JP2006230032A

JP2006230032A - 電力伝送装置、電力伝送方法

Info

Publication number: JP2006230032A
Application number: JP2005037259A
Authority: JP
Inventors: Noboru Daiho; 昇大保
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2025-02-15
Also published as: JP4774217B2

Abstract

【課題】実用レベルの高い電力伝送効率を達成し、その高い電力伝送効率をもって小型軽量化及び省電力化を容易に実現できる電力伝送装置、電力伝送方法を提供する。
【解決手段】１次側送電用コイルＬ１と２次側受電用コイルＬ２を磁気的に結合し、１次側送電用コイルＬ１から２次側受電用コイルＬ２に無接点非接触で電力を伝送する電力伝送装置において、１次側送電用コイルＬ１にコンデンサＣ１を直列に接続し、１次側送電用コイルＬ１に供給する電圧を交流化及び昇圧すると共に、２次側受電コイルＬ２による相互インダクタンスＭを含んだ直列共振回路７を構成し、２次側受電コイルＬ２による相互インダクタンスＭを含んだ直列共振回路７の共振点を１次側送電用コイルＬ１とコンデンサＣ１でなる１次側直列共振回路６の共振点よりも高い周波数に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば携帯電話等の携帯用小型電子機器に内蔵される２次電池を無接点非接触で充電することができる電力伝送装置、電力伝送方法に関する。

この種電力伝送装置は、１次側送電用コイルと２次側受電用コイルを磁気的に結合し、１次側送電用コイルから２次側受電用コイルに無接点非接触で電力を伝送する。このように電磁誘導を利用する電力伝送装置では、電力伝送効率及び伝送電力の向上と消費電力の削減が大きな課題となり、この課題を解決するための技術が従来より提案されている。例えば特許文献１には、１次コイと２次コイルに有芯コイルを使用すると共に、２次コイルにコンデンサを並列に接続して並列共振回路を構成し、１次コイル側の発振信号の周波数に比して高い周波数を２コイル側の共振周波数とし、キャパシタンスを小さくして、１次コイルと２次コイルとの結合係数を見かけ上、高くして、電力伝送効率の向上を図る技術が開示されている。また、１次コイルに生じる電圧・電流等のパラメータ変動を検出することによって、間接的に負荷の有無を検出し、有負荷のときに完全動作モードで１次コイルに継続的に電力を供給し、無負荷のときには間欠動作モードで１次コイルに所定のタイミング毎に所定時間だけ間欠的に電力を供給し、消費電力の削減を図る技術が開示されている。
国際公開第９８／３４３１９号パンフレット

本発明が解決しようとする課題は、従来の技術では１次コイルに発生する電圧の大きさは電源又は信号源の電圧に依存するために、１次コイルに大きな電圧を発生させ得ず、実用レベルの電力伝送効率を得られず、引いては小型軽量化及び省電力化も実現し得ない点にある。

本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、実用レベルの高い電力伝送効率を達成し得、小型軽量化及び省電力化を容易に実現し得る電力伝送装置、電力伝送方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明の電力伝送装置は、１次側送電用コイルと２次側受電用コイルを磁気的に結合し、１次側送電用コイルから２次側受電用コイルに無接点非接触で電力を伝送する電力伝送装置において、１次側送電用コイルに直列に接続され、１次側送電用コイルに供給する電圧を交流化及び昇圧すると共に、２次側受電用コイルによる相互インダクタンスを含んだ直列共振回路を構成するコンデンサを備え、２次側受電用コイルによる相互インダクタンスを含んだ直列共振回路の共振点を１次側送電用コイルとコンデンサでなる１次側直列共振回路の共振点よりも高い周波数に設定したことを特徴とする。

請求項２に係る発明の電力伝送装置は、請求項１に係る発明の電力伝送装置において、コンデンサは、１次側送電用コイルに直列に１個配置することを特徴とする。

請求項３に係る発明の電力伝送装置は、請求項１に係る発明の電力伝送装置において、コンデンサは、１次側送電用コイルに直列に１次側送電用コイルを挟んで２個配置することを特徴とする。

請求項４に係る発明の電力伝送装置は、請求項１に係る発明の電力伝送装置において、１次側送電用コイルと２次側受電用コイルは、平面状空芯コイルでなることを特徴とする。

請求項５に係る発明の電力伝送装置は、請求項１に係る発明の電力伝送装置において、１次側送電用コイルと２次側受電用コイルは、リッツ線を平面上にて１０以上５０以下の巻数で螺旋状に巻いて構成された平面状空芯コイルでなることを特徴とする。

請求項６に係る発明の電力伝送装置は、請求項１に係る発明の電力伝送装置において、１次側送電用コイルの電圧の位相を検知する位相検出手段と、位相検出手段の出力に基づいて１次側送電用コイルに供給する電力量を制御するための制御信号を出力する制御手段とを備え、制御手段は、１次側送電用コイルに供給される電圧に比べて１次側送電用コイルの電圧の位相が、遅れたときに無負荷と判断し、また、進んだときに異物負荷と判断し、このときに１次側送電用コイルに一定間隔で一定時間だけ間欠的に電力を供給するための第１の制御信号を出力し、同一位相のときに正規負荷と判断し、１次側送電用コイルに継続的に電力を供給するための第２の制御信号を出力することを特徴とする。

請求項７に係る発明の電力伝送装置は、請求項６に係る発明の電力伝送装置において、１次側送電用コイルの電圧の位相を検知する位相検出手段に加えて振幅を検知する振幅検知手段を備え、制御手段は、１次側送電用コイルに供給される電圧に比べて１次側送電用コイルの電圧の位相が進み、且つ、振幅が予め設定された基準値以上のときに異物負荷と判断することを特徴とする。

請求項８に係る発明の電力伝送装置は、請求項７に係る発明の電力伝送装置において、位相検知手段と振幅検出手段は、コンデンサの１次側送電用コイル側から１次側送電用コイルの電圧を入力することを特徴とする。

請求項９に係る発明の電力伝送装置は、請求項７に係る発明の電力伝送装置において、位相検知手段と振幅検出手段は、コンデンサの１次側送電用コイルと反対側から他のコンデンサを介して１次側送電用コイルの電圧を入力することを特徴とする。

請求項１０に係る発明の電力伝送装置は、請求項７に係る発明の電力伝送装置において、２次側受電用コイルに接続され、予め設定された特定の２次側１Ｄ信号に基づいて電力に対する負荷を変化させる２次側ＩＤ出力手段を備え、負荷変調により２次側受電用コイルから１次側受電用コイルに情報伝達を行い、制御手段は、１次側受電用コイルに伝達された情報に基づいて正規負荷を確認することを特徴とする。

請求項１１に係る発明の電力伝送装置は、請求項１に係る発明の電力伝送装置において、２次側受電用コイルの出力電圧を整流する整流手段と、整流手段からの整流出力を平滑する平滑手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１２に係る発明の電力伝送方法は、１次側送電用コイルと２次側受電用コイルを磁気的に結合し、１次側送電用コイルから２次側受電用コイルに無接点非接触で電力を伝送する電力伝送方法において、１次側送電用コイルにコンデンサを直列に１個又は１次側送電用コイルを挟んで２個接続し、１次側送電用コイルに供給する電圧を交流化及び昇圧すると共に、２次側受電用コイルによる相互インダクタンスを含んだ直列共振回路を構成し、２次側受電用コイルによる相互インダクタンスを含んだ直列共振回路を、１次側送電用コイルと２次側受電用コイル及びコンデンサにより、１次側送電用コイルとコンデンサでなる１次側直列共振回路の共振周波数よりも高い周波数で共振させ、１次側送電用コイルから２次側受電用コイルに電力を伝送することを特徴とする。

請求項１に係る発明、請求項１２に係る発明によれば、１次側送電用コイルにはこれと直列に接続されたコンデンサの昇圧機能によって電源や信号源の電圧に依存することなく大きな電圧を発生させることができる。また、１次側送電用コイルには２次側受電用コイルによる相互インダクタンスを含んだ直列共振回路の共振特性によって無負荷時には微小電流しか流れず、有負荷時にのみ大きな電流を流すことができる。よって、実用レベルの高い電力伝送効率を達成でき、引いては小型軽量化及び省電力化を容易に実現できる。

コンデンサは、請求項２に係る発明のように、１次側送電用コイルに直列に１個配置するだけで十分であるが、請求項３に係る発明のように、１次側送電用コイルに直列に１次側送電用コイルを挟んで２個配置することで、それぞれに掛かる電圧を分圧しコンデンサの耐量を増やすことができる。

１次側送電用コイルと２次側受電コイルに有芯コイルを使用すると、ヒステリシス損と渦電流損からなる鉄損を発生する。この鉄損は、電力の伝送途中での損失の中で非常に大きな割合を占め、電力伝送効率を著しく低下させる要因になるが、請求項３に係る発明及び請求項４に係る発明のように、１次側送電用コイルと２次側受電用コイルに平面状空芯コイルを使用することによって、構造的に鉄損を回避することができ、電力伝送効率を飛躍的に向上させることができる。

また、請求項４に係る発明のように、１次側送電用コイルと２次側受電用コイルにリッツ線を平面上にて１０以上５０以下の巻数で螺旋状に巻いて構成された空芯コイルを使用すると、表皮効果と渦電流損を著しく減らすことができると共に、１０以上５０以下の少ない巻数の疎巻きにすることによって直流抵抗成分も著しく減らすことができ、しかも、最も効率がよい巻数（出願人が行った試験では１８〜２０）を選択することができ、電力伝送効率をより高めることができる。

請求項６に係る発明よれば、負荷の有無だけでなく、正規負荷かそれ以外の異物負荷かを１次側で検出し、正規負荷にだけ電力を伝送することができ、例えば１次側送電用コイルの近くにある金属に対して電力を伝送し、それを加熱してしまうのを防止することができる。このため、無駄な電力消費を抑えることができると共に、意図しない電力伝送による危険性を回避することができる。

また、請求項７に係る発明のように、１次側送電用コイルの電圧の位相だけでなく、振幅との組み合わせによって異物負荷検出を行うことにより、精度の高い異物負荷検出を行うことができる。

さらに、位相検知手段と振幅検出手段は、請求項８に係る発明のように、コンデンサの１次側送電用コイル側から１次側送電用コイルの電圧を入力することができる。また、請求項９に係る発明のように、コンデンサの１次側送電用コイルと反対側からは、他のコンデンサを介することによって１次側送電用コイルの電圧を入力することができる。負荷の有無については、１次側送電用コイルに流れる電流量を検出することによっても判断可能であるが、この場合、１次側にシャント抵抗等の抵抗値の低い素子を設ける必要があり、この素子が２次側受電用コイルに伝送されるべき電力の一部を先に消費してジュール損を発生させてしまうが、請求項６に係る発明、請求項７に係る発明のように、１次側送電用コイルの電圧の位相と振幅に基づいて負荷の有無に加えて正規負荷と異物負荷を検出することによって、その検出を電力をほとんど消費することなく行うことができ、電力伝送効率の低下を防止することができる。

請求項１０に係る発明によれば、１次側受電用コイルに伝達された情報に基づいて正規負荷を確認するＩＤ認証機能を付加することができ、このＩＤ認証機能によってある特定の負荷、例えば本装置を携帯電話の充電器に適用した場合、〇〇社製の携帯電話にのみ電力を伝送する（略同様の受電機能を持つ他社製の携帯電話には電力を伝送しない）ことができ、無接点非接触による電力伝送の安全性を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る電力伝送装置の回路図であり、１次側送電用コイル（以降、「１次コイル」という）Ｌ１を有する１次側送電部１と、２次側受電用コイル（以降、「２次コイル」という）Ｌ２を有する２次側受電部２とで構成されている。１次側送電部１は、発振器（ＯＳＣ）３と、分周器４と、２組のＣ−ＭＯＳＦＥＴ（Complementary-Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）回路５Ａ，５Ｂからなるドライブ用ブリッジ回路（スイッチング回路）５と、前記１次コイルＬ１とを備えている。また、２次側送電部２は、前記２次コイルＬ２と、全波整流用のダイオードブリッジＤＢと、平滑用の電解コンデンサＣ２と、負荷Ｒを備えている。

１次側送電部１においては、発振器３の出力が分周器４に接続され、分周器４の出力がドライブ用ブリッジ回路５の各Ｃ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａ，５Ｂにインバータ回路５Ｃを介して接続されている。また、一方のＣ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａの出力に前記１次コイルＬ１の一端が接続され、他方のＣ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ｂの出力に前記１次コイルＬ１の他端が接続されている。

２次側送電部２においては、２次コイルＬ２が前記１次コイルＬ１と磁気的に結合されている。この２次コイルＬ２の両端にダイオードブリッジＤＢの入力が接続され、ダイオードブリッジＤＢの出力に平滑用の電解コンデンサＣ２と負荷Ｒが並行に接続されている。

以上の構成において、発振器３から出力される所定周波数（後述する直列共振回路の共振周波数のｎ倍の周波数）の信号（矩形波）は分周器４で１／ｎに分周され、分周器４から出力される所定周波数（後述する直列共振回路の共振周波数）の分周信号（矩形波）がインバータ回路５Ｃによって各Ｃ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａ，５Ｂに逆位相で入力されることによって、各Ｃ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａ，５Ｂが逆の動作をする。即ち、各Ｃ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａ，５ＢはそれぞれＰチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ３とＮチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ４を組み合わせた回路構成であり、一方のＣ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａ側の入力（ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ１とＮチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ２の入力）がＬ（Ｌｏｗ）レベル、他方のＣ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ｂ側の入力（ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ３とＮチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ４の入力）がＨ（Ｈｉｇｈ）レベルの場合、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ１とＮチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ４がＯＮ状態、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ２とＰチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ３はＯＦＦ状態になるため、一方のＣ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａの出力はＰチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ１により直流電源Ｖ１（＋５）に接続されてＨレベルになり、他方のＣ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ｂの出力はＮチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ４により接地に接続されてＬレベルになる。これにより、１次コイルＬ１には順方向に電流が流される。各Ｃ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａ，５Ｂの入力が逆になると、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ１とＮチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ４がＯＦＦ状態、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ２とＰチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ３はＯＮ状態になるため、一方のＣ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａの出力はＮチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ２により接地に接続されてＬレベルになり、他方のＣ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ｂの出力はＰチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ３により直流電源Ｖ１（＋５）に接続されてＨレベルになる。これにより、１次コイルＬ１には逆方向に電流が流される。このように、発振器３から出力される所定周波数の信号に基づいて２組のＣ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａ，５Ｂが交互にオンオフを繰り返すスイッチング動作によって１次コイルＬ１に交流電力（高周波電力）が供給されると、電磁誘導によって２次コイルＬ２に逆起電力（相互誘導起電力）が発生する。この２次コイルＬ２に誘導（伝送）された交流電力はダイオードブリッジＤＢで全波整流され、電解コンデンサＣ２で平滑されて直流電力に変換され、この直流電力が負荷Ｒに供給される。なお、Ｃ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａ，５Ｂでは、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ３とＮチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ４が同時にＯＮ状態になることはなく、貫通電流は発生しない。また、電圧だけで駆動制御できるので、制御するのに電力を消費しない。

以上のように電力伝送装置は、１次コイルＬ１と２次コイルＬ２を磁気的に結合し、１次側送電用コイルＬ１から２次側受電用コイルＬ２に無接点非接触で電力を伝送するように構成されている。また、１次側送電部１には１次コイルＬ１に電力を供給するドライブ用ブリッジ回路５等の給電手段と、この給電手段にこれを駆動制御する所定周波数の信号を供給する発振器３等の発振手段とを備えている。また、２次側受電部２には負荷Ｒに直流電力を供給するために、２次コイルＬ２の出力電圧を整流するダイオードでなるダイオードブリッジＤＢ等の整流手段と、この整流手段からの整流出力（脈流）を平滑するコンデンサＣ２でなる平滑手段とを備えている。このような電力伝送装置は、例えば携帯電話を位置決めして載置する充電台に１次側送電部１を商用電源を降圧、整流，平滑，安定化する電源回路と共に内蔵し、商用電源で１次側送電部１に直流を供給できるようにし、また、携帯電話に２次側受電部２を２次電池と共に内蔵し、２次コイルＬ２に２次電池を負荷ＲとしてダイオードブリッジＤＢ及び電解コンデンサＣ２を介して接続することによって、携帯電話用の無接点非接触方式の充電器を構成することができる。

以上のように構成されている電力伝送装置の１次側送電部１には、図１に示すように、１次コイルＬ１に直列に接続され、１次コイルＬ１に供給する電圧を交流化及び昇圧すると共に、１次コイルＬ１とで１次側直列共振回路（２次コイルＬ２による相互インダクタンスＭを含まない１次側直列共振回路）６及び２次コイルＬ２による相互インダクタンスＭを含んだ全体の直列共振回路７を構成するコンデンサＣ１を備え、このコンデンサＣ１を介して１次コイルＬ１に交流電力（高周波電力）を供給するように構成している。このコンデンサＣ１は、何れか一方のＣ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａ又は５Ｂの出力とその出力に対する１次コイルＬ１の接続端との間に１個配置、即ち、１次コイルＬ１の一側に直列に１個配置している。なお、図１の仮想線に示すように、各Ｃ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａ，５Ｂの出力とその各出力に対する１次コイルＬ１の各接続端との間にそれぞれ１個づつコンデンサＣ１，Ｃ１ａを配置、即ち、１次コイルＬ１の両側に直列に１コイルＬ１を挟んで２個配置する方が好ましい。コンデンサ１個と２個では電気的には等価であるが、２個の場合はそれぞれ倍の静電容量を持ったコンデンサＣ１，Ｃ１ａを配置し、掛かる電圧を分圧して耐量を増やすことによって劣化を軽減することができる。

そして、図２に示すように、２次コイルＬ２による相互インダクタンスＭを含んだ直列共振回路７の共振点（共振周波数ｆ_ｓ2）が１次コイルＬ１とコンデンサＣ１（又はコンデンサＣ１，Ｃ１ａ）でなる１次側直列共振回路６の共振点（共振周波数ｆ_ｓ1）よりも高い周波数（ｆ_ｓ1＜ｆ_ｓ2）になるように設定されている。また、このような直列共振回路７の共振特性が得られるような電気特性を有する１次コイルＬ１、２次コイルＬ２、コンデンサＣ１（又はコンデンサＣ１，Ｃ１ａ）が選択的に使用されている。

以上の構成において、分周器４から出力される分周信号の発振周波数が２次コイルＬ２による相互インダクタンスＭを含んだ直列共振回路７の共振周波数（ｆ_ｓ2）になるように発振器３の発振周波数を設定し、ドライブ用ブリッジ回路５を介して１次側直列共振回路６及び直列共振回路７を駆動することで、負荷Ｒが存在しない無負荷時には、１次側共振回路６の共振点から大きくずれいるために、１次コイルＬ１には微小電流しか流れない。一方、負荷Ｒが存在する有負荷時には、直列共振回路７の共振点になるために、１次コイルＬ１に大きな電流が流れる。

したがって、以上のように構成されている電力伝送装置は、１次コイルＬ１にはこれと直列に接続されたコンデンサＣ１（又はコンデンサＣ１，Ｃ１ａ）の昇圧機能によって電源や信号源の電圧に依存することなく大きな電圧を発生させることができる。また、１次コイルＬ１には２次コイルＬ２による相互インダクタンスＭを含んだ直列共振回路７の共振特性によって無負荷時には微小電流しか流れず、有負荷時にのみ大きな電流を流すことができる。よって、実用レベルの高い電力伝送効率を達成でき、引いては小型軽量化及び省電力化を容易に実現できる。

以上のように構成されている電力伝送装置の１次コイルＬ１及び２次コイルＬ２は、図３に示すように、平面状空芯コイルＬでなる。１次コイルＬ１と２次コイルＬ２に有芯コイルを使用すると、ヒステリシス損と渦電流損からなる鉄損を発生する。この鉄損は、電力の伝送途中での損失の中で非常に大きな割合を占め、電力伝送効率を著しく低下させる要因になるが、平面状空芯コイルＬを使用することによって、構造的に鉄損を回避することができるために、電力伝送効率を飛躍的に向上させることができる。

平面状空芯コイルＬは銅線やエナメル線を複数本撚り合わせてなるリッツ線８を平面上にて１０以上５０以下の巻数で螺旋状に巻いて構成されている。このような、平面状空芯コイルＬを１次コイルＬ１と２次コイルＬ２に使用すると、表皮効果と渦電流損を著しく減らすことができると共に、１０以上５０以下の少ない巻数の疎巻きにすることによって直流抵抗成分も著しく減らすことができ、しかも、最も効率がよい巻数（出願人が行った試験では１８〜２０）を選択することができ、電力伝送効率をより高めることができる。

以上のように構成されている電力伝送装置（図１の回路）について、出願人が電力伝送効率試験を行った結果、下記の結果を得た。

「試験１」
１次コイルＬ１と２次コイルＬ２には、０．１ｍｍの銅線２０本撚りのリッツ線８を平面上で円形、且つ、螺旋状に巻数２０で巻き、２次側コイルＬ２を携帯電話に内蔵することを考慮して外周直径３０ｍｍ、内周空芯部直径７ｍｍに構成された平面状空芯コイルを使用した。１次コイルＬ１のインダクタンスを計測した所１０μＨ、直流抵抗は０．２Ωである。コンデンサＣ１の静電容量を０．０３μＦとすると、ω＝１／√ＬＣから１次側直列共振回路６の共振周波数（共振点）ｆ_ｓ1は２９０ＫＨｚと導き出されるが、２次コイルＬ２による相互インダクタンスＭを考慮に入れて、１次側直列共振回路６の共振周波数（共振点）ｆ_ｓ1より高い周波数４００ＫＨｚ（ｆ_ｓ2）に１次側直列共振回路６の駆動周波数を設定すると、１次側送電部１の発振回路３、分周器４を含めた消費電流は１００ｍＡ程度にまで下がる。この状態で２次コイルＬ２を２ｍｍの間隔を設けて１次コイルＬ１に重なるように近接させて試験を実施した結果、
１次側５Ｖ１Ａ５×１＝５Ｗ
２次側負荷抵抗１０Ω ６Ｖ６００ｍＡ６×０．６＝３．６Ｗ
よって、直流対直流の電力伝送効率は３．６÷５＝７２％になる。

「試験１」において、２次側受電部２のダイオードブリッジＤＢと電解コンデンサＣ２を取り除き、２次コイルＬ２に直接負荷Ｒを接続させた場合、
１次側５Ｖ１Ａ５×１＝５Ｗ
２次側負荷抵抗１０Ω 交流電圧実行値６．３６Ｖ６．３６×６．３６÷１０≒４Ｗ
よって直流対交流の電力伝送効率は４÷５＝８０％になる。

「試験２」
１次コイルＬ１には、０．１ｍｍの銅線１５本撚りのリッツ線８を平面上で円形、且つ、螺旋状に巻数２０で巻き、外周直径２５ｍｍ、内周空芯部直径５ｍｍに構成された平面状空芯コイルを使用し、２次コイルＬ２には、０．１ｍｍの銅線１５本撚りのリッツ線８を平面上で円形、且つ、螺旋状に巻数１５で巻き、外周直径２０ｍｍ、内周空芯部直径５ｍｍに構成された平面状空芯コイルを使用した。１次コイルＬ１のインダクタンスを計測した所８μＨ、直流抵抗成分は０．２Ωである。コンデンサＣ１の静電容量を０．０３μＦとすると、ω＝１／√ＬＣから１次側直列共振回路６の共振周波数（共振点）ｆ_ｓ1は３２４ＫＨｚと導き出されるが、２次コイルＬ２による相互インダクタンスＭを考慮に入れて、１次側直列共振回路６の共振周波数（共振点）ｆ_ｓ1より高い周波数４４０ＫＨｚ（ｆ_ｓ2）に１次側直列共振回路６の駆動周波数を設定すると、１次側送電部１の発振回路３、分周器４を含めた消費電流は８０ｍＡ程度にまで下がる。この状態で２次コイルＬ２を２ｍｍの間隔を設けて１次コイルＬ１に重なるように近接させて試験を実施した結果、
１次側５Ｖ０．８Ａ５×０．８＝１Ｗ
２次側負荷抵抗１０Ω ５．２Ｖ５２０ｍＡ５．２×０．５２＝２．７Ｗ
よって、直流対直流の電力伝送効率は２．７÷４＝６７．５％になる。

「試験２」において、２次側受電部２のダイオードブリッジＤＢと電解コンデンサＣ２を取り除き、２次コイルＬ２に直接負荷Ｒを接続させた場合、
１次側５Ｖ０．８Ａ５×０．８＝４Ｗ
２次側負荷抵抗１０Ω 交流電圧実行値５．６６Ｖ５．６６×５．６６÷１０≒３．２Ｗ
よって直流対交流の電力伝送効率は３．２÷４＝８０％になる。

「試験３」
１次コイルＬ１に直列に１次コイルＬ１を挟んで２個、静電容量０．０６μＦのコンデンサＣ１，Ｃ１ａを配置した以外は「試験１」と同じ条件で試験を実施した結果、「試験１」と全く同じ結果を得た。

以上のように構成されている電力伝送装置は、上記各試験結果からも明らかなように、実用レベルの高い電力伝送効率を達成でき、この高い電力伝送効率をもって小型軽量化及び省電力化を容易に実現できる。なお、２次側受電部２のダイオードブリッジＤＢと電解コンデンサＣ２を取り除いたときの電力伝送効率が高くなっている。これはダイオードブリッジＤＢのダイオードの電圧降下による整流損の割合が２次コイルＬ２の伝送電力が低いほど顕著に現れるためで、さらに大きな電力の伝送であれば整流損の割合が下がり電力伝送効率がさらに上がることを示している。

以上のように構成されている電力伝送装置の１次側送電部１には、図１に示すように、１次コイルＬ１に発生する電圧の位相を検知する位相検出回路９と、位相検出回路９の出力に基づいて１次コイルＬ１に供給する電力量を制御するために発振器３に対して第１及び第２の制御信号を出力する制御回路１０とを備えている。位相検出回路９はコンデンサＣ１の１次コイルＬ１側（コンデンサＣ１の１次コイルＬ１との間）のＢ点から１次コイルＬ１の電圧を入力し、分周器４の出力電圧の位相と比較することによって、１次コイルＬ１に発生する電圧の位相を検出している。１次コイルＬ１に発生する電圧の位相は、１次コイルＬ１に供給される電圧の位相、即ち、分周器４から出力されている分周信号電圧の位相と比べて、無負荷時には誘導リアクタンスによって遅れ、電力伝送対象である正規負荷Ｒ時には直列共振によって同一位相になり、電力伝送対象ではないけれども電力伝送可能な導電物でなる異物負荷時には容量リアクタンスによって進む。そして、制御回路１０は、分周器４から出力されている分周信号と位相検出回路９の出力信号を入力し、基準位相（分周器４から出力されている分周信号電圧の位相）と検出位相（位相検出回路９にて検出された１次コイルＬ１に発生する電圧の位相）とを比較して、基準位相に比べて検出位相が遅れたときに無負荷と判断し、また、進んだときに異物負荷と判断し、この何れの場合にも１次コイルＬ１に一定間隔で一定時間だけ間欠的に電力を供給するために発信器３に対して第１の制御信号を出力し、同一位相のときに正規負荷Ｒと判断し、１次コイルＬ１に継続的に電力を供給するための第２の制御信号を出力するように構成している。

以上の構成において、制御回路１０はスタンバイモードとして発信器３に対して第１の制御信号を出力する。発振器３はその出力が第１の制御信号によってＬレベル又はＨレベルの何れか一方（コンデンサＣ１を介して１次コイルＬ１に接続している出力がＯＮ状態になるＬレベル又はＨレベル）のタイミングで一定間隔で一定時間だけクランプされる。この発振器３からの信号（サンプリング信号）が分周器４で分周されて、ドライブ用ブリッジ回路５の各Ｃ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａ，５Ｂにインバータ回路５Ｃを介して逆位相で入力されることによって、１次コイルＬ１に交流電力（高周波電力）が一定間隔で一定時間だけ供給される。そして、制御回路１０が分周器４から出力されている分周信号電圧の位相である基準位相と位相検出回路９にて検出された１次コイルＬ１に発生する電圧の位相である検出位相とを比較し、正規負荷Ｒであれば発信器３に対して第２の制御信号を出力してアクティブモードに移行する。アクティブモードでは発振器３は所定周波数の信号を継続的に出力し、この発振器３からの信号（アクティブ動作信号）が分周器４で分周され、分周器４から出力される直列共振回路７の共振周波数ｆ_ｓ2の分周信号（矩形波）がインバータ回路５Ｃを介してドライブ用ブリッジ回路５の各Ｃ−ＭＯＳＦＥＴ回路５Ａ，５Ｂに逆位相で入力されることによって、１次コイルＬ１に交流電力（高周波電力）が継続的に供給される。また、制御回路１０はアクティブモードにおいても分周器４から出力されている分周信号電圧の位相である基準位相と位相検出回路９にて検出された１次コイルＬ１に発生する電圧の位相である検出位相とを比較しており、無負荷又は異常負荷であれば、即ち、正規負荷Ｒでなければ発信器３に対して第２の制御信号を出力してスタンバイモードに移行する。

したがって、以上のように構成されている電力伝送装置は、負荷の有無だけでなく、正規負荷Ｒかそれ以外の異物負荷かを１次側送電部１側で検出し、正規負荷Ｒにだけ電力を伝送することができ、例えば１次コイルＬ１の近くにある金属に対して電力を伝送し、それを加熱してしまうのを防止することができる。このため、無駄な電力消費を抑えることができると共に、意図しない電力伝送による危険性を回避することができる。

以上のように構成されている電力伝送装置の１次側送電部１には、図１に示すように、１次コイルＬ１に発生する電圧の位相を検知する位相検出回路９に加えて振幅を検知する振幅検知回路１１を備えている。振幅検出回路１１も位相検出回路９と同様にコンデンサＣ１の１次コイルＬ１側（コンデンサＣ１の１次コイルＬ１との間）のＢ点から１次コイルＬ１の電圧を入力し、予め設定された基準電圧値と比較することによって、１次コイルＬ１に発生する電圧の振幅（大きさ）を検出している。１次コイルＬ１に発生する電圧の振幅は、電力伝送対象ではないけれども電力伝送可能な導電物でなる異物負荷の場合、電力伝送対象である正規負荷Ｒの場合と比べて大きくなる。そして、制御回路１０は、分周器４から出力されている分周信号と位相検出回路９の出力信号に加えて振幅検出回路１１の出力信号を入力し、位相と並行して、予め設定されている基準振幅値と検出振幅値（振幅検出回路１１にて検出された１次コイルＬ１に発生する電圧の振幅値）とを比較して、基準位相に比べて検出位相が進み、且つ、検出振幅値が基準振幅値以上になったときにのみ異物負荷と判断するように構成している。

以上の構成において、制御回路１０は分周器４から出力されている分周信号電圧の位相である基準位相と位相検出回路９にて検出された１次コイルＬ１に発生する電圧の位相である検出位相とを比較し、この位相と並行して、予め設定されている基準振幅値と振幅検出回路１１にて検出された１次コイルＬ１に発生する電圧の振幅である検出振幅とを比較し、基準位相と検出位相とが同一位相で、且つ、検出振幅値が基準振幅値以下で正規負荷Ｒであれば発信器３に対して第２の制御信号を出力してアクティブモードに移行する。また、基準位相に比べて検出位相か遅れ、且つ、検出振幅値が基準振幅値以下で無負荷であるときと、基準位相に比べて検出位相か進み、且つ、検出振幅値が基準振幅値以上で異物負荷のとき、即ち、正規負荷Ｒでなければ発信器３に対して第２の制御信号を出力してスタンバイモードに移行する。

したがって、以上のように構成されている電力伝送装置は、１次コイルＬ１の電圧の位相だけでなく、振幅との組み合わせによって異物負荷検出を行うことにより、精度の高い異物負荷検出を行うことができる。

以上のように構成されている電力伝送装置の２次側受電部２には、図１に示すように、２次コイルＬ２に接続され、予め設定された特定の２次側１Ｄ信号、例えば１ｂｉｔのデジタル信号に基づいて電力に対する負荷を変化させる２次側ＩＤ出力回路１２を備えている。２次側ＩＤ出力回路１２は２次コイルＬ２に対する電力伝送開始時（アクティブモードに移行時）に一定時間だけ動作し、２次コイルＬ２に対して負荷Ｒと並列に接続させる抵抗値の小さい抵抗素子に２次側１Ｄ信号に基づいてドライバを介して導通／遮断することにより、２次コイルＬ２の電圧を変化させ、２次コイルＬ２の電圧変化に同調して１次コイルＬ１の電圧を変化させるように構成している。即ち、アクティブモードによる電力伝送開始時、負荷変調により２次コイルＬ２（２次側受電部２）から１次コイルＬ１（１次側送電部１）に特定の情報伝達を行うように構成している。そして、制御回路１０は、１次コイルＬ１に伝達された特定情報に基づいて正規負荷Ｒを確認するように構成している。

以上の構成において、制御回路１０は第２の制御信号を出力してアクティブモードに移行したときに、位相検出回路９と振幅検出回路１１を通して入力される２次側１Ｄ信号に基づいて１次コイルＬ１に発生する電圧変動パターンを、制御回路１０に予め設定されている１次側ＩＤである電圧変動パターンと照合し、この一致をもって正規負荷Ｒであることを再確認し、アクティブモードを維持する。正規負荷Ｒの確認がなければ発信器３に対して第２の制御信号を出力してスタンバイモードに移行する。

したがって、以上のように構成されている電力伝送装置は、１次コイルＬ１に伝達された情報に基づいて正規負荷Ｒを確認するＩＤ認証機能を付加することができ、このＩＤ認証機能により、ある特定の負荷、例えば本装置を携帯電話の充電器に適用した場合、〇〇社製の携帯電話にのみ電力を伝送する（略同様の受電機能を持つ他社製の携帯電話には電力を伝送しない）ことができ、無接点非接触による電力伝送の安全性を向上することができる。

以上のように構成されている電力伝送装置について、図１の回路におけるＡ点とＢ点の無負荷、正規負荷、異物負荷（４０ｍｍ角で１ｍｍ厚の正方形の鉄片）それぞれのときの電圧波形と電流波形をオシロスコープ（テクトロニクス社製のＴＤＳ３０３２Ｂ）を使用して計測した結果を図５〜図１０に示している。

図５は無負荷で、上段が図１のＡ点の電圧波形、下段は図１のＡ点の電流波形、図６は無負荷で、上段は図１のＡ点の電圧波形、下段は図１のＢ点の電圧波形、図７は正規負荷で、上段は図１のＡ点の電圧波形、下段は図１のＡ点の電流波形、図８は正規負荷で、上段は図１のＡ点の電圧波形、下段は図１のＢ点の電圧波形、図９は異物負荷で、上段は図１のＡ点の電圧波形、下段は図１のＡ点の電流波形、図１０は異物負荷で、上段は図１のＡ点の電圧波形、下段は図１のＢ点の電圧波形、をそれぞれ示しており、先ず、図５、図７、図９の下段の電流に注目すると無負荷、正規負荷、異物負荷のときにそれぞれ電圧に比べ位相が異なっており、無負荷時にはドライバ側より位相が略９０度遅れ、正規負荷時には同一位相となり、異物負荷時は位相が略９０度進んでいることが分かる。次に、図６、図８、図１０の下段の電圧と上記電流とを比較すると、位相が略９０度異なっているものの、負荷による変化が同一であることが分かる。このことは図１のＢ点の電圧を検出することとＡ点の電流を検出することが同等の意味を持つことを示している。そして、図１０のように、異物負荷に対して電圧が極端に上昇していることから、電圧の振幅の検知との組み合わせによって精度の高い異物検出を行えるということが理解できる。

ところで、１次コイルＬ１に流れる電流を検出する場合、シャント抵抗等の抵抗値の低い素子に通電して両端の電圧から検出するのが一般的であるが、この方法では抵抗素子に電流が流れ、この素子が２次コイルＬ２に伝送されるべき電力の一部を先に消費してジュール損を発生させてしまい、発熱や電力伝送効率の低下を招くが、図１のＢ点の電圧検出であれば入力インピーダンスの高い素子を使うことによって消費電力を抑え１次側送電部１だけの制御が可能になる。このため、位相検出回路９及び振幅検出回路１１はコンデンサＣ１の１次コイルＬ１側（コンデンサＣ１の１次コイルＬ１との間）のＢ点から１次コイルＬ１の電圧を入力し、これら位相検出回路９及び振幅検出回路１１からの出力に基づいて制御回路１０が第１及び第２の制御信号を適宜発振器３に出力し、１次側送電部１を動作をスタンバイモードとアクティブモード間で切換制御している。

したがって、以上のように構成されている電力伝送装置は、１次側送電用コイルの電圧の位相と振幅に基づいて負荷の有無に加えて正規負荷と異物負荷を検出することによって、その検出を電力をほとんど消費することなく行うことができ、電力伝送効率の低下を防止することができる。

図４は本発明の実施の形態に係る他の電力伝送装置の回路図であり、図１に示す回路と同一部分については同一符号を付し、その詳しい説明を省略し、相違する部分について説明する。即ち、位相検出回路９及び振幅検出回路１１はコンデンサＣ１の１次コイルＬ１側（コンデンサＣ１の１次コイルＬ１との間）と反対側のＡ点から他のコンデンサＣ３を介して１次コイルＬ１の電圧を入力し、これら位相検出回路９及び振幅検出回路１１からの出力に基づいて制御回路１０が第１及び第２の制御信号を適宜発振器３に出力し、１次側送電部１を動作をスタンバイモードとアクティブモード間で切換制御している。このように、１次コイルＬ１の電圧検出は、１次コイルＬ１側（コンデンサＣ１の１次コイルＬ１との間）のＢ点、その反対側のＡ点の何れからでも行うことができる。

なお、上述した実施の形態は本発明の好適な実施の形態の一例を示したものであり、本発明のそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内において変形実施することができる。

例えば、図１１は本発明の実施の形態に係る更なる他の電力伝送装置の回路図であり、図１に示す電力伝送装置では１次側送電部１の給電手段としてＭＯＳＦＥＴをＰチャンネルとＮチャンネル（コンプリメンタリ）２組４個を使用したが、図１１に示す電力伝送装置のように、１組２個にして直列共振回路６の一端と接続し、直列共振回路６の他端を接地に接続し、直列共振回路６に断続的に電力を供給しても良い。図１１に示す電力伝送装置のその他の回路構成は、図１に示す電力伝送装置の回路構成と同一であり、同一符号を付しその詳しい説明を省略する。また、ＭＯＳＦＥＴはコンプリメンタリを使用したが、効率性は若干落ちるもののＮチャンネル同士を使用しても良い。

本発明の実施の形態に係る電力伝送装置の回路図である。直列共振回路の共振特性を示す図である。１次コイル、２次コイルの構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。本発明の実施の形態に係る他の電力伝送装置の回路図である。無負荷で、上段が図１のＡ点の電圧波形、下段は図１のＡ点の電流波形を示す図。無負荷で、上段は図１のＡ点の電圧波形、下段は図１のＢ点の電圧波形を示す図。正規負荷で、上段は図１のＡ点の電圧波形、下段は図１のＡ点の電流波形を示す図。正規負荷で、上段は図１のＡ点の電圧波形、下段は図１のＢ点の電圧波形を示す図。異物負荷で、上段は図１のＡ点の電圧波形、下段は図１のＡ点の電流波形を示す図。異物負荷で、上段は図１のＡ点の電圧波形、下段は図１のＢ点の電圧波形を示す図である。本発明の実施の形態に係る更なる他の電力伝送装置の回路図である。

符号の説明

１１次側送電部
２２次側受電部
３発振器（発振手段）
４分周器
５ドライブ用ブリッジ回路（給電手段）
５Ａ，５ＢＣ−ＭＯＳＦＥＴ回路
６１次側直列共振回路
７直列共振回路
８リッツ線
９位相検出回路
１０制御回路
１１振幅検出回路
Ｌ１１次コイル（１次側送電用コイル）
Ｌ２２次コイル（２次側受電用コイル）
Ｃ１Ｃ１ａコンデンサ
Ｍ相互インダクタンス
ＤＢダイオードブリッジ回路（整流手段）
Ｃ２電解コンデンサ（平滑手段）
Ｃ３コンデンサ
Ｒ負荷
Ｑ１，Ｑ３ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ
Ｑ２，Ｑ４ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ

Claims

１次側送電用コイルと２次側受電用コイルを磁気的に結合し、１次側送電用コイルから２次側受電用コイルに無接点非接触で電力を伝送する電力伝送装置において、１次側送電用コイルに直列に接続され、１次側送電用コイルに供給する電圧を交流化及び昇圧すると共に、２次側受電コイルによる相互インダクタンスを含んだ直列共振回路を構成するコンデンサを備え、２次側受電用コイルによる相互インダクタンスを含んだ直列共振回路の共振点を１次側送電用コイルとコンデンサでなる１次側直列共振回路の共振点よりも高い周波数に設定したことを特徴とする電力伝送装置。
コンデンサは、１次側送電用コイルに直列に１個配置することを特徴とする請求項１に記載の電力伝送装置。
コンデンサは、１次側送電用コイルに直列に１次側送電用コイルを挟んで２個配置することを特徴とする請求項２に記載の電力伝送装置。
１次側送電用コイルと２次側受電用コイルは、平面状空芯コイルでなることを特徴とする請求項１に記載の電力伝送装置。
１次側送電用コイルと２次側受電用コイルは、リッツ線を平面上にて１０以上５０以下の巻数で螺旋状に巻いて構成された平面状空芯コイルでなることを特徴とする請求項１に記載の電力伝送装置。
１次側送電用コイルの電圧の位相を検知する位相検出手段と、位相検出手段の出力に基づいて１次側送電用コイルに供給する電力量を制御するための制御信号を出力する制御手段とを備え、制御手段は、１次側送電用コイルに供給される電圧に比べて１次側送電用コイルの電圧の位相が、遅れたときに無負荷と判断し、また、進んだときに異物負荷と判断し、このときに１次側送電用コイルに一定間隔で一定時間だけ間欠的に電力を供給するための第１の制御信号を出力し、同一位相のときに正規負荷と判断し、１次側送電用コイルに継続的に電力を供給するための第２の制御信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の電力伝送装置。
１次側送電用コイルの電圧の位相を検知する位相検出手段に加えて振幅を検知する振幅検知手段を備え、制御手段は、１次側送電用コイルに供給される電圧に比べて１次側送電用コイルの電圧の位相が進み、且つ、振幅が予め設定された基準値以上のときに異物負荷と判断することを特徴とする請求項６に記載の電力伝送装置。
位相検知手段と振幅検出手段は、コンデンサの１次側送電用コイル側から１次側送電用コイルの電圧を入力することを特徴とする請求項７に記載の電力伝送装置。
位相検知手段と振幅検出手段は、コンデンサの１次側送電用コイルと反対側から他のコンデンサを介して１次側送電用コイルの電圧を入力することを特徴とする請求項７に記載の電力伝送装置。
２次側受電用コイルに接続され、予め設定された特定の２次側１Ｄ信号に基づいて電力に対する負荷を変化させる２次側ＩＤ出力手段を備え、負荷変調により２次側受電用コイルから１次側受電用コイルに情報伝達を行い、制御手段は、１次側受電用コイルに伝達された情報に基づいて正規負荷を確認することを特徴とする請求項７に記載の電力伝送装置。
２次側受電用コイルの出力電圧を整流する整流手段と、整流手段からの整流出力を平滑する平滑手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力伝送装置。
１次側送電用コイルと２次側受電用コイルを磁気的に結合し、１次側送電用コイルから２次側受電用コイルに無接点非接触で電力を伝送する電力伝送方法において、１次側送電用コイルにコンデンサを直列に１個又は１次側送電用コイルを挟んで２個接続し、１次側送電用コイルに供給する電圧を交流化及び昇圧すると共に、２次側受電コイルによる相互インダクタンスを含んだ直列共振回路を構成し、２次側受電コイルによる相互インダクタンスを含んだ直列共振回路を、１次側送電用コイルと２次側受電用コイル及びコンデンサにより、１次側送電用コイルとコンデンサでなる１次側直列共振回路の共振周波数よりも高い周波数で共振させ、１次側送電用コイルから２次側受電用コイルに電力を伝送することを特徴とする電力伝送方法。