JP6090440B2 - 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、電力を非接触で送受する給電装置および受電装置に関する。

従来、この種の給電装置としては、例えば、特許文献１に記載の非接触充電器がある。非接触充電器は、シート状若しくは箱状体に構成される。非接触充電器の上面には、四つの被充電機器搭載面が設けられている。各搭載面上に被充電機器を設置すると、被充電機器への充電が開始される。

各搭載面の下方には、サーミスタ部がそれぞれ設けられ、各サーミスタ部は、対応する搭載面上の物体（被充電機器や異物）の温度を計測する。各サーミスタ部は、フレキシブル基板、複数の感温手段の典型例としての複数のサーミスタ、ケースおよび熱伝導体を含んでおり、樹脂フレーム上に固定される。複数のサーミスタは、フレキシブル基板に格子状に配置されている。なお、このサーミスタ部は、受電装置としての被充電機器に設けることも可能である。

特開２００８−０１７５６２号公報

しかしながら、給電装置等では、格子状に配置される複数のサーミスタにおいて、あるサーミスタから隣のサーミスタまでの距離があまりに離れすぎていると、検温対象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。逆に、隣り合うサーミスタ間の距離を短くすると、サーミスタの総数を多くする必要があり、給電装置等の製造コストが上がってしまう。

それゆえに、本発明の目的は、検温対象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送受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たコイルと、前記カバー内に設けられた複数の感温手段であって、前記カバー上の検温対象の温度を検出する複数の感温手段と、を備えている。

前記複数の感温手段において隣り合う感温手段の間の距離をＷ［ｍ］、前記感温手段による検温対象の温度をＴ₀［Ｋ］、前記感温手段が検出すべき温度をＴ₁［Ｋ］、前記カバーの熱伝導率をλ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、とすると、Ｗは、次式（１）を満たしている。

上記局面によれば、隣り合う感温手段の間の距離Ｗを上式（１）で規定される数値となるよう設計することで、カバー上の検温対象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に示す感温手段間の距離に関連するパラメータを示す図である。 第一実施例に係る給電装置の構成を示す上面図である。 第二実施例に係る給電装置の構成を示す上面図である。

《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、複数の感温手段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、検温対象としての受電装置５が載置されると、給電装置３から受電装置５へと非接触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により、入力交流電圧が直流電圧に変換される。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。

受電装置５はカバー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。これにより、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に印加される。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交流電流を整流して、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）の過熱を検知するために、給電装置３には、複数の感温手段３９が備わっている。

各感温手段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（ＮＴＣサーミスタという）である。ここで、物体の過熱に対し高速に応答できるように、各感温手段３９は、熱容量が小さく、例えば体積が７．２ｍｍ³の小型のＮＴＣサーミスタであることが好ましい。このような体積を持つＮＴＣサーミスタとしては、例えばＪＩＳ規格に記載の１００５型がある。ここで、ＮＴＣサーミスタのサイズが１００５型の場合、矩形状の実装面の長辺方向の寸法は１．０ｍｍであり、該実装面の短辺方向の寸法は０．５ｍｍである。また、高さ方向の寸法は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。上記のような感温手段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、複数の感温手段３９が格子状にカバー３１３内に埋め込まれる例が示されている。また、図２Ｃでは、見易さの観点から、紙面右上の二個のＮＴＣサーミスタにのみ参照符号としての３９が付加されている。

また、給電装置３は、ユーザの使い勝手を考慮して、受電装置５の載置位置を制限しないように設計されていることが多く、ユーザは、カバー３１３上であれば自由な位置に受電装置５を載置することができる。換言すると、カバー３１３上のどこに、検温対象の物体が載るかが不明である。それゆえ、給電装置３は、複数の感温手段３９、つまり複数のＮＴＣサーミスタをカバー３１３に備えている。本実施形態では、図２Ｃに点線で示すように、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んでいる。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。

上記複数の感温手段３９のそれぞれは、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。

ここで、複数の感温手段３９において隣り合うもの同士があまりに離れて配置されると、検温対象の物体の温度を的確に検出できなくなる可能性がある。逆に、隣り合う感温手段３９の間の距離を短くすると、感温手段３９の総数を多くする必要があり、給電装置３の製造コストが上がってしまう。

上記課題を解決すべく、本件発明者は、隣り合う感温手段３９の間の適切な距離Ｗを導出する式を見出した。具体的には、カバー３１３上に載る物体のサイズ（最大幅）として２５［ｍｍ］以上を想定する。また、この物体の温度をＴ₀［Ｋ］し、コントローラ３７が検出するべき物体の温度をＴ₁［Ｋ］（但し、Ｔ₁＜Ｔ₀で、Ｔ₀−Ｔ₁は例えば２０［Ｋ］）とする。また、物体温度がＴ₀到達後、２０［ｓｅｃ］以内に温度Ｔ₁を感温手段３９が検出する仕様とする。また、カバー３１３の熱伝導率をλ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とする。この時、図３に示すように、隣り合う感温手段３９の間の距離Ｗ［ｍ］は、次式（１）を満たす数値に設計される。

《第一実施例》
検温対象は直径２５［ｍｍ］のアルミ片とする。複数の感温手段３９は、例えばＮＴＣサーミスタであり、上面視で格子状に配置される。より具体的には、ある感温手段３９から、前後方向に隣り合う二つの感温手段３９への距離Ｗは互いに等しく、また、左右方向に隣り合う二つの感温手段３９への距離Ｗは互いに等しくなる。また、各感温手段３９は、カバー３１３の表面から一次コイル３５の方向に向かって１［ｍｍ］の距離となるようにカバー３１３に埋め込まれるとする。また、各ＮＴＣサーミスタは、図４Ａに示すように、コントローラ３７に個々に接続される。なお、図４Ａでも、図２Ｃと同様に、紙面右上の二個のＮＴＣサーミスタにのみ参照符号が付加される。

また、カバー３１３の材質は、熱伝導率λが０．２５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］のエポキシ樹脂とする。また、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［℃］まで上昇する程度の磁界が一次コイル３５から発生しているとする。この場合、アルミ片の過熱をいち早く検出するために、アルミ片が１５０［℃］に達した後２０［ｓｅｃ］以内に、１３０［℃］の温度Ｔ₁を感温手段３９が検出するような仕様とする。この仕様の下では、Ｗは、概ね２５．２３５［ｍｍ］以下となる。

なお、第一実施例では、また、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、日本で一般的な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に示す八通りの距離Ｗで、複数の感温手段３９として、三辺サイズが１．０［ｍｍ］×０．５［ｍｍ］×０．５［ｍｍ］の１００５型ＮＴＣサーミスタをエポキシ樹脂製のカバー３１３に埋め込んだ温度検出回路（表１では、評価サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．８と記されている）を準備した。サンプルＮｏ．１に関し距離Ｗは３１［ｍｍ］で、サンプルＮｏ．２の距離Ｌは３０［ｍｍ］とした。サンプルＮｏ．３〜Ｎｏ．８に関しては、距離Ｗは表１に記載の通りである。

発明者は、周囲温度が２５［℃］で無風の環境下に給電装置３を置き、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た。より具体的に説明すると、アルミ片は、その中心が各感温手段３９から最も遠くなる箇所に載置される。そして、アルミ片が１５０［℃］になった時から２０［ｓｅｃ］後に、全ての感温手段３９により温度を確認した。そして、全ての感温手段３９の温度の中で最高温度を、温度Ｔ₁として用いた。なお、距離Ｗ，温度Ｔ₁以外のパラメータＴ₀，λは上記の通りである。

測定結果は表１に示す通りであり、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．５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Ｗが式（１）を満たさない場合には、カバー３１３上の物体の温度を仕様とおりに的確に検出できていないことが分かる。逆に、サンプルＮｏ．６〜Ｎｏ．８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Ｗが式（１）を満たす場合には、設計目標通り、カバー３１３上の物体が１５０［℃］に到達してから２０［ｓｅｃ］以内に感温手段３９のいずれかかが１３０［℃］を検出しており、アルミ片の存在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Ｗ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なり、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Ｗ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。また、各感温手段３９は、ＮＴＣサーミスタに代えて、キュリー温度が１００［℃］で、２５［℃］での抵抗値が４７０［Ω］の、正の温度特性を有するサーミスタ（以下、ＰＴＣサーミスタという）とした。このような感温手段３９を複数準備して、カバー３１３の内部に２．５［ｃｍ］の距離Ｗで格子状に配置した。また、各感温手段３９は、図４Ｂに示すように数珠つなぎに接続され、その両端がコントローラ３７に接続される。

本実施例では、所定の検出対象をカバー３１３上に載せて、温度Ｔ₁が１２０［℃］になった時に、検出対象が過熱状態となっていると判断される。

発明者は、以下の表２に示す通り、互いにサイズの異なる四種類のＰＴＣサーミスタで温度検出回路（表２では、評価サンプルＮｏ．９〜Ｎｏ．１２と記されている）を構成した。具体的には、評価サンプルＮｏ．９は、１６０８型（体積は約１．０２ｍｍ³）のＰＴＣサーミスタを複数個数珠つなぎにして構成されている。評価サンプルＮｏ．１０は、２０１２型（体積は約２．１６ｍｍ³）のＰＴＣサーミスタを複数個数珠つなぎにして構成されている。サンプルＮｏ．１１，１２のサイズに関しては表２に記載の通りである。

そして、検出対象をカバー３１３上に載せてから何秒後に１２０［℃］を各サンプルが検出したかを確認した。その結果は表２に示す通りであり、ＰＴＣサーミスタの体積が７．２０ｍｍ³以下であれば、各サンプルが３０［ｓｅｃ］以内に１２０［℃］を検出できていた。逆に、ＰＴＣサーミスタの体積が７．２０ｍｍ³超であれば、各サンプルが１２０［℃］を検出できなかった。

《第二実施例の効果》
第二実施例では、距離Ｗが式（１）を満たしつつ、感温手段３９の一例としてのＰＴＣサーミスタの体積が７．２０ｍｍ³であれば、カバー３１３上に物体が載った後いち早く所定の温度を的確に検出できることが分かる。

《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Ｗについて説明した。しかし、これに限らず、受電装置５がカバーに複数の感温手段３９を備え、隣り合う感温手段３９の間の距離Ｗを式（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、上記実施例では、感温手段３９はＮＴＣサーミスタやＰＴＣサーミスタを例示した。しかし、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、実装面の長辺方向、実装面の短辺方向および高さ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たコイルと、
   前記カバー内に設けられた複数の感温手段であって、前記カバー上の物体温度を検出する複数の感温手段と、を備え、
   前記複数の感温手段において隣り合う感温手段の間の距離をＷ［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、
   Ｗ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、体積が７．２０ｍｍ³以下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たコイルと、
   前記カバー内に設けられた複数の感温手段であって、前記カバー上の物体温度を検出する複数の感温手段と、を備え、
   前記複数の感温手段において隣り合う感温手段の間の距離をＷ［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、
   Ｗは、
   

   

   を満たす、受電装置。

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