JP2019170144A - 無線給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で給電先の選択的な決定を可能とする無線給電システムを提供する。【解決手段】無線供電システム１は、電源と、複数の周波数成分を有する電気エネルギー８を生成する制御器４ａと、前記電気エネルギー８を無線で伝送するために波動の性質を有する別のエネルギー形態９へ変換する変換器４ｂとで構成される送電装置４を一つ以上有する送電部２と、前記送電部２が送信したエネルギー９または後記変換器５ａが生成した電気エネルギー１０から特定の周波数成分を選択的に取り出す周波数フィルタ５ｂと、特定の周波数成分を電気エネルギーに変換する変換器５ａとで構成される受電装置５を一つ以上有する受電部３と、を備える。送電部２は、無線送信するエネルギー９の周波数成分を制御することで、電力供給先へ送られるエネルギー１１の量をそれぞれの受電装置５について独立に決定できる。【選択図】図１

Description

本発明は無線給電システムに関する。

二つのコイルを向かい合わせで配置し、一方のコイルに交流電流を流すと電磁誘導によりもう一方のコイルに交流電圧が生じる。ここに負荷を繋げば、負荷に交流電流が流れる。この現象を利用して非接触の電力の供給、すなわち無線給電を行うことができる。しかし、この無線給電システムには問題がある。この無線給電システムでは給電可能な領域内に複数の受電装置のコイルが存在する場合、送電側から給電先を選択的に決定できないため、全ての受電装置に給電する状態と全ての受電装置に給電しない状態の何れかしかとれないという問題である。

従来、コイルを用いた無線給電システムにおいて、無線給電と無線通信を並行して行う方法が報告されている。（例えば、特許文献１である。）
この例のように無線給電と無線通信を並行して行うことで上記の問題の解決を試みることができる。すなわち、送電側と受電側で無線給電と同時に無線通信を行い、送電側が各受電装置に対し給電を受けるべき量を指示したり、各受電装置が送電側に必要な給電量を指示したりすることで、給電先の選択および給電量の制御をそれぞれの給電先に対して独立に行える。

また、無線給電システムにおいて周波数フィルタを用いる方法が報告されている。（例えば、特許文献２である。）しかし、これは専ら無線給電の安定化、高効率化を目的とするものであり、本発明の課題を解決するための手段の項にて後述の、給電先を送電側から選択する機能をシステムに付与するための周波数フィルタとは性質が根本から異なる。

再公表ＷＯ２０１７／０５６２６０ 特開２０１６−１９７９６５号広報

しかしながら、上述した従来の無線給電システムでは、次のような問題がある。給電と並行して通信を行うためには、受電側に通信機および受信データを元に受電量を調節するための制御器が必要であり、受電側が複雑化・大規模化してしまう。また、制御器として用いられる精密機器が給電用の強い電磁波によって誤作動を起こす可能性があるため、その対策によってシステムは更に大規模化・高コスト化する。受電装置が小型・軽量であることや、低コストであることが求められる場合、この問題は大きい。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、簡素な構成要素で給電先の選択決定を可能とする無線給電システムを提供する事を目的とする。また、本発明における給電先の選択決定は波動の性質を利用したものであることに着目し、電磁波を利用した無線給電システムのみならず、波動の性質を有するエネルギー形態一般を利用した無線給電システムに対して適用することで、より様々な用途に適した無線給電システムを提供する事を目的とする。

電源と、複数の周波数成分を有する電気エネルギーを生成する制御器と、前記電気エネルギーを無線で伝送するために波動の性質を有する別のエネルギー形態へ変換する変換器とで構成される送電装置を一つ以上有する送電部と、
前記送電部が送信したエネルギーまたは後記変換器が生成した電気エネルギーから特定の周波数成分を選択的に取り出す周波数フィルタと、前記送電部が送信したエネルギーまたは前記周波数フィルタが取り出したエネルギーの特定の周波数成分を電気エネルギーに変換する変換器とで構成される受電装置を一つ以上有する受電部と、
を備え、前記送電部は無線送信するエネルギーの周波数成分を制御することで、前記受電部の有する受電装置に繋がる電力供給先へ送られるエネルギーの量をそれぞれの受電装置について独立に決定することが可能な無線給電システム。

本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
請求項１記載の無線給電システムによれば、一つの送電装置から複数の受電装置に選択的にエネルギーを送ることができ、また、それぞれの受電装置に繋がる電力供給先へ送られるエネルギーの量を、送電側の制御によってそれぞれの受電装置について独立に決定できる。更に、受電部には通信機およびコンピュータ等の制御器は必要なく、単純な周波数フィルタがあれば良い。これにより、送電側から給電先を選択的に決定することができ、かつ各給電先の給電量を独立に制御できる、特に受電部が従来より遥かに簡素化・小型化・軽量化・低コスト化された無線給電システムを構築することが可能となる。

さらに、本発明は請求項２、３、８記載のような電磁誘導を基本原理とした電磁波による無線給電方式に限定されず、請求項４〜７記載のような波動の形態をもって伝播するあらゆるエネルギーによる無線給電方式においても、それらのエネルギーに対応する周波数フィルタの適用によって実現が可能である。

本発明の無線給電システムの基本的な構成例を示す全体図である。 無線給電システムのうち、エネルギー形態として電磁波を用いたシステムの送電部が含む送電装置の構成例を示す模式図である。 無線給電システムのうち、エネルギー形態として電磁波を用いたシステムの受電部が含む受電装置の構成例を示す模式図である。

以下、無線給電システムにかかる発明の実施の形態について説明する。
最初に、無線給電システムの構成について説明する。

図１は、本発明の無線給電システムの基本的な構成例を示す全体図である。
無線給電システム１は送電部２と受電部３からなっている。送電部２および受電部３について説明する。

送電部２は、一つ以上の送電装置４を含み、各送電装置は複数の周波数成分を有するエネルギー９を離れた場所にある受電部３に向けて送信する。エネルギー９としては電磁波、音波、超音波、光、実体波、表面波、重力波などが用いられる。送電装置の構成と、送電部２のうちエネルギー形態として電磁波を用いたものの構成例についてはそれぞれ後に詳しく説明する。

受電部３は、一つ以上の受電装置５および６を含み、送電部２から送られてきたエネルギー９を受け取り、電気エネルギー１１に変換する。受電装置の構成と、受電部３のうち、エネルギー形態として電磁波を用いたものの構成例についてはそれぞれ後に詳しく説明する。

送電装置４の構成について説明する。
この送電装置４は制御器４ａと変換器４ｂからなっている。制御器４ａと変換器４ｂについて説明する。

制御器４ａは、電源入力７をエネルギー源として電気エネルギー８を生成し、変換器４ｂに入力する。制御器４ａは主にマイクロコントローラおよび増幅器で構成されるが、これらに限定されない。複数の周波数成分を有する電気エネルギー８を生成することができれば良く、コンピュータ、ファンクションジェネレータなどと増幅器を組み合わせたものでも良いし、これら以外でも良い。増幅器を含まなくとも良い。また、制御器４ａは生成する電気エネルギー８の各周波数成分を増減することにより、後述する受電部３において、どの受電装置５にどの程度電力を供給するか、あるいは全く供給しないかを制御することができる。

変換器４ｂは制御器４ａから入力された電気エネルギー８を波動の性質をもつエネルギー９に変換し、受電部３へ送信する。コイルで構成された変換器４ｂによっては電磁波がエネルギー９として送信されるが、変換器４ｂはコイルでなくとも良い。電気エネルギー８を波動の性質をもつエネルギー９に変換できるものであれば良く、エネルギー９の種類は電磁波に限定されない。変換器４ｂにスピーカーなどを用いて音エネルギーへ変換しても良いし、ＬＥＤやレーザーダイオードなどを用いて光エネルギーに変換しても良い。変換器４ｂは、生成したエネルギー９を、ケーブルなど電気的に送電部２とは繋がっていない受電部３にむけて送り出す。

送電装置４は上記の制御器４ａと変換器４ｂが回路で繋がったものである。送電部２はこの送電装置４を一つ有する。なお、送電装置４の数は一つに限定されない。送電装置４が一つで送電部２を構成しても良いし、同一のあるいは異なる送電装置４が複数集まって送電部２を構成しても良い。

受電装置５および６の構成について説明する。
この受電装置５および６は変換器５ａとフィルタ５ｂからなっている。変換器５ａとフィルタ５ｂについて説明する。

受電装置５における変換器５ａは、送電部２から受け取った複数の周波数成分を有するエネルギー９を受け、周波数フィルタ５ｂに複数の周波数成分を有する電気エネルギー１０を与える。受電装置６における変換器５ａは、周波数フィルタ５ｂが取り出した特定の周波数成分を有するエネルギー１２を受け、受電装置６に繋がった電力供給先（図示していない）に特定の周波数成分を有する電気エネルギー１１を与える。コイルで構成された変換器５ａによっては電磁波がエネルギー９として受信されるが、変換器５ａはコイルでなくとも良い。送電部２で生成された波動の性質を持つエネルギー９を電気エネルギー１０またはエネルギー１１に変換できるものであれば良く、波動の種類は電磁波に限定されない。音波をマイクロフォンなどで受け取り電気エネルギー１０またはエネルギー１１に変換しても良いし、光をソーラーパネルなどで電気エネルギー１０またはエネルギー１１に変換しても良い。

受電装置５における周波数フィルタ５ｂは複数の周波数成分を有する電気エネルギー１０から特定の周波数成分を有する電気エネルギー１１を取り出す。受電装置６における周波数フィルタ５ｂは複数の周波数成分を有するエネルギー９から特定の周波数成分を有するエネルギー１２を取り出す。エネルギー９として電磁波を用いる場合は受電装置５において周波数フィルタ５ｂにＲＣバンドパスフィルタを用いることができるが、周波数フィルタ５ｂはＲＣバンドパスフィルタに限定されない。抵抗、コンデンサ以外で構成されるフィルタであっても良いし、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタであっても良い。エネルギー９として光エネルギーを用い、受電装置６において周波数フィルタ５ｂとしてカラーフィルムを用いても良い。複数の周波数成分を有するエネルギー９または電気エネルギー１０のうち特定の範囲の周波数成分のみを通すようなフィルタであれば良い。

受電装置５および６は変換器５ａ、周波数フィルタ５ｂが回路で繋がったものである。受電装置５は送電部２から送られてきたエネルギー９を変換器５ａで受け取り電気エネルギー１０へ変換した後、周波数フィルタにかけて特定の周波数成分を取り出し電気エネルギー１１とする。受電装置６は送電部２から送られてきたエネルギー９を周波数フィルタ５ｂで受け取り特定の周波数成分を有するエネルギー１２へ変換した後、変換器５ａにかけて特定の周波数成分を有する電気エネルギー１１とする。このように、波を電気エネルギーに変換した後電気エネルギーに対して周波数フィルタをかけても良いし、変換器５ａが波を電気エネルギーに変換する前に波に対して直接フィルタをかけても良い。
すなわち、電磁波をコイルなどで電気に変換した後ＬＣＲフィルタをかけても良いし、光をソーラーパネルなどで受け取る前にカラーフィルムなどを通して特定の周波数の光のみを電気に変換するなどしても良い。また、一つの受電装置５および６が持つ周波数フィルタは一つでも良いし、複数でも良い。上記のような受電装置５および６が一つ以上集まって受電部３を構成する。異なる周波数特性のフィルタをもつ受電装置５および６が電力供給先へ与える電気エネルギー１１はそれぞれ独立に制御されることができる。

無線給電システムのうち、エネルギー形態として電磁波を用いたシステムの送電部が含む送電装置の構成例について説明する。
図２は、本発明の無線給電システムのうち、エネルギー形態として電磁波を用いたシステムの送電部が含む送電装置１３および１４の構成例を示す模式図である。
送電装置１３および１４はマイクロコントローラ１５、電源１７、増幅器１８、コイル１９からなっている。マイクロコントローラ１５、増幅器１８、コイル１９、送電装置１３および１４について説明する。

マイクロコントローラ１５は制御器を構成する主要な装置であり、電源１７から電源供給を受けた増幅器１８に制御信号１６を与える。制御器に用いられるものはマイクロコントローラ１５に限定されない。複数の周波数成分を有する信号を生成することができれば良く、コンピュータ、ファンクションジェネレータなどでも良い。また、エネルギー量が十分であれば増幅器を有さない波形生成装置でも良い。マイクロコントローラ１５は生成する制御信号１６の各周波数成分を増減することにより、後述する増幅器１８が生成する複数の周波数成分を有する電磁波２０を受電部が含むどの受電装置にどの程度電力を供給するか、あるいは全く供給しないかを制御することができる。

電源１７は、増幅器お願いします１８に、増幅器１８がマイクロコントローラ１５からの制御信号１６に基づいてコイル１９に複数の周波数成分を有する電気エネルギーを与えるための基となる電気エネルギーを供給する。

増幅器１８は、マイクロコントローラ１５からの制御入力１５を増幅し、コイル１９に複数の周波数成分を有する電気エネルギーを与える。増幅器１８としてトランジスタやＦＥＴなどで構成される増幅回路などが用いられるが、これに限定されない。

コイル１９は、増幅器１８から与えられた複数の周波数成分を有する電気エネルギーを複数の周波数成分を有する電磁波２０に変換し、離れた場所にある受電部に向けて送り出す。

送電装置１３および１４は上記のマイクロコントローラ１５、電源１７、増幅器１８、コイル１９が回路で繋がったものである。送電装置１３はコイル１９を一つ持つが、送電装置１４のようにコイル１９を複数持っていても良い。送電部はこの送電装置１３および１４を一つ有する。なお、送電装置１３および１４の数は一つに限定されない。送電装置１３および１４が一つで送電部を構成しても良いし、同一のあるいは異なる送電装置１３および１４が複数集まって送電部を構成しても良い。

無線給電システムのうち、エネルギー形態として電磁波を用いたシステムの受電部が含む受電装置の構成例について説明する。
図３は、本発明の無線給電システムのうち、エネルギー形態として電磁波を用いたシステムの受電部が含む受電装置２１および２２の構成例を示す模式図である。
受電装置２１および２２はコイル２３、周波数フィルタ２４、電力供給先２５からなっている。コイル２３、周波数フィルタ２４、電力供給先２５について説明する。

コイル２３は、送電部から受け取った複数の周波数成分を有する電磁波２０を受け、複数の周波数成分を有する電気エネルギーに変換して周波数フィルタ２４に与える。

周波数フィルタ２４は、一つ以上のコンデンサおよび抵抗からなるＲＣバンドパスフィルタである。周波数フィルタ２４は、コイル２３から受けた複数の周波数成分を有する電気エネルギーから特定の周波数成分を有する電気エネルギーを取り出し、電力供給先２５に与える。周波数フィルタ２４はＲＣバンドパスフィルタでなくとも良い。複数の周波数成分を有する電気エネルギーを、または電気エネルギー１０のうち特定の範囲の周波数成分のみを通すようなフィルタであれば良く、周波数フィルタ５ｂはＲＣバンドパスフィルタに限定されない。インダクタあるいはコンデンサ、またはその両方で構成されても良いし、これらによらない全く別種のフィルタでも良いし、バンドパスフィルタでなくともハイパスフィルタやローパスフィルタでも良い。

電力供給先２５は、エネルギー形態として電磁波を用いた無線給電システムによって送電部から非接触で電源を供給される任意の対象である。

受電装置２１および２２はコイル２３、周波数フィルタ２４、電力供給先２５が回路で繋がったものである。受電装置２１および２２は送電部から送られてきた複数の周波数成分を有する電磁波２０をコイル２３で受け取り複数の周波数成分を有する電気エネルギーへ変換した後、周波数フィルタ２４にかけて特定の周波数成分を取り出し電力供給先２５へ与える。受電装置２１は周波数フィルタ２４ならびに電力供給先２５を一つずつ持つが、受電装置２２のように周波数フィルタ２４ならびに電力供給先２５を複数持っていても良い。
受電部はこの受電装置２１および２２を一つ有する。なお、受電装置２１および２２の数は一つに限定されない。受電装置２１および２２が一つで受電部を構成してもよいし、同一のあるいは異なる受電装置２１および２２が複数集まって受電部を構成してもよい。異なる周波数特性のフィルタをもつ受電装置２１および２２が電力供給先へ与える電気エネルギーはそれぞれ独立に制御されることができる。

１ 給電システム
２ 送電部
３ 受電部
４ 送電装置
４ａ 制御器
４ｂ 変換器
５ 受電装置
５ａ 変換器
５ｂ 周波数フィルタ
６ 受電装置（変換器とフィルタの適用順序を５と入れ替えたもの）
７ 電源入力
８ 電気エネルギー（複数の周波数成分を有するもの）
９ エネルギー（複数の周波数成分を有するもの）
１０ 電気エネルギー（複数の周波数成分を有するもの）
１１ 電気エネルギー（特定の周波数成分を有するもの）
１２ エネルギー（特定の周波数成分を有するもの）
１３ 送電装置
１４ 送電装置（複数のコイルを持つもの）
１５ マイクロコントローラ
１６ 制御信号
１７ 電源
１８ 増幅器
１９ コイル
２０ 電磁波
２１ 受電装置
２２ 受電装置（複数の周波数フィルタと電力供給先を持つもの）
２３ コイル
２４ 周波数フィルタ
２５ 電力供給先

Claims (8)

1. 電源と、複数の周波数成分を有する電気エネルギーを生成する制御器と、前記電気エネルギーを無線で伝送するために波動の性質を有する別のエネルギー形態へ変換する変換器とで構成される送電装置を一つ以上有する送電部と、
   前記送電部が送信したエネルギーまたは後記変換器が生成した電気エネルギーから特定の周波数成分を選択的に取り出す周波数フィルタと、前記送電部が送信したエネルギーまたは前記周波数フィルタが取り出したエネルギーの特定の周波数成分を電気エネルギーに変換する変換器とで構成される受電装置を一つ以上有する受電部と、
   を備え、前記送電部は無線送信するエネルギーの周波数成分を制御することで、前記受電部の有する受電装置に繋がる電力供給先へ送られるエネルギーの量をそれぞれの受電装置について独立に決定することが可能な無線給電システム。
2. 請求項１の無線給電システムであり、送電部および受電部の変換器としてコイルを用い、送信するエネルギー形態として電磁波を利用するもの。
3. 請求項２の無線給電システムであり、周波数フィルタとしてコンデンサと抵抗を用いるもの。
4. 請求項１の無線給電システムであり、送信するエネルギー形態として音波や超音波を用いるもの。
5. 請求項１の無線給電システムであり、送信するエネルギー形態として光を用いるもの。
6. 請求項１の無線給電システムであり、送信するエネルギー形態として実体波や表面波を用いるもの。
7. 請求項１の無線給電システムであり、送信するエネルギー形態として重力波を用いるもの。
8. 請求項２の無線給電システムであり、無線給電の方式として磁気共鳴方式を用いるもの。

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