JP2009159660A

JP2009159660A - 非接触電力伝送装置

Info

Publication number: JP2009159660A
Application number: JP2007331867A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Abe; 和明阿部
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2027-12-25
Also published as: JP5303929B2

Abstract

【課題】１種類の送電装置で形状の異なる複数種類の電気機器に対応するとともに、ともに効率的な電力伝送を行うことのできる非接触電力伝送装置を提供することにある。
【解決手段】二次コイルを有する受電装置が載置される載置台と、この載置台の下側に配置され電力を送出する一次コイルとを有し、前記受電装置の二次コイルと前記一次コイルとを電磁的に結合させて前記受電装置へ電力を伝送するように構成された非接触電力伝送装置において、前記一次コイルに電流を流す駆動回路と、前記受電装置の前記二次コイルが配置された部位を前記一次コイル側に引き付けるために前記駆動回路から前記一次コイルへ直流電流を出力させ（ステップＳ４，Ｓ５）、その後、電力伝送のために前記駆動回路から前記一次コイルへ交流電流を出力させる（ステップＳ７）制御手段とを備えている。
【選択図】図４

Description

この発明は、電気機器に非接触で電力伝送を行う非接触電力伝送装置に関する。

以前より、電動歯ブラシや電気シェーバなどの電気機器に、電気的に非接触の状態で電力を伝送する技術が実用化されている。このような非接触電力伝送装置においては、専用の送電装置に電気機器が所定状態でセットされる凹部を設け、この凹部に電気機器の一部をセットした状態で非接触の電力伝送が行われるように構成されるのが一般的である。

また、本願発明に関連する従来技術として、特許文献１には、電気機器を送電装置にセットしたときに、位置合せ検出手段によって両者の相対位置が適正なものか否かを検出し、適正であれば発光ダイオードを点灯させるなどして使用者に通知する技術が開示されている。
特開２００５−６４６０号公報

１種類の送電装置で、形状の異なる複数種類の電気機器へ電力伝送を可能とする場合、送電装置や電気機器に係合部を設けて、何れの電機機器も送電装置の所定位置にセットされるような方式を採用することは困難である。汎用性がなくなるし、必ず同様の係合部を設ける必要が生じることから電気機器のデザイン自由度が低くなるからである。

また、電磁誘導を利用した電力伝送においては、一次側のコイルと二次側のコイルとの電磁結合度が低くなると、効率的な電力伝送が行えずに、無駄な消費電力が発生するという不具合がある。

この発明の目的は、１種類の送電装置で形状の異なる複数種類の電気機器に対応するとともに、ともに効率的な電力伝送を行うことのできる非接触電力伝送装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、
二次コイルを有する受電装置が載置される載置台と、
この載置台の下側に配置され電力を送出する一次コイルとを有し、
前記受電装置の二次コイルと前記一次コイルとを電磁的に結合させて前記受電装置へ電力を伝送するように構成された非接触電力伝送装置において、
前記一次コイルに電流を流す駆動回路と、
前記受電装置の前記二次コイルが配置された部位を前記一次コイル側に引き付けるために前記駆動回路から前記一次コイルへ直流電流を出力させ、その後、電力伝送のために前記駆動回路から前記一次コイルへ交流電流を出力させる制御手段と、
を備えたことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の非接触電力伝送装置において、
前記載置台に前記受電装置が置かれたことを検出する検出手段を備え、
前記制御手段は、
前記検出手段により前記受電装置が前記載置台に置かれたことが検出された場合に、前記駆動回路から前記一次コイルへ直流電流を出力させることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の非接触電力伝送装置において、
前記一次コイルの中央には磁性体が設けられていることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の非接触電力伝送装置において、
電力伝送の対象としている前記受電装置は、前記二次コイルの中央に磁性体が設けられている受電装置であることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項１記載の非接触電力伝送装置において、
前記一次コイルの中央に複数の磁性体を設けるとともに、前記二次コイル中央に、前記一次コイルに設けられた各磁性体に対応する位置に当該磁性体と磁極の向きを異ならせた磁性体を複数配置したことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１記載の非接触電力伝送装置において、
所定時間の計時を行うタイマー手段を備え、
前記制御手段は、
前記タイマー手段の計時に基づいて前記駆動回路から所定時間だけ直流電流を出力させ、その後、交流電流を出力させることを特徴としている。

本発明に従うと、電力伝送を行う前に、一次コイルに直流電流を流して磁力を発生させ、それにより受電装置の二次コイルの部分を引き寄せて、両者を電磁結合度の高い配置状態とすることができる。そして、この状態で受電装置に電気的に非接触の電力伝送を行うので、常に高効率の電力伝送を行うことができるという効果がある。

さらに、受電装置や送電装置に位置合わせ用の係合部などを設ける必要がなく、形状の異なる複数種類の受電装置に対しても同様に高効率の電力伝送を行うことができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の非接触電力伝送システムの概略構成を示す概要図、図２は、この非接触電力伝送システムの内部構成の全体を示すブロック図、図３は、一次コイル周辺と二次コイル周辺とを示す平面図である。

この実施形態の非接触電力伝送システム１は、非接触電力伝送装置である送電装置２０と、送電装置２０から電力を受けて動作する受電装置１０とから構成される。

受電装置１０は、例えば、携帯電話や携帯型音楽プレーヤなど種々の電気機器であり、その内部には、電磁誘導の作用によって非接触で電力を受ける二次コイル１１と、二次コイル１１の中央に配置された磁性体１９と、二次コイル１１に発生する起電力を受けて各部の動作電圧を生成する電源回路（整流回路１２、定電圧回路１３）１４と、電源回路１４から動作電圧を受ける負荷回路１５を備えている。

二次コイル１１は、図１に示すように、装置筐体の一側面の内面近傍に配置されている。

磁性体１９は、例えば、外部磁界を取り去ったときに磁化の残らない軟磁性体を用いており、これにより二次コイル１１がトランスとして動作する際の電力効率も向上する。

負荷回路１５は、各種の機能回路に加えて、例えば、二次電池や充電回路を含んでいる。電源回路１４からの電力により二次電池が充電され、この電力により、受電装置１０を送電装置２０から取り外した状態でも、この受電装置１０を動作させることが可能になっている。

送電装置２０は、受電装置１０に電気的に非接触で電力を伝送する装置であり、受電装置１０を載置させる載置台２８と、この載置台２８の裏側近傍に配置された一次コイル２１と、この一次コイル２１の中央に配置された磁性体２９と、例えばＡＣ電源を入力して一次コイル２１に電圧を出力する駆動回路２６と、受電装置１０が載置台２８に載せられたことを検出する例えば圧力センサ２７などを備えている。

載置台２８は、例えば表面が滑りやすい材質のものが採用されている。

磁性体２９は、例えば外部磁界を取り去ったときに磁化の残らない軟磁性体が採用されている。

駆動回路２６は、図２に示すように、例えばＡＣ電源を入力して定電圧を生成する定電圧回路２５と、定電圧回路２５の出力を一次コイル２１に印加したり遮断したりするスイッチ制御回路２２と、一次コイル２１を交流駆動する際の発振信号を供給する発振回路２３と、一定時間を計時するタイマー２４等を備えている。また、上記のスイッチ制御回路２２は、一次コイル２１に駆動電圧を出力／遮断する出力トランジスタや、この出力トランジスタをオン・オフ制御する制御回路（制御手段）等を備えている。

次に、上記構成の非接触電力伝送システム１の動作について説明する。

図４には、非接触電力伝送システム１の送電装置２０により実行される電力伝送処理のフローチャートを、図５には、受電装置を送電装置へ載置した際の作用を表わした説明図を示す。

送電装置２０においては、圧力センサ２７からセンサ出力がない場合には定電圧回路２５やスイッチ制御回路２２は停止状態とされる（ステップＳ１，Ｓ２）。この状態において、載置台２８に受電装置１０が載置されると、圧力センサ２７から検知出力がなされて、それにより定電圧回路２５やタイマー２４が起動して計時処理が開始される（ステップＳ３）。

さらに、定電圧回路２５からスイッチ制御回路２２に動作電圧が供給されて、スイッチ制御回路２２により一次コイル２１へ直流電流が出力される（ステップＳ４）。これにより、一次コイル２１の中央に設けられた磁性体２９は一定の向きで磁化される。例えば、載置台２８に近接する端面がＮ極となるように磁化される。また、このとき磁性体２９からの磁束が受電装置１０の二次コイル１１や磁性体１９に伝わることで、受電装置１０側の磁性体１９も磁化される。すると、図５（ａ）に示すように、送電装置２０の磁性体２９と受電装置１０の磁性体１９とが共に引き付けあって、図５（ｂ）に示すように、送電装置２０の磁性体２９と受電装置１０の磁性体１９とがほぼ対向して配置されるように、受電装置１０がその向きに移動していく（ステップＳ５）。そして、このような直流電流の出力処理等（ステップＳ４，Ｓ５）をタイマー２４が所定時間（例えば１〜５秒など）の計時を終了するまで繰り返し続ける（ステップＳ６）。

そして、タイマー２４が所定時間の計時を終了したら、タイマー２４からスイッチ制御回路２２に計時終了の信号が出力される。そして、計時終了の信号が入力されると、スイッチ制御回路２２は発振回路２３からの信号を入力し、この発振信号の周期で一次コイル２１に駆動電圧を出力したり遮断したりするスイッチング制御を行う。これにより、一次コイル２１が交流駆動され、一次コイル２１から二次コイル１１へ相互インダクタンスによって電力が伝送される（ステップＳ７）。

図６には、一次コイル２１と二次コイル１１の相対配置の違いに基づく電力伝送の効率の違いを説明する図を示す。同図（ａ）は相対配置が最適な状態のもの、（ｂ）は相対配置が最適な状態から外れたものである。

図６（ａ）に示すように、一次コイル２１の巻回中心線と二次コイル１１の巻回中心線とが重なるような最適な相対配置となっている場合、一次コイル２１の交流駆動により発生される磁束が二次コイル１１により多く錯交し、二次コイル１１に大きな起電力を発生させる。一方、図６（ｂ）に示すように、一次コイル２１と二次コイル１１とが最適な相対位置から外れていると、一次コイル２１から二次コイル１１への錯交磁束が減少して、二次コイルには小さな起電力しか発生しない。この実施の形態では、上記のステップＳ４〜Ｓ６の処理によって、受電装置１０が最適な相対配置になるように移動するので、上記ステップＳ７の電力伝送処理において高効率な電力伝送が行われることとなる。

そして、このような電力伝送によって、受電装置１０の二次コイル１１に起電力が生じ、この起電力が電源回路１４により整流・平滑化・定電流化されて、負荷回路１５の駆動や負荷回路１５に含まれる二次電池への充電が開始されるようになっている。

以上のように、この実施の形態の非接触電力伝送システム１によれば、電力伝送に使用される一次コイル２１に直流電流を流して電磁石として作用させることにより、受電装置１０を電力伝送に最適な位置まで引き寄せることができる。そして、それにより、高い電磁結合状態で送電装置２０から受電装置１０へ電力を伝送することができる。

また、このような構成により、受電装置１０を最適な位置にセットするために、送電装置２０に専用の係合溝などを設ける必要がなく、送電装置２０に高い汎用性を持たせて、１種類の送電装置２０で形状の異なる複数種類の電気機器へ最適な配置で電力伝送を行うことができるという効果がある。また、専用の係合溝や係合部などを設ける必要がないことから送電装置２０や受電装置１０のデザイン自由度も増すという効果も得られる。

また、一次コイル２１と二次コイル１１の中央に磁性体２９，１９を設けているので、電力伝送の効率が向上し、また、一次コイル２１に直流電流を流して受電装置１０を最適位置まで引き付ける際も小さな電流で大きな電磁力を発生させることが出来る。

また、受電装置１０を送電装置２０の載置台２８に載せたことを検知して自動的に受電装置１０を最適位置まで引き付ける動作を行うので、ユーザは特別な操作を行うことなく受電装置１０を置くだけで、受電装置１０への電力伝送を行わせることができる。

また、一次コイル２１に直流電流を流す期間をタイマー２４により制御しているので、必要以上に直流電流が流されて無駄な電力消費が費やされたり、直流電流が流れる期間が短くて十分に受電装置１０を引き付けることが出来ないと云った不具合を回避することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、上記実施形態では、一次コイル２１に直流電流を流す期間をタイマー２４により制御しているが、例えば、焦電センサや赤外線センサにより人の手が送電装置２０に近づいている期間、すなわち、受電装置１０を載置台２８に載せるために人の手が送電装置２０に近接している期間に、一次コイル２１に直流電流を流して受電装置１０を最適位置まで近づけるようにしても良い。

また、受電装置１０を送電装置２０の載置台２８に置いたことを検出する構成として圧力センサ２７を例示したが、近接スイッチなど種々のセンサを適用しても良い。

また、一次コイル２１に直流電流を流したり交流電流を流して電力伝送を開始するのに、センサの出力をトリガーとした例を示したが、ユーザ操作によりこれらの動作を開始するようにしても良い。その場合、電力伝送を開始する操作に基づき、先ず、一次コイル２１に直流電流を流して受電装置１０を最適位置に移動させ、その後に電力伝送の処理を実行するように構成しても良い。

その他、載置台２８を例えば中央側がくぼんだ形状にしても良いなど、実施の形態で示した細部構造および方法等は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

以下、本願発明に関連する技術を第２実施形態および第３実施形態として説明する。

［第２実施形態］
図７には、第２実施形態の非接触電力伝送システムにおける一次コイルと二次コイル周辺の構成を示した図を示す。同図において、電源回路１４や負荷回路１５並びに一次コイルを交流駆動する構成は単純化して表している。

第２実施形態の非接触電力伝送システムは、受電装置１０を最適位置に引き付ける構成として、一次コイル２１に直流電流を流す替わりに、永久磁石３１を利用したものである。すなわち、送電装置２０の一次コイル２１の中央に、磁性体２９の替わりに上面側に磁極が現れた永久磁石３１を設けている。そして、一次コイル２１に一定時間直流電流を流す構成は省略される。その他の構成は、第１実施形態とほぼ同様である。

このような構成によっても、受電装置１０を送電装置２０Ｂの載置台２８に載せることで、送電装置２０Ｂの磁石３１と受電装置１０の磁性体１９とが引き合って、受電装置１０を電力伝送に最適な位置まで移動させることができる。そして、その最適な位置で送電装置２０Ｂから受電装置１０へ電力伝送を行うことができる。

［第３実施形態］
図８には、第３実施形態の非接触電力伝送システムにおける一次コイルと二次コイル周辺の構成を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図を表わす。また、同図において、電源回路１４や負荷回路１５並びに一次コイルを交流駆動する構成は単純化して表している。

第３実施形態の非接触電力伝送システムは、受電装置１０Ｃを送電装置２０Ｃ上の最適な位置引き付ける構成として、受電装置１０Ｃと送電装置２０Ｃの両方に永久磁石３２〜３５，４２〜４５を設けたものである。すなわち、送電装置２０Ｃの一次コイル２１の内側に複数の磁石４２〜４５を設け、これらに対応させて受電装置１０Ｃの二次コイル１１の内側に複数の磁石３２〜３５を設けている。複数の磁石３２〜３５，４２〜４５は、それぞれ磁極の向きを異ならせて配置してあり、それにより、送電装置２０Ｃに受電装置１０Ｃを載置した際に、各磁石の斥力と引力によって受電装置１０Ｃを最適な位置で且つ所定の向きになるように引き付けることが出来る。

そして、このような構成により、受電装置１０Ｃを送電装置２０Ｃの載置台２８に載せることで、送電装置２０Ｃの磁石３２〜３５と受電装置１０Ｃの磁石４２〜４５が引き合って、受電装置１０Ｃを電力伝送に最適な位置および所定の向きに移動させ、この最適な位置および向きで送電装置２０Ｃから受電装置１０Ｃへ電力伝送を行うことが可能になっている。

なお、上記のように受電装置１０Ｃと送電装置２０Ｃの両方に永久磁石を設けて、それらの引力や斥力の作用によって両者の相対位置を最適なものに合わせる構成を採用する場合には、各磁石を一次コイル２１や二次コイル１１の内側に配置するのでなく、その外側に配置するようにしても良い。

また、上記実施形態では、電磁石あるいは永久磁石による位置合せの構成を、非接触の電力伝送を最適位置で行うために採用したが、例えば、赤外線通信を２つの装置間で行う際に、一方の装置の発光部と他方の装置の受光部との相対位置を合わせるのに、上記のような位置合せの構成を適用することも出来る。

本発明の実施形態の非接触電力伝送システムの概略構成を示す概要図である。本発明の実施形態の非接触電力伝送システムの内部構成の全体を示すブロック図である。送電装置側の一次コイル周辺と受電装置側の二次コイル周辺とを示す平面図である。送電装置の動作の流れを示すフローチャートである。送電装置へ受電装置を載置した際の作用を示す説明図である。一次コイルと二次コイルの相対配置による電力伝送の効率の違いを示す説明図で、（ａ）は相対配置が最適な状態のもの、（ｂ）は相対配置が最適な状態から外れた状態のものである。第２実施形態の送電装置および受電装置のコイル周辺を示す平面図である。第３実施形態の送電装置および受電装置のコイル周辺を示す説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１非接触電力伝送システム
１０受電装置
１１二次コイル
１２整流回路
１３定電圧回路
１４電源回路
１５負荷
１９磁性体
２０送電装置
２１一次コイル
２２スイッチ制御回路
２３発振回路
２４タイマー
２５定電圧回路
２６制御回路
２７圧力センサ
２９磁性体

Claims

二次コイルを有する受電装置が載置される載置台と、
この載置台の下側に配置され電力を送出する一次コイルとを有し、
前記受電装置の二次コイルと前記一次コイルとを電磁的に結合させて前記受電装置へ電力を伝送するように構成された非接触電力伝送装置において、
前記一次コイルに電流を流す駆動回路と、
前記受電装置の前記二次コイルが配置された部位を前記一次コイル側に引き付けるために前記駆動回路から前記一次コイルへ直流電流を出力させ、その後、電力伝送のために前記駆動回路から前記一次コイルへ交流電流を出力させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする非接触電力伝送装置。
前記載置台に前記受電装置が置かれたことを検出する検出手段を備え、
前記制御手段は、
前記検出手段により前記受電装置が前記載置台に置かれたことが検出された場合に、前記駆動回路から前記一次コイルへ直流電流を出力させることを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送装置。
前記一次コイルの中央には磁性体が設けられていることを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送装置。
電力伝送の対象としている前記受電装置は、前記二次コイルの中央に磁性体が設けられている受電装置であることを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送装置。
前記一次コイルの中央に複数の磁性体を設けるとともに、前記二次コイル中央に、前記一次コイルに設けられた各磁性体に対応する位置に当該磁性体と磁極の向きを異ならせた磁性体を複数配置したことを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送装置。
所定時間の計時を行うタイマー手段を備え、
前記制御手段は、
前記タイマー手段の計時に基づいて前記駆動回路から所定時間だけ直流電流を出力させ、その後、交流電流を出力させることを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送装置。