JP2005312285A - 非接触給電装置および非接触受電装置内蔵デバイス、並びに非接触給電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電磁誘導現象を利用する非接触給電を行うに際して、受電電力を増大することができるようにする。
【解決手段】 電磁誘導現象を利用する非接触給電方法であって、給電コイル（励磁コイル）１２を含む複数の励磁回路ユニット８に対応させて、受電コイル１４を含む受電回路ユニット１６を複数対応させつつ、この受電回路ユニット１６からの出力電流を各々ダイオード２２などの整流素子により整流して負荷回路２４に結合することにより、受電回路ユニット１６₁、１６₂、………１６_ｎ間での逆流防止を図りつつ各受電回路ユニット１６₁、１６₂、………１６_ｎの出力電流の加算による出力増大をなす。
【選択図】 図４

Description

本発明は電磁誘導現象を利用する非接触給電を行うためのものであって、特に給電コイルに供給された高周波電流により、受電コイルに誘導起電力を発生させて電源電力を得るようにした非接触給電装置および非接触受電装置内蔵デバイス並びに非接触給電方法に関する。

一般に、電磁誘導現象を利用する非接触給電は、発生磁界によりピックアップコイルに非接触で電力を伝送する構成が一般的であり、ピックアップコイルに平滑・整流回路、レギュレータを介して負荷に接続する構成を採っている。このような非接触給電方法を用いる例として、例えば、特許文献１に記載されているような、回転ヘッド側の温度を測定し、Ａ／Ｄ変換した結果を静止ヘッド側に伝送する場合(図４参照)がある。この例のように、１組の（ＬＥＤ＋ＰＤ）のみを使用する場合は、回転体側における消費電力は、５Ｖ＊８ｍＡ程度である。しかし、１組の（ＬＥＤ＋ＰＤ）のみを使用した構成のデータ伝送では同一時刻には１個のデータしか送れないので、測定点数が増加すると全測定点のデータを伝送するのにかなりの時間を必要とする。繰り返しデータを伝送するので、同一測定点のデータ伝送の時間間隔が長くなってしまう。そこで、図７のように複数組の（ＬＥＤ＋ＰＤ）を用いて、同時に別々の測定点のデータを伝送すれば、同一測定点のデータ伝送の時間間隔を短くでき、現象の変化を詳細に知ることができる。この場合、複数組の（ＬＥＤ＋ＰＤ）を用いるので、回転体側における消費電力が増加する。

このような要望に答えるため、従来は、受電側における電流容量を増やす方法として、給電側の励磁電圧を正弦波状に変化させて電磁結合を改善したり、給電側と受電側のギャップを小さくして電磁結合を改善するなど、いずれも１組の給電側回路と受電側回路の間での効率を改善するという方法になっている。

また、給電側のコイル巻数に比べ、受電側のコイル巻数を多くして、受電側の誘起電圧（図１のＶ_２）を高くすると、受電電力を増加させることが可能である。
特開２００１−３１２７８６号公報

前者の電磁結合を改善する方法では、効率は確かに良くなるものの、１組の回路によるだけでは、全体としての受電電力の値には限界があった。
後者の受電側のコイル巻数を多くして、受電側の誘起電圧を高くする方法では、誘起電圧とレギュレータ出力電圧との差が大きくなり、レギュレータの発熱が多くなる問題があった。この場合、発熱に消費される電力は有効に使用できないので、受電効率が低下してしまう問題も生じる。さらに、誘起電圧とレギュレータ出力電圧との差が既定値以上に大きくなりすぎると、レギュレータが動作しなくなるので、結果として受電電力を大きくする上で問題となる。

本発明は、電磁誘導現象を利用する非接触給電を行うに際して、受電電力を増大することができる非接触給電装置および非接触受電装置内蔵デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る非接触給電装置は、電磁誘導現象を利用する非接触給電装置であって、給電コイルに対して受電コイルを含む受電回路ユニットを複数対応させて構成し、各受電回路ユニットの出力側に整流素子を結合し、この整流素子を含む受電回路ユニットを並列で負荷に結合させることにより、受電回路ユニット間での逆流防止を図りつつ各受電回路ユニット出力電流の加算による出力増大をなすようにした。

この場合において、前記受電回路ユニットに用いるレギュレータの指定入力電圧範囲の下限値に比べ、高すぎない電圧が、受電回路ユニット内のレギュレータ入力として印加するように受電コイルの巻数を設定し、受電回路ユニットにおける発熱を抑制することが望ましい。

また、本発明に係る非接触受電装置内蔵デバイスは、負荷回路の電源を電磁誘導により給電される受電コイルを含む受電回路ユニットにより形成してなる非接触受電装置内蔵デバイスであって、前記受電回路ユニットの出力側に整流素子を結合しつつ、この整流素子を含む受電回路ユニットの複数を並列接続して前記負荷回路に結合したものである。

より具体的には、複数組みの受電側回路を設置し、受電側のコイル巻数は受電回路ユニットの後段に配置されるレギュレータへの入力必要電圧を少し上回る電圧が得られる巻数とし、受電コイルからレギュレータ出力間での発熱が少なくなるようにする。これら複数組みの受電側回路の出力電圧はほぼ一定電圧であり、この一定電圧にした後段にダイオードを設置し、複数の受電側回路間での電流の逆流を防ぎ、複数組みの回路からの合計電流を同時に負荷に流せるようにした。即ち、受電側回路が１組の場合、これにより受電できる電力には限界があり、給電側からの電力の一部しか受け取っていない。この受電できなかった電力を別の回路で、落穂ひろいのように受電する。この作用を並列に接続した複数組みの受電側回路で実行することにより、全体としての受電電力を増大する方法である。

本発明は、電磁誘導現象を利用する非接触給電装置であって、給電コイル（励磁コイル）を含む複数の励磁回路ユニットを受電回路ユニットに対応させて構成し、各受電回路ユニットの出力側に整流素子を結合し、この整流素子を含む受電回路ユニットを並列で負荷に結合させることにより、受電回路ユニット間での逆流防止を図りつつ各受電回路ユニット出力電流の加算による出力増大をなすようにしたことを特徴とする非接触給電装置として構成することもできる。この場合において、前記複数の給電コイルを同位相で励磁するようにすればよい。

更に、本発明に係る非接触給電方法は、電磁誘導現象により給電コイルから受電コイルに給電させる方法であって、受電コイル側を複数にして単一もしくは複数の給電コイルへの給電により受電コイルに非接触給電をなすように構成した。この場合において、前記複数の給電コイルを同位相で駆動するようにすればよい。

本発明は、給電コイルに対して受電コイルを含む受電回路ユニットを複数対応させつつ、この受電回路ユニットからの出力電流を各々整流して負荷に結合することにより、受電回路ユニット間での逆流防止を図るようにしたので、各受電回路ユニット出力電流の加算による出力増大を実現できる。この際、給電側の励磁電力は増加し受電効率は減少するものの、給電装置全体としての出力電力を容易に増加させることができるという優れた効果が得られる。

また、給電コイル（励磁コイル）を含む複数の励磁回路ユニットを受電回路ユニットに対応させて構成する。受電回路ユニットは１組でも、あるいは複数組でもよい。すなわち、１組の励磁回路ユニットからの電力を複数組の受電回路ユニットで受電する場合、受電ユニットの能力にはまだ余裕がある。そこで、励磁回路ユニットを複数組設置して、同位相で励磁すれば、受電電力を増大させることができる。複数組の励磁コイルのいくつかを逆位相で励磁すると、励磁効果が相殺されることになるので、全ての励磁コイルユニットを同位相で励磁すると給電電力を最大にできる。

１組の受電ユニットに対して、複数組の励磁回路ユニットを使用しても、同様な効果は得られるが、受電ユニットの能力の余裕が小さい、例えば、１組の受電回路ユニットに対し、４組の励磁回路ユニットを用いた場合の給電電力は１組の励磁回路ユニットを用いた場合の給電電力の１．１５倍に増大できるに過ぎなかった。
しかし、４組の受電回路ユニットに対し、４組の励磁回路ユニットによる給電電力は１組の励磁回路ユニットによる給電電力の１．５３倍に増大できた。

図１は、本発明の実施形態に係る非接触給電装置のシステム全体の関係構成を示している。当該非接触給電装置は、基本的には、電磁誘導現象を利用する装置であって、給電コイルに対して受電コイルを含む受電回路ユニットを複数対応させて構成し、各受電回路ユニットの出力側に整流素子を結合し、この整流素子を含む受電回路ユニットを並列で負荷に結合させて構成されている。すなわち、供給電源側である励磁回路１０に設けてある給電側のコイル１２に対し、受電コイル１４を用いた受電回路ユニット１６を複数組み（１６₁、１６₂、………１６_ｎ）使用する構成とされている。

受電回路ユニット１６には、図示のように、給電コイル１２による磁束変化を受け、電磁誘導作用によって起電力を発生するピックアップとしての受電コイル１４が設けられている。この受電コイル１４に発生した電力を整流・平滑回路１８を通し、レギュレータ２０によって所定の直流電圧を発生させるようにしている。

このように、受電コイル１４に誘起された電圧は、整流・平滑回路１８とレギュレータ２０により直流電圧になるが、実施形態では、受電コイル１４の巻数は、レギュレータ２０の指定入力電圧範囲の下限値に比べ、あまり高すぎない電圧が得られる巻数を用いるようにしている。実施形態では、給電コイル１２の巻数を（右２０巻＋左２０巻）として一次側電圧をV₁＝１５ｖとしたのに対し、受電コイル１４の巻数を（右３４巻＋左３４巻）とした場合に二次側電圧がV₂＝１８ｖが得られ、（右５０巻＋左５０巻）とした場合には二次側電圧がV₂＝３０ｖとなった。

受電コイル１４の巻数が多すぎると、レギュレータ２０への入力電圧が高くなりすぎ、レギュレータ２０の発熱が多くなり、場合によってはレギュレータが動作しなくなるからである。したがって、給電コイル１２の巻数N₁に対し、受電コイル１４の巻数N₂の関係は、二次側電圧がレギュレータ２０の指定入力電圧範囲内であり、かつ、受電コイル１４からレギュレータ２０の出力間の発熱が設定許容温度範囲になる巻数を上限値として設定すればよい。

そして、本実施形態では、受電回路ユニットを構成しているレギュレータ２０の出力の後段に整流素子としてのダイオード２２を置き、負荷２４につないで電流を流すようにしている。そして、図１に示すように、上記と同じ受電コイル１４_ｎ、整流・平滑回路１８_ｎ、レギュレータ２０_ｎからなる受電回路ユニット１６_ｎとダイオード２２_ｎからなる回路系を複数組み設置し、これらの出力を同様に負荷２４に並列にして接続するようにしている。

このような構成によれば、レギュレータ２０₁〜２０_ｎ出力にアンバランスがあっても、ダイオード２２が存在するので、複数組みの回路の間に電流が逆流せず、負荷２４に流すことができる電流を大きくできる。

図２，図３は図１の回路による実測の結果である。これは給電コイルの巻数は（右２０巻＋左２０巻）として給電側Ｖ１＝１５ｖとし、一方、受電側コイルの巻数は（右３４巻＋左３４巻）で行った実験の結果である。図２は受電側の出力電圧と出力電流の関係を示している。図に示すように、受電回路ユニット１６を複数組み用い、各組みのユニット出力側にダイオード２２接続した配置とすることにより、受電回路ユニット（１６_１、１６_２、………１６_ｎ）間の電流の逆流を防ぎ、消費電流の最大値を大きくできる。この場合の給電側回路における励磁電力と受電側回路の出力電力および受電効率を図３に示す。受電側に複数組みの回路を設置することにより、給電側の励磁電力は増加し受電効率は減少するが、装置全体としての出力電力を容易に増加させることができる。
各組での受電効率を改善する方法と組み合わせることにより、さらに受電側の電力を大きくできる。

なお、上記実施形態は、非接触給電装置に負荷回路２４を接続した構成とした例を示したが、受電回路ユニット１６の出力側に整流素子であるダイオード２２を結合しつつ、このダイオード２２を含む複数ユニット１６₁、１６₂、………１６_ｎを並列接続して前記負荷回路２４の代わりにＩＣカードなどの非接触受電装置内蔵デバイス２６として構成することができる。

図４は第２の実施形態に係る非接触給電装置のシステム全体図を示している。前記第１の実施形態に係る非接触給電装置の給電（励磁）回路ユニット（励磁回路１０と励磁コイル１２）が１つであったのに対し、この第２の実施形態では、給電回路ユニット（励磁回路ユニット）８を複数の受電回路ユニット１６に対応させて複数設けた構成としている点が第１実施形態と異なる。すなわち、この第２の実施形態は、給電コイル（励磁コイル）１２（１２₁、１２₂、………、１２_m）を含む複数の励磁回路ユニット８（８₁、８₂、………、８_m）を受電回路ユニット１６（１６₁、１６₂、………１６_ｎ）に対応させて構成し、各受電回路ユニット１６₁、１６₂、………１６_ｎの出力側に整流素子２２₁、２２₂、………２２_ｎを結合し、この整流素子２２と受電回路ユニット１６₁、１６₂、………１６_ｎからなる直列ユニットを並列で負荷２４に結合させている。これにより、受電回路ユニット１６₁、１６₂、………１６_ｎ間での逆流防止を図りつつ各受電回路ユニット１６₁、１６₂、………１６_ｎの出力電流の加算による出力増大をなすようにした。

受電回路ユニット１６（１６₁、１６₂、………１６_ｎ）は１組でも、あるいは複数組でもよい。すなわち、１組の励磁回路ユニット８からの電力を複数組の受電回路ユニット１６₁、１６₂、………１６_ｎで受電する場合、受電ユニットの能力にはまだ余裕がある。そこで、励磁回路ユニット８を複数組設置して、同位相で励磁すれば、受電電力を増大させることができる。複数組の励磁コイル１２₁、１２₂、………、１２_mのいくつかを逆位相で励磁すると、励磁効果が相殺されることになるので、全ての励磁コイル１２を同位相で励磁すると給電電力を最大にできる。

１つの受電回路ユニット１６に対して、複数組の励磁回路ユニット８₁、８₂、………、８_mを使用しても、同様な効果は得られるが、受電ユニット１６の能力の余裕が小さい、例えば１つの受電回路ユニット１６に対し、４組の励磁回路ユニット８₁、８₂、………、８₄を用いた場合の給電電力は１組の励磁回路ユニット８を用いた場合の給電電力の１．１５倍に増大できるに過ぎなかった。

しかし、４組の受電回路ユニット１６₁、１６₂、………１６₄に対し、４組の励磁回路ユニット８₁、８₂、………、８₄による給電電力は１組の励磁回路ユニットによる給電電力の１．５３倍に増大できた。

図５、図６は図４の回路による実測の結果である。図５は受電側の出力電圧と出力電流の関係を示している。白丸は第１〜４層の全ての励磁回路ユニット８を同位相で励磁した場合であり、４組の受電回路ユニット１６の受電合計は３４５ｍAであり、第１層側から第３層まで順次励磁を停止させていった場合の受電側出力電圧を示している。給電電力は１組の励磁回路ユニットによる給電電力の１．５３倍（３４５ｍＡ／２２６ｍＡ＝１．５３）となることが分かる。

本発明は、ＩＣカードへの非接触給電、エレベータへの非接触給電、ロボットの可動部側への非接触給電、無人搬送車への非接触給電、可動部側にあるピエゾ素子への非接触給電など、非接触給電が必要な装置であって、特に、可動体、回転体、振動による配線の切断トラブルを防ぐ必要がある振動体等に適用することができる。

本発明の実施形態に係る非接触給電装置のシステム全体の関係構成図である。 受電側の出力電圧と出力電流の関係を示す計測グラフである。 給電側回路における励磁電力と受電側回路の出力電力および受電効率の関係を示す計測グラフである。 本発明の第２の実施形態に係る非接触給電装置のシステム全体の関係構成図である。 第２実施形態の受電側の出力電圧と出力電流の関係を示す計測グラフである。 従来の回転ヘッド側の温度を測定し、Ａ／Ｄ変換した結果を静止ヘッド側に伝送する装置への非接触給電装置の適用例を示す説明図である。

符号の説明

８………給電回路（励磁回路）ユニット、１０………励磁回路、１２………給電コイル（励磁コイル）、１４………受電コイル、１６（１６₁、１６₂、………１６_ｎ）………受電回路ユニット、１８………整流・平滑回路、２０………レギュレータ、２２………ダイオード（整流素子）、２４………負荷回路、２６………非接触受電装置内蔵デバイス。

Claims (7)

1. 電磁誘導現象を利用する非接触給電装置であって、給電コイルに対して受電コイルを含む受電回路ユニットを複数対応させて構成し、各受電回路ユニットの出力側に整流素子を結合し、この整流素子を含む受電回路ユニットを並列で負荷に結合させることにより、受電回路ユニット間での逆流防止を図りつつ各受電回路ユニット出力電流の加算による出力増大をなすようにしたことを特徴とする非接触給電装置。
2. 前記受電回路に用いるレギュレータの指定電圧範囲の下限値に比べ、高すぎない電圧が、受電回路ユニット内のレギュレータ入力として印加するように受電コイルの巻数を設定し、受電回路ユニットにおける発熱を抑制してなることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
3. 負荷回路の電源を電磁誘導により給電される受電コイルを含む受電回路ユニットにより形成してなる非接触受電装置内蔵デバイスであって、前記受電回路ユニットの出力側に整流素子を結合しつつ、この整流素子を含む受電回路ユニットの複数を並列接続して前記負荷回路に結合したことを特徴とする非接触受電装置内蔵デバイス。
4. 電磁誘導現象を利用する非接触給電装置であって、給電コイル（励磁コイル）を含む複数の励磁回路ユニットを受電回路ユニットに対応させて構成し、各受電回路ユニットの出力側に整流素子を結合し、この整流素子を含む受電回路ユニットを並列で負荷に結合させることにより、受電回路ユニット間での逆流防止を図りつつ各受電回路ユニット出力電流の加算による出力増大をなすようにしたことを特徴とする非接触給電装置。
5. 前記複数の給電コイルを同位相で励磁することを特徴とする請求項４記載の非接触給電装置。
6. 電磁誘導現象により給電コイルから受電コイルに給電させる方法であって、受電コイル側を複数にして単一もしくは複数の給電コイルへの給電により受電コイルに非接触給電をなすことを特徴とする非接触給電方法。
7. 前記複数の給電コイルを同位相で駆動することを特徴とする請求項６記載の非接触給電方法。

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