(57)【要約】【課題】回路の動作が不安定になる可能性が高くなるのを抑制する。【解決手段】非接触電力伝送システム１０は、所定の共振周波数で共振して交番磁界を発生する第１共振回路ＬＣ１と、第１共振回路ＬＣ１に所定の駆動周波数で交流電力を供給する駆動回路１６，Ｑ１〜Ｑ４，Ｒ１〜Ｒ４と、を含む電力伝送部１１と、駆動周波数で共振するように構成され交番磁界の磁束が鎖交する第２共振回路ＬＣ２と、第２共振回路ＬＣ２と磁気的に結合された受電コイルＬ３と、第２共振回路ＬＣ２と電気的に接続されておらず、かつ受電コイルＬ３と電気的に接続された負荷ＬＤと、を含む受電部１２と、を備える。共振周波数が駆動周波数より低い周波数に設定されている。【選択図】図１
2015002643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の共振周波数で共振して交番磁界を発生する第１共振回路と、前記第１共振回路に所定の駆動周波数で交流電力を供給する駆動回路と、を含む電力伝送部と、
前記駆動周波数で共振するように構成され前記交番磁界の磁束が鎖交する第２共振回路と、前記第２共振回路と磁気的に結合された受電コイルと、前記第２共振回路と電気的に接続されておらず、かつ前記受電コイルと電気的に接続された負荷と、を含む受電部と、
を備え、
前記共振周波数が前記駆動周波数より低い周波数に設定されていることを特徴とする非接触電力伝送システム。
【請求項２】
前記第１共振回路は、第１コイルと、前記第１コイルに接続された第１コンデンサと、を含み、
前記共振周波数が、前記駆動周波数の９５％以下の周波数に設定されるように、前記第１コイルのインダクタンス及び前記第１コンデンサの容量が設定されていることを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送システム。
【請求項３】
前記第１共振回路は、第１コイルと、前記第１コイルに接続された第１コンデンサと、を含み、
前記駆動回路は、前記第１共振回路に供給される直流電力をオンオフすることにより前記直流電力の正負を交互に切り替えるスイッチング素子を含み、
前記共振周波数が、前記駆動周波数の９０％より高い周波数に設定されるように、前記第１コイルのインダクタンス及び前記第１コンデンサの容量が設定されてい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システム。
【請求項４】
前記第２共振回路は、第２コイルと、前記第２コイルに接続された第２コンデンサと、を含み、
前記第２共振回路が、前記駆動周波数で共振するように、前記第２コイルのインダクタンス及び前記第２コンデンサの容量が設定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の非接触電力伝送システム。
【請求項５】
前記電力伝送部と前記受電部との間に配置された中継コイルと、前記中継コイルに接続された中継コンデンサと、を含み、前記交番磁界の磁束が鎖交する第３共振回路をさらに備え、
前記第３共振回路は、前記電力伝送部及び前記受電部と電気的に接続されておらず、前記第２共振回路と磁気的に結合されており、
前記第３共振回路が、前記駆動周波数で共振するように、前記中継コイルのインダクタンス及び前記中継コンデンサの容量が設定されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の非接触電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で電力を伝送する非接触電力伝送システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電磁誘導により、伝送コイルに発生させた磁束を受電コイルに鎖交することにより、伝送コイルから受電コイルに非接触で電力を伝送する非接触電力伝送システムが知られている。従来の非接触電力伝送システムは、小型電気機器をはじめとして、電気自動車や住宅設備内で充電や給電を行う機器に適用される例が主流である。
【０００３】
また、近年、電磁共振を用いた磁界共鳴方式の非接触電力伝送システムが注目されている。磁界共鳴方式の非接触電力伝送システムには、共鳴コイルが伝送コイルと受電コイルのそれぞれに備えられており、電磁誘導方式と比較して、電力の伝送距離を延ばすことができる。
【０００４】
従来、伝送側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが一致するように共振回路を設計しておき、伝送側の共振回路に供給する交流電力の駆動周波数を共振周波数と同じにするようにした非接触電力伝送システムが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−４５１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
伝送側の共振回路の共振周波数と、伝送側の共振回路に供給する交流電力の駆動周波数とを同じにすると、共振回路のインピーダンスが０になるため、伝送側の共振回路への電力供給開始時に大きな短絡電流が流れる。このため、回路の動作が不安定になる可能性が高くなる。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、回路の動作が不安定になる可能性が高くなるのを抑制する非接触電力伝送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】
【０００８】
本発明の一局面に係る非接触電力伝送システムは、所定の共振周波数で共振して交番磁界を発生する第１共振回路と、前記第１共振回路に所定の駆動周波数で交流電力を供給する駆動回路と、を含む電力伝送部と、前記駆動周波数で共振するように構成され前記交番磁界の磁束が鎖交する第２共振回路と、前記第２共振回路と磁気的に結合された受電コイルと、前記第２共振回路と電気的に接続されておらず、かつ前記受電コイルと電気的に接続された負荷と、を含む受電部と、を備え、前記共振周波数が前記駆動周波数より低い周波数に設定されている。
【０００９】
この構成によれば、第２共振回路が負荷と電気的に接続されていないため、第２共振回路のＱ値が高くなっており、かつ、第２共振回路が駆動周波数で共振するように構成されている。したがって、高効率で電力伝送部から受電部に電力を伝送することができる。また、第１共振回路の共振周波数が、駆動周波数より低い周波数に設定されているため、駆動回路の動作時において第１共振回路のインピーダンスが０にならない。したがって、第１共振回路への交流電力の供給開始時に、短絡電流が流れるのを防止することができる。その結果、回路の動作が不安定になるのを防止することが可能となる。
【００１０】
また、上記の非接触電力伝送システムにおいて、前記第１共振回路は、第１コイルと、前記第１コイルに接続された第１コンデンサと、を含み、前記共振周波数が、前記駆動周波数の９５％以下の周波数に設定されるように、前記第１コイルのインダクタンス及び前記第１コンデンサの容量が設定されているとしてもよい。
【００１１】
この構成によれば、第１共振回路の共振周波数が、駆動周波数の９５％以下の周波数に設定されるように、第１コイルのインダクタンス及び第１コンデンサの容量が設定されている。このため、部品の温度変化または部品のばらつきなどによって、例えば第１コイルのインダクタンスが３％低くなり、かつ第１コンデンサの容量が２％低くなることにより、共振周波数が高くなった場合でも、駆動周波数まで共振周波数が高くなることはないという利点がある。
【００１２】
また、上記の非接触電力伝送システムにおいて、前記第１共振回路は、第１コイルと、前記第１コイルに接続された第１コンデンサと、を含み、前記駆動回路は、前記第１共振回路に供給される直流電力をオンオフすることにより前記直流電力の正負を交互に切り替えるスイッチング素子を含み、前記共振周波数が、前記駆動周波数の９０％より高い周波数に設定されるように、前記第１コイルのインダクタンス及び前記第１コンデンサの容量が設定されているとしてもよい。
【００１３】
この構成によれば、スイッチング素子は、第１共振回路に供給される直流電力をオンオフすることにより直流電力の正負を交互に切り替える。これによって、交流電力が第１共振回路に供給され、交番磁界が第１共振回路の第１コイルに発生する。第１共振回路の共振周波数が、駆動周波数の９０％より高い周波数に設定されるように、第１コイルのインダクタンス及び第１コンデンサの容量が設定されている。第１共振回路の共振周波数が、駆動周波数の９０％以下の周波数になると、スイッチング素子におけるスイッチング損失が大きくなる。しかし、上記構成によれば、共振周波数が、駆動周波数の９０％より高い周波数に設定されているため、スイッチング素子におけるスイッチング損失の増大を防止することが可能となる。
【００１４】
また、上記の非接触電力伝送システムにおいて、前記第２共振回路は、第２コイルと、前記第２コイルに接続された第２コンデンサとを含み、前記第２共振回路が、前記駆動周波数で共振するように、前記第２コイルのインダクタンス及び前記第２コンデンサの容量が設定されているとしてもよい。
【００１５】
この構成によれば、第２共振回路が、駆動周波数で共振するように、第２コイルのインダクタンス及び第２コンデンサの容量が設定されている。これによって、第２共振回路を駆動周波数で共振させることができる。その結果、高効率で電力伝送部から受電部に電力を伝送することができる。
【００１６】
また、上記の非接触電力伝送システムにおいて、前記電力伝送部と前記受電部との間に配置された中継コイルと、前記中継コイルに接続された中継コンデンサと、を含み、前記交番磁界の磁束が鎖交する第３共振回路をさらに備え、前記第３共振回路は、前記電力伝送部及び前記受電部と電気的に接続されておらず、前記第２共振回路と磁気的に結合されており、前記第３共振回路が、前記駆動周波数で共振するように、前記中継コイルのインダクタンス及び前記中継コンデンサの容量が設定されているとしてもよい。
【００１７】
この構成によれば、第３共振回路は、電力伝送部及び受電部と電気的に接続されていないため、第３共振回路のＱ値が高くなっている。また、第３共振回路が、駆動周波数で共振するように、中継コイルのインダクタンス及び中継コンデンサの容量が設定されている。このため、高効率で電力伝送部から第３共振回路を介して受電部に電力を伝送することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高効率で電力伝送部から受電部に電力を伝送できるとともに、第１共振回路への交流電力の供給開始時に、短絡電流が流れるのを防止することができ、回路の動作が不安定になるのを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態の非接触電力伝送システムを示す回路図である。
【図２】第１の実施形態の非接触電力伝送システムの外観を概略的に示す斜視図である。
【図３】（ａ）は、伝送コイルの正面図であり、（ｂ）は、伝送コイルの上から見た断面図である。
【図４】集磁コイルの正面図である。
【図５】受電コイルの正面図である。
【図６】集磁コイルと受電コイルとが配置された状態を示す図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は上から見た断面図である。
【図７】第１の実施形態の非接触電力伝送システムにおける伝送コイル、集磁コイル、受電コイルの位置関係を概略的に示す上から見た断面図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、スイッチング素子のオンオフを示すタイミングチャートであり、（ｃ）は、伝送コイルに流れる電流波形を示すタイミングチャートである。
【図９】駆動周波数に対して共振周波数が異なる場合の共振回路の誘導性及び容量性を説明するための図である。
【図１０】第１共振回路の共振周波数を駆動周波数に対して低下させ過ぎた場合の問題点を説明するための図であり、（ａ）、（ｂ）は、スイッチング素子のゲート電圧を示すタイミングチャートであり、（ｃ）は、スイッチング素子のドレイン−ソース電圧を示すタイミングチャートであり、（ｄ）は、スイッチング素子のドレイン−ソース電流を示すタイミングチャートであり、（ｅ）は、伝送コイルに流れる電流波形を示すタイミングチャートである。
【図１１】第２の実施形態の非接触電力伝送システムを示す回路図である。
【図１２】第２の実施形態の非接触電力伝送システムの外観を概略的に示す斜視図である。
【図１３】第２の実施形態の非接触電力伝送システムで用いられる中継コイルを示す図であり、（ａ）は中継コイルの正面図、（ｂ）は中継コイルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の非接触電力伝送システム１０を示す回路図である。図２は、第１の実施形態の非接触電力伝送システム１０の外観を概略的に示す斜視図である。図２に示されるように、第１の実施形態の非接触電力伝送システム１０は、電力伝送部１１と、電気機器１２と、保持部１３とを備える。
【００２２】
図１において、電力伝送部１１は、図外の商用交流電源ＰＳから入力される交流電力を直流電力に変換する整流回路ＢＤ１と、整流された電力を平滑する平滑コンデンサＣ０と、平滑された直流電力をオンオフするスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、伝送コイルＬ１と、コンデンサＣ１と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオンオフを制御する制御部１６と、ゲート抵抗Ｒ１〜Ｒ４とを備える。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４としては、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）が用いられている。整流回路ＢＤ１としては、４つのダイオードにより構成されたブリッジ形の全波整流回路が用いられている。
【００２３】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲートは、それぞれ、ゲート抵抗Ｒ１〜Ｒ４を介して制御部１６に接続されている。
【００２４】
コンデンサＣ１は、伝送コイルＬ１と直列に接続されている。この伝送コイルＬ１とコンデンサＣ１とにより第１共振回路ＬＣ１が構成されている。この第１共振回路ＬＣ１は、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ４との間に直列に接続され、かつ、スイッチング素子Ｑ２とスイッチング素子Ｑ３との間に直列に接続されている。
【００２５】
制御部１６は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４のオン及びスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のオフと、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４のオフ及びスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のオンとを交互に繰り返す。制御部１６は、駆動周波数Ｆｃ＝４００ｋＨｚで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオンオフさせている。これによって、直流電力が交互に反転して交流電力が第１共振回路ＬＣ１に供給される。その結果、伝送コイルＬ１には交番磁束が発生する。なお、図示の便宜上、制御部１６を４箇所に記載しているが、実際には１つの制御部１６を備えている。
【００２６】
電気機器１２は、伝送コイルＬ１で発生した交番磁界による磁束を集める集磁コイルＬ２と、集磁コイルＬ２に接続されたコンデンサＣ２と、集磁コイルＬ２と磁気的に結合された受電コイルＬ３と、受電コイルＬ３の交流電力を直流電力に変換する整流回路ＢＤ２と、整流回路ＢＤ２の直流電力を平滑する平滑コンデンサＣ３と、負荷ＬＤとを備える。図１に示されるように、電力伝送部１１と電気機器１２とは電気的に接続されていない。
【００２７】
集磁コイルＬ２とコンデンサＣ２とにより第２共振回路ＬＣ２が構成されている。図１に示されるように、第２共振回路ＬＣ２は、受電コイルＬ３等と電気的に接続されていない。集磁コイルＬ２は、伝送コイルＬ１で発生した磁束を受け取り、受電コイルＬ３に受け渡す。整流回路ＢＤ２としては、４つのダイオードにより構成されたブリッジ形の全波整流回路が用いられている。負荷ＬＤは、この実施形態では例えば二次電池であり、平滑コンデンサＣ３により平滑された直流電力により充電される。
【００２８】
図２において、伝送コイルＬ１の反対面の電力伝送部１１の筐体から、図示を省略するコンセントプラグが突出している。このコンセントプラグを電力伝送部１１の筐体ごとコンセントに挿すことによってコードレスの電力伝送部１１を実現している。なお、電力伝送部１１は、コード付きのコンセントプラグを有するようにしてもよい。この場合には、電力伝送部１１の配置の自由度を増すことができる。伝送コイルＬ１は、電力伝送部１１の筐体の表面近傍に設けられている。
【００２９】
保持部１３は、円柱形状を有している。保持部１３の上面中央には、円柱状の凹部２１が設けられている。凹部２１には、縦方向に形成された細い溝２２が設けられている。保持部１３は、凹部２１に挿入された電気機器１２を保持する。
【００３０】
電気機器１２は、この第１の実施形態では、電動歯ブラシである。電気機器１２は、従来の電動歯ブラシと同様に、ブラシ部３１と、本体部３２とを備える。本体部３２は、歯ブラシ動作用回路（図示省略）を備える。また、本体部３２は、電源スイッチ３３と、表示ＬＥＤ３４と、本体部３２の下端の前方側に形成された突起３５とを有する。また、本体部３２は、集磁コイルＬ２、コンデンサＣ２、受電コイルＬ３、整流回路ＢＤ２、平滑コンデンサＣ３等が設けられた回路基板（図示省略）を有する。図２に示されるように、集磁コイルＬ２は、本体部３２の下半部の背面側の中央に設けられている。
【００３１】
本体部３２が凹部２１に挿入されることによって、電気機器１２が保持部１３に保持される。このとき、本体部３２の下端に形成された突起３５を保持部１３の溝２２に嵌合させないと、本体部３２を凹部２１に挿入できないようになっている。
【００３２】
図３（ａ）は、伝送コイルＬ１の正面図であり、図３（ｂ）は、伝送コイルＬ１の上から見た断面図である。図４は、集磁コイルＬ２の正面図である。図５は、受電コイルＬ３の正面図である。図６（ａ）、６（ｂ）は、集磁コイルＬ２と受電コイルＬ３とが配置された状態を示す図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は上から見た断面図である。図７は、第１の実施形態の非接触電力伝送システム１０における伝送コイルＬ１、集磁コイルＬ２、受電コイルＬ３の位置関係を概略的に示す上から見た断面図である。
【００３３】
伝送コイルＬ１は、図３（ａ）、図３（ｂ）に示されるように、例えば銅線が渦巻状に巻かれて形成された、矩形の平面状コイルである。集磁コイルＬ２は、図４に示されるように、例えば銅線が渦巻状に巻かれて形成された、矩形の平面状コイルである。受電コイルＬ３は、図５に示されるように、例えば銅線が渦巻状に巻かれて形成された、矩形の平面状コイルである。
【００３４】
図３（ｂ）、図７に示されるように、伝送コイルＬ１の磁束鎖交面にはフェライトコア１７が配置されている。図６（ｂ）、図７に示されるように、集磁コイルＬ２と受電コイルＬ３とは、互いに重ねられて配置されている。言い換えると、集磁コイルＬ２と受電コイルＬ３とは、互いに磁気的に結合している。なお、受電コイルＬ３よりも集磁コイルＬ２の方が電気機器１２の外側に位置している。受電コイルＬ３に隣接して、電気機器１２の内側（つまり集磁コイルＬ２と反対側）に、例えばフェライトで形成された磁性体１８が設けられている。
【００３５】
伝送コイルＬ１のインダクタンスをＬ１とすると、この実施形態では例えば、Ｌ１＝６０μＨに設定されている。また、コンデンサＣ１の容量をＣ１とすると、この実施形態では例えば、Ｃ１＝３０００ｐＦに設定されている。したがって、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１は、
Ｆ１＝１／｛２π（Ｌ１×Ｃ１）１／２｝
≒３７５ｋＨｚ
である。
【００３６】
集磁コイルＬ２のインダクタンスをＬ２とすると、この実施形態では例えば、Ｌ２＝７９μＨに設定されている。また、コンデンサＣ２の容量をＣ２とすると、この実施形態では例えば、Ｃ２＝２０００ｐＦに設定されている。したがって、第２共振回路ＬＣ２の共振周波数Ｆ２は、
Ｆ２＝１／｛２π（Ｌ２×Ｃ２）１／２｝
≒４００ｋＨｚ
である。
【００３７】
上述のように、制御部１６は、駆動周波数Ｆｃ＝４００ｋＨｚで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオンオフさせている。したがって、駆動周波数Ｆｃと第２共振回路ＬＣ２の共振周波数Ｆ２とは、ほぼ等しい値に設定されている。なお、本実施形態では、駆動周波数Ｆｃと第２共振回路ＬＣ２の共振周波数Ｆ２とが、ほぼ等しい値に設定されているが、多少異なる値になってもよい。例えば第２共振回路ＬＣ２の部品ばらつき等によって、駆動周波数Ｆｃと第２共振回路ＬＣ２の共振周波数Ｆ２とは、結果的に、２％程度異なる値になってもよい。
【００３８】
本実施形態において、伝送コイルＬ１が第１コイルの一例に相当し、コンデンサＣ１が第１コンデンサの一例に相当し、集磁コイルＬ２が第２コイルの一例に相当し、コンデンサＣ２が第２コンデンサの一例に相当し、電気機器１２が受電部の一例に相当する。また、本実施形態において、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４、ゲート抵抗Ｒ１〜Ｒ４、制御部１６が駆動回路の一例を構成する。
【００３９】
図８（ａ）は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４のオンオフを示すタイミングチャートである。図８（ｂ）は、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のオンオフを示すタイミングチャートである。図８（ｃ）は、伝送コイルＬ１に流れる電流波形を示すタイミングチャートである。図１、図７、図８（ａ）〜８（ｃ）を用いて、第１の実施形態の非接触電力伝送システム１０の動作が説明される。
【００４０】
まず、商用交流電源ＰＳのＡＣ１００Ｖが、整流回路ＢＤ１により整流され、平滑コンデンサＣ０により平滑されて、ＤＣ１４１Ｖに変換され、このＤＣ１４１Ｖがスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４から構成されるフルブリッジ回路に印加される。そして、図８（ａ）、図８（ｂ）に示されるように、制御部１６からゲート抵抗Ｒ１〜Ｒ４を介して入力されるゲート電圧に応じて、駆動周波数Ｆｃ（本実施形態ではＦｃ＝４００ｋＨｚ）でスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４がオンオフ動作を行う。このスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオンオフ動作によって、伝送コイルＬ１には、図８（ｃ）に示されるように、高周波の交流電流が供給されて、伝送コイルＬ１が励磁される。
【００４１】
伝送コイルＬ１において発生した磁束が、集磁コイルＬ２と受電コイルＬ３とに鎖交し、これらの集磁コイルＬ２と受電コイルＬ３とにそれぞれ交番電力が発生する。このとき、集磁コイルＬ２とコンデンサＣ２とで構成される第２共振回路ＬＣ２の共振周波数Ｆ２（本実施形態ではＦ２＝４００ｋＨｚ）が、駆動周波数Ｆｃ（本実施形態ではＦｃ＝４００ｋＨｚ）と一致している。このため、受電コイルＬ３に比べて、集磁コイルＬ２の方が、鎖交する磁束は強く、発生する交番電力は大きくなる。
【００４２】
集磁コイルＬ２で発生した交番電力によって磁束が発生し、受電コイルＬ３に磁束を供給する。図７に示されるように、集磁コイルＬ２と受電コイルＬ３との距離は、伝送コイルＬ１と受電コイルＬ３との距離に比べて十分短い。したがって、集磁コイルＬ２と受電コイルＬ３との間の結合係数は、伝送コイルＬ１と受電コイルＬ３との間の結合係数と比べて十分に大きい。このため、集磁コイルＬ２から受電コイルＬ３への磁束の供給は効率的に行われる。受電コイルＬ３に鎖交した磁束により交番電力が発生し、この交番電力が整流回路ＢＤ２により整流され、平滑コンデンサＣ３により平滑されて、負荷ＬＤが充電される。
【００４３】
ここで、電力伝送部１１における伝送コイルＬ１及びコンデンサＣ１からなる第１共振回路ＬＣ１のインピーダンスＺｒは、伝送コイルＬ１のインダクタンスをＬ１とし、コンデンサＣ１の容量をＣ１とすると、
Ｚｒ＝｜２πｆＬ１−１／（２πｆＣ１）｜
で表される。したがって、駆動周波数ＦｃがＦｃ＝３７５ｋＨｚの場合には、Ｚｒ＝０になるが、駆動周波数ＦｃがＦｃ＝４００ｋＨｚの場合には、Ｚｒ＝０にはならない。
【００４４】
例えば、非接触電力伝送システム１０に電源が投入されて、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオンになった場合、ＤＣ１４１Ｖがスイッチング素子Ｑ２−伝送コイルＬ１−コンデンサＣ１−スイッチング素子Ｑ３に印加される。スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３は、この実施形態ではＦＥＴであるため、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のオン抵抗は数１００ｍΩである。したがって、第１共振回路ＬＣ１のインピーダンスＺｒが低い場合には、回路が短絡に近い状態となり、非常に大きい電流が流れる。
【００４５】
つまり、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１が、駆動周波数Ｆｃとほぼ等しい場合には、第１共振回路ＬＣ１のインピーダンスＺｒがＺｒ＝０になる。このため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン時に大電流が流れて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４、伝送コイルＬ１などの回路部品が発熱し、回路の動作が不安定になる虞がある。
【００４６】
しかしながら、本実施形態では、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１が、駆動周波数Ｆｃより低い。つまり、Ｆ１＝３７５ｋＨであり、Ｆｃ＝４００ｋＨｚであり、共振周波数Ｆ１は、駆動周波数Ｆｃに対して、６．２５％低い値に設定されている。このため、第１共振回路ＬＣ１のインピーダンスＺｒがＺｒ＝０にならない。したがって、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン時に流れる電流が制限されることから、回路は安定して動作するようになる。
【００４７】
なお、本実施形態では、図７における伝送距離ＤＩ１が３〜５ｃｍ程度で、０．３Ｗ程度の電力を送電できるようにしている。
【００４８】
また、例えば駆動周波数Ｆｃ＝４００ｋＨｚに対して、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１を、Ｆ１＝３９５ｋＨｚに設定した場合（つまり共振周波数Ｆ１を駆動周波数Ｆｃの９８．７５％に設定した場合）には、第１共振回路ＬＣ１のインピーダンスＺｒが十分に小さいため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン時に流れる電流が大きくなるので、好ましくない。
【００４９】
また、コンデンサＣ１及び伝送コイルＬ１の温度変化または部品のばらつきなどによって、例えば、コンデンサＣ１の容量が２％ずれて、Ｃ１＝２９４０ｐＦとなり、伝送コイルＬ１のインダクタンスが３％ずれて、Ｌ１＝５８．２μＨとなったとする。この場合、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１は、Ｆ１＝３７５ｋＨｚからＦ１＝３８５ｋＨｚに変化する。すなわち共振周波数Ｆ１は、駆動周波数Ｆｃの９６．２５％になるが、駆動周波数Ｆｃ＝４００ｋＨｚに対しては十分余裕がある。
【００５０】
したがって、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１を、駆動周波数Ｆｃの９５％以下の周波数に設定しておくことが好ましい。これによって、第１共振回路ＬＣ１のインピーダンスＺｒが十分に小さいという事態を避けることができ、かつ、２〜３％程度のばらつきがある部品を用いても、回路を安定動作させることが可能となる。
【００５１】
図９は、駆動周波数に対して共振周波数が異なる場合の共振回路の誘導性及び容量性を説明するための図である。
【００５２】
本実施形態では、伝送コイルＬ１及びコンデンサＣ１を有する第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１は、駆動周波数Ｆｃ＝４００ｋＨｚに対して６．２５％低い、Ｆ１＝３７５ｋＨｚに設定されている。
【００５３】
これに対して、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１を駆動周波数Ｆｃより高い周波数に設定すると、第１共振回路ＬＣ１のインピーダンスにおいてコンデンサ成分が大きくなる。例えば、図９において、共振周波数Ｆ１がＦ１＝４１５ｋＨｚになると、駆動周波数ＦｃがＦｃ＝４００ｋＨｚであるため、ＦｃがＦ１よりも左方に位置することになる。したがって、第１共振回路ＬＣ１のインピーダンスは、図９に示されるように、容量性が支配的となる。このため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン時に、第１共振回路ＬＣ１に流れる電流が安定する前に、短絡電流が流れる。この短絡電流によって、回路に発生するノイズが大きくなり、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が発熱し、スイッチング損失が増大する。その結果、回路の動作が不安定になることがある。したがって、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１を駆動周波数Ｆｃより高い周波数に設定するのは好ましくない。
【００５４】
図１０（ａ）は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４のゲート電圧を示すタイミングチャートである。図１０（ｂ）は、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のゲート電圧を示すタイミングチャートである。図１０（ｃ）は、スイッチング素子Ｑ３のドレイン−ソース電圧を示すタイミングチャートである。図１０（ｄ）は、スイッチング素子Ｑ３のドレイン−ソース電流を示すタイミングチャートである。図１０（ｅ）は、伝送コイルＬ１に流れる電流波形を示すタイミングチャートである。図１０（ａ）〜１０（ｅ）を参照して、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１を駆動周波数Ｆｃに対して低下させ過ぎた場合の問題点が説明される。
【００５５】
本実施形態では、図１０（ａ）、１０（ｂ）に示されるように、駆動周波数Ｆｃで、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４と、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３とが、交互にオンオフ動作している。このとき、スイッチング素子Ｑ３のドレイン−ソース電圧は、図１０（ｃ）の左図に示されるように、スイッチング素子Ｑ３がオフの間に、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４のオンにより伝送コイルＬ１に流れる電流（図１０（ｅ）参照）に基づいて、ゼロ電圧でスイッチングして、増大した後、低下する。また、スイッチング素子Ｑ３のドレイン−ソース電流として、図１０（ｄ）の左図に示されるように、スイッチング素子Ｑ３のオン時に、インパルス状の電流が流れる。
【００５６】
ここで、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１を、３７５ｋＨｚから更に低下させると、図１０（ｃ）の右図に示されるように、スイッチング素子Ｑ３のドレイン−ソース電圧の増大及び低下における傾斜が緩やかになってしまう。したがって、ドレイン−ソース電圧がゼロ電圧になる前に、スイッチング素子Ｑ３がオンになる。このため、ゼロ電圧スイッチングができず、電圧Ｖｄが印加された状態で、スイッチング素子Ｑ３がオンになる。
したがって、図１０（ｄ）の右図に示されるように、スイッチング素子Ｑ３のドレイン−ソース電流として、一旦電流がプラス側に流れることなどにより、ノイズが発生する。その結果、スイッチング素子Ｑ３におけるスイッチング損失が大きくなり、回路の効率が低下する。このため、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４がゼロ電圧スイッチングを行える程度の範囲で、駆動周波数Ｆｃに対して低下させることが好ましい。したがって、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１が、駆動周波数Ｆｃの９０％より高い周波数に設定されるように、伝送コイルＬ１のインダクタンス及びコンデンサＣ１の容量を設定すればよい。
【００５７】
以上説明されたように、この第１の実施形態によれば、駆動周波数Ｆｃと第２共振回路ＬＣ２の共振周波数Ｆ２とをほぼ等しい値に設定している。このため、伝送コイルＬ１から集磁コイルＬ２に高効率で電力を伝送することができる。
【００５８】
また、この第１の実施形態によれば、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１を駆動周波数Ｆｃより低い周波数に設定している。このため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン時に第１共振回路ＬＣ１のインピーダンスＺｒが０にならない。したがって、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン時に短絡電流等の過大な電流が流れるのを防止することができ、これによって、回路の動作が不安定になるのを防止することが可能となる。
【００５９】
また、この第１の実施形態によれば、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１を駆動周波数Ｆｃと異なる値としている。このため、コンデンサＣ１または伝送コイルＬ１の温度特性に基づき、コンデンサＣ１または伝送コイルＬ１のインピーダンスが変化することにより、伝送コイルＬ１に流れる電流が変化した場合でも、その電流変化量を低減することが可能となる。
【００６０】
また、この第１の実施形態によれば、第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１を駆動周波数Ｆｃと異なる値としている。したがって、駆動周波数Ｆｃが、温度特性または部品ばらつきなどによって多少変動しても、第１共振回路ＬＣ１のインピーダンスが大きく変化しない。このため、安定して動作する回路を設計することが可能となる。
【００６１】
（第２の実施形態）
図１１は、第２の実施形態の非接触電力伝送システム１０ａを示す回路図である。図１２は、第２の実施形態の非接触電力伝送システム１０ａの外観を概略的に示す斜視図である。図１３（ａ）、１３（ｂ）は、第２の実施形態の非接触電力伝送システム１０ａで用いられる中継コイルＬ４を示す図であり、図１３（ａ）は中継コイルＬ４の正面図、図１３（ｂ）は中継コイルＬ４の断面図である。図１１に示されるように、第２の実施形態の非接触電力伝送システム１０ａは、電力伝送部１１及び電気機器１２に加えて、第３共振回路ＬＣ３を備える。
【００６２】
第３共振回路ＬＣ３は、中継コイルＬ４及び中継コイルＬ４に接続されたコンデンサＣ４を備える。中継コイルＬ４は、図１３（ａ）、１３（ｂ）に示されるように、例えば銅線が渦巻状に巻かれて形成された、円形の平面状コイルである。
【００６３】
第３共振回路ＬＣ３は、図１１に示されるように、電力伝送部１１及び電気機器１２に対して、電気的に接続されていない。中継コイルＬ４のインダクタンスをＬ４とすると、この実施形態では例えば、Ｌ４＝６．６μＨに設定されている。コンデンサＣ４の容量をＣ４とすると、この実施形態では例えば、Ｃ４＝０．０２４μＦに設定されている。したがって、第３共振回路ＬＣ３の共振周波数Ｆ３は、
Ｆ３＝１／｛２π（Ｌ４×Ｃ４）１／２｝
≒４００ｋＨｚ
である。つまり、第３共振回路ＬＣ３の共振周波数Ｆ３は、駆動周波数Ｆｃとほぼ等しい値に設定されている。
【００６４】
第２の実施形態の非接触電力伝送システム１０ａは、図１２に示されるように、第１の実施形態の非接触電力伝送システム１０における保持部１３に代えて、保持部１３ａを備える。保持部１３ａは、図１２に示されるように、保持部１３において、平板状の背面部２３を更に備える。背面部２３は、中継コイルＬ４を収容する。
【００６５】
電気機器１２の本体部３２の下端に形成された突起３５を保持部１３ａの溝２２に嵌合させつつ本体部３２を凹部２１に挿入して、保持部１３ａが電気機器１２を保持すると、背面部２３に収容された中継コイルＬ４が、電気機器１２の集磁コイルＬ２に対向するように構成されている。これによって、中継コイルＬ４が電気機器１２の集磁コイルＬ２と磁気的に結合されることとなる。
【００６６】
本実施形態において、伝送コイルＬ１が第１コイルの一例に相当し、コンデンサＣ１が第１コンデンサの一例に相当し、集磁コイルＬ２が第２コイルの一例に相当し、コンデンサＣ２が第２コンデンサの一例に相当し、電気機器１２が受電部の一例に相当する。また、本実施形態において、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４、ゲート抵抗Ｒ１〜Ｒ４、制御部１６が駆動回路の一例を構成する。
【００６７】
以上のように、第２の実施形態では、電力伝送部１１と電気機器１２との間に、中継コイルＬ４及びコンデンサＣ４を有する第３共振回路ＬＣ３が設けられているが、この第３共振回路ＬＣ３の共振周波数Ｆ３（この実施形態では例えばＦ３＝４００ｋＨｚ）は、電力伝送部１１におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオンオフの駆動周波数Ｆｃ（この実施形態では例えばＦｃ＝４００ｋＨｚ）と等しい値に設定されている。したがって、電力伝送部１１から第３共振回路ＬＣ３を介して電気機器１２に電力を高効率で伝送できる。
【００６８】
また、第１の実施形態と同様に、伝送コイルＬ１及びコンデンサＣ１を有する第１共振回路ＬＣ１の共振周波数Ｆ１を駆動周波数Ｆｃより低い周波数に設定している。このため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン時に大きな短絡電流が流れるのを抑制し、回路の動作を安定にすることが可能となる。
【００６９】
（その他）
上記各実施形態において、電力伝送部１１の共振回路ＬＣ１の駆動回路は、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を用いたフルブリッジ回路で構成しているが、代替的に、２個のスイッチング素子を用いたハーフブリッジ回路で構成してもよい。
【００７０】
上記各実施形態では、電気機器１２は電動歯ブラシを例示したが、これに限られない。電気機器１２として、例えば、主に洗面所の周囲で使用される電動シェーバーまたは電動脱毛器をはじめとする一般に理美容家電と言われる小物家電を適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明に係る非接触電力伝送システムは、回路の動作が不安定になる虞を抑制することができる非接触電力伝送システムとして有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１０，１０ａ  非接触電力伝送システム
１１  電力伝送部
１２  電気機器
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ４  コンデンサ
Ｆｃ  駆動周波数
Ｆ１〜Ｆ３  共振周波数
Ｌ１  伝送コイル
Ｌ２  集磁コイル
Ｌ３  受電コイル
Ｌ４  中継コイル
ＬＣ１  第１共振回路
ＬＣ２  第２共振回路
ＬＣ３  第３共振回路
ＬＤ  負荷
【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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