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公開番号2019205350
公報種別公開特許公報(A)
公開日20191128
出願番号2019161198
出願日20190904
発明の名称非接触給電システム
出願人株式会社半導体エネルギー研究所
代理人
主分類H02J 50/12 20160101AFI20191101BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】小型化され、かつ、低コストで作製可能な非接触給電システムを得る。
【解決手段】第1の周波数の交流電力を生成する第1の交流電源と、当該第1の周波数と
は異なる第2の周波数の交流電力を生成する第2の交流電源と、第1の電磁誘導コイルと
、第1の共鳴コイルとを有する送電装置と、第2の共鳴コイルと、第2の電磁誘導コイル
と、蓄電装置とを有する受電装置と、を有する非接触システムであり、当該第1の電磁誘
導コイル及び当該第2の電磁誘導コイルを電磁誘導で共振させることにより、当該第1の
周波数で無線通信を行い、当該第1の共鳴コイル及び当該第2の共鳴コイルとの間で磁界
共鳴現象を起こすことにより、当該第2の周波数で当該蓄電装置に無線給電を行う非接触
給電システムに関する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
送電装置と受電装置とを有する非接触給電システムであって、
前記送電装置は、
第1のアンテナと、
第2のアンテナと、
周波数の異なる交流電力を生成可能な交流電源と、を有し、
前記受電装置は、
第3のアンテナと、
第4のアンテナと、
蓄電装置と、を有し、
前記第1のアンテナと前記第2のアンテナとの間でデータの送受信を行い、
前記第2のアンテナと前記第4のアンテナとを介して、前記蓄電装置に給電を行う非接触給電システム。
続きを表示(約 190 文字)【請求項2】
請求項1において、
前記第2のアンテナ及び前記第4のアンテナのそれぞれは、両端が開放されたコイルであり、浮遊容量によるコンデンサを有する非接触給電システム。
【請求項3】
請求項1において、
前記第2のアンテナ及び前記第4のアンテナのそれぞれの両端にコンデンサが電気的に接続されているコイルである非接触給電システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
開示される発明の一態様は、非接触送電装置、非接触受電装置および非接触給電システム
に関する。
続きを表示(約 9,800 文字)【背景技術】
【0002】
様々な電子機器の普及が進み、多種多様な製品が市場に出荷されている。近年では、携帯
電話及びデジタルビデオカメラ等の携帯型の電子機器の普及が顕著である。また電力を基
に動力を得る電気自動車等の電気推進移動体も製品として市場に登場しつつある。
【0003】
携帯電話、デジタルビデオカメラまたは電気推進移動体には、蓄電装置(バッテリ、蓄電
池ともいう)が内蔵されている。当該蓄電装置の充電は、殆どが給電手段である家庭用交
流電源より直接的に接触させて行われているのが現状である。また蓄電装置を具備しない
構成または蓄電装置に充電された電力を用いない構成では、家庭用交流電源より配線等を
介して直接給電し動作させているのが現状である。
【0004】
一方で非接触により蓄電装置の充電または負荷への給電を行う方式についての研究開発も
進んでおり、代表的な方式として、電磁結合方式(電磁誘導方式ともいう)(特許文献1
参照)、電波方式(マイクロ波方式ともいう)、磁界共鳴方式(共振方式ともいう)(特
許文献2乃至特許文献4参照)が挙げられる。
【0005】
特許文献2乃至特許文献4に示されるように、磁界共鳴方式の非接触給電技術においては
、電力を受ける側の装置(以下、受電装置という)及び電力を供給する側の装置(以下、
送電装置という)のそれぞれが、共鳴コイルを有している。また受電装置及び送電装置に
は、それぞれ電磁誘導コイルが設けられている。送電装置における電源から共鳴コイルへ
の給電、及び、受電装置における共鳴コイルから負荷への給電は、電磁誘導コイルを介し
て行われる。
【0006】
送電装置の共鳴コイル及び受電装置の共鳴コイルは、特定の周波数で磁界共鳴現象が発現
するよう、それぞれの共振周波数(LC共振)が調整されている。
【0007】
これら送電装置の共鳴コイル及び受電装置の共鳴コイルが対向し、磁界共鳴現象を起こす
ことにより、当該共鳴コイル間距離が離れている状態でも、効率の良い電力伝送が実現で
きる(非特許文献1参照)。
【0008】
また、近年、個別の対象物にID(個体識別番号)を与えることで、その対象物が持って
いる情報の履歴を明確にし、生産、または管理等に役立てるといった個体認識技術が注目
されている。特に、無線通信によりデータの送受信を行うRFID(Radio Fre
quency IDentification)技術が世の中に普及しつつある(特許文
献5参照)。RFID技術を用いた無線通信システムは、無線通信装置(質問器)とデー
タキャリア(応答器)から構成され、無線により両者の間でデータのやりとりを行う通信
システムである。無線通信装置は、リーダ/ライタ、携帯電話、パーソナルコンピュータ
など、無線による信号の送受信が可能であるものを指すが、本明細書においては代表的に
リーダ/ライタと表記する。また、データキャリアは、一般にRFID、RFタグ、ID
タグ、ICタグ、ICチップ、無線タグ、電子タグ等と呼ばれているが、本明細書におい
ては代表的にRFIDと表記する。
【0009】
RFIDは、電源を持たない受動型のものや、電源を内蔵する能動型のものがある。受動
型のRFIDは、リーダ/ライタから発せられる無線信号(搬送波、または搬送波に変調
波を重畳して生成された振幅変調波)を、RFID内部に設けられた整流回路により直流
電圧に変換する機能を有し、この直流電圧を用いてRFID内部の回路が動作する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
特開2002−101578号公報
特開2010−193598号公報
特開2010−239690号公報
特開2010−252468号公報
特開2006−180073号公報
【非特許文献】
【0011】
「ワイヤレス給電2010 非接触充電と無線電力伝送のすべて」日経エレクトロニクス、2010年3月、pp.66−81
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
上述のように、無線通信によりデータの送受信を行うRFID技術を用いた無線通信シス
テムは、無線通信装置(質問器)とデータキャリア(応答器)の間でデータのやりとりを
行う通信システムである。このようなRFID技術を用いた無線通信システムでは、第1
の周波数、例えば13.56MHzを用いて無線通信が行われる。これにより、効率のよ
い無線通信ができる。
【0013】
また、無線通信用のアンテナ(コイル)を非接触給電用として用いることができれば、非
接触給電用として新たにアンテナを設ける必要がなくなるので、非接触給電システムの小
型化及び低コスト化が可能となる。
【0014】
無線給電技術及び非接触給電技術とは、交流電源により生成された交流電力を、送電装置
から受電装置へ伝送する技術である。
【0015】
ここで、一般的な交流電源を図2に示す。図2(A)に示す交流電源は、ハーフブリッジ
型のスイッチング電源、図2(B)に示す交流電源は、フルブリッジ型のスイッチング電
源である。
【0016】
図2(A)に示す交流電源は、直流電源301、コンデンサ302、コンデンサ303、
トランジスタ304、トランジスタ305、コイル306を有している。トランジスタ3
04及びトランジスタ305として、例えばnチャネル型MOSトランジスタを用いる。
【0017】
図2(B)に示す交流電源は、直流電源311、トランジスタ312、トランジスタ31
3、トランジスタ314、トランジスタ315、コイル316を有している。トランジス
タ312乃至トランジスタ315として、例えばnチャネル型MOSトランジスタを用い
る。
【0018】
図2(A)における交流電源では、トランジスタ304及びトランジスタ305をスイッ
チング素子とし、外部からトランジスタ304及び305のそれぞれのゲートに入力され
る信号により、コイル306への電流を交互に流す。これにより交流電力を生成する。
【0019】
図2(B)における交流電源では、トランジスタ312、トランジスタ313、トランジ
スタ314、及びトランジスタ315をスイッチング素子とし、外部からトランジスタ3
12及びトランジスタ315のゲートに入力される信号、並びに、トランジスタ313及
びトランジスタ314のゲートに入力される信号により、コイル316への電流を交互に
流す。これにより交流電力を生成する。
【0020】
図2(A)及び図2(B)において、トランジスタの駆動周波数が、それぞれの交流電源
の動作周波数になる。このように、交流電源の動作周波数は、RFID技術を用いた無線
通信システムの周波数、例えば13.56MHzとは異なる第2の周波数、例えば100
kHzとなる。すなわち、RFID技術を用いた無線通信システムの第1の周波数では、
電力伝送において、高い伝送効率を得ることができない。
【0021】
ただし、第1の周波数で駆動する無線通信用の無線通信装置(質問器)及びデータキャリ
ア(応答器)、並びに、第2の周波数で駆動する非接触給電用の送電装置及び給電装置を
、一つの非接触給電システム内に設けると、当該非接触給電システムが大型化してしまい
、また作製コストが高くなってしまう。
【0022】
以上を鑑みて、開示される発明の一様態では、小型化された非接触送電装置を得ることを
課題の一とする。また、開示される発明の一態様では、小型化された非接触受電装置を得
ることを課題の一とする。また、開示された発明の一態様では、上述の非接触送電装置お
よび非接触受電装置を備える、無線通信及び非接触給電の両方が可能な、小型化された非
接触給電システムを得ることを課題の一とする。
【0023】
また開示される発明の一様態では、無線通信及び非接触給電の両方が可能な非接触給電シ
ステムにおいて、低コストで作製可能な非接触給電システムを得ることを課題の一とする

【0024】
本発明の一態様は、上記課題の少なくとも一を解決することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0025】
開示される発明の一様態は、第1の周波数の交流電力を生成する第1の交流電源と、当該
第1の周波数とは異なる第2の周波数の交流電力を生成する第2の交流電源と、電磁誘導
コイルと、共鳴コイルと、当該電磁誘導コイルと電気的に接続され、当該第1の交流電源
及び当該電磁誘導コイルとの接続、又は、当該第2の交流電源及び当該電磁誘導コイルと
の接続を切り替えるスイッチと、当該第1の交流電源及び当該第2の交流電源に電気的に
接続され、当該スイッチを切り替える制御回路とを有することを特徴とする非接触送電装
置に関する。
【0026】
また開示される発明の一様態は、共鳴コイルと、電磁誘導コイルと、当該電磁誘導コイル
に電気的に接続され、変調信号を生成する負荷変調回路と、当該電磁誘導コイルに伝送さ
れた交流電力を直流電力に変換する整流回路と、当該整流回路で変換された直流電力を平
滑化する平滑化回路と、当該平滑化された直流電力の電圧値を別の電圧値に変換する電圧
変換回路と、当該平滑化回路と当該電圧変換回路との間に設けられたスイッチと、当該電
圧変換回路の出力電力が入力される充電制御回路と、当該充電制御回路により充電が制御
される蓄電装置と、当該負荷変調回路に電気的に接続され、当該スイッチを切り替える制
御回路とを有することを特徴とする非接触受電装置に関する。
【0027】
開示される発明の一様態は、第1の周波数の交流電力を生成する第1の交流電源と、当該
第1の周波数とは異なる第2の周波数の交流電力を生成する第2の交流電源と、第1の電
磁誘導コイルと、第1の共鳴コイルとを有する送電装置と、第2の共鳴コイルと、第2の
電磁誘導コイルと、蓄電装置とを有する受電装置と、を有する非接触システムであり、当
該第1の電磁誘導コイル及び当該第2の電磁誘導コイルを電磁誘導で共振させることによ
り、当該第1の周波数で無線通信を行い、当該第1の共鳴コイル及び当該第2の共鳴コイ
ルとの間で磁界共鳴現象を起こすことにより、当該第2の周波数で当該蓄電装置に無線給
電を行うことを特徴とする非接触給電システムに関する。
【0028】
開示される発明の一様態は、第1の周波数の交流電力を生成する第1の交流電源と、当該
第1の周波数とは異なる第2の周波数の交流電力を生成する第2の交流電源と、電磁結合
により交流電力が伝送される第1の電磁誘導コイルと、磁界共鳴現象により当該第1の電
磁誘導コイルから伝送された交流電力を伝送する第1の共鳴コイルと、当該第1の電磁誘
導コイルと電気的に接続され、当該第1の交流電源及び当該第1の電磁誘導コイルとの接
続、又は、当該第2の交流電源及び当該第1の電磁誘導コイルとの接続を切り替える第1
のスイッチと、当該第1の交流電源及び当該第2の交流電源に電気的に接続され、当該第
1のスイッチを切り替える第1の制御回路と、を有する送電装置と、当該第2の周波数で
磁界共鳴現象を起こすことにより当該第1の共鳴コイルから当該交流電力が伝送される第
2の共鳴コイルと、電磁結合により当該第2の共鳴コイルから当該交流電力が伝送され、
当該第1の周波数で当該第1の電磁誘導コイルと共振する第2の電磁誘導コイルと、当該
第2の電磁誘導コイルに電気的に接続され、返信信号に基づいて変調信号を生成する負荷
変調回路と、当該第2の電磁誘導コイルに伝送された交流電力を直流電力に変換する整流
回路と、当該整流回路で変換された直流電力を平滑化する平滑化回路と、当該平滑化され
た直流電力の電圧値を別の電圧値に変換する電圧変換回路と、当該平滑化回路と当該電圧
変換回路との間に設けられた第2のスイッチと、当該電圧変換回路の出力電力が入力され
る充電制御回路と、当該充電制御回路により充電が制御される蓄電装置と、当該負荷変調
回路に電気的に接続され、当該返信信号を生成し、当該第2のスイッチを切り替える第2
の制御回路と、を有する受電装置と、を有することを特徴とする非接触給電システムに関
する。
【0029】
無線通信を行う場合は、第1の制御回路からの信号により、第1のスイッチが第1の交流
電源及び第1の電磁誘導コイルを電気的に接続する。また、第2の制御回路からの信号に
より、第2のスイッチがオフとなる。これにより、第1の電磁誘導コイル及び第2の電磁
誘導コイルとの間で、第1の周波数で電磁誘導により共振が起きる。これにより、送電装
置及び受電装置との間で無線通信が行われる。
【0030】
無線給電(非接触給電)を行う場合は、第1の制御回路からの信号により、第1のスイッ
チが第2の交流電源及び第1の電磁誘導コイルを電気的に接続する。また、第2の制御回
路からの信号により、第2のスイッチがオンとなる。これにより、第2の交流電源からの
交流電力が、第1の電磁誘導コイルから第1の共鳴コイルへ電磁結合にて伝送される。第
2の周波数で、第1の共鳴コイルから第2の共鳴コイルへ磁界共鳴現象により交流電力が
伝送される。さらに、第2の共鳴コイルから第2の電磁誘導コイルへ電磁結合にて交流電
力が伝送される。伝送された交流電力は、整流回路で整流され、平滑化回路で平滑化され
、直流電力として電圧変換回路に入力される。電圧変換回路で、別の電圧値に変換された
直流電力は、充電制御回路を介して蓄電装置に充電される。
【0031】
開示される発明の一様態において、当該第2の交流電源は、直流電源及び複数のトランジ
スタを有しており、当該第2の周波数は、当該複数のトランジスタの駆動周波数であるこ
とを特徴とする。
【0032】
開示される発明の一様態において、当該第1の共鳴コイル及び当該第2の共鳴コイルのそ
れぞれは両端が開放されており、それぞれが浮遊容量を有することを特徴とする。
【0033】
開示される発明の一様態において、当該第1の共鳴コイル及び当該第2の共鳴コイルのそ
れぞれの両端にコンデンサが電気的に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0034】
開示される発明の一様態により、無線通信及び非接触給電の両方が可能な非接触給電シス
テムにおいて、小型化された非接触給電システムを得ることができる。
【0035】
また開示される発明の一様態により、無線通信及び非接触給電の両方が可能な非接触給電
システムにおいて、低コストで作製可能な非接触給電システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0036】
非接触給電システムの回路図。
交流電源の回路図。
非接触給電システムの回路図。
非接触給電システムの回路図。
非接触給電システムの動作を示すフローチャート。
非接触給電システムの回路図。
非接触給電システムの動作を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【0037】
以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し
、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書
に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変
更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限
定して解釈されるものではない。なお、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機
能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0038】
なお本明細書に開示された発明において、半導体装置とは、半導体を利用することで機能
する素子及び装置全般を指し、電子回路、表示装置、発光装置等を含む電気装置およびそ
の電気装置を搭載した電子機器をその範疇とする。
【0039】
なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、説明を分かりやすくす
るために、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示す
る発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
【0040】
なお、本明細書等における「第1」、「第2」、「第3」などの序数は、構成要素の混同
を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
【0041】
[実施の形態1]
図1は、本実施の形態の無線通信機能を組み込んだ非接触給電システムの回路図である。
図1に示す非接触給電システムは、送電装置100及び受電装置210を有する。
【0042】
図1に示す非接触給電システムは、RFID技術を用いた無線通信システムを非接触給電
システムに応用したものである。図1に示す非接触給電システムでは、送電装置100で
発生させる電磁波に振幅変調をかけ、当該振幅変調をかけた電磁波(変調信号)を用いて
送電装置100及び受電装置210間で無線通信を行う。
【0043】
送電装置100は、第1の周波数の交流電力を生成する第1の交流電源101、第2の周
波数の交流電力を生成する第2の交流電源102、混合器103、送受信回路104、制
御回路105、スイッチ106、電磁誘導コイル107、共鳴コイル108、コンデンサ
109、整合回路110、整合回路111を有している。スイッチ106は、電磁誘導コ
イル107と交流電源101との接続、又は、電磁誘導コイル107と交流電源102と
の接続を、制御回路105からの信号により切り替える。制御回路105として、例えば
マイクロプロセッサを用いる。
【0044】
また受電装置210は、コンデンサ211、共鳴コイル212、電磁誘導コイル213、
コンデンサ224、負荷231、トランジスタ232、トランジスタ233、負荷234
、整流回路215、平滑化回路216、電圧変換回路217、充電制御回路218、制御
回路219、送受信回路221、蓄電装置222、スイッチ223を有している。なお、
負荷231、トランジスタ232、トランジスタ233、負荷234は負荷変調回路23
5を構成している。電圧変換回路217として、例えばDC−DCコンバータを用いる。
制御回路219として、例えばマイクロプロセッサを用いる。平滑化回路216として、
例えばコンデンサを用いる。
【0045】
交流電源101は、第1の周波数の交流電力を生成する電源である。交流電源101は通
信用の交流電源であり、例えば13.56MHzの交流電力を生成する。交流電源101
の第1の端子は、混合器103の第1の端子に電気的に接続されている。交流電源101
の第2の端子は、制御回路105の第1の端子に電気的に接続されている。交流電源10
1の第3の端子は、接地されている。
【0046】
交流電源102は、第2の周波数の交流電力を生成する電源である。交流電源102は給
電用の交流電源であり、例えば100kHzの交流電力を生成する。交流電源102の第
1の端子は、整合回路111の第1の端子に電気的に接続されている。交流電源102の
第2の端子は、制御回路105の第2の端子に電気的に接続されている。交流電源102
の第3の端子は、接地されている。
【0047】
混合器103は、送受信回路104からの信号に交流電源101からの交流電力を重畳さ
せて、変調信号を生成する機能を有する回路である。混合器103の第1の端子は、交流
電源101の第1の端子に電気的に接続されている。混合器103の第2の端子は、送受
信回路104の第2の端子及び整合回路110の第1の端子に電気的に接続されている。
混合器103の第3の端子は、送受信回路104の第1の端子に電気的に接続されている

【0048】
送受信回路104は、制御回路105から出力された信号を、混合器103が処理可能な
信号に変換する機能、及び、送電装置100が受信した変調信号を、制御回路105が処
理可能な信号に変換する機能を有する回路である。
【0049】
送受信回路104の第1の端子は、混合器103の第3の端子に電気的に接続されている
。送受信回路104の第2の端子は、混合器103の第2の端子及び整合回路110の第
1の端子に電気的に接続されている。送受信回路104の第3の端子は、制御回路105
の第3の端子と電気的に接続されている。送受信回路104の第4の端子は、制御回路1
05の第4の端子と電気的に接続されている。なお、混合器103の第2の端子及び整合
回路110の第1の端子、並びに、送受信回路104の第2の端子との間に方向性結合器
(「カプラ」ともいう)を配置してもよい。
【0050】
方向性結合器は、順方向に伝搬する電力(進行波)若しくは逆方向に伝搬する電力(反射
波)、またはその両方に対応する信号を取り出すことができる。
(【0051】以降は省略されています)

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