非接触電力供給装置

【目的】受電側の負荷に変動が生じた場合でも、給電側発振回路に供給する交流周波数と受電側共振回路の共振周波数を同調させることができ、極めて効率よく安定して電力を供給できる非接触電力供給装置を提供する。
【構成】受電側には、受電側共振コイルＬ３に共振コンデンサＣ３を並列接続した共振回路３を設け、給電側には、受電側共振回路３の共振周波数を検出する検出コイルＬ２と、該検出コイルＬ２が検出する誘導起電力の周波数に応じて上記給電側発振回路２に供給する交流周波数を上記受電側共振回路３の共振周波数に同調させる制御手段１を設けた。

【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】本発明は、充電池を備えた電子機器などに電磁誘導により非接触で電力を供給する非接触電力供給装置に関する。
【従来の技術】従来より、電磁誘導により電力を供給する方法として、例えば、特開平３−９８４３２号公報に開示されているような方法が提案されている。この方法に用いる装置の構成は、図５に示すような構成になっている。すなわち、給電側には、発振器Ｂ３に給電側発振コイルＬ６を接続した給電側発振回路６と、共振コンデンサＣ６を共振コイルＬ７に並列に接続した給電側共振回路７とが独立して構成されている。そして、受電側には、受電側共振コイルＬ８に共振コンデンサＣ７を並列に接続した受電側共振回路８と、ブリッジＤ３とコンデンサＣ８とから成る整流平滑回路９が構成されている。そして、給電側共振回路７の共振周波数と受電側共振回路８の共振周波数に近くなるようにあらかじめ設定された周波数で給電側発振回路６を発振させることにより、給電側発振回路６と給電側共振回路７および受電側共振回路８とほぼ同一の周波数で共振し、効率よく電力を伝達できる装置が開示されている。
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような装置では、給電側共振回路７の共振周波数および受電側共振回路８の共振周波数は、それぞれ独立に決まっており、給電側発振回路の発振周波数も独立に固定されていた。そのため、受電側の負荷の変動すると、受電側の共振回路８の共振周波数が変化し、給電側発振回路６および給電側共振回路７が受電側共振回路８と同調できなくなる。その結果、供給できる電力が大きく減少し、安定して十分な電力を供給することができないという問題点があった。そこで本発明の目的は、上記のような受電側の負荷に変動が生じた場合でも、給電側発振回路の発振周波数と受電側共振回路の共振周波数を同調させることができ、極めて効率よく安定して電力を供給できる非接触電力供給装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】給電側の発振回路の電力を給電側コイルから該給電側コイルに対向する受電側コイルに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、上記受電側コイルに並列接続した共振コンデンサと、受電側の共振周波数を検出する検出コイルと、該検出コイルが検出する誘導起電力の周波数に応じて上記給電側コイルに供給する電力の交流周波数を上記受電側コイルの共振周波数に同調させる制御手段とを備えたことを特徴としている。
【作用】制御手段の検出コイルが、受電側コイルの共振周波数を電磁誘導による誘導起電力として検出し、該誘導起電力の周波数に応じて受電側コイルに供給する電力の交流周波数を受電側コイルの共振周波数と一致するように制御する。その結果、受電側の共振周波数と給電側に供給する交流周波数とは、受電側の負荷が変化して受電側共振回路の共振周波数が変化しても、その都度該共振周波数に追随して同調することができる。
【実施例】以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１は本実施例の構成図、図２は本実施例を機器内に搭載した例の要部断面図、図３は図１の実施例の間隔ｄを変えて受電側の出力電圧と出力電流の関係を示した測定図、図４は図１の実施例の間隔ｄを変えて受電側の出力電流と電力の伝達効率との関係を示した測定図である。まず、図１に基づいて本実施例の非接触電力供給装置の構成を説明する。本実施例は、給電部Ｓと受電部Ｒとから構成されており、図１に示した回路構成のうち、右側の回路が給電部Ｓで、左側の回路が受電部Ｒである。そして、給電部Ｓは、電源Ｂ１と、周波数制御回路１を含む給電側発振回路２とから構成されており、受電部Ｒは、受電側共振回路３と整流回路４および平滑回路５とから構成されている。上記給電側発振回路２の発振コイルＬ１の中性点ａにはコイルＬ４を介して電源Ｂ１の正電極が接続されており、電源Ｂ１からの電力が供給されている。そして上記発振コイルＬ１の上端点ｂおよび下端点ｃには並列に接続されたコンデンサＣ１を介して周波数制御回路１に接続されている。そして上記周波数制御回路１は、検出コイルＬ２，トランジスタＱ１，トランジスタＱ２，抵抗Ｒ１，抵抗Ｒ２で構成されている。トランジスタＱ１およびトランジスタＱ２のそれぞれのエミッタは発振コイルＬ１の上端点ｂまたは下端点ｃに、それぞれのコレクタは共に電源Ｂの負電極に、そしてそれぞれのベースは検出コイルＬ２の異なる端点とそれぞれ抵抗Ｒ１またはＲ２を介して電源Ｂ１の正電極に接続されている。それから、受電部Ｒは、受電側共振回路３と、整流回路４および平滑回路５から構成されている。上記受電側共振回路３は、受電側共振コイルＬ３に共振コンデンサＣ３を並列に接続して構成されている。上記整流回路４および平滑回路５は、一般にチョーク・インプット型整流方式と呼ばれているもので、整流回路４は、ダイオードＤ１およびダイオードＤ２を受電側共振コイルＬ３の上端点ｅおよび下端点ｆとチョークコイルＬ５との間に接続して構成されており、平滑回路５は、チョークコイルＬ５をダイオードＤ１およびダイオードＤ２と負荷抵抗Ｒ３との間に接続し、平滑コンデンサＣ４を負荷抵抗Ｒ３に並列に接続して構成されている。図２はこの回路を機器に搭載した要部断面図で、給電側コアＦｓと受電側コアＦｒとが対向するように置かれており、給電側コアＦｓには給電側発振コイルＬ１と検出コイルＬ２とが巻かれており、受電側コアＦｒには受電側共振コイルＬ３が巻かれている。次に、上記構成の回路の動作について説明する。まず、図１の回路の給電部Ｓの発振回路２の動作について説明する。電源Ｂ１の電圧が抵抗Ｒ１またはＲ２を介してトランジスタＱ１およびＱ２のベースに印加され、トランジスタＱ１またはＱ２のうちｈＦＥの高い方のトランジスタＱ１のエミッタ−コレクタ間が導通する。すると、給電側発振コイルＬ１の中性点ａから上端点ｂの方向に電流が流れ、その方向に磁束ができる。このとき検出コイルＬ２に、給電側発振コイルＬ１に生じた磁束により上記方向とは逆向きの誘導起電力が発生する。すると、トランジスタＱ１のベースの電位がローレベルに、トランジスタＱ２のベースの電位がハイレベルになり、トランジスタＱ１のエミッタ−コレクタ間が導通しなくなり、トランジスタＱ２のエミッタ−コレクタ間が導通するようになる。すると今度は、前記方向とは逆向きの方向、すなわち中性点ａから給電側発振コイルＬ１の下端点ｃの方向に電流が流れ、その同じ方向に磁束が発生する。その磁束により検出コイルＬ２に前記と逆向きの誘導起電力が生じ、トランジスタＱ２をＯＦＦにトランジスタＱ１をＯＮにする。このように給電側発振コイルＬ１の磁束の影響を受けて検出コイルＬ２に生じる誘導起電力によりトランジスタＱ１とトランジスタＱ２が交互にＯＮＯＦＦを繰り返すことにより発振が行われる。次に、受電側の共振回路３の動作について説明する。受電側共振コイルＬ３に給電側発振コイルＬ１の磁束により受電側共振コイルＬ３の下端点ｆから上端点ｅの方向に誘導起電力が生じると、共振コンデンサＣ３の電極に電荷が溜まる。前記方向の起電力がなくなると、共振コンデンサＣ３に溜まった電荷が受電側共振コイルＬ３に向かって移動しはじめ、共振コンデンサＣ３の放電がはじまる。この放電によって、受電側共振コイルＬ３はレンツの法則にしたがい逆起電力が生じる。共振コンデンサＣ３の電荷がすべて受電側共振コイルＬ３に移動し終わると、同時にこんどは受電側共振コイルＬ３に移動した電荷が逆に共振コンデンサＣ３に向かって逆流しはじめる。そこで再び共振コンデンサＣ３は充電される。共振コンデンサＣ３の充電が終わると前と同じように受電側共振コイルＬ３に向かって放電がはじまる、という動作が繰り返される。そして、整流回路４および平滑回路５の動作は次の通りである。整流回路４を構成する２つのダイオードＤ１，Ｄ２は、次のように動作する。受電側共振コイルＬ３の下端点ｆから上端点ｅの方向に誘導起電力生じたとき、ダイオードＤ１が受電側共振コイルＬ３の中性点ｄと上端点ｅとの部分に発生した起電力を取り出し、受電側共振コイルＬ３の上端点ｅから下端点ｆの方向に誘導起電力生じたとき、ダイオードＤ２が受電側共振コイルＬ３の中性点ｄと下端点ｆとの部分に発生した起電力を取り出す。上記２つのダイオードＤ１およびＤ２により整流された脈流はチョークコイルＬ５に流れ、チョークコイルＬ５の自己誘導作用を利用して、平滑コンデンサＣ４とにより平滑され負荷に供給される。そして、最後に上記周波数制御回路１の動作を説明する。検出コイルＬ２には、給電側発振コイルＬ１と受電側共振コイルＬ３とからの両方の磁束の影響を受けて、誘導起電力が発生する。もし、周囲の振動などにより給電側発振コイルＬ１と受電側共振コイルＬ３との間隔に変動が生じて、上記給電側発振コイルＬ１から発振される周波数と受電側共振コイルＬ３から発振される周波数とにずれが生じると、検出コイルＬ２は上記給電側発振コイルＬ１の周波数と受電側共振コイルＬ３の周波数の間の周波数の誘導起電力が発生する。そして、上記給電側の発振周波数よりも受電側共振周波数に近い周波数の誘導起電力がトランジスタＱ１およびトランジスタＱ２のベースに作用し、トランジスタＱ１およびＱ２をＯＮ，ＯＦＦさせて給電側発振回路２の発振周波数を上記受電側共振回路３の共振周波数に、徐々に近づけてゆき、一致させることができる。その結果、周囲の振動などにより給電側発振コイルＬ１と受電側共振コイルＬ３との距離が変化し、受電側共振回路３の共振周波数が変化した時でも、給電側発振回路２と受電側共振回路３との周波数のずれをなくすことができ、安定して十分な電力を供給することができる。次に、上記のような動作により、次のような測定結果が得られた。図３は、電源Ｂ１に１５Ｖの定電圧電源を接続したとき、給電側発振コイルＬ１と受電側共振コイルＬ３との間隔ｄが３ｍｍ，４ｍｍ，５．２ｍｍの場合の受電側の負荷抵抗Ｒ３に生じる電圧と電流の関係を示したものである。この測定結果から、例えば上記間隔ｄが３ｍｍの場合を見ると、１０Ｗを越える出力が得られることがわかる。また、図３で例えば上記間隔ｄが４ｍｍの場合を見ると、出力電圧が約１４Ｖ以下では出力電流がほぼ一定になることが示されている。この現象は、負荷抵抗Ｒ３が小さくなると、受電側共振回路２の共振コンデンサＣ３に溜まる電荷が受電側共振コイルＬ３に流れずに負荷抵抗Ｒ３に流れるため、受電側共振回路３に共振が起こらなくなり、伝達できる電力が減少するためである。その結果、受電側が短絡したときなど、負荷に過電流が流れるのを防止できる。また、受電側の負荷に充電池を接続した装置などに用いる場合には、充電用の定電流回路を必要としないため、特に都合よく機能する。そして図４は、電源Ｂ１に１５Ｖの定電圧電源を接続したとき、給電側発振コイルＬ１と受電側共振コイルＬ３との間隔ｄが３ｍｍ，４．５ｍｍの場合の電力の伝達効率、すなわち給電側の電力と受電側の負荷Ｒ３に生じる電力との比率を示したものである。この図から本実施例の非接触電力供給装置の伝達効率が８０％近くにまで達していることがわかる。
【発明の効果】以上詳述したように本発明の非接触電力供給装置では、給電コイルと受電コイルの距離に変動があっても、その都度同調することができ、簡単な回路構成で十分な電力を非常に効率よく供給することができる。また、非接触定電流供給装置としても用いることができ、充電池を備えた機器など広範囲のものに搭載することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の非接触電力供給装置の回路図。
【図２】図１の非接触電力供給装置を機器内に搭載した例の要部断面図。
【図３】図１の非接触電力供給装置の出力電圧と出力電流の関係を示した測定図。
【図４】図１の非接触電力供給装置の出力電流と電力の伝達効率との関係を示した測定図。
【図５】従来の非接触電力供給装置の回路図。
【符号の説明】
Ｓ…給電部、Ｒ…受電部、１…周波数制御回路、２…給電側発振回路、３…受電側共振回路、４…整流回路、５…平滑回路、Ｌ１…給電側発振コイル、Ｌ２…検出コイル、Ｌ３…受電側共振コイル、Ｃ３…共振コンデンサ、Ｑ１…トランジスタ、Ｑ２…トランジスタ、Ｆｓ…給電側コア、Ｆｒ…受電側コア。

【特許請求の範囲】
【請求項１】給電側の発振回路の電力を給電側コイルから該給電側コイルに対向する受電側コイルに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、上記受電側コイルに並列接続した共振コンデンサと、受電側の共振周波数を検出する検出コイルと、該検出コイルが検出する誘導起電力の周波数に応じて上記給電側コイルに供給する電力の交流周波数を上記受電側コイルの共振周波数に同調させる制御手段とを備えたことを特徴とする非接触電力供給装置。

【図１】