JP2013135523A - ワイヤレス給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤレス給電装置において、給電器が想定する受電器の大きさより小さい受電器に対しても、給電することができるようにする。しかだって、給電器が給電できる受電器の大きさの範囲を広くすることができる。
【解決手段】給電器１１０と受電器１２０との間に、変換器１３０を設ける。変換器１３０は、磁気回路により、給電器１１０からの受電器１２０の見かけの大きさが大きくなるように機能する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、接続せずに近傍界に電力を伝送する、電磁誘導方式のワイヤレス給電に関する。

接続せずに近傍界に電力を伝送する方法として、磁界共鳴方式や電界共鳴方式や電磁誘導方式などが広く知られている。磁界共鳴方式では、給電器と受電器の空間的な位置関係の自由度が高く、精度よく位置を合わせることが困難な車などの移動体への給電に関する開発が活発に行われている。また、平らな接触面を持たない３Ｄメガネなどに磁気共鳴方式を用いて給電する製品も開発されている。電界共鳴方式は、テーブルや壁などに給電器を埋め込み受電器と密着して給電する方法やタブレット端末などに給電する方法などが開発されている。

一方、電磁誘導方式では、標準化の動きが進んでいる。従来、２次電池を内蔵している携帯機器に充電する場合、給電器として携帯機器毎に異なる専用のＡＣ変換器などを用いていた。このため、ＡＣ変換器の数が多くなり、ユーザーは対応するＡＣ変換器を見出してコネクタを接続するという、煩雑な作業を行う必要があった。

これを、ワイヤレス給電の仕様を標準化して、コネクタに接続することなしに汎用的な給電器に給電することにより、利便性を大幅に改善することができる。標準化された仕様を満たす任意の給電器の上に標準化された仕様を満たす任意の受電器を置くだけで給電することができるため、ユーザーの利便性は大幅に改善される。

このような従来のワイヤレス給電装置６０１の一例を、図６を基に説明する。図において、ワイヤレス給電装置６０１は、給電器１１０と受電器６２０により構成される（例えば、特許文献１参照）。

給電器１１０は、給電面１１１と検出電極１１２と検出手段１１３と第１電力変換手段１１４と１次コイル１１５と第１制御手段１１６とにより構成される。給電器１１０では、上部の給電面１１１に給電対象である受電器６２０が置かれると、検出電極１１２からの電気信号の変化を検出手段１１３が検出する。第１制御手段１１６は、検出手段１１３が受電器６２０が置かれたことを検出すると、第１電力変換手段１１４により給電を開始する。第１電力変換手段１１４は、外部からの電源あるいは内部の電池に蓄えられている電力を高周波の電力に変換する。変換された電力は、１次コイル１１５により磁束に変換されて接触面から出力される。

受電器６２０は、受電面１２１と２次コイル６２５と第２電力変換手段１２４と蓄電手段１２７と第２制御手段１２６とにより構成される。１次コイル１１５に対向するように配置されている２次コイル６２５は、１次コイル１１５と相互インダクタンスにより結合し、１次コイルからの磁束を高周波の電力に変換する。２次コイル６２５からの高周波電力は第２電力変換手段１２４で直流の電力に変換される。つまり、１次コイル１１５と２次コイル６２５の相互インダクタンスにより電力が伝送される。伝送された電力は、受電器６２０全体の回路の電源として使用されるとともに、蓄電手段１２７に蓄えられる。第２制御手段１２６は、蓄電手段１２７の状態の管理や、給電器１１０との通信の制御などを行う。給電器１１０との通信は、例えば、受電器６２０の第２電力変換手段１２４の負荷を変えるなどにより行い、給電対象の確認や電力の制御を行うようにしていた。

ここで、１次コイル１１５と２次コイル６２５の相互インダクタンスを大きくして、１次コイル１１５と２次コイル６２５の結合係数を高くするためには、１次コイル１１５と２次コイル６２５の大きさをほぼ同じにする必要がある。このため、１次コイル１１５と２次コイル６２５の大きさは通常ほぼ同じである。具体的には、１次コイルも２次コイルも３０ｍｍ程度の大きさであった。しかし、２次コイル６２５は受電器６２０の中に組み込まれるため、２次コイル６２５より小さい外形の受電器６２０を作ることはできない。

したがって、１次コイル１１５より小さい受電器６２０では、２次コイル６２５は受電器６２０より更に小さくなるために、結合係数が低下して、効率的な給電が出来ないと言う課題があった。また、給電器１１０が想定しているより受電器６２０が小さいと、正規の受電器６２０として検出されないこともあるという課題もあった。

特開２０１０−１８３７０６号公報

そこで本発明では、以上に示した従来のワイヤレス給電装置の課題を解決し、汎用的な給電器に、給電器が想定しているより小さい２次コイルを持つ受電器をセットした場合でも、給電器からの電磁気的な見かけの２次コイルの大きさが想定内であるかのように機能することにより、汎用的な給電器が給電することのできる受電器の大きさの範囲を広くすることのできる変換器を用いたワイヤレス給電装置を提供することである。

給電器から受電器に電磁気的なエネルギーを媒介して電力を伝送するワイヤレス給電装置において、電力を電磁気的なエネルギーに変換して出力する一次コイルを有する給電器と、前記電磁気的なエネルギーから電力を入力する二次コイルを有する受電器と、前記給電器と前記受電器の間に配置され、前記一次コイル及び前記二次コイルと磁気回路を形成する磁性体を有する変換器とによりワイヤレス給電装置を構成する。

本発明によるワイヤレス給電装置では、汎用的な給電器に、想定外の小さい２次コイルを持つ受電器をセットした場合でも、給電器からの電磁気的な見かけの２次コイルの大きさが想定内であるかのように機能する変換器を挿入することにより、汎用的な給電器が給電することのできる受電器の大きさの範囲を広できることである。

本発明に係るワイヤレス給電装置の好適な一実施例を示すブロック構成図 本発明に係る変換器の構成の一例を示す構成図 本発明に係る変換器の機能の一例を示す構成図 本発明に係る変換器の構成の他の例を示す構成図 本発明に係る変換器の機能の他の例を示す構成図 従来のワイヤレス給電装置のブロック構成図

本発明によるワイヤレス給電装置は、電力を電磁気的なエネルギーに変換して出力する給電器と、電磁気的なエネルギーから電力を入力する受電器と、前記給電器と前記受電器の間に着脱自在に配置され前記給電器からの電磁気的な見かけの大きさが前記受電器より大きくなるように機能する変換器とによりワイヤレス給電装置を構成する。

本実施例の以降の説明では、（）を見出しとして用いている。
（ワイヤレス給電装置１０１）
図１は、本発明によるワイヤレス給電装置１０１の好適な実施例を示したものである。ワイヤレス給電装置１０１は、給電器１１０から受電器１２０に電磁気的なエネルギーを媒介して電力を伝送する。

本発明によるワイヤレス給電装置１０１は、電力を電磁気的なエネルギーに変換して出力する給電器１１０と、電磁気的なエネルギーから電力を入力する受電器１２０と、前記給電器１１０と前記受電器１２０の間に着脱自在に配置され前記給電器１１０からの電磁気的な見かけの大きさが大きくなるように機能する変換器１３０とにより構成した。

（給電器１１０）
給電器１１０は、給電面１１１と検出電極１１２と検出手段１１３と第１電力変換手段１１４と１次コイル１１５と第１制御手段１１６により構成した。給電器１１０では、給電面１１１に給電対象が置かれると、検出電極１１２からの電気信号の変化を検出手段１１３が検出する。ここで言う検出対象とは、変換器１３０に受電器１２０がセットされたものを言う。第１制御手段１１６は、検出手段１１３が給電対象が置かれたことを検出すると、第１電力変換手段１１４により給電を開始する。第１電力変換手段１１４は、外部からの電源あるいは内部の電池に蓄えられている電力を高周波の電力に変換する。変換された電力は、１次コイル１１５により磁気エネルギーに変換して接触面から出力する。

なお、本実施例による給電器１１０は、１次コイルの外径を３０ｍｍにした汎用的な給電器で、２次コイルの大きさも同程度に想定している。したがって、従来例に示すように、２次コイルの大きさが３０ｍｍ程度の受電器に対しては、図６に示すように変換器１３０なしに、直接受電器６２０に給電することができる。

（受電器１２０）
受電器１２０は、受電面１２１と２次コイル１２５と第２電力変換手段１２４と蓄電手段１２７と第２制御手段１２６により構成した。２次コイル１２５は、巻き取りの軸が受電面１２１に垂直になるように配置され、変換器１３０を介して１次コイル１１５と結合し、磁気エネルギーから電力を受電する。２次コイル１２５で受電した電力は、第２電力変換手段１２４で直流に変換される。直流に変換された電力は、受電器１２０全体の回路の電源として使用されるとともに、蓄電手段１２７に蓄えられる。第２制御手段１２６は、蓄電手段１２７の状態の管理や、給電器１１０との通信の制御などを行う。給電器１１０との通信は、例えば、受電器１２０の第２電力変換手段１２４の負荷を変えるなどにより行う。通信内容は、受電器１２０が必要とする電力などである。

図６に示すような従来の受電器６２０と比較すると、本実施例の受電器１２０は外形が小さいために、２次コイルを充分大きくできない。しかし、２次コイルの直径が１次コイルの直径の半分以下になると、通常例えば１次コイルで発生した磁界の一部しか２次コイルと錯交しないため、結合係数が小さく、高効率の電力伝送が難しくなることが知られている。本実施例の受電器は、具体的には、腕時計や補聴器などの携帯電子機器や充電式ボタン電池などに内蔵されることが想定される。このため、２次コイルの大きさは１次コイルの大きさの２分の１程度の１５ｍｍ以下である。したがって、変換器を使わずに給電器の給電面に受電器の受電面が接するように携帯機器を配置しても、高効率の電力伝送は困難である。

（変換器１３０の構成）
図２に、変換器１３０の断面構成の一例を示す。変換器１３０は、給電器１１０の給電面１１１に接する変換入力面１３１と、受電器１２０の受電面１２１に接する変換出力面１３２と、１次コイル１１５と２次コイル１２５との相互インダクタンスによる閉ループの磁気回路の２つの経路のうちの一方の経路の磁気抵抗を小さくする円形の第１軟磁性体２３１と他方の経路の磁気抵抗を小さくする円形の第２軟磁性体２３２とを主な構成要素とした。閉ループの磁気回路の２つの経路とは、図２の例では、１次コイルの内側から２次コイルの内側への経路と、１次コイルの外側から２次コイルの外側への経路である。

図２において、寸法Ａは、変換入力面１３１側の第２軟磁性体の内寸であり、１次コイル１１５の外寸とほぼ同じ長さとした。同様に、寸法Ｂは、変換出力面１３２側の第２軟磁性体の内寸であり、２次コイル１２５の外寸とほぼ同じ長さとした。したがって、本実施例では、寸法Ｂは寸法Ａの２分の１以下である。
本実施例では、軟磁性体として、フェライトを用いた。軟磁性体が導体の場合には、渦電流を軽減するために軟磁性体を分割することが望ましい。

（磁気回路）
図３は、本実施例における磁気回路の一例を示したものである。１次コイル１１５には、第３軟磁性体３１１が設けられている。第３軟磁性体３１１は、断面がＥ字型となる円形の軟磁性体で、中央の凸部に１次コイル１１５が巻かれている。同様に、２次コイル１２５には、第４軟磁性体３２１が設けられている。第４軟磁性体３２１は、断面がＥ字型となる円形の軟磁性体で、中央の凸部に２次コイル１２５が巻かれている。

給電器１１０の第３軟磁性体３１１と変換器１３０の第１軟磁性体２３１と第２軟磁性体２３２と受電器１２０の第４軟磁性体３２１は、図３の矢印に示すような磁気回路を構成している。但し、矢印はある瞬間での磁気回路の経路を示すものであり、実際には交番磁界のため矢印の向きには特に意味はない。

このように、１次コイル１１５を錯交する磁束のほとんどが２次コイル１２５を錯交するように磁性体を配置することにより、２次コイル１２５の１次コイル１１５側からの電磁気的な見かけの大きさが大きくなる。また、１次コイル１１５と２次コイル１２５の結合係数が１に近づくため、相互インダクタンスも増大し、電力伝送の効率を改善することができる。

なお、磁気回路の磁気抵抗は、軟磁性体の比透磁率が充分大きいため、第３軟磁性体３１１と第１軟磁性体２３１のギャップと、第１軟磁性体２３１と第４軟磁性体３２１のギャップと、第４軟磁性体３２１と第２軟磁性体２３２のギャップと、第２軟磁性体２３２と第３軟磁性体３１１のギャップの４つのギャップの磁気抵抗の凡そ総和になる。これらの磁気抵抗を充分小さくすることにより、１次コイル１１５と２次コイル１２５の相互インダクタンスを更に増大させることができる。これらの４つのギャップの磁気抵抗を小さくするために、各磁性体は４つのギャップにおいて対向するような外形と位置関係にした。

以上に示したように、給電器と受電器との間に変換器を挿入することにより、大きな１次コイル１１５からの磁束は効率良く小さな２次コイル１２５と錯交するようになるため、給電器１１０からの電磁気的な受電器１２０の見かけの大きさが大きく広がるように機能する。ここで、電磁気的な見かけの大きさとは、具体的には、２次コイル１２５と錯交する磁束が給電面１１１から出入りする範囲である。

（漏れ磁束の軽減）
また、第２軟磁性体２３２の内側で変換出力面から遠い方の角３３１が面取りされているのは、第１軟磁性体２３１と第２軟磁性体２３２との間の磁気抵抗を大きくし、漏れ磁束を少なくすることにより、１次コイル１１５と２次コイル１２５の結合係数を大きくするためのものである。このように、漏れ磁束がなるべく小さくなるように、第１軟磁性体２３１と第２軟磁性体２３２の直接の磁気抵抗がなるべく大きくなるような構成にする。
このため、図３に示す構成の変換器１３０では、ある程度の高さが必要である。

（他の軟磁性体の構成）
以上に、４つの軟磁性体２３１，２３２，３１１，３２１が、同一の軸を共有する円形となる場合に磁気抵抗が最小になる場合の例を示したが、この限りではない。図示しないが、例えば１次コイル１１５が巻かれている第３軟磁性体３１１と、２次コイル１２５が巻かれている第４軟磁性体３２１の円形の軸がずれている場合でも、例えば第１軟磁性体２３１と第２軟磁性体２３２とが偏心していることにより、給電面と変換入力面が接する面において第１軟磁性体２３１と第２軟磁性体２３２が第３軟磁性体３１１と対面し、変換出力面と受電面が接する面において第１軟磁性体２３１と第２軟磁性体２３２が第４軟磁性体３２１に対面するようにすればよい。

また、以上に４つの軟磁性体２３１，２３２，３１１，３２１が円形である場合の例を示したが、この限りではない。例えば、１次コイル１１５と２次コイル１２５と４つの磁性体２３１，２３２，３１１，３２１が方形であっても良い。

（位置合わせ方法）
変換器１３０は、給電器１１０と受電器１２０の間に着脱自在に配置されるが、４つのギャップの磁気抵抗を最小にして効率的に給電するためには、給電器１１０と変換器１３０の位置及び変換器１３０と受電器１２０を望ましい位置関係にする必要がある。このための給電器１１０と変換器１３０の位置合わせは、図示しない表示されたガイドに合わせるようにしたが、凹凸によるガイドに合わせるようにしても良いし、磁石の力で位置を合わせるようにしても良い。変換器１３０と受電器１０２との位置合わせについても、同様である。

利用者の利便性を高めるためには、変換器も汎用的であることが望ましく、受電器が異なっても同一の変換器を使えるように、位置合わせ手段は統一されていることが望ましい。

（第３軟磁性体と第４軟磁性体が平らな場合）
図４に第３軟磁性体４１１と第４軟磁性体４２１の他の構成を示す。第３軟磁性体４１１と第４軟磁性体４２１は、必ずしもＥ字型である必要はない。図４に示すように、１次コイル１１５や２次コイル１２５の厚みが薄い場合には、例えば平らな円形でも良い。この場合には、Ｅ字型の場合より前述の４つのギャップは長くなり、磁気抵抗は大きくなってしまう。意図していた経路の磁気抵抗が大きくなると、相対的に磁気抵抗の比率が低下した例えば、第１軟磁性体２３１と第２軟磁性体２３２の間での漏れ磁束などにより、１次コイル１１５と２次コイル１２５の結合係数が小さくなり、相互インダクタンスも小さくなってしまう。それでも、変換器がない場合には凡そ２次コイルの面積の比率分結合係数や相互インダクタンスは低下してしまうため、変換器により結合係数や相互インダクタンスは改善される。

（給電対象の検出）
図１に示す給電器１１０の検出電極１１２は、２次元の座標に対応して配置した。したがって、各検出電極からの信号の変化から、検出手段１１３は給電対象の位置と大きさを検出することができる。検出した給電対象の大きさが所定の大きさより小さい場合には、異物の可能性があるため、給電を行わないようになっている。検出電極１１２と検出手段１１３による給電対象の検出は、静電容量の変化によって行うようにした。第１軟磁性体２３１と第２軟磁性体２３２はフェライトのため、０．１〜１Ωｍ程度の体積抵抗率を持つため、そのまま静電容量の変化により検出することができる。変換器１３０は、給電器１１０が想定している受電器の大きさのため、正規の給電対象として検出することができる。つまり、給電対象の検出においても、給電器１１０からの変換器１３０を介した受電器１２０の電磁気的な見かけの大きさを大きくすることができる。

給電対象の検出は必ずしも静電容量の変化による方法である必要はなく、電磁誘導による共振周波数の変化などを用いてもよい。

また、図１では検出電極１１２により給電対象を検出する場合の例を示したが、給電器１１０と受電器１２０の間に通信手段がある場合などには、検出電極１１２は必ずしも設ける必要がない。ここで言う通信手段とは、例えば受電器側への給電のインピーダンスによる変調や、通信用の回路やコイルが独立して存在する場合などである。

（磁気回路の他の構成例）
以上に、１次コイル１１５と２次コイル１２５との相互インダクタンスによる閉ループの磁気回路の変換器における２つの経路として、１次コイルの内側から２次コイルの内側への経路と、１次コイルの外側から２次コイルの外側への経路を対応させた場合の例を示したがこの限りではない。例えば、図５に示すように、１次コイル１１５を貫通して両端から延びる第３軟磁性体５１１の両端が各々給電面１１１に接近し、２次コイル１２５を貫通して両端から延びる第４軟磁性体５２１の両端が各々受電面１２１に接近している構造の場合には、変換器１３０における磁気回路の２つの経路として、１次コイルと２次コイルの結合を強くするように、第３軟磁性体５１１の給電面１１１への一方の接近箇所と第４軟磁性体５２１の受電面１２１への一方の接近箇所の両方に対面するように第１軟磁性体５３１を設け、同様に第３軟磁性体５１１の給電面１１１への他方の接近箇所と第４軟磁性体５２１の受電面１２１への他方の接近箇所の両方に対面するように第２軟磁性体５３２を設けるようにすればよい。

但し、この場合には各磁性体は円形でないことは言うまでもない。この場合には、図５の矢印で示すよう、4つの磁性体による磁気回路が構成され、第３軟磁性体５１１の大きさに対して、受電器１２０が小さい場合でも、１次コイル１１５と２次コイル１２５の結合係数を１に近づけることにより、相互インダクタンスを大きくすることができる。この場合も、前述の場合と同様に、矢印は磁気回路の経路を示すもので、矢印の向きには意味がない。

（まとめ）
以上に示したように、本発明によるワイヤレス給電装置では、汎用的な給電器に、想定外の小さい２次コイルを持つ受電器をセットした場合でも、給電器からの電磁気的な見かけの２次コイルの大きさが想定内であるかのように機能することにより、汎用的な給電器が給電することのできる受電器の大きさの範囲を広くすることができる。
なお、本実施例では具体的には示さないが、本発明の考え方を適用すると、電界結合によるワイヤレス給電においても、同様の構成により同様の効果を得ることが出来る。

１０１ ワイヤレス給電装置
１１０ 給電器
１１１ 給電面
１１２ 検出電極
１１３ 検出手段
１１４ 第１電力変換手段
１１５ １次コイル
１１６ 第１制御手段
１２０ 受電器
１２１ 受電面
１２４ 第２電力変換手段
１２５ ２次コイル
１２６ 第２制御手段
１２７ 蓄電手段
１３０ 変換器
１３１ 変換入力面
１３２ 変換出力面
２３１，５３１ 第１軟磁性体
２３２，５３２ 第２軟磁性体
３１１，４１１，５１１ 第３軟磁性体
３２１，４２１，５２１ 第４軟磁性体
６０１ 従来のワイヤレス給電装置
６２０ 従来の受電器
６２５ 従来の２次コイル

Claims (6)

1. 給電器から受電器に電磁気的なエネルギーを媒介して電力を伝送するワイヤレス給電装置において、
   電力を電磁気的なエネルギーに変換して出力する一次コイルを有する給電器と、
   前記電磁気的なエネルギーから電力を入力する二次コイルを有する受電器と、
   前記給電器と前記受電器の間に配置され、前記一次コイル及び前記二次コイルと磁気回路を形成する磁性体を有する変換器と、からなることを特徴とするワイヤレス給電装置。
2. 前記変換器は、前記給電器が電気エネルギーと磁気エネルギーを変換する１次コイルと前記受電器が電気エネルギーと磁気エネルギーを変換する２次コイルを結合する閉ループである磁気回路の一方の経路の磁気抵抗を小さくする第１軟磁性体と、他方の経路の磁気抵抗を小さくする第２軟磁性体とを有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。
3. 前記変換器は、前記一次コイルの内側と前記二次コイルの内側との間の磁気抵抗を小さくする第一軟磁性体と、前記一次コイルの外側と前記二次コイルの外側との間の磁気抵抗を小さくする第二軟磁性体とを有することを特徴とする請求項２記載のワイヤレス給電装置。
4. 前記第１軟磁性体の受電器側の内寸が給電器側の内寸の２分の１以下であることを特徴とする請求項３に記載のワイヤレス給電装置。
5. 前記２次コイルの大きさが１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のワイヤレス給電装置。
6. 前記受電器は、携帯電子機器もしくは充電式ボタン電池であることを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか１項に記載のワイヤレス給電装置。

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