JP5374850B2 - 高効率非接触給電システム、高効率非接触給電方法、高効率非接触給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に給電を行う給電システムで、特に非接触で高効率な給電システムに関するものである。

近年、電子機器に給電を行う給電システムは、有線で給電を行うのではなくて無線で給電を行う、例えばプレートの上に置くだけで給電を行うような、非接触給電システムが提案されている。

非接触で給電を行う際には、何らかの形で給電用コイルと受電用コイルとを給電が行われる位置まで接近させるための位置合せを行うことが必要になってくる。

従来の非接触給電システムでは、電子機器に立体的に嵌合部を設けて給電を行う給電システム（特許文献１）や、多数のコイルに通信手段を設けて受電用のコイルを特定して給電を行う給電システム（特許文献２）がある。
特開平８−１９１８５号公報 特開平２００６−８１２４９号公報

しかしながら、従来の非接触の給電システムには以下の課題があった。
第１の課題は、電子機器を嵌合部に嵌め込んで給電を行うには専用の給電システムが必要になり、他の電子機器にはその給電システムが使用できないことである。これは、給電システムに自動的な位置合せ機能がない為、嵌合部から少しでもずれると給電されないという問題点である。

第２の課題は、多数のコイルを用いると給電効率が低下することと、費用が余計に掛かることである。これは、個々のコイルが互いに干渉し合い給電効率が低下し、コイルの数だけ費用が掛かってしまうという問題点である。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、利用者が方向や位置を気にせずに電子機器を給電装置の適当な場所に置くだけで、自動的に給電用コイルと受電用コイルの位置合わせを行い、形状や種類の異なる受電装置にも非接触で高効率な給電を行う給電システムを提供することを目的としている。

本発明の給電システムは、給電装置と受電装置とが給電を行う給電システムであって、給電装置に移動可能に設けられた第１のコイルと、受電装置に設けられた第２のコイルと、第１のコイルから第２のコイルへ給電を行う電源供給制御部と、第１のコイルと第２のコイルのインピーダンスを計測する計測部とを有し、第１のコイルと第２のコイルの位置関係を変更させた際のインピーダンスが、予め設定された閾値を超えた場合に、第１のコイルと第２のコイルの位置あわせを完了し、位置あわせが、電源供給制御部が通電のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことで第１のコイルと第２のコイルに生じる間欠動作によって行われることを含むことを特徴とする給電システム。

また、給電装置に移動可能に設けられた第１のコイルと、受電装置に設けられた第２のコイルと、を用いて給電を行う給電方法であって、 電源供給制御部が、第１のコイルから第２のコイルへ給電を行ない、 計測部が、第１のコイルと第２のコイルのインピーダンスを計測し、第１のコイルと第２のコイルの位置関係を変更させた際のインピーダンスが、予め設定された閾値を超えた場合に、第１のコイルと第２のコイルの位置あわせを完了し、位置あわせが、電源供給制御部が通電のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことで第１のコイルと第２のコイルに生じる間欠動作によって行われることを含むことを特徴とする給電方法。

また、受電用コイルを備えた受電装置に給電を行う給電装置であって、移動可能に設けられた給電用コイルと、給電用コイルから受電用コイルへ給電を行う電源供給制御部と、給電用コイルと受電用コイルのインピーダンスを計測する計測部と、を有し、給電用コイルと受電用コイルの位置関係を変更させた際のインピーダンスが予め設定された閾値を超えた場合に位置あわせを完了し、位置あわせが、電源供給制御部が通電のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことで給電用コイルと受電用コイルに生じる間欠動作によって行われることを含むことを特徴とする給電装置。

本発明の給電システムによれば、給電装置内部の給電コイルと受電装置内部の受電コイルの両方あるいはどちらか一方が自由に移動可能であり、また、給電コイルと受電コイルは周りに配置された磁性体の互いの引力によって給電効率が最適な同心円状の位置に誘導されるため、利用者が方向や位置を気にしないで電子機器を給電装置上の適当な場所に置くだけで、形状や種類の異なる受電装置にも非接触で高効率な給電を行う給電システムを可能にする。

この発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、次の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、より完全に明らかになるであろう。但し、図面は、もっぱら解説のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。

図１は給電システムの基本構成の断面図である。給電装置１１には給電用コイル１２・給電用磁性体１３・給電用電源線部１４・電源部１５・電源供給制御部１６・コンバータ１７・給電用流体部３２を備えており、受電装置１８には受電用コイル１９・受電用磁性体２０・受電用電源線部２１を備えている。

給電用磁性体１３は給電用コイル１２の周りに接着しており、受電用磁性体２０は受電用コイル１９の周りに接着している。給電用電源線部１４と受電用電源線部２１は、ある程度伸縮自在なワイヤーで出来ていてそれぞれのコイルと繋がっている。給電コイル１２及び給電用磁性体１３及び給電用電源線部１４は給電用流体部３２の内部を移動可能である。受電用コイル１９及び受電用磁性体２０は受電装置１８の面に固定されている。電源供給制御部１６で給電を制御し、コンバータ１７で整流する。給電用コイル１２と受電用コイル１９の大きさ及び、給電用磁性体１３と受電用磁性体２０のサイズは異なっていても良いが、共に同じサイズの方が望ましい。

以下に、給電システムの給電開始時のシーケンスを示す。
ＳＴＥＰ１−１：給電装置１１と受電装置１８を接触させる。
ＳＴＥＰ１−２：給電用磁性体１３と受電用磁性体２０との引力により、給電用磁性体１３は接着されている給電用コイル１２と供に、受電用磁性体２０に引き寄せられ、給電用コイル１２と受電用コイル１９とが誘導される給電効率が最適な同心円状の位置にセットされる。
ＳＴＥＰ１−３：給電用コイル１２から受電用コイル１９に給電が開始される。

以下に、給電システムの給電終了時のシーケンスを示す。
ＳＴＥＰ２−１：給電装置１１もしくは受電装置１８を取り除くと給電が終了される。

図２はコイル位置合わせの斜視図（受電用コイル固定）で、図３はコイル位置合わせの平面図（受電用コイル固定）である。受電用コイル１９及び受電用磁性体２０は受電装置１８の面に固定されている為、受電用磁性体２０と給電用磁性体１３と引力により、給電用磁性体１３に接着された給電用コイル１２が受電用コイル１９に引き寄せられる。最終的に同心円状の位置にセットされ、この位置は給電効率が最適な位置になっている。

図４は給電システムの応用構成の断面図である。給電装置１１には給電用コイル１２・給電用電磁石２２・給電用電源線部１４・電源部１５・電源供給制御部１６・コンバータ１７・給電用位相制御部２３・計測部２４・固定用棒２５・固定用バルーン３６・給電ランプ３１・給電用液体部３３を備えており、受電装置１８には受電用コイル１９・受電用電磁石２６・受電用電源線部２１・受電用位相制御部２７・磁気シールド板２８・電子機器部分２９・開始スイッチ３０・受電用液体部３４・二次電池３５を備えている。

給電用電磁石２２は給電用コイル１２の周りに接着しており、受電用電磁石２６は受電用コイル１９の周りに接着している。給電用電源線部１４と受電用電源線部２１は、ある程度伸縮自在なワイヤーで出来ていてそれぞれのコイルと繋がっている。給電コイル１２と給電用電磁石２２と給電用電源線部１４は給電用液体部３３の内部を移動可能であり、受電用コイル１９と受電用電磁石２６と受電用電源線部２１は受電用液体部３４の内部を移動可能である。給電用液体部３３及び受電用液体部３４の内部の液体は絶縁性の液体が望ましく、さらには比重が２以下の液体が望ましい。固定用棒２５と固定用バルーン３６は給電用コイル１２を所定の位置で固定するための装置である。また、電源供給制御部１６で給電を制御し、コンバータ１７で整流する。計測部２４では電圧電流値とインピーダンスを計測し、自動的に給電を開始し終了することができる。給電用位相制御部２３は給電用電磁石２２の位相を制御して極性をコード化し、受電用位相制御部２７は受電用電磁石２６の位相を制御して極性をコード化し、給電のライセンスの制限を行うことが可能である。磁気シールド板２８は、磁場が電子機器部分２９に影響を及ぼさないようにするために設置してある。また、開始スイッチ３０は給電を開始するためのスイッチである。給電用コイル１２と受電用コイル１９の大きさ及び、給電用電磁石２２と受電用電磁石２６のサイズは異なっていても良いが、共に同じサイズの方が望ましい。

以下に、給電システムの給電開始時のシーケンスを示す。
ＳＴＥＰ３−１：予備動作として、受電装置１８に付属している開始スイッチ３０をONにすると、二次電池３５に残っている微量の電気が受電用コイル１９及び受電用電磁石２６に給電される。
ＳＴＥＰ３−２：給電装置１１と受電装置１８を接触させる。
ＳＴＥＰ３−３：受電用コイル１９から給電用コイル１２への誘導起電力を計測部２４で検知し、検知したことをトリガーとして給電装置１１側で給電用電磁石２２に自動的に給電する。
ＳＴＥＰ３−４：双方の給電用電磁石２２及び受電用電磁石２６に通電されたことで引力が発生し、給電用電磁石２２に接着された給電用コイル１２と受電用電磁石２６に接着された受電用コイル１９が互いに引き寄せられ、給電効率が最適な同心円状の位置にセットされる。固定用棒２５及び固定用バルーン３６により、給電用コイル１２が下・左・右と固定される。
ＳＴＥＰ３−５：上記ＳＴＥＰ３−４の位置からさらに位置合わせの微調整を可能にするため、給電用コイル１２に微弱電流を給電しインピーダンスを計測し、給電用電磁石２２と受電用電磁石２６の通電及び、給電用コイル１２と受電用コイル１９の通電のＯＮ／ＯＦＦを繰り返す間欠動作を行なう。さらに、その際に生じる断続的な引力を利用して自動で位置調整を行う。
ＳＴＥＰ３−６：計測部２４で給電用コイル１２及び受電用コイル１９の両端のインピーダンスを計測し、予め設定しておいた閾値を超えた場合は位置合わせの微調整の設定を完了する。超えない場合は超えるまで上記ＳＴＥＰ３−５を繰り返し行う。
ＳＴＥＰ３−７：上記ＳＴＥＰ３−６で閾値が超えたところで、給電用コイル１２と受電用コイル１９は給電効率が最適な位置にセットされる。
ＳＴＥＰ３−８：給電用の大電流を給電用コイル１２から受電用コイル１９に給電する。
この際、給電中の合図として給電ランプ３１を点灯させる。

以下に、給電システムの給電終了時のシーケンスを示す。
ＳＴＥＰ４−１：計測部２４で給電電圧の変化を検知し、変化量が少なくなり絶対値が閾値を越えた時に満タンに給電されたことを検知する。
ＳＴＥＰ４−２：上記ＳＴＥＰ４−１の時に生じたリレー動作で開始スイッチ３０を切断すると、給電用コイル１２から見たインピーダンスがL（インダクタンス）だけになり、インピーダンスの変化が生じるので給電完了が給電用コイル１２からでもわかる。
ＳＴＥＰ４−３：上記ＳＴＥＰ４−２のインピーダンスの変化において受電用電磁石２６への給電を自動的に停止する。
ＳＴＥＰ４−４：給電装置１１から見たインピーダンスが変化したことを検出して開始スイッチ３０をオフにして給電を自動的に停止する。
ＳＴＥＰ４−５：双方の給電用電磁石２２及び受電用電磁石２６の通電が無くなったことで、給電用コイル１２はリリースされる。この際、給電完了の合図として給電ランプ３１を消灯させる。
ＳＴＥＰ４−６：給電装置１１もしくは受電装置１８を取り除く。

図５は磁性体のコード化の様子を示す図である。
以下に、上記ＳＴＥＰ３−４において行われる、コード認証のシーケンスを示す。
ＳＴＥＰ５−１：給電用電磁石２２はオール「Ｎ極」、受電用電磁石２６はオール「Ｓ極」にして位置合せが行われる。
ＳＴＥＰ５−２：給電用電磁石２２及び受電用電磁石２６に対して、固有の認証コード「０」に対応して「Ｎ」、「１」に対応して「Ｓ」の極性となるように電流を与える。
ＳＴＥＰ５−３：固定用棒２５及び固定用バルーン３６の固定を外すことで、認証コードが合わない場合は給電コイル１２が重力により下に落ちるため受電コイル１９と離れて給電が行われない。認証コードが合っている場合は、位置合せがセットされたままなので給電が行われる。
ＳＴＥＰ５−４：ただし、多少の極性の違いでは給電用電磁石２２と受電用電磁石２６が引き合ったままの場合が生じるが、この２つの電磁石の極性の位相を徐々に同方向にゆっくりと回すとある箇所で電磁力が弱くなり、給電コイル１２と受電コイル１９を給電できる位置に固定するほどの引力はなくなり、給電コイル１２が重力により下に落ちるため受電コイル１９と離れて給電が行われない。
ＳＴＥＰ５−５：電磁石の極性コードを付与することによって、その機器の受電装置のコードと給電装置のコードが合致した際にのみ給電が可能なシステムを構築することも可能である。また、認証を行う手段として通信により認証コードを照合してもよい。

図６はコイル位置合せの斜視図であり、図７はコイル位置合せの平面図である。給電用電磁石２２と受電用電磁石２６との引力により、給電用電磁石２２に接着された給電用コイル１２と受電用電磁石２６に接着された受電用コイル１９は互いに引き寄せられる。最終的に同心円状の位置にセットされ、この位置は給電効率が最適な位置になっている。

給電システムの基本構成の断面図 コイル位置合わせの斜視図（受電用コイル固定） コイル位置合わせの平面図（受電用コイル固定） 給電システムの応用構成の断面図 磁性体のコード化の様子を示す図 コイル位置合わせの斜視図 コイル位置合わせの平面図

符号の説明

１１：給電装置
１２：給電用コイル
１３：給電用磁性体
１４：給電用電源線部
１５：電源部
１６：電源供給制御部
１７：コンバータ
１８：受電装置
１９：受電用コイル
２０：受電用磁性体
２１：受電用電源線部
２２：給電用電磁石
２３：給電用位相制御部
２４：計測部
２５：固定用棒
２６：受電用電磁石
２７：受電用位相制御部
２８：磁気シールド板
２９：電子機器部分
３０：開始スイッチ
３１：給電ランプ
３２：給電用流体部
３３：給電用液体部
３４：受電用液体部
３５：二次電池
３６：固定用バルーン

Claims (3)

1. 給電装置と受電装置とが給電を行う給電システムであって、
   前記給電装置に移動可能に設けられた第１のコイルと、
   前記受電装置に設けられた第２のコイルと、
   前記第１のコイルから前記第２のコイルへ給電を行う電源供給制御部と、
   前記第１のコイルと前記第２のコイルのインピーダンスを計測する計測部と
   を有し、
   前記第１のコイルと前記第２のコイルの位置関係を変更させた際の前記インピーダンスが、予め設定された閾値を超えた場合に、前記第１のコイルと前記第２のコイルの位置あわせを完了し、
   前記位置あわせが、前記電源供給制御部が通電のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことで前記第１のコイルと前記第２のコイルに生じる間欠動作によって行われることを含むことを特徴とする給電システム。
2. 給電装置に移動可能に設けられた第１のコイルと、受電装置に設けられた第２のコイルと、を用いて給電を行う給電方法であって、
   電源供給制御部が、前記第１のコイルから前記第２のコイルへ給電を行ない、
   計測部が、前記第１のコイルと前記第２のコイルのインピーダンスを計測し、
   前記第１のコイルと前記第２のコイルの位置関係を変更させた際の前記インピーダンスが、予め設定された閾値を超えた場合に、前記第１のコイルと前記第２のコイルの位置あわせを完了し、
   前記位置あわせが、前記電源供給制御部が通電のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことで前記第１のコイルと前記第２のコイルに生じる間欠動作によって行われることを含むことを特徴とする給電方法。
3. 受電用コイルを備えた受電装置に給電を行う給電装置であって、
   移動可能に設けられた給電用コイルと、
   前記給電用コイルから前記受電用コイルへ給電を行う電源供給制御部と、
   前記給電用コイルと前記受電用コイルのインピーダンスを計測する計測部と、
   を有し、
   前記給電用コイルと前記受電用コイルの位置関係を変更させた際の前記インピーダンスが予め設定された閾値を超えた場合に位置あわせを完了し、
   前記位置あわせが、前記電源供給制御部が通電のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことで前記給電用コイルと前記受電用コイルに生じる間欠動作によって行われることを含むことを特徴とする給電装置。

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