JP5656698B2 - ワイヤレス電力送信機、無線タグおよびワイヤレス給電システム - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。

近年、携帯電話端末やノート型コンピュータなどの電子機器、あるいは電気自動車に対する給電技術として、ワイヤレス（非接触）電力伝送が着目されている。ワイヤレス電力伝送は、主に電磁誘導型、電波受信型、電場・磁場共鳴型、の３つに分類される。

電磁誘導型は短距離（数ｃｍ以内）において利用され、数百ｋＨｚ以下の帯域で数百Ｗの電力を伝送することができ、その電力の利用効率は６０〜９８％程度となっている。数ｍ以上の比較的長い距離に給電する場合、電波受信型が利用される。電波受信型では、中波〜マイクロ波の帯域で数Ｗ以下の電力を伝送することができるが、電力の利用効率は低い。数ｍ程度の中距離を、比較的高い効率で給電する手法として、電場・磁場共鳴型が着目されている（非特許文献１参照）。

A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic、「Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer」、ANNALS of PHYSICS Vol. 323, pp.34-48, 2008, Jan.

電子機器、とりわけ心臓ペースメーカをはじめとする医療機器に対する電磁波の曝露は、ワイヤレス給電システムにおいて配慮すべき大きな課題である。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、特定の電子機器に対する電磁波の曝露を抑制可能なワイヤレス電力送信機の提供にある。

本発明のある態様は、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス電力送信機に関する。ワイヤレス電力送信機は、電力信号を送信するワイヤレス給電部と、ワイヤレス電力送信機の周囲に無線タグが存在するか否かを検出する検出部と、検出部による検出結果に応じて、ワイヤレス給電部による給電状態を切りかえる制御部と、を備える。

この態様によると、無線タグを電力信号の曝露を忌避すべきデバイスに内蔵もしくは付随させることにより、ワイヤレス電力送信機にデバイスが近接した場合に、デバイスに影響を及ぼさないように給電状態（給電モード）を切りかえることにより、デバイスに悪影響を及ぼすのを抑制できる。

制御部は、無線タグが検出されたとき、電力信号の強度を弱めてもよい。制御部は、無線タグが存在する方向に対する電力信号の強度を弱めてもよい。
「強度を弱める」ことには、強度をゼロとすることも含まれる。
電力信号の強度を、デバイスに悪影響を及ぼすレベルより低くすることで、デバイスを保護できる。

電力信号の変更後の強度は、無線タグが発信する通知信号にもとづいて設定されてもよい。無線タグが、それに付随するデバイスに許容される電力強度を示す信号を送信することにより、その電力強度より低い強度で、ワイヤレス電力受信機に給電できる。

制御部は、無線タグが検出されたとき、電力信号の周波数を切りかえてもよい。デバイスが、特定の周波数の電力信号の影響を受ける場合には、電力信号を、その周波数以外の周波数とすることにより、電力受信機に電力供給しつつ、デバイスを保護できる。

電力信号の変更後の周波数は、無線タグが発信する通知信号にもとづいて設定されてもよい。
無線タグに、デバイスに印加すべきでない周波数、あるいは印加しても悪影響が無い周波数を示す信号を発信させることにより、デバイスを保護できる。

本発明の別の態様は、ワイヤレス給電システムである。このワイヤレス給電システムは、上述のいずれかの態様のワイヤレス電力送信機と、ワイヤレス電力送信機からの電力信号を受信するワイヤレス電力受信機と、を備える。

本発明のさらに別の態様は、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を生成する装置に、電力信号を忌避するデバイスの存在を知らせる無線タグに関する。この無線タグは、無線タグを中心とする所定の範囲に、当該無線タグの存在を示すワイヤレスの通知信号を発生する信号生成部を備える。

通知信号は、デバイスに対する曝露が許容または禁止される電力信号の大きさを示すデータを含んでもよい。通知信号は、デバイスに対する曝露が許容もしくは禁止される電力信号の周波数を示すデータを含んでもよい。無線タグは、デバイスに内蔵されてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、電子機器に対する電磁波の曝露を抑制可能なワイヤレス電力送信機が提供できる。

実施の形態に係るワイヤレス給電システムを示す図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、第１の制御方法を模式的に示す図である。 第２の制御方法を模式的に示す図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、電力信号が供給されるサービスエリアの指向性を制御可能な電力送信機の構成例の一部を示す図である。 電力信号が供給されるサービスエリアの指向性を制御可能な電力送信機の別の構成例を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係るワイヤレス給電システムを示す図である。ワイヤレス給電システム２は、ワイヤレス給電装置（電力送信機）４およびワイヤレス受電装置（電力受信機）６および無線タグ８を備える。

電力送信機４は、電力受信機６に対して電力信号Ｓ１を供給する。ワイヤレス給電システム２では、電力信号Ｓ１として電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。電力送信機４は、ワイヤレス給電部１２、検出部１４、制御部１６を備える。

ワイヤレス給電部１２は、送信コイルＬ１、共振用キャパシタＣ１および交流電源１０を備える。交流電源１０は、送信周波数ｆ_１を有する電気信号Ｓ２を発生する。共振用キャパシタＣ１および送信コイルＬ１は共振回路を構成しており、その共振周波数は、電気信号Ｓ２の周波数にチューニングされている。送信コイルＬ１からは、電気信号Ｓ２に応じた電力信号Ｓ１が送出される。

電力受信機６は、携帯電話端末、ノート型ＰＣ、デジタルカメラをはじめとするさまざまな電子機器に搭載される。電力受信機６は、受信コイルＬ２、共振用キャパシタＣ２および負荷回路２０を備える。共振用キャパシタＣ２、受信コイルＬ２および負荷回路２０は共振回路を構成しており、その共振周波数は、電力信号Ｓ１の周波数にチューニングされる。負荷回路２０は、電力信号Ｓ１を受けて動作する。

無線タグ８は、電力送信機４が発生する電気信号Ｓ２の曝露を忌避すべきデバイス９に付随しており、あるいはデバイス９に内蔵される。デバイス９としては、心臓ペースメーカなどの医療機器が例示されるが、特に限定されない。無線タグ８は、心臓ペースメーカが埋め込まれる人間７が、アクセサリとして所持してもよい。なお人間７は、電力受信機６のユーザであってもよいし、そうでなくてもよい。

無線タグ８は、信号生成部３０およびメモリ３２を備える。信号生成部３０は、少なくとも無線タグ８の存在、言い換えればデバイス９の存在を周囲に通知する通知信号Ｓ３を生成する。通知信号Ｓ３は、デバイス９に許容される電力の強度を示す強度データＤ１を含んでもよい。また通知信号Ｓ３は、デバイス９に対する曝露が禁止あるいは許可される電力信号Ｓ１の周波数を示す周波数データＤ２を含んでもよい。通知信号Ｓ３はその他のデバイス９に関する情報を示すデータを含んでもよい。強度データＤ１、周波数データＤ２等は、デバイス９の種類や特性に応じて、デバイス９ごとにメモリ３２に予め書き込まれている。

電力送信機４の検出部１４は、電力送信機４の周囲に無線タグ８が存在するか否かを検出する。制御部１６は、検出部１４による検出結果に応じて、ワイヤレス給電部１２による給電状態を切りかえる。

以上がワイヤレス給電システム２の構成である。続いてその動作を説明する。
電力送信機４は、その周囲に無線タグ８の存在が確認されないとき、電力信号Ｓ１を発生し、電力受信機６に対して電力供給する。そこに無線タグ８を有する人間７が近接すると、検出部１４によって通知信号Ｓ３が検出され、給電状態がデバイス９に悪影響を及ぼさないようなモードへと切りかえられる。これにより、デバイス９が電力送信機４の給電エリアに含まれないときには、効率的に電力受信機６に電力供給でき、デバイス９が給電エリアに含まれるときには、デバイス９に悪影響を及ぼすのを防止できる。

具体的な給電状態（モード）の切りかえ制御方法として、以下のものが例示される。
１．第１の制御方法
制御部１６は、無線タグ８が検出されたとき、電力信号Ｓ１の強度を弱める。「強度を弱める」ことは、強度をゼロとすることも含む。電力信号Ｓ１の強度を、デバイス９に悪影響を及ぼすレベルより低くすることで、デバイス９を保護できる。電力信号Ｓ１の強度の変更は、（i）電気信号Ｓ２の振幅の変更や、（ii）電気信号Ｓ２の周波数を、共振用キャパシタＣ１と送信コイルＬ１の共振周波数からデチューニングすること、（iii）共振周波数を、電気信号Ｓ２の周波数からデチューニングすること、などによって実現できる。

図２（ａ）、（ｂ）は、第１の制御方法を模式的に示す図である。ワイヤレス給電システム２は、複数の電力送信機４ａ、４ｂを有する。電力送信機４ａ、４ｂが発生する電力信号Ｓ１の範囲（サービスエリア）には、符号Ｓ１ａ、Ｓ１ｂを付す。また、無線タグ８が発生する通知信号Ｓ３の到達範囲には符号Ｓ３を付す。保護すべきデバイス９の周辺には、電力信号Ｓ１を印加すべきでない範囲（保護範囲４０）が存在する。図２（ａ）では、電力送信機４ａ、４ｂのサービスエリアＳ１ａ、Ｓ１ｂと保護範囲４０がオーバーラップしていないため、電力送信機４ａ、４ｂは通常の電力供給を行う。

図２（ｂ）では、無線タグ８が電力送信機４ａに近接している。そこで電力送信機４ａは、電力信号の範囲Ｓ１ａが保護範囲４０とオーバーラップしないように、電力信号Ｓ１ａの強度を弱め、その範囲を狭くする。

通知信号Ｓ３が強度データＤ１を含む場合、制御部１６は、強度データＤ１が示す許容強度を超えないように、電力信号Ｓ１の強度を低下させてもよい。この場合、許容される範囲内でなるべく大きな電力を電力受信機６に供給できる。

２．第２の制御方法
検出部１４が無線タグ８の存在する方向を特定可能に構成される場合、制御部１６は、無線タグ８が存在する方向に対する電力信号Ｓ１の強度を弱めてもよい。

図３は、第２の制御方法を模式的に示す図である。電力送信機４ａは、通知信号Ｓ３を検出すると、無線タグ８の方向を特定し、無線タグ８が存在する方向に対する電力信号Ｓ１の強度を弱める。これにより、無線タグ８側の給電範囲Ｓ１ａが狭くなり、デバイス９を好適に保護できるとともに、無線タグ８とは反対側の領域に電力受信機６が存在した場合には、それに対しては無線タグ８の影響を受けずに給電できる。

図４（ａ）、（ｂ）は、電力信号Ｓ１が供給されるサービスエリアの指向性を制御可能な電力送信機４の構成例の一部を示す図である。送信コイルＬ１は、磁性シート（磁性フィルム）４２上に形成される。磁性シート４２による磁気バイパスよって、送信コイルＬ１が発生する電力信号Ｓ１の範囲は、磁性シート４２の表面側に制限される。図４（ａ）の電力送信機４において、送信コイルＬ１および磁性シート４２の向きを制御することにより、電力信号Ｓ１の指向性、すなわちサービスエリアを制御できる。

磁性シート４２および送信コイルＬ１は、変形可能に構成してもよい。図４（ｂ）は、図４（ａ）の送信コイルＬ１および磁性シート４２を、中央付近で９０度に折り曲げた状態を示す。この場合、折り曲げる位置、折り曲げる角度を調節することにより、サービスエリアＳ１を柔軟に制御できる。

デバイス９が、特定の周波数の電力信号Ｓ１の影響を受ける場合がある。この場合、制御部１６は、デバイス９に影響を及ぼす周波数の電力信号Ｓ１についてのみ減力、停止し、その他の周波数の電力信号Ｓ１については、減力、停止しなくてもよい。

図５は、電力信号Ｓ１が供給されるサービスエリアの指向性を制御可能なワイヤレス給電システム２の別の構成例を示す図である。ワイヤレス給電システム２は、ワイヤレス給電部１２の送信コイルＬ１に加えて、複数の中継アンテナ５０を備える。各中継アンテナ５０は、中継コイルＬ３および共振用キャパシタＣ３を有する。各中継アンテナ５０の共振周波数は、調節可能となっている。

中継アンテナ５０ａ、５０ｂの共振周波数が、ワイヤレス給電部１２の送信周波数と一致しているとき、ワイヤレス給電部１２が発生した電力信号Ｓ１は、中継アンテナ５０ａ、５０ｂを経由して伝搬するため、サービスエリアは、破線Ｓ１ｃで示すように広くなる。一方、中継アンテナ５０ａ、５０ｂの共振周波数が、ワイヤレス給電部１２の送信周波数と一致しない場合、電力信号Ｓ１は中継アンテナ５０によって中継されないため、サービスエリアは一点鎖線Ｓ１ｄで示すように狭くなる。このように中継アンテナ５０を有するワイヤレス給電システム２においては、中継アンテナ５０の共振周波数を制御することにより、サービスエリアを制御できる。

３．第３の制御方法
制御部１６は、無線タグ８が検出されたとき、電力信号Ｓ１の周波数を切りかえる。デバイス９が、特定の周波数の電力信号Ｓ１の影響を受ける場合がある。この場合、電力信号Ｓ１を、その周波数以外の周波数とすることにより、電力送信機４に対する給電を行いつつも、デバイス９を保護できる。

通知信号Ｓ３が周波数データＤ２を含む場合、制御部１６は、周波数データＤ２が示す周波数にもとづき、変更後の周波数を設定してもよい。デバイス９ごとに曝露が許容される周波数が異なる場合に有効である。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

通知信号Ｓ３が含みうるデータは、強度データＤ１や周波数データＤ２には限定されず、その他のデータを含んでもよい。また第１〜第３の制御方法は任意に組み合わせてもよい。さらに実施の形態に係る無線タグ８は、電力送信機４に対してのみでなく、その他の電磁波を発生する機器、たとえば盗難防止ゲートなどに対して、デバイス９の近接を通知する用途に利用することができる。

実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

２…ワイヤレス給電システム、４…電力送信機、６…電力受信機、８…無線タグ、９…デバイス、１０…交流電源、１２…ワイヤレス給電部、１４…検出部、１６…制御部、２０…負荷回路、２２…共振回路、３０…信号生成部、３２…メモリ、Ｌ１…送信コイル、Ｌ２…受信コイル、Ｃ１，Ｃ２…共振用キャパシタ、Ｓ１…電力信号、Ｓ２…電気信号、Ｓ３…通知信号、Ｄ１…強度データ、Ｄ２…周波数データ、４０…保護範囲、４２…磁性シート、５０…中継アンテナ、Ｌ３…中継コイル。

Claims (9)

1. 電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス電力送信機であって、
   前記電力信号を送信するワイヤレス給電部と、
   前記ワイヤレス電力送信機の周囲に無線タグが存在するか否かを検出する検出部と、
   前記検出部による検出結果に応じて、前記ワイヤレス給電部による給電状態を切りかえる制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記無線タグが検出されたとき、前記電力信号の周波数を切りかえることを特徴とするワイヤレス電力送信機。
2. 前記制御部は、前記無線タグが検出されたとき、前記電力信号の強度を弱めることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス電力送信機。
3. 前記制御部は、前記無線タグが存在する方向に対する前記電力信号の強度を弱めることを特徴とする請求項２に記載のワイヤレス電力送信機。
4. 前記電力信号の変更後の強度は、前記無線タグが発信する通知信号にもとづいて設定されることを特徴とする請求項２または３に記載のワイヤレス電力送信機。
5. 前記電力信号の変更後の周波数は、前記無線タグが発信する通知信号にもとづいて設定されることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス電力送信機。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のワイヤレス電力送信機と、
   前記ワイヤレス電力送信機からの前記電力信号を受信するワイヤレス電力受信機と、
   を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。
7. 電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を生成する装置に、前記電力信号を忌避するデバイスの存在を知らせる無線タグであって、
   前記無線タグを中心とする所定の範囲に、当該無線タグの存在を示すワイヤレスの通知信号を発生する信号生成部を備え、
   前記通知信号は、前記デバイスに対する曝露が許容もしくは禁止される前記電力信号の周波数を示すデータを含むことを特徴とする無線タグ。
8. 前記通知信号は、前記デバイスに対する曝露が許容または禁止される前記電力信号の大きさを示すデータを含むことを特徴とする請求項７に記載の無線タグ。
9. 前記デバイスに内蔵されることを特徴とする請求項７または８に記載の無線タグ。

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