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技術 電力の非接触式給電装置

出願人 長崎県
発明者 兵頭竜二神田誠田口勝身丁子谷一中川豪
出願日 2018年12月5日 (1年4ヶ月経過) 出願番号 2018-228567
公開日 2019年6月24日 (10ヶ月経過) 公開番号 2019-103390
状態 未査定
技術分野 電磁波による給配電方式 電源
主要キーワード 電気記号 防水ケーシング 一定周期間 ケーシング外側 連接構造 磁気リードスイッチ 伝達条件 電力送出
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (10)

課題

海面、海中あるいは水濡れのある環境での使用、さらには漏電防止防爆目的など、金属接点を用いたくない場面で、電力を簡便・確実・安全に伝送する方法や係る装置を提供すること。

解決手段

給電側受電側などの対になる装置同士を、簡単な機構で所定の位置に嵌合して締結できる構造とし、そして、これら装置同士が嵌合された時、それぞれの装置に内包される非接触給電送電機能部と受電機能部の空間伝送に係る部材間相対的位置関係が、所定の状態に納まる構造とする。そして、正しい嵌合位置で締結処理された時に所定の電力伝送を行い、嵌合や締結が解放される時あるいは解放された時、即座に電力伝送を停止する、金属接点を有しないコネクタ組合せ。

概要

背景

電力等の伝送において、金属接点を持つ接続部品は、錆びや漏電などの問題点があるため、海面や海水中、あるいは水濡れ心配される場所での利用に制限がかかる。

最近注目を集めている非接触給電に関連する技術は、利用者の利便性向上を優先しているため、給電側装置受電側装置との位置関係が多少ズレても、安全に、かつ確実に非接触給電できることに特徴がある。その結果、非接触給電の電力効率の向上よりも、給電側装置と受電側装置との距離を伸ばすことが優先される傾向がある。その典型的な例である電気自動車への非接触給電(充電)においては、その給電(充電)の安全な開始と停止に、無線通信を用いた制御が利用されることが多い。

また一部においては、給電側装置と受電側装置とを近接して位置決めし、目的の非接触給電機能を提供するものも見受けられる。

概要

海面、海中あるいは水濡れのある環境での使用、さらには漏電防止防爆目的など、金属接点を用いたくない場面で、電力を簡便・確実・安全に伝送する方法や係る装置を提供すること。給電側受電側などの対になる装置同士を、簡単な機構で所定の位置に嵌合して締結できる構造とし、そして、これら装置同士が嵌合された時、それぞれの装置に内包される非接触給電の送電機能部と受電機能部の空間伝送に係る部材間相対的位置関係が、所定の状態に納まる構造とする。そして、正しい嵌合位置で締結処理された時に所定の電力伝送を行い、嵌合や締結が解放される時あるいは解放された時、即座に電力伝送を停止する、金属接点を有しないコネクタ組合せ。

目的

また一部においては、給電側装置と受電側装置とを近接して位置決めし、目的の非接触給電機能を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

非接触給電機能包含する送電側装置と、非接触給電機能に対応する非接触受電機能を包含する受電側装置とがあり、これらを対にして電力送受する組となる装置群であって、送電側装置と受電側装置とを互いに接続して、それぞれの装置に包含されている非接触給電機能の電力送出部と非接触受電機能の電力受入れ部との相対的位置関係を固定する機構あるいは構造を有しており、その固定された相対的位置関係において電力の送受が所定の機能または性能を発揮することを特徴とする組となる装置群において、当該電力送出部と当該電力受入れ部とが所定の相対的位置関係に固定されたことを検出する第1の機能があり、当該第1の機能で所定の相対的位置関係に固定されたことが検出されなければ、前記電力送出部が非接触で電力の伝送を行わないようにすることに特徴を持つ、組みとなる装置群。

請求項2

非接触給電機能を包含する送電側装置と、非接触給電機能に対応する非接触受電機能を包含する受電側装置とがあり、これらを対にして電力を送受する組となる装置群であって、送電側装置と受電側装置とを互いに接続して、それぞれの装置に包含されている非接触給電機能の電力送出部と非接触受電機能の電力受入れ部との相対的位置関係を固定する機構あるいは構造を有しており、その固定された相対的位置関係において電力の送受が所定の機能または性能を発揮することを特徴とする組となる装置群において、当該電力送出部と当該電力受入れ部とが所定の相対的位置関係での固定から外れたことを検出する第2の機能があり、当該第2の機能で所定の相対的位置関係での固定から外れたことが検出されたら、前記電力送出部は非接触による電力の伝送を停止するようにすることに特徴を持つ、組みとなる装置群。

請求項3

非接触給電機能を包含する送電側装置と、非接触給電機能に対応する非接触受電機能を包含する受電側装置とがあり、これらを対にして電力を送受する組となる装置群であって、送電側装置と受電側装置とを互いに接続して、それぞれの装置に包含されている非接触給電機能の電力送出部と非接触受電機能の電力受入れ部との相対的位置関係を固定する機構あるいは構造を有しており、その固定された相対的位置関係において電力の送受が所定の機能または性能を発揮することを特徴とする組となる装置群において、当該電力送出部と当該電力受入れ部とが所定の相対的位置関係に固定されたことを検出する第1の機能があり、当該第1の機能で所定の相対的位置関係に固定されたことが検出されなければ、前記電力送出部が非接触で電力の伝送を行わないようにし、更に当該電力送出部と当該電力受入れ部とが所定の相対的位置関係での固定から外れたことを検出する第2の機能があり、当該第2の機能で所定の相対的位置関係での固定から外れたことが検出されたら、前記電力送出部は非接触による電力の伝送を停止するようにし、しかも前記第1の機能と前記第2の機能を有する第1の回路として、非接触給電機能を包含する送電側装置に近接センサを配置し、非接触受電機能を包含する受電側装置に当該近接センサを作動させる物を配置させて、前記物が前記近接センサに近接すると第1機能が生起し、又前記物が近接センサから遠ざかると第2機能が生起する回路を採用して実現させる、組みとなる装置群。

請求項4

非接触給電機能を包含する送電側装置と、非接触給電機能に対応する非接触受電機能を包含する受電側装置とがあり、これらを対にして電力を送受する組となる装置群であって、送電側装置と受電側装置とを互いに接続して、それぞれの装置に包含されている非接触給電機能の電力送出部と非接触受電機能の電力受入れ部との相対的位置関係を固定する機構あるいは構造を有しており、その固定された相対的位置関係において電力の送受が所定の機能または性能を発揮することを特徴とする組となる装置群において、当該電力送出部と当該電力受入れ部とが所定の相対的位置関係に固定されたことを検出する第1の機能があり、当該第1の機能で所定の相対的位置関係に固定されたことが検出されなければ、前記電力送出部が非接触で電力の伝送を行わないようにし、当該電力送出部と当該電力受入れ部とが所定の相対的位置関係での固定から外れたことを検出する第2の機能があり、当該第2の機能で所定の相対的位置関係での固定から外れたことが検出されたら、前記電力送出部が非接触による電力の伝送を停止するようにし、しかも前記第1の機能と前記第2の機能を有する第2の回路として、非接触給電機能を包含する送電側装置に当該装置外に向けて発射する光送出器と当該装置外から光の入射を検出する受光器とを設け、また同時に非接触受電機能を包含する受電側装置側に一つあるいは複数の反射鏡又は光ファイバを設けて光路を成す構成のものとし、前記第2の回路で非接触給電機能を包含する送電側装置と非接触受電機能を包含する受電側装置とが正しい相対的位置関係に固定された時のみ、当該光送出器から発射される光が前記反射鏡又は光ファイバを設けた光路を介して当該受光器で受光されるようにすることを利用して実現する、組みとなる装置群。

請求項5

前記第2の回路の非接触受電機能を包含する受電側装置に設ける一つあるいは複数の反射鏡で形成される光路の全部又は一部を、導光路を用いて形成する、請求項4に記載の組みとなる装置群。

請求項6

前記第1の回路の前記近接センサと前記近接センサを作動させる前記物との組合せに加えて、前記送電側装置に光送出器を設け、又前記受電側装置に前記光送出器からの光を受光する受光器とその光路とを設け、前記近接センサと前記物とを組み合せ、その内の検出された組合せのパターン若しくは順序又はこれらの組合せによって、非接触給電の制御を行うことを特徴とする、請求項3に記載の組みとなる装置群。

請求項7

非接触給電機能を包含する前記送電側装置の電力送出部と、非接触受電機能を包含する前記受電側装置の電力受入れ部それぞれに、電力送受用誘導コイルと同誘導コイルが巻回され且つコア両端開放されたC字状又はU字状のコアとを透磁性防水ケーシング封入するとともに、前記防水ケーシングを水に濡れる近接した前記相対的位置に設けるとともに、一方又は両方の前記防水ケーシングに封入された前記コアの端部からケーシング外側延長させて水に濡れる外コア部を設け、しかも前記防水ケーシングを近接させて前記相対的位置に固定されると前記外コア部が前記各防水ケーシング内のC字状又はU字状のコア端をつないで閉じたコアを形成して送電効率を高めるようにした、請求項1〜6いずれか記載の組みとなる装置群。

請求項8

前記受電側装置には接続された負荷に供給する電力の電圧に対応した周波数光パルス送出する機能を備え、前記送電側装置には送出された光パルスを受光する機能を備え、しかも受光した光パルスの単位時間あたりのパルス数によって送出する高周波電力の量をパルス数が多いと電力量を減らすように増減する負帰還制御部を備えて構成された受電電圧の安定制御回路を有し、前記安定制御回路によって前記受電側装置が負荷に送出する電力の電圧を一定(目標値)に保つことに特徴を持つ、請求項1〜7いずれか記載の組みとなる装置群。

請求項9

前記受電側装置には接続された負荷に供給する電力の電圧に対応した周波数の光パルスを送出する機能を備え、送電側装置には送出された光パルスを受光する機能を備え、しかも受光した光パルスの単位時間あたりのパルス数によって受電側装置の異常を検知し、異常であれば送電装置が送出する高周波電力をカットオフする機能を備えた受電側装置の異常対応回路を有する、請求項1〜8いずれか記載の組みとなる装置群。

技術分野

0001

本発明は、金属接点を用いず電気的に非接触で電力伝送する給電システムを構成するコネクタ実装する安全機構及び電力の伝送の効率を高める構造に関する。特に、海面・海中あるいは水濡れする場所での非接触給電技術に関する。

背景技術

0002

電力等の伝送において、金属接点を持つ接続部品は、錆びや漏電などの問題点があるため、海面や海水中、あるいは水濡れが心配される場所での利用に制限がかかる。

0003

最近注目を集めている非接触給電に関連する技術は、利用者の利便性向上を優先しているため、給電側装置受電側装置との位置関係が多少ズレても、安全に、かつ確実に非接触給電できることに特徴がある。その結果、非接触給電の電力効率の向上よりも、給電側装置と受電側装置との距離を伸ばすことが優先される傾向がある。その典型的な例である電気自動車への非接触給電(充電)においては、その給電(充電)の安全な開始と停止に、無線通信を用いた制御が利用されることが多い。

0004

また一部においては、給電側装置と受電側装置とを近接して位置決めし、目的の非接触給電機能を提供するものも見受けられる。

先行技術

0005

特開2004−166459号広報
特開2017−103858号公報
特開2017−046578号公報
特開2009−228396号広報
特開2009−240099号公報
特開2017−175803号公報

発明が解決しようとする課題

0006

特許文献1の発明は、水中ロボット等に利用できる非接触給電システムに関するものであり、給電側装置と受電側装置とが互いに所定の位置関係にある時にのみ、非接触給電を行えるよう制御していることに特徴を持つ。これは、非接触給電の給電側装置と受電側装置とを自動接続することなどを想定してなされた発明であると推察されるが、水中ロボット等の揺動海流などの影響がある場合、接続部が不安定となり、思うように非接触給電の継続をすることができない問題が生じることに、容易に想到する。

0007

特許文献2の発明は、水濡れが想定される場所で使用することを前提とした非接触給電システムに関するものであり、前記特許文献1の発明の場合と同様に、給電側装置と受電側装置とが互いに所定の位置関係にある時にのみ、非接触給電を行えるよう制御していることに特徴を持つ。当該特許文献2の発明の場合も、給電側装置と受電側装置とが互いに所定の位置関係にあることのみに着目しており、これらの装置が振動や揺動がある場所で使用されることまでをも考慮されていない。従って、これらの装置が振動や揺動がある場所で使用された場合、接続部が不安定となり、思うように非接触給電の継続をすることができない問題が生じることに、容易に想到する。

0008

特許文献3の発明は、給電側装置と受電側装置とが互いに所定の位置関係に固定する機構あるいは構造を有しており、その相対的位置関係において電力の送受が所定の機能または性能を発揮することを特徴とする、非接触給電システムに関するものである。当該特許文献3の発明には、その特徴によって給電側装置と受電側装置とが互いに所定の位置関係に固定されるが、固定されたことを検知して安全に装置を作動させる機能、あるいは固定が外れたことを、若しくは外れることを検知して安全に装置を停止させる機能が明示されていない。

0009

以上のように先行技術は、海中や水濡れのある環境下において非接触給電を実現するため、電力を送る側の装置と受け取る側の装置との相対的位置関係などを検出して装置の作動状況を制御するもの、同相対的位置関係を固定することで相対的位置関係の検知を不要とするものである。

0010

このように、電力を送る側の装置と受け取る側の装置との相対的位置関係を固定状態にしたこと、又は固定状態を解放すること若しくは解放したことを検知して、電力の非接触伝送を制御する方法あるいは装置を示す技術文献はない。

0011

特許文献4の発明は、非接触給電を受ける受電側装置に繋がる負荷作動状態識別し、受電側装置に繋がる負荷装置待機時には比較的小さな電力を送るようにし、受電側装置に繋がる負荷装置が所望の作動時には比較的大きな電力を送るようにすることで、無駄な消費電力を減らすための工夫をしているものである。このため、フィードバック信号として、受電側装置から送電側装置に受電側装置に繋がる負荷装置状態を通知しているにすぎず、負荷がダイナミックに変動したときに負荷装置に安定した電圧供給を実現するものではない。

0012

特許文献5の発明は、非接触給電を受ける受電側装置に含まれる機能によって、負荷への出力電圧基準電圧目標電圧)との差分を光パルスデューティ比で給電側装置に伝達する。そして、このデューティ比を一定に保つように給電側装置の送出電力を制御することで、受電側装置から負荷に供給される電圧を一定に保つものである。この方式を、海面や海水中、あるいは水濡れが心配される場所(空気中)など、条件の異なる場所で使用した場合、光パルスの伝達条件が一定せず、光を送出した際のデューティ比と、それを検出した際のデューティ比とが異なる恐れがあり、結果として受電側装置から負荷に供給される電圧が安定しないことが予測される。

0013

特許文献6の発明は、受電側装置から給電側装置へのフィードバック信号を、いわゆるパケット通信を用いて伝達する方法を開示している。パケット通信を行うことは、通信の安定性の面では優れていると言えるが、情報のフレーミング処理や、受信したパケットからの情報の取り出しなど、応答性の良いフィードバックが実現できるとは考えがたい。

0014

以上のように先行技術は、非接触給電において受電側装置から給電側装置へのフィードバック機能を開示するものであるが、特定用途において出力を安定させるもの、空気中のように安定した使用環境において正常機能するもの、パケット通信の様な複雑な通信機能を使用するものである。

0015

このように、非接触給電に係る装置が、海面や海水中、あるいは水濡れが心配される場所(空気中)、さらにはこれらの場所間を移動しながら利用されるケースなどを想定した場合にも安定して利用できる、受電側装置から給電側装置へのフィードバック機能を示す技術文献はない。

0016

本発明が解決しようとする課題は、給電側装置と受電側装置とが互いに所定の相対的位置関係に固定する機構あるいは構造を有しており、その相対的位置関係において電力の送受が所定の機能または性能を発揮することを特徴とする非接触給電システムにおいて、電力を送る側の装置と受け取る側の装置との相対的位置関係を固定状態にしたこと、又は固定状態を解放すること若しくは解放したことを検知して、効率的な電力の非接触伝送を制御する方法やその装置の構成及びコアを介しての給電効率を高める構造を提供することにある。
本発明が解決しようとする更なる課題は、非接触給電に係る装置が、海面や海水中、あるいは水濡れが心配される場所、さらにはこれらの場所間を移動しながら利用される場合なども想定し、利用条件が変動しても受電側装置から給電側装置へのフィードバックが安定して行われ、受電側装置が負荷に供給する電圧を安定制御する装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0017

かかる課題を解決した本発明の構成は、
1)非接触給電機能を包含する送電側装置と、非接触給電機能に対応する非接触受電機能を包含する受電側装置とがあり、これらを対にして電力を送受する組となる装置群であって、送電側装置と受電側装置とを互いに接続して、それぞれの装置に包含されている非接触給電機能の電力送出部と非接触受電機能の電力受入れ部との相対的位置関係を固定する機構あるいは構造を有しており、その固定された相対的位置関係において電力の送受が所定の機能または性能を発揮することを特徴とする組となる装置群において、
当該電力送出部と当該電力受入れ部とが所定の相対的位置関係に固定されたことを検出する第1の機能があり、当該第1の機能で所定の相対的位置関係に固定されたことが検出されなければ、前記電力送出部が非接触で電力の伝送を行わないようにすることに特徴を持つ、組みとなる装置群
2) 非接触給電機能を包含する送電側装置と、非接触給電機能に対応する非接触受電機能を包含する受電側装置とがあり、これらを対にして電力を送受する組となる装置群であって、送電側装置と受電側装置とを互いに接続して、それぞれの装置に包含されている非接触給電機能の電力送出部と非接触受電機能の電力受入れ部との相対的位置関係を固定する機構あるいは構造を有しており、その固定された相対的位置関係において電力の送受が所定の機能または性能を発揮することを特徴とする組となる装置群において、
当該電力送出部と当該電力受入れ部とが所定の相対的位置関係での固定から外れたことを検出する第2の機能があり、当該第2の機能で所定の相対的位置関係での固定から外れたことが検出されたら、前記電力送出部は非接触による電力の伝送を停止するようにすることに特徴を持つ、組みとなる装置群
3) 非接触給電機能を包含する送電側装置と、非接触給電機能に対応する非接触受電機能を包含する受電側装置とがあり、これらを対にして電力を送受する組となる装置群であって、送電側装置と受電側装置とを互いに接続して、それぞれの装置に包含されている非接触給電機能の電力送出部と非接触受電機能の電力受入れ部との相対的位置関係を固定する機構あるいは構造を有しており、その固定された相対的位置関係において電力の送受が所定の機能または性能を発揮することを特徴とする組となる装置群において、
当該電力送出部と当該電力受入れ部とが所定の相対的位置関係に固定されたことを検出する第1の機能があり、当該第1の機能で所定の相対的位置関係に固定されたことが検出されなければ、前記電力送出部が非接触で電力の伝送を行わないようにし、更に当該電力送出部と当該電力受入れ部とが所定の相対的位置関係での固定から外れたことを検出する第2の機能があり、当該第2の機能で所定の相対的位置関係での固定から外れたことが検出されたら、前記電力送出部は非接触による電力の伝送を停止するようにし、
しかも前記第1の機能と前記第2の機能を有する第1の回路として、非接触給電機能を包含する送電側装置に近接センサを配置し、非接触受電機能を包含する受電側装置に当該近接センサを作動させる物を配置させて、前記物が前記近接センサに近接すると第1機能が生起し、又前記物が近接センサから遠ざかると第2機能が生起する回路を採用して実現させる、組みとなる装置群
4) 非接触給電機能を包含する送電側装置と、非接触給電機能に対応する非接触受電機能を包含する受電側装置とがあり、これらを対にして電力を送受する組となる装置群であって、送電側装置と受電側装置とを互いに接続して、それぞれの装置に包含されている非接触給電機能の電力送出部と非接触受電機能の電力受入れ部との相対的位置関係を固定する機構あるいは構造を有しており、その固定された相対的位置関係において電力の送受が所定の機能または性能を発揮することを特徴とする組となる装置群において、
当該電力送出部と当該電力受入れ部とが所定の相対的位置関係に固定されたことを検出する第1の機能があり、当該第1の機能で所定の相対的位置関係に固定されたことが検出されなければ、前記電力送出部が非接触で電力の伝送を行わないようにし、当該電力送出部と当該電力受入れ部とが所定の相対的位置関係での固定から外れたことを検出する第2の機能があり、当該第2の機能で所定の相対的位置関係での固定から外れたことが検出されたら、前記電力送出部が非接触による電力の伝送を停止するようにし、
しかも前記第1の機能と前記第2の機能を有する第2の回路として、非接触給電機能を包含する送電側装置に当該装置外に向けて発射する光送出器と当該装置外から光の入射を検出する受光器とを設け、また同時に非接触受電機能を包含する受電側装置側に一つあるいは複数の反射鏡又は光ファイバを設けて光路を成す構成のものとし、
前記第2の回路で非接触給電機能を包含する送電側装置と非接触受電機能を包含する受電側装置とが正しい相対的位置関係に固定された時のみ、当該光送出器から発射される光が前記反射鏡又は光ファイバを設けた光路を介して当該受光器で受光されるようにすることを利用して実現する、組みとなる装置群
5) 前記第2の回路の非接触受電機能を包含する受電側装置に設ける一つあるいは複数の反射鏡で形成される光路の全部又は一部を、導光路を用いて形成する、前記4)に記載の組みとなる装置群
6) 前記第1の回路の前記近接センサと前記近接センサを作動させる前記物との組合せに加えて、前記送電側装置に光送出器を設け、又前記受電側装置に前記光送出器からの光を受光する受光器とその光路とを設け、前記近接センサと前記物とを組み合せ、その内の検出された組合せのパターン若しくは順序又はこれらの組合せによって、非接触給電の制御を行うことを特徴とする、前記3)に記載の組みとなる装置群
7) 非接触給電機能を包含する前記送電側装置の電力送出部と、非接触受電機能を包含する前記受電側装置の電力受入れ部それぞれに、電力送受用誘導コイルと同誘導コイルが巻回され且つコア両端開放されたC字状又はU字状のコアとを透磁性防水ケーシング封入するとともに、前記防水ケーシングを水に濡れる近接した前記相対的位置に設けるとともに、一方又は両方の前記防水ケーシングに封入された前記コアの端部からケーシング外側延長させて水に濡れる外コア部を設け、しかも前記防水ケーシングを近接させて前記相対的位置に固定されると前記外コア部が前記各防水ケーシング内のC字状又はU字状のコア端をつないで閉じたコアを形成して送電効率を高めるようにした、前記1)〜6)いずれか記載の組みとなる装置群
8) 前記受電側装置には接続された負荷に供給する電力の電圧に対応した周波数の光パルスを送出する機能を備え、前記送電側装置には送出された光パルスを受光する機能を備え、しかも受光した光パルスの単位時間あたりのパルス数によって送出する高周波電力の量をパルス数が多いと電力量を減らすように増減する負帰還制御部を備えて構成された受電電圧の安定制御回路を有し、前記安定制御回路によって前記受電側装置が負荷に送出する電力の電圧を一定(目標値)に保つことに特徴を持つ、前記1)〜7)いずれか記載の組みとなる装置群
9) 前記受電側装置には接続された負荷に供給する電力の電圧に対応した周波数の光パルスを送出する機能を備え、送電側装置には送出された光パルスを受光する機能を備え、しかも受光した光パルスの単位時間あたりのパルス数によって受電側装置の異常を検知し、異常であれば送電装置が送出する高周波電力をカットオフする機能を備えた受電側装置の異常対応回路を有する、前記1)〜8)いずれか記載の組みとなる装置群
にある。

0018

上記本発明の基本的な構成は、
給電側装置の送出部と受電側装置の受取り部などの対になる箇所同士を、簡単な機構で所定の位置に嵌合できる構造を持ち、
これら箇所同士が嵌合された時、それぞれの装置に内包される、非接触給電の送電機能部と受電機能部の空間伝送に係る部材間の相対的位置関係が、所定の状態に納まる装置の組合せであり、
さらには、嵌合状態にあることだけでなく嵌合状態で固定されたことを検出する機能と、固定状態を解放すること若しくは解放したことを検知して、電力の非接触伝送を制御する機能が合わさったものである。
更に、給電側装置内の誘導コイルのコアと受電側装置内の誘導コイルのコアが近接した位置で、近接した各装置内のコア間間隙を可及的に短くする外コアを配置することで給電効率を高める構造にある。
上記構成に加え、更なる課題を解決した基本的な構成は、
受電側装置には電圧周波数変換(V/f変換)機能と、その周波数に従ったパルス発光する部分を備え、
給電側装置には受光した光パルスを電気的なパルス信号に変換する機能と、その電気的なパルス信号の単位時間あたりのパルス数を利用して、送出する高周波電力の電力(電圧)を増減する負帰還制御部を備え、
これらの機能を統合することで、結果として、受電側装置が負荷に送出する電力の電圧を適正値(目標値)に保つものである。

発明の効果

0019

本発明によれば、海面や海中、あるいは水濡れが心配される場所において、非接触給電技術を用いて、簡便かつ確実に安定した電力の伝送をする方法やその装置の提供を可能にする。
特に非接触給電では、高周波電力を空間を介して送受することが多い。送電部と受電部とが嵌合する前に送電を始めたり、送電部と受電部とが意図せず離脱した時に即時に送電を停止しなければ、開放空間に不要な電磁放射まき散らすことになる。このような問題を解決できる効果もある。
又、送電部と受電部内にある対向する誘導コイルのコアの間の間隙を短くする外コアを配置することでコアを介しての給電効率を高くする。
特に非接触給電において、受電側装置に繋がる負荷がダイナミックに変動する場合であっても、その負荷に供給される電力の電圧が一定に保たれる効果がある。
また、負荷が最小の時、言い換えれば無負荷の時、何の対策こうじなければ、受電側装置からの出力電圧は極端に大きくなることが容易に推測できる。この場合であっても、本発明によって適正な電圧値に保たれることとなり、異常な高電圧を発生させないなどの効果もある。

図面の簡単な説明

0020

図1は本発明の基本構成を示す説明図である。
図2は本発明の実施例1に係る説明図である。
図3は本発明の実施例2に係る説明図である。
図4は本発明の実施例3に係る、1つ目の説明図である。
図5は本発明の実施例3に係る、2つ目の説明図である。
図6は本発明の実施例3に係る、3つ目の説明図である。
図7は実施例1〜3における誘導コイルのコアを相対的位置において閉じたコアにするコア構造を示す説明図である。
図8は実施例1〜3に設けた安定制御回路の回路例を示す回路図である。
図9は実施例1〜3に設けた異常対応回路の回路例を示す回路図である。

0021

本発明の相対的位置の検出機能としては、図2に示す第1回路の如く磁石と磁石で感応する近接スイッチとで検出する方法と、図3〜6に示すように発光器・受光器・光ファイバ・鏡等を用いる第2回路の方法があり、使用目的・環境に応じて適切なものを採用する。

0022

図を用いて、実施例などを説明する。

0023

まずは図1を用いて、本発明の基本構成について説明する。
図1中の凹型で囲まれた領域(主に左側)は給電側装置1を示し、同じく凸型で囲まれた領域(主に右側)は受電側装置2を示している。
給電側装置1は、整流回路10、電力制御回路11、誘導コイル12、伝送開始あるいは伝送停止の制御部13、固定あるいは解放の検出部14などを内包して構成される。左端に記載されている電気記号交流電圧源記号)は外部の電源15を表現している。又、Xは給電側装置1の電力送出部で、防水ケーシング42内にコア420とこれに巻回した誘導コイル12を封入している。
受電側装置2も同様に、誘導コイル20、整流回路21、固定あるいは解放の検出補助部22などを内包して構成される。右端に記載されている電気記号(Rz)は外部の負荷23を表現している。又、Yは受電側装置2の電力受入れ部で、防水ケーシング41内にコア410とこれに巻回した誘導コイル20を封入し、更にケーシング41の外側にコア410と連続した外部コア411を有している。
なお、これらの構成は、電気系の記述で良く用いられるブロック図であり、具体的な構成は様々である。従って、この記載内容に限定されるものではない。
また、図を分かりやすく記載しているため、凹と凸との嵌合部分は密接させていないが、実際の使用においては、適切な嵌合処理と締結処理がなされるものである。

0024

この図において、電力の伝送について説明すれば、以下のとおりである。
給電側装置1では、受け取った(送るべき)電力を整流し、一旦、直流とする。その上で、電力制御回路11において所望の高周波電力に変換する。この高周波電力は、誘導コイル12へと供給される仕組みである。なお、実際に高周波電力に変換して誘導コイル12に供給するか否かは、伝送開始あるいは伝送停止の制御部13で制御する。
伝送開始あるいは伝送停止の制御部13では、給電側装置1に内包する固定あるいは解放の検出部14と、相対する受電側装置2に内包する固定あるいは解放の検出補助部22との位置関係から発せられる情報の信号を受取り、給電側装置1と受電側装置2とが適切に嵌合および締結されている場合、電力伝送の開始を指示する信号を発する。
給電側装置1で電力伝送の開始を指示する信号が発せられた時、給電側装置1に内包される誘導コイル12と、受電側装置2に内包される誘導コイル20との位置関係は、適切なものとなっている。このため、給電側装置1に内包される誘導コイル12に供給された高周波電力は、受電側装置2に内包される誘導コイル20に対して相互誘導作用を成す。
受電側装置2では、相互誘導作用によって、誘導コイル20に誘導起電力が発生する。そして、負荷23(Rz)の影響を受けた所定の電流が流れることとなる。受電側装置2の整流回路21は、負荷23の種類や構成によって不要な場合もあるが、ここでは直流にしてから負荷に電力を供給する場合の図を示している。
また、給電側装置1に内包する固定あるいは解放の検出部14と、相対する受電側装置2に内包する固定あるいは解放の検出補助部22との位置関係から発せられる情報の信号を受けた伝送開始あるいは伝送停止の制御部13が、給電側装置1と受電側装置2の締結状態あるいは固定状態が解放されるあるいは解放されたと判断した場合、伝送開始あるいは伝送停止の制御部13から伝送停止を指示する信号が発せられる。このとき、直ちに電力の伝送が停止される。

0025

図7は実施例1〜3で共通のコア連接構造である。給電側装置1の防水ケーシング42内の電力送出部Xと受電側装置2の防水ケーシング41内の電力受入れ部Yの相対的位置の嵌合前と嵌合後のコアの接続状態を示す図面であり、電力送出部X内にはC字状のコア420とこれに巻回した誘導コイル12とが封入され、又電力受入れ部Y内にもC字状のコア410とこれに巻回した誘導コイル20が封入されている。又、防水ケーシング41内のコア410はケーシング外に突出した外部コア411を有している。電力送出部Xと電力受入れ部Yが相対的位置で嵌合すると、外部コア411がコア410,420との間の水中の間隙に入ってループしたコア路を形成し、電力伝達効率を高めている。

0026

以下、本発明の様々なバリエーションについて、実施例として説明する。

0027

(実施例1/図2参照)
図2は、本発明の特徴部分である給電側装置1と受電側装置2との嵌合状態と締結状態を検知して電力制御回路11の機能を制御する部分について、実施例の一つを示している。
図2中の主に左側の領域は給電側装置1を示し、同じく右側の領域は受電側装置2を示している。また、主に下側は側面からの模式図であり、上側は上面からの一部の模式図である。
なお、これらの構成は、電気的なブロック図や機構的な概略図で示してあり、実際の回路構成機械構成は様々である。あくまでも一つの実施例である。
この図で示している状態は、嵌合前の状態である。

0028

側面図上方にある留め具3は、抜差し蝶番等で構成してもよいが、引掛蝶番で例示している。また、固定あるいは解放の検出部14に用いる近接センサとしては、磁気リードスイッチなどと称される近接スイッチ16を、固定あるいは解放の検出補助部22には磁気リードスイッチの近接スイッチ16を作動させる磁石25が実装されている。
給電側装置1と受電側装置2とを嵌合状態にするためには、まず、留め具3の引掛蝶番の位置を整合させ、装置同士を密着させる。この状態で近接スイッチ16とこれに相対する磁石25とが正しい位置関係になり、近接スイッチ16が作動する。
次に側面図下方にある受電側装置2に取り付けた留め具3を給電側装置1の正しい位置に差し込んで固定することで、給電側装置1と受電側装置2との締結が行われると同時に、近接スイッチ17とこれに相対する磁石26とが正しい位置関係になり、近接スイッチ17が作動する。
伝送開始あるいは伝送停止の制御部13は、近接スイッチ16の作動に続き近接スイッチ17が作動したときのみ、電力制御回路11の機能を発揮させる給電状態にする。
一方、近接スイッチ16または近接スイッチ17のどちらかの作動が停止した時点で、伝送開始あるいは伝送停止の制御部13は、締結状態あるいは嵌合状態が解放されたあるいは解放されると判断し、電力制御回路11の機能を停止する。即ち、近接スイッチ16,17と磁石25,26とが第1機能と第2機能を有する例である。

0029

(実施例2/図3参照)
図3に示す実施例2は、固定あるいは解放の検出部14と固定あるいは解放の検出補助部22として実施例1の近接スイッチ16と磁石25及び近接スイッチ17と磁石26を使用した第1,2機能の第1の回路に代え、給電側装置1に光検出器18,発光器19を設け、受電側装置2に発光器19からの光を受光し、その終端で光検出器18に向けて受光した光を投光する光ファイバ27(鏡を使用した光路でも可能)を使用し、第2の機能は図2の実施例1と同様に近接スイッチ17と留め具3に取付けた磁石26を使用した例である。
図3中の主に左側の領域は給電側装置1を示し、同じく右側の領域は受電側装置2を示している。また、主に下側は側面からの模式図であり、上側は上面からの一部の模式図である。
なお、これらの構成は、電気的なブロック図や機構的な概略図で示してあり、実際の回路構成や機械構成は様々である。あくまでも一つの実施例である。

0030

この実施例2では、給電側装置1と受電側装置2とを嵌合状態にするためには、まず、この引掛蝶番の位置を整合させ、装置同士を密着させる。この状態で発光器19から送出された光が光ファイバ27を通り、光検出器18に到達する。この時、光の有無だけで嵌合状態にあることを検出しても良いし、外乱光で誤作動しないために、発光器19から特定の明滅パターンの光を送出し、その明滅パターンと同一のパターンの光検出が有った時のみ嵌合状態にあることを検出しても良い。
次に側面図下方にある受電側装置2に取り付けた留め具3を給電側装置1の正しい相対的位置に差し込んで固定することで、給電側装置1と受電側装置2との締結が行われると同時に、近接スイッチ17とこれに相対する磁石26とが正しい位置関係になり、近接スイッチ17が作動する。
伝送開始あるいは伝送停止の制御部13は、発光器19の光を受光した光検出器18からの受光信号と前記の近接スイッチ17からの嵌合信号を入力したときのみ、電力制御回路11の機能を発揮させる状態にする。
一方、光検出器18による嵌合状態検出の喪失または近接スイッチ17の作動停止のどちらかが発生した時点で、伝送開始あるいは伝送停止の制御部13は、締結状態あるいは嵌合状態が解放されたあるいは解放されると判断し、電力制御回路11の機能を停止する。

0031

(実施例3/図4〜6参照)
図4図5図6は、実施例3として、複数の近接スイッチ16と磁石26の組合せで第1,2機能を有する第2の回路で非接触給電の制御を行う事例を示している。
これらの図は、実施例1あるいは実施例2で説明した嵌合状態の検出部分特化して示されており、その外の構成要素はこの実施例の説明の本質ではないので省略している。
図4から図6までの左側に示されている給電側装置1の複数の近接スイッチ16は全て共通である。同じく図4から図6までの右側に示されている受電側装置2に内包する磁石25,26部分は、磁石aと磁石bの実装の有無と位置によって3パターンが存在する。
このとき、給電側装置1では、近接スイッチ1a(16)と近接スイッチ1b(16)の作動状況を検知することで、どの受電側装置2が嵌合されたかを識別することができる。
このことによって、給電側装置1の最大給電可能電力の大きさを制御するなど、の機能を盛り込むことが可能となる。

0032

(安定制御回路と異常対応回路)
図8,9を用いて、実施例1〜3における安定制御回路Aと異常対応回路Bの回路例を説明する。

0033

まずは図8,9を用いて、本発明の基本構成について説明する。
図8,9中の縦に描画された破線の左側の領域は給電側装置1を示し、右側の領域は受電側装置2を示している。
給電側装置1は、整流回路10、PFC回路101、電力制御回路11(高周波電力変換部)、誘導コイル12、負帰還制御部102、パルス検出器103、光検出器18(フォトダイオードなど)などを内包して構成される。左端に記載している電気記号(交流電圧源の記号)は外部の電源を表現している。
受電側装置2も同様に、誘導コイル20、整流回路21、電圧周波数変換部201(V/f変換器)、発光器202(発光ダイオードなど)などを内包して構成される。右端に記載されている電気記号(Rz)は外部の負荷を表現している。
なお、これらの構成は、電気系の記述で良く用いられるブロック図であり、具体的な構成は様々である。従って、この記載内容に限定されるものではない。

0034

また、図を分かりやすく記載しているため、図7の防水ケーシングや物理的な配置図などは記載していないが、給電側装置1に含まれる誘導コイル12,コア420と受電側装置2に含まれる誘導コイル20,コア410,外部コア411との位置関係は適切なものに保たれ、同時に、受電側装置2に内包される発光器202と給電側装置1に内包される受光器18との位置関係も適切なものに保たれているものとする。

0035

この図において、電力の伝送について説明すれば、以下のとおりである。
給電側装置1では、受け取った(送るべき)電力を整流し、一旦、直流とする。その上で、PFC回路101によって高周波電力変換部201に必要な電圧まで昇圧する。そして、高周波電力変換部201において所望の高周波電力に変換する。この高周波電力は、誘導コイル12へと供給される仕組みである。なお、PFC回路101による昇圧の程度は、負帰還制御部102からの制御量によって決定する。
受電側装置2では、相互誘導作用によって、誘導コイル20に誘導起電力が発生する。そして、負荷(Rz)の影響を受けた所定の電流が流れる、所定の電圧が発生することとなる。受電側装置2の整流回路21は、負荷の種類や構成によって不要な場合もあるが、ここでは直流にしてから負荷に電力を供給する場合の図を示している。
さらに、受電側装置2に内包される電圧周波数変換部201では、受電側装置2が負荷に送り出している電力の電圧に応じた周波数の信号を作り出す。そして、その周波数に一致したパルス信号によって、受電側装置2に含まれる発光器をパルス発光させる。
給電側装置1に内包される受光器18とパルス検出器103は、受けたパルス光を電気的なパルス信号に変換し、そのパルス周期パルス周波数を基に、受電側装置2が負荷(Rz)に送り出している電力の電圧を推定する。そして、推定した受電側装置2が負荷(Rz)に送り出している電力の電圧を適正値(目標値)に持って行くよう、PFC回路101の昇圧機能を働かせるのに適量の制御量を負帰還制御部102が算定して、その制御量を指示する。
これらの一連の機能によって、受電側装置2が負荷(Rz)に送り出している電力の電圧が一定に保たれる。

0036

以下、実施例を説明する。なお、実施例を説明するにあたり、局所的に具体的な数値や代数式を用いるが、これらの数値や代数式によって発明の内容が限定されるものではない。

0037

図8,9は、本発明の実施例の第2回路の安定制御回路Aと異常対応回路Bを示している。
基本的な作動内容は、前述の本発明の基本構成のとおりである。ここでは、電気回路等を構成するにあたり、ある程度具体的な値(数値)を加味して説明を加える。
まず、受電側装置2が負荷Rzに供給する電力の電圧(Vout)の定格値を直流E[V]とする。そして、電圧周波数変換部201(V/f変換)では、出力周波数f[Hz]として、
f=fo+a(Vout−E) (ただし、Vmin≦Vout≦Vmax のとき)
ここで、 Vout=Vminのとき f=fo+a(Vmin−E) を fmin とする。
Vout=Vmaxのとき f=fo+a(Vmax−E) を fmax とする。
を出力する。なお、
Vout<Vmin または Vout>Vmax のとき、 f=0
とする。また、fo は、出力電圧が定格値E[V]の時の周波数値である。
受電側装置2に内包される発光器202では、周波数fのパルス光を発する。なお、f=0の時は、発光を停止する。

実施例

0038

パルス光を受光した給電側装置1に内包される受光器18とパルス検出器103は、電気的なパルス信号に変換する。そしてカウンタ104では、その電気的なパルス信号を計数する。
負帰還制御部102は、一定周期でカウンタ104から計数値読み出し、同時に計数値を0リセットする。そして、この読み出した計数値を読み出しの周期で除すれば、一定周期間平滑化処理されたパルス光の周波数f’ を知ることができる。この周波数f’ がfo よりも小さければ、PFC回路101に伝達する制御量を現在値よりも段階的に増やし、周波数f’ がfo よりも大きければ、PFC回路101に伝達する制御量を現在値よりも段階的に減少させる。
この制御量によってPFC回路101の昇圧機能を制御することで、結果として、受電側装置2が負荷に送り出している電力の電圧が一定に保たれる。
また、給電側装置1が正常に起動したにも関わらず、規定の時間内に適正な周波数範囲の光パルス(fmin≦f≦fmax)が検出されない場合、受電側装置2が正常機能していない、あるいは受電側装置2に接続された負荷(Rz)に問題があると判断し、給電側装置1の作動を停止する。

0039

本発明は、海面や海中、あるいは水濡れのある環境において、さらには漏電防止防爆目的など、金属接点を用いたくない場面で利用する、電力を簡便に、かつ確実・安全に伝送する方法の提供、およびその装置の製造方法などとして、産業に寄与する。

0040

1給電側装置
10整流回路
11電力制御回路
12誘導コイル
13伝送開始あるいは伝送停止の制御部
14 固定あるいは解放の検出部
15 外部の電源
16,17近接スイッチ
18光検出器(受光器)
19発光器
101PFC回路
102負帰還制御部
103パルス検出器
104カウンタ
2受電側装置
20 誘導コイル
21 整流回路
22 固定あるいは解放の検出補助部
23負荷(Rz)
24近接センサ
25,26磁石
27光ファイバ
201電圧周波数変換部(高周波電力変換部:V/f変換)
202 発光器
3留め具
41,42防水ケーシング
410,420コア
411外部コア
A:安定制御回路
B:異常対応回路
X:電力送出部
Y:電力受入れ部

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