(57)【要約】【課題】送電効率を容易に高めることが可能な無接点給電システムを提供する。【解決手段】無接点給電システム１は、インダクタンス値が予め設定されている第１のインダクタ１１と、当該第１のインダクタ１１と直列に接続され、インダクタンス値が変更可能な第２のインダクタ１２と、第１のインダクタ１１及び第２のインダクタ１２と並列に接続された第１のコンデンサ１３とを有する送電用共振回路１０を備えた送電装置２と、第１のインダクタ１１及び第２のインダクタ１２と磁気結合される第３のインダクタ２１と、当該第３のインダクタ２１と並列に接続された第２のコンデンサ２２とを有する受電用共振回路２０を備えた受電装置３と、送電用共振回路１０の共振周波数を受電用共振回路２０の共振周波数に合わせるように、送電用共振回路１０のインピーダンスを変更するインピーダンス変更部４と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インダクタンス値が予め設定されている第１のインダクタと、前記第１のインダクタと直列に接続され、インダクタンス値が変更可能な第２のインダクタと、前記第１のインダクタ及び前記第２のインダクタと並列に接続された第１のコンデンサとを有する送電用共振回路を備えた送電装置と、
前記第１のインダクタ及び前記第２のインダクタと磁気結合される第３のインダクタと、前記第３のインダクタと並列に接続された第２のコンデンサとを有する受電用共振回路を備えた受電装置と、
前記送電用共振回路の共振周波数を前記受電用共振回路の共振周波数に合わせるように、前記送電用共振回路のインピーダンスを変更するインピーダンス変更部と、
を備えた無接点給電システム。
【請求項２】
前記第２のインダクタは非磁性流体と共に磁性流体を密閉容器に封入して形成されたコアを有し、前記第２のインダクタのインダクタンス値は前記磁性流体の分布状態に応じて変更されるよう構成され、前記インピーダンス変更部が前記コア内の前記磁性流体の分布を変更する請求項１に記載の無接点給電システム。
【請求項３】
前記第１のコンデンサの静電容量は外部磁界に応じて変更されるよう構成され、前記インピーダンス変更部が前記外部磁界を変更する請求項１又は２に記載の無接点給電システム。
【請求項４】
前記インピーダンス変更部は、前記送電用共振回路と前記受電用共振回路とが近接した際に前記第１のインダクタ及び前記第２のインダクタと前記第３のインダクタとの間で相互インダクタンスが生じた場合でも、前記相互インダクタンスが生じていない場合における前記送電用共振回路の共振周波数になるように前記送電用共振回路のインピーダンスを変更する請求項１から３のいずれか一項に記載の無接点給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレス給電において用いられる無接点給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、端末に内蔵される蓄電池に、端末と充電装置とを端子で接続することなく給電するワイヤレス給電方式が利用されている。このようなワイヤレス給電方式として、例えば電磁誘導方式、電波方式、電磁界共鳴方式がある。中でも、近年、端末に内蔵される蓄電池の大容量化に伴い、送電効率が高い電磁界共鳴方式が注目されている。電磁界共鳴方式では、端末と充電装置との夫々に共振周波数を一致させたワイヤレス給電用インダクタ（以下「インダクタ」とする）が搭載され、充電装置側のインダクタに高周波電力を供給し、電磁界を形成する。このような電磁界が形成された領域内に端末側のインダクタが配置されると、充電装置のインダクタと端末のインダクタとの間でエネルギーの伝搬路が形成され、充電装置から端末側に電力が送られる。しかしながら、周知のように２つのインダクタが近接して配置されると、当該２つのインダクタの間に相互インダクタンスが生じ、充電装置側の共振周波数と端末側の共振周波数との間でズレが生じ、送電効率が悪化してしまう。このような共振周波数のズレの低減に用いられる技術として、以下に出典を示す特許文献１に記載のものがある。
【０００３】
特許文献１に記載の非接触電力伝送装置は、送電側給電コイル及び送電側共振コイルを有する送電装置と、受電側給電コイル及び受電側共振コイルを有する受電装置とを備えて構成される。送電側共振コイルには、集中定数キャパシタ、及び集中定数インダクタを接続して構成され、受電側共振コイルには、集中定数キャパシタ、及び集中定数インダクタを接続して構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１９１６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、送電側共振コイル及び受電側共振コイルの夫々に、集中定数キャパシタを付加して共振周波数を安定化し、集中定数インダクタを付加して見かけのＱ値を大きくしている。しかしながら、集中定数キャパシタや集中定数インダクタによる調整は、これらの集中定数キャパシタや集中定数インダクタを接続する配線のインピーダンスも影響するため容易ではなく、送電効率を容易に向上できるものではない。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、送電効率を容易に高めることが可能な無接点給電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る無接点給電システムの特徴構成は、インダクタンス値が予め設定されている第１のインダクタと、前記第１のインダクタと直列に接続され、インダクタンス値が変更可能な第２のインダクタと、前記第１のインダクタ及び前記第２のインダクタと並列に接続された第１のコンデンサとを有する送電用共振回路を備えた送電装置と、前記第１のインダクタ及び前記第２のインダクタと磁気結合される第３のインダクタと、前記第３のインダクタと並列に接続された第２のコンデンサとを有する受電用共振回路を備えた受電装置と、前記送電用共振回路の共振周波数を前記受電用共振回路の共振周波数に合わせるように、前記送電用共振回路のインピーダンスを変更するインピーダンス変更部と、を備えている点にある。
【０００８】
送電用共振回路と受電用共振回路とを近接して配置した場合、第１のインダクタと第３のインダクタとの間で相互インダクタンスが生じる。この相互インダクタンスにより、送電用共振回路の共振周波数と、受電用共振回路の共振周波数との間で差異が生じる。そこで、上記特徴構成とすれば、インピーダンス変更部が、送電用共振回路のインピーダンスを変更して送電用共振回路の共振周波数を受電用共振回路の共振周波数に合わせることができるので、送電効率を容易に向上することが可能となる。
【０００９】
また、前記第２のインダクタは非磁性流体と共に磁性流体を密閉容器に封入して形成されたコアを有し、前記第２のインダクタのインダクタンス値は前記磁性流体の分布状態に応じて変更されるよう構成され、前記インピーダンス変更部が前記コア内の前記磁性流体の分布を変更すると好適である。
【００１０】
このような構成とすれば、インピーダンス変更部により第２のインダクタのインダクタンス値を変更することができるので、送電用共振回路の共振周波数を受電用共振回路の共振周波数に容易に合わせることができる。
【００１１】
また、前記第１のコンデンサの静電容量は外部磁界に応じて変更されるよう構成され、前記インピーダンス変更部が前記外部磁界を変更すると好適である。
【００１２】
このような構成とすれば、インピーダンス変更部により第１のコンデンサの静電容量を変更することができるので、送電用共振回路の共振周波数を受電用共振回路の共振周波数に容易に合わせることができる。
【００１３】
また、前記インピーダンス変更部は、前記送電用共振回路と前記受電用共振回路とが近接した際に前記第１のインダクタ及び前記第２のインダクタと前記第３のインダクタとの間で相互インダクタンスが生じた場合でも、前記相互インダクタンスが生じていない場合における前記送電用共振回路の共振周波数になるように前記送電用共振回路のインピーダンスを変更すると好適である。
【００１４】
このような構成とすれば、送電用共振回路の共振周波数及び受電用共振回路の共振周波数を、送電用共振回路の供給される電力の周波数に合わせることができるので、送電効率を容易に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】無接点給電システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】第２のコアの磁性流体の分布状態の一例及びその時の特性を示す図である。
【図３】共振周波数の合わせ方について示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明に係る無接点給電システムは、効率良く無接点給電を行うことが可能に構成されている。無接点給電システムは、例えばスマートフォンやゲーム機等の端末に内蔵される蓄電池を、端末と充電装置とを端子で接続することなく給電するシステムである。このような無接点給電システムでは、共振器が端末及び充電装置の双方に搭載される。図１には、本実施形態の無接点給電システム１が示される。
【００１７】
無接点給電システム１は、送電装置２、受電装置３、インピーダンス変更部４を備えて構成される。送電装置２は上述の充電装置に内蔵され、受電装置３は上述の端末に内蔵される。
【００１８】
送電装置２は、電力源Ｖと送電用共振回路１０とを備えて構成される。送電用共振回路１０は、２つのインダクタと１つのコンデンサとを備えて構成される。ここでは、理解を容易にするために、２つのインダクタが夫々第１のインダクタ１１及び第２のインダクタ１２であり、１つのコンデンサが第１のコンデンサ１３であるとして説明する。
【００１９】
電力源Ｖは、本実施形態では所定の周波数からなる高周波の電力を出力する。ここで、ワイヤレス給電を行う際に用いられる周波数は、日本国においては６．７８ＭＨｚ±１５ｋＨｚに定められている。このため、本実施形態でも電力源Ｖはこのような周波数の電力が用いられる。
【００２０】
第１のインダクタ１１は、インダクタンス値が予め設定されているタイプのインダクタである。「インダクタンス値が予め設定されている」とは、インダクタに流れる電流が所定の電流値以下の場合にインダクタンス値（所謂「Ｌ値」）が略一定値を維持するものをいう。このため、直流重畳特性に起因したインダクタンス値の変化は「予め設定されている」インダクタンス値の範囲内のものである。
【００２１】
第２のインダクタ１２は、第１のインダクタ１１と直列に接続され、インダクタンス値が変更可能なタイプのインダクタである。第２のインダクタ１２と第１のインダクタ１１とが直列に接続されることから、電力源Ｖ、第１のインダクタ１１、及び第２のインダクタ１２により１つの閉回路が構成される。「インダクタンス値が変更可能である」とは、インダクタに流れる電流に拘らずインダクタンス値を変更可能であることを意味する。インダクタンス値を変更する方法については後述する。
【００２２】
第１のコンデンサ１３は、第１のインダクタ１１及び第２のインダクタ１２と並列に接続される。上述したように、電力源Ｖ、第１のインダクタ１１、及び第２のインダクタ１２により１つの閉回路が構成される。第１のコンデンサ１３は、このような閉回路において、一対の接続端子の夫々が電力源Ｖの一対の出力端子の夫々に接続される。
【００２３】
第１のインダクタ１１及び第１のコンデンサ１３の夫々の定数は、高周波電力の周波数に基づいて設定される。具体的には、第１のインダクタ１１及び第１のコンデンサ１３により定まる共振周波数が前記高周波電力の周波数に一致するように設定すると好適である。電力源Ｖから高周波電力が送電用共振回路１０に供給されると、第１のインダクタ１１の周囲には当該第１のインダクタ１１を流れる電流に応じた磁界が形成される。
【００２４】
受電装置３は、受電用共振回路２０と充電回路２３とを備えて構成される。受電用共振回路２０は、１つのインダクタと１つのコンデンサとを備えて構成される。ここでは、理解を容易にするために、１つのインダクタが第３のインダクタ２１であり、１つのコンデンサが第２のコンデンサ２２であるとして説明する。
【００２５】
第３のインダクタ２１は、第１のインダクタ１１及び第２のインダクタ１２と磁気結合される。すなわち、電力源Ｖから電力が供給されることにより第１のインダクタ１１及び第２のインダクタ１２の周囲には磁界が生じ、当該磁界内に第３のインダクタ２１が配置されると、電磁誘導作用により第３のインダクタ２１に誘導起電力が生じる。このような磁界により、第３のインダクタ２１は、第１のインダクタ１１及び第２のインダクタ１２と磁気結合される。第３のインダクタ２１は、後述する充電回路２３に接続される。したがって、第３のインダクタ２１と充電回路２３とにより１つの閉回路が形成される。
【００２６】
第２のコンデンサ２２は、第３のインダクタ２１と並列に接続される。すなわち、第３のインダクタ２１と充電回路２３とにより１つの閉回路が構成され、第２のコンデンサ２２は、このような閉回路において、一対の接続端子の夫々が充電回路２３の一対の接続端子の夫々に接続される。
【００２７】
第３のインダクタ２１及び第２のコンデンサ２２の夫々の定数も、第１のインダクタ１１及び第１のコンデンサ１３と同様に、高周波電力の周波数に基づいて設定される。具体的には、第３のインダクタ２１及び第２のコンデンサ２２により定まる共振周波数が前記高周波電力の周波数に一致するように設定すると好適である。
【００２８】
充電回路２３は、電磁誘導作用により第３のインダクタ２１に生じた誘導起電力を整流して蓄電池の充電に適した充電電力に変換し、蓄電池を充電する。
【００２９】
インピーダンス変更部４は、送電用共振回路１０の共振周波数を受電用共振回路２０の共振周波数に合わせるように、送電用共振回路１０のインピーダンスを変更する。ここで、共振周波数ｆは、インダクタンス値をＬ、静電容量をＣとすると、以下の（１）式により演算される。
【数１】
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【００３０】
送電用共振回路１０の共振周波数は、インダクタンス値として第１のインダクタ１１のインダクタンス値と第２のインダクタ１２のインダクタンス値とを用い、静電容量として第１のコンデンサ１３の静電容量を用いて演算できる。一方、受電用共振回路２０の共振周波数は、インダクタンス値として第３のインダクタ２１のインダクタンス値を用い、静電容量として第２のコンデンサ２２の静電容量を用いて演算できる。
【００３１】
本実施形態のインピーダンス変更部４は、送電用共振回路１０の共振周波数と受電用共振回路２０の共振周波数とが合うように、第２のインダクタ１２のインダクタンス値を変更する。
【００３２】
ここで、本実施形態では、第２のインダクタ１２のインダクタンス値が第２のインダクタ１２の第２のコア４６が有する磁性流体４９の分布状態に応じて変更されるよう構成される。図２には、本実施形態の第２のインダクタ１２の構成が示される。図２の＃０１に示されるように、第２のインダクタ１２は、調整用インダクタ４１と出力用インダクタ４２とを備えて構成される。
【００３３】
調整用インダクタ４１は、第１のコア３１及び第１のコイル３２を有する。第１のコア３１は例えば酸化鉄、酸化クロム、コバルト、フェライト等の磁性体により構成される。第１のコア３１は周方向の一部に開口部４４を有する環状コアで構成される。本実施形態では、第１のコア３１は図２の＃０１に示されるように上面視がＵ字状に形成される。
【００３４】
第１のコイル３２は、導体の周囲が絶縁材料で被覆して形成された線材を第１のコア３１に巻き回して形成される。したがって、線材を第１のコア３１に巻いたものが第１のコイル３２に相当する。本実施形態では、第１のコイル３２は、第１のコア３１における底部４５に線材を巻き回して形成される。
【００３５】
出力用インダクタ４２は、第２のコア４６及び第２のコイル４７を有する。第２のコア４６は非磁性流体４８と共に磁性流体４９を密閉容器５０に封入して形成される。非磁性流体４８とは、磁場におかれた際に磁化されない物質であり、本実施形態では非磁性流体４８として窒素ガスが用いられる。磁性流体４９とは、磁場におかれた際に磁化される流体であり、液体が用いられる。
【００３６】
密閉容器５０は、本実施形態では、樹脂製のものが用いられ、上述した非磁性流体４８と磁性流体４９とが容器内に充填された状態で密閉される。したがって、密閉容器５０は、磁性流体４９のみが充填された状態でない。本実施形態では、第２のコア４６は図２の＃０１に示されるように上面視が棒状に形成され、第１のコア３１の開口部４４に配置される。
【００３７】
第２のコイル４７は、導体の周囲が絶縁材料で被覆して形成された線材を第２のコア４６に巻き回して形成される。このような線材を第２のコア４６に巻いたものが第２のコイル４７に相当する。第２のコイル４７は、図２に示されるように開口部４４におかれた際に開口部４４における開口幅方向の中央部分に位置するように線材を巻き回して形成される。
【００３８】
第２のコア４６は、第１のコア３１と磁気結合するように配置される。ここで、本実施形態では第１のコイル３２には後述するようにインピーダンス変更部４により通電されるが、この際、第１のコイル３２の周囲には磁界が生じる。第１のコア３１は第１のコイル３２の周囲に生じた磁界による磁束を集磁する。第２のコア４６は、第１のコア３１の開口部４４に配置され、第１のコア３１の開口部４４に生じる磁束を集磁する。このように、第１のコア３１と第２のコア４６は磁気的に結合し、第１のコア３１と第２のコア４６とにより磁気回路が形成される。
【００３９】
また、上述したように第２のコア４６には線材を巻き回して第２のコイル４７が形成される。したがって、第２のコア４６は、開口部４４に生じる磁束が第２のコイル４７の内側を貫通するように配置される。これにより、第１のコア３１からの磁束を第２のコア４６に通らせることが可能となる。
【００４０】
インピーダンス変更部４は、第１のコイル３２に対する通電を制御して、第２のコア４６内の磁性流体４９の分布を変更する。インピーダンス変更部４により所定の電流が第１のコイル３２を流れるように制御されると当該電流に応じた磁束が第１のコイル３２の周囲に生じ、当該磁束は第１のコア３１に集磁される。この時、第１のコイル３２を流れる電流の向きに応じて、第１のコア３１の開口端部４４Ａ，４４Ｂに現れる磁極が変化する。また、第１のコイル３２を流れる電流の大きさに応じて、開口端部４４Ａ，４４Ｂに現れる磁束密度も変化する。
【００４１】
この時、当該磁極及び磁束密度に応じて第２のコア４６内の磁性流体４９の分布が変化する。具体的には、開口端部４４Ａ，４４Ｂに現れる磁束密度が大きくなるにつれて、第２のコア４６の軸方向両端部の夫々に、磁性流体４９が徐々に集められる。すなわち、第２のコア４６の密閉容器５０内に着目した場合、最終的に全ての磁性流体４９は第２のコア４６の軸方向両端部の夫々で分極される。これにより、第２のコア４６の透磁率が変化する。周知のようにコイルのインダクタンス値は透磁率に比例するので、第２のコア４６の透磁率の変化により出力用インダクタ４２のインダクタンス値を変化させることが可能となる。
【００４２】
図２の＃０１には、第１のコイル３２にインピーダンス変更部４が通電する前の状態が示される。図２の＃０１に示されるように、第１のコイル３２に通電する前には、第２のコア４６内の磁性流体４９は、第２のコア４６に作用する重力に応じて分極することなく滞留している。一方、図２の＃０２に示されるように、第１のコイル３２が通電されると、第１のコア３１の開口端部４４Ａ，４４Ｂに第１のコイル３２に流れる電流の向きに応じた磁極が生じ、当該磁極における磁束密度の大きさに応じて第２のコア４６内の磁性流体４９が開口端部４４Ａの側又は開口端部４４Ｂの側に移動される。
【００４３】
このように第１のコイル３２に流れる電流を変化させた場合、当該電流の大きさと出力用インダクタ４２のインダクタンス値とは比例関係になる。このような関係が図２の＃０３に示される。図２の＃０３では、縦軸がインダクタンス値（Ｌ値）であり、横軸は第１のコイル３２に流れる電流である。図２の＃０３に示されるように、出力用インダクタ４２のインダクタンス値は、第１のコイル３２を流れる電流の増加に伴い減少する。このような特性に基づいて、第１のコイル３２に流す電流を調節することにより、第２のインダクタ１２のインダクタンス値を変更することが可能となる。なお、第２のコイル４７の両端に、図１における第１のインダクタ１１及び電力源Ｖが夫々接続される。
【００４４】
これにより、送電用共振回路１０と受電用共振回路２０とが近接した際に、送電装置２の第１のインダクタ１１及び第２のインダクタ１２と受電装置３の第３のインダクタ２１との間で相互インダクタンスが生じて図３の＃０１に示されるように送電装置２の送電用共振回路１０の共振周波数が所期の共振周波数（相互インダクタンスがない場合の共振周波数）に対して差異が生じた場合でも、インピーダンス変更部４が、相互インダクタンスが生じていない場合における送電用共振回路１０の共振周波数になるように送電用共振回路１０のインピーダンスを変更することが可能となる。
【００４５】
すなわち、図３の＃０１に示されるように、相互インダクタンスがある場合の共振周波数のピーク値と、相互インダクタンスがない場合の共振周波数のピーク値との間に差異がある場合でも、インピーダンス変更部４が第２のインダクタ１２の第２のコア４６内の磁性流体４９の分布状態を変更してインダクタンス値を変更することにより、図３の＃０２に示されるように「Ｌ＋Ｍ」に係る共振周波数のピークを所期の共振周波数（相互インダクタンスがない場合の共振周波数のピーク値）に一致させるか、図３の＃０３に示されるように「Ｌ−Ｍ」に係る共振周波数のピークを所期の共振周波数（相互インダクタンスがない場合の共振周波数のピーク値）に一致させることができる。このように本無接点給電システム１によれば、送電装置２の送電用共振回路１０の共振周波数が、所期の共振周波数に容易に調整することができるので、送電効率を容易に高めることが可能となる。
【００４６】
なお、このような無接点給電システム１による共振周波数の調整は、充電の開始と共に、送電用共振回路１０の共振周波数に基づき予め設定しておいたインダクタンス値になるようにインピーダンス変更部４が第２のインダクタ１２のインピーダンスを変更するよう構成しても良いし、例えば第１のインダクタ１１に流れる電流や、充電回路２３において検出した充電電流をモニターしながら当該電流に応じてインピーダンス変更部４が第２のインダクタ１２のインピーダンスを変更するよう構成しても良い。
【００４７】
〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、第１のコア３１が開口部４４を有し、第２のコア４６が開口部４４に配置されているとして説明したが、第１のコア３１を棒状のコアを用いて構成することも可能である。この場合には、第１のコア３１と第２のコア４６とを同軸芯上に並べて配置すると良い。このような構成であっても、第１のコイル３２に流れる電流に応じて第２のコア４６の透磁率を変更し、出力用インダクタ４２のインダクタンス値を変更することが可能である。
【００４８】
上記実施形態では、第２のインダクタ１２のインダクタンス値が第２のインダクタ１２の第２のコア４６が有する磁性流体４９の分布状態に応じて変更されるとして説明したが、第２のコア４６は磁性流体４９でない磁性体を用いて構成することも可能である。この場合でも、第２のコイル４７に流す電流を変更することにより第２のインダクタ１２のインダクタンス値を変更することが可能である。したがって、この場合でも、送電用共振回路１０の共振周波数を所期の値に変更することが可能である。
【００４９】
上記実施形態では、インピーダンス変更部４が第２のコア４６内の磁性流体４９の分布を変更して第２のインダクタ１２のインダクタンス値が変更されるとして説明した。例えば、第１のコンデンサ１３の静電容量が外部磁界により変更されるように構成し、インピーダンス変更部４が当該外部磁界を変更するよう構成することも可能である。この場合、第１のコンデンサ１３としてバリキャップを用いることが可能である。これにより、インピーダンス変更部４がバリキャップの一対の端子間に印加する電圧を変更することにより、共振周波数を所期の値に変更することが可能である。もちろん、第１のコンデンサ１３としてバリキャップ以外に可変容量コンデンサを用いて構成することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、ワイヤレス給電において用いられる無接点給電システムに利用することが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１：無接点給電システム
２：送電装置
３：受電装置
４：インピーダンス変更部
１０：送電用共振回路
１１：第１のインダクタ
１２：第２のインダクタ
１３：第１のコンデンサ
２０：受電用共振回路
２１：第３のインダクタ
２２：第２のコンデンサ
４６：第２のコア（コア）
４８：非磁性流体
４９：磁性流体
５０：密閉容器
【図１】
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【図２】
2016100946.tif 000005
【図３】
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