(57)【要約】【課題】  １次コイルと２次コイルとの距離に応じて２次側共振回路の電圧を調整可能な非接触給電装置を提供する。【解決手段】  非接触給電装置１０は、非接触給電システム１において１次コイルに磁界を発生させる装置であり、電源１１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、インバータ１３と、１次側共振回路１７にかかる電圧と１次側共振回路１７に流される電流との位相差を検出する位相差検出回路１４と、位相差検出回路１４の検出結果によりＤＣ／ＤＣコンバータ１２が電圧を制御する制御回路１５と、整合回路１６と、電気の供給により磁界を発生させる１次コイルを備えた１次側共振回路１７とを備えている。非接触給電装置１０には、１次側共振回路１７の磁界による電磁誘導により起電力を生じさせる２次コイルを備えた２次側共振回路２１を備えた非接触受電装置２０が、２次コイルが１次コイルに近接するように配置される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次コイルを含む２次側共振回路を備える非接触受電装置に対し、電磁誘導により非接触で交流電力を供給する非接触給電装置であって、
前記２次コイルとの電磁誘導により交流電力を供給するための磁界を発生する１次コイルを含む１次側共振回路と、
前記１次側共振回路にかかる１次側電圧を測定する電圧測定手段と、
前記１次側共振回路に流れる１次側電流を測定する電流測定手段と、
前記１次側電圧と、前記１次側電流との位相差を検出する位相差検出手段と、
前記位相差に基づいて前記電圧を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記位相差に応じて、前記電圧を変化させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項に記載の非接触給電装置と、
２次コイルを含む２次側共振回路を備え、前記１次コイルと前記２次コイルとの電磁誘導により前記非接触給電装置から供給された前記交流電力を受電して、負荷に供給する非接触受電装置と、
を備えたことを特徴とする非接触給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、１次コイルと２次コイルとの電磁誘導により非接触で電力を供給する非接触給電装置及び非接触給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
コイル間の電磁誘導などを利用して非接触で電力の供給を行う技術が知られている。この技術を利用した電磁誘導方式の非接触給電システムでは、非接触給電装置に搭載された１次コイルと、非接触受電装置に搭載された２次コイルとを近接配置した状態で１次コイルに共振周波数の交流電力を供給することにより、１次コイルで磁界を発生させ、この磁界による電磁誘導によって２次コイルに発生した起電力を用いて、非接触受電装置に接続された負荷に電力を供給する。
【０００３】
このような電磁誘導方式のうち、一次直列二次並列コンデンサ方式（Ｓ−Ｐ方式ともいう）では、１次コイルにコンデンサを直列に接続して１次側共振回路を構成し、２次コイルにはコンデンサを並列に接続して２次側共振回路を構成している。
【０００４】
このような１次側共振回路及び２次側共振回路の等価回路の例を、図６に示す。図６の回路により構成される１次側共振回路１００は、主として電源１０１と、コンデンサ１０２と、１次コイル１０３とを備え、２次側共振回路２００は、主として２次コイル２０１と、コンデンサ２０２と、負荷２０３とを備えている。電源１０１は、１次側共振回路１００に電気を供給する、例えば１００Ｖまたは２００Ｖの商用電源である。コンデンサ１０２は、共振コンデンサであり、電源１０１及び１次コイル１０３に直列に接続されている。１次コイル１０３は、磁界を発生させるコイルであり、フェライトコア等の磁性材に電線が巻かれて形成されている。２次コイル２０１は、起電力を生じさせるコイルであり、１次コイル１０３と同様に形成されている。コンデンサ２０２は、共振コンデンサであり、２次コイル２０１及び負荷２０３に並列に接続されている。負荷２０３は、２次コイル２０１に生じた起電力による電気で動作する装置である。
【０００５】
２次側共振回路２００のコンデンサ２０２の静電容量Ｃｒｐは、２次コイル２０１のインダクタンスＬｒと共振周波数（角速度ω）とにより、数１に示すように一意に求められる。
【数１】
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これに対して、１次側共振回路１００のコンデンサ１０２の静電容量Ｃｔｓは、１次コイル１０３のインダクタンスＬｔ及び共振周波数（角速度ω）の他に、数２に示すように１次コイル１０３と２次コイル２０１との結合の度合いを示す結合係数ｋによって求められる。
【数２】
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【０００６】
結合係数ｋは、１次コイル１０３と２次コイル２０１との距離によって変化する値である。そのため、その距離に合わせて電源１０１から負荷側を見たインピーダンスのリアクタンス成分が０になるように１次側共振回路のコンデンサ１０２が決められる。Ｓ−Ｐ方式は、数３に示すように出力側電圧Ｖｏｕｔは結合係数ｋに対して反比例の関係があり、結合度が弱まると、すなわち１次コイル１０３と２次コイル２０１との距離が離れると出力側電圧は高くなり、結合度が強まると低くなる特性がある。
【数３】
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そのため、コイル間の距離の変動が大きい場合、２次側共振回路２００に供給される電圧の変動も大きくなるので、２次側共振回路２００の部品の耐圧を広く設定する必要があり、コストが高くなる要因となっていた。
【０００７】
そのため、例えば、１次コイルと２次コイルとの相対位置がずれた場合に、共振コンデンサの静電容量、１次コイルのインピーダンスまたは共振周波数を調整し、力率を調整することが可能な特性調整手段を備えた電力供給装置が知られている（例えば、特許文献１等参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−１３０１７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、このような電力供給装置は、共振コンデンサや１次コイルにスイッチを設けたバイパス回路を備え、回路構成が複雑になっていた。
【００１０】
そこで本発明は、回路構成を複雑化することなく、１次コイルと２次コイルとの距離に応じて２次側共振回路の電圧を調整可能な非接触給電装置及び非接触給電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の課題を解決するために、請求項１の発明は、２次コイルを含む２次側共振回路を備える非接触受電装置に対し、電磁誘導により非接触で交流電力を供給する非接触給電装置であって、前記２次コイルとの電磁誘導により交流電力を供給するための磁界を発生する１次コイルを含む１次側共振回路と、前記１次側共振回路にかかる１次側電圧を測定する電圧測定手段と、前記１次側共振回路に流れる１次側電流を測定する電流測定手段と、前記１次側電圧と、前記１次側電流との位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相差に基づいて前記電圧を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本願発明者は、非接触給電装置のシミュレーション回路による実験によって、１次コイルと２次コイルとの距離に応じて、１次側共振回路にかかる１次側電圧と１次側共振回路に流れる１次側電流との間に位相差が変化することを確認した。そのため、請求項１の発明では、位相差検出手段を備え、１次側電圧と１次側電流との位相差を検出する。また、制御手段を備え、位相差に基づいて１次側電圧を制御する。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の非接触給電装置において、前記制御手段は、前記位相差に応じて、前記電圧を変化させる、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１または２のいずれか１項に記載の非接触給電装置と、２次コイルを含む２次側共振回路を備え、前記１次コイルと前記２次コイルとの電磁誘導により前記非接触給電装置から供給された前記交流電力を受電して、負荷に供給する非接触受電装置と、を備えたことを特徴とする非接触給電システムである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１及び３の発明によれば、位相差検出手段が、１次側共振回路にかかる電圧と１次側共振回路に流れる１次側電流との位相差を検出し、制御手段が、その位相差に基づいて１次側電圧を制御するので、１次コイルと２次コイルとの距離が変化したことを検出し、この場合に１次側電圧を制御するので、２次側共振回路の電圧を調整することが可能になる。これにより、２次側共振回路の部品の耐圧を広く設定する必要がないので、コストを低減することができる。また、位相差検出手段及び制御手段の２つの部品を備えることで２次側共振回路の電圧を調整することが可能になるので、簡素な回路構成で実現することができる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、制御手段は、位相差に応じて電圧を変化させるので、２次側共振回路の電圧を所定の値以下にすることができる。これにより、２次側共振回路の部品の耐圧を所定値以下に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施の形態に係る非接触給電システム１の概略を示す機能ブロック構成図である。
【図２】図１の位相差検出回路１４及び制御回路１５による電圧制御を示すフローチャートである。
【図３】図１の非接触給電装置１の結合係数ｋ＝０．６のときの電圧及び電流の波形を示すグラフであり、１次側共振回路１７の電圧及び電流の波形図（ａ）、２次側共振回路２１の電圧及び電流の波形図（ｂ）、及び負荷２５の電圧及び電流の波形図（ｃ）である。
【図４】図１の制御回路１５で電圧調整を行わない場合における、非接触給電装置１の結合係数ｋ＝０．３のときの電圧及び電流の波形を示すグラフであり、１次側共振回路１７の電圧及び電流の波形図（ａ）、２次側共振回路２１の電圧及び電流の波形図（ｂ）、及び負荷２５の電圧及び電流の波形図（ｃ）である。
【図５】図１の制御回路１５で電圧調整を行う場合における、非接触給電装置１の結合係数ｋ＝０．３のときの電圧及び電流の波形を示すグラフであり、１次側共振回路１７の電圧及び電流の波形図（ａ）、２次側共振回路２１の電圧及び電流の波形図（ｂ）、及び負荷２５の電圧及び電流の波形図（ｃ）である。
【図６】従来の非接触給電における１次側共振回路１００及び２次側共振回路２００の等価回路の例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１９】
図１ないし図５は、この発明の実施の形態に係る非接触給電システム１を示し、図１は、非接触給電システム１の概略を示す機能ブロック構成図である。この非接触給電システム１は、図６に示す１次コイル１０３を備えた非接触給電装置１０から、２次コイル２０１を備えた非接触受電装置２０に対し、１次コイル１０３と２次コイル２０１との電磁誘導により、非接触で電力を供給する、Ｓ−Ｐ方式の非接触給電を行うシステムである。
【００２０】
非接触給電装置１０は、電源の電気により１次コイルに磁界を発生させる装置であり、主として電源１１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、インバータ１３と、位相差検出回路（位相差検出手段）１４と、制御回路（制御手段）１５と、整合回路１６と、１次側共振回路１７と、電圧計（電圧測定手段）１８と、電流計（電流測定手段）１９とを備えている。
【００２１】
電源１１は、非接触給電装置１０に電気を供給する、例えば１００Ｖまたは２００Ｖの商用電源である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、直流電気の電圧を変換するための装置であり、電源１１の出力側に接続されて電源１１から供給される電気を降圧するために用いられる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、後述するように制御回路１５から出力される制御信号を受信すると、電圧をさらに低く降圧するように構成されている。インバータ１３は、所定の周波数の交流電気を発生させる装置であり、例えば単相フルブリッジ型のインバータ回路等により構成され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力側に接続されている。
【００２２】
位相差検出回路１４は、インバータ１３から出力されて１次側共振回路１７にかかる１次側電圧を電圧計１８が測定し、１次側共振回路１７に流される１次側電流を電流計１９が測定し、それぞれの測定結果から１次側電圧と１次側電流との位相差を検出し、検出信号を出力する回路構成であり、インバータ１３の出力側に接続されており、位相比較器（Ｐｈａｓｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ）等により構成されている。この位相差検出回路１４は、後述するように、１次側共振回路１７と、非接触受電装置２０の２次側共振回路２１との距離が変化すると、１次側共振回路１７にかかる電圧と、１次側共振回路１７に流される電流との間に位相差に変化が生じるので、これを検出するために用いられる。
【００２３】
制御回路１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が降圧する電気の電圧を制御する装置である。この制御回路１５は、位相差検出回路１４の出力側に接続されており、位相差検出回路１４から出力される検出信号が入力されると、位相差に応じた電圧に調整する制御信号をＤＣ／ＤＣコンバータ１２へ出力するように構成されている。
【００２４】
整合回路１６は、１次側共振回路１７の出力インピーダンスと、２次側共振回路２１の入力インピーダンスとを合わせる装置であり、位相差検出回路１４の出力側に接続され、例えば抵抗器やコイル、コンデンサ等により構成されている。
【００２５】
１次側共振回路１７は、図６に示す等価回路のように、１次コイルとコンデンサとが直列に接続された直列共振回路であり、インバータ１３からの電気の供給により磁界を発生させ、この磁界により非接触受電装置２０の２次コイルとの間で電磁誘導を生じさせるものである。この１次側共振回路１７は、整合回路１６の出力側に接続され、例えば１次コイルがフェライトコア等の磁性材に電線が巻かれて形成されている。
【００２６】
電圧計１８は、１次側共振回路１７と並列に接続されており、１次側共振回路１７にかかる１次側電圧を測定する。測定結果は、位相差検出回路１４に入力される。電流計１９は、インバータ１３と１次側共振回路１７との間に接続されており、１次側共振回路１７に流れる１次側電流を測定する。測定結果は、位相差検出回路１４に入力される。
【００２７】
非接触受電装置２０は、１次コイルの磁界による電磁誘導により２次コイルに起電力を生じさせて電力を供給する装置であり、主として２次側共振回路２１と、整合回路２２と、整流回路２３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４と、負荷２５とを備えている。
【００２８】
２次側共振回路２１は、図６に示す等価回路のように、２次コイルとコンデンサとが並列に接続された並列共振回路であり、１次側共振回路１７に近接するように配置されると、１次コイルの磁界による電磁誘導により２次コイルに起電力を生じさせるものである。この２次コイルは、１次側共振回路１７と同様に、例えばフェライトコア等の磁性材に電線が巻かれて形成されている。
【００２９】
整合回路２２は、整合回路１６と同様に、１次側共振回路１７の出力インピーダンスと、２次側共振回路２１の入力インピーダンスとを合わせる装置であり、２次側共振回路２１の出力側に接続され、例えば抵抗器やコイル、コンデンサ等により構成されている。
【００３０】
整流回路２３は、電流を一方向にのみ流すダイオード等により構成された装置であり、整合回路２２の出力側に接続されて整合回路２２から出力される電気を交流から直流に変換するために用いられる。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、直流電気の電圧を変換するための装置であり、整流回路２３の出力側に接続され、整流回路２３から出力される電気の電圧を負荷２５に適した電圧に昇圧または降圧するために用いられる。負荷２５は、２次側共振回路２１に生じた起電力により動作する装置である。
【００３１】
次に、このような構成の非接触給電システム１及び非接触給電装置１０の動作及び作用等について説明する。
【００３２】
非接触給電装置１０の電源１１により電気が供給されると、その電気がＤＣ／ＤＣコンバータ１２で所望の電圧に調整され、インバータ１３で所望の周波数の交流に変換され、位相差検出回路１４、整合回路１６を経由して１次側共振回路１７に流される。１次側共振回路１７では、供給された電気により磁界を発生させる。
【００３３】
２次側共振回路２１が１次側共振回路１７に近接するように非接触受電装置２０を配置すると、１次側共振回路１７の磁界による電磁誘導により、２次側共振回路２１に起電力が生じる。この電気は、整合回路２２、整流回路２３、及びＤＣ／ＤＣコンバータ２４を経由して、負荷２５に流され、負荷２５の動作が行われる。
【００３４】
図２は、図１の位相差検出回路１４及び制御回路１５による電圧制御を示すフローチャートである。まず、電圧計                              １８によって、１次側共振回路１７にかかる１次側電圧が測定され、電流計１９によって、１次側共振回路１７に流れる１次側電流が測定される。それぞれの測定結果が位相差検出回路１４に入力され、位相差検出回路１４によって１次側電圧と１次側電流との位相差が検出される（ステップＳ１）。検出された位相差に応じて１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧が調整される（ステップＳ２）。調整はリニアまたはステップ的に行っても良い。
【００３５】
図３は、１次側共振回路１７と２次側共振回路２１との距離が近い場合の例として示す、図１の非接触給電装置１の結合係数ｋ＝０．６のときの電圧及び電流の波形を示すグラフであり、１次側共振回路１７の電圧及び電流の波形図（ａ）、２次側共振回路２１の電圧及び電流の波形図（ｂ）、及び負荷２５の電圧及び電流の波形図（ｃ）である。
【００３６】
１次側共振回路１７では、図３（ａ）に実線で示す電圧と破線で示す電流は、略同じタイミングで波形の頂点が現れており、位相差は生じていない。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧は設計の初期設定の電圧とする。このとき、２次側共振回路２１では、図３（ｂ）に実線で示す電圧は最大で略２０Ｖであり、破線で示す電流は最大で略３．６Ａである。また、負荷２５では、図３（ｃ）に実線で示す電圧は１９Ｖ程度であり、破線で示す電流は１．３Ａ程度である。
【００３７】
図４は、１次側共振回路１７と２次側共振回路２１との距離が離れた場合の例として示す、仮に制御回路１５で電圧調整を行わない場合における、非接触給電装置１の結合係数ｋ＝０．３のときの電圧及び電流の波形を示すグラフであり、１次側共振回路１７の電圧及び電流の波形図（ａ）、２次側共振回路２１の電圧及び電流の波形図（ｂ）、及び負荷２５の電圧及び電流の波形図（ｃ）である。
【００３８】
１次側共振回路１７では、図４（ａ）に実線で示す電圧と破線で示す電流は、時間ｔだけ位相差が生じている。ここでは、仮に制御回路１５による電圧降下が行われない場合を示す。このとき、２次側共振回路２１では、図４（ｂ）に実線で示す電圧は最大で略５５Ｖであり、破線で示す電流は最大で略３．６Ａである。また、負荷２５では、図４（ｃ）に実線で示す電圧は５５Ｖ程度であり、破線で示す電流は０．５Ａ程度である。２次側共振回路２１における電圧が最大で略５５Ｖであり、１次側共振回路１７と２次側共振回路２１との距離が近い場合の略２０Ｖと比較すると２倍以上になっている。そのため、非接触受電装置２０に供給される電気の電圧の変動も大きくなるので、非接触受電装置２０の部品の耐圧を広く設定する必要があった。
【００３９】
図５は、１次側共振回路１７と２次側共振回路２１との距離が離れた場合の例として示す、制御回路１５で電圧調整を行う場合における、非接触給電装置１の結合係数ｋ＝０．３のときの電圧及び電流の波形を示すグラフであり、１次側共振回路１７の電圧及び電流の波形図（ａ）、２次側共振回路２１の電圧及び電流の波形図（ｂ）、及び負荷２５の電圧及び電流の波形図（ｃ）である。
【００４０】
図４の場合と同様に、１次側共振回路１７では、図５（ａ）に実線で示す電圧と破線で示す電流は位相差が生じている。そのため、位相差検出回路１４が１次側共振回路１７の電圧と電流との位相差を検出し、制御回路１５へ検出信号が出力される。制御回路１５では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が位相差に応じて出力電圧を下げる。そのため、図５（ａ）に実線で示すように、電圧は最大で略２０Ｖになっている。このとき、２次側共振回路２１では、図５（ｂ）に実線で示す電圧は最大で略３５Ｖであり、破線で示す電流は最大で略３．６Ａである。また、負荷２５では、図５（ｃ）に実線で示す電圧は３３Ｖ程度であり、破線で示す電流は０．８Ａ程度である。このように、１次側共振回路１７における電圧が下げられるので、２次側共振回路２１における電圧も下がるため、非接触受電装置２０に供給される電気の電圧の変動を小さくすることが可能になる。
【００４１】
なお、１次側共振回路１７の電圧を最大で略２０Ｖに下げるのは、位相差に応じて出力電圧が調整されても負荷２５への供給電力が変動しないようにするためである。例えば、図３（ｃ）に示す負荷２５の電圧及び電流から計算した電力は、略２６．４Ｗであり、図５（ｃ）に示す負荷２５の電圧及び電流から計算した電力は、略２４．７Ｗとなっている。このように、負荷２５の出力に影響しないように制御することが可能である。
【００４２】
以上のように、このような構成の非接触給電システム１及び非接触給電装置１０によれば、位相差検出回路１４を備え、１次側共振回路１７と２次側共振回路２１との距離が離れた場合、１次側共振回路１７にかかる電圧と、１次側共振回路１７に流される電流との間の位相差に変化が生じるので、この位相差を検出する。また、制御回路１５を備え、位相差検出回路１４が位相差を検出し、位相差に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧が調整される。その結果、２次側共振回路２１にかかる電圧が降下されるため、非接触受電装置２０の電圧の変動を抑えることができる。これにより、非接触受電装置２０の部品の耐圧を広く設定する必要がないので、コストを低減することができる。また、位相差検出回路１４と制御回路１５とを備えることで非接触受電装置２０の電圧を調整することが可能になるので、簡素な回路構成で電圧の調整を実現することができる。
【００４３】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、電源１１を例えば１００Ｖまたは２００Ｖの商用電源で構成し、負荷２５を２５Ｗ前後の電力で動作する装置で構成したが、このような規模の装置に限られず、大電力で動作する装置に適用しても良い。
【符号の説明】
【００４４】
１          非接触給電システム
１０        非接触給電装置
１１        電源
１２        ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３        インバータ
１４        位相差検出回路（位相差検出手段）
１５        制御回路（制御手段）
１６        整合回路
１７        １次側共振回路
１８        電圧計
１９        電流計
２０        非接触受電装置
２１        ２次側共振回路
２２        整合回路
２３        整流回路
２４        ＤＣ／ＤＣコンバータ
２５        負荷
１００      １次側共振回路
１０１      電源
１０２      コンデンサ
１０３      １次コイル
２００      ２次側共振回路
２０１      ２次コイル
２０２      コンデンサ
２０３      負荷
【図１】
2019062646.tif 000006
【図２】
2019062646.tif 000007
【図３】
2019062646.tif 000008
【図４】
2019062646.tif 000009
【図５】
2019062646.tif 000010
【図６】
2019062646.tif 000011