JPWO2017213032A1

JPWO2017213032A1 - ワイヤレス給電システム、ワイヤレス電力送電装置およびワイヤレス電力受電装置

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Publication number: JPWO2017213032A1
Application number: JP2018522448A
Authority: JP
Inventors: 達也細谷
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2016-06-06
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2019-01-31
Also published as: US20190074726A1; DE112017002380T5; CN108886271A; US11101696B2; CN108886271B; WO2017213032A1

Abstract

送電装置（１０１）は送電共振回路（１９）と、当該送電共振回路（１９）に高周波電力を供給する送電回路（１１）とを有する。受電装置（２０１）は、受電共振回路（２９）と、当該受電共振回路（２９）が受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路（２１）と、直流電力を消費する負荷回路（２２）とを有する。受電装置（２０１）は、送電回路（１１）から負荷回路側をみた入力インピーダンスを変化させて電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を切り替える共鳴変調回路（２３）と、伝送信号に対して入力インピーダンスの一定期間あたりの変化パターンに変換して共鳴変調回路（２３）を制御する伝送信号制御回路（２６）と、を有する。送電装置（１０１）は、前記状態に応じて変化する変量を検出し、当該変量の一定期間あたりの変化パターンに基づいて前記伝送信号を復調する復調回路を有する。

Description

本発明は、高周波電力を送電装置から受電装置へワイヤレスで給電するワイヤレス給電システム、そのシステムを構成するワイヤレス電力送電装置およびワイヤレス電力受電装置に関する発明である。

電力送電装置から電力受電装置へ磁界結合によりワイヤレスで電力を給電するワイヤレス給電システムにおいては、電力送電装置が送電用コイルを備え、電力受電装置が受電用コイルを備える。このようなワイヤレス給電システムにおいて、送電用コイルおよび受電用コイルを信号の伝送に兼用するワイヤレス給電システムが特許文献１に示されている。

上記特許文献１に示されているワイヤレス給電システムでは、受電コイルに接続される共振周波数変更回路が共振回路の共振周波数を変調することで、負荷変調信号を搬送波に重畳し、送電装置の検波回路は、上記変調信号を検波することで、受電装置からの信号を受信する。そして、送電装置は受電装置からの信号に応じて供給電力を適正に制御する。

国際公開第２０１３／０４２５７０号

ワイヤレス給電システムにおいて、送電装置に対する受電装置の位置、送電コイルと受電コイルとの結合の強さ、負荷の消費電力、送電装置の入力電圧等が変動する場合、送電装置の共振回路における共振電圧の振幅や位相が上記変動に応じて変動する。そのため、送電装置および受電装置の状態が一定であることを前提とした、単なるASK（振幅偏移変調、Amplitude Shift Keying）方式やPSK（位相偏移変調、Phase Shift Keying）方式では、上記変動の影響を大きく受けて、信号を確実には伝達できない。

上記結合の強さ、負荷の状態、入力電圧などはそれぞれ独立に変化するので、これらを一意に固定できない場合、信号伝達を確実に行うためには、非常に複雑で高度な制御が必要となる。

本発明の目的は、送電装置および受電装置の状態に実質的に依存されずに、受電装置から送電装置へ信号の伝達を確実に行えるようにしたワイヤレス給電システム、それを構成するワイヤレス電力送電装置およびワイヤレス電力受電装置を得ることにある。

（１）本発明のワイヤレス給電システムは、
送電コイルを含む送電共振回路と、当該送電共振回路に高周波電力を供給する送電回路と、を有する送電装置と、
受電コイルを含み、前記送電共振回路に対して電磁界結合し得る受電共振回路と、当該受電共振回路が受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路と、前記直流電力を消費する負荷回路とを有する受電装置と、を備え、
前記受電装置は、前記送電回路から前記負荷回路側をみた入力インピーダンスを変化させて前記送電共振回路と前記受電共振回路との電磁界結合による電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を切り替える共鳴変調回路と、伝送信号に対して前記入力インピーダンスを時間的に変化させて所定期間における電気信号の変化パターンに変換して前記共鳴変調回路を制御する伝送信号制御回路と、を有し、
前記送電装置は、前記電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態に応じて変化する変量を検出し、当該変量の時間的変化に対する所定期間あたりの変化パターンに基づいて前記伝送信号を復調する復調回路と、を有する。

上記構成による、送電共振回路と受電共振回路とが電磁界結合する条件、すなわち電磁界共鳴条件、の成立／不成立の状態の判定は容易になされる。そのため、送電装置および受電装置の状態が不定であることによって、送電共振回路における共振電圧の振幅や位相が変動する場合でも、受電装置から送電装置への信号伝達の安定性が高い。

（２）前記電磁界共鳴条件は、具体的には、前記送電回路の動作周波数における前記入力インピーダンスの虚部がゼロ付近となり、前記入力インピーダンスの大きさが極小値付近となる条件である。

（３）前記復調回路は、例えば前記変量と閾値との比較によって前記復調を行う。例えば、前記変量と閾値とを比較して、前記変量を２値信号に変換する。これにより、論理回路に適した信号として扱うことができ、伝送信号の復調が容易となる。

（４）前記変量は、例えば前記送電回路に流れる電流に関する量である。すなわち、電磁界共鳴条件の成立／不成立に応じて送電回路に流れる電流は異なるので、この電流の変化に基づいて前記復調回路は復調を行う。

（５）前記変量は例えば前記送電共振回路に生じる共振電圧に関する量である。すなわち、電磁界共鳴条件の成立／不成立に応じて送電共振回路に生じる共振電圧は異なるので、この共振電圧の変化に基づいて前記復調回路は復調を行う。

（６）前記変量は、例えば前記送電回路に流れる電流に関する量および前記送電共振回路に生じる共振電圧に関する量の両方であってもよい。そのことで復調の精度が高まる。

（７）上記（３）〜（６）のいずれかにおいて、前記復調回路は、前記変量と、前記変量の正方向への変化を検出するための第１閾値、および前記変量の負方向への変化を検出するための第２閾値との比較によって、前記復調を行うようにしてもよい。そのことで伝送信号の転送レートを高めることができる。

（８）上記（１）から（７）のいずれかにおいて、前記受電共振回路は前記受電コイルと共に共振する共振キャパシタを有し、前記共鳴変調回路は、前記共振キャパシタのキャパシタンスを変化させる可変容量回路を有することが好ましい。これにより、可変容量回路の容量を制御することで、前記電磁界共鳴条件の成立／不成立の切り替えが容易になされる。

（９）前記可変容量回路は例えばキャパシタとスイッチ回路との接続回路により構成される。これにより、スイッチ回路の切り替え制御によって前記電磁界共鳴条件の成立／不成立の切り替えが容易になされる。

（１０）前記スイッチ回路は半導体トランジスタを含む回路であることが好ましい。このことにより、前記電磁界共鳴条件の成立／不成立の切り替えを高速に行うことができ、伝送信号の転送速度が高められる。

（１１）本発明のワイヤレス電力送電装置は、
ワイヤレス電力送電装置が備える送電共振回路に対して電磁界結合し得る受電共振回路と、当該受電共振回路が受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路と、前記直流電力を消費する負荷回路と、前記送電共振回路が有する送電回路から前記負荷回路側をみた入力インピーダンスを変化させて、前記送電共振回路と前記受電共振回路との電磁界結合による電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を切り替える共鳴変調回路と、伝送信号に対して前記入力インピーダンスの時間的変化での一定期間あたりの変化パターンに変換して前記共鳴変調回路を制御する伝送信号制御回路と、を有するワイヤレス電力受電装置、と共にワイヤレス給電システムが構成されるワイヤレス電力送電装置であって、
前記送電共振回路に高周波電力を供給する送電回路と、前記電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態に応じて変化する変量を検出し、当該変量の時間的変化での一定期間あたりの変化パターンに基づいて前記伝送信号を復調する復調回路と、を有する。

上記構成により、送電装置および受電装置の状態が不定であることによって、送電装置の共振回路における共振電圧の振幅や位相が変動する場合でも、受電装置から送電装置への信号伝達の安定性が高い。

（１２）本発明のワイヤレス電力受電装置は、
ワイヤレス電力受電装置が備える受電共振回路に対して電磁界結合し得る送電共振回路と当該送電共振回路に高周波電力を供給する送電回路と、前記送電共振回路と前記受電共振回路との電磁界結合による電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態に応じて変化する変量を検出し、当該変量の時間的変化での一定期間あたりの変化パターンに基づいて伝送信号を復調する復調回路と、を有するワイヤレス電力送電装置、と共にワイヤレス給電システムが構成されるワイヤレス電力受電装置であって、
前記受電共振回路が受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路と、前記直流電力を消費する負荷回路と、前記送電共振回路が有する送電回路から前記負荷回路側をみた入力インピーダンスを変化させて前記電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を切り替える共鳴変調回路と、伝送信号に対して前記入力インピーダンスの時間的変化での一定期間あたりの変化パターンに変換して前記共鳴変調回路を制御する伝送信号制御回路と、を有する。

本発明によれば、送電装置および受電装置の状態に実質的に依存されず、受電装置から送電装置への信号伝達の安定性の高いワイヤレス給電システム、それを構成するワイヤレス電力送電装置およびワイヤレス電力受電装置が得られる。

図１は、第１の実施形態に係るワイヤレス電力送電装置、ワイヤレス電力受電装置、およびそれらで構成されるワイヤレス給電システムの回路図である。図２は、電磁界共鳴条件の成立／不成立と直流入力電流ｉｄｃの変化との関係を示す図である。図３は、図１に示した制御回路１２による信号復調の例を示す図である。図４は、図１に示した制御回路１２による信号復調の別の例を示す図である。図５は送電装置１０１の制御回路１２の処理内容について示すフローチャートである。図６は、図５のステップＳ１２の処理（ｉｄｃ読取）の処理内容を示すフローチャートである。図７は受電装置２０１の伝送信号制御回路２６の処理内容について示すフローチャートである。図８は、第１の実施形態に係る、別のワイヤレス給電システムの回路図である。図９は、第２の実施形態に係るワイヤレス電力送電装置、ワイヤレス電力受電装置、およびそれらで構成されるワイヤレス給電システムの回路図である。図１０は、第２の実施形態に係る別のワイヤレス給電システムの回路図である。図１１は、第３の実施形態に係るワイヤレス電力送電装置における、電磁界共鳴条件の成立／不成立と直流入力電流ｉｄｃの変化との関係を示す図である。図１２は、第３の実施形態に係るワイヤレス電力送電装置における、送電装置が備える制御回路の処理例を示す図である。図１３は第４の実施形態に係るワイヤレス給電システム３０４の回路図である。図１４（Ａ）は第５の実施形態に係る受電装置２０５Ａの回路図であり、図１４（Ｂ）は第５の実施形態に係る受電装置２０５Ｂの回路図であり、図１４（Ｃ）は第５の実施形態に係る受電装置２０５Ｃの回路図である。図１５（Ａ）は第５の実施形態に係る受電装置２０５Ｄの回路図であり、図１５（Ｂ）は第５の実施形態に係る受電装置２０５Ｅの回路図であり、図１５（Ｃ）は第５の実施形態に係る受電装置２０５Ｆの回路図である。

以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

《第１の実施形態》
図１は、第１の実施形態に係るワイヤレス電力送電装置、ワイヤレス電力受電装置、およびそれらで構成されるワイヤレス給電システムの回路図である。

ワイヤレス給電システム３０１Ａはワイヤレス電力送電装置１０１とワイヤレス電力受電装置２０１とで構成される。ワイヤレス電力送電装置（以降、単に「送電装置」という。）１０１は、送電コイル１０と共振キャパシタＣ１０とを備える送電共振回路１９と、この送電コイル１０に高周波電力を供給する送電回路１１とを有する。ワイヤレス電力受電装置（以降、単に「受電装置」という。）２０１は、送電コイル１０に対して磁界結合する受電コイル２０と、受電コイル２０と共振キャパシタＣ２１とを備える受電共振回路２９と、この受電コイル２０が受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路２１と、この直流電力を消費する負荷回路２２とを有する。

送電共振回路１９と受電共振回路２９は電磁界結合する。この電磁界結合では、磁気結合、電界結合またはこれらの複合によって、離れて位置する送電共振回路１９と受電共振回路２９とが相互に作用し、それぞれの共振回路が有する磁界エネルギーと電界エネルギーが互いに合わさって交換され、振動が発生する。

送電共振回路１９では、主に送電コイル１０と送電共振キャパシタＣ１０の間において、それぞれが有する磁界エネルギーと電界エネルギーとが交換され、電気的な振動が発生する。

同様に、受電共振回路２９では、主に受電コイル２０と受電共振キャパシタＣ２１の間において、それぞれが有する磁界エネルギーと電界エネルギーとが交換され、電気的な振動が発生する。これらが電磁界共鳴条件を満たすことで電磁界共鳴が成立する。

受電装置２０１は、送電回路１１から負荷回路２２側をみた入力インピーダンスを変化させることによって、上記電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を切り替える、共鳴変調回路２３を備える。共鳴変調回路による電磁界共鳴条件の成立/不成立の切り替えは、送電装置のスイッチングよりも低速で、送電装置及び受電装置の状態の変化よりも高速であることが好ましい。

また、受電装置２０１は、伝送信号を上記入力インピーダンスの時間変化での一定期間あたりの変化パターンに変換して共鳴変調回路２３を制御する伝送信号制御回路２６を有する。

上記電磁界共鳴条件の成立状態では、送電回路１１から負荷回路側をみた入力インピーダンス（すなわち、送電側から受電側をみた、スイッチング周波数での入力インピーダンス）の虚部が０または無限大付近となる。電磁界共鳴条件の不成立状態では、上記入力インピーダンスの虚部はある値をもつ。

送電装置１０１は、上記電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を判定し、その判定結果の時間変化での一定期間あたりの変化パターンを伝送信号に復調する、復調回路を有する。信号の伝送に一定期間あたりの変化パターンを用いることで、送電装置および受電装置の状態が不定であっても安定して信号を伝送することができる。

送電回路１１は、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２、制御回路１２、電流検出抵抗Ｒ１、キャパシタＣ１０，Ｃ１１を備える。制御回路１２は、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２をオン／オフ駆動する。送電コイル１０とキャパシタＣ１０とで送電共振回路１９が構成される。キャパシタＣ１１は入力電圧を安定化し、また、電圧電流の高調波成分を抑制する。

制御回路１２がスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２をスイッチング制御することによって、送電共振回路１９に共振電流が流れる。

電流検出抵抗Ｒ１には、入力電源Ｅから送電回路１１に供給される直流入力電流ｉｄｃが流れる。制御回路１２は電流検出抵抗Ｒ１による降下電圧を読み取ることによって、入力電源Ｅから供給される直流入力電流ｉｄｃを検出する。

上記送電共振回路１９の共振周波数ｆ０は給電用に適した周波数である。例えば６ＭＨｚ以上１４ＭＨｚ以下の周波数、特に例えばＩＳＭバンドの一つである６．７８ＭＨｚである。

受電回路２１は、上記共鳴変調回路２３、整流回路２４、キャパシタＣ２２、電圧検出回路２５および上記伝送信号制御回路２６を備える。

共鳴変調回路２３は、スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０ＮおよびキャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２１を備える。受電コイル２０とキャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２１とで受電共振回路２９が構成される。キャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２１は本発明に係る「共振キャパシタ」の一例である。スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオフ状態であるとき、主にキャパシタＣ２１のキャパシタンスと受電コイル２０のインダクタンスとで受電共振回路２９の共振周波数が定まる。スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオン状態であるとき、主にキャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２１の並列合成キャパシタンスと受電コイル２０のインダクタンスとで受電共振回路２９の共振周波数が定まる。

整流回路２４は上記受電共振回路２９の共振電圧を整流し、キャパシタＣ２２は整流電圧を平滑する。電圧検出回路２５は受電回路２１の出力電圧（負荷回路２２への供給電圧）を検出する。伝送信号制御回路２６はスイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎの状態を切り替える。このことによって、上記受電共振回路２９の共振周波数を切り替える。ここで、例えば、スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオフ状態での共振周波数をｆ１、スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオン状態での共振周波数をｆ２とすると、ｆ１≠ｆ２である。そして、周波数ｆ１または周波数ｆ２が送電共振回路１９の共振周波数ｆ０と等しくなるように回路定数を設定しておく。

ｆ０＝ｆ１≠ｆ２の関係に設定されている場合は、上記スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオフ状態であるとき、すなわち共鳴変調回路２３の共振周波数がｆ１であるとき、送電回路の動作周波数における入力インピーダンスの虚部がゼロ付近となり、入力インピーダンスの大きさが極小値付近となって、送電共振回路１９と受電共振回路２９とは電磁界結合して、電磁界共鳴条件が成立する。そして、上記スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオン状態であるとき、すなわち受電共振回路２９の共振周波数がｆ２であるとき、送電回路の動作周波数における入力インピーダンスの虚部はゼロ付近とは大きく異なり、入力インピーダンスの大きさは極小値付近から大きく離れて、送電共振回路１９と受電共振回路２９とは共振結合せずに、電磁界共鳴条件は成立しない。このように、スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎのオン／オフによって、上記電磁界共鳴条件の成立／不成立が定まる。

一方、送電回路１１においては、上記電磁界共鳴条件が成立しているか否かによって、入力電源Ｅから供給される電流量が変化する。電磁界共鳴している状態では、電磁界共鳴していない状態に比較して、送電共振回路１９から受電共振回路２９へのエネルギーの供給量が大きい。すなわち、電磁界共鳴している状態では、電磁界共鳴していない状態に比較して、入力電源Ｅから送電回路１１に供給される電流量が大きい。

上記制御回路１２は、電流検出抵抗Ｒ１での降下電圧を読み取ることによって、上記電磁界共鳴の成立／不成立を判定する。

以上の作用により、受電装置２０１は送電装置１０１へ所定の情報（伝送信号）を送信する。例えば、伝送信号制御回路２６が、電圧検出回路２５の検出結果に応じて、負荷供給電圧に関する情報を送電装置１０１へ伝達する場合、送電装置１０１の制御回路１２は上記負荷供給電圧に関する情報を復調して、負荷供給電圧が一定となるようにスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２のデューティ等を制御する。制御回路１２は本発明に係る「復調回路」を含む。

図２は、電磁界共鳴条件の成立／不成立と上記直流入力電流ｉｄｃの変化との関係を示す図である。図２において縦の破線はサンプリングタイミングを表している。直流入力電流ｉｄｃは、入力電源Ｅから送電回路１１への供給電流であるので、電磁界共鳴条件の不成立時比べて成立時に電流は大きく変化する。図２において、「電磁界共鳴条件の成立／不成立」の状態値０／１は検出結果ではなく、説明の都合上表したものである。

図３は、図１に示した制御回路１２による信号復調の例を示す図である。図３において、閾値ＴＨｐは、直流入力電流ｉｄｃの変化量と比較する閾値である。図１に示した制御回路１２は、一定サンプリング周期で直流入力電流ｉｄｃの値を読み取り、前回値との変化量を検知し、この変化量と閾値ＴＨｐとの大小比較を行う。図３に示す例では、直流入力電流ｉｄｃの正方向の変化量が閾値ＴＨｐを超えるときを“１”、超えないときを“０”として扱う。

図４は、図１に示した制御回路１２による信号復調の別の例を示す図である。図４において、閾値ＴＨｎは、直流入力電流ｉｄｃの変化量と比較する閾値である。図１に示した制御回路１２は、一定サンプリング周期で直流入力電流ｉｄｃの値を読み取り、前回値との変化量を検知し、この変化量と閾値ＴＨｎとの大小比較を行う。図４に示す例では、直流入力電流ｉｄｃの負方向の変化量が閾値ＴＨｎを下回る（直流入力電流ｉｄｃの絶対値が閾値ＴＨｎの絶対値を超える）ときを“１”、そうでないときを“０”として扱う。

次に、図１に示した送電装置１０１と受電装置２０１の処理内容についてフローチャートを参照して説明する。

図５は送電装置１０１の制御回路１２の処理内容について示すフローチャートである。先ず、受電装置２０１から何らかの伝送信号を受信するために、通信用の給電を開始する（Ｓ１１）。この通信用の給電は、本来の電力供給のための給電より低電力の給電である。この状態で、直流入力電流ｉｄｃの検出量（電流検出抵抗Ｒ１の降下電圧）を読み取る。このステップＳ１２の詳細な処理については後述する。

伝送信号の復調が完了すると、認証の成否を判定する（Ｓ１３→Ｓ１４）。受電装置２０１は後に示すように、送電装置１０１からの給電を受けて動作を開始すると、予め定められた認証用コードを送信する。送電装置１０１はこの認証用コードを受け、規定のコードでなければ（認証不成立であれば）、給電を停止する（Ｓ１４→Ｓ１７）。規定のコードであれば（認証成立であれば）、本来の電力供給のための給電を開始する（Ｓ１５）。その後、給電停止条件になるまで、電力供給のための給電を継続する（Ｓ１６）。

図６は、図５のステップＳ１２の処理（ｉｄｃ読取）の処理内容を示すフローチャートである。先ず、電流検出抵抗Ｒ１の降下電圧をＡ／Ｄコンバータなどを用いて読み取る（Ｓ１２１）。この電圧が本発明に係る「変量」の一例である。続いて、今回の変量と前回の変量との差である変化量を検出する（Ｓ１２２）。この変化量と所定の閾値との大小比較を行うことで、すなわち２値化することで、伝送信号を復調する（Ｓ１２３）。そして、所定ビット数のコードに復号する。上記「所定の閾値」とは、Ａ／Ｄコンバータの入力電圧範囲が例えば０Ｖ以上３．３Ｖ未満の場合、その電圧範囲内の所定の値、例えば１．５Ｖに相当する値である。

図７は受電装置２０１の伝送信号制御回路２６の処理内容について示すフローチャートである。受電によって、伝送信号制御回路２６に規定値以上の電源電圧が印加されると、伝送信号制御回路２６は動作を開始する。先ず、予め定められた認証用コードを送信する（Ｓ２１）。上述のとおり、この認証用コードは送電装置とのペアリング可否のための、予め定められたコードである。認証が成立すれば、送電装置からの本来の電力供給を待つ（Ｓ２１→Ｓ２２）。送電装置からの本来の電力供給が開始されれば、出力電圧を読み取り、この出力電圧が規定値を保つようにフィードバックデータを生成し、送電装置へ伝送する（Ｓ２３→Ｓ２４）。送電装置１０１はこのフィードバックデータを受信して、供給電力を適宜調整する。このステップＳ２３，Ｓ２４の処理を繰り返すことによって、受電電力を安定化する。

図８は、本実施形態の別のワイヤレス給電システムの回路図である。

ワイヤレス給電システム３０１Ｂは送電装置１０１と受電装置２０１とで構成される。図８における送電装置１０１と、図１に示した送電装置１０１とは、電流検出抵抗Ｒ１の位置が異なる。その他の構成は図１に示したとおりである。

このように、電流検出抵抗Ｒ１をグランドラインに挿入し、この電流検出抵抗Ｒ１の降下電圧を読み取るようにしてもよい。

本実施形態によれば、電磁界共鳴条件の成立／不成立の変化によって、所定の伝送信号を伝達するので、送電装置と受電装置の共鳴結合状態などに実質的に依存されず、受電装置から送電装置へ信号伝達の安定性が高い。

《第２の実施形態》
第２の実施形態では、送電コイルを含む共振回路に生じる共振電圧に関する量で伝送信号を復調するようにしたワイヤレス電力給電システムについて示す。

図９は、第２の実施形態に係るワイヤレス電力送電装置、ワイヤレス電力受電装置、およびそれらで構成されるワイヤレス給電システムの回路図である。

ワイヤレス給電システム３０２Ａは送電装置１０１と受電装置２０１とで構成される。送電装置１０１は、送電コイル１０と、この送電コイル１０に高周波電力を供給する送電回路１１とを有する。受電装置２０１は、送電コイル１０に対して電磁界共鳴結合する受電コイル２０と、この受電コイル２０が受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路２１と、この直流電力を消費する負荷回路２２とを有する。

送電回路１１は共振電圧検出回路１３を備える。この共振電圧検出回路１３は、送電コイル１０とキャパシタＣ１０とによる共振回路の共振電圧を検波し、共振電圧に比例した直流電圧に変換する。制御回路１２はこの直流電圧を読み取る。本実施形態において、この直流電圧が、電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態に応じて変化する変量である。

その他の構成は図１に示した第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム３０１Ａ，３０１Ｂと同じである。

送電コイル１０およびキャパシタＣ１０による送電共振回路１９の共振電圧は、電磁界共鳴の成立時は、不成立時に比べて大きく変化する。制御回路１２は上記共振電圧と所定の閾値との比較によって上記電磁界共鳴の成立／不成立を判定する。

本実施形態のように、送電共振回路１９の共振電圧を、電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態に応じて変化する変量とし、この変量に基づいて、伝送信号の復調を行ってもよい。

なお、上記共振回路の共振電圧を、電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態に応じて変化する第１変量として扱い、第１の実施形態で示したように、入力電源Ｅから送電回路１１に供給される直流入力電流を、電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態に応じて変化する第２変量として扱い、第１変量と第２変量の両方に基づいて、伝送信号の復調を行ってもよい。図１０はその例を示す本実施形態の別のワイヤレス給電システムの回路図である。

ワイヤレス給電システム３０２Ｂは送電装置１０１と受電装置２０１とで構成される。図１０における送電装置１０１は、図９に示した送電装置１０１に対して、電流検出抵抗Ｒ１による電流検出回路を更に設けたものである。その他の構成は図１、図９に示したとおりである。

このように、電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を、入力電流（第１変量）および共振電圧（第２変量）によって判定してもよい。例えば、第１変量を２値化した値と第２変量を２値化した値との論理積を復調結果としてもよい。そのことで、ノイズ等の影響を受けにくくなって、復調の精度が高まる。また、第１変量を２値化した値と第２変量を２値化した値との論理和を復調結果とすれば、伝送信号の受信感度が実質的に高まる。

このように、入力電流と共振電圧の両方を検出する場合と、入力電流と共振電圧の一方を検出する場合とを、状態により切り替えることもでき、そのことで状態判定の精度を高めることができる。

《第３の実施形態》
第３の実施形態では、電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態に応じて変化する変量の変化量と２つの閾値との比較によって、復調を行うワイヤレス給電システムの例を示す。

第３の実施形態に係るワイヤレス給電システムの回路図は第１実施形態で図１に示したものと同じである。

図１１は、電磁界共鳴条件の成立／不成立と上記直流入力電流ｉｄｃの変化との関係を示す図である。図１１において縦の破線はサンプリングタイミングを表している。直流入力電流ｉｄｃは、入力電源Ｅから送電回路１１への供給電流であるので、電磁界共鳴結合の不成立時より成立時に大きな電流が流れる。図１１において、「ＴＨｐによる２値化信号」は直流入力電流の周期毎の変化量と第１閾値ＴＨｐとの比較結果である。また、「ＴＨｎによる２値化信号」は直流入力電流の周期毎の変化量と第２閾値ＴＨｎとの比較結果である。

本実施形態においては、図１に示した制御回路１２は、上記２つの２値化信号を基に、伝送信号の復調を行う。図１２はその例を示す図である。図１２において、「第１データ」は「第１閾値ＴＨｐによる２値化信号」を６ビットのデータで表したものであり、「第２データ」は「第２閾値ＴＨｎによる２値化信号」を６ビットのデータで表したものである。この例では、第１データと第２データとの論理和を復調データとして求める。

本実施形態によれば、電磁界共鳴条件の成立から不成立への変化、不成立から成立への変化の両方に１ビット分の情報を持たせることができるので、伝送信号の転送レートを高めることができる。

《第４の実施形態》
第４の実施形態では、第１実施形態とは異なる共鳴変調回路の構成を備えるワイヤレス給電システムについて示す。

図１３は第４の実施形態に係るワイヤレス給電システム３０４の回路図である。図１に示したワイヤレス給電システム３０１Ａとは、受電装置２０１の共鳴変調回路２３の構成が異なる。ワイヤレス給電システム３０４の共鳴変調回路２３は、スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０ＮおよびキャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２３を備える。受電コイル２０とキャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２３とスイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎとで共鳴変調回路が構成される。キャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２３は本発明に係る「共振キャパシタ」の一例である。キャパシタＣ２３に流れる共振電流は整流回路２４を介して流れる。スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオフ状態であるとき、主にキャパシタＣ２３のキャパシタンスと受電コイル２０のインダクタンスとで共振周波数が定まる。スイッチ素子Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎがオン状態であるとき、主にキャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２３の並列合成キャパシタンスと受電コイル２０のインダクタンスとで共振周波数が定まる。

本実施形態のように、共鳴変調回路２３の共振キャパシタの一部（キャパシタＣ２３）は整流回路に対して直列接続されてもよい。

《第５の実施形態》
第５の実施形態では、受電装置が備える整流回路の幾つかの例を示す。

図１４（Ａ）は第５の実施形態に係る受電装置２０５Ａの回路図であり、図１４（Ｂ）は第５の実施形態に係る受電装置２０５Ｂの回路図であり、図１４（Ｃ）は第５の実施形態に係る受電装置２０５Ｃの回路図である。

また、図１５（Ａ）は第５の実施形態に係る受電装置２０５Ｄの回路図であり、図１５（Ｂ）は第５の実施形態に係る受電装置２０５Ｅの回路図であり、図１５（Ｃ）は第５の実施形態に係る受電装置２０５Ｆの回路図である。

図１４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）、図１５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）において、整流回路２４ＡはダイオードＤ１による半波整流回路、整流回路２４ＢはダイオードＤ１，Ｄ２による倍電圧整流回路、整流回路２４ＣはダイオードブリッジＤＢによる全波整流回路である。

本実施形態で示すように、受電装置には各種整流回路を設けることができる。受電装置２０５Ａのように、半波整流回路を備える場合には、両波について共振電流が流れるように、共振キャパシタＣ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎや共振キャパシタＣ２１が受電コイル２０に対して並列接続されることが好ましい。受電装置２０５Ｂのように倍電圧整流回路を設ける場合や、受電装置２０５Ｃのように全波整流回路を設ける場合には、両波の共振電流が整流回路を流れるので、共振キャパシタの一方のキャパシタＣ２３は受電コイル２０に対して直列接続されていてもよい。

また、受電装置２０５Ｄ，２０５Ｅ，２０５Ｆのように、受電コイル２０に対して共振キャパシタＣ２４が並列接続される構成であってもよい。

なお、以上に示した各実施形態では、キャパシタとスイッチ回路との接続回路により可変容量回路が構成される例を示したが、制御電圧によってキャパシタンスが変化する可変容量素子を含む回路で可変容量回路を構成してもよい。

また、以上に示した各実施形態では、送電装置を送電専用の装置、受電装置を受電専用の装置として表したが、送電回路および受電回路を両装置が備える場合には、双方向での給電および伝送信号の送受が可能である。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

Ｃ２０Ｐ，Ｃ２０Ｎ，Ｃ２１，Ｃ２３，Ｃ２４…共振キャパシタ
Ｄ１，Ｄ２…ダイオード
ＤＢ…ダイオードブリッジ
Ｅ…入力電源
ｉｄｃ…直流入力電流
Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ２０Ｐ，Ｑ２０Ｎ…スイッチ素子
Ｒ１…電流検出抵抗
ＴＨｐ…第１閾値
ＴＨｎ…第２閾値
１０…送電コイル
１１…送電回路
１２…制御回路
１３…共振電圧検出回路
１９…送電共振回路
２０…受電コイル
２１…受電回路
２２…負荷回路
２３…共鳴変調回路
２４，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ…整流回路
２５…電圧検出回路
２６…伝送信号制御回路
２９…受電共振回路
１０１…ワイヤレス電力送電装置
２０１，２０５Ａ，２０５Ｂ，２０５Ｃ，２０５Ｄ，２０５Ｅ，２０５Ｆ…ワイヤレス電力受電装置
３０１Ａ，３０１Ｂ，３０２Ａ，３０２Ｂ，３０４…ワイヤレス給電システム

Claims

送電コイルを含む送電共振回路と、当該送電共振回路に高周波電力を供給する送電回路と、を有する送電装置と、
受電コイルを含み、前記送電共振回路に対して電磁界結合し得る受電共振回路と、当該受電共振回路が受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路と、前記直流電力を消費する負荷回路とを有する受電装置と、を備え、
前記受電装置は、前記送電回路から前記負荷回路側をみた入力インピーダンスを変化させて前記送電共振回路と前記受電共振回路との電磁界結合による電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を切り替える共鳴変調回路と、伝送信号に対して前記入力インピーダンスを時間的に変化させて所定期間における電気信号の変化パターンに変換して前記共鳴変調回路を制御する伝送信号制御回路と、を有し、
前記送電装置は、前記電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態に応じて変化する変量を検出し、当該変量の時間的変化に対する所定期間あたりの変化パターンに基づいて前記伝送信号を復調する復調回路と、を有する、ワイヤレス給電システム。
前記電磁界共鳴条件は、前記送電回路の動作周波数における前記入力インピーダンスの虚部がゼロ付近となり、前記入力インピーダンスの大きさが極小値付近となる条件である、請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
前記復調回路は、前記変量と閾値との比較によって前記復調を行う、請求項１または２に記載のワイヤレス給電システム。
前記変量は前記送電回路に流れる電流に関する量である、請求項３に記載のワイヤレス給電システム。
前記変量は前記送電共振回路に生じる共振電圧に関する量である、請求項３に記載のワイヤレス給電システム。
前記変量は、前記送電回路に流れる電流に関する量および前記送電共振回路に生じる共振電圧に関する量である、請求項３に記載のワイヤレス給電システム。
前記復調回路は、前記変量と、前記変量の正方向への変化を検出するための第１閾値、および前記変量の負方向への変化を検出するための第２閾値との比較によって、前記復調を行う、請求項３から６のいずれかに記載のワイヤレス給電システム。
前記受電共振回路は前記受電コイルと共に共振する共振キャパシタを有し、
前記共鳴変調回路は、前記共振キャパシタのキャパシタンスを変化させる可変容量回路を有する、請求項１から７のいずれかに記載のワイヤレス給電システム。
前記可変容量回路はキャパシタとスイッチ回路との接続回路により構成される、請求項８に記載のワイヤレス給電システム。
スイッチ回路は半導体トランジスタを含む回路である、請求項９に記載のワイヤレス給電システム。
ワイヤレス電力送電装置が備える送電共振回路に対して電磁界結合し得る受電共振回路と、当該受電共振回路が受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路と、前記直流電力を消費する負荷回路と、前記送電共振回路が有する送電回路から前記負荷回路側をみた入力インピーダンスを変化させて、前記送電共振回路と前記受電共振回路との電磁界結合による電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を切り替える共鳴変調回路と、伝送信号に対して前記入力インピーダンスの時間的変化での一定期間あたりの変化パターンに変換して前記共鳴変調回路を制御する伝送信号制御回路と、を有するワイヤレス電力受電装置、と共にワイヤレス給電システムが構成されるワイヤレス電力送電装置であって、
前記送電共振回路に高周波電力を供給する送電回路と、前記電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態に応じて変化する変量を検出し、当該変量の時間的変化での一定期間あたりの変化パターンに基づいて前記伝送信号を復調する復調回路と、を有する、ワイヤレス電力送電装置。
ワイヤレス電力受電装置が備える受電共振回路に対して電磁界結合し得る送電共振回路と当該送電共振回路に高周波電力を供給する送電回路と、前記送電共振回路と前記受電共振回路との電磁界結合による電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態に応じて変化する変量を検出し、当該変量の時間的変化での一定期間あたりの変化パターンに基づいて伝送信号を復調する復調回路と、を有するワイヤレス電力送電装置、と共にワイヤレス給電システムが構成されるワイヤレス電力受電装置であって、
前記受電共振回路が受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路と、前記直流電力を消費する負荷回路と、前記送電共振回路が有する送電回路から前記負荷回路側をみた入力インピーダンスを変化させて前記電磁界共鳴条件の成立／不成立の状態を切り替える共鳴変調回路と、伝送信号に対して前記入力インピーダンスの時間的変化での一定期間あたりの変化パターンに変換して前記共鳴変調回路を制御する伝送信号制御回路と、を有する、ワイヤレス電力受電装置。