JP6201380B2 - 非接触通信コイル、非接触給電装置、及び非接触受電装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触通信コイルに関する。

従来、非接触方式で電力を供給・受電したり、データ通信を行う装置が知られている。

例えば特許文献１には、電力受信コイルとデータ受信コイルを備え、それらの接続点にそれらの相互インダクタンスにほぼ等しいインダクタンスを有する打ち消しコイルを接続する非接触通信媒体が開示されている。

これにより、電力受信コイルから放射される磁界によってデータ受信コイルに発生するノイズである起電力を打ち消し、データ受信の信頼性を向上できるとされている。

特開平４−３０５７８９号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、データ受信コイル自体には特に特徴がなく、別途打ち消しコイルが必要であった。

そこで、本発明は、データ通信の性能を向上できる構成を有した非接触通信コイルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の一態様に係る非接触通信コイルは、第１の通信部と、前記第１の通信部に直列接続される第２の通信部と、を備え、他のコイルに流れる電流によって前記第１の通信部及び前記第２の通信部に互いに逆方向の誘起電圧が発生する構成としている。

このような構成によれば、他のコイルに流れる電流によって非接触通信コイルに誘起される誘起電圧を抑制できる。従って、他のコイルによる影響を抑えてデータ通信の性能を向上できる。

また、上記構成において、前記第１の通信部は、長手方向に延在して前記長手方向に垂直な軸周りに巻かれた巻線を前記長手方向が周方向となるよう巻いて構成され、前記第２の通信部は、前記周方向に巻いた巻線であることとしてもよい。

また、上記構成において、前記第１の通信部は、前記第２の通信部に比して前記他のコイルの近くに配されることとしてもよい。

また、上記いずれかの構成において、前記第１の通信部及び前記第２の通信部の各中心軸は同心であることとしてもよい。これにより、非接触通信コイルの最外形サイズに対する通信エリアを広くすることができる。

また、上記いずれかの構成において、前記第１の通信部及び前記第２の通信部の各外形サイズは同一であることとしてもよい。これにより、非接触通信コイルの最外形サイズに対する通信エリアを広くすることができる。

また、本発明の一態様に係る非接触給電装置は、上記いずれかの構成の非接触通信コイルと、前記他のコイルである送電コイル及び前記送電コイルに結合された共振コイルと、を備えた構成としている。

このような構成によれば、送電コイル及び共振コイルに流れる電流により非接触通信コイルに誘起される誘起電圧を抑制でき、これらのコイルによる影響を抑えてデータ通信性能を向上できる。

また、本発明の一態様に係る非接触給電装置は、上記いずれかの構成の非接触通信コイルと、前記他のコイルであって共振コイルと共用された送電コイルと、を備えた構成としている。

このような構成によれば、共振コイルと共用された送電コイルに流れる電流により非接触通信コイルに誘起される誘起電圧を抑制でき、送電コイルによる影響を抑えてデータ通信性能を向上できる。

また、本発明の一態様に係る非接触受電装置は、上記いずれかの構成の非接触通信コイルと、前記他のコイルである受電コイル及び前記受電コイルに結合された共振コイルと、を備えた構成としている。

このような構成によれば、受電コイル及び共振コイルに流れる電流により非接触通信コイルに誘起される誘起電圧を抑制でき、これらのコイルによる影響を抑えてデータ通信性能を向上できる。

本発明の非接触通信コイルによると、他のコイルによる影響を抑えてデータ通信の性能を向上できる。

本発明の一実施形態に係る電気自動車の充電システムの概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る給電／受電装置のブロック構成図である。 本発明の第１実施形態に係る通信コイルの構成例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る近接受信部の一例を示す展開図（平面図）である。 本発明の第１実施形態に係る近接受信部の別の構成例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る近接受信部の一例を示す展開図（平面図）である。 本発明の第２実施形態に係る給電装置のブロック構成図である。 本発明の第３実施形態に係る受電装置のブロック構成図である。

＜第１実施形態＞
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明の第１実施形態に係る給電装置と受電装置を電気自動車の充電に適用した場合の例を図１に示す。

図１に示す例では、充電スタンドや駐車場などにおいて、電気自動車２５が駐車する箇所の地面に給電装置１０が配置されており、受電装置２０は電気自動車２５の底面に配置される。給電装置１０に対して受電装置２０が対向して所定距離以内で離れた状態にて、給電装置１０は磁界を放射し、受電装置２０はその磁界を受けて電力を供給される。また、給電装置１０と受電装置２０の間では、給電の開始／停止の通知、給電状況の通知、互いの情報の交換などのために通信が行われる。

給電装置１０と受電装置２０の具体的な構成を示すブロック図を図２に示す。図２に示すように、給電装置１０は、発振部１１と、駆動部１２と、変調部１３と、通信コイル１４と、受信部１５と、制御部１６と、送電コイルＬ１と、共振コイルＬ２と、共振コンデンサＣ１を備えている。また、受電装置２０は、受電コイルＬ３と、共振コンデンサＣ２と、抵抗Ｒ１と、切替スイッチＳＷ１と、受電回路２１を備えている。

発振部１１は、送電のための放射磁界の周波数を有する高周波信号を発生する。駆動部１２は、発振部１１により発生した高周波信号をスイッチングによって増幅し、送電コイルＬ１に高周波の電流を流す。変調部１３は、受電装置２０へデータを送信するときに、駆動部１２を制御することによって放射磁界にＡＳＫ（amplitude shift keying）変調を行う。

送電コイルＬ１は、高周波電流が流れることにより、送電のための磁界を放射する。共振コイルＬ２は、共振コンデンサＣ１と共振回路を構成する。共振コイルＬ２は、送電コイルＬ１が放射した磁界を受け、共振電流が流れることにより、送電のためのより大きな磁界を放射する。

通信コイル１４（非接触通信コイル）は、受電装置２０からのデータ受信のためのコイルであり、送電コイルＬ１及び共振コイルＬ２から放射される磁界の影響を受けずにデータ受信を行える。通信コイル１４の詳細な構成については後述する。

受信部１５は、受電装置２０からデータを受信するために、通信コイル１４で受信した信号をデータに復調する。

制御部１６は、発振部１１、駆動部１２、変調部１３、及び受信部１５などの給電装置１０の各部を制御する。

ここで、給電装置１０から受電装置２０への送電について説明すると、給電装置１０における送電コイルＬ１に高周波電流を流すと、送電コイルＬ１と結合している共振コイルＬ２に共振電流が流れ、送電のための磁界が放射される。そして、受電装置２０側では、この放射された磁界を受電コイルＬ３にて受け、受電コイルＬ３に発生する誘導起電力を電力として取り出す。受電回路２１は、取り出された電力を例えばバッテリに充電する。

なお、図２に示すように受電装置２０には共振コンデンサＣ２を設けて、受電コイルＬ３と共振回路を構成することが望ましいが、共振コンデンサＣ２は必須ではない。また、受電装置２０側にも給電装置１０と同様に、受電コイルとは別に共振コイルを設けてもよい。

また、給電装置１０から受電装置２０へのデータ通信について説明すると、給電装置１０側では、変調部１３による制御によって共振コイルＬ２から放射される磁界に変調を行う。そして、受電装置２０側では、この放射された磁界を受電コイルＬ３にて受け、受電コイルＬ３で誘起電圧が発生する。受電回路２１は、この発生した誘起電圧の変化からデータを取り出す。

また、受電装置２０から給電装置１０へのデータ通信について説明すると、受電装置２０側では、抵抗Ｒ１に接続された切替スイッチＳＷ１を送信データに応じて切替えることにより受電コイルＬ３の負荷インピーダンスを変化させ、受電コイルＬ３から磁界を放射する。そして、給電装置１０側では、この放射された磁界を通信コイル１４で受け、受信部１５は通信コイル１４で発生する誘起電圧の変化を検出することでデータを取り出す。

次に、通信コイル１４の構成について説明する。図３に示すように、給電装置１０においては、共振コイルＬ２、送電コイルＬ１、及び通信コイル１４は、互いに近接させて平面視で重なるように設けられる。なお、図３では、各コイルを便宜上線分で示しているが、実際には当然に各コイルは太さを有する。

通信コイル１４は、共振コイルＬ２及び送電コイルＬ１に近い位置に配置される近接受信部１４１と、共振コイルＬ２及び送電コイルＬ１から遠い位置に配置される遠方受信部１４２から構成される。近接受信部１４１と遠方受信部１４２は直列に接続される。近接受信部１４１の一端はグランドに接続され、遠方受信部１４２の一端は受信部１５（図２）に接続される。

図３に示す近接受信部１４１は、図４に展開図を示すように、長手方向に延在して該長手方向に直交する軸Ｓ周りに一端が開口するコの字型に巻かれた巻線コイルを、長手方向が周方向となるように１回巻いたものである。送電コイルＬ１及び共振コイルＬ２に流れる電流による磁束（例えば図３の磁束Ｍ１）が近接受信部１４１に鎖交する。即ち、図４に示す巻線で囲まれた領域Ｐを磁束が通過する。

図３に示す遠方受信部１４２は、近接受信部１４１の周方向に１回巻いた巻線で構成され、近接受信部１４１と中心軸を略同心として、且つ外径を略等しくしている。送電コイルＬ１及び共振コイルＬ２に流れる電流による磁束（例えば図３の磁束Ｍ２）が遠方受信部１４２に鎖交する。また、送電コイルＬ１及び共振コイルＬ２より遠方に位置する受電装置２０からデータ送信のために放射される磁束（例えば図３に示す磁束Ｍ３）が遠方受信部１４２に鎖交する。

ここで、送電コイルＬ１及び共振コイルＬ２に流れる電流による磁束の鎖交によって遠方受信部１４２に発生する誘起電圧をｅ１、送電コイルＬ１及び共振コイルＬ２に流れる電流による磁束の鎖交によって近接受信部１４１に発生する誘起電圧をｅ２、及び受電装置２０から放射される磁束の鎖交によって遠方受信部１４２に発生する誘起電圧をｅ３とすると、通信コイル１４に発生する誘起電圧は、ｅ１−ｅ２＋ｅ３で表される。即ち、ｅ１と−ｅ２は互いに逆方向の誘起電圧となる。なお、受電装置２０から放射される磁束は近接受信部１４１には鎖交しないので、当該磁束によって近接受信部１４１に誘起電圧は発生しない。

本実施形態では、ｅ１＝ｅ２、即ち、送電コイルＬ１及び共振コイルＬ２に流れる電流による磁束の鎖交によって遠方受信部１４２に発生する誘起電圧と、送電コイルＬ１及び共振コイルＬ２に流れる電流による磁束の鎖交によって近接受信部１４１に発生する誘起電圧の大きさが等しくなるように設計している。これにより、通信コイル１４に発生する誘起電圧はｅ３となり、受電装置２０からデータとして放射される磁束による誘起電圧のみを取り出すことができる。従って、送電コイルＬ１及び共振コイルＬ２からの放射磁界の影響を受けずに、データ受信の信頼性を高めることができる。

上記のように各誘起電圧の大きさを等しくする（ｅ１＝ｅ２）には、近接受信部１４１の幅（図４の例では幅Ｗ）、近接受信部１４１の長手方向を周方向とする巻き数、及び遠方受信部１４２の巻き数を調整すればよい。

図３に示す例では近接受信部１４１の長手方向を周方向とする巻き数は１回としているが、複数回としてもよい。例えば、図４に示したコの字型に巻かれた巻線コイルを、長手方向を周方向とするように２回巻いて構成した場合の近接受信部１４１を、図５に示す。図５の例では、半径方向に２つの層が形成される構造となる。

また、図３に示す例では遠方受信部１４２は巻き数を１回としているが、これに限らず、複数回としてもよい。複数回としたほうがデータ受信電圧の向上のために望ましい。

また、図４に示す例では近接受信部１４１として、コの字型に巻いた巻線コイルを用いたが、上記誘起電圧の条件を満たすのであれば、例えば図６に示すように近接受信部１４１を、外形が略長方形状となるよう軸Ｓ周りに巻いた巻線コイルを長手方向を周方向とするように１回以上巻いた構成としてもよい。

また、図３に示す例では、近接受信部１４１と遠方受信部１４２は、中心軸を略同心とし、且つ外径も略同一（即ち外形サイズを略同一）としている。この条件は必須ではないが、これは、通信コイル１４の最外形サイズに対する遠方受信部１４２のサイズ、即ち通信エリアを広くできるためであり望ましい。

なお、上記実施形態では、通信コイル１４をデータ受信に用いる例を示したが、通信コイル１４をデータ送信に用いてもよい。これにより、送電コイルＬ１及び共振コイルＬ２に流れる電流の影響を受けずに、高速なデータ送信を行うことが可能となる。

また、上記実施形態では、送電と通信コイル１４によるデータ受信は同じ周波数を使用することを前提としているが、異なる周波数を用いても有効性は同じである。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る給電装置の構成を図７に示す。図７に示す給電装置３０は、発振部３１と、駆動部３２と、通信コイル３３と、通信回路３４と、制御部３５と、共振コンデンサＣ３と、送電コイルＬ４を備えている。

本実施形態の第１実施形態（図２）との相違点は、送電コイルＬ４を共振コイルと共用し、共振コンデンサＣ３と送電コイルＬ４により共振回路を構成することである。送電コイルＬ４に共振電流が流れることにより、磁界が放射されて受電装置（不図示）に送電される。

また、駆動部３２により変調を行ってデータ送信するのではなく、通信コイル３３と通信回路３４を用いてデータの送受信を行う。

通信コイル３３は、第１実施形態と同様に、送電コイルＬ４に近い位置に配置される近接受信部と、近接受信部に直列接続されて送電コイルＬ４から遠い位置に配置される遠方受信部とから構成される。

送電コイルＬ４に流れる電流による磁束の鎖交によって近接受信部及び遠方受信部に発生する逆方向の各誘起電圧の大きさは等しくなるように設計される。これにより、受電装置（不図示）からデータとして放射される磁束の鎖交によって遠方受信部に発生する誘起電圧のみを取り出すことができる。従って、送電コイルＬ４に流れる電流の影響を受けずに、データ受信の信頼性が向上する。

また、通信コイル３３をデータ送信に用いる場合は、送電コイルＬ４に流れる電流の影響を受けずに、高速なデータ送信を行うことができる。

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る受電装置の構成を図８に示す。本実施形態は、通信コイルを給電装置ではなく、受電装置側に適用した例である。図８に示す受電装置４０は、通信コイル４１と、受信部４２と、受電回路４３と、制御部４４と、共振コンデンサＣ４と、共振コイルＬ５と、受電コイルＬ６と、抵抗Ｒ２と、切替スイッチＳＷ２を備えている。

給電装置（不図示）から送電のため磁界が放射されると、共振コイルＬ５がこの磁界を受け、共振コンデンサＣ４と共振コイルＬ５から構成される共振回路に共振電流が流れる。共振電流により共振コイルＬ５に結合された受電コイルＬ６に誘導起電力が発生し、誘導起電力が電力として取り出される。

また、送信データに応じて抵抗Ｒ２に接続された切替スイッチＳＷ２を切替えることにより、受電コイルＬ６の負荷インピーダンスを変化させてデータ送信を行う。

通信コイル４１は、受電コイルＬ６及び共振コイルＬ５に近い位置に配置される近接受信部と、近接受信部に直列接続されて受電コイルＬ６及び共振コイルＬ５から遠い位置に配置される遠方受信部とから構成される。

受電コイルＬ６及び共振コイルＬ５に流れる電流による磁束の鎖交によって近接受信部及び遠方受信部に発生する逆方向の各誘起電圧の大きさは等しくなるように設計される。これにより、給電装置（不図示）からデータとして放射される磁束の鎖交によって遠方受信部に発生する誘起電圧のみを取り出すことができる。従って、受電コイルＬ６及び共振コイルＬ５に流れる電流の影響を受けずに、データ受信の信頼性が向上する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々変形が可能である。

１０ 給電装置
１１ 発振部
１２ 駆動部
１３ 変調部
１４ 通信コイル
１４１ 近接受信部
１４２ 遠方受信部
１５ 受信部
１６ 制御部
Ｌ１ 送電コイル
Ｌ２ 共振コイル
Ｃ１ 共振コンデンサ
２０ 受電装置
２１ 受電回路
Ｌ３ 受電コイル
Ｃ２ 共振コンデンサ
Ｒ１ 抵抗
ＳＷ１ 切替スイッチ
２５ 電気自動車
３０ 給電装置
３１ 発振部
３２ 駆動部
３３ 通信コイル
３４ 通信回路
３５ 制御部
４０ 受電装置
４１ 通信コイル
４２ 受信部
４３ 受電回路
４４ 制御部
Ｃ４ 共振コンデンサ
Ｌ５ 共振コイル
Ｌ６ 受電コイル
Ｒ２ 抵抗
ＳＷ２ 切替スイッチ

Claims (4)

1. 受電装置に電力を転送する電力転送部と、
   第１通信部と、前記第１通信部と連結する第２通信部と、を備える通信部と、を備え、
   前記電力転送部に電流が流れるとき、前記第１通信部には、前記第２通信部と逆方向の誘起電圧が発生し、
   前記第１通信部は、長手方向に延在して前記長手方向に垂直な軸周りに巻かれた巻線を前記長手方向が周方向となるよう巻いて構成され、前記第２通信部は、前記周方向に巻いた巻線であり、
   前記第１通信部及び前記第２通信部の外径は、同一の大きさである、
   非接触給電装置。
2. 前記第１通信部は、前記第２通信部に比して、前記電力転送部の近くに配される、
   請求項１に記載の非接触給電装置。
3. 前記第１通信部及び前記第２通信部の各中心軸は同心である、請求項１または請求項２に記載の非接触給電装置。
4. 前記電力転送部に電流が流れたときに、磁界を放射する共振コイルを備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の非接触給電装置。

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