JP2016185041A - 送電装置および受電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの部材に二つの機能を持たせることで、小型化を阻害せずに、同時に送電装置と受電装置に方式や規格に不整合がある場合でも送電装置から受電装置に給電することができるワイヤレス電力伝送が実現できる送電装置および受電装置を提供する。
【解決手段】送電装置１は、ループ状導体３と前記ループ状導体３を介して電磁誘導方式で外部の受電機器２へ電力を送電する送電回路７と、前記ループ状導体３を電界結合方式の電極として用いることにより電界結合方式で外部の受電機器２へ電力を送電する送電回路６と、前記ループ状導体３を介した電磁誘導方式による電力送電、または、前記ループ状導体３を介した電界結合方式による電力送電の何れかの状態に切り替える切替手段４と５を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電界結合方式と電磁誘導方式の双方に対応したワイヤレス電力伝送が可能な送電装置および受電装置に関する。

従来から、様々な機器や装置に搭載されている蓄電池への送受電手段として、機器や装置の表面には電極が露出していない非接触型の送受電がある。非接触型の送受電における方法として、電磁誘導方式が広く採用されている。電磁誘導方式では、受電用のコイルを機器や装置に組み込んでおき、送電用のコイルから受電用のコイルに伝送される電力を蓄電池へ充電している。また、電磁誘導方式では、磁界結合で電力を伝送する場合、各コイルを通る磁束の大きさが起電力に大きく影響するため、送電用のコイルと受電用のコイルとの相対位置関係に高い精度が要求される。また、コイルを利用するため、装置の小型化が難しい。

また、新しい技術として電界結合方式による電力伝送が検討されている。電界結合方式では、電磁誘導方式と異なる点として、送受電アンテナの形状をコイル形状とする必要がないという利点がある。このため、銅などの導電体をベタ塗り（パターンなし）した状態でアンテナとして使用することができる。電界結合方式では、パッシブ電極およびアクティブ電極を備えた送電装置および受電装置で構成される。そして、送電装置のアクティブ電極と受電装置のアクティブ電極とが空隙を介して近接することにより、二つの電極間に強い電場が形成され、電極同士が電界結合する。これにより、送電装置および受電装置間での高い伝送効率の電力伝送を可能としている。電界結合方式においては、結合電極に要求される相対位置精度は比較的緩く、結合電極の小型化および薄型化が可能である。

ＷＯ２０１３／０６１８９９

しかし、電磁誘導方式、電界結合方式の両方を利用可能な送電装置、または、受電装置を実現する際、電磁誘導方式用のコイルと電界結合方式用の電極の２種類が必要となり、構造が複雑、スペースの点で望ましくないという問題がある。また、方式を変換する変換器を送電装置と受電装置の間に設けて、電磁誘導方式と電界結合方式の両方を利用可能とすることも考えられるが、別に変換器を用意しなければならないという問題がある。
そこで、本発明の目的は、一つの部材に二つの機能を持たせることで、小型化を阻害せずに、同時に送電装置と受電装置に方式や規格に不整合がある場合でも送電装置から受電装置に給電することができるワイヤレス電力伝送が実現できる送電装置および受電装置を提供することにある。

本発明においては、前述の課題を解決すべくなされたものであり、本発明に係る第１の態様の送電装置は、ループ状導体と前記ループ状導体を介して電磁誘導方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路と、前記ループ状導体を電界結合方式の電極として用いることにより電界結合方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路と、前記ループ状導体を介した電磁誘導方式による電力送電、または、前記ループ状導体を介した電界結合方式による電力送電の何れかの状態に切り替える切替手段、を有するものである。このように構成された第１の態様の送電装置においては、一つの部材に二つの機能を持たせることで、構造が簡素、省スペースで方式や規格の異なる電磁誘導方式、電界結合方式の両方の受電装置で利用可能とすることができる。

本発明に係る第２の態様の送電装置は、前記の第１の態様における前記ループ状導体が第１端および第２端を有し、前記切替手段は、前記ループ状導体の第１端を前記電磁誘導方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路または前記電界結合方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路の何れかに接続する第１切替手段と、前記ループ状導体の第２端を前記電磁誘導方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路または前記ループ状導体の第１端の何れかに接続する第２切替手段と、を有し、前記第１切替手段を前記電磁誘導方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路に接続し、かつ、前記第２切替手段を前記電磁誘導方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路に接続した電磁誘導方式で外部の受電機器へ電力を送電する状態、および、前記第１切替手段を前記電界結合方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路に接続し、かつ、前記第２切替手段を前記ループ状導体の第１端に接続した電界結合方式で外部の受電機器へ電力を送電する状態の何れかに切り替えるように構成されている。このように構成された第２の態様の送電装置においては、各切替手段の切り替え制御を行うことで、ループ状導体の機能を切り替えることができると同時に、電界結合方式による電力送電の際に不要な電磁波を放射させないことができる。

本発明に係る第３の態様の送電装置は、前記の第１の態様または第２の態様において、前記電磁誘導方式による電力送電または前記電界結合方式による電力送電の何れの状態にするかを検知する検知手段を備え、前記切替手段は前記検知手段の検知結果に基づいて切り替えるように構成されている。このように構成された第３の態様の送電装置においては、検知手段の検知結果に応じて切替手段を切り替えることで、ループ状導体の機能を自動で切り替えることができる。

本発明に係る第４の態様の受電装置は、ループ状導体と前記ループ状導体を介して電磁誘導方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路と、前記ループ状導体を電界結合方式の電極として用いることにより電界結合方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路と、前記ループ状導体を介した電磁誘導方式による電力受電、または、前記ループ状導体を介した電界結合方式による電力受電の何れかの状態に切り替える切替手段、を有するものである。このように構成された第４の態様の受電装置においては、一つの部材に二つの機能を持たせることで、構造が簡素、省スペースで方式や規格の異なる電磁誘導方式、電界結合方式の両方の送電装置で利用可能とすることができる。

本発明に係る第５の態様の受電装置は、前記の第４の態様における前記ループ状導体が第１端および第２端を有し、前記切替手段は、前記ループ状導体の第１端を前記電磁誘導方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路または前記電界結合方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路の何れかに接続する第１切替手段と、前記ループ状導体の第２端を前記電磁誘導方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路または前記ループ状導体の第１端の何れかに接続する第２切替手段と、を有し、前記第１切替手段を前記電磁誘導方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路に接続し、かつ、前記第２切替手段を前記電磁誘導方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路に接続した電磁誘導方式で外部の送電機器から電力を受電する状態、および、前記第１切替手段を前記電界結合方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路に接続し、かつ、前記第２切替手段を前記ループ状導体の第１端に接続した電界結合方式で外部の送電機器から電力を受電する状態の何れかに切り替えるように構成されている。このように構成された第５の態様の受電装置においては、各切替手段の切り替え制御を行うことで、ループ状導体の機能を切り替えることができると同時に、電界結合方式による電力送電の際に不要な電磁波を放射させないことができる。

本発明に係る第６の態様の受電装置は、前記の第４の態様または第５の態様において、前記電磁誘導方式による電力受電または前記電界結合方式による電力受電の何れの状態にするかを検知する検知手段を備え、前記切替手段は前記検知手段の検知結果に基づいて切り替えるように構成されている。このように構成された第６の態様の受電装置においては、検知手段の検知結果に応じて切替手段を切り替えることで、ループ状導体の機能を自動で切り替えることができる。

本発明によれば、ループ状導体を電磁誘導方式のコイル、または、電界結合方式の電極として用いることができる。したがって、本発明による受電装置および送電装置は、一つの部材に二つの機能を持たせることで、方式を変換する変換を必要せず、構造が簡素、省スペースで方式や規格の異なる電磁誘導方式、電界結合方式の両方の送電装置および受電装置で利用可能とすることができる。

実施の形態１におけるワイヤレス電力伝送システムを説明する構成図である。 実施の形態２におけるワイヤレス電力伝送システムを説明する構成図である。 実施の形態３におけるワイヤレス電力伝送システムを説明する構成図である。 実施の形態４におけるワイヤレス電力伝送システムを説明する構成図である。 実施の形態５におけるワイヤレス電力伝送システムを説明する構成図である。 実施の形態６におけるワイヤレス電力伝送システムを説明する構成図である。

以下、本発明に係る好適な実施の形態として、携帯型の受電装置としてスマートフォンおよびそのスマートフォンに電力を供給する送電装置について説明するが、本発明は以下の実施の形態に具体的に記載した構成に限定されるものではなく、実施の形態において説明する技術的思想と同様の技術的思想及び当技術分野における技術常識に基づいて構成される送電装置および受電機器に適用される。

［実施の形態１］
図１は、本発明に係る実施の形態１のワイヤレス電力伝送装置を構成する送電装置１と、送電装置１から電力を受電する受電装置２とを示す回路図である。図１において、受電装置２はたとえばスマートフォンであり、電力を充電する蓄電池を有している。実施の形態１においては、受電装置２が送電装置１の載置部（載置部とは、送電装置に設けられた受電装置を配置する場所）に設けられることによって、ワイヤレスで電力を送電装置１から受電装置２へ送電する。

送電装置１は、コイル３（ループ状導体）の第１端に第１切替手段４と第２端に第２切替手段５を有し、電界結合方式による電力伝送のための電界結合送電回路６と電磁誘導方式による電力伝送のための電磁誘導送電回路７を有する。

実施の形態１では、第１端の第１切替手段４および第２端の第２切替手段５の両方ともに電磁誘導送電回路と接続される。この状態で受電装置２が送電装置１の載置部に設けられることにより、送電装置１のコイル３と受電装置２のコイル８が対向することで、お互いのコイルが電磁誘導結合を行うことにより、送電装置１から受電装置２へワイヤレスで電力が送電され受電装置２の蓄電池が充電される。

コイル３、コイル８は図１に示すような円柱状体に螺旋状に巻回されるように形成された態様でもよいし、平面的に渦巻き状に巻回されるように形成された態様でもよい。後者の場合は、細長い形状を有し厚みが線幅より小さい平板状導体を用いてもよい。

［実施の形態２］
図２は、本発明に係る実施の形態２のワイヤレス電力伝送装置に用いられる送電装置１およびその送電装置１から電力を受電する受電装置９を示す回路図である。図２において、受電装置９はたとえばスマートフォンであり、電力を充電する蓄電池を有している。実施の形態２においては、受電装置９が送電装置１の載置部に設けられることによって、ワイヤレスで電力を送電装置１から受電装置９へ送電する。

送電装置１は、コイル３（ループ状導体）の第１端に第１切替手段４と第２端に第２切替手段５を有し、電界結合方式による電力伝送のための電界結合送電回路６と電磁誘導方式による電力伝送のための電磁誘導送電回路７を有する。

実施の形態２では、第１端の第１切替手段４は電界結合送電回路と接続され、第２端の第２切替手段５はコイル３の第１端に接続される。したがって、コイル３は電界結合送電回路の電極の機能を果たすことができる。この状態で受電装置９が送電装置１の載置部に設けられることにより、電界結合送電回路の電極１０およびコイル３が受電装置９の第１外部電極１１および第２外部電極１２と対向することで容量結合する。したがって、送電装置１から受電装置９へワイヤレスで電力が送電され受電装置９の蓄電池が充電される。

コイル３は実施の形態１では、電磁誘導方式のコイルとしての役割を担い、また、実施の形態２では、電界結合方式の電極としての役割を担うことになる。したがって、１つの部品に２つの機能を持たせることが可能になり、構造が簡素、省スペースで方式や規格の異なる電磁誘導方式、電界結合方式の両方の受電装置で利用することができる。
また、第２切替手段５がコイル３の第１端に接続されることで、コイル３の両端が繋がり短絡されることになる。したがって、不要な電磁波の放射を抑制することになり、送電装置、受電装置、その周囲に置かれている電子機器の電磁波による誤作動などを抑えることができる。コイル３の両端が繋がらず、短絡されていない状態（第２切替手段５がコイル３の第１端にも、電磁誘導送電回路にも接続されず、どこにも接続されていない状態）であると、余計な電磁波が漏れ、容量結合の効率が低下する恐れがあるが、実施の形態２ではコイル３の両端が短絡されているため、そのような心配は生じない。

［実施の形態３］
図３は、実施の形態２において、送電装置１に検波回路（検知手段）１３を追加した形態である。ここで、図示していないが、実施の形態１において検波回路１３を追加した場合についても同様である。検波回路１３は、送電装置１の載置部に設置された受電装置９の信号を検波することで、受電装置が電界結合方式の受電装置もしくは電磁誘導方式の受電装置かを判別する。検波回路１３は、たとえば受信した信号の周波数により信号の種別を判別する。

検波結果が電磁誘導方式の受電装置と判断された場合、自動で第１切替手段および第２切替手段は実施の形態１の形態となることにより、送電装置１から受電装置９へワイヤレスで電力が送電され受電装置９の蓄電池が充電される。また、検波結果が電界結合方式の受電装置と判断された場合、自動で第１切替手段および第２切替手段は実施の形態２の形態となることにより、送電装置１から受電装置９へワイヤレスで電力が送電され受電装置９の蓄電池が充電される。

したがって、送電装置の載置部に設置される受電装置が、電界結合方式の受電装置もしくは電磁誘導方式の受電装置のいずれかであっても、方式を変換する変換器を別に用意する必要がなく、自動で送電装置から受電装置へワイヤレスで電力が送電され受電装置の蓄電池が充電される。

［実施の形態４］
図４は、本発明に係る実施の形態４のワイヤレス電力伝送装置を構成する送電装置１４と、送電装置１４から電力を受電する受電装置１５とを示す回路図である。図４において、受電装置１５はたとえばスマートフォンであり、電力を充電する蓄電池を有している。実施の形態４においては、受電装置１５が送電装置１４の載置部に設けられることによって、ワイヤレスで電力を送電装置１４から受電装置１５へ送電する。

受電装置１５は、コイル１６（ループ状導体）の第１端に第１切替手段１７と第２端に第２切替手段１８を有し、電界結合方式による電力伝送のための電界結合受電回路１９と電磁誘導方式による電力伝送のための電磁誘導受電回路２０を有する。

実施の形態４では、第１端の第１切替手段１７および第２端の第２切替手段１８の両方ともに電磁誘導送電回路と接続される。この状態で受電装置１５が送電装置１４の載置部に設けられることにより、送電装置１４のコイル２１と受電装置１５のコイル１６が対向することで、お互いのコイルが電磁誘導結合を行うことにより、送電装置１４から受電装置１５へワイヤレスで電力が送電され受電装置１５の蓄電池が充電される。

コイル１６、コイル２１は図４に示すような円柱状体に螺旋状に巻回されるように形成された態様でもよいし、平面的に渦巻き状に巻回されるように形成された態様でもよい。後者の場合は、細長い形状を有し厚みが線幅より小さい平板状導体を用いてもよい。

［実施の形態５］
図５は、本発明に係る実施の形態５のワイヤレス電力伝送装置に用いられる送電装置２５およびその送電装置２５から電力を受電する受電装置１５を示す回路図である。図５において、受電装置１５はたとえばスマートフォンであり、電力を充電する蓄電池を有している。実施の形態５においては、受電装置１５が送電装置２５の載置部に設けられることによって、ワイヤレスで電力を送電装置２５から受電装置１５へ送電する。

受電装置１５は、コイル１６（ループ状導体）の第１端に第１切替手段１７と第２端に第２切替手段１８を有し、電界結合方式による電力伝送のための電界結合受電回路１９と電磁誘導方式による電力伝送のための電磁誘導受電回路２０を有する。

実施の形態５では、第１端の第１切替手段１７は電界結合受電回路と接続され、第２端の第２切替手段１８はコイル１６の第１端に接続される。したがって、コイル１６は電界結合受電回路の電極の機能を果たすことができる。この状態で受電装置１５が送電装置２５の載置部に設けられることにより、電界結合受電回路の電極２１およびコイル１６が送電装置２５の第１外部電極２２および第２外部電極２３と対向することで容量結合する。したがって、送電装置２５から受電装置１５へワイヤレスで電力が送電され受電装置１５の蓄電池が充電される。

コイル１６は実施の形態４では、電磁誘導方式のコイルとしての役割を担い、また、実施の形態５では、電界結合方式の電極としての役割を担うことになる。したがって、１つの部品に２つの機能を持たせることが可能になり、構造が簡素、省スペースで方式や規格の異なる電磁誘導方式、電界結合方式の両方の受電装置で利用することができる。
また、第２切替手段１８がコイル１６の第１端に接続されることで、コイル１６の両端が繋がり短絡されることになる。したがって、不要な電磁波の放射を抑制することになり、送電装置、受電装置、その周囲に置かれている電子機器の電磁波による誤作動などを抑えることができる。コイル１６の両端が繋がらず、短絡されていない状態（第２切替手段１８がコイル１６の第１端にも、電磁誘導受電回路にも接続されず、どこにも接続されていない状態）であると、余計な電磁波が漏れ、容量結合の効率が低下する恐れがあるが、実施の形態５ではコイル１６の両端が短絡されているため、そのような心配は生じない。

［実施の形態６］
図６は、実施の形態５において、受電装置１５に検波回路（検知手段）２４を追加した形態である。ここで、図示していないが、実施の形態４において検波回路２４を追加した場合についても同様である。検波回路２４は、受電装置１５が載置部に設置された送電装置２５の信号を検波することで、送電装置が電界結合方式の送電装置もしくは電磁誘導方式の送電装置かを判別する。検波回路２４は、たとえば受信した信号の周波数により信号の種別を判別する。

検波結果が電磁誘導方式の送電装置と判断された場合、自動で第１切替手段および第２切替手段は実施の形態４の形態となることにより、送電装置２５から受電装置１５へワイヤレスで電力が送電され受電装置１５の蓄電池が充電される。また、検波結果が電界結合方式の送電装置と判断された場合、自動で第１切替手段および第２切替手段は実施の形態５の形態となることにより、送電装置２５から受電装置１５へワイヤレスで電力が送電され受電装置１５の蓄電池が充電される。

したがって、受電装置が載置部に設置された送電装置が、電界結合方式の送電装置もしくは電磁誘導方式の送電装置のいずれかであっても、方式を変換する変換器を別に用意する必要がなく、自動で送電装置から受電装置へワイヤレスで電力が送電され受電装置の蓄電池が充電される。

本発明は、スマートフォン、タブレット、携帯電話器、携帯型ゲーム機、デジタルカメラ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、デジタルオーディオ機器、デジタル情報機器などの各種の電子機器に用いられているワイヤレス電力伝送の送電装置および受電装置として用いるものであり、汎用性が高く、多くの携帯型電子機器において有用である。

１,１４,２５ 送電装置
２,９,１５ 受電装置
３,８,１６,２１ コイル
４,１７ 第１切替手段
５,１８ 第２切替手段
６ 電界結合送電回路
７ 電磁誘導送電回路
１９ 電界結合受電回路
２０ 電磁誘導受電回路
１０,１１,１２,２１,２２,２３ 電極
１３,２４ 検波回路

Claims (6)

1. ループ状導体と前記ループ状導体を介して電磁誘導方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路と、前記ループ状導体を電界結合方式の電極として用いることにより電界結合方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路と、前記ループ状導体を介した電磁誘導方式による電力送電、または、前記ループ状導体を介した電界結合方式による電力送電の何れかの状態に切り替える切替手段を有することを特徴とする送電装置。
2. 前記ループ状導体は第１端および第２端を有し、前記切替手段は、前記ループ状導体の第１端を前記電磁誘導方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路または前記電界結合方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路の何れかに接続する第１切替手段と、前記ループ状導体の第２端を前記電磁誘導方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路または前記ループ状導体の第１端の何れかに接続する第２切替手段と、を有し、前記第１切替手段を前記電磁誘導方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路に接続し、かつ、前記第２切替手段を前記電磁誘導方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路に接続した電磁誘導方式で外部の受電機器へ電力を送電する状態、および、前記第１切替手段を前記電界結合方式で外部の受電機器へ電力を送電する送電回路に接続し、かつ、前記第２切替手段を前記ループ状導体の第１端に接続した電界結合方式で外部の受電機器へ電力を送電する状態の何れかに切り替える、請求項１に記載の送電装置。
3. 前記電磁誘導方式による電力送電または前記電界結合方式による電力送電の何れの状態にするかを検知する検知手段を備え、前記切替手段は前記検知手段の検知結果に基づいて切り替える、請求項１または２に記載の送電装置。
4. ループ状導体と前記ループ状導体を介して電磁誘導方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路と、前記ループ状導体を電界結合方式の電極として用いることにより電界結合方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路と、前記ループ状導体を介した電磁誘導方式による電力受電、または、前記ループ状導体を介した電界結合方式による電力受電の何れかの状態に切り替える切替手段を有することを特徴とする受電装置。
5. 前記ループ状導体は第１端および第２端を有し、前記切替手段は、前記ループ状導体の第１端を前記電磁誘導方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路または前記電界結合方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路の何れかに接続する第１切替手段と、前記ループ状導体の第２端を前記電磁誘導方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路または前記ループ状導体の第１端の何れかに接続する第２切替手段と、を有し、
   前記第１切替手段を前記電磁誘導方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路に接続し、かつ、前記第２切替手段を前記電磁誘導方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路に接続した電磁誘導方式で外部の送電機器から電力を受電する状態、および、前記第１切替手段を前記電界結合方式で外部の送電機器から電力を受電する受電回路に接続し、かつ、前記第２切替手段を前記ループ状導体の第１端に接続した電界結合方式で外部の送電機器から電力を受電する状態の何れかに切り替える、請求項１に記載の受電装置。
6. 前記電磁誘導方式による電力受電または前記電界結合方式による電力受電の何れの状態にするかを検知する検知手段を備え、前記切替手段は前記検知手段の検知結果に基づいて切り替える、請求項５または６に記載の受電装置。

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