JP6027402B2 - 受電装置、送電装置、及び給電システム - Google Patents

受電装置、送電装置、及び給電システム Download PDF

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Description

本発明は、受電装置及び送電装置に関する。特に、磁界共鳴を利用して給電が行われる受電装置及び送電装置に関する。また、本発明は、当該送電装置及び当該受電装置を有する給電システムに関する。
電力供給源（以下、送電装置ともいう）と接触していない状態において、対象物（以下、受電装置ともいう）に対して給電を行う（非接触給電、ワイヤレス給電などともいう）方式として、磁界共鳴方式と呼ばれる方式が注目されている。磁界共鳴方式は、送電装置及び受電装置の双方に設けられる共鳴コイルを共振器結合させることでエネルギーの伝搬路を形成する方式であり、他の方式（電磁誘導方式、電界誘導方式など）と比較して給電可能距離が長い。例えば、非特許文献１では、磁界共鳴方式における伝送効率が対応する共鳴コイルの距離が１ｍであれば約９０％、２ｍであれば約４５％という値を示すことが開示されている。
また、受電装置と送電装置の間で通信を行うことが可能な給電システムの開発も進められている。例えば、特許文献１では、共鳴コイル（共鳴素子）及び受電（送電）用コイル（励振素子）の双方を用いて給電を行う機能、及び共鳴コイルのみを用いて通信を行う機能を有する受電装置（給電先）及び送電装置（給電元）が開示されている。具体的には、特許文献１で開示される受電装置及び送電装置では、共鳴コイルの一端及び他端並びに受電（送電）用コイルの一端及び他端にスイッチが設けられている。そして、切替制御部によって当該スイッチのスイッチングを制御することで、給電機能又は通信機能のいずれの機能を発揮させるかが選択されている。
特開２０１１−２９７９９号公報
Ａｎｄｒｅ Ｋｕｒｓ，ｅｔ ａｌ．，"Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｖｉａ Ｓｔｒｏｎｇｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ"Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．３１７，ｐｐ．８３−８６，２００７
特許文献１で開示される受電装置及び送電装置においては、給電が磁界共鳴方式によって行われ、且つ通信が電磁誘導方式によって行われている。なお、上述のように、両者の方式における受電装置と送電装置の間の最適距離は異なる。よって、特許文献１で開示される受電装置及び送電装置においては、給電と通信を疑似併行的（連続的）に行うことが困難である。例えば、受電装置の状況（受電装置のインピーダンスなど）に応じて送電装置における給電条件を設定することなどが困難である。
さらに、受電装置と送電装置の間における給電効率の向上のためには、共鳴コイルを含む回路のＱ値が高いことが好ましい。例えば、当該回路は、共鳴コイルと、当該共鳴コイルの浮遊容量とのみによって構成されていることが好ましい。ここで、特許文献１で開示される受電装置及び送電装置においては、共鳴コイルの一端及び他端にスイッチが設けられている。この場合、当該スイッチの存在に起因して共鳴コイルを含む回路のＱ値が低下することになる。すなわち、特許文献１で開示される受電装置及び送電装置においては、給電効率が低下することになる。
上述の点に鑑み、本発明の一態様は、新規な受電装置又は送電装置を供給することを目的の一とする。また、本発明の一態様は、給電及び通信を疑似併行的に行うことが可能な受電装置又は送電装置を供給することを目的の一とする。また、本発明の一態様は、給電可能距離が長く且つ給電効率の高い受電装置又は送電装置を供給することを目的の一とする。なお、本発明の一態様は、上述した目的の少なくとも一を達成することを課題とする。
本発明の一態様では、磁界共鳴方式を利用して給電及び通信を行う。具体的には、本発明の一態様は、共鳴コイルに誘起される高周波電圧に応じた高周波電圧を生成して給電を行い、且つ当該共鳴コイルに誘起される高周波電圧の振幅を変調することで通信を行う。
例えば、本発明の一態様は、振幅変調された高周波電圧が磁界共鳴によって誘起される共鳴コイルと、共鳴コイルに誘起される高周波電圧に応じた高周波電圧を生成する第１の手段と、第１の手段によって生成された高周波電圧を用いて給電が行われる負荷と、第１の手段によって生成された振幅変調された高周波電圧から信号を復調する復調回路と、第１の手段によって生成された高周波電圧の振幅を変調させる第２の手段と、を有し、第２の手段を用いて信号に対する応答を行う受電装置である。
なお、当該第１の手段として、共鳴コイルとの電磁誘導によって高周波電圧が誘起される第１のコイルを適用し、且つ、当該第２の手段として、一端と他端間の抵抗値が変化可能な第２のコイルを適用することが可能である。
また、当該第１の手段として、共鳴コイルとの電磁誘導によって高周波電圧が誘起される共通コイルを適用し、且つ、当該第２の手段として、一端と他端間の抵抗値が変化可能な当該共通コイルを適用することが可能である。
本発明の一態様では、磁界共鳴方式を利用して給電及び通信を行う。そのため、通信と、当該通信によって得られた情報に基づく給電とを疑似併行的に行うことが可能である。また、本発明の一態様では、磁界共鳴によって高周波電圧が誘起される共鳴コイルと接する構成要素を設けることなく給電及び通信を行うことが可能である。そのため、給電可能距離が長く且つ給電効率の高い給電を行うことが可能である。
給電システムの構成例を示す図。 （Ａ）、（Ｂ）受電装置の具体例を示す図、（Ｃ）可変抵抗手段の具体例を示す図。 （Ａ）、（Ｂ）受電装置の具体例を示す図。 給電システムの構成例を示す図。 （Ａ）、（Ｂ）送電装置の具体例を示す図。 （Ａ）、（Ｂ）給電システムの適用例を示す図。
以下では、本発明の一態様について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態を様々に変更し得る。したがって、本発明は以下に示す記載内容に限定して解釈されるものではない。
＜実施の形態１＞
本実施の形態では、本発明の一態様に係る受電装置の一例について図１〜３を参照して説明する。
（受電装置の構成例）
図１は、本発明の一態様の給電システムの構成例を示す図である。図１に示す給電システムは、送電装置１と、受電装置２とを有する。受電装置２は、振幅変調された高周波電圧が送電装置１との磁界共鳴（送電装置１が有する共振器との共振器結合）によって誘起される共鳴コイル２０と、共鳴コイル２０に誘起される高周波電圧に応じた高周波電圧を生成する手段２１と、手段２１によって生成された高周波電圧を用いて給電が行われる負荷２２と、手段２１によって生成された高周波電圧（振幅変調波）から信号を復調する復調回路２３と、共鳴コイル２０に誘起される高周波電圧の振幅を変化させる手段２４とを有する。なお、図１に示す給電システムにおいて、共鳴コイル２０に誘起される高周波電圧は、必ずしも振幅変調されていなくてもよい。すなわち、送電装置１と受電装置２の間で通信を行う場合に適宜共鳴コイル２０に振幅変調された高周波電圧が誘起される構成とすればよく、両者間で給電のみが行われる場合などにおいては当該振幅変調を行う必要はない。また、共鳴コイル２０には、共鳴コイル２０を構成する配線間の浮遊容量２５が存在している。
そして、受電装置２は、手段２４を用いて信号に対する応答を行う。具体的には、手段２４によって共鳴コイル２０に誘起される高周波電圧の振幅を変化させることで受電装置２に受電される電力を変化させることができる。これに伴い、送電装置１が送信する高周波信号の反射波が変化することになる。そして、送電装置１が当該反射波を検出することで、受電装置２の応答を送電装置１において認識することができる。
なお、図１に示すように、共鳴コイル２０は、他の構成要素と直接接続されていない構成とすることが好ましい。共鳴コイル２０に他の構成要素を直接接続すると、共鳴コイル２０の直列抵抗及びキャパシタンスが大きくなる。この場合、共鳴コイル２０と他の構成要素を含む回路のＱ値が、共鳴コイル２０のみによって構成される回路のＱ値よりも低くなる。その結果、共鳴コイル２０が他の構成要素と直接接続されている構成では、共鳴コイル２０が他の構成要素と直接接続されていない構成と比較して、給電効率が低下することになる。
また、手段２１として、共鳴コイル２０との電磁誘導（共鳴コイル２０との磁界結合）によって高周波電圧が誘起されるコイルなどを適用することが可能である。
また、負荷２２の内部構成は、特定の構成に限定されない。例えば、負荷２２が、ＡＣＤＣコンバータ、ＤＣＤＣコンバータ、バッテリなどを有する構成とすることが可能である。特に、負荷２２が、手段２１によって生成された高周波電圧を基に充電が行われるバッテリを有する構成とすることが好ましい。磁界共鳴を利用する場合、中長距離においても高効率な電力供給を行うことが可能であるからである。また、負荷２２が、コントローラによってインピーダンスが制御される整合回路を有する構成とすることも可能である。コントローラによって負荷２２のインピーダンスを制御することで、外部の送電装置と当該受電装置の距離が最適距離から近接する場合における電力の伝送効率を改善することなどが可能となる。
また、復調回路２３の構成としては、振幅変調によって高周波電圧に重畳された信号を判別し、デジタル信号として出力することが可能な回路であれば、どのような回路を適用してもよい。
また、手段２１として共鳴コイル２０との電磁誘導によって高周波電圧が誘起されるコイル（第１のコイル）を適用する場合には、手段２４として、共鳴コイル２０と当該第１のコイルの磁界結合を弱める手段を適用することなどが可能である。例えば、手段２４として、当該第１のコイルと別途設けられ、且つ一端と他端間の抵抗値が可変なコイル（第２のコイル）を適用することなどが可能である。
なお、当該第１のコイル及び当該第２のコイルを単一のコイルに置換することも可能である。すなわち、共鳴コイル２０との電磁誘導によって高周波電圧が誘起されるコイル（共通コイル）の一端と他端間の抵抗値を変化させることで、共鳴コイル２０と当該共通コイルの磁界結合を直接的に弱めることも可能である。この場合、コイルを別途設ける必要がない点で好ましい。他方、当該第１のコイル及び当該第２のコイルを設ける場合には、給電と応答を併行して行うことができる点で好ましい。
本実施の形態に係る受電装置では、磁界共鳴方式を利用して受電及び応答を行う。そのため、送電装置１における給電条件（高周波電圧の周波数など）の選択に資する情報（給電の要否、負荷２２のインピーダンスなど）の応答と、当該応答によって得られた情報に基づく受電とを疑似併行的に行うことが可能である。また、本実施の形態に係る受電装置では、磁界共鳴によって高周波電圧が誘起される共鳴コイル２０と直接接続する構成要素を設けることなく受電及び応答を行うことが可能である。そのため、受電可能距離が長く且つ受電効率の高い受電を行うことが可能である。
（受電装置の具体例１）
図２（Ａ）は、上述した受電装置２の具体例を示す図である。図２（Ａ）に示す受電装置２は、共鳴コイル２０と、共鳴コイル２０との電磁誘導によって高周波電圧が誘起される、コイル２１０（受電用コイル）及びコイル２４０（通信用コイル）と、一端がコイル２１０の一端に電気的に接続され、他端がコイル２１０の他端に電気的に接続されている負荷２２と、一端がコイル２４０の一端に電気的に接続され、他端がコイル２４０の他端に電気的に接続されている可変抵抗手段２４１と、コイル２４０に誘起される高周波電圧（振幅変調波）から信号（復調信号）を復調する復調回路２３と、当該復調信号に対する信号（応答信号）を生成するコントローラ２６とを有する。なお、図２（Ａ）においては、復調回路２３がコイル２４０に誘起される高周波電圧（振幅変調波）から信号を復調する構成について示したが、復調回路２３がコイル２１０に誘起される高周波電圧（振幅変調波）から信号を復調する構成とすることも可能である（図２（Ｂ）参照）。
そして、図２（Ａ）に示す受電装置２においては、当該応答信号に応じて可変抵抗手段２４１の抵抗値を変化させることで、コイル２４０の一端と他端間の抵抗値を変化させる。具体的には、図２（Ｃ）に示すように、コイル２４０の一端と他端の間に抵抗及びスイッチを直列に接続し、当該スイッチのスイッチングが当該応答信号に応じて制御される構成などとすればよい。
（受電装置の具体例２）
図３（Ａ）は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す受電装置２とは異なる受電装置２の具体例を示す図である。図３（Ａ）に示す受電装置２は、共鳴コイル２０と、共鳴コイル２０との電磁誘導によって高周波電圧が誘起されるコイル２７（受電／通信用コイル）と、負荷２２と、可変抵抗手段２４１と、復調回路２３と、受電又は応答のいずれを行うかを選択する切り替え信号、及び応答信号を生成するコントローラ２６と、コイル２７を負荷２２又は可変抵抗手段２４１及び復調回路２３のいずれに電気的に接続させるかを当該切り替え信号に応じて選択する切り替え手段２８とを有する。端的に述べると、図３（Ａ）に示す受電装置２は、図２（Ａ）に示す受電装置２におけるコイル２１０及びコイル２４０を単一のコイル２７に置換し、且つ切り替え手段２８を新たに設けた構成である。なお、図３（Ａ）においては、復調回路２３が可変抵抗手段２４１と並列に接続される構成について示したが、復調回路２３が負荷２２に並列に接続される構成とすることも可能である（図３（Ｂ）参照）。
そして、図３（Ａ）に示す受電装置２においては、コイル２７が可変抵抗手段２４１に電気的に接続されている状態において、当該応答信号に応じて可変抵抗手段２４１の抵抗値を変化させることで、コイル２７の一端と他端間の抵抗値を変化させる。
＜実施の形態２＞
本実施の形態では、本発明の一態様に係る送電装置の一例について図４、５を参照して説明する。
（送電装置の構成例）
図４は、本発明の一態様の給電システムの構成例を示す図である。図４に示す給電システムは、送電装置１と、受電装置２とを有する。送電装置１は、磁界共鳴（受電装置２が有する共振器との共振器結合）によって受電装置２が有する共振器（共鳴コイル）に高周波電圧を誘起する共鳴コイル１０と、共鳴コイル１０に高周波電圧を誘起する手段１１と、共鳴コイル１０に誘起される高周波電圧の振幅を変化させる手段１２と、共鳴コイル１０で誘起される高周波電圧から反射波成分を検出する手段１３とを有する。なお、共鳴コイル１０には、共鳴コイル１０を構成する配線間の浮遊容量１４が存在している。
なお、図４に示すように、共鳴コイル１０は、実施の形態１で述べた理由と同じ理由から、他の構成要素と直接接続されていない構成とすることが好ましい。
また、手段１１として、コイルに高周波電圧を印加することで電磁誘導（共鳴コイル１０との磁界結合）によって共鳴コイル１０に高周波電圧を誘起する手段などを適用することが可能である。
また、手段１１としてコイル（第１のコイル）との電磁誘導によって共鳴コイル１０に高周波電圧を誘起する手段を適用する場合には、手段１２として、共鳴コイル１０と当該第１のコイルの磁界結合を弱める手段を適用することなどが可能である。例えば、手段１２として、当該第１のコイルと別途にコイル（第２のコイル）を設け、当該第２のコイルの一端と他端間の抵抗値を変化する手段を適用することなどが可能である。
本実施の形態に係る送電装置では、磁界共鳴方式を利用して給電及び通信を行う。そのため、通信と、当該通信によって得られた情報に基づく給電とを疑似併行的に行うことが可能である。また、本実施の形態に係る送電装置では、磁界共鳴によって高周波電圧が誘起される共鳴コイル１０と直接接続する構成要素を設けることなく給電及び通信を行うことが可能である。そのため、給電可能距離が長く且つ給電効率の高い給電を行うことが可能である。
（送電装置の具体例）
図５（Ａ）は、上述した送電装置１の具体例を示す図である。図５（Ａ）に示す送電装置１は、共鳴コイル１０と、電磁誘導によって共鳴コイル１０に高周波電圧を誘起するコイル１１０（送電用コイル）と、コイル１１０に高周波電圧を印加する高周波電源１１１と、共鳴コイル１０との電磁誘導によって高周波電圧が誘起されるコイル１５（通信用コイル）と、一端がコイル１５の一端に電気的に接続され、他端がコイル１５の他端に電気的に接続されている可変抵抗手段１２０と、コイル１５に誘起される高周波電圧から信号（復調信号）を復調する復調回路１３０と、当該復調信号が入力され、且つ高周波電源１１１及び可変抵抗手段１２０の動作を制御するコントローラ１６とを有する。なお、図５（Ａ）においては、復調回路１３０が可変抵抗手段１２０と並列に接続される構成について示したが、復調回路１３０が高周波電源１１１に並列に接続される構成とすることも可能である（図５（Ｂ）参照）。
なお、本実施の形態に係る送電装置と、実施の形態１に係る受電装置とを組み合わせて給電システムを構成することもできる。
本実施例では、上述の給電システムを適用できる用途について説明する。なお、本発明の一態様に係る給電システムを適用できる用途としては、携帯型の電子機器である、デジタルビデオカメラ、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機又は電子書籍等）、記録媒体を備えた画像再生装置（具体的にはＤｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ（ＤＶＤ）再生装置）などが挙げられる。また、電力を基に動力を得る電気自動車等の電気推進移動体が挙げられる。以下、一例について図６を参照して説明する。
図６（Ａ）は、携帯電話及び携帯情報端末を給電システムの用途とする一例であり、送電装置７０１、受電装置７０３Ａを有する携帯電話７０２Ａ、受電装置７０３Ｂを有する携帯電話７０２Ｂによって構成されている。上述した給電システムは、送電装置７０１と受電装置７０３Ａ及び受電装置７０３Ｂの間で適用することができる。
図６（Ｂ）は、電気推進移動体である電気自動車を給電システムの用途とする一例であり、送電装置７１１と、受電装置７１３を有する電気自動車７１２とによって構成されている。上述した給電システムは、送電装置７１１と受電装置７１３の間で適用することができる。
１ 送電装置
２ 受電装置
１０ 共鳴コイル
１１ 手段
１２ 手段
１３ 手段
１４ 浮遊容量
１５ コイル
１６ コントローラ
２０ 共鳴コイル
２１ 手段
２２ 負荷
２３ 復調回路
２４ 手段
２５ 浮遊容量
２６ コントローラ
２７ コイル
２８ 切り替え手段
１１０ コイル
１１１ 高周波電源
１２０ 可変抵抗手段
１３０ 復調回路
２１０ コイル
２４０ コイル
２４１ 可変抵抗手段
７０１ 送電装置
７０２Ａ 携帯電話
７０２Ｂ 携帯電話
７０３Ａ 受電装置
７０３Ｂ 受電装置
７１１ 送電装置
７１２ 電気自動車
７１３ 受電装置

Claims (3)

  1. 振幅変調された高周波電圧が磁界共鳴によって誘起される共鳴コイルと、
    前記共鳴コイルとの電磁誘導によって高周波電圧が誘起される、受電用コイル及び通信用コイルと、
    一端が前記受電用コイルの一端に電気的に接続され、他端が前記受電用コイルの他端に電気的に接続されている負荷と、
    一端が前記通信用コイルの一端に電気的に接続され、他端が前記通信用コイルの他端に電気的に接続されている可変抵抗手段と、
    前記受電用コイル又は前記通信用コイルに誘起される高周波電圧から信号を復調する復調回路と、
    前記信号に対する応答信号を生成する受電用コントローラと、を有し、
    前記応答信号に応じて前記可変抵抗手段が前記通信用コイルの一端と他端間の抵抗値を変化させる受電装置。
  2. 共鳴コイルと、
    電磁誘導によって前記共鳴コイルに高周波電圧を誘起する送電用コイルと、
    前記送電用コイルに高周波電圧を印加する高周波電源と、
    前記共鳴コイルとの電磁誘導によって高周波電圧が誘起される通信用コイルと、
    一端が前記通信用コイルの一端に電気的に接続され、他端が前記通信用コイルの他端に電気的に接続されている可変抵抗手段と、
    前記送電用コイル又は前記通信用コイルに電気的に接続されている復調回路と、
    前記高周波電源及び前記可変抵抗手段の動作を制御するコントローラと、を有する送電装置。
  3. 請求項１に記載の受電装置と、
    請求項２に記載の送電装置と、を有する給電システム。
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