JP2018143058A - 送電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 異なる規格に準拠する２つの送電コイルにおける相互インダクタンスの影響を低減させて、充電効率の良い送電装置を提供する。【解決手段】 送電装置１００は、電気信号を生成する送電回路４１と、送電回路が生成する電気信号により第１の伝送方式で電力を伝送する第１送電コイル１０と、送電回路が生成する電気信号により第２の伝送方式で電力を伝送する第２送電コイル２０と、を備え、送電回路は、第２送電コイルから電力を伝送するように電気信号を生成する場合に、第２送電コイルから発生する磁束が第１送電コイルに鎖交することにより発生する電流の流れる方向と逆向きの方向に電流を流すように第１送電コイルに対して電気信号を生成する。【選択図】 図２

Description

本発明は、受電装置へ無線で電力を伝送する送電装置に関し、特に２種類の異なるコイルを共存させて非接触で電力を伝送する送電装置に関する。

従来から、受電装置へ無線で電力を伝送する送電装置が提案されている。例えば、特許文献１は、２つの伝送方式に対応でき、且つ、送電装置から受電装置への伝送効率の低下を抑制できる無線電力伝送システムを開示する。この無線電力伝送システムは、送電コイルと受電コイルとの磁界結合を利用して、送電装置から受電装置に無線で電力を伝送する。送電装置は、送電用の電気信号を生成する送電回路と、第１の伝送方式に対応した第１送電コイルと、第２の伝送方式に対応した第２送電コイルと、第１送電コイルがその上に載置される第１磁性体と、第２送電コイルがその上に載置される第２磁性体と、受電装置がその上に載置される給電面と、を有する。そして、第１磁性体の第１取付面と第２磁性体の第２取付面とは、給電面の下側に位置し、給電面と平行な同一の平面上に配置されている。この送電装置では、第１送電コイルが発生させた磁束を第１磁性体の内部に集中させて、第１送電コイルと第２送電コイルとの磁界結合を抑制することができる。また、第２送電コイルが発生させた磁束を第２磁性体の内部に集中させて、第１送電コイルと第２送電コイルとの磁界結合を抑制することができる。

また、特許文献２は、磁気素子同士での磁気結合を利用した動作を行う際に、エネルギー損失を低減させることを可能とする磁気結合装置を開示する。この磁気結合装置は、他の装置内における他の磁気素子との間で互いに磁気結合が可能な１または複数の磁気素子と、磁気結合を補強する１または複数の結合補強部とを備えている。結合補強部は、互いに電気的に接続された第１および第２の電流発生部を有し、第１の電流発生部において発生する第１の電流の流れる方向と、第２の電流発生部において発生する第２の電流の流れる方向とが、互いに逆向きとなっている。

また、特許文献３は、送電コイルに対して受電コイルの位置が変動しても結合係数の変動を抑えた非接触式の電力伝送装置を開示する。この電力伝送装置は、送電コイルと、送電コイルを含む共振素子に交流電力を供給する交流電源を含む送電装置と、磁界結合により非接触で電力を受電する受電コイルと、受電コイルを含む共振素子に誘起する交流電力を整流する整流回路を含む送電装置と、を有する。送電コイルは、中心部に順方向伝送線路と逆方向伝送線路とが交互に配置された第１領域と、第１の領域を囲み、第１領域の順方向線路に電気的に接続される順方向線路が設けられた第２の領域とを有する第１の平面状のコイルパターンを備え、受電コイルは、第１領域に対向して配される平面状の第２のコイルパターンを備えている。

特開２０１５−１４４５０８号公報 特開２０１３−１０２５９３号公報 特開２０１６−０５１７９３号公報

近年、スマートフォンなどの携帯端末が普及する中で、非接触で充電を行うための規格が複数登場してきている。たとえば、Ｑｉ規格、ＰＭＡ規格、Ａ４ＷＰ規格などであり、互いに、ハード・ソフト両面において互換性のあるものとないものがある。Ｑｉ規格とＰＭＡ規格は、電磁誘導方式を採用しており、ハード（送電コイル）を共用することが可能である。一方、Ａ４ＷＰ規格は、磁界共鳴方式を採用しており、送電コイルにおいてＱｉ規格等とは互換性がなく、専用の送電コイルが必要になる。使用者の使いやすさを考慮した場合、１台の非接触充電器にて複数の規格に対応できることが好まれる。

しかし、Ｑｉ規格／ＰＭＡ規格に準拠した送電コイルとＡ４ＷＰ規格に準拠した送電コイルの両方を小型化された機器の中で配置すると、相互インダクタンスの影響でコイルが互いに干渉し合うことで、インダクタンス値が変動し、充電の性能を低下させる原因となる。この性能低下は、Ａ４ＷＰ規格のような磁界共鳴方式の場合に顕著に表れることが判っている。

本発明は、かかる事情を鑑みて考案されたものであり、異なる規格に準拠する２つの送電コイルにおける相互インダクタンスの影響を低減させて、充電効率の良い送電装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、受電装置へ無線で電力を伝送する送電装置であって、電気信号を生成する送電回路と、送電回路が生成する電気信号により第１の伝送方式で電力を伝送する第１送電コイルと、送電回路が生成する電気信号により第２の伝送方式で電力を伝送する第２送電コイルと、を備え、送電回路は、第２送電コイルから電力を伝送するように電気信号を生成する場合に、第２送電コイルから発生する磁束が第１送電コイルに鎖交することにより発生する電流の流れる方向と逆向きの方向に電流を流すように第１送電コイルに対して電気信号を生成する送電装置が提供される。
これによれば、一方の送電コイルから電力を伝送する場合に、その送電コイルから発生する磁束により他方の送電コイルに流れる電流の流れる方向とは逆方向に電流を流すように制御することで、他方の送電コイルには電流が流れ難くし、相互インダクタンスの影響を低減させて、充電効率の良い送電装置を提供することができる。

さらに、送電回路は、逆向きの方向に流す電流を変化させるように電気信号を生成することにより、第１送電コイルに流れる電流値を最適化することを特徴としてもよい。
これによれば、他方の送電コイルに対して逆方向の電流の値を連続的に変化させることで、電流値を探索して他方の送電コイルに流す電流値の最適値を求めることができる。

さらに、最適化は、第２送電コイルが送電する電力が最大となるように行われることを特徴としてもよい。
これによれば、一方のコイルが送電する電力が最大となるように最適化することで、一方のコイルによる充電の効率が良くなる。

さらに、第２送電コイルに流れる電流値を計測する電流値計測部をさらに備え、最適化は、逆向きの方向に流す電流を変化させる範囲において、電流値計測部が計測した電流値の内最も高い電流値を示す時の逆向きの方向に流す電流の値を選択することにより行われることを特徴としてもよい。
これによれば、一方のコイルにおいて最も高い電流値を示す時の、他方のコイルにおける逆方向の電流値を選択することで、一方のコイルによる充電の効率が良くなる。

さらに、逆向きの方向に流す電流を変化させることを繰り返すことにより、最適化を繰り返すことを特徴としてもよい。
これによれば、他方の送電コイルに対して逆方向の電流の値を変化させることを繰り返すことで、一方のコイルによる効率の良い充電を継続することができる。

さらに、第１送電コイルは、電磁誘導方式に対応したコイルであり、第２送電コイルは、磁界共鳴方式に対応したコイルであることを特徴としてもよい。
これによれば、磁界共鳴方式および電磁誘導方式の両方の規格に準拠した充電装置において、磁界共鳴方式の送電コイルから電力を伝送する場合に、その送電コイルから発生する磁束により電磁誘導方式の送電コイルに流れる電流の流れる方向とは逆方向に電流を流すように制御することで、電磁誘導方式の送電コイルには電流が流れ難くし、相互インダクタンスの影響を低減させて、磁界共鳴方式の送電コイルによる充電において充電効率の良い送電装置を提供することができる。

以上説明したように、本発明によれば、異なる規格に準拠する２つの充電用コイルにおける相互インダクタンスの影響を低減させて、充電効率の良い送電装置を提供できる。

本発明に係る第一実施例の送電装置の、（Ａ）平面図（給電面を含むケースを除く）、（Ｂ）側面図（ケースは給電面のみを示す）。 本発明に係る第一実施例の送電装置における制御方法を示すフローチャート。 従来技術の送電装置における、（Ａ）磁界共鳴コイルが発生させた磁束により電磁誘導コイルに電流が流れることを示す模式図、（Ｂ）電磁誘導コイルに電流が流れることにより受電装置との間に結合が発生することを示す模式図。

以下では、図面を参照しながら、本発明に係る実施例について説明する。まず、図３を参照して、従来技術の送電装置１００Ｚについて説明する。なお、本図では、送電装置１００Ｚの筐体を図示せず、筐体の内部に収納されるコイル等を中心に図示したものである。送電装置１００Ｚは、スマートフォン等の受電装置ＲＤへ無線で電力を伝送する送電装置である。受電装置ＲＤは、内部に送電装置１００Ｚの伝送方式に適用可能な受電機能を有しており、送電装置１００Ｚの筐体の給電面６０に載置されることで、送電装置１００Ｚから給電を受けて充電される。

送電装置１００Ｚは、電磁誘導方式で電力を伝送する第１送電コイル１０と、磁界共鳴方式で電力を伝送する第２送電コイル２０とを備える。電磁誘導方式とは、送電側のコイルが発生させる磁場の変化に伴って生ずる電磁誘導により、受電側のコイルに起電力を発生させて電力を伝送する方式である。磁界共鳴方式とは、送電側のコイルの周波数と受電側のコイルの周波数を合わせて、送電側のコイルに電流が流れることにより発生した磁場の振動が同じ周波数で共振する受電側の共振回路に伝わることにより、電力を伝送する方式である。

電磁誘導方式は、磁束の大きさが電力の伝送効率に大きく影響し、送電側と受電側のコイルの結合係数の大きさが送電電力の大小を決めることになる。結合係数の大きさは、両コイル間の距離やコイル中心位置の一致度などにより影響を受ける。磁界共鳴方式は、磁束が小さくてもよく、その代わり送電側と受電側のコイル（アンテナ）におけるピーキー性能（所定の周波数に対して鋭敏に反応する性質）の高さが伝送効率に大きく影響する。磁界共鳴方式では、磁束の大きさは伝送効率にあまり関係がないため、送電側のコイルと受電側のコイルが離れていても送電が可能であるとの特徴がある一方で、周囲のコイルや磁束の影響を受け易い。すなわち、磁界共鳴方式の伝送効率においては、送電側のコイルの共振周波数と受電側のコイルの共振周波数をどれだけ一致させることができるかが重要となる。

特に、送電装置１００Ｚのような、電磁誘導方式の第１送電コイル１０と磁界共鳴方式の第２送電コイル２０とを備える送電装置では、送電側のコイルと受電側のコイルの相互インダクタンスの影響を受けることとなる。すなわち、磁界共鳴方式の第２送電コイル２０の近傍には、自身の電磁誘導方式の第１送電コイル１０と共に、電磁誘導方式における伝送効率を高めるために近傍に接近した受電装置ＲＤの受電コイルも存在するからである。

本図に示すように、送電装置１００Ｚにおいて、電磁誘導方式の第１送電コイル１０と磁界共鳴方式の第２送電コイル２０は、給電面６０の近傍すなわち受電装置ＲＤの近傍に位置し、受電装置ＲＤの受電側のコイルからの距離は、両者とも概ね同じ距離である。本図（Ａ）は、磁界共鳴方式の第２送電コイル２０に電流を流すことにより、上向きの磁束ＭＬが発生したことを示す。そうすると、この磁束ＭＬが電磁誘導方式の第１送電コイル１０に鎖交し、この鎖交した分だけ電磁誘導方式の第１送電コイル１０に電流ＣＲが流れてしまう。

そうすると、本図（Ｂ）に示すように、電磁誘導方式の第１送電コイル１０と受電装置ＲＤの受電側のコイルの間に結合が発生する。かかる結合が発生すると、相互インダクタンスが変化し、受電側のコイルの共振周波数が変動してしまうため、ピーキー性能が高いが故、磁界共鳴方式の第２送電コイル２０における伝送効率が低下することとなる。また、受電装置ＲＤのスマートフォンなどが、給電面６０で移動するなどし、第１送電コイル１０／第２送電コイル２０と受電側のコイルの距離が変動することでも相互インダクタンスは変動することがある。上述したような相互インダクタンスの変動が生ずると、受電装置ＲＤに対する送電装置１００Ｚの充電の性能を低下させる原因となる。

＜第一実施例＞
図１を参照し、本実施例における送電装置１００を説明する。なお、図１（Ａ）は、送電装置１００のケースを図示せず、内部のコイル等のみを示す。また、図１（Ｂ）は、当該ケースでは給電面６０のみを示す。送電装置１００は、携帯端末などの受電装置ＲＤに無線で電力を伝送する装置であり、受電装置ＲＤを載置する給電面６０を有する。送電装置１００は、携帯端末などの受電装置ＲＤに対して無線で給電する所謂ワイヤレス充電方式として、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ付近の周波数の電磁波を使用した電磁誘導方式と、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚ付近の周波数の電磁波を使用した磁界共鳴方式の両方を含む。

送電装置１００は、かかる２種類のワイヤレス充電方式に対応するため、電磁誘導方式（第１の伝送方式）で電力を伝送する第１送電コイル１０と、磁界共鳴方式（第２の伝送方式）で電力を伝送する第２送電コイル２０とを備える。送電装置１００は、より具体的には、平面視矩形の制御基板４０と、制御基板４０上に矩形板状に磁界を強めるための磁性体３０と、磁性体３０の給電面６０側に積層するようにして設けられた第１送電コイル１０と、制御基板４０と平行に対向して設けられ、制御基板４０と電気的に接続された第２送電コイル基板２１と、第２送電コイル基板２１上に設けられた第２送電コイル２０を備える。

第１送電コイル１０は、第２送電コイル基板２１の開口部２２の中に嵌るように配置される。したがって、第１送電コイル１０の給電面６０からの距離は、第２送電コイル２０の給電面６０からの距離とほぼ同距離の位置に配置されると共に、第１送電コイル１０は、第２送電コイル２０のコイル中心側に位置する。なお、磁性体３０は、フェライトなどの透磁率１以上の材料から構成され、方形板状をなし、その平面視形状は、第２送電コイル基板２１の開口部２２の矩形の形状とほぼ同じであり、開口部２２に一致するように配置されている。第１送電コイル１０は、制御基板４０上に形成された導体の配線パターンにより方形環状に巻回されたスパイラルコイルである。

第２送電コイル２０は、第２送電コイル基板２１の開口部２２と外周部に挟まれた枠部に設けられる。第２送電コイル２０は、第２送電コイル基板２１上に形成された導体の配線パターンにより方形に形成されたアンテナであり、磁束の強さで結合する第１送電コイル１０とは異なり、磁界共鳴のため必ずしも何回も巻回する必要はない。第２送電コイル２０は、自分のインダクタンスと浮遊容量とによって、所定の周波数で共振するようになっている。

送電装置１００は、さらに、制御基板４０上に、第１送電コイル１０および第２送電コイル２０に対して電気信号を生成する送電回路４１を備える。送電回路４１は、内部に、インバータ回路等の回路で構成された、第１送電コイル１０に対応した第１送電回路と第２送電コイル２０に対応した第２送電回路とを有している。第１送電回路は、電磁誘導方式に対応した送電用の電気信号を発生させる。電磁誘導方式に対応した電気信号としては、通常、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ付近の周波数の交流の電気信号が用いられる。第２送電回路は、磁気共鳴方式に対応した送電用の電気信号を発生させる。磁気共鳴方式に対応した電気信号としては、通常、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚ付近の周波数の交流の電気信号が用いられる。

尚、制御基板４０は、送電回路４１以外にも検波回路、制御回路、スイッチ等（図示せず）を有しており、所定の制御信号や操作に基づいて、電磁誘導方式と磁気共鳴方式とのうちのどちらの伝送方式で伝送を行うかを選択できるようになっている。送電回路４１は、発生させた電気信号を、選択された方式の第１送電コイル１０または第２送電コイル２０に印加する。なお、検波回路は、給電面６０付近に設置され、受電装置ＲＤの信号を検波することで、受電装置ＲＤが電磁誘導方式の受電装置なのか磁界共鳴方式の受電装置なのかを、たとえば受信した信号の周波数により判別する。また、送電回路４１は、必要に応じて、第１送電コイル１０および第２送電コイル２０に同時に印加することができる。

図２を参照して、送電回路４１が第１送電コイル１０および第２送電コイル２０に対して電気信号を生成する際の制御方法について説明する。なお、なお、フローチャートにおけるＳはステップを意味する。本図は、磁界共鳴方式の受電装置ＲＤに対して充電を行う場合について説明する。送電装置１００は、Ｓ１００において、検波回路によりいずれの方式の受電装置ＲＤが給電面６０に接近したのかを検知し、周波数等から磁界共鳴方式の受電装置ＲＤが接近したことを検知する。送電装置１００の送電回路４１は、Ｓ１０２において、磁界共鳴方式の受電装置ＲＤに電力を伝送するため、第２送電コイル２０に対して磁界共鳴方式に対応した周波数の電気信号を生成して印加する。これにより、送電装置１００は、磁界共鳴方式の第２送電コイル２０により送電を開始する。

送電回路４１は、磁界共鳴方式の第２送電コイル２０に対して電力を伝送するように電気信号を生成して印加すると共に、Ｓ１０４において、電磁誘導方式の第１送電コイル１０に対して逆方向の電流が流れるように電気信号を生成して印加する。ここで、逆方向の電流について説明する。磁界共鳴方式の第２送電コイル２０から電力を伝送するように電気信号を生成すると、第２送電コイル２０から磁束が発生する。この第２送電コイル２０が発生させた磁束は、第２送電コイル２０のコイル中心側に位置する第１送電コイル１０に鎖交することにより、第１送電コイル１０には電流が流れようとする。

逆方向の電流とは、この第１送電コイル１０に流れようとする電流の流れに対する逆方向の電流のことを言う。すなわち、第２送電コイル２０が発生させた磁束が鎖交することで第１送電コイル１０に流れようとする電流と逆方向の電流を流すことで、第１送電コイル１０には実質的に電流が流れないようにしようとするものである。たとえば、磁界共鳴方式の第２送電コイル２０から電力を送電するために６．７８ＭＨｚの周波数の交流の電気信号を第２送電コイル２０に入力する場合、同じ６．７８ＭＨｚの周波数の交流の電気信号であって、第１送電コイル１０に流れようとする電流と逆方向の電流が流れるような電気信号を第１送電コイル１０に入力する。このように制御することで、第１送電コイル１０と受電装置ＲＤの受電側のコイルの間に発生する結合を抑制することができる。

すなわち、送電回路４１は、磁界共鳴方式の第２送電コイル２０から電力を伝送するように電気信号を生成する場合に、第２送電コイル２０から発生する磁束が第１送電コイル１０に鎖交することにより発生する電流の流れる方向と逆向きの方向に電流を流すように第１送電コイル１０に対して電気信号を生成する。このように、磁界共鳴方式および電磁誘導方式の両方の規格に準拠した充電装置において、磁界共鳴方式の送電コイルから電力を伝送する場合に、その送電コイルから発生する磁束により電磁誘導方式の送電コイルに流れる電流の流れる方向とは逆方向に電流を流すように制御することで、電磁誘導方式の送電コイルには電流が流れ難くし、相互インダクタンスの影響を低減させて、磁界共鳴方式の送電コイルによる充電において充電効率の良い送電装置１００を提供することができる。

送電回路４１は、Ｓ１０６において、第１送電コイル１０に流す逆方向電流の電流値を連続的に変化させて、電流値を最適化する。どの程度の電流値の逆方向電流を流すと受電装置ＲＤの受電側のコイルとの間に結合が発生しなくなるかは受電装置ＲＤの位置や性能により変動するため、逆方向の電流の最適な電流値の大きさを１つに決めることはできない。そこで、逆方向電流の電流値を、たとえば、１ｍＡから１００ｍＡまで１ｍＡ毎に電流値を増加させながら磁界共鳴方式の第２送電コイル２０から伝送された電力量を検出し、その検出値が最も大きくなる逆方向電流の電流値を最適な電流値として選定する。

すなわち、送電回路４１は、逆向きの方向に流す電流を変化させるように電気信号を生成することにより、第１送電コイル１０に流れる電流値を最適化する。これによれば、第１送電コイル１０に流れる電流値を探索して第１送電コイル１０に流す電流値の最適値を求めることができる。そして、この最適化は、第２送電コイル２０が送電する電力が最大となるように行われることで、結果的に磁界共鳴方式の第２送電コイル２０による充電の効率が良くなる。

なお、第２送電コイル２０から伝送された電力量は、第２送電コイル２０の電流値により検知してもよい。すなわち、送電装置１００は、第２送電コイル２０に流れる電流値を計測する電流値計測部４２をさらに備え、第１送電コイル１０に流れる電流値の最適化は、逆方向電流を変化させる範囲において、電流値計測部４２が計測した電流値の内最も高い電流値を示す時の逆方向電流の電流値を選択することにより行われてもよい。これにより、結果的に、第２送電コイル２０による充電の効率が良くなる。

送電回路４１は、Ｓ１０８において、Ｓ１０６において逆方向電流の電流値の最適化を行った後所定時間経過するのを待つ。そして、送電回路４１は、Ｓ１１０において、第２送電コイル２０から伝送された電力量（または第２送電コイル２０に流れる電流値）を再度検出して変動があったか否かを検査する。変動がない間は、現在の最適化された電流値が有効であるとして、その電流値を第１送電コイル１０に流し続ける。一方、変動があった場合、再度Ｓ１０６において、第１送電コイル１０に流す逆方向電流の電流値を連続的に変化させて、電流値を最適化する。このように、逆向きの方向に流す電流を変化させることを繰り返すことにより、最適化を繰り返してもよい。このように、第１送電コイル１０に対して逆方向の電流の値を変化させることを繰り返すことで、磁界共鳴方式の第２送電コイル２０による効率の良い充電を継続することができる。

なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

ＲＤ 受電装置（携帯端末）
１００ 送電装置
１０ 第１送電コイル（電磁誘導方式コイル）
２０ 第２送電コイル（磁界共鳴方式コイル）
２１ 第２送電コイル基板
２２ 開口部
３０ 磁性体
４０ 制御基板
４１ 送電回路
４２ 電流値計測部
６０ 給電面
ＭＬ 磁力線

Claims (6)

1. 受電装置へ無線で電力を伝送する送電装置であって、
   電気信号を生成する送電回路と、
   前記送電回路が生成する電気信号により第１の伝送方式で電力を伝送する第１送電コイルと、
   前記送電回路が生成する電気信号により第２の伝送方式で電力を伝送する第２送電コイルと、
   を備え、
   前記送電回路は、前記第２送電コイルから電力を伝送するように電気信号を生成する場合に、前記第２送電コイルから発生する磁束が前記第１送電コイルに鎖交することにより発生する電流の流れる方向と逆向きの方向に電流を流すように前記第１送電コイルに対して電気信号を生成する、
   送電装置。
2. 前記送電回路は、前記逆向きの方向に流す電流を変化させるように電気信号を生成することにより、前記第１送電コイルに流れる電流値を最適化することを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
3. 前記最適化は、前記第２送電コイルが送電する電力が最大となるように行われることを特徴とする請求項２に記載の送電装置。
4. 前記第２送電コイルに流れる電流値を計測する電流値計測部をさらに備え、
   前記最適化は、前記逆向きの方向に流す電流を変化させる範囲において、前記電流値計測部が計測した電流値の内最も高い電流値を示す時の前記逆向きの方向に流す電流の値を選択することにより行われることを特徴とする請求項３に記載の送電装置。
5. 前記逆向きの方向に流す電流を変化させることを繰り返すことにより、前記最適化を繰り返すことを特徴とする請求項４に記載の送電装置。
6. 前記第１送電コイルは、電磁誘導方式に対応したコイルであり、
   前記第２送電コイルは、磁界共鳴方式に対応したコイルであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の送電装置。