JP2013027132A - 非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】非接触給電システムにおいて、２次コイルの位置に関わらず安定した出力電力を確保することにある。
【解決手段】動作周波数ｆ１が、狭間位置における共振周波数ｆｂ２の近傍に設定されている。これにより、例えば、動作周波数ｆ１を正対位置における共振周波数ｆｂ１に設定した場合に比べて、狭間位置及び正対位置における受電装置の出力電力の差が小さくなる。よって、２次コイルの位置に関わらず、より安定した受電装置の出力を得ることができる。
【選択図】図４

Description

この発明は、非接触で受電装置に給電する非接触給電システムに関する。

従来、給電装置から受電装置へ非接触にて給電を行う非接触給電システムが存在する（例えば、特許文献１参照）。従来の非接触給電システムにおいては、給電の実行にあたって、受電装置を給電装置における決まった位置に設置する。この状態においてのみ、給電装置から受電装置への給電が行われる。

近年、さらなるユーザの利便性の向上を図るべく、給電装置の上面（給電面）における任意の位置に受電装置を設置するだけで、この受電装置への給電が可能となる、いわゆるフリーレイアウト型の非接触給電システムが検討されている（例えば、特許文献２参照）。

図５（ａ）に示すように、フリーレイアウト型の非接触給電システムにおける給電装置１０の内部には、その給電面６に沿って複数の１次コイルＬ１が配列されている。また、受電装置３０には２次コイルＬ２が設けられている。図５（ａ）においては、２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対した状態にある。この１次コイルＬ１は動作周波数ｆ１にて励磁される。励磁された１次コイルＬ１からの磁束の変化に基づき２次コイルＬ２には電流が誘起される。この誘起電流が受電装置の出力電力となる。このように、電磁誘導を利用して給電装置１０から受電装置３０に電力が供給される。

特開２００３−２０４６３７号公報 特開２００８−５５７３号公報

従来の非接触給電システム（フリーレイアウト型でないシステム）においては、図７に示すように、１次コイルＬ１の動作周波数ｆ１は、２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対したときの共振系における共振周波数ｆｒに一致するように設定される。この共振周波数ｆｒは、２次コイルＬ２の共振周波数である。従来の非接触給電システムにおいては、受電装置は給電装置に対して決まった位置に設置されるため、給電時には２次コイルＬ２を１次コイルＬ１に正対させることができる。よって、動作周波数ｆ１を共振周波数ｆｒとすることで受電装置３０において最大の出力電力Ｗ１を得ることができる。

一方、上記フリーレイアウト型の非接触給電システムにおいては、給電面６であれば、受電装置３０を特に決まった位置に設置する必要がない。従って、図５（ｂ）に示すように、２次コイルＬ２が両１次コイルＬ１間における狭間位置となる場合もある。２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対した位置においては漏れインダクタンスＬｅは最小となる。そして、２次コイルＬ２が正対位置から給電面６に沿ってずれていくにつれて漏れインダクタンスＬｅが増加する。

漏れインダクタンスＬｅが大きくなるほど、共振周波数ｆｒは小さくなることが知られている。従って、図７の矢印で示すように、１次コイルＬ１に対する２次コイルＬ２の位置ずれに応じて共振系とともに共振周波数ｆｒが小さくなる。このため、１次コイルＬ１が狭間位置にあるときの出力電力は、正対位置にあるときの出力電力Ｗ１に比べて大幅に低下した出力電力Ｗ２となる。このようにフリーレイアウト型の非接触給電システムにおいては受電装置３０の設置位置に応じて受電装置３０における出力電力のばらつきが大きく、安定した出力電力を確保することが困難であった。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、２次コイルの位置に関わらず安定した出力電力を確保できる非接触給電システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の非接触給電システムは、動作周波数にて振動する交流電流が供給されることで交番磁束を発生させる１次コイルが給電面に沿って複数配置される給電装置と、前記給電面に設置された状態において、前記１次コイルからの交番磁束に基づき電流を誘起し、その電流を電気負荷に供給する２次コイルを有する受電装置と、を備え、前記２次コイルにおける共振現象を利用する非接触給電システムにおいて、前記１次コイルにおける前記動作周波数は、前記２次コイルが互いに隣接する２つの前記１次コイルの間における狭間位置に存在するときの共振系における共振周波数又はその近傍に設定される。

また、上記構成において、前記２次コイルに接続されるコンデンサを備え、前記コンデンサの容量を設定することで前記動作周波数を前記狭間位置の共振系における共振周波数又はその近傍に設定することが好ましい。

また、上記構成において、前記共振周波数の近傍とは、前記狭間位置の共振系において前記２次コイルが前記１次コイルに正対した正対位置に存在するときの共振系以上の出力が得られる周波数領域であることが好ましい。

また、上記構成において、前記動作周波数は、前記狭間位置の共振系における共振周波数の近傍であって、かつ同共振周波数と一致しないように設定されることが好ましい。

本発明によれば、非接触給電システムにおいて、２次コイルの位置に関わらず安定した出力電力を確保することができる。

非接触給電システムの構成を示すブロック図。 給電装置の斜視図。 １次側及び２次側の共振系を示したグラフ。 図３の範囲Ａの拡大図。 （ａ）２次コイルＬ２が正対位置にあるときの給電装置及び受電装置の部分断面図、（ｂ）２次コイルＬ２が狭間位置にあるときの給電装置及び受電装置の部分断面図。 （ａ）従来の共振系の設定における２次コイルＬ２の位置に応じた受電装置の出力を示したグラフ、（ｂ）本発明の共振系の設定における２次コイルＬ２の位置に応じた受電装置の出力を示したグラフ。 背景技術における正対位置及び狭間位置の共振系を示したグラフ。

以下、本発明の非接触給電システムを具体化した一実施形態を図１〜図６を参照しつつ説明する。
図１に示すように、非接触給電システムは、給電装置１０と、受電装置３０とを備える。本例では、受電装置３０は、携帯端末４０に内蔵されている。以下、給電装置１０及び受電装置３０の具体的構成について説明する。

（給電装置）
図２に示すように、給電装置１０は平板状の筐体５を有している。筐体５の上面には携帯端末４０が設置される給電面６が形成されている。筐体５の内部には、２４個の１次コイルＬ１が給電面６の全域に亘って配置されている。１次コイルＬ１は、給電面６において４行×６列のマトリックス状に配置されている。

図１に示すように、給電装置１０は、単一の共通ユニット１１と、この共通ユニット１１にそれぞれ接続される複数（本例では１次コイルＬ１と同数の２４個）の給電ユニット１５と、を備える。

共通ユニット１１は、電源回路１３と、共通制御回路１２とを備える。電源回路１３は、外部電源からの交流電力を適切な直流電圧に変換し、その直流電圧を動作電力として各給電ユニット１５及び共通ユニット１１に供給する。

共通制御回路１２は、マイクロコンピュータで構成されるとともに、各給電ユニット１５へ各種指令信号を供給することにより給電装置１０を統括制御する。
給電ユニット１５は、ユニット制御回路１９と、励磁駆動回路１６と、１次コイルＬ１とを備える。

ユニット制御回路１９は、共通制御回路１２からの給電を要求する旨の指令信号を受けると、励磁駆動回路１６の制御を実行する。
励磁駆動回路１６には、１次コイルＬ１の両端が接続されている。そして、１次コイルＬ１の一端及び励磁駆動回路１６間にはコンデンサＣ１が接続されている。励磁駆動回路１６は、ユニット制御回路１９による制御を通じて、動作周波数ｆ１の交流電流を生成し、それを１次コイルＬ１及びコンデンサＣ１に供給する。これにより、１次コイルＬ１は励磁される。このとき、１次コイルＬ１から発生する磁束は変化する。

（受電装置）
図１に示すように、受電装置３０は、整流回路３１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５とを備える。

整流回路３１には、２次コイルＬ２の両端が接続されている。そして、２次コイルＬ２の一端及び整流回路３１間にはコンデンサＣ２が接続されている。２次コイルＬ２は、１次コイルＬ１からの磁束の変化に基づき電流を誘起する。整流回路３１は、２次コイルＬ２に誘起される交流電流を整流する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３５は、整流回路３１からの直流電圧を携帯端末４０の動作に適切な値に変換する。この直流電圧は、例えば携帯端末４０の動作電源である２次電池（図示略）の充電に利用される。

次に、非接触給電システムにおける共振特性について説明する。
図３には、１次コイルＬ１の動作周波数に応じた受電装置３０の出力電力を示す共振系が示されている。同図に示すように、１次側共振周波数ｆａ１及び２次側共振周波数ｆｂ１の２つの共振周波数が存在する。これら共振周波数ｆａ１，ｆｂ１は、２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対した位置にあるときの共振周波数である。

ここで、動作周波数ｆ１を１次側共振周波数ｆａ１に設定した場合には、両コイルＬ１，Ｌ２が磁気結合した状態でのインピーダンスが過度に低下することで回路効率が低下する。従って、本例では２次側共振周波数ｆｂ１を利用するべく、１次コイルＬ１に供給される動作周波数ｆ１は２次側共振周波数ｆｂ１の近傍に設定される。２次側共振周波数ｆｂ１の近傍に動作周波数ｆ１を設定することで、インピーダンスの過度の低下が抑制される。共振周波数は以下の式から導出される。

式（１）より、漏れインダクタンスＬｅ又はコンデンサの容量Ｃが大きいほど共振周波数は小さくなることがわかる。例えば、図５（ａ）に示すように、２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対した位置から給電面６の面方向にずらされた場合には、ずれに伴い漏れインダクタンスＬｅが増大していく。これにより、図３に示される共振系は、共振周波数が小さくなる方向（図中の左方向）に移動する。図５（ｂ）に示すように、２次コイルＬ２が、互いに隣接する２つの１次コイルＬ１間である狭間位置に存在するとき、図３における破線で示される共振系となる。狭間位置における１次側共振周波数ｆａ２及び２次側共振周波数ｆｂ２は、正対位置における各共振周波数ｆａ１，ｆｂ２より小さくなる。

また、上記式（１）に示すように、コンデンサＣ２の容量Ｃを調整することで、動作周波数ｆ１に対する共振周波数（正確にはその共振系）を設定することができる。これにより、動作周波数ｆ１を固定することができる。

図４には、図３の範囲Ａが拡大して示されている。図４に示されるように、例えば、上記背景技術と同様に、動作周波数ｆ１が正対位置における共振周波数ｆｂ１となるように設定された場合には、狭間位置及び正対位置における受電装置３０の出力電力の差ΔＷ１は最大となる。この場合、図６（ａ）のグラフに示すように、正対位置において受電装置３０の出力が最大（約５０Ｗ）となる。そして、２次コイルＬ２が正対位置及び狭間位置の中間位置に存在する場合には、受電装置３０の出力は２０Ｗ未満となる。さらに、２次コイルＬ２が狭間位置に存在する場合には、受電装置３０の出力は約１０Ｗとなる。このように動作周波数ｆ１が正対位置における共振周波数ｆｂ１となるように設定された場合、２次コイルＬ２が狭間位置にあるときの出力は、正対位置における出力の約２０％まで低下する。

本例では、狭間位置及び正対位置における受電装置３０の出力電力の差が小さくなるように、コンデンサＣ２の容量Ｃの調整を通じて動作周波数ｆ１に対する共振系の位置が設定されている。具体的には、動作周波数ｆ１は狭間位置における共振周波数ｆｂ２の近傍となるように設定されている。本例では、図４に示すように、共振周波数ｆｂ２の近傍とは、狭間位置及び正対位置の共振系における２つの交点ｆｘ，ｆｙ間とする。従って、共振系は、動作周波数ｆ１が２つの交点ｆｘ，ｆｙ間に位置するように設定されている。２つの交点ｆｘ，ｆｙ間に動作周波数ｆ１が設定された場合、狭間位置における出力が正対位置における出力より大きくなる。

動作周波数ｆ１が共振周波数ｆｂ２の近傍に設定された場合には、狭間位置及び正対位置における受電装置３０の出力電力の差ΔＷ２は、上記差ΔＷ１より小さくなる。この場合、図６（ｂ）のグラフに示すように、狭間位置において受電装置３０の出力が最大（約４０Ｗ）となる。そして、２次コイルＬ２が中間位置に存在する場合には、受電装置３０の出力は約３０Ｗとなる。さらに、２次コイルＬ２が正対位置に存在する場合には、受電装置３０の出力は約２０Ｗとなる。本構成においては、狭間位置に対する正対位置の出力の低下割合は５０％程度にとどまる。よって、２次コイルＬ２の位置に関わらず、より安定した受電装置３０の出力を得ることができる。

以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）動作周波数ｆ１は狭間位置における共振周波数ｆｂ２の近傍に設定される。これにより、例えば、動作周波数ｆ１を正対位置における共振周波数ｆｂ１に設定した場合に比べて、狭間位置及び正対位置における受電装置３０の出力電力の差が小さくなる。よって、２次コイルＬ２の位置に関わらず、より安定した受電装置３０の出力を得ることができる。

（２）コンデンサＣ２の容量Ｃを調整することで動作周波数ｆ１に対する共振系の位置を設定している。これにより、例えば動作周波数ｆ１が予め規格等により定まっている場合であっても、動作周波数ｆ１を規格に則した値に固定しつつ、より安定した受電装置３０の出力を得ることができる。

（３）さらに、動作周波数ｆ１は狭間位置における共振周波数ｆｂ２と一致しないように設定されている。ここで、動作周波数ｆ１を狭間位置における共振周波数ｆｂ２と一致させた場合には、上記動作周波数ｆ１を正対位置における共振周波数ｆｂ１と一致させた場合ほどではないものの、受電装置３０の出力電力の差は大きくなる。従って、動作周波数ｆ１を狭間位置における共振周波数ｆｂ２と一致させないことで受電装置３０の出力電力の差をさらに小さくできる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記実施形態においては、コンデンサＣ２の容量Ｃを調整することで動作周波数ｆ１に対する共振系の位置を設定していた。しかし、動作周波数ｆ１を変化させることで、動作周波数ｆ１を狭間位置における共振周波数ｆｂ２の近傍としてもよい。

・上記実施形態においては、共振周波数ｆｂ２の近傍とは、狭間位置及び正対位置の共振系における２つの交点ｆｘ，ｆｙ間であった。そして、交点ｆｘ，ｆｙ間に動作周波数ｆ１を設定していた。しかし、共振周波数ｆｂ１に動作周波数ｆ１を設定した場合に比べて狭間位置及び正対位置における受電装置３０の出力電力の差が小さくなるのであれば、動作周波数ｆ１を設定する周波数領域はこれに限らない。例えば、交点ｆｘより小さい周波数領域に動作周波数ｆ１を設定してもよいし、交点ｆｙより大きい周波数領域に動作周波数ｆ１を設定してもよい。これらの場合、共振周波数ｆｂ２の近傍が意味する周波数領域がより広範囲となる。

・また、動作周波数ｆ１を狭間位置における共振周波数ｆｂ２と一致させる位置に共振系を設定してもよい。この場合であっても、動作周波数ｆ１を正対位置における共振周波数ｆｂ１の近傍（特に共振周波数ｆｂ１より高い周波数領域）とした場合に比べて安定した出力が得られる。

・上記実施形態におけるユニット制御回路１９を省略してもよい。この場合には、共通制御回路１２は、上記実施形態においてユニット制御回路１９が実行していた制御も行う。また、ユニット制御回路１９が行っていた制御の一部を共通制御回路１２が行ったり、共通制御回路１２が行っていた制御の一部をユニット制御回路１９が行ったりしてもよい。

・上記実施形態においては、各コイルＬ１，Ｌ２及び各コンデンサＣ１，Ｃ２は直列接続されているが、各コイルＬ１，Ｌ２及び各コンデンサＣ１，Ｃ２は並列接続されていてもよい。

６…給電面、１０…給電装置、１１…共通ユニット、１２…共通制御回路、１３…電源回路、１５…給電ユニット、１６…励磁駆動回路、１９…ユニット制御回路、３０…受電装置、４０…携帯端末、Ｌ１…１次コイル、Ｌ２…２次コイル。

Claims (4)

1. 動作周波数にて振動する交流電流が供給されることで交番磁束を発生させる１次コイルが給電面に沿って複数配置される給電装置と、前記給電面に設置された状態において、前記１次コイルからの交番磁束に基づき電流を誘起し、その電流を電気負荷に供給する２次コイルを有する受電装置と、を備え、前記２次コイルにおける共振現象を利用する非接触給電システムにおいて、
   前記１次コイルにおける前記動作周波数は、前記２次コイルが互いに隣接する２つの前記１次コイルの間における狭間位置に存在するときの共振系における共振周波数又はその近傍に設定されることを特徴とする非接触給電システム。
2. 請求項１に記載の非接触給電システムにおいて、
   前記２次コイルに接続されるコンデンサを備え、
   前記コンデンサの容量を設定することで前記動作周波数を前記狭間位置の共振系における共振周波数又はその近傍に設定することを特徴とする非接触給電システム。
3. 請求項１又は２に記載の非接触給電システムにおいて、
   前記共振周波数の近傍とは、前記狭間位置の共振系において前記２次コイルが前記１次コイルに正対した正対位置に存在するときの共振系以上の出力が得られる周波数領域であることを特徴とする非接触給電システム。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の非接触給電システムにおいて、
   前記動作周波数は、前記狭間位置の共振系における共振周波数の近傍であって、かつ同共振周波数と一致しないように設定されることを特徴とする非接触給電システム。

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