(57)【要約】【課題】磁気共振方式の無線電力伝送において、送受信器のインピーダンス制御を行わないと効率が低下するが、ポータブル機器などの小型機器へインピーダンス制御機能を組み込むと回路規模やサイズが大きくなり、小型化への悪影響が出る、という課題があった。【解決手段】受信側である小型機器にインピーダンス制御機能を搭載できないような場合において、送信器側がインピーダンス制御機能の有無を判定してインピーダンス制御方法を切り替えて制御することで、受信器側にインピーダンス制御機能を搭載できない場合でも、効率よく無線電力伝送を行うことが可能となり、無線電力伝送の性能を向上することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気共振方式を用いた無線電力伝送用送受信器において、
電力を周期信号に変換する電力発生部と、
前記周期信号をインピーダンスを変換する第１のインピーダンス可変部と、
前記第１のインピーダンス可変部を制御する第１のインピーダンス制御部と、
前記周期信号を空間中に送出する無線送信部と、
を備える電力を送信する無線電力送信器と、
前記無線送信部からの出力を受信する無線受信部と、
前記無線受信部からの出力を、インピーダンスを変換する第２のインピーダンス可変部と、
前記第２のインピーダンス可変部の出力から電力を取り出す電力受信部と、
前記第２のインピーダンス可変部を制御する第２のインピーダンス制御部と、
を備える電力を受信する無線電力受信器とで構成され、
前記無線電力受信器の第２のインピーダンス可変部の存在の有無によって、前記第１のインピーダンス制御部が制御する前記第１のインピーダンス可変部の制御方法を切り替えることを特徴とする無線電力伝送用送受信器。
【請求項２】
前記第２のインピーダンス制御部がある場合は、前記第１のインピーダンス制御部と前記第２のインピーダンス制御部と、が時間的に交互にインピーダンス値の制御を行って、最適なインピーダンス値を設定し、
前記第２のインピーダンス制御部が無い場合は、前記第１のインピーダンス制御部が常時インピーダンス値の制御を行う、
ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送用送受信器。
【請求項３】
前記第１のインピーダンス制御部は、前記無線電力受信器の第２のインピーダンス可変部がある場合のインピーダンス値の制御範囲と、前記第２のインピーダンス可変部が無い場合のインピーダンス値の制御範囲とが異なる、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかに記載の無線電力伝送用送受信器。
【請求項４】
前記無線送信部は、前記無線送信部へ反射して戻ってくる反射信号を検知する反射信号検知部を、更に有し、
前記第１のインピーダンス制御部は、前記反射信号検知部の出力を用いて、第１のインピーダンス可変部のインピーダンス値を決定する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかに記載の無線電力伝送用送受信器。
【請求項５】
前記反射信号検知部は、複数の回路部分において振幅を検知し、前記第１のインピーダンス制御部は、夫々の振幅値の差が最小となるインピーダンス値に調整する、
ことを特徴とする請求項３に記載の無線電力伝送用送受信器。
【請求項６】
前記第１のインピーダンス制御部が制御するインピーダンス値は、前記第２のインピーダンス制御部がある場合に比べて、無い場合の方がインピーダンス値の制御範囲が広い、
ことを特徴とする請求項３に記載の無線電力伝送用送受信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間中で電力を送受信する無線電力伝送用の送受信器において、送受信器間の電力伝送効率を改善するための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話や地上デジタル放送の技術開発が進み、有線で接続することなく、無線電波を用いて、データや音声、テレビ放送などを受信する無線受信機器が普及している。一方で、無線受信機器の多くは、電力を有線で供給されており、内蔵している充電池などに充電して使用している。そんな中、電力もデータ同様に無線で伝送する取組みも行われている。例えば、シェーバーや電動歯ブラシなどの用途においては、電磁誘導方式による無線電力伝送が商品化され、ユーザの利便性を高めることに成功している。
【０００３】
先行文献１においては、電磁誘導方式を用いた無線電力伝送の構成が示されている。図１２のように、電力を送信する側の電力送信器１と、受信する側の電力受信器２には、電磁誘導で電力を伝送する為の送信コイル１１１、受信コイル１１２が配置される。電磁誘導による無線電力伝送では、送信コイル１１１と受信コイル１１２の互いの中心軸の位置が厳密に一致しないと、送信コイル１１１から受信コイル１１２へと連なる磁束が効率よく伝搬しない。そのため、図１２のように、電力送信器１の送信コイル１１１を円柱状の凸部に配置し、電力受信器２の受信コイル１１２を円筒状の凹部に配置し、凸部を凹部に合わせることで、送信コイル１１１と受信コイル１１２との位置関係を固定することで、無線電力伝送時の伝送効率を高く保持することが可能となる。
【０００４】
しかし、電磁誘導方式の無線電力伝送では、送信コイルと受信コイルの位置が互いに近接する必要があり、上述のように、互いの位置がずれたり、送信コイルと受信コイルの距離が離れたり、すると伝送効率が大きく劣化してしまう（図５）。そのため、ポータブル機器に無線で電力供給しつつ、ポータブル機器を動作させるような用途や、上述のように電力送信器１と電力受信器２の位置を厳密に固定する必要があるなど、ユーザの利便性を低下させる要因となっており、磁気共振現象を用いた無線電力伝送技術の開発が近年進められている。
【０００５】
送信コイル１１１、受信コイル１１２に夫々キャパシタ成分を有した回路素子を追加して共振周波数を有する回路構成とし、送信コイル１１１と受信コイル１１２が磁気共振する状態をつくり、互いのコイル間に電力を伝送することで、無線による電力伝送を実現できる。磁気共振方式の無線電力伝送では、送信コイル１１１と受信コイル１１２の互いの位置の変化による伝送効率の変動が、上述の電磁誘導方式に比べて変化が小さく、送受信コイル間の距離も大きくとることが可能であり、ポータブル機器を動作させつつ無線電力供給を行う、といった用途への適用が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３３７６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、磁気共振方式で伝送効率を高く維持するためには、送信器、受信器のインピーダンスを適切に制御する必要がある。送信コイルと受信コイルに対して、共振器として動作させるために直列にキャパシタを設置する構成の場合、図９に示すように、ある特定のインピーダンス値に対しては、図８に示されるように特定の距離で伝送効率が最大化する傾向がある。そのため、インピーダンスＡに対して距離ｘで伝送効率がＢで最大効率である場合、送信コイルと受信コイルの距離が近づけば伝送効率は高くなるように思われるが、図９に示すようにインピーダンス値の制御を行わない場合、距離ｘから近づいても遠ざかっても伝送効率は低下してしまう（図８）。そのため、送信器と受信器のインピーダンスを適切に制御しなければならない。
【０００８】
しかし、受信機器がポータブル機器であるアプリケーションを考えた場合、受信機器にインピーダンス制御を搭載すると、制御用の回路や、耐圧の大きいキャパシタやインダクタの数がより必要となってしまい、回路規模やサイズが大きくなり、ポータブル機器の小型化に悪影響を及ぼす、という課題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ポータブル機器への無線電力伝送を考慮し、受信器のインピーダンス制御機能の有無を判定し、送信器と受信器でインピーダンス制御に関する方法を切り替える方法を採用することで、据え置き型からポータブル機器まで適用可能な無線電力伝送用の送受信器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の無線電力伝送用送受信器は、磁気共振方式を用いた無線電力伝送用送受信器において、電力を周期信号に変換する電力発生部と、周期信号をインピーダンスを変換する第１のインピーダンス可変部と、第１のインピーダンス可変部を制御する第１のインピーダンス制御部と、周期信号を空間中に送出する無線送信部と、を備える電力を送信する無線電力送信器と、無線送信部からの出力を受信する無線受信部と、無線受信部からの出力を、インピーダンスを変換する第２のインピーダンス可変部と、第２のインピーダンス可変部の出力から電力を取り出す電力受信部と、第２のインピーダンス可変部を制御する第２のインピーダンス制御部と、を備える電力を受信する無線電力受信器とで構成され、無線電力受信器の第２のインピーダンス可変部の存在の有無によって、第１のインピーダンス制御部が制御する第１のインピーダンス可変部の制御方法を切り替えることを特徴とする。
【００１１】
更に本発明の無線電力伝送用送受信器は、第２のインピーダンス制御部がある場合は、第１のインピーダンス制御部と第２のインピーダンス制御部と、が時間的に交互にインピーダンス値の制御を行って、最適なインピーダンス値を設定し、第２のインピーダンス制御部が無い場合は、第１のインピーダンス制御部が常時インピーダンス値の制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
更に本発明の無線電力伝送用送受信器は、第１のインピーダンス制御部は、無線電力受信器の第２のインピーダンス可変部がある場合のインピーダンス値の制御範囲と、第２のインピーダンス可変部が無い場合のインピーダンス値の制御範囲とが異なることを特徴とする。
【００１３】
更に本発明の無線電力伝送用送受信器は、無線送信部は、無線送信部へ反射して戻ってくる反射信号を検知する反射信号検知部を有し、第１のインピーダンス制御部は、反射信号検知部の出力を用いて、第１のインピーダンス可変部のインピーダンス値を決定することを特徴とする。
【００１４】
更に本発明の無線電力伝送用送受信器は、反射信号検知部は、複数の回路部分において振幅を検知し、第１のインピーダンス制御部は、夫々の振幅値の差が最小となるインピーダンス値に調整することを特徴とする。
【００１５】
更に本発明の無線電力伝送用送受信器は、第１のインピーダンス制御部が制御するインピーダンス値は、第２のインピーダンス制御部がある場合に比べて、無い場合の方がインピーダンス値の制御範囲が広いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
これにより、無線電力伝送をポータブル機器に適用するような場合に、受信器側にインピーダンス制御機能を搭載できないような場合においても、送信器側がインピーダンス制御機能の有無を判定してインピーダンス制御方法を切り替えることで、効率よく無線電力伝送を行うことが可能となり、無線電力伝送の性能を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の無線電力伝送用送受信器の構成を示す図
【図２】本発明の無線電力伝送用送受信器の動作フローチャート
【図３】本発明の無線電力伝送用送受信器（受信側にインピーダンス制御がない場合）の構成を示す図
【図４】本発明の送受信コイルの位置関係の一例（その１）を示す図
【図５】本発明の送受信コイルの位置関係の一例（その２）を示す図
【図６】本発明の実施の携帯２で示す無線電力伝送用送信器の構成を示す図
【図７】本発明の無線電力伝送用送信器の反射検出部の一例を示す図
【図８】本発明の無線電力伝送の効率の距離依存性の一例（その１）を示す図
【図９】本発明の無線電力伝送のインピーダンスの距離依存性の一例（その１）を示す図
【図１０】本発明の無線電力伝送の効率の距離依存性の一例（その２）を示す図
【図１１】本発明の無線電力伝送のインピーダンスの距離依存性の一例（その２）を示す図
【図１２】従来の無線電力伝送用送受信器の構成及び位置関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（実施の形態１）
図１〜３は、本発明の実施の形態１における無線電力伝送用の送受信器のブロック構成および動作フローチャートである。本実施の形態の無線電力伝送用の電力送信器１と、電力受信器２からなる無線電力伝送システムは、電力送信器１、電力受信器２、無線送信部１１、無線受信部１２、制御信号送受信部２１、２２、反射検出部２１１、インピーダンス可変部３１、３２、インピーダンス制御部４１、４２、電力発生部５１、電力受信部５２から構成される。
【００１９】
電力送信器１の電力発生部５１は、電力を特定の周波数信号に変換し、電力発生部５１に接続され出力インピーダンスを変更するインピーダンス可変部３１を介して反射検出部２１１へ周波数信号は出力される。反射検出部２１１の出力は無線送信部１１に入力され、空間中に電力を送信する。なお、ここで反射検出部２１１は、インピーダンス可変部３１から無線送信部１１へ伝送される信号を検出するだけの機能であり、反射検出部２１１のブロックではインピーダンスの変化は生じない。
【００２０】
磁気共振方式の無線電力伝送では、無線送信部１１と無線受信部１２をインダクタとキャパシタ等を用いた共振器とし、特定の周波数に対して共振する構成とすることにより、無線送信部１１と無線受信部１２とが空間的に距離が離れた状態においても電力伝送効率を高く維持することができる。
【００２１】
ここで、磁気共振方式で重要となるのが、共振器である無線送信部１１へ繋がっている電力発生部５１の出力インピーダンスと、無線受信器１２と繋がる電力受信部５２の入力インピーダンスが適切な値であれば電力伝送効率は高いが、両方のインピーダンス値が適切な値でなければ、無線送信部１１と無線受信部１２とが共振していたとしても電力伝送効率は低下する、ことである。このとき、送信側である電力送信器１には必ずインピーダンス制御機能を付加させるが、受信側である電力受信器２にはインピーダンス制御機能を付加するかしないかの選択がある。電力受信する機器がポータブル機器のような小型機器の場合、制御用の回路や、耐圧の大きいキャパシタやインダクタの数がより多く必要となることで、回路規模やサイズが大きくなり、ポータブル機器の小型化が難しくなってしまう。図１の例で示したように、電力送信器１と電力受信器２の双方がインピーダンス値を制御する機能を搭載する方が電力伝送効率を高く維持することができるが、図３の例で示すように電力送信器１にだけインピーダンス制御機能を持たせて、電力受信器２にはインピーダンス制御機能を搭載しない場合でも、送受信の双方がインピーダンス制御機能を搭載する場合に比べて電力伝送効率は劣化するが、双方がインピーダンス制御機能を搭載しない場合に比べて、大きく電力伝送効率を改善することができる。
【００２２】
送受両方のインピーダンスを最適に制御した場合と、送受両方のインピーダンス制御を行わない場合と、送信側のみインピーダンス制御を行う場合の３パターンについて、電力伝送効率と距離の依存性を図１０に、インピーダンスと距離の依存性を示すグラフを図１１に示す。距離ｘにおいて伝送効率が最大となるインピーダンスで固定すると、距離ｘでは高い効率が得られているが、そこから距離が離れても近づいても伝送効率は劣化する。一方、送受両方のインピーダンスを制御した場合には、距離が近づくにつれて伝送効率は上がり、インピーダンス制御を行わないときのような、ある特定の距離でしか伝送効率が得られない、といったことはない。送信側のみインピーダンス制御を行った場合、送受両方のインピーダンスを制御する場合に比べると伝送効率は劣化するものの、インピーダンス制御を行わない場合に比べて大きく特性は改善し、ある特定の距離でしか伝送効率が得られない、といったことはない。
【００２３】
電力送信器１のインピーダンス制御機能が、電力受信器２がインピーダンス制御機能を搭載しているか否かで制御方法を切り替えることで、電力受信器２がインピーダンス制御機能を搭載しているか否かに関わらず、電力伝送効率を改善することが可能となる。
【００２４】
図２に、電力送信器１と電力受信器２の動作フローチャートを示す。まず、無線電力伝送の開始において、電力受信器にインピーダンス制御機能があるかどうかで動作フローは分岐する。図１のように電力受信器２がインピーダンス制御機能を有する場合、電力送信器１がインピーダンス制御を行った所定時間経過後、電力受信器２がインピーダンス制御を行う。具体的には、インピーダンス制御部４１は、インピーダンス可変部３１を制御し、反射検出部２１１によって検出される反射信号成分から制御するインピーダンス値を決定する。
【００２５】
図７に反射検出部２１１の構成の一例を示す。反射検出部２１１の内部に、第１の振幅検出部２１１１、第２の振幅検出部２１１２、第ｎの振幅検出部２１１ｎを設ける。それぞれの振幅検出部は所定の距離を互いにもって設置される。電力送信器１から電力受信器２に無線電力伝送される場合、ここまでの記述にあるようにインピーダンスや距離によって電力伝送効率が変化する。効率が低い場合は、すなわち反射波が電力送信器１に戻ってきて、そのため定在波が生じる。そのため、所定の距離をもった複数の振幅検出部で振幅を検出すると、反射波によって定在波が生じると夫々の振幅検出部で検出される振幅は異なり、その振幅差を振幅差検出部２２１で検出することにより、定在波を検出することが可能となり、そこから反射波の大小を検出できる。こうして反射検出部２１１で検出される反射波の大きさを検出し、反射波の成分が最小（振幅差検出部２２１の出力が最小）となるようにインピーダンスを制御していく。
【００２６】
インピーダンス制御部４１の制御が完了すると、制御信号送受信部２１は制御が完了したことを表す制御信号を空間中に出力する。制御信号送受信部２２は、制御信号送受信部２１からの制御信号を受信し、電力送信器１のインピーダンス制御が完了したことを確認すると、所定時間経過後、電力受信器２はインピーダンス制御を開始する。インピーダンス制御部４２はインピーダンス可変部３２を制御し、電力受信器２のインピーダンス制御が完了したことを通知する制御信号を制御信号送受信部２２に出力し、制御信号送信部２２は制御信号を空間中に出力する。電力送信器１の制御信号送受信部２１は、制御信号送受信部２２からの制御信号を受信し、電力受信器２のインピーダンス制御が完了したことを確認すると、所定時間経過後、再び電力送信器１のインピーダンス制御を実施、続いて電力受信器２の制御を実施、と繰り返すことで、常に最適なインピーダンス制御を実現する。
【００２７】
一方、図３のように電力受信器２がインピーダンス制御機能を有さない場合、電力送信器１がインピーダンス制御を行ったあと、電力受信器２はインピーダンス制御を行わないため、制御信号送受信部２１には電力受信器２のインピーダンス制御機能が完了したことを示す制御信号は当然返ってこない。そこで、所定時間経過しても制御信号が返ってこない場合は、電力受信器２はインピーダンス制御機能を有さない、と電力送信器１のインピーダンス制御部４１は判断し、インピーダンス制御部４１は常時インピーダンス制御を実施する。
【００２８】
以上より、電力受信器２がインピーダンス制御機能を有するか否かで、電力送信器１のインピーダンス制御方法を切り替えることで、電力伝送効率をより高く維持する為に電力受信器２がインピーダンス制御機能を有している場合でも、またポータブル機器に無線電力伝送するために、機器の小型化のためにインピーダンス制御機能を有さない場合でも、効率よく無線電力伝送することが可能となる。
【００２９】
なお、本実施の形態１では、反射検出部２１１のように電力送信器１の各場所で振幅差を検出することで反射波の成分を検出していたが、別に反射波を受信するアンテナなどの受信器を設けて、反射波の成分を検出する構成であってもよい。
【００３０】
なお、本実施の形態１では、電力送信器１のインピーダンス制御が完了したことを通知するために、制御信号送受信部２１から２２へ制御信号を伝送する構成としたが、無線送信部１１から無線受信部１２へ電力を伝送する周波数信号に制御信号を多重する構成であってもよい。
【００３１】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における無線電力伝送用の送受信器のブロック構成である。図６において、図１〜５と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。実施の形態１では、インピーダンス制御部４１が制御するインピーダンスについて、電力受信器２のインピーダンス制御機能の有無に対して違いがなかったが、本実施の形態では、電力受信器２のインピーダンス制御機能の有無によって、予め設定された異なるインピーダンス値を選択する構成となっている。
【００３２】
図１０において、送受両方もしくは送信側のみインピーダンス制御することで、電力伝送効率を高く維持できることを示した。しかし、送受両方を制御する場合と、送信側のみ制御する場合とで、制御するインピーダンスの値が大きく異なる（図１１）。一例を挙げると、ある条件下で、送受両方を制御する場合はインピーダンス制御の範囲が１０〜１００Ωであるような場合に、送信側のみ制御する場合では１０〜１ｋΩというように、送信側のみ制御する場合にはより大きなインピーダンス制御範囲が必要であり、制御範囲に差が生じる。また、インピーダンス制御を行う実際の構成として、上述のインピーダンス制御範囲に対して連続的にインピーダンス値を変化させるのではなく、不連続に離散的な数値を持ったインピーダンスを取る回路構成とすることが考えられる。この場合、送受両方をインピーダンス制御する場合と、送信側のみ制御する場合とで準備される離散的なインピーダンスのテーブルが大きく異なることになる。すると、反射検出部２１１の検出結果から、インピーダンスを制御しようとした場合に、どちらのインピーダンスのテーブルに沿ってインピーダンス制御をすればよいかを予め選択する必要がある。
【００３３】
そこで、本実施の形態では、電力受信器２のインピーダンス制御機能がある場合のインピーダンス値を記憶している第１の記憶部２３１と、電力受信器２のインピーダンス制御機能がない場合のインピーダンス値を記憶している第２の記憶部２３２とを設け、電力受信器２のインピーダンス制御機能の有無によって、インピーダンス制御部４１は第１の記憶部２３１か第２の記憶部２３２のどちらかを選択する切替部２４１を有し、切替部２４１は反射検出部２１１で検出された結果から、第１の記憶部２３１もしくは第２の記憶部２３２に記憶されている離散的なインピーダンス値のうちから最適なインピーダンス値を選択し、インピーダンス可変部３１によってインピーダンス値を変更する。
【００３４】
以上より、電力受信器２がインピーダンス制御機能を有するか否かを判断し、その結果で、異なる離散的なインピーダンスのテーブルを持つ２つの記憶部から必要なインピーダンスのテーブルを選択してインピーダンス値を制御することにより、効率よく無線電力伝送を行う無線電力伝送用の送受信器を実現することが可能となる。
【００３５】
なお、本実施の形態では、分かりやすく示すために、異なるインピーダンスのテーブルを２つの記憶部に分けて記憶させたが、異なるインピーダンスのテーブルを１つの記憶部に記憶させて、その記憶部から、制御機能の有無によって必要なインピーダンスのテーブルを読み出すような構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明にかかる無線電力伝送用の送受信器は、受信側であるポータブル機器にインピーダンス制御機能を搭載できないような場合において、送信器側がインピーダンス制御機能の有無を判定してインピーダンス制御方法を切り替えて制御することで、受信器側にインピーダンス制御機能を搭載できない場合でも、効率よく無線電力伝送を行うことが可能となる特徴を有し、据置機器やポータブル機器へデータだけでなく電力も無線で送受信することが可能となるなど、数多くの電気製品に対して有用である。
【符号の説明】
【００３７】
１  電力送信器
２  電力受信器
１１  無線送信部
１２  無線受信部
２１、２２  制御信号送受信部
３１、３２  インピーダンス可変部
４１、４２  インピーダンス制御部
５１  電力発生部
５２  電力受信部
１１１  送信コイル
１１２  受信コイル
２１１  反射検出部
２２１  振幅差検出部
２１１１、２１１２、２１１ｎ  振幅検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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