JP4982598B2 - 無線電力伝送システム、該システムの送電装置および受電装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、同一周波数帯域での無線電力伝送と通信の共存が可能な無線電力伝送システム、該システムの送電装置および受電装置に関する。

無線電力伝送方式は、大別して電磁誘導型、電波受信型、磁場共鳴型がある。
電磁誘導型は、電動歯ブラシ、電動シェーバでの充電のために既に実用化されているものであり、効率も良いが、位置ずれに弱いために、送電部と受電部は概ね密着状態で配置し、それぞれ専用の送電部に受電部をしっかりとはめ込む形で用いられる。

電波受信型は、ピッツバーグ動物園のペンギン舎等で実用にされていて、電力を電磁波として飛ばし、受電側ではそれを受信して電力に変換するものである。電磁誘導型の「送電部と受電部をほぼ密着させる」という制約は無くなるが、エネルギーの利用効率は、例えば９００ＭＨｚで２ｍ離れた状態で、ダイポールアンテナを使った場合、１％未満と非常に低いものになってしまう。そのため、送電部と受電部を十分隔離する必要があり、かつ消費電力は非常に低いアプリケーションに限定されていた。

磁場共鳴型（磁気共鳴型とも呼ぶ）は、これら先行方式の問題点をある程度克服するものとして、２００７年にマサチューセッツ工業大学の研究者らによって実証されたもので、２ｍの距離で６０Ｗの電球に約５０％の効率で電力供給し、点灯させることに成功した。この方式は送電部、受電部それぞれに、特定周波数で共振する「共鳴器」を配して、その周波数での交流磁界を効率良く送受電部の近傍に集中させるのが特徴である。その結果として、将来的にはトロリー電車への給電等、大電力供給の応用にも道が開かれている。効率の良い伝送をするためには、共鳴器のＱ値が高いことが条件となるのが特徴でもある。

これらの技術を用いた無線電力伝送システムを実用化するためには、送電部・受電部間での認証、所要電力の申告等、何らかの通信機能が必須となる。

電力の伝送距離、効率、伝送電力の大きさ等の点で大きな可能性を持つ磁場共鳴型の無線電力伝送において、送受間の電力伝送およびデータ通信を最小の構成で効率よく行う無線電力伝送が望まれる。

特開２０１０−５１１３７号公報

磁場共鳴型の無線電力伝送において、送受間の電力伝送およびデータ通信を最小の構成で効率よく行う無線電力伝送システム、該システムの送電装置および受電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態の無線電力伝送システムは、送電装置と受電装置との間で磁場共鳴による電力伝送と信号通信とを時分割で行なう無線電力伝送システムであって、前記送電装置は、所定の共振周波数で共振し、該共振のＱ値を高低に切り換える第１の共振器と、前記信号通信を行うときに前記第１の共振器のＱ値を低く設定し、前記電力伝送を行うときに前記第１の共振器のＱ値を高く設定し、認証不要電力と認証電力とを含む電力を伝送し、該認証不要電力を所定の周期で伝送し、前記信号通信によって、認証され且つ割当期間が確認された受電装置に前記認証電力を伝送する第１の制御手段とを有し、前記受電装置は、前記所定の共振周波数で共振し、該共振のＱ値を高低に切り換える第２の共振器と、前記信号通信を行うときに前記第２の共振器のＱ値を低く設定し、前記電力伝送によって電力を受電するときに前記第２の共振器のＱ値を高く設定し、前記認証不要電力を認証なしで受信し、前記認証電力を前記信号通信による認証および割当期間確認後に受電する第２の制御手段とを有することを特徴とする。

本発明の実施例に係る無線電力伝送システム３００のブロック図。 本発明の実施例に係る無線電力伝送システム３００のシステムタイミング図（フェーズΦ１〜Φ３）。 本発明の実施例に係る無線電力伝送システム３００のシステムタイミング図（フェーズΦ３での複数電力送電）。 本発明の実施例に係る受電装置２００の電力バースト検出回路２５の回路図。 本発明の実施例に係る無線電力伝送システム３００のシーケンス図。 本発明の実施例に係る無線電力伝送システム３００のシステムタイミング図（入れ替え制御）。 本発明の実施例に係る無線電力伝送システムのシーケンス図（入れ替え制御）。

図１は、本発明の実施例に係る無線電力伝送システム３００のブロック図である。無線電力伝送システム３００は、送電装置１００と受電装置２００により構成される。受電装置２００は複数あってもよい。

［電力伝送および通信の概要］
まず、送電装置１００と受電装置２００間のワイヤレスの電力伝送および通信の概要について説明する。
送電装置１００の共鳴器７（第１の共鳴器）の共振周波数と、受電装置２００の共鳴器２７（第２の共鳴器）の共振周波数とは同じに調整されており、一方の共鳴器を共振周波数で駆動して交流磁界を発生し、この交流磁界を介して他方の共鳴器が磁場共鳴することによって、ワイヤレスで電力および通信信号が伝送される。

電力伝送については、送電装置１００のループアンテナ６を高周波電力で駆動し、その発生する交流磁界に対して、送電装置１００の共鳴器７と受電装置２００の共鳴器２７が磁場共鳴してその交流磁界を導き、ループアンテナ２６にてその電力を捕捉することにより、送電装置１００から受電装置２００へワイヤレスで電力が伝送される。大きな電力の電力伝送を行うために、双方の共鳴器の共振のＱ値（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ）は、高いＱ値に設定される。例えば、共振周波数＝２０ＭＨｚ、Ｑ＝１０００とすると、マイナス３ｄＢの帯域幅は、２０ＭＨｚ／１０００＝２０ｋＨｚの狭い急峻な高効率の特性となる。

通信信号の伝送については、双方向であり、一方のループアンテナを通信信号で駆動し、その交流磁界を他方のループアンテナで捕捉することにより、ワイヤレスで通信信号が伝送される。通信信号は、その搬送波は共鳴器の共振周波数と同じ周波数であり、それを中心に変調されて帯域幅を有する信号である。高速のビットレートのデータ通信を行うために、双方の共鳴器の共振のＱ値は低いＱ値に設定される。これが高いＱ値だと帯域幅が狭くて高速のデータ通信が行えないからである。低いＱ値として、例えば、共振周波数＝２０ＭＨｚ、Ｑ＝１０とすると、マイナス３ｄＢの帯域幅は、２０ＭＨｚ／１０＝２ＭＨｚのなだらかな特性となる。

データ通信時にこの低いＱ値に設定され、データ通信の変調方式としてＱＰＳＫを用いれば、４Ｍｂ／ｓ程度のデータ通信が可能となる。変調方式として高効率変調やパーシャルレスポンス、プリ等化等の技術を用いれば、更に高いビットレートが可能である。

電力伝送時と通信信号伝送時とでＱ値を変えるので、送電装置１００と受電装置２００間で同期を取ってタイミングを制御して時分割で電力伝送と通信信号伝送を行い、その制御は、送電装置１００の制御回路９（第１の制御手段）、受電装置２００の制御回路２９（第２の制御手段）により同期を取って行う。

以下、各装置の構成および動作の詳細について説明する。
［送電装置１００］
送電装置１００は、発振器１、増幅器２、インピーダンス整合回路３、スイッチ４、バラン回路５（平衡不平衡変換）、ループアンテナ６、共鳴器７（第１の共鳴器）、通信回路８、制御回路９等により構成される。

発振器１、増幅器２、インピーダンス整合回路３は、電力伝送の専用部分である。発振器１は、所定の周波数の高周波信号を出力する。増幅器２は、それを所定のレベルまで増幅する。インピーダンス整合回路３は、アンテナ系との整合を取る回路である。

通信回路８は、データ変調／復調を行う通信専用部分である。電力伝送用の発振器１等と通信用の通信回路８とは、制御回路９の切換信号によりスイッチ４で時分割して切り換えられてバラン回路５につながる。

バラン回路５、ループアンテナ６、共鳴器７は、電力伝送および通信用として共用される。バラン回路５は、不平衡な回路群のスイッチ４側と、平衡なループアンテナ６との間で平衡不平衡変換を行う。なお、バラン回路５は、ループアンテナ６の構成によっては不要である。

ループアンテナ６は、共鳴器７と電磁結合される。電力伝送時には、発振器１からの高周波信号でループアンテナ６が高周波電力を放出して、その交流磁界を共鳴器７と受電装置２００の共鳴器２７により導き、ループアンテナ２６がそのエネルギーを捕捉する。通信送信時には、通信回路８からの通信信号でループアンテナ６が放出する。通信受信時には、受電装置２００のループアンテナ６に電磁結合で通信の高周波信号を受信し、通信回路８へ送られる。通信時、共鳴器７ならびに共鳴器２７のＱ値が低くなっていることから、それらは共鳴器電力送電時のような高い結合状態にはならない。

共鳴器７は、ＬＣ共振器であり、磁場を発生するコイル７ａ、可変コンデンサ７ｂ、スイッチ７ｃ、抵抗７ｄ等により構成される。共振周波数は、例えば２０ＭＨｚとなるように、予め実験等により、可変コンデンサ７ｂの値が調整される。Ｑ値は、抵抗成分で変化するので、スイッチ７ｃで抵抗７ｄを開放することにより、高いＱ値、例えば、Ｑ＝１０００となる。スイッチ７ｃで抵抗７ｄを接続することにより、低いＱ値、例えば、Ｑ＝１０となるように予め実験等により、抵抗７ｄの抵抗値が決められている。

なお、可変コンデンサ７ｂは、電圧により誘電率が変わる特性を持った樹脂であってもよい。コイル７ａの両端子間、または全体をこの樹脂で充填する。そして、この樹脂の一部あるいは全体を２つの電極で挟み、この電極に電圧をかけて電圧を可変することでコンデンサ容量を可変してもよい。このような構成により、例えばバリアブルキャパシタのような半導体素子を用いた場合、あるいはＭＥＭＳのような微小スイッチにより固定キャパシタを切り替える場合より、高い電力に耐えることが可能となる。

通信回路８は、制御回路９の送受データの変調復調を行う。搬送周波数は、発振器１の発振周波数の２０ＭＨｚと同じ値に設定してある。データ通信の変調方式は任意であるが、通信速度を上げれば電力伝送に利用できる時間を長くしうるので、ＱＰＳＫやその他の高効率変調が望ましく、更にパーシャルレスポンス、プリ等化等の技術を用いて、より帯域幅あたりのビットレートを上げてもよい。

制御回路９は、電力伝送と通信を時分割で行うべくスイッチ４を切り換え、また、共鳴器７の共振周波数のｆ調整やＱ調整を行う。制御回路９のタイミング制御やシーケンス制御の詳細については後（図２以降）で説明する。

［受電装置２００］
受電装置２００は、負荷２１、整流回路２２、インピーダンス整合回路２３、スイッチ２４、電力バースト検出回路２５、ループアンテナ２６、共鳴器２７（第２の共鳴器）、通信回路２８、制御回路２９等により構成される。

負荷２１、整流回路２２、インピーダンス整合回路２３は、本来の電力受電の専用部分であり、送電装置１００から送電される電力送電（認証電力送電）を受電時の負荷部となり、ループアンテナ２６から見たインピーダンスは低い、すなわち重い負荷である。送電装置２００の共鳴器７から見た場合、上記負荷部が負荷となり、共鳴器７への影響が大きい。

インピーダンス整合回路２３は、アンテナ系との整合を取る回路であり、送電装置１００のインピーダンス整合回路３と併せてインピーダンスを調整することにより、電力の伝送効率を改善する。整流回路２２は、受電した交流電力を直流に変換し、負荷２１へ電力供給する。負荷２１は、図示しない充電回路と二次電池を有し、二次電池に充電される。また、整流回路２２の出力は、受電レベルを表すので、受電レベル信号として制御回路２９に送る。

通信回路２８は、データ変調／復調を行う通信専用部分である。電力受電用のインピーダンス整合回路２３等と通信用の通信回路２８とは、制御回路２９の切換信号によりスイッチ２４で時分割して切り換えられてループアンテナ２６につながる。

ループアンテナ２６、共鳴器２７は、電力受電および通信用として共用される。共鳴器２７は、ループアンテナ２６と電磁結合される。電力受電時には、送電装置１００の共鳴器７と磁場共鳴した共鳴器２７により導かれた高周波電力によりループアンテナ２６が高周波電力信号を発生して、インピーダンス整合回路２３、整流回路２２、負荷２１へと電力が供給され、二次電池を充電する。

通信受信時には、送電装置１００の共鳴器７からの交流磁界に磁場共鳴した共鳴器２７の高周波信号によりループアンテナ２６が高周波信号を発生して、通信回路２８へ送られる。

通信送信時には、通信回路２８からの通信信号でループアンテナ２６が発生する通信の高周波信号により共鳴器２７が交流磁界を発生して、送電装置１００の共鳴器７へ導かれる。

共鳴器２７は、ＬＣ共振器であり、磁場を発生するコイル２７ａ、可変コンデンサ２７ｂ、スイッチ２７ｃ、抵抗２７ｄ等により構成される。共振周波数は、送電装置１００側の共鳴器７と同じ、例えば２０ＭＨｚとなるように、予め実験等により、可変コンデンサ２７ｂの値が調整される。Ｑ値は、抵抗成分で変化するので、スイッチ２７ｃで抵抗２７ｄを開放することで高いＱ値、例えば、Ｑ＝１０００となる。スイッチ２７ｃで抵抗２７ｄを接続することで低いＱ値、例えば、Ｑ＝１０となるように予め実験等により、抵抗２７ｄの抵抗値が決められている。

なお、可変コンデンサ２７ｂは、可変コンデンサ７ｂと同様に、電圧により誘電率が変わる特性を持った樹脂であってもよい。

電力バースト検出回路２５は、送電装置１００から送電される所定周期（例えば１秒周期）のパブリック給電（認証不要電力送電）を検出して、電力バースト検出回路２５内部に蓄電すると共に、この所定周期であるシステムタイミングに同期を取り、同期信号２５ａを制御回路２９へ送ること等である。電力バースト検出回路２５の詳細については、後（図２）で説明する。

通信回路２８は、制御回路２９の送受データの変調復調を行う。搬送周波数は、発振器１の発振周波数の２０ＭＨｚと同じ値に設定してある。ただし、発信源が異なるため、厳密に同じ値にはならない。データ通信の変調方式は任意であるが、ＱＰＳＫやその他の高効率変調が望ましく、更にパーシャルレスポンス、プリ等化等の技術を用いて、より帯域幅あたりのビットレートを上げてもよい。

制御回路２９は、同期信号２５ａを基にタイミングを取って、電力受電と通信を時分割で行うべくスイッチ２４を切り換え、共鳴器２７の共振のＱ調整を行う。また、送電装置１００から送電される電力送電（認証電力送電）を受電時のタイミングにおいて、整流回路２２の出力である受電レベルを監視し、そのレベルが最大になるように、共鳴器２７の可変コンデンサ２７ｂを調整してもよい。これにより共鳴器２７の共振周波数が最適な値に変化する。
制御回路２９のタイミングやシーケンスの制御詳細については後（図２以降）で説明する。

次に、送電装置１００の制御回路９および受電装置２００の制御回路２９等のタイミング制御の詳細について説明する。
図２は、本発明の実施例に係る無線電力伝送システム３００のシステムタイミング図である（フェーズΦ１〜Φ３それぞれでのタイミング）。
図３は、本発明の実施例に係る無線電力伝送システム３００のシステムタイミング図である（フェーズΦ３での複数電力送電のタイミング）。

まず、図２について説明する。本発明の実施例に係る無線電力伝送システム３００では、タイミングＴ１でのパブリック給電（認証不要電力送電）と、タイミングＴ２での電力送電（認証電力送電）と、タイミングＴ３での通信のスロットとが予めシステム規則で決められたタイミングで時分割で行われる。手順は、フェーズΦ１からΦ２、Φ３へと順に遷移する。

パブリック給電（認証不要電力送電）は、送電装置１００が受電装置２００の認証を行なわずに任意の複数の受電装置２００に対して、受電装置２００の最小限の部分が動作可能な電力を給電するものである。
電力送電（認証電力送電）は、送電装置１００が認証を行なった受電装置２００に対して送電するものであり、本来の大電力の送電を行なう。

フェーズΦ１では、パブリック給電（タイミングＴ１）が所定周期、例えば１秒周期で行われ、システムタイミングの基本となる同期信号であると共に、このパブリック給電により任意の複数の受電装置２００に対して認証不要でパブリックに給電を行い、受電装置２００の同期処理等の最小限の部分が動作可能な電力を給電する。パブリック給電は、以降のフェーズΦ２、Φ３でも基本となるタイミングであり、継続する。

フェーズΦ２では、パブリック給電に同期の取れた受電装置２００と送電装置１００との間で、通信（タイミングＴ３）により認証、所要電力等のやりとりを行う。
フェーズΦ３では、パブリック給電（タイミングＴ１）と本来の電力送電（タイミングＴ２）と通信（タイミングＴ３）とが時分割で伝送される。この電力送電区間（タイミングＴ２）は、受電装置２００が複数の場合には、さらに時分割される。

送電装置１００は、上記パブリック給電および電力送電の区間は、高効率で電力を伝送するために、共鳴器７のＱ値を高いＱ値に設定し、通信の区間は、通信の帯域幅を確保するために、低いＱ値に設定する。受電装置２００も、パブリック給電に同期を取ったあとは、タイミングに合わせて共鳴器２７のＱ値を同様に制御する。

以下、フェーズΦ１からΦ２、Φ３へのシーケンスの移行について詳しく説明する。
［フェーズΦ１］
送電装置１００は、フェーズΦ１では、共鳴器７を高いＱ値にしてパブリック給電を所定周期、例えば１秒周期で送出し続ける。具体的には、制御回路９（図１）は、スイッチ７ｃを開放して共鳴器７のＱ値を高くする。また、スイッチ４をインピーダンス整合回路３側に設定する。そして、発振器１をタイミングＴ１の幅だけ発振信号を出力させ、それを所定の周期（例えば１秒周期）で繰り返す。これにより、共鳴器７からパブリック給電が交流磁界として送出される。

受電装置２００は、パブリック給電のサーチを行う。パブリック給電のサーチ中は、常時、共鳴器２７のＱ値を高いＱとして、パブリック給電の電力を効率よく受電できる状態にする。ただし、受電装置２００が送電装置１００の交流磁界の範囲外の場合は、サーチしても検出できない。受電装置２００が送電装置１００の交流磁界の範囲内に置かれると、パブリック給電により電力バースト検出回路２５に電力を蓄電する。電力バースト検出回路２５が動作できる電力が蓄電すると、パブリック給電のタイミングＴ１を検出して同期を取る。制御回路２９（図１）は、スイッチ２７ｃを開放して共鳴器２７のＱ値を高くする。

受電装置２００は、フェーズΦ１では、パブリック給電をサーチするために、常時、共鳴器２７のＱ値を高いＱ値として、パブリック給電の電力を効率よく受電できる状態にし、電力バースト検出回路２５によりパブリック給電を検出して同期を取り、そのタイミングをカウンタ（不図示）等に記憶する。パブリック給電を検出して同期が取れるとフェーズΦ２に入る。

［フェーズΦ２］
フェーズΦ２では、送電装置１００と受電装置２００間の認証等を通信区間の通信で行う。送電装置１００の制御回路９は、通信区間の共鳴器７のＱ値を低くする。受電装置２００は、パブリック給電に同期が取れて、通信区間が確定したので、その区間のみ、共鳴器２７のＱ値を低くする。通信区間は、電力バーストが終了した後、次のパブリック給電までの期間である。電力バーストの長さは受電装置２００にとって予測できないが、次のパブリック給電のタイミングは周期性から予測でき、従って、電力供給と通信とが衝突することは避けることができる。通信により、認証、所要電力の大きさ、電力送電の詳細タイミング等のやりとりを行い、フェーズΦ３に入る。

［フェーズΦ３］
フェーズΦ３では、パブリック給電と電力送電と通信を行う。通信は、例えば、受電装置２００が電力給電を受けて充電が完了したときに充電完了を通知する等、必要に応じて行われる。

次に、図３について説明する。無線電力伝送システム３００では、１台の送電装置１００から複数の受電装置２００へ電力送電することができる。フェーズΦ３において、複数の受電装置２００（２０１、２０２、２０３）への送電の時分割について説明する図である。

送電装置１００は、接続が完了した複数の受電装置２００の順番、この例では、２０１、２０２、２０３の順番で、電力送電の期間を時分割で割り振る。しかも、パブリック給電Ｔ１と複数の電力送電Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３が途切れずに連続でバーストするように、タイミングＴ２１、Ｔ２２、Ｔ２３を決める。Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３の各時間幅は、各受電装置２００からの所要電力の要求等により決める。

今、送電装置１００が受電装置２０１と２０２の２台へ電力送電している最中に、受電装置２０３が接続を試みる場合、受電装置２０３は、タイミングＴ１とＴ２１とＴ２２が連続バースト状態なので、このバースト状態を検出して、その立ち上がり部分を検知すれば、正確にパブリック給電のタイミングＴ１を検知して同期を取ることができる。

なお、図中の各受電装置２０１、２０２、２０３の受電期間のインピーダンスＺｎは、受電しているので低インピーダンスＺｎであり、受電期間以外は、高インピーダンスＺｎとすることで、複数の受電装置２００への時分割送電での送電装置１００への影響を低減する。

［図２、図３におけるインピーダンスＺｎ］
ループアンテナ２６から見た受電装置２００内のインピーダンスＺｎについて説明する。まず、スイッチ２４側の負荷について説明する。フェーズΦ３での受電期間のタイミングＴ２では、ループアンテナ２６はスイッチ２４を介して重い負荷２１等につながるので低インピーダンスＺｎとなる。

この受電期間以外は、スイッチ２４を開放またはループアンテナ２６が通信回路２８につながる。開放時は高インピーダンスＺｎである。タイミングＴ３で通信回路２８につながるときは、通信回路２８のインピーダンスとなる。

これにより、受電装置２００は、自身が受電していないタイミングにおいては、自身のインピーダンスを高くして、送電装置１００から見ると、送電期間中はパブリック給電期間を除き、どれか１台の受電装置しか低インピーダンスＺｎにならず、結果として、送電装置１００ならびに他の受電装置２００への影響を低減することができる。

ループアンテナ２６には、電力バースト検出回路２５も接続されている。この電力バースト検出回路２５のインピーダンスについては、次（図４）に、電力バースト検出回路２５の詳細回路の動作と合わせて説明する。

図４は、本発明の実施例に係る受電装置２００の電力バースト検出回路２５の回路図である。
電力バースト検出回路２５の主な機能は、送電装置１００から送電される所定周期（例えば１秒周期）のパブリック給電を蓄電して電力バースト検出回路２５自体が動作できるようにすること、および、動作可能となった後にパブリック給電を検出して、この所定周期であるシステムタイミングに同期を取ること、および、受電に不必要なタイミングにおいて、ループアンテナ２６から見た電力バースト検出回路２５自身のインピーダンスを高くして送電装置１００への影響を低減することである。

電力バースト検出回路２５は、整流回路４１、ダイオード４２、４３、安定化電源回路４４、レベル判定器４５、パブリック給電検出回路４６、整流回路５１、ダイオード５２、５３、安定化電源回路５４等から構成される。

［整流回路４１の系統］
整流回路４１は、ループアンテナ２６の交流出力を直流に変換する。整流回路４１の出力と二次電池（不図示）の出力とは、ダイオード４２、４３を介して安定化電源回路４４へ供給され、どちらか電圧の高い方の電源が使われる。

整流回路４１は、内部にループアンテナ２６と整流回路４１自身とを接続／開放するためのスイッチ（不図示）を備え、アクティブ端子がオン状態で、ループアンテナ２６と整流回路４１とが接続される。アクティブ端子がオフ状態では、開放されて、ループアンテナ２６から見たインピーダンスが高くなる。

安定化電源回路４４は、レベル判定器４５およびパブリック給電検出回路４６のＶｄｄへ給電する。安定化電源回路４４は、レベル判定器４５およびパブリック給電検出回路４６の回路を駆動するのに十分な電力がない場合は、十分な電力が蓄えられるまで、それらへ電源供給しない。

［整流回路５１の系統］
整流回路５１は、ループアンテナ２６の交流出力を直流に変換する。整流回路５１の出力と二次電池（不図示）の出力とは、ダイオード５２、５３を介して安定化電源回路５４へ供給され、どちらか電圧の高い方の電源が使われる。

整流回路５１は、内部にループアンテナ２６と整流回路５１自身とを接続／開放するためのスイッチ（不図示）を備え、アクティブ端子がオン状態で、ループアンテナ２６と整流回路５１とが接続される。アクティブ端子がオフ状態では、開放されて、ループアンテナ２６から見たインピーダンスが高くなる。

安定化電源回路５４は、通信回路２８および制御回路２９のＶｄｄへ給電する。安定化電源回路５４は、通信回路２８および制御回路２９の回路を駆動するのに十分な電力がない場合は、十分な電力が蓄えられるまで、それらへ電源供給しない。

［同期およびインピーダンス制御］
レベル判定器４５は、整流回路４１の直流信号のレベルを判定する。この整流回路４１の直流信号は、図２、図３のパブリック給電、電力送電、および通信の交流信号を直流信号に変換し、これらの包絡信号が得られる。パブリック給電と電力送電は、共鳴器７および共鳴器２７のＱ値が高いので包絡信号のレベルが大であり、通信はＱ値が低いので包絡信号のレベルが小である。レベル判定器４５の判定閾値をこの大小の中間に設定しておけば、パブリック給電と電力送電のみの包絡信号が得られる。

レベル判定器４５の出力は、図２のフェーズΦ１では、パブリック給電のみのタイミング信号が得られる。フェーズΦ２では、通信区間はレベル小で閾値以下なので、Φ１と同様に、パブリック給電のみのタイミング信号が得られる。フェーズΦ３では、パブリック給電とそれに連続した電力送電区間のタイミング信号が得られる。

パブリック給電検出回路４６は、レベル判定器４５の出力の立ち上がりを検出する。そして、その立ち上がりタイミングの周期がシステムタイミングの１周期（例えば１秒）に合っているかをチェックし、合っていれば、パブリック給電と見なして、このタイミングをシステムタイミングとして内部のカウンタ（不図示）に記憶する。

一般には、通信電力は給電電力に比べて３０ｄＢ以上の差があり、レベル判定器が適切に調整することにより、通信信号を給電バーストと誤検出することは回避可能であるが、もし、通信の包絡信号のレベルが大きくて、レベル判定器４５がそれを出力したとしても、上記立ち上がりタイミングの周期をチェックすることにより、正確にパブリック給電の立ち上がりを検出することができる。

また、パブリック給電検出回路４６は、パブリック給電待ち信号４６ａを出力して、整流回路４１をアクティブ状態にする。パブリック給電検出回路４６がパブリック給電待ち信号４６ａをアクティブにする期間は、パブリック給電検出回路４６に電源供給されていない期間、およびパブリック給電サーチ中（図２の受電装置２００のフェーズΦ１）の長い期間、および同期後（図２の受電装置２００のフェーズΦ２）のパブリック給電幅の狭い幅の期間、および電力受電のフェーズ（図２の受電装置２００のフェーズΦ３）の中のパブリック給電幅の狭い幅の期間である。以上の期間、整流回路４１をアクティブ状態にして、パブリック給電を待ち続ける。

この内、フェーズΦ１の長い期間、整流回路４１がアクティブになって安定化電源４４、レベル判定器４５、パブリック給電検出回路４５等が負荷になるが、これらは、負荷２１に比べれば中程度のインピーダンスＺｎであり、図２の受電装置２００のフェーズΦ１に示した中Ｚｎである。

パブリック給電検出回路４６は、さらに、パブリック給電幅信号４６ｂを出力して、整流回路５１をアクティブ状態にする。パブリック給電検出回路４６がパブリック給電幅信号４６ｂをアクティブにする期間は、同期後（図２の受電装置２００のフェーズΦ２）のパブリック給電幅の狭い幅の期間、および電力受電のフェーズ（図２の受電装置２００のフェーズΦ３）の中のパブリック給電幅の狭い幅の期間である。
また、このパブリック給電幅信号４６ｂは、同期信号でもあり、同期信号２５ａとして制御部２９へ送る。

パブリック給電検出回路４６は、パブリック給電幅信号４６ｂにより、パブリック給電の狭い幅の間のみ、整流回路５１をアクティブ状態にして、パブリック給電を待ち続ける。したがって、整流回路５１側の負荷は比較的高いインピーダンス高Ｚｎとなる。

以上説明したように、整流回路４１、整流回路５１を必要なときのみアクティブにし、不要なときはノンアクティブ（高インピーダンスＺｎ）にして、送電装置１００への影響を低減することができる。

次に、フェーズΦ１〜Φ３遷移を実行するシーケンス制御について説明する。
図５は、本発明の実施例に係る無線電力伝送システム３００のシーケンス図であり、送電装置１００と受電装置２００のやりとりを説明する。送電装置１００は主に制御回路９が制御し、受電装置２００は主に制御回路２９が制御する。

［フェーズΦ１、Φ２での同期］
フェーズΦ１、Φ２では、送電装置１００はパブリック給電を所定の周期（例えば１秒周期）でタイミングＴ１において送出している（Ｓ１、Ｓ３、Ｓ４）。

受電装置２００は、パブリック給電のサーチを行う。受電装置２００が送電装置１００の交流磁界の範囲外にある場合は、サーチしても検出できない。受電装置２００が送電装置１００の交流磁界の範囲内に置かれると（Ｓ２）、受電装置２００は、パブリック給電（Ｓ３、Ｓ４）により電力を蓄電し、電力バースト検出回路２５が動作できるようになれば、パブリック給電を検出して同期を取る（Ｓ５）。

［フェーズΦ２での通信］
受電装置２００は、次に、通信Ｔ３のタイミングで、認証情報を送る（Ｓ６）。送電装置１００は、認証を行い（Ｓ７）、認証確認・接続許可を受電装置２００へ送る（Ｓ８）。受電装置２００は、自身が必要な所要電力等の給電仕様を送電装置１００へ送る（Ｓ９）。

送電装置１００は、給電仕様に合わせて電力バーストの幅を決め、電力送電のタイミングＴ２中のどのタイミング（始点、終点）に受電装置２００への給電を割り当てるかの調整を行い（Ｓ１０）、給電割り当て通知を受電装置２００へ送る（Ｓ１１）。受電装置２００は、給電割り当てＡＣＫを送電装置１００へ送る（Ｓ１２）。

なお、認証情報として、最も簡単な実装では、他の受電装置との弁別に十分な自己のＩＤのみでも良いが、より高度な認証をするために、ＩＤの他に、メーカ情報、機器種別、認証機関での証明書データ等を含んでもよい。メーカ情報、機器種別等は、複数の受電装置に給電しようとしている送電装置の給電能力が足りない場合に、受電装置に対して優先順位を付けるために用いることもできる。

［フェーズΦ３での電力送電］
送電装置１００は、次に、電力送電のタイミングＴ３中の割り当てたタイミングで電力を受電装置２００へ送る（Ｓ１３）。これを繰り返す（Ｓ１４）。受電装置２００は、受電した電力で、例えば二次電池の充電を行ない、満充電を検出する（Ｓ１５）。

そして、受電装置２００は、フェーズΦ３の通信Ｔ３のタイミングで、給電停止要求を送電装置１００へ送る（Ｓ１６）。送電装置１００は、給電停止ＡＣＫを受電装置２００へ送る（Ｓ１７）。送電装置１００は、受電装置２００への給電を停止する（Ｓ１８）。

また、送電装置１００は、フェーズΦ３の通信Ｔ３のタイミングにおいて、電力送電中の受電装置２００に対して、定期的にポーリングをかけて、その受電装置２００の存在を確認する。その受電装置２００からの応答が所定期間あるいは所定回数なければ、受電装置２００が送電エリアから除去されたとして、その受電装置２００への送電を停止する。

なお、通信Ｔ３のタイミングは、複数の受電装置２００が共通に使用するタイミングであり、通信が競合しないように、ＭＡＣレイヤとしては、既知のＣＳＭＡ等の多元接続用プロトコルを実装することが望ましい。

また、一連の通信は１つの通信Ｔ３のタイミング（スロット）の中で完了する必要はなく、複数の通信スロットにまたがってもよい。

また、フェーズΦ３で電力送電を行なったが、受電装置２００が家庭内で使用する受電装置、例えば、リモコン、３Ｄテレビのメガネ等の消費電力が小さく、かつ小型・安価に実装できることが重要である受電装置もある。そのような受電装置に対して、認証等を行うことなく、パブリック給電部分だけで充電しておくことも可能である。最も安価な受電装置２００の実装は、電力バーストの立ち上がりを検出する手段と、パブリック給電期間である、その冒頭の一定長部分の電力を取り込む手段があれば良い。

また、受電装置２００は、その際、認証情報を提供してもよい。それにより、送電装置はどのような受電装置が送電装置の伝送エリアにあるのか管理することができる。送電装置は認証情報から伝送エリアにある受電装置のリストを表示部に表示する機能を有してもよい。また、この表示部は、送電装置が家庭内のネットワークに接続されていることを前提に、所定のＭＩＢ(管理情報ベース)を定義し、それをＳＮＭＰという管理用プロトコルで他のＰＣ等へ提供してもよい。例えばＴＶやＰＣが、ＳＮＭＰと専用ソフトを実装すれば、家の中のどの送電装置の所に、どの受電装置があるのか容易に検索できる。

また、フェーズΦ３で、受電装置２００の制御回路２９は、電力受電のタイミングＴ２において、整流回路２２の出力レベルを監視し、そのレベルが最大になるように、共鳴器２７の可変コンデンサ２７ｂを調整してもよい。これにより共鳴器２７の共振周波数が最適な値に変化する。

図６は、本発明の実施例に係る無線電力伝送システム３００のシステムタイミング図（入れ替え制御）である。
図７は、本発明の実施例に係る無線電力伝送システムのシーケンス図（入れ替え制御）である。両図は、フェーズΦ３で複数の受電装置２００へ電力送電している状態から、その内の１台の受電装置２００が受電終了したときの、連続バーストの入れ替え制御に関する。

図６の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）と図７の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）とは対応しており、両図を用いて説明する。

図７の（Ａ）において、送電装置１００は、タイミングＴ１でパブリック給電（Ｓ３１）に引き続き連続でタイミングＴ２１で受電装置２０１へ電力送電（Ｓ３２）し、さらに引き続き連続でタイミングＴ２２で受電装置２０２へ電力送電（Ｓ３３）する。これにより、図６の（Ａ）に示すように、パブリック給電と複数の電力送電とが、連続バーストになる。受電装置２０１と２０２は、それぞれの割り当てられたタイミングＴ２１とＴ２２で受電する。

受電装置２０１での受電が完了すると、受電装置２０１は、タイミングＴ３で給電停止要求を送る（Ｓ３４）。送電装置１００は、給電停止ＡＣＫを返す（Ｓ３５）。

図７の（Ｂ）において、送電装置１００は、タイミングＴ２１とＴ２２での連続送電を継続しながら、タイミングＴ３で、給電再割り当て通知を受電装置２０２に送る（Ｓ３８）。この給電再割り当て通知は、受電装置２０２の受電タイミングをＴ２１へ前倒しで詰める指示である。

図７の（Ｃ）において、受電装置２０２は、受電タイミングをＴ２１に移動して受電する（Ｓ３９）。そして、給電再割り当てＡＣＫを返す（Ｓ４０）。この処理は、図６の（Ｃ）に相当する。

図７の（Ｄ）において、送電装置１００は、タイミングＴ２１のみで電力送電し（Ｓ４２）、受電装置２０２はこのタイミングで受電する。

以上説明したように、パブリック給電に引き続き、全ての電力送電が連続バースト状で送電することにより、新たな充電装置２００が受電に参入するとき、連続バーストの立ち上がりを検出することで容易にパブリック給電の検出ができる。

図６、図７では、連続バーストの前側のタイミングＴ２１の受電装置２０１が先に受電停止したために、連続バーストが途切れる状態となったが、もし、連続バーストの後ろ側のタイミングＴ２２の受電装置２０２が先に受電停止した場合は、連続バーストが途切れないので、受電装置２０１は受電タイミングＴ２１を入れ替える必要はなく、送電装置１００のみが、送電タイミングをＴ２１のみとすればよい。

本発明の実施例によれば、共鳴器による磁場共鳴での電力伝送と、同じ共鳴器での磁場共鳴による通信とを時分割で行なうことができる。また、受電装置は、受電に不要なタイミングで受電装置自身のインピーダンスを高くなるように制御することで、送電装置への影響を小さくすることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 発振器
２ 増幅器
３ インピーダンス整合回路
４ スイッチ
５ バラン回路
６ ループアンテナ
７ 共鳴器（第１の共鳴器）
７ａ コイル
７ｂ 可変コンデンサ
７ｃ スイッチ
７ｄ 抵抗
８ 通信回路
９ 制御回路（第１の制御手段）
２１ 負荷
２２ 整流回路
２３ インピーダンス整合回路
２４ スイッチ
２５ 電力バースト検出回路（認証不要電力送電サーチ部）
２６ ループアンテナ
２７ 共鳴器（第２の共鳴器）
２７ａ コイル
２７ｂ 可変コンデンサ
２７ｃ スイッチ
２７ｄ 抵抗
２８ 通信回路
２９ 制御回路（第２の制御手段）
４１ 整流回路
４２、４３ ダイオード
４４ 安定化電源回路
４５ レベル判定器
４６ パブリック給電検出回路
５１ 整流回路
５２、５３ ダイオード
５４ 安定化電源回路
１００ 送電装置
２００ 受電装置
３００ 無線電力伝送システム

Claims (20)

1. 送電装置と受電装置との間で磁場共鳴による電力伝送と信号通信とを時分割で行なう無線電力伝送システムであって、
   前記送電装置は、
   所定の共振周波数で共振し、該共振のＱ値を高低に切り換える第１の共振器と、
   前記信号通信を行うときに前記第１の共振器のＱ値を低く設定し、前記電力伝送を行うときに前記第１の共振器のＱ値を高く設定し、認証不要電力と認証電力とを含む電力を伝送し、該認証不要電力を所定の周期で伝送し、前記信号通信によって、認証され且つ割当期間が確認された受電装置に前記認証電力を伝送する第１の制御手段とを有し、
   前記受電装置は、
   前記所定の共振周波数で共振し、該共振のＱ値を高低に切り換える第２の共振器と、
   前記信号通信を行うときに前記第２の共振器のＱ値を低く設定し、前記電力伝送によって電力を受電するときに前記第２の共振器のＱ値を高く設定し、前記認証不要電力を認証なしで受信し、前記認証電力を前記信号通信による認証および割当期間確認後に受電する第２の制御手段とを有する
   ことを特徴とする無線電力伝送システム。
2. 前記受電装置は、
   さらに、前記受電された認証電力が供給される負荷部と、
   前記認証不要電力の伝送を検出し、前記認証不要電力の伝送を検出しているときに能動状態になる認証不要電力検出部とを有し、
   前記第２の制御手段は、前記割当期間に前記認証電力を受電し、前記受電された認証電力を負荷部へ供給し、該割当期間以外の期間は該負荷部を開放する、
   ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送システム。
3. 前記第１の制御手段は、
   前記認証不要電力と前記認証電力とを連続したバースト状態で伝送し、
   前記認証不要電力検出部は、
   前記認証不要電力の伝送の開始タイミングを検出するために、前記連続したバースト状態の立ち上がりのタイミングを検出する
   ことを特徴とする請求項２記載の無線電力伝送システム。
4. 前記第１の制御手段は、
   前記認証電力の伝送期間を複数の受電装置に時分割に割り当て、前記信号通信によって前記複数の受電装置に前記割り当てられた伝送期間を通知し、前記認証不要電力と前記割り当てられた伝送期間の認証電力とを連続したバースト状態で伝送し、前記複数の受電装置の１つが前記認証電力の受電を終了したとき、前記連続したバースト状態がさらに継続するように前記認証電力の伝送期間を再割り当てし、前記信号通信によって前記複数の受電装置に再割り当てされた伝送期間を通知し、
   前記第２の制御手段は、
   前記信号通信によって通知された、前記割り当てられた伝送期間に、前記認証電力を受電することを特徴とする請求項３記載の無線電力伝送システム。
5. 前記第１の制御手段は、
   前記認証で確認した受電装置の一覧を表示することを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送システム。
6. 前記第２の制御手段は、
   前記認証電力を受電中に受電レベルを監視し、該受電レベルが最大となるように前記第２の共振器の可変コンデンサを可変して共振周波数を調整する
   ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送システム。
7. 前記可変コンデンサは、両端子間に電圧をかけて電圧可変により静電容量が変化する圧電樹脂であることを特徴とする請求項６記載の無線電力伝送システム。
8. 送電装置と受電装置との間で磁場共鳴による電力伝送と信号通信とを時分割で行なう無線電力伝送システムの送電装置であって、
   所定の共振周波数で共振し、該共振のＱ値を高低に切り換える共振器と、
   前記信号通信を行うときに前記共振器のＱ値を低く設定し、前記電力伝送を行うときに前記共振器のＱ値を高く設定し、認証不要電力と認証電力とを含む電力を伝送し、該認証不要電力を所定の周期で伝送し、前記信号通信によって、認証され且つ割当期間が確認された受電装置に前記認証電力を伝送する制御手段と
   を有することを特徴とする送電装置。
9. 前記制御手段は、
   前記認証不要電力と前記認証電力とを連続したバースト状態で伝送する
   ことを特徴とする請求項８記載の送電装置。
10. 前記制御手段は、
    前記認証電力の伝送期間を複数の受電装置に時分割に割り当て、前記信号通信によって前記複数の受電装置に前記割り当てられた伝送期間を通知し、前記認証不要電力と前記割り当てられた伝送期間の認証電力とを連続したバースト状態で伝送し、前記複数の受電装置の１つが前記認証電力の受電を終了したとき、前記連続したバースト状態がさらに継続するように前記認証電力の伝送期間を再割り当てし、前記信号通信によって前記複数の受電装置に前記再割り当てされた伝送期間を通知する
    ことを特徴とする請求項９記載の送電装置。
11. 前記共振器は、
    さらに、前記共振周波数を変更する可変コンデンサを有し、
    該可変コンデンサは、両端子間に電圧をかけて電圧可変により静電容量が変化する圧電樹脂であることを特徴とする請求項８記載の送電装置。
12. 送電装置と受電装置との間で磁場共鳴による電力伝送と信号通信とを時分割で行なう無線電力伝送システムの受電装置であって、
    所定の共振周波数で共振し、該共振のＱ値を高低に切り換える共振器と、
    前記信号通信を行うときに前記共振器のＱ値を低く設定し、前記電力伝送によって電力を受電するときに前記共振器のＱ値を高く設定し、認証不要電力と認証電力とを含む電力を受電し、該認証不要電力を所定の周期で受電し、前記信号通信によって、認証され且つ割当期間が確認された送電装置から前記認証電力を受電する制御手段と
    を有することを特徴とする受電装置。
13. 前記受電された認証電力が供給される負荷部と、
    前記認証不要電力伝送によって伝送された前記認証不要電力を検出し、前記認証不要電力の伝送を検出しているときに能動状態になる認証不要電力検出部とをさらに有し、
    前記制御手段は、前記割当期間に前記認証電力を受電し、前記認証電力を前記負荷部へ供給し、該割当期間以外の期間は該負荷部を開放する、
    ことを特徴とする請求項１２記載の受電装置。
14. 前記認証不要電力検出部は、
    前記送電装置から伝送される前記認証不要電力と前記認証電力との連続したバースト状態を検出し、該バースト状態の立ち上がりのタイミングを前記認証不要電力の伝送の開始タイミングと見なす
    ことを特徴とする請求項１３記載の受電装置。
15. 前記制御手段は、
    前記送電装置から複数の受電装置への前記認証電力の伝送の割り当て期間を示す通知を前記信号通信で受信し、該割り当てられた期間に、前記認証電力を受電することを特徴とする請求項１４記載の受電装置。
16. 前記制御手段は、
    前記認証電力を受電中に受電レベルを監視し、該受電レベルが最大となるように前記共振器の可変コンデンサを可変して共振周波数を調整する
    ことを特徴とする請求項１２記載の受電装置。
17. 前記可変コンデンサは、両端子間に電圧をかけて電圧可変により静電容量が変化する圧電樹脂であることを特徴とする請求項１６記載の受電装置。
18. 送電装置と受電装置との間で磁場共鳴による給電と信号通信とを時分割で行なう無線給電通信システムであって、
    前記送電装置は、
    所定の共振周波数で共振し、接続又は開放される第１の抵抗を備える第１の共振器と、
    所定の周期で前記第１の抵抗を開放して交流磁界を発生させ、前記第１の抵抗を接続した場合、前記受電装置を認証させ、当該受電装置に給電する割当期間を示す通知を送信させ、前記認証後に前記第１の抵抗を開放した場合、前記割当期間内に前記交流磁界を発生させる第１の制御手段とを有し、
    前記受電装置は、
    前記所定の共振周波数で共振し、接続又は開放される第２の抵抗を備える第２の共振器と、
    前記所定の周期で前記第２の抵抗を開放して前記交流磁界を導き、前記第２の抵抗を接続した場合、前記送電装置によって認証された後に前記割当期間を示す通知を受信させ、前記認証後に前記第２の抵抗を開放した場合、前記割当期間内に前記交流磁界を導く第２の制御手段とを有する
    ことを特徴とする無線給電通信システム。
19. 受電装置との間で磁場共鳴による給電と信号通信とを時分割で行なう送電装置であって、
    所定の共振周波数で共振し、接続又は開放される抵抗を備える共振器と、
    所定の周期で前記抵抗を開放して交流磁界を発生させ、前記抵抗を接続した場合、前記受電装置を認証させ、当該受電装置に給電する割当期間を示す通知を送信させ、前記認証後に前記抵抗を開放した場合、前記割当期間内に前記交流磁界を発生させる制御手段と
    を有することを特徴とする送電装置。
20. 送電装置との間で磁場共鳴による給電と信号通信とを時分割で行なう受電装置であって、
    所定の共振周波数で共振し、接続又は開放される抵抗を備える共振器と、
    所定の周期で前記抵抗を開放して交流磁界を導き、前記抵抗を接続した場合、前記送電装置によって認証された後に、前記送電装置によって給電される割当期間を示す通知を受信させ、前記認証後に前記抵抗を開放した場合、前記割当期間内に前記交流磁界を導く制御手段と
    を有することを特徴とする受電装置。

Images