JP6739362B2

JP6739362B2 - ワイヤレス電力伝送システム、及びワイヤレスインターホンシステム

Info

Publication number: JP6739362B2
Application number: JP2017006847A
Authority: JP
Inventors: 秀明三好
Original assignee: Aiphone Co Ltd
Current assignee: Aiphone Co Ltd
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2037-01-18
Also published as: JP2018117451A

Description

本発明は、磁界共振結合方式により電力をワイヤレス伝送するワイヤレス電力伝送システム、及びこの電力伝送システムを適用したインターホンシステムに関する。

従来、電力をワイヤレス伝送する方式としては、電磁誘導方式が採用されていたが、磁界共振結合方式のワイヤレス電力伝送システムは、電磁誘導方式に比べてコイル間設置条件が緩く、送電距離を長くすることができるし、エネルギー伝送効率も優れているため、検討が進んでいる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１９１６９７号公報

しかしながら、磁界共振結合方式は送電側の共振コイルと受電側の共振コイルとが接近し過ぎた場合、相互インダクタンスの影響を受けて共振周波数が２つに分離し、使用していた周波数での伝送効率が急激に悪化してしまう問題がある。
また、電波法上、高周波利用設備であるので、６．７８ＭＨｚ，１３．５６ＭＨｚ等の規定のＩＳＭバンド（Industry Science Medical band）の周波数を使用する制約がある。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、送電側の共振コイルと受電側の共振コイルとが接近し過ぎた場合でも、送電電力の低下を防止できる磁界共振結合方式のワイヤレス電力伝送システム、及びワイヤレスインターホンシステムを提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に請求項１の発明は、伝送する電力を生成する高周波電源部、及びワイヤレス送電するための送電側共振コイルを有する送電コイル部を備えた送電装置と、送電側共振コイルから送電された電力を受電するための受電側共振コイルを有する受電コイル部を備えた受電装置とを有して、６ＭＨｚ以上の周波数を使用した磁界共振結合方式により、送電装置から受電装置に電力を伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、高周波電源部は、伝送する電力を増幅する電力増幅部と、電力増幅部から送電コイル部に送出される進行波電力、及び送電コイル部から反射する反射波電力を検出するための方向性結合器と、方向性結合器の検出値から反射波電力の増減を検出するための差動増幅部と、差動増幅部の出力を基に電力増幅部を制御する出力制御部とを有し、出力制御部は、差動増幅部の出力から反射波電力の増加を検出したら、電力増幅部の出力を増大させることを特徴とする。
この構成によれば、送電コイル部と受電コイル部との距離が、設定された距離より接近して電力の伝送効率が低下しても、送電電力が増加するため受電電力の低下を防止できる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の構成において、出力制御部は、反射波電力の増加を検出しても電力増幅部の出力増大を一定時間遅延させるためのタイマを有し、タイマがタイムアップしても引き続き反射波電力の増加を検出したら、電力増幅部の出力を増大させることを特徴とする。
この構成によれば、送電コイル部と受電コイル部の接近等で反射波電力が増加しても、瞬時に送電電力は増加しないため、送電コイル部と受電コイル部との突発的な接近等による急激な電力変動を防止でき、不安定な状態となる制御を防止できる。

請求項３の発明は、来訪者が居住者を呼び出すために屋外の住戸壁面に設置された玄関子機と、玄関子機からの呼び出しに応答するための居室親機とを有し、玄関子機と居室親機との間の通信が無線で成されるワイヤレスインターホンシステムであって、玄関子機に請求項１又は２に記載のワイヤレス電力伝送システムを適用し、玄関子機内にワイヤレス電力伝送システムの受電装置を配置すると共に、玄関子機の背部となる住戸壁面の裏面に、ワイヤレス電力伝送システムの送電装置を配置し、住戸壁面を介して送電装置から送電される電力で玄関子機が動作することを特徴とする。
この構成によれば、玄関子機は無線で電力が供給されるため、電源線が必要がない。そのため、壁面に電源線等の配線を挿通するための孔を設ける必要が無く、設置が容易となる。また、壁が薄いことで玄関子機と送電装置が設定値より接近した状態で設置されても、玄関子機の受電コイル部が受信する電力が大きく低下しないよう送電電力の大きさが制御されるため、住戸によって或いは取り付ける壁面の状態によって玄関子機と送電装置の距離が変わっても玄関子機を良好に動作させることができ、壁面の厚みを気にすることなく玄関子機を設置できる。

請求項４の発明は、来訪者が居住者を呼び出すために屋外の住戸壁面に設置された玄関子機と、玄関子機からの呼び出しに応答するための居室親機とを有し、玄関子機と居室親機との間の通信が無線で成されるワイヤレスインターホンシステムであって、玄関子機に請求項１又は２に記載のワイヤレス電力伝送システムを適用し、玄関子機内にワイヤレス電力伝送システムの受電装置を配置すると共に、ワイヤレス電力伝送システムの送電装置或いは当該送電装置を内蔵した携帯端末を来訪者が携行し、来訪者が玄関子機に接近することで玄関子機に送電装置から電源が供給されて呼出操作が可能となることを特徴とする。
この構成によれば、待受時は玄関子機に電源が供給されないが、送電装置を携行する来訪者が居住者を呼び出すために接近すると、玄関子機に電源が供給されて起動する。よって、電源線を配設することなく呼出操作が可能であり、設置が容易であるし、省電力に構成できる。

請求項５の発明は、請求項３又は４に記載の構成において、玄関子機に設置されたワイヤレス電力伝送システムの受電コイル部と、通話のための回路が組み付けられた回路基板との間には、受電コイル部で発生する漏れ磁束から回路基板をシールドするための磁性体シートが配置されて成ることを特徴とする。
この構成によれば、受電装置の受電コイル部で発生する漏れ磁束が通話のための回路へ悪影響を及ぼすのを防止でき、誤動作やノイズの発生を防ぐことができる。

本発明によれば、送電コイル部と受電コイル部とが設定された距離より接近して、電力の伝送効率が低下しても、送電電力が増加するため受電電力の低下を防止でき、安定した電力伝送を実現できる。

本発明に係るワイヤレス電力伝送システムの一例を示す回路ブロック図である。送電コイル部と受電コイル部の構成を示す回路図である。本発明に係るワイヤレスインターホンシステムの概略構成図である。図３に示す玄関子機と送電装置の位置関係を示す説明図である。ワイヤレスインターホンシステムの他の例を示す概略図である。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係るワイヤレス電力伝送システムの一例を示す回路ブロック図であり、１は送電装置、２は受電装置である。
送電装置１は、商用電源等から所定の電圧の直流電力を生成する直流電源１１、高周波電力を発生させる高周波電源部１２、磁界共振結合方式により電力を受電装置２に送信するための送電コイル部１３を備えている。受電装置２は、受電コイル部２１、整流部２２を備えており、整流部２２により整流された受電電力が、負荷２３としての例えばワイヤレスのインターホン機器の電源として供給される。

また、送電装置１の高周波電源部１２は、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波信号を発生する発振部３１、発振部３１が出力する高周波信号を増幅する電力増幅部３２、電力増幅部３２から送電コイル部１３に送出する進行波電力に対応する信号と、送電コイル部１３から反射される反射波電力に対応する信号とを取り出す方向性結合器３３、方向性結合器３３が取り出した信号をそれぞれ検波する直線検波器３４（進行波電力に対応する信号Ｐｆを検波する第１検波器３４ａ、及び反射波電力に対応する信号Ｐｒを検波する第２検波器３４ｂ）、直線検波器３４の出力の差分を増幅する差動増幅部３５、電力増幅部３２を制御する出力制御部３６等を備えている。

図２は、送電コイル部１３と受電コイル部２１の回路図を示している。図２に示すように送電コイル部１３は、送電側給電コイルＬINと送電側共振コイルＬ１とを備えており、送電側給電コイルＬINには、コンデンサＣIN及び抵抗ＲINが直列接続されて高周波電源部１２の出力が印加される。また、送電側共振コイルＬ１は、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１と直列接続され、ループを形成している。送電側給電コイルＬINと送電側共振コイルＬ１とは同心円状に近接配置されている。

一方、受電コイル部２１は、受電側共振コイルＬ２と受電側給電コイルＬOUTとを備えており、受電側共振コイルＬ２は、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ２とが直列接続され、ループを形成している。また、受電側給電コイルＬOUTは、コンデンサＣOUTと抵抗ＲOUTと直列に接続されて整流部２２に接続されている。受電側給電コイルＬOUTと受電側共振コイルＬ２とは同心円状に近接配置されている。

尚、送電側共振コイルＬ１と受電側共振コイルＬ２とはほぼ同一の特性を有するよう設定され、送電側給電コイルＬINと受電側給電コイルＬOUTとはほぼ同一の特性を有するよう設定されている。具体的なサイズ及び特性の一例を示すと、伝送周波数を１３．５６ＭＨｚの場合、送信側給電コイルＬINと受電側給電コイルＬOUTの半径を７２．５ｍｍ、送電側共振コイルＬ１と受電側共振のコイルＬ２の半径を１００ｍｍとした場合、送信側共振コイルＬ１と受電側共振コイルＬ２の距離を１５０ｍｍとすることで後述する単峰特性を示し、送電効率９０％の達成が可能となる。

このように形成されたワイヤレス電力伝送システムは、電力伝送を次のように行う。送電側給電コイルＬINは、高周波電源部１２が出力する電力により励起され、電磁誘導により送電側共振コイルＬ１に高周波電力を送電する。送電側給電コイルＬINから電力が伝送された送電側共振コイルＬ１は、送電側給電コイルＬINから出力された高周波電力に基づいて磁界を発生し、磁界共鳴により受電側共振コイルＬ２に非接触で電力を伝送する。

受電側共振コイルＬ２は、送電側共振コイルＬ１から伝送された電力を受電したら、電磁誘導により受電側給電コイルＬOUTへ伝送する。こうして受電側給電コイルＬOUTが受電した電力は、整流部２２で直流に変換されて負荷２３に供給される。

ここで、電力の伝送効率を見ると、送電側共振コイルＬ１と受電側共振コイルＬ２との間の結合度は、共振コイル間の距離ｄ（ここでは、送電側共振コイルＬ１と受電側共振コイルＬ２との間の距離Ｌｍ）により変化し、近づけるほど伝送効率は高くなるが、一定距離以上に近づけると逆に利得が急激に低下する。これは、共振コイル間の距離が短すぎると反射電力が増加して共振周波数が１つの単峰特性から２つに分離する双峰特性に変化することによるためで、伝送周波数が固定されている状況で高い伝送効率を維持するには、この固定された伝送周波数に単峰特性のピークを持ってくることになる。

しかしながら、共振コイル間の距離を一定にできず、取り付け状況或いは使用状態によって距離が変わり、双峰特性が発生する距離まで接近する状況が発生する場合は、次のような制御により負荷２３に供給する電力の減少を防止する。
まず方向性結合器３３により、電力増幅部３２から送電コイル部１３に送出される進行波電力に比例する信号と、送電コイル部１３から反射する反射波電力に基づく（比例する）信号とを取り出し、両者の差分を差動増幅部３５で抽出する。そして、この差分情報を基に出力制御部３６が電力増幅部３２の増幅率を制御する。

具体的に出力制御部３６は、差分が大きければ反射電力が小さいと判断し、即ち受電コイル部２１は良好に電力を受電していると判断し、電力増幅部３２の増幅率を所定の増幅率で一定とする。一方、共振コイル間の距離が近いにも拘わらず差分が小さくなったら、共振周波数が双峰特性に変化して反射電力が増加したと判断し、電力増幅部３２の増幅率を所定の増幅率より大きくし、受電コイル部２１が受信する電力を増加させる。
詳しくは、差動増幅部３５が出力する差分情報と、電力増幅部３２が出力する電力情報から受電装置２が受電する電力を推定して、一定の電力が伝送されるよう電力増幅部３２の増幅率を制御する。この結果、負荷２３には一定の電力を供給が成される。

但し、出力制御部３６は、遅延制御するためのタイマ３６ａを備えており、反射波電力が増加したと判断しても、タイマ３６ａを起動して一定時間（例えば３秒）をカウントし、一定時間が経過してタイムアップしても引き続き反射波電力の増加が認められたら、その時点で電力増幅部３２の増幅率を大きくする。

このように、送電コイル部１３と受電コイル部２１とが設定された距離より接近して、電力の伝送効率が低下しても、電力増幅部３２が出力する電力が増加するため、受電電力の低下を防止できる。
また、送電コイル部１３と受電コイル部２１の接近等で反射波電力が増加しても、一定時間遅延動作させて瞬時に送電電力を増加させないため、送電コイル部１３と受電コイル部２１との突発的な接近等による急激な電力変動を防止でき、不安定な状態となる制御を防止でき、安定したワイヤレス送電を実施できる。

図３は、上記ワイヤレス電力伝送システムを組み込んだイヤレスインターホンシステムを示している。ワイヤレスインターホンシステムは、図３に示すように来訪者が居住者を呼び出すための玄関子機４と、呼び出しを受けて居住者が応答するための居室親機５とで構成され、両者はアンテナ４１、５１を有して無線通信により通話路が形成される。
玄関子機４は、呼出ボタン４２に加えて来訪者を撮像するカメラ４３を備え、居室親機５は応答するための通話ボタン５２と、カメラ４３の撮像映像を表示するモニタ５３を備えている。尚、両者は通話のためのマイク及びスピーカを備えているが省略している。

そして、玄関子機４は上述したワイヤレス電力伝送システムを構成する受電装置２を具備して、玄関子機の背部（玄関子機４が設置された壁面の反対側）に、玄関子機４に電力を送電するための送電装置１が設置され、ワイヤレスで電源の供給を受けている。尚、居室親機５は室内のコンセント等に接続されて商用電源が供給される。

図４は玄関子機４と送電装置１の関係を示す説明図であり、縦断面を示している。図４に示すように、住戸の壁面Ｗの外側に取り付けられた玄関子機４に対して、住戸内となる壁面Ｗの裏側に送電装置１が取り付けられている。
そして、玄関子機４は、通話のためのマイク、スピーカ（何れも図示せず）に加えて、カメラ４３の撮像回路や通話回路等が組み付けられた回路基板４４、受電装置２等が組み込まれており、玄関子機ケース４ｂの奥部となる背面側に受電装置２の受電コイル部２１が配置され、回路基板４４はその前側に配置されている。
また、回路基板４４と受電コイル部２１との間には、回路基板４４を受電コイル部２１の漏れ磁束からシールドするための磁性体から成るシート４５が配置されている。

このように、玄関子機４は無線で電力が供給されるため、電源線が必要がない。そのため、壁面Ｗに電源線等の配線を挿通するための孔を設ける必要が無く、設置が容易となる。また、壁が薄いことで玄関子機４と送電装置１が設定値より接近した状態で設置されても、玄関子機４の受電コイル部２１が受信する電力が低下しないよう送電電力の大きさが制御されるため、住戸によって或いは取り付ける壁面の状態によって玄関子機４と送電装置１の距離が変わっても玄関子機４を良好に動作させることができ、壁面Ｗの厚みを気にすることなく玄関子機４を設置できる。
また、回路基板４４と受電コイル部２１との間には磁性体から成るシート４５が配置されているため、受電装置２の受電コイル部２１で発生する漏れ磁束が通話のための回路へ悪影響を及ぼすのを防止でき、誤動作やノイズの発生を防止できる。

尚、上記実施形態では、高周波電源部１２が出力する電力の周波数を、例えば１３．５６ＭＨｚとしているが、６ＭＨｚ以上であれば住戸の壁面程度の間隔を設けた状態で磁界共振結合方式により良好に電力を伝送することが可能であり、ＩＳＭバンドの周波数帯を利用できる。

図５はワイヤレスインターホンシステムの他の例を示す概略図であり、玄関子機４ａと来訪者が携行する携帯端末６を示している。居室親機は上記図３と同様であるため省略している。この形態では、壁面Ｗの内側に配置した送電装置１から玄関子機４ａが電力の供給を受けるのではなく、玄関子機４ａを操作する来訪者の接近を受けて玄関子機４ａが起動するよう構成されている。

この形態では、玄関子機４ａの基本構成は上記図４に示す玄関子機４と同様であるが、図４に示す構造とは受電コイル部２１と回路基板４４の配置が逆となってい点が相違している。受電コイル部２１が前面側に配置され、回路基板４４が奥部である壁面Ｗ側に配置され、両者の間に磁性体から成るシート４５（図示せず）が配置されている。
一方、来訪者が携行する携帯端末６は、情報表示部６１、通話部を備えて携帯電話としての機能に加えて、上述した送電装置１を具備している。

このような構成とすることで、待受時の玄関子機４ａは電源の供給を受けないため停止状態にあるが、携帯端末６を携行している来訪者が玄関子機４ａを操作するために玄関子機４ａに近づくと、送電装置１も受電装置２に接近するため、玄関子機４ａに電力が供給されて起動する。その結果、呼出操作が可能となり、呼出操作すると呼出信号が居室親機５に無線送信され、応答操作を受けて通話が可能となる。

このように、待受時は玄関子機４ａに電源が供給されないが、送電装置１を内蔵した携帯端末６を携行する来訪者が居住者を呼び出すために接近すると、玄関子機４ａに電源が供給されて起動する。よって、電源線を配設することなく呼出操作が可能であり、玄関子機４ａの設置が容易であるし、省電力に構成できる。
また、回路基板４４と受電コイル部２１との間には磁性体から成るシート４５が配置されているため、受電装置２の受電コイル部２１で発生する漏れ磁束が通話のための回路へ悪影響を及ぼすのを防止でき、誤動作やノイズの発生を防止できる。

尚、携帯端末６でなくバッテリーを電源とした送電装置１そのものを来訪者に携行させても良い。

１・・送電装置、２・・受電装置、４，４ａ・・玄関子機、４ｂ・・玄関子機ケース、５・・居室親機、６・・携帯端末、１１・・直流電源、１２・・高周波電源部、１３・・送電コイル部、２１・・受電コイル部、２３・・負荷、３２・・電力増幅部、３３・・方向性結合器、３４・・直線検波器、３５・・差動増幅部、３６・・出力制御部、３６ａ・・タイマ、４４・・回路基板、４５・・シート（磁性体シート）、５１・・アンテナ、ＬIN・・送電側給電コイル、Ｌ１・・送電側共振コイル、Ｌ２・・受電側共振コイル、ＬOUT・・受電側給電コイル、Ｗ・・壁面（住戸壁面）。

Claims

伝送する電力を生成する高周波電源部、及びワイヤレス送電するための送電側共振コイルを有する送電コイル部を備えた送電装置と、前記送電側共振コイルから送電された電力を受電するための受電側共振コイルを有する受電コイル部を備えた受電装置とを有して、６ＭＨｚ以上の周波数を使用した磁界共振結合方式により、前記送電装置から前記受電装置に電力を伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、
前記高周波電源部は、伝送する電力を増幅する電力増幅部と、
前記電力増幅部から前記送電コイル部に送出される進行波電力、及び前記送電コイル部から反射する反射波電力を検出するための方向性結合器と、
前記方向性結合器の検出値から前記反射波電力の増減を検出するための差動増幅部と、
前記差動増幅部の出力を基に前記電力増幅部を制御する出力制御部とを有し、
前記出力制御部は、前記差動増幅部の出力から反射波電力の増加を検出したら、前記電力増幅部の出力を増大させることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
前記出力制御部は、前記反射波電力の増加を検出しても前記電力増幅部の出力増大を一定時間遅延させるためのタイマを有し、前記タイマがタイムアップしても引き続き前記反射波電力の増加を検出したら、前記電力増幅部の出力を増大させることを特徴とする請求項１記載のワイヤレス電力伝送システム。
来訪者が居住者を呼び出すために屋外の住戸壁面に設置された玄関子機と、前記玄関子機からの呼び出しに応答するための居室親機とを有し、前記玄関子機と前記居室親機との間の通信が無線で成されるワイヤレスインターホンシステムであって、
前記玄関子機に前記請求項１又は２に記載のワイヤレス電力伝送システムを適用し、前記玄関子機内にワイヤレス電力伝送システムの受電装置を配置すると共に、前記玄関子機の背部となる前記住戸壁面の裏面に、前記ワイヤレス電力伝送システムの送電装置を配置し、
前記住戸壁面を介して前記送電装置から送電される電力で前記玄関子機が動作することを特徴とするワイヤレスインターホンシステム。
来訪者が居住者を呼び出すために屋外の住戸壁面に設置された玄関子機と、前記玄関子機からの呼び出しに応答するための居室親機とを有し、前記玄関子機と前記居室親機との間の通信が無線で成されるワイヤレスインターホンシステムであって、
前記玄関子機に前記請求項１又は２に記載のワイヤレス電力伝送システムを適用し、前記玄関子機内にワイヤレス電力伝送システムの受電装置を配置すると共に、ワイヤレス電力伝送システムの送電装置或いは当該送電装置を内蔵した携帯端末を来訪者が携行し、来訪者が前記玄関子機に接近することで前記玄関子機に前記送電装置から電源が供給されて呼出操作が可能となることを特徴とするワイヤレスインターホンシステム。
前記玄関子機に設置されたワイヤレス電力伝送システムの受電コイル部と、通話のための回路が組み付けられた回路基板との間には、前記受電コイル部で発生する漏れ磁束から前記回路基板をシールドするための磁性体シートが配置されて成ることを特徴とする請求項３又は４記載のワイヤレスインターホンシステム。