JP2018038211A

JP2018038211A - 連成コイル、給電装置及びワイヤレス給電システム

Info

Publication number: JP2018038211A
Application number: JP2016171199A
Authority: JP
Inventors: 松田　宏; Hiroshi Matsuda; 宏松田; 尚久太田; Naohisa Ota
Original assignee: Lixil Corp
Current assignee: Lixil Corp
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2036-09-01
Also published as: JP6750984B2

Abstract

【課題】複数の負荷に対して低コストで電力を給電可能な連成コイル、給電装置及びワイヤレス給電システムを提供する。【解決手段】複数の給電コイルと、給電回路に両端が接続される一の接続線と、を備え、前記接続線の両端間に前記複数の給電コイルがそれぞれ連成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、連成コイル、給電装置及びワイヤレス給電システムに関する。

従来、キッチン等の引出しの前面に表示部や操作部等の負荷を設け、引出しの内部状況（例えば、温度や湿度）を表示部に表示したり、ユーザが操作部を操作することで引出しを自動開閉したりすることができるシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２９３８４５号公報

しかしながら、上記システムでは、引出しの負荷に対して有線で電力を供給する必要がある。そのため、複数段の引出しに設けられた負荷に対して電力を供給する場合には、その電力を供給するための電源ケーブルを全ての負荷に対して配線する必要がある。したがって、複数段の引出しに設けられた負荷を駆動するには、電源ケーブルの配線が複雑化するといった問題がある。この問題を解決するためには、ワイヤレス給電を用いることで電源ケーブルの配線を削減する方法が考えられる。ただし、この方法では、複数の負荷に対してそれぞれ給電コイルを設けるため、各給電コイルに対して電力を給電する給電回路が必要となり、高コストになる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の負荷に対して低コストで電力を給電可能な連成コイル、給電装置及びワイヤレス給電システムを提供することである。

本発明の一態様は、複数の給電コイルと、給電回路に両端が接続される一の接続線と、を備え、前記接続線の両端間に前記複数の給電コイルがそれぞれ連成されている連成コイルである。

本発明の一態様は、上述の連成コイルと、前記給電回路と、を備える給電装置である。

本発明の一態様は、上述の給電装置と、前記給電コイルのそれぞれと磁界共鳴することで電力を受電する複数の受電コイルと、を備え、前記受電コイルは、外力によって移動可能に構成された複数の可動部にそれぞれ設けられているワイヤレス給電システムである。

本発明の一態様は、上述のワイヤレス給電システムであって、前記受電コイルは、前記可動部に設けられた負荷にそれぞれ接続され、前記給電回路は、前記接続線に電力を供給する電力供給部と、前記受電コイルからの電力の供給が停止された負荷を判別し、前記判別した結果に基づいて前記電力供給部から前記接続線に供給される電力量を制御する制御部と、を備える。

本発明の一態様は、上述のワイヤレス給電システムであって、前記複数の可動部の間に磁気シールドを備える。

以上説明したように、本発明によれば、複数の負荷に対して低コストで電力を給電することができる。

本実施形態における連成コイル３を備えるワイヤレス給電システム１の概略構成の一例を示す図である。本実施形態における複数の給電コイル３２が接続線３１の両端間にそれぞれ直列に接続されている連成コイル３の概略構成の一例を示す図である。本実施形態における複数の給電コイル３２が接続線３１の両端間にそれぞれ並列に接続されている連成コイル３の概略構成の一例を示す図である。第１の変形例におけるワイヤレス給電システム１の連成コイル３Ａについて説明する図である。第２の変形例におけるワイヤレス給電システム１の受電コイル４Ｂについて説明する図である。第３の変形例におけるワイヤレス給電システム１Ｃについて説明する図である。本実施形態における連成コイル３が引出し５の側面に配置されている例を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、図面において、同一又は類似の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省く場合がある。

実施形態における連成コイルは、複数の給電コイルと、給電回路に両端が接続される一の接続線と、を備え、前記接続線の両端間に前記複数の給電コイルがそれぞれ連成されている。この連成コイルは、例えば、システムキッチン等の什器に設けられた負荷に電力を供給する場合に用いられる。

以下、実施形態の連成コイル、及びその連成コイルを備えたワイヤレス給電システムを、図面を用いて説明する。
図１は、本実施形態における連成コイル３を備えるワイヤレス給電システム１の概略構成の一例を示す図である。このワイヤレス給電システム１は、例えば、外力によって移動可能に構成された複数の可動部にそれぞれ設けられた負荷に対してワイヤレスで電力を給電する。本実施形態では、ワイヤレス給電システム１は、可動部である引出し５−１〜５−３の複数段の引出し５を備えたシステムキッチンに適用され、引出し５−１〜５−３のそれぞれに備えられた負荷７（７−１〜７−３）に、ワイヤレスで給電する。負荷７とは、例えば、引出し５の前面に設けられた表示部や操作部、引出し５内に設けられた灯体（例えば、ＬＥＤ（light emitting diode））を備えた灯体装置や紫外線装置等である。例えば、上記表示部は、引出し５の内部状況（例えば、温度や湿度）を表示する。例えば、上記操作部は、ユーザに操作されることで引出し５を自動開閉する。上記灯体は、ユーザに引出し５が開けられた場合に点灯し、その引出し５の内部を照らすものである。上記紫外線装置は、引出し５が閉状態である場合に、その引出し５の内部に紫外線を照射することで、その内部を殺菌するためのものである。

図１に示すように、ワイヤレス給電システム１は、給電回路２、連成コイル３及び複数の受電コイル４を備える。この給電回路２と連成コイル３とは、受電コイル４に電力を給電する給電装置として構成される。
給電回路２は、連成コイル３に接続されている。給電回路２は、連成コイル３に電力を供給する。

連成コイル３は、一の接続線３１及び複数の給電コイル３２（３２−１〜３２−３）を備える。一の接続線３１の両端には、給電回路２が接続されている。

複数の給電コイル３２（３２−１〜３２−３）は、接続線３１の両端間にそれぞれ連成されている。ここで、連成とは、接続線３１に複数の給電コイル３２が電気的に接続されることをいう。この複数の給電コイル３２は、複数の受電コイル４（４−１〜４−３）と磁界共鳴できる位置に設けられている。本実施形態では、給電コイル３２は引出し５の底面側に設けられている。例えば、給電コイル３２−１は、受電コイル４−１と磁界共鳴できる位置に設けられ、接続線３１を介して供給された電力をワイヤレスで受電コイル４−１に給電する。給電コイル３２−２は、受電コイル４−２と磁界共鳴できる位置に設けられ、接続線３１を介して供給された電力をワイヤレスで受電コイル４−２に給電する。給電コイル３２−３は、受電コイル４−３と磁界共鳴できる位置に設けられ、接続線３１を介して供給された電力をワイヤレスで受電コイル４−３に給電する。

なお、各給電コイル３２は、各引出し５の間に設けられた仕切り板６上に配置されてもよい。また、この仕切り板６及び各引出し２５の底板、すなわち各給電コイル３２の下側と各受電コイル４の上側とに、複数の引出し５間の磁束を遮蔽する磁気シールドを設けてもよい。これにより、引出し５内に収納されている、金属製品（例えば、鍋等）に対する磁束の影響を低減することができる。

この複数の給電コイル３２は、接続線３１の両端間にそれぞれ直列に接続されることで連成されてもよいし、接続線３１の両端間にそれぞれ並列に接続されることで連成されてもよい。

図２は、本実施形態における複数の給電コイル３２が接続線３１の両端間にそれぞれ直列に接続されている連成コイル３の概略構成の一例を示す図である。
図２に示すように、給電コイル３２が接続線３１の両端間にそれぞれ直列に接続される場合には、共振コンデンサ４０−１〜４０−３が接続線３１に直列に接続される。これにより、共振コンデンサ４０−１と給電コイル３２−１（以下、「第１の共振回路」という。）、共振コンデンサ４０−２と給電コイル３２−２（以下、「第２の共振回路」という。）、共振コンデンサ４０−３と給電コイル３２−３（以下、「第３の共振回路」という。）は、それぞれ共振回路として形成され、これらの共振回路の共振周波数は、共振周波数ｆで共振し、給電コイル３２のそれぞれに電力をワイヤレスで給電する。

以下に、給電コイル３２が接続線３１の両端間にそれぞれ直列に接続された場合における連成コイル３の共振について、説明する。

例えば、共振コンデンサ４０−１，４０−２，４０−３のそれぞれの容量値をＣ_１，Ｃ_２，Ｃ_３とし、給電コイル３２−１，３２−２，３２−３のそれぞれのインダクタンスをＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３とする。この場合において、第１の共振回路、第２の共振回及び第３の共振回路はそれぞれ共振周波数ｆで共振するため、以下の式（１）の関係が成り立つ。

式（１）により、式（２）を導出する。

なお、式（２）に示すように、（１／（２πｆ））の二乗をＰとする。
ここで、給電コイル３２が接続線３１の両端間にそれぞれ直列に接続されているため、各給電コイル３２のインダクタンスは、式（３）の関係が成り立つ。また、各共振コンデンサは、式（４）の式が成り立つ。

なお、Ｃ_２・Ｃ_３＋Ｃ_１・Ｃ_３＋Ｃ_１・Ｃ_２＝Ｑとする。
ここで、式（３）及び式（４）より、以下の式（５）が導出される。

そして、式（２）より、式（５）は、以下の式（６）となる。

ここで、ＬｘとＣｘとの共振周波数ｆｘとすると、式（７）が導出される。

したがって、式（７）及び式（８）より、ｆｘ＝ｆとなり、給電コイル３２が接続線３１の両端間にそれぞれ直列に接続された場合における連成コイル３は、周波数ｆで共振することになる。なお、本実施形態では、給電コイル３２が３つの場合について、説明したが、これに限定されず、直列に接続された給電コイルが２以上のｎ個の場合についても、同様に周波数ｆで共振することになる。

図３は、本実施形態における複数の給電コイル３２が接続線３１の両端間にそれぞれ並列に接続されている連成コイル３の概略構成の一例を示す図である。
図３に示すように、給電コイル３２が接続線３１の両端間にそれぞれ並列に接続される場合には、共振コンデンサ４０が各給電コイル３２に接続される。これにより、第１の共振回路、第２の共振回及び第３の共振回路はそれぞれ共振周波数ｆで共振する。これにより、給電コイル３２から受電コイル４に電力がワイヤレスで給電される。

以下に、給電コイル３２が接続線３１の両端間にそれぞれ直列に接続された場合における連成コイル３の共振について、説明する。
図３に示す連成コイル３において、給電コイル３２が接続線３１の両端間にそれぞれ並列に接続されているため、各給電コイル３２のインダクタンスは、式（８）の関係が成り立つ。また、各共振コンデンサは、式（９）の式が成り立つ。

なお、Ｌ_２・Ｌ_３＋Ｌ_１・Ｌ_３＋Ｌ_１・Ｌ_２＝Ｒとする。
ここで、式（８）及び式（９）より、以下の式（１０）が導出される。

そして、式（２）より、式（１０）は、以下の式（１１）となる。

ここで、ＬｘとＣｘとの共振周波数ｆｘとすると、式（１２）が導出される。

したがって、式（１１）及び式（１２）より、ｆｘ＝ｆとなり、給電コイル３２が接続線３１の両端間にそれぞれ並列に接続された場合における連成コイル３は、周波数ｆで共振することになる。なお、本実施形態では、給電コイル３２が３つの場合について、説明したが、これに限定されず、並列に接続された給電コイルが２以上のｎ個の場合についても、同様に周波数ｆで共振することになる。

受電コイル４は可動部である引出し５に設けられている。例えば、受電コイル４−１は、引出し５−１に設けられている。そして、受電コイル４−１は、引出し５−１に設けられている負荷７−１に接続され、給電コイル３２−１から磁界共鳴によりワイヤレスで給電された電力を、負荷７−１に供給する。
例えば、受電コイル４−２は、引出し５−２に設けられている。そして、受電コイル４−２は、引出し５−２に設けられている負荷７−２に接続され、給電コイル３２−２から磁界共鳴によりワイヤレスで給電された電力を、負荷７−２に供給する。
例えば、受電コイル４−３は、引出し５−３に設けられている。そして、受電コイル４−３は、引出し５−３に設けられている負荷７−３に接続され、給電コイル３２−３から磁界共鳴によりワイヤレスで給電された電力を、負荷７−３に供給する。

上述したように、本実施形態における連成コイル３を用いることで、一の給電回路２で各引出し５に設けられた受電コイル４に電力をワイヤレスで給電することができる。したがって、小型化且つ低コストでワイヤレス給電システム１を実現することができる。

また、上述のワイヤレス給電システム１では、可動部に受電コイル４が設けられているため、例えば可動部が引出し５であった場合に、所定の引出し５を他の引出し５と入れ替えたとしても、連成コイル３の設置位置や配線を変更することなく、受電コイル４から負荷７に電力を供給することができる。

以下に、本実施形態におけるワイヤレス給電システム１の第１の変形例について説明する。ワイヤレス給電システム１の第１の変形例の特徴は、連成コイル３における給電コイル３２−１〜３２−３の巻き数が負荷７の消費電力に応じて変更される点である。
図４は、第１の変形例における連成コイル３Ａについて説明する図である。

第１の変形例における連成コイル３Ａは、受電コイル４−１〜４−３に接続された負荷７−１〜７−３の消費電力に応じて、給電コイル３２−１〜３２−３の巻き数を変更される。例えば、連成コイル３Ａは、各引出し５内の負荷７に必要な出力電圧を得るために連成された給電コイル３２−１〜３２−３の巻き数を変更する。例えば、図４に示すように、給電コイル３２−１〜３２−３が接続線３１に並列に接続されている連成コイル３Ａにおいて、給電コイル３２−１の巻き数を１回、給電コイル３２−２の巻き数を２回、給電コイル３２−３の巻き数を３回とする。これにより、受電コイル４−１、受電コイル４−２、受電コイル４−３の受電電圧を１：２：３の比率に調整することができる。

以下に、本実施形態におけるワイヤレス給電システム１の第２の変形例について説明する。ワイヤレス給電システム１の第２の変形例の特徴は、受電コイル４−１〜４−３の巻き数が負荷７の消費電力に応じて変更される点である。
図５は、第２の変形例における受電コイル４Ｂについて説明する図である。

本変形例の受電コイル４Ｂ−１〜４Ｂ−３は、負荷７−１〜７−３の消費電力に応じて、巻き数を変更される。すなわち、本変形例の受電コイル４Ｂ−１〜４Ｂ−３は、各引出し５内の負荷７−１〜７−３に必要な出力電圧を得るために巻き数を変更する。例えば、図５に示すように、給電コイル３２−１〜３２−３が接続線３１に直列に接続されている連成コイル３において、各給電コイル３２の巻き数を２回とし、受電コイル４Ｂ−１の巻き数を１回、受電コイル４Ｂ−２の巻き数を２回、受電コイル４Ｂ−３の巻き数を３回とする。これにより、受電コイル４Ｂ−１、受電コイル４Ｂ−２、受電コイル４Ｂ−３の受電電圧を１：２：３の比率に調整することができる。

以下に、本実施形態におけるワイヤレス給電システム１の第３の変形例について説明する。ワイヤレス給電システム１の第３の変形例の特徴は、受電コイル４からの電力の供給が停止された負荷７を判別し、その判別結果に基づいて接続線に供給される電力量を制御する点である。
図６は、第３の変形例におけるワイヤレス給電システム１Ｃについて説明する図である。図６に示すように、ワイヤレス給電システム１Ｃは、給電回路２Ｃ、連成コイル３及び複数の受電コイル４（受電コイル４−１〜４−３）を備える。
ここで、受電コイル４−１〜４−３は、給電回路２と通信する機能を有する。

図６に示すように、給電回路２Ｃは、電源２１、電力供給部２２、通信部２３及び制御部２４を備える。
例えば、電源２１は、蓄電池でもよいし、商用電源でもよい。
電力供給部２２は、制御部２４からの制御に基づいて、電源２１から供給される電力のうち所定の電力を接続線３１に出力する。

通信部２３は、通信ネットワーク１００を介して負荷７−１〜７−３のそれぞれと情報を送受する。この情報とは、例えば、負荷７−１〜７−３のそれぞれに対して受電コイル４−１〜４−３から電力が供給されているか否の情報である。例えば、負荷７が引出し５内に設置された灯体装置である場合には、引出し５の開閉に応じてオンオフするスイッチが受電コイル４に直列に接続される。したがって、引出し５が閉状態である場合には、そのスイッチがオフになり、負荷７に電力が供給されない。一方、引出し５が開状態である場合には、そのスイッチがオンになり、負荷７に電力が供給される。すなわち、引出し５が開状態である場合にのみ灯体装置が点灯する。

また、例えば、負荷７が引出し５内に設置された紫外線装置である場合には、引出し５の開閉に応じてオンオフするスイッチが受電コイル４に直列に接続される。そして、引出し５が閉状態である場合には、そのスイッチがオンになり、負荷７に電力が供給される。一方、引出し５が開状態である場合には、そのスイッチがオフになり、負荷７に電力が供給されない。すなわち、引出し５が閉状態である場合にのみ紫外線を照射する。

このように、負荷７は、ユーザの引出し５の開閉動作に応じて、受電コイル４からの電力が供給又は電力の供給が停止される。したがって、負荷７は、受電コイル４からの電力が供給されているか否かを検出し、その検出結果を通信ネットワーク１００を介して、通信部２３に送信する。

なお、通信ネットワーク１００は、無線通信の伝送路であってもよく、無線通信の伝送路及び有線通信の伝送路の組み合わせであってもよいし、有線通信のみであってもよい。また、通信ネットワーク１００は、携帯電話回線網などの移動体通信網、無線パケット通信網、インターネット及び専用回線又はそれらの組み合わせであってもよい。

制御部２４は、通信部２３を介して受信した情報に基づいて、受電コイル４からの電力の供給が停止された負荷７を判別する。そして、制御部２４は、その判別した結果に基づいて電力供給部２２から接続線３１に供給される電力量を制御する。ここで、制御部２４は、通信部２３を介して受信した情報に基づいて、受電コイル４からの電力の供給が停止された負荷７を必ずしも特定する必要はなく、少なくとも、受電コイル４からの電力の供給が停止された負荷７の数又は受電コイル４から電力が供給されている負荷７の数を算出すればよい。そして、制御部２４は、その算出した結果に基づいて電力供給部２２から接続線３１に供給される電力量を制御する。例えば、制御部２４は、受電コイル４から全ての負荷７（７−１〜７−３）に電力が供給されていると判定した場合には、電力供給部２２から接続線３１に電力量Ｗ_１を供給させる。その後、制御部２４は、通信部２３からの情報に基づいて受電コイル４−１から負荷７−１への電力の供給が停止されたと判定した場合には、電力供給部２２から接続線３１に電力量Ｗ_１よりも少ない電力量Ｗ_２を供給させる。これは、負荷７−１に電力が供給されない状態において、電力供給部２２から接続線３１に電力量Ｗ_１を供給してしまうと、負荷７−２、負荷７−３において電力Ｗ_１が消費されることになり、ワイヤレス給電システム１Ｃが過負荷状態（オーバーロード）となる。したがって、例えば、制御部２４は、電力が供給されている負荷７の数が減少した場合には、その減少した数に応じた電力量を供給している電力量から差し引いた電力量（電力が供給されている負荷７の数に応じた電力量）を接続線３１に供給する。

一方、制御部２４は、負荷７−１のみに電力が供給されている場合において、負荷７−２、負荷７−３に電力が供給されたと判定した場合には、電力供給部２２から接続線３１に供給させる電力量を大きくする。
このように、制御部２４は、負荷７に対する電力の供給状態に基づいて、接続線３１に供給する電力量を制御する。なお、例えば、負荷７は、受電コイル４に備えられているスイッチのオン状態又はオフ状態を監視する。そして、負荷７は、その監視している状態に応じて自装置に対する電力の供給状態を判定し、その判定結果を通信ネットワーク１００を介して通信部２３に送信してもよい。

また、上述の実施形態において、給電コイル３２及び受電コイル４を各引出し５の底面側に配置したが、これに限定されない。例えば、図７に示すように、給電コイル３２及ぶ受電コイル４を各引出し５の側面側に配置してもよい。これにより、仕切り板６や引出し５の底板がない場合にも給電コイル３２及ぶ受電コイル４を引出し５の側面に配置することで、負荷７に電力を供給することができる。
また、給電コイル３２及び受電コイル４を各引出し５の底面側に配置した場合に、引出し５内に収納されている金属製品により、給電コイル３２と受電コイル４との磁気結合に影響を及ぼす可能性がある。そのため、図７に示すように、給電コイル３２及ぶ受電コイル４を各引出し５の側面側に配置することで、給電コイル３２と受電コイル４との磁気結合に対する、引出し５内に収納されている金属製品の影響を抑制することができる。

以上の実施形態では、給電コイル３２や受電コイル４が３つの場合について説明したが、もちろんこの数に限定されるわけではない。給電コイル３２の数は受電コイル４の数に基づいて決定され、この受電コイル４は、引出し５の数や、引出し５に設けられた負荷７の数等に基づいて決定される。

給電回路２の各部は、ハードウェアにより実現されてもよく、ソフトウェアにより実現されてもよく、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせにより実現されてもよい。

また、上述した実施形態における給電回路２をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１ワイヤレス給電システム
２給電回路
３連成コイル
４受電コイル
７負荷
２１電源
２２電力供給部
２３通信部
２４制御部
３２給電コイル

Claims

複数の給電コイルと、
給電回路に両端が接続される一の接続線と、
を備え、
前記接続線の両端間に前記複数の給電コイルがそれぞれ連成されている連成コイル。
請求項１に記載の連成コイルと、
前記給電回路と、
を備える給電装置。
請求項２に記載の給電装置と、
前記給電コイルのそれぞれと磁界共鳴することで電力を受電する複数の受電コイルと、
を備え、
前記受電コイルは、外力によって移動可能に構成された複数の可動部にそれぞれ設けられているワイヤレス給電システム。
前記受電コイルは、前記可動部に設けられた負荷にそれぞれ接続され、
前記給電回路は、
前記接続線に電力を供給する電力供給部と、
前記受電コイルからの電力の供給が停止された負荷を判別し、前記判別した結果に基づいて前記電力供給部から前記接続線に供給される電力量を制御する制御部と、
を備える請求項３に記載のワイヤレス給電システム。
前記複数の可動部の間に磁気シールドを備えた請求項３又は請求項４に記載のワイヤレス給電システム。