非接触給電システム
【課題】非接触給電システムにおいて、２次コイルの位置に関わらず安定した出力電力を確保することにある。
【解決手段】２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置に応じて、共振系切替回路４１において有効とするコンデンサの切り替えを通じて容量を変化させる。従って、動作周波数に対する共振系の位置が一定に保たれる。よって、２次コイルＬ２の位置に関わらず、より安定した受電装置３０の出力を得ることができる。
【解決手段】２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置に応じて、共振系切替回路４１において有効とするコンデンサの切り替えを通じて容量を変化させる。従って、動作周波数に対する共振系の位置が一定に保たれる。よって、２次コイルＬ２の位置に関わらず、より安定した受電装置３０の出力を得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、非接触で受電装置に給電する非接触給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、給電装置から受電装置へ非接触にて給電を行う非接触給電システムが存在する（例えば、特許文献１参照）。従来の非接触給電システムにおいては、給電の実行にあたって、受電装置を給電装置における決まった位置に設置する。この状態においてのみ、給電装置から受電装置への給電が行われる。
【０００３】
近年、さらなるユーザの利便性の向上を図るべく、給電装置の上面（給電面）における任意の位置に受電装置を設置するだけで、この受電装置への給電が可能となる、いわゆるフリーレイアウト型の非接触給電システムが検討されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
図１０（ａ）に示すように、フリーレイアウト型の非接触給電システムにおける給電装置１０の内部には、その給電板６に沿って複数の１次コイルＬ１が配列されている。また、受電装置３０には２次コイルＬ２が設けられている。図１０（ａ）においては、２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対した状態にある。この１次コイルＬ１は動作周波数ｆ１にて励磁される。励磁された１次コイルＬ１からの磁束の変化に基づき２次コイルＬ２には誘起電流が生じる。この誘起電流が受電装置の出力電力である。このように、電磁誘導を利用して給電装置１０から受電装置３０に非接触で電力が供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２０４６３７号公報
【特許文献２】特開２００８−５５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の非接触給電システム（フリーレイアウト型でないシステム）においては、図１１に示すように、１次コイルＬ１の動作周波数ｆ１は、２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対したときの共振系における共振周波数ｆｒに一致するように設定される。この共振周波数ｆｒは、２次コイルＬ２の共振周波数である。従来の非接触給電システムにおいては、受電装置は給電装置に対して決まった位置に設置されるため、給電時には常に２次コイルＬ２を１次コイルＬ１に正対させることができる。よって、動作周波数ｆ１を共振周波数ｆｒとすることで受電装置３０において最大の出力電力Ｗ１を得ることができる。
【０００７】
一方、上記フリーレイアウト型の非接触給電システムにおいては、給電装置１０の給電板６であれば、受電装置３０を特に決まった位置に設置する必要がない。従って、このシステムにおいては、図１０（ｂ）に示すように、２次コイルＬ２が互いに隣接する２つの１次コイルＬ１間に位置する場合もある。２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対した状態においては漏れインダクタンスＬｅは最小となる。そして、２次コイルＬ２が正対位置から給電板６に沿ってずれていくにつれて漏れインダクタンスＬｅが増加する。
【０００８】
共振周波数ｆｒは、漏れインダクタンスＬｅが大きくなるほど小さくなることが知られている。従って、図１１の矢印で示すように、１次コイルＬ１に対する２次コイルＬ２の位置ずれに応じて共振系とともに共振周波数ｆｒが小さくなる。
【０００９】
このため、２次コイルＬ２が２つの１次コイルＬ１間に位置しているときの出力電力Ｗ２は、正対位置にあるときの出力電力Ｗ１に比べて大幅に低下する。このように、フリーレイアウト型の非接触給電システムにおいては受電装置３０の設置位置に応じて受電装置３０における出力電力のばらつきが大きく、安定した出力電力を確保することが困難であった。
【００１０】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、２次コイルの位置に関わらず安定した出力電力を確保できる非接触給電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の非接触給電システムは、動作周波数にて振動する交流電流が供給されることで交番磁束を発生させる１次コイルが給電面に沿って複数配置される給電装置と、前記給電面に設置された状態において、前記１次コイルからの交番磁束に基づき誘起電力を発生させ、その電力を負荷に供給する２次コイルを有する受電装置と、を備えた、前記２次コイルにおける共振現象を利用する非接触給電システムにおいて、前記２次コイルの前記１次コイルに対する位置を判断するコイル位置判断部と、前記動作周波数に対する前記２次コイルにおける共振周波数の値を切り替える切替回路と、前記コイル位置判断部の判断結果に基づき、前記切替回路を通じて前記動作周波数を前記共振周波数に対応する値とする制御回路と、を備える。
【００１２】
また、上記構成において、前記切替回路は、前記２次コイルに直列接続されるとともに、互いに直列接続されるコンデンサ及びスイッチング素子が複数組設けられ、その各組が並列に接続され、前記各スイッチング素子のオンオフ状態の切り替えを通じて前記動作周波数に対する前記共振周波数の値を切り替えることが好ましい。
【００１３】
また、上記構成において、前記コイル位置判断部は、前記各１次コイルと前記２次コイルとの磁気結合の度合いに応じて変化する前記各１次コイルにおける電圧値又は電流値に基づき存在検知レベルを認識し、その存在検知レベルに基づき前記２次コイルの前記１次コイルに対する位置を判断することが好ましい。
【００１４】
また、上記構成において、前記コイル位置判断部は、前記１次コイル毎に設けられるとともに、前記給電面における前記受電装置に対して光を放射する発光素子と、前記発光素子に対応して設けられるとともに、前記給電面における前記受電装置に前記光が放射されたときの反射光の有無を検出する受光素子と、前記各受光素子のうち反射光がある旨検出した前記受光素子の数に基づき、前記２次コイルの前記１次コイルに対する位置を判断する判断部と、を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、非接触給電システムにおいて、２次コイルの位置に関わらず安定した出力電力を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態における非接触給電システムの構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態における給電装置及び受電装置の斜視図。
【図３】第１の実施形態における共振系切替回路の構成を示すブロック図。
【図４】第１の実施形態における２次コイルＬ２の位置に応じた各フォトＭＯＳのオンオフ状態を示した表。
【図５】第１の実施形態における（ａ）２次コイルＬ２の正対位置を示す上面図、（ｂ）２次コイルＬ２の第１の位置を示す上面図、（ｃ）２次コイルＬ２の第２の位置を示す上面図。
【図６】第１の実施形態における２次コイルＬ２の位置に応じた受電装置の出力（共振系）を示したグラフ。
【図７】第２の実施形態における非接触給電システムの構成を示すブロック図。
【図８】第２の実施形態における存在検知回路の上面図。
【図９】第２の実施形態における給電装置及び受電装置の部分断面図。
【図１０】背景技術における（ａ）２次コイルＬ２が正対位置にあるときの給電装置及び受電装置の部分断面図、（ｂ）２次コイルＬ２が両１次コイルＬ１間の中央位置にあるときの給電装置及び受電装置の部分断面図。
【図１１】背景技術における２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対した位置及び２次コイルＬ２が両１次コイルＬ１間の中央位置にあるときの共振系を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１の実施形態）
以下、本発明の非接触給電システムを具体化した第１の実施形態を図１〜図６を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１に示すように、非接触給電システムは、給電装置１０と、受電装置３０とを備える。本例では、受電装置３０は、携帯端末４０に内蔵されている。以下、給電装置１０及び受電装置３０の具体的構成について説明する。
【００１９】
（給電装置）
図２に示すように、給電装置１０は平板状の筐体５を有している。筐体５の上面には携帯端末４０が設置される給電板６が形成されている。筐体５の内部には、３６個の１次コイルＬ１が給電板６の全域に亘って配置される。１次コイルＬ１は、給電板６において６行×６列のマトリックス状に配置されている。
【００２０】
図１に示すように、給電装置１０は、単一の共通ユニット１１と、この共通ユニット１１にそれぞれ接続される複数（本例では１次コイルＬ１と同数の３６個）の給電ユニット１５と、を備える。
【００２１】
共通ユニット１１は、電源回路１３と、共通制御回路１２と、メモリ１４とを備える。電源回路１３は、外部電源からの交流電力を適切な直流電圧に変換し、その直流電圧を動作電力として各給電ユニット１５及び共通ユニット１１に供給する。メモリ１４には、受電装置３０に固有のＩＤコードが記憶されている。
【００２２】
共通制御回路１２は、マイクロコンピュータで構成されるとともに、各給電ユニット１５への各種指令信号を通じて給電装置１０を統括制御する。
給電ユニット１５は、ユニット制御回路１９と、励磁駆動回路１６と、電圧検出回路１７と、１次側通信回路１８とを備える。
【００２３】
励磁駆動回路１６には、１次コイルＬ１の両端が接続されている。そして、１次コイルＬ１の一端及び励磁駆動回路１６間にはコンデンサＣ１が接続されている。また、１次側通信回路１８には１次側通信用コイルＬ３の両端が接続されている。
【００２４】
ユニット制御回路１９は、共通制御回路１２からの給電を要求する旨の指令信号を受けると、励磁駆動回路１６の制御を実行する。励磁駆動回路１６は、ユニット制御回路１９による制御を通じて、動作周波数ｆ１の交流電流を生成し、それを１次コイルＬ１及びコンデンサＣ１に供給する。これにより、１次コイルＬ１は励磁される。このとき、１次コイルＬ１からの磁束は変化する。
【００２５】
電圧検出回路１７は１次コイルＬ１に接続されている。この電圧検出回路１７は、１次コイルＬ１の電圧を検出するとともに、その検出結果をユニット制御回路１９に出力する。
【００２６】
ユニット制御回路１９は１次コイルＬ１に高周波電流を供給し、そのときの電圧検出回路１７の検出結果に基づき、１次コイルＬ１の周辺に物体が存在するか否かの存在検知を行う。
【００２７】
詳しくは、１次コイルＬ１の磁束方向に２次コイルＬ２が存在する場合には、励磁される１次コイルＬ１はその２次コイルＬ２と磁気結合することで１次コイルＬ１からみたインピーダンスが増加する。このため、１次コイルＬ１の電圧が低下する。
【００２８】
ユニット制御回路１９は、電圧検出回路１７の検出結果に基づき、１次コイルＬ１に対する２次コイルＬ２の磁気結合の度合いを存在検知レベルとして算出する。この存在検知レベルは、１次コイルＬ１の軸方向における２次コイルＬ２と１次コイルＬ１との距離が一定の場合には、この軸方向からみて、２次コイルＬ２と１次コイルＬ１とが重なる面積に応じた値となる。存在検知レベルは、１次コイルＬ１に２次コイルＬ２が全く重なっていない場合には「０．０」と算出され、１次コイルＬ１の全域に亘って２次コイルＬ２が重なっているときには「１．０」と算出される。
【００２９】
ユニット制御回路１９は、算出された存在検知レベルに基づき、１次コイルＬ１の周辺に物体が存在する旨判断したとき、その存在検知レベルを含む情報信号を１次側通信回路１８に出力する。１次側通信回路１８は、情報信号を変調し、その変調した信号を１次側通信用コイルＬ３を介して無線送信する。
【００３０】
また、ユニット制御回路１９は、存在検知レベルに基づき、１次コイルＬ１の周辺に物体が存在する旨判断したとき、その存在検知レベルを共通制御回路１２に出力する。共通制御回路１２は、ユニット制御回路１９から存在検知レベルを受けると、ユニット制御回路１９を通じてＩＤ要求信号を生成し、その生成した信号を１次側通信回路１８に出力する。１次側通信回路１８は、ＩＤ要求信号を変調し、その変調した信号を１次側通信用コイルＬ３を介して無線送信する。
【００３１】
１次側通信用コイルＬ３は、受電装置３０からのＩＤ信号を電磁誘導を利用して受信すると、その受信信号を１次側通信回路１８に出力する。１次側通信回路１８は、ＩＤ信号を復調し、その復調した信号をユニット制御回路１９を通じて共通制御回路１２に出力する。共通制御回路１２は、ＩＤ信号に含まれるＩＤコードと、メモリ１４に記憶されるＩＤコードとの照合を行う。共通制御回路１２は、ＩＤコードの照合が成立した旨判断したとき、物体が正規の受電装置３０であるとして上述のように給電を実行する。
【００３２】
（受電装置）
図１に示すように、受電装置３０は、整流回路３１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５と、２次側通信回路３２と、２次側制御回路３３と、メモリ３４と、共振系切替回路４１と、スイッチ駆動回路３８と、を備える。
【００３３】
２次側通信回路３２には２次側通信用コイルＬ４の両端が接続されている。２次コイルＬ２は、１次コイルＬ１からの磁束の変化に基づき電流を誘起する。整流回路３１は、２次コイルＬ２に誘起される交流電力を整流する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３５は、整流回路３１からの直流電圧を携帯端末４０の動作に適切な値に変換する。この直流電圧は、例えば携帯端末４０の動作電源である２次電池（図示略）の充電に利用される。
【００３４】
２次側制御回路３３は、マイクロコンピュータで構成されるとともに、整流回路３１からの電力の一部を受けて動作する。また、メモリ３４には、受電装置３０に固有のＩＤコードが記憶されている。
【００３５】
整流回路３１には、２次コイルＬ２の両端が接続されている。また、２次コイルＬ２の一端及び整流回路３１間には共振系切替回路４１が接続されている。２次側通信用コイルＬ４は、電磁誘導を利用して１次側通信用コイルＬ３からのＩＤ要求信号又は情報信号を受信すると、その受信信号を２次側通信回路３２に出力する。２次側通信回路３２は、ＩＤ要求信号又は情報信号を復調し、その復調した信号を２次側制御回路３３に出力する。
【００３６】
２次側制御回路３３は、ＩＤ要求信号を認識すると、メモリ３４に記憶されるＩＤコードを含むＩＤ信号を生成し、その生成した信号を２次側通信回路３２に出力する。２次側通信回路３２は、ＩＤ信号を変調し、その変調した信号を２次側通信用コイルＬ４を介して無線送信する。
【００３７】
２次側制御回路３３は、情報信号を認識すると、その信号に含まれる存在検知レベルに基づき、スイッチ駆動回路３８を通じて共振系切替回路４１の状態を切り替える。以下、共振系切替回路４１について詳細に説明する。
【００３８】
図３に示すように、共振系切替回路４１は、３つのコンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃと、第１〜第３のフォトＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）４２ａ〜４２ｃとを備える。コンデンサＣ２ａ及びフォトＭＯＳ４２ａは直列接続され、コンデンサＣ２ｂ及びフォトＭＯＳ４２ｂは直列接続され、コンデンサＣ２ｃ及びフォトＭＯＳ４２ｃは直列接続されている。各直列接続されたコンデンサ及びフォトＭＯＳは、それぞれ並列接続されている。
【００３９】
第１〜第３のフォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃは、発光ダイオード４３と、光発電セル４４と、２つのＦＥＴ（電界効果トランジスタ：Field-Effect Transistor）４５ａ，４５ｂとを備える。各発光ダイオード４３はスイッチ駆動回路３８に接続されている。また、光発電セル４４は、両ＦＥＴ４５ａ，４５ｂのゲート端子に接続されている。また、ＦＥＴ４５ａ，４５ｂのドレイン端子及びソース端子は２次コイルＬ２及び整流回路３１間の接続線に接続されている。
【００４０】
スイッチ駆動回路３８は、２次側制御回路３３からの指令信号に基づき発光ダイオード４３を点灯させる。光発電セル４４は、発光ダイオード４３からの光を受けると、ＦＥＴ４５ａ，４５ｂのゲート端子に一定電圧を印加する。これにより、ＦＥＴ４５ａ，４５ｂのドレイン端子及びソース端子間が導通状態となる。これが第１〜第３のフォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃのオン状態である。
【００４１】
ここで、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、存在検知レベルに基づき２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に対して正対位置、第１の位置及び第２の位置のうち何れの位置に存在しているかが判断可能である。具体的には、図５（ａ）に示すように、存在検知レベルが０.９以上のとき、２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に対して正対位置に存在していると判断可能である。また、図５（ｂ）に示すように、存在検知レベルが０．７以上０.９未満のとき、２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に対して第１の位置に存在している旨判断可能である。また、図５（ｃ）に示すように、存在検知レベルが０．７未満のとき、２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に対して第２の位置に存在している旨判断可能である。
【００４２】
このように、存在検知レベルを通じて２次コイルＬ２の位置が判断可能である。従って、本例では、存在検知レベルを算出するための構成である給電装置１０におけるユニット制御回路１９、１次コイルＬ１及び電圧検出回路１７がコイル位置判断部に相当する。
【００４３】
図４の表に示すように、２次側制御回路３３は、情報信号に含まれる存在検知レベルに基づき、第１〜第３のフォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃのオンオフ状態を切り替える。以下、
存在検知レベル、すなわち１次コイルＬ１に対する２次コイルＬ２の位置に応じて、各フォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃの状態を切り替える理由について説明する。
【００４４】
図６には１次コイルＬ１の動作周波数に応じた受電装置３０の出力電力を示す共振系が示されている。同図に示すように、１次側共振周波数ｆａ及び２次側共振周波数ｆｂの２つの共振周波数が存在する。これら共振周波数ｆａ，ｆｂは２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対した位置にあるときの共振周波数である。
【００４５】
ここで、動作周波数ｆ１を１次側共振周波数ｆａの近傍に設定した場合には、両コイルＬ１，Ｌ２が磁気結合した状態でのインピーダンスが過度に低下することで回路効率が低下する。従って、本例では２次側共振周波数ｆｂを利用するべく、１次コイルＬ１に供給される動作周波数ｆ１は２次側共振周波数ｆｂの近傍に設定される。共振周波数は以下の式から導出される。
【００４６】
【数１】
式（１）より、漏れインダクタンスＬｅ又はコンデンサの容量Ｃが大きいほど共振周波数が小さくなることがわかる。２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対した位置から給電板６の面方向にずらされた場合には、漏れインダクタンスＬｅが増大していく。従来の構成においては、これに伴って、図６に示される共振系は、共振周波数が小さくなる方向（図中の左方向）に移動する。図６の実線で示す正対位置における共振系から、左側に一定値Ａ１だけずれた位置に図６の一点鎖線で示す第１の位置における共振系が存在する。そして、正対位置における共振系から、左側に上記一定値Ａ１より大きい一定値Ａ２だけずれた位置に図６の二点鎖線で示す第２の位置における共振系が存在する。
【００４７】
２次側制御回路３３は、第１〜第３のフォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃのオンオフ状態の切り替えを通じて、動作周波数ｆ１に対する共振系のずれを抑制する。すなわち、２次側制御回路３３は、存在検知レベルが０.９以上のとき２次コイルＬ２が正対位置にあるとして、第１〜第３のフォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃをオン状態とする。このとき、３つのコンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃが有効となるため、上記式（１）の容量Ｃが最大となる。この場合、図６の実線で示す正対位置の共振系となって、動作周波数ｆ１で１次コイルＬ１を励磁することで出力電力Ｗ１を得ることができる。
【００４８】
また、２次側制御回路３３は、存在検知レベルが０．７以上０.９未満のとき、２次コイルＬ２が第１の位置にあるとして、第１及び第２のフォトＭＯＳ４２ａ，４２ｂをオン状態とし、第３のフォトＭＯＳ４２ｃをオフ状態とする。このとき、２つのコンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂが有効となるため、上記式（１）の容量Ｃは、上記正対位置の場合より小さくなる。これにより、共振系は図６において一定値Ａ１だけ右側に移動する。この一定値Ａ１は、２次コイルＬ２が正対位置から第１の位置へずれた場合における漏れインダクタンスＬｅの増大に伴う共振系の左側へのずれ量と同一値である。換言すると、同一値となるようにコンデンサＣ２ｃの容量が設定されている。従って、漏れインダクタンスＬｅの増大に伴う共振系のずれが、容量Ｃの減少によって相殺される。この結果、２次コイルＬ２が第１の位置となった場合であっても共振系の位置は変化しない。このため、第１の位置においても出力電力Ｗ１を得ることができる。
【００４９】
また、２次側制御回路３３は、存在検知レベルが０．７未満のとき、２次コイルＬ２が第２の位置にあるとして、第１のフォトＭＯＳ４２ａをオン状態とし、第２及び第３のフォトＭＯＳ４２ｂ，４２ｃをオフ状態とする。このとき、コンデンサＣ２ａのみが有効となるため、上記式（１）の容量Ｃは、上記第１の位置における場合よりさらに小さくなる。これにより、共振系は図６において一定値Ａ２だけ右側に移動する。この一定値Ａ２は、２次コイルＬ２が正対位置から第２の位置へずれた場合における漏れインダクタンスＬｅの増大に伴う共振系の左側へのずれ量と同一値である。換言すると、同一値となるようにコンデンサＣ２ｂ，Ｃ２ｃの容量が設定されている。従って、漏れインダクタンスＬｅの増大に伴う共振系のずれが、容量Ｃの減少によって相殺される。この結果、２次コイルＬ２が第２の位置となった場合であっても共振系の位置は変化しない。このため、第２の位置においても出力電力Ｗ１を得ることができる。よって、２次コイルＬ２の位置に関わらず、より安定した受電装置３０の出力を得ることができる。
【００５０】
以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置に応じて、有効とするコンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃの切り替えを通じて上記式（１）の容量Ｃを変化させることで、動作周波数ｆ１に対する共振系の位置が一定に保たれる。よって、２次コイルＬ２の位置に関わらず、より安定した受電装置３０の出力を得ることができる。
【００５１】
（２）容量Ｃを変化させることで動作周波数ｆ１に対する共振系の位置を設定している。これにより、例えば動作周波数ｆ１が予め規格等により定まっている場合であっても、動作周波数ｆ１を規格に則した値に固定しつつ、より安定した受電装置３０の出力を得ることができる。
【００５２】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について、図７〜図９を参照して説明する。この実施形態の非接触給電システムは、２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置の判断方法が上記第１の実施形態と異なっている点を除き、上記第１の実施形態と同様に構成される。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００５３】
図７に示すように、給電ユニット１５は存在検知回路５０を備える。この存在検知回路５０は、ＬＥＤ（発光ダイオード）５１ａ〜５１ｌと、受光素子５２ａ〜５２ｌとを備えている。
【００５４】
図８に示すように、ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌ及び受光素子５２ａ〜５２ｌは、正方板状でなる基板５５に配置されている。この基板５５は、１次コイルＬ１からの磁束の出入りを阻害しない程度に透磁性の高い材質で形成されている。図９に示すように、この基板５５は、各１次コイルＬ１の上面に設置されている。
【００５５】
詳しくは、図８に示すように、ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌは、基板５５の縁に沿って正方形を描くように配置されている。基板５５における図中の左上角部にＬＥＤ５１ａを設け、右上角部にＬＥＤ５１ｄを設ける。また、基板５５における図中の左下角部にＬＥＤ５１ｊを設け、基板５５における図中の右下角部にＬＥＤ５１ｇを設ける。そして、ＬＥＤ５１ａ，５１ｄ間には左からＬＥＤ５１ｂ，５１ｃを設け、ＬＥＤ５１ｄ，５１ｇ間には上からＬＥＤ５１ｅ，５１ｆを設ける。また、ＬＥＤ５１ｇ，５１ｊ間には右からＬＥＤ５１ｈ，５１ｉを設け、ＬＥＤ５１ｊ，５１ａ間には下からＬＥＤ５１ｋ，５１ｌを設ける。各ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌに対応してそれらの右下には受光素子５２ａ〜５２ｌが設けられる。給電板６は透光性の高い材質で形成される。また、ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌ及び受光素子５２ａ〜５２ｌは、給電板６の下面に接する位置に設けられる。各ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌは給電板６の外部に光を出し、給電板６に受電装置３０が存在する場合には各受光素子５２ａ〜５２ｌはその反射光を受光する。
【００５６】
ユニット制御回路１９は、一定周期毎に存在検知回路５０を通じて２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置を判断する。すなわち、ユニット制御回路１９は、ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌを順に点灯させる。このとき、ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌの光の照射方向に受電装置３０が存在する場合には、その光は受電装置３０に反射する。受光素子５２ａ〜５２ｌは、この反射光の有無を検出し、その検出結果をユニット制御回路１９に出力する。
【００５７】
ユニット制御回路１９は、受光素子５２ａ〜５２ｌのうち反射光がある旨検出した数を情報信号に含ませて１次側通信回路１８及び１次側通信用コイルＬ３を通じて無線送信する。２次側通信用コイルＬ４は、電磁誘導を利用して１次側通信用コイルＬ３からの情報信号を受信すると、その受信信号を２次側通信回路３２に出力する。２次側通信回路３２は、情報信号を復調し、その復調した信号を２次側制御回路３３に出力する。
【００５８】
ここで、受光素子５２ａ〜５２ｌのうち反射光がある旨検出した数に基づき、２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置を判断可能である。すなわち、その数が小さいほど１次コイルＬ１に対する２次コイルＬ２の位置はずれていると判断できる。従って、２次側制御回路３３は、情報信号に含まれる、受光素子５２ａ〜５２ｌのうち反射光がある旨検出した数に基づき２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に対して正対位置、第１の位置及び第２の位置の何れに存在しているかを判断する。例えば、２次側制御回路３３は、受光素子５２ａ〜５２ｌのうち反射光がある旨検出した数が１１以上の場合、２次コイルＬ２が正対位置にあるとして、第１の実施形態と同様に第１〜第３のフォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃをオン状態とする。また、２次側制御回路３３は、受光素子５２ａ〜５２ｌのうち反射光がある旨検出した数が８以上１１未満の場合、２次コイルＬ２が第１の位置にあるとして第１及び第２のフォトＭＯＳ４２ａ，４２ｂをオン状態とし、第３のフォトＭＯＳ４２ｃをオフ状態とする。また、２次側制御回路３３は、受光素子５２ａ〜５２ｌのうち反射光がある旨検出した数が８未満の場合、２次コイルＬ２が第２の位置にあるとして、第１のフォトＭＯＳ４２ａをオン状態とし、第２及び第３のフォトＭＯＳ４２ｂ，４２ｃをオフ状態とする。これにより、上記実施形態と同様に２次コイルＬ２の位置に関わらず、より安定した受電装置３０の出力を得ることができる。
【００５９】
なお、本実施形態においては存在検知回路５０及びユニット制御回路１９がコイル位置判断部に相当する。
以上、説明した実施形態によれば、特に以下の効果を奏することができる。
【００６０】
（３）ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌから給電板６側に光が放射される。光に対する反射光の有無に基づき１次コイルＬ１に対する受電装置３０（２次コイルＬ２）の位置が判断可能となる。よって、第１の実施形態と同様に、２次コイルＬ２の位置に応じて容量Ｃを変化させることができる。従って、２次コイルＬ２の位置に関わらず、安定した受電装置３０の出力を得ることができる。
【００６１】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記各実施形態においては、上記式（１）の容量Ｃを変化させることで、動作周波数ｆ１を固定した状態で共振系をずらしていた。しかし、動作周波数ｆ１を変化させてもよい。この場合、共振系切替回路４１が省略されて、例えば励磁駆動回路１６に周波数切替回路が設けられる。この場合であっても、２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置に応じて動作周波数ｆ１を２次コイルの共振周波数近傍とすることで、安定した出力電力が得られる。本構成においては、情報信号の送受信が不要となることから、両通信回路１８，３２を省略することもできる。
【００６２】
・上記各実施形態においては、３つのコンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃが互いに並列に接続されていたが、コンデンサの数はこれに限らない。コンデンサの数に応じてフォトＭＯＳの数が決定する。また、上記式（１）の容量Ｃを変化させることができれば、共振系切替回路４１の構成は上記各実施形態に限定されない。例えば、容量Ｃを変化させることができるバリアブルコンデンサを採用してもよい。
【００６３】
・第１の実施形態においては存在検知レベル、第２の実施形態においては受光素子５２ａ〜５２ｌの検出結果に基づき２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置が判断可能とされていた。しかし、その位置が判断可能であれば方式は上記両実施形態に限定されない。例えば、静電容量センサを給電板６に沿って配置し、そのセンサの検出結果に基づき２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置を判断してもよい。
【００６４】
・ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌ及び受光素子５２ａ〜５２ｌの数及び設置位置は、第２の実施形態に限定されない。例えば、図８における基板５５の中央にもＬＥＤ及び受光素子を設けてもよい。
【００６５】
・第１の実施形態において、ユニット制御回路１９は、存在検知レベルに基づき２次コイルＬ２の位置が正対位置、第１の位置及び第２の位置の何れであるかを判断し、その判断結果を情報信号に含ませて無線送信してもよい。また、この判断は、２次側制御回路３３で行われてもよい。第２の実施形態も同様に、ユニット制御回路１９は、受光素子５２ａ〜５２ｌの検出結果に基づき２次コイルＬ２の位置が正対位置、第１の位置及び第２の位置の何れであるかを判断し、その判断結果を情報信号に含ませて無線送信してもよい。
【００６６】
・上記各実施形態においては、フォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃを利用して、有効となるコンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃが切り替えられていた。しかし、有効となるコンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃを切り替え可能なスイッチング素子であれば、フォトＭＯＳ以外の種類のＦＥＴであってもよいし、さらに機械的なスイッチであってもよい。
【００６７】
・第１の実施形態においては、情報信号に存在検知レベルを含ませて送信していた。しかし、この情報信号に電圧検出回路１７の検出結果をそのまま含ませてもよい。この場合、２次側制御回路３３は、情報信号に含まれる電圧検出回路１７の検出結果に基づき存在検知レベルを算出し、この存在検知レベルに基づき第１〜第３のフォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃのオンオフ状態を切り替えてもよい。
【００６８】
・第２の実施形態においては、発光素子としてＬＥＤ５１ａ〜５１ｌが採用されていたが、発光するものであればＬＥＤに限らず電球であってもよい。また、赤外線センサを利用してもよい。
【００６９】
・上記実施形態におけるユニット制御回路１９を省略してもよい。この場合には、共通制御回路１２は、上記実施形態においてユニット制御回路１９が実行していた制御も行う。また、ユニット制御回路１９が行っていた制御の一部を共通制御回路１２が行ったり、逆に共通制御回路１２が行っていた制御の一部をユニット制御回路１９が行ったりしてもよい。
【００７０】
次に、前記実施形態から把握できる技術的思想をその効果と共に記載する。
（イ）請求項２に記載の非接触給電システムにおいて、前記スイッチング素子はフォトＭＯＳであることを特徴とする非接触給電システム。
【符号の説明】
【００７１】
６…給電板、１０…給電装置、１１…共通ユニット、１２…共通制御回路、１３…電源回路、１５…給電ユニット、１６…励磁駆動回路、１９…ユニット制御回路、３０…受電装置、４０…携帯端末、４１…共振系切替回路、４２ａ〜４２ｃ…フォトＭＯＳ、４５ａ，４５ｂ…ＦＥＴ、５１ａ〜５１ｌ…ＬＥＤ、５２ａ〜５２ｌ…受光素子、Ｃ１，Ｃ２ａ〜Ｃ２ｃ…コンデンサ、Ｌ１…１次コイル、Ｌ２…２次コイル、Ｌ３…１次側通信用コイル、Ｌ４…２次側通信用コイル。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、非接触で受電装置に給電する非接触給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、給電装置から受電装置へ非接触にて給電を行う非接触給電システムが存在する（例えば、特許文献１参照）。従来の非接触給電システムにおいては、給電の実行にあたって、受電装置を給電装置における決まった位置に設置する。この状態においてのみ、給電装置から受電装置への給電が行われる。
【０００３】
近年、さらなるユーザの利便性の向上を図るべく、給電装置の上面（給電面）における任意の位置に受電装置を設置するだけで、この受電装置への給電が可能となる、いわゆるフリーレイアウト型の非接触給電システムが検討されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
図１０（ａ）に示すように、フリーレイアウト型の非接触給電システムにおける給電装置１０の内部には、その給電板６に沿って複数の１次コイルＬ１が配列されている。また、受電装置３０には２次コイルＬ２が設けられている。図１０（ａ）においては、２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対した状態にある。この１次コイルＬ１は動作周波数ｆ１にて励磁される。励磁された１次コイルＬ１からの磁束の変化に基づき２次コイルＬ２には誘起電流が生じる。この誘起電流が受電装置の出力電力である。このように、電磁誘導を利用して給電装置１０から受電装置３０に非接触で電力が供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２０４６３７号公報
【特許文献２】特開２００８−５５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の非接触給電システム（フリーレイアウト型でないシステム）においては、図１１に示すように、１次コイルＬ１の動作周波数ｆ１は、２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対したときの共振系における共振周波数ｆｒに一致するように設定される。この共振周波数ｆｒは、２次コイルＬ２の共振周波数である。従来の非接触給電システムにおいては、受電装置は給電装置に対して決まった位置に設置されるため、給電時には常に２次コイルＬ２を１次コイルＬ１に正対させることができる。よって、動作周波数ｆ１を共振周波数ｆｒとすることで受電装置３０において最大の出力電力Ｗ１を得ることができる。
【０００７】
一方、上記フリーレイアウト型の非接触給電システムにおいては、給電装置１０の給電板６であれば、受電装置３０を特に決まった位置に設置する必要がない。従って、このシステムにおいては、図１０（ｂ）に示すように、２次コイルＬ２が互いに隣接する２つの１次コイルＬ１間に位置する場合もある。２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対した状態においては漏れインダクタンスＬｅは最小となる。そして、２次コイルＬ２が正対位置から給電板６に沿ってずれていくにつれて漏れインダクタンスＬｅが増加する。
【０００８】
共振周波数ｆｒは、漏れインダクタンスＬｅが大きくなるほど小さくなることが知られている。従って、図１１の矢印で示すように、１次コイルＬ１に対する２次コイルＬ２の位置ずれに応じて共振系とともに共振周波数ｆｒが小さくなる。
【０００９】
このため、２次コイルＬ２が２つの１次コイルＬ１間に位置しているときの出力電力Ｗ２は、正対位置にあるときの出力電力Ｗ１に比べて大幅に低下する。このように、フリーレイアウト型の非接触給電システムにおいては受電装置３０の設置位置に応じて受電装置３０における出力電力のばらつきが大きく、安定した出力電力を確保することが困難であった。
【００１０】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、２次コイルの位置に関わらず安定した出力電力を確保できる非接触給電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の非接触給電システムは、動作周波数にて振動する交流電流が供給されることで交番磁束を発生させる１次コイルが給電面に沿って複数配置される給電装置と、前記給電面に設置された状態において、前記１次コイルからの交番磁束に基づき誘起電力を発生させ、その電力を負荷に供給する２次コイルを有する受電装置と、を備えた、前記２次コイルにおける共振現象を利用する非接触給電システムにおいて、前記２次コイルの前記１次コイルに対する位置を判断するコイル位置判断部と、前記動作周波数に対する前記２次コイルにおける共振周波数の値を切り替える切替回路と、前記コイル位置判断部の判断結果に基づき、前記切替回路を通じて前記動作周波数を前記共振周波数に対応する値とする制御回路と、を備える。
【００１２】
また、上記構成において、前記切替回路は、前記２次コイルに直列接続されるとともに、互いに直列接続されるコンデンサ及びスイッチング素子が複数組設けられ、その各組が並列に接続され、前記各スイッチング素子のオンオフ状態の切り替えを通じて前記動作周波数に対する前記共振周波数の値を切り替えることが好ましい。
【００１３】
また、上記構成において、前記コイル位置判断部は、前記各１次コイルと前記２次コイルとの磁気結合の度合いに応じて変化する前記各１次コイルにおける電圧値又は電流値に基づき存在検知レベルを認識し、その存在検知レベルに基づき前記２次コイルの前記１次コイルに対する位置を判断することが好ましい。
【００１４】
また、上記構成において、前記コイル位置判断部は、前記１次コイル毎に設けられるとともに、前記給電面における前記受電装置に対して光を放射する発光素子と、前記発光素子に対応して設けられるとともに、前記給電面における前記受電装置に前記光が放射されたときの反射光の有無を検出する受光素子と、前記各受光素子のうち反射光がある旨検出した前記受光素子の数に基づき、前記２次コイルの前記１次コイルに対する位置を判断する判断部と、を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、非接触給電システムにおいて、２次コイルの位置に関わらず安定した出力電力を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態における非接触給電システムの構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態における給電装置及び受電装置の斜視図。
【図３】第１の実施形態における共振系切替回路の構成を示すブロック図。
【図４】第１の実施形態における２次コイルＬ２の位置に応じた各フォトＭＯＳのオンオフ状態を示した表。
【図５】第１の実施形態における（ａ）２次コイルＬ２の正対位置を示す上面図、（ｂ）２次コイルＬ２の第１の位置を示す上面図、（ｃ）２次コイルＬ２の第２の位置を示す上面図。
【図６】第１の実施形態における２次コイルＬ２の位置に応じた受電装置の出力（共振系）を示したグラフ。
【図７】第２の実施形態における非接触給電システムの構成を示すブロック図。
【図８】第２の実施形態における存在検知回路の上面図。
【図９】第２の実施形態における給電装置及び受電装置の部分断面図。
【図１０】背景技術における（ａ）２次コイルＬ２が正対位置にあるときの給電装置及び受電装置の部分断面図、（ｂ）２次コイルＬ２が両１次コイルＬ１間の中央位置にあるときの給電装置及び受電装置の部分断面図。
【図１１】背景技術における２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対した位置及び２次コイルＬ２が両１次コイルＬ１間の中央位置にあるときの共振系を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１の実施形態）
以下、本発明の非接触給電システムを具体化した第１の実施形態を図１〜図６を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１に示すように、非接触給電システムは、給電装置１０と、受電装置３０とを備える。本例では、受電装置３０は、携帯端末４０に内蔵されている。以下、給電装置１０及び受電装置３０の具体的構成について説明する。
【００１９】
（給電装置）
図２に示すように、給電装置１０は平板状の筐体５を有している。筐体５の上面には携帯端末４０が設置される給電板６が形成されている。筐体５の内部には、３６個の１次コイルＬ１が給電板６の全域に亘って配置される。１次コイルＬ１は、給電板６において６行×６列のマトリックス状に配置されている。
【００２０】
図１に示すように、給電装置１０は、単一の共通ユニット１１と、この共通ユニット１１にそれぞれ接続される複数（本例では１次コイルＬ１と同数の３６個）の給電ユニット１５と、を備える。
【００２１】
共通ユニット１１は、電源回路１３と、共通制御回路１２と、メモリ１４とを備える。電源回路１３は、外部電源からの交流電力を適切な直流電圧に変換し、その直流電圧を動作電力として各給電ユニット１５及び共通ユニット１１に供給する。メモリ１４には、受電装置３０に固有のＩＤコードが記憶されている。
【００２２】
共通制御回路１２は、マイクロコンピュータで構成されるとともに、各給電ユニット１５への各種指令信号を通じて給電装置１０を統括制御する。
給電ユニット１５は、ユニット制御回路１９と、励磁駆動回路１６と、電圧検出回路１７と、１次側通信回路１８とを備える。
【００２３】
励磁駆動回路１６には、１次コイルＬ１の両端が接続されている。そして、１次コイルＬ１の一端及び励磁駆動回路１６間にはコンデンサＣ１が接続されている。また、１次側通信回路１８には１次側通信用コイルＬ３の両端が接続されている。
【００２４】
ユニット制御回路１９は、共通制御回路１２からの給電を要求する旨の指令信号を受けると、励磁駆動回路１６の制御を実行する。励磁駆動回路１６は、ユニット制御回路１９による制御を通じて、動作周波数ｆ１の交流電流を生成し、それを１次コイルＬ１及びコンデンサＣ１に供給する。これにより、１次コイルＬ１は励磁される。このとき、１次コイルＬ１からの磁束は変化する。
【００２５】
電圧検出回路１７は１次コイルＬ１に接続されている。この電圧検出回路１７は、１次コイルＬ１の電圧を検出するとともに、その検出結果をユニット制御回路１９に出力する。
【００２６】
ユニット制御回路１９は１次コイルＬ１に高周波電流を供給し、そのときの電圧検出回路１７の検出結果に基づき、１次コイルＬ１の周辺に物体が存在するか否かの存在検知を行う。
【００２７】
詳しくは、１次コイルＬ１の磁束方向に２次コイルＬ２が存在する場合には、励磁される１次コイルＬ１はその２次コイルＬ２と磁気結合することで１次コイルＬ１からみたインピーダンスが増加する。このため、１次コイルＬ１の電圧が低下する。
【００２８】
ユニット制御回路１９は、電圧検出回路１７の検出結果に基づき、１次コイルＬ１に対する２次コイルＬ２の磁気結合の度合いを存在検知レベルとして算出する。この存在検知レベルは、１次コイルＬ１の軸方向における２次コイルＬ２と１次コイルＬ１との距離が一定の場合には、この軸方向からみて、２次コイルＬ２と１次コイルＬ１とが重なる面積に応じた値となる。存在検知レベルは、１次コイルＬ１に２次コイルＬ２が全く重なっていない場合には「０．０」と算出され、１次コイルＬ１の全域に亘って２次コイルＬ２が重なっているときには「１．０」と算出される。
【００２９】
ユニット制御回路１９は、算出された存在検知レベルに基づき、１次コイルＬ１の周辺に物体が存在する旨判断したとき、その存在検知レベルを含む情報信号を１次側通信回路１８に出力する。１次側通信回路１８は、情報信号を変調し、その変調した信号を１次側通信用コイルＬ３を介して無線送信する。
【００３０】
また、ユニット制御回路１９は、存在検知レベルに基づき、１次コイルＬ１の周辺に物体が存在する旨判断したとき、その存在検知レベルを共通制御回路１２に出力する。共通制御回路１２は、ユニット制御回路１９から存在検知レベルを受けると、ユニット制御回路１９を通じてＩＤ要求信号を生成し、その生成した信号を１次側通信回路１８に出力する。１次側通信回路１８は、ＩＤ要求信号を変調し、その変調した信号を１次側通信用コイルＬ３を介して無線送信する。
【００３１】
１次側通信用コイルＬ３は、受電装置３０からのＩＤ信号を電磁誘導を利用して受信すると、その受信信号を１次側通信回路１８に出力する。１次側通信回路１８は、ＩＤ信号を復調し、その復調した信号をユニット制御回路１９を通じて共通制御回路１２に出力する。共通制御回路１２は、ＩＤ信号に含まれるＩＤコードと、メモリ１４に記憶されるＩＤコードとの照合を行う。共通制御回路１２は、ＩＤコードの照合が成立した旨判断したとき、物体が正規の受電装置３０であるとして上述のように給電を実行する。
【００３２】
（受電装置）
図１に示すように、受電装置３０は、整流回路３１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５と、２次側通信回路３２と、２次側制御回路３３と、メモリ３４と、共振系切替回路４１と、スイッチ駆動回路３８と、を備える。
【００３３】
２次側通信回路３２には２次側通信用コイルＬ４の両端が接続されている。２次コイルＬ２は、１次コイルＬ１からの磁束の変化に基づき電流を誘起する。整流回路３１は、２次コイルＬ２に誘起される交流電力を整流する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３５は、整流回路３１からの直流電圧を携帯端末４０の動作に適切な値に変換する。この直流電圧は、例えば携帯端末４０の動作電源である２次電池（図示略）の充電に利用される。
【００３４】
２次側制御回路３３は、マイクロコンピュータで構成されるとともに、整流回路３１からの電力の一部を受けて動作する。また、メモリ３４には、受電装置３０に固有のＩＤコードが記憶されている。
【００３５】
整流回路３１には、２次コイルＬ２の両端が接続されている。また、２次コイルＬ２の一端及び整流回路３１間には共振系切替回路４１が接続されている。２次側通信用コイルＬ４は、電磁誘導を利用して１次側通信用コイルＬ３からのＩＤ要求信号又は情報信号を受信すると、その受信信号を２次側通信回路３２に出力する。２次側通信回路３２は、ＩＤ要求信号又は情報信号を復調し、その復調した信号を２次側制御回路３３に出力する。
【００３６】
２次側制御回路３３は、ＩＤ要求信号を認識すると、メモリ３４に記憶されるＩＤコードを含むＩＤ信号を生成し、その生成した信号を２次側通信回路３２に出力する。２次側通信回路３２は、ＩＤ信号を変調し、その変調した信号を２次側通信用コイルＬ４を介して無線送信する。
【００３７】
２次側制御回路３３は、情報信号を認識すると、その信号に含まれる存在検知レベルに基づき、スイッチ駆動回路３８を通じて共振系切替回路４１の状態を切り替える。以下、共振系切替回路４１について詳細に説明する。
【００３８】
図３に示すように、共振系切替回路４１は、３つのコンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃと、第１〜第３のフォトＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）４２ａ〜４２ｃとを備える。コンデンサＣ２ａ及びフォトＭＯＳ４２ａは直列接続され、コンデンサＣ２ｂ及びフォトＭＯＳ４２ｂは直列接続され、コンデンサＣ２ｃ及びフォトＭＯＳ４２ｃは直列接続されている。各直列接続されたコンデンサ及びフォトＭＯＳは、それぞれ並列接続されている。
【００３９】
第１〜第３のフォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃは、発光ダイオード４３と、光発電セル４４と、２つのＦＥＴ（電界効果トランジスタ：Field-Effect Transistor）４５ａ，４５ｂとを備える。各発光ダイオード４３はスイッチ駆動回路３８に接続されている。また、光発電セル４４は、両ＦＥＴ４５ａ，４５ｂのゲート端子に接続されている。また、ＦＥＴ４５ａ，４５ｂのドレイン端子及びソース端子は２次コイルＬ２及び整流回路３１間の接続線に接続されている。
【００４０】
スイッチ駆動回路３８は、２次側制御回路３３からの指令信号に基づき発光ダイオード４３を点灯させる。光発電セル４４は、発光ダイオード４３からの光を受けると、ＦＥＴ４５ａ，４５ｂのゲート端子に一定電圧を印加する。これにより、ＦＥＴ４５ａ，４５ｂのドレイン端子及びソース端子間が導通状態となる。これが第１〜第３のフォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃのオン状態である。
【００４１】
ここで、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、存在検知レベルに基づき２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に対して正対位置、第１の位置及び第２の位置のうち何れの位置に存在しているかが判断可能である。具体的には、図５（ａ）に示すように、存在検知レベルが０.９以上のとき、２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に対して正対位置に存在していると判断可能である。また、図５（ｂ）に示すように、存在検知レベルが０．７以上０.９未満のとき、２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に対して第１の位置に存在している旨判断可能である。また、図５（ｃ）に示すように、存在検知レベルが０．７未満のとき、２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に対して第２の位置に存在している旨判断可能である。
【００４２】
このように、存在検知レベルを通じて２次コイルＬ２の位置が判断可能である。従って、本例では、存在検知レベルを算出するための構成である給電装置１０におけるユニット制御回路１９、１次コイルＬ１及び電圧検出回路１７がコイル位置判断部に相当する。
【００４３】
図４の表に示すように、２次側制御回路３３は、情報信号に含まれる存在検知レベルに基づき、第１〜第３のフォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃのオンオフ状態を切り替える。以下、
存在検知レベル、すなわち１次コイルＬ１に対する２次コイルＬ２の位置に応じて、各フォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃの状態を切り替える理由について説明する。
【００４４】
図６には１次コイルＬ１の動作周波数に応じた受電装置３０の出力電力を示す共振系が示されている。同図に示すように、１次側共振周波数ｆａ及び２次側共振周波数ｆｂの２つの共振周波数が存在する。これら共振周波数ｆａ，ｆｂは２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対した位置にあるときの共振周波数である。
【００４５】
ここで、動作周波数ｆ１を１次側共振周波数ｆａの近傍に設定した場合には、両コイルＬ１，Ｌ２が磁気結合した状態でのインピーダンスが過度に低下することで回路効率が低下する。従って、本例では２次側共振周波数ｆｂを利用するべく、１次コイルＬ１に供給される動作周波数ｆ１は２次側共振周波数ｆｂの近傍に設定される。共振周波数は以下の式から導出される。
【００４６】
【数１】
式（１）より、漏れインダクタンスＬｅ又はコンデンサの容量Ｃが大きいほど共振周波数が小さくなることがわかる。２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に正対した位置から給電板６の面方向にずらされた場合には、漏れインダクタンスＬｅが増大していく。従来の構成においては、これに伴って、図６に示される共振系は、共振周波数が小さくなる方向（図中の左方向）に移動する。図６の実線で示す正対位置における共振系から、左側に一定値Ａ１だけずれた位置に図６の一点鎖線で示す第１の位置における共振系が存在する。そして、正対位置における共振系から、左側に上記一定値Ａ１より大きい一定値Ａ２だけずれた位置に図６の二点鎖線で示す第２の位置における共振系が存在する。
【００４７】
２次側制御回路３３は、第１〜第３のフォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃのオンオフ状態の切り替えを通じて、動作周波数ｆ１に対する共振系のずれを抑制する。すなわち、２次側制御回路３３は、存在検知レベルが０.９以上のとき２次コイルＬ２が正対位置にあるとして、第１〜第３のフォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃをオン状態とする。このとき、３つのコンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃが有効となるため、上記式（１）の容量Ｃが最大となる。この場合、図６の実線で示す正対位置の共振系となって、動作周波数ｆ１で１次コイルＬ１を励磁することで出力電力Ｗ１を得ることができる。
【００４８】
また、２次側制御回路３３は、存在検知レベルが０．７以上０.９未満のとき、２次コイルＬ２が第１の位置にあるとして、第１及び第２のフォトＭＯＳ４２ａ，４２ｂをオン状態とし、第３のフォトＭＯＳ４２ｃをオフ状態とする。このとき、２つのコンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂが有効となるため、上記式（１）の容量Ｃは、上記正対位置の場合より小さくなる。これにより、共振系は図６において一定値Ａ１だけ右側に移動する。この一定値Ａ１は、２次コイルＬ２が正対位置から第１の位置へずれた場合における漏れインダクタンスＬｅの増大に伴う共振系の左側へのずれ量と同一値である。換言すると、同一値となるようにコンデンサＣ２ｃの容量が設定されている。従って、漏れインダクタンスＬｅの増大に伴う共振系のずれが、容量Ｃの減少によって相殺される。この結果、２次コイルＬ２が第１の位置となった場合であっても共振系の位置は変化しない。このため、第１の位置においても出力電力Ｗ１を得ることができる。
【００４９】
また、２次側制御回路３３は、存在検知レベルが０．７未満のとき、２次コイルＬ２が第２の位置にあるとして、第１のフォトＭＯＳ４２ａをオン状態とし、第２及び第３のフォトＭＯＳ４２ｂ，４２ｃをオフ状態とする。このとき、コンデンサＣ２ａのみが有効となるため、上記式（１）の容量Ｃは、上記第１の位置における場合よりさらに小さくなる。これにより、共振系は図６において一定値Ａ２だけ右側に移動する。この一定値Ａ２は、２次コイルＬ２が正対位置から第２の位置へずれた場合における漏れインダクタンスＬｅの増大に伴う共振系の左側へのずれ量と同一値である。換言すると、同一値となるようにコンデンサＣ２ｂ，Ｃ２ｃの容量が設定されている。従って、漏れインダクタンスＬｅの増大に伴う共振系のずれが、容量Ｃの減少によって相殺される。この結果、２次コイルＬ２が第２の位置となった場合であっても共振系の位置は変化しない。このため、第２の位置においても出力電力Ｗ１を得ることができる。よって、２次コイルＬ２の位置に関わらず、より安定した受電装置３０の出力を得ることができる。
【００５０】
以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置に応じて、有効とするコンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃの切り替えを通じて上記式（１）の容量Ｃを変化させることで、動作周波数ｆ１に対する共振系の位置が一定に保たれる。よって、２次コイルＬ２の位置に関わらず、より安定した受電装置３０の出力を得ることができる。
【００５１】
（２）容量Ｃを変化させることで動作周波数ｆ１に対する共振系の位置を設定している。これにより、例えば動作周波数ｆ１が予め規格等により定まっている場合であっても、動作周波数ｆ１を規格に則した値に固定しつつ、より安定した受電装置３０の出力を得ることができる。
【００５２】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について、図７〜図９を参照して説明する。この実施形態の非接触給電システムは、２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置の判断方法が上記第１の実施形態と異なっている点を除き、上記第１の実施形態と同様に構成される。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００５３】
図７に示すように、給電ユニット１５は存在検知回路５０を備える。この存在検知回路５０は、ＬＥＤ（発光ダイオード）５１ａ〜５１ｌと、受光素子５２ａ〜５２ｌとを備えている。
【００５４】
図８に示すように、ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌ及び受光素子５２ａ〜５２ｌは、正方板状でなる基板５５に配置されている。この基板５５は、１次コイルＬ１からの磁束の出入りを阻害しない程度に透磁性の高い材質で形成されている。図９に示すように、この基板５５は、各１次コイルＬ１の上面に設置されている。
【００５５】
詳しくは、図８に示すように、ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌは、基板５５の縁に沿って正方形を描くように配置されている。基板５５における図中の左上角部にＬＥＤ５１ａを設け、右上角部にＬＥＤ５１ｄを設ける。また、基板５５における図中の左下角部にＬＥＤ５１ｊを設け、基板５５における図中の右下角部にＬＥＤ５１ｇを設ける。そして、ＬＥＤ５１ａ，５１ｄ間には左からＬＥＤ５１ｂ，５１ｃを設け、ＬＥＤ５１ｄ，５１ｇ間には上からＬＥＤ５１ｅ，５１ｆを設ける。また、ＬＥＤ５１ｇ，５１ｊ間には右からＬＥＤ５１ｈ，５１ｉを設け、ＬＥＤ５１ｊ，５１ａ間には下からＬＥＤ５１ｋ，５１ｌを設ける。各ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌに対応してそれらの右下には受光素子５２ａ〜５２ｌが設けられる。給電板６は透光性の高い材質で形成される。また、ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌ及び受光素子５２ａ〜５２ｌは、給電板６の下面に接する位置に設けられる。各ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌは給電板６の外部に光を出し、給電板６に受電装置３０が存在する場合には各受光素子５２ａ〜５２ｌはその反射光を受光する。
【００５６】
ユニット制御回路１９は、一定周期毎に存在検知回路５０を通じて２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置を判断する。すなわち、ユニット制御回路１９は、ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌを順に点灯させる。このとき、ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌの光の照射方向に受電装置３０が存在する場合には、その光は受電装置３０に反射する。受光素子５２ａ〜５２ｌは、この反射光の有無を検出し、その検出結果をユニット制御回路１９に出力する。
【００５７】
ユニット制御回路１９は、受光素子５２ａ〜５２ｌのうち反射光がある旨検出した数を情報信号に含ませて１次側通信回路１８及び１次側通信用コイルＬ３を通じて無線送信する。２次側通信用コイルＬ４は、電磁誘導を利用して１次側通信用コイルＬ３からの情報信号を受信すると、その受信信号を２次側通信回路３２に出力する。２次側通信回路３２は、情報信号を復調し、その復調した信号を２次側制御回路３３に出力する。
【００５８】
ここで、受光素子５２ａ〜５２ｌのうち反射光がある旨検出した数に基づき、２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置を判断可能である。すなわち、その数が小さいほど１次コイルＬ１に対する２次コイルＬ２の位置はずれていると判断できる。従って、２次側制御回路３３は、情報信号に含まれる、受光素子５２ａ〜５２ｌのうち反射光がある旨検出した数に基づき２次コイルＬ２が１次コイルＬ１に対して正対位置、第１の位置及び第２の位置の何れに存在しているかを判断する。例えば、２次側制御回路３３は、受光素子５２ａ〜５２ｌのうち反射光がある旨検出した数が１１以上の場合、２次コイルＬ２が正対位置にあるとして、第１の実施形態と同様に第１〜第３のフォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃをオン状態とする。また、２次側制御回路３３は、受光素子５２ａ〜５２ｌのうち反射光がある旨検出した数が８以上１１未満の場合、２次コイルＬ２が第１の位置にあるとして第１及び第２のフォトＭＯＳ４２ａ，４２ｂをオン状態とし、第３のフォトＭＯＳ４２ｃをオフ状態とする。また、２次側制御回路３３は、受光素子５２ａ〜５２ｌのうち反射光がある旨検出した数が８未満の場合、２次コイルＬ２が第２の位置にあるとして、第１のフォトＭＯＳ４２ａをオン状態とし、第２及び第３のフォトＭＯＳ４２ｂ，４２ｃをオフ状態とする。これにより、上記実施形態と同様に２次コイルＬ２の位置に関わらず、より安定した受電装置３０の出力を得ることができる。
【００５９】
なお、本実施形態においては存在検知回路５０及びユニット制御回路１９がコイル位置判断部に相当する。
以上、説明した実施形態によれば、特に以下の効果を奏することができる。
【００６０】
（３）ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌから給電板６側に光が放射される。光に対する反射光の有無に基づき１次コイルＬ１に対する受電装置３０（２次コイルＬ２）の位置が判断可能となる。よって、第１の実施形態と同様に、２次コイルＬ２の位置に応じて容量Ｃを変化させることができる。従って、２次コイルＬ２の位置に関わらず、安定した受電装置３０の出力を得ることができる。
【００６１】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記各実施形態においては、上記式（１）の容量Ｃを変化させることで、動作周波数ｆ１を固定した状態で共振系をずらしていた。しかし、動作周波数ｆ１を変化させてもよい。この場合、共振系切替回路４１が省略されて、例えば励磁駆動回路１６に周波数切替回路が設けられる。この場合であっても、２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置に応じて動作周波数ｆ１を２次コイルの共振周波数近傍とすることで、安定した出力電力が得られる。本構成においては、情報信号の送受信が不要となることから、両通信回路１８，３２を省略することもできる。
【００６２】
・上記各実施形態においては、３つのコンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃが互いに並列に接続されていたが、コンデンサの数はこれに限らない。コンデンサの数に応じてフォトＭＯＳの数が決定する。また、上記式（１）の容量Ｃを変化させることができれば、共振系切替回路４１の構成は上記各実施形態に限定されない。例えば、容量Ｃを変化させることができるバリアブルコンデンサを採用してもよい。
【００６３】
・第１の実施形態においては存在検知レベル、第２の実施形態においては受光素子５２ａ〜５２ｌの検出結果に基づき２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置が判断可能とされていた。しかし、その位置が判断可能であれば方式は上記両実施形態に限定されない。例えば、静電容量センサを給電板６に沿って配置し、そのセンサの検出結果に基づき２次コイルＬ２の１次コイルＬ１に対する位置を判断してもよい。
【００６４】
・ＬＥＤ５１ａ〜５１ｌ及び受光素子５２ａ〜５２ｌの数及び設置位置は、第２の実施形態に限定されない。例えば、図８における基板５５の中央にもＬＥＤ及び受光素子を設けてもよい。
【００６５】
・第１の実施形態において、ユニット制御回路１９は、存在検知レベルに基づき２次コイルＬ２の位置が正対位置、第１の位置及び第２の位置の何れであるかを判断し、その判断結果を情報信号に含ませて無線送信してもよい。また、この判断は、２次側制御回路３３で行われてもよい。第２の実施形態も同様に、ユニット制御回路１９は、受光素子５２ａ〜５２ｌの検出結果に基づき２次コイルＬ２の位置が正対位置、第１の位置及び第２の位置の何れであるかを判断し、その判断結果を情報信号に含ませて無線送信してもよい。
【００６６】
・上記各実施形態においては、フォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃを利用して、有効となるコンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃが切り替えられていた。しかし、有効となるコンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃを切り替え可能なスイッチング素子であれば、フォトＭＯＳ以外の種類のＦＥＴであってもよいし、さらに機械的なスイッチであってもよい。
【００６７】
・第１の実施形態においては、情報信号に存在検知レベルを含ませて送信していた。しかし、この情報信号に電圧検出回路１７の検出結果をそのまま含ませてもよい。この場合、２次側制御回路３３は、情報信号に含まれる電圧検出回路１７の検出結果に基づき存在検知レベルを算出し、この存在検知レベルに基づき第１〜第３のフォトＭＯＳ４２ａ〜４２ｃのオンオフ状態を切り替えてもよい。
【００６８】
・第２の実施形態においては、発光素子としてＬＥＤ５１ａ〜５１ｌが採用されていたが、発光するものであればＬＥＤに限らず電球であってもよい。また、赤外線センサを利用してもよい。
【００６９】
・上記実施形態におけるユニット制御回路１９を省略してもよい。この場合には、共通制御回路１２は、上記実施形態においてユニット制御回路１９が実行していた制御も行う。また、ユニット制御回路１９が行っていた制御の一部を共通制御回路１２が行ったり、逆に共通制御回路１２が行っていた制御の一部をユニット制御回路１９が行ったりしてもよい。
【００７０】
次に、前記実施形態から把握できる技術的思想をその効果と共に記載する。
（イ）請求項２に記載の非接触給電システムにおいて、前記スイッチング素子はフォトＭＯＳであることを特徴とする非接触給電システム。
【符号の説明】
【００７１】
６…給電板、１０…給電装置、１１…共通ユニット、１２…共通制御回路、１３…電源回路、１５…給電ユニット、１６…励磁駆動回路、１９…ユニット制御回路、３０…受電装置、４０…携帯端末、４１…共振系切替回路、４２ａ〜４２ｃ…フォトＭＯＳ、４５ａ，４５ｂ…ＦＥＴ、５１ａ〜５１ｌ…ＬＥＤ、５２ａ〜５２ｌ…受光素子、Ｃ１，Ｃ２ａ〜Ｃ２ｃ…コンデンサ、Ｌ１…１次コイル、Ｌ２…２次コイル、Ｌ３…１次側通信用コイル、Ｌ４…２次側通信用コイル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作周波数にて振動する交流電流が供給されることで交番磁束を発生させる１次コイルが給電面に沿って複数配置される給電装置と、前記給電面に設置された状態において、前記１次コイルからの交番磁束に基づき誘起電力を発生させ、その電力を負荷に供給する２次コイルを有する受電装置と、を備えた、前記２次コイルにおける共振現象を利用する非接触給電システムにおいて、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する位置を判断するコイル位置判断部と、
前記動作周波数に対する前記２次コイルにおける共振周波数の値を切り替える切替回路と、
前記コイル位置判断部の判断結果に基づき、前記切替回路を通じて前記動作周波数を前記共振周波数に対応する値とする制御回路と、を備えたことを特徴とする非接触給電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触給電システムにおいて、
前記切替回路は、前記２次コイルに直列接続されるとともに、互いに直列接続されるコンデンサ及びスイッチング素子が複数組設けられ、その各組が並列に接続され、前記各スイッチング素子のオンオフ状態の切り替えを通じて前記動作周波数に対する前記共振周波数の値を切り替えることを特徴とする非接触給電システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の非接触給電システムにおいて、
前記コイル位置判断部は、前記各１次コイルと前記２次コイルとの磁気結合の度合いに応じて変化する前記各１次コイルにおける電圧値又は電流値に基づき存在検知レベルを認識し、その存在検知レベルに基づき前記２次コイルの前記１次コイルに対する位置を判断することを特徴とする非接触給電システム。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の非接触給電システムにおいて、
前記コイル位置判断部は、
前記１次コイル毎に設けられるとともに、前記給電面における前記受電装置に対して光を放射する発光素子と、
前記発光素子に対応して設けられるとともに、前記給電面における前記受電装置に前記光が放射されたときの反射光の有無を検出する受光素子と、
前記各受光素子のうち反射光がある旨検出した前記受光素子の数に基づき、前記２次コイルの前記１次コイルに対する位置を判断する判断部と、を備えることを特徴とする非接触給電システム。
【請求項１】
動作周波数にて振動する交流電流が供給されることで交番磁束を発生させる１次コイルが給電面に沿って複数配置される給電装置と、前記給電面に設置された状態において、前記１次コイルからの交番磁束に基づき誘起電力を発生させ、その電力を負荷に供給する２次コイルを有する受電装置と、を備えた、前記２次コイルにおける共振現象を利用する非接触給電システムにおいて、
前記２次コイルの前記１次コイルに対する位置を判断するコイル位置判断部と、
前記動作周波数に対する前記２次コイルにおける共振周波数の値を切り替える切替回路と、
前記コイル位置判断部の判断結果に基づき、前記切替回路を通じて前記動作周波数を前記共振周波数に対応する値とする制御回路と、を備えたことを特徴とする非接触給電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触給電システムにおいて、
前記切替回路は、前記２次コイルに直列接続されるとともに、互いに直列接続されるコンデンサ及びスイッチング素子が複数組設けられ、その各組が並列に接続され、前記各スイッチング素子のオンオフ状態の切り替えを通じて前記動作周波数に対する前記共振周波数の値を切り替えることを特徴とする非接触給電システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の非接触給電システムにおいて、
前記コイル位置判断部は、前記各１次コイルと前記２次コイルとの磁気結合の度合いに応じて変化する前記各１次コイルにおける電圧値又は電流値に基づき存在検知レベルを認識し、その存在検知レベルに基づき前記２次コイルの前記１次コイルに対する位置を判断することを特徴とする非接触給電システム。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の非接触給電システムにおいて、
前記コイル位置判断部は、
前記１次コイル毎に設けられるとともに、前記給電面における前記受電装置に対して光を放射する発光素子と、
前記発光素子に対応して設けられるとともに、前記給電面における前記受電装置に前記光が放射されたときの反射光の有無を検出する受光素子と、
前記各受光素子のうち反射光がある旨検出した前記受光素子の数に基づき、前記２次コイルの前記１次コイルに対する位置を判断する判断部と、を備えることを特徴とする非接触給電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−７０４４４（Ｐ２０１３−７０４４４Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０５０４４（Ｐ２０１１−２０５０４４）
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
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