JP6981480B2 - 受電器、電力伝送システム、及び受電方法 - Google Patents
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Description
本発明は、受電器、電力伝送システム、及び受電方法に関する。
従来より、ワイヤレス給電装置から送出される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信するワイヤレス受電装置であって、前記電力信号を受信するための受信コイルと、前記受信コイルと直列に設けられた第１キャパシタとを備えることを特徴とするワイヤレス受電装置がある。
ワイヤレス受電装置は、さらに、前記第１キャパシタと並列な経路に直列に設けられたスイッチおよび第２キャパシタと、前記電力信号の周波数に応じたデューティ比で前記スイッチのオン、オフを制御する制御部と、を備えることを特徴とする（例えば、特許文献１参照）。
ところで、ワイヤレス給電では、熱による影響又はその他の影響等によって、送電器と受電器とで共振電力の位相及び／又は周波数がずれる場合があり、送電器から送電される共振電力を受電器が効率的に受電できない場合がある。
そこで、効率的に受電できる受電器、電力伝送システム、及び受電方法を提供することを目的とする。
本発明の実施の形態の受電器は、共振コイル部を有し、一次側共振コイルとの間で生じる磁界共鳴によって前記一次側共振コイルから電力を受電する二次側共振コイルと、前記二次側共振コイルの前記共振コイル部に直列に挿入されるキャパシタと、前記キャパシタに並列に接続される、第１スイッチ及び第２スイッチの直列回路と、前記第１スイッチに並列に接続され、第１整流方向を有する第１整流素子と、前記第２スイッチに並列に接続され、前記第１整流方向とは反対の第２整流方向を有する第２整流素子と、前記二次側共振コイルに供給される電圧又は電流を検出する検出部と、前記検出部によって検出される電圧又は電流を二値化して得る矩形波を出力する二値化処理部と、前記二値化処理部から出力される矩形波の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングと周期とを検出する矩形波検出部と、前記矩形波検出部によって検出される矩形波の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングと周期とに基づいて、基準クロックを生成する基準クロック生成部と、前記検出部によって検出される電圧又は電流に基づいて前記基準クロックの位相又はデューティ比を調整することにより、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのオン／オフをそれぞれ切り替える制御クロックを生成する制御部とを含む。
効率的に受電できる受電器、電力伝送システム、及び受電方法を提供することができる。
以下、本発明の受電器、電力伝送システム、及び受電方法を適用した実施の形態について説明する。
＜実施の形態＞
本発明の受電器、電力伝送システム、及び受電方法を適用した実施の形態について説明する前に、図１乃至図３を用いて、実施の形態の受電器、電力伝送システム、及び受電方法の前提技術について説明する。
本発明の受電器、電力伝送システム、及び受電方法を適用した実施の形態について説明する前に、図１乃至図３を用いて、実施の形態の受電器、電力伝送システム、及び受電方法の前提技術について説明する。
図１は、電力伝送システム５０を示す図である。
図１に示すように、電力伝送システム５０は、交流電源１、一次側(送電側)の送電器１０、及び二次側(受電側)の受電器２０を含む。電力伝送システム５０は、送電器１０及び受電器２０を複数含んでもよい。
送電器１０は、一次側コイル１１と一次側共振コイル１２を有する。受電器２０は、二次側共振コイル２１と二次側コイル２２を有する。二次側コイル２２には負荷装置３０が接続される。
図１に示すように、送電器１０及び受電器２０は、一次側共振コイル(ＬＣ共振器)１２と二次側共振コイル(ＬＣ共振器)２１の間の磁界共鳴(磁界共振)により、送電器１０から受電器２０へエネルギー(電力)の伝送を行う。ここで、一次側共振コイル１２から二次側共振コイル２１への電力伝送は、磁界共鳴だけでなく電界共鳴(電界共振)等も可能であるが、以下の説明では、主として磁界共鳴を例として説明する。
また、実施の形態では、一例として、交流電源１が出力する交流電圧の周波数が６．７８ＭＨｚであり、一次側共振コイル１２と二次側共振コイル２１の共振周波数が６．７８ＭＨｚである場合について説明する。
なお、一次側コイル１１から一次側共振コイル１２への電力伝送は電磁誘導を利用して行われ、また、二次側共振コイル２１から二次側コイル２２への電力伝送も電磁誘導を利用して行われる。
また、図１には、電力伝送システム５０が二次側コイル２２を含む形態を示すが、電力伝送システム５０は二次側コイル２２を含まなくてもよく、この場合には、二次側共振コイル２１に負荷装置３０を直接的に接続すればよい。
図２は、送電器１０から電子機器４０Ａ、４０Ｂに磁界共鳴によって電力を伝送する状態を示す図である。
電子機器４０Ａ及び４０Ｂは、それぞれ、タブレットコンピュータ及びスマートフォンであり、それぞれ、受電器２０Ａ、２０Ｂを内蔵している。受電器２０Ａ及び２０Ｂは、図１に示す受電器２０（図１参照）から二次側コイル２２を取り除いた構成を有する。すなわち、受電器２０Ａ及び２０Ｂは、二次側共振コイル２１を有する。なお、図２では送電器１０を簡略化して示すが、送電器１０は交流電源１（図１参照）に接続されている。
図２では、電子機器４０Ａ、４０Ｂは、送電器１０から互いに等しい距離の位置に配置されており、それぞれが内蔵する受電器２０Ａ及び２０Ｂが磁界共鳴によって送電器１０から非接触の状態で同時に電力を受電している。
ここで一例として、図２に示す状態において、電子機器４０Ａに内蔵される受電器２０Ａの受電効率が４０％、電子機器４０Ｂに内蔵される受電器２０Ｂの受電効率が４０％であることとする。
受電器２０Ａ及び２０Ｂの受電効率は、交流電源１に接続される一次側コイル１１から伝送される電力に対する、受電器２０Ａ及び２０Ｂの二次側コイル２２が受電する電力の比率で表される。なお、送電器１０が一次側コイル１１を含まずに交流電源１に一次側共振コイル１２が直接的に接続されている場合は、一次側コイル１１から伝送される電力の代わりに、一次側共振コイル１２から伝送される電力を用いて受電電力を求めればよい。また、受電器２０Ａ及び２０Ｂが二次側コイル２２を含まない場合は、二次側コイル２２が受電する電力の代わりに二次側共振コイル２１が受電する電力を用いて受電電力を求めればよい。
受電器２０Ａ及び２０Ｂの受電効率は、送電器１０と受電器２０Ａ及び２０Ｂのコイル仕様や各々との間の距離・姿勢によって決まる。図２では、受電器２０Ａ及び２０Ｂの構成は同一であり、送電器１０から互いに等しい距離・姿勢の位置に配置されているため、受電器２０Ａ及び２０Ｂの受電効率は互いに等しく、一例として、４０％である。
また、電子機器４０Ａの定格出力は１０Ｗ、電子機器４０Ｂの定格出力は５Ｗであることとする。
このような場合には、送電器１０の一次側共振コイル１２（図１参照）から伝送される電力は、１８．７５Ｗになる。１８．７５Ｗは、（１０Ｗ＋５Ｗ）／（４０％＋４０％）で求まる。
ところで、送電器１０から１８．７５Ｗの電力を電子機器４０Ａ及び４０Ｂに向けて伝送すると、受電器２０Ａ及び２０Ｂは、合計で１５Ｗの電力を受信することになり、受電器２０Ａ及び２０Ｂは、均等に電力を受電するため、それぞれが７．５Ｗの電力を受電することになる。
この結果、電子機器４０Ａは、電力が２．５Ｗ不足し、電子機器４０Ｂは、電力が２．５Ｗ余ることになる。
すなわち、送電器１０から１８．７５Ｗの電力を電子機器４０Ａ及び４０Ｂに伝送しても、電子機器４０Ａ及び４０Ｂがバランスよく受電することはできない。換言すれば、電子機器４０Ａ及び４０Ｂが同時に受電する際における電力の供給バランスがよくない。
図３は、送電器１０から電子機器４０Ｂ１、４０Ｂ２に磁界共鳴によって電力を伝送する状態を示す図である。
電子機器４０Ｂ１、４０Ｂ２は、同じタイプのスマートフォンであり、それぞれ、受電器２０Ｂ１、２０Ｂ２を内蔵している。受電器２０Ｂ１及び２０Ｂ２は、図２に示す受電器２０Ｂと等しい。すなわち、受電器２０Ｂ１及び２０Ｂ２は、二次側共振コイル２１を有する。なお、図３では送電器１０を簡略化して示すが、送電器１０は交流電源１（図１参照）に接続されている。
図３では、電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２の送電器１０に対する角度（姿勢）は等しいが、電子機器４０Ｂ１は、電子機器４０Ｂ２よりも送電器１０から遠い位置に配置されている。電子機器４０Ｂ１、４０Ｂ２がそれぞれ内蔵する受電器２０Ｂ１及び２０Ｂ２は、磁界共鳴によって送電器１０から非接触の状態で電力を同時に受電している。
ここで一例として、図３に示す状態において、電子機器４０Ｂ１に内蔵される受電器２０Ｂ１の受電効率が３５％、電子機器４０Ｂ２に内蔵される受電器２０Ｂ２の受電効率が４５％であることとする。
ここでは、電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２の送電器１０に対する角度（姿勢）は等しいため、受電器２０Ｂ１及び２０Ｂ２の受電効率は、受電器２０Ｂ１及び２０Ｂ２の各々と送電器１０との間の距離によって決まる。このため、図３では、受電器２０Ｂ１の受電効率は、受電器２０Ｂ２の受電効率よりも低い。なお、電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２の定格出力は、ともに５Ｗである。
このような場合には、送電器１０の一次側共振コイル１２（図１参照）から伝送される電力は、１２．５Ｗになる。１２．５Ｗは、（５Ｗ＋５Ｗ）／（３５％＋４５％）で求まる。
ところで、送電器１０から１２．５Ｗの電力を電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２に向けて伝送すると、受電器２０Ｂ１及び２０Ｂ２は、合計で１０Ｗの電力を受信することになる。また、図３では、受電器２０Ｂ１の受電効率が３５％であり、受電器２０Ｂ２の受電効率が４５％であるため、受電器２０Ｂ１は、約４．４Ｗの電力を受電し、受電器２０Ｂ２は、約５．６％の電力を受電することになる。
この結果、電子機器４０Ｂ１は、電力が約０．６Ｗ不足し、電子機器４０Ｂ２は、電力が０．６Ｗ余ることになる。
すなわち、送電器１０から１２．５Ｗの電力を電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２に伝送しても、電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２がバランスよく受電することはできない。換言すれば、電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２が同時に受電する際における電力の供給バランスがよくない（改善の余地がある）。
なお、ここでは、電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２の送電器１０に対する角度（姿勢）が等しく、電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２の送電器１０からの距離が異なる場合の電力の供給バランスについて説明した。
しかしながら、受電効率は、送電器１０と受電器２０Ｂ１及び２０Ｂ２との間の距離と角度（姿勢）によって決まるため、図３に示す位置関係において電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２の角度（姿勢）が異なれば、受電器２０Ｂ１及び２０Ｂ２の受電効率は、上述した３５％及び４５％とは異なる値になる。
また、電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２の送電器１０からの距離が等しくでも、電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２の送電器１０に対する角度（姿勢）が異なれば、受電器２０Ｂ１及び２０Ｂ２の受電効率は互いに異なる値になる。
以上、図２に示すように、定格出力が互いに異なる電子機器４０Ａ、４０Ｂに、送電器１０から磁界共鳴によって電力を同時に伝送する際には、電子機器４０Ａ及び４０Ｂがバランスよく受電することは困難である。
また、図３に示すように、電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２の定格出力が互いに等しくても、電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２の送電器１０に対する角度（姿勢）が異なれば、受電器２０Ｂ１及び２０Ｂ２の受電効率は互いに異なるため、電子機器４０Ｂ１及び４０Ｂ２がバランスよく受電することは困難である。
ところで、熱による影響又はその他の影響等によって、送電器１０と受電器２０とで共振電力の位相及び／又は周波数がずれる場合があり、送電器１０から送電される共振電力を受電器２０等が効率的に受電できない場合がある。受電器２０が効率的に受電するには、送電器１０から送電される共振電力の位相と周波数に合わせた共振を生じさせることが好ましい。なお、これは、送電器１０と受電器２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｂ１、及び２０Ｂ２との間においても同様である。
次に、図４乃至図１２を用いて、実施の形態の受電器、電力伝送システム、及び受電方法について説明する。
図４は、実施の形態の電子機器２００と送電器８０を含む電力伝送システム１を示す図である。送電器８０は、交流電源１と送電器１０を含む。交流電源１と送電器１０は、図１に示すものと同様であるが、図４では、より具体的な構成を示す。電子機器２００は、受電器１００、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０、及びバッテリ２２０を含む。
送電器１０は、一次側コイル１１、一次側共振コイル１２、整合回路１３、キャパシタ１４、制御部１５、及びアンテナ１６を有する。
受電器１００は、二次側共振コイル１１０、キャパシタ１１５、電圧計１１６、初段アンプ１１７、二値化回路１１８、整流回路１２０、調整部１３０、平滑キャパシタ１４０、電圧計１４５、制御装置１５０、出力端子１６０Ｘ、１６０Ｙ、アンテナ１７０、及びクロック生成器１８０を含む。出力端子１６０Ｘ、１６０Ｙには、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０が接続されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０の出力側にはバッテリ２２０が接続されている。
まず、送電器１０について説明する。図４に示すように、一次側コイル１１は、ループ状のコイルであり、両端間に整合回路１３を介して交流電源１に接続されている。一次側コイル１１は、一次側共振コイル１２と非接触で近接して配置されており、一次側共振コイル１２と電磁界結合される。一次側コイル１１は、自己の中心軸が一次側共振コイル１２の中心軸と一致するように配設される。中心軸を一致させるのは、一次側コイル１１と一次側共振コイル１２との結合強度を向上させるとともに、磁束の漏れを抑制して、不必要な電磁界が一次側コイル１１及び一次側共振コイル１２の周囲に発生することを抑制するためである。
一次側コイル１１は、交流電源１から整合回路１３を経て供給される交流電力によって磁界を発生し、電磁誘導（相互誘導）により電力を一次側共振コイル１２に送電する。
図４に示すように、一次側共振コイル１２は、一次側コイル１１と非接触で近接して配置されて一次側コイル１１と電磁界結合されている。また、一次側共振コイル１２は、所定の共振周波数を有し、高いＱ値を有するように設計されている。一次側共振コイル１２の共振周波数は、二次側共振コイル１１０の共振周波数と等しくなるように設定されている。一次側共振コイル１２の両端の間に、共振周波数を調整するためのキャパシタ１４が直列に接続される。
一次側共振コイル１２の共振周波数は、交流電源１が出力する交流電力の周波数と同一の周波数になるように設定されている。一次側共振コイル１２の共振周波数は、一次側共振コイル１２のインダクタンスと、キャパシタ１４の静電容量によって決まる。このため、一次側共振コイル１２のインダクタンスと、キャパシタ１４の静電容量は、一次側共振コイル１２の共振周波数が、交流電源１から出力される交流電力の周波数と同一の周波数になるように設定されている。
整合回路１３は、一次側コイル１１と交流電源１とのインピーダンス整合を取るために挿入されており、インダクタＬとキャパシタＣを含む。
交流電源１は、磁界共鳴に必要な周波数の交流電力を出力する電源であり、出力電力を増幅するアンプを内蔵する。交流電源１は、例えば、数百ｋＨｚから数十ＭＨｚ程度の高周波の交流電力を出力する。
キャパシタ１４は、一次側共振コイル１２の両端の間に、直列に挿入される可変容量型のキャパシタである。キャパシタ１４は、一次側共振コイル１２の共振周波数を調整するために設けられており、静電容量は制御部１５によって設定される。
制御部１５は、交流電源１の出力電圧及び出力周波数の制御、キャパシタ１４の静電容量の制御等を行う。また、制御部１５は、アンテナ１６を通じて、受電器１００とデータ通信を行う。
以上のような送電器８０は、交流電源１から一次側コイル１１に供給される交流電力を磁気誘導により一次側共振コイル１２に送電し、一次側共振コイル１２から磁界共鳴により電力を受電器１００の二次側共振コイル１１０に送電する。
次に、受電器１００に含まれる二次側共振コイル１１０について説明する。ここでは、一例として、共振周波数が６．７８ＭＨｚである形態について説明する。
二次側共振コイル１１０は、一次側共振コイル１２と同一の共振周波数を有し、高いＱ値を有するように設計されている。二次側共振コイル１１０は、共振コイル部１１１と、端子１１２Ｘ、１１２Ｙとを有する。ここで、共振コイル部１１１は、実体的には二次側共振コイル１１０そのものであるが、ここでは、共振コイル部１１１の両端に端子１１２Ｘ、１１２Ｙを設けたものを二次側共振コイル１１０として取り扱う。
共振コイル部１１１には、共振周波数を調整するためのキャパシタ１１５が直列に挿入されている。また、キャパシタ１１５には、調整部１３０が並列に接続されている。また、共振コイル部１１１の両端には、端子１１２Ｘ、１１２Ｙが設けられている。端子１１２Ｘ、１１２Ｙは、整流回路１２０に接続されている。端子１１２Ｘ、１１２Ｙは、それぞれ、第１端子及び第２端子の一例である。
二次側共振コイル１１０は、二次側コイルを介さずに整流回路１２０に接続されている。二次側共振コイル１１０は、調整部１３０によって共振が発生しうる状態にされているときには、送電器１０の一次側共振コイル１２から磁界共鳴によって送電される交流電力を整流回路１２０に出力する。
キャパシタ１１５は、二次側共振コイル１１０の共振周波数を調整するために、共振コイル部１１１に直列に挿入されている。キャパシタ１１５は、端子１１５Ｘ及び１１５Ｙを有する。キャパシタ１１５には、調整部１３０が並列に接続されている。
電圧計１１６は、キャパシタ１１５に並列に接続されており、キャパシタ１１５の両端子間電圧を測定する。電圧計１１６は、二次側共振コイル１１０が受電する交流電力の電圧を検出し、電圧を表す信号を初段アンプ１１７及び二値化回路１１８を介して制御装置１５０に伝送する。電圧計１１６で測定する交流電圧は、スイッチ１３１Ｘ及び１３１Ｙを駆動する駆動信号を生成するために用いられる。電圧計１１６は、第１検出部の一例である。なお、電圧計１１６の代わりに電流計を用いて、電流波形から電圧を測定してもよい。
初段アンプ１１７は、電圧計１１６と二値化回路１１８との間に設けられており、電圧計１１６から見て、二値化回路１１８側の回路のアイソレーションを確保するために設けられている。電圧計１１６から初段アンプ１１７側を見ると、ハイインピーダンス（Ｈｉ−Ｚ）の状態になっている。このような初段アンプ１１７を設けるのは、二次側共振コイル１１０の共振状態に影響を与えないようにするためである。
二値化回路１１８は、初段アンプ１１７から入力される高周波の正弦波信号を２値化して制御装置１５０に出力する。二値化回路１１８は、高周波の正弦波信号の信号レベルを１と０に分ける閾値を有しており、高周波の正弦波信号から矩形波信号を生成して制御装置１５０に出力する。二値化回路１１８は、二値化処理部の一例である。
二値化回路１１８が出力する矩形波信号の周波数は、初段アンプ１１７から出力される高周波の正弦波信号の周波数に等しい。すなわち、二値化回路１１８が出力する矩形波信号の周波数は、二次側共振コイル１１０の共振周波数に等しい。
整流回路１２０は、４つのダイオード１２１〜１２４を有する。ダイオード１２１〜１２４は、ブリッジ状に接続されており、二次側共振コイル１１０から入力される電力を全波整流して出力する。
調整部１３０は、二次側共振コイル１１０の共振コイル部１１１において、キャパシタ１１５に並列に接続されている。
調整部１３０は、スイッチ１３１Ｘ、１３１Ｙ、ダイオード１３２Ｘ、１３２Ｙ、キャパシタ１３３Ｘ、１３３Ｙ、及び端子１３４Ｘ、１３４Ｙを有する。
スイッチ１３１Ｘ及び１３１Ｙは、端子１３４Ｘ及び１３４Ｙの間で互いに直列に接続されている。スイッチ１３１Ｘ及び１３１Ｙは、それぞれ、第１スイッチ及び第２スイッチの一例である。端子１３４Ｘ、１３４Ｙは、それぞれ、キャパシタ１１５の端子１１５Ｘ、１１５Ｙに接続されている。このため、スイッチ１３１Ｘ及び１３１Ｙの直列回路は、キャパシタ１１５に並列に接続されている。
ダイオード１３２Ｘとキャパシタ１３３Ｘは、スイッチ１３１Ｘに並列に接続されている。ダイオード１３Ｙとキャパシタ１３３Ｙは、スイッチ１３１Ｙに並列に接続されている。ダイオード１３２Ｘ及び１３２Ｙは、互いのアノード同士が接続されるとともに、互いのカソードがキャパシタ１１５に接続されている。すなわち、ダイオード１３２Ｘ及び１３２Ｙは、互いの整流方向が反対向きになるように接続されている。
なお、ダイオード１３２Ｘ及び１３２Ｙは、それぞれ、第１整流素子及び第２整流素子の一例である。また、調整部１３０は、キャパシタ１３３Ｘ及び１３３Ｙを含まなくてもよい。
スイッチ１３１Ｘ、ダイオード１３２Ｘ、及びキャパシタ１３３Ｘとしては、例えば、ＦＥＴ(Field Effect Transistor)を用いることができる。Ｐチャネル型又はＮチャネル型のＦＥＴのドレイン−ソース間のボディダイオードが、ダイオード１３２Ｘのような整流方向を有するように接続すればよい。Ｎチャネル型のＦＥＴを用いる場合は、ソースがダイオード１３２Ｘのアノードであり、ドレインがダイオード１３２Ｘのカソードである。
また、スイッチ１３１Ｘは、制御装置１５０から出力される駆動信号がゲートに入力されることにより、ドレイン−ソース間の接続状態を切り替えることによって実現される。また、キャパシタ１３３Ｘは、ドレイン−ソース間の寄生容量によって実現することができる。
同様に、スイッチ１３１Ｙ、ダイオード１３２Ｙ、及びキャパシタ１３３Ｙとしては、例えば、ＦＥＴを用いることができる。Ｐチャネル型又はＮチャネル型のＦＥＴのドレイン−ソース間のボディダイオードが、ダイオード１３２Ｂのような整流方向を有するように接続すればよい。Ｎチャネル型のＦＥＴを用いる場合は、ソースがダイオード１３２Ｙのアノードであり、ドレインがダイオード１３２Ｙのカソードである。
また、スイッチ１３１Ｙは、制御装置１５０から出力される駆動信号がゲートに入力されることにより、ドレイン−ソース間の接続状態を切り替えることによって実現される。また、キャパシタ１３３Ｙは、ドレイン−ソース間の寄生容量によって実現することができる。
なお、スイッチ１３１Ｘ、ダイオード１３２Ｘ、及びキャパシタ１３３Ｘは、ＦＥＴによって実現するものに限られず、スイッチ、ダイオード、及びキャパシタを並列に接続することによって実現してもよい。これは、スイッチ１３１Ｙ、ダイオード１３２Ｙ、及びキャパシタ１３３Ｙについても同様である。
スイッチ１３１Ｘと１３１Ｙは、互いに逆位相でオン／オフが切り替えられる。スイッチ１３１Ｘがオフでスイッチ１３１Ｙがオンのときには、調整部１３０内では端子１３４Ｘからキャパシタ１３３Ｘ及びスイッチ１３１Ｙを経て端子１３４Ｙに向かう方向に共振電流が流れるとともに、キャパシタ１１５には端子１１５Ｘから端子１１５Ｙに共振電流が流れ得る状態になる。すなわち、図４において、二次側共振コイル１１０には時計回りの方向に共振電流が流れ得る状態になる。
また、スイッチ１３１Ｘがオンでスイッチ１３１Ｙがオフのときには、調整部１３０内では端子１３４Ｘからスイッチ１３１Ｘ及びダイオード１３２Ｙを経て端子１３４Ｙに向かう電流経路が生じる。この電流経路は、キャパシタ１１５に並列であるため、キャパシタ１１５には電流が流れなくなる。
従って、スイッチ１３１Ｘがオフでスイッチ１３１Ｙがオンにされていて、二次側共振コイル１１０に時計回りの方向に共振電流が流れている状態から、スイッチ１３１Ｘがオンでスイッチ１３１Ｙがオフの状態に切り替えられると、共振電流が生じなくなる。電流経路にキャパシタが含まれなくなるからである。
また、スイッチ１３１Ｘがオンでスイッチ１３１Ｙがオフのときには、調整部１３０内では端子１３４Ｙからキャパシタ１３３Ｙ及びスイッチ１３１Ｘを経て端子１３４Ｘに向かう方向に共振電流が流れるとともに、キャパシタ１１５には端子１１５Ｙから端子１１５Ｘに共振電流が流れ得る状態になる。すなわち、図４において、二次側共振コイル１１０には反時計回りの方向に共振電流が流れ得る状態になる。
また、スイッチ１３１Ｘがオフでスイッチ１３１Ｙがオンのときには、調整部１３０内では端子１３４Ｙからスイッチ１３１Ｙ及びダイオード１３２Ｘを経て端子１３４Ｘに向かう電流経路が生じる。この電流経路は、キャパシタ１１５に並列であるため、キャパシタ１１５には電流が流れなくなる。
従って、スイッチ１３１Ｘがオンでスイッチ１３１Ｙがオフにされていて、二次側共振コイル１１０に反時計回りの方向に共振電流が流れている状態から、スイッチ１３１Ｘがオフでスイッチ１３１Ｙがオンの状態に切り替えられると、共振電流が生じなくなる。電流経路にキャパシタが含まれなくなるからである。
調整部１３０は、上述のようにスイッチ１３１Ｘ及び１３１Ｙを切り替えることにより、共振電流が生じ得る状態と、共振電流が生じない状態とを切り替える。スイッチ１３１Ｘ及び１３１Ｙの切り替えは、制御装置１５０から出力される駆動信号によって行われる。
駆動信号の周波数は、二次側共振コイル１１０が受電する交流周波数に設定される。
スイッチ１３１Ｘ及び１３１Ｙは、上述のような高い周波数で交流電流の遮断を行う。例えば、２つのＦＥＴを組み合わせた調整部１３０は、高速で交流電流の遮断を行うことができる。なお、調整部１３０の動作については、図５を用いて後述する。
平滑キャパシタ１４０は、整流回路１２０の出力側に接続されており、整流回路１２０で全波整流された電力を平滑化して直流電力として出力する。平滑キャパシタ１４０の出力側には、出力端子１６０Ｘ、１６０Ｙが接続される。整流回路１２０で全波整流された電力は、交流電力の負成分を正成分に反転させてあるため、略交流電力として取り扱うことができるが、平滑キャパシタ１４０を用いることにより、全波整流された電力にリップルが含まれるような場合でも、安定した直流電力を得ることができる。
なお、平滑キャパシタ１４０の上側の端子と出力端子１６０Ｘとを結ぶ線路は、高電圧側の線路であり、平滑キャパシタ１４０の下側の端子と出力端子１６０Ｙとを結ぶ線路は、低電圧側の線路である。
電圧計１４５は、出力端子１６０Ｘと１６０Ｙの間に接続される。電圧計１４５は、制御装置１５０が受電器１００の受電電力を計算するために用いられる。電圧計１４５で測定される電圧（受電電圧）と、バッテリ２２０の内部抵抗値Ｒとに基づいて受電電力を求めれば、電流を測定して受電電力を測定する場合に比べて損失が少ないため、好ましい測定方法である。しかしながら、受電器１００の受電電力は、電流と電圧を測定して求めてもよい。電流を測定する場合は、ホール素子、磁気抵抗素子、検出コイル、又は抵抗器等を用いて測定すればよい。
制御装置１５０は、クロック生成器１８０から入力される内部クロックに基づいて動作する。制御装置１５０には、電圧計１１６によって検出される交流電力の電圧、電圧計１４５で測定される電圧（受電電圧）、及びバッテリ２２０の電圧（充電電圧）を表すデータが入力される。
制御装置１５０は、内部メモリにバッテリ２２０の定格出力を表すデータを保持する。また、送電器１０の制御部１５からのリクエストに応じて、送電器１０から受電器１００が受電する電力（受電電力）を測定し、受電電力を表すデータをアンテナ１７０を介して送電器１０に送信する。
また、制御装置１５０は、送電器１０から位相差を表すデータを受信すると、受信した位相差を用いて駆動信号を生成して、スイッチ１３１Ｘ及び１３１Ｙを駆動する。なお、受電電力は、制御装置１５０が、電圧計１４５で測定される電圧（受電電圧）Ｖと、バッテリ２２０の内部抵抗値Ｒとに基づいて求めればよい。受電電力ＰはＰ＝Ｖ２／Ｒで求められる。
また、制御装置１５０は、送電器８０から受電する電力に基づいてスイッチ１３１Ｘ、１３１Ｙを駆動するクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する。制御装置１５０の内部構成と、制御装置１５０がクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成するために行う制御処理との詳細については、図６を用いて後述する
クロック生成器１８０は、制御装置１５０が動作に用いる内部クロックを生成する。クロック生成器１８０は、水晶発振器を内蔵する。内部クロックは、制御クロックの一例であり、クロック生成器１８０は、制御クロック生成部の一例である。
クロック生成器１８０は、制御装置１５０が動作に用いる内部クロックを生成する。クロック生成器１８０は、水晶発振器を内蔵する。内部クロックは、制御クロックの一例であり、クロック生成器１８０は、制御クロック生成部の一例である。
ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０は、出力端子１６０Ｘ、１６０Ｙに接続されており、受電器１００から出力される直流電力の電圧をバッテリ２２０の定格電圧に変換して出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０は、整流回路１２０の出力電圧の方がバッテリ２２０の定格電圧よりも高い場合は、整流回路１２０の出力電圧をバッテリ２２０の定格電圧まで降圧する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０は、整流回路１２０の出力電圧の方がバッテリ２２０の定格電圧よりも低い場合は、整流回路１２０の出力電圧をバッテリ２２０の定格電圧まで昇圧する。
バッテリ２２０は、繰り返し充電が可能な二次電池であればよく、例えば、リチウムイオン電池を用いることができる。ここでは、受電器１００を含む電子機器２００がタブレットコンピュータ又はスマートフォン等であるため、バッテリ２２０は、タブレットコンピュータ又はスマートフォン等のメインのバッテリである。
なお、一次側コイル１１、一次側共振コイル１２、二次側共振コイル１１０は、例えば、銅線を巻回することによって作製される。しかしながら、一次側コイル１１、一次側共振コイル１２、二次側共振コイル１１０の材質は、銅以外の金属（例えば、金、アルミニウム等）であってもよい。また、一次側コイル１１、一次側共振コイル１２、二次側共振コイル１１０の材質は異なっていてもよい。
このような構成において、一次側コイル１１及び一次側共振コイル１２が電力の送電側であり、二次側共振コイル１１０が電力の受電側である。
磁界共鳴方式によって、一次側共振コイル１２と二次側共振コイル１１０との間で生じる磁界共鳴を利用して送電側から受電側に電力を伝送するため、送電側から受電側に電磁誘導で電力を伝送する電磁誘導方式よりも長距離での電力の伝送が可能である。
磁界共鳴方式は、共振コイル同士の間の距離又は位置ずれについて、電磁誘導方式よりも自由度が高く、ポジションフリーというメリットがある。
次に、図５を用いて、駆動信号でスイッチ１３１Ｘ及び１３１Ｙを駆動したときの電流経路について説明する。
図５は、キャパシタ１１５及び調整部１３０における電流経路を示す図である。図５では、図４と同様に、端子１３４Ｘからキャパシタ１１５又は調整部１３０の内部を通って端子１３４Ｙに流れる電流の向きを時計回り（ＣＷ(Clockwise)）と称す。また、端子１３４Ｙからキャパシタ１１５又は調整部１３０の内部を通って端子１３４Ｘに流れる電流の向きを反時計回り（ＣＣＷ(Counterclockwise)）と称す。
まず、スイッチ１３１Ｘと１３１Ｙがともにオフで電流が時計回り（ＣＷ）の場合は、端子１３４Ｘからキャパシタ１３３Ｘ及びダイオード１３２Ｙを経て端子１３４Ｙに向かう方向に共振電流が流れるとともに、キャパシタ１１５には端子１１５Ｘから端子１１５Ｙに共振電流が流れる。従って、二次側共振コイル１１０には時計回りの方向に共振電流が流れる。
スイッチ１３１Ｘと１３１Ｙがともにオフで電流が反時計回り（ＣＣＷ）の場合は、端子１３４Ｙからキャパシタ１３３Ｙ及びダイオード１３２Ｘを経て端子１３４Ｘに向かう方向に共振電流が流れるとともに、キャパシタ１１５には端子１１５Ｙから端子１１５Ｘに共振電流が流れる。従って、二次側共振コイル１１０には反時計回りの方向に共振電流が流れる。
スイッチ１３１Ｘがオンでスイッチ１３１Ｙがオフで、電流が時計回り（ＣＷ）の場合は、調整部１３０内では端子１３４Ｘからスイッチ１３１Ｘ及びダイオード１３２Ｙを経て端子１３４Ｙに向かう電流経路が生じる。この電流経路は、キャパシタ１１５に並列であるため、キャパシタ１１５には電流が流れなくなる。従って、二次側共振コイル１１０には共振電流は流れない。なお、この場合には、スイッチ１３１Ｙをオンにしても、二次側共振コイル１１０には共振電流は流れない。
スイッチ１３１Ｘがオンでスイッチ１３１Ｙがオフで、電流が反時計回り（ＣＣＷ）の場合は、調整部１３０内では端子１３４Ｙからキャパシタ１３３Ｙ及びスイッチ１３１Ｘを経て端子１３４Ｘに向かう方向に共振電流が流れるとともに、キャパシタ１１５には端子１１５Ｙから端子１１５Ｘに共振電流が流れる。従って、二次側共振コイル１１０には反時計回りの方向に共振電流が流れる。なお、スイッチ１３１Ｘと並列なダイオード１３２Ｘにも電流が流れる。
スイッチ１３１Ｘがオフでスイッチ１３１Ｙがオンで、電流が時計回り（ＣＷ）の場合は、調整部１３０内では端子１３４Ｘからキャパシタ１３３Ｘ及びスイッチ１３１Ｙを経て端子１３４Ｙに向かう方向に共振電流が流れるとともに、キャパシタ１１５には端子１１５Ｘから端子１１５Ｙに共振電流が流れる。従って、二次側共振コイル１１０には時計回りの方向に共振電流が流れる。なお、スイッチ１３１Ｙと並列なダイオード１３２Ｙにも電流が流れる。
スイッチ１３１Ｘがオフでスイッチ１３１Ｙがオンで、電流が反時計回り（ＣＣＷ）の場合は、調整部１３０内では端子１３４Ｙからスイッチ１３１Ｙ及びダイオード１３２Ｘを経て端子１３４Ｘに向かう電流経路が生じる。この電流経路は、キャパシタ１１５に並列であるため、キャパシタ１１５には電流が流れなくなる。従って、二次側共振コイル１１０には共振電流は流れない。なお、この場合には、スイッチ１３１Ｘをオンにしても、二次側共振コイル１１０には共振電流は流れない。
なお、共振電流の共振周波数に寄与する静電容量は、キャパシタ１１５と、キャパシタ１３２Ｘ又は１３２Ｙとによって決まる。このため、キャパシタ１３２Ｘと１３２Ｙの静電容量は等しいことが望ましい。
受電器１００は、クロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を用いて、スイッチ１３１Ｘがオンでスイッチ１３１Ｙがオフの状態と、スイッチ１３１Ｘがオフでスイッチ１３１Ｙがオンの状態とを利用して、二次側共振コイル１１０に共振電流が流れる状態で受電する。
ところで、熱による影響又はその他の影響等によって、送電器１０と受電器２０とで共振電力の位相及び／又は周波数がずれる場合があり、送電器１０から送電される共振電力を受電器２０等が効率的に受電できない場合がある。受電器２０が効率的に受電するには、送電器１０から送電される共振電力の位相と周波数に合わせた共振を生じさせることが好ましい。
このように共振電力の位相及び／又は周波数がずれる具体例として、受電器２０が受電する共振電力にうなりの成分が含まれる場合がある。送電器１０の一次側共振コイル１２に生じる共振の周波数をｆＴＸ、受電器１００の二次側共振コイル１１０に生じる共振の周波数をｆＲＸとすると、うなりの周波数ｆは、ｆ＝｜ｆＴＸ−ｆＲＸ｜である。
シミュレーションでは、受電器１００が送電器１０の共振の周波数ｆＴＸの設計値に同期してスイッチ１３１Ｘと１３１Ｙのスイッチングを行っている状態から、周波数ｆＴＸが周波数ｆＲＸに対して０．１％ずれると、受電器１００の受電電力が大幅に減ることが分かっている。
実施の形態では、このような受電電圧の減少を抑制するために、受電器１００が受電電力に基づいてクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成するようにしている。
次に、図６を用いて制御装置１５０について説明する。図６は、制御装置１５０及びクロック生成器１８０の内部構成を示す図である。ここでは、制御装置１５０がスイッチ１３１Ｘ、１３１Ｙの駆動に用いるクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する処理について説明する。
制御装置１５０は、平均化処理部１５１、基準クロック生成部１５２、制御部１５３、動作監視部１５４、通信部１５５、及びメモリ１５６を有する。制御装置１５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、及び不揮発性のメモリ等を内蔵するマイクロコンピュータである。
平均化処理部１５１、基準クロック生成部１５２、制御部１５３、動作監視部１５４、通信部１５５は、制御装置１５０が実行するプログラムの機能（ファンクション）を機能ブロックとして示したものである。また、メモリ１５６は、制御装置１５０のメモリを機能的に表したものである。
クロック生成器１８０が生成するクロックは、平均化処理部１５１、基準クロック生成部１５２、制御部１５３、動作監視部１５４、通信部１５５、及びメモリ１５６に内部クロックとして入力される。内部クロックは、制御装置１５０が制御処理に利用するシステムクロック又は制御クロックの一例である。
ここでは、まず、クロック生成器１８０の内部構成について説明する。クロック生成器１８０は、クロックジェネレータ１８１、水晶発振器１８２、及びキャパシタ１８３、１８４を有する。
クロックジェネレータ１８１は、水晶発振器１８２の所定の周波数の発振に基づいて、内部クロックを生成する。内部クロックの周波数は、水晶発振器１８２の発振周波数を逓倍したものであり、一例として、二次側共振コイル１１０の共振周波数よりも１桁程度高い周波数である。
水晶発振器１８２は、キャパシタ１８３、１８４を介して接地されており、所定の周波数で発振し、クロックジェネレータ１８１に入力する。
平均化処理部１５１は、内部クロックを利用して二値化回路１１８から入力される矩形波信号を周期をカウントし、カウントした複数の周期を平均化し、平均化した周期を表すデータを基準クロック生成部１５２に出力する。平均化処理部１５１は、二値化回路１１８から出力される矩形波信号の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングと周期とを検出する矩形波検出部の一例である。なお、平均化処理部１５１の処理の詳細については図７を用いて後述する。
基準クロック生成部１５２は、平均化処理部１５１によって求められた周期に基づいて、スイッチ１３１Ｘ、１３１Ｙの駆動に用いられるクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２の基準になる基準クロックを生成する。基準クロック生成部１５２が生成する基準クロックは、制御部１５３に入力される。なお、基準クロック生成部１５２の処理の詳細については図７を用いて後述する。
制御部１５３は、電圧計１４５によって検出される受電電圧に基づいて、基準クロック生成部１５２から入力される基準クロックの位相を調整してクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する。制御部１５３は、クロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する際に、受電電圧と位相とを関連付けた位相制御用のテーブルデータを参照する。位相制御用のテーブルデータは、メモリ１５６に格納されている。
動作監視部１５４は、制御装置１５０の動作を監視するために、次の項目を監視する。
動作監視部１５４は、電圧計１４５によって検出される受電電圧を監視し、受電電圧が所望の電圧値であるかどうかを判定する。所望の電圧値とは、受電器１００がバッテリ２２０を充電するのに必要な電圧である。
また、動作監視部１５４は、受電電圧が所望の電圧値よりも低い場合には、受電電圧が周期的に変化しているかどうかを判定する。矩形波信号にうなりの成分がある場合には、受電電圧が周期的に変化する。矩形波信号にうなりが生じると、受電電圧が低下する場合がある。動作監視部１５４は、受電電圧が低下した場合に、うなりによる低下であるかどうかを判定するために、受電電圧が周期的に変化しているかどうかを判定する。
また、動作監視部１５４は、基準クロック生成部１５２によって生成される基準クロックと、二値化回路１１８から入力される矩形波信号との周波数の差を監視する。基準クロックと矩形波信号との周波数の差が所定値よりも大きくなると、共振状態で受電できなくなるからである。
また、動作監視部１５４は、監視用のテーブルデータを参照し、基準クロック及び矩形波信号の位相差と、制御部１５３がクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する際に基準クロックに与える位相との関係が適切であるかどうかを監視する。基準クロック及び矩形波信号の位相差と、基準クロックに与えられる位相との関係が適切であるとは、基準クロック及び矩形波信号の位相差と、基準クロックに与えられる位相との差が所定の許容値以下であることをいう。
動作監視部１５４が上述の処理で用いる監視用のテーブルデータは、制御部１５３がクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する際に基準クロックに与える位相と、基準クロック及び矩形波信号の位相差とを関連付けたテーブルデータである。監視用のテーブルデータは、メモリ１５６に格納されている。
通信部１５５は、送電器１０と無線通信を行う通信部である。通信部１５５は、例えば、Bluetooth（登録商標）のような近距離無線通信を行う通信装置である。
メモリ１５６は、制御装置１５０が受電器１００の制御を行うために必要なデータを格納する。メモリ１５６に格納されるデータには、バッテリ２２０の定格出力（定格容量）、内部抵抗、及び充電に必要な電力を表すデータと、位相制御用のテーブルデータと、監視用のテーブルデータとが含まれる。
次に、図７を用いて、平均化処理部１５１が矩形波信号の周期を求める処理と、基準クロック生成部１５２が基準クロックを生成する処理について説明する。図７は、平均化処理部１５１と基準クロック生成部１５２が実行する処理を説明する図である。
まず、平均化処理部１５１は、（Ａ）に示す二値化回路１１８から入力される矩形波信号の周期を（Ｂ）に示す内部クロックを用いてカウントする。平均化処理部１５１は、矩形波信号の立ち上がりのタイミングでカウントを開始し、（Ｃ）に示すように次の立ち上がりまでに得られるカウント値ａｋを求める。平均化処理部１５１は、複数の周期にわたって連続的にカウント値ａｋ、ａｋ＋１、ａｋ＋２、ａｋ＋３・・・を求める。ｋは、矩形波信号の周期を求めた回数を表す値であり、周期をｎ回求める場合には、１からｎまでの値をとる。ｎの値は予め所定値に決めておけばよい。
平均化処理部１５１は、矩形波信号の周期Ｓｋを次式（１）に基づいて求める。ここで、Ｔは内部クロックの周期を表す。
基準クロック生成部１５２は、平均化処理部１５１から平均周期Ｓｍｎを表すデータを入手すると、内部クロックをカウントして、平均周期Ｓｍｎを１周期とするデューティが５０％の基準クロックを生成する。
より具体的には、基準クロック生成部１５２は、図７の（Ｅ）に示すように、内部クロックをカウントし、カウント値がＡhigh＝Ｓｍｎ／２ＴになるまでＨ(High)レベルの基準クロックを出力し（（Ｆ）参照）、カウント値がＡHighになると、カウント値がＡLow＝Ｓｍｎ／２ＴになるまでＬ(Low)レベルの基準クロックを出力する（（Ｆ）参照）。基準クロック生成部１５２は、このような処理を繰り返し行うことにより、矩形波信号と等しい周期を有し、矩形波信号の立ち上がり及び立ち下がりと位相が等しい基準クロックを生成する。
なお、基準クロック生成部１５２は、Ｓｍｎ／２Ｔが整数ではない場合には、基準クロックのＨレベルの期間及びＬレベルの期間を次のように設定する。
基準クロック生成部１５２は、Ｓｍｎ／２Ｔが整数ではない場合には、CEILING（天井）関数とFLOOR（床）関数を用いて、次式（３）、（４）により基準クロックのＨレベルの期間及びＬレベルの期間を設定する。
基準クロック生成部１５２は、Ｓｍｎ／２Ｔが整数ではない場合には、基準クロックの１周期毎に式（３）と式（４）を交互に用いることによって、基準クロックを生成する。
次に、図８及び図９を用いて、位相制御用のテーブルデータ及び監視用のテーブルデータについて説明する。図８は、位相制御用のテーブルデータを示す図である。図９は、監視用のテーブルデータを示す図である。
図８に示すように、位相制御用のテーブルデータは、受電電圧と位相とを関連付けたデータであり、クロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する際に、基準クロックに対して付与される位相を表す。図８では、受電電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３に対して、位相Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が関連付けられている。
受電器１００がバッテリ２２０を充電するために所望の受電電力を得るためには、受電電圧が所望の電圧であることが望ましい。受電電圧が所望の電圧よりも高い場合には、共振電力の位相に対してクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２の位相をずらすことによって受電電圧を低下させることができる。このような制御を可能にするために、受電電圧と位相とを関連付けた位相制御用のテーブルデータを用いる。
また、図９に示すように、監視用のテーブルデータは、基準クロック及び矩形波信号の位相差と、制御部１５３がクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する際に基準クロックに与える位相とを関連付けたデータである。図９では、位相差ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３に対して、位相Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が関連付けられている。
クロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する際に基準クロックの位相をシフトさせると、基準クロックの位相のシフトに伴って矩形波信号の位相もシフトする。基準クロックの位相を遅延させたクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２でスイッチ１３１Ｘ、１３１Ｙを駆動すると、矩形波信号の位相も遅延する。また、基準クロックの位相を進めたクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２でスイッチ１３１Ｘ、１３１Ｙを駆動すると、矩形波信号の位相も進む。
受電器１００の動作監視部１５４は、監視用のテーブルデータを参照して、基準クロック及び矩形波信号の位相差と、制御部１５３がクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する際に基準クロックに与える位相との関係が適切であるかどうかを監視するようにしている。
図１０は、制御部１５３の内部構成を示す図である。図１１は、制御部１５３によるクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２の生成処理を説明する図である。
図１０に示すように、制御部１５３は、主処理部１５３Ａ、クロック生成部１５３Ｂ、位相決定部１５３Ｃ、及び反転部１５３Ｄを有する。
主処理部１５３Ａは、制御部１５３の処理を統括する判定部であり、クロック生成部１５３Ｂ、位相決定部１５３Ｃ、及び反転部１５３Ｄが行う処理以外の処理を行う。また、主処理部１５３Ａは、電圧計１４５で測定される受電電圧と、バッテリ２２０の内部抵抗値Ｒとに基づいて受電電力を求める。バッテリ２２０の内部抵抗値Ｒを表すデータは、メモリ１５６に格納されている。なお、バッテリ２２０の内部抵抗値Ｒを表すデータをバッテリ２２０の充電管理を行うＩＣから入手してもよい。
位相決定部１５３Ｃは、受電電圧と位相とを関連付けた位相制御用のテーブルデータを参照し、電圧計１４５から入力される受電電圧に基づいて、クロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２に付与する位相を決定する。位相決定部１５３Ｃは、決定した位相を表すデータをクロック生成部１５３Ｂに出力する。
クロック生成部１５３Ｂは、基準クロック生成部１５２から入力される基準クロックの位相を位相決定部１５３Ｃから入力される位相だけシフトさせることによって、クロックＣＬＫ１を生成し、出力する。
より具体的には、クロック生成部１５３Ｂは、図１１の（Ａ）に示す基準クロックの立ち上がりから内部クロックをカウントし、図１１の（Ｂ）に示すようにカウント値が位相決定部１５３Ｃによって決定された位相ｕになると、図１１の（Ｃ）に示すようにクロックＣＬＫ１を立ち上げる。内部クロックの周期Ｔを用いると、クロック生成部１５３Ｂが位相ｕとしてカウントするカウント値Ｂは、Ｂ＝ｕ／Ｔである。
また、クロック生成部１５３Ｂは、所定の場合に、スイッチ１３１Ｘ、１３１Ｙの両方をオフ又は両方をオンにするためのクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する。スイッチ１３１Ｘ、１３１Ｙの両方をオフにするクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２は、Ｌレベルに固定される信号であり、スイッチ１３１Ｘ、１３１Ｙの両方をオンにするクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２は、Ｈレベルに固定される信号である。
反転部１５３Ｄは、クロック生成部１５３Ｂから入力されるクロックＣＬＫ１を反転してクロックＣＬＫ２を生成し、出力する。
以上により、制御部１５３は、クロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を出力する。そして、スイッチ１３１Ｘ、１３１Ｙは、それぞれ、クロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２によって駆動される。
図１２は、制御装置１５０が実行する処理を示すフローチャートである。
制御装置１５０が処理をスタートさせると、制御部１５３は、クロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２の両方をオフにする（ステップＳ１）。これにより、スイッチ１３１Ｘ、１３１Ｙは、ともにオフにされる。
制御部１５３は、電圧計１４５から受電電圧が入力されているかどうかを判定する（ステップＳ２）。制御部１５３は、電圧計１４５から受電電圧が入力されていない（Ｓ２：ＮＯ）場合は、受電電圧が入力されるまでステップＳ２の処理を繰り返し実行する。
制御部１５３によって電圧計１４５から受電電圧が入力されている（Ｓ２：ＹＥＳ）と判定されると、平均化処理部１５１は、矩形波信号の周期を求める（ステップＳ３）。
次いで、平均化処理部１５１は、平均周期を求める（ステップＳ４）。ステップＳ３〜Ｓ５のループでステップＳ４の処理を繰り返し行うことにより、矩形波信号の複数の周期Ｓｋ、Ｓｋ＋１、Ｓｋ＋２、Ｓｋ＋３・・・が求められる。
次いで、平均化処理部１５１は、ｎ回の平均周期Ｓｍｎを求めたかどうかを判定する（ステップＳ５）。平均化処理部１５１は、ｎ回の平均周期Ｓｍｎを求めていない（Ｓ５：ＮＯ）と判定すると、フローをステップＳ３にリターンする。
平均化処理部１５１によってｎ回の平均周期を求めた（Ｓ５：ＹＥＳ）と判定されると、基準クロック生成部１５２は、平均周期Ｓｍｎに基づいて基準クロックを生成する（ステップＳ６）。
次いで、制御部１５３は、位相制御用のテーブルデータを参照し、受電電圧に基づいて基準クロックに付与する位相を決定する（ステップＳ７）。
次いで、制御部１５３は、ステップＳ７で決定した位相を基準クロックに付与することによってクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成し、スイッチ１３１Ｘ、１３１Ｙに出力する（ステップＳ８）。
次いで、動作監視部１５４は、所望の受電電圧が得られているかどうかを判定する（ステップＳ９）。所望の受電電圧とは、受電器１００がバッテリ２２０を充電するのに必要な電圧である。動作監視部１５４は、受電器１００の受電状態を監視するために、ステップＳ９の処理を行う。
動作監視部１５４は、所望の受電電圧が得られている（Ｓ９：ＹＥＳ）と判定すると、基準クロック生成部１５２によって生成される基準クロックと、二値化回路１１８から入力される矩形波信号との周波数の差を監視し、当該差が所定値以下であるかどうかを判定する（ステップＳ１０）。基準クロックと矩形波信号との周波数の差が所定値よりも大きくなると、共振状態で受電できなくなるからである。
動作監視部１５４は、所定差以下である（Ｓ１０：ＹＥＳ）と判定すると、基準クロック及び矩形波信号の位相差と、制御部１５３がクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する際に基準クロックに与える位相との関係を監視し、当該関係が適切であるかどうかを判定する（ステップＳ１１）。具体的には、動作監視部１５４は、基準クロック及び矩形波信号の位相差と、基準クロックに与えられる位相との差が所定の許容値以下であるかどうかを判定する。許容値を超えると、共振状態で受電できなくなる場合があるからである。
動作監視部１５４によって関係が適切である（Ｓ１１：ＹＥＳ）と判定されると、制御部１５３は、受電を終了するかどうかを判定する（ステップＳ１２）。受電を終了するのは、例えば、受電器１００のユーザが受電を終了する操作を行ったような場合である。ステップＳ１２の処理は、制御部１５３の主処理部１５３Ａが実行する。
制御部１５３は、受電を終了する（Ｓ１２：ＹＥＳ）と判定すると、一連の処理を終える（エンド）。
また、制御部１５３は、受電を終了しない（Ｓ１２：ＮＯ）と判定すると、フローをステップＳ８にリターンする。
また、ステップＳ９において、動作監視部１５４は、所望の受電電圧が得られていない（Ｓ９：ＮＯ）と判定すると、受電電圧が周期的に変化しているかどうかを判定する（ステップＳ１３）。うなりが発生しているかどうかを判定するためである。
動作監視部１５４は、受電電圧が周期的に変化している（Ｓ１３：ＹＥＳ）と判定すると、送電器１０に現在の送電電力を維持するように通知する（ステップＳ１４）。うなりが発生している場合には、送電器１０の送電電力に問題はなく、受電器１００におけるスイッチ１３１Ｘと１３１Ｙのスイッチングの位相又は周期が原因であると考えられ、矩形波信号に基づいてクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成し直すことにより、受電電力を増大させるための処理を受電器１００側で行えるからである。
制御部１５３は、ステップＳ１４の処理を終えると、フローをステップＳ１にリターンする。ステップＳ１の処理からやり直してクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成し直すことにより、スイッチ１３１Ｘと１３１Ｙのスイッチングの位相及び周期を適切な値に設定するためである。
また、動作監視部１５４によって受電電圧が周期的に変化していない（Ｓ１３：ＮＯ）と判定されると、制御部１５３は、クロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２の両方をオフにする（ステップＳ１５）。クロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２の両方をオフにして、完全な共振が生じている状態で受電電力が足りているかどうかを判定するための準備を行うためである。
次いで、動作監視部１５４は、受電電力が不足しているかどうかを判定する（ステップＳ１６）。動作監視部１５４は、主処理部１５３Ａによって算出される受電電力と、メモリ１５６に格納されているバッテリ２２０の充電に必要な電力とを比較し、受電電力がバッテリ２２０の充電に必要な電力以上であるかどうかを判定する。
動作監視部１５４は、受電電力が不足している（Ｓ１６：ＹＥＳ）と判定すると、送電器１０に送電電力を増大するように要求する（ステップＳ１７）。受電器１００側でクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２の位相を調整しても、受電電力が増大しない状況であるため、送電電力の増大を要求することとしたものである。
ステップＳ１７の処理が終了すると、制御部１５３は、フローをステップＳ７に進行させる。送電電力の増大に備えて、位相を決定するためである。
また、動作監視部１５４によって受電電力が不足していない（Ｓ１６：ＮＯ）と判定されると、制御部１５３は、ステップＳ１７をスキップして、フローをステップＳ７に進行させる。現在の受電電力における受電電圧に対応して位相を決定するためである。
制御装置１５０は、以上のような一連の処理を繰り返し実行する。
以上、実施の形態によれば、受電器１００が矩形波信号（受電電力）に基づいてクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成するため、スイッチ１３１Ｘと１３１Ｙのスイッチングを受電電力の共振に同期させることができる。
このため、例えば、受電電力にうなりが生じている場合のように受電電力の周波数が設計値からずれた場合でも、スイッチ１３１Ｘと１３１Ｙのスイッチングを受電電力の共振に同期させることができる。
従って、実施の形態によれば、効率的に受電できる受電器１００、電力伝送システム、及び受電方法を提供することができる。
また、動作監視部１５４は、制御装置１５０の動作を監視するために、受電電圧が所望の電圧値であるかどうかを判定し、受電電圧が所望の電圧値よりも低い場合には、受電電圧が周期的に変化しているかどうかを判定する。そして、動作監視部１５４は、受電電圧が周期的に変化している場合には、送電器１０に現在の送電電力を維持するように通知する。
このため、うなりが原因で受電電力が低下している場合に、送電器１０の送電電力を増大させることなく、受電器１００側でスイッチ１３１Ｘと１３１Ｙのスイッチングの位相又は周期を調整して、受電電力を増大させることができる。
また、動作監視部１５４は、基準クロックと矩形波信号との周波数の差を監視し、周波数の差が所定値よりも大きくなると、送電器１０に現在の送電電力を維持するように通知する。
このため、基準クロックと矩形波信号との周波数の差が増大したことが原因で受電電力が低下している場合に、送電器１０の送電電力を増大させることなく、受電器１００側でスイッチ１３１Ｘと１３１Ｙのスイッチングの位相又は周期を調整して、受電電力を増大させることができる。
また、動作監視部１５４は、基準クロック及び矩形波信号の位相差と、基準クロックに与える位相との関係が適切ではない場合には、送電器１０に現在の送電電力を維持するように通知する。
このため、基準クロック及び矩形波信号の位相差と、基準クロックに与える位相との関係が適切ではないことが原因で受電電力が低下している場合に、送電器１０の送電電力を増大させることなく、受電器１００側でスイッチ１３１Ｘと１３１Ｙのスイッチングの位相又は周期を調整して、受電電力を増大させることができる。
なお、以上では、受電器１００の制御装置１５０がクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２の位相差を調整することによって、受電電力を調整する形態について説明したが、受電電力の調整方法は、このような手法に限られるものではない。例えば、クロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２の位相差をある位相差に設定した状態で、クロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２のデューティ比を調整することによって、受電電力を調整するようにしてもよい。
また、以上では、動作監視部１５４は、ステップＳ１０において所定差以下であると判定すると、ステップＳ１１の処理として、基準クロック及び矩形波信号の位相差と、基準クロックに与える位相との関係を監視する形態について説明したが、ステップＳ１１の処理を行わなくてもよい。
また、調整部１３０のダイオード１３２Ｘ及び１３２Ｙの向きは、図４に示す向きとは反対であってもよい。
また、以上では、電子機器２００が、一例として、タブレットコンピュータ又はスマートフォン等の端末機である形態について説明したが、電子機器２００は、例えば、ノート型のＰＣ(Personal Computer)、携帯電話端末機、携帯型のゲーム機、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の充電式のバッテリを内蔵する電子機器であってもよい。
以上、本発明の例示的な実施の形態の受電器、電力伝送システム、及び受電方法について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
１０ 送電器
１１ 一次側コイル
１２ 一次側共振コイル
１３ 整合回路
１４ キャパシタ
１５ 制御部
１００ 受電器
１１０ 二次側共振コイル
１２０、１２１、１２２、１２３、１２４ 整流回路
１３０ 調整部
１３１Ｘ、１３１Ｙ スイッチ
１３２Ｘ、１３２Ｙ ダイオード
１３３Ｘ、１３３Ｙ キャパシタ
１３４Ｘ、１３４Ｙ 端子
１４０ 平滑キャパシタ
１５０ 制御装置
１５１ 平均化処理部
１５２ 基準クロック生成部
１５３ 制御部
１５３Ａ 主処理部
１５３Ｂ クロック生成部
１５３Ｃ 位相決定部
１５３Ｄ 反転部
１５４ 動作監視部
１５５ 通信部
１５６ メモリ
１６０Ｘ、１６０Ｙ 出力端子
１７０ アンテナ
２００ 電子機器
２１０ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２２０ バッテリ
１１ 一次側コイル
１２ 一次側共振コイル
１３ 整合回路
１４ キャパシタ
１５ 制御部
１００ 受電器
１１０ 二次側共振コイル
１２０、１２１、１２２、１２３、１２４ 整流回路
１３０ 調整部
１３１Ｘ、１３１Ｙ スイッチ
１３２Ｘ、１３２Ｙ ダイオード
１３３Ｘ、１３３Ｙ キャパシタ
１３４Ｘ、１３４Ｙ 端子
１４０ 平滑キャパシタ
１５０ 制御装置
１５１ 平均化処理部
１５２ 基準クロック生成部
１５３ 制御部
１５３Ａ 主処理部
１５３Ｂ クロック生成部
１５３Ｃ 位相決定部
１５３Ｄ 反転部
１５４ 動作監視部
１５５ 通信部
１５６ メモリ
１６０Ｘ、１６０Ｙ 出力端子
１７０ アンテナ
２００ 電子機器
２１０ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２２０ バッテリ
Claims (11)
- 共振コイル部を有し、一次側共振コイルとの間で生じる磁界共鳴又は電界共鳴によって前記一次側共振コイルから電力を受電する二次側共振コイルと、
前記二次側共振コイルの前記共振コイル部に直列に挿入されるキャパシタと、
前記キャパシタに並列に接続される、第１スイッチ及び第２スイッチの直列回路と、
前記第１スイッチに並列に接続され、第１整流方向を有する第１整流素子と、
前記第２スイッチに並列に接続され、前記第１整流方向とは反対の第２整流方向を有する第２整流素子と、
前記二次側共振コイルに供給される電圧又は電流を検出する検出部と、
前記検出部によって検出される電圧又は電流を二値化して得る矩形波を出力する二値化処理部と、
前記二値化処理部から出力される矩形波の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングと周期とを検出する矩形波検出部と、
前記矩形波検出部によって検出される矩形波の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングと周期とに基づいて、基準クロックを生成する基準クロック生成部と、
前記検出部によって検出される電圧又は電流に基づいて前記基準クロックの位相又はデューティ比を調整することにより、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのオン／オフをそれぞれ切り替える制御クロックを生成する制御部と
を含む、受電器。 - 制御クロックを生成する制御クロック生成部をさらに含み、
前記矩形波検出部は、前記矩形波の立ち上がりから立ち下がりまで前記制御クロックをカウントして得るカウント数に基づいて前記矩形波の周期を検出する、請求項１記載の受電器。 - 前記矩形波検出部は、前記矩形波の複数の周期にわたって得たカウント数の平均値に基づいて、前記矩形波の周期を検出する、請求項１記載の受電器。
- 前記基準クロック生成部は、前記矩形波の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングから前記矩形波の半周期にわたって前記制御クロックを繰り返しカウントすることにより、前記基準クロックを生成する、請求項２又は３記載の受電器。
- 前記制御部は、前記検出部によって検出される電圧又は電流に応じて前記基準クロックの位相又はデューティ比を調整する、請求項１乃至４のいずれか一項記載の受電器。
- 前記一次側共振コイルを含む送電器とデータ通信を行う通信部と、
前記検出部によって検出される電圧又は電流と、前記矩形波検出部によって検出される矩形波の立ち上がり又は立ち下がりのタイミング及び周期と、前記基準クロック生成部によって生成される基準クロックと、前記制御部によって生成される制御クロックとに基づいて動作監視を行う動作監視部と
をさらに含み、
前記動作監視部は、前記検出部によって検出される電圧又は電流が所望の電圧又は電流ではなく、前記検出部によって検出される電圧又は電流が周期的に変化する場合には、前記通信部を介して前記送電器に送電電力の保持を要求する保持要求を送信する、請求項１乃至５のいずれか一項記載の受電器。 - 前記一次側共振コイルを含む送電器とデータ通信を行う通信部をさらに含み、
前記検出部によって検出される電圧又は電流と、前記矩形波検出部によって検出される矩形波の立ち上がり又は立ち下がりのタイミング及び周期と、前記基準クロック生成部によって生成される基準クロックと、前記制御部によって生成される制御クロックとに基づいて動作監視を行う動作監視部と
をさらに含み、
前記動作監視部は、前記検出部によって検出される電圧又は電流が所望の電圧又は電流であり、前記矩形波検出部によって検出される周期に基づいて得られる周波数と、前記基準クロックの周波数とのずれが所定値以下ではない場合には、前記通信部を介して前記送電器に送電電力の保持を要求する保持要求を送信する、請求項１乃至６のいずれか一項記載の受電器。 - 前記動作監視部は、前記検出部によって検出される電圧又は電流が所望の電圧又は電流であり、前記矩形波検出部によって検出される周期に基づいて得られる周波数と、前記基準クロックの周波数とのずれが所定値以下である場合には、前記基準クロック及び前記矩形波の位相差と、前記基準クロックと前記制御クロックとの位相又はデューティ比の差との関係が適切であるかどうかを判定し、前記関係が適切である場合に、前記通信部を介して前記送電器に送電電力の保持を要求する保持要求を送信する、請求項７記載の受電器。
- 前記動作監視部は、前記検出部によって検出される電圧又は電流が所望の電圧又は電流ではなく、前記検出部によって検出される電圧又は電流が周期的に変化しない場合には、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチをオフにした状態において、受電電力が不足しているかどうかを判定し、受電電力が不足している場合には、前記通信部を介して前記送電器に送電電力の増大を要求する増大要求を送信する、請求項６記載の受電器。
- 一次側共振コイルを有する送電器と、
前記送電器から電力を受電する受電器とを含む、電力伝送システムであって、
前記受電器は、
共振コイル部を有し、一次側共振コイルとの間で生じる磁界共鳴又は電界共鳴によって前記一次側共振コイルから電力を受電する二次側共振コイルと、
前記二次側共振コイルの前記共振コイル部に直列に挿入されるキャパシタと、
前記キャパシタに並列に接続される、第１スイッチ及び第２スイッチの直列回路と、
前記第１スイッチに並列に接続され、第１整流方向を有する第１整流素子と、
前記第２スイッチに並列に接続され、前記第１整流方向とは反対の第２整流方向を有する第２整流素子と、
前記二次側共振コイルに供給される電圧又は電流を検出する検出部と、
前記検出部によって検出される電圧又は電流を二値化して得る矩形波を出力する二値化処理部と、
前記二値化処理部から出力される矩形波の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングと周期とを検出する矩形波検出部と、
前記矩形波検出部によって検出される立ち上がり又は立ち下がりのタイミングと周期とに基づいて、基準クロックを生成する基準クロック生成部と、
前記検出部によって検出される電圧又は電流に基づいて前記基準クロックの位相又はデューティ比を調整することにより、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのオン／オフをそれぞれ切り替える制御クロックを生成する制御部と
を有する、電力伝送システム。 - 共振コイル部を有し、一次側共振コイルとの間で生じる磁界共鳴又は電界共鳴によって前記一次側共振コイルから電力を受電する二次側共振コイルと、
前記二次側共振コイルの前記共振コイル部に直列に挿入されるキャパシタと、
前記キャパシタに並列に接続される、第１スイッチ及び第２スイッチの直列回路と、
前記第１スイッチに並列に接続され、第１整流方向を有する第１整流素子と、
前記第２スイッチに並列に接続され、前記第１整流方向とは反対の第２整流方向を有する第２整流素子と、
前記二次側共振コイルに供給される電圧又は電流を検出する検出部と、
を含む受電器における受電方法であって、
前記検出部によって検出される電圧又は電流を二値化して得る矩形波を出力し、
前記矩形波の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングと周期とを検出し、
前記立ち上がり又は立ち下がりのタイミングと周期とに基づいて、基準クロックを生成し、
前記検出される電圧又は電流に基づいて前記基準クロックの位相又はデューティ比を調整することにより、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのオン／オフをそれぞれ切り替える、受電方法。
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2018/004672 WO2019155622A1 (ja) | 2018-02-09 | 2018-02-09 | 受電器、電力伝送システム、及び受電方法 |
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|---|---|
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Family
ID=67548636
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