JP2017006000A - 受電装置、及び給電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】新規な受電装置又は送電装置を供給する。【解決手段】磁界共鳴方式を利用して給電及び通信を行う。具体的には、本発明の一態様は、共鳴コイルに誘起される高周波電圧に応じた高周波電圧を生成して給電を行い、且つ当該共鳴コイルに誘起される高周波電圧の振幅を変調することで通信を行う。これにより、通信と、当該通信によって得られた情報に基づく給電とを疑似併行的に行うことが可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、受電装置及び送電装置に関する。特に、磁界共鳴を利用して給電が行われる
受電装置及び送電装置に関する。また、本発明は、当該送電装置及び当該受電装置を有す
る給電システムに関する。
電力供給源（以下、送電装置ともいう）と接触していない状態において、対象物（以下
、受電装置ともいう）に対して給電を行う（非接触給電、ワイヤレス給電などともいう）
方式として、磁界共鳴方式と呼ばれる方式が注目されている。磁界共鳴方式は、送電装置
及び受電装置の双方に設けられる共鳴コイルを共振器結合させることでエネルギーの伝搬
路を形成する方式であり、他の方式（電磁誘導方式、電界誘導方式など）と比較して給電
可能距離が長い。例えば、非特許文献１では、磁界共鳴方式における伝送効率が対応する
共鳴コイルの距離が１ｍであれば約９０％、２ｍであれば約４５％という値を示すことが
開示されている。
また、受電装置と送電装置の間で通信を行うことが可能な給電システムの開発も進めら
れている。例えば、特許文献１では、共鳴コイル（共鳴素子）及び受電（送電）用コイル
（励振素子）の双方を用いて給電を行う機能、及び共鳴コイルのみを用いて通信を行う機
能を有する受電装置（給電先）及び送電装置（給電元）が開示されている。具体的には、
特許文献１で開示される受電装置及び送電装置では、共鳴コイルの一端及び他端並びに受
電（送電）用コイルの一端及び他端にスイッチが設けられている。そして、切替制御部に
よって当該スイッチのスイッチングを制御することで、給電機能又は通信機能のいずれの
機能を発揮させるかが選択されている。
特開２０１１−２９７９９号公報
Ａｎｄｒｅ Ｋｕｒｓ，ｅｔ ａｌ．，"Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｖｉａ Ｓｔｒｏｎｇｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ"Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．３１７，ｐｐ．８３−８６，２００７
特許文献１で開示される受電装置及び送電装置においては、給電が磁界共鳴方式によっ
て行われ、且つ通信が電磁誘導方式によって行われている。なお、上述のように、両者の
方式における受電装置と送電装置の間の最適距離は異なる。よって、特許文献１で開示さ
れる受電装置及び送電装置においては、給電と通信を疑似併行的（連続的）に行うことが
困難である。例えば、受電装置の状況（受電装置のインピーダンスなど）に応じて送電装
置における給電条件を設定することなどが困難である。
さらに、受電装置と送電装置の間における給電効率の向上のためには、共鳴コイルを含
む回路のＱ値が高いことが好ましい。例えば、当該回路は、共鳴コイルと、当該共鳴コイ
ルの浮遊容量とのみによって構成されていることが好ましい。ここで、特許文献１で開示
される受電装置及び送電装置においては、共鳴コイルの一端及び他端にスイッチが設けら
れている。この場合、当該スイッチの存在に起因して共鳴コイルを含む回路のＱ値が低下
することになる。すなわち、特許文献１で開示される受電装置及び送電装置においては、
給電効率が低下することになる。
上述の点に鑑み、本発明の一態様は、新規な受電装置又は送電装置を供給することを目
的の一とする。また、本発明の一態様は、給電及び通信を疑似併行的に行うことが可能な
受電装置又は送電装置を供給することを目的の一とする。また、本発明の一態様は、給電
可能距離が長く且つ給電効率の高い受電装置又は送電装置を供給することを目的の一とす
る。なお、本発明の一態様は、上述した目的の少なくとも一を達成することを課題とする
。
本発明の一態様では、磁界共鳴方式を利用して給電及び通信を行う。具体的には、本発
明の一態様は、共鳴コイルに誘起される高周波電圧に応じた高周波電圧を生成して給電を
行い、且つ当該共鳴コイルに誘起される高周波電圧の振幅を変調することで通信を行う。
例えば、本発明の一態様は、振幅変調された高周波電圧が磁界共鳴によって誘起される
共鳴コイルと、共鳴コイルに誘起される高周波電圧に応じた高周波電圧を生成する第１の
手段と、第１の手段によって生成された高周波電圧を用いて給電が行われる負荷と、第１
の手段によって生成された振幅変調された高周波電圧から信号を復調する復調回路と、第
１の手段によって生成された高周波電圧の振幅を変調させる第２の手段と、を有し、第２
の手段を用いて信号に対する応答を行う受電装置である。
なお、当該第１の手段として、共鳴コイルとの電磁誘導によって高周波電圧が誘起され
る第１のコイルを適用し、且つ、当該第２の手段として、一端と他端間の抵抗値が変化可
能な第２のコイルを適用することが可能である。
また、当該第１の手段として、共鳴コイルとの電磁誘導によって高周波電圧が誘起され
る共通コイルを適用し、且つ、当該第２の手段として、一端と他端間の抵抗値が変化可能
な当該共通コイルを適用することが可能である。
本発明の一態様では、磁界共鳴方式を利用して給電及び通信を行う。そのため、通信と
、当該通信によって得られた情報に基づく給電とを疑似併行的に行うことが可能である。
また、本発明の一態様では、磁界共鳴によって高周波電圧が誘起される共鳴コイルと接す
る構成要素を設けることなく給電及び通信を行うことが可能である。そのため、給電可能
距離が長く且つ給電効率の高い給電を行うことが可能である。
給電システムの構成例を示す図。 （Ａ）、（Ｂ）受電装置の具体例を示す図、（Ｃ）可変抵抗手段の具体例を示す図。 （Ａ）、（Ｂ）受電装置の具体例を示す図。 給電システムの構成例を示す図。 （Ａ）、（Ｂ）送電装置の具体例を示す図。 （Ａ）、（Ｂ）給電システムの適用例を示す図。
以下では、本発明の一態様について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限
定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態を様々に変更し得
る。したがって、本発明は以下に示す記載内容に限定して解釈されるものではない。
＜実施の形態１＞
本実施の形態では、本発明の一態様に係る受電装置の一例について図１〜３を参照して
説明する。
（受電装置の構成例）
図１は、本発明の一態様の給電システムの構成例を示す図である。図１に示す給電シス
テムは、送電装置１と、受電装置２とを有する。受電装置２は、振幅変調された高周波電
圧が送電装置１との磁界共鳴（送電装置１が有する共振器との共振器結合）によって誘起
される共鳴コイル２０と、共鳴コイル２０に誘起される高周波電圧に応じた高周波電圧を
生成する手段２１と、手段２１によって生成された高周波電圧を用いて給電が行われる負
荷２２と、手段２１によって生成された高周波電圧（振幅変調波）から信号を復調する復
調回路２３と、共鳴コイル２０に誘起される高周波電圧の振幅を変化させる手段２４とを
有する。なお、図１に示す給電システムにおいて、共鳴コイル２０に誘起される高周波電
圧は、必ずしも振幅変調されていなくてもよい。すなわち、送電装置１と受電装置２の間
で通信を行う場合に適宜共鳴コイル２０に振幅変調された高周波電圧が誘起される構成と
すればよく、両者間で給電のみが行われる場合などにおいては当該振幅変調を行う必要は
ない。また、共鳴コイル２０には、共鳴コイル２０を構成する配線間の浮遊容量２５が存
在している。
そして、受電装置２は、手段２４を用いて信号に対する応答を行う。具体的には、手段
２４によって共鳴コイル２０に誘起される高周波電圧の振幅を変化させることで受電装置
２に受電される電力を変化させることができる。これに伴い、送電装置１が送信する高周
波信号の反射波が変化することになる。そして、送電装置１が当該反射波を検出すること
で、受電装置２の応答を送電装置１において認識することができる。
なお、図１に示すように、共鳴コイル２０は、他の構成要素と直接接続されていない構
成とすることが好ましい。共鳴コイル２０に他の構成要素を直接接続すると、共鳴コイル
２０の直列抵抗及びキャパシタンスが大きくなる。この場合、共鳴コイル２０と他の構成
要素を含む回路のＱ値が、共鳴コイル２０のみによって構成される回路のＱ値よりも低く
なる。その結果、共鳴コイル２０が他の構成要素と直接接続されている構成では、共鳴コ
イル２０が他の構成要素と直接接続されていない構成と比較して、給電効率が低下するこ
とになる。
また、手段２１として、共鳴コイル２０との電磁誘導（共鳴コイル２０との磁界結合）
によって高周波電圧が誘起されるコイルなどを適用することが可能である。
また、負荷２２の内部構成は、特定の構成に限定されない。例えば、負荷２２が、ＡＣ
ＤＣコンバータ、ＤＣＤＣコンバータ、バッテリなどを有する構成とすることが可能であ
る。特に、負荷２２が、手段２１によって生成された高周波電圧を基に充電が行われるバ
ッテリを有する構成とすることが好ましい。磁界共鳴を利用する場合、中長距離において
も高効率な電力供給を行うことが可能であるからである。また、負荷２２が、コントロー
ラによってインピーダンスが制御される整合回路を有する構成とすることも可能である。
コントローラによって負荷２２のインピーダンスを制御することで、外部の送電装置と当
該受電装置の距離が最適距離から近接する場合における電力の伝送効率を改善することな
どが可能となる。
また、復調回路２３の構成としては、振幅変調によって高周波電圧に重畳された信号を
判別し、デジタル信号として出力することが可能な回路であれば、どのような回路を適用
してもよい。
また、手段２１として共鳴コイル２０との電磁誘導によって高周波電圧が誘起されるコ
イル（第１のコイル）を適用する場合には、手段２４として、共鳴コイル２０と当該第１
のコイルの磁界結合を弱める手段を適用することなどが可能である。例えば、手段２４と
して、当該第１のコイルと別途設けられ、且つ一端と他端間の抵抗値が可変なコイル（第
２のコイル）を適用することなどが可能である。
なお、当該第１のコイル及び当該第２のコイルを単一のコイルに置換することも可能で
ある。すなわち、共鳴コイル２０との電磁誘導によって高周波電圧が誘起されるコイル（
共通コイル）の一端と他端間の抵抗値を変化させることで、共鳴コイル２０と当該共通コ
イルの磁界結合を直接的に弱めることも可能である。この場合、コイルを別途設ける必要
がない点で好ましい。他方、当該第１のコイル及び当該第２のコイルを設ける場合には、
給電と応答を併行して行うことができる点で好ましい。
本実施の形態に係る受電装置では、磁界共鳴方式を利用して受電及び応答を行う。その
ため、送電装置１における給電条件（高周波電圧の周波数など）の選択に資する情報（給
電の要否、負荷２２のインピーダンスなど）の応答と、当該応答によって得られた情報に
基づく受電とを疑似併行的に行うことが可能である。また、本実施の形態に係る受電装置
では、磁界共鳴によって高周波電圧が誘起される共鳴コイル２０と直接接続する構成要素
を設けることなく受電及び応答を行うことが可能である。そのため、受電可能距離が長く
且つ受電効率の高い受電を行うことが可能である。
（受電装置の具体例１）
図２（Ａ）は、上述した受電装置２の具体例を示す図である。図２（Ａ）に示す受電装
置２は、共鳴コイル２０と、共鳴コイル２０との電磁誘導によって高周波電圧が誘起され
る、コイル２１０（受電用コイル）及びコイル２４０（通信用コイル）と、一端がコイル
２１０の一端に電気的に接続され、他端がコイル２１０の他端に電気的に接続されている
負荷２２と、一端がコイル２４０の一端に電気的に接続され、他端がコイル２４０の他端
に電気的に接続されている可変抵抗手段２４１と、コイル２４０に誘起される高周波電圧
（振幅変調波）から信号（復調信号）を復調する復調回路２３と、当該復調信号に対する
信号（応答信号）を生成するコントローラ２６とを有する。なお、図２（Ａ）においては
、復調回路２３がコイル２４０に誘起される高周波電圧（振幅変調波）から信号を復調す
る構成について示したが、復調回路２３がコイル２１０に誘起される高周波電圧（振幅変
調波）から信号を復調する構成とすることも可能である（図２（Ｂ）参照）。
そして、図２（Ａ）に示す受電装置２においては、当該応答信号に応じて可変抵抗手段
２４１の抵抗値を変化させることで、コイル２４０の一端と他端間の抵抗値を変化させる
。具体的には、図２（Ｃ）に示すように、コイル２４０の一端と他端の間に抵抗及びスイ
ッチを直列に接続し、当該スイッチのスイッチングが当該応答信号に応じて制御される構
成などとすればよい。
（受電装置の具体例２）
図３（Ａ）は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す受電装置２とは異なる受電装置２の具体例を
示す図である。図３（Ａ）に示す受電装置２は、共鳴コイル２０と、共鳴コイル２０との
電磁誘導によって高周波電圧が誘起されるコイル２７（受電／通信用コイル）と、負荷２
２と、可変抵抗手段２４１と、復調回路２３と、受電又は応答のいずれを行うかを選択す
る切り替え信号、及び応答信号を生成するコントローラ２６と、コイル２７を負荷２２又
は可変抵抗手段２４１及び復調回路２３のいずれに電気的に接続させるかを当該切り替え
信号に応じて選択する切り替え手段２８とを有する。端的に述べると、図３（Ａ）に示す
受電装置２は、図２（Ａ）に示す受電装置２におけるコイル２１０及びコイル２４０を単
一のコイル２７に置換し、且つ切り替え手段２８を新たに設けた構成である。なお、図３
（Ａ）においては、復調回路２３が可変抵抗手段２４１と並列に接続される構成について
示したが、復調回路２３が負荷２２に並列に接続される構成とすることも可能である（図
３（Ｂ）参照）。
そして、図３（Ａ）に示す受電装置２においては、コイル２７が可変抵抗手段２４１に
電気的に接続されている状態において、当該応答信号に応じて可変抵抗手段２４１の抵抗
値を変化させることで、コイル２７の一端と他端間の抵抗値を変化させる。
＜実施の形態２＞
本実施の形態では、本発明の一態様に係る送電装置の一例について図４、５を参照して
説明する。
（送電装置の構成例）
図４は、本発明の一態様の給電システムの構成例を示す図である。図４に示す給電シス
テムは、送電装置１と、受電装置２とを有する。送電装置１は、磁界共鳴（受電装置２が
有する共振器との共振器結合）によって受電装置２が有する共振器（共鳴コイル）に高周
波電圧を誘起する共鳴コイル１０と、共鳴コイル１０に高周波電圧を誘起する手段１１と
、共鳴コイル１０に誘起される高周波電圧の振幅を変化させる手段１２と、共鳴コイル１
０で誘起される高周波電圧から反射波成分を検出する手段１３とを有する。なお、共鳴コ
イル１０には、共鳴コイル１０を構成する配線間の浮遊容量１４が存在している。
なお、図４に示すように、共鳴コイル１０は、実施の形態１で述べた理由と同じ理由か
ら、他の構成要素と直接接続されていない構成とすることが好ましい。
また、手段１１として、コイルに高周波電圧を印加することで電磁誘導（共鳴コイル１
０との磁界結合）によって共鳴コイル１０に高周波電圧を誘起する手段などを適用するこ
とが可能である。
また、手段１１としてコイル（第１のコイル）との電磁誘導によって共鳴コイル１０に
高周波電圧を誘起する手段を適用する場合には、手段１２として、共鳴コイル１０と当該
第１のコイルの磁界結合を弱める手段を適用することなどが可能である。例えば、手段１
２として、当該第１のコイルと別途にコイル（第２のコイル）を設け、当該第２のコイル
の一端と他端間の抵抗値を変化する手段を適用することなどが可能である。
本実施の形態に係る送電装置では、磁界共鳴方式を利用して給電及び通信を行う。その
ため、通信と、当該通信によって得られた情報に基づく給電とを疑似併行的に行うことが
可能である。また、本実施の形態に係る送電装置では、磁界共鳴によって高周波電圧が誘
起される共鳴コイル１０と直接接続する構成要素を設けることなく給電及び通信を行うこ
とが可能である。そのため、給電可能距離が長く且つ給電効率の高い給電を行うことが可
能である。
（送電装置の具体例）
図５（Ａ）は、上述した送電装置１の具体例を示す図である。図５（Ａ）に示す送電装
置１は、共鳴コイル１０と、電磁誘導によって共鳴コイル１０に高周波電圧を誘起するコ
イル１１０（送電用コイル）と、コイル１１０に高周波電圧を印加する高周波電源１１１
と、共鳴コイル１０との電磁誘導によって高周波電圧が誘起されるコイル１５（通信用コ
イル）と、一端がコイル１５の一端に電気的に接続され、他端がコイル１５の他端に電気
的に接続されている可変抵抗手段１２０と、コイル１５に誘起される高周波電圧から信号
（復調信号）を復調する復調回路１３０と、当該復調信号が入力され、且つ高周波電源１
１１及び可変抵抗手段１２０の動作を制御するコントローラ１６とを有する。なお、図５
（Ａ）においては、復調回路１３０が可変抵抗手段１２０と並列に接続される構成につい
て示したが、復調回路１３０が高周波電源１１１に並列に接続される構成とすることも可
能である（図５（Ｂ）参照）。
なお、本実施の形態に係る送電装置と、実施の形態１に係る受電装置とを組み合わせて
給電システムを構成することもできる。
本実施例では、上述の給電システムを適用できる用途について説明する。なお、本発明
の一態様に係る給電システムを適用できる用途としては、携帯型の電子機器である、デジ
タルビデオカメラ、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機又
は電子書籍等）、記録媒体を備えた画像再生装置（具体的にはＤｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓ
ａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ（ＤＶＤ）再生装置）などが挙げられる。また、電力を基に動力を
得る電気自動車等の電気推進移動体が挙げられる。以下、一例について図６を参照して説
明する。
図６（Ａ）は、携帯電話及び携帯情報端末を給電システムの用途とする一例であり、送
電装置７０１、受電装置７０３Ａを有する携帯電話７０２Ａ、受電装置７０３Ｂを有する
携帯電話７０２Ｂによって構成されている。上述した給電システムは、送電装置７０１と
受電装置７０３Ａ及び受電装置７０３Ｂの間で適用することができる。
図６（Ｂ）は、電気推進移動体である電気自動車を給電システムの用途とする一例であ
り、送電装置７１１と、受電装置７１３を有する電気自動車７１２とによって構成されて
いる。上述した給電システムは、送電装置７１１と受電装置７１３の間で適用することが
できる。
１ 送電装置
２ 受電装置
１０ 共鳴コイル
１１ 手段
１２ 手段
１３ 手段
１４ 浮遊容量
１５ コイル
１６ コントローラ
２０ 共鳴コイル
２１ 手段
２２ 負荷
２３ 復調回路
２４ 手段
２５ 浮遊容量
２６ コントローラ
２７ コイル
２８ 切り替え手段
１１０ コイル
１１１ 高周波電源
１２０ 可変抵抗手段
１３０ 復調回路
２１０ コイル
２４０ コイル
２４１ 可変抵抗手段
７０１ 送電装置
７０２Ａ 携帯電話
７０２Ｂ 携帯電話
７０３Ａ 受電装置
７０３Ｂ 受電装置
７１１ 送電装置
７１２ 電気自動車
７１３ 受電装置

Claims (2)

  1. 振幅変調された高周波電圧が磁界共鳴によって誘起される共鳴コイルと、
    前記共鳴コイルとの電磁誘導によって高周波電圧が誘起される受電／通信用コイルと、
    一端が前記受電／通信用コイルの一端に電気的に接続されることが可能であり、他端が前記受電／通信用コイルの他端に電気的に接続されることが可能である負荷と、
    一端が前記受電／通信用コイルの一端に電気的に接続されることが可能であり、他端が前記受電／通信用コイルの他端に電気的に接続されることが可能である可変抵抗手段と、
    前記受電／通信用コイルに誘起される振幅変調された高周波電圧から復調信号を復調する復調回路と、
    受電又は応答のいずれを行うかを選択する切り替え信号、及び前記復調信号に対する応答信号を生成する受電用コントローラと、
    前記受電／通信用コイルを前記負荷又は前記可変抵抗手段のいずれと電気的に接続させるかを前記切り替え信号に応じて選択する切り替え手段と、を有し、
    前記受電／通信用コイルが前記可変抵抗手段に電気的に接続されている状態において、前記応答信号に応じて前記可変抵抗手段が前記受電／通信用コイルの一端と他端間の抵抗値を変化させる受電装置。
  2. 請求項１に記載の受電装置と、送電装置と、を有する給電システム。
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