JP5320796B2 - 給電システム並びに給電装置及び受電装置 - Google Patents

Description

本発明は、給電システム並びに給電装置及び受電装置の技術分野に属し、より詳細には、電磁誘導現象を利用して非接触にて電力を伝送する給電システム並びに当該給電システムを構成する給電装置及び受電装置の技術分野に属する。

従来、例えば家庭用電話機の子機に対応する充電器の如く、非接触で電力を供給する給電システムについての研究が盛んである。

ここで、当該給電システムとして本発明に関連する背景技術としては、例えば、下記特許文献１に開示されているものがある。当該特許文献１に開示されている給電システムでは、給電モジュールに備えられた一次コイルと受電モジュールに備えられた二次コイルとを対向させつつ近接して配置し、当該コイル間において、電磁誘導現象を利用して電力を伝送すると共に「満充電の情報」等のデータを伝送している。
特開２００６−１４１１７０公報（例えば第２図等）

しかしながら、上述した特許文献１には、当該給電システムにおけるデータの伝送において通常必要とされる、いわゆる変調方法については、具体的な記載が一切ない。

また、当該特許文献１に開示されている給電システムでは、電力と並行してデータをも伝送するに当たり、電力に相当する信号とデータに相当する信号とを用いて予め設定されている搬送波信号を夫々別個に変調して送信する構成とされている。このため、当該給電システムでは都合三つの信号を夫々生成して用いる必要があり、結果として給電システムとしての構成が複雑化してしまうという問題点があった。

そこで、本発明は上記の問題点に鑑みて為されたもので、その課題の一例は、電磁誘導現象を用いて電力とデータ（情報）とを非接触で伝送する給電システムにおいて、当該給電システムとしての構成を簡略化しつつ当該電力及びデータを伝送することが可能な給電システム並びに当該給電システムを構成する給電装置及び受電装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、電磁誘導現象を利用して電力及び情報を非接触で授受する給電装置と受電装置とからなる給電システムにおいて、前記給電装置は、給電すべき前記電力に対応したデューティ比で給電パルスが連続するパルス信号を生成する発振部等のパルス信号生成手段と、送信すべき前記情報の内容に応じて情報信号のオン／オフが切り替わる情報担持期間と、前記情報を担持せず当該情報信号が一定レベルとなる情報非担持期間と、を有する当該情報信号を生成するデータ生成部等の情報信号生成手段と、前記生成されたパルス信号を搬送波と見なし、当該パルス信号と前記生成された情報信号とを合成して合成信号を生成する合成部等の合成信号生成手段と、前記電磁誘導現象を利用して非接触で前記生成された合成信号を前記受電装置に給電する給電ヘッド等の給電手段と、前記情報担持期間と前記情報非担持期間との差に対応して、必要とされる前記電力が給電できるように前記デューティ比を制御する発振部等のデューティ比制御手段と、を備え、前記受電装置は、前記電磁誘導現象を利用して非接触で前記給電された合成信号を受電する受電ヘッド等の受電手段と、前記受電した合成信号から前記パルス信号と前記情報信号とを分離する受電ヘッド等の分離手段と、前記分離されたパルス信号から電力信号を生成する整流部等の電力信号生成手段と、前記分離された情報信号から前記情報を抽出するローパスフィルタ等の情報抽出手段と、を備える。

よって、電磁誘導現象を用いて電力と情報とを非接触で授受する場合において、当該電力に対応するパルス信号を搬送波と見なして情報信号を伝送するので、搬送波を別途用いて電力と情報とを授受する場合に比して給電システムとしての構成を簡略化しつつ当該電力及び情報を授受することができる。
また、情報信号における情報担持期間と情報非担持期間との差に対応して、必要とされる電力が給電できるようにパルス信号におけるデューティ比を制御するので、必要な電力を有効に伝送しつつ併せて情報も伝送することができる。

上記の課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の給電システムにおいて、前記デューティ比制御手段は、前記情報非担持期間に対して前記情報担持期間が長くなるほど、前記デューティ比が相対的に大きくなるように当該デューティ比を制御するように構成される。

よって、情報非担持期間に対して情報担持期間が長くなるほどデューティ比が相対的に大きくなるように当該デューティ比を制御するので、合成信号において電力が伝送される情報非担持期間が短くなっても必要な電力を授受することができる。

上記の課題を解決するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の給電システムにおいて、前記給電手段及び前記受電手段は、前記電磁誘導現象を用いるためのコイル手段を夫々備えており、前記受電手段における当該コイル手段は、前記給電された合成信号における前記パルス信号の成分を受電する電力受電コイル手段と、当該電力受電コイル手段に対して同軸状に形成され、前記給電された合成信号における前記情報信号の成分を受電する情報受電コイル手段と、から形成されている。

よって、受電手段におけるコイル手段が、電力受電コイル手段と、当該電力受電コイル手段と同軸状に形成された情報受電コイルと、から形成されているので、受電手段としての小型化、省スペース化を実現することができる。

上記の課題を解決するために、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載された給電システムに含まれる前記給電装置であって、前記パルス信号生成手段と、前記情報信号生成手段と、前記合成信号生成手段と、前記給電手段と、 前記デューティ比制御手段と、を備える。

よって、電磁誘導現象を用いて電力と情報とを非接触で送信する場合において、当該電力に対応するパルス信号を搬送波と見なして情報信号を送信するので、搬送波を別途用いて電力と情報とを授受する場合に比して給電システムとしての構成を簡略化しつつ当該電力及び情報を送信することができる。
また、情報信号における情報担持期間と情報非担持期間との差に対応して、必要とされる電力が給電できるようにパルス信号におけるデューティ比を制御するので、必要な電力を有効に伝送しつつ併せて情報も伝送することができる。

上記の課題を解決するために、請求項５に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載された給電システムに含まれる前記受電装置であって、前記受電手段と、前記分離手段と、前記電力信号生成手段と、前記情報抽出手段と、を備える。

よって、電磁誘導現象を用いて電力と情報とを非接触で受信する場合において、当該電力に対応するパルス信号を搬送波と見なして情報信号を受信するので、搬送波を別途用いて電力と情報とを授受する場合に比して給電システムとしての構成を簡略化しつつ当該電力及び情報を受信することができる。
また、情報信号における情報担持期間と情報非担持期間との差に対応して、必要とされる電力が給電できるようにパルス信号におけるデューティ比を制御するので、必要な電力を有効に伝送しつつ併せて情報も伝送することができる。

本発明によれば、電磁誘導現象を用いて電力と情報とを非接触で授受する場合において、当該電力に対応するパルス信号を搬送波と見なして情報信号を伝送するので、搬送波を別途用いて電力と情報とを授受する場合に比して給電システムとしての構成を簡略化しつつ当該電力及び情報を授受することができる。
また、情報信号における情報担持期間と情報非担持期間との差に対応して、必要とされる電力が給電できるようにパルス信号におけるデューティ比を制御するので、必要な電力を有効に伝送しつつ併せて情報も伝送することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について、図１乃至図３を用いて説明する。なお、以下に説明する実施形態は、給電装置と受電装置とが電磁誘導現象を利用して非接触に接続されてなる給電システムに対して本発明を適用した場合の実施の形態である。

また、図１は実施形態に係る給電システムの概要構成を示すブロック図であり、図２及び図３は当該給電システムに係る波形例を示すタイミングチャートである。

図１に示すように、実施形態に係る給電システムＳは、給電装置ＴＭと、受電装置ＲＶと、により構成されている。そして、給電装置ＴＭから受電装置ＲＶに対して、電磁誘導現象を利用して非接触で電力が供給される。

また、給電装置ＴＭは、直流電源Ｂと、パルス信号生成手段及びデューティ比制御手段としての発振部Ｔと、情報信号生成手段としてのデータ生成部Ｄと、合成信号生成手段としての合成部Ｍと、給電手段としての給電ヘッドＴＨと、対向検出部ＤＴと、により構成されている。更に、受電装置ＲＶは、受電手段及び分離手段としての第１受電ヘッドＲＨ１と、電力信号生成手段としての整流部ＢＧと、電力出力端子ＯＰと、受電手段及び分離手段としての第２受電ヘッドＲＨ２と、情報抽出手段としてのローパスフィルタＬと、データ出力端子ＯＤと、により構成されている。

次に、給電装置ＴＭにおける動作について、図１及び図２を用いて説明する。

給電装置ＴＭ内の直流電源Ｂは、予め設定された電圧値（例えば１２ボルト）及び電流値を有する直流電圧／電流（以下、当該直流電圧／電流を、単に直流電力と称する）を発生させて発振部Ｔに出力する。これにより発振部Ｔは、直流電源Ｂから出力された直流電力に基づき、受電装置ＲＶに電送すべき電力の値に対応して予め例えば実験的に設定されているデューティ比を有する電力信号Ｓp（図２上から三段目参照）を生成して合成部Ｍに出力する。このディーティ比の例としては、例えば周波数に換算して２３８キロヘルツに相当するデューティ比とされている。また発振部Ｔは、後述するデータ信号Ｓinにおけるデータオン期間Ｔonとデータオフ期間Ｔoffとの相違（例えば両者の比）に応じて電力信号Ｓpのデューティ比を変えることが可能に構成されている。

一方、データ生成部Ｄは、例えば外部から入力され且つ電力と共に受電装置ＲＶに伝送されるべきデータを担持する上記データ信号Ｓinを生成して合成部Ｍに出力する。

ここで、実施形態に係るデータ生成部Ｄは、図２最上段に示すように、例えば９６００ｂｐｓ（bit per Second。周波数４．８キロヘルツに相当）に相当するデータ信号Ｓinにおいて、伝送すべきデータの内容に対応してそのオン／オフ（又は「ＨＩＧＨ」／「ＬＯＷ」。以下、同様）が切り替わる期間（当該期間をデータオン期間Ｔonと称する）と、データを担持せず例えばオン（「ＨＩＧＨ」）のレベルを維持したままの期間（当該期間をデータオフ期間Ｔoffと称する）と、が交互に現出するように当該データ信号Ｓinを生成する。図２に例示する場合は、データオン期間Ｔonの長さと、データオフ期間Ｔoffの長さと、の比が１対１．２とされている。

上記電力信号Ｓp及びデータ信号Ｓinが夫々入力される合成部Ｍでは、データ信号Ｓinを反転させて図２上から二段目に示す反転データ信号Ｓinvとした上で、当該反転データ信号Ｓinvと電力信号Ｓpとを加算する処理を行う。この結果、合成部Ｍからは、データ信号Ｓinにおけるオンの期間（「ＨＩＧＨ」の期間）に電力信号Ｓpが重畳されてなる合成信号Ｓm（図２上から四段目参照）が、給電ヘッドＴＨに出力される。

ここで、当該合成信号Ｓmにおいて電力信号Ｓpが担持されている部分について、図２において符号「１００」で示す部分を時間軸上で拡大して具体的に説明すると、データ信号Ｓinにおいてオン（「ＨＩＧＨ」）である期間では、電力信号Ｓpに相当するデューティ比ＤＹ（図２に例示する場合は、ディーティ比ＤＹが約２４．８％）で当該合成信号Ｓmのオン／オフが切り替わることとなる。

次に、合成信号Ｓmを受信した給電ヘッドＴＨは、図示しないコア及び当該コアの周囲に所定回数（例えば１２回）巻回されたコイルにより構成されている。そして、給電ヘッドＴＨは、受電装置ＲＶ内の第１受電ヘッドＲＨ１及び第２受電ヘッドＲＨ２との間で電磁誘導現象により非接触且つ電気的に接続され、合成信号Ｓmとして入力されてくる直流電力及びデータを当該第１受電ヘッドＲＨ１及び第２受電ヘッドＲＨ２に給電する。このとき、給電ヘッドＴＨは、第１受電ヘッドＲＨ１及び第２受電ヘッドＲＨ２が当該給電ヘッドＴＨに対向し且つ予め設定されている距離（例えば０．７ミリメートル）にまで近接していることが対向検出部ＤＴにおいて検出された場合のみ、上記給電動作を実行する。

次に、受電装置ＲＶにおける動作について、図１及び図２を用いて説明する。

受電装置ＲＶ内の第１受電ヘッドＲＨ１及び第２受電ヘッドＲＨ２は、図示しない一のコアを共通のコアとし、この共通コアと、当該共通コアの周囲に同軸状に所定回数夫々巻回されたコイルから構成されている。このとき、当該コイルの巻き数は、例えば電力受電用の第１受電ヘッドＲＨ１が６回、データ受信用の第２受電ヘッドＲＨ２が８回とされる。そして、当該第１受電ヘッドＲＨ１及び第２受電ヘッドＲＨ２は、共に給電装置ＴＭ内の給電ヘッドＴＨとの間で電磁誘導現象により非接触且つ電気的に接続されている。

この構成において、第１受電ヘッドＲＨ１は、給電ヘッドＴＨから送信されて来た合成信号Ｓmを受信して整流部ＢＧに出力する。これにより整流部ＢＧは、当該受信された合成信号Ｓmに対して予め設定された整流処理及び増幅処理等を施し、当該合成信号Ｓmに担持されていた直流電力に相当する直流電力Ｓpwを取り出して電力出力端子ＯＰに出力する。この電力出力端子ＯＰから、図示しない外部機器に対して直流電力Ｓpwが給電される。

これに対し、第２受電ヘッドＲＨ２は、給電ヘッドＴＨから送信されて来た合成信号Ｓmを同様に受信してローパスフィルタＬに出力する。ここで、当該ローパスフィルタＬは、そのカットオフ周波数が例えば４０キロヘルツに設定されており、更に予め設定された閾値（例えば４ボルト）以下の電圧値を有する合成信号Ｓmのみを通過させるコンパレータとしても機能するように設定されている。これによりローパスフィルタＬは、当該受信した合成信号Ｓmから上記電力信号Ｓpに相当する成分を除去し、例えば図２下から二段面及び最下段（当該下から二段目は、最下段において符号「１０１」で示す部分を時間軸上で拡大して示すものである）に例示するようなデータ出力信号Ｓdoを生成してデータ出力端子ＯＤに出力する。このデータ出力端子ＯＤから、図示しない外部機器に対して当該データが出力される。

以上説明したように、実施形態に係る給電システムＳでは、給電装置ＴＭから電力とデータとを同時に受電装置ＲＶに送信するに当たり、電力信号Ｓpを言わば搬送波として用い、これをデータ信号Ｓinの内容に応じて変調することにより、当該電力とデータとを同時に授受する。そしてこのとき、データ信号Ｓinにおいてデータオフ期間Ｔoffが設けられていることから、十分な電力をデータと共に伝送できる。

更に、電力信号Ｓpにおけるデューティ比をデータオン期間Ｔonとデータオフ期間Ｔoffとの相違（例えば比）に応じて可変とすることから、データオフ期間Ｔoffがたとえ短くとも必要な電力をデータと共に伝送できることになる。なおこの場合、通常は、データオフ期間Ｔoffが短くなるほど、電力信号Ｓpのディーティ比を増大させることが好ましい。

また、図１及び図２を用いて説明した実施形態では、データ信号Ｓinがオンの期間に電力信号Ｓpを担持させることとしたが、これ以外に、図３に例示するようにデータ信号Ｓinがオフ（「ＬＯＷ」）の期間に電力信号Ｓpを担持させることもできる。このときには、合成信号Ｓmにおける電力信号Ｓpの担持部分が、図２を用いて説明した合成信号Ｓmの部分以外の部分となる（図３上から四段目参照）。このため、図３最下段に例示するように、受電装置ＲＶの最終段においてデータ出力信号Ｓdoを反転させて反転データ出力信号Ｓdovとした上で、データ出力端子ＯＤに出力する必要がある。

次に、実施形態に係る給電装置ＴＭ及び受電装置ＲＶに係る具体的な回路構成を、図４を用いて例示する。

先ず、給電装置ＴＭに係る具体的な回路構成について図４を用いて説明する。

図４に示すように、給電装置ＴＭは、例えば１２ボルトの直流電圧が印加される直流電源Ｂと、上記発振部ＴとしてのＩＣ（Integrated Circuit）と、合成部Ｍとしてのトランジスタと、対向検出部ＤＴとしてのフォトダイオードと、給電ヘッドＴＨと、の他に、コンデンサ１乃至１７並びに２９及び３０と、抵抗群４０、４１及び７２と、抵抗４２乃至５４及び６０乃至６３並びに６７乃至７１と、スイッチ群７３と、トランジスタ８０乃至８７及び８９と、ＩＣ９１及び９２と、サイリスタ９３と、ダイオード２０１と、が図４に例示するように接続されて構成されている。このうち、コンデンサ２９及び３０と、抵抗６０及び６１と、抵抗群７２と、スイッチ群７３と、トランジスタ８９と、ＩＣ９２と、が図４に例示するように接続されてデータ生成部Ｄが構成されている。

他方、受電装置ＲＶは、上記第１受電コイルＲＨ１及び第２受電コイルＲＨ２と、四つのダイオードからなる上記整流部ＢＧと、ＩＣ９０、コンデンサ３３及び３４並びに抵抗５９並びに６４乃至６６からなるローパスフィルタＬと、電力出力端子ＯＰと、データ出力端子ＯＤと、の他に、コンデンサ１８乃至２８並びに３１及び３２と、抵抗５５乃至５８と、トランジスタ８８及び９４と、ダイオード２００と、が図４に例示するように接続されて構成されている。

そして、この図４に示す回路構成を有する給電システムＳにより、電力出力端子ＯＰから、電圧５ボルト、電流２２．３ミリアンペアの直流電力を取り出せることが実験的に確認できた。

以上夫々説明したように、実施形態及び実施例に係る給電システムＳの構成によれば、よって、電磁誘導現象を用いて電力とデータとを非接触で授受する場合において、当該電力に対応する電力信号Ｓpを搬送波と見なしてデータ信号Ｓinを伝送するので、搬送波を別途用いて電力とデータとを授受する場合に比して給電システムＳとしての構成を簡略化しつつ当該電力及びデータを授受することができる。

また、データ信号Ｓinにおけるデータオン期間Ｔonとデータオフ期間Ｔoffとの差に対応して、必要とされる電力が給電できるように電力信号Ｓpにおけるデューティ比を制御するので、必要な電力を有効に伝送しつつ併せてデータも伝送することができる。

更に、データオフ期間Ｔoffに対してデータオン期間Ｔonが長くなるほどデューティ比が相対的に大きくなるように当該デューティ比を制御するので、合成信号Ｓmにおいて電力が伝送されるデータオフ期間Ｔoffが短くなっても必要な電力を授受することができる。

更にまた、受電装置ＲＶにおける受電ヘッドＲＨが、第１受電ヘッドＲＨ１と、当該第１受電ヘッドＲＨ１と同軸状に形成された第２受電ヘッドＲＨ２と、から形成されているので、受電装置ＲＶとしての小型化、省スペース化を実現することができる。

以上夫々説明したように、本発明は給電システムの分野に利用することが可能であり、特に給電装置と受電装置とを非接触で接続して電力を伝送する給電システムの分野に適用すれば特に顕著な効果が得られる。

実施形態に係る給電システムの概要構成を示すブロック図である。 実施形態に係る給電システムにおける波形例を示すタイミングチャート（Ｉ）である。 実施形態に係る給電システムにおける波形例を示すタイミングチャート（II）である。 実施形態に係る給電システムの回路構成を例示する回路図である。

符号の説明

１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４ コンデンサ
４０、４１、７２ 抵抗群
４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、５０、５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９、６０、６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７、６８、６９、７０、７１ 抵抗
７３ スイッチ群
８０、８１、８２、８３、８４、８５、８６、８７、８８、８９、９４ トランジスタ
９０、９１、９２ ＩＣ
９３ サイリスタ
２００、２０１ ダイオード２０１
Ｓ 給電システム
Ｂ 直流電源
Ｔ 発振部
Ｄ データ生成部
Ｌ ローパスフィルタ
Ｍ 合成部
ＴＭ 給電装置
ＲＶ 受電装置
ＴＨ 給電ヘッド
ＤＴ 対向検出部
ＢＧ 整流部
ＯＰ 電力出力端子
ＯＤ データ出力端子
ＲＨ１ 第１受電ヘッド
ＲＨ２ 第２受電ヘッド

Claims (5)

1. 電磁誘導現象を利用して電力及び情報を非接触で授受する給電装置と受電装置とからなる給電システムにおいて、
   前記給電装置は、
   給電すべき前記電力に対応したデューティ比で給電パルスが連続するパルス信号を生成するパルス信号生成手段と、
   送信すべき前記情報の内容に応じて情報信号のオン／オフが切り替わる情報担持期間と、前記情報を担持せず当該情報信号が一定レベルとなる情報非担持期間と、を有する当該情報信号を生成する情報信号生成手段と、
   前記生成されたパルス信号を搬送波と見なし、当該パルス信号と前記生成された情報信号とを合成して合成信号を生成する合成信号生成手段と、
   前記電磁誘導現象を利用して非接触で前記生成された合成信号を前記受電装置に給電する給電手段と、
   前記情報担持期間と前記情報非担持期間との差に対応して、必要とされる前記電力が給電できるように前記デューティ比を制御するデューティ比制御手段と、
   を備え、
   前記受電装置は、
   前記電磁誘導現象を利用して非接触で前記給電された合成信号を受電する受電手段と、
   前記受電した合成信号から前記パルス信号と前記情報信号とを分離する分離手段と、
   前記分離されたパルス信号から電力信号を生成する電力信号生成手段と、
   前記分離された情報信号から前記情報を抽出する情報抽出手段と、
   を備えることを特徴とする給電システム。
2. 請求項１に記載の給電システムにおいて、
   前記デューティ比制御手段は、前記情報非担持期間に対して前記情報担持期間が長くなるほど、前記デューティ比が相対的に大きくなるように当該デューティ比を制御することを特徴とする給電システム。
3. 請求項１又は２に記載の給電システムにおいて、
   前記給電手段及び前記受電手段は、前記電磁誘導現象を用いるためのコイル手段を夫々備えており、
   前記受電手段における当該コイル手段は、
   前記給電された合成信号における前記パルス信号の成分を受電する電力受電コイル手段と、
   当該電力受電コイル手段に対して同軸状に形成され、前記給電された合成信号における前記情報信号の成分を受電する情報受電コイル手段と、
   から形成されていることを特徴とする給電システム。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載された給電システムに含まれる前記給電装置であって、
   前記パルス信号生成手段と、
   前記情報信号生成手段と、
   前記合成信号生成手段と、
   前記給電手段と、
   前記デューティ比制御手段と、
   を備えることを特徴とする給電装置。
5. 請求項１から３のいずれか一項に記載された給電システムに含まれる前記受電装置であって、
   前記受電手段と、
   前記分離手段と、
   前記電力信号生成手段と、
   前記情報抽出手段と、
   を備えることを特徴とする受電装置。

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