JP2017147849A - 非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受電ユニット側に過電圧保護回路を備えるとともに通信部を不要として、小形化を実現しつつ動作信頼性の高い非接触給電装置を提供する。【解決手段】給電ユニット１Ｓと受電ユニット１Ｒを備えた非接触給電装置１であって、給電ユニット１Ｓは、給電コイル３１と、給電コイル３１に交流電力を供給する交流電源２と、を備え、受電ユニット１Ｒは、給電コイル３１に対向すると電磁結合して非接触で交流電力を受け取る受電コイル４１と、受電コイル４１に接続されて受電側共振回路を形成する受電側共振用コンデンサ４５と、受電コイル４１が受け取った交流電力を変換して受電電圧ＶＲを生成し、電気負荷ＥＬに出力する受電回路５と、受電電圧ＶＲが過電圧状態を判定する閾値電圧ＶＦを超過した場合に、受電側共振回路の受電側共振周波数ｆｒを変移させる過電圧保護回路６と、を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁結合方式でかつ共振現象を利用して非接触給電を行う非接触給電装置に関する。

多数の部品が装着された基板を生産する基板生産機として、はんだ印刷機、電子部品装着機、リフロー機、基板検査機などがある。これらの設備を連結して基板生産ラインを構成することが一般的になっている。さらに、モジュール化された同じ大きさの基板生産機を列設して基板生産ラインを構成する場合も多い。モジュール化された基板生産機を用いることにより、ラインの組み替え時やラインを長大化する増設時の段取り替え作業が容易になり、フレキシブルな基板生産ラインが実現される。

近年、基板生産ラインの各基板生産機で使用する機材や部材を、基板生産ラインに沿って移動する移動体に搬送させ、省力化および自動化を推進することが検討されている。さらに、移動体への給電手段として、非接触給電装置が考えられている。なお、非接触給電装置の用途は、基板生産ラインに限定されず、他の製品を生産する組立ラインや加工ライン、電動車両の走行中給電など幅広い分野にわたっている。この種の非接触給電装置では、給電素子および受電素子にそれぞれコイルを用いる電磁結合方式が多用される。さらに、給電コイルおよび受電コイルの少なくとも一方に共振用コンデンサを接続し、共振現象を利用して給電効率を高めることも行われている（いわゆる磁界共鳴方式）。電磁結合方式の非接触給電装置に関する技術例として、特許文献１〜３を例示する。

特許文献１に開示された非接触給電システムは、車両に搭載された二次コイルおよび受電回路と、駐停車区域に配置された一次コイルおよび給電回路とを備える。さらに、この非接触給電システムは、システム内の所定位置の電圧値または電流値を検出する手段と、電圧値または電流値が所定範囲にあるか否かを判定する手段とを備え、否であるときに電力供給を停止して報知する。実施形態の説明によれば、車両側の受電装置（受電ユニット）は、二次コイルおよび受電回路に加えて制御部、通信部、および電圧検出部を備える。また、駐停車区域側の給電装置（給電ユニット）は、一次コイルおよび給電回路に加えて、制御部、通信部、および報知部を備える。そして、受電装置で過電圧が発生すると、対向する通信部を用いて給電装置に過電圧通信を行い、給電回路を停止させるとともに、報知部で視覚または聴覚により報知する。

また、特許文献２に開示された過電圧保護付の非接触給電装置は、１次側回路（給電ユニット）の１次コイルから２次側回路（受電ユニット）の２次コイルに電力を供給するものであり、２次側回路に過電圧保護部が設けられている。この過電圧保護部は、２次側回路について過電圧発生を検出すると、２次コイルを短絡して保護する。このとき、１次コイル側は、短絡による電流または電圧の変化を検出して、電源をオフとする。これに類似した受電ユニット側の過電圧保護の技術例は、特許文献３にも開示されている。

特開２０１３−１７２５０７号公報 特開２０１２−４４７６２号公報 特開２０１５−２９４０４号公報

ところで、特許文献１の技術例では、過電圧通信を行うための通信部が受電装置および給電装置にそれぞれ必要となる。このため、受電装置および給電装置が大形化する。また、過電圧通信を行った後でないと給電回路を停止できない。このため、受電装置では、過電圧状態の継続時間が長引いて大きなストレスとなり、信頼性が低下する。

これに対して、特許文献２、３の技術例では、受電装置側で過電圧を検出したときに、通信を介することなく受電装置側で短時間のうちに保護することが可能であり、信頼性の面で優れている。しかしながら、２次コイルを短絡して保護すると、受電装置の電気負荷は直ちに停止してしまうため、必ずしも好ましいとは言えない。つまり、過電圧発生を検出した後に、過電圧を低下させてごく短時間だけでも電気負荷の動作を継続できると、信頼性が高められる。

また、特許文献２、３の技術例では、受電装置側での保護が終了した後に、給電装置側の給電回路を停止させる。このため、非接触給電装置は自動復旧できずに停止状態が継続し、復旧操作に人手がかかる。実際には、受電装置側の過電圧は、装置始動時や、受電装置と給電装置との位置関係がずれているとき、あるいは位置関係が変化しつつあるときなどに一時的に発生するケースが多い。つまり、一時的な過電圧の発生は、故障に起因するものではないので、保護することは必要であっても、非接触給電装置の全体を停止する必要は無い。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、受電ユニット側に過電圧保護回路を備えるとともに通信部を不要として、小形化を実現しつつ動作信頼性の高い非接触給電装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の非接触給電装置は、給電ユニットと受電ユニットを備えた非接触給電装置であって、前記給電ユニットは、給電コイルと、前記給電コイルに交流電力を供給する交流電源と、を備え、前記受電ユニットは、前記給電コイルに対向すると電磁結合して非接触で交流電力を受け取る受電コイルと、前記受電コイルに接続されて受電側共振回路を形成する受電側共振用コンデンサと、前記受電コイルが受け取った交流電力を変換して受電電圧を生成し、電気負荷に出力する受電回路と、前記受電電圧が過電圧状態を判定する閾値電圧を超過した場合に、前記受電側共振回路の受電側共振周波数を変移させる過電圧保護回路と、を備えた。

本発明の非接触給電装置において、受電ユニットの過電圧保護回路は、過電圧状態を判定した場合に、受電側共振回路の受電側共振周波数を変移させる。これにより、受電側共振周波数が交流電源の周波数から大きく外れて受電電圧が低下し、過電圧状態が解消されて保護される。したがって、通信部を経由して給電ユニットの交流電源を停止する必要が無く、短時間での保護が可能となり、動作信頼性が高い。また、受電電圧は、低下しつつも継続して電気負荷に出力されるので、動作信頼性が高い。

第１実施形態の非接触給電装置の構成を模式的に説明する図である。 非接触給電装置の給電性能の周波数特性を定性的に示した図である。 非接触給電装置の過電圧保護の動作を模式的に説明するタイムチャートの図である。 非接触給電装置の過電流保護回路の動作を模式的に説明するタイムチャートの図である。 第２実施形態の非接触給電装置の過電圧保護の動作を説明するタイムチャートの図である。 第３実施形態の非接触給電装置の構成を模式的に説明する図である。 正対時給電部の構成を模式的に説明する図６のＺ方向から見た部分拡大側面図である。

（１．第１実施形態の非接触給電装置１の構成）
本発明の第１実施形態の非接触給電装置１について、図１〜図４を参考にして説明する。図１は、第１実施形態の非接触給電装置１の構成を模式的に説明する図である。図１中の破線の矢印は、制御の流れを示している。第１実施形態の非接触給電装置１は、給電ユニット１Ｓと受電ユニット１Ｒを備える。給電ユニット１Ｓは、定位置に配置される。受電ユニット１Ｒは、給電ユニット１Ｓに対して位置の変更が可能とされている。図示されるように、給電ユニット１Ｓに対して受電ユニット１Ｒが対向位置に配置されると、非接触給電装置１は電磁結合方式の非接触給電を行う。

給電ユニット１Ｓは、交流電源２、給電側共振用コンデンサ３５、給電コイル３１、および過電流保護回路７を備える。詳述すると、交流電源２の高圧出力端子２１は、給電側共振用コンデンサ３５の一端に接続されている。給電側共振用コンデンサ３５の他端は、給電コイル３１の一端に接続されている。給電コイル３１の他端は、過電流保護回路７の一端に接続されている。過電流保護回路７の他端は、交流電源２の低圧出力端子２２に接続されている。上記した接続により、環状の給電回路が構成されている。

交流電源２は、給電コイル３１に交流電力を供給する。交流電源２は、例えば、直流電圧を供給する直流電源部と、直流電圧を交流変換する公知のブリッジ回路とを用いて構成できる。交流電源２の周波数ｆ０として、数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚのオーダーを例示でき、これに限定されない。

給電側共振用コンデンサ３５および給電コイル３１は、給電側共振回路を構成している。給電側共振回路は、交流電源２からみて直列共振回路となっている。給電側共振回路の給電側共振周波数ｆｓは、次の式１で求められる。ただし、πは円周率、ＬＳは給電コイル３１のインダクタンス値、ＣＳは給電側共振用コンデンサ３５の静電容量値である。
ｆｓ＝１／２π（ＬＳ・ＣＳ）^0.5 ……………………………式１

過電流保護回路７は、給電コイル３１に流れる給電電流ＩＳを検出して、過電流状態を判定する閾値電流ＩＦと大小比較する。過電流保護回路７は、所定の故障判定時間ＴＦにわたって給電電流ＩＳが閾値電流ＩＦを超過した場合に、交流電源２に停止信号Ｓｏｆｆを出力する。これにより、交流電源２は停止する。なお、故障判定時間ＴＦは、後述する復帰時間ＴＲよりも長く設定されている。

受電ユニット１Ｒは、受電コイル４１、受電側共振用コンデンサ４５、受電回路５、および過電圧保護回路６を備える。受電回路５は、整流回路５０および平滑コンデンサ５６を含む。過電圧保護回路６は、電圧検出回路６１、スイッチ６２、およびスイッチ操作回路６３を含む。

受電コイル４１の一端４１１は、受電側共振用コンデンサ４５の一端、および整流回路５０の入力第１端子５１に接続されている。受電コイル４１の他端４１２は、スイッチ６２の他端、および整流回路５０の入力第２端子５２に接続されている。受電側共振用コンデンサ４５の他端は、スイッチ６２の一端に接続されている。整流回路５０の出力第１端子５３および出力第２端子５４は、平滑コンデンサ５６、電圧検出回路６１、ならびに電気負荷ＥＬの各一端および各他端に接続されている。上記した接続により、受電回路が構成されている。

受電コイル４１は、給電コイル３１に対向すると電磁結合して非接触で交流電力を受け取る。受電コイル４１および受電側共振用コンデンサ４５は、受電側共振回路を構成している。受電側共振回路は、電気負荷ＥＬの側からみて並列共振回路となっている。受電側共振回路の受電側共振周波数ｆｒは、次の式２で求められる。ただし、πは円周率、ＬＲは受電コイル４１のインダクタンス値、ＣＲは受電側共振用コンデンサ４５の静電容量値である。
ｆｒ＝１／２π（ＬＲ・ＣＲ）^0.5 ……………………………式２

整流回路５０は、４個の整流ダイオードをブリッジ接続した公知の全波整流回路とされている。整流回路５０および平滑コンデンサ５６は、直流の受電電圧ＶＲを生成して、電気負荷ＥＬに出力する。電気負荷ＥＬは、受電ユニット１Ｒ上で仕事を行うものであり、その種類や消費電力などは限定されない。電気負荷ＥＬは、受電ユニット１Ｒを移動させる電動駆動源を含んでいてもよい。また、受電電圧ＶＲのレベルを調整して電気負荷ＥＬに出力するＤＣＤＣコンバータなども、電気負荷ＥＬの一部に含めて考えることができる。

電圧検出回路６１は、受電電圧ＶＲを検出して、スイッチ操作回路６３に出力する。スイッチ操作回路６３は、受電電圧ＶＲと、過電圧状態を判定する閾値電圧ＶＦとを大小比較する。スイッチ操作回路６３は、受電電圧ＶＲが閾値電圧ＶＦを超過した場合、スイッチ６２に開路信号Ｓｏｐｅｎを出力する。これにより、スイッチ６２は開路操作される。スイッチ６２は、通常の運転時には閉路されて使用され、開路操作されると受電側共振用コンデンサ４５を受電回路から切り離す。これにより、式２に示された受電側共振周波数ｆｒは変移する。

また、スイッチ操作回路６３は、スイッチ６２を開路操作してからの経過時間を計時するタイマを有している。スイッチ操作回路６３は、経過時間が所定の復帰時間ＴＲに達すると、受電電圧ＶＲと閾値電圧ＶＦとの大小比較を再開する。そして、閾値電圧ＶＦを超過していた受電電圧Ｖが閾値電圧ＶＦ以下に低下した場合に、開路信号Ｓｏｐｅｎを解消する。これにより、スイッチ６２は閉路操作され、受電側共振用コンデンサ４５は受電コイル４１に再び並列接続される。なお、復帰時間ＴＲは、過電流保護回路７の故障判定時間ＴＦよりも短く設定されている。

電圧検出回路６１は、例えば、直列接続された複数の抵抗で受電電圧ＶＲを分圧して検出する抵抗分圧回路とすることができる。スイッチ操作回路６３は、例えば、受電電圧ＶＲの分圧値をディジタル電圧値に変換するＡＤ変換器と、ディジタル電圧値に所定の演算処理を施しかつスイッチ６２を制御する電子制御装置と、を組み合わせて構成できる。スイッチ６２には、例えば、スイッチング機能を有する電力用半導体や電磁式の開閉リレーなどを用いることができる。

図２は、非接触給電装置１の給電性能の周波数特性を定性的に示した図である。図２の横軸は周波数ｆ、縦軸は受電電圧ＶＲを示している。図示されるように、給電性能の周波数特性は、受電側共振周波数ｆｒおよび給電側共振周波数ｆｓにピークを有する二山特性となっている。そして、受電側共振周波数ｆｒと給電側共振周波数ｆｓとの間の周波数において、受電電圧ＶＲは、比較的高くかつ安定している。交流電源２の周波数ｆ０は、この受電側共振周波数ｆｒと給電側共振周波数ｆｓとの間に定められている。これにより、周波数変動の影響を受けにくく、かつ比較的高い受電電圧ＶＲが得られる。なお、受電側共振周波数ｆｒと給電側共振周波数ｆｓの大小関係は、逆になっていてもよい。

（２．第１実施形態の非接触給電装置１の動作および作用）
次に、第１実施形態の非接触給電装置１の動作および作用について説明する。図３は、非接触給電装置１の過電圧保護の動作を模式的に説明するタイムチャートの図である。図３の横軸は時間ｔの経過を表し、上段のグラフは受電電圧ＶＲ、下段のグラフは給電電流ＩＳをそれぞれ示している。

図３の時刻ｔ１以前において、受電ユニット１Ｒは、給電ユニット１Ｓに対向する適正位置にあって、非接触給電が良好に行われている。このときの受電電圧ＶＲ＝Ｖｎ、給電電流ＩＳ＝Ｉｎである。時刻ｔ１の時点で、何らかの原因によって受電電圧ＶＲが上昇し始め、同時に給電電流ＩＳも増加し始めている。

受電電圧ＶＲが上昇する一番目の原因として、受電ユニット１Ｒの位置変化が考えられる。つまり、給電ユニット１Ｓに対する受電ユニット１Ｒの相対位置が変化しつつあると、受電電圧ＶＲが一時的に上昇し得る。二番目の原因として、電気負荷ＥＬの急峻な変動が考えられる。例えば、電気負荷ＥＬにモータを含んでいる場合、モータの回転数変化に応じて、受電電圧ＶＲが一時的に上昇し得る。三番目の原因として、回路部品の故障が考えられる。例えば、給電側共振用コンデンサ３５、給電コイル３１、受電コイル４１、および受電側共振用コンデンサ４５のいずれかが故障すると、受電電圧ＶＲが永続的に上昇し得る。実際には、三番目の原因は稀であり、一番目または二番目の原因による場合が多い。

時刻ｔ２に、受電電圧ＶＲが閾値電圧ＶＦを超過すると、スイッチ操作回路６３によってスイッチ６２が開路操作される。これにより、受電側共振周波数ｆｒが変移し、受電電圧ＶＲは上昇から低下に転じる。このとき、受電コイル４１と電気負荷ＥＬとの間の閉じた回路は活きているので、電気負荷ＥＬに流れる電流は、瞬時には無くならない。仮に、スイッチ６２の開路操作が行われないと、受電電圧ＶＲは、破線Ｖｘに示されるように増加し続けるので、リスクが生じる。一方、給電電流ＩＳは、時刻ｔ２以降も増加し続け、時刻ｔ３には閾値電流ＩＦを超過する。

時刻ｔ４において、低下する受電電圧ＶＲは、良好なときの電圧値Ｖｎを下回る。スイッチ６２を開路操作した時刻ｔ２から復帰時間ＴＲが経過した後の時刻ｔ５に、スイッチ操作回路６３は、受電電圧ＶＲと閾値電圧ＶＦとの大小比較を再開する。このとき、受電電圧Ｖが閾値電圧ＶＦ以下に低下しているので、スイッチ操作回路６３によってスイッチ６２が閉路操作される。これにより、受電側共振周波数ｆｒが回復し、受電電圧ＶＲは低下から上昇に転じる。仮に、スイッチ６２の閉路操作が行われないと、受電電圧ＶＲは破線Ｖｙに示されるように低下するので、自動復旧されない。

ここで、受電電圧ＶＲの上昇が一番目または二番目の原因によるとき、時刻ｔ５の時点で当該の原因は解消されている場合が多い。この場合、受電電圧ＶＲは、良好なときの電圧値Ｖｎへと落ち着いてゆく。また、時刻ｔ５以降、給電電流ＩＳは、増加から減少に転じて、良好なときの電流値Ｉｎへと落ち着いてゆく。つまり、一番目または二番目の原因による受電電圧ＶＲの一時的な上昇に対し、過電圧保護回路６は、受電電圧ＶＲを低下させて保護を行い、さらに自動復旧を行う。

一方、受電電圧ＶＲの上昇が三番目の原因によるとき、時刻ｔ５の時点で当該の原因は解消されない。この場合、受電電圧ＶＲは、破線Ｖｚに示されるように再び急峻に上昇する。このため、時刻ｔ６に、受電電圧ＶＲが閾値電圧ＶＦを超過すると、再度スイッチ６２が開路操作される。また、時刻ｔ５以降も、破線Ｉｚで示されるように給電電流ＩＳは閾値電流ＩＦを超過したままとなる。ここで、時刻ｔ３から時刻ｔ６の間、給電電流ＩＳが閾値電流ＩＦを超過しているが、未だ故障判定時間ＴＦには達していない。したがって、過電流保護回路７は、時刻ｔ６の時点では、停止信号Ｓｏｆｆを出力しない。

図４は、非接触給電装置１の過電流保護回路７の動作を模式的に説明するタイムチャートの図である。図４は、三番目の原因によって、図３と同じ時刻ｔ１に受電電圧ＶＲが上昇し始め、同時に給電電流ＩＳが増加し始めた場合を例示している。図４の横軸の時間ｔの経過は、図３よりも長いスパンで示されている。三番目の原因が発生していると、時刻ｔ３以降に、給電電流ＩＳは閾値電流ＩＦを超過したままとなる。そして、スイッチ６２の開路操作および閉路操作が数回繰り返されて、故障判定時間ＴＦが経過する。時刻ｔ３から故障判定時間ＴＦが経過した後の時刻ｔ８に、過電流保護回路７は、停止信号Ｓｏｆｆを出力する。これにより、交流電源２は停止し、給電電流ＩＳは流れなくなる。

本第１実施形態では、従来技術と比較して、次に示す固有の作用が生じる。すなわち、第１の作用として、時刻ｔ２から時刻ｔ４の間、電気負荷ＥＬは動作し続けることが可能となっている。例えば、電気負荷ＥＬの前段にＤＣ／ＤＣコンバータを含む場合、低下しつつある受電電圧ＶＲでも、一時的には電気負荷ＥＬを駆動できる。これに対して、従来技術では、時刻ｔ２に受電コイル４１の両端を短絡して保護するため、電気負荷ＥＬに作用する受電電圧ＶＲは瞬時に無くなる。

第２の作用として、一番目または二番目の原因による受電電圧ＶＲの一時的な上昇に対して、保護を行いつつ、自動復旧を行える。これに対して、従来技術では、受電ユニット１Ｒの側で受電電圧ＶＲの上昇を検出すると、交流電源２を停止して保護するので、自動復旧は行われず、復旧操作に人手がかかる。また、三番目の原因、すなわち回路部品の故障による受電電圧ＶＲの永続的な上昇に対して、従来技術と同様に、交流電源２を停止して、非接触給電装置１の全体を確実に保護できる。

（３．第１実施形態の非接触給電装置１の態様および効果）
第１実施形態の非接触給電装置１は、給電ユニット１Ｓと受電ユニット１Ｒを備えた非接触給電装置１であって、給電ユニット１Ｓは、給電コイル３１と、給電コイル３１に交流電力を供給する交流電源２と、を備え、受電ユニット１Ｒは、給電コイル３１に対向すると電磁結合して非接触で交流電力を受け取る受電コイル４１と、受電コイルに接続されて受電側共振回路を形成する受電側共振用コンデンサ４５と、受電コイル４１が受け取った交流電力を変換して受電電圧ＶＲを生成し、電気負荷ＥＬに出力する受電回路５と、受電電圧ＶＲが過電圧状態を判定する閾値電圧ＶＦを超過した場合に、受電側共振回路の受電側共振周波数ｆｒを変移させる過電圧保護回路６と、を備えた。

第１実施形態の非接触給電装置１において、受電ユニット１Ｒの過電圧保護回路６は、過電圧状態を判定した場合に、受電側共振回路の受電側共振周波数ｆｒを変移させる。これにより、受電側共振周波数ｆｒが交流電源２の周波数ｆ０から大きく外れて受電電圧ＶＲが低下し、過電圧状態が解消されて保護される。したがって、従来技術の如く通信部を経由して交流電源２を停止する必要が無く、短時間での保護が可能となり、動作信頼性が高い。また、従来技術で用いられる通信部を不要としたので、受電ユニット１Ｒおよび給電ユニット１Ｓの小形化が実現される。さらに、受電電圧ＶＲは、低下しつつも継続して電気負荷ＥＬに出力されるので、動作信頼性が高い。

さらに、受電側共振用コンデンサ４５は、受電コイル４１に並列接続されて並列共振回路を形成し、過電圧保護回路６は、受電電圧ＶＲを検出する電圧検出回路６１と、受電側共振用コンデンサ４５を切り離し可能なスイッチ６２と、電圧検出回路６１で検出された受電電圧ＶＲが閾値電圧ＶＦを超過した場合に、スイッチ６２を開路操作して受電側共振用コンデンサ４５を切り離すスイッチ操作回路６３と、を含む。これによれば、受電側共振周波数ｆｒを変移させるためにコイルやコンデンサを別途追加する必要がないので、コストの増加が抑制される。

さらに、スイッチ操作回路６３は、閾値電圧ＶＦを超過していた受電電圧ＶＲが閾値電圧ＶＦ以下に低下した場合、所定の復帰時間ＴＲが経過した後に、スイッチ６２を閉路操作して受電側共振用コンデンサ４５を受電コイル４１に再び並列接続する。これによれば、受電ユニット１Ｒの位置変化や電気負荷ＥＬの急峻な変動などに起因する受電電圧ＶＲの一時的な上昇に対して、保護を行いつつ、自動復旧を行える。また、回路部品の故障などによる受電電圧ＶＲの永続的な上昇に対しても、保護を行える。

さらに、給電ユニット１Ｓは、給電コイル３１に流れる給電電流ＩＳが過電流状態を判定する閾値電流ＩＦを超過した場合に、交流電源２を停止する過電流保護回路７をさらに備えた。これによれば、交流電源２を停止することにより、非接触給電装置１の全体を確実に保護できる。

さらに、給電ユニット１Ｓは、復帰時間ＴＲよりも長い所定の故障判定時間ＴＦにわたって、給電コイル３１に流れる給電電流ＩＳが過電流状態を判定する閾値電流ＩＦを超過した場合に、交流電源２を停止する過電流保護回路７をさらに備えた。これによれば、受電電圧ＶＲの一時的な上昇では交流電源２を停止せず、回路部品の故障などによる受電電圧ＶＲの永続的な上昇に対してのみ交流電源２を停止する。したがって、受電ユニット１Ｓで過電圧が発生したときに、可能であれば自動復旧を行い、自動復旧できないときにのみ交流電源２を停止するので、動作信頼性が極めて高い。

さらに、給電ユニット１Ｓは、給電コイル３１に接続されて給電側共振回路を形成する給電側共振用コンデンサ３５をさらに備え、交流電源２の周波数ｆ０は、受電側共振回路の受電側共振周波数ｆｒと、給電側共振回路の給電側共振周波数ｆｓとの間に定められている。これによれば、給電性能の周波数特性に示されるように、周波数変動の影響を受けにくく、かつ比較的高い受電電圧ＶＲを得ることができる。

（４．第２実施形態の非接触給電装置）
次に、第２実施形態の非接触給電装置について、第１実施形態と異なる点を主に説明する。第２実施形態において、過電圧保護回路を構成するスイッチ操作回路の構成が第１実施形態と異なり、その他の部分の構成は第１実施形態と同じである。第２実施形態のスイッチ操作回路は、受電電圧ＶＲを所定の閾値電圧ＶＦと大小比較する比較回路と、受電電圧ＶＲが閾値電圧ＶＦを超過したときスイッチ６２に開路信号Ｓｏｐｅｎを出力する制御回路とが組み合わされて構成される。第２実施形態のスイッチ操作回路は、タイマを有さないので、復帰時間ＴＲに基づく動作を行わない。

図５は、第２実施形態の非接触給電装置の過電圧保護の動作を説明するタイムチャートの図である。図５の時刻ｔ１１以前において、受電ユニット１Ｒは、給電ユニット１Ｓに対向する適正位置にあって、非接触給電が良好に行われている。このときの受電電圧ＶＲ＝Ｖｎ、給電電流ＩＳ＝Ｉｎである。時刻ｔ１１の時点で、何らかの原因によって受電電圧ＶＲが上昇し始め、同時に給電電流ＩＳも増加し始める。

時刻ｔ１２に、受電電圧ＶＲが閾値電圧ＶＦを超過すると、スイッチ操作回路によってスイッチ６２が開路操作される。これにより、受電側共振周波数ｆｒが変移し、受電電圧ＶＲは閾値電圧ＶＦをオーバーシュートした後、低下し始める。仮に、スイッチ６２の開路操作が行われないと、受電電圧ＶＲは、破線Ｖｘに示されるように増加し続けるので、リスクが生じる。

時刻ｔ１３に、受電電圧ＶＲが閾値電圧ＶＦ以下まで低下すると、スイッチ操作回路によってスイッチ６２が閉路操作される。これにより、受電側共振周波数ｆｒが回復する。ここで、受電電圧ＶＲの上昇が一番目または二番目の原因によるとき、時刻ｔ１３の時点で当該の原因は解消されている場合が多い。この場合、受電電圧ＶＲは、さらに低下して良好なときの電圧値Ｖｎに落ち着く。

一方、受電電圧ＶＲの上昇が三番目の原因によるとき、時刻ｔ１３の時点で当該の原因は解消されない。この場合、受電電圧ＶＲは、破線Ｖｚに示されるように、閾値電圧ＶＦをアンダーシュートした後、再び上昇する。このため、時刻ｔ１４に受電電圧ＶＲが閾値電圧ＶＦを超過すると、再度スイッチ６２が開路操作される。原因がいずれの場合であっても、電気負荷ＥＬは動作し続けることが可能となっている。

上記したように、第２実施形態でも、一番目または二番目の原因による受電電圧ＶＲの一時的な上昇に対し、過電圧保護回路は、受電電圧ＶＲを低下させて保護を行い、さらに自動復旧を行う。また、第２実施形態においても、故障判定時間ＴＦにわたって、給電電流ＩＳが閾値電流ＩＦを超過した場合に、過電流保護回路７は、交流電源２を停止して、非接触給電装置の全体を保護する。

（５．第３実施形態の非接触給電装置１Ａ）
次に、第３実施形態の非接触給電装置１Ａについて、第１および第２実施形態と異なる点を主に説明する。図６は、第３実施形態の非接触給電装置１Ａの構成を模式的に説明する図である。第３実施形態の非接触給電装置１Ａは、基板生産ライン９に適用される。図示されるように、基板生産ライン９は、複数台の基板生産機９１、９２が列設されて構成されている。図６の左右方向は、基板生産機９１、９２の列設方向であり、後述する移動体９９の移動方向でもある。

各基板生産機９１、９２は、モジュール化されており、列設方向の幅寸法が互いに等しい。基板生産機９１、９２は列設位置の順序変更、およびモジュール化された他の基板生産機との入れ替えが可能とされている。基板生産機９１、９２の列設台数は限定されず、後から列設台数を増やすモジュール増設対応も可能になっている。基板生産機９１、９２として電子部品装着機を例示でき、これに限定されない。

基板生産機９１、９２の前方には、列設方向に延在する図略のガイドレールが配設されている。移動体９９は、ガイドレールに沿って移動方向に移動する。移動体９９は、各基板生産機９１、９２で使用する機材や部材を図略の保管庫から搬入し、使用後の機材や部材を保管庫に戻す役割を担っている。

第３実施形態の非接触給電装置１Ａは、各基板生産機９１、９２の前側にそれぞれ給電ユニット１Ｓが設けられ、移動体９９に２組の受電ユニット１Ｒが設けられて構成されている。図６に示されるように、２組の受電ユニット１Ｒは、受電回路５の出力側が一つにまとめられて、共通の電気負荷ＥＬに給電する。また、２組の受電ユニット１Ｒを保護する過電圧保護回路６Ａは、一体化された電圧検出回路６１およびスイッチ操作回路６３を共有するとともに、スイッチ６２をユニットごとに有する。

ここで、複数の給電コイル３１および２個の受電コイル４１の移動方向の長さ、および移動方向に隣り合う相互離間距離は、非接触給電が安定して行われるように設定されている。つまり、移動体９９の位置に関係なく常に、給電コイル３１と少なくとも１個の受電コイル４１とが正対状態になる。正対状態とは、給電コイル３１の移動方向の長さの範囲内に受電コイル４１の移動方向の長さの全体が対向する状態を意味する。正対状態にある受電コイル４１は、単独でも電気負荷ＥＬを駆動できるだけの受電容量を有する。

さらに、第３実施形態の非接触給電装置１Ａには、正対時給電部８が設けられている。図７は、正対時給電部８の構成を模式的に説明する図６のＺ方向から見た部分拡大側面図である。正対時給電部８は、正対状態検出部を構成するセンサ８１、８２、ドッグ８８、および交流電源２の電源スイッチ２３などで構成されている。

図７に示されるように、センサ８１、８２は、１個の給電コイル３１に２個ずつ設けられる。センサ８１、８２は、給電コイル３１の移動方向の両端から受電コイル４１の移動方向の長さＬＲ分だけ中央に寄った位置に配置されている。ドッグ８８は、細長い板状の部材であり、移動体９９の側面９８から突出して設けられている。ドッグ８８は、２個の受電コイル４１の相互に離れた遠方端同士を結んで延在している。

センサ８１、８２は、検出光の遮断を検出するタイプのセンサである。センサ８１、８２には、安価な汎用品を用いることができる。図７に示されるように、センサ８１、８２は、本体部８４、投光部８５、および受光部８６からなる。投光部８５および受光部８６は、本体部８４から突設され、相互に離隔している。投光部８５と受光部８６との間には、ドッグ８８が進入および退出できるように配置されている。

投光部８５は、受光部８６に向けて検出光を照射する。受光部８６は、検出光が遮断された遮断状態と、検出光が到達した受光状態とを区別して検出する。ドッグ８８が投光部８５と受光部８６との間に進入すると、遮断状態になる。ドッグ８８が投光部８５と受光部８６との間から退出すると、受光状態になる。２個のセンサ８１、８２の本体部８４は、それぞれ交流電源２の電源スイッチ２３に接続されている。

ドッグ８８は、受電コイル４１が正対状態にあるとき、センサ８１、８２に進入して、センサ８１、８２を作動する。これにより、センサ８１、８２の受光部６６は、遮断状態を検出し、本体部６４は、投入指令Ｐｏｎを電源スイッチ２３に指令する。２個のセンサ８１、８２の少なくとも一方の投入指令Ｐｏｎが発生していると、電源スイッチ２３が投入されて交流電源２が動作する。したがって、交流電源２は、給電コイル３１が正対状態になるときにのみ動作するので、電源効率が高い。

なお、投入指令Ｐｏｎが発生していても、過電流保護回路７の停止信号Ｓｏｆｆが入力されると、電源スイッチ２３は遮断されて交流電源２が停止する。つまり、給電機能よりも保護機能が優先して動作する。また、正対時給電部８の故障時などに、移動体９９が遠くに離隔しているにも拘わらず交流電源２が動作して、閾値電流ＩＦを超える給電電流ＩＳが給電コイル３１に流れることが生じ得る。この場合、過電流保護部７が動作して、当該の給電ユニット１Ｓが保護される。

第３実施形態の非接触給電装置１Ａにおいて、給電ユニット１Ｓは、基板生産ライン９を構成する複数の基板生産機９１、９２にそれぞれ同数個ずつ設けられ、受電ユニット１Ｒは、複数の基板生産機９１、９２の列設方向に移動する移動体９９に設けられている。

これによれば、基板生産機９１、９２の列設位置の順序変更、およびモジュール化された他の基板生産機との入れ替え、ならびに、列設台数が増設されるモジュール増設対応の全ての場合に、非接触給電装置１Ａは、良好な受電状態が確保される。加えて、過電圧保護回路６による短時間での保護、および自動復旧の機能が確保される。したがって、基板生産ライン９のライン構成の変更時やモジュール増設対応時に、非接触給電装置１に関する段取り替え作業は簡素である。

（６．実施形態の応用および変形）
なお、過電圧保護回路６の詳細な構成は、適宜変更することができる。例えば、過電圧保護回路６は、受電電圧ＶＲの過電圧状態を検出して過電圧信号を出力する過電圧検出回路と、スイッチ６２と、過電圧信号を増幅した駆動電圧をスイッチ６２に出力する増幅回路とで構成できる。また、受電側共振周波数ｆｒを変移させるため、受電コイル４１および受電側共振用コンデンサ４５以外のコイルやコンデンサを受電回路に付加し、スイッチで切り離すように構成してもよい。本発明は、その他にも様々な応用や変形が可能である。

本発明の非接触給電装置は、第３実施形態で説明した基板生産ライン９以外にも、他の製品を生産する組立ラインや加工ライン、電動車両の走行中給電など幅広い分野に利用可能である。

１、１Ａ：非接触給電装置
２：交流電源 ２３：電源スイッチ
３１：給電コイル ３５：給電側共振用コンデンサ
４１：受電コイル ４５：受電側共振用コンデンサ
５受電回路 ５０：整流回路 ５６：平滑コンデンサ
６、６Ａ：過電圧保護回路 ６１：電圧検出回路
６２：スイッチ ６３：スイッチ操作回路
７：過電流保護回路
８：正対時給電部 ８１、８２：センサ ８８：ドッグ
９：基板生産ライン ９１、９２：基板生産機 ９９：移動体
ＥＬ：電気負荷 ＩＳ：給電電流 ＩＦ：閾値電流
ＶＲ：受電電圧 ＶＦ：閾値電圧
ＴＦ：故障判定時間 ＴＲ：復帰時間
ｆｓ：給電側共振周波数 ｆｒ：受電側共振周波数
ｆ０：交流電源の周波数

Claims (8)

1. 給電ユニットと受電ユニットを備えた非接触給電装置であって、
   前記給電ユニットは、給電コイルと、前記給電コイルに交流電力を供給する交流電源と、を備え、
   前記受電ユニットは、
   前記給電コイルに対向すると電磁結合して非接触で交流電力を受け取る受電コイルと、
   前記受電コイルに接続されて受電側共振回路を形成する受電側共振用コンデンサと、
   前記受電コイルが受け取った交流電力を変換して受電電圧を生成し、電気負荷に出力する受電回路と、
   前記受電電圧が過電圧状態を判定する閾値電圧を超過した場合に、前記受電側共振回路の受電側共振周波数を変移させる過電圧保護回路と、
   を備えた非接触給電装置。
2. 前記受電側共振用コンデンサは、前記受電コイルに並列接続されて並列共振回路を形成し、
   前記過電圧保護回路は、
   前記受電電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記受電側共振用コンデンサを切り離し可能なスイッチと、
   前記電圧検出回路で検出された前記受電電圧が前記閾値電圧を超過した場合に、前記スイッチを開路操作して前記受電側共振用コンデンサを切り離すスイッチ操作回路と、
   を含む請求項１に記載の非接触給電装置。
3. 前記スイッチ操作回路は、前記閾値電圧を超過していた前記受電電圧が前記閾値電圧以下に低下した場合に、前記スイッチを閉路操作して前記受電側共振用コンデンサを前記受電コイルに再び並列接続する請求項２に記載の非接触給電装置。
4. 前記スイッチ操作回路は、前記スイッチを開路操作してから所定の復帰時間が経過した後に前記スイッチを閉路操作する請求項３に記載の非接触給電装置。
5. 前記給電ユニットは、
   前記給電コイルに流れる給電電流が過電流状態を判定する閾値電流を超過した場合に、前記交流電源を停止する過電流保護回路をさらに備えた請求項１〜４のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
6. 前記給電ユニットは、
   前記復帰時間よりも長い所定の故障判定時間にわたって、前記給電コイルに流れる給電電流が過電流状態を判定する閾値電流を超過した場合に、前記交流電源を停止する過電流保護回路をさらに備えた請求項４に記載の非接触給電装置。
7. 前記給電ユニットは、前記給電コイルに接続されて給電側共振回路を形成する給電側共振用コンデンサをさらに備え、
   前記交流電源の周波数は、前記受電側共振回路の前記受電側共振周波数と、前記給電側共振回路の給電側共振周波数との間に定められている請求項１〜６のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
8. 前記給電ユニットは、基板生産ラインを構成する複数の基板生産機にそれぞれ同数個ずつ設けられ、前記受電ユニットは、前記複数の基板生産機の列設方向に移動する移動体に設けられた請求項１〜７のいずれか一項に記載の非接触給電装置。

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