JP7043007B2 - 送電装置、受電装置、および無線給電システム - Google Patents

Description

本発明は、磁界共鳴方式より非接触で送電を行う無線給電システムに関する。

近年、非接触で電力を送電する無線給電技術がさかんに研究、開発されている。無線給電方式は各種提案されており、電磁誘導方式や磁界共鳴方式などがある。中でも磁界共鳴方式が注目されている。磁界共鳴方式は、電磁誘導方式に比べて送電コイルと受電コイルの相対的な配置の自由度が高いためである。

磁界共鳴方式では、送電側の回路と受電側の回路とで共振周波数を一致させる必要がある。共振周波数を制御する技術として、特許文献１、２がある。

特許文献１には、受電装置の共振周波数をずらすことにより、受電電力を所定値以上にならないように制御することが記載されている。共振周波数の制御は、ＰＩＮダイオードなどの可変容量素子を用いることが記載されている。

特許文献２には、送電コイルと受電コイルの軸ずれによって、給電効率の周波数特性におけるピークが２つ存在する場合があることが記載されている。そして、軸ずれの大きさに応じて、送電装置の共振周波数を２つのピークのうち一方に合わせることが記載されている。

特開２０１５－１２７６１号公報 特開２０１５－１７７６１８号公報

磁界共鳴方式では、送電側回路のＱ値を大きくすることにより送電効率を向上させることが可能である。しかし、Ｑ値を大きくするということは共振ピークの幅が狭くなるということであり、共振周波数からずれると送電効率が大きく低下する。そのため、共振周波数が設計値からずれてしまった場合、送電効率にばらつきが生じてしまう問題があった。つまり、共振周波数のずれに対するロバスト性が低い問題があった。このような共振周波数のずれに対し、特許文献１、２のようにして共振周波数の補正を行うことが考えられるが、実装する素子部品が増え、コストが増加してしまう。

そこで本発明の目的は、磁界共鳴方式の無線給電システムにおいて、共振周波数のずれに対するロバスト性を高めることである。

本発明の第１態様は、磁界共鳴方式より非接触で電力を直接送電する送電装置において、電力を送電する送電コイルと、キャパシタと、を含む共振回路と、送電コイルに交流電力を供給する電源回路と、電源回路と送電コイルとの間に設けられたＬＣフィルタと、を有し、電源回路の供給する交流電力の周波数ｆ０は、５００ｋＨｚ～１５ＭＨｚであり、共振回路とＬＣフィルタとを合わせた全体としての周波数特性は、共振回路の共振周波数ｆのピークと、ＬＣフィルタの共振周波数ｆ１のピークとを有し、ｆ０はｆとｆ１との間に位置し、ｆとｆ０の差の絶対値が１０Ｈｚ～２ＭＨｚ、ｆ１とｆ０の差の絶対値が１０Ｈｚ～２ＭＨｚである、ことを特徴とする送電装置である。

本発明の第２態様は、磁界共鳴方式より非接触で電力を直接受電し、負荷に電力を供給する受電装置において、電力を受電する受電コイルと、キャパシタと、を含む共振回路と、受電コイルと負荷との間に設けられたＬＣフィルタと、を有し、受電する交流電力の周波数ｆ０は、５００ｋＨｚ～１５ＭＨｚであり、共振回路とＬＣフィルタとを合わせた全体としての周波数特性は、共振回路の共振周波数ｆのピークと、ＬＣフィルタの共振周波数ｆ１のピークとを有し、ｆ０はｆとｆ１との間に位置し、ｆとｆ０の差の絶対値が１０Ｈｚ～２ＭＨｚ、ｆ１とｆ０の差の絶対値が１０Ｈｚ～２ＭＨｚである、ことを特徴とする受電装置である。

本発明の第３態様は、磁界共鳴方式により非接触で電力を送電する本発明の第１態様である送電装置と、送電装置から非接触で電力を受電する受電装置と、を有する無線給電システムである。

本発明の第４態様は、磁界共鳴方式により非接触で電力を送電する送電装置と、送電装置から非接触で電力を受電する本発明の第２態様である受電装置と、を有する無線給電システムである。

本発明の第５態様は、磁界共鳴方式により非接触で電力を送電する本発明の第１態様である送電装置と、送電装置から非接触で電力を受電する本発明の第２態様である受電装置と、を有する無線給電システムである。

本発明において、ＬＣフィルタは、共振周波数のピークを複数有し、隣接するピークの間隔は１０Ｈｚ～４ＭＨｚであってもよい。共振周波数ずれに対するロバスト性をより向上させることができる。

本発明において、ＬＣフィルタは、ローパスフィルタであり、ｆ＜ｆ０＜ｆ１に設定されていてもよい。共振周波数ずれに対するロバスト性向上と、高周波ノイズの抑制を同時に達成することができる。

本発明によれば、共振周波数ピークの幅が実質的に広くなるため、共振周波数がずれても送電効率の低下が少なくなり、共振周波数ずれに対するロバスト性を向上させることができる。

実施例１の無線給電システムの構成を示した図。 送電側回路の周波数特性を示したグラフ。 送電側回路の周波数特性を示したグラフ。 他の送電装置１の構成を示した図。 送電側回路の周波数特性を示したグラフ。 他の送電装置１の構成を示した図。 送電側回路の周波数特性を示したグラフ。 他の受電装置２の構成を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の無線給電システムの構成を示した図である。図１のように、実施例１の無線給電システムは、送電装置１と、受電装置２とによって構成されている。実施例１の無線給電システムは、送電装置１から受電装置２へと磁界共鳴方式により非接触で電力を伝送するシステムである。送電電力の出力は、たとえば１０Ｗ以下である。

まず、受電装置２の構成について説明する。受電装置２は、受電コイル２０と、キャパシタ２１を有している。受電コイル２０とキャパシタ２１により共振回路が構成され、その共振周波数は後述の目的周波数ｆ０となるように設定されている。受電装置２が受電した交流電力は、図示しないＡＣＤＣ変換器により直流電力に変換されて、負荷３へ供給される。負荷３は任意の電気機器であり、たとえば発光素子などである。

受電コイル２０は、線材によって構成されている。線材は導電性材料であれば任意であり、たとえばリッツ線、銅単線を用いる。また、線材に限らず、ＦＰＣなどプリント基板上へのパターン印刷で構成してもよい。

受電コイル２０の直径、軸方向の長さ、巻き数は特に限定されず、巻き方向も右巻き、左巻きのいずれであってもよい。ただし、送電電力が１０Ｗ以下の場合、受電コイル２０の直径は３～２００ｍｍ、コイルの軸方向の長さは１～２０ｍｍとすることが好ましい。受電効率をより向上させることができる。

受信コイル２０の断面形状（軸方向から見た形状）も任意でよく、たとえば円、正方形、長方形、菱形、半円、楕円、多角形などであってもよい。受電コイル２０を筐体に巻き付けて実装する場合には、その筐体の形状に合わせた形状としてよい。受信コイル２０は中空コイルでもよいが、受信コイル２０の直径が２０ｍｍ以下の場合は、受電効率向上の点からフェライトコアを用いることが好ましい。

次に、送電装置１の構成について説明する。送電装置１は、電源回路１０と、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）１１と、キャパシタ１２と、送電コイル１３と、によって構成されている。

電源回路１０は、送電コイル１３に所定周波数の交流電流を供給する電源である。その周波数は６．７８ＭＨｚである。以下、この周波数を目的周波数ｆ０と呼ぶことにする。ただし目的周波数ｆ０はこの値に限るものではなく、たとえば５００ｋＨｚ～１５ＭＨｚとすることができる。

ＬＰＦ１１は、電源回路１０と送電コイル１３との間に接続されている。ＬＰＦ１１は、キャパシタとインダクタによるＬＣフィルタを２段にした構成である。ＬＰＦ１１の周波数特性は、２つの共振周波数ｆ１、ｆ２（ｆ１＜ｆ２とする）のピークを有し、ｆ２よりも高周波側では出力が急峻に低下し、ｆ１よりも低周波側では出力がなだらかに低下し、ｆ１とｆ２の間の出力はなだらかで浅い谷となっている特性である（図２参照）。このＬＰＦ１２は、電源回路１０から供給される電力のノイズ（高周波成分）を除去するとともに、送電側回路（ＬＰＦ１１、キャパシタ１２、および送電コイル１３を含めた全体の回路）の周波数特性を所定の特性にするためのものである。

ＬＰＦ１１の共振周波数は、ｆ０＜ｆ１＜ｆ２となるように設定されている。また、ｆ１は、ｆ０よりも１０Ｈｚ～２ＭＨｚ高くなるように、ｆ２は、ｆ１よりも１０Ｈｚ～４ＭＨｚ高くなるように設定されている。たとえば、ＬＰＦ１１の１段目のＬＣフィルタは、ｆ１＝７．８７ＭＨｚ、Ｌ＝８５ｎＨ、Ｃ＝３９００ｐＦに設定し、２段目のＬＣフィルタは、ｆ２＝１１．６４ＭＨｚ、Ｌ＝２１０ｎＨ、Ｃ＝１５００ｐＦに設定する。ＬＰＦ１１の２つの共振周波数がこのように設定されている理由は後述する。

キャパシタ１２は、送電コイル１３に直列接続されている。キャパシタ１２と送電コイル１３とにより共振回路を構成している。

送電コイル１３は、ＬＰＦ１１を介して電源回路１０に接続されている。送電コイル１３は受電コイル２０の近傍に配置されていて、磁界共鳴方式により送電コイル１３から受電コイル２０へと電力を伝送する。

送電コイル１３とキャパシタ１２とにより構成される共振回路の周波数特性は、１つの共振周波数ｆのピークを有し、ｆよりも高周波側および低周波では出力が急峻に低下する特性である（図２参照）。共振周波数ｆは、目的周波数ｆ０よりも１０Ｈｚ～２ＭＨｚ低くなるように設定されている。このように設定されている理由は後述する。

送電コイル１３は、線材によって構成されている。線材は導電性材料であれば任意であり、たとえばリッツ線、銅単線を用いる。また、線材に限らず、ＦＰＣなどプリント基板上へのパターン印刷で構成してもよい。

送電コイル１３の直径、軸方向の長さ、巻き数は特に限定されず、巻き方向も右巻き、左巻きのいずれであってもよい。ただし、送電電力が１０Ｗ以下である場合、コイルの直径は１０～４００ｍｍ、コイルの軸方向の長さは１～１００ｍｍとすることが好ましい。受電効率を向上させることができる。

また、送電コイル１３の断面形状も任意の形状でよい。たとえば、正方形、長方形、菱形、円、半円、楕円、多角形、などである。送電コイル１３を筐体に巻き付けて実装する場合には、その筐体の形状に合わせた形状としてもよい。

次に、送電側回路（ＬＰＦ１１、キャパシタ１２および送電コイル１３を合わせた全体の回路）の周波数特性について説明する。図２は、その周波数特性を示した図である。図２のように、キャパシタ１２と送電コイル１３による共振回路のピーク（周波数ｆのピーク）と、ＬＰＦ１１による２つのピーク（周波数ｆ１、ｆ２のピーク）とが生じている。また、周波数ｆより低周波側、および周波数ｆ２よりも高周波側では、出力は急峻に低下している。また、周波数ｆとｆ１の間、および周波数ｆ１とｆ２の間には、出力の谷を有している。

ここで、共振回路の共振周波数ｆは、目的周波数ｆ０に対して１０Ｈｚ～２ＭＨｚ低く、ＬＰＦ１１の共振周波数のうち小さい方のｆ１は、目的周波数ｆ０に対して１０Ｈｚ～４ＭＨｚ高く、ｆ１とｆとの差は十分に小さい。そのため、共振回路の周波数特性とＬＰＦ１１の周波数特性とが十分に重なり、ＬＰＦ１１の共振周波数ｆ１と共振回路の共振周波数ｆとの間の出力の谷では、その谷はなだらかで浅く、出力低下はさほど大きくない。

さらに、ＬＰＦ１１の共振周波数のうち大きい方のｆ２は、小さい方のｆ１よりも１０Ｈｚ～４ＭＨｚ高く、ｆ２とｆ１の差も十分に小さい。そのため、ＬＰＦ１１の共振周波数ｆ１とｆ２との間の出力の谷でも、その谷はなだらかで浅く、出力低下はさほど大きくない。

このように、周波数ｆとｆ１の間、および周波数ｆ１とｆ２の間の出力の谷は、なだらかで十分に浅い。したがって、送電側回路の周波数特性は、目的周波数ｆ０のピークの幅が拡張されたのと実質的に同等な周波数特性となっている。そのため、共振回路（送電コイル１３およびキャパシタ１２）の共振周波数ｆが設計値からずれるなどした場合であっても、送電効率の変動は小さい。つまり、共振周波数のずれに対するロバスト性が高い。

以上、実施例１の無線給電システムによれば、送電装置１側の共振周波数ピークの幅が実質的に広くなるため、送電装置１側の共振周波数が設計値よりもずれてしまった場合であっても、送電効率のばらつきは少なく、共振周波数ずれに対するロバスト性を向上させることができる。また、実施例１の無線給電システムでは、高周波のノイズをカットするためのＬＰＦ１１の周波数特性を所定の特性とすることにより、上記のロバスト性向上の効果を得ており、別途電子部品を追加することは行っていない。そのため、回路規模が大型化したり、コストが増大してしまうこともない。

なお、実施例１では、ＬＰＦ１１を２段構成として、送電側回路の周波数特性のピークを３としているが、本発明はこれに限るものではなく、共振ピークの数は２以上であれば任意の数でよい。つまり、ＬＰＦ１１は１段以上のＬＣフィルタであればよい。ピーク数を増やすことにより、送電側回路の周波数特性における実質的なピーク幅をより広げることができるが、ピーク数が多すぎると返って受電効率の低下を招いてしまう可能性があり、また、回路規模が大きくなってコスト増大を招くので、送電側回路の周波数特性のピーク数は２～４とすることが好ましい。１例として、送信側回路の周波数特性のピーク数を２とした場合について、図３に示す。ＬＰＦ１１を１段のＬＣフィルタとし、その共振周波数をｆ１とすることで、送信側回路の周波数特性は図３のようになる。

また、実施例１では、送電装置にＬＰＦ１１を設けることで送電側回路の周波数特性のピークが２以上となるようにしているが、送電側回路の周波数特性が以下のように設定される範囲であれば、電源回路１０と送電コイル１３との間に任意のＬＣフィルタを設けることができる。

すなわち、送電側回路の周波数特性は、送電コイル１３とキャパシタ１２による共振回路の共振周波数ｆのピークと、ＬＣフィルタの共振周波数ｆ１のピークとを有し、目的周波数ｆ０はｆとｆ１の間に位置し、ｆとｆ０の差の絶対値が１０Ｈｚ～２ＭＨｚ、ｆ１とｆ０の差の絶対値が１０Ｈｚ～２ＭＨｚに設定されていればよい。ｆとｆ０の差の絶対値のより好ましい範囲は０．１～２ＭＨｚ、ｆ１とｆ０の差の絶対値のより好ましい範囲は０．１～２ＭＨｚである。ＬＣフィルタの共振周波数ピークが複数ある場合には、ｆとの差が最も小さいものをｆ１とする。

また、ＬＣフィルタが共振周波数のピークを複数有する場合には、それらピークの間隔は１０Ｈｚ～４ＭＨｚにするとよい。より好ましくは０．１～４ＭＨｚである。送電装置１側の共振周波数ピークの実質的な幅をより広げることができ、よりロバスト性を向上させることができる。

以上のように送電側回路の周波数特性が設定されるのであれば、ＬＰＦだけでなくＨＰＦ（ハイパスフィルタ）やＢＰＦ（バンドパスフィルタ）などのＬＣフィルタを用いることができる。

図４は、実施例１の送電装置１のＬＰＦ１１をＨＰＦ１０１に替え、キャパシタ１２をキャパシタ１０２に替えた場合の構成を示した図である。また、図５は、図４の構成の場合の送電側回路の周波数特性を示したグラフである。

ＨＰＦ１０１は、１段のＬＣフィルタであり、ＨＰＦ１０１の周波数特性は、１つの共振周波数ｆ３のピークを有し、ｆ３よりも低周波側では出力が急峻に低下し、ｆ３よりも高周波側では出力がなだらかに低下する特性である。ｆ３は、ｆ０よりも１０Ｈｚ～２ＭＨｚ低くなるように設定されている。

また、キャパシタ１２に替えてキャパシタ１０２を用いている。キャパシタ１０２の容量は、送電コイル１３とキャパシタ１０２による共振回路の共振周波数ｆが、ｆ０よりも１０Ｈｚ～２ＭＨｚ高くなるように設定されている。

送電側回路（ＨＰＦ１０１、キャパシタ１０２および送電コイル１３を合わせた全体の回路）の周波数特性は、図５のように、周波数ｆとｆ３の間に出力の谷を有しているが、ｆとｆ３の差が十分に小さいため、出力の谷はなだらかで十分に浅い。したがって、送電側回路の周波数特性は、目的周波数ｆ０のピークの幅が拡張されたのと実質的に同等な周波数特性となっており、共振周波数ずれに対するロバスト性が高くなっている。

図６は、実施例１の送電装置１のＬＰＦ１１をＢＰＦ２０１に替えた場合の構成を示した図である。また、図７は、図６の構成の場合の周波数特性を示したグラフである。

ＢＰＦ２０１は、１段のＬＣフィルタ（共振回路）であり、ＢＰＦ２０１の周波数特性は、１つの共振周波数ｆ４のピークを有し、ｆ４の低周波側および高周波側で出力が急峻に低下する特性である。ｆ４は、ｆ０よりも１０Ｈｚ～２ＭＨｚ低くなるように設定されている。

送電側回路（ＢＰＦ２０１、キャパシタ１２および送電コイル１３を合わせた全体の回路）の周波数特性は、図７のように、周波数ｆとｆ４の間に出力の谷を有しているが、ｆとｆ４の差が十分に小さいため、出力の谷はなだらかで十分に浅い。したがって、送電側回路の周波数特性は、目的周波数ｆ０のピークの幅が拡張されたのと実質的に同等な周波数特性となっており、共振周波数ずれに対するロバスト性が高くなっている。

また、実施例１は、送電装置１側にＬＣフィルタを設け、送電側回路の周波数特性を所定に設定することで送電装置１側の共振周波数ずれに対するロバスト性を向上させるものであったが、受電装置２側に同様にしてＬＣフィルタを設けることにより、受電回路２側の共振周波数ずれに対するロバスト性を高めるようにしてもよい。図８は、受電装置２において、受電コイル２０と負荷３との間にＬＰＦ２２を設け、受電側回路（ＬＰＦ２２、受電コイル２０およびキャパシタ２１を合わせた全体の回路）の周波数特性を、実施例１と同様に設定したものである。もちろん、送電装置１と受電装置２の双方にＬＣフィルタを設ける構成としてもよい。

本発明の無線給電システムは、各種電気機器への無線給電に利用することができる。

１：送電装置
２：受電装置
１０：電源回路
１１：ＬＰＦ
１２、２１：キャパシタ
１３：送電コイル
２０：受電コイル

Claims (9)

1. 磁界共鳴方式より非接触で電力を直接送電する送電装置において、
   電力を送電する送電コイルと、キャパシタと、を含む共振回路と、
   前記送電コイルに交流電力を供給する電源回路と、
   前記電源回路と前記送電コイルとの間に設けられたＬＣフィルタと、
   を有し、
   前記電源回路の供給する交流電力の周波数ｆ０は、５００ｋＨｚ～１５ＭＨｚであり、
   前記共振回路と前記ＬＣフィルタとを合わせた全体としての周波数特性は、前記共振回路の共振周波数ｆのピークと、前記ＬＣフィルタの共振周波数ｆ１のピークとを有し、ｆ０はｆとｆ１との間に位置し、ｆとｆ０の差の絶対値が１０Ｈｚ～２ＭＨｚ、ｆ１とｆ０の差の絶対値が１０Ｈｚ～２ＭＨｚである、
   ことを特徴とする送電装置。
2. 前記ＬＣフィルタは、共振周波数のピークを複数有し、隣接するピークの間隔は１０Ｈｚ～４ＭＨｚである、ことを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
3. 前記ＬＣフィルタは、ローパスフィルタであり、ｆ＜ｆ０＜ｆ１に設定されている、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の送電装置。
4. 磁界共鳴方式により非接触で電力を送電する請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の送電装置と、
   前記送電装置から非接触で電力を受電する受電装置と、
   を有する無線給電システム。
5. 磁界共鳴方式より非接触で電力を直接受電し、負荷に電力を供給する受電装置において、
   電力を受電する受電コイルと、キャパシタと、を含む共振回路と、
   前記受電コイルと前記負荷との間に設けられたＬＣフィルタと、
   を有し、
   受電する交流電力の周波数ｆ０は、５００ｋＨｚ～１５ＭＨｚであり、
   前記共振回路と前記ＬＣフィルタとを合わせた全体としての周波数特性は、前記共振回路の共振周波数ｆのピークと、前記ＬＣフィルタの共振周波数ｆ１のピークとを有し、ｆ０はｆとｆ１との間に位置し、ｆとｆ０の差の絶対値が１０Ｈｚ～２ＭＨｚ、ｆ１とｆ０の差の絶対値が１０Ｈｚ～２ＭＨｚである、
   ことを特徴とする受電装置。
6. 前記ＬＣフィルタは、共振周波数のピークを複数有し、隣接するピークの間隔は１０Ｈｚ～４ＭＨｚである、ことを特徴とする請求項５に記載の受電装置。
7. 前記ＬＣフィルタは、ローパスフィルタであり、ｆ＜ｆ０＜ｆ１に設定されている、ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の受電装置。
8. 磁界共鳴方式により非接触で電力を送電する送電装置と、
   前記送電装置から非接触で電力を受電する請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の受電装置と、
   を有する無線給電システム。
9. 磁界共鳴方式により非接触で電力を送電する請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の送電装置と、
   前記送電装置から非接触で電力を受電する請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の受電装置と、
   を有する無線給電システム。

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