JP7071193B2

JP7071193B2 - 送電装置

Info

Publication number: JP7071193B2
Application number: JP2018066932A
Authority: JP
Inventors: 淳守田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2022-05-18
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: JP2019180121A

Description

本発明は、無線電力伝送に関する。

近年、移動体へ無線で電力を供給する無線電力伝送システムが開発されている。特許文献１では、複数の送電アンテナ上を走行する無人搬送車の位置に応じて、給電する送電アンテナを切り替える無線電力伝送システムが提案されている。

特開２０１７－９３１８１号公報

特許文献１に記載の無線電力伝送システムでは、送電アンテナを切り替えるスイッチとして一般的な半導体素子を使用する。しかし、半導体素子のみでスイッチを構成した場合、スイッチをオフにし、アンテナと送電回路とを非接続にしたときに半導体素子が持つ寄生容量により交流電流が流れてしまう。そのため、スイッチをオフにしている送電アンテナにも電流が発生し、その損失により無線電力伝送の効率が悪くなるという課題がある。

本発明は上記課題に鑑み、アンテナと送電回路とを非接続にした際に、アンテナに流れる電流の発生を低減することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る送電装置は、送電アンテナと、所定の周波数の搬送波を用いて電力を送信するための送電回路と、前記送電アンテナと対向する受電アンテナの位置に応じて、前記送電回路と前記送電アンテナのインピーダンス整合を行うためのマッチング回路とを接続するか非接続にするかを切り替えるスイッチであって、半導体素子と、前記半導体素子と並列接続されるコイルとを有するスイッチと、を備え、前記送電回路と前記マッチング回路とを前記スイッチにより非接続にしている状態で、前記半導体素子の容量成分と、前記コイルのインダクタ成分とが前記所定の周波数で共振することを特徴とする。

本発明によれば、アンテナと送電回路とを非接続にした際に、アンテナに流れる電流の発生を低減することができる。

実施形態１に係る無線電力伝送システムのシステム構成図半導体素子の等価回路を示す図従来のスイッチ部を無線電力伝送システムに接続した時の等価回路図ＳＰＳＴスイッチをＯＮ／ＯＦＦさせた時の無線電力伝送システムに接続した時の等価回路図図４の等価回路における電力伝送シミュレーション結果スイッチ部の構成を示す図本実施形態に係るスイッチ部をＯＮ／ＯＦＦさせた時の無線電力伝送システムの等価回路図図７の等価回路における電力伝送シミュレーション結果を示す図実施形態２に係る無線電力伝送システムのシステム構成図実施形態２に係る電力伝送シミュレーション結果を示す図マッチング回路を接続した回路図

（実施形態１）
以下、図面を用いて本発明における実施形態について説明する。本実施形態の無線電力伝送システムは、磁界、または電界／磁界双方を用いて電力を伝送する電磁誘導または磁界共鳴と呼ばれる方式を用いて無線電力伝送を行う。しかしながら、他の方式を用いて無線電力伝送を行ってもよい。

また、本実施形態では、無線電力伝送システムを、インクヘッドをレールに沿って移動させながらインクを吐出させるプリンタへ適用した例を説明する。しかしながら、無線電力伝送システムの適用例はこれに限定されるものではない。例えば、本実施形態における無線電力伝送システムは、工場で用いられる自動搬送車（ＡＧＶ）など、一定の方向に移動し、電力供給が必要な移動体全般に適用できる。

図１は、本実施形態で説明する無線電力伝送システムを適用したプリンタのシステム構成図である。なお、図１は、図１に記載の座標軸のＹ軸方向から見た時の図である。プリンタ１００は、送電アンテナ１１０、１１１，１１２、送電器１１３、３つのスイッチ部１１４を具備する送電部１０１を有する。また、プリンタ１００は、受電アンテナ１２０、受電器１２１を具備する受電部１０２、制御部１０３、インクヘッド１０４、位置検出部１０５、駆動部１０６及び電源部１０７を有する。なお、送電アンテナを３つとしているが、２つでも、４つ以上でもよい。

送電器１１３は、電磁誘導や磁界共鳴方式を採用した際に用いられる送電回路により構成される。送電器１１３は、電源部１０７から供給される直流電圧を、インバータ回路を用いて搬送に用いる所定の周波数（以後、搬送波周波数）へ変換し、スイッチ部１１４を介して送電アンテナ１１０へ出力する。つまり、送電部１０１は、送電器１１３にて直流から交流へ変換し、送電アンテナ１１０、１１１、１１２のいずれかを用いてにて交流磁界を生成する。なお、本実施形態では、搬送波周波数を１．７ＭＨｚとして説明するが、他の周波数帯を搬送波周波数としてもよい。送電部１０１は、無線で送電する送電装置である。なお、送電部１０１を一つのモジュールとして構成してもよい。

また、図１に記載の座標軸のＺ軸方向からプリンタ１００を見た際、受電アンテナ１２０は、送電アンテナ１１０、１１１、１１２のいずれかのアンテナに重なるよう配置される。受電アンテナ１２０のＹ軸方向の長さは、送受電アンテナ間の結合係数を高くするという観点から、送電アンテナ１１０、１１１、１１２のＹ軸方向の長さと同等程度であってもよい。

受電器１２１は、電磁誘導や磁界共鳴方式を採用した際に用いられる受電回路より構成される。受電器１２１は、送電アンテナ１１０、１１１、１１２のいずれかにより発生した交流磁界により受電アンテナ１２０に起電された交流電圧を、整流回路にて直流へ変換する。受電器１２１は、整流回路にて変換された直流電圧を電圧変換回路にてインクヘッド１０４が用いる電圧へ変換する。受電器１２１は、電圧変換回路により変換された電圧を、電源路１６１を介して、インクヘッド１０４へ供給する。つまり、受電部１０２は、送電アンテナ１１０からの交流磁界により受電アンテナ１２０に起電された電圧を、受電器１２１にて交流から直流へ変換し、出力する。上記構成によりインクヘッド１０４へ無線で電力の供給が行われる。なお、受電器１２１はインクヘッド１０４とメカ的に結合しており、インクヘッド１０４と一緒にスライド移動する。なお、受電部１０２は、無線で送られる電力を受ける受電装置である。なお、受電部１０２を一つのモジュールとして構成してもよい。

制御部１０３は、伝送路１３０、１３１、１３２を介して、インクヘッド１０４、駆動部１０６、スイッチ部１１４と接続され、各々の動作を制御する。インクヘッド１０４は、伝送路１３０を介して伝送される制御部１０３からの制御信号を元に、受電部１０２から供給される電力を用いてインクを吐出する。なお伝送路１３０は、有線でもよいが、ワイヤの移動による摩耗を無くすという観点で無線であってもよい。伝送路１３０を無線にする場合、無線通信方式としては、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの標準規格を用いてもよいし、独自の無線通信方式を用いてもよい。位置検出部１０５は、インクヘッド１０４の位置を検出し、制御部１０３に通知する。駆動部１０６は、伝送路１３１を介して伝送される制御部１０３からの制御信号を元に、インクヘッド１０４をレール１５０に沿ってスライド移動させる。

スイッチ部１１４は、対応する送電アンテナと送電器１１３とを接続するか非接続とするかを切り替える。スイッチ部１１４は、半導体素子と、半導体素子と並列接続されるコイルとを有する。送電アンテナと送電器１１３とを非接続にしている状態で、スイッチ部１１４の半導体素子の容量成分と、コイルのインダクタ成分とが搬送波周波数で共振する。半導体素子は、例えば、電界効果トランジスタである。

制御部１０３は、位置検出部１０５から伝送路１３０を介して送信される位置を示す情報を元に、制御部１０３でスイッチ部１１４のＯＮ／ＯＦＦを制御する。即ち、制御部１０３は、受電する受電装置であるインクヘッド１０４の位置に応じて、送電に用いるアンテナを送電アンテナ１１０、１１１、１１２から選択する。そして、制御部１０３は、選択した送電に用いるアンテナに対応するスイッチ部１１４をＯＮにして、送電アンテナと送電器１１３とを接続する。また、選択されなったアンテナに対応するスイッチ部１１４をＯＦＦにして、送電アンテナと送電器１１３とを非接続にする。

電源部１０７は、図示しない商用電源から、送電部１０１、制御部１０３及び駆動部１０６へ各々が用いる直流電圧を生成し、電源路１６０を介して、生成した直流電圧を各部に供給する。

電力エネルギーの低減の観点から、本実施形態のようなスライド移動するシステムで無線電力伝送する際、効率よく伝送することが求められている。効率よく電力伝送するためには、送受電アンテナにおける損失を抑える必要がある。

従来のスイッチに用いられる半導体素子の等価回路を図２に示す。図２に示す等価回路は、浮遊容量２０１、抵抗２０２、ＳＰＳＴスイッチ２０３から構成される。図３に、従来のスイッチを用いた無線電力伝送システムの等価回路を示す。図３において、送電アンテナはインダクタ成分３０１と抵抗成分３０２と、インダクタと搬送周波数で直列共振する送電コンデンサ３０３とにより示される。また、図３において、受電アンテナはインダクタ成分３０４と抵抗成分３０５、とインダクタと搬送周波数で直列共振する受電コンデンサ３０６とにより示される。また、図３において、受電器の入力インピーダンスを３０７に示し、送電器を３０８に示す。

図３では、受電アンテナ１２０が送電アンテナ１１１上に位置した場合を図示している。受電アンテナ１２０が送電アンテナ１１１上に位置する場合、送電アンテナ１１１に接続するＳＰＳＴスイッチのみがＯＮにし、送電アンテナ１１０及び１１２に対応する２つのＳＰＳＴスイッチはＯＦＦにする。送電アンテナ１１１に接続するＳＰＳＴスイッチのみをＯＮにした場合の等価回路を図４に示す。図４において、ＳＰＳＴスイッチがＯＮの場合、抵抗が送電アンテナに直列接続し、ＳＰＳＴスイッチがＯＦＦのときは、浮遊容量２０１が送電アンテナに直列接続する等価回路として示される。図４の等価回路における透過係数と周波数との関係のシミュレーション結果を図５に示す。

図５において、縦軸に送電器と受電器の透過係数、横軸に周波数を示している。また、図５では、送電器の搬送波周波数を１．７ＭＨｚに設定している場合の結果を示す。図５において、１．７ＭＨｚ時の透過係数は－０・６７６ｄＢであり、効率に換算すると８５．５％程度である。送電アンテナ、受電アンテナのＱ値が１００程度であり、結合係数が略０．３５であるため、最大理論効率は９４％となる。しかし、従来の回路構成では、理論効率より大幅に低くなってしまう。これは、スイッチをＯＦＦにしている送電アンテナ１１０、１１２に余分な電流が流れ、損失が発生しているためである。

上記の課題を解決するため、本実施形態におけるスイッチ部１１４の回路構成を図６に示す。従来のスイッチに対して並列にコイルを接続した構成である。コイルのインダクタンス値は、半導体素子の浮遊容量２０１と搬送波周波数で共振するよう設定される。

図７にスイッチ部１１４を用いた無線電力伝送システムの等価回路を示す。図７に示す等価回路は、図４と同様に、受電アンテナ１２０が送電アンテナ１１１上に位置した場合の等価回路である。図７において、アンテナ１１１に接続するＳＰＳＴスイッチのみをＯＮにし、送電アンテナ１１０及び１１２に対応する２つのＳＰＳＴスイッチはＯＦＦにする。

図７の等価回路における透過係数と周波数との関係のシミュレーション結果を図８に示す。図７において、縦軸に送電器１１３と受電器１２１の透過係数、横軸に周波数を示している。図７において、送信器３０８の搬送波周波数を１．７ＭＨｚに設定しているに場合の結果を示す。１．７ＭＨｚ時の透過係数は－０．３４ｄＢであり、効率に換算すると９２．４％程度である。図７の回路構成により、従来のスイッチの構成を使用した図４に示す回路構成と比較し、７％程度効率が改善している。即ち、従来のスイッチを使用する場合に比べて送電アンテナ１１０、１１２に流れる電流を低減することができる。送電アンテナ１１０、１１２に電流が低減されるため、ノイズを抑制する効果がある。ノイズ量は、電流の流れるアンテナの、開口面積に依存しているためである。このように、スイッチ部１１４をオフにしている送電アンテナの電流の発生が低減され、損失が生じがたくなる。また、これにより無線電力伝送の効率が良くなる。

なお、本実施形態では受電アンテナ１２０の位置が送電アンテナ１１１上にある場合について述べたが、受電アンテナ１２０が送電アンテナ１１０または１１２上にある場合においても、同様の効果がある。即ち、送電アンテナ１１０に対応するスイッチ部１１４がＯＮの状態で、他のスイッチ部１１４がＯＦＦの場合でも、同様の効果がある。また、送電アンテナ１１２に対応するスイッチ部１１４がＯＮの状態で、他のスイッチ部１１４がＯＦＦの場合でも、同様の効果がある。なお、送電アンテナを３つの場合に関して述べたが、２つ以上であってもよい。

（実施形態２）
実施形態１では、送電アンテナと送電回路とを接続するか否かをスイッチ部１１４により切り替えた。実施形態２では、送電アンテナとマッチング回路とを接続するか否かをスイッチ部１１４により切り替える。

実施形態２において、実施形態１と同一の内容についてはその説明を省略し、実施形態１と異なる点を詳細に説明する。特に断りがない限り、同じ名称を用いている構成は、実施形態１と同様の機能を有する。

図９は、本実施形態で説明する無線電力伝送システムを適用したプリンタのシステム構成図である。図９は、図９に記載の座標軸のＹ軸方向からプリンタ９００を見た時の図である。

プリンタ９００は、送電アンテナ９１０、送電器９１１及び３つのスイッチ部９１２、３つのマッチング回路９１３を具備する送電部９０１を有する。また、プリンタ９００は、受電アンテナ９２０、受電器９２１を具備する受電部９０２、制御部１０３、インクヘッド１０４、位置検出部１０５、駆動部１０６及び電源部１０７を有する。３つのマッチング回路９１３は、それぞれインピーダンス値が異なる。図９に記載の座標軸のＸ軸方向からプリンタ９００を見た際、受電アンテナ９２０は、送電アンテナ９１０と重なるよう配置される。送受電アンテナ間の結合係数を高くするという観点から、送電アンテナと、受電アンテナ９２０はＸ軸方向から見た外径が同等程度にしてもよい。３つのマッチング回路９１３は、コンデンサであってもよい。

受電器９２１はインクヘッド１０４とメカ的に結合しており、インクヘッド１０４と一緒にスライド移動する。つまり、インクカートリッジのスライドに伴い、Ｘ軸方向の送受電アンテナ間距離は変化する。

上記のようなシステムで、効率よく電力伝送するためには、送受電アンテナ間の距離にかかわらず、負荷とインピーダンス整合する必要がある。そのため、アンテナ間距離に応じてマッチング回路を切り替える必要がある。アンテナ間距離を変動させると結合係数が
変化するためである。

結合係数を０．３５，０．５，０．９と変動させた際に、図６に示す構成を有するスイッチ部９１２によりマッチング回路を切り替えた場合の透過係数と周波数との関係のシミュレーション結果を図１０に示す。図１０において、結合係数が０．３５のときの透過係数を１００１、結合係数が０．５のときの透過係数を１００２、結合係数が０．９のときの透過係数を１００３に示した。１．７ＭＨｚ時の透過係数は全ての結合係数においた－０．３１ｄＢであり、効率に換算すると９２．６％程度である。つまり距離が変動しても、十分高効率な電力伝送が可能である。

なお、実施形態１，２では図３に示すようにアンテナと整合をとるコンデンサ３０３がアンテナのインダクタンス成分３０１と直列共振する場合に関して述べたが、図１１の（ａ）～（ｃ）に示すような回路構成でもよい。また、実施形態１，２のアンテナはＦＲ４のような誘電体基板に構成されてもよいし、リッツ線などの銅線でコイル状に巻かれたアンテナでも構わない。また、スイッチ部１１４及びスイッチ部９１２は、機械式のスイッチであるリレーでも構わない。また、実施形態１と２とを適宜組み合わせてもよい。

（その他の実施形態）
送電部１０１と受電部１０２とが同じ装置の筐体内にある例を説明したが、これに限らない。送電部１０１を送電装置として、また、受電部１０２を受電装置として別個の装置として構成してもよい。

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ等）によっても実現可能である。また、そのプログラムをコンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録して提供してもよい。

Claims

送電アンテナと、
所定の周波数の搬送波を用いて電力を送信するための送電回路と、
前記送電アンテナと対向する受電アンテナの位置に応じて、前記送電回路と前記送電アンテナのインピーダンス整合を行うためのマッチング回路とを接続するか非接続にするかを切り替えるスイッチであって、半導体素子と、前記半導体素子と並列接続されるコイルとを有するスイッチと、を備え、
前記送電回路と前記マッチング回路とを前記スイッチにより非接続にしている状態で、前記半導体素子の容量成分と、前記コイルのインダクタ成分とが前記所定の周波数で共振することを特徴とする送電装置。
前記送電装置は、複数の送電アンテナと、前記複数の送電アンテナそれぞれに対応する複数の前記スイッチとを有することを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
前記送電回路と接続させる送電アンテナを前記複数の送電アンテナから選択する選択手段を備え、
前記選択手段により選択された送電アンテナに対応する前記スイッチは、当該送電アンテナと前記送電回路とを接続することを特徴とする請求項２に記載の送電装置。
前記選択手段は、移動する前記受電アンテナの位置に応じて、前記送電回路と接続させる送電アンテナを選択することを特徴とする請求項３に記載の送電装置。
前記受電アンテナは、インクを吐出するインクヘッドに供給する電力を受けるためのアンテナであることを特徴とする請求項４に記載の送電装置。
前記半導体素子は、電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の送電装置。
前記スイッチは、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの距離に応じて、前記送電回路と前記マッチング回路とを接続するか非接続にするかを切り替えることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の送電装置。
前記受電アンテナは、前記送電アンテナと対向する方向に移動することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の送電装置。