(57)【要約】【課題】大電力の非接触電力伝送、特に発熱体と電気機器を備える装置に対して非接触電力伝送を行う場合において、電磁ノイズを抑制しながら安定に電気機器の動作を保証できる非接触電力伝送装置を提供する。【解決手段】前記非接触電力伝送装置は、大電力により発熱する発熱部と小電力により動作する電気機器を備え、前記送電装置は、大電力を送電するための大電力送電部と小電力を送電するための小電力送電部を備え、前記受電装置は、前記大電力を受電する発熱部と前記小電力を受電するための小電力受電部を備え、前記小電力受電部は前記電気機器に電力を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置を備え、前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
前記送電装置は、大電力を送電するための大電力送電部と、小電力を送電するための小電力送電部を備え、
前記大電力送電部は、大電力送電コイル及び大電力共振容量により構成された大電力送電共振器を備え、前記小電力送電部は、小電力送電コイル及び小電力共振容量により構成された小電力送電共振器を備え、
前記受電装置は、前記大電力を受電するための大電力受電部と、前記小電力を受電するための小電力受電部を備え、
前記大電力受電部は、大電力受電コイル及び大電力共振容量により構成された大電力受電共振器を備え、前記小電力受電部は、小電力受電コイル及び小電力共振容量により構成された小電力受電共振器を備えることを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記大電力送電共振器と前記大電力受電共振器で構成される大電力系と、前記小電力送電共振器と前記小電力受電共振器で構成される小電力系では、共振周波数が異なることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項３】
前記非接触電力伝送装置は発熱部と電気機器を備え、
前記大電力受電部が発熱部であり、前記小電力受電部が前記電気機器に前記小電力を供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項４】
前記発熱部から発生する電磁ノイズが前記電気機器に漏洩しないように、前記発熱部の外周の少なくとも一部に電磁波シールドが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項５】
前記送電装置は送電側通信部を備え、
前記受電装置は受電側通信部と温度検出部を備え、
前記発熱部の周囲には熱媒体が配置され、
前記温度検出部は、前記発熱部若しくは前記熱媒体の温度を検出し、
前記受電側通信部は前記検出温度が予め定められた設定温度より高くなると、前記送電装置の送電側通信部に、送電する電力量を調節する指令を送信し、
前記送電側通信部はその受信した指令を前記大電力用送電回路に送信し、
前記大電力用送電回路は前記指令に基づいて送電する電力量を調節することを特徴とする請求項４に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項６】
前記送電装置は送電側通信部を備え、
前記受電装置は受電側通信部と温度検出部を備え、
前記発熱部の周囲には熱媒体が配置され、
前記温度検出部は、前記発熱部若しくは前記熱媒体の温度を検出し、
前記受電側通信部は前記検出温度を前記送電装置の送電側通信部に送信し、
前記送電側通信部は受信した前記検出温度が予め定められた設定温度より高くなると、前記大電力用送電回路に送電する電力量を調節する指令を送信し、
前記大電力用送電回路は前記指令に基づいて送電する電力量を調節することを特徴とする請求項４に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項７】
前記発熱部の前記送電装置とは反対側に電力回収コイルを配置し、前記電力回収コイルが前記発熱部で吸収されなかった電磁波を回収電力に変換し、前記回収電力が前記受電側通信部又は前記電気機器の少なくとも一方に供給されることを特徴とする請求項５又は６に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項８】
前記発熱部の前記送電装置とは反対側に補助コイルを配置し、前記大電力送電コイルと前記補助コイルの間に形成された受電空間に前記発熱部が配置されることを特徴とする請求項５又は６に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項９】
前記発熱部に近接して熱電素子を配置し、前記熱電素子が前記発熱部と前記熱媒体の温度差によって発電し、前記発電によって得られた電力が前記受電側通信部又は前記電気機器の少なくとも一方に供給されることを特徴とする請求項５又は６に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項１０】
前記受電装置に電池を配置し、前記電池が受電側通信部に電力を供給することを特徴とする請求項５又は６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、送電装置と受電装置の間の電力伝送を非接触（ワイヤレス）で行う非接触電力伝送装置に関し、特に、送電装置の送電共振器を構成する送電コイルと、受電装置の受電共振器を構成する受電コイルが、コイルの共振状態を利用して電力伝送を安定して行うための非接触電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で電力を伝送する方法（以下、無線給電と呼ぶ）として、電磁誘導による電磁誘導方式、電界または磁界の共振を利用した共鳴給電方式、及びマイクロ波を利用したマイクロ波送電方式が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導方式である。これは技術的には相互誘導におよそ位置付けすることができ、従来から様々な検討がされている。安価な回路で構成できるという優位性はあるが、送電距離が短いという課題がある。そこで最近、送電コイルと受電コイルの共振を利用して電力を数ｍ先まで伝送する共鳴給電方式が提案され、この技術を利用した製品開発が、電機メーカーや自動車メーカーを中心に進められている。
【０００３】
ところで、共鳴給電方式において給電の電力を大きくする場合には、周囲に電磁ノイズを漏らさないよう設計することが重要である。例えば、電力伝送の指向性を制御することによって、必要な個所にのみ電力を伝送できれば、電磁ノイズの問題は軽減できる。しかし、通常、無線給電に用いる周波数はマイクロ波以下の周波数であるため指向性に乏しく、電磁ノイズを抑制することは難しい。また、送電コイルと受電コイルが何らかの原因で正対位置からずれた場合には、電磁ノイズの発生が更に大きくなる傾向がある。
【０００４】
このため非接触電力伝送において、給電の電力を大きくする場合には、電磁波シールドなどを設けて電磁ノイズの漏えいを防ぐ必要がある。
【０００５】
さらに、環境温度が変化したり、送電装置と受電装置に金属異物が近づいた場合などでは、無線給電に適した周波数が大きな遷移を起こしてしまう問題もある。そのため、外部環境に関わらず適切な電力伝送を行うためには、送電周波数の調整機構を設け、電力伝送を担う送電コイルや受電コイルに対して適切な制御を行う必要がある。稀ではあるが、非接触での電力伝送中に急にコイルが脱落するとコイルに非常に高い電圧が発生する場合があり、最悪の場合、非接触電力伝送装置を壊す可能性もある。これを防ぐためには送電周波数の調整機構を適切に素早く動作させる必要がある。
【０００６】
ところで、特許文献１に開示されているような移動式の水洗便器があることはよく知られている。住宅内の複数の居室の壁や床に配管接続部を有する給排水設備配管を予め設置しておき、水洗便器を移動させ、水洗便器の室内配管を壁や床に設置した配管接続部に接続することで、水洗便器の使用が可能となる。居住者が要介護状態になり自力でトイレまで行くことが困難になった場合など、高齢化社会を迎え、この移動式水洗便器に対するニーズは大きくなっている。
【０００７】
そして、特許文献２に開示されているように、加熱可能な便座部と、モーター、電磁弁、各種センサ等の電気機器を搭載した暖房便座装置もよく知られている。便座には、誘導加熱コイルと導電体（発熱部）が設けられており、この誘導加熱コイルから発生する磁界で誘起される渦電流により導電体が発熱する。
【０００８】
上記特許文献１や特許文献２の特徴を併せ持つ、暖房便座を備えた移動式の水洗便器に電力を供給する際には、長距離で大電力の伝送が可能な共鳴給電方式が有利である。例えば、給排水設備配管を設けた壁や床の近くに送電コイルを設置しておき、移動式の水洗便器に受電コイルを設けておけば、コードレスで水洗便器に電力を供給できる。共鳴給電方式の場合、送電コイルと受電コイルが多少ずれても、高効率で電力を伝送でき、また、自動車のバッテリに給電できる程度の大電力も送電できる点で、他の非接触電力伝送方式よりも優位である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３３６６６５号公報
【特許文献２】特開２０１３−１４６４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
共鳴給電装置で暖房便座を備えた移動式の水洗便器に電力を供給する際には、便座に設けられた導電体（発熱部）が十分に発熱するように、誘導加熱コイルに大きな電力を与える必要がある。一方、移動式の水洗便器に搭載されたモーター、電磁弁、各種センサ等の電気機器は、小電力で動作できるが、誘導加熱コイルに大きな電力を与える結果、大きな電磁ノイズが発生して、電気機器が誤動作する原因となることが分かった。
【００１１】
すなわち、誘導加熱コイルに与えられた電力は、導電体で渦電流を発生させる目的にのみ使用され、導電体が発熱しさえすればよいので、誘導加熱コイルに与える電力の品質は問わず、電磁ノイズも問題にならない。一方、モーター、電磁弁、各種センサ等の電気機器は、正確な動作を保証するために、電磁ノイズから保護する必要があると共に、高品質の電力を与える必要があった。
【００１２】
さらには、環境温度が変化したり、送電装置と受電装置に金属異物が近づいた場合など、送電条件が所定の範囲外になった場合には、電力伝送を担う送受電コイルに対して適切な制御を行う必要があった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の非接触電力伝送装置は、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置を備え、前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、前記送電装置は、大電力を送電するための大電力送電部と、小電力を送電するための小電力送電部を備え、前記大電力送電部は、大電力送電コイル及び大電力共振容量により構成された大電力送電共振器を備え、前記小電力送電部は、小電力送電コイル及び小電力共振容量により構成された小電力送電共振器を備え、前記受電装置は、前記大電力を受電するための大電力受電部と、前記小電力を受電するための小電力受電部を備え、前記大電力受電部は、大電力受電コイル及び大電力共振容量により構成された大電力受電共振器を備え、前記小電力受電部は、小電力受電コイル及び小電力共振容量により構成された小電力受電共振器を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の非接触電力伝送装置によれば、大電力と小電力を分離して送電することができる。大電力は、例えば熱を発生させる発熱部に供給され、小電力は、例えば高品質な電力を必要とする電気機器に供給される。その結果、大電力を送電するにも関わらず、電気機器への電磁ノイズの拡散を効率的に抑制することができ、安定した高効率な非接触電力伝送装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の非接触電力伝送装置を模式的に示した図
【図２Ａ】発熱部と温度検出部と電磁波シールドを備えた本発明の受電装置の構成を示した図
【図２Ｂ】図２Ａにさらに電力回収コイルを追加した本発明の受電装置の構成を示した図
【図２Ｃ】図２Ａにさらに熱電素子を追加した本発明の受電装置の構成を示した図
【図２Ｄ】図２Ａにさらに電池を追加した本発明の受電装置の構成を示した図
【図３Ａ】本発明の非接触電力伝送装置における初期動作時のフローチャート
【図３Ｂ】本発明の非接触電力伝送装置における通常動作時のフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の非接触電力伝送装置は、上記構成を基本として、以下のような形態をとることができる。
【００１７】
本発明では、２つの経路を用いて無線電力伝送を行う。一方は大電力の無線電力伝送用の経路であり、他方は小電力の無線電力伝送用の経路である。２つの経路の無線電力伝送は、異なる周波数で行ってもよいし、同一の周波数としても良い。同一の周波数を用いる場合、大電力用の経路で余った電力が小電力用の経路に伝わらないように、電磁波シールドなどを用いて構造的な工夫をする必要がある。大電力の経路と小電力の経路を設ける例としては、暖房便座を備えた移動式の水洗便器に非接触で電力を供給する場合がある。
【００１８】
２つの経路には受電対象となる外部負荷に主な違いがある。大電力用の経路は、例えば電力の品質を問わない熱源に電力を供給する。暖房便座を備えた移動式の水洗便器では、大電力は大電力用送電コイルに与えられ、その電力は発熱体で渦電流を発生させる目的にのみ使用される。発熱体が発熱しさえすればよいので、大電力用の経路には、整流器や電圧変換などの回路は必ずしも必要ではない。但し、大電力をより効率的に受電するために、発熱体は他の部品より送電装置にできるだけ近づけるように配置する。
【００１９】
一方、小電力用の経路はノイズの少ない高品質の電力を必要とする電気機器に電力を供給する。暖房便座を備えた移動式の水洗便器では、モーター、電磁弁、各種センサ等の電気機器に小電力が供給されるため、小電力用の経路には小電力で送られた電圧を所定の電圧に変換する回路が必要である。
【００２０】
また、大電力経路、特に発熱体の温度を計測できるように受電装置には温度計測装置を備えるようにすることが好ましい。発熱体の温度が所定の温度以上になった場合、受電装置内に配置する受電側通信部から送電装置内に配置する送電側通信部に情報を伝送し、送電装置から受電装置に送られる電力伝送量を調節する。
【００２１】
また、前記受電装置内に、電池を組み込んでおき、非接触電力伝送装置の起動時には、電池から通信のための電力を供給することも可能である。
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
本発明の非接触電力伝送装置を、図１に斜視図で模式的に示す。非接触電力伝送装置は、送電装置１００と受電装置３００で構成される。送電装置１００と受電装置３００は、隔壁６００の両面に対向させて設置され、隔壁６００を挟んで電力伝送を行う。例えば、暖房便座を備えた移動式の水洗便器に非接触で電力を伝送する場合を想定すると、受電装置３００が水洗便器の内側に設けられる場合には、水洗便器の側壁が隔壁６００に相当する。送電装置１００が給排水設備配管を設けた壁の屋外側や床の下側に設置される場合には、壁や床が隔壁６００に相当する。あるいは、隔壁６００は水洗便器の側壁に相当し、かつ、壁や床に相当する場合もある。以下では、説明を簡単かつ一般化するために、いずれの概念も含めた隔壁６００を挟んで送電する場合について説明する。
【００２４】
送電装置１００は、小電力送電部と大電力送電部と送電側通信部で構成される。小電力送電部は小電力を送るための小電力用送電コイル１０１、小電力用共振容量を含む小電力用送電回路１０２で構成される。大電力送電部は大電力を送るための大電力用送電コイル２０１、大電力用共振容量を含む大電力用送電回路２０２で構成される。送電側通信部１０３は、受電装置３００との情報通信に用いられる。
【００２５】
受電装置３００は、小電力受電部と発熱部と受電側通信部で構成される。小電力受電部は小電力を受電するための小電力用受電コイル３０１と、整流し適切な電圧レベルに変換するための受電回路３０２で構成される。受電回路３０２は小電力用共振容量も含む。受電側通信部３０３は送電装置１００との情報通信に用いられる。受電回路３０２から出力される電力は、センサ類などの電気機器に供給される。例えば、暖房便座を備えた移動式の水洗便器に非接触で電力を伝送する場合を想定すると、電気機器としては、モーター、電磁弁、各種センサ等がある。一方、送電装置１００の大電力用送電コイル２０１から出力される電力は発熱部４０１に吸収され、うず電流を発生させることにより熱となる。
【００２６】
本発明では、２つの経路を用いて無線電力伝送を行うことに特徴がある。一方は大電力の無線電力伝送用の経路であり、他方は小電力の無線電力伝送用の経路である。すなわち、送電装置から電力量の異なる２つの電力を送る仕組みと、受電装置で一方の電力を品質の良い電力に変換し、他方は熱源として用いる仕組みを有することに特徴がある。２つの経路を用いて無線電力伝送を行うことにより、送電する電力量に応じて回路構成を適宜変えることができ、また、経路中に用いる部品も電力量に適した部品を選定できる。また、経路ごとに電力伝送周波数を異なるようにしておけば、経路間の相互干渉を低減できる。
【００２７】
受電装置は上記のように電力変換を行う場合と発熱部への熱として電力を供給する場合で、以下に示すような構成を取る。
【００２８】
図２Ａ乃至図２Ｄに本発明における受電装置３００の構成図のバリエーションを示す。
【００２９】
図２Ａは、図２Ａ乃至図２Ｄのバリエーションの基本となる受電装置３００Ａを示す。発熱部４０１は、渦電流損失を発生させやすい磁性を持った材料で構成されることが好ましい。中でも、送電装置１００の大電力用送電回路２０２から出力される電力の送電周波数付近で、透磁率の複素成分が大きい材料を用いることが好ましい。透磁率の複素成分の大きさはおよそ渦電流損と比例関係にあるためである。
【００３０】
発熱部４０１の周囲には熱媒体４０２を配置する。熱媒体４０２としては、例えば水を用いることが好ましい。熱媒体４０２によって温められた水は、水洗便器の温水として利用できる。
【００３１】
発熱部４０１に吸収されなかった電磁波が周囲に拡散するのを防ぐために、発熱部４０１と熱媒体４０２の周囲の少なくとも一部に電磁波シールド５００を配置する。
【００３２】
発熱部４０１は受電装置３００内の他の部品よりも送電装置１００に近い側に配置し、電力を効率良く受け外部に電磁ノイズを発生させないようにする。
【００３３】
温度検出部５０１は発熱部４０１の温度や熱媒体４０２の温度を検出し、その検出温度を受電側通信部３０３に伝達する。温度検出部５０１としては、例えばサーミスタを用いることが好ましい。受電側通信部３０３は検出温度が予め定められた設定温度より高くなると、送電装置１００の送電側通信部１０３に、送電する電力量を減少するか、若しくは送電を停止するように指令を送信する。送電側通信部１０３はその受信した指令を大電力用送電回路２０２に送信し、大電力用送電回路２０２は送電する電力量を減少するか、若しくは送電を停止する。若しくは、受電装置３００の受電側通信部３０３から検出温度を送電装置１００の送電側通信部１０３に送信し、検出温度が予め定められた設定温度より高くなると、送電側通信部１０３が大電力用送電回路２０２に送電する電力量を減少するか、若しくは送電を停止する指令を送信してもよい。
【００３４】
送電側通信部１０３及び受電側通信部３０３を実現するための通信手段としては、例えば、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を用いることができ、若しくは、小電力無線局や微弱無線を用いてもよい。なお、送電側通信部１０３及び受電側通信部３０３を備えなくとも、例えば小電力送電部に負荷通信制御機能を持たせることにより通信することも可能である。
【００３５】
以下では、図２Ａに基づいた受信装置３００のバリエーションについて詳説する。
【００３６】
図２Ｂは、図２Ａの構成に電力回収コイル５０２を追加した受信装置３００Ｂを示す。電力回収コイル５０２は、発熱部４０１に吸収されなかった電磁波を電力として再度回収する機能を有する。電力回収コイル５０２で受けた電力は受電回路３０２にて適正な整流や電圧変換された後、受電回路３０２から受電側通信部３０３やセンサ類などの電気機器に供給される。
【００３７】
一方、図２Ｂにおいて、電力回収コイル５０２からは積極的に電力を回収せず、電力回収コイル５０２を補助コイルとして配置することも可能である。電力回収コイル５０２を補助コイルとして配置した場合には、大電力用送電コイル２０１と補助コイルの間に均一磁場の受電空間を形成できるので、発熱体の発熱効率をさらに向上させることができる。なお、補助コイルの詳細については、特開２０１３−８５４３６公報に記載されている。
【００３８】
図２Ｃは、図２Ａの構成に熱電素子５０３を追加した受信装置３００Ｃを示す。高温となる発熱部４０１と、発熱部４０１と比較して低温となる熱媒体４０２の温度差により電力を発生し、その電力を受電装置３００Ｃの受電回路３０２に供給する。その電力は受電回路３０２にて適正な整流や電圧変換された後、受電回路３０２から受電側通信部３０３やセンサ類などの電気機器に供給される。
【００３９】
図２Ｄは、図２Ａの構成に電池５０４を追加した受信装置３００Ｄを示す。電池５０４は、例えば初期動作時において電力が送電装置１００から受電装置３００に送られない時に、受電側通信部３０３に電力を供給する。すなわち、電池５０４は、受電装置３００の状態を送電装置１００の送電側通信部１０３に情報を送信するための電源として働かせる。
【００４０】
なお、図２Ａ乃至図２Ｄにおける電気機器の具体例としては、例えば、暖房便座を備えた移動式の水洗便器に非接触で電力を伝送する場合を想定すると、モーター、電磁弁、各種センサ等が挙げられる。
【００４１】
図３Ａは本発明の非接触電力伝送装置の初期動作時のフローチャートを示し、図３Ｂは通常動作時のフローチャートで示した図である。初期動作時は、電源ＯＮ時の装置確認モードと、その時異常が検知された場合には、ユーザーに装置起動動作のエラーを伝える装置アラームモードの２つを用意する。通常動作時は、発熱部４０１と熱媒体４０２の温度をモニターしつつＰＩＤ制御を働かせることにより送電装置１００から受電装置３００に送られる電力を適正に制御する。また、省電力化するために一時的に電力を切る待機モードを用意して、ユーザーが別途設定する温度を保つ制御を行う。
【００４２】
なお、上記では、送電装置１００の大電力用送電コイル２０１から出力される電力は、直接、発熱部４０１に吸収される構成を例として説明したが、受電装置３００に大電力受電部を設けて、大電力受電部で大電力を受電してから、大電力受電部が発熱部４０１に給電する構成としてもかまわない。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の非接触電力伝送装置は、品質を問わない大電力と高品質の小電力を分けて伝送するので、通常だと大電力化に伴い回路構成が大きくなるところを、大幅に簡素化できる。また、大電力で発生する電磁ノイズが小電力に漏れ込むことや装置外部に漏えいすることを効果的に防止でき、安定した動作が要求される非接触電力伝送に好適である。
【符号の説明】
【００４４】
１００  送電装置
１０１  小電力用送電コイル
１０２  小電力用送電回路
１０３  送電側通信部
２０１  大電力用送電コイル
２０２  大電力用送電回路
３００  受電装置
３００Ａ  受電装置Ａ
３００Ｂ  受電装置Ｂ
３００Ｃ  受電装置Ｃ
３００Ｄ  受電装置Ｄ
３０１  小電力用受電コイル
３０２  小電力用受電回路
３０３  受電側通信部
４０１  発熱部
５００  電磁波シールド
５０１  温度検出部
５０２  電力回収コイル
５０３  熱電素子
５０４  電池
６００  隔壁
【図１】
2015119577.tif 000003
【図２Ａ】
2015119577.tif 000004
【図２Ｂ】
2015119577.tif 000005
【図２Ｃ】
2015119577.tif 000006
【図２Ｄ】
2015119577.tif 000007
【図３Ａ】
2015119577.tif 000008
【図３Ｂ】
2015119577.tif 000009