以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、本実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。
(実施の形態)
以下に、本実施の形態の非接触給電装置の構成について、図1から図20、主に図1から図8を参照して、説明する。
図1に示すように、本実施の形態の非接触給電装置1は、小型電気機器および充電スタンド80を備える。なお、以下では、小型電気機器として、口腔衛生装置である電動歯ブラシ10を例に、説明する。
電動歯ブラシ10は、柱形状の本体20と、本体20の駆動部30(図6参照)の出力軸31(図2参照)に着脱可能に取り付けられるヘッド11を有する。
本体20は、図2に示すケース21、表示部24、電源ボタン25と、図7に示す支持体29、駆動部30、電源部40、基板50と、図6に示す受電装置60および集磁装置70などを有する。駆動部30、電源部40、基板50、受電装置60および集磁装置70は、支持体29に支持され、ケース21の内部に収容される。
ケース21は、図3に示すように、中空構造の把持部22、把持部22の上部を塞ぐ上キャップ26、および把持部22の下部を塞ぐ下キャップ27を有する。
把持部22は、上キャップ26から下キャップ27に向かうにつれて、外径が小さくなるテーパ形状を備える。具体的には、把持部22は、図19に示すように、幅方向に沿う断面が略楕円形状(楕円形状を含む)を備える。
図4および図5に示すように、把持部22は、背面に、把持部22の外方に突出した凸部23Aを備える。凸部23Aは、把持部22の周方向に延設される。さらに、凸部23Aは、把持部22の周方向において、不連続に形成される。
また、把持部22は、凸部23Aを上端とし、凸部23Aよりも下方の部分に、被支持部23を備える。被支持部23は、把持部22が充電スタンド80(図2参照)に支持されたとき、充電スタンド80の支持部84で覆われる。
ケース21の上キャップ26は、図6に示すように、表キャップ26A、および表キャップ26Aの内側に重ねられた内キャップ26Bを備える。上キャップ26は、把持部22の上部に嵌め込まれる。
内キャップ26Bは、図7に示すように、下方に突出する円筒形状の連結部26Cを備える。連結部26Cには、孔26Dが形成されている。
上キャップ26は、図8に示すように、上面に、円盤形状の弾性部材28Aが取り付けられる。そして、後述する駆動部30の出力軸31が、弾性部材28Aから突出可能に配設される。図6および図7に示すように、上キャップ26と把持部22の内周との間には、例えばOリングからなる弾性部材28Bが取り付けられる。
上キャップ26は、連結部26Cの孔26Dが支持体29の外周に形成されるフック29Aに嵌め込まれて、支持体29に取り付けられる。
下キャップ27は、図6に示すように、表キャップ27Cおよび内キャップ27Bによる二重構造を有する。下キャップ27は、把持部22の下部に嵌め込まれる。そして、下キャップ27は、下方からねじBの螺合により支持体29に取り付けられる。下キャップ27と把持部22の内周との間には、例えばOリングからなる弾性部材28Cが取り付けられる。同様に、下キャップ27と支持体29の底面との間には、例えばOリングなどの弾性部材28Dが取り付けられる。
なお、上記弾性部材28A〜28Dは、ケース21内部への水の浸入、および本体20の内部の振動のケース21への伝達を抑制する。また、上キャップ26および下キャップ27の二重構造は、ケース21内部への水の浸入、および本体20の内部で発生する振動のケース21への伝達を抑制する。
上述した上キャップ26、駆動部30、電源部40、基板50および受電装置60が取り付けられた支持体29を、把持部22の上方の開口から挿入する。そして、把持部22の下方から、下キャップ27を取り付け、ねじBで螺合する。これにより、電動歯ブラシ10の本体20が、組み立てられる。
また、図3に示すように、表示部24は、使用者が視認できるように、本体20に配設される。表示部24は、イオン表示部24A、駆動モード表示部24B、残量表示部24Cおよび充電表示部24Dを含む。イオン表示部24Aは、ヘッド11にイオンを発生させている旨を点灯により表示する。駆動モード表示部24Bは、ヘッド11の振動の種類(モード)に応じて、例えば点灯状態を変化させながら表示する。なお、ヘッド11の振動の種類は、駆動部30(図6参照)の駆動態様により制御される。残量表示部24Cは、電源部40の充電池41(図6参照)の電圧に応じて、残存容量などを表示する。
表示部24は、図8に示すように、基板50に実装される、例えばLED(Light Emitting Diode)などにより構成される。
このとき、把持部22は、使用者が表示部24の点灯状態を視認できるように、表示部24と対向する部分が光の透過性の高い材料で形成される。この場合、表示部24の少なくとも一部が、把持部22の表面から露出するように、把持部22に孔を形成してもよい。
また、表示部24は、本体20の被支持部23とは異なる、例えば反対側の位置に配置される。そのため、図2に示すように、本体20が充電スタンド80で支持されているときでも、使用者は、表示部24の点灯状態を視認できる。特に、充電表示部24Dの視認により、使用者は、電動歯ブラシ10が充電中か否かを、容易に把握できる。
電源ボタン25は、使用者が操作可能に本体20に取り付けられる。電源ボタン25は、少なくとも一部が把持部22の表面から突出するように本体20に配設される。そして、使用者が電源ボタン25を押すと、駆動制御部(図示略)は駆動部30(図6参照)に設定されている駆動モードに基づいて、ヘッド11の駆動を開始する。
駆動部30の出力軸31は、図6に示すように、ケース21の上部の弾性部材28Aから突き出る状態で、本体20に支持される。なお、駆動部30は、例えば電動のリニアアクチュエータなどが例示される。駆動部30が駆動されると、出力軸31が振動する。そのため、出力軸31に取り付けられるヘッド11(図1参照)が振動する。これにより、使用者に対して、所定の動作(例えば、歯磨きなど)が実行される。なお、駆動部30を電動モータとし、出力軸31を電動モータの回転軸に対して偏心する偏心軸として構成してもよい。この場合、電動モータの駆動にともなって、出力軸31である偏心軸が振動する。これにより、ヘッド11を振動させることができる。
電源部40は、非接触給電装置1の負荷である充電池41を備える。充電池41は、例えばリチウムイオン蓄電池などの二次電池が例示される。充電池41は、上端と下端とが、支持体29に配設される板金42により支持される。電源部40は、駆動部30に電力を供給する。
基板50は、把持部22の内周に沿うように、把持部22の内部に配置される。
受電装置60の受電部61は、把持部22内で底面27A近傍に配置される。受電部61は、図6に示すように、受電コイル62および集磁装置70の集磁共振回路を構成する集磁回路の集磁コイル71などで構成される。受電コイル62および集磁コイル71は、例えばボビン形状の磁性体コア63に巻回されて形成される。受電コイル62は、集磁コイル71の外周に巻回される。磁性体コア63は、樹脂でできたベース部分(受電コア保持部分)にコアが接着されて取り付けられている。集磁コイル71と受電コイル62の間には、絶縁のために、図示しない絶縁テープが巻かれる。受電コイル62と基板50の回路を構成する素子とは、図7に示すリードフレーム51により電気的に接続される。リードフレーム51は、基板50の下端部に配設され、基板50を支持する。
上述した駆動部30は、図6に示すように、把持部22の内部で上キャップ26近傍に配置される。同様に、受電コイル62は、下キャップ27近傍に配置される。さらに、電源部40は、駆動部30と受電コイル62との間に配置される。
以上のように、本実施の形態の非接触給電装置1の小型電気機器の一例である電動歯ブラシ10が構成される。
以下に、本実施の形態の非接触給電装置1の充電スタンド80の構成について、図9から図20を参照して、説明する。
充電スタンド80は、例えば図14に示すように、ケース81、接続部90、基板100および送電装置110を有する。接続部90は、交流電源AC(図21参照)と接続するための電源線120が接続される。基板100および送電装置110は、ケース81の内部に収容される。
ケース81は、台座82、柱83および支持部84を有する。台座82は、ケース81を家具などの設置面に設置する。柱83は、台座82の外周部の一部から上方に延設される。支持部84は、柱83の上端から横方向(水平方向)に突出して設けられる。支持部84と台座82は、図10に示すように、柱83に対して同一方向に延設される。つまり、支持部84と台座82は、対向して配置される。
台座82は、図12に示す上方から見た平面視において、略円形形状(円形形状を含む)で形成される。
また、台座82は、図11に示すように、天板82Aおよび底板82Cを備える。台座82の天板82Aにより構成される頂面82Bは、例えば扁平な形状を有する。そのため、使用者は、頂面82Bの汚れを、容易に拭き取ることができる。なお、天板82Aは、台座82に着脱可能な構成としてもよい。この場合、使用者は、天板82Aを取り外して、容易に天板82Aを水洗いできる。さらに、図13に示すように、台座82の底板82Cにより構成される底面82Dは、例えば扁平な形状を有する。そのため、台座82は、充電スタンド80自体、または電動歯ブラシ10を装着した状態において、各種方向に対する倒れに対して、安定して自立させることができる。
支持部84は、図12に示すように、高さ方向(紙面に対して直交する方向)に延びる孔84Aが形成される。つまり、支持部84は、電動歯ブラシ10の本体20(図1参照)が挿入可能な、略環状(環状を含む)の孔84Aを有する。孔84Aは、図12に示す上方から見た平面視において、楕円形状で形成される。このとき、図14に示すように、支持部84の頂面および孔84Aの内周面は、一体的に形成される。そのため、支持部84の頂面および孔84Aの内周面を別部材の組み合わせにより形成する場合と比較して、支持部84の内部に、水などの液体が浸入しにくい構造にできる。
また、孔84Aの楕円形状は、図19に示すように、把持部22の楕円形状と相似形状で形成される。孔84Aの内径は、本体20の把持部22のうちの被支持部23の外径よりも僅かに大きい形状で形成される。そのため、孔84Aに、把持部22の被支持部23を、容易に挿入できる。孔84Aおよび被支持部23は、上述したように、楕円形状の断面を有する。そのため、孔84Aに挿入されると、本体20の回転が抑制される。
さらに、孔84Aの上側の開口は、図14に示すように、上方に向かうにつれて、孔84Aの内径が広がる曲面形状で形成される。そのため、本体20(図18参照)を上方から孔84Aに挿入する場合、本体20の底面27Aは孔84Aの開口に沿って内部(下方)に、容易に案内される。
また、孔84Aは、図12に示すように、上方側の開口の縁に2つの凹部84Bを備える。凹部84Bの上面は、高さ方向と直交する方向に平面形状を有する。そのため、本体20を孔84Aに挿入すると、図18に示すように、本体20の凸部23Aが孔84Aの凹部84Bに引っかかり、これ以上の挿入が止められる。上記状態において、凹部84Bから台座82の頂面82Bまでの距離LAは、凸部23Aから本体20の下キャップ27により形成される底面27Aまでの距離LBよりも大きい。つまり、本体20を孔84Aに挿入すると、本体20の底面27Aと台座82の頂面82Bとの間に、隙間S(LA−LB)が形成される。その結果、電動歯ブラシ10の本体20は、底面27Aが台座82の頂面82Bから浮いた状態で、充電スタンド80に支持される。なお、隙間Sは、例えば1〜30mm程度が好ましく、さらに16mm程度であれば、より好ましい。
凹部84Bは、孔84Aの開口に、例えば2つ形成される。上述したように、孔84Aは楕円形状で形成される。そのため、本体20は、充電スタンド80に対して周方向に180度異なる位置で、孔84Aに挿入できる。これにより、使用者は、本体20の挿入時、2つの凹部84Bのいずれに、本体20の凸部23Aを引っかけるかを、任意に選択できる。
また、支持部84の孔84Aは、図14に示すように、内周に、孔84Aの中心軸に向かって突出する2つのガイド部84Cを備える。2つのガイド部84Cは、孔84Aの中心軸を挟んで反対(対向する)側の位置に配設される。さらに、2つのガイド部84Cは、孔84Aの軸方向(高さ方向)において、互いに異なる位置に形成される。そのため、2つのガイド部84Cにより、電動歯ブラシ10の本体20は、本体20の高さ方向が孔84Aの軸方向と平行になるように、姿勢を保持した状態で、孔84Aに挿入される。
充電スタンド80の接続部90は、図15に示すように、柱83の下部側で、台座82の反対側に設けられる。接続部90は、柱83の外周側面から内部に、例えば凹部形状で形成される。接続部90は、内部に、電源線120の端子(図示略)と接続される端子93を備える。端子93を介して、電源線120から電力が供給され、供給された電力を送電装置110に供給する。
接続部90は、防水構造である段差構造を有する。具体的には、接続部90の段差構造は、ケース81の表面側の大径部91と、大径部91より奥側の小径部92で構成される。一方、電源線120は、接続部90に挿入される先端部側の小径部122と、小径部122と連続する大径部123を備える。そのため、電源線120を接続部90に接続すると、電源線120の小径部122は、接続部90の小径部92に挿入される。同様に、電源線120の大径部123は、接続部90の大径部91に挿入される。このとき、接続部90は、大径部123と大径部91との隙間(例えば0〜0.4mm)が、小径部122と小径部92との隙間(例えば1mm以上)よりも、小さくなるように形成される。そのため、外部から接続部90の内部に浸入した水は、毛細管現象により、電源線120の小径部122よりも接続部90の大径部91に留まり易くなる。これにより、接続部90に浸入する水の端子93への付着を抑制できる。その結果、接続部90の信頼性を、長期に亘って維持できる。
充電スタンド80の基板100は、図14に示すように、台座82の内部に配設される。
送電コイル111は、図16に示すように、支持部84の内部に配設される。送電コイル111は、送電装置110の1次電力供給部を構成する。そして、基板100の回路を構成する素子と送電コイル111は、図17に示すように、柱83の内部に挿通して配置されるリード線101により、電気的に接続される。
つぎに、充電スタンド80に配置される送電コイル111と受電部61との配置関係について、図20を参照して、説明する。
図20に示すように、本体20が充電スタンド80に支持される状態において、送電コイル111の軸方向の中心TCCと、受電部61の集磁コイル71の軸方向の中心RCCとが、ずれて配置される。具体的には、軸方向において、集磁コイル71の中心RCCは、送電コイル111の中心TCCよりも下方に位置する。さらに、集磁コイル71の上端RCTは、送電コイル111の下端TCLよりも上方に位置する。これにより、軸方向において、集磁コイル71と送電コイル111の少なくとも一部は、重複するように配置される。このとき、送電コイル111の中心TCCと、受電部61の集磁コイル71の中心RCCとの距離LCは、送電コイル111の軸方向の長さLDの半分以下であることが好ましい。これは、長さLDの半分を超えると、送電コイルと集磁コイルの結合が小さくなりすぎるためである。
以上のように、本実施の形態の非接触給電装置1の充電スタンド80が構成される。
以下に、本実施の形態の非接触給電装置1の送電装置110の回路構成について、図21を参照して、具体的に説明する。
充電スタンド80の送電装置110は、図21に示すように、電源線120および接続部90を介して交流電源ACに接続される。電源線120は、交流電源ACの交流電力を直流電力に変換する電源回路121を備える。
送電装置110は、送電コイル111と、基板100に実装される第1のスイッチング素子112A、第2のスイッチング素子112B、コンデンサ113A、113B、第1のドライブ回路114A、第2のドライブ回路114B、送電制御部115、送電共振コンデンサ116、電流検出回路117および電圧検出回路118を備える。
第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bは、電源回路121で変換された直流電流(電力)を、オン/オフのスイッチング動作により交番電力に変換する。変換された交番電力は、送電コイル111に供給される。このとき、電源回路121は、例えば5Vの定電圧電源として機能する。
第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bは、直列に接続される。第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bは、例えば電界効果型トランジスタ(FET; Field Effect Transistor)で構成される。具体的には、第1のスイッチング素子112AはPチャンネルFETで、第2のスイッチング素子112BはNチャンネルFETで構成される。そして、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bにより、ハーフブリッジ回路が構成される。さらに、第1のスイッチング素子112Aはコンデンサ113Aに、第2のスイッチング素子112Bはコンデンサ113Bに接続される。コンデンサ113A、113Bは同一容量を有し、ハーフブリッジ回路に印加される直流電圧を、半分(1/2)程度に分圧する。
また、第1のスイッチング素子112Aは、第1のドライブ回路114Aと接続される。第2のスイッチング素子112Bは、第2のドライブ回路114Bと接続される。
送電制御部115は、第1のドライブ回路114Aから第1のスイッチング素子112A、および第2のドライブ回路114Bから第2のスイッチング素子112Bに供給する電力を制御する。送電制御部115は、例えばPWM(Pulse Width Modulation)の指令信号を、第1のドライブ回路114Aおよび第2のドライブ回路114Bに出力する。第1のドライブ回路114Aおよび第2のドライブ回路114Bは、入力されたPWM信号に基づいた電力を、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bに供給する。第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bは、それぞれがオン/オフのスイッチング動作を繰り返すことにより、送電共振コンデンサ116に供給する交番電力を生成する。
送電共振コンデンサ116は、第1のスイッチング素子112Aと第2のスイッチング素子112Bとの接続点と、送電コイル111との間に、直列接続するように配置される。送電共振コンデンサ116および送電コイル111は、送電共振回路を構成する。このとき、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bを駆動する駆動周波数よりも、送電共振回路を構成する送電共振コンデンサ116と送電コイル111との送電共振周波数が、小さくなるように設定される。
電流検出回路117は、抵抗117Aと、増幅回路117Bを備える。抵抗117Aは、送電装置110のグランド側に接続され、送電装置110に入力される入力電流の検出に用いられる。増幅回路117Bは、抵抗117Aの両端に生じる電圧を増幅する。そして、増幅回路117Bは、抵抗117Aで検出した電流の大きさを電圧に変換して増幅し、送電制御部115に出力する。
また、電圧検出回路118は、送電共振コンデンサ116と送電コイル111との間の接続点に接続され、2つの抵抗118A、118Bを介してグランド側に接続される。電圧検出回路118は、送電共振回路の電圧である共振電圧Vを検出する。電圧検出回路118は、2つの抵抗118A、118B間の接続点で検出した共振電圧Vを送電制御部115に出力する。送電制御部115は、共振電圧Vに基づいて、後述する伝送モードと待機モードとを切り替えて制御する。つまり、送電制御部115は、共振電圧Vが所定の電圧より低いとき、図18に示す本体20が充電スタンド80に支持されている状態と判断し、伝送モードに設定する。一方、送電制御部115は、共振電圧Vが所定の電圧以上のとき、本体20が充電スタンド80に支持されていない状態であると判断し、待機モードに設定する。待機モードにおいては、伝送モードよりも小さい電力が、送電装置110の送電コイル111に供給される。
以上のように、非接触給電装置1の送電装置110の回路が構成される。
以下に、非接触給電装置1の集磁装置70および受電装置60の回路構成について、図22を参照して、説明する。
電動歯ブラシ10の集磁装置70は、図22に示すように、集磁コイル71および集磁共振コンデンサ72を備える。集磁コイル71および集磁共振コンデンサ72は、集磁共振回路を構成する集磁回路を形成する。なお、集磁共振コンデンサ72は、基板50(図6参照)に実装される。
電動歯ブラシ10の受電装置60は、集磁コイル71と磁気結合する受電コイル62、整流回路を構成するダイオード64および平滑コンデンサ65、電流検出回路66、受電制御部67、スイッチ68、タイミング検出回路69および充電表示部24Dなどを備える。ダイオード64、平滑コンデンサ65、電流検出回路66、受電制御部67、スイッチ68およびタイミング検出回路69は、基板50に実装され、負荷である充電池41と接続される。これにより、集磁装置70と受電装置60は電気的に接続されず、磁気的に結合される。そのため、集磁装置70は、負荷である充電池41と接続されない。
つぎに、受電装置60および集磁装置70の動作および作用・効果について、説明する。
まず、伝送モードにおいて、図21に示す送電コイル111から発生した交番磁束は、図20に示す集磁コイル71に鎖交する。そして、送電装置110と集磁装置70との磁気共振により、送電コイル111から集磁コイル71に電力が伝送される。集磁コイル71に伝送された電力は、受電装置60と集磁装置70との電磁誘導により、集磁コイル71から受電コイル62に伝送される。これにより、受電コイル62に交番電力が発生する。すなわち、送電装置110の送電コイル111(図6参照)は、集磁装置70の集磁コイル71を介して、受電装置60の受電コイル62に電力を伝送する。つまり、送電コイル111および受電コイル62と集磁コイル71から構成される受電部61は、非接触電力伝送部を構成する。そして、受電部61の受電コイル62に発生した交番電力は、ダイオード64により、交流電流から直流電流に変換される。ダイオード64は、平滑コンデンサ65、および負荷である充電池41に接続される。平滑コンデンサ65は、ダイオード64により変換された直流電流に含まれるノイズを低減する。充電池41は、ダイオード64により変換された直流電流が供給される。ダイオード64と充電池41との間には、変換された直流電流の供給をオン/オフするスイッチ68が配置される。
また、受電装置60の電流検出回路66は、抵抗66Aと、増幅回路66Bを備える。抵抗66Aは、受電装置60のグランド側に接続され、負荷である充電池41に入力される入力電流の検出に用いられる。増幅回路66Bは、抵抗66Aの両端に生じる電圧を増幅する。そして、増幅回路66Bは、抵抗66Aで検出した電流の大きさを電圧に変換して増幅し、受電制御部67に出力する。
受電制御部67は、電流検出回路66で検出された電圧に基づいて、スイッチ68のオン/オフを切り替えて、充電池41の充電動作を制御する。すなわち、受電制御部67は、充電池41への電力の供給の実行と非実行とを切り替える。詳細には、受電制御部67は、充電池41の電圧が所定電圧(例えば、リチウムイオン充電池の場合、3V)未満になると、スイッチ68をオンに切り替え、充電を開始する。一方、充電池41の電圧が、所定電圧(例えば、リチウムイオン充電池の場合、4.2V)以上になると、スイッチ68をオフに切り替え、充電を停止する。
また、受電制御部67は、充電表示部24Dの表示を切り替える。詳細には、受電制御部67は、充電池41への充電を実行しているときに充電表示部24Dを点灯させる。一方、充電池41への充電が実行されていないときには、充電表示部24Dを点灯させない。これにより、使用者に充電中か否かを認識させることができる。
さらに、受電制御部67は、スイッチ68のオンとオフとの切り替えにより、送電装置110の送電制御部115(図21参照)と通信し、本体20を検知する。そして、送電制御部115は、受電装置60のスイッチ68の切り替えにより変化する共振電圧Vを、電圧検出回路118(図21参照)で検出する。これにより、送電制御部115は、送電コイル111で発生させる交番電力の出力を調整する。
図22に示す受電装置60のタイミング検出回路69は、受電コイル62が生成する交番電力の所定期間における波形の有無を検出する。タイミング検出回路69が検出する波形は、送電装置110の送電コイル111(図21参照)に供給される交番電力の出力と相関する。そのため、タイミング検出回路69は、送電コイル111に供給される交番電力の有無を検出できる。なお、タイミング検出回路69は、例えばトランジスタなどにより構成される。
以下に、タイミング検出回路69の詳細な動作を説明する。
まず、受電コイル62に交番電力が発生する場合、受電コイル62に連続して電圧が印加されている。そのため、タイミング検出回路69を構成するトランジスタは、オンの状態を継続する。このとき、タイミング検出回路69は、第1のタイミング信号SAを受電制御部67に出力する。一方、受電コイル62に交番電力が発生していない場合、トランジスタは、オフの状態になる。このとき、タイミング検出回路69は、第2のタイミング信号SBを受電制御部67に出力する。つまり、受電制御部67は、入力される第1のタイミング信号SAまたは第2のタイミング信号SBに基づいて、送電装置110から供給される交番電力の有無を検出する。そして、受電制御部67は、スイッチ68のオン/オフ動作および充電表示部24Dの点灯動作の制御を実行する。
つぎに、送電装置110の送電制御部115による第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bのオン/オフ動作の切替制御について、図21および図23を参照して、説明する。
送電制御部115は、図23の(a)に示すように、第1のスイッチング素子112AのゲートGにオン/オフ動作を繰り返させるためのPWM信号を、第1のドライブ回路114Aから出力する。PWM信号は、第1のスイッチング素子112Aをオンさせる長さである、1周期T(例えば、7μs)の動作におけるオン時間TXに対応する第1のオン時間TXAの情報を含んでいる。このとき、上述したように、第1のスイッチング素子112Aは、PチャンネルFETで構成されている。そのため、第1のスイッチング素子112Aは、ゲートGにローレベル(例えば、0V)のゲート電圧VXが印加されたときに、オン状態になる。一方、第1のスイッチング素子112AのゲートGに、ハイレベル(例えば、電源回路121からの入力電圧である5V)のゲート電圧VXが印加されたときに、オフ状態となる。
また、送電制御部115は、図23の(b)に示すように、第2のスイッチング素子112BのゲートGにオン/オフ動作を繰り返させるためのPWM信号を、第2のドライブ回路114Bから出力する。PWM信号は、第2のスイッチング素子112Bをオンさせる長さである、1周期T(例えば、7μs)の動作におけるオン時間TXに対応する第2のオン時間TXBの情報を含んでいる。このとき、上述したように、第2のスイッチング素子112Bは、NチャンネルFETで構成されている。そのため、第2のスイッチング素子112Bは、ゲートGにローレベルのゲート電圧VYが印加されたときに、オフ状態になる。一方、ゲートGにハイレベルのゲート電圧VYが印加されたときに、オン状態となる。
そして、送電制御部115は、第1のスイッチング素子112Aがオンになる第1のオン時間TXAと、第2のスイッチング素子112Bがオンになる第2のオン時間TXBとが、時系列上で交互になるようにPWM信号を、各ゲートGに出力する。これにより、図23の(c)に示すように、送電装置110の送電コイル111に流れる送電コイル電流は、例えば正弦波状の波形となる。
このとき、上述したように、送電共振周波数f1、駆動周波数fDおよび受電共振周波数f2の関係は、f1<fD<f2となるように設定している。なお、送電共振周波数f1は、送電共振回路の共振周波数である。駆動周波数fDは、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112BのゲートGに印加されるPWM信号の周波数である。受電共振周波数f2は、集磁回路単独、または集磁回路を含む受電装置の共振周波数である。
また、上記f1<fD<f2の関係は、以下の条件設定により実現される。
まず、図1に示すように、本体20が充電スタンド80に支持され、図18に示すように、受電部61と送電コイル111が配置された状態で各構成要素の値を設定する。
具体的には、送電コイル111のインダクタンスLの設計値を、4μHとなるように設定する。送電共振コンデンサ116の容量Cの設計値を、0.36μFに設定する。集磁コイル71のインダクタンスLの設計値を、14μHに設定する。集磁共振コンデンサ72の容量Cの設計値を、77200pFに設定する。受電コイル62のインダクタンスLの設計値を、2μHに設定する。
このとき、送電共振周波数f1および受電共振周波数f2は、下記(1)式に従い、計算される。
f=1/(2π√LC) …(1)
つまり、上記の設計値で各共振回路を設計した場合、送電共振周波数f1は約133kHz、受電共振周波数f2は約153kHzとなる。
そして、駆動周波数fDは、設計された送電共振周波数f1および受電共振周波数f2に基づいて、f1<fD<f2の関係を満たすように、例えば143kHzに設定する。
しかし、上述したように、駆動周波数fDは、構成部品である発振子などの影響により設計値から、ばらつく場合がある。例えば、駆動周波数fDを143kHzに設定した場合において、設計値から±0.5%のばらつきが生じると、駆動周波数fDは142kHz〜144kHz程度の範囲で、ばらつくことになる。
また、送電コイル111および集磁コイル71が設計値から±5%ばらつき、送電共振コンデンサ116および集磁共振コンデンサ72が設計値から±5%ばらついた場合、送電共振周波数f1および受電共振周波数f2は以下のようになる。つまり、構成部品のばらつきにより、送電共振周波数f1は126kHz〜140kHzの範囲、受電共振周波数f2は145kHz〜162kHzの範囲を取り得る。
そこで、本実施の形態の非接触給電装置1は、例え構成部品に一般的な大きさのばらつき(例えば、±5%程度)が生じても、f1<fD<f2の関係が維持されるように、構成部品の設計値を設定している。
一方、本体20が充電スタンド80に支持されていない状態の場合、送電コイル111のインダクタンスLは、以下のようになる。
この場合、送電コイル111近傍に、受電部61を構成する磁性体コア63が存在しない。そのため、送電コイル111のインダクタンスLは、図18に示す受電部61が送電コイル111近傍の位置にある場合と比べて、小さくなる。
つまり、図18に示す送電コイル111近傍に磁性体コア63が存在する配置の場合と、磁性体コア63が存在しない配置の場合において、送電コイル111のインダクタンスLの値が変化する。そこで、本実施の形態では、磁性体コア63の存在の有無に関わらず、送電共振周波数f3が駆動周波数fD以下となるように、配置位置および磁性体コア63などを設計している。なお、送電共振周波数f3は、磁性体コア63がない場合における、送電共振回路の送電共振周波数f1に相当する値である。
具体的には、例えば磁性体コア63が送電コイル111近傍に無い場合におけるインダクタンスLの変化が、−3%以内となるように設計している。この場合、本体20が充電スタンド80に支持されていない状態における送電コイル111のインダクタンスLは、3.7μH〜4.1μHとなる。これにより、送電共振周波数f3は、(1)式から、128.3kHz〜141.8kHzの範囲でばらつくことになる。この場合でも、f3<fDの関係が満たされる。
すなわち、送電コイル111と集磁コイル71との結合係数が第1の範囲に含まれる場合の送電共振周波数f1と、送電コイル111と集磁コイル71との結合係数が第1の範囲よりも小さい第2の範囲に含まれる場合、および本体が送電装置に配置されていない場合の送電共振周波数f3のいずれでも、駆動周波数fDよりも小さく設定できる。なお、第1の範囲とは、図1に示す本体20が充電スタンド80に支持され、図18に示す受電部61と送電コイル111配置された状態における送電コイル111と集磁コイル71との結合係数である。一方、第2の範囲とは、本体20が離れて配置される場合における、送電コイル111と集磁コイル71との結合係数である。
また、本実施の形態では、送電共振周波数f1(f3)および受電共振周波数f2が駆動周波数fDに近い値となるように、各構成部品の設計値を設定している。具体的には、設計値に基づく送電共振周波数f1は、駆動周波数fDよりも小さく(未満)、かつ駆動周波数fDの85%以上になるように設定する。同様に、設計値に基づく受電共振周波数f2は、駆動周波数fDよりも大きく(超えて)、かつ駆動周波数fDの115%以下になるように設定する。なお、85%を超える場合、および115%未満の場合、必要な出力、効率を満たさなくなるので、上記範囲に設定することが好ましい。
さらに、送電装置110などの共振回路のインピーダンスZは、下記(2)式により求められる。なお、r1は、送電コイル111の抵抗値を示す。
Z=wL−1/wC+r1 …(2)
通常、図24の(b)、(c)、(d)に示すように、送電共振周波数f1が駆動周波数fDに近くなるほど、送電装置110の入力電流、送電コイル111に流れる送電コイル電流、および送電装置110の出力電流は、大きくなる。
一方、送電共振周波数f1および受電共振周波数f2が駆動周波数fDに近い場合、送電コイル111、集磁コイル71および送電共振コンデンサ116、集磁共振コンデンサ72が設計値からばらつくと、(2)式から、インピーダンスZもばらつく。例えば、図24の(a)に示すように、送電共振周波数f1が駆動周波数fDよりも小さい第1の送電共振周波数fxの場合、インピーダンスZは、送電共振周波数f1が駆動周波数fDと一致するときよりも高い第1のインピーダンスZAを示す。また、送電共振周波数f1が第1の送電共振周波数fxよりも小さく、駆動周波数fDから、さらに離れた第2の送電共振周波数fyの場合、インピーダンスZは、送電共振周波数f1が駆動周波数fDと一致するときよりも、さらに高い第2のインピーダンスZBを示す。
つまり、インピーダンスZがばらつくと、送電コイル111に流れる送電コイル電流がばらつく。そのため、入力電流および出力電流にも、ばらつきが生じる。
そこで、本実施の形態では、送電装置110の送電制御部115は、以下の方法により、送電コイル電流のばらつきを抑制する。
まず、送電装置110、受電装置60および集磁装置70に対応して、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112BのゲートGに印加するPWM信号のオン時間TX、TYを、予め測定する。そして、測定したオン時間TX、TYを送電制御部115の記憶部に記憶する。具体的には、上述の伝送モードにおいて、送電制御部115は、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bのオン時間TXを、第1の固定値である第1のオン時間TXA、第2のオン時間TXBとして設定する。一方、上述の待機モードにおいて、送電制御部115は、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bのオン時間TYを、第2の固定値である第1のオン時間TYA、第2のオン時間TYBとして設定する。そして、伝送モードおよび待機モードにおいて、記憶した第1の固定値および第2の固定値に基づいて、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bの駆動を制御する。これにより、送電装置110の送電コイル111で発生する送電コイル電流のばらつきを抑制している。
以下に、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bの第1のオン時間TXA、TYAおよび第2のオン時間TXB、TYBの設定方法について、図21を参照して、説明する。なお、オン時間TXは、上述の伝送モード時のオン時間に相当する。一方、オン時間TYは、上述の待機モード時のオン時間に相当する。
まず、伝送モード時のオン時間TXの設定方法について、説明する。
はじめに、送電装置110の回路を構成する各素子を基板100に実装する。そして、送電コイル111を送電装置110に接続した状態で、出力電流が表示される電源と送電装置110を接続する。
つぎに、図18に示すように、本体20を充電スタンド80の支持部84に挿入する。これにより、充電スタンド80の送電コイル111と本体20の受電部61とが、充電動作を行う状態となるように配置される。そして、外部の電源に規定電圧(例えば、5V)を設定して、送電装置110の入力部である接続部90に電圧を印加する。この配置は、上記伝送モードの状態に相当する。
つぎに、PWM信号の出力を変化させて、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112BのゲートGに印加する。このとき、マルチメータで測定した、本体20の受電部61に供給される出力電流(充電電流)が、所定の範囲内に収まるように、PWM信号の出力を調整する。このとき、出力電流が所定の範囲内に含まれたときのPWM信号のオン時間を、オン時間TXとして設定する。そして、設定したオン時間TXを送電制御部115の記憶部(図示略)に記憶させる。
つまり、PWM信号の出力を、第1のドライブ回路114Aおよび第2のドライブ回路114Bごとに変化させて、個別にオン時間TXを測定する。
具体的には、第1のドライブ回路114AのPWM信号のオン時間TXを変化させて測定する。そして、特定のPWM信号において、出力電流(充電電流)が所定の範囲内に含まれたときのオン時間TXを、第1のオン時間TXAとして設定する。同様に、第2のドライブ回路114BのPWM信号のオン時間TXに基づいて、第2のオン時間TXBを設定する。そして、設定される第1のオン時間TXAおよび第2のオン時間TXBを、第1の固定値として、送電制御部115の記憶部に記憶させる。なお、第1の固定値は、伝送モードにおける固定値の例示である。
なお、所定の範囲とは、目標とする出力電流(充電電流)の下限から上限の範囲である。
上記の方法により、伝送モード時のオン時間TXが設定される。
以下に、待機モード時のオン時間TYの設定方法について、説明する。
まず、図18に示す本体20を充電スタンド80から取り外す。そして、充電スタンド80の送電コイル111と本体20の集磁コイル71との結合係数が、十分に疎(例えば「0」)となるように配置する。この配置により、上記待機モードの状態になる。
つぎに、上記待機モード状態では、上述した伝送モードと異なり本体20が存在しないので、電源の出力電流をみながらPWM信号の出力を調整する。そして、出力電流が所定の範囲内に含まれたときのPWM信号のオン時間を、オン時間TYとして設定する。さらに、設定したオン時間TYを、図示しない送電制御部115の記憶部に記憶させる。なお、所定の範囲とは、法規を十分に満たす消費電力になるように設定された出力電流値の範囲である。
つまり、PWM信号の出力を、第1のドライブ回路114Aおよび第2のドライブ回路114Bごとに変化させて、個別にオン時間TYを測定する。
具体的には、第1のドライブ回路114AのPWM信号のオン時間TYを変化させて測定する。そして、特定のPWM信号において、出力電流が所定の範囲内に含まれたときのオン時間TYを、第1のオン時間TYAとして設定する。同様に、第2のドライブ回路114BのPWM信号のオン時間TYに基づいて、第2のオン時間TYBを設定する。そして、設定された第1のオン時間TYAおよび第2のオン時間TYBを、第2の固定値として、送電制御部115の記憶部(図示略)に記憶させる。なお、第2の固定値は、待機モードにおける固定値の例示である。
上記の方法により、待機モード時のオン時間TYが設定される。
以下に、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bの第1のオン時間TXA、TYAおよび第2のオン時間TXB、TYBの一例を、図25から図29に示す。図25から図29は、全て、駆動周波数fDが143kHzで、1周期Tが7μsの場合を例に示す。
図25の(a)、(b)は、伝送モードにおいて、第2のオン時間TXBが第1のオン時間TXAよりも小さく設定されているときのPWM信号の一例を示す。このとき、第1のオン時間TXAは1μs、第2のオン時間TXBは0.75μsに設定される。これにより、図25の(c)に示すように、送電装置110の送電コイル111に流れる送電コイル電流は、例えば正弦波状の波形となる。
また、図26の(a)、(b)は、伝送モードにおいて、図24の(a)に示すインピーダンスZが第2のインピーダンスZBの場合の送電装置110における第1のオン時間TXAおよび第2のオン時間TXBの設定の一例を示す。第2のインピーダンスZBの場合、第1のオン時間TXAは1μs、第2のオン時間TXBは1μsに設定される。
さらに、図27の(a)、(b)は、伝送モードにおいて、図24の(a)に示すインピーダンスZが第1のインピーダンスZAの場合の送電装置110における第1のオン時間TXAおよび第2のオン時間TXBの設定の一例を示す。第1のインピーダンスZAの場合、第1のオン時間TXAは0.75μs、第2のオン時間TXBは0.75μsに設定される。
なお、図26、図27に示すように、第2のインピーダンスZBを示す送電装置110の第1のオン時間TXAおよび第2のオン時間TXBは、第1のインピーダンスZAを示す送電装置110の第1のオン時間TXAおよび第2のオン時間TXBよりも、大きい値が設定される。
また、図28の(a)、(b)は、待機モードにおいて、図24の(a)に示すインピーダンスZが第2のインピーダンスZBの場合の送電装置110の第1のオン時間TYAおよび第2のオン時間TYBの設定の一例を示す。待機モードにおいて、第2のインピーダンスZBの場合、第1のオン時間TYAは0.375μs、第2のオン時間TYBは0.125μsに設定される。そして、図26に示す第1のオン時間TXAおよび第2のオン時間TXBは、図28に示す第1のオン時間TYAおよび第2のオン時間TYBよりも大きい値が設定される。
さらに、図29の(a)、(b)は、待機モードにおいて、図24の(a)に示すインピーダンスZが第1のインピーダンスZAの場合の送電装置110の第1のオン時間TYAおよび第2のオン時間TYBの設定の一例を示す。待機モードにおいて、第1のインピーダンスZAの場合、第1のオン時間TYAは0.125μs、第2のオン時間TYBは0.125μsに設定される。そして、図27に示す第1のオン時間TXAおよび第2のオン時間TXBは、図29に示す第1のオン時間TYAおよび第2のオン時間TYBよりも大きい値が設定される。
つまり、図26および図28と、図27および図29から、インピーダンスZが同じ場合、伝送モード時のオン時間TXは、待機モード時のオン時間TYより大きい値に設定される。
(実施例)
以下に、本実施の形態の非接触給電装置1の実施例について、図20および図30を参照して、説明する。
まず、実施例に用いる送電コイル111および受電部61を構成する部品の設計値について、説明する。
送電コイル111は、0.06mm径の電線を140本束ねた巻線を、10回の巻数で形成した。また、送電コイル111は、軸方向の長さ15mmで、楕円形状の長辺40mm、短辺30mmの大きさで形成した。これにより、送電コイル111のインダクタンスLが、設計値4μHとなるように設計した。
受電部61の磁性体コア63は、軸方向の長さ9mm、外径12mmの形状で形成した。このとき、磁性体コア63の外径が、受電部61の外径と略等しく(等しいを含む)なるように構成した。
また、受電部61の集磁コイル71は、0.06mm径の電線を70本束ねた巻線を、16回の巻数で形成した。そして、集磁コイル71は、軸方向の長さ6mmの形状で形成した。これにより、集磁コイル71のインダクタンスLが、設計値14μHとなるように設計した。
さらに、受電部61の受電コイル62は、0.4mm径の巻線を、6回の巻数で形成した。そして、受電コイル62は、軸方向の長さ6mmの形状で形成した。これにより、受電コイル62のインダクタンスLが、設計値2μHになるように設計した。
つぎに、設計した送電コイル111および受電部61を、図20に示すように配置した。そして、距離LCを変えながら、出力電流と結合係数を測定した。その結果を、図30に示す。なお、距離LCは、上述した送電コイル111の中心TCCと、受電部61の集磁コイル71の中心RCCとの、軸方向の距離である。
図30は、上記実施例のように設計した非接触給電装置1において、距離LCに対して得られた出力電流と結合係数の実験結果を示す。
図30に示すように、実施例の非接触給電装置1は、距離LCが「0」のとき、結合係数は最大となり、出力電流は最小となる。
一方、距離LCの絶対値が大きくなるにしたがって、送電コイル111に流れる出力電流は大きくなる。このとき、結合係数が0.2近傍で、かつ0.2よりも大きくなる距離LC(例えば、10mm程度)において、出力電流は最大となる。そして、結合係数が0.2近傍で、かつ0.2よりも小さくなる距離LCにおいて、距離LCの絶対値が大きくなるに従って、出力電流は低下する。
つまり、実施例の非接触給電装置1の場合、距離LCの絶対値が4.5mmのときの出力電流は、距離LCが0mmのときの出力電流(例えば、I1)よりも、20%程度(1.2×I1)増加することがわかる。
以下に、図30の測定結果に基づいて、非接触給電装置1の作用・効果について、図18を参照して、説明する。
まず、図18に示すように、集磁コイル71は、本体20の底部近傍に配置される。そして、充電スタンド80に電動歯ブラシ10の本体20が支持されると、送電コイル111の軸方向の中心TCCと集磁コイル71の軸方向の中心RCCとが、ずれて配置される。
送電コイル111の中心TCCと集磁コイル71の中心RCCとがずれると、図30に示すように、送電コイル111と集磁コイル71の結合係数は小さくなる。
一方、送電コイル111は空芯で、集磁コイル71は磁性体コア63に巻回されている。この場合、送電コイル111の軸方向において、送電コイル111の中心TCCから集磁コイル71の中心RCCがずれるほど、送電コイル111のインダクタンスLは小さくなる。そのため、(1)式から、送電共振回路の送電共振周波数f1は大きくなる。本実施の形態では、送電共振周波数f1は、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bの駆動周波数fDより、小さくなるように設定している。
つまり、送電コイル111の中心TCCから集磁コイル71の中心RCCがずれるほど、送電共振周波数f1は駆動周波数fDに近づく。送電共振周波数f1と駆動周波数fDとが近いほど、図24の(b)に示すように、入力電流は大きくなる。このとき、図30に示すように、距離LCの絶対値が大きくなるほど(4.5mm程度まで)、送電コイル111と集磁コイル71の結合係数は小さくなるが、入力電流は大きくなる。その結果、受電装置60の出力電流を増加させることができる。
また、実施例の磁性体コア63は、ボビン形状である。そのため、送電コイル111から出力された交番磁束は、磁性体コア63に集磁されやすい。つまり、ボビン形状の芯を通る磁束は、磁性体コア63のつば部分を通って曲げられる。そのため、磁束が送電コイル111へ戻りやすくなる。これにより、磁束の漏れが抑制され、送電コイル111と集磁コイル71の結合係数の結合度が上がる。その結果、電力の伝送効率の低下を、抑制できる。
以上のように、本実施の形態の非接触給電装置1は、送電コイル111の中心TCCと集磁コイル71の中心RCCとを、ずらして配置する。これにより、上記の作用・効果が得られる。
以下に、受電装置60の受電部61の構成における作用・効果について、図31および図32を参照して、比較しながら説明する。
本実施の形態の受電部61は、図31に示すように、まず、集磁コイル71をボビン形状の磁性体コア63に巻回する。そして、集磁コイル71の外周に、例えば絶縁テープを挟んで、受電コイル62を巻回し、受電部61を構成する。
このとき、受電コイル62の巻数を、集磁コイル71の巻数より少なくしても、電力の伝送効率への影響は小さい。
一方、伝送効率の観点から、集磁コイル71は、コイルの特性値であるQ値が大きい方が好ましい。なお、Q値は、「ωL/r」で表される(「r」は抵抗値を示す)。そのため、集磁コイル71の巻数を増やしてインダクタンスLを大きくし、Q値を大きくする方が好ましい。
そこで、本実施の形態では、まず、磁性体コア63に偶数回、例えば二重に重ねて、集磁コイル71を巻回する。そして、磁性体コア63に巻回した集磁コイル71の外周に、一重に受電コイル62を巻回する。これにより、受電部61を構成する。この場合、受電コイル62は、集磁コイル71の外周に一重で巻回されるため、巻き始め端部62Aと巻き終わり端部62Bとが受電部61の外部に露出する。そのため、受電コイル62と、外部の各素子との接続がしやすくなる。さらに、集磁コイル71は、偶数回で巻回されるため、巻き始め端部71Aと巻き終わり端部71Bとを軸方向の同一側に配置できる。そのため、集磁コイル71の巻き始め端部71Aおよび巻き終わり端部71Bを、受電部61の外部に引き出しやすい。これにより、集磁コイル71の巻き始め端部71Aおよび巻き終わり端部71Bと、外部の各素子との接続が容易になる。
つぎに、比較例として示す受電部161の集磁コイル71と受電コイル62の構成について、図32を参照して、説明する。
図32に示す受電部161は、まず、受電コイル62をボビン形状の磁性体コア63に一重で巻回する。そして、受電コイル62の外周に集磁コイル71を偶数回巻回して、受電部161を構成している。この場合、受電コイル62の巻き始め端部62Aと巻き終わり端部62Bとは、軸方向の反対側に配置される。そのため、巻き終わり端部62B側に、受電コイル62の巻き終わり端部62Bを引き出すための領域RAを形成する必要がある。これにより、図31と同じ形状の磁性体コア63の場合、集磁コイル71を巻回できる領域が小さくなる。その結果、集磁コイル71の巻数が少なくなる。また、受電コイル62を多重巻にしないので、外径をより小さくできる。
つまり、図31に示す受電部61は、集磁コイル71がボビン形状の磁性体コア63に巻回され、集磁コイル71の外周に受電コイル62が巻回される。そのため、図32に示す比較例の受電部161のように領域RAを形成する必要がない。これにより、集磁コイル71の巻数の減少を抑制できる。その結果、集磁コイル71のQ値を高めることができる。
以下に、上記のように構成した非接触給電装置1の効果について、列挙して、具体的に説明する。
(1)集磁装置70は充電池41と電気的に接続されないので、受電コイル62よりもQ値を大きくしやすい。そして、送電コイル111から出力される磁束を集磁コイル71に鎖交させ、集磁コイル71から出力させる磁束を受電コイル62に鎖交させる。これにより、集磁装置70が存在しない場合よりも、電力の伝送効率を高めることができる。
(2)通常、集磁回路を含む非接触給電装置は、各スイッチング素子の駆動周波数fD、送電共振周波数f1および集磁回路の受電共振周波数f2を実質的に一致させると、電力の伝送効率を、さらに高めることができる。しかし、各周波数fD、f1、f2を一致させる場合、精度の高い調整が必要となる。そのため、非接触給電装置の生産性の低下が懸念される。そこで、本実施の形態の非接触給電装置1は、各周波数fD、f1、f2を互いに異なる大きさの値に設定する。そのため、各周波数fD、f1、f2を一致させる必要がない。これにより、構成部品に製造誤差(許容差)などのばらつきがあっても、精度の高い調整が不要となる。その結果、非接触給電装置1の生産性を高めることができる。
また、送電共振周波数f1を駆動周波数fDよりも小さく設定する。そのため、送電共振周波数f1が、駆動周波数fDより高い場合と比較して、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bの動作が安定する。つまり、送電共振周波数f1を駆動周波数fDよりも小さくすると、共振回路として誘導性共振になる。そのため、ノイズ(電流のリンギング)が発生し難くなり、動作が安定する。これにより、電力の伝送効率が低下しにくくなる。
さらに、受電共振周波数f2が駆動周波数fDよりも大きい場合、小さい場合と比較して、負荷の変動に対して安定した出力を得ることができる。これは、発明者等が、試験により確認している。
以上により、電力の伝送効率が高く、生産性に優れる非接触給電装置1が実現できる。
(3)通常、駆動周波数fDと送電共振周波数f1との差が小さいほど、電力の伝送効率を高められる。そこで、本実施の形態の非接触給電装置1は、送電共振周波数f1の下限(85%)を規定している。そのため、高い電力の伝送効率を確保できる。
(4)本実施の形態の非接触給電装置1は、結合係数が異なる、第1の範囲または第2の範囲のいずれに含まれる場合、または本体が送電装置に配置されていない場合でも、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bの駆動周波数fDと送電共振周波数f1との大小関係が維持される。そのため、送電装置110に対する集磁装置70の配置位置の影響によるスイッチングへの影響を抑制できる。これにより、電力の伝送効率が低下する虞を低減できる。
(5)送電コイル111の軸方向の中心TCCと集磁コイル71の軸方向の中心RCCとが、ずれた状態で、負荷である充電池41が充電される。そのため、図30で説明したように、送電コイル111と集磁コイル71の軸方向の中心が一致する場合に比べて、出力電流を大きくできる。これにより、より大きい電力を送電できる非接触給電装置1を実現できる。
(6)本実施の形態の非接触給電装置1は、受電コイル62および集磁コイル71が、磁性体材料を含むボビン形状の磁性体コア63に巻回されて構成される。そのため、送電コイル111および集磁コイル71に鎖交する磁束が漏れにくい。これにより、電力の伝送効率を、より高めることができる。
また、1つの磁性体コア63に集磁コイル71と受電コイル62が巻回される。そのため、非接触給電装置1の構成を簡素化できる。
(7)送電制御部115は、伝送モードにおいて、受電部の出力電流(受電電流)が、所定の範囲内に含まれるようにオン時間TXを予め測定して把握する。把握したオン時間TXを、第1の固定値として、送電制御部115の記憶部に記憶する。ここで、所定の範囲は、充電電流の許容される上限から下限の範囲である。そして、予め設定された第1の固定値を、伝送モードにおいて用いて、送電装置110を駆動する。これにより、出力電流に基づくフィードバックを実行する必要がない。その結果、より適切な電力の伝送効率が得られる。
また、フィードバックのための回路を搭載する必要がない。そのため、非接触給電装置1の構成を簡素化できる。
また、可変コンデンサを用いて、送電共振周波数f1および受電共振周波数f2を変更する必要がない。これにより、大型のコンデンサの使用を回避して、非接触給電装置1の大型化を抑制できる。また、複数のコンデンサを備えて、適切なコンデンサに切り替えて送電共振周波数f1および受電共振周波数f2を変更する必要がない。これにより、送電装置110の大型化を抑制できる。つまり、送電制御部115は、1つの送電共振コンデンサ116を用いて、送電コイル111に流れる送電コイル電流のばらつきを低減するように制御する。そのため、可変コンデンサまたは複数のコンデンサを用いる場合と比較して、非接触給電装置1の大型化を抑制できる。
(8)通常、複数のスイッチング素子の値に製造ばらつきなどの誤差が存在する場合、出力電流(充電電流)を所定の範囲内に含めるために必要なオン時間TXが互いに異なる。そこで、本実施の形態の送電制御部115は、第1のスイッチング素子112Aおよび第2のスイッチング素子112Bのオン時間TXを、予め個別に設定する。そのため、より適切な電力の伝送効率が得られる。さらに、オン時間TXを個別に設定することにより、送電コイル電流を細かく調整できる。これにより、PWM信号の分解能の低い送電制御部115の構成においても、適切に送電コイル電流を調整できる。
(9)送電制御部115は、待機モードにおいて、出力電流が所定の範囲内に含まれるように、オン時間TYを予め測定して把握する。把握したオン時間TYを、第2の固定値として、送電制御部115の記憶部に記憶する。ここで、所定の範囲は、電力の消費量を低減するために規定される出力電流の範囲である。そして、予め設定された第2の固定値を、待機モードにおいて用いて、送電装置110を駆動する。これにより、出力電流に基づくフィードバックを実行する必要がない。その結果、電力の消費量が適切に低減される。
(変形例)
本実施の形態に関する説明は、本発明に従う非接触給電装置が取り得る形態の例示である。そのため、非接触給電装置が取り得る形態を制限することを意図していない。つまり、本発明に従う非接触給電装置は、本実施の形態以外に、例えば以下に示される実施の形態の変形例、および相互に矛盾しない少なくとも2つの変形例が組み合わせられた形態を取り得る。
つまり、本実施の形態では、オン時間TX、TYを出力電流(充電電流)の計測により設定する構成を例に説明したが、これに限られない。例えば、入力電流に基づいて、オン時間TX、TYを設定してもよい。この場合、入力電流が所定の範囲内に含まれたときのPWM信号のオン時間をオン時間TX、TYとして設定する。そして、設定したオン時間TX、TYを送電制御部115の記憶部に記憶させる。また、共振電圧Vに基づいて、オン時間TX、TYを設定してもよい。この場合、共振電圧Vが所定の範囲内に含まれたときのPWM信号のオン時間をオン時間TX、TYとして設定する。そして、設定したオン時間TX、TYを送電制御部115の記憶部に記憶させる。さらに、送電コイル111の送電コイル電流に基づいて、オン時間TX、TYを設定してもよい。この場合、送電コイル電流が所定の範囲内に含まれたときのPWM信号のオン時間をオン時間TX、TYとして設定する。そして、設定したオン時間TX、TYを送電制御部115の記憶部に記憶させる。なお、上記設定したオン時間TX、TYは、伝送モードにおいて、第1のオン時間TXA、第2のオン時間TXBが相当する。さらに、待機モードでは、第1のオン時間TYA、第2のオン時間TYBが相当する。
また、本実施の形態では、送電装置110を図21に示すハーフブリッジ回路で構成する例で説明したが、これに限られない。例えば、送電装置110を、図33に示すフルブリッジ回路で構成してもよい。この場合、送電装置210は、第1のスイッチング素子212A、第2のスイッチング素子212B、第3のスイッチング素子212C、第4のスイッチング素子212D、平滑コンデンサ213、第1のドライブ回路214A、第2のドライブ回路214B、第3のドライブ回路214C、第4のドライブ回路214Dなどで構成される。
そして、図33に示す送電装置210は、図34の(a)、(b)、(c)、(d)に示すように、各スイッチング素子のゲートGに入力するPWM信号のオン時間TZが設定される。このとき、図34の(a)、(d)に示すように、第1のスイッチング素子212Aのオン時間TZAおよび第4のスイッチング素子212Dのオン時間TZDが等しくなるように設定する。同様に、図34の(b)、(c)に示すように、第2のスイッチング素子212Bのオン時間TZBおよび第3のスイッチング素子212Cのオン時間TZCが等しくなるように設定する。これにより、図34の(e)に示すように、送電装置210の送電コイル111に流れる送電コイル電流は、例えば正弦波状の波形となる。フルブリッジ場合、電源電圧が倍になるため、出力を上げることができる。
また、本実施の形態では、受電装置60は、受電コイル62の交番電力を半波整流する構成を例に説明したが、全波整流してもよい。これにより、電力損失を低減できる。
また、本実施の形態では、受電コイル62を集磁コイル71の外周に配置する構成を例に説明したが、スペース的に余裕があれば、内周に配置してもよい。
また、本実施の形態では、集磁装置70を小型電気機器である電動歯ブラシ10に備える構成を例に説明したが、充電スタンド80に備える構成としてもよい。これにより、本体を小型化できる。
また、本実施の形態において、集磁装置70を省略する構成としてもよい。この場合、集磁共振コンデンサ72に代えて、受電コイル62に受電共振コンデンサが接続される。そして、受電コイル62と受電共振コンデンサにより受電共振回路が構成される。このとき、受電コイル62と受電共振コンデンサを含む受電共振回路の共振周波数が、受電共振周波数f2に相当する。これにより、部品点数を減らすことができる。
また、本実施の形態において、磁性体コア63を棒状で形成してもよい。さらに、磁性体コア63を省略し、受電コイル62、集磁コイル71を熱融着で固定して構成してもよい。これにより、本体を小型化できる。
また、本実施の形態の非接触給電装置は、水を吐出し口腔内を洗浄する口腔洗浄機、または、歯を研磨してステインを除去するステインクリーナー、シェーバー、または、脱毛機を備える非接触給電装置に適用してもよい。これにより、電気接点が不要となるので、水周りなどでも安心して使用できる。
(非接触給電装置が取り得る形態の一例)
(1)本発明の非接触給電装置の一形態は、電源回路から供給される交番電力により交番磁束を出力する送電共振回路、および送電共振回路に交番磁束を発生させるスイッチング素子を備える送電装置を有する。さらに、送電共振回路と磁気的に結合可能で、負荷と電気的に接続されない共振回路である集磁回路を備える集磁装置と、集磁回路と磁気的に結合可能な受電コイル、および受電コイルから出力される電力を負荷に供給可能な整流回路を備える受電装置を有する。そして、送電共振回路の送電共振周波数はスイッチング素子の駆動周波数よりも小さく、集磁回路の受電共振周波数はスイッチング素子の駆動周波数よりも大きい構成としてもよい。
この構成によれば、集磁回路は負荷と電気的に接続されないので、集磁回路の集磁コイルは負荷(充電池)の影響を受けにくい。そのため、受電コイルと異なり、負荷に依存することなくQ値を大きく設定できる。そして、送電共振回路の送電コイルから出力される磁束を集磁回路の集磁コイルに鎖交させ、集磁コイルから出力させる磁束を受電コイルに鎖交させる。これにより、送電共振回路の送電コイルから集磁回路の集磁コイルへの電力の伝送を、高いQ値のもとで実行できる。また、Q値の増加は、電力の伝送効率を高めることに寄与する。そのため、例えば送電共振回路の送電コイルと集磁回路の集磁コイルとが離れて結合係数が小さい場合でも、高いQ値のもとで電力を伝送できる。これにより、集磁回路を設けない構成の場合と比較して、電力の伝送効率を高められる。
なお、通常、集磁回路を含む非接触給電装置において、スイッチング素子の駆動周波数と、電力の伝送に関わる全ての共振回路の共振周波数を実質的に一致させると、電力の伝送効率をさらに高めることができる。しかし、上記各周波数を一致させる場合、精度の高い調整が必要となる。そのため、非接触給電装置の生産性の低下が懸念される。そこで、上記構成の非接触給電装置によれば、各周波数を互いに異なる大きさの値に設定する。そのため、各周波数を一致させる必要がない。これにより、構成部品に製造誤差(許容差)などのばらつきがあっても、精度の高い調整が不要となる。その結果、非接触給電装置1の生産性を高めることができる。
さらに、送電共振回路の送電共振周波数をスイッチング素子の駆動周波数よりも小さく設定する。そのため、送電共振周波数が駆動周波数より高い場合と比較して、スイッチング素子の動作が安定する。これにより、電力の伝送効率が低下しにくくなる。
また、集磁回路の受電共振周波数がスイッチング素子の駆動周波数よりも大きい場合、小さい場合と比較して、負荷変動に対して安定した出力を得ることができる。
以上により、電力の伝送効率が高く、生産性に優れる非接触給電装置を実現できる。
(2)本発明の非接触給電装置の一形態は、集磁回路の受電共振周波数の範囲が、スイッチング素子の駆動周波数を超えて、115%以下であればよい。
通常、スイッチング素子の駆動周波数と集磁回路の受電共振周波数との差が小さいほど、電力の伝送効率が高められる。つまり、上記構成によれば、集磁回路の受電共振周波数の上限が規定される。そのため、高い電力の伝送効率を確保できる。
(3)本発明の非接触給電装置の一形態は、送電共振回路の送電共振周波数の範囲が、スイッチング素子の駆動周波数未満で、85%以上であればよい。
(4)本発明の非接触給電装置の一形態は、送電コイルと集磁コイルが近接して配置されたときの結合係数が第1の範囲に含まれる場合、および、送電コイルと集磁コイルが離れて配置されたときの結合係数が第1の範囲よりも小さい第2の範囲に含まれる場合、または本体が送電装置に配置されていない場合のいずれにおいても、送電共振回路の送電共振周波数はスイッチング素子の駆動周波数よりも小さければよい。
この構成によれば、結合係数が異なる、送電コイルと集磁コイルとの配置関係で決まる結合係数が、第1の範囲または第2の範囲のいずれに含まれる場合、あるいは本体が送電装置に配置されていない場合でも、スイッチング素子の駆動周波数と送電共振回路の送電共振周波数との大小関係が維持される。そのため、送電装置に対する集磁装置の配置位置の影響による電力の伝送効率が低下する虞を低減できる。
(5)本発明の非接触給電装置の一形態は、送電装置が集磁装置を支持可能な支持部をさらに備え、支持部は、送電共振回路の送電コイルおよび集磁回路の集磁コイルの少なくとも一部が軸方向において重なり合い、送電コイルの軸方向の中心と集磁コイルの軸方向における中心とが、ずれるように集磁装置を支持する構成としてもよい。
この構成によれば、送電共振回路の送電コイルおよび集磁回路の集磁コイルの軸方向における中心が一致する場合よりも、出力電流を大きくできる。そのため、より大きい電力を送電できる。
(6)本発明の非接触給電装置の一形態は、受電装置が集磁装置を含み、受電装置は、受電コイルおよび集磁コイルが巻回されるコアを、さらに備えてもよい。これにより、1つのコアに受電コイルと集磁コイルとが巻回される。そのため、非接触給電装置1の構成を簡素化できる。
(7)本発明の非接触給電装置の一形態は、コアを磁性体で形成してもよい。
この構成によれば、磁性体により形成されるコアを備える。そのため、送電共振回路の送電コイルと集磁回路の集磁コイルとの結合を高めることができる。また、集磁回路の集磁コイルの位置による送電共振周波数の変動を大きくできる。そのため、出力の調整幅を広げることができる。
(8)本発明の非接触給電装置の一形態は、コアは、ボビン形状でもよい。
この構成によれば、受電コイルおよび集磁回路の集磁コイルに鎖交した磁束が漏れにくくできる。そのため、電力の伝送効率が、より高められる。
(9)本発明の非接触給電装置の一形態は、電源回路から供給される交番電力により交番磁束を出力する送電共振回路および送電共振回路に交番磁束を発生させるスイッチング素子を備える送電装置と、送電共振回路と磁気的に結合可能な受電コイルおよび受電コイルから出力される電力を負荷に供給可能な整流回路を備える受電装置を有する。そして、送電共振回路の送電共振周波数はスイッチング素子の駆動周波数よりも小さく、受電コイルを含む受電共振回路の受電共振周波数はスイッチング素子の駆動周波数よりも大きい構成としてもよい。これにより、(1)と同様の効果が得られる。
(10)本発明の非接触給電装置の一形態は、スイッチング素子の駆動周波数に対する受電コイルの受電共振周波数の範囲が、スイッチング素子の駆動周波数を超えて、115%以下であればよい。これにより、(2)と同様の効果が得られる。
(11)本発明の非接触給電装置の一形態は、スイッチング素子の駆動周波数に対する送電共振回路の送電共振周波数の範囲が、スイッチング素子の駆動周波数未満で、85%以上であればよい。これにより、(3)と同様の効果が得られる。
付記(1)
電源回路から交番電力が供給されることにより交番磁束を出力する送電共振回路、および、前記送電共振回路に交番磁束が発生するようにスイッチングされる複数のスイッチング素子を備える送電装置と、
前記送電共振回路と磁気的に結合可能であり、負荷と電気的に接続されない共振回路である集磁回路を備える集磁装置と、
前記集磁回路と磁気的に結合可能な受電コイル、および、前記受電コイルから出力される電力を負荷に供給可能な整流回路を備える受電装置とを備え、
前記集磁装置が前記支持部により支持された状態における前記送電コイルと前記集磁回路のコイルとの結合係数が0.2以上である、非接触給電装置。
付記(2)
前記送電共振回路のコイルの軸方向の中心と前記集磁回路のコイルの軸方向の中心とのずれ量は、前記送電共振回路のコイルに関する軸方向の長さのおおよそ半分である、付記(1)に記載の非接触給電装置。
付記(3)
前記受電装置は前記集磁装置を含み、
前記受電コイルは、磁性体により形成され、前記受電コイルおよび前記集磁回路のコイルが巻回されるボビンをさらに備え、
前記集磁回路のコイルが前記ボビンに巻回され、そのコイルの外周に前記受電コイルが巻回される、付記(1)または付記(2)に記載の非接触給電装置。