JPH11187582A - 電磁誘導電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 携帯商品、小型電気機器の小型化に対応して
電磁誘導電源を、入力、負荷の変動で共振周波数が変化
せず２次側回路へ安定した電力を供給することにより２
次側に電源安定化回路を必要としないようにして小型化
を図り、共振ノイズの減少、部品点数増加の抑制を図
る。 【解決手段】 電磁誘導電源が、商用電源Ｐからの交流
電力を整流回路１１で変換した直流電力を共振回路１２
へ送り、独立の発振回路の信号をスイッチング回路を介
して出力する発振信号出力手段１３を共振回路１２へ接
続した１次側回路１０と、２次側の共振回路２１で電磁
誘導結合により伝達される信号を２次側の整流回路２２
で整流した直流電力を負荷２３へ供給する２次側回路２
０から成り、２次側回路の負荷の電圧、電流の変動を負
荷情報検出部２４から非接触で２次側情報入力部１４へ
送り、発振信号出力手段１３からの信号を間欠伝送する
ことにより２次側電力を増減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、携帯機器や小型
電気機器等に無接触で給電を行なうことができる電磁誘
導電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電動歯ブラシ、電動工具、あるいは携帯
電話などに電源を供給する場合、２次電池あるいは駆動
モータなどの負荷を備えた機器本体を電力を供給する電
源本体と分離可能に設け、電源本体から機器本体へ電磁
誘導結合を介して電力を供給する方式が一般に利用され
る。

【０００３】このような電磁誘導結合による電源装置を
用いた例として、例えば特開平６−４６５３１号公報に
よる充電装置の発明が知られている。この充電装置は、
直流電力を高周波電力に変換する高周波電力発生回路と
給電用コイルを含む共振回路とを並列接続した１次側回
路から給電用コイルで高周波電力を共振させて生じるコ
イル誘起電圧を１次電圧として２次側回路のコイルへ２
次電圧を誘起して給電し、２次電池を備えた被充電器に
対し充電するというものである。

【０００４】この充電装置では、高周波電力発生回路と
して充放電コンデンサにスイッチング素子を組合せたも
のが用いられており、これにより高周波電力を共振回路
へ給電すると共振して給電用コイルに数十キロヘルツの
高周波発振が得られる。

【０００５】又、この充電装置の２次側回路における２
次電池の電圧情報は送信回路により１次側回路へ送ら
れ、１次側回路の制御回路によりコイル誘起電圧を誘起
又は停止させるようにしている。

【０００６】電磁誘導結合を利用した電源装置を備えた
機器の他の例として特開平６−３１１６５８号公報の装
置が知られている。この公報の装置は、電源を供給する
電源本体に対して着脱自在に装着される機器本体へ電磁
誘導結合により電力を供給するというものであり、機器
本体を電源本体に装着した際に電源本体から機器本体に
所定の検知信号を送り、その信号に基づく機器応答手段
から送られる応答信号を電源本体側で受けるとその信号
で１次側発振部の出力制御を可能とする機器検知手段を
備えている。

【０００７】この装置では、電源本体から機器本体に電
力供給をする際に金属片などを負荷と誤認して渦電流に
よる発熱をしないように機器本体を識別することにより
電源を供給するようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電磁誘導結
合を利用して電源を供給する電源装置は、前述したよう
に、携帯商品に多く利用されており、このため２次側電
源を商品内に組み込む際には出来るだけ小型化すること
が要求される。又、電流が５００ｍＡを超える機器にあ
っては２次電源の発熱は無視できない。

【０００９】一方、かかる電源装置は商用交流電源から
変換した直流電源を１次側共振回路へ送り、この共振回
路で共振した信号を２次側共振回路へそのまま伝達する
のが一般的である。上記１次側の共振回路を構成する場
合、自励発振型と他励発振型とがあり、前述した２つの
特許公報に記載されたもののうち後者（特開平６−３１
１６５８号公報）は自励型、前者（特開平６−４６５３
１号公報）は他励発振型に属するが、共振回路と同期し
たものではない。

【００１０】特に自励発振型の発振回路の場合、発振回
路の構成に起因してその発振回路への入力電圧や負荷状
態の変動によって共振周波数が変化する。前記第１の特
許公報の例では２次側の電池電圧情報を非接触の伝達手
段で１次側へ送り、２次側の負荷変動による共振周波数
の変化を抑制するようにしているが、入力電圧の変動に
よる共振周波数の変化を抑制することはできない。

【００１１】１次側の共振周波数が変化するとそのまま
２次側へその信号を送る方式であるため２次側共振周波
数も影響を受けて変化し、輻射ノイズや線路ノイズが大
きくなり２次側電源回路の安定性を得ることができず、
かつ同調がずれることで２次側への電力供給が減少して
エネルギの伝達効率が落ちる。このため、２次側回路の
電圧や電流を安定させるためには安定化のための特別な
回路を設けなければならず、２次側回路の部品点数の増
加、部品の発熱、コスト高などを招き、又ノイズ対策の
ためスイッチング周波数を高周波化することができず、
機器の小型化が一定以上はどうしても計れず、電磁誘導
電源装置を導入する際に大きな障害となっている。

【００１２】この発明は、１次側共振回路に他励発振型
を用いて入力電圧や負荷状態の変動によって共振周波数
が変化しないようにして２次側回路に安定した電源を供
給し、かつ共振ノイズが少なく、部品点数を増加させな
いことにより２次側電源を小型化して携帯商品の小型化
に適応できる電磁誘導電源を提供することを課題とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記課題を
解決する手段として、直流電力が送られると所定の共振
状態で１次電圧を発生する共振コイルとコンデンサを有
する１次側共振回路と、独立の発振回路からその信号を
発振周波数に同期して作動するスイッチング回路を介し
て上記共振回路へ出力するように接続した発振信号出力
手段とから成り、上記所定の共振状態を発振回路の発振
周波数に同期させるようにした１次側電源回路と、上記
１次側共振回路から電磁誘導結合により２次側共振回路
に共振した２次電圧を誘起させて２次電力を供給する２
次側電源回路とを分離自在に備えて成る電磁誘導電源装
置としたのである。

【００１４】上記の構成としたこの発明の電磁誘導電源
装置によれば、共振回路における共振周波数が１次側回
路の入力電圧や負荷側の電圧変動による影響を受けるこ
となく安定した信号として１次側から２次側へ伝送さ
れ、２次側回路へ安定した電力を供給する。

【００１５】発振信号出力手段は、独立の発振回路で高
周波信号を発振させ、その信号をスイッチング回路を介
して出力し、１次側共振回路へ入力すると、１次側共振
回路のコイルとコンデンサのＬ、Ｃによる時定数を適宜
設定することにより上記発振回路の発振周波数に同調し
て共振信号が発生する。

【００１６】上記スイッチング回路により高周波発振信
号を入力する際に、スイッチング回路がオン、オフする
時間は発振回路の周波数に同調しており、スイッチング
回路がオフの時間内に共振回路の減衰振動が１８０°進
むようにＬ、Ｃの時定数を定めておけば、発振回路の周
波数に同期して発生した共振回路の振動波形の最も大き
い波形部分が発振回路の周波数に同期して得られる。

【００１７】このため、波形の最も大きい状態で２次側
へ信号の伝達が行なわれる。振動波形は最大波形に続い
て小さい波形の振動も発生するが、その小さい波形の発
生時には外部から次の高周波信号が入力され、結果的に
小さい波形はカットされて最大波形の振動で２次側への
信号が伝達されるからである。

【００１８】上記の独立の発振回路は、自励型共振回路
のような共振回路で発生する共振信号を共振回路とルー
プする回路からの信号で設定するという回路ではなく、
共振回路とは無関係に発生した高周波信号を共振回路へ
外部から入力する他励型の共振回路を構成するためのも
のである。

【００１９】このようにして、発振回路の高周波発振信
号に同調して共振する１次側共振回路へ２次側電源回路
を接合すると、２次側共振回路に電磁誘導結合により２
次側電圧が誘起され、これを整流することにより２次側
電力が負荷に供給される。

【００２０】２次側回路の負荷の電圧、電流が変動した
場合、その情報を非接触で１次側電源回路へ伝送し、ス
イッチング回路を介して発振回路からの信号の１次側共
振回路への通過をコントロールするとよい。この場合、
スイッチング回路は発振回路の周波数に同調するものと
は別に第２のスイッチング回路を設け、２次側情報で発
振回路からの信号の通過、阻止をコントロールする。

【００２１】第２のスイッチング回路により、負荷の電
圧、電流が設定レベル以下になると発振回路の信号を通
過させ、設定レベル以上になると信号の通過を阻止す
る。このため、発振信号は間欠的となり、１次側回路か
らの信号も間欠的となって２次側電力が減少し、間欠的
な時間を小さくすると信号が通過して２次側電力が増大
する。

【００２２】

【実施の形態】以下、この発明の実施の形態について図
面を参照して説明する。図１は実施形態の電磁誘導電源
装置の概略ブロック図である。１０は１次側電源回路、
２０は２次側電源回路である。なお、この電源装置は、
携帯電話などの携帯機器、あるいは電動歯ブラシ、ひげ
そり器などの小型電気機器等の２次電池応用製品の電源
装置として用いられる。

【００２３】図１に示すように、１次側電源回路１０
は、外部の商用電源Ｐから得られる交流電力を整流して
直流電力を得る整流回路１１、上記直流電力が送られる
とその電流から所定の共振状態で１次電圧を生じる共振
コイル１２Ｌとコンデンサ１２Ｃから成る共振回路１２
（１次側）、この共振回路へ所定の周波数で発振した信
号を出力しその信号のオン、オフによって共振回路１２
において減衰振動を起こさせるための発振信号出力手段
１３、この出力手段へ２次側回路における負荷の電流、
電圧情報を入力する２次側情報入力部１４とを備えてい
る。

【００２４】２次側回路２０は、共振コイル２１Ｌとコ
ンデンサ２１Ｃから成る２次側の共振回路２１、この共
振回路で非接触で電磁誘導結合により誘起される２次電
圧を整流する整流回路２２、整流されて直流に変換され
た電力を蓄電する２次電池やモータなどの負荷２３、上
記蓄電される電流、電圧などの負荷情報を検出し、１次
側へ非接触で情報を送り出す負荷情報検出部２４を備え
ている。

【００２５】上記１次側と２次側の電源回路１０、２０
の詳細をそれぞれ図２、図３に示す。以下、図１に示さ
れていない詳細部について説明する。図２に示すよう
に、発振信号出力手段１３は、独立の発振回路１３Ｇを
備えている。この発振回路１３Ｇの発振周波数は、例え
ば２５０ＫＨｚ程の高周波数であり、整流回路１１で整
流された直流電力を電源としているが、その電源電圧等
が商用電源Ｐの変動による影響を受けないように制御電
源部１３Ｐが電源ラインに接続されており、これにより
安定化された電源が供給され発振周波数が変化しないよ
うにしている。

【００２６】発振回路１３Ｇの発振信号は、第１スイッ
チング回路１３Ｓと第２スイッチング回路１３ＳＳの２
つのスイッチング回路を経て共振回路１２へ出力される
ようにしている。第１スイッチング回路１３Ｓは、ＬＣ
共振回路である１次側の共振回路１２の基本周波数とな
る発振回路１３Ｇの発振周波数に応じてスイッチングす
るもので、例えば図示のように原理的には３つのトラン
ジスタを組み合わせて発振回路１３Ｇの高周波信号と同
期した信号を共振回路１２へ送るようにしている。

【００２７】第２スイッチング回路１３ＳＳは、原理的
にＮＯＲゲート素子のようなスイッチング素子から成
り、２次側情報入力部１４からの電圧、電流情報の信号
によって発振回路１３Ｇの信号の通過、阻止をスイッチ
ング制御するものである。２次側回路の電圧、電流情報
は、図示の例では赤外線の光信号を受ける受光素子１４
ａの出力信号を波形成形器１４ｂで矩形波に成形して回
路１３ＳＳへ送られる。

【００２８】この第２スイッチング回路１３ＳＳは、２
次側情報入力部１４の信号がＨ信号であれば発振回路１
３Ｇの信号を阻止させ、Ｌ信号であれば発振信号を通過
させる。又、そのスイッチング動作は発振回路１３Ｇの
周波数より十分低い周波数に設定され、従って発振回路
１３Ｇの周波数に関係なく動作し、発振回路１３Ｇの発
振周波数に何ら影響を与えないように設けられる。

【００２９】２次側回路２０についても、図３で詳細に
示している部分を説明する。即ち、負荷情報検出部２４
は、電圧、電流検出器２４ａを有し、負荷２３の電圧又
は電流値をオペアンプにおいて基準電圧として設定され
る電圧設定レベルと比較し、設定レベルより高ければＬ
信号、低ければＨ信号を出力する。上記信号は発光ドラ
イバ２４ｂへ送られ、その駆動信号により赤外線の発光
素子２４ｃのオン、オフが制御される。

【００３０】なお、発光素子２４ｃの光信号は２次側回
路２０を１次側回路１０に接合したときに１次側回路１
０の受光素子１４ａに受光され、２次側の電圧、電流情
報が伝達されるものとする。但し、図示の例では光信号
方式の情報伝達手段としたが、光信号以外に超音波信号
あるいは電波信号による手段としてもよい。

【００３１】上記の構成としたこの実施形態の電磁誘導
電源装置の作用は、次の通りである。１次側回路１０の
ＬＣ共振回路１２へは直流電力が供給され、その電力に
基づいて共振回路１２では発振回路１３Ｇからの高周波
発振信号が入力されることによりこの発振信号に同期し
た振動波形の共振信号による１次電圧が発生する。

【００３２】上記共振回路１２における共振波形は、発
振回路１３Ｇの発振信号を第１スイッチング回路１３Ｓ
を通過させた信号に基づく。即ち、発振回路１３Ｇの発
振波形が図４（ａ）に示すような波形とすると、第１ス
イッチング回路１３Ｓで電流増幅され、その出力信号で
共振回路１２に電流を流したり、止めたりするスイッチ
として作用する。

【００３３】第１スイッチング回路１３ＳがオンでＬＣ
共振回路１２に電流が流れ、オフになると共振回路１２
は減衰振動を起して図４（ｂ）に示すような減衰振動波
形を作り出す。従って、第１スイッチング回路１３Ｓが
オン、オフする時間は発振回路１３Ｇの周波数となり、
第１スイッチング回路１３Ｓのオフ時間内に減衰振動が
１８０°進むようにＬＣ共振回路１２のＬ、Ｃの時定数
を決めておけば、発振回路１３Ｇの発振に同期して最大
波形の振動波形を発振波形に対応して作り出すことがで
き、小さい波形の振動波形はカットされるため、波形の
最も大きい状態で２次側に信号を伝達することができ
る。

【００３４】こうしてＬＣ共振回路１２で発生した減衰
振動波形の信号は、電磁誘導結合の原理により２次側共
振回路２１で１次側の共振周波数に同調した振動波形と
して受け取られ、１次と２次の各共振回路１２、２１は
同一の周波数に共振して非接触で電力を伝達することと
なる。２次側共振回路２１で受取られた信号は２次側整
流回路２２で整流して２次側の電力として用いられる。

【００３５】上記２次側の電力は２次電池やモータなど
の負荷２３に供給され、２次電池の充電状態が満充電状
態に近づくにつれて負荷に必要な電力が変化する。この
ような２次側の電圧や電流の情報は、電圧・電流検出回
路２４ａで検出され、発光素子２４ｂから１次側の受光
素子１４ａに伝送されることは前述した通りである。

【００３６】上記光信号は、２次側の電圧が電圧設定レ
ベルより高ければＬ信号として、低ければＨ信号として
第２スイッチング回路１３ＳＳへ送られるから、１次側
回路１０ではＨ信号であれば発振回路１３Ｇの信号の通
過を停止し、Ｌ信号であれば信号を通すように制御され
る。上記第１、第２のスイッチング回路１３Ｓ、１３Ｓ
Ｓを介して１次側の共振回路１２に発生される共振波形
の総合的な作成過程を図５に示している。

【００３７】発振回路１３Ｇの発振波形は、（ａ）に示
すように連続して一定の高周波数で発生しているから、
１次側の共振回路１２における共振信号もこれに同調し
た信号として２次側へ信号を伝送し電力を送っている。
負荷側の電圧状態が変化し、図５（ｆ）に示すように、
電圧設定レベルより上下となる変動が生じると、その電
圧変動の大きさに応じたパルス幅の信号として図５
（ｅ）に示す信号が電圧電流検出器２４ａから出力さ
れ、図５（ｃ）に示すような動作波形の信号が第２スイ
ッチング回路１３ＳＳに入力される。

【００３８】このため、第１スイッチング回路１３Ｓを
通過した発振波形は、図５（ｄ）のように、第２スイッ
チング回路１３ＳＳへＬ信号が入力された期間だけ発振
波形を取り除いたようになり、その結果発振波形は間欠
的なものとなり、これにより生じる共振回路１２におけ
る減衰振動波形も、図５（ｂ）に示すように、間欠的な
ものとなる。

【００３９】このように間欠的な減衰振動波形の間欠の
程度を、２次側電圧、電流情報によりコントロールすれ
ば、２次側電圧、電流が低くなると間欠期間を減少さ
せ、電圧設定レベルに近づくと間欠期間を大きくするこ
とにより１次側回路１０から２次側回路２０への電力を
変化させることができ、従って希望する２次側の電圧、
電流状態を得ることができる。

【００４０】以上により負荷の変動によって１次側回路
から２次側回路へ電力を供給する割合を増減するが、１
次側回路の共振回路が他励型であるため２次側回路の負
荷が変動しても、自励型のように負荷の変動によって共
振回路の共振周波数そのものが影響を受けて変動すると
いうことはない。

【００４１】又、１次側回路の直流電源が商用電源の変
動により変化しても発振回路１３Ｇの発振周波数は殆ど
変化せず、制御電源１３Ｐを発振回路１３Ｇに接続する
ことにより安定性を確保している。従って、１次側の入
力電圧、２次側の負荷のいずれに変動があっても自励形
電磁誘導装置のように共振周波数が変化せず、２次側回
路へ安定した電力を供給することができる。

【００４２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明の
電磁誘導電源装置は独立の発振回路とスイッチング回路
を有する発振信号出力手段から共振コイルとコンデンサ
を有する１次側の共振回路へ高周波信号を入力して共振
回路での共振信号を高周波信号に同調して発生させ、そ
の信号を２次側共振回路へ電磁誘導結合により伝達して
２次側回路へ電力を供給するようにしたから、１次側の
共振回路での減衰信号のうち最大波形の共振信号で２次
側への信号伝送が行なわれるため電磁誘導の結合度が高
くなり、入力電圧や負荷の変動で共振信号が影響を受け
ることがなくなり、２次側回路へ高効率で安定した電力
の供給ができ、２次側回路に電力安定化電源を設ける必
要がなくなるため電源回路を小型化でき、部品点数の増
大を抑制できるなど種々の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電磁誘導電源装置の全体概略ブロック図

【図２】同上の１次側回路のブロック図

【図３】同上の２次側回路のブロック図

【図４】発振回路と共振回路の波形の説明図

【図５】負荷変動情報による発振、共振回路の波形変化
の説明図

【符号の説明】

１０ １次側回路 １１ 整流回路 １２ 共振回路 １３ 発振信号出力手段 １４ ２次側情報入力部 １３Ｇ 発振回路 １３Ｓ 第１スイッチング回路 １３ＳＳ 第２スイッチング回路 ２０ ２次側回路 ２１ 共振回路 ２２ 整流回路 ２３ 負荷 ２４ 負荷情報検出部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電力が送られると所定の共振状態で
   １次電圧を発生する共振コイルとコンデンサを有する１
   次側共振回路と、独立の発振回路からその信号を発振周
   波数に同期して作動するスイッチング回路を介して上記
   共振回路へ出力するように接続した発振信号出力手段と
   から成り、上記所定の共振状態を発振回路の発振周波数
   に同期させるようにした１次側電源回路と、上記１次側
   共振回路から電磁誘導結合により２次側共振回路に共振
   した２次電圧を誘起させて２次電力を供給する２次側電
   源回路とを分離自在に備えて成る電磁誘導電源装置。
2. 【請求項２】 前記１次側電源回路における発振回路と
   スイッチング回路の間に負荷情報の信号で作動する第２
   のスイッチング回路を設け、２次側電源回路には負荷の
   電圧又は電流の変動を検出する負荷状態検出手段を設
   け、この検出手段で検出された情報を非接触で伝送し、
   その情報信号を受信手段で受信するとその出力信号によ
   り上記第２のスイッチング回路を作動するようにしたこ
   とを特徴とする請求項１に記載の電磁誘導電源装置。