JP2016197965A - 無線給電送電装置および無線給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】伝送距離を長くすることができる無線給電送電装置およびそれを用いた無線給電システムを提供することを目的とする。【解決手段】無線で電力を送電するための駆動回路と、前記駆動回路から発生する高調波を抑圧するためのフィルタ回路と、前記送電コイル部と、を有する送電回路を有し、前記送電コイル部は、磁気共鳴コイルと、前記磁気共鳴コイルの両端に接続された共鳴容量と、を有し、送電周波数に等しい周波数で共振する共振回路を形成し、前記フィルタ回路は、少なくとも５次、９次、１３次の特性を有するフィルタ回路を用いたことを特徴とする無線給電送電装置。【選択図】図１

Description

本発明は、無線給電に関し、例えば、携帯端末など小型携帯機器のバッテリに非接触により充電を行う無線充電や回転体などへの無線給電、さらに、無線給電中にデータ伝送を行うシステムおよび技術に関する。

本技術分野の背景技術として、特表２０１４−５１４９０１号公報（特許文献１）がある。この公報には、「本開示は、可変負荷によって駆動されたときの増幅器の効率を向上させるためのシステム、方法および装置を提供する。一態様では、送信器デバイスが提供される。この送信器デバイスは、効率によって特徴付けられた駆動回路(1124)を含む。駆動回路(1124)は、インピーダンスによって特徴付けられた送信回路(1150)に電気的に接続されている。送信器デバイスには、駆動回路(1124)に電気的に接続され、駆動回路(1124)の効率を最高効率の20%以内のレベルに維持するためにインピーダンスを変更するように構成されているフィルタ回路(1126)がさらに含まれている。このインピーダンスは、第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値によって定義された範囲内にある複素インピーダンス値によって特徴付けられる。第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値の比は、少なくとも2対1である。」と記載されている（要約参照）。

特表２０１４−５１４９０１号公報

特許文献１では送電回路に用いられている送電コイルは直列共振の電磁誘導方式であるが、例えば、回転体などの金属シャフトにセンサを実装した状態での無線給電では、コイル間の結合に金属シャフトの影響が生じコイルの損失が増加（コイルのＱ値が劣化）してしまうため、伝送距離が十分取れないという課題があった。

本発明は、伝送距離を長くすることができる無線給電送電装置およびそれを用いた無線給電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、無線給電送電装置であって、無線で電力を送電するための駆動回路と、前記駆動回路から発生する高調波を抑圧するためのフィルタ回路と、前記送電コイル部と、を有する送電回路を有し、前記送電コイル部は、磁気共鳴コイルと、前記磁気共鳴コイルの両端に接続された共鳴容量と、を有し、送電周波数に等しい周波数で共振する共振回路を形成し、前記フィルタ回路は、少なくとも５次、９次、１３次の特性を有するフィルタ回路を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、伝送距離を長くすることができる無線給電送電装置および無線給電システムを提供することができる。

第１の実施の形態の無線給電送電装置を示すブロック図である。 第２の実施の形態の無線給電送電装置を示すブロック図である。 第３の実施の形態の無線給電送電装置を示すブロック図である。 ３次のπ型ローパスフィルタの一例を示す回路図である。 ３次のＴ型ローパスフィルタの一例を示す回路図である。 ３次ローパスフィルタの設計結果の一例を示す数値表である。 ３次ローパスフィルタのインピーダンス計算結果の一例を示す数値表である。 ４次のπ型ローパスフィルタの一例を示す回路図である。 ４次ローパスフィルタの設計結果の一例を示す数値表である。 ４次ローパスフィルタのインピーダンス計算結果の一例を示す数値表である。 ５次のπ型ローパスフィルタの一例を示す回路図である。 送電コイルが直列共振の場合を示す回路図である。 送電コイルが直列共振の場合の等価回路を示す回路図である。 送電コイルが並列共振の場合を示す回路図である。 送電コイルが並列共振の場合の等価回路を示す回路図である。 送電コイルが磁気共鳴の場合を示す回路図である。 送電コイルが磁気共鳴の場合の等価回路を示す回路図である。 磁気的結合を持ったインダクタを示す回路図である。 磁気的結合を持ったインダクタの等価回路を示す回路図である。 駆動回路としてＥ級アンプの一例を示す回路図である。 駆動回路としてプッシュプル動作のＥ級アンプの一例を示す回路図である。 受電コイルがない場合の駆動回路に流れる電流の実測結果の一例を示す特性図である。 第４の実施の形態の無線給電送電装置を示すブロック図である。 第５の実施の形態の無線給電送電装置を示すブロック図である。 第６の実施の形態の無線給電送電装置を示すブロック図である。 フィルタの次数に対する送電コイルの適性を示す表である。 第７の実施の形態の無線給電システムを示すブロック図である。 第７の実施の形態の無線給電システムの実装を示す構成図である。 第８の実施の形態の無線給電システムを示すブロック図である。 第９の実施の形態の無線給電システムを示すブロック図である。

本実施例では、伝送距離を長くするために、送信回路に磁気共鳴コイルを用いることを考える。これにより２次側コイルとの伝送距離の距離拡大を図ることができる。

まずはコイルのインピーダンスの動きを確認するため、直列共振、並列共振および磁気共鳴回路において、送電側から受電側を見た場合のインピーダンスを求めた結果を図７から図９に示す。

図７ａは送受電とも直列共振とした場合の送電側共振回路から受電側コイルを見た場合のインピーダンスを求めたものである。図７ａはその時の回路図であり、３０２は送電回路の入力端子、３０３は送電コイル、３０４は送電コイルと共振する直列共振容量、３０５は受電コイル、３０６は受電コイル３０５と共振する直列共振容量、７０１は整流および電源回路、１２６は受電した電力を供給する負荷抵抗である。図では送電回路の送電コイル３０３と直列共振容量３０４による共振周波数と受電コイル３０５と直列共振容量３０６による共振周波数を一致させている。このため、送電回路入力端子３０２より共振周波数に等しい周波数で給電すると効率よく整流、電源回路７０１に受電され、負荷抵抗１２６に電力が供給される。

図７ｂにはその時の等価回路を示したものである。図において、抵抗７０２は、受電側負荷を送電側からみたときの等価負荷抵抗である。このとき図の送電回路入力端子３０２から見たインピーダンスは、下式となる。

ここで、Ｌｓは送電コイルのインダクタンス値、Ｃｓは直列共振容量、Ｒは送電側から見た等価抵抗である。

（１）式より、送電コイル３０３が共振状態であればＺ＝Ｒとなり等価的な負荷抵抗７０２のみとなる。このとき、受電側がない場合Ｒ＝０となるため、送電回路入力端子からみたインピーダンスはショート状態となると考えられる。

次に図８ａは送受電とも並列共振とした場合の送電側共振回路から受電側コイルを見た場合のインピーダンスを求めたものである。図８ａはその時の回路図であり、送電回路の入力端子２０２、送電コイル２０３、送電コイルと共振する並列共振容量２０４、受電コイル２０５、受電コイル２０５と共振する並列共振容量２０６、整流機能を有する電源回路８０１である。

なお、図７と同じ動作を行う部分は同じ番号を付し説明を省略する。図では送電回路の送電コイル２０３と並列共振容量２０４による共振周波数と受電コイル２０５と並列共振容量２０６による共振周波数を一致させている。このため、送電回路入力端子２０２より共振周波数に等しい周波数で電力を給電すると効率よく整流、電源回路８０１に受電され、負荷抵抗１２６に電力が供給される。

図８ｂにはその時の等価回路を示したものである。図において、抵抗８０２は受電側負荷を送電側からみた等価負荷抵抗である。このとき図の送電回路入力端子２０２から見たインピーダンスは、並列共振状態にあるとき下式となる。

ここで、Ｌｐは送電コイルのインダクタンス値、Ｃｐは並列共振容量、Ｒは送電側から見た等価抵抗である。

（２）式より、Ｌｓ、Ｃｓはコイルの設計パラメータであり一定値になることから、ＺはＲに反比例の関係となる。このため、２次側コイルがない場合は、Ｒは限りなく０に近づくため、送電回路入力端子２０２から見たインピーダンスは直列共振の場合と異なりインピーダンスはかなり大きな値となることが分かる。

次に図９ａは送受電とも磁気共鳴方式とした場合の送電側共振回路から受電側コイルを見た場合のインピーダンスを求めたものである。図９ａはその時の回路図であり、送電回路の入力端子１０９、給電コイル１１０、磁気共鳴コイル１１１、磁気共鳴コイルと共振する共鳴容量１１２、受電の磁気共鳴コイル１２０、負荷コイル１２２、整流機能を有する電源回路９０１である。

図では、送電回路の入力端子１０９より入力された送電信号は、給電コイル１１０（Ｌ）を介して磁気的結合により、磁気共鳴コイル１１１（Ｌ１）に給電される。給電された信号は、磁気共鳴コイル１１１と共鳴容量１１２（Ｃ１）で決まる共振周波数と等しくなるように設計されているため、磁気共鳴コイル１１１には大きな共振電流が流れ強い磁界が発生する。

受電側の磁気共鳴コイル１２０と共鳴容量１２１による共振周波数もこれと等しくなるように設計されているため、送電側の磁気共鳴コイル１１１と強く結合し、効率よく磁気共鳴コイル１２０に電力が伝送される。伝送された電力信号は負荷コイル１２２により効率よく取り出され、整流および電源回路９０１を介して負荷抵抗１２６に電力が供給される。

図９ｂは、その時の等価回路を示したものである。図において、抵抗９０２は受電側負荷を送電側からみた等価負荷抵抗、インダクタ９０３、インダクタ９０４、インダクタ９０５は、給電コイル１１０と磁気共鳴コイル１１１の磁気的結合部分を等価回路に置き換えたものである。

この時の等価回路化の原理を図９ｃと図９ｄにより説明する。図９ｃは、給電コイル１１０のインダクタンスＬと磁気共鳴コイル１１１のインダクタンスＬ１が相互インダクタンスＭで磁気的に結合している状態を示したものである。

さらに、図９ｄは、図９ｃの等価回路を示したもので、給電コイル１１０のインダクタンスLから相互インダクタンスＭを引いたインダクタ９０３、相互インダクタ（Ｍ）９０５、磁気共鳴コイル１１１のインダクタＬ１から相互インダクタンスＭを引いたインダクタ９０４によるＴ型回路に置き換えることが可能である。

よって、図９ａの等価回路を示した図９ｂでは、送電回路入力端子１０９には、インダクタ９０３（Ｌ−Ｍ）を介し、相互インダクタＭ９０５により接地されるとともに、インダクタ９０４（Ｌ１−Ｍ）、共鳴容量１１２（Ｃ１）および等価負荷抵抗９０２を介して接地される構成となる。このとき図の送電回路入力端子１０９から見たインピーダンスの実部は下式となる。

ここで、L1は磁気共鳴コイルのインダクタンス、Ｃ１は共鳴容量、Ｍは給電コイル１１０と磁気共鳴コイル１１１との相互インダクタンス、ωは伝送周波数での角速度である。

（３）式より、ωＬ１＝１／（ωＣ１）となる場合、Ｚの実部はω^２Ｍ^２／Ｒとなるため、２次側コイルとの結合が小さくなった場合、Ｒは限りなくゼロに近づく。このため、送電回路１０９から見たインピーダンスは非常に大きくなることが分かる。

以上の検討から、２次側コイルがない場合あるいは過充電により負荷がほとんどない状態となった場合において、送電回路の入力端子から見たインピーダンスは、直列共振の場合は、非常に小さく、また、並列共振および磁気共鳴の場合はインピーダンスが非常に高くなることが分かった。

次に、フィルタ回路の出力に接続された送電回路のインピーダンスが非常に低くなった場合（直列共振）と、非常に高くなった場合（磁気共鳴、並列共振）での駆動回路の出力点（フィルタ回路入力）のインピーダンスがどのように見えるか検討を行った。

図４ａは、π型の３次ローパスフィルタを示したものであり、入力端子１０６、出力端子１０７、容量４０１、容量４０３、インダクタ４０２であり、入力端子１０６はインダクタ４０２を介して出力端子１０７と接続するとともに、両端をそれぞれ容量４０１と４０３により接地する構成である。

図において実際にフィルタ設計を行った結果を図４ｃに示す。なお、設計は３次のバターワース型とし、伝送周波数を６.７８ＭＨｚ、３ｄＢ減衰させるカットオフ周波数ｆｃを１０ＭＨｚ、特性インピーダンスを５０Ωとして行った。なお、設計手法としては一般的に知られているフィルタ設計手法を用いた。

また、図には伝送周波数６.７８ＭＨｚでの各素子のリアクタンス値も示す。このリアクタンス値を用いて受電負荷がない条件で、フィルタ出力端子１０７に直列共振回路を接続した場合と磁気共鳴および並列共振回路を接続した場合のフィルタ回路入力１０６からみたインピーダンスの動きを調べてみる。

動作を分かりやすくするために、フィルタ回路出力１０７をＧＮＤに接続した時とオープン状態にした時のフィルタ回路入力端子１０６からみたインピーダンスの計算を行うこととした。

その結果として図４ｃに示すように、容量４０１、容量４０３は３１８ｐＦで−ｊ７４Ω、インダクタ４０２は、１.６μＨでｊ６８Ωとなる。この時、フィルタ回路の出力端子１０７がＧＮＤとショートのときを計算すると図４ｄに示すようにｊ８３９Ωとなりインピーダンスが高く見える。一方、オープン状態では、−ｊ５.６Ωとなりインピーダンスが低く見える。

以上のことから、磁気共鳴コイルや、並列共振コイルではフィルタ回路を介して駆動回路に接続されると受電負荷がない場合、インピーダンスが反転して低く見えるため、駆動回路に過電流が流れることが分かる。

上記を別の見方で考えると、フィルタ回路出力１０７がＧＮＤに接続されると容量４０１とインダクタ４０２が並列接続になるのでフィルタ回路入力１０６から見るとインピーダンスが高くなる方向に、また、フィルタ回路出力１０７がオープン状態になるとインダクタ４０２と容量４０３の直列接続によりインピーダンスが低く見えるためと考えられる。

なお、図４ｂに示したＴ型のローパスフィルタも同様であり、フィルタ回路出力１０７がＧＮＤに接続すると容量４０５とインダクタ４０６が並列接続になるのでフィルタ回路入力１０６から見るとインピーダンスは高くなる方向に、また、フィルタ回路出力１０７がオープン状態になるとインダクタ４０４と容量４０５の直列接続によりインピーダンスが低く見えると考えられる。

以上の駆動回路に過電流が流れる原因が分かったことから、磁気共鳴コイルや並列共振コイルを接続した場合、受電回路がないときに駆動回路に過電流が流れない手段を検討した。

３次のローパスフィルタは出力のインピーダンスが高いと入力側は低く見えることからインピーダンスを反転させる動作を行うことが上記検討で分かった。一般的にはフィルタは特性インピーダンス付近で使用されることを前提に設計されているため、極端にインピーダンスがずれると上記のような動作となると考えられる。

これを利用して上記課題を解決する手段を考えた。つまり、３次のフィルタをもう１段追加してさらにインピーダンスを反転させる手段である。すなわち、磁気共鳴コイルや並列共振回路の場合は、５次、９次、１３次…の次数のフィルタを用いればよいし、直列共振回路では３次、７次、１１次…のフィルタを用いる構成とした。

これにより、送電コイルの構成により、フィルタの次数を変えることで受電コイルがない場合や過充電などで負荷が軽くなった場合での駆動回路に過電流が流れる課題を解決することができる。

上記は奇数の次数のフィルタについて検討したが偶数次のフィルタについても検討を行った。図５ａは４次のローパスフィルタを示したものであり、容量５０１、容量５０３、インダクタ５０２、インダクタ５０４で構成されている。

フィルタ入力端子１０６にはインダクタ５０２とインダクタ５０４を介してフィルタ出力端子１０７に接続されるとともに、フィルタ入力端子１０６とインダクタ５０２の接続点とインダクタ５０２とインダクタ５０４の接続点にはそれぞれ容量５０１、容量５０３でＧＮＤに接続されている。

図において実際にフィルタ設計を行った結果を図５ｂに示す。なお、設計はπ型の４次のバターワース型とし、伝送周波数を６.７８ＭＨｚ、３ｄＢ減衰させるカットオフ周波数を１０ＭＨｚ、特性インピーダンスを５０Ωとして行った。

また、図には伝送周波数６.７８ＭＨｚのリアクタンス値も示す。このリアクタンス値を用いて受電負荷がない条件で、フィルタ出力端子１０７に直列共振回路を接続した場合と磁気共鳴および並列共振回路を接続した場合のフィルタ回路入力１０６からみたインピーダンスの動きを調べた。３次フィルタと同様、フィルタ回路出力１０７をＧＮＤとした時とオープン状態にした時のフィルタ回路入力端子１０６点からみたインピーダンスの計算を行った。

伝送周波数６.７８ＭＨｚでのリアクタンス値は、容量５０１は２４４ｐＦとなり−ｊ９６Ω、インダクタ５０２は１.５μＨでｊ６８Ωとなる。図５ｃは、このときのフィルタ回路の出力端子１０７がＧＮＤとショートとなった場合のインピーダンスを計算したものでｊ３１５Ωとなる。

５０Ωの特性インピーダンスと比較すると高く見えるが３次よりは低くなっていることが分かる。一方、オープン状態を計算すると−ｊ３２Ωとなりインピーダンスは低く見えるが、３次の場合よりは高くなっていることが分かる。

以上のことから、４次のローパスフィルタでも３次と同様に受電側負荷がない場合、送電コイルが直列共振のときは駆動回路に流れる電流は小さく、磁気共鳴、並列共振の場合は駆動回路に流れる電流は大きくなることが分かる。

ただし、その傾向は３次のローパスフィルタのほうが大きいので、送電コイルに直列共振回路を用いる場合、受電側がない場合に駆動回路に流れる電流を小さくしたいのであれば、４次、８次、１２次…よりも、３次、７次、１１次…のように奇数次のフィルタを用いるのがより望ましいと言える。

また、６次のフィルタを考えた場合、４次のフィルタに３次のフィルタを接続した構成であるので、４次のフィルタのインピーダンスの振る舞いが３次のフィルタで反転すると考えられる。

このため、磁気共鳴コイルや並列共振回路を用いた場合、受電側がない場合に駆動回路に流れる電流を小さくしたいのであれば、６次、１０次、１４次…よりも５次、９次、１３次…のように奇数次のフィルタを用いるのが望ましいと言える。

なお、図６は５次のローパスフィルタを示したもので、容量６０１、容量６０３、容量６０５、インダクタ６０２、インダクタ６０４であり、フィルタ回路入力端子１０６とフィルタ回路出力端子１０７間にはインダクタ６０３とインダクタ６０４が接続され、それらの接続点とＧＮＤにそれぞれ容量６０１、容量６０３、容量６０５が接続されている。

ちょうど図４ａで示した３次のフィルタを２段接続した構成となっているため、容量６０３は容量６０１、容量６０５よりも大きい値となる。以上のように奇数次のフィルタ回路であれば３次フィルタを接続していけばよいことが分かる。

一方、回路の小型化については、駆動回路に高効率でありなが簡易な構成であるＥ級アンプを用いるとともにフィルタ回路を簡略化する構成とした。

また、磁気共鳴コイルを用いることが可能となるので、伝送距離拡大が図れる。このため、回転体など金属シャフト等の影響により伝送距離が劣化する環境においても無線給電が可能となることから、回転体の無線給電においても上記構成を用いればよい。

上記に基づき、以下に本実施例にかかる無線給電送電装置およびそれを用いた無線給電送電装置の構成について説明する。

図１には、第１の実施形態である無線給電送電装置のブロックが示されている。同図において、駆動用信号源１０１、スイッチングアンプなどの駆動回路１０２、駆動回路入力端子１０３、駆動回路出力端子１０４、高調波抑圧フィルタ１０５、フィルタ入力端子１０６、フィルタ出力端子１０７、送電回路１０８、送電回路入力端子１０９により無線給電送電装置は構成されている。

駆動用信号源１０１と駆動回路入力端子１０３、駆動回路出力端子１０４とフィルタ入力端子１０６、フィルタ出力端子１０７と送電回路入力端子１０９にそれぞれ接続される。また、送電回路１０８は、給電コイル１１０、磁気共鳴コイル１１１、共鳴容量１１２より構成されており、磁気共鳴コイル１１１の両端には共鳴容量１１２が接続され、さらに、磁気共鳴コイル１１１は近接して配置された給電コイル１１０と磁気的に結合している。また、給電コイル１１０は送電回路入力端子１０９と接続されている。

また、無線給電受電装置は、受電回路１２７、受電回路出力端子１２８、受電回路出力端子１２９、整合回路１２３、整流回路１２４、電源回路１２５、負荷抵抗１２６であり、受電回路出力端子１２８、受電回路出力端子１２９は、整合回路１２３の入力に、整合回路１２３の出力は整流回路１２４に入力に接続されている。

また、整流回路１２４の出力は電源回路１２５の入力に接続されており、電源回路１２５の出力は負荷抵抗１２６に接続されている。

また、受電回路１２０は、送電回路１０８と同様に、磁気共鳴コイル１２０、共鳴容量１２１、負荷コイル１２２より構成されており、磁気共鳴コイル１２０の両端には共鳴容量１２１が接続され、さらに、磁気共鳴コイル１２０は近接して配置された負荷コイル１２２と磁気的に結合している。また、負荷コイル１２２は、受電回路出力端子１２８、１２９に接続されている。

以上の構成では、駆動用電源１０１からの送電周波数である６.７８ＭＨｚに等しい周期で駆動回路１０２を駆動することにより、駆動回路出力端子１０４には送電信号が出力される。

出力された送電信号は高調波抑圧フィルタ１０５により不要高調波成分が抑圧された後、送電回路１０８より磁気的エネルギーとして送電される。送電された電力は、送電側の磁気共鳴コイル１１１と結合している受電側の磁気共鳴コイル１２０により受電され、負荷コイル１２２を介して効率よく電力の伝送が行える構成となっている。

受電した送電電力信号は整合回路１２３により整合を図った後、整流回路１２４により整流され、電源回路１２５により一定の電圧に変換され、負荷抵抗１２６に電力が供給される。なお、磁気共鳴コイル１１１、１２０は送電周波数で共振させるため、共鳴容量１１２、１２１を用いているが、磁気共鳴コイルの線間の寄生容量を利用することも可能である。

以上の構成では、送電回路１０８に磁気共鳴方式のコイルを用いることで伝送距離の拡大が図れ、さらに、回転体での金属シャフトなど電磁界減衰の大きい環境であっても無線電力伝送が可能となる。

さらに、高調波抑圧フィルタ１０５には図４ａ、図４ｂで示した３次のローパスフィルタに加え、７次、１１次…（（４ｎ−１、ｎ＝１，２，３…）次）のローパスフィルタを除いた他の次数のフィルタ用いることで、受電装置がない場合や過充電などで負荷が軽くなった場合に駆動回路１０２に過電流が流れない送電装置を得ることができる。

なお、フィルタの次数が高くなるほど高調波抑圧効果が大となるので、送電電力が高く、高調波レベルも高い場合はフィルタの次数を上記に従い増やしていけばよい。

なお、上記過電流抑止の効果は図６で示した５次ローパスフィルタに加え、９次、１３次…（（４ｎ＋１、ｎ＝１，２，３…）次）のローパスフィルタを用いることでより一層の効果が得られる。

図２には、第２の実施形態である無線給電送電装置のブロックが示されている。同図において、送電回路２０１、送電回路入力端子２０２であり、送電回路２０１は送電コイル２０３と共振容量２０４による並列共振構成となっており、送電コイル２０３の一端は、送電回路入力端子２０２に接続され、他端は接地されている。

また、受電装置側では受電回路２０７、受電回路出力端子２０８、受電回路出力端子２０９を有している。受電回路２０７は受電コイル２０５と共振容量２０６による並列共振構成となっており、受電コイル２０３の両端は、それぞれ送電回路出力端子２０８、２０９に接続され、これらは後段の整合回路１２３の入力に接続されている。その他、図１の第１の実施形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。

図２の第２の実施形態である無線給電送電装置は、第１の実施形態と比較すると送受電コイルに並列共振を用いており、受電装置がないときの送電回路入力端子２０２から見たインピーダンスは、第１の実施形態の磁気共鳴コイルと同様に高くなることから、駆動回路１０２に流れる電流については同様の効果が得られるのに加え、送電、受電とも１つのコイルで済むので装置の小型化が図れる。

図３には、第３の実施形態である無線給電送電装置のブロックが示されている。同図において、送電回路３０１、送電回路入力端子３０２であり、送電回路３０１は送電コイル３０３と共振容量３０４による直列共振構成となっており、送電コイル３０３の一端は、共振容量３０４を介して送電回路入力端子３０２に接続され、他端は接地されている。

また、受電装置側では受電回路３０７、受電回路出力端子３０８、受電回路出力端子３を有している。受電回路３０７は受電コイル３０５と共振容量３０６による直列共振構成となっており、受電コイル２０３の両端は一端が共振容量３０６を介してから、それぞれ送電回路出力端子３０８、３０９に接続されている。その他、図１の第１の実施形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。

図３の第３の実施形態である無線給電送電装置は、図１の第１の実施形態と比較すると送受電コイルに直列共振を用いており、受電装置がないときの送電回路入力端子３０２から見たインピーダンスは、図１の磁気共鳴コイルと反対に低くなることから、高調波抑圧フィルタ３１０に図６で示した５次ローパスフィルタに加え、９次、１３次…（（４ｎ＋１、ｎ＝１，２，３…）次）のローパスフィルタを除いた他の次数のフィルタ用いることで、受電装置がない場合や過充電などで負荷が軽くなった場合に駆動回路１０２に過電流が流れない送電装置を得ることができる。

なお、上記過電流抑止の効果は図４ａ、図４ｂで示した３次のローパスフィルタに加え、７次、１１次…（（４ｎ−１、ｎ＝１，２，３…）次）のローパスフィルタを用いることでより一層の効果が得られる。

さらに、送受電コイルに直列共振を用いることで、駆動回路の出力インピーダンスや整流回路の入力インピーダンスは比較的低いので低インピーダンスの直列共振のほうが整合を比較的簡易な構成で取りやすいので回路の簡略化が図れる。

図１０には、駆動回路１０２に用いられる回路の一例を示す。図において、駆動用ＭＯＳＦＥＴ１００１、チョークコイル１００２、電源１００３、接地容量１００４、容量１００５、容量１００７、インダクタ１００６であり、その他、図１と重複する部分には同一符号を付し説明を省略する。

図において、ソースが接地された駆動用ＭＯＳＦＥＴ１００１は、ゲートは駆動回路入力端子１０３に接続され、ドレインはチョークコイル１００２を介して電源１００３に接続されるとともに容量１００５により接地され、さらにインダクタ１００６と容量１００７を介して駆動回路出力端子１０４に接続される。

図において、容量１００５とインダクタ１００６および容量１００７による共振周波数に等しい周波数で駆動信号源１０１により駆動用ＭＯＳＦＥＴ１００１を駆動することにより、電源１００３の電力が送電信号周波数の高周波信号に変換され駆動回路出力端子１０４から出力される。

以上のスイッチングタイプのアンプは一般的にはＥ級増幅回路呼ばれ高効率でありながら回路が簡易であることが特徴となっており、上記Ｅ級増幅回路を用いることにより、小型の無線給電送電装置を得ることができる。

さらに、図１１は駆動回路１０２に用いられる回路の他の一例を示す。図において、駆動信号入力端子１１０１、駆動信号入力端子１１０２、駆動用ＭＯＳＦＥＴ１１０３、駆動用ＭＯＳＦＥＴ１１０４、容量１１０５、容量１１０６、電源１１０７、チョークコイル１１０８、接地容量１００９、中間タップを有したトランス１１１０である。

図において、それぞれソースが接地された駆動用ＭＯＳＦＥＴ１１０３、１１０４は、ゲートにはそれぞれ駆動信号入力端子１１０１、１１０２を接続し、ドレインはそれぞれの容量１１０５、１１０６により接地するとともに、中間タップ付きのトランス１１１０の両端に接続する。

トランス１１１０の中間タップはチョークコイル１１０８を介して電源１１０７に接続し、中間タップがないほうのトランスの一端を接地し、他端は駆動回路出力端子１０４に接続する。

図において、容量１１０５あるいは容量１１０６と中間タップ付きのトランス１１１０のインダクタによる共振周波数に等しい周波数で駆動信号入力端子１１０１および１１０２をそれぞれ逆相で駆動することにより、駆動用ＭＯＳＦＥＴ１１０３および１１０４はそれぞれ交互にオンオフを繰り返すことで中間タップ付きのトランス１１１０には高周波電流が流れる。これにより、駆動回路出力端子１０４には、電源１１０７の電力が送電信号周波数に等しい高周波信号に変換され、駆動回路出力端子１０４から出力される。

以上のスイッチングタイプのアンプは一般的にはプッシュプルのＥ級増幅回路と呼ばれ高効率でありながら差動動作を行うため偶数次の高調波レベルが低く、また、駆動用ＭＯＳＦＥＴ１１０３および１１０４のドレインとソース間に加わる電圧は、それぞれ出力信号の半分の振幅しか加わらないため、ＭＯＦＦＥＴの耐圧面でも有利である。上記Ｅ級増幅回路を用いることにより、高調波漏えいレベルの低い無線給電送電装置を得ることができる。

また、図１２には高調波抑圧フィルタのフィルタ次数の選択の効果の確認を行った実験結果を示す。図の横軸は高調波抑圧フィルタの次数、縦軸は受電側がない場合の駆動回路に流れる電流を測定したものである。

実験では送電コイルは、図１で示した磁気共鳴コイルと図３で示した直列共振によるものを測定した。この時の駆動回路は、図１１で示したプッシュプルタイプのＥ級アンプを用い、送電周波数は６.７８ＭＨｚ、アンプの電源電圧は５Ｖとした。また、フィルタは、カットオフ周波数が１０ＭＨｚ付近のバターワースのローパスフィルタを用いた。図から、磁気共鳴では、５次のローパスフィルタのとき、直列共振では３次と７次のローパスフィルタを用いた場合に駆動回路に流れる電流が少なくなり結果となった。これにより、検討結果が正しいことが確認できた。

図１３ａに、第４の実施形態である無線給電送電装置の構成を示す。同図において、高調波抑圧フィルタ１３０１、容量１３０２、インダクタ１３０３であり、その他、図３の第３の実施形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。

図１３ａの高調波抑圧フィルタ１３０１は、フィルタ入力端子１０６はインダクタ１３０３を介しフィルタ出力端子１０７接続するとともに、容量１３０２で接地する構成とした。

以上の構成とすることにより、第３の実施形態と同様の効果が得られるのに加え、送電電力が比較的低い場合は発生する高調波レベルも低く、抑圧量も小さくて良い場合、フィルタも２素子で抑圧が可能となる。このため送電装置の回路の小型化が図れる。

図１３ｂに、第５の実施形態である無線給電送電装置の構成を示す。同図において、高調波抑圧フィルタ１３１１、インダクタ１３１２、容量１３１３であり、その他、図１の第１の実施形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。

図１３ｂの高調波抑圧フィルタ１３１１は，フィルタ入力端子１０６はインダクタ１３１２を介しフィルタ出力端子１０７に接続するとともに、フィルタ出力端子１０７には容量１３０２で接地する構成とした。

以上の構成とすることにより、第１の実施形態と同様の効果が得られるのに加え、以上の構成とすることにより、送電電力が比較的低い場合は発生する高調波レベルも低く、抑圧量も小さくて良い場合、フィルタも２素子で抑圧が可能となる。このため送電装置の回路の小型化が図れる。

さらに、以上は送電回路１０８が磁気共鳴コイルの場合を示したが図２の第２の実施の形態で示した並列共振回路でも同様の効果を得ることができる。

図１４に、第６の実施形態である無線給電送電装置の構成を示す。同図において、インバータ回路１４０１、トラップ回路１４０２、インダクタ１４０３、容量１４０４であり、その他、図１および図１１の駆動回路の一例を示す図と重複する部分には同じ符号を付し、説明を省略する。

図において、駆動信号源１０１の送電周波数と等しい周期の駆動信号は、駆動信号入力端子１１０１に接続するとともにインバータ回路１４０１を介して駆動信号入力端子１１０２に接続することで、駆動信号入力端子１１０１と１１０２には逆相の駆動信号が入力されるため、駆動用ＭＯＳＦＥＴは交互にオンオフを繰り返す。

これにより、駆動回路出力端子１０４に出力された送電信号は、磁気共鳴コイルによる送電回路１０８の入力端子１０９と接続されているため、フィルタ回路を介さずに直接、送電回路１０８給電される。

このとき、駆動信号出力端子１０４にはトラップ回路１４０２が接続されており、インダクタ１４０３と容量１４０４で決まる共振周波数の信号をＧＮＤレベルにすることで減衰を図るものであり、ここでは、駆動回路１０２がプッシュプルのＥ級アンプであり偶数次の高調波の発生レベルが低いことから、伝送周波数６.７８ＭＨｚの３倍の高調波である２０.３４ＭＨｚを減衰させる構成とした。

以上の構成とすることで、第１の実施形態と同様の効果が得られるのに加え、送電電力が比較的低い場合は発生する高調波レベルも低く、抑圧量も小さくて良い場合、上記の構成でも実現は可能である。このため送電装置の回路の小型化が図れる。

さらに、以上は送電回路１０８が磁気共鳴コイルの場合を示したが図２の第２の実施の形態で示した並列共振回路でも同様の効果を得ることができる。

また、図１５にはローパスフィルタの各次数に対し、送電回路が磁気共鳴方式か並列共振回路の場合と直列共振回路場合で駆動回路と送電回路間に設けるフィルタ回路設計として好ましいと考えられる次数をまとめたものである。

磁気共鳴と並列共振は、５次、９次…の奇数次のとき受電コイルがない場合、駆動回路に流れる電流が小さくできるので最良（◎）とした。同様に直列共振は、３次、７次…の奇数次のとき受電コイルがない場合、駆動回路に流れる電流が小さくできるので最良（◎）とした。また、残りの偶数次は駆動回路に流れる電流が若干大きくなると考えられので○とした。フィルタなしと２次のフィルタは、送電電力が小さく駆動回路で発生する高調波が小さい場合に限定されるため、良（○）とした。

送電回路のコイルの構成と駆動回路で発生する高調波レベルがある程度分かれば、図の表より設計に必要なフィルタの次数を求めることができる。

図１６ａに第７の実施形態である無線給電システムのブロック図を示す。図において、フィルム型のフレキシブル基板シート１６０１、受電コイル１６０２、受電コイル１６０３、受電コイル１６０４、共振容量１６０５、共振容量１６０６、共振容量１６０７、センサデータ出力端子１６１０、受信機１６１１、アンテナ１６１２、送信機１６１３、アンテナ１６１４、センサ１６１５である。

図１６ａにおいて、フレキシブル基板シート１６０１上にはパターン化された受電コイル１６０２、１６０３、１６０４が近接して規則的に配置され、さらに、受電コイル１６０２と共振容量１６０５、受電コイル１６０３と共振容量１６０６、受電コイル１６０４と共振容量１６０７はそれぞれ直列共振回路を形成するとともに、さらに直列共振回路同士が直列に接続され整合回路１２３に接続されている。

また、電源回路１２５の出力が送信機１６１３とセンサ１６１５に接続されるとともに、センサデータ出力が送信機１６１３に接続されている。一方、送電装置には受信機１６１１が備えられている。その他、第１の実施形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。

まずは受電コイルと送電回路１０８との磁気的結合について説明する。送電回路１０８と受電コイル１６０２が結合している場合、送電回路１０８と結合していない受電コイル１６０３と受電コイル１６０４からは受電した電力が再放射されて受電効率が劣化する恐れが考えられる。

しかし、実際は、受電コイル１６０３と１６０４はそれぞれ直列共振状態となっており、ショート状態と考えられることから、これらからの再放射はほとんどないと考えられる。このため、受電コイルが複数あっても伝送効率の低下は小さいと考えられる。

また、受電コイルを実装しているフレキシブル基板シート１６０１が若干移動して送電回路１０８は受電コイル１６０２と１６０３の２つのコイルと結合した場合を考えても、結合していない受電コイル１６０４はショート状態であるため、効率の劣化は小さいと考えられる。また、受電コイルはフレキシブル基板シート１６０１上に形成されているため、曲面上での貼り付けも可能となっている。

以上のことから、フレキシブル基板シート１６０１は金属シャフトなどの回転体に貼り付けが可能であり、回転により、送電回路に対し、受電コイルが複数結合した状態であっても給電が可能となる。

さらに、電源回路１２５の出力は送信機１６１３とセンサ１６１５が接続され、これらに受電電力を給電する構成となっている。このため、送電回路１０８の送電電力でセンサ１６１５の取得データを送信機１６１３から受信機１６１１で受信してセンサデータ出力端子１６１０に出力することが可能となる。

図１６ａには、実装した状態の構成図を示したものである。図において、金属シャフト１６２１、磁性体シート１６２２であり、フレキシブル基板シート１６０１の裏面に貼られており、さらに金属シャフト１６２１の周上に貼られている。

さらにそれと並行して受電側の各回路が周上に実装されている。そして、金属シャフトの横方向から受電コイルと磁気的に結合する方に対向して送電回路１０８が配置されている。

以上の構成とすることにより、回転体への無線給電と送受信機を用いたデータ伝送が可能となる。さらに、送電回路に磁気共鳴方式を用いることで金属シャフトによる電磁界減衰の影響劣化があっても無線給電が可能な回転体無線給電システムを得ることができる。

図１７に第８の実施形態にかかる無線給電システムのブロック図を示す。図において、受電コイル１７０２、受電コイル１７０３、受電コイル１７０４、共振容量１７０５、共振容量１７０６、共振容量１７０７であり、さらに、受電コイル１７０２と共振容量１７０５、受電コイル１７０３と共振容量１７０６、受電コイル１７０４と共振容量１７０７はそれぞれ並列共振回路を形成するとともに、さらに並列共振回路同士が並列に接続され整合回路１２３に接続されている。その他、第７の実施形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。

送電回路１０８と受電コイル１７０２が結合している場合、送電回路１０８と結合していない受電コイル１７０３と１７０４からは受電した電力が再放射されて受電効率が劣化する恐れが考えられる。

しかし、実際は、受電コイル１７０３と１７０４はそれぞれ並列共振状態となっており、オープン状態と考えられることから、これらからの再放射はほとんどないと考えられる。このため、受電コイルが複数あっても伝送効率の低下は小さいと考えられる。

以上のことから、第７の実施形態である無線給電システムと同様の効果が得られるのに加え、受電側コイルが並列共振のためインピーダンスが比較的高いので、整流回路１２４の入力インピーダンスが高い場合は、整合回路１２３の回路構成が簡易となりインピーダンス整合が取り易い無線給電システムを得ることができる。

図１８に第９の実施形態にかかる無線給電システムのブロック図を示す。図において、要求信号入力端子１８０１、ＭＯＳＦＥＴ１８０２、１８１２、抵抗１８０３、センサデータ出力端子１８０４、復調回路１８０５、検波回路１８１３、ＡＤコンバータ１８１４、センサ１６１５である。その他、第７の実施形態と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。

図において、ソースが接地されたＭＯＳＦＥＴ１８０２のゲートは要求信号入力端子１８０１に接続され、ドレインは抵抗１８０３を介して送電回路入力端子１０９に接続され、さらに、復調回路１８０５も接続されている。

一方、整流回路１２３の入力は容量１８１１を介してＭＯＳＦＥＴ１８１２のドレインに接続され、ゲートはＡＤコンバータ１８１４の出力に接続されている。また、電源回路１２５はＡＤコンバータおよびセンサ１６１５に電源を供給しており、センサ１６１５の出力はＡＤコンバータ１８１４の入力に接続されている。

図において、要求信号入力端子１８０１に立下りで動作する要求信号が入力されるとＭＯＳＦＥＴ１８０２はオフ状態となるので、抵抗１８０３で消費される電力がなくなるため、受電コイルに給電される電力が増加する。増加した電力は、受電側の検波回路１８１３により検出されるとＡＤコンバータ１８１４にデータの出力要求を行う。この要求によりセンサ１６１５からのセンサ検出値はＡＤコンバータ１８１４によりデジタル信号に変換され、デジタルのセンサデータによりＭＯＳＦＥＴ１８１２をオンオフすることで容量１８１１が受電コイルと並列に接続するか、オープン状態となるため、送電回路１０８において送電電力の反射波が変化する。これを復調回路１８０５より検出することでセンサデータ出力端子１８０４からはセンサデータが出力される。

以上のことから、送電回路に磁気共鳴コイルを用いることで金属シャフト等の金属の影響による伝送距離劣化を向上するとともに、送電コルのＱ値が向上することで負荷変調による通信も可能となり、別系統の無線機が不要となるため、無線給電に加え、簡易的な回路の追加でデータ伝送も可能となる無線給電システムを得ることができる。

１０１…駆動信号源
１０２…駆動回路
１０３、１１０１、１１０２…駆動信号入力端子
１０４ 駆動信号出力端子
１０５、３１０、１３０１、１３１１…高調波抑圧フィルタ
１０６…フィルタ入力端子
１０７…フィルタ出力端子
１０８、２０１、３０１…送電回路
１０９、２０２、３０２…送電回路入力端子
１１０…給電コイル
１１１、１２０…磁気共鳴コイル
１１２、１２１…共鳴容量
１２２…負荷コイル
１２３…整合回路
１２４…整流回路
１２５…電源回路
１２６…負荷抵抗
１２７、２０７…受電回路
１２８、１２９、２０８、２０９、３０９、３０９…受電回路出力端子
２０３、３０３…送電コイル
２０４、２０６、３０４、３０６、１６０５、１６０６、１６０７、１７０５、１７０６、１７０７…共振容量
２０５、３０５、１６０２、１６０３，１６０４、１７０２、１７０３、１７０４…受電コイル
４０１，４０３、４０５、５０１、５０３、６０１、６０３、６０５、１００５、１００７、１１０５、１１０６、１３０２、１３１３、１４０４、１８１１…容量
４０２、４０４、４０６、５０２、５０４、６０２、６０４、９０３、９０４、９０５、１００６、１３０３、１３１２、１４０３…インダクタ
７０１、８０１、９０１…整流機能を有した電源回路
７０２、８０２…等価抵抗
１００１、１１０３、１１０４…駆動用ＭＯＳＦＥＴ
１００２、１１０８…チョークコイル
１００３、１１０７…電源
１００４、１１０９…接地容量
１１１０…中間タップ付きトランス
１４０２…トラップ回路
１６０１、１７０１…フレキシブルシート基板
１６１０、１８０４…センサデータ出力端子
１６１１…受信機
１６１２、１６１４…アンテナ
１６１３…送信機
１６１５…センサ
１６２２…磁性体シート
１８０１…要求信号入力端子
１８０２、１８１２…ＭＯＳＦＥＴ
１８０３…抵抗
１８０５…復調回路
１８１３…検波回路
１８１４…ＡＤコンバータ

Claims (15)

1. 無線で電力を送電するための駆動回路と、前記駆動回路から発生する高調波を抑圧するためのフィルタ回路と、前記送電コイル部と、を有する送電回路を有し、
   前記送電コイル部は、磁気共鳴コイルと、前記磁気共鳴コイルの両端に接続された共鳴容量と、を有し、送電周波数に等しい周波数で共振する共振回路を形成し、
   前記フィルタ回路は、少なくとも５次、９次、１３次の特性を有することを特徴とする無線給電送電装置。
2. 請求項１記載の無線給電送電装置であって、
   前記フィルタ回路は５次、９次、１３次の特性を有するローパスフィルタ回路であることを特徴とする無線給電送電装置。
3. 請求項１または請求項２記載の無線給電送電装置であって、
   前記共鳴容量が前記磁気共鳴コイルの線間の寄生容量を用いたことを特徴とする無線給電送電装置。
4. 請求項１または請求項２記載の無線給電送電装置であって、
   前記送電コイル部は送電コイルと共振容量とにより共振回路を形成し、前記共振回路は送電周波数に等しい周波数で共振する並列共振回路であることを特徴とする無線給電送電装置。
5. 無線で電力を送電するための駆動回路と前記駆動回路から発生する高調波を抑圧するためのフィルタ回路と、前記送電コイル部を有する送電回路からなり、
   前記送電コイル部は送電コイルと共振容量により共振回路を形成し、前記共振回路は送電周波数に等しい周波数で共振する直列共振回路であって、前記フィルタ回路が少なくとも３次、７次、１１次、１５次の特性を有することを特徴とする無線給電送電装置。
6. 請求項５記載の無線給電送電装置であって、
   前記フィルタ回路は、３次、７次、１１次、１５次の特性を有するローパスフィルタ回路であることを特徴とする無線給電送電装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の無線給電送電装置であって、
   前記駆動回路にＥ級増幅回路を用いたことを特徴とする無線給電送電装置。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の無線給電送電装置であって、
   前記駆動回路にプッシュプル方式のＥ級増幅回路を用いたことを特徴とする無線給電送電装置。
9. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の無線給電送電装置であって、
   前記フィルタ回路が第１のフィルタ用容量に接地され、第１のフィルタ用インダクタを介して前記送電回路に接続される２次のローパスフィルタ特性を有することを特徴とする無線給電送電装置。
10. 請求項５記載の無線給電送電装置において、前記フィルタ回路が第２のフィルタ用インダクタを介してから第２のフィルタ用容量に接地され前記送電回路に接続される２次のローパスフィルタ特性を有することを特徴とする無線給電送電装置。
11. 無線で電力を送電するための駆動回路と、前記駆動回路から発生する高調波を減衰させるトラップ回路と、前記送電コイル部を有する送電回路を有し、
    前記送電コイル部は磁気共鳴コイルと、前記磁気共鳴コイルの両端に接続された共鳴容量と、を有し、送電周波数に等しい周波数で共振する共振回路を形成することを特徴とする無線給電送電装置。
12. 請求項１１記載の無線給電送電装置であって、
    前記駆動回路がプッシュプル方式のＥ級増幅回路であり、前記トラップ回路が前記駆動回路で発生する高調波のうち３倍の高調波を減衰させる周波数特性であることを特徴とする無線給電送電装置。
13. 請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の無線給電送電装置と、無線給電受電装置と、を有し、前記無線給電送電装置の送電コイル部と無線電力受電装置の受電コイル部間の磁気的結合により電力を伝送する無線給電システムであって、
    前記無線給電受電装置の受電コイル部は複数の受電コイルを有し、前記複数の受電コイルと送電周波数で共振する共振容量で共振回路を複数形成し、前記共振回路が直列共振の場合は、前記共振回路を直列接続して受電することを特徴とする無線給電システム。
14. 請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の無線給電送電装置と、無線給電受電装置と、を有し、前記無線給電送電装置の送電コイル部と無線電力受電装置の受電コイル部間の磁気的結合により電力を伝送する無線給電システムであって、
    前記無線給電受電装置の受電コイル部は複数の受電コイルを有し、前記複数の受電コイルと送電周波数で共振する共振容量で共振回路を複数形成し、前記共振回路が並列共振の場合は、前記共振回路を並列接続して受電することを特徴とする無線給電システム。
15. 請求項１３または請求項１４に記載の無線給電システムであって、
    前記複数の受電コイルは、フレキシブルはフィルム上に形成されたフィルムコイルであって、前記フィルムコイルは回転対称軸を中心に回転する円柱状の回転部に設けられ前記回転部の外周面の回転円周方向に沿って前記フィルムコイルが略等間隔に配設されたことを特徴とする無線給電システム。

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