JP2012196117A - Wireless power-feeding device, power-receiving device, and power-feeding system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。 The present invention relates to a wireless power feeding technique.
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。 In recent years, wireless (non-contact) power transmission has attracted attention as a power feeding technique for electronic devices such as mobile phone terminals and notebook computers, or electric vehicles. Wireless power transmission is mainly classified into three types: an electromagnetic induction type, a radio wave reception type, and an electric field / magnetic field resonance type.
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)。
The electromagnetic induction type is used in a short distance (within several centimeters) and can transmit power of several hundred W in a band of several hundred kHz or less. The power use efficiency is about 60 to 98%.
When supplying power to a relatively long distance of several meters or more, a radio wave receiving type is used. In the radio wave reception type, power of several W or less can be transmitted in a medium wave to microwave band, but power use efficiency is low. An electric field / magnetic field resonance type is attracting attention as a method of supplying power at a relatively high efficiency over a medium distance of several meters (see Non-Patent Document 1).
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1100は、ワイヤレス給電装置1200およびワイヤレス受電装置1300を備える。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a wireless power feeding system. The wireless
ワイヤレス給電装置1200は、送信コイルL1、共振用キャパシタC1および交流電源10を備える。交流電源10は、送信周波数f1を有する電気信号S2を発生する。共振用キャパシタC1および送信コイルL1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の周波数にチューニングされている。送信コイルL1からは、電力信号S1が送出される。ワイヤレス給電システム100では、電力信号S1として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)が利用される。
The wireless
ワイヤレス受電装置1300は、受信コイルL2、共振用キャパシタC2および負荷回路20を備える。共振用キャパシタC2、受信コイルL2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の周波数にチューニングされる。
The wireless
このようなワイヤレス給電システム1100において、大電力を伝送しようとする場合、送信コイルL1と共振用キャパシタC1の両端間に、ときとして1kVにも及ぶ高電圧が発生することになる。したがって従来では、共振用キャパシタC1や共振用キャパシタC2をモータ制御のバリコン(Variable Condenser)で構成し、機械的な制御によって共振周波数やQ値をはじめとする回路特性の調節を行う必要があり、電子部品を用いた電気的手段によって行うことが困難であった。
In such a wireless
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、回路特性を電気的に調節可能なワイヤレス給電装置の提供にある。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it provides a wireless power feeding apparatus capable of electrically adjusting circuit characteristics.
本発明のある態様は、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置に関する。ワイヤレス給電装置は、複数のコイルと、それぞれが複数のコイルの対応するひとつと直列に設けられた複数のキャパシタと、それぞれが対応するコイルとキャパシタが形成する共振回路の両端に駆動電圧を印加する複数の交流電源と、を備える。 One embodiment of the present invention relates to a wireless power supply apparatus that transmits a power signal including any one of an electric field, a magnetic field, and an electromagnetic field. The wireless power supply apparatus applies a driving voltage to both ends of a plurality of coils, a plurality of capacitors each provided in series with a corresponding one of the plurality of coils, and a resonance circuit formed by the corresponding coil and the capacitor. A plurality of AC power sources.
本発明の別の態様も、ワイヤレス給電装置に関する。ワイヤレス給電装置は、複数のコイルと、それぞれが、対応するコイルに駆動電圧を印加する、複数の交流電源と、を備える。 Another aspect of the present invention also relates to a wireless power supply apparatus. The wireless power supply apparatus includes a plurality of coils and a plurality of AC power supplies, each of which applies a driving voltage to the corresponding coil.
本発明の別の態様も、ワイヤレス給電装置に関する。ワイヤレス給電装置は、交互に直列に接続された複数のコイルと複数の共振用キャパシタを含む送信アンテナと、送信アンテナの両端間に駆動電圧を印加する交流電源と、を備える。 Another aspect of the present invention also relates to a wireless power supply apparatus. The wireless power feeding apparatus includes a transmission antenna including a plurality of coils and a plurality of resonance capacitors that are alternately connected in series, and an AC power source that applies a drive voltage between both ends of the transmission antenna.
本発明の別の態様も、ワイヤレス給電装置に関する。ワイヤレス給電装置は、複数のコイルと、それぞれが、共振回路を形成するように複数のコイルの対応するひとつと直列に設けられる複数のキャパシタと、複数の共振回路の両端に駆動電圧を印加する交流電源と、を備える。 Another aspect of the present invention also relates to a wireless power supply apparatus. The wireless power supply apparatus includes a plurality of coils, a plurality of capacitors provided in series with a corresponding one of the plurality of coils so as to form a resonance circuit, and an alternating current that applies a drive voltage to both ends of the plurality of resonance circuits. A power source.
これらの態様によると、単一のコイルと単一のキャパシタにより電力を送信する給電装置に比べて、コイルおよび/またはキャパシタに印加される電圧を低下させることができ、したがって電子回路部品を用いた電気的手段によって、回路パラメータを調節することが可能となり、従来よりも低コストで柔軟な制御が可能となる。 According to these aspects, it is possible to reduce the voltage applied to the coil and / or capacitor compared to a power feeding device that transmits power by a single coil and a single capacitor, and thus using electronic circuit components The circuit parameters can be adjusted by electrical means, and flexible control can be performed at a lower cost than in the past.
本発明の別の態様は、ワイヤレス給電システムである。このワイヤレス給電システムは、上述のいずれかの態様のワイヤレス給電装置と、ワイヤレス給電装置からの電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、を備える。 Another aspect of the present invention is a wireless power supply system. This wireless power supply system includes the wireless power supply apparatus according to any one of the above aspects and a wireless power reception apparatus that receives a power signal from the wireless power supply apparatus.
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受信するワイヤレス受電装置に関する。ワイヤレス受電装置は、共通の負荷に接続された複数の共振回路を備える。複数の共振回路は並列に設けられ、それぞれが直列に設けられたコイルとキャパシタを含む。 Another embodiment of the present invention relates to a wireless power receiving apparatus that receives a power signal including any one of an electric field, a magnetic field, and an electromagnetic field. The wireless power receiving apparatus includes a plurality of resonance circuits connected to a common load. The plurality of resonance circuits are provided in parallel, each including a coil and a capacitor provided in series.
本発明の別の態様も、ワイヤレス受電装置に関する。ワイヤレス受電装置は、交互に直列に接続された複数の受信コイルと複数の共振用キャパシタを含む受信アンテナを備える。 Another aspect of the present invention also relates to a wireless power receiving apparatus. The wireless power receiving apparatus includes a receiving antenna including a plurality of receiving coils and a plurality of resonance capacitors that are alternately connected in series.
これらの態様によれば、単一のコイルと単一のキャパシタを備える受電装置に比べて、コイルおよび/またはキャパシタに印加される電圧を低下させることができ、したがって電子回路部品を用いた電気的手段によって、回路パラメータを調節することが可能となり、従来よりも低コストで柔軟な制御が可能となる。 According to these aspects, compared to a power receiving device including a single coil and a single capacitor, the voltage applied to the coil and / or the capacitor can be reduced, and thus the electric circuit using the electronic circuit component can be reduced. By means, it becomes possible to adjust circuit parameters, and flexible control is possible at a lower cost than in the prior art.
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ワイヤレス給電装置と、電力信号を受信する上述のワイヤレス受電装置と、を備える。 Another aspect of the present invention includes a wireless power feeding apparatus that transmits a power signal including any one of an electric field, a magnetic field, and an electromagnetic field, and the above-described wireless power receiving apparatus that receives the power signal.
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。 Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other between methods and apparatuses are also effective as an aspect of the present invention.
本発明のある態様によれば、電気的な調節が容易なワイヤレス給電装置を提供できる。 According to an aspect of the present invention, it is possible to provide a wireless power feeding apparatus that can be easily electrically adjusted.
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。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
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。
In this specification, “the state in which the member A is connected to the member B” means that the member A and the member B are electrically connected to each other in addition to the case where the member A and the member B are physically directly connected. It includes cases where the connection is indirectly made through other members that do not substantially affect the general connection state, or that do not impair the functions and effects achieved by their combination.
Similarly, “the state in which the member C is provided between the member A and the member B” refers to the case where the member A and the member C or the member B and the member C are directly connected, as well as their electric It includes cases where the connection is indirectly made through other members that do not substantially affect the general connection state, or that do not impair the functions and effects achieved by their combination.
(第1の実施の形態)
図2は、第1の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。
(First embodiment)
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of the wireless
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に対して電力信号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。
The wireless
ワイヤレス給電装置200は、複数n個(nは2以上の整数)の送信コイルL11〜L1nと、複数の共振用キャパシタC11〜C1nと、複数の交流電源101〜10nを備える。i番目(1≦i≦n)の共振用キャパシタC1iは、対応する送信コイルL1iと直列に設けられる。i番目の交流電源10iは、対応する送信コイルL1と共振用キャパシタC1が形成するLC直列共振回路の両端に駆動電圧VDRViを印加する。本明細書において、本実施の形態のように、従来ひとつであった送信コイルL1を、複数の送信コイルL1に分割することを、コイル分割と称する。
The wireless
送信コイルL11〜L1nは、共通の磁性体12に巻き付けられており、磁性体12をはじめとする磁気回路を用いて、磁気的に互いに結合されている。
The transmission coils L1 1 to L1 n are wound around a common
以上がワイヤレス給電装置200の構成である。
The above is the configuration of the wireless
続いて、コイル分割の原理を説明する。図3(a)は、単一のコイルを有するワイヤレス給電装置1200を、図3(b)、(c)は、2個に分割されたコイルを有するワイヤレス給電装置を、図3(d)は、N個に分割されたコイルを有するワイヤレス給電装置200cを示す図である。
Subsequently, the principle of coil division will be described. 3A shows a wireless
図3(a)のワイヤレス給電装置は、単一の送信コイルL1と、共振用キャパシタC1を有する。図3(b)の送信コイルL11、L12は、図3(a)の送信コイルL1を2分割したものであり、分割前の送信コイルL1のインダクタンスをLとするとき、分割後のコイルL11、L12のインダクタンスは、L/2であることが直ちに理解される。また、図3(b)の共振用キャパシタC11、C12は、図3(a)のキャパシタC1を2分割したものであり、キャパシタC1の容量値をCとするとき、共振用キャパシタC11、C12の容量値が2×Cであることが直ちに理解される。 The wireless power feeder in FIG. 3A includes a single transmission coil L1 and a resonance capacitor C1. The transmission coils L1 1 and L1 2 in FIG. 3B are obtained by dividing the transmission coil L1 in FIG. 3A into two, and when the inductance of the transmission coil L1 before division is L, the coil after division It is immediately understood that the inductances of L1 1 and L1 2 are L / 2. Further, the resonance capacitors C1 1 and C1 2 in FIG. 3B are obtained by dividing the capacitor C1 in FIG. 3A into two, and when the capacitance value of the capacitor C1 is C, the resonance capacitor C1 1 , C1 2 is immediately understood to be 2 × C.
そして、図3(b)のコイルL11、L12と、共振用キャパシタC11、C12の順序を任意に入れ替えたとしても、交流電源10から送信アンテナ(共振回路14)を見たインピーダンスは変わらない。したがって、各送信コイルL11、L12に流れる電流も変わらず、生成される電力信号S1の強度も同じである。つまり図3(c)に示すように、分割された送信コイルL1と分割された共振用キャパシタC1が交互に配置されるように並び替えたとしても、図3(a)と同じ強度の磁界を発生することができる。分割数を2より大きい整数Nに一般化すると、図3(d)のワイヤレス給電装置200cの構成が導かれる。この場合、分割されたコイルL1〜L1nのインダクタンスはL/nであり、分割された共振用キャパシタC11〜C1nの容量値は、n×Cである。
And even if the order of the coils L1 1 and L1 2 and the resonance capacitors C1 1 and C1 2 in FIG. does not change. Therefore, the current flowing through each of the transmission coils L1 1 and L1 2 does not change, and the intensity of the generated power signal S1 is the same. That is, as shown in FIG. 3C, even if the divided transmission coils L1 and the divided resonance capacitors C1 are rearranged alternately, a magnetic field having the same strength as that in FIG. Can be generated. When the number of divisions is generalized to an integer N greater than 2, the configuration of the wireless
図3(a)の送信コイルL1の両端間の電圧の振幅をVL、共振用キャパシタC1の両端間の電圧の振幅をVCとする。共振条件を満たすとき、VL=VCが成り立つ。図3(d)のワイヤレス給電装置200cにおいては、分割された送信コイルL1iの両端間の電圧はVL/nで与えられ、分割された共振用キャパシタC1iの両端間の電圧はVC/nで与えられる。
Amplitude V L of voltage across the transmission coil L1 in FIG. 3 (a), the amplitude of the voltage across the resonance capacitor C1 and V C. When the resonance condition is satisfied, V L = V C is established. In the wireless
図3(c)のワイヤレス給電装置200cの利点は、図1あるいは図3(a)のワイヤレス給電装置1200との対比によって明確となる。図1あるいは図3(a)のワイヤレス給電装置1200によって大電力を供給するためには、送信コイルL1に大電流を流す必要があり、共振電圧VC、VLは、数百Vあるいはそれ以上となりうる。
The advantage of the wireless
ワイヤレス給電装置1200の現実的な用途を考慮すると、共振周波数の調整やQ値の変更のために、共振用キャパシタC1の容量値および/または送信コイルL1のインダクタンスは調節可能に構成しておく必要がある。ところが、共振電圧VC、VLが数百Vの場合、耐圧が低いトランジスタ素子やダイオードなどの電子回路部品を用いることは、困難であるため、機械的な手段を用いる必要がある。
Considering a practical application of the wireless
これに対して図3(c)のワイヤレス給電装置200cによれば、コイル数nを増やすことにより、分割された送信コイルL1、分割された共振用キャパシタC1それぞれの共振電圧VCi、VLiの振幅を小さくすることができ、これによりトランジスタ素子やダイオードなどの電子回路部品を用いた電気的手段によって、共振周波数やQ値の調節などが可能となる。言い換えれば分割数nは、共振電圧VC1、VL1が、電子回路部品が利用可能な程度まで低下するように決めればよい。電気的手段による共振周波数やQ値が調整は、モータ駆動のバリコンなどを用いた機械的な調整に比べて高速であるという利点もある。
On the other hand, according to the wireless
共振電圧VC、VLを従来よりも小さくすることにより、トランジスタ素子を用いたインプリメントが可能となる。そしてトランジスタ素子に印加される電圧を数V程度まで下げることにより、CMOSプロセスを用いて半導体基板上に形成することができる。つまり複数の交流電源10を単一のICに集積化したり、共振用キャパシタC1や送信コイルL1の定数を変化させるためのスイッチ素子を単一のICに集積化することが可能となる。 By making the resonance voltages V C and V L smaller than the conventional one, implementation using transistor elements becomes possible. Then, by reducing the voltage applied to the transistor element to about several volts, it can be formed on the semiconductor substrate using a CMOS process. That is, it becomes possible to integrate a plurality of AC power supplies 10 into a single IC, or to integrate switch elements for changing the constants of the resonance capacitor C1 and the transmission coil L1 into a single IC.
以下の考察により、図3(d)のワイヤレス給電装置200cから、図2のワイヤレス給電装置200が導かれることが明らかになる。
図3(d)のワイヤレス給電装置200cにおいて、隣接する分割された送信コイルL1iと分割された共振用キャパシタC1iのペアは、共振回路14iを形成していると把握できる。そして図3(d)の交流電源10が生成する電気信号S2の電圧振幅をVDRVとするとき、共振回路141〜14nそれぞれには、VDRV/nの電圧が印加されている。なぜなら各共振回路141〜14nそれぞれのインピーダンスは等しいからである。
The following discussion makes it clear that the wireless
In the wireless
したがって、図2の交流電源101〜10nが生成する駆動電圧が、図3(d)の交流電源10が生成する駆動電圧VDRVの1/n倍であり、図2の分割された送信コイルL11〜L1nの結合度Kが、図3(d)の分割された送信コイルL11〜L1nの結合度Kと等しければ、図2のワイヤレス給電装置200は、図3(d)のワイヤレス給電装置200cや図3(a)のワイヤレス給電装置1200と同じ強度の電気信号S2を発生させることができる。
Therefore, the drive voltage generated by the AC power supplies 10 1 to 10 n in FIG. 2 is 1 / n times the drive voltage V DRV generated by the
図2のワイヤレス給電装置200は、複数の交流電源101〜10nを独立に制御することができるという利点を有する。これにより、動作させる交流電源10の個数制御や、交流電源ごとに独立した位相制御、周波数制御が可能となり、ひいてはワイヤレス受電装置300に供給する電力を制御したり、給電効率を最適化することが可能となる。
The wireless
さらに図2のように複数の送信コイルL1を磁性体により結合させた場合、共振周波数を変更する際に、複数の送信コイルL1のすべてのインダクタンス値を変更させる必要がないという利点もある。つまり、少なくともひとつの送信コイルL1と共振用キャパシタC1のペアが形成するLC共振回路の共振周波数を変化させることにより、ワイヤレス給電装置200全体としての共振周波数を変化させることができる。
Further, when a plurality of transmission coils L1 are coupled by a magnetic material as shown in FIG. 2, there is an advantage that it is not necessary to change all inductance values of the plurality of transmission coils L1 when changing the resonance frequency. That is, the resonance frequency of the entire wireless
また、コイルの個数が増えることにより、コイルひとつが発生する磁束密度を下げることができるため、磁界の空間的な集中を抑制できる。これにより、図1のワイヤレス給電装置1200に比べて、人体保護の観点からも有利である。
Moreover, since the magnetic flux density which one coil generate | occur | produces can be lowered | hung by increasing the number of coils, the spatial concentration of a magnetic field can be suppressed. This is advantageous from the viewpoint of human body protection as compared to the wireless
(第2の実施の形態)
図4は、第2の実施の形態に係るワイヤレス給電装置200aの構成を示す回路図である。ワイヤレス給電装置200aは、図2のワイヤレス給電装置200から磁性体12を省略した構成である。つまり複数の送信コイルL11〜L1nは空芯コイルであり、磁性体により結合されておらず、それらの結合度は非常に小さく、あるいは実質的にゼロである。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a wireless
図3(b)は、図4のワイヤレス給電装置200aにおいて、図1のワイヤレス給電装置1200と同じ強度の電力信号S1を発生させるために必要なコイルの個数nおよび共振用キャパシタC1の容量値(比)を示した図である。
FIG. 3B shows the number n of coils necessary for generating the power signal S1 having the same strength as that of the wireless
図3(b)に示されるように、n個の送信コイルL1同士が非結合の場合、共振回路同士の相互作用は存在しない。したがって、n分割したときの共振用キャパシタC1の容量値は、分割しない場合のn2倍となる。 As shown in FIG. 3B, when n transmission coils L1 are not coupled, there is no interaction between the resonance circuits. Therefore, the capacitance value of the resonance capacitor C1 when divided into n is n 2 times that when not divided.
つまり図4のワイヤレス給電装置200aによれば、図2のワイヤレス給電装置200と同様に、コイル数nを増やすことにより、共振電圧VC1、VL1の振幅を小さくすることができる。これにより、上述した図2のワイヤレス給電装置200と同様のさまざまな効果を得ることができる。
That is, according to the wireless
(第3の実施の形態)
図5は、第3の実施の形態に係るワイヤレス給電装置200bの構成を示す回路図である。図5のワイヤレス給電装置200bは、図4のワイヤレス給電装置200aから、複数の共振用キャパシタC1を省略したものである。たとえばある電力を供給するために生成すべき共振電圧VL1が図1のワイヤレス給電装置1200において1kVであるときに、図5のワイヤレス給電装置200bをn=100で構成すると、ひとつの送信コイルL1の共振電圧VL1は10Vとなる。これにより、LC共振を利用することなく、磁場共鳴型の電力伝送が可能となる。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a wireless
(第4の実施の形態)
第1〜第3の実施の形態では、ワイヤレス給電装置200について説明した。続く第4の実施の形態では、ワイヤレス受電装置300について説明する。図6(a)は、第4の実施の形態に係るワイヤレス受電装置300の構成を示す回路図であり、図6(b)は、図6(a)のワイヤレス受電装置300を搭載する電子機器の構成例を示す図である。
(Fourth embodiment)
In the first to third embodiments, the wireless
ワイヤレス受電装置300は、共通の負荷回路20に対し接続された複数の共振回路221〜22nを備える。図6(a)ではn=4の場合を示すが、nは任意の2以上の整数でよい。
The wireless
共振回路22は互いに並列に設けられており、それぞれは、直列に設けられた受信コイルL2と共振用キャパシタC2を含む。図6(b)に示すように、複数の受信コイルL21〜4は、電子機器2の筐体内の、離れた箇所、具体的には筐体の四隅に配置されてもよい。
The resonance circuits 22 are provided in parallel with each other, and each includes a reception coil L2 and a resonance capacitor C2 provided in series. As illustrated in FIG. 6B, the plurality of receiving coils L < b > 2 1 to 4 may be arranged at distant locations in the casing of the
複数の受信コイルL21〜L2nは、図2のワイヤレス給電装置200と同様に共通の磁性体によって結合されていてもよいし、図4のワイヤレス給電装置200aと同様に空芯コイルであってもよい。
The plurality of receiving coils L2 1 to L2 n may be coupled by a common magnetic body similarly to the wireless
図7は、図6(a)のワイヤレス受電装置300に生ずる共振電圧VC2の波形図である。共振電圧VL2は、VC2と位相が180度シフトした波形であるため省略する。図7には、n=1、n=3それぞれの場合の波形が示される。このワイヤレス受電装置300によれば、受信コイルL2の個数nを増やすにしたがい、共振用キャパシタC2、受信コイルL2それぞれに生ずる共振電圧VC2、VL2の振幅を小さくでき、これによりトランジスタ素子やダイオードなどの電子回路部品を用いた電気的手段によって、共振周波数やQ値の調節などが可能となる。言い換えればコイル数nは、共振電圧VL2、VC2が、電子回路部品が利用可能な程度まで低下するように決めればよい。
FIG. 7 is a waveform diagram of the resonance voltage V C2 generated in the wireless
共振電圧VL2、VC2を従来よりも小さくすることにより、ワイヤレス受電装置300をトランジスタ素子を用いてインプリメントすることが可能となる。そしてトランジスタ素子に印加される電圧を数V程度まで下げることにより、CMOSプロセスを用いて半導体基板上に形成することができる。
By making the resonance voltages V L2 and V C2 smaller than before, the wireless
さらに複数の受信コイルL2を磁性体により結合させた場合、共振周波数を変更する際に、複数の受信コイルL2のすべてのインダクタンス値を変更させる必要がないという利点もある。つまり、少なくともひとつの共振回路22において、共振周波数を変化させることにより、ワイヤレス給電装置300全体としての共振周波数を変化させることができる。
Further, when the plurality of receiving coils L2 are coupled by a magnetic material, there is an advantage that it is not necessary to change all the inductance values of the plurality of receiving coils L2 when changing the resonance frequency. That is, the resonance frequency of the entire wireless
また、受信コイルL2の個数nが増えることにより、受信コイルL2それぞれに誘起される磁束密度を下げることができるため、受信側において磁界の空間的な集中を抑制できる。これにより、図1のワイヤレス受電装置1300に比べて、人体保護の観点からも有利である。
Further, since the magnetic flux density induced in each of the receiving coils L2 can be reduced by increasing the number n of the receiving coils L2, the spatial concentration of the magnetic field can be suppressed on the receiving side. Thereby, compared with the wireless
(第5の実施の形態)
図8は、第5の実施の形態に係るワイヤレス給電装置200cの構成を示す回路図である。ワイヤレス給電装置200cは、複数n個(nは2以上の整数)の送信コイルL11〜L1nと、複数の共振用キャパシタC11〜C1nと、単一の交流電源10を備える。
(Fifth embodiment)
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a wireless
ワイヤレス給電装置200cの構成は、図3(d)において説明した通りである。
複数の送信コイルL11〜L1nと、共振用キャパシタC11〜C1nは、交互に、直列に接続され、送信アンテナ24を形成する。交流電源10は、送信アンテナ24の両端間に、駆動電圧VDRVを印加する。
The configuration of the wireless
The plurality of transmission coils L1 1 to L1 n and the resonance capacitors C1 1 to C1 n are alternately connected in series to form the
図2と同様、複数の送信コイルL11〜L1nは、共通の磁性体(不図示)に巻き付けられ、磁気的に互いに結合されている。あるいは、その変形例において、図4と同様に、複数の送信コイルL11〜L1nを空芯コイルで形成し、磁性体を省略してもよい。 Similar to FIG. 2, the plurality of transmission coils L1 1 to L1 n are wound around a common magnetic body (not shown) and are magnetically coupled to each other. Alternatively, in the modified example, similarly to FIG. 4, the plurality of transmission coils L1 1 to L1 n may be formed of air-core coils, and the magnetic body may be omitted.
以上がワイヤレス給電装置200cの構成である。
ワイヤレス給電装置200cでは、交流電源10が発生すべき駆動電圧VDRV(電気信号S2)の振幅は、コイル分割を行わない図1のワイヤレス給電装置1200と同程度の数百V程度となる。一方、個々の共振回路221〜22nに着目すると、それらの両端間の電圧は、駆動電圧VDRVの1/n倍となる。したがって、図2や図4のワイヤレス給電装置と同様に、共振電圧VC1、VL1の振幅を小さくすることができ、これによりトランジスタ素子やダイオードなどの電子回路部品を用いた電気的手段によって、共振周波数やQ値の調節などが可能となる。言い換えればコイル数nは、共振電圧VC1、VL1が、電子回路部品が利用可能な程度まで低下するように決めればよい。電気的手段による共振周波数やQ値が調整は、モータ駆動のバリコンなどを用いた機械的な調整に比べて高速であるという利点もある。
The above is the configuration of the wireless
In the wireless
共振電圧VC1、VL1を従来よりも小さくすることにより、トランジスタ素子を用いたインプリメントが可能となる。そしてトランジスタ素子に印加される電圧を数V程度まで下げることにより、CMOSプロセスを用いて半導体基板上に形成することができる。つまり共振用キャパシタC1や送信コイルL1の定数を変化させるためのスイッチ素子を単一のICに集積化することが可能となる。 By making the resonance voltages V C1 and V L1 smaller than the conventional ones, implementation using transistor elements becomes possible. Then, by reducing the voltage applied to the transistor element to about several volts, it can be formed on the semiconductor substrate using a CMOS process. That is, it becomes possible to integrate the switch elements for changing the constants of the resonance capacitor C1 and the transmission coil L1 into a single IC.
さらに複数の送信コイルL1を磁性体により結合させた場合、共振周波数を変更する際に、複数の送信コイルL1のすべてのインダクタンス値を変更させる必要がないという利点もある。つまり、少なくともひとつの送信コイルL1と共振用キャパシタC1のペアが形成するLC共振回路の共振周波数を変化させることにより、ワイヤレス給電装置200c全体としての共振周波数を変化させることができる。
Further, when a plurality of transmission coils L1 are coupled by a magnetic material, there is an advantage that it is not necessary to change all inductance values of the plurality of transmission coils L1 when changing the resonance frequency. That is, the resonance frequency of the entire wireless
また、コイルの個数が増えることにより、コイルひとつが発生する磁束密度を下げることができるため、磁界の空間的な集中を抑制できる。これにより、図1のワイヤレス給電装置1200に比べて、人体保護の観点からも有利である。
Moreover, since the magnetic flux density which one coil generate | occur | produces can be lowered | hung by increasing the number of coils, the spatial concentration of a magnetic field can be suppressed. This is advantageous from the viewpoint of human body protection as compared to the wireless
(第6の実施の形態)
図9は、第6の実施の形態に係るワイヤレス受電装置300bの構成を示す回路図である。ワイヤレス受電装置300bは、受信アンテナ26と、負荷回路20を備える。
受信アンテナ26は、交互に直列に接続された複数の受信コイルL21〜L2nと複数の共振用キャパシタC21〜C2nを含む。
(Sixth embodiment)
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a wireless
The
受信コイルL21〜L2nは、磁気的に結合されていてもよいし、磁気的に独立してもよい。 The receiving coils L2 1 to L2 n may be magnetically coupled or may be magnetically independent.
図9のワイヤレス受電装置300bによれば、図6(a)のワイヤレス受電装置300と同様の効果を得ることができる。図6(a)のワイヤレス受電装置300は、負荷回路20に対して大電流、低電圧を供給するのに適するのに対して、図9のワイヤレス受電装置300bは、高電圧、小電流を供給するのに適している。したがって負荷回路20の種類に応じて、複数の共振回路22を直列に接続するのか、並列に接続するのかを選択すればよい。
According to the wireless
(第7の実施の形態)
図10は、第7の実施の形態に係るワイヤレス給電装置200dの構成を示す回路図である。図10のワイヤレス給電装置200dでは、複数の共振回路22が、並列に接続され、複数の共振回路22は、単一の交流電源10によって駆動される。ワイヤレス給電装置200dによれば、図2のワイヤレス給電装置200と同様の効果を得ることができる。図10のワイヤレス給電装置200dにおいて、磁性体12を省略してもよい。
(Seventh embodiment)
FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of a wireless power supply apparatus 200d according to the seventh embodiment. In the wireless power supply apparatus 200d of FIG. 10, a plurality of resonance circuits 22 are connected in parallel, and the plurality of resonance circuits 22 are driven by a single
図11(a)、(b)は、図8の送信アンテナ24あるいは図9の受信アンテナ26の構成例を示す図である。ここでは、理解の容易化を目的としてコイル数n=3の場合を説明する。図11(a)と(b)では、磁性体12に対する送信コイル(受信コイル)Lの巻装態様が異なっている。
FIGS. 11A and 11B are diagrams showing a configuration example of the
図11(a)では、複数のコイルL1、L2、L3、磁性体12の隣接する異なる箇所に巻装される。送信アンテナ24あるいは受信アンテナ26が動作中、共振用キャパシタC1の両端間には、数十〜数百Vもの大電圧が発生する。したがって、隣接するコイルL1の一端P1とコイルL2の一端P2の電位差ΔVも大きくなる。この場合、一方のコイルL1が発生する磁場の影響が、他方のコイルL2に及び、近接効果によって損失が大きくなる。
In FIG. 11A, the coils L 1 , L 2 , L 3 , and the
図11(b)では、複数のコイルL1(破線)、コイルL2(一点鎖線)、コイルL2(実線)、が、磁性体12の同じ箇所に巻装される。具体的には、図11(b)に示すように、複数のコイルL1、L2、L3それぞれの互いに対応する巻線同士が近接するように巻装することが好ましい。図11(b)の構成によれば、対応する巻線における電位が近くなるため、近接効果の影響を低減し、損失を低減できる。
In FIG. 11B, a plurality of coils L 1 (broken lines), a coil L 2 (one-dot chain line), and a coil L 2 (solid line) are wound around the same portion of the
図11(b)に示すコイルの巻装方法は、共振回路が並列に接続される回路、具体的には、図2のワイヤレス給電装置、あるいは図6(a)、図10のワイヤレス受電装置にも適用可能である。図12は、図2のワイヤレス給電装置、あるいは図6(a)、図10のワイヤレス給電装置の構成の一部を示す図である。 The coil winding method shown in FIG. 11 (b) is applied to a circuit in which resonance circuits are connected in parallel, specifically, to the wireless power feeding device of FIG. 2 or the wireless power receiving device of FIGS. Is also applicable. FIG. 12 is a diagram illustrating a part of the configuration of the wireless power supply apparatus of FIG. 2 or the wireless power supply apparatus of FIGS. 6A and 10.
図2のワイヤレス給電装置200、図6(a)、図10のワイヤレス受電装置300において、複数のコイルを図11(a)に示す形態で磁性体12に換装すると、近接効果の影響により損失が大きくなる。これに対して、図12に示すように複数のコイルを巻装することにより、損失を低減できる。
In the wireless
なお、図11(b)、図12の変形例において、磁性体12を省略して、複数のコイルL1〜L3を空芯コイルとしてもよい。あるいは、複数のコイルL1〜L3を、共通の非磁性体のコアに巻装してもよい。近接効果は、コイルL1〜L3がわずかでも結合していれば発生するため、空芯コイル、あるいは非磁性体のコアに換装されるコイルについても、図11(b)の巻装形態とすることで、近接効果の影響を低減できる。
Incidentally, FIG. 11 (b), the in the modification of FIG. 12, by omitting the
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。 Although the present invention has been described based on the embodiments, the embodiments merely show the principle and application of the present invention, and the embodiments depart from the idea of the present invention defined in the claims. Many modifications and changes in the arrangement are allowed within the range not to be performed.
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、20…負荷回路、22…共振回路、24…送信アンテナ、26…受信アンテナ、L1…送信コイル、L2…受信コイル、12…磁性体、C1,C2…共振用キャパシタ、S1…電力信号、S2…電気信号。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Wireless electric power feeding system, 200 ... Wireless electric power feeder, 300 ... Wireless electric power receiving apparatus, 10 ... AC power supply, 20 ... Load circuit, 22 ... Resonance circuit, 24 ... Transmitting antenna, 26 ... Receiving antenna, L1 ... Transmitting coil, L2 ... Receiving coil, 12 ... magnetic material, C1, C2 ... resonance capacitor, S1 ... power signal, S2 ... electric signal.
Claims (17)
複数の送信コイルと、
それぞれが、前記複数の送信コイルの対応するひとつと直列に設けられた、複数のキャパシタと、
それぞれが、対応する前記送信コイルと前記キャパシタが形成する共振回路の両端に駆動電圧を印加する、複数の交流電源と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。 A wireless power feeder that transmits a power signal including an electric field, a magnetic field, or an electromagnetic field,
A plurality of transmission coils;
A plurality of capacitors, each provided in series with a corresponding one of the plurality of transmit coils;
A plurality of AC power supplies, each applying a drive voltage across a resonant circuit formed by the corresponding transmitting coil and the capacitor;
A wireless power supply apparatus comprising:
複数の送信コイルと、
それぞれが、対応する前記送信コイルに駆動電圧を印加する、複数の交流電源と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。 A wireless power feeder that transmits a power signal including an electric field, a magnetic field, or an electromagnetic field,
A plurality of transmission coils;
A plurality of AC power supplies, each applying a drive voltage to the corresponding transmit coil;
A wireless power supply apparatus comprising:
交互に直列に接続された複数の送信コイルと複数の共振用キャパシタを含む送信アンテナと、
前記送信アンテナの両端間に駆動電圧を印加する交流電源と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。 A wireless power feeder that transmits a power signal including an electric field, a magnetic field, or an electromagnetic field,
A transmission antenna including a plurality of transmission coils and a plurality of resonance capacitors alternately connected in series;
An AC power supply for applying a driving voltage between both ends of the transmitting antenna;
A wireless power supply apparatus comprising:
複数の送信コイルと、
それぞれが、共振回路を形成するように前記複数の送信コイルの対応するひとつと直列に設けられる、複数のキャパシタと、
複数の共振回路の両端に駆動電圧を印加する交流電源と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。 A wireless power feeder that transmits a power signal including an electric field, a magnetic field, or an electromagnetic field,
A plurality of transmission coils;
A plurality of capacitors, each provided in series with a corresponding one of the plurality of transmit coils to form a resonant circuit;
An AC power supply for applying a driving voltage to both ends of a plurality of resonance circuits;
A wireless power supply apparatus comprising:
前記ワイヤレス給電装置からの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。 A wireless power feeder according to any one of claims 1 to 9,
A wireless power receiver that receives the power signal from the wireless power feeder;
A wireless power supply system comprising:
それぞれが共通の負荷に接続されるとともに、それぞれが並列に設けられ、かつそれぞれが直列に設けられた受信コイルとキャパシタを含む、複数の共振回路を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。 A wireless power receiving apparatus that receives a power signal including any one of an electric field, a magnetic field, and an electromagnetic field,
A wireless power receiving apparatus comprising a plurality of resonance circuits, each of which is connected to a common load, each of which is provided in parallel and includes a receiving coil and a capacitor provided in series.
交互に直列に接続された複数の受信コイルと複数の共振用キャパシタを含む受信アンテナを備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。 A wireless power receiving apparatus that receives a power signal including any one of an electric field, a magnetic field, and an electromagnetic field,
A wireless power receiving apparatus comprising: a reception antenna including a plurality of reception coils and a plurality of resonance capacitors alternately connected in series.
前記電力信号を受信する請求項11から16のいずれかに記載の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。 A wireless power feeder that transmits a power signal including any one of an electric field, a magnetic field, and an electromagnetic field;
The wireless power receiving apparatus according to any one of claims 11 to 16, which receives the power signal;
A wireless power supply system comprising:
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