JP2006115592A

JP2006115592A - 非接触型充電装置

Info

Publication number: JP2006115592A
Application number: JP2004299492A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Hashimoto; 大輔橋本
Original assignee: Silex Technology Inc
Current assignee: Silex Technology Inc
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】充電中の機器本体の過熱を防止でき、かつ何らかの理由で機器本体が電源装置に装着されていない状態で電源装置が通電されても、電源装置が過熱することのない、非接触式充電装置の提供。
【解決手段】一次側の高周波発振回路Ｆ１を内蔵した電源装置１と、蓄電池Ｂを有して、前記電源装置に電磁的に結合し高周波発振回路の高周波出力による電磁誘導で得られる二次出力により蓄電池を充電する本体機器とからなり、電源装置側一次コイルＣＬ１近傍に温度センサＳを設け、その検出信号をヒステリシス特性を有するコンパレータＣＰ３により高温側設定信号と比較させ、検出信号が高温側設定信号より低いときには高周波発振回路Ｆ１の出力を連続モードとして、他方高いときには該出力を間欠モードとしてそれぞれ駆動させ、ただし間欠より連続へのモード切換えはヒステリシスにかかる低温側設定信号以下になることにより行われる送電切換え制御回路を具有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、非接触型充電装置に関し、詳しくは電源装置と本体機器とに電気的接点がない非接触型充電装置に関し、とくに過熱抑制について電源装置が改良された非接触型充電装置に関する。

近年、携帯用コードレス機器の普及に伴い、機器に内蔵された電池を充電するための電源装置も多くの種類が製品化されている。以前の電源装置およびコードレス機器には、相互接続するための電気的接点がそれぞれの表面に設けられており、接点に触れて感電したり、電極の酸化膜などによる接触不良が生じるなどの問題が生じやすい。
この様な問題を解決するため、接点をなくした非接触式の電源装置が実用化されている。すなわち、かかる電源装置において、商用電源の出力を整流平滑して得られた直流電圧を発振回路で発振させることにより、一次コイル部に磁束を発生させ、電磁誘導により機器本体に設けた二次コイル部に誘起される電力を充電池に供給するようになっている。このような非接触式の電源装置によれば、電源部と機器本体ともに接点を省略できるので、接触不良等の問題がなくなり使用性が向上する。

商用電源からの入力電流に比例する検出信号から交流磁束の発生を間欠的に停止させるようにした非接触型充電装置が知られている（例えば、特許文献１）。また、発振用スイッチング回路に温度センサを貼付して、その検出温度と比較する１つの設定値を設け、これを超えると電力が遮断され、低い第２の温度以下になったときには電力供給が再開されるよう制御するようにした、非接触型充電装置も知られている（例えば、特許文献２）。なお、一次、二次コイルの配置例については、一次コイル、二次コイル共に１つづつケースを介して対面配置させたもの（例えば特許文献３、図２）が一般的であるが、機能の異なる２つの一次コイルに対して１つの二次コイルを対向近接させたものも知られている（例えば、特許文献１、図２）。
特開平７−３１０６４号公報。特開平１１−１６８８３９号公報。特開２００３−１５３４５７号公報。

しかし、この種の非接触式の電源装置の場合、電磁誘導を利用しているために１００％の効率で電力を伝達することは不可能である。特に、この種の目的のために製造されたものでない、電気回路に汎用される安価に入手可能な磁芯を用いてコイルを作成する場合は効率が低い。この場合、低伝送効率という本来的な問題点に加えて、その伝達されない電力のためにジュール熱が発生し、機器本体が備える部品（充電池を含む）の劣化を促進させ、動作不良を誘発したり、性能を低下させる原因となる。また、この熱によって充電池の劣化、すなわち充電特性の低下を引き起こし、頻繁に充電しなければならないばかりでなく、充電時の過熱による事故にも繋がりかねない。
殊に、機器が携帯用心電計、血圧計などの生体に触れる医療機器または診断機器である場合、感電の恐れがない非接触式の電源装置は非常に好ましい。一方、このような用途において、過熱に伴う信頼性の低下は極力避けねばならず、また充電により過熱した機器本体をそのまま使用すれば人体に悪影響を及ぼすこともあるため、過熱防止の方策が一層強く求められるところである。

さらに、このような充電動作は機器本体の装着を確認した後開始されるが、充電時に転倒などによって機器が外れる等のトラブルが生じた時、すなわち機器本体が電源装置に対して正常な位置からずれた場合にも電磁誘導の相互インダクタンスが変動し、電源装置側の動作がバランスを欠いて一次コイルおよび発振部に過熱を生じることがあり、これも電源装置の劣化を促進する原因となり得る。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、不完全な電磁誘導効率の悪影響を受けずに、充電中の機器本体の過熱を防止でき、かつ何らかの理由で機器本体が電源装置に装着されていない状態で電源装置が通電されても、電源装置が加熱することのない、安価な非接触式の充電装置を提供することを課題とする。

この課題を解決するために、一次側の高周波発振回路を内蔵した電源装置と、蓄電池を有して、前記電源装置に電磁的に結合し高周波発振回路の高周波出力による電磁誘導で得られる二次出力により蓄電池を充電する本体機器とからなる非接触型充電装置において、電源装置側一次コイル近傍に温度センサを設け、その検出信号をヒステリシス特性を有するコンパレータにより高温度設定信号と比較させ、検出信号が高温度設定信号より低いときには高周波発振回路の出力を連続モードとして、他方高いときには該出力を間欠モードとしてそれぞれ駆動させ、ただし間欠より連続へのモード切換えはヒステリシスにかかる低温設定値以下になることにより行われる送電切換え制御回路を具有させる。

また、検出信号を別の２つのコンパレータにかけてゼロ、異常値いずれかを判断して一次コイルへの送電を停止するようにした送電停止制御回路を具有させる。
さらに、本体機器が電源装置と正常に装着されているか否かを一次コイルに流れる電流値により判断し、装着されていない場合に間欠モードにより送電するようにした間欠送電制御回路を具有させる。

なお、好ましくは一次コイル、二次コイル共に小径にして同一の構成により両ケース端板を介して当該一次コイル及び二次コイルをそれぞれの軸を平行に配置させたものを一対とし、少なくとも２対が隔離配置させる。

本発明によれば、安価に入手可能な磁芯を用いて一次コイル、二次コイルを作製した非接触型充電装置において、充電中の機器本体の過熱を防止でき、かつ何らかの理由で機器本体が電源装置に装着されていない状態で電源装置が通電されても、電源装置が加熱することのない非接触型充電装置が得られる。

一次側の高周波発振回路を内蔵した電源装置と、蓄電池を有して、前記電源装置に電磁的に結合し高周波発振回路の高周波出力による電磁誘導で得られる二次出力により蓄電池を充電する本体機器とからなる非接触型充電装置において、次のような回路をを備える。
１．電源装置側に温度監視手段を設け、この温度監視手段からの信号を電源回路の制御のために利用する。
２．電源回路が連続送電モードと間欠送電モードとを有するよう構成する。
３．判断部が事前設定された第１の温度と第２の温度信号を有しており、温度監視手段の温度が第１の温度より上昇した場合、電源回路を連続送電モードから間欠送電モードに切り換え、温度監視手段の温度が、第２の温度を下回った場合、電源回路を間欠送電モードから、連続送電モードに切り換えるようする。
４．温度監視手段からの信号電圧が、ゼロか異常値と判断すると、一次コイルへの送電を停止するように制御する。
５．機器本体が正常に装着されているか否かを一次コイルに流れる電流の値により判断し、機器本体が装着されていないと判断した場合、間欠送電モードに切り換えて電力消費量を抑えるようにする。
６．一次コイル、二次コイル共にそれぞれ２個以上の実質上同一に構成され、それぞれが複数の電磁誘導結合対をなして電力を送電する。

本発明の好適な実施例は図１から図３に基づいて説明される。
図１の上部は本発明による非接触型充電装置において電源装置１と機器本体２の装着例を示した模式図である。電源装置１には、斜壁部を備えた凹所が設けられており、機器本体２の充電を行なう場合にはその下端部を前記凹所に嵌合させる。電源装置１から機器本体２に電力を伝達するためのコイル対は、それぞれほぼ同図におけるＣＬ１、ＣＬ２で示したように配置され相対することになる。
図１の下部は従来による電源装置１’と機器本体２’の装着例を示しており、このような鉛直な壁を有する電源装置１’の凹所底部にコイル対を配置している。同図上部に示した斜壁部によれば、電源装置１と機器本体２との接触面積を広く取ることができ、機器本体２が電源装置１に安定的に装着される。さらに、本発明の電源装置１では、重心が低くなり機器本体を装着した場合の安定性が増すうえに、異物が低くなった凹所隅部に集まり易く、機器本体の非装着時に誤って異物がコイル上に載って過熱されるおそれがなくなるなどの利点がある。

図２は、本発明の１実施例を示す回路図である。同図に示すように、非接触充電装置は、電源装置１に備えられた制御基板１０および送電基板２０と、機器本体２に備えられた受電部３０とからなる。

送電基板２０には、送電用の一次コイルＣＬ１と、このコイルＣＬ１近辺の温度を監視するための温度センサとしてサーミスタＳが設けられている。サーミスタＳは、最も温度が高温になる１次コイルＣＬ１に接触させて取付けるのがよい。一次コイルＣＬ１およびサーミスタＳは、ケーブルを介して制御基板１０上の回路に接続される。サーミスタの代替として熱起電力を利用した熱電対センサも使用可能である。
一次コイルＣＬ１の一端は電源回路ＤＣの出力端に接続され、直流２４Ｖの供給を受ける。電源回路ＤＣには、電源装置１から分離して専用ケーブルで接続された汎用スイッチング式電源アダプタ３（図１参照）により整流された直流電圧５Ｖがコネクタを介して供給され、電源回路２に内蔵されたスイッチング回路によって、２４Ｖに昇圧される。電源アダプタ３を電源装置１から分離したのは、何らかの不測のトラブルによって商用電圧が電源装置１に直接印加されるのを避けるためであるが、これらを一体として作製することも可能である。

また、コンデンサＣ１が一次コイルＣＬ１と並列に配置され、共振回路を形成して、電界効果トランジスタＴＲ２で駆動される高周波電力を効率よく一次コイルＬＣ１に伝達する。トランジスタＴＲ２の駆動は、水晶発振子を用いた高周波発振回路Ｆ１が出力する高周波を分周回路Ｆ２により分周し、これをゲートに入力することにより行われる。トランジスタＴＲ２の駆動周波数の最適値は、使用するコイルの仕様（直径、高さ、巻き数、二次コイルとの相対位置など）によって変化させ得るが、おおむね数十ＫＨｚ〜数百ＫＨｚが望ましい。あまり低すぎると、この周波数による部品の振動が可聴周波数の領域に入り不快な雑音を発生させることとなり好ましくない。

トランジスタＴＲ２のゲートへの高周波入力は、シフトレジスタＲＧおよび直列配設されたＡＮＤ回路Ａ１、Ａ２によって制御される。

まず、サーミスタＳの出力信号は、オペアンプＯＰ１により増幅された後、抵抗体Ｒ４およびＲ５により分圧され、コンパレータＣＰ３において、基準電圧Ｖｒｅｆ２と比較される。この時、分圧が基準電圧Ｖｒｅｆ２より高い場合、一次コイル近辺の温度が高温側設定温度（例えば、５０℃）を超えたものと判断し、シフトレジスタＲＧが作動して、間欠駆動モードに切り替わる。具体的にはシフトレジスタＲＧの出力Ｑｎが間欠的に出力され、ＡＮＤ回路Ａ１によりこの出力がなされるときのみ、トランジスタＴＲ２が駆動することとなる。

コンパレータＣＰ３は、ヒステリシス特性を有し、かつこの特性はフィードバック抵抗値によって調整可能である。よって、間欠駆動モードにおいて、一次コイルＣＬ１近傍の温度が低下して、サーミスタＳからの出力信号が基準電圧Ｖｒｅｆ２を下回っても直ちに連続駆動モードに復帰するのではなく、サーミスタの出力が低温側設定温度（例えば、４５℃）に相当する電圧に達するまでコンパレータＣＰ３の出力が維持され、その結果、シフトレジスタＲＧの動作を通じて間欠駆動モードが維持されることとなる。

間欠駆動モードにおけるＯＮ時、ＯＦＦ時のいわゆる駆動デューティ比については、下げ過ぎる（すなわち、間欠送電モード時の平均送電電力値を下げ過ぎる）と、温度降下が急激になり、短時間で連続送電モードに復帰させねばならず、頻繁に２つのモード間を往復することになり温度が安定しない。一方、デューティ比を上げ過ぎる（すなわち、省電力時の平均送電電力値を上げ過ぎる）と、温度降下が緩やかになり温度調節効果が不十分なものとなる。試行錯誤を繰り返し、できるだけ温度が上限値と下限値の間で一定するようにする。

デューティ比の具体的な値は、発振器の設計出力、コイルＣＬ１の抵抗値、電源装置１の熱容量、電源装置１と機器本体２間の熱抵抗など種々のパラメータにより、場合に応じて適宜最適化させる必要がある。たとえば、本実施例においてはＯＮ：３秒に対しＯＦＦ：１２秒が好ましかった。

トランジスタＴＲ２のソース端子に接続された抵抗体Ｒ６は、一次コイルＣＬ１を流れる電流を監視するためのものである。なお、抵抗体Ｒ６は、トランジスタＴＲ２（ＦＥＴ）が何らかのトラブルにより電気的に短絡した際に、直接ソース端子が接地しないための保護回路の役割も備えている。この抵抗体Ｒ６の両端に発生する電圧は、抵抗体Ｒ７およびコンデンサＣ２により積分され、オペアンプＯＰ２により増幅された後、コンパレータＣＰ４において、基準電圧Ｖｒｅｆ３と比較される。前述のように、機器本体２が正常に装着されている場合には、当初設計通りのインピーダンス整合によって、一次コイルＣＬ１には所定の電流値が流れる一方、（ａ）位置ずれなどにより装着状態が不良である場合、（ｂ）脱落によって機器本体２が装着されていない場合、あるいは（ｃ）電源装置１の機器本体装着部の凹所に導電性異物が誤って置かれた場合などには、インピーダンス不整合によって一次コイルＣＬ１に流れる電流が減少する。よって、オペアンプＯＰ２の出力が基準電圧Ｖｒｅｆ３より小さくなった場合、送電が正常でなくなったと判断して、トランジスタＴＲ１、コンパレータＣＰ３を経由した信号により、シフトレジスタＲＧを動作させて、サーミスタＳからの出力に関わらず、連続送電モードから間欠送電モードに移行する。

なお、一次コイルＣＬ１側から見たインピーダンスは、たとえ機器本体２が電源装置１に正常に装着されていたとしても、機器本体側の状態（例えば、機器本体２の動作による消費電流の増大、バッテリＢの充電の程度による内部抵抗の変化など）によっても変化し、一次コイルＣＬ１に流れる電流を変動させる。従って、前記基準電圧Ｖｒｅｆ３の設定にあたっては、これらの要因による変動を異常と判定しないよう、余裕を持たせておくのが望ましい。

さらに、サーミスタＳが異常な抵抗値を示したり、ケーブルの切断、コネクタの外れなどの場合を想定し、２つの並列して配置されたコンパレータＣＰ１、ＣＰ２にサーミスタからの出力信号を入力して、異常の場合、これらコンパレータＣＰ１、ＣＰ２の出力信号により、ＡＮＤ回路Ａ２の出力がＯＦＦとなり、トランジスタＴＲ２を強制的に停止させ、一次コイルＣＬ１への送電を停止する機能も有する。

受電部３０は、本体機器の一部であり、二次コイルＣＬ２、共振用コンデンサＣ３、高周波を平滑化するためのダイオードＤ、およびその後端のコンデンサＣ４を備え、この回路の出力をリチウムイオンバッテリＢに充電する。なお、リチウムイオンバッテリの過熱、過充電を避けるため、市販の専用充電制御回路ＣＴＲＬが受電平滑回路とバッテリＢとの間に挿入されている。

一次コイルＣＬ１、二次コイルＣＬ２の形状については、磁束密度を高めるほど送電効率が高いので、このためにはある程度コイル直径を小さくするほうが有利であるが、その一方で、小径のコイルを使用すると、表面積が小さく熱の放散が十分でない結果、温度が上がりやすいことが明らかとなった。この矛盾する問題を解決するために、小径のコイルを離隔して複数ならべ、送電電力を分散させることで、送電効率が低下せずに過熱し難いシステムが得られることを新たに見出した。

この場合、一次コイルＣＬ１と二次コイルＣＬ２とは同数必要で、かつ一次コイルと二次コイルが１対１に対応して、複数の電磁結合対を構成する必要がある。対をなす一次コイルと二次コイルとは、機器本体２が電源装置１に正常に装着された場合、同軸に整列し、かつできるだけ近接することが望ましい。また、複数の一次コイルは、実質的に同一の構成（同径、同長、同インダクタンス）であることが、回路設計および装置製造を簡単にするためだけでなく、送電効率と放熱効果の両面からの特性上望ましい。複数の二次コイルも実質的に同一の構成とする。複数の一次コイルおよび二次コイルの配列は、並列でも直列でもよい。

図３は、一次・二次コイルの相対的位置関係を示す概略配置図である。一次コイルは、図１における電源装置１の、機器本体装着用の凹所の底部近傍に並列に並ぶよう配置される。この例では一次コイルの軸は水平になるよう電源装置１内に配置される一方、機器本体２内に設けられる二次コイルは、機器本体２が正常に装着された場合に一次コイルと軸を揃えて対面するよう配置される。

本実施例では、一次側コイルとしては磁芯の直径約１０ｍｍ、長さ約１０ｍｍのものでインダクタンスが約７０μＨものを２個、二次側コイルとしては磁芯の直径約１０ｍｍ、長さ約２ｍｍのものでインダクタンスが約１０μＨのものを２個、それぞれ直列としている。一次コイルと二次コイルとの間隔は約２ｍｍ程度となるよう、本体機器と電源装置１の配置を考慮した。２個の一次コイル同士の間隔は、広ければ広いほど放熱効果が向上するが、電源装置１・機器本体２の全体寸法との関係で中心間距離を１１．５ｍｍを適当とした。

なお、コイル配置にかかる実施例部分について詳しく検証してみた。図２に示す回路において、一次および二次コイルをそれぞれ２個で送受電する場合の特性、温度上昇を、それぞれ１個で送電する場合を比較例として、検討してみた。
用いたコイルは実施例、比較例ともに同じ構成とし、一次コイルは６８μＨ、二次コイルは１０μＨのものを、実施例では２個、比較例では１個用いた。なお、実施例、比較例ともに、一次コイルと二次コイルのギャップ間隔は２ｍｍであった。
このような構成で、周波数約１２０ｋＨｚ（デューティー比５０％）で一次電力として約８５０ｍＷの送電を行った。この時、二次回路に流れる電流・電圧値から求めた送電効率および一次コイルの表面温度を表１（実施例）、表２（比較例）に示す。

これらの表から明らかなように、ほぼ同じ電力を送電したにもかかわらず、実施例における一次コイルの表面温度は、比較例の場合より低い。これは、実施例において一次コイルおよび二次コイルをそれぞれ２個離隔して用いたことにより表面積が増加し放熱効果が向上したためと推察される。なお、実施例の場合の送電効率は、比較例の場合より低いが、これは用いた周波数やコイルと並列に配置されるコンデンサ容量値などの微調整が不十分であることによるものであり、コイルの個数による本質的な差異ではない。むしろ、実施例において送電効率が不十分な微調整により低いにもかかわらず一次コイルの発熱量が小さいことに注目すべきである。

電源装置と機器本体の装着例を示した模式図。本発明の１実施例を示す回路図。一次・二次コイルの相対的位置関係を示す概略配置図。

符号の説明

１電源装置２機器本体３電源アダプタ
１０制御基板２０送電基板３０受電部３０
ＣＬコイルＣコンデンサＲ抵抗体
ＣＰコンパレータＯＰオペアンプＴＲトランジスタ
Ｖｒｅｆ基準電圧

Claims

一次側の高周波発振回路を内蔵した電源装置と、蓄電池を有して、前記電源装置に電磁的に結合し高周波発振回路の高周波出力による電磁誘導で得られる二次出力により蓄電池を充電する本体機器とからなる非接触型充電装置において、
電源装置側一次コイル近傍に温度センサを設け、その検出信号をヒステリシス特性を有するコンパレータにより高温側設定信号と比較させ、検出信号が高温側設定信号より低いときには高周波発振回路の出力を連続モードとして、他方高いときには該出力を間欠モードとしてそれぞれ駆動させ、ただし間欠より連続へのモード切換えはヒステリシスにかかる低温側設定信以下になることにより行われる送電切換え制御回路を具有することを特徴とする、非接触型充電装置。
検出信号を別の２つのコンパレータにかけてゼロ、異常値いずれかを判断して一次コイルへの送電を停止するようにした送電停止制御回路をさらに具有していることを特徴とする、請求項１に記載の非接触型充電装置。
本体機器が電源装置と正常に装着されているか否かを一次コイルに流れる電流値により判断し、装着されていない場合に間欠モードにより送電するようにした間欠送電制御回路を具有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の非接触型充電装置。
一次コイル、二次コイル共に小径にして同一の構成により両ケース端板を介して当該一次コイル及び二次コイルをそれぞれの軸を平行に配置させたものを一対とし、少なくとも２対が隔離配置されていることを特徴とする、請求項１，２又は３に記載の非接触型充電装置。
電源装置が斜壁部を備えた凹所を具有し、この斜壁部に接合して該凹所に本体機器が装着されることを特徴とする、請求項１、２、３又は４に記載の非接触型充電装置。