JP2012019649A - 給電装置およびワイヤレス給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】かばん等の収納体に入れて持ち運ぶポータブル機器を、かばんに入れたまま充電ができれば、利便性を大幅に向上することができる給電装置およびワイヤレス給電システムを提供する。
【解決手段】ワイヤレスで電力を給電可能な給電部２１と、携帯型収納体としてのかばん２２と、給電部２１に動作電力を供給する電源部２３と、を有し、給電部２１は、電源部により動作電力が給電される送電部を含み、携帯型収納体２２は、給電部２１および電源部２３のうち、少なくとも給電部２１を固定的に収納する。
【選択図】図１

Description

本発明は、かばん等の収納体に適用可能な非接触（ワイヤレス）で電力の供給、受信を行う非接触給電方式の給電装置およびワイヤレス給電システムに関するものである。

ワイヤレス（無線）で電力の供給を行う方式として電磁誘導方式が知られている。
また、近年、電磁共鳴現象を利用した磁界共鳴方式と呼ばれる方式を用いたワイヤレス給電、および充電システムが注目されている。

現在、既に広く用いられている電磁誘導方式の非接触給電方式は、給電元と給電先（受電側）とで磁束を共有する必要があり、効率良く電力を送るには給電元と給電先とを極近接して配置する必要があり、結合の軸合わせも重要である。

一方、電磁共鳴現象を用いた非接触給電方式は、電磁共鳴現象という原理から、電磁誘導方式よりも距離を離して電力伝送することができ、かつ、多少軸合わせが悪くても伝送効率があまり落ちないという利点がある。
なお、電磁共鳴現象には磁界共鳴方式の他に電界共鳴方式がある。
この磁界共鳴型を用いたワイヤレス給電システムは、軸合わせが不要で、給電距離を長くすることが可能である。

ところで、近年小型のポータブル電子機器を持ち運ぶことが増えている。これらの携帯機器（ポータブル機器）は２次電池を内蔵しており、定期的に給電して使用するものが一般的である。
髭剃り、歯ブラシなどで電磁誘導式の非接触給電技術が実用化されている。
これらは、送受コイル間の位置合せを厳密に行う必要があり、位置を固定するためのクレードル構造になっていることが多い。

ところが、この充電の際には、かばんなどに入れておいたポータブル電子機器を取り出し、充電器に接続する必要がある。
また、前記、電磁誘導を用いた非接触給電技術を用いたとしても、やはりポータブル機器はかばんから取り出して、充電台に設置する必要があった。

本発明は、かばん等の収納体に入れて持ち運ぶポータブル機器を、かばんに入れたまま充電ができれば、利便性を大幅に向上することができる給電装置およびワイヤレス給電システムを提供することにある。

本発明の第１の観点の給電装置は、ワイヤレスで電力を給電可能な給電部と、携帯型収納体と、上記給電部に動作電力を供給する電源部と、を有し、上記給電部は、上記電源部により動作電力が給電される送電部を含み、上記携帯型収納体は、上記給電部および上記電源部のうち、少なくとも上記給電部を固定的に収納する。

本発明の第２の観点のワイヤレス給電システムは、給電装置と、上記給電装置から送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電する受電装置と、を有し、上記給電装置は、ワイヤレスで電力を給電可能な給電部と、携帯型収納体と、上記給電部に動作電力を供給する電源部と、を有し、上記給電部は、上記電源部により動作電力が給電される送電部を含み、上記携帯型収納体は、上記給電部および上記電源部のうち、少なくとも上記給電部を固定的に収納する。

本発明によれば、かばん等の収納体に入れて持ち運ぶポータブル機器を、かばんに入れたまま充電ができれば、利便性を大幅に向上することができる。

本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス給電システムの全体の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス給電システムの電力の送受信系の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムの送電側コイルおよび受電側コイルの関係を模式的に示す図である。 磁界共鳴方式の原理について説明するための図である。 磁界共鳴方式における結合量の周波数特性を示す図である。 磁界共鳴方式における共鳴コイル間距離と結合量との関係を示す図である。 磁界共鳴方式における共鳴周波数と最大結合量が得られる共鳴コイル間距離の関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の第６の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．ワイヤレス給電システムの第１の実施形態
２．ワイヤレス給電システムの第２の実施形態
３．ワイヤレス給電システムの第３の実施形態
４．ワイヤレス給電システムの第４の実施形態
５．ワイヤレス給電システムの第５の実施形態
６．ワイヤレス給電システムの第６の実施形態

＜１．ワイヤレス給電システムの第１の実施形態＞
図１（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス給電システムの全体の構成例を示す図である。
図２は、本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス給電システムの電力の送受信系の構成例を示すブロック図である。
図３は、本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムの送電側コイルおよび受電側コイルの関係を模式的に示す図である。

本ワイヤレス給電システム１０は、給電装置２０および受電装置３０を有する。

給電装置２０は、ワイヤレスで電力を給電可能な給電部２１と、給電部２１を収納する携帯型収納体としてのかばん２２と、電源部としての載置台２３を有する。
以下では、かばん２２と、電源部としての載置台２３の構成を説明した後、給電部２１および受電装置３０の構成および機能について説明する。

携帯型収納体であるかばん２２は、その底部に第１の電力供給用端子２２１，２２２が形成されている。
かばん２２には、給電部２１をたとえばその側部に送電コイルを含む送電素子部２１１が配置され、送電回路２１２が底部に近い位置に配置される。

載置台２３は、商用電源に接続可能はＡＣケーブル２３１を有する。
載置台２３は、携帯型収納体であるかばん２２が載置され、かばん２２の第１の電力供給用端子２２１，２２２と接触状態で駆動電力をかばん２２内の給電部２１に動作電力を供給可能な第２の電力供給用端子２３１，２３２（＋，−）が形成されている。
電源部としての載置台２３は、交流電力（ＡＣ）を直流電力（ＤＣ）に変換する変換器２３４を含む。

次に、以上のワイヤレス給電システム１０に適用される給電部２１および受電装置３０について説明する。

給電部２１は、送電素子部２１１および電源部から動作電力を受ける送電回路２１２を有する。

送電素子部２１１は、給電素子としての給電コイル２１１１、および共鳴素子としての共鳴コイル２１１２を有する。共鳴コイルは共振コイルとも呼ぶが、本実施形態においては共鳴コイルと呼ぶこととする。

給電コイル２１１１は、交流電流が給電される空心コイルにより形成される。
共鳴コイル２１１２は、給電コイル２１１１と電磁誘導により結合する空心コイルにより形成され、受電装置３０の共鳴コイル３１２と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送する。

送電回路２１２は、ワイヤレス電力伝送のための高周波電力を発生する。
送電回路２１２は、高効率に高周波電力を発生させることが望ましいため、スイッチングアンプなどが用いられる。
送電回路２１２で発生された高周波電力は、図示しないインピーダンス検出器や整合回路等を通して送電コイル部２１１の給電コイル２１１１に給電（印加）される。

受電装置３０は、受電素子部３１、整流回路３２、電圧安定化回路３３、負荷３４を含んで構成されている。
この受電装置３０は、携帯電話等の負荷３４である２次電池が搭載されている。

受電素子部３１は、給電素子としての給電コイル３１１、および共鳴素子としての共振（共鳴）コイル３１２を有する。

給電コイル３１１は、共鳴コイル３１２から電磁誘導によって交流電流が給電される。
共鳴コイル３１２は、給電コイル３１１と電磁誘導により結合する空心コイルにより形成され、給電装置２０の給電部２１の共鳴コイル２１１２と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く受信する。

整流回路３２は、受電した交流電力を整流して直流（ＤＣ）電力として電圧安定化回路３３に供給する。

電圧安定化回路３３は、整流回路３２により供給されるＤＣ電力を、供給先である電子機器の仕様に応じたＤＣ電圧に変換して、その安定化したＤＣ電圧を電子機器である負荷３４に供給する。

次に、磁界共鳴方式の原理について説明する。

［磁界共鳴方式の原理］
次に、磁界共鳴方式の原理について、図４〜図７に関連付けて説明する。

図４は、磁界共鳴方式の原理ついて説明するための図である。
なお、ここでは、給電コイルを給電素子、共鳴コイルを共鳴素子として原理説明を行う。

電磁共鳴現象には電界共鳴方式と磁界共鳴方式があるが、図４は、そのうちの磁界共鳴方式のワイヤレス（非接触）給電システムで給電側元と受電側が１対１の基本ブロックを示している。
図１の構成と対応付けると、給電側には交流電源２１２、給電素子２１１１、共鳴素子２１１２を、受電側には共鳴素子３１２、給電素子３１１、整流回路３２を有している。

給電素子２１１１、３１１、共鳴素子２１１２、３１２は空心コイルで形成されている。
給電側において、給電素子２１１１と共鳴素子３１１とは電磁誘導により強く結合している。同様に、受電側において、給電素子３１１と共鳴素子３１２とは電磁誘導により強く結合している。
給電側、受電側双方の共鳴素子２１１２，３１２である各々の空心コイルの自己共振（共鳴）周波数が一致したときに磁界共鳴関係になり、結合量が最大、損失が最小となる。
交流電源２１２からは給電素子２１１１に交流電流が供給され、さらに電磁誘導によって共鳴素子２１１２へ電流を誘起させる。
交流電源２１２で発生させる交流電流の周波数は、共鳴素子２１１２、共鳴素子３１２の自己共振周波数と同一に設定される。
共鳴素子２１１２と共鳴素子３１２は互いに磁界共鳴の関係に配置され、共鳴周波数において共鳴素子２１１２から共鳴素子３１２へとワイヤレス（非接触）で交流電力が供給される。
受電側において、共鳴素子３１２から電磁誘導によって給電素子３１１に電流が供給され、整流回路３２によって直流電流が作られ出力される。

図５は、磁界共鳴方式における結合量の周波数特性を示す図である。
図５において、横軸が交流電源の周波数ｆを、縦軸が結合量をそれぞれ示している。

図５は、交流電源の周波数と結合量の関係を示している。
図５から磁気共鳴により周波数選択性を示すことがわかる。

図６は、磁界共鳴方式における共鳴素子間距離と結合量との関係を示す図である。
図６において、横軸が共鳴素子間距離Ｄを、縦軸が結合量をそれぞれ示している。

図６は、給電側の共鳴素子２１１２と受電側の共鳴素子３１２間の距離Ｄと結合量の関係を示している。
図６から、ある共鳴周波数において、結合量が最大となる距離Ｄがあることがわかる。

図７は、磁界共鳴方式における共鳴周波数と最大結合量が得られる共鳴素子間距離の関係を示す図である。
図７において、横軸が共鳴周波数ｆを、縦軸が共鳴素子間距離Ｄをそれぞれ示している。

図７は、共鳴周波数と最大結合量が得られる給電側の共鳴素子２１１２と受電側の共鳴素子３１２間の距離Ｄの関係を示している。
図７から、共鳴周波数が低いと共鳴素子間隔を広く、共鳴周波数が高いと共鳴素子間隔を狭くすることによって最大結合量が得られることがわかる。

以上のように、本実施形態の基本要件は、かばん２２の内部においてワイヤレス給電を実現することで、使用者の利便性を格段に向上させることである。
かばん２２の載置台（シート）２３に端子（接点）２３１，２３２が設けられている。載置台２３はＡＣケーブル２３１が付いており、コンセントから有線で電力を供給する。
載置台２３とかばん２２の置かれる間には接点が設けられており、電力がかばんに有線で供給される。ここの電力の受け渡しは交流電力でも良いし、直流でも良い。
本第１の実施形態では、直流で受け渡しを行っており、ＡＣ/ＤＣ変換器２３４は載置台２３内部に配置されている。
そして、かばん２２の内部には送電回路２１２および非接触給電用の送電コイルである送電素子部２１１が配置される。
一方、受電装置３０側となるポータブル電子機器は、受電用コイル、整流・平滑回路、電源安定化回路などを有しており、非接触で電力を受け、２次電池を充電することができる。

＜２．ワイヤレス給電システムの第２の実施形態＞
図８は、本発明の第２の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。

本第２の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ａと第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０と異なる点は、交流で受け渡しをする場合であり、ＡＣ/ＤＣ変換器２３４はかばん２２内部に配置されていることにある。

その他の構成は第１の実施形態と同様である。

＜３．ワイヤレス給電システムの第３の実施形態＞
図９は、本発明の第３の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。

本第３の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ｂと第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０と異なる点は、ＡＣ/ＤＣ変換器２３４はかばん２２内部に配置されて、かつＡＣケーブル２３１もかばん２２に接続されている。
すなわち、本第３の実施形態では、載置台および第１の電力供給用端子が不要となっている。

＜４．ワイヤレス給電システムの第４の実施形態＞
図１０は、本発明の第４の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。

本第４の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ｃと第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０と異なる点は、次の通りである。
すなわち、ワイヤレス給電システム１０Ｃにおいては、電源部としての載置台２３からの動作電力の供給を有線ではなく、ワイヤレス（無線）で行うことにある。

載置台２３Ｃは、交流電力を直流電力に変換する変換器２３４と、変換器２３４による電力を受けてワイヤレスで電力を送電可能な第２の送電回路（送電部）２３５と、を含む。
第２の送電部２３５は、給電部２１と同様に、送電素子部２３５１および変換器２３４から動作電力を受ける送電回路２３５２を有する。
この第２の送電部２３５の構成および機能は、基本的に上記した給電部２１と同様であることからその説明は省略する。
また、給電部２１は、第２の送電部２３５から送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電し、受電した電力を動作電力として送電部に供給する受電部２１３を含む。
この受電部２１３の構成および機能は、基本的に上記した受電装置３０と同様であることからその説明は省略する。

このように、本第４の実施形態においては、かばん２２と載置台２３Ｃ間を非接触電力供給し、さらにかばん２２Ｃの内部は先に示した実施形態のように非接触給電する方法が採用される。
この場合、載置台２３Ｃ内部に非接触給電用送電回路とコイルを有し、かばん２２Ｃの内部は受電コイルと受電回路、そしてかばん２２Ｃの内部での電力給電用の送電回路２１２とコイル素子部２１１を有する。
こうすることで、載置台２３Ｃとかばん２２Ｃ間を非接触給電できるので、端子が露出することがなく電気的な故障を軽減できる。

＜５．ワイヤレス給電システムの第５の実施形態＞
図１１は、本発明の第５の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。

本第５の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ｄと第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０と異なる点は、次の通りである。
ワイヤレス給電システム１０Ｄにおいては、かばん２２Ｄに収納する受電装置３０として電子機器に対応する給電部２１Ｄ−１，２１Ｄ−２を含む収納部２２５，２２６を設けたことにある。

非接触給電を行う際、磁界共鳴型の伝送方式を用いることで、送受コイル間の位置合せをある程度ラフにすることができる。
しかしながら、それでもコイル間の位置合せを行った方がよりよい給電効率が得られることが多い。
たとえば、かばんのひとつのポケットを携帯電話専用とし、そこに給電用コイルを取り付けることで、携帯電話に取り付けられた２次側受電コイルと精度良く位置を合わせることが可能となる。これにより、より、効率よく電力を伝送することが可能となる。
ポケットが複数ある場合、複数の送電コイルを取り付けることが可能となる。その際、ポケットごとに送電周波数を変えることで、干渉による特性劣化を防ぐことが可能となる。
この場合、使用周波数ごとに決まったポケット（送電コイル）を使用する必要がある。

＜６．ワイヤレス給電システムの第６の実施形態＞
図１２は、本発明の第６の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。

本第６の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ｅと第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０と異なる点は、次の通りである。
本第６の実施形態においては、かばん２２Ｅの外周部が、電界シールド部として機能する金属部材２３７により形成され、かつ、外周部に磁気シールド部としての磁性シート２３８が形成されている。

たとえば、アルミニウムのアタッシュケースの場合などに非接触給電機能を載せる場合、アルミニウム金属の影響により給電特性が劣化する場合がある。
その場合は、アルミニウム材内側に磁性体を挿入すると特性を改善することが可能である。
このような構造の場合、かばん２２Ｅが電磁シールド構造になるので、外部への漏洩電磁界がなく、大電力の給電が可能となる。同時に複数の電子機器への充電や、急速充電などの用途で大電力が必要な場合に対応可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
普段、かばんに入れて持ち運ぶことが多いポータブル電子機器の充電を、かばんから取り出すことなく行うことができ、使用者の利便性を格段に向上できる。

上記各実施形態においては、送電電力を中継して受電装置３０側の送電する中継デバイスを適用することも可能である。

１０，１０Ａ〜１０Ｅ・・・ワイヤレス給電システム、２０・・・給電装置、２１・・・給電素部２１１・・・送電素子部、２１１１・・・給電コイル、２１１２・・・共鳴コイル、２１２・・・送電回路、２２・・・かばん（携帯型収納体）、３０・・・受電装置、３１・・・受電素子部、３２・・・整流回路、３３・・・電圧安定化回路、３４・・・負荷。

Claims (14)

1. ワイヤレスで電力を給電可能な給電部と、
   携帯型収納体と、
   上記給電部に動作電力を供給する電源部と、を有し、
   上記給電部は、
   上記電源部により動作電力が給電される送電部を含み、
   上記携帯型収納体は、
   上記給電部および上記電源部のうち、少なくとも上記給電部を固定的に収納する
   給電装置。
2. 上記携帯型収納体は、
   第１の電力供給用端子が形成され、
   上記電源部は、
   商用電源に接続可能で、上記携帯型収納体が載置され、上記携帯型収納体の上記第１の電力供給用端子と接触状態で駆動電力を上記携帯型収納体内の給電部に動作電力を供給可能な第２の電力供給用端子が形成された載置台を含む
   請求項１記載の給電装置。
3. 上記電源部の載置台は、
   交流電力を直流電力に変換する変換器を含む
   請求項２記載の給電装置。
4. 上記携帯型収納体は、
   上記第１の電力供給用端子を介して供給される交流電力を直流電力に変換する変換器を含む
   請求項２記載の給電装置。
5. 上記電源部は、
   商用電源に接続可能で、上記携帯型収納体が載置される載置台を含み、
   上記載置台は、
   交流電力を直流電力に変換する変換器と、
   上記変換器による電力を受けてワイヤレスで電力を送電可能な第２の送電部と、を含み、
   上記給電部は、
   上記送電部により送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電し、受電した電力を動作電力として送電部に供給する受電部を含む
   請求項１記載の給電装置。
6. 上記携帯型収納体は、
   それぞれ送電コイル部が配置される複数の収納部を含み、
   上記各送電コイル部の送電周波数が異なる
   請求項１から５のいずれか一に記載の給電装置。
7. 上記携帯型収納体は、
   外周部が、電界シールド部として機能する金属部材により形成され、かつ、外周部に磁気シールド部が形成されている
   請求項１から６のいずれか一に記載の給電装置。
8. 給電装置と、
   上記給電装置から送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電する受電装置と、を有し、
   上記給電装置は、
   ワイヤレスで電力を給電可能な給電部と、
   携帯型収納体と、
   上記給電部に動作電力を供給する電源部と、を有し、
   上記給電部は、
   上記電源部により動作電力が給電される送電部を含み、
   上記携帯型収納体は、
   上記給電部および上記電源部のうち、少なくとも上記給電部を固定的に収納する
   ワイヤレス給電システム。
9. 上記携帯型収納体は、
   第１の電力供給用端子が形成され、
   上記電源部は、
   商用電源に接続可能で、上記携帯型収納体が載置され、上記携帯型収納体の上記第１の電力供給用端子と接触状態で駆動電力を上記携帯型収納体内の給電部に動作電力を供給可能な第２の電力供給用端子が形成された載置台を含む
   請求項８記載のワイヤレス給電システム。
10. 上記電源部の載置台は、
    交流電力を直流電力に変換する変換器を含む
    請求項９記載のワイヤレス給電システム。
11. 上記携帯型収納体は、
    上記第１の電力供給用端子を介して供給される交流電力を直流電力に変換する変換器を含む
    請求項９記載のワイヤレス給電システム。
12. 上記電源部は、
    商用電源に接続可能で、上記携帯型収納体が載置される載置台を含み、
    上記載置台は、
    交流電力を直流電力に変換する変換器と、
    上記変換器による電力を受けてワイヤレスで電力を送電可能な第２の送電部と、を含み、
    上記給電部は、
    上記送電部により送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電し、受電した電力を動作電力として送電部に供給する受電部を含む
    請求項８記載のワイヤレス給電システム。
13. 上記携帯型収納体は、
    それぞれ送電コイル部が配置される複数の収納部を含み、
    上記各送電コイル部の送電周波数が異なる
    請求項８から１２のいずれか一に記載のワイヤレス給電システム。
14. 上記携帯型収納体は、
    外周部が、電界シールド部として機能する金属部材により形成され、かつ、外周部に磁気シールド部が形成されている
    請求項８から１３のいずれか一に記載のワイヤレス給電システム。

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