(57)【要約】【課題】ワイヤレス給電装置における給電距離の延伸方法、並びに、受電パワーの増強方法の提供。【解決手段】電磁誘導を利用したワイヤレス給電装置において、受電部コイルの近傍または給電部と受電部の間の空間ギャップにおける適切な中間位置に、伝送周波数またはその近傍の周波数における共振回路を構成する新たなコイルを追加配置することによって、ワイヤレス伝送における伝送距離を伸ばすことができるようにする、また、受電部での受電パワーを増強させることができるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、受電部コイルの近傍または給電部と受電部の間の空間ギャップにおける適切な中間位置に、伝送周波数またはその近傍の周波数における共振回路を構成する新たなコイルを追加配置することによって、ワイヤレス伝送における伝送距離を伸ばすことができるようにしたこと、及び、受電部での受電パワーを増強させることをできるようにしたことを特徴とするワイヤレス給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ワイヤレス給電装置に関し、給電距離の延伸方法、並びに受電パワーの増強方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、ワイヤレス給電方式として、電磁誘導を用いた方式が知られており、コードレス電話の充電等に利用されている。この電磁誘導を利用したワイヤレス給電装置は給電部と受電部から成り、それぞれ給電部側コイルと受電部側コイルを有しており、両コイル間で電磁誘導を利用して、給電部から受電部に電力を伝送するものである。【０００３】  この電磁誘導で電力を伝送する際、給電部と受電部の間の空間ギャップ（給電部と受電部との間の距離）はより小さい程、給電部側コイルと受電部側コイルとの間の結合係数が高くなり、給電部への入力パワーに比して、より大きなパワーを受電部へ伝送することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−３３４９９号公報
【特許文献２】特開２０１４−１６８３６５号公報
【特許文献３】特開２０１６−９３０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  解決しようとする問題点は、電磁誘導で電力を伝送する場合の給電部と受電部との空間ギャップ（給電部と受電部との間の距離）が大きくなるにつれて、給電部への入力パワーに比して、受電部へ伝送できるパワーが極端に小さくなってゆく点である。【０００６】例えば、受電部と給電部との空間ギャップが２ｃｍの時は、給電部への入力パワーの５０％が受電部へ伝送されていた（伝送効率が５０％）ものが、空間ギャップが４ｃｍになると、１０％しか受電部へ伝送されなくなる（伝送効率が１０％）。【０００７】  また、給電部と受電部の間にステンレス等のいくらか磁気透過可能な金属を挿入した場合、伝送効率が１０％程度になる（ほとんどは金属で発熱する）ため、実用的なパワーを伝送するのが難しくなる。もう少し効率が上がれば、何とか実用になるというような場合もあるが、効率を上げる手段が見つからない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】給電部と受電部との空間ギャップが大きくなるに伴い、受電部への伝送効率が小さくなって、受電部として正常に動作しなくなるような場合において、受電部コイルの近傍または給電部と受電部の間の空間ギャップにおける適切な中間位置に、伝送周波数またはその近傍の周波数における共振回路を構成する新たなコイルを追加配置することによって、伝送効率を上げることができる。これにより、給電部と受電部との空間ギャップを同一に保ったまま、給電部への入力パワーを増大させることなく、受電部での受電パワーを増強させることができる。【０００９】また、また、給電部と受電部の間にステンレス等のいくらか磁気透過可能な金属を挿入すると、伝送効率が１０％程度になって、受電部に実用的なパワーが受電されない場合でも、受電部コイルの近傍または給電部と受電部の間の空間ギャップにおける適切な中間位置に、伝送周波数またはその近傍の周波数における共振回路を構成する新たなコイルを追加配置することによって、給電部への入力パワーを同一に保ったまま、伝送効率を少し、例えば１５％に上げることができ、何とか実用的なパワーを受電部へ伝送することが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】  本発明によれば、設置時に、給電部と受電部との空間ギャップが当初の設計値より大きくなってしまい、そのため、給電部から受電部への伝送効率が小さくなって、受電部として正常に動作しなくなるような場合でも、受電部コイルの近傍または給電部と受電部の間の空間ギャップにおける適切な中間位置に、伝送周波数またはその近傍の周波数における共振回路を構成する新たなコイルを追加配置することによって、伝送効率を上げることができ、受電部として正常動作させられるようにすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は本発明における給電部と受電部の間にコイルとコンデンサＣｌの共振回路を挿入することによって、伝送効率が向上し、ワイヤレス給電における伝送距離が伸びることを示した図である。
【図２】図２は本発明における給電部と受電部の間に磁気透過可能な金属を挿入した場合、受電部コイルの近傍にコイルとコンデンサＣｌの共振回路の挿入によって、伝送効率が向上し、受電部が動作可能になることを示した図である。
【図３】図３は電磁誘導を利用したワイヤレス給電方式における周波数−ゲイン特性の一例である。
【図４】図４は本発明のワイヤレス給電方式の給電部と受電部のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１２】図１と図２についてコイルとコンデンサの共振回路の効果の詳細を説明する。【００１３】図１の（１）は、コイルとコンデンサの共振回路の挿入しない場合で、ワイヤレス伝送における伝送可能距離は２ｃｍであるが、給電部と受電部の間の空間ギャップにおける適切な中間位置に、コイルとコンデンサＣｌの共振回路を挿入すると図１の（２）に示すように伝送可能距離は５ｃｍになる。図１の（３）は給電部とコイル／コンデンサＣｌの共振回路の間のギャップに中空の導電物（中空の円筒で円筒表面にアルミテープを貼り付けたもの）を置くことにより更に伝送可能距離が伸びて１５ｃｍになることを示している。
中空の導電物を挿入することにより、伝送可能距離が伸びることは特許文献３の特開２０１６−９３０８４号公報で既に示されている。【００１４】図２は給電部と受電部の間に磁気透過可能な金属を挿入した場合、本来なら挿入した金属により、伝送効率が低下し、受電部が実用上動作しなくなるが、受電部コイルの近傍にコイルとコンデンサＣｌの共振回路の挿入することによって、伝送効率が向上し、受電部が動作可能になることを示している。【００１５】図４は本発明のワイヤレス給電方式の給電部と受電部の一例のブロック図である。受電部はＬＥＤを搭載しており、図４のワイヤレス給電装置はワイヤレス照明装置を構成する。給電部２０と受電部３０と間で無線にて制御信号をやりとりして、その時の設置状況における給電部と受電部との間の空間ギャップの値に対応して、ワイヤレス給電における周波数とＰＷＭ値（パルス幅）を決定する。また、無線での制御信号のやりとりにより、受電部３０が正規の受電部であることを判定してから、受電部へのワイヤレス給電を開始する。【００１６】図４のブロック図における動作は以下の通りである。
受電部３０の動作：受電部側コイル３１より入力されたワイヤレス給電用高周波は共振回路＋整流・平滑回路３４によってそのレベルを調整される。共振回路＋整流・平滑回路３４は共振コンデンサと整流ダイオード及び整流ダイオード後の平滑コンデンサで構成され、その出力は直流電圧となる。【００１７】電源回路Ｂ３８の入力電圧ＡをＡＤ変換部３６でＡ／Ｄ変換して、その電圧に関する情報をマイコンＢ３２より制御信号送受信回路Ｂ３５を介して無線にて、給電部２０に送信する。給電部２０より受電部３０を制御する場合（例えば、受電部ＬＥＤ３７のＯＮ／ＯＦＦ制御、受電部ＬＥＤ３７による可視光通信制御）の制御信号についても、無線にて、制御信号送受信回路Ｂ３５とマイコンＢ３２で情報の送受信を行う。【００１８】マイコンＢ３２のＱ１駆動出力ポートはオープンコレクタであり、Ｑ１がＯＮ時はＯＰ１によりＬＥＤ３７の電流が制御される。【００１９】給電部２０の動作：受電部３０より受信した受電部３０の電源回路Ｂ３８の入力電圧Ａに関する情報は、無線にて、制御信号送受信回路Ａ２５を介してマイコンＡ２２が受信する。受信した情報に基づいて、マイコンＡ２２は高周波発生部２６で生成する高周波の周波数及びＰＷＭ値（パルス幅）を選択して出力する。送電ドライバ２４は給電部側コイル２１を駆動するドライバである。【００２０】本ワイヤレス給電装置は以下の（１）〜（６）の特徴を有するものである。
（１）電磁誘導を利用したワイヤレス給電において、給電部と受電部の間の空間ギャップの値及び周囲環境等の設置状況に応じて、電磁誘導の際に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方を選択できるようにしたこと。【００２１】（２）電磁誘導の際に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方は給電部と受電部との相互間の通信によって選択されるようにしたこと。【００２２】（３）給電部と受電部との相互間の通信は給電部と受電部との間の無線送受信によって行い、周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方の選択のための情報以外にも給電部または受電部の制御のための情報または給電部または受電部による収集データの送受信を可能としたこと。【００２３】（４）給電部と受電部との相互間の通信ができないことを検出して、受電部の非設置を検出するようにしたこと。【００２４】（５）受電部の非設置を検出すると、給電部は受電部への電力供給を停止するようにしたこと。【００２５】（６）受電部コイルの近傍または給電部と受電部の間の空間ギャップにおける適切な中間位置に、伝送周波数またはその近傍の周波数における共振回路を構成する新たなコイルを追加配置することによって、伝送効率を上げることができる。これにより、給電部と受電部との空間ギャップを同一に保ったまま、給電部への入力パワーを増大させることなく、受電部での受電パワーを増強させることかできるようにしたこと。【００２６】各特徴の詳細について図面を参照して述べる。給電部２０と受電部３０の内部構成は図４のブロックで構成されているとして述べている。【００２７】特徴（１）は給電部２０と受電部３０の間の空間ギャップの大きさ及び周囲環境等の設置状況に応じて、電磁誘導の際に使用する周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）または周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の両方を選択できるようにしていることを述べている。【００２８】図３は本発明における電磁誘導を利用したワイヤレス給電方式における周波数−ゲイン特性を示している。ゲインの大きい方が給電部２０と受電部３０の間の空間ギャップの値が小の場合の特性であり、ゲインの小さい方が給電部２０と受電部３０の間の空間ギャップの値が大の場合の特性である。この特性を参照して給電部２０と受電部３０の間の空間ギャップの値に対応して適切な周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）を選択する。【００２９】特徴（２）は、例えば、給電部２０がＤＣ電源１０からの入力電流を入力電流検出部２８とＡＤ変換部２７で検出して、その絶対値が大きい時は受電部３０に過大入力が供給されていると判断して、その周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）を例えば図３の特性を参照して変更する、また、受電部３０におけるＡ部の電圧をＡＤ変換部３６で検出してその絶対値が小さい時は、受電部３０への供給入力が小さすぎると判断して、その周波数またはＰＷＭ値（パルス幅）を例えば図３の特性を参照して変更する。このときその変更は、給電部と受電部との間での相互間の通信によって行うことを述べている。【００３０】特徴（３）は給電部２０と受電部３０の無線送受信による通信は、給電部２０の周波数とＰＷＭ値（パルス幅）の決定のためのみに使用するのでなく、給電部２０から受電部３０を制御する、また逆に受電部３０から給電部２０を制御する等の制御や受電部からデータ収集を行い、そのデータを給電部へ送信するといったことにも使用可能であることを述べている。また、本無線送受信による通信は受電部が給電してよい正規の受電部かどうかを判定することにも使用することが可能である。【００３１】特徴（４）と（５）は給電部２０と受電部３０の無線送受信を使用した通信を試みて、通信できない時は、給電部は受電部が非設置であると判断すること、また、非設置であると判断すると、受電部への電力供給を停止することを述べている。【００３２】特徴（６）は給電部と受電部との間の空間ギャップ（給電部と受電部との間の距離）が大きく、受電部で必要なパワーが得られない場合に、受電部の近傍または給電部と受電部の間の空間ギャップにおける適切な中間位置に、伝送周波数またはその近傍の周波数における共振回路を構成する新たなコイルを追加配置することによって、伝送効率を上げることができ、これにより、給電部と受電部との空間ギャップを同一に保ったまま、給電部への入力パワーを増大させることなく、受電部での受電パワーを増強させることを述べている。
【産業上の利用可能性】
【００３３】  本発明は電源コードを使わないことでメリットの出る水中照明装置や屋外照明装置（ワイヤレス照明）、充電装置（ワイヤレス充電）等に利用される。
【符号の説明】
【００３４】１０      ＤＣ電源
２０      給電部
２１      給電部側コイル
２２      給電部側制御回路（マイコンＡ）
２４      送電ドライバ
２５      給電側制御信号送受信回路Ａ
２６      高周波発生部
２７      給電側入力電流Ａ／Ｄ変換部
２８      給電側入力電流検出部
２９      給電側電源回路Ａ
３０      受電部
３１      受電部側コイル
３２      受電部側制御回路（マイコンＢ）
３４      共振回路＋整流・平滑回路
３５      受電側制御信号送受信回路Ｂ
３６      受電側入力電圧Ａ／Ｄ変換部
３７      ＬＥＤ
３８      受電側電源回路Ｂ
４０      中間コイル（Ｃｌと共振回路を構成）
４１      中空導電物
４２      磁気可能透過金属
Ｑ１      トランジスタ
ＯＰ１    オペアンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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