JP2015106982A - 非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型化や薄型化が容易であり、外観設計や適用の自由度が高い非接触給電システムを提供する。【解決手段】送電器（２）は、送電電極（２３）、および該送電電極に印加する交流電力を生成する電力供給部（２１）を備える。受電器（３）は、受電電極（３１）、および該受電電極を介して供給される電力を消費する電力消費部（３３）を備える。電位差発生手段（２４）は、送電電極と受電電極との間に、送電器と受電器とを吸着させる静電気力の発生に必要な電位差を生じさせる。この電位差によって生じた静電気力によって、送電器と受電器とを互いに吸着させ、その状態で送電電極と受電電極との間の非接触給電を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、電界結合方式で非接触給電を行う技術に関する。

従来、電気的に非接触な状態に配置された送電電極と受電電極とを用いて給電を行う電界結合方式の非接触給電システムが知られている。
この非接触給電システムでは、特に車両等の移動体に取り付けて使用する無線センサなどの機器に適用した場合、送電電極が配置された送電器側の吸着面に、受電電極を備えた受電器側の吸着面を、何等かの方法で固定する機構が不可欠となる。

その一つの手法として、磁力を利用して吸着される手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１０−５２０７４１号公報

しかし、磁力を利用する場合、送電器側および受電器側の両吸着面に、送電電極や受電電極とは別に磁石や強磁性体を取り付ける必要があるため、送電器や受電器の小型化や薄型化が困難になるという問題があった。

また、磁石や強磁性体は不透明であり、電界結合方式の非接触給電システムの最大の利点の一つである吸着面の透明化等、外観設計の自由度が低下するという問題や、磁石では、吸着力を調整できないため、受電器を自動離脱させるなどの用途には用いることができず、適用の自由度も低下するという問題もあった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、小型化や薄型化が容易であり、外観設計や適用の自由度が高い非接触給電システムを提供することを目的とする。

本発明の非接触給電システムは、送電器と受電器と電位差発生手段とを備える。送電器は、送電電極、および該送電電極に印加する交流電力を生成する電力供給部を備える。受電器は、受電電極、および該受電電極を介して供給される電力を消費する電力消費部を備える。電位差発生手段は、送電電極と受電電極との間に、送電器と受電器とを吸着させる静電気力の発生に必要な電位差を生じさせる。この電位差によって生じた静電気力によって、送電器と受電器とを互いに吸着させ、その状態で送電電極と受電電極との間の非接触給電を行う。

このような構成によれば、送電器と受電器とを吸着させる吸着面には、両者を互いに吸着させるために、送電電極および受電電極以外の構成を新たに設ける必要がないため、送電器側の吸着面の薄型化や受電器側の吸着面の小型化を実現することができ、更には、これらの外観設計の自由度も確保することができる。

また、電位差発生手段が生じさせる電位差を調整することによって、両電極間に作用する静電気力、ひいては送電器と受電器との間の吸着力を調整することができるため、センサの自動離脱等も実現することができ、広い用途に適用することができる。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

また、本発明は、前述した非接触給電システムの他、上述の電位差発生手段を備えた送電器または受電器などの形態で実現することができる。

第１実施形態の非接触給電システムの全体構成図である。 非接触給電システムの設置状態等を示す説明図である。 電流監視・電圧制御部が実行する処理の内容を示すフローチャートである。 第２実施形態の非接触給電システムの全体構成図である。 電圧制御部が実行する処理の内容を示すフローチャートである。

以下に本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［第１実施形態］
＜全体構成＞
本発明が適用された非接触給電システム１は、図１および図２に示すように、送電器２と受電器３とを備える。送電器２は、車両のバンパー内部に設置され、受電器３は、バンパーの表面に取り付けて使用され、送電器２から非接触で給電を受けて所定の負荷（ここでは、撮像装置）を駆動する。

＜受電器＞
受電器３は、受電電極部３１、受電側共振整合器３２、電力消費部３３を備える。
受電側共振整合器３２は、１次コイルが受電電極部３１に接続され、２次コイルが電力消費部３３に接続されたトランス３２１と、トランス３２１の２次コイルと共に共振回路を構成するコンデンサ３２２とを備える。但し、共振回路は、送電器２から供給される交流電力の周波数で共振するように設定される。

受電電極部３１は、トランス３２１の１次コイルの一端に接続される１または複数の第１受電電極ＲＤ１と、１次コイルの他端に接続される１または複数の第２受電電極ＲＤ２とを備える。以下では、第１受電電極ＲＤ１および第２受電電極ＲＤ２を総称する場合は、単に受電電極ＲＤと表記するものとする。

電力消費部３３は、受電側共振整合器３２から供給される受電出力Ｖを整流，平滑化して直流電力に変換する整流器、整流器で変換された直流電力によって駆動される負荷を少なくとも備える。

なお、受電器３は、図２中の拡大図（正面図）および側面図に示すように、円筒状部位３ａと、円筒状部位３ａの一端を覆うように形成された半球状部位３ｂとで構成されたケースに収納されている。円筒状部位３ａにおいて、半球状部位３ｂの形成端とは反対側の端部である円形の端面（以下「吸着面」という）３ｄに、受電電極ＲＤが設置されている。但し、受電電極ＲＤは、受電器３側の吸着面との密着性を向上させるために、弾性を有する材料によって被覆されている。半球状部位３ｂの先端には光を通過させる透光窓３ｃが設けられ、この透光窓３ｃを介して負荷を構成する撮像素子が外部の光を受光するように配置されている。

＜送電器＞
送電器２は、交流電源２１、送電側共振整合器２２、送電電極部２３、可変直流電圧源２４、電流監視・電圧制御部２５を備える。

交流電源２１は、直流電源（例えば、車載バッテリ）から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータを備える。
送電側共振整合器２２は、１次コイルが交流電源２１に接続され、２次コイルが送電電極部２３に接続されたトランス２２１と、トランス２２１の１次コイルと共に共振回路を構成するコンデンサ２２２とを備える。但し、共振回路は、交流電源２１から供給される交流電力の周波数で共振するように設定される。

送電電極部２３は、トランス２２１の２次コイルの一端に接続された複数の第１送電電極ＳＤ１と、２次コイルの他端に接続された複数の第２送電電極ＳＤ２とを備える。以下では、第１送電電極ＳＤ１および第２送電電極ＳＤ２を総称する場合は、単に送電電極ＳＤと表記するものとする。送電電極ＳＤは、図２中の一点鎖線で囲まれた部分の拡大図に示すように、長方形に形成され、その短手方向に沿って交互に規則的に配列することでシート状に形成されている。このシート状に形成された送電電極部２３は、図２中に点線で示すように、バンパーの前端部分の全体をバンパーの内側から覆い、且つ、シートの長手方向、すなわち送電電極ＳＤの配列方向が車幅方向と一致し、シートの短手方向、すなわち送電電極ＳＤの長手方向）が車高方向と一致するように配置される。このシート状の送電電極部２３が配置された部位を、送電器２側の吸着面ともいう。

可変直流電圧源２４は、トランス２２１の２次コイルの中間点に、グランド電位（シャーシ電位）を基準とした直流電圧を印加するように接続され、電流監視・電圧制御部２５からの指示に従って、直流電圧の大きさを変化させる。また、可変直流電圧源２４は、２次コイルの中間点との間を流れる電流を検出する検出回路を備えており、その検出結果を、電流監視・電圧制御部２５に供給する。但し、電流の極性は、可変直流電圧源２４から流出する方向を正、可変直流電圧源２４に流入する方向を負であるものとする。

なお、可変直流電圧源２４での検出電流は、送電電極ＳＤと受電電極ＲＤとの間の静電容量が変化した時に流れる。つまり、両電極ＳＤ，ＲＤの位置関係が一定の状態にある時には、検出電流はゼロとなり、両電極ＳＤ，ＲＤが接近する方向に変化して、静電容量が増大すると正極性の電流が流れ、逆に、両電極ＳＤ，ＲＤが離れる方向に変化して、静電容量が減少すると負極性の電流が流れることになる。

また、送電電極ＳＤと受電電極ＲＤとの間には、両電極ＳＤ，ＲＤの蓄積電荷の大きさに応じた静電気力が発生することによって、送電器２と受電器３との間に吸着力が作用する。この吸着力は、両電極ＳＤ，ＲＤの位置関係によって決まる静電容量と、両電極ＳＤ，ＲＤに蓄積される電荷（ひいては直流電圧）の大きさとに応じて変化する。

電流監視・電圧制御部２５は、可変直流電圧源２４での電流検出結果に基づいて、可変直流電圧源２４の出力電圧（直流電圧）を制御する。その詳細を、図３に示すフローチャートを用いて説明する。

なお、電流監視・電圧制御部２５は、制御機構の全体をマイクロコンピュータが実行する処理、すなわちソフトウェアによって実現してもよいし、制御機構全体または一部を例えばロジック回路等のハードウェアによって実現してもよい。

電流監視・電圧制御部２５は、電源が投入されて起動すると、まず、Ｓ１１０にて、可変直流電圧源２４の出力電圧を予め設定された初期値に設定する。この初期値は、通常の使用で想定される送電電極ＳＤおよび受電電極ＲＤ間の距離と、送電器および受電器の吸着状態を保持するのに必要な静電気力の大きさに基づいて設定すればよい。

続くＳ１２０では、可変直流電圧源２４で電流が検出されたか否かを判断する。電流が検出されていなければ、同ステップを繰り返すことで電流が検出されるまで待機し、電流が検出されると、Ｓ１２０に進む。

Ｓ１２０では、検出電流の絶対値が予め設定された閾値以下であるか否かを判断する。検出電流の絶対値が閾値より大きい場合、受電器３の着脱時に生じる検出電流の変化であるものと判断し、そのままＳ１２０に戻る。一方、検出電流の絶対値が閾値以下である場合、受電器３の着脱以外の何等かの理由で受電器３の取付状態が変化したものと判断し、Ｓ１３０にて、検出電流の極性が正であるか否かを判断する。

検出電流の極性が正であれば、Ｓ１４０にて、可変直流電圧源２４の出力電圧を予め設定された所定値だけ下げることで吸着力を一定量だけ減少させて、Ｓ１２０に戻る。一方、検出電流の極性が負であれば、Ｓ１５０にて、可変直流電圧源２４の出力電圧を所定値だけ上げることで吸着力を一定量だけ増加させて、Ｓ１２０に戻る。

このような制御を実行することにより、例えば、何等かの理由で送電器２および受電器３間の吸着力が過大になり、両電極ＳＤ，ＲＤ間に介在する弾性材料が圧縮され、両電極ＳＤ，ＲＤ間の静電容量が増大すると、正極性の電流が検出される。この場合、可変直流電圧源２４の出力電圧が下がるため、送電器２および受電器３間の吸着力が減少する。逆に、何等かの理由で送電器２および受電器３間の吸着力が過小になり、送電器２から受電器３がはがれ落ちようとする動きをすることにより、両電極ＳＤ，ＲＤ間の距離が増大して静電容量が減少すると、負極性の電流が検出される。この場合、可変直流電圧源２４の出力電圧が上がるため、送電器２および受電器３間の吸着力が増大する。その結果、適度な吸着力が実現されることになる。

＜効果＞
このように構成された非接触給電システム１では、以下の効果を得ることができる。
（１）対向配置された送電電極ＳＤと受電電極ＲＤとの間で電界結合式の非接触給電が行われるため、受電器３は、非接触給電によって得た受電電力によって負荷（撮像装置）を駆動することで、自身に割り当てられた機能を実現することができる。

（２）可変直流電圧源２４を介して送電電極ＳＤに印加される直流電圧が、送電電極ＳＤと受電電極ＲＤとの間に発生させる静電気力により、送電器２と受電器３とを互いに吸着させている。このため、送電器２と受電器３とを吸着させるために、そのいずれの吸着面にも磁石や磁性体などを設ける必要がないため、送電器２側の吸着面の薄型化や受電器３側の吸着面の小型化を実現することができ、更には、これらの外観設計の自由度も確保することができる。

（３）可変直流電圧源２４の出力電圧を制御することで、送電器２と受電器３との吸着力を制御することができるため、必要以上に大きな吸着力を発生させてしまうことがなく、無駄な電力消費を抑制することができる。また、吸着力を任意に制御できるため、受電器３の自動離脱等も実現することも可能であり、広い用途に適用することができる。

（４）可変直流電圧源２４が昇圧コイルの中間点に接続されているため、送電電極ＳＤの電圧は、可変直流電圧源２４の出力電圧を中心にして振動する。その結果、可変直流電圧源２４を２次コイルのいずれか一端側（送電電極ＳＤ１，ＳＤ２のいずれか）に接続した場合と比較して、印加電圧の絶対値の最大値を小さくすることができ、安全性を向上させることができると共に、より耐圧の低い部品を使用することが可能となるため、装置を安価に構成することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。第１実施形態では、可変直流電圧源２４の出力電圧を、可変直流電圧源２４にて検出される電流の向きに従って制御するのに対して、本実施形態では、送電電力と受電電力の比である伝送効率に従って制御する点が異なる。

＜構成＞
本実施形態の非接触給電システム１０は、図４に示すように、送電器２０，受電器３０を備える。

＜受電器＞
受電器３０は、受電電極部３１、受電側共振整合器３２、電力消費部３３に加えて、受電状態監視部３４、通信部３５を備える。

受電状態監視部３４は、電力消費部３３への入力電圧および入力電流を監視して、受電電力を求める。通信部３５は、受電状態監視部で求めた受電電力情報を無線通信によって送電器２０に送信する。

＜送電器＞
送電器２０は、交流電源２１、送電側共振整合器２２、送電電極部２３、可変直流電圧源２４を備えると共に、電流監視・電圧制御部２５の代わりに、送電状態監視部２６、通信部２７、電圧制御部２８を備える。

可変直流電圧源２４は、トランス２２１の２次コイルの中間点ではなく、２次コイルのいずれか一端、すなわち送電電極ＳＤ１，ＳＤ２のいずれか一方に、出力電圧が印加されるように接続されている。また、第１実施形態にて説明した電流検出機能は省略されていてもよい。

送電状態監視部２６は、交流電源２１の出力電圧，出力電流を監視して、送電電力を求め、求めた送電電力情報を電圧制御部２８に供給する。
通信部２７は、受電器３０の通信部３５との無線通信によって受電電力の情報を受信して、電圧制御部２８に供給する。

電圧制御部２８は、送電状態監視部２６からの送電電力情報、受電状態監視部３４からの受電電力情報に基づいて、可変直流電圧源２４の出力電圧を制御する。その詳細を、図５に示すフローチャートを用いて説明する。

なお、電圧制御部２８は、制御機構の全体をマイクロコンピュータが実行する処理、すなわちソフトウェアによって実現してもよいし、制御機構全体または一部を例えばロジック回路等のハードウェアによって実現してもよい。

電圧制御部２８は、電源が投入されて起動すると、まずＳ２１０にて、先に説明したＳ１１０と同様に、可変直流電圧源２４の出力電圧を予め設定された初期値に設定する。
続くＳ２２０では、Ｓ１１０での設定が反映された送電電力情報、受電電力情報を取得し、これに基づいて伝送効率を算出する。

続くＳ２３０では、可変直流電圧源２４の出力電圧を所定値だけ上げ、続くＳ２４０では、Ｓ２２０での設定が反映された送電電力情報、受電電力情報を取得し、これに基づいて伝送効率を算出する。

続くＳ２５０では、電圧を上げた後に求めた伝送効率が電圧を上げる前に求めた伝送効率より向上しているか否かを判断する。伝送効率が向上していればＳ２３０に戻り、向上していなければＳ２６０に進む。

Ｓ２６０では、可変直流電圧源２４の出力電圧を所定値だけ下げ、続くＳ２７０では、Ｓ２６０での設定が反映された送電電力情報、受電電力情報を取得し、これに基づいて電送効率を算出する。

続くＳ２８０では、電圧を下げた後に求めた伝送効率が電圧を下げる前に求めた伝送効率より向上しているか否かを判断する。伝送効率が向上していればＳ２６０に戻り、向上していなければＳ２３０に戻る。

但し、可変直流電圧源２４の出力電圧は、予め設定された可変範囲内で上げ下げされ、可変範囲の上限値に達している状態で電圧を上げる指令を受けた場合は、上限値のまま保持し、可変範囲の下限値に達している状態で電圧を下げる指令を受けた場合は、下限値のまま保持するものとする。

このような制御を実行することにより、可変直流電圧源２４の出力電圧を常時変化させ、変化後の伝送効率が向上している場合には、出力電圧の変化方向を維持し、伝送効率が劣化している場合には、出力電圧の変化方向を反転させている。これにより、送電電極ＳＤ（ひいては送電器２）および受電電極ＲＤ（ひいては受電器３）間の吸着力が、最大の伝送効率が得られるように制御されることになる。

＜効果＞
このように構成された非接触給電システム１０によれば、第１実施形態で説明した（１）〜（３）と同様の効果を得ることができる。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（ａ）上記実施形態では、本発明を、車両の後付けされるセンサに適用した例を説明したが、これに限定されるものではない。送電器を設ける本体が移動物体であるか静止物体であるかに関わらず、給電を必要とし且つ本体に後付けして使用する機器であれば、どのようなものに適用してもよい。

（ｂ）本発明の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。

１，１０…非接触給電システム ２，２０…送電器 ３，３０…受電器 ３ａ…円筒状部位 ３ｂ…半球状部位 ３ｃ…透光窓 ３ｄ…吸着面 ２１…交流電源 ２２…送電側共振整合器 ２３…送電電極部 ２４…可変直流電圧源 ２５…電流監視・電圧制御部 ２６…送電状態監視部 ２７，３５…通信部 ２８…電圧制御部 ３１…受電電極部 ３２…受電側共振整合器 ３３…電力消費部 ３４…受電状態監視部 ２２１，３２１…トランス ２２２，３２２…コンデンサ

Claims (7)

1. 送電電極（２３）、および該送電電極に印加する交流電力を生成する電力供給部（２１）を備える送電器（２）と、
   受電電極（３１）、および該受電電極を介して供給される電力を消費する電力消費部（３３）を備える受電器（３）と、
   を備え、前記送電器と前記受電器とを互いに吸着させた状態で使用し、前記送電電極と前記受電電極との間で非接触給電を行う非接触給電システムであって、
   前記送電電極と前記受電電極との間に、前記送電器と前記受電器とを吸着させる静電気力の発生に必要な電位差を生じさせる電位差発生手段（２４）を備えることを特徴とする非接触給電システム。
2. 前記電位差発生手段は、前記送電電極または前記受電電極のうち少なくとも一方に、直流電圧を印加する直流電圧源を備えることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電システム。
3. 前記送電電極は、トランス（２２１）を介して前記電力供給部に接続され、該トランスの２次コイルの一端に接続される第１電極および他端に接続される第２電極を有し、
   前記直流電圧源は、前記トランスの２次コイルの中間点に、前記直流電圧を印加することを特徴とする請求項２に記載の非接触給電システム。
4. 前記送電電極は、トランス（２２１）を介して前記電力供給部に接続され、該トランスの２次コイルの一端に接続される第１電極および他端に接続される第２電極を有し、
   前記直流電圧源は、前記第１電極または前記第２電極のいずれか一方に、前記直流電圧を印加することを特徴とする請求項２に記載の非接触給電システム。
5. 前記送電電極と前記受電電極との位置関係に応じて生じる電気特性の変化を検出する特性変化検出手段（２４，２６，３４）を備え、
   前記電位差発生手段は、前記特性変化検出手段での検出結果に従って前記直流電圧の大きさを調整する電圧調整手段（２５，２８）を備えることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の非接触給電システム。
6. 前記特性変化検出手段（２４）は、前記直流電圧源を流れる電流を検出し、
   前記電圧調整手段（２５）は、前記特性変化検出手段にて検出された電流の流れる方向が、前記直流電圧源から流出する方向である場合に前記直流電圧を増大させ、前記直流電圧源に流入する方向である場合に前記直流電圧を減少させることを特徴とする請求項５に記載の非接触給電システム。
7. 前記特性変化検出手段（２６，３４）は、前記送電器での送電電力に対する前記受電器での受電電力の比を表す伝送効率を検出し、
   前記電圧調整手段（２８）は、前記特性変化検出手段にて検出される前記伝送効率が最大となるように前記直流電圧を調整することを特徴とする請求項５に記載の非接触給電システム。