(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から供給される第１直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路から出力された前記交流電力を無線で送電する送電アンテナと、
前記インバータ回路に前記交流電力を出力させ、前記インバータ回路から出力される前記交流電力の周波数を、第１周波数（ｆ１）と第２周波数（ｆ２）とに変動させることで前記交流電力を２値の通信データとして出力する送電制御回路と、を有する送電装置と、
前記送電アンテナにより無線で送電された前記交流電力を受電する受電アンテナと、
前記送電アンテナに入力される前記交流電力の電圧の振幅を、第１振幅（Ｖ１）と第２振幅（Ｖ２）とに変動させる受電側振幅変調器と、を有する受電装置と、を備えた無線電力伝送システムであって、
前記送電制御回路は、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの電磁気的結合を利用して前記送電アンテナから前記受電アンテナへ出力される第１の２値の通信データを送信する際、前記第１の２値の通信データの一方に対応させて前記第１周波数（ｆ１）を選択し、前記２値の通信データの他方に対応させて前記第２周波数（ｆ２）を選択し、
前記受電側振幅変調器は、前記電磁気的結合を利用して前記受電アンテナから前記送電アンテナへ第２の２値の通信データを送信する際、前記第２の２値の通信データの一方に対応させて前記第１振幅（Ｖ１）を選択し、前記２値の通信データの他方に対応させて前記第２振幅（Ｖ２）を選択し、
前記送電制御回路は、前記交流電力の周波数が前記第１周波数（ｆ１）のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）と、前記交流電力の周波数が前記第２周波数（ｆ２）のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）との差分を無くす振幅制御を、前記インバータ回路を用いて行う、
無線電力伝送システム。
【請求項２】
前記送電装置における前記振幅制御後の前記第３振幅（Ｖ３）及び前記第４振幅（Ｖ４）は、前記受電装置において前記受電側振幅変調器により変動された前記第１振幅（Ｖ１）及び前記第２振幅（Ｖ２）のいずれか一方に対応する、
請求項１記載の無線電力伝送システム。
【請求項３】
前記受電アンテナから前記送電アンテナへの前記第２の２値の通信データの送信は、前記送電アンテナから前記受電アンテナへの前記第１の２値の通信データの送信と同時に行われる、
請求項１記載の無線電力伝送システム。
【請求項４】
前記送電装置は、前記送電アンテナから送電される前記交流電力の電圧の振幅を検出する振幅検出器を備え、
前記受電装置は、前記受電アンテナが受電した前記交流電力の周波数を検出する周波数検出器を備える、
請求項１記載の無線電力伝送システム。
【請求項５】
前記送電制御回路は、前記振幅検出器の検出結果に基づき、前記振幅制御において、前記交流電力の周波数が前記第１周波数のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）を、前記交流電力の周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）に合わせる制御を行う、
請求項４記載の無線電力伝送システム。
【請求項６】
前記送電制御回路は、前記振幅制御において、前記交流電力の周波数が前記第１周波数のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）を、前記交流電力の周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）に合わせる制御をした場合に、前記交流電力の電圧の振幅差に対応するパラメータをメモリに保存する、
請求項１記載の無線電力伝送システム。
【請求項７】
前記送電アンテナと前記受電アンテナとの電磁気的結合は、磁界結合又は電界結合を含む、
請求項１記載の無線電力伝送システム。
【請求項８】
前記インバータ回路は、４つのスイッチング素子を有し、
前記４つのスイッチング素子は、前記電源から供給された前記第１直流電力の電圧と同じ極性の電圧を導通時に出力する第１スイッチング素子対と、前記第１直流電力の電圧と逆の極性の電圧を導通時に出力する第２スイッチング素子対とを含み、
前記送電制御回路は、前記４つのスイッチング素子の各々に、導通および非導通の状態を切り替えるパルス信号を供給し、
前記第１スイッチング素子対に供給される２つのパルス信号の位相差、および前記第２スイッチング素子対に供給される２つのパルス信号の位相差を調整することにより、前記振幅制御を行う、
請求項１記載の無線電力伝送システム。
【請求項９】
前記送電制御回路は、前記振幅制御において、前記交流電力の周波数が前記第１周波数のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）を、前記交流電力の周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）に合わせる制御をした場合に、前記交流電力の電圧の振幅差に対応するパラメータをメモリに保存し、
前記パラメータは、前記交流電力の周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）に合わせる制御をした場合の前記２つのパルス信号の位相差を表した値である、
請求項８記載の無線電力伝送システム。
【請求項１０】
前記インバータ回路は、複数のスイッチング素子を有し、
前記送電制御回路は、前記複数のスイッチング素子の各々に、導通および非導通の状態を切り替えるパルス信号を供給し、
前記パルス信号のデューティ比を調整することにより、前記振幅制御を行う、
請求項１記載の無線電力伝送システム。
【請求項１１】
前記送電制御回路は、前記振幅制御において、前記交流電力の周波数が前記第１周波数のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）を、前記交流電力の周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）に合わせる制御をした場合に、前記交流電力の電圧の振幅差に対応するパラメータをメモリに保存し、
前記パラメータは、前記交流電力の周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）に合わせる制御をした場合の前記デューティ比を表した値である、
請求項１０記載の無線電力伝送システム。
【請求項１２】
送電装置と、受電装置と、を備える無線電力伝送シテスムにおける送電装置であって、
電源から供給される第１直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路から出力された前記交流電力を無線で送電する送電アンテナと、
前記インバータ回路に前記交流電力を出力させ、前記インバータ回路から出力される前記交流電力の周波数を、第１周波数（ｆ１）と第２周波数（ｆ２）とに変動させることで前記交流電力を２値の通信データとして出力する送電制御回路と、を有し、
前記受電装置は、
前記送電アンテナにより無線で送電された前記交流電力を受電する受電アンテナと、
前記送電アンテナに入力される前記交流電力の電圧の振幅を、第１振幅（Ｖ１）と第２振幅（Ｖ２）とに変動させる受電側振幅変調器と、を有し、
前記送電制御回路は、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの電磁気的結合を利用して前記送電アンテナから前記受電アンテナへ第１の２値の通信データを送信する際、前記第１の２値の通信データの一方に対応させて前記第１周波数（ｆ１）を選択し、前記２値の通信データの他方に対応させて前記第２周波数（ｆ２）を選択し、
前記受電側振幅変調器は、前記電磁気的結合を利用して前記受電アンテナから前記送電アンテナへ第２の２値の通信データを送信する際、前記第２の２値の通信データの一方に対応させて前記第１振幅（Ｖ１）を選択し、前記２値の通信データの他方に対応させて前記第２振幅（Ｖ２）を選択し、
前記送電制御回路は、前記交流電力の周波数が前記第１周波数（ｆ１）のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）と、前記交流電力の周波数が前記第２周波数（ｆ２）のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）との差分を無くす振幅制御を、前記インバータ回路を用いて行う、
送電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、無線で電力を伝送する無線電力伝送システムおよび送電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機や電気自動車などの移動性を伴う機器に、無線（非接触）で電力を伝送する無線（非接触）電力伝送技術の開発が進められている。無線電力伝送システムにおいては、安全のため、電力伝送を行う際に送電装置と受電装置との通信が確立されている必要がある。
【０００３】
受電装置から送電装置へのデータの送信は、例えば受電装置が備えるスイッチデバイスを用いて負荷の値を変動させる負荷変調方式によって行われ得る。負荷の変動を送電装置に伝えることでデータを伝達することができる。一方、送電側から受電側へデータを伝達する必要があるアプリケーション（例えば、ＲＦＩＤ）においては、例えば送電される電力（以下、「送電電力」と称することがある。）の周波数を変調することで、送電装置から受電装置へデータを伝達することができる。
【０００４】
このような受電装置から送電装置へのデータ通信、および送電装置から受電装置へのデータ通信は、例えば特許文献１および２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２１１７７９号
【特許文献２】特開２００８−２０６３０５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、かかる従来技術では、送電装置および受電装置の一方から他方へデータを送信している間は、他方から一方へデータを送信することができなかった。そのため、双方向のデータ通信を行う際に待ち時間が発生し、通信完了までに長い時間を要していた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る送電装置は、
送電装置と、受電装置と、を備える無線電力伝送シテスムにおける送電装置であって、
電源から供給される第１直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路から出力された前記交流電力を無線で送電する送電アンテナと、
前記インバータ回路に前記交流電力を出力させ、前記インバータ回路から出力される前記交流電力の周波数を、第１周波数（ｆ１）と第２周波数（ｆ２）とに変動させることで前記交流電力を２値の通信データとして出力する送電制御回路と、を有し、
前記受電装置は、
前記送電アンテナにより無線で送電された前記交流電力を受電する受電アンテナと、
前記送電アンテナに入力される前記交流電力の電圧の振幅を、第１振幅（Ｖ１）と第２振幅（Ｖ２）とに変動させる受電側振幅変調器と、を有し、
前記送電制御回路は、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの電磁気的結合を利用して前記送電アンテナから前記受電アンテナへ第１の２値の通信データを送信する際、前記第１の２値の通信データの一方に対応させて前記第１周波数（ｆ１）を選択し、前記２値の通信データの他方に対応させて前記第２周波数（ｆ２）を選択し、
前記受電側振幅変調器は、前記電磁気的結合を利用して前記受電アンテナから前記送電アンテナへ第２の２値の通信データを送信する際、前記第２の２値の通信データの一方に対応させて前記第１振幅（Ｖ１）を選択し、前記２値の通信データの他方に対応させて前記第２振幅（Ｖ２）を選択し、
前記送電制御回路は、前記交流電力の周波数が前記第１周波数（ｆ１）のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）と、前記交流電力の周波数が前記第２周波数（ｆ２）のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）との差分を無くす振幅制御を、前記インバータ回路を用いて行う、
これらの包括的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、又は、記録媒体で実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の一態様によれば、送電装置と受電装置との間で同時に双方向にデータを伝送することができるため、双方向通信の完了までの時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】本開示の実施形態における送電装置によるＴｘデータの送信時における電圧の振幅の変化の例を示す図である。
【図１Ｂ】本開示の実施形態における受電装置によるＲｘデータの送信の例を示す図である。
【図１Ｃ】送電装置が周波数変調を行い、同時に受電装置が振幅変調を行う場合の例を示す図である。
【図２】実施形態１における無線電力伝送システムの構成を示す図である。
【図３Ａ】受電回路１０２０における振幅変調器の構成例を示す図である。
【図３Ｂ】受電回路１０２０における振幅変調器の他の構成例を示す図である。
【図４】インバータ回路１００１の構成例を示す図である。
【図５Ａ】位相ずれ量が０度の場合の各スイッチング素子に入力されるパルス信号および出力電圧Ｖａの波形の一例を示す図である。
【図５Ｂ】位相ずれ量が９０度の場合の各スイッチング素子に入力されるパルス信号および出力電圧Ｖａの波形の一例を示す図である。
【図６Ａ】周波数を変化させたときの、送電アンテナ１０１０に入力される交流電圧（送電電圧）の変化を模式的に示す図である。
【図６Ｂ】２つのスイッチング素子に供給される２つのパルス信号の位相ずれ量φを変化させたときの送電電圧の振幅の変化を模式的に示す図である。
【図６Ｃ】本実施形態における振幅制御によって送電電圧の振幅が一定に保たれることを示す図である。
【図７Ａ】送電装置から受電装置へＴｘデータが送信されているときのＴｘデータ、Ｒｘデータ、周波数、位相ずれ量、および受電電圧の時間変化の一例を示す図である。
【図７Ｂ】受電装置から送電装置へＲｘデータが送信されているときのＴｘデータ、Ｒｘデータ、周波数、位相ずれ量、および送電電圧の時間変化の一例を示す図である。
【図７Ｃ】送電装置からのＴｘデータの送信のタイミングと、受電装置からＲｘデータの送信のタイミングとが重なっている場合の各種波形の一例を示す図である。
【図８】送電装置が受電装置にＴｘデータを送る際に行われる振幅制御の動作の一例を示すフローチャートである。
【図９Ａ】送電装置が受電装置へ送信するＴｘ信号（例えばパケット信号）の一例を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示す２つの破線の間の期間におけるＴｘ信号、周波数、送電電圧の振幅、および位相ずれ量の時間変化を示す図である。
【図１０】本実施形態におけるインバータ回路１００１ａの回路構成を示す図である。
【図１１Ａ】各パルス信号のデューティ比が０．５（５０％）の場合の、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４に入力されるパルス信号および出力電圧Ｖａの波形の例を示す図である。
【図１１Ｂ】各パルス信号のデューティ比が０．２５（２５％）の場合の、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４に入力されるパルス信号および出力電圧Ｖａの波形の例を示す図である。
【図１２】Ｔｘデータ送信時の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１３Ａ】従来技術における送電側から受電側へのＴｘデータ送信時の電圧の振幅の変化を示す図である。
【図１３Ｂ】従来技術におけるＴｘデータの送信時の、Ｔｘデータ、Ｒｘデータ、周波数、および受電コイル電圧の時間変化の一例を示す図である。
【図１３Ｃ】従来技術における受電側から送電側へのＲｘデータ送信時の電圧の振幅の変化を示す第１の図である。
【図１３Ｄ】従来技術における受電側から送電側へのＲｘデータ送信時の電圧の振幅の変化を示す第２の図である。
【図１３Ｅ】従来技術におけるＲｘデータの送信時の、Ｔｘデータ、Ｒｘデータ、周波数、および送電コイル電圧の時間変化の一例を示す図である。
【図１３Ｆ】従来技術において、送電側から受電側へのＴｘデータの送信と、受電側から送電側へのＲｘデータの送信とが同時に行われた場合の問題点を説明するための第１の図である。
【図１３Ｇ】従来技術において、送電側から受電側へのＴｘデータの送信と、受電側から送電側へのＲｘデータの送信とが同時に行われた場合の問題点を説明するための第２の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本開示の基礎となった知見）
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
【００１１】
本発明者らは、「背景技術」の欄において記載した従来の無線電力伝送システムに関し、以下の課題が生じることを見出した。
【００１２】
特許文献１、２に開示された無線電力伝送システムは、電磁誘導を利用して、送電コイル（１次コイル）と受電コイル（２次コイル）との間で電力を無線で伝送する。これらのシステムにおいて、受電側から送電側へのデータ通信は、受電装置内の負荷を変調することによって行われる。その負荷の変調に伴う送電コイルの両端の電圧の波形の変化を送電装置が検出することにより、受電装置から送信されたデータ（以下、「Ｒｘデータ」と称することがある。）を読み取ることができる。一方、送電側から受電側へのデータ通信は、例えば送電電力の周波数を変調することによって行われる。受電装置は、周波数の変化を検出することにより、送電側から送信されたデータ（以下、「Ｔｘデータ」と称することがある。）を読み取ることができる。
【００１３】
しかしながら、受電側から送電側へのデータ送信のタイミングと送電側から受電側へのデータ送信のタイミングとが重なると、周波数の変化および負荷の変化の両方に起因して、送電コイルの両端の電圧の振幅が変動する。その場合には、送電装置がＲｘデータを正しく復調することができない。すなわち、特許文献１、２に開示されたシステムでは、半二重通信しかできないという課題がある。
【００１４】
以下、図面を参照しながら、この課題をより詳細に説明する。
【００１５】
図１３Ａは、送電側から受電側へのＴｘデータの送信時における電圧の振幅の変化を示す図である。図１３Ａにおける左側の図は、送電コイルの両端の電圧（以下、「送電コイル電圧」と称することがある。）の波形の一例を示し、図１３Ａにおける右側の図は、受電コイルの両端の電圧（以下、「受電コイル電圧」と称することがある。）の波形の一例を示している。いずれの図も横軸は時間を表し、以降の図でも同様である。この例では、受電コイルの両端の電圧の大きさが、送電コイルの両端の電圧の大きさに比例する場合を想定する。
【００１６】
図１３Ｂは、この場合におけるＴｘデータ、Ｒｘデータ、周波数、および受電コイル電圧の時間変化の一例を示している。
【００１７】
送電装置から受電装置へ２値のデータ（Ｔｘデータ）が送信されるとき、送電装置は、送電する電力の周波数（以下、「送電周波数」と称することがある。）をｆ１とｆ２との間で変調させる。図示される例では、ｆ１＞ｆ２であり、ｆ１は「０」のデータに対応し、ｆ２は「１」のデータに対応する。このような周波数の変調の結果、送電コイル電圧および受電コイル電圧の振幅が変動する。この例では受電側から送電側へＲｘデータが送信されていないため、受電側の負荷は一定である。ここでは、周波数ｆ１のときの送電コイル電圧の振幅をＶ１１、周波数ｆ２のときの送電コイル電圧の振幅をＶ２１と表している。また、電圧Ｖ１１に対応する受電コイル電圧をＶ１１’、電圧Ｖ２１に対応する受電コイル電圧をＶ２１’と表している。受電装置は、伝送された交流電力の周波数の変化を検出することにより、送電装置から送信されたＴｘデータを読み取る。すなわち、検出した周波数がｆ１のときはＴｘデータが「０」であると判断し、検出した周波数がｆ２のときはＴｘデータが「１」であると判断する。
【００１８】
図１３Ｃ〜図１３Ｅは、受電側から送電側へのＲｘデータの送信を説明するための図である。図１３Ｃは、送電周波数がｆ１のときの送電コイル電圧の波形（左側）および受電コイル電圧の波形（右側）の一例を示している。図１３Ｄは、送電周波数がｆ２のときの送電コイル電圧の波形（左側）および受電コイル電圧の波形（右側）の一例を示している。図１３Ｅは、この場合におけるＴｘデータ、Ｒｘデータ、周波数、および送電コイル電圧の時間変化の一例を示している。図１３Ｅに示す例では、周波数はｆ２であるものとしているが、周波数がｆ１の場合も同様である。
【００１９】
受電装置から送電装置へ２値のデータ（Ｒｘデータ）が送信されるとき、受電装置は回路内の負荷を変調させることにより、受電コイルの電圧の振幅および送電コイルの電圧の振幅を変調させる。図１３Ｃに示すように、周波数がｆ１で一定のとき、受電装置は、負荷を変調することにより、受電コイル電圧の振幅をＶ１１’とＶ１２’との間で変動させる。これに伴い、送電コイル電圧の振幅がＶ１１とＶ１２との間で変動する。送電装置は、この振幅の変動を検出することにより、Ｒｘデータを読み取ることができる。
【００２０】
一方、図１３Ｄに示すように、周波数がｆ２で一定のとき、受電装置は、負荷を変調することにより、受電コイル電圧の振幅をＶ２１’とＶ２２’との間で変動させる。これに伴い、送電コイル電圧の振幅がＶ２１とＶ２２との間で変動する。送電装置は、この振幅の変動を検出することによってＲｘデータを読み取ることができる。
【００２１】
このように、従来技術では、送電側から受電側へは周波数変調によってデータが送信され、受電側から送電側へは振幅変調によってデータが送信される。しかし、これらのデータ送信を同時に行うことはできない。この点について、以下、説明する。
【００２２】
図１３Ｆは、従来技術において、送電側から受電側へのＴｘデータの送信と、受電側から送電側へのＲｘデータの送信とが同時に行われた場合の問題点を説明するための図である。送電装置がＴｘデータの値に応じて周波数をｆ１およびｆ２の間で変調させると、送電コイル電圧の振幅が変化する。この際に受電装置がＲｘデータを送信するために負荷を変調させると、送電コイル電圧の振幅がさらに変化する。Ｔｘデータの送信とＲｘデータの送信とが混在することにより、送電コイル電圧の振幅は、４つの値Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１、Ｖ２２の間で変動する。その結果、送電コイル電圧の振幅の変化に基づいてＲｘデータを正しく復調することができない場合がある。
【００２３】
図１３Ｇは、そのような場合の例を示す図である。図１３Ｇは、上から順に、Ｒｘデータ、Ｔｘデータ、送電コイル電圧、Ｒｘデータの復調信号、受電コイル電圧、およびＴｘデータの復調信号の時間変化の例を示している。
【００２４】
送電装置は、送電コイル電圧の振幅と所定の閾値とを比較することによってＲｘデータの復調信号を生成する。閾値は、周波数ｆ１のときの振幅Ｖ１１およびＶ１２の間の値、または、周波数ｆ２のときの振幅Ｖ２１およびＶ２２の間の値に設定される。Ｒｘデータの復調信号の値は、送電コイル電圧の振幅が閾値よりも小さいときには「０」となり、電圧の振幅が閾値以上のときには「１」となる。
【００２５】
図１３Ｇに示す例では、閾値は、周波数がｆ２のときの振幅Ｖ２１およびＶ２２の間の値に設定されている。周波数がｆ１のときの振幅Ｖ１１およびＶ１２は、ともに当該閾値を下回っている。このため、振幅がＶ１２になる期間（図１３Ｇにおける破線の楕円形内）については、Ｒｘデータの復調信号の値が、本来の値「１」（図中の破線）ではなく、「０」（図中の実線）であると誤って判断される。すなわち、Ｒｘデータを正しく復調することができない。なお、周波数がｆ１のときの振幅Ｖ１１およびＶ１２の間の値に閾値が設定されている場合も同様の問題が生じる。
【００２６】
このように、従来技術では、送電側と受電側から同時にデータを伝送した場合、送電コイル電圧の振幅が４値となり、送電コイル電圧の振幅を検出しても正常に復調できない。
【００２７】
したがって、上記従来技術の構成では、送電装置または受電装置のいずれかからデータを送信している間は、他方からデータを送信することができない。このような半二重通信では、送電装置および受電装置は、相手からのデータ送信が完了するまで、データの送信を待機する必要がある。このため、情報の伝達を完了するまでに長い時間を要するという課題がある。特に、電力を伝送しながら受電側の機器に制御信号を送り、その応答信号をリアルタイムに得る必要のあるアプリケーション（例えば、モータやアクチュエータ等）では、データ通信の遅延は深刻な問題となり得る。
【００２８】
以上の考察により、本発明者らは、以下に説明する本開示の各態様を想到するに至った。
【００２９】
本開示の一態様に係る無線電力伝送システムは、
電源から供給される第１直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路から出力された前記交流電力を無線で送電する送電アンテナと、
前記インバータ回路に前記交流電力を出力させ、前記インバータ回路から出力される前記交流電力の周波数を、第１周波数（ｆ１）と第２周波数（ｆ２）とに変動させることで前記交流電力を２値の通信データとして出力する送電制御回路と、を有する送電装置と、
前記送電アンテナにより無線で送電された前記交流電力を受電する受電アンテナと、
前記送電アンテナに入力される前記交流電力の電圧の振幅を、第１振幅（Ｖ１）と第２振幅（Ｖ２）とに変動させる受電側振幅変調器と、を有する受電装置と、を備えた無線電力伝送システムであって、
前記送電制御回路は、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの電磁気的結合を利用して前記送電アンテナから前記受電アンテナへ出力される第１の２値の通信データを送信する際、前記第１の２値の通信データの一方に対応させて前記第１周波数（ｆ１）を選択し、前記２値の通信データの他方に対応させて前記第２周波数（ｆ２）を選択し、
前記受電側振幅変調器は、前記電磁気的結合を利用して前記受電アンテナから前記送電アンテナへ第２の２値の通信データを送信する際、前記第２の２値の通信データの一方に対応させて前記第１振幅（Ｖ１）を選択し、前記２値の通信データの他方に対応させて前記第２振幅（Ｖ２）を選択し、
前記送電制御回路は、前記交流電力の周波数が前記第１周波数（ｆ１）のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）と、前記交流電力の周波数が前記第２周波数（ｆ２）のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）との差分を無くす振幅制御を前記インバータ回路を用いて行う。
【００３０】
上記態様によれば、前記送電制御回路は、前記交流電力の周波数が前記第１周波数のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）と、前記交流電力の周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）との差分を無くす振幅制御を前記インバータ回路を用いて行う。
【００３１】
この振幅制御により、交流電力の周波数が第１周波数（ｆ１）のときの交流電力の電圧の振幅（Ｖ３）と、交流電力の周波数が第２周波数（ｆ２）のときの交流電力の電圧の振幅（Ｖ４）との差が殆ど無くなるため、従来技術のような誤判定を回避することができる。このため、送電装置もしくは受電装置のいずれかがデータ送信中でも、他方からデータを同時刻に送信することができる。なお、「差分を無くす」とは、差分を完全にゼロ（０）にすることを意味するのではなく、微差があってもよい。
【００３２】
以下、図１Ａ〜図１Ｃを参照しながら、本開示の実施形態における基本的な動作を説明する。
【００３３】
図１Ａは、本開示の実施形態におけるＴｘデータの送信時における電圧の振幅の変化の例を示す図である。図１Ａにおける左側の図は、送電アンテナに入力される交流電力の電圧（送電アンテナの両端の電圧と同じ。以下、「送電電圧」と称することがある。）の波形の一例を示し、図１Ａにおける右側の図は、受電アンテナから出力される交流電力の電圧（受電アンテナの両端の電圧と同じ。以下、「受電電圧」と称することがある。）の波形の一例を示している。
【００３４】
図示されるように、送電装置は、周波数が第１周波数（ｆ１）であるときの送電アンテナに入力される交流電圧（以下、「送電電圧」と称することがある。）の振幅Ｖ３と、周波数が第２周波数（ｆ２）であるときの送電電圧の振幅Ｖ４との差分をなくす振幅制御を行う。この振幅制御は、例えば、送電制御回路がインバータ回路内の複数のスイッチング素子を制御することによって行われる。より具体的には、フルブリッジ型のインバータ回路を用いて、複数のスイッチング素子のうち、同時にオン（導通状態）にされる２つのスイッチング素子に供給する２つのパルス信号の位相差（「位相ずれ量」または「位相シフト量」とも称する。）を調整することによって行われ得る。あるいは、各スイッチング素子に供給するパルス信号のデューティ比を調整することによっても行われ得る。後者のデューティ制御を行う場合は、フルブリッジ型に限らず、ハーフブリッジ型等の他のインバータ回路を用いてもよい。
【００３５】
このような振幅制御により、周波数をｆ１とｆ２との間で変化させても送電アンテナの両端の電圧の振幅は殆ど変化しない（即ち、Ｖ４≒Ｖ３）。同様に、受電アンテナの両端の電圧の振幅も殆ど変化しない（Ｖ４’＝Ｖ３’）。周波数を変調させても送電電圧の振幅が殆ど変化しないため、送電装置がＴｘデータを送信している最中に受電装置がＲｘデータの送信を行った場合でも、送電電圧の振幅と所定の閾値との比較に基づいて正しくＲｘデータを復調できる。
【００３６】
図１Ｂは、本開示の実施形態における受電装置によるＲｘデータの送信の例を示す図である。この例では、周波数がｆ１で固定されている。Ｒｘデータの値に応じて受電装置における振幅変調器が受電電圧の振幅をＶ１’とＶ２’との間で変化させると、その変化が送電装置に伝わり、送電電圧の振幅がＶ１とＶ２との間で変化する。その変化を送電装置が検出することにより、Ｒｘデータを復調することができる。本開示の実施形態では、送電装置が上記の振幅制御を行うことにより、周波数がｆ０の場合も、振幅Ｖ１およびＶ２は、周波数がｆ１の場合とほぼ同じ値となる。これにより、双方向の通信が可能となる。
【００３７】
図１Ｃは、送電装置が周波数変調を行い、同時に受電装置が振幅変調を行う場合の例を示している。この例では、送電装置が第１周波数ｆ１を選択しているときに受電装置が第１振幅Ｖ１を選択し、送電装置が第２周波数ｆ２を選択しているときに受電装置が第２振幅Ｖ２を選択している。送電装置による上記の振幅制御により、送電電圧の振幅は、周波数をｆ１とｆ２との間で変化させても変化しない。よって、周波数がｆ１、ｆ２のいずれに設定されている場合も、同一の閾値を用いてＲｘデータの復調信号を生成できる。Ｔｘデータの送信中もＲｘデータを正しく復調できるため、Ｔｘデータ送信とＲｘデータの送信とを同時に行うことができる。
【００３８】
以下、本開示のより具体的な実施形態を説明する。以下の説明において、同一または対応する要素には同一の参照符号を付している。
【００３９】
（実施形態１）
図２は、本開示の第１の実施形態による無線電力伝送システムの構成例を示すブロック図である。本実施形態の無線電力伝送システムは、送電装置と、受電装置とを備える。送電装置は、外部の直流（ＤＣ）電源１０３０から入力される直流（ＤＣ）エネルギ（即ち直流電力）を交流エネルギ（即ち交流電力）に変換して出力する送電回路１０００と、送電回路１０００から出力された交流電力を送出する送電アンテナ１０１０とを備えている。受電装置は、送電アンテナ１０１０から送られた交流電力を受け取る受電アンテナ１０１１と、受電アンテナ１０１１が受け取った交流電力を直流電力に変換して出力する受電回路１０２０と、受電回路１０２０から出力された直流電力によって動作する負荷１０４０とを備えている。
【００４０】
送電アンテナ１０１０および受電アンテナ１０１１の各々は、例えばコイルおよびコンデンサを含む共振回路によって構成され得る。コイル間の誘導結合（即ち磁界結合）によって電力が無線で伝送される。各アンテナは、磁界結合の代わりに電界結合を利用して電力を無線で伝送する構成を備えていてもよい。その場合には、各アンテナは、送電または受電のための２つの電極と、インダクタおよびキャパシタを含む共振回路とを備え得る。電界結合を利用した送電アンテナおよび受電アンテナは、例えば工場内の搬送ロボットのような移動する機器に電力を無線で伝送する場合に好適に利用され得る。
【００４１】
受電装置は、例えば、前述の搬送ロボット、ロボットアームの先端部、または監視カメラの回転部などであり得る。送電装置は、受電装置に無線で電力を供給する装置であり、例えば、ロボットアームの根元側の部分、または監視カメラの固定部に搭載され得る。負荷１０４０は、例えば監視カメラの回転部に搭載されたＣＣＤカメラ等の撮像装置、またはロボットアームの先端に搭載されたアクチュエータなどのモータを含む機器であり得る。
【００４２】
受電回路１０２０は、受電アンテナ１０１１から出力された交流電力を直流電力に変換して負荷１０４０に供給する整流回路（整流器）１０２１と、負荷変調によって受電回路内の電圧および送電回路内の電圧の振幅を変調させる受電側振幅変調回路（受電側変調器）１０２２と、伝送された交流電力の周波数を検出する周波数検出回路（周波数検出器）１０２４と、検出された周波数に基づいて、送電回路１０００から送られてきたＴｘデータの信号を復調する復調回路（受電側復調器）１０２５と、送電装置へ送信するＲｘデータに応じて変調回路１０２２に制御信号を出力する信号出力回路１０２６と、を有している。
【００４３】
送電回路１０００は、電源１０３０から入力された直流電力を複数のスイッチング素子を用いて交流電力に変換するインバータ回路１００１と、送電アンテナ１０１０に入力される交流電圧の振幅を検出する振幅検出回路（振幅検出器）１００４と、検出された振幅に基づいて、受電回路１０２０から送られてきたＲｘ信号を復調する復調回路（送電側復調器）１００５と、受電装置へ送信するＴｘデータに応じて使用する周波数を決定する送電側周波数変調器１００６と、インバータ回路１００１における複数のスイッチング素子を駆動するパルス信号を出力するパルス出力回路１００２と、送電側周波数変調器１００６によって決定された周波数に基づいて、送電パラメータを決定してパルス出力回路１００２を制御するインバータ回路１００１とを有している。送電パラメータは、インバータ回路１００１に含まれる複数のスイッチング素子のオン（導通状態）およびオフ（非導通状態）のタイミングを制御するためのパラメータである。送電パラメータには、各スイッチング素子に入力されるパルス信号の周波数、複数のスイッチング素子のうち同時にオンにされる２つのスイッチング素子に入力される２つのパルス信号の間の位相差、各スイッチング素子に入力されるパルス信号のデューティ比などが含まれ得る。
【００４４】
このような構成により、本実施形態の無線電力伝送システムは、送電アンテナ１０１０および受電アンテナ１０１１を介して、電力を伝送しながら、データを双方向に通信できる。想定される通信データの種類は、送電側から受電側への信号としては、例えば監視カメラの制御信号（チルト、パン、ズーム等の指令信号）があり得る。受電側から送電側への信号としては、指令に対する応答信号や画像（映像）データが考えられる。また、ロボットアームの場合には、ロボットを動かすモータの制御信号、およびその応答信号が考えられる。
【００４５】
以下、各構成要素をより詳細に説明する。
【００４６】
送電制御回路１０９１は、送電にかかる制御を行う。例えば、送電側周波数変調器１００６からの情報に基づき、インバータ回路へ入力するゲートパルスの周波数等の送電パラメータを決定し、そのパラメータに基づいて、パルスの制御を行う。送電制御回路１０９１は、例えばマイクロコントローラ（マイコン）などの、プロセッサを備えた集積回路であり得る。送電制御回路１０９１は、パルス出力回路１００２や送電側周波数変調器１００６等の他の構成要素と一体化されていてもよい。
【００４７】
図３Ａは、受電回路１０２０における変調器の構成例を示す図である。図示される変調器１０２２ａは、受電アンテナ１０１１と整流器１０２１との間に接続された負荷変調回路である。変調器１０２２ａは、受電アンテナ１０１１に対して並列に接続された２つのスイッチおよび２つのキャパシタと、２つのキャパシタの間の点とグランドとの間に接続された抵抗器とを含む。変調器１０２２ａは、信号出力回路１０２６からの信号に基づき、２つのスイッチの開閉状態を制御することにより、負荷変調を行う。より具体的には、２つのスイッチのオンおよびオフの状態を切り替えることによって負荷１０４０に向かう経路とは別に電流が流れる経路を開いたり閉じたりすることにより、受電装置全体の負荷を変化させる。これにより、送電装置に情報（Ｒｘデータ）を伝達することができる。
【００４８】
図２および図３Ａに示す構成例では、変調器１０２２は整流器１０２１の前段に配置されているが、整流器１０２１の後段に配置されていてもよい。図３Ｂは、そのように配置された変調器１０２２ｂの例を示す図である。この変調器１０２２ｂは、整流器１０２１と負荷１０４０との間に接続されている。変調器１０２２ｂは、整流器１０２１に対して並列に接続された抵抗器とスイッチとを含む。信号出力回路１０２６からの信号に基づき、スイッチのオンおよびオフの状態を切り替えることにより、受電装置全体の負荷を変化させることができる。
【００４９】
図４は、インバータ回路１００１の構成例を示す図である。インバータ回路１００１は、パルス出力回路１００２から供給されたパルス信号に応じて導通・非導通の状態を変化させる複数のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を有する。各スイッチング素子の導通・非導通の状態を変化させることにより、入力された直流電力を交流電力に変換することができる。図４に示す例では、４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を含むフルブリッジ型のインバータ回路が用いられている。図示される例では、各スイッチング素子はＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるが、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの他の種類のスイッチング素子を用いてもよい。
【００５０】
図４に示す例では、４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のうち、スイッチング素子Ｓ１およびＳ４（第１スイッチング素子対）は、直流電源１０３０から供給された直流電圧と同じ極性の電圧を導通時に出力する。一方、スイッチング素子Ｓ２およびＳ３（第２スイッチング素子対）は、直流電源１０３０から供給された直流電圧と逆の極性の電圧を導通時に出力する。パルス出力回路１００２は、送電制御回路１０９１からの指示に従い、４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のゲートにパルス信号を供給する。この際、第１スイッチング素子対（Ｓ１およびＳ４）に供給する２つのパルス信号の位相差（「位相ずれ量」または「位相シフト量」とも称する。）、および第２スイッチング素子対（Ｓ２およびＳ３）に供給する２つのパルス信号の位相差を調整することにより、振幅制御を行う。
【００５１】
図５Ａおよび図５Ｂは、パルス信号の位相差に基づく振幅制御を説明するための図である。図５Ａは、スイッチング素子Ｓ１およびＳ４に供給される２つのパルス信号の位相ずれ量φ、およびスイッチング素子Ｓ２およびＳ３に供給される２つのパルス信号の位相ずれ量φが０度の場合の４つのパルス信号およびインバータ回路１００１から出力される電圧Ｖａの時間変化を模式的に示している。図５Ｂは、位相ずれ量φが９０度の場合の各パルス信号および電圧Ｖａの時間変化を模式的に示している。スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２に入力されるパルス信号の立上がりおよび立下りのタイミングに対して、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４に入力されるパルス信号の立下がりおよび立上がりのタイミングを時間的にシフトさせることにより、位相ずれ量φが調整される。位相ずれ量φを変化させると、電圧Ｖａの出力時間比（１周期のうち、ゼロではない値をとる期間の割合）が変化する。位相ずれ量φが０度に近いほど電圧Ｖａの出力時間比が大きくなり、位相ずれ量φが１８０度に近いほど電圧Ｖａの出力時間比が小さくなる。インバータ回路１００１から出力される電圧Ｖａは、不図示の平滑回路を用いて正弦波電圧に変換されて送電アンテナ１０１０に供給され得る。その正弦波電圧の振幅は、出力時間比に応じて変化する。よって、位相ずれ量φを変化させることにより、送電アンテナ１０１０に入力される交流電圧の振幅を変化させることができる。
【００５２】
次に、図６Ａ〜図６Ｃを参照しながら、本実施形態における振幅制御を説明する。
【００５３】
図６Ａは、周波数を変化させたときの、送電アンテナ１０１０に入力される交流電圧（送電電圧）の変化を模式的に示す図である。本実施形態における無線電力伝送システムでは、図６Ａに示すように、周波数が大きいほど、送電電圧の振幅が小さくなる。よって、Ｔｘデータを送信するために周波数を変化させると、送電電圧の振幅が変動する。
【００５４】
図６Ｂは、２つのスイッチング素子に供給される２つのパルス信号の位相ずれ量φを変化させたときの送電電圧の振幅の変化を模式的に示す図である。位相ずれ量φを変化させると、前述の原理により、インバータ回路１００１から出力される電圧Ｖａの出力時間比が変化する。それに伴い、送電アンテナ１０１０に入力される交流電圧（例えば正弦波電圧）の振幅も変化する。位相ずれ量が０度のときに送電電圧の振幅が最大になり、位相ずれ量が１８０度に近づくほど送電電圧の振幅が小さくなる。
【００５５】
すなわち、送電電圧の振幅と、周波数および位相ずれ量との関係が、図６Ａおよび図６Ｂに示される関係にあるとき、周波数および位相ずれ量の２つのパラメータを適切に選択することで、送電電圧が変化しないように制御することができる。
【００５６】
図６Ｃは、本実施形態における振幅制御によって送電電圧の振幅が一定に保たれることを示す図である。図６Ｃは、位相ずれ量φがφ１のときの送電電圧の振幅と周波数との関係を示す曲線（実線）と、位相ずれ量φがφ２（＞φ１）のときの送電電圧の振幅と周波数との関係を示す曲線（破線）とを示している。周波数がｆ１で位相ずれ量がφ１のとき（図６Ｃ中の点Ｐ１）の送電電圧の振幅と、周波数ｆがｆ２（＜ｆ１）で位相ずれ量φがφ２のとき（図６Ｃ中の点Ｐ２）の送電電圧の振幅とは同じである。すなわち、周波数をｆ１とｆ２との間で変調させるとき、併せて位相ずれ量をφ１とφ２との間で変調させれば、送電電圧の振幅を一定に維持できる。
【００５７】
そこで、本実施形態における送電制御回路１０９１は、受電装置にデータ（Ｔｘデータ）を送信するとき、周波数をｆ１とｆ２との間で変動させると共に、位相ずれ量をφ１とφ２との間で変動させる。周波数ｆ１および位相ずれ量φ１に対応する送電電圧の振幅は、周波数ｆ２および位相ずれ量φ２に対応する送電電圧の振幅と一致するため、従来技術とは異なり、Ｔｘデータの送信と同時にＲｘデータの受信が可能である。
【００５８】
以下、図７Ａ〜図７Ｃを参照しながら、本実施形態におけるＴｘデータの送信、Ｒｘデータの送信、およびＴｘデータとＲｘデータとの同時送信の動作を説明する。
【００５９】
図７Ａは、送電装置から受電装置へＴｘデータが送信されているときのＴｘデータ、Ｒｘデータ、周波数、位相ずれ量、および受電電圧の時間変化の一例を示す図である。送電装置から受電装置へのＴｘデータの送信のみが行われているとき、Ｒｘデータは無信号状態である。送電装置から受電装置へ送信する２値のＴｘデータの値に従い、送電制御回路１０９１は周波数を変化させる。このとき、位相ずれ量による補正を併せて行う。具体的には、Ｔｘデータが「０」であるとき、周波数をｆ１に設定するとともに、位相ずれ量をφ１に設定する。一方、Ｔｘデータが「１」であるとき、周波数をｆ２に設定するとともに、位相ずれ量をφ２に設定する。このような制御により、受電電圧の振幅はＴｘデータの信号値によらず一定となる。受電装置における周波数検出器１０２４および受電側復調器１０２５は、送られてきた高周波電力の周波数を検波して、Ｔｘデータの信号を復調することができる。
【００６０】
図７Ｂは、受電装置から送電装置へＲｘデータが送信されているときのＴｘデータ、Ｒｘデータ、周波数、位相ずれ量、および送電電圧の時間変化の一例を示す図である。受電装置から送電装置へのＲｘデータの送信のみが行われているとき、Ｔｘデータは無信号状態である。受電装置から送電装置へ送信する２値のＲｘデータの値に従い、信号出力回路１０２６は、受電側変調器１０２２における負荷を変調し、送電アンテナに入力される電圧の振幅を変調させる。送電装置における振幅検出器１００４および送電側復調器１００５は、この振幅の変化を検出することにより、Ｒｘデータを復調できる。
【００６１】
図７Ｃは、送電装置からのＴｘデータの送信のタイミングと、受電装置からＲｘデータの送信のタイミングとが重なっている場合の各種波形の一例を示す図である。図７Ｃは、上から順に、Ｒｘデータ、Ｔｘデータ、送電電圧、Ｒｘデータの復調信号、受電電圧、およびＴｘデータの復調信号の時間変化の一例を示している。ＴｘデータおよびＲｘデータの送信が重なっていても、送電装置における振幅検出器１００４および送電側復調器１００５は、送電電圧の振幅と、所定の閾値との比較に基づいて、受電装置からのＲｘデータを復調することができる。また、受電装置における周波数検出器１０２４および受電側復調器１０２５は、受電電圧の周波数の変化を検出することにより、送電装置からのＴｘデータを復調できる。
【００６２】
このように、本実施形態では、従来技術とは異なり、Ｔｘデータの送信中でも電圧の振幅が一定に維持されるので、同時に受電装置からＲｘデータが送信された場合でも、干渉を防ぐことができる。本実施形態によれば、送電装置と受電装置とが同時にデータを送信したとしても、双方からの信号を損なうことなく検出することができる。これにより、送電装置および受電装置は、相手側からのデータ送信が完了するまでデータの送信を待機する必要が無くなるため、通信容量が向上する。
【００６３】
続いて、本実施形態における送電装置による振幅制御をより具体的に説明する。
【００６４】
受電回路１０２０に接続された負荷の値によって、周波数を変化させたときの振幅の変化量が異なる場合がある。その場合には、送電回路１０００は、Ｔｘデータの送信中に送電電圧をモニターし、周波数を変化させた後の電圧の振幅が変化前の電圧の振幅と一致するようにフィードバック制御を行ってもよい。これにより、負荷の大きさが変動する場合でも、送電電圧の振幅を一定値に維持することができる。また、複数種類の負荷に対応できるように、負荷に応じて周波数と位相ずれ量との対応関係を規定したテーブルを用意し、メモリ１０９２に格納しておいてもよい。
【００６５】
図８は、送電装置が受電装置にＴｘデータを送る際に行われる振幅制御の動作の一例を示すフローチャートである。
【００６６】
まず、振幅検出器１００４は、送電アンテナ１０１０に入力される電圧（送電電圧）の振幅を測定する（ステップＳ１０１）。次に、送電制御回路１０９１は、送信するデータの値に応じて送電電力の周波数を変更する（ステップＳ１０２）。周波数が変更された後、振幅検出器１００４は再度、送電電圧の振幅を測定する（ステップＳ１０３）。周波数の変更前後の送電電圧の振幅の測定値は、送電制御回路１０９１に送られる。送電制御回路１０９１は、周波数変更後の送電電圧の振幅が、周波数変更前の送電電圧の振幅に等しいか否かを判断する（ステップＳ１０４）。周波数変更後の振幅が周波数変更前の振幅と等しくない場合は、等しくなるまで、位相ずれ量を所定量ずつ変更し（ステップＳ１０５）、送電電圧の振幅の測定（ステップＳ１０３）を繰り返す。測定された振幅が、周波数変更前の振幅と等しくなった場合は、送電制御回路１０９１は、そのときの位相ずれ量をメモリ１０９２に保存する（ステップＳ１０６）。このようにすることで、次に周波数を変更した場合に、メモリ１０９２に保存した値を用いて直ちに振幅が一定となる位相ずれ量の状態に移行することができる。
【００６７】
図９Ａは、送電装置が受電装置へ送信するＴｘ信号（例えばパケット信号）の一例を示す図である。図９Ｂは、図９Ａに示す２つの破線の間の期間におけるＴｘ信号、周波数、送電電圧の振幅、および位相ずれ量の時間変化を示す図である。パケットのはじめの信号を送るとき、送電制御回路１０９１が周波数を変更すると、送電電圧の振幅が変化する。送電制御回路１０９１は、この変化を小さくするように、図８に示す動作によって位相ずれ量を調整する。これにより、送電電圧の振幅を、周波数変更前の振幅に一致させる。そのときの位相ずれ量をメモリ１０９２に保存することで、次回以降はメモリ１０９２に格納された値を参照して位相ずれ量を変更できる。このような動作により、送電電圧の振幅を周波数変更前の状態に戻す制御に必要な時間を短縮でき、常に送電電圧の振幅を一定に保つことができる。
【００６８】
（実施形態２）
次に、本開示の第２の実施形態を説明する。本実施形態では、図４に示すフルブリッジ型のインバータ回路１００１ではなく、ハーフブリッジ型のインバータ回路が用いられる。このため、実施形態１における位相制御ではなく、各スイッチング素子に入力されるパルス信号のデューティ比を制御することによって電圧の振幅が制御される。その他の点は、実施形態１と同様である。以下、実施形態１と異なる点を説明する。
【００６９】
図１０は、本実施形態におけるインバータ回路１００１ａの回路構成を示す図である。インバータ回路１００１ａは、２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２と２つのキャパシタとを含むハーフブリッジ型のインバータ回路である。２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２と、２つのキャパシタＣ１、Ｃ２とは、並列に接続されている。送電アンテナ１０１０の一端は２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の間の点に接続され、他端は２つのキャパシタＣ１、Ｃ２の間の点に接続されている。
【００７０】
送電制御回路１０９１およびパルス出力回路１００２は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を交互にオンにするように、パルス信号を各スイッチング素子に供給する。これにより、直流電力が交流電力に変換される。
【００７１】
本実施形態では、スイッチング素子の数が２つであるため、実施形態１において説明した位相制御を適用できない。そこで、本実施形態における送電制御回路１０９１は、パルス信号のデューティ比（即ち、１周期のうち、オンにする期間の割合）を調整することにより、出力電圧Ｖａの出力時間比を調整する。これにより、送電アンテナ１０１０に入力される交流電力の電圧の振幅を調整する。
【００７２】
図１１Ａおよび図１１Ｂは、本実施形態におけるデューティ制御を説明するための図である。図１１Ａは、各パルス信号のデューティ比が０．５（５０％）の場合の、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４に入力されるパルス信号および出力電圧Ｖａの波形の例を示している。図１１Ｂは、各パルス信号のデューティ比が０．２５（２５％）の場合の、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４に入力されるパルス信号および出力電圧Ｖａの波形の例を示している。図示されるように、デューティ比を変化させることにより、電圧Ｖａの出力時間比（即ち、１周期のうち、ゼロではない値をとる期間の割合）を変化させることができる。これにより、平滑化された送電電圧の振幅も変化させることができる。このようなデューティ比の異なるパルス信号は、例えばＰＷＭ制御回路を含むパルス出力回路１００２によって生成される。デューティ比は、０％から５０％の範囲で調整される。デューティ比が５０％のとき、送電電圧の振幅が最も大きくなり、デューティ比が０％のとき、送電電圧の振幅が最も小さくなる。
【００７３】
本実施形態における送電制御回路１０９１は、受電装置にＴｘデータを送信するとき、周波数の変調に併せてデューティ比を変化させる。より具体的には、周波数を小さくするときには、デューティ比を大きくし、周波数を大きくするときには、デューティ比を小さくする。
【００７４】
図１２は、本実施形態におけるＴｘデータ送信時の動作の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１０１〜Ｓ１０４の動作は、図８に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０４の動作と同じであるため、説明を省略する。ステップＳ１０４において、測定した振幅が周波数変更前の振幅に等しくない場合、送電制御回路１０９１は、各パルス信号のデューティ比を所定量だけ変更する（ステップＳ２０５）。そして、測定した振幅が周波数変更前の振幅に等しくなるまで、ステップＳ１０３、Ｓ１０４、Ｓ２０５の動作を繰り返す。測定した振幅が周波数変更前の振幅に等しくなると、送電制御回路１０９１は、そのときのデューティ比の情報をメモリに保存する（ステップＳ２０６）。
【００７５】
以上の動作により、実施形態１と同様、周波数を変更した場合でも電圧の振幅を一定に維持できる。このため、同時に受電装置からＲｘデータが送信された場合も、送電電圧の振幅に基づいて正しくＲｘデータを復調できる。
【００７６】
なお、本実施形態におけるデューティ制御は、実施形態１におけるフルブリッジ型のインバータ回路を用いた場合も同様に適用できる。
【００７７】
以上のように、本開示は、以下の項目に記載の無線電力伝送システムおよび送電装置を含む。
【００７８】
［項目１］
電源から供給される第１直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路から出力された前記交流電力を無線で送電する送電アンテナと、
前記インバータ回路に前記交流電力を出力させ、前記インバータ回路から出力される前記交流電力の周波数を、第１周波数（ｆ１）と第２周波数（ｆ２）とに変動させることで前記交流電力を２値の通信データとして出力する送電制御回路と、を有する送電装置と、
前記送電アンテナにより無線で送電された前記交流電力を受電する受電アンテナと、
前記送電アンテナに入力される前記交流電力の電圧の振幅を、第１振幅（Ｖ１）と第２振幅（Ｖ２）とに変動させる受電側振幅変調器と、を有する受電装置と、を備えた無線電力伝送システムであって、
前記送電制御回路は、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの電磁気的結合を利用して前記送電アンテナから前記受電アンテナへ出力される第１の２値の通信データを送信する際、前記第１の２値の通信データの一方に対応させて前記第１周波数（ｆ１）を選択し、前記２値の通信データの他方に対応させて前記第２周波数（ｆ２）を選択し、
前記受電側振幅変調器は、前記電磁気的結合を利用して前記受電アンテナから前記送電アンテナへ第２の２値の通信データを送信する際、前記第２の２値の通信データの一方に対応させて前記第１振幅（Ｖ１）を選択し、前記２値の通信データの他方に対応させて前記第２振幅（Ｖ２）を選択し、
前記送電制御回路は、前記交流電力の周波数が前記第１周波数（ｆ１）のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）と、前記交流電力の周波数が前記第２周波数（ｆ２）のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）との差分を無くす振幅制御を、前記インバータ回路を用いて行う、
無線電力伝送システム。
【００７９】
上記態様によれば、前記送電制御回路は、前記交流電力の周波数が前記第１周波数のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）と、前記交流電力の周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）との差分を無くす振幅制御を前記インバータ回路を用いて行う。
【００８０】
この振幅制御により、交流電力の周波数が第１周波数（ｆ１）のときの交流電力の電圧の振幅（Ｖ３）と、交流電力の周波数が第２周波数（ｆ２）のときの交流電力の電圧の振幅（Ｖ４）との差が殆ど無くなるため、従来技術のような誤判定を回避することができる。このため、送電装置もしくは受電装置のいずれかがデータ送信中でも、他方からデータを同時刻に送信することができる。なお、「差分を無くす」とは、差分を完全にゼロ（０）にすることを意味するのではなく、微差があってもよい。
【００８１】
［項目２］
前記送電装置における前記振幅制御後の前記第３振幅（Ｖ３）及び前記第４振幅（Ｖ４）は、前記受電装置において前記受電側振幅変調器により変動された前記第１振幅（Ｖ１）及び前記第２振幅（Ｖ２）のいずれか一方に対応する、
項目１記載の無線電力伝送システム。
【００８２】
上記態様によれば、送電装置による振幅制御後の第３振幅（Ｖ３）及び第４振幅（Ｖ４）が、受電装置による振幅変調によって変動された第１振幅（Ｖ１）及び第２振幅（Ｖ２）のいずれか一方に対応、すなわち一致するため、送電装置が第１の２値の通信データを受電装置に送信しながら、受電装置から送信された第２の２値の通信データを正しく検出することができる。
【００８３】
［項目３］
前記受電アンテナから前記送電アンテナへの前記第２の２値の通信データの送信は、前記送電アンテナから前記受電アンテナへの前記第１の２値の通信データの送信と同時に行われる、
項目１記載の無線電力伝送システム。
【００８４】
上記態様によれば、第１の２値の通信データの送信と、第２の２値の通信データの送信とが同時に行われるため、通信の遅延を少なくすることができる。
【００８５】
［項目４］
前記送電装置は、前記送電アンテナから送電される前記交流電力の電圧の振幅を検出する振幅検出器を備え、
前記受電装置は、前記受電アンテナが受電した前記交流電力の周波数を検出する周波数検出器を備える、
項目１記載の無線電力伝送システム。
【００８６】
上記態様によれば、送電装置は、振幅検出器によって受電装置からの第２の２値の通信データを検出し、受電装置は、周波数検出器によって送電装置からの第１の２値の通信データを検出できる。
【００８７】
［項目５］
前記送電制御回路は、前記振幅検出回路の検出結果に基づき、前記振幅制御において、前記交流電力の周波数が前記第１周波数のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）を、前記交流電力の周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）に合わせる制御を行う、
項目１記載の無線電力伝送システム。
【００８８】
上記態様によれば、送電制御回路は、振幅検出回路の検出結果に基づき、周波数が第１周波数のときの第３振幅（Ｖ３）を、周波数が第２周波数のときの第４振幅（Ｖ４）に合わせることができるため、双方向の通信を行う際の誤検出を防ぐことができる。
【００８９】
［項目６］
前記送電制御回路は、前記振幅制御において、前記交流電力の周波数が前記第１周波数のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）を、前記交流電力の周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）に合わせる制御をした場合に、前記交流電力の電圧の振幅差に対応するパラメータをメモリに保存する、
項目１記載の無線電力伝送システム。
【００９０】
上記態様によれば、一旦第３振幅（Ｖ３）を第４振幅（Ｖ４）に合わせる制御をした場合には、次回からはメモリに保存されたパラメータを用いて振幅制御を行うことができるため、処理を高速化できる。
【００９１】
［項目７］
前記送電アンテナと前記受電アンテナとの電磁気的結合は、磁界結合又は電界結合を含む、
項目１記載の無線電力伝送システム。
【００９２】
上記態様によれば、コイル間の磁界結合、または電極間の電界結合のいずれかによって電力を無線で伝送できる。
【００９３】
［項目８］
前記インバータ回路は、４つのスイッチング素子を有し、
前記４つのスイッチング素子は、前記電源から供給された前記第１直流電力の電圧と同じ極性の電圧を導通時に出力する第１スイッチング素子対と、前記第１直流電力の電圧と逆の極性の電圧を導通時に出力する第２スイッチング素子対とを含み、
前記送電制御回路は、前記４つのスイッチング素子の各々に、導通および非導通の状態を切り替えるパルス信号を供給し、
前記第１スイッチング素子対に供給される２つのパルス信号の位相差、および前記第２スイッチング素子対に供給される２つのパルス信号の位相差を調整することにより、前記振幅制御を行う、
項目１記載の無線電力伝送システム。
【００９４】
上記態様によれば、フルブリッジ型のインバータ回路を用いて、２つのパルス信号の位相差を調整するという簡便な制御によって振幅制御を行うことができる。
【００９５】
［項目９］
前記送電制御回路は、前記振幅制御において、前記交流電力の周波数が前記第１周波数のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）を、前記交流電力の周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）に合わせる制御をした場合に、前記交流電力の電圧の振幅差に対応するパラメータをメモリに保存し、
前記パラメータは、前記交流電力の周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）に合わせる制御をした場合の前記２つのパルス信号の位相差を表した値である、
項目８記載の無線電力伝送システム。
【００９６】
上記態様によれば、一旦振幅制御を行った場合には、次回以降はメモリに保存された位相差を表した値を用いることができるので、処理を高速化できる。
【００９７】
［項目１０］
前記インバータ回路は、複数のスイッチング素子を有し、
前記送電制御回路は、前記複数のスイッチング素子の各々に、導通および非導通の状態を切り替えるパルス信号を供給し、
前記パルス信号のデューティ比を調整することにより、前記振幅制御を行う、
項目１記載の無線電力伝送システム。
【００９８】
上記態様によれば、複数のスイッチング素子の各々に供給するパルス信号のディーティ比の調整によって振幅制御を行うことができるため、フルブリッジ型のインバータに限らず、例えばハーフブリッジ型のインバータでも振幅制御が可能である。
【００９９】
［項目１１］
前記送電制御回路は、前記振幅制御において、前記交流電力の周波数が前記第１周波数のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）を、前記交流電力の周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）に合わせる制御をした場合に、前記交流電力の電圧の振幅差に対応するパラメータをメモリに保存し、
前記パラメータは、前記交流電力の周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）に合わせる制御をした場合の前記デューティ比を表した値である、
項目１０記載の無線電力伝送システム。
【０１００】
上記態様によれば、一旦振幅制御を行った場合は、次回以降はメモリに保存されたデューティ比を表した値を用いることができるため、処理を高速化できる。
【０１０１】
［項目１２］
送電装置と、受電装置と、を備える無線電力伝送シテスムにおける送電装置であって、
電源から供給される第１直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路から出力された前記交流電力を無線で送電する送電アンテナと、
前記インバータ回路に前記交流電力を出力させ、前記インバータ回路から出力される前記交流電力の周波数を、第１周波数（ｆ１）と第２周波数（ｆ２）とに変動させることで前記交流電力を２値の通信データとして出力する送電制御回路と、を有し、
前記受電装置は、
前記送電アンテナにより無線で送電された前記交流電力を受電する受電アンテナと、
前記送電アンテナに入力される前記交流電力の電圧の振幅を、第１振幅（Ｖ１）と第２振幅（Ｖ２）とに変動させる受電側振幅変調器と、を有し、
前記送電制御回路は、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの電磁気的結合を利用して前記送電アンテナから前記受電アンテナへ第１の２値の通信データを送信する際、前記第１の２値の通信データの一方に対応させて前記第１周波数（ｆ１）を選択し、前記２値の通信データの他方に対応させて前記第２周波数（ｆ２）を選択し、
前記受電側振幅変調器は、前記電磁気的結合を利用して前記受電アンテナから前記送電アンテナへ第２の２値の通信データを送信する際、前記第２の２値の通信データの一方に対応させて前記第１振幅（Ｖ１）を選択し、前記２値の通信データの他方に対応させて前記第２振幅（Ｖ２）を選択し、
前記送電制御回路は、前記交流電力の周波数が前記第１周波数（ｆ１）のときの前記交流電力の電圧の第３振幅（Ｖ３）と、前記交流電力の周波数が前記第２周波数（ｆ２）のときの前記交流電力の電圧の第４振幅（Ｖ４）との差分を無くす振幅制御を、前記インバータ回路を用いて行う、
送電装置。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本開示の技術は、例えば、監視カメラ、ロボットなど、電力供給とともに双方向のデータをリアルタイムに伝送する必要がある機器に利用可能である。本開示の実施形態によれば、送電装置と受電装置との間でデータを全二重で双方向に伝送することができる。
【符号の説明】
【０１０３】
１０００  送電回路
１００１、１００１ａ  インバータ回路
１００２  パルス出力回路
１００４  振幅検出器
１００５  送電側復調器
１００６  送電側周波数変調器
１０１０  送電アンテナ
１０１１  受電アンテナ
１０２０  受電回路
１０２１  整流器
１０２２  受電側振幅変調器
１０２４  周波数検出器
１０２５  受電側復調器
１０２６  信号出力回路
１０３０  直流電源
１０４０  負荷
１０９１  送電制御回路
１０９２  メモリ
【要約】
【課題】無線電力伝送システムにおいて、双方向（全二重）のデータ通信を実現する。
【解決手段】送電装置は、インバータ回路と、前記インバータ回路から出力された交流電力を無線で送電する送電アンテナと、前記インバータ回路に前記交流電力を出力させる送電制御回路とを有する。前記送電制御回路は、前記インバータ回路から出力される前記交流電力の周波数を、第１周波数と第２周波数とに変動させることで、前記交流電力を２値の通信データとして出力させ、前記周波数が前記第１周波数のときの前記交流電力の電圧の振幅と、前記周波数が前記第２周波数のときの前記交流電力の電圧の振幅との差分を無くす振幅制御を行う。
【選択図】図２【図１Ａ】
0005995022.tif 000002
【図１Ｂ】
0005995022.tif 000003
【図１Ｃ】
0005995022.tif 000004
【図２】
0005995022.tif 000005
【図３Ａ】
0005995022.tif 000006
【図３Ｂ】
0005995022.tif 000007
【図４】
0005995022.tif 000008
【図５Ａ】
0005995022.tif 000009
【図５Ｂ】
0005995022.tif 000010
【図６Ａ】
0005995022.tif 000011
【図６Ｂ】
0005995022.tif 000012
【図６Ｃ】
0005995022.tif 000013
【図７Ａ】
0005995022.tif 000014
【図７Ｂ】
0005995022.tif 000015
【図７Ｃ】
0005995022.tif 000016
【図８】
0005995022.tif 000017
【図９Ａ】
0005995022.tif 000018
【図９Ｂ】
0005995022.tif 000019
【図１０】
0005995022.tif 000020
【図１１Ａ】
0005995022.tif 000021
【図１１Ｂ】
0005995022.tif 000022
【図１２】
0005995022.tif 000023
【図１３Ａ】
0005995022.tif 000024
【図１３Ｂ】
0005995022.tif 000025
【図１３Ｃ】
0005995022.tif 000026
【図１３Ｄ】
0005995022.tif 000027
【図１３Ｅ】
0005995022.tif 000028
【図１３Ｆ】
0005995022.tif 000029
【図１３Ｇ】
0005995022.tif 000030