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技術 送電装置および無線電力伝送システム

出願人 パナソニックIPマネジメント株式会社
発明者 岡村周太木下圭介川村純一
出願日 2011年7月25日 (10年1ヶ月経過) 出願番号 2011-162226
公開日 2012年4月19日 (9年4ヶ月経過) 公開番号 2012-080521
状態 特許登録済
技術分野 受信機の回路一般 電磁波による給配電方式 送信機
主要キーワード 変調パルス列 送電機 共振磁界 受動装置 高周波数帯域成分 ワイヤレススピーカ 受信パルス列 フィードバック成分
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2012年4月19日)のものです。
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図面 (18)

課題

電力伝送中に通信が行われている場合でも安定した無線電力伝送を維持する。

解決手段

送電装置50は、電力無線伝送する無線電力伝送システムにおいて用いられる。送電装置50は、電力を送出する電力伝送部51と、受電装置60との間で電力の伝送を制御するための情報を通信する通信部52と、通信部52が通信を行うとき、電力伝送部51が送出する電力を大きくするように、電力伝送部51を制御する制御部53とを備えている。

概要

背景

従来のオーディオ装置では、オーディオ信号を生成するオーディオ信号ソースと、電気信号であるオーディオ信号を空気の振動に変換し、音波として再生するスピーカとは、ケーブルで接続されており、オーディオ信号は、ケーブルを介してスピーカまで伝達される。しかし、オーディオ装置の設置環境や利便性見た目など、さまざまな理由から、オーディオ信号ソースとスピーカとを接続するケーブルをなくすことが望ましいこともある。このような要求にこたえるため、オーディオ信号ソースが発生するオーディオ信号を、無線通信を用いてワイヤレスでスピーカに伝送するワイヤレススピーカ装置がある。

図17は、ワイヤレススピーカ装置の一般的な構成を示す図である。ワイヤレススピーカ装置1は、送信機10と受信機20とを備える。送信機10は、コンセントまたはバッテリから電力を受け取る電源部14と、オーディオ信号ソース11と、無線変調部12と、送信アンテナ13とを備えている。送信機10が備える無線変調部12は、無線通信に使う周波数の搬送波を発生し、その搬送波をオーディオ信号ソース11が発生するオーディオ信号で変調する。送信機10は、オーディオ信号で変調された搬送波を、送信アンテナ13を介して受信機20へ送信する。

受信機20は、電源部25と、無線復調部22と、オーディオ信号増幅部23と、スピーカ24とを備えている。受信機20は、まず、受信アンテナ21で受信した無線信号を無線復調部22で検波・復調することにより、オーディオ信号を取り出す。そして、取り出したオーディオ信号をオーディオ信号増幅部23でスピーカ24を駆動するのに十分な電圧にまで増幅した後、スピーカ24に入力する。

このようなワイヤレススピーカ装置を用いることにより、オーディオ信号ソースとスピーカとを接続するケーブルをなくすことが可能となる。その結果、オーディオ装置の設置自由度が向上し、見た目も良くなる。

しかし、図17に示すように、ワイヤレススピーカ装置1の受信機20には、受信信号の検波および復調を行う無線復調部22、および復調したオーディオ信号を増幅するためのオーディオ信号増幅部23に電力を供給するために、電源部25が必要となる。そのため、受信機20を交流電源に接続するか、あるいは受信機20にバッテリを内蔵させる必要がある。受信機20を交流電源に接続する場合は、壁のコンセントと受信機とを接続する電源ケーブルが必要となり、オーディオ装置の設置自由度が低下し、見た目も悪くなる。また、バッテリを内蔵させる場合は、バッテリが消耗する都度、バッテリを交換または充電しなければならないという問題がある。

このような問題を解決する技術として、電力およびオーディオ信号を無線で伝送する装置が、例えば特許文献1および特許文献2に開示されている。

特許文献1に開示された送信機は、伝送するオーディオ信号の一部を整流して送信機内の無線変調部に電力として供給し、無線変調部が生成した搬送波を、残りのオーディオ信号で変調する。また、受信機は、受信した無線信号を検出および復調する無線復調部に、検波・復調により得られた信号電圧の一部を電力として供給することによって無線復調部を駆動する。このような構成により、送信機から出力されたオーディオ信号を、ケーブルを用いずに受信機に伝送することができる。

また、特許文献2に開示されているワイヤレススピーカ装置は、送信機が備える送信アンテナからオーディオ信号により振幅変調された搬送波を、後述する磁気共鳴型共振磁界結合型)の方式で伝送する。受信機は、受信アンテナに発生する交流電圧より、静電型スピーカを駆動する交流電圧および直流電圧を得る。このような構成により、バッテリなどの電源が不要なワイヤレススピーカ装置を提供することができる。

無線で電力を伝送する試みは、上記のワイヤレススピーカのみならず、様々な電気機器で行われている。例えば、電動シェーバーや電動歯ブラシなどの用途において、電磁誘導原理を用いた無線電力伝送方式(以下、「電磁誘導方式」)を採用した製品商品化されている。電磁誘導方式による無線電力伝送は、例えば特許文献3に開示されている。

また、電磁誘導方式よりも伝送距離を伸ばすことが可能であり、送電機器および受電機器の設置位置の自由度をさらに高めることが可能な方式として、電磁界共振現象を用いた無線電力伝送方式が知られている。磁気共鳴方式または共振磁界結合方式等と呼ばれるこの方式は、現在、研究、開発が進められており、無線電力伝送の適用範囲の更なる拡大が見込まれている。磁気共鳴方式による無線電力伝送は、例えば特許文献4に詳しく開示されている。

磁気共鳴方式では、送電機器および受電機器は、ともに共振器を備えている。送電機器の共振器(送電側共振器)の共振周波数と受電機器の共振器(受電側共振器)の共振周波数とは、互いに一致するように設定されている。これにより、共振現象を利用して送電側共振器から受電側共振器へ電力が伝送される。

無線電力伝送の効率は、一般に送電側共振器および受電側共振器の間の結合係数kと共振器のQ値(Quality Factor)との積であるkQに比例する。磁気共鳴方式では、一般にQ値が数千のオーダの共振器が用いられる。これにより、結合係数kが小さい場合、例えば、送電機器と受電機器との間の距離が長い場合や、送電側および受電側共振器のコイルの軸が互いにずれている場合であっても、比較的高い電力伝送効率を維持することができる。

概要

電力伝送中に通信が行われている場合でも安定した無線電力伝送を維持する。送電装置50は、電力を無線で伝送する無線電力伝送システムにおいて用いられる。送電装置50は、電力を送出する電力伝送部51と、受電装置60との間で電力の伝送を制御するための情報を通信する通信部52と、通信部52が通信を行うとき、電力伝送部51が送出する電力を大きくするように、電力伝送部51を制御する制御部53とを備えている。

目的

このような構成により、バッテリなどの電源が不要なワイヤレススピーカ装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
1件

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請求項1

送電装置から受電装置電力無線伝送する無線電力伝送システムにおいて用いられる送電装置であって、電力を送出する電力伝送部と、前記受電装置との間で電力の伝送を制御するための情報を通信する通信部と、前記通信部が通信を行うとき、送出する電力を前記通信部が通信を行わないときよりも大きくするように前記電力伝送部を制御する制御部と、を備える送電装置。

請求項2

前記電力伝送部は、伝送すべき電力をパルス列に変換してから送出し、前記制御部は、前記通信部が通信を行うとき、前記パルス列のパルス幅およびパルス振幅の少なくとも一方を、前記通信部が通信を行わないときよりも大きくするように前記電力伝送部を制御する、請求項1に記載の送電装置。

請求項3

前記制御部は、前記通信部が通信を行うとき、前記パルス列のパルス振幅を、前記通信部が通信を行わないときよりも大きくするように前記電力伝送部を制御する、請求項2に記載の送電装置。

請求項4

前記制御部は、前記通信部が通信を行うとき、前記パルス列のパルス幅を、前記通信部が通信を行わないときよりも広くするように前記電力伝送部を制御する、請求項2に記載の送電装置。

請求項5

前記通信部は、前記受電装置に要求信号を送信することによって前記受電装置と通信を開始し、前記制御部は、前記通信部が前記要求信号を送信するとき、前記パルス列のパルス幅を広くするように指示する信号を、前記電力伝送部に送出する、請求項4に記載の送電装置。

請求項6

前記電力伝送部は、パルス幅変調によって前記パルス列を生成する、請求項4または5に記載の送電装置。

請求項7

前記電力伝送部は、伝送すべき電力の波形三角波とを比較することによってパルス幅変調された前記パルス列を生成し、前記制御部は、前記通信部が通信を行っているか否かによって、前記三角波の振幅または周期を変化させるように前記電力伝送部を制御する、請求項6に記載の送電装置。

請求項8

前記制御部は、前記通信部が通信を行っているときは、前記三角波の振幅を相対的に小さくし、前記通信部が通信を行っていないときは、前記三角波の振幅を相対的に大きくするように、前記電力伝送部に指示する、請求項6に記載の送電装置。

請求項9

前記制御部は、前記通信部が通信を行っているときは、前記三角波の周期を相対的に長くし、前記通信部が通信を行っていないときは、前記三角波の周期を相対的に短くするように、前記電力伝送部に指示する、請求項6に記載の送電装置。

請求項10

信号を出力する信号源をさらに備え、前記電力伝送部は、前記信号源から出力された前記信号をパルス幅変調することによって、前記パルス列を生成する、請求項2から9のいずれかに記載の送電装置。

請求項11

前記信号はオーディオ信号である、請求項10に記載の送電装置。

請求項12

前記電力伝送部は、パルス幅変調によって前記パルス列を出力するパルス幅変調部と、前記パルス幅変調部から出力された前記パルス列に基づいて高周波電力を生成する発振部と、前記発振部によって生成された前記高周波電力を送出するための送電共振器と、を備え、前記制御部は、前記パルス幅変調部に制御信号を送ることによって前記電力伝送部を制御する、請求項2から11のいずれかに記載の送電装置。

請求項13

送電装置と受電装置とを備えた無線電力伝送システムであって、前記送電装置は、電力を送出する電力伝送部と、前記受電装置との間で電力の伝送を制御するための情報を通信する送電側通信部と、前記送電側通信部が通信を行うとき、送出する電力を前記通信部が通信を行わないときよりも大きくするように前記電力伝送部を制御する制御部と、を有し、前記受電装置は、前記電力伝送部によって送出された前記電力を受け取る受電部と、前記送電側通信部と通信する受電側通信部と、を有している、無線電力伝送システム。

請求項14

前記電力伝送部は、伝送すべき電力をパルス列に変換してから送出し、前記制御部は、前記通信部が通信を行うとき、前記パルス列のパルス幅およびパルス振幅の少なくとも一方を、前記通信部が通信を行わないときよりも大きくするように前記電力伝送部を制御する、請求項13に記載の無線電力伝送システム。

請求項15

前記送電装置は、信号を出力する信号源をさらに有し、前記電力伝送部は、前記信号源から出力された前記信号をパルス幅変調することによって、前記パルス列を生成し、前記受電装置は、前記受電部が受け取った前記電力から、前記信号を再生する、請求項14に記載の無線電力伝送システム。

技術分野

0001

本発明は、電力無線伝送する送電装置および無線電力伝送システムに関する。

背景技術

0002

従来のオーディオ装置では、オーディオ信号を生成するオーディオ信号ソースと、電気信号であるオーディオ信号を空気の振動に変換し、音波として再生するスピーカとは、ケーブルで接続されており、オーディオ信号は、ケーブルを介してスピーカまで伝達される。しかし、オーディオ装置の設置環境や利便性見た目など、さまざまな理由から、オーディオ信号ソースとスピーカとを接続するケーブルをなくすことが望ましいこともある。このような要求にこたえるため、オーディオ信号ソースが発生するオーディオ信号を、無線通信を用いてワイヤレスでスピーカに伝送するワイヤレススピーカ装置がある。

0003

図17は、ワイヤレススピーカ装置の一般的な構成を示す図である。ワイヤレススピーカ装置1は、送信機10と受信機20とを備える。送信機10は、コンセントまたはバッテリから電力を受け取る電源部14と、オーディオ信号ソース11と、無線変調部12と、送信アンテナ13とを備えている。送信機10が備える無線変調部12は、無線通信に使う周波数の搬送波を発生し、その搬送波をオーディオ信号ソース11が発生するオーディオ信号で変調する。送信機10は、オーディオ信号で変調された搬送波を、送信アンテナ13を介して受信機20へ送信する。

0004

受信機20は、電源部25と、無線復調部22と、オーディオ信号増幅部23と、スピーカ24とを備えている。受信機20は、まず、受信アンテナ21で受信した無線信号を無線復調部22で検波・復調することにより、オーディオ信号を取り出す。そして、取り出したオーディオ信号をオーディオ信号増幅部23でスピーカ24を駆動するのに十分な電圧にまで増幅した後、スピーカ24に入力する。

0005

このようなワイヤレススピーカ装置を用いることにより、オーディオ信号ソースとスピーカとを接続するケーブルをなくすことが可能となる。その結果、オーディオ装置の設置自由度が向上し、見た目も良くなる。

0006

しかし、図17に示すように、ワイヤレススピーカ装置1の受信機20には、受信信号の検波および復調を行う無線復調部22、および復調したオーディオ信号を増幅するためのオーディオ信号増幅部23に電力を供給するために、電源部25が必要となる。そのため、受信機20を交流電源に接続するか、あるいは受信機20にバッテリを内蔵させる必要がある。受信機20を交流電源に接続する場合は、壁のコンセントと受信機とを接続する電源ケーブルが必要となり、オーディオ装置の設置自由度が低下し、見た目も悪くなる。また、バッテリを内蔵させる場合は、バッテリが消耗する都度、バッテリを交換または充電しなければならないという問題がある。

0007

このような問題を解決する技術として、電力およびオーディオ信号を無線で伝送する装置が、例えば特許文献1および特許文献2に開示されている。

0008

特許文献1に開示された送信機は、伝送するオーディオ信号の一部を整流して送信機内の無線変調部に電力として供給し、無線変調部が生成した搬送波を、残りのオーディオ信号で変調する。また、受信機は、受信した無線信号を検出および復調する無線復調部に、検波・復調により得られた信号電圧の一部を電力として供給することによって無線復調部を駆動する。このような構成により、送信機から出力されたオーディオ信号を、ケーブルを用いずに受信機に伝送することができる。

0009

また、特許文献2に開示されているワイヤレススピーカ装置は、送信機が備える送信アンテナからオーディオ信号により振幅変調された搬送波を、後述する磁気共鳴型共振磁界結合型)の方式で伝送する。受信機は、受信アンテナに発生する交流電圧より、静電型スピーカを駆動する交流電圧および直流電圧を得る。このような構成により、バッテリなどの電源が不要なワイヤレススピーカ装置を提供することができる。

0010

無線で電力を伝送する試みは、上記のワイヤレススピーカのみならず、様々な電気機器で行われている。例えば、電動シェーバーや電動歯ブラシなどの用途において、電磁誘導原理を用いた無線電力伝送方式(以下、「電磁誘導方式」)を採用した製品商品化されている。電磁誘導方式による無線電力伝送は、例えば特許文献3に開示されている。

0011

また、電磁誘導方式よりも伝送距離を伸ばすことが可能であり、送電機器および受電機器の設置位置の自由度をさらに高めることが可能な方式として、電磁界共振現象を用いた無線電力伝送方式が知られている。磁気共鳴方式または共振磁界結合方式等と呼ばれるこの方式は、現在、研究、開発が進められており、無線電力伝送の適用範囲の更なる拡大が見込まれている。磁気共鳴方式による無線電力伝送は、例えば特許文献4に詳しく開示されている。

0012

磁気共鳴方式では、送電機器および受電機器は、ともに共振器を備えている。送電機器の共振器(送電側共振器)の共振周波数と受電機器の共振器(受電側共振器)の共振周波数とは、互いに一致するように設定されている。これにより、共振現象を利用して送電側共振器から受電側共振器へ電力が伝送される。

0013

無線電力伝送の効率は、一般に送電側共振器および受電側共振器の間の結合係数kと共振器のQ値(Quality Factor)との積であるkQに比例する。磁気共鳴方式では、一般にQ値が数千のオーダの共振器が用いられる。これにより、結合係数kが小さい場合、例えば、送電機器と受電機器との間の距離が長い場合や、送電側および受電側共振器のコイルの軸が互いにずれている場合であっても、比較的高い電力伝送効率を維持することができる。

先行技術

0014

特開2005−117664号公報
特開2009−153056号公報
特開2008−206233号公報
米国特許出願公開第2010/0141042号明細書
米国特許出願公開第2010/0181961号明細書
米国特許出願公開第2010/0201310号明細書

発明が解決しようとする課題

0015

無線で電力を伝送する場合、受電機存在確認送受電機器間の認証、電力伝送の開始・終了の制御、負荷の変動や送受電機器間の距離の変化による電力伝送効率の変化の通知などを行うために、送電機と受電機とは、無線通信部を介して通信を行う必要がある。このような電力伝送の制御のための通信は、例えば特許文献3、5、6に開示されている。

0016

一例として、オーディオ信号を電力に重畳して伝送する無線電力伝送システムにおける電力伝送制御のための通信を考える。この場合、送電機は、電力伝送中に、受電機の状態を確認するための要求信号を無線通信部から送信する。受電機は、要求信号に対する応答を、受電機に備える無線通信部から送信する。このとき、受電機は、送電機から伝送された信号を受信し、応答信号を送信するために無線通信部を駆動する必要がある。そのため、送電機から伝送されたオーディオ信号の一部は、直流電力に変換され、無線通信部に電力として供給される。その結果、スピーカへ供給される電力は、無線通信部を駆動しない場合に比べて減少する。すなわち、要求信号の受信の有無によって、スピーカから再生されるオーディオ信号の音量が変化してしまうという課題がある。

0017

この課題は、スピーカへオーディオ信号を伝送する無線電力伝送システムに限らず、他の無線電力伝送システムにおいても同様に発生し得る。例えば、テレビ受像機リモコン等に搭載された液晶表示部に本体から無線で電力および番組情報が伝送されるようなシステムにおいても、送電機器と受電機器との間で通信が行われ得る。このようなシステムにおいて、通信が行われている間は伝送される電力が減少するため、液晶表示部の輝度が低下する等の問題が生じ得る。あるいは、音声映像等の情報を伝送せず、電力だけを伝送するシステムにおいても、送電機と受電機との間で伝送制御のための通信が行われると、安定した電力伝送が維持できないという問題が生じ得る。

0018

本発明は、以上の課題に対し、送電機器と受電機器との間で通信が行われる場合でも、安定した無線電力伝送を維持することを目的とする。

課題を解決するための手段

0019

本発明による送電装置は、送電装置から受電装置へ電力を無線で伝送する無線電力伝送システムにおいて用いられる。送電装置は、電力を送出する電力伝送部と、前記受電装置との間で電力の伝送を制御するための情報を通信する通信部と、前記通信部が通信を行うとき、送出する電力を前記通信部が通信を行わないときよりも大きくするように前記電力伝送部を制御する制御部と、を備える。

0020

ある実施形態において、前記電力伝送部は、伝送すべき電力をパルス列に変換してから送出し、前記制御部は、前記通信部が通信を行うとき、前記パルス列のパルス幅およびパルス振幅の少なくとも一方を、前記通信部が通信を行わないときよりも大きくするように前記電力伝送部を制御する。

0021

ある実施形態において、前記制御部は、前記通信部が通信を行うとき、前記パルス列のパルス振幅を、前記通信部が通信を行わないときよりも大きくするように前記電力伝送部を制御する。

0022

ある実施形態において、前記制御部は、前記通信部が通信を行うとき、前記パルス列のパルス幅を、前記通信部が通信を行わないときよりも広くするように前記電力伝送部を制御する。

0023

ある実施形態において、前記通信部は、前記受電装置に要求信号を送信することによって前記受電装置と通信を開始し、前記制御部は、前記通信部が前記要求信号を送信するとき、前記パルス列のパルス幅を広くするように指示する信号を、前記電力伝送部に送出する。

0024

ある実施形態において、前記電力伝送部は、パルス幅変調によって前記パルス列を生成する。

0025

ある実施形態において、前記電力伝送部は、伝送すべき電力の波形三角波とを比較することによってパルス幅変調された前記パルス列を生成し、前記制御部は、前記通信部が通信を行っているか否かによって、前記三角波の振幅または周期を変化させるように前記電力伝送部を制御する。

0026

ある実施形態において、前記制御部は、前記通信部が通信を行っているときは、前記三角波の振幅を相対的に小さくし、前記通信部が通信を行っていないときは、前記三角波の振幅を相対的に大きくするように、前記電力伝送部に指示する。

0027

ある実施形態において、前記制御部は、前記通信部が通信を行っているときは、前記三角波の周期を相対的に長くし、前記通信部が通信を行っていないときは、前記三角波の周期を相対的に短くするように、前記電力伝送部に指示する。

0028

ある実施形態において、送電装置は、信号を出力する信号源をさらに備え、前記電力伝送部は、前記信号源から出力された前記信号をパルス幅変調することによって、前記パルス列を生成する。

0029

ある実施形態において、前記信号はオーディオ信号である。

0030

ある実施形態において、前記電力伝送部は、パルス幅変調によって前記パルス列を出力するパルス幅変調部と、前記パルス幅変調部から出力された前記パルス列に基づいて高周波電力を生成する発振部と、前記発振部によって生成された前記高周波電力を送出するための送電共振器とを備える。前記制御部は、前記パルス幅変調部に制御信号を送ることによって前記電力伝送部を制御する。

0031

本発明による無線電力伝送システムは、送電装置と受電装置とを備えている。前記送電装置は、電力を送出する電力伝送部と、前記受電装置との間で電力の伝送を制御するための情報を通信する送電側通信部と、前記送電側通信部が通信を行うとき、送出する電力を前記通信部が通信を行わないときよりも大きくするように前記電力伝送部を制御する制御部とを有する。前記受電装置は、前記電力伝送部によって送出された前記電力を受け取る受電部と、前記送電側通信部と通信する受電側通信部とを有する。

0032

ある実施形態において、前記電力伝送部は、伝送すべき電力をパルス列に変換してから送出し、前記制御部は、前記通信部が通信を行うとき、前記パルス列のパルス幅およびパルス振幅の少なくとも一方を、前記通信部が通信を行わないときよりも大きくするように前記電力伝送部を制御する。

0033

ある実施形態において、前記送電装置は、信号を出力する信号源をさらに有し、前記電力伝送部は、前記信号源から出力された前記信号をパルス幅変調することによって、前記パルス列を生成し、前記受電装置は、前記受電部が受け取った前記電力から、前記信号を再生する。

発明の効果

0034

本発明によれば、電力伝送中に通信が行われている場合でも、安定した無線電力伝送を維持することが可能となる。

図面の簡単な説明

0035

本発明の実施形態における無線電力伝送システムの基本構成を示す図である。
実施形態1における無線電力伝送システム2の構成図である。
パルス幅変調部102における第1のパルス幅変調処理の例を示す図である。
パルス幅変調部102における第2のパルス幅変調処理の例を示す図である。
第1および第2のパルス幅変調処理における、LPF204の入力信号および出力信号の例を示す図である。
第1のパルス幅変調処理および第2のパルス幅変調処理における、三角波の振幅とパルス幅との関係を示す図である。
ディジタルオーディオ信号をパルス幅変調するパルス幅変調部102aの構成例を示す図である。
パルス幅変調部102aが行う処理を説明するための図である。
実施形態2における無線電力伝送システム3の構成図である。
パルス幅変調部302における第3のパルス幅変調処理の例を示す図である。
パルス幅変調部302における第4のパルス幅変調処理の例を示す図である。
第3のパルス幅変調処理および第4のパルス幅変調処理における、ノコギリ波の振幅とパルス幅との関係を示す図である。
実施形態2の変形例における無線電力伝送システム3´の構成図である。
実施形態3における無線電力伝送システム4の構成図である。
第5のパルス幅変調処理および第6のパルス幅変調処理における、三角波の振幅とパルス幅との関係を示す図である。
実施形態4における無線電力伝送システム5の構成図である。
従来のワイヤレススピーカ装置の一般的な構成を示す図である。

実施例

0036

本発明の好ましい実施形態を説明する前に、まず、本発明の実施形態における基本構成を説明する。

0037

図1は、本発明の実施形態における無線電力伝送システムの基本構成を示すブロック図である。無線電力伝送システムは、送電装置50と受電装置60とを備え、無線で電力を伝送することができる。無線電力伝送システムは、電力伝送中に、電力伝送を制御するための情報の通信を無線で行う。これにより、受電装置60の存在確認や送受電装置間の認証、電力伝送の開始・終了の制御、負荷の変動や送受電装置間の距離の変化による電力伝送効率の変化の通知などを行うことが可能である。

0038

送電装置50は、電力を空間に送出する電力伝送部51と、受電装置60との間で通信を行う送電側通信部52と、電力伝送部51の動作を制御する制御部53とを備えている。受動装置60は、電力伝送部51によって送出された電力の少なくとも一部を受け取る受電部61と、送電側通信部52との間で通信を行う受電側通信部62とを備えている。

0039

送電装置50における電力伝送部51は、伝送すべき電力を、例えばパルス列に変換し、当該パルス列に基づく電力を受電装置60に送出する。これにより、電力のみならず、信号を電力に重畳させて伝送することが可能である。例えば、オーディオ信号を電力に重畳させて伝送する場合、電力伝送部51は、外部のオーディオ信号源から出力されたオーディオ信号にパルス幅変調を施し、変調パルス列を出力する。

0040

制御部53は、送電側通信部52が通信を行っているとき、電力伝送部51が送出する電力を、通信を行っていないときよりも大きくするように、電力伝送部51を制御する。これにより、通信が行われているときに受電装置60に伝送される電力を、通信が行われていないときと比べて増加させることができる。このように制御する理由は、受電装置60に備えられている負荷で消費される電力の減少を補填するためである。

0041

送電装置50と受電装置60との間で通信が行われている間、受電側通信部62を駆動するために、受電部61が受け取った電力の一部が受電側通信部62に供給される。そのため、受電部61から負荷に供給される電力は減少する。したがって、上記制御が行われない場合、通信が発生する度に受電装置60の負荷に供給される電力が変化してしまい、安定動作を妨げることになる。

0042

そこで、本発明の実施形態では、制御部53を設け、通信中に電力伝送部51が送出する電力を大きくするように電力伝送部51を制御する。このような制御により、受電部61に伝送される電力が増加するため、負荷で消費される電力の減少を補填することができる。

0043

電力伝送部51が送出する電力を大きくする方法としては、例えば、伝送すべき電力をパルス列に変換し、当該パルス列のパルス幅およびパルス振幅の少なくとも一方を大きくすることによって実現され得る。この場合、電力はパルス列の波形の面積に比例するため、パルス幅および/またはパルス振幅を増加させることにより、伝送電力を増加させることができる。

0044

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態をより具体的に説明する。

0045

(実施形態1)
まず、本発明の第1の実施形態を説明する。

0046

図2は、本実施形態における無線電力伝送システム2の構成を示すブロック図である。無線電力伝送システム2は、送電機100と受電機200とを備えている。

0047

送電機100は、オーディオ信号ソース101、パルス幅変調部102、発振器103、共振器104、1次コイル105、制御部106、無線通信部107を有している。受電機200は、2次コイル201、共振器207、整流器202、検波器203、ローパスフィルタ(LPF)204、スピーカ205、無線通信部206を有している。なお、図2では図示されていないが、送電機100は、交流電源またはバッテリなどの直流電源、あるいは図示されていない他の無線電力伝送システムからの無線電力伝送により給電されている。本実施形態では、パルス幅変調部102、発振器103、共振器104、および1次コイル105が、図1に示す電力伝送部51に相当する。

0048

図2に示す無線電力伝送システム2は、パルス幅変調(Pulse Width Modulation:PWM)によってオーディオ信号を電力に重畳させて伝送する。パルス幅変調は、オーディオ信号の値をパルスの幅に変調して伝送する変調方式であり、2値振幅レベルでオーディオ信号を伝送できるという特徴がある。そのため、信号増幅の際に増幅器飽和領域を使用することができるので、回路の小型化・低消費電力化が可能となる。オーディオ信号を重畳した無線電力伝送において、オーディオ信号形式にパルス幅変調を用いることにより、歪の少ない高品質なオーディオ信号伝送を実現できる。

0049

また、無線電力伝送システム2は、受電機200に電力およびオーディオ信号を伝送する方式として、磁気共鳴型の電力伝送方式を使用する。磁気共鳴型の電力伝送方式によれば、高いQ値の共振器を用いることにより、結合係数kが小さい場合であっても高い効率の伝送が可能である。

0050

無線電力伝送システム2は、パルス幅変調されたオーディオ信号および電力を、1次コイル105と2次コイル201との間に発生する共振磁場の結合によって伝送する。また、受電機200の存在確認や送受電機間の認証、電力伝送の開始・終了の制御、負荷の変動や送受電機間の距離の変化による電力伝送効率の変化の通知などを行うために、無線通信部107、206を介した通信を行う。

0051

以下、送電機100および受電機200の各構成要素を説明する。まず、送電機100の各構成要素を説明する。

0052

オーディオ信号ソース101は、アナログまたはディジタルのオーディオ信号を発生させ、パルス幅変調部102に送出する回路である。オーディオ信号ソース101は、例えば不図示の記録媒体や、電波などの伝送媒体から取得した信号に基づき、オーディオ信号を生成する。

0053

パルス幅変調部102は、入力信号に対してパルス幅変調を行い、変調されたパルス列を出力する回路である。より具体的には、入力信号を所定の周期・振幅をもつ三角波と比較することにより、入力信号を、その値に応じて異なる幅をもつパルス列に変換して出力する。

0054

発振器103は、高周波発振回路であり、入力信号を高周波(例えば数MHz〜数十MHz)に変調する回路と、増幅回路とを有している。増幅回路は、例えばE級増幅回路であり、高周波に変調されたPWMパルストランジスタスイッチングすることにより、高周波に変調されたパルス列を、電力伝送に必要な電力にまで増幅する。なお、使用する増幅回路の種類は、E級増幅回路に限らず、トランジスタのスイッチング原理を利用するものであれば他の種類の増幅回路であってもよい。例えば、D級増幅回路やF級増幅回路など、一般にスイッチング増幅器飽和増幅器と呼ばれる回路を使用することができる。

0055

共振器104は、発振器103の出力周波数と同一の共振周波数をもつLC共振回路である。共振器104は、コイルと容量素子とを有している。コイルは、良好な導電率を有する銅や銀などの導電体から好適に形成され得る。容量素子には、例えばチップ形状リード形状を有する、あらゆるタイプの素子を利用できる。共振器104は、1次コイル105を用いて空間に共振周波数と同一の周波数の共振磁場を形成する。

0056

無線通信部107は、アンテナ107aを用いて受電機200と無線通信を行う回路である。無線通信部107は、受電機200に信号を送信するための送信回路と、受電機200の無線通信部206から送られてくる信号を受け取るための受信回路とを備えている。無線通信部107は、制御部106からの指示によって受電機200の無線通信部206に要求信号を送り、無線通信部206から応答信号を受け取る。この通信は、例えば、電力およびオーディオ信号の伝送開始時や伝送終了時、スピーカ205が移動した時、受電機200の負荷が変動した時などに行われ得る。

0057

制御部106は、パルス幅変調部102および無線通信部107を制御する回路である。制御部106は、無線通信が必要になると、無線通信部107に制御信号を送り、要求信号を送信させる。これと並行して、パルス幅変調部102にも制御信号を送り、伝送されるパルス列の幅を変化させる。制御部106の詳細な動作については、後述する。

0058

続いて、受電装置200の各構成要素を説明する。

0059

共振器207は、送電側の共振器104と同一の共振周波数をもつ共振回路である。共振器207は、2次コイル201を用いて、1次コイル105によって形成された共振磁場からエネルギを受け取る。これにより、無線で電力が伝送される。

0060

整流器202は、共振器207が受け取った電力を直流電力に変換し、検波器203および無線通信部206に供給する回路である。これにより、無線通信部206が駆動され、検波器203にオーディオ信号が重畳された電力が送られる。

0061

検波器203は、整流された電力を検波し、パルス列へ復調する回路である。LPF204は、入力された信号の高周波数帯域成分を除去する低域通過フィルタである。受信パルス列から高周波数帯域成分を取り除くことにより、オーディオ信号が生成される。生成されたオーディオ信号はスピーカ205から再生される。

0062

無線通信部206は、アンテナ206aを用いて送電機100と無線通信を行う回路である。無線通信部206は、送電機100に信号を送信するための送信回路と、送電機100の無線通信部107から送られてくる信号を受け取るための受信回路とを備えている。無線通信部206は、送電機100の無線通信部107から要求信号を受け取り、無線通信部107に応答信号を送る。

0063

以下、本実施形態における無線電力伝送システム2の動作を説明する。

0064

まず、送電機100と受電機200との間で無線による通信が行われていない場合における無線電力伝送システム2の動作を説明する。

0065

送電機100のオーディオ信号ソース101は、受電機200のスピーカ205で再生するオーディオ信号をパルス幅変調部102に出力する。パルス幅変調部102は、オーディオ信号ソース101によって入力されたオーディオ信号をパルス幅変調する。

0066

図3は、オーディオ信号ソース101から送られてくるオーディオ信号がアナログ信号の場合のパルス幅変調の例を示す図である。パルス幅変調では、入力されたオーディオ信号30は、周期が数マイクロ秒(周波数:数百kHz〜数MHz)、最大振幅がAtr1の三角波41と比較される。比較の結果、三角波41の値よりもオーディオ信号30の値の方が大きい期間のみ正の値をもつパルスが出力される。なお、比較は、オーディオ信号の入力がない場合やオーディオ信号の値が0の場合にデューティ比が50%のパルスが出力されるように行われる。

0067

また、オーディオ信号ソース101は、標本化周波数fs、量子化ビット数bqで表されるディジタルオーディオデータパルス符号変調PCM)信号)をパルス幅変調部102に出力するように構成されていてもよい。この場合、パルス幅変調部102は、PCM信号に対し、オーバーサンプリングノイズシェイピング(ΔΣ変調)などの信号処理を施した後、三角波との比較を行い、一定振幅のパルス列を出力する。なお、三角波を用いずにディジタル音声信号のレベルに応じてパルス幅を決定する構成を採用してもよい。そのような構成の詳細については、後述する。

0068

以下の説明では、上記のパルス幅変調処理を、「第1のパルス幅変調処理」と呼び、第1のパルス幅変調処理で用いた三角波を「第1の三角波」と呼ぶ。パルス幅変調部102は、オーディオ信号に第1のパルス幅変調処理を施すことによって得たパルス列を発振器103に送る。

0069

発振器103は、数MHz〜数十MHzの出力周波数で前記パルス列を振幅変調し、電力伝送に必要な電力にまで増幅処理を行う。発振器103は、増幅処理を行ったパルス列を共振器104に送る。

0070

共振器104は、発振器103の出力周波数と同一の共振周波数をもつLC共振器から構成されており、一次コイル105を使って共振磁場を用いて電力およびオーディオ信号で変調されたパルス列を同時に伝送する。

0071

受電機200は、2次コイル201を介して入力される共振磁場を、上記共振器104の共振周波数と同一の共振周波数をもつ共振器207で受信し、受信信号を発生する。

0072

整流器202は、正の値と負の値を取りうる交流信号である受信信号を整流し、正の値のみを取る受信信号に変換する。このとき得られる受信信号のパルス振幅をV1とする。整流器202で整流された受信信号は、無線通信部206および検波器203に送られる。

0073

検波器203は、整流された受信信号を検波し、受信パルス列へ復調する。検波器203は、受信パルス列をLPF204に送る。LPF204は、低域通過フィルタであり、入力された受信パルス列から高周波数帯域成分を取り除く。受信パルス列から高周波数帯域成分を取り除くことで、オーディオ信号が生成される。LPF204は、オーディオ信号をスピーカ205に送り、音を再生する。

0074

無線通信部206は、整流器202から送られてきた受信信号から直流電圧を生成して、回路を駆動するための電力を得る。無線通信部206は、送電機100の無線通信部107から送られる要求信号の有無を検出するためにキャリアセンスを継続して行う。

0075

次に、送電機100が、受電機200に対し無線通信部107を介して要求信号を送信する場合の無線電力伝送システム2の動作を説明する。

0076

要求信号の送信が行われている間も、オーディオ信号ソース101からオーディオ信号が出力されており、オーディオ信号は、上記の処理によって受電機200に伝送されている。

0077

送電機100における制御部106は、要求信号の送信が必要になったら、要求信号の送信を指示する信号(指示信号)をパルス幅変調部102および無線通信部107に送る。

0078

無線通信部107は、制御部106からの指示信号を受けると、要求信号を生成する。次に、無線通信部107は、要求信号に変調処理を行い、所定の周波数の無線信号に変換した後、無線通信部107に備えられているアンテナ107aから当該無線信号を送信する。

0079

パルス幅変調部102は、制御部106からの指示信号を受けると、パルス幅変調処理を第1のパルス幅変調処理から、比較のための三角波の振幅を小さくした第2のパルス幅変調処理に切り替える。

0080

図4は、第2のパルス幅変調処理の例を示す図である。図4に示すように、第2のパルス幅変調処理は、パルス幅変調部102に入力されたオーディオ信号30と、最大振幅Atr2の第2の三角波42との比較により、パルス列を生成する。すなわち、オーディオ信号30の値が第2の三角波42の値より大きい期間のみパルスを出力する。ここで、第1のパルス幅変調処理で用いられる第1の三角波の最大振幅Atr1と、第2のパルス幅変調処理で用いられる第2の三角波の最大振幅Atr2との関係は、以下の式1で表される。
Atr1 > Atr2 (式1)

0081

このように三角波42の振幅を設定することにより、入力されるオーディオ信号の値が同じであっても、出力されるパルス幅の変化量(ダイナミックレンジ)は、第1のパルス幅変調処理より第2のパルス幅変調処理の方が大きくなる。

0082

パルス幅変調部102は、第2のパルス幅変調処理によって得たパルス列を発振器103に送る。送電機100における以降の動作は、無線通信を行わない場合と同様であるため、説明を省略する。

0083

受電機200は、2次コイル201を介して入力される共振磁場を、共振器104と同一の共振周波数をもつ共振器207で受信し、受信信号を発生する。

0084

整流器202は、正の値と負の値を取りうる交流信号である受信信号を整流し、正の値のみを取る受信信号に変換する。このとき得られる受信信号のパルス振幅をV2とする。また、整流器202で整流された受信信号は、無線通信部206および検波器203に送られる。

0085

無線通信部206は、無線通信部107が送信した要求信号をキャリアセンスにより検出すると、受信回路を駆動し、要求信号の検波・復調・デコード処理を行う。次に無線通信部206は、要求信号に対する応答信号を生成する。その後、無線通信部206は、送信回路を駆動し、応答信号に変調処理を行い、所定の周波数の無線信号に変換した後、アンテナ206aから送信する。このとき、無線通信部206は、キャリアセンスを行っている状態に比べてより多くの電流を消費するため、無線通信部206のインピーダンスが低下する。その結果、送電機100から見た受電機200全体のインピーダンスも低下するため、整流器202で得られる受信信号のパルス振幅V2は、無線通信を行っていない場合の受信信号のパルス振幅V1より小さくなる。したがって、検波器203から出力される受信パルス列の各々の変調パルスの振幅も、無線通信が行われていない場合より小さくなる。

0086

振幅の小さくなった受信パルス列は、LPF204に入力され、オーディオ信号が生成される。このとき、送電機100のパルス幅変調部102は、第2のパルス幅変調処理を行っているため、受信パルス列の各々の変調パルスのパルス幅の変化量は大きくなっている。そのため、LFP204から出力されるオーディオ信号の振幅は、各々の変調パルスの振幅が小さくなっていても、無線通信が行われていない場合と同じになり、スピーカ205から再生される音の音量は変化しない。

0087

図5は、第1のパルス幅変調処理が行われている場合と、第2のパルス幅変調処理が行われている場合とで、LPF204から出力されるオーディオ信号のレベルが変わらないことを示す図である。低域通過フィルタであるLPF204は、積分器で構成されるため、図5(a)、(b)に示すように、入力される変調パルスの振幅が小さくなっていても、その分パルス幅を大きくすることによって、変調パルスの面積が一定になるようにしていれば、積分器の出力は同一になる。

0088

送電機100の無線通信部107は、要求信号に対する応答信号を受信したら、応答信号の内容を制御部106に送る。制御部106は、無線通信の終了を示す信号をパルス幅変調部102および無線通信部107に送る。パルス幅変調部102は、無線通信の終了を示す信号を受け取ったら、パルス幅変調処理を第2のパルス幅変調処理から、第1のパルス幅変調処理に切り替える。また、無線通信部107は、動作を停止するか、スリープモードなどの消費電力の少ない状態になる。

0089

なお、制御部106は、上記のように第2のパルス幅変調処理を行う期間の開始と終了とを指示する信号を出力するとしたが、このような態様に限るものではない。例えば、制御部106は、指示信号を第2のパルス幅変調処理を行う必要がある期間中継続して送信してもよい。この場合、パルス幅変調部102は制御部106からの指示信号を受信している期間のみ第2のパルス幅変調処理を実施し、受信していない期間は第1のパルス幅変調処理を実施するように動作する。

0090

次に、図6を参照しながら、第1のパルス幅変調処理で用いる第1の三角波の最大振幅Atr1と第2のパルス幅変調処理で用いる第2の三角波の最大振幅Atr2との関係を説明する。

0091

無線通信部206が無線通信を行っている間、無線通信部206は送受信回路の駆動、搬送波の発生などを行うため、無線通信を行っていないときよりも多くの電力を必要とする。その結果、無線通信が行われているときの無線通信部206のインピーダンスは、無線通信を行っていないときのインピーダンスよりも低くなり、無線通信部206に流れる電流ic2は、無線通信を行っていないときの電流ic1よりも多くなる。

0092

ここで、オーディオ信号の値がAaのときの、(a)無線通信を行っていない場合、(b)無線通信を行っている場合の変調パルスのパルス幅を、それぞれ第1のパルス幅Wp1、第2のパルス幅Wp2とする。(a)、(b)のいずれの場合においても、変調パルスの面積Spを同一にするためには、以下の式2を満足する必要がある。
Sp=V1×Wp1=V2×Wp2 (式2)
ここで、V1およびV2は、上記のように、それぞれ第1および第2のパルス幅変調処理によって生成されるパルスの振幅である。式2より、Wp2は、以下の式3で表される。
Wp2=(V1/V2)Wp1 (式3)

0093

図6は、この例におけるオーディオ信号30、第1の三角波41、および第2の三角波42の関係を示している。オーディオ信号の値がAaのときに、(a)の場合のパルス幅が第1のパルス幅Wp1、(b)の場合のパルス幅が第2のパルス幅Wp2になるための第1の三角波の最大振幅Atr1と、第2の三角波の最大振幅Atr2との関係は、以下のようにして求められる。なお、簡単のため、オーディオ信号の値Aaは、標本化区間(三角波の頂点と頂点との間)では一定であるとして計算を行う。

0094

まず、Aaの値をもつオーディオ信号を第1のパルス幅変調処理でパルス幅変調したときの第1のパルス幅Wp1を求める。標本化区間をWsとすると、第1のパルス幅Wp1は以下の計算によって求められる。

0095

ここで、原点をOとして、横軸をx軸、縦軸をy軸とする。原点Oからx軸方向にWs/2までの範囲において、第1の三角波41の傾きは2Atr1/(Ws/2)である。また、第1の三角波41のy軸切片は−Atr1である。したがって、原点Oからx軸方向にWs/2までの範囲において、第1の三角波は次の式4に示す一次方程式で表される。
y=2Atr1/(Ws/2)x−Atr1=(4Atr1/Ws)x−Atr1 (式4)

0096

ここで、xにWp1/2を、yにAaをそれぞれ代入すると、以下の式5が得られる。式5を変形することにより、式6に示すように、第1のパルス幅変調処理でパルス幅変調したときの第1のパルス幅Wp1が求められる。
Aa=(4Atr1/Ws)×Wp1/2−Atr1 (式5)
Wp1=Ws(Aa+Atr1)/2Atr1 (式6)

0097

同様に、第2のパルス幅変調処理でパルス幅変調したときの第2のパルス幅Wp2は、以下のようにして求められる。まず、xにWp2/2を、yにAaをそれぞれ代入すると、以下の式7が得られる。式7を変形することにより、式9に示すように、Wp2が求められる。
Aa=(4Atr2/Ws)×Wp2/2−Atr2 (式7)
Wp2=Ws(Aa+Atr2)/2Atr2 (式8)

0098

次に、式6、式8を式3に代入すると、以下の式9が得られる。
Ws(Aa+Atr2)/2Atr2=(V1/V2)×Ws(Aa+Atr1)/2Atr1 (式9)

0099

式9から、第1の三角波の最大振幅Atr1と、第2の三角波の最大振幅Atr2との関係が、以下の式10に示すように導かれる。
Atr2=Aa×Atr1/{(V−1)×Atr1+Aa×V} (式10)
ここで、VはV1/V2を表す。式10より、第2のパルス幅変調処理で用いられる第2の三角波の最大振幅Atr2は、パルス幅変調を行う時点のオーディオ信号の振幅Aaと、第1のパルス幅変調処理で用いられる第1の三角波の最大振幅Atr1と、無線通信を行っていないときの受信信号のパルス振幅V1および無線通信を行っているときの受信信号のパルス振幅V2の比Vとから求めることができる。

0100

ここで、無線通信を行っていない場合の受信信号のパルス振幅V1と、無線通信を行っている場合の受信信号のパルス振幅V2との比Vは、無線電力伝送システム2を設計する段階で予め計測しておくことが可能である。その値から式10を用いて第1のパルス幅変調処理で用いる第1の三角波の最大振幅Atr1と、第2のパルス幅変調処理で用いる第2の三角波の最大振幅Atr2とが求められる。このようにAtr1およびAtr2を設定することにより、無線通信の実施の有無によらずスピーカ205から再生される音の音量を一定に保つことができる。

0101

このように、本実施形態における無線電力伝送システム2は、送電機100の無線通信部107と受電機200の無線通信部206とが無線通信を行う期間のみ、パルス幅変調処理を切り替え、パルス幅変調部102により出力されるパルス列のパルス幅を増減させる。このようにすることで、無線通信の実施の有無により、受信装置200の整流器202から検波器203と無線通信部206とに分配される受信信号の分配比率を変化させることができる。これにより、検波器203に分配される受信信号のパルス振幅が変化しても、それを相殺するようにパルス幅を増減し、各々の変調パルスの面積を一定に保つことができる。その結果、スピーカ205から再生される音の音量を一定に保つことができる。

0102

また、無線電力伝送システム2は、送電機100に制御部106を備えることにより、パルス幅変調処理を切り替えてパルス幅変調部102により出力されるパルス列のパルス幅の変動量を変化させるタイミングと、無線通信部107から要求信号を送信するタイミングとを同期させることができる。この結果、送電機100から離れた位置にある受電機200における電力消費状態の変化に対応するための制御を、受電機200からのフィードバックなしに送電機100のみで実施することが可能である。

0103

なお、本実施形態における送電機100の無線通信部107および受電機200の無線通信部206は、電力伝送を行う周波数とは異なる周波数の搬送波を用いて無線通信を行うとしたが、このような構成に限るものではない。例えば、電力伝送を行う搬送波を用いて無線通信を行う構成であってもよい。この場合でも、無線通信が行われている期間、受電機200は要求信号の受信や応答信号を送信するための回路を駆動することにより、受信信号のパルス振幅を減少させ、スピーカ205から再生される音の音量を減少させる。よって、この場合でも、本実施形態におけるパルス幅変調処理を適用すれば、スピーカ205から再生される音の音量を一定に保つことができる。

0104

なお、本実施形態における無線電力伝送システム2において、パルス幅変調部102は、制御部106からの無線通信の有無を示す信号に基づいて、第1のパルス幅変調処理と第2のパルス幅変調処理とを切り替えるが、必ずしもこのような構成である必要はない。パルス幅変調処理の切り替えは、二段階であることに限定されるものではなく、三段階以上のパルス幅変調処理を切り替える構成を採用してもよい。パルス幅変調処理を三段階以上切り換えることにより、パルス幅の増減量の変化を緩やかすることが可能となる。このような構成は、例えば無線通信部206の消費電流の変化に過渡応答がある場合などにスピーカ205から再生される音量の変化を抑えることができる。また、三角波の振幅を急激に変化させると、その変化点において、パルス幅変調部102により出力される変調パルスの正の値(High)の区間とゼロ(Low)の区間との割合が、オーディオ信号の値を正しく反映しない可能性がある。すなわち、雑音が発生する可能性がある。三角波の振幅を多段階に変化させることにより、そのような雑音を回避することができる。

0105

また、通常、無線通信部206は、受信処理を行っている場合の消費電力と、送信処理を行っている場合の消費電力とが異なる。このため、パルス幅変調処理を三段階以上にすることにより、送電機100は、例えば無線通信部206が、(1)キャリアセンスを行っているとき、(2)要求信号の受信処理を行っているとき、(3)応答信号の送信処理を行っているときで、それぞれ異なるパルス幅のパルス列を送信することができる。

0106

なお、本実施形態における無線電力伝送システム2は、磁気共鳴型の電力伝送方式を用いるが、この方式に限るものではなく、例えば電界結合型、電磁誘導型電磁波型、二次元通信型などの電力伝送方式を採用してもよい。これらの電力伝送方式であっても、受電機200の無線通信部206に給電する電力に変化があれば、スピーカ205へ供給される電力は変化する。よって、本実施形態における制御を適用することにより、スピーカ205から再生される音の音量を一定に保つようにすることができる。

0107

以上の説明では、オーディオ信号ソース101がアナログ信号を出力する場合を想定した。オーディオ信号ソース101は、上述のように、ディジタル信号であってもよい。また、三角波を用いた比較を行わずにパルス幅を決定することも可能である。以下、オーディオ信号ソース101がディジタルオーディオ信号を出力する場合において、三角波を用いずにディジタル音声信号のレベルに応じてパルス幅を決定する構成例を説明する。

0108

図7は、ディジタルオーディオ信号のパルス幅変調を行うパルス幅変調部102aの内部構成例を示すブロック図である。図7に示すように、パルス幅変調部102aは、オーバーサンプリング部1020と、ΔΣ変調部1024と、パルス出力部1029とを備えている。オーバーサンプリング部1020は、ゼロ挿入部1021と、補完フィルタ部1022と、前値ホールド部1023とを有している。なお、前値ホールド部1023は設けられていなくてもよい。ΔΣ変調部1024は、再量子化部1025と、パルス幅計算部1026と、遅延部1027と、乗算部1028とを有している。

0109

ここで、ディジタルオーディオ信号は、標本化周波数fs=48kHz、量子化ビット数bq=16ビットのPCM信号であり、16倍のオーバーサンプリングおよび1次のデルタシグマ変調が行われた後、パルス幅変調が行われる場合を想定する。PCM信号は、まずオーバーサンプリング部1020におけるゼロ挿入部1021に入力される。

0110

図8は、オーバーサンプリング部1020による処理を説明するための図である。図8(a)は、ゼロ挿入部1021に入力されたPCM信号の例を示している。ここで、標本化周波数fsが48kHzであるため、PCM信号の標本化周期は、1/fs≒20.8μsecである。

0111

ゼロ挿入部1021は、図8(b)に示すように、PCM信号が入力されると、次のPCM信号が入力されるまでの間に、15個の0の値のPCMデータを挿入する(ゼロ挿入処理)。ゼロ挿入部1021は、ゼロ挿入処理を行った後のPCM信号を、補間フィルタ部1022に送る。補間フィルタ部1022は、ゼロ挿入されたPCM信号に対して補間フィルタ(または、インターポレーションフィルタ、低域通過フィルタ)処理を行う。その結果、図8(c)に示すように、ゼロ挿入したサンプル点に0ではない値が現れ、2つの48kHzのPCM信号のサンプル点が、768kHz(=48kHz×16)のサンプル点で補間される。前値ホールド部1023が設けられている場合、補間フィルタ部1022は、補間後のPCM信号を、前値ホールド部1023に送る。前値ホールド部1023が設けられていない場合、補間フィルタ部1022は、補間後のPCM信号を、ΔΣ変調部1024における再量子化部1025に送る。

0112

前値ホールド部1023は、補間後のPCM信号に対して前値ホールド処理を施す。前値ホールド処理を施すことにより、サンプリング周波数をさらに増加させることができる。例えば、ゼロ挿入部1021で8倍、前値ホールド部1023で4倍のオーバーサンプルをするといったように、オーバーサンプリング処理を分割することができる。その結果、補間フィルタ部1022の設計条件緩和されるといったメリットがある。

0113

ΔΣ変調部1024は、オーバーサンプリングされたPCM信号に対し、ΔΣ変調によるノイズシェイピングを行う。ノイズシェイピングとは、PCM信号の振幅レベル数Na(=2bq−1)が、パルス幅の分解能Npより大きい場合に生じる白色の(周波数依存性のない)再量子化雑音を、有色化して可聴周波数帯域外に集中させるための処理である。ここで、パルス幅の分解能Npは、パルス幅変調処理を行うプロセッサ(LSI、DSP、FPGA等)の処理能力に依存する数値である。

0114

ΔΣ変調部1024における再量子化部1025は、オーバーサンプリング部1020から入力されたPCM信号の再量子化を行う。具体的には、振幅レベル数Naで量子化されているPCM信号を、パルス幅分解能NpのPCM値に量子化する(Na>Np)。再量子化部1025は、再量子化したPCM信号をパルス幅計算部1026に送る。パルス幅計算部1026は、再量子化部1025から送られてきた再量子化されたPCM信号と、乗算部1028から出力されるフィードバック成分との加算(減算)処理を行い、出力するパルスの幅を決定する。パルス幅計算部1026は、計算したパルス幅を、遅延部1027およびパルス出力部1029に送る。

0115

遅延部1027は、パルス幅計算部1026の出力パルス幅を1パルス分遅延させ、遅延したパルス値を乗算部1028に送る。乗算部1028は、遅延部1027によって遅延したパルス幅に対し、所定の係数を乗算してパルス幅計算部1026に出力する。

0116

なお、遅延部1027がパルス幅計算部1026の出力パルス幅を1パルス分遅延させる構成は、一次のデルタシグマ変調を用いる場合の例である。例えばN次のデルタシグマ変調を用いる場合、遅延部1027は、1パルス分、2パルス分、・・・Nパルス分のパルス幅だけそれぞれ遅延させ、遅延した各パルス値を乗算部1028に入力するように構成される。

0117

パルス出力部1029は、パルス幅計算部1026から送られてきたパルス幅をもつパルスを、発振器103に出力する。なお、このとき出力されるパルスの振幅は一定である。

0118

次に、ディジタルオーディオ信号および電力の伝送中に無線通信が行われたときのパルス幅補正処理を説明する。

0119

ディジタルオーディオ信号のパルス幅補正は、ディジタル演算処理によって行われる。ここで、補正前のパルス幅をWpd1、補正後のパルス幅をWpd2とする。また、受電機200における無線通信部206が動作しているときのパルス振幅をAd1、無線通信部206が動作していないときのパルス振幅をAd2とし、パルス振幅変化度MaをMa=Ad1/Ad2(≦1.0)で定義する。そして、パルス幅変調の変調度をMt(≦1.0)とする。変調度は、PCM信号の値が最大値をとるときのパルスのデューティ比に相当する。例えば、Mt=1.0の場合は、PCM値が最大値のとき、デューティ比は100%となる。また、Mt=0.5の場合は、デューティ比は50%となる。さらに、デューティ比が100%のときの三角波の振幅レベルをTとする。

0120

このとき、Wpd2は、例えば次の式11に示す値に設定すればよい。



または、次の式12のように設定してもよい。

0121

式11または式12を満たすようにパルス幅変調を制御することにより、アナログオーディオデータを伝送する場合と同様、受電機200側で消費される電力を一定に保つことが可能となる。

0122

(実施形態2)
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。

0123

実施形態1の無線電力伝送システム2は、電力にオーディオ信号を重畳して伝送し、スピーカ205から音を再生する。これに対し、本実施形態の無線電力伝送システムは、オーディオ信号は伝送せず、電力のみを伝送し、受電側の負荷装置に給電を行う。以下、電力のみの伝送を行う無線電力伝送システムの構成を、図面を参照しながら説明する。なお、すでに説明した構成要素については同じ番号で表し、説明を省略する。

0124

図9は、本実施形態の無線電力伝送システム3の構成を示す図である。無線電力伝送システム3は、送電機300と受電機400とを備えている。送電機300は、電力源301、パルス幅変調部302、発振器103、共振器104、1次コイル105、制御部106、無線通信部107を有している。受電機400は、2次コイル201、共振器207、整流器202、LPF204、負荷装置405、無線通信部206を有している。本実施形態と実施形態1との差異は、電力源301、パルス幅変調部302、および負荷装置405にあり、他の要素は実施形態1のものと同一である。

0125

本実施形態の無線電力伝送システム3は、パルス幅変調された電力を、1次コイル105と2次コイル201との間に発生する共振磁場の結合によって伝送する。また、受電機400の存在確認や送受電機間の認証、電力伝送の開始・終了の制御、負荷の変動や送受電機間の距離の変化による電力伝送効率の変化の通知などを行うために、無線通信部107、206を介した通信を行う。

0126

以下、本実施形態における無線電力伝送システム3の動作を説明する。

0127

まず、送電機300の無線通信部107と受電機400の無線通信部206とが無線通信を行っていないときの無線電力伝送システム3の動作を説明する。

0128

送電機300の電力源301は、ACコンセントなどの交流電源から変換して得た直流電圧、またはACアダプタ、バッテリなどの直流電源から得た直流電圧をパルス幅変調部302に出力する。パルス幅変調部302は、電力源301によって入力された直流電圧をパルス幅変調する。

0129

図10は、電力源301から送られてくる直流電圧に対して行われるパルス幅変調の例を示す図である。パルス幅変調部302は、図10(a)に示すように、電力源301から入力された電圧レベルVDCINの直流電圧にスイッチング処理を施す。その結果、図10(b)に示すように、振幅VDCINおよび第3のパルス幅Wp3をもつパルスを、標本化時間Wsごとに出力する。ここで、スイッチング処理とは、標本化時間Wsごとに繰り返される振幅Atr3の第3の三角波と直流電圧とのレベル比較を行い、直流電圧のレベルが、第3の三角波のレベルより低い区間のみパルスを出力する処理を指す。なお、本実施形態における第3の三角波は、実施形態1における第1および第2の三角波とは異なり、ノコギリ波である。本明細書では、通常の三角波だけでなくノコギリ波も「三角波」に含まれるものとする。以下の説明では、このパルス幅変調処理を「第3のパルス幅変調処理」と呼ぶ。パルス幅変調部302は、パルス列を発振器103に送る。

0130

発振器103は、数Hz〜数GHzの間の任意の出力周波数で前記パルス列を振幅変調し、電力伝送に必要な電力まで増幅処理を行う。発振器103は、増幅処理を行ったパルス列を共振器104に送る。

0131

共振器104は、発振器103の出力周波数と同一の共振周波数をもつLC共振器から構成されており、一次コイル105を使って共振磁場を用いて電力を伝送する。

0132

受電機400は、2次コイル201を介して入力される共振磁場を、上記共振器104の共振周波数と同一の共振周波数の共振器207で受信し、受信信号を発生する。

0133

整流器202は、正の値と負の値を取りうる交流信号である受信信号を整流し、正の値のみを取る受信信号に変換する。このとき得られる受信信号のパルス振幅をV1とする。整流器202で整流された受信信号は、無線通信部206およびLPF204に送られる。

0134

LPF204は、低域通過フィルタであり、入力された受信パルス列から高周波数帯域成分を取り除き直流電圧を得る。負荷装置405は、LPF204で得られた直流電圧により駆動される。無線通信部206は、整流器202から送られてきた受信信号から直流電圧を生成して、回路を駆動する電力を得る。無線通信部206は、無線通信が行われていない場合は、送電機300の無線通信部107からの要求信号があるか否かの検出を行うため、キャリアセンスを継続して行う。

0135

無線電力伝送システム3は、送電機300で発生した直流電圧を、パルス幅変調したパルス列で受電機400に伝送する構成を有している。そのため、送電機300は、パルス幅変調時にパルス列のパルス幅を変更することにより、受電機400の負荷装置405の定格に沿った電力を受電機400に伝送することができる。

0136

次に、送電機300が、受電機400に対し無線通信部107を介して要求信号を送信する場合の無線電力伝送システム3の動作を説明する。

0137

送電機300における制御部106は、要求信号の送信が必要になったら、要求信号の送信を指示する信号をパルス幅変調部302および無線通信部107に送る。

0138

無線通信部107は、制御部106からの指示信号を受けると、要求信号を生成する。次に、無線通信部107は、要求信号に変調処理を行い、所定の周波数の無線信号に変換した後、無線通信部107に備えられているアンテナ107aから当該無線信号を送信する。

0139

パルス幅変調部302は、制御部106からの指示信号を受けると、パルス幅変調処理に用いる第3の三角波を、振幅がAtr4の第4の三角波に変更する。なお、第4の三角波も、通常の三角波ではなくノコギリ波である。以下、このパルス幅変調処理を「第4のパルス幅変調処理」と呼ぶ。その結果、出力するパルスのパルス幅は、第4のパルス幅Wp4に変更される。

0140

図11は、第4のパルス幅変調処理の例を示す図である。図11(a)は、電力源301から入力された電圧レベルVDCINの直流電圧と第4の三角波44とを示している。図11(b)は、パルス幅変調部302が出力するパルス列の一例を示している。第4のパルス幅変調処理で用いられる第4の三角波44の振幅Atr4が第3のパルス幅変調処理で用いる第3のノコギリ波43の振幅Atr3より小さくなるように設計すると、第4のパルス幅Wp4は、次の式13に示す関係を満たす。
Wp4 > Wp3 (式13)

0141

このようにすることにより、電力源301からパルス幅変調部302に入力される直流電圧の電圧レベルVDCINが同じであっても、出力されるパルス幅(第4のパルス幅Wp4)は、第3のパルス幅Wp3よりも大きくなる。すなわち、第4のパルス幅Wp4をもつパルス列をLPF204に通すことによって得られる直流電圧は、第3のパルス幅Wp3をもつパルス列をLPF204に通すことによって得られる直流電圧より高くなる。

0142

パルス幅変調部302は、第4のパルス幅Wp4をもつパルス列を発振器103に送る。以降の送電機300における動作は、無線通信を行わない場合と同様のため説明を省略する。

0143

受電機400は、2次コイル201を介して入力される共振磁場を、共振器104と同一の共振周波数をもつ共振器207で受信し、受信信号を発生する。

0144

整流器202は、正の値と負の値を取りうる交流信号である受信信号を整流し、正の値のみを取る受信信号に変換する。このとき得られる受信信号のパルス振幅をV2とする。また、整流器202で整流された受信信号は、無線通信部206およびLPF204に送られる。

0145

無線通信部206は、無線通信部107が送信した要求信号をキャリアセンスにより検出すると、受信回路を駆動し、要求信号の検波・復調・デコード処理を行う。次に、無線通信部206は、要求信号に対する応答信号を生成する。その後、無線通信部206は、送信回路を駆動し、応答信号に変調処理を行い、所定の周波数の無線信号に変換した後、アンテナ206aから当該無線信号を送信する。このとき、無線通信部206は、キャリアセンスを行っている状態に比べてより多くの電流を消費するため、無線通信部206のインピーダンスが低下する。その結果、送電機300から見た、受電機400全体のインピーダンスも低下するため、整流器202で得られる受信信号のパルス振幅V4は、無線通信を行っていない場合の受信信号のパルス振幅V3より小さくなる。したがって、LPF204へ入力される受信パルス列の各々の変調パルスのパルス振幅も、無線通信が行われていない場合のパルス振幅よりも小さくなる。

0146

振幅の小さくなった受信パルス列は、LPF204で直流電圧に変換される。このとき、送電機300のパルス幅変調部302は、第4のパルス幅Wp4のパルスを出力しているので、受信パルス列の各々の変調パルスのパルス幅は無線通信を行っていない場合に比べて大きくなっている。そのため、LPF204から出力される直流電圧は、LPF204に入力される受信パルス列の各々の変調パルスのパルス振幅が小さくなっていても、無線通信が行われていない場合と同じになり、負荷装置405に供給される電力に変化はない。これは、低域通過フィルタであるLPF204は、積分器で構成されるため、図5に示すように、入力される変調パルスの振幅が小さくなっていても、その分パルス幅を大きくすることによって、変調パルスの面積が一定になるようにしていれば、積分器の出力は同一になるからである。

0147

送電機300の無線通信部107は、要求信号に対する応答信号を受信したら、応答信号の内容を制御部106に送る。制御部106は、無線通信の終了を示す信号をパルス幅変調部302および無線通信部107に送る。パルス幅変調部302は、無線通信の終了を示す信号を受け取ると、出力するパルスのパルス幅を第3のパルス幅Wp3に切り替える。また、無線通信部107は、動作を停止するか、スリープモードなどの消費電力の少ない状態になる。

0148

なお、制御部106は、上記のように第4のパルス幅Wp4のパルスを出力する期間の開始と終了とを示す信号を出力するが、このような構成に限るものではない。例えば、制御部106は、第4のパルス幅Wp4のパルスを出力する必要がある期間中、継続して指示信号を送信してもよい。この場合、パルス幅変調部302は、制御部106からの指示信号を受信している期間のみ第4のパルス幅Wp4のパルス列を出力し、受信していない期間は第3のパルス幅Wp3のパルス列を出力するように動作する。

0149

次に、図12を参照しながら、第3のパルス幅変調処理で用いる第3の三角波43の最大振幅Atr3と第4のパルス幅変調処理で用いる第4の三角波44の最大振幅Atr4との関係を説明する。

0150

無線通信部206が無線通信を行っている間、無線通信部206は送受信回路の駆動、搬送波の発生などを行うため、無線通信を行っていないときよりも多くの電力を必要とする。その結果、無線通信が行われているときの無線通信部206のインピーダンスは、無線通信を行っていないときのインピーダンスよりも低くなり、無線通信部206に流れる電流ic2は、無線通信を行っていない場合の電流ic1より多くなる。

0151

ここで、直流電圧の値がVDCINのときの、(a)無線通信を行っていない場合、(b)無線通信を行っている場合の変調パルスのパルス幅を、それぞれ第3のパルス幅Wp3、第4のパルス幅Wp4とする。また、(a)、(b)の各場合における受信パルスの電圧レベルを、それぞれV3、V4とする。すると、(a)、(b)のいずれの場合においても、変調パルスの面積Spを同一にするためには、以下の式14を満足する必要がある。
Sp=V3×Wp3=V4×Wp4 (式14)
式14より、Wp4は、以下の式15で表される。
Wp4=(V3/V4)Wp3 (式15)

0152

図12は、この例における直流電圧35、第3の三角波43、および第4の三角波44の関係を示している。直流電圧の値がVDCINのときに、(a)の場合のパルス幅が第3のパルス幅Wp3、(b)の場合のパルス幅が第4のパルス幅Wp4になるための第3の三角波43の最大振幅Atr3と、第4の三角波44の最大振幅Atr4との関係は、以下のようにして求められる。

0153

まず、VDCINの値をもつ直流電圧を第3のパルス幅変調処理でパルス幅変調したときの第1のパルス幅Wp3を求める。標本化区間をWsとすると、以下の式16が成立する。よって、第3のパルス幅Wp3は以下の式17により求められる。
VDCIN=(Atr3/Ws)×Wp3 (式16)
Wp3=VDCIN×Ws/Atr3 (式17)
また、第4のパルス幅変調処理でパルス幅変調したときの直流電圧VDCINとパルス幅Wp4との関係は、以下の式18で表される。よって、第4のパルス幅Wp4は、以下の式19により求められる。
VDCIN=(Atr4/Ws)×Wp4 (式18)
Wp4=VDCIN×Ws/Atr4 (式19)
式17、式18を式15に代入すると、以下の式20が得られる。
VDCIN×Ws/Atr4=(V3/V4)×VDCIN×Ws/Atr3 (式20)
式20から第3の三角波の最大振幅Atr3と、第4の三角波の最大振幅Atr4との関係を導くと、以下の式21が得られる。
Atr4=(V4/V3)Atr3 (式21)

0154

式21より、第3のパルス幅変調処理で用いられる第3の三角波43の最大振幅Atr3と、第4のパルス幅変調処理で用いられる第4の三角波44の最大振幅Atr4との比は、無線通信が行われていない場合の受信信号のパルス振幅V3と、無線通信が行われている場合の受信信号のパルス振幅V4との比と等しくすればよいことがわかる。

0155

ここで、無線通信が行われていないときの受信信号のパルス振幅V3と、無線通信が行われているときの受信信号のパルス振幅V4との比は、無線電力伝送システム3を設計する段階で計測しておくことが可能である。その値から式21を用いて第4のパルス幅変調処理で用いられる第4のノコギリ波の最大振幅Atr4を求めることにより、負荷装置405に供給する電圧を一定に保つことができる。

0156

なお、本実施形態では、図10から図12に示すように、パルス幅変調処理にノコギリ波が用いられるが、このような構成に限るものではない。第3の三角波および第4の三角波として、通常の三角波を用いてパルス幅変調処理を行う構成でもよい。通常の三角波を用いる構成であっても、三角波の振幅とパルス幅との関係は、ノコギリ波を用いた場合の関係と同様であるため、負荷装置405に供給される電力を一定に保つという本実施形態の効果に変わりはない。

0157

以上のように、本実施形態における無線電力伝送システム3は、無線通信が行われている場合と、行われていない場合とで、パルス幅変調部302が出力するパルスの幅を変化させる。出力パルスの幅を、第3のパルス幅Wp3から第4のパルス幅Wp4に変化させることにより、無線通信が行われているときに受電機400の無線通信部206で多くの電力が消費されたとしても、負荷装置405に供給する電力を一定に保つことができる。

0158

なお、本実施形態において、受電機400は、負荷装置405の消費電力の変化を検知し、電力の減少量に応じて無線通信部206を制御する制御部を備えていてもよい。図13は、そのような制御部408を備えた無線電力伝送システム3´の構成を示す図である。制御部408は、例えば、マイコンマイクロコンピュータ)であり、無線通信部206から送電側の無線通信部206に送信する信号に電力の減少量を示す情報を付加するように、無線通信部206に指示する。このような制御部408を設けることにより、送電機300は、負荷装置405が消費する電力の減少量を正確に知ることができ、パルス幅の調整の精度を高めることができる。

0159

(実施形態3)
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。

0160

実施形態1の無線電力伝送システム2では、オーディオ信号をパルス幅変調する際の三角波の振幅を変化させることにより、無線通信を実施しているか否かに関わらず、スピーカ205から再生される音の音量を一定にする。これに対し、本実施形態では、三角波の振幅ではなく標本化周期を変更することにより、無線通信を実施しているか否かに関わらず、スピーカ205から再生される音の音量を一定にする。以下、本実施形態における無線電力伝送システムの構成を、図面を参照しながら説明する。なお、すでに説明した構成要素については同じ番号で表し、説明を省略する。

0161

図14は、本実施形態における無線電力伝送システム4を示すブロック図である。無線電力伝送システム4は、送電機500と受電機600とを備えている。

0162

送電機500は、オーディオ信号ソース101、パルス幅変調部502、発振器103、共振器104、1次コイル105、制御部106、無線通信部107を有している。受電機600は、2次コイル201、共振器207、整流器202、検波器203、LPF204、スピーカ205、無線通信部206を有している。なお、図14では図示されていないが、送電機500は、交流電源またはバッテリなどの直流電源、あるいは図示していない他の無線電力伝送システムからの無線電力伝送により給電されている。

0163

まず、送電機500と受電機600との間で無線による通信が行われていない場合の動作を説明する。

0164

送電機500において、オーディオ信号ソース101は、受電機600のスピーカ205で再生するオーディオ信号をパルス幅変調部502に出力する。パルス幅変調部502は、オーディオ信号ソース101から入力されたオーディオ信号をパルス幅変調する。

0165

パルス幅変調部502は、入力されたオーディオ信号と、最大振幅がAtrで、周期がWs5の三角波との比較を行う。比較の結果、三角波の振幅よりオーディオ信号の振幅の方が大きい期間のみパルスが出力される。なお、比較は、オーディオ信号の入力がない場合やオーディオ信号の振幅が0の場合にデューティ比が50%のパルスが出力されるように行われる。以下の説明では、上記のパルス幅変調処理を、「第5のパルス幅変調処理」と呼び、第5のパルス幅変調処理で用いられる三角波を「第5の三角波」と呼ぶ。

0166

パルス幅変調部502は、オーディオ信号に第5のパルス幅変調処理を施すことで得たパルス列を発振器103に送る。以降の処理は、実施形態1の送電機100および受電機200と同じであるため説明を省略する。

0167

次に、送電機500が、受電機600に対し無線通信部107を介して要求信号を送信する場合の無線電力伝送システム4の動作を説明する。

0168

要求信号の送信が行われている場合でもオーディオ信号ソース101からは、オーディオ信号が出力されており、オーディオ信号は上記の処理により受電機600に送信されている。

0169

送電機500における制御部106は、要求信号の送信が必要になったら、要求信号の送信を指示する信号をパルス幅変調部502および無線通信部107に送る。

0170

無線通信部107は、制御部106からの指示信号を受けると、要求信号を生成する。次に、無線通信部107は、要求信号に変調処理を行い、所定の周波数の無線信号に変換した後、無線通信部107に備えられているアンテナ107aから送信する。

0171

パルス幅変調部502は、制御部106からの指示信号を受けると、パルス幅変調処理を第5のパルス幅変調処理から、第6のパルス幅変調処理に切り替える。

0172

第6のパルス幅変調処理は、パルス幅変調部502に入力されたオーディオ信号と、最大振幅Atrで周期がWs6の第6の三角波との比較により、パルス列を生成する。すなわち、オーディオ信号の振幅が第6の三角波の振幅より大きい期間のみパルスを出力するという処理を行う。ここで、第5のパルス幅変調処理で用いる第5の三角波の周期Ws5と第6のパルス幅変調処理で用いる第6の三角波の周期Ws6との関係は、以下の式22で表される。
Ws6 > Ws5 (式22)

0173

このようにすることにより、入力されるオーディオ信号の振幅が同じであっても、出力されるパルスの幅は第5のパルス幅変調処理より第6のパルス幅変調処理の方が大きくなる。

0174

パルス幅変調部502は、第6のパルス幅変調処理によって得たパルス列を発振器103に送る。以降の送電機500における動作は、無線通信を行わない場合と同様のため説明を省略する。

0175

受電機600は、2次コイル201を介して入力される共振磁場を、共振器104と同一の共振周波数をもつ共振器207で受信し、受信信号を発生する。

0176

整流器202は、正の値と負の値を取りうる交流信号である受信信号を整流し、正の値のみを取る受信信号に変換する。このとき得られる受信信号のパルス振幅をV5とする。また、整流器202で整流された受信信号は、無線通信部206および検波器203に送られる。

0177

無線通信部206は、無線通信部107が送信した要求信号をキャリアセンスにより検出すると、受信回路を駆動し、要求信号の検波・復調・デコード処理を行う。次に、無線通信部206は、要求信号に対する応答信号を生成する。その後、無線通信部206は、送信回路を駆動し、応答信号に変調処理を行い、所定の周波数の無線信号に変換した後、アンテナ206aから当該無線信号を送信する。このとき、無線通信部206は、キャリアセンスを行っている状態に比べてより多くの電流を消費するため、無線通信部206のインピーダンスが低下する。その結果、送電機500から見た、受電機600全体のインピーダンスも低下するため、整流器202で得られる受信信号のパルス振幅V6は、無線通信を行っていない場合の受信信号のパルス振幅V5より小さくなる。したがって、検波器203から出力される受信パルス列の各々の変調パルスの振幅も、無線通信が行われていない場合より小さくなる。

0178

振幅の小さくなった受信パルス列は、LPF204に入力され、オーディオ信号が生成される。このとき、送電機500のパルス幅変調部502は、第6のパルス幅変調処理を行っているため、受信パルス列の各々の変調パルスのパルス幅は大きくなっている。そのため、LFP204から出力されるオーディオ信号の振幅は、各々の変調パルスの振幅が小さくなっていても、無線通信が行われていない場合と同じになり、スピーカ205から再生される音の音量は変化しない。これは、低域通過フィルタであるLPF204は、積分器で構成されるため、変調パルスの面積が一定になるようにしていれば、積分器の出力は同一になるからである。

0179

送電機500の無線通信部107は、要求信号に対する応答信号を受信したら、応答信号の内容を制御部106に送る。制御部106は、無線通信の終了を示す信号をパルス幅変調部502および無線通信部107に送る。パルス幅変調部502は、無線通信の終了を示す信号を受け取ったら、パルス幅変調処理を第6のパルス幅変調処理から、第5のパルス幅変調処理に切り替える。また、無線通信部107は、動作を停止するか、スリープモードなどの消費電力の少ない状態になる。

0180

次に、図15を参照しながら、第5のパルス幅変調処理で用いる第5の三角波45の周期Ws5と第6のパルス幅変調処理で用いる第6の三角波46の周期Ws6との関係を説明する。

0181

ここで、オーディオ信号の振幅がAaのときの、(a)無線通信を行っていない場合、(b)無線通信を行っている場合の変調パルスのパルス幅をそれぞれ第5のパルス幅Wp5、第6のパルス幅Wp6とする。すると、(a)、(b)のいずれの場合においても、変調パルスの面積Spを同一にするためには、以下の式23を満足する必要がある。
Sp=V5×Wp5=V6×Wp6 (式23)
式23より、Wp6は、以下の式24で表される。
Wp6=(V5/V6)Wp5 (式24)

0182

まず、振幅Aaのオーディオ信号を第5のパルス幅変調処理でパルス幅変調したときの第5のパルス幅Wp5を求める。標本化区間をWs5とすると、以下の式25が成立する。よって、第5のパルス幅Wp5は以下の式26により求められる。
Aa=(4Atr/Ws5)×Wp5/2 (式25)
Wp5=Ws5×Aa/2Atr (式26)
また、以下の式27が成立するから、第6のパルス幅変調処理でパルス幅変調したときの第6のパルス幅Wp6は、以下の式28で表される。
Aa=(4Atr/Ws6)×Wp6/2 (式27)
Wp6=Ws6×Aa/2Atr (式28)
次に、式26、式28を式23に代入すると、以下の式29が得られる。
Ws6×Aa/2Atr=(V5/V6)×Ws5×Aa/2Atr (式29)
式29から、第5の三角波の周期Ws5と、第6の三角波の周期Ws6との関係を導くと、以下の式30が得られる。
Ws6=(V5/V6)Ws5 (式30)

0183

式30より、第6のパルス幅変調処理で用いられる第6の三角波46の周期Ws6は、第5のパルス幅変調処理で用いられる第5の三角波45の周期Ws5と、無線通信が行われていない場合の受信信号のパルス振幅V5および無線通信が行われている場合の受信信号のパルス振幅V6の比から求めることができる。

0184

ここで、無線通信が行われていない場合の受信信号のパルス振幅V5と、無線通信が行われている場合の受信信号のパルス振幅V6との比は、無線電力伝送システム4を設計する段階で計測しておくことが可能である。その値から式30を用いて第6のパルス幅変調処理で用いる第6の三角波46の周期Ws6を求めることにより、無線通信の実施の有無によらずスピーカ205から再生される音の音量を一定に保つことができる。

0185

このように、本実施形態における無線電力伝送システム4は、送電機500の無線通信部107と受電機600の無線通信部206とが無線通信を行う期間のみ、パルス幅変調処理に用いる三角波の周期を相対的に長くする。これにより、パルス幅変調部502により出力されるパルス列のパルス幅を増減させる。このようにすることで、無線通信の実施の有無により、受信装置600の整流器202で、検波器203と無線通信部206とに分配される受信信号の分配比率が変化する。このため、検波器203に分配される受信信号のパルス振幅が変化しても、各々の変調パルスの面積を一定に保つことができる。その結果、スピーカ205から再生される音の音量を一定に保つことができる。

0186

(実施形態4)
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。

0187

実施形態1の無線電力伝送システム2は、オーディオ信号をパルス幅変調する際の三角波の振幅を変更することにより、無線通信を実施しているか否かに関わらず、スピーカから再生される音の音量を一定にする。これに対し、本実施形態では、ノコギリ波を用いてパルス幅変調を行い、ノコギリ波の振幅を変更することにより、無線通信を実施しているか否かに関わらず、スピーカから再生される音の音量を一定にする。以下、本実施形態における無線電力伝送システムの構成を、図面を参照しながら説明する。なお、すでに説明した構成要素については同じ番号で表し、説明を省略する。

0188

図16は、本実施形態における無線電力伝送システムを示すブロック図である。無線電力伝送システム5は、送電機700と受電機800とを備えている。

0189

送電機700は、オーディオ信号ソース101、パルス幅変調部702、発振器103、共振器104、1次コイル105、制御部106、無線通信部107を有している。受電機200は、2次コイル201、共振器207、整流器202、検波器203、LPF204、スピーカ205、無線通信部206を有している。なお、図16では図示されていないが、送電機700は、交流電源またはバッテリなどの直流電源、あるいは図示されていない他の無線電力伝送システムからの無線電力伝送により給電されている。

0190

まず、送電機700と受電機800の間で無線による通信が行われていない場合における無線電力伝送システム5の動作を説明する。

0191

送電機700において、オーディオ信号ソース101は、受電機800のスピーカ205で再生するオーディオ信号をパルス幅変調部702に出力する。パルス幅変調部702は、オーディオ信号ソース101から入力されたオーディオ信号をパルス幅変調する。

0192

パルス幅変調部702で実施されるパルス幅変調では、入力されたオーディオ信号は、周期が数マイクロ秒(周波数:数百kHz〜数MHz)、最大振幅がAtr7のノコギリ波と比較される。比較の結果、ノコギリ波の振幅よりオーディオ信号の振幅の方が大きい場合のみパルスが出力される。なお、比較は、オーディオ信号の入力がない場合やオーディオ信号の振幅が0の場合にデューティ比が50%のパルスが出力されるように行われる。以下の説明では、上記のパルス幅変調処理を、「第7のパルス幅変調処理」と呼び、第7のパルス幅変調処理で用いられるノコギリ波を「第7の三角波」と呼ぶ。

0193

パルス幅変調部702は、オーディオ信号に第7のパルス幅変調処理を施すことで得たパルス列を発振器103に送る。以降の送電機700および受電機800の処理は実施形態1における送電機100および受電機200の処理と同様なので説明を省略する。

0194

次に、送電機700が、受電機800に対し無線通信部107を介して要求信号を送信する場合の無線電力伝送システム5の動作を説明する。

0195

要求信号の送信が行われている場合でもオーディオ信号ソース101からは、オーディオ信号が出力されており、オーディオ信号は前記した処理により受電機800に送信されている。

0196

送電機700における制御部106は、要求信号の送信が必要になったら、要求信号の送信を指示する信号をパルス幅変調部702および無線通信部107に送る。

0197

無線通信部107は、制御部106からの指示信号を受けると、要求信号を作成する。次に、無線通信部107は、要求信号に変調処理を行い、所定の周波数の無線信号に変換した後、無線通信部107に備えられているアンテナ107aから送信する。

0198

パルス幅変調部702は、制御部106からの指示信号を受けると、パルス幅変調処理を第7のパルス幅変調処理から、第8のパルス幅変調処理に切り替える。

0199

第8のパルス幅変調処理は、パルス幅変調部702に入力されたオーディオ信号と、最大振幅Atr8のノコギリ波(第8の三角波)との比較により、パルス列を生成する。すなわち、オーディオ信号の振幅が第8の三角波の振幅より大きい期間のみパルスを出力するという処理を行う。ここで、第7のパルス幅変調処理で用いる第7の三角波の最大振幅Atr7と第8のパルス幅変調処理で用いる第8の三角波の最大振幅Atr8との関係は、以下の式31で表される。
Atr7 > Atr8 (式31)
である。

0200

このようにすることにより、入力されるオーディオ信号の振幅が同じであっても、出力されるパルスの幅は、第7のパルス幅変調処理より第8のパルス幅変調処理の方が大きくなる。

0201

パルス幅変調部702は、第8のパルス幅変調処理によって得たパルス列を発振器103に送る。以降の送電機700における動作は、無線通信を行わない場合と同様のため説明を省略する。

0202

受電機800は、2次コイル201を介して入力される共振磁場を、共振器104と同一の共振周波数をもつ共振器207で受信し、受信信号を発生する。

0203

整流器202は、正の値と負の値を取りうる交流信号である受信信号を整流し、正の値のみを取る受信信号に変換する。このとき得られる受信信号のパルス振幅をV2とする。また、整流器202で整流された受信信号は、無線通信部206と検波器203に送られる。

0204

無線通信部206は、無線通信部107が送信した要求信号をキャリアセンスにより検出すると、受信回路を駆動し、要求信号の検波・復調・デコード処理を行う。次に無線通信部206は、要求信号に対する応答信号を生成する。その後、無線通信部206は、送信回路を駆動し、応答信号に変調処理を行い、所定の周波数の無線信号に変換した後、アンテナ206aから当該無線信号を送信する。このとき、無線通信部206は、キャリアセンスを行っている状態に比べてより多くの電流を消費するため、無線通信部206のインピーダンスが低下する。その結果、送電機700から見た、受電機800全体のインピーダンスも低下するため、整流器202で得られる受信信号のパルス振幅V8は、無線通信を行っていない場合の受信信号のパルス振幅V7より小さくなる。したがって、検波器203から出力される受信パルス列の各々の変調パルスの振幅も、無線通信が行われていない場合より小さくなる。

0205

振幅の小さくなった受信パルス列は、LPF204に入力され、オーディオ信号が生成される。このとき、送電機700のパルス幅変調部702は、第7のパルス幅変調処理を行っているため、受信パルス列の各々の変調パルスの幅は大きくなっている。そのため、LFP204から出力されるオーディオ信号の振幅は、各々の変調パルスの振幅が小さくなっていても、無線通信が行われていない場合と同じになり、スピーカ205から再生される音の音量は変化しない。これは、低域通過フィルタであるLPF204は、積分器で構成されるため、図5に示すように、入力される変調パルスの振幅が小さくなっていても、その分パルス幅を大きくすることにより、変調パルスの面積が一定になるようにしていれば、積分器の出力は同一になるからである。

0206

送電機700の無線通信部107は、要求信号に対する応答信号を受信したら、応答信号の内容を制御部106に送る。制御部106は、無線通信の終了を示す信号をパルス幅変調部702および無線通信部107に送る。パルス幅変調部702は、無線通信の終了を示す信号を受け取ったら、パルス幅変調処理を第8のパルス幅変調処理から、第7のパルス幅変調処理に切り替える。また、無線通信部107は、動作を停止するか、スリープモードなどの消費電力の少ない状態になる。

0207

次に、第7のパルス幅変調処理で用いる第7のノコギリ波の最大振幅Atr7と、第8のパルス幅変調処理で用いる第8のノコギリ波の最大振幅Atr8との関係を説明する。

0208

ここで、オーディオ信号の振幅がAaのときの、(a)無線通信を行っていない場合、(b)無線通信を行っている場合の変調パルスのパルス幅をそれぞれ第7のパルス幅Wp7、第8のパルス幅Wp8とする。すると、(a)、(b)のいずれの場合においても、変調パルスの面積Spを同一にするためには、以下の式32を満足する必要がある。
Sp=V7×Wp7=V8×Wp8 (式32)
式32より、Wp8は、以下の式33で表される。
Wp8=(V7/V8)Wp7 (式33)

0209

次にオーディオ信号の値がAaのときに(a)の場合のパルス幅が第7のパルス幅Wp7、(b)の場合のパルス幅が第8のパルス幅Wp8になるための第7の三角波の最大振幅Atr7と、第8の三角波の最大振幅Atr8との関係を求める。ここで、実施形態2(図12)におけるVDCIN、Atr3、Atr4を、それぞれAa、Atr7、Atr8に読み替えれば、全く同じ演算によって、Atr7とAtr8とを求めることができる。

0210

まず、Aaの値をもつオーディオ信号を第7のパルス幅変調処理でパルス幅変調したときの第7のパルス幅Wp7を求める。標本化区間をWsとすると、以下の式34が成立する。よって、第7のパルス幅Wp7は以下の式35により求められる。
Aa=(Atr7/Ws)×Wp7 (式34)
Wp7=Aa×Ws/Atr7 (式35)
また、第8のパルス幅変調処理でパルス幅変調したときのオーディオ信号の値Aaとパルス幅Wp8との関係は、以下の式36で表される。よって、第8のパルス幅Wp8は、以下の式37により求められる。
Aa=(Atr8/Ws)×Wp8 (式36)
Wp8=Aa×Ws/Atr8 (式37)
式35、式37を式33に代入すると、以下の式38が得られる。
Aa×Ws/Atr8=(V7/V8)×Aa×Ws/Atr7 (式38)
式38から第7の三角波の最大振幅Atr7と、第8の三角波の最大振幅Atr8との関係を導くと、以下の式39が得られる。
Atr8=(V8/V7)Atr7 (式39)

0211

式39より、第7のパルス幅変調処理で用いられる第7の三角波の最大振幅Atr7と、第8のパルス幅変調処理で用いられる第8の三角波の最大振幅Atr8との比は、無線通信が行われていない場合の受信信号のパルス振幅V7と、無線通信が行われている場合の受信信号のパルス振幅V8との比と等しくすればよいことがわかる。

0212

ここで、無線通信が行われていない場合の受信信号のパルス振幅V7と、無線通信が行われている場合の受信信号のパルス振幅V8との比は、無線電力伝送システム5を設計する段階で計測しておくことが可能である。その値から式39を用いて第8のパルス幅変調処理で用いられる第8の三角波の最大振幅Atr8を求めることにより、無線通信の実施の有無によらずスピーカ205から再生される音の音量を一定に保つことができる。

0213

以上のように、本実施形態における無線電力伝送システム5は、送電機700の無線通信部107と受電機800の無線通信部206とが無線通信を行う期間のみ、パルス幅変調処理を切り替え、パルス幅変調部702により出力されるパルス列のパルス幅を増減させる。このようにすることで、無線通信の実施の有無により、受信装置800の整流器202で、検波器203および無線通信部206に分配される受信信号の分配比率が変化する。その結果、検波器203に分配される受信信号のパルス振幅が変化しても、各々の変調パルスの面積を一定に保つことができるので、スピーカ205から再生される音の音量を一定に保つことができる。

0214

なお、実施形態1、3、4において、送電機100、500、700はオーディオ信号ソース101を有し、受電機200、600、800は、スピーカ205を有することとしたが、パルス幅変調によって電力とともに送電機から受電機に送信する信号はオーディオ信号に限定されない。例えば、テレビ受像機からリモコンに電力とともに現在視聴中の番組に関するデータを送信するシステムなどへの応用も考えられる。

0215

また、以上の各実施形態における送電機は、通信の有無に応じてパルス幅を変化させることによって伝送電力を変化させるが、本発明はそのような形態に限られない。送電機は、通信の有無に応じてパルス振幅を変化させることによって伝送電力を変化させてもよい。例えば、発振器103がE級増幅回路を有する場合、E級増幅回路の電源電圧を通信の有無に応じて変化させることによっても伝送電力を制御することができる。あるいは、パルス幅とパルス振幅の両方を変化させることによって伝送電力を制御する構成を採用してもよい。そのような構成を採用した場合であっても、通信時に負荷に供給される電力の減少分を補うことができるため、安定した電力伝送を維持することが可能である。

0216

本発明にかかる無線電力伝送システムは、受電側の機器の状態が変化しても動作に影響を与えないため、例えば電力とともにオーディオ信号を伝送することが可能なワイヤレススピーカ装置などに有用である。

0217

無線オーディオシステム
2〜5無線電力伝送システム
10送信機
11オーディオ信号ソース
12無線変調部
13送信アンテナ
14電源部
20受信機
21受信アンテナ
22 無線復調部
23オーディオ信号増幅部
24スピーカ
25 電源部
30 オーディオ信号
35直流電圧
41 第1の三角波
42 第2の三角波
43 第3の三角波(ノコギリ波)
44 第4の三角波(ノコギリ波)
45 第5の三角波
46 第6の三角波
50送電装置
51電力伝送部
52送電側通信部
53 制御部
60受電装置
61受電部
62受電側通信部
100送電機
101 オーディオ信号ソース
102パルス幅変調部
103発振器
104共振器
105 1次コイル
106 制御部
107無線通信部
200受電機
201 2次コイル
202整流器
203検波器
204LPF
205 スピーカ
206 無線通信部
207 共振器
300 送電機
301電力源
302 パルス幅変調部
400 受電機
405負荷装置
408 制御部
500 送電機
502 パルス幅変調部
600 受電機
700 送電機
702 パルス幅変調部
800 受電機

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