(57)【要約】【課題】共振回路のキャパシタンス値を簡単な構成により適切に制御して、電力伝送の効率を良好に維持することが可能なワイヤレス電力伝送システムを提供する。【解決手段】一次コイル３及び一次コンデンサ５により構成された送電共振器を有する送電装置１と、二次コイル４及び二次コンデンサ１０により構成された受電共振器を有する受電装置２とを備え、一次コイルと二次コイルの間の作用を介して送電装置から受電装置へ電力を伝送するワイヤレス電力伝送システム。送電装置は、送電共振器に高周波電力を供給する送電部６と、一次コンデンサの温度を調節する温度調節部７と、送電共振器の共振状態を検出する共振状態検出部８と、送電部及び温度調節部の動作を制御する送電制御部９とを備える。送電制御部は、共振状態検出部が検出する共振状態に基づき温度調節部を制御して、共振状態が最大となるように一次コンデンサの温度を調節する。【選択図】図１
2013233053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次コイル及び一次コンデンサにより構成された送電共振器を有する送電装置と、
二次コイル及び二次コンデンサにより構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、
前記一次コイルと前記二次コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送するワイヤレス電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、
前記送電共振器に高周波電力を供給する送電部と、
前記一次コンデンサの温度を調節する温度調節部と、
前記送電共振器の共振状態を検出する共振状態検出部と、
前記送電部及び前記温度調節部の動作を制御する送電制御部とを備え、
前記送電制御部は、前記共振状態検出部が検出する共振状態に基づき前記温度調節部を制御して、前記共振状態が最大となるように前記一次コンデンサの温度を調節することを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
【請求項２】
前記共振状態検出部は、前記送電共振器に供給される前記高周波電力の大きさを検出する電力検出回路により構成され、
前記送電制御部は、検出される前記高周波電力が最大となるように前記一次コンデンサの温度を制御する請求項１に記載のワイヤレス電力伝送システム。
【請求項３】
一次コイル及び一次コンデンサにより構成された送電共振器を有する送電装置と、
二次コイル及び二次コンデンサにより構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、
前記一次コイルと前記二次コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送するワイヤレス電力伝送システムにおいて、
前記受電装置は、
前記受電共振器に伝送された高周波電力を所定の電力形式に変換する電力変換部と、
前記二次コンデンサの温度を調節する温度調節部と、
前記受電共振器の共振状態を検出する共振状態検出部と、
前記温度調節部の動作を制御する受電制御部とを備え、
前記受電制御部は、前記共振状態検出部が検出する共振状態に基づき前記温度調節部を制御して、前記共振状態が最大となるように前記二次コンデンサの温度を調節することを特徴とする無線給電システム。
【請求項４】
前記共振状態検出部は、前記受電共振器が伝送を受けた受電電力の大きさを検出する電力検出回路により構成され、
前記受電制御部は、検出される前記受電電力が最大となるように前記二次コンデンサの温度を制御する請求項３に記載のワイヤレス電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電装置に具備された一次コイルと受電装置に具備された二次コイルを介して、ワイヤレス（非接触）で電力の伝送を行うワイヤレス電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車や産業用機器、携帯用電子機器等へのワイヤレス電力伝送技術が注目を浴びている。特に、電動歯ブラシや電気シェーバー等の水まわりで使う電化製品やコードレス電話機、携帯電話機等には、この技術が重宝され、一部の製品において採用されている。
【０００３】
現在実用化されているワイヤレス電力伝送システムとして、送電装置に設けられた一次コイルと、受電装置に設けられた二次コイルとの間での電磁誘導を利用した電磁誘導型ワイヤレス電力伝送システムがある。この装置においては、電力の伝送効率を高めるために、送電側と受電側の機器に設けられた各々のコイルを近接させて配置する必要がある。そのため、電力を無線伝送できる距離が短いという課題を有する。
【０００４】
そこで、数ｍ離れた機器にワイヤレスで電力を伝送する技術として、磁界共鳴型ワイヤレス電力伝送が知られている。この技術は、送電側の一次コイルと受電側の二次コイルとの間で、磁界の共鳴を利用して電力伝送を行うものである。
【０００５】
磁界共鳴型ワイヤレス電力伝送技術では、送電側の一次コイルと一次コンデンサによる共振回路と、受電側の二次コイルと二次コンデンサによる共振回路が、送電側の共振回路の駆動周波数で共振するとき、高い電力伝送効率が得られる。同様に、電磁誘導型ワイヤレス電力伝送技術においても、一次コイルと一次コンデンサによる共振回路を利用して高い共振状態を作り出すことで、高い電力伝送効率が得られる。
【０００６】
コイルとコンデンサによる共振回路の共振周波数ｆは、コイルのインダクタンスＬ、コンデンサのキャパシタンスＣで決定され、ｆ＝１／｛２π（ＬＣ）1/2｝で表わされる。コイルのインダクタンスＬおよびコンデンサのキャパシタンスＣは、形状や材質などによって変化する。特にコンデンサのキャパシタンスＣは、温度により大きく変化する。そのため、共振周波数ｆは、温度による影響を大きく受ける。
【０００７】
特許文献１には、外部装置との電磁結合を介して給電を受ける半導体装置において、過剰電力の受電を防止するために、温度変化に起因するコンデンサのキャパシタンス変化に応じた共振周波数ｆの変化を利用する構成が開示されている。
【０００８】
すなわち、受電装置である非接触型のＩＣカードやＩＣタグ等を構成する半導体装置の共振回路は、初期状態では、高効率な電力伝送を行うべく、送電搬送波の周波数と一致するように設定されている。そして、電磁結合により受電する電力が過剰になると、発熱により内部温度が上昇し、共振回路を構成するコンデンサのキャパシタンス値が変化して、共振回路の共振周波数が変化する。この結果、共振回路の共振周波数が搬送波の周波数と乖離することとなり、共振回路に流れる電流値が減少して、過剰な受電を回避することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−３５４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ワイヤレス電力伝送における共振回路の共振周波数の調整は、特許文献１に開示された発明のような、過剰な受電を防止することを目的とする場合に限られるものではない。すなわち、温度の変化も含めて、電力伝送の効率の低下が何らかの原因で発生したときに、共振状態が良好になるように共振周波数を調整することも望まれる。
【００１１】
しかし、特許文献１に開示された発明は、温度上昇時に伝送効率を低下させることを目的とするものであって、温度上昇を受動的に利用するものである。従って、高い電力伝送効率を維持するために、キャパシタンス値を調整して、共振周波数を適切な値に維持させる能動的な制御に適用できるものではない。
【００１２】
従って、本発明は、共振回路のキャパシタンス値を簡単な構成により適切に制御して、電力伝送の効率を良好に維持することが可能なワイヤレス電力伝送システム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】
【００１３】
本発明のワイヤレス電力伝送システムは、基本構成として、一次コイル及び一次コンデンサにより構成された送電共振器を有する送電装置と、二次コイル及び二次コンデンサにより構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、前記一次コイルと前記二次コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の第１構成のワイヤレス電力伝送システムは、前記送電装置が、前記送電共振器に高周波電力を供給する送電部と、前記一次コンデンサの温度を調節する温度調節部と、前記送電共振器の共振状態を検出する共振状態検出部と、前記送電部及び前記温度調節部の動作を制御する送電制御部とを備え、前記送電制御部は、前記共振状態検出部が検出する共振状態に基づき前記温度調節部を制御して、前記共振状態が最大となるように前記一次コンデンサの温度を調節することを特徴とする。
【００１５】
本発明の第２構成のワイヤレス電力伝送システムは、前記受電装置が、前記受電共振器に伝送された高周波電力を所定の電力形式に変換する電力変換部と、前記二次コンデンサの温度を調節する温度調節部と、前記受電共振器の共振状態を検出する共振状態検出部と、前記温度調節部の動作を制御する受電制御部とを備え、前記受電制御部は、前記共振状態検出部が検出する共振状態に基づき前記温度調節部を制御して、前記共振状態が最大となるように前記二次コンデンサの温度を調節することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のワイヤレス電力伝送システムによれば、温度調節部により共振回路のコンデンサのキャパシタンスを調整して、共振回路の共振周波数を、簡単な構成により適切に制御することができる。それにより、一次コイルと一次コンデンサによる共振回路、または二次コイルと二次コンデンサと二次コンデンサによる共振回路と、高周波電力の共振が良好な状態を維持することが可能となり、伝送効率の高いワイヤレス電力伝送システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１におけるワイヤレス伝送システムの構成を示すブロック図
【図２】コンデンサの温度による容量変化の一例を示す図
【図３】実施の形態１におけるワイヤレス伝送システムの動作を示すフローチャート
【図４】本発明の実施の形態２におけるワイヤレス伝送システムの構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明のワイヤレス伝送システムは、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。
【００１９】
すなわち、第１構成のワイヤレス伝送システムにおいて、前記共振状態検出部は、前記送電共振器に供給される前記高周波電力の大きさを検出する電力検出回路により構成され、前記送電制御部は、検出される前記高周波電力が最大となるように前記一次コンデンサの温度を制御する構成とすることができる。
【００２０】
また、第２構成のワイヤレス伝送システムにおいて、前記共振状態検出部は、前記受電共振器が伝送を受けた受電電力の大きさを検出する電力検出回路により構成され、前記受電制御部は、検出される前記受電電力が最大となるように前記二次コンデンサの温度を制御する構成とすることができる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２２】
＜実施の形態１＞
実施の形態１におけるワイヤレス電力伝送システムの構成を、図１にブロック図で示す。このシステムは、送電装置１と受電装置２により構成される。
【００２３】
送電装置１は、高周波電力をワイヤレス送電するための一次コイル３を有する。受電装置２は、一次コイル３が供給する高周波電力を受電するための二次コイル４を有する。なお、一次コイル３と二次コイル４の結合形態は、電磁誘導、電波、電場または磁場の共有によるもの等、適宜採用することができる。
【００２４】
送電装置１において、一次コイル３には一次コンデンサ５が接続されて直列共振回路（送電共振器）を構成している。この直列共振回路には送電部６が接続され、送電部６が発生する高周波電力が供給される。一次コイル３と一次コンデンサ５による直列共振回路の共振周波数と、送電部６が発生する高周波電力の駆動周波数を一致させることにより、効率の高い電力伝送を実現することができる。
【００２５】
一次コンデンサ５の近傍には温度調節部７が設置され、一次コンデンサ５の温度を調節する。温度調節部７の一例としては、電熱ヒータによる加熱及びファンによる冷却の組み合わせ、あるいはペルチェ素子等を用いることができる。また、加熱のみまたは、冷却のみの構成とすることもできる。温度調節部７により一次コンデンサ５の温度を調節することで、その容量を調節することができる。
【００２６】
一般にコンデンサは、温度に応じて容量が変化する性質を持つ。温度による容量変化の一例を図２に示す。この図には、各温度（横軸）でのコンデンサの容量変化率（縦軸）が、温度２５℃のときの容量に対する比率（％）で示されている。図示の温度範囲内では、温度が上昇するとコンデンサの容量は単調に減少している。
【００２７】
共振状態検出部８は、一次コイル３と一次コンデンサ５による共振回路の共振状態の検出を行う。共振状態検出部８としては、一例として、一次コイル３に供給された高周波電力の大きさを検出する構成、例えば、一次コイル３の両端の電圧を計測する構成としてもよい。検出される電圧が高い程、良好な共振状態が得られていることを示す。共振状態検出部８による検出信号は、送電制御部９に供給される。
【００２８】
送電制御部９は、共振状態検出部８が検出した共振状態の情報、例えば上述の高周波電力の大きさ（一次コイル３の両端の電圧）を用いて、温度調節部７と送電部６の制御を行う。温度調節部７の制御に関しては、送電制御部９は、共振状態検出部８が検出する共振状態が最も良好となるように一次コンデンサ５の温度を調節して、最大の伝送効率が得られるように制御を行う。送電制御部９はマイコンによって構成することが好ましいが、ＦＰＧＡや電子回路によって構成することもできる。
【００２９】
受電装置２において、二次コイル４には二次コンデンサ１０が接続されて直列共振回路（受電共振器）を構成している。この直列共振回路には電力変換部１１が接続され、二次コイル４が受電した高周波電力に対する検波や平滑を行い、必要とする電力形式に変換する。電力変換部１１が変換した電力は、電力出力端子１２から外部へ出力される。図示は省略するが、受電装置２が、例えば携帯電話に組み込まれている場合であれば、電力出力端子１２から供給される電力は、二次電池の充電のために消費される。
【００３０】
次に、上記構成のワイヤレス電力伝送システムの送電装置１の動作について、図３のフローチャートを参照して説明する。
【００３１】
送電装置１が動作を開始すると、ワイヤレス電力伝送が開始され、送電制御部９は送電部６を制御して高周波電力を発生させる（ステップＳ１０１）。
【００３２】
次に、温度変化の方向の初期値として、温度上昇方向への変化が設定される（ステップＳ１０２）。これは、温度調節部７により一次コンデンサ５の温度を変化させてキャパシタンスを調整するための、送電制御部９が行う温度制御の初期の手順である。この制御は、共振状態検出部８が検出する共振状態（例えば、一次コイル３の両端の高周波電圧）に基づいて後述のように行われ、共振状態が最大となるように一次コンデンサ５の温度を変化させる。
【００３３】
次に、送電制御部９は、設定されている変化方向へ温度が変化するように温度調節部７を動作させて、一次コンデンサ５の温度を変化させる（ステップＳ１０３）。動作の初期段階では、ステップＳ１０２で設定された上昇方向へ温度が変化するように温度調節部７が制御される。
【００３４】
一次コンデンサ５は温度によって容量が変化するため、一次コンデンサ５と一次コイル３による共振回路の共振周波数が変化し、共振状態が変化する。一次コンデンサ５が図２に示した特性を有する場合は、温度を上昇させると容量が減少し、そのため、共振周波数が高くなる。温度を低下させると、容量が増加するため共振周波数が低くなる。
【００３５】
共振状態検出部８は、一次コイル３の両端の電圧を計測することにより、共振状態を検出し、その検出値が送電制御部９に供給される（ステップＳ１０４）。
【００３６】
送電制御部９は、検出した共振状態と前回検出した共振状態を比較する（ステップＳ１０５）。初回の検出ステップでは前回の検出値が存在しないが、初回の検出ステップでは前回の検出ステップでも同じ共振状態であったものとして処理することができる。検出した共振状態と前回検出した共振状態を比較して、共振状態が上昇（電圧値が上昇）していた場合はステップＳ１０７へ進む。
【００３７】
共振状態が上昇していなかった場合は、温度変化方向を反転する（ステップＳ１０６）。すなわち、温度変化方向が温度上昇方向に設定されていた場合は温度下降方向に、温度変化方向が温度下降方向に設定されていた場合は温度上昇方向に切換える。その後、ステップＳ１０７へ進む。
【００３８】
ステップＳ１０７では、ワイヤレス電力伝送が終了か否かが判断される。ワイヤレス電力伝送の終了は、電力開始から所定の時間が経過したときに終了する、あるいは別途受電側からの電力伝送終了要求の通信を受信して終了する、等の方法を採用することができる。ワイヤレス電力伝送を終了しない場合は、ステップ１０３へ進み、前回での温度変化の設定方向またはステップＳ１０６での設定方向に従って、上述と同様の動作を繰り返す。この繰り返しにより、一次コンデンサ５の温度は、最も共振が強くなる温度に保たれる。ワイヤレス電力伝送を終了するときには、ステップＳ１０８へ進む（ステップＳ１０７）。
【００３９】
ステップＳ１０８では、送電制御部９は送電部６を制御して高周波電力の発生を停止することにより、ワイヤレス電力伝送を終了する。この動作により送電側がワイヤレス電力を停止する。
【００４０】
以上のようなワイヤレス電力伝送の制御を行うことにより、一次コイル３と一次コンデンサ５の共振回路の共振状態が高い状態で電力伝送を行うことができ、送電装置１から受電装置２へ、高い効率によるワイヤレス電力伝送を行うことができる。
【００４１】
＜実施の形態２＞
実施の形態２におけるワイヤレス電力伝送システムの構成を、図４にブロック図で示す。このシステムの電力伝送のための基本的な構成は、図１に示した実施の形態１の場合と同様である。従って、実施の形態１と同一の要素については、同一の参照番号を付して説明の繰り返しを省略する。本実施の形態では、受電装置２に、温度調節部１３、共振状態検出部１４、及び受電制御部１５が設けられる。
【００４２】
温度調節部１３は、二次コンデンサ１０の温度を調節するように配置されている。共振状態検出部１４は、二次コイル４と二次コンデンサ１０による共振回路の共振状態の検出を行う。共振状態検出部８は、一例として、二次コイル４が伝送を受けた受電電力の大きさを検出する構成、例えば、二次コイル４の両端の電圧を計測する構成としてもよい。
【００４３】
受電制御部１５は、共振状態検出部１４が検出した共振状態の情報、例えば上述の受電電力の大きさを用いて、温度調節部１３の制御を行う。共振状態検出部１４が検出する共振状態、すなわち受電電力が最大となるように、受電制御部１５が二次コンデンサ１０の温度を調節することにより、最大の伝送効率を得ることができる。
【００４４】
このワイヤレス電力伝送システムの受電装置２の基本的な動作は、実施の形態１の場合と同様である。また、二次コンデンサ１０の温度を調節するための、温度調節部１３、共振状態検出部１４、及び受電制御部１５による動作は、実施の形態１の場合の図３に示した動作と同様である。
【００４５】
以上のように、二次コイル４と二次コンデンサ１０の共振回路の共振状態が高い状態となるように電力伝送を制御することによっても、送電装置１から受電装置２へ高い効率によるワイヤレス電力伝送を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のワイヤレス電力伝送システムによれば、温度調節部により共振回路のコンデンサのキャパシタンスを調整して、共振回路の共振周波数を、簡単な構成により適切に制御することができる。従って、電動歯ブラシ、電気シェーバー等の電化製品や、コードレス電話機、携帯電話機等に対するワイヤレス電力伝送に有用である。
【符号の説明】
【００４７】
１  送電装置
２  充電装置
３  一次コイル
４  二次コイル
５  一次コンデンサ
６  送電部
７、１３  温度調節部
８、１４  共振状態検出部
９  送電制御部
１０  二次コンデンサ
１１  電力変換部
１２  電力出力端子
１５  受電制御部
【図１】
2013233053.tif 000003
【図２】
2013233053.tif 000004
【図３】
2013233053.tif 000005
【図４】
2013233053.tif 000006