(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電源からの高周波電圧が両端に印加される１次コイルおよびこの１次コイルに印加される高周波電圧に応じて起電力を誘導して誘導電圧を得る２次コイルを有し、前記１次コイルおよび２次コイルが分離着脱式に構成されて成るトランスと、
前記２次コイルと並列接続されるコンデンサと、
前記２次コイルに誘導される起電力を直流電力に整流して次段に伝達する整流回路と
を備え、
前記コンデンサの容量値は、前記高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、当該コンデンサに生じる振動電圧の値が極値となる時点とが一致するように設定される
非接触電力伝達装置。
【請求項２】
前記コンデンサに生じる振動電圧が所定時間間隔毎に複数回現れる場合には、前記コンデンサの容量値は、前記高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、前記複数回のうち初回の振動電圧の値が極値となる時点とが一致するように設定される請求項１記載の非接触電力伝達装置。
【請求項３】
前記次段には平滑用コンデンサを有する定電圧負荷が接続される請求項１または２記載の非接触電力伝達装置。
【請求項４】
前記整流回路は半波整流回路である請求項３記載の非接触電力伝達装置。
【請求項５】
前記半波整流回路の一方の出力端子と前記次段との間に介在するチョークコイルを備える請求項４記載の非接触電力伝達装置。
【請求項６】
前記２次コイルにはセンタタップが設けられ、
前記整流回路は、当該整流回路の出力端子と前記センタタップとの間に接続される前記次段に前記整流後の直流電力を伝達する
請求項１〜３のいずれかに記載の非接触電力伝達装置。
【請求項７】
前記整流回路の出力端子と前記次段との間に介在するチョークコイルを備える請求項６記載の非接触電力伝達装置。
【請求項８】
前記整流回路はブリッジ整流回路である請求項１〜３のいずれかに記載の非接触電力伝達装置。
【請求項９】
前記ブリッジ整流回路の一方の出力端子と前記次段との間に介在するチョークコイルを備える請求項８記載の非接触電力伝達装置。
【請求項１０】
前記高周波電圧の電圧波形は方形波状である請求項１または２記載の非接触電力伝達装置。
【請求項１１】
前記高周波電源は、複数のスイッチング素子により構成されるインバータ回路を有し、前記高周波電圧の立ち上がりおよび立ち下がり部で部分共振によるソフトスイッチングを行って、台形波状の高周波電圧を前記１次コイルの両端に印加する請求項１０記載の非接触電力伝達装置。
【請求項１２】
前記高周波電圧の電圧波形は正弦波状である請求項１〜３のいずれかに記載の非接触電力伝達装置。
【請求項１３】
前記１次コイルと並列接続される電圧共振用のコンデンサを備える請求項１２記載の非接触電力伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分離着脱式の１次コイルおよび２次コイルを有するトランスと、このトランスの２次コイルに誘導される起電力を直流電力に整流して次段に伝達する整流回路とにより構成される非接触電力伝達装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の非接触電力伝達装置には、２次コイルにコンデンサを並列接続して、このコンデンサと２次コイルとに共振が起こるように、１次コイル側の発振周波数を決める方法が種々知られている。これは、ラジオ受信機において、所望のチャンネルに合わせるべく、可変容量のコンデンサを調整して、その容量値とアンテナを兼ねるラジオ受信機内のコイルのインダクタンス値とで決まる共振周波数を放送搬送波の周波数と一致させるいわゆる同調をとるのと似ている。電気工学的には、正弦波電圧や電流を扱う場合、その交流周波数をｆとすれば、インダクタンスＬによる誘導リアクタンス２πｆＬと、容量Ｃによる容量リアクタンス１／（２πｆＣ）とのベクトル合成分が打ち消しあって、インピーダンスが最小、すなわち抵抗分のみになることを示している。
【０００３】
ここで、例えば、特願平４−３０７７０６号公報には、給電側コイルとこれに並列接続された共振コンデンサからなる給電側の発振回路と、受電側コイルとこれに並列接続された共振コンデンサからなる受電側の共振回路とを有し、給電側の電力を給電側のコイルから受電側コイルへ電磁誘導により非接触で供給する電力供給装置において、給電側コイルと受電側コイルの両方の磁束の影響を受けて発生する誘導起電力を検出する検出コイルと、この検出コイルが検出した誘導起電力の周波数に応じて、給電側コイルに供給される電力の交流周波数を変化させて給電側の発振周波数を受電側の共振周波数に同調させる制御手段とを備えたものが開示されている。
【０００４】
また、特願平１−２３５３９９号公報には、送信側コイルと間隙を設けて対向する受信側コイルに電磁誘導により無線で電力を送る時、受信側コイルに共振回路を形成させ、共振周波数に近い周波数で電力を送る方法、および送信側コイルと間隙を設けて対向する受信側コイルに電磁誘導により無線で電力を送る時、送信側コイルに共振回路を形成させ、受信側コイルにもそれぞれの共振周波数が近くなるように設定し、共振周波数に近い周波数で電力を送る方法が記載されている。
【０００５】
このように電磁誘導を利用して非接触で給電を行う場合、上記いづれの公報も電力を２次側に効率よく伝達するのが狙いであり、従来からあるラジオ受信機の同調の考え方を適用したものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記同調の考え方を適用する方法では、電力の伝達効率が必ずしも最適にならないことが実験やシミュレーションなどで判明した。つまり、同調の考え方を適用して求めたコンデンサの容量値が回路構成などによって電力の伝達効率が最適となる容量値とならないものが存在していた。さらに、電力の伝達効率が最適となる容量値は回路構成や動作条件によって異なる値をとることが分かった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電力の伝達効率を最適にし得る非接触電力伝達装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項１記載の非接触電力伝達装置は、高周波電源からの高周波電圧が両端に印加される１次コイルおよびこの１次コイルに印加される高周波電圧に応じて起電力を誘導して誘導電圧を得る２次コイルを有し、前記１次コイルおよび２次コイルが分離着脱式に構成されて成るトランスと、前記２次コイルと並列接続されるコンデンサと、前記２次コイルに誘導される起電力を直流電力に整流して次段に伝達する整流回路とを備え、前記コンデンサの容量値は、前記高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、当該コンデンサに生じる振動電圧の値が極値となる時点とが一致するように設定されるものである。
【０００９】
この構成では、高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、コンデンサに生じる振動電圧の値が極値となる時点とが一致するように、コンデンサの容量値が設定されるので、次段に流れる電流の平均レベルが最大になる。これにより、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００１０】
なお、前記コンデンサに生じる振動電圧が所定時間間隔毎に複数回現れる場合には、前記コンデンサの容量値は、前記高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、前記複数回のうち初回の振動電圧の値が極値となる時点とが一致するように設定される構成でもよい（請求項２）。この構成によれば、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００１１】
また、前記次段には平滑用コンデンサを有する定電圧負荷が接続される構成でもよい（請求項３）。この構成によれば、定電圧負荷に対する電流の平均レベルを最大にすることが可能となる。
【００１２】
また、前記整流回路は半波整流回路であってもよい（請求項４）。この構成でも、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００１３】
また、前記半波整流回路の一方の出力端子と前記次段との間に介在するチョークコイルを備える構成でもよい（請求項５）。この構成でも、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００１４】
また、前記２次コイルにはセンタタップが設けられ、前記整流回路は、当該整流回路の出力端子と前記センタタップとの間に接続される前記次段に前記整流後の直流電力を伝達する構成でもよい（請求項６）。この構成でも、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００１５】
また、前記整流回路の出力端子と前記次段との間に介在するチョークコイルを備える構成でもよい（請求項７）。この構成でも、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００１６】
また、前記整流回路はブリッジ整流回路であってもよい（請求項８）。この構成でも、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００１７】
また、前記ブリッジ整流回路の一方の出力端子と前記次段との間に介在するチョークコイルを備える構成でもよい（請求項９）。この構成でも、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００１８】
また、前記高周波電圧の電圧波形が方形波状であっても（請求項１０）、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００１９】
また、前記高周波電源は、複数のスイッチング素子により構成されるインバータ回路を有し、前記高周波電圧の立ち上がりおよび立ち下がり部で部分共振によるソフトスイッチングを行って、台形波状の高周波電圧を前記１次コイルの両端に印加する構成でもよい（請求項１１）。この構成でも、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００２０】
また、前記高周波電圧の電圧波形は正弦波状であっても（請求項１２）、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００２１】
さらに、前記１次コイルと並列接続される電圧共振用のコンデンサを備える構成でもよい（請求項１３）。この構成でも、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の非接触電力伝達装置に係る実施形態の基本回路図で、この図に示す非接触電力伝達装置は、高周波電源１１からの高周波電圧Ｅ1Sが両端に印加される１次コイルＬ１およびこの１次コイルＬ１に印加される高周波電圧Ｅ1Sに応じて起電力を誘導して誘導電圧を得る２次コイルＬ２を有し、１次コイルＬ１側および２次コイルＬ２側が互いに所定のギャップ長だけ非接触状態で離間するとともに分離着脱式に構成されて成るいわゆる分離着脱式（非接触分離着脱式）のトランス１２と、２次コイルＬ２と並列接続されるコンデンサＣ１と、２次コイルＬ２に誘導される起電力を直流電力に整流して次段の２次電池Ｂに伝達する半波整流用のダイオードＤ１とを備えている。
【００２３】
ただし、図１に示す例では、高周波電源１１は、直流電源ＤＣと並列接続される直列接続のコンデンサＣ１１，Ｃ１２と、これらコンデンサＣ１１，Ｃ１２と並列接続される直列接続のスイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２とにより構成されており、コンデンサＣ１１，Ｃ１２の接続点とスイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２の接続点との間に上記１次コイルＬ１が接続されている。なお、スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２は、トランジスタでもＦＥＴでもよく、図略の制御回路によって周期Ｔ０ごとに交互にオン／オフされる（後述の図１０参照）。また、高周波電源は、ハーフブリッジ回路に限らず、例えばフルブリッジ回路でも同様である。
【００２４】
次に、上記構成の非接触電力伝達装置におけるコンデンサＣ１の容量値の設定について図面をさらに参照しながら詳述する。
【００２５】
図２は図１に示す非接触電力伝達装置からコンデンサＣ１を外した場合の回路図、図３は図２の２次側換算の等価回路図、図４は図２および図３に示す各部の信号波形図である。ただし、図４に示すＥ2S、ＶL02およびＩｄは、図３に示す同符号の信号と対応している。
【００２６】
図２に示す回路では、高周波電源１１から１次コイルＬ１に方形波の高周波電圧Ｅ1Sが印加し、これに応じて２次コイルＬ２に起電力が誘導され、この起電力がダイオードＤ１で半波整流されて、充電電流が２次電池Ｂに流れる構成になっている。
【００２７】
一方、この構成の図３に示す等価回路では、電源の電圧Ｅ2Sの振幅Ｅ2 は次の（数１）で表され、２次側から見た漏れインダクタンスに相当するインダクタンスＬ０２は次の（数２）で表される。
【００２８】
【数１】
0003743193.tif 000002
【００２９】
【数２】
0003743193.tif 000003
【００３０】
ただし、Ｅ1 は高周波電圧Ｅ1Sの振幅を示す。また、１次コイルＬ１および２次コイルＬ２の各符号は自己インダクタンスを示し、Ｍは１次コイルＬ１および２次コイルＬ２の相互インダクタンスを示す。
【００３１】
図３に示す電圧Ｅ2Sの振幅Ｅ2 が２次電池Ｂの電圧Ｅｄより高い場合、図４に示すように、２次電池Ｂに充電電流Ｉｄが流れる。ただし、図４のＩａは充電電流の平均レベルを示す。
【００３２】
ここで、図１に示すように、２次コイルＬ２にコンデンサＣ１を並列接続すると、このコンデンサＣ１の容量値に応じて充電電流Ｉｄの平均レベルＩａが図５に示すように変化する。ただし、図５では、縦軸上のＩａはコンデンサＣ１が接続されていない場合のレベルを示し、Ｃ１ｍは平均レベルＩａが最大となる場合のコンデンサＣ１の容量値を示す。すなわち、充電電流Ｉｄの平均レベルＩａを最大にし得るコンデンサＣ１の最適値Ｃ１ｍが存在するのである。
【００３３】
図６は図１の２次側換算の等価回路図、図７〜９はそれぞれコンデンサＣ１の容量値が最適値Ｃ１ｍよりも小さい場合、等しい場合および大きい場合の各部の波形図である。これらの図から、コンデンサＣ１の容量を変えると、充電電流Ｉｄの波形が変化して、その平均レベルＩａが変化するのが分かる。そして、コンデンサＣ１の容量値が最適値Ｃ１ｍである場合、特徴的な波形条件が成り立つことを見い出した。
【００３４】
図１０はコンデンサＣ１の容量値が最適値Ｃ１ｍと等しい場合の各部の詳細な波形図で、この図を用いて、まず図１の回路動作について説明すると、定常状態において、電圧Ｅ1S，Ｅ2Sがともに正である期間Ｔ２に入ると、ダイオードＤ１が導通して、それまでコンデンサＣ１に流れていた電流ＩC1が充電電流Ｉｄとして２次電池Ｂに転流し、充電電流Ｉｄが徐々に増大する。
【００３５】
この後、電圧Ｅ1S，Ｅ2Sがともに負となって期間Ｔ３に入ると、充電電流Ｉｄが徐々に減少してゼロになり、ダイオードＤ１が遮断状態になる。
【００３６】
ダイオードＤ１が遮断状態になると期間Ｔ４に入り、２次電池Ｂに流れていた電流がコンデンサＣ１に転流し、図６に示す電流ＩC1（＝ＩL02）が、電圧Ｅ2Sの電源、インダクタンスＬ０２およびコンデンサＣ１の直列共振回路に振動電流として流れ、これに伴ってコンデンサＣ１の電圧ＶC1も振動する。この後、電流ＩC1が増加に転じてほぼゼロになると期間Ｔ４が終了する。
【００３７】
期間Ｔ４が終了すると、電圧Ｅ1S，Ｅ2Sがともに正となって期間Ｔ１に入り、直列共振回路の電流ＩC1がさらに増大して、コンデンサＣ１の電圧ＶC1もさらに上昇する。振動電流としての電流ＩC1の増大はコンデンサＣ１の電圧ＶC1が２次電池Ｂの電圧Ｅｄと等しくなるまで続く。そして、電圧ＶC1が電圧Ｅｄと等しくなると、ダイオードＤ１が導通する上述の期間Ｔ２に戻る。
【００３８】
ここで、コンデンサＣ１の容量値が最適値Ｃ１ｍと等しい場合の上記回路動作において、期間Ｔ４の終了時点に着目すると、高周波電圧Ｅ1Sおよび誘導電圧の極性反転の時点と、コンデンサＣ１に生じる振動電圧ＶC1の値が極値となる時点とが一致している。より詳しく言うと、電圧Ｅ1S，Ｅ2Sの極性が負から正に反転する時点と、コンデンサＣ１の振動電圧ＶC1が極小値になる時点とが一致しているのである。つまり、１次側高周波電圧および２次側誘導電圧の極性が負から正に反転する時点と、２次側換算された電圧Ｅ2Sの電源、２次側換算の漏れインダクタンスＬ０２およびコンデンサＣ１により構成される直列共振回路によって生じるコンデンサＣ１の振動電圧が極小値に達する時点とが一致する波形的特徴になっているのである。
【００３９】
そこで、高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、コンデンサＣ１に生じる振動電圧の値が極値となる時点とが一致するように、コンデンサＣ１の容量値を設定すると、コンデンサＣ１の容量値を最適値Ｃ１ｍと等しくすることが可能となり、この結果、充電電流Ｉｄの平均レベルＩａを最大にすることが可能となる。また、振動電圧ＶC1が極値になる時、電流ＩC1がほぼゼロとなる。
【００４０】
なお、図１０に示す例とは異なり、例えば図７に示すように、コンデンサＣ１に生じる振動電圧が所定時間間隔毎に複数回現れる場合には、高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、２回目以降の振動電圧の値が極値となる時点とを一致させると、充電電流が小さくなるので、高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、上記複数回のうち初回の振動電圧の値が極値となる時点（振動開始からの位相角が９０度になる時点）とが一致するように、コンデンサＣ１の容量値を設定すれば、充電電流Ｉｄの平均レベルＩａを最大にすることができる。
【００４１】
次に、実験結果の説明の前に、図１１を用いて分離着脱式のトランス１２について詳述すると、このトランス１２は、Ｃ−Ｃコア形状のものであり、１次コイルＬ１および２次コイルＬ２はそれぞれコア１２１，１２２の端部に２つに分割して巻回されている。また、１次コイルＬ１および２次コイルＬ２は互いにギャップ長ｇだけ離間している。この構造により、１次コイルＬ１および２次コイルＬ２の各自己インダクタンス、相互インダクタンスＭおよび漏れインダクタンスＬ０２が決まり、このような構造のトランス１２に対して、次の（表１）の条件で行った実験結果が図１２に示すグラフである。
【００４２】
【表１】
0003743193.tif 000004
【００４３】
この図１２から、最適値Ｃ１ｍに対応する充電電流Ｉｄの平均レベルＩａは、２次電池Ｂの電圧Ｅｄが１．３Ｖ、４．０Ｖおよび６．４Ｖのいずれにおいても最大となり、また各電圧Ｅｄで値が異なっているのが分かる。
【００４４】
ここで、同調の考え方を適用する従来の方法では、次の（数３）の同調条件を変形して得られる（数４）から、コンデンサＣ１に対する容量値が求められる。
【００４５】
【数３】
0003743193.tif 000005
【００４６】
【数４】
0003743193.tif 000006
【００４７】
例えば、周波数（駆動周波数）ｆを５９ｋＨｚにすると、コンデンサＣ１に対する従来の容量値は、２次コイルＬ２の自己インダクタンス１９．６μＨを使用する場合には約０．３７μＦになり、漏れインダクタンスＬ０２の値１５．７μＨを使用する場合には約０．４６μＦとなり、そして１次コイルＬ１を取り去った状態の２次コイルＬ２単独の自己インダクタンス１５．９μＨを使用する場合には約０．４６μＦとなる。これら従来の容量値は図１２に示す最適値Ｃ１ｍとかなり相違しているのが確認できるとともに、このように駆動周波数およびインダクタンスにより求められる従来の容量値では、図１２に示すように、２次電池Ｂの電圧Ｅｄにも大きく依存する実際の最適な容量値を求めることができないことが確認できる。このように相違する理由については、一般に共振や同調を考える時には交流の正弦波がそのまま使える線形回路であったことに対して、この場合は整流回路が半波整流であることと、負荷が２次電池であり非線形回路となっていることとによるのかもしれない。この半波整流と２次電池負荷とを用いた場合の内容は、１９９８年２月に米国アナハイムにてＩＥＥＥ主催で開催された国際学会ＡＰＥＣ’９８（Applied Power Electronics Conference and Exposition） session 3 3.7, Volume 1, pp. 136-141で発表されたものである。
【００４８】
当初、充電電流Ｉｄの平均レベルＩａを最大にし得る条件は、出力の整流回路が半波整流回路で、次段が２次電池Ｂである場合に限った性質と考えていたのであるが、詳細な検討の結果、他の整流方式や負荷条件においても同様な特徴を持つことが分かった。
【００４９】
図１３は本発明の非接触電力伝達装置に係る実施形態を示す回路図、図１４は図１３の２次側換算の等価回路図で、これらの図を用いて以下に本実施形態の説明を行う。
【００５０】
図１３に示す非接触電力伝達装置は、トランス１２、コンデンサＣ１およびダイオードＤ１を図１に示す非接触電力伝達装置と同様に備えているほか、コンデンサＣ１の一端とアノードが接続されるダイオードＤ１のカソードとカソードが接続されるとともにコンデンサＣ１の他端とアノードが接続されるダイオードＤ２、およびダイオードＤ１のカソードと２次電池Ｂとの間に介在するチョークコイルＬCHを備えている。
【００５１】
ただし、上記構成の非接触電力伝達装置では、図１１に示す構造のトランス１２は、次の（表２）に示す条件を満足するように設定される。
【００５２】
【表２】
0003743193.tif 000007
【００５３】
図１５は（表２）の条件下における充電電流Ｉｄの平均レベルＩａに対するコンデンサＣ１の容量の特性図、図１６はコンデンサＣ１の容量が図１５に示す最適値Ｃ１ｍである場合の各部の信号波形図である。ただし、図１６に示すＥ2S、ＶC1、ＥL 、ＩL02、ＩC1およびＩｄは、図１４に示す同符号の信号と対応している。また、図１６におけるＩD1およびＩD2はそれぞれダイオードＤ１，Ｄ２を流れる電流波形を示す。
【００５４】
本非接触電力伝達装置は、出力側の整流回路にチョークコイルＬCHをさらに用いて２次電池Ｂに対する充電電流Ｉｄの平滑を行ういわゆるチョークインプット整流の回路構成になっている。このような回路構成の本非接触電力伝達装置を上記（表２）の条件で動作させて、コンデンサＣ１の容量を変えると、図１５に示すグラフが得られる。このグラフから、本実施形態の回路構成においても、充電電流Ｉｄの平均レベルＩａを最大にし得る最適値Ｃ１ｍが存在するのが分かる。この最適値Ｃ１ｍにコンデンサＣ１の容量を設定した場合の図１６に示す本回路内の各波形を観察すると、高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、コンデンサＣ１に生じる振動電圧の値が極値となる時点とが一致している。さらに詳述すると、高周波電圧Ｅ1Sの極性および２次側換算された電圧Ｅ2Sの極性が負から正に反転する時点と、２次電池Ｂの負極性端子から計測したコンデンサＣ１の電圧ＶC1が極小値となる時点とが一致しているとともに（図１６の期間Ｔ６の終了時点を参照）、高周波電圧Ｅ1Sの極性および２次側換算された電圧Ｅ2Sの極性が正から負に反転する時点と、２次電池Ｂの負極性端子から計測したコンデンサＣ１の電圧ＶC1が極大値となる時点とが一致している（図１６の期間Ｔ３の終了時点を参照）。また、これら一致するいずれの時点でも、コンデンサＣ１を流れる電流ＩC1がほぼゼロとなっている。
【００５５】
以上、高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、コンデンサＣ１に生じる振動電圧の値が極値となる時点とが一致するように、コンデンサＣ１の容量値を設定すれば、高周波電源１１から２次電池Ｂへの電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００５６】
図１７は本発明の非接触電力伝達装置に係る別の実施形態を示す回路図、図１８は図１７の２次側換算の等価回路図、図１９は図１７に示すトランスの概略構造図で、これらの図を用いて以下に本実施形態の説明を行う。
【００５７】
図１７に示す非接触電力伝達装置は、図１に示す非接触電力伝達装置との相違点として、２次コイルＬ２の中点にセンタタップ３２０が設けられるほかはトランス１２と同様のトランス３２と、コンデンサＣ１の一端とアノードが接続されるダイオードＤ１のカソードとカソードが接続されるとともにコンデンサＣ１の他端とアノードが接続されるダイオードＤ２とを備え、ダイオードにより成る整流回路がこの出力端子（カソード）とセンタタップ３２０との間に接続される２次電池Ｂに整流後の直流電力を伝達する構成になっている。
【００５８】
ただし、上記構成の非接触電力伝達装置では、図１９に示す構造のトランス３２は、次の（表３）に示す条件を満足するように設定される。
【００５９】
【表３】
0003743193.tif 000008
【００６０】
図２０は（表３）の条件下における充電電流Ｉｄの平均レベルＩａに対するコンデンサＣ１の容量の特性図、図２１はコンデンサＣ１の容量が図２０に示す最適値Ｃ１ｍである場合の各部の信号波形図である。ただし、図２１に示すＥ3S、Ｅ4S、ＶC3、ＶC4、ＩL03、ＩL04、ＩC1およびＩｄは、図１８に示す同符号の信号と対応している。また、ＩD1およびＩD2はそれぞれダイオードＤ１，Ｄ２を流れる電流波形を示す。
【００６１】
本非接触電力伝達装置はいわゆるセンタタップ整流の回路構成になっており、この非接触電力伝達装置を上記（表３）の条件で動作させて、コンデンサＣ１の容量を変えると、図２０に示すグラフが得られる。このグラフから、本実施形態の回路構成においても、充電電流Ｉｄの平均レベルＩａを最大にし得る最適値Ｃ１ｍが存在するのが分かる。この最適値Ｃ１ｍにコンデンサＣ１の容量を設定した場合の図２１に示す本回路内の各波形を観察すると、高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、コンデンサＣ１に生じる振動電圧の値が極値となる時点とが一致している。さらに詳述すると、高周波電圧Ｅ1Sの極性および２次側換算された電圧Ｅ3Sの極性が負から正に反転する時点と、センタタップ３２０から計測したコンデンサＣ１の一方の端子電圧ＶC3が極小値となる時点とが一致しているとともに（図２１の期間Ｔ４の終了時点を参照）、高周波電圧Ｅ1Sの極性および２次側換算された電圧Ｅ4Sの極性が正から負に反転する時点と、センタタップ３２０から計測したコンデンサＣ１の他方の端子電圧ＶC4が極小値となる時点とが一致している（図２１の期間Ｔ２の終了時点を参照）。また、これら一致するいずれの時点でも、コンデンサＣ１を流れる電流ＩC1がほぼゼロとなっている。
【００６２】
以上、高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、コンデンサＣ１に生じる振動電圧の値が極値となる時点とが一致するように、コンデンサＣ１の容量値を設定すれば、高周波電源１１から２次電池Ｂへの電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００６３】
図２２は本発明の非接触電力伝達装置に係る別の実施形態を示す回路図、図２３は図２２の２次側換算の等価回路図で、これらの図を用いて以下に本実施形態の説明を行う。
【００６４】
図２２に示す非接触電力伝達装置は、整流回路の出力端子（カソード）と２次電池Ｂとの間に介在するチョークコイルＬCHをさらに備えるほかは図１７に占めす非接触電力伝達装置と同様に構成されている。
【００６５】
ただし、上記構成の非接触電力伝達装置では、トランス３２は、次の（表４）に示す条件を満足するように設定される。
【００６６】
【表４】
0003743193.tif 000009
【００６７】
図２４は（表４）の条件下における充電電流Ｉｄの平均レベルＩａに対するコンデンサＣ１の容量の特性図、図２５はコンデンサＣ１の容量が図２４に示す最適値Ｃ１ｍである場合の各部の信号波形図である。ただし、図２５に示すＥ3S、Ｅ4S、ＶC1、ＥL 、ＩL03、ＩL04、ＩC1、ＩD1、ＩD2およびＩｄは、図２３に示す同符号の信号と対応している。
【００６８】
本非接触電力伝達装置は、出力側の整流回路にチョークコイルＬCHを用いて２次電池Ｂに対する充電電流Ｉｄの平滑を行ういわゆるチョークインプットセンタタップ整流の回路構成になっており、この非接触電力伝達装置を（表４）の条件で動作させて、コンデンサＣ１の容量を変えると、図２４に示すグラフが得られる。このグラフから、本実施形態の回路構成においても、充電電流Ｉｄの平均レベルＩａを最大にし得る最適値Ｃ１ｍが存在するのが分かる。この最適値Ｃ１ｍにコンデンサＣ１の容量を設定した場合の図２５に示す本回路内の各波形を観察すると、高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、コンデンサＣ１に生じる振動電圧の値が極値となる時点とが一致している。さらに詳述すると、高周波電圧Ｅ1Sの極性および２次側換算された電圧Ｅ3S，Ｅ4Sの極性が負から正に反転する時点と、コンデンサＣ１の両端電圧ＶC1が極小値となる時点とが一致しているとともに（図２５の期間Ｔ６の終了時点を参照）、高周波電圧Ｅ1Sの極性および２次側換算された電圧Ｅ3S，Ｅ4Sの極性が正から負に反転する時点と、コンデンサＣ１の両端電圧ＶC1が極大値となる時点とが一致している（図２５の期間Ｔ３の終了時点を参照）。また、これら一致するいずれの時点でも、コンデンサＣ１を流れる電流ＩC1がほぼゼロとなっている。
【００６９】
以上、高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、コンデンサＣ１に生じる振動電圧の値が極値となる時点とが一致するように、コンデンサＣ１の容量値を設定すれば、高周波電源１１から２次電池Ｂへの電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００７０】
図２６は本発明の非接触電力伝達装置に係る別の実施形態を示す回路図、図２７は図２６の２次側換算の等価回路図で、これらの図を用いて以下に本実施形態の説明を行う。
【００７１】
図２６に示す非接触電力伝達装置は、トランス１２およびコンデンサＣ１を図１に示す非接触電力伝達装置と同様に備えているほか、図１に示す非接触電力伝達装置との相違点として、コンデンサＣ１の両端とそれぞれ両入力端子が接続されるブリッジ整流回路ＤＢおよびこのブリッジ整流回路ＤＢの正極性出力端子と一端が接続されるチョークコイルＬCHを備え、２次電池ＢがチョークコイルＬCHの他端とブリッジ整流回路ＤＢの負極性出力端子との間に接続される構成になっている。
【００７２】
ただし、上記構成の非接触電力伝達装置では、トランス１２は、次の（表５）に示す条件を満足するように設定される。
【００７３】
【表５】
0003743193.tif 000010
【００７４】
図２８は（表５）の条件下における充電電流Ｉｄの平均レベルＩａに対するコンデンサＣ１の容量の特性図、図２９はコンデンサＣ１の容量が図２８に示す最適値Ｃ１ｍである場合の各部の信号波形図である。ただし、図２９に示すＥ2S、ＶC1、ＥL 、ＩL02、ＩC1、Ｉd1、Ｉd2、Ｉ1およびＩｄは、図２７に示す同符号の信号と対応している。
【００７５】
本非接触電力伝達装置は、出力側の整流回路にチョークコイルＬCHを用いて２次電池Ｂに対する充電電流Ｉｄの平滑を行ういわゆるチョークインプットブリッジ整流の回路構成になっており、この非接触電力伝達装置を（表５）の条件で動作させて、コンデンサＣ１の容量を変えると、図２８に示すグラフが得られる。このグラフから、本実施形態の回路構成においても、充電電流Ｉｄの平均レベルＩａを最大にし得る最適値Ｃ１ｍが存在するのが分かる。この最適値Ｃ１ｍにコンデンサＣ１の容量を設定した場合の図２９に示す本回路内の各波形を観察すると、高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、コンデンサＣ１に生じる振動電圧の値が極値となる時点とが一致している。さらに詳述すると、高周波電圧Ｅ1Sの極性および２次側換算された電圧Ｅ2Sの極性が負から正に反転する時点と、コンデンサＣ１の両端電圧ＶC1が極小値となる時点とが一致しているとともに（図２９の期間Ｔ６の終了時点を参照）、高周波電圧Ｅ1Sの極性および２次側換算された電圧Ｅ2Sの極性が正から負に反転する時点と、コンデンサＣ１の両端電圧ＶC1が極大値となる時点とが一致している（図２９の期間Ｔ３の終了時点を参照）。また、これら一致するいずれの時点でも、コンデンサＣ１を流れる電流ＩC1がほぼゼロとなっている。
【００７６】
以上、高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、コンデンサＣ１に生じる振動電圧の値が極値となる時点とが一致するように、コンデンサＣ１の容量値を設定すれば、高周波電源１１から２次電池Ｂへの電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００７７】
なお、図２６に示す実施形態では、チョークコイルＬCHを備える構成になっているが、チョークコイルＬCHを備えない構成でも、高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、コンデンサＣ１に生じる振動電圧の値が極値となる時点とが一致するように、コンデンサＣ１の容量値を設定すれば、高周波電源１１から２次電池Ｂへの電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００７８】
また、上記各実施形態では、次段に２次電池Ｂが接続される構成になっているが、次段に平滑用コンデンサを有する定電圧負荷が接続される構成でも同様の効果が得られるのが分かった。例えば、図３０に示すように、図１３と同様の回路構成のチョークコイルＬCHの出力側に大容量の平滑用コンデンサＣ２を設ける構成でも、この構成における２次電池Ｂを図３１に示すように抵抗Ｒ１に代えてもあるいは図３２に示すように、図１における２次電池Ｂを並列接続の平滑コンデンサＣ２および抵抗Ｒ１に代える構成でも、電力の伝達効率を最適にすることが可能になるのが分かった。
【００７９】
また、上記各実施形態では、高周波電圧Ｅ1sの電圧波形は方形波状になっているが、台形波状でも同様の効果が得られるのが分かった。例えば、図３３に示すように、図３０の回路構成に加えて、１次コイルＬ１に並列接続されるコンデンサＣ１３を設け、高周波電圧の立ち上がりおよび立ち下がり部で部分共振によるソフトスイッチングを行って、図３４に示すように、台形波状の高周波電圧が１次コイルＬ１の両端に印加される構成にしても、上記実施形態と同様の効果が得られる。
【００８０】
さらに、図３５および図３６に示すように、高周波電圧Ｅ1sの電圧波形は正弦波状でも同様の効果が得られるのが分かった。例えば、図３７の概略構成図に示すように、コンデンサＣ１３およびスイッチング素子Ｓ１を用いた電圧共振を利用して、１次コイルＬ１の両端に図３８に示すような正弦波状の高周波電圧Ｅ1sが印加するようにしても、上記実施形態と同様の効果が得られる。
【００８１】
以上のように、上記各実施形態では、高周波電源から次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になり、１次コイルＬ１側から有効電力を最大限に取り出すことができるので、トランスを好適に小型化できるとともに、回路全体の力率の向上および回路の小型化が可能になる。
【００８２】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、請求項１記載の発明によれば、高周波電源からの高周波電圧が両端に印加される１次コイルおよびこの１次コイルに印加される高周波電圧に応じて起電力を誘導して誘導電圧を得る２次コイルを有し、前記１次コイルおよび２次コイルが分離着脱式に構成されて成るトランスと、前記２次コイルと並列接続されるコンデンサと、前記２次コイルに誘導される起電力を直流電力に整流して次段に伝達する整流回路とを備え、前記コンデンサの容量値は、前記高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、当該コンデンサに生じる振動電圧の値が極値となる時点とが一致するように設定されるので、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００８３】
請求項２記載の発明によれば、前記コンデンサに生じる振動電圧が所定時間間隔毎に複数回現れる場合には、前記コンデンサの容量値は、前記高周波電圧および誘導電圧の極性反転の時点と、前記複数回のうち初回の振動電圧の値が極値となる時点とが一致するように設定されるので、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００８４】
請求項３記載の発明によれば、前記次段には平滑用コンデンサを有する定電圧負荷が接続されるので、定電圧負荷に対する電流の平均レベルを最大にすることが可能となる。
【００８５】
請求項４記載の発明によれば、前記整流回路が半波整流回路であっても、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００８６】
請求項５記載の発明によれば、前記半波整流回路の一方の出力端子と前記次段との間に介在するチョークコイルを備える構成であっても、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００８７】
請求項６記載の発明によれば、前記２次コイルにはセンタタップが設けられ、前記整流回路は、当該整流回路の出力端子と前記センタタップとの間に接続される前記次段に前記整流後の直流電力を伝達する構成であっても、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００８８】
請求項７記載の発明によれば、前記整流回路の出力端子と前記次段との間に介在するチョークコイルを備える構成であっても、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００８９】
請求項８記載の発明によれば、前記整流回路はブリッジ整流回路であっても、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００９０】
請求項９記載の発明によれば、前記ブリッジ整流回路の一方の出力端子と前記次段との間に介在するチョークコイルを備える構成であっても、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００９１】
請求項１０記載の発明によれば、前記高周波電圧の電圧波形が方形波状であっても、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００９２】
請求項１１記載の発明によれば、前記高周波電源は、複数のスイッチング素子により構成されるインバータ回路を有し、前記高周波電圧の立ち上がりおよび立ち下がり部で部分共振によるソフトスイッチングを行って、台形波状の高周波電圧を前記１次コイルの両端に印加する構成であっても、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００９３】
請求項１２記載の発明によれば、前記高周波電圧の電圧波形は正弦波状であっても、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【００９４】
請求項１３記載の発明によれば、前記１次コイルと並列接続される電圧共振用のコンデンサを備える構成であっても、次段への電力の伝達効率を最適にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非接触電力伝達装置に係る実施形態の基本回路図である。
【図２】図１に示す非接触電力伝達装置からコンデンサＣ１を外した場合の回路図である。
【図３】図２の２次側換算の等価回路図である。
【図４】図２および図３に示す各部の信号波形図である。
【図５】充電電流の平均レベルに対するコンデンサＣ１の容量の特性を示す図である。
【図６】図１の２次側換算の等価回路図である。
【図７】コンデンサＣ１の容量値が最適値よりも小さい場合の各部の波形図である。
【図８】コンデンサＣ１の容量値が最適値と等しい場合の各部の波形図である。
【図９】コンデンサＣ１の容量値が最適値よりも大きい場合の各部の波形図である。
【図１０】コンデンサＣ１の容量値が最適値と等しい場合の各部の詳細な波形図である。
【図１１】図１に示すトランスの概略構造図である。
【図１２】（表１）の条件下における充電電流の平均レベルに対するコンデンサＣ１の容量の特性図である。
【図１３】本発明の非接触電力伝達装置に係る実施形態を示す回路図である。
【図１４】図１３の２次側換算の等価回路図である。
【図１５】（表２）の条件下における充電電流の平均レベルに対するコンデンサＣ１の容量の特性図である。
【図１６】コンデンサＣ１の容量が図１５に示す最適値である場合の各部の信号波形図である。
【図１７】本発明の非接触電力伝達装置に係る別の実施形態を示す回路図である。
【図１８】図１７の２次側換算の等価回路図である。
【図１９】図１７に示すトランスの概略構造図である。
【図２０】（表３）の条件下における充電電流の平均レベルに対するコンデンサＣ１の容量の特性図である。
【図２１】コンデンサＣ１の容量が図２０に示す最適値である場合の各部の信号波形図である。
【図２２】本発明の非接触電力伝達装置に係る別の実施形態を示す回路図である。
【図２３】図２２の２次側換算の等価回路図である。
【図２４】（表４）の条件下における充電電流の平均レベルに対するコンデンサＣ１の容量の特性図である。
【図２５】コンデンサＣ１の容量が図２４に示す最適値である場合の各部の信号波形図である。
【図２６】本発明の非接触電力伝達装置に係る別の実施形態を示す回路図である。
【図２７】図２６の２次側換算の等価回路図である。
【図２８】（表５）の条件下における充電電流の平均レベルに対するコンデンサＣ１の容量の特性図である。
【図２９】コンデンサＣ１の容量が図２８に示す最適値である場合の各部の信号波形図である。
【図３０】次段に平滑用コンデンサを設けた回路構成例を示す図である。
【図３１】次段に平滑用コンデンサを設けた回路構成例を示す図である。
【図３２】次段に平滑用コンデンサを設けた回路構成例を示す図である。
【図３３】高周波電圧の電圧波形が方形波状である場合の回路構成例を示す図である。
【図３４】図３３に示す１次コイルに印加する電圧波形を示す図である。
【図３５】高周波電圧の電圧波形が正弦波状である場合の説明図である。
【図３６】図３５に示す１次コイルに印加する電圧波形を示す図である。
【図３７】高周波電圧の電圧波形が正弦波状である場合の回路構成例を示す図である。
【図３８】図３７に示す１次コイルに印加する電圧波形を示す図である。
【符号の説明】
Ｌ１  １次コイル
Ｌ２  ２次コイル
１２，３２  トランス
Ｃ１  コンデンサ
Ｄ１，Ｄ２  ダイオード
Ｂ  ２次電池
ＬCH  チョークコイル
ＤＢ  ブリッジ整流回路
Ｃ２  平滑用コンデンサ
【図１】
0003743193.tif 000011
【図２】
0003743193.tif 000012
【図３】
0003743193.tif 000013
【図４】
0003743193.tif 000014
【図５】
0003743193.tif 000015
【図６】
0003743193.tif 000016
【図７】
0003743193.tif 000017
【図８】
0003743193.tif 000018
【図９】
0003743193.tif 000019
【図１０】
0003743193.tif 000020
【図１１】
0003743193.tif 000021
【図１２】
0003743193.tif 000022
【図１３】
0003743193.tif 000023
【図１４】
0003743193.tif 000024
【図１５】
0003743193.tif 000025
【図１６】
0003743193.tif 000026
【図１７】
0003743193.tif 000027
【図１８】
0003743193.tif 000028
【図１９】
0003743193.tif 000029
【図２０】
0003743193.tif 000030
【図２１】
0003743193.tif 000031
【図２２】
0003743193.tif 000032
【図２３】
0003743193.tif 000033
【図２４】
0003743193.tif 000034
【図２５】
0003743193.tif 000035
【図２６】
0003743193.tif 000036
【図２７】
0003743193.tif 000037
【図２８】
0003743193.tif 000038
【図２９】
0003743193.tif 000039
【図３０】
0003743193.tif 000040
【図３１】
0003743193.tif 000041
【図３２】
0003743193.tif 000042
【図３３】
0003743193.tif 000043
【図３４】
0003743193.tif 000044
【図３５】
0003743193.tif 000045
【図３６】
0003743193.tif 000046
【図３７】
0003743193.tif 000047
【図３８】
0003743193.tif 000048