JP2011072116A - 非接触充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】送電側と受電側との組合せが正規であることの認証を行うと共に、送電側から受電側へ効率的に送電できる低コストの非接触充電システムを提供する。
【解決手段】充電機器１は充電用高周波電力を送電する平面状の送電用コイルＬ１を備え、被充電機器２は送電用コイルＬ２と磁気結合して充電用高周波電力を受電する平面状の受電用コイルを備える。充電機器１は被充電機器認証用の高周波電力を送電する一方で当該被充電機器認証用の高周波信号を受付ける、平面状の一次側認証用コイルＬ３を備え、被充電機器２は一次側認証用コイルＬ３と磁気結合して、認証用高周波電力を受付ける一方でその認証用高周波電力から生成された認証用高周波信号を一次側認証用コイルＬ４に出力する、平面状の二次側認証用コイルを備える。各認証用コイルは、それぞれ送電用コイルＬ１または受電用コイルの両面のうちギャップＧに面した平面とは異なる平面と対向して配置される。
【選択図】図４

Description

本発明は、非接触充電システムに関するものである。

従来から、電動髭そり器や電動歯ブラシなどの被充電機器を充電機器にセットしたときに、その充電機器に対して、所定の高周波数の電力を送電して充電させる非接触充電システムが存在する。

この種の非接触充電システムの一例が、特許文献１に記載されている。特許文献１には、送電コイルと受電コイルとが対向して設けられており、送電コイルと受電コイルとの間で相互誘導を生じさせて、送電コイルから受電コイルに電力を送電することが記載されている。

また、最近では、送電コイル及び受電コイルの設置スペースを低減させるため、これらのコイルを平面コイルで構成することがある。特許文献２にはこの種の平面コイルを用いた非接触充電システムの一例が記載されている。

特許文献２には、平面コイルからなる１次コイルと、平面コイルからなる２次コイルとを磁気結合させて、送電装置から受電装置への電力の伝送を行うことが記載されている。

特開２００９−１３６０４８号公報 特開２００６−６０９０９号公報

ところで、非接触充電システムでは、不慮の事故防止などの観点から、送電側から受電側への送電を開始するに先立って、送電側にセットされた受電側が正規のものであるか否かを判定することが必要とされている。

特許文献２では、送電装置から受電装置への本格的な送電を開始するに先立って、１次コイルと２次コイルとを一時的に磁気結合させ、磁気結合されている時間内に、受電側が正規のものであることを確認している。

この種の特許文献２の技術では、１次コイルと２次コイルとの組み合わせが、受電側が正規のものであることを確認するという、送電装置から受電装置への本格的な送電という本来の用途以外の用途で用いられている。

これを可能とするために、特許文献２の技術では、送電装置及び受電装置の各々に、マイクロコンピュータなど予め記憶された制御プログラムに従った処理を行う制御部を設けている。

しかしながら、一般に、予め記憶された制御プログラムに従った処理を行うマイクロコンピュータ等の制御部は高価である。したがって、特許文献２では、この種の高価な制御部が、送電装置及び受電装置の双方に設けられているため、非接触充電システムの製造コストが高騰する。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、送電側から受電側への送電と、送電側と受電側との組み合わせが正規であることの認証と、を行うことができる、低コストの非接触充電システムを提供することを目的とする。

本発明の一局面に係る非接触充電システムは、平面コイルで構成され、被充電機器を充電するための充電用高周波電力を送電する送電用コイルを備える充電機器と、前記送電用コイルと対向して所定のギャップを形成した状態でその送電用コイルと磁気結合して前記充電用高周波電力を受電する、平面コイルで構成された受電用コイルを備える被充電機器と、を備えており、前記充電機器は、平面コイルで構成され、前記被充電機器を認証するための認証用高周波電力を送電する一方で当該被充電機器を認証するための認証用高周波信号を受け付ける一次側認証用コイルを備え、前記被充電機器は、平面コイルで構成され、前記一次側認証用コイルと磁気結合して、前記認証用高周波電力を受け付ける一方でその認証用高周波電力から生成された前記認証用高周波信号を前記一次側認証用コイルに出力する二次側認証用コイルを備え、前記一次側認証用コイルが、前記ギャップを形成した状態の前記送電用コイルの両面のうち前記ギャップに面した平面とは異なる平面と対向して配置されていること、及び、前記二次側認証用コイルが、前記ギャップを形成した状態の前記受電用コイルの両面のうち前記ギャップに面した平面とは異なる平面と対向して配置されていること、のいずれか一方を特徴とする（請求項１）。

この構成によれば、送電用コイルと受電用コイルとが対向して所定のギャップを形成した状態で、送電用コイルと受電用コイルとが磁気結合する。これにより、送電用コイルから受電用コイルへ充電用高周波電力が送電される。

その一方で、一次側認証用コイルと二次側認証用コイルとが磁気結合した状態で、一次側認証用コイルから二次側認証用コイルに対して認証用高周波電力が伝送される一方で、その認証用高周波電力から生成された認証用高周波信号が二次側認証用コイルから一次側認証用コイルに対して伝送される。

これにより、送電用コイル及び受電用コイルによって、充電機器から被充電機器に対する充電用高周波信号の伝送が行われる一方で、一次側認証用コイル及び二次側認証用コイルによって、認証用高周波電力及び認証用高周波信号の伝送が行われる。

結果として、充電機器から被充電機器に対する充電用高周波電力の伝送と、充電機器と被充電機器との間における認証用高周波電力及び認証用高周波信号の伝送とが、別々の系統のコイルによって行われる。そして、充電機器側にマイクロコンピュータなどの制御部があれば、一次側認証用コイルに伝送された認証用高周波信号を用いた被充電機器の認証を行うことができるので、充電機器及び被充電機器の双方にマイクロコンピュータなどの制御部を設ける必要がない。

したがって、充電機器及び被充電機器の双方に高価な制御部を設けた場合よりも低コストで、送電側から受電側への送電と、送電側と受電側との組み合わせが正規であることの認証と、を行うことができる非接触充電システムを提供することができる。

さらに、この構成によれば、一次側認証用コイルが、ギャップを形成した状態の送電用コイルの両面のうちギャップに面した平面とは異なる平面と対向して配置されているか、もしくは、二次側認証用コイルが、ギャップを形成した状態の受電用コイルの両面のうちギャップに面した平面とは異なる平面と対向して配置されている。

つまり、一次側認証用コイル及び二次側認証用コイルのいずれか一方は、送電用コイルと受電用コイルとで形成されるギャップ内に位置していない。

一般に、送電用コイルと受電用コイルとが磁気結合して充電用高周波電力の伝送が行われているときには、送電用コイルにおいて生じる磁束がその磁束密度が高い状態でギャップを通じて受電用コイルに達しており、ギャップ外で流れている磁束の磁束密度が小さい状態である。

この構成によれば、一次側認証用コイル及び二次側認証用コイルのいずれか一方は、送電用コイルと受電用コイルとで形成されるギャップ内に位置していないため、一次側認証用コイル及び二次側認証用コイルのいずれか一方は、必ず、送電用コイルから磁束密度が高い状態で受電用コイルに達する磁束の流れの中には位置しないことになる。

その結果、一次側認証用コイル及び二次側認証用コイルのいずれか一方には、送電用コイルから磁束密度が高い状態で受電用コイルに達する磁束が鎖交しないため、仮に、送電用コイルと受電用コイルとで形成されるギャップ外で磁束密度が低い状態で流れている磁束が鎖交したとしても、一次側認証用コイルと送電用コイルとの間の磁気結合、又は、二次側認証用コイルと受電用コイルとの間の磁気結合は悪い状態となる。

結果として、送電用コイルで受電用コイルの方向へ生じた磁束が、一次側認証用コイル及び二次側認証用コイルのいずれか一方に達することを抑制できるため、送電用コイルから受電用コイルに対する電力伝送効率の低下を抑制することができる。

このように、一次側認証用コイル及び二次側認証用コイルのいずれか一方は、必ず、送電用コイルから磁束密度が高い状態で受電用コイルに達する磁束の流れの中には位置しないことになるため、一次側認証用コイル及び二次側認証用コイルのいずれか一方に磁束密度が高い状態の磁束が鎖交してその認証用コイルに渦電流が流れて発熱することを容易に防止することができる。

上記構成において、前記充電機器は、前記受電用コイルとの間で前記ギャップを形成して前記受電用コイルと磁気結合した状態の前記送電用コイルにおける磁束密度を高める磁性体をさらに備えており、前記一次側認証用コイルは、前記磁性体と前記送電用コイルとの間に配置されていることが好ましい（請求項２）。

一般に、磁性体は、磁気結合した状態の２つのコイルにおける磁束密度を高め、コイル間の磁気結合を強くさせる。しかしながら、この構成によれば、送電用コイル及び受電用コイルの他に、一次側認証用コイル及び二次側認証用コイルも備えるため、この磁性体は、送電用コイル及び受電用コイルだけではなく、一次側認証用コイル及び二次側認証用コイルにおける磁束密度も高める副次的な作用をなす。

したがって、例えば、一次側認証用コイルが、送電用コイルから、送電用コイル及び受電用コイルで形成されるギャップを通じて、受電用コイルに達する磁束の流れの中に配置されていれば、送電用コイル及び受電用コイルにおける磁束の磁束密度の他、一次側認証用コイルにおける磁束密度が磁性体によって高められる。

その結果、送電用コイルからギャップを通じて受電用コイルに達する磁束の経路の中で、送電用コイルと一次側認証用コイルとの間の磁気結合が強くなるため、送電用コイルから受電用コイルに達するべき磁束のうち一次側認証用コイルによって奪われる磁束の本数が増加する。

結果として、磁性体を用いても、送電用コイルと受電用コイルとの間の磁気結合が予め想定された強さにまで強まらないため、送電用コイルから受電用コイルに対する充電用高周波電力の伝送効率が予め想定された強さにまで強まらない。

この構成によれば、一次側認証用コイルは、磁性体と送電用コイルとの間に配置されている。これにより、磁性体からギャップの方向へ向けて、磁性体、一次側認証用コイル、及び、送電用コイルの順の積層構造が形成される。

このような積層構造が形成されているときには、一次側認証用コイルは、必ず、送電用コイルに対して、送電用コイル及び受電用コイルで形成されるギャップに対する方向とは逆方向に位置する。

この場合、一次側認証用コイルには、先述されたように、送電用コイルから磁束密度が高い状態で受電用コイルに達する磁束が鎖交しない。そのため、送電用コイルと受電用コイルとで形成されるギャップ外で磁束密度が低い状態で流れている磁束が一次側認証用コイルに鎖交していたとしても、磁性体を用いることによって一次側認証用コイルにおける磁束密度が強くされても、その一次側認証用コイルと送電用コイルとの間の磁気結合が、送電用コイルと受電用コイルとの間の磁気結合に影響を与えるほどには強くならない。

結果として、磁性体を用いて、送電用コイルと受電用コイルとの間の磁気結合を予め想定された強さに強めることができるため、磁性体を用いて、送電用コイルから受電用コイルに対する充電用高周波電力の伝送効率を、予め想定された強さにまで強くすることができる。

上記構成において、前記被充電機器は、前記送電用コイルとの間で前記ギャップを形成して前記送電用コイルと磁気結合した状態の前記受電用コイルにおける磁束密度を高める磁性体をさらに備えており、前記二次側認証用コイルは、前記磁性体と前記受電用コイルとの間に配置されていることが好ましい（請求項３）。

この構成によれば、二次側認証用コイルは、磁性体と受電用コイルとの間に配置されている。これにより、磁性体からギャップの方向へ向けて、磁性体、二次側認証用コイル、及び、受電用コイルの順の積層構造が形成される。

このような積層構造が形成されているときには、二次側認証用コイルは、必ず、受電用コイルに対して、送電用コイル及び受電用コイルで形成されるギャップに対する方向とは逆方向に位置する。

この場合、二次側認証用コイルには、先述されたように、送電用コイルから磁束密度が高い状態で受電用コイルに達する磁束が鎖交しない。そのため、送電用コイルと受電用コイルとで形成されるギャップ外で磁束密度が低い状態で流れている磁束が二次側認証用コイルに鎖交していたとしても、磁性体を用いることによって二次側認証用コイルにおける磁束密度が強くされても、その二次側認証用コイルと受電用コイルとの間の磁気結合が、送電用コイルと受電用コイルとの間の磁気結合に影響を与えるほどには強くならない。

結果として、磁性体を用いて、送電用コイルと受電用コイルとの間の磁気結合を予め想定された強さに強めることができるため、磁性体を用いて、送電用コイルから受電用コイルに対する充電用高周波電力の伝送効率を、予め想定された強さにまで強くすることができる。

上記構成において、前記一次側認証用コイル、前記二次側認証用コイル、前記送電用コイル、及び、前記受電用コイルの各々は、所定の方向に巻き回された巻線を有しており、
前記一次側認証用コイル及び前記二次側認証用コイルのいずれか一方の巻線の巻数は、前記送電用コイル及び前記受電用コイルの巻線の巻数よりも少ないことが好ましい（請求項４）。

この構成によれば、一次側認証用コイル及び二次側認証用コイルのいずれか一方の巻数が、送電用コイル及び受電用コイルの巻線の巻数よりも少ないため、一次側認証用コイル及び送電用コイルにおける相互インダクタンス、及び、二次側認証用コイル及び受電用コイルにおける相互インダクタンスのいずれか一方が、送電用コイル及び受電用コイルにおける相互インダクタンスよりも小さくなる。

これにより、一次側認証用コイルと送電用コイルとの間の磁気結合の強さが、送電用コイルと受電用コイルとの間の磁気結合の強さよりも弱くなる。又は、二次側認証用コイルと受電用コイルとの間の磁気結合の強さが、送電用コイルと受電用コイルとの間の磁気結合の強さよりも弱くなる。

その結果、送電用コイルから受電用コイルの方向に生じた磁束が、受電用コイルに達せずに一次側認証用コイルに達してしまうことを抑制できる。又は、受電用コイルが送電用コイルから受け付けた磁束のうち、二次側認証用コイルに奪われる磁束の本数が減少する。結果として、送電用コイルから受電用コイルに対する充電用高周波電力の伝送効率の低下をさらに抑制することができる。

本発明によれば、送電効率を低下させずに送電側から受電側への電力伝送ができるとともに、送電側と受電側との組み合わせが正規であることの認証を行うことができる、低コストの非接触充電システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る非接触充電システムの機能モジュールの一例を示した図である。 被充電機器の認証用高周波信号生成部の具体的な回路構成の一例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る被接触充電システムの基本動作の一例を説明するための図である。 本実施形態に係る被接触充電システムの構成の一例を示した側面図である。 送電用コイル、受電用コイル、一次側認証用コイル、及び、二次側認証用コイルの構成の参考例を模式的に示した図である。 送電用コイル、受電用コイル、一次側認証用コイル、及び、二次側認証用コイルの構成の他の参考例を模式的に示した図である。 図５及び６に示される構成の利点を説明するための図である。

非接触充電システムにおいて、電力電送用の１組のコイルを、本来の用途である送電側から受電側への送電に用いる一方で、送電側及び受電側の組み合わせが正規であるか否かの判断を行うための認証系コイルを、さらに、送電側及び受電側の各々に設けることが考えられる。しかしながら、この場合、以下の問題が生じるおそれがある。

一般に、電力電送用の１組のコイルが磁気結合しているときには、一方の電力電送用コイル（以下、送電用コイルという）から他方の電力電送用コイル（以下、受電用コイルという）へ向けて、高い磁束密度の磁束が流れている。

このとき、この高い磁束密度の磁束の流れの中に、送電側及び受電側のいずれかの認証系コイルが位置していると、磁束密度の高い磁束が、その認証用コイルに鎖交する。その結果、その認証用コイルと、送電用コイル及び受電用コイルのいずれか一方とが強く磁気結合する。

このような場合には、送電用コイルから受電用コイルの方向へ生じた磁束のうち、認証用コイルに達する磁束の数が増加するため、送電用コイルと受電用コイルとの間の磁気結合が弱められ、送電用コイルから受電用コイルに対する電力伝送効率が低下する。

さらに、磁束密度の高い磁束が、認証用コイルに鎖交すると、その認証用コイルに渦電流が流れて発熱するおそれもある。

以下に示される本発明の一実施形態に係る非接触充電システムは、送電効率を低下させずに送電側から受電側への電力伝送ができるとともに、送電側と受電側との組み合わせが正規であることの認証を行うことができる、低コストの非接触充電システムである。

さらに、本発明の一実施形態に係る被接触充電システムは、認証用コイルに送電用コイルからの磁束密度が高い状態の磁束が鎖交することを容易に防止することができるシステムでもある。

まず、本発明の一実施形態に係る非接触充電システムの基本動作について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る非接触充電システムの機能モジュールの一例を示した図である。

図１に示される非接触充電システムは、充電機器１と被充電機器２とを備える。充電機器１は、制御部１０、送電部１１、認証用高周波電力生成部１３、及び整流部１５を備える。制御部１０は、マイクロコンピュータなどで構成されており、充電機器１を統括的に制御する。

送電部１１は、送電用コイルＬ１及びコンデンサＣ１からなるＬＣ直列共振回路が並列接続されたインバータ回路１２を備える。インバータ回路１２は、電力（例えば、直流電力、或いは、商用交流電力）を受け付けて、所定の高周波数（例えば１２０ｋＨｚ）の電力を生成する。尚、インバータ回路１２は公知の回路であるため、その構成の説明を省略する。

送電用コイルＬ１及びコンデンサＣ１からなるＬＣ直列共振回路は、インバータ回路１２によって生成された高周波数の電力の振幅を大きくする。このように、振幅が大きくされた高周波数の電力は、被充電機器２を充電するための充電用高周波電力として、送電用コイルＬ１から被充電機器２へ送電される。

ここに、以下の説明において、送電用コイルＬ１から被充電機器２へ送電される高周波数の電力を、“充電用高周波電力”と呼ぶ。

認証用高周波電力生成部１３は、一次側認証用コイルＬ３及びコンデンサＣ３からなるＬＣ直列共振回路が並列接続された発振回路１４を備える。発振回路１４は、電力（例えば、直流電力、或いは、商用交流電力）を受け付けて、充電用高周波電力の周波数よりも高い所定の高周波数（例えば３ＭＨｚ）の電力を生成する。尚、発振回路１４は公知の回路であるため、その構成の説明を省略する。

一次側認証用コイルＬ３及びコンデンサＣ３からなるＬＣ直列共振回路は、発振回路１４によって生成された高周波数の電力の振幅を大きくする。このように、振幅が大きくされた高周波数の電力は、被充電機器２が認証処理を行うための駆動電力として、一次側認証用コイルＬ３から被充電機器２へ送電される。

ここに、以下の説明において、一次側認証用コイルＬ３から、被充電機器２が認証処理を行うための駆動電力として被充電機器２へ送電される高周波数の電力を、“認証用高周波電力”と呼ぶ。

整流部１５は、被充電機器２から伝送されてきた認証用高周波信号を整流して制御部１０へ出力する。制御部１０は、整流された認証用高周波信号を受け付けて、充電機器１及び被充電機器２の組み合わせが正規であることを認証する。

その一方で、被充電機器２は、充電池２０、受電部２１、及び、認証用高周波信号生成部２３を備える。充電池２０は、例えば、リチウムイオン電池で構成される。

受電部２１は、受電用コイルＬ２及びコンデンサＣ２からなるＬＣ並列共振回路が並列接続された整流回路２２を備える。受電用コイルＬ２は、送電用コイルＬ１と磁気結合して充電用高周波電力を受電する。受電用コイルＬ２及びコンデンサＣ２からなるＬＣ並列共振回路は、受電用コイルＬ２が受電した充電用高周波電力の振幅を大きくする。

整流回路２２は、受電用コイルＬ２及びコンデンサＣ２からなるＬＣ並列共振回路によって振幅が大きくされた充電用高周波電力を整流して直流電力として充電池２０へ供給する。その結果、充電池２０が充電される。

認証用高周波信号生成部２３は、電源回路２４及びスイッチング回路２５を備える。電源回路２４は、認証用高周波信号生成部２３の駆動電源を生成するために設けられ、二次側認証用コイルＬ４で受電した認証用高周波電力を整流及び平滑して直流電力を生成する。

スイッチング回路２５は、電源回路２４によって生成された直流電力によって動作して、後述するスイッチング処理を行って、一次側認証用コイルＬ４に伝送された認証用高周波電力を認証用高周波信号とする。

二次側認証用コイルＬ４及びコンデンサＣ４からなるＬＣ並列共振回路は、一次側認証用コイルＬ４に伝送された認証用高周波電力の振幅を大きくする。その結果、振幅が大きくされた認証用高周波電力が電源回路２４へ出力される。

図２は、被充電機器の認証用高周波信号生成部の具体的な回路構成の一例を示した図である。認証用高周波信号生成部２３において、二次側認証用コイルＬ４と並列にコンデンサＣ４が接続されている。二次側認証用コイルＬ４及びコンデンサＣ４は、先述されたＬＣ並列共振回路を構成する。

また、二次側認証用コイルＬ４には、先述された電源回路２４及びスイッチング回路２５が接続されている。電源回路２４は、二次側認証用コイルＬ４を流れる認証用高周波電力をダイオードＤ１で整流して電解コンデンサＣ５を充電し、電解コンデンサＣ５の充電電荷を放電することでスイッチング回路２５に直流電圧を供給する。

スイッチング回路２５は、整流用のダイオードＤ２、抵抗素子Ｒ（例えば１００Ω）、及び、バイポーラトランジスタからなるスイッチング素子Ｑ１からなる直列回路と、低周波数（例えば１ＫＨｚ）のパルス信号を生成するマルチバイブレータＭＶと、を備える。

このような構成のスイッチング回路２５において、マルチバイブレータＭＶは、そのマルチバイブレータＭＶで生成されたパルス信号をスイッチング素子Ｑ１へ出力して、そのスイッチング素子Ｑ１をオンオフさせる。

これにより、認証用高周波信号生成部２３は、二次側認証用コイルＬ４において、振幅が大きなハイレベルの信号と、その信号よりも振幅が小さなローレベルの信号とが繰り返される認証用高周波信号を生成する。

図３は、本発明の一実施形態に係る被接触充電システムの基本動作の一例を説明するための図である。

充電機器１に被充電機器２がセットされたときには、送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２とが磁気結合できるように対向するとともに、一次側認証用コイルＬ３と二次側認証用コイルＬ４とが磁気結合できるように対向する。

この状態で、充電機器１の制御部１０は、発振回路１４によって高周波数の電力を生成させる。そして、この高周波数の電力は、一次側認証用コイルＬ３及びコンデンサＣ３からなるＬＣ直列共振回路で振幅が大きくされて、認証用高周波電力の形とされる。

これにより、一次側認証用コイルＬ３において認証用高周波電力（図３において（１）で示される電力）が発生するので、一次側認証用コイルＬ３から二次側認証用コイルＬ４へ向かう磁束が発生する。これにより、一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４が磁気結合して、一次側認証用コイルＬ３で発生した認証用高周波電力が二次側認証用コイルＬ４に伝送される（以上、認証用電力伝送処理）。

認証用高周波電力が二次側認証用コイルＬ４に伝送されると、認証用高周波信号生成部２３がスイッチング処理によって、二次側認証用コイルＬ４における認証用高周波電力を、ハイレベルの信号とローレベルの信号とが繰り返される認証用高周波信号（図３における（２）で示される信号）とする。

そのとき、二次側認証用コイルＬ４は一次側認証用コイルＬ３と磁気結合しているので、二次側認証用コイルＬ４における認証用高周波電力の波形の変化が、一次側認証用コイルＬ３に伝わる。

すると、一次側認証用コイルＬ３における認証用高周波電力の波形が、二次側認証用コイルＬ４における認証用高周波信号の波形と同じ波形（図３における（３）に示される波形）となる。結果として、一次側認証用コイルＬ３には、二次側認証コイルＬ４における認証用高周波信号が伝送される（以上、認証用信号伝送処理）。

そのとき、制御部１０が、認証用高周波信号のオンオフパターンを判断して、被充電機器２が正規であるか否かを判断する。これにより、充電機器１と被充電機器２との組み合わせが正規であるか否かが判断される。

尚、一次側認証用コイルＬ３そのものがインピーダンスを有する上に、一次側認証用コイルＬ３と二次側認証用コイルＬ４との間の磁気結合が弱いため、一次側認証用コイルＬ３における認証用高周波信号の振幅が、二次側認証用コイルＬ４における振幅よりも小さくなっている。

そして、制御部１０が、充電機器１と被充電機器２との組み合わせが正規であることを判定すると、インバータ回路１２を駆動させて、送電用コイルＬ１から受電用コイルＬ２に対して、充電用高周波電力（図３において（４）で示される電力）を伝送させる（以上、充電用電力伝送処理）。

本発明の一実施形態に係る被接触充電システムは、認証用電力伝送処理及び認証用信号伝送処理からなる認証処理と、充電用電力伝送処理とを交互に行って、充電池２０を充電させる。例えば、充電用電力伝送処理を１１４０ｍｓの間行った後、認証処理を６０ｍｓの間行う処理を繰り返す。これにより、充電池２０の充電を行っている間に、定期的に、充電機器１へ正規の被充電機器２がセットされているか否かの判定処理を行う。

図４は、本実施形態に係る被接触充電システムの構成の一例を示した側面図である。図４において、送電用コイルＬ１、受電用コイルＬ２、一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４の各々は、同一の中心軸ＡＸ１を有している。

充電機器１は、平面コイルからなる送電用コイルＬ１を備える一方で、被充電機器２は、平面コイルからなる受電用コイルＬ２を備える。送電用コイルＬ１では、通電した状態で磁束を受電用コイルＬ２の方向へ生じさせるような巻き方向で巻き回された巻線が配置されている。その一方で、受電用コイルＬ２では、送電用コイルＬ１の巻線と同じ方向に巻き回された巻線が配置されている。

充電機器１へ被充電機器２がセットされた状態では、送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２とが正対して、送電用コイルＬ１から受電用コイルＬ２に向かう空間（ギャップＧ）を形成する。送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２とでギャップＧを形成すると、送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２とが磁気結合することができる状態となる。

また、充電機器１では、送電用コイルＬ１の他に、一次側認証用コイルＬ３が配置されている一方で、被充電機器２では、受電用コイルＬ２の他に、二次側認証用コイルＬ４が配置されている。

一次側認証コイルＬ３は、ギャップＧを形成した状態の送電用コイルＬ１の両面のうちギャップＧに面した平面ＳＵ１とは異なる平面ＳＵ２と対向して配置されている。この一次側認証用コイルＬ３では、通電した状態で磁束を二次側認証用コイルＬ４の方向へ生じさせるような巻き方向で巻き回された巻線が配置されている。

その一方で、二次側認証用コイルＬ４は、ギャップＧを形成した状態の受電用コイルＬ２の両面のうちギャップＧに面した平面ＳＵ１０とは異なる平面ＳＵ２０と対向して配置されている。この二次側認証用コイルＬ４では、一次側認証用コイルＬ３の巻線と同じ方向に巻き回された巻線が配置されている。

さらに、充電機器１では、送電用コイルＬ１及び一次側認証用コイルＬ３における磁束密度を高めるために磁性シート（磁性体）Ｓ１が設けられている。この磁性シートＳ１は、送電用コイルＬ１及び一次側認証用コイルＬ３からの送電効率を向上させるために設けられている。

その一方で、被充電機器２では、受電用コイルＬ２及び二次側認証用コイルＬ４における磁束密度を高めるために磁性シート（磁性体）Ｓ２が設けられている。この磁性シートＳ２は、受電用コイルＬ２及び二次側認証用コイルＬ４における受電効率を向上させるために設けられている。

この構成によれば、送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２とが対向してギャップＧを形成した状態で、送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２とが磁気結合する。これにより、送電用コイルＬ１から受電用コイルＬ２へ充電用高周波電力が送電される。

その一方で、一次側認証用コイルＬ３と二次側認証用コイルＬ４とが磁気結合した状態で、一次側認証用コイルＬ３から二次側認証用コイルＬ４に対して認証用高周波電力が伝送される一方で、その認証用高周波電力から生成された認証用高周波信号が二次側認証用コイルＬ４から一次側認証用コイルＬ３に対して伝送される。

これにより、送電用コイルＬ１及び受電用コイルＬ２によって、充電機器１から被充電機器２に対する充電用高周波信号の伝送が行われる一方で、一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４によって、認証用高周波電力及び認証用高周波信号の伝送が行われる。

結果として、充電機器１から被充電機器２に対する充電用高周波電力の伝送と、充電機器１と被充電機器２との間における認証用高周波電力及び認証用高周波信号の伝送とが、別々の系統のコイルによって行われる。そして、充電機器１側にマイクロコンピュータなどの制御部１０があれば、一次側認証用コイルＬ３に伝送された認証用高周波信号を用いた被充電機器２の認証を行うことができるので、充電機器１及び被充電機器２の双方にマイクロコンピュータなどの制御部１０を設ける必要がない。

したがって、充電機器１及び被充電機器２の双方に高価な制御部１０を設けた場合よりも低コストで、充電機器１から被充電機器２への送電と、充電機器１と被充電機器２との組み合わせが正規であることの認証と、を行うことができる非接触充電システムを提供することができる。

さらに、この構成によれば、一次側認証用コイルＬ３が、ギャップＧを形成した状態の送電用コイルＬ２の両面のうちギャップＧに面した平面ＳＵ１とは異なる平面ＳＵ２と対向して配置されている。また、二次側認証用コイルＬ４が、ギャップＧを形成した状態の受電用コイルＬ２の両面のうちギャップＧに面した平面ＳＵ１０とは異なる平面ＳＵ２０と対向して配置されている。つまり、一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４は、送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２とで形成されるギャップＧ内に位置していない。

一般に、送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２とが磁気結合して充電用高周波電力の伝送が行われているときには、送電用コイルＬ１において生じる磁束がその磁束密度が高い状態でギャップＧを通じて受電用コイルＬ２に達しており、ギャップＧ外で流れている磁束の磁束密度が小さい状態である。

この構成によれば、一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４は、送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２とで形成されるギャップＧ内に位置していないため、一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４は、必ず、送電用コイルＬ１から磁束密度が高い状態で受電用コイルＬ２に達する磁束の流れの中には位置しないことになる。

その結果、一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４には、送電用コイルＬ１から磁束密度が高い状態で受電用コイルＬ２に達する磁束が鎖交しないため、仮に、送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２とで形成されるギャップＧ外で流れている磁束が鎖交したとしても、一次側認証用コイルＬ３と送電用コイルＬ１との間の磁気結合、及び、二次側認証用コイルＬ４と受電用コイルＬ２との間の磁気結合は悪い状態となる。

結果として、送電用コイルＬ１で受電用コイルＬ２の方向へ生じた磁束が、一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４に達することを抑制できるため、送電用コイルＬ１から受電用コイルＬ２に対する電力伝送効率の低下を抑制することができる。

このように、一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４は、必ず、送電用コイルＬ１から磁束密度が高い状態で受電用コイルＬ２に達する磁束の流れの中には位置しないことになるため、一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４に磁束密度が高い状態の磁束が鎖交して、一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４に渦電流が流れて発熱することを容易に防止することができる。

さらに、図４に示されるように、先述された磁性シートＳ１は、一次側認証用コイルＬ３に対して、ギャップＧとは逆の方向に配置されているとともに、先述された磁性シートＳ２は、二次側認証用コイルＬ４に対して、ギャップＧとは逆の方向に配置されている。

これにより、図４に示されるように、充電機器１側において、磁性シートＳ１からギャップＧの方向へ向けて、磁性シートＳ１、一次側認証用コイルＬ３、及び、送電用コイルＬ１の順の積層構造が形成される。その一方で、被充電機器２側において、磁性シートＳ２からギャップＧの方向へ向けて、磁性シートＳ２、二次側認証用コイルＬ４、及び、受電用コイルＬ２の順の積層構造が形成される。

その結果、一次側認証用コイルＬ３は、必ず、送電用コイルＬ１に対してギャップＧに対する方向とは逆方向に位置する一方で、二次側認証用コイルＬ４は、必ず、受電用コイルＬ２に対してギャップＧに対する方向とは逆方向に位置する。

この場合、一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４には、先述されたように、送電用コイルＬ１から磁束密度が高い状態で受電用コイルＬ２に達する磁束が鎖交しない。

そのため、送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２とで形成されるギャップＧ外で磁束密度が低い状態で流れている磁束が一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４に鎖交していたとしても、磁性シートＳ１及びＳ２を用いることによって一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４における磁束密度が強くされても、一次側認証用コイルＬ３と送電用コイルＬ１との間の磁気結合、及び、二次側認証用コイルＬ４と受電用コイルＬ２との間の磁気結合が、送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２との間の磁気結合に影響を与えるほどには強くならない。

結果として、磁性シートＳ１及びＳ２を用いて、送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２との間の磁気結合を予め想定された強さに強めることができるため、磁性シートＳ１及びＳ２を用いて、送電用コイルＬ１から受電用コイルＬ２に対する充電用高周波電力の伝送効率を、予め想定された強さにまで強くすることができる。

したがって、磁性シートＳ１及びＳ２を用いて、送電用コイルＬ１から受電用コイルＬ２に対する充電用高周波電力の伝送効率を、予め想定された強さにまで強くすることができる。

尚、送電用コイルＬ１から受電用コイルＬ２に対する充電用高周波電力の伝送効率の低下をさらに抑制する観点では、充電機器１及び被充電機器２からなる非接触充電システムが、以下の構成とされていてもよい。

すなわち、図４に示される一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用コイルＬ４の巻線のいずれか一方の巻数は、図４に示される送電用コイルＬ１及び受電用コイルＬ２の巻線の巻数よりも少なくされていることが好ましい。

これにより、一次側認証用コイルＬ３及び送電用コイルＬ１における相互インダクタンス、及び、二次側認証用コイルＬ４及び受電用コイルＬ２における相互インダクタンスのいずれか一方が、送電用コイルＬ１及び受電用コイルＬ２における相互インダクタンスよりも小さくなる。

これにより、一次側認証用コイルＬ３と送電用コイルＬ１との間の磁気結合の強さが、送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２との間の磁気結合の強さよりも弱くなる。又は、二次側認証用コイルＬ４と受電用コイルＬ２との間の磁気結合の強さが、送電用コイルＬ１と受電用コイルＬ２との間の磁気結合の強さよりも弱くなる。

その結果、送電用コイルＬ１から受電用コイルＬ２の方向に生じた磁束が、受電用コイルＬ２に達せずに一次側認証用コイルＬ３に達してしまうことを抑制できる。又は、受電用コイルＬ２が送電用コイルＬ１から受け付けた磁束のうち、二次側認証用コイルＬ４に奪われる磁束の本数が減少する。結果として、送電用コイルＬ１から受電用コイルＬ２に対する充電用高周波電力の伝送効率の低下をさらに抑制することができる。

以下、送電用コイルＬ１、受電用コイルＬ２、一次側認証用コイルＬ３、及び、二次側認証用コイルＬ４の構成の参考例を、以下に示す。

図５は、送電用コイルＬ１、受電用コイルＬ２、一次側認証用コイルＬ３、及び、二次側認証用コイルＬ４の構成の参考例を模式的に示した図である。図５において、送電用コイルＬ１及び受電用コイルＬ２の各々が実線で表されている一方で、一次側認証用コイルＬ３及び二次側認証用オイルＬ４の各々が破線で表されている。

この図５は、図４において、ギャップＧから、送電用コイルＬ１及び一次側認証用コイルＬ３の方向を見た状態、及び、ギャップＧから、受電用コイルＬ２及び二次側認証用コイルＬ４の方向を見た状態を示している。

また、図５において、紙面垂直方向がギャップＧに向かう方向である一方で、紙面垂直方向とは逆の方向が磁性シートＳ１及びＳ２の各々に向かう方向である。したがって、図５において、送電用コイルＬ１は一次側送電用コイルＬ３よりもギャップＧ側に位置するとともに、受電側コイルＬ２は二次側送電用コイルＬ４よりもギャップＧ側に位置する。

図５に示されるように、送電用コイルＬ１では、外縁部から中心部に向けて右巻き方向に巻き回された巻線３Ａが配置されている。その一方で、一次側認証用コイルＬ３では、外縁部から中心部に向けて右向き方向に巻き回された巻線３Ｂが配置されている。

一次側認証用コイルＬ３の巻線３Ｂは、送電用コイルＬ１の巻線３Ａとこれと隣り合う巻線３Ａとの間に位置した状態で配置されている。このように、一次側認証用コイルＬ３の巻線３Ｂは、送電用コイルＬ１の巻線３Ａとこれと隣り合う巻線３Ａとの間に位置した状態で配置されているため、一次側認証用コイルＬ３で生じた磁束が、送電用コイルＬ１の巻線３Ａと鎖交しにくい。その結果、一次側認証用コイルＬ３で生じた磁束がギャップＧ内に到達しやすくなる。

その一方で、受電用コイルＬ２では、外縁部から中心部に向けて右巻き方向に巻き回された巻線３Ａが配置されている。その一方で、二次側認証用コイルＬ４では、外縁部から中心部に向けて右向き方向に巻き回された巻線３Ｂが配置されている。

二次側認証用コイルＬ３の巻線３Ｂは、受電用コイルＬ１の巻線３Ａとこれと隣り合う巻線３Ａとの間に位置した状態で配置されている。このように、二次側認証用コイルＬ４の巻線３Ｂは、受電用コイルＬ２の巻線３Ａとこれと隣り合う巻線３Ａとの間に位置した状態で配置されているため、一次側認証用コイルＬ３で生じてギャップＧ内に到達した磁束が、受電用コイルＬ２と鎖交せずに二次側認証用コイルＬ４と鎖交しやすくなる。

その結果、一次側認証用コイルＬ３と二次側認証用コイルＬ４との磁気結合が、送電用コイルＬ１及び受電用コイルＬ２の巻線３Ａによって影響を受けにくくなるため、被充電機器２の認証精度を向上させることができる。

また、この構成によれば、一次側認証用コイルＬ３は送電用コイルＬ１に対してギャップＧと逆方向に配置されている一方で、二次側認証用コイルＬ４が受電用コイルＬ２に対してギャップＧと逆方向に配置されている。その結果、送電用コイルＬ１から受電用コイルＬ２に対する充電用高周波電力の伝送効率の低下を抑制することができる。

結果として、この構成によれば、被充電機器２の認証精度を向上させつつ、充電用高周波電力の伝送効率の低下を抑制することができる。

その一方で、図６に示されるように、一次側認証用コイルＬ３の巻線３Ｂの巻数を、送電用コイルＬ１の巻線３Ａの巻数よりも少なくするとともに、二次側認証用コイルＬ４の巻線３Ｂの巻数を、受電用コイルＬ２の巻線３Ａの巻数よりも少なくすれば、送電用コイルＬ１から受電用コイルＬ２に対する充電用高周波電力の伝送効率の低下をさらに抑制することができる。その理由は先述された通りである。

図５及び６に示される構成によれば、図７に示される利点がある。

図７は、図５及び６に示される構成の利点を説明するための図である。図７（ａ）は、送電用コイルＬ１、受電用コイルＬ２、送電用コイルＬ１の巻線３Ａとこれに隣り合う巻線３Ａとの間に位置しない巻線３Ｂが配置された一次側認証用コイルＬ３、及び、受電用コイルＬ２の巻線３Ａとこれに隣り合う巻線３Ａとの間に位置しない巻線３Ｂが配置された二次側認証用コイルＬ４の構成例を示している。

図７（ｂ）は、送電用コイルＬ１、受電用コイルＬ２、送電用コイルＬ１の巻線３Ａとこれに隣り合う巻線３Ａとの間に位置する巻線３Ｂが配置された一次側認証用コイルＬ３、及び、受電用コイルＬ２の巻線３Ａとこれに隣り合う巻線３Ａとの間に位置する巻線３Ｂが配置された二次側認証用コイルＬ４の構成例を示している。

図７（ａ）に示される構成のように、一次側認証用コイルＬ３の巻線３Ｂが、送電用コイルＬ１の巻線３Ａとこれに隣り合う巻線３Ａとの間に位置していない場合には、巻線３Ａ及び３Ｂは、磁性シートＳ１からギャップＧの方向、及びその逆の方向に対して、重なったように配置されている。

また、二次側認証用コイルＬ４の巻線３Ｂが、受電用コイルＬ２の巻線３Ａとこれに隣り合う巻線３Ａとの間に位置していない場合には、巻線３Ａ及び３Ｂは、磁性シートＳ２からギャップＧの方向、及びその逆の方向に対して、重なったように配置されている。

その結果、一次側認証用コイルＬ３を、送電用コイルＬ１に対して近づけると、最終的には、巻線３Ａと巻線３Ｂとが接触するため、一次側認証用コイルＬ３を、その巻線３Ｂを、送電用コイルＬ１の巻線３Ａ間に収めるように配置することができない。

また、二次側認証用コイルＬ４を、受電用コイルＬ２に対して近づけると、最終的には、巻線３Ａと巻線３Ｂとが接触するため、二次側認証用コイルＬ３を、その巻線３Ｂを、受電用コイルＬ２の巻線３Ａ間に収めるように配置することができない。

その一方で、図７（ｂ）に示される構成のように、一次側認証用コイルＬ３の巻線３Ｂが、送電用コイルＬ１の巻線３Ａとこれに隣り合う巻線３Ａとの間に位置していれば、一次側認証用コイルＬ３を、送電用コイルＬ１に近づけても、巻線３Ａと巻線３Ｂとが接触しにくい。

その結果、図７（ｂ）に示されるように、一次側認証用コイルＬ３全体としては、送電用コイルＬ１全体に対して、ギャップＧとは逆の方向へ一定の間隔Ｐを保った状態で対向させつつ、一次側認証用コイルＬ３を、その巻線３Ｂを送電用コイルＬ１の巻線３Ａ間に収めるように配置することができる。

また、図７（ｂ）に示される構成のように、二次側認証用コイルＬ４の巻線３Ｂが、受電用コイルＬ２の巻線３Ａとこれに隣り合う巻線３Ａとの間に位置していれば、二次側認証用コイルＬ４を、受電用コイルＬ２に近づけても、巻線３Ａと巻線３Ｂとが接触しにくい。

その結果、図７（ｂ）に示されるように、二次側認証用コイルＬ４全体としては、受電用コイルＬ２全体に対して、ギャップＧとは逆の方向へ一定の間隔Ｐを保った状態で対向させつつ、二次側認証用コイルＬ３を、その巻線３Ｂを受電用コイルＬ２の巻線３Ａ間に収めるように配置することができる。

以上により、この構成によれば、送電用コイルＬ１から受電用コイルＬ２に対する充電用高周波電力の電送効率を低下させることを抑制しつつ、送電用コイルＬ１と一次側認証用コイルＬ３からなる積層構造、及び、受電用コイルＬ２と二次側認証用コイルＬ４からなる積層構造の薄型化が可能となり、ひいては、充電機器１及び被充電機器２の薄型化が可能となる。

１ 充電機器
２ 被充電機器
３Ａ，３Ｂ 巻線
Ｇ ギャップ
Ｌ１ 送電用コイル
Ｌ２ 受電用コイル
Ｌ３ 一次側認証用コイル
Ｌ４ 二次側認証用コイル
Ｓ１，Ｓ２ 磁性シート
ＳＵ１ ギャップＧに面した平面（送電用コイル側）
ＳＵ２ ギャップＧに面した平面とは異なる平面（送電用コイル側）
ＳＵ１０ ギャップＧに面した平面（受電用コイル側）
ＳＵ２０ ギャップＧに面した平面とは異なる平面（受電用コイル側）

Claims (4)

1. 平面コイルで構成され、被充電機器を充電するための充電用高周波電力を送電する送電用コイルを備える充電機器と、前記送電用コイルと対向して所定のギャップを形成した状態でその送電用コイルと磁気結合して前記充電用高周波電力を受電する、平面コイルで構成された受電用コイルを備える被充電機器と、を備えており、
   前記充電機器は、平面コイルで構成され、前記被充電機器を認証するための認証用高周波電力を送電する一方で当該被充電機器を認証するための認証用高周波信号を受け付ける一次側認証用コイルを備え、
   前記被充電機器は、平面コイルで構成され、前記一次側認証用コイルと磁気結合して、前記認証用高周波電力を受け付ける一方でその認証用高周波電力から生成された前記認証用高周波信号を前記一次側認証用コイルに出力する二次側認証用コイルを備え、
   前記一次側認証用コイルが、前記ギャップを形成した状態の前記送電用コイルの両面のうち前記ギャップに面した平面とは異なる平面と対向して配置されていること、及び、
   前記二次側認証用コイルが、前記ギャップを形成した状態の前記受電用コイルの両面のうち前記ギャップに面した平面とは異なる平面と対向して配置されていること、のいずれか一方を特徴とする非接触充電システム。
2. 前記充電機器は、前記受電用コイルとの間で前記ギャップを形成して前記受電用コイルと磁気結合した状態の前記送電用コイルにおける磁束密度を高める磁性体をさらに備えており、
   前記一次側認証用コイルは、前記磁性体と前記送電用コイルとの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触充電システム。
3. 前記被充電機器は、前記送電用コイルとの間で前記ギャップを形成して前記送電用コイルと磁気結合した状態の前記受電用コイルにおける磁束密度を高める磁性体をさらに備えており、
   前記二次側認証用コイルは、前記磁性体と前記受電用コイルとの間に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非接触充電システム。
4. 前記一次側認証用コイル、前記二次側認証用コイル、前記送電用コイル、及び、前記受電用コイルの各々は、所定の方向に巻き回された巻線を有しており、
   前記一次側認証用コイル及び前記二次側認証用コイルのいずれか一方の巻線の巻数は、前記送電用コイル及び前記受電用コイルの巻線の巻数よりも少ないことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の非接触充電システム。

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