JP2015053781A - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、送電装置及び受電装置のそれぞれのワイヤレス電力伝送方式が異なっていても、受電装置から送電装置に電力をワイヤレスで伝送できる電力変換器を提供することにある。
【解決手段】本発明の電力変換器は、第１電極及び第２電極を用いた電界結合方式でワイヤレス受電した電力をトランスで変換し、平板状コイルを用いた磁界結合方式で、変換した電力を受電装置にワイヤレス送電する。また、本発明の電力変換器は、磁界結合方式でワイヤレス受電した電力を、トランスが電界結合方式に必要な電力に変換するため、電界結合方式でワイヤレス送電することもできる。
【選択図】図２

Description

本発明は、外部の送電装置からワイヤレスで伝送された電力を変換し、変換した電力をワイヤレスで外部の受電装置に伝送する電力変換器に関する。

これまでに、外部の受電装置にワイヤレスで電力を伝送するワイヤレス電力伝送方式として、磁界結合方式、又は電界結合方式が提案されている。磁界結合方式は、送電装置の１次コイルから受電装置の２次コイルへ磁界を利用して電力を伝送する。電界結合方式は、特許文献１に示すように、送電装置に受電装置を近づける（例えば載置する）と、それぞれが有する電極同士が空隙を介して近接し、この２つの電極間に強い電界が形成され、この電極同士の電界結合を利用して電力を伝送する。

特表２００９−５３１００９号公報

しかしながら、磁界結合方式及び電界結合方式は、方式が異なり互換性が無い。換言すれば、電界結合方式の送電装置は、磁界結合方式の受電装置に電力を伝送できない。磁界結合方式の送電装置も、電界結合方式の受電装置に電力を伝送できない。

そこで、本発明の目的は、送電装置及び受電装置のそれぞれのワイヤレス電力伝送方式が異なっていても、受電装置から送電装置に電力をワイヤレスで伝送できる電力変換器を提供することにある。

本発明の電力変換器は、トランスと、前記トランスの１次側端子の一端に接続される第１電極と、前記トランスの１次側端子の他端に接続される第２電極と、前記トランスの２次側端子の間に接続される平板状コイルと、前記トランス、第１電極、第２電極、及び平板状コイルを収める筐体と、を備える。

そして、前記平板状コイルは、前記筐体の第１主面側に配置され、前記第１電極及び前記第２電極は、前記筐体の第２主面側に配置される。

第１電極及び第２電極は、外部の送電装置の２つの電極とそれぞれ空隙を介して近接するように筐体の第２主面側に配置される。送電装置の２つの電極に交流電圧が印加されると、近接する電極の間で強い電界が形成される。その結果、近接する電極は、電界結合し、第１電極及び第２電極には交流電圧が誘起される。電力変換器は、第１電極及び第２電極を備えることにより、外部の送電装置から電界結合方式でワイヤレス受電する。

平板状コイルは、両端に交流電圧が印加されると磁界を発生させる。発生した磁界に外部の受電装置の平板状コイルが近接すると、交流電圧は外部の受電装置の平板状コイルの両端に誘起される。電力変換器は、平板状コイルを備えることにより、磁界結合方式でワイヤレス送電する。

一般に、電界結合方式のワイヤレス電力伝送と、磁界結合方式のワイヤレス電力伝送とは、方式が異なるため、必要な電力（電圧及び電流）が異なる。また、それぞれの方式に必要な構成（電極又はコイル）も、異なる。そこで、本発明の電力変換器は、第１電極及び第２電極を用いた電界結合方式でワイヤレス受電した電力をトランスで変換し、平板状コイルを用いた磁界結合方式で、変換した電力を受電装置にワイヤレス送電する。

また、本発明の電力変換器は、磁界結合方式でワイヤレス受電した電力を、トランスが電界結合方式に必要な電力に変換するため、電界結合方式でワイヤレス送電することもできる。

また、前記トランスは、２次巻線の巻数に対して１次巻線の巻数が多い巻線型トランスであってもよい。

電界結合方式でワイヤレス伝送された電力の交流電圧は、磁界結合方式のワイヤレス電力伝送に必要な電圧まで降圧されて平板状コイルの両端に印加される。その結果、電力変換器は、電界結合方式に用いられる電圧が磁界結合方式に用いられる電圧より高くても、磁界結合方式で受電装置にワイヤレス送電できる。

また、前記トランスは、２次巻線に少なくとも１つの中間タップを有する巻線型トランスであって、前記平板状コイルの一端は、前記２次巻線の一端に接続され、前記平板状コイルの他端は、前記２次巻線の他端又は前記２次巻線の少なくとも１つの中間タップに接続されてもよい。

磁界結合方式のワイヤレス電力伝送では、送電される電力は、平板状コイルに対する入力電圧に比例する。電力変換器は、トランスに中間タップを有することにより、平板状コイルの両端に印加される交流電圧を切り替え可能とする。その結果、磁界結合方式でワイヤレス伝送される電力も、切り替え可能となる。

また、電力変換器は、前記平板状コイルの両端に接続されるキャパシタを備え、前記キャパシタ、前記トランス、及び前記平板状コイルで並列共振回路が構成されていてもよい。

電力変換器は、受電装置が電力変換器に近接されないと（載置されないと）コイル間で磁界結合が起きず、並列共振回路が共振する。すると、電力変換器のインピーダンスは、高くなる。その結果、送電装置から伝送される電力が小さくなるため、電力損失（平板状コイルからの電力放射）は抑えられる。

また、前記トランスは圧電トランスであってもよい。

圧電トランスは、電気機械的振動によって電圧を変換するものであり、巻線を用いる巻線型トランスに比べてサイズが小さい。電力変換器は、圧電トランスを用いると、小型化（薄型化）される。

また、電力変換器は前記トランスの１次側又は２次側の交流電流に重畳された信号を送受信する送受信部と、前記送受信部の信号送受信を制御する制御部と、を備える。

そして、前記制御部は、電界結合方式のプロトコル又は磁界結合方式のプロトコルに応じて信号を送信させ、前記送受信部の受信した信号に基づいて電界結合方式のプロトコル又は磁界結合方式のプロトコルを特定し、特定したプロトコルで認証通信させてもよい。

一般的に、送電装置の中には、受電装置との認証通信を必要とするものが存在する。認証通信は、電界結合方式のプロトコル又は磁界結合方式のプロトコルに従って行われる。

電力変換器は、上述の通り、電界結合方式と磁界結合方式との両方からワイヤレス受電できる。電力変換器は、どちらの方式でワイヤレス受電したのかを、どちらかの方式のプロトコルで信号を送受信することにより、ワイヤレス受電の方式を特定する。そして、電力変換器は、特定した方式のプロトコルで認証通信を行う。

本発明によれば、受電装置と送電装置とでワイヤレス伝送方式が異なっていても、電力変換器のトランスが送電装置から伝送された電力を変換し、変換された電力が第１電極及び第２電極、又は平板状コイルを介して受電装置にワイヤレスで伝送される。

実施形態１に係るワイヤレス電力伝送システムを示す図 送電装置に中継受電装置及び受電装置を載置した状態の断面図 実施形態１に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図 ワイヤレス電力伝送システムの別の例を示す回路図 ワイヤレス電力伝送システムの別の例を示す回路図 送電装置に中継受電装置及び受電装置を載置した状態の断面図 実施形態２に係るワイヤレス電力伝送システムにおいて、送電装置に中継受電装置及び受電装置を載置した状態の断面図 実施形態２に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図 中継受電装置の制御回路の動作を示すフローチャート

図１は実施形態１に係るワイヤレス電力伝送システム４０１を示す図である。

実施形態１に係るワイヤレス電力伝送システム４０１は、送電装置１０１、中継受電装置２０１、及び受電装置３０１を備えている。送電装置１０１は、一部を露出させて、例えば机などに埋設されている。中継受電装置２０１は、例えばシート形状である。中継受電装置２０１は、送電装置１０１の露出面に載置されると、電界結合方式で送電装置１０１からワイヤレスで電力が伝送される。

受電装置３０１は中継受電装置２０１に載置されると、送電装置１０１からの電力が、中継受電装置２０１を介して、ワイヤレスで伝送される。すなわち、中継受電装置２０１は、送電装置１０１から受電装置３０１へのワイヤレス電力伝送の中継装置として機能する。中継受電装置２０１は本発明の電力変換器に相当する。受電装置３０１は、例えば携帯電話機や、携帯音楽プレーヤなど、中継受電装置２０１よりも小型で、中継受電装置２０１に載置できる電子機器が挙げられる。

図２は、送電装置１０１に中継受電装置２０１が載置され、かつ中継受電装置２０１に受電装置３０１が載置された状態の断面図である。中継受電装置２０１は送電装置１０１に載置されると、筐体の第２主面（図２に示す底面）で送電装置１０１の載置面に接する。中継受電装置２０１は受電装置３０１が載置されると、筐体の第１主面（図２に示す天面）で受電装置３０１の背面に接する。

送電装置１０１は、アクティブ電極１１、パッシブ電極１２及び高周波電圧発生回路ＯＳＣを備えている。高周波電圧発生回路ＯＳＣは、例えば１００ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚの交流電圧を発生する。その交流電圧は例えば１ｋＶまで昇圧され、アクティブ電極１１及びパッシブ電極１２に印加される。アクティブ電極１１は平板状であって、中継受電装置２０１が載置される載置面に沿って設けられている。パッシブ電極１２は、送電装置１０１の筐体に沿って設けられ、かつ、高周波電圧発生回路ＯＳＣ及びアクティブ電極１１を囲んでいる。

中継受電装置２０１は、アクティブ電極２１、パッシブ電極２２、送受電兼用コイル２３、及びトランスＴ１を備えている。アクティブ電極２１及びパッシブ電極２２は、筐体の第２主面側に配置されている。パッシブ電極２２は、中継受電装置２０１の筐体の第２主面の法線方向から視て、アクティブ電極２１を囲むように形成されている。そして、中継受電装置２０１を送電装置１０１に載置した場合、アクティブ電極２１はアクティブ電極１１に対向し、パッシブ電極２２はパッシブ電極１２に対向する。このような構造により、送電装置１０１は、電界結合方式（詳細は後述する。）で中継受電装置２０１にワイヤレスで電力を伝送する。

送受電兼用コイル２３は、平板状であって、中継受電装置２０１の筐体の第１主面側に配置されている。

トランスＴ１は、巻線型トランスである。トランスＴ１は、１次側（アクティブ電極２１及びパッシブ電極２２に接続される）の電力を変換して２次側（送受電兼用コイル２３に接続される）に出力する。

受電装置３０１は、受電用コイル３１、及び負荷供給回路３２を備えている。受電装置３０１が中継受電装置２０１の筐体の天面（第１主面）に載置される際、その天面に接する受電装置３０１の背面側に受電用コイル３１は設けられている。受電装置３０１の背面とは、例えば受電装置３０１が表示画面を有する携帯端末である場合、表示画面が設けられた前面に対向する面である。受電装置３０１を中継受電装置２０１に載置した場合、受電用コイル３１は送受電兼用コイル２３に対向する。このような構造により、中継受電装置２０１は、磁界結合方式（詳細は後述する。）で電力を受電装置３０１にワイヤレス伝送する。

負荷供給回路３２は、受電用コイル３１の両端に接続されている。負荷供給回路３２は、受電用コイル３１に誘起される交流電圧を降圧及び整流平滑して、負荷へ供給する。負荷供給回路３２の負荷は、例えば、受電装置３０１内の２次電池である。

以上のように、送電装置１０１から中継受電装置２０１へ電界結合方式で電力をワイヤレス伝送した際には、中継受電装置２０１を介して受電装置３０１に送電装置１０１からの電力が磁界結合方式でワイヤレス伝送される。なお、中継受電装置２０１に受電装置３０１を載置する（積み重ねる）ため、充電時における水平方向の必要な面積を小さくできる。

図３は、実施形態１に係るワイヤレス電力伝送システム４０１の回路図である。図３は、中継受電装置２０１を送電装置１０１に載置し、かつ受電装置３０１を中継受電装置２０１に載置した場合のワイヤレス電力伝送システム４０１の回路図である。

送電装置１０１のアクティブ電極１１及びパッシブ電極１２には、昇圧トランスＴ２及びインダクタＬ１による昇圧回路が接続されている。この昇圧回路は、高周波電圧発生回路ＯＳＣが発生した交流電圧を１ｋＶに昇圧して、アクティブ電極１１とパッシブ電極１２との間に印加する。この１ｋＶは以下に説明する電界結合方式のワイヤレス電力伝送に用いられる電圧に対応する。図中の破線に示すキャパシタは、アクティブ電極１１とパッシブ電極１２との間に構成される浮遊容量であり、インダクタＬ１と共に共振回路を構成する。

中継受電装置２０１のアクティブ電極２１及びパッシブ電極２２は、載置された送電装置１０１のアクティブ電極１１及びパッシブ電極１２に空隙をおいて対向する。アクティブ電極１１及びパッシブ電極１２に交流電圧が印加されると、アクティブ電極２１とアクティブ電極１１との間、及びパッシブ電極２２とパッシブ電極１２との間には、強い電界が形成される。アクティブ電極２１及びパッシブ電極２２は、アクティブ電極１１及びパッシブ電極１２との電界結合により交流電圧が誘起される。このように、送電装置１０１の電力は、電界結合方式で中継受電装置２０１にワイヤレス伝送される。

アクティブ電極２１及びパッシブ電極２２には、トランスＴ１が接続されている。トランスＴ１は、１次側の巻線の一端がアクティブ電極２１に接続されている。トランスＴ１は、１次側の巻線の他端がパッシブ電極２２に接続されている。

トランスＴ１は、１次側の巻線の巻数が２次側の巻線の巻数よりも多く、巻数比が例えば５０：１に設定されている。これにより、トランスＴ１の１次側に１ｋＶの交流電圧が印加されると、トランスＴ１の２次側に２０Ｖの交流電圧が誘起される。この２０Ｖは、以下に説明する磁界結合方式のワイヤレス電力伝送に用いられる電圧に対応する。トランスＴ１の２次側にはトランスＴ１の１次側の交流電流より大きい交流電流が誘導される。

受電装置３０１の受電用コイル３１は、載置された中継受電装置２０１の送受電兼用コイル２３に空隙をおいて対向する。トランスＴ１で降圧された交流電圧は、送受電兼用コイル２３の両端に印加される。すると、送受電兼用コイル２３は、磁界を発生させる。受電用コイル３１には、送受電兼用コイル２３が発生させた磁界により、交流電流が誘導される。そして、負荷供給回路３２には、その交流電流が入力される。

負荷供給回路３２は、降圧トランスＴ３及びインダクタＬ３による降圧回路を有している。負荷供給回路３２に入力された交流電流に対する交流電圧は、この降圧トランスＴ３により例えば５Ｖに降圧される。また、負荷供給回路３２は、降圧トランスＴ３の２次側に接続された負荷回路ＲＬ２を有している。この負荷回路ＲＬ２は、整流平滑回路及び２次電池で構成されていて、入力された交流電流を整流平滑して２次電池を充電する。

以上のように、本実施形態のワイヤレス電力伝送システム４０１は、電界結合方式でワイヤレス受電された電力を、中継受電装置２０１のトランスＴ１で磁界結合方式のワイヤレス電力伝送に必要な電力に変換する。したがって、中継受電装置２０１は電界結合方式のワイヤレス電力伝送に用いられる交流電圧が磁界結合方式のワイヤレス電力伝送に用いられる交流電圧より高く、かつ電界結合方式のワイヤレス電力伝送に用いられる交流電流が磁界結合方式のワイヤレス電力伝送に用いられる交流電流より小さくても、送電装置１０１の電力を受電装置３０１に伝送できる。

以上の例は、トランスＴ１として巻線型トランスを用いたが、トランスＴ１は、圧電体板の電気機械的振動を利用して電圧変換を行う圧電トランスであってもよい。中継受電装置２０１は、巻線型トランスに比べて小型である圧電トランスをトランスＴ１として用いれば、小型化（例えば薄型化）される。

なお、中継受電装置２０１から受電装置３０１への電力伝送は、上述の磁界結合方式のワイヤレス電力伝送に限らない。例えば、中継受電装置２０１から受電装置３０１への電力伝送は、送受電兼用コイル２３と受電用コイル３１との特定周波数における共鳴現象を利用した方式で実現されてもよい。コイル間の共鳴現象を利用した方式を用いる場合、中継受電装置２０１と受電装置３０１とが例えば１ｍ離れていても電力は伝送される。

次に、図４は、ワイヤレス電力伝送システム４０１の変形例１に係るワイヤレス電力伝送システム４０１Ａの回路図である。図４に示す例では、ワイヤレス電力伝送システム４０１Ａは、送電装置１０１、中継受電装置２０１Ａ、及び受電装置３０１を備えている。中継受電装置２０１Ａは、トランスＴ１に代えてトランスＴ１Ａを備える点で、中継受電装置２０１と相違する。ワイヤレス電力伝送システム４０１と重複する構成の説明は省略する。

中継受電装置２０１Ａは、トランスＴ１Ａの接続態様を切り替えることにより、送受電兼用コイル２３の両端に印加される交流電圧を切り替えて、受電装置３０１に伝送する電力を切り替えるものである。

トランスＴ１Ａは、２次側の巻線に中間タップを有する点で、トランスＴ１と相違する。送受電兼用コイル２３は、一端がトランスＴ１Ａの２次側の巻線の一端に接続され、他端がトランスＴ１Ａの２次側の巻線の中間タップに接続されている。送受電兼用コイル２３の他端の接続は切り替え可能であり、送受電兼用コイル２３の他端と、トランスＴ１Ａの２次側の巻線の他端とを接続してもよい。

送受電兼用コイル２３の他端がトランスＴ１Ａの２次側の巻線の中間タップに接続される場合、送受電兼用コイル２３に印加される交流電圧は、送受電兼用コイル２３の他端がトランスＴ１Ａの２次側の巻線の他端に接続される場合に比べて低くなる。

上述の磁界結合方式のワイヤレス電力伝送は、入力電圧に比例した電力を伝送する。すなわち、送受電兼用コイル２３の両端に印加される交流電圧が低くなると、送受電兼用コイル２３から受電用コイル３１に伝送される電力は小さくなる。

中継受電装置２０１Ａは、トランスＴ１Ａの２次側の巻線と送受電兼用コイル２３との接続を切り替えることにより、受電装置３０１に伝送する電力を切り替える。したがって、中継受電装置２０１Ａは、受電装置３０１の定格（例えば５Ｗ又は１０Ｗ）に合わせて、電力を伝送できる。

なお、トランスＴ１Ａは中間タップを１つ備えるに限らず、２つ以上備えてもよい。

次に、図５は、ワイヤレス電力伝送システム４０１の変形例２に係るワイヤレス電力伝送システム４０１Ｂの回路図である。

図５に示すワイヤレス電力伝送システム４０１Ｂは、送電装置１０１、中継受電装置２０１Ｂ、及び受電装置３０１を備える。中継受電装置２０１Ｂは、キャパシタ２４を備える点で、図３に示す中継受電装置２０１と相違する。ワイヤレス電力伝送システム４０１と重複する構成の説明は省略する。

中継受電装置２０１Ｂは、トランスＴ１、キャパシタ２４、及び送受電兼用コイル２３で並列共振回路を構成している。この並列共振回路は、受電装置３０１が中継受電装置２０１Ｂに載置されていないときの送受電兼用コイル２３からの電力の放射を抑えるものである。

キャパシタ２４は、トランスＴ１の２次側の巻線の両端に接続される。キャパシタ２４は、トランスＴ１、キャパシタ２４、及び送受電兼用コイル２３から構成される回路が例えば周波数５００ｋＨｚで共振するように、容量が設定される。

これにより、送電装置１０１を基準とした中継受電装置２０１Ｂのインピーダンスは、中継受電装置２０１Ｂに受電装置３０１が載置されていない場合、共振周波数５００ｋＨｚでピークとなる。

この共振周波数５００ｋＨｚは電界結合方式のワイヤレス電力伝送に用いられる交流電圧の周波数帯域に含まれる。したがって、送電装置１０１から中継受電装置２０１Ｂに伝送される電力は、中継受電装置２０１Ｂに受電装置３０１が載置されていない場合、中継受電装置２０１Ｂのインピーダンスがピークになることにより、抑えられる。

上述の例は、中継受電装置２０１、中継受電装置２０１Ａ、及び中継受電装置２０１Ｂが電界結合方式でワイヤレス受電した電力を変換し、変換した電力を磁界結合方式でワイヤレス伝送していたが、以下に示すように、中継受電装置２０１、中継受電装置２０１Ａ、及び中継受電装置２０１Ｂは、磁界結合方式でワイヤレス受電した電力を変換し、変換した電力を電界結合方式でワイヤレス伝送してもよい。

図６は、実施形態２に係るワイヤレス電力伝送システム４０２において、送電装置１０２に中継受電装置２０１を載置し、かつ中継受電装置２０１に受電装置３０２を載置した状態の断面図である。ただし、中継受電装置２０１は図２に示す断面図における中継受電装置２０１の配置から裏返されて配置されている。すなわち、図６に示す断面図では、中継受電装置２０１の筐体の第２主面が天面となり、中継受電装置２０１の筐体の第１主面が底面となっている。これにより、アクティブ電極２１及びパッシブ電極２２は、中継受電装置２０１の筐体の天面側に配置されている。送受電兼用コイル２３は、中継受電装置２０１の筐体の底面側に配置されている。

送電装置１０２は、高周波電圧発生回路ＯＳＣ及び送電用コイル１３を備える。送電用コイル１３は送電装置１０２の筐体の載置面側に配置されている。受電装置３０２は、アクティブ電極３３、パッシブ電極３４、及び負荷供給回路３２を備える。アクティブ電極３３及びパッシブ電極３４は受電装置３０２の背面側に配置されている。

送受電兼用コイル２３は、送電用コイル１３との磁界結合により、交流電流が誘導される。この電力はトランスＴ１で変換される。トランスＴ１により例えば２０Ｖから１ｋＶに昇圧された交流電圧は、アクティブ電極２１及びパッシブ電極２２に印加される。トランスＴ１により小さくなった交流電流は、アクティブ電極２１及びパッシブ電極２２に誘導される。そして、アクティブ電極２１とアクティブ電極３３との電界結合、及びパッシブ電極２２とパッシブ電極３４との電界結合により、アクティブ電極３３とパッシブ電極３４との間に交流電圧が誘起される。

このように、中継受電装置２０１、中継受電装置２０１Ａ、及び中継受電装置２０１Ｂは電界結合方式又は磁界結合方式のどちらの方式であっても電力をワイヤレス受電し、受電した電力を変換して、受電の方式と異なる方式でワイヤレス伝送できる。

次に、図７は送電装置１０１Ｃに中継受電装置２０１Ｃを載置し、かつ中継受電装置２０１Ｃに受電装置３０１を載置した状態の断面図である。中継受電装置２０１Ｃは信号処理回路２５０を備える点において、中継受電装置２０１と相違する。

一般に、電界結合方式のワイヤレス電力伝送及び磁界結合方式のワイヤレス電力伝送では、受電装置との認証通信を必要とする送電装置が存在する。このような送電装置は、受電装置と認証通信を行い、定格の情報や適合に関する情報を認証する。認証通信は、ワイヤレス電力伝送の方式毎に定められるプロトコルに従って行われる。送電装置は、この認証通信を行うことにより、受電装置の定格を超えた電力伝送や、適合しない受電装置に対する電力伝送を防止している。図７に示す送電装置１０１Ｃは、電界結合方式でワイヤレス電力伝送するものであって、受電装置との認証通信を必要とするものである。また、送電装置１０１Ｃは、認証通信を正常に終えるまでは小さい電力を伝送し、認証通信を正常に終えると、大きい電力を伝送するものである。

中継受電装置２０１Ｃは、電界結合方式又は磁界結合方式のどちらの方式でワイヤレス受電したのかを判定し、送電元と認証通信を行った後に、トランスＴ１による電力変換を開始し、受電先（受電装置３０１又は受電装置３０２）に変換した電力をワイヤレス伝送するものである。

図８は、中継受電装置２０１Ｃを送電装置１０１Ｃに載置し、受電装置３０１を中継受電装置２０１Ｃに載置した場合のワイヤレス電力伝送システム４０１Ｃの回路図である。

信号処理回路２５０は、トランスＴ１の２次側の巻線の両端に接続されている。信号処理回路２５０は、図８に示すように、制御回路２５、送受信回路２６、降圧回路２７、及び整流回路２８を備える。ただし、信号処理回路２５０は、トランスＴ１の１次側の巻線の両端に接続されても構わない。

制御回路２５及び送受信回路２６は、アクティブ電極２１とパッシブ電極２２との間、又は送受電兼用コイル２３の両端に交流電圧が誘起されると、整流回路２８から電力が与えられそれぞれ起動する。ただし、降圧回路２７は、トランスＴ１の２次側の両端に接続され、整流回路２８は、降圧回路２７から降圧された交流電圧に対応する交流電流を整流平滑して出力するものである。

送受信回路２６は、一端がトランスＴ１の２次側の巻線の高圧側に接続される。送受信回路２６は入力された交流電流に重畳された信号を復調して制御回路２５に出力する。また、送受信回路２６は制御回路２５の制御に従い信号を変調してトランスＴ１の２次側の巻線の高圧側の交流電流に重畳する。

制御回路２５は、送受電兼用コイル２３の両端に接続されるキャパシタＣ１、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２及びキャパシタＣ２からなる直列回路に対し、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１及びＭＯＳ−ＦＥＴＱ２をオン又はオフする制御を行う。より具体的には、制御回路２５は、以下のように動作する。

図９は、制御回路２５の動作を示すフローチャートである。なお、制御回路２５は初期状態（起動した直後）ではＭＯＳ−ＦＥＴＱ１及びＭＯＳ−ＦＥＴＱ２をオンとしている。これにより、トランスＴ１、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２との直列回路、及び送受電兼用コイル２３で並列共振回路が構成される。中継受電装置２０１Ｃは並列共振回路が構成されるとインピーダンスが高くなる。

制御回路２５はいずれかの方式の送電装置からワイヤレス受電すると起動して電界結合方式のプロトコルで送電元の存在を問い合わせる（Ｓ１１）。例えば、制御回路２５は、送電装置の存在を確認する旨のメッセージを生成する。このメッセージは、電界結合方式のプロトコルに定められるフォーマットに適合するように生成される。そして、制御回路２５は、電界結合方式のプロトコルに定められる搬送波で生成したメッセージを変調して、変調信号をトランスＴ１の２次側の巻線の高圧側の交流電流に重畳するように、送受信回路２６を制御する。

送電元は、中継受電装置２０１Ｃが負荷変調を行うため、変調信号を受信する。

次に、制御回路２５は、正常な応答があったか否かを判断する（Ｓ１２）。送電元が送電装置１０１Ｃ（電界結合方式で電力を伝送する装置）であれば、送電装置１０１Ｃの信号処理部１４は、中継受電装置２０１Ｃが送ったメッセージを受信して復調する。そして、信号処理部１４は、存在の確認を肯定する旨のメッセージを返送して応答する。この返送メッセージも、電界結合方式のプロトコルに定めるフォーマットに適合し、該プロトコルに定められる搬送波で変調されて中継受電装置２０１Ｃに送信される。一方、送電元が送電装置１０１Ｃでなければ（例えば磁界結合方式でワイヤレス伝送する送電装置１０２）、送電元は存在を確認する旨のメッセージを復調できないため何らメッセージを返送しない（応答しない）。

制御回路２５は、送受信回路２６によって受信されて復調されたメッセージが存在の確認を肯定する旨のメッセージであれば正常応答があったと判断して（Ｓ１２：ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進む。この復調も電界結合方式のプロトコルで行われる。正常応答があった場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、送電元は電界結合方式でワイヤレス電力伝送する送電装置１０１Ｃであることが分かる。制御回路２５は、送受信回路２６によって受信されて復調されたメッセージが存在の確認を肯定する旨のメッセージでなければ異常応答があったと判断して（Ｓ１２：ＮＯ）、ステップＳ２１に進む。制御回路２５は、送受信回路２６がステップＳ１１でメッセージを送ってから所定時間（例えば５秒間）何も信号を受信していないときも異常応答があったとして（Ｓ１２：ＮＯ）、ステップＳ２１に進む。すなわち、これら異常応答があった場合（Ｓ１２：ＮＯ）、送電元は電界結合方式でワイヤレス電力伝送を行う送電装置１０１Ｃではないことが分かる。

制御回路２５は、正常応答があったと判断した場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、電界結合方式のプロトコルで送電装置１０１Ｃと認証通信する（Ｓ１３）。定格の情報や適合に関する情報は、この認証通信により、送電装置１０１Ｃの信号処理部１４と制御回路２５との間で、送受信される。ただし、定格の情報や適合に関する情報は、信号処理回路２５０に予め記憶されている。

送電装置１０１Ｃの信号処理部１４は、認証通信により認証された適合に関する情報に基づいて、電力伝送すべきか否かを判断する。信号処理部１４は、認証通信により認証された定格に関する情報に基づいて、伝送すべき電力（５Ｗ又は１０Ｗ）を決定する。図７及び図８に示す例では、送電装置１０１Ｃの信号処理部１４は、中継受電装置２０１Ｃが電力伝送に適合する装置であると判断したものとする。そして、信号処理部１４は認証された定格に応じた電力（例えば５Ｗ）で伝送を開始する。

制御回路２５は、認証通信を終えると、電力変換を開始する（Ｓ１４）。より具体的には、制御回路２５は、認証通信を終えると、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１及びＭＯＳ−ＦＥＴＱ２をオフにする。すると、中継受電装置２０１Ｃは、並列共振回路は構成されなくなるため、インピーダンスが低下し、送電装置１０１Ｃから伝送される電力が大きくなる。そして、トランスＴ１による電力変換は開始される。変換された電力は、送受電兼用コイル２３と受電用コイル３１との磁界結合により、受電装置３０１に伝送される。

ステップＳ２１乃至ステップＳ２３の処理は、電界結合方式のプロトコルに代えて、磁界結合方式のプロトコルを用いる点において、ステップＳ１１乃至ステップＳ１３の処理と相違する。ステップＳ２４の処理は、ステップＳ１４の処理と同じである。すなわち、制御回路２５は、ステップＳ２４において、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１及びＭＯＳ−ＦＥＴＱ２をオフにする。すると、磁界結合方式でワイヤレス受電した電力は、トランスＴ１で変換される。

送電元が送電装置１０２（磁界結合方式で電力を伝送する装置）であれば、制御回路２５は存在の確認を肯定する旨のメッセージを受信するため正常応答があったと判断して（Ｓ２２：ＹＥＳ）、送電装置１０２の制御部（不図示）と認証通信を行い（Ｓ２３）、磁界結合方式で受電した電力の変換を開始する（Ｓ２４）。変換された電力は、アクティブ電極２１とアクティブ電極３３との電界結合、及びパッシブ電極２２とパッシブ電極３４との電界結合により、受電装置３０２に伝送される。制御回路２５は異常応答があったと判断した場合（Ｓ２２：ＮＯ）、処理を終了する。

以上のように、中継受電装置２０１Ｃは認証通信を行った後に、電力を変換して、変換した電力を受電先に伝送する。これにより、中継受電装置２０１Ｃは、認証を要求する送電装置に載置されても、電力を送電元に伝送できる。また、中継受電装置２０１Ｃはワイヤレス受電の方式を判定するため、送電装置が電界結合方式又は磁界結合方式のどちらの方式であっても、判定した方式で認証通信できる。

さらに、中継受電装置２０１Ｃは、送電装置と認証通信し、認証通信により認証された電力を超える電力を受電しないため、安全である。

なお、図９に示すフローチャートは、最初に、ステップＳ１１において電界結合方式のプロトコルで送電装置の存在を確認する問い合わせを行っているが、最初にステップＳ２１において磁界結合方式のプロトコルで送電装置の存在を確認する問い合わせを行ってもよい。

また、上述の例は、中継受電装置２０１Ｃが送電装置の存在を確認する旨のメッセージを送ることをトリガとして認証通信が始まっている。しかし、中継受電装置２０１Ｃは送電装置が認証通信のトリガとなるメッセージを送るプロトコルの場合でも、認証通信できる。

具体的には中継受電装置２０１Ｃは、電界結合方式と磁界結合方式とで用いられる交流電圧の周波数が異なることを利用して、送受信回路２６が第１周波数帯域で所定の大きさ以上のレベルを検知すると、電界結合方式のプロトコルで認証通信を開始し、送受信回路２６が第２周波数帯域で所定の大きさ以上のレベルを検知すると、磁界結合方式のプロトコルで認証通信を開始する。

１１，２１，３３…アクティブ電極
１２，２２，３４…パッシブ電極
１３…送電用コイル
１４…信号処理部
２３…送受電兼用コイル
２４…キャパシタ
２５…制御回路
２６…送受信回路
２７…降圧回路
２８…整流回路
３１…受電用コイル
３２…負荷供給回路
１０１，１０１Ｃ，１０２…送電装置
２０１，２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ…中継受電装置
２５０…信号処理回路
３０１，３０２…受電装置
４０１，４０１Ａ，４０１Ｂ，４０１Ｃ…ワイヤレス電力伝送システム

Claims (6)

1. トランスと、
   前記トランスの１次側端子の一端に接続される第１電極と、
   前記トランスの１次側端子の他端に接続される第２電極と、
   前記トランスの２次側端子の間に接続される平板状コイルと、
   前記トランス、第１電極、第２電極、及び平板状コイルを収める筐体と、
   を備え、
   前記平板状コイルは、前記筐体の第１主面側に配置され、
   前記第１電極及び前記第２電極は、前記筐体の第２主面側に配置される、
   電力変換器。
2. 前記トランスは、２次巻線の巻数に対して１次巻線の巻数が多い巻線型トランスである、
   請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記トランスは、２次巻線に少なくとも１つの中間タップを有する巻線型トランスであって、
   前記平板状コイルの一端は、前記２次巻線の一端に接続され、
   前記平板状コイルの他端は、前記２次巻線の他端又は前記２次巻線の少なくとも１つの中間タップに接続される、
   請求項１又は２に記載の電力変換器。
4. 前記平板状コイルの両端に接続されるキャパシタを備え、
   前記キャパシタ、前記トランス、及び前記平板状コイルで並列共振回路が構成されている、
   請求項２又は３に記載の電力変換器。
5. 前記トランスは圧電トランスである、
   請求項１に記載の電力変換器。
6. 前記トランスの１次側又は２次側の交流電流に重畳された信号を送受信する送受信部と、
   前記送受信部の信号送受信を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、電界結合方式のプロトコル又は磁界結合方式のプロトコルに応じて信号を送信させ、前記送受信部の受信した信号に基づいて電界結合方式のプロトコル又は磁界結合方式のプロトコルを特定し、特定したプロトコルで認証通信させる、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の電力変換器。

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