JP2013128385A - 非接触電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力伝送および通信が同一の周波数で行われる非接触電力伝送システムであっても、電力伝送時に生じる誘起電圧から通信回路を保護し、かつ電力伝送効率の優れた非接触電力伝送システムを提供する。
【解決手段】非接触で電力伝送および通信を行い、電力伝送と通信は同一の周波数とする非接触電力伝送システムであり、送電装置２１は第１のコイル７と、第２のコイル８と、電力伝送部２３と、通信処理部である信号送受信部１１と、制御部９と、送電側電源２４と、半導体スイッチ１２と、通信用保護コンデンサ６とを備え、受電装置２２は第３のコイル１３と、通信部２６と、充電部２５と、二次電池２０とを備えている。半導体スイッチ１２の切り換えによって、電力伝送時に第２のコイル８と通信用保護コンデンサ６による共振周波数を電力伝送の周波数から外し、通信時に第２のコイル８の周波数を通信が可能な周波数に戻す。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯端末などの携帯電子機器への電力伝送とデータ通信を行う、非接触電力電送システムに関する。

近年、電子部品の小型化に伴い、携帯電話や携帯型音楽プレーヤ等に代表される携帯電子機器は、小型化や軽量化が図られ、広く普及している。更に近年、携帯電子機器は多機能化および高速処理化が図られ、それに伴い携帯電子機器が必要とする電力量が増加傾向にある。しかし、一般的な携帯電子機器は内蔵した二次電池に充電した電力により駆動しており、二次電池の電力が不足する度に二次電池を充電する構成のものが多い。

最近では、電磁誘導や磁気共鳴の原理を利用し、金属接点がなくても電力電送を可能にする非接触電力伝送技術を用いた非接触電力伝送装置の需要が高まっている。非接触電力伝送技術は、電気的接点を必要としないため、感電や短絡の危険性がないことに加えて、接点不良がないことや耐久性に優れるといった特徴を有している。

非接触電力伝送装置は誤動作の防止や優れた電力伝送効率を得るために、認証情報や受電情報等の情報を送電側と受電側間で通信する必要がある。そのため、一般的には、電力を伝送する電力用コイルとは別に、通信を行う通信用コイルを用いて、送電側と受電側間での通信処理を行い、送電側で受電側が適合機器であるか等の確認を行った後に、電力伝送を行っている。

このように、電力用コイルと通信用コイルとを併設する構成として、例えば特許文献１に開示された構成がある。

特開２０１１−１８２０１２号公報

しかしながら、従来技術のように電力用コイルと通信用コイルを併設する場合、電力用コイルと通信用コイルの間は電磁的に結合するため、電力伝送と通信のキャリア周波数が近ければ近いほど相互的な干渉を受けやすくなる。

そのため、同じ周波数を用いて非接触による電力伝送および通信処理を行う非接触電力伝送装置の場合、電力伝送時に電力用コイルに大きな磁界が発生し、通信用コイルの両端に電磁誘導による誘起電圧が生じる。この誘起電圧が大きい場合は、通信回路の半導体に過電圧が加わる可能性がある。

また、通信用コイルには誘起電圧に伴う電流が流れるため、この電流による通信コイルの発熱や通信回路の抵抗成分による損失電力が生じ、電力伝送効率が低下するという課題もある。

そこで本発明は電力伝送および通信が同一の周波数で行われる非接触電力伝送システムであっても、電力伝送時に生じる誘起電圧から通信回路を保護し、かつ電力伝送効率の優れた非接触電力伝送システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送システムは、電力伝送を行う第１のコイルと、通信の送受信を行う第２のコイルを有する送電装置と、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルと受電および通信が可能な第３のコイルを有する受電装置を備え、前記電力伝送と前記通信が同一の周波数で行われ、前記送電装置はさらに前記第２のコイルの共振周波数を切り換える半導体スイッチと、通信用保護コンデンサと、前記受電装置と前記通信を行う通信処理部と、前記受電装置に前記電力伝送を行う電力伝送部と、前記通信処理部および前記電力伝送部を制御する制御部を備え、前記第１のコイルは前記電力伝送部を介して制御部に接続され、前記第２のコイルは前記通信処理部を介して制御部に接続され、前記半導体スイッチの一端は前記第２のコイルの一端と前記通信処理部との間に接続され、前記半導体スイッチの他端は前記通信用保護コンデンサの一端に接続され、前記通信用保護コンデンサの他端は前記第２のコイルの他端と前記通信処理部との間に接続され、前記半導体スイッチの切り換えによって、電力伝送時に前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサによる共振周波数を電力伝送の周波数から外し、通信時に前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサによる共振周波数を電力伝送の周波数に合わせることを特徴とする。

また、本発明による非接触電力伝送システムの前記送電装置は、さらに前記第１のコイルの共振周波数を切り換える電力伝送用半導体スイッチと、電力伝送用コンデンサを有し、前記電力伝送用半導体スイッチの一端は前記第１のコイルの一端と前記電力伝送部の間に接続され、前記電力伝送用半導体スイッチの他端は前記電力伝送用コンデンサの一端と接続され、前記電力伝送用コンデンサの他端は前記第１のコイルの他端と前記電力伝送部の間に接続され、前記電力伝送用半導体スイッチの切り換えによって、通信時に前記第１のコイルと前記電力伝送用コンデンサによる共振周波数を通信の周波数から外し、電力伝送時に前記第１のコイルと前記電力伝送用コンデンサによる共振周波数を通信の周波数に合わせることを特徴とする。

また、本発明による非接触電力伝送システムの前記半導体スイッチは前記制御部によって制御され、前記半導体スイッチを切り換えて、前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサによる共振周波数を電力伝送の周波数から外した後に電力伝送を行い、電力伝送が終了してから前記半導体スイッチを切り換えて、前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサによる共振周波数を電力伝送の周波数に合わせることが望ましい。

また、本発明による非接触電力伝送システムの前記送電装置は、さらに前記第２のコイルの共振周波数を切り換える第２の半導体スイッチを備え、前記半導体スイッチと、前記第２の半導体スイッチと、前記通信用保護コンデンサは直列に接続され、前記第２の半導体スイッチの一端は前記半導体スイッチの一端と接続され、前記第２の半導体スイッチの他端は前記第２のコイルと前記通信処理部との間に接続され、前記半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチの切り換えによって、電力伝送時に前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサの合成容量による共振周波数を電力伝送の周波数から外し、通信時に前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサによる共振周波数を電力伝送の周波数に合わせることが望ましい。

また、本発明による非接触電力伝送システムの前記半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチに電界効果トランジスタを使用した場合、ソース同士またはドレイン同士を接続することが望ましい。

また、本発明による非接触電力伝送システムの前記送電装置は、さらに前記第１のコイルの共振周波数を切り換える第２の電力伝送用半導体スイッチを備え、前記電力伝送用半導体スイッチと、前記第２の電力伝送用半導体スイッチと、前記電力伝送用コンデンサは直列に接続され、前記第２の電力伝送用半導体スイッチの一端は前記電力伝送用半導体スイッチの一端と接続され、前記第２の電力伝送用半導体スイッチの他端は前記第１のコイルと前記電力伝送部の間に接続され、前記電力伝送用半導体スイッチおよび前記第２の電力伝送用半導体スイッチの切り換えによって、通信時に前記第１のコイルと前記電力伝送用コンデンサの合成容量による共振周波数を通信の周波数から外し、電力伝送時に前記第１のコイルと前記電力伝送用コンデンサによる共振周波数を通信の周波数に合わせることが望ましい。

また、本発明による非接触電力伝送システムの前記電力伝送用半導体スイッチと前記第２の電力伝送用半導体スイッチに電界効果トランジスタを使用した場合、ソース同士またはドレイン同士を接続することが望ましい。

また、本発明による非接触電力伝送システムの前記送電装置は、さらに第２の通信用保護コンデンサを備え、前記半導体スイッチと、前記第２の半導体スイッチと、前記通信用保護コンデンサと、前記第２の通信用保護コンデンサは直列に接続され、前記第２の通信用保護コンデンサの一端は前記第２の半導体スイッチの一端に接続され、前記第２の通信用保護コンデンサの他端は前記第２のコイルと前記通信処理部との間に接続され、前記半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチの切り換えによって、電力伝送時に前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサと前記第２の通信保護コンデンサの合成容量による共振周波数を電力伝送の周波数から外し、通信時に前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサと前記第２の通信用保護コンデンサによる共振周波数を電力伝送の周波数に合わせることが望ましい。

また、本発明による非接触電力伝送システムの前記送電装置は、さらに第２の電力伝送用コンデンサを備え、前記電力伝送用半導体スイッチと、前記第２の電力伝送用半導体スイッチと、前記電力伝送用コンデンサと、前記第２の電力伝送用コンデンサは直列に接続され、前記第２の電力伝送用コンデンサの一端は前記第２の電力伝送用半導体スイッチの一端と接続され、前記第２の電力伝送用コンデンサの他端は前記第１のコイルと前記電力伝送部の間に接続され、前記電力伝送用半導体スイッチおよび前記第２の電力伝送用半導体スイッチの切り換えによって、通信時に前記第１のコイルと前記電力伝送用コンデンサと前記第２の電力伝送用コンデンサの合成容量による共振周波数を通信の周波数から外し、電力伝送時に前記第１のコイルと前記電力伝送用コンデンサと、前記第２の電力伝送用コンデンサによる共振周波数を通信の周波数に合わせることが望ましい。

また、本発明による非接触電力伝送システムの前記半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチは前記制御部によって制御され、前記半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチを切り換えて、前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサと前記第２の通信用保護コンデンサの合成容量による共振周波数を電力伝送の周波数から外した後に電力伝送を行い、電力伝送が終了してから前記半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチを切り換えて、前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサと前記第２の通信用保護コンデンサの合成容量による共振周波数を電力伝送の周波数に合わせることが望ましい。

本発明によれば、電力伝送および通信が同一の周波数で行われる非接触電力伝送システムであっても、電力伝送時に生じる誘起電圧から通信回路を保護し、かつ電力伝送効率の優れた非接触電力伝送システムが得られる。

本発明の第１の実施の形態による非接触電力伝送システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態による非接触電力伝送システムの保護機能動作を示す波形およびタイムチャートである。 本発明の第２の実施の形態による非接触電力伝送システムの送電装置の一例を示すブロック図である。 第１の実施の形態において半導体スイッチを常に切断状態とした場合の、第１のコイルと第３のコイル間の電力伝送効率と電圧比の一例を示す特性図である。 本発明の第３の実施の形態による非接触電力伝送システムの送電装置の一例を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態による非接触電力伝送システムの送電装置の一例を示すブロック図である。 本発明の第５の実施の形態による非接触電力伝送システムの送電装置の一例を示すブロック図である。 本発明の第５の実施の形態による非接触電力伝送システムの保護機能動作を示す波形およびタイムチャートである。 本発明の第６の実施の形態による非接触電力伝送システムの送電装置の一例を示すブロック図である。 本発明の第６の実施の形態による非接触電力伝送システムの保護機能動作を示す波形およびタイムチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態による非接触電力伝送システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施の形態による非接触電力伝送システムは送電装置２１と受電装置２２から構成され、電力伝送と通信が同一の周波数で行われる。

送電装置２１は電力伝送のアンテナである第１のコイル７と、受電装置２２に電力を伝送する電力伝送部２３と、通信処理のアンテナである第２のコイル８と、通信用保護コンデンサ６と、第２のコイル８と通信用保護コンデンサ６からなる共振周波数を切り換える半導体スイッチ１２と、受電装置２２と通信の送受信を行う通信処理部である信号送受信部１１と、電力伝送部２３と信号送受信部１１と半導体スイッチ１２の制御を行う制御部９と、送電側電源２４を備えている。

第１のコイル７は電力伝送部２３を介して制御部９に接続し、第２のコイル８は信号送受信部１１を介して制御部９に接続し、制御部９は送電側電源２４に接続している。さらに、通信用保護コンデンサ６と半導体スイッチ１２は直列に接続し、通信用保護コンデンサ６および半導体スイッチ１２は第２のコイル８に並列に接続している。

また、電力伝送部２３は、送電側電源１に接続されたインダクタ２と、スイッチング素子５と、並列共振コンデンサ３と、直列共振コンデンサ４と、スイッチング素子５のスイッチング動作により第１のコイル７を駆動する電力スイッチング回路１０により構成している。

インダクタ２はスイッチング素子５に直列に接続し、並列共振コンデンサ３はスイッチング素子５に並列に接続し、直列共振コンデンサ４は第１のコイル７に直列に接続している。

受電装置２２は、第１のコイル７および第２のコイル８と受電および通信が可能な第３のコイル１３と、二次電池２０と、第３のコイル１３が受けた電力を二次電池２０へ充電する充電部２５と、送電装置２１と通信信号の送受信を行う通信部２６により構成する。

さらに充電部２５は、整流回路１７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８と、電池充電制御回路１９で構成し、通信部２６は、Ｌｏａｄスイッチ１４と、信号受信復調回路１５と、通信制御回路１６から構成する。

図２は本発明の第１の実施の形態による非接触電力伝送システムの保護機能動作を示す波形およびタイムチャートである。図１、図２を用いて、本発明の第１の実施の形態に係る保護機能の動作を説明する。

制御部９によって、電力スイッチング回路１０はスイッチング素子５のゲートにスイッチング信号を入力して導通状態を制御し、直列共振コンデンサ４を経由することで直流電力を交流電力に変換し、第１のコイル７に電力を供給する。

電力スイッチング回路１０が駆動中であり、受電装置２２に電力伝送を行っている間は、信号送受信部１１の駆動は停止中であり、通信は行われない。同時に、半導体スイッチ１２は導通状態であり、第２のコイル８は通信用保護コンデンサ６と並列共振回路を構成する。

電力伝送時は半導体スイッチ１２が導通状態となり、第２のコイル８と通信用保護コンデンサ６とで並列共振回路を構成することによって、第２のコイル８の並列容量に通信用保護コンデンサ６による並列容量が加算され、第２のコイル８の共振周波数を電力伝送の共振周波数からずらす事が可能となる。

第２のコイル８の共振周波数と電力伝送を行う第１のコイル７の共振周波数が異なることで、第１のコイル７と第２のコイル８は相互的な干渉を受けにくくなり、第２のコイル８に生じる誘起電圧を抑制できる。

第２のコイル８に生じる誘起電圧を抑制することにより、信号送受信部１１の過電圧破壊を防止して、誘起電圧に伴う電流による第２のコイル８の発熱や回路の抵抗成分による損失電力を抑制でき、電力伝送効率の低下を防ぐことができる。

電力スイッチング回路１０が停止している間は、スイッチング素子５のゲートにスイッチング信号は入力されず、第１のコイル７に電力が供給されていない状態にある。つまり、電力伝送が行われていない間は、信号送受信部１１が駆動中であり、また、半導体スイッチ１２は切断状態であり、第２のコイル８の共振周波数は通信が可能な周波数となり、受電装置２２と通信処理を行うことができる。

電力伝送を行う場合は、半導体スイッチ１２を導通させて、第２のコイル８と通信用保護コンデンサ６による共振周波数を電力伝送の周波数からずらした後、電力スイッチング回路１０を駆動させて電力伝送を行うことが望ましい。

また、通信処理を行う場合は、電力スイッチング回路１０を停止させて電力伝送が終了した後、半導体スイッチを切断し、第２のコイル８と通信用保護コンデンサ６による共振周波数を電力伝送の周波数に合わせて、受電装置２２と通信を開始することが望ましい。

これにより、電力伝送時には確実に第２のコイル８と通信用保護コンデンサ６による共振周波数が電力伝送の共振周波数から外れているため、通信回路の半導体の過電圧破壊を防止し、さらに、電力伝送の効率の低下を抑制できる。

半導体スイッチ１２は、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いることが望ましいが、目的に応じて適宜選択すれば良い。

図４は第１の実施の形態において半導体スイッチを常に切断状態とした場合の、第１のコイルと第３のコイル間の電力伝送効率と電圧比の一例を示す特性図である。

第１のコイル７および第３のコイル１３として、４０ｍｍ×３０ｍｍのコイルを用い、互いに３ｍｍのギャップを設けた。また、第２のコイル８として、７０ｍｍ×５２ｍｍのコイルを用い、第１のコイル７とのギャップは０．５ｍｍを設けた。さらに、電力伝送と通信のキャリア周波数を同一に設定した。

図４は、上記構成とした場合の通信用保護コンデンサに対する、第１のコイル７と第３のコイル１３間の電力伝送効率と電圧比を示す特性図であり、この時、半導体スイッチ１２は常に切断状態とした。

上記のコイル構成では、第２のコイル８の並列容量設定値は１００ｐＦ〜２００ｐＦの間に存在している。図４から明らかなように、第１のコイル７と第３のコイル１３間の電力伝送効率の悪化はその並列容量値が存在する領域内で生じており、これは、第２のコイル８における消費電力が影響しているためである。

これより、電力伝送時の第２のコイル８の並列容量を１００ｐＦ〜２００ｐＦ以外に設定することができれば、電力伝送効率を向上できることがわかる。

本発明は、半導体スイッチ１２の導通状態を制御することによって、第２のコイル８の並列容量に通信用保護コンデンサ６による並列容量が加算され、図４の並列容量である１００ｐＦ〜２００ｐＦ以外の容量値に設定できる。

第２のコイル８の並列容量を変更し、第２のコイル８と通信用保護コンデンサ６による共振周波数を電力伝送の周波数から外すことによって、電力伝送の効率が向上する。さらに、第２のコイル８の電磁誘導による誘起電圧を低減し、信号送受信部１１の保護が可能となる。

（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態による非接触電力伝送システムの送電装置の一例を示すブロック図である。

本実施の形態による送電装置は、電力伝送のアンテナである第１のコイル３７と、通信処理のアンテナである第２のコイル３８と、受電装置に電力を伝送する電力伝送部３１と、電力伝送用コンデンサ３３と、第１のコイル３７と電力伝送用コンデンサ３３からなる共振周波数を切り換える電力伝送用半導体スイッチ３４と、受電装置と通信の送受信を行う通信処理部である信号送受信部３２と、通信用保護コンデンサ３６と、第２のコイル３８と通信用保護コンデンサ３６からなる共振周波数を切り換える半導体スイッチ３５と、電力伝送部３１と信号送受信部３２と電力伝送用半導体スイッチ３４、３５の制御を行う制御部３９と、送電側電源３０を備えている。

制御部３９は送電側電源３０に接続している。また、第１のコイル３７は電力伝送部３１を介して制御部３９に接続し、第２のコイル３８は信号送受信部３２を介して制御部３９に接続している。電力伝送用コンデンサ３３と電力伝送用半導体スイッチ３４は直列に接続し、電力伝送用コンデンサ３３および電力伝送用半導体スイッチ３４は第１のコイル３７に並列に接続している。また、通信用保護コンデンサ３６と半導体スイッチ３５は直列に接続し、通信用保護コンデンサ３６および半導体スイッチ３５は第２のコイル３８に並列に接続している。

電力伝送時は、電力伝送用半導体スイッチ３４は切断状態であり、第１のコイル３７の共振周波数は電力伝送が可能な周波数となり、受電装置に電力の伝送を行うことができる。この時、半導体スイッチ３５は導通状態となり、第２のコイル３８と通信用保護コンデンサ３６とで並列共振回路を構成することによって、第２のコイル３８の共振周波数を電力伝送の共振周波数からずらすことが可能となる。

一方、通信時は、半導体スイッチ３５は切断状態であり、第２のコイル３８の共振周波数は通信が可能な周波数となり、受電装置と通信を行うことができる。この時、電力伝送用半導体スイッチ３４は導通状態となり、第１のコイル３７と電力伝送用コンデンサ３３とで並列共振回路を構成することによって、第１のコイル３７の共振周波数を通信の共振周波数からずらすことが可能となる。

第１のコイル３７の共振周波数と第２のコイル３８の共振周波数が異なることで、電力伝送時および通信時に、第１のコイル３７と第２のコイル３８は相互的な干渉を受けにくくなる。

コイル間の相互的な干渉を受けにくくなることによって、電力伝送時は、信号送受信部３２の過電圧破壊を防止し、さらに、電力伝送効率の低下を防ぐことができる。また、通信時は、通信効率の低下を防ぐことができる。

本発明による非接触電力伝送システムにおいては、電力伝送を行う場合、第２のコイルの共振周波数を切り換える半導体スイッチを導通させ、第２のコイルと通信用保護コンデンサによる共振周波数を電力伝送の周波数からずらした後に、電力伝送を行うことが望ましい。

また、電力伝送を終了する場合は、電力伝送が終了した後に、第２のコイルの共振周波数を切り換える半導体スイッチを切断状態とし、第２のコイルの共振周波数を通信が可能な周波数とすることが望ましい。

電力伝送が行われている間は、第２のコイルの共振周波数を電力伝送の周波数からずらしていることによって、信号送受信部の過電圧破壊を防止し、電力伝送効率の低下を抑制することができる。

また、通信を行う場合は、通信効率の低下を抑制するため、第１のコイルの共振周波数を切り換える電力伝送用半導体スイッチを導通させ、第１のコイルと電力伝送用コンデンサによる共振周波数を通信の周波数からずらした後に、通信を行うことが望ましい。

（第３の実施の形態）
図５は本発明の第３の実施の形態による非接触電力伝送システムの送電装置の一例を示すブロック図である。

本実施の形態による送電装置は、第１の実施の形態の送電装置にさらに、第２のコイル４８と通信用保護コンデンサ４３からなる共振周波数を切り換える第２の半導体スイッチである半導体スイッチ４５を備えている。また、制御部４９は電力伝送部４１と、信号送受信部４２と、半導体スイッチ４４、４５の制御を行う。

通信用保護コンデンサ４３と半導体スイッチ４４、４５は直列に接続しており、通信用保護コンデンサ４３と半導体スイッチ４４、４５は第２のコイル４８に並列に接続している。

電力伝送を行う場合は、半導体スイッチ４４、４５を導通させて、第２のコイル４８と通信用保護コンデンサ４３による共振周波数を電力伝送の周波数からずらす事が可能となる。半導体スイッチ４４、４５を導通させて周波数をずらした後、電力伝送を行うことが望ましい。

また、通信を行う場合は、半導体スイッチ４４、４５を切断状態とし、第２のコイル４８の周波数を通信が可能な周波数に切り換えることが可能となる。この場合、電力伝送が終了した後、半導体スイッチ４４、４５を切断し、第２のコイル４８の共振周波数を通信の周波数に合わせて、図示しない受電装置と通信を開始することが望ましい。

本発明により、第１のコイルと第２のコイルの相互的な干渉を受けにくくしているが、電力伝送時は第２のコイルに幾らかの誘起電圧が生じてしまう。例えば半導体スイッチに電界効果トランジスタを使用し、半導体スイッチが１つの構成とした場合、ドレインとソースの間に電位差が生じ、半導体スイッチに不具合を生じさせる恐れがある。そこで、本実施の形態のように、半導体スイッチを２つの構成とすることにより、極性を有しない双方向スイッチの構成とすることによって、半導体スイッチの不具合を防止できるため、半導体スイッチを２つ直列に接続することが望ましい。つまり、半導体スイッチを２つ用いて、直列で対称に設置する構成とすることにより、第２のコイル間に生じる電位差を防止することができる。 ここで、対称とは、例えば、ゲートとソース間の電位差によりスイッチ動作を行わせる２つの半導体スイッチであれば、ソース同士またはドレイン同士を接続する構成の事である。

また、半導体スイッチのドレインとソース間電位差の正負に対して耐電圧に差がある場合でも、ソース同士またはドレイン同士を接続することによって、２つの半導体スイッチ全体としての正負の耐電圧差を一致させ、特定の極性に対する耐圧が低くなることを防止できる。

（第４の実施の形態）
図６は本発明の第４の実施の形態による非接触電力伝送システムの送電装置の一例を示すブロック図である。

本実施の形態による送電装置は、第３の実施の形態の送電装置にさらに、第１のコイル５７と電力伝送用コンデンサ６３からなる共振周波数を切り換える第２の電力伝送用半導体スイッチである電力伝送用半導体スイッチ６４を備えている。また、制御部５９は電力伝送部５１と、信号送受信部５２と、半導体スイッチ５４、５５と、電力伝送用半導体スイッチ６４、６５の制御を行う。

電力伝送用コンデンサ６３と電力伝送用半導体スイッチ６４、６５は直列に接続しており、電力伝送用コンデンサ６３と電力伝送用半導体スイッチ６４、６５は第１のコイル５７に並列に接続している。

電力伝送時は、電力伝送用半導体スイッチ６４、６５は切断状態であり、第１のコイル５７の共振周波数は電力伝送が可能な周波数となる。この時、半導体スイッチ５４、５５は導通状態となり、第２のコイル５８と通信用保護コンデンサ５３とで並列共振回路を構成することによって、第２のコイル５８の共振周波数を電力伝送の共振周波数からずらすことが可能となる。

一方、通信時は、半導体スイッチ５４、５５は切断状態であり、第２のコイル５８の共振周波数は通信が可能な周波数となる。この時、電力伝送用半導体スイッチ６４、６５は導通状態となり、第１のコイル５７と電力伝送用コンデンサ６３とで並列共振回路を構成することによって、第１のコイル５７の共振周波数を通信の共振周波数からずらすことが可能となる。

（第５の実施の形態）
図７は本発明の第５の実施の形態による非接触電力伝送システムの送電装置の一例を示すブロック図である。

本実施の形態による送電装置は、第３の実施の形態の送電装置にさらに、第２の通信用保護コンデンサである通信用保護コンデンサ７６を備えている。通信用保護コンデンサ７３、７６と半導体スイッチ７４、７５は直列に接続しており、通信用保護コンデンサ７３、７６と半導体スイッチ７４、７５は第２のコイル７８に並列に接続している。

図８は本発明の第５の実施の形態による非接触電力伝送システムの保護機能動作を示す波形およびタイムチャートである。図７、図８を用いて、本発明の第５の実施の形態に係る保護機能の動作を説明する。

最初に本実施の形態による送電装置は、図示しない受電装置と通信を行い、送電対象である受電装置か否かの確認を行う。この時、半導体スイッチ７４、７５は切断状態であり、第２のコイル７８の共振周波数は通信が可能な周波数となっている。通信成立後、信号送受信部７２は図示しない受電装置との通信を停止する。

送電装置が図示しない受電装置を送電対象であると認識した場合、制御部７９は半導体スイッチ７４、７５を導通状態とした後、電力伝送部７１を駆動させて受電装置に電力伝送を行う。

半導体スイッチ７４、７５が導通状態となることによって通信用保護コンデンサ７３、７６が直列に接続され、第２のコイル７８と並列共振回路が構成される。並列共振回路を構成することによって、第２のコイル７８の共振周波数を電力伝送の共振周波数からずらす事が可能となる。第２のコイル７８の共振周波数と電力伝送を行う第１のコイル７７の共振周波数が異なることで、第１のコイル７７と第２のコイル７８は相互的な干渉を受けにくくなる。これにより、電力伝送時は信号送受信部７２の過電圧破壊を防止し、さらに、送電装置は受電装置に効率よく電力伝送を行うことができる。

電力伝送終了後に、制御部７９は半導体スイッチ７４、７５を切断状態とし、第２のコイル７８の共振周波数を通信が可能な周波数に切り換える。

本発明により、第１のコイルと第２のコイルの相互的な干渉を受けにくくしているが、電力伝送時は第２のコイルに幾らかの誘起電圧が生じてしまう。そのため、送電電力が大きい場合や大きい誘起電圧が生じた場合には、コンデンサが接続されていない半導体スイッチが過電流により不具合を生じる恐れがある。また、第３の実施の形態により半導体スイッチを２つ直列に接続することにより、第２コイル間の電位差を抑制する構成としているが、一方の半導体スイッチ側にのみコンデンサが接続されることによって、第２コイル間に幾らかの電位差が生じる場合がある。そのため、２つの半導体スイッチは対称となるようにそれぞれコンデンサが接続されていることが望ましい。ここで、対称とは、例えば、ゲートとソース間の電位差によりスイッチ動作を行わせる２つの半導体スイッチを用いている場合であれば、２つの半導体スイッチはソース同士またはドレイン同士を接続し、他方のソースまたはドレイン側にそれぞれコンデンサを接続する構成の事である。本実施の形態による構成とすることにより、半導体スイッチの不具合を防止できるため、それぞれの半導体スイッチに通信用保護コンデンサを接続することが望ましい。

（第６の実施の形態）
図９は本発明の第６の実施の形態による非接触電力伝送システムの送電装置の一例を示すブロック図である。

本実施の形態による送電装置は、第５の実施の形態の送電装置にさらに、電力伝送用コンデンサ９３と、第２の電力伝送用コンデンサである電力伝送用コンデンサ９６と、第１のコイル８７と電力伝送用コンデンサ９３、９６からなる共振周波数を切り換える電力伝送用半導体スイッチ９４および第２の電力伝送用半導体スイッチである電力伝送用半導体スイッチ９５を備えている。また、制御部８９は、電力伝送部８１と、信号送受信部８２と、半導体スイッチ８４、８５と、電力伝送用半導体スイッチ９４、９５の制御を行う。

電力伝送用コンデンサ９３、９６および電力伝送用半導体スイッチ９４、９５は直列に接続しており、電力伝送用コンデンサ９３、９６および電力伝送用半導体スイッチ９４、９５は第１のコイル８７に並列に接続している。

図１０は本発明の第６の実施の形態による非接触電力伝送システムの保護機能動作を示す波形およびタイムチャートである。図９、図１０を用いて、本発明の第６の実施の形態に係る保護機能の動作を説明する。

最初に本実施の形態による送電装置は、図示しない受電装置と通信を行い、送電対象である受電装置か否かの確認を行う。この時、半導体スイッチ８４、８５は切断状態であり、第２のコイル８８の共振周波数は通信が可能な周波数となっている。また、電力伝送用半導体スイッチ９４、９５は導通状態であり、電力伝送用コンデンサ９３、９６は直列に接続され、第１のコイル８７と並列共振回路を構成している。この構成とすることによって、第１のコイル８７の共振周波数を通信の共振周波数からずらす事が可能となり、第１のコイル８７と第２のコイル８８は相互的な干渉を受けにくくなる。そのため、通信効率の低下を防ぐことができる。通信成立後、信号送受信部８２は図示しない受電装置との通信を停止する。

送電装置が図示しない受電装置を送電対象であると認識した場合、制御部８９は半導体スイッチ８４、８５を導通状態とし、さらに、電力伝送用半導体スイッチ９４、９５を切断状態とする。その後、送電装置は図示しない受電装置に電力伝送を行う。

電力伝送用半導体スイッチ９４、９５を切断状態とすることによって、第１のコイル８７の共振周波数は電力伝送が可能な周波数に切り替わり、通信用保護コンデンサ８３、８６が直列に接続され、第２のコイル８８と並列共振回路を構成することによって、第２のコイル８８の共振周波数を電力伝送の共振周波数からずらすことが可能となる。

電力伝送を行う第１のコイル８７と第２のコイル８８の共振周波数が異なる事で、通信時と同様に第１のコイル８７と第２のコイル８８は相互的な干渉を受けにくくなり、信号送受信部８２の過電圧破壊を防止し、さらに、送電装置は受電装置に効率よく電力伝送を行うことができる。

電力伝送終了後に、制御部８９は半導体スイッチ８４、８５を切断状態とし、電力伝送用半導体スイッチ９４、９５を導通状態とするとすることによって、第２のコイル８８の共振周波数は通信が可能な周波数に切り替わり、第１のコイル８７の共振周波数を通信の共振周波数からずらした状態とする。

本発明により、第１のコイルと第２のコイルの相互的な干渉を受けにくくしているが、通信時は第１のコイルに幾らかの誘起電圧が生じてしまう。そのため、コンデンサが接続されていない電力伝送用半導体スイッチが構成されている場合に、第１のコイルに大きい誘起電圧が生じると、コンデンサが接続されていない電力伝送用半導体スイッチが過電流により不具合を生じる恐れがある。また、電力伝送用半導体スイッチを２つ直列に接続することにより、第１のコイル間の電位差を抑制する構成としているが、一方の半導体スイッチ側にのみ電力伝送用コンデンサが接続されることによって、第１のコイル間に幾らかの電位差が生じる場合がある。そのため、２つの電力伝送用半導体スイッチは対称となるようにそれぞれコンデンサが接続されていることが望ましい。本実施の形態による構成とすることにより、電力伝送用半導体スイッチの不具合を防止できるため、それぞれの電力伝送用半導体スイッチに通信用保護コンデンサを接続することが望ましい。

以上より、電力伝送および通信が同一の周波数で行われる非接触電力伝送システムであっても、電力伝送時に生じる誘起電圧から通信回路を保護し、かつ電力伝送効率の優れた非接触電力伝送システムが得られる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の変更や修正が可能である。例えば、送電装置の回路設計は、充電電力および通信信号の周波数に応じて、適宜決定すれば良い。すなわち、当業者であれば成し得るであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれることは勿論である。

１、２４、３０ 送電側電源
２ インダクタ
３ 並列共振コンデンサ
４ 直列共振コンデンサ
５ スイッチング素子
６、３６、４３、５３、７３、７６、８３、８６ 通信用保護コンデンサ
７、３７、５７、７７、８７ 第１のコイル
８、３８、４８、５８、７８、８８ 第２のコイル
９、３９、４９、５９、７９、８９ 制御部
１０ 電力スイッチング回路
１１、３２、４２、５２、７２、８２ 信号送受信部
１２、３５、４４、４５、５４、５５、７４、７５、８４、８５ 半導体スイッチ
１３ 第３のコイル
１４ Ｌｏａｄスイッチ
１５ 信号受信復調回路
１６ 通信制御回路
１７ 整流回路
１８ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１９ 電池充電制御回路
２０ 二次電池
２１ 送電装置
２２ 受電装置
２３、３１、４１、５１、７１、８１ 電力伝送部
２５ 充電部
２６ 通信部
３３、６３、９３、９６ 電力伝送用コンデンサ
３４、６４、６５、９４、９５ 電力伝送用半導体スイッチ

Claims (10)

1. 電力伝送を行う第１のコイルと、通信の送受信を行う第２のコイルを有する送電装置と、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルと受電および通信が可能な第３のコイルを有する受電装置を備え、前記電力伝送と前記通信が同一の周波数で行われ、前記送電装置はさらに前記第２のコイルの共振周波数を切り換える半導体スイッチと、通信用保護コンデンサと、前記受電装置と前記通信を行う通信処理部と、前記受電装置に前記電力伝送を行う電力伝送部と、前記通信処理部および前記電力伝送部を制御する制御部を備え、前記第１のコイルは前記電力伝送部を介して制御部に接続され、前記第２のコイルは前記通信処理部を介して制御部に接続され、前記半導体スイッチの一端は前記第２のコイルの一端と前記通信処理部との間に接続され、前記半導体スイッチの他端は前記通信用保護コンデンサの一端に接続され、前記通信用保護コンデンサの他端は前記第２のコイルの他端と前記通信処理部との間に接続され、前記半導体スイッチの切り換えによって、電力伝送時に前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサによる共振周波数を電力伝送の周波数から外し、通信時に前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサによる共振周波数を電力伝送の周波数に合わせることを特徴とする非接触電力伝送システム。
2. 前記送電装置は、さらに前記第１のコイルの共振周波数を切り換える電力伝送用半導体スイッチと、電力伝送用コンデンサを有し、前記電力伝送用半導体スイッチの一端は前記第１のコイルの一端と前記電力伝送部の間に接続され、前記電力伝送用半導体スイッチの他端は前記電力伝送用コンデンサの一端と接続され、前記電力伝送用コンデンサの他端は前記第１のコイルの他端と前記電力伝送部の間に接続され、前記電力伝送用半導体スイッチの切り換えによって、通信時に前記第１のコイルと前記電力伝送用コンデンサによる共振周波数を通信の周波数から外し、電力伝送時に前記第１のコイルと前記電力伝送用コンデンサによる共振周波数を通信の周波数に合わせることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送システム。
3. 前記半導体スイッチは前記制御部によって制御され、前記半導体スイッチを切り換えて、前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサによる共振周波数を電力伝送の周波数から外した後に電力伝送を行い、電力伝送が終了してから前記半導体スイッチを切り換えて、前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサによる共振周波数を電力伝送の周波数に合わせることを特徴とする請求項１または２に記載の非接触電力伝送システム。
4. 前記送電装置は、さらに前記第２のコイルの共振周波数を切り換える第２の半導体スイッチを備え、前記半導体スイッチと、前記第２の半導体スイッチと、前記通信用保護コンデンサは直列に接続され、前記第２の半導体スイッチの一端は前記半導体スイッチの一端と接続され、前記第２の半導体スイッチの他端は前記第２のコイルと前記通信処理部との間に接続され、前記半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチの切り換えによって、電力伝送時に前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサの合成容量による共振周波数を電力伝送の周波数から外し、通信時に前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサによる共振周波数を電力伝送の周波数に合わせることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
5. 前記半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチに電界効果トランジスタを使用した場合、ソース同士またはドレイン同士を接続することを特徴とする請求項４に記載の非接触電力伝送システム。
6. 前記送電装置は、さらに前記第１のコイルの共振周波数を切り換える第２の電力伝送用半導体スイッチを備え、前記電力伝送用半導体スイッチと、前記第２の電力伝送用半導体スイッチと、前記電力伝送用コンデンサは直列に接続され、前記第２の電力伝送用半導体スイッチの一端は前記電力伝送用半導体スイッチの一端と接続され、前記第２の電力伝送用半導体スイッチの他端は前記第１のコイルと前記電力伝送部の間に接続され、前記電力伝送用半導体スイッチおよび前記第２の電力伝送用半導体スイッチの切り換えによって、通信時に前記第１のコイルと前記電力伝送用コンデンサの合成容量による共振周波数を通信の周波数から外し、電力伝送時に前記第１のコイルと前記電力伝送用コンデンサによる共振周波数を通信の周波数に合わせることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
7. 前記電力伝送用半導体スイッチと前記第２の電力伝送用半導体スイッチに電界効果トランジスタを使用した場合、ソース同士またはドレイン同士を接続することを特徴とする請求項６に記載の非接触電力伝送システム。
8. 前記送電装置は、さらに第２の通信用保護コンデンサを備え、前記半導体スイッチと、前記第２の半導体スイッチと、前記通信用保護コンデンサと、前記第２の通信用保護コンデンサは直列に接続され、前記第２の通信用保護コンデンサの一端は前記第２の半導体スイッチの一端に接続され、前記第２の通信用保護コンデンサの他端は前記第２のコイルと前記通信処理部との間に接続され、前記半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチの切り換えによって、電力伝送時に前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサと前記第２の通信保護コンデンサの合成容量による共振周波数を電力伝送の周波数から外し、通信時に前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサと前記第２の通信用保護コンデンサによる共振周波数を電力伝送の周波数に合わせることを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
9. 前記送電装置は、さらに第２の電力伝送用コンデンサを備え、前記電力伝送用半導体スイッチと、前記第２の電力伝送用半導体スイッチと、前記電力伝送用コンデンサと、前記第２の電力伝送用コンデンサは直列に接続され、前記第２の電力伝送用コンデンサの一端は前記第２の電力伝送用半導体スイッチの一端と接続され、前記第２の電力伝送用コンデンサの他端は前記第１のコイルと前記電力伝送部の間に接続され、前記電力伝送用半導体スイッチおよび前記第２の電力伝送用半導体スイッチの切り換えによって、通信時に前記第１のコイルと前記電力伝送用コンデンサと前記第２の電力伝送用コンデンサの合成容量による共振周波数を通信の周波数から外し、電力伝送時に前記第１のコイルと前記電力伝送用コンデンサと、前記第２の電力伝送用コンデンサによる共振周波数を通信の周波数に合わせることを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
10. 前記半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチは前記制御部によって制御され、前記半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチを切り換えて、前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサと前記第２の通信用保護コンデンサの合成容量による共振周波数を電力伝送の周波数から外した後に電力伝送を行い、電力伝送が終了してから前記半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチを切り換えて、前記第２のコイルと前記通信用保護コンデンサと前記第２の通信用保護コンデンサの合成容量による共振周波数を電力伝送の周波数に合わせることを特徴とする請求項８または９に記載の非接触電力伝送システム。

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