非接触電力伝送システム、受電装置、及び送電装置
【課題】非接触通信と非接触による送電を受電するアンテナを搭載した小型の携帯端末装置を提供する。
【解決手段】給電コイル１４２と磁気共鳴コイル１４１からなる１次側コイルと、負荷コイル１０２からなる２次側コイルからなり、コイルの巻き線間の寄生容量とコイルの自己インダクタンスにより決まる前記磁気共鳴コイル１４１の自己共振周波数で前記給電コイル１４２より給電し、前記２次側コイルの負荷コイル１０２から磁気的結合により非接触で給電された電力を取り出す構成の非接触電力伝送システムにおいて、前記給電コイル１４２と磁気共鳴コイル１４１の結合と前記磁気共鳴コイル１４１と負荷コイル１０２の結合に磁気的結合を利用して非接触で電力を伝送する。
【解決手段】給電コイル１４２と磁気共鳴コイル１４１からなる１次側コイルと、負荷コイル１０２からなる２次側コイルからなり、コイルの巻き線間の寄生容量とコイルの自己インダクタンスにより決まる前記磁気共鳴コイル１４１の自己共振周波数で前記給電コイル１４２より給電し、前記２次側コイルの負荷コイル１０２から磁気的結合により非接触で給電された電力を取り出す構成の非接触電力伝送システムにおいて、前記給電コイル１４２と磁気共鳴コイル１４１の結合と前記磁気共鳴コイル１４１と負荷コイル１０２の結合に磁気的結合を利用して非接触で電力を伝送する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触データ通信手段および磁気共振を利用した非接触電力伝送手段、装置とそれらの送受を行なうアンテナに関するものであり、非接触ＩＣカードやバッテリを搭載した携帯機器への非接触による充電装置に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者が検討した技術として、非接触充電システムの従来技術に関しては、たとえば一例として図２４に示すような構成のものが考えられる。
【０００３】
図２４は非接触による充電システムの従来技術の一例を示すブロック図であり、図のシステムは、鉄道の駅や店舗などの電力提供者側に設けられる送電装置７０１と、利用者が持っている携帯端末装置７０２とを含んで構成されている。本システムでは、携帯端末装置７０２が送電装置７０１により充電される。
【０００４】
送電装置７０１は、ＲＦＩＤリーダなどの非接触型処理モジュール７１３と、非接触型送電モジュール７１２と、送電制御モジュール７１１とを含んで構成されている。
【０００５】
携帯端末装置７０２は、ＲＦＩＤ等の非接触型処理動作のための非接触型処理モジュール７２３と、充電のための非接触型受電モジュール７２２と、充電の判断と制御を行なう受電制御モジュール７２１と、高速に充電可能な大容量蓄電モジュール７２０とを含んで構成されている。
【０００６】
図において、携帯端末７０２を所有している利用者が、駅や店舗などに設置された送電装置７０１に搭載されている非接触型処理モジュール７１３と携帯端末７０２に搭載されている非接触型処理モジュール７２３の間で電子決済等を行なうためにデータ伝送を行なっている際に、送電装置７０１に搭載されている非接触型送電モジュール７１２より端末側の非接触型送電モジュール７２２に非接触により電力を送電するとともに、非接触型送電モジュール７２２では、受電した電力を整流して高速大容量蓄電モジュール７２０に充電を行なう構成であり、図の送電制御モジュール７１１と受電制御モジュール７２１では、これらモジュール間での非接触による送電の制御を行なうとともに、高速大容量蓄電モジュール７２０に充電を行なう充電の制御を行なっている。
【０００７】
以上の構成では、非接触型処理モジュール７１３、７２３間で通信を行なっている間に携帯端末装置７０２の電源の充電を行なう構成であるため、携帯端末装置７０２の充電時間が減らせる上に、頻繁に非接触型処理モジュール７１３、７２３間で通信を行なえば、特に携帯端末装置７０２を充電しなくとも継続的に端末の利用が可能となる（たとえば、特許文献１参照）。
【０００８】
さらに図２４で示した非接触による通信や充電のための送電では、数ｃｍ以下の比較的近距離での非接触通信や非接触送電には、電磁誘導方式や磁気共鳴方式など磁気的な結合による伝送が一般的である。これは他の伝送方式として有力と考えられる電波による伝送方式は伝送の距離ｒに反比例するのに対し、電磁結合による伝送の強さは、伝送距離ｒの２乗に反比例するため、例えば伝送距離が１ｍよりも小さくなった場合、１／ｒよりも１／(ｒ２)の項のほうが大きくなるためである。
【０００９】
このため、非接触による通信や充電のための送電に用いられる周波数は１００ｋＨｚ帯から１０数ＭＨｚ程度の周波数が用いられ、これらの送受に用いられるアンテナとしては、磁気的な結合を強くするため、図２５に示すように、数ターンから数十ターンのコイル状のアンテナを用いるのが一般的であり、図２４で示した携帯端末に用いられる非接触通信や非接触による送電のような直径４ｃｍ程度のコイル状のアンテナが用いられている（たとえば、非特許文献１参照）。
【００１０】
本発明者が検討したその他の技術として、非特許文献２および特許文献２に記載されたものが知られている。この非接触電力伝送システムに関しては、たとえば一例として図２６に示すような構成のものが考えられる。
【００１１】
図２６は非接触による電力伝送システムの従来技術の一例を示す構成図であり、非接触電力伝送システム７３０は高周波電源７３１と、高周波電源７３１に可変インピーダンス回路７３７を介して接続された給電コイル７３２と共鳴コイル７３３により１次側コイルを構成し、共鳴コイル７３４と負荷コイル７３５により２次側コイルを構成し、負荷コイル７３５に接続された負荷７３６を備えている。
【００１２】
さらに、共鳴コイル７３３、７３４にはそれぞれ共鳴容量７３８、７３９が接続されており、給電コイル７３２、共鳴コイル７３３，７３４、負荷コイル７３５は共鳴系７４０を構成する。また、高周波電源７３１の出力周波数には、共鳴系７４０の共鳴周波数に設定されている。
【００１３】
インピーダンス可変回路７３７は、２つの可変容量７４１、７４２とインダクタ７４３から構成されている。一方の可変容量７４１は高周波電源７３１に並列に接続され、他方の容量７４２は給電コイル７３２に並列に接続されている。インダクタ７４３は両可変容量７４１、７４２の間に接続されている。インピーダンス可変回路７３７は、可変容量７４１、７４２の容量が変換されることでそのインピーダンスが変更される。このインピーダンス可変回路７３７は共鳴系７４０の共鳴周波数における入力インピーダンスと高周波電源７３１側のインピーダンスが合うようにインピーダンスが調整される。可変容量７４１，７４２は回転軸がモータにより駆動することで容量を可変する公知の構成で、モータが制御装置７４４からの駆動信号により駆動される構成となっている。
【００１４】
高周波電源７３１からインピーダンス可変回路７３７を介して給電コイル７３２に、共鳴系７４０の周波数で高周波電圧が出力され、給電コイル７３２に磁場が発生する。この磁場が共鳴コイル７３３、７３４による磁場共鳴により増強される。増強された共鳴コイル７３４付近の磁場から負荷コイル７３５により電磁誘導を利用して電力を取り出し負荷７３６に供給される。
【００１５】
このとき、共鳴コイル７３３、７３４のコイル間距離が変化すると、共鳴系７４０の入力インピーダンスも変化する。このため、インピーダンス可変回路７３７がない場合、共鳴コイル７３３、７３４のコイル間距離によっては、インピーダンス整合が取れずに、高周波電源７３１への反射電力が生じ伝送効率が低下する。また別の見方をすると、コイル間距離により磁気共鳴現象が発生する周波数が変動するため、高周波電源７３１の出力周波数に対し、磁気共鳴周波数がずれると伝送損失が大きくなる。このため、高周波電源の周波数を伝送損失が最も小さくなる周波数にコイル間距離に対応して調整すればよいが送信周波数を変えると他の通信機器へ影響を与える恐れがあることから一般的ではない。このため、コイル間距離が変動して共鳴系７４０の入力インピーダンスが変動した場合は制御装置７４４により、可変容量７４１、７４２を調整してインピーダンス整合を取るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００６−３５３０４２号公報 図１
【特許文献２】特開２０１０−１４１９７６号公報 図１
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】日経ビジネス ２００９年１月２６日号 ７８ページ、日経ＢＰ社
【非特許文献２】ＮＩＫＫＥＩ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ２００７．１２．３ １１７項〜１２８項
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ところで、上記図２４で示した従来技術の充電システムでは、非接触通信と非接触による送電を個々に用いられているため、それぞれ、直径４ｃｍ程度のコイル状のアンテナが必要となる。このため、特に小型化の要求が高い携帯端末に図２４で示したような充電システムを搭載しようとした場合、上述のコイル状のアンテナを２素子内蔵する必要があるため、携帯端末装置の小型化が難しいという課題を有していた。
【００１９】
さらに、上記図２４で示した従来技術の充電システムでは、非接触による送電では、非接触部の伝送損失が大きいと送電装置の効率が低下し消費電力が増えることから、近距離(数ｃｍ以下)で比較的高い効率が得られる電磁誘導方式が一般的であるが、逆に伝送距離がある程度大きくなると（例として１〜２ｃｍ程度）伝送効率が急激に劣化するため、携帯端末装置に従来技術の受電装置を搭載しようとした場合、受電装置のアンテナを携帯端末装置の表面に貼り付けるようにするなどして充電の際に送電装置と受電装置間の伝送距離が短くなるようにする必要があるため、搭載位置が限られてしまうという課題があった。
【００２０】
さらに、携帯端末装置の通信周波数は８００ＭＨｚ帯や２ＧＨｚ帯の比較的高い周波数であり、この通信に用いられるアンテナは小型化が進んでおり、通信端末に内蔵するのが可能となっている。しかし、上述の非接触通信や非接触による送電を受電するアンテナを携帯端末に内蔵した場合、内蔵された携帯端末装置の通信アンテナからの電波は、非接触通信や非接触による送電を行なう周波数よりも数百倍程度高いため、非接触通信や非接触による受電を行なうアンテナは金属板のようにしか見えない。このため非接触通信や非接触による受電を行なうアンテナ部で反射が起こるため、携帯端末装置の受信感度に影響を与えるという課題を有していた。
【００２１】
また、上記図２６で示した従来技術の非接触の電力伝送システムでは、磁気共鳴コイルのコイル間距離の変動により共鳴系の入力インピーダンスが変動することで１次コイル側と２次コイル側の間の周波数特性が変わり伝送効率が劣化する現象は、可変インピーダンス回路の可変容量を調整することにより、高周波電源と共鳴系のインピーダンス整合を図る構成で改善しているが、数Ｗ以上の電力を伝送する場合、可変容量に可変容量ダイオード等の半導体を用いることは電力容量や耐圧の問題から難しい。このため、バリアブルコンデンサ等の機械式の可変容量を用いる必要があるので、送電器の小型化が図れない。また、可変容量が機械式であるため耐久性の面で課題がある。
【００２２】
さらに、上記図２６で示した非接触の電力伝送システムでは、磁気共鳴コイルのコイル間距離が数ｍｍ程度のごく近い距離での伝送では、磁気共鳴コイル間の磁場共鳴による伝送に対し、電磁誘導による伝送の割合が増えることが影響し、コイルをより近くするとかえって伝送効率が低下してしまうという課題を有していた。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は上記目的を達成するため、上記課題である非接触通信と非接触による送電を受電するアンテナを搭載しようとした場合に携帯端末装置の小型化が難しいという課題は、非接触通信用アンテナと非接触による送電を受電するアンテナを共用化するとともに、共用化したアンテナの受信出力部に切り替え回路を設けることにより、共用化したアンテナが送電装置からの送電電力を受電した場合、切り替え回路を充電側に切り替え、この切り替え回路を介して整流回路において受電信号が整流されバッテリに充電される構成とし、非接触通信信号を受信した場合、切り替え回路はそのまま非接触通信側を保持することで、非接触通信が可能となる。
【００２４】
次に、充電を行なう場合、効率が劣化しないように送電装置と受電装置間の伝送距離を短くする必要があるため、搭載位置が限られてしまうという課題については、送電装置において送電に用いられるアンテナとして、送電に用いる周波数に共振する長さのコイル長を有した両端が電気的に接続されない共振コイルと共振コイルに送電電力を磁気的に結合して給電する給電コイルからなる磁気共鳴方式と呼ばれる方式とし、給電コイルより送電装置からの送電電力を給電するとともに、非接触通信信号も送電信号に重畳して送信する構成とした。
【００２５】
同様に受電装置においても受電に用いられるアンテナとして、送電に用いる周波数に共振する送電側と等しい長さのコイル長を有した両端が電気的に接続されない共振コイルと共振コイルで受電した受電電力を磁気的に結合した負荷コイルから受電電力を取り出す磁気共鳴方式とした。
【００２６】
以上の構成とすることにより、送電側の共振コイルと受信側の共振コイルの共振周波数が等しいことにより、送電側の共振コイルに流れる電流による磁束と受信側の共振コイルに流れる電流による磁束の位相が同相になることにより、これら共振コイル間は強く結合する。この現象は磁気共鳴現象とよばれ、従来の非接触伝送に主に用いられている電磁誘導方式よりもコイル間距離が離れていても効率の低下が少ないという特長を有しているため、送電装置と受電装置間距離が多少離れていても伝送効率の低下が少ないので、携帯端末装置に受電装置を搭載する場合、受電アンテナの搭載位置の制約がより少ない構成とすることができる。
【００２７】
非接触通信や非接触による受電を行なうアンテナ部で反射が起こるため、携帯端末装置の受信感度に影響を与えるという課題については、上記の搭載位置が限られてしまうという課題と同様に、送電と受電用アンテナに磁気共鳴方式を用いるとともに、受電側のアンテナの共振コイルを削除する構成とした。
【００２８】
この構成では、送電側が磁気共鳴方式、受電側が電磁誘導方式となるがコイル間の伝送距離は受信側が磁気共鳴方式の場合とほぼ同等の伝送距離が得られる構成となっている。
【００２９】
以上の構成とすることにより、受電側のアンテナは、負荷コイルのみとなるため、直径３ｃｍ程度の１〜数ターンのループ状コイルのみとなり、従来の数十ターンの密に巻かれたコイルに比べ、携帯端末装置の通信に用いる電波の反射は小さくなるので、通信アンテナへの影響をより小さくすることができる。
【００３０】
以上は電力伝送周波数と非接触通信が同じ周波数であったが周波数が異なる場合のアンテナを共用化する手段を以下説明する。
【００３１】
一般的に磁気共鳴方式による伝送では、共振コイルに給電する給電コイルや共振コイルから受信した電力を取り出す負荷コイルに比べ、共振コイルの巻き数のほうが多く、インダクタンス値も大きい。
【００３２】
非接触通信の周波数と非接触による電力伝送の周波数が異なる場合、上記受信側共振コイルと並列に第１の容量を接続するとともに、第２の容量を第１のフィルタ回路を介し直列あるいは並列に接続した後、低い周波数のほうの信号を取り出す構成とするとともに、共振コイルと磁気的に結合するように負荷コイルを受電コイルに近接して設け、負荷コイルに第２のフィルタ回路を介し高い周波数のほうの信号を取り出す構成とし、第１の容量が共振コイルと高い周波数のほうの信号で共振する値とし、第２の容量が共振コイルと低い周波数のほうの信号で共振する値とし、さらに、第１のフィルタ回路は低い周波数のほうの信号を通過させ、高い周波数のほうの信号の通過を阻止し、第２のフィルタ回路は高い周波数のほうの信号を通過させ、低い周波数のほうの信号の通過を阻止する構成とした。
【００３３】
以上の構成とすることにより、共振コイルからは共振コイルと第２の容量により共振する低い周波数のほうの信号を出力することが出来るととともに、負荷コイルからは、共振コイルと第１の容量で共振する高い周波数のほうの信号を図２６で示した従来技術と同様に磁気共鳴方式により出力することが出来る。
【００３４】
ここで、従来の電磁誘導方式による非接触での電力伝送で用いられるコイルの大きさの一例としては、携帯機器等への充電等に用いられる５Ｗ程度以下であれば、直径数ｃｍで数１０ターン程度の巻き数であり、電気自動車等への充電に用いられる数ｋＷクラスでは、直径数１０ｃｍで数１０ターン程度の巻き数であり、用いられる周波数は数１０ｋＨｚから数１００ｋＨｚであり、伝送距離としては数ｃｍ以下が一般的である。また、磁気共鳴方式による非接触での電力伝送で用いられるコイルの大きさとしては、携帯機器等への充電等に用いられる５Ｗ程度以下であれば、直径数ｃｍで数１０ターン程度の巻き数であり、電気自動車等への充電に用いられる数ｋＷクラスでは、直径数１０ｃｍで数ターンから数１０ターン程度の巻き数であり、用いられる周波数は数MＨｚから１０数ＭＨｚであり、共振コイルに電力を給電する給電コイルおよび共振コイルから電力を取り出す負荷コイルの巻き数は１ターン程度である。また、磁気共鳴方式の伝送距離は数ｃｍから数１０ｃｍ程度であり、給電コイルと共振コイルおよび共振コイルと負荷コイル間の距離としては１ｃｍ以下程度が一般的である。
【００３５】
次に磁気共鳴コイル(共振コイル)のコイル間距離の変動による共鳴系の入力インピーダンスの変動を可変インピーダンス回路により調整した場合、送信側の回路も大きくなってしまうという課題については、上述の受信側のコイルが搭載機器と比較して大きくなってしまうという課題と同様に負荷コイルに少なくとも直列接続か並列接続により負荷コイルのインダクタンスと共振する共振容量を付加する構成とした。
【００３６】
以上の構成とすることにより、磁気共鳴コイルのコイル間距離の変動による１次コイルと２次コイル間の周波数特性の変動が小さくなる(コイル間距離の変動による入力のインピーダンス変動が小さくなる)という結果が実験的に得られていることから、可変インピーダンス回路を用いなくても、コイル間距離の変動による１次コイルと２次コイル間の周波数特性の変動を小さく抑えることができるので、送信回路についても小型化が可能となる。
【００３７】
さらに、磁気共鳴コイルのコイル間距離の変動による１次コイルと２次コイル間の周波数特性の変動を小さくする手段としては、１次コイル側の共鳴コイルを複数設け、それぞれのコイルが負荷コイルとの距離に対応して最も伝送効率が良くなるような巻き数とすることで、１次側の共鳴コイルと負荷コイル間の距離に対応して最も効率のよい共鳴コイルと主に伝送が可能となるため、上記手段によってもコイル間距離の変動による１次コイルと２次コイル間の周波数特性の変動を小さくすることが可能となる。
【００３８】
また、磁気共鳴コイルのコイル間距離が数ｍｍ程度のごく近い距離で伝送効率が低下してしまうという課題については、給電コイルと１次側の磁気共鳴コイルのコイルの配置構成を入れ替え、１次側の共鳴コイルと負荷コイル間の距離よりも給電コイルと負荷コイル間の距離が近くなるようにした。これにより、１次コイルと２次コイルが数ｍｍ程度の磁気共鳴伝送では伝送効率が劣化する、ごく近距離伝送の場合でも伝送効率の低下を抑えることができる。これは、ごく近距離では、給電コイルと負荷コイルが距離的に近くなることで、給電コイルから負荷コイルに直接電磁誘導により電力が伝送できるためである。
【００３９】
さらに、非接触電力伝送システムでは、非接触充電に対応しているか確認するための機器の認証や送信電力量の制御等を行うための通信手段として、送信側は送電電力の信号にＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）変調方式等の変調をかけるとともに、受信側では内部に電力を持たなくても受電した信号を利用して通信が可能である負荷変調方式を用いる構成とすることにより、比較的簡易に通信が可能となる非接触電力伝送システムを得ることができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明により、非接触通信手段とバッテリへの充電を行なうための非接触による受電装置を携帯端末装置等に搭載した場合でも、これらを搭載したことによる端末の大型化を極力抑えられるとともに、非接触通信や非接触による受電を行なう場合、磁気共鳴方式を用いることにより、伝送距離が大きくなってもアンテナ間の伝送損失が少なく、携帯端末装置等の通信感度への影響が少ない非接触電力伝送システム、受電装置、及び送電装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施例１に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図２】実施例２に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図３】実施例３に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図４】送信が磁気共鳴方式、受信が電磁誘導方式と従来の電磁誘導方式でのコイル間距離による伝送効率の差を示す実験結果である。
【図５】磁気共鳴方式と従来の電磁誘導方式での伝送効率特性のコイル間距離による依存性の差を示す実験結果である。
【図６】送信が磁気共鳴方式、受信が電磁誘導方式のコイル間距離による依存性の差を示す実験結果である。
【図７ａ】実施例１に係る磁気共鳴方式のコイルの構成を模式的に示した模式図である。
【図７ｂ】実施例１に係る磁気共鳴方式のコイルの構成を、伝送方向に対し真横から見た模式図である。
【図８】実施例４に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図９】実施例５に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１０】実施例６に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１１】実施例７に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１２】実施例８に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１３】実施例９に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１４】実施例１０に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１５】実施例１１に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１６ａ】実施例１２に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１６ｂ】実施例１２に係る非接触充電システムの１次側の共鳴コイル群の他の例を示す図である。
【図１７】実施例１３に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１８】実施例１４に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１９】実施例１５に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図２０】実施例１６に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図２１】実施例１７に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図２２】実施例１２に係る非接触充電システムの周波数特性を模式的に示した模式図である。
【図２３】実施例１３に係る非接触充電システムの周波数特性を模式的に示した模式図である。
【図２４】非接触通信と非接触による送電を行なう場合の従来例を示すブロック図である。
【図２５】従来技術で実現される電磁誘導方式のコイル構成を模式的に示した模式図である
【図２６】磁気共鳴方式で非接触で電力伝送を行なう場合の従来例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００４２】
本発明の非接触による充電システムの第１の実施例を図面によって説明する。
【００４３】
図１は、本発明に使用される非接触による充電システムを有した第1の実施例を示した図である。
【００４４】
図において、７０２は携帯端末装置、１４０は電力を非接触で送電を行なう送電装置、１５０は非接触通信装置であり、図の携帯端末装置７０２は、磁気共鳴コイル１０１、負荷コイル１０２、切り替えスイッチ１１０、整流用ダイオード１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６、１２７、１２８、平滑用容量１３０、１３１、非接触データ通信部１０３、充電制御部１０４、バッテリ１０５、端末無線通信部１０６、検知出力部１０７より構成され、さらに、切り替えスイッチ１１０には減衰抵抗１１１、１１２が付加されている。また、図の送電装置１４０は、磁気共鳴コイル１４１、給電コイル１４２、増幅部１４３、発振器１４４、制御部１４５、検出部１４６より構成され、非接触通信装置１５０は電磁誘導コイル１５１、共振容量１５２、発振器１５３、非接触データ通信部１５４より構成されている。
【００４５】
図において、携帯端末装置７０２は、両端が接続されていない１０数ターン程度の平面形状の磁気共鳴コイル１０１に対し、数ｍｍ程度離れたところに負荷コイル１０２を設けるとともに、負荷コイル１０２の出力端には切り替えスイッチ１１０が接続される。さらに、切り替えスイッチ１１０の一方の出力が整流用ダイオード１２１〜１２４より構成される全波整流回路に入力され、整流出力は非接触データ通信部１０３に入力される。
【００４６】
また、切り替えスイッチ１１０の他の一方の出力は整流用ダイオード１２５〜１２８より構成される全波整流回路に入力され、整流出力が充電制御部１０４を介しバッテリ１０５に供給されている。
【００４７】
また、図の送電装置１４０は両端が接続されていない１０数ターン程度の平面形状の磁気共鳴コイル１４１に対し、数ｍｍ程度離れたところに給電コイル１４２を設けるとともに、給電コイル１４２の入力端には増幅器１４３を介し発振器１４４が接続される。
【００４８】
さらに、図の非接触通信装置１５０は、十数ターン以上の電磁誘導コイル１５１のコイル端に共振容量１５２とともに発振器１５３が並列に接続されている。
【００４９】
以上の充電システムにおいて、まずは、非接触通信装置１５０から携帯端末装置７０２に非接触により通信を行なう場合の動作について説明する。
【００５０】
非接触通信装置１５０にある発振器１５３では、非接触通信が行なわれる搬送波周波数（例えばＲＦＩＤでは１３.５６ＭＨｚ等）で発振するとともに、非接触データ通信部１５４において、送信を行なうデータに対応して発振周波数に変調をかけ、変調された通信信号は、電磁誘導コイル１５１と共振用容量１５２の共振周波数が搬送周波数に等しくなるように調整されたアンテナにより、電磁エネルギーとして効率よく放射される。
【００５１】
一方、携帯端末装置７０２では、磁気共鳴コイル１０１が、非接触通信信号に等しい周波数に共振するように調整されているため、非接触通信装置１５０からの放射によりコイル１０１に最も電流が流れることで、負荷コイル１０２の両端には高い電圧が励起され、この励起された電圧が、切り替えスイッチ１１０を介してそのまま整流用ダイオード１２１〜１２４で構成される整流回路に入力される。入力された非接触通信信号は、平滑用容量１３０により平滑化され直流電圧となり非接触データ通信部１０３へ電源として供給されるとともに、変調されたデータも非接触データ通信部１０３において復調される。一方、非接触データ通信部１０３から、非接触通信装置１５０への通信は、磁気共鳴コイル１０１で受信した信号に対し、送信データに対応させて非接触データ通信部１０３の入力インピーダンスを変化させることで磁気共鳴コイル１０１から電磁誘導コイル１５１への反射量が変動することを非接触通信装置１５０が検出することにより、逆方向の通信を行なっている。
【００５２】
次に、送電装置１４０から携帯端末装置７０２に非接触により送電を行なう場合の動作について説明する。
【００５３】
送電装置１４０にある発振器１４４では、電力を非接触で送電する周波数として、非接触通信装置１５０で用いられているＲＦＩＤ等と同じ１３.５６ＭＨｚで発振し、増幅部１４３において電力増幅し、給電コイル１４２により磁気共鳴コイル１４１を励振する。磁気共鳴コイル１４１は、送電周波数と等しい周波数で共振するように調整されているため、送電周波数で最も大きい電流が流れ強い磁界が発生する。
【００５４】
一方、携帯端末装置７０２では、磁気共鳴コイル１０１は送電周波数に等しい周波数で共振するため、送電信号で最も電流が流れ、負荷コイル１０２の両端には高い電圧が励起される。この励起された電圧がある一定以上の値になった場合、充電制御部１０４は、切り替えスイッチ１１０を電力受電側に切り替えるので、受電した信号は、整流用ダイオード１２５〜１２８により構成される整流回路により整流され、平滑用容量１３１により直流電圧となり充電制御部１０４に供給される。充電制御部１０４では供給された直流電圧をバッテリ１０５に充電を行うとともに、過充電されない等によりバッテリ１０５が破損しないように充電量の制御を行う。
【００５５】
なお、携帯端末装置７０２の検知出力部１０７は特定の識別子を出力しており、携帯端末装置７０２が送電装置１４０に接近し、検出部１４６で検知出力部１０７からの識別子を検知すると制御部１４５は発振器１４４をオン状態にして送電を開始する。
【００５６】
さらに、送電装置１４０からの送電を行う場合、切り替えスイッチ１１０は、受電側に切り替わっているが、このとき、非接触通信側に減衰抵抗１１１、１１２を介し非接触通信側にも受電した信号を減衰させて非接触通信側にも入力する構成とした。このような構成とすることで、送電信号に非接触通信信号を重畳した場合、受電と同時に非接触通信も可能となる。ここで、減衰抵抗により受電信号レベルを下げるのは、非接触通信信号に比べ、送電信号のほうがレベルがかなり高いためである。
【００５７】
以上の構成とすることにより、送電装置１４０と携帯端末装置７０２間の伝送は、磁気共鳴方式による結合のため、従来の電磁誘導方式に比べ、伝送距離が長くなっても損失が少ない充電システムを得ることができ、さらに、非接触通信と非接触による電力の伝送に用いるアンテナを共用化することで、これらを搭載した場合に伴なう携帯端末装置７０２の実装容積の増加を極力抑えることが可能となる。
【実施例２】
【００５８】
図2は本発明に使用される非接触による充電システムの第２の実施例を示した図である。
【００５９】
図は、図1で示した第1の実施例と比較して携帯端末装置７０２に電磁誘導方式のコイル、送電装置２２０に磁気共鳴方式のコイルを用いたものである。なお、図は、通信装置と送電装置を一体化した送電装置２２０を用いているが、これに限定するものではない。図１のように、通信装置と送電装置が別体になっている場合にも、携帯端末装置に電磁誘導方式のコイル、送電装置に磁気共鳴方式のコイルを用いても良い。
【００６０】
図において、２０１は２〜３ターン程度のループアンテナコイル、２０２、２０３はループアンテナコイル２０１と送信信号周波数で共振する共振容量、２２０は非接触通信手段を兼ねた非接触による電力送電装置であり、非接触通信手段を備えた送電装置２２０は、非接触データ通信部２２１を備えており、その他、図1に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【００６１】
送電装置２２０は、携帯端末装置７０２と非接触通信を行なう場合、非接触データ通信部２２１は発振器１４４の発振信号を通信データにより変調し、変調された信号を増幅部１４３により増幅し、給電コイル１４２と磁気共鳴コイル１４１より構成される送電アンテナにより送信する。
【００６２】
送電装置から送信された信号は、携帯端末装置７０２のループアンテナコイル２０１により受信され、切り替えスイッチ１１０を介し共振容量２０２の容量値と共振することで、整流用ダイオード１２１〜１２４により構成される整流回路に送信周波数において最も高い電圧信号が加わる。そして整流回路より出力された非接触通信信号は、平滑用容量１３０により平滑化され直流電圧となり、非接触通信部１０３へ電源として供給されるとともに、変調されたデータも非接触データ通信部１０３において復調される。
【００６３】
次に、送電装置２２０から携帯端末装置７０２に送電を行なう場合の動作について説明する。
【００６４】
送電装置２２０にある発振器１４４の信号を増幅部１４３において電力増幅し、給電コイル１４２により磁気共鳴コイル１４１を励振することで、磁気共鳴コイル１４１より送電信号が出力される。
【００６５】
送電された信号は、携帯端末装置７０２のループアンテナコイル２０１により受電されるが、この受電された電圧がある一定以上の値になった場合、充電制御部１０４は、切り替えスイッチ１１０を電力受電側に切り替えるので、切り替えスイッチ１１０を介し共振容量２０３の容量値と共振することで、整流用ダイオード１２５〜１２８により構成される整流回路で送電周波数において最も高い電圧となるとともに、受電した信号は、平滑用容量１３１により直流電圧となり充電制御部１０４に供給される。充電制御部１０４では供給された直流電圧をバッテリ１０５に充電を行なうとともに、過充電等によりバッテリ１０５が破損しないように充電量の制御を行なう。
【００６６】
さらに、送電装置２２０からの送電を行う場合、切り替えスイッチ１１０は、受電側に切り替わっているが、このとき、非接触通信側に減衰抵抗１１１、１１２を介し非接触通信側にも受電した信号を減衰させて非接触通信側にも入力する構成のため、送電信号に非接触通信信号を重畳することにより、受電と同時に非接触通信も可能となる。
【００６７】
以上の構成とすることにより、第１の実施例と同様の効果が得られる上に、受電用アンテナとして、２〜３ターン程度のループアンテナコイルを用いることができることで、携帯端末装置７０２をより小型にすることができる。
【００６８】
さらに、受電用アンテナとして、２〜３ターン程度のループアンテナコイルを用いることにより、端末無線通信部１０６の通信に用いる電波の反射は小さくなるので、端末無線通信部１０６への影響をより小さくすることができる。
【実施例３】
【００６９】
図３は本発明に使用される非接触による充電システムの第３の実施例を示した図である。
【００７０】
図において、３０１は共振容量、３１０は切り替えスイッチ、３１１は減衰抵抗、３１２、３１３、３１４、３１５は非接触通信と非接触による電力の受電とで共用化された整流用ダイオードであり、その他、図２に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【００７１】
送電装置２２０では、携帯端末装置７０２と非接触通信を行なう場合、非接触データ通信部２２１は発振器１４４の発振信号を通信データにより変調し、変調された信号を増幅部１４３により増幅し、給電コイル１４２と磁気共鳴コイル１４１より構成される送電アンテナにより送電される。
【００７２】
この送信された信号は、携帯端末装置７０２のループアンテナコイル２０１と共振容量３０１により送信周波数信号で共振して最も大きな信号振幅で受信され、共用化された整流用ダイオード３１２〜３１５により整流される。このとき充電制御部１０４で整流された電圧がある一定値以上であると充電のための送電であると判断し、切り替えスイッチ３１０を充電側に切り替えるので、整流された電圧が平滑用容量１３１により平滑化され充電制御部１０４によりバッテリ１０５に充電のための直流電圧を供給する。
【００７３】
以上の実施例では、第２の実施例と同様の効果が得られる上に、非接触通信用と受電用の整流ダイオードを共用化することにより、携帯端末装置７０２をより小型にすることができる。
【００７４】
次に、本発明の実施例における効果を図４、図５および図６を参照して説明する。
【００７５】
図４は、図２の非接触による充電システムの第2の実施例で示したように、送信側を磁気共鳴方式、受信側をループ状のアンテナコイルと共振容量により構成される従来の電磁誘導方式としたときの伝送効率特性と、図２５に示すように送受信側とも従来の電磁誘導方式を用いた場合のコイル間距離に対する伝送効率の実験結果を示したものであり、図の横軸はコイル間距離、縦軸は伝送効率である。
【００７６】
図２の送信側の磁気共鳴コイルの直径は４ｃｍであり、巻き数は約３０ターンで共鳴周波数は約２０ＭＨｚであり、受信側は、直径３cmの約３ターンのループコイルと１００ｐFの共振容量による直列共振型のループアンテナコイルとなっており、図２５の電磁誘導方式の送受コイルの直径は４ｃｍ、巻き数は約２０ターンで伝送周波数は約１２０ｋＨｚであり、共振容量は数μFである。
【００７７】
図から図２５の従来技術の電磁誘導方式ではコイル間距離が短い場合は伝送効率に優れるが、コイル間距離が４ｍｍ程度離れると効率は５０％程度に落ちる。これに対し、第２の実施例ではコイル間距離が４ｍｍでも効率は約７５％が得られており、コイル間距離が離れても送信が磁気共鳴方式、受信が電磁誘導方式による伝送のほうが、伝送効率の低下が少ないことが分かる。
【００７８】
また、図５は、図１で示した第１の実施例の非接触電力伝送方式として送信、受信とも磁気共鳴方式としたときのコイル間距離に対する伝送損失の周波数特性と、送信、受信とも２〜３ターン程度のループ状のコイルと共振容量により構成される従来の電磁誘導方式での伝送損失の周波数特性の実験結果を示したもので、図の横軸は周波数、縦軸は伝送損失である。
【００７９】
また、実験に用いたコイルとして、図１の磁気共鳴方式は、磁気共鳴コイルの直径は４ｃｍであり、巻き数は約３０ターンで共鳴周波数は約２０ＭＨｚであり、給電コイルおよび負荷コイルとも直径は３ｃｍで巻き数は１ターンである。一方、従来の電磁誘導方式のループアンテナコイルは、直径４ｃｍ、巻き数は約３ターンで伝送周波数は磁気共鳴方式と同じ約２０ＭＨｚであり、共振容量は百数十ｐFである。
【００８０】
図から図１で示した第１の実施例の磁気共鳴方式を用いた電力伝送方式ではコイル間距離により周波数依存性があるが、従来の電磁誘導方式よりも伝送損失が少ないことが分かる。
【００８１】
次に、図６は、図２で示した非接触による充電システムの第２の実施例で非接触通信手段として送信側を磁気共鳴方式、受信側を従来の２〜３ターン程度のループ状のアンテナと共振容量により構成される電磁誘導方式としたときのコイル間距離に対する周波数特性の実験結果を示したものである。実験に用いたコイルは、直径４ｃｍ、巻き数は約３ターンであり、共振容量は百数十ｐFである。
【００８２】
図５と図６を比較すると、図５で示した送受信とも磁気共鳴方式を用いるよりも、図２で示した第２の実施例のように、送信側を磁気共鳴方式、受信側を従来の磁界結合型ループアンテナにしたほうがコイル間距離に対する周波数特性変動が少ないことから、送信周波数を例えば１３.５６ＭＨｚ等に固定した場合であってもコイル間距離によらず安定した受電電力を得ることができる。
【００８３】
また、図７ａには、本発明の非接触による充電システムの第１の実施例の磁気共鳴方式のコイルの構成を示した模式図であり、図７ｂは、図７ａを伝送方向に対し真横から見た模式図であり、図1に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。給電コイル１４２、磁気共鳴コイル１４１、１０１、負荷コイル１０２のコイル面は互いに平行に配置されており、コイルの中心点が一直線にある図７ｂの構成でｚ軸上でのコイル間距離を最適化すれば最もコイル間の伝送効率が高くなる構成であることから、実施の形態としては図７ｂの配置を基本に以下の実施の形態についても説明する。
【実施例４】
【００８４】
図８は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第４の実施例を示した図である。
【００８５】
図において、７０２は携帯端末装置、１５０は非接触通信装置、４２０は電磁誘導方式による送電装置より構成され、図の携帯端末装置７０２は、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１、負荷コイル４０２、共鳴容量４０３、ローパスフィルタ４０４、共振容量４０５、整流回路４０６、電源回路４０７、負荷回路４０８、ハイパスフィルタ４０９、負荷変調回路４１０、検波、復調回路４１１、整流回路４１２、メモリ４１３、制御回路４１４を備えている。また、電磁誘導による送電装置４２０は、電磁誘導コイル４２１、共振容量４２２、電力増幅器４２３、発振器４２４、制御部４２５、検出部４２６を備えており、その他、図1に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【００８６】
図において、携帯端末装置７０２は、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１と並列に共鳴容量４０３を接続するとともに、ローパスフィルタ４０４を介して共振容量４０５が並列に接続され、整流回路４０６、電源回路４０７、負荷回路４０８が接続される。
【００８７】
また、負荷コイル４０２は磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１と数ｍｍ程度の距離に近接して配置し磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１と磁気的に結合している。さらに、負荷コイル４０２はハイパスフィルタ４０９を介して負荷変調回路４１０、検波、復調回路４１１、整流回路４１２に接続される。
【００８８】
また、電磁誘導方式による送電装置４２０は、電磁誘導コイル４２１と並列に共振容量４２２が接続され、電力増幅器４２３により増幅された発振回路４２４からの送電信号周波数と共振する構成となっている。
【００８９】
以上の非接触電力伝送システムにおいて、まずは非接触通信装置１５０から携帯端末装置７０２に非接触により通信を行う場合の動作について説明する。
【００９０】
非接触通信装置１５０にある発振器１５３では、非接触通信が行なわれる搬送波周波数（例えばＲＦＩＤでは１３.５６ＭＨｚ等）で発振するとともに、非接触データ通信部１５４および変復調回路４３０において、送信を行なうデータに対応して発振周波数に変調をかけ、変調された通信信号を電磁誘導コイル１５１と共振容量１５２の共振周波数が搬送周波数に等しくなるように調整されたアンテナにより、電磁エネルギーとして効率よく放射される。
【００９１】
一方、携帯端末装置７０２では、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１と共鳴容量４０３での共振周波数が非接触通信周波数の１３.５６ＭＨｚとなるように調整されているため、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１には大きな電流が流れ強い磁界が発生する。この強い磁界により、磁気的に結合された負荷コイル４０２によりハイパスフィルタ４０９と負荷変調回路４１０を介し検波、復調回路４１１に入力され、受信した非接触信号を復調し制御回路４１４に入力する。制御回路４１４では受信信号に対応したデータをメモリ４１３より読み出して負荷変調回路４１０により負荷変調をかける。これに対し、非接触通信装置１５０では、負荷変調回路４１０からの負荷変調に対応して携帯端末装置７０２の受信インピーダンスが変動するのを変復調回路４３０により検出して復調し非接触データ通信部１５４に伝送する構成となっている。このとき、ローパスフィルタ４０４は受信した信号周波数に対しては通過を阻止するため、ローパスフィルタ４０４以降の回路は無視することが出来るとともに、ハイパスフィルタ４０９は受信した信号周波数に対しては通過特性であるため、ここでの損失は無視することができる。また、制御回路４１４およびメモリ４１３への電力の供給は非接触通信装置１５０から受信した信号を整流回路４１２により整流した電力を用いることでバッテリは不要であるし、また、携帯端末装置７０２に内蔵しているバッテリから供給してもよい。
【００９２】
次に、電磁誘導方式による送電装置４２０から携帯端末装置７０２に非接触により送電を行なう場合の動作について説明する。
【００９３】
電磁誘導方式による送電装置４２０では、検出部４２６により携帯端末装置７０２が近くに置かれた場合を検出して制御部４２５により発振器４２４および電力増幅器４２３をオン状態とする。これにより、発振器４２４では、電力を非接触で送電する周波数として、非接触通信装置１５０で用いられているＲＦＩＤ等の１３.５６ＭＨｚよりも低い、例えば１００ｋＨｚ帯の周波数で発振し、電力増幅器４２３において電力増幅して電磁誘導コイル４２１と共振容量４２２による共振回路に送電電力を供給する。電磁誘導コイル４２１と共振容量４２２は、供給された送電電力の周波数である１００ｋＨｚ帯で共振するため、電磁誘導コイル４２１には、大きな電流が流れ強い磁界が発生する。このとき、電磁誘導コイル４２１と接近して携帯端末装置７０２が置かれることにより、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１と共振容量４０５による共振回路が送電電力の周波数と等しいため、電磁誘導コイル４２１と磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１は電磁誘導により強く結合するので、共振容量４０５から受電した１００ｋＨｚ帯の電力を取り出すことができる。このため、共振容量４０５に接続された整流回路４０６により直流電圧に整流され電源回路４０７により一定の電圧に変換された後、負荷回路４０８に受電した電力が供給される。このとき、ローパスフィルタ４０４は受電した電力の周波数に対し通過特性のため、ここでの損失は無視することができる。また、ハイパスフィルタ４０９は受電した電力の周波数に対し通過を阻止するため、負荷コイル４０２およびハイパスフィルタ４０９以降の回路の影響を無視することができる。
【００９４】
また、電源回路４０７を充電制御回路、負荷回路４０８をバッテリに置き換えることで非接触充電システムを実現することができる。
【００９５】
以上の構成とすることにより、１００ｋＨｚ帯の受電電力には電磁誘導方式による非接触電力伝送を行い、13.56MHzの非接触通信では、受電に用いた電磁誘導コイルを磁気共鳴コイルとして用いることにより、図１で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、非接触通信の周波数と非接触による電力伝送の周波数が異なる場合でも通信および受電が可能な充電(電力伝送)システムを得ることができる。
【実施例５】
【００９６】
図９は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第５の実施例を示した図である。
【００９７】
図において、４４１は負荷変調回路、４４２は検波、復調回路、４４３は制御回路、４４４は変復調部であり、その他、図８に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【００９８】
図９において、携帯端末装置７０２では、共振容量４０５と整流回路４０６間に負荷変調回路４４１と検波、復調回路４４２を付加した構成となっており、電磁誘導方式による送電装置４２０は、増幅器４２３と共振容量４２２間に変復調部４４４が付加した構成となっている。
【００９９】
図において、非接触通信装置１５０と携帯端末装置７０２間の非接触通信は、図８で示した第４の実施例と同様であるため説明を省略し、電磁誘導方式による送電装置４２０から携帯端末装置７０２に非接触により送電を行なう場合の動作について説明する。
【０１００】
電磁誘導方式による送電装置４２０では、発振器４２４からの発振信号を電力増幅器４２３において電力増幅した送電電力信号を変復調部４４４において変調し、共振コイル４２１より送電される。この送電電力を携帯端末装置７０２の磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１により受電する。受電した受電信号は整流回路４０６により整流され受電を行うとともに、検波、復調回路４４２により受電した信号を復調し、受信データ信号を制御回路４４３に入力する。制御回路４４３では、受信したデータ信号に対応するデータ信号を負荷変調回路４４１により負荷変調をかける。この負荷変調信号は、電磁誘導方式による送電装置４２０の変復調部４４４により復調される。
【０１０１】
以上の構成とすることにより、図８で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、非接触による電力伝送においても送電電力信号に対しても変調をかけることにより電力伝送と同時に通信を行うことが可能となるので、たとえば、携帯端末装置７０２が非接触により電力伝送に対応しているか等の認証や送電電力制御を行う際に必要となる制御のための通信も電力伝送と信号に重畳して行うことが可能となる。
【実施例６】
【０１０２】
図１０は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第６の実施例を示した図である。
【０１０３】
図において、４５１はレベル検出回路、４５２は切り替えおよび電源回路、４５３、４５４、４５５は電界効果トランジスタ、４５６は整流回路、４６０は電磁誘導方式による送電装置である。さらに、電磁誘導方式による送電装置４６０は電磁誘導コイル４６１、共振容量４６２、電力増幅器４６３、発振器４６４、制御部４６５、検出部４６７より構成されており、その他、図８に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【０１０４】
図において、携帯端末装置７０２は、共鳴容量４０３と共振容量４０５間にレベル検出回路４５１および電界効果トランジスタ４５３を設けるとともに、整流回路４０６は切り替えおよび電源回路４５２を介して負荷回路４０８に接続されている。さらに、負荷コイル４０２には、電界効果トランジスタ４５４と整流回路４５６を介し切り替えおよび電源回路４５２に接続されている。さらに、電磁誘導方式による送電装置４６０は、電磁誘導コイル４６１と並列に共振容量４６２が接続され、電力増幅器４６３により増幅された発振回路４６４からの送電信号周波数と共振する構成となっており、電磁誘導方式による送電装置４２０と同様の構成であるが、電磁誘導コイル４６１と共振容量４６２による共振周波数および発振器４６４の発振周波数が、非接触通信装置１５０の共振周波数と等しい１３.５６ＭＨｚとなっている。
【０１０５】
以上の非接触電力伝送システムにおいて、まずは非接触通信装置１５０から携帯端末装置７０２に非接触により通信を行う場合について説明する。
【０１０６】
携帯端末装置７０２のレベル検出回路４５１は、信号を何も受信していない状態では電界効果トランジスタ４５５をオン状態とするとともに、電界効果トランジスタ４５３、４５４をオフ状態とすることで 非接触通信装置１５０より１３.５６ＭＨｚの非接触通信信号を受信した場合は、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１、共鳴容量４０３および負荷コイル４０２により構成される磁気共鳴結合により、負荷変調回路４１０、検波、復調回路４１４および整流回路４１２に受信され通信が行われる。
【０１０７】
次に、電磁誘導方式による送電装置４２０からの１００ｋＨｚ帯の非接触による送電電力を受電した場合、レベル検出回路４５１は、電界効果トランジスタ４５３をオン状態とするとともに、電界効果トランジスタ４５４、４５５をオフ状態とする。これにより、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１と共振容量４０５より構成される共振回路により電磁誘導方式により電磁誘導方式による送電装置４２０からの送電電力を受電し、整流回路４０６と切り替えおよび電源回路４５２を介して負荷回路４０８に電力が供給される。
【０１０８】
次に、電磁誘導方式による送電装置４６０から１３.５６ＭＨｚの非接触による送電電力を受電した場合、レベル検出回路４５１は、電界効果トランジスタ４５４をオン状態とするとともに、電界効果トランジスタ４５３、４５５をオフ状態とする。これにより、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１、共鳴容量４０３および負荷コイル４０２より構成される磁気共鳴結合により、電磁誘導方式による送電装置４６０からの送電電力を受電し、整流回路４５６と切り替えおよび電源回路４５２を介して負荷回路４０８に電力が供給される。
【０１０９】
以上の構成とすることにより、図８で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、非接触による電力伝送については、１００ｋＨｚ帯の送電には電磁誘導による受電を、１３.５６ＭＨｚの電力伝送については磁気共鳴方式による受電を行うことにより、周波数帯が異なる場合でも接触による電力伝送の受電が可能となる。
【実施例７】
【０１１０】
図１１は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第７の実施例を示した図である。
【０１１１】
図において、４７０は非接触通信部、４７１は充電制御回路、４７２はバッテリ、４７３はハイパスフィルタ、４８０は非接触通信装置であり、図の非接触通信部４７０は、切替え回路４７４、変復調回路４７５、発振器４７６、負荷変調回路４７７、検波復調回路４７８より構成され、非接触通信装置４８０は、電磁誘導コイル４８１、共振容量４８２、負荷変調回路４８３、検波、復調回路４８４、整流回路４８５、制御回路４８６、メモリ４８７より構成されており、その他、図８に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【０１１２】
図において、携帯端末装置７０２は、整流回路４０６の出力に充電制御回路４７１、バッテリ４７２が接続され、負荷コイル４０２はハイパスフィルタ４７３と切り替え回路４７４を介して変復調回路４７５および発振器４７６が接続される。さらに切り替え回路４７４には負荷変調回路４７７と検波、復調回路４７８が接続されている。
【０１１３】
また、非接触通信装置４８０は、電磁誘導コイル４８１と並列に共振容量４８２が接続され、さらに、負荷変調回路４８３、検波、復調回路４８４および整流回路４８５が接続される。
【０１１４】
図において、電磁誘導方式による送電装置４２０からの送電電力を受電する場合の動作について説明する。送電装置４２０より送電された１００ｋＨｚ帯の送電電力信号は、携帯端末装置７０２の磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１と共振容量４０５による共振回路により受電し整流回路４０６および充電制御回路４７１を介しバッテリ４７２に充電を行う。
【０１１５】
次に、非接触通信装置１５０から携帯端末装置７０２に非接触により通信を行う場合の動作について説明する。非接触通信装置１５０から送信された非接触通信信号は、磁気共鳴を兼ねた電磁誘導コイル４０１、共振容量４０３および負荷コイル４０２により構成される磁気共鳴方式により受信し、ハイパスフィルタ４７３を介して切り替え回路４７４に入力される。切り替え回路４７４では、信号が入力されない状態では負荷変調回路４７７側に切り替わるようにしているため、受信した非接触通信信号は検波、復調回路４７８および負荷変調回路４７７により変復調されるので非接触通信が可能となる。
【０１１６】
次に、非接触通信装置４８０と通信を行う場合について説明する。非接触通信装置４８０では発振器は内蔵していないため、例えばＲＦＩＤカードのような内部に電源を持たない受動的通信となることから、携帯端末装置７０２において非接触通信装置４８０と通信を行いたい場合は、発振器４７６および変復調回路４７５をオン状態とするとともに切り替え回路４７４を変復調回路４７５側に切り替える。これにより、発振器４７５からの発振信号を変復調回路４７５により変調して非接触通信装置４８０に送信する。非接触通信装置４８０では受信した携帯端末装置７０２からの非接触通信信号を検波、復調回路４８４により復調する。また、非接触通信装置４８０からの非接触通信信号は負荷変調回路４８３により負荷変調される。携帯端末装置７０２では、インピーダンスの変動を変復調回路４７５より復調することで、非接触通信装置４８０との通信が可能となる。
【０１１７】
以上の構成とすることにより、図８で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、非接触通信装置１５０は質問器（ＲＦＩＤにおけるリーダライタ）、非接触通信装置４８０は応答器（ＲＦＩＤにおけるＲＦＩＤカード）に相当する。また、携帯端末装置７０２に負荷変調回路４７７、検波、復調回路４７８（応答器に相当）に加え変復調回路４７５、発振器４７６（質問器に相当）を付加することにより、内部に発振器を持たないＲＦＩＤカード等との通信が可能となる。
【実施例８】
【０１１８】
図１２は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第８の実施例を示した図である。
【０１１９】
図において、携帯端末装置７０２は図１１の第７の実施例で示した携帯端末装置を２台近接して配置した面であり、互いの装置を区別するためにもう一方の携帯端末装置には図番号に、ダッシュ（’）を付す。
【０１２０】
図において、携帯端末装置７０２より携帯端末装置７０２’にあるメモリ４１３’の内容を読み出す場合の動作について説明する。携帯端末装置７０２では発振器４７６および変復調回路４７５をオン状態とするとともに切り替え回路４７４を変復調回路４７５側に切り替える。これにより、発振器４７５からの発振信号を変復調回路４７５により変調して携帯端末装置７０２’に送信する。携帯端末装置７０２’では通常、負荷変調回路４７７’側に切り替わっているため、受信した携帯端末装置７０２からの非接触通信信号を検波、復調回路４７８’により復調し、制御回路４１４’では受信データに対応したデータ信号をメモリ４１３’より読み出して負荷変調回路４７７’により負荷変調を行う。携帯端末装置７０２では、インピーダンスの変動を変復調回路４７５より検出して復調し、携帯端末装置７０２’からの受信データ信号を受信する。
【０１２１】
以上の構成とすることにより、図１１で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、携帯端末装置７０２に質問器に対応する回路（変復調回路４７５、発振器４７６）を付加することにより、携帯端末装置間でも非接触通信が可能となる。
【実施例９】
【０１２２】
図１３は、本発明に使用される非接触による充電（電力伝送）システムの第９の実施例を示した図である。
【０１２３】
図において、５０１は送電器、５０２は受電器、５０３は給電コイル、５０４は１次側共鳴コイル、５０５は負荷回路、５０６は高周波電源であり、その他、図８の第４の実施例に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【０１２４】
図において、送電器５０１は、高周波電源５０６と給電コイル５０３と１次側共鳴コイル５０４より構成され、給電コイル５０３に近接して１次側共鳴コイル５０４が置かれるとともに、給電コイル５０３に高周波電源５０６が接続されている。
【０１２５】
受電器５０２は、負荷コイル５０５と整流回路４０６と電源回路４０７と負荷回路４０８より構成され、負荷コイル５０５に整流回路４０６と電源回路４０７を介して負荷回路４０８が接続されており、送電器５０１と受電器５０２により非接触電力伝送システムを構成している。
【０１２６】
図において、高周波電源５０６からは、１次側共鳴コイル５０４の自己インダクタとコイルの巻き線間の浮遊容量（寄生容量）により決まる自己共振周波数に等しい周波数で給電コイル５０３に給電を行う。給電コイル５０３は電磁誘導作用により自己共振周波数に等しい周波数で１次側共鳴コイル５０４を励振することで１次側共鳴コイル５０４には大きな電流が流れ強い磁界が発生する。
【０１２７】
ここで、１次側共鳴コイルのインダクタンス値をＬ、線間の浮遊容量をＣとするとコイルの自己共振周波数ｆは次式で求められる。
【０１２８】
ｆ＝１／（２π√（LＣ)）
ただし、自己共振周波数は給電コイル５０３と負荷コイル５０５との結合状態により共振周波数は変動するため、実際の自己共振周波数はシミュレーションや実験による確認が必要となる。
【０１２９】
以上の構成で、受電器５０２が送電器５０１に近接して置かれると、１次側共鳴コイル５０４からの強い磁界が受電器５０２の負荷コイル５０５と磁気的に結合し、負荷コイル５０５の両端子間に起電力が発生する。発生した起電力は整流回路４０６により直流電圧に整流され、電源回路４０７に入力される。電源回路４０７は、整流回路４０６より出力される電圧が送電電力や１次側共鳴コイル５０４と負荷コイル５０５間の距離により共鳴コイルの自己共振周波数のずれやコイル間距離による伝送効率の変化により変動するため、負荷回路４０８が必要とする一定の電圧値に変換して負荷回路４０８に供給する。
【０１３０】
以上の構成とすることにより、送電器５０１からの送電電力を受電器５０２において磁気的な結合により非接触で受電することが可能であるとともに、受電器５０２に用いるコイルとしては負荷コイル５０５のみで受電可能であることから、受信器５０２の小型化が可能となる。
【０１３１】
なお、図１３で示したコイル形状の一般的に用いられる大きさおよび巻き数の一例を示すと、数Ｗ程度の小型携帯機器への充電の場合、給電コイル５０３は直径数ｃｍ、巻き数は１ターンから数ターン程度、１次側共鳴コイル５０４は直径数ｃｍ、巻き数は数十ターン程度で自己共振周波数としては、１０ＭＨｚ帯が用いられ、負荷コイル５０５としては直径数ｃｍ、巻き数は１ターンから数ターン程度である。
【０１３２】
一方、ノート型のパーソナルコンピュータへの給電や充電、電気自動車への充電など数十Ｗから数百Ｗ以上の送電に用いられるコイル形状の一般的に用いられる大きさおよび巻き数の一例を示すと、給電コイル５０３は直径数十ｃｍ、巻き数は１ターンから数ターン程度、１次側共鳴コイル５０４は直径数十ｃｍ、巻き数は数ターン程度で自己共振周波数は、数百Ｈｚから１ＭＨｚ程度であり、負荷コイル５０５は直径数十ｃｍ、巻き数は１ターンから数ターン程度である。
【０１３３】
上述の磁気共鳴方式では共鳴コイルの巻き線の抵抗成分による損失が大きいと伝送効率が低下する傾向にあるため、コイルの線材としては直径１ｍｍ〜数ｍｍ程度の銅線が一般的に用いられているが、導電率が高いものであれば他の線材であってもよい。また、送受のコイルの直径は伝送距離に関係し、直径が大きいほど伝送距離が伸びる傾向にある。また、送受のコイルの直径は互いに等しいほうがより高い効率が得られ易いが、従来の電磁誘導方式よりもコイル間の結合が強いため送受コイルの直径が多少異なっていても比較的高い伝送効率が得られることが磁気共鳴方式の特徴でもある。
【０１３４】
このことから、各コイルの直径は同一であっても異なってもよいし、各コイルは円筒形のコイルであってもスパイラル状の平面コイルであってもよい。さらに、平面コイルは、基板上に銅パターンとして形成してもよいし、フィルム状の上に銅パターンを形成してもよい。
【実施例１０】
【０１３５】
次に、本発明の非接触による充電（電力伝送）システムの第１０の実施例を図面によって説明する。
【０１３６】
図１４は、本発明に使用される非接触による電力伝送システムの第１０の実施例を示した図である。
【０１３７】
図において、５１１は共振を有した負荷コイル、５１２は共振容量であり、その他、図１３に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
【０１３８】
図１４は、図１３で示した非接触による充電システムの第９の実施例と比較して、共振を有した負荷コイル５１１と共振容量５１２が直列に接続され直列共振回路を形成しており、その共振周波数が、１次共鳴コイル５０４の自己共振周波数と等しくなるように、共振を有した負荷コイル５１１と共振容量５１２の値を定めている。また、共振を有した負荷コイル５１１のインダクタンス値は、給電コイル５０３のインダクタンス値よりも大きくしている。
【０１３９】
以上の構成とすることにより、図１３で示した第９の実施例と同様の効果が得られるのに加え、共振を有した負荷コイル５１１と共振容量５１２で共振回路を構成しているため、１次共鳴コイル５０４からの磁束と強く結合するのでコイル間距離を離した場合の伝送効率の低下をより小さくすることができる。言い換えれば、コイル間距離が変動しても入力インピーダンスの変化が少なくなるので、コイル間距離による周波数特性の変動を小さくすることができる。
【０１４０】
例えば、コイルの直径が数ｃｍの場合の伝送距離は数ｃｍ程度、直径数１０ｃｍの場合は数１０ｃｍから１ｍ程度の伝送距離が得られるので従来の電磁誘導方式の１ｃｍから２ｃｍ程度に比べ比較的長い伝送距離を得ることができる。
【実施例１１】
【０１４１】
図１５は、本発明に使用される非接触による電力伝送システムを有した第１１の実施例を示した図である。
【０１４２】
図において、５２１は１次側共鳴コイル、５２２は共鳴容量、５２３は励振コイルであり、その他、図１４に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
【０１４３】
図において、１次側共鳴コイル５２１のインダクタンス値と共鳴容量５２２の容量値で決まる共振周波数に等しい信号を高周波電源５０６より励振コイル５２３を介して供給すると、共鳴コイル５２１と共鳴容量５２２により共振現象が発生し、大きい電流が流れ強い磁界が発生する。この構成では主に数十Ｗ以上の高い電力伝送に用いられ、コイルの大きさや巻き数の一般的な一例を示すと、共鳴コイル５２１の直径は数十ｃｍから１ｍ程度、コイルの線径は１ｃｍ程度、ターン数は１から２ターン程度である。また、励振コイルは線径数ｍｍ程度であり、共鳴コイル５２１に数ターン巻きつけるかフェライトコア等の磁性体を用いて励振する方法が一般的である。
【０１４４】
図１５は、図１４で示した非接触電力伝送システムの第１０の実施例と比較して、給電コイルの代わりに励振コイル５２３を用いることにより、１次側の共鳴コイルを局所的な電磁誘導により励振して給電を行うもので、第１０の実施例と同様の効果が得られる上に、送電側の共鳴コイルが１ターン程度で構成できるので送電器側の小型化も図ることができる。
【実施例１２】
【０１４５】
図１６ａは、本発明に使用される非接触による充電（電力伝送）システムを有した第１２の実施例を示した図である。
【０１４６】
図において、５３１は１次側の共鳴コイル群であり、スパイラル形状の共鳴コイル５３１ａ、５３１ｂより構成され、これらは並行して一定間隔でスパイラル状に巻かれている。ここで、スパイラル形状の共鳴コイル５３１ａ、５３１ｂはお互いの自己共振周波数が異なるように構成されており、その他、図１４に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
【０１４７】
図１６ａにおいて、受電器５０２で受電可能な距離内でスパイラル形状の共鳴コイル５３１ａと５３１ｂの巻き数をそれぞれ異なる距離で最も効率がよくなるように調整する。例えば、スパイラル形状の共鳴コイル５３１ａが最も効率がよくなる距離を距離ａ、共鳴コイル５３１ｂが最も効率がよくなる距離を距離ｂとすると、１次側の共鳴コイル５３１と共振を有した負荷コイル５１１の距離が距離ａのときは、給電コイル５０３からの給電電力は主にスパイラル形状の共鳴コイル５３１ａを介して共振を有した負荷コイル５１１に供給され、一方、スパイラル形状の共鳴コイル５３１ｂはインピーダンス整合が最適値よりずれることから電力の伝送はほとんど行われない。また、１次側の共鳴コイル５３１と共振を有した負荷コイル５１１の距離が距離ｂのときは、給電コイル５０３からの給電電力は主にスパイラル形状の共鳴コイル５３１ｂを介して共振を有した負荷コイル５１１に供給される。
【０１４８】
なお、スパイラル形状の共鳴コイル５３１ａ、５３１ｂのコイルの巻き線の長さ（巻き数）やコイルの巻き線の線径を変えることで自己共振周波数をそれぞれ変えることが可能である。
【０１４９】
このとき、コイル間の寄生容量は互いの共鳴コイルが並行して巻かれることにより、給電コイルや負荷コイルの影響に加え互いの結合の影響もあるため、自己共振周波数はシミュレーションや実験により求めることが必要である。
【０１５０】
以上の構成とすることにより、図１４で示した第１０の実施例と同様の効果が得られるのに加え、送電器側においても１次側の共鳴コイル５３１と共振を有した負荷コイル５１１とのコイル間距離による周波数特性の変動をより小さくすることができる。
【０１５１】
また、図１６ｂは１次側の共鳴コイル群の５３１のもう一つの例を示したものである。
【０１５２】
図において、５３２は円筒形状の共鳴コイル群であり、円筒形状の共鳴コイル５３２ａ、５３２ｂより構成され、これらは並行して一定間隔で円筒形状に巻かれており、互いに自己共振周波数が異なっている。なお、円筒形状の共鳴コイル５３２ａ、５３２ｂのコイルの巻き線の長さ（巻き数）やコイルの巻き線の線径やコイルの内径を変えることにより、それらの自己共振周波数を変えることができる。
【０１５３】
これらの図では、コイル群は図では２つの構成であったが３つ以上でもよいし、給電コイルで給電が可能であれば並行に巻かなくともそれぞれ独立であってもよいし、一方がスパイラル状の平面コイルで他方が円筒形状のコイルであってもよい。
【０１５４】
以上の複数の共鳴コイルを用いた場合の送受コイル間の周波数特性について示したものを図２２に示す。図では、図１６ａで示した１次側の共鳴コイルを自己共振周波数が互いに異なる複数のコイルで構成した場合の１次側給電コイルから２次側負荷コイル間の伝送特性について模式的に示した模式図である。図の横軸は周波数、縦軸は伝送損失である。図において自己共振周波数が互いに異なるコイルを共鳴コイルに用いることにより、周波数特性が広がることが分かる。これにより、コイル間距離により周波数特性が変動した場合でも、周波数帯域が広がったことで伝送効率の低下を小さくすることが可能となる。
【実施例１３】
【０１５５】
図１７は、本発明に使用される非接触による充電（電力伝送）システムの第１３の実施例を示した図である。
【０１５６】
図において、５４２はレベル検出回路、５４３は制御回路、５４１は電界効果トランジスタであり、その他、図１４で示した非接触での電力伝送システムの第１０の実施例に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
【０１５７】
図は、図１４で示した第１０の実施例と比較して、共振容量５１２の両端には電界効果トランジスタ５４１のドレインとソースが接続される。さらに、整流回路４０６で整流された直流出力の一部をレベル検出５４２により検出し、制御回路５４３に出力するとともに、制御回路５４３は電源回路４０７より整流された電源電圧の一部を電源に用いて電界効果トランジスタ５４１のゲートを制御する構成である。
【０１５８】
以上の構成において、電界効果トランジスタ５４１がオフ状態のときは、１次側共鳴コイル５０４で発生した磁界は、共振を有した負荷コイル５１１と共振容量５１２で構成される共振回路と強く結合し、これらの共振回路を通して整流回路４０６に受信電流が流れる。このとき、制御回路５４３は電界効果トランジスタ５４１をオン状態にすると、共振容量５１２の両端がショート状態となるため、共振を有した負荷コイル５１１は共振点がなくなる。このため、１次側共鳴コイル５０４で発生した磁界は、負荷コイル５１１により２次側では共振を伴わない電磁誘導により整流回路４０６に受信電力を供給する。制御回路５４３は、定期的に電界効果トランジスタ５４１をオンオフすることで、整流回路４０６から出力される整流電圧を比較し、より受信電力の高いほうに切り替える動作を行う。
【０１５９】
負荷コイル５１１と共振容量５１２による共振状態での受電は、１次側共鳴コイル５０４と負荷コイル５１１との距離がある程度離れたとき伝送効率が最も高くなり、逆にコイル間距離が数ｍｍ以下のごく近距離になるとインピーダンスの変動により伝送効率がかえって低下する。これに対し、負荷コイル５１１のみの受電では、受電側は共振回路を持たず、ごく近距離では電磁誘導伝送となるため、受電側は共振回路を持たないほうが伝送効率は高くなる。これは、給電コイルと共鳴コイルの結合と共鳴コイルと負荷コイルとの結合が同じ電磁誘導による伝送と見なせるためである。このため、コイル間距離がある程度離れている場合は、電界効果トランジスタ５４１をオフ状態にし、ごく近距離では、電界効果トランジスタ５４１をオン状態にして受電側に共振回路を持たない構成とすることにより、図１４で示した実施例１０と同様の効果が得られる上に、コイル間距離がごく近距離であっても伝送効率の劣化が小さい非接触電力伝送システムを得ることができる。
【０１６０】
また、図２３に負荷コイルと直列に接続した共振容量を電界効果トランジスタによりオンオフすることの効果を模式的に示した模式図を示す。図の横軸はコイル間距離、縦軸は伝送損失である。図において、電界効果トランジスタをオン状態とした場合、負荷コイルは共振周波数を持たず電磁誘導による伝送となるため、コイル間距離が大きくなると急激に損失が増加する。一方、電界効果トランジスタをオフ状態とした場合、負荷コイルは共振容量により直列共振回路となるため、コイル間距離がある程度離れても伝送損失の増加は小さいが、ごく近距離になるとかえって伝送効率が低下する。このため、ごく近距離では電界効果トランジスタをオン状態として負荷コイルに共振回路を持たないようにすれば、近距離での伝送効率の低下を抑えることができることが分かる。
【実施例１４】
【０１６１】
図１８は、本発明に使用される非接触による充電（電力伝送）システムを有した第１４の実施例を示した図である。
【０１６２】
図において、５５１ａ、５５１ｂ、５５１ｃは電界効果トランジスタ、５５２ａ、５５２ｂ、５５２ｃは共振容量、５５３は共鳴容量であり、図１７で示した第１３の実施例に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
【０１６３】
図において、図１７で示した第１３の実施例と比較して、１次側共鳴コイルと並列に共鳴容量５５３が接続され、共振を有した負荷コイル５１１には、電界効果トランジスタ５５１ａ、５５１ｂ、５５１ｃと共振容量５５２ａ、５５２ｂ、５５２ｃがそれぞれ直列接続されたものが並列に接続されている。
【０１６４】
給電コイル５０３からは主に１次側共鳴コイル５０４のインダクタンス値と共鳴容量５５３により決まる自己共振周波数で電力を給電する。１次側共鳴コイル５０４は共鳴容量５５３との自己共振周波数で給電されるため、これら共振回路には大きな電流が流れ、強い磁界が発生する。このとき、１次側共鳴コイル５０４と並列に共鳴容量５５３が接続されているため、同一の共振周波数で比較した場合、共振容量がない場合に比べ、１次側共鳴コイル５０４のインダクタンス値を小さくできるので、送電器５０１の形状を小さくすることができる。
【０１６５】
一方、電界効果トランジスタ５５１ａ、５５１ｂ、５５１ｃと直列に接続されている共振容量５５２ａ、５５２ｂ、５５２ｃは、共振を有した負荷コイル５１１とそれぞれ並列共振回路を構成するとともに、それぞれの容量は共振周波数が異なるような容量値となっている。このため、１次側共鳴コイル５０４と共振を有した負荷コイル５１１とのコイル間距離により伝送効率が最も高くなる容量値を選択する構成となっている。
【０１６６】
以上の構成において、最適な容量値を選択する手段の一例を以下説明する。
【０１６７】
１次側共鳴コイル５０４からの磁界を共振を有した負荷コイル５１１により受信する場合、制御回路５４３は最もコイル間距離が遠いときに伝送効率が高くなる共振容量に対応する電界効果トランジスタをオン状態にしておく。そして、電力の受電が開始された場合、制御回路５４３は定期的に他のオフ状態となっている電界効果トランジスタをオン状態にして、そのときの受電電力をレベル検出５４２により検出する。そして最も受電電力の大きい共振容量を選択することで、高い伝送効率で受電が可能となる。このとき、制御回路５４３は定期的に受電電力をレベル検出５４２より検出して最も伝送効率の高い電界効果トランジスタを選択しオン状態とする。
【０１６８】
以上の構成では、図１７で示した第１３の実施例と同様の効果が得られる上に、共振容量を複数設け電界効果トランジスタを用いて切り替えることでコイル間距離により電力の伝送効率の更なる最適化が可能となる。
【０１６９】
コイル間距離が近い場合(直径数ｃｍのコイルの場合、１ｃｍ程度以下)、共鳴コイル５０４のコイルの巻き線と負荷コイル５１１のコイルの巻き線の間にも寄生容量が存在するため、コイル間距離が近い場合、共鳴コイルと負荷コイル間の容量が増えることで共鳴コイルの自己共振周波数も下がる。この場合、送電周波数が一定のときは、距離が近づくほど逆に負荷コイルの共振容量を小さくして負荷コイルと共振容量による共振周波数を上げることで、共鳴コイルの自己共振周波数が下がるのを抑えることができるので、コイル間距離による伝送効率の変動を抑えることができる。
【実施例１５】
【０１７０】
図１９は、本発明に使用される非接触による充電（電力伝送）システムを有した第１５の実施例を示した図である。
【０１７１】
図において、送電装置６１０は給電コイル６１１、スパイラル形状の１次側共鳴コイル６１２、変復調回路６１３、可変利得電力増幅器６１４、発振器６１５、制御回路６１６より構成され、その他、図１７の非接触による電力伝送システムの第１３の実施例に対応する部分は同一符号を付し説明を省略する。
【０１７２】
図のスパイラル形状の１次共鳴コイル６１２は平面上に巻かれたコイルであり円筒形の立体コイルと同様コイルの巻き線間の寄生容量による自己共振周波数が存在し、その共振周波数は円筒形コイルと同様に求めるられる。
【０１７３】
また、携帯端末装置７０２には、共振を有した負荷コイル５１１と整流回路４０６の間に負荷変調回路４４１、検波、復調回路４４２が付加されており、送電装置６１０は高周波電源６１５に可変利得電力増幅器６１４と変復調回路６１３を介して給電コイル６１１に接続される。
【０１７４】
以上の構成では、送電装置６１０から携帯端末装置７０２に非接触で電力を伝送するとともに、電力伝送の際に必要となる送電装置６１０と携帯端末装置７０２間の認証や送電電力制御を行う上で必要とされる通信手段を有するものである。
【０１７５】
まずは、送電装置６１０から携帯端末装置７０２に非接触で電力を伝送する動作について説明する。
【０１７６】
１次側共鳴コイル６１２の自己共振周波数に等しい周波数で高周波電源６１５から出力される信号は利得可変電力増幅器６１４により増幅され変復調回路６１３を介し給電コイル６１１に給電される。給電された送電信号は１次側共鳴コイル６１２の自己共振周波数に等しい周波数であるため、１次側共鳴コイル６１２からは強い磁界が発生する。
【０１７７】
一方、共振を有した給電コイル５１１は共振容量５１２との共振により、１次側共鳴コイル６１２からの磁界と強く結合するため、効率よく電力を受電し、負荷変調回路４４１、検波、復調回路４４２を介し整流回路４０６により整流し、電源回路４０７を介して負荷回路４０８に供給する。また、制御回路５４３はレベル検出５４２の値を参考に電界効果トランジスタ５４１をオンあるはオフして受電電力がより大きいほうに切り替わる動作を行う。
【０１７８】
次に非接触で通信を行う場合の動作について、まずは送電装置６１０から携帯端末装置７０２にデータを伝送する場合について説明する。
【０１７９】
図において、利得可変電力増幅器６１４からの送電信号にＡＳＫ変調等の変調をかけて給電コイル６１１に給電する。給電された送電信号は、１次側共鳴コイル６１２より強い磁界を発生し、共振を有した負荷コイル５１１と共振容量５１２により効率よく受信され、負荷変調回路４４１を介し検波、復調回路４４２に入力される。入力された送電信号はダイオード等を用いた検波回路により復調され制御回路５０２に入力される。また、受電電力は整流回路４０６により整流され、電源回路４０７により負荷回路４０８に供給される。
【０１８０】
次に、携帯端末装置７０２から受電装置６１０にデータを伝送する場合について説明する。
【０１８１】
通信を行う場合、携帯端末装置７０２は送電装置６１０より電力を受電していることから、負荷変調回路４４１にも常に信号振幅が加わっている。このため、負荷変調回路４４１では、この点におけるインピーダンスを変調信号に対応して変えると磁気的に結合している送電装置６１０側のインピーダンスも影響を受けて変化する（負荷変調方式）。よって、変復調回路６１３においてダイオード検波等により、送電信号が負荷変調回路４４１の負荷変動により発生する送電電力の反射で復調された信号を取り出すことができるので通信が可能となる。
【０１８２】
以上の構成では、図１７の非接触による電力伝送システムの第１３の実施例と同様の効果が得られる上に簡易な構成で通信が可能な通信手段を有した非接触電力伝送システムを得ることができる。
【実施例１６】
【０１８３】
図２０は、本発明に使用される非接触による充電（電力伝送）システムを有した第１６の実施例を示した図である。
【０１８４】
図において、６３１は１次側の共鳴コイル群、６３２は給電コイルであり、１次側の共鳴コイル群６３１は、スパイラル形状の共鳴コイル６３１ａ、６３１ｂにより構成され、これらは並行して一定間隔でスパイラル状に巻かれており、その他、図１８の非接触電力伝送システムの第１４の実施例および図１９の非接触電力伝送システムの第１５の実施例に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
【０１８５】
図において、送電装置６１０の１次側共鳴コイルにスパイラル形状の共鳴コイル６３１ａと６３１ｂの複数のコイルを用いるとともに、互いの自己共振周波数が異なるようにコイルの巻き数等を変えた構成としている。さらに、１次側共鳴コイル群６３１と給電コイル６３２の位置的構成を変えており、１次側共鳴コイル群６３１と共振を有した負荷コイル５１１間距離よりも給電コイル６３２と共振を有した負荷コイル５１１間距離のほうが近くなるようにした。
【０１８６】
以上の構成とすることにより、図１６ａの非接触電力伝送システムの第１２の実施例、図１８の非接触電力伝送システムの第１４の実施例および図１９の非接触電力伝送システムの第１５の実施例と同様の効果が得られる上に、１次側共鳴コイル群６３１と共振を有した負荷コイル５１１との距離よりも給電コイル６３２と共振を有した負荷コイル５１１との距離のほうが近くなるようすることで、給電コイル６３２と共振を有した負荷コイル５１１とのコイル間距離がごく近い場合、１次側共鳴コイル群６３１を介した磁気共鳴伝送よりも、給電コイル６３２から共振を有した負荷コイル５１１に電磁誘導により直接伝送することが可能であるため、ごく近距離での伝送効率の低下を抑えることができる。
【０１８７】
以上の構成では、コイル間距離が近くなると共鳴コイルの共振周波数は負荷コイルが近づくことにより等価的な寄生容量が増えるため共振周波数が下がるので送電周波数が一定のとき伝送効率が下がってしまう。この場合、共鳴コイルと給電コイルの配置を変えることにより給電コイルと負荷コイルの距離が近くなるとともに、共鳴コイルがこれらの間に入らなくなるため給電コイルと負荷コイル間で電磁誘導による結合が強くなる。このとき、コイル間距離が遠い場合は電磁誘導による伝送は小さいがコイル間距離がごく近い場合、共鳴コイルの共振周波数は低いほうにずれてしまうが給電コイルと負荷コイル間の電磁誘導による伝送が大きくなるので、コイル間距離がごく近い場合の伝送効率の低下が抑えられる。
【実施例１７】
【０１８８】
図２１は、本発明に使用される非接触による充電（電力伝送）システムを有した第１７の実施例を示した図である。
【０１８９】
図において、６４１、６５１はアンテナ、６４２は負荷変調回路、６４３は検波、復調回路、６５２は変復調回路、６５３は発振回路であり、図１９の非接触電力伝送システムの第１５の実施例に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
【０１９０】
図の送電装置６１０には発振回路６５３が変復調回路６５２を介しアンテナ６５１に接続され、携帯端末装置７０２はアンテナ６４１が負荷変調回路６４２を介し検波、復調回路６４３に接続されている。
【０１９１】
以上の構成において、送電装置６１０と携帯端末装置７０２間で通信を行う動作について説明する。なお、電力の伝送動作については説明を省略する。
【０１９２】
図において、発振回路６５３からの送信信号に変復調回路６５２において、ＡＳＫ変調等の変調をかけアンテナ６５１に給電する。給電された送信信号はアンテナ６５１により電磁波あるいは磁気的にエネルギーとして放射される。放射された送信信号はアンテナ６４１により受信され負荷変調回路６４２を介し検波、復調回路６４３に入力される。入力された送信信号はダイオード検波等の検波回路により復調され制御回路６０４に入力される。
【０１９３】
次に、携帯端末装置７０２から送電装置６１０にデータを伝送する場合について説明する。携帯端末装置７０２は送電装置６１０により信号を受信している状態のときに通信を行う場合を考えると、負荷変調回路６４２にも常に信号振幅が加わっている。このため、負荷変調回路６４２では、この点における負荷を変動させることで変調を行う負荷変調方式を用いる構成とした。
【０１９４】
以上の構成では、図１９の非接触電力伝送システムの第１５の実施例と同様の効果が得られる上に電力伝送と異なる周波数で通信が行えることから、より高速に通信を行うことも可能となるので、認証や送信電力制御等の電力伝送に必要な制御データのほかに他のデータも伝送することが可能となる。
【符号の説明】
【０１９５】
１０１、１４１、５０４，５２１、６１２…磁気共鳴コイル、１０２、４０２、５０５…負荷コイル、１０３、１５４、２２１、３１２、…非接触データ通信部、１０４…充電制御部、１０５、４７２…バッテリ、１０６…端末無線通信部、１０７…検知出力部、１０１、２１０…切り替えスイッチ、１１１、１１２，２１１…減衰抵抗、１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６、１２７、１２８…整流用ダイオード、１３０，１３１…平滑用容量、１４０、２２０、３１０、４２０、４６０、６１０、７０１…送電装置、１４２…給電コイル、１４３…増幅部、１４４、１５３、４２４、４６４、４７６、６１５…発振器、１４５、４２５、４６５…制御部、１４６…検出部、１５１、４０１、４２１、４６１、４８１…電磁誘導コイル、１５２、３０１、３０２、４０５、４２２、４６２、４８２、５１２、５５２ａ、５５２ｂ、５５２ｃ、…共振容量、３１１…合成器、３１３…フィルタ、７１１…送電制御モジュール、７１２…非接触型送電モジュール、７１３…非接触型処理モジュール、７２０…大容量蓄電モジュール、７２１…受電制御モジュール、７２２…充電のための非接触型受電モジュール、７２３…非接触型処理モジュール、１５０、４６０、４８０…非接触通信装置、４０３、５５３、７３８，７３９…共鳴容量、４０４…ローパスフィルタ、４０６、４１２、４５６、４８５…整流回路、４０７…電源回路、４０８…負荷回路、４０９、４７３…ハイパスフィルタ、４１０、４４１、４７７、４８３、６４２…負荷変調回路、４１１、４４２、４７８…検波、復調回路、４１３、４８７、…メモリ、４１４、４４３、４８６、５４３、６１６…制御回路、４３０、４７５、６１３、６５２…変復調回路、１５３…発振器、４５３、４５４、４５５、５４１、５２１ａ、５２１ｂ、５２１ｃ、５５１ａ、５５１ｂ、５５１ｃ…電界効果トランジスタ、４５２…切り替えおよび電源回路、４７１…充電制御回路、５０１…送電器、５０２…受電器、５０５、５１１…負荷コイル、５０６…高周波電源、５２３…励振コイル、５３１、５３２、６３１…共鳴コイル群、５４２…レベル検出回路、６１４…可変利得電力増幅器、６４１、６５１…アンテナ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触データ通信手段および磁気共振を利用した非接触電力伝送手段、装置とそれらの送受を行なうアンテナに関するものであり、非接触ＩＣカードやバッテリを搭載した携帯機器への非接触による充電装置に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者が検討した技術として、非接触充電システムの従来技術に関しては、たとえば一例として図２４に示すような構成のものが考えられる。
【０００３】
図２４は非接触による充電システムの従来技術の一例を示すブロック図であり、図のシステムは、鉄道の駅や店舗などの電力提供者側に設けられる送電装置７０１と、利用者が持っている携帯端末装置７０２とを含んで構成されている。本システムでは、携帯端末装置７０２が送電装置７０１により充電される。
【０００４】
送電装置７０１は、ＲＦＩＤリーダなどの非接触型処理モジュール７１３と、非接触型送電モジュール７１２と、送電制御モジュール７１１とを含んで構成されている。
【０００５】
携帯端末装置７０２は、ＲＦＩＤ等の非接触型処理動作のための非接触型処理モジュール７２３と、充電のための非接触型受電モジュール７２２と、充電の判断と制御を行なう受電制御モジュール７２１と、高速に充電可能な大容量蓄電モジュール７２０とを含んで構成されている。
【０００６】
図において、携帯端末７０２を所有している利用者が、駅や店舗などに設置された送電装置７０１に搭載されている非接触型処理モジュール７１３と携帯端末７０２に搭載されている非接触型処理モジュール７２３の間で電子決済等を行なうためにデータ伝送を行なっている際に、送電装置７０１に搭載されている非接触型送電モジュール７１２より端末側の非接触型送電モジュール７２２に非接触により電力を送電するとともに、非接触型送電モジュール７２２では、受電した電力を整流して高速大容量蓄電モジュール７２０に充電を行なう構成であり、図の送電制御モジュール７１１と受電制御モジュール７２１では、これらモジュール間での非接触による送電の制御を行なうとともに、高速大容量蓄電モジュール７２０に充電を行なう充電の制御を行なっている。
【０００７】
以上の構成では、非接触型処理モジュール７１３、７２３間で通信を行なっている間に携帯端末装置７０２の電源の充電を行なう構成であるため、携帯端末装置７０２の充電時間が減らせる上に、頻繁に非接触型処理モジュール７１３、７２３間で通信を行なえば、特に携帯端末装置７０２を充電しなくとも継続的に端末の利用が可能となる（たとえば、特許文献１参照）。
【０００８】
さらに図２４で示した非接触による通信や充電のための送電では、数ｃｍ以下の比較的近距離での非接触通信や非接触送電には、電磁誘導方式や磁気共鳴方式など磁気的な結合による伝送が一般的である。これは他の伝送方式として有力と考えられる電波による伝送方式は伝送の距離ｒに反比例するのに対し、電磁結合による伝送の強さは、伝送距離ｒの２乗に反比例するため、例えば伝送距離が１ｍよりも小さくなった場合、１／ｒよりも１／(ｒ２)の項のほうが大きくなるためである。
【０００９】
このため、非接触による通信や充電のための送電に用いられる周波数は１００ｋＨｚ帯から１０数ＭＨｚ程度の周波数が用いられ、これらの送受に用いられるアンテナとしては、磁気的な結合を強くするため、図２５に示すように、数ターンから数十ターンのコイル状のアンテナを用いるのが一般的であり、図２４で示した携帯端末に用いられる非接触通信や非接触による送電のような直径４ｃｍ程度のコイル状のアンテナが用いられている（たとえば、非特許文献１参照）。
【００１０】
本発明者が検討したその他の技術として、非特許文献２および特許文献２に記載されたものが知られている。この非接触電力伝送システムに関しては、たとえば一例として図２６に示すような構成のものが考えられる。
【００１１】
図２６は非接触による電力伝送システムの従来技術の一例を示す構成図であり、非接触電力伝送システム７３０は高周波電源７３１と、高周波電源７３１に可変インピーダンス回路７３７を介して接続された給電コイル７３２と共鳴コイル７３３により１次側コイルを構成し、共鳴コイル７３４と負荷コイル７３５により２次側コイルを構成し、負荷コイル７３５に接続された負荷７３６を備えている。
【００１２】
さらに、共鳴コイル７３３、７３４にはそれぞれ共鳴容量７３８、７３９が接続されており、給電コイル７３２、共鳴コイル７３３，７３４、負荷コイル７３５は共鳴系７４０を構成する。また、高周波電源７３１の出力周波数には、共鳴系７４０の共鳴周波数に設定されている。
【００１３】
インピーダンス可変回路７３７は、２つの可変容量７４１、７４２とインダクタ７４３から構成されている。一方の可変容量７４１は高周波電源７３１に並列に接続され、他方の容量７４２は給電コイル７３２に並列に接続されている。インダクタ７４３は両可変容量７４１、７４２の間に接続されている。インピーダンス可変回路７３７は、可変容量７４１、７４２の容量が変換されることでそのインピーダンスが変更される。このインピーダンス可変回路７３７は共鳴系７４０の共鳴周波数における入力インピーダンスと高周波電源７３１側のインピーダンスが合うようにインピーダンスが調整される。可変容量７４１，７４２は回転軸がモータにより駆動することで容量を可変する公知の構成で、モータが制御装置７４４からの駆動信号により駆動される構成となっている。
【００１４】
高周波電源７３１からインピーダンス可変回路７３７を介して給電コイル７３２に、共鳴系７４０の周波数で高周波電圧が出力され、給電コイル７３２に磁場が発生する。この磁場が共鳴コイル７３３、７３４による磁場共鳴により増強される。増強された共鳴コイル７３４付近の磁場から負荷コイル７３５により電磁誘導を利用して電力を取り出し負荷７３６に供給される。
【００１５】
このとき、共鳴コイル７３３、７３４のコイル間距離が変化すると、共鳴系７４０の入力インピーダンスも変化する。このため、インピーダンス可変回路７３７がない場合、共鳴コイル７３３、７３４のコイル間距離によっては、インピーダンス整合が取れずに、高周波電源７３１への反射電力が生じ伝送効率が低下する。また別の見方をすると、コイル間距離により磁気共鳴現象が発生する周波数が変動するため、高周波電源７３１の出力周波数に対し、磁気共鳴周波数がずれると伝送損失が大きくなる。このため、高周波電源の周波数を伝送損失が最も小さくなる周波数にコイル間距離に対応して調整すればよいが送信周波数を変えると他の通信機器へ影響を与える恐れがあることから一般的ではない。このため、コイル間距離が変動して共鳴系７４０の入力インピーダンスが変動した場合は制御装置７４４により、可変容量７４１、７４２を調整してインピーダンス整合を取るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００６−３５３０４２号公報 図１
【特許文献２】特開２０１０−１４１９７６号公報 図１
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】日経ビジネス ２００９年１月２６日号 ７８ページ、日経ＢＰ社
【非特許文献２】ＮＩＫＫＥＩ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ２００７．１２．３ １１７項〜１２８項
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ところで、上記図２４で示した従来技術の充電システムでは、非接触通信と非接触による送電を個々に用いられているため、それぞれ、直径４ｃｍ程度のコイル状のアンテナが必要となる。このため、特に小型化の要求が高い携帯端末に図２４で示したような充電システムを搭載しようとした場合、上述のコイル状のアンテナを２素子内蔵する必要があるため、携帯端末装置の小型化が難しいという課題を有していた。
【００１９】
さらに、上記図２４で示した従来技術の充電システムでは、非接触による送電では、非接触部の伝送損失が大きいと送電装置の効率が低下し消費電力が増えることから、近距離(数ｃｍ以下)で比較的高い効率が得られる電磁誘導方式が一般的であるが、逆に伝送距離がある程度大きくなると（例として１〜２ｃｍ程度）伝送効率が急激に劣化するため、携帯端末装置に従来技術の受電装置を搭載しようとした場合、受電装置のアンテナを携帯端末装置の表面に貼り付けるようにするなどして充電の際に送電装置と受電装置間の伝送距離が短くなるようにする必要があるため、搭載位置が限られてしまうという課題があった。
【００２０】
さらに、携帯端末装置の通信周波数は８００ＭＨｚ帯や２ＧＨｚ帯の比較的高い周波数であり、この通信に用いられるアンテナは小型化が進んでおり、通信端末に内蔵するのが可能となっている。しかし、上述の非接触通信や非接触による送電を受電するアンテナを携帯端末に内蔵した場合、内蔵された携帯端末装置の通信アンテナからの電波は、非接触通信や非接触による送電を行なう周波数よりも数百倍程度高いため、非接触通信や非接触による受電を行なうアンテナは金属板のようにしか見えない。このため非接触通信や非接触による受電を行なうアンテナ部で反射が起こるため、携帯端末装置の受信感度に影響を与えるという課題を有していた。
【００２１】
また、上記図２６で示した従来技術の非接触の電力伝送システムでは、磁気共鳴コイルのコイル間距離の変動により共鳴系の入力インピーダンスが変動することで１次コイル側と２次コイル側の間の周波数特性が変わり伝送効率が劣化する現象は、可変インピーダンス回路の可変容量を調整することにより、高周波電源と共鳴系のインピーダンス整合を図る構成で改善しているが、数Ｗ以上の電力を伝送する場合、可変容量に可変容量ダイオード等の半導体を用いることは電力容量や耐圧の問題から難しい。このため、バリアブルコンデンサ等の機械式の可変容量を用いる必要があるので、送電器の小型化が図れない。また、可変容量が機械式であるため耐久性の面で課題がある。
【００２２】
さらに、上記図２６で示した非接触の電力伝送システムでは、磁気共鳴コイルのコイル間距離が数ｍｍ程度のごく近い距離での伝送では、磁気共鳴コイル間の磁場共鳴による伝送に対し、電磁誘導による伝送の割合が増えることが影響し、コイルをより近くするとかえって伝送効率が低下してしまうという課題を有していた。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は上記目的を達成するため、上記課題である非接触通信と非接触による送電を受電するアンテナを搭載しようとした場合に携帯端末装置の小型化が難しいという課題は、非接触通信用アンテナと非接触による送電を受電するアンテナを共用化するとともに、共用化したアンテナの受信出力部に切り替え回路を設けることにより、共用化したアンテナが送電装置からの送電電力を受電した場合、切り替え回路を充電側に切り替え、この切り替え回路を介して整流回路において受電信号が整流されバッテリに充電される構成とし、非接触通信信号を受信した場合、切り替え回路はそのまま非接触通信側を保持することで、非接触通信が可能となる。
【００２４】
次に、充電を行なう場合、効率が劣化しないように送電装置と受電装置間の伝送距離を短くする必要があるため、搭載位置が限られてしまうという課題については、送電装置において送電に用いられるアンテナとして、送電に用いる周波数に共振する長さのコイル長を有した両端が電気的に接続されない共振コイルと共振コイルに送電電力を磁気的に結合して給電する給電コイルからなる磁気共鳴方式と呼ばれる方式とし、給電コイルより送電装置からの送電電力を給電するとともに、非接触通信信号も送電信号に重畳して送信する構成とした。
【００２５】
同様に受電装置においても受電に用いられるアンテナとして、送電に用いる周波数に共振する送電側と等しい長さのコイル長を有した両端が電気的に接続されない共振コイルと共振コイルで受電した受電電力を磁気的に結合した負荷コイルから受電電力を取り出す磁気共鳴方式とした。
【００２６】
以上の構成とすることにより、送電側の共振コイルと受信側の共振コイルの共振周波数が等しいことにより、送電側の共振コイルに流れる電流による磁束と受信側の共振コイルに流れる電流による磁束の位相が同相になることにより、これら共振コイル間は強く結合する。この現象は磁気共鳴現象とよばれ、従来の非接触伝送に主に用いられている電磁誘導方式よりもコイル間距離が離れていても効率の低下が少ないという特長を有しているため、送電装置と受電装置間距離が多少離れていても伝送効率の低下が少ないので、携帯端末装置に受電装置を搭載する場合、受電アンテナの搭載位置の制約がより少ない構成とすることができる。
【００２７】
非接触通信や非接触による受電を行なうアンテナ部で反射が起こるため、携帯端末装置の受信感度に影響を与えるという課題については、上記の搭載位置が限られてしまうという課題と同様に、送電と受電用アンテナに磁気共鳴方式を用いるとともに、受電側のアンテナの共振コイルを削除する構成とした。
【００２８】
この構成では、送電側が磁気共鳴方式、受電側が電磁誘導方式となるがコイル間の伝送距離は受信側が磁気共鳴方式の場合とほぼ同等の伝送距離が得られる構成となっている。
【００２９】
以上の構成とすることにより、受電側のアンテナは、負荷コイルのみとなるため、直径３ｃｍ程度の１〜数ターンのループ状コイルのみとなり、従来の数十ターンの密に巻かれたコイルに比べ、携帯端末装置の通信に用いる電波の反射は小さくなるので、通信アンテナへの影響をより小さくすることができる。
【００３０】
以上は電力伝送周波数と非接触通信が同じ周波数であったが周波数が異なる場合のアンテナを共用化する手段を以下説明する。
【００３１】
一般的に磁気共鳴方式による伝送では、共振コイルに給電する給電コイルや共振コイルから受信した電力を取り出す負荷コイルに比べ、共振コイルの巻き数のほうが多く、インダクタンス値も大きい。
【００３２】
非接触通信の周波数と非接触による電力伝送の周波数が異なる場合、上記受信側共振コイルと並列に第１の容量を接続するとともに、第２の容量を第１のフィルタ回路を介し直列あるいは並列に接続した後、低い周波数のほうの信号を取り出す構成とするとともに、共振コイルと磁気的に結合するように負荷コイルを受電コイルに近接して設け、負荷コイルに第２のフィルタ回路を介し高い周波数のほうの信号を取り出す構成とし、第１の容量が共振コイルと高い周波数のほうの信号で共振する値とし、第２の容量が共振コイルと低い周波数のほうの信号で共振する値とし、さらに、第１のフィルタ回路は低い周波数のほうの信号を通過させ、高い周波数のほうの信号の通過を阻止し、第２のフィルタ回路は高い周波数のほうの信号を通過させ、低い周波数のほうの信号の通過を阻止する構成とした。
【００３３】
以上の構成とすることにより、共振コイルからは共振コイルと第２の容量により共振する低い周波数のほうの信号を出力することが出来るととともに、負荷コイルからは、共振コイルと第１の容量で共振する高い周波数のほうの信号を図２６で示した従来技術と同様に磁気共鳴方式により出力することが出来る。
【００３４】
ここで、従来の電磁誘導方式による非接触での電力伝送で用いられるコイルの大きさの一例としては、携帯機器等への充電等に用いられる５Ｗ程度以下であれば、直径数ｃｍで数１０ターン程度の巻き数であり、電気自動車等への充電に用いられる数ｋＷクラスでは、直径数１０ｃｍで数１０ターン程度の巻き数であり、用いられる周波数は数１０ｋＨｚから数１００ｋＨｚであり、伝送距離としては数ｃｍ以下が一般的である。また、磁気共鳴方式による非接触での電力伝送で用いられるコイルの大きさとしては、携帯機器等への充電等に用いられる５Ｗ程度以下であれば、直径数ｃｍで数１０ターン程度の巻き数であり、電気自動車等への充電に用いられる数ｋＷクラスでは、直径数１０ｃｍで数ターンから数１０ターン程度の巻き数であり、用いられる周波数は数MＨｚから１０数ＭＨｚであり、共振コイルに電力を給電する給電コイルおよび共振コイルから電力を取り出す負荷コイルの巻き数は１ターン程度である。また、磁気共鳴方式の伝送距離は数ｃｍから数１０ｃｍ程度であり、給電コイルと共振コイルおよび共振コイルと負荷コイル間の距離としては１ｃｍ以下程度が一般的である。
【００３５】
次に磁気共鳴コイル(共振コイル)のコイル間距離の変動による共鳴系の入力インピーダンスの変動を可変インピーダンス回路により調整した場合、送信側の回路も大きくなってしまうという課題については、上述の受信側のコイルが搭載機器と比較して大きくなってしまうという課題と同様に負荷コイルに少なくとも直列接続か並列接続により負荷コイルのインダクタンスと共振する共振容量を付加する構成とした。
【００３６】
以上の構成とすることにより、磁気共鳴コイルのコイル間距離の変動による１次コイルと２次コイル間の周波数特性の変動が小さくなる(コイル間距離の変動による入力のインピーダンス変動が小さくなる)という結果が実験的に得られていることから、可変インピーダンス回路を用いなくても、コイル間距離の変動による１次コイルと２次コイル間の周波数特性の変動を小さく抑えることができるので、送信回路についても小型化が可能となる。
【００３７】
さらに、磁気共鳴コイルのコイル間距離の変動による１次コイルと２次コイル間の周波数特性の変動を小さくする手段としては、１次コイル側の共鳴コイルを複数設け、それぞれのコイルが負荷コイルとの距離に対応して最も伝送効率が良くなるような巻き数とすることで、１次側の共鳴コイルと負荷コイル間の距離に対応して最も効率のよい共鳴コイルと主に伝送が可能となるため、上記手段によってもコイル間距離の変動による１次コイルと２次コイル間の周波数特性の変動を小さくすることが可能となる。
【００３８】
また、磁気共鳴コイルのコイル間距離が数ｍｍ程度のごく近い距離で伝送効率が低下してしまうという課題については、給電コイルと１次側の磁気共鳴コイルのコイルの配置構成を入れ替え、１次側の共鳴コイルと負荷コイル間の距離よりも給電コイルと負荷コイル間の距離が近くなるようにした。これにより、１次コイルと２次コイルが数ｍｍ程度の磁気共鳴伝送では伝送効率が劣化する、ごく近距離伝送の場合でも伝送効率の低下を抑えることができる。これは、ごく近距離では、給電コイルと負荷コイルが距離的に近くなることで、給電コイルから負荷コイルに直接電磁誘導により電力が伝送できるためである。
【００３９】
さらに、非接触電力伝送システムでは、非接触充電に対応しているか確認するための機器の認証や送信電力量の制御等を行うための通信手段として、送信側は送電電力の信号にＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）変調方式等の変調をかけるとともに、受信側では内部に電力を持たなくても受電した信号を利用して通信が可能である負荷変調方式を用いる構成とすることにより、比較的簡易に通信が可能となる非接触電力伝送システムを得ることができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明により、非接触通信手段とバッテリへの充電を行なうための非接触による受電装置を携帯端末装置等に搭載した場合でも、これらを搭載したことによる端末の大型化を極力抑えられるとともに、非接触通信や非接触による受電を行なう場合、磁気共鳴方式を用いることにより、伝送距離が大きくなってもアンテナ間の伝送損失が少なく、携帯端末装置等の通信感度への影響が少ない非接触電力伝送システム、受電装置、及び送電装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施例１に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図２】実施例２に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図３】実施例３に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図４】送信が磁気共鳴方式、受信が電磁誘導方式と従来の電磁誘導方式でのコイル間距離による伝送効率の差を示す実験結果である。
【図５】磁気共鳴方式と従来の電磁誘導方式での伝送効率特性のコイル間距離による依存性の差を示す実験結果である。
【図６】送信が磁気共鳴方式、受信が電磁誘導方式のコイル間距離による依存性の差を示す実験結果である。
【図７ａ】実施例１に係る磁気共鳴方式のコイルの構成を模式的に示した模式図である。
【図７ｂ】実施例１に係る磁気共鳴方式のコイルの構成を、伝送方向に対し真横から見た模式図である。
【図８】実施例４に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図９】実施例５に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１０】実施例６に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１１】実施例７に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１２】実施例８に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１３】実施例９に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１４】実施例１０に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１５】実施例１１に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１６ａ】実施例１２に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１６ｂ】実施例１２に係る非接触充電システムの１次側の共鳴コイル群の他の例を示す図である。
【図１７】実施例１３に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１８】実施例１４に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図１９】実施例１５に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図２０】実施例１６に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図２１】実施例１７に係る非接触充電システムの構成を示す構成図である。
【図２２】実施例１２に係る非接触充電システムの周波数特性を模式的に示した模式図である。
【図２３】実施例１３に係る非接触充電システムの周波数特性を模式的に示した模式図である。
【図２４】非接触通信と非接触による送電を行なう場合の従来例を示すブロック図である。
【図２５】従来技術で実現される電磁誘導方式のコイル構成を模式的に示した模式図である
【図２６】磁気共鳴方式で非接触で電力伝送を行なう場合の従来例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００４２】
本発明の非接触による充電システムの第１の実施例を図面によって説明する。
【００４３】
図１は、本発明に使用される非接触による充電システムを有した第1の実施例を示した図である。
【００４４】
図において、７０２は携帯端末装置、１４０は電力を非接触で送電を行なう送電装置、１５０は非接触通信装置であり、図の携帯端末装置７０２は、磁気共鳴コイル１０１、負荷コイル１０２、切り替えスイッチ１１０、整流用ダイオード１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６、１２７、１２８、平滑用容量１３０、１３１、非接触データ通信部１０３、充電制御部１０４、バッテリ１０５、端末無線通信部１０６、検知出力部１０７より構成され、さらに、切り替えスイッチ１１０には減衰抵抗１１１、１１２が付加されている。また、図の送電装置１４０は、磁気共鳴コイル１４１、給電コイル１４２、増幅部１４３、発振器１４４、制御部１４５、検出部１４６より構成され、非接触通信装置１５０は電磁誘導コイル１５１、共振容量１５２、発振器１５３、非接触データ通信部１５４より構成されている。
【００４５】
図において、携帯端末装置７０２は、両端が接続されていない１０数ターン程度の平面形状の磁気共鳴コイル１０１に対し、数ｍｍ程度離れたところに負荷コイル１０２を設けるとともに、負荷コイル１０２の出力端には切り替えスイッチ１１０が接続される。さらに、切り替えスイッチ１１０の一方の出力が整流用ダイオード１２１〜１２４より構成される全波整流回路に入力され、整流出力は非接触データ通信部１０３に入力される。
【００４６】
また、切り替えスイッチ１１０の他の一方の出力は整流用ダイオード１２５〜１２８より構成される全波整流回路に入力され、整流出力が充電制御部１０４を介しバッテリ１０５に供給されている。
【００４７】
また、図の送電装置１４０は両端が接続されていない１０数ターン程度の平面形状の磁気共鳴コイル１４１に対し、数ｍｍ程度離れたところに給電コイル１４２を設けるとともに、給電コイル１４２の入力端には増幅器１４３を介し発振器１４４が接続される。
【００４８】
さらに、図の非接触通信装置１５０は、十数ターン以上の電磁誘導コイル１５１のコイル端に共振容量１５２とともに発振器１５３が並列に接続されている。
【００４９】
以上の充電システムにおいて、まずは、非接触通信装置１５０から携帯端末装置７０２に非接触により通信を行なう場合の動作について説明する。
【００５０】
非接触通信装置１５０にある発振器１５３では、非接触通信が行なわれる搬送波周波数（例えばＲＦＩＤでは１３.５６ＭＨｚ等）で発振するとともに、非接触データ通信部１５４において、送信を行なうデータに対応して発振周波数に変調をかけ、変調された通信信号は、電磁誘導コイル１５１と共振用容量１５２の共振周波数が搬送周波数に等しくなるように調整されたアンテナにより、電磁エネルギーとして効率よく放射される。
【００５１】
一方、携帯端末装置７０２では、磁気共鳴コイル１０１が、非接触通信信号に等しい周波数に共振するように調整されているため、非接触通信装置１５０からの放射によりコイル１０１に最も電流が流れることで、負荷コイル１０２の両端には高い電圧が励起され、この励起された電圧が、切り替えスイッチ１１０を介してそのまま整流用ダイオード１２１〜１２４で構成される整流回路に入力される。入力された非接触通信信号は、平滑用容量１３０により平滑化され直流電圧となり非接触データ通信部１０３へ電源として供給されるとともに、変調されたデータも非接触データ通信部１０３において復調される。一方、非接触データ通信部１０３から、非接触通信装置１５０への通信は、磁気共鳴コイル１０１で受信した信号に対し、送信データに対応させて非接触データ通信部１０３の入力インピーダンスを変化させることで磁気共鳴コイル１０１から電磁誘導コイル１５１への反射量が変動することを非接触通信装置１５０が検出することにより、逆方向の通信を行なっている。
【００５２】
次に、送電装置１４０から携帯端末装置７０２に非接触により送電を行なう場合の動作について説明する。
【００５３】
送電装置１４０にある発振器１４４では、電力を非接触で送電する周波数として、非接触通信装置１５０で用いられているＲＦＩＤ等と同じ１３.５６ＭＨｚで発振し、増幅部１４３において電力増幅し、給電コイル１４２により磁気共鳴コイル１４１を励振する。磁気共鳴コイル１４１は、送電周波数と等しい周波数で共振するように調整されているため、送電周波数で最も大きい電流が流れ強い磁界が発生する。
【００５４】
一方、携帯端末装置７０２では、磁気共鳴コイル１０１は送電周波数に等しい周波数で共振するため、送電信号で最も電流が流れ、負荷コイル１０２の両端には高い電圧が励起される。この励起された電圧がある一定以上の値になった場合、充電制御部１０４は、切り替えスイッチ１１０を電力受電側に切り替えるので、受電した信号は、整流用ダイオード１２５〜１２８により構成される整流回路により整流され、平滑用容量１３１により直流電圧となり充電制御部１０４に供給される。充電制御部１０４では供給された直流電圧をバッテリ１０５に充電を行うとともに、過充電されない等によりバッテリ１０５が破損しないように充電量の制御を行う。
【００５５】
なお、携帯端末装置７０２の検知出力部１０７は特定の識別子を出力しており、携帯端末装置７０２が送電装置１４０に接近し、検出部１４６で検知出力部１０７からの識別子を検知すると制御部１４５は発振器１４４をオン状態にして送電を開始する。
【００５６】
さらに、送電装置１４０からの送電を行う場合、切り替えスイッチ１１０は、受電側に切り替わっているが、このとき、非接触通信側に減衰抵抗１１１、１１２を介し非接触通信側にも受電した信号を減衰させて非接触通信側にも入力する構成とした。このような構成とすることで、送電信号に非接触通信信号を重畳した場合、受電と同時に非接触通信も可能となる。ここで、減衰抵抗により受電信号レベルを下げるのは、非接触通信信号に比べ、送電信号のほうがレベルがかなり高いためである。
【００５７】
以上の構成とすることにより、送電装置１４０と携帯端末装置７０２間の伝送は、磁気共鳴方式による結合のため、従来の電磁誘導方式に比べ、伝送距離が長くなっても損失が少ない充電システムを得ることができ、さらに、非接触通信と非接触による電力の伝送に用いるアンテナを共用化することで、これらを搭載した場合に伴なう携帯端末装置７０２の実装容積の増加を極力抑えることが可能となる。
【実施例２】
【００５８】
図2は本発明に使用される非接触による充電システムの第２の実施例を示した図である。
【００５９】
図は、図1で示した第1の実施例と比較して携帯端末装置７０２に電磁誘導方式のコイル、送電装置２２０に磁気共鳴方式のコイルを用いたものである。なお、図は、通信装置と送電装置を一体化した送電装置２２０を用いているが、これに限定するものではない。図１のように、通信装置と送電装置が別体になっている場合にも、携帯端末装置に電磁誘導方式のコイル、送電装置に磁気共鳴方式のコイルを用いても良い。
【００６０】
図において、２０１は２〜３ターン程度のループアンテナコイル、２０２、２０３はループアンテナコイル２０１と送信信号周波数で共振する共振容量、２２０は非接触通信手段を兼ねた非接触による電力送電装置であり、非接触通信手段を備えた送電装置２２０は、非接触データ通信部２２１を備えており、その他、図1に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【００６１】
送電装置２２０は、携帯端末装置７０２と非接触通信を行なう場合、非接触データ通信部２２１は発振器１４４の発振信号を通信データにより変調し、変調された信号を増幅部１４３により増幅し、給電コイル１４２と磁気共鳴コイル１４１より構成される送電アンテナにより送信する。
【００６２】
送電装置から送信された信号は、携帯端末装置７０２のループアンテナコイル２０１により受信され、切り替えスイッチ１１０を介し共振容量２０２の容量値と共振することで、整流用ダイオード１２１〜１２４により構成される整流回路に送信周波数において最も高い電圧信号が加わる。そして整流回路より出力された非接触通信信号は、平滑用容量１３０により平滑化され直流電圧となり、非接触通信部１０３へ電源として供給されるとともに、変調されたデータも非接触データ通信部１０３において復調される。
【００６３】
次に、送電装置２２０から携帯端末装置７０２に送電を行なう場合の動作について説明する。
【００６４】
送電装置２２０にある発振器１４４の信号を増幅部１４３において電力増幅し、給電コイル１４２により磁気共鳴コイル１４１を励振することで、磁気共鳴コイル１４１より送電信号が出力される。
【００６５】
送電された信号は、携帯端末装置７０２のループアンテナコイル２０１により受電されるが、この受電された電圧がある一定以上の値になった場合、充電制御部１０４は、切り替えスイッチ１１０を電力受電側に切り替えるので、切り替えスイッチ１１０を介し共振容量２０３の容量値と共振することで、整流用ダイオード１２５〜１２８により構成される整流回路で送電周波数において最も高い電圧となるとともに、受電した信号は、平滑用容量１３１により直流電圧となり充電制御部１０４に供給される。充電制御部１０４では供給された直流電圧をバッテリ１０５に充電を行なうとともに、過充電等によりバッテリ１０５が破損しないように充電量の制御を行なう。
【００６６】
さらに、送電装置２２０からの送電を行う場合、切り替えスイッチ１１０は、受電側に切り替わっているが、このとき、非接触通信側に減衰抵抗１１１、１１２を介し非接触通信側にも受電した信号を減衰させて非接触通信側にも入力する構成のため、送電信号に非接触通信信号を重畳することにより、受電と同時に非接触通信も可能となる。
【００６７】
以上の構成とすることにより、第１の実施例と同様の効果が得られる上に、受電用アンテナとして、２〜３ターン程度のループアンテナコイルを用いることができることで、携帯端末装置７０２をより小型にすることができる。
【００６８】
さらに、受電用アンテナとして、２〜３ターン程度のループアンテナコイルを用いることにより、端末無線通信部１０６の通信に用いる電波の反射は小さくなるので、端末無線通信部１０６への影響をより小さくすることができる。
【実施例３】
【００６９】
図３は本発明に使用される非接触による充電システムの第３の実施例を示した図である。
【００７０】
図において、３０１は共振容量、３１０は切り替えスイッチ、３１１は減衰抵抗、３１２、３１３、３１４、３１５は非接触通信と非接触による電力の受電とで共用化された整流用ダイオードであり、その他、図２に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【００７１】
送電装置２２０では、携帯端末装置７０２と非接触通信を行なう場合、非接触データ通信部２２１は発振器１４４の発振信号を通信データにより変調し、変調された信号を増幅部１４３により増幅し、給電コイル１４２と磁気共鳴コイル１４１より構成される送電アンテナにより送電される。
【００７２】
この送信された信号は、携帯端末装置７０２のループアンテナコイル２０１と共振容量３０１により送信周波数信号で共振して最も大きな信号振幅で受信され、共用化された整流用ダイオード３１２〜３１５により整流される。このとき充電制御部１０４で整流された電圧がある一定値以上であると充電のための送電であると判断し、切り替えスイッチ３１０を充電側に切り替えるので、整流された電圧が平滑用容量１３１により平滑化され充電制御部１０４によりバッテリ１０５に充電のための直流電圧を供給する。
【００７３】
以上の実施例では、第２の実施例と同様の効果が得られる上に、非接触通信用と受電用の整流ダイオードを共用化することにより、携帯端末装置７０２をより小型にすることができる。
【００７４】
次に、本発明の実施例における効果を図４、図５および図６を参照して説明する。
【００７５】
図４は、図２の非接触による充電システムの第2の実施例で示したように、送信側を磁気共鳴方式、受信側をループ状のアンテナコイルと共振容量により構成される従来の電磁誘導方式としたときの伝送効率特性と、図２５に示すように送受信側とも従来の電磁誘導方式を用いた場合のコイル間距離に対する伝送効率の実験結果を示したものであり、図の横軸はコイル間距離、縦軸は伝送効率である。
【００７６】
図２の送信側の磁気共鳴コイルの直径は４ｃｍであり、巻き数は約３０ターンで共鳴周波数は約２０ＭＨｚであり、受信側は、直径３cmの約３ターンのループコイルと１００ｐFの共振容量による直列共振型のループアンテナコイルとなっており、図２５の電磁誘導方式の送受コイルの直径は４ｃｍ、巻き数は約２０ターンで伝送周波数は約１２０ｋＨｚであり、共振容量は数μFである。
【００７７】
図から図２５の従来技術の電磁誘導方式ではコイル間距離が短い場合は伝送効率に優れるが、コイル間距離が４ｍｍ程度離れると効率は５０％程度に落ちる。これに対し、第２の実施例ではコイル間距離が４ｍｍでも効率は約７５％が得られており、コイル間距離が離れても送信が磁気共鳴方式、受信が電磁誘導方式による伝送のほうが、伝送効率の低下が少ないことが分かる。
【００７８】
また、図５は、図１で示した第１の実施例の非接触電力伝送方式として送信、受信とも磁気共鳴方式としたときのコイル間距離に対する伝送損失の周波数特性と、送信、受信とも２〜３ターン程度のループ状のコイルと共振容量により構成される従来の電磁誘導方式での伝送損失の周波数特性の実験結果を示したもので、図の横軸は周波数、縦軸は伝送損失である。
【００７９】
また、実験に用いたコイルとして、図１の磁気共鳴方式は、磁気共鳴コイルの直径は４ｃｍであり、巻き数は約３０ターンで共鳴周波数は約２０ＭＨｚであり、給電コイルおよび負荷コイルとも直径は３ｃｍで巻き数は１ターンである。一方、従来の電磁誘導方式のループアンテナコイルは、直径４ｃｍ、巻き数は約３ターンで伝送周波数は磁気共鳴方式と同じ約２０ＭＨｚであり、共振容量は百数十ｐFである。
【００８０】
図から図１で示した第１の実施例の磁気共鳴方式を用いた電力伝送方式ではコイル間距離により周波数依存性があるが、従来の電磁誘導方式よりも伝送損失が少ないことが分かる。
【００８１】
次に、図６は、図２で示した非接触による充電システムの第２の実施例で非接触通信手段として送信側を磁気共鳴方式、受信側を従来の２〜３ターン程度のループ状のアンテナと共振容量により構成される電磁誘導方式としたときのコイル間距離に対する周波数特性の実験結果を示したものである。実験に用いたコイルは、直径４ｃｍ、巻き数は約３ターンであり、共振容量は百数十ｐFである。
【００８２】
図５と図６を比較すると、図５で示した送受信とも磁気共鳴方式を用いるよりも、図２で示した第２の実施例のように、送信側を磁気共鳴方式、受信側を従来の磁界結合型ループアンテナにしたほうがコイル間距離に対する周波数特性変動が少ないことから、送信周波数を例えば１３.５６ＭＨｚ等に固定した場合であってもコイル間距離によらず安定した受電電力を得ることができる。
【００８３】
また、図７ａには、本発明の非接触による充電システムの第１の実施例の磁気共鳴方式のコイルの構成を示した模式図であり、図７ｂは、図７ａを伝送方向に対し真横から見た模式図であり、図1に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。給電コイル１４２、磁気共鳴コイル１４１、１０１、負荷コイル１０２のコイル面は互いに平行に配置されており、コイルの中心点が一直線にある図７ｂの構成でｚ軸上でのコイル間距離を最適化すれば最もコイル間の伝送効率が高くなる構成であることから、実施の形態としては図７ｂの配置を基本に以下の実施の形態についても説明する。
【実施例４】
【００８４】
図８は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第４の実施例を示した図である。
【００８５】
図において、７０２は携帯端末装置、１５０は非接触通信装置、４２０は電磁誘導方式による送電装置より構成され、図の携帯端末装置７０２は、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１、負荷コイル４０２、共鳴容量４０３、ローパスフィルタ４０４、共振容量４０５、整流回路４０６、電源回路４０７、負荷回路４０８、ハイパスフィルタ４０９、負荷変調回路４１０、検波、復調回路４１１、整流回路４１２、メモリ４１３、制御回路４１４を備えている。また、電磁誘導による送電装置４２０は、電磁誘導コイル４２１、共振容量４２２、電力増幅器４２３、発振器４２４、制御部４２５、検出部４２６を備えており、その他、図1に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【００８６】
図において、携帯端末装置７０２は、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１と並列に共鳴容量４０３を接続するとともに、ローパスフィルタ４０４を介して共振容量４０５が並列に接続され、整流回路４０６、電源回路４０７、負荷回路４０８が接続される。
【００８７】
また、負荷コイル４０２は磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１と数ｍｍ程度の距離に近接して配置し磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１と磁気的に結合している。さらに、負荷コイル４０２はハイパスフィルタ４０９を介して負荷変調回路４１０、検波、復調回路４１１、整流回路４１２に接続される。
【００８８】
また、電磁誘導方式による送電装置４２０は、電磁誘導コイル４２１と並列に共振容量４２２が接続され、電力増幅器４２３により増幅された発振回路４２４からの送電信号周波数と共振する構成となっている。
【００８９】
以上の非接触電力伝送システムにおいて、まずは非接触通信装置１５０から携帯端末装置７０２に非接触により通信を行う場合の動作について説明する。
【００９０】
非接触通信装置１５０にある発振器１５３では、非接触通信が行なわれる搬送波周波数（例えばＲＦＩＤでは１３.５６ＭＨｚ等）で発振するとともに、非接触データ通信部１５４および変復調回路４３０において、送信を行なうデータに対応して発振周波数に変調をかけ、変調された通信信号を電磁誘導コイル１５１と共振容量１５２の共振周波数が搬送周波数に等しくなるように調整されたアンテナにより、電磁エネルギーとして効率よく放射される。
【００９１】
一方、携帯端末装置７０２では、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１と共鳴容量４０３での共振周波数が非接触通信周波数の１３.５６ＭＨｚとなるように調整されているため、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１には大きな電流が流れ強い磁界が発生する。この強い磁界により、磁気的に結合された負荷コイル４０２によりハイパスフィルタ４０９と負荷変調回路４１０を介し検波、復調回路４１１に入力され、受信した非接触信号を復調し制御回路４１４に入力する。制御回路４１４では受信信号に対応したデータをメモリ４１３より読み出して負荷変調回路４１０により負荷変調をかける。これに対し、非接触通信装置１５０では、負荷変調回路４１０からの負荷変調に対応して携帯端末装置７０２の受信インピーダンスが変動するのを変復調回路４３０により検出して復調し非接触データ通信部１５４に伝送する構成となっている。このとき、ローパスフィルタ４０４は受信した信号周波数に対しては通過を阻止するため、ローパスフィルタ４０４以降の回路は無視することが出来るとともに、ハイパスフィルタ４０９は受信した信号周波数に対しては通過特性であるため、ここでの損失は無視することができる。また、制御回路４１４およびメモリ４１３への電力の供給は非接触通信装置１５０から受信した信号を整流回路４１２により整流した電力を用いることでバッテリは不要であるし、また、携帯端末装置７０２に内蔵しているバッテリから供給してもよい。
【００９２】
次に、電磁誘導方式による送電装置４２０から携帯端末装置７０２に非接触により送電を行なう場合の動作について説明する。
【００９３】
電磁誘導方式による送電装置４２０では、検出部４２６により携帯端末装置７０２が近くに置かれた場合を検出して制御部４２５により発振器４２４および電力増幅器４２３をオン状態とする。これにより、発振器４２４では、電力を非接触で送電する周波数として、非接触通信装置１５０で用いられているＲＦＩＤ等の１３.５６ＭＨｚよりも低い、例えば１００ｋＨｚ帯の周波数で発振し、電力増幅器４２３において電力増幅して電磁誘導コイル４２１と共振容量４２２による共振回路に送電電力を供給する。電磁誘導コイル４２１と共振容量４２２は、供給された送電電力の周波数である１００ｋＨｚ帯で共振するため、電磁誘導コイル４２１には、大きな電流が流れ強い磁界が発生する。このとき、電磁誘導コイル４２１と接近して携帯端末装置７０２が置かれることにより、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１と共振容量４０５による共振回路が送電電力の周波数と等しいため、電磁誘導コイル４２１と磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１は電磁誘導により強く結合するので、共振容量４０５から受電した１００ｋＨｚ帯の電力を取り出すことができる。このため、共振容量４０５に接続された整流回路４０６により直流電圧に整流され電源回路４０７により一定の電圧に変換された後、負荷回路４０８に受電した電力が供給される。このとき、ローパスフィルタ４０４は受電した電力の周波数に対し通過特性のため、ここでの損失は無視することができる。また、ハイパスフィルタ４０９は受電した電力の周波数に対し通過を阻止するため、負荷コイル４０２およびハイパスフィルタ４０９以降の回路の影響を無視することができる。
【００９４】
また、電源回路４０７を充電制御回路、負荷回路４０８をバッテリに置き換えることで非接触充電システムを実現することができる。
【００９５】
以上の構成とすることにより、１００ｋＨｚ帯の受電電力には電磁誘導方式による非接触電力伝送を行い、13.56MHzの非接触通信では、受電に用いた電磁誘導コイルを磁気共鳴コイルとして用いることにより、図１で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、非接触通信の周波数と非接触による電力伝送の周波数が異なる場合でも通信および受電が可能な充電(電力伝送)システムを得ることができる。
【実施例５】
【００９６】
図９は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第５の実施例を示した図である。
【００９７】
図において、４４１は負荷変調回路、４４２は検波、復調回路、４４３は制御回路、４４４は変復調部であり、その他、図８に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【００９８】
図９において、携帯端末装置７０２では、共振容量４０５と整流回路４０６間に負荷変調回路４４１と検波、復調回路４４２を付加した構成となっており、電磁誘導方式による送電装置４２０は、増幅器４２３と共振容量４２２間に変復調部４４４が付加した構成となっている。
【００９９】
図において、非接触通信装置１５０と携帯端末装置７０２間の非接触通信は、図８で示した第４の実施例と同様であるため説明を省略し、電磁誘導方式による送電装置４２０から携帯端末装置７０２に非接触により送電を行なう場合の動作について説明する。
【０１００】
電磁誘導方式による送電装置４２０では、発振器４２４からの発振信号を電力増幅器４２３において電力増幅した送電電力信号を変復調部４４４において変調し、共振コイル４２１より送電される。この送電電力を携帯端末装置７０２の磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１により受電する。受電した受電信号は整流回路４０６により整流され受電を行うとともに、検波、復調回路４４２により受電した信号を復調し、受信データ信号を制御回路４４３に入力する。制御回路４４３では、受信したデータ信号に対応するデータ信号を負荷変調回路４４１により負荷変調をかける。この負荷変調信号は、電磁誘導方式による送電装置４２０の変復調部４４４により復調される。
【０１０１】
以上の構成とすることにより、図８で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、非接触による電力伝送においても送電電力信号に対しても変調をかけることにより電力伝送と同時に通信を行うことが可能となるので、たとえば、携帯端末装置７０２が非接触により電力伝送に対応しているか等の認証や送電電力制御を行う際に必要となる制御のための通信も電力伝送と信号に重畳して行うことが可能となる。
【実施例６】
【０１０２】
図１０は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第６の実施例を示した図である。
【０１０３】
図において、４５１はレベル検出回路、４５２は切り替えおよび電源回路、４５３、４５４、４５５は電界効果トランジスタ、４５６は整流回路、４６０は電磁誘導方式による送電装置である。さらに、電磁誘導方式による送電装置４６０は電磁誘導コイル４６１、共振容量４６２、電力増幅器４６３、発振器４６４、制御部４６５、検出部４６７より構成されており、その他、図８に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【０１０４】
図において、携帯端末装置７０２は、共鳴容量４０３と共振容量４０５間にレベル検出回路４５１および電界効果トランジスタ４５３を設けるとともに、整流回路４０６は切り替えおよび電源回路４５２を介して負荷回路４０８に接続されている。さらに、負荷コイル４０２には、電界効果トランジスタ４５４と整流回路４５６を介し切り替えおよび電源回路４５２に接続されている。さらに、電磁誘導方式による送電装置４６０は、電磁誘導コイル４６１と並列に共振容量４６２が接続され、電力増幅器４６３により増幅された発振回路４６４からの送電信号周波数と共振する構成となっており、電磁誘導方式による送電装置４２０と同様の構成であるが、電磁誘導コイル４６１と共振容量４６２による共振周波数および発振器４６４の発振周波数が、非接触通信装置１５０の共振周波数と等しい１３.５６ＭＨｚとなっている。
【０１０５】
以上の非接触電力伝送システムにおいて、まずは非接触通信装置１５０から携帯端末装置７０２に非接触により通信を行う場合について説明する。
【０１０６】
携帯端末装置７０２のレベル検出回路４５１は、信号を何も受信していない状態では電界効果トランジスタ４５５をオン状態とするとともに、電界効果トランジスタ４５３、４５４をオフ状態とすることで 非接触通信装置１５０より１３.５６ＭＨｚの非接触通信信号を受信した場合は、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１、共鳴容量４０３および負荷コイル４０２により構成される磁気共鳴結合により、負荷変調回路４１０、検波、復調回路４１４および整流回路４１２に受信され通信が行われる。
【０１０７】
次に、電磁誘導方式による送電装置４２０からの１００ｋＨｚ帯の非接触による送電電力を受電した場合、レベル検出回路４５１は、電界効果トランジスタ４５３をオン状態とするとともに、電界効果トランジスタ４５４、４５５をオフ状態とする。これにより、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１と共振容量４０５より構成される共振回路により電磁誘導方式により電磁誘導方式による送電装置４２０からの送電電力を受電し、整流回路４０６と切り替えおよび電源回路４５２を介して負荷回路４０８に電力が供給される。
【０１０８】
次に、電磁誘導方式による送電装置４６０から１３.５６ＭＨｚの非接触による送電電力を受電した場合、レベル検出回路４５１は、電界効果トランジスタ４５４をオン状態とするとともに、電界効果トランジスタ４５３、４５５をオフ状態とする。これにより、磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１、共鳴容量４０３および負荷コイル４０２より構成される磁気共鳴結合により、電磁誘導方式による送電装置４６０からの送電電力を受電し、整流回路４５６と切り替えおよび電源回路４５２を介して負荷回路４０８に電力が供給される。
【０１０９】
以上の構成とすることにより、図８で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、非接触による電力伝送については、１００ｋＨｚ帯の送電には電磁誘導による受電を、１３.５６ＭＨｚの電力伝送については磁気共鳴方式による受電を行うことにより、周波数帯が異なる場合でも接触による電力伝送の受電が可能となる。
【実施例７】
【０１１０】
図１１は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第７の実施例を示した図である。
【０１１１】
図において、４７０は非接触通信部、４７１は充電制御回路、４７２はバッテリ、４７３はハイパスフィルタ、４８０は非接触通信装置であり、図の非接触通信部４７０は、切替え回路４７４、変復調回路４７５、発振器４７６、負荷変調回路４７７、検波復調回路４７８より構成され、非接触通信装置４８０は、電磁誘導コイル４８１、共振容量４８２、負荷変調回路４８３、検波、復調回路４８４、整流回路４８５、制御回路４８６、メモリ４８７より構成されており、その他、図８に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【０１１２】
図において、携帯端末装置７０２は、整流回路４０６の出力に充電制御回路４７１、バッテリ４７２が接続され、負荷コイル４０２はハイパスフィルタ４７３と切り替え回路４７４を介して変復調回路４７５および発振器４７６が接続される。さらに切り替え回路４７４には負荷変調回路４７７と検波、復調回路４７８が接続されている。
【０１１３】
また、非接触通信装置４８０は、電磁誘導コイル４８１と並列に共振容量４８２が接続され、さらに、負荷変調回路４８３、検波、復調回路４８４および整流回路４８５が接続される。
【０１１４】
図において、電磁誘導方式による送電装置４２０からの送電電力を受電する場合の動作について説明する。送電装置４２０より送電された１００ｋＨｚ帯の送電電力信号は、携帯端末装置７０２の磁気共鳴コイルを兼ねた電磁誘導コイル４０１と共振容量４０５による共振回路により受電し整流回路４０６および充電制御回路４７１を介しバッテリ４７２に充電を行う。
【０１１５】
次に、非接触通信装置１５０から携帯端末装置７０２に非接触により通信を行う場合の動作について説明する。非接触通信装置１５０から送信された非接触通信信号は、磁気共鳴を兼ねた電磁誘導コイル４０１、共振容量４０３および負荷コイル４０２により構成される磁気共鳴方式により受信し、ハイパスフィルタ４７３を介して切り替え回路４７４に入力される。切り替え回路４７４では、信号が入力されない状態では負荷変調回路４７７側に切り替わるようにしているため、受信した非接触通信信号は検波、復調回路４７８および負荷変調回路４７７により変復調されるので非接触通信が可能となる。
【０１１６】
次に、非接触通信装置４８０と通信を行う場合について説明する。非接触通信装置４８０では発振器は内蔵していないため、例えばＲＦＩＤカードのような内部に電源を持たない受動的通信となることから、携帯端末装置７０２において非接触通信装置４８０と通信を行いたい場合は、発振器４７６および変復調回路４７５をオン状態とするとともに切り替え回路４７４を変復調回路４７５側に切り替える。これにより、発振器４７５からの発振信号を変復調回路４７５により変調して非接触通信装置４８０に送信する。非接触通信装置４８０では受信した携帯端末装置７０２からの非接触通信信号を検波、復調回路４８４により復調する。また、非接触通信装置４８０からの非接触通信信号は負荷変調回路４８３により負荷変調される。携帯端末装置７０２では、インピーダンスの変動を変復調回路４７５より復調することで、非接触通信装置４８０との通信が可能となる。
【０１１７】
以上の構成とすることにより、図８で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、非接触通信装置１５０は質問器（ＲＦＩＤにおけるリーダライタ）、非接触通信装置４８０は応答器（ＲＦＩＤにおけるＲＦＩＤカード）に相当する。また、携帯端末装置７０２に負荷変調回路４７７、検波、復調回路４７８（応答器に相当）に加え変復調回路４７５、発振器４７６（質問器に相当）を付加することにより、内部に発振器を持たないＲＦＩＤカード等との通信が可能となる。
【実施例８】
【０１１８】
図１２は本発明に使用される非接触による充電(電力伝送)システムの第８の実施例を示した図である。
【０１１９】
図において、携帯端末装置７０２は図１１の第７の実施例で示した携帯端末装置を２台近接して配置した面であり、互いの装置を区別するためにもう一方の携帯端末装置には図番号に、ダッシュ（’）を付す。
【０１２０】
図において、携帯端末装置７０２より携帯端末装置７０２’にあるメモリ４１３’の内容を読み出す場合の動作について説明する。携帯端末装置７０２では発振器４７６および変復調回路４７５をオン状態とするとともに切り替え回路４７４を変復調回路４７５側に切り替える。これにより、発振器４７５からの発振信号を変復調回路４７５により変調して携帯端末装置７０２’に送信する。携帯端末装置７０２’では通常、負荷変調回路４７７’側に切り替わっているため、受信した携帯端末装置７０２からの非接触通信信号を検波、復調回路４７８’により復調し、制御回路４１４’では受信データに対応したデータ信号をメモリ４１３’より読み出して負荷変調回路４７７’により負荷変調を行う。携帯端末装置７０２では、インピーダンスの変動を変復調回路４７５より検出して復調し、携帯端末装置７０２’からの受信データ信号を受信する。
【０１２１】
以上の構成とすることにより、図１１で示した非接触による充電(電力伝送)システムと同様の効果が得られる上に、携帯端末装置７０２に質問器に対応する回路（変復調回路４７５、発振器４７６）を付加することにより、携帯端末装置間でも非接触通信が可能となる。
【実施例９】
【０１２２】
図１３は、本発明に使用される非接触による充電（電力伝送）システムの第９の実施例を示した図である。
【０１２３】
図において、５０１は送電器、５０２は受電器、５０３は給電コイル、５０４は１次側共鳴コイル、５０５は負荷回路、５０６は高周波電源であり、その他、図８の第４の実施例に対応する部分については同一符号を付けて説明を省略する。
【０１２４】
図において、送電器５０１は、高周波電源５０６と給電コイル５０３と１次側共鳴コイル５０４より構成され、給電コイル５０３に近接して１次側共鳴コイル５０４が置かれるとともに、給電コイル５０３に高周波電源５０６が接続されている。
【０１２５】
受電器５０２は、負荷コイル５０５と整流回路４０６と電源回路４０７と負荷回路４０８より構成され、負荷コイル５０５に整流回路４０６と電源回路４０７を介して負荷回路４０８が接続されており、送電器５０１と受電器５０２により非接触電力伝送システムを構成している。
【０１２６】
図において、高周波電源５０６からは、１次側共鳴コイル５０４の自己インダクタとコイルの巻き線間の浮遊容量（寄生容量）により決まる自己共振周波数に等しい周波数で給電コイル５０３に給電を行う。給電コイル５０３は電磁誘導作用により自己共振周波数に等しい周波数で１次側共鳴コイル５０４を励振することで１次側共鳴コイル５０４には大きな電流が流れ強い磁界が発生する。
【０１２７】
ここで、１次側共鳴コイルのインダクタンス値をＬ、線間の浮遊容量をＣとするとコイルの自己共振周波数ｆは次式で求められる。
【０１２８】
ｆ＝１／（２π√（LＣ)）
ただし、自己共振周波数は給電コイル５０３と負荷コイル５０５との結合状態により共振周波数は変動するため、実際の自己共振周波数はシミュレーションや実験による確認が必要となる。
【０１２９】
以上の構成で、受電器５０２が送電器５０１に近接して置かれると、１次側共鳴コイル５０４からの強い磁界が受電器５０２の負荷コイル５０５と磁気的に結合し、負荷コイル５０５の両端子間に起電力が発生する。発生した起電力は整流回路４０６により直流電圧に整流され、電源回路４０７に入力される。電源回路４０７は、整流回路４０６より出力される電圧が送電電力や１次側共鳴コイル５０４と負荷コイル５０５間の距離により共鳴コイルの自己共振周波数のずれやコイル間距離による伝送効率の変化により変動するため、負荷回路４０８が必要とする一定の電圧値に変換して負荷回路４０８に供給する。
【０１３０】
以上の構成とすることにより、送電器５０１からの送電電力を受電器５０２において磁気的な結合により非接触で受電することが可能であるとともに、受電器５０２に用いるコイルとしては負荷コイル５０５のみで受電可能であることから、受信器５０２の小型化が可能となる。
【０１３１】
なお、図１３で示したコイル形状の一般的に用いられる大きさおよび巻き数の一例を示すと、数Ｗ程度の小型携帯機器への充電の場合、給電コイル５０３は直径数ｃｍ、巻き数は１ターンから数ターン程度、１次側共鳴コイル５０４は直径数ｃｍ、巻き数は数十ターン程度で自己共振周波数としては、１０ＭＨｚ帯が用いられ、負荷コイル５０５としては直径数ｃｍ、巻き数は１ターンから数ターン程度である。
【０１３２】
一方、ノート型のパーソナルコンピュータへの給電や充電、電気自動車への充電など数十Ｗから数百Ｗ以上の送電に用いられるコイル形状の一般的に用いられる大きさおよび巻き数の一例を示すと、給電コイル５０３は直径数十ｃｍ、巻き数は１ターンから数ターン程度、１次側共鳴コイル５０４は直径数十ｃｍ、巻き数は数ターン程度で自己共振周波数は、数百Ｈｚから１ＭＨｚ程度であり、負荷コイル５０５は直径数十ｃｍ、巻き数は１ターンから数ターン程度である。
【０１３３】
上述の磁気共鳴方式では共鳴コイルの巻き線の抵抗成分による損失が大きいと伝送効率が低下する傾向にあるため、コイルの線材としては直径１ｍｍ〜数ｍｍ程度の銅線が一般的に用いられているが、導電率が高いものであれば他の線材であってもよい。また、送受のコイルの直径は伝送距離に関係し、直径が大きいほど伝送距離が伸びる傾向にある。また、送受のコイルの直径は互いに等しいほうがより高い効率が得られ易いが、従来の電磁誘導方式よりもコイル間の結合が強いため送受コイルの直径が多少異なっていても比較的高い伝送効率が得られることが磁気共鳴方式の特徴でもある。
【０１３４】
このことから、各コイルの直径は同一であっても異なってもよいし、各コイルは円筒形のコイルであってもスパイラル状の平面コイルであってもよい。さらに、平面コイルは、基板上に銅パターンとして形成してもよいし、フィルム状の上に銅パターンを形成してもよい。
【実施例１０】
【０１３５】
次に、本発明の非接触による充電（電力伝送）システムの第１０の実施例を図面によって説明する。
【０１３６】
図１４は、本発明に使用される非接触による電力伝送システムの第１０の実施例を示した図である。
【０１３７】
図において、５１１は共振を有した負荷コイル、５１２は共振容量であり、その他、図１３に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
【０１３８】
図１４は、図１３で示した非接触による充電システムの第９の実施例と比較して、共振を有した負荷コイル５１１と共振容量５１２が直列に接続され直列共振回路を形成しており、その共振周波数が、１次共鳴コイル５０４の自己共振周波数と等しくなるように、共振を有した負荷コイル５１１と共振容量５１２の値を定めている。また、共振を有した負荷コイル５１１のインダクタンス値は、給電コイル５０３のインダクタンス値よりも大きくしている。
【０１３９】
以上の構成とすることにより、図１３で示した第９の実施例と同様の効果が得られるのに加え、共振を有した負荷コイル５１１と共振容量５１２で共振回路を構成しているため、１次共鳴コイル５０４からの磁束と強く結合するのでコイル間距離を離した場合の伝送効率の低下をより小さくすることができる。言い換えれば、コイル間距離が変動しても入力インピーダンスの変化が少なくなるので、コイル間距離による周波数特性の変動を小さくすることができる。
【０１４０】
例えば、コイルの直径が数ｃｍの場合の伝送距離は数ｃｍ程度、直径数１０ｃｍの場合は数１０ｃｍから１ｍ程度の伝送距離が得られるので従来の電磁誘導方式の１ｃｍから２ｃｍ程度に比べ比較的長い伝送距離を得ることができる。
【実施例１１】
【０１４１】
図１５は、本発明に使用される非接触による電力伝送システムを有した第１１の実施例を示した図である。
【０１４２】
図において、５２１は１次側共鳴コイル、５２２は共鳴容量、５２３は励振コイルであり、その他、図１４に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
【０１４３】
図において、１次側共鳴コイル５２１のインダクタンス値と共鳴容量５２２の容量値で決まる共振周波数に等しい信号を高周波電源５０６より励振コイル５２３を介して供給すると、共鳴コイル５２１と共鳴容量５２２により共振現象が発生し、大きい電流が流れ強い磁界が発生する。この構成では主に数十Ｗ以上の高い電力伝送に用いられ、コイルの大きさや巻き数の一般的な一例を示すと、共鳴コイル５２１の直径は数十ｃｍから１ｍ程度、コイルの線径は１ｃｍ程度、ターン数は１から２ターン程度である。また、励振コイルは線径数ｍｍ程度であり、共鳴コイル５２１に数ターン巻きつけるかフェライトコア等の磁性体を用いて励振する方法が一般的である。
【０１４４】
図１５は、図１４で示した非接触電力伝送システムの第１０の実施例と比較して、給電コイルの代わりに励振コイル５２３を用いることにより、１次側の共鳴コイルを局所的な電磁誘導により励振して給電を行うもので、第１０の実施例と同様の効果が得られる上に、送電側の共鳴コイルが１ターン程度で構成できるので送電器側の小型化も図ることができる。
【実施例１２】
【０１４５】
図１６ａは、本発明に使用される非接触による充電（電力伝送）システムを有した第１２の実施例を示した図である。
【０１４６】
図において、５３１は１次側の共鳴コイル群であり、スパイラル形状の共鳴コイル５３１ａ、５３１ｂより構成され、これらは並行して一定間隔でスパイラル状に巻かれている。ここで、スパイラル形状の共鳴コイル５３１ａ、５３１ｂはお互いの自己共振周波数が異なるように構成されており、その他、図１４に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
【０１４７】
図１６ａにおいて、受電器５０２で受電可能な距離内でスパイラル形状の共鳴コイル５３１ａと５３１ｂの巻き数をそれぞれ異なる距離で最も効率がよくなるように調整する。例えば、スパイラル形状の共鳴コイル５３１ａが最も効率がよくなる距離を距離ａ、共鳴コイル５３１ｂが最も効率がよくなる距離を距離ｂとすると、１次側の共鳴コイル５３１と共振を有した負荷コイル５１１の距離が距離ａのときは、給電コイル５０３からの給電電力は主にスパイラル形状の共鳴コイル５３１ａを介して共振を有した負荷コイル５１１に供給され、一方、スパイラル形状の共鳴コイル５３１ｂはインピーダンス整合が最適値よりずれることから電力の伝送はほとんど行われない。また、１次側の共鳴コイル５３１と共振を有した負荷コイル５１１の距離が距離ｂのときは、給電コイル５０３からの給電電力は主にスパイラル形状の共鳴コイル５３１ｂを介して共振を有した負荷コイル５１１に供給される。
【０１４８】
なお、スパイラル形状の共鳴コイル５３１ａ、５３１ｂのコイルの巻き線の長さ（巻き数）やコイルの巻き線の線径を変えることで自己共振周波数をそれぞれ変えることが可能である。
【０１４９】
このとき、コイル間の寄生容量は互いの共鳴コイルが並行して巻かれることにより、給電コイルや負荷コイルの影響に加え互いの結合の影響もあるため、自己共振周波数はシミュレーションや実験により求めることが必要である。
【０１５０】
以上の構成とすることにより、図１４で示した第１０の実施例と同様の効果が得られるのに加え、送電器側においても１次側の共鳴コイル５３１と共振を有した負荷コイル５１１とのコイル間距離による周波数特性の変動をより小さくすることができる。
【０１５１】
また、図１６ｂは１次側の共鳴コイル群の５３１のもう一つの例を示したものである。
【０１５２】
図において、５３２は円筒形状の共鳴コイル群であり、円筒形状の共鳴コイル５３２ａ、５３２ｂより構成され、これらは並行して一定間隔で円筒形状に巻かれており、互いに自己共振周波数が異なっている。なお、円筒形状の共鳴コイル５３２ａ、５３２ｂのコイルの巻き線の長さ（巻き数）やコイルの巻き線の線径やコイルの内径を変えることにより、それらの自己共振周波数を変えることができる。
【０１５３】
これらの図では、コイル群は図では２つの構成であったが３つ以上でもよいし、給電コイルで給電が可能であれば並行に巻かなくともそれぞれ独立であってもよいし、一方がスパイラル状の平面コイルで他方が円筒形状のコイルであってもよい。
【０１５４】
以上の複数の共鳴コイルを用いた場合の送受コイル間の周波数特性について示したものを図２２に示す。図では、図１６ａで示した１次側の共鳴コイルを自己共振周波数が互いに異なる複数のコイルで構成した場合の１次側給電コイルから２次側負荷コイル間の伝送特性について模式的に示した模式図である。図の横軸は周波数、縦軸は伝送損失である。図において自己共振周波数が互いに異なるコイルを共鳴コイルに用いることにより、周波数特性が広がることが分かる。これにより、コイル間距離により周波数特性が変動した場合でも、周波数帯域が広がったことで伝送効率の低下を小さくすることが可能となる。
【実施例１３】
【０１５５】
図１７は、本発明に使用される非接触による充電（電力伝送）システムの第１３の実施例を示した図である。
【０１５６】
図において、５４２はレベル検出回路、５４３は制御回路、５４１は電界効果トランジスタであり、その他、図１４で示した非接触での電力伝送システムの第１０の実施例に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
【０１５７】
図は、図１４で示した第１０の実施例と比較して、共振容量５１２の両端には電界効果トランジスタ５４１のドレインとソースが接続される。さらに、整流回路４０６で整流された直流出力の一部をレベル検出５４２により検出し、制御回路５４３に出力するとともに、制御回路５４３は電源回路４０７より整流された電源電圧の一部を電源に用いて電界効果トランジスタ５４１のゲートを制御する構成である。
【０１５８】
以上の構成において、電界効果トランジスタ５４１がオフ状態のときは、１次側共鳴コイル５０４で発生した磁界は、共振を有した負荷コイル５１１と共振容量５１２で構成される共振回路と強く結合し、これらの共振回路を通して整流回路４０６に受信電流が流れる。このとき、制御回路５４３は電界効果トランジスタ５４１をオン状態にすると、共振容量５１２の両端がショート状態となるため、共振を有した負荷コイル５１１は共振点がなくなる。このため、１次側共鳴コイル５０４で発生した磁界は、負荷コイル５１１により２次側では共振を伴わない電磁誘導により整流回路４０６に受信電力を供給する。制御回路５４３は、定期的に電界効果トランジスタ５４１をオンオフすることで、整流回路４０６から出力される整流電圧を比較し、より受信電力の高いほうに切り替える動作を行う。
【０１５９】
負荷コイル５１１と共振容量５１２による共振状態での受電は、１次側共鳴コイル５０４と負荷コイル５１１との距離がある程度離れたとき伝送効率が最も高くなり、逆にコイル間距離が数ｍｍ以下のごく近距離になるとインピーダンスの変動により伝送効率がかえって低下する。これに対し、負荷コイル５１１のみの受電では、受電側は共振回路を持たず、ごく近距離では電磁誘導伝送となるため、受電側は共振回路を持たないほうが伝送効率は高くなる。これは、給電コイルと共鳴コイルの結合と共鳴コイルと負荷コイルとの結合が同じ電磁誘導による伝送と見なせるためである。このため、コイル間距離がある程度離れている場合は、電界効果トランジスタ５４１をオフ状態にし、ごく近距離では、電界効果トランジスタ５４１をオン状態にして受電側に共振回路を持たない構成とすることにより、図１４で示した実施例１０と同様の効果が得られる上に、コイル間距離がごく近距離であっても伝送効率の劣化が小さい非接触電力伝送システムを得ることができる。
【０１６０】
また、図２３に負荷コイルと直列に接続した共振容量を電界効果トランジスタによりオンオフすることの効果を模式的に示した模式図を示す。図の横軸はコイル間距離、縦軸は伝送損失である。図において、電界効果トランジスタをオン状態とした場合、負荷コイルは共振周波数を持たず電磁誘導による伝送となるため、コイル間距離が大きくなると急激に損失が増加する。一方、電界効果トランジスタをオフ状態とした場合、負荷コイルは共振容量により直列共振回路となるため、コイル間距離がある程度離れても伝送損失の増加は小さいが、ごく近距離になるとかえって伝送効率が低下する。このため、ごく近距離では電界効果トランジスタをオン状態として負荷コイルに共振回路を持たないようにすれば、近距離での伝送効率の低下を抑えることができることが分かる。
【実施例１４】
【０１６１】
図１８は、本発明に使用される非接触による充電（電力伝送）システムを有した第１４の実施例を示した図である。
【０１６２】
図において、５５１ａ、５５１ｂ、５５１ｃは電界効果トランジスタ、５５２ａ、５５２ｂ、５５２ｃは共振容量、５５３は共鳴容量であり、図１７で示した第１３の実施例に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
【０１６３】
図において、図１７で示した第１３の実施例と比較して、１次側共鳴コイルと並列に共鳴容量５５３が接続され、共振を有した負荷コイル５１１には、電界効果トランジスタ５５１ａ、５５１ｂ、５５１ｃと共振容量５５２ａ、５５２ｂ、５５２ｃがそれぞれ直列接続されたものが並列に接続されている。
【０１６４】
給電コイル５０３からは主に１次側共鳴コイル５０４のインダクタンス値と共鳴容量５５３により決まる自己共振周波数で電力を給電する。１次側共鳴コイル５０４は共鳴容量５５３との自己共振周波数で給電されるため、これら共振回路には大きな電流が流れ、強い磁界が発生する。このとき、１次側共鳴コイル５０４と並列に共鳴容量５５３が接続されているため、同一の共振周波数で比較した場合、共振容量がない場合に比べ、１次側共鳴コイル５０４のインダクタンス値を小さくできるので、送電器５０１の形状を小さくすることができる。
【０１６５】
一方、電界効果トランジスタ５５１ａ、５５１ｂ、５５１ｃと直列に接続されている共振容量５５２ａ、５５２ｂ、５５２ｃは、共振を有した負荷コイル５１１とそれぞれ並列共振回路を構成するとともに、それぞれの容量は共振周波数が異なるような容量値となっている。このため、１次側共鳴コイル５０４と共振を有した負荷コイル５１１とのコイル間距離により伝送効率が最も高くなる容量値を選択する構成となっている。
【０１６６】
以上の構成において、最適な容量値を選択する手段の一例を以下説明する。
【０１６７】
１次側共鳴コイル５０４からの磁界を共振を有した負荷コイル５１１により受信する場合、制御回路５４３は最もコイル間距離が遠いときに伝送効率が高くなる共振容量に対応する電界効果トランジスタをオン状態にしておく。そして、電力の受電が開始された場合、制御回路５４３は定期的に他のオフ状態となっている電界効果トランジスタをオン状態にして、そのときの受電電力をレベル検出５４２により検出する。そして最も受電電力の大きい共振容量を選択することで、高い伝送効率で受電が可能となる。このとき、制御回路５４３は定期的に受電電力をレベル検出５４２より検出して最も伝送効率の高い電界効果トランジスタを選択しオン状態とする。
【０１６８】
以上の構成では、図１７で示した第１３の実施例と同様の効果が得られる上に、共振容量を複数設け電界効果トランジスタを用いて切り替えることでコイル間距離により電力の伝送効率の更なる最適化が可能となる。
【０１６９】
コイル間距離が近い場合(直径数ｃｍのコイルの場合、１ｃｍ程度以下)、共鳴コイル５０４のコイルの巻き線と負荷コイル５１１のコイルの巻き線の間にも寄生容量が存在するため、コイル間距離が近い場合、共鳴コイルと負荷コイル間の容量が増えることで共鳴コイルの自己共振周波数も下がる。この場合、送電周波数が一定のときは、距離が近づくほど逆に負荷コイルの共振容量を小さくして負荷コイルと共振容量による共振周波数を上げることで、共鳴コイルの自己共振周波数が下がるのを抑えることができるので、コイル間距離による伝送効率の変動を抑えることができる。
【実施例１５】
【０１７０】
図１９は、本発明に使用される非接触による充電（電力伝送）システムを有した第１５の実施例を示した図である。
【０１７１】
図において、送電装置６１０は給電コイル６１１、スパイラル形状の１次側共鳴コイル６１２、変復調回路６１３、可変利得電力増幅器６１４、発振器６１５、制御回路６１６より構成され、その他、図１７の非接触による電力伝送システムの第１３の実施例に対応する部分は同一符号を付し説明を省略する。
【０１７２】
図のスパイラル形状の１次共鳴コイル６１２は平面上に巻かれたコイルであり円筒形の立体コイルと同様コイルの巻き線間の寄生容量による自己共振周波数が存在し、その共振周波数は円筒形コイルと同様に求めるられる。
【０１７３】
また、携帯端末装置７０２には、共振を有した負荷コイル５１１と整流回路４０６の間に負荷変調回路４４１、検波、復調回路４４２が付加されており、送電装置６１０は高周波電源６１５に可変利得電力増幅器６１４と変復調回路６１３を介して給電コイル６１１に接続される。
【０１７４】
以上の構成では、送電装置６１０から携帯端末装置７０２に非接触で電力を伝送するとともに、電力伝送の際に必要となる送電装置６１０と携帯端末装置７０２間の認証や送電電力制御を行う上で必要とされる通信手段を有するものである。
【０１７５】
まずは、送電装置６１０から携帯端末装置７０２に非接触で電力を伝送する動作について説明する。
【０１７６】
１次側共鳴コイル６１２の自己共振周波数に等しい周波数で高周波電源６１５から出力される信号は利得可変電力増幅器６１４により増幅され変復調回路６１３を介し給電コイル６１１に給電される。給電された送電信号は１次側共鳴コイル６１２の自己共振周波数に等しい周波数であるため、１次側共鳴コイル６１２からは強い磁界が発生する。
【０１７７】
一方、共振を有した給電コイル５１１は共振容量５１２との共振により、１次側共鳴コイル６１２からの磁界と強く結合するため、効率よく電力を受電し、負荷変調回路４４１、検波、復調回路４４２を介し整流回路４０６により整流し、電源回路４０７を介して負荷回路４０８に供給する。また、制御回路５４３はレベル検出５４２の値を参考に電界効果トランジスタ５４１をオンあるはオフして受電電力がより大きいほうに切り替わる動作を行う。
【０１７８】
次に非接触で通信を行う場合の動作について、まずは送電装置６１０から携帯端末装置７０２にデータを伝送する場合について説明する。
【０１７９】
図において、利得可変電力増幅器６１４からの送電信号にＡＳＫ変調等の変調をかけて給電コイル６１１に給電する。給電された送電信号は、１次側共鳴コイル６１２より強い磁界を発生し、共振を有した負荷コイル５１１と共振容量５１２により効率よく受信され、負荷変調回路４４１を介し検波、復調回路４４２に入力される。入力された送電信号はダイオード等を用いた検波回路により復調され制御回路５０２に入力される。また、受電電力は整流回路４０６により整流され、電源回路４０７により負荷回路４０８に供給される。
【０１８０】
次に、携帯端末装置７０２から受電装置６１０にデータを伝送する場合について説明する。
【０１８１】
通信を行う場合、携帯端末装置７０２は送電装置６１０より電力を受電していることから、負荷変調回路４４１にも常に信号振幅が加わっている。このため、負荷変調回路４４１では、この点におけるインピーダンスを変調信号に対応して変えると磁気的に結合している送電装置６１０側のインピーダンスも影響を受けて変化する（負荷変調方式）。よって、変復調回路６１３においてダイオード検波等により、送電信号が負荷変調回路４４１の負荷変動により発生する送電電力の反射で復調された信号を取り出すことができるので通信が可能となる。
【０１８２】
以上の構成では、図１７の非接触による電力伝送システムの第１３の実施例と同様の効果が得られる上に簡易な構成で通信が可能な通信手段を有した非接触電力伝送システムを得ることができる。
【実施例１６】
【０１８３】
図２０は、本発明に使用される非接触による充電（電力伝送）システムを有した第１６の実施例を示した図である。
【０１８４】
図において、６３１は１次側の共鳴コイル群、６３２は給電コイルであり、１次側の共鳴コイル群６３１は、スパイラル形状の共鳴コイル６３１ａ、６３１ｂにより構成され、これらは並行して一定間隔でスパイラル状に巻かれており、その他、図１８の非接触電力伝送システムの第１４の実施例および図１９の非接触電力伝送システムの第１５の実施例に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
【０１８５】
図において、送電装置６１０の１次側共鳴コイルにスパイラル形状の共鳴コイル６３１ａと６３１ｂの複数のコイルを用いるとともに、互いの自己共振周波数が異なるようにコイルの巻き数等を変えた構成としている。さらに、１次側共鳴コイル群６３１と給電コイル６３２の位置的構成を変えており、１次側共鳴コイル群６３１と共振を有した負荷コイル５１１間距離よりも給電コイル６３２と共振を有した負荷コイル５１１間距離のほうが近くなるようにした。
【０１８６】
以上の構成とすることにより、図１６ａの非接触電力伝送システムの第１２の実施例、図１８の非接触電力伝送システムの第１４の実施例および図１９の非接触電力伝送システムの第１５の実施例と同様の効果が得られる上に、１次側共鳴コイル群６３１と共振を有した負荷コイル５１１との距離よりも給電コイル６３２と共振を有した負荷コイル５１１との距離のほうが近くなるようすることで、給電コイル６３２と共振を有した負荷コイル５１１とのコイル間距離がごく近い場合、１次側共鳴コイル群６３１を介した磁気共鳴伝送よりも、給電コイル６３２から共振を有した負荷コイル５１１に電磁誘導により直接伝送することが可能であるため、ごく近距離での伝送効率の低下を抑えることができる。
【０１８７】
以上の構成では、コイル間距離が近くなると共鳴コイルの共振周波数は負荷コイルが近づくことにより等価的な寄生容量が増えるため共振周波数が下がるので送電周波数が一定のとき伝送効率が下がってしまう。この場合、共鳴コイルと給電コイルの配置を変えることにより給電コイルと負荷コイルの距離が近くなるとともに、共鳴コイルがこれらの間に入らなくなるため給電コイルと負荷コイル間で電磁誘導による結合が強くなる。このとき、コイル間距離が遠い場合は電磁誘導による伝送は小さいがコイル間距離がごく近い場合、共鳴コイルの共振周波数は低いほうにずれてしまうが給電コイルと負荷コイル間の電磁誘導による伝送が大きくなるので、コイル間距離がごく近い場合の伝送効率の低下が抑えられる。
【実施例１７】
【０１８８】
図２１は、本発明に使用される非接触による充電（電力伝送）システムを有した第１７の実施例を示した図である。
【０１８９】
図において、６４１、６５１はアンテナ、６４２は負荷変調回路、６４３は検波、復調回路、６５２は変復調回路、６５３は発振回路であり、図１９の非接触電力伝送システムの第１５の実施例に対応する部分については同一符号を付し説明を省略する。
【０１９０】
図の送電装置６１０には発振回路６５３が変復調回路６５２を介しアンテナ６５１に接続され、携帯端末装置７０２はアンテナ６４１が負荷変調回路６４２を介し検波、復調回路６４３に接続されている。
【０１９１】
以上の構成において、送電装置６１０と携帯端末装置７０２間で通信を行う動作について説明する。なお、電力の伝送動作については説明を省略する。
【０１９２】
図において、発振回路６５３からの送信信号に変復調回路６５２において、ＡＳＫ変調等の変調をかけアンテナ６５１に給電する。給電された送信信号はアンテナ６５１により電磁波あるいは磁気的にエネルギーとして放射される。放射された送信信号はアンテナ６４１により受信され負荷変調回路６４２を介し検波、復調回路６４３に入力される。入力された送信信号はダイオード検波等の検波回路により復調され制御回路６０４に入力される。
【０１９３】
次に、携帯端末装置７０２から送電装置６１０にデータを伝送する場合について説明する。携帯端末装置７０２は送電装置６１０により信号を受信している状態のときに通信を行う場合を考えると、負荷変調回路６４２にも常に信号振幅が加わっている。このため、負荷変調回路６４２では、この点における負荷を変動させることで変調を行う負荷変調方式を用いる構成とした。
【０１９４】
以上の構成では、図１９の非接触電力伝送システムの第１５の実施例と同様の効果が得られる上に電力伝送と異なる周波数で通信が行えることから、より高速に通信を行うことも可能となるので、認証や送信電力制御等の電力伝送に必要な制御データのほかに他のデータも伝送することが可能となる。
【符号の説明】
【０１９５】
１０１、１４１、５０４，５２１、６１２…磁気共鳴コイル、１０２、４０２、５０５…負荷コイル、１０３、１５４、２２１、３１２、…非接触データ通信部、１０４…充電制御部、１０５、４７２…バッテリ、１０６…端末無線通信部、１０７…検知出力部、１０１、２１０…切り替えスイッチ、１１１、１１２，２１１…減衰抵抗、１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６、１２７、１２８…整流用ダイオード、１３０，１３１…平滑用容量、１４０、２２０、３１０、４２０、４６０、６１０、７０１…送電装置、１４２…給電コイル、１４３…増幅部、１４４、１５３、４２４、４６４、４７６、６１５…発振器、１４５、４２５、４６５…制御部、１４６…検出部、１５１、４０１、４２１、４６１、４８１…電磁誘導コイル、１５２、３０１、３０２、４０５、４２２、４６２、４８２、５１２、５５２ａ、５５２ｂ、５５２ｃ、…共振容量、３１１…合成器、３１３…フィルタ、７１１…送電制御モジュール、７１２…非接触型送電モジュール、７１３…非接触型処理モジュール、７２０…大容量蓄電モジュール、７２１…受電制御モジュール、７２２…充電のための非接触型受電モジュール、７２３…非接触型処理モジュール、１５０、４６０、４８０…非接触通信装置、４０３、５５３、７３８，７３９…共鳴容量、４０４…ローパスフィルタ、４０６、４１２、４５６、４８５…整流回路、４０７…電源回路、４０８…負荷回路、４０９、４７３…ハイパスフィルタ、４１０、４４１、４７７、４８３、６４２…負荷変調回路、４１１、４４２、４７８…検波、復調回路、４１３、４８７、…メモリ、４１４、４４３、４８６、５４３、６１６…制御回路、４３０、４７５、６１３、６５２…変復調回路、１５３…発振器、４５３、４５４、４５５、５４１、５２１ａ、５２１ｂ、５２１ｃ、５５１ａ、５５１ｂ、５５１ｃ…電界効果トランジスタ、４５２…切り替えおよび電源回路、４７１…充電制御回路、５０１…送電器、５０２…受電器、５０５、５１１…負荷コイル、５０６…高周波電源、５２３…励振コイル、５３１、５３２、６３１…共鳴コイル群、５４２…レベル検出回路、６１４…可変利得電力増幅器、６４１、６５１…アンテナ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電コイルと磁気共鳴コイルからなる１次側コイルと、負荷コイルからなる２次側コイルからなり、コイルの巻き線間の寄生容量とコイルの自己インダクタンスにより決まる前記磁気共鳴コイルの自己共振周波数で前記給電コイルより給電し、前記２次側コイルの負荷コイルから磁気的結合により非接触で給電された電力を取り出す構成の非接触電力伝送システムにおいて、前記給電コイルと磁気共鳴コイルの結合と前記磁気共鳴コイルと負荷コイルの結合に磁気的結合を利用して非接触で電力を伝送することを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項２】
給電コイルと磁気共鳴コイルからなる１次側コイルと、負荷コイルからなる２次側コイルからなり、コイルの巻き線間の寄生容量とコイルの自己インダクタンスにより決まる前記磁気共鳴コイルの自己共振周波数で前記給電コイルより給電し、前記２次側コイルの負荷コイルから磁気的結合により非接触で給電された電力を取り出す構成の非接触電力伝送システムにおいて、前記２次側コイルの負荷コイルに少なくとも直列接続か並列接続により負荷コイルのインダクタンスと共振する共振回路を付加したことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項３】
請求項２記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記給電コイルの給電により前記磁気共鳴コイルが並列共振現象を起こして発生した磁界を前記負荷コイルの直列共振現象か並列共振現象を利用して磁気的に結合して非接触で電力を取り出せるようにしたことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項４】
請求項１乃至３記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記磁気共鳴コイルは両端が電気的に接続されない構成であって、主に前記磁気共鳴コイルの巻き線間の寄生容量と前記磁気共鳴コイルの自己インダクタンスにより並列共振回路を形成することにより、前記磁気共鳴コイルの共振周波数の前後で前記磁気共鳴コイルより発生する磁界の位相が１８０度異なるようにしたことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項５】
請求項１乃至３記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記磁気共鳴コイルの両端に共鳴容量を接続し前記磁気共鳴コイルと共鳴容量により並列共振回路を構成することにより、前記磁気共鳴コイルの共振周波数の前後で前記磁気共鳴コイルより発生する磁界の位相が１８０度異なるようにしたことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項６】
請求項２乃至５記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記２次側コイルの負荷コイルに共振する容量が直列に接続された場合は、共振容量と並列にスイッチ素子を付加し、前記２次側コイルの負荷コイルに共振する容量が並列に接続された場合は、共振容量と直列にスイッチ素子を付加し、スイッチ素子をオンした場合とオフした場合とで受信電力を比較し受信電力が大きいほうにスイッチ素子を切り替えて電力を伝送することを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項７】
給電コイルと磁気共鳴コイルからなる１次側コイルと、少なくとも負荷コイルからなる２次側コイルからなり、コイルの巻き線間の浮遊容量とコイルの自己インダクタンスにより決まる前記磁気共鳴コイルの自己共振周波数で前記給電コイルより給電し、前記２次側コイルの負荷コイルから磁気的結合により非接触で給電された電力を取り出す構成の非接触電力伝送システムにおいて、前記磁気共鳴コイルは、自己共振周波数が異なる少なくとも２つ以上のコイルからなり、前記給電コイルより前記複数の磁気共鳴コイルに給電することを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項８】
請求項７記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記２次側コイルに請求項１乃至５記載の２次側コイルを用いたことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項９】
請求項８記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記負荷コイルと共振容量との共振周波数が、前記複数設けた磁気共鳴コイルの自己共振周波数の最も低い周波数と最も高い周波数の間であることを特徴とした非接触電力伝送システム。
【請求項１０】
請求項１乃至９記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記負荷コイルのインダクタンス値が前記磁気共鳴コイルのインダクタンス値よりも小さく、前記給電コイルのインダクタンス値よりも大きくしたことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記磁気共鳴コイルと負荷コイル間の距離より前記給電コイルと負荷コイル間の距離が近くなるように配置したことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項１２】
請求項１乃至１１記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記１次側コイルと２次側コイルにそれぞれ変復調回路を接続し、１次側コイルから２次側コイルに電力を伝送するとともに、前記１次側コイルからの送信電力信号に変調信号を重畳させることにより、１次側コイルと２次側コイル間で通信を行うことを特徴とする通信手段を有した非接触電力伝送システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の通信手段を有した非接触電力伝送システムにおいて、少なくとも前記２次側コイルから１次側コイルへの通信に負荷変調方式を用いたことを特徴とする通信手段を有した非接触電力伝送システム。
【請求項１４】
請求項１乃至１１記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記１次側コイルと２次側コイルにそれぞれ通信回路を設けることにより、１次側コイルから２次側コイルに電力を伝送するとともに、前記１次側コイルと２次コイル間で通信を行う構成であって、電力を伝送する周波数と通信を行う周波数が異なることを特徴とする通信手段を有した非接触電力伝送システム。
【請求項１５】
少なくとも電力を非接触で送電する送電装置と前記送電装置からの非接触で送電された電力を受電する受電装置より構成される非接触電力伝送システムであって、前記受電装置は少なくとも互いが磁気的に結合しあう共振コイルと負荷コイルからなり、前記共振コイルと第１の周波数で共振する第１の共振回路を接続するとともに、フィルタを介し第２の周波数で共振する第２の共振回路を接続し第１の出力端子を設け、前記フィルタは前記第２の周波数の信号を通過させ、前記第１の周波数の信号の通過を阻止する構成であり、前記第１の出力端子からは前記第２の周波数の信号を出力し、前記負荷コイルは、前記共振コイルから磁気的に結合することで前記第１の周波数の信号を出力することを特徴とする受電装置。
【請求項１６】
少なくとも電力を非接触で送電する送電装置と前記送電装置からの非接触で送電された電力を受電する受電装置より構成される非接触電力伝送システムであって、前記送電装置は少なくとも互いが磁気的に結合しあう給電コイルと共振コイルからなり、前記共振コイルと第１の周波数で共振する第１の共振回路を接続するとともに、フィルタを介し第２の周波数で共振する第２の共振回路を接続し第１の入力端子を設け、前記フィルタは前記第２の周波数の信号を通過させ、前記第１の周波数の信号の通過を阻止する構成であり、前記第１の入力端子からは前記第２の周波数の信号を給電し、前記給電コイルからは、前記第１の周波数の信号を給電することを特徴とする送電装置。
【請求項１７】
認証、データの読み書きを行なうためのデータ伝送を非接触で行なう第１の非接触通信装置と、受電装置に送電するための送電電力を非接触で送電する送電装置と、
前記非接触通信装置と非接触で通信を行なう第２の非接触通信手段と前記送電装置から送電された送電電力を非接触で受電する受電手段と、非接触通信を行うためのアンテナと前記送電装置から送電された電力を受電するためのアンテナコイルを共用化した受電装置からなり、
前記受電装置の受電手段は、送電電力を受電する受電コイルと並列に第１の共振回路を接続するとともに、第２の共振回路を第１のフィルタ回路を介し直列あるいは並列に接続した後、整流手段により整流して電力を取り出す構成であり、前記第２の非接触通信手段は、前記受電コイルと磁気的に結合するように負荷コイルを受電コイルに近接して設け、前記負荷コイルには第２のフィルタ回路を介し、前記第１の非接触通信装置と通信を行うための変復調回路を設けた構成であって、
前記第１の共振回路は前記受電コイルのインダクタンス値と非接触通信を行う信号周波数で共振し、前記第２の共振回路は前記受電コイルと非接触で電力の伝送を行う周波数で共振する容量値の容量であり、前記第１のフィルタ回路は非接触で電力の伝送を行う周波数は通過させ、非接触通信を行う信号周波数は通過を阻止し、前記第２のフィルタ回路は非接触通信を行う信号周波数は通過させ、非接触で電力を伝送を行う周波数では通過を阻止する構成であることを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項１８】
請求項１７記載の非接触電力伝送システムにおいて、送電電力を非接触で送電する周波数は、非接触通信装置からの通信信号周波数に対して低い周波数であって、前記第１のフィルタ回路にローパスフィルタを、前記第２のフィルタ回路にハイパスフィルタを用いた構成であり、第１の共振回路と第２の共振回路が容量であることを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項１９】
請求項１１乃至１８記載の非接触電力伝送システムにおいて、認証、データの読み書きを行なうためのデータ伝送を非接触で行なう非接触通信装置が質問器であり、前記受電装置に含まれる非接触通信手段が応答器であることを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項２０】
請求項１１乃至１９記載の非接触電力伝送システムにおいて、認証、データの読み書きを行なうためのデータ伝送を非接触で行なう第１の非接触通信装置と、受電装置に送電するための送電電力を非接触で送電する送電装置と、
前記非接触通信装置と非接触で通信を行なう第２の非接触通信手段と前記送電装置から送電された送電電力を非接触で受電する受電手段からなる受電装置からなり、
前記第２の非接触通信手段は、第１の質問器と第１の応答器を兼ね備えた構成であって、前記第１の非接触通信装置が第２の質問器のときは、前記第２の質問器からの信号を受信した場合、前記第１の応答器をオン状態として、第２の質問器からの質問データ信号に対応した応答データ信号を送信し、前記第１の非接触通信装置が第２の応答器のときは、前記第１の質問器をオン状態として、前記第２の応答器に質問データ信号を送信するとともに、第２の応答器からの応答データ信号の受信を行うことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項１】
給電コイルと磁気共鳴コイルからなる１次側コイルと、負荷コイルからなる２次側コイルからなり、コイルの巻き線間の寄生容量とコイルの自己インダクタンスにより決まる前記磁気共鳴コイルの自己共振周波数で前記給電コイルより給電し、前記２次側コイルの負荷コイルから磁気的結合により非接触で給電された電力を取り出す構成の非接触電力伝送システムにおいて、前記給電コイルと磁気共鳴コイルの結合と前記磁気共鳴コイルと負荷コイルの結合に磁気的結合を利用して非接触で電力を伝送することを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項２】
給電コイルと磁気共鳴コイルからなる１次側コイルと、負荷コイルからなる２次側コイルからなり、コイルの巻き線間の寄生容量とコイルの自己インダクタンスにより決まる前記磁気共鳴コイルの自己共振周波数で前記給電コイルより給電し、前記２次側コイルの負荷コイルから磁気的結合により非接触で給電された電力を取り出す構成の非接触電力伝送システムにおいて、前記２次側コイルの負荷コイルに少なくとも直列接続か並列接続により負荷コイルのインダクタンスと共振する共振回路を付加したことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項３】
請求項２記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記給電コイルの給電により前記磁気共鳴コイルが並列共振現象を起こして発生した磁界を前記負荷コイルの直列共振現象か並列共振現象を利用して磁気的に結合して非接触で電力を取り出せるようにしたことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項４】
請求項１乃至３記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記磁気共鳴コイルは両端が電気的に接続されない構成であって、主に前記磁気共鳴コイルの巻き線間の寄生容量と前記磁気共鳴コイルの自己インダクタンスにより並列共振回路を形成することにより、前記磁気共鳴コイルの共振周波数の前後で前記磁気共鳴コイルより発生する磁界の位相が１８０度異なるようにしたことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項５】
請求項１乃至３記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記磁気共鳴コイルの両端に共鳴容量を接続し前記磁気共鳴コイルと共鳴容量により並列共振回路を構成することにより、前記磁気共鳴コイルの共振周波数の前後で前記磁気共鳴コイルより発生する磁界の位相が１８０度異なるようにしたことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項６】
請求項２乃至５記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記２次側コイルの負荷コイルに共振する容量が直列に接続された場合は、共振容量と並列にスイッチ素子を付加し、前記２次側コイルの負荷コイルに共振する容量が並列に接続された場合は、共振容量と直列にスイッチ素子を付加し、スイッチ素子をオンした場合とオフした場合とで受信電力を比較し受信電力が大きいほうにスイッチ素子を切り替えて電力を伝送することを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項７】
給電コイルと磁気共鳴コイルからなる１次側コイルと、少なくとも負荷コイルからなる２次側コイルからなり、コイルの巻き線間の浮遊容量とコイルの自己インダクタンスにより決まる前記磁気共鳴コイルの自己共振周波数で前記給電コイルより給電し、前記２次側コイルの負荷コイルから磁気的結合により非接触で給電された電力を取り出す構成の非接触電力伝送システムにおいて、前記磁気共鳴コイルは、自己共振周波数が異なる少なくとも２つ以上のコイルからなり、前記給電コイルより前記複数の磁気共鳴コイルに給電することを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項８】
請求項７記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記２次側コイルに請求項１乃至５記載の２次側コイルを用いたことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項９】
請求項８記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記負荷コイルと共振容量との共振周波数が、前記複数設けた磁気共鳴コイルの自己共振周波数の最も低い周波数と最も高い周波数の間であることを特徴とした非接触電力伝送システム。
【請求項１０】
請求項１乃至９記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記負荷コイルのインダクタンス値が前記磁気共鳴コイルのインダクタンス値よりも小さく、前記給電コイルのインダクタンス値よりも大きくしたことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記磁気共鳴コイルと負荷コイル間の距離より前記給電コイルと負荷コイル間の距離が近くなるように配置したことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項１２】
請求項１乃至１１記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記１次側コイルと２次側コイルにそれぞれ変復調回路を接続し、１次側コイルから２次側コイルに電力を伝送するとともに、前記１次側コイルからの送信電力信号に変調信号を重畳させることにより、１次側コイルと２次側コイル間で通信を行うことを特徴とする通信手段を有した非接触電力伝送システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の通信手段を有した非接触電力伝送システムにおいて、少なくとも前記２次側コイルから１次側コイルへの通信に負荷変調方式を用いたことを特徴とする通信手段を有した非接触電力伝送システム。
【請求項１４】
請求項１乃至１１記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記１次側コイルと２次側コイルにそれぞれ通信回路を設けることにより、１次側コイルから２次側コイルに電力を伝送するとともに、前記１次側コイルと２次コイル間で通信を行う構成であって、電力を伝送する周波数と通信を行う周波数が異なることを特徴とする通信手段を有した非接触電力伝送システム。
【請求項１５】
少なくとも電力を非接触で送電する送電装置と前記送電装置からの非接触で送電された電力を受電する受電装置より構成される非接触電力伝送システムであって、前記受電装置は少なくとも互いが磁気的に結合しあう共振コイルと負荷コイルからなり、前記共振コイルと第１の周波数で共振する第１の共振回路を接続するとともに、フィルタを介し第２の周波数で共振する第２の共振回路を接続し第１の出力端子を設け、前記フィルタは前記第２の周波数の信号を通過させ、前記第１の周波数の信号の通過を阻止する構成であり、前記第１の出力端子からは前記第２の周波数の信号を出力し、前記負荷コイルは、前記共振コイルから磁気的に結合することで前記第１の周波数の信号を出力することを特徴とする受電装置。
【請求項１６】
少なくとも電力を非接触で送電する送電装置と前記送電装置からの非接触で送電された電力を受電する受電装置より構成される非接触電力伝送システムであって、前記送電装置は少なくとも互いが磁気的に結合しあう給電コイルと共振コイルからなり、前記共振コイルと第１の周波数で共振する第１の共振回路を接続するとともに、フィルタを介し第２の周波数で共振する第２の共振回路を接続し第１の入力端子を設け、前記フィルタは前記第２の周波数の信号を通過させ、前記第１の周波数の信号の通過を阻止する構成であり、前記第１の入力端子からは前記第２の周波数の信号を給電し、前記給電コイルからは、前記第１の周波数の信号を給電することを特徴とする送電装置。
【請求項１７】
認証、データの読み書きを行なうためのデータ伝送を非接触で行なう第１の非接触通信装置と、受電装置に送電するための送電電力を非接触で送電する送電装置と、
前記非接触通信装置と非接触で通信を行なう第２の非接触通信手段と前記送電装置から送電された送電電力を非接触で受電する受電手段と、非接触通信を行うためのアンテナと前記送電装置から送電された電力を受電するためのアンテナコイルを共用化した受電装置からなり、
前記受電装置の受電手段は、送電電力を受電する受電コイルと並列に第１の共振回路を接続するとともに、第２の共振回路を第１のフィルタ回路を介し直列あるいは並列に接続した後、整流手段により整流して電力を取り出す構成であり、前記第２の非接触通信手段は、前記受電コイルと磁気的に結合するように負荷コイルを受電コイルに近接して設け、前記負荷コイルには第２のフィルタ回路を介し、前記第１の非接触通信装置と通信を行うための変復調回路を設けた構成であって、
前記第１の共振回路は前記受電コイルのインダクタンス値と非接触通信を行う信号周波数で共振し、前記第２の共振回路は前記受電コイルと非接触で電力の伝送を行う周波数で共振する容量値の容量であり、前記第１のフィルタ回路は非接触で電力の伝送を行う周波数は通過させ、非接触通信を行う信号周波数は通過を阻止し、前記第２のフィルタ回路は非接触通信を行う信号周波数は通過させ、非接触で電力を伝送を行う周波数では通過を阻止する構成であることを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項１８】
請求項１７記載の非接触電力伝送システムにおいて、送電電力を非接触で送電する周波数は、非接触通信装置からの通信信号周波数に対して低い周波数であって、前記第１のフィルタ回路にローパスフィルタを、前記第２のフィルタ回路にハイパスフィルタを用いた構成であり、第１の共振回路と第２の共振回路が容量であることを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項１９】
請求項１１乃至１８記載の非接触電力伝送システムにおいて、認証、データの読み書きを行なうためのデータ伝送を非接触で行なう非接触通信装置が質問器であり、前記受電装置に含まれる非接触通信手段が応答器であることを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項２０】
請求項１１乃至１９記載の非接触電力伝送システムにおいて、認証、データの読み書きを行なうためのデータ伝送を非接触で行なう第１の非接触通信装置と、受電装置に送電するための送電電力を非接触で送電する送電装置と、
前記非接触通信装置と非接触で通信を行なう第２の非接触通信手段と前記送電装置から送電された送電電力を非接触で受電する受電手段からなる受電装置からなり、
前記第２の非接触通信手段は、第１の質問器と第１の応答器を兼ね備えた構成であって、前記第１の非接触通信装置が第２の質問器のときは、前記第２の質問器からの信号を受信した場合、前記第１の応答器をオン状態として、第２の質問器からの質問データ信号に対応した応答データ信号を送信し、前記第１の非接触通信装置が第２の応答器のときは、前記第１の質問器をオン状態として、前記第２の応答器に質問データ信号を送信するとともに、第２の応答器からの応答データ信号の受信を行うことを特徴とする非接触電力伝送システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６ａ】
【図１６ｂ】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６ａ】
【図１６ｂ】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１２−１９６０３１（Ｐ２０１２−１９６０３１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５７３７５（Ｐ２０１１−５７３７５）
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（５０９１８９４４４）日立コンシューマエレクトロニクス株式会社 (998)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（５０９１８９４４４）日立コンシューマエレクトロニクス株式会社 (998)
【Ｆターム（参考）】
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