JP5400811B2

JP5400811B2 - 自励式非接触電力伝送装置

Info

Publication number: JP5400811B2
Application number: JP2011009527A
Authority: JP
Inventors: 秀樹小島
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2031-01-20
Also published as: JP2012152049A

Description

発振状態を安定して維持することができる自励式非接触電力伝送装置に関する。

近年、携帯電話やデジタルカメラ、ノートパソコンなどの電子機器に対して非接触で電力を伝送する方式が普及してきている。送電装置に内蔵される送電コイルから発生する交流磁場により、電子機器に内蔵される受電コイルに電力を伝送する。送電コイルに対しては交流電圧を印加する必要があり、そのための電源回路が必要となる。スイッチング電源の駆動方式として、自励式または他励式の発振回路がある。自励式の発振回路は、他励式の発振回路と比べて部品点数が少なく回路構成が簡単であるため、コストを抑えることができる。

特許文献１には、自励式の発振回路を用いた非接触電力伝送装置が記載されている。自励式の発振回路に用いられる送電コイルおよび受電コイルの断面図を図４に示す。送電コイル５１と受電コイル６１は対向して配置されている。送電コイル５１および自励発振のための帰還コイル５５はそれぞれＴ型のフェライトコア５３の中央脚に巻回されている。受電コイル６１の送電コイル５１に対向する面の反対側にはフェライトコア６３が配置されている。これにより、送電コイル５１と受電コイル６１間の結合係数を改善している。

特開２００５−９４８４３号公報

自励式の発振回路を用いた非接触電力伝送装置においては、送電コイル５１の他に自励発振のための帰還コイル５５が必要になる。図４に示したようにフェライトコア５３、６３を配置することで、送受電コイル間の電力伝送効率を改善することができる。しかし、送受電コイルを対向させた場合、送電コイル５１だけでなく帰還コイル５５の自己インダクタンスも大きく変化してしまうため、電源回路の発振状態が不安定になってしまうことがあった。

本発明はこのような問題を考慮してなされたものであり、結合係数を改善するために磁性体を用いた場合でも、自励発振回路の発振状態を安定させることができる自励式非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明はこのような目的を達成するため、送電コイルと自励発振のための帰還コイルを備え、該送電コイルから受電コイルに対して電磁誘導により電力の供給を行う自励式非接触電力伝送装置において、該送電コイルの該受電コイルと対向する面の反対側の面に孔部を備える磁性体を配置し、該帰還コイルが該孔部に配置されることを特徴とする。

本発明によると、自励発振回路に用いられる帰還コイルの自己インダクタンスの変化が抑えられ、自励発振回路の動作を安定させることができる。

本発明の第１の実施例に係る送電コイルおよび受電コイル本発明に用いる非接触電力伝送回路の一例本発明の第２の実施例に係る送電コイルおよび受電コイル従来の送電コイルおよび受電コイル

図１に本発明の第１の実施例に係る送電コイルおよび受電コイルを示す。図１（ａ）は送電コイルおよび受電コイルの断面図、図１（ｂ）は送電コイルの分解斜視図である。送電コイル１１と受電コイル４１が対向する面の反対側の面には、それぞれ磁性シート１３、４３が設けられている。これにより、インダクション係数を上げて各コイルの巻数を減少させて効率を上げるのと同時に不要輻射を抑制している。各磁性シート１３、４３の大きさは、それぞれ送電コイル１１、受電コイル４１と同じ大きさかそれ以上のものが用いられる。また、磁性シート１３の中央には孔部１４が設けられている。孔部１４は円形状であり、磁性シート１３の表裏面を貫通するように構成されている。自励発振のための帰還コイル１５は孔部１４内に配置されている。帰還コイル１５と送電コイル１１の巻回面は、略平行になるようにする。

帰還コイル１５の外径は、孔部１４の孔径より小さくなるように形成されている。また、帰還コイル１５の厚さは、磁性シート１３の厚さと同じか薄くなるように形成されている。そのため、帰還コイル１５は磁性シート１３の孔部１４内に配置できるようになっている。送電コイル１１の背面の大部分には磁性シート１３が配置される一方、帰還コイル１５の背面には磁性シート１３が配置されない構造となる。

背面に磁性シート４３を設けられた受電コイル４１が送電コイル１１に近接すると、送電コイル１１および帰還コイル１５の自己インダクタンスが上昇する。送電コイル１１は、背面の大部分に磁性シート１３が配置されているため、自己インダクタンスが１０〜１５％程度上昇する。他方、帰還コイル１５は、磁性シート１３の孔部１４に配置されているため、自己インダクタンス上昇が３％程度に抑えられる。帰還コイル１５の外周に磁性シート１３を配置することで、磁性シート１３、４３によって帰還コイル１５の自己インダクタンスが変化するのを抑制することができる。それと同時に、送電コイル１１の背面の大部分には磁性シート１３が配置されているため、送受電コイル間の結合係数を上げることができる。

次に、図２に本発明に用いる非接触電力伝送回路の一例を示す。送電装置１０は、送電コイル１１、自励発振のための帰還コイル１５、ＮＰＮ型トランジスタ２１、バイアス回路２２、コンデンサ２３、ベース抵抗２４、起動抵抗２５および共振用コンデンサ２６を備える。送電コイル１１と帰還コイル１５は、互いに磁気的に結合している。図中の点（・）は各コイルの極性を示す。送電コイル１１は、トランジスタ２１のコレクタと直流電源Ｖｉｎの正電圧端子間に接続されている。トランジスタ２１のエミッタは、バイアス回路２２を介して直流電源ＶｉｎのＧＮＤ端子に接続されている。また、帰還コイル１５は、コンデンサ２３およびベース抵抗２４を介してトランジスタ２１のベースと直流電源ＶｉｎのＧＮＤ端子間に接続されている。また、起動抵抗２５は、ベース抵抗２４を介してトランジスタ２１のベースと直流電源Ｖｉｎの正電圧端子間に接続されている。また、共振用コンデンサ２６は、ベース抵抗２４を介してトランジスタ２１のベース−コレクタ間に接続されている。

携帯機器である受電装置４０は、電磁誘導作用により送電コイル１１から電力を受電する受電コイル４１と、受電コイル４１に誘導される交流電力を整流する整流平滑回路４７を備える。整流平滑回路４１の出力Ｖｏｕｔは、二次電池などの負荷に供給される。受電コイル４１の巻線面は送電コイル１１の巻線面と対向するように配置される。

次に、非接触電力伝送回路の動作について説明する。直流電源Ｖｉｎより直流電圧がコンデンサ２３、起動抵抗２５を介して帰還コイル１５に印加される。すると、トランジスタ２１のベース−エミッタ間の電圧が上昇し、トランジスタ２１がオンに切り替わり、送電コイル１１に流れる電流が徐々に増加する。これにより、帰還コイル１５に電圧が発生し、トランジスタ２１のコレクタの電流は更に増加しようとする。その後、帰還コイル１５の電圧が逆転すると、トランジスタ２１がオフに切り替わる。その後、帰還コイル１５の電圧の極性が再度逆転すると再びトランジスタ２１がオンに切り替わり、同様な動作を繰り返す。このようにして送電コイル１１に交流電力が供給される。

もし、帰還コイル１５の自己インダクタンスが大きく変化してしまう構造であると、送受電コイルを対向させたときにトランジスタ２１のスイッチング動作が安定せず、発振動作が不安定になってしまう。また、受電装置４０の負荷変動により、帰還動作が不安定になりやすくなってしまう。本願発明のように、帰還コイル１５を磁性シート１３の孔部１４内に配置することで、帰還コイル１５の自己インダクタンスの変化を抑えられる。これにより、自励発振回路の発振動作の安定性を向上させることができる。また、帰還コイル１５と磁性シート１３を同一平面内に配置することで、送電コイル１１、磁性シート１３および帰還コイル１５で構成される送電部の薄型化が可能となる。

図３に本発明の第２の実施例に係る送電コイルおよび受電コイルを示す。図３（ａ）は送電コイルおよび受電コイルの断面図、図３（ｂ）は送電コイルの分解斜視図である。以下、第１の実施例と同じ機能を有する部位には同じ符号を付し、説明は省略する。

磁性シート３３の中央には孔部３４が設けられている。孔部３４は円形状であり、磁性シート３３の表裏面を貫通するように構成されている。磁性シート３３の孔部３４の孔径は、送電コイル３１の巻軸径と略同一になるように形成されている。また、磁性シート３３は、磁性シート３３の孔部３４の孔径と送電コイル３１の巻軸径の大きさが合うように形成されている。自励発振のための帰還コイル３５は、磁性シート３３の孔部３４と送電コイル３１の内径部３２にまたがり配置されている。帰還コイル３５と送電コイル３１の巻回面は、略平行になるようにする。

帰還コイル３５の外径は、孔部３４の孔径より小さくなるように形成されている。また、帰還コイル３５の厚さは、送電コイル３１と磁性シート３３の厚さの合計より薄くなるように形成されている。そのため、帰還コイル３５は磁性シート３３の孔部３４と送電コイル３１の内径部３２にまたがり配置できるようになっている。送電コイル３１の背面には磁性シート３３が配置される一方、帰還コイル３５の背面には磁性シート３３が配置されない構造となる。帰還コイル３５と受電コイル４１間の結合を低く抑え、自励発振回路の動作を安定させるために、帰還コイル３５と受電コイル４１との間に間隔を設けることが好ましい。

このように帰還コイル３５を配置することで、送電コイル３１の内径部３２のスペースを有効に利用することができる。また、第１の実施例と同様に帰還コイル３５の自己インダクタンスの上昇を送電コイル３１の自己インダクタンスの上昇に対して低くなるように抑えることができる。これにより、自励発振回路の発振状態が不安定になるのを抑えることができる。また、帰還コイル３５の外径を受電コイル４１の巻軸径より小さくすることで、帰還コイル３５と受電コイル４１間の結合を弱めることができ、発振動作が不安定になりにくくなる。

なお、送電コイル１１に交流電力を供給するための電源回路としてコレクタ同調形の自励発振回路を用いたが、ＲＣＣ共振回路やコレクタ共振回路などの自励発振回路を用いてもよい。また、磁性シート１３、３３、４３はそれぞれ磁性体であれば何を用いてもよい。例えば、フェライトコア、アモルファスコアなどを用いてもよい。また、磁性シート１３、３３、４３は複数に分割された磁性シートを組み合わせて構成してもよい。また、磁性シート１３、３３の孔部１４、３４の形状は円形に限定されるものではなく、正角形などの多角形状にしてもよい。

１０送電装置
１１、３１送電コイル
１３、３３磁性シート
１４、３４孔部
１５、３５帰還コイル
２１ＮＰＮ型トランジスタ
２２バイアス回路
２３コンデンサ
２４ベース抵抗
２５起動抵抗
２６共振用コンデンサ
３２内径部
４０受電装置
４１受電コイル
４３磁性シート
４７整流平滑回路

Claims

送電コイルと自励発振のための帰還コイルを備え、該送電コイルから受電コイルに対して電磁誘導により電力の供給を行う自励式非接触電力伝送装置において、
該送電コイルの該受電コイルと対向する面の反対側の面に孔部を備える磁性体を配置し、
該帰還コイルが該孔部に配置される自励式非接触電力伝送装置。
前記孔部が略円形の貫通孔である請求項１に記載の自励式非接触電力伝送装置。
前記送電コイルと前記帰還コイルの巻回面が略平行である請求項１または２に記載の自励式非接触電力伝送装置。
前記帰還コイルが前記孔部と前記送電コイルの内径部にまたがり配置される請求項３に記載の自励式非接触電力伝送装置。
前記磁性体が磁性シート、アモルファスコアもしくはフェライトコアである請求項１〜４のいずれか一項に記載の自励式非接触電力伝送装置。
前記磁性体が複数に分割されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の自励式非接触電力伝送装置。