JP6531498B2 - 給電装置 - Google Patents

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Description

この発明は、給電装置に関し、特に、共振回路を備えた給電装置に関する。
従来、共振回路を備えた給電装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
上記特許文献1には、共振回路を備えた無線電力伝送装置が開示されている。この無線電力伝送装置には、共振回路と可変電圧源とが設けられている。また、共振回路は、インダクタと複数のキャパシタとを含み、複数のキャパシタは、バリキャップを含むように構成されている。そして、バリキャップは、可変電圧源から印加される電圧値が大きくなると、容量値が小さくなる性質を有する。これにより、この無線電力伝送装置は、可変電圧源の電圧値を調整することによって、インダクタのインダクタンスと複数のキャパシタの容量値(合成された容量値)とにより定まる共振周波数を調整することが可能に構成されている。その結果、共振回路の共振周波数と、可変電圧源の駆動信号の周波数とが異なる(ずれている)場合でも、バリキャップに印加する電圧値を調整して、共振回路の共振周波数と駆動信号の周波数とを略等しくすることが可能になる。
これにより、上記特許文献1の無線電力伝送装置は、共振回路のキャパシタの容量値(電気容量)が、設計値に対してばらつきを有することに起因して共振回路の共振周波数にずれが生じている場合でも、電力を効率よく受信装置に送電することが可能に構成されている。
特開2011―166883号公報
ここで、上記特許文献1の無線電力伝送装置(給電装置)では、共振周波数を調整するためにバリキャップを用いている。一般的に、バリキャップは、通常のコンデンサ(所定の容量値を有するコンデンサ)に比べて、耐電圧および耐電流が小さいという不都合がある。このため、上記特許文献1の無線電力伝送装置(給電装置)では、共振回路の電気容量が設計値に対してばらつきを有する場合に、比較的大きな電力(たとえば、100mW以上の電力)を給電することが困難であるという問題点がある。なお、給電装置の生産時に、個々に、共振回路の電気容量を手作業で調整する方法も考えられるが、この方法では、調整作業に要する時間が大きく、量産性が低い(量産に適さない)。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、共振回路の電気容量が設計値に対してばらつきを有する場合にも、比較的大きな電力を効率よく給電することが可能であり、かつ、量産性が高い給電装置を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による給電装置は、給電コイルと集中定数素子とを含む、共振回路と、共振回路を駆動させる駆動部と、共振回路の共振周波数が、駆動部の駆動信号の周波数よりも高い第1の周波数となる第1の共振状態と、共振周波数が駆動信号の周波数よりも低い第2の周波数となる第2の共振状態とを、切り替える切替部とを備え、切替部は、駆動信号の位相と、給電コイルに流れる電流または電圧のうちの少なくとも一方の位相との位相差に基づいて、第1の共振状態と、第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている。
この発明の一の局面による給電装置では、上記のように、給電装置に、給電コイルと集中定数素子とにより決定される共振周波数が、駆動部の駆動信号の周波数よりも高い第1の周波数となる第1の共振状態と、共振周波数が駆動信号の周波数よりも低い第2の周波数となる第2の共振状態とを、切り替える切替部を備える。そして、切替部を、駆動信号の位相と、給電コイルに流れる電流または電圧のうちの少なくとも一方の位相との位相差に基づいて、第1の共振状態と、第2の共振状態とを、切り替えるように構成する。これにより、バリキャップを用いることなく、第1の共振状態と第2の共振状態とを切り替えることにより、駆動信号の位相と給電コイルの電流(または電圧)の位相との位相差を平均的に略0(ある程度の期間、位相差を平均化した場合に略0)にすることができるので、比較的大きな電力を給電しながら、疑似的に共振回路の共振周波数と駆動信号の周波数とを略一致させることができる。また、切替部により、疑似的に共振回路の共振周波数と駆動信号の周波数とを略一致させることができるので、共振回路の電気容量を手作業で調整する必要がない。これらの結果、共振回路の電気容量が設計値に対してばらつきを有する場合にも、比較的大きな電力を効率よく給電することができ、かつ、量産性を向上させることができる。
上記一の局面による給電装置では、好ましくは、上記位相差が、正側または負側の一方側から0に近づく方向に変化して略0になったことに基づいて、第1の共振状態と、第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている、このように構成すれば、位相差が0に近づくように、第1の共振状態と第2の共振状態とが切り替えられるので、より確実に、共振回路の共振周波数と駆動信号の周波数とを略一致させることができる。
この場合、好ましくは、切替部は、位相差が略0になった後、給電コイルに流れる電流の値が略0となる時点で、第1の共振状態と、第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている。このように構成すれば、第1の共振状態と第2の共振状態との切り替えが、給電コイルに流れる電流の値が略0の状態で行われるので、切り替えに伴って、集中定数素子(たとえば、コンデンサ)に充電されたエネルギーが損失するのを抑制することができる。
上記一の局面による給電装置では、好ましくは、切替部が、第1の共振状態と第2の共振状態とを切り替える周期は、駆動信号の周期よりも長い。ここで、一般的に、駆動部の駆動信号の周波数は、比較的高い周波数に設定されるため、他の部品(切替部)を、駆動信号の周波数よりも高い周波数により駆動可能に構成することが困難な場合がある。この点を考慮して、本発明では、第1の共振状態と第2の共振状態とを切り替える周期を、駆動信号の周期よりも長くすることによって、切替部を駆動させるための駆動周波数を、駆動部の駆動信号の周波数に比べて低くすることができる。その結果、切替部を、容易に、構成することができる。
上記一の局面による給電装置では、好ましくは、集中定数素子は、給電コイルに接続された第1コンデンサおよび第2コンデンサを含み、切替部は、共振周波数が給電コイルと第1コンデンサとにより決定される第1の周波数となる第1の共振状態と、共振周波数が給電コイルと第1コンデンサと第2コンデンサとにより決定される第2の周波数となる第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている。このように構成すれば、第1コンデンサの電気容量、および、第1コンデンサと第2コンデンサとの合成電気容量を適切に設定することにより、容易に、給電装置を、第1の共振状態と、第2の共振状態とを有するように構成することができる。
この場合、好ましくは、第1コンデンサは、給電コイルに直列に接続され、第2コンデンサは、第1コンデンサに並列に接続され、切替部は、第1コンデンサと第2コンデンサとに接続されるスイッチ部を含み、スイッチ部は、第1コンデンサと第2コンデンサとを電気的に非接続にすることによる第1の共振状態と、第1コンデンサと第2コンデンサとを電気的に接続することによる第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている。このように構成すれば、スイッチ部を、第1コンデンサと第2コンデンサとを電気的に接続または非接続にするように駆動させることにより、容易に、第1の共振状態と第2の共振状態とを切り替えることができる。
上記第1コンデンサおよび第2コンデンサを備える給電装置において、好ましくは、駆動部は、第1コンデンサに接続された第1駆動部と、第2コンデンサに接続された第2駆動部とを含み、切替部は、第1駆動部により共振回路を駆動することによる第1の共振状態と、第1駆動部および第2駆動部により共振回路を駆動することによる第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている。このように構成すれば、切替部として、共振回路に接続するようにスイッチ部を設ける場合と異なり、切替部を駆動させる場合に生じるスイッチング損失やオン抵抗による特性の悪化の発生を抑制することができる。
上記一の局面による給電装置では、好ましくは、給電コイルに印加される電圧の位相を検出する電圧位相検出部をさらに備え、位相差は、駆動部の駆動信号の位相と、給電コイルに印加される電圧の位相との位相差であり、切替部は、上記位相差が略0になることに基づいて、第1の共振状態と、第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている。ここで、給電コイルの電流の位相を検出する場合には、エネルギーの損失を生じるシャント抵抗、または、給電コイルの電流の位相のずれを生じさせるカプラを用いる必要がある。これに対して、本発明では、給電装置に、給電コイルに印加される電圧の位相を検出する電圧位相検出部を設けることにより、エネルギーの損失が生じるシャント抵抗および給電コイルの電流の位相のずれを生じさせるカプラを用いることなく、駆動部の駆動信号の位相と、給電コイルに印加される電圧の位相との位相差を検出することができる。その結果、給電コイルの電流の位相を検出する場合に比べて、エネルギーの損失および給電コイルの電流の位相のずれを抑制することができる。そして、給電コイルの電流の位相のずれが抑制されることにより、より精度良く、駆動信号の位相と給電コイルの電流(または電圧)の位相との位相差を平均的に略0にすることができる。
本発明によれば、上記のように、共振回路の電気容量が設計値に対してばらつきを有する場合にも、比較的大きな電力を効率よく給電することができ、かつ、量産性を向上させることができる。
本発明の第1実施形態による給電装置の全体構成を示したブロック図である。 本発明の第1実施形態による給電回路の共振回路を模式的に示した回路図である。 本発明の第1実施形態による給電装置の切替制御部の構成を示したブロック図である。 本発明の第1実施形態による給電装置の駆動信号および給電コイルに流れる電流の波形と位相差との関係を説明するための図である。 本発明の第1実施形態による受電装置の構成を示したブロック図である。 本発明の第1実施形態による給電装置と比較例による給電装置との比較結果を示す図である。 本発明の第2実施形態による給電回路の共振回路を模式的に示した回路図である。 本発明の第3実施形態による給電回路の共振回路を模式的に示した回路図である。 本発明の第3実施形態による給電回路の第1駆動部および第2駆動部を模式的に示した回路図である。 本発明の第1実施形態の変形例による給電回路の共振回路を模式的に示した回路図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
[第1実施形態]
(給電装置の構成)
図1〜図4を参照して、本発明の第1実施形態による給電装置100の構成について説明する。第1実施形態による給電装置100は、給電装置100の近傍に配置された受電装置200に対して、給電装置100と受電装置200との間に配線等を設けずに、電力を(非接触給電装置として)供給するように構成されている。
図1に示すように、給電装置100には、共振回路1と、駆動部2と、切替制御部3と、電源部4と、本体制御部5と、発振回路6と、電流検出部7とが設けられている。また、図2に示すように、共振回路1は、給電コイル11と、集中定数素子12と、スイッチ部13とを含む。なお、切替制御部3およびスイッチ部13は、本発明の「切替部」の一例である。
ここで、第1実施形態では、切替制御部3およびスイッチ部13は、給電コイル11と集中定数素子12とにより決定される共振周波数fが、駆動部2の駆動信号の駆動周波数fdよりも高い第1周波数f1となる第1の共振状態と、共振周波数fが駆動信号の駆動周波数fdよりも低い第2周波数f2となる第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている。すなわち、給電装置100は、共振回路1により、第1周波数f1を有する給電磁界と、第2周波数f2を有する給電磁界とを切り替えながら、受電装置200に給電することが可能に構成されている。
<給電装置の各部の構成>
共振回路1は、駆動部2から駆動信号に応じた電圧が印加されることにより、交流の電流が流れる(図4参照)。この交流の電流の周波数は、共振回路1における、給電コイル11のインダクタンスと集中定数素子12の電気容量(およびインダクタンス)とにより決定される共振周波数fとなる。
ここで、第1実施形態では、図2に示すように、共振回路1の集中定数素子12は、給電コイル11に直列に接続された第1コンデンサ12aと、第1コンデンサ12aに並列に接続された第2コンデンサ12bとを含む。また、スイッチ部13は、第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとに接続されており、切替制御部3からの指令に基づいて、第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとを電気的に非接続にする状態(スイッチ部13がオフの状態)と、第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとを電気的に接続する状態(スイッチ部13がオンの状態)とを切り替えるように構成されている。
なお、本明細書では、第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとを電気的に非接続にする状態を、たとえば、第1コンデンサ12aの両極と第2コンデンサ12bの両極との間を全て非接続にする状態に限らず、駆動部2と給電コイル11とを含む回路において、第2コンデンサ12bに電流が流れないような回路になる状態を意味するものとして記載している。また、第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとを電気的に接続する状態を、駆動部2と給電コイル11とを含む回路において、第1コンデンサ12aおよび第2コンデンサ12bに電流が流れるような回路になる状態を意味するものとして記載している。
ここで、スイッチ部13が第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとを非接続にする状態では、第2コンデンサ12bには電流が流れない一方、第1コンデンサ12aおよび給電コイル11に電流が流れる。この場合、共振周波数fは、第1コンデンサ12aの電気容量C1および給電コイル11のインダクタンスLにより決定される第1周波数f1になる。
また、スイッチ部13が第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとを接続する状態では、第2コンデンサ12b、第1コンデンサ12aおよび給電コイル11に電流が流れる。この場合、共振周波数fは、第1コンデンサ12aおよび第2コンデンサ12bの合成電気容量(C1+C2)および給電コイル11のインダクタンスLにより決定される第2周波数f2になる。なお、本明細書では、共振回路1が、駆動部2により、第1周波数f1で駆動される状態を第1の共振状態とし、共振回路1が、駆動部2により、第2周波数f2で駆動される状態を第2の共振状態とする。
また、共振周波数fは、共振回路1のインダクタンスが大きい値になればなる程、または、電気容量が大きい値になればなる程、低くなる。すなわち、第2周波数f2は、合成電気容量(C1+C2)が、第1周波数f1の電気容量(C1)よりも大きいので、第1周波数f1よりも低い。また、第1コンデンサ12aの電気容量C1および第2コンデンサ12bの電気容量C2は、第1周波数f1が、駆動部2の駆動周波数fdよりも大きくなるような値で、かつ、第2周波数f2が、駆動周波数fdよりも小さくなるような値に設定されている。
駆動部2は、ゲートドライブ回路および複数のスイッチング素子を含み、電源部4に接続されている。そして、駆動部2は、発振回路6からの駆動周波数fdを有する信号に基づいて、ゲートドライブ回路により複数のスイッチング素子を駆動させることにより、電源部4から供給される電力を、駆動周波数fdの交流の電力に変換して、共振回路1に出力するように構成されている。
なお、駆動周波数fdは、たとえば、規格等(A4WP等)により定められた周波数(6.78MHz)に設定されている。これにより、給電装置100は、磁気共鳴方式による給電を行うことが可能に構成されている。
電源部4は、たとえば、AC/DCコンバータを含み、電源部4は、給電装置100の外部に設けられた商用電源から交流の電力(または、給電装置100の内部に設けられたバッテリから電力)を取得するとともに、取得した電力を直流に整流して出力するように構成されている。また、電源部4は、本体制御部5からの指令に基づいて、出力する電圧値を変化させることが可能に構成されている。
本体制御部5は、CPU(Central Processing Unit)等を含み、電源部4など、給電装置1の全体の制御を行うように構成されている。
発振回路6は、本体制御部5の指令に基づいて、駆動周波数fdを有する信号を出力するように構成されている。そして、発振回路6は、駆動部2および切替制御部3に駆動周波数fdを有する信号を伝達するように構成されている。なお、駆動部2の駆動信号の位相と、駆動周波数fdを有する信号の位相は、略同一である。
電流検出部7は、たとえば、カプラまたはシャント抵抗などを含み、図2に示すように、給電コイル11(共振回路1)に流れる電流の電流値および位相を検出するように構成されている。そして、電流検出部7は、切替制御部3に接続されており、切替制御部3に給電コイル11に流れる電流の電流値および位相の情報を伝達するように構成されている。
<切替部の構成>
図3に示すように、切替制御部3は、位相差比較器31と、周期調整部32と、同期化部33とを含む。また、切替制御部3は、発振回路6および電流検出部7に接続されており、発振回路6から駆動周波数fdを有する信号、および、電流検出部7から給電コイル11に流れる電流の電流値および位相の情報を取得するように構成されている。
ここで、第1実施形態では、図4に示すように、切替制御部3は、第1の共振状態において、駆動信号の位相(駆動周波数fdを有する信号の位相)と、給電コイル11に流れる電流の位相との位相差φが、負側から0に近づく方向に変化して略0になったことに基づいて、第1の共振状態から第2の共振状態に切り替え、その後、第2の共振状態において、位相差φが、正側から0に近づく方向に変化して略0になったことに基づいて、第2の共振状態から第1の共振状態に切り替えるように構成されている。なお、位相差φが正側とは、駆動信号の位相に対して、給電コイル11に流れる電流の位相が進んでいる状態とし、位相差φが負側とは、駆動信号の位相に対して、給電コイル11に流れる電流の位相が遅れている状態とする。以下、具体的に説明する。
位相差比較器31は、比較器回路、ローパスフィルタ回路および差動回路を含み、駆動周波数fdを有する信号の位相と、給電コイル11に流れる電流の位相との位相差φを、位相差φに比例した電圧値として出力するように構成されている。なお、図4には、位相差比較器31により出力された電圧値(位相差φ)を図示している。
そして、第1実施形態では、周期調整部32および同期化部33は、位相差φが略0になった(図4に示す時点t1およびt4に対応(詳細は後述))後、給電コイル11に流れる電流の値が略0となる時点(時点t3およびt6)で、スイッチ部13により、第1の共振状態(期間T1およびT3)と第2の共振状態(期間T2)とを、切り替えさせるように構成されている。
具体的には、周期調整部32は、位相差φが負側から0に近づく方向に変化して略0になった(時点t1)後、所定の期間経過後に、同期化部33に切り替えを行うための信号(第1の共振状態から第2の共振状態に切り替えを行うための信号)を伝達する。
また、同期化部33は、たとえば、D型のフリップフロップ回路などを含み、給電コイル11に流れる電流のゼロクロスの時点(電流値が略0となる時点)を検出するように構成されている。そして、同期化部33は、同期化部33に切り替えを行うための信号を取得した後、給電コイル11に流れる電流の値が略0となる時点で、スイッチ部13に第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとを接続することを指令する信号(オンさせる信号)を伝達する。なお、上記では、周期調整部32から同期化部33に信号を伝達するように構成する例を示したが、周期調整部32にD型のフリップフロップ回路などを設けて、周期調整部32が同期化部33を兼ねて処理を行うように構成してもよい。
そして、スイッチ部13は、第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとを接続することを指令する信号(オンさせる信号)を取得して、非接続の状態から接続の状態に切り替える(スイッチ部13をオンする)ことにより、共振回路1を第1の共振状態から第2の共振状態に切り替える。
また、周期調整部32は、位相差φが正側から0に近づく方向に変化して略0になった場合(時点t4)には、所定の期間経過後に、同期化部33に切り替えを行うための信号(第2の共振状態から第1の共振状態に切り替えを行うための信号)を伝達する。同期化部33は、同期化部33に切り替えを行うための信号を取得した後、給電コイル11に流れる電流の値が略0となる時点(時点t6)で、スイッチ部13に第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとを非接続の状態にすることを指令する信号(オフさせる信号)を伝達する。
そして、スイッチ部13は、非接続にすることを指令する信号(オフさせる信号)を取得して、接続の状態から非接続の状態に切り替えることにより、共振回路1を第2の共振状態から第1の共振状態に切り替える。
ここで、第1実施形態では、スイッチ部13が、第1の共振状態と第2の共振状態とを切り替える周期(期間T1)は、駆動信号の周期(駆動周波数fdの逆数)(期間Td)よりも長い。具体的には、周期調整部32は、位相差φが正側または負側から0に近づく方向に変化して略0になった場合には、所定の期間経過後に、同期化部33に切り替えを行うための信号を伝達するように構成されている。また、所定の期間は、たとえば、駆動信号の周期の1.5倍に設定されている。これにより、スイッチ部13が第1の共振状態と第2の共振状態とを切り替える周期は、駆動信号の周期よりも長くなる。なお、所定の期間は、駆動信号の周期の1.5倍の期間に限られず、駆動信号の周期の1.5倍の期間以外の期間に設定してもよい。
(受電装置の構成)
次に、図5を参照して、受電装置200の構成について説明する。
受電装置200には、受電アンテナ201と、整流部202と、電力変換部203と、負荷204と、制御部205とが設けられている。たとえば、受電装置200は、携帯電話(スマートフォン)からなる。
受電アンテナ201は、アンテナコイルおよび共振コンデンサなどを有する共振回路を含み、給電コイル11と電磁界結合することが可能に構成されている。そして、受電アンテナ201は、給電コイル11と電磁界結合することにより、給電装置100から電力を受電するように構成されている。
整流部202は、複数のダイオードなどを含み、受電アンテナ201が受電した交流の電流を、直流の電流に変換するように構成されている。また、電力変換部203は、DC/DCコンバータからなり、整流部202からの電力の電圧を、負荷204の駆動に適した所定の電圧に変換して、負荷204に印加するように構成されている。
負荷204は、たとえば、2次電池からなり、2次電池は、電力変換部203からの電力を充電するように構成されている。また、制御部205は、受電装置200の全体の制御を行うように構成されている。
(共振回路および切替部の動作)
次に、図4を参照して、第1実施形態における給電装置100の共振回路1およびスイッチ部13の動作について説明する。
図4は、共振回路1に印加される駆動信号の電圧波形(駆動電圧の波形)、および、給電コイル11に流れる電流の電流波形(コイル電流の波形)の一例を示す。また、図4は、上記波形に対応した、駆動信号の位相と給電コイル11に流れる電流の位相との位相差φの時間的な変化の様子の一例を示す。
期間T1およびT3では、切替制御部3およびスイッチ部13により、共振回路1は、第1の共振状態(第1周波数f1>駆動周波数fd)となっている。また、期間T2では、切替制御部3およびスイッチ部13により、共振回路1は、第2の共振状態(第2周波数f2<駆動周波数fd)となっている。なお、上記したように、駆動信号の周期Tdは、T1>Td、T2>Td、および、T3>Tdの関係を有する。
なお、図4では、時点t1は、第1の共振状態において、位相差φが負側から0に近づく方向に変化して略0になった時点とする。この場合、周期調整部32から、所定の期間(たとえば、1.5×Td)経過後の時点t2において、同期化部33に切り替えを行うための信号が伝達される。
そして、同期化部33により、給電コイル11の電流値が略0となる時点の時点t3において、スイッチ部13を制御して、スイッチ部13により、共振回路1が第1の共振状態から第2の共振状態に切り替えられる。なお、時点t1からt3の間は、共振回路1は第1の共振状態として駆動されており、位相差φは、負側から0を超えて正側に変化する。
そして、時点t3から時点t4までは、共振回路1は第2の共振状態として駆動されているため、位相差φは、正側から0に向かって変化する。
時点t4において、位相差φが正側から0に近づく方向に変化して略0になる。この場合、周期調整部32から、所定の期間(たとえば、1.5×Td)経過後の時点t5において、同期化部33に切り替えを行うための信号が伝達される。
そして、同期化部33により、給電コイル11の電流値が略0となる時点の時点t6において、スイッチ部13を制御して、スイッチ部13により、共振回路1が第2の共振状態から第1の共振状態に切り替えられる。以降、上記と同様に、共振回路1では、第1の共振状態と第2の共振状態とが、スイッチ部13および切替制御部3により、切り替えられ、位相差φは、平均的に略0の状態となる。
(第1実施形態による給電装置と比較例による給電装置との比較結果)
次に、図6を参照して、第1実施形態による給電装置100と、第2コンデンサ12b、切替制御部3およびスイッチ部13を設けない比較例による給電装置との比較結果について説明する。
第1コンデンサ12aの電気容量のずれ量を変化させて給電コイル11に流れる電流値を、第1実施形態による給電装置100と、比較例による給電装置とで比較した。ここで、ずれ量が0%とは、共振回路1の共振周波数fと駆動周波数fdとが一致する値を意味する。
比較例による給電装置は、共振回路は、第1コンデンサおよび給電コイルからなり、第2コンデンサ12b、切替制御部3およびスイッチ部13は設けられていない。また、第1実施形態による給電装置100および比較例による給電装置の駆動周波数fdは、共に1MHzとし、給電コイル11のインダクタンスは、共に10μHとし、第1コンデンサ12aの電気容量が、2.503nFの場合にずれ量を0%とし、共振回路1のQ値(クオリティファクタ)を600として、給電コイル11に流れる電流値の測定を行った。
まず、第1実施形態による給電装置100および比較例による給電装置の第1コンデンサ12aとして、共にずれ量が0%の2.503nFのコンデンサを用いた場合に、第1実施形態による給電装置100の給電コイル11および比較例による給電装置の給電コイルには、共に6Aの電流が流れた。
そして、第1実施形態による給電装置100および比較例による給電装置の第1コンデンサ12aとして、共にずれ量が0.10%の2.500nFのコンデンサを用いて、給電装置100の第2コンデンサ12bの電気容量を0.006nFとした場合には、第1実施形態による給電装置100の給電コイル11および比較例による給電装置の給電コイルには、共に6Aの電流が流れた。
次に、第1実施形態による給電装置100および比較例による給電装置の第1コンデンサ12aとして、共にずれ量が1%の2.478nFのコンデンサを用いて、給電装置100の第2コンデンサ12bの電気容量を0.05nFとした場合には、第1実施形態による給電装置100の給電コイル11では、6Aの電流が流れる一方、比較例による給電装置の給電コイルには、3.5Aの電流が流れた。
また、第1実施形態による給電装置100および比較例による給電装置の第1コンデンサ12aとして、共にずれ量が5%の2.378nFのコンデンサを用いて、給電装置100の第2コンデンサ12bの電気容量を0.25nFとした場合には、第1実施形態による給電装置100の給電コイル11では、6Aの電流が流れる一方、比較例による給電装置の給電コイルには、1.0Aの電流が流れた。
すなわち、第1コンデンサ12aとして、ずれ量が1〜5%のコンデンサを用いた場合には、比較例による給電装置では、給電の効率(共振回路に駆動部から電力が伝搬する効率)が低下する一方、第1実施形態による給電装置100では、給電の効率が低下しないことが判明した。
次に、第1実施形態による給電装置100および比較例による給電装置の第1コンデンサ12aとして、共にずれ量が10%の2.253nFのコンデンサを用いて、給電装置100の第2コンデンサ12bの電気容量を0.5nFとした場合には、第1実施形態による給電装置100の給電コイル11では、4.8Aの電流が流れる一方、比較例による給電装置の給電コイルには、0.9Aの電流が流れた。
また、第1実施形態による給電装置100および比較例による給電装置の第1コンデンサ12aとして、共にずれ量が25%の1.878nFのコンデンサを用いて、給電装置100の第2コンデンサ12bの電気容量を1.25nFとした場合には、第1実施形態による給電装置100の給電コイル11では、1.6Aの電流が流れる一方、比較例による給電装置の給電コイルには、0.15Aの電流が流れた。
すなわち、第1コンデンサ12aとして、ずれ量が10〜25%のコンデンサを用いた場合には、比較例による給電装置では、給電の効率が著しく低下する一方、第1実施形態による給電装置100では、給電の効率の低下が抑制されることが判明した。
以上の結果から、第1実施形態による給電装置100では、共振回路1の電気容量が設計値に対してばらつき(ずれ量)を有する場合にも、比較的大きな電力(たとえば、100mA以上)を効率よく受電装置200に給電することが可能であることが判明した。
(第1実施形態の効果)
第1実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第1実施形態では、上記のように、給電装置100に、給電コイル11と集中定数素子12とにより決定される共振回路1の共振周波数fが、駆動部2の駆動周波数fdよりも高い第1周波数f1となる第1の共振状態と、共振周波数fが駆動周波数fdよりも低い第2周波数f2となる第2の共振状態とを、切り替える切替制御部3およびスイッチ部13とを設ける。これにより、バリキャップを用いることなく、第1の共振状態と第2の共振状態とを切り替えることにより、駆動信号の位相と給電コイル11の電流の位相との位相差φを平均的に略0(ある程度の期間、位相差φを平均化した場合に略0)にすることができるので、比較的大きな電力を給電しながら、疑似的に共振回路1の共振周波数fと駆動周波数fdとを略一致させることができる。また、切替制御部3およびスイッチ部13により、疑似的に共振回路1の共振周波数fと駆動周波数fdとを略一致させることができるので、共振回路1(の第1コンデンサ12a)の電気容量を手作業で調整する必要がない。これら結果、共振回路1(の第1コンデンサ12a)の電気容量が設計値に対してばらつきを有する場合にも、比較的大きな電力を効率よく給電することができ、かつ、量産性を向上させることができる。
また、第1実施形態では、上記のように、切替制御部3およびスイッチ部13を、駆動信号の位相と、給電コイル11に流れる電流の位相との位相差φが、正側または負側の一方側から0に近づく方向に変化して略0になったことに基づいて、第1の共振状態と、第2の共振状態とを、切り替えるように構成する。すなわち、切替制御部3およびスイッチ部13を、第1の共振状態において、駆動信号の位相と、給電コイル11に流れる電流の位相との位相差φが、正側または負側の一方側から0に近づく方向に変化して略0になったことに基づいて、第1の共振状態から第2の共振状態に切り替え、その後、第2の共振状態において、位相差φが、正側または負側の他方側から0に近づく方向に変化して略0になったことに基づいて、第2の共振状態から第1の共振状態に切り替えるように構成する。これにより、位相差φが0に近づくように、第1の共振状態と第2の共振状態とが切り替えられるので、より確実に、共振回路1の共振周波数fと駆動周波数fdとを略一致させることができる。
また、第1実施形態では、上記のように、切替制御部3およびスイッチ部13を、位相差φが略0になった後、給電コイル11に流れる電流の値が略0となる時点で、第1の共振状態と、第2の共振状態とを、切り替えるように構成する。これにより、第1の共振状態と第2の共振状態との切り替えが、給電コイル11に流れる電流の値が略0の状態で行われるので、切り替えに伴って、集中定数素子12(第1コンデンサ12aおよび第2コンデンサ12b)に充電されたエネルギーが損失するのを抑制することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、切替制御部3およびスイッチ部13が、第1の共振状態と第2の共振状態とを切り替える周期(期間T1〜T3)は、駆動信号の周期Tdよりも長い。ここで、一般的に、駆動部2の駆動周波数fdは、比較的高い周波数に設定されるため、切替制御部3およびスイッチ部13を、駆動周波数fdよりも高い周波数により駆動可能に構成することが困難な場合がある。この点を考慮して、第1実施形態では、第1の共振状態と第2の共振状態とを切り替える周期(期間T1、T2およびT3)を、駆動信号の周期Tdよりも長くすることによって、スイッチ部13を駆動させるための周波数を、駆動部の駆動信号の駆動周波数fdに比べて低くすることができる。その結果、切替制御部3およびスイッチ部13を、容易に、構成することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、集中定数素子12は、給電コイル11に接続された第1コンデンサ12aおよび第2コンデンサ12bを含み、切替制御部3およびスイッチ部13を、共振周波数fが給電コイル11と第1コンデンサ12aとにより決定される第1周波数f1となる第1の共振状態と、共振周波数fが給電コイル11と第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとにより決定される第2周波数f2となる第2の共振状態とを、切り替えるように構成する。これにより、第1コンデンサ12aの電気容量C1、および、第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとの合成電気容量(C1+C2)を適切に設定することにより、容易に、給電装置100を、第1の共振状態と、第2の共振状態とを有するように構成することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、第1コンデンサ12aを、給電コイル11に直列に接続して、第2コンデンサ12bを、第1コンデンサ12aに並列に接続して、スイッチ部13を、第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとに接続する。そして、スイッチ部13を、第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとを電気的に非接続にすることによる第1の共振状態と、第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとを電気的に接続することによる第2の共振状態とを、切り替えるように構成する。これにより、スイッチ部13を、第1コンデンサ12aと第2コンデンサ12bとを電気的に接続または非接続にするように駆動させることにより、容易に、第1の共振状態と第2の共振状態とを切り替えることができる。
[第2実施形態]
次に、図7を参照して、第2実施形態による給電装置300の構成について説明する。第2実施形態による給電装置300には、電流検出部7が設けられていた第1実施形態の給電装置100と異なり、電圧検出部307が設けられている。なお、上記第1実施形態と同一の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。
(第2実施形態による給電装置の構成)
図7に示すように、第2実施形態による給電装置300には、切替制御部303と、電圧検出部307とが設けられている。なお、切替制御部303は、本発明の「切替部」の一例である。また、電圧検出部307は、本発明の「電圧位相検出部」の一例である。
ここで、第2実施形態では、電圧検出部307は、給電コイル11に印加される電圧の位相を検出するように構成されており、電圧の位相の情報を、切替制御部303に伝達するように構成されている。また、切替制御部303およびスイッチ部13は、駆動部2の駆動信号の位相と、電圧検出部307により取得した給電コイル11に印加される電圧の位相との位相差φが略0になることに基づいて、第1の共振状態と、第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている。
具体的には、切替制御部303は、発振回路6から取得した駆動周波数fdを有する信号に対して、90度分オフセットした位相と、給電コイル11に印加される電圧の位相との位相差φを取得するように構成されている。なお、第2実施形態では、駆動信号の位相を、発振回路6から取得した駆動周波数fdを有する信号に対して90度分オフセットした位相として記載している。すなわち、電圧検出部307が検出する位相は、第1実施形態による給電装置100の電流検出部7が検出する位相に対して90度分、位相がずれているため、上記のようにオフセットすることにより、切替制御部303は、第1実施形態による給電装置100における切替制御部3と同様に、位相差φを取得することが可能になる。
また、第2実施形態による給電装置300は、第1実施形態による給電装置100と同様に、給電コイル11に印加される電圧の位相との位相差φが略0になることに基づいて、切替制御部303およびスイッチ部13により、共振回路1を、第1の共振状態と、第2の共振状態とに切り替えるように構成されている。
また、第2実施形態による給電装置300のその他の構成は、第1実施形態における給電装置100と同様である。
(第2実施形態の効果)
第2実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第2実施形態では、上記のように、給電装置300に、給電コイル11に印加される電圧の位相を検出する電圧検出部307を設けて、切替制御部307およびスイッチ部13を、駆動部2の駆動信号の位相と、給電コイル11に印加される電圧の位相との位相差φが略0になることに基づいて、第1の共振状態と、第2の共振状態とを、切り替えるように構成する。ここで、給電コイル11の電流の位相を検出する場合には、エネルギーの損失を生じるシャント抵抗、または、給電コイル11の電流の位相のずれを生じさせるカプラを用いる必要がある。これに対して、第2実施形態では、給電装置300に、給電コイル11に印加される電圧の位相を検出する電圧検出部307を設けことにより、エネルギーの損失が生じるシャント抵抗および給電コイル11の電流の位相のずれを生じさせるカプラを用いることなく、駆動部2の駆動信号の位相と、給電コイル11に印加される電圧の位相との位相差φを検出することができる。その結果、給電コイル11の電流の位相を検出する場合に比べて、エネルギーの損失および給電コイル11の電流の位相のずれを抑制することができる。そして、給電コイル11の電流の位相のずれが抑制されることにより、より精度良く、駆動信号の位相と給電コイル11の電流の位相との位相差φを平均的に略0にすることができる。
また、第2実施形態による給電装置300のその他の効果は、第1実施形態における給電装置100と同様である。
[第3実施形態]
次に、図8を参照して、第3実施形態による給電装置400の構成について説明する。第3実施形態による給電装置400は、1つの駆動部2が設けられていた第1実施形態による給電装置100と異なり、2つの駆動部(第1駆動部402aおよび第2駆動部402b)が設けられている。なお、上記第1実施形態または上記第2実施形態と同一の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。
(第3実施形態による給電装置の構成)
図8に示すように、第3実施形態による給電装置400には、共振回路401と、駆動部402と、切替制御部403とが設けられている。
ここで、第3実施形態では、駆動部402は、第1コンデンサ12aに接続された第1駆動部402aと、第2コンデンサ12bに接続された第2駆動部402bとを含む。また、切替制御部403は、第1駆動部402aにより共振回路401を駆動することによる第1の共振状態と、第1駆動部402aおよび第2駆動部402bにより共振回路401を駆動することによる第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている。
具体的には、図9に示すように、第1駆動部402aおよび第2駆動部402bは、それぞれ、スイッチ部421aおよび421bを含み、ハイインピーダンス状態で、共振回路401との接続をそれぞれ切断するように構成されている。これにより、第1駆動部402aおよび第2駆動部402bの一方側から出力された電力が、他方側の駆動部に流れ込むのが抑制される。
そして、図8に示すように、第1駆動部402aは、発振回路6に接続されており、発振回路6からの駆動信号に応じて、共振回路401を駆動するように構成されている。
また、第2駆動部402bは、発振回路6および切替制御部403に接続されており、切替制御部403により、第2の共振状態が選択されている場合にのみ、発振回路6からの駆動信号に応じて、共振回路401(第2コンデンサ12bおよび給電コイル11)を駆動するように構成されている。
これにより、第1駆動部402aのみにより共振回路401が駆動される状態では、共振周波数fは、第1周波数f1となり、第1の共振状態となる。第1駆動部402aおよび第2駆動部402bの両方により共振回路401が駆動される状態では、共振周波数fは、第2周波数f2となり、第2の共振状態となる。
切替制御部403は、駆動部402の駆動信号の位相と、給電コイル11に印加される電圧の位相との位相差φを、第1実施形態による給電装置100の切替制御部3と同様に取得するように構成されている。そして、切替制御部403は、位相差φが略0になることに基づいて、第1駆動部402aにより共振回路401を駆動させる状態(第1の共振状態)と、第1駆動部402aおよび第2駆動部402bにより共振回路401を駆動させる状態(第2の共振状態)と切り替えるように構成されている。
また、第3実施形態による給電装置400のその他の構成は、第1実施形態における給電装置100と同様である。
(第3実施形態の効果)
第3実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第3実施形態では、上記のように、駆動部402に、第1コンデンサ12aに接続された第1駆動部402aと、第2コンデンサ12bに接続された第2駆動部402bとを設けて、切替制御部403を、第1駆動部402aにより共振回路401を駆動することによる第1の共振状態と、第1駆動部402aおよび第2駆動部402bにより共振回路401を駆動することによる第2の共振状態とを、切り替えるように構成する。これにより、切替部として、共振回路401に接続するようにスイッチ部13を設ける場合と異なり、スイッチ部13(切替部)を駆動させる場合に生じるスイッチング損失やオン抵抗による特性の悪化の発生を抑制することができる。
また、第3実施形態による給電装置400のその他の効果は、第1実施形態における給電装置100と同様である。
[変形例]
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更(変形例)が含まれる。
たとえば、上記第1〜第3実施形態では、本発明の受電装置を、携帯電話(スマートフォン)に適用する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、受電装置を携帯電話以外に適用してもよい。たとえば、電気自動車などの装置に適用してもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、本発明の集中定数素子として、第1コンデンサと第2コンデンサとを用いる例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、集中定数素子として、第1コンデンサおよび第2コンデンサ以外の素子を用いてもよい。たとえば、図10に示す変形例による給電装置500では、集中定数素子512は、コンデンサ512aおよびインダクタ512bを含む。
ここで、図10に示すように、第1実施形態の変形例による給電装置500の共振回路501は、給電コイル11と、集中定数素子512とを含み、集中定数素子512は、給電コイル11に直列に接続されたコンデンサ512a、および、第1コンデンサ512aに直列に接続されたインダクタ512bを含む。そして、共振回路501には、インダクタ512bに並列に接続されたスイッチ部513が設けられている。これにより、スイッチ部513がオンすることにより、共振回路501の共振周波数は、コンデンサ512a(たとえば、電気容量C1)および給電コイル11(たとえば、インダクタンスL)により決定される第1周波数f1(第1の共振状態)となり、スイッチ部513がオフすることにより、共振回路501の共振周波数は、コンデンサ512a(たとえば電気容量C1)、インダクタ512b(たとえば、インダクタンスLa)および給電コイル11(インダクタンスL)により決定される第2周波数f2(第2の共振状態)となる。この結果、第1実施形態の変形例による給電装置500によっても、共振回路501を第1の共振状態と第2の共振状態とを切り替えることが可能になる。なお、コンデンサ512aとインダクタ512bとは、本発明の「集中定数素子」の一例である。
また、上記第1〜第3実施形態では、本発明の切替部を、位相差が略0になった後、給電コイルに流れる電流の値が略0となる時点で、第1の共振状態と、第2の共振状態とを、切り替えるように構成する例(図4参照)を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、本発明では、位相差が略0になった直後に、第1の共振状態と、第2の共振状態とを、切り替えるように構成してもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、本発明の切替部が第1の共振状態と第2の共振状態とを切り替える周期を、駆動信号の周期よりも長くする例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、切替部が第1の共振状態と第2の共振状態とを切り替える周期を、駆動信号の周期以下に設定してもよい。
また、上記第3実施形態では、本発明の切替部を、第1駆動部により共振回路を駆動することによる第1の共振状態と、第1駆動部および第2駆動部により共振回路を駆動することによる第2の共振状態とを、切り替えるように構成する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、切替部を、第1駆動部により共振回路を駆動することによる第1の共振状態と、第2駆動部のみにより共振回路を駆動することによる第2の共振状態とを、切り替えるように構成してもよい。この場合、たとえば、第2コンデンサの電気容量をC1+C2にすることにより、上記のように構成することが可能になる。
1、401、501 共振回路
2、402 駆動部
3、303、403、503 切替制御部(切替部)
11 給電コイル
12、512 集中定数素子
12a 第1コンデンサ
12b 第2コンデンサ
13、513 スイッチ部(切替部)
100、300、400、500 給電装置
307 電圧検出部(電圧位相検出部)
402a 第1駆動部
402b 第2駆動部
512a コンデンサ(集中定数素子)
512b インダクタ(集中定数素子)

Claims (8)

  1. 給電コイルと集中定数素子とを含む、共振回路と、
    前記共振回路を駆動させる駆動部と、
    前記共振回路の共振周波数が、前記駆動部の駆動信号の周波数よりも高い第1の周波数となる第1の共振状態と、前記共振周波数が前記駆動信号の周波数よりも低い第2の周波数となる第2の共振状態とを、切り替える切替部とを備え
    前記切替部は、前記駆動信号の位相と、前記給電コイルに流れる電流または電圧のうちの少なくとも一方の位相との位相差に基づいて、前記第1の共振状態と、前記第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている、給電装置。
  2. 前記切替部は、前記位相差が、正側または負側の一方側から0に近づく方向に変化して略0になったことに基づいて、前記第1の共振状態と、前記第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている、請求項1に記載の給電装置。
  3. 前記切替部は、前記位相差が略0になった後、前記給電コイルに流れる電流の値が略0となる時点で、前記第1の共振状態と、前記第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている、請求項2に記載の給電装置。
  4. 前記切替部が、前記第1の共振状態と前記第2の共振状態とを切り替える周期は、前記駆動信号の周期よりも長い、請求項1〜3のいずれか1項に記載の給電装置。
  5. 前記集中定数素子は、前記給電コイルに接続された第1コンデンサおよび第2コンデンサを含み、
    前記切替部は、前記共振周波数が前記給電コイルと前記第1コンデンサとにより決定される前記第1の周波数となる前記第1の共振状態と、前記共振周波数が前記給電コイルと前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとにより決定される前記第2の周波数となる前記第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の給電装置。
  6. 前記第1コンデンサは、前記給電コイルに直列に接続され、
    前記第2コンデンサは、前記第1コンデンサに並列に接続され、
    前記切替部は、前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとに接続されるスイッチ部を含み、
    前記スイッチ部は、前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとを電気的に非接続にすることによる前記第1の共振状態と、前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとを電気的に接続することによる前記第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている、請求項5に記載の給電装置。
  7. 前記駆動部は、前記第1コンデンサに接続された第1駆動部と、前記第2コンデンサに接続された第2駆動部とを含み、
    前記切替部は、前記第1駆動部により前記共振回路を駆動することによる前記第1の共振状態と、前記第1駆動部および前記第2駆動部により前記共振回路を駆動することによる前記第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている、請求項5に記載の給電装置。
  8. 前記給電コイルに印加される電圧の位相を検出する電圧位相検出部をさらに備え、
    前記位相差は、前記駆動部の駆動信号の位相と、前記給電コイルに印加される電圧の位相との位相差であり、
    前記切替部は、前記位相差が略0になることに基づいて、前記第1の共振状態と、前記第2の共振状態とを、切り替えるように構成されている、請求項1〜7のいずれか1項に記載の給電装置。
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