(57)【要約】【課題】電界共鳴を用いて電力を低損失でワイヤレス伝送することが可能なワイヤレス給電装置を提供する。【解決手段】ワイヤレス給電装置１００は、電源部１１０、送電カプラ１２０、及び受電カプラ１３０を備えており、電界共鳴により送電カプラ１２０から受電カプラ１３０にワイヤレスで電力伝送する。電源部１１０は、第１のコンデンサ１１３と直列共振回路１１４とを備えることで、ソフトスイッチング方式でスイッチング動作する。送電カプラ１２０は、電源部１１０の直列共振回路１１４を共用して構成されている。すなわち、送電カプラ１２０は、直列共振回路１１４の第２のコンデンサ１２１と第１のコイル１２２を直列接続して構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同じ共振周波数を有する送電カプラから受電カプラにワイヤレスで電力を伝送するワイヤレス給電装置であって、
前記共振周波数でスイッチング動作させるトランジスタと、前記トランジスタに並列に接続された第１のコンデンサと、第２のコンデンサと第１のコイルとを直列接続して前記共振周波数で共振する直列共振回路と、を具備する電源部を備え、
前記送電カプラは、前記第２のコンデンサ及び前記第１のコイルを共用して構成され、
前記第２のコンデンサと前記受電カプラが具備する第３のコンデンサとの間で電界共鳴させることで電力を伝送させる
ことを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項２】
前記電源部は、ソフトスイッチング方式により前記共振周波数の電力を発生させて前記送電カプラに供給する
ことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項３】
前記第２のコンデンサは、前記第３のコンデンサに対し電界共鳴により所定の伝送効率で電力伝送可能な寸法以上に大きくするとともに、前記第１のコイルは、前記第２のコンデンサとの間で前記共振周波数となるように寸法を小さくして損失を低減させている
ことを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項４】
前記共振周波数は、ＩＳＭ周波数帯の周波数である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のワイヤレス給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁界共鳴によりワイヤレスで電力伝送を行うワイヤレス給電装置に関し、特に電界共鳴により電力伝送を行う電界共鳴型のワイヤレス給電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤレスでエネルギーを給電する技術が盛んに研究されている。これは２００６年に米国ＭＩＴが  電磁界共鳴として発表した技術に端を発する。エネルギーの送受信部であるアンテナ（カプラ）部は伝送効率が９０％以上と高く、伝送距離も大きく取れることが特徴である。ワイヤレス給電で電磁界共鳴を発生させる共振周波数として、ＭＨｚのＩＳＭ周波数帯が用いられる。そのため、送電カプラに電力を供給する電源部では、ＩＳＭ周波数帯の１３ＭＨｚ、２７ＭＨｚあるいは４０ＭＨｚの高周波電力を発生させる必要がある。電源部は、このような高周波電力を高効率で供給することが要求される。
【０００３】
ワイヤレス給電装置は、高周波電力を発生させる電源部、ワイヤレスで電力伝送を行うカプラ部、及び受電電力を直流に変換する受電平滑回路（整流部）を備えている。カプラ部は、送電カプラと受電カプラを備えており、それぞれコイル（Ｃ）とコンデンサ（Ｌ）を直列接続した共振回路として構成されている。磁界共鳴により電力伝送を行う方式では、それぞれのコイルを大きくして対向させて配置し、両コイル間で磁界共鳴させる。また、電界共鳴により電力伝送を行う方式では、コンデンサを大きくして対向させて配置し、両コンデンサ間で電界共鳴させる。
【０００４】
ワイヤレス給電装置の効率は  電源部における効率、カプラ部におけるワイヤレス伝送効率、及び受電平滑回路における効率を乗算したものとなる。ワイヤレス給電方式は、有線方式と比較して電力の伝送効率が低下することから、各構成部の効率をできるだけ向上させることが要求される。
【０００５】
電源部の高効率化を図るために、ソフトスイッチング方式を用いた回路であるＲＦインバータを電源部に用いるのが好ましい。ソフトスイッチング方式を用いた電源部では、スイッチングを行うのにトランジスタが用いられるが、トランジスタにおける損失は導通損失に比べてスイッチング損失が大部分を占める。そこで、スイッチング損失を低減するために、スイッチングに伴って電流が流れるときの電圧がゼロとなるように、共振回路を用いて位相を調整するソフトスイッチング方式が採用される。
【０００６】
ソフトスイッチング方式の電源部を用いてワイヤレス給電を行うように構成された給電装置が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されたワイヤレス給電装置の構成を図８に示す。同図に示すワイヤレス給電装置９０では、磁界共鳴により電力伝送を行う方式が採用されている。磁界共鳴による電力伝送を高効率化するには、送電カプラ９１及び受電カプラ９２のコイルを大きくするとともに、所定の共振周波数となるようにコンデンサを小さくするのがよい。
【０００７】
ソフトスイッチング方式の電源部は、コイルとコンデンサを直列接続した直列共振回路を備えている。一方、電源部に接続される送電カプラも、コイルとコンデンサを直列接続した直列共振回路となっている。そこで特許文献１では、電源部の直列共振回路と送電カプラ９１とを共用化させることで、１つのコイルと１つのコンデンサを削減している。すなわち、送電カプラ９１に用いるコイルとコンデンサを、電源部の直列共振回路にも用いる構成としている。これにより、電源部の直列共振回路は、送電カプラ９１に用いる大きなコイルと小さなコンデンサで構成されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第５０６９７２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、ＩＳＭ周波数帯の高い周波数で電磁界共鳴を行うと、コイルには表皮効果と近接効果により大きな損失が発生する。特許文献１に記載されたワイヤレス給電装置では、磁界共鳴による電力伝送を行うために、送電カプラ９１に大きなコイルを用いる必要がある。そのため、コイルにおける損失がさらに大きくなるといった問題が生じる。
【００１０】
また、送電カプラ９１のコイルには空芯コイルが用いられるが、空芯コイルでは磁界の発散が大きいため損失が特に大きくなる。損失を低減させるために、空芯コイルに代えてフェライトコアを有するコイルを用いる方法があるが、１ＭＨｚから高周波側ではフェライトの透磁率が低下していくため、２ＭＨｚ以上では損失を低減させることができない。送電カプラ９１にはＭＨｚ帯の高周波電力が供給されるため、フェライトコアを有するコイルを送電カプラ９１のコイルに用いたとしても損失を低減させることはできない。
【００１１】
さらに、特許文献１のように磁界共鳴を採用したワイヤレス給電装置では、送電カプラ９１及び受電カプラ９２からの漏れ磁束が大きいため、これを遮蔽するための磁気シールドが必要となる。しかしながら、磁気シールドは電界のシールドに比べて極めて困難であり、また高コストになることから、磁界共鳴によるワイヤレス給電では漏れ磁束を低減させるために大きな電力を供給することができないといった問題もある。
【００１２】
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、電界共鳴を用いて電力を低損失でワイヤレス伝送することが可能なワイヤレス給電装置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給電装置の第１の態様は、同じ共振周波数を有する送電カプラから受電カプラにワイヤレスで電力を伝送するワイヤレス給電装置であって、前記共振周波数でスイッチング動作させるトランジスタと、前記トランジスタに並列に接続された第１のコンデンサと、第２のコンデンサと第１のコイルとを直列接続して前記共振周波数で共振する直列共振回路と、を具備する電源部を備え、前記送電カプラは、前記第２のコンデンサ及び前記第１のコイルを共用して構成され、前記第２のコンデンサと前記受電カプラが具備する第３のコンデンサとの間で電界共鳴させることで電力を伝送させることを特徴とする。
【００１４】
本発明のワイヤレス給電装置の他の態様は、前記電源部は、ソフトスイッチング方式により前記共振周波数の電力を発生させて前記送電カプラに供給することを特徴とする。
【００１５】
本発明のワイヤレス給電装置の他の態様は、前記第２のコンデンサは、前記第３のコンデンサに対し電界共鳴により所定の伝送効率で電力伝送可能な寸法以上に大きくするとともに、前記第１のコイルは、前記第２のコンデンサとの間で前記共振周波数となるように寸法を小さくして損失を低減させていることを特徴とする。
【００１６】
本発明のワイヤレス給電装置の他の態様は、前記共振周波数は、ＩＳＭ周波数帯の周波数であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電界共鳴を用いて電力を低損失でワイヤレス伝送することが可能なワイヤレス給電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態のワイヤレス給電装置の構成を示すブロック図である。
【図２】ソフトスイッチング方式で動作する従来の電源部の構成を示すブロック図である。
【図３】電界共鳴方式を採用した従来の送受電カプラ部の構成を示すブロック図である。
【図４】磁界共鳴方式を採用した従来の送受電カプラ部の構成を示すブロック図である。
【図５】磁界共鳴方式の従来の送受電カプラ部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図６】従来の電源部に従来の電界共鳴方式の送受電カプラ部を接続したワイヤレス給電装置の構成を示すブロック図である。
【図７】従来の電源部に従来の磁界共鳴方式の送受電カプラ部を接続したワイヤレス給電装置の構成を示すブロック図である。
【図８】従来のワイヤレス給電装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態におけるワイヤレス給電装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。
【００２０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係るワイヤレス給電装置を、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態のワイヤレス給電装置１００の構成を示すブロック図である。ワイヤレス給電装置１００は、所定の共振周波数（ｆｃとする）の交流電力を発生させる電源部１１０と、電源部１１０から交流電力を入力してワイヤレスで送電する送電カプラ１２０と、送電カプラ１２０からワイヤレスで受電する受電カプラ１３０と、受電カプラ１３０で受電した交流電力を直流電力に平滑化する受電平滑回路（整流部）１４０と、を備えている。
【００２１】
送電カプラ１２０は、電源部１１０から共振周波数ｆｃの電力が供給されると、受電カプラ１３０との間で電界共鳴することで、供給された電力をワイヤレスで受電カプラ１３０に伝送する。受電カプラ１３０は、送電カプラ１２０から受電した電力を受電平滑回路１４０に出力し、受電平滑回路１４０で直流電力に平滑化する。さらに、受電平滑回路１４０に接続された負荷２０に電力を供給する。
【００２２】
電源部１１０は、共振周波数ｆｃで制御信号（パルス信号）を出力するパルス生成部１１１と、パルス生成部１１１から入力した制御信号に従ってスイッチング動作するトランジスタ１１２と、トランジスタ１１２に並列に接続された第１のコンデンサ１１３と、直列共振回路１１４とを備えている。直列共振回路１１４は、第２のコンデンサ１２１と第１のコイル１２２とを直列接続して構成されており、共振周波数ｆｃで共振するように構成されている。
【００２３】
トランジスタ１１２は、ゲート端子１１２ａがパルス生成部１１１に接続され、ソース端子１１２ｂが接地されている。また、ドレイン端子１１２ｃは、チョークコイル１１５を介して外部電源（Ｖｄｄ）１０に接続されている。
【００２４】
電源部１１０は、上記のようにトランジスタ１１２と第１のコンデンサ１１３と直列共振回路１１４とを備えることで、ソフトスイッチング方式でスイッチング動作することができる。その結果、電源部１１０における損失を低減させることができる。
【００２５】
本実施形態のワイヤレス給電装置１００では、電源部１１０の直列共振回路１１４を共用して送電カプラ１２０を構成することを特徴としている。すなわち、本実施形態の送電カプラ１２０は、直列共振回路１１４の第２のコンデンサ１２１と第１のコイル１２２とで構成されている。また、受電カプラ１３０は、第３のコンデンサ１３１と第２のコイル１３２とを直列接続して構成されている。
【００２６】
ソフトスイッチング方式で動作する従来の電源部の構成を図２に示す。同図に示す電源部３０は、本実施形態の電源部１１０と同様に、パルス生成部３１と、トランジスタ３２と、コンデンサ３３と、直列共振回路３４とを備えており、直列共振回路３４は、コンデンサ３５とコイル３６とを直列接続して構成されている。また、トランジスタ３２のドレイン端子が、チョークコイル３７を介して外部電源１０に接続されている。
【００２７】
電界共鳴方式を採用した従来の送受電カプラ部の構成を図３に示す。従来の電界共鳴方式による送受電カプラ部４０は、コンデンサ４１とコイル４２とを直列接続して構成された送電カプラ４３と、コンデンサ４４とコイル４５とを直列接続して構成された受電カプラ４６とを備えている。送電カプラ４３は、電源１１から供給された電力を電界共鳴により受電カプラ４６にワイヤレスで伝送する。受電カプラ４６は、受電した電力を負荷２０に供給する。
【００２８】
電界共鳴方式の送受電カプラ部４０との比較のために、磁界共鳴方式を採用した従来の送受電カプラ部の構成を図４に示す。従来の磁界共鳴方式による送受電カプラ部５０は、コンデンサ５１とコイル５２とを直列接続して構成された送電カプラ５３と、コンデンサ５４とコイル５５とを直列接続して構成された受電カプラ５６とを備えている。送電カプラ５３は、電源１１から供給された電力を磁界共鳴により受電カプラ５６にワイヤレスで伝送する。受電カプラ５６は、受電した電力を負荷２０に供給する。
【００２９】
なお、磁界共鳴方式の送受電カプラ部の構成として、より詳細には図５に示す４つのコイルからなるものが用いられる。図５に示す送受電カプラ部６０は、エキサイトコイル６１、送電コイル６２及びコンデンサ６３からなる送電カプラ６４と、受電コイル６５、コンデンサ６６及びロードコイル６７からなる受電カプラ６８で構成されている。送電コイル６２と受電コイル６５との間で磁界共鳴により電力伝送され、エキサイトコイル６１と送電コイル６２との間、及び受電コイル６５とロードコイル６７との間は電磁誘導で結合される。
【００３０】
図３に示す送受電カプラ部４０では、送電カプラ４３と受電カプラ４６との間で電界共鳴させるために、コンデンサ４１と４４の寸法を大きくして対向させて配置している。コンデンサ４１、４４の寸法を大きくすることで、電界共鳴による伝送効率を高くすることができる。送電カプラ４３及び受電カプラ４６の共振周波数をｆｃとするために、コンデンサ４１、４４の寸法を大きくするとともに、コイル４２、４５の寸法を小さくしている。
【００３１】
これに対し、図４に示す送受電カプラ部５０では、送電カプラ５３と受電カプラ５６との間で磁界共鳴させるために、コイル５２、５５の寸法を大きくして対向させて配置している。コイル５２、５５の寸法を大きくすることで、磁界共鳴による伝送効率を高くすることができる。送電カプラ５３及び受電カプラ５６の共振周波数をｆｃとするために、コイル５２、５５の寸法を大きくするとともに、コンデンサ５１と５４の寸法を小さくしている。なお、図５に示す送受電カプラ部６０では、磁界共鳴を行う送電コイル６２と受電コイル６５の寸法を大きくする。
【００３２】
ＭＨｚ以上の高い周波数で電磁界共鳴を行うと、コイルでは表皮効果と近接効果により大きな損失が発生することから、コイルの寸法を大きくする必要がある磁界共鳴方式の送受電カプラ部５０では、コイル５２、５５で大きな損失が発生する。これに対し、電界共鳴方式の送受電カプラ部４０では、寸法の小さいコイル４２、４５を用いることから、コイル４２、４５での損失を小さくすることができる。また、コイルに比べてコンデンサにおける損失は極めて小さい。本実施形態のワイヤレス給電装置１００は、送受電カプラ部４０と同じ電界共鳴方式を採用していることから、送電カプラ１２０及び受電カプラ１３０における損失を低減させることができる。
【００３３】
図２に示したソフトスイッチング方式で動作する従来の電源部３０に、図３に示した電界共鳴方式の送受電カプラ部４０を接続したワイヤレス給電装置の構成を図６に示す。同図に示すように、従来の構成では、コンデンサ３５とコイル３６とからなる直列共振回路３４が、送電カプラ４３のコンデンサ４１とコイル４２とからなる直列共振回路と直列に接続されることになる。本実施形態のワイヤレス給電装置１００は、このような２つの直列共振回路の直列接続を、１つの直列共振回路１１４で共用させるように構成したものである。これにより、コンデンサ及びコイルの数を減らしてコストダウンを図るとともに、コイルを減らすことで損失を低減させることができる。
【００３４】
図６の構成との比較のために、図２に示した従来の電源部３０に、図４に示した磁界共鳴方式の送受電カプラ部５０を接続したワイヤレス給電装置の構成を図７に示す。この場合でも、コンデンサ３５とコイル３６とからなる直列共振回路３４が、送電カプラ５３のコンデンサ５１とコイル５２からなる直列共振回路と直列に接続されることになる。図８に示した特許文献１の構成では、このような２つの直列共振回路の直列接続を、１つの直列共振回路３４で共用させるように構成したものである。これにより、コンデンサ及びコイルの数を減らすことができるが、磁界共鳴方式ではコイル５２、５５を大きくする必要があることから、特許文献１の構成ではコイルによる損失が大きくなる。
【００３５】
なお、特許文献１に記載のワイヤレス給電装置９０では、エキサイトコイルを用いないで送電コイルに交流電流を直接供給するハーフブリッジ型の給電回路としており、図５に示す送電コイル６２及びこれに直列接続されたコンデンサ６３を直列共振回路３４のコンデンサ３５及びコイル３６と共用させている。
【００３６】
本実施形態のワイヤレス給電装置によれば、ソフトスイッチング方式で動作する電源部の直列共振回路と送電カプラとを共用化させることで、コンデンサ及びコイルの数を減らしてコスト低減を図ることができる。また、電界共鳴方式でワイヤレス伝送を行うようにすることで、送受電カプラのコイルを小型化することができ、コイルによる損失を大幅に低減することができる。さらに、コイルを小型化することで送受電カプラからの漏れ磁束も大幅に低減することができる。一方、送受電カプラのコンデンサを大きくしたことで、電界の漏れや電磁波の漏れを低減させる必要があるときは、金属板等で容易に遮蔽することができる。
【００３７】
電源部１１０の直列共振回路１１４と送電カプラ１２０とを共用化させることで、電力損失がどの程度低減されるかをシミュレーション結果を用いて説明する。一例として外部電源１０から５００Ｗ印加されたとき、電源部１１０の直列共振回路１１４と送電カプラ１２０とを別々に設けた従来の構成では８５Ｗの損失が生じる。これに対し、直列共振回路１１４と送電カプラ１２０とを共用化させた本実施形態では、５００Ｗの印加に対して６２Ｗの損失となっており、従来の構成より２３Ｗの損失を低減させることが可能となっている。
【００３８】
なお、本実施の形態における記述は、本発明に係るワイヤレス給電装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態におけるワイヤレス給電装置の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１００    ワイヤレス給電装置
１１０    電源部
１１１    パルス生成部
１１２    トランジスタ
１１２ａ  ゲート端子
１１２ｂ  ソース端子
１１２ｃ  ドレイン端子
１１３    第１のコンデンサ
１１４    直列共振回路
１１５    チョークコイル
１２０    送電カプラ
１２１    第２のコンデンサ
１２２    第１のコイル
１３０    受電カプラ
１３１    第３のコンデンサ
１３２    第２のコイル
１４０    受電平滑回路
【図１】
2016187260.tif 000003
【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】
2016187260.tif 000008
【図７】
2016187260.tif 000009
【図８】
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