JP2011229264A - 非接触送電装置、非接触受電装置及び非接触充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】使用環境に左右されず、金属異物を検出することができる非接触送電装置、非接触受電装置及び非接触充電システムを提供すること。
【解決手段】１次側制御部１４は、第１温度検出回路１５から入力した１次コイル周辺温度が第２温度検出回路１６から入力した環境温度よりも予め決められた閾値としての異物検出判定値以上であるか否かを判定する。この判定結果が肯定の場合、１次側制御部１４は、金属異物が存在すると判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁誘導を利用して、機器間の電力伝送を非接触にて行う非接触送電装置、非接触受電装置及び非接触充電システムに関するものである。

このような非接触送電装置は、携帯電話やデジタルカメラ等の携帯機器に内蔵される二次電池（バッテリ）を非接触で充電することのできる装置として、近年、広く知られている。このような携帯機器及びこの携帯機器に対応する充電器（送電装置）には、充電のための電力を授受するコイルがそれぞれ備えられている。そして、それら両コイル間での電磁誘導により充電器から携帯機器に伝送された交流電力が携帯機器にて直流電力に変換されることで、携帯機器の電源である二次電池への充電が行なわれるようになっている。

このような非接触充電にて電力伝送を行う際には、電力伝送用コイルから高周波磁束が発生する。このため、電力伝送用コイル近傍に金属異物が存在すると、高周波磁束による渦電流が金属に流れ、金属が発熱し、送電装置に影響を与えるという問題があった。このため、コイル近傍に存在する金属異物を検知するための手段が考えられていた（例えば、特許文献１、特許文献２）。例えば、温度が予め決められた閾値を超えたことを検知し、送電装置に影響を与える前に充電を停止している。

特開２００３−１５３４５７号公報 特開２００９−０２２１２６号公報

しかしながら、従来の温度検出では、使用環境の温度の変化に対応していない。例えば、冬場の寒い環境では、コイル近傍温度が一定の閾値を超えないと停止しなかった。従って、金属異物が存在し、後にコイル近傍温度が閾値以上に上昇する場合であっても、コイル近傍温度が閾値までに上昇していないため、金属異物を検知することができなかった。すなわち、使用環境によっては金属異物を正しく検知することができず、電流が遮断されなかった。このため、金属異物に渦電流が流れ、伝送電力が損なわれるという問題があった。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、使用環境に左右されず、金属異物を検出することができる非接触送電装置、非接触受電装置及び非接触充電システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明は、電力が供給されることにより交番磁束を発生する１次コイルを備え、前記１次コイルから発生した交番磁束を非接触受電装置の２次コイルに交差させることにより、前記２次コイルを介して電力を送電して、非接触受電装置の負荷に供給させる非接触送電装置において、前記１次コイルから発生する交番磁束と交差する範囲に配置され、温度を検出する第１温度検出手段と、前記１次コイルから発生する交番磁束が届かない範囲に配置され、温度を検出する第２温度検出手段と、前記第１温度検出手段にて検出された温度から前記第２温度検出手段にて検出された温度を減算した値が、予め決められた閾値を超えた場合、１次コイルへの電力を停止させる又は異常を報知させる制御部と、を備えることを特徴とするものである。

第２の発明は、非接触送電装置の１次コイルから発生した交番磁束と交差する２次コイルと、前記２次コイルを介して電力を受電し、負荷に供給する非接触受電装置において、前記２次コイルから発生する交番磁束と交差する範囲に配置され、温度を検出する第１温度検出手段と、前記２次コイルから発生する交番磁束が届かない範囲に配置され、温度を検出する第２温度検出手段と、前記第１温度検出手段にて検出された温度から前記第２温度検出手段にて検出された温度を減算した値が、予め決められた閾値を超えた場合、異常を報知させる制御部と、を備えることを特徴とするものである。

第３の発明は、電力が供給されることにより交番磁束を発生する１次コイルを有する非接触送電装置と、前記１次コイルから発生した交番磁束と交差する２次コイル及び前記２次コイルを介して前記１次コイルから供給された電力が供給される負荷を有する非接触受電装置を備える非接触充電システムにおいて、前記１次コイルから発生する交番磁束と交差する範囲に配置され、温度を検出する第１温度検出手段と、前記１次コイルから発生する交番磁束が届かない範囲に配置され、温度を検出する第２温度検出手段と、前記第１温度検出手段にて検出された温度から前記第２温度検出手段にて検出された温度を減算した値が、予め決められた閾値を超えた場合、１次コイルへの電力を停止させる又は異常を報知させる制御部と、を備えることを特徴とするものである。

第４の発明は、第３の発明において、前記第２温度検出手段は、磁気シールド材で被覆されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、使用環境に左右されず、金属異物を検出することができる。

非接触充電システムを示すブロック図。 金属異物存在時における、１次コイル周辺温度と環境温度の温度変化を示すタイミングチャート。

以下、本発明に係る非接触送電装置及び非接触充電システムを具体化した実施形態について図に従って説明する。図１は、本実施形態の非接触送電装置及び非接触受電装置を備える非接触充電システム１００についての構成を示すブロック図である。図１に示すように、非接触充電システム１００は、大きく分けて、非接触送電装置１０と非接触受電装置２０とから構成されている。

まず、非接触送電装置１０について説明する。
非接触送電装置１０は、電圧安定化回路１１、送電部１２、１次コイルＬ１、電圧検出回路１３、１次側制御部１４を備えている。また、非接触送電装置１０は、金属異物を検知するために、第１温度検出回路１５、第２温度検出回路１６、第１サーミスタ１７、第２サーミスタ１８を備えている。

電圧安定化回路１１は、外部電源Ｅから入力される入力電力の電圧を安定化させる回路である。そして、電圧安定化回路１１には、送電部１２が接続されている。送電部１２は、電力を送る際には、所定周波数の交流電力を生成する。また、送電部１２は、信号送信時には、送信する信号に応じた周波数の交流電力を生成し、送電部１２に接続された１次コイルＬ１に出力するようになっている。なお、送電部１２は、「１」に応じた信号を出力する際には、周波数ｆ１の交流電力を生成して出力する一方、「０」に応じた信号を出力する際には、周波数ｆ２の交流電力を生成して出力する。

１次コイルＬ１は、交流電力が入力されることにより、交流電力の周波数に応じた周波数の交番磁束が発生するようになっている。そして、１次コイル（送電側コイル）Ｌ１は、２次コイル（受電側コイル）Ｌ２と電磁結合して、電力を伝送するようになっている。電圧検出回路１３は、１次コイルＬ１の誘起電圧を検出する回路である。そして、電圧検出回路１３は、１次側制御部１４と接続されており、検出した誘起電力（電圧）の波形を１次側制御部１４に出力するようになっている。

１次側制御部１４は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置（不揮発性メモリー（ＲＯＭ）、揮発性メモリー（ＲＡＭ）など）を有するマイクロコンピュータやシステムＬＳＩを中心に構成されている。そして、１次側制御部１４は、メモリーに格納されている各種データ及びプログラムに基づいて、送電部１２の発振制御などの各種制御を実行する。

また、１次側制御部１４は、送電部１２と接続されている。そして、１次側制御部１４は、非接触送電装置１０が非接触受電装置２０に信号を送信する際、送電部１２に対して、送信する信号（又は送信する信号に応じた周波数）を通知して、送電部１２に送信する信号に応じた周波数の交流電力を生成させるようになっている。

また、１次側制御部１４は、電圧検出回路１３から受信した１次コイルの誘起電力の変化を測定して、信号検出、異物検出などを行うようになっている。例えば、非接触受電装置２０の信号制御回路２３が非接触送電装置１０に対して信号を送信するための負荷変調処理を実行すると、１次コイルＬ１の誘起電力の波形が変化する。すなわち、非接触受電装置２０が、データ「０」の信号を送信するため、負荷を小さくすると、１次コイルＬ１の誘起電力の信号波形の振幅が小さくなり、データ「１」の信号を送信するため、負荷を大きくすると、信号波形の振幅が大きくなる。従って、誘起電力のピーク電圧が閾値を超えたか否かにより、信号の種類を判別できるようになっている。なお、本実施形態の１次側制御部１４は、非接触受電装置２０からの電磁誘導式におけるデータ通信を復調するとともに、復調された信号を解析して、同解析結果に基づいて送電部１２の発振（周波数）を制御するようにもなっている。また、ＲＯＭには、各種閾値や、後に詳述する非接触受電装置２０との間の電磁誘導式におけるデータ通信の復調、同復調された信号の解析などに必要とされる各種のパラメータなどが予め保存されている。

また、第１温度検出回路１５は、少しの温度の変化によって電気抵抗が大幅に変わる第１サーミスタ１７と接続されており、第１サーミスタ１７を介して温度を計測することができるようになっている。第１サーミスタ１７は、１次コイルＬ１の近傍に配置されるようになっている。より詳しく説明すると、第１サーミスタ１７は、１次コイルＬ１から発生する交番磁束と交差することができる位置に配置されている。すなわち、第１サーミスタ１７は、１次コイルＬ１から発生する交番磁束と交差する金属異物が発熱することにより、影響を受ける範囲に設置される。このため、第１温度検出回路１５は、１次コイルＬ１から発生する交番磁束の影響により、金属異物に渦電流が発生して発熱した場合、第１サーミスタ１７を介して、当該金属異物の１次コイル周辺温度を計測できるようになっている。また、第１温度検出回路１５は、１次側制御部１４と接続されており、第１サーミスタ１７を介して計測した１次コイル周辺温度を通知することができる。本実施形態の第１温度検出回路１５及び第１サーミスタ１７が、第１温度検出手段を構成する。

また、第２温度検出回路１６は、少しの温度の変化によって電気抵抗が大幅に変わる第２サーミスタ１８と接続されており、第２サーミスタ１８を介して温度を計測することができるようになっている。第２サーミスタ１８は、１次コイルＬ１から離れ、１次コイルＬ１の影響を受けない位置に配置されるようになっている。より詳しく説明すると、第２サーミスタ１８は、１次コイルＬ１から発生する交番磁束と交差しない位置に配置されている。すなわち、第２サーミスタ１８は、１次コイルＬ１から発生する交番磁束と交差する金属異物が発熱しても、影響を受けない範囲に設置される。例えば、第２サーミスタ１８は、第１サーミスタ１７とは離れた位置に配置されたり、第１サーミスタ１７が配置される面とは反対面に配置されたりしている。このため、第２温度検出回路１６は、１次コイルＬ１から発生する交番磁束の影響を受けない位置の周辺温度（環境温度）を、第２サーミスタ１８を介して計測できるようになっている。また、第２温度検出回路１６は、１次側制御部１４と接続されており、第２サーミスタ１８を介して計測した環境温度を通知することができる本実施形態の第２温度検出回路１６及び第２サーミスタ１８が、第２温度検出手段を構成する。

次に、非接触受電装置２０について説明する。
非接触受電装置２０は、非接触送電装置１０からの交番磁束を受ける２次コイルＬ２と、受電部２１と、２次側制御部２２と、信号制御回路２３と、信号検出回路２４と、バッテリＢＡを備えている。

受電部２１は、２次コイルＬ２が交番磁束を受けることにより２次コイルＬ２に流れる交流電力（誘起電力）を直流電力に変換する整流回路を有する。整流回路は、整流ダイオードと、整流ダイオードにて整流された電力を平滑化させる平滑コンデンサとを備えており、２次コイルＬ２から入力された交流電力を直流電力に変換する、いわゆる半波整流回路として構成されている。なお、この整流回路の構成は、交流電力を直流電力に変換する整流回路としての一例に過ぎず、この構成に限定されるものではなく、ダイオードブリッジを用いた全波整流回路やその他の周知の整流回路の構成を有していてもよい。信号検出回路２４は、２次コイルＬ２の誘起電力を検出する回路である。そして、信号検出回路２４は、２次側制御部２２と接続されており、検出した誘起電力（電圧）の波形を２次側制御部２２に出力するようになっている。

信号制御回路２３は、非接触受電装置２０から非接触送電装置１０に信号を送信する場合、送信する信号に応じて２次コイルＬ２にかかる負荷を変化させて、１次コイルＬ１の誘起電力の信号波形を変化させる負荷変調処理を行う。この信号制御回路２３は、２次側制御部２２と接続されており、２次側制御部２２からの制御信号に基づき、負荷変調処理を実行する。

２次側制御部２２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭなど）を有するマイクロコンピュータを中心に構成されている。そして、２次側制御部２２は、メモリーに格納されている各種データ及びプログラムに基づいて、非接触受電装置２０が有するバッテリＢＡの充電状態を判定するとともにその充電量制御などの各種制御を実行する。なお、本実施形態では、バッテリＢＡの充電量に基づいて非接触送電装置１０への信号を生成するようにもなっている。また、ＲＯＭには、バッテリ（本負荷）ＢＡの充電量の判定等の充電量制御に必要とされる各種情報や、非接触送電装置１０との間の信号の生成や、同信号に基づく変調のために必要とされる各種のパラメータなどが予め保存されている。

そして、２次側制御部２２には、バッテリＢＡの正極及び負極がそれぞれ接続され、バッテリＢＡから駆動用の電力供給を受けるとともに、２次側制御部２２は、バッテリＢＡの端子間電圧などからバッテリＢＡの充電量を把握することができるようになっている。また、２次側制御部２２は、受電部２１から入力した交流電力を予め決められた電圧に調節して充電電力を生成し、バッテリＢＡに出力するようになっている。また、２次側制御部２２は、バッテリＢＡの充電量に応じて充電電力を出力するか否かを切り替えるようになっている。例えば、２次側制御部２２は、バッテリＢＡの端子間電圧が予め設定された充電量判定用の閾値よりも低くいことなどからバッテリＢＡを充電することが好ましいと判断される場合、充電電力をバッテリＢＡに供給する。一方、バッテリＢＡの端子間電圧が上記の充電量判定用の閾値よりも高いことなどからバッテリＢＡを充電する必要が無いと判断される場合、２次側制御部２２は、充電電力をバッテリＢＡに供給しない。

また、２次側制御部２２は、動作電圧が動作可能な電圧よりも低い場合、バッテリＢＡとの接続を遮断し、バッテリからの電圧の逆流を防止するようになっている。また、２次側制御部２２は、２次コイルＬ２の誘起電力の周波数を監視して、非接触送電装置１０からの信号がデータ「１」であるか又はデータ「０」であるかを判断するようになっている。

次に、１次コイルＬ１近傍に挿入された金属異物検出に係わる制御について図２に基づき説明する。
第１温度検出回路１５は、第１サーミスタ１７を介して、１次コイル周辺温度を計測し、１次側制御部１４に出力する。それと共に、第２温度検出回路１６は、第２サーミスタ１８を介して、環境温度を計測し、１次側制御部１４に出力する。

１次側制御部１４は、第１温度検出回路１５から入力した１次コイル周辺温度が第２温度検出回路１６から入力した環境温度よりも予め決められた閾値としての異物検出判定値以上であるか否かを判定する。すなわち、１次側制御部１４は、同時期の１次コイル周辺温度から環境温度を減算した値が、異物検出判定値以上であるか否かを判定する。言い換えれば、１次側制御部１４は、１次コイル周辺温度が、環境温度に異物検出判定値を加算した温度以上であるか否かを判定する。

異物検出判定値は、金属異物が発熱したときにおける１次コイル周辺温度と、環
.境温度との温度差である。金属異物が発熱したとき、１次コイル周辺温度と環境温度との温度差は、金属異物の大きさ、形状、材質、第１サーミスタ１７から金属異物までの距離等により代わる可能性がある。そこで、異物検出判定値は、実験により金属異物が入っている可能性が高い値が求められ、設定される。

１次側制御部１４は、同時期の１次コイル周辺温度から環境温度を減算した値が、異物検出判定値以上でない場合（図２における時点Ｔ１参照）、金属異物による発熱の影響を受けていないと判定する。一方、１次側制御部１４は、１次コイル周辺温度から環境温度を減算した値が、異物検出判定値以上である場合（図２における時点Ｔ２参照）、金属異物による発熱の影響を受けて１次コイル周辺温度が上がっていると判定する。

この場合、１次側制御部１４は、１次コイルＬ１への電力供給を停止する。また、同時に１次側制御部１４は、１次側制御部１４に接続されて非接触送電装置１０に設けられた表示部Ｗを制御して、金属異物が存在する旨の報知を実行させる。

以上詳述したように、本実施形態は、以下の効果を有する。
（１）本実施形態では、１次コイル周辺温度と、環境温度の差が異物検出判定値以上であるか否かに基づき、１次側制御部１４は、金属異物が存在するか否かを判定する。環境温度が変化したとしても、金属異物が存在しない場合、１次コイル周辺温度は、それと共に変動することとなる。その一方で、環境温度が変化しなくても、金属異物が存在する場合、１次コイル周辺温度は、環境温度と異なる温度となり、金属異物を検出することができる。このため、環境温度にかかわらず、金属異物を検出することができる。

（２）１次側制御部１４は、金属異物を検出した場合、１次コイルＬ１への電力供給を停止する。これにより、無駄な電力供給を防止することができると共に、金属異物の発熱を抑えることができる。また、１次側制御部１４は、金属異物を検出した場合、表示部Ｗに金属異物が存在することを報知させる。これにより、金属異物の存在を知らせることができる。

（３）第１サーミスタ１７は、１次コイルＬ１から発生する交番磁束が届く範囲に配置される。このため、金属異物が存在する場合、その発熱を検出することができる。また、第２サーミスタ１８は、１次コイルＬ１から発生する交番磁束が届かない範囲に配置される。このため、金属異物が存在しても場合、その発熱の影響を受けないで環境温度を計測することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、金物異物を検知した場合、１次側制御部１４は、１次コイルＬ１への電力の供給を停止すると共に、異常を報知させるように表示部Ｗを制御したが、どちらか一方だけを実行しても良い。例えば、金物異物を検知した場合、１次側制御部１４は、１次コイルＬ１への電力の供給を停止するだけでもよい。

・上記実施形態において、待機状態（パワーセーブモード）における１次コイルＬ１の交流電力は、充電電力伝送時の交流電力よりも小さくなるような電力であれば、任意変更しても良い。

・上記実施形態において、１次側制御部１４は、１次コイル周辺温度が予め決められた温度以上となった場合、金属異物が存在すると判断し、１次コイルＬ１への電力の供給を停止すると共に、異常を報知させるように表示部を制御してもよい。

・上記実施形態において、非接触送電装置１０、第１温度検出回路１５、第１サーミスタ１７、第２温度検出回路１６、第２サーミスタ１８を備えたが、非接触受電装置に備えても良い。この場合、２次側制御部２２が、２次コイル周辺温度及び環境温度に基づき、金属異物を検出することとなる。

・上記実施形態において、１次コイル周辺温度及び環境温度を計測するために、サーミスタ１７，１８を使用したが、これ以外の構成で１次コイル周辺温度及び環境温度を計測するようにしても良い。

・上記実施形態において、２次側制御部２２には、バッテリＢＡから駆動用の電力供給を受けるようになっているとしたが、駆動用の電力供給は受電部２１から供給されても良い。

・上記実施形態において、第２サーミスタ１８は、磁気シールド材で覆われることで、１次コイルＬ１から発生する交番磁束の影響をさらに受けないようにしても良い。また、第２サーミスタ１８を磁気シールド材で覆うことで、交番磁束の影響を低減できるので、磁気シールドに覆わない場合と比べて、交番磁束が交差する範囲を近づけて、第２サーミスタ１８を配置することが可能となる。これにより、非接触送電装置１０を小型化することが可能となる。なお、磁気シールド材は、交番磁束の影響を軽減するものであれば良く、例えば、アモルファスやフェライトが好適である。

１００…非接触充電システム、１０…非接触送電装置、１１…電圧安定化回路、１２…送電部、１３…電圧検出回路、１４…１次側制御部、１５…第１温度検出回路、１６…第２温度検出回路、１７…第１サーミスタ、１８…第２サーミスタ、２０…非接触受電装置、２１…受電部、２２…２次側制御部、２３…信号制御回路、２４…信号検出回路、ＢＡ…バッテリ、Ｌ１…１次コイル、Ｌ２…２次コイル。

Claims (4)

1. 電力が供給されることにより交番磁束を発生する１次コイルを備え、前記１次コイルから発生した交番磁束を非接触受電装置の２次コイルに交差させることにより、前記２次コイルを介して電力を送電して、非接触受電装置の負荷に供給させる非接触送電装置において、
   前記１次コイルから発生する交番磁束と交差する範囲に配置され、温度を検出する第１温度検出手段と、
   前記１次コイルから発生する交番磁束が届かない範囲に配置され、温度を検出する第２温度検出手段と、
   前記第１温度検出手段にて検出された温度から前記第２温度検出手段にて検出された温度を減算した値が、予め決められた閾値を超えた場合、１次コイルへの電力を停止させる又は異常を報知させる制御部と、を備えることを特徴とする非接触送電装置。
2. 非接触送電装置の１次コイルから発生した交番磁束と交差する２次コイルと、前記２次コイルを介して電力を受電し、負荷に供給する非接触受電装置において、
   前記２次コイルから発生する交番磁束と交差する範囲に配置され、温度を検出する第１温度検出手段と、
   前記２次コイルから発生する交番磁束が届かない範囲に配置され、温度を検出する第２温度検出手段と、
   前記第１温度検出手段にて検出された温度から前記第２温度検出手段にて検出された温度を減算した値が、予め決められた閾値を超えた場合、異常を報知させる制御部と、を備えることを特徴とする非接触受電装置。
3. 電力が供給されることにより交番磁束を発生する１次コイルを有する非接触送電装置と、前記１次コイルから発生した交番磁束と交差する２次コイル及び前記２次コイルを介して前記１次コイルから供給された電力が供給される負荷を有する非接触受電装置を備える非接触充電システムにおいて、
   前記１次コイルから発生する交番磁束と交差する範囲に配置され、温度を検出する第１温度検出手段と、
   前記１次コイルから発生する交番磁束が届かない範囲に配置され、温度を検出する第２温度検出手段と、
   前記第１温度検出手段にて検出された温度から前記第２温度検出手段にて検出された温度を減算した値が、予め決められた閾値を超えた場合、１次コイルへの電力を停止させる又は異常を報知させる制御部と、を備えることを特徴とする非接触充電システム。
4. 前記第２温度検出手段は、磁気シールド材で被覆されていることを特徴とする請求項３に記載の非接触充電システム。

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