JP5872373B2 - 無接点給電方法 - Google Patents

Description

本発明は、送電コイルと受電コイルとを電磁結合するように互いに接近して配置し、送電コイルから受電コイルに電磁誘導作用で給電する無接点給電方法に関し、とくに給電台に異物がセットされたことを検出する無接点給電方法に関する。

送電コイルを内蔵する給電台に、受電コイルを内蔵する携帯機器をセットして、送電コイルから受電コイルに電力搬送する無接点給電方法は開発されている。（特許文献１参照）

この無接点給電方法は、給電台を充電台とし、携帯機器を電池内蔵機器として、充電台から電池内蔵機器に電力搬送して、電池内蔵機器の電池を充電する。無接点充電するために、給電台の送電コイルに、携帯機器の受電コイルを接近させて、送電コイルから受電コイルに給電する。受電コイルに誘導される電力で内蔵電池が充電される。この給電方法は、コネクタを介して携帯機器を給電台に接続する必要がなく、無接点方式で携帯機器に電力搬送できる。

この給電方法は、給電台から給電している状態で、給電台にクリップなどの金属片からなる異物が載せられると、異物に誘電電流が流れてジュール熱で発熱する弊害がある。また、異物に誘導電流が流れて無駄に電力を消費するので、給電台から携帯機器に効率よく給電できない欠点もある。この欠点を解消するために、特許文献１の充電台は、異物を検出する温度センサを上面に縦横に並べて多数に配置している。温度センサは、充電台に載せられて異物が発熱するのを検出する。この充電台は、上に金属製の異物を載せる状態で、送電コイルに交流電力を供給すると、異物に誘電電流が流れて発熱するので、この異物の発熱を、近くに配置している温度センサで検出する。

特開２００８−１７５６２号公報

以上の充電台は、異物を検出するための温度センサと、この温度センサの検出温度から異物判定する判定回路を設ける必要があるので、異物検出のための回路構成が複雑で製造コストが高くなる欠点がある。また、温度センサから離れてセットされる異物を安定して確実に検出できなかったり、検出時間が相当に遅くなって異物が高温に発熱する等の欠点がある。さらに、以上の充電台は、異物の発熱を温度センサで検出して異物がセットされたことを判定するので、異物を検出する状態で異物が異常な高温に加熱されて、安全に異物検出できない欠点もある。

さらに、無接点給電方法は、送電コイルと受電コイルとを電磁結合して電力搬送するので、受電コイルと送電コイルとの相対位置がずれると送電効率が低下する欠点がある。この状態は、たとえば、給電台から携帯機器に電力搬送している状態で、携帯機器が振動などが原因で位置ずれすることで発生する。送電効率が低下すると、携帯機器の受電電力が低下し、また携帯機器と給電台との間の通信も不安定になって正常な給電を実現できなくなる。

本発明は、さらに以上の欠点を解消することを目的に開発されたもので、本発明の大切な目的は、簡単な回路構成で製造コストを安価にしながら、セットされる異物を安定して確実に検出できる無接点給電方法を提供することにある。
また、本発明の他の大切な目的は、速やかに異物がセットされたことを検出できる無接点給電方法を提供することにある。
さらにまた、本発明の他の大切な目的は、送電コイルと受電コイルとの相対的な位置ずれからなる異常判定も検出できる無接点給電方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の無接点給電方法は、送電コイル１１を備える給電台１０に、受電コイル５１を内蔵する携帯機器５０をセットし、給電台１０の送電コイル１１に携帯機器５０の受電コイル５１を電磁結合して、送電コイル１１から受電コイル５１に電磁誘導作用で電力搬送する。携帯機器５０は、給電台１０に電力を調整する電力の増減要求信号を伝送する。給電台１０は、増減要求信号に基づいて送電コイル１１の出力を調整して、携帯機器５０の要求電力を給電する。さらに、携帯機器５０は、所定の周期で、給電台１０から給電される受電電力を要求電力に比較して、受電電力が要求電力よりも小さいと増減要求信号として増加要求信号を給電台１０に伝送し、受電電力が要求電力よりも大きいと増減要求信号として減少要求信号を給電台１０に伝送する。増減要求信号は、給電台１０の出力を増加させる要求値の大きさに応じて大きくなる増加要求の重み付けポイントと、要求値の変化値に応じて大きくなる変化量の重み付けポイントの何れか又は両方を含み、所定の周期で出力される重み付けポイントを加算して、加算される重み付けポイントが設定ポイントになると、異物がセットされたと判定する。

以上の無接点給電方法は、簡単な回路構成で製造コストを安価にしながら、セットされる異物を安定して確実に検出できる特徴がある。この特徴は、以上の無接点給電方法が、給電台の出力を増加させる増加要求信号に、要求値の大きさや要求値の変化値に応じて大きくなる重み付けポイントを設け、この重み付けポイントを加算して、加算される重み付けポイントが設定ポイントになると、給電台に異物がセットされたと判定するからである。とくに、以上の方法は、重み付けポイントを要求値や要求値の変化値の大きさに応じて大きくして、これを加算して加算値が設定値以上になると異物がセットされたと判定するので、給電台にセットされる異物を速やかに検出できる特徴がある。それは、給電台に異物がセットされて、受電電力が低下すると、要求値や要求値の変化値の重み付けポイントが増加して、給電台の出力を増加させるからである。

さらに、以上の無接点給電方法は、送電コイルと受電コイルとの相対的な位置ずれ等の異常判定もできる特徴がある。それは、送電コイルと受電コイルとの相対位置がずれて送電効率が低下すると、受電電力が低下して、増加要求信号の大きさや変化値が大きくなって、重み付けポイントが大きくなるからである。また、給電台の送電コイルや電源回路が故障して出力が低下する状態になっても、携帯機器の受電電力が低下して、増加要求信号の大きさや変化値が大きくなって重み付けポイントが増加するので、これ等の異常判定もできる特徴がある。

とくに、以上の方法は、増加要求信号に、要求値の大きさに応じて大きくする増加要求の重み付けポイントと、要求値の変化値に応じて大きくする変化量の重み付けポイントを設けて、増加要求の重み付けポイントと変化量の重み付けポイントの両方を加算することで、より速やかに異物がセットされたことを検出し、また受電コイルの位置ずれや一部の回路の故障などの異常判定もより速やかにできる特徴がある。

ただ、以上の方法は、増加要求信号に、要求値の大きさに応じて大きくする増加要求の重み付けポイントのみを設け、あるいは、要求値の変化値に応じて大きくする変化量の重み付けポイントのみを設け、増加要求の重み付けポイントのみを加算し、あるいは変化量の重み付けポイントのみを加算して、異物検出や異常判定をすることもできる。

さらに、以上の無接点給電方法は、携帯機器が出力する増加要求信号の重み付けポイントを加算して異物判定し、また相対位置のずれを検出するので、異物検出や異常判定のために給電台に温度センサ等を設ける必要がなく、回路構成を簡単にしながら、異常判定なども含めて検出できる特徴がある。

また、以上の無接点給電方法は、従来のように異物の発熱を温度センサで検出して異物判定するのでなく、異物がセットされると、送電効率が低下して、携帯機器が出力する増減要求信号の重み付けポイントを加算して異物検出と位置ずれを検出するので、異物を異常な高温に加熱することなく、異物がセットされたことを安全に検出できる特徴も実現する。

本発明の無接点給電方法は、重み付けポイントを、所定の範囲で、要求値の大きさに比例して大きくすることができる。
この無接点給電方法は、より安定に、しかも正確に異物検出や異常判定できる特徴がある。

また、本発明の無接点給電方法は、重み付けポイントを、所定の範囲で、要求値の変化値の大きさに比例して大きくすることもできる。
この無接点給電方法も、安定に、しかも正確に異物検出や異常判定できる特徴がある。

さらに、本発明の無接点給電方法は、給電台１０の出力制限の設定値に制限することができる。
この無接点給電方法は、異物の異常な加熱をより効果的に防止しながら、より確実に異物検出と異常判定できる。それは、給電台の出力を設定値に制限するので、受電電力が要求電力よりも小さい状態で、携帯機器が出力する増加要求信号の重み付けポイントが大きくなるからである。

また、本発明の無接点給電方法は、給電台１０から携帯機器５０に給電を開始して、あらかじめ設定している設定時間経過した後、重み付けポイントを加算して異物検出することができる。
以上の無接点給電方法は、設定時間経過して受電電力の安定する状態で異物検出するので、増加要求信号の重み付けポイントを大きくして、速やかに異物検出できる特徴がある。

さらに、本発明の無接点給電方法は、受電電力が所定の範囲に安定した後、重み付けポイントを加算して異物検出することができる。
この無接点給電方法は、携帯機器の受電電力が安定する状態、すなわち、給電台の出力が一定となる状態で、重み付けポイントを加算して異物検出するので、異物検出をより正確にしかも速やかに検出できる特徴がある。とくに、給電台の出力を設定値に制限する状態で異物検出することで、より正確に異物検出できる特徴がある。それは、給電台に異物がセットされて、送電効率が低下する状態で、給電台の出力が出力電力閾値に制限される状態では、増加要求信号の重み付けポイントが大きくなって、加算値が速やかに大きくなるからである。また、出力を制限しない給電台が、最大出力の状態で、受電電力が要求電力に満たない状態となることもある。この状態においても、増加要求信号の重み付けポイントが大きくなるので、これを加算することで速やかに異物検出できる。したがって、本発明の無接点給電方法は、給電台の出力を、あらかじめ設定している出力に制限することなく、異物検出することもできる。

さらに、本発明の無接点給電方法は、加算される重み付けポイントを、携帯機器５０の減少要求信号でリセットまたは減算することができる。
以上の無接点給電方法は、異物検出の誤判定を防止しながら確実に異物判定できる特徴がある。それは、携帯機器が減少要求信号を出力する状態は、送電効率が高く、異物がセットされない状態と判定できるので、加算する重み付けポイントを減少要求信号でリセットまたは減算することで、重み付けポイントの加算ポイントを速やかに減少させて、加算ポイントが設定ポイントに達するのを阻止できるからである。

さらに、本発明の無接点給電方法は、給電台１０を充電台１０Ａとして、携帯機器５０を電池内蔵機器５０Ａとし、充電台１０Ａから電池内蔵機器５０Ａに給電される電力で電池内蔵機器５０Ａの電池５２を充電することができる。
この無接点給電方法は、電池内蔵機器を充電台にセットして、充電台から電池内蔵機器に電力搬送して、電池内蔵機器の電池を充電しながら、異物検出や異常判定できる特徴がある。

さらに、本発明の無接点給電方法は、電池内蔵機器５０Ａが電池５２を定電圧・定電流にて充電することができる。
この無接点給電方法は、リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池等の電池を、定電圧・定電流特性で安定して充電できる。

また、本発明の無接点給電方法は、給電台１０に、送電コイル１１を携帯機器５０の受電コイル５１に接近させるように移動させる移動機構１６を有する構造とすることができる。
この無接点給電方法は、携帯機器を自由な位置セットして、送電コイルを受電コイルに接近でき、しかも送電コイルを受電コイルに接近して給電を開始した後、確実に安定して異物検出できる特徴がある。

また、本発明の無接点給電方法は、携帯機器５０が、受電コイル５１の出力を降圧して負荷に供給することができる。
この無接点給電方法は、携帯機器側において、受電コイルが受電する電力を降圧して負荷に供給するので、送電コイルから搬送される電力を受電コイルで高電圧に受電可能となる。このため、受電コイルの出力電圧を高くして、受電コイルに流れる電流を小さくできる。これにより、受電コイルの配線幅を大きくすることなく、また受電コイルの線径を大きくすることなく、携帯機器に省スペースに内蔵でき、体積エネルギー密度への影響を低減できる。また、受電コイルに流れる電流を小さくできることで、電力搬送における電力の無駄な消費、すなわち、受電コイルの抵抗による電力消費を低減して効率よく電力搬送できる。

さらに、本発明の無接点給電方法は、携帯機器５０で増加要求信号の重み付けポイントを加算して異物検出することができる。さらにまた、本発明の無接点給電方法は、給電台１０で増加要求信号の重み付けポイントを加算して異物検出することもできる。

本発明の一実施例にかかる無接点給電方法で電力搬送する給電台と携帯機器のブロック図である。 位置決め部機構で定位置にセットされる携帯機器と給電台を示す概略断面図である。 増減要求信号が給電台の出力を変化させる倍率を示すグラフである。 増減要求信号の信号レベルと増加倍率に対する重み付けポイントを示すグラフである。 増加要求信号の変化量に対する重み付けポイントを示すグラフである。 携帯機器が給電台にセットされて時間が経過して受電電力が変化する状態を示すグラフである。 異物がセットされない状態で携帯機器から出力される増減要求信号と受電電力の変化を示す図である。 異物がセットされる状態で携帯機器から出力される増加要求信号と受電電力の変化を示す図である。 検出回路がエラー検出するフローチャートである。 本発明の他の実施例にかかる無接点給電方法で電力搬送する給電台と携帯機器のブロック図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための無接点給電方法を例示するものであって、本発明は無接点給電方法を以下の方法や回路構成に特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１は、本発明の無接点給電方法で電力搬送する給電台と携帯機器を示すブロック図である。この図は、給電台１０の上に携帯機器５０を載せて、給電台１０から携帯機器５０に給電する状態を示している。以下の実施例は、給電台１０を充電台１０Ａとし、携帯機器５０を電池内蔵機器５０Ａとして、充電台１０Ａから電池内蔵機器５０Ａに給電して、電池内蔵機器５０Ａの電池５２を充電する状態を示している。

ただし、本発明は、給電台を充電台として、携帯機器を電池内蔵機器に特定するものではない。携帯機器は照明器具や充電アダプタとして、給電台から携帯機器に給電して、携帯機器に電力供給することができる。照明の携帯機器は、給電台から給電される電力で光源を点灯し、充電アダプタの携帯機器は、給電台から給電される電力でもって、充電アダプタに接続される電池内蔵機器に電池の充電電力を供給して、電池内蔵機器の電池を充電する。また、携帯機器は、パック電池であっても良い。

給電台１０は、ケース２０の上面に、携帯機器５０を一定の位置にセットして載せる上面プレート２１を設けて、この上面プレート２１の内側に送電コイル１１を配置している。送電コイル１１は、交流電源１２を接続して、交流電源１２をコントロール回路１３で制御している。

コントロール回路１３は、携帯機器５０から伝送される増減要求信号で交流電源１２を制御して、送電コイル１１に供給する電力を調整する。コントロール回路１３は、受信回路１４から入力される増加要求信号で交流電源１２から送電コイル１１への出力電力を大きくし、減少要求信号で送電コイル１１への出力を小さくして、携帯機器５０から要求された要求電力を給電する。コントロール回路１３は、交流電源１２の出力を最大出力に以下に調整し、あるいはあらかじめ設定している設定電力以下に調整する。コントロール回路１３は、増加要求信号によって交流電源１２の出力を増加させるが、交流電源１２の出力が最大電力に、あるいは設定電力まで増加される状態においては、増加要求信号を検出しても、交流電源１２の出力を増加させない。

給電台１０は、送電コイル１１を受電コイル５１に電磁結合して、送電コイル１１から受電コイル５１に電力搬送、すなわち給電する。携帯機器５０を上面プレート２１の自由な位置にセットして、電池５２を充電する給電台１０は、送電コイル１１を受電コイル５１に接近するように移動させる移動機構１６を内蔵している。この給電台１０は、送電コイル１１をケース２０の上面プレート２１の下に配設して、上面プレート２１に沿って移動させて受電コイル５１に接近させる。

給電台１０と携帯機器５０は、携帯機器５０を給電台１０の定位置にセットする位置決め部機構を設けて、携帯機器５０を給電台１０の定位置にセットすることができる。位置決め部機構は、受電コイル５１を送電コイル１１に接近させるように、携帯機器５０を給電台１０の定位置にセットする。送電コイル１１に接近する受電コイル５１は、電磁誘導作用で送電コイル１１から受電コイル５１に電力搬送して給電する。

図２の位置決め部機構２２は、給電台１０の定位置に携帯機器５０をセットする嵌合構造である。図２の嵌合構造は、給電台１０の上面に携帯機器５０を嵌入する嵌入凹部２３を設けて、嵌入凹部２３に携帯機器５０を入れて定位置にセットしている。図示しないが、位置決め部機構は、給電台と携帯機器との対向面に嵌合構造の凹凸を設けて、携帯機器を給電台の定位置にセットすることもできる。嵌合構造は、携帯機器の位置ずれを防止できる。しかしながら、この構造の給電台も、携帯機器との間に異物がセットされることがあり、また給電中に携帯機器の近傍に金属製の異物がセットされることがあるので、エラー検出して、異物検出や異常判定する必要はある。

送電コイル１１は、上面プレート２１と平行な面で渦巻き状に巻いてなる平面コイルで、上面プレート２１の上方に交流磁束を放射する。この送電コイル１１は、上面プレート２１に直交する交流磁束を上面プレート２１の上方に放射する。送電コイル１１は、交流電源１２から交流電力が供給されて、上面プレート２１の上方に交流磁束を放射する。送電コイル１１は、磁性材からなるコア（図示せず）に線材を巻いてインダクタンスを大きくできる。コアのある送電コイルは、磁束を特定部分に集束して、効率よく電力を受電コイルに伝送できる。ただ、送電コイルは、必ずしもコアを設ける必要はなく、空芯コイルとすることもできる。空芯コイルは軽いので、送電コイルを上面プレートの内面で移動させる構造にあっては、移動機構を簡単にできる。送電コイル１１は、受電コイル５１の外径にほぼ等しくして、受電コイル５１に効率よく電力搬送する。

交流電源１２は、コントロール回路１３でもって送電コイル１１に供給する電力が調整されて、たとえば、２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの高周波電力を送電コイル１１に供給する。送電コイル１１を受電コイル５１に接近するように移動させる給電台１０は、交流電源１２を、可撓性のリード線を介して送電コイル１１に接続している。交流電源１２は、発振回路と、この発振回路から出力される交流を電力増幅するパワーアンプと備える。

給電台１０は、送電コイル１１を受電コイル５１に接近させた状態で、交流電源１２で送電コイル１１に交流電力を供給する。送電コイル１１の交流電力は、受電コイル５１に搬送されて、電池５２を充電する。給電台１０は、電池５２が満充電され、あるいは異物検出し、あるいはまた異常判定する状態で、携帯機器５０から伝送される信号で送電コイル１１への電力供給を停止して、電池５２の充電を停止する。

図１と図２の携帯機器５０は電池内蔵機器５０Ａで、この携帯機器５０は、給電台１０の送電コイル１１に電磁結合される受電コイル５１を内蔵している。受電コイル５１に誘導される受電電力で電池５２を充電する。したがって、図１の携帯機器５０は、電池５２と、受電コイル５１と、この受電コイル５１に誘導される交流を直流に変換する整流回路５６と、整流回路５６から出力される直流で電池５２を充電する充電電流や電圧を調整する充電制御回路５３と、携帯機器５０の情報信号を給電台１０に伝送する伝送回路５４と、整流回路５６の出力から受電電力を検出して、受電電力を、電池５２を充電するために必要な電力である要求電力に比較して増減要求信号を検出すると共に、この増減要求信号から異物検出する検出回路５５とを備える。

電池５２は、リチウムイオン電池又はリチウムポリマー電池である。ただし、電池は、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池などの充電できる全ての電池とすることができる。携帯機器５０は、１個ないし複数の電池５２を内蔵している。複数の電池５２は、直列又は並列に接続され、あるいは直列と並列に接続される。

整流回路５６は、図示しないが、受電コイル５１に誘導される交流をダイオードブリッジで全波整流して脈流を平滑コンデンサーで平滑化する。整流回路は、ダイオードブリッジで交流を整流するが、整流回路には、ＦＥＴをブリッジに接続して、交流に同期してＦＥＴをオンオフに切り換えて整流する同期整流回路も使用できる。ＦＥＴの同期整流回路はオン抵抗が小さく、整流回路の発熱を少なくして、携帯機器のケース内温度の上昇を少なくできる。また、平滑コンデンサーは必ずしも必要でなく、ダイオードブリッジや同期整流回路の出力で電池を充電することもできる。

充電制御回路５３は、リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池等を定電圧・定電流充電し、またニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池を定電流充電する。さらに、充電制御回路５３は、電池５２の満充電を検出して、満充電信号を伝送回路５４を介して給電台１０に伝送する。給電台１０は、伝送回路５４から伝送される満充電信号や携帯機器５０の情報信号を受信回路１４で検出する。給電台１０は、携帯機器５０からの情報信号を検出し、コントロール回路１３で交流電源１２を制御する。給電台１０は、満充電信号を検出すると、送電コイル１１への電力供給を停止させる。

伝送回路５４は、携帯機器５０から給電台１０に、給電台１０の出力を増加又は減少するための増加要求信号と減少要求信号からなる増減要求信号、電池５２の満充電信号、充電している電池５２の電圧、充電電流、電池温度、電池のシリアル番号、電池の充電電流を特定する許容充電電流、電池の充電をコントロールする許容温度等の電池情報などの種々の情報信号を給電台１０に伝送する。伝送回路５４は、受電コイル５１の負荷インピーダンスを変化させて、送電コイル１１に種々の情報信号を伝送する。この伝送回路５４は、図示しないが、受電コイル５１に変調回路を接続している。変調回路は、コンデンサーや抵抗等の負荷とスイッチング素子とを直列に接続して、スイッチング素子のオンオフを制御して種々の情報信号を給電台１０に伝送する。

給電台１０の受信回路１４は、送電コイル１１のインピーダンス変化、電圧変化、電流変化等を検出して、伝送回路５４から伝送される情報信号を検出する。受電コイル５１の負荷インピーダンスが変化すると、これに電磁結合している送電コイル１１のインピーダンスや電圧や電流が変化するので、受信回路１４は、これ等の変化を検出して、携帯機器５０の情報信号を検出することができる。

ただし、伝送回路は、搬送波を変調して伝送する回路、すなわち送信機とすることもできる。この伝送回路から伝送される情報信号の受信回路は、搬送波を受信して、情報信号を検出する受信器である。伝送回路と受信回路とは、携帯機器から給電台に情報信号を伝送できる全ての回路構成とすることができる。

検出回路５５は、所定の周期で、整流回路５６から出力される受電電力を要求電力に比較して増減要求信号を出力する比較部５５Ａと、比較部５５Ａの増加要求信号から異物検出を判定する判定部５５Ｂとを備える。

比較部５５Ａは、整流回路５６の出力電圧と電流の積から受電電力を検出し、検出する受電電力を要求電力に比較して増減要求信号を出力する。比較部５５Ａは、電池５２を充電するために必要な電力を要求電力として検出する。比較部５５Ａは、電池５２の種類、電池電圧、充電する電流等を検出して、電池５２を充電するために必要な電力、すなわち要求電力を検出する。リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池は、定電圧・定電流特性で充電されるので、電池５２が満充電に近づくにしたがって充電電流は減少する。したがって、電池５２が満充電に近づくにしたがって要求電力を小さくする。図１と図２は、携帯機器５０を電池内蔵機器５０Ａとして、消費電力で電池５２を充電する。この携帯機器５０は、要求電力を電池５２の充電電力とするが、携帯機器は必ずしも電池内蔵機器には限定しない。電池内蔵機器でない携帯機器は、要求電力を負荷の消費電力や定格電力として検出する。

増減要求信号は、給電台１０の出力を増加させる増加要求信号と、出力を小さくする減少要求信号である。比較部５５Ａは、受電電力が要求電力よりも小さいことを検出して増加要求信号を出力し、受電電力が要求電力よりも大きいことを検出して減少要求信号を出力する。比較部５５Ａは、負荷に最適な電力を供給できるように、受電電力を要求電力に比較して、増加要求信号又は減少要求信号からなる増減要求信号を出力する。

比較部５５Ａは、要求電力と受電電力との差の大きさを含む増減要求信号を出力する。増減要求信号は給電台１０に伝送されて、給電台１０の出力を増加し、あるいは減少して出力を調整する。図３は、増減要求信号が、給電台１０の出力を変化させる倍率を示している。この増減要求信号は、受電電力と要求電力との差の値によって、給電台１０の出力を１／２倍〜２倍に変更する。受電電力が要求電力よりも小さい状態では、増加要求信号でもって給電台１０の出力を１倍〜２倍に増加し、受電電力が要求電力よりも大きい状態では、減少要求信号でもって給電台１０の出力を１／２倍〜１倍に減少させる。この図の比較部５５Ａは、給電台１０の出力を、１／２倍〜２倍に調整するが、さらに広い範囲で増減する倍率を調整することもできる。

図４のラインＡは、増減要求信号の信号レベルを示す。この増減要求信号は、増加倍率で信号レベルを変化して、信号レベルでもって増加要求信号と減少要求信号とを伝送する。ただ、図示しないが、比較部は、増加要求信号と減少要求信号とを別々の信号として給電台に伝送することもできる。図４に示す増減要求信号は、給電台１０の出力を増減する倍率、すなわち増加倍率である１／２倍〜２倍によって、信号レベルを変化させる。信号レベルが異なる増減要求信号は、伝送回路５４と受信回路１４を介して給電台１０に伝送される。給電台１０は、受信回路１４で受信する増減要求信号で交流電源１２の出力を増減して、携帯機器５０の受電電力を要求電力に近づける。

さらに、比較部５５Ａから出力される増加要求信号は、出力を増加させる要求値の大きさに応じて大きい「増加要求の重み付けポイント」を含む信号である。増加要求の重み付けポイントを図４のラインＢで示している。ラインＢで示す増加要求の重み付けポイントは、受電電力と要求電力との差で特定される増加倍率によって変化し、所定の範囲においては、要求値の大きさに比例して直線状に大きく、小さい範囲では０ポイント、設定値よりも大きい範囲では一定のポイント値としている。増加要求の重み付けポイントは、図４の鎖線で示すラインＣのように、増減要求信号の増加倍率で特定することもできる。

さらに、比較部５５Ａは、増加要求信号の要求値の変化値に応じて大きくなる変化量の重み付けポイントを含む信号とすることもできる。図５は、増加要求信号の変化量に対する重み付けポイントを例示している。変化量の重み付けポイントは、増加要求信号の前回値との差、すなわち、増加要求信号の傾きで特定する。変化値が大きいと、変化量の重み付けポイントを大きくする。図５に示す変化量の重み付けポイントは、所定の範囲においては変化値に比例して直線的に大きく、変化値の小さい範囲では０ポイント、設定値よりも大きい状態で一定のポイント値としている。

判定部５５Ｂは、比較部５５Ａから出力される重み付けポイントを加算して異物がセットされたかどうかを判定する。判定部５５Ｂは、加算する重み付けポイントがあらかじめ設定しているポイント値になると、異物がセットされたと判定する。異物がセットされると重み付けポイントが大きくなるからである。

図６は、携帯機器５０が給電台１０にセットされて受電電力が変化する状態を示している。携帯機器５０は、受電電力と要求電力とを比較し、受電電力が要求電力よりも小さい状態で増加要求信号を出力して給電台１０の出力を増加させる。給電台１０は増加要求信号を検出して次第に出力を増加させる。したがって、携帯機器５０の受電電力は次第に増加する。異物がセットされない状態では送電効率が高く、携帯機器５０の受電電力は曲線Ａで示すように、次第に上昇して要求電力となる。

図７は、給電台１０に正常にセットされた携帯機器５０が増加要求信号と減少要求信号とを給電台１０に出力して、受電電力（曲線Ａで表示）を要求電力とする状態を示している。この図に示すように、携帯機器５０は、受電電力と要求電力とを比較して、受電電力が要求電力よりも小さい状態では増加要求信号を出力し、受電電力が要求電力よりも大きくなると減少要求信号を出力する。すなわち、携帯機器５０は増加要求信号と減少要求信号とを交互に出力することで、給電台１０の出力を調整して受電電力を要求電力に維持する。このとき、判定部５５Ｂは、減少要求信号を検出することで、給電台１０から携帯機器５０への送電効率が高く、異物がセットされない状態と判定することもできる。

ここで、具体的には、電池５２がリチウムイオン電池の場合には、充電制御回路５３は、電池５２を定電圧・定電流充電する。給電台１０は、携帯機器５０の電池５２の電圧、電流等の電池情報により、例えば、最大４．２Ｖで充電する場合、電池電圧が４．２Ｖ以下のときは所定の定電流となるように、受信回路１４が受信する増減要求信号に基づいてコントロール回路１３が交流電源１２を制御して、送電コイル１１への出力を調整（詳細には、出力アップ要求と、出力ダウン要求が交互に出る）する。送電コイル１１への出力が調整されて、充電される電池電圧が４．２Ｖとなると、給電台１０は、電池電圧を４．２Ｖに維持できるように、受信回路１４が受信する増減要求信号に基づいてコントロール回路１３が交流電源１２を制御して、送電コイル１１への出力を調整（詳細には、出力アップ要求と、出力ダウン要求が交互に出る）する。

これに対して、携帯機器５０と一緒に異物がセットされると、異物が送電コイル１１の電力を吸収して送電効率が低下する。この状態において、携帯機器５０の受電電力は、図６の曲線Ｂで示すように要求電力まで増加しない。給電台１０の出力が最大値まで増加し、あるいはあらかじめ設定している所定の電力に制限されるからである。この状態において、受電電力が要求電力よりも小さいので、携帯機器５０の比較部５５Ａは、継続して増加要求信号を出力する。

図８は、携帯機器５０と一緒に異物が載せられて、異物が送電コイル１１の電力の一部を吸収する状態で携帯機器５０が増加要求信号を出力する状態を示している。この状態において、送電コイル１１の電力の一部が異物に吸収されるので、電力の送電効率が低下する。したがって、送電コイル１１の出力電力は有効に受電コイル５１に給電されず、携帯機器５０の受電電力が低下する。携帯機器５０は受電電力（曲線Ｂで表示）が要求電力よりも小さいことを検出して増加要求信号を出力する。増加要求信号を検出した給電台１０は出力を増加させるが、送電コイル１１の電力が異物に吸収されて、携帯機器５０の受電電力は要求電力に至らない。したがって、携帯機器５０は増加要求信号を継続して給電台１０に出力する。出力される増加要求信号は、増加要求の重み付けポイントを含むので、これが判定部５５Ｂで加算されてポイント値が増加する。判定部５５Ｂは、ポイント値が増加して設定ポイントになると、異物がセットされたと判定する。

ここで、送電効率とは、給電台１０から携帯機器５０に電力搬送される効率、すなわち給電台１０の出力電力に対する携帯機器５０の受電電力の比率であって、携帯機器５０側における電池電圧と充電電流の積を、給電台１０側における出力電圧と出力電流の積で割り算した値に相当する。給電台１０に異物がセットされる状態では、この送電効率は低下する。給電台１０の出力電力に対して携帯機器５０の受電電力が低下するからである。受電電力が低下して送電効率が低下する状態になると、携帯機器５０から増加要求信号が継続して出力される。このように、増加要求信号が継続して出力される状態は、送電効率が低下している状態であって、この状態において増減要求信号の重み付けポイントが加算されて設定ポイントに達することにより、異物がセットされたと判定される。

判定部５５Ｂは、図６において、受電電力が一定値に安定した後、重み付けポイントの加算を開始する。受電電力は、給電を開始して所定の時間経過すると一定値に安定するので、判定部５５Ｂは設定時間経過した後、重み付けポイントの加算を開始することができる。設定時間経過した後、重み付けポイントを加算する判定部５５Ｂは、設定時間をカウントするタイマを備えている。受電電力が一定値に安定した後に重み付けポイントを加算する判定部５５Ｂは、受電電力が一定の範囲となることを判定する処理部を備えている。

受電電力が一定値に安定した後、重み付けポイントを加算する判定部５５Ｂは、より正確に異物がセットされたことを検出できる。ただ、判定部５５Ｂは給電を開始した時から重み付けポイントを加算して異物がセットされたことを検出することもできる。この判定部５５Ｂは、異物がセットされたと判定するポイント値を大きくする。異物がセットされてもされなくても、受電電力が一定値になるまでに、重み付けポイントが加算されるからである。

さらに、携帯機器５０に給電する状態で、携帯機器５０が移動して送電コイル１１と受電コイル５１との相対位置がずれて送電効率が低下し、あるいは給電中に異物がセットされることも検出できる。図６の領域Ｘは、送電コイル１１と受電コイル５１との相対位置がずれて送電効率が低下し、あるいは携帯機器５０の近傍に異物がセットされて、異物が送電コイル１１の電力の一部を吸収して送電効率が低下して、受電電力が一時的に低下する状態を示している。給電中に送電効率が低下して一時的に受電電力が低下すると、携帯機器５０から給電台１０に増加要求信号が伝送されて、給電台１０の出力は次第に増加する。給電台１０の出力は、領域Ｘにおける送電効率の低下が少ない状態では要求電力まで増加し、送電効率の低下が大きい状態では、給電台１０が最大出力となり、あるいはあらかじめ設定している設定電力となる状態で受電電力は要求電力よりも小さくなる。

領域Ｘで示すように、給電している途中に送電コイル１１と受電コイル５１との相対位置がずれて発生する送電効率の低下は、たとえば、携帯電話である携帯機器５０を充電台１０に載せて充電する状態で、携帯電話が受信して、ベルが鳴ったり、あるいはバイブレーターが振動して移動し、あるいはユーザーや物が携帯電話に接触して携帯電話の位置がずれることで発生する。携帯機器５０と給電台１０との相対位置がずれ、あるいは近傍に異物がセットされると効率よく給電できなくなる。この状態が検出されると、たとえばランプ（図示せず）等を点灯し、あるいは音声や警告音でユーザーに異常な状態を知らせることができるので、ユーザーが異物を除去し、位置を修正し、あるいは送電コイル１１を受電コイル５１に接近させる構造の給電台１０にあっては、送電コイル１１を受電コイル５１に接近して、正常な状態に復帰して給電できる。

以上のような給電中の異常を速やかに判定する検出回路５５は、比較部５５Ａから判定部５５Ｂに出力する増減要求信号に、給電台１０の出力を増減させる要求値の変化値に応じて大きくなる変化量の重み付けポイントを設け、所定の周期で出力される変化量の重み付けポイントを判定部５５Ｂで加算する。比較部５５Ａが出力する変化量の重み付けポイントは、前回の要求値との差、すなわち、増加要求信号の要求値が変化する傾きが大きくなると大きくなる。したがって、図６の領域Ｘで示すように、給電している途中に受電電力が低下してこれを増加するように変化すると、変化量の重み付けポイントは大きくなる。増加要求信号の変化値が急激に変化するからである。したがって、変化量の重み付けポイントは、図６の領域Ｘで示すように、受電電力が変化するタイミングで大きくなる。判定部５５Ｂは、この重み付けポイントを加算し、加算するポイント値が設定ポイントになることを検出して異常判定する。すなわち、加算するポイント値が設定ポイントになると、異常な状態と判定する。

以上の検出回路５５は、比較部５５Ａで重み付けポイントを検出して、重み付けポイントを含む信号を判定部５５Ｂに出力する。ただ、検出回路５５は、比較部５５Ａから出力される増減要求信号の信号レベルから重み付けポイントを判定部５５Ｂで検出し、検出する重み付けポイントを加算して異物検出し、また異常判定することもできる。

判定部５５Ｂは、加算する重み付けポイントを減少要求信号でリセットする。あるいは、判定部５５Ｂは、減少要求信号を検出すると、加算する重み付けポイントを減算することもできる。前述のように、減少要求信号が検出される状態は、送電効率が高く、異物がセットされない状態と判定できるので、加算する重み付けポイントを減少要求信号でリセットし、あるいは減算することで、異物検出の誤判定を防止しながら確実に異物判定できる。ただし、判定部５５Ｂは、減少要求信号と増加要求信号とが繰り返し入力されることを検出して、加算するポイント値をリセットまたは減算することもでき、また、受電電力が一定の範囲となって安定化される状態でリセットまたは減算することもできる。さらに、携帯機器５０の受電電力は、一定の時間経過すると安定化されるので、所定の時間経過した後、重み付けポイントを加算して異常判定し、その後、所定の時間経過した後、加算する重み付けポイントをリセットすることもできる。また、判定部５５Ｂは、受電電力が一定値に安定化する状態で増加要求の重み付けポイントをリセットし、増減要求信号と増加要求信号とが交互に繰り返し入力される状態で変化量の重み付けポイントをリセットすることもできる。

検出回路５５は、異物検出すると異物検出信号を給電台１０に伝送する。給電台１０は、異物検出信号を検出すると、コントロール回路１３で交流電源１２を制御して、交流電源１２から送電コイル１１への電力供給を停止する。ただ、給電台１０は、送電コイル１１の供給電力をあらかじめ設定している最低値に調整することもでき、また、給電台１０の出力を、異物を異常な高温に加熱することなく給電を継続できる出力に設定する方法にあっては、異物を検出する状態で給電台１０から携帯機器５０への給電を停止することなく、出力を設定値に制限して給電しながら、異物がセットされたことをユーザーに表示して、異物を除去することを促すこともできる。

以上の検出回路５５は、図７に示すように、以下に示すフローチャートでエラー検出を検出する。
［ｎ＝１、２のステップ］
携帯機器５０が給電台１０にセットされて給電台１０から携帯機器５０に給電が開始されると、判定部５５Ｂのタイマがカウントを開始する。設定時間経過すると、タイマがタイムアップする。
タイマがタイムアップして設定時間が経過すると、ｎ＝２のステップで、判定部５５Ｂは増加要求信号に含まれる増加要求の重み付けポイントと、変化量の重み付けポイントを加算する。
［ｎ＝３、４のステップ］
減少要求信号が出力されたかどうかを判定し、減少要求信号が出力されると、ｎ＝４のステップで、重み付けポイントの加算値をリセットして、ｎ＝１のステップにジャンプし、減少要求信号が出力されないと、ｎ＝５のステップに進む。
［ｎ＝５、６のステップ］
重み付けポイントの加算値を設定ポイントと比較し、重み付けポイントの加算値が設定ポイントよりも大きくなると、ｎ＝６のステップで、異物がセットされたと判定し、あるいは異常判定と判定して、すなわちエラー検出して、給電を停止する。重み付けポイントの加算値が設定ポイントよりも小さいと、ｎ＝２のステップにジャンプして、ｎ＝２〜５のステップをループする。

以上の検出回路５５は、増加要求の重み付けポイントと、変化量の重み付けポイントの両方を加算してエラー検出するが、この方法は、給電を開始するときに、携帯機器５０と一緒に異常がセットされたことを検出でき、また、給電している途中で異物がセットされ、あるいは携帯機器５０が位置ずれする等のエラー検出もできる。検出回路５５は、増加要求の重み付けポイントのみを加算してエラー検出することもでき、また変化量の重み付けポイントのみを加算してエラー検出することもできる。増加要求の重み付けポイントのみを加算する検出回路５５は、携帯機器５０と一緒に異物がセットされたことを検出でき、また、図５に示すように、給電している途中で受電電力が要求電力よりも小さくなる状態で、異物がセットされ、あるいは携帯機器５０が位置ずれする等のエラー検出もできる。変化量の重み付けポイントのみを加算してエラー検出する検出回路５５は、給電中に異物がセットされ、あるいは携帯機器５０が位置ずれして送電効率が一時的に低下することを検出してエラー検出する。

検出回路５５は、図６に示すように、給電を開始してから所定時間経過した後、増加要求の重み付けポイントを加算してエラー検出し、その後、所定の時間が経過すると、変化量の重み付けポイントを加算してエラー検出することもできる。

さらに、以上の給電台１０と携帯機器５０は、携帯機器５０から給電台１０に増減要求信号を伝送して、増減要求信号で給電台１０の出力をコントロールすると共に、携帯機器５０に設けた検出回路５５で、増減要求信号の重み付けポイントを加算して異物検出し、また異常判定してエラー検出している。ただ、給電台１０と携帯機器５０は、携帯機器５０から給電台１０に受電電力と増減要求信号を伝送し、給電台１０が増減要求信号を検出して出力をコントロールすると共に、給電台１０側において、携帯機器５０から伝送される増減要求信号の重み付けポイントを加算して異物検出することもできる。この給電台１０と携帯機器５０は、図１と図２の鎖線で示すように、給電台１０側に設けた検出回路１５で、携帯機器５０から伝送される増減要求信号の重み付けポイントを加算して異物検出し、また異常判定してエラー検出する。

さらに、図１０に示す携帯機器５０は、受電コイル５１の出力電圧を高くすると共に、受電コイル５１から出力される電力を降圧して負荷に供給する構造としている。図に示す携帯機器５０は電池内蔵機器５０Ａで、給電台１０から搬送される電力を高い電圧に変換して受電する受電コイル５１と、この受電コイル５１に誘導される交流を直流に変換する整流回路５６と、整流回路５６から出力される直流電力を降圧して出力する降圧回路５８と、降圧回路５８から出力される直流で電池５２を充電する充電電流や電圧を調整する充電制御回路５３とを備えている。

図の携帯機器５０は、給電台１０から搬送される電力を高電圧にて受電するために、受電コイル５１の巻き数を多くしている。受電コイル５１の巻き数を多くする構造は、給電台１０の送電コイル１１から搬送される電力の大きさを変えることなく、受電コイル５１で受電する電圧を大きくできる。このため、給電台１０として、既存のものを使用しながら、受電コイル５１の受電電圧を大きくできる。例えば、巻き数を２倍とする受電コイルは、受電する電圧を２倍にできる。電磁誘導によって受電コイル５１に生じる起電力が、受電コイル５１の巻き数に比例するからである。ここで、受電コイル５１は、受電コイル５１の出力を整流する整流回路５６の耐圧やコイルの線径等を考慮して、出力電圧が最適な電圧となるように、その巻き数を決定する。さらに、図の携帯機器５０は、受電コイル５１の出力側に整流回路５６を設けており、受電コイル５１から出力される高電圧の交流電力を、整流回路５６で高電圧の直流電力に変換して出力している。

さらに、携帯機器５０は、受電コイル５１が受電した高電圧の電力を降圧して負荷に供給するために、整流回路５６の出力側に降圧回路５８を備えている。この降圧回路５８は、ＤＣ／ＤＣコンバータで、整流回路５６から入力される高電圧の直流電力を所定の電圧に降圧して負荷側に出力している。図に示す携帯機器５０は、給電台１０から搬送される電力を消費する負荷として、充電可能な電池５２と、この電池５２を充電するための充電制御回路５３とを備えている。したがって、降圧回路５８は、整流回路５６の出力を、負荷に最適な電圧、すなわち、電池５２を充電する充電制御回路５３に最適な電圧に降圧して出力している。

以上の携帯機器５０も検出回路５５を備えており、この検出回路５５が、降圧回路５８の出力から受電電力を検出している。さらに、検出回路５５は、検出した受電電力と、電池５２を充電するために必要な電力である要求電力とを比較して増減要求信号を検出すると共に、この増減要求信号から異物検出している。検出回路５５で検出された増減要求信号は伝送回路５４を介して給電台１０に伝送している。

以上のように、給電台１０から搬送される電力を受電コイル５１で高電圧に受電して、受電コイル５１の交流出力を整流回路５６で直流に変換し、さらに、整流回路５６の出力を降圧して負荷に供給する方法は、受電コイル５１や整流回路５６で処理する電圧を高くできるので、受電コイル５１や整流回路５６に流れる電流を小さくできる。このため、受電コイル５１や整流回路５６の配線幅を大きくすることなく、また受電コイル５１の線径を大きくすることなく、携帯機器５０に省スペースに内蔵できる。これにより、携帯機器５０に受電コイル５１を内蔵する構造においても、体積エネルギー密度への影響を低減できる。さらに、受電コイル５１や整流回路５６に流れる電流を小さくできることで、電力搬送における電力の無駄な消費、すなわち、受電コイル５１の抵抗や整流回路５６の素子による電力消費を低減して効率よく電力搬送できる。

本発明に係る無接点給電方法は、充電台等の給電台から電池内蔵機器等の携帯機器に電磁結合作用で電力搬送して電池を充電する方法に最適に利用できる。また、充電器に限らず、照明器具や充電アダプターに無接点で給電する方法にも利用できる。

１０…給電台 １０Ａ…充電台
１１…送電コイル
１２…交流電源
１３…コントロール回路
１４…受信回路
１５…検出回路
１６…移動機構
２０…ケース
２１…上面プレート
２２…位置決め部機構
２３…嵌入凹部
５０…携帯機器 ５０Ａ…電池内蔵機器
５１…受電コイル
５２…電池
５３…充電制御回路
５４…伝送回路
５５…検出回路 ５５Ａ…比較部
５５Ｂ…判定部
５６…整流回路
５８…降圧回路

Claims (13)

1. 送電コイル(11)を備える給電台(10)に、受電コイル(51)を内蔵する携帯機器(50)をセットし、前記給電台(10)の送電コイル(11)に前記携帯機器(50)の受電コイル(51)を電磁結合して、前記送電コイル(11)から前記受電コイル(51)に電磁誘導作用で電力搬送すると共に、前記携帯機器(50)から前記給電台(10)に、電力を調整する電力の増減要求信号を伝送して、前記給電台(10)が前記増減要求信号に基づいて前記送電コイル(11)の出力を調整して、前記携帯機器(50)の要求電力を給電するようにしてなる無接点給電方法であって、
   前記携帯機器(50)は、所定の周期で前記給電台(10)から給電される受電電力を要求電力に比較して、受電電力が要求電力よりも小さいと前記増減要求信号として増加要求信号を前記給電台(10)に伝送し、受電電力が要求電力よりも大きいと前記増減要求信号として減少要求信号を前記給電台(10)に伝送し、
   かつ、前記増減要求信号は、前記給電台(10)の出力を増加させる要求値の大きさ及び／又は要求値の変化値に応じて大きくなる重み付けポイントを含み、所定の周期で出力される前記重み付けポイントを加算して、加算される重み付けポイントが設定ポイントになることを検出して異物検出する無接点給電方法。
2. 前記重み付けポイントを、所定の範囲で、要求値の大きさに比例して大きくする請求項１に記載される無接点給電方法。
3. 前記重み付けポイントを、所定の範囲で、要求値の変化値の大きさに比例して大きくする請求項１又は２に記載される無接点給電方法。
4. 前記給電台(10)の出力を設定値に制限する請求項１ないし３のいずれかに記載される無接点給電方法。
5. 前記給電台(10)から前記携帯機器(50)に給電を開始して、あらかじめ設定している設定時間経過した後、前記重み付けポイントを加算して異物検出する請求項１ないし４のいずれかに記載される無接点給電方法。
6. 前記受電電力が所定の範囲に安定した後、前記重み付けポイントを加算して異物検出する請求項１ないし４のいずれかに記載される無接点給電方法。
7. 加算される重み付けポイントを、前記携帯機器(50)の減少要求信号でリセットまたは減算する請求項１ないし６のいずれかに記載される無接点給電方法。
8. 前記給電台(10)が充電台(10A)で、前記携帯機器(50)が電池内蔵機器(50A)で、前記充電台(10A)から前記電池内蔵機器(50A)に給電される電力で前記電池内蔵機器(50A)の電池(52)を充電する請求項１ないし７のいずれかに記載される無接点給電方法。
9. 前記電池内蔵機器(50A)が、前記電池(52)を定電圧・定電流にて充電する請求項８に記載される無接点給電方法。
10. 前記給電台(10)が、前記送電コイル(11)を前記携帯機器(50)の受電コイル(51)に接近させるように移動させる移動機構(16)を有する請求項１ないし９のいずれかに記載される無接点給電方法。
11. 前記携帯機器(50)が、前記受電コイル(51)の出力を降圧して負荷に供給する請求項１ないし１０のいずれかに記載される無接点給電方法。
12. 前記携帯機器(50)が、増加要求信号の重み付けポイントを加算して異物検出する請求項１ないし１１のいずれかに記載される無接点給電方法。
13. 前記給電台(10)が、増加要求信号の重み付けポイントを加算して異物検出する請求項１ないし１１のいずれかに記載される無接点給電方法。

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