JPWO2016088263A1 - 共振型電力伝送装置及び給電範囲制御装置 - Google Patents

Abstract

送信アンテナ１２と、電力を送信アンテナ１２に出力する送信電源１１と、送信アンテナ１２が配置された面内において、当該送信アンテナ１２の内側又は外側に配置された中継アンテナ１３と、中継アンテナ１３を短絡又は開放するよう切替え可能なスイッチ１４と、受信アンテナへの鎖交磁束に対応するパラメータを検出し、当該検出結果により当該鎖交磁束が高くなるようスイッチ１４の切替え制御を行うスイッチ制御部１５とを備えた。

Description

この発明は、受信アンテナを有する受信装置との間で電力伝送を行う共振型電力伝送装置及び給電範囲制御装置に関するものである。

従来から、送信コイル（送信アンテナ）が配置された面に垂直な方向（送信コイルの軸方向）に対して、受信コイル（受信アンテナ）への電力伝送範囲を拡大するシステムが知られている（例えば非特許文献１参照）。この非特許文献１に開示された構成では、送信コイルが、同心円状に配置された複数のコイル（入れ子コイル）から構成されている。そして、上記垂直方向における受信コイルの位置に応じ、当該受信コイルに対して最適な電力伝送ができるコイルを送信コイルとしてＯＮ状態にして動作させる。また、その他のコイルを中継コイルとしてＯＮ状態にすることで、上記垂直方向における電力伝送範囲を拡大することができる。

また、送信コイルが配置された面に水平な方向に対して、受信コイルへの電力伝送範囲を拡大するシステムも知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に開示された構成では、共鳴コイル（送信コイル）が、電流が流れることで形成される磁界の向きが同じとなる複数の単位コイルから構成されている。そして、この単位コイルを複数形成することで、受信コイルの位置が上記水平方向にずれても送信効率又は受信効率の低減を抑制することができる。

特開２０１２−１７８４１７号公報

2014 年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会B-21-3「磁界共鳴型ワイヤレス電力伝送における入れ子コイルを用いた伝送範囲の拡大」豊橋技術科学大学

非特許文献１に開示された従来技術では、上記垂直方向に対する受信コイルへの電力伝送範囲を拡大することができる。しかしながら、上記水平方向への位置ずれに対しては効果がないという課題がある。また、受信コイルを有する受信装置が、送信コイル上に複数個置かれるような場合にも効果がなく、効率的な電力伝送を行うことができないという課題がある。
また、非特許文献１に開示された従来技術では、送信コイルが複数のコイルで構成され、スイッチを切替えることにより最適なコイルを送信コイルとして選択している。そのため、スイッチ部分に高周波電流が流れて、これが電力損失となり、送信電力効率が低下するという課題がある。

また、特許文献１に開示された従来技術では、上記水平方向に対する受信コイルへの電力伝送範囲を拡大することができる。しかしながら、送信コイルと受信コイルとが同一形状でなければ効果がないという課題がある。よって、受信コイルが送信コイルに対して小さい場合、送信コイルである共鳴コイルのコイル線上では磁束が発生しないため、受信コイルがコイル線上に近づいたときに伝送効率が低下する。また、受信コイルを有する受信装置が、送信コイル上に複数個置かれるような場合にも効果がなく、効率的な電力伝送を行うことができないという課題がある。

そして、非特許文献１に開示された従来技術と特許文献１に開示された従来技術とは、送受信アンテナの構成及び形状等が異なる。そのため、上記垂直方向及び上記水平方向の両方に対する受信コイルへの電力伝送範囲を拡大する構成を、上記従来技術を単に組み合わせることでは実現することはできない。

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、送信アンテナが配置された面に対して垂直方向及び水平方向において、受信アンテナへの電力伝送範囲を拡大することができる共振型電力伝送装置及び給電範囲制御装置を提供することを目的としている。

この発明に係る共振型電力伝送装置は、送信アンテナと、電力を送信アンテナに出力する送信電源と、送信アンテナが配置された面内において、当該送信アンテナの内側又は外側に配置された中継アンテナと、中継アンテナを短絡又は開放するよう切替え可能なスイッチと、受信アンテナへの鎖交磁束に対応するパラメータを検出し、当該検出結果により当該鎖交磁束が高くなるようスイッチの切替え制御を行うスイッチ制御部とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、送信アンテナが配置された面に対して垂直方向及び水平方向において、受信アンテナへの電力伝送範囲を拡大することができる。

この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の構成を示す図である。 図１に示す共振型電力伝送装置における中継アンテナの切替え例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る共振型電力伝送装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る共振型電力伝送装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態４に係る共振型電力伝送装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態４に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態５に係る共振型電力伝送装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態５に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態６に係る共振型電力伝送装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態６に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置１の構成を示す図である。
共振型電力伝送装置１は、受信アンテナ（不図示）が送信アンテナ１２に近づいた際に、中継アンテナ１３の動作を切替える機能（給電範囲制御装置の機能）を有し、送信アンテナ１２と受信アンテナとの間で電力伝送を行うものである。

共振型電力伝送装置１は、図１に示すように、送信電源１１、送信アンテナ１２、中継アンテナ１３、スイッチ１４及びスイッチ制御部１５を有している。

送信電源１１は、送信アンテナ１２の共振周波数に合わせた電力（高周波電力）を出力するものである。
送信アンテナ１２は、送信電源１１からの高周波電力の周波数と同一周波数で共振するものである。この送信アンテナ１２を構成するコイルの巻き方は、例えば、ヘリカル、スパイラル等、任意の巻き方でよい。なお、送信アンテナ１２は、任意の場所に置くことが可能である。

中継アンテナ１３は、送信アンテナ１２が配置された面内において、送信アンテナ１２の内側に配置され、送信アンテナ１２の共振周波数と同一周波数で共振するものである。なお、中継アンテナ１３の共振周波数は、送信アンテナ１２の共振周波数と厳密に一致している必要はなく、ある程度ずれていてもよい。また、中継アンテナ１３を構成するコイルの巻き方は、例えば、ヘリカル、スパイラル等、任意の巻き方でよい。

スイッチ１４は、中継アンテナ１３に設けられ、当該中継アンテナ１３を短絡又は解放するよう切替え可能なものである。このスイッチ１４により中継アンテナ１３が短絡（ＯＮ）された場合には、中継アンテナ１３は伝送モードとなる。一方、スイッチ１４により中継アンテナ１３が開放（ＯＦＦ）された場合には、中継アンテナ１３は非伝送モードとなる。ＯＮ状態とＯＦＦ状態とで中継アンテナ１３の共振周波数が全く異なるため、ＯＦＦ状態では周囲の送信アンテナ１２に影響を及ぼさない。このスイッチ１４としては、例えば、リレー、フォトカプラ、トランジスタ等を用いることができる。

スイッチ制御部１５は、受信アンテナへの鎖交磁束に対応するパラメータを検出する機能（検出機能）と、当該検出結果によりスイッチ１４の切替え制御を行う機能（切替え制御機能）とを有するものである。この際、スイッチ制御部１５は、受信アンテナに鎖交する磁束を間接的に知ることができるパラメータを検出できればよく、例えば磁気センサにより磁界の強さを検出してもよいし、中継アンテナ１３の共振電流を検出してもよい。そして、受信アンテナに鎖交する磁束が高くなるように中継アンテナ１３の状態を切替える。なお、スイッチ制御部１５は、送信電源１１から供給される微弱な電力により駆動する。また、このスイッチ制御部１５は、ソフトウェアに基づくＣＰＵを用いたプログラム処理によって実行される。
このスイッチ１４及びスイッチ制御部１５は、制御回路付きスイッチ１６を構成する。

次に、上記のように構成された共振型電力伝送装置１の動作について説明する。
共振型電力伝送装置１の動作では、まず、送信電源１１は、送信アンテナ１２の共振周波数に合わせた高周波電力を出力する。そして、送信アンテナ１２は、この高周波電力の周波数と同一周波数で共振する。

一方、スイッチ制御部１５は、受信アンテナに鎖交する磁束に対応するパラメータを検出する。そして、スイッチ制御部１５が、この検出結果に基づいて、上記受信アンテナに鎖交する磁束が高くなるように中継アンテナ１３の状態を切替える。例えば磁気センサにより磁界の強さを検出する場合には、磁界が強くなるように中継アンテナ１３の状態を切替える。また、中継アンテナ１３の共振電流を検出する場合には、共振電流が高くなるように中継アンテナ１３の状態を切替える。

図２は図１の構成での中継アンテナ１３の切替え例を示す図である。図２（ａ）は、図１の構成における受信アンテナの位置２０１ａ〜２０１ｅを示している。図２（ｂ）は、受信アンテナが各位置２０１ａ〜２０１ｅに存在する場合において、中継アンテナ１３の状態（ＯＮ又はＯＦＦ）による受信アンテナへの鎖交磁束と、中継アンテナ１３の切替え例を示している。図２（ｂ）において、中継アンテナ１３をＯＮとしたときの鎖交磁束をφ_＿ｏｎとし、中継アンテナ１３をＯＦＦとしたときの鎖交磁束をφ_＿ｏｆｆとしている。

図２に示すように、受信アンテナが位置２０１ａに近づいた場合には、中継アンテナ１３をＯＦＦにした場合に対してＯＮにした場合の鎖交磁束が高くなる。よって、この場合には中継アンテナ１３をＯＮにする。
同様に、受信アンテナが位置２０１ｂに近づいた場合には、中継アンテナ１３をＯＦＦにした場合に対してＯＮにした場合の鎖交磁束が高くなる。よって、この場合には中継アンテナ１３をＯＮにする。

一方、受信アンテナが位置２０１ｃに近づいた場合には、中継アンテナ１３をＯＮにした場合に対してＯＦＦにした場合の鎖交磁束が高くなる。よって、この場合には中継アンテナ１３をＯＦＦにする。
同様に、受信アンテナが位置２０１ｄに近づいた場合には、中継アンテナ１３をＯＮにした場合に対してＯＦＦにした場合の鎖交磁束が高くなる。よって、この場合には中継アンテナ１３をＯＦＦにする。
同様に、受信アンテナが位置２０１ｅに近づいた場合には、中継アンテナ１３をＯＮにした場合に対してＯＦＦにした場合の鎖交磁束が高くなる。よって、この場合には中継アンテナ１３をＯＦＦにする。
なお、中継アンテナ１３の切替え制御は、受信アンテナの大きさ、位置により変化する。

このように動作することで、送信アンテナ１２の内側においてヌル点を解消することができる。
なお上記では、送信アンテナ１２が配置された面に対して水平方向に受信アンテナの位置がずれる場合を例に説明した。それに対し、送信アンテナ１２が配置された面に対して垂直方向に受信アンテナの位置がずれる場合にも同様に電力伝送範囲を拡大することができる。すなわち、スイッチ制御部１５により、受信アンテナに鎖交する磁束に対応するパラメータを検出し、当該検出結果により当該磁束が高くなるように中継アンテナ１３の状態を切替えればよい。

また図１の構成では、中継アンテナ１３を送信アンテナ１２の内側に配置して、内側のヌル点を解消する場合について示した。それに対し、例えば図３に示すように、中継アンテナ１３を、送信アンテナ１２が配置された面内において、送信アンテナ１２の外側に配置するようにしてもよく、同様の効果が得られ、送信アンテナ１２の外側においてヌル点を解消することができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、中継アンテナ１３を送信アンテナ１２の内側又は外側に配置し、スイッチ制御部１５により、受信アンテナに鎖交する磁束に対応するパラメータに検出し、当該検出結果により当該鎖交磁束が高くなるようスイッチ１４の切替え制御を行うように構成したので、送信アンテナ１２が配置された面の垂直方向及び水平方向に対する受信アンテナへの電力伝送範囲を拡大することができ、効率的な電力伝送を行うことができる。

また、受信アンテナを有する受信装置が、送信アンテナ１２上に複数個置かれるような場合であっても有効であり、効率的な電力伝送を行うことができる。また、広域に対する給電範囲制御を共振型電力伝送装置１の少ない回路構成で達成しているため、小型化、軽量化、低コスト化が可能である。また、小規模の回路で構成できるため、消費電力が小さく、システム全体としての消費電力を小さくすることができる。
また、送信アンテナ１２に従来構成のようなスイッチは不要なため、スイッチによる接点損失はない。

また上記では、共振型電力伝送装置１に対して１つの受信アンテナが近づいた場合について説明したが、共振型電力伝送装置１に対して複数の受信アンテナが近づいた場合にも同様に動作する。しかしながら、複数個の受信アンテナが近づいた場合には、その受信アンテナの形状、サイズ等によっては全ての受信アンテナに対して電力伝送を行えるとは限らない。

実施の形態２．
実施の形態１では、送信アンテナ１２の内側又は外側に単一の中継アンテナ１３を設けた場合についた場合を示した。それに対し、図４，５に示すように、送信アンテナ１２の内側又は外側に複数の中継アンテナ１３を設けてもよい。

実施の形態３．
実施の形態１，２では、中継アンテナ１３を矩形状に構成した場合について示した。それに対し、図６，７に示すように、中継アンテナ１３をハニカム形状に構成してもよい。なお図６は、ハニカム形状の中継アンテナ１３を、送信アンテナ１２の内側に複数配置した場合を示している。また、図７は、ハニカム形状の中継アンテナ１３を、同じくハニカム形状の送信アンテナ１２の外側に複数配置した場合を示している。
このように、中継アンテナ１３をハニカム形状とすることで、受信アンテナの位置に依らずに、同様の効率で電力伝送を行うことができる。

実施の形態４．
実施の形態１〜３では、各中継アンテナ１３の大きさを同一とし、各中継アンテナ１３、又は送信アンテナ１２と中継アンテナ１３を、互いに重ならないように配置した場合について示した。それに対し、図８，９に示すように、各中継アンテナ１３の大きさを変え、また、各中継アンテナ１３、又は送信アンテナ１２と中継アンテナ１３を、互いに重なるように配置してもよい。なお図８は、送信アンテナ１２の内側において、異なる大きさの中継アンテナ１３を重ねて配置した場合を示している。また、図９は、送信アンテナ１２の外側に大きな径の単一の中継アンテナ１３を配置し、さらに、送信アンテナ１２と小さな径の複数の中継アンテナ１３を重ねて配置した場合を示している。なお、各中継アンテナ１３の大きさ、配置は、受信アンテナの大きさや近づく位置等に応じて任意に設定可能である。

実施の形態５．
図１０，１１はこの発明の実施の形態５に係る共振型電力伝送装置１の構成を示す図である。図１０は送信アンテナ１２の内側に中継アンテナ１３を配置した場合を示し、図１１は送信アンテナ１２の外側に中継アンテナ１３を配置した場合を示している。この図１０，１１に示す実施の形態５に係る共振型電力伝送装置１は、図１に示す実施の形態１に係る共振型電力伝送装置１に反射電力検出回路１７を備えたものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

反射電力検出回路１７は、送信アンテナ１２からの反射電力を検出するものである。
そして、スイッチ制御部１５は、反射電力検出回路１７による検出結果も用いてスイッチ１４の切替え制御を行う。この際、スイッチ制御部１５は、反射電力検出回路１７により検出された反射電力が小さくなるように中継アンテナ１３の状態を切替える。

実施の形態６．
図１２，１３はこの発明の実施の形態６に係る共振型電力伝送装置１の構成を示す図である。図１２は送信アンテナ１２の内側に中継アンテナ１３を配置した場合を示し、図１３は送信アンテナ１２の外側に中継アンテナ１３を配置した場合を示している。この図１２，１３に示す実施の形態６に係る共振型電力伝送装置１は、図１に示す実施の形態１に係る共振型電力伝送装置１に自動整合回路（整合回路）１８を備えたものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

自動整合回路１８は、送信電源１１と送信アンテナ１２とのインピーダンスを自動で整合するものである。この自動整合回路１８は、中継アンテナ１３がＯＮでもＯＦＦでも動作可能である。この自動整合回路１８を設けることで、電力伝送効率を高くすることができる。

また、実施の形態１〜６では、給電範囲制御装置の機能を共振型電力伝送装置１に適用し、電力伝送を行う場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、給電範囲制御装置を電力伝送以外の動作を行う装置に適用してもよい。例えば、受信アンテナが送信アンテナ１２に近づいた際に、中継アンテナ１３の動作を切替え、送信アンテナ１２と受信アンテナとの間で可視光通信又は音声通信を行う装置に適用してもよい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る共振型電力伝送装置は、送信アンテナが配置された面の垂直方向及び水平方向に対して、受信アンテナへの電力伝送範囲を拡大することができ、受信アンテナを有する受信装置との間で電力伝送を行う共振型電力伝送装置等に用いるのに適している。

１ 共振型電力伝送装置、１１ 送信電源、１２ 送信アンテナ、１３ 中継アンテナ、１４ スイッチ、１５ スイッチ制御部、１６ 制御回路付きスイッチ、１７ 反射電力検出回路、１８ 自動整合回路（整合回路）。

Claims (9)

1. 送信アンテナと、
   電力を前記送信アンテナに出力する送信電源と、
   前記送信アンテナが配置された面内において、当該送信アンテナの内側又は外側に配置された中継アンテナと、
   前記中継アンテナを短絡又は開放するよう切替え可能なスイッチと、
   受信アンテナへの鎖交磁束に対応するパラメータを検出し、当該検出結果により当該鎖交磁束が高くなるよう前記スイッチの切替え制御を行うスイッチ制御部と
   を備えた共振型電力伝送装置。
2. 前記中継アンテナは複数設けられた
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
3. 前記中継アンテナはハニカム形状である
   ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送装置。
4. 前記中継アンテナは重なって配置された
   ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送装置。
5. 前記中継アンテナは異なる大きさに構成された
   ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送装置。
6. 前記中継アンテナは、前記送信アンテナに重なって配置された
   ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送装置。
7. 前記送信アンテナからの反射電力を検出する反射電力検出回路を備え、
   前記スイッチ制御部は、前記反射電力検出回路による検出結果も用いて前記スイッチの切替え制御を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
8. 前記送信電源と前記送信アンテナとのインピーダンスを整合する整合回路を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
9. 送信アンテナと、
   電力を前記送信アンテナに出力する送信電源と、
   前記送信アンテナが配置された面内において、当該送信アンテナの内側又は外側に配置された中継アンテナと、
   前記中継アンテナを短絡又は開放するよう切替え可能なスイッチと、
   受信アンテナへの鎖交磁束に対応するパラメータを検出し、当該検出結果により当該鎖交磁束が高くなるよう前記スイッチの切替え制御を行うスイッチ制御部と
   を備えた給電範囲制御装置。

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