JPH0559660B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、無線で、二つの電気回路間に電力の
伝送を可能とする無線電力伝送装置に関する。

〔従来の技術〕

従来より可動部分への電力の伝送は有線にて実
施をしている。このため可動部分の繰り返し稼動
による断線等のトラブルが多発していた。また、
ブラシを用いて電気的に接続する技術も提案され
てはいるが、ブラシの接触抵抗が経年変化をした
り、接触面を常に清潔にする等の保守に大きな労
力を要する。

そこで近年では非接触にて電力を伝送する技術
が開発されるに至つており、磁気結合している非
接触の一組のコイルを用い、磁力を電力伝送媒体
として利用した装置が提案されている（特開昭58
−115945号公報）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の電力伝送装置は、送電コイルと受電コイ
ルとの空隙が変動しない部分に設けられていた。
この装置を第１０図に示す工業用のターンテーブ
ルITに用いた場合には、以下に示す問題が生じ
る。上記工業用ターンテーブルITは、第１セン
サ群S1と第２センサ群S2とを有するテーブルＴ
と、このテーブルＴを180度回動する駆動部Ｂと
から構成され、上記の第１センサ群S1には、第
１受電コイルCP1が接続され、上記の第２センサ
群S2には、第２受電コイルCP2が接続されてい
る。そして、テーブルＴの位置に応じて上記の第
１受電コイルCP1、又は、第２受電コイルCP2の
一方に電力を供給する送電コイルDCが設けられ
ている。したがつて、上記ターンテーブルITで
は、テーブルＴが180度回動して、交互に第１受
電コイルCP1、又は、第２受電コイルCP2が送電
コイルDCと定常送電空隙になる。そのためテー
ブルＴが回動される毎に両コイルの間隙が変動す
る。該間隙が変動することで、後述するように間
隙が広くなつた場合に送電コイルDCのインピー
ダンスが小さくなる。その結果、送電コイルDC
のインピーダンスが小さくなつた場合に、このコ
イルDCに流れる電流が増加する。この電流が増
加することで、この電流を断続しているスイツチ
ング手段等の容量、および、放熱量が大きくなる
問題が発生する。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するための本発明にかかる無
線電力伝送装置の構成は、 一次側コイルと直列に接続されて該一次側コイ
ルに流れる電流を断続するためのスイツチング素
子を有し、該スイツチング素子による断続の周期
にて発振するブロツキング発振回路と、 前記一次側コイルとの間で可変な空隙を介して
前記ブロツキング発振回路の発振周波数にて送受
電を行う受電コイルと、 を備える無線電力伝送装置において、 前記一次側コイルと前記受電コイルとの間の空
隙が所定値の場合に、前記ブロツキング発振回路
の発振周波数で前記一次側コイルと並列共振する
静電容量の共振コンデンサを、前記スイツチング
素子と並列接続し且つ前記一次側コイルと直列接
続して成ることを特徴とする。

上記スイツチング素子には、例えば半導体スイ
ツチング素子が用いられる。

上記共振コンデンサとは、例えば一次側コイル
としての送信コイルから受信コイルに伝送される
電力の発振周波数すなわちブロツキング発振回路
の発振周波数にて、送信コイルとの間で並列共振
させるために設けるコンデンサである。

〔作用〕

本発明は、第２図に示す電力伝送に用いるカプ
ラのインピーダンスが空隙の変化にともなつて変
動することに着目してなされたものである。まず
第２図を用いて、着目点である空隙の変化で変動
するインピーダンスの状態を示す。第２図では、
Ａは鉄心長１、断面積S1、透磁率μ1の鉄心Fa
にN1回巻かれている送電コイル、Ｂは鉄心長l2、
断面積S2、透磁率μ2の鉄心FbにN2回巻かれてい
る受電コイル、Ｃ、Ｃは電圧Ｖの電源である。第
２図中の点線は磁束φの状態を示す。

上記第２図では、磁束φは、 φ＝N1・I1／｛（l1／μ1S1） ＋（l2／μ2S2）＋24d／μOS3）｝ の式にて示される。（I1は送電コイルＡに流れる
電流、μOは空隙の透磁率、S3は空隙の断面積）
そして、第２図においてカプラの間隔が広くなつ
た場合、つまりｄが大きくなつた場合には、上記
磁束φの算出式における分母の磁束抵抗が大きく
なるため磁束φが大幅に減少する。したがつて、
インダクタンスＬは Ｌ＝dφ／di の式にて示されることから、カプラの間隔が広く
なつた場合にはφが減少するのでインダクタンス
Ｌが減少する。したがつて、該送電コイルＡに交
流電圧を加えた場合には、インピーダンスはイン
ダクタンスＬに比例するので、カプラの間隔が大
きくなつた場合には、送電コイルＡのインピーダ
ンスが低下する。その結果、送電コイルに流れる
電流が増大する。

次に、本発明を第３図に示す回路に用いた場合
の作用を示す。第３図では、送電コイルを備える
送電カプラａ、受電コイルを備える受電カプラ
ｂ、および、ブロツキング発振回路ｃから構成さ
れる無線電力伝送装置が示されている。ブロツキ
ング発振回路ｃでは、N1回巻かれた送電コイル
acの一端にトランジスタctのコレクタccが接続さ
れ、該トランジスタctのベースcd〜エミツタce間
には入力抵抗R2、n1回巻かれている発振コイル
ao、および、コンデンサc1が挿入され、一方、
該コンデンサc1と共に発振周波数（遮断期間）を
調整するための抵抗（バイアス抵抗）R1が上記
送電コイルacの他端aθとコンデンサc1の一端ac1
に挿入されている。

上記の第３図の受電カプラｂを除いた回路を第
４図に示す。

第４図に示す回路は、一般的なブロツキング発
振回路であり、その基本的な回路作動を以下に簡
単に説明する。

まず、電源から供給される電力により充電され
たコンデンサc1の電圧が、トランジスタctのベー
ス・エミツタ間電圧よりも高くなると、トランジ
スタctのベースに電流が流れ、それによりコレク
タ電流Ｉが流れ始める。このコレクタ電流Ｉは、
送電コイルacと磁気結合している発振コイルao
に誘起電圧：Ｍ・dI／dt（ここでＭは相互インダ
クタンス）を発生させ、その誘起電圧がトランジ
スタctのベース電圧を高める（正帰還）この正帰
還によりトランジスタctは瞬時に導通状態とな
る。

この後、コレクタ電流Ｉは時間の経過に比例し
て増加するけれども、一定時間経過後、コレクタ
電流Ｉの飽和又は送電コイルacのコアの磁気飽
和によつて磁束が変化しなくなり、発振コイル
aoに前述とは逆方向の誘起電圧：Ｍ・dI／dt≦０
が発生する。すると、トランジスタctのベースに
接続されているコンデンサc1は、前述の一定期間
経過までベース電流によつて負に充電されていた
ため、そのコンデンサc1によりトランジスタctの
ースは逆バイアスされ、トランジスタctは導通状
態から遮断状態へと反転する。

このコンデンサc1が抵抗R1を介して放電した
後、電源電圧からの電力供給により再び充電さ
れ、トランジスタctにース電流が流れ始めること
により、上述の回路作動が繰り返される。

この繰り返しにより発振するブロツキング発振
回路の発振周波数は、トランジスタctの導通期間
（トランジスタctが導通してから磁束の変化がな
くなるまでの間）と遮断期間（コンデンサc1によ
りトランジスタctのベースが逆バイアスされてい
る時間）との和によつて決定される。

そして、このトランジスタctの遮断期間は、抵
抗R1の抵抗値、コンデンサc1の容量、及びコン
デンサc1によつてトランジスタctのベースに加わ
る逆バイアス電圧の大きさによつて決定される。

従来は、第３図に示す送電カプラａと受電カプ
ラｂとの距離（ギヤツプ）が３mm以下程度に定め
られていた。そして、この距離の場合に、両カプ
ラ間に電力の送受が行われていた。本発明では、
上記両カプラ間のギヤツプを定められたギヤツ
プ、例えば0.5mm以上離した場合に、トランジス
タctに流れる送電電流Ｉが第５図に例示するよう
に増大することを防止する。第５図では、縦軸に
送電電流Ｉ(A)、横軸にカプラ間ギヤツプｄ（mm）
が示されている。この第５図では、カプラ間ギヤ
ツプが大きくなるにしたがつて送電電流が大きく
なつている。

次に、第５図で例示する送電電流の増加を防止
するために、本発明では第６図に例示するように
共振コンデンサC2がトランジスタctのコレクタ
−エミツタ間に挿入される。一般的な並列共振の
条件は、共振周波数がｆ、コイルのインダクタン
スがＬ、コンデンサのキヤパシタンスがＣの場
合、 ｆ＝１／（2π√） …式１ であり、この式１を前提として、共発コンデンサ
c2が挿入された第６図に示す発振回路ｃの作動
を、カプラ間ギヤツプの大きさに基づき〜の
３種類に分けて以下説明する。

カプラ間ギヤツプが1.0（mm）の場合には、そ
の際のブロツキング発振回路の発振周波数f0が、
ブロツキング発振回路の一次側コイルとしての送
電コイルacと共振コンデンサC2とで並列共振す
る共振周波数ｆ（式１参照）と一致するように、
共振コンデンサc2のキヤパシタンスが選定されて
いる。従つて、共振コンデンサC2と送電コイル
acとの間で並列共振して流れる共振電流の最大
値と送電コイルacを介して流れるコレクタ電流
Ｉの最大値とが時間的に一致し、双方の電流の総
和により送電コイルacのコアが磁気飽和を起こ
して磁束が変化しなくなり、スイツチング素子と
してのトランジスタctは遮断状態となる。このと
き、ブロツキング発振回路の発振周波数の共振コ
ンデンサC2の影響を受ける。

カプラ間ギヤツプが1.0（mm）未満の場合に
は、トランジスタctが導通を開始することによつ
て送電コイルacを介して流れるコレクタ電流Ｉ
（≒送電コイルacに流れる電流）が時間と共に増
し、このコレクタ電流Ｉが送電コイルacのコア
を磁気飽和させる値（カプラ間ギヤツプにより決
まる）に達すると磁束が変化しなくなり、トラン
ジスタctが遮断状態となる。

この場合、ブロツキング回路ｃはトランジスタ
ctが導通し遮断するまでの導通期間と遮断期間と
により決まる発振周波数で発振する。

カプラ間ギヤツプが小さい場合には、受電コイ
ル及び送電コイルacによるインダクタンスは大
きくなるので、共振コンデンサC2との間での並
列共振の共振周波数は低くなるとともにＱの値は
小さくなる（Ｑは共振の鋭さを表し、その値は、
√に比例する）。従つて、この場合、共振
コンデンサC2がブロツキング発振回路ｃの発振
周波数に及ぼす影響は小さい。そして、カプラ間
ギヤツプが小さいほどブロツキング発振回路ｃの
発振周波数は高くなると共にコレクタ電流Ｉは少
なくなる。

カプラ間ギヤツプが1.0（mm）を超える場合に
は、トランジスタctが導通を開始した後、共振コ
ンデンサC2及び送電コイルacの間での並列共振
による共振電流の変化分と送電コイルacを介し
て流れるコレクタ電流Ｉの変化分との和が零とな
つたときに磁束が変化しなくなり、トランジスタ
ctは遮断状態となる。つまり、共振コンデンサ
C2及び送電コイルacの並列共振による共振電流
の減少分と送電コイルacを介して流れるコレク
タ電流Ｉの増加分とが一致したときに送電コイル
acを流れる電流の増減が停止するため、磁束が
変化しなくなつてブロツキング発振回路の二次側
コイルとしての発振コイルaoに電圧が誘起され
ず、従つてトランジスタctが遮断状態となる。

この場合も、ブロツキング発振回路ｃは、トラ
ンジスタctが導通し遮断するまでの導通期間と遮
断期間とにより決まる発振周波数で発振してい
る。

前述の場合とは逆に、カプラ間のギヤツプが
大きくなると、カプラのインダクタンスは小さく
なるので、共振周波数は高くなり、その共振電流
の影響を受けて、ブロツキング発振回路ｃの発振
周波数は高くなる。即ち、送電コイルacを介し
て流れるコレクタ電流Ｉの増加のみによつて送電
コイルacのコアが磁気飽和を起こす時点よりも
前に、前述のように共振電流の減少分がコレクタ
電流Ｉの増加分と一致することによつて送電コイ
ルacを流れる電流の変化が停止するため、トラ
ンジスタctが遮断状態となり、結果として発振周
波数は高くなる。

このように、第６図に示す回路では、カプラ間
ギヤツプが大きく（１mm超）なつても共振コンデ
ンサC2と送電コイルacとの間の並列共振を利用
することによつて、コレクタ電流Ｉが増加して送
電コイルacのコアが磁気飽和する時点よりも前
にトランジスタctは遮断状態となるので、第７図
に示すようにコレクタ電流Ｉの増加を抑えること
ができ、装置の小型化及び装置の発熱を抑えるこ
とができる。

第７図では、送電電流Ｉがカプラ間ギヤツプｄ
＝１（mm）をピークにして０（mm）から１（mm）ま
で増加後、１（mm）から２（mm）まで減少して、以
後一定になる特性が示されている。したがつて、
共振コンデンサC2を挿入することで、カプラ間
ギヤツプｄが大きい場合に増加する電流を抑える
ことができる。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を図面に基づいて説明
する。但し、本発明は以下の実施例に限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
当業者が想到し得る全ての実施例を含む。

第１図は本実施例の無線電力伝送装置の構成
図、第８図は本実施例に用いるカプラの断面図、
第９図は本実施例を産業用ターンテーブルに応用
した例の構成図である。

本実施例の無線電力伝送装置１は、後述するブ
ロツキング発振回路の一次側コイルとしての機能
も有する送電コイルＡ、受電コイルＢ、電源Ｃ、
スイツチング手段Ｄ、共振コンデンサＥ、受電電
源供給手段Ｆ、センサ群Ｇ、信号送信手段Ｈ、及
び信号受信手段Ｉから構成されている。

上記送電コイルＡには、電源Ｃから供給されス
イツチング手段Ｄにて断続される電力が流れる。

上記受電コイルＢでは、上記送電コイルＡと空
隙を介して磁気的結合にて送電コイルＡから送ら
れてくる電力の受電が行われる。

上記電源Ｃには、電源供給用バツテリ４０Ｃが
備えられていて、上記送電コイルＡに電力を供給
すると共に、上記信号受信手段Ｉに５(V)の電力を
供給するレギユレータ４１Ｃが備えられている。

上記スイツチング手段Ｄでは、電源Ｃから送電
コイルＡを介して送られてくる電力の断続が行わ
れる。上記の断続は、スイツチング素子としての
トランジスタ４５Ｄ、二次側コイルとしての発振
コイル４６Ｄ、コンデンサ４７Ｄ、抵抗（バイア
ス抵抗）４８Ｄ、及び入力抵抗４９Ｄから構成さ
れるブロツキング発振回路で行われる。このブロ
ツキング発振回路では、発振周波数f0、例えば10
（ＫHz）の繰り返し周波数で発振が行われる。

上記共振コンデンサＥは上記トランジスタ４５
Ｄのコレクタ４５Dcとエミツタ４５De間に挿入
されている。この共振コンデンサＥの静電容量
は、上記送電コイルＡと受電コイルＢとのギヤツ
プが1.0（mm）の場合に、共振コンデンサＥと送電
コイルＡとの間で並列共振を生じる共振周波数
と、上記ブロツキング発振回路の発振周波数とが
一致（即ち同一周波数且つ位相が一致）するよう
に設定されている。

上記受電電源供給手段Ｆでは、上記受電コイル
Ｂが受けた電力を直流電源化する。即ち、この手
段Ｆでは、受電コイルＢからの交流電力をダイオ
ード５０Ｆ、平滑コンデンサ５１Ｆにて、整流平
滑した後、安定化トランジスタ５２Ｆ、抵抗５３
Ｆ、及びツエナダイオード５４Ｆから成る電圧安
定化回路にて直流安定化電圧が得られ、更に、こ
の直流安定化電圧から5Vの電圧がレギユレータ
５５Ｆで作られている。

上記センサ群Ｇには、上記受電電源供給手段Ｆ
から電力を受けて動作する各種センサが含まれて
いて、このセンサ群Ｇの各種センサにて検出され
たデータが出力端子５７Ｇに出力されている。

上記信号送信手段Ｈでは、上記センサ群Ｇにて
検出されたデータを上記受電コイルＢ、発振コイ
ル４６Ｄを介して上記信号受信手段Ｉに送る動作
が行われる。まずここではパラレル−シリアル変
換装置６０Ｈにてパラレル入力端子６０Hpから
入力したデータをハイレベルとローレベルから成
る直列信号SS化してシリアル端子SOに出力す
る。そして、この直列信号SSに基づいて搬送波
発振回路HHの発振4MHzを断続する動作が行わ
れる。この搬送波発振回路HHは、送信コイル６
１Ｈ、発振コイル６２Ｈ、トランジスタ６３Ｈ、
可変抵抗６４Ｈ、コンデンサ６５Ｈ、及び抵抗
（バイアス抵抗）６６Ｈから成るブロツキング発
振回路にて構成されている。この搬送波発振回路
HHでは、上記パラレル−シリアル変換装置６０
Ｈのシリアル端子SOがローレベルの場合に発振
が停止する。上記直列信号SSにて断続された搬
送直列信号SSHは、結合コンデンサ６８Ｈ、受
電コイルＢ、及び発振コイル４６Ｄを介して信号
受信手段Ｉに送信される。

上記信号受信手段Ｉでは、上記信号送信手段Ｈ
から送られてくる搬送直列信号SSHの復調、及
びパラレル信号化が行われる。まず、この信号受
信手段Ｉでは、結合コンデンサ７０Ｉ、及び結合
トランス７１Ｉを介して送られてきた搬送直列信
号SSHを平滑コンデンサ７２Ｉ、及び復調ダイ
オード７３Ｉにて直列信号SSにする。次いで、
シリアル−パラレル変換装置７５Ｉのシリアル入
力端子SIに直列信号SSが加えられ、直列信号SS
がパラレル信号に変換される。この変換されたパ
ラレル信号がパラレル信号出力端子７５Ipから出
力される。このパラレル信号出力端子７５Ipで
は、対応する上記パラレル−シリアル変換装置６
０Ｈのパラレル信号入力端子６０Hpの入力状態
が出力される。例えば、パラレル信号入力端子６
０Hpの１番端子６０Hp1がローレベルの場合に
は、このパラレル信号出力端子７５Ipの１番端子
７５Ipの１番端子７５Ip1がハイレベルになる。

以上第１図に示したよう、空隙を介して電力伝
送を行い、且つセンサ群Ｇからの検出データを受
信する本実施例の無線電力伝送装置１において、
送電コイルＡと受電コイルＢとのギヤツプが例え
ば1.0（mm）という所定値の場合に、送電コイルＡ
との間で、前述したブロツキング発振回路の発振
周波数f0で並列共振を行う共振コンデンサＥをト
ランジスタ４５Ｄのコレクタ４５Dc及びエミツ
タ４５Deの間に挿入することで、ギヤツプ（即
ち空隙）が1.0（mm）以上となつてもトランジスタ
４５Ｄに流れる電流は増大しなくなる。従つて、
流れる電流が増大しないため、トランジスタ４５
Ｄの電流容量を小さくすることができ、その放熱
量も減るので小型の放熱器で済む。

次ぎに、第１図の送電コイルＡ、受電コイル
Ｂ、発振コイル４６Ｄ等を備えるカプラの断面図
を第８図に示す。

第８図は、円筒形状の二つのカプラ１０，２０
が、それぞれ同心軸上に対向して配設されている
図を表しており、図から明らかなように、二つの
カプラ１０，２０はそれぞれ同一の構造である。
即ち、カプラ１０，２０の固定側ホルダー１１，
２１の対向する面にはフエライトコア１２，２１
が挿着されている。このフエライトコア１２，２
１には環状の溝が形成されており、その溝には送
電コイルＡ、受電コイルＢ、及び発振コイル４６
Ｄが同心軸上に嵌入されている。これらの送電コ
イルＡ、発振コイル４６Ｄの端子、及び受電コイ
ルＢの端子は、まとめてリード線１６，２６にて
カプラ１０，２０から引き出されており、外部機
器との接続を容易としている。そして、二つのカ
プラ１０，２０が極めて接近して設置されている
場合、例えばギヤツプが３（mm）以下の場合には、
発振コイル４６Ｄ、送電コイルＡ、及び受電コイ
ルＢに電流を通じると図中の点線で表すような磁
路が形成され、二つのカプラ１０，２０は強い磁
気結合を示すこととなる。従つて、極めて接近し
ている場合に、このカプラ１０，２０の何れか一
方のコイルに励磁用の電流を通じれば、他方のコ
イルには該励磁電流に比例した磁界が発生して電
力や信号の無線による授受が容易に実行できる。

次ぎに、本実施例を産業用ターンテーブルに応
用した例を第９図に示す。

この産業用ターンテーブルは、被加工物１００
を、載せ替え側からドリル１０５等で加工を行う
加工側へ、テーブル１１０を駆動部１２０にて
180度回転することにより、交互に搬送するもの
である。そして、このテーブル１１０上に被加工
物１００が定められた位置に載せられたかを判断
するための位置センサ１３０に電力を送り、且つ
該位置センサ１３０からの検出信号を受信するた
めに本実施例の無線電力伝送装置１が用いられ
る。上記テーブル１１０の下面には、回動中心軸
TCに対称に受電コイルＢが備えられている受電
側カプラ２０が二箇所に設けられている。この両
カプラ２０は、それぞれ受電電源供給手段Ｆ等を
含む受電側ユニツト１ｂに接続されている。この
受電側ユニツト１ｂは、位置センサ１３０に接続
されていて、テーブル１１０上の載せ替え側にあ
る被加工物１００の位置をカプラ２０、及び、載
せ替え側に備えられた送電側カプラ１０を介して
送電側ユニツト１ａに送つている。従つて、本実
施例が応用された産業用ターンテーブルでは、テ
ーブル１１０の載せ替え側にある被加工物１００
の位置を非接触で検出し得る。

〔発明の効果〕

以上、一実施例を挙げて詳述したように本発明
の無線電力伝送装置では、ブロツキング発振回路
の一次側コイルと受電コイルとの間の空隙が所定
値の場合に、ブロツキング発振回路の発振周波数
で、その一次側コイルと並列共振する静電容量の
共振コンデンサを、スイツチング素子に並列接続
している。従つて、上記一次側コイルと受電コイ
ルとの空隙が所定値以上になつた場合に、スイツ
チング素子に流れる電流が過大にならない。その
結果、一次側コイルと受電コイルとの空隙が可変
する装置で、スイツチング素子の電流容量の増加
が防止され、且つスイツチング素子から放出され
る熱量の増加が防止される。よつてスイツチング
素子、例えばトランジスタの小容量化が図られ、
且つ加熱器の小型化が図られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例を表す構成図、第２図及び第
３図は本発明の動作例を説明するための説明図、
第４図は従来例を表す回路図、第５図は従来例の
動作特性を表すグラフ、第６図は本発明の構成例
を表す回路図、第７図は本発明の動作特性例を表
すグラフ、第８図は本実施例に用いるカプラの断
面構成図、第９図は本実施例を応用した装置の構
成図、第１０図は従来例の説明図である。 Ａ…送電コイル、Ｂ…受電コイル、Ｃ…電源、
Ｄ…スイツチング手段、４５Ｄ…トランジスタ、
Ｅ…共振コンデンサ、Ｆ…受電電源供給手段、Ｇ
…センサ群、Ｈ…信号送信手段、Ｉ…信号受信手
段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一次側コイルと直列に接続されて該一次側コ
   イルに流れる電流を断続するためのスイツチング
   素子を有し、該スイツチング素子による断続の周
   期にて発振するブロツキング発振回路と、 前記一次側コイルとの間で可変な空隙を介して
   前記ブロツキング発振回路の発振周波数にて送受
   電を行う受電コイルと、 を備える無線電力伝送装置において、 前記一次側コイルと前記受電コイルとの間の空
   隙が所定値の場合に、前記ブロツキング発振回路
   の発振周波数で前記一次側コイルと並列共振する
   静電容量の共振コンデンサを、前記スイツチング
   素子と並列接続し且つ前記一次側コイルと直列接
   続して成ることを特徴とする無線電力伝送装置。