(57)【要約】 【課題】  簡素な構成で高効率、高信頼性の簡素で経済的な非接触電力伝送装置を得る。【解決手段】  交流電力が印加される１次側コイルＬｐを含む給電部と、前記給電部に対してで、前記給電部への装着時に前記１次側コイルＬｐによる磁界内に置かれる２次側コイルを備える被給電部とからなる非接触電力伝送装置において、前記給電部は少なくとも１つ以上のスイッチングトランジスタＱ１を介して入力に接続される前記１次側コイルＬｐと、前記１次側コイルＬｐによる磁界と鎖交する第３のコイルＬｄを具備し、前記第３のコイルＬｄは前記スイッチングトランジスタＱ１に対して前記１次側コイルＬｐとともに自励発振動作をするように接続されている非接触電力伝送装置とする。【選択図】  図１
2006314151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力が印加される１次側コイルを含む給電部と、前記給電部への装着時に前記１次側コイルによる磁界内に置かれる２次側コイルを備える被給電部とからなる非接触電力伝送装置において、前記給電部は少なくとも１つ以上のスイッチ素子を介して入力に接続される前記１次側コイルと、前記１次側コイルによる磁界と鎖交する第３のコイルを具備し、前記第３のコイルは前記スイッチ素子に対して前記１次側コイルとともに自励発振動作をするように接続されていることを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触電力伝送装置において、前記１次側スイッチ素子に流れる電流の検出手段を具備し、前記検出手段の値が所望の値に達すると前記スイッチ素子のスイッチング動作時比率を給電が減少する方向に低減することを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載の非接触電力伝送装置において、前記１次側コイルには並列にコンデンサが接続されるとともに、前記自励発振の周波数に応じた電圧値の生成手段を具備し、前記電圧値が所望の値に達すると前記スイッチ素子のスイッチング動作時比率を給電が減少する方向に低減することを特徴とする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、磁界を発生する１次側コイルを含む給電部と、当該磁界内に置かれる２次側コイルを備える被給電部とからなる非接触電力伝送装置に係わり、特に動作効率が高く、かつ信頼性の高い非接触電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来の非接触電力伝送装置の回路構成例を示す図である。図４は、特許文献１に記載された例であり、従来より１次側コイルＬ１を含む給電部と、前記給電部に対して着脱自在で、かつ前記給電部への装着時に前記１次側コイルによる磁界内に置かれる２次側コイルＬ２を備える被給電部とからなる非接触電力伝送の技術並びに装置の概念が開示並びに実施されていた。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−４６８４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に述べたような従来の技術による非接触電力伝送装置の場合には、主スイッチがターンオンする際、並びにターンオフする際のリニア動作の期間が長いためスイッチング損失が大きくなり、高効率な非接触電力伝送装置が得られず、省エネルギーの点で重大な欠点があった。
【０００５】
一方、図４に示す従来技術の場合には、構成は簡素ながら起動抵抗Ｒ１を介してＭＯＳトランジスタ２のゲートにはコンデンサＣ２との時定数に従った電圧が印加され、ゲートのしきい値に達した段階でＭＯＳトランジスタ２はリニア動作を開始し、帰還コイルＬ３を介して急峻なターンオンはできるものの、ＭＯＳトランジスタのターンオフ動作については、ＭＯＳトランジスタのターンオンを起点としてダイオードＤＩを介したコンデンサＣ２と抵抗Ｒ２による緩慢な時定数であるため、帰還コイルＬ３の誘起電圧も緩慢な帰還電圧を負バイアス成分に誘起するのみで何らＭＯＳトランジスタ２を急峻にターンオフせしめるものではない。
【０００６】
従って、上述したような従来技術では、スイッチング電流の大きいターンオフ時の遷移時間が必然的に大きいため、結果的にスイッチング損失は極めて大きいものとなり高効率の非接触電力伝送装置を形成することは出来ない。
【０００７】
しかも、このような従来の技術による非接触電力伝送装置の場合には、被給電側における過負荷状態に対する十分な保護機能を具備しておらず、また、前記１次側コイルに、コインなどの誘導過熱性の異物が近接する際の保護機能を具備していないため、使用条件によっては、不安定な動作が起こる場合があった。加えて、これらの課題を解決しようとする際には構成が複雑化してしまい、小型、簡素で経済的な非接触電力伝送装置が得られないという欠点があった。
【０００８】
本発明の課題は、かかる従来技術の問題点を解決するものであり、簡素な構成で高効率、高信頼性で、経済的な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】
本発明は、交流電力が印加される１次側コイルを含む給電部と、前記給電部に対して、前記給電部への装着時に前記１次側コイルによる磁界内に置かれる２次側コイルを備える被給電部とからなる非接触電力伝送装置において、前記給電部は少なくとも１つ以上のスイッチ素子を介して入力に接続される前記１次側コイルと、前記１次側コイルによる磁界と鎖交する第３のコイルを具備し、前記第３のコイルは前記スイッチ素子に対して前記1次側コイルとともに自励発振動作をするように接続されている非接触電力伝送装置とすることにより、スイッチング損失の大幅な低減を図る。
【００１０】
また、本発明は、前記非接触電力伝送装置において、前記１次側スイッチ素子に流れる電流の検出手段を具備し、前記検出手段の値が所望の値に達すると前記スイッチ素子のスイッチング動作時比率を給電が減少する方向に低減する非接触電力伝送装置とすることにより、高信頼性の実現を図る。
【００１１】
また、本発明は、前記非接触電力伝送装置において、前記１次側コイルには並列にコンデンサが接続されるとともに、前記自励発振の周波数に応じた電圧値の生成手段を具備し、前記生成手段が所望の値に達すると前記スイッチ素子のスイッチング動作時比率を給電が減少する方向に低減する非接触電力伝送装置とすることにより、高信頼性の実現を図る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、急峻なスイッチング特性による高効率な非接触電力伝送装置が得られるのみならず、過負荷保護や誘導加熱性の異物が近接した際の加熱保護などの機能を簡素な構成のまま経済的に可能とした点で工業的に益するところ極めて大なる非接触電力伝送装置を提供できる。            
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の非接触電力伝送装置は、交流電力が印加される１次側コイルを含む給電部と、前記給電部に対して、前記給電部への装着時に前記１次側コイルによる磁界内に置かれる２次側コイルを備える被給電部とからなる非接触電力伝送装置である。
【００１４】
ここで、前記給電部は、少なくとも１つ以上のスイッチ素子を介して入力に接続される前記１次側コイルと、前記１次側コイルによる磁界と鎖交する第３のコイルを具備し、前記第３のコイルは前記スイッチ素子に対して前記１次側コイルとともに自励発振動作をなすように接続されている。スイッチ素子は、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタ、その他の半導体素子が使用される。
【００１５】
また、本発明の非接触電力伝送装置は、前記１次側スイッチ素子に流れる電流の検出手段を具備し、前記検出手段の値が所望の値に達すると前記スイッチ素子のスイッチング動作時比率を低減するように機能する。ここで、スイッチング動作時比率とは、スイッチ素子がオンしている時間と１周期の時間との比率をいう。
【００１６】
また、本発明の非接触電力伝送装置は、前記１次側コイルには並列にコンデンサが接続されるとともに、前記自励発振の周波数に応じた電圧値の生成手段を具備し、前記電圧値が所望の値に達すると前記スイッチ素子のスイッチング動作時比率を低減する機能を有する。        
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による非接触電力伝送装置の回路構成例である。図１では、主スイッチ素子にはバイポーラトランジスタを用いた具体的な構成を示しているが、その他、ＭＯＳトランジスタを用いた構成の場合も作用、効果に変わりはない。図１において、１次側コイルＬｐはスイッチングトランジスタＱ１を介して入力電源Ｖｉｎに接続されるとともに、２次側コイルＬｓは１次側コイルＬｐが発生する磁束と鎖交するように近接配置され、かつ整流器Ｄｓ及び平滑コンデンサＣｓを介して直流出力Ｖｏｕｔを得る被給電部を構成している。  
【００１８】
また、第３のコイルＬｄは、１次側コイルＬｐと図中の黒丸の極性で鎖交するものであって、トランジスタＱ１のベース駆動用のコンデンサＣｄ及び抵抗Ｒ２を介してスイッチングトランジスタＱ１のベース、及びエミッタに接続され給電部における自励発振駆動系統を形成している。続いて、この非接触電力伝送装置の動作概要について述べると、入力電圧Ｖｉｎが供給されると、まず起動抵抗Ｒ１を介したベース電流がスイッチングトランジスタＱ１に流れ始め、コレクタ電圧は下降し、１次側コイルＬｐに電圧が印加される。これに伴って第３のコイルＬｄには、スイッチングトランジスタＱ１のベース電流を増加させようとする正帰還のループが形成され、スイッチングトランジスタＱ１は急峻にターンオンし、オン期間の間Ｖｉｎ／Ｌｐに比例した速度でコレクタ電流が増加していく。  
【００１９】
このコレクタ電流の増加に伴ってトランジスタが非飽和状態に達し始めると、１次側コイルＬｐに印加される電圧が減少するため、第３のコイルＬｄにはトランジスタＱ１のベース電流を急激に減少させようとする正帰還のループが形成され、トランジスタＱ１は急峻にターンオフする。  
【００２０】
スイッチングトランジスタＱ１がターンオフすると、１次側コイルＬｐと並列に配置したコンデンサＣｐと１次側コイルＬｐとが、電圧共振動作を伴いながらスイッチングトランジスタＱ１のオンの期間中に１次側コイルＬｐに蓄積した励磁エネルギーを放出し始める。その放出期間中の第３のコイルＬｄの誘起電圧の極性は、スイッチングトランジスタＱ１のベースにカットオフ方向にバイアスとなるためオフ状態が継続される。次に、その放出期間の終了後は、再びスイッチングトランジスタＱ１のベースは正方向にバイアスされ、かつ前述の正帰還によって急激にターンオンし、以下同様の急峻なスイッチング特性の自励発振を繰り返す高効率の非接触電力伝送装置を簡素な構成のまま提供することができる。
【００２１】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２による非接触電力伝送装置の回路構成例である。図２では、同様に、主スイッチにバイポーラトランジスタを適用した具体例である。図２において、図１に対して追加された抵抗Ｒ３は、トランジスタＱ１のエミッタ電流の検出手段としての抵抗であり、抵抗Ｒ４及び抵抗Ｒ５は前記検出抵抗からの出力を第２のトランジスタ２のベースに導くブリーダ抵抗である。          
【００２２】
つまり、出力に接続される負荷ＲＬが過負荷状態となった際、スイッチ素子Ｑ１のオン期間におけるコレクタ電流の異常増加分を抵抗Ｒ３で検出しこれを第２のスイッチングトランジスタＱ２のベースに導くことによって、第２のスイッチングトランジスタＱ２のコレクタは、スイッチングトランジスタＱ１のベースを地絡してスイッチングトランジスタＱ１の通常のオン時比率よりも短いオン期間として給電が減少する方向に動作することで、過負荷に伴う給電部、あるいは被給電部の発熱、あるいは損傷を防止するものである。
【００２３】
以上の通り、本発明によって、急峻なスイッチング特性の得られる高効率な非接触電力伝送装置に対して安定な過負荷保護手段を具備、提供することが可能となる。
【００２４】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３による非接触電力伝送装置の回路構成例である。図３は、１次側コイルＬｐの近傍にコインなどの誘導加熱性異物５が接近した際の異常加熱等を防止する保護方式の構成であり、同様に主スイッチにバイポーラトランジスタを適用した具体例である。  
【００２５】
図３において、追加されたコンデンサＣ１およびダイオードＤ２は、スイッチングトランジスタＱ１のオフ期間の電圧ピークを逐次検出するものである。この検出パルスはツェナダイオードＤｚ１と抵抗Ｒ３によって定電圧のクランプパルスとなり、ダイオードＤ１を介してコンデンサＣ２と抵抗Ｒ７の並列回路に導かれ、発振周波数に応じた出力電圧を得ている。この電圧をさらに予め適宜に設定したツェナダイオードＤｚ２を介して第２のスイッチングトランジスタＱ２のベースに導く。前記Ｄｚ２のレベルを超えた際には、第２の実施の形態と同様に、第２のスイッチングトランジスタＱ２を介してスイッチングトランジスタＱ１のベースを地絡することで、スイッチングトランジスタＱ１の通常のオン時比率よりも短いオン期間として給電が減少する方向に動作させ、近接した誘導加熱性異物５や給電部材の異常熱、あるいは損傷を防止するものである。
【００２６】
その原理としては、上述した本発明による非接触電力伝送装置の動作周波数は動作が電圧共振モードであるため、無負荷時をｆ0とすれば、数１で示めされる。
【００２７】
【数１】
2006314151.tif 000003
【００２８】
さらに過負荷領域に到達すると、実施の形態２に記載した本発明による過負荷保護動作が開始する。但し、１次側コイルＬｐの近傍にコインなどの誘導加熱性の異物が接近した際で、かつ上述した過負荷保護動作が開始前の領域で異物に対して不要の誘導過熱損失を与えかねない場合、当該誘導加熱異物の近接に伴って増大する当該渦電流損失と逆比例して減少する１次側コイルＬｐのインダクタンス値に伴って非接触電力伝送装置の動作周波数が上昇することを活用して誘導加熱性異物や給電部材の異常発熱を簡素な構成でもって経済的に保護、防止するものである。
【００２９】
本発明の非接触電力伝送装置は、携帯機器などの充電機器、あるいは、各種家電などの充電機器に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１による非接触電力伝送装置の回路構成例を示す図。
【図２】本発明の実施の形態２による非接触電力伝送装置の回路構成例を示す図。
【図３】本発明の実施の形態３による非接触電力伝送装置の回路構成例を示す図。
【図４】従来の非接触電力伝送装置の回路構成例を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１ａ，１ｂ，１ｃ    トランス
２    ＭＯＳトランジスタ
４，ＲL    負荷
５    誘導加熱性異物
Ｃ１，Ｃ２    コンデンサ
Ｃｄ     ベース駆動用のコンデンサ
Ｃｓ     平滑コンデンサ
Ｄ１，Ｄ２    ダイオード
Ｄｓ     整流器
Ｌ１，Ｌｐ    １次側コイル
Ｌ２，Ｌｓ    ２次側コイル
Ｌ３    帰還コイル
Ｌｄ    第３のコイル
Ｑ１，Ｑ２    スイッチングトランジスタ
Ｒ１     起動抵抗
Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４    抵抗
【図１】
2006314151.tif 000004
【図２】
2006314151.tif 000005
【図３】
2006314151.tif 000006
【図４】
2006314151.tif 000007