(57)【要約】【課題】送電部と取外し自在の受電部とを備えて構成される非接触電力伝送装置において、損失を低減する。【解決手段】送電部１に、その電力伝送用コイルＴ１に現れる電圧変化から、２次側の受電部２の電力受電コイルＴ２が電磁的に結合していないことを検出すると、自励発振回路１２１にスイッチングのデューティを低減させる間欠駆動回路１２２が設けられていることを利用して、受電部２では、制御マイコン２２が２次電池ＢＡの満充電を検知し、インピーダンス素子ＦＥＴ３をＯＦＦすると、合わせて、スイッチ素子ＦＥＴ２によって、前記電力受電コイルＴ２の端子間を短絡する。したがって、軽負荷であるときに、前記トランスの２次側が電磁的に結合していない状態を擬似的に再現し、送電部１は間欠発振を行い、損失を一層低減することができる。【選択図】図１
2010226890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電部と、それに近接および離反自在の受電部とを備えて構成され、前記送電部から受電部へ電磁誘導によって非接触で電力を伝送するようにした非接触電力伝送装置において、
前記送電部は、
１次側と２次側とが分離可能なトランスの１次側となる電力伝送用コイルと、
前記電力伝送用コイルに並列に接続されて共振回路を構成する共振コンデンサと、
前記共振回路を共振させるスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のスイッチングを制御する駆動回路と、
前記受電部が該送電部から離反して、前記トランスの２次側が１次側と電磁的に結合していないときに、前記駆動回路に前記スイッチングのデューティを低減させる負荷検知手段とを備えて構成され、
前記受電部は、
前記トランスの２次側となる電力受電用コイルと、
前記電力受電用コイルに並列接続される共振コンデンサと、
前記電力受電用コイルに誘起された電流を整流・平滑化し、負荷へ与える整流・平滑回路と、
前記負荷の状態を検出する負荷状態検出手段と、
前記電力受電用コイルと整流・平滑回路との間に設けられ、前記負荷状態検出手段の検出結果に応答し、前記整流・平滑回路から前記負荷へ供給される電流が予め定める値以下の軽負荷であるときに、前記トランスの２次側が電磁的に結合していない状態を擬似的に再現する電力伝送抑制手段とを含むことを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記負荷検知手段は、前記トランスの帰還巻線であることを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項３】
前記負荷は二次電池であり、前記電力伝送抑制手段は、前記二次電池が満充電状態であるときに前記トランスの２次側が電磁的に結合していない状態を擬似的に再現することを特徴とする請求項１または２記載の非接触電力伝送装置。
【請求項４】
前記電力受電用コイルはセンタータップを有し、前記整流・平滑回路は、両端のタップから誘起電圧をそれぞれ取出す２つのダイオードに、その出力端が共通に接続される平滑コンデンサから成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項５】
前記送電部において、前記共振回路とスイッチング素子との間に、ダイオードと抵抗との並列回路を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項６】
前記電力伝送抑制手段は、前記電力受電用コイルのタップ間を短絡するスイッチ素子を備え、該スイッチ素子は前記軽負荷であるときにＯＮすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項７】
前記電力伝送抑制手段は、前記共振コンデンサを前記電力受電用コイルのタップ間から切離すスイッチ素子を備え、該スイッチ素子は前記軽負荷であるときにＯＦＦすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項８】
前記電力伝送抑制手段は、前記電力受電用コイルの一部分を短絡するスイッチ素子を備え、該スイッチ素子は前記軽負荷であるときにＯＮすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電部と、それに近接および離反、すなわち取外し自在の受電部とを備えて構成され、前記送電部から受電部へ電磁誘導によって非接触で電力を伝送するようにした、たとえば送電部へ載せておくだけで受電部に充電を行えるようにした非接触電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、送電部に、トランスの１次側となり、電力を伝送する電力伝送用コイルおよびこの電力伝送用コイルと共振する共振コイルを含む共振回路と、この共振回路を共振させるスイッチング素子と、このスイッチング素子を駆動する駆動回路とを備え、受電部に、前記トランスの２次側となる電力受電用コイルと、前記電力受電用コイルに並列接続される共振コンデンサと、前記電力受電用コイルに誘起された電流を整流・平滑化し、負荷へ与える整流・平滑回路とを備え、前記のように送電部へ載せておくだけで、送電部から受電部に非接触で電力を伝送し、受電部を充電する非接触電力伝送装置が、たとえば特許文献１および２等で知られている。
【０００３】
このような非接触電力伝送装置においては、受電部が送電部に載置されていない場合、載置されている場合に比べて電力伝送用コイルのインダクタンスが小さくなり、該電力伝送用コイルに流れる電流が増大する結果、待機電力が増大するという問題がある。しかしながら、特許文献１は、共振回路を安定発振させることを目的とするものであり、特許文献２も、回路の小型化を目的とするものであり、いずれの従来技術も待機電力を低減することを目的とはしていない。
【０００４】
そこで、特許文献３では、給電手段が電力伝送用コイルに給電を開始した直後に、該電力伝送用コイルの自己インダクタンスの変化を検出し、この変化の検出値が所定値以下の場合に、給電手段の給電を停止し、検出値が所定値以上の場合に給電手段の給電を継続することで、待機電力を低減するようにした非接触電力伝送装置が開示されている。しかしながら、この従来技術は、受電部が無い場合に送電部の発振を停止するもので、受電部内の２次電池が満充電となっても、給電は継続されるという問題がある。これは、受電部がある場合、充電を行っているか否か、すなわち電力を受電しているか否かで、磁気回路は変化せず、コイル電圧や発振周波数は殆ど同じになり、電力伝送側からは殆ど分らないためである。
【０００５】
そこで、本件出願人による特許文献４には、２次側整流回路の後段に、その端子間をソフト短絡するスイッチ素子を設け、２次電池の充電電圧が高くなると前記ソフト短絡を生じさせ、これによって２次側の電力受電用コイルの端子間電圧が制限され、１次側の検知用のコイルの端子間電圧が上昇し、発振を停止するようにした非接触の充電装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３４１６８６３号公報
【特許文献２】特許第３３６３３４１号公報
【特許文献３】特開２００８−２３６９１６号公報
【特許文献４】特開平６−３３９２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の従来技術は、満充電となると１次側が発振を停止するので、省電力化が図られ、また発熱の問題が軽減されているけれども、２次側整流回路の後段で、しかも負荷をソフト短絡させているので、満充電となっても、或る程度の電流が流れ、また整流回路内のダイオード等の整流素子による電圧降下が発生し、その分、トランスの１次側から２次側へエネルギーが伝搬されてしまい、まだまだ省電力化の余地が残されている。
【０００８】
本発明の目的は、損失を一層低減することができる非接触電力伝送装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の非接触電力伝送装置は、送電部と、それに近接および離反自在の受電部とを備えて構成され、前記送電部から受電部へ電磁誘導によって非接触で電力を伝送するようにした非接触電力伝送装置において、前記送電部は、１次側と２次側とが分離可能なトランスの１次側となる電力伝送用コイルと、前記電力伝送用コイルに並列に接続されて共振回路を構成する共振コンデンサと、前記共振回路を共振させるスイッチング素子と、前記スイッチング素子のスイッチングを制御する駆動回路と、前記受電部が該送電部から離反して、前記トランスの２次側が１次側と電磁的に結合していないときに、前記駆動回路に前記スイッチングのデューティを低減させる負荷検知手段とを備えて構成され、前記受電部は、前記トランスの２次側となる電力受電用コイルと、前記電力受電用コイルに並列接続される共振コンデンサと、前記電力受電用コイルに誘起された電流を整流・平滑化し、負荷へ与える整流・平滑回路と、前記負荷の状態を検出する負荷状態検出手段と、前記電力受電用コイルと整流・平滑回路との間に設けられ、前記負荷状態検出手段の検出結果に応答し、前記整流・平滑回路から前記負荷へ供給される電流が予め定める値以下の軽負荷であるときに、前記トランスの２次側が電磁的に結合していない状態を擬似的に再現する電力伝送抑制手段とを含むことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、送電部と、それに近接および離反、すなわち取外し自在の受電部とを備えて構成され、前記送電部から受電部へ電磁誘導によって非接触で電力を伝送するようにした、たとえば送電部へ載せておくだけで受電部に充電を行えるようにした非接触電力伝送装置では、前記送電部の電力伝送用コイルがトランスの１次側となり、前記受電部の電力受電用コイルが前記トランスの２次側となり、それらの間で前記電磁誘導によって電力が伝送される。このため、前記送電部には、前記電力伝送用コイルに並列に接続されて共振回路を構成する共振コンデンサと、前記電力伝送用コイルに流れる電流をＯＮ／ＯＦＦすることで前記共振回路を共振させるスイッチング素子と、前記スイッチング素子のスイッチングを制御する駆動回路と、前記受電部が該送電部から離反して、電力受電用コイルを介して電力伝送用コイルに現れる電圧変化から、前記トランスの２次側が電磁的に結合していないことを検出すると、前記駆動回路に前記スイッチングのデューティ（トランスの２次側誘起エネルギー）を低減、たとえばスイッチングを停止させる負荷検知手段とが設けられており、前記受電部には、前記電力受電用コイルに並列接続される共振コンデンサと、前記電力受電用コイルに誘起された電流を整流・平滑化し、負荷へ与える整流・平滑回路とが設けられている。
【００１１】
そこにさらに本発明では、前記受電部に、前記負荷の状態を検出する負荷状態検出手段を設けるとともに、前記電力受電用コイルと整流・平滑回路との間に、前記負荷状態検出手段の検出結果に応答し、前記整流・平滑回路から前記負荷へ供給される電流が予め定める値以下の軽負荷であるときに、前記トランスの２次側が電磁的に結合していない状態を擬似的に再現する電力伝送抑制手段を設ける。
【００１２】
したがって、受電部が送電部から離れているときにスイッチングのデューティを低減する省電力機能を利用して、受電部が軽負荷、たとえば負荷が二次電池であるときには、満充電となったときもスイッチングのデューティを低減することができ、省電力化を一層進めることができるとともに、発熱等の問題もなくなる。また、電力伝送抑制手段を、整流・平滑回路と負荷との間に設けた場合、整流用のダイオードなどによる電圧降下が発生し、その分、トランスの１次側から２次側へエネルギーが伝搬されるけれども、電力受電用コイルと整流・平滑回路との間に設けることで、損失を一層低減することができる。
【００１３】
好ましくは、前記負荷検知手段は、前記トランスの帰還巻線であることを特徴とする。
【００１４】
また好ましくは、前記負荷は、二次電池であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の非接触電力伝送装置では、前記電力受電用コイルはセンタータップを有し、前記整流・平滑回路は、両端のタップから誘起電圧をそれぞれ取出す２つのダイオードに、その出力端が共通に接続される平滑コンデンサから成ることを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、損失が小さく、しかも大パワーを得ることができる。
【００１７】
さらにまた、本発明の非接触電力伝送装置では、前記送電部において、前記共振回路とスイッチング素子との間に、ダイオードと抵抗との並列回路を有することを特徴とする。
【００１８】
上記の構成によれば、スイッチング素子のＯＦＦ時の回生電流が、該スイッチング素子のボディダイオードを通して起動回路側に回生され、受電部が近接している状態と、離反している状態とで、電力伝送用コイルに生じる電圧の差が少なくなってしまうことを防止することができる。
【００１９】
したがって、負荷検知手段による前記受電部が送電部から離反しているか否か、および前記受電部が軽負荷であるか否かの判定を正確に行うことができる。
【００２０】
また、本発明の非接触電力伝送装置では、前記電力伝送抑制手段は、前記電力受電用コイルのタップ間を短絡するスイッチ素子を備え、該スイッチ素子は前記軽負荷であるときにＯＮすることを特徴とする。
【００２１】
上記の構成によれば、前記電力受電用コイルのタップ間を短絡することで、前記トランスの１次側が漏洩インダクタのみで動作し、コイル電圧や発振周波数が変化する。これによって、前記２次側が電磁的に結合していない状態、すなわち受電部が送電部から離反している状態を擬似的に再現することができる。
【００２２】
さらにまた、本発明の非接触電力伝送装置では、前記電力伝送抑制手段は、前記共振コンデンサを前記電力受電用コイルのタップ間から切離すスイッチ素子を備え、該スイッチ素子は前記軽負荷であるときにＯＦＦすることを特徴とする。
【００２３】
上記の構成によれば、前記共振コンデンサを前記電力受電用コイルのタップ間から切離すことで、前記トランスの２次側が電磁的に結合していない状態、すなわち受電部が送電部から離反している状態を擬似的に再現することができるとともに、損失を大幅に低減することができる。
【００２４】
また、本発明の非接触電力伝送装置では、前記電力伝送抑制手段は、前記電力受電用コイルの一部分を短絡するスイッチ素子を備え、該スイッチ素子は前記軽負荷であるときにＯＮすることを特徴とする。
【００２５】
上記の構成によれば、前記電力受電用コイルの一端のタップと中間タップとの間のように、一部分を短絡することで、前記トランスの２次側が電磁的に結合していない状態、すなわち受電部が送電部から離反している状態を擬似的に再現することができる。また、一部分の短絡であることで、送電部側では、完全に受電部が無い状態と、受電部が近接していても軽負荷のために電力伝送を抑制している状態とを区別することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の非接触電力伝送装置は、以上のように、送電部と、それに近接および離反、すなわち取外し自在の受電部とを備えて構成され、前記送電部から受電部へ電磁誘導によって非接触で電力を伝送するようにした非接触電力伝送装置において、送電部に、その電力伝送用コイルに現れる電圧変化から、トランスの２次側となる受電部の電力受電コイルが電磁的に結合していないことを検出すると、駆動回路にスイッチングのデューティを低減させる負荷検知手段が設けられていることを利用して、前記受電部に、負荷の状態を検出する負荷状態検出手段を設けるとともに、前記電力受電用コイルと整流・平滑回路との間に、前記負荷状態検出手段の検出結果に応答し、軽負荷であるときに、前記トランスの２次側が電磁的に結合していない状態を擬似的に再現する電力伝送抑制手段を設ける。
【００２７】
それゆえ、受電部が送電部から離れているときにスイッチングのデューティを低減する省電力機能を利用して、受電部が軽負荷、たとえば負荷が二次電池であるときには、満充電となったときもスイッチングのデューティを低減することができ、省電力化を一層進めることができるとともに、発熱等の問題もなくなる。また、電力伝送抑制手段を、整流・平滑回路と負荷との間に設けた場合、整流用のダイオードなどによる電圧降下が発生し、その分、トランスの１次側から２次側へエネルギーが伝搬されるけれども、電力受電用コイルと整流・平滑回路との間に設けることで、損失を一層低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の第１の形態に係る非接触電力伝送装置が適用される充電システムの電気回路図である。
【図２】前記充電システムのコイル間の結合の様子を模式的に示す断面図である。
【図３】前記電力伝送用コイルの端子電圧の波形図である。
【図４】前記電力伝送用コイルの端子電圧の波形図である。
【図５】本発明の実施の第１の形態における電力伝送抑制手段の配置位置を説明するための図である。
【図６】本件発明者のシミュレーション結果を示す前記電力伝送用コイルの端子電圧に２次側電流波形のグラフである。
【図７】本発明の実施の第２の形態に係る非接触電力伝送装置が適用される充電システムの電気回路図である。
【図８】本発明の実施の第２の形態の動作を説明するための波形図である。
【図９】本発明の実施の第３の形態に係る非接触電力伝送装置が適用される充電システムにおける受電部の電気回路図である。
【図１０】本発明の実施の第４の形態に係る非接触電力伝送装置が適用される充電システムの電気回路図である。
【図１１】本発明の実施の第４の形態のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の第４の形態に係る充電システムの具体的な一構成例の電気回路図である。
【図１３】本発明の実施の第４の形態に係る充電システムの具体的な他の構成例の電気回路図である。
【図１４】本発明の実施の第４の形態に係る非接触電力伝送装置が適用される充電システムの電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の第１の形態に係る非接触電力伝送装置が適用される充電システムの電気回路図である。この充電システムは、送電部１と、それに近接および離反、すなわち取外し自在の受電部２とを備えて構成され、前記送電部１から受電部２へ電磁誘導によって非接触で電力を伝送するようにした、たとえば送電部１へ載せておくだけで受電部２内の２次電池ＢＡに充電を行えるようにした充電システムである。前記受電部２としては、たとえば電動歯ブラシ、携帯電話、ノートブックパソコン、電気カミソリ、電動工具等の充電可能な電気機器が採用される。
【００３０】
そして、この充電システムでは、図２で示すように、磁性体から成るコア１０，２０にそれぞれ巻回されたコイルＴ１，Ｔ２が、絶縁性のハウジング１００，２００を挟んで対向した状態で、前記送電部１の電力伝送用コイルＴ１が非接触のトランスの１次側となり、前記受電部２の電力受電用コイルＴ２が前記トランスの２次側となり、それらの間で前記電磁誘導によって電力が伝送される。
【００３１】
このため、前記送電部１には、前記電力伝送用コイルＴ１に並列に接続されて共振回路１１を構成する共振コンデンサＣ４と、前記電力伝送用コイルＴ１に流れる電流をＯＮ／ＯＦＦすることで前記共振回路１１を共振させるスイッチング素子ＦＥＴ１と、前記共振回路１１とスイッチング素子ＦＥＴ１との間に介在されるダイオードＤ２および抵抗Ｒ５の並列回路と、前記スイッチング素子ＦＥＴ１のスイッチングを制御する駆動回路１２と、前記受電部２が該送電部から離反すると、電力受電用コイルＴ２を介して電力伝送用コイルＴ１に現れる電圧変化から、前記トランスの２次側が電磁的に結合していないことを検出し、前記駆動回路１２に前記スイッチングのデューティ（トランスの２次側誘起エネルギー）を低減、たとえばスイッチングを停止させる負荷検知回路１３と、起動回路１４と、電源Ｅと、その平滑コンデンサＣ１とが設けられている。
【００３２】
一方、前記受電部２には、前記電力受電用コイルＴ２に並列接続され、パワーをより多く受電するために設けられる整合用のコンデンサである共振コンデンサＣ６と、前記電力受電用コイルＴ２に誘起された電流を整流・平滑化し、負荷である前記２次電池ＢＡへ与える整流・平滑回路２１と、その整流・平滑回路２１からの出力電流で充電される前記２次電池ＢＡと、前記整流・平滑回路２１から２次電池ＢＡへの間に介在されるインピーダンス素子ＦＥＴ３と、前記２次電池ＢＡの端子電圧に応じて前記インピーダンス素子ＦＥＴ３を通過する充電電流を制御する制御マイコン２２とが設けられている。前記共振コンデンサＣ６の容量をＣ、電力受電用コイルＴ２のインダクタンスをＬとするとき、１／｛２π√（ＬＣ）｝が前記共振回路１１の共振周波数に一致することで、最大パワーを取出すことができる。前記整流・平滑回路２１は、整流ダイオードＤ３に、その通過電流を平滑化するコンデンサＣ７を備えて構成される。
【００３３】
再び送電部１に戻り、前記電源Ｅは、たとえばＡＣ−ＤＣコンバータなどから成り、たとえば１００Ｖの商用電圧を５Ｖの直流電圧に変換する。その電圧は、平滑コンデンサＣ１で平滑化され、該充電システムの電源となる。
【００３４】
起動回路１４は、起動抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ２の直列回路が前記電源Ｅに並列に接続されて成り、電源が投入されると、コンデンサＣ２の端子電圧が上昇し、負荷検知回路１３を構成するトランスの帰還コイルＴ３および抵抗Ｒ３を介して前記スイッチング素子ＦＥＴ１のゲートに与えられる。こうしてスイッチング素子ＦＥＴ１のゲート容量が充電され、所定電圧となると、ｎ型のＦＥＴから成る該スイッチング素子ＦＥＴ１はＯＮする。これによって、帰還コイルＴ３には前記スイッチング素子ＦＥＴ１のゲートをハイ側に維持する電圧が誘起され、該スイッチング素子ＦＥＴ１のＯＮ状態が維持される。
【００３５】
一方、前記駆動回路１２は、自励発振回路１２１と間欠駆動回路１２２とを備えて構成される。前記自励発振回路１２１は、前記スイッチング素子ＦＥＴ１を流れる電流を電圧変換する抵抗Ｒ７と、その端子電圧を取出す抵抗Ｒ６と、取出した電圧を平滑化するコンデンサＣ５と、そのコンデンサＣ５の充電電圧がベースに与えられるトランジスタＴＲ２とを備えて構成される。したがって、前記スイッチング素子ＦＥＴ１のＯＮによって、コンデンサＣ４および電力伝送用コイルＴ１からダイオードＤ２およびスイッチング素子ＦＥＴ１を介して抵抗Ｒ７に電流が流れ、その電流の積算量、すなわちコンデンサＣ５の充電電圧が所定より高くなると、トランジスタＴＲ２がＯＮして前記スイッチング素子ＦＥＴ１のゲート−ソース間が短絡され、該スイッチング素子ＦＥＴ１がＯＦＦする。
【００３６】
スイッチング素子ＦＥＴ１がＯＦＦすると、電力伝送用コイルＴ１に流れていた電流は並列の共振コンデンサＣ４に流れ、該電力伝送用コイルＴ１と共振コンデンサＣ４とが共振を開始する。このとき電力伝送用コイルＴ１の電圧は反対方向に変わるため、前記帰還コイルＴ３には前記スイッチング素子ＦＥＴ１のゲートをロー側に維持する電圧が誘起され、該スイッチング素子ＦＥＴ１のＯＦＦ状態が維持される。その後、スイッチング素子ＦＥＴ１がＯＦＦしたことで、コンデンサＣ５は、抵抗Ｒ６，Ｒ７を介して電荷を放電し、充電電圧がトランジスタＴＲ２のスレショルド電圧を下回ると、トランジスタＴＲ２をオフする。こうして、電力伝送用コイルＴ１とコンデンサＣ４とが共振してしばらくすると、帰還コイルＴ３に再度プラスの電圧が生じてスイッチング素子ＦＥＴ１をＯＮし、トランジスタＴＲ２は、コンデンサＣ５および抵抗Ｒ６，Ｒ７で定まる時定数に従ってＯＮ／ＯＦＦし、共振回路１１を自励発振させる。
【００３７】
一方、前記間欠駆動回路１２２は、前記電力伝送用コイルＴ１の端子電圧Ｖｄを取出すダイオードＤ１と、その電圧を分圧する抵抗Ｒ２，Ｒ４と、分圧電圧で充電されるコンデンサＣ３と、その端子電圧がベースに与えられるトランジスタＴＲ１とを備えて構成される。そして、受電部２が近接しておらず、前記電力伝送用コイルＴ１の端子電圧Ｖｄが所定以上に高くなると、前記スイッチング素子ＦＥＴ１のゲート−ソース間を短絡し、自励発振回路１２１の自励発振を停止させる。前記スイッチング素子ＦＥＴ１がＯＦＦすると、コンデンサＣ３は、抵抗Ｒ４を介して電荷を放電し、充電電圧がトランジスタＴＲ１のスレショルド電圧を下回ると、トランジスタＴＲ１をＯＦＦする。こうして、トランジスタＴＲ１は、抵抗Ｒ４およびコンデンサＣ３で定まる時定数に従ってＯＮ／ＯＦＦされ、前記自励発振回路１２１を間欠駆動させる。なお、この時定数は、トランジスタＴＲ２をＯＮ／ＯＦＦさせるコンデンサＣ５および抵抗Ｒ６，Ｒ７の時定数よりも遙かに大きい。前記ダイオードＤ１は、この間欠駆動回路１２２から共振回路１１への電流逆流を防止するもので、これによって共振回路１１の共振動作が不安定になることが防止されている。
【００３８】
図３および図４は、前記電力伝送用コイルＴ１の端子電圧Ｖｄの波形図である。図３（ａ）および図４（ａ）は受電部２が近接している状態を示し、図３（ｂ）および図４（ｂ）は離反している状態を示している。なお、図３（ａ）および（ｂ）は、図４（ａ）および（ｂ）の波形をそれぞれ拡大して示している。つまり、図３（ａ）および（ｂ）の波形は、図４（ａ）および（ｂ）の２周期分の波形を拡大して示した波形である。また、図４（ａ）および（ｂ）には、上側に示す前記端子電圧Ｖｄに合わせて、下側にトランジスタＴＲ２のベース−エミッタ間電圧Ｖｃを示している。
【００３９】
図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、受電部２が無い場合、図３（ａ）および図４（ａ）に示す受電部２が有る場合に比べて、前述のように電力伝送用コイルＴ１の電圧振幅が大きくなっている。これは、受電部２が無い場合、有る場合に比べて、電力伝送用コイルＴ１の自己インダクタンスが小さくなるからである。そのため、受電部２が無い場合は、電力伝送用コイルＴ１の端子電圧Ｖｂも増大し、該端子電圧ＶｂがトランジスタＴＲ１のスレショルド電圧を超えることが可能となり、トランジスタＴＲ１は、前述のように抵抗Ｒ４およびコンデンサＣ３により定まる時定数に従ってＯＮ／ＯＦＦを繰り返すようになる。その結果、自励発振回路１２１は、間欠駆動回路１２２がスイッチング素子ＦＥＴ１をＯＮさせている期間は、図４（ｂ）の期間ＴＭ１に示すように、共振回路１１を自励発振させることができるが、間欠駆動回路１２２がスイッチング素子ＦＥＴ１をＯＦＦさせている期間は、図４（ｂ）の期間ＴＭ２に示すように共振回路１１を自励発振させることができなくなる。
【００４０】
これに対して、受電部２が有る場合、該受電部２が無い場合に比べて、電力伝送用コイルＴ１の端子電圧Ｖｂは低くなるので、該端子電圧ＶｂはトランジスタＴＲ１のスレショルド電圧を超えることができなくなり、トランジスタＴＲ１はスイッチング素子ＦＥＴ１をＯＦＦさせることができなくなる。これにより、自励発振回路１２１は、図３（ａ）に示すように、間欠駆動回路１２２の影響を受けることなく、共振回路１１を自励発振させることができる。
【００４１】
一方、共振回路１１で共振が開始されると、図３（ａ）および（ｂ）の時刻ＴＡ１に示すように、前記端子電圧Ｖｄは上に凸のカーブを描いて変化した後、時刻ＴＡ２に示すように下に凸のカーブを描いて変化する。ここで、帰還コイルＴ３には、前述のように端子電圧Ｖｄと位相が１８０度ずれた電圧が誘起されるので、時刻ＴＡ１から時刻ＴＡ２までの期間では、前述のようにスイッチング素子ＦＥＴ１はＯＦＦを維持する。また、共振回路１１で共振が開始される、すなわちスイッチング素子ＦＥＴ１がＯＦＦすると、前述のように、コンデンサＣ５は抵抗Ｒ６，Ｒ７を介して電荷を放電する。
【００４２】
そして、時刻ＴＡ２から時刻ＴＡ３までの期間において、帰還コイルＴ３にはプラスの電圧が生じ、これにより、スイッチング素子ＦＥＴ１は再びＯＮされる。以上のようにして、自励発振回路１２１は、スイッチング素子ＦＥＴ１を繰り返しＯＮ／ＯＦＦさせることで、共振回路１１を共振させ、受電部２に電力を伝達する。
【００４３】
また、図３（ｂ）に示す受電部２が無い場合は、図３（ａ）に示す有る場合に比べて、端子電圧Ｖｄの振幅が増大するので、間欠駆動回路１２２は、トランジスタＴＲ１をＯＮさせ、スイッチング素子ＦＥＴ１をＯＦＦさせ、間欠発振させることが可能となる。スイッチング素子ＦＥＴ１がＯＦＦすると、共振回路１１の共振もやがて停止し、図４（ｂ）の期間ＴＭ２に示すように、自励発振回路１２１は共振回路１１を共振させることができなくなる。その後、コンデンサＣ３は、抵抗Ｒ４を介して放電し、やがてトランジスタＴＲ１をＯＦＦさせ、スイッチング素子ＦＥＴ１が、再度ＯＮし、自励発振回路１２１は、図４（ｂ）の期間ＴＭ１に示すように、再度、共振回路１１を共振させる。したがって、前述のようにコンデンサＣ３および抵抗Ｒ４の時定数によって、図４（ｂ）に示す期間ＴＭ２を定めることが可能となり、期間ＴＭ２において共振回路１１の発振を停止させることができる。
【００４４】
このように構成することで、間欠駆動回路１２２は、受電部２の有無を判定するための特別な構成を設けることなく、電力伝送用コイルＴ１の端子電圧Ｖｄから判定を行い、無い場合は、自励発振回路１２１を間欠駆動させるので、受電部２に非接触で電力を伝送するにあたって、待機電力を低減し、発熱の問題も軽減することができる。
【００４５】
また、前記共振回路１１とスイッチング素子ＦＥＴ１との間に設けられる前記ダイオードＤ２および抵抗Ｒ５の並列回路は、スイッチング素子ＦＥＴ１のＯＦＦ時の回生電流が、該スイッチング素子ＦＥＴ１のボディダイオードＤ１０を通してコンデンサＣ２に回生される電流を制限することによって、図４（ａ）で示す受電部２が有る状態と、回生電流が大きな割合を占める図４（ｂ）で示す受電部２が無い状態との波高値の差が少なくなってしまうことを防止するものであり、これによって、受電部２の有無を正確に判定することができる。
【００４６】
上述のように構成される充電システムにおいて、注目すべきは、本実施の形態では、前記受電部２において、負荷状態、すなわち２次電池ＢＡの充電状態を制御する制御マイコン２２が、前記負荷状態の検出手段となり、その検出結果に応答し、軽負荷である満充電或いは過電圧などの異常状態となると、前記トランスの２次側である電力受電用コイルＴ２が、１次側である電力伝送用コイルＴ１に電磁的に結合していない、すなわち前述の受電部２が無い状態を擬似的に再現する電力伝送抑制手段であるスイッチ素子ＦＥＴ２が設けられていることである。このスイッチ素子ＦＥＴ２は、前記電力受電用コイルＴ２と整流・平滑回路２１との間に設けられている。前記制御マイコン２２は、２次電池ＢＡが満充電となって、インピーダンス素子ＦＥＴ３をＯＦＦさせると、スイッチ素子ＦＥＴ２をＯＮさせ、前記電力受電用コイルＴ２の端子（両端タップ）間を短絡させる。したがって、送電部２１側では、負荷検知手段として帰還コイルＴ３が使用され、駆動回路として前記間欠駆動回路１２２が利用される。
【００４７】
なお、一般的なスイッチング電源回路で２次側コイル部を短絡すると、１次側の漏洩インダクタンスが小さいため、該１次側のスイッチング素子が壊れたりするが、非接触電力伝送の場合は、前記漏洩インダクタンスが大きいので、全く問題にならない。また、２次側のスイッチ素子をＦＥＴ２とした場合、ＯＮ抵抗分電圧が生じ、ＦＥＴ２が発熱することが考えられるが、送電部１側が、すぐに前記デューティの低減（間欠発振またはスイッチング素子のＯＮ幅を低減）して出力を絞るので、問題にならない。
【００４８】
このように構成することで、受電部２が送電部１から離れているときに、磁気回路の状態を検出してスイッチングのデューティを低減する前述の省電力機能を利用して、受電部２が軽負荷、すなわち前記二次電池ＢＡが満充電となったときもスイッチングのデューティを低減することができ、省電力化を一層進めることができるとともに、発熱等の問題も無くすことができる。また、図５で模式的に示すように、電力伝送抑制手段であるＦＥＴ２を、整流・平滑回路２１と負荷である２次電池ＢＡとの間（Ｖ１の位置）に設けた場合、整流用のダイオードＤ３などによる電圧降下が発生し、その分、トランスの１次側から２次側へエネルギーが伝搬されるけれども、上述のように電力受電用コイルＴ２と整流・平滑回路２１との間（Ｖ２の位置）に設けることで、損失を一層低減することができる。
【００４９】
図６は、本件発明者のシミュレーション結果を示すグラフである。実線は前記電力伝送用コイルＴ１に現れる端子電圧Ｖｄを示し、破線は電力受電用コイルＴ２に流れる電流Ｉを示す。したがって、図６（ａ）で示す受電部２が離れている状態では、該受電部２を流れる電流は発生しない。図６（ｂ）は、受電部２が送電部１に密着していて、２次電池ＢＡに充電が行われている状態を示し、電力伝送用コイルＴ１の自己インダクタンスが大きくなって、端子電圧Ｖｄの電圧振幅が小さくなっている。
【００５０】
一方、図６（ｃ）および図６（ｄ）は、共に受電部２が送電部１に密着していて、２次電池ＢＡが満充電となっている状態を示し、図６（ｃ）は上述の本実施の形態のように電力伝送抑制手段であるＦＥＴ３を電力受電用コイルＴ２と整流・平滑回路２１との間（図５のＶ２の位置）に設けた場合（コイル短絡）であり、図６（ｄ）は前記ＦＥＴ３を整流・平滑回路２１と２次電池ＢＡとの間（図５のＶ１の位置）に設けた比較例の場合（負荷短絡）である。図６（ｃ）および図６（ｄ）と図６（ａ）とを比較して、図６（ｃ）で示す本実施の形態の方は、前記端子電圧Ｖｄの実効値および平均値が図６（ａ）で示す受電部２が離れている状態に極めて近く、このため図６（ｃ）と図６（ｄ）とを比較して、２次側の電流Ｉの実効値が、本実施の形態では１０５．８ｍＡであるのに対して、比較例では１５６．１ｍＡとなっている。損失はＩ２Ｒであるので、本実施の形態の方が、損失が半分以下となることが理解される。
【００５１】
なお、前記デューティの低減とは、スイッチング素子ＦＥＴ１のＯＮ期間を短くすること、或いはスイッチング周期を長くすることの何れか、またはそれらの組合わせで実現されてもよく、最も低減した状態として、周期的に受電部２の近接を検知するようにして、スイッチングを完全に停止することも含むものとする。
【００５２】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の第２の形態に係る非接触電力伝送装置が適用される充電システムの電気回路図である。この充電システムは、前述の図１で示す充電システムに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。この充電システムでは、受電部２の構成は、図１と同一である。注目すべきは、前述の送電部１が自励発振を行うのに対して、本実施の形態の送電部１ａでは、駆動回路１２ａが、制御マイコン１２３ａを備える他励発振回路１２３と間欠駆動回路１２２ａとを備えて構成されることである。間欠駆動回路１２２ａは、前述の間欠駆動回路１２２と同様でトランジスタＴＲ１が設けられていないだけである。このため、前記コンデンサＣ３の充電電圧は、前記制御マイコン１２３ａのＡ／Ｄ変換ポートに入力される。
【００５３】
前記制御マイコン１２３ａは、平滑コンデンサＣ１の出力電圧を電源ＶＣＣとして動作し、予め定める周期のＰＷＭ信号を抵抗Ｒ３ａを介してスイッチング素子ＦＥＴ１のゲートに与える。そして、前記制御マイコン１２３ａは、前記間欠駆動回路１２２ａのコンデンサＣ３の充電電圧が、所定レベル未満の通常充電時には、図８（ａ）で示すように前記ＰＷＭ信号のデューティを大きくし、前記所定レベル以上となると、受電部２が無い状態または２次電池ＢＡが満充電となっていると判定し、図８（ｂ）で示すように前記ＰＷＭ信号のデューティを低下する。
【００５４】
したがって、図８（ｂ）で示すようにＯＮ時間が短くなっても、前記電力伝送コイルＴ１の自己インピーダンスはこの図８（ｂ）の方が小さく、端子電圧Ｖｄは前述の図３（ｂ）で示すように高くなるので、小さいデューティでも、連続発振しながら安定動作可能となり、そのデューティの低下で、２次側入力電流を減らすことができる。このように構成してもまた、待機電力を低減することが可能となる。
【００５５】
（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の第３の形態に係る非接触電力伝送装置が適用される充電システムにおける受電部２ａの電気回路図である。この充電システムは、前述の図１および図７で示す充電システムに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。この充電システムには、前述の送電部１，１ａの何れが用いられてもよい。注目すべきは、本実施の形態の受電部２ａでは、整流方式をセンタータップ方式にしたことである。
【００５６】
したがって、電力受電用コイルＴ２ａはセンタータップを有し、整流・平滑回路２１ａは、両端のタップから誘起電圧をそれぞれ取出す２つのダイオードＤ３，Ｄ３ａに、その出力端が共通に接続される平滑コンデンサＣ７から構成される。満充電時の前記電力受電用コイルＴ２ａの短絡には、２つのスイッチ素子ＦＥＴ２，ＦＥＴ２ａが用いられ、各端のタップとセンタータップとの間を短絡する。このように構成することで、損失が小さく、しかも大パワーを得ることができる。
【００５７】
（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の第４の形態に係る非接触電力伝送装置が適用される充電システムの電気回路図である。この充電システムは、前述の図１、図７および図９で示す充電システムに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。この充電システムでは、送電部１には図１の自励の構成を採用しているが、図７の他励の構成であってもよく、また受電部２ｂの整流方式は、図９のセンタータップ方式であってもよい。
【００５８】
注目すべきは、本実施の形態では、受電部２ｂにおいて、前記電力伝送抑制手段として、２次側整合用コンデンサである前記共振コンデンサＣ６を前記電力受電用コイルＴ２のタップ間から切離すスイッチ素子ＳＷ１が用いられることである。そして、前記制御マイコン２２は、通常電力伝送時にはスイッチ素子ＳＷ１をＯＮしており、充電完了などで充電を停止させたいときにはＯＦＦする。そのときの電力伝送コイルＴ１における端子電圧Ｖｄは、図３のとおりである。
【００５９】
図１１は、本件発明者のシミュレーション結果を示すグラフである。前述の図６と同様に、実線は前記電力伝送用コイルＴ１に現れる端子電圧Ｖｄを示し、破線は電力受電用コイルＴ２に流れる電流Ｉを示す。図６（ｃ）で示す電力受電用コイルＴ２の端子（タップ）間短絡に比べて、図１１（ａ）で示すように共振コンデンサＣ６を切離した場合は、端子電圧Ｖｄの振幅を小さくすることができ、また２次側の電流Ｉの実効値は、３７．１ｍＡと、大幅に小さくすることができる。この場合、損失はさらに１／１０程度にまで抑えることができ、好適である。
【００６０】
また、図１１（ｂ）は、前記共振コンデンサＣ６の切離しとともに、負荷側のスイッチ素子ＦＥＴ３を開放した状態を示す。前記端子電圧Ｖｄは上昇するものの、２次側の電流Ｉを殆ど無くすことができる。これによって、たとえば受電部２ｂが無い状態での待機電力が、０．２８５Ｗであるのに対して、受電部２ｂが有っても、充電していない状態では、０．２８７Ｗ程度にまで抑えることができる。このように構成してもまた、トランスの２次側が電磁的に結合していない状態、すなわち受電部２ｂが送電部１，１ａから離反している状態を擬似的に再現することができる。
【００６１】
ここで、前記スイッチ素子ＳＷ１をＦＥＴで構成した場合、寄生ダイオード有するために、前記共振コンデンサＣ６の切離しが完全には行えない可能性がある。そこで、図１２で示す受電部２ｂ１や図１３で示す受電部２ｂ２のように、共振コンデンサＣ６と直列のスイッチ素子に、相互に逆極性のものを直列に接続して用いてもよい。図１２で示す受電部２ｂ１では、２次電池ＢＡの充電を制御するｐ型のスイッチ素子ＦＥＴ３と同極性のスイッチ素子ＦＥＴ４と、逆極性のｎ型のスイッチ素子ＦＥＴ５とを直列に接続し、スイッチ素子ＦＥＴ３，ＦＥＴ４には、ゲート抵抗Ｒ１１，Ｒ１２を介してハイレベルを与えることで共にＯＦＦさせ、スイッチ素子ＦＥＴ５には、ゲート抵抗Ｒ１３を介してローレベルを与えることでＯＦＦさせる。一方、図１３で示す受電部２ｂ２では、前記スイッチ素子ＦＥＴ４に代えて、ダイオードＤ１１が用いられている。これによって、前記寄生ダイオードによる電流通過分をさらに抑えることができる。
【００６２】
（実施の形態５）
図１４は、本発明の実施の第４の形態に係る非接触電力伝送装置が適用される充電システムの電気回路図である。この充電システムは、前述の図１、図７および図９で示す充電システムに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。この充電システムでも、送電部１には図１の自励の構成を採用しているが、図７の他励の構成であってもよく、また受電部２ｃの整流方式は、図９のセンタータップ方式であってもよい。
【００６３】
注目すべきは、本実施の形態では、受電部２ｃにおいて、前記電力伝送抑制手段としてのスイッチ素子ＦＥＴ２が、電力受電用コイルＴ２ｂの一端のタップと中間タップとの間のように、一部分を短絡することで、前記トランスの２次側が電磁的に結合していない状態、すなわち受電部２ｃが送電部１から離反している状態を擬似的に再現することである。このように電力受電用コイルＴ２ｂの一部を短絡しても、前記１／｛２π√（ＬＣ）｝の共振周波数が大きくずれ、パワーを取出すことができなくなる。また、一部分の短絡であることで、送電部１側では、完全に受電部２ｃが無い状態と、受電部２ｃが近接していても軽負荷のために電力伝送を抑制している状態とを区別することができる。
【００６４】
ここで、特開平１１−２７８７０号公報には、２次側整流回路と２次電池との間にヒューズが設けられ、そのヒューズが遮断したときに２次側回路が異常な高電圧とならないように電力受電用コイルの端子間を短絡することが示されている。しかしながら、この先行技術は、２次側回路の保護を目的としたもので、それで１次側回路が発振を停止して、省電力を実現するものではない。
【符号の説明】
【００６５】
１，１ａ    送電部
２，２ａ，２ｂ，２ｂ１，２ｂ２，２ｃ    受電部
１０，２０    コア
１００，２００    ハウジング
１１    共振回路
１２，１２ａ    駆動回路
１２１  自励発振回路
１２２，１２２ａ    間欠駆動回路
１２３    他励発振回路
１２３ａ  制御マイコン
１３    負荷検知回路
１４    起動回路
２１，２１ａ    整流・平滑回路
２２    制御マイコン
ＢＡ    ２次電池
Ｃ１    平滑コンデンサ
Ｃ２，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７    コンデンサ
Ｃ４，Ｃ６    共振コンデンサ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ１１    ダイオード
Ｄ３，Ｄ３ａ    整流ダイオード
Ｅ    電源
ＦＥＴ１    スイッチング素子
ＦＥＴ２，ＦＥＴ２ａ，ＦＥＴ４    スイッチ素子
ＦＥＴ３    インピーダンス素子
Ｒ１    起動抵抗
Ｒ２，Ｒ３，Ｒ３ａ，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７    抵抗
Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３    ゲート抵抗
ＳＷ１  スイッチ素子
Ｔ１    電力伝送用コイル
Ｔ２，Ｔ２ａ    電力受電用コイル
Ｔ３    帰還コイル
ＴＲ１，ＴＲ２    トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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