JP6090439B2 - 非接触電力伝送用の給電装置および受電装置 - Google Patents

Description

本発明は、機器に対し電力を非接触で伝送する給電装置および受電装置に関する。

従来、この種の給電装置および受電装置としては、例えば、特許文献１に記載のものがある。この給電装置は、交流電流が流れると磁束を発生する一次コイルと、一次コイルを覆うカバーと、カバー上の物体（異物や受電機器）の温度を検出するシート状感温センサと、を備えている。これにより、電力伝送中に感温センサを用いて、カバー上における昇温を検出して、カバー上に物体が存在することを検出する。

上記給電装置において、コイルは、電磁界を通過する支持台であって絶縁材料で作られた支持台上に配置されており、カバーは、コイルを覆うように支持台に取り付けられる。感温センサは、コイルの上方であってかつカバーの内側に配置される。他にも、感温センサは、カバーの天面上や、カバーの内部（つまり、天面と裏面の間）に配置可能である。受電装置もまた、給電装置と同様に感温センサを設けることが可能である。

特開２０１３−０１７２４７号公報

しかしながら、給電装置等では、感温センサの位置によっては、カバーに物体が載った時に、この物体の温度を的確に検出できない場合があるという問題点があった。

それゆえに、本発明の目的は、カバー上の物体の温度を的確に検出可能な給電装置および受電装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の一局面は、受電装置に非接触で電力を伝送する給電装置および受電装置であって、カバーと、前記カバーにより覆われ、前記カバーに対し所定方向に設けられたコイルと、前記カバー上の物体温度を検出する感温手段と、を備えている。

前記カバー表面から前記感温手段までの前記所定方向に沿う距離をＬ［ｍ］、前記感温手段による検温対象となる物体の温度をＴ₀［Ｋ］、前記感温手段により検出すべき温度をＴ₁［Ｋ］、前記カバーの熱伝導率をλ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、とすると、Ｌは、次式（１）を満たしている。

上記局面によれば、前記カバー表面から前記感温手段までの距離Ｌを上式（１）で規定される数値となるよう設計することで、カバー上の物体の温度を的確に検出可能となる。

本発明の一実施形態に係る給電装置および受電装置を備えた非接触電力伝送システムの構成を示すブロック図である。 図１に示す給電装置の側面図である。 図１に示す給電装置の正面図である。 図１に示す給電装置の上面図である。 図２Ａに示す表面から感温手段までの距離に関連するパラメータを示す図である。

《実施形態》
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る給電装置について説明する。

《非接触電力伝送システムの構成》
図１において、非接触電力伝送システム１は、給電装置３を備えている。給電装置３は、スマートフォンやタブレット端末等の受電装置５を充電するために、大略的に、アダプタ３１と、伝送系部品群３３と、一次コイル３５と、一次側コントローラ３７と、感温手段３９と、を含んでいる。ここで、部品群３３、コイル３５およびコントローラ３７は、図２Ａや図２Ｂに点線で示すように、ベース３１１に配置され、カバー３１３により覆われる。それに対し、受電装置５は、図１に示すように、二次コイル５１と、伝送系部品群５３と、二次側コントローラ５５と、を含んでいる。以下、各構成の詳細や動作について説明する。

給電装置３のカバー３１３上に受電装置５が載置されると、給電装置３から受電装置５へと電力伝送が開始される。電力伝送時、アダプタ３１は、商用電源からの交流電圧（例えば１００Ｖ）を伝送系部品群３３に供給する。伝送系部品群３３は、整流回路、平滑回路及びインバータ回路等を構成する。整流回路および平滑回路は、入力交流電圧を直流電圧に変換する。インバータ回路は、平滑回路の出力直流電圧をスイッチング等することで、所定周波数（例えば、数十ｋＨｚ）を有する交流電圧を生成する。このような交流電圧がコイル３５に印加されると、コイル３５は、交流磁界を発生する。以上の動作は、コントローラ３７により制御される。

一方、受電装置５は、給電装置３のカバー３１３上に載置されることで、二次コイル５１がカバー３１３を挟んで一次コイル３５上に位置することになる。したがって、コイル３５で生じた交流磁界はコイル５１と鎖交すると共に、コイル５１の両端には交流電圧が誘起され、伝送系部品群５３に供給される。伝送系部品群５３は、整流回路等を含んでおり、誘起電圧により流れる電流を整流して、受電装置５の外部に配置されたバッテリー５７に供給される。これにより、バッテリー５７は充電される。以上の動作は、コントローラ５５により制御される。

《過熱検知》
ところで、カバー３１３上には、受電装置５が載置されるだけでなく、金属異物が載ってしまうことがある。これら物体（受電装置５や金属異物）の異常発熱を検知するために、給電装置３には、感温手段３９が備わっている。

感温手段３９として、典型的であるのは、負の温度係数を有するセラミックサーミスタ（以下、ＮＴＣサーミスタという）である。ここで、物体の過熱に対し速く反応するために、感温手段３９は、熱容量の小さい小型（例えば、ＪＩＳ規格に記載の１００５型）のＮＴＣサーミスタであることが好ましい。ここで、ＮＴＣサーミスタのサイズが１００５型の場合、Ｙ軸方向の寸法は１．０ｍｍであり、Ｘ軸方向の寸法は０．５ｍｍである。また、Ｚ軸方向の寸法はＪＩＳ規格にて定められている訳では無いが、例えば０．２５ｍｍである。ここで、これら寸法はいずれも設計目標値であって、必ずしも正確に１．０ｍｍ、０．５ｍｍおよび０．２５ｍｍとなるわけではない。つまり、これら寸法はいずれも公差を持っている。このような感温手段３９は、カバー３１３表面から一次コイル３５の上端の間に設けられる。図２Ａ〜図２Ｃには、感温手段３９がカバー３１３内に埋め込まれる例が示されている。

また、カバー３１３上のどこに物体が載るかが不明であるため、図２Ｃにて点線で示すように、複数の感温手段３９、つまり複数のＮＴＣサーミスタを数珠つなぎにして、複数の感温手段３９のそれぞれをカバー３１３内の異なる複数個所に埋め込むことが好ましい。これによって、カバー３１３上の複数個所での温度が検出可能になる。

上記の感温手段３９は、例えば、図示しない固定抵抗が直列に接続されている。このような回路には、図示しない定電圧回路により生成された定電圧が供給される。この回路は、固定抵抗との分圧電位を温度情報としてコントローラ３７に出力する。コントローラ３７は、入力温度情報が所定温度を超えている場合には、一次コイル３５への電力供給を停止する等する。

しかしながら、一次コイル３５は、電力供給により発熱する。つまり、カバー３１３上に受電装置５や金属異物が存在していなくとも、カバー３１３は高温になる。したがって、カバー３１３の表面（換言すると、受電装置５の載置面）から起算して適切な距離に感温手段３９を設けなければ、コントローラ３７は、カバー３１３上の物体の温度を的確に検出できない可能性がある。また、カバー３１３表面から感温手段３９までの距離が離れすぎていると、コントローラ３７物体の温度を的確に検出できない。

上記課題を解決すべく、本件発明者は、カバー３１３表面から感温手段３９までの上下方向に沿う距離Ｌを導出する式を見出した。具体的には、図３に示すように、カバー３１３の表面に載る物体の温度をＴ₀［Ｋ］とし、コントローラ３７で検出したい物体の温度をＴ₁［Ｋ］（但し、Ｔ₁＜Ｔ₀）とする。カバー３１３の熱伝導率をλ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とする。この時、距離Ｌ［ｍ］は、次式（１）を満たす数値に設計される。つまり、感温手段３９は、カバー３１３の表面から距離Ｌ［ｍ］だけ離れた位置に設けられる。

《第一実施例》
検出対象となる物体は５［ｃｍ］四方のアルミ片とする。また、カバー３１３の材質を、熱伝導率λが０．２５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］のエポキシ樹脂とする。このカバー３１３上に上記アルミ片を置くと、２５［℃］で無風の条件では、このアルミ片の温度Ｔ₀は１５０［℃］まで上昇した。給電装置３の安全性等を考慮した場合、例えば１３０［℃］の温度Ｔ₁（温度差（Ｔ₀−Ｔ₁）は２０℃）で感温手段３９がアルミ片の存在を検出することが望ましい。この場合、距離Ｌが０．００２４８［ｍ］以下となるよう、給電装置３は設計される。なお、式（１）においてＴ₀，Ｔ₁は絶対温度で代入されるが、文章中や表中では分かり易さの観点から、Ｔ₀，Ｔ₁は、絶対温度ではなく、セルシウス度で記載されている。

本件発明者は、実際に、以下の表１に示す六通りの距離Ｌで、感温手段３９としての１００５型ＮＴＣサーミスタをエポキシ樹脂製のカバー３１３に埋め込んだ回路（表１では、評価サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．６と記されている）を準備した。サンプルＮｏ．１に関し距離Ｌは５０［ｍｍ］で、サンプルＮｏ．２の距離Ｌは２０［ｍｍ］とした。サンプルＮｏ．３〜Ｎｏ．６に関しては表１に記載の通りである。

発明者は、各サンプルのカバー３１３上に検出対象となるアルミ片を載置し、該サンプルにおいて飽和状態になった感温手段３９の抵抗値から温度Ｔ₁を測定した。距離Ｌ，温度Ｔ₁以外のパラメータＴ₀，λは上記の通りである。また、測定結果は表１に示す通りであり、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４では、温度Ｔ₁は１３０［℃］未満であり、温度差（Ｔ₀−Ｔ₁）は２０［℃］超であった。このように距離Ｌが式（１）を満たさない場合には、カバー３１３上の物体の温度を的確に検出できていないことが分かる。逆に、サンプルＮｏ．５およびＮｏ．６では、温度Ｔ₁は１３０［℃］以上で、温度差（Ｔ₀−Ｔ₁）は２０［℃］以下であった。このように距離Ｌが式（１）を満たす場合には、設計目標通り、カバー３１３上の物体の温度を的確に検出できることが分かる。

《第一実施例の効果》
以上のように、給電装置３における、カバー３１３の表面から感温手段３９までの距離Ｌを式（１）に基づき設計すると、設計目標と概ね合致するように的確にカバー３１３上の物体の温度を検出できる。したがって、λ、Ｔ₁、Ｔ₀という設計条件が与えられれば、感温手段３９を埋め込んだカバー３１３の試作および評価を繰り返すことなく、適切な距離Ｌを求めることが可能となる。これにより、給電装置３の設計効率が向上する。

《第二実施例》
発明者はさらに、カバー３１３の材質を、エポキシ樹脂に代えて、熱伝導率λが０．１７［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］のガラスで作製した。この場合も、上記同様に、５［ｃｍ］四方のアルミ片を検出対象とすると、Ｔ₀は１５０［℃］となる。また、温度Ｔ₁を１３０［℃］（温度差（Ｔ₀−Ｔ₁）は２０℃）と設定すると、距離Ｌは前式（１）から０．００１６９［ｍ］以下となる。

発明者は、以下の表２に示す六通りの距離Ｌで、感温手段３９としての１００５型ＮＴＣサーミスタをガラス製のカバー３１３に埋め込んだ回路（表２では、評価サンプルＮｏ．７〜Ｎｏ．１２と記されている）を準備した。サンプルＮｏ．７に関し距離Ｌは１０［ｍｍ］で、サンプルＮｏ．８の距離Ｌは５［ｍｍ］とした。サンプルＮｏ．９〜Ｎｏ．１２に関しては表２に記載の通りである。

発明者は、第一実施例の場合と同様にして、温度Ｔ₁を測定した。測定結果は表２に示す通りであり、サンプルＮｏ．７〜Ｎｏ．１０では、温度Ｔ₁は１３０［℃］未満であった。第二実施例でも、距離Ｌが式（１）を満たさなければ、カバー３１３上の物体の温度を的確に検出できなかった。逆に、サンプルＮｏ．１１およびＮｏ．１２では、温度Ｔ₁は１３０［℃］以上であり、第二実施例でも、距離Ｌが式（１）を満たす場合には、設計目標通り、カバー３１３上の物体の温度を的確に検出できた。換言すると、第二実施例でも第一実施例と同様の効果を奏することが分かった。

《付記》
上記実施形態では、給電装置３のカバー３１３に感温手段３９を設ける場合における距離Ｌについて説明した。しかし、これに限らず、受電装置５側のカバーから感温手段３９までの距離Ｌを数（１）に基づき定めても構わない。

上記実施形態では、給電装置３は、スマートフォンやタブレット端末等の充電用途向けとして説明した。しかし、これに限らず、給電装置３は、電気自動車や、シェーバー等の民生機器の充電用途であっても構わない。

また、上記実施形態では、感温手段３９はＮＴＣサーミスタであると説明した。しかし、これに限らず、正の温度係数を有するＰＴＣサーミスタであっても構わない。また、サーミスタに関しては、セラミックサーミスタだけでなく、高分子材料から作製されるサーミスタであっても構わない。

また、ＮＴＣサーミスタは、１００５型に限らず、３２２５型、３２１６型、２０１２型、１６０８型、０６０３型、０４０２型でも構わない。これらに関し、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向への寸法は下記の表３に記載の通りである。

本発明に係る給電装置および受電装置は、カバー上の物体の過熱を的確に検知可能であり、スマートフォン、タブレット端末または電気自動車等の非接触充電システムに好適である。

１ 非接触電力伝送システム
３ 給電装置
３５ 一次コイル
３９ 感温手段
３１３カバー
５ 受電装置

Claims (4)

1. 受電装置に非接触で電力を供給する給電装置であって、
   カバーと、
   前記カバーによって覆われ、前記カバーに対し所定方向に設けられたコイルと、
   前記カバー上の物体温度を検出する感温手段と、を備え、
   前記カバー表面から前記感温手段までの前記所定方向に沿う距離をＬ［ｍ］、前記感温手段による検温対象となる物体の温度をＴ₀［Ｋ］、前記感温手段により検出すべき温度をＴ₁［Ｋ］、前記カバーの熱伝導率をλ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、とすると、
   Ｌは、
   

   

   を満たす、給電装置。
2. 前記感温手段は、複数のサーミスタを数珠つなぎにしたものである、請求項１に記載の給電装置。
3. 前記感温手段は、１００５型のサーミスタである、請求項１または２に記載の給電装置。
4. 給電装置から非接触で伝送されてくる電力を受電する受電装置であって、
   カバーと、
   前記カバーによって覆われ、前記カバーに対し所定方向に設けられたコイルと、
   前記カバー上の物体温度を検出する感温手段と、を備え、
   前記カバー表面から前記感温手段までの前記所定方向に沿う距離をＬ［ｍ］、前記感温手段による検温対象となる物体の温度をＴ₀［Ｋ］、前記感温手段により検出すべき温度をＴ₁［Ｋ］、前記カバーの熱伝導率をλ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、とすると、
   Ｌは、
   

   

   を満たす、受電装置。

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