JP5526795B2 - ワイヤレス給電システム - Google Patents

Description

本発明は、非接触（ワイヤレス）で電力の供給、受電を行うことが可能な非接触給電方式のワイヤレス給電システムに関するものである。

ワイヤレス（無線）で電力の供給を行う方式として電磁誘導方式が知られている。
また、近年、電磁共鳴現象を利用した磁界共鳴方式と呼ばれる方式を用いたワイヤレス給電、および充電システムが注目されている。

現在、既に広く用いられている電磁誘導方式の非接触給電方式は、給電元と給電先（受電側）とで磁束を共有する必要があり、効率良く電力を送るには給電元と給電先とを極近接して配置する必要があり、結合の軸合わせも重要である。

一方、電磁共鳴現象を用いた非接触給電方式は、電磁共鳴現象という原理から、電磁誘導方式よりも距離を離して電力伝送することができ、かつ、多少軸合わせが悪くても伝送効率があまり落ちないという利点がある。
なお、電磁共鳴現象には磁界共鳴方式の他に電界共鳴方式がある。

たとえば特許文献１には、磁界共鳴方式を採用したワイヤレス給電システムが開示されている。

この特許文献１に開示される技術では、給電回路と接続された給電コイルから、電磁誘導により共振コイル（共鳴コイルともいう）に電力が伝達される構成を有し、周波数の調整が共振コイルに接続されたキャパシタによって行われる。

近年、磁界の共振現象を利用した磁界共鳴方式を採用して２ｍ離れて６０Ｗの電力伝送を実現した無線電力伝送技術が報告されている。
また、磁界共鳴方式を採用して、６０Ｗの電力を伝送し、５０ｃｍ離れた電子機器を駆動する高効率な「ワイヤレス給電システム」の開発が報告されている。

特開２００１−１８５９３９号公報

ところで、磁界共鳴型のワイヤレス給電システムにおいて、中継デバイス（レピータデバイス）を送電デバイスと受電デバイスの間に配置することで効率を改善することが可能であるが、この場合、ある特定の位置で最大効率をとる。

実際に、中継デバイス（レピータデバイス）を配置する際、位置ずれや角度ずれが生じて効率が低下してしまう場合がある。
その場合、手動で調整することも考えられるが、その際に専用の測定器や技術が必要となり実現することは困難である。

本発明は、専用の測定器等が不要で、高い給電効率をもって給電することが可能なワイヤレス給電システムを提供することにある。

本発明の第１の観点のワイヤレス給電システムは、給電される電力を送電する送電デバイスと、上記送電デバイスの送電電力を中継する少なくとも一つの中継デバイスと、上記中継デバイスで中継された電力を受電する受電デバイスと、を有し、上記送電デバイスは、上記電力が給電され、当該電力を送電する第１の共振素子を含み、上記中継デバイスは、上記送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電して送電する第２の共振素子を含み、上記受電デバイスは、磁界共鳴関係をもって上記中継デバイスから送電された電力を受電する第３の共振素子を含み、上記中継デバイスは、上記送電デバイスおよび上記受電デバイスの少なくとも一方の電力伝送情報に応じて、上記第２の共振素子の配置角度および配置位置のうちの少なくとも一方を調整可能な駆動部を含む。

本発明によれば、専用の測定器等が不要で、高い給電効率をもって給電することができる。

本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態に係るワイヤレス給電システムの応用例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施形態（ワイヤレス給電システムの第１の構成例）
２．第２の実施形態（ワイヤレス給電システムの第２の構成例）
３．第３の実施形態（ワイヤレス給電システムの第３の構成例）
４．第４の実施形態（ワイヤレス給電システムの第４の構成例）

＜１．第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示す図である。

本ワイヤレス給電システム１０は、送電デバイス２０、受電デバイス３０、および中継デバイス（レピータデバイス）４０を有する。

送電デバイス２０は、送電コイル部２１、第１の可変整合部としての可変整合回路２２、第１の検出部としての方向性結合器（通過反射電力検出回路）２３、高周波信号生成回路（信号源）２４、および第１の制御部としての制御部２５を含んで構成されている。

送電コイル部２１は、第１の共振（共鳴）素子としての共振コイル２１１を有する。共振コイルは共鳴コイルとも呼ぶが、本実施形態においては共振コイルと呼ぶこととする。

共振コイル２１１は、空心コイルにより形成され、中継デバイス４０の共振コイル４１１あるいは受電デバイス３０の共振コイル３１１と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送する。

可変整合回路２２は、制御部２５により供給される制御信号Ｓ２５に応じて共振コイル２１１の給電点におけるインピーダンス整合機能を有し、電力を効率よく送電可能にインピーダンスを調整する。

方向性結合器２３は、電力伝送における通過および反射電力を検出する機能を有し、検出結果を信号Ｓ２３として制御部２５に供給する。
方向性結合器２３は、高周波信号生成回路２４で発生された高周波電力（ＡＣ電力）を可変整合回路２２側に供給する。

高周波信号生成回路２４は、ワイヤレス電力伝送のための高周波電力を発生する。
高周波信号生成回路２４で発生された高周波電力は、方向性結合器２３を通して可変整合回路２２に供給され、送電コイル部２１の共振コイル２１１に給電（印加）される。

制御部２５は、方向性結合器２３の検出結果を受けて、可変整合回路２２におけるインピーダンス整合により高効率な電力伝送が可能なように制御信号Ｓ２５を可変整合回路２２に出力する。
換言すれば、制御部２５は、共振コイル２１１が中継デバイス４０の共振コイル４１１あるいは受電デバイス３０の共振コイル３１１と自己共振周波数が一致し、磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送するように制御する。
制御部２５は、無線通信機能を含む無線通信部２５１を含み、受電デバイス３０側の制御部３６、並びに中継デバイス４０の制御部４３と無線通信により伝送効率に関する制御情報や通過反射電力の検出結果情報の授受が可能である。無線通信としては、たとえばブルートゥースやＲＦＩＤ等を採用可能である。
制御部２５は、たとえばマイクロコンピュータ（マイコン）により構成される。

受電デバイス３０は、受電コイル部３１、第１または第２の可変整合部としての可変整合回路３２、第１または第２の検出部としての方向性結合器３３を有する。
受電デバイス３０は、さらに整流回路３４、受電電力の供給対象である負荷３５、および第１または第２の制御部としての制御部３６を含んで構成されている。

受電コイル部３１は、第３の共振（共鳴）素子としての共振コイル３１１を有する。

共振コイル３１１は、空心コイルにより形成され、中継デバイス４０の共振コイル４１１あるいは送電デバイス２０の共振コイル２１１と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く受信する。

可変整合回路３２は、制御部３６により供給される制御信号Ｓ３６に応じて共振コイル３１１の負荷との接続部（負荷端）におけるインピーダンス整合機能を有し、電力を効率よく受電可能にインピーダンスを調整する。

方向性結合器３３は、受電した交流電力を受けて電力伝送における通過および反射電力を検出する機能を有し、検出結果を信号Ｓ３３として制御部３６に供給する。
通過反射電力検出回路３３は、受電した交流電力を整流回路３４に供給する。

整流回路３４は、受電した交流電力を整流して直流（ＤＣ）電力とし、図示しない電圧安定化回路で供給されるＤＣ電力を、供給先である電子機器の仕様に応じたＤＣ電圧に変換して、その安定化したＤＣ電圧を負荷３５である電子機器の処理系に供給する。

制御部３６は、方向性結合器３３の検出結果を受けて、可変整合回路３２におけるインピーダンス整合により高効率な電力伝送が可能なように制御信号Ｓ３６を可変整合回路３２に出力する。
換言すれば、制御部３６は、共振コイル３１１が中継デバイス４０の共振コイル４１１あるいは送電デバイス２０の共振コイル２１１と自己共振周波数が一致し、磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送するように制御する。
制御部３６は、無線通信機能を含む無線通信部３６１を含み、送電デバイス２０側のコ制御部２５（および中継デバイス側の制御部）と無線通信により制御情報や通過反射電力の検出結果情報の授受が可能である。
制御部３６は、たとえばマイクロコンピュータ（マイコン）により構成される。

中継デバイス４０は、送電デバイス２０が送電した電力を中継する機能を有する。
中継デバイス４０は、送受電コイル部４１、駆動部としてのモータ４２、および第２または第３の制御部としての制御部４３を含んで構成されている。

送受電コイル部４１は、第２の共振素子としての共振コイル４１１を有する。
共振コイル４１１と送電デバイス２０の共振コイル２１１とは、磁界共鳴関係をもって結合可能であり、共振コイル４１１は中間段の共振器として機能する。
同様に、共振コイル４１１と受電デバイス３０の共振コイル３１１とは、磁界共鳴関係をもって結合可能であり、共振コイル４１１は中間段の共振器として機能する。
共振コイル４１１は、空心コイルにより形成され、受電デバイス３０の共振コイル３１１と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送する。

モータ４２は、制御部４３による制御信号Ｓ４３に応じて共振コイル４１１を、コイル軸に直交する駆動軸ＤＡＸを中心に所定角度回転させる。
モータ４２は、共振コイル４１１の一方側コイル面４１１ａと送電デバイス２０の共振コイル２１１のコイル面２１１ａ、および他方側コイル面４１１ｂと受電デバイス３０の共振コイル３１１のコイル面３１１ａとの正対する角度を調整する。
換言すれば、モータ４２は、共振コイル４１１と、送電デバイス２０の共振コイル２１１と、受電デバイス３０の共振コイル３１とが同一軸上に配置されて伝送効率が最大となるように、共振コイル４１１を、駆動軸ＤＡＸを中心に回転させる。
モータ４２は、たとえばステッピングモータにより構成可能であり、駆動軸ＤＡＸを中心に正逆方向に回転可能である。

制御部４３は、無線通信機能を含む無線通信部４３１を含み、送電デバイス２０側の制御部２５および受電デバイス３０側の制御部３６と無線通信により伝送効率に関する制御情報や通過反射電力の検出結果情報の授受が可能である。
制御部４３は、制御部２５，３６の情報を受けて、送電デバイス２０の可変整合回路２２および受電デバイス３０の可変整合回路３２におけるインピーダンス整合により高効率な電力伝送が可能なように制御信号Ｓ４３を駆動部としてモータ４２に出力する。
換言すれば、制御部４３は、共振コイル４１１が送電デバイス２０の共振コイル２１１および受電デバイス３０の共振コイル３１１と自己共振周波数が一致し、磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送するように制御する。
制御部４３は、たとえばマイクロコンピュータ（マイコン）により構成される。

本第１の実施形態においては、図１に示すように、送電側と受電側の共振コイル２１１，３１１間に、同じ自己共振周波数を持った共振コイル４１１を同一直線上に配置されるように、共振コイル４１１を、駆動軸ＤＡＸを中心に回転制御している。
この構成においては、共振コイル２１１と共振コイル４１１が磁界結合し、共振コイル４１１と共振コイル３１１が磁界結合して電力を供給しているため、共振素子４１１が中継デバイス（レピータデバイス）４０として機能する。
本第１の実施形態においては、共振コイル４１１を、駆動軸ＤＡＸを中心に回転制御することにより、共振素子４１１を共振素子２１１、３１１の中間点に軸を合わせて配置した場合に効率は最大となる。

次に、上記構成による動作を説明する。
送電デバイス２０において、高周波信号生成回路（信号源）２４において、共振コイル２１１の自己共振周波数と同じ周波数の交流信号が生成され、この交流信号は共振コイル２１１に給電される。
そこで、反射することなく電力を供給するためには信号源と共振コイル２１１間で整合を取る必要がある。
方向性結合器２３で通過電力と反射電力を検出して制御部２５によってＬＣ可変整合回路２２を自動調整することで整合を取り効率良く電力を供給する。
受電デバイス３０側では、中継デバイス４０で中継された電力が受電されるが、共振コイル３１１と共振コイル２１１の自己共振周波数と同じで電力が整流回路３４を介して負荷３５に供給される。
そこで、反射することなく電力を供給するためには負荷３５と共振コイル３１１間で整合を取る必要がある。
方向性結合器３２で通過電力と反射電力を検出して制御部３６によってＬＣ可変整合回路３２を自動調整することで整合を取り効率良く電力を受電する。
そして、中継デバイス（レピータデバイス）４０では、レピータ素子である共振コイル４１１は、送電側共振コイル２１１および受電側共振コイル３１１と同じ共振周波数となっており、またそれぞれ同一軸上に配置されているときに最大効率になる。
そこで、中継デバイス４０において、制御部４３が送電デバイス２０の制御部２５と受電デバイス３０の制御部３６とで情報のやりとりをすることでモータ４２を制御し、角度を調整して効率良く電力を供給する。

このように、中継デバイス４０の共振コイル４１１を、送電デバイス２０の共振コイル２１１と受電デバイス３０の共振コイル３１１の中間点に軸を合わせて配置することにより、専用の測定器等が不要で、高い給電効率をもって給電することができる。
また、給電距離をのばすことが可能である。
その結果、通常の磁界共鳴方式の電力伝送能力を超えた給電距離を得られることが可能となる。

＜２．第２の実施形態＞
図２は、本発明の第２の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。

本第２の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ａが第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０と異なる点は、中継デバイス４０Ａの共振コイル４１１の軸調整機構を回転モータの代わりにポジショナ４２Ａを搭載したことにある。
ポジショナ４２Ａは、図２中に示す直交座標系のＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に共振コイル４１１の位置を移動させて調整可能である。

中継デバイス（レピータデバイス）４０Ａでは、レピータ素子である共振コイル４１１は、送電側共振コイル２１１および受電側共振コイル３１１と同じ共振周波数となっており、また共振コイル４１１が共振コイル２１１，３１１の中間点のとき最大効率になる。
そこで、中継デバイス４０Ａにおいて、制御部４３Ａが送電デバイス２０の制御部２５と受電デバイス３０の制御部３６とで情報のやりとりをすることでポジショナ４２Ａを制御し、位置を調整して効率良く電力を供給する。

＜３．第３の実施形態＞
図３は、本発明の第３の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。

本第３の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ｂが第１および第２の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０，１０Ａと異なる点は、中継デバイス４０Ｂの駆動部が第１および第２の実施形態モータとポジショナの機能を併せ持っていることにある。
すなわち、中継デバイス４０Ｂは、駆動部として、第１の実施形態の角度調整のためのモータ４２の機能と、第２の実施形態の位置調整のためのポジショナ４２Ａの機能を併せ持つモータおよびポジショナ４２Ｂを有する。

本第３の実施形態によれば、中継デバイス４０Ｂの共振コイル４１１の位置と角度を調整し効率良く給電する。

＜４．第４の実施形態＞
図４は、本発明の第４の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。

本第４の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ｃが第３の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ｂと異なる点は、中継デバイス４０Ｂの機能を送電デバイス２０Ｃに組み込んだ（一体化させた）ことにある。
この場合、モータおよびポジショナ４２Ｂの制御も含めて制御部２５Ｃで一括して制御する。

なお、同様に、中継デバイス（レピータデバイス）を受電デバイスと一体化させることも可能であり、また同様に送電デバイス、中継デバイス（レピータデバイス）、受電デバイスを全て一体化させることも可能である。

［応用例］
図５は、本発明の第４の実施形態に係るワイヤレス給電システムの応用例の等価ブロックを示す図である。

この場合、上述したように、送電デバイス２０Ｄはレピータ素子としての共振コイル４１１−１，４１１−２を含んだ構造となっており、たとえば給電デスクや給電マットとして使われる。
受電デバイス３０Ｄは、携帯電話やノート型パーソナルコンピュータ（パソコン）やマウスなど、電力を供給されて動作するものである。
受電デバイス３０Ｄの位置によってレピータ素子である共振コイル４１１−１，４１１−２の角度と位置を調整し最大効率で送電デバイスから受電デバイスへ電力が供給される。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態によれば、磁界共鳴型のワイヤレス給電システムにおいて、中継デバイス（レピータデバイス）を送電デバイスと受電デバイスの間に配置することで効率を改善することが可能であるが、ある特定の位置で最大効率をとる。
実際に中継デバイス（レピータデバイス）を配置する際、位置ずれや角度ずれが生じて効率が低下してしまう場合がある。
そこで、本実施形態においては、状況に応じて中継デバイス（レピータデバイス）の共振コイルを調整することで、効率の低下をなくし最大効率を維持させる。
このように、本実施形態によれば、専用の測定器等が不要で、高い給電効率をもって給電することができる。
また、給電距離をのばすことが可能である。
その結果、通常の磁界共鳴方式の電力伝送能力を超えた給電距離を得られることが可能となる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃ・・・ワイヤレス給電システム、２０，２０Ｃ・・・送電デバイス、２１・・・送電コイル部、２１１・・・共振コイル（第１の共振コイル）、２２・・・可変整合回路、２３・・・方向性結合器、２４・・・高周波信号生成回路、２５，２５Ｃ・・・制御部、３０・・・受電デバイス、３１・・・受電コイル部、３１１・・・共振コイル（第３の共振コイル）、３２・・・可変整合回路、３３・・・方向性結合器、３４・・・整流回路、２５・・・負荷、３６・・・制御部、４０，４０Ａ，４０Ｂ・・・中継デバイス（レピータ）、４１１，４１１−１，４１１−２・・・共振コイル（第２の共振コイル）、４２・・・モータ、４２Ａ・・・ポジショナ、４２Ｂ・・・モータおよびポジショナ、４３・・・制御部。

Claims (6)

1. 給電される電力を送電する送電デバイスと、
   上記送電デバイスの送電電力を中継する少なくとも一つの中継デバイスと、
   上記中継デバイスで中継された電力を受電する受電デバイスと、を有し、
   上記送電デバイスは、
   上記電力が給電され、当該電力を送電する第１の共振素子を含み、
   上記中継デバイスは、
   上記送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電して送電する第２の共振素子を含み、
   上記受電デバイスは、
   磁界共鳴関係をもって上記中継デバイスから送電された電力を受電する第３の共振素子を含み、
   上記中継デバイスは、
   上記送電デバイスおよび上記受電デバイスの少なくとも一方の電力伝送情報に応じて、上記第２の共振素子の配置角度および配置位置のうちの少なくとも一方を調整可能な駆動部を含む
   ワイヤレス給電システム。
2. 上記送電デバイスは、
   上記第１の共振素子に給電するための電力を生成する電力生成部と、
   制御信号に応じて上記第１の共振素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を有する可変整合部と、
   伝送電力の状態を検出する検出部と、
   上記検出部の検出結果を受けて、上記可変整合部におけるインピーダンス整合により電力伝送効率が高くなるように上記制御信号を上記可変整合部に出力する第１の制御部と、を含み、
   上記中継デバイスは、
   上記第１の制御部の電力伝送に関する制御情報を受けて、上記第２の共振素子の配置角度および配置位置のうちの少なくとも一方を調整するように上記駆動部を制御する第２の制御部を含む
   請求項１記載のワイヤレス給電システム。
3. 上記受電デバイスは、
   制御信号に応じて上記第２の共振素子の負荷との接続部におけるインピーダンス整合機能を有する可変整合部と、
   伝送電力の状態を検出する検出部と、
   上記検出部の検出結果を受けて、上記可変整合部におけるインピーダンス整合により電力伝送効率が高くなるように上記制御信号を上記可変整合部に出力する第１の制御部と、を含み、
   上記中継デバイスは、
   上記第１の制御部の電力伝送に関する制御情報を受けて、上記第２の共振素子の配置角度および配置位置のうちの少なくとも一方を調整するように上記駆動部を制御する第２の制御部を含む
   請求項１記載のワイヤレス給電システム。
4. 上記送電デバイスは、
   上記第１の共振素子に給電するための電力を生成する電力生成部と、
   制御信号に応じて上記第１の共振素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を有する第１の可変整合部と、
   伝送電力の状態を検出する第１の検出部と、
   上記第１の検出部の検出結果を受けて、上記可変整合部におけるインピーダンス整合により電力伝送効率が高くなるように上記制御信号を上記可変整合部に出力する第１の制御部と、を含み、
   上記受電デバイスは、
   制御信号に応じて上記第２の共振素子の負荷との接続部におけるインピーダンス整合機能を有する第２の可変整合部と、
   伝送電力の状態を検出する第２の検出部と、
   上記第２の検出部の検出結果を受けて、上記第２の可変整合部におけるインピーダンス整合により電力伝送効率が高くなるように上記制御信号を上記第２の可変整合部に出力する第２の制御部と、を含み、
   上記中継デバイスは、
   上記第１の制御部および上記第２の制御部のうち、少なくとも一方の制御部の電力伝送に関する制御情報を受けて、上記第２の共振素子の配置角度および配置位置のうちの少なくとも一方を調整するように上記駆動部を制御する第３の制御部を含む
   請求項１記載のワイヤレス給電システム。
5. 上記中継デバイスは、
   上記送電デバイスまたは上記受電デバイスに一体化されている
   請求項２から４のいずれか一に記載のワイヤレス給電システム。
6. 一体化されたデバイスの制御部は単一の制御部で構成されている
   請求項５記載のワイヤレス給電システム。

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