JP2015089253A - 送電器 - Google Patents

Abstract

【課題】送電器と受電器とにそれぞれ磁石を取り付ける方法は、受電器と送電器とに磁石が内蔵した送電器と受電器の組み合わせに限定され、受電器と送電器とが勘合する形状にする方法は、受電器と送電器の形状が嵌合する形の組み合わせに限定され、一つの送電器で多種多様な受電器に対応することが困難であった。
【解決手段】受電コイルへ電力を伝送する送電コイルと、該送電コイルの近傍に配置され、パルス駆動される励振コイルと、該励振コイルの近傍に複数配置され、該受電コイルからの信号を受信する検出コイルとを備えた送電器とした。
【効果】一つの送電器で多種多様な受電器に対して、受電器と送電器との位置を合わせ、高い効率で電力伝送することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子機器端末などの受電器に対してワイヤレスで電力を伝送する送電器に関する。

近年、電子機器端末などの受電器に対して、電磁誘導を用い電力を伝送するワイヤレス電力伝送が普及してきている。ワイヤレス電力伝送で用いる送電器は、送電器に内蔵された送電コイルから、受電器に内蔵された受電コイルへ、ワイヤレスで電力を伝送することができるので、コネクタを抜き差しする手間を省け、受電器に防水機能・防塵機能を付加しやすいなどのメリットがある。

図９は、従来の電磁誘導を用いたワイヤレス電力伝送で用いる送電器を説明する図である。
送電器１０は、電流を制御する制御回路２１と、制御回路２１に接続されたインバータ回路２２と、インバータ回路２２に接続された送電コイルＬｔと、送電コイルＬｔに直列に接続された送電側共振コンデンサＣｔとを備えている。
受電器３０は、受電コイルＬｒと、受電コイルＬｒに直列に接続された受電側共振コンデンサＣｒとを備えている。
送電器１０では、送電コイルＬｔと送電側共振コンデンサＣｔとがＬＣ共振回路を構成し、受電器３０では、受電コイルＬｒと受電側共振コンデンサＣｒとがＬＣ共振回路を構成している。インバータ回路２２には、例えばハーフブリッジ回路やフルブリッジ回路などが用いられる。

制御回路２１で制御されるインバータ回路２２によって直流電流が交流電流に変換されて、送電コイルＬｔに交流電流が供給される。送電コイルＬｔに交流電流が流れると、送電コイルＬｔから磁界が発生し、この磁界中に受電器３０を配置すると、受電器３０に内蔵された受電コイルＬｒに誘導電流が発生する。この誘導電流は図示しない整流回路や平滑回路などを通して電力に変換され、送電器１０から受電器３０へ電力を伝送することができる。

このような電磁誘導を用いたワイヤレス電力伝送では、高い伝送効率を得るために送電コイルと受電コイルの結合が高いことが望ましい。送電コイルと受電コイルの相対位置がずれると結合が小さくなり、伝送効率が低下するので、送電コイルと受電コイルとの結合が一定以上になるよう位置合わせを行う。送電コイルと受電コイルの位置合わせの例としては、送電器と受電器とにそれぞれ磁石を取り付ける方法や、送電器と受電器とが勘合する形状にする方法などが考案されている。

特開２００２−１９９５９８号公報

上記した、送電器と受電器とにそれぞれ磁石を取り付ける方法は、受電器と送電器とに磁石が内蔵した送電器と受電器の組み合わせに限定され、受電器と送電器とが勘合する形状にする方法は、受電器と送電器の形状が嵌合する形の組み合わせに限定され、一つの送電器で多種多様な受電器に対応することが困難であった。

上記問題を鑑み、本発明の送電器は、受電コイルへ電力を伝送する送電コイルと、該送電コイルの近傍に配置され、パルス駆動される励振コイルと、該励振コイルの近傍に複数配置され、該受電コイルからの信号を受信する検出コイルとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、一つの送電器で多種多様な受電器に対して、受電器と送電器との位置を合わせ、高い効率で電力伝送することができる。

本発明の第１の実施例である送電器を説明する概略図である。 本発明の第１の実施例である送電器を説明する平面図である。 本発明の第１の実施例である送電器の、パルス励振回路と励振コイルの回路図である。 本発明の第２の実施例である送電器の、パルス励振回路と励振コイルの回路図である。 図４の回路の動作を説明する図である。 図５の拡大図である。 図４の回路の故障時の動作を説明する図である。 本発明の第３の実施例であるパルス励振回路と励振コイルの回路図である。 従来の送電器を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

（第１の実施例）
本発明による第１の実施例を、図１乃至図３を用いて説明する。
図１は、本発明の第１の実施例を説明する概略図であり、図２は、図１に示した送電コイルＬｔと検出コイルＬｄと励振コイルＬｅとの位置関係を表す平面図である。

図１に示すように、送電器１１は、インバータ回路２２によって駆動される、送電コイルＬｔと送電側共振コンデンサＣｔとの直列回路と、パルス励振回路２３ａによって駆動される励振コイルＬｅと、切替回路２４で選択可能な複数の検出コイルＬｄ１〜Ｌｄ４と、を備える。また、受電器３１は、受電コイルＬｒと受電側共振コンデンサＣｒと検出コンデンサＣｄとを備え、受電コイルＬｒと受電側共振コンデンサＣｒと検出コンデンサＣｄとが、ＬＣ共振回路を構成している。受電側共振コンデンサＣｒの容量値は検出コンデンサＣｄの容量値よりも大きく設定される。
切替回路２４は、制御回路２１により任意の検出コイルを選択可能となっていて、選択された検出コイルの出力がエコー検出回路２５を通して制御回路２１に入力される。
送電器１１は、送電コイルＬｔと受電コイルＬｒとの間の電磁誘導により、受電器３１へ電力を伝送する。

送電器１１に内蔵される送電コイルＬｔ、励振コイルＬｅ、位置検出コイルＬｒは、図２に示すように、励振コイルＬｅは送電コイルＬｔと同心円となるように配置され、４つの検出コイルＬｄ１〜Ｌｄ４の中心が、送電コイルＬｔの1つの同心円上に配置されている。
送電コイルＬｔは、送電側共振コンデンサＣｔに接続され、送電コイルＬｔと送電側共振コンデンサＣｔとがＬＣ共振回路を構成する。励振コイルＬｅは、図３（ａ）に示すように、スイッチ素子ＳＷに接続され、このスイッチ素子ＳＷのオンオフによって電流が制御され、スイッチ素子ＳＷは制御端子に接続された制御回路２１のパルス信号Ｐで駆動される。図３（ｂ）に示すように、スイッチ素子ＳＷにはＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであるＮ−ＦＥＴを用いても良く、図３（ｃ）に示すように、スイッチ素子ＳＷと励振コイルＬｅとを入れ替えても良く、図３（ｄ）に示すようにＰチャンネルＭＯＳＦＥＴであるＰ−ＦＥＴを使用しても良く、他の半導体スイッチを使用してもよい。

以下、本発明の送電器１１と受電器３１の動作について説明する。
送電器１１から受電器３１へ電力伝送を始める前に、送電器１１は受電コイルＬｒの位置を検出し、送電器１１と受電器３１の位置合わせを行う。
最初に、励振コイルＬｅに、パルス励振回路２３ａを通して単発のパルス信号Ｐを印加し、数１００ｍＡ程度のパルス状の電流を流す。すると、励振コイルＬｅ近傍に磁界が発生する。送電器１１の近傍に受電器３１があると、この磁界により受電器３１のＬＣ共振回路が励振され、受電コイルＬｒに共振電流が流れる。この共振電流は、励振コイルＬｅから発生する磁界が無くなっても、減衰しながら受電コイルＬｒに流れ続ける。なお、電力伝送時の受電器３１の共振回路の周波数は百数十kHzであり、パルス信号Ｐによる共振周波数はおおよそ１ＭHzである。

この共振電流により別の磁界が発生し、この別の磁界により検出コイルＬｄ１〜Ｌｄ４にエコー信号と呼ばれる電流が流れる。制御回路２１は、切替回路２４で選択された任意の検出コイルのエコー信号を、エコー検出回路２５で測定する。
上記動作を、切替回路２４で検出コイルＬｄ１〜Ｌｄ４を順次切換えて４回繰り返し、検出コイルＬｄ１〜Ｌｄ４のそれぞれのエコー信号を、エコー検出回路２５で測定する。

送電コイルＬｔと受電コイルＬｒとの中心が一致していれば、位置検出コイルＬｄ１〜Ｌｄ４のエコー信号も略等しくなる。しかし、送電コイルＬｔと受電コイルＬｒとの中心が一致してない場合には、位置検出コイルＬｄ１〜Ｌｄ４のエコー信号で差が生じる。
制御回路２１は、このことを利用して、それぞれの検出コイルＬｄ１〜Ｌｄ４の測定結果をもとに受電コイルＬｒの相対位置を解析し、送電器１１に設けられたＬＥＤ等の誘導手段２６を用いてユーザーに知らせ、受電器３１を正しい方向へ誘導する。

上記した送電器１１と受電器３１の位置合わせ動作を、送電コイルＬｔと受電コイルＬｒの位置が略一致するまで継続して行う。位置が略一致したら、位置合わせ動作を完了し、電力伝送動作へ移行する。電力伝送動作では、送電コイルＬｔに交流電流を印加して送電コイルＬｔから磁界を発生させて、送電コイルＬｔから受電コイルＬｒへ電磁誘導によって電力を伝送する。
なお、送電器１１は、送電器１１の近傍に受電器３１がないと、位置合わせ動作を完了することができず、電力伝送動作には移行しない。

（第２の実施例）
図３に示したパルス励振回路２３ａは、間欠的に動作し、パルス信号Ｐのパルス幅も非常に小さいために、励振コイルＬｅに流れる電流量は、平均すると極僅かである。しかし、スイッチ素子ＳＷが故障等によりオンを継続すると、励振コイルＬｅに常に電流が流れ続けて、励振コイルＬｅが発熱するという問題があった。
スイッチ素子SWが故障等によりオンを継続しても、送電器１１の電源に入っているヒューズでは切れない可能性がある。パルス励振回路に専用のヒューズを追加してもよいが、ヒューズは、抵抗やコンデンサに比べて高価である。

図４（ａ）は、第２の実施例のパルス励振回路２３ｂと励振コイルＬｅとの回路図である。パルス励振回路２３ｂは、並列に接続された抵抗Ｒｌと電流制限コンデンサＣｌと、スイッチ素子ＳＷとで構成される。図４（ａ）に示すように、電源とＧＮＤの間に、並列に接続された抵抗Ｒｌと電流制限コンデンサＣｌと、励振コイルＬｅと、スイッチ素子ＳＷとが、直列に接続されている。

図４（ａ）に示した回路の動作を、図５と図６を用いて説明する。図５は、スイッチ素子ＳＷの制御端子に印加されるパルス信号Ｐと、励振コイルＬｅに流れる電流Ｉｃと、電流制限コンデンサＣｌと励振コイルＬｅとの接続点であるＣｌ−Ｌｅ接続点の電圧Ｖｃ（以下、電圧Ｖｃ）を示す。電圧Ｖｃは、ＧＮＤとＣｌ−Ｌｅ接続点との間の電圧である。図６は図５の時刻ｔ１部分を拡大した図である。

時刻ｔ１より前において、スイッチ素子ＳＷはオフ、励振コイルＬｅに流れる電流は０であり、電圧Ｖｃは電圧Ｖ１となっているものとする。ここで、電圧Ｖ１は電源から電流制限コンデンサＣｌに供給される電圧である。なお、電流制限コンデンサＣｌの両端電圧は、Ｖ１−Ｖｃであるため、時刻ｔ１より前においては０Ｖになっている。
時刻ｔ１に、スイッチ素子ＳＷにパルス信号Ｐがオンすると、励振コイルＬｅのＧＮＤ側端子がＧＮＤに接続されるため、励振コイルＬｅに電流制限コンデンサＣｌを通して電流Ｉｃが流れる。同時に電圧Ｖｃが徐々に減って、電流制限コンデンサＣｌの両端電圧は増加していく。
時刻ｔ２にパルス信号Ｐがオフすると、こんどは電流Ｉｃが減りはじめ、徐々に０に戻る。このとき、電圧Ｖｃは、抵抗Ｒｌを流れる電流で非常にゆっくりと電位が上がり、時刻ｔ３で略Ｖ１に戻る。この時刻ｔ１から時刻ｔ３の動作が周期Ｔ１で繰り返される。パルス信号Ｐの周期Ｔ１は数ｍｓであり、パルス幅Δｔは数μｓである。

電流制限コンデンサＣｌの容量値は、パルス信号Ｐのオン期間に励振コイルＬｅに充分な電流を流せるような容量値としなければならず、励振コイルＬｅのインダクタンスと、スイッチ素子ＳＷのオン時間、および励振コイルＬｅの印加電圧によって決まる。励振コイルＬｅやスイッチング素子ＳＷの抵抗成分等により電圧降下する場合は、その影響も考慮しなければならない。
パルス信号Ｐのオン期間Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）では、抵抗Ｒｌの抵抗値は、電流制限コンデンサＣｌに流れる電流に対し、抵抗Ｒｌに流れる電流が無視できる程小さい値になるように設定する。
パルス信号Ｐのオフ期間では、電圧Ｖｃが、Ｖ２に低下した状態から、元の電圧値Ｖ１に戻すために必要な抵抗Ｒｌの抵抗値を設定する。従って、周期Ｔ１は、電圧Ｖｃが、Ｖ２に低下した状態から元の電圧値Ｖ１に戻るために要する時間Ｔ２（＝ｔ３−ｔ１）より長くなければならない。

上記したパルス励振回路２３ｂは、電流制限コンデンサＣｌが直流電流を遮断し、抵抗Ｒｌの抵抗値も大きいので、たとえスイッチ素子ＳＷが短絡しても、励振コイルＬｅに流れる直流電流を、非常に小さい値にすることができる。

図７は、スイッチ素子ＳＷが短絡故障した場合の、パルス信号Ｐと電流Ｉｃと電圧Ｖｃのグラフである。図７に示すように、スイッチ素子ＳＷが短絡故障しても、パルス励振回路２３ｂに入力される直流電流は、コンデンサＣｌには流れず、一方、抵抗Ｒｌに流れる電流は、非常に小さな値に制限される。したがって、励振コイルＬｅが発熱することがない。なお、スイッチ素子ＳＷが故障した場合、送電器１１は、位置合わせ動作を完了することができず、電力伝送動作へ移行しない。

このように、抵抗とコンデンサを用いれば、パルス励振回路に専用のヒューズ等を用いることなく、実装面積も小さく安価な構成で、スイッチ素子ＳＷが故障したときに、励振コイルＬｅの発熱を抑制することができる。

なお、図４（ｂ）に示すように、励振コイルＬｅとスイッチ素子ＳＷの間に、並列に接続された抵抗Ｒｌと電流制限コンデンサＣｌとを入れても良い。

（第３の実施例）
励振コイルＬｅは送電コイルＬｔの近傍に配置されているため、送電コイルＬｔと受電コイルＬｒだけでなく、送電コイルＬｔと励振コイルＬｅとも結合している。そのため、電力伝送時において、励振コイルＬｅにも誘導電流が発生し、それによる損失によって電力伝送の効率が低下する。送電コイルとの結合を弱めるために励振コイルＬｅと送電コイルＬｔの距離を離すと、エコー信号の強度が弱くなり、位置検出が難しくなる。

図８は、第３の実施例である送電器の、パルス励振回路２３ｃを説明する図である。図８に示すように、パルス励振回路２３ｃは、図４に示したパルス励振回路２３ｂを基にして、スイッチ素子としてＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであるＮ−ＦＥＴを用い、励振コイルＬｅに直列かつＮ−ＦＥＴのボディダイオードと逆向きに接続された逆流防止用の逆流防止ダイオードＤを追加し、さらにＮ−ＦＥＴと並列に、スナバコンデンサＣｓとスナバ抵抗Ｒｓからなるスナバ回路を追加した構造である。

逆流防止ダイオードＤは、スイッチ素子であるＮ−ＦＥＴのボディダイオードと逆向きに接続されているため、励振コイルＬｅに誘起電圧が発生しても、電流は流れない。その結果、励振コイルＬｅに流れる誘導電流に起因する損失を低減でき、電力伝送の効率低下を防止することができる。

１０、１１ 送電器
２１ 制御回路
２２ インバータ回路
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ パルス励振回路
２４ 切替回路
２５ エコー検出回路
２６ 誘導手段
３０、３１ 受電器
Ｌｔ 送電コイル
Ｌｄ 検出コイル
Ｌｅ 励振コイル
Ｌｒ 受電コイル
Ｃｒ 受電側共振コンデンサ
Ｃｄ 検出コンデンサ
Ｃｔ 送電側共振コンデンサ
Ｃｌ 電流制限コンデンサ
Ｒｌ 抵抗
ＳＷ スイッチ素子
Ｄ 逆流防止ダイオード
Ｃｓ スナバコンデンサ
Ｒｓ スナバ抵抗
Ｎ−ＦＥＴ ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ
Ｐ−ＦＥＴ ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ

Claims (4)

1. 送電コイルに対する受電コイルの位置を検出して位置合わせを行い、ワイヤレスで電力を伝送する送電器において、受電コイルへ電力を伝送する送電コイルと、該送電コイルの近傍に配置され、パルス駆動される励振コイルと、該励振コイルの近傍に複数配置され、該受電コイルからの信号を受信する検出コイルと、を備えたことを特徴とする送電器。
2. 前記励振コイルに、並列に接続されたコンデンサと抵抗と、スイッチ素子とが、直列に接続された請求項１に記載の送電器。
3. 前記励振コイルに、さらにダイオードが直列に接続された請求項１または請求項２に記載の送電器。
4. 前記スイッチング素子に並列接続されたスナバ回路をさらに含む請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の送電器。

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