(57)【要約】【課題】  無線給電回路装置及び携帯電子機器に関し、複数の受電回路装置を常に稼働状態に保つことを不要にして、システム全体として消費電力を低減する。【解決手段】コイルとキャパシタとからなる送電用ＬＣ回路と、互いに異なった周波数を発生するｎ個の基準クロック信号発生器と、給電量を調整する変調器と、変調器を制御する制御演算装置とを備えた送電回路装置と、ｎ個の受電回路装置とを有し、前記各受電回路装置は、コイルとキャパシタとからなる受電用ＬＣ回路と、受電した電力を整流する整流器と、整流器の出力電圧を基準電圧と比較する比較器を備え、前記各受電回路装置に設けた受電用ＬＣ回路の共振周波数を、前記基準クロック信号発生器で発生されるｎ個の基準クロック信号の周波数に対応させる。【選択図】    図１
2019083646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルとキャパシタとからなる送電用ＬＣ回路と、互いに異なった周波数を発生するｎ個の基準クロック信号発生器と、給電量を調整する変調器と、変調器を制御する制御演算装置とを備えた送電回路装置と、ｎ個の受電回路装置とを有し、
前記各受電回路装置は、コイルとキャパシタとからなる受電用ＬＣ回路と、受電した電力を整流する整流器と、整流器の出力電圧を基準電圧と比較する比較器を備え、
前記各受電回路装置に設けた受電用ＬＣ回路の共振周波数が、前記基準クロック信号発生器で発生されるｎ個の基準クロック信号の周波数に対応している無線給電回路装置。
【請求項２】
前記変調器は、前記ｎ個の基準クロック信号発生器に対応してｎ個の変調器からなり、
前記制御演算装置は、前記ｎ個の変調器に対応してｎ個の制御演算装置からなる請求項１に記載の無線給電回路装置。
【請求項３】
前記変調器は、前記ｎ個の基準クロック信号発生器からのｎ個の基準クロック信号を切替機により切替えて入力される単一の変調器であり、
前記制御演算装置は、前記ｎ個の受電回路装置の前記比較器の出力が入力される単一の制御演算装置である請求項１に記載の無線給電回路装置。
【請求項４】
前記ｎ個の受電回路装置は、さらに低ドロップアウト電圧レギュレータを備えている請求項３に記載の無線給電回路装置。
【請求項５】
前記受電回路装置は２個であり、
給電を受ける側の前記受電回路装置の前記受電用ＬＣ回路を構成するキャパシタの値は、給電を受けない側の前記受電回路装置の受電量に対する給電を受ける側の前記受電回路装置の受電量が最大になる値に設定された請求項３または請求項４に記載の無線給電回路装置。
【請求項６】
前記受電回路装置の一方の前記受電用ＬＣ回路を構成するキャパシタの値Ｃｓｕｂ１は、前記受電用ＬＣ回路を構成するコイルのインダクタンスをＬｓｕｂ、２個の前記受電回路装置の受電用ＬＣ回路を構成するコイル間の相互インダクタンスをＭ′、前記受電回路装置の一方の前記受電用ＬＣ回路に給電される第１の基準クロック信号の角周波数をω１とした場合、
Ｃｓｕｂ１＝［ω１２（Ｌｓｕｂ−Ｍ′）］−１
とし、
前記受電回路装置の他方の前記受電用ＬＣ回路を構成するキャパシタの値Ｃｓｕｂ２は、前記受電用ＬＣ回路を構成するコイルのインダクタンスをＬｓｕｂ、２個の前記受電回路装置の受電用ＬＣ回路を構成するコイル間の相互インダクタンスをＭ′、前記受電回路装置の他方の前記受電用ＬＣ回路に給電される第２の基準クロック信号の角周波数をω２とした場合、
Ｃｓｕｂ２＝［ω２２（Ｌｓｕｂ−Ｍ′）］−１
とする請求項５に記載の無線給電装置。
【請求項７】
前記送電回路装置の前記キャパシタは可変キャパシタであり、
前記送電回路装置の前記送電用ＬＣ回路を構成する前記可変キャパシタの値を、給電を受ける側の前記受電回路装置の給電量が最大になる値に前記制御演算装置により切替える請求項６に記載の無線給電回路装置。
【請求項８】
コイルとキャパシタとからなる送電用ＬＣ回路と、互いに異なった周波数を発生するｎ個の基準クロック信号発生器と、給電量を調整する変調器と、変調器を制御する制御演算装置とを備えた送電回路装置を搭載した送電用薄膜回路基板と、ｎ個の受電用薄膜回路基板回路とを有し、
前記各受電用薄膜回路基板は、コイルとキャパシタとからなる受電用ＬＣ回路と、受電した電力を整流する整流器と、整流器の出力電圧を基準電圧と比較する比較器とを備えた受電回路装置を搭載し、
前記各受電回路装置に設けた前記受電用ＬＣ回路の共振周波数が、前記基準クロック信号発生器で発生されるｎ個の基準クロック信号の周波数に対応しており、
前記送電用薄膜回路基板と前記ｎ個の受電用薄膜回路基板とが積層されて収容されている携帯電子機器。
【請求項９】
前記ｎ個の受電用薄膜回路基板の内のｍ個の受信用薄膜回路基板が前記送電用薄膜回路基板の一方の主面側に積層され、
前記ｎ個の受電用薄膜回路基板の内の（ｎ−ｍ）個の受信用薄膜回路基板が前記送電用薄膜回路基板の他方の主面側に積層されている請求項８に記載の携帯電子機器。
【請求項１０】
前記ｎ個の受電用薄膜回路基板に搭載された前記受電回路装置に接続される負荷が、温度センサ、気圧センサ、加速度センサ、角速度センサ或いはガスセンサ内の少なくとも一つを含んでいる請求項８または請求項９に記載の携帯電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線給電回路装置及び携帯電子機器に関するものであり、例えば、システム全体として消費電力を増大することなくモバイル機器に搭載するセンサ等の各種の電子デバイスに非接触で給電する構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
無線給電システムで１つの送電システムから複数の受電システムに同時に給電する場合、複数の受電システムの要求電力レベルに個別に応える必要がある。例えば、一方の受電システムがさらに大きな電力を要求し、もう一方の受電システムがさらに小さな電力を要求するような場合もある。そのような場合、送電側のみで要求に応えることは不可能であり、受電側で受け取る電力を小さくする必要があった。その事情を図１５を参照して説明する（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
図１５は、従来の単一周波数（ｆ１）を用いた無線給電システムの回路構成図であり、ここでは、受電システムを２つの例として示しているが、３以上でも同様である。送電システム６０は、コイル６２とキャパシタ６３とからなるＬＣ回路６１と、周波数ｆ１の基準クロック信号発生器６４と、給電量を調整する変調器６５、変調器６５を制御する制御演算装置６６を備えている。
【０００４】
受電システムは、第１の受電システム７０１と第２の受電システム７０２を備えている。第１の受電システム７０１は、コイル７２１と可変キャパシタ７３１とからなるＬＣ回路７１１と、受電した電力を整流する整流器７４１と、整流器７４１の出力電圧を基準電圧７５１と比較する比較器７６１を備えている。出力電圧は各種センサ等やそれらを駆動するための電源回路等の負荷に供給される。
【０００５】
比較器７６１の出力により可変キャパシタの容量を変化させてＬＣ回路７１１の共振周波数を変化させて受電量を変化させるとともに、比較器７６１の出力を制御演算装置６６に入力する。また、第２の受電システム７０２も同じ構成を備えており、コイル７２２と可変キャパシタ７３２とからなるＬＣ回路７１２と、受電した電力を整流する整流器７４２と、整流器７４２の出力電圧を基準電圧７５２と比較する比較器７６２を備えている。
【０００６】
このシステムにおいては、センサ等を動作させデータを取得すると判断したときに、送電回路装置が動作を開始して給電が開始される。きっかけは人間がボタンを押すということでも良いし、予めスケジュールされていても良い。要はデータが必要と判断された場合に給電が開始される。この場合、給電開始の指示は、制御演算装置に伝えられ、制御演算装置が、基準クロック発生器と変調器の少なくとも一方、場合によっては両方に指示を伝える。
【０００７】
第１の受電システム７０１に接続された負荷が動作している場合には、負荷に応じて消費電力が変化するが、それでも一定の電圧を出すように比較器７６１の比較結果を送電システム６０及び可変キャパシタ７３１にフィードバックすることになる。給電の必要がなくなるというのは、この負荷が動作しなくなり消費電力が小さくなった場合に相当し、そのままにしておくと出力電圧が必要以上に上昇する。したがって、比較器７６１は送電システム６０に対しては給電量を小さくするように指示を出すと同時に、それだけで十分ではない場合には、可変キャパシタ７３１の容量を変化させて自分が受け取る電力量を小さくすることになる。
【０００８】
このように、受電側で受け取る電力レベルを制御する必要があるため、第１の受電システム７０１と第２の受電システム７０２を稼働状態に保つ必要がある。稼働状態を保つためには、少ないながらも電力を受け取り続ける必要がある。複数ある受電システムが受電量を調節しつつ稼働状態を保つため、給電をおこなっている送電システムは常にその受電量を確認する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１７−１５８２６０号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｎａｃｈｉｋｅｔ Ｖ．Ｄｅｓａｉ ｅｔ ａｌ，“Ａｎ Ａｃｔｉｖｅｌｙ Ｄｅｔｕｎｅｄ ＷｉｒｅｌｅｓｓＰｏｗｅｒ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｗｉｔｈ Ｐｕｂｌｉｃ ＫｅｙＣｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｉｃ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ”，ＩＳＳＣＣ Ｄｉｇ．Ｔｅｃｈ． Ｐａｐｅｒｓ，ｐｐ．３６６‐３６７，Ｆｅｂ ２０１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のように、すべての受電システムを稼働状態に保つ必要があるため、送電システムは複数の受電システムとの通信を保つ必要があり、システム全体として消費電力が１０ｍＷ程度増大する。このような消費電力でも、二次電池に電力を依存するモバイル機器では問題となる。
【００１２】
したがって、本発明は、複数の受電システムを常に稼働状態に保つことを不要にして、システム全体として消費電力を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一つの態様では、無線給電回路装置は、コイルとキャパシタとからなる送電用ＬＣ回路と、互いに異なった周波数を発生するｎ個の基準クロック信号発生器と、給電量を調整する変調器と、変調器を制御する制御演算装置とを備えた送電回路装置と、ｎ個の受電回路装置とを有し、前記各受電回路装置は、コイルとキャパシタとからなる受電用ＬＣ回路と、受電した電力を整流する整流器と、整流器の出力電圧を基準電圧と比較する比較器を備え、各受電回路装置に設けた受電用ＬＣ回路の共振周波数が、前記基準クロック信号発生器で発生されるｎ個の基準クロック信号の周波数に対応している。
【００１４】
また、他の態様では、携帯電子機器は、コイルとキャパシタとからなる送電用ＬＣ回路と、互いに異なった周波数を発生するｎ個の基準クロック信号発生器と、給電量を調整する変調器と、変調器を制御する制御演算装置とを備えた送電回路装置を搭載した送電用薄膜回路基板と、ｎ個の受電用薄膜回路基板回路とを有し、前記各受電用薄膜回路基板は、コイルとキャパシタとからなる受電用ＬＣ回路と、受電した電力を整流する整流器と、整流器の出力電圧を基準電圧と比較する比較器とを備えた受電回路装置を搭載し、前各受電回路装置に設けた受電用ＬＣ回路の共振周波数が、前記基準クロック信号発生器で発生されるｎ個の基準クロック信号の周波数に対応しており、前記送電用薄膜回路基板と前記ｎ個の受電用薄膜回路基板とが積層されて収容されている。
【発明の効果】
【００１５】
一つの側面として、複数の受電回路装置を常に稼働状態に保つことを不要にして、システム全体として消費電力を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態の１：ｎ無線給電回路装置の回路構成図である。
【図２】本発明の実施例１の１：２無線給電回路装置の回路構成図である。
【図３】本発明の実施例１における送電用ＬＣ回路に供給される電力波形の説明図である。
【図４】本発明の実施例２の１：２無線給電回路装置の回路構成図である。
【図５】本発明の実施例２における送電用ＬＣ回路に供給される電力波形の説明図である。
【図６】本発明の実施例３の１：２無線給電回路装置の回路構成図である。
【図７】本発明の実施例３におけるＬＤＯの出力波形の説明図である。
【図８】従来の１：１無線給電装置との本発明の実施例３の無電給電回路装置の給電効率の比較を示す図である。
【図９】図６に示した回路の等価回路図である。
【図１０】解析結果に関する回路シミュレーションの説明図である。
【図１１】本発明の実施例４の１：２無線給電回路装置の回路構成図である。
【図１２】回路シミュレーションによる検証結果の説明図である。
【図１３】本発明の実施例５の携帯用電子機器に搭載する無線給電装置の概念的構成図である。
【図１４】本発明の実施例６の携帯用電子機器に搭載する無線給電装置の概念的構成図である。
【図１５】従来の単一周波数（ｆ１）を用いた無線給電システムの回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態の無線給電回路装置を説明する。図１は、本発明の実施の形態の無線給電回路装置の回路構成図であり、送電回路装置１０は、コイル１２とキャパシタ１３とからなる送電用ＬＣ回路１１と、ｎ個の周波数ｆ１〜ｆｎの基準クロック信号を発生する基準クロック信号発生器１４１〜１４ｎと、給電量を調整する変調器１５、変調器１５を制御する制御演算装置１６を備えている。なお、変調器１５により基準クロック信号ｆ１〜ｆｎのデューティ比を制御することによって、給電量を制御する。
【００１８】
ｎ個の受電回路装置２０１〜２０ｎは、夫々、コイル２２ｋ（但し、ｋ＝１〜ｎ）とキャパシタ２３ｋとからなる受電用ＬＣ回路２１ｋと、受電した電力を整流する整流器２４ｋと、整流器２４ｋの出力電圧を基準電圧２５ｋと比較する比較器２６ｋを備えている。各受電用ＬＣ回路２１ｋの共振周波数は、ｎ個の周波数ｆ１〜ｆｎの基準クロック信号に合せて互いに異なったｆｋ（ｆｋ＝ｆ１〜ｆｎ）に設定されている。
【００１９】
この場合、ｎの数は任意であるが、現状では、給電する周波数は、６．７８ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚといった「ワイヤレス電力伝送技術の利用に関するガイドライン」(ブロードバンドワイヤレスフォーラム)に従った周波数から選択する。
【００２０】
変調器１５は、ｎ個の基準クロック信号発生器１４１〜１４ｎに対応してｎ個の変調器としても良く、この場合には、制御演算装置１６は、ｎ個の変調器に対応してｎ個の制御演算装置とする。この場合には、送電用ＬＣ回路１１に供給される電力はｆ１〜ｆｎの重ね合せ波形になる。
【００２１】
或いは、変調器１５は、ｎ個の基準クロック信号発生器１４１〜１４ｎからのｎ個の基準クロック信号ｆ１〜ｆｎを切替機により切替えて入力される単一の変調器としても良い。この場合には、制御演算装置１６も、ｎ個の受電回路装置２０１〜２０ｎの比較器２６１〜２６ｎの出力が入力される単一の制御演算装置とする。この場合には、送電用ＬＣ回路１１に供給される電力はｆ１〜ｆｎを時分割した波形になる。
【００２２】
本発明の実施の形態においても、センサ等を動作させデータを取得すると判断したときに、送電回路装置１０が動作を開始して給電が開始される。きっかけは人間がボタンを押すということでも良いし、予めスケジュールされていても良い。要はデータが必要と判断された場合に給電が開始される。この場合、給電開始の指示は、制御演算装置１６に伝えられ、制御演算装置１６が、基準クロック発生器１４１〜１４ｎと変調器１５の少なくとも一方、場合によっては両方に指示を伝える。
【００２３】
また、必要なデータの取得が完了し、動作させる必要がないと判断した場合には、制御演算装置１６を通じて基準クロック発生器１４１〜１４ｎと変調器１５の少なくとも一方に命令を伝えて、対応する周波数での給電を停止する。
【００２４】
ｎ個の受電回路装置２０１〜２０ｎは、さらに低ドロップアウト電圧レギュレータ（ＬＤＯ）を備えても良く、ＬＤＯを備えることによって負荷に安定した電圧を供給することができる。
【００２５】
なお、受電回路装置２０１〜２０ｎを２個（ｎ＝２）とした場合には、給電を受ける側の受電回路装置の受電用ＬＣ回路を構成するキャパシタの値を、給電を受けない側の受電回路装置の受電量に対する給電を受ける側の前記受電回路装置の受電量が最大になる値に設定する。この場合、複数の受電回路装置に等しく電力を供給するように、送電回路装置１０の送電用ＬＣ回路１１を構成するキャパシタ１３の値を設定しても良い。
【００２６】
或いは、送電回路装置１０の送電用ＬＣ回路１１を構成するキャパシタ１３を可変キャパシタとし、この可変キャパシタの値を各基準クロック信号に応じて給電を受ける側の受電回路装置の給電量が最大になる値に切替えるようにしても良い。
【００２７】
一方の受電回路装置２０１の受電用ＬＣ回路２１１を構成するキャパシタ２３１の値Ｃｓｕｂ１は、受電用ＬＣ回路２１１，２１２を構成するコイル２２１，２２２のインダクタンスをＬｓｕｂ、２個の受電回路装置２０１，２０２の受電用ＬＣ回路２１１，２１２を構成するコイル２２１，２２２間の相互インダクタンスをＭ′、受電回路装置２０１への給電の際に用いる基準クロック信号の角周波数をω１とした場合、
Ｃｓｕｂ１＝［ω１２（Ｌｓｕｂ−Ｍ′）］−１
とする。
【００２８】
他方の受電回路装置２０２の受電用ＬＣ回路２１２を構成するキャパシタの値Ｃｓｕｂ２は、受電用ＬＣ回路２１１，２１２を構成するコイル２２１，２２２のインダクタンスをＬｓｕｂ、２個の受電回路装置２０１，２０２の受電用ＬＣ回路２１１，２１２を構成するコイル２２１，２２２間の相互インダクタンスをＭ′、受電回路装置２０２への給電の際に用いる基準クロック信号の角周波数をω２とした場合、
Ｃｓｕｂ２＝［ω２２（Ｌｓｕｂ−Ｍ′）］−１
とする。
【００２９】
本発明の実施の形態においては、複数の受電回路装置２０１〜２０ｎに対して互いに異なった周波数で給電するため、送電回路装置１０は任意の受電回路装置２０ｋに対してのみ給電を行うことが可能になる。その結果、受電回路装置２０１〜２０ｎ側で可変容量を調節し、受電量を調節する必要がなくなる．その結果、起動していない受電回路装置２０ｍ（ｆｍ≠ｆｋ）と通信を保つ必要がないため、消費電力を低減することができる。
【００３０】
また、携帯電子機器に上述の無線給電回路装置を搭載することによって、携帯電子機器の消費電力を低減することができる。この場合、送電用薄膜回路基板と、ｎ個の受電用薄膜回路基板回路とを各コイルが積層方向において重なるように積層することが望ましい。
【００３１】
送電用薄膜回路基板は、フレキシブル配線基板に、コイルとキャパシタとからなる送電用ＬＣ回路と、互いに異なった周波数を発生するｎ個の基準クロック信号発生器と、給電量を調整する変調器と、変調器を制御する制御演算装置とを備えた送電回路装置を実装する。各受電用薄膜回路基板は、フレキシブル配線基板に、コイルとキャパシタとからなる受電用ＬＣ回路と、受電した電力を整流する整流器と、整流器の出力電圧を基準電圧と比較する比較器とを備えた受電回路装置を実装する。
【００３２】
積層構造としては、ｎ個の受電用薄膜回路基板の内のｍ個の受信用薄膜回路基板を送電用薄膜回路基板の一方の主面側に積層し、ｎ個の受電用薄膜回路基板の内の（ｎ−ｍ）個の受信用薄膜回路基板を送電用薄膜回路基板の他方の主面側に積層するようにしても良い。
【００３３】
或いは、送電用薄膜回路基板の一方の主面側にｎ個の受電用薄膜回路基板を積層しても良い。この場合は、共振周波数の高い受電用薄膜回路基板ほど送電用薄膜回路基板に近くなるように積層しても良い。
【００３４】
受電用薄膜回路基板に搭載された受電回路装置に接続される負荷は特に限定されるものでないが、例えば、温度センサ、気圧センサ、加速度センサ、角速度センサ或いはガスセンサ内の少なくとも一つを含むようにすることが望ましい。
【実施例１】
【００３５】
次に、図２及び図３を参照して、本発明の実施例１の１：２無線給電回路装置を説明する。図２は本発明の実施例１の１：２無線給電回路装置の回路構成図である。送電回路装置３０は、コイル３２とキャパシタ３３とからなる送電用ＬＣ回路３１と、周波数ｆ１の基準クロック信号を発生する基準クロック信号発生器３４１と、周波数ｆ２の基準クロック信号を発生する基準クロック信号発生器３４２と、給電量を調整する変調器３５１，３５２、変調器３５１，３５２をそれぞれ制御する制御演算装置３６１，３６２と、電圧加算器３７を備えている。
【００３６】
受電回路装置４０１，４０２は、夫々、コイル４２１，４２２とキャパシタ４３１，４３２とからなる受電用ＬＣ回路４１１，４１２と、受電した電力を整流する整流器４４１，４４２と、整流器４４１，４４２の出力電圧を夫々基準電圧４５１，４５２と比較する比較器４６１，４６２を備えている。受電用ＬＣ回路４１１の共振周波数は、基準クロック信号ｆ１に合せてｆ１に設定されている。また、受電用ＬＣ回路４１２の共振周波数は、基準クロック信号ｆ２に合せてｆ２に設定されている。
【００３７】
受電回路装置４０２に対する給電の要請がない場合には、制御演算装置３６２により変調器３５２の出力を０にして、基準クロック信号ｆ１のみを送電用ＬＣ回路３１に供給することにより、非稼働の受電回路装置４０２における電力消費を無くすることができる。
【００３８】
図３は、本発明の実施例１における送電用ＬＣ回路に供給される電力波形図である。図３に示すように、基準クロック信号ｆ１と基準クロック信号ｆ２の重ね合せ波形になっている。
【００３９】
【表１】
2019083646.tif 000003
表１は、本発明の実施例１と図１１に示した従来例の無線給電装置における消費電力を比較したものである。表１における動作モード１は両方の無線給電回路装置に均等に給電する場合であり、動作モード２は一方の受電回路装置４０１にのみ給電する場合である。なお、ここでは、各受電回路装置における可動時の効率を８０％とし、非稼働時の低電力供給の際の効率を５０％としている。
【００４０】
表１から明らかなように、動作モード１の場合には、本発明の実施例１の場合も従来例の場合にも、効率８０％で各受電回路装置に１００ｍＷの電力を給電するためには、総送電電力は２５０ｍＷで同じである。しかし、動作モード２の場合には、従来例の場合には、非稼働の受電回路装置４０２との通信を保つために１０ｍＷの電力を必要とするために、１４５ｍＷの電力を給電する必要がある。一方、本発明の実施例１の場合には、非稼働の受電回路装置４０２との通信を保つ必要がないので１２５ｍＷの電力で良く、２０ｍＷの消費電力を節約することができる。
【００４１】
本発明の実施例１においては、給電レベル調節機構を必要としないので、給電レベルの調節を送電システム側で一括して行うことができ、それによって、全体としてシステムが簡略化できる。
【実施例２】
【００４２】
次に、図４及び図５を参照して、本発明の実施例２の１：２無線給電回路装置を説明する。図４は本発明の実施例２の１：２無線給電回路装置の回路構成図である。送電回路装置５０は、コイル５２とキャパシタ５３とからなる送電用ＬＣ回路５１と、周波数ｆ１の基準クロック信号を発生する基準クロック信号発生器５４１と、周波数ｆ２の基準クロック信号を発生する基準クロック信号発生器５４２と、給電量を調整する変調器５５と、変調器５５を制御する制御演算装置５６と、切替機５７を備えている。
【００４３】
受電回路装置の構成は実施例１と同様であり、受電回路装置４０１，４０２は、夫々、コイル４２１，４２２とキャパシタ４３１，４３２とからなる受電用ＬＣ回路４１１，４１２と、受電した電力を整流する整流器４４１，４４２と、整流器４４１，４４２の出力電圧を夫々基準電圧４５１，４５２と比較する比較器４６１，４６２を備えている。受電用ＬＣ回路４１１の共振周波数は、基準クロック信号ｆ１に合せてｆ１に設定されている。また、受電用ＬＣ回路４１２の共振周波数は、基準クロック信号ｆ２に合せてｆ２に設定されている。
【００４４】
受電回路装置４０２に対する給電の要請がない場合には、制御演算装置５６により切替機５７を制御して変調器５５に供給する基準クロック信号をｆ１のみにして送電用ＬＣ回路５１に供給することにより、非稼働の受電回路装置４０２における電力消費を無くすることができる。
【００４５】
図５は、本発明の実施例２における送電用ＬＣ回路に供給される電力波形図である。図５に示すように、基準クロック信号ｆ１と基準クロック信号ｆ２が時分割で供給される波形になっている。
【００４６】
本発明の実施例２においては、受電回路装置の共振周波数を調節する調節機構がないことにより、給電レベルの調節を送電システム側で一括して行うことができるので、全体としてシステムが簡略化できる。基準クロック信号ｆ１とｆ２を時分割で排他的に切替て変調器に入力しているので、変調器を１つにできるメリットがある。また、高い性能を必要とする電圧加算器が不要になるというメリットがある。なお、この場合の消費電力は表１の場合と同じである。
【実施例３】
【００４７】
次に、図６乃至図１１を参照して、本発明の実施例３の１：２無線給電回路装置を説明するが、上記の実施例２の無線給電回路装置の各受電回路装置の後段にＬＤＯ（ＬｏｗＤｒｏｐＯｕｔ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ：低ドロップアウト電圧レギュレータ）及び負荷抵抗を接続したものである。図６は本発明の実施例３の１：２無線給電回路装置の回路構成図である。送電回路装置５０は、上記の実施例２と同様に、コイル５２とキャパシタ５３とからなる送電用ＬＣ回路５１と、周波数ｆ１の基準クロック信号を発生する基準クロック信号発生器５４１と、周波数ｆ２の基準クロック信号を発生する基準クロック信号発生器５４２と、給電量を調整する変調器５５と、変調器５５を制御する制御演算装置５６と、切替機５７を備えている。
【００４８】
受電回路装置４０１，４０２は、夫々、コイル４２１，４２２とキャパシタ４３１，４３２とからなる受電用ＬＣ回路４１１，４１２と、受電した電力を整流する整流器４４１，４４２と、整流器４４１，４４２の出力電圧を夫々基準電圧４５１，４５２と比較する比較器４６１，４６２と、ＬＤＯ４７１，４７２、及び負荷を備えており、その負荷の等価回路として負荷抵抗４８１，４８２を備えている。受電用ＬＣ回路４１１の共振周波数は、基準クロック信号ｆ１に合せてｆ１に設定されている。また、受電用ＬＣ回路４１２の共振周波数は、基準クロック信号ｆ２に合せてｆ２に設定されている。ＬＤＯ４７１，４７２は入力電圧レベルがある起動基準値を上回ると、負荷に一定の電圧を供給するという働きをする。
【００４９】
受電回路装置４０２に対する給電の要請がない場合には、実施例２と同様に、制御演算装置５６により切替機５７を制御して変調器５５に供給する基準クロック信号をｆ１のみにして送電用ＬＣ回路５１に供給することにより、非稼働の受電回路装置４０２における電力消費を無くすることができる。
【００５０】
図７は、本発明の実施例３におけるＬＤＯの出力波形の説明図である。ここでは、起動基準値は４Ｖに設定されている。太い破線が周波数ｆ１で供給される受電回路装置４０１の出力電圧Ｖ１１である。太い実線が出力電圧Ｖ１１をＬＤＯ４７１に入力したときの負荷供給電圧Ｖ１２である。同様に細い破線が周波数ｆ２で供給される受電回路装置４０２の出力電圧Ｖ２１であり。細い実線が出力電圧Ｖ２１をＬＤＯ４７２に入力したときの負荷供給電圧Ｖ２２である。
【００５１】
ここでは、Ｔ＝１５０μｓｅｃから９００μｓｅｃの間は、受電回路装置４０１のみに給電するように送電しており、Ｔ＝１１５０μｓｅｃから１９００μｓｅｃの間は受電回路装置４０２のみに給電するように送電している。前半部分では、受電回路装置４０１の負荷供給電圧Ｖ１２が３．３Ｖ、受電回路装置４０２の負荷供給電圧Ｖ２２が０Ｖとなっており、後半部分では、受電回路装置４０１の負荷供給電圧Ｖ１２が０Ｖ、受電回路装置４０２の負荷供給電圧Ｖ２２が３．３Ｖとなっており、意図した給電ができていることがわかる。
【００５２】
なお、受電用ＬＣ回路４１１，４１２は、共振しない周波数の基準クロック信号に対してもある程度の感度を有するため、各破線で示すように、受電しない側の受電回路装置において、ある程度の出力電圧Ｖ１１，Ｖ２１が現れる。しかし、本発明の実施例３においてはＬＤＯ４７１，４７２を設けているので、起動基準値である４Ｖ以下の電圧が負荷供給電圧Ｖ１２，Ｖ２２として出力されることがないので、非稼働の受電回路装置における電力の消費を確実に無くすことができる。
【００５３】
図８は、従来の１：１無線給電装置との本発明の実施例３の無電給電回路装置の給電効率の比較を示す図である。図８に示すように、最大負荷である１５０ｍＡにおいて、従来の１：１無線給電装置システムからの劣化は３％以内となっている。
【００５４】
次に、本発明の実施例３における送電用ＬＣ回路と受電用ＬＣ回路のキャパシタの最低化方法を説明する。図９は、図６に示した回路の等価回路図であり、Ｚｓｕｂ１、Ｚｓｕｂ２は図６に示した受電回路装置のコイルを除いた構成を表している。
【００５５】
この等価回路は下記の（１）式で表す、行列式で表現できる。
【数１】
2019083646.tif 000004
なお、Ｚは、３×３の行列を表しており、また、ωは供給する基準クロック信号の角周波数であり、Ｍは送電用ＬＣ回路５１のコイル５２と、受電回路装置４０１，４０２の受電用ＬＣ回路４１１，４１２のコイル４２１，４２２との間の相互インダクタンスであり、Ｍ′は、受電用ＬＣ回路４１１コイル４２１と受電用ＬＣ回路４１２のコイル４２２との間の相互インダクタンスであり、ｊは複素記号である。
【００５６】
（１）式から電流Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２を求めると、下記の（２）式となる。
【数２】
2019083646.tif 000005
なお、ｄｅｔＺは行列式Ｚの値である。
【００５７】
電力を消費するのは、各負荷の抵抗部であるので、受電回路装置４０１と受電回路装置４０２の各負荷での消費電力Ｐｓｕｂ１，Ｐｓｕｂ２は、各負荷にかかる電圧の２乗を各負荷のインピーダンスの実部、つまり抵抗成分で除したものになるので、下記の（３）式になる。
【数３】
2019083646.tif 000006
【００５８】
受電回路装置４０１に給電したいとき、Ｐｓｕｂ２／Ｐｓｕｂ１が最も小さくなることが、効率的である。したがって、（３）式のＩ１とＩ２に（２）式で求めた値を代入すると、分子分母の１／ｄｅｔＺやＶ０が消えて、下記の（４）式となる。
【数４】
2019083646.tif 000007
【００５９】
ここで、（４）式を最小化することを考える。分子がゼロになるとき、Ｐｓｕｂ２／Ｐｓｕｂ１が最小になるので、
Ｚｓｕｂ１＝−ｊω１（Ｌｓｕｂ−Ｍ′）      （５）
がその条件となる。ここでω１は送電回路装置５０が受電回路装置４０１に給電する角周波数である。
【００６０】
Ｚｓｕｂ１の等価回路は、容量Ｃｓｕｂ１と抵抗Ｒｓｕｂ１の並列回路であるが、（５）式には虚数成分しかないので、容量がこの値をになうことになる。よって、Ｚｓｕｂ１＝１／ｊω１Ｃｓｕｂ１となり、
Ｃｓｕｂ１＝［ω１２（Ｌｓｕｂ−Ｍ′）］−１      （６）
として求められる。 同様に、送電回路装置５０が角周波数ω２で受電回路装置４０２に給電する場合の最適値Ｃｓｕｂ２は、
Ｃｓｕｂ２＝［ω２２（Ｌｓｕｂ−Ｍ′）］−１      （７）
として得られる。
【００６１】
図１０は、解析結果に関する回路シミュレーションの説明図であり、図１０（ａ）はＰｓｕｂ２／Ｐｓｕｂ１のＣｓｕｂ１依存性の説明図であり、図１０（ｂ）はＰｓｕｂ１／Ｐｓｕｂ２のＣｓｕｂ２依存性の説明図である。ここでは、送電回路装置の送電用ＬＣ回路のキャパシタの容量Ｃｍａｉｎの値を１０ｎＦ及び５０ｎＦに設定した場合のシミュレーション結果を示している。図１０に示すように、（６）式及び（７）式で示した解析式と回路シミュレーションの結果は良く一致しており、解析結果が正しいことがわかる。
【実施例４】
【００６２】
次に、図１１及び図１２を参照して、本発明の実施例４の１：２無線給電回路装置を説明するが、上記の実施例３の無線給電回路装置の送電回路装置のキャパシタを可変キャパシタに置き換えたものである。図１１は本発明の実施例４の１：２無線給電回路装置の回路構成図である。送電回路装置５０は、コイル５２と可変キャパシタ５８とからなる送電用ＬＣ回路５９と、周波数ｆ１の基準クロック信号を発生する基準クロック信号発生器５４１と、周波数ｆ２の基準クロック信号を発生する基準クロック信号発生器５４２と、給電量を調整する変調器５５と、変調器５５を制御する制御演算装置５６と、切替機５７を備えている。
【００６３】
受電回路装置４０１，４０２は、夫々、コイル４２１，４２２とキャパシタ４３１，４３２とからなる受電用ＬＣ回路４１１，４１２と、受電した電力を整流する整流器４４１，４４２と、整流器４４１，４４２の出力電圧を夫々基準電圧４５１，４５２と比較する比較器４６１，４６２と、ＬＤＯ４７１，４７２、及び負荷を備えており、その負荷の等価回路として負荷抵抗４８１，４８２を備えている。受電用ＬＣ回路４１１の共振周波数は、基準クロック信号ｆ１に合せてｆ１に設定されている。また、受電用ＬＣ回路４１２の共振周波数は、基準クロック信号ｆ２に合せてｆ２に設定されている。
【００６４】
受電回路装置４０２に対する給電の要請がない場合には、実施例２と同様に、制御演算装置５６により切替機５７を制御して変調器５５に供給する基準クロック信号をｆ１のみにして送電用ＬＣ回路５１に供給することにより、非稼働の受電回路装置４０２における電力消費を無くすることができる。また、制御演算装置５６により可変キャパシタ５８の値を制御して、送電用ＬＣ回路５９の共振周波数を入力する基準クロック信号の周波数に応じて制御する。
【００６５】
この実施例４においては、実施例３の構成に加えて、送電システムのキャパシタの値を決定する。上述の最適化の結果、受電回路装置４０１に給電する際に、受電回路装置４０２には電力が漏れない、つまりほぼゼロと近似して、上記の（１）式を以下の（８）式のように簡略化できる。
【数５】
2019083646.tif 000008
【００６６】
この時、受電回路装置４０１の消費電力Ｐｓｕｂ１は、Ｚｓｕｂ１にかかる電圧の２乗をＲｓｕｂ１で割ったものとなる。Ｚｓｕｂ１にかかる電圧は、Ｚｓｕｂ１×Ｉ１であり、（８）式に逆行列を掛けることでＩ１を求めることができ、求めたＩ１を代入して、下記の（９）式が得られる。
【数６】
2019083646.tif 000009
【００６７】
ここで、給電角周波数ω１においてＰｓｕｂ１を最大化する送電回路装置５０のインピーダンスＺｍａｉｎは、下記の（１０）式で表される。
【数７】
2019083646.tif 000010
【００６８】
（１０）式の虚数部（Ｉｍ）が１／ｊω１Ｃｍａｉｎと等しくなるときに、Ｐｓｕｂ１が最大化する。第１項は純虚数であるので、第２項の虚数部をＩｍで表すと、その時の送電回路装置５０のキャパシタ５３の値Ｃｍａｉｎ１は下記の（１１）式で表される。
【数８】
2019083646.tif 000011
【００６９】
同様に、給電角周波数ω２において、Ｐｓｕｂ２を最大化する送電回路装置５０のキャパシタ５３の値Ｃｍａｉｎ２は下記の（１２）式で表される。
【数９】
2019083646.tif 000012
【００７０】
求めたＣｍａｉｎ１，Ｃｍａｉｎ２についても、回路シミュレーションによって妥当性を検証した。図１２は、回路シミュレーションによる検証結果の説明図であり、図１２（ａ）はＰｓｕｂ１のＣｍａｉｎ依存性の説明図であり、図１２（ｂ）はＰｓｕｂ２のＣｍａｉｎ依存性の説明図である。図１２に示した最適化したキャパシタの値（ｏｐｔｉｍｕｍ  ｖａｌｕｅ）付近で電力はピークを迎えており、導出が妥当であることがわかる。
【００７１】
したがって、本発明の実施例４においては、入力する基準クロック信号の周波数に応じて送電用ＬＣ回路５９の共振周波数を変更することによって、入力する基準クロック信号に対して最適な効率を設定することができる。
【実施例５】
【００７２】
次に、図１３を参照して、本発明の実施例５の携帯電子機器を説明する。図１３は、本発明の実施例５の携帯用電子機器に搭載する無線給電装置の概念的構成図である。無線給電装置８０は、送電回路装置を実装した送電用薄膜回路基板８１に対して、受電回路装置を実装した複数の受電用薄膜回路基板８３１〜８３４を積層したものである。
【００７３】
ここでは、受電回路装置の数を４とし、２つの受電用薄膜回路基板８３１，８３２を送電用薄膜回路基板８１の下側に積層し、２つの受電用薄膜回路基板８３３，８３４を送電用薄膜回路基板８１の下側に積層する。送電用薄膜回路基板８１はフレキシブル配線基板に、実施例３に示した送電回路装置及びバッテリー８２を搭載する。また、受電用薄膜回路基板８３１〜８３４には、フレキシブル配線基板に、夫々、図６に示した受電回路装置と同様の受電回路装置及び負荷電子デバイスを搭載する。なお、バッテリー８２には、携帯機器本体側から電力を供給する。
【００７４】
この場合の受電用薄膜回路基板８３１〜８３４が電力を供給する負荷電子デバイスは、例えば、温度センサ、気圧センサ、加速度センサ、角速度センサ、ガスセンサ等である。この場合、受電用薄膜回路基板８３１〜８３４を着脱自在に携帯電子機器に装着することが望ましく、それによって、故障した負荷電子デバイスや、新たな用途で必要になった新規の負荷電子デバイスを受電用薄膜回路基板毎交換することが可能になる。
【００７５】
この場合の受電用薄膜回路基板８３１〜８３４の積層状態は上下で２：２であるが、１：３でも、３：１でも良い。また、受電用薄膜回路基板の数が２の場合には、１：１とし、受電用薄膜回路基板の数が３の場合には、１：２或いは２：１とする。いずれの場合においても、送電用薄膜回路基板に近い側の受電用薄膜回路基板の受電用ＬＣ回路の共振周波数を大きくすることが望ましい。なお、ここでは、受電用薄膜回路基板の積層数を４以下にしているが、現状の電波法令が改正されれば、受電用薄膜回路基板の積層数は任意である。
【００７６】
このように、本発明の実施例５においては、携帯電子機器に搭載する負荷電子機器への給電を無線給電回路装置を用いて行っているので、センサ２を搭載した受電用薄膜回路基板８３２を使用目的に応じて他のセンサ５を搭載した受電用薄膜回路基板８３５に容易に交換することが可能になる。また、非稼働の受電用薄膜回路基板に対する給電を行わないので、消費電力を節約することができる。
【実施例６】
【００７７】
次に、図１４を参照して、本発明の実施例６の携帯電子機器を説明する。図１４は、本発明の実施例６の携帯用電子機器に搭載する無線給電装置の概念的構成図である。無線給電装置８０は、送電回路装置を実装した送電用薄膜回路基板８１上に、受電回路装置を実装した複数の受電用薄膜回路基板８３１〜８３４を順次積層したものである。なお、送電用薄膜回路基板８１は送電回路装置に電力を供給するバッテリー８２を搭載しており、このバッテリー８２に携帯機器本体側から電力を供給する。
【００７８】
ここでは、受電回路装置の数を４とし、４つの受電用薄膜回路基板８３１〜８３４を送電用薄膜回路基板８１の上側に順次積層する。この場合も、送電用薄膜回路基板８１はフレキシブル配線基板に、実施例３に示した送電回路装置を搭載する。また、受電用薄膜回路基板８３１〜８３４には、フレキシブル配線基板に、夫々、図６に示した受電回路装置と同様の受電回路装置を搭載する。
【００７９】
この場合の受電用薄膜回路基板８３１〜８３４が電力を供給する負荷電子デバイスは、例えば、温度センサ、気圧センサ、加速度センサ、角速度センサ、ガスセンサ等である。この場合、受電用薄膜回路基板８３１〜８３４を着脱自在に携帯電子機器に装着することが望ましく、それによって、この場合も故障した負荷電子デバイスや、新たな用途で必要になった新規の負荷電子デバイスを受電用薄膜回路基板毎交換することが可能になる。
【００８０】
この場合の受電用薄膜回路基板の積層数は４であるが、４以外でも良く、いずれの場合においても、送電用薄膜回路基板に近い側の受電用薄膜回路基板の受電用ＬＣ回路の共振周波数を大きくすることが望ましい。
【００８１】
このように、本発明の実施例６においても、携帯電子機器に搭載する負荷電子デバイスへの給電を無線給電回路装置を用いて行っているので、負荷電子機器を搭載した受電用薄膜回路基板を使用目的に応じて容易に交換することが可能になる。また、非稼働の受電用薄膜回路基板に対する給電を行わないので、消費電力を節約することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１０  送電回路装置
１１  送電用ＬＣ回路
１２  コイル
１３  キャパシタ
１４１〜１４ｎ  基準クロック信号発生器
１５  変調器
１６  制御演算装置
２０１〜２０ｎ  受電回路装置
２１１〜２１ｎ  受電用ＬＣ回路
２２１〜２２ｎ  コイル
２３１〜２３ｎ  キャパシタ
２４１〜２４ｎ  整流器
２５１〜２５ｎ  基準電圧
２６１〜２６ｎ  比較器
３０，５０  送電回路装置
３１，５１，５９  送電用ＬＣ回路
３２，５２  コイル
３３，５３  キャパシタ
３４１，３４２，５４１，５４２基準クロック信号発生器
３５、３５１，３５２，５５  変調器
３６，３６１，３６２，５６  制御演算装置
３７  電圧加算器
４０１，４０２  受電回路装置
４１１，４１２  受電用ＬＣ回路
４２１，４２２  コイル
４３１，４３２  キャパシタ
４４１，４４２  整流器
４５１，４５２  基準電圧
４６１，４６２  比較器
４７１，４７２  ＬＤＯ
４８１，４８２  負荷抵抗
５７  切替機
５８  可変キャパシタ
６０  送電システム
６１  ＬＣ回路
６２  コイル
６３  キャパシタ
６４  基準クロック信号発生器
６５  変調器
６６  制御演算装置
７０１  第１の受電システム
７０２  第２の受電システム
７１１，７１２  ＬＣ回路
７２１，７２２  コイル
７３１，７３２  キャパシタ
７４１，７４２  整流器
７５１，７５２  基準電圧
７６１，７６２  比較器
８０  無線給電装置
８１  送電用薄膜回路基板
８２  バッテリー
８３１〜８３５  受電用薄膜回路基板
【図１】
2019083646.tif 000013
【図２】
2019083646.tif 000014
【図３】
2019083646.tif 000015
【図４】
2019083646.tif 000016
【図５】
2019083646.tif 000017
【図６】
2019083646.tif 000018
【図７】
2019083646.tif 000019
【図８】
2019083646.tif 000020
【図９】
2019083646.tif 000021
【図１０】
2019083646.tif 000022
【図１１】
2019083646.tif 000023
【図１２】
2019083646.tif 000024
【図１３】
2019083646.tif 000025
【図１４】
2019083646.tif 000026
【図１５】
2019083646.tif 000027