JP2016007100A - 非接触電力伝送用の給電装置および受電装置 - Google Patents

非接触電力伝送用の給電装置および受電装置 Download PDF

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Teruhiro Kitamura
彰宏 北村
大介 内本
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大介 内本
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Abstract

【課題】異物温度を検出しつつ、伝送効率の低下を抑制可能な給電装置を提供すること。
【解決手段】給電装置3において、コイル35は所定の軸周りに巻回されている。また、カバー315は、コイル35を覆う共に、電力供給時に受電装置が載置される。また、温度検知手段39は、コイル35の軸方向からの平面視でコイル35と重なり合わない位置に設けられた複数のサーミスタ319と、複数のサーミスタ319を直列に接続する複数の配線導体321と、を含む。
【選択図】図2A

Description

本発明は、電力を非接触で送受可能な給電装置および受電装置に関する。
従来、この種の給電装置および受電装置としては、例えば、特許文献1に記載のものがある。特許文献1には、二次電池を備えた携帯機器(つまり、受電装置)と、携帯機器の二次電池に非接触で電力を供給する充電器(つまり、給電装置)と、が開示されている。
充電器は、携帯機器に電力を伝送する一次側コイルモジュールを含む。一次側コイルモジュールにおいて、一次コイルは電力が供給されると磁束を発生する。また、一次側コイルモジュールにおいて、一次コイルの直下には、一次コイルで発生した磁束の漏れを抑制する磁性体が設けられている。一次コイルとしては、例えば、巻数が20ターンで外径が40mmの平面コイルが用いられる。また、一次コイルおよび磁性体の合計の厚みは1mm程度である。
また、充電器は、一次側コイルモジュールに加え各種電子部品を収容するハウジングをさらに含む。ハウジングの上面には、充電時に携帯機器が載置される。充電器は、他にも、一次コイルとハウジングとの間に介在して、ハウジング上面に載る金属異物の温度を検出する温度検出シートを含む。温度検出シートは、シート状部材と、複数の線状のサーミスタと、を含む。シート状部材は、例えばPET(つまり、ポリエチレンテレフタレート)などの高分子フィルムからなる。かかるシート状部材の内部に、複数の線状のサーミスタが格子状に配置されている。
また、携帯機器は、充電器側から伝送されてくる電力を受ける二次側コイルモジュールを含む。二次側コイルモジュールにおいて、一次コイルで発生した磁束が二次コイルを鎖交すると、二次コイルには誘導起電力が発生する。携帯機器側では、かかる誘導起電力から直流電圧が生成され、携帯機器内の二次電池に印加され、これによって、二次電池が充電される。また、二次側コイルモジュールにおいて、二次コイルの真上には、磁束漏れを抑制する磁性体が設けられる。ここで、二次コイルとしては、例えば、巻き数が15ターンで外径が35mmの平面コイルが用いられる。また、二次コイルおよび磁性体の合計の厚みは0.5mm程度である。
特開2013−005682号公報
しかしながら、特許文献1の充電器では、一次コイルおよびハウジングの間には、温度検出シートを構成するシート状部材および線状サーミスタの双方が介在する。その結果、一次コイルおよび二次コイル間の距離が長くなり、一次コイルから二次コイルへと電力を伝送する効率(以下、単に、伝送効率という)が低下する可能性があるという問題点があった。
それゆえに、本発明の目的は、異物の温度を検出しつつ、伝送効率の低下を抑制可能な給電装置および受電装置を提供することである。
本発明の一局面は、受電装置に非接触で電力を供給する給電装置であって、所定の軸周りに渦巻状に巻回されたコイルと、前記コイルを覆うカバーであって、電力供給時に前記受電装置が載置されるカバーと、前記コイルの軸方向からの平面視で前記コイルと重なり合わないように設けられた複数のサーミスタと、前記複数のサーミスタを直列に接続する複数の配線導体と、を含む温度検知手段と、を備えている。
また、本発明の他の局面は、給電装置に非接触で電力の供給を受ける受電装置であって、所定の軸周りに渦巻状に巻回されたコイルと、前記コイルを覆うカバーと、前記コイルの軸方向からの平面視で前記コイルと重なり合わない位置に設けられた複数のサーミスタと、前記複数のサーミスタを直列に接続する複数の配線導体と、を含む温度検知手段と、を備えている。
上記局面によれば、異物の温度を検出しつつ、伝送効率の低下を抑制可能な給電装置および受電装置を提供することが可能である。
非接触電力伝送システムの構成を示すブロック図である。 図2B,図2Cの線I"−I"に沿う給電装置の断面を正面から視た時の模式図である。 図2A,図2Cの線I−Iに沿う給電装置の断面を右方から視た時の模式図である。 図2A,図2Bの線I'−I'に沿う給電装置の断面を上方から視た時の模式図である。 図2A等のコイルおよび温度検知手段を示す斜視図である。 図1の温度検知手段の第一変形例を示す模式図である。 図1の温度検知手段の第二変形例を示す模式図である。 図1の温度検知手段の第三変形例を示す模式図である。
以下、図面を参照して、一実施形態に係る給電装置および受電装置について説明する。それに先立ち、図中のX軸、Y軸およびZ軸について定義する。X軸、Y軸およびZ軸は、互いに直交し、給電装置の前後方向、左右方向および上下方向を示す。また、Z軸は、コイル軸Aと平行である。
《非接触電力伝送システムの構成》
図1において、非接触電力伝送システム1は給電装置3を備える。給電装置3は、スマートフォン等の電子機器に内蔵された受電装置5に非接触で電力を伝送するために、大略的に、アダプタ31と、電子部品群33と、一次コイル35と、一次側コントローラ37と、温度検知手段39と、を含んでいる。また、非接触電力伝送システム1はさらに、受電装置5を備えている。受電装置5は、二次コイル51と、電子部品群53と、二次側コントローラ55と、を少なくとも含んでおり、電子機器に内蔵された二次電池57に充電を行う。
以下、各構成の詳細および大略的な動作について説明する。
まず、給電装置3において、電子部品群33およびコントローラ37は、図2A〜図2Cに示すように、基板に実装された状態で、例えば金属製のベース311上に配置される。また、コイル35は、ベース311上に磁性シート313を介して配置される。カバー315は、例えば、金属や樹脂で作製され、電子部品群33、コイル35およびコントローラ37を覆いつつベース311に取り付けられる。また、カバー315の上面は、電子機器を載置し易いように、フラットになっている。かかるカバー315上に電子機器が載置されると、給電装置3から受電装置5への電力伝送が開始される。
ここで、再度図1を参照する。電力伝送時、商用電源からの交流電圧(例えば、100V)は、アダプタ31を介して、整流回路および平滑回路に供給される。整流回路および平滑回路は、電子部品群33の一部で構成され、入力交流電圧を直流電圧に変換する。かかる直流電圧は、電子部品群33の他の一部で構成されるインバータ回路に供給される。インバータ回路では、入力直流電圧がスイッチング等されて、所定周波数(例えば、数十kHz〜数百kHz)を有する交流電圧が生成される。コイル35は、Z軸に略平行な軸(以下、コイル軸A(図2A等を参照)という)を中心として、銅線等を渦巻状に巻回して作成されている。本実施形態では、コイル35は、内径が20.5mmで外径が43.0mmの平面コイルであるとする。コイル35は、電子部品群33の一部であるコンデンサ(図示せず)と共振回路(共振周波数は上記所定周波数)を構成している。かかる共振回路にインバータ回路で生成された交流電圧が印加されると、コイル35は交流磁界を発生する。以上の動作は、コントローラ37により制御される。なお、コイル35およびベース311の間には磁性シート313が介在する。磁性シート313は、例えば、Z軸方向からの平面視(以下、上面視という)で、コイル35を内包する略矩形形状を有し、コイル35からの磁束がベース311を貫かないようにするために配置される。
受電装置5は、二次コイル51が一次コイル35の上方に位置するように給電装置3上に載置される。これにより、コイル35で生じた交流磁界はコイル51と鎖交し、コイル51の両端には誘導起電力が発生する。コイル51には、電子部品群53の一部が構成する整流回路等が電気的に接続される。整流回路等は、コイル51で生じた誘導起電力を直流電圧に変換する。コントローラ55は、整流回路等で生成された直流電圧を二次電池57に印加し、これによって、二次電池57を充電する。以上の動作は、コントローラ55により制御される。なお、コイル51の上方には、交流磁界をシールドするために磁性シート等が設けられる。
《温度検知手段について》
カバー315上には、受電装置5を内蔵した電子機器が載置されるだけでなく、異物が偶発的に載ってしまうことがある。ここで、異物は、例えばコインのような金属であって、仕様により予め想定されたサイズを有する。本実施形態では、異物は、直径20mmの円盤状のコインであるとする。これら物体(電子機器や金属異物)の過熱を検知するために、温度検知手段39が給電装置3に備わっている。この温度検知手段39は、図3に示すように、コイル35とカバー315との間に介在しており、シート状の基材317と、複数の感温手段319の一例としての複数のPTC(Positive Temperature Coefficient)サーミスタ319と、複数の配線導体321と、を含んでいる。以下、PTCサーミスタは単にサーミスタと略記される。また、本実施形態では、サーミスタ319の総数は十二個とする。
基材317は、例えばFPC(Flexible Printed Circuits)であって、絶縁性および可撓性を有する樹脂(例えば、ポリイミド等)から作製される。この基材317は、上面視で矩形状であって、かつZ軸方向に所定の厚さを有するシート状の形を有する。以下、基材317においてZ軸方向に相対する二つの主面において、正方向側のものを上面といい、負方向側のものを下面という。また、そのZ軸方向厚さは、良好な伝送効率を得るために、例えば数十μmというように極力薄いことが好ましい。また、基材317のX軸方向およびY軸方向の寸法は、上面視で、基材317の外形線がコイル35の外形線を内包し、かつコイル35の外形線より外側に必要数のサーミスタ319を配置可能なサイズを有する。具体例を挙げると、X軸方向およびY軸方向の寸法はそれぞれ約50mmに設計される。
サーミスタ319は、正の温度係数を有し、例えば、セラミックサーミスタである。ここで、カバー315上の物体の過熱を素早く検知できるように、サーミスタ319は小型で低熱容量であることが好ましい。かかるサーミスタ319としては、JIS(Japanese Industrial Standards)規格に記載の1005型がある。この場合、サーミスタ319の実装面の寸法は、長辺方向には1.0mmであり、短辺方向には0.5mmである。また、高さ方向の寸法はJIS規格にて定められている訳では無いが、例えば0.25mmである。ここで、これら寸法はいずれも設計目標値であって、必ずしも正確に上記値となるわけではない。つまり、これら寸法はいずれも公差を持っている。
次に、サーミスタ319の配置について説明する。各サーミスタ319は、上面視でコイル35と重なり合わないよう、基材317の下面に熱伝導両面テープ等で貼付される。より具体的には、各サーミスタ319は、Z軸方向から基材317の下面にコイル35を投影して得られる内周線Liの内側、および、同投影により得られる外周線Loの外側のいずれかに配置される。ここで、内周線Liおよび外周線Loは、図3中一点鎖線で描かれている。
次に、サーミスタ319の好ましい配置について説明する。それに先立ち、中心点Cと二本の直線L1,L2を下記の通り定義する。中心点Cは、コイル軸Aと、基材317の下面との交点である。直線L1,L2は、図3中二点鎖線で示すように、基材317の下面に含まれる直線であり、中心点Cで互いに直交する。この場合、直線L1,L2は、上記内周線Liと四点で交差すると共に、上記外周線Loとも四点で交差する。上記十二個のうち四個のサーミスタ319は、内周側サーミスタ群として、直線L1,L2上であって四個の内周側交点よりも中心点C寄りの位置に一つずつ配置される。本実施形態では、内周側サーミスタ群において、内周線Liに沿って隣り合う二個のPTCサーミスタ319の間の距離d1は互いに等しい。また、中心点Cを挟んで互いに向かい合う二個のサーミスタ319は、直線距離で例えば約17mm離れているとする。残りの八個のサーミスタ319は、外周側サーミスタ群として、下記のように配置される。まず、外周側サーミスタ群において、四個のサーミスタ319は、直線L1,L2上であって四個の外周側交点よりも外寄りの位置に一つずつ配置される。また、残りの四個のサーミスタ319は、外周側交点近傍の四個のサーミスタ319を、コイル軸A周りに約45°回転させた位置に配置される。本実施形態では、外周側サーミスタ群において、外周線Loに沿って隣り合う二個のPTCサーミスタ319の間の距離d2は互いに等しい。また、外周側サーミスタ群において、中心点Cを挟んで互いに向かい合う二個のサーミスタ319は、直線距離で例えば約46mmだけ離れている。
上記のように、カバー315上に直径約20mmのコインが偶発的に載ることが想定されているため、上記d1,d2は20mmよりも小さいことが好ましい。また、外周側サーミスタ群のあるサーミスタ319から半径20mmの範囲内には、内周側サーミスタ群のあるサーミスタ319が少なくとも一つ配置されることが好ましい。これにより、想定された異物がカバー315上のいずれの場所に載ったとしても、いずれかのサーミスタ319が物体の過熱を素早く検知できる。
各配線導体321は、好ましくは、例えば銀や銅等のペーストを数μmの厚さで基材317の下面に印刷することにより形成される。複数の配線導体321は、上記サーミスタ319の全てを直列(換言するとディジーチェーン状)に接続し、これによって、サーミスタチェーンが構成される。また、個々の配線導体321は、さらに好ましくは、他の配線導体321と立体的に交差しない。本実施形態では、外周側サーミスタ群において、電子部品群33に最も近接するサーミスタ319は、先頭のサーミスタ319として、電源端子と、約33kΩのプルアップ抵抗323を介して接続される。この先頭サーミスタ319を基準として、外周側の各サーミスタ319は外周線Loに沿って時計回りの順番に直列に、複数の配線導体321の一部(つまり、複数の外周側配線導体321)により接続される。外周側において最後尾のサーミスタ319は、内周側において最も前側のサーミスタ319と直列に接続される。内周側の四個のサーミスタ319は、内周線Liに沿って反時計回りの順番で直列に、複数の配線導体321の残り(つまり、複数の内周側配線導体321)により接続される。そして、内周側のサーミスタ319において最後尾のものはグランド端子に接続される。
また、本実施形態では、図3に示すように、内周側配線導体321のそれぞれは内周線Liに沿うように円弧状に、外周側配線導体321のそれぞれは外周線Loに沿うように円弧状に形成される。
上記温度検知手段39は、図2A〜図2Cに示すように、コイル35に対し、基材317の下面とコイル35の上面とが当接し、かつ上記サーミスタチェーンの外周側と内周側との間にコイル35が填まり込むように配置される。また、温度検知手段39は、カバー315に対し、基材317の上面とカバー315の下面とが当接するように配置される。また、本実施形態では、全てのサーミスタ319が、コイル35の内周線Liの内側か、外周線Loの外側に配置される。よって、コイル35とカバー315の間には、実質上、基材317だけが介在することになり、いずれのサーミスタ319も介在しない。その結果、コイル35をカバー315の上面に最も近接させること、換言すると、カバー315上の受電装置5側のコイル51と最も近接させることが可能となる。
上記電源端子およびグランド端子間には、図示しない定電圧回路により、例えば3Vの定電圧Vccが印加される。応じて、コイル35には、上記インバータ回路で生成された交流電圧が印加される。印加中にカバー315上に金属異物が載ると発熱する。この熱は、まず、カバー315等を介して、最も近くのサーミスタ319に伝わる。従って、金属異物の発熱により、金属異物の近くにある少なくとも一つのサーミスタ319の抵抗値が著しく変化する。よって、プルアップ抵抗323の抵抗値と、サーミスタチェーンの合成抵抗値との分圧Vtは、金属異物の温度に相関する。かかる分圧Vtがコントローラ37に出力される。コントローラ37は、分圧Vtから金属異物の温度を導出し、導出した温度が所定温度を超えている場合には、コイル35への電力供給を停止する等する。
《作用・効果》
以上の通り、本実施形態に係る温度検知手段39によれば、コイル35とカバー315の間には、基材317よりもはるかに大きな厚みを有するサーミスタ319が一つも介在しない。その結果、コイル35をカバー315の上面に最も近接させることが可能となる。換言すると、カバー315上の受電装置5側のコイル51と最も近接させることが可能となる。それにより、両コイル35,51間のZ軸方向距離を短くすることができ、その結果、コイル35からコイル51への電力の伝送効率の低下を抑制することが可能となる。また、各サーミスタ319は、コイル35の上方および下方を避けつつ、カバー315の直ぐ下方に配置される。それゆえ、温度検知手段39は、カバー315に偶発的に載ってしまう異物の温度を素早く検知することが可能となる。
《第一変形例》
上記実施形態では、温度検知手段39は、基材317上に複数のPTCサーミスタ319が貼付されてサーミスタチェーンを構成する例を説明した。しかし、これに限らず、図4に示すように、温度検知手段39の構成要素であるサーミスタチェーンを、例えばアクリル樹脂からなるカバー315の内部に、上記実施形態で説明した条件を満たすように配置しても構わない。この場合、カバー315の強度等を確保するために、カバー315の下面においてコイル35と当接しない部分を下方に突出させ、かかる突出部分に全てのPTCサーミスタや配線導体を内蔵することが好ましい。なお、図4では、変形例を分かり易くするため、PTCサーミスタや配線導体等には、参照符号319および321は付されていない。
《第二変形例》
上記実施形態では、図3に示すように、各内周側配線導体321および各外周側配線導体321は内周線Liおよび外周線Loに沿うように形成されていた。しかし、これに限らず、図5に示すように、各内周側配線導体321は、内周線Liと非平行であって、各内周側配線導体321の中間部分がコイル35の内周線Liから中心点Cに向かって遠ざかるように形成されても構わない。各外周側配線導体321は、外周線Loと非平行であって、各外周側配線導体321の中間部分がコイル35の外周線Loからコイル35の外方向(中心点Cに向かう方向とは逆方向)に遠ざかるように形成されても構わない。この構成により、コイル35で生じるジュール熱の影響を各配線導体321が受けることを低減することが可能となる。
《第三変形例》
上記実施形態では、サーミスタ319の実装面の長辺がX軸およびY軸のいずれか一方と平行となるように、サーミスタ319は基材317の下面に実装されていた。しかし、これに限らず、全サーミスタ319の実装面の長辺がX軸と平行になるように(図6を参照)、または、全サーミスタ319の実装面の長辺がY軸と平行になるように、サーミスタ319は基材317の下面に実装されても構わない。
《付記》
上記実施形態では、給電装置3側に温度検知手段39を設ける場合について説明した。しかし、受電装置5もまた給電装置3と同様に、コイル51およびカバーを備えている。よって、受電装置5側のコイル51およびカバーの間に、上記温度検知手段39と同様の温度検知手段を設けても構わない。
上記実施形態では、給電装置3は、スマートフォンやタブレット端末等の充電用途向けとして説明した。しかし、これに限らず、給電装置3は、電気自動車や、シェーバー等の民生機器の充電用途であっても構わない。
また、上記実施形態では、PTCセラミックサーミスタ319が感温手段319の例であった。しかし、感温手段319として、NTC(Negative Temperature Coefficient)サーミスタが代替的に使用されても構わない。また、感温手段319として、セラミックサーミスタだけでなく、高分子材料から作製されるサーミスタを用いても構わない。
また、カバー315は、金属や樹脂以外にも、ガラス等で作製されても構わない。
また、PTCセラミックサーミスタ319は、1005型に限らず、3225型、3216型、2012型、1608型、0603型、0402型でも構わない。各型の寸法は下記の表1に記載の通りである。
本発明に係る給電装置および受電装置は、異物の温度を検出しつつ、伝送効率の低下を抑制可能であり、スマートフォン、タブレット端末または電気自動車等の非接触充電システムに好適である。
1 非接触電力伝送システム
3 給電装置
35 一次コイル
39 温度検知手段
315カバー
319 感温手段(サーミスタ)
321 配線導体
5 受電装置

Claims (9)

  1. 受電装置に非接触で電力を供給する給電装置であって、
    所定の軸周りに渦巻状に巻回されたコイルと、
    前記コイルを覆うカバーであって、電力供給時に前記受電装置が載置されるカバーと、
    前記コイルの軸方向からの平面視で前記コイルと重なり合わないように設けられた複数のサーミスタと、前記複数のサーミスタを直列に接続する複数の配線導体と、を含む温度検知手段と、を備えた給電装置。
  2. 給電装置に非接触で電力の供給を受ける受電装置であって、
    所定の軸周りに渦巻状に巻回されたコイルと、
    前記コイルを覆うカバーと、
    前記コイルの軸方向からの平面視で前記コイルと重なり合わない位置に設けられた複数のサーミスタと、前記複数のサーミスタを直列に接続する複数の配線導体と、を含む温度検知手段と、を備えた受電装置。
  3. 前記複数のサーミスタは、
    前記コイルの軸方向からの平面視で前記コイルの外周線よりも外側に配置される、三個以上の外周側サーミスタと、
    前記平面視で前記コイルの内周線よりも内側に配置される、三個以上の内周側サーミスタと、を含み、
    前記外周線に沿って隣り合う二個の外周側サーミスタ間の距離は互いに等しく、前記内周線に沿って隣り合う二個の内周側サーミスタ間の距離は互いに等しく、
    前記距離は異物のサイズに基づき定められる、請求項1に記載の給電装置、または請求項2に記載の受電装置。
  4. 前記複数のサーミスタは、
    前記コイルの軸方向からの平面視で前記コイルの外周線よりも外側に配置される外周側サーミスタと、
    前記平面視で前記コイルの内周線よりも内側に配置される内周側サーミスタと、を含み、
    前記外周側サーミスタの総数は、前記内周側サーミスタの総数よりも多い、請求項1に記載の給電装置、または請求項2に記載の受電装置。
  5. 前記複数のサーミスタは、
    前記コイルの軸方向からの平面視で前記コイルの外周線よりも外側に配置される複数の外周側サーミスタと、
    前記平面視で前記コイルの内周線よりも内側に配置される複数の内周側サーミスタと、を含み、
    前記複数の配線導体は、
    前記複数の外周側サーミスタを直列に接続する複数の外周側配線導体と、
    前記複数の内周側サーミスタを直列に接続する複数の内周側配線導体と、を含む、請求項1に記載の給電装置、または請求項2に記載の受電装置。
  6. 前記温度検知手段は、前記複数のサーミスタが取り付けられる基材であって、前記カバーおよび前記コイルの間に介在すると共に前記カバーおよび前記コイルの双方に当接する基材を、さらに含む、請求項1に記載の給電装置、または請求項2に記載の受電装置。
  7. 前記複数のサーミスタは前記カバーに内蔵される、請求項1に記載の給電装置、または請求項2に記載の受電装置。
  8. 前記複数のサーミスタが有する実装面の長辺が互いに全て平行となるように、前記複数のサーミスタは配置される、請求項1に記載の給電装置、または、請求項2に記載の受電装置。
  9. 前記複数の配線導体は、前記外周線および前記内周線のいずれかから遠ざかるように設けられている、請求項1に記載の給電装置、または、請求項2に記載の受電装置。
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