JP4600453B2 - 送電制御装置、送電装置、受電装置、無接点電力伝送システム、電子機器、2次コイル位置検出方法および1次コイルの位置決め方法 - Google Patents
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Description
を有する。
まず、本発明を利用した無接点電力伝送システムの利用例について説明する。
図1(A),図1(B)は、本発明を利用した無接点電力伝送システムの利用態様の一例を示す図である。図1(A)はシステム机の斜視図であり、図1(B)は図1(A)のシステム机のP−P’線に沿う断面図である。
図2は、送電装置、受電装置を含む無接点電力伝送システムにおける、各部の具体的な構成の一例を示す回路図である。
図2の左側に示されるように、送電側装置(1次側構造体)704は、XYステージ(可動ステージ)702と、このXYステージ702によってX軸方向およびY軸方向に移動可能に設けられた送電装置10と、アクチュエータドライバ710と、X方向アクチュエータ720と、Y方向アクチュエータ730と、を含む。具体的には、送電装置10はXYステージ702のトッププレート(可動板)上に載置される(この点については、図14を用いて後述する)。
受電装置40(受電モジュール、2次モジュール)は、2次コイルL2(両端に接続された共振コンデンサを含み、望ましくは磁性体を含む)と、受電部42、負荷変調部46、給電制御部48、受電制御装置50を含むことができる。なお、受電装置40や受電制御装置50は図2の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加したり、接続関係を変更するなどの種々の変形実施が可能である。
図4は、2次側機器の接近検出および両コイルの自動的な位置合わせを行うための1次側の構成を示す図である。図4では、図2に示される送電装置10の内部構成が、より具体的に示されている。
以下、2次コイルの接近検出の原理について、図5〜図7用いて説明する。図5(A)〜図5(F)は、1次コイルに2次コイルの磁性体が接近した場合のインダクタンスの増加について説明するための図である。上述のとおり、ここでいう「インダクタンス」は、磁性体付きの2次コイルの接近によって変動するインダクタンス(正確には、見かけ上のインダクタンス)である。「見かけ上のインダクタンス」という用語は、1次コイル単独のインダクタンス(2次コイルの接近の影響を受けないときのインダクタンス)と区別するために使用している。以下の説明では、Lpsと表記されるインダクタンスが、見かけ上のインダクタンスである。
図8は、1次コイルと2次コイルが電磁結合したトランスにおける洩れインダクタンスの概念を説明するための図である。図8の上側には、近接して配置されたコイル間の磁束の様子が示され、下側には、トランスの等価回路が示される。
図13〜図16を用いて、直交2軸サーチによる2次コイル位置の検出について説明する。図13〜図15は、直交2軸サーチによる2次コイル位置検出方法および位置決め方法を説明するための図である。
このとき、PQ1,PQ2の2点において高調波共振ピークが生じる(ステップ(S2),ステップ(S3))。演算回路35は、PQ1およびPQ2の2点を結ぶ線分の中点の座標PQ3を求める(ステップ(S4))。
次に、XYステージの構成例と動作について説明する。図17は、XYステージの基本構成を示す斜視図である。
(1)2次側機器が概略の位置に置かれたとしても、1次コイルが自動的に最適位置に移動するため、常に適正な送電が実現される。
(2)2次側機器の大きさ、形状、機器デザイン等に影響されず、常に適正な送電が実現されるため、無接点電力伝送システムの汎用性が格段に向上する。
(3)2次側機器の設計の自由度は何ら制限されないため、2次側機器のメーカの負担が生じない。
(4)特別な回路(位置検出素子等)を用いず、無接点電力伝送システムに備わっている回路構成を活用してコイル間の相対的な位置関係を検出するため、構成が複雑化せず、かつ実現が容易である。
(5)1次コイルの駆動周波数の高調波共振を用いた、極めて高精度なコイル位置検出が可能となる。
(6)高調波共振を実現するための新規な構成をもつ受電装置も実現される。
(7)1次コイルの駆動周波数の奇数次高調波の共振を利用した、新規な2次コイル位置検出方法と1次コイル位置決め方法が得られる。
(8)例えば、フラットな平面をもつ構造物(例えば机)の所定エリア上に携帯端末等を載置するだけで、自動的に一次コイルの位置調整がなされて充電等が可能となる、極めて汎用性および利便性の高い次世代の無接点電力伝送システムを実現することができる。
14 波形モニタ回路、16 表示部、20 送電制御装置、22 送電側制御回路、
23 駆動クロック生成回路、24 発振回路、25 高調波検波回路、
26 ドライバ制御回路、27 フィルタ回路、28 波形検出回路、29 ミキサ、
31 検波回路、33 A/D変換器 35 演算回路、
37 アクチュエータ制御回路、40 受電装置、42 受電部、43 整流回路、
46 負荷変調部、48 給電制御部、50 受電制御装置、52 受電側制御回路、
56 位置検出回路、58 発振回路、60 周波数検出回路、62 満充電検出回路、
90 2次側機器の負荷、92 充電制御装置、94 バッテリ(2次電池)、
702 XYテーブル、704 送電側装置(1次側構造体)、
710 アクチュエータドライバ、720 X方向アクチュエータ、
730 Y方向アクチュエータ、PE(PE1,PE2) 相対位置信号
Claims (15)
- 送電装置から受電装置に対して、電磁結合された1次コイルおよび2次コイルを経由して無接点で電力を伝送する無接点電力伝送システムにおける、前記送電装置に設けられる送電制御装置であって、
前記送電制御装置は、
前記受電装置への送電を制御する送電側制御回路と、
所定の演算を行って前記2次コイルの位置を求める演算回路と、
前記1次コイルのXY平面上における位置を移動させるためのアクチュエータの動作を制御するアクチュエータ制御回路と、
前記1次コイルの駆動周波数の高調波信号を検出する高調波検波回路と、
を含み、
前記1次コイルと前記2次コイルとが所定の位置関係で電磁結合しているときに、前記1次コイルの駆動周波数の前記高調波に共振する共振回路が構成され、
前記アクチュエータ制御回路は、前記2次コイルの位置検出のために前記1次コイルを走査し、前記1次コイルの走査時において、前記高調波検波回路は、前記共振回路の共振による前記1次コイルの駆動周波数の前記高調波の共振ピークを検出し、
前記演算回路は、前記高調波検波回路から前記高調波の共振ピークが得られたときの座標位置データに基づいて所定の演算を行い、前記2次コイルの位置を求め、
前記アクチュエータ制御回路は、前記演算結果に基づいて前記1次コイルを移動させる、
ことを特徴とする送電制御装置。 - 請求項1記載の送電制御装置であって、
前記送電制御装置は、
前記1次コイルの中心と前記2次コイルの中心が所定距離R(R≧0)だけ離れて電磁結合しているときに、前記1次コイルの駆動周波数の前記高調波に共振する共振回路が構成され、
前記アクチュエータ制御回路は、平面視において、前記演算によって求められた前記2次コイルの位置により近づくように前記1次コイルを移動させる、
ことを特徴とする送電制御装置。 - 請求項2記載の送電制御装置であって、
前記1次コイルおよび前記2次コイルは共に円形のコイルであり、
前記アクチュエータ制御回路は、前記アクチュエータを駆動して前記1次コイルを、第1の軸に沿って移動させて、2次コイル位置検出のための第1の走査を実行し、
前記演算回路は、前記第1の走査中において、前記高調波検波回路の検波信号のピークが得られる2点の各々を結ぶ線分の中点の座標を演算により求め、
前記アクチュエータ制御回路は前記アクチュエータを駆動して前記1次コイルを、前記第1の軸に直交し、かつ、前記第1の走査において求められた前記中点を通過する第2の軸に沿って移動させて2次コイル位置検出のための第2の走査を実行し、
前記演算回路は、前記第2の走査中において、前記高調波検波回路の検波信号のピークが得られる2点の各々を結ぶ線分の中点の座標を演算により求め、
前記アクチュエータ制御回路は、前記アクチュエータを駆動して、前記1次コイルの中心の位置が、前記第2の走査において求められた前記中点の位置になるように前記1次コイルを移動させる、
ことを特徴とする送電制御装置。 - 請求項2または請求項3記載の送電制御装置であって、
前記2次コイルにはコンデンサが接続されると共に、前記1次コイルの中心と前記2次コイルの中心が所定距離だけ離れた位置関係のときの洩れインダクタンスと、前記コンデ
ンサによって、前記1次コイルの駆動周波数の高調波に共振する共振回路が構成されるように、前記コンデンサの容量値が設定され、前記高調波検波回路は、前記共振回路の共振による前記1次コイルの駆動周波数の前記高調波の共振ピークを検出することを特徴とする送電制御装置。 - 請求項1〜請求項4のいずれかに記載の送電制御装置であって、
前記1次コイルのコイル端電圧またはコイル電流に基づいて、前記2次コイルが前記1次コイルに接近したことを示す接近検出信号を生成する接近検出回路を有し、
前記接近検出信号によって前記2次コイルの接近が検出されると、前記アクチュエータ制御回路は、前記2次コイル位置検出のための走査を実行することを特徴とする送電制御装置。 - 請求項5記載の送電制御装置であって、
前記2次コイルは磁性体付きの2次コイルであり、
前記磁性体付きの2次コイルの接近によって、前記1次コイルのインダクタンスが増大し、前記1次コイルを所定周波数で駆動した場合のコイル端電圧もしくはコイル電流が減少して、前記接近検出信号が所定のしきい値に達すると、前記アクチュエータ制御回路は、前記2次コイル位置検出のための走査を実行することを特徴とする送電制御装置。 - 請求項5または請求項6記載の送電制御装置であって、
前記送電側制御回路は、前記2コイルの接近を検出するために、前記1次コイルを前記所定周波数で間欠的に駆動することを特徴とする送電制御装置。 - 請求項1〜請求項7のいずれかに記載の送電制御装置と、
前記1次コイルと、
を有することを特徴とする送電装置。 - 前記2次コイルと、
前記2次コイルに接続されるコンデンサと、を有し、
前記1次コイルの中心と前記2次コイルの中心が所定距離R(R≧0)だけ離れた位置関係のときの洩れインダクタンスと、前記コンデンサによって、前記1次コイルの駆動周波数の高調波に共振する共振回路が構成されるように、前記コンデンサの容量値が設定されていることを特徴とする受電装置。 - 請求項9記載の受電装置であって、
前記2次コイルは磁性体付きの2次コイルであり、前記磁性体付きの2次コイルが前記1次コイルに接近することによって、その接近が前記送電装置側で検出されるときの前記1次コイルの中心と前記2次コイルの中心との間の距離をLとした場合、
前記所定距離Rは、0≦R<Lの関係を満たすことを特徴とする受電装置。 - 請求項8記載の送電装置と、請求項9または請求項10記載の受電装置と、により構成される無接点電力伝送システム。
- 請求項9または請求項10記載の受電装置を有する電子機器。
- 送電装置から受電装置に対して、電磁結合された円形の1次コイルおよび円形の2次コイルを経由して無接点で電力を伝送すると共に、前記2次コイルにはコンデンサが接続され、前記1次コイルの中心と前記2次コイルの中心が所定距離R(R≧0)だけ離れて電磁結合しているときに、洩れインダクタンスと前記コンデンサとによって、前記1次コイルの駆動周波数の高調波に共振する共振回路が構成される無接点電力伝送システムにおける、2次コイル位置検出方法であって、
前記1次コイルを、第1の軸に沿って移動させて、2次コイル位置検出のための第1の走査を実行し、
前記第1の走査中において、前記高調波検波回路の検波信号のピークが得られる2点の各々を結ぶ線分の中点の座標を演算により求め、
前記アクチュエータ制御回路は前記アクチュエータを駆動して前記1次コイルを、前記第1の軸に直交し、かつ、前記第1の走査において求められた前記中点を通過する第2の軸に沿って移動させて2次コイル位置検出のための第2の走査を実行し、
前記第2の走査中において、前記高調波検波回路の検波信号のピークが得られる2点の各々を結ぶ線分の中点の座標を演算により求め、これによって、前記2次コイルの位置を検出することを特徴とする2次コイル位置検出方法。 - 請求項13記載の2次コイル位置検出方法によって検出された前記2次コイルの位置に1次コイルを移動させ、これによって2次コイルに対して1次コイルを位置決めすることを特徴とする、1次コイルの位置決め方法。
- 請求項14記載の1次コイルの位置決め方法であって、
前記2次コイル位置検出方法の実行に先立ち、磁性体付きの前記2次コイルの接近を検出するために、前記1次コイルを所定周波数で間欠的に駆動し、
前記磁性体付きの2次コイルの接近によって、前記1次コイルのインダクタンスが増大し、前記1次コイルを所定周波数で駆動した場合のコイル端電圧もしくはコイル電流が減少して、前記コイル端電圧もしくはコイル電流に基づいて生成される接近検出信号が所定のしきい値に達したことを条件として前記1次コイル位置の位置決め方法を実行する、
ことを特徴とする1次コイルの位置決め方法。
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