(57)【要約】      （修正有）【課題】送電装置から受電装置に非接触で電力供給される当該受電側の電力エネルギーを必要とせず、待機動作中の無負荷状態より受電装置に負荷が接続されているか否かを送電装置で検出するとともに、受電装置への送電電力を一定の実行電力とする。【解決手段】送電装置１から受電装置２に非接触で電力供給される当該受電側の電力エネルギーを必要とせず、待機動作中の無負荷状態より負荷の変動によって生じる電力増幅部１０２からの高調波やスプリアス成分による誤検出を防止した位相差検出回路１０８において、受電装置に負荷３が接続されているか否かを検出する。また、負荷への送電状態が継続中において当該負荷が充電動作等によってその状態が変動した場合であっても、負荷への送電による実行電力を一定の電力値で確保する。また、送電装置のリンクコイルＬ１１が断線しておらず接続されている正常状態の場合のみ送電が実行される。【選択図】図１
2012050286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
近傍電磁界において所定の並列共振周波数（ｆ１、ｆ２）をそれぞれ有する送電装置（１）の送電側共振器（１００）と受電装置（２）の受電側共振器（２００）との間で発生する磁界結合により、前記送電装置にて発生する電力を非接触で前記受電装置に供給する非接触給電装置であって、
前記送電装置は、順方向に伝搬する進行波電力信号（Ｐｆ）を生成するための発振器（１０１）と、前記発振器にて生成された前記進行波電力信号を増幅するための電力増幅部（１０２）と、前記電力増幅部からの前記進行波電力信号及び逆方向に伝搬する反射波電力信号（Ｐｒ）を同時に取出すための方向性結合器（１０３）と、前記方向性結合器にて取出される前記進行波電力信号及び前記反射波電力信号を乗算するための演算部（１０６）と、前記演算部の演算結果をもとに前記進行波電力信号及び前記反射波電力信号の位相差の変化を検出して前記受電装置の受電側共振器に接続される負荷（３）の有無を判別するための位相変化検出部（１０８）とを備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
前記送電装置は、前記発振器が発振する周波数以外の周波数成分を遮断するためのバンドパスフィルタ（１０４ａ、１０４ｂ）を備えることを特徴とする請求項１記載の非接触給電装置。
【請求項３】
前記送電装置は、前記位相変化検出部の検出結果をもとに前記負荷の有無を判別してから所定の時間（Ｔ）を計時するためのタイマ（１１１ａ）と、前記タイマにて計時される前記所定の時間内において前記電力増幅部の増幅利得を可変するための制御部（１１１）とを備えることを特徴とする請求項１記載の非接触給電装置。
【請求項４】
前記送電装置は、前記進行波電力信号及び前記反射波電力信号の振幅差を検出するための振幅差検出回路（１０９）と、前記振幅差が一定となるように前記電力増幅部の増幅利得を可変するための制御部（１１１）とを備えることを特徴とする請求項１記載の非接触給電装置。
【請求項５】
前記方向性結合器は、インピーダンス変換を行うためのリンクコイル（Ｌ１１）を経由して前記送電側共振器に結合され、
前記送電装置は、前記リンクコイルに接続され直流的には低インピーダンス、高周波的には高インピーダンスとなるインピーダンス可変素子（Ｌ１２）と、前記インピーダンス素子を経由して前記リンクコイルに直流が流れることにより当該リンクコイルが断線しておらず接続されていることの正常状態を検出する状態検出部（１１０）とを備えることを特徴とする請求項１記載の非接触給電装置。
【請求項６】
前記送電装置は、前記検出部が正常状態を検出したとき、前記電力増幅部を制御して前記発振器から前記方向性結合器への送電を実行するための状態制御部（１１１）を備えることを特徴とする請求項５記載の非接触給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電装置から受電装置に非接触で電力供給を行う非接触給電装置に係り、受電装置側に設けられる負荷の検出手段を有する非接触給電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、負荷（負荷装置）への非接触による電力供給を目的とした非接触給電装置では、負荷の検出や人の操作に基づく電力伝送の制御が困難なため、電力伝送可能な範囲内に負荷が存在しない場合でも当該装置は常に電力を伝送し続けることが一般的に行われており、無意味な電力伝送が発生する問題が生じていた。そこで、無意味な電力伝送を防止するにあたっては、電力供給装置側が受け側の存在を非接触により検知して、受ける側が電力伝送可能な範囲にいるときにのみ電力伝送を行う手段が必要となる。このような検知手段としては、受け手側に永久磁石を具備し、電力送出側に磁気スイッチを具備し、この永久磁石が磁気スイッチをオンにしている期間のみ、電力供給するような手段を有する非接触型充電器が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
また、近年、電磁誘導を利用し、金属部分の接点がなくても電力伝送を可能にする無接点電力伝送（非接触電力伝送）として、受電装置（２次側）から送電装置（１次側）へのデータ送信を、所謂、負荷変調により実現し、そして送電装置は、１次コイルの誘起電圧をコンパレータ等により検出することで、異物の挿入やデータ送信に伴う受電側（２次側）の負荷状態の変化を検出する無接点電力伝送装置が知られている（例えば、特許文献２を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１２６２３０号公報
【特許文献２】特開２００６−６０９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の非接触型充電器によれば、負荷装置の永久磁石から磁界を外部に放出するため、その外部に悪影響を及ぼすばかりでなく、非接触の距離を長くすることが困難であった。
【０００６】
また、特許文献２に記載の無接点電力伝送装置によれば、誘起電圧のピーク電圧を所定の閾値電圧と比較することで、受電側の負荷状態を検出していたため、電源電圧変動やコイル間の距離・位置関係の変動やコイルインダクタンス等の素子定数バラツキにより、検出電圧の判定のために用いられる閾値電圧にもバラツキが生じ、受電側の負荷状態を適正に検出することが困難であり、その検出にあたって受電側のエネルギーを使用してしまう難点があった。
【０００７】
本発明は、これらの難点を解消するためになされたもので、送電装置から受電装置に非接触で電力供給される当該受電側の電力エネルギーを必要とせず、待機動作中の無負荷状態より受電装置に負荷が接続されているか否かを送電装置で検出するとともに、受電装置への送電電力を一定の実行電力とする非接触給電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の目的を達成するため、本発明の第１の態様である非接触給電装置は、近傍電磁界において所定の並列共振周波数をそれぞれ有する送電装置の送電側共振器と受電装置の受電側共振器との間で発生する磁界結合により、送電装置にて発生する電力を非接触で受電装置へ供給する当該装置である。送電装置は、順方向に伝搬する進行波電力信号を生成するための発振器と、発振器にて生成された進行波電力信号を増幅するための電力増幅部と、電力増幅部からの進行波電力信号及び逆方向に伝搬する反射波電力信号を同時に取出すための方向性結合器と、方向性結合器にて取出される進行波電力信号及び反射波電力信号を乗算するための演算部と、演算部の演算結果をもとに進行波電力信号及び反射波電力信号の位相差の変化を検出して受電装置の受電側共振器に接続される負荷の有無を判別するための位相変化検出部とを備えている。
【０００９】
また、本発明の第２の態様である非接触給電装置は、本発明の第１の態様において、送電装置は、発振器が発振する周波数以外の周波数成分を遮断するためのバンドパスフィルタを備えている。
【００１０】
また、本発明の第３の態様である非接触給電装置は、本発明の第１の態様において、送電装置は、位相変化検出部の検出結果をもとに負荷の有無を判別してから所定の時間を計時するためのタイマと、タイマにて計時される所定の時間内において電力増幅部の増幅利得を可変するための制御部とを備えている。
【００１１】
また、本発明の第４の態様である非接触給電装置は、本発明の第１の態様において、送電装置は、進行波電力信号及び反射波電力信号の振幅差を検出するための振幅差検出回路と、振幅差が一定となるように電力増幅部の増幅利得を可変するための制御部とを備えている。
【００１２】
また、本発明の第５の態様である非接触給電装置は、本発明の第１の態様において、方向性結合器は、インピーダンス変換を行うためのリンクコイルを経由して送電側共振器に結合されている。送電装置は、リンクコイルに接続され直流的には低インピーダンス、高周波的には高インピーダンスとなるインピーダンス可変素子と、インピーダンス可変素子を経由してリンクコイルに直流が流れることにより当該リンクコイルが断線しておらず接続されていることの正常状態を検出する状態検出部とを備えている。
【００１３】
また、本発明の第６の態様である非接触給電装置は、本発明の第５の態様において、送電装置は、検出部が正常状態を検出したとき、電力増幅部を制御して発振器から方向性結合器への送電を実行するための制御部を備えている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の非接触給電装置によれば、送電装置から受電装置に非接触で電力供給される当該受電側の電力エネルギーを必要とせず、待機動作中の無負荷状態より負荷の変動によって生じる電力増幅部からの高調波やスプリアス成分による誤検出を防止した位相差検出回路において、受電装置に負荷が接続されているか否かを検出することができ、また、負荷への送電状態が継続中において当該負荷が充電動作等によってその状態が変動した場合であっても、負荷への送電による実行電力が減少せず一定の電力値で確保される。また、送電装置のリンクコイルが断線しておらず接続されている正常状態の場合のみ送電が実行されるため、リンクコイルが断線したり非接続であるような異常状態の場合において、例えば、ショートモードでの故障を容易に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施例による非接触給電装置の具体的な構成を示す回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の非接触給電装置を適用した最良の実施の形態例について、図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施例による非接触給電装置の具体的な構成を示す回路ブロック図である。この非接触給電装置は、例えば、４００ｋＨｚ〜２０ＭＨｚの周波数環境である近傍電磁界において、後述する所定の並列共振周波数ｆ１、ｆ２をそれぞれ有する送電装置１の送電側共振器１００と受電装置２の受電側共振器２００との間で発生する磁界結合（電磁界結合）により、送電装置１にて発生する電力を非接触で受電装置２に供給するものである。
【００１８】
次に、送電装置１の構成を説明するにあたり、この送電装置１には、送電側共振器１００、発振器１０１、電力増幅部１０２、方向性結合器１０３、（２つの）バンドパスフィルタ（以下、進行波用ＢＰＦ、反射波用ＢＰＦという。）１０４ａ、１０４ｂ、（２つの）分配器（以下、進行波用分配器、反射波用分配器という。）１０５ａ、１０５ｂ、演算部１０６、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦという。）１０７、位相変化検出部１０８、振幅差検出回路１０９、平滑コンデンサＣ１１、（送電側）リンクコイルＬ１１、インピーダンス可変素子Ｌ１２、状態検出部１１０及び制御部１１１が備えられている。
【００１９】
この送電装置１において、送電側発振器１００は、式（１）に示す並列共振周波数ｆ１の条件を有するピックアップコイルＬ１０及び共振コンデンサＣ１０が並列に接続されており、リンクコイルＬ１１に高周波（高調子）電流が流れることにより発生する磁界をピックアップコイルＬ１０で受け、この電磁誘導作用により得られる電流を増幅して定電流に制御するためのものである。
【００２０】
【数１】
2012050286.tif 000003
【００２１】
発振器１０１は、順方向に伝搬する進行波電力信号Ｐｆの例えば、１mＷの信号波を生成するためのものである。また、電力増幅部１０２は、制御部１１１により増幅利得が制御され、発振器１０１にて生成された進行波電力信号Ｐｆの信号波を増幅し、例えば、１００Ｗの強電波信号として送出するためのものである。さらに、方向性結合器１０３は、リンクコイルＬ１１が平滑コンデンサＣ１１を経由して接続され、このリンクコイルＬ11を経由して送電側共振器１００に結合されるものであって、電力増幅部１０２からの進行波電力信号Ｐｆ（の位相信号及び振幅信号）及び逆方向に伝搬する反射波電力信号Ｐｒ（の位相信号及び振幅信号）を同時に取出すことができる。
【００２２】
進行波用ＢＰＦ１０４ａは、方向性結合器１０３にて取出される進行波電力信号Ｐｆ（の位相信号及び振幅信号）の周波数成分のうち、発振器１０１が発振する周波数以外の周波数成分、すなわち、基本波以外の周波数成分を遮断するためのものである。また、反射波用ＢＰＦ１０４ｂは、方向性結合器１０３にて取出される反射波電力信号Ｐｒ（の位相信号の）周波数成分のうち、発振器１０１が発振する同様な基本波以外の周波数成分を遮断するためのものである。
【００２３】
進行波用分配器１０５ａは、進行波用ＢＰＦ１０４ａからの出力信号を演算部１０６及び振幅差検出回路１０９にそれぞれ分配して送出するためのものである。また、反射波用分配器１０５ｂは、反射波用ＢＰＦ１０４ｂからの出力信号を演算部１０６及び振幅差検出回路１０９にそれぞれ分配して送出するためのものである。
【００２４】
演算部１０６は、方向性結合器１０３にて取出される進行波電力信号Ｐｆ（の位相信号及び振幅信号）及び反射波電力信号Ｐｒ（の位相信号及び振幅信号）であって、進行波用ＢＰＦ１０４ａ及び反射波用ＢＰＦ１０４ｂ、進行波用分配器１０５ａ及び反射波用分配器１０５ｂをそれぞれ経由した当該信号を乗算するためのものである。また、ＬＰＦ１０７は、演算部１０６からの出力信号の高周波成分を遮断するためのものである。
【００２５】
位相変化検出部１０８は、ＬＰＦ１０７からの出力信号をもとに、進行波電力信号Ｐｆ及び反射波電力信号Ｐｒの位相差の変化を検出し、受電装置２の受電側共振器２００（に後述するリンクコイルＬ２１を経由して）接続される負荷３の有無を判別するためのものである。
【００２６】
振幅検出回路１０９は、方向性結合器１０３にて取出される進行波電力信号Ｐｆ（の位相信号及び振幅信号）及び反射波電力信号Ｐｒ（の位相信号及び振幅信号）であって、進行波用ＢＰＦ１０４ａ及び反射波用ＢＰＦ１０４ｂをそれぞれ経由した当該信号の振幅差を検出するためのものである。
【００２７】
平滑コンデンサＣ１１は、方向性結合器１０３からの出力信号である進行波電力信号Ｐｆを平滑するためのものである。また、リンクコイルＬ１１は、平滑コンデンサＣ１１を経由した方向性結合器１０３からの出力である定電流又はインピーダンス可変素子Ｌ１２、検出部１１０を経由した直流電源Ｖｃｃの定電流を定電圧に変換するインピーダンス変換を行うためのものである。さらに、インピーダンス可変素子Ｌ１２は、リンクコイルＬ１１に接続される例えば、チョークコイルにて構成されるものであって、直流的には低インピーダンス、高周波的には高インピーダンスとなるものである。
【００２８】
状態検出部１１０は、直流電源Ｖｃｃからインピーダンス可変素子Ｌ１２を経由してリンクコイルＬ１１に直流が流れることにより、リンクコイルＬ１１が断線しておらず接続されていることの正常状態を検出するものであって、リレー１１０ａ及びスイッチ１１０ｂにて構成されている。
【００２９】
制御部１１１は、位相変化検出部１０８の検出結果をもとに負荷３の有無を判別してから所定の時間Ｔを計時するためのタイマ１１１ａが備えられており、このタイマ１１１ａにて計時される所定の時間内Ｔにおいて電力増幅部１０２の増幅利得を可変するとともに、進行波電力信号Ｐｆ及び反射波電力信号Ｐｒの振幅差が一定となるように電力増幅部１０２の増幅利得を可変し、さらには、状態検出部１１０が正常状態を検出したとき、電力増幅部１０２を制御して発振器１０１から方向性結合器１０３への送電を実行するためのものである。
【００３０】
なお、送電装置１の構成として、タイマ１１１ａは制御部１１１に備えられる態様に限定されるものではなく、制御部１１１と別体で設けられ、この制御部１１１によって制御される構成であってもよい。
【００３１】
次に、受電装置２の構成を説明するにあたり、この受電装置１には、受電側共振器２００、（受電側）リンクコイルＬ21が備えられている。
【００３２】
この受電装置２において、受電側発振器２００は、式（２）に示す並列共振周波数ｆ２の条件を有するピックアップコイルＬ２０及び共振コンデンサＣ２０が並列に接続されており、電磁誘導を利用し、ピックアップコイルＬ２０で非接触によって電流を取出し、この電流を増幅して定電流に制御するためのものである。
【００３３】
【数２】
2012050286.tif 000004
【００３４】
リンクコイルＬ２１は、受電側発振器２００からの出力である定電流を定電圧に変換するインピーダンス変換を行い、負荷３に電力供給するためのものである。
【００３５】
このように構成された本発明の実施例による非接触給電装置において、以下、具体的な動作について説明する。
【００３６】
図１に示す非接触給電装置が待機動作中であるとき、送電装置１の方向性結合器１０３は、発振器１０１にて生成され電力増幅部１０２を経由して順方向に伝搬される進行波電力信号Ｐｆの式（３）に示す位相信号と、この進行波電力信号Ｐｆとは逆方向に伝搬される反射波電力信号Ｐｒの式（４）に示す位相信号とを同時に取出し、進行波用ＢＰＦ１０４ａ及び反射波用ＢＰＦ１０４ｂにそれぞれ送出する。ここで、式（３）、（４）に示す「Ａ」、「Ｂ」は振幅値であって、同式（３）、（４）及び後述の式（５）、（６）に示す「ω」は角周波数、「Δ（デルタ）ｔ」は位相のずれである。
【００３７】
【数３】
2012050286.tif 000005
【００３８】
【数４】
2012050286.tif 000006
【００３９】
進行波用ＢＰＦ１０４ａは、方向性結合器１０３からの進行波電力信号Ｐｆの周波数成分のうち、発振器１０１が発振する周波数以外の周波数成分、例えば、基本波である１０ＭＨｚ以外の周波数成分を遮断し、進行波用分配器１０５ａを経由して演算部１０６及び振幅差検出部１０９にそれぞれ送出する。一方、反射波用ＢＰＦ１０４ｂは、方向性結合器１０３からの反射波電力信号Ｐｒの周波数成分のうち、発振器１０１が発振する前述と同様な例えば、基本波である１０ＭＨｚ以外の周波数成分を遮断し、反射波用分配器１０５ｂを経由して演算部１０６及び振幅差検出部１０９にそれぞれ送出する。
【００４０】
演算部１０６は、進行波用ＢＰＦ１０４ａを経由した方向性結合器１０３からの進行波電力信号Ｐｆと、反射波用ＢＰＦ１０４ｂを経由した方向性結合器１０３からの反射波電力信号Ｐｒとを乗算することにより、式（５）に示す出力信号Ｓ１を生成する。ここで、式（５）に示す「Ｃ」は「ＡＢ／２」である。
【００４１】
【数５】
2012050286.tif 000007
【００４２】
ＬＰＦ１０７は、演算部１０６からの出力信号Ｓ１の高周波成分を遮断し、式（６）に示す出力信号Ｓ２を生成することにより、反射波用電力信号Ｐｒに比例した当該信号が得られる。
【００４３】
【数６】
2012050286.tif 000008
【００４４】
位相変化検出部１０８は、ＬＰＦ１０７からの出力信号Ｓ２の時間的変化について例えば、微分演算を行うにあたり、進行波用ＢＰＦ１０４ａ及び反射波用ＢＰＦ１０４ｂをそれぞれ経由して発振器１０１が発振する周波数以外の周波数成分、例えば、基本波である１０ＭＨｚ以外の周波数成分が遮断されているため、送電用の基本周波数、すなわち、角周波数ωのみで進行波電力信号Ｐｆ及び反射波電力信号Ｐｒの位相差を検出することができ、例えば、負荷３が変動した場合に電力増幅部１０２からの進行波電力信号Ｐｆに高調波やスプリアス成分が発生するように、発振器１０１が発振する周波数以外の周波数成による誤った位相検出を防止でき、その検出結果として反射波の変化が生じた場合には、受電装置２の受電側共振器２００に（リンクコイルＬ２１を経由して）負荷３が接続されていることを判別し、その旨の検出データＳ３を制御部１１１に送出する。
【００４５】
制御部１１１は、位相変化検出部１０８からの検出データＳ３の受信を検出してタイマ１１１ａの計時機能を能動とし、所定の時間Ｔである例えば、負荷３の非駆動時又は駆動時においてその動作電源を充電するに必要とされる時間Ｔを開始させ、この時間Ｔ内において電力増幅部１０２の増幅利得を制御、例えば、最大にすることができ、そのタイムアップを検出すると、増幅利得を待機状態の所定レベルに戻す。
【００４６】
ここで、振幅差検出回路１０９は、前述のような制御部１１１による電力増幅部１０２への利得制御中の所定の時間Ｔ内において、方向性結合器１０３から進行波用ＢＰＦ１０４ａ、進行波用分配器１０５ａを順次経由して伝送されてくる進行波電力信号Ｐｆと、方向性結合器１０３から反射波用ＢＰＦ１０４ｂ、反射波用分配器１０５ｂを経由して伝送されてくる反射波電力信号Ｐｒの振幅差を検出し、その旨の検出データＳ４を制御部１１１に送出する。
【００４７】
制御部１１１は、振幅差検出部１０９からの検出データＳ４の受信をもとに、進行波電力信号Ｐｆ及び反射波電力信号Ｐｒの差分値が一定となるように、電力増幅部１０２の増幅利得を可変することができる。これにより、負荷３への送電状態が継続中において当該負荷が充電動作等によってその状態が変動した場合であっても、負荷３への送電による実行電力が減少せず一定の電力値で確保されることになる。
【００４８】
前述までの動作によれば、送電装置１から受電装置２に非接触で電力供給される当該受電側の電力エネルギーを必要とせず、待機動作中の無負荷状態より負荷３の変動によって生じる電力増幅部１０２からの高調波やスプリアス成分による誤検出を防止した位相差検出回路１０８において、受電装置２の受電側共振器２００に（リンクコイルＬ２１を経由して）負荷３が接続されているか否かを検出することができ、また、負荷３への送電状態が継続中において当該負荷が充電動作等によってその状態が変動した場合であっても、負荷３への送電による実行電力が減少せず一定の電力値で確保されるものの、この状態は、リンクコイルＬ１１が断線したり非接続のような異常状態である場合にも継続されることになる。
【００４９】
そこで、送電装置１の状態検出部１００によれば、リンクコイルＬ１１が断線しておらず接続されている正常状態のとき、インピーダン可変素子Ｌ１２を経由して直流電源Ｖｃｃからの直流電流がリンクコイルＬ１１に流れるため、リレー１１０ａが駆動してスイッチ１１０ｂがオフ状態からオン状態に切換わる。これを検出した制御部１１１は、電力増幅部１０２を制御して発振器１０１から方向性結合器１０３への送電を実行する、すなわち、進行波電力信号Ｐｒの伝送を許可することになり、リンクコイルＬ１１が断線したり非接続であるような異常状態のときには送電が実行されないため、当該送電に起因して発生する、例えば、ショートモードでの故障を容易に防止することができる。
【００５０】
なお、本発明の非接触給電装置においては、特定の実施の形態をもって説明してきたが、この形態に限定されるものでなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られた如何なる構成の当該装置であっても採用できるということはいうまでもないことである。
【符号の説明】
【００５１】
１……送電装置
１００……送電側共振器
ｆ１……（送電側共振器の）並列共振周波数
１０１……発振器
１０２……電力増幅部
１０３……方向性結合器
１０４ａ……進行波用ＢＰＦ（パンドパスフィルタ）
１０４ｂ……反射波用ＢＰＦ（パンドパスフィルタ）
１０６……演算部
１０８……位相変化検出部
１０９……振幅差検出部
１１０……状態検出部
１１１……制御部
１１１ａ……タイマ
Ｌ１１……リンクコイル
Ｌ１２……インピーダンス可変素子
２……受電装置
２００……受電側共振器
ｆ２……（受電側共振器の）並列共振周波数
３……負荷
Ｐｆ……進行波電力信号
Ｐｒ……反射波電力信号
【図１】
2012050286.tif 000009