(57)【要約】  アクティブ電極Ｅ３およびパッシブ電極Ｅ４には、送電装置１０から伝送された２００ｋＨｚの高周波電圧が印加される。一次降圧トランス２４は、２００ｋＨｚの近傍で共振する特性を有し、アクティブ電極Ｅ３およびパッシブ電極Ｅ４に印加された高周波電圧を降圧させる。二次降圧トランス２６は、一次降圧トランス２４によって降圧された高周波電圧をさらに降圧させる。整流平滑回路２８は、二次降圧トランス２６によって降圧された高周波電圧に基づく電流を整流平滑する。整流平滑回路２８の出力は、出力端子Ｖｏｕｔを経て負荷２２に供給される。
2014119059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電装置から電界結合により伝送された既定周波数の交流電圧が印加される受電電極、
前記既定周波数の近傍で共振する特性を有し、前記受電電極に印加された交流電圧を降圧させる第１降圧手段、
前記第１降圧手段によって降圧された交流電圧を降圧させる第２降圧手段、
前記第２降圧手段によって降圧された交流電圧に基づく電流を整流平滑する整流平滑手段、および
前記整流平滑手段の出力が供給される負荷を備える、受電装置。
【請求項２】
前記送電装置は前記交流電圧が印加される送電電極を備え、
前記受電電極は前記送電電極と電界結合される電極に相当する、請求項１記載の受電装置。
【請求項３】
前記第１降圧手段は第１圧電トランスを含む、請求項１または２記載の受電装置。
【請求項４】
前記第１降圧手段は、互いに直列接続された複数のインダクタ、および前記複数のインダクタの一部と並列接続されたキャパシタを含む、請求項１または２記載の受電装置。
【請求項５】
前記第２降圧手段は第２圧電トランスを含む、請求項１ないし４のいずれかに記載の受電装置。
【請求項６】
既定周波数の交流電圧を発生する発生手段、
前記発生手段から発生された交流電圧を昇圧させる第１昇圧手段、
前記既定周波数の近傍で共振する特性を有し、前記第１昇圧手段によって昇圧された交流電圧を昇圧させる第２昇圧手段、および
前記第２昇圧手段によって昇圧された交流電圧が印加される送電電極を備える、送電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、受電装置に関し、特に、受電した交流電圧を降圧する機能を有する、受電装置に関する。【０００２】
この発明はまた、送電装置に関し、特に、送電する交流電圧を昇圧する機能を有する、送電装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来の電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムが、特許文献１に開示されている。このシステムでは、送電装置に設けられた高周波電圧発生回路が、たとえば１００ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚの高周波電圧を発生する。発生された高周波電圧は、昇圧トランスおよびインダクタによって形成された昇圧回路で昇圧される。送電装置のパッシブ電極およびアクティブ電極は、受電装置に設けられたパッシブ電極およびアクティブ電極と電界結合され、昇圧された高周波電圧は、これらの電極を介して受電装置に伝送される。受電装置には、降圧トランスおよびインダクタによって形成された降圧回路が設けられる。電界結合によって伝送された高周波電圧は、この降圧回路によって降圧された後、整流平滑回路を経て二次電池に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２９５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、昇圧トランスおよび降圧トランスの仕様（具体的には、耐電圧，インダクタンス値，Ｑ値）を厳しくすると、これらのトランスの低背化ひいてはシステムモジュールの小型化が困難になる。結果的に、小型化要求の厳しい携帯電話機、スマートフォンのようなモバイル機器にシステムを内蔵することが困難になる。また、特に、巻線を用いたトランスにおいて、昇圧トランスおよび降圧トランスを共振にも利用しようとすると、必要な仕様（耐電圧、Ｑ値、サイズ、コスト等）をすべて満足するトランスを得ることが選ぶのが困難である。【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、受電効率に優れかつ小型化できる、受電装置を提供することである。【０００７】
この発明の他の目的は、送電効率に優れかつ小型化できる、送電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に従う受電装置(20：実施例で相当する参照符号。以下同じ)は、送電装置(10)から伝送された既定周波数の交流電圧が印加される受電電極(E3, E4)、既定周波数の近傍で共振する特性を有し、受電電極に印加された交流電圧を降圧させる第１降圧手段(24, 30, 32)、第１降圧手段によって降圧された交流電圧を降圧させる第２降圧手段(26, 30, 40)、第２降圧手段によって降圧された交流電圧に基づく電流を整流平滑する整流平滑手段(28)、および整流平滑手段の出力を負荷(22)に供給する供給手段(Vout)を備える。【０００９】
好ましくは、送電装置は交流電圧が印加される送電電極(E1, E2)を備え、受電電極は送電電極と電界結合される電極に相当する。【００１０】
好ましくは、第１降圧手段は第１圧電トランス(30)を含む。【００１１】
好ましくは、第１降圧手段は、互いに直列接続された複数のインダクタ(L3, L4)、および複数のインダクタの一部と並列接続されたキャパシタ(C2)を含む。【００１２】
好ましくは、第２降下手段は第２圧電トランス(40)を含む。【００１３】
この発明に従う送電装置(10)は、既定周波数の交流電圧を発生する発生手段(12)、発生手段から発生された交流電圧を昇圧させる第１昇圧手段(14)、既定周波数の近傍で共振する特性を有し、第１昇圧手段によって昇圧された交流電圧を昇圧させる第２昇圧手段(16)、および第２昇圧手段によって昇圧された交流電圧が印加される送電電極(E1, E2)を備える。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、送電装置から伝送された交流電圧は既定周波数を示すところ、受電電極に印加された交流電圧を降圧する第１降圧手段は既定周波数の近傍で共振する特性を有するため、高い受電効率が得られる。また、送電装置から伝送された交流電圧は、第１降圧手段および第２降圧手段によって段階的に降圧される。このため、各降圧手段の仕様を緩和することができ、各降圧手段の低背化が図られる。【００１５】
具体的には、第１降圧手段の出力電圧が高くてもよいため、第１降圧手段の出力電流を抑制することができ、これによって第１降圧手段の低背化が図られる。また、第２降圧手段に高い耐圧性能を求める必要がなくなり、これによって第２降圧手段の低背化が図られる。各降圧手段の低背化の結果、受電装置の小型化が実現される。【００１６】
この発明によれば、交流電源から発生される交流電圧は既定周波数を示すところ、送電電極に印加される交流電圧を出力する第２昇圧手段は既定周波数の近傍で共振する特性を有するため、高い送電効率が得られる。また、交流電源から発生された交流電圧は第１昇圧手段および第２昇圧手段によって段階的に昇圧される。このため、各昇圧手段の仕様を緩和することができ、各昇圧手段の低背化が図られる。【００１７】
具体的には、第１昇圧手段に高い耐圧性能を求める必要がなくなり、これによって第１昇圧手段の低背化が図られる。また、第２昇圧手段の入力電圧が高いため、第２昇圧手段の入力電流を抑制することができ、これによって第２昇圧手段の低背化が図られる。各昇圧手段の低背化の結果、受電装置の小型化が実現される。【００１８】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】電力伝送システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】電力伝送システムの構成の他の一例を示すブロック図である。
【図３】電力伝送システムの構成のその他の一例を示すブロック図である。
【図４】電力伝送システムの構成のさらにその他の一例を示すブロック図である。
【図５】電力伝送システムの構成の他の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１を参照して、この実施例の電力伝送システムは、送電装置１０および受電装置２０を備える。送電装置１０は、高周波電圧発生回路１２および昇圧トランス１４と、電界結合用のアクティブ電極Ｅ１およびパッシブ電極Ｅ２とによって形成される。また、受電装置２０は、電界結合用のアクティブ電極Ｅ３およびパッシブ電極Ｅ４と、一次降圧トランス２４，二次降圧トランス２６および整流平滑回路２８とによって形成される。
【００２１】
送電装置１０において、高周波電圧発生回路１２は、２００ｋＨｚの高周波電圧（交流電圧）を発生する。高周波電圧発生回路１２の一方出力端および他方出力端は、昇圧トランス１４を形成する一次コイルＬ１の一方端および他方端にそれぞれ接続される。昇圧トランス１４を形成する二次コイルＬ２は、一次コイルＬ１の巻き数よりも大きい巻き数を有する。二次コイルＬ２の一方端はアクティブ電極Ｅ１に接続され、二次コイルＬ２の他方端はパッシブ電極Ｅ２に接続される。
【００２２】
受電装置２０において、一次降圧トランス２４は、一方端がアクティブ電極Ｅ３と接続されたコイルＬ３を有する。コイルＬ３の他方端はコイルＬ４の一方端と接続され、コイルＬ４の他方端はパッシブ電極Ｅ４と接続される。コンデンサＣ２はコイルＬ４と並列接続され、コイルＬ３およびＬ４とともに共振回路を形成する。
【００２３】
ここで、コイルＬ３の巻き数および巻線径はそれぞれ“５００”および“０．１ｍｍ”に調整され、コイルＬ４の巻き数および巻線径はそれぞれ“５０”および“０．２ｍｍ”に調整される。さらに、コイルＬ３のサイズは１５ｍｍ×６ｍｍ×５ｍｍ（高さは５ｍｍ）に調整され、コイルＬ４のサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍ（高さは５ｍｍ）に調整される。また、コンデンサＣ２の容量は、前記共振回路の共振周波数が２００ｋＨｚの近傍の周波数を示すように調整される。
【００２４】
二次降圧トランス２６は、一次コイルＬ５および二次コイルＬ６によって形成される。一次コイルＬ５および二次コイルＬ６のいずれも、基板上のパターンで形成される。一次コイルＬ５の巻き数およびパターン幅はそれぞれ“２５”および“０．５ｍｍ”に調整され、二次コイルＬ６の巻き数およびパターン幅はそれぞれ“５”および“１．０ｍｍ”に調整される。さらに、二次降圧トランス２６のサイズは、２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍ（高さは５ｍｍ）に調整される。
【００２５】
一次コイルＬ５の一方端はコイルＬ４の一方端と接続され、一次コイルＬ５の他方端はコイルＬ４の他方端と接続される。二次コイルＬ６の一方端は、整流平滑回路２８を形成するダイオードＤ１のアノードおよびダイオードＤ３のカソードと接続される。また、二次コイルＬ６の他方端は、整流平滑回路２８を形成するダイオードＤ２のアノードおよびダイオードＤ４のカソードと接続される。
【００２６】
整流平滑回路２８において、ダイオードＤ１およびＤ２のカソードはコンデンサＣ１の一方端に接続され、ダイオードＤ３およびＤ４のアノードはコンデンサＣ１の他方端に接続される。コンデンサＣ１に並列に、二次電池などの負荷２２が設けられる。
【００２７】
したがって、高周波電圧発生回路１２から発生された高周波電圧は、昇圧トランス１４によって昇圧された後、アクティブ電極Ｅ１およびパッシブ電極Ｅ２に印加される。受電装置２０のアクティブ電極Ｅ３およびパッシブ電極Ｅ４には、こうして印加された高周波電圧に基づく高周波電圧が、電界結合によって励起される。
【００２８】
励起された高周波電圧は、一次降圧トランス２４および二次降圧トランス２６によって段階的に降圧される。降圧された高周波電圧は、ダイオードＤ１〜Ｄ４によって全波整流され、整流された電圧はコンデンサＣ１によって平滑される。負荷２２には、こうして生成された直流電圧に基づく電流が出力端子Ｖｏｕｔを介して供給される。
【００２９】
以上の説明から分かるように、送電装置１０から伝送された高周波電圧は２００ｋＨｚの周波数を示すところ、一次降圧トランス２４は、２００ｋＨｚの近傍で共振する特性を有するため、高い受電効率が得られる。また、送電装置１０から伝送された高周波電圧は、一次降圧トランス２４および二次降圧トランス２６によって段階的に降圧される。このため、一次降圧トランス２４および二次降圧トランス２６の各々の仕様（耐電圧，インダクタンス値，Ｑ値）を緩和することができ、一次降圧トランス２４および二次降圧トランス２６の低背化が可能となる。
【００３０】
具体的には、一次降圧トランス２４の出力電圧が単一のトランスにより降圧する場合に比べ高くてもよいため、一次降圧トランス２４の出力電流を抑制することができ、これによって一次降圧トランス２４の低背化が図られる。また、二次降圧トランス２６に高い耐圧性能を求める必要がなく、さらに共振型である必要もないので、二次降圧トランス２６の低背化が可能となる。こうして一次降圧トランス２４および二次降圧トランス２６が低背化された結果、受電装置２０の小型化が実現される。また、二次降圧トランスは共振型である必要がないため、結合の強い漏れインダクタンスの小さいトランスを用いることができ、共振回路部の条件を大幅に変更することなく、負荷仕様に合わせて、システムとして最適な降圧トランスを選ぶことが容易である。
【００３１】
図２を参照して、他の実施例の電力伝送システムは、受電装置２０の一次降圧トランス２４が単板圧電トランス３０によって置換される点を除いて、図１に示す電力伝送システムと同様であるため、重複する部分についての説明は極力省略する。
【００３２】
単板圧電トランス３０は、二次側に単一の電極Ｅ５を有し、一次側に２つの電極Ｅ６およびＥ７を有する。この実施例では単板圧電トランス３０を降圧のために用いるため、二次側の電極Ｅ５がアクティブ電極Ｅ３と接続され、一次側の電極Ｅ６およびＥ７が二次降圧トランス２６を形成する一次コイルＬ５の一方端および他方端と接続される。電極Ｅ７は、パッシブ電極Ｅ４とも接続される。
【００３３】
また、単板圧電トランス３０の共振周波数は２００ｋＨｚの近傍に設定される。さらに、単板圧電トランス３０のサイズは１０ｍｍ×２５ｍｍ×３ｍｍ（高さは３ｍｍ）に調整される。なお、高さを３ｍｍ程度まで許容された単板圧電トランス３０は、１０Ｗ程度の電力を伝送することができる。
【００３４】
単板圧電トランス３０では降圧比を大きく確保することが困難であるため、単板圧電トランス３０は送電装置１０から伝送された高周波電圧を１／２〜１／５程度まで降圧するに留まる。ただし、単板圧電トランス３０を設けることで二次降圧トランス２６の耐電圧を低くすることができ、二次降圧トランス２６の低背化が可能となる。単板圧電トランス３０のサイズは上述の通りであるため、図１実施例と同様、受電装置２０の小型化が実現される。
【００３５】
図３を参照して、その他の実施例の電力伝送システムは、図２に示す単板圧電トランス３０がそれと等価な素子を有する降圧回路３２によって置換される点を除いて、図２に示す電力伝送システムと同様であるため、重複する部分についての説明は極力省略する。
【００３６】
降圧回路３２は、アクティブ電極Ｅ３と接続された一方端およびパッシブ電極Ｅ４と接続された他方端を有するコンデンサＣ３を有する。コンデンサＣ３の一方端はコンデンサＣ４の一方端と接続され、コンデンサＣ４の他方端はコイルＬ７を介してコンデンサＣ５の一方端と接続される。コンデンサＣ５の他方端は、コンデンサＣ３の他方端と接続される。二次降圧トランス２６を形成する一次コイルＬ５は、コンデンサＣ５と並列接続される。
【００３７】
降圧回路３２の共振周波数は、コンデンサＣ３〜Ｃ５の容量およびコイルＬ７のインダクタンスを調整することで、２００ｋＨｚの近傍に調整される。また、送電回路１０から伝送された高周波電圧は、コイルＬ７によって降圧される。この実施例においても、図１実施例と同様、受電装置２０の小型化が実現される。
【００３８】
図４を参照して、さらにその他の実施例の電力伝送システムは、受電装置２０の二次降圧トランス２６が上述した単板圧電トランス４０によって置換される点を除いて、図１に示す電力伝送システムと同様であるため、重複する部分についての説明は極力省略する。
【００３９】
単板圧電トランス４０は、二次側に単一の電極Ｅ５を有し、一次側に２つの電極Ｅ６およびＥ７を有する。この実施例でも単板圧電トランス４０を降圧のために用いるため、二次側の電極Ｅ５がコンデンサＣ２の一方端と接続され、一次側の電極Ｅ６がダイオードＤ１のアノードおよびダイオードＤ３のカソードと接続され、一次側の電極Ｅ７がダイオードＤ２のアノードおよびダイオードＤ４のカソードと接続される。
【００４０】
なお、この実施例では、単板圧電トランス４０の共振周波数を２００ｋＨｚの近傍に設定する必要はない。また、一次側の電極Ｅ６およびＥ７の間には、単板圧電トランス４０と整流平滑回路２８との間でインピーダンス整合をとるためのインダクタＬ８が追加される。
【００４１】
この実施例においても、上述と同様、一次降圧トランス２４および単板圧電トランス４０の低背化が可能となり、受電装置２０の小型化が実現される。
【００４２】
図５を参照して、他の実施例の電力伝送システムは、送電装置１０に二次昇圧トランス１６を追加し、受電装置２０から一次降圧トランス２４を省いた点を除いて、図１に示す電力伝送システムと同様であるため、重複する部分についての説明は極力省略する。
【００４３】
送電回路１０において、二次昇圧トランス１６は、コンデンサＣ６を有する。コンデンサＣ６の一方端および他方端は、一次昇圧トランス１４を形成する二次コイルＬ２の一方端および他方端とそれぞれ接続される。コイルＬ９の一方端および他方端はそれぞれ、コンデンサＣ６の一方端および他方端と接続される。コイルＬ１０の一方端はコイルＬ９の一方端と接続され、コイルＬ１０の他方端はアクティブ電極Ｅ１と接続される。パッシブ電極Ｅ２は、コイルＬ９の他方端と接続される。
【００４４】
コンデンサＣ６は、コイルＬ９およびＬ１０とともに共振回路を形成する。また、コンデンサＣ６の容量は、共振周波数が２００ｋＨｚの近傍の周波数を示すように調整される。
【００４５】
一方、受電回路２０において、降圧トランス２６を形成する一次コイルＬ５の一方端および他方端は、アクティブ電極Ｅ３およびパッシブ電極Ｅ４と接続される。
【００４６】
この実施例においても、高周波電圧発生回路１２から出力された高周波電圧は２００ｋＨｚの周波数を示すところ、二次昇圧トランス１６は、２００ｋＨｚの近傍で共振する特性を有するため、高い送電効率が得られる。また、高周波電圧は、一次昇圧トランス１４および二次昇圧トランス１６によって段階的に昇圧される。このため、一次昇圧トランス１４および二次昇圧トランス１６の仕様を緩和することができ、一次昇圧トランス１４および二次昇圧トランス１６の低背化が図られる。
【００４７】
具体的には、一次昇圧トランス１４に高い耐圧性能を求める必要がなく、さらに共振型である必要もないので、一次昇圧トランス１４の低背化が図られる。また、二次昇圧トランス１６の入力電圧が高いため、二次昇圧トランス１６の入力電流を抑制することができ、これによって二次昇圧トランス１６の低背化が図られる。一次昇圧トランス１４および二次昇圧トランス１６の低背化の結果、送電装置１０の小型化が実現される。また、二次昇圧トランスは共振型である必要がないため、結合の強い漏れインダクタンスの小さいトランスを用いることができ、共振回路部の条件を大幅に変更することなく、電源の仕様に合わせて、システムとして最適な昇圧トランスを選ぶことが容易である。
【００４８】
なお、これらの実施例では、送電装置１０および受電装置２０のいずれか一方のトランスだけを二段構成としているが、送電装置１０および受電装置２０の両方のトランスを二段構成とするようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１０  …送電装置
１４  …昇圧トランス
１６  …二次昇圧トランス
２０  …受電装置
２４，３２  …一次降圧トランス
２６  …二次降圧トランス
２８  …整流平滑回路
３０  …単板圧電トランス
【図１】
2014119059.tif 000003
【図２】
2014119059.tif 000004
【図３】
2014119059.tif 000005
【図４】
2014119059.tif 000006
【図５】
2014119059.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成27年1月9日(2015.1.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電装置から電界結合により伝送された既定周波数の交流電圧が印加される受電電極、
前記既定周波数の近傍で共振する特性を有し、前記受電電極に印加された交流電圧を降圧させる第１降圧手段、
前記第１降圧手段によって降圧された交流電圧を降圧させる第２降圧手段、
前記第２降圧手段によって降圧された交流電圧に基づく電流を整流平滑する整流平滑手段、および
前記整流平滑手段の出力が供給される負荷を備える、受電装置。
【請求項２】
前記送電装置は前記交流電圧が印加される送電電極を備え、
前記受電電極は前記送電電極と電界結合される電極に相当する、請求項１記載の受電装置。
【請求項３】
前記第１降圧手段は第１圧電トランスを含む、請求項１または２記載の受電装置。
【請求項４】
前記第１降圧手段は、互いに直列接続された複数のインダクタ、および前記複数のインダクタの一部と並列接続されたキャパシタを含む、請求項１または２記載の受電装置。
【請求項５】
前記第２降圧手段は第２圧電トランスを含む、請求項１ないし４のいずれかに記載の受電装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
具体的には、一次昇圧トランス１４に高い耐圧性能を求める必要がなく、さらに共振型である必要もないので、一次昇圧トランス１４の低背化が図られる。また、二次昇圧トランス１６の入力電圧が高いため、二次昇圧トランス１６の入力電流を抑制することができ、これによって二次昇圧トランス１６の低背化が図られる。一次昇圧トランス１４および二次昇圧トランス１６の低背化の結果、送電装置１０の小型化が実現される。また、一次昇圧トランスは共振型である必要がないため、結合の強い漏れインダクタンスの小さいトランスを用いることができ、共振回路部の条件を大幅に変更することなく、電源の仕様に合わせて、システムとして最適な昇圧トランスを選ぶことが容易である。
【国際調査報告】
2014119059.tif 000008
2014119059.tif 000009
2014119059.tif 000010
2014119059.tif 000011