JP2022153688A - 非接触給電装置、受電装置及び送電装置 - Google Patents

非接触給電装置、受電装置及び送電装置 Download PDF

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Abstract

Figure 2022153688000001
【課題】 機械振動の有無や強度等を知ることができる非接触給電装置を提供する。
【解決手段】 非接触で電力の送電及び受電を行う非接触給電装置は、高周波磁界を発生する送電コイルを含む共振回路を有する送電モジュールと、高周波磁界によって高周波電流を発生する受電コイルを含む共振回路を有する受電モジュールと、を有する。送電モジュール及び受電モジュールの少なくとも一方は、送電モジュール又は受電モジュールの当該少なくとも一方の共振回路に流れる高周波電流に応じた高周波電圧の振幅変化を検出して、送電コイルと受電コイルの物理的な相対移動を示す出力信号を出力する相対移動検出部を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、非接触で給電を行う非接触給電装置、受電装置及び送電装置に関する。
短距離の通信用途に用いられているNFC(Near Field Communication)規格が知られている。近頃では、13.56MHz帯周波数を用いるNFCによりアンテナを小型化できる利点を活かして、NFCイヤフォン等に利用される非接触給電装置が開発され、例えば、受電側のコイルの近くに存在する異物を、センサを新たに設けることなく精度よく検知するシステムもある(特許文献1)。
特開2019-97383号公報
しかしながら、非接触給電装置の用途では、異物ではなく、送電側と受電側との間に生じる振動の検出等が必要となる場合があり、従来技術ではこのような課題の解決が困難である。
本発明は、以上の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、機械振動の有無や強度、振動の周波数、周波数成分の強度分布を知ることができる非接触給電装置、受電装置及び送電装置を提供することを目的とする。
本発明の非接触給電装置は、非接触で電力の送電及び受電を行う非接触給電装置であって、
高周波磁界を発生する送電コイルを含む共振回路を有する送電モジュールと、
前記高周波磁界によって高周波電流を発生する受電コイルを含む共振回路を有する受電モジュールと、を有し、
前記送電モジュール及び前記受電モジュールの少なくとも一方は、前記送電モジュール又は前記受電モジュールの当該少なくとも一方の前記共振回路に流れる前記高周波電流に応じた高周波電圧の振幅変化を検出して、前記送電コイルと前記受電コイルの物理的な相対移動を示す出力信号を出力する相対移動検出部を有する非接触給電装置。
本発明の受電装置は、高周波磁界を介して非接触で電力の受電を行う受電装置であって、
前記高周波磁界によって高周波電流を発生する受電コイルを含む共振回路を有し、
前記共振回路に流れる前記高周波電流に応じた高周波電圧の振幅変化を検出して、送電コイルと前記受電コイルの物理的な相対移動を示す出力信号を出力する相対移動検出部を有することを特徴とする。
本発明の送電装置は、高周波磁界を介して受電コイルへ非接触で電力の送電を行う送電装置であって、
前記高周波磁界を発生する送電コイルを含む共振回路を有し、
前記受電コイルでの誘導電流の変動による逆起電力に応じて前記共振回路に誘導される高周波電流に応じた高周波電圧の振幅変化を検波して、前記送電コイルと前記受電コイルの物理的な相対移動を示す出力信号を出力する相対移動検出部を有することを特徴とする。
本発明の非接触給電装置は、非接触で電力の送電及び受電を行う非接触給電装置であって、
高周波磁界を発生する送電コイルを含む共振回路を有する送電モジュールと、
前記高周波磁界によって高周波電流を発生する受電コイルを含む共振回路を有する受電モジュールと、を有し、
前記送電モジュールと前記受電モジュールが、固定された軸受と前記軸受に回転可能に取り付けられて回転する回転体にそれぞれ前記送電コイルと前記受電コイルが対向するように取り付けられ、
前記送電モジュール及び前記受電モジュールの少なくとも一方は、前記送電モジュール又は前記受電モジュールの当該少なくとも一方の前記共振回路に流れる前記高周波電流に応じた高周波電圧の振幅変化を検出して、前記送電コイルと前記受電コイルの物理的な相対移動を示す出力信号を出力する相対移動検出部を有することを特徴とする。
本発明の非接触給電装置は、非接触で電力の送電及び受電を行う非接触給電装置であって、
高周波磁界を発生する送電コイルを含む共振回路を有する送電モジュールと、
前記高周波磁界によって高周波電流を発生する受電コイルを含む共振回路を有する受電モジュールと、を有し、
前記送電モジュールと前記受電モジュールが、固定された構造物と前記構造物に離れて移動可能な移動体にそれぞれ前記送電コイルと前記受電コイルが対向するように取り付けられ、
前記送電モジュール及び前記受電モジュールの少なくとも一方は、前記送電モジュール又は前記受電モジュールの当該少なくとも一方の前記共振回路に流れる前記高周波電流に応じた高周波電圧の振幅変化を検出して、前記送電コイルと前記受電コイルの物理的な相対移動を示す出力信号を出力する相対移動検出部を有することを特徴とする。
本発明によれば、送電コイルと受電コイルの物理的な相対移動を示す出力信号を出力する相対移動検出部を有するので、機械振動の有無や強度、振動の周波数、周波数成分の強度分布を知ることができるという有利な効果を奏する非接触給電装置、受電装置及び送電装置が実現可能となる。
第1の実施例の非接触給電装置を示す回路ブロック図である。 第1の実施例の非接触給電装置における送電コイルと受電コイルとが一定の位置関係にある場合の、送電コイルの高周波信号(電流及び電圧)の搬送波波形(図2(a))と、それに接続されている検波回路の出力電圧波形(図2(b))と、送電コイルに磁界結合した受電コイルに生成される高周波信号(電流及び電圧)の波形(図2(c))と、それに接続されている検波回路の出力電圧波形(図2(d))と、を示すグラフである。 第1の実施例における送電コイルと受電コイルとが相対的に振動している場合の、送電コイルの高周波信号(電流及び電圧)の搬送波波形(図3(a))と、それに接続されている検波回路の出力電圧波形(図3(b))と、送電コイルに磁界結合した受電コイルに生成される高周波信号(電流及び電圧)の波形(図3(c))と、それに接続されている検波回路の出力電圧波形(図3(d))と、を示すグラフである。 第1の実施例の変形例の非接触給電装置を示す回路ブロック図である。 第1の実施例の他の変形例の非接触給電装置を示す回路ブロック図である。 第2の実施例の非接触給電装置の構成例を示す概略斜視図である。 第2の実施例の変形例の非接触給電装置の構成例を示す概略斜視図である。 第3の実施例に係る非接触給電装置の構成例を示す概略斜視図である。 第3の実施例に係る非接触給電装置における網目状の導体板を示す概略正面図である。 第3の実施例の非接触給電装置を示す回路ブロック図である。 第4の実施例の非接触給電装置の構成例を示す概略斜視図である。 第4の実施例の変形例の非接触給電装置の構成例を示す概略斜視図である。
以下、図面を参照しつつ本発明による実施例について詳細に説明する。なお、実施例において、実質的に同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
(第1の実施例)
図1は、送電装置1(モジュール)と受電装置2(モジュール)とからなる本実施例の非接触給電装置3の回路図を概略的に示している。非接触給電装置3は、非接触で電力の送電及び受電並びにデータのやりとりを行う送電装置1と受電装置2とからなる或る種の動き検出装置でもある。
以下に、送電装置1と受電装置2とを説明する。
(送電装置)
送電装置1は、高周波信号を生成する水晶発振回路(図示せず)等に接続される高周波信号源11と、高周波信号源11の出力を入力とする増幅回路12を有する。
増幅回路12は、その高周波電力出力(搬送波ともいう)を、キャパシタCを経て送電コイルTLに供給し、送電コイルTLに高周波電流を流す。送電コイルTLは高周波磁界を生成する。高周波信号源11と増幅回路12とキャパシタCと送電コイルTLが送電装置1の送電回路を構成する。キャパシタCと送電コイルTLが共振回路TRCを構成する。
送電装置1は、さらに、送電コイルTLに直列に接続された抵抗TRRと、その接続点に生起する高周波電圧を入力とする検波回路TWDと、このダイオード検波回路TWDによって直流又は低周波の電圧信号に変換された電気信号を入力とするADコンバータADC(Analog to Digital Converter)と、そのデジタル信号出力を入力とするデジタル回路DGCとを有する。
抵抗TRRを入力とする検波回路TWDとADコンバータADCとデジタル回路DGCとが送電装置1の相対移動検出部MVDを構成する。なお、送電コイルTLの高周波電流検出手段として抵抗TRRを用いる他に、図示しないが、送電コイルTLにタップを設けたり、別のコイルを用いたり、コイル端子から別のキャパシタを用いて取り出してもよい。
検波回路TWDは、例えば図1に示すように極性の異なる半波整流回路(入力側からのキャパシタsC及びダイオードpDとダイオードsD及びキャパシタpC)の2段重ねで構成された倍電圧整流回路である。検波回路TWDは、送電コイルTLの高周波電流に応じた高周波電圧から直流成分又は交流成分を抽出して抽出信号としてADコンバータADCへ出力する。なお、送電装置1の検波回路TWDとして、ダイオードを用いた正極性のダイオード検波回路を示しているが、トランジスタを用いた乗算器回路等他のトランジスタ検波回路でもよく、振幅を変換する極性も負極性でもよい。また、検波回路TWDの出力にフィルタを設けてもよい。
抽出信号の周波数を検出することを相対移動検出部MVDで正しく計測するためには、ADコンバータADCにより標本化定理より振動周波数の2倍以上のサンプリング周波数でAD変換する。かかるサンプリング周波数を用いて相対移動検出部MVDで抽出信号を計測すれば、送電装置2又は受電装置1を取り付けた検出すべき対象物の振動量を正しく把握できる。
デジタル回路DGCは、抽出信号の振幅変化をADコンバータADCによりデジタル信号に変換したデジタル出力に対して、フィルタ処理やフーリエ変換処理(分析)を行う。さらに、デジタル回路DGCは、これら信号処理の分析後の判断や制御を行う機能を有する。
さらに、送電装置1は通信回路T24を含んで構成されており、通信回路T24はデジタル回路DGCに接続されている。通信回路T24はデジタル回路DGCによる振動検出等の信号処理の分析後の結果を外部に出力する外部端子exを備えている。
また、通信回路T24は共振回路TRCの送電コイルTL及びキャパシタCの接続点に接続され、送電コイルTLを介して受電装置2とデータのやり取りを行う通信を実行する。
通信回路T24は、例えば、受電装置2が送電装置1の送電対象であるか否かを認証するための認証データのやり取りの他、送電装置1から送電された電力を受電装置2が受信したか否かを通知する受電通知のやり取り等を制御する、NFC通信機能を有する。NFC通信等の負荷変調通信としては、磁界結合を用いたASK変調(ASK:Amplitude Shift Keying)や周波数偏移変調(FSK:Frequency Shift Keying)や位相偏移変調(PSK:Phase Shift Keying)や直交振幅変調(QAM:Quadrature Amplitude Modulation)も利用できる。
また、通信回路T24は、送電コイルTLを介して受電装置2とNFC通信を行うことにより、受電装置2における振動検出データ(後述)の取得の他に、後述する負荷回路23の二次電池BATの残量の情報や非接触給電のための各種情報のやり取りを行い、送電すべき電力量を決定することができる。そして、通信回路T24は、前記決定した電力量に応じて増幅回路12の増幅率を調整する。これにより、送電すべき電力量に応じた送電電力が送電装置1から送出される。
(受電装置)
受電装置2は、送電コイルTLに磁界結合するように対向して配置され得る受電コイルRLとこれに接続される受電回路とを有する。なお、受電コイルRLは、送電装置1の送電コイルTLと同様に、プリント基板やフレキシブル基板に構成する渦巻コイルや、ヘリカルタイプの巻線で構成するものが使用できる。
受電回路は、順に接続された、受電コイルRLを含む共振回路RRC、整流回路22、及び負荷回路23を含んで構成される。受電回路において、共振回路RRCの受電コイルRLとキャパシタC0とは、二次側の共振回路を構成し、送電装置1によって発生された磁界結合作用によって、起電力(高周波信号)を生成する。
受電コイルRL及びキャパシタC0によって共振回路が構成される。共振回路RRCのキャパシタC1は、共振回路RRCから整流回路22側を見たインピーダンスを整合するためのものである。
整流回路22は、共振回路RRCを介して受電した電力に応じた交流電圧(交流信号)を整流して直流の出力電圧を得る。整流回路22は、例えば全波整流回路である。特に制限されないが、整流回路22は、ダイオードD1~D4から成るダイオードブリッジ回路と、平滑化用のキャパシタC2とを含んで構成される。ダイオードブリッジ回路では、ダイオードD1とダイオードD2の接続点に相当する一方の入力端子が共振回路RRCのキャパシタC1に接続されている。本発明では整流回路22の種類には特に制約は無い。
ダイオードブリッジ回路では、ダイオードD3とダイオードD2の接続点に相当する出力端子に平滑化キャパシタC2の一端が接続されている。平滑化キャパシタC2は、ダイオードブリッジ回路によって整流された電圧を平滑化する。平滑化キャパシタC2の一端における整流電圧は負荷回路23に供給される。平滑化キャパシタC2の他端はコモン電位に接続されている。このように、送電コイルTLとの電磁誘導により受電コイルRLに発生した高周波電流(電力)は整流回路22に供給され、整流回路22の直流出力が負荷回路23に供給される。
負荷回路23には、スーパーキャパシタ等の二次電池BATや、これを充電するためリニアレギュレータLDO等が含まれる。リニアレギュレータLDOは二次電池BATだけでなく後述の通信回路R24とADコンバータADCとデジタル回路DGCにも電源供給を行うこともできる。よって、受電装置2の各部は、その動作に必要な電源定電圧を供給され得る。なお、降圧タイプの充電制御回路の場合、リニアレギュレータタイプの降圧を行うリニア充電回路を用いてもよいが、スイッチング充電回路を用いてもよい。
さらに、受電装置2は、受電コイルRLからキャパシタC1を介して、その接続点に生起する高周波電圧を入力とする検波回路RWDと、この検波回路RWDによって直流又は低周波の電圧信号に変換された電気信号を入力とするADコンバータADCと、そのデジタル信号出力を入力とするデジタル回路DGCとを含む、送電装置1の検波回路TWDと同様な相対移動検出部MVDを有する。なお、検波回路RWDへの受電コイルRLの高周波振幅検出手段として、直接キャパシタC1を介しているが、その他、抵抗(図示せず)や、受電コイルRLにタップ(図示せず)を設けて検波回路RWDへ信号供給してもよい。
検波回路RWDは送電装置1の検波回路TWDと同様な倍電圧整流回路(入力側からのキャパシタsC及びダイオードpDとダイオードsD及びキャパシタpC)である。検波回路RWDは、受電コイルRLの高周波電流に応じた高周波電圧から直流成分又は交流成分を抽出して抽出信号としてADコンバータADCへ出力する。なお、抽出用の検波回路RWDとして、ダイオードを用いた正極性のダイオード検波回路を示しているが、送電装置1の検波回路TWDと同様に、トランジスタを用いた乗算器回路等他のトランジスタ検波回路でもよく、振幅を変換する極性も負極性でもよい。また、検波回路RWDの出力にフィルタを設けてもよい。
ADコンバータADCとそのデジタル信号出力を入力とするデジタル回路DGCとは、送電装置1の相対移動検出部MVDと同様な構成を有する。
さらに、受電装置2は、送電装置1の通信回路T24と同様な通信回路R24を含んで構成されている。通信回路R24はデジタル回路DGCに接続され、相対移動検出部MVDのデジタル回路DGCによる振動検出等の信号処理の分析後の結果データ(振動検出データ)を送電装置1に出力するために、共振回路RRCのキャパシタC1の接続点に接続されている。
通信回路R24は、受電コイルRLを通信用アンテナとして用いることにより、送電装置1との間でNFC通信を行う。通信回路R24は、負荷回路23をオンオフ制御する機能を有する。通信回路R24は、共振回路RRC、TRCを介したNFC通信により、振動検出データの送信を実行できる。通信回路R24はデジタル回路DGCによる振動検出等の信号処理の分析後の結果データを外部に出力する外部端子exを備えていてもよい。
また上記のように、通信回路R24と通信回路T24のNFC通信によって、受電装置2における振動検出データの送信の他、受電装置2と送電装置1の認証等のやり取り等も行われる。
送電装置1及び受電装置2の少なくとも一方は、送電装置1又は受電装置2の当該少なくとも一方の共振回路に流れる高周波電流に応じた高周波電圧の振幅変化を検出して、送電コイルTLと受電コイルRLの物理的な相対移動を示す出力信号を出力する相対移動検出部MVDを有する。
(装置の動作)
図1に示す非接触給電装置3の送電装置1において、高周波信号源11より例えば13.56MHzの高周波信号を生成し、増幅回路12において電力増幅を行って、高周波電流を共振回路TRCの送電コイルTLに流すことによって送電コイルTLの周りに高周波磁界を生成する。なお、高周波磁界として13.56MHzの他、6.78MHzの短波帯、100kHz程度の長波帯等でもよい。
送電コイルTLは例えば1マイクロヘンリー程度のインダクタンスを有するものとし、送電コイルTLに接続されているキャパシタCとの共振により、およそ13.56MHzの搬送波の高周波電流振幅を生成して、送電コイルTLの周りに高周波磁界を発生させる。
受電装置2の受電コイルRLも例えば1マイクロヘンリー程度のインダクタンスを有するものとし、共振回路RRTと共振する共振回路RRCを構成している。
よって、受電装置2の受電コイルRLは、送電コイルTLの周りに高周波磁界により送電コイルTLと磁界結合し、受電コイルRLが構成している共振回路RRCに高周波起電力を生成し、後段の整流回路22に高周波電圧(電流)を出力する。
受電装置2の整流回路22は、高周波電圧を直流電圧に変換し、負荷回路23に例えば1ワットの電力を供給する。
一方、送電装置1の送電コイルTLに直列に接続された抵抗TRRには高周波電流が流れ、高周波電圧が生成され、抵抗TRRの接続点から検波回路TWDに高周波電圧が入力される。
送電装置1の検波回路TWDは、入力された高周波電圧を直流電圧又は交流電圧(抽出信号)に変換する。
送電装置1において当該電圧(抽出信号)はADコンバータADCにおいてデジタル信号に変換され、デジタル回路DGCに入力される。
一方、受電装置2の受電コイルRLに発生する高周波信号は、受電コイルRLに接続されたキャパシタC1を通して、検波回路RWDに高周波電圧が入力される。
受電装置2の検波回路RWDは、入力された高周波電圧を直流電圧又は交流電圧(抽出信号)に変換する。
受電装置2において当該電圧(抽出信号)は、ADコンバータADCにおいてデジタル信号に変換され、デジタル回路DGCに入力される。
図2は、送電コイルと受電コイルとが一定の位置関係にある場合における、送電コイルTLの高周波信号(電流及び電圧)の搬送波波形(図2(a))と、それに接続されている検波回路TWDの出力電圧波形(図2(b))と、送電コイルTLに磁界結合した受電コイルRLに生成される高周波信号(電流及び電圧)の波形(図2(c))と、それに接続されている検波回路RWDの出力電圧波形(図2(d))と、を示すグラフである。
送電装置1と受電装置2の送電コイルTLと受電コイルRLとの位置関係及び近接媒体(空気等)の状態が一定の場合には両コイルの磁界結合は一定であり、送電コイルTLと受電コイルRL双方の高周波信号の振幅は一定である。そのため、それぞれの検波回路TWD、RWDの出力も一定の電圧値を採り続ける。通常、送電装置1側の搬送波のグラウンドからの振幅電圧Vaとするとき受電装置2側の振幅電圧VbはVaと同一ではなく、伝送効率や受電側インピーダンスにより異なる電圧となる。もし伝送効率も受電側インピーダンスも変化しない場合は、搬送波の振幅電圧Vaと受信した高周波信号波の振幅電圧Vbは比例関係となる。
ここで送電装置1と受電装置2の送電コイルTLと受電コイルRLの双方又は一方に機械振動が例えば、周期的に発生すると、双方のコイルの磁界結合係数が周期的に変動する。このことにより、受電コイルRLでは送電コイルTLからの磁界による起電力が変動し、同時に、送電コイルTLでは受電コイルRLの誘導電流が変動することで逆起電力が変動する。
図3は、送電コイルと受電コイルとが相対的に振動している場合における、送電コイルTLの高周波信号(電流及び電圧)の搬送波波形(図3(a))と、それに接続されている検波回路TWDの出力電圧波形(図3(b))と、送電コイルTLに磁界結合した受電コイルRLに生成される高周波信号(電流及び電圧)の波形(図3(c))と、それに接続されている検波回路RWDの出力電圧波形(図3(d))と、を示すグラフである。
図3の波形に示すとおり送電装置1と受電装置2の送電コイルTLと受電コイルRLの少なくとも一方に相対的に振動により双方の磁界が変動し高周波振幅が、例えば周期的に変動するので、当該周期的な変動は、送電装置1と受電装置2の双方の検波回路TWD、RWDの出力に周期的な交流信号を発生させる。
送電装置1の相対移動検出部MVDの検波回路TWDは、受電コイルRLでの誘導電流の変動による逆起電力に応じて共振回路に誘導される高周波電流に応じた高周波電圧の振幅変化を検波して、検波回路RWDの出力電圧波形(図3(d))に示されるように、送電コイルTLと受電コイルRLの物理的な相対移動を示す出力信号を出力する。よって、かかる事象を利用して、例えば、固定物と回転又は移動する対象物とに送電装置1と受電装置2をそれぞれ磁界結合可能なように取り付ければ、相対移動検出部MVDのデジタル回路DGCによる回転又は移動の振動検知判断が可能となる。例えば、振動検知判断があった場合に異常と判定して当該対象物の回転又は移動を停止させる機構に利用できる。
なお、図3において、送電コイルTLの高周波振幅の増減と、受電コイルRLの高周波振幅の増減とは同じ極性(片方が増えるともう一方も増える)であるが、結合係数やキャパシタC、C0によるマッチング条件によっては逆極性になる場合もある(片方が増えるともう一方は減る)が、変動するという点では同様である。
また、送電装置1と受電装置2の相対移動検出部MVDのデジタル回路DGCにおいてデジタルフィルタ又はフーリエ変換処理により特定の周波数成分の強度を判定することにより、機械的振動の有無や強度、振動の周波数、周波数成分ごとの強度分布(スペクトル分布)を知ることができる。
なお、非接触給電装置3の送信装置1又は受信装置2の片方のみに相対移動検出部MVD(検波回路等)を設けてもよい。
図4は、送電装置1のみに相対移動検出部MVD(検波回路TWD、ADコンバータADC、デジタル回路DGC)を設け、受電装置2から相対移動検出部のみを省略した本実施例の変形例の非接触給電装置3を示す概略回路図である。図4に示す実施例変形例の非接触給電装置3では、送電装置1の相対移動検出部MVDで検出したデジタル回路DGCによる振動検出等の信号処理の分析後の結果データは、通信回路T24の外部端子exから外部に出力されるが、NFC通信により、受電装置2の通信回路R24の外部端子exから外部に出力され得る。
図5は、受電装置2のみに相対移動検出部MVD(検波回路RWD、ADコンバータADC、デジタル回路DGC)を設け、送電装置1から相対移動検出部のみを省略した本実施例の他の変形例の非接触給電装置3を示す概略回路図である。図5に示す実施例変形例の非接触給電装置3では、受電装置2の相対移動検出部MVDで検出したデジタル回路DGCによる振動検出等の信号処理の分析後の結果データは、通信回路R24の外部端子exから外部に出力されるが、NFC通信により、送電装置1の通信回路T24の外部端子exから外部に出力され得る。
本実施例と変形例において、送電コイルTLと受電コイルRLの2つのコイルの磁界結合に周期的変動を与える機構としては、両コイルをそれぞれ支持している固体構造の振動の他、周辺媒体である気体や液体の振動をコイルの振動として受け止める構造も用いることができる。例えば、両コイルをそれぞれ支持する固体を板状とすることで気体や液体の振動(又は音響)を効率よく両コイルの振動に変換する機能も有効である。
本実施例によれば、振動を検出するために必要となるのは送電装置1と受電装置2における検波回路TWD、RWD、ADコンバータADC、デジタル回路DGCといった集積回路内部に構成される要素であり、きわめて容易、安価に動き検出装置が実現できる。
(第2の実施例)
図6は、本実施例に係る非接触給電装置の構成例を示す概略斜視図である。非接触給電装置は、送電装置1と、受電装置2と、受電装置2が設置される動き検出の対象物の回転体4と、を有して構成される。送電装置1は、図示しないが固定構造物に固定されており、外部の電源と接続されている。動き検出の対象物は回転自由な回転体41であって、受電装置2及び対象物が一体となって回転し振動し得る構造である。また、受電装置2及び回転体41は、外部電源とは接続されておらず、受電装置2内の回路は全て送電装置1から非接触給電される電力によって動作する。非接触給電装置は、受電装置2が取り付けられる回転体41の振動等の動きを検出する。
本実施例の非接触給電装置は、振動等の動き検出の対象物が特定され、第1の実施例の送電装置1が固定された軸受(図示せず)内に、第1の実施例の受電装置2が当該軸受内に取り付けられて回転する回転体41にそれぞれ取り付けられ、送電コイルTLと受電コイルRLが回転体41の円周表面で略同軸に磁界結合できるように配置された以外、第1の実施例と同一である。
固定された軸受けに取り付けられた回転体41は、例えば、自転車等の車両の車輪のシャフトである。
送電コイルTL及び受電コイルRLは、回転体41の回転軸に垂直な平面と交わる円周面に巻かれ回転軸を取り巻く位置関係で配置され、送電コイルTLと受電コイルRLとは互いに磁界結合している。なお、送電コイルTLと受電コイルRLのそれぞれのコイルは1巻きとして描いているが、複数巻きでもよい。更に、回転に支障がなければ、送電コイルTLと受電コイルRLは、円形以外の楕円形、四角形、多角形でもよい。
本実施例の非接触給電装置3では、回転体41が回転することにより、送電コイルTLと受電コイルRLとは相対的に回転することになる。そして、図示しているような、それぞれのコイルの円形の軸が一致する位置関係であると、両コイルの磁界結合係数はほぼ一定である。
したがって、図2に示す送電装置1と受電装置2の検波回路TWD、RWDの出力は一定電圧(図2(b)、図2(d)参照)である。
例えば本実施例において軸受けの破損等により回転体に振動や音響が発生すると、送電コイルTLと受電コイルRLの両コイルの相対位置の変動が起こり、当該変動が周期的であれば、図3に示す送電装置1と受電装置2の検波回路TWD、RWDの出力に交流信号(図3(b)、図3(d)参照)が発生する。
(第2の実施例の変形例)
図7は第2の実施例の変形例の概略斜視図である。当該変形例は、第2の実施例の回転体41の回転軸に垂直に円周面に巻かれた送電コイルTL及び受電コイルRLに軸方向に部分的に凸である変形部分DFをそれぞれ設けた以外、第1の実施例と同一である。当該変形例は、変形部分DFによる周期的な磁界変動を検出することにより回転体41の回転速度の監視に有効である。
当該変形例において回転軸のまわりに回転体41が回転するとき、変形部分DF同士が相対する角度関係のときには結合係数が減少するため、交流振幅に周期的変動が起こり、図3に示す送電装置1と受電装置2の検波回路TWD、RWDの出力に交流信号(図3(b)、図3(d)参照)が発生する。なお、コイルの変形部分DFとしては、コイルの円形の軸を回転軸から傾けるものでもよいし、楕円形や多角形、多数の変形部、周期的な変形部を設けたものでもよい。
回転部分がある装置や機械においては、振動や音の発生は故障等の検出に重要な情報であり、第2の実施例及び当該変形例によれば、送電装置1と受電装置2の集積回路にて容易で安価に検波回路TWD、RWDを組み込むことができ、これらの回転制御検出機構を実現できる。
また、第2の実施例の変形例によれば、周波数分析を行うことにより、回転体自体の回転周波数に関わる振動と、それ以外の外来振動とを分別して判断することもできる。振動の周波数及び強度を判断することにより、例えば回転機器の故障を判断して装置を停止させる制御を行うといったことが可能となる。
なお、図7に示す第2の実施例の変形例によれば、正常な回転動作の場合に、回転数や回転角度を、検波回路TWD、RWDの出力電圧の波形のみからも知ることができる。
さらに、上記した実施例は、受電装置2が取り付けられる対象物が回転体である例を説明してきたが、必ずしも回転体に限定されるものではない。例えば、送電装置1に対して受電装置2が回転しないが相対位置が変化する構成においても有効である。
(第3の実施例)
図8は、本実施例に係る非接触給電装置の構成例を示す概略斜視図である。図9は、本実施例に係る非接触給電装置における網目状の導体板MST(又はMSR)を示す概略正面図である。図10は、本実施例に係る非接触給電装置を示す回路図である。
本実施例の非接触給電装置において、送電装置1の送電コイルTLと受電装置2の受電コイルRLとの間に、2枚の網目状の導体板MST、MSRをそれぞれ離れて設け、各導体板に所定電位を印加した以外、第1の実施例又は第2の実施例と同一である。すなわち、送電コイルTL及び受電コイルRLは実施例1、2と同様の動作を行う。
図10に示すように、本実施例の非接触給電装置において、送電コイルTLに近い側の導体板MSTは、送電回路のコモン電位又はグランド電位に接続し、受電コイルRLに近い側の導体板MSRは、受電回路のコモン電位に接続されている。これにより、網目状の導体板MST、MSRは、静電シールドとして動作する。
図9に示すように、網目状の導体板MST、MSRは、コイルの円形中心に対応する自身の中心から放射状に複数の線状の導体CNDが配置されている。円形の放射方向に導体CNDを配置しているので、電磁誘導によって発生する円周方向の起電力に対して渦電流が流れない。
コイルの中心に回転軸や軸受(図6、図7、図8、参照)が配置される構造の場合には、これらの回転中心軸が導体板MST、MSRの中央を貫通する構造でもよい。
網目状の導体板MST、MSRは、送電コイルTL又は受電コイルRLの一方のみに設けてもよい。よって、送電コイルTLと受電コイルRLの少なくとも一方は、送電コイルTLと受電コイルRLの間にそれらの中心に同軸に配置され且つ送電コイルTLと受電コイルRLのそれぞれの共振回路のコモン電位の配線に接続された網目状の導体板MST、MSRの静電シールドを設けることにより、送電コイルTLと受電コイルRLとの静電結合の変動による影響を低減でき、磁界結合係数の変化のみを検出することができる。
また、送電コイルTLと受電コイルRLの間に網目状の導体板の静電シールドを設けることにより、送電装置1や受電装置2以外の外部からの外乱(電界ノイズ)の影響を低減できる。
上記網目状の導体板MST、MSRの2つの作用により、より精度が高く、信頼性の高い検出を行うことができる。このことは産業用機器、車載機器にとくに好適である。
(第4の実施例)
上記の第2の実施例において送電装置1及び受電装置2の送電コイルTLと受電コイルRLは互いに回転する例を示したが、本発明の送電装置1及び受電装置2が直線的に相互に移動する系に固定されもよいし、互いに固定物に固定されている系に固定されて使用されてもよい。
図11は第4の実施例の変形例の概略斜視図である。本実施例は、固定された長さのあるレール等の固定構造物(図示せず)の表面内に第1の実施例の送電装置1の送電コイルTL(送電アンテナ)が固定され、それより小さく当該構造物に沿って移動するカート等の移動検出対象物の移動体42の底面に第1の実施例の受電装置2の受電コイルRL(受電アンテナ)が固定された以外、第1の実施例と同一である。送電コイルTLの送電装置1は、例えば鉄道の線路のように長さのある構造物に固定されており、移動体42における受電コイルRLの受電装置2は、例えば、線路の上を移動する車両のように、上記長さより十分小さい形状で、送電装置1に沿って移動できる。
送電コイルTLと受電コイルRLの送電装置1と受電装置2は実施例1、2、3と同様の動作を行う。本実施例は、固定された長さのある構造物と、それより小さく、それに沿って移動する移動体42とで構成される装置において、それぞれに送電コイルTL及び受電コイルRLを取り付け、高周波磁界を用いて非接触で電力や移動体42の移動情報のやりとりをする非接触給電装置である。
本実施例によれば対象物の移動体42の故障による異常音や移動等を検出する場合に有効である。
送電アンテナ(送電コイルTL)として、細長い矩形のものを用い、受電アンテナ(受電コイルRL)としては、送電アンテナの短辺程度の大きさの円形のものを用いる。送電アンテナの送電装置1は、直線でなく、鉄道線路のように曲がりくねっていてもよい。受電アンテナは円形の他、四角形、多角形でもよい。送電コイルTL受電コイルRLそれぞれのコイルは1巻でもよいし、複数巻きでもよい。
また、変形例として、送電コイルTLと受電コイルRLとが逆の構成(長さのあるほうが受電コイルRLで、小さい形状のほうが送電コイルTL)となるように送電装置1と受電装置2を配置してもよい。
移動体42と共に受電装置2(受電コイルRL)が移動すると、受電コイルRLと送電コイルTLとの相対位置は変化するが、両者の間隔をほぼ一定に保つ構造であるため、磁界結合係数はほぼ一定となる。この構造により、実施例1、2、3と同様の動作により、送電装置1の検波回路TWD、RWDの出力、送電装置1又は受電装置2の検波回路TWD、RWDの出力に振動に応じた交流出力データを得ることができる。受電装置2(受電コイルRL)を備える移動体42の線状に移動する構成において、その振動を検出することができる。
検出した振動の情報を、送電装置1と受電装置2の送信アンテナと受信アンテナ間の磁界を用いて非接触で情報伝達することができる。
(第4の実施例の変形例)
図12は第4の実施例の変形例の概略斜視図である。当該変形例は、第4の実施例の送電アンテナTAに複数の変形部分DFを設けた以外、第4の実施例と同一である。送電アンテナTAに、例えば周期的に配置された複数の変形部分DF(図7、参照)を設けることにより、受電コイルRLが移動してこの変形部分DFを通過する際に検波回路TWD、RWDの出力にパルス波形を得ることができ、受電装置2を設けた移動体42の位置を高周波磁界による通信機能(NFC通信)で送電装置1へデータ伝送してそこから外部表示装置での表示或いは移動速度の計測等をすることができる。これにより、検波回路TWD、RWDの出力信号から回転周波数又は回転角度、移動速度又は移動位置を算出することができる。
(他の実施例の変形例)
何れに実施例においても、ADコンバータADCの代わりにコンパレータを用いてもよい。相対移動検出部MVDは、抽出信号を入力して閾値を超える場合にデジタル信号としての出力信号を出力するコンパレータを備えることで、後段のデジタル回路DGCを簡略化することができる。
何れに実施例においても、送電コイルTLが接地及び固定され、受電コイルRLがフローティング及び可動としてもよいし、例えば発電機の回転子のように逆、すなわち、受電コイルRLが接地及び固定され、送電コイルTLがフローティング及び可動としもよい。
何れに実施例においても、送電コイルTLと受電コイルRLの周辺の媒体(気体、液体、固体)の振動又は音波をコイル位置の変位に変換する手段として、板状又は棒状の構造物を設けることができる。
何れに実施例においても、デジタル回路DGCの信号処理は、ADコンバータADCからの抽出信号に基づくデジタル信号を、高周波磁界による通信機能(NFC通信)でデータ伝送して遠隔した場所の装置で行ってもよい。
何れに実施例においても、非接触給電装置は、車両に搭載する以外に、船舶、建設重機、ドローン等の移動体やその可動部分に搭載することも可能である。本発明は以上の実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
1 送電装置
2 受電装置
11 高周波信号源
RRC 共振回路
TRR 抵抗
22 整流回路
MVD 相対移動検出部
23 負荷回路
T24、R24 通信回路
TWD、RWD 検波回路
ADC ADコンバータ
TL 送電コイル
RL 受電コイル
T24、R24 通信回路
LDO リニアレギュレータ
R24 通信回路
T24 通信回路
C、C0、C1 キャパシタ
DGC デジタル回路

Claims (34)

  1. 非接触で電力の送電及び受電を行う非接触給電装置であって、
    高周波磁界を発生する送電コイルを含む共振回路を有する送電モジュールと、
    前記高周波磁界によって高周波電流を発生する受電コイルを含む共振回路を有する受電モジュールと、を有し、
    前記送電モジュール及び前記受電モジュールの少なくとも一方は、前記送電モジュール又は前記受電モジュールの当該少なくとも一方の前記共振回路に流れる前記高周波電流に応じた高周波電圧の振幅変化を検出して、前記送電コイルと前記受電コイルの物理的な相対移動を示す出力信号を出力する相対移動検出部を有する非接触給電装置。
  2. 前記相対移動検出部は、前記高周波電圧から直流成分又は交流成分を抽出して抽出信号として出力する検波回路を備える
    請求項1に記載の非接触給電装置。
  3. 前記相対移動検出部は、前記抽出信号を入力して閾値を超える場合にデジタル信号としての前記出力信号を出力するコンパレータを備える
    請求項2に記載の非接触給電装置。
  4. 前記抽出信号をデジタル信号に変換するADコンバータと、
    前記ADコンバータの前記デジタル信号に基づきデジタルフィルタ処理又はフーリエ変換処理を行い周波数成分の強度を前記出力信号として出力するデジタル回路と、を備える
    請求項2に記載の非接触給電装置。
  5. 前記送電モジュール及び前記受電モジュールは、前記送電コイルと前記受電コイルの間で、非接触で電気信号のやりとりをする通信部を有する
    請求項1乃至4のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
  6. 前記送電コイルと前記受電コイルの少なくとも一方は、前記送電コイルと前記受電コイルの間にそれらの中心に同軸に離れて配置され且つ前記送電コイルと前記受電コイルのそれぞれの前記共振回路のコモン電位の配線に接続された網目状の導体板を有する
    請求項1乃至5のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
  7. 高周波磁界を介して非接触で電力の受電を行う受電装置であって、
    前記高周波磁界によって高周波電流を発生する受電コイルを含む共振回路を有し、
    前記共振回路に流れる前記高周波電流に応じた高周波電圧の振幅変化を検出して、送電コイルと前記受電コイルの物理的な相対移動を示す出力信号を出力する相対移動検出部を有する受電装置。
  8. 前記相対移動検出部は、前記高周波電圧から直流成分又は交流成分を抽出して抽出信号として出力する検波回路を備える
    請求項7に記載の受電装置。
  9. 前記相対移動検出部は、前記抽出信号を入力して閾値を超える場合にデジタル信号としての前記出力信号を出力するコンパレータを備える
    請求項8に記載の受電装置。
  10. 前記抽出信号をデジタル信号に変換するADコンバータと、
    前記ADコンバータの前記デジタル信号に基づきデジタルフィルタ処理又はフーリエ変換処理を行い周波数成分の強度を前記出力信号として出力するデジタル回路と、を備える
    請求項8に記載の受電装置。
  11. 前記送電コイルと前記受電コイルの間で、非接触で電気信号のやりとりをする通信部を有する
    請求項7乃至10のいずれか一項に記載の受電装置。
  12. 前記送電コイルと前記受電コイルの少なくとも一方は、前記送電コイルと前記受電コイルの間に磁束中心に同軸に離れて配置され且つ前記送電コイルと前記受電コイルのそれぞれの前記共振回路のコモン電位の配線に接続された網目状の導体板を有する
    請求項7乃至11のいずれか一項に記載の受電装置。
  13. 高周波磁界を介して受電コイルへ非接触で電力の送電を行う送電装置であって、
    前記高周波磁界を発生する送電コイルを含む共振回路を有し、
    前記受電コイルでの誘導電流の変動による逆起電力に応じて前記共振回路に誘導される高周波電流に応じた高周波電圧の振幅変化を検波して、前記送電コイルと前記受電コイルの物理的な相対移動を示す出力信号を出力する相対移動検出部を有する送電装置。
  14. 前記相対移動検出部は、前記高周波電圧から直流成分又は交流成分を抽出して抽出信号として出力する検波回路を備える
    請求項13に記載の送電装置。
  15. 前記相対移動検出部は、前記抽出信号を入力して閾値を超える場合にデジタル信号としての前記出力信号を出力するコンパレータを備える
    請求項14に記載の送電装置。
  16. 前記抽出信号をデジタル信号に変換するADコンバータと、
    前記ADコンバータの前記デジタル信号に基づきデジタルフィルタ処理又はフーリエ変換処理を行い周波数成分の強度を前記出力信号として出力するデジタル回路と、を備える
    請求項14に記載の送電装置。
  17. 前記送電コイルと前記受電コイルの間で、非接触で電気信号のやりとりをする通信部を有する
    請求項13乃至16のいずれか一項に記載の送電装置。
  18. 前記送電コイルと前記受電コイルの少なくとも一方は、前記送電コイルと前記受電コイルの間に磁束中心に同軸に離れて配置され且つ前記送電コイルと前記受電コイルのそれぞれの前記共振回路のコモン電位の配線に接続された網目状の導体板を有する
    請求項13乃至17のいずれか一項に記載の送電装置。
  19. 非接触で電力の送電及び受電を行う非接触給電装置であって、
    高周波磁界を発生する送電コイルを含む共振回路を有する送電モジュールと、
    前記高周波磁界によって高周波電流を発生する受電コイルを含む共振回路を有する受電モジュールと、を有し、
    前記送電モジュールと前記受電モジュールが、固定された軸受と前記軸受に回転可能に取り付けられて回転する回転体にそれぞれ前記送電コイルと前記受電コイルが対向するように取り付けられ、
    前記送電モジュール及び前記受電モジュールの少なくとも一方は、前記送電モジュール又は前記受電モジュールの当該少なくとも一方の前記共振回路に流れる前記高周波電流に応じた高周波電圧の振幅変化を検出して、前記送電コイルと前記受電コイルの物理的な相対移動を示す出力信号を出力する相対移動検出部を有する非接触給電装置。
  20. 前記相対移動検出部は、前記高周波電圧から直流成分又は交流成分を抽出して抽出信号として出力する検波回路を備える
    請求項19に記載の非接触給電装置。
  21. 前記相対移動検出部は、前記抽出信号を入力して閾値を超える場合にデジタル信号としての前記出力信号を出力するコンパレータを備える
    請求項20に記載の非接触給電装置。
  22. 前記コンパレータに接続され、前記閾値を超える前記デジタル信号に応じて、異常と判定して前記回転体の回転を停止させる停止部を備える
    請求項21に記載の非接触給電装置。
  23. 前記抽出信号をデジタル信号に変換するADコンバータと、
    前記ADコンバータの前記デジタル信号に基づきデジタルフィルタ処理又はフーリエ変換処理を行い周波数成分の強度を前記出力信号として出力するデジタル回路と、を備える
    請求項20に記載の非接触給電装置。
  24. 前記送電モジュール及び前記受電モジュールは、前記送電コイルと前記受電コイルの間で、非接触で電気信号のやりとりをする通信部を有する
    請求項19乃至23のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
  25. 前記送電コイルと前記受電コイルの少なくとも一方は、前記送電コイルと前記受電コイルの間に磁束中心に同軸に離れて配置され且つ前記送電コイルと前記受電コイルのそれぞれの前記共振回路のコモン電位の配線に接続された網目状の導体板を有する
    請求項19乃至24のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
  26. 前記相対移動検出部に接続され、前記相対移動検出部の出力信号から前記回転体の回転周波数又は回転角度を算出する算出部を備える
    請求項10乃至25に記載の非接触給電装置。
  27. 非接触で電力の送電及び受電を行う非接触給電装置であって、
    高周波磁界を発生する送電コイルを含む共振回路を有する送電モジュールと、
    前記高周波磁界によって高周波電流を発生する受電コイルを含む共振回路を有する受電モジュールと、を有し、
    前記送電モジュールと前記受電モジュールが、固定された構造物と前記構造物に離れて移動可能な移動体にそれぞれ前記送電コイルと前記受電コイルが対向するように取り付けられ、
    前記送電モジュール及び前記受電モジュールの少なくとも一方は、前記送電モジュール又は前記受電モジュールの当該少なくとも一方の前記共振回路に流れる前記高周波電流に応じた高周波電圧の振幅変化を検出して、前記送電コイルと前記受電コイルの物理的な相対移動を示す出力信号を出力する相対移動検出部を有する非接触給電装置。
  28. 前記相対移動検出部は、前記高周波電圧から直流成分又は交流成分を抽出して抽出信号として出力する検波回路を備える
    請求項27に記載の非接触給電装置。
  29. 前記相対移動検出部は、前記抽出信号を入力して閾値を超える場合にデジタル信号としての前記出力信号を出力するコンパレータを備える
    請求項28に記載の非接触給電装置。
  30. 前記コンパレータに接続され、前記閾値を超える前記デジタル信号に応じて、異常と判定して前記移動体の移動を停止させる停止部を備える
    請求項29に記載の非接触給電装置。
  31. 前記抽出信号をデジタル信号に変換するADコンバータと、
    前記ADコンバータの前記デジタル信号に基づきデジタルフィルタ処理又はフーリエ変換処理を行い周波数成分の強度を前記出力信号として出力するデジタル回路と、を備える
    請求項28に記載の非接触給電装置。
  32. 前記送電モジュール及び前記受電モジュールは、前記送電コイルと前記受電コイルの間で、非接触で電気信号のやりとりをする通信部を有する
    請求項27乃至31のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
  33. 前記送電コイルと前記受電コイルの少なくとも一方は、前記送電コイルと前記受電コイルの間に磁束中心に同軸に離れて配置され且つ前記送電コイルと前記受電コイルのそれぞれの前記共振回路のコモン電位の配線に接続された網目状の導体板を有する
    請求項27乃至32のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
  34. 前記相対移動検出部に接続され、前記相対移動検出部の出力信号から前記移動体の移動速度又は移動位置を算出する算出部を備える
    請求項27乃至33のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
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