JP5417942B2 - 送電装置、送受電装置および送電方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁界共鳴によって送電コイルから受電コイルに電力を供給する送電装置、送受電装置および送電方法に関する。

従来、電磁誘導や電波を利用して電力を無線で供給する技術が考えられてきた。さらに近年、磁界を共鳴させる磁界共鳴によって電力を無線供給する技術が考えられている。磁界共鳴は、共振する２つのコイルの間で磁場が結合し、エネルギー伝送が発生する現象であり、磁場共鳴ともいう。

特表２００９−５０１５１０号公報 特表２００２−５４４７５６号公報 特開２００８−３０１９１８号公報 特開２００８−１６０３１２号公報 特開２００６−２３０１２９号公報

磁界共鳴による電力供給は、電磁誘導に比して効率が高く、伝送距離も長い。具体的には、２つのコイル間を数十センチ以上離した状態で電力供給が可能になる。ここで、２つのコイルの間の空間については、磁場が小さい、もしくは無いことが好適である場合が考えられる。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、送電コイルと受電コイルの間の磁場を小さくした送電装置、送受電装置および送電方法を提供することを目的とする。

本願の開示する送電装置、送受電装置および送電方法は、電源から供給された電力を磁界共鳴によって磁界エネルギーとして外部に送出する際に、外部に送出される磁界エネルギーがピークとなる駆動周波数の分離を検出し、分離した駆動周波数のうち、高周波側の周波数で送電コイルを駆動する。

本願の開示する送電装置、送受電装置および送電方法によれば、送電コイルと受電コイルの間の磁場を小さくした送電装置、送受電装置および送電方法を得ることができるという効果を奏する。

図１は、本実施例にかかる送受電装置の概要構成を示す概要構成図である。 図２は、給電効率が最大となる駆動周波数の分離について説明する説明図である。 図３は、電流値Ｉがピークとなる駆動周波数がｆ０±ｄに分離した場合の磁界共鳴について説明する説明図である。 図４は、送電制御部２１の処理動作を説明するフローチャートである。 図５は、受電装置検知処理の詳細について説明するフローチャートである。 図６は、テーブル２ａを送電装置とし、可搬コンピュータ３ａを受電装置とした適用例について説明する説明図である。 図７は、天井と壁に送電装置を埋設し、薄型テレビを受電装置とした適用例について説明する説明図である。 図８は、ｆ＝８．６１３４ＭＨｚでの電界分布と磁界分布とを説明する説明図である。 図９は、ｆ＝８．６１３４ＭＨｚ、位相０°（コンデンサに電界エネルギが集中した位相角を仮に位相０°とする）での電界分布と磁界分布を説明する説明図である。 図１０は、ｆ＝８．７２１１ＭＨｚ、位相０°（コンデンサに電界エネルギが集中した位相角を仮に位相０°とする）での電界分布と磁界分布を説明する説明図である。 図１１は、ｆ＝８．６１３４ＭＨｚ、位相９０°（図９および図１０の位相角に対して９０°の位相進みの状態）での電界分布と磁界分布を説明する説明図である。 図１２は、ｆ＝８．７２１１ＭＨｚ、位相９０°（図９および図１０の位相角に対して９０°の位相進みの状態）での電界分布と磁界分布を説明する説明図である。

以下に、本願の開示する送電装置、送受電装置および送電方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本実施例にかかる送受電装置の概要構成を示す概要構成図である。図１に示した送受電装置１は、送電装置２と受電装置３とを含むシステムである。送電装置２は、その内部に送電制御部２１、交流電源２２、電力供給コイル２３、送電コイル２４、センサ２５を有する。また、受電装置３は、受電コイル３１、電力取出コイル３２および負荷回路３３を有する。

送電コイル２４と受電コイル３１は、それぞれＬＣ共振回路である。ＬＣ共振回路のコンデンサ成分については素子によって実現してもよいし、コイルの両端を開放し、浮遊容量によって実現してもよい。ＬＣ共振回路では、インダクタンスをＬ、コンデンサ容量をＣとすると、
によって定まるｆが共振周波数となる。

送電コイル２４の共振周波数と受電コイル３１の共振周波数とが十分に近く、かつ送電コイル２４と受電コイル３１との距離が十分に小さい場合、送電コイル２４と受電コイル３１との間に磁界共鳴を発生させることができる。

そのため、送電コイル２４が共振した状態で磁界共鳴が発生すると、送電コイル２４から受電コイルに３１に磁界エネルギーを伝送することができる。

電力供給コイル２３は、交流電源２２から得られた電力を電磁誘導によって送電コイル２４に供給する。電力供給コイル２３と送電コイル２４の配置は、電磁誘導が発生可能な距離および配置とする。電力供給コイル２３を介し、電磁誘導によって送電コイル２４を共振させることにより、送電コイル２４と他の回路との電気的な接続が不要となり、送電コイル２４の共振周波数を任意に、かつ高精度に設計することができる。

電力取出コイル３２は、受電コイル３１との間で電磁誘導が発生する位置に配置する。受電コイル３１が磁界共鳴によって共振すると、受電コイル３１から電力取出コイル３２に電磁誘導によってエネルギーが移動する。電力取出コイル３２は、負荷回路３３に電気的に接続されており、電磁誘導によって電力取出コイル３２に移動したエネルギーは電力として負荷回路３３に提供される。負荷回路３３としては、任意の回路を用いることができ、例えばバッテリーなどであってもよい。

このように電力取出コイル３２を介し、電磁誘導によって受電コイル３１から電力を取り出すことで、受電コイル３１と他の回路との電気的な接続が不要となり、受電コイル３１の共振周波数を任意に、かつ高精度に設計することができる。

交流電源２２は、送電制御部２１が指定する周波数および振幅の交流電流を出力する。この交流電源２２の周波数を以降、駆動周波数という。交流電源２２に電気的に接続された電源供給コイル２３は、駆動周波数で振動する。そのため、送電コイル２４は、駆動周波数で共振する。同じく、受電コイル３１も駆動周波数で共振する。

このように送受電装置１では、交流電源２２の電力は、電源供給コイル２３と送電コイル２４との電磁誘導、送電コイル２４と受電コイル３１との磁界共鳴、受電コイル３１と電力取出コイル３２との電磁誘導を経て負荷回路３３に供給される。

送電コイル２４と受電コイル３１との磁界共鳴において、伝送されるエネルギーがピークとなる駆動周波数、すなわち給電効率が最大となる駆動周波数は、コイルの共振周波数近傍である。しかし、送電コイル２４と受電コイル３１との距離がある程度近くなると、給電効率が最大となる駆動周波数に分離が確認される。

図２は、給電効率が最大となる駆動周波数の分離について説明する説明図である。図２において、ｆは駆動周波数である。また、Ｉは、後述するセンサ２５の出力電流であり、給電効率に対応する。閾値Ｔｈは、後述する受電コイル３１の接近検知に用いる閾値である。Ｄ１〜Ｄ６は、送電コイル２４と受電コイル３１との距離であり、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４＜Ｄ５＜Ｄ６である。

図２に示したように距離Ｄ６〜Ｄ４では、駆動周波数ｆ０で電流値Ｉがピークとなり、距離が小さくなるにつれてピーク値が大きくなる。これに対し、距離Ｄ１〜Ｄ３では、駆動電流ｆ０の低周波側と高周波側にピークが分離する。分離したピークのうち、高周波側の駆動周波数はｆ０＋ｄ、低周波側の駆動周波数はｆ０−ｄとして表すことができる。

図３は、電流値Ｉがピークとなる駆動周波数がｆ０±ｄに分離した場合の磁界共鳴について説明する説明図である。低周波側の駆動周波数ｆ０−ｄで磁界共鳴を発生させると、送電コイル２４の共振と受電コイル３１の共振は同位相となり、磁界の方向は一致する。そのため、磁界共鳴による給電を行なっている間、送電コイル２４と受電コイル３１との間には強い磁界が存在することとなる。

一方、高周波側の駆動周波数ｆ０＋ｄで磁界共鳴を発生させると、送電コイル２４の共振と受電コイル３１の共振は逆位相となり、磁界の方向は反転する。そのため、磁界共鳴による給電を行なっている間、送電コイル２４と受電コイル３１との間に発生する磁界は駆動周波数ｆ０＋ｄの場合に比して弱く、場所によっては互いに相殺する。

磁界共鳴を利用した送受電装置１では、送電コイル２４と受電コイル３１との間が数十センチ以上離隔した状態でも給電できる。そのため、送電コイル２４と受電コイル３１との間や近傍の空間に他の物体が存在する可能性がある。この物体が、電子機器など磁界の影響を受ける物や、人体などである可能性を考慮すると、送電コイル２４と受電コイル３１との間や近傍の空間に磁界共鳴が与える影響を抑える、すなわち送電コイルと受電コイルの間の磁場を小さくすることが望ましい。そこで、送受電装置１は、高周波側の駆動周波数ｆ０＋ｄを用いて磁界共鳴を発生させる。

高周波側の駆動周波数を用いた磁気共鳴について、図１に戻って説明を続ける。センサ２５は、送電コイル２４近傍の磁界強度を計測し、磁界強度に対応した電流を出力する。送電制御部２１は、その内部に受電装置検知部４１、周波数掃引処理部４２、ピーク分離検出部４３、高周波側ピーク選択部４４、電源駆動部４５を有する。

受電装置検知部４１は、受電装置３が送電装置２２からの無線給電を受けることが可能な範囲に接近したことを検知する処理部である。交流電源２２を一定の周波数と振幅で駆動し、送電コイル２４が共振している場合、送電コイル２４と受電コイル３１との距離が近いほど磁界共鳴によって送電コイル２４が送出する磁界エネルギーは強くなる。そこで、交流電源２２を一定の周波数と振幅で駆動し、センサ２５によって送電コイル２４近傍の磁界強度を測定すれば、受電コイル３１の接近すなわち受電装置３の接近を検知することができる。具体的には、受電装置検知部４１は、センサ２５の出力電流値が閾値Ｔｈを超えた場合に、受電装置検知と出力する。

周波数掃引処理部４２は、駆動周波数を変化させてセンサ２５の出力変化を取得する処理部である。駆動周波数の変化は、予め設定した範囲を掃引する。センサ２５の出力電流は送電コイル２４近傍の磁界強度を示し、磁界強度は受電コイル３１が送電コイル２４に近いほど、すなわち給電効率が高いほど高くなる。そのため、周波数掃引処理部４２の処理結果は、駆動周波数に対する給電効率の分布を示すこととなる。

ピーク分離検出部４３は、駆動周波数に対する給電効率の分布から給電効率のピークの分離を検出する。そして、ピークの分離を検出した場合には、それぞれの駆動周波数ｆ０±ｄを出力する。

高周波側ピーク選択部４４は、ピーク分離検出部４３から２つの駆動周波数ｆ０±ｄが出力された場合に、高周波側で給電効率のピークを得る駆動周波数ｆ０＋ｄを選択する。電源駆動部４５は、高周波側ピーク選択部４４が選択した駆動周波数で交流電源を駆動することで、送電コイル２４と受電コイル３１が逆位相となる磁界共鳴を発生させる。

図４は、送電制御部２１の処理動作を説明するフローチャートである。送電制御部２１は、図４に示した処理動作を周期的に実行する。処理動作を開始すると、まず、送受電装置検知部４１が受電装置検知処理を実行する（Ｓ１０１）。

受電装置検知処理で受電装置検知が出力されなければ（Ｓ１０２，Ｎｏ）、送電制御部２１はそのまま処理を終了する。受電装置検知処理で受電装置検知が出力された場合（Ｓ１０２，Ｙｅｓ）、周波数掃引処理部４２が周波数掃引処理を実行する（Ｓ１０３）。つぎに、ピーク分離検出部４３が、周波数掃引処理の結果として得られた駆動周波数に対する給電効率の分布から給電効率のピークの分離を検出するピーク分離検出処理を実行する（Ｓ１０４）。

ピーク分離検出処理の結果、ピーク分離が検出されなかった場合（Ｓ１０５，Ｎｏ）、受電装置検知部４１による受電装置検知処理にもどる（Ｓ１０１）。一方、ピーク分離が検出された場合（Ｓ１０５，Ｙｅｓ）、高周波側ピーク選択部４４は分離したピークのうち、高周波側の駆動周波数を選択する（Ｓ１０６）。そして、電源駆動部４５は、高周波側ピーク選択部４４が選択した駆動周波数で交流電源２２を駆動し（Ｓ１０７）、送電コイル２４と受電コイル３１との間に磁界共鳴を発生させ受電装置３に電力を供給する。

その後、電源供給終了の条件が満たされれば（Ｓ１０８，Ｙｅｓ）、送電制御部２１は、給電を停止して処理を終了する。電源供給終了の条件は、電源供給を終了する指示が入力された場合や、給電効率がなど、予め定めた任意の条件を用いることができる。電源供給終了の条件が満たされていなければ（Ｓ１０８，Ｎｏ）、電源駆動（Ｓ１０７）を継続し、給電を続ける。

図５は、受電装置検知処理の詳細について説明するフローチャートである。受電装置検知処理部が開始されると、センサ２５が磁界強度を測定し（Ｓ２０１）、受電装置検知部４１は、磁界強度が閾値以上であるか否かを判定する（Ｓ２０２）。磁界強度は、センサ２５が出力する電流値として得られるので、受電装置検知部４１は電流値と閾値とを比較することで磁界強度の判定を行なう。

受電装置検知部４１による判定の結果、磁界強度が所定値未満であれば（Ｓ２０２，Ｎｏ）、受電装置検知部４１はそのまま受電装置検知処理を終了する。一方、磁界強度が閾値以上であれば（Ｓ２０２，Ｙｅｓ）、受電装置検知部４１は受電装置検知と出力して（Ｓ２０３）、処理を終了する。

なお、図５に示した受電装置検知処理はあくまで一例であり、受電装置３の接近検知は任意の技術を用いることができる。例えば、別途光センサなどを設けて、受電装置３を検知することとしても良い。また、磁界共鳴を検知する場合であっても、例えば受電装置検知処理では給電時に比して交流電源の出力を低くするように制御しても良い。

つぎに、送受電装置１の適用例について説明する。図６は、テーブル２ａを送電装置とし、可搬コンピュータ３ａを受電装置とした適用例について説明する説明図である。図６に示したように、テーブル２ａは、送電コイル２４ａとセンサ２５ａとを天板に埋設している。また、可搬コンピュータ３ａは、ディスプレイフレームに受電コイル３１ａを埋設している。そのため、可搬コンピュータ３ａはテーブル２ａから無線で給電を受けることができる。

図７は、天井と壁に送電装置を埋設し、薄型テレビを受電装置とした適用例について説明する説明図である。図７に示したように、天井に送電コイル２４ｂ、壁にセンサ２５ｂを埋設し、薄型テレビ２ｂの筐体枠に受電コイル３１ｂを埋設することで、薄型テレビ３１ｂは天井の送電コイル２４ｂから無線で給電を受けることができる。

つぎに、ピークが分離した場合の磁界共鳴の状態についてさらに説明する。図８〜１２は、送電コイル２４を下方に受電コイル３１を上方に配置し、両コイルの特性を導電率５９．９８×１０^６（Ｓ／ｍ）、コイル半径０．３００（ｍ）、コイル線半径０．０２０（ｍ）、キャパシタ比誘電率１０、キャパシタ面積０．０１３８（ｍ^２）、キャパシタ間隔０．００４（ｍ）とした条件下でのシミュレーション結果である。

図８は、ｆ＝８．６１３４ＭＨｚでの電界分布と磁界分布とを説明する説明図である。図８は、それぞれのコイルが共鳴した状態を表しており、電界、磁界が最大となった状態を示している。また、半円状の二重線がコイルを表しており、その半円の先端にある小さな円がコンデンサを表している。そして、このコイルとコンデンサで共振回路を実現している。下側のコイルが送電コイル２４であり、上側のコイルが受電コイル３１である。電界分布は上図で表しており、Ｘ軸成分のみを灰色の諧調表現で塗りつぶした楕円で表している。磁界成分は、下図で表しており、Ｚ軸成分のみを灰色の諧調表現で塗りつぶした楕円で表している。それぞれのコイルは、共振状態が発生すると、コンデンサとコイルとの間でエネルギーの往復が発生する。例えば、コンデンサの電位が最大まで高まると、電界分布が最大となる。つまり、上図で表した状態となる。そして、コンデンサの電位が最大となったあとは、徐々にコイルへエネルギーを移動する。つまり、コイルに電流が流れ、磁界というエネルギーに変換される。そして、コイルに流れる電流が最大まで高くなると、磁界分布が最大となる。つまり、下図で表した状態となる。共鳴可能な複数のコイルを共鳴可能な距離に配置し、少なくとも一方のコイルに共振状態を発生すると互いに発生した磁界が影響しあって、このような図８で表す共鳴状態が生じる。なお図８は、電界および磁界分布の拡がりが表現し難かったためにＬｏｇスケールで表して電界分布、磁界分布を強調表現している。次に、電界が最大となる状態を図９および図１０で説明する。なお、電界が最大となる状態を便宜上、位相０°と言う。図９および図１０は、共振周波数のピークが分離した状態のそれぞれのピークを説明する図である。そして、図９は、下側の共振周波数のピークで共鳴した状態を表し、図１０は、上側の共振周波数のピークで共鳴した状態を表す。言い換えると、図９は、本実施例に対する比較例を表しており、図１０は、本実施例を表す。図９は、ｆ＝８．６１３４ＭＨｚ、位相０°での電界分布と磁界分布を示している。なお、電界分布についてはＸ成分、磁界分布についてはＺ成分を示している。図１０は、ｆ＝８．７２１１ＭＨｚ、位相０°での電界分布と磁界分布を示している。なお、電界分布についてはＸ成分、磁界分布についてはＺ成分を示している。

図９と図１０とは、振動においてエネルギーが全て電界となった状態であり、双方で磁界は０である。電界について図９と図１０とを比較すると、図９に示したｆ＝８．６１３４ＭＨｚでは、送電コイル２４と受電コイル３１の双方に負の電荷が溜まっているのに対し、図１０に示したｆ＝８．７２１１ＭＨｚでは、送電コイル２４に正の電荷が溜まり、受電コイル３１に負の電荷が溜まっている。

次に、磁界が最大となる状態を図１１および図１２で説明する。なお、図９および図１０に対して、図１１および図１２の状態を便宜上、位相９０°進みと言う。図１１および図１２は、共振周波数のピークが分離した状態のそれぞれのピークを説明する図である。そして、図１１は、下側の共振周波数のピークで共鳴した状態を表し、図１２は、上側の共振周波数のピークで共鳴した状態を表す。言い換えると、図１１は、本実施例に対する比較例を表しており、図１２は、本実施例を表す。図１１は、ｆ＝８．６１３４ＭＨｚ、位相９０°での電界分布と磁界分布を示している。なお、電界分布についてはＸ成分、磁界分布についてはＺ成分を示している。図１２は、ｆ＝８．７２１１ＭＨｚ、位相９０°での電界分布と磁界分布を示している。なお、電界分布についてはＸ成分、磁界分布についてはＺ成分を示している。

図１１と図１２とは、振動においてエネルギーが全て磁界となった状態であり、双方で電界は０である。磁界について図１１と図１２とを比較すると、図１１に示したｆ＝８．６１３４ＭＨｚでは、送電コイル２４と受電コイル３１の双方に負の磁場がかかっているのに対し、図１２に示したｆ＝８．７２１１ＭＨｚでは、送電コイル２４に正の磁場がかかり、受電コイル３１に負の電荷がかかっている。

このシミュレーション結果から低周波側の駆動周波数ｆ＝８．６１３４ＭＨｚでは送電コイル２４と受電コイル３１とが同位相で振動し、高周波側の駆動周波数ｆ＝８．７２１１ＭＨｚでは送電コイル２４と受電コイル３１とが逆位相で振動することが確かめられる。

また、図１１の磁界分布に示されるように、低周波側の駆動周波数ｆ＝８．６１３４ＭＨｚでは送電コイル２４から受電コイル３１まで強い負の磁場が存在する。これに対し、図１２の磁界分布に示されるように、高周波側の駆動周波数ｆ＝８．７２１１ＭＨｚでは送電コイル２４から受電コイル３１までの間の磁場は弱く、磁場が０となる空間も存在する。

上述してきたように、本実施例にかかる送受電装置１は、受電装置３に供給される電力がピークとなる駆動周波数の分離を検出し、分離した駆動周波数のうち、高周波側の周波数を駆動周波数として磁界共鳴を発生させるので、送電コイルと受電コイルの間の磁場を小さくすることができる。つまり、図１１および図１２の磁界分布で表す図で比較例と本実施例との差が顕著に現れているように、本実施例では共鳴するコイル間の磁界を極めて小さくする事が可能となる。

また、送電コイル近傍の磁界強度を計測して受電装置の検知とピークの探索を行なう事で構成を簡易化することができる。なお、他の実施の態様として、磁界強度の検知以外の方法で受電装置の検知やピークの探索を行なうこと、また、受電コイル近傍など任意の位置にセンサを配置することを妨げるものではない。

１ 送受電装置
２ 送電装置
２ａ テーブル
３ 受電装置
３ａ 可搬コンピュータ
３ｂ 薄型テレビ
２１ 送電制御部
２２ 交流電源
２３ 電力供給コイル
２４，２４ａ，２４ｂ 送電コイル
３１，３１ａ，３１ｂ 受電コイル
３２ 電力取出コイル
３３ 負荷回路
４１ 送電装置検知部
４２ 周波数掃引処理部
４３ ピーク分離検出部
４４ 高周波側ピーク選択部
４５ 電源駆動部

Claims (7)

1. 電源と、
   電力を磁界共鳴によって磁界エネルギーとして外部に送出する送電コイルと、
   前記送電コイルを共振させることにより前記電源から供給された電力を前記送電コイルに供給する駆動部と、
   前記外部に送出される磁界エネルギーがピークとなる駆動周波数を探索するピーク探索部と、
   前記外部に送出される磁界エネルギーがピークとなる駆動周波数の分離を検出するピーク分離検出部と、
   前記分離した駆動周波数のうち、高周波側の周波数を選択する選択部とを備え、
   前記駆動部は、前記選択部が選択した周波数で前記送電コイルを駆動することを特徴とする送電装置。
2. 前記駆動部は、前記電源からの電力を電磁誘導によって前記送電コイルに供給する電力供給コイルを有することを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
3. 前記送電コイルが外部に送出する磁界エネルギーを計測する磁界センサを更に備え、前記ピーク探索部は、前記駆動周波数を変化させることで生じる前記磁界センサの計測結果の変化から前記外部に送出される磁界エネルギーがピークとなる駆動周波数を探索することを特徴とする請求項１または２に記載の送電装置。
4. 前記駆動周波数を固定して前記磁界センサによる計測結果を監視する監視部を更に備え、前記ピーク探索部は、前記監視部による監視の結果、前記磁界センサの計測結果が閾値を超えた場合に前記外部に送出される磁界エネルギーがピークとなる駆動周波数の探索を開始することを特徴とする請求項３に記載の送電装置。
5. 前記送電コイルは、前記磁界共鳴によって磁界エネルギーを受け取る受電コイルの共振周波数に対応した共振周波数を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の送電装置。
6. 送電装置内の送電コイルと受電装置内の受電コイルとを磁界共鳴させて前記送電コイルから前記受電コイルに電力を供給する送受電装置であって、
   前記磁界共鳴によって供給される電力がピークとなる前記送電コイルの駆動周波数を探索するピーク探索部と、
   前記磁界共鳴によって供給される電力がピークとなる駆動周波数の分離を検出するピーク分離検出部と、
   前記分離した駆動周波数のうち、高周波側の周波数を選択する選択部と、
   前記選択部が選択した周波数で前記送電コイルを駆動する駆動部と
   を備えたことを特徴とする送受電装置。
7. 送電コイルと受電コイルとを磁界共鳴させて前記送電コイルから前記受電コイルに電力を供給させる送電制御方法であって、
   前記磁界共鳴によって供給される電力がピークとなる駆動周波数を探索するピーク探索ステップと、
   前記磁界共鳴によって供給される電力がピークとなる駆動周波数の分離を検出するピーク分離検出ステップと、
   前記分離した駆動周波数のうち、高周波側の周波数を選択する選択ステップと、
   前記選択ステップが選択した周波数で前記送電コイルを駆動する駆動ステップと
   を含んだことを特徴とする送電方法。