JP6774391B2

JP6774391B2 - 非接触給電装置

Info

Publication number: JP6774391B2
Application number: JP2017153313A
Authority: JP
Inventors: 亮輔岡嶋
Original assignee: 大井電気株式会社
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2020-10-21
Anticipated expiration: 2037-08-08
Also published as: JP2019033598A

Description

本発明は、非接触給電装置に関し、特に、中継コイルを用いる装置に関する。

非接触給電装置が広く用いられている。非接触給電装置は、受電装置に配線接続されない状態で受電装置に電力を供給する。非接触給電装置には、複数の共振回路の共鳴によって受電装置に電力を供給する共鳴方式のものがある。非接触給電装置には送電コイルによる共振回路が構成され、受電装置には受電コイルによる共振回路が構成される。送電コイルおよび受電コイルが電気的または磁気的に結合することによって、非接触給電装置の共振回路と受電装置の共振回路とが共鳴し、非接触給電装置から受電装置に電力が供給される。

受電装置には、スマートホン、ゲーム機器、電動歯ブラシ、電動シェーバー等がある。一般にこれらの装置は、繰り返し充放電が可能な二次電池を備えており、二次電池が非接触給電装置によって充電される。充電の際には受電装置が非接触給電装置の所定の位置に配置され、非接触給電装置から受電装置の二次電池に充電電力が供給される。

非接触給電装置には、受電装置を配置する位置に自由度があるものが多い。例えば、スマートホン、ゲーム機器等の携帯情報端末の二次電池を充電する非接触給電装置には、携帯情報端末が配置される平面状の充電領域が設けられるものがある。この場合、携帯情報端末を充電領域に配置する度に、携帯情報端末と非接触給電装置との位置関係が異なる。そして、携帯情報端末と非接触給電装置との位置関係によっては、携帯情報端末に十分な電力を供給することが困難となる場合がある。

そこで、特許文献１に記載されているように、非接触給電装置に設けられた共振回路の可変コンデンサの静電容量を調整し、携帯情報端末等の受電装置に伝送される電力の低下を防ぐ技術が考えられている。また、特許文献１には、中継用共振器を用いて、非接触給電装置から受電装置に電力を供給する技術が記載されている。

特開２０１５−１６４３９８号公報

従来の非接触給電装置では、受電装置に電力を供給することのできる領域の広さは、送電コイルの大きさや、中継用共振器に用いられるコイルの大きさによって定まり、広い範囲で受電装置に電力を供給することが困難な場合があった。

非接触給電装置における受電コイルが受電する領域を広くすることを目的とする。

本発明は、受電装置に電力を供給する非接触給電装置において、平坦に巻かれた導線によって形成された送電コイルと、前記送電コイルに電力を供給する電源部と、平坦に巻かれた導線によって形成され、異なる位置で前記送電コイルの上方で前記送電コイルと重なる複数の中継コイルと、複数の前記中継コイルのうち少なくとも１つに接続された可変コンデンサと、前記受電装置から送信された受電電力情報を受信する受信部と、前記受電電力情報に基づいて、前記可変コンデンサの静電容量を調整する制御部と、を備え、前記可変コンデンサは、複数の前記中継コイルのそれぞれに接続されており、前記制御部は、前記受電装置で受信された電力が極大になるように、１つの前記可変コンデンサの静電容量を調整する処理を、複数の前記可変コンデンサについて順次実行することを特徴とする。

望ましくは、複数の前記中継コイルは、前記送電コイルを形成する導線の上方に所定の距離を隔てて配置されている。

望ましくは、複数の前記中継コイルのそれぞれが占有する面積を併せた面積が、前記送電コイルが占有する面積よりも大きい。

望ましくは、前記受信部は、前記受電装置から送信され前記送電コイルで受信された信号から前記受電電力情報を取得する。

本発明によれば、非接触給電装置における受電コイルが受電する領域を広くすることができる。

非接触給電装置の主要部分の構成を模式的に示す図である。非接触給電装置および受電装置の断面を模式的に示す図である。非接触給電装置および受電装置の構成例を示す図である。同調処理のフローチャートである。非接触給電装置および受電装置の構成例を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る非接触給電装置の主要部分の構成が模式的に示されている。非接触給電装置は、送電用電源部１０、送電コイル１２および中継コイル１４−１〜１４−４を備えている。送電コイル１２は、一端から他端に向けて１回または複数回に亘って平坦な面で周回する導線によって形成され、両端が送電用電源部１０に接続されている。送電コイル１２の導線が周回する形状は、円形の他、多角形であってもよい。中継コイル１４−１〜１４−４は、一端から他端に向けて１回または複数回に亘って平坦な面で周回する導線によって形成され、それぞれの両端に可変コンデンサ１６−１〜１６−４が接続されている。各中継コイルの形状は、例えば、中心角が３６０°／ｎの扇型につき３つの角を丸めた形状とされる。ｎは中継コイルの数であり、図１の例ではｎ＝４である。各中継コイルの導線が周回する形状は、円形や多角形であってもよい。

図１の描画面に向かう方向を下向きとして、４つの中継コイル１４−１〜１４−４は送電コイル１２の上方に適度な距離を隔てて、送電コイル１２と部分的に重なる位置に配置されている。中継コイル１４−１〜１４−４は、それぞれの弧が円周の一部を描くように、９０°間隔で配置され、異なる位置で送電コイル１２に重なっている。

受電コイル１８は、一端から他端に向けて１回または複数回に亘って平坦に周回する導線によって形成され、両端が受電装置の負荷回路に接続されている。受電コイル１８の導線が周回する形状は、円形の他、多角形であってもよい。受電コイル１８は、中継コイル１４−１〜１４−４の上方において、中継コイル１４−１〜１４−４と適度な距離を隔てた平面上を移動自在である。

送電コイル１２、中継コイル１４−１〜１４−４、および受電コイル１８は、電気的または磁気的に結合する。

送電用電源部１０から送電コイル１２に交流電圧が印加されると、送電コイル１２、中継コイル１４−１〜１４−４および受電コイル１８が共鳴し、送電コイル１２から受電コイル１８に電力が供給される。

図２には、非接触給電装置２４および受電装置２６の断面が模式的に示されており、送電コイル１２、中継コイル１４−２、中継コイル１４−３、および受電コイル１８の位置関係が示されている。

送電コイル１２、中継コイル１４−２および１４−３は、非接触給電装置２４の筐体２０に収容されている。各コイルについては断面が示されている。送電コイル１２、中継コイル１４−２および１４−３は、それぞれを形成する導線が周回する面が、筐体２０の上板に対向するように配置されている。上記のように、各中継コイルは、送電コイル１２の上方に適度な距離を隔てて、送電コイル１２と部分的に重なる位置に配置されている。

受電コイル１８は、受電装置２６の筐体２２に収容されている。受電コイル１８は、自らを形成する導線が周回する面が、筐体２２の底板に対向するように配置されている。中継コイル１４−１〜１４−４のいずれかの上方に適度な距離を隔てて、中継コイル１４−１〜１４−４のいずれかに部分的に受電コイル１８に重なるように、受電装置２６の筐体２２は、非接触給電装置２４の筐体２０の上面に配置される。

上記では、４つの中継コイルを用いた受電装置２６について説明したが、中継コイルの数は任意である。ｎ個の中継コイルは、送電コイル１２の中心から見て等角度間隔の方位に配置されてもよい。また、中継コイル１４−１〜１４−ｎのそれぞれが占有する面積を併せた面積は、送電コイル１２が占有する面積よりも大きくしてもよい。これによって、送電コイル１２、中継コイル１４−１〜１４−ｎ、および受電コイル１８を共鳴させることが可能な受電コイル１８の位置の範囲が、中継コイル１４−１〜１４−ｎが用いられない場合に比べて広くなる。すなわち、受電コイル１８が受電可能な領域が、中継コイル１４−１〜１４−ｎが用いられない場合に比べて広くなる。

図３には、非接触給電装置２４および受電装置２６の構成例が示されている。非接触給電装置２４は、送電用電源部１０、送電コイル１２、中継コイル１４−１〜１４−ｎ、可変コンデンサ１６−１〜１６−ｎ、送電制御部３８、および送電側無線部３６を備えている。受電装置２６は、受電コイル１８、共振・整流部２８、負荷回路３０、受電制御部３２、および負荷側無線部３４を備えている。受電装置２６は、スマートホン、ゲーム機器、電動歯ブラシ、電動シェーバー等であってもよい。負荷回路３０は、これらの例示した機器が有する機能を実現する回路である。

送電用電源部１０は、送電コイル１２に並列または直列に接続される共鳴用コンデンサ（図示せず。）を有してもよい。中継コイル１４−１〜１４−ｎには、それぞれ、可変コンデンサ１６−１〜１６−ｎが並列に接続されている。可変コンデンサ１６−１〜１６−ｎには、印加される直流電圧に応じて静電容量が変化する可変容量ダイオードが用いられてもよい。また、一対の導電性の板を対向させ、一対の導電性の板の距離が機械的に調整される可変コンデンサが用いられてもよい。この場合ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等の技術が用いられてもよい。さらに、可変コンデンサ１６−１〜１６−ｎは、静電容量が異なる複数のコンデンサのうちいずれかをスイッチによって選択する構成や、複数のコンデンサの接続状態をスイッチによって切り換える構成を有していてもよい。各可変コンデンサの静電容量は、送電制御部３８によって調整される。

送電用電源部１０から送電コイル１２に交流電圧が印加され、各可変コンデンサの静電容量が適切に調整されると、送電コイル１２、中継コイル１４−１〜１４−ｎおよび受電コイル１８が共鳴し、送電コイル１２から受電コイル１８に電力が伝送される。

受電コイル１８に発生した交流電圧は、共振・整流部２８に印加される。共振・整流部２８は、受電コイル１８に並列または直列に接続される共鳴用コンデンサ（図示せず。）を有してもよい。共振・整流部２８は、受電コイル１８から印加された交流電圧を直流電圧に変換し負荷回路３０に出力する。負荷回路３０は、共振・整流部２８から出力された電圧に基づく電力によって、受電装置２６の機能に関する処理を実行する。

受電制御部３２は、負荷回路３０に印加される電圧および負荷回路３０に流れる電流に基づいて、負荷回路３０に供給されている負荷電力を測定する。受電制御部３２は、測定された負荷電力を表す受電電力情報を負荷側無線部３４に出力する。負荷側無線部３４は、受電電力情報を送信する送信部としての機能を有する。すなわち、負荷側無線部３４は、無線信号によって送電側無線部３６に受電電力情報を送信する。

送電側無線部３６は、受電電力情報を受信する受信部としての機能を有する。すなわち、送電側無線部３６は、負荷側無線部３４から送信された無線信号を受信する。送電側無線部３６は、受信した無線信号から受電電力情報を抽出し、送電制御部３８に出力する。送電制御部３８は、受電電力情報が示す負荷電力が極大または所定の閾値以上となるように、可変コンデンサ１６−１〜１６−ｎの静電容量を調整する。

非接触給電装置２４および受電装置２６が構成する非接触給電システムでは、中継コイル１４−１〜１４−ｎと受電コイル１８との位置関係によって、送電コイル１２、中継コイル１４−１〜１４−ｎおよび受電コイル１８による共鳴周波数が変化する。受電電力情報が示す負荷電力が極大または所定の閾値以上となるように、送電制御部３８が可変コンデンサ１６−１〜１６−ｎの静電容量を調整することで、送電用電源部１０から負荷回路３０に十分な電力が供給される。これによって、受電装置２６が備える二次電池に充電をする度に受電装置２６の位置が変化する場合や、非接触給電装置２４から受電装置２６に電力が供給されている間に受電装置２６の位置が変化した場合であっても、受電装置２６に十分な電力が供給される。

上記では、中継コイル１４−１〜１４−ｎのそれぞれに可変コンデンサが接続された構成について説明した。送電コイル１２、中継コイル１４−１〜１４−ｎおよび受電コイル１８の共鳴周波数は、中継コイル１４−１〜１４−ｎのうち、少なくとも１つの中継コイルに接続された可変コンデンサの静電容量を変化させることで調整可能な場合がある。この場合、中継コイル１４−１〜１４−ｎのうち少なくとも１つに可変コンデンサが接続された構成を採用してもよい。

可変コンデンサ１６−１〜１６−ｎの数が多い場合、各可変コンデンサの調整に長時間が要される場合がある。そこで、送電制御部３８は、図４のフローチャートに示される同調処理を実行してもよい。

送電制御部３８は、受電電力情報が示す負荷電力が極大となるように可変コンデンサ１６−１〜１６−ｎのうちの１つである可変コンデンサ１６−ｊの静電容量を調整する（Ｓ１０１）。このとき、他の可変コンデンサの静電容量は一定とする。

送電制御部３８は、可変コンデンサ１６−ｊの静電容量を調整した後、受電電力情報が示す負荷電力が所定の閾値Ｔ以上であるか否かを判定する（Ｓ１０２）。送電制御部３８は、受電電力情報が示す負荷電力が閾値Ｔ以上であるときは、処理を終了する。一方、受電電力情報が示す負荷電力が閾値Ｔ未満であるときは、静電容量の調整をする可変コンデンサを変更してステップＳ１０１の処理に戻る（Ｓ１０３）。すなわち、送電制御部３８は、ｊの値を変更してステップＳ１０１の処理に戻る。ｊの値の変更は、ｊに１を加算した値がｎを超えるときはｊを１とし、ｊに１を加算した値がｎを超えないときはｊに１を加算した値を変更後のｊの値とする。

このような処理によれば、可変コンデンサ１６−１〜１６−ｎのうち１つの静電容量を調整して負荷電力を極大とする処理が、可変コンデンサ１６−１〜１６−ｎに対して順次実行される。一般に、負荷電力が極大になるように可変コンデンサ１６−１〜１６−ｎを１つずつ調整する処理を一巡させた場合、第２巡目における各可変コンデンサの静電容量の調整量は、第１巡目よりも小さくなる場合が多い。したがって、このような同調処理によれば、負荷電力を閾値Ｔ以上とする処理が迅速に行われる。

なお、上記の実施形態では、負荷側無線部３４から送電側無線部３６に無線信号が送電されることによって、受電装置２６から非接触給電装置２４に受電電力情報が送信される。このように、負荷側無線部３４および送電側無線部３６を用いる代わりに、受電コイル１８、中継コイル１４−１〜１４−ｎ、および送電コイル１２を用いて受電電力情報を伝送してもよい。

図５には、そのような非接触給電システムの構成が示されている。図３における負荷側無線部３４は負荷側通信部４０に置き換えられ、送電側無線部３６は、送電側通信部４２に置き換えられている。負荷側通信部４０は、受電電力情報を含む通信信号を生成し、受電コイル１８に出力する。この通信信号の周波数は、送電用電源部１０が出力する交流電圧の周波数とは異なる。受電コイル１８、中継コイル１４−１〜１４−ｎ、および送電コイル１２の電気的または磁気的な結合によって、通信信号は送電コイル１２に伝送され、通信信号は送電コイル１２から送電側通信部４２に出力される。送電側通信部４２は、通信信号から受電電力情報を抽出し、送電制御部３８に出力する。負荷側通信部４０および送電側通信部４２は、受電コイル１８、中継コイル１４−１〜１４−ｎおよび送電コイル１２によって、通信信号に対する共鳴伝送が行われるようなコンデンサ、インダクタ等の回路素子を有してもよい。

１０送電用電源部、１２送電コイル、１４−１〜１４−ｎ中継コイル、１６−１〜１６−ｎ可変コンデンサ、１８受電コイル、２０，２２筐体、２４非接触給電装置、２６受電装置、２８共振・整流部、３０負荷回路、３２受電制御部、３４負荷側無線部、３６送電側無線部、３８送電制御部、４０負荷側通信部、４２送電側通信部。

Claims

受電装置に電力を供給する非接触給電装置において、
平坦に巻かれた導線によって形成された送電コイルと、
前記送電コイルに電力を供給する電源部と、
平坦に巻かれた導線によって形成され、異なる位置で前記送電コイルの上方で前記送電コイルと重なる複数の中継コイルと、
複数の前記中継コイルのうち少なくとも１つに接続された可変コンデンサと、
前記受電装置から送信された受電電力情報を受信する受信部と、
前記受電電力情報に基づいて、前記可変コンデンサの静電容量を調整する制御部と、を備え、
前記可変コンデンサは、複数の前記中継コイルのそれぞれに接続されており、
前記制御部は、
前記受電装置で受信された電力が極大になるように、１つの前記可変コンデンサの静電容量を調整する処理を、複数の前記可変コンデンサについて順次実行することを特徴とする非接触給電装置。
請求項１に記載の非接触給電装置において、
複数の前記中継コイルは、前記送電コイルを形成する導線の上方に所定の距離を隔てて配置されていることを特徴とする非接触給電装置。
請求項１または請求項２に記載の非接触給電装置において、
複数の前記中継コイルのそれぞれが占有する面積を併せた面積が、前記送電コイルが占有する面積よりも大きいことを特徴とする非接触給電装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の非接触給電装置において、
前記受信部は、
前記受電装置から送信され前記送電コイルで受信された信号から前記受電電力情報を取得することを特徴とする非接触給電装置。