伝送システム、給電装置、受電装置、及び伝送方法
【課題】位置関係の制約を緩和し、静電界を用いて効率よく電力を伝送すること。
【解決手段】交流信号を生成する交流信号生成部、誘導成分及び／または容量成分を有し、前記交流信号生成部により生成された前記交流信号を共振させる第１共振部、及び共振された前記交流信号を静電界における電位差として外部に放射する給電電極、を備える給電装置と、静電界における電位差を感知して電気信号を生成する受電電極、誘導成分及び／または容量成分を有し、前記受電電極により生成された前記電気信号を共振させる第２共振部、及び共振された前記電気信号を直流信号に変換して直流電力を生成する整流部、を備える受電装置と、を含む伝送システムを提供する。
【解決手段】交流信号を生成する交流信号生成部、誘導成分及び／または容量成分を有し、前記交流信号生成部により生成された前記交流信号を共振させる第１共振部、及び共振された前記交流信号を静電界における電位差として外部に放射する給電電極、を備える給電装置と、静電界における電位差を感知して電気信号を生成する受電電極、誘導成分及び／または容量成分を有し、前記受電電極により生成された前記電気信号を共振させる第２共振部、及び共振された前記電気信号を直流信号に変換して直流電力を生成する整流部、を備える受電装置と、を含む伝送システムを提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝送システム、給電装置、受電装置、及び伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、非接触で電力を伝送するための技術として、磁界や電波を用いる技術が開発されてきた。こうした磁界や電波による電力伝送技術によれば、電線などを必要とすることなく電力を給電装置から受電装置へと伝送することができる。例えば、下記特許文献１では、電磁波を用いて伝送された電力を受電することのできる、非接触ＩＣカードに適用可能な情報表示装置が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１１７６号公報
【０００４】
以下、図１及び図２を用いて、磁界または電波を用いて電力を伝送する手法について説明する。
【０００５】
図１は、磁界を用いて電力を伝送するための伝送システム１０の構成の一例を示している。図１を参照すると、伝送システム１０は、交流信号生成部１２、１次コイル１４、２次コイル１６、及び回路負荷１８を含む。
【０００６】
伝送システム１０では、ファラデーの電磁誘導の法則に基づいて起電力を生じさせることにより、１次コイル１４から２次コイル１６へと電力が伝送される。図１において、交流信号生成部１２から１次コイル１４へと交流信号を与えると、コイル内に時間的に変化する磁束φが生じる。この磁束を２次コイル１６内に通過させることにより、磁束φの時間変化に相当する起電力Ｖを得ることができる。起電力Ｖは式（１）により与えられる。
【０００７】
【数１】
（１）
【０００８】
式（１）の起電力Ｖは、回路負荷１８へ供給される。
【０００９】
次に、図２は、電波を用いて電力を伝送するための伝送システム２０の構成の一例を示している。図２（Ａ）を参照すると、伝送システム２０は、給電回路２２、給電アンテナ２４、受電アンテナ２６、受電回路２８を含む。また、受電回路２８は、共振回路３０、整流回路３２、回路負荷３４を備える。
【００１０】
図２において、給電回路２２の給電アンテナ２４から放射電力Ｐで電波が空間へ放出される。給電アンテナ２４から距離ｄ［ｍ］離れた受電アンテナ２６の地点における電界Ｅ［Ｖ／ｍ］は、次式で与えられる。
【００１１】
【数２】
（２）
【００１２】
ここで、ｋは給電アンテナ２４及び受電アンテナ２６の特性から定まる係数である。受電アンテナ２６及び共振回路３０は、図２（Ｂ）に示した等価回路で表すことができる。図２（Ｂ）におけるＲは受電アンテナ２６の放射抵抗、ｈｅは受電アンテナ２６の実効高さを示す。受電回路２８の有効電力Ｐｒは次式で与えられる。
【００１３】
【数３】
（３）
【００１４】
ここで、共振回路３０と放射抵抗Ｒとのマッチングが取れているとすると、共振回路３０に生じる電圧Ｖは次式で与えられる。
【００１５】
【数４】
（４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、例えば磁界を用いて電力を伝送しようとする場合、コイルを通る磁束の大きさが起電力に直接的に影響するため、給電装置と受電装置との間の位置関係の制約を取り除くことが難しかった。また、例えば電波を用いて電力を伝送しようとする場合、アンテナを小型化するにつれて消費電力の高い高周波の電波を用いることが必要となるため、エネルギーの利用効率が低下していた。
【００１７】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、位置関係の制約を緩和し、静電界を用いて効率よく電力を伝送することのできる、新規かつ改良された伝送システム、給電装置、受電装置、及び伝送方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、交流信号を生成する交流信号生成部、誘導成分及び／または容量成分を有し、前記交流信号生成部により生成された前記交流信号を共振させる第１共振部、及び共振された前記交流信号を静電界における電位差として外部に放射する給電電極、を備える給電装置と、静電界における電位差を感知して電気信号を生成する受電電極、誘導成分及び／または容量成分を有し、前記受電電極により生成された前記電気信号を共振させる第２共振部、及び共振された前記電気信号を整流する整流部、を備える受電装置と、を含む伝送システムが提供される。
【００１９】
かかる構成によれば、交流信号生成部は交流信号を生成し、給電装置の第１共振部と受電装置の第２共振部とにより形成される共振回路の誘導成分及び／または容量成分によって、生成された交流信号は共振される。共振された交流信号は、静電界における電位差として給電電極から放射され、受電電極によって静電界における電位差として感知される。そして、受電電極は感知した電位差から電気信号を生成し、生成された電気信号は整流部により整流される。
【００２０】
また、前記受電装置は、前記整流部により前記電気信号が整流されて生じる電力の電力値を測定する電力測定部と、前記電力測定部により測定された前記電力値に基づいて前記第２共振部の誘導成分及び／または容量成分を制御する制御部と、をさらに備えてもよい。
【００２１】
また、前記制御部は、前記第２共振部の有するバリキャップ素子に印加される電圧を変化させることにより前記第２共振部の容量成分を制御してもよい。
【００２２】
また、前記制御部は、コイルの内部を少なくとも部分的に貫通するように把持された制御材を制動することにより前記第２共振部の誘導成分を制御してもよい。
【００２３】
また、前記給電装置は、前記給電装置から供給される電力の電力値を測定する電力測定部と、前記電力測定部により測定された前記電力値に基づいて前記第１共振部の誘導成分及び／または容量成分を制御する制御部と、をさらに備えてもよい。
【００２４】
また、前記制御部は、前記第１共振部の有するバリキャップ素子に印加される電圧を変化させることにより前記第１共振部の容量成分を制御してもよい。
【００２５】
また、前記制御部は、コイルの内部を少なくとも部分的に貫通するように把持された制御材を制動することにより前記第１共振部の誘導成分を制御してもよい。
【００２６】
また、前記給電装置は、前記給電装置から供給される電力の電力値を測定する電力測定部と、前記電力測定部により測定された前記電力値に基づいて前記交流信号生成部の生成する交流信号の角周波数を制御する制御部と、をさらに備えてもよい。
【００２７】
また、前記制御部は、前記電力測定部により測定された前記電力値が所定の閾値よりも小さい場合には前記交流信号生成部の生成する交流信号の出力を低下させてもよい。
【００２８】
また、前記給電電極の大きさと前記受電電極の大きさとが異なってもよい。
【００２９】
また、前記受電電極は、複数の電極を含み、前記受電装置は、前記複数の電極の中から指定された電極をそれぞれ選択可能な第１選択部及び第２選択部と、前記複数の電極からそれぞれ出力される電気信号の信号強度に基づいて、前記複数の電極を第１の集合と第２の集合とに分類し、前記第１選択部に前記第１の集合に属する電極を選択することを指定し、及び前記第２選択部に前記第２の集合に属する電極を選択することを指定する選択判定部と、をさらに備えてもよい。
【００３０】
また、前記受電装置は、前記整流部により前記電気信号が整流されて生じる電力の電力値を測定する電力測定部と、前記電力測定部により測定された前記電力値を前記受電電極を介して無線信号により送信する第１通信部と、をさらに備え、前記給電装置は、前記受電装置から送信された前記電力値を前記給電電極を介して受信する第２通信部と、前記第２通信部により受信された前記電力値に基づいて前記交流信号生成部の生成する交流信号の角周波数を制御する制御部と、をさらに備えてもよい。
【００３１】
また、前記受電装置は、前記受電電極を介して前記給電装置との間で無線通信を行う第１通信部と、前記第１通信部に接続された２次電源部と、前記整流部により前記電気信号が整流されて生じる電力の電力値を測定する電力測定部と、前記電力測定部により測定された前記電力値が所定の閾値よりも大きい場合には、前記整流部から前記第１通信部へ電力を供給させ、前記電力測定部により測定された前記電力値が所定の閾値よりも小さい場合には、前記２次電源部から前記第１通信部へ電力を供給させる電源選択部と、をさらに備えてもよい。
【００３２】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、交流信号を生成する交流信号生成部と、誘導成分及び／または容量成分を有し、前記交流信号生成部により生成された前記交流信号を共振させる共振部と、共振された前記交流信号を静電界における電位差として外部に放射する給電電極と、を備える給電装置が提供される。
【００３３】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、静電界における電位差を感知して電気信号を生成する受電電極と、誘導成分及び／または容量成分を有し、前記受電電極により生成された前記電気信号を共振させる共振部と、共振された前記電気信号を整流する整流部と、を備える受電装置が提供される。
【００３４】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、交流信号を生成するステップと、給電装置の共振部と受電装置の共振部とにより形成される共振回路の誘導成分及び／または容量成分によって、生成された前記交流信号を共振させるステップと、共振された前記交流信号を静電界における電位差として前記給電装置から放射するステップと、前記受電装置において静電界における電位差を感知して電気信号を生成するステップと、生成された前記電気信号を整流するステップと、を含む伝送方法が提供される。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、本発明に係る伝送システム、給電装置、受電装置、及び伝送方法によれば、位置関係の制約を緩和し、静電界を用いて効率よく電力を伝送することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３７】
〔１〕関連技術における技術的な課題
まず、磁界または電波を用いて電力を伝送する関連技術における技術的な課題について、図３〜図５を用いてあらためて説明する。
【００３８】
図３は、図１に示した伝送システム１０において、１次コイル１４の中心位置と２次コイル１６の中心位置がずれた様子を示している。
【００３９】
図３において、交流信号生成部１２から１次コイル１４へと供給された交流信号によって生じた磁束φ１及び磁束φ２は、２次コイル１６上の微小長ｄｌから見ると、２つのコイルがずれたことにより、互いに打ち消しあう方向を向いている。そのため、図３の状況において、２次コイル１６上の微小長ｄｌに起電力は発生しない。
【００４０】
そのため、磁界を用いて電力を伝送する磁界方式の場合には、給電装置と受電装置を位置関係の制約を満たすように最適に配置して利用することが求められる。
【００４１】
また、磁束方式の場合、図４に示したように、給電側の１次コイル１４の近傍に導体４０をおいたとき、１次コイル１４が発する磁界φによって導体内に渦電流４２が生じる。そして、１次コイル１４の発する磁界φが強い場合には、渦電流４２による発熱が利用者へ火傷などの危険性をもたらす可能性もある。
【００４２】
加えて、図１及び図３ではコイルを構成するための導線の巻き数を１巻きとして示しているが、実際には十分な起電力を得るために多数の巻き数を必要とし、一定のコストを要する。
【００４３】
図５は、図２に示した伝送システム２０における給電アンテナ２４及び受電アンテナ２６を、半波長ダイポールアンテナ４４として構成した様子を示す模式図である。
【００４４】
電波を用いて電力を伝送する電波方式の場合には、アンテナの効率性と搬送波の周波数との間の関係が課題となる。アンテナから効率よく電波を放射し、または放射された電波を効率よく受け取るためには、アンテナ上に定在波を形成するために、搬送波の周波数λに対してアンテナ長Ｌａをλ／２とする必要がある。
【００４５】
そこで、昨今の電子機器の小型化を考慮し、例えばアンテナ長Ｌａ＝λ／２＝５［ｃｍ］とすると、共振周波数ｆは次式により導かれる。
【００４６】
【数５】
（５）
【００４７】
即ち、５［ｃｍ］程度のアンテナの場合、共振により効率よくアンテナを機能させるためには３［ＧＨｚ］もの高い周波数を搬送波として使用しなければならず、従って回路の消費電力は高くなり、エネルギーの利用効率は低下する。また、高周波回路の設計は一般的に周波数が高いほどより困難となり、実機を用いた回路の調整も必要となる。
【００４８】
このように、磁界または電波を用いて電力を伝送する関連技術にはいくつかの課題があるのに対し、以下に説明する本発明の一実施形態に係る静電界を用いた手法によれば、より効率的に電力を伝送することができる。
【００４９】
〔２〕静電界を用いた電力伝送の基本的な原理
まず、図６〜図１０を用いて、静電界を用いた電力伝送の基本的な原理について説明する。これらの説明は、後述する本発明の第１〜第６の実施形態の前提となる。
【００５０】
図６は、静電界を用いて電力を伝送する伝送システム５０の基本的な構成の一例を示すブロック図である。
【００５１】
図６を参照すると、伝送システム５０は、給電装置５２及び受電装置５４を含む。また、給電装置５２は、交流信号生成部６０、共振部６２、第１の給電電極６４、及び第２の給電電極６６を備える。受電装置５４は、第１の受電電極８０、第２の受電電極８２、共振部８４、整流部８６、及び回路負荷８８を備える。
【００５２】
給電装置５２において、交流信号生成部６０は、共振部６２と接続される。また、共振部６２は、並列的に配置された第１の給電電極６４及び第２の給電電極６６と接続される。
【００５３】
交流信号生成部６０は、伝送される電力源となる交流信号を生成し、共振部６２へ送出する。共振部６２は、送出された交流信号を第１の給電電極６４及び第２の給電電極６６へ中継する。そして、第１の給電電極６４及び第２の給電電極６６は、当該交流信号を静電界における電位差として外部へ放射する。
【００５４】
受電装置５４において、第１の受電電極８０及び第２の受電電極８２は、共振部８４とそれぞれ接続される。共振部８４は、整流部８６と接続される。また、整流部８６は、回路負荷８８と接続される。
【００５５】
なお、図６では、第１の受電電極８０は第１の給電電極６４と、第２の受電電極８２は第２の給電電極６６とそれぞれ対向するように配置されているが、後述する本発明の各実施形態において、各電極は厳密に対向するように配置されなくてもよい。
【００５６】
第１の受電電極８０及び第２の受電電極８２は、静電界における電位差を感知して電気信号を生成し、生成した電気信号を共振部８４へ出力する。共振部８４は、第１の受電電極８０及び第２の受電電極８２から出力された電気信号を整流部８６へ中継する。そして、整流部８６は、中継された電気信号を直流信号に変換して直流電力を生成し、生成した直流電力を回路負荷８８に供給する。
【００５７】
図６に示した伝送システム５０において、給電装置５２の共振部６２及び受電装置５４の共振部８４は、システム全体として共振条件を充足するように構成される。伝送システム５０における共振については後により詳しく説明する。
【００５８】
ここで、給電電極及び受電電極は、典型的には、それぞれ導電性を有する物質により形成される。具体的には、例えば銅、金、銀などの導体やそれらの化合物を、各電極に用いることができる。そうした導電性を有する電極を互いに静電結合が生じる位置に配置すると、電極間に静電容量が生じる。
【００５９】
図７は、平板の形状をした導体を用いた２つの電極９０、９２が静電結合する様子を示している。図７において、２つの電極９０、９２の表面積をＳ［ｍ２］、電極間の距離をｄ［ｍ］とすると、電極間に生じる静電容量Ｃ［Ｆ］は次式により与えられる。
【００６０】
【数６】
（６）
【００６１】
ここで、ε０は真空中の誘電率であり、ε０＝８．８５４×１０−１２［Ｆ／ｍ］である。また、εｒは電極間の比誘電率であり、例えば空気中ではεｒ＝１と考えてよい。
【００６２】
図６に示した共振部６２及び共振部８４として直列共振回路を想定すると、伝送システム５０を図８に示した等価回路に置き換えることができる。
【００６３】
図８を参照すると、共振部６２は、誘導素子Ｌｔ１及び容量素子Ｃｔ１を有する。共振部８４は、誘導素子Ｌｒ１及び容量素子Ｃｒ１を有する。また、第１の給電電極６４は第１の受電電極８０との間で静電容量Ｃｅ１を、第２の給電電極６６は第２の受電電極８２との間で静電容量Ｃｅ２を有する。
【００６４】
整流部８６は、整流素子としてのダイオードＤ１〜Ｄ４、及び容量素子Ｃｓを有する。共振部８４から出力される交流電流は、ダイオードＤ１〜Ｄ４が形成するダイオードブリッジによって脈流に変換され、容量素子Ｃｓによって平滑化されて直流電力を生じ、回路負荷８８に供給される。
【００６５】
図８に示した伝送システム５０の等価回路に着目すると、系全体を誘導素子及び容量素子からなる直列共振回路と考えることができる。即ち、誘導素子Ｌｔ１及びＬｒ１を合成した合成誘導素子Ｌａ、容量素子Ｃｔ１、Ｃｒ１、Ｃｅ１及びＣｅ２を合成した合成容量素子Ｃａ、並びに整流部８６及び回路負荷８８を負荷成分Ｒとすると、伝送システム５０の等価回路は、さらに図９のように簡略化される。
【００６６】
図９の回路全体のインピーダンスは次式で与えられる。
【００６７】
【数７】
（７）
【００６８】
上式より、インピーダンスＺの大きさは次式のように導かれる。
【００６９】
【数８】
（８）
【００７０】
式（８）に示したインピーダンスＺの大きさ｜Ｚ｜を最小とするω＝ωｒを求めると、ωｒは次式のように導かれる。
【００７１】
【数９】
（９）
【００７２】
ω＝ωｒのとき、回路に流れる電流｜Ｉ｜は、最大値｜Ｉ｜ｍａｘとなる。交流信号生成部６０の電圧をＶとすると、｜Ｉ｜ｍａｘは次式で与えられる。
【００７３】
【数１０】
（１０）
【００７４】
角周波数に着目すると、角周波数ωの関数としての回路に流れる電流｜Ｉ（ω）｜は、図１０のグラフに表した特性を示す。
【００７５】
図１０から理解されるように、｜Ｉ（ω）｜はω＝ωｒにおいて最大値を示し、このとき回路は共振状態となる。そして、合成誘導素子Ｌａの両端電圧をＶＬ、合成容量素子Ｃａの両端電圧をＶＣとすると、共振状態においては次式が成立し、回路が純抵抗Ｒに見える。
【００７６】
【数１１】
（１１）
【００７７】
また、図９の回路のＱ値、即ち共振の強さの程度は次式により表される。
【００７８】
【数１２】
（１２）
【００７９】
よって、交流信号生成部６０の角周波数ω＝ωｒであるとき、式（１２）に基づいて合成誘導素子Ｌａまたは合成容量素子Ｃａを制御することにより、回路負荷８８に最大の電力を供給することができる。
【００８０】
〔３〕第１の実施形態
以下、図１１〜図１４を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る伝送システム１００について説明する。第１の実施形態に係る伝送システム１００では、受電装置の有する誘導素子または容量素子を制御することにより供給電力の最大化を図る。
【００８１】
図１１は、第１の実施形態に係る伝送システム１００の有する機能を概念的に示したブロック図である。図１１を参照すると、伝送システム１００は、交流信号生成部６０、可変誘導素子Ｌｖ、可変容量素子Ｃｖ、負荷成分Ｒ、電力測定部１２０、及びインピーダンス制御部１３０を含む。
【００８２】
伝送システム１００において、交流信号生成部６０、可変誘導素子Ｌｖ、可変容量素子Ｃｖ、及び負荷成分Ｒは、図８に示した伝送システム５０の等価回路と同様の直列共振回路を形成する。また、電力測定部１２０は、負荷成分Ｒの両端に接続される。そして、電力測定部１２０は、負荷成分Ｒの両端電圧を検出して負荷成分Ｒに現在供給されている電力値を測定し、測定した電力値をインピーダンス制御部１３０へ出力する。
【００８３】
インピーダンス制御部１３０は、電力測定部１２０と接続される。インピーダンス制御部１３０は、電力測定部１２０から出力される電力値が最大となるように、伝送システム１００の誘導成分である可変誘導素子Ｌｖ、または容量成分である可変容量素子Ｃｖのいずれか一方または両方を制御する。
【００８４】
可変容量素子Ｃｖとしては、例えばバリキャップ素子を用いることができる。バリキャップ素子とは、入出力端子間に印加する電圧に応じて静電容量が変化するダイオードの一種である。図１２は、バリキャップ素子の回路記号（図１２（Ａ））と特性曲線（図１２（Ｂ））を示している。
【００８５】
バリキャップ素子の静電容量は、アノード側の端子Ａよりも高い逆バイアス電圧をカソード側の端子Ｋに印加することで、印加された逆バイアス電圧に応じて図１２（Ｂ）の特性曲線のように変化する。こうしたバリキャップ素子を可変容量素子Ｃｖに使用し、バリキャップ素子の両端電圧をインピーダンス制御部１３０によって制御することで、例えば式（１２）に示した回路の共振条件を満たすことができる。
【００８６】
また、可変誘導素子Ｌｖとしては、例えば図１３に示す構成を用いることができる。図１３を参照すると、可変誘導素子Ｌｖは、コイル１３４、アクチュエータ１３６、及び、コイル１３４の内部を少なくとも部分的に貫通するようにアクチュエータ１３６によって把持され左右に制動可能な制御材１３８を有する。制御材１３８は、例えば鉄やフェライトなど、透磁率の高い材料を用いて構成され得る。
【００８７】
コイル１３４のインダクタンスＬは、コイル１３４内を錯交する磁束の量によって変化する。コイル１３４の内側の半径及び制御材１３８の半径を共にｒ［ｍ］と仮定すると、コイル１３４のインダクタンスＬは次式で与えられる。
【００８８】
【数１３】
（１３）
【００８９】
ここで、μ０は真空の透磁率、μｒは制御材１３８の比透磁率、ｎは制御材１３８の周囲に巻かれているコイルの巻き数である。
【００９０】
このような可変誘導素子Ｌｖの構成において、例えばインピーダンス制御部１３０から出力される制御信号を受け取ったアクチュエータ１３６が制御材１３８を左右に動かすことにより、コイル１３４のインダクタンスを変化させることができる。
【００９１】
なお、可変容量素子Ｃｖまたは可変誘導素子Ｌｖの構成は、図１２または図１３に示した例に限定されない。可変容量素子Ｃｖとしては、例えば電極間の距離を変化させて静電容量を制御する可変容量素子を用いてもよい。また、可変誘導素子Ｌｖとしては、例えば複数のコイルの結合係数を変化させる可変誘導素子を用いてもよい。
【００９２】
前述の図１１の説明では、伝送システム１００の動作原理を説明するために、給電装置と受電装置とを等価的な直列共振回路に置き換えて説明した。しかしながら、実際には、伝送システム１００は、給電装置と受電装置に分けて構成される。
【００９３】
図１４は、伝送システム１００の実質的な構成の一例を示すブロック図である。図１４を参照すると、伝送システム１００は、給電装置１５２及び受電装置１５４を含む。
【００９４】
給電装置１５２は、図６に示した伝送システム５０の給電装置５２と同様に構成される。
【００９５】
受電装置１５４は、第１の受電電極８０、第２の受電電極８２、共振部１８４、整流部８６、回路負荷８８、電力測定部１２０、及びインピーダンス制御部１３０を備える。また、共振部１８４は、可変容量素子Ｃｖ１及び可変誘導素子Ｌｖ１を有する。
【００９６】
受電装置１５４において、電力測定部１２０は、回路負荷８８の両端電圧を検出して回路負荷８８に現在供給されている電力値を測定し、測定した電力値をインピーダンス制御部１３０へ出力する。
【００９７】
インピーダンス制御部１３０は、電力測定部１２０から出力される電力値に基づいて、例えばバリキャップ素子を用いた可変容量素子Ｃｖ１の両端電圧、または可変誘導素子Ｌｖ１のインダクタンスを制御し、供給されている電力値を最大化させる。
【００９８】
なお、図１４ではインピーダンス制御部１３０がＣｖ１及びＬｖ１を制御するように説明したが、Ｃｖ１及びＬｖ１のいずれか一方を固定値とし、他方のみをインピーダンス制御部１３０によって制御してもよい。また、図１４に示した伝送システム１００の構成例において、給電装置１５２の誘導素子Ｌｔ１及び容量素子Ｃｔ１は省略されてもよい。
【００９９】
また、図１４では受電装置１５４の共振部１８４の有する容量素子と誘導素子とを制御する例について説明した。しかしながら、その代わりに受電装置１５４の共振部１８４の有する容量成分と誘導成分とを固定値とし、給電装置１５２の有する容量成分と誘導成分とを供給電力値に基づいて制御するように伝送システム１００を構成してもよい。
【０１００】
ここまで、図１１〜図１４を用いて、本発明の第１の実施形態について説明を行った。第１の実施形態に係る伝送システム１００によれば、給電装置１５２の交流信号生成部６０は交流信号を生成し、生成された交流信号は、第１の給電電極６４及び第２の給電電極６６から静電界における電位差として外部に放射される。そして、受電装置１５４の第１の受電電極８０及び第２の受電電極８２は、静電界における電位差を感知して電気信号を生成する。そして、整流部８６は、生成された電気信号を整流して直流電力を生成し、回路負荷８８へ供給する。
【０１０１】
このとき、第１の共振部（給電装置１５２の共振部６２）及び第２の共振部（受電装置１５４の共振部１８４）の有する誘導成分と容量成分によって、給電装置１５２から受電装置１５４へ伝送される交流信号は共振する。かかる構成により、給電装置１５２から受電装置１５４へ、静電界を用いて効率よく電力が伝送される。
【０１０２】
また、受電装置１５４は、整流部８６から回路負荷８８へ供給されている電力値を測定する電力測定部１２０と、電力測定部１２０により測定された電力値に基づいて共振部１８４の誘導成分及び／または容量成分を制御するインピーダンス制御部１３０とをさらに備えてもよい。かかる構成により、給電装置１５２と受電装置１５４の間の共振の程度を制御し、回路負荷８８へ供給される電力の最大化を図ることができる。
【０１０３】
〔４〕第２の実施形態
次に、図１５及び図１６を参照しながら、本発明の第２の実施形態に係る伝送システム２００について説明する。本実施形態に係る伝送システム２００では、給電装置において生成される交流信号の角周波数を制御することにより供給電力の最大化を図る。
【０１０４】
図１５は、第２の実施形態に係る伝送システム２００の有する機能を概念的に示したブロック図である。図１５を参照すると、伝送システム２００は、誘導素子Ｌａ、容量素子Ｃａ、負荷成分Ｒ、電力測定部２２０、インピーダンス制御部２３０、及び交流信号生成部２６０を含む。
【０１０５】
伝送システム２００において、誘導素子Ｌａ、容量素子Ｃａ、負荷成分Ｒ、及び交流信号生成部２６０は、図８に示した伝送システム５０の等価回路と同様に直列共振回路を形成する。また、電力測定部２２０は、負荷成分Ｒの両端に接続される。そして、電力測定部２２０は、負荷成分Ｒの両端電圧を検出して現在供給されている電力値を測定し、測定した電力値をインピーダンス制御部２３０へ出力する。
【０１０６】
インピーダンス制御部２３０は、電力測定部２２０から出力される電力値が最大となるように、交流信号生成部２６０によって生成される交流信号の角周波数ωを制御する。
【０１０７】
図１５では、伝送システム２００の動作原理を説明するために、給電装置と受電装置とを等価的な直列共振回路に置き換えて説明した。しかしながら、実際には、伝送システム２００は、給電装置と受電装置に分けて構成される。
【０１０８】
図１６は、伝送システム２００の実質的な構成の一例を示すブロック図である。図１６を参照すると、伝送システム２００は、給電装置２５２及び受電装置２５４を含む。
【０１０９】
受電装置２５４は、図６に示した伝送システム５０の受電装置５４と同様に構成される。なお、受電装置２５４の誘導素子Ｌｒ１及び容量素子Ｃｒ１は省略されてもよい。
【０１１０】
給電装置２５２は、共振部６２、第１の給電電極６４、第２の給電電極６６、電力測定部２２０、インピーダンス制御部２３０、及び交流信号生成部２６０を備える。また、共振部６２は、容量素子Ｃｔ１及び誘導素子Ｌｔ１を有する。
【０１１１】
電力測定部２２０は、給電装置２５２から供給されている電力値を測定し、測定された電力値をインピーダンス制御部２３０へ出力する。
【０１１２】
インピーダンス制御部２３０は、電力測定部２２０から出力される電力値に基づいて、例えば図１０に示した電流｜Ｉ（ω）｜を最大化させるように、交流信号生成部２６０の生成する交流信号の角周波数ωを制御する。
【０１１３】
なお、本実施形態において、給電装置２５２に対向する受電装置２５４が存在しない場合、第１の給電電極６４及び第２の給電電極６６から見える負荷が極めて小さくなり、電力測定部２２０によって検出される電力値はほぼゼロに等しくなる。そこで、例えば電力測定部２２０により測定された電力値が予め決定された所定の閾値よりも小さい場合には、交流信号生成部２６０の生成する交流信号の動作電力を必要最低限の電力に抑制してもよい。そうすることにより、伝送システム２００の省電力化を図ることができる。
【０１１４】
ここまで、図１５及び図１６を用いて、本発明の第２の実施形態について説明を行った。第２の実施形態に係る伝送システム２００によれば、給電装置２５２の交流信号生成部２６０は交流信号を生成し、生成された交流信号は、第１の給電電極６４及び第２の給電電極６６から静電界における電位差として外部に放射される。そして、受電装置２５４の第１の受電電極８０及び第２の受電電極８２は、静電界における電位差を感知して電気信号を生成する。また、整流部８６は、生成された電気信号を直流信号に変換して直流電力を生成し、回路負荷８８へ供給する。
【０１１５】
このとき、第１の共振部（給電装置２５２の共振部６２）及び第２の共振部（受電装置２５４の共振部８４）の有する誘導成分と容量成分によって、給電装置２５２から受電装置２５４へ伝送される交流信号は共振する。かかる構成により、給電装置２５２から受電装置２５４へ、静電界を用いて効率よく電力が伝送される。
【０１１６】
また、給電装置２５２は、交流信号生成部２６０の生成する交流信号の電力値を測定する電力測定部２２０、及び、電力測定部２２０により測定された電力値に基づいて交流信号生成部２６０の生成する交流信号の角周波数ωを制御するインピーダンス制御部２３０を、さらに備える。かかる構成により、給電装置２５２と受電装置２５４の間の共振の程度を制御し、受電装置２５４の回路負荷８８へ供給される電力の最大化を図ることができる。
【０１１７】
なお、第１及び第２の実施形態に係る伝送システム１００、２００（並びに後述する他の実施形態に係る伝送システム）において、給電／受電電極の大きさ及び位置関係は、前述の共振条件を満たしている限り、自由に設定され得る。即ち、図１４または図１６に示した静電容量Ｃｅ１または静電容量Ｃｅ２を形成する電極の大きさは、例えば相互に非対称であってもよく、または一方が他方よりも大きくてもよい。
【０１１８】
図３を用いて説明したように、磁界を用いて電力を伝送するシステムでは、磁束とその向きが正しい状態で１次コイル及び２次コイルを通過する必要があり、そうした位置ずれを許容しない位置関係の制約がシステムの使い勝手を阻害する要因となっていた。
【０１１９】
図１７は、図１４または図１６に示した静電容量Ｃｅ１を形成する第１の給電電極６４及び第１の受電電極８０、並びに静電容量Ｃｅ２を形成する第２の給電電極６６及び第２の受電電極８２の位置関係について概念的に示した模式図である。
【０１２０】
図１７（Ａ）において、静電容量Ｃｅ１を形成する第１の給電電極６４と第１の受電電極８０とは、互いに四隅が重なるように配置されている。静電容量Ｃｅ２を形成する第２の給電電極６６と第２の受電電極８２もまた、互いに四隅が重なるように配置されている。
【０１２１】
これに対し、図１７（Ｂ）では、第１の給電電極６４及び第２の給電電極６６が左方向に移動した結果、対向する面積が減少している（網掛け部参照）。このとき、静電容量Ｃｅ１及びＣｅ２は、対向する電極の面積に比例して低下する。しかしながら、ここまでに説明した第１または第２の実施形態に従って伝送システム内の共振状態を維持することにより、位置ずれが生じても効率的に電力を供給することができる。
【０１２２】
〔５〕第３の実施形態
次に、本発明の第３の実施形態として、静電界を用いて電力を伝送するシステムの位置ずれに対する耐性をさらに向上させる伝送システム３００について説明する。
【０１２３】
本発明の第３の実施形態に係る伝送システム３００は、図１８に示す給電装置３５２、及び図１９に示す受電装置３５４を含む。
【０１２４】
図１８は、給電装置３５２の構成の一例を示すブロック図である。図１８を参照すると、給電装置３５２は、交流信号生成部６０、共振部６２、第１の給電電極３６４、及び第２の給電電極３６６を備える。
【０１２５】
前述したように、交流信号生成部６０は、伝送される電力源となる交流信号を生成し、共振部６２へ送出する。共振部６２は、送出された交流信号を第１の給電電極３６４及び第２の給電電極３６６へ中継する。そして、第１の給電電極３６４及び第２の給電電極３６６は、当該交流信号を静電界における電位差として外部へ放射する。
【０１２６】
図１９は、受電装置３５４の構成の一例を示すブロック図である。図１９を参照すると、受電装置３５４は、複数の受電電極３４０、第１選択部３４２、第２選択部３４４、選択判定部３４６、共振部１８４、整流部８６、回路負荷８８、電力測定部１２０、及びインピーダンス制御部１３０を備える。また、本実施形態において、受電電極３４０は、一例として１６個の受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６を有する。
【０１２７】
受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６は、静電界における電位差を感知して電気信号を生成し、生成した電気信号を第１選択部３４２及び第２選択部３４４へ出力する。第１選択部３４２及び第２選択部３４４は、後述する選択判定部３４６から選択信号を受け取って指定された電極を選択し、選択した電極から入力される電気信号を選択判定部３４６を介して共振部１８４へ出力する。
【０１２８】
選択判定部３４６は、以下に説明するように、受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６から出力される電気信号の信号強度に基づいて、受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６を第１の集合と第２の集合とに分類する。そして、選択判定部３４６は、第１の集合に属する電極の選択を指定する選択信号を第１選択部３４２へ出力し、及び第２の集合に属する電極の選択を指定する選択信号を第２選択部３４４へ出力する。
【０１２９】
例えば、図２０に示したように、給電装置３５２の第１及び第２の給電電極３６４、３６６と受電装置３５４の受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６とが重なっている場合を想定する。この場合、受電電極ＥＲ１〜ＥＲ８は、第１の給電電極３６４から放射された電位を感知する。また、受電電極ＥＲ９〜ＥＲ１６は、第２の給電電極３６６から放射された電位を感知する。このとき、例えば受電電極ＥＲ１の電位を基準電位とすると、受電電極ＥＲ２〜ＥＲ８の電位は基準電位に等しいため、受電電極ＥＲ２〜ＥＲ８からは電気信号が出力されない。一方、ＥＲ９〜ＥＲ１６の電位は第１の給電電極３６４と第２の給電電極３６６の電位差に相当し、ＥＲ９〜ＥＲ１６から当該電位差に応じた電気信号が出力される。
【０１３０】
選択判定部３４６は、かかる電気信号を検知し、受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６のうち受電電極ＥＲ１〜ＥＲ８を第１の集合、受電電極ＥＲ９〜ＥＲ１６を第２の集合として分類する。そして、選択判定部３４６は、第１選択部３４２へ第１の集合に属する受電電極ＥＲ１〜ＥＲ８の選択を指定し、及び第２選択部３４４へ第２の集合に属する受電電極ＥＲ９〜ＥＲ１６の選択を指定する。
【０１３１】
また、図２０とは異なる例として、例えば図２１に示したように、給電装置３５２の第１及び第２の給電電極３６４、３６６と受電装置３５４の受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６とが重なっている場合を想定する。このとき、例えば受電電極ＥＲ２の電位を基準電位とすると、ＥＲ２と同様に第１の給電電極３６４から放射された電位を感知する受電電極ＥＲ３、ＥＲ４、ＥＲ７、ＥＲ８及びＥＲ１２からは、電気信号が出力されない。また、第１の給電電極３６４と第２の給電電極３６６の中間位置に重なる受電電極ＥＲ６、ＥＲ１１及びＥＲ１６、並びに第１の給電電極３６４または第２の給電電極３６６に重なる位置から外れた受電電極ＥＲ１及びＥＲ１３からは、弱い電気信号が出力される。また、第２の給電電極３６６から放射された電位を感知する受電電極ＥＲ５、ＥＲ９、ＥＲ１０、ＥＲ１４及びＥＲ１５からは、強い電気信号が出力される。
【０１３２】
選択判定部３４６は、かかる電気信号を検知し、受電電極ＥＲ２、ＥＲ３、ＥＲ４、ＥＲ７、ＥＲ８及びＥＲ１２を第１の集合、受電電極ＥＲ５、ＥＲ９、ＥＲ１０、ＥＲ１４及びＥＲ１５を第２の集合として分類する。そして、選択判定部３４６は、第１選択部３４２へ第１の集合に属する受電電極ＥＲ２、ＥＲ３、ＥＲ４、ＥＲ７、ＥＲ８及びＥＲ１２の選択を指定し、並びに第２選択部３４４へ第２の集合に属する受電電極ＥＲ５、ＥＲ９、ＥＲ１０、ＥＲ１４及びＥＲ１５の選択を指定する。
【０１３３】
図１９の説明に戻ると、受電装置３５４の共振部１８４は、このように分類された第１の集合と第２の集合にそれぞれ属する受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６から入力された電気信号を、共振部１８４の有する誘導成分及び／または容量成分によって共振させる。そして、共振部１８４による共振は、前述の第１の実施形態に関連して説明した手法に従い、電力測定部１２０及びインピーダンス制御部１３０によって制御される。
【０１３４】
ここまで、図１７〜図２１を用いて、本発明の第３の実施形態について説明を行った。第３の実施形態に係る伝送システム３００によれば、給電装置３５２と受電装置３５４の位置関係にずれが生じても、給電装置３５２の２つの給電電極間の電位差が、受電装置３５４の共振部１８４に鈍化することなく伝えられ、共振状態において効率よく電力を供給することができる。
【０１３５】
〔６〕第４の実施形態
ここまでに説明した第１〜第３の実施形態においては、給電電極及び受電電極を共に２枚以上備える例について説明を行った。しかしながら、対向する１対の給電電極及び受電電極によって静電界を用いて電力を伝送することも可能である。その場合、導電体とその導電体が設置された空間との間に形成される静電容量が、共振に寄与する。
【０１３６】
図２２は、対向する１対の給電電極及び受電電極によって電力を伝送する、本発明の第４の実施形態に係る伝送システム４００の構成を示すブロック図である。
【０１３７】
図２２を参照すると、伝送システム４００は、給電装置４５２及び受電装置４５４を含む。また、給電装置４５２は、交流信号生成部６０、共振部６２、給電電極４６４、及び導電体４６６を備える。受電装置４５４は、受電電極４８０、導電体４８２、共振部８４、整流部８６、及び回路負荷８８を備える。
【０１３８】
伝送システム４００において、給電装置４５２の給電電極４６４は受電装置４５４の受電電極４８０と静電結合し、静電容量Ｃ３を形成する。一方、給電装置４５２の導電体４６６と受電装置４５４の導電体４８２は互いに離れた位置にあるため、強く静電結合しない。その代わりに、給電装置４５２の導電体４６６は、空間と静電結合し、静電容量Ｃ４を形成する。同様に、受電装置４５４の導電体４８２もまた、空間と静電結合し、静電容量Ｃ５を形成する。よって、空間という仮想的な共通点を介して、給電電極４６４→受電電極４８０→共振部８４→導電体４８２→導電体４６６→共振部６２→給電電極４６４という共振回路としての閉回路が形成される。それにより、給電装置４５２から受電装置４５４へ、静電界を用いて効率よく電力が伝送される。
【０１３９】
なお、図２２を用いて説明した第４の実施形態を、例えば前述の第１の実施形態に係る誘導成分及び／または容量成分の制御、または前述の第２の実施形態に係る交流信号の角周波数の制御と組み合わせてもよい。
【０１４０】
〔７〕第５の実施形態
ここまでに説明した第１〜第４の実施形態においては、給電装置から受電装置へ電力のみを伝送する例について説明を行った。しかしながら、電力の伝送に用いられる周波数とは異なる周波数を利用して、給電装置と受電装置との間でさらに無線通信を行うことも可能である。かかる無線通信により、例えば第２の実施形態において説明した給電装置における角周波数の制御を、受電装置にて測定した情報に基づいて行うことができる。
【０１４１】
図２３は、本発明の第５の実施形態に係る伝送システム５００の構成を示すブロック図である。
【０１４２】
図２３を参照すると、伝送システム５００は、給電装置５５２及び受電装置５５４を含む。また、給電装置５５２は、交流信号生成部５６０、共振部６２、第１の給電電極６４、第２の給電電極６６、第２通信部５９２、及び角周波数制御部５３０を備える。受電装置５５４は、第１の受電電極８０、第２の受電電極８２、共振部８４、整流部８６、電力測定部５２０、回路負荷８８、及び第１通信部５９０を備える。
【０１４３】
受電装置５５４において、電力測定部５２０は、整流部８６と回路負荷８８との間に接続される。そして、電力測定部５２０は、回路負荷８８の両端電圧を検出して現在供給されている電力値を測定し、測定した電力値を第１通信部５９０へ出力する。
【０１４４】
第１通信部５９０は、電力測定部５２０から出力された電力値を、第２の受電電極８２を介して無線信号として給電装置５５２へ送信する。即ち、本実施形態において、第２の受電電極８２では、給電装置５５２から伝送される電力と給電装置５５２へ送信される無線信号が重畳される。このとき、無線信号が電力伝送に影響を与えないために、給電装置５５２へ送信される無線信号の周波数Ｆｒを給電装置５５２から伝送される交流信号の周波数Ｆｇよりも十分に高い周波数とし、且つ無線信号の電力レベルを十分小さく設定することが好適である。
【０１４５】
給電装置５５２において、第２通信部５９２は、受電装置５５４から送信された無線信号を第２の給電電極６６を介して受信する。第２通信部５９２は、例えば前述の周波数Ｆｒの周辺の周波数の信号のみを通過させる帯域通過フィルタを用いて、受電装置５５４から送信された無線信号のみを抽出することができる。そして、第２通信部５９２は、受電装置５５４の電力測定部５２０によって測定された前述の電力値を取得し、取得した電力値を角周波数制御部５３０へ出力する。
【０１４６】
角周波数制御部５３０は、第２通信部５９２から出力される電力値に基づいて、第２の実施形態に係るインピーダンス制御部２３０と同様、例えば当該電力値が最大となるように交流信号生成部５６０によって生成される交流信号の角周波数ωを制御する。
【０１４７】
また、角周波数制御部５３０は、第２通信部５９２から出力される電力値に基づいて、受電装置５５４の回路負荷８８が動作するための必要最小限の電力のみが供給されるように、交流信号生成部５６０によって生成される交流信号の角周波数ωを制御してもよい。それにより、余剰の電力を生成または伝送することなく、効率的に電力が伝送される。
【０１４８】
なお、第１通信部５９０と第２通信部５９２との間で送受信される無線信号としては、例えば位相偏移変調、振幅偏移変調、直交振幅変調などの任意の変調方式に従って変調された無線信号を用いることができる。また、第１通信部５９０と第２通信部５９２との間の無線通信は、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ｂ、ｇ、ｎなどの任意の無線通信の標準規格を用いて行われる。
【０１４９】
〔８〕第６の実施形態
第５の実施形態においては、給電装置と受電装置が共に電力伝送と無線通信の両方に対応した例について説明を行った。これに対し、例えば受電装置に補助的な電源を備えて、給電装置が電力伝送の仕組みを有していない場合にも動作可能な受電装置を実現してもよい。
【０１５０】
図２４〜図２６は、本発明の第６の実施形態に係る伝送システム６００の構成の一例を示すブロック図である。
【０１５１】
図２４を参照すると、伝送システム６００は、給電装置６５２及び受電装置６５４を含む。また、給電装置６５２は、交流信号生成部６０、共振部６２、第１の給電電極６４、第２の給電電極６６、及び第２通信部６９２を備える。受電装置６５４は、第１の受電電極８０、第２の受電電極８２、共振部８４、整流部８６、電力測定部６２０、回路負荷８８、第１通信部６９０、電源選択部６９４、及び２次電源部６９６を備える。
【０１５２】
伝送システム６００において、受電装置６５４の第１通信部６９０と送電装置６５２の第２通信部６９２は、第５の実施形態に係る第１通信部５９０及び第２通信部５９２と同様、第２の受電電極８２及び第２の給電電極６６を介して無線通信を行う。
【０１５３】
電力測定部６２０は、回路負荷８８の両端電圧を検出して現在供給されている電力値を測定し、測定した電力値を電源選択部６９４へ出力する。
【０１５４】
電源選択部６９４は、整流部８６と２次電源部６９６に接続され、電力測定部６２０から出力された電力値に基づいて、整流部８６または２次電源部６９６のいずれかから出力される電力を第１通信部６９０へ供給させる。例えば、電源選択部６９４は、電力測定部６２０により測定された電力値が所定の閾値よりも大きい場合には、整流部８６により生成された直流電力を第１通信部６９０へ供給させる。また、電源選択部６９４は、電力測定部６２０により測定された電力値が所定の閾値よりも小さい場合には、２次電源部６９６から第１通信部６９０へ電力を供給させる。
【０１５５】
２次電源部６９６は、電源選択部６９４に接続される。２次電源部６９６からの電力は、電源選択部６９４による選択に応じて、第１通信部６０へ供給される。２次電源部６９６は、例えば商用電源に接続される電源装置またはＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ）アダプタ、蓄電池や乾電池などの電池などであってもよい。
【０１５６】
一方、図２５を参照すると、伝送システム６００は、図２４に示した給電装置６５２の代わりに、通信装置６５３を含む。通信装置６５３は、通信電極６６７と第２通信部６９２を含む。
【０１５７】
図２５において、受電装置６５４の第１通信部６９０と通信装置６５３の第２通信部６９２は、第２の受電電極８２及び通信電極６６７を介して無線通信を行う。
【０１５８】
また、図２６を参照すると、図２５に示した通信装置６５３と受電装置６５４との間に媒体６６５が介在している。媒体６６５は、例えば人体のほか、銅、鉄等の金属に代表される導電体、純水、ガラス等に代表される誘電体、またはこれらの複合体などであってもよい。伝送システム６００において、通信装置６５３と受電装置６５４は、このように媒体６６５が介在した場合にも相互に無線通信を行うことができる。
【０１５９】
図２５または図２６に示した状況では、通常、受電装置６５４の電力測定部６２０から出力される電力値は微量となる。そうした場合には、電源選択部６９４において、当該電力値が前述した所定の閾値を下回るため、２次電源部６９６から第１通信部６９０へ電力が供給される。
【０１６０】
ここまで、図２４〜図２６を用いて、本発明の第６の実施形態について説明を行った。第６の実施形態に係る受電装置６５４によれば、通信相手となる装置が給電機能を有しているかどうかに関わらず、無線通信を行うことができる。
【０１６１】
なお、本明細書において説明した制御処理または選択処理などの一連の処理をハードウェアで実現するかソフトウェアで実現するかは問わない。一連の処理をソフトウェアで実行させる場合には、ソフトウェアを構成するプログラムが、専用のハードウェアに組み込まれたコンピュータ、または例えば図２７に示した汎用コンピュータなどを用いて実行される。
【０１６２】
図２７において、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）９０２は、汎用コンピュータの動作全般を制御する。ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）９０４には、一連の処理の一部または全部を記述したプログラムまたはデータが格納される。ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）９０６には、ＣＰＵ９０２が演算処理に用いるプログラムやデータなどが一時的に記憶される。
【０１６３】
ＣＰＵ９０２、ＲＯＭ９０４、及びＲＡＭ９０６は、バス９０８を介して相互に接続される。バス９０８にはさらに、入出力インタフェース９１０が接続される。
【０１６４】
入出力インタフェース９１０は、ＣＰＵ９０２、ＲＯＭ９０４、及びＲＡＭ９０６と、入力部９１２、出力部９１４、記憶部９１６、通信部９１８、及びドライブ９２０とを接続するためのインタフェースである。
【０１６５】
入力部９１２は、例えばボタン、スイッチ、レバー、マウスやキーボードなどの入力装置を介して、利用者からの指示や情報入力を受け付ける。出力部９１４は、例えばＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）、液晶ディスプレイ、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの表示装置、またはスピーカーなどの音声出力装置を介して利用者に対して情報を出力する。
【０１６６】
記憶部９１６は、例えばハードディスクドライブまたはフラッシュメモリなどにより構成され、プログラムまたはプログラムデータなどを記憶する。通信部９１８は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）またはインターネットなどのネットワークを介する通信処理を行う。ドライブ９２０は、必要に応じて汎用コンピュータに設けられ、例えばドライブ９２０にはリムーバブルメディア９２２が装着される。
【０１６７】
一連の処理をソフトウェアで実行する場合には、例えば図２７に示したＲＯＭ９０４、記憶部９１６、またはリムーバブルメディア９２２に格納されたプログラムが、実行時にＲＡＭ９０６に読み込まれ、ＣＰＵ９０２によって実行される。
【０１６８】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１６９】
例えば、ここまで説明した第１〜第６の実施形態では、給電電極及び受電電極の形状を平板の形で示したが、給電電極及び受電電極の形状は平板でなくてもよい。また、給電電極または受電電極を複数備える場合に、複数の給電電極または受電電極は必ずしも図示したように同一平面上に配置されなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１７０】
【図１】磁界を用いて電力を伝送する伝送システムの一例を示す模式図である。
【図２】電波を用いて電力を伝送する伝送システムの一例を示す模式図である。
【図３】磁界を用いて電力を伝送する伝送システムの位置の制約について説明するための模式図である。
【図４】磁界を用いて電力を伝送する伝送システムによって生じる渦電流の一例を示す模式図である。
【図５】電波を用いて電力を伝送する伝送システムにおけるアンテナと波長の関係を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る伝送システムの基本的な構成の一例を示すブロック図である。
【図７】２つの電極が静電結合する様子を示す模式図である。
【図８】図６に示した伝送システムの等価回路を示すブロック図である。
【図９】図８に示した伝送システムの等価回路を簡略化して示すブロック図である。
【図１０】図９に示した等価回路の特性の一例を示すブロック図である。
【図１１】第１の実施形態に係る伝送システムの有する機能を概念的に示したブロック図である。
【図１２】バリキャップ素子の回路記号と特性曲線を示す説明図である。
【図１３】可変誘導素子の構成の一例を示す模式図である。
【図１４】第１の実施形態に係る伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図１５】第２の実施形態に係る伝送システムの有する機能を概念的に示したブロック図である。
【図１６】第２の実施形態に係る伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図１７】給電電極及び受電電極の位置関係について概念的に示す模式図である。
【図１８】第３の実施形態に係る給電装置の構成を示すブロック図である。
【図１９】第３の実施形態に係る受電装置の構成を示すブロック図である。
【図２０】給電装置と受電装置の位置関係の一例を示す模式図である。
【図２１】給電装置と受電装置の位置関係の他の例を示す模式図である。
【図２２】第４の実施形態に係る伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図２３】第５の実施形態に係る伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図２４】第６の実施形態に係る伝送システムの第１の構成例を示すブロック図である。
【図２５】第６の実施形態に係る伝送システムの第２の構成例を示すブロック図である。
【図２６】第６の実施形態に係る伝送システムの第３の構成例を示すブロック図である。
【図２７】汎用コンピュータの構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１７１】
１００、２００、３００、４００、５００、６００ 伝送システム
１５２、２５２、３５２、４５２、５５２、６５２ 給電装置
１５４、２５４、３５４、４５４、５５４、６５４ 受電装置
６０、２６０、５６０ 交流信号生成部
６２ 第１共振部
６４、６６、３６４、３６６、４６４ 給電電極
８０、８２、３４０、４８０ 受電電極
８４、１８４ 第２共振部
８６ 整流部
１２０、２２０、５２０、６２０ 電力測定部
１３０、２３０、５３０ 制御部
３４２ 第１選択部
３４４ 第２選択部
３４６ 選択判定部
５９０、６９０ 第１通信部
５９２、６９２ 第２通信部
６９４ 電源選択部
６９６ ２次電源部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝送システム、給電装置、受電装置、及び伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、非接触で電力を伝送するための技術として、磁界や電波を用いる技術が開発されてきた。こうした磁界や電波による電力伝送技術によれば、電線などを必要とすることなく電力を給電装置から受電装置へと伝送することができる。例えば、下記特許文献１では、電磁波を用いて伝送された電力を受電することのできる、非接触ＩＣカードに適用可能な情報表示装置が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１１７６号公報
【０００４】
以下、図１及び図２を用いて、磁界または電波を用いて電力を伝送する手法について説明する。
【０００５】
図１は、磁界を用いて電力を伝送するための伝送システム１０の構成の一例を示している。図１を参照すると、伝送システム１０は、交流信号生成部１２、１次コイル１４、２次コイル１６、及び回路負荷１８を含む。
【０００６】
伝送システム１０では、ファラデーの電磁誘導の法則に基づいて起電力を生じさせることにより、１次コイル１４から２次コイル１６へと電力が伝送される。図１において、交流信号生成部１２から１次コイル１４へと交流信号を与えると、コイル内に時間的に変化する磁束φが生じる。この磁束を２次コイル１６内に通過させることにより、磁束φの時間変化に相当する起電力Ｖを得ることができる。起電力Ｖは式（１）により与えられる。
【０００７】
【数１】
（１）
【０００８】
式（１）の起電力Ｖは、回路負荷１８へ供給される。
【０００９】
次に、図２は、電波を用いて電力を伝送するための伝送システム２０の構成の一例を示している。図２（Ａ）を参照すると、伝送システム２０は、給電回路２２、給電アンテナ２４、受電アンテナ２６、受電回路２８を含む。また、受電回路２８は、共振回路３０、整流回路３２、回路負荷３４を備える。
【００１０】
図２において、給電回路２２の給電アンテナ２４から放射電力Ｐで電波が空間へ放出される。給電アンテナ２４から距離ｄ［ｍ］離れた受電アンテナ２６の地点における電界Ｅ［Ｖ／ｍ］は、次式で与えられる。
【００１１】
【数２】
（２）
【００１２】
ここで、ｋは給電アンテナ２４及び受電アンテナ２６の特性から定まる係数である。受電アンテナ２６及び共振回路３０は、図２（Ｂ）に示した等価回路で表すことができる。図２（Ｂ）におけるＲは受電アンテナ２６の放射抵抗、ｈｅは受電アンテナ２６の実効高さを示す。受電回路２８の有効電力Ｐｒは次式で与えられる。
【００１３】
【数３】
（３）
【００１４】
ここで、共振回路３０と放射抵抗Ｒとのマッチングが取れているとすると、共振回路３０に生じる電圧Ｖは次式で与えられる。
【００１５】
【数４】
（４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、例えば磁界を用いて電力を伝送しようとする場合、コイルを通る磁束の大きさが起電力に直接的に影響するため、給電装置と受電装置との間の位置関係の制約を取り除くことが難しかった。また、例えば電波を用いて電力を伝送しようとする場合、アンテナを小型化するにつれて消費電力の高い高周波の電波を用いることが必要となるため、エネルギーの利用効率が低下していた。
【００１７】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、位置関係の制約を緩和し、静電界を用いて効率よく電力を伝送することのできる、新規かつ改良された伝送システム、給電装置、受電装置、及び伝送方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、交流信号を生成する交流信号生成部、誘導成分及び／または容量成分を有し、前記交流信号生成部により生成された前記交流信号を共振させる第１共振部、及び共振された前記交流信号を静電界における電位差として外部に放射する給電電極、を備える給電装置と、静電界における電位差を感知して電気信号を生成する受電電極、誘導成分及び／または容量成分を有し、前記受電電極により生成された前記電気信号を共振させる第２共振部、及び共振された前記電気信号を整流する整流部、を備える受電装置と、を含む伝送システムが提供される。
【００１９】
かかる構成によれば、交流信号生成部は交流信号を生成し、給電装置の第１共振部と受電装置の第２共振部とにより形成される共振回路の誘導成分及び／または容量成分によって、生成された交流信号は共振される。共振された交流信号は、静電界における電位差として給電電極から放射され、受電電極によって静電界における電位差として感知される。そして、受電電極は感知した電位差から電気信号を生成し、生成された電気信号は整流部により整流される。
【００２０】
また、前記受電装置は、前記整流部により前記電気信号が整流されて生じる電力の電力値を測定する電力測定部と、前記電力測定部により測定された前記電力値に基づいて前記第２共振部の誘導成分及び／または容量成分を制御する制御部と、をさらに備えてもよい。
【００２１】
また、前記制御部は、前記第２共振部の有するバリキャップ素子に印加される電圧を変化させることにより前記第２共振部の容量成分を制御してもよい。
【００２２】
また、前記制御部は、コイルの内部を少なくとも部分的に貫通するように把持された制御材を制動することにより前記第２共振部の誘導成分を制御してもよい。
【００２３】
また、前記給電装置は、前記給電装置から供給される電力の電力値を測定する電力測定部と、前記電力測定部により測定された前記電力値に基づいて前記第１共振部の誘導成分及び／または容量成分を制御する制御部と、をさらに備えてもよい。
【００２４】
また、前記制御部は、前記第１共振部の有するバリキャップ素子に印加される電圧を変化させることにより前記第１共振部の容量成分を制御してもよい。
【００２５】
また、前記制御部は、コイルの内部を少なくとも部分的に貫通するように把持された制御材を制動することにより前記第１共振部の誘導成分を制御してもよい。
【００２６】
また、前記給電装置は、前記給電装置から供給される電力の電力値を測定する電力測定部と、前記電力測定部により測定された前記電力値に基づいて前記交流信号生成部の生成する交流信号の角周波数を制御する制御部と、をさらに備えてもよい。
【００２７】
また、前記制御部は、前記電力測定部により測定された前記電力値が所定の閾値よりも小さい場合には前記交流信号生成部の生成する交流信号の出力を低下させてもよい。
【００２８】
また、前記給電電極の大きさと前記受電電極の大きさとが異なってもよい。
【００２９】
また、前記受電電極は、複数の電極を含み、前記受電装置は、前記複数の電極の中から指定された電極をそれぞれ選択可能な第１選択部及び第２選択部と、前記複数の電極からそれぞれ出力される電気信号の信号強度に基づいて、前記複数の電極を第１の集合と第２の集合とに分類し、前記第１選択部に前記第１の集合に属する電極を選択することを指定し、及び前記第２選択部に前記第２の集合に属する電極を選択することを指定する選択判定部と、をさらに備えてもよい。
【００３０】
また、前記受電装置は、前記整流部により前記電気信号が整流されて生じる電力の電力値を測定する電力測定部と、前記電力測定部により測定された前記電力値を前記受電電極を介して無線信号により送信する第１通信部と、をさらに備え、前記給電装置は、前記受電装置から送信された前記電力値を前記給電電極を介して受信する第２通信部と、前記第２通信部により受信された前記電力値に基づいて前記交流信号生成部の生成する交流信号の角周波数を制御する制御部と、をさらに備えてもよい。
【００３１】
また、前記受電装置は、前記受電電極を介して前記給電装置との間で無線通信を行う第１通信部と、前記第１通信部に接続された２次電源部と、前記整流部により前記電気信号が整流されて生じる電力の電力値を測定する電力測定部と、前記電力測定部により測定された前記電力値が所定の閾値よりも大きい場合には、前記整流部から前記第１通信部へ電力を供給させ、前記電力測定部により測定された前記電力値が所定の閾値よりも小さい場合には、前記２次電源部から前記第１通信部へ電力を供給させる電源選択部と、をさらに備えてもよい。
【００３２】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、交流信号を生成する交流信号生成部と、誘導成分及び／または容量成分を有し、前記交流信号生成部により生成された前記交流信号を共振させる共振部と、共振された前記交流信号を静電界における電位差として外部に放射する給電電極と、を備える給電装置が提供される。
【００３３】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、静電界における電位差を感知して電気信号を生成する受電電極と、誘導成分及び／または容量成分を有し、前記受電電極により生成された前記電気信号を共振させる共振部と、共振された前記電気信号を整流する整流部と、を備える受電装置が提供される。
【００３４】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、交流信号を生成するステップと、給電装置の共振部と受電装置の共振部とにより形成される共振回路の誘導成分及び／または容量成分によって、生成された前記交流信号を共振させるステップと、共振された前記交流信号を静電界における電位差として前記給電装置から放射するステップと、前記受電装置において静電界における電位差を感知して電気信号を生成するステップと、生成された前記電気信号を整流するステップと、を含む伝送方法が提供される。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、本発明に係る伝送システム、給電装置、受電装置、及び伝送方法によれば、位置関係の制約を緩和し、静電界を用いて効率よく電力を伝送することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３７】
〔１〕関連技術における技術的な課題
まず、磁界または電波を用いて電力を伝送する関連技術における技術的な課題について、図３〜図５を用いてあらためて説明する。
【００３８】
図３は、図１に示した伝送システム１０において、１次コイル１４の中心位置と２次コイル１６の中心位置がずれた様子を示している。
【００３９】
図３において、交流信号生成部１２から１次コイル１４へと供給された交流信号によって生じた磁束φ１及び磁束φ２は、２次コイル１６上の微小長ｄｌから見ると、２つのコイルがずれたことにより、互いに打ち消しあう方向を向いている。そのため、図３の状況において、２次コイル１６上の微小長ｄｌに起電力は発生しない。
【００４０】
そのため、磁界を用いて電力を伝送する磁界方式の場合には、給電装置と受電装置を位置関係の制約を満たすように最適に配置して利用することが求められる。
【００４１】
また、磁束方式の場合、図４に示したように、給電側の１次コイル１４の近傍に導体４０をおいたとき、１次コイル１４が発する磁界φによって導体内に渦電流４２が生じる。そして、１次コイル１４の発する磁界φが強い場合には、渦電流４２による発熱が利用者へ火傷などの危険性をもたらす可能性もある。
【００４２】
加えて、図１及び図３ではコイルを構成するための導線の巻き数を１巻きとして示しているが、実際には十分な起電力を得るために多数の巻き数を必要とし、一定のコストを要する。
【００４３】
図５は、図２に示した伝送システム２０における給電アンテナ２４及び受電アンテナ２６を、半波長ダイポールアンテナ４４として構成した様子を示す模式図である。
【００４４】
電波を用いて電力を伝送する電波方式の場合には、アンテナの効率性と搬送波の周波数との間の関係が課題となる。アンテナから効率よく電波を放射し、または放射された電波を効率よく受け取るためには、アンテナ上に定在波を形成するために、搬送波の周波数λに対してアンテナ長Ｌａをλ／２とする必要がある。
【００４５】
そこで、昨今の電子機器の小型化を考慮し、例えばアンテナ長Ｌａ＝λ／２＝５［ｃｍ］とすると、共振周波数ｆは次式により導かれる。
【００４６】
【数５】
（５）
【００４７】
即ち、５［ｃｍ］程度のアンテナの場合、共振により効率よくアンテナを機能させるためには３［ＧＨｚ］もの高い周波数を搬送波として使用しなければならず、従って回路の消費電力は高くなり、エネルギーの利用効率は低下する。また、高周波回路の設計は一般的に周波数が高いほどより困難となり、実機を用いた回路の調整も必要となる。
【００４８】
このように、磁界または電波を用いて電力を伝送する関連技術にはいくつかの課題があるのに対し、以下に説明する本発明の一実施形態に係る静電界を用いた手法によれば、より効率的に電力を伝送することができる。
【００４９】
〔２〕静電界を用いた電力伝送の基本的な原理
まず、図６〜図１０を用いて、静電界を用いた電力伝送の基本的な原理について説明する。これらの説明は、後述する本発明の第１〜第６の実施形態の前提となる。
【００５０】
図６は、静電界を用いて電力を伝送する伝送システム５０の基本的な構成の一例を示すブロック図である。
【００５１】
図６を参照すると、伝送システム５０は、給電装置５２及び受電装置５４を含む。また、給電装置５２は、交流信号生成部６０、共振部６２、第１の給電電極６４、及び第２の給電電極６６を備える。受電装置５４は、第１の受電電極８０、第２の受電電極８２、共振部８４、整流部８６、及び回路負荷８８を備える。
【００５２】
給電装置５２において、交流信号生成部６０は、共振部６２と接続される。また、共振部６２は、並列的に配置された第１の給電電極６４及び第２の給電電極６６と接続される。
【００５３】
交流信号生成部６０は、伝送される電力源となる交流信号を生成し、共振部６２へ送出する。共振部６２は、送出された交流信号を第１の給電電極６４及び第２の給電電極６６へ中継する。そして、第１の給電電極６４及び第２の給電電極６６は、当該交流信号を静電界における電位差として外部へ放射する。
【００５４】
受電装置５４において、第１の受電電極８０及び第２の受電電極８２は、共振部８４とそれぞれ接続される。共振部８４は、整流部８６と接続される。また、整流部８６は、回路負荷８８と接続される。
【００５５】
なお、図６では、第１の受電電極８０は第１の給電電極６４と、第２の受電電極８２は第２の給電電極６６とそれぞれ対向するように配置されているが、後述する本発明の各実施形態において、各電極は厳密に対向するように配置されなくてもよい。
【００５６】
第１の受電電極８０及び第２の受電電極８２は、静電界における電位差を感知して電気信号を生成し、生成した電気信号を共振部８４へ出力する。共振部８４は、第１の受電電極８０及び第２の受電電極８２から出力された電気信号を整流部８６へ中継する。そして、整流部８６は、中継された電気信号を直流信号に変換して直流電力を生成し、生成した直流電力を回路負荷８８に供給する。
【００５７】
図６に示した伝送システム５０において、給電装置５２の共振部６２及び受電装置５４の共振部８４は、システム全体として共振条件を充足するように構成される。伝送システム５０における共振については後により詳しく説明する。
【００５８】
ここで、給電電極及び受電電極は、典型的には、それぞれ導電性を有する物質により形成される。具体的には、例えば銅、金、銀などの導体やそれらの化合物を、各電極に用いることができる。そうした導電性を有する電極を互いに静電結合が生じる位置に配置すると、電極間に静電容量が生じる。
【００５９】
図７は、平板の形状をした導体を用いた２つの電極９０、９２が静電結合する様子を示している。図７において、２つの電極９０、９２の表面積をＳ［ｍ２］、電極間の距離をｄ［ｍ］とすると、電極間に生じる静電容量Ｃ［Ｆ］は次式により与えられる。
【００６０】
【数６】
（６）
【００６１】
ここで、ε０は真空中の誘電率であり、ε０＝８．８５４×１０−１２［Ｆ／ｍ］である。また、εｒは電極間の比誘電率であり、例えば空気中ではεｒ＝１と考えてよい。
【００６２】
図６に示した共振部６２及び共振部８４として直列共振回路を想定すると、伝送システム５０を図８に示した等価回路に置き換えることができる。
【００６３】
図８を参照すると、共振部６２は、誘導素子Ｌｔ１及び容量素子Ｃｔ１を有する。共振部８４は、誘導素子Ｌｒ１及び容量素子Ｃｒ１を有する。また、第１の給電電極６４は第１の受電電極８０との間で静電容量Ｃｅ１を、第２の給電電極６６は第２の受電電極８２との間で静電容量Ｃｅ２を有する。
【００６４】
整流部８６は、整流素子としてのダイオードＤ１〜Ｄ４、及び容量素子Ｃｓを有する。共振部８４から出力される交流電流は、ダイオードＤ１〜Ｄ４が形成するダイオードブリッジによって脈流に変換され、容量素子Ｃｓによって平滑化されて直流電力を生じ、回路負荷８８に供給される。
【００６５】
図８に示した伝送システム５０の等価回路に着目すると、系全体を誘導素子及び容量素子からなる直列共振回路と考えることができる。即ち、誘導素子Ｌｔ１及びＬｒ１を合成した合成誘導素子Ｌａ、容量素子Ｃｔ１、Ｃｒ１、Ｃｅ１及びＣｅ２を合成した合成容量素子Ｃａ、並びに整流部８６及び回路負荷８８を負荷成分Ｒとすると、伝送システム５０の等価回路は、さらに図９のように簡略化される。
【００６６】
図９の回路全体のインピーダンスは次式で与えられる。
【００６７】
【数７】
（７）
【００６８】
上式より、インピーダンスＺの大きさは次式のように導かれる。
【００６９】
【数８】
（８）
【００７０】
式（８）に示したインピーダンスＺの大きさ｜Ｚ｜を最小とするω＝ωｒを求めると、ωｒは次式のように導かれる。
【００７１】
【数９】
（９）
【００７２】
ω＝ωｒのとき、回路に流れる電流｜Ｉ｜は、最大値｜Ｉ｜ｍａｘとなる。交流信号生成部６０の電圧をＶとすると、｜Ｉ｜ｍａｘは次式で与えられる。
【００７３】
【数１０】
（１０）
【００７４】
角周波数に着目すると、角周波数ωの関数としての回路に流れる電流｜Ｉ（ω）｜は、図１０のグラフに表した特性を示す。
【００７５】
図１０から理解されるように、｜Ｉ（ω）｜はω＝ωｒにおいて最大値を示し、このとき回路は共振状態となる。そして、合成誘導素子Ｌａの両端電圧をＶＬ、合成容量素子Ｃａの両端電圧をＶＣとすると、共振状態においては次式が成立し、回路が純抵抗Ｒに見える。
【００７６】
【数１１】
（１１）
【００７７】
また、図９の回路のＱ値、即ち共振の強さの程度は次式により表される。
【００７８】
【数１２】
（１２）
【００７９】
よって、交流信号生成部６０の角周波数ω＝ωｒであるとき、式（１２）に基づいて合成誘導素子Ｌａまたは合成容量素子Ｃａを制御することにより、回路負荷８８に最大の電力を供給することができる。
【００８０】
〔３〕第１の実施形態
以下、図１１〜図１４を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る伝送システム１００について説明する。第１の実施形態に係る伝送システム１００では、受電装置の有する誘導素子または容量素子を制御することにより供給電力の最大化を図る。
【００８１】
図１１は、第１の実施形態に係る伝送システム１００の有する機能を概念的に示したブロック図である。図１１を参照すると、伝送システム１００は、交流信号生成部６０、可変誘導素子Ｌｖ、可変容量素子Ｃｖ、負荷成分Ｒ、電力測定部１２０、及びインピーダンス制御部１３０を含む。
【００８２】
伝送システム１００において、交流信号生成部６０、可変誘導素子Ｌｖ、可変容量素子Ｃｖ、及び負荷成分Ｒは、図８に示した伝送システム５０の等価回路と同様の直列共振回路を形成する。また、電力測定部１２０は、負荷成分Ｒの両端に接続される。そして、電力測定部１２０は、負荷成分Ｒの両端電圧を検出して負荷成分Ｒに現在供給されている電力値を測定し、測定した電力値をインピーダンス制御部１３０へ出力する。
【００８３】
インピーダンス制御部１３０は、電力測定部１２０と接続される。インピーダンス制御部１３０は、電力測定部１２０から出力される電力値が最大となるように、伝送システム１００の誘導成分である可変誘導素子Ｌｖ、または容量成分である可変容量素子Ｃｖのいずれか一方または両方を制御する。
【００８４】
可変容量素子Ｃｖとしては、例えばバリキャップ素子を用いることができる。バリキャップ素子とは、入出力端子間に印加する電圧に応じて静電容量が変化するダイオードの一種である。図１２は、バリキャップ素子の回路記号（図１２（Ａ））と特性曲線（図１２（Ｂ））を示している。
【００８５】
バリキャップ素子の静電容量は、アノード側の端子Ａよりも高い逆バイアス電圧をカソード側の端子Ｋに印加することで、印加された逆バイアス電圧に応じて図１２（Ｂ）の特性曲線のように変化する。こうしたバリキャップ素子を可変容量素子Ｃｖに使用し、バリキャップ素子の両端電圧をインピーダンス制御部１３０によって制御することで、例えば式（１２）に示した回路の共振条件を満たすことができる。
【００８６】
また、可変誘導素子Ｌｖとしては、例えば図１３に示す構成を用いることができる。図１３を参照すると、可変誘導素子Ｌｖは、コイル１３４、アクチュエータ１３６、及び、コイル１３４の内部を少なくとも部分的に貫通するようにアクチュエータ１３６によって把持され左右に制動可能な制御材１３８を有する。制御材１３８は、例えば鉄やフェライトなど、透磁率の高い材料を用いて構成され得る。
【００８７】
コイル１３４のインダクタンスＬは、コイル１３４内を錯交する磁束の量によって変化する。コイル１３４の内側の半径及び制御材１３８の半径を共にｒ［ｍ］と仮定すると、コイル１３４のインダクタンスＬは次式で与えられる。
【００８８】
【数１３】
（１３）
【００８９】
ここで、μ０は真空の透磁率、μｒは制御材１３８の比透磁率、ｎは制御材１３８の周囲に巻かれているコイルの巻き数である。
【００９０】
このような可変誘導素子Ｌｖの構成において、例えばインピーダンス制御部１３０から出力される制御信号を受け取ったアクチュエータ１３６が制御材１３８を左右に動かすことにより、コイル１３４のインダクタンスを変化させることができる。
【００９１】
なお、可変容量素子Ｃｖまたは可変誘導素子Ｌｖの構成は、図１２または図１３に示した例に限定されない。可変容量素子Ｃｖとしては、例えば電極間の距離を変化させて静電容量を制御する可変容量素子を用いてもよい。また、可変誘導素子Ｌｖとしては、例えば複数のコイルの結合係数を変化させる可変誘導素子を用いてもよい。
【００９２】
前述の図１１の説明では、伝送システム１００の動作原理を説明するために、給電装置と受電装置とを等価的な直列共振回路に置き換えて説明した。しかしながら、実際には、伝送システム１００は、給電装置と受電装置に分けて構成される。
【００９３】
図１４は、伝送システム１００の実質的な構成の一例を示すブロック図である。図１４を参照すると、伝送システム１００は、給電装置１５２及び受電装置１５４を含む。
【００９４】
給電装置１５２は、図６に示した伝送システム５０の給電装置５２と同様に構成される。
【００９５】
受電装置１５４は、第１の受電電極８０、第２の受電電極８２、共振部１８４、整流部８６、回路負荷８８、電力測定部１２０、及びインピーダンス制御部１３０を備える。また、共振部１８４は、可変容量素子Ｃｖ１及び可変誘導素子Ｌｖ１を有する。
【００９６】
受電装置１５４において、電力測定部１２０は、回路負荷８８の両端電圧を検出して回路負荷８８に現在供給されている電力値を測定し、測定した電力値をインピーダンス制御部１３０へ出力する。
【００９７】
インピーダンス制御部１３０は、電力測定部１２０から出力される電力値に基づいて、例えばバリキャップ素子を用いた可変容量素子Ｃｖ１の両端電圧、または可変誘導素子Ｌｖ１のインダクタンスを制御し、供給されている電力値を最大化させる。
【００９８】
なお、図１４ではインピーダンス制御部１３０がＣｖ１及びＬｖ１を制御するように説明したが、Ｃｖ１及びＬｖ１のいずれか一方を固定値とし、他方のみをインピーダンス制御部１３０によって制御してもよい。また、図１４に示した伝送システム１００の構成例において、給電装置１５２の誘導素子Ｌｔ１及び容量素子Ｃｔ１は省略されてもよい。
【００９９】
また、図１４では受電装置１５４の共振部１８４の有する容量素子と誘導素子とを制御する例について説明した。しかしながら、その代わりに受電装置１５４の共振部１８４の有する容量成分と誘導成分とを固定値とし、給電装置１５２の有する容量成分と誘導成分とを供給電力値に基づいて制御するように伝送システム１００を構成してもよい。
【０１００】
ここまで、図１１〜図１４を用いて、本発明の第１の実施形態について説明を行った。第１の実施形態に係る伝送システム１００によれば、給電装置１５２の交流信号生成部６０は交流信号を生成し、生成された交流信号は、第１の給電電極６４及び第２の給電電極６６から静電界における電位差として外部に放射される。そして、受電装置１５４の第１の受電電極８０及び第２の受電電極８２は、静電界における電位差を感知して電気信号を生成する。そして、整流部８６は、生成された電気信号を整流して直流電力を生成し、回路負荷８８へ供給する。
【０１０１】
このとき、第１の共振部（給電装置１５２の共振部６２）及び第２の共振部（受電装置１５４の共振部１８４）の有する誘導成分と容量成分によって、給電装置１５２から受電装置１５４へ伝送される交流信号は共振する。かかる構成により、給電装置１５２から受電装置１５４へ、静電界を用いて効率よく電力が伝送される。
【０１０２】
また、受電装置１５４は、整流部８６から回路負荷８８へ供給されている電力値を測定する電力測定部１２０と、電力測定部１２０により測定された電力値に基づいて共振部１８４の誘導成分及び／または容量成分を制御するインピーダンス制御部１３０とをさらに備えてもよい。かかる構成により、給電装置１５２と受電装置１５４の間の共振の程度を制御し、回路負荷８８へ供給される電力の最大化を図ることができる。
【０１０３】
〔４〕第２の実施形態
次に、図１５及び図１６を参照しながら、本発明の第２の実施形態に係る伝送システム２００について説明する。本実施形態に係る伝送システム２００では、給電装置において生成される交流信号の角周波数を制御することにより供給電力の最大化を図る。
【０１０４】
図１５は、第２の実施形態に係る伝送システム２００の有する機能を概念的に示したブロック図である。図１５を参照すると、伝送システム２００は、誘導素子Ｌａ、容量素子Ｃａ、負荷成分Ｒ、電力測定部２２０、インピーダンス制御部２３０、及び交流信号生成部２６０を含む。
【０１０５】
伝送システム２００において、誘導素子Ｌａ、容量素子Ｃａ、負荷成分Ｒ、及び交流信号生成部２６０は、図８に示した伝送システム５０の等価回路と同様に直列共振回路を形成する。また、電力測定部２２０は、負荷成分Ｒの両端に接続される。そして、電力測定部２２０は、負荷成分Ｒの両端電圧を検出して現在供給されている電力値を測定し、測定した電力値をインピーダンス制御部２３０へ出力する。
【０１０６】
インピーダンス制御部２３０は、電力測定部２２０から出力される電力値が最大となるように、交流信号生成部２６０によって生成される交流信号の角周波数ωを制御する。
【０１０７】
図１５では、伝送システム２００の動作原理を説明するために、給電装置と受電装置とを等価的な直列共振回路に置き換えて説明した。しかしながら、実際には、伝送システム２００は、給電装置と受電装置に分けて構成される。
【０１０８】
図１６は、伝送システム２００の実質的な構成の一例を示すブロック図である。図１６を参照すると、伝送システム２００は、給電装置２５２及び受電装置２５４を含む。
【０１０９】
受電装置２５４は、図６に示した伝送システム５０の受電装置５４と同様に構成される。なお、受電装置２５４の誘導素子Ｌｒ１及び容量素子Ｃｒ１は省略されてもよい。
【０１１０】
給電装置２５２は、共振部６２、第１の給電電極６４、第２の給電電極６６、電力測定部２２０、インピーダンス制御部２３０、及び交流信号生成部２６０を備える。また、共振部６２は、容量素子Ｃｔ１及び誘導素子Ｌｔ１を有する。
【０１１１】
電力測定部２２０は、給電装置２５２から供給されている電力値を測定し、測定された電力値をインピーダンス制御部２３０へ出力する。
【０１１２】
インピーダンス制御部２３０は、電力測定部２２０から出力される電力値に基づいて、例えば図１０に示した電流｜Ｉ（ω）｜を最大化させるように、交流信号生成部２６０の生成する交流信号の角周波数ωを制御する。
【０１１３】
なお、本実施形態において、給電装置２５２に対向する受電装置２５４が存在しない場合、第１の給電電極６４及び第２の給電電極６６から見える負荷が極めて小さくなり、電力測定部２２０によって検出される電力値はほぼゼロに等しくなる。そこで、例えば電力測定部２２０により測定された電力値が予め決定された所定の閾値よりも小さい場合には、交流信号生成部２６０の生成する交流信号の動作電力を必要最低限の電力に抑制してもよい。そうすることにより、伝送システム２００の省電力化を図ることができる。
【０１１４】
ここまで、図１５及び図１６を用いて、本発明の第２の実施形態について説明を行った。第２の実施形態に係る伝送システム２００によれば、給電装置２５２の交流信号生成部２６０は交流信号を生成し、生成された交流信号は、第１の給電電極６４及び第２の給電電極６６から静電界における電位差として外部に放射される。そして、受電装置２５４の第１の受電電極８０及び第２の受電電極８２は、静電界における電位差を感知して電気信号を生成する。また、整流部８６は、生成された電気信号を直流信号に変換して直流電力を生成し、回路負荷８８へ供給する。
【０１１５】
このとき、第１の共振部（給電装置２５２の共振部６２）及び第２の共振部（受電装置２５４の共振部８４）の有する誘導成分と容量成分によって、給電装置２５２から受電装置２５４へ伝送される交流信号は共振する。かかる構成により、給電装置２５２から受電装置２５４へ、静電界を用いて効率よく電力が伝送される。
【０１１６】
また、給電装置２５２は、交流信号生成部２６０の生成する交流信号の電力値を測定する電力測定部２２０、及び、電力測定部２２０により測定された電力値に基づいて交流信号生成部２６０の生成する交流信号の角周波数ωを制御するインピーダンス制御部２３０を、さらに備える。かかる構成により、給電装置２５２と受電装置２５４の間の共振の程度を制御し、受電装置２５４の回路負荷８８へ供給される電力の最大化を図ることができる。
【０１１７】
なお、第１及び第２の実施形態に係る伝送システム１００、２００（並びに後述する他の実施形態に係る伝送システム）において、給電／受電電極の大きさ及び位置関係は、前述の共振条件を満たしている限り、自由に設定され得る。即ち、図１４または図１６に示した静電容量Ｃｅ１または静電容量Ｃｅ２を形成する電極の大きさは、例えば相互に非対称であってもよく、または一方が他方よりも大きくてもよい。
【０１１８】
図３を用いて説明したように、磁界を用いて電力を伝送するシステムでは、磁束とその向きが正しい状態で１次コイル及び２次コイルを通過する必要があり、そうした位置ずれを許容しない位置関係の制約がシステムの使い勝手を阻害する要因となっていた。
【０１１９】
図１７は、図１４または図１６に示した静電容量Ｃｅ１を形成する第１の給電電極６４及び第１の受電電極８０、並びに静電容量Ｃｅ２を形成する第２の給電電極６６及び第２の受電電極８２の位置関係について概念的に示した模式図である。
【０１２０】
図１７（Ａ）において、静電容量Ｃｅ１を形成する第１の給電電極６４と第１の受電電極８０とは、互いに四隅が重なるように配置されている。静電容量Ｃｅ２を形成する第２の給電電極６６と第２の受電電極８２もまた、互いに四隅が重なるように配置されている。
【０１２１】
これに対し、図１７（Ｂ）では、第１の給電電極６４及び第２の給電電極６６が左方向に移動した結果、対向する面積が減少している（網掛け部参照）。このとき、静電容量Ｃｅ１及びＣｅ２は、対向する電極の面積に比例して低下する。しかしながら、ここまでに説明した第１または第２の実施形態に従って伝送システム内の共振状態を維持することにより、位置ずれが生じても効率的に電力を供給することができる。
【０１２２】
〔５〕第３の実施形態
次に、本発明の第３の実施形態として、静電界を用いて電力を伝送するシステムの位置ずれに対する耐性をさらに向上させる伝送システム３００について説明する。
【０１２３】
本発明の第３の実施形態に係る伝送システム３００は、図１８に示す給電装置３５２、及び図１９に示す受電装置３５４を含む。
【０１２４】
図１８は、給電装置３５２の構成の一例を示すブロック図である。図１８を参照すると、給電装置３５２は、交流信号生成部６０、共振部６２、第１の給電電極３６４、及び第２の給電電極３６６を備える。
【０１２５】
前述したように、交流信号生成部６０は、伝送される電力源となる交流信号を生成し、共振部６２へ送出する。共振部６２は、送出された交流信号を第１の給電電極３６４及び第２の給電電極３６６へ中継する。そして、第１の給電電極３６４及び第２の給電電極３６６は、当該交流信号を静電界における電位差として外部へ放射する。
【０１２６】
図１９は、受電装置３５４の構成の一例を示すブロック図である。図１９を参照すると、受電装置３５４は、複数の受電電極３４０、第１選択部３４２、第２選択部３４４、選択判定部３４６、共振部１８４、整流部８６、回路負荷８８、電力測定部１２０、及びインピーダンス制御部１３０を備える。また、本実施形態において、受電電極３４０は、一例として１６個の受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６を有する。
【０１２７】
受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６は、静電界における電位差を感知して電気信号を生成し、生成した電気信号を第１選択部３４２及び第２選択部３４４へ出力する。第１選択部３４２及び第２選択部３４４は、後述する選択判定部３４６から選択信号を受け取って指定された電極を選択し、選択した電極から入力される電気信号を選択判定部３４６を介して共振部１８４へ出力する。
【０１２８】
選択判定部３４６は、以下に説明するように、受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６から出力される電気信号の信号強度に基づいて、受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６を第１の集合と第２の集合とに分類する。そして、選択判定部３４６は、第１の集合に属する電極の選択を指定する選択信号を第１選択部３４２へ出力し、及び第２の集合に属する電極の選択を指定する選択信号を第２選択部３４４へ出力する。
【０１２９】
例えば、図２０に示したように、給電装置３５２の第１及び第２の給電電極３６４、３６６と受電装置３５４の受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６とが重なっている場合を想定する。この場合、受電電極ＥＲ１〜ＥＲ８は、第１の給電電極３６４から放射された電位を感知する。また、受電電極ＥＲ９〜ＥＲ１６は、第２の給電電極３６６から放射された電位を感知する。このとき、例えば受電電極ＥＲ１の電位を基準電位とすると、受電電極ＥＲ２〜ＥＲ８の電位は基準電位に等しいため、受電電極ＥＲ２〜ＥＲ８からは電気信号が出力されない。一方、ＥＲ９〜ＥＲ１６の電位は第１の給電電極３６４と第２の給電電極３６６の電位差に相当し、ＥＲ９〜ＥＲ１６から当該電位差に応じた電気信号が出力される。
【０１３０】
選択判定部３４６は、かかる電気信号を検知し、受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６のうち受電電極ＥＲ１〜ＥＲ８を第１の集合、受電電極ＥＲ９〜ＥＲ１６を第２の集合として分類する。そして、選択判定部３４６は、第１選択部３４２へ第１の集合に属する受電電極ＥＲ１〜ＥＲ８の選択を指定し、及び第２選択部３４４へ第２の集合に属する受電電極ＥＲ９〜ＥＲ１６の選択を指定する。
【０１３１】
また、図２０とは異なる例として、例えば図２１に示したように、給電装置３５２の第１及び第２の給電電極３６４、３６６と受電装置３５４の受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６とが重なっている場合を想定する。このとき、例えば受電電極ＥＲ２の電位を基準電位とすると、ＥＲ２と同様に第１の給電電極３６４から放射された電位を感知する受電電極ＥＲ３、ＥＲ４、ＥＲ７、ＥＲ８及びＥＲ１２からは、電気信号が出力されない。また、第１の給電電極３６４と第２の給電電極３６６の中間位置に重なる受電電極ＥＲ６、ＥＲ１１及びＥＲ１６、並びに第１の給電電極３６４または第２の給電電極３６６に重なる位置から外れた受電電極ＥＲ１及びＥＲ１３からは、弱い電気信号が出力される。また、第２の給電電極３６６から放射された電位を感知する受電電極ＥＲ５、ＥＲ９、ＥＲ１０、ＥＲ１４及びＥＲ１５からは、強い電気信号が出力される。
【０１３２】
選択判定部３４６は、かかる電気信号を検知し、受電電極ＥＲ２、ＥＲ３、ＥＲ４、ＥＲ７、ＥＲ８及びＥＲ１２を第１の集合、受電電極ＥＲ５、ＥＲ９、ＥＲ１０、ＥＲ１４及びＥＲ１５を第２の集合として分類する。そして、選択判定部３４６は、第１選択部３４２へ第１の集合に属する受電電極ＥＲ２、ＥＲ３、ＥＲ４、ＥＲ７、ＥＲ８及びＥＲ１２の選択を指定し、並びに第２選択部３４４へ第２の集合に属する受電電極ＥＲ５、ＥＲ９、ＥＲ１０、ＥＲ１４及びＥＲ１５の選択を指定する。
【０１３３】
図１９の説明に戻ると、受電装置３５４の共振部１８４は、このように分類された第１の集合と第２の集合にそれぞれ属する受電電極ＥＲ１〜ＥＲ１６から入力された電気信号を、共振部１８４の有する誘導成分及び／または容量成分によって共振させる。そして、共振部１８４による共振は、前述の第１の実施形態に関連して説明した手法に従い、電力測定部１２０及びインピーダンス制御部１３０によって制御される。
【０１３４】
ここまで、図１７〜図２１を用いて、本発明の第３の実施形態について説明を行った。第３の実施形態に係る伝送システム３００によれば、給電装置３５２と受電装置３５４の位置関係にずれが生じても、給電装置３５２の２つの給電電極間の電位差が、受電装置３５４の共振部１８４に鈍化することなく伝えられ、共振状態において効率よく電力を供給することができる。
【０１３５】
〔６〕第４の実施形態
ここまでに説明した第１〜第３の実施形態においては、給電電極及び受電電極を共に２枚以上備える例について説明を行った。しかしながら、対向する１対の給電電極及び受電電極によって静電界を用いて電力を伝送することも可能である。その場合、導電体とその導電体が設置された空間との間に形成される静電容量が、共振に寄与する。
【０１３６】
図２２は、対向する１対の給電電極及び受電電極によって電力を伝送する、本発明の第４の実施形態に係る伝送システム４００の構成を示すブロック図である。
【０１３７】
図２２を参照すると、伝送システム４００は、給電装置４５２及び受電装置４５４を含む。また、給電装置４５２は、交流信号生成部６０、共振部６２、給電電極４６４、及び導電体４６６を備える。受電装置４５４は、受電電極４８０、導電体４８２、共振部８４、整流部８６、及び回路負荷８８を備える。
【０１３８】
伝送システム４００において、給電装置４５２の給電電極４６４は受電装置４５４の受電電極４８０と静電結合し、静電容量Ｃ３を形成する。一方、給電装置４５２の導電体４６６と受電装置４５４の導電体４８２は互いに離れた位置にあるため、強く静電結合しない。その代わりに、給電装置４５２の導電体４６６は、空間と静電結合し、静電容量Ｃ４を形成する。同様に、受電装置４５４の導電体４８２もまた、空間と静電結合し、静電容量Ｃ５を形成する。よって、空間という仮想的な共通点を介して、給電電極４６４→受電電極４８０→共振部８４→導電体４８２→導電体４６６→共振部６２→給電電極４６４という共振回路としての閉回路が形成される。それにより、給電装置４５２から受電装置４５４へ、静電界を用いて効率よく電力が伝送される。
【０１３９】
なお、図２２を用いて説明した第４の実施形態を、例えば前述の第１の実施形態に係る誘導成分及び／または容量成分の制御、または前述の第２の実施形態に係る交流信号の角周波数の制御と組み合わせてもよい。
【０１４０】
〔７〕第５の実施形態
ここまでに説明した第１〜第４の実施形態においては、給電装置から受電装置へ電力のみを伝送する例について説明を行った。しかしながら、電力の伝送に用いられる周波数とは異なる周波数を利用して、給電装置と受電装置との間でさらに無線通信を行うことも可能である。かかる無線通信により、例えば第２の実施形態において説明した給電装置における角周波数の制御を、受電装置にて測定した情報に基づいて行うことができる。
【０１４１】
図２３は、本発明の第５の実施形態に係る伝送システム５００の構成を示すブロック図である。
【０１４２】
図２３を参照すると、伝送システム５００は、給電装置５５２及び受電装置５５４を含む。また、給電装置５５２は、交流信号生成部５６０、共振部６２、第１の給電電極６４、第２の給電電極６６、第２通信部５９２、及び角周波数制御部５３０を備える。受電装置５５４は、第１の受電電極８０、第２の受電電極８２、共振部８４、整流部８６、電力測定部５２０、回路負荷８８、及び第１通信部５９０を備える。
【０１４３】
受電装置５５４において、電力測定部５２０は、整流部８６と回路負荷８８との間に接続される。そして、電力測定部５２０は、回路負荷８８の両端電圧を検出して現在供給されている電力値を測定し、測定した電力値を第１通信部５９０へ出力する。
【０１４４】
第１通信部５９０は、電力測定部５２０から出力された電力値を、第２の受電電極８２を介して無線信号として給電装置５５２へ送信する。即ち、本実施形態において、第２の受電電極８２では、給電装置５５２から伝送される電力と給電装置５５２へ送信される無線信号が重畳される。このとき、無線信号が電力伝送に影響を与えないために、給電装置５５２へ送信される無線信号の周波数Ｆｒを給電装置５５２から伝送される交流信号の周波数Ｆｇよりも十分に高い周波数とし、且つ無線信号の電力レベルを十分小さく設定することが好適である。
【０１４５】
給電装置５５２において、第２通信部５９２は、受電装置５５４から送信された無線信号を第２の給電電極６６を介して受信する。第２通信部５９２は、例えば前述の周波数Ｆｒの周辺の周波数の信号のみを通過させる帯域通過フィルタを用いて、受電装置５５４から送信された無線信号のみを抽出することができる。そして、第２通信部５９２は、受電装置５５４の電力測定部５２０によって測定された前述の電力値を取得し、取得した電力値を角周波数制御部５３０へ出力する。
【０１４６】
角周波数制御部５３０は、第２通信部５９２から出力される電力値に基づいて、第２の実施形態に係るインピーダンス制御部２３０と同様、例えば当該電力値が最大となるように交流信号生成部５６０によって生成される交流信号の角周波数ωを制御する。
【０１４７】
また、角周波数制御部５３０は、第２通信部５９２から出力される電力値に基づいて、受電装置５５４の回路負荷８８が動作するための必要最小限の電力のみが供給されるように、交流信号生成部５６０によって生成される交流信号の角周波数ωを制御してもよい。それにより、余剰の電力を生成または伝送することなく、効率的に電力が伝送される。
【０１４８】
なお、第１通信部５９０と第２通信部５９２との間で送受信される無線信号としては、例えば位相偏移変調、振幅偏移変調、直交振幅変調などの任意の変調方式に従って変調された無線信号を用いることができる。また、第１通信部５９０と第２通信部５９２との間の無線通信は、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ｂ、ｇ、ｎなどの任意の無線通信の標準規格を用いて行われる。
【０１４９】
〔８〕第６の実施形態
第５の実施形態においては、給電装置と受電装置が共に電力伝送と無線通信の両方に対応した例について説明を行った。これに対し、例えば受電装置に補助的な電源を備えて、給電装置が電力伝送の仕組みを有していない場合にも動作可能な受電装置を実現してもよい。
【０１５０】
図２４〜図２６は、本発明の第６の実施形態に係る伝送システム６００の構成の一例を示すブロック図である。
【０１５１】
図２４を参照すると、伝送システム６００は、給電装置６５２及び受電装置６５４を含む。また、給電装置６５２は、交流信号生成部６０、共振部６２、第１の給電電極６４、第２の給電電極６６、及び第２通信部６９２を備える。受電装置６５４は、第１の受電電極８０、第２の受電電極８２、共振部８４、整流部８６、電力測定部６２０、回路負荷８８、第１通信部６９０、電源選択部６９４、及び２次電源部６９６を備える。
【０１５２】
伝送システム６００において、受電装置６５４の第１通信部６９０と送電装置６５２の第２通信部６９２は、第５の実施形態に係る第１通信部５９０及び第２通信部５９２と同様、第２の受電電極８２及び第２の給電電極６６を介して無線通信を行う。
【０１５３】
電力測定部６２０は、回路負荷８８の両端電圧を検出して現在供給されている電力値を測定し、測定した電力値を電源選択部６９４へ出力する。
【０１５４】
電源選択部６９４は、整流部８６と２次電源部６９６に接続され、電力測定部６２０から出力された電力値に基づいて、整流部８６または２次電源部６９６のいずれかから出力される電力を第１通信部６９０へ供給させる。例えば、電源選択部６９４は、電力測定部６２０により測定された電力値が所定の閾値よりも大きい場合には、整流部８６により生成された直流電力を第１通信部６９０へ供給させる。また、電源選択部６９４は、電力測定部６２０により測定された電力値が所定の閾値よりも小さい場合には、２次電源部６９６から第１通信部６９０へ電力を供給させる。
【０１５５】
２次電源部６９６は、電源選択部６９４に接続される。２次電源部６９６からの電力は、電源選択部６９４による選択に応じて、第１通信部６０へ供給される。２次電源部６９６は、例えば商用電源に接続される電源装置またはＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ）アダプタ、蓄電池や乾電池などの電池などであってもよい。
【０１５６】
一方、図２５を参照すると、伝送システム６００は、図２４に示した給電装置６５２の代わりに、通信装置６５３を含む。通信装置６５３は、通信電極６６７と第２通信部６９２を含む。
【０１５７】
図２５において、受電装置６５４の第１通信部６９０と通信装置６５３の第２通信部６９２は、第２の受電電極８２及び通信電極６６７を介して無線通信を行う。
【０１５８】
また、図２６を参照すると、図２５に示した通信装置６５３と受電装置６５４との間に媒体６６５が介在している。媒体６６５は、例えば人体のほか、銅、鉄等の金属に代表される導電体、純水、ガラス等に代表される誘電体、またはこれらの複合体などであってもよい。伝送システム６００において、通信装置６５３と受電装置６５４は、このように媒体６６５が介在した場合にも相互に無線通信を行うことができる。
【０１５９】
図２５または図２６に示した状況では、通常、受電装置６５４の電力測定部６２０から出力される電力値は微量となる。そうした場合には、電源選択部６９４において、当該電力値が前述した所定の閾値を下回るため、２次電源部６９６から第１通信部６９０へ電力が供給される。
【０１６０】
ここまで、図２４〜図２６を用いて、本発明の第６の実施形態について説明を行った。第６の実施形態に係る受電装置６５４によれば、通信相手となる装置が給電機能を有しているかどうかに関わらず、無線通信を行うことができる。
【０１６１】
なお、本明細書において説明した制御処理または選択処理などの一連の処理をハードウェアで実現するかソフトウェアで実現するかは問わない。一連の処理をソフトウェアで実行させる場合には、ソフトウェアを構成するプログラムが、専用のハードウェアに組み込まれたコンピュータ、または例えば図２７に示した汎用コンピュータなどを用いて実行される。
【０１６２】
図２７において、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）９０２は、汎用コンピュータの動作全般を制御する。ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）９０４には、一連の処理の一部または全部を記述したプログラムまたはデータが格納される。ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）９０６には、ＣＰＵ９０２が演算処理に用いるプログラムやデータなどが一時的に記憶される。
【０１６３】
ＣＰＵ９０２、ＲＯＭ９０４、及びＲＡＭ９０６は、バス９０８を介して相互に接続される。バス９０８にはさらに、入出力インタフェース９１０が接続される。
【０１６４】
入出力インタフェース９１０は、ＣＰＵ９０２、ＲＯＭ９０４、及びＲＡＭ９０６と、入力部９１２、出力部９１４、記憶部９１６、通信部９１８、及びドライブ９２０とを接続するためのインタフェースである。
【０１６５】
入力部９１２は、例えばボタン、スイッチ、レバー、マウスやキーボードなどの入力装置を介して、利用者からの指示や情報入力を受け付ける。出力部９１４は、例えばＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）、液晶ディスプレイ、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの表示装置、またはスピーカーなどの音声出力装置を介して利用者に対して情報を出力する。
【０１６６】
記憶部９１６は、例えばハードディスクドライブまたはフラッシュメモリなどにより構成され、プログラムまたはプログラムデータなどを記憶する。通信部９１８は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）またはインターネットなどのネットワークを介する通信処理を行う。ドライブ９２０は、必要に応じて汎用コンピュータに設けられ、例えばドライブ９２０にはリムーバブルメディア９２２が装着される。
【０１６７】
一連の処理をソフトウェアで実行する場合には、例えば図２７に示したＲＯＭ９０４、記憶部９１６、またはリムーバブルメディア９２２に格納されたプログラムが、実行時にＲＡＭ９０６に読み込まれ、ＣＰＵ９０２によって実行される。
【０１６８】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１６９】
例えば、ここまで説明した第１〜第６の実施形態では、給電電極及び受電電極の形状を平板の形で示したが、給電電極及び受電電極の形状は平板でなくてもよい。また、給電電極または受電電極を複数備える場合に、複数の給電電極または受電電極は必ずしも図示したように同一平面上に配置されなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１７０】
【図１】磁界を用いて電力を伝送する伝送システムの一例を示す模式図である。
【図２】電波を用いて電力を伝送する伝送システムの一例を示す模式図である。
【図３】磁界を用いて電力を伝送する伝送システムの位置の制約について説明するための模式図である。
【図４】磁界を用いて電力を伝送する伝送システムによって生じる渦電流の一例を示す模式図である。
【図５】電波を用いて電力を伝送する伝送システムにおけるアンテナと波長の関係を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る伝送システムの基本的な構成の一例を示すブロック図である。
【図７】２つの電極が静電結合する様子を示す模式図である。
【図８】図６に示した伝送システムの等価回路を示すブロック図である。
【図９】図８に示した伝送システムの等価回路を簡略化して示すブロック図である。
【図１０】図９に示した等価回路の特性の一例を示すブロック図である。
【図１１】第１の実施形態に係る伝送システムの有する機能を概念的に示したブロック図である。
【図１２】バリキャップ素子の回路記号と特性曲線を示す説明図である。
【図１３】可変誘導素子の構成の一例を示す模式図である。
【図１４】第１の実施形態に係る伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図１５】第２の実施形態に係る伝送システムの有する機能を概念的に示したブロック図である。
【図１６】第２の実施形態に係る伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図１７】給電電極及び受電電極の位置関係について概念的に示す模式図である。
【図１８】第３の実施形態に係る給電装置の構成を示すブロック図である。
【図１９】第３の実施形態に係る受電装置の構成を示すブロック図である。
【図２０】給電装置と受電装置の位置関係の一例を示す模式図である。
【図２１】給電装置と受電装置の位置関係の他の例を示す模式図である。
【図２２】第４の実施形態に係る伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図２３】第５の実施形態に係る伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図２４】第６の実施形態に係る伝送システムの第１の構成例を示すブロック図である。
【図２５】第６の実施形態に係る伝送システムの第２の構成例を示すブロック図である。
【図２６】第６の実施形態に係る伝送システムの第３の構成例を示すブロック図である。
【図２７】汎用コンピュータの構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１７１】
１００、２００、３００、４００、５００、６００ 伝送システム
１５２、２５２、３５２、４５２、５５２、６５２ 給電装置
１５４、２５４、３５４、４５４、５５４、６５４ 受電装置
６０、２６０、５６０ 交流信号生成部
６２ 第１共振部
６４、６６、３６４、３６６、４６４ 給電電極
８０、８２、３４０、４８０ 受電電極
８４、１８４ 第２共振部
８６ 整流部
１２０、２２０、５２０、６２０ 電力測定部
１３０、２３０、５３０ 制御部
３４２ 第１選択部
３４４ 第２選択部
３４６ 選択判定部
５９０、６９０ 第１通信部
５９２、６９２ 第２通信部
６９４ 電源選択部
６９６ ２次電源部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流信号を生成する交流信号生成部；
誘導成分及び／または容量成分を有し、前記交流信号生成部により生成された前記交流信号を共振させる第１共振部；
及び共振された前記交流信号を静電界における電位差として外部に放射する給電電極；
を備える給電装置と：
静電界における電位差を感知して電気信号を生成する受電電極；
誘導成分及び／または容量成分を有し、前記受電電極により生成された前記電気信号を共振させる第２共振部；
及び共振された前記電気信号を整流する整流部；
を備える受電装置と：
を含む伝送システム。
【請求項２】
前記受電装置は、
前記整流部により前記電気信号が整流されて生じる電力の電力値を測定する電力測定部と；
前記電力測定部により測定された前記電力値に基づいて前記第２共振部の誘導成分及び／または容量成分を制御する制御部と；
をさらに備える、請求項１に記載の伝送システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記第２共振部の有するバリキャップ素子に印加される電圧を変化させることにより前記第２共振部の容量成分を制御する、請求項２に記載の伝送システム。
【請求項４】
前記制御部は、コイルの内部を少なくとも部分的に貫通するように把持された制御材を制動することにより前記第２共振部の誘導成分を制御する、請求項２に記載の伝送システム。
【請求項５】
前記給電装置は、
前記給電装置から供給される電力の電力値を測定する電力測定部と；
前記電力測定部により測定された前記電力値に基づいて前記第１共振部の誘導成分及び／または容量成分を制御する制御部と；
をさらに備える、請求項１に記載の伝送システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記第１共振部の有するバリキャップ素子に印加される電圧を変化させることにより前記第１共振部の容量成分を制御する、請求項５に記載の伝送システム。
【請求項７】
前記制御部は、コイルの内部を少なくとも部分的に貫通するように把持された制御材を制動することにより前記第１共振部の誘導成分を制御する、請求項５に記載の伝送システム。
【請求項８】
前記給電装置は、
前記給電装置から供給される電力の電力値を測定する電力測定部と；
前記電力測定部により測定された前記電力値に基づいて前記交流信号生成部の生成する交流信号の角周波数を制御する制御部と；
をさらに備える、請求項１に記載の伝送システム。
【請求項９】
前記制御部は、前記電力測定部により測定された前記電力値が所定の閾値よりも小さい場合には前記交流信号生成部の生成する交流信号の出力を低下させる、請求項８に記載の伝送システム。
【請求項１０】
前記給電電極の大きさと前記受電電極の大きさとが異なる、請求項１に記載の伝送システム。
【請求項１１】
前記受電電極は、複数の電極を含み；
前記受電装置は、
前記複数の電極の中から指定された電極をそれぞれ選択可能な第１選択部及び第２選択部と；
前記複数の電極からそれぞれ出力される電気信号の信号強度に基づいて、前記複数の電極を第１の集合と第２の集合とに分類し、前記第１選択部に前記第１の集合に属する電極を選択することを指定し、及び前記第２選択部に前記第２の集合に属する電極を選択することを指定する選択判定部と；
をさらに備える、
請求項１に記載の伝送システム。
【請求項１２】
前記受電装置は、
前記整流部により前記電気信号が整流されて生じる電力の電力値を測定する電力測定部と；
前記電力測定部により測定された前記電力値を前記受電電極を介して無線信号により送信する第１通信部と；
をさらに備え、
前記給電装置は、
前記受電装置から送信された前記電力値を前記給電電極を介して受信する第２通信部と；
前記第２通信部により受信された前記電力値に基づいて前記交流信号生成部の生成する交流信号の角周波数を制御する制御部と；
をさらに備える、
請求項１に記載の伝送システム。
【請求項１３】
前記受電装置は、
前記受電電極を介して前記給電装置との間で無線通信を行う第１通信部と；
前記第１通信部に接続された２次電源部と；
前記整流部により前記電気信号が整流されて生じる電力の電力値を測定する電力測定部と；
前記電力測定部により測定された前記電力値が所定の閾値よりも大きい場合には、前記整流部から前記第１通信部へ電力を供給させ、前記電力測定部により測定された前記電力値が所定の閾値よりも小さい場合には、前記２次電源部から前記第１通信部へ電力を供給させる電源選択部と；
をさらに備える、
請求項１に記載の伝送システム。
【請求項１４】
交流信号を生成する交流信号生成部と；
誘導成分及び／または容量成分を有し、前記交流信号生成部により生成された前記交流信号を共振させる共振部と；
共振された前記交流信号を静電界における電位差として外部に放射する給電電極と；
を備える給電装置。
【請求項１５】
静電界における電位差を感知して電気信号を生成する受電電極と；
誘導成分及び／または容量成分を有し、前記受電電極により生成された前記電気信号を共振させる共振部と；
共振された前記電気信号を整流する整流部と；
を備える受電装置。
【請求項１６】
交流信号を生成するステップと；
給電装置の共振部と受電装置の共振部とにより形成される共振回路の誘導成分及び／または容量成分によって、生成された前記交流信号を共振させるステップと；
共振された前記交流信号を静電界における電位差として前記給電装置から放射するステップと；
前記受電装置において静電界における電位差を感知して電気信号を生成するステップと；
生成された前記電気信号を整流するステップと；
を含む伝送方法。
【請求項１】
交流信号を生成する交流信号生成部；
誘導成分及び／または容量成分を有し、前記交流信号生成部により生成された前記交流信号を共振させる第１共振部；
及び共振された前記交流信号を静電界における電位差として外部に放射する給電電極；
を備える給電装置と：
静電界における電位差を感知して電気信号を生成する受電電極；
誘導成分及び／または容量成分を有し、前記受電電極により生成された前記電気信号を共振させる第２共振部；
及び共振された前記電気信号を整流する整流部；
を備える受電装置と：
を含む伝送システム。
【請求項２】
前記受電装置は、
前記整流部により前記電気信号が整流されて生じる電力の電力値を測定する電力測定部と；
前記電力測定部により測定された前記電力値に基づいて前記第２共振部の誘導成分及び／または容量成分を制御する制御部と；
をさらに備える、請求項１に記載の伝送システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記第２共振部の有するバリキャップ素子に印加される電圧を変化させることにより前記第２共振部の容量成分を制御する、請求項２に記載の伝送システム。
【請求項４】
前記制御部は、コイルの内部を少なくとも部分的に貫通するように把持された制御材を制動することにより前記第２共振部の誘導成分を制御する、請求項２に記載の伝送システム。
【請求項５】
前記給電装置は、
前記給電装置から供給される電力の電力値を測定する電力測定部と；
前記電力測定部により測定された前記電力値に基づいて前記第１共振部の誘導成分及び／または容量成分を制御する制御部と；
をさらに備える、請求項１に記載の伝送システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記第１共振部の有するバリキャップ素子に印加される電圧を変化させることにより前記第１共振部の容量成分を制御する、請求項５に記載の伝送システム。
【請求項７】
前記制御部は、コイルの内部を少なくとも部分的に貫通するように把持された制御材を制動することにより前記第１共振部の誘導成分を制御する、請求項５に記載の伝送システム。
【請求項８】
前記給電装置は、
前記給電装置から供給される電力の電力値を測定する電力測定部と；
前記電力測定部により測定された前記電力値に基づいて前記交流信号生成部の生成する交流信号の角周波数を制御する制御部と；
をさらに備える、請求項１に記載の伝送システム。
【請求項９】
前記制御部は、前記電力測定部により測定された前記電力値が所定の閾値よりも小さい場合には前記交流信号生成部の生成する交流信号の出力を低下させる、請求項８に記載の伝送システム。
【請求項１０】
前記給電電極の大きさと前記受電電極の大きさとが異なる、請求項１に記載の伝送システム。
【請求項１１】
前記受電電極は、複数の電極を含み；
前記受電装置は、
前記複数の電極の中から指定された電極をそれぞれ選択可能な第１選択部及び第２選択部と；
前記複数の電極からそれぞれ出力される電気信号の信号強度に基づいて、前記複数の電極を第１の集合と第２の集合とに分類し、前記第１選択部に前記第１の集合に属する電極を選択することを指定し、及び前記第２選択部に前記第２の集合に属する電極を選択することを指定する選択判定部と；
をさらに備える、
請求項１に記載の伝送システム。
【請求項１２】
前記受電装置は、
前記整流部により前記電気信号が整流されて生じる電力の電力値を測定する電力測定部と；
前記電力測定部により測定された前記電力値を前記受電電極を介して無線信号により送信する第１通信部と；
をさらに備え、
前記給電装置は、
前記受電装置から送信された前記電力値を前記給電電極を介して受信する第２通信部と；
前記第２通信部により受信された前記電力値に基づいて前記交流信号生成部の生成する交流信号の角周波数を制御する制御部と；
をさらに備える、
請求項１に記載の伝送システム。
【請求項１３】
前記受電装置は、
前記受電電極を介して前記給電装置との間で無線通信を行う第１通信部と；
前記第１通信部に接続された２次電源部と；
前記整流部により前記電気信号が整流されて生じる電力の電力値を測定する電力測定部と；
前記電力測定部により測定された前記電力値が所定の閾値よりも大きい場合には、前記整流部から前記第１通信部へ電力を供給させ、前記電力測定部により測定された前記電力値が所定の閾値よりも小さい場合には、前記２次電源部から前記第１通信部へ電力を供給させる電源選択部と；
をさらに備える、
請求項１に記載の伝送システム。
【請求項１４】
交流信号を生成する交流信号生成部と；
誘導成分及び／または容量成分を有し、前記交流信号生成部により生成された前記交流信号を共振させる共振部と；
共振された前記交流信号を静電界における電位差として外部に放射する給電電極と；
を備える給電装置。
【請求項１５】
静電界における電位差を感知して電気信号を生成する受電電極と；
誘導成分及び／または容量成分を有し、前記受電電極により生成された前記電気信号を共振させる共振部と；
共振された前記電気信号を整流する整流部と；
を備える受電装置。
【請求項１６】
交流信号を生成するステップと；
給電装置の共振部と受電装置の共振部とにより形成される共振回路の誘導成分及び／または容量成分によって、生成された前記交流信号を共振させるステップと；
共振された前記交流信号を静電界における電位差として前記給電装置から放射するステップと；
前記受電装置において静電界における電位差を感知して電気信号を生成するステップと；
生成された前記電気信号を整流するステップと；
を含む伝送方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２００９−２９６８５７（Ｐ２００９−２９６８５７Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５０９１１（Ｐ２００８−１５０９１１）
【出願日】平成２０年６月９日（２００８．６．９）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月９日（２００８．６．９）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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