無線電力伝送システム
【課題】サーキュレータ等を用いずに高い電力伝送効率を実現し、かつ、受電機器から送電機器へ信号を伝送することを可能とする無線電力伝送システムを提供する。
【解決手段】送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムにおいて、送電機器は、Ｅ級増幅部と、送信共振回路部と、Ｅ級増幅部から送信共振回路部を見たときのインピーダンスに応じたＥ級増幅部の所定位置の電圧または電流の波形を検出する検出部と、波形に応じた信号を抽出する信号抽出部とを備えている。受電機器は、受信共振回路部と、整流回路部と、電力再生部と、整流回路部と電力再生部との間に接続されてインピーダンスを切り替えるインピーダンス可変部とを備えている。インピーダンスが切り替わると、検出部は上述の波形の変化を検出し、信号抽出部は検出部が検出した波形に応じた信号を抽出して出力する。
【解決手段】送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムにおいて、送電機器は、Ｅ級増幅部と、送信共振回路部と、Ｅ級増幅部から送信共振回路部を見たときのインピーダンスに応じたＥ級増幅部の所定位置の電圧または電流の波形を検出する検出部と、波形に応じた信号を抽出する信号抽出部とを備えている。受電機器は、受信共振回路部と、整流回路部と、電力再生部と、整流回路部と電力再生部との間に接続されてインピーダンスを切り替えるインピーダンス可変部とを備えている。インピーダンスが切り替わると、検出部は上述の波形の変化を検出し、信号抽出部は検出部が検出した波形に応じた信号を抽出して出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電機器と受電機器からなる無線電力伝送システムであって、送電機器から受電機器に電力を送電しつつ、受電機器から送電機器、そして送電機器から受電機器にデータ信号を送受信する無線電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話や地上デジタル放送などの技術開発が進み、有線で接続することなく、無線電波を用いて、データ、音声、またはテレビ放送などを受信する無線受信機器が普及している。一方で、無線受信機器の多くは電力が有線で供給されており、内蔵している充電池などを充電することで使用されている。無線による通信技術が発展する中、電力もまたデータ信号などと同様に無線で伝送する取組みが行われている。
【０００３】
例えば、電動シェーバーや電動歯ブラシなどの用途において、電磁誘導による無線電力伝送方式を採用した製品が商品化されており、ユーザの利便性を高めることに成功している。特許文献１においては、送電機器と受電機器の互いのコイルを電磁結合させ、送電機器から受電機器に無線で電力を送る一方、送電機器から受電機器、そして受電機器から送電機器へデータ伝送するシステムの構成が示されている。
【０００４】
以下、図１０を参照しながら、特許文献１の動作を説明する。
【０００５】
図１０は、従来の非接触型データ読み取り／書き込みシステムの構成を示す。このシステムでは読取／書込装置９１１（送電機器）と非接触ＩＣカード９９２（受電機器）が電磁結合され、非接触でデータの読み取り／書き込みが行われる。読取／書込装置９１１の無線送信部１３１は、非接触ＩＣカード９９２へ伝送する電力とデータ信号を生成する。周期信号発生部６１は、送信共振回路部９１と受信共振回路部９２の共振周波数と略同じ周波数ｆｏを周期とする周期信号を出力する。変調部９は、非接触ＩＣカード９９２へ送信したいデータ信号１１１を用いて、周期信号発生部６１から出力された周期信号を搬送波としてデータ信号１１１で変調した波形を出力する。増幅部５１は、変調部９の出力を必要な振幅に増幅する。整合回路部２１でインピーダンス整合をとり、周期信号をデータ信号１１１で変調した電力とデータ信号の波形を出力する。この出力が、無線送信部１３１の出力となる。
【０００６】
無線送信部１３１の出力は、サーキュレータ１７１へ入力される。サーキュレータ１７１は、整合回路部２１からの入力は送信共振回路部９１へ出力し、送信共振回路部９１からの入力は無線受信部１４１へ出力し、無線受信部１４１からの入力は整合回路部２１へ出力する。なお、無線受信部１４１から整合回路部２１への入力は実際にはほとんど存在しない。したがって、無線送信部１３１の出力はサーキュレータ１７１によって送信共振回路部９１へ入力される。
【０００７】
送信共振回路部９１と受信共振回路部９２とは電磁誘導によって非接触に電磁結合されているため、無線送信部１３１の出力は、送信共振回路部９１、受信共振回路部９２を通して、ＩＣチップ３２へと伝送される。ＩＣチップ３２は、伝送されたデータ信号から自身を駆動するための電力を得て、データ信号を受信する。以上の流れで、読取／書込装置９１１から非接触ＩＣカード９９２へ、電力およびデータが伝送される。
【０００８】
次に、非接触ＩＣカード９９２から読取／書込装置９１１へのデータ伝送の流れを説明する。ＩＣチップ３２は、送信したいデータ信号に応じて、受信共振回路部９２の負荷抵抗（図示せず）の値を切り替える。負荷抵抗の値を切り替えると、読取／書込装置９１１においては、そのサーキュレータ１７１から送信共振回路部９１を見たインピーダンスが変化する。その結果、読取／書込装置９１１内を伝送される信号のうち、サーキュレータ１７１から送信共振回路部９１へ入力され、送信共振回路部９１で反射されてサーキュレータ１７１へ返ってくる信号の波形が、非接触ＩＣカード９９２の受信共振回路部９２の負荷抵抗の値によって変化することになる。
【０００９】
サーキュレータ１７１は、反射して返ってきた信号波形を無線受信部１４１側へ出力する。復調部１０１は、負荷抵抗の変化によって生じた信号波形の変化からデータ信号を復調し、非接触ＩＣカード９９２から読取／書込装置９１１へのデータ信号として、受信信号１２１を出力する。
【００１０】
このようにサーキュレータを用いることで、無線送信部１３１の出力が無線受信部１４１へ回り込まず、非接触ＩＣカード９９２へと出力されるので、電力損失を低減できる。また、負荷抵抗の変化によって生じた送信共振回路部９１の反射波が、無線送信部１３１へは入力されずに無線受信部１４１にだけ入力されるため、信号波形の変化が小さくなることを回避でき、復調部１０１でデータ信号を復調しやすくなっている。
【００１１】
以上のような構成により、読取／書込装置９１１（送電機器）から非接触ＩＣカード９９２（受電機器）へ電力を伝送し、加えて受電機器から送電機器へ、そして送電機器から受電機器へデータ伝送することを可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−２０６２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、送電機器にサーキュレータを配置すると、サーキュレータの挿入による挿入損が必ず発生する。
【００１４】
この挿入損は、近年開発が活発化しつつある中〜大電力用途（ＡＶ機器や電気自動車）においては無視できない。その理由は、中〜大電力用途では、有線による電力伝送効率とできるだけ同じ効率に近づけるよう求められ、極力損失源となる要素を排除することが必要だからである。
【００１５】
なお、特許文献１の技術の用途は、非接触ＩＣカードへの電力及びデータの伝送である。そして伝送される電力はμＷ級と小さい。そのため、特許文献１の技術の用途においては上述の挿入損は問題とならない。
【００１６】
また、図１０のシステムでは、データの送受信が主目的であり、無線による電力伝送はデータの送信／受信を行うために必要とされているに過ぎなかった。一方、データの送信／受信を行うものの、無線で電力を伝送することの方が主目的である場合には、高い電力伝送効率が求められる。
【００１７】
高い電力伝送効率を追求するためには、Ｅ級増幅回路が利用されることがある。Ｅ級増幅回路は、直流電源からの直流電圧を効率よく交流信号に変換する回路として知られている。Ｅ級増幅回路は、Ａ級増幅回路やＢ級増幅回路などと異なり、入力信号を増幅するのではなく、入力となる周期信号をトリガーとして入力し、直流電圧を交流電圧に効率よく変換する。Ｅ級増幅回路は、単一周波数を生成し、特定の共振周波数の信号を用いて送電機器から受電機器へ電力を伝送するシステムには適している。
【００１８】
その上で、データの送信／受信を行うための機能の実装も考慮する必要がある。たとえば盗電できないよう安全に無線で電力伝送を行うために、送電機器と受電機器との間で認証、調停などを行う必要がある。そのためには、最低でも受電機器から送電機器へデータ伝送するための機能や、送電機器から受電機器へデータ伝送することのできる双方向データ伝送の機能を持たせる必要がある。
【００１９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、サーキュレータ等を用いずに高い電力伝送効率を実現し、かつ、受電機器から送電機器へデータ伝送し、送電機器から受電機器へデータ伝送することを可能とする、無線電力伝送システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明による無線電力伝送システムは、送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムであって、前記送電機器は、周期信号を発生する周期信号発生部と、前記周期信号発生部からの前記周期信号に応じてスイッチング動作するスイッチ部と、直流電源と前記スイッチ部の一端を接続する第１のインダクタと、前記スイッチ部の一端とグランドを接続する第１のキャパシタと、前記スイッチ部の一端に接続された第２のインダクタと第２のキャパシタで構成されたＬＣ共振回路部と、前記ＬＣ共振回路部に接続され、前記周期信号の周期と略同じ共振周波数を有する送信共振回路部と、前記スイッチ部の一端の電圧、または、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する検出部と、前記検出部の出力から信号を抽出する信号抽出部とを備え、かつ、前記周期信号で前記スイッチ部をスイッチング動作することで、前記直流電源から供給される電力を、前記周期信号と略同じ周波数を有する交流信号に変換するＥ級増幅動作を行い、前記受電機器は、前記送信共振回路部と電磁結合し、前記送信共振回路部と共振する受信共振回路部と、前記受信共振回路部で受信した信号を整流する整流回路部と、前記整流回路部と電力再生部を接続するインピーダンス可変部と、前記インピーダンス可変部の出力から前記受電機器の電力を生成する電力再生部と、前記受電機器から前記送電機器に伝送する信号に応じて前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替える制御部とを備えている。
【００２１】
前記制御部が、前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替えることで生じる、前記スイッチ部の他端からグランドに流れる電流若しくは前記スイッチ部の他端の電圧の変化を、前記検出部で検出することで、前記受電機器から前記送電機器に前記信号を伝送してもよい。
【００２２】
前記信号抽出部は、前記周期信号発生部の出力をタイミング信号として使用し、前記検出部の出力から前記信号を抽出してもよい。
【００２３】
前記検出部は、抵抗素子を有していてもよく、前記検出部が、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する場合において、前記検出部は、前記スイッチ部からグランドに流れる電流によって生じる電圧を前記信号抽出部に入力し、前記信号抽出部は、入力された電圧から前記信号を抽出してもよい。
【００２４】
前記スイッチ部は、電界効果型トランジスタおよびバイポーラトランジスタの一方によって構成されていてもよい。
【００２５】
本発明による機器は、送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送機器であって、前記送電機器は、周期信号を発生する周期信号発生部と、前記周期信号発生部からの前記周期信号に応じてスイッチング動作するスイッチ部と、直流電源と前記スイッチ部の一端を接続する第１のインダクタと、前記スイッチ部の一端とグランドを接続する第１のキャパシタと、前記スイッチ部の一端に接続された第２のインダクタと第２のキャパシタで構成されたＬＣ共振回路部と、前記ＬＣ共振回路部に接続され、前記周期信号の周期と略同じ共振周波数を有する送信共振回路部と、前記スイッチ部の一端の電圧、または、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する検出部と、前記検出部の出力から信号を抽出する信号抽出部と、前記送電機器から前記受電機器へ送信する第１の送信信号に応じて、前記直流電源の出力電圧を制御する電圧制御部とを備え、かつ、前記周期信号で前記スイッチ部をスイッチング動作することで、前記直流電源から供給される電力を、前記周期信号と略同じ周波数を有する交流信号に変換するＥ級増幅動作を行い、前記受電機器は、前記送信共振回路部と電磁結合し、前記送信共振回路部と共振する受信共振回路部と、前記受信共振回路部で受信した信号を整流する整流回路部と、前記整流回路部と電力再生部を接続するインピーダンス可変部と、前記インピーダンス可変部の出力から前記受電機器の電力を生成する電力再生部と、前記インピーダンス可変部の出力から前記第１の送信信号を復調する復調部と、前記受電機器から前記送電機器に伝送する第２の送信信号に応じて前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替える制御部とを備えている。
【００２６】
前記制御部が、前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替えることで生じる、前記スイッチ部の他端からグランドに流れる電流若しくは前記スイッチ部の他端の電圧の変化を、前記検出部で検出することで、前記受電機器から前記送電機器に前記第２の送信信号を伝送してもよい。
【００２７】
前記信号抽出部は、前記周期信号発生部の出力をタイミング信号として使用し、前記検出部の出力から前記信号を抽出してもよい。
【００２８】
前記検出部は、抵抗素子を有していてもよく、前記検出部が、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する場合において、前記検出部は、前記スイッチ部からグランドに流れる電流によって生じる電圧を前記信号抽出部に入力し、前記信号抽出部は、入力された電圧から前記信号を抽出してもよい。
【００２９】
前記電圧制御部は、前記第１の送信信号に応じて、前記直流電源の出力電圧を変化させることで、前記送信共振回路部から出力される信号が、前記送信共振回路部と前記受信共振回路部の共振周波数と略同じ周波数を持った交流信号を搬送波として、前記第１の送信信号で振幅変調した波形となってもよい。
【００３０】
前記電圧制御部は、前記第１の送信信号に応じて、前記直流電源の出力電圧をパルス幅変調することで、前記送信共振回路部から出力される信号が、前記送信共振回路部と前記受信共振回路部の共振周波数と略同じ周波数を持った交流信号を搬送波として、前記第１の送信信号でパルス幅変調した波形となってもよい。
【００３１】
前記スイッチ部は、電界効果型トランジスタおよびバイポーラトランジスタの一方によって構成されてもよい。
【００３２】
本発明による他のシステムは、送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムであって、前記送電機器は、周期信号を発生する周期信号発生部と、前記送電機器から前記受電機器へ送信する第１の送信信号に応じて、パルス幅変調信号を生成するパルス幅変調信号生成部と、前記周期信号を前記パルス幅変調信号で変調する変調部と、前記変調部の出力に応じてスイッチング動作するスイッチ部と、直流電源と前記スイッチ部の一端を接続する第１のインダクタと、前記スイッチ部の一端とグランドを接続する第１のキャパシタと、前記スイッチ部の一端に接続された第２のインダクタと第２のキャパシタで構成されたＬＣ共振回路部と、前記ＬＣ共振回路部に接続され、前記周期信号の周期と略同じ共振周波数を有する送信共振回路部と、前記スイッチ部の一端の電圧、または、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する検出部と、前記検出部の出力から信号を抽出する信号抽出部とを備え、前記受電機器は、前記送信共振回路部と電磁結合し、前記送信共振回路部と共振する受信共振回路部と、前記受信共振回路部で受信した信号を整流する整流回路部と、前記整流回路部と電力再生部を接続するインピーダンス可変部と、前記インピーダンス可変部の出力から前記受電機器の電力を生成する電力再生部と、前記インピーダンス可変部の出力の包絡線を検波する包絡線検波部と、前記包絡線検波部の出力から前記第１の送信信号を復調するパルス幅変調信号復調部と、前記受電機器から前記送電機器に伝送する第２の送信信号に応じて前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替える制御部とを備えている。
【００３３】
前記送電機器は、前記変調部の出力として前記周期信号がある期間は、前記スイッチ部をスイッチング動作することで、前記直流電源から供給される電力を、前記周期信号と略同じ周波数を有する交流信号に変換するＥ級増幅動作を行い、前記変調部の出力がない期間は、出力を停止してもよい。
【００３４】
前記制御部が、前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替えることで生じる、前記スイッチ部の他端からグランドに流れる電流若しくは前記スイッチ部の他端の電圧の変化を、前記検出部で検出することで、前記受電機器から前記送電機器に前記第２の送信信号を伝送してもよい。
【００３５】
前記信号抽出部は、前記周期信号発生部の出力をタイミング信号として使用し、前記検出部の出力から前記信号を抽出してもよい。
【００３６】
前記信号抽出部は、前記変調部の、前記周期信号をパルス幅変調信号で変調された出力をタイミング信号として使用し、前記変調部の出力に周期信号がある場合はタイミング信号として有効と判断し、前記変調部の出力に周期信号が無い場合はタイミング信号として無効と判断し、タイミング信号として有効と判断されたときに、前記検出部の出力から前記信号を抽出してもよい。
【００３７】
前記検出部は、抵抗素子を有していてもよく、前記検出部が、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する場合において、前記検出部は、前記スイッチ部からグランドに流れる電流によって生じる電圧を前記信号抽出部に入力し、前記信号抽出部は、入力された電圧から前記信号を抽出してもよい。
【００３８】
前記スイッチ部は、電界効果型トランジスタおよびバイポーラトランジスタの一方によって構成されていてもよい。
【００３９】
本発明による無線電力伝送システムは、送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムであって、前記送電機器は、交流エネルギを生成するＥ級増幅部と、前記交流エネルギを空間へ送出する送信共振回路部と、前記Ｅ級増幅部の所定位置の電圧または電流の波形を検出する検出部であって、前記Ｅ級増幅部から前記送信共振回路部を見たときのインピーダンスに応じた波形を検出する検出部と、前記波形に応じた信号を抽出する信号抽出部とを備えており、前記受電機器は、前記送信共振回路部によって送出された前記交流エネルギの少なくとも一部を受け取る受信共振回路部と、前記受信共振回路部によって受け取られた前記交流エネルギの少なくとも一部を整流して出力する整流回路部と、前記整流回路部の出力に基づいて電力を出力する電力再生部と、前記整流回路部と前記電力再生部との間に接続され、インピーダンスを切り替えるインピーダンス可変部とを備え、前記インピーダンス可変部が前記インピーダンスを切り替えることにより、前記検出部は前記インピーダンスが整合しているときの波形と整合していないときの波形とを検出し、前記信号抽出部は、前記検出部が検出した波形に応じた信号を抽出して出力する。
【００４０】
前記送電機器は、送信対象となる送信信号に応じて、前記Ｅ級増幅部の出力電圧を変調する電圧制御部をさらに備え、前記受電機器は、前記整流回路部の出力に所定の波形処理を行って、前記送信信号を復調する復調部とをさらに備えていてもよい。
【００４１】
前記送電機器は、周期信号を発生する周期信号発生部と、送信対象となる送信をパルス幅変調するＰＷＭ信号生成部と、前記周期信号とパルス幅変調された前記送信とを掛け合わせる変調部とをさらに備え、前記受電機器は、前記整流回路部の出力に包絡線検波の波形処理を行う包絡線検波部と、前記波形処理が行われた前記整流回路部の出力にパルス幅復調を行い前記送信を出力するＰＷＭ信号復調部とを備えていてもよい。
【発明の効果】
【００４２】
本発明のある実施形態によれば、送電機器と受電機器の間で電力の無線伝送を行いながら、Ｅ級増幅回路のスイッチ部を流れる電流量をモニターする。これにより、Ｅ級増幅回路を用いて効率よく交流電流信号に変換しながら、受電機器から送電機器へ、そして送電機器から受電機器へデータを伝送することが可能となる。
【００４３】
たとえばこのデータ伝送を利用すると、送電機器と受電機器の間で無線電力伝送するための機器認証を行うことができるようになり、本来使用できない受電機器に電力を送信せず、認証された機器にだけ無線で電力伝送することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施形態１における無線電力伝送システム１００のブロック構成図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、Ｅ級増幅部５１１に関連する信号の波形を示す図である。
【図３】（ａ）は、インピーダンスが最適のときのＥ級増幅部５１１のＡ点の波形を示す図であり、（ｂ）〜（ｅ）はインピーダンスが最適ではないときのＡ点の波形の変化を示す図であり、（ｆ）はスイッチ部３１のオン／オフ動作タイミングを示す図である。
【図４】（ａ）は、インピーダンスが最適のときのＡ点における波形と、送電機器１の検出部４１の電流検出波形とを示す図であり、（ｂ）は（ａ）の状態からインピーダンスが変化したときのＡ点における波形と、送電機器１の検出部４１の電流検出波形とを示す図であり、（ｃ）はスイッチ部３１のオン／オフ動作タイミングを示す図である。
【図５】実施形態２における無線電力伝送システム１１０のブロック構成図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、無線電力伝送システム１１０内で生成または検出される信号波形を示す図である。
【図７】実施形態３における無線電力伝送システム１２０のブロック構成図である。
【図８】（ａ）〜（ｇ）は、無線電力伝送システム１２０内で生成または検出される信号波形を示す図である。
【図９】実施形態１の変形例による無線電力伝送システム１３０のブロック構成図である。
【図１０】従来の非接触型データ読み取り／書き込みシステムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による無線電力伝送システムの実施形態を説明する。
【００４６】
（実施形態１）
図１は、本実施形態における無線電力伝送システム１００のブロック構成である。無線電力伝送システム１００は、送電機器１および受電機器２を有している。送電機器１は、周期信号発生部６１と、Ｅ級増幅部５１１と、送信共振回路部９１と、検出部４１と、信号抽出部２２１とを有している。
【００４７】
一方、受電機器２は、受信共振回路部９２、整流回路部５２、インピーダンス可変部４２、電力再生部８２、制御部６２とを有している。
【００４８】
送電機器１の送信共振回路部９１と、受電機器２の受信共振回路部９２とは、それぞれ送信コイルと受信コイルと、各コイルに直列もしくは並列またはその組合せで共振回路を形成する。送信共振回路９１と受信共振回路９２とが共振周波数ｆｏで電磁結合されて、非接触で共振する場合、送電機器１の周期信号発生部６１は周波数ｆｏの周期信号を生成する。この周期信号は電力の無線伝送に用いられる。
【００４９】
Ｅ級増幅部５１１はたとえばＥ級アンプであり、所定周波数の交流エネルギを出力し、スイッチ部３１、電源１９１、第１のインダクタＬ１、第２のインダクタＬ２、第１のキャパシタＣ１および第２のキャパシタＣ２とを有している。Ｅ級増幅部５１１ではＥ級増幅動作を行うように各回路素子の定数が決定されている。
【００５０】
以下、図２の波形を用いて、Ｅ級増幅部５１１の動作を説明する。図２は、Ｅ級増幅部５１１に関連する信号の波形を示す。
【００５１】
周期信号発生部６１からの信号によって、スイッチ部３１はＯＮ／ＯＦＦを切り替える（図２（ｂ））。いまスイッチ部３１の状態がＯＮからＯＦＦに切り替わったとする。図１に示すＡ点の電圧波形は、図２（ａ）のように上昇する。これは、スイッチ部３１が切り替わっても、電流量が変化しないようにＬ１が作用するためである。スイッチ部３１がＯＦＦになってもＬ１から電流が流れてくるため、Ｃ１に電荷が溜まることでＡ点の電圧が上昇する。しばらくすると、Ａ点の電位上昇は収まり、つぎは電位が降下する。これは、Ｃ１に溜まった電荷が、Ｌ２、Ｃ２へと流れていくためである。
【００５２】
ここで、Ｅ級増幅部５１１が最適な効率で動作するためには、スイッチ部３１をＯＦＦからＯＮに切り替えるときに、下記の２つの条件を満たす必要がある。すなわち、条件１は、Ａ点の電圧が略０Ｖであること（スイッチ部３１にバイポーラトランジスタを用いた場合にはコレクタ−エミッタ電圧が生じるため０Ｖとはならないように、全ての回路において０Ｖが条件ではなく、実現する回路において極力低電圧の状態であること）である。また条件２は、電圧波形の傾きが略０であることである。
【００５３】
図２上のＡ点の波形は、上記の２つの条件を満たしている。これは、Ｅ級増幅部５１１から送信共振回路部９１をみた負荷に応じて、Ｅ級増幅部５１１のＬ１、Ｃ１、Ｌ２、Ｃ２の値を適切に設定することで可能となる。このとき、Ｅ級増幅部５１１は図２（ｃ）の波形のような、ほぼ正弦波の波形を有する電圧を出力する。なお、厳密には正弦波でなくてもよい。
【００５４】
スイッチ部３１のＢ点は、検出部４１を介してグランドまたはアース（本明細書では「ＧＮＤ」とも記述する）に接続されている。
【００５５】
検出部４１は、スイッチ部３１からＧＮＤへ流れる電流もしくはＢ点の電圧を検出し、その検出結果を信号抽出部２２１へと出力する。たとえば検出部４１は、電流を電圧に変換する抵抗素子を配置することにより実現される。抵抗素子を利用してスイッチ部３１からＧＮＤへ流れる電流を検出できる。検出部４１は、後述するように受電機器２側でのインピーダンス可変部４２でのインピーダンス値の変化に応じて変化する、スイッチ部３１のＢ点を流れる電流の波形を検出する。
【００５６】
信号抽出部２２１は、検出部４１で検出された波形の変化（電流波形３１１）から、データ信号の有無を判定し、データ信号が存在する場合にはそのデータ信号３２１を抽出する。このデータ信号が表すデータは、受電機器２から送電機器１に送信されたデータである。データの種類は任意である。データは、たとえば受電機器２から送電機器１に送信されたコマンドであってもよい。
【００５７】
なお、信号抽出部２２１がデータ信号の有無を判定することは必須ではない。信号抽出部２２１は、受け取った電流波形３１１から直接に信号を抽出してもよい。この結果得られた所定の振幅を有する信号が、データ信号３２１として取り扱われる。
【００５８】
Ｅ級増幅部５１１の出力は、送信共振回路部９１から、電磁結合された受電機器２の受信共振回路部９２へと伝送される。受信共振回路部９２で受信された交流信号は、整流回路部５２で整流され、インピーダンス可変部４２を介して電力再生部８２へと入力される。電力再生部８２は、入力された信号を受電機器２の回路へ供給される電源電力として出力する。
【００５９】
以上、送電機器１から受電機器２へと電力が無線伝送される動作を説明した。
【００６０】
次に、受電機器２から送電機器１へとデータを伝送する動作を説明する。
【００６１】
受電機器２が送電機器１へデータ伝送するとき、整流回路部５２と電力再生部８２の間のインピーダンス可変部４２は、インピーダンス値を変化させる。これにより、送電機器１において、Ｅ級増幅部５１１から送信共振回路部９１を見たインピーダンス値が変化する。
【００６２】
このとき、Ｅ級増幅部５１１のＡ点の波形が、前述の最適なＥ級増幅動作から外れることになり、図３（ａ）〜（ｅ）に示すように波形が変化する。図３（ａ）は、インピーダンスが最適のときのＥ級増幅部５１１のＡ点の波形を示し、図３（ｂ）〜（ｅ）はインピーダンスが最適ではないときのＡ点の波形の変化を示す。また図３（ｆ）は、スイッチ部３１のオン／オフ動作タイミングを示す。図３（ｂ）〜（ｅ）の波形は、前述したＥ級増幅部５１１が最適な効率で動作するための２つの条件が満たされていないことを示す。
【００６３】
Ａ点の波形変化は、下記に示すように主に４つの波形形状に分けられる。
（１）スイッチがＯＮからＯＦＦに変化した後、電圧が上昇して、単調減少している状態でスイッチがＯＦＦからＯＮに切り替わり、しばらく放電して略０Ｖになる（図３（ｂ））。
（２）スイッチがＯＮからＯＦＦに変化した後、電圧が上昇して、減少して、再び上昇している状態でスイッチがＯＦＦからＯＮに切り替わり、しばらく放電して略０Ｖになる（図３（ｃ））。
（３）スイッチがＯＮからＯＦＦに変化した後、電圧が上昇して、減少して略０Ｖまで落ちて略０Ｖが続いたあと、再び上昇している状態でスイッチがＯＦＦからＯＮに切り替わり、しばらく放電して略０Ｖになる（図３（ｄ））。
（４）スイッチがＯＮからＯＦＦに変化した後、電圧が上昇して、減少して略０Ｖまで落ちて、略０Ｖの状態のままスイッチがＯＦＦからＯＮに切り替わり、略０Ｖの状態が継続する（図３（ｅ））。
【００６４】
本願発明者らは、受電機器２のインピーダンス可変部４２のインピーダンス値を意図的に変化させてインピーダンスをあえて最適でない状態に遷移させ、それによって送電機器１において生じるＡ点の電流波形の変化を検出することで、受電機器２から送電機器１に送信されたデータ信号を抽出することが可能であることを見出した。
【００６５】
より具体的に説明する。図４（ａ）は、インピーダンスが最適のときのＡ点における波形と、送電機器１の検出部４１の電流検出波形とを示す。インピーダンスが最適のときは、電流検出波形に変化はない。
【００６６】
この状態から、図３（ｂ）〜（ｄ）までの波形変化が生じるように、受電機器２のインピーダンス可変部４２がインピーダンス値を変化させる。そのとき、送電機器１の検出部４１を流れる電流を検出すると、その電流には、たとえば図４（ｂ）に示すような立ち上がり波形が含まれている。この電流は、図４（ｃ）のようにスイッチ部３１がＯＦＦからＯＮに切り替わった直後から放電が終わるまでの間において、Ｅ級増幅部５１１のスイッチ部３１から放電される電流である。信号抽出部２２１は、その変化に基づいて、たとえばスイッチ部３１がオフからオンに変化したときに立ち上がり波形が存在する場合には「１」、存在しない場合には「０」としてデータ信号を生成する。これにより、受電機器２から送電機器１へ送られるデータを検出することが可能となる。
【００６７】
なお、識別タイミングには送電機器１自身のクロックを用いることが可能である。送電機器１自身のクロックは通常、インピーダンス値の変化に起因するピークの立ち上がり開始から立ち下がりまでの時区間よりも充分短い。したがって、わずかの時区間で現れるピークを検出することは充分可能である。
【００６８】
なお、上述の説明では、１つの立ち上がり波形に「１」を割り当てた。しかしながらこの処理は一例である。他の例として、スイッチ部３１がオフからオンに切り替わるタイミングの電流検出波形を、切り替え複数回分監視し、立ち上がり波形が検出された回数、および、検出されなかった回数の比率に応じて「１」または「０」と判定してもよい。図１には、信号抽出部２２１が、電流波形の立ち上がりが４回含まれている電流検出波形３１１に基づいて、「１」に相当する受信データ信号３２１を生成している様子を示している。
【００６９】
また、スイッチ部３１から放電される電流波形の変化は、スイッチ部３１がＯＦＦからＯＮに切り替わった瞬間から放電が完了するまで生じる。よって、スイッチ部３１を切り替える周期信号発生部６１の出力信号をタイミング信号として用いれば、信号抽出部２２１でデータ判定するためのタイミング信号を別途設けなくとも、データ判定が可能となる。そのため、タイミング信号を生成するためのクロックデータリカバリー回路などを設ける必要がないので、回路の簡素化を図り、コスト増加を抑制できる。
【００７０】
以上より、送電機器１から受電機器２へ無線電力伝送する無線電力伝送システム１００では、送電機器１にＥ級増幅部５１１を使用して受電機器２へ電力を伝送することが可能である。さらに、受電機器２のインピーダンス値を伝送したデータに応じて変化させ、Ｅ級増幅部５１１のスイッチ部３１から放電される際の電流波形または電圧波形を検出することで、受電機器２から送電機器１へデータを伝送することが可能となる。
【００７１】
このデータの利用方法として、たとえば受電機器が受電を許可された機器か否かの判定または認証に利用することができる。正規の受電機器がたとえば定期的に「１」のデータを送電機器に伝送することにより、送電機器は、その受電機器が正規の受電機器であると判定できる。すると、送電機器は自らの送信共振回路と受電機器の受信共振回路とを共振周波数で電磁結合して、非接触で共振することにより、電力を伝送することができる。これにより、非正規の受電機器による盗電を防ぐことができる。伝送されるデータを、送電機器と受電機器とのペアリングのための情報として利用してもよい。
【００７２】
なお、本実施形態において、スイッチ部３１は電界効果トランジスタやバイポーラトランジスタのような半導体を用いたスイッチング素子であったり、スイッチングの周波数が低ければ機械的なスイッチング素子であってもよく、２点間を接続／切断することのできるスイッチング素子であってもよい。
【００７３】
（実施形態２）
図５は、本実施形態における無線電力伝送システム１１０のブロック構成である。図５において、実施形態１の無線電力伝送システムと同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００７４】
実施形態１では、受電機器２から送電機器１への片方向のデータ伝送を説明した。本実施形態では、送電機器１から受電機器２への無線での電力伝送だけでなく、Ｅ級増幅回路を用いて、送電機器１と受電機器２とで双方向のデータ伝送を行う無線電力伝送システム１１０を説明する。
【００７５】
以下、図５および図６を参照しながら、無線電力伝送システム１１０の構成および動作を説明する。図６（ａ）〜（ｅ）は、無線電力伝送システム１１０内で生成または検出される信号波形を示す。
【００７６】
図５において、第１の送信データ信号４２１（図６（ａ））を電圧制御部２５１へ入力する。第１の送信データ信号４２１（図６（ａ））は、送電機器１が受電機器２へ送りたいデータ信号と位置づけられる。
【００７７】
電圧制御部２５１は、入力された所与の第１の送信データ信号４２１に応じて、電源１９１の出力電圧を図６（ａ）のように制御する。言い換えると、電圧制御部２５１は、電源１９１の出力電圧を、第１の送信データ信号４２１（図６（ａ））の波形変化と同じ波形変化を有するよう制御する。
【００７８】
このとき、電源１９１の出力電圧が変化すると、Ｅ級増幅部５１１の出力波形の振幅が、電源１９１の出力電圧に応じて変化する（図６（ｂ））。これにより、Ｅ級増幅部５１１の出力に、振幅変調をかけることができる。電源１９１の出力電圧が変化すると、実施形態１で述べた、Ｅ級増幅部５１１のＡ点の波形は振幅方向に変化する。しかし、Ａ点の波形は振幅が変化するだけであり、電源１９１の出力電圧が変化する前のＡ点の波形が例えば図４（ｂ）に示す波形であれば、変化した後も図４（ｂ）に示す波形となる。スイッチ部３１がＯＦＦからＯＮに変わるタイミングで、図４（ｂ）の電流検出波形を検出することは可能である。よって、実施形態１で説明した、受電機器２から送電機器１へのデータ伝送を、本実施形態においても同様に行うことは可能である。
【００７９】
Ｅ級増幅部５１１の出力信号に図６（ｂ）のような振幅変調がかかると、受電機器２の整流回路部５２の出力にも、振幅変調された波形が得られる（図６（ｃ））。整流回路部５２の出力は、インピーダンス可変部４２を介してデータ復調部２９２と電力再生部８２へ入力される。電力再生部８２は、受電機器２の回路へ供給される電力を出力する（図８（ｅ））。一方、データ復調部２９２は、整流回路部５２の出力信号に包絡線検波などの波形処理を行い、第１の受信データ信号４２２を出力する。これにより、送電機器１から送信されたデータを復調（または再生）することができる（図６（ｄ））。
【００８０】
以上説明した通り、本実施形態に係る無線電力伝送システム１１０では、送電機器１にＥ級増幅部５１１を使用して受電機器２へ無線で電力を伝送するとともに、送電機器１から受電機器２へデータを伝送することが可能である。送電機器１から受電機器２へのデータは、Ｅ級増幅部５１１の電源１９１の出力電圧を制御して、送電機器１から受電機器２へと伝送するデータ信号でＥ級増幅部５１１の出力を振幅変調することにより伝送される。一方、受電機器２から送電機器１へのデータは、実施形態１と同様に、受電機器２のインピーダンス値を伝送したデータに応じて変化させ、それに対応する電流波形変化を送電機器１において検出することによって伝送される。これにより、送電機器１と受電機器２の間でデータの双方向伝送が可能となる。
【００８１】
なお、本実施形態では、電圧制御部２５１が電源１９１の出力電圧を制御してＥ級増幅部５１１の出力を振幅変調していたが、電圧制御部２５１が電源１９１の出力電圧をパルス幅変調することで、Ｅ級増幅部５１１の出力をパルス幅変調する構成であってもよい。Ｅ級増幅部５１１の電源１９１を制御してデータ変調をかける方式であればよい。
【００８２】
なお、本実施形態では、図６で整流回路部５２を全波整流の出力として図示しているが、半波整流であってもよく、データ復調と電源再生が可能となる整流方法であればよい。
【００８３】
（実施形態３）
図７は、本実施形態における無線電力伝送システム１２０のブロック構成である。図７において、実施形態１および２の無線電力伝送システムと同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００８４】
実施形態２では、送電機器１から受電機器２へ伝送したいデータを、Ｅ級増幅部５１１の電源１９１を制御することでデータ変調する構成としていた。本実施形態では、Ｅ級増幅部５１１の入力波形である周期信号をパルス幅変調することでデータを変調する。
【００８５】
以下、図７および図８を参照しながら、無線電力伝送システム１１０の構成および動作を説明する。図８（ａ）〜（ｅ）は、無線電力伝送システム１２０内で生成または検出される信号波形を示す。
【００８６】
ＰＷＭ信号生成部２９１は、第１の送信データ信号４２１（図８（ａ））を、パルス幅変調し、図８（ｂ）に示す信号を出力する。変調部１１１は、この信号と、周期信号発生部６１の出力信号とを掛け合わせて、Ｅ級増幅部５１１のスイッチ部３１へ入力する。
【００８７】
Ｅ級増幅部５１１の出力は、スイッチ部３１への入力が周期信号である期間は周期信号となり、スイッチ部３１の入力が無い期間は無信号となる（図８（ｃ））。Ｅ級増幅部５１１の出力は、送信共振回路部９１から受信共振回路部９２へ伝送されて、整流回路部５２で整流される（図８（ｄ））。
【００８８】
整流回路部５２の出力は、インピーダンス可変部４２を介して包絡線検波部４５２と電力再生部８２へ入力される。電力再生部８２は、受電機器２の回路へ供給される電力を出力する（図８（ｇ））。一方、包絡線検波部４５２は、整流回路部５２の出力信号を包絡線検波する（図８（ｅ））。包絡線検波部４５２の出力信号は、送電機器１のＰＷＭ信号生成部２９１が出力したパルス幅変調信号と同じになる。ＰＷＭ信号復調部３３２は、得られたパルス幅変調信号にＰＷＭ信号生成部２９１の処理と逆の処理（パルス幅復調）を行って、第１の受信データ信号４２２を出力する（図８（ｆ））。
【００８９】
受電機器２から送電機器１へデータ伝送する方法は、実施形態１とほぼ同様である。ただし、Ｅ級増幅部５１１をパルス幅変調された周期信号で変調している。そのため、周期信号がある期間は、図４（ｂ）に示すような電流検出波形を検出することで受電機器２から送電機器１へのデータを検出することが可能となる。この場合、パルス幅変調されている関係上、周期信号がない期間があるため、スイッチ部３１を流れる電流の変化を検出することができない。その期間についてはスイッチ部３１を流れる電流は略０だからである。
【００９０】
そのため、パルス幅変調された信号を伝送する本実施形態では、パルス幅変調された中の周期信号がある期間で、受電機器２から送電機器１へデータ伝送することになる。一例として、パルス幅変調する際に、１つのタイムスロット内で必ず周期信号がある（即ちパルス幅が０とはならない）ようにパルス幅変調する。そして、１つのタイムスロットで最低でも１ビットのデータを受電機器２から送電機器１へ伝送できるようにすることで、送電機器１から受電機器２へのデータレートと同じデータレートを維持できる。
【００９１】
実施形態１では、周期信号発生部６１の出力信号をタイミング信号として用いる構成を述べたが、上述のとおり周期信号がない期間はデータ判定をしても検出できない。そのため、変調部１１１の出力信号をタイミング信号として使用することで、周期信号のある期間は周期信号があるためその信号をタイミング信号としてデータを判定する。周期信号の無い期間は信号がないのでデータを判定しない。データを検出することができない期間のデータ判定を無効とすることができるため、データ判定の精度を高めることが可能となる。
【００９２】
以上説明した通り、本実施形態に係る無線電力伝送システム１２０によっても、送電機器１にＥ級増幅部５１１を使用して受電機器２へ無線で電力を伝送するとともに、送電機器１から受電機器２へデータを伝送することが可能である。送電機器１から受電機器２へのデータは、Ｅ級増幅部５１１の入力信号である周期信号をパルス幅変調して、送電機器１から受電機器２へと伝送するデータ信号でＥ級増幅部５１１の出力をパルス幅変調することにより伝送される。一方、受電機器２から送電機器１へのデータは、実施形態１、２と同様に、受電機器２のインピーダンス値を伝送したデータに応じて変化させ、それに対応する電流波形変化を送電機器１において検出することによって伝送される。これにより、送電機器１と受電機器２の間でデータの双方向伝送が可能となる。
【００９３】
なお、本実施形態では、図８で整流回路部５２を全波整流の出力として図示しているが、半波整流であってもよく、データ復調と電源再生が可能となる整流方法であればよい。
【００９４】
実施形態２および３においては、双方向のデータ伝送が可能である。たとえば、送信機器が応答を要求したタイミングで所定期間内に受電機器から応答があれば、送信機器はその受電機器を認証し、その後も受電させてもよい。応答がなければ、または、予め定められた応答ではなければ、送信機器はその受電機器を認証せず、電力の送信を停止してもよい。または、相互に伝送されるデータを、送電機器と受電機器とのペアリングのための情報として利用してもよい。
【００９５】
上述の実施形態１〜３では、信号抽出部２２１は、検出部４１で検出された波形の変化（電流波形３１１）からデータ信号の有無を判定し、データ信号が存在する場合にはそのデータ信号３２１を抽出すると説明した。しかしながら、信号抽出部２２１がデータ信号の有無を判定する動作は必須ではない。信号抽出部２２１は、検出部４１が検出した信号波形から常に何らかの信号を抽出して出力してもよい。たとえば信号抽出部２２１は、検出部４１の出力信号を継続的に受け取りながら、実施形態１においてデータ信号が存在する場合に行っていた処理をその出力信号に施す。その結果、検出部４１から出力される信号波形にデータ信号が含まれている場合には、信号抽出部２２１は受信データ信号３２１を抽出する。一方、検出部４１から出力される信号波形にデータ信号が含まれていない場合には、信号抽出部２２１は、波形に立ち上がりおよび立ち下がりが含まれない一定の信号を抽出する。信号抽出部２２１から出力される信号に受電機器２から送信されたデータが含まれているか否かの判断は、たとえば後段の処理回路（図示せず）が行えばよい。
【００９６】
上述の実施形態、たとえば図１に示す実施形態１の例では、検出部４１は、スイッチ部３１からＧＮＤへ流れる電流もしくはＢ点の電圧を検出する、と説明した。しかしながら、上述の検出方法によって電流もしくは電圧を検出するためには電流を流す必要がある。そのため、電力の損失が発生していた。
【００９７】
そのような電力損失を低減するために、検出部４１を設ける位置を変更すればよい。たとえば図９は、実施形態１の変形例にかかる無線電力伝送システム１３０のブロック構成を示している。無線電力伝送システム１３０が、実施形態１の無線電力伝送システム１００と相違する点は、検出部２４１がＡ点の電圧を検出することである。この相違点に起因して、図９にはＢ点は示されていない。
【００９８】
以下、上述の相違点に関連する構成を説明する。その他の構成およびシステムの動作の詳細は実施形態１と同じであるから、その説明は省略する。
【００９９】
検出部２４１は、Ａ点の電圧を検出する。このとき、Ａ点から検出部２４１に電流が実質的に流れないようにするため、検出部２４１のインピーダンスを十分高く設定する必要がある。なお、Ａ点では図３に示す電圧波形が検出されることになる。この電圧は比較的大きいため、検出部２４１および信号抽出部２２１には、想定される電圧に耐え得る程度の性能が必要である。すなわち、比較的耐圧を高く設定しなければならない。
【０１００】
上記構成によれば、受電機器２から送電機器１へとデータを伝送する動作に関連する電力損失を低減することができる。
【０１０１】
なお、上述の図９の構成は一例である。実施形態２および３の各無線電力伝送システムの検出部に関しても全く同様に適用できる。すなわち、図５に記載の実施形態２にかかる無線電力伝送システム１１０、および、図７に記載の実施形態３にかかる無線電力伝送システム１２０において、図９に示す位置に、上述した特性を有する検出器２４１およびそれに接続される信号抽出部２２１を配置すればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明にかかる無線電力伝送システムは、無線で電力を伝送する送電機器および受電機器の間で、データの一方向または双方向の伝送が可能である。このデータを利用して、たとえば無線で伝送された電力の受電を許可するかどうかの認証に利用することができる。本発明は、送電機器および受電機器を有する無線電力伝送システムとして実現される数多くの電気製品に対して有用である。
【符号の説明】
【０１０３】
１ 送電機器
２ 受電機器
２１ 整合回路部
３１ スイッチ部
３２ ＩＣチップ
４１ 検出部
４２ インピーダンス可変部
５１ 増幅部
５２ 整流回路部
６１ 周期信号発生部
６２ 制御部
８２ 電力再生部
９ 変調部
９１ 送信共振回路部
９２ 受信共振回路部
１０１ 復調部
１１１ 変調部
１３１ 無線送信部
１４１ 無線受信部
１７１ サーキュレータ
１９１ 電源
２２１ 信号抽出部
２５１ 電圧制御部
２９１ ＰＷＭ信号生成部
２９２ データ復調部
３３２ ＰＷＭ信号復調部
４５２ 包絡線検波部
９１１ 読取／書込装置
９９２ 非接触ＩＣカード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電機器と受電機器からなる無線電力伝送システムであって、送電機器から受電機器に電力を送電しつつ、受電機器から送電機器、そして送電機器から受電機器にデータ信号を送受信する無線電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話や地上デジタル放送などの技術開発が進み、有線で接続することなく、無線電波を用いて、データ、音声、またはテレビ放送などを受信する無線受信機器が普及している。一方で、無線受信機器の多くは電力が有線で供給されており、内蔵している充電池などを充電することで使用されている。無線による通信技術が発展する中、電力もまたデータ信号などと同様に無線で伝送する取組みが行われている。
【０００３】
例えば、電動シェーバーや電動歯ブラシなどの用途において、電磁誘導による無線電力伝送方式を採用した製品が商品化されており、ユーザの利便性を高めることに成功している。特許文献１においては、送電機器と受電機器の互いのコイルを電磁結合させ、送電機器から受電機器に無線で電力を送る一方、送電機器から受電機器、そして受電機器から送電機器へデータ伝送するシステムの構成が示されている。
【０００４】
以下、図１０を参照しながら、特許文献１の動作を説明する。
【０００５】
図１０は、従来の非接触型データ読み取り／書き込みシステムの構成を示す。このシステムでは読取／書込装置９１１（送電機器）と非接触ＩＣカード９９２（受電機器）が電磁結合され、非接触でデータの読み取り／書き込みが行われる。読取／書込装置９１１の無線送信部１３１は、非接触ＩＣカード９９２へ伝送する電力とデータ信号を生成する。周期信号発生部６１は、送信共振回路部９１と受信共振回路部９２の共振周波数と略同じ周波数ｆｏを周期とする周期信号を出力する。変調部９は、非接触ＩＣカード９９２へ送信したいデータ信号１１１を用いて、周期信号発生部６１から出力された周期信号を搬送波としてデータ信号１１１で変調した波形を出力する。増幅部５１は、変調部９の出力を必要な振幅に増幅する。整合回路部２１でインピーダンス整合をとり、周期信号をデータ信号１１１で変調した電力とデータ信号の波形を出力する。この出力が、無線送信部１３１の出力となる。
【０００６】
無線送信部１３１の出力は、サーキュレータ１７１へ入力される。サーキュレータ１７１は、整合回路部２１からの入力は送信共振回路部９１へ出力し、送信共振回路部９１からの入力は無線受信部１４１へ出力し、無線受信部１４１からの入力は整合回路部２１へ出力する。なお、無線受信部１４１から整合回路部２１への入力は実際にはほとんど存在しない。したがって、無線送信部１３１の出力はサーキュレータ１７１によって送信共振回路部９１へ入力される。
【０００７】
送信共振回路部９１と受信共振回路部９２とは電磁誘導によって非接触に電磁結合されているため、無線送信部１３１の出力は、送信共振回路部９１、受信共振回路部９２を通して、ＩＣチップ３２へと伝送される。ＩＣチップ３２は、伝送されたデータ信号から自身を駆動するための電力を得て、データ信号を受信する。以上の流れで、読取／書込装置９１１から非接触ＩＣカード９９２へ、電力およびデータが伝送される。
【０００８】
次に、非接触ＩＣカード９９２から読取／書込装置９１１へのデータ伝送の流れを説明する。ＩＣチップ３２は、送信したいデータ信号に応じて、受信共振回路部９２の負荷抵抗（図示せず）の値を切り替える。負荷抵抗の値を切り替えると、読取／書込装置９１１においては、そのサーキュレータ１７１から送信共振回路部９１を見たインピーダンスが変化する。その結果、読取／書込装置９１１内を伝送される信号のうち、サーキュレータ１７１から送信共振回路部９１へ入力され、送信共振回路部９１で反射されてサーキュレータ１７１へ返ってくる信号の波形が、非接触ＩＣカード９９２の受信共振回路部９２の負荷抵抗の値によって変化することになる。
【０００９】
サーキュレータ１７１は、反射して返ってきた信号波形を無線受信部１４１側へ出力する。復調部１０１は、負荷抵抗の変化によって生じた信号波形の変化からデータ信号を復調し、非接触ＩＣカード９９２から読取／書込装置９１１へのデータ信号として、受信信号１２１を出力する。
【００１０】
このようにサーキュレータを用いることで、無線送信部１３１の出力が無線受信部１４１へ回り込まず、非接触ＩＣカード９９２へと出力されるので、電力損失を低減できる。また、負荷抵抗の変化によって生じた送信共振回路部９１の反射波が、無線送信部１３１へは入力されずに無線受信部１４１にだけ入力されるため、信号波形の変化が小さくなることを回避でき、復調部１０１でデータ信号を復調しやすくなっている。
【００１１】
以上のような構成により、読取／書込装置９１１（送電機器）から非接触ＩＣカード９９２（受電機器）へ電力を伝送し、加えて受電機器から送電機器へ、そして送電機器から受電機器へデータ伝送することを可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−２０６２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、送電機器にサーキュレータを配置すると、サーキュレータの挿入による挿入損が必ず発生する。
【００１４】
この挿入損は、近年開発が活発化しつつある中〜大電力用途（ＡＶ機器や電気自動車）においては無視できない。その理由は、中〜大電力用途では、有線による電力伝送効率とできるだけ同じ効率に近づけるよう求められ、極力損失源となる要素を排除することが必要だからである。
【００１５】
なお、特許文献１の技術の用途は、非接触ＩＣカードへの電力及びデータの伝送である。そして伝送される電力はμＷ級と小さい。そのため、特許文献１の技術の用途においては上述の挿入損は問題とならない。
【００１６】
また、図１０のシステムでは、データの送受信が主目的であり、無線による電力伝送はデータの送信／受信を行うために必要とされているに過ぎなかった。一方、データの送信／受信を行うものの、無線で電力を伝送することの方が主目的である場合には、高い電力伝送効率が求められる。
【００１７】
高い電力伝送効率を追求するためには、Ｅ級増幅回路が利用されることがある。Ｅ級増幅回路は、直流電源からの直流電圧を効率よく交流信号に変換する回路として知られている。Ｅ級増幅回路は、Ａ級増幅回路やＢ級増幅回路などと異なり、入力信号を増幅するのではなく、入力となる周期信号をトリガーとして入力し、直流電圧を交流電圧に効率よく変換する。Ｅ級増幅回路は、単一周波数を生成し、特定の共振周波数の信号を用いて送電機器から受電機器へ電力を伝送するシステムには適している。
【００１８】
その上で、データの送信／受信を行うための機能の実装も考慮する必要がある。たとえば盗電できないよう安全に無線で電力伝送を行うために、送電機器と受電機器との間で認証、調停などを行う必要がある。そのためには、最低でも受電機器から送電機器へデータ伝送するための機能や、送電機器から受電機器へデータ伝送することのできる双方向データ伝送の機能を持たせる必要がある。
【００１９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、サーキュレータ等を用いずに高い電力伝送効率を実現し、かつ、受電機器から送電機器へデータ伝送し、送電機器から受電機器へデータ伝送することを可能とする、無線電力伝送システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明による無線電力伝送システムは、送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムであって、前記送電機器は、周期信号を発生する周期信号発生部と、前記周期信号発生部からの前記周期信号に応じてスイッチング動作するスイッチ部と、直流電源と前記スイッチ部の一端を接続する第１のインダクタと、前記スイッチ部の一端とグランドを接続する第１のキャパシタと、前記スイッチ部の一端に接続された第２のインダクタと第２のキャパシタで構成されたＬＣ共振回路部と、前記ＬＣ共振回路部に接続され、前記周期信号の周期と略同じ共振周波数を有する送信共振回路部と、前記スイッチ部の一端の電圧、または、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する検出部と、前記検出部の出力から信号を抽出する信号抽出部とを備え、かつ、前記周期信号で前記スイッチ部をスイッチング動作することで、前記直流電源から供給される電力を、前記周期信号と略同じ周波数を有する交流信号に変換するＥ級増幅動作を行い、前記受電機器は、前記送信共振回路部と電磁結合し、前記送信共振回路部と共振する受信共振回路部と、前記受信共振回路部で受信した信号を整流する整流回路部と、前記整流回路部と電力再生部を接続するインピーダンス可変部と、前記インピーダンス可変部の出力から前記受電機器の電力を生成する電力再生部と、前記受電機器から前記送電機器に伝送する信号に応じて前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替える制御部とを備えている。
【００２１】
前記制御部が、前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替えることで生じる、前記スイッチ部の他端からグランドに流れる電流若しくは前記スイッチ部の他端の電圧の変化を、前記検出部で検出することで、前記受電機器から前記送電機器に前記信号を伝送してもよい。
【００２２】
前記信号抽出部は、前記周期信号発生部の出力をタイミング信号として使用し、前記検出部の出力から前記信号を抽出してもよい。
【００２３】
前記検出部は、抵抗素子を有していてもよく、前記検出部が、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する場合において、前記検出部は、前記スイッチ部からグランドに流れる電流によって生じる電圧を前記信号抽出部に入力し、前記信号抽出部は、入力された電圧から前記信号を抽出してもよい。
【００２４】
前記スイッチ部は、電界効果型トランジスタおよびバイポーラトランジスタの一方によって構成されていてもよい。
【００２５】
本発明による機器は、送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送機器であって、前記送電機器は、周期信号を発生する周期信号発生部と、前記周期信号発生部からの前記周期信号に応じてスイッチング動作するスイッチ部と、直流電源と前記スイッチ部の一端を接続する第１のインダクタと、前記スイッチ部の一端とグランドを接続する第１のキャパシタと、前記スイッチ部の一端に接続された第２のインダクタと第２のキャパシタで構成されたＬＣ共振回路部と、前記ＬＣ共振回路部に接続され、前記周期信号の周期と略同じ共振周波数を有する送信共振回路部と、前記スイッチ部の一端の電圧、または、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する検出部と、前記検出部の出力から信号を抽出する信号抽出部と、前記送電機器から前記受電機器へ送信する第１の送信信号に応じて、前記直流電源の出力電圧を制御する電圧制御部とを備え、かつ、前記周期信号で前記スイッチ部をスイッチング動作することで、前記直流電源から供給される電力を、前記周期信号と略同じ周波数を有する交流信号に変換するＥ級増幅動作を行い、前記受電機器は、前記送信共振回路部と電磁結合し、前記送信共振回路部と共振する受信共振回路部と、前記受信共振回路部で受信した信号を整流する整流回路部と、前記整流回路部と電力再生部を接続するインピーダンス可変部と、前記インピーダンス可変部の出力から前記受電機器の電力を生成する電力再生部と、前記インピーダンス可変部の出力から前記第１の送信信号を復調する復調部と、前記受電機器から前記送電機器に伝送する第２の送信信号に応じて前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替える制御部とを備えている。
【００２６】
前記制御部が、前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替えることで生じる、前記スイッチ部の他端からグランドに流れる電流若しくは前記スイッチ部の他端の電圧の変化を、前記検出部で検出することで、前記受電機器から前記送電機器に前記第２の送信信号を伝送してもよい。
【００２７】
前記信号抽出部は、前記周期信号発生部の出力をタイミング信号として使用し、前記検出部の出力から前記信号を抽出してもよい。
【００２８】
前記検出部は、抵抗素子を有していてもよく、前記検出部が、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する場合において、前記検出部は、前記スイッチ部からグランドに流れる電流によって生じる電圧を前記信号抽出部に入力し、前記信号抽出部は、入力された電圧から前記信号を抽出してもよい。
【００２９】
前記電圧制御部は、前記第１の送信信号に応じて、前記直流電源の出力電圧を変化させることで、前記送信共振回路部から出力される信号が、前記送信共振回路部と前記受信共振回路部の共振周波数と略同じ周波数を持った交流信号を搬送波として、前記第１の送信信号で振幅変調した波形となってもよい。
【００３０】
前記電圧制御部は、前記第１の送信信号に応じて、前記直流電源の出力電圧をパルス幅変調することで、前記送信共振回路部から出力される信号が、前記送信共振回路部と前記受信共振回路部の共振周波数と略同じ周波数を持った交流信号を搬送波として、前記第１の送信信号でパルス幅変調した波形となってもよい。
【００３１】
前記スイッチ部は、電界効果型トランジスタおよびバイポーラトランジスタの一方によって構成されてもよい。
【００３２】
本発明による他のシステムは、送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムであって、前記送電機器は、周期信号を発生する周期信号発生部と、前記送電機器から前記受電機器へ送信する第１の送信信号に応じて、パルス幅変調信号を生成するパルス幅変調信号生成部と、前記周期信号を前記パルス幅変調信号で変調する変調部と、前記変調部の出力に応じてスイッチング動作するスイッチ部と、直流電源と前記スイッチ部の一端を接続する第１のインダクタと、前記スイッチ部の一端とグランドを接続する第１のキャパシタと、前記スイッチ部の一端に接続された第２のインダクタと第２のキャパシタで構成されたＬＣ共振回路部と、前記ＬＣ共振回路部に接続され、前記周期信号の周期と略同じ共振周波数を有する送信共振回路部と、前記スイッチ部の一端の電圧、または、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する検出部と、前記検出部の出力から信号を抽出する信号抽出部とを備え、前記受電機器は、前記送信共振回路部と電磁結合し、前記送信共振回路部と共振する受信共振回路部と、前記受信共振回路部で受信した信号を整流する整流回路部と、前記整流回路部と電力再生部を接続するインピーダンス可変部と、前記インピーダンス可変部の出力から前記受電機器の電力を生成する電力再生部と、前記インピーダンス可変部の出力の包絡線を検波する包絡線検波部と、前記包絡線検波部の出力から前記第１の送信信号を復調するパルス幅変調信号復調部と、前記受電機器から前記送電機器に伝送する第２の送信信号に応じて前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替える制御部とを備えている。
【００３３】
前記送電機器は、前記変調部の出力として前記周期信号がある期間は、前記スイッチ部をスイッチング動作することで、前記直流電源から供給される電力を、前記周期信号と略同じ周波数を有する交流信号に変換するＥ級増幅動作を行い、前記変調部の出力がない期間は、出力を停止してもよい。
【００３４】
前記制御部が、前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替えることで生じる、前記スイッチ部の他端からグランドに流れる電流若しくは前記スイッチ部の他端の電圧の変化を、前記検出部で検出することで、前記受電機器から前記送電機器に前記第２の送信信号を伝送してもよい。
【００３５】
前記信号抽出部は、前記周期信号発生部の出力をタイミング信号として使用し、前記検出部の出力から前記信号を抽出してもよい。
【００３６】
前記信号抽出部は、前記変調部の、前記周期信号をパルス幅変調信号で変調された出力をタイミング信号として使用し、前記変調部の出力に周期信号がある場合はタイミング信号として有効と判断し、前記変調部の出力に周期信号が無い場合はタイミング信号として無効と判断し、タイミング信号として有効と判断されたときに、前記検出部の出力から前記信号を抽出してもよい。
【００３７】
前記検出部は、抵抗素子を有していてもよく、前記検出部が、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する場合において、前記検出部は、前記スイッチ部からグランドに流れる電流によって生じる電圧を前記信号抽出部に入力し、前記信号抽出部は、入力された電圧から前記信号を抽出してもよい。
【００３８】
前記スイッチ部は、電界効果型トランジスタおよびバイポーラトランジスタの一方によって構成されていてもよい。
【００３９】
本発明による無線電力伝送システムは、送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムであって、前記送電機器は、交流エネルギを生成するＥ級増幅部と、前記交流エネルギを空間へ送出する送信共振回路部と、前記Ｅ級増幅部の所定位置の電圧または電流の波形を検出する検出部であって、前記Ｅ級増幅部から前記送信共振回路部を見たときのインピーダンスに応じた波形を検出する検出部と、前記波形に応じた信号を抽出する信号抽出部とを備えており、前記受電機器は、前記送信共振回路部によって送出された前記交流エネルギの少なくとも一部を受け取る受信共振回路部と、前記受信共振回路部によって受け取られた前記交流エネルギの少なくとも一部を整流して出力する整流回路部と、前記整流回路部の出力に基づいて電力を出力する電力再生部と、前記整流回路部と前記電力再生部との間に接続され、インピーダンスを切り替えるインピーダンス可変部とを備え、前記インピーダンス可変部が前記インピーダンスを切り替えることにより、前記検出部は前記インピーダンスが整合しているときの波形と整合していないときの波形とを検出し、前記信号抽出部は、前記検出部が検出した波形に応じた信号を抽出して出力する。
【００４０】
前記送電機器は、送信対象となる送信信号に応じて、前記Ｅ級増幅部の出力電圧を変調する電圧制御部をさらに備え、前記受電機器は、前記整流回路部の出力に所定の波形処理を行って、前記送信信号を復調する復調部とをさらに備えていてもよい。
【００４１】
前記送電機器は、周期信号を発生する周期信号発生部と、送信対象となる送信をパルス幅変調するＰＷＭ信号生成部と、前記周期信号とパルス幅変調された前記送信とを掛け合わせる変調部とをさらに備え、前記受電機器は、前記整流回路部の出力に包絡線検波の波形処理を行う包絡線検波部と、前記波形処理が行われた前記整流回路部の出力にパルス幅復調を行い前記送信を出力するＰＷＭ信号復調部とを備えていてもよい。
【発明の効果】
【００４２】
本発明のある実施形態によれば、送電機器と受電機器の間で電力の無線伝送を行いながら、Ｅ級増幅回路のスイッチ部を流れる電流量をモニターする。これにより、Ｅ級増幅回路を用いて効率よく交流電流信号に変換しながら、受電機器から送電機器へ、そして送電機器から受電機器へデータを伝送することが可能となる。
【００４３】
たとえばこのデータ伝送を利用すると、送電機器と受電機器の間で無線電力伝送するための機器認証を行うことができるようになり、本来使用できない受電機器に電力を送信せず、認証された機器にだけ無線で電力伝送することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施形態１における無線電力伝送システム１００のブロック構成図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、Ｅ級増幅部５１１に関連する信号の波形を示す図である。
【図３】（ａ）は、インピーダンスが最適のときのＥ級増幅部５１１のＡ点の波形を示す図であり、（ｂ）〜（ｅ）はインピーダンスが最適ではないときのＡ点の波形の変化を示す図であり、（ｆ）はスイッチ部３１のオン／オフ動作タイミングを示す図である。
【図４】（ａ）は、インピーダンスが最適のときのＡ点における波形と、送電機器１の検出部４１の電流検出波形とを示す図であり、（ｂ）は（ａ）の状態からインピーダンスが変化したときのＡ点における波形と、送電機器１の検出部４１の電流検出波形とを示す図であり、（ｃ）はスイッチ部３１のオン／オフ動作タイミングを示す図である。
【図５】実施形態２における無線電力伝送システム１１０のブロック構成図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、無線電力伝送システム１１０内で生成または検出される信号波形を示す図である。
【図７】実施形態３における無線電力伝送システム１２０のブロック構成図である。
【図８】（ａ）〜（ｇ）は、無線電力伝送システム１２０内で生成または検出される信号波形を示す図である。
【図９】実施形態１の変形例による無線電力伝送システム１３０のブロック構成図である。
【図１０】従来の非接触型データ読み取り／書き込みシステムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による無線電力伝送システムの実施形態を説明する。
【００４６】
（実施形態１）
図１は、本実施形態における無線電力伝送システム１００のブロック構成である。無線電力伝送システム１００は、送電機器１および受電機器２を有している。送電機器１は、周期信号発生部６１と、Ｅ級増幅部５１１と、送信共振回路部９１と、検出部４１と、信号抽出部２２１とを有している。
【００４７】
一方、受電機器２は、受信共振回路部９２、整流回路部５２、インピーダンス可変部４２、電力再生部８２、制御部６２とを有している。
【００４８】
送電機器１の送信共振回路部９１と、受電機器２の受信共振回路部９２とは、それぞれ送信コイルと受信コイルと、各コイルに直列もしくは並列またはその組合せで共振回路を形成する。送信共振回路９１と受信共振回路９２とが共振周波数ｆｏで電磁結合されて、非接触で共振する場合、送電機器１の周期信号発生部６１は周波数ｆｏの周期信号を生成する。この周期信号は電力の無線伝送に用いられる。
【００４９】
Ｅ級増幅部５１１はたとえばＥ級アンプであり、所定周波数の交流エネルギを出力し、スイッチ部３１、電源１９１、第１のインダクタＬ１、第２のインダクタＬ２、第１のキャパシタＣ１および第２のキャパシタＣ２とを有している。Ｅ級増幅部５１１ではＥ級増幅動作を行うように各回路素子の定数が決定されている。
【００５０】
以下、図２の波形を用いて、Ｅ級増幅部５１１の動作を説明する。図２は、Ｅ級増幅部５１１に関連する信号の波形を示す。
【００５１】
周期信号発生部６１からの信号によって、スイッチ部３１はＯＮ／ＯＦＦを切り替える（図２（ｂ））。いまスイッチ部３１の状態がＯＮからＯＦＦに切り替わったとする。図１に示すＡ点の電圧波形は、図２（ａ）のように上昇する。これは、スイッチ部３１が切り替わっても、電流量が変化しないようにＬ１が作用するためである。スイッチ部３１がＯＦＦになってもＬ１から電流が流れてくるため、Ｃ１に電荷が溜まることでＡ点の電圧が上昇する。しばらくすると、Ａ点の電位上昇は収まり、つぎは電位が降下する。これは、Ｃ１に溜まった電荷が、Ｌ２、Ｃ２へと流れていくためである。
【００５２】
ここで、Ｅ級増幅部５１１が最適な効率で動作するためには、スイッチ部３１をＯＦＦからＯＮに切り替えるときに、下記の２つの条件を満たす必要がある。すなわち、条件１は、Ａ点の電圧が略０Ｖであること（スイッチ部３１にバイポーラトランジスタを用いた場合にはコレクタ−エミッタ電圧が生じるため０Ｖとはならないように、全ての回路において０Ｖが条件ではなく、実現する回路において極力低電圧の状態であること）である。また条件２は、電圧波形の傾きが略０であることである。
【００５３】
図２上のＡ点の波形は、上記の２つの条件を満たしている。これは、Ｅ級増幅部５１１から送信共振回路部９１をみた負荷に応じて、Ｅ級増幅部５１１のＬ１、Ｃ１、Ｌ２、Ｃ２の値を適切に設定することで可能となる。このとき、Ｅ級増幅部５１１は図２（ｃ）の波形のような、ほぼ正弦波の波形を有する電圧を出力する。なお、厳密には正弦波でなくてもよい。
【００５４】
スイッチ部３１のＢ点は、検出部４１を介してグランドまたはアース（本明細書では「ＧＮＤ」とも記述する）に接続されている。
【００５５】
検出部４１は、スイッチ部３１からＧＮＤへ流れる電流もしくはＢ点の電圧を検出し、その検出結果を信号抽出部２２１へと出力する。たとえば検出部４１は、電流を電圧に変換する抵抗素子を配置することにより実現される。抵抗素子を利用してスイッチ部３１からＧＮＤへ流れる電流を検出できる。検出部４１は、後述するように受電機器２側でのインピーダンス可変部４２でのインピーダンス値の変化に応じて変化する、スイッチ部３１のＢ点を流れる電流の波形を検出する。
【００５６】
信号抽出部２２１は、検出部４１で検出された波形の変化（電流波形３１１）から、データ信号の有無を判定し、データ信号が存在する場合にはそのデータ信号３２１を抽出する。このデータ信号が表すデータは、受電機器２から送電機器１に送信されたデータである。データの種類は任意である。データは、たとえば受電機器２から送電機器１に送信されたコマンドであってもよい。
【００５７】
なお、信号抽出部２２１がデータ信号の有無を判定することは必須ではない。信号抽出部２２１は、受け取った電流波形３１１から直接に信号を抽出してもよい。この結果得られた所定の振幅を有する信号が、データ信号３２１として取り扱われる。
【００５８】
Ｅ級増幅部５１１の出力は、送信共振回路部９１から、電磁結合された受電機器２の受信共振回路部９２へと伝送される。受信共振回路部９２で受信された交流信号は、整流回路部５２で整流され、インピーダンス可変部４２を介して電力再生部８２へと入力される。電力再生部８２は、入力された信号を受電機器２の回路へ供給される電源電力として出力する。
【００５９】
以上、送電機器１から受電機器２へと電力が無線伝送される動作を説明した。
【００６０】
次に、受電機器２から送電機器１へとデータを伝送する動作を説明する。
【００６１】
受電機器２が送電機器１へデータ伝送するとき、整流回路部５２と電力再生部８２の間のインピーダンス可変部４２は、インピーダンス値を変化させる。これにより、送電機器１において、Ｅ級増幅部５１１から送信共振回路部９１を見たインピーダンス値が変化する。
【００６２】
このとき、Ｅ級増幅部５１１のＡ点の波形が、前述の最適なＥ級増幅動作から外れることになり、図３（ａ）〜（ｅ）に示すように波形が変化する。図３（ａ）は、インピーダンスが最適のときのＥ級増幅部５１１のＡ点の波形を示し、図３（ｂ）〜（ｅ）はインピーダンスが最適ではないときのＡ点の波形の変化を示す。また図３（ｆ）は、スイッチ部３１のオン／オフ動作タイミングを示す。図３（ｂ）〜（ｅ）の波形は、前述したＥ級増幅部５１１が最適な効率で動作するための２つの条件が満たされていないことを示す。
【００６３】
Ａ点の波形変化は、下記に示すように主に４つの波形形状に分けられる。
（１）スイッチがＯＮからＯＦＦに変化した後、電圧が上昇して、単調減少している状態でスイッチがＯＦＦからＯＮに切り替わり、しばらく放電して略０Ｖになる（図３（ｂ））。
（２）スイッチがＯＮからＯＦＦに変化した後、電圧が上昇して、減少して、再び上昇している状態でスイッチがＯＦＦからＯＮに切り替わり、しばらく放電して略０Ｖになる（図３（ｃ））。
（３）スイッチがＯＮからＯＦＦに変化した後、電圧が上昇して、減少して略０Ｖまで落ちて略０Ｖが続いたあと、再び上昇している状態でスイッチがＯＦＦからＯＮに切り替わり、しばらく放電して略０Ｖになる（図３（ｄ））。
（４）スイッチがＯＮからＯＦＦに変化した後、電圧が上昇して、減少して略０Ｖまで落ちて、略０Ｖの状態のままスイッチがＯＦＦからＯＮに切り替わり、略０Ｖの状態が継続する（図３（ｅ））。
【００６４】
本願発明者らは、受電機器２のインピーダンス可変部４２のインピーダンス値を意図的に変化させてインピーダンスをあえて最適でない状態に遷移させ、それによって送電機器１において生じるＡ点の電流波形の変化を検出することで、受電機器２から送電機器１に送信されたデータ信号を抽出することが可能であることを見出した。
【００６５】
より具体的に説明する。図４（ａ）は、インピーダンスが最適のときのＡ点における波形と、送電機器１の検出部４１の電流検出波形とを示す。インピーダンスが最適のときは、電流検出波形に変化はない。
【００６６】
この状態から、図３（ｂ）〜（ｄ）までの波形変化が生じるように、受電機器２のインピーダンス可変部４２がインピーダンス値を変化させる。そのとき、送電機器１の検出部４１を流れる電流を検出すると、その電流には、たとえば図４（ｂ）に示すような立ち上がり波形が含まれている。この電流は、図４（ｃ）のようにスイッチ部３１がＯＦＦからＯＮに切り替わった直後から放電が終わるまでの間において、Ｅ級増幅部５１１のスイッチ部３１から放電される電流である。信号抽出部２２１は、その変化に基づいて、たとえばスイッチ部３１がオフからオンに変化したときに立ち上がり波形が存在する場合には「１」、存在しない場合には「０」としてデータ信号を生成する。これにより、受電機器２から送電機器１へ送られるデータを検出することが可能となる。
【００６７】
なお、識別タイミングには送電機器１自身のクロックを用いることが可能である。送電機器１自身のクロックは通常、インピーダンス値の変化に起因するピークの立ち上がり開始から立ち下がりまでの時区間よりも充分短い。したがって、わずかの時区間で現れるピークを検出することは充分可能である。
【００６８】
なお、上述の説明では、１つの立ち上がり波形に「１」を割り当てた。しかしながらこの処理は一例である。他の例として、スイッチ部３１がオフからオンに切り替わるタイミングの電流検出波形を、切り替え複数回分監視し、立ち上がり波形が検出された回数、および、検出されなかった回数の比率に応じて「１」または「０」と判定してもよい。図１には、信号抽出部２２１が、電流波形の立ち上がりが４回含まれている電流検出波形３１１に基づいて、「１」に相当する受信データ信号３２１を生成している様子を示している。
【００６９】
また、スイッチ部３１から放電される電流波形の変化は、スイッチ部３１がＯＦＦからＯＮに切り替わった瞬間から放電が完了するまで生じる。よって、スイッチ部３１を切り替える周期信号発生部６１の出力信号をタイミング信号として用いれば、信号抽出部２２１でデータ判定するためのタイミング信号を別途設けなくとも、データ判定が可能となる。そのため、タイミング信号を生成するためのクロックデータリカバリー回路などを設ける必要がないので、回路の簡素化を図り、コスト増加を抑制できる。
【００７０】
以上より、送電機器１から受電機器２へ無線電力伝送する無線電力伝送システム１００では、送電機器１にＥ級増幅部５１１を使用して受電機器２へ電力を伝送することが可能である。さらに、受電機器２のインピーダンス値を伝送したデータに応じて変化させ、Ｅ級増幅部５１１のスイッチ部３１から放電される際の電流波形または電圧波形を検出することで、受電機器２から送電機器１へデータを伝送することが可能となる。
【００７１】
このデータの利用方法として、たとえば受電機器が受電を許可された機器か否かの判定または認証に利用することができる。正規の受電機器がたとえば定期的に「１」のデータを送電機器に伝送することにより、送電機器は、その受電機器が正規の受電機器であると判定できる。すると、送電機器は自らの送信共振回路と受電機器の受信共振回路とを共振周波数で電磁結合して、非接触で共振することにより、電力を伝送することができる。これにより、非正規の受電機器による盗電を防ぐことができる。伝送されるデータを、送電機器と受電機器とのペアリングのための情報として利用してもよい。
【００７２】
なお、本実施形態において、スイッチ部３１は電界効果トランジスタやバイポーラトランジスタのような半導体を用いたスイッチング素子であったり、スイッチングの周波数が低ければ機械的なスイッチング素子であってもよく、２点間を接続／切断することのできるスイッチング素子であってもよい。
【００７３】
（実施形態２）
図５は、本実施形態における無線電力伝送システム１１０のブロック構成である。図５において、実施形態１の無線電力伝送システムと同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００７４】
実施形態１では、受電機器２から送電機器１への片方向のデータ伝送を説明した。本実施形態では、送電機器１から受電機器２への無線での電力伝送だけでなく、Ｅ級増幅回路を用いて、送電機器１と受電機器２とで双方向のデータ伝送を行う無線電力伝送システム１１０を説明する。
【００７５】
以下、図５および図６を参照しながら、無線電力伝送システム１１０の構成および動作を説明する。図６（ａ）〜（ｅ）は、無線電力伝送システム１１０内で生成または検出される信号波形を示す。
【００７６】
図５において、第１の送信データ信号４２１（図６（ａ））を電圧制御部２５１へ入力する。第１の送信データ信号４２１（図６（ａ））は、送電機器１が受電機器２へ送りたいデータ信号と位置づけられる。
【００７７】
電圧制御部２５１は、入力された所与の第１の送信データ信号４２１に応じて、電源１９１の出力電圧を図６（ａ）のように制御する。言い換えると、電圧制御部２５１は、電源１９１の出力電圧を、第１の送信データ信号４２１（図６（ａ））の波形変化と同じ波形変化を有するよう制御する。
【００７８】
このとき、電源１９１の出力電圧が変化すると、Ｅ級増幅部５１１の出力波形の振幅が、電源１９１の出力電圧に応じて変化する（図６（ｂ））。これにより、Ｅ級増幅部５１１の出力に、振幅変調をかけることができる。電源１９１の出力電圧が変化すると、実施形態１で述べた、Ｅ級増幅部５１１のＡ点の波形は振幅方向に変化する。しかし、Ａ点の波形は振幅が変化するだけであり、電源１９１の出力電圧が変化する前のＡ点の波形が例えば図４（ｂ）に示す波形であれば、変化した後も図４（ｂ）に示す波形となる。スイッチ部３１がＯＦＦからＯＮに変わるタイミングで、図４（ｂ）の電流検出波形を検出することは可能である。よって、実施形態１で説明した、受電機器２から送電機器１へのデータ伝送を、本実施形態においても同様に行うことは可能である。
【００７９】
Ｅ級増幅部５１１の出力信号に図６（ｂ）のような振幅変調がかかると、受電機器２の整流回路部５２の出力にも、振幅変調された波形が得られる（図６（ｃ））。整流回路部５２の出力は、インピーダンス可変部４２を介してデータ復調部２９２と電力再生部８２へ入力される。電力再生部８２は、受電機器２の回路へ供給される電力を出力する（図８（ｅ））。一方、データ復調部２９２は、整流回路部５２の出力信号に包絡線検波などの波形処理を行い、第１の受信データ信号４２２を出力する。これにより、送電機器１から送信されたデータを復調（または再生）することができる（図６（ｄ））。
【００８０】
以上説明した通り、本実施形態に係る無線電力伝送システム１１０では、送電機器１にＥ級増幅部５１１を使用して受電機器２へ無線で電力を伝送するとともに、送電機器１から受電機器２へデータを伝送することが可能である。送電機器１から受電機器２へのデータは、Ｅ級増幅部５１１の電源１９１の出力電圧を制御して、送電機器１から受電機器２へと伝送するデータ信号でＥ級増幅部５１１の出力を振幅変調することにより伝送される。一方、受電機器２から送電機器１へのデータは、実施形態１と同様に、受電機器２のインピーダンス値を伝送したデータに応じて変化させ、それに対応する電流波形変化を送電機器１において検出することによって伝送される。これにより、送電機器１と受電機器２の間でデータの双方向伝送が可能となる。
【００８１】
なお、本実施形態では、電圧制御部２５１が電源１９１の出力電圧を制御してＥ級増幅部５１１の出力を振幅変調していたが、電圧制御部２５１が電源１９１の出力電圧をパルス幅変調することで、Ｅ級増幅部５１１の出力をパルス幅変調する構成であってもよい。Ｅ級増幅部５１１の電源１９１を制御してデータ変調をかける方式であればよい。
【００８２】
なお、本実施形態では、図６で整流回路部５２を全波整流の出力として図示しているが、半波整流であってもよく、データ復調と電源再生が可能となる整流方法であればよい。
【００８３】
（実施形態３）
図７は、本実施形態における無線電力伝送システム１２０のブロック構成である。図７において、実施形態１および２の無線電力伝送システムと同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００８４】
実施形態２では、送電機器１から受電機器２へ伝送したいデータを、Ｅ級増幅部５１１の電源１９１を制御することでデータ変調する構成としていた。本実施形態では、Ｅ級増幅部５１１の入力波形である周期信号をパルス幅変調することでデータを変調する。
【００８５】
以下、図７および図８を参照しながら、無線電力伝送システム１１０の構成および動作を説明する。図８（ａ）〜（ｅ）は、無線電力伝送システム１２０内で生成または検出される信号波形を示す。
【００８６】
ＰＷＭ信号生成部２９１は、第１の送信データ信号４２１（図８（ａ））を、パルス幅変調し、図８（ｂ）に示す信号を出力する。変調部１１１は、この信号と、周期信号発生部６１の出力信号とを掛け合わせて、Ｅ級増幅部５１１のスイッチ部３１へ入力する。
【００８７】
Ｅ級増幅部５１１の出力は、スイッチ部３１への入力が周期信号である期間は周期信号となり、スイッチ部３１の入力が無い期間は無信号となる（図８（ｃ））。Ｅ級増幅部５１１の出力は、送信共振回路部９１から受信共振回路部９２へ伝送されて、整流回路部５２で整流される（図８（ｄ））。
【００８８】
整流回路部５２の出力は、インピーダンス可変部４２を介して包絡線検波部４５２と電力再生部８２へ入力される。電力再生部８２は、受電機器２の回路へ供給される電力を出力する（図８（ｇ））。一方、包絡線検波部４５２は、整流回路部５２の出力信号を包絡線検波する（図８（ｅ））。包絡線検波部４５２の出力信号は、送電機器１のＰＷＭ信号生成部２９１が出力したパルス幅変調信号と同じになる。ＰＷＭ信号復調部３３２は、得られたパルス幅変調信号にＰＷＭ信号生成部２９１の処理と逆の処理（パルス幅復調）を行って、第１の受信データ信号４２２を出力する（図８（ｆ））。
【００８９】
受電機器２から送電機器１へデータ伝送する方法は、実施形態１とほぼ同様である。ただし、Ｅ級増幅部５１１をパルス幅変調された周期信号で変調している。そのため、周期信号がある期間は、図４（ｂ）に示すような電流検出波形を検出することで受電機器２から送電機器１へのデータを検出することが可能となる。この場合、パルス幅変調されている関係上、周期信号がない期間があるため、スイッチ部３１を流れる電流の変化を検出することができない。その期間についてはスイッチ部３１を流れる電流は略０だからである。
【００９０】
そのため、パルス幅変調された信号を伝送する本実施形態では、パルス幅変調された中の周期信号がある期間で、受電機器２から送電機器１へデータ伝送することになる。一例として、パルス幅変調する際に、１つのタイムスロット内で必ず周期信号がある（即ちパルス幅が０とはならない）ようにパルス幅変調する。そして、１つのタイムスロットで最低でも１ビットのデータを受電機器２から送電機器１へ伝送できるようにすることで、送電機器１から受電機器２へのデータレートと同じデータレートを維持できる。
【００９１】
実施形態１では、周期信号発生部６１の出力信号をタイミング信号として用いる構成を述べたが、上述のとおり周期信号がない期間はデータ判定をしても検出できない。そのため、変調部１１１の出力信号をタイミング信号として使用することで、周期信号のある期間は周期信号があるためその信号をタイミング信号としてデータを判定する。周期信号の無い期間は信号がないのでデータを判定しない。データを検出することができない期間のデータ判定を無効とすることができるため、データ判定の精度を高めることが可能となる。
【００９２】
以上説明した通り、本実施形態に係る無線電力伝送システム１２０によっても、送電機器１にＥ級増幅部５１１を使用して受電機器２へ無線で電力を伝送するとともに、送電機器１から受電機器２へデータを伝送することが可能である。送電機器１から受電機器２へのデータは、Ｅ級増幅部５１１の入力信号である周期信号をパルス幅変調して、送電機器１から受電機器２へと伝送するデータ信号でＥ級増幅部５１１の出力をパルス幅変調することにより伝送される。一方、受電機器２から送電機器１へのデータは、実施形態１、２と同様に、受電機器２のインピーダンス値を伝送したデータに応じて変化させ、それに対応する電流波形変化を送電機器１において検出することによって伝送される。これにより、送電機器１と受電機器２の間でデータの双方向伝送が可能となる。
【００９３】
なお、本実施形態では、図８で整流回路部５２を全波整流の出力として図示しているが、半波整流であってもよく、データ復調と電源再生が可能となる整流方法であればよい。
【００９４】
実施形態２および３においては、双方向のデータ伝送が可能である。たとえば、送信機器が応答を要求したタイミングで所定期間内に受電機器から応答があれば、送信機器はその受電機器を認証し、その後も受電させてもよい。応答がなければ、または、予め定められた応答ではなければ、送信機器はその受電機器を認証せず、電力の送信を停止してもよい。または、相互に伝送されるデータを、送電機器と受電機器とのペアリングのための情報として利用してもよい。
【００９５】
上述の実施形態１〜３では、信号抽出部２２１は、検出部４１で検出された波形の変化（電流波形３１１）からデータ信号の有無を判定し、データ信号が存在する場合にはそのデータ信号３２１を抽出すると説明した。しかしながら、信号抽出部２２１がデータ信号の有無を判定する動作は必須ではない。信号抽出部２２１は、検出部４１が検出した信号波形から常に何らかの信号を抽出して出力してもよい。たとえば信号抽出部２２１は、検出部４１の出力信号を継続的に受け取りながら、実施形態１においてデータ信号が存在する場合に行っていた処理をその出力信号に施す。その結果、検出部４１から出力される信号波形にデータ信号が含まれている場合には、信号抽出部２２１は受信データ信号３２１を抽出する。一方、検出部４１から出力される信号波形にデータ信号が含まれていない場合には、信号抽出部２２１は、波形に立ち上がりおよび立ち下がりが含まれない一定の信号を抽出する。信号抽出部２２１から出力される信号に受電機器２から送信されたデータが含まれているか否かの判断は、たとえば後段の処理回路（図示せず）が行えばよい。
【００９６】
上述の実施形態、たとえば図１に示す実施形態１の例では、検出部４１は、スイッチ部３１からＧＮＤへ流れる電流もしくはＢ点の電圧を検出する、と説明した。しかしながら、上述の検出方法によって電流もしくは電圧を検出するためには電流を流す必要がある。そのため、電力の損失が発生していた。
【００９７】
そのような電力損失を低減するために、検出部４１を設ける位置を変更すればよい。たとえば図９は、実施形態１の変形例にかかる無線電力伝送システム１３０のブロック構成を示している。無線電力伝送システム１３０が、実施形態１の無線電力伝送システム１００と相違する点は、検出部２４１がＡ点の電圧を検出することである。この相違点に起因して、図９にはＢ点は示されていない。
【００９８】
以下、上述の相違点に関連する構成を説明する。その他の構成およびシステムの動作の詳細は実施形態１と同じであるから、その説明は省略する。
【００９９】
検出部２４１は、Ａ点の電圧を検出する。このとき、Ａ点から検出部２４１に電流が実質的に流れないようにするため、検出部２４１のインピーダンスを十分高く設定する必要がある。なお、Ａ点では図３に示す電圧波形が検出されることになる。この電圧は比較的大きいため、検出部２４１および信号抽出部２２１には、想定される電圧に耐え得る程度の性能が必要である。すなわち、比較的耐圧を高く設定しなければならない。
【０１００】
上記構成によれば、受電機器２から送電機器１へとデータを伝送する動作に関連する電力損失を低減することができる。
【０１０１】
なお、上述の図９の構成は一例である。実施形態２および３の各無線電力伝送システムの検出部に関しても全く同様に適用できる。すなわち、図５に記載の実施形態２にかかる無線電力伝送システム１１０、および、図７に記載の実施形態３にかかる無線電力伝送システム１２０において、図９に示す位置に、上述した特性を有する検出器２４１およびそれに接続される信号抽出部２２１を配置すればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明にかかる無線電力伝送システムは、無線で電力を伝送する送電機器および受電機器の間で、データの一方向または双方向の伝送が可能である。このデータを利用して、たとえば無線で伝送された電力の受電を許可するかどうかの認証に利用することができる。本発明は、送電機器および受電機器を有する無線電力伝送システムとして実現される数多くの電気製品に対して有用である。
【符号の説明】
【０１０３】
１ 送電機器
２ 受電機器
２１ 整合回路部
３１ スイッチ部
３２ ＩＣチップ
４１ 検出部
４２ インピーダンス可変部
５１ 増幅部
５２ 整流回路部
６１ 周期信号発生部
６２ 制御部
８２ 電力再生部
９ 変調部
９１ 送信共振回路部
９２ 受信共振回路部
１０１ 復調部
１１１ 変調部
１３１ 無線送信部
１４１ 無線受信部
１７１ サーキュレータ
１９１ 電源
２２１ 信号抽出部
２５１ 電圧制御部
２９１ ＰＷＭ信号生成部
２９２ データ復調部
３３２ ＰＷＭ信号復調部
４５２ 包絡線検波部
９１１ 読取／書込装置
９９２ 非接触ＩＣカード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムであって、
前記送電機器は、
周期信号を発生する周期信号発生部と、
前記周期信号発生部からの前記周期信号に応じてスイッチング動作するスイッチ部と、
直流電源と前記スイッチ部の一端を接続する第１のインダクタと、
前記スイッチ部の一端とグランドを接続する第１のキャパシタと、
前記スイッチ部の一端に接続された第２のインダクタと第２のキャパシタで構成されたＬＣ共振回路部と、
前記ＬＣ共振回路部に接続され、前記周期信号の周期と略同じ共振周波数を有する送信共振回路部と、
前記スイッチ部の一端の電圧、または、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する検出部と、
前記検出部の出力から信号を抽出する信号抽出部とを備え、かつ、前記周期信号で前記スイッチ部をスイッチング動作することで、前記直流電源から供給される電力を、前記周期信号と略同じ周波数を有する交流信号に変換するＥ級増幅動作を行い、
前記受電機器は、
前記送信共振回路部と電磁結合し、前記送信共振回路部と共振する受信共振回路部と、
前記受信共振回路部で受信した信号を整流する整流回路部と、
前記整流回路部と電力再生部を接続するインピーダンス可変部と、
前記インピーダンス可変部の出力から前記受電機器の電力を生成する電力再生部と、
前記受電機器から前記送電機器に伝送する信号に応じて前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替える制御部と
を備えた、無線電力伝送システム。
【請求項２】
前記制御部が、前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替えることで生じる、前記スイッチ部の他端からグランドに流れる電流若しくは前記スイッチ部の他端の電圧の変化を、前記検出部で検出することで、前記受電機器から前記送電機器に前記信号を伝送する、請求項１に記載の無線電力伝送システム。
【請求項３】
前記信号抽出部は、前記周期信号発生部の出力をタイミング信号として使用し、前記検出部の出力から前記信号を抽出する、請求項１または請求項２に記載の無線電力伝送システム。
【請求項４】
前記検出部は、抵抗素子からなり、
前記検出部が、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する場合において、前記検出部は、前記スイッチ部からグランドに流れる電流によって生じる電圧を前記信号抽出部に入力し、
前記信号抽出部は、入力された電圧から前記信号を抽出する、請求項１から３のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項５】
前記スイッチ部は、電界効果型トランジスタおよびバイポーラトランジスタの一方によって構成される、請求項１から４のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項６】
送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送機器であって、
前記送電機器は、
周期信号を発生する周期信号発生部と、
前記周期信号発生部からの前記周期信号に応じてスイッチング動作するスイッチ部と、
直流電源と前記スイッチ部の一端を接続する第１のインダクタと、
前記スイッチ部の一端とグランドを接続する第１のキャパシタと、
前記スイッチ部の一端に接続された第２のインダクタと第２のキャパシタで構成されたＬＣ共振回路部と、
前記ＬＣ共振回路部に接続され、前記周期信号の周期と略同じ共振周波数を有する送信共振回路部と、
前記スイッチ部の一端の電圧、または、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する検出部と、
前記検出部の出力から信号を抽出する信号抽出部と、
前記送電機器から前記受電機器へ送信する第１の送信信号に応じて、前記直流電源の出力電圧を制御する電圧制御部と
を備え、かつ、前記周期信号で前記スイッチ部をスイッチング動作することで、前記直流電源から供給される電力を、前記周期信号と略同じ周波数を有する交流信号に変換するＥ級増幅動作を行い、
前記受電機器は、
前記送信共振回路部と電磁結合し、前記送信共振回路部と共振する受信共振回路部と、
前記受信共振回路部で受信した信号を整流する整流回路部と、
前記整流回路部と電力再生部を接続するインピーダンス可変部と、
前記インピーダンス可変部の出力から前記受電機器の電力を生成する電力再生部と、
前記インピーダンス可変部の出力から前記第１の送信信号を復調する復調部と、
前記受電機器から前記送電機器に伝送する第２の送信信号に応じて前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替える制御部と
を備えた無線電力伝送システム。
【請求項７】
前記制御部が、前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替えることで生じる、前記スイッチ部の他端からグランドに流れる電流若しくは前記スイッチ部の他端の電圧の変化を、前記検出部で検出することで、前記受電機器から前記送電機器に前記第２の送信信号を伝送する、請求項６に記載の無線電力伝送システム。
【請求項８】
前記信号抽出部は、前記周期信号発生部の出力をタイミング信号として使用し、前記検出部の出力から前記信号を抽出する、請求項６または請求項７に記載の無線電力伝送システム。
【請求項９】
前記検出部は、抵抗素子からなり、
前記検出部が、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する場合において、前記検出部は、前記スイッチ部からグランドに流れる電流によって生じる電圧を前記信号抽出部に入力し、
前記信号抽出部は、入力された電圧から前記信号を抽出する、請求項６から８のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項１０】
前記電圧制御部は、前記第１の送信信号に応じて、前記直流電源の出力電圧を変化させることで、前記送信共振回路部から出力される信号が、前記送信共振回路部と前記受信共振回路部の共振周波数と略同じ周波数を持った交流信号を搬送波として、前記第１の送信信号で振幅変調した波形となる、請求項６から９のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項１１】
前記電圧制御部は、前記第１の送信信号に応じて、前記直流電源の出力電圧をパルス幅変調することで、前記送信共振回路部から出力される信号が、前記送信共振回路部と前記受信共振回路部の共振周波数と略同じ周波数を持った交流信号を搬送波として、前記第１の送信信号でパルス幅変調した波形となる、請求項６から９のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項１２】
前記スイッチ部は、電界効果型トランジスタおよびバイポーラトランジスタの一方によって構成される、請求項６から１１のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項１３】
送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムであって、
前記送電機器は、
周期信号を発生する周期信号発生部と、
前記送電機器から前記受電機器へ送信する第１の送信信号に応じて、パルス幅変調信号を生成するパルス幅変調信号生成部と、
前記周期信号を前記パルス幅変調信号で変調する変調部と、
前記変調部の出力に応じてスイッチング動作するスイッチ部と、
直流電源と前記スイッチ部の一端を接続する第１のインダクタと、
前記スイッチ部の一端とグランドを接続する第１のキャパシタと、
前記スイッチ部の一端に接続された第２のインダクタと第２のキャパシタで構成されたＬＣ共振回路部と、
前記ＬＣ共振回路部に接続され、前記周期信号の周期と略同じ共振周波数を有する送信共振回路部と、
前記スイッチ部の一端の電圧、または、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する検出部と、
前記検出部の出力から信号を抽出する信号抽出部と、
を備え、
前記受電機器は、
前記送信共振回路部と電磁結合し、前記送信共振回路部と共振する受信共振回路部と、
前記受信共振回路部で受信した信号を整流する整流回路部と、
前記整流回路部と電力再生部を接続するインピーダンス可変部と、
前記インピーダンス可変部の出力から前記受電機器の電力を生成する電力再生部と、
前記インピーダンス可変部の出力の包絡線を検波する包絡線検波部と、
前記包絡線検波部の出力から前記第１の送信信号を復調するパルス幅変調信号復調部と、
前記受電機器から前記送電機器に伝送する第２の送信信号に応じて前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替える制御部と、
を備えた無線電力伝送システム。
【請求項１４】
前記送電機器は、前記変調部の出力として前記周期信号がある期間は、前記スイッチ部をスイッチング動作することで、前記直流電源から供給される電力を、前記周期信号と略同じ周波数を有する交流信号に変換するＥ級増幅動作を行い、前記変調部の出力がない期間は、出力を停止する、請求項１３に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１５】
前記制御部が、前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替えることで生じる、前記スイッチ部の他端からグランドに流れる電流若しくは前記スイッチ部の他端の電圧の変化を、前記検出部で検出することで、前記受電機器から前記送電機器に前記第２の送信信号を伝送する、請求項１３または請求項１４に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１６】
前記信号抽出部は、前記周期信号発生部の出力をタイミング信号として使用し、前記検出部の出力から前記信号を抽出する、請求項１３から１５のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項１７】
前記信号抽出部は、前記変調部の、前記周期信号をパルス幅変調信号で変調された出力をタイミング信号として使用し、前記変調部の出力に周期信号がある場合はタイミング信号として有効と判断し、前記変調部の出力に周期信号が無い場合はタイミング信号として無効と判断し、タイミング信号として有効と判断されたときに、前記検出部の出力から前記信号を抽出する、請求項１３から１５のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項１８】
前記検出部は、抵抗素子からなり、
前記検出部が、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する場合において、前記検出部は、前記スイッチ部からグランドに流れる電流によって生じる電圧を前記信号抽出部に入力し、
前記信号抽出部は、入力された電圧から前記信号を抽出する、請求項１３から１７のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項１９】
前記スイッチ部は、電界効果型トランジスタおよびバイポーラトランジスタの一方によって構成される、請求項１３から１８のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項２０】
送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムであって、
前記送電機器は、
交流エネルギを生成するＥ級増幅部と、
前記交流エネルギを空間へ送出する送信共振回路部と、
前記Ｅ級増幅部の所定位置の電圧または電流の波形を検出する検出部であって、前記Ｅ級増幅部から前記送信共振回路部を見たときのインピーダンスに応じた波形を検出する検出部と、
前記波形に応じた信号を抽出する信号抽出部とを備えており、
前記受電機器は、
前記送信共振回路部によって送出された前記交流エネルギの少なくとも一部を受け取る受信共振回路部と、
前記受信共振回路部によって受け取られた前記交流エネルギの少なくとも一部を整流して出力する整流回路部と、
前記整流回路部の出力に基づいて電力を出力する電力再生部と、
前記整流回路部と前記電力再生部との間に接続され、インピーダンスを切り替えるインピーダンス可変部とを備え、
前記インピーダンス可変部が前記インピーダンスを切り替えることにより、前記検出部は前記インピーダンスが整合しているときの波形と整合していないときの波形とを検出し、前記信号抽出部は、前記検出部が検出した波形に応じた信号を抽出して出力する、無線電力伝送システム。
【請求項２１】
前記送電機器は、送信対象となる送信信号に応じて、前記Ｅ級増幅部の出力電圧を変調する電圧制御部をさらに備え、
前記受電機器は、前記整流回路部の出力に所定の波形処理を行って、前記送信信号を復調する復調部とをさらに備えた、請求項２０に記載の無線電力伝送システム。
【請求項２２】
前記送電機器は、周期信号を発生する周期信号発生部と、送信対象となる送信をパルス幅変調するＰＷＭ信号生成部と、前記周期信号とパルス幅変調された前記送信とを掛け合わせる変調部とをさらに備え、
前記受電機器は、前記整流回路部の出力に包絡線検波の波形処理を行う包絡線検波部と、前記波形処理が行われた前記整流回路部の出力にパルス幅復調を行い前記送信を出力するＰＷＭ信号復調部と
を備えた、請求項２０に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１】
送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムであって、
前記送電機器は、
周期信号を発生する周期信号発生部と、
前記周期信号発生部からの前記周期信号に応じてスイッチング動作するスイッチ部と、
直流電源と前記スイッチ部の一端を接続する第１のインダクタと、
前記スイッチ部の一端とグランドを接続する第１のキャパシタと、
前記スイッチ部の一端に接続された第２のインダクタと第２のキャパシタで構成されたＬＣ共振回路部と、
前記ＬＣ共振回路部に接続され、前記周期信号の周期と略同じ共振周波数を有する送信共振回路部と、
前記スイッチ部の一端の電圧、または、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する検出部と、
前記検出部の出力から信号を抽出する信号抽出部とを備え、かつ、前記周期信号で前記スイッチ部をスイッチング動作することで、前記直流電源から供給される電力を、前記周期信号と略同じ周波数を有する交流信号に変換するＥ級増幅動作を行い、
前記受電機器は、
前記送信共振回路部と電磁結合し、前記送信共振回路部と共振する受信共振回路部と、
前記受信共振回路部で受信した信号を整流する整流回路部と、
前記整流回路部と電力再生部を接続するインピーダンス可変部と、
前記インピーダンス可変部の出力から前記受電機器の電力を生成する電力再生部と、
前記受電機器から前記送電機器に伝送する信号に応じて前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替える制御部と
を備えた、無線電力伝送システム。
【請求項２】
前記制御部が、前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替えることで生じる、前記スイッチ部の他端からグランドに流れる電流若しくは前記スイッチ部の他端の電圧の変化を、前記検出部で検出することで、前記受電機器から前記送電機器に前記信号を伝送する、請求項１に記載の無線電力伝送システム。
【請求項３】
前記信号抽出部は、前記周期信号発生部の出力をタイミング信号として使用し、前記検出部の出力から前記信号を抽出する、請求項１または請求項２に記載の無線電力伝送システム。
【請求項４】
前記検出部は、抵抗素子からなり、
前記検出部が、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する場合において、前記検出部は、前記スイッチ部からグランドに流れる電流によって生じる電圧を前記信号抽出部に入力し、
前記信号抽出部は、入力された電圧から前記信号を抽出する、請求項１から３のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項５】
前記スイッチ部は、電界効果型トランジスタおよびバイポーラトランジスタの一方によって構成される、請求項１から４のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項６】
送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送機器であって、
前記送電機器は、
周期信号を発生する周期信号発生部と、
前記周期信号発生部からの前記周期信号に応じてスイッチング動作するスイッチ部と、
直流電源と前記スイッチ部の一端を接続する第１のインダクタと、
前記スイッチ部の一端とグランドを接続する第１のキャパシタと、
前記スイッチ部の一端に接続された第２のインダクタと第２のキャパシタで構成されたＬＣ共振回路部と、
前記ＬＣ共振回路部に接続され、前記周期信号の周期と略同じ共振周波数を有する送信共振回路部と、
前記スイッチ部の一端の電圧、または、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する検出部と、
前記検出部の出力から信号を抽出する信号抽出部と、
前記送電機器から前記受電機器へ送信する第１の送信信号に応じて、前記直流電源の出力電圧を制御する電圧制御部と
を備え、かつ、前記周期信号で前記スイッチ部をスイッチング動作することで、前記直流電源から供給される電力を、前記周期信号と略同じ周波数を有する交流信号に変換するＥ級増幅動作を行い、
前記受電機器は、
前記送信共振回路部と電磁結合し、前記送信共振回路部と共振する受信共振回路部と、
前記受信共振回路部で受信した信号を整流する整流回路部と、
前記整流回路部と電力再生部を接続するインピーダンス可変部と、
前記インピーダンス可変部の出力から前記受電機器の電力を生成する電力再生部と、
前記インピーダンス可変部の出力から前記第１の送信信号を復調する復調部と、
前記受電機器から前記送電機器に伝送する第２の送信信号に応じて前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替える制御部と
を備えた無線電力伝送システム。
【請求項７】
前記制御部が、前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替えることで生じる、前記スイッチ部の他端からグランドに流れる電流若しくは前記スイッチ部の他端の電圧の変化を、前記検出部で検出することで、前記受電機器から前記送電機器に前記第２の送信信号を伝送する、請求項６に記載の無線電力伝送システム。
【請求項８】
前記信号抽出部は、前記周期信号発生部の出力をタイミング信号として使用し、前記検出部の出力から前記信号を抽出する、請求項６または請求項７に記載の無線電力伝送システム。
【請求項９】
前記検出部は、抵抗素子からなり、
前記検出部が、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する場合において、前記検出部は、前記スイッチ部からグランドに流れる電流によって生じる電圧を前記信号抽出部に入力し、
前記信号抽出部は、入力された電圧から前記信号を抽出する、請求項６から８のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項１０】
前記電圧制御部は、前記第１の送信信号に応じて、前記直流電源の出力電圧を変化させることで、前記送信共振回路部から出力される信号が、前記送信共振回路部と前記受信共振回路部の共振周波数と略同じ周波数を持った交流信号を搬送波として、前記第１の送信信号で振幅変調した波形となる、請求項６から９のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項１１】
前記電圧制御部は、前記第１の送信信号に応じて、前記直流電源の出力電圧をパルス幅変調することで、前記送信共振回路部から出力される信号が、前記送信共振回路部と前記受信共振回路部の共振周波数と略同じ周波数を持った交流信号を搬送波として、前記第１の送信信号でパルス幅変調した波形となる、請求項６から９のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項１２】
前記スイッチ部は、電界効果型トランジスタおよびバイポーラトランジスタの一方によって構成される、請求項６から１１のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項１３】
送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムであって、
前記送電機器は、
周期信号を発生する周期信号発生部と、
前記送電機器から前記受電機器へ送信する第１の送信信号に応じて、パルス幅変調信号を生成するパルス幅変調信号生成部と、
前記周期信号を前記パルス幅変調信号で変調する変調部と、
前記変調部の出力に応じてスイッチング動作するスイッチ部と、
直流電源と前記スイッチ部の一端を接続する第１のインダクタと、
前記スイッチ部の一端とグランドを接続する第１のキャパシタと、
前記スイッチ部の一端に接続された第２のインダクタと第２のキャパシタで構成されたＬＣ共振回路部と、
前記ＬＣ共振回路部に接続され、前記周期信号の周期と略同じ共振周波数を有する送信共振回路部と、
前記スイッチ部の一端の電圧、または、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する検出部と、
前記検出部の出力から信号を抽出する信号抽出部と、
を備え、
前記受電機器は、
前記送信共振回路部と電磁結合し、前記送信共振回路部と共振する受信共振回路部と、
前記受信共振回路部で受信した信号を整流する整流回路部と、
前記整流回路部と電力再生部を接続するインピーダンス可変部と、
前記インピーダンス可変部の出力から前記受電機器の電力を生成する電力再生部と、
前記インピーダンス可変部の出力の包絡線を検波する包絡線検波部と、
前記包絡線検波部の出力から前記第１の送信信号を復調するパルス幅変調信号復調部と、
前記受電機器から前記送電機器に伝送する第２の送信信号に応じて前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替える制御部と、
を備えた無線電力伝送システム。
【請求項１４】
前記送電機器は、前記変調部の出力として前記周期信号がある期間は、前記スイッチ部をスイッチング動作することで、前記直流電源から供給される電力を、前記周期信号と略同じ周波数を有する交流信号に変換するＥ級増幅動作を行い、前記変調部の出力がない期間は、出力を停止する、請求項１３に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１５】
前記制御部が、前記インピーダンス可変部のインピーダンスを切り替えることで生じる、前記スイッチ部の他端からグランドに流れる電流若しくは前記スイッチ部の他端の電圧の変化を、前記検出部で検出することで、前記受電機器から前記送電機器に前記第２の送信信号を伝送する、請求項１３または請求項１４に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１６】
前記信号抽出部は、前記周期信号発生部の出力をタイミング信号として使用し、前記検出部の出力から前記信号を抽出する、請求項１３から１５のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項１７】
前記信号抽出部は、前記変調部の、前記周期信号をパルス幅変調信号で変調された出力をタイミング信号として使用し、前記変調部の出力に周期信号がある場合はタイミング信号として有効と判断し、前記変調部の出力に周期信号が無い場合はタイミング信号として無効と判断し、タイミング信号として有効と判断されたときに、前記検出部の出力から前記信号を抽出する、請求項１３から１５のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項１８】
前記検出部は、抵抗素子からなり、
前記検出部が、前記スイッチ部の他端の電流もしくは電圧を検出する場合において、前記検出部は、前記スイッチ部からグランドに流れる電流によって生じる電圧を前記信号抽出部に入力し、
前記信号抽出部は、入力された電圧から前記信号を抽出する、請求項１３から１７のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項１９】
前記スイッチ部は、電界効果型トランジスタおよびバイポーラトランジスタの一方によって構成される、請求項１３から１８のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
【請求項２０】
送電機器から受電機器へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムであって、
前記送電機器は、
交流エネルギを生成するＥ級増幅部と、
前記交流エネルギを空間へ送出する送信共振回路部と、
前記Ｅ級増幅部の所定位置の電圧または電流の波形を検出する検出部であって、前記Ｅ級増幅部から前記送信共振回路部を見たときのインピーダンスに応じた波形を検出する検出部と、
前記波形に応じた信号を抽出する信号抽出部とを備えており、
前記受電機器は、
前記送信共振回路部によって送出された前記交流エネルギの少なくとも一部を受け取る受信共振回路部と、
前記受信共振回路部によって受け取られた前記交流エネルギの少なくとも一部を整流して出力する整流回路部と、
前記整流回路部の出力に基づいて電力を出力する電力再生部と、
前記整流回路部と前記電力再生部との間に接続され、インピーダンスを切り替えるインピーダンス可変部とを備え、
前記インピーダンス可変部が前記インピーダンスを切り替えることにより、前記検出部は前記インピーダンスが整合しているときの波形と整合していないときの波形とを検出し、前記信号抽出部は、前記検出部が検出した波形に応じた信号を抽出して出力する、無線電力伝送システム。
【請求項２１】
前記送電機器は、送信対象となる送信信号に応じて、前記Ｅ級増幅部の出力電圧を変調する電圧制御部をさらに備え、
前記受電機器は、前記整流回路部の出力に所定の波形処理を行って、前記送信信号を復調する復調部とをさらに備えた、請求項２０に記載の無線電力伝送システム。
【請求項２２】
前記送電機器は、周期信号を発生する周期信号発生部と、送信対象となる送信をパルス幅変調するＰＷＭ信号生成部と、前記周期信号とパルス幅変調された前記送信とを掛け合わせる変調部とをさらに備え、
前記受電機器は、前記整流回路部の出力に包絡線検波の波形処理を行う包絡線検波部と、前記波形処理が行われた前記整流回路部の出力にパルス幅復調を行い前記送信を出力するＰＷＭ信号復調部と
を備えた、請求項２０に記載の無線電力伝送システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１４６２８９（Ｐ２０１２−１４６２８９Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６３４０８（Ｐ２０１１−２６３４０８）
【出願日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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