JP3357233B2 - 非接触型電力伝送装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、電動シェ
ーバー（電動ひげそり器）、コードレス電話機、携帯用
電話機、電動歯ブラシ等の家庭用電気機器の電源、或い
は各種ＯＡ機器等の電源として利用される非接触型電力
伝送装置に関する。

【０００２】非接触型電力伝送装置は、前記のように携
帯用電話機、電動シェーバーなど、充電を必要とする２
次電池を利用した機器が普及するに従い、感電等の事故
を防ぐ目的で利用が増大している。非接触型電力伝送の
原理は、送信側と受信側を磁気的に結合させ、電気的に
絶縁した状態で電力を伝送するものである。従って、簡
単に言えば、伝送すべき電気エネルギーを高周波電力に
変換して送信側コイルを駆動し、送信側コイルの近傍に
置かれた受信側コイルに誘起する電圧を利用すれば良
い。

【０００３】しかしながら、利用範囲が家庭用機器に広
がったため、価格が十分に下げられないと実用的ではな
い。そのため、非接触型電力伝送装置で最も価格の高い
高周波エネルギー発生手段、すなわち送信側の発信回路
に色々な工夫がなされている。更に要求される特性とし
ては、小型であること、ラジオ、テレビ等への妨害とな
る不要電波輻射が少ないこと、電力伝送効率の良いこと
などであり、このような特性を満たした非接触型電力伝
送装置の開発が要望されていた。

【０００４】

【従来の技術】以下、従来例について説明する。 §１：従来例１の説明・・・図１０参照 図１０は従来例１の説明図である。図１０中、１はスタ
ンド、２は電源プラグ、３は歯ブラシの柄、４は電源コ
ード、５は２次電池、Ｌ₁ 、Ｌ₂ は１次コイル、Ｌ₃ は
２次コイル、Ｄ₁ 、Ｄ₂ はダイオード、Ｔｒはトランジ
スタ、Ｃ₁ 、Ｃ ₂ 、Ｃ₃ はコンデンサ、Ｒ₁ は抵抗を示
す。

【０００５】従来、負荷に電力を供給する装置として、
非接触で電力伝送を行う非接触型電力伝送装置が知られ
ていた。この装置は一般的に、送信ユニットと受信ユニ
ットで構成されており、送信ユニットには送信用コイル
を有する高周波発振器を備え、受信ユニットには受信コ
イルを備えている。そして、送信ユニットの送信コイル
と受信ユニットの受信用コイルが電磁結合することで、
非接触で電力伝送し、受信用コイルで受信した電力を負
荷に供給するものである。以下、負荷を２次電池とした
例について説明する。

【０００６】この場合、負荷が２次電池なので、非接触
型電力伝送装置を構成する送信ユニットが充電部であ
り、受信ユニットが充電用の２次電池を備えた被充電部
となる。制御充電部と被充電部を備え非接触式充電を行
う装置として、例えば、図１０に示した装置が知られて
いた（実開昭６０−８６３６号公報参照）。

【０００７】この装置は、電動歯ブラシの例であり、ス
タンド１に充電部があり、歯ブラシの柄３に被充電部が
ある。そして、スタンド１の充電部には、トランスの１
次コイルＬ₁ 、Ｌ₂ 、トランジスタＴｒ、抵抗Ｒ₁ 、コ
ンデンサＣ₂ 、Ｃ₃ で構成された高周波発振器（自励振
型発振回路）を備えており、前記高周波発振回路から外
部に電磁界を発生するように構成されている。

【０００８】また、歯ブラシの柄３の被充電部には、充
電部の１次コイルＬ₁ 、Ｌ₂ と電磁結合して電圧を誘起
させるために、トランスの２次コイルＬ₃ を設けると共
に、整流用のダイオードＤ₂ 、２次電池（Ｎｉ−Ｃｄ電
池）５等が設けてある。この電動歯ブラシは、歯ブラシ
の使用時には、人が歯ブラシの柄３を持ってスタンド１
から取り出して使用するが、使用しない時は図示のよう
に歯ブラシをスタンド１に建てて保管する。

【０００９】この状態で、充電部の１次コイルＬ₁ 、Ｌ
₂ と、被充電部の２次コイルＬ₃ が電磁結合するので、
被充電部の２次コイルＬ₃ には電圧が誘起する。そし
て、この誘起した電圧によりダイオードＤ₂ を介して２
次電池５が充電される。

【００１０】§２：従来例２の説明・・・図１１参照 図１１は従来例２の説明図である。図１１中、２０は送
信ユニット、２１は受信ユニット、Ｌ₅ は送信用コイ
ル、Ｌ₆ は帰還用コイル、Ｌ₇ は受信用コイル、Ｑ₁ は
トランジスタ（ＦＥＴ）、ｄ₅ はダイオード、Ｃ₅ はコ
ンデンサ、Ｒ₅ 、Ｒ₆ は抵抗を示す。

【００１１】従来例２の非接触型電力伝送装置は、送信
ユニット２０と受信ユニット２１からなり、送信ユニッ
ト２０に図示構成の発振回路が設けてある。前記発振回
路は、反結合発振回路として知られているもので、送信
用コイルＬ₅ と磁気的に結合したトランスを構成する帰
還用コイルＬ₆ 、及びトランジスタＱ₁ がオンの時のゲ
ートバイアス電圧を安定化するためのダイオードｄ₅ と
抵抗Ｒ₅ の直列回路からなるバイアス安定化回路を備え
ている。

【００１２】前記反結合発振回路は、トランジスタＱ₁
のドレイン電圧と同相の電圧をゲートに帰還することで
発振回路を構成するものである。良く知られているよう
に、トランジスタ増幅器ではトランジスタ（ＦＥＴ）の
ゲートとドレインは逆相となるから、同相帰還のために
はトランスでの位相反転は不可欠である。

【００１３】なお、送信側ユニット２０において、抵抗
Ｒ₆ はバイアス抵抗、コンデンサＣ ₅ は直流遮断用のコ
ンデンサである。また、受信側ユニット２１において、
受信用コイルＬ₇ は送信用コイルと電磁結合して電力の
受信を行うものである。

【００１４】前記送信側ユニット２０に設けた発振回路
の動作は次の通りである。送信用コイルＬ₅ に蓄えられ
るエネルギーは、流れる電流の２乗及びその継続時間、
つまりトランジスタＱ₁ のオン時間に比例する。トラン
ジスタＱ₁ のオン時間はゲートバイアス時間で決まるの
で、ダイオードｄ₅ と抵抗Ｒ₅ からなるバイアス安定化
回路がない場合、電源電圧が上昇するとトランジスタＱ
₁ のバイアス電圧が高くなり、ドレイン電流が増大し、
その結果送信用コイルＬ₅ に蓄えられるエネルギーが増
大する。

【００１５】この時、受信ユニット２１側で負荷を少な
くすると送信用コイルＬ₅ に蓄えられたエネルギーは、
逃げ場がなく、結果として送信用コイルＬ₅ の両端電圧
が異常に増大しトランジスタＱ₁ が破壊される。これを
防ぐため、バイアス電圧が不必要に上がらない手段が必
要である。

【００１６】このため、前記バイアス安定化回路は、ト
ランジスタＱ₁ のオン時間、つまりドレインがＧＮＤ電
位と等しい時のみ、コンデンサＣ₅ に保持されたバイア
ス電圧をドレイン側に逃がしてオン時間を短縮する働き
をする。従って、トランジスタＱ₁ のオン時間は、コン
デンサＣ₅ 、及びバイアス安定化回路を構成するダイオ
ードｄ₅ と抵抗Ｒ₅ で決まる時定数で制御され、電源電
圧が上昇した場合でもオン時間が短縮されるので、送信
用コイルＬ₅ に蓄えられるエネルギーは減少し、送信用
コイルＬ₅ の両端電圧が不必要に増大することを防いで
いる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】前記のような従来のも
のにおいては、次のような課題があった。 (1) ：前記従来例のようにトランジスタ１個の発振回路
では、反結合発振回路を用いざるを得ず、送信用コイル
に帰還用コイルを付加する、つまり、トランスを構成し
なければならなかった。このことは、送信用コイルの構
造を複雑化し、例えば送信用コイルとしてボビンレスの
単一巻線コイルが利用できないなど、価格アップの原因
ともなっていた。

【００１８】(2) ：前記従来例の発振回路では、発振が
パルス的に行われるため、不要輻射が極めて大きくな
る。そのため、ラジオ、テレビ等の他の機器へのノイズ
の影響が大きくなる。

【００１９】(3) ：前記従来例２では、バイアス安定化
回路に用いるダイオードは、トランジスタのドレイン電
圧変動をゲートに帰還させないため、接合容量の小さな
ダイオードが必要となる。一方、この回路のダイオード
はドレインにかかる高電圧に耐えなければならないた
め、通常、５００Ｖ以上の逆耐圧が必要である。一般に
高逆耐圧で小容量のダイオードは極めて高価である。従
って、非接触型電力伝送装置のコストアップの原因とな
っていた。

【００２０】(4) ：送信用コイルとして安価なボビンレ
スの単一巻線コイルを利用し、かつ帰還コイルを持つト
ランス構造とするため、帰還コイルを回路基板上にプリ
ントコイルとして構成したものは既に提案されていた。
しかし、前記提案されたものは、プリントコイルを回路
基板上に構成するため、プリント基板の面積を増大した
り、それを避けるため、両面プリント基板を用いれば、
片面プリント基板より高価になることは避けられなかっ
た。

【００２１】本発明は、このような従来の課題を解決
し、：十分安価で不要輻射が少ないこと、：高価と
なる原因の帰還巻線を含まないこと、：高価な小容量
ダイオードを含まずにバイアス安定化が達成されるこ
と、等の条件を満たし、小型、安価で高効率の電力伝送
を可能にすることを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図である。本発明は前記の目的を達成するため、次のよ
うに構成した。 (1) ：発振回路を含み、該発振回路で発生した電力を送
信する送信ユニット２０と、送信ユニット２０から送信
された電力を受信する受信ユニット２１からなり、送信
ユニット２０から受信ユニット２１に対して非接触で電
力の伝送を行う非接触型電力伝送装置において、前記発
振回路に、第１の電極Ｅ１（ベース、又はゲート）を制
御信号入力用とし、第２の電極Ｅ２（エミッタ、又はソ
ース）をＧＮＤ接続用とし、第３の電極Ｅ３（コレク
タ、又はドレイン）を負荷接続用としたトランジスタＱ
を備えた。

【００２３】そして、トランジスタＱの第３の電極Ｅ３
と電源間に第１のコイル２５（送信用コイル）を接続
し、第１の電極Ｅ１とＧＮＤ間に直流遮断手段（コンデ
ンサ３５）を有し、かつ第１のコイル２５とは磁気的に
結合していない第２のコイル２６を接続し、第１の電極
Ｅ１と電源間にバイアス用抵抗３７を接続すると共に、
第１の電極Ｅ１と第３の電極Ｅ３間にはコンデンサ２８
による帰還手段を接続した。

【００２４】(2) ：発振回路を含み、該発振回路で発生
した電力を送信する送信ユニット２０と、送信ユニット
２０から送信された電力を受信する受信ユニット２１か
らなり、送信ユニット２０から受信ユニット２１に対し
て非接触で電力の伝送を行う非接触型電力伝送装置にお
いて、前記発振回路に、第１の電極Ｅ１（ベース、又は
ゲート）を制御信号入力用とし、第２の電極Ｅ２（エミ
ッタ、又はソース）をＧＮＤ接続用とし、第３の電極Ｅ
３（コレクタ、又はドレイン）を負荷接続用としたトラ
ンジスタを備えた。

【００２５】そして、トランジスタＱの第３の電極Ｅ３
と電源間に第１のコイル２５（送信用コイル）を接続
し、第１の電極Ｅ１とＧＮＤ間に直流遮断手段（コンデ
ンサ３５）を有し、かつ第１のコイル２５とは磁気的に
結合していない第２のコイル２６を接続し、第１の電極
Ｅ１と電源間にバイアス用抵抗３７を接続し、第１の電
極Ｅ１と第３の電極Ｅ３間にはコンデンサ２８による帰
還手段を接続すると共に、第１の電極Ｅ１と第３の電極
Ｅ３間に、アノードを第１の電極Ｅ１側としてダイオー
ド４２を接続した。

【００２６】(3) ：前記(1) 又(2) の非接触型電力伝送
装置において、受信ユニット２１に受信用の第３のコイ
ル２７を備え、第３のコイル２７と送信ユニット２０の
第１のコイル２５の極性を逆にし、フライバックコンバ
ータ方式による電力の伝送を可能にした。

【００２７】（作用）前記構成に基づく本発明の作用
を、図１に基づいて説明する。非接触型電力伝送装置を
使用する場合は、送信ユニット２０に電源を接続し、受
信ユニット２１に負荷Ｌを接続すると共に、送信ユニッ
ト２０と受信ユニット２１を対向配置する。そして、前
記第１のコイル２５と第３のコイル２７は、その極性を
逆にして、フライバックコンバータ方式により電力伝送
ができるようにしておく。この状態での動作は次の通り
である。

【００２８】送信ユニット２０に電源が印加されると、
送信ユニット２０の発振回路では発振動作を開始する。
この発振動作では、第１のコイル２５と第２のコイル２
６と、帰還用のコンデンサ２８からなる共振回路が所定
の共振周波数で共振し、この共振動作によりトランジス
タＱがオン／オフ動作を繰り返して行うことにより、高
周波発振を行う。

【００２９】この場合、第１のコイル２５と第２のコイ
ル２６のインダクタンス値と、帰還用のコンデンサ２８
の容量値で決まる周波数で発振を行う。そして、前記発
振回路の発振動作により発生した高周波電力は第１のコ
イル２５から高周波の電磁波による電力の送信を行う。

【００３０】前記のように、送信ユニット２０と受信ユ
ニット２１を対向配置した状態で送信ユニット２０の発
振回路を動作させると、送信ユニット２０から高周波の
電磁界が発生する。この場合、第１のコイル２５と第３
のコイル２７はフライバックコンバータ方式により電磁
結合する。

【００３１】このため、第３のコイル２７には電圧が誘
起するので、第３のコイル２７と共振用のコンデンサ３
０からなる並列共振回路は、所定の周波数で共振する。
そして、前記並列共振回路の出力はダイオード３２によ
り整流されコンデンサ３１で平滑化され、コンデンサ３
１の端子に平滑化された直流電圧を発生させる。このコ
ンデンサ３１の直流電圧により、定電流回路３３が定電
流を出力し負荷Ｌに供給する。このようにして、送信ユ
ニット２０と受信ユニット２１を対向配置することによ
り非接触で送信ユニット２０から受信ユニット２１への
高周波電力の伝送が可能になる。

【００３２】以上のようにして、不要輻射が少なく、高
価となる原因の帰還巻線を含まず、高価な小容量ダイオ
ードを含まずに安定した発振動作を行うことができる。
そのため、小型、安価で高効率の電力伝送が可能とな
る。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態における
各例を図面に基づいて説明する。 §１：非接触型電力伝送装置の基本的な説明・・・図２
参照 図２は非接触型電力伝送装置の基本構成図である。図示
のように非接触型電力伝送装置は、電力を送信する送信
ユニット２０と、送信ユニット２０から送信された電力
を受信する受信ユニット２１からなり、送信ユニット２
０から受信ユニット２１に対して非接触で電力を伝送す
る装置である。

【００３４】前記送信ユニット２０には送信用の電力を
発生させるための発振回路２２と、発振回路２２で発生
した電力を送信するための第１のコイル２５（送信用コ
イル）が設けてある。そして発振回路２２には、逆相増
幅器２３と、帰還用のコンデンサ２８と、第２のコイル
２６が設けてある。なお、第１のコイル２５は送信用コ
イルであるが、前記発振回路の素子も兼ねている。

【００３５】また、受信ユニット２１には、送信ユニッ
ト２０から送信された電力を受信するための第３のコイ
ル２７（受信用コイル）と、共振用のコンデンサ３０
と、整流用のダイオード３２と、平滑用のコンデンサ３
１と、定電流回路３３が設けてあり、定電流回路３３の
出力側には負荷として２次電池３４が接続されている。
なお、受信ユニット２１では、前記第３のコイル２７と
コンデンサ３０とで並列共振回路を構成している。前記
送信ユニット２０と受信ユニット２１の動作は次の通り
である。

【００３６】(1) ：発振回路２２の発振原理の説明 逆相増幅器２３の入力（Ｐ１側）に対し、逆相増幅器２
３の出力（Ｐ２側）は、前記入力とは逆相となるが、帰
還用のコンデンサ２８と第２のコイル２６との接続点
（Ｐ１）では、１８０°の位相変位が生じるので、入力
に対し同相で帰還される。このため、前記の構成により
発振回路は発振動作を行うことができる。

【００３７】(2) ：送信ユニット２０と受信ユニット２
１間の非接触電力伝送の説明 送信ユニット２０と受信ユニット２１が接近して対向す
るように位置決めする。この時、第１のコイル２５と第
３のコイル２７が対向配置されるようにする。この状態
で、送信ユニット２０の発振回路２２が発振動作を開始
すると、送信ユニット２０には高周波電力が発生し、第
１のコイル２５から高周波電力が送信される。

【００３８】この時、第１のコイル２５と第３のコイル
２７が電磁結合し、第３のコイル２７に電圧が誘起す
る。そして、前記第３のコイル２７に誘起した電圧によ
り共振用のコンデンサ３０にも電流が流れ、第３のコイ
ル２７とコンデンサ３０からなる並列回路は並列共振状
態となる。そして、前記並列共振回路の出力はダイオー
ド３２で整流され、コンデンサ３１で平滑化されて直流
電圧に変換される。そして、コンデンサ３１の電圧によ
り定電流回路３３で定電流化した電流を出力し、２次電
池３４に定電流を供給することで２次電池３４を充電す
る。以下、前記非接触型電力伝送装置の基本構成を基に
具体化した各例について説明する。

【００３９】§２：例１の説明・・・図３参照 図３は例１の説明図である。以下、図３に基づいて例１
の非接触型電力伝送装置を説明する。

【００４０】(1) ：回路構成の説明 例１は、前記発振回路２２を構成する逆相増幅器２３と
して、バイポーラ型のトランジスタ３９を使用した例で
ある。図示のように、非接触型電力伝送装置は、送信ユ
ニット２０と受信ユニット２１からなり、送信ユニット
２０から受信ユニット２１に対して非接触で電力が伝送
できるように構成されている。

【００４１】前記送信ユニット２０には、前記逆相増幅
器を構成するバイポーラ型のトランジスタ３９と、帰還
用のコンデンサ２８と、第２のコイル２６と、直流遮断
用のコンデンサ３５と、電流調整用の抵抗３７及び可変
抵抗３８からなる発振回路が設けてあり、この発振回路
の出力側に第１のコイル２５が接続されている。この場
合、第１のコイル２５は前記発振回路の素子も兼ねてい
る。

【００４２】すなわち、前記発振回路において、トラン
ジスタ３９には第１のコイル２５（送信用コイル）がコ
レクタ負荷として接続され、ベースには第１のコイル２
５とは磁気的に結合してない第２のコイル２６が接続さ
れている。また、第２のコイル２６には、トランジスタ
３９のベースに印加するバイアス電圧がＧＮＤに接続さ
れないように直流遮断用のコンデンサ３５が直列に接続
されている。

【００４３】更にトランジスタ３９のベースは、電流調
整用の抵抗３７及び可変抵抗３８の直列回路を介して電
源に接続されており、前記可変抵抗３８の調整によりト
ランジスタ３９のバイアス電流を調整できるようになっ
ている。なお、コンデンサ３６はバイパス用のコンデン
サである。

【００４４】コンデンサ２８はトランジスタ３９のコレ
クタからベースへの帰還用のコンデンサであり、このコ
ンデンサ２８と第２のコイル２６によりコレクタ信号は
位相が反転されてベースへ帰還されるようになってい
る。また、コンデンサ２８は第１のコイル２５、第２の
コイル２６と共に共振回路（直列共振回路）を構成して
おり、この共振回路の共振周波数に応じてトランジスタ
３９が動作することにより、この発振回路は正弦波発振
を行うように構成されている。

【００４５】前記構成において、第１のコイル２５と第
２のコイル２６は、磁気的に結合しない独立した別のコ
イルであるから、第１のコイル２５には安価なボビンレ
スコイルが使用でき、第２のコイル２６としては安価な
汎用の固定コイルが使用できる。

【００４６】(2) ：例１の動作説明・・・図４参照 図４は例１の動作説明図である。以下、図４に基づいて
例１の非接触型電力伝送装置の動作を説明する。

【００４７】非接触型電力伝送装置を使用する場合は、
送信ユニット２０に直流電源（電圧：Ｖ_IN）を接続し、
受信ユニット２１の負荷として、定電流回路３３の出力
側に２次電池３４を接続すると共に、送信ユニット２０
と受信ユニット２１を対向配置する。この場合、第１の
コイル２５と第３のコイル２７は極性を逆にし、フライ
バックコンバータ方式により電力伝送できるようにして
おく。この状態での動作は次の通りである。

【００４８】送信ユニット２０に直流電源（電圧：
Ｖ_IN）が印加すると、送信ユニット２０の発振回路では
発振動作を開始する。この発振動作では、第１のコイル
２５と第２のコイル２６と、帰還用のコンデンサ２８か
らなる共振回路（直列共振回路）が所定の共振周波数で
共振し、この共振動作によりトランジスタ３９がオン／
オフ動作を繰り返して行うことにより、高周波発振を行
う。

【００４９】この場合、第１のコイル２５と第２のコイ
ル２６のインダクタンス値と、帰還用のコンデンサ２８
の容量値で決まる周波数で発振を行う。そして、前記発
振回路の発振動作により発生した高周波電力は第１のコ
イル２５から高周波の電磁波による電力の送信を行う。

【００５０】前記のように、送信ユニット２０と受信ユ
ニット２１を対向配置した状態で送信ユニット２０の発
振回路を動作させると、送信ユニット２０から高周波の
電磁界が発生する。この場合、送信ユニット２０の第１
のコイル２５と受信ユニット２１の第３のコイル２７は
トランスのフライバックコンバータ方式による１次コイ
ルと２次コイルの関係と同じ状態（逆極性）で電磁結合
する。

【００５１】このため、第３のコイル２７には電圧が誘
起する。この誘起電圧により、第３のコイル２７と共振
用のコンデンサ３０からなる並列共振回路は、所定の周
波数で共振状態となる。また、この時、第３のコイル２
７の電圧によりダイオード３２を介して平滑用のコンデ
ンサ３１に電流が流れ、コンデンサ３１を充電する。こ
のようにしてコンデンサ３１には平滑化された直流電圧
が発生する。そして、コンデンサ３１で平滑化された直
流電圧により定電流回路３３で定電流を出力し、この定
電流により２次電池３４を充電する。

【００５２】このようにして、送信ユニット２０と受信
ユニット２１を対向配置することにより送信ユニット２
０から受信ユニット２１へ非接触で高周波電力を伝送す
ることができる。この場合の各部の波形は図５に示した
通りである。

【００５３】図５において、はトランジスタ３９の状
態（オン／オフ）、はトランジスタ３９のコレクタ・
エミッタ間電圧Ｖ_CE、はトランジスタ３９のコレクタ
電流Ｉ_C 、はトランジスタ３９のベース・エミッタ間
電圧Ｖ_BE、は帰還用のコンデンサ２８に流れる電流Ｉ
₁ 、は第３のコイル２７に発生する電圧Ｖ_S 、は共
振用のコンデンサ３０に流れる電流Ｉ_S を示す。

【００５４】前記のように送信ユニット２０の発振回路
が発振動作を行うと、トランジスタ３９は、のように
オン／オフ動作を繰り返して行う。この時トランジスタ
３９のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_CEは、のようにト
ランジスタ３９がオン状態の時Ｖ_CEは略０となり、オフ
状態の時Ｖ_CEは正弦波状に大きくなる。

【００５５】また、トランジスタ３９のコレクタ電流Ｉ
ｃは、のようにトランジスタ３９がオン状態の時大き
く、オフ状態の時殆ど流れないが、トランジスタ３９が
オン時の電流が少し遅れるので、トランジスタ３９がオ
フになってもコレクタ電流は少し流れる）。

【００５６】トランジスタ３９のベース・エミッタ間電
圧Ｖ_BEは、のようにトランジスタ３９がオン状態の時
略一定の電圧（エミッタに対しベース側が高い電位）で
あり、オフ状態の時逆方向に正弦波状の大きな電圧（エ
ミッタに対しベース側が低い電位）となる。帰還用のコ
ンデンサ２８に流れる電流Ｉ₁ は、のように略正弦波
状の共振電流が流れる。

【００５７】一方、受信ユニット２１では、第３のコイ
ル２７は送信ユニット２０の第１のコイル２５に対し
て、フライバックコンバータ方式により結合（逆極性で
結合）しているため、第３のコイル２７に発生する電圧
Ｖ_S はのようになる。すなわち、第３のコイル２７に
発生する電圧Ｖ_S は、トランジスタ３９がオンになって
コレクタ電流が大きくなった時のみ、略正弦波状の大き
な電圧（正弦波の半波状の誘起電圧）が発生する。ま
た、コンデンサ３０に流れる電流Ｉ_S はのような電流
が流れる。

【００５８】前記動作において、送信ユニット２０の入
力電源の電圧をＶ_IN、入力電流をＩ _INとし、受信ユニッ
ト２１の出力電圧（定電流回路３３の出力電圧）を
Ｖ_O 、出力電流をＩ_O とし、電力伝送効率をηとすると
ηは次の通りである。すなわち、入力電力はＶ_IN×Ｉ_IN
（Ｗ）であり、出力電力はＶ_O ×Ｉ_O （Ｗ）であるか
ら、電力伝送効率ηは、η＝Ｖ_O ×Ｉ_O ／Ｖ_IN×Ｉ
_IN（％）となる。

【００５９】(3) ：その他の説明 前記非接触型電力伝送装置において、第１のコイル２５
と第３のコイル２７との電磁結合は、フライバックコン
バータ方式による結合と、フォワードコンバータ方式に
よる結合とがあり、両方の結合方法で実施した結果、図
４のＡ図、Ｂ図に示した結果が得られた。図４のＡ図は
フライバックコンバータ方式による波形図であり、Ｂ図
はフォワードコンバータ方式による波形図である。

【００６０】図４のＡ図及びＢ図に示したように、トラ
ンジスタ３９のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_CEに対して
コレクタ電流Ｉ_C は図示のように流れるが、前記両波形
の重なった部分において電力の損失が発生する。この場
合、Ａ図に示したフライバックコンバータ方式による場
合の損失をＰＡ（Ｗ）、Ｂ図に示したフォーワードコン
バータ方式による場合の損失をＰＢ（Ｗ）とし、Ａ図の
コレクタ電流のピーク値をＩ_C1、Ｂ図のコレクタ電流の
ピーク値をＩ_C2とすると、Ｉ_C1＜Ｉ_C2（例えば、Ｉ_C1＝
４００ｍＡ、Ｉ_C2＝６００ｍＡ）、ＰＡ＜ＰＢの関係に
なる。

【００６１】前記のように、第１のコイル２５と第３の
コイル２７の極性を逆にし、フライバックコンバータ方
式による電力伝送では、トランジスタ３９がオンの時、
受信ユニット２１のダイオード３２がカットオフ状態と
なる。このため、第３のコイル２７のインダクタンスに
よりトランジスタ３９のピーク電流Ｉ_C1が低減され（Ｉ
_C1＜Ｉ_C2）、トランジスタ３９のオフ時の損失電力ＰＡ
が低減できる（ＰＡ＜ＰＢ）。

【００６２】その結果、フライバック結合により電力伝
送した場合には、フォーワード結合により電力伝送した
場合に比べて、電力伝送効率η（η＝Ｖ_O ×Ｉ_O ／Ｖ_IN
×Ｉ _IN）が改善される。

【００６３】§３：例２の説明・・・図６〜図８参照 図６は例２の説明図、図７は例２の動作説明図、図８は
例２の特性図である。以下、図６〜図８に基づいて例２
の非接触型電力伝送装置を説明する。例２は前記逆相増
幅器として電界効果型のトランジスタ（ＦＥＴ）を用い
た例であり、基本的には前記例１と同じである。

【００６４】(1) ：例２の構成の説明 送信ユニット２０には、前記逆相増幅器として電界効果
型のトランジスタ４０が設けてあり、前記トランジスタ
４０のドレインには送信用コイルを構成する第１のコイ
ル２５が負荷として接続され、第１のコイル２５とは磁
気的に結合していない第２のコイル２６がゲートに接続
されている。この例でも、第１のコイル２５と第２のコ
イル２６は磁気的に結合しない独立した別のコイルであ
るから、第１のコイル２５には安価なボビンレスコイル
が使用でき、第２のコイル２６としては、安価な汎用の
固定コイルが使用できる。

【００６５】前記第２のコイル２６の一端（Ｐ３）は、
直流遮断用のコンデンサ３５を介してＧＮＤに接続さ
れ、他端（Ｐ１）は抵抗４３を介してトランジスタ４０
のゲートに接続されている。前記第２のコイル２６の他
端（Ｐ１）と電源との間には抵抗３７、可変抵抗３８が
接続されている。

【００６６】また、トランジスタ４０のドレインとゲー
ト間には、抵抗４３を介して帰還用のコンデンサ２８が
接続されると共に、前記コンデンサ２８に対し、ダイオ
ード４２がアノードをゲート側にして並列接続されてい
る。なお、コンデンサ３６はバイパス用のコンデンサで
あり、４４はヒューズである。

【００６７】前記のようにトランジスタ４０のゲートに
は、抵抗４３を介してバイアス電圧が加えられており、
ドレイン側の電圧は帰還用コンデンサ２８、及び抵抗４
３を介してゲートに帰還されている。そして、送信ユニ
ット２０の発振回路では、第１のコイル２５、及び第２
のコイル２６のインダクタンス値と、コンデンサ２８の
容量値で決まる周波数で発振（高周波発振）するように
構成されている。

【００６８】前記発振回路で発生した電力は第１のコイ
ル２５から送信され、この送信された電力は受信ユニッ
ト２１で受信される。この場合、発振回路に設けたダイ
オード４２は、直流負帰還用のダイオードであるが、従
来例とは異なりトランジスタ４０はパルス的な動作では
なく、線型動作に近いため、直流的にはゲートバイアス
電圧が一定になるような負帰還回路として動作するもの
である。

【００６９】ダイオード４１は、トランジスタ４０のゲ
ート電位が何らかの原因で負になった時、トランジスタ
４０のゲート、ソース間が破壊されることを防ぐための
ダイオードである。ダイオード４２はコンデンサ２８と
並列に接続され、その接合容量は帰還用のコンデンサ２
８の容量に加わるだけであるから、もし、接合容量が大
きければ、その分、帰還用コンデンサ２８の容量を減ら
せば良く、従来のように、接合容量の存在が回路動作を
不安定にすることはない。

【００７０】また、例２の発振回路では前記のように線
型動作に近い動作をするため、トランジスタ４０のドレ
イン電圧、ドレイン電流共に正弦波に近く、高周波成分
が非常に少ないため、不要な電磁界輻射は極めて少な
い。

【００７１】(2) ：例２の動作説明・・・図７参照 図７は例２の動作説明図である。以下、図７に基づいて
例２の非接触型電力伝送装置の動作を説明する。

【００７２】非接触型電力伝送装置を使用する場合は、
送信ユニット２０に直流電源（電圧：Ｖ_IN）を接続し、
受信ユニット２１の負荷として、定電流回路３３の出力
側に２次電池３４を接続すると共に、送信ユニット２０
と受信ユニット２１を対向配置する。この場合、第１の
コイル２５と第３のコイル２７は極性を逆にし、フライ
バックコンバータ方式により電力伝送できるようにして
おく。この状態での動作は次の通りである。

【００７３】送信ユニット２０に直流電源Ｖ_INが印加さ
れると、送信ユニット２０の発振回路では発振動作を開
始する。この発振動作では、第１のコイル２５と第２の
コイル２６と、帰還用のコンデンサ２８からなる共振回
路が所定の共振周波数で共振し、この共振動作によりト
ランジスタ４０がオン／オフ動作を繰り返すことによ
り、高周波発振を行う。

【００７４】この場合、第１のコイル２５及び第２のコ
イル２６のインダクタンス値と、帰還用のコンデンサ２
８の容量値で決まる周波数で発振を行う。そして、前記
発振回路の発振動作により発生した高周波電力は第１の
コイル２５から高周波の電磁波による電力の送信を行
う。

【００７５】前記のように、送信ユニット２０と受信ユ
ニット２１を対向配置した状態で送信ユニット２０の発
振回路を動作させると、送信ユニット２０から高周波の
電磁界が発生する。この場合、送信ユニット２０の第１
のコイル２５と受信ユニット２１の第３のコイル２７は
トランスのフライバックコンバータ方式による１次コイ
ルと２次コイルの関係と同じ状態で電磁結合（逆極性で
結合）する。

【００７６】このため、第３のコイル２７には電圧が誘
起し、この誘起電圧により第３のコイル２７と共振用の
コンデンサ３０からなる並列共振回路は、所定の周波数
で共振状態となる。また、この時、第３のコイル２７の
電圧によりダイオード３２を介してコンデンサ３１に電
流が流れ、コンデンサ３１を充電する。このようにして
コンデンサ３１には平滑化された直流電圧が発生する。
そして、コンデンサ３１で平滑化された直流電圧により
定電流回路３３で定電流を出力し、この定電流により２
次電池３４を充電する。

【００７７】このようにして、送信ユニット２０と受信
ユニット２１を対向配置することにより非接触で送信ユ
ニット２０から受信ユニット２１への高周波電力の伝送
を行う。前記のように送信ユニット２０の発振回路が発
振動作を行うと、トランジスタ４０はオン／オフ動作を
繰り返して行う。この時トランジスタ４０のドレイン・
ソース間電圧はオン状態で略０となり、オフ状態で正弦
波状に大きくなる。また、トランジスタ４０のドレイン
電流はオン状態で大きく、オフ状態で殆ど流れないが、
トランジスタ４０がオン時の電流が少し遅れるので、ト
ランジスタ４０がオフになってもドレイン電流は少し流
れる。

【００７８】トランジスタ４０のゲート・ソース間電圧
は、オン状態では略一定の電圧（ソースに対しゲート側
が高い電位）であり、オフ状態では逆方向に正弦波状の
大きな電圧（ソースに対しゲート側が低い電位）とな
る。帰還用のコンデンサ２８に流れる電流は、略正弦波
状の共振電流である。

【００７９】一方、受信ユニット２１では、第３のコイ
ル２７は送信ユニット２１の第１のコイル２５に対し
て、フライバックコンバータ方式による結合をしている
ため、第３のコイル２７に発生する電圧は、トランジス
タ４０がオンになってドレイン電流が大きくなった時の
み、略正弦波状の大きな電圧（正弦波の半波状の誘起電
圧）が発生する。

【００８０】前記動作において、送信ユニット２０の入
力電源をＶ_IN、入力電流をＩ_INとし、受信ユニット２１
の出力電圧（定電流回路３３の出力電圧）をＶ_O 、出力
電流をＩ_O とし、電力伝送効率をηとするとηは次の通
りである。すなわち、入力電力はＶ_IN×Ｉ_IN（Ｗ）であ
り、出力電力はＶ_O ×Ｉ_O （Ｗ）であるから、電力伝送
効率をηは、η＝Ｖ_O ×Ｉ_O ／Ｖ_IN×Ｉ_IN（％）とな
る。

【００８１】(3) ：その他の説明 非接触型電力伝送装置において、第１のコイル２５と第
３のコイル２７との電磁結合は、フライバックコンバー
タ方式による結合と、フォワードコンバータ方式による
結合とがあり、両方の結合方法で実施した結果、図７の
Ａ図、Ｂ図に示した結果が得られた。図７のＡ図はフラ
イバックコンバータ方式による波形図であり、Ｂ図はフ
ォワードコンバータ方式による波形図である。

【００８２】図７のＡ図及びＢ図に示したように、トラ
ンジスタ４０のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSに対してド
レイン電流Ｉ_D は図示のように流れるが、前記両波形の
重なった部分において電力の損失が発生する。この場
合、Ａ図に示したフライバックコンバータ方式による場
合の損失をＰＡ（Ｗ）、Ｂ図に示したフォーワードコン
バータ方式による場合の損失をＰＢ（Ｗ）とし、Ａ図の
コレクタ電流のピーク値をＩ_D1、Ｂ図のコレクタ電流の
ピーク値をＩ_D2とすると、Ｉ_D1＜Ｉ_D2、ＰＡ＜ＰＢの関
係になる。

【００８３】前記のように、第１のコイル２５と第３の
コイル２７の極性を逆にし、フライバックコンバータ方
式による電力伝送では、トランジスタ４０がオンの時、
受信ユニット２１のダイオード３２がカットオフ状態と
なる。このため、第３のコイル２７のインダクタンスに
よりトランジスタ４０のピーク電流Ｉ_D1が低減され（Ｉ
_D1＜Ｉ_D2）、トランジスタ４０のオフ時の損失電力ＰＡ
が低減できる（ＰＡ＜ＰＢ）。

【００８４】その結果、フライバックコンバータ方式に
より電力伝送した場合には、フォーワードコンバータ方
式により電力伝送した場合に比べて、電力伝送効率η
（η＝Ｖ_O ×Ｉ_O ／Ｖ_IN×Ｉ_IN）が改善される。

【００８５】前記のように動作を行う例２の装置におい
て、フライバックコンバータ方式による電力伝送効率と
フォワードコンバータ方式による電力伝送効率を比較す
るため実験を行った結果、図８のような特性が得られ
た。図８において、横軸は出力電流Ｉ_O （ｍＡ）、縦軸
は電力伝送効率η（％）であり、はフライバックコン
バータ方式による電力伝送効率の特性、はフォワード
コンバータ方式による電力伝送効率の特性を表す。

【００８６】実験例では、フライバックコンバータ方式
により電力伝送した場合（図８のの特性）には、フォ
ーワードコンバータ方式により電力伝送した場合（図８
のの特性）に比べて、電力伝送効率η（η＝Ｖ_O ×Ｉ
_O ／Ｖ_IN×Ｉ_IN）が１３％改善された。なお、実験によ
れば、例２による非接触電力伝送時の電力伝送効率は、
５０％を越え、パルス的な動作を行う従来の装置に比べ
て遜色はなかった。

【００８７】§４：例３の説明・・・図９参照 図９は例３の説明図である。例３は前記例２の非接触型
電力伝送装置において、前記発振回路に設けた直流遮断
用のコンデンサ３５の挿入位置を変えた例であり、他の
構成は例２と同じである。

【００８８】前記直流遮断用のコンデンサ３５は例２の
ようにＧＮＤ側に挿入する必要はなく、例３のように、
第２のコイル２６とトランジスタ４０のゲートの間に挿
入しても良い。また、この場合電源とトランジスタ４０
のゲートとの間に抵抗３７を接続する。なお、例３の動
作は実質的に前記例２の動作と同じなので説明は省略す
る。

【００８９】（他の実施の形態）以上実施の形態につい
て説明したが、本発明は次のようにしても実施可能であ
る。

【００９０】(1) ：受信ユニットの回路構成は、前記実
施の形態例に示したものに限らず、他の任意の回路にも
適用可能である。但し、受信用コイルは必要である。 (2) ：受信ユニットの負荷は、２次電池に限らず、他の
任意の負荷で実施可能である。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような効果がある。 (1) ：発振回路には、従来のような高価となる原因の帰
還巻線を含まないので、安価で、かつ小型の非接触型電
力伝送装置が実現できる。

【００９２】(2) ：発振回路は、従来のようなパルス的
な動作ではなく、線型的な動作をするので、不要輻射が
少なくなる。このため、他の電気機器等に対してノイズ
による悪影響を与えない。

【００９３】(3) 発振回路において、高価な小容量ダイ
オードを含まずにバイアス安定化が達成されるので、安
価で安定した発振動作を行う装置が実現できる。 (4) ：発振回路において、第１のコイルと第２のコイル
は、磁気的に結合しない独立した別のコイルであるか
ら、第１のコイルには安価なボビンレスコイルが使用で
き、第２のコイルとしては安価な汎用の固定コイルが使
用できる。従って、小型、安価で高効率の電力伝送が可
能な非接触型電力伝送装置を実現することができる。

【００９４】(6) ：受信ユニットの第３のコイルと送信
ユニットの第１のコイルの極性を逆にし、フライバック
コンバータ方式による電力の伝送を可能にしたので、フ
ォワードコンバータ方式による電力伝送に比べて、電力
伝送効率が大幅に改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図である。

【図２】実施の形態における非接触型電力伝送装置の基
本構成図である。

【図３】実施の形態における例１の説明図である。

【図４】実施の形態における例１の動作説明図である。

【図５】実施の形態における例１の各部の波形図であ
る。

【図６】実施の形態における例２の説明図である。

【図７】実施の形態における例２の動作説明図である。

【図８】実施の形態における例２の特性図である。

【図９】実施の形態における例３の説明図である。

【図１０】従来例１の説明図である。

【図１１】従来例２の説明図である。

【符号の説明】

Ｅ１ 第１の電極（ベース、又はゲート） Ｅ２ 第２の電極（エミッタ、又はソース） Ｅ３ 第３の電極（コレクタ、又はドレイン） Ｑ トランジスタ ２０ 送信ユニット ２１ 受信ユニット ２２ 発振回路 ２３ 逆相増幅器 ２５ 第１のコイル ２６ 第２のコイル ２７ 第３のコイル ２８、３０、３１、３５ コンデンサ ３２、４１、４２ ダイオード ３３ 定電流回路 ３７、４３ 抵抗

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 実 東京都中央区日本橋一丁目13番１号 テ ィーディーケイ株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−339271（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02J 17/00 H02J 7/00 301 H02M 3/00 - 3/44 H02M 7/06

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発振回路を含み、該発振回路で発生した電
   力を送信する送信ユニットと、前記送信ユニットから送
   信された電力を受信する受信ユニットからなり、前記送
   信ユニットから受信ユニットに対して非接触で電力の伝
   送を行う非接触型電力伝送装置において、 前記発振回路に、第１の電極を制御信号入力用とし、第
   ２の電極をＧＮＤ接続用とし、第３の電極を負荷接続用
   としたトランジスタを備え、 前記トランジスタの第３の電極と電源間に第１のコイル
   を接続し、前記第１の電極とＧＮＤ間に直流遮断手段を
   有しかつ前記第１のコイルとは磁気的に結合していない
   第２のコイルを接続し、前記第１の電極と電源間にバイ
   アス用抵抗を接続すると共に、前記第１の電極と第３の
   電極間にはコンデンサによる帰還手段を接続したことを
   特徴とする非接触型電力伝送装置。
2. 【請求項２】発振回路を含み、該発振回路で発生した電
   力を送信する送信ユニットと、前記送信ユニットから送
   信された電力を受信する受信ユニットからなり、前記送
   信ユニットから受信ユニットに対して非接触で電力の伝
   送を行う非接触型電力伝送装置において、 前記発振回路に、第１の電極を制御信号入力用とし、第
   ２の電極をＧＮＤ接続用とし、第３の電極を負荷接続用
   としたトランジスタを備え、 前記トランジスタの第３の電極と電源間に第１のコイル
   を接続し、前記第１の電極とＧＮＤ間に直流遮断手段を
   有しかつ前記第１のコイルとは磁気的に結合していない
   第２のコイルを接続し、前記第１の電極と電源間にバイ
   アス用抵抗を接続し、前記第１の電極と第３の電極間に
   はコンデンサによる帰還手段を接続すると共に、前記第
   １の電極と第３の電極間に、アノードを第１の電極側と
   してダイオードを接続したことを特徴とする非接触型電
   力伝送装置。
3. 【請求項３】前記受信ユニットに受信用の第３のコイル
   を備え、前記第３のコイルと前記送信ユニットの第１の
   コイルの極性を逆にし、フライバックコンバータ方式に
   よる電力の伝送を可能にしたことを特徴とする請求項１
   又は２記載の非接触型電力伝送装置。