(57)【要約】【課題】電力信号を広いダイナミックレンジで制御する。【解決手段】共振アンテナ３０は、直列に設けられた、電力信号Ｓ１を送出するための送信コイルＬＴおよび共振用キャパシタＣＴを含む。直流電源３２は、第１電源ラインＬＶＤＤと第２電源ラインＬＶＳＳの間に直流電圧ＶＤＣを印加する。Ｈブリッジ回路３４は、第１電源ラインＬＶＤＤと第２電源ラインＬＶＳＳの間に設けられる。制御部３６は、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２のペアを、送信周波数ｆＴＸにてスイッチングする。また第３スイッチＳＷ３と第４スイッチＳＷ４のペアを、送信周波数ｆＴＸにてスイッチングする。制御部３６は、送信すべき電力信号Ｓ１の強度に応じて、位相差Δφを調節する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界、磁界、電磁界のいずれかを含む送信周波数を有する電力信号を送信するワイヤレス給電装置であって、
前記電力信号を送出するための送信コイルを含む共振アンテナと、
第１電源ラインと第２電源ラインの間に直流電圧を印加する直流電源と、
前記第１電源ラインと前記共振アンテナの一端の間に設けられた第１スイッチと、前記第２電源ラインと前記共振アンテナの一端の間に設けられた第２スイッチと、前記第１電源ラインと前記共振アンテナの他端の間に設けられた第３スイッチと、前記第２電源ラインと前記共振アンテナの他端の間に設けられた第４スイッチと、を含むＨブリッジ回路と、
前記第１スイッチと前記第２スイッチのペアを、前記送信周波数にて、第１の位相でスイッチングするとともに、前記第３スイッチと前記第４スイッチのペアを、前記送信周波数にて、第２の位相でスイッチングし、かつ、送信すべき前記電力信号の強度に応じて、第１の位相と第２の位相の差を調節する制御部と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項２】
電界、磁界、電磁界のいずれかを含む送信周波数を有する電力信号を送信するワイヤレス給電装置であって、
前記電力信号を送出するための送信コイルを含む共振アンテナと、
前記共振アンテナの一端に、第１の位相でハイレベル電圧とローレベル電圧との間を前記送信周波数でスイッチングする第１矩形電圧を印加する第１電源と、
前記共振アンテナの他端に、第２の位相でハイレベル電圧とローレベル電圧との間を前記送信周波数でスイッチングする第２矩形電圧を印加する第２電源と、
送信すべき前記電力信号の強度に応じて、第１の位相と第２の位相の差を調節する制御部と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項３】
前記第１電源、前記第２電源はそれぞれ、ハーフブリッジ回路を含むことを特徴とする請求項２に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項４】
電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信する請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置と、
前記電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。
【請求項５】
送信コイル含む共振アンテナから、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む送信周波数を有する電力信号を送信する方法であって、
第１電源ラインと第２電源ラインの間に直流電圧を印加するステップと、
前記第１電源ラインと前記共振アンテナの一端の間に設けられた第１スイッチと、前記第２電源ラインと前記共振アンテナの一端の間に設けられた第２スイッチと、前記第１電源ラインと前記共振アンテナの他端の間に設けられた第３スイッチと、前記第２電源ラインと前記共振アンテナの他端の間に設けられた第４スイッチと、を含むＨブリッジ回路を制御するステップと、
を備え、
前記制御するステップは、
前記第１スイッチと前記第２スイッチのペアを、前記送信周波数にて、第１の位相でスイッチングするとともに、前記第３スイッチと前記第４スイッチのペアを、前記送信周波数にて、第２の位相でスイッチングし、かつ、送信すべき前記電力信号の強度に応じて、第１の位相と第２の位相の差を調節することを特徴とする方法。
【請求項６】
送信コイルを含む共振アンテナから、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む送信周波数を有する電力信号を送信する方法であって、
前記共振アンテナの一端に、第１の位相でハイレベル電圧とローレベル電圧との間を前記送信周波数でスイッチングする第１矩形電圧を印加するステップと、
前記共振アンテナの他端に、第２の位相でハイレベル電圧とローレベル電圧との間を前記送信周波数でスイッチングする第２矩形電圧を印加するステップと、
送信すべき前記電力信号の強度に応じて、第１の位相と第２の位相の差を調節するステップと、
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話端末やノート型コンピュータなどの電子機器、あるいは電気自動車に対する給電技術として、ワイヤレス（非接触）電力伝送が着目されている。ワイヤレス電力伝送は、主に電磁誘導型、電波受信型、電場・磁場共鳴型、の３つに分類される。
【０００３】
電磁誘導型は短距離（数ｃｍ以内）において利用され、数百ｋＨｚ以下の帯域で数百Ｗの電力を伝送することができる。電力の利用効率は６０〜９８％程度となっている。数ｍ以上の比較的長い距離に給電する場合、電波受信型が利用される。電波受信型では、中波〜マイクロ波の帯域で数Ｗ以下の電力を伝送することができるが、電力の利用効率は低い。数ｍ程度の中距離を、比較的高い効率で給電する手法として、電場・磁場共鳴型が着目されている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic、「Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer」、ANNALS of PHYSICS Vol. 323, pp.34-48, 2008, Jan.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１は、ワイヤレス給電システムの一例を示す図である。ワイヤレス給電システム１００ｒは、ワイヤレス給電装置２００ｒおよびワイヤレス受電装置３００ｒを備える。ワイヤレス給電装置２００ｒは、送信コイルＬＴ、共振用キャパシタＣＴおよび交流電源１０を備える。交流電源１０は、送信周波数ｆＴＸを有する電気信号Ｓ２を発生する。共振用キャパシタＣＴおよび送信コイルＬＴは共振回路を構成しており、その共振周波数は、電気信号Ｓ２の周波数ｆＴＸにチューニングされている。送信コイルＬＴからは、電力信号Ｓ１が送出される。
【０００６】
ワイヤレス受電装置３００ｒは、受信コイルＬＲ、共振用キャパシタＣＲおよび負荷回路２０を備える。共振用キャパシタＣＲ、受信コイルＬＲおよび負荷回路２０は共振回路を構成しており、その共振周波数は、電力信号Ｓ１の周波数ｆＴＸにチューニングされる。
【０００７】
ワイヤレス給電装置２００ｒとワイヤレス受電装置３００ｒの距離や向きなどの位置関係に応じて、送信コイルＬＴと受信コイルＬＲの結合度は時々刻々と変化する。したがって交流電源１０は、ワイヤレス給電装置２００ｒとワイヤレス受電装置３００ｒの位置関係に応じて、電力信号Ｓ１の信号強度をダイナミックに変化させる必要がある。
【０００８】
たとえば交流電源１０が、電気信号Ｓ２として送信周波数ｆＴＸの駆動電圧を生成する場合、駆動電圧の振幅を位置関係に応じて１０倍以上のダイナミックレンジで変化させる必要がある。一般的なＤＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＡＣコンバータ（インバータ）の出力電圧の振幅制御のダイナミックレンジはせいぜい数倍であり、ワイヤレス給電装置２００ｒでの利用は困難である。
【０００９】
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、電力信号を広いダイナミックレンジで制御可能なワイヤレス給電装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある態様は、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む送信周波数を有する電力信号を送信するワイヤレス給電装置に関する。ワイヤレス給電装置は、直列に設けられた電力信号を送出するための送信コイルおよび共振用キャパシタを含む共振アンテナと、第１電源ラインと第２電源ラインの間に直流電圧を印加する直流電源と、第１電源ラインと共振アンテナの一端の間に設けられた第１スイッチと、第２電源ラインと共振アンテナの一端の間に設けられた第２スイッチと、第１電源ラインと共振アンテナの他端の間に設けられた第３スイッチと、第２電源ラインと共振アンテナの他端の間に設けられた第４スイッチと、を含むＨブリッジ回路と、第１スイッチと第２スイッチのペアを、送信周波数にて、第１の位相でスイッチングするとともに、第３スイッチと第４スイッチのペアを、送信周波数にて、第２の位相でスイッチングし、かつ、送信すべき電力信号の強度に応じて、第１の位相と第２の位相の差を調節する制御部と、を備える。
【００１１】
本発明の別の態様もまた、ワイヤレス給電装置である。このワイヤレス給電装置は、直列に設けられた電力信号を送出するための送信コイルおよび共振用キャパシタを含む共振アンテナと、共振アンテナの一端に、第１の位相でハイレベル電圧とローレベル電圧との間を送信周波数でスイッチングする第１矩形電圧を印加する第１電源と、共振アンテナの他端に、第２の位相でハイレベル電圧とローレベル電圧との間を送信周波数でスイッチングする第２矩形電圧を印加する第２電源と、送信すべき電力信号の強度に応じて、第１の位相と第２の位相の差を調節する制御部と、を備える。
【００１２】
これらの態様によると、第１の位相と第２の位相の差を制御することにより、共振アンテナに供給するエネルギーを広いダイナミックレンジで制御することができ、その結果、電力信号を、広いダイナミックレンジで制御できる。
【００１３】
本発明の別の態様は、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信する上述のいずれかの態様のワイヤレス給電装置と、電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、を備える。
【００１４】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のある態様によれば、電力信号を広いダイナミックレンジで制御可能できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ワイヤレス給電システムの一例を示す図である。
【図２】実施の形態に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。
【図３】図２のワイヤレス給電装置の動作を示すシミュレーション波形図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、コイル電流ＩＬのスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１８】
本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【００１９】
図２は、実施の形態に係るワイヤレス給電装置２００の構成を示す回路図である。
ワイヤレス給電装置２００は、図示しないワイヤレス受電装置とともにワイヤレス給電システムを形成する。ワイヤレス給電装置２００は、ワイヤレス受電装置に対して、送信周波数ｆＴＸの電力信号Ｓ１を送出する。電力信号Ｓ１は、電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）である。
【００２０】
ワイヤレス給電装置２００は、共振アンテナ３０、直流電源３２、Ｈブリッジ回路３４、制御部３６を備える。
共振アンテナ３０は、直列に設けられた、電力信号Ｓ１を送出するための送信コイルＬＴおよび共振用キャパシタＣＴを含む。抵抗Ｒは、配線や送信コイルＬＴ、共振用キャパシタＣＴの直流抵抗成分を示す。
【００２１】
直流電源３２は、第１電源ラインＬＶＤＤと第２電源ラインＬＶＳＳの間に直流電圧ＶＤＣを印加する。以下、第１電源ラインＬＶＤＤの電位を第１電源電圧ＶＤＤ、第２電源ラインＬＶＳＳの電位を第２電源電圧ＶＳＳと称する。
【００２２】
Ｈブリッジ回路３４は、第１電源ラインＬＶＤＤと第２電源ラインＬＶＳＳの間に設けられ、その２つの出力端子は、共振アンテナ３０と接続される。Ｈブリッジ回路３４は、第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４を含む。第１スイッチＳＷ１は、第１電源ラインＬＶＤＤと共振アンテナ３０の一端Ｐ１の間に設けられ、第２スイッチＳＷ２は、第２電源ラインＬＶＳＳと共振アンテナ３０の一端Ｐ１の間に設けられる。第３スイッチＳＷ３は、第１電源ラインＬＶＤＤと共振アンテナ３０の他端Ｐ２の間に設けられ、第４スイッチＳＷ４は、第２電源ラインＬＶＳＳと共振アンテナ３０の他端Ｐ２の間に設けられる。第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのトランジスタを用いて構成することができる。
【００２３】
制御部３６は、Ｈブリッジ回路３４の第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４をスイッチングすることにより、共振アンテナ３０の両端間Ｐ１−Ｐ２に、電気信号（以下、駆動電圧ともいう）Ｓ２を供給する。
【００２４】
制御部３６は、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２のペアを、送信周波数ｆＴＸにて、第１の位相φ１でスイッチングする。その結果、共振アンテナ３０の一端Ｐ１には、第１電源電圧ＶＤＤと第２電源電圧ＶＳＳが、送信周波数ｆＴＸでスイッチングする第１矩形電圧Ｖ１が印加される。第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２のオン時間は等しく、したがって、第１矩形電圧Ｖ１は、半周期において、第１電源電圧ＶＤＤをとり、残りの半周期において、第２電源電圧ＶＳＳをとる。
【００２５】
また制御部３６は、第３スイッチＳＷ３と第４スイッチＳＷ４のペアを、送信周波数ｆＴＸにて、第２の位相φ２でスイッチングする。共振アンテナ３０の他端Ｐ２には、第１電源電圧ＶＤＤと第２電源電圧ＶＳＳが、送信周波数ｆＴＸでスイッチングする第２矩形電圧Ｖ２が印加される。第３スイッチＳＷ３と第４スイッチＳＷ４のオン時間は等しく、したがって、第２矩形電圧Ｖ２は、半周期において、第１電源電圧ＶＤＤをとり、残りの半周期において、第２電源電圧ＶＳＳをとる。
【００２６】
制御部３６は、送信すべき電力信号Ｓ１の強度に応じて、第１の位相φ１と第２の位相φ２の差Δφを調節する。
【００２７】
以上がワイヤレス給電装置２００の構成である。続いてその動作を説明する。図３は、図２のワイヤレス給電装置２００の動作を示すシミュレーション波形図である。
【００２８】
第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４の波形は、ハイレベルがオン、ローレベルがオフに対応する。またＶＤＤ＝３Ｖ、ＶＳＳ＝０Ｖである。第１矩形電圧Ｖ１は、第１の位相φ１でスイッチングし、第２矩形電圧Ｖ２は、第２の位相φ２でスイッチングする。
【００２９】
共振アンテナ３０の両端間に印加される駆動電圧Ｓ２は、−ＶＤＤをとる第１期間Ｔ１、０Ｖをとる第２期間Ｔ２、＋ＶＤＤをとる第３期間Ｔ３、０Ｖをとる第４期間Ｔ４を、順に繰り返す。駆動電圧Ｓ２の周波数は、送信周波数ｆＴＸであり、その周期は１／ｆＴＸである。第２期間Ｔ２および第４期間Ｔ４は、位相差Δφ＝φ１−φ２に応じている。
【００３０】
駆動電圧Ｓ２が共振アンテナ３０に印加されると、共振アンテナ３０には電流ＩＬが流れる。共振アンテナ３０の共振周波数ｆＲＥＳが送信周波数ｆＴＸにチューニングされているとき、電流ＩＬは送信周波数ｆＴＸを有する正弦波となり、送信コイルＬＴからは電流ＩＬに応じた強度の電力信号Ｓ１が送信される。
【００３１】
ワイヤレス給電装置２００によれば、位相差Δφに応じて、電流ＩＬの振幅を制御でき、その結果、電力信号Ｓ１の強度を制御できる。この理由を定性的に説明する。
【００３２】
矩形電圧Ｖ１、Ｖ２は、基本波と奇数次の高調波の重ねあわせで表されるが、共振アンテナ３０のインピーダンスは、共振周波数すなわち基本波ｆＴＸ以外の帯域において十分に高いため、高調波は電流ＩＬおよび電気信号Ｓ２にほとんど寄与せず、したがって無視することができる。
【００３３】
基本波のみに着目するとき、矩形電圧Ｖ１、Ｖ２は式（１）、（２）で表される。ただし、φ１＝０、φ２＝Δφとしている。
Ｖ１＝ｓｉｎ（２πｆＴＸ）    …（１）
Ｖ２＝ｓｉｎ（２πｆＴＸ＋Δφ）    …（２）
【００３４】
したがって駆動電圧Ｓ２は、式（３）で近似される。
Ｓ２＝Ｖ１−Ｖ２＝ｓｉｎ（２πｆＴＸ）−ｓｉｎ（２πｆＴＸ＋Δφ）    …（３）
【００３５】
三角関数の和積の公式から、式（４）を得る。
Ｓ２＝２・ｃｏｓ（２πｆＴＸ＋Δφ／２）・ｓｉｎ（Δφ／２）
＝Ａ・ｃｏｓ（２πｆＴＸ＋Δφ／２）    …（４）
ただし、Ａ＝２×ｓｉｎ（Δφ／２）
【００３６】
すなわち、Δφを変化させることにより、駆動電圧Ｓ２の電圧振幅Ａを制御することができ、ひいては電力信号Ｓ１の強度を制御することができる。ｓｉｎ（Δφ／２）の項は、位相差Δφに応じて、０から１までの値をとることができ、位相差Δφを高精度で制御すれば、理論的には無限大のダイナミックレンジを実現することができる。
スイッチング周期１／ｆＴＸは、μｓのオーダーであるのに対して、時間差Δφは、数十ｎｓあるいはさらに細かい精度で制御することができる。したがって現実的にも、電気信号Ｓ２の強度を、非常に広いダイナミックレンジを実現することができる。
【００３７】
比較のために、実施の形態のように位相差Δφを制御せずに、いわゆるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって、各スイッチを送信周波数ｆＴＸでスイッチングしつつ、各スイッチのオン時間（デューティ比）を調節する比較技術について考察する。この場合、デューティ比が変化すると、駆動電圧Ｓ２の波形は、正負で非対称となる。その結果、ＰＷＭ制御では、電気信号Ｓ２に寄与しない高調波のエネルギーが大きくなる。
【００３８】
かかる比較技術に対して、実施の形態に係るワイヤレス給電装置２００では、位相差Δφにかかわらずに、駆動電圧Ｓ２の波形が、正負対称であるという特徴を有する。つまりワイヤレス給電装置２００によれば、比較技術に比べて高調波成分のエネルギーを低減できる。
【００３９】
図４（ａ）、（ｂ）は、コイル電流ＩＬのスペクトルを示す図である。図４（ｂ）は、ＰＷＭ制御を行ったときのスペクトルを示す。駆動電圧Ｓ２のデューティ比に応じて、基本波ｆＴＸの成分の振幅を変化させることができる。
図４（ａ）は、位相差Δφの制御を行った場合のスペクトルを示す。位相差Δφを、２２．５°、４５°、９０°、１８０°のように変化させると、ＰＷＭ制御と同様に、基本波ｆＴＸ（１ＭＨｚ）の振幅を変化させることができる。さらに、偶数次の高調波が抑制されていることがわかる。
【００４０】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセス、それらの組み合わせには、さまざまな変形例が存在しうる。以下、こうした変形例について説明する。
【００４１】
図２のワイヤレス給電装置２００は、以下のように把握することができる。
第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２は、共振アンテナ３０の一端Ｐ１に、第１の位相φ１でハイレベル電圧ＶＤＤとローレベル電圧ＶＳＳとの間を、送信周波数ｆＴＸでスイッチングする第１矩形電圧Ｖ１を印加する第１電源（ハーフブリッジ回路）である。
また、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４は、共振アンテナ３０の他端Ｐ２に、第２の位相φ２でハイレベル電圧ＶＤＤとローレベル電圧ＶＳＳとの間を送信周波数ｆＴＸでスイッチングする第２矩形電圧Ｖ２を印加する第２電源（ハーフブリッジ回路）である。制御部３６は、送信すべき電力信号Ｓ１の強度に応じて、第１の位相φ１と第２の位相φ２の差Δφを調節する。
【００４２】
当業者であれば、第１電源および第２電源を、図２とは異なるトポロジーでも構成しうることが理解でき、こうした変形例も本発明の範囲に含まれる。たとえば第１電源および第２電源は、いわゆるインバータ（論理反転回路）を含んでもよい。
【００４３】
図２のワイヤレス給電装置２００において、直流電源３２をＤＣ／ＤＣコンバータで構成し、直流電圧ＶＤＣを調節可能とすることにより、電気信号Ｓ２の強度のダイナミックレンジをさらに広げることができる。
【００４４】
実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【００４５】
１００…ワイヤレス給電システム、２００…ワイヤレス給電装置、３００…ワイヤレス受電装置、１０…交流電源、ＬＶＤＤ…第１電源ライン、ＬＶＳＳ…第２電源ライン、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、ＳＷ３…第３スイッチ、ＳＷ４…第４スイッチ、３０…共振アンテナ、３２…直流電源、３４…Ｈブリッジ回路、３６…制御部、ＶＤＤ…第１電源電圧、ＶＳＳ…第２電源電圧、４０…第１電源、４２…第２電源、ＬＴ…送信コイル、ＣＴ…共振用キャパシタ、Ｓ１…電力信号、Ｓ２…電気信号、Ｖ１…第１矩形電圧、Ｖ２…第２矩形電圧。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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