JP2017011882A - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を抑制すると共に、安定動作が実現可能な非接触電力伝送装置を提供することである。
【解決手段】本発明にかかる非接触電力伝送装置は、高周波信号を出力する発振回路１２と、高周波信号を増幅するアンプ回路１５と、アンプ回路１５で増幅された高周波信号を電力伝送信号として放射するアンテナ回路１６と、イネーブル信号に応じて発振回路１２への電源の供給を制御する制御回路１１と、発振回路１２とアンプ回路１５との間に設けられ、発振回路１２からアンプ回路１５への高周波信号の供給を切り替えるゲート回路１３と、を備える。ゲート回路１３は、制御回路１１から発振回路１２に電源が供給されて発振回路１２が起動し、発振回路１２が安定動作状態となった後にアンプ回路１５に高周波信号を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は非接触電力伝送装置に関する。

接触端子を用いることなく電力伝送装置（送電装置）から所定の電子機器（受電装置）に電力を伝送する非接触電力伝送技術がある。非接触電力伝送技術には、例えば、電磁誘導方式、電界結合方式及び磁界共鳴方式がある。例えば、電磁誘導方式は、２つの隣接するコイルの一方（送電装置側）に電流を流すと、そのコイルに発生する磁束を介して他方のコイル（受電装置側）に起電力が発生することで、電力を伝送する方式である。

特許文献１には、送電電力を効率的に制御することが可能な非接触電力伝送装置が開示されている。特許文献１に開示されている非接触電力伝送装置では、ＥＮ信号（イネーブル信号）がハイレベルにあるときだけ、駆動回路から駆動信号（ＤＲ信号）を出力する。そして、ＥＮ信号のデューティ比を調整することで、送電装置から受電装置への送電電力を制御している。特許文献２には、位置検出センサを備える位置指示器に関する技術が開示されている。

特開２０１１−１２０４５１号公報 特開２０１２−２２１３０４号公報

特許文献１に開示されている非接触電力伝送装置では、発振回路（オシレータ）から出力された高周波信号と、有効信号発生回路から出力されたＥＮ信号（イネーブル信号）とが駆動回路に供給されている。そして、駆動回路は、ＥＮ信号がハイレベルである場合、駆動信号（ＤＲ信号）を出力して給電動作を行う。

ここで、特許文献１に開示されている非接触電力伝送装置では、発振回路が常にオン状態となっている。このため、ＥＮ信号がロウレベルの状態（つまり、非接触電力伝送装置が給電を行っていない状態）であっても発振回路は動作をし続けているため、発振回路は電力を消費し続けている。

一方、非接触電力伝送装置の消費電力を低減させるために、非接触電力伝送装置が給電を行っていないときに発振回路の動作を停止させることも想定される。しかしながら、発振回路を停止させた場合は、発振回路を再度動作させた際に発振回路が安定動作状態となるまでに所定の時間を必要とし、この間は非接触電力伝送装置の動作が不安定になるという問題がある。

上記課題に鑑み本発明の目的は、消費電力を抑制すると共に、安定動作が実現可能な非接触電力伝送装置を提供することである。

本発明にかかる非接触電力伝送装置は、高周波信号を出力する発振回路と、前記高周波信号を増幅するアンプ回路と、前記アンプ回路で増幅された高周波信号を電力伝送信号として放射するアンテナ回路と、イネーブル信号に応じて前記発振回路への電源の供給を制御する制御回路と、前記発振回路と前記アンプ回路との間に設けられ、前記発振回路から前記アンプ回路への前記高周波信号の供給を切り替えるゲート回路と、を備える。前記ゲート回路は、前記制御回路から前記発振回路に電源が供給されて前記発振回路が起動し、前記発振回路が安定動作状態となった後に前記アンプ回路に前記高周波信号を供給する。

本発明により、消費電力を抑制すると共に、安定動作が実現可能な非接触電力伝送装置を提供することができる。

実施の形態にかかる非接触電力伝送装置を示すブロック図である。 実施の形態にかかる非接触電力伝送装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 実施の形態にかかる非接触電力伝送装置の具体的な構成例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態にかかる非接触電力伝送装置を示すブロック図である。図１に示すように、本実施の形態にかかる非接触電力伝送装置１は、制御回路１１、発振回路１２、ゲート回路１３、遅延回路１４、アンプ回路１５、及びアンテナ回路１６を備える。これらの構成要素は非接触電力伝送回路モジュール２を構成している。

制御回路１１には、電源ＰＷＲおよびイネーブル信号ＥＮが供給される。制御回路１１は、イネーブル信号ＥＮに応じて発振回路１２への電源Ｐ_ＯＳＣの供給を制御する。具体的には、制御回路１１は、イネーブル信号ＥＮが活性状態（典型的にはハイレベル）である場合、発振回路１２に電源Ｐ_ＯＳＣを供給する。一方、制御回路１１は、イネーブル信号ＥＮが不活性状態（典型的にはロウレベル）である場合、発振回路１２に電源Ｐ_ＯＳＣが供給されないように制御する。

発振回路１２は、制御回路１１から電源Ｐ_ＯＳＣが供給されると動作を開始し、所定の周波数の高周波信号ＯＳＣ_ＯＵＴをゲート回路１３に出力する。例えば、発振回路１２には水晶振動子を含む水晶発振回路を用いることができる。一例を挙げると、発振回路１２の発振周波数は１３．５６ＭＨｚとすることができる。発振回路１２の発振周波数を１ＭＨｚ以上とすることで、アンテナ回路１６におけるアンテナの巻数を減らすことができるため、装置の小型化を実現することができる。発振回路１２は電源Ｐ_ＯＳＣが供給されると動作を開始し、所定の時間が経過した後に安定動作状態となる。例えば、発振回路１２に水晶発振回路を用いた場合、発振回路１２の起動時間（安定動作状態となるまでの時間）は数ｍｓである。

ゲート回路１３は、発振回路１２とアンプ回路１５との間に設けられ、発振回路１２からアンプ回路１５への高周波信号ＯＳＣ_ＯＵＴの供給を切り替える。具体的には、ゲート回路１３は、制御回路１１から発振回路１２に電源Ｐ_ＯＳＣが供給されて発振回路１２が起動し、その後、発振回路１２が安定動作状態となった後にアンプ回路１５に出力信号Ｇ_ＯＵＴを供給する。なお、本明細書ではゲート回路１３から出力された信号を出力信号Ｇ_ＯＵＴと記載しているが、出力信号Ｇ_ＯＵＴは高周波信号ＯＳＣ_ＯＵＴと実質的に同一である。

図１に示すように、ゲート回路１３には発振回路１２から出力された高周波信号ＯＳＣ_ＯＵＴおよび遅延回路１４から出力された活性化信号Ｄ_ＯＵＴが供給される。また、制御回路１１から発振回路１２に電源Ｐ_ＯＳＣが供給されると、遅延回路１４にも電源Ｐ_ＯＳＣが供給される。遅延回路１４は、制御回路１１から発振回路１２への電源Ｐ_ＯＳＣの供給を検出し、電源Ｐ_ＯＳＣの供給を検出した後、所定の時間経過後にゲート回路１３に活性化信号Ｄ_ＯＵＴ（典型的にはハイレベルの信号）を出力する。ここで、所定の時間とは、発振回路１２が安定動作状態となるまでの時間である。

そして、ゲート回路１３は、遅延回路１４からハイレベルの活性化信号Ｄ_ＯＵＴが供給されると、発振回路１２から供給された高周波信号ＯＳＣ_ＯＵＴを、ゲート回路１３の出力信号Ｇ_ＯＵＴとしてアンプ回路１５に出力する。具体的には、ゲート回路１３の出力信号Ｇ_ＯＵＴはアンプ回路１５が備えるスイッチ素子ＦＥＴ１のゲート端子に供給される。

アンプ回路１５は、ゲート回路１３から供給された出力信号Ｇ_ＯＵＴ（高周波信号）を増幅する。例えば、アンプ回路１５は、スイッチ素子ＦＥＴ１及びインダクタＬ１を備えるシングルアンプ回路を用いて構成することができる。

スイッチ素子ＦＥＴ１は、ゲート回路１３の出力信号（高周波信号）Ｇ_ＯＵＴに応じてオン・オフする素子（つまり、高周波でスイッチングすることができる素子）である。例えば、スイッチ素子ＦＥＴ１はＮ型ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を用いて構成することができる。スイッチ素子ＦＥＴ１のドレイン端子（第１端子）にはインダクタＬ１を介して電源ＰＷＲが供給される。また、スイッチ素子ＦＥＴ１のドレイン端子にはアンテナ回路１６が接続されている。スイッチ素子ＦＥＴ１のソース端子（第２端子）は接地電位に接続されている。インダクタＬ１は高周波チョークとして機能する。

つまり、スイッチ素子ＦＥＴ１のゲート端子にゲート回路１３の出力信号（高周波信号）Ｇ_ＯＵＴが供給されると、スイッチ素子ＦＥＴ１及びインダクタＬ１は高周波信号を増幅し、この増幅された高周波信号Ｆ_ＯＵＴをアンテナ回路１６に供給する。換言すると、アンプ回路１５は、ゲート回路１３から供給された出力信号（高周波信号）Ｇ_ＯＵＴに応じてスイッチ素子のオン・オフを切り替えることでアンテナ回路１６に増幅された高周波信号Ｆ_ＯＵＴを供給する。

アンテナ回路１６は、増幅された高周波信号Ｆ_ＯＵＴ（発振回路１２から出力された高周波信号ＯＳＣ_ＯＵＴに対応している）に応じた電力伝送信号を放射する。例えば、アンテナ回路１６には送電コイルおよびインピーダンス整合回路（不図示）が含まれており、高周波信号Ｆ_ＯＵＴが供給されると、高周波信号Ｆ_ＯＵＴに応じた磁束がコイルに発生し、この磁束が電力伝送信号として放射される。また、アンテナ回路１６から放射された電力伝送信号は、電力供給先である所定の電子機器（受電装置）で受信される。つまり、所定の電子機器（受電装置）は受電コイルを備えており、アンテナ回路１６から放射された電力伝送信号を受信すると、所定の電子機器（受電装置）が備える受電コイルに起電力が発生する。これにより、非接触電力伝送装置１から所定の電子機器に電力が伝送される。

次に、非接触電力伝送装置１の動作について、図２に示すタイミングチャートを用いて説明する。タイミングｔ１において、制御回路１１にハイレベルのイネーブル信号ＥＮが供給されると、制御回路１１は発振回路１２への電源Ｐ_ＯＳＣの供給を開始する。発振回路１２に電源Ｐ_ＯＳＣが供給されると発振回路１２が起動し、その後、起動時間ｔ_ｓｔａｒｔ経過後のタイミングｔ２において、発振回路１２は安定状態となる。

また、タイミングｔ１において、制御回路１１から発振回路１２に電源Ｐ_ＯＳＣが供給されると、遅延回路１４はこの電源Ｐ_ＯＳＣの供給を検出する。そして、遅延回路１４は、電源Ｐ_ＯＳＣの供給を検出した後、所定の時間ｔ_ｄｅｌａｙ経過後のタイミングｔ３に、ゲート回路１３にハイレベルの活性化信号Ｄ_ＯＵＴを出力する。遅延回路１４が電源Ｐ_ＯＳＣの供給を検出した後、ゲート回路１３にハイレベルの活性化信号Ｄ_ＯＵＴを出力するまでの時間ｔ_ｄｅｌａｙは、発振回路１２の起動時間ｔ_ｓｔａｒｔよりも長い（つまり、ｔ_ｄｅｌａｙ＞ｔ_ｓｔａｒｔ）。

ゲート回路１３にハイレベルの活性化信号Ｄ_ＯＵＴが供給されると、ゲート回路１３は、発振回路１２から供給された高周波信号ＯＳＣ_ＯＵＴを、ゲート回路１３の出力信号Ｇ_ＯＵＴとして出力する。ゲート回路１３の出力信号Ｇ_ＯＵＴはスイッチ素子ＦＥＴ１のゲート端子に供給される。これにより、スイッチ素子ＦＥＴ１が出力信号Ｇ_ＯＵＴに応じてオン・オフ動作して、高周波信号Ｆ_ＯＵＴがアンテナ回路１６に供給される。

アンテナ回路１６は、供給された高周波信号Ｆ_ＯＵＴに応じた電力伝送信号を放射する。これにより、電力供給先である所定の電子機器（受電装置）に電力を伝送することができる。

特許文献１に開示されている非接触電力伝送装置では、発振回路（オシレータ）から出力された高周波信号と、有効信号発生回路から出力されたＥＮ信号（イネーブル信号）とが駆動回路に供給されている。そして、駆動回路は、ＥＮ信号がハイレベルである場合、駆動信号（ＤＲ信号）を出力して給電動作を行っている。

ここで、特許文献１に開示されている非接触電力伝送装置では、発振回路が常にオン状態となっている。このため、ＥＮ信号がロウレベルの状態（つまり、非接触電力伝送装置が給電を行っていない状態）であっても発振回路は動作をし続けているため、発振回路は電力を消費し続けている。特にこの問題は、発振回路としてメガヘルツ帯以上の高周波で発振する水晶発振回路を用いた場合に顕著になる。

一方、非接触電力伝送装置の消費電力を低減させるために、非接触電力伝送装置が給電を行っていないときに発振回路の動作を停止させることも想定される。しかしながら、発振回路を停止させた場合は、発振回路を再度動作させた際に発振回路が安定動作状態となるまでに所定の時間を必要とし、この間は非接触電力伝送装置の動作が不安定になるという問題があった。

例えば、非接触電力伝送装置がスイッチ素子ＦＥＴ１及びインダクタＬ１を備えるシングルアンプ回路（図１参照）を備える構成とした場合、発振回路の動作が不安定である期間にスイッチ素子ＦＥＴ１にハイレベルの信号が印加されるとシングルアンプ回路が直流的に短絡し、過電流等を生じる場合があった。

このような問題を解決するために、本実施の形態にかかる非接触電力伝送装置１では、制御回路１１を用いて発振回路１２への電源Ｐ_ＯＳＣの供給を制御している。具体的には、制御回路１１は、イネーブル信号ＥＮがハイレベルの場合（つまり、非接触電力伝送装置１を動作状態とする場合）に発振回路１２に電源Ｐ_ＯＳＣを供給し、イネーブル信号ＥＮがロウレベルの場合（つまり、非接触電力伝送装置１を動作状態としない場合）は発振回路１２に電源Ｐ_ＯＳＣを供給しない。よって、非接触電力伝送装置１が動作しない場合は発振回路１２の動作を停止させることができるので、非接触電力伝送装置１の消費電力を抑制することができる。

また、本実施の形態にかかる非接触電力伝送装置１では、発振回路１２からアンプ回路１５への高周波信号の供給を切り替えるゲート回路１３を設け、制御回路１１から発振回路１２に電源Ｐ_ＯＳＣが供給されて発振回路１２が起動し、発振回路１２が安定動作状態となった後にアンプ回路１５に高周波信号が供給されるようにしている。換言すると、発振回路１２が不安定な状態の場合はアンプ回路１５に高周波信号が供給されないようにしている。よって、非接触電力伝送装置の動作が不安定になることを抑制することができる。

以上で説明した本実施の形態にかかる発明により、消費電力を抑制すると共に、安定動作が実現可能な非接触電力伝送装置を提供することができる。

次に、本実施の形態にかかる非接触電力伝送装置の具体的な構成例について、図３に示すブロック図を用いて説明する。本実施の形態にかかる非接触電力伝送装置１’は、図３に示すように、制御回路１１、発振回路１２、ゲート回路１３、遅延回路１４、アンプ回路１５、及びアンテナ回路１６を備える非接触電力伝送回路モジュール２に加えて、バッテリ２１及び収納検出部２２を備える。なお、非接触電力伝送回路モジュール２を構成する各要素については上記で説明した場合と同様であるので重複した説明は省略する。

バッテリ２１は、非接触電力伝送回路モジュール２に電源ＰＷＲを供給する。バッテリ２１は、非接触電力伝送回路モジュール２に直接又はＤＣ−ＤＣコンバータを介して接続されている。バッテリ２１には、例えば乾電池や充電可能な二次電池等を用いることができる。特にバッテリ２１を電源として用いた場合は、発振回路１２が常に動作している構成とするとバッテリ２１の消費が問題になる。しかし、本実施の形態にかかる非接触電力伝送装置のように、発振回路１２の動作を停止させることができるように構成することで、非接触電力伝送装置の消費電力を抑制することができ、バッテリ２１の消費を抑制することができる。

収納検出部２２は、電子機器３１が非接触電力伝送装置１’に収納されたことを検出する。ここで、電子機器３１は、アンテナ回路１６から放射された電力伝送信号２０を用いて電力が供給される電子機器である。収納検出部２２は、電子機器３１が非接触電力伝送装置１’に収納されたことを検出すると、ハイレベルのイネーブル信号ＥＮを制御回路１１に供給する。制御回路１１は、ハイレベルのイネーブル信号ＥＮが供給されると、上記で説明したように発振回路１２に電源Ｐ_ＯＳＣを供給する。

収納検出部２２を実現する方式としては、例えば、光素子を使用する方式、マグネット及び磁気センサを使用する方式、又は、機構スイッチを使用する方式等がある。なお、図３では、電子機器３０は非接触電力伝送装置１’の外部に配置されている電子機器を示し、電子機器３１は非接触電力伝送装置１’の収納部に収納されている状態の電子機器を示している。非接触電力伝送装置１’の収納部に収納されている電子機器３１には、アンテナ回路１６から電力伝送信号２０が供給される。これにより、電子機器３１に電力が伝送される。電子機器３１は、二次電池又はキャパシタを備えており、非接触電力伝送装置１’から供給された電力を用いて二次電池又はキャパシタを充電する。

なお、図３では非接触電力伝送装置の電源にバッテリ２１を用いた場合を示したが、本実施の形態では、バッテリ２１の代わりに商用電源を用いるように構成してもよい。商用電源を用いる場合は、整流回路および電圧調整回路を用いて商用電源を予め所定の電源電圧に調整する。

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１、１’ 非接触電力伝送装置
２ 非接触電力伝送回路モジュール
１１ 制御回路
１２ 発振回路
１３ ゲート回路
１４ 遅延回路
１５ アンプ回路
１６ アンテナ回路
２０ 電力伝送信号
３０、３１ 電子機器（受電装置）

Claims (5)

1. 高周波信号を出力する発振回路と、
   前記高周波信号を増幅するアンプ回路と、
   前記アンプ回路で増幅された高周波信号を電力伝送信号として放射するアンテナ回路と、
   イネーブル信号に応じて前記発振回路への電源の供給を制御する制御回路と、
   前記発振回路と前記アンプ回路との間に設けられ、前記発振回路から前記アンプ回路への前記高周波信号の供給を切り替えるゲート回路と、を備え、
   前記ゲート回路は、前記制御回路から前記発振回路に前記電源が供給されて前記発振回路が起動し、前記発振回路が安定動作状態となった後に前記アンプ回路に前記高周波信号を供給する、
   非接触電力伝送装置。
2. 前記制御回路から前記発振回路への前記電源供給を検出し、当該電源供給を検出した後、所定の時間経過後に前記ゲート回路に活性化信号を出力する遅延回路を更に備え、
   前記ゲート回路は前記活性化信号が供給された際に前記アンプ回路に前記高周波信号を供給する、
   請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記アンプ回路は、
   一端に前記電源が供給され、他端が第１端子に接続されたインダクタと、
   前記インダクタおよび前記アンテナ回路が接続された前記第１端子と接地電位に接続された第２端子との間に接続されたスイッチ素子と、を備え、
   前記アンプ回路は、前記ゲート回路から供給された前記高周波信号に応じて前記スイッチ素子のオン・オフを切り替えることで前記アンテナ回路に前記増幅された高周波信号を供給する、
   請求項１または２に記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記アンテナ回路から放射された前記電力伝送信号を用いて電力が供給される所定の電子機器が前記非接触電力伝送装置に収納されたことを検出する収納検出部を更に備え、
   前記収納検出部は前記電子機器が前記非接触電力伝送装置に収納されたことを検出した際に前記イネーブル信号を前記制御回路に供給する、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。
5. 前記電源はバッテリより供給されるものである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。

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