JP2012060812A

JP2012060812A - 非接触電力伝送装置

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Publication number: JP2012060812A
Application number: JP2010202852A
Authority: JP
Inventors: Hideki Kojima; 秀樹小島; Kazunori Yamada; 和則山田
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2012-03-22
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: JP5400734B2

Abstract

【課題】漏れ磁束の発生を抑え、１つの送電装置で必要とする電力の異なる複数の電子機器の充電に対応可能とすることを目的とする。
【解決手段】送電コイルから受電コイルに対して電磁誘導により電力の供給を行なう非接触電力伝送装置において、略同心円状に配置した複数の送電コイル１１、１２を備え、受電コイル２１の外形に一番近い外形の送電コイルと、その内側の送電コイルのみを駆動する。これにより、１つの送電装置で外形の異なる受電コイルに対して電力伝送を行うときでも、漏れ磁束の発生を抑えることができる。
【選択図】図１

Description

異なる受電装置に対して電力伝送を行うのに適した非接触電力伝送装置に関する。

近年、携帯電話やデジタルカメラ、ノートパソコンなどの電子機器に対して非接触で電力を伝送する方式が普及してきている。このような電子機器には、充電器としてそれぞれ専用の送電装置が必要であり、１つの送電装置で複数の電子機器に対応することが求められている。

特許文献１では、それぞれの電子機器に応じた充電条件を設定し、送電装置内の送電コイルに印加する電圧や周波数を変化させることで、１つの送電装置で複数の電子機器の充電に対応可能とする方法が提案されている。また、１つの充電条件に対して、受電コイルのコイル線の直径、コイル長、巻き数などを選定することにより、電子機器に応じて最適な電力を方法が提案されている。一般に、電子機器は小型化することが求められているため、必要とする電力が小さい場合には、受電コイルの外形をより小さくすることが必要となる。

送電コイルおよび受電コイルの一例を図７に示す。図７（ａ）は送電コイルおよび受電コイルの断面図、図７（ｂ）は送電コイルの斜視図である。送電コイル５１と受電コイル６１が対向して配置されている。磁束７１が、送電コイル５１と受電コイル６１とに鎖交し、送電側から受電側に電力が伝送される。送電コイル５１と受電コイル６１が対向する面の反対側の面には、それぞれ磁性シート５３、６３が貼り付けられており、不要輻射を抑制している。

特開２００２−４４８８４号公報

電子機器における必要とする電力が小さいほど、送電コイル５１の外形に対して、受電コイル６１の外形が小さくなり、送電コイル５１から発生する漏れ磁束が増加してしまう。そのため、受電コイル６１の近傍に金属ケースや金属部品が配置されていると、発熱やノイズの原因となってしまう。

本発明はこのような問題を考慮してなされたものであり、外形の異なる受電コイルに対して電力伝送を行うときにも漏れ磁束の発生を抑え、１つの送電装置で必要とする電力の異なる複数の電子機器の充電に対応可能とする非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明はこのような目的を達成するため、送電コイルから受電コイルに対して電磁誘導により電力の供給を行なう非接触電力伝送装置において、略同心円状に配置した複数の送電コイルを備え、受電コイルの外形に一番近い外形の送電コイルと、その内側の送電コイルのみを駆動することを特徴とする。

本発明によると、１つの送電装置で外形の異なる受電コイルに対して電力伝送を行うときでも、漏れ磁束の発生を抑えることができる。

本発明の第１の実施形態に係る送電コイルおよび第１の受電コイル本発明の第１の実施形態に係る送電コイルおよび第２の受電コイル本発明の第１の実施形態に係る送電装置および受電装置の回路図本発明の第２の実施形態に係る送電コイルおよび第１の受電コイル本発明の第２の受電コイルの変形例本発明の変形例の第２の受電コイルを備えた受電装置の回路図従来の送電コイルおよび受電コイル

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る送電コイルについて説明する。図１（ａ）は送電コイルおよび第１の受電コイルの断面図、図１（ｂ）は送電コイルの斜視図である。送電コイル１１と１２は、略同心かつ同一平面に配置されている。外側に位置する送電コイル１２はリング状に形成されている。各送電コイル１１、１２と第１の受電コイル２１が対向する面の反対側の面には、それぞれ磁性シート１３、２３が貼り付けられており、不要輻射を抑制している。各磁性シート１３、２３の大きさは、それぞれ送電コイル１２、第１の受電コイル２１と同じ大きさかそれ以上のものを用いる。

内側に位置する送電コイル１１と外側に位置する送電コイル１２は、第１の受電コイル２１の外形に応じて個別に制御される。まず、図１に示すように、第１の受電コイル２１の外形と送電コイル１２の外形が略同一の場合について説明する。送電コイル１１、１２と第１の受電コイル２１は、それぞれの中心軸が一致するように配置されている。送電コイル１１の巻線面上に第１の受電コイル２１が配置されている。他方、送電コイル１２の巻線面上に第１の受電コイル２１は配置されていない。このような場合に送電コイル１２を駆動すると、第１の受電コイル２１の周辺に送電コイル１２による漏れ磁束が発生してしまう。そのため、このような第１の受電コイル２１に対して電力伝送を行うときには、送電コイル１１のみを駆動し、送電コイル１２は駆動しない。

次に、第１の受電コイル２１の外形を大きくした場合について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る送電コイルおよび第２の受電コイルを示す。図２（ａ）は送電コイルおよび第２の受電コイルの断面図、図２（ｂ）は送電コイルの斜視図である。図２に示す送電コイルは、図１に示す送電コイルと同一である。第２の受電コイル２１’は、第１の受電コイル２１より外形を大きくしたもので、より大きな電力を受電することができる。第２の受電コイル２１’の外形は、送電コイル１２の外形と略同一となっている。送電コイル１１、１２と第２の受電コイル２１’は、それぞれの中心軸が一致するように配置されている。各送電コイル１１、１２の巻線面上に第２の受電コイル２１’が配置されている。このような第２の受電コイル２１’に対して電力伝送を行うときには、両方の送電コイル１１、１２を駆動することで、より大きな電力を伝送することができる。

次に、送電コイル１１、１２の制御部について説明する。図３に本発明の第１の実施形態に係る送電装置および受電装置の回路図を示す。

送電装置１０は、送電コイル１１、１２、駆動回路１５、スイッチング素子１６、ホール素子１７および共振コンデンサ１８、１９を備える。駆動回路１５には、直流電源Ｖｉｎより直流電圧が供給されている。駆動回路１５は、フルブリッジ構成としたインバータであり交流電力を出力する。駆動回路１５の出力部には、送電コイル１１と共振コンデンサ１８が直列接続されている。それと並列に、送電コイル１２と共振コンデンサ１９とスイッチング素子１６が直列接続されている。ホール素子１７は送電コイル１２の近傍に配置されている。例えば、送電コイル１２の外周の辺りにホール素子１７を配置する。図１に示すように、送電コイル１１と１２は略同心円状に配置されており、外側に位置する送電コイル１２に対して、切り替え用のスイッチング素子１６が設けられている。スイッチング素子１６の一例として、２つのＮ型ＭＯＳＦＥＴを逆直列接続して構成することで、損失を少なくすることができる。

受電装置２０は、第２の受電コイル２１’、整流回路２５、永久磁石２７および共振コンデンサ２８を備える。永久磁石２７は、第２の受電コイル２１’の近傍に配置されている。例えば、受電コイル２１’の外周の辺りに永久磁石２７を配置し、送電装置１０に受電装置２０を載置したときに、永久磁石２７から発生する磁束をホール素子１７が検出できるようにする。共振コンデンサ２８は第２の受電コイル２１’と並列に接続されており、その出力は整流回路２５を介して、二次電池などの負荷に供給される。

次に、スイッチング素子１６の動作について説明する。送電コイル１２に第２の受電コイル２１’が近接すると、ホール素子１７が永久磁石２７の磁束を検出する。すると、ホール素子１７の検出信号Ｓｇによって、スイッチング素子１６はオンに切り替わり、駆動回路１５から送電コイル１２に交流電力が供給される。そして、図２に示すように、両方の送電コイル１１、１２から、第２の受電コイル２１’に対して電力伝送される。

他方、図１に示す例では、第１の受電コイル２１の外形が内側の送電コイル１１と略同一であるため、外側の送電コイル１２を駆動する必要がない。このような第１の受電コイル２１に対して電力伝送を行うときには、受電装置２０内に永久磁石２７を設けなければよい。すると、ホール素子１７は、永久磁石２７の磁束を検出できないため、スイッチング素子１６はオフのままになり、送電コイル１１のみが駆動される。このように、受電コイルの形状に合わせて駆動する送電コイルを決定できるため、送電コイルから発生する漏れ磁束を抑えることができる。

本実施形態では、内側と外側に送電コイルを２つ設けたが、３つ以上となるよう構成してもよい。その場合、駆動回路の出力部に送電コイルと共振コンデンサとスイッチング素子を必要な数だけ追加して直列接続し、各送電コイルの近傍にスイッチング素子を切り替えるためのホール素子を同じ数だけ設ければよい。そして、受電装置側には、駆動する送電コイルに応じて、対応するホール素子と対向する位置に永久磁石を設ける。これにより、より多様な外形を有する受電コイルに対応することができる。また、駆動回路１５としてフルブリッジ回路を用いたが、ハーフブリッジ回路を用いてもよい。

スイッチング素子１６は、ホール素子１７が永久磁石２７の磁束を検出することによりオフからオンに切り替えられているが、スイッチング素子１６の切り替え信号の生成は、この方法に限定されない。例えば、ＩＤ認証の備わった送受電システムの場合、受電装置２０から専用のＩＤ信号を送電装置１０に送信し、送電装置１０がその信号を受信したときに、スイッチング素子１６をオフからオンに切り替えるようにしてもよい。これらの方法に限らず、外形の異なるそれぞれの受電コイルに応じて、駆動する送電コイルを適切に選択できるのであれば、どのような方法を用いてもよい。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る送電コイルについて説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る送電コイルおよび第１の受電コイルを示す。なお、第１の実施形態と同じ機能を有する部位には同じ符号を付し、説明は省略する。

図４に示すように、本実施形態は、第１の実施形態の送電コイルと比較して、内側の送電コイル１１と外側の送電コイル１２の間に磁性体１４が追加して設けられている点が異なる。この磁性体１４を追加することにより、送電コイル１１と１２の間の結合を弱めている。これにより、各送電コイル１１と１２を同時に駆動したときに、送電コイル１１、１２間の相互インダクタンスの影響により、共振周波数が低下することを抑えることができる。よって、送電コイル１１、１２と共振コンデンサ１８、１９の動作時にも安定動作する。送電コイル１１と１２との間の結合を弱めることで、駆動電流が低下することを防ぐことができ、伝送電力を増加させることができる。また、外側の送電コイル１２を駆動しない場合、磁性体１４は送電コイル１１により発生する磁束がコイルの側面方向に広がるのを抑制する。

磁性シート１３、２３および磁性体１４は、それぞれ磁性材料であればなんでもよい。例えば、磁性シート、フェライトコア、アモルファスコアなどを用いてもよい。また、磁性シート１３と磁性体１４とを一体成型してもよい。

次に、図５に第２の受電コイルの変形例を示す。送電コイル１１、１２と同様に、複数の受電コイルを同心円状に設けたものである。送電コイル１１、１２と受電コイル２１、２２は、それぞれの中心軸が一致するように配置されている。内側の受電コイル２１は内側の送電コイル１１と、外側の受電コイル２２は外側の送電コイル１２と、略同一の外形形状となっている。そのため、送電コイル１１の巻線面上に内側の受電コイル２１が、送電コイル１２の巻線面上にない外側の受電コイル２２が配置される。図２に示した例と同様に、両方の送電コイル１１、１２を駆動することで、より大きな電力を伝送することができる。

図６は、図５に示した変形例の第２の受電コイルを備えた受電装置の回路図である。各受電コイル２１、２２は各整流回路２５を介して並列に接続されている。このような構成にすることで、同じ出力電流を得る場合に１つの受電コイルを用いた場合と比較して、各整流回路２５に流れる電流が半分になる。そのため、各整流回路２５内のダイオードの順電圧降下が低い状態での動作が可能となる。よって、ダイオードにおける損失が低減し、効率を改善することができる。

上記第１、第２の実施形態では、受電コイルの外形が内側もしくは外側の送電コイルの外形と略同一の場合について述べたが、受電コイルと複数の送電コイルのいずれかとの外形形状が異なる場合もある。このような場合には、受電コイルの直径や面積に応じて駆動する送電コイルを決定してもよい。受電コイルの直径が内側の送電コイルの直径より小さい場合、内側の送電コイルのみを駆動する。受電コイルの直径が外側の送電コイルの直径より大きい場合、内側および外側の送電コイルを駆動する。受電コイルの直径が内側の送電コイルの直径より大きく、外側の送電コイルの直径より小さい場合、例えば、受電コイルの直径が内側と外側の送電コイルのどちらの直径に近いかで駆動する送電コイルを決定する。受電コイルの直径が内側の送電コイルの直径に近い場合、内側の送電コイルのみを駆動する。受電コイルの直径が外側の送電コイルの直径に近い場合、内側および外側の送電コイルを駆動する。

送電コイルを３つ以上用いる場合には、受電コイルの外形に一番近い外形の送電コイルと、その内側の送電コイルのみを駆動するようにしてもよい。例えば、受電コイルの直径と一番近い直径を有する送電コイルとその内側の送電コイルのみを駆動する方法が考えられる。上述したように、受電コイルの面積に応じて駆動する送電コイルを選択してもよい。いずれの条件においても、受電コイルの外形に一番近い外形の送電コイルが一番内側の送電コイルであった場合には、その送電コイルのみを駆動することになる。

本発明は複数の送電コイルを略同心、同一平面上に配置し、外形の異なる受電コイルに対して、駆動する送電コイルを適切に選択して制御している。具体的には、受電コイルの外形に一番近い外形の送電コイルと、その内側の送電コイルのみを駆動することを特徴としている。言い換えると、送電コイルに接続されたスイッチング素子を切り替えることで、駆動する送電コイルの巻線面の形状を受電コイルの巻線面の形状にできるだけ合わせるように制御している。これにより、１つの送電コイルにおいて、駆動周波数を変化させることなく、必要とする電力の異なるさまざまな受電コイルに対して、電力伝送を行うことができる。その際に、送電コイルから発生する漏れ磁束を抑制することができる。特に、受電コイルの外形といずれかの送電コイルの外形とを略同一にすることで、より漏れ磁束の発生を抑制することが可能となる。

なお、送電コイルの巻線面の形状は円形であったが、他の形状に変更してもよい。例えば、四角形や三角形などの多角形状など、任意の形状とすることができる。また、一例として、内側に円形の送電コイル、外側に四角形の送電コイルを配置するなど、異なる形状の送電コイルを組み合わせて配置してもよい。

１０送電装置
１１、１２送電コイル
１３磁性シート
１４磁性体
１５駆動回路
１６スイッチング素子
１７ホール素子
１８、１９共振コンデンサ
２０受電装置
２１、２１’ 、２２受電コイル
２３磁性シート
２５整流回路
２７永久磁石
２８共振コンデンサ

Claims

送電コイルから受電コイルに対して電磁誘導により電力の供給を行なう非接触電力伝送装置において、
略同心円状に配置した複数の送電コイルを備え、
受電コイルの外形に一番近い外形の送電コイルと、その内側の送電コイルのみを駆動することを特徴とする非接触電力伝送装置。
前記受電コイルは、前記複数の送電コイルの内いずれかと外形が略同一であ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。
前記複数の送電コイルは、第１の送電コイルと、前記第１の送電コイルの外側に配置された第２の送電コイルからなり、
前記受電コイルの外形が前記第２の送電コイルの外形より前記第１の送電コイルの外形に近い場合には、前記第１の送電コイルのみを駆動し、
前記受電コイルの外形が前記第１の送電コイルの外形より前記第２の送電コイルの外形に近い場合には、前記第１の送電コイルおよび前記第２の送電コイルを駆動す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。
前記受電コイルの外形は、前記第１の送電コイルの外形もしくは前記第２の送電コイルの外形と略同一であり、
前記受電コイルの外形が前記第１の送電コイルと略同一のときには前記第１の送電コイルのみを駆動し、前記受電コイルの外形が前記第２の送電コイルと略同一のときには前記第１の送電コイルおよび前記第２の送電コイルを駆動す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。
前記受電コイルは、略同心円状に配置されるとともに並列に接続された第１の受電コイルと第２の受電コイルからなり、前記第１の受電コイルの外形は前記第１の送電コイルの外形と、前記第２の受電コイルの外形は前記第２の送電コイルの外形と略同一であ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。
前記複数の送電コイルは並列に接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。
前記複数の送電コイルの間に磁性体を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。