JP6358325B2 - ワイヤレス給電システムおよびワイヤレス給電方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス給電システムおよびワイヤレス給電方法に関する。

近年、無線で電力を供給する技術が注目されている。数Ｗ以上の電力を数ｃｍ〜数十ｃｍ離れた場所に伝送する方法としては、送受電装置にコイルを適用した磁界結合方式が一般的である。特に、複数の受電器に対する電力伝送や、３次元的な姿勢をとる受電器に対する電力伝送を可能にする技術として、磁界共鳴(共振)を利用した電力伝送に対する期待が高まっている（例えば、非特許文献１参照）。

３次元的な様々な姿勢に対応する磁界共鳴式無線給電システムとして、被験者の体内のカプセル内視鏡に対する無線給電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この無線給電システムは、受電器の配置状態に係る情報を検出する検出部と、送電器から放射される磁界に係る磁界データを記憶する磁界データ記憶部と、前記磁界データと前記受電器の配置状態に係る情報とに基づいて、前記複数の送電器を複数の駆動部を介して選択的に駆動制御する制御部とを備える。

他の技術として、図１に示すように、２つの送電コイル１０１、１０２をその法線ベクトルがそれぞれｘ方向とｙ方向を向くように設置し、送電コイル１０１、１０２から発生する交流磁界の位相をπ／２（９０°）ずらすことによって、合成磁界をｘｙ面内における回転磁界とする方法が知られている（例えば、非特許文献２及び３参照）。発生する磁界を回転磁界とすることで、受電コイル１１０のｘｙ面上での受電コイル１１０の受電面の設置角度に依存しない給電効率を実現する。

庄木裕樹他(SHOKI Hiroki, et al.), 「ワイヤレス電力伝送技術に関する最新の標準化動向」, 電子情報通信学会技術研究報告(信学技報), WPT2011-19, December 2011 石田哲也他（ISHIDA Tetsuya et al.），「受電体の設置角度に依存しないシームレスな非接触給電」IEICE Technical Report WPT2012-04 (2012-05) Uchida Akiyoshi et al., 「Phase and intensity control of multiple coil currents in resonant magnetic coupling」Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission: Technologies, Systems, and Applications (IMWS), 2012 IEEE MTT-S International，pp. 53-56

特開２００８−２８３７９１号公報

モバイル端末のように、受電器が時々刻々と姿勢を変化させる場合、受電器はその姿勢変化に応じて配置情報を随時検出し、検出した配置情報を送電器に逐一送信する必要がある。送電器は受電器の姿勢または配置情報に逐次応じて、送電駆動を制御しなければならない。このような制御を行っていないと、図２に示す受電コイル１１０の受電面（コイル面）が交番磁界Ｈの方向と平行になったとき、すなわち受電コイル１１０の法線ベクトルｎ_coilが交番磁界Ｈと垂直になったときに、給電効率がゼロになってしまうからである。

受電器の３次元的な姿勢変化に対応可能とするためには、常時リアルタイムで動作可能な受電器配置状態の検出装置や、送電器の駆動制御装置が必要になるが、そのような装置の追加や開発、設置には多大なコストがかかる。

図１のように、回転磁界を生成することで、給電効率を受電コイルの設置角度に依存しないようにできるが、設置可能な受電コイルの法線方向は、２次元（図１の例ではｘｙ面内）に限定され、３次元的な姿勢の変化に対応できない。

そこで、受電コイルの３次元的な姿勢に依存せずに一定の電力を無線供給することのできるワイヤレス給電システムシステムを提供することを課題とする。

ひとつの態様では、ワイヤレス給電システムは、
コイルの法線方向が３次元空間で互いに直交するように配置された第１送電コイル、第２送電コイル、および第３送電コイルと、
前記第１送電コイル、前記第２送電コイル、および前記第３送電コイルにより生成される合成磁界ベクトルが、ある回転面内において第１角周波数ωで回転しながら、かつ、その回転面の法線ベクトルが、前記第１角周波数以下の第２角周波数ａ（ω≧ａ）で、前記法線ベクトルと垂直な軸を回転軸として回転するように、前記第１送電コイル、前記第２送電コイル、および前記第３送電コイルに供給される電流を制御する制御装置と、
を有する。

上記の構成により、受電コイルの３次元的な姿勢に依存せずに一定の電力を無線供給することが可能になる。

２次元面内での回転磁界により受電コイルの面内角度に依存しない給電方式を説明する図である。 受電コイルの姿勢に応じた交番磁界制御の説明図である。 実施形態の３個の送電コイルによる合成磁界の発生を説明するための図である。 受電コイルの向きに依存せずに受電を可能にする合成磁界の３次元制御の原理を説明する図である 受電コイルの法線ベクトルのｚ成分に依存した受電電力の変化を説明する図である。 受電コイルの向きに依存せずに一定電力での受電を可能にする合成磁界の３次元制御を説明する図である。 実施形態のワイヤレス給電システムの概略図である。 受電器で使用される整流平滑化回路の構成図である。

実施形態では、３個の送電コイルを各々の法線方向が互いに直交する方向（たとえばｘ方向、ｙ方向、ｚ方向）になるように配置し、生成される合成磁界ベクトルＨを３次元的に制御する。合成磁界ベクトルＨの各成分の強度と位相を制御することで、受電コイルの３次元的な姿勢（コイルの向き）に依存せずに一定の受電電力を供給することを可能とする。ここで、「法線方向がｘ、ｙ、ｚ方向になる」とは、法線方向が厳密にｘ、ｙ、ｚ方向と一致することを意味するのではなく、送電コイルの配置誤差も含むものとする。また、実施形態の構成と手法を磁界共鳴方式に適用する場合は、各送電コイルの法線方向がｘ、ｙ、ｚ方向から多少ずれていても許容される。

図１の２次元面内での回転磁界の生成を単純に３次元制御に拡張することはできないので、受電コイルの３次元的な姿勢に依存しないワイヤレス給電を実現するには、工夫が必要である。以下で、具体的な構成と原理を説明する。
＜第１実施形態＞
図３は、３個の送電コイル２１、２２、２３を用いた合成磁界の発生を説明する図である。送電コイル２１は、その法線ベクトルｎ₂₁がｚ方向を向くように配置され、磁界Ｈ₂₁を生成する。送電コイル２２は、その法線ベクトルｎ₂₂がｙ方向を向くように配置され、磁界Ｈ₂₂を生成する。送電コイル２３は、その法線ベクトルｎ₂₃がｘ方向を向くように配置され、磁界Ｈ₂₃を発生する。

電磁誘導による給電の場合、磁界Ｈ₂₁、磁界Ｈ₂₂、磁界Ｈ₂₃の合成磁界Ｈが受電コイル１０の受電面（コイル面）を貫く場合に、起電力により受電コイル１０に電流が流れるが、合成磁界Ｈが受電コイル１０の受電面と並行になると、給電をすることができない。同様に、磁界共鳴による給電の場合、共鳴によるエネルギー（合成磁界Ｈの振動）が受電コイル１０を通過する場合、受電コイル１０に電流が流れるが、エネルギー伝達の方向が受電コイル１０の受電面と平行になると、充電をすることができない。

しかし、合成磁界Ｈを３次元的に常に回転するように制御することで、受電コイルの３次元的な姿勢変化に依存せずに、一定の電力をワイヤレスで給電することができるはずである。磁界Ｈを常に回転（変化）させることで、ある時間にわたって受電面を貫く磁界を一定にできるからである。これは、起電力Ｖを表す一般式

からも裏付けされる。磁界Ｈがある速度で常に変化する場合、その磁界の時間微分はゼロにはならない。ここで、μ₀は真空の透磁率、ｄＳはコイル面の面積である。

図４は、実施形態における合成磁界Ｈの３次元的な回転を説明する図である。図４（Ａ）に示すように、合成磁界Ｈは、ある回転面内において角周波数（角速度）ωで回転しながら、かつ、その回転面の法線ベクトルｎ_H1が、この法線ベクトルｎ_H1と垂直な軸を回転軸として回転するように制御される。

図４（Ａ）の例では、合成磁界Ｈはある時点においてｙｚ面内を角周波数ωで回転する回転磁界であると考えると、その時点での回転面の法線ベクトルｎ_H1は、ｘ軸方向を向く。

合成磁界Ｈはさらに、回転面の法線ベクトルｎ_H1が、ｚ軸を中心にｘｙ面内を角周波数ａ（ω≧ａ）で回転するように制御される（矢印Ａ）。この結果、ある時点でｙｚ面内で回転していた回転磁界Ｈは、別の時点では、ｚ軸を含む別の面内で回転する。

図４の例に基づくなら、時刻ｔにおける合成磁界Ｈの各ベクトル成分は、合成磁界Ｈの強度をＨ₀として、
Ｈｘ＝−Ｈ₀・ｓｉｎ（ａｔ）・ｃｏｓ（ωｔ），
Ｈｙ＝Ｈ₀・ｃｏｓ（ａｔ）・ｃｏｓ（ωｔ），
Ｈｚ＝Ｈ₀・ｓｉｎ（ωｔ） ...（１）
と表すことができる。

式（１）のｃｏｓ（ωｔ）とｓｉｎ（ωｔ）の項が、角周波数ωで回転する回転磁界を表し、その前にかかるｓｉｎ（ａｔ）とｃｏｓ（ａｔ）の項が、ωでの回転面の法線ベクトルｎ_H1がさらに角周波数ａでｚ軸回りに回転することを表している。

送電コイル２１、２２、２３（図３参照）に印加される電流は、送電コイル２１、２２、２３の各々が発生する磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚが式（１）を満たすように制御される。

図４（Ｂ）は、各磁界成分を式（１）に従って制御したときに、受電コイル１０に誘導される交流電力とその直流化を示す。受電コイル１０に誘導される交流電力は、角周波数ωでの振動が、ω以下の角周波数ａで振動するものである。

たとえば、受電コイル１０を、その法線方向がｙ軸方向と平行になるように置いた場合（すなわち受電面がｘｚ面内にあるように置いた場合）、受電コイル１０における受電電力は周期π／ａで振動する（電力は角周波数ａの２倍で振動するので、その周期は２π／ａの半分になる）。これは、法線ベクトルｎ_H1が角周波数ａで回転することに起因する。受電コイル１０に生じるこの交流電力を平滑化することで、直流電力に変換することができる。

このように、実施形態では、コイルの法線方向が互いに直交する３つの送電コイル２１、２２、２３により生成される合成磁界Ｈを、ある回転面内において角周波数（角速度）ωで回転させると同時に、その回転面の法線ベクトル（ｎ_H1）を、ω以下の角周波数（角速度）ａ（ω≧ａ）で、この法線ベクトルｎ_H1と垂直な軸を回転軸として回転するように制御することで、受電コイル１０の姿勢に依存せずに一定電力で給電することができる。
＜第２実施形態＞
第１実施形態では、ある面内（たとえばｙｚ面内）で回転する合成磁界Ｈを、その回転面の法線ベクトルｎ_H1と垂直な軸回り（たとえばｚ軸回り）にさらに回転させ、受電コイル１０に生じる交流電力をそのまま整流して直流電力に変換した。

このとき、受電コイル１０の法線がｘｙ面内（法線ベクトルｎ_H1の回転軸ｚに垂直な面）にある限り、受電電力は受電コイル１０の向きに依存しない。

しかし、受電コイル１０の法線方向がｚ方向に向くと、受電電力は合成磁界のｚ成分に依存することになる。これを図５を参照して説明する。

図５（Ａ）に示すように、受電コイル１０の法線が、合成磁界Ｈのωでの回転面の法線ベクトルｎ_H1と同じｘｙ面内にある場合は、受電電力は常に周期π／ａで振動し、平滑化を行うことで、受電コイル１０の向きによらず一定電力を供給することができる。

しかし、受電コイル１０の法線がｚ方向に傾くと、受電電力は法線ベクトルのｚ成分に応じて変化する。具体的には、受電コイル１０の法線ベクトルｎ_coilのｚ成分が増加するほど、周期π／ａでの受信電力の振動が抑制されて、整流（直流化）後の電力が大きくなる。

図５（Ｂ）に示すように、受電コイル１０の法線ｎ_coilがｚ軸と平行になってときに、すなわち受電コイル１０がｘｙ面内に位置するときに、受電電力は最大になる。このときの受電電力は、図５（Ａ）で受電コイル１０の法線ベクトルｎ_coilがｘｙ面内にある場合の直流化電力のほぼ２倍である。合成磁界Ｈの角周波数ωでの回転面の法線ベクトルｎ_H1を、さらにｚ軸回りに角周波数ａ（ω≧ａ）で回転させても、受電コイル１０のコイル面を貫く磁束の振幅は常に一定になるからである。図５（Ａ）ではコイル面を貫く磁束が振動しており、その振動の振幅がさらに周期π／ａで振動するため、受電電力の平滑化を行っていたが、図５（Ｂ）では周期π／ａでの振動がなく受電電力が一定になる。

給電を受ける機器が無制限に電力供給を受けることができる機器である場合は、受電コイル１０の姿勢に応じて、すなわち、受電コイル１０の法線ベクトルｎ_coilのｚ成分の変化に依存して、受電電力が一定レベルを超えて増大しても深刻な影響はない。しかし、通常の機器は、一定の充電レベルが設定されており、過度の電力供給を受けた場合に、機器に悪影響が生じるおそれがある。

そこで、第２実施形態では、受電コイル１０の姿勢、特に、受電コイル１０の法線ベクトルのｚ成分（すなわち合成磁界Ｈの回転面の法線ベクトルｎ_H1を角周波数ａで回転させる回転軸方向の成分）に依存した受電電力の変化を抑制する。

受電電力は電磁誘導される電流の二乗に比例するので、受電コイル１０の姿勢にかかわらず受電電力を一定にするには、法線ベクトルｎ_H1の回転軸と平行な成分、換言すれば、法線ベクトルｎ_H1の回転面の法線成分（ｚ軸成分）の磁界Ｈｚを１/√２倍すればよい。

この場合、時刻ｔにおける合成磁界ベクトルＨの各成分は、合成磁界の強度をＨ₀として、
Ｈｘ＝−Ｈ₀・ｓｉｎ（ａｔ）・ｃｏｓ（ωｔ），
Ｈｙ＝Ｈ₀・ｃｏｓ（ａｔ）・ｃｏｓ（ωｔ），
Ｈｚ＝α・Ｈ₀・ｓｉｎ（ωｔ） ...（２）
と表すことができる。ここでα＝１/√２である。α＝１のときは、第１実施形態の式（１）となる。
これによって、直流化後の受電電力の値を、受電コイル１０の３次元的な姿勢によらず、一定とすることができる。
このように、第２実施形態では、合成磁界Ｈの回転面の法線ベクトルｎ_H1を回転させる回転軸（例えばｚ軸）の方向に沿った磁界成分を、ｎ_H1の回転面内（たとえばｘｙ面内）の磁界成分の、１/√２倍となるように制御することで、受電コイル１０の向きが任意の方向に変化しても受電電力の大きさを均一にすることができる。
＜システム構成＞
図７は、実施形態のワイヤレス給電システム１の概略構成図である。ワイヤレス給電システム１は、コイル面の法線が互いに直交するように配置された３つの送電コイル２１，２２，２３と、送電コイル２１、２２、２３のそれぞれに接続されて対応する送電コイルに電流を供給する電源３１、３２、３３と、各電源３１、３２、３３が出力する電流量を制御する制御装置３５とを含む。

制御装置３５は、３つの送電コイル２１，２２，２３により形成される合成磁界Ｈが、ある回転面内で角周波数ωで回転しながら、その回転面の法線ベクトルｎ_H1が当該法線ベクトルｎ_H1に垂直な軸周りに角周波数ａ（ω≧ａ）で回転するように、電源３１〜３３を制御する。

より具体的には、制御装置３５は、
(a) 送電コイル２３から第１方向（たとえばｘ方向）に生成される磁界が、−ｓｉｎ（ａｔ）・ｃｏｓ（ωｔ）で変化するように電源３３を制御し、
(b) 送電コイル２２から第１方向と直交する第２方向（たとえばｙ方向）に生成される磁界が、ｃｏｓ（ａｔ）・ｃｏｓ（ωｔ）で変化するように電源３２を制御し、
(c) 送電コイル２１から、第１方向および第２方向に垂直な第３方向（たとえばｚ方向）に生成させる磁界が、α・ｓｉｎ（ωｔ）で変化するように電源３１を制御する。

換言すると、電源３１、３２、３３は、受電コイル１０で受ける合成磁界Ｈが式（２）を満たすように制御される。ここで、αは、１/√２であることが望ましい。

ワイヤレス給電システム１は、３次元的に姿勢を変化させる任意の受電器４０に対して給電をすることができる。受電器４０は、一般的な受電器４０であり、受電コイル１０、整流回路４６、および負荷４７を有する。整流回路４６は、図８に示す一般的な整流平滑化回路４６でよい。入力される交流電流は、ダイオードブリッジ４８により整流され、ローパスフィルタ４９により平滑化（直流化）される。

ワイヤレス給電システム１を用いることで、受電コイル１０の３次元的な姿勢（向き）の検出とそれに応じた制御がなくても、受電コイル１０の姿勢によらずに電力を供給することが可能となる。システムが簡略化され、コストを削減することができる。

たとえば、第１実施形態の場合、三次元ワイヤレス給電システム１が設置されている空間で、ノートパソコンを開いて膝に乗せ、画面部分（蓋部分）を本体と垂直な軸回りに回転させたり、蓋部分を開け閉めによるピボット動作させても、蓋部分に組み込まれた受電器４０に常に規定レベル以上の電力をワイヤレスで給電することができる。

第２実施形態の場合、スマートフォンやタブレットのようなモバイル端末を任意の方向に傾けて保持していても、モバイル端末の姿勢に依存せずに一定の電力をワイヤレスで給電することができる。

ワイヤレス給電システム１は、磁界共鳴方式にも電磁誘導方式にも適用可能であるが、３次元的に姿勢を変える受電器にワイヤレス（非接触）で電力を供給する観点からは、送電コイルから数メートルの距離にある受電コイルへの給電を可能にする磁界共鳴方式が有用である。また、磁界共鳴方式は、共振周波数を調整することで、給電対象を制限することができる点でも有効である。

上述した実施形態では、便宜上、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を用いて説明したが、これらの軸は絶対的な軸ではなく、互いの直交性が維持される限り、三次元空間で任意の方向に向けてとることのできる相対的な軸である。

１ ワイヤレス給電システム
１０ 受電コイル
２１、２２、２３ 送電コイル
３１、３２、３３ 電源
３５ 制御装置
４０ 受電器

Claims (14)

1. コイルの法線方向が３次元空間で互いに直交するように配置された第１送電コイル、第２送電コイル、および第３送電コイルと、
   前記第１送電コイル、前記第２送電コイル、および前記第３送電コイルにより生成される合成磁界ベクトルが、ある回転面内において第１角周波数ωで回転しながら、かつ、その回転面の法線ベクトルが、前記第１角周波数以下の第２角周波数ａで、前記法線ベクトルと垂直な軸を回転軸として回転するように、前記第１送電コイル、前記第２送電コイル、および前記第３送電コイルに供給される電流を制御する制御装置と、
   を有し、
   前記合成磁界ベクトルの軌跡は球または楕円体であることを特徴とするワイヤレス給電システム。
2. 前記合成磁界ベクトルの大きさは一定であり、大きさの変わらない前記合成磁界ベクトルが前記第１角周波数ωで回転することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
3. 前記合成磁界ベクトルの大きさは、合成磁界の強度Ｈ₀の１倍からα倍まで変化し、前記合成磁界ベクトルは楕円回転することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
4. 前記制御装置は、前記法線ベクトルを回転させる前記回転軸に沿った方向の磁界成分の強度を、１/√２倍に制御して受電電力を一定にすることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
5. 前記第１送電コイルに接続される第１電源と、前記第２送電コイルに接続される第２電源と、前記第３送電コイルに接続される第３電源と、
   をさらに有し、
   前記制御装置は、
   前記第１送電コイルから第１方向に生成される磁界成分が、−ｓｉｎ（ａｔ）・ｃｏｓ（ωｔ）で変化するように前記第１電源を制御し、
   前記第２送電コイルから前記第１方向と直交する第２方向に生成される磁界成分が、ｃｏｓ（ａｔ）・ｃｏｓ（ωｔ）で変化するように前記第２電源を制御し、
   前記第３送電コイルから、前記第１方向および前記第２方向に垂直な第３方向に生成させる磁界成分が、α・ｓｉｎ（ωｔ）で変化するように（αは１または１/√２）、前記第３電源を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
6. 前記ワイヤレス給電システムは、前記第１送電コイル、前記第２送電コイル、および前記第３送電コイルと同じ共振周波数の受電コイルを有する受電器に電力を供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のワイヤレス給電システム。
7. 前記受電コイルは、周期π／ａで振動する交流電力を受け取ることを特徴とする請求項６に記載のワイヤレス給電システム。
8. 第１送電コイル、第２送電コイル、および第３送電コイルを、それぞれのコイルの法線方向が互いに直交するように３次元配置し、
   前記第１送電コイル、前記第２送電コイル、および前記第３送電コイルにより形成される三次元空間内に受電器を配置し、
   前記第１送電コイル、前記第２送電コイル、および前記第３送電コイルにより生成される合成磁界ベクトルが、ある回転面内において第１角周波数ωで回転しながら、かつ、その回転面の法線ベクトルが、前記第１角周波数以下の第２角周波数ａで、前記法線ベクトルと垂直な軸を回転軸として回転するように、前記第１送電コイル、前記第２送電コイル、および前記第３送電コイルに供給される電流を制御し、
   前記合成磁界ベクトルの軌跡を球または楕円体とする、
   ことを特徴とするワイヤレス給電方法。
9. 前記合成磁界ベクトルの大きさは一定であり、大きさの変わらない前記合成磁界ベクトルを前記第１角周波数ωで回転させることを特徴とする請求項８に記載のワイヤレス給電方法。
10. 前記合成磁界ベクトルの大きさを、合成磁界の強度Ｈ₀の１倍からα倍まで変化させ、
    前記合成磁界ベクトルを楕円回転させることを特徴とする請求項８に記載のワイヤレス給電方法。
11. 前記法線ベクトルを回転させる前記回転軸に沿った方向の磁界成分の強度を、１/√２倍にする制御を行って受電電力を一定にすることを特徴とする請求項８に記載のワイヤレス給電方法。
12. 前記第１送電コイルに第１電源を接続し、前記第２送電コイルに第２電源を接続し、前記第３送電コイルに第３電源を接続し、
    前記第１送電コイルから第１方向に生成される磁界成分が、−ｓｉｎ（ａｔ）・ｃｏｓ（ωｔ）で変化するように前記第１電源を制御し、
    前記第２送電コイルから前記第１方向と直交する第２方向に生成される磁界成分が、ｃｏｓ（ａｔ）・ｃｏｓ（ωｔ）で変化するように前記第２電源を制御し、
    前記第３送電コイルから、前記第１方向および前記第２方向に垂直な第３方向に生成させる磁界成分が、α・ｓｉｎ（ωｔ）で変化するように前記第３電源を制御する（ここで、αは１または１/√２）、
    ことを特徴とする請求項８に記載のワイヤレス給電方法。
13. 前記受電器の受電コイルの共振周波数を、第１送電コイル、前記第２送電コイル、および前記第３送電コイルの共振周波数と一致させることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載のワイヤレス給電方法。
14. 前記受電コイルは、周期π／ａで振動する交流電力を受け取ることを特徴とする請求項１３に記載のワイヤレス給電方法。

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