の内、通信可能な送電器の数が最も多くなる送電器が選択される、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
  9. 前記受電器がバッテリ残量ゼロ受電器のとき、該バッテリ残量ゼロ受電器は、前記送電器に接するように配置される、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
  10. 前記送電器は、それぞれ発振器および同期回路を含み、
    少なくとも１つの受電器に対して、複数の送電器が電力伝送を行うとき、
    前記複数の送電器の内、１つの送電器をプライマリ送電器に設定すると共に、他の送電器をセカンダリ送電器に設定し、
    前記プライマリ送電器は、前記発振器の周波数に従って電力伝送を行い、
    前記セカンダリ送電器は、該セカンダリ送電器の前記同期回路を、前記プライマリ送電器の前記発振器の周波数に同期させ、その周波数が同期された前記セカンダリ送電器の前記同期回路の周波数に従って電力伝送を行う、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
  11. 複数の送電器と、少なくとも１つの受電器と、を有し、前記送電器から前記受電器に対して、磁界共鳴または電界共振を利用して無線により電力伝送を行う無線電力伝送方法であって、
    前記複数の送電器の内、１つの送電器をマスタ送電器に設定すると共に、他の送電器をスレーブ送電器に設定し、
    前記マスタ送電器は、前記複数の送電器および前記少なくとも１つの受電器を制御して電力伝送を行う、
    ことを特徴とする無線電力伝送方法。
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