JP2008236916A - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送電装置の間欠動作時等に１次コイルに対する給電時間の短縮を図り、送電装置の待機時における消費電力を削減できるようにした非接触電力伝送装置の提供。
【解決手段】この発明は、送電装置１および受電装置２からなり、１次コイル１６と２次コイル２１とを電磁的に結合させて、送電装置１が受電装置２に対して電力の伝送を行うようになっている。２次コイル２１は磁性体３１を含んでいる。送電装置１は、１次コイル１６に給電する給電手段と、その給電手段の一次コイル１６に対する給電開始時に、１次コイル１６の自己インダクタンスの変化を検出する自己インダクタンス検出手段と、を備え、その自己インダクタンス検出手段の検出結果に基づいて給電開始時における給電手段の給電動作を決めるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁誘導を利用して、１次側の送電装置から２次側の受電装置に非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置に関するものである。

従来、この種の非接触電力伝送装置としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。
この特許文献１に記載の非接触電力伝送装置は、電力伝送に先立って、送電装置と受電装置とが正規のものであるか否かを互いに通信によって確認し、その確認の終了後に、初めて送電装置が受電装置に対して本格的な電力伝送を開始するようにしたものである。

また、従来の他の非接触電力伝送装置としては、例えば、図６に示すような動作を行うものが知られている。
図６に示すように、送電装置側は、間欠的に所定時間Ｔ１だけ自己の１次コイルに給電し、受電装置側からの応答の有無に応じた動作を行う。すなわち、送電装置は、その所定時間Ｔ１の経過後に、受電装置側から認証の要求がない場合には、１次コイルに対する給電を停止する。一方、その所定時間Ｔ１の経過後に受電装置側から認証の要求がある場合には認証動作を行い、その認証が成立する場合には、受電装置に対する送電動作を開始する。

次に、これらの動作について、図７のフローチャートを参照してさらに詳述する。
送電装置側では、１次コイルの駆動を開始し（ステップＳ１）、その後に認証の検知を行い（ステップＳ２）、その検知ができない場合には、１次コイルの駆動を停止する（ステップＳ３）。一方、後述のように、その検知ができる場合には所定の認証動作を行う（ステップＳ４）。

受電装置側では、自己の２次コイルと送電装置の１次コイルとが電磁結合状態にあるときには、起動に十分な電力を受電する（ステップＳ５）。その受電により、パワーオンリセットされ（ステップＳ６）、受電装置は送電装置との間で認証動作を開始する（ステップＳ７）。
この認証動作が開始されると、送電装置側ではその認証を検知できるので、所定の認証動作を行う（ステップＳ４）。この認証動作により、受電装置に対する電力の送電が可能であれば、送電装置は受電装置に対する電力の送電を開始する。
特開２００６−６０９０９号公報

ところで、図６および図７に示すような動作をする従来の非接触電力伝送装置では、送電装置側が、自己の１次コイルに間欠的に所定時間Ｔ１だけ給電するときに、受電装置側からの応答を検出する必要がある。
このため、送電装置は、その受電装置が応答可能となるまでの所定期間Ｔ１の間は１次コイルに給電する必要があり、その所定期間Ｔ１が長くなればなるほど、待機時の消費電力が増加するという不具合があり、その解決が求められる。
そこで、本発明の目的は、上記の点に鑑み、送電装置の間欠動作時などに１次コイルに対する給電時間の短縮を図るようにし、送電装置の待機時における消費電力を削減できるようにした非接触電力伝送装置を提供することにある。

上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、各発明は、以下のような構成からなる。
第１の発明は、１次コイルを含む送電装置と、２次コイルを含む受電装置とからなり、前記１次コイルと前記２次コイルとを電磁的に結合させて、前記送電装置が前記受電装置に対して電力の伝送を行うようになっている非接触電力伝送装置であって、前記２次コイルは磁性体を含んでおり、前記送電装置は、前記１次コイルに給電する給電手段と、前記給電手段の前記一次コイルに対する給電の開始直後に、前記１次コイルの自己インダクタンスの変化を検出する自己インダクタンス検出手段と、を備え、前記自己インダクタンス検出手段の検出結果に基づいて給電開始直後における前記給電手段の給電動作を決めるようにした。

第２の発明は、第１の発明において、前記自己インダクタンス検出手段の検出値が所定値以下の場合に前記給電手段の給電を停止し、前記検出値が所定値以上の場合に前記給電手段の給電を継続するように、前記給電手段を制御する制御手段を、さらに備えている。
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記給電手段は、前記１次コイルに対して間欠的に給電する。

第４の発明は、第１〜第３の発明において、前記１次コイルおよび前記２次コイルは平面コイルからなり、前記２次コイルを構成する平面コイルの一方の平面には、磁性体シートが対向して配置されている。
第５の発明は、第４の発明において、前記磁性体シートは、アモルファス磁性体からなる。
第６の発明は、第１〜第５の発明において、前記受電装置は、携帯電話に搭載されている。
このような構成からなる本発明によれば、送電装置の間欠動作時などに１次コイルに対する給電時間の短縮が図れ、送電装置の待機時における消費電力を削減できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の実施形態の説明に先立って、本発明の概要、およびその基本的な考え方について説明する。
本発明の非接触電力伝送装置は、例えば携帯電話などに搭載（適用）され、図１に示すように、電磁誘導を利用して、１次側の送電装置１から２次側の受電装置２に対して非接触で電力を伝送できるようにしたものである。

また、本発明は、送電装置１の１次コイル１６に対する給電の開始時または開始直後に、受電装置２側の磁性体３１を備えた２次コイル２１が接近していると、その接近がない場合に比べて１次コイル１６の自己インダクタンスが変化し、これにより１次コイル１６端に発生する電圧の振幅が変化することに着目したものである。
このような事実は、図５に示すような実験によって確認することができる。図５において、曲線ａは、１次コイル１６に対する２次コイル２１の接近距離が一番離れている場合（１次コイル１６の自己インダクタンスが一番小さい場合）であり、このときの周波数に対する１次コイル１６端の電圧の振幅と位相の変化を示す。また、曲線ｂ、ｃ、ｄ、ｅは、その順で両者の接近距離が近くなる場合（１次コイル１６の自己インダクタンスが順に大きくなる場合）であり、このときの曲線は左側にシフトする。

図５によれば、１次コイル１６に対して磁性体３１を備えた２次コイル２１を接近させて、１次コイル１６の自己インダクタンスが変化するときに、その自己インダクタンスの変化による１次コイル１６端の電圧の変化特性は、振幅の変化は大きく、位相の変化が小さいということがわかる。
また、図５に示す１次コイル１６の自己インダクタンスの変化による１次コイル１６端の電圧の振幅、位相の変化特性は、２次コイル２１の磁性体３１に損失の少ない磁性材料を使用すれば、送電装置１側から見た共振回路のＱ値をある程度保ったまま共振周波数を変化させることがわかる。

したがって、本発明の送電装置１は、受電装置２側の２次コイル２１が接近していないときの送電装置１側の共振回路の共振周波数から上側または下側に離れた周波数において、１次コイル１６端の電圧を検出することになる。ただし、位相感度が低く、かつ一定の振幅変化が観測できる周波数とする。
本発明は、このような考え方に基づくものであって、送電装置１が、１次コイル１６に対する給電の開始直後に、その１次コイル１６の自己インダクタンスの変化を検出し、この検出結果に基づいて給電開始直後における給電動作（給電の停止または給電の継続）を決めるようにした。

次に、この実施形態の具体的な構成について説明する。
送電装置１は、図１に示すように、発振回路１１と、駆動クロック生成回路１２と、ドライバ制御回路１３と、ドライバ回路１４ａ、１４ｂと、キャパシタ（コンデンサ）１５ａ、１５ｂと、１次コイル１６と、電圧検出回路１７と、波形整形回路１８と、信号処理制御回路１９と、を備えている。

発振回路１１は、例えば、所望の周波数からなるパルスを発生する回路である。この発振回路１１の発振動作の制御は、信号処理制御回路１９が行うようになっている。
駆動クロック生成回路１２は、発振回路１１の出力に基づいて所定の周波数の駆動クロックを生成する回路であり、その周波数の制御は信号処理制御回路１９が行うようになっている。

ドライバ制御回路１３は、駆動クロック生成回路１２が生成する駆動クロックに基づいてドライバ回路１４ａ、１４ｂを動作する信号を生成し、この生成信号をドライバ回路１４ａ、１４ｂに出力する。
ドライバ回路１４ａ、１４ｂは、キャパシタ１５ａ、１５ｂと１次コイル１６とからなる直列共振回路を駆動する回路である。

１次コイル１６は、受電装置２側の２次コイル２１と電磁結合し、電磁誘導作用によって１次コイル１６側から２次コイル２１側に向けて電力を伝送できるようになっている。すなわち、１次コイル１６と２次コイル２１とは、物理的に分離自在なトランスを構成するようになっている。
電圧検出回路１７は、１次コイル１６端に発生する電圧（誘起電圧）を検出する回路である。波形整形回路１８は、電圧検出回路１７で検出される検出電圧の波形を整形する回路である。

信号処理制御回路１９は、電圧検出回路１７で検出され、波形整形回路１８で波形整形された検出電圧に基づいて、その検出電圧の振幅値やパルス幅などを求め、その求めた値に基づいて後述のように各部の制御によって所定の給電制御を行う回路である。
受電装置２は、送電装置１から送出される電力を受け取り、その電力を負荷である２次電池に供給する装置である。

このために、受電装置２は、図１に示すように、２次コイル２１と、整流回路２２と、平滑用コンデンサ２３と、抵抗２４と、スイッチ２５と、レギュレータ２６と、スイッチ２７と、２次電池（負荷）２８と、制御回路２９と、を備えている。
２次コイル２１は、送電装置１側の１次コイル１６と電磁結合して電圧を誘起するようになっている。１次コイル１６と２次コイル２１とは、その伝送面同士を対向して接近させて電磁誘導作用を起こすようになっている。

２次コイル２１は、図２に示すように、一方の平面側に磁性体３１である磁性体シートなどが設けられ、この磁性体の要件を挙げると、以下のようになる。
（１）受電装置２側に容易に組み込みが可能なこと。
（２）数１００ｋＨｚオーダにおける透磁率が大きく、例えば、その透磁率が１００以上であること。
（３）鉄損が少ないこと。
（４）送電装置１側の１次コイル１６の自己インダクタンスを適度に変化させることができること。具体的には、１次コイル１６と２次コイル２１が平面コイルの場合に、その両者の間隔（距離）が５ｍｍ以下になったときに、容易に１次コイル１６の自己インダクタンスを変化できること。

このような条件を満たす磁性体３１は、その材料がアモルファスからなるシート状のアモルファス磁性体が好適である。また、その磁性体３１がシート状のアモルファス磁性体からなる場合には、その面積が２次コイル２１の平面のよりも面積が大きく（図２参照）、その厚さ例えば０．１ｍｍ以下である。
整流回路２２は、２次コイル２１の誘起電圧を整流する。平滑用コンデンサ２３は、整流回路２２からの出力電圧を平滑化する。その平滑化電圧は、抵抗２４とスイッチ２５とにより変化できるようになっている。

レギュレータ２６は、上記の平滑化電圧に基づいて、所望の安定化された電圧を生成し、この生成電圧はスイッチ２７を介して２次電池２８に供給するとともに、制御回路２９に直接供給するようになっている。
制御回路２９は、レギュレータ２６からの出力電圧によって動作し、送電装置１に対して受電動作を要求する場合に、その要求に先立って認証動作を行うために、スイッチ２５をオンオフすることによって負荷変調を行って所定のデータを送電装置１側に送る動作を行う。
また、制御回路２９は、送電装置１が送電動作を行う場合には、スイッチ２７をオンにして２次電池２８の充電を開始し、その充電期間中は充電電圧などを監視し、その充電が終了すると、スイッチ２７をオフにするとともに、スイッチ２５をオンオフ制御して充電の終了を送電装置１側に通知する動作を行う。

次に、このような構成からなる実施形態の動作例について、図１〜図４を参照して説明する。
送電装置１は、図３に示すように、間欠的に自己の１次コイル１６に給電を開始する。この給電の開始直後時において、１次コイル１６に対する受電装置２側の２次コイル２１の接近の有無によって、１次コイル１６の自己インダクタンス値が異なる。その自己インダクタンス値の大小は、１次コイル１６端の電圧を検出することでわかる。

そこで、送電装置１は、その検出電圧値が所定値以下の場合には、その給電動作を所定期間Ｔ２で停止する。一方、その検出電圧値が所定値以上の場合には、送電装置１は、その所定期間Ｔ２の経過後も給電動作を継続し、その後、受電装置２側から認証の要求がある場合には認証動作を行い、その認証が成立する場合には、受電装置２に対する本来の送電動作を開始する。
ここで、図３（ａ）は、送電装置１が間欠動作中であり、送電装置１が間欠動作を伴って本来の給電動作に移行する場合である。一方、図３（ｂ）は、送電装置１が間欠動作中であるが、その間欠動作を伴わずに送電装置１が本来の給電動作に移行する場合である。

次に、動作例の詳細について、図４のフローチャートを参照して説明する。
送電装置１は、１次コイル１６の駆動を開始し（ステップＳ１１）、その駆動直後に、電圧検出回路１７が検出する１次コイル１６端の電圧を信号処理制御回路１９が取り込む（ステップＳ１２）。
次に、その取り込んだ検出電圧の振幅を求め、この求めた振幅が所定値以上か否かを判定する（ステップＳ１３）。この判定の結果、その振幅が所定値以上ではない場合（Ｎｏ）、すなわち１次コイル１６に２次コイル２１が接近しておらず、その自己インダクタンスが増加しない場合には、送電装置１は１次コイル１６の駆動を停止する（ステップＳ１４）。

一方、その検出電圧の振幅が所定値以上の場合（Ｙｅｓ）、すなわち１次コイル１６に２次コイル２１が接近しており、その自己インダクタンスが増加した場合には、送電装置１は１次コイル１６の駆動を継続する（ステップＳ１５）。
これにより、受電装置２は、起動に十分な電力を受電すると、送電装置１との間で認証動作を開始する。この認証動作が開始されると、送電装置１は所定の認証動作を行う（ステップＳ１６）。この認証動作により、受電装置２に対する電力の送電が可能であれば、送電装置１は受電装置２に対する電力の送電を開始する。
以上のように、この実施形態によれば、送電装置１の間欠動作時に、受電装置２からの応答を待つことがないので、１次コイル１６に対する給電時間の短縮が図れ、送電装置１の待機時における消費電力を削減できる。

本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。 ２次コイルと磁性体の構成を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。 本発明の実施形態の各動作のタイミングを時間軸上で説明した図である。 送電装置の動作例を説明するフローチャートである。 １次コイルの自己インダクタンスの変化による１次コイル端の電圧の振幅、位相の変化特性の一例を示す図である。 従来装置の各動作のタイミングを時間軸上で説明した図である。 従来装置の動作例を説明するフローチャートである。

符号の説明

１・・・送電装置、２・・・受電装置、１１・・・発振回路、１２・・・駆動クロック生成回路、１３・・・ドライバ制御回路、１４ａ、１４ｂ・・・ドライバ回路、１５ａ、１５ｂ・・・キャパシタ、１６・・・１次コイル、１７・・・電圧検出回路、１８・・・波形整形回路、１９・・・信号処理制御回路、２１・・・２次コイル、３１・・・磁性体（磁性体シート）

Claims (6)

1. １次コイルを含む送電装置と、２次コイルを含む受電装置とからなり、前記１次コイルと前記２次コイルとを電磁的に結合させて、前記送電装置が前記受電装置に対して電力の伝送を行うようになっている非接触電力伝送装置であって、
   前記２次コイルは磁性体を含んでおり、
   前記送電装置は、
   前記１次コイルに給電する給電手段と、
   前記給電手段の前記一次コイルに対する給電の開始直後に、前記１次コイルの自己インダクタンスの変化を検出する自己インダクタンス検出手段と、を備え、
   前記自己インダクタンス検出手段の検出結果に基づいて給電開始直後における前記給電手段の給電動作を決めるようにしたことを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記自己インダクタンス検出手段の検出値が所定値以下の場合に前記給電手段の給電を停止し、前記検出値が所定値以上の場合に前記給電手段の給電を継続するように、前記給電手段を制御する制御手段を、
   さらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記給電手段は、前記１次コイルに対して間欠的に給電することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記１次コイルおよび前記２次コイルは平面コイルからなり、前記２次コイルを構成する平面コイルの一方の平面には、磁性体シートが対向して配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちの何れかに記載の非接触電力伝送装置。
5. 前記磁性体シートは、アモルファス磁性体からなることを特徴とする請求項４に記載の非接触電力伝送装置。
6. 前記受電装置は、携帯電話に搭載されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちの何れかに記載の非接触電力伝送装置。

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