(57)【要約】【課題】簡易な方法で送電用コイルや受電用コイルの共振検出を可能にするものである。【解決手段】  送電側共振回路は、一定周波数の高周波電源を供給する高周波電源装置からの電力の伝送効率を上げ、送電側コイルは、送電側共振回路で効率を上げた高周波電源装置からの電力を無線で供給する。受電側コイルは送電側コイルからの電力を受電し、受電側共振回路は、受電側コイルで受電した電力の伝送効率を上げで負荷に電力を供給する。送電側インピーダンスマッチング回路は高周波電源装置と送電側共振回路との間に設けられ、高周波電源装置が高効率に動作するインピーダンスとする。送電側バイパス回路は、送電側インピーダンスマッチング回路をバイパスする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定周波数の高周波電源を供給する高周波電源装置と、前記高周波電源装置からの電力の伝送効率を上げる送電側共振回路と、前記送電側共振回路で効率を上げた前記高周波電源装置からの電力を無線で供給するための送電側コイルと、前記送電側コイルからの電力を受電する受電側コイルと、前記受電側コイルで受電した電力の伝送効率を上げで負荷に電力を供給する受電側共振回路と、前記高周波電源装置と前記送電側共振回路との間に設けられ前記高周波電源装置が高効率に動作するインピーダンスとするための送電側インピーダンスマッチング回路と、前記送電側インピーダンスマッチング回路をバイパスするための送電側バイパス回路とを備えたことを特徴とする無線電力伝送装置。
【請求項２】
一定周波数の高周波電源を供給する高周波電源装置と、前記高周波電源装置からの電力の伝送効率を上げる送電側共振回路と、前記送電側共振回路で効率を上げた前記高周波電源装置からの電力を無線で供給するための送電側コイルと、前記送電側コイルからの電力を受電する受電側コイルと、前記受電側コイルで受電した電力の伝送効率を上げで負荷に電力を供給する受電側共振回路と、前記受電側共振回路と前記負荷との間に設けられ前記高周波電源装置が高効率に動作するインピーダンスとするための受電側インピーダンスマッチング回路と、前記受電側インピーダンスマッチング回路をバイパスするための受電側バイパス回路とを備えたことを特徴とする無線電力伝送装置。
【請求項３】
前記送電側共振回路と送電用コイルとが共振していることを検出する送電側共振検出回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送装置。
【請求項４】
前記送電側共振検出回路は、送電用コイルの電流に基づいて前記送電側共振回路と送電用コイルとが共振していることを検出することを特徴とする請求項３に記載の無線電力伝送装置。
【請求項５】
前記送電側共振検出回路は、送電用コイルの電圧に基づいて前記送電側共振回路と送電用コイルとが共振していることを検出することを特徴とする請求項３に記載の無線電力伝送装置。
【請求項６】
前記受電側共振回路と受電用コイルとが共振していることを検出する受電側共振検出回路を備えたことを特徴とする請求項２に記載の無線電力伝送装置。
【請求項７】
前記受電側共振検出回路は、受電用コイルの電流または電圧に基づいて前記受電側共振回路と受電用コイルとが共振していることを検出することを特徴とする請求項６に記載の無線電力伝送装置。
【請求項８】
前記送電側共振検出回路または前記受電側共振検出回路が共振を検出したときの前記送電用コイルまたは前記受電用コイルの電圧または電流、電圧と電流との位相差の少なくともいずれか一つを記録する記録装置を設けたことを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１項に記載の無線電力伝送装置。
【請求項９】
前記送電側共振回路または送電用コイルの少なくとも一方のパラメータを変化させ共振周波数を調整する送電側共振調整装置を設けたことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の無線電力伝送装置。
【請求項１０】
前記受電側共振回路または受電用コイルの少なくとも一方のパラメータを変化させ共振周波数を調整する受電側共振調整装置を設けたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の無線電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、無線で電力を伝送する無線電力伝送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
送電コイルと受電コイルとを使用し無線により非接触で電力を伝送する無線電力伝送装置は、電極の露出がなく摩耗による性能劣化がないこと、水分の多い環境でも安全に伝送できることなど多くの利便性を有する。そのため、近年ではＩＣカード、携帯電話、電動歯ブラシ、シェーバーなど多くの機器に採用されている。
【０００３】
無線電力伝送装置では、送電コイルと受電コイルとの位置関係により伝送特性が大きく変動することから、現状ではクレードル等を用いて両コイル間の位置関係を固定し、かつ両コイル間の距離は０から数cm程度のごく近距離での伝送に限定されている。
【０００４】
プリント基板にトランスを実装し、トランスとコンデンサとで共振回路を形成し、共振周波数の交流電力でトランスを駆動することによって、電力伝送の効率を上げるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
長距離での伝送においても、共振回路を用いて伝送効率の向上が可能であり、このような無線電力伝送装置では、一般に数１０ｋＨｚ以上の高周波の電源が用いられる。高周波では、高周波電源と送電用コイルなどの間にインピーダンスマッチング回路が用いられる（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２７４２６２号公報
【特許文献２】特開２００２−３３０００７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、高周波電源と送電用コイルなどとの間にインピーダンスマッチング回路を用いると、インピーダンスマッチング回路を介することになるので、送電用コイル及び受電用コイルにおける共振の検出が困難となる。すなわち、送電用コイル及び受電用コイルの状態だけでなく、インピーダンスマッチング回路の影響が介在することとなるので、送電用コイル及び受電用コイルにおける共振の検出ができない。
【０００８】
本発明の実施形態の目的は、簡易な方法で送電用コイルや受電用コイルの共振検出を可能にするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態によれば、 高周波電源と送電側共振回路と送電用コイルと受電用コイルと受電側共振回路を備える。高周波電源と送電側共振回路との間に送電側インピーダンスマッチング回路を備える。インピーダンスマッチング回路をバイパスする送電側バイパス回路を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成図。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成図。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成図。
【図７】本発明の第７の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成図。
【図８】本発明の第８の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成図。
【図９】本発明の第９の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成図。
【図１０】本発明の第１０の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、第１の実施形態を説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示す構成図である。高周波電源装置１は一定周波数の高周波電源を供給する電源装置であり、高周波電源装置１からの電力を無線で伝送するために送電コイル３及び送電側共振回路２が設けられている。送電側共振回路２は送電コイル３に接続されており、高効率での電力伝送を可能としている。さらに、高周波電源装置１の出力にはインピーダンス変換を行う送信側インピーダンスマッチング回路６が接続されている。また、送信側インピーダンスマッチング回路６をバイパスするための送信側バイパス回路７が接続されている。
【００１２】
一方、受電側は受電用コイル４及び受電側共振回路５で構成され、受電用コイル４は送電用コイル３からの電力を受電し、受電側共振回路５は受電用コイル４で受電した電力の伝送効率を上げで負荷１００に電力を供給する。このように、送電装置は送電側共振回路２と送電用コイル３とで構成され、受電装置は受電側共振回路５と受電用コイル４とで構成されている。
【００１３】
次に、第１の実施形態の作用を以下に説明する。送電側共振回路２及び送電用コイル３で構成される送電装置には、高周波電源装置１が出力する高周波交流電力が印加される。高周波電源装置１は、通常、高効率に動作できるインピーダンス特性が存在する。このインピーダンス値は実際の負荷インピーダンス値とは異なることが多い。
【００１４】
そこで、送信側インピーダンスマッチング回路６が接続されている。この送信側インピーダンスマッチング回路６を介すことで、高周波電源装置１から見ると、送電側共振回路２及び送電用コイル３の特性だけでなく、送信側インピーダンスマッチング回路６の特性が見えることになる。
【００１５】
一方、本発明の実施形態では、送信側インピーダンスマッチング回路６をバイパスする送電側バイパス回路７を設け、これにより、送信側インピーダンスマッチング回路６を介さないで送電側共振回路２及び送電用コイル３の特性を直接検出することを可能としている。
【００１６】
このように、第１の実施形態によれば、送信側インピーダンスマッチング回路６をバイパスすることで、簡易に送電側共振回路２及び送電用コイル３の状態を直接知ることが可能となり、送電用コイル３の共振を簡易に検出することが可能となる。
【００１７】
次に、第２の実施形態を説明する。図２は本発明の第２の実施形態を示す構成図である。この第２の実施形態は、図１に示した第１の実施形態の送電側インピーダンスマッチング回路６及び送電側バイパス回路７に代えて、受電側に受電側インピーダンスマッチング回路８及び受電側バイパス回路９を設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００１８】
高周波電源装置１によって定電圧を出力すると、高周波電源装置１からは、送電側共振回路２、送電用コイル３、受電用コイル４、受電側共振回路５、受電側インピーダンスマッチング回路８、負荷１００のインピーダンスで決まる電流が流れる。このとき、受電側共振回路５から見たインピーダンスは受電側インピーダンスマッチング回路８で決められたインピーダンスとなり、負荷１００の実際のインピーダンスとは異なる。
【００１９】
そこで、受電側インピーダンスマッチング回路８をバイパスする受電側バイパス回路９を設け、これにより、受電側インピーダンスマッチング回路８を介さずに、直接、負荷１００のインピーダンスを検出することができるようにしている。
【００２０】
このように、第２の実施形態によれば、受電側インピーダンスマッチング回路８を受電側バイパス回路９でバイパスすることで、簡易に負荷の状態を知ることが可能となる。
【００２１】
次に、第３の実施形態を説明する。図３は本発明の第３の実施形態を示す構成図である。この第３の実施形態は、図１に示した第１の実施形態に対し、送電側共振回路２と送電用コイル３とが共振していることを検出する送電側共振検出回路１０を設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２２】
図３において、高周波電源装置１によって、一定周波数の高周波交流電力が出力され、インピーダンスの大小によって決まる電流が流れる。ただし、実際の電流は送電側インピーダンスマッチング回路６が接続されているため、この回路特性によって変化する。
【００２３】
そこで、送電側バイパス回路７により、送電側インピーダンスマッチング回路６をバイパスする。これにより、送電側の送電側共振回路２及び送電コイル３で決定される電流が流れることとなる。
【００２４】
送電側共振検出回路１０は、受電側のインピーダンスを監視し共振検出を行う。いま、高周波電源装置１の出力電圧が一定として、送電側共振回路２のキャパシタンスや送電コイル３のインダクタンスを変化させるとインピーダンスが変化する。共振点ではインピーダンスが最小となるため、これを送電側共振検出回路１０で検出することで共振検出が可能となる。
【００２５】
このように、第３の実施形態によれば、送電側バイパス回路７にて送電側インピーダンスマッチング回路６をバイパスすることで、簡易に送信側コイル３の共振状態を知ることが可能となる。
【００２６】
次に、第４の実施形態を説明する。図４は本発明の第４の実施形態を示す構成図である。この第４の実施形態は、図３に示した第３の実施形態に対し、送電用コイル３に流れる電流を検出する電流検出部１１を設け、送電側共振検出回路１０は、電流検出部１１で検出された送電用コイル３の電流に基づいて送電側共振回路２と送電用コイル３とが共振していることを検出するようにしたものである。図３と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２７】
高周波電源装置１によって高周波電力を出力し送電側共振回路２及び送電用コイル３を介して電力を伝送する際に、送電側共振回路２及び送電用コイル３の特性を変化させて、共振条件に合わせるとインピーダンスは最小となる。高周波電源装置１の出力が一定とすると共振点では電流が最大となる。この電流を電流検出部１１で検出することで、共振の検出が可能となる。
【００２８】
このように、第４の実施形態によれば、送電用コイル３に流れる電流を検出することで、簡易に共振の状態を知ることが可能となる。
【００２９】
次に、第５の実施形態を説明する。図５は本発明の第５の実施形態を示す構成図である。この第５の実施形態は、図３に示した第３の実施形態に対し、送電用コイル３の電圧を検出する電圧検出部１２を設け、送電側共振検出回路１０は、電圧検出部１２で検出された送電用コイル３の電圧に基づいて送電側共振回路２と送電用コイル３とが共振していることを検出するようにしたものである。図３と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３０】
高周波電源装置１によって定電圧を出力し、送電側インピーダンスマッチング回路６を送電側バイパス回路７でバイパスする。このとき、送電側共振回路２及び送電用コイル３が共振状態にあると、送電用コイル３には高い電圧が印加される。このため、送電用コイル３の電圧を検出することで、共振の検出が可能となる。
【００３１】
このように、第５の実施形態によれば、送電側インピーダンスマッチング回路６を送電側バイパス回路７でバイパスし、送電用コイル３の電圧を検出することで、簡易に共振の状態を知ることが可能となる。
【００３２】
次に、第６の実施形態を説明する。図６は本発明の第６の実施形態を示す構成図である。この第６の実施形態は、図２に示した第２の実施形態に対し、受電側共振回路５と受電用コイル４とが共振していることを検出する受電側共振検出回路１５を設けたものである。図２と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３３】
図６において、図３に示した第３の実施形態では、インピーダンスマッチング回路のバイパス回路が送電側に接続されていたが、図６の第６の実施形態では、インピーダンスマッチング回路のバイパス回路が受電側に接続されている。
【００３４】
受電側共振回路５において、所望の特性を得るためには共振周波数で運転することが重要である。共振周波数からずれたところで、運転しても所望の性能は得られない。このため、共振を検出することは重要である。
【００３５】
そこで、第６の実施形態では、受電側に受電側共振検出回路１５が接続されている。これにより、受電コイル４及び受電側共振回路５からなるインピーダンスを検出することで、共振周波数の検出が可能になる。このように、第６の実施形態によれば、受電用コイルの共振状態を知ることが可能となる。
【００３６】
次に、第７の実施形態を説明する。図７は本発明の第７の実施形態を示す構成図である。この第７の実施形態は、図６に示した第６の実施形態に対し、受電用コイル４に流れる電流を検出する電流検出部１１を設け、受電側共振検出回路１５は、電流検出部１１で検出された受電用コイル４の電流に基づいて受電側共振回路５と受電用コイル４とが共振していることを検出するようにしたものである。図６と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３７】
第６の実施形態では、受電側共振検出部１５は受電側共振回路５に接続され、インピーダンスの検出を行い共振検出を行っているが、この第７の実施形態では、インピーダンスが変化すると電流も変化するので、共振検出を電流の検出で行うようにしたものである。図７に示すように、電流検出部１１で受電用コイル４の電流を検出し、これにより共振検出を可能としている。
【００３８】
以上の説明では、電流検出部１１で受電用コイル４の電流を検出し共振を検出するようにしたが、電流検出部１１に代えて受電用コイル４の電圧を検出する電圧検出部を設け、電圧検出部で検出した受電用コイル４の電圧に基づいて共振を検出するようにしてもよい。この第７の実施形態によれば、受電用コイル４の電流や電圧を検出することで、共振検出が可能となる。
【００３９】
次に、第８の実施形態を説明する。図８は本発明の第８の実施形態を示す構成図である。この第８の実施形態は、図３に示す第３の実施形態に対し、送電側共振検出回路１０が共振を検出したときの送電用コイル３の電圧または電流、電圧と電流との位相差の少なくともいずれか一つを記録する記録装置１６を設けたものである。図３と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００４０】
一定電圧印加時における電流はインピーダンスで決定される。インピーダンスは回路の抵抗、コンデンサ成分、インダクタンス成分に依存する。これらの抵抗などは、受動部品としてだけでなく、銅線の酸化、配線間の距離の変化など様々な要因で変化する。このため、電源の周波数に送電側共振回路２及び送電用コイル３の共振周波数を合わせたとしても、電流値には変化が現れる。
【００４１】
送電側インピーダンスマッチング回路６を介していると、送電側インピーダンスマッチング回路６の内部の変化も含まれるが、これをバイパスして計測した電流や電圧などを計測し記録装置１６で記録する。ここの記録装置１６の記録データから経年変化を知ることが可能になる。これにより、抵抗成分の増加により、電流が減少し劣化しているなどの検出が可能となる。
【００４２】
以上の説明では、送電側に記録装置１６を設けるようにしたが、受電側に記録装置１６を設けるようにしてもよい。この場合には、例えば、図６に示した第６の実施の形態に対し、受電側共振検出回路１５が共振を検出したときの受電用コイル４の電圧または電流、電圧と電流との位相差の少なくともいずれか一つを記録する記録装置１６を設けることになる。このように、第８の実施形態によれば、インピーダンスマッチング回路をバイパスして計測した電流などを記録することで、劣化診断が可能となる。
【００４３】
次に、第９の実施形態を説明する。図９は本発明の第９の実施形態を示す構成図である。この第９の実施形態は、図３に示した第３の実施形態に対し、送電側共振回路２または送電用コイル３の少なくとも一方のパラメータを変化させ共振周波数を調整する送電側共振調整装置２０を設けたものである。図３と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００４４】
無線電力伝送装置は送電側共振回路２及び送電用コイル３を共振させて電力伝送を行うものであり、その共振周波数はコイル及びコンデンサによる共振回路であれば、インダクタンスとコンデンサとの積で決定される。
【００４５】
第９の実施形態では送電側共振検出回路１０に送電側共振調整装置２０を追加して設けている。そして、例えば、一定周波数、一定電圧値の高周波交流電力を高周波電源装置１から送電側インピーダンスマッチング回路６をバイパスして直接、送電側共振回路２及び送電用コイル３に供給し、コンデンサ及びインダクタンスを送信側共振調整装置２０で変化させ、送信側共振検出回路１０が共振を検出したら、その条件で固定する。これにより、最適な条件で高効率な電力伝送が可能となる。
【００４６】
このとき、送電側インピーダンスマッチング回路６はバイパスされているため、送電側共振回路２及び送電用コイル３の共振周波数を確実に調整することが可能となる。その後、送電側インピーダンスマッチング回路６のバイパスを解除し、送電側インピーダンスマッチング回路６の定数を調整することで、全体として最適条件での電力伝送が可能となる。
【００４７】
このように、第９の実施形態によれば、送電側インピーダンスマッチング回路６をバイパスして送電用コイル３及び送電側共振回路２を調整することにより、高効率での電力伝送が可能となる。
【００４８】
次に、第１０の実施形態を説明する。図１０は本発明の第１０の実施形態を示す構成図である。この第１０の実施形態は、図６に示した第６の実施形態に対し、受電側共振回路５または受電用コイル４の少なくとも一方のパラメータを変化させ共振周波数を調整する受電側共振調整装置２１を設けたものである。図６と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００４９】
図１０において、受電側共振検出回路１５に受信側共振調整装置２１が追加されている。無線電力伝送装置は受電側共振回路５及び受信用コイル４を共振させて電力の受電を行う。その共振周波数はコイル及びコンデンサによる共振回路であれば、インダクタンスとコンデンサの積で決定される。
【００５０】
第１０の実施形態では共振検出回路１５に、受信用共振調整装置２１を追加して設けている。これにより、受電側についても、指定の周波数に対して、コイルのインダクタンスや受電側共振回路５のコンデンサなどを調整して、共振周波数を合わせることが可能になる。
【００５１】
このように、第１０の実施形態によれば、受信側インピーダンスマッチング回路８をバイパスして受電用コイル４及び受電側共振回路５を調整することにより、高効率での電力伝送が可能となる。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５３】
１…高周波電源装置、２…送電側共振回路、３…送電用コイル、４…受電用コイル、５…受電側共振回路、６…送電側インピーダンスマッチング回路、７…送電側バイパス回路、８…受電側インピーダンスマッチング回路、９…受電側バイパス回路、１０…送電側共振検出回路、１１…電流検出部、１２…電圧検出部、１５…受電側共振検出回路、１６…記録装置、２０…送電側共振調整装置、２１…受電側共振調整装置、１００…負荷
【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】
2012147560.tif 000009
【図８】
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【図９】
2012147560.tif 000011
【図１０】
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