JP7741700B2 - 受電装置 - Google Patents

Description

本発明は受電装置に関わる。

負荷と電源とを直接接続することなく、電源が出力する電力を非接触で負荷に伝送する技術が開発されている。このような技術は、ワイヤレス給電と呼ばれており、無人搬送機などの給電に応用されている。無人搬送機を給電する場合、無人搬送機に搭載されているバッテリなどの直流負荷を給電することが多いため、従来のワイヤレス給電システムは、商用交流電源からの交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を送電していた。一方、無人搬送機に搭載されているバッテリなどの直流負荷に加えて、無人搬送機に搭載されているロボットアームなどの交流負荷にも給電する需要が増加している。このような交流負荷を給電するには、ワイヤレス給電システムの送電装置から送電される直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を受電装置に設ける必要がある。ところが、インバータ回路を受電装置に設けると、受電装置の重量増大、寸法拡大、及びコスト増大などの課題が生じる。このような課題を解決するため、特許文献１は、交流電力を送電できるワイヤレス給電システムを提案している。

特開２０１５－２１１５６５号公報

しかし、特許文献１に記載のワイヤレス給電システムでは、受電装置側に設けられているインバータ装置の出力電圧の正負の切り替えタイミングを、インバータ装置に入力される電流の値と閾値との比較により決定しているが、閾値が大きい場合には、インバータ装置の出力電圧の正負の切り替え時に大きな電流が残留し、電力損失やノイズの発生を招いてしまう。一方、閾値を小さくすると、温度安定性に優れた高精度の電流センサが必要となり、コストが高くなる。特に、インバータ装置に入力される電流が大きい場合には、広い電流範囲を高い精度で検出する必要があるため、ダイナミックレンジが広くなる。この結果、電流センサのコストが高くなってしまう。

そこで、本発明は、このような課題を解決し、インバータ装置の出力電圧の正負の切り替えタイミングを精度よくかつ低コストで決定できる受電装置を提案することを課題とする。

上述の課題を解決するため、本発明に関わる受電装置は、送電装置からワイヤレス受電した交流電力を交流負荷に供給する受電装置であって、送電装置により高周波信号に変換された交流電力を送電装置から電磁誘導により受電する受電コイルと、高周波信号を全波整流信号に整流する整流回路と、全波整流信号を交流信号に変換するとともに、交流信号を交流負荷に供給するインバータ回路と、全波整流信号の電圧から全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出する検出回路と、を備え、インバータ回路は、ゼロクロスポイント付近の検出結果に応じて全波整流信号を交流信号に変換する。斯かる構成によれば、電流センサを用いることなく、全波整流信号の電圧から全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出することができる。

検出回路は、全波整流信号の電圧に応じて発光制御される発光素子と、発光素子の発光状態に応じて通電状態が制御される受光素子とを備えてもよい。検出回路は、受光素子の通電状態がオンからオフに切り替わるタイミングでクロスポイントを検出してもよい。斯かる構成によれば、高精度かつ高コストの電流センサを用いることなく、全波整流信号のゼロクロスポイント付近を精度よく検出することができる。

受電装置は、例えば、無人搬送機などの移動体に搭載されてもよい。これにより、受電装置は、無人搬送機などの移動体に搭載されているロボットアームなどの交流負荷に交流信号を供給することができる。

本発明によれば、インバータ装置の出力電圧の正負の切り替えタイミングを精度よくかつ低コストで決定することができる。

本発明の第１の実施形態に関わるワイヤレス給電システムの構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に関わる送電装置の回路構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に関わる受電装置の回路構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に関わるインバータ回路及び受電制御回路の回路構成の一例を示す図である。態とスイッチング素子のオン／オフとの関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態に関わる駆動回路の回路構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に関わるワイヤレス給電システムを通じて商用交流電源からの電力を負荷に送電する過程におけるワイヤレス給電システムの各部の電圧信号を示す図である。 本発明の第１の実施形態に関わるワイヤレス給電システムを通じて商用交流電源からの電力を負荷に送電する過程におけるワイヤレス給電システムの各部の電圧信号を示す図である。 本発明の第１の実施形態に関わるワイヤレス給電システムを通じて商用交流電源からの電力を負荷に送電する過程におけるワイヤレス給電システムの各部の電圧信号を示す図である。 本発明の第１の実施形態に関わるワイヤレス給電システムを通じて商用交流電源からの電力を負荷に送電する過程におけるワイヤレス給電システムの各部の電圧信号を示す図である。 本発明の第１の実施形態に関わるワイヤレス給電システムを通じて商用交流電源からの電力を負荷に送電する過程におけるワイヤレス給電システムの各部の電圧信号を示す図である。 本発明の第１の実施形態に関わるワイヤレス給電システムを通じて商用交流電源からの電力を負荷に送電する過程におけるワイヤレス給電システムの各部の電圧信号を示す図である。 本発明の第１の実施形態に関わるワイヤレス給電システムを通じて商用交流電源からの電力を負荷に送電する過程におけるワイヤレス給電システムの各部の電圧信号を示す図である。 本発明の第２の実施形態に関わる受電装置の回路構成の一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の構成要素を示すものとし、重複する説明は省略する。

図１は本発明の第１の実施形態に関わるワイヤレス給電システム１０の構成の一例を示す説明図である。ワイヤレス給電システム１０は、商用交流電源５０からの電力を高周波信号に変換し、これをワイヤレス送電する送電装置２０と、送電装置２０からの高周波信号を電磁誘導により受電し、これを負荷４１に供給する受電装置３０とを備える。受電装置３０は、移動体４０に搭載されている。負荷４１は、移動体４０に搭載されているバッテリなどの直流負荷、又は移動体４０に搭載されているロボットアームなどの交流負荷である。移動体４０は、例えば、無人搬送機である。

図２は送電装置２０の回路構成の一例を示す説明図である。送電装置２０は、力率改善整流回路２１と、フィルタ回路２２と、インバータ回路２３と、送電コイル２４と、送電制御回路２５とを備える。送電制御回路２５は、力率改善整流回路２１及びインバータ回路２３のスイッチング動作を制御する。

力率改善整流回路２１は、整流回路２１１と、整流回路２１１の出力側に接続する昇圧チョッパ２１２とを備える。整流回路２１１は、ブリッジ接続された複数のダイオードＤ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８から構成される単相全波整流回路である。整流回路２１１は、商用交流電源５０からの交流信号を整流する。昇圧チョッパ２１２は、平滑用リアクトルＬ１，逆流防止ダイオードＤ９，及びスイッチング素子Ｔｒ５から構成される。昇圧チョッパ２１２は、平滑用リアクトルＬ１を流れる入力電流を電圧と同相の全波整流波形と同一に制御することにより、入力電流を電圧と同相の信号波形にする。

受電装置３０に接続する負荷４１が交流負荷である場合、力率改善整流回路２１は、商用交流電源５０から供給される交流信号を、一定のＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）幅でスイッチング素子Ｔｒ５をスイッチングすることにより、全波整流信号に変換する。このとき、一定のＰＷＭ幅の値は、受電装置３０から出力される交流電圧の大きさに応じて決定される。力率改善整流回路２１は、一定のＰＷＭ幅の値を別の一定の値に変更することにより、受電装置３０から出力される交流電圧の大きさを調整することができる。一方、受電装置３０に接続する負荷４１が直流負荷である場合、力率改善整流回路２１は、商用交流電源５０から供給される交流信号を、可変のＰＷＭ幅でスイッチング素子Ｔｒ５をスイッチングすることにより、直流信号に変換する。即ち、力率改善整流回路２１は、力率改善整流回路２１からの出力電圧が一定となるように、ＰＷＭ幅を可変制御する。

なお、スイッチング素子Ｔｒ５は、送電制御回路２５からの駆動信号に応答してスイッチング制御される。スイッチング素子Ｔｒ５のスイッチング周波数は、商用交流電源５０の周波数と同一である必要はなく、異なっていてもよい。

フィルタ回路２２は、キャパシタＣ１，Ｃ２及びリアクトルＬ２から構成されるπ型ＬＣフィルタである。力率改善整流回路２１からの出力信号（全波整流信号又は直流信号）には、力率改善整流回路２１のスイッチング素子Ｔｒ５のスイッチングに伴う高周波成分が重畳されている。フィルタ回路２２は、力率改善整流回路２１からの出力信号に重畳されている不要な高周波成分を除去する。

インバータ回路２３は、複数のスイッチング素子を備えている。インバータ回路２３は、フィルタ回路２２を通じて力率改善整流回路２１から出力される出力信号（全波整流信号又は直流信号）を入力し、インバータ回路２３内の各スイッチング素子のスイッチング制御により、この出力信号を正負に切り分けられた高周波信号に変換する。インバータ回路２３内の各スイッチング素子は、送電ユニット３０と受電ユニット４０との間で電磁誘導による電力のワイヤレス送電が行われるように、送電制御回路２５からの駆動信号に応答してスイッチング制御される。インバータ回路２３内の各スイッチング素子のスイッチング周波数は、力率改善整流回路２１内のスイッチング素子Ｔｒ５のスイッチング周波数と同一である必要はなく、異なっていてもよい。

送電コイル２４は、インバータ回路２３から出力される高周波信号を高周波磁束に変換する。これにより、送電コイル２４は、電磁誘導を通じて、高周波信号を受電装置３０にワイヤレス送電することができる。送電コイル２４は、例えば、コイル単体でもよく、或いはコイルとキャパシタとが直列接続されている直列共振回路でもよく、コイルとキャパシタとが並列接続されている並列共振回路でもよい。

図３は受電装置３０の回路構成の一例を示す説明図である。受電装置３０は、受電コイル３１と、整流回路３２と、フィルタ回路３３と、インバータ回路３４と、受電制御回路３５とを備える。受電制御回路３５は、インバータ回路３４のスイッチング動作を制御する。

受電コイル３１は、送電コイル２４からの高周波磁束を高周波信号に変換する。これにより、受電コイル３１は、電磁誘導を通じて、高周波信号を受電することができる。受電コイル３１は、例えば、コイル単体でもよく、或いはコイルとキャパシタとが直列接続されている直列共振回路でもよく、コイルとキャパシタとが並列接続されている並列共振回路でもよい。

整流回路３２は、ブリッジ接続された複数のダイオードＤ１０，Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３から構成される単相全波整流回路である。受電装置３０に接続する負荷４１が交流負荷である場合、整流回路３２は、受電コイル３１から出力される高周波信号を全波整流信号に整流する。受電装置３０に接続する負荷４１が直流負荷である場合、整流回路３２は、受電コイル３１から出力される高周波信号を直流信号に整流する。

フィルタ回路３３は、リアクトルＬ３及びキャパシタＣ３から構成されるＬＣフィルタである。インバータ回路２３から出力される高周波信号には、インバータ回路２３内のスイッチング素子のスイッチングに伴う高周波成分が重畳されており、整流回路３２から出力される信号（全波整流信号又は直流信号）にもこの高周波成分が重畳されている。フィルタ回路３３は、整流回路３２から出力される信号（全波整流信号又は直流信号）に重畳されている不要な高周波成分を除去する。

インバータ回路３４は、複数のスイッチング素子を備えている。受電装置３０に接続する負荷４１が交流負荷である場合、インバータ回路３４は、フィルタ回路３３を通じて整流回路３２から出力される全波整流信号の電圧がゼロになるタイミングで信号波形の正負が切り替わるように、インバータ回路３４内の各スイッチング素子を商用交流電源５０の周波数と同じ周波数でスイッチング制御することにより、全波整流信号を交流信号に変換し、この交流信号を負荷４１に供給する。受電装置３０に接続する負荷４１が直流負荷である場合、インバータ回路３４は、フィルタ回路３３を通じて整流回路３２から出力される直流信号を、インバータ回路３４内の複数のスイッチング素子のうち特定のスイッチング素子を常時オンにすることにより、そのまま負荷４１に供給する。なお、インバータ回路３４内の各スイッチング素子は、受電制御回路３５からの駆動信号に応答してスイッチング制御される。

図４はインバータ回路３４及び受電制御回路３５の回路構成の一例を示す説明図である。インバータ回路３４は、第１のレグ３４１と、第２のレグ３４２とを備える。第１のレグ３４１は、スイッチング素子Ｔｒ１及びこれに逆並列に接続されている帰還ダイオードＤ１から構成される上アームと、スイッチング素子Ｔｒ２及びこれに逆並列に接続されている帰還ダイオードＤ２から構成される下アームとが直列に接続されている。第２のレグ３４２は、スイッチング素子Ｔｒ３及びこれに逆並列に接続されている帰還ダイオードＤ３から構成される上アームと、スイッチング素子Ｔｒ４及びこれに逆並列に接続されている帰還ダイオードＤ４から構成される下アームとが直列に接続されている。

第１のレグ３４１の上アームと第２のレグ３４２の上アームとの接続点３４３、及び第１のレグ３４１の下アームと第２のレグ３４２の下アームとの接続点３４４は、それぞれ、インバータ回路３４の入力端子である。第１のレグ３４１の上アームと下アームとの接続点３４５、及び第２のレグ３４２の上アームと下アームとの接続点３４６は、それぞれ、インバータ回路３４の出力端子である。インバータ回路３４の出力端子は、負荷４１に接続している。

受電制御回路３５は、検出回路３５１と、駆動信号生成回路３５２と、駆動回路３５３とを備える。受電装置３０に接続する負荷４１が交流負荷である場合、インバータ回路３４には、フィルタ回路３３を通じて整流回路３２から全波整流信号が入力される。検出回路３５１は、この全波整流信号の電圧から全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出する。ここで、全波整流信号のゼロクロスポイントとは、全波整流信号の電圧値がゼロになるタイミング（時刻）を意味する。また、全波整流信号のゼロクロスポイント付近とは、全波整流信号の電圧値が閾値電圧未満（すなわち、ゼロ以上かつ閾値電圧未満）になるタイミング（時刻）を意味する。閾値電圧は、例えば、全波整流信号の最大値の数％（例えば、２～３％）程度でよい。

検出回路３５１は、インバータ回路３４の入力端子（接続点３４３，３４４）に印加される全波整流信号の電圧を分圧する抵抗Ｒ１，Ｒ２と、抵抗Ｒ１，Ｒ２により分圧された電圧に応じて発光制御される発光ダイオード（発光素子）Ｄ１４と、発光ダイオードＤ１４の発光状態に応じて通電状態が制御されるフォトトラジスタ（受光素子）Ｔｒ６を備える。発光ダイオードＤ１４のアノードには、抵抗Ｒ１，Ｒ２により分圧された電圧が印加される。発光ダイオードＤ１４のカソードは、グランドに接続している。フォトトラジスタＴｒ６のコレクタは、抵抗Ｒ３を通じて電源Ｖｃｃに接続している。フォトトラジスタＴｒ６のエミッタは、グランドに接続している。インバータ回路３４の入力端子（接続点３４３，３４４）に印加される全波整流信号のゼロクロスポイント付近では、発光ダイオードＤ１４のアノードに印加される電圧は、発光ダイオードＤ１４の発光状態がオンからオフになる程度にまで低下する。発光ダイオードＤ１４のアノードに印加される電圧の低下に伴い、発光ダイオードＤ１４の発光状態がオンからオフになると、フォトトラジスタＴｒ６の導通状態は、オンからオフに切り替わる。検出回路３５１は、フォトトラジスタＴｒ６の通電状態がオンからオフに切り替わるタイミングで全波整流信号のクロスポイントを検出する。フォトトラジスタＴｒ６の通電状態がオンからオフに切り替わると、検出回路３５１から駆動信号生成回路３５２に出力される検出信号ＤＥＴは、ローレベルからハイレベルに切り替わる。なお、フォトトラジスタＴｒ６の通電状態がオンである場合、検出信号ＤＥＴは、ローレベルにある。フォトトラジスタＴｒ６の通電状態がオフである場合、検出信号ＤＥＴは、ハイレベルにある。

駆動信号生成回路３５２は、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ４を駆動する駆動信号ＶＧ１４と、スイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ３を駆動する駆動信号ＶＧ２３とをそれぞれ検出信号ＤＥＴから生成する。駆動回路３５３は、スイッチング素子Ｔｒ１を駆動する駆動信号ＶＧ１と、スイッチング素子Ｔｒ４を駆動する駆動信号ＶＧ４とをそれぞれ駆動信号ＶＧ１４から生成するとともに、スイッチング素子Ｔｒ２を駆動する駆動信号ＶＧ２と、スイッチング素子Ｔｒ３を駆動する駆動信号ＶＧ３とをそれぞれ駆動信号ＶＧ２３から生成する。

図５は駆動回路３５３の回路構成の一例を示す図である。駆動回路３５３は、スイッチング素子Ｔｒ１の駆動信号ＶＧ１を生成する絶縁駆動回路３５３１と、スイッチング素子Ｔｒ２の駆動信号ＶＧ２を生成する絶縁駆動回路３５３２と、スイッチング素子Ｔｒ３の駆動信号ＶＧ３を生成する絶縁駆動回路３５３３と、スイッチング素子Ｔｒ４の駆動信号ＶＧ４を生成する絶縁駆動回路３５３４とを備える。

絶縁駆動回路３５３１は、抵抗Ｒ４を通じて入力される駆動信号ＶＧ１４の電圧により発光制御される発光ダイオード（発光素子）Ｄ１５と、発光ダイオードＤ１５の発光状態に応じて通電状態が制御されるフォトトラジスタ（受光素子）Ｔｒ１５を備える。発光ダイオードＤ１５のカソードは、グランドに接続している。フォトトラジスタＴｒ１５のコレクタは、電源Ｖｃｃに接続している。フォトトラジスタＴｒ１５のエミッタは、グランドに接続している。フォトトラジスタＴｒ１５のコレクタ電圧が抵抗Ｒ５，Ｒ６により分圧された電圧が駆動信号ＶＧ１として絶縁駆動回路３５３１からスイッチング素子Ｔｒ１のゲートに出力される。

絶縁駆動回路３５３２は、抵抗Ｒ７を通じて入力される駆動信号ＶＧ２３の電圧により発光制御される発光ダイオード（発光素子）Ｄ１６と、発光ダイオードＤ１６の発光状態に応じて通電状態が制御されるフォトトラジスタ（受光素子）Ｔｒ１６を備える。発光ダイオードＤ１６のカソードは、グランドに接続している。フォトトラジスタＴｒ１６のコレクタは、電源Ｖｃｃに接続している。フォトトラジスタＴｒ１６のエミッタは、グランドに接続している。フォトトラジスタＴｒ１６のコレクタ電圧が抵抗Ｒ８，Ｒ９により分圧された電圧が駆動信号ＶＧ２として絶縁駆動回路３５３２からスイッチング素子Ｔｒ２のゲートに出力される。

絶縁駆動回路３５３３は、抵抗Ｒ１０を通じて入力される駆動信号ＶＧ２３の電圧により発光制御される発光ダイオード（発光素子）Ｄ１７と、発光ダイオードＤ１７の発光状態に応じて通電状態が制御されるフォトトラジスタ（受光素子）Ｔｒ１７を備える。発光ダイオードＤ１７のカソードは、グランドに接続している。フォトトラジスタＴｒ１７のコレクタは、電源Ｖｃｃに接続している。フォトトラジスタＴｒ１７のエミッタは、グランドに接続している。フォトトラジスタＴｒ１７のコレクタ電圧が抵抗Ｒ１１，Ｒ１２により分圧された電圧が駆動信号ＶＧ３として絶縁駆動回路３５３３からスイッチング素子Ｔｒ３のゲートに出力される。

絶縁駆動回路３５３４は、抵抗Ｒ１３を通じて入力される駆動信号ＶＧ１４の電圧により発光制御される発光ダイオード（発光素子）Ｄ１８と、発光ダイオードＤ１８の発光状態に応じて通電状態が制御されるフォトトラジスタ（受光素子）Ｔｒ１８を備える。発光ダイオードＤ１８のカソードは、グランドに接続している。フォトトラジスタＴｒ１８のコレクタは、電源Ｖｃｃに接続している。フォトトラジスタＴｒ１８のエミッタは、グランドに接続している。フォトトラジスタＴｒ１８のコレクタ電圧が抵抗Ｒ１４，Ｒ１５により分圧された電圧が駆動信号ＶＧ４として絶縁駆動回路３５３４からスイッチング素子Ｔｒ４のゲートに出力される。

次に、負荷４１が交流負荷である場合に、ワイヤレス給電システム１０を通じて商用交流電源５０からの電力を負荷４１に送電する過程におけるワイヤレス給電システム１０の各部の電圧信号の遷移について、図８乃至図１１を参照しながら説明する。

図６において、符号９０１は、商用交流電源５０からの交流信号を整流回路２１１により全波整流することにより得られる電圧信号を示す。符号９０２は、力率改善整流回路２１からの出力信号に重畳されている不要な高周波成分をフィルタ回路２２により除去することにより得られる電圧信号を示す。符号９０３は、商用交流電源５０の半周期に相当する期間を示す。

図７において、符号１０１は、インバータ回路２３から出力される高周波信号の電圧波形を示す。符号１０２は、商用交流電源５０の半周期に相当する期間を示す。

図８において、符号１２１は、整流回路３２からの出力信号に重畳されている不要な高周波成分をフィルタ回路３３により除去することにより得られる電圧信号を示す。符号１２２は、商用交流電源５０の半周期に相当する期間を示す。

図９において、符号１３１は、インバータ回路３４から出力される交流信号の電圧波形を示す。符号１３２は、商用交流電源５０の一周期に相当する期間を示す。

次に、負荷４１が直流負荷である場合に、ワイヤレス給電システム１０を通じて商用交流電源５０からの電力を負荷４１に送電する過程におけるワイヤレス給電システム１０の各部の電圧信号の遷移について、図１２乃至図１４を参照しながら説明する。

図１０において、符号１４１は、商用交流電源５０からの交流信号の電圧波形を示す。符号１４２は、商用交流電源５０からの交流信号を整流回路２１１により全波整流することにより得られる電圧信号を示す。

図１１において、符号１５１は、力率改善整流回路２１から出力される電圧信号を示す。符号１５２は、力率改善整流回路２１からの出力信号に重畳されている不要な高周波成分をフィルタ回路２２により除去することにより得られる電圧信号を示す。

図１２において、符号１８１は、受電コイル３１から出力される高周波信号を整流回路３２により全波整流することにより得られる電圧信号を示す。符号１９１は、整流回路３２からの出力信号に重畳されている不要な高周波成分をフィルタ回路３３により除去することにより得られる電圧信号を示す。インバータ回路３４は、フィルタ回路３３を通じて整流回路３２から出力される直流信号を、インバータ回路３４内の複数のスイッチング素子のうち特定のスイッチング素子（例えば、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ４）を常時オンにすることにより、そのまま負荷４１に供給する。

なお、上述のスイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ５，Ｔｒ１５～Ｔｒ１８は、例えば、ＩＧＢＴ（InsulatedGateBipolarTransistor）、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタ（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）などの半導体スイッチである。

力率改善整流回路２１は、入力電源電圧よりも高い電圧を出力する昇圧チョッパ方式に限られるものではなく、例えば、入力電源電圧よりも低い電圧を出力する降圧コンバータ方式、又は入力電源電圧よりも高い電圧或いは低い電圧を出力する昇降圧コンバータ方式でもよい。力率改善整流回路２１は、整流回路２１１を備えるものに限られるものではなく、例えば、ブリッジレス方式でもよい。

力率改善整流回路２１のスイッチングノイズを除去する必要がない場合、フィルタ回路２２は、キャパシタのみでもよい。インバータ回路２３の回路構成として、例えば、フルブリッジ回路、ハーフブリッジ回路、Ｅ級インバータ、プッシュプル方式などを用いることができる。整流回路３２は、ダイオードブリッジ整流回路に限られるものではなく、スイッチング素子を用いた同期整流回路、或いはセンタータップを用いた整流回路でもよい。

全波整流信号の電圧から全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出する検出回路３５１は、上述のフォトカプラ方式に限られるものではなく、例えば、デジタルアイソレータを用いる方式、又は全波整流信号の電圧と基準電圧とを比較するコンパレータを用いる方式でもよい。

本発明の第１の実施形態によれば、負荷４１に応じて直流電力及び交流電力を選択的に送電することができる。また、本発明の第１の実施形態によれば、受電装置３０から出力される交流電圧の大きさを、力率改善整流回路２１のスイッチング制御により、任意に調整することができる。また、本発明の第１の実施形態によれば、インバータ装置３４の出力電圧の正負の切り替えタイミングを精度よくかつ低コストで決定することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に関わるワイヤレス給電システム１０について説明する。第２の実施形態に関わる送電装置２０の構成は、第１の実施形態に関わる送電装置２０の構成と同一であるため、以下の説明においては、第２の実施形態に関わる受電装置３０の構成と第１の実施形態に関わる受電装置３０の構成との相違点を中心に説明する。

図１３は本発明の第２の実施形態に関わる受電装置３０の回路構成の一例を示す説明図である。第２の実施形態に関わる受電装置３０は、受電コイル３１と、整流回路３２と、フィルタ回路３３と、インバータ回路３４と、受電制御回路３６と、スイッチＳＷ１とを備える。受電制御回路３６は、インバータ回路３４のスイッチング動作を制御する。

フィルタ回路３３は、リアクトルＬ３及びキャパシタＣ３から構成されるＬＣフィルタであり、整流回路３２から出力される信号（全波整流信号又は直流信号）に重畳されている不要な高周波成分を除去する。キャパシタＣ３には、放電経路３７が並列接続されている。放電経路３７は、キャパシタＣ３に充電されている電荷を放電させるための経路である。放電経路３７に沿って、抵抗Ｒ２１、及びスイッチＳＷ１が直列に接続されている。

受電制御回路３６は、検出回路３６１と、駆動信号生成回路３６２と、駆動回路３６３と、制御回路３６４とを備える。受電装置３０に接続する負荷４１が交流負荷である場合、インバータ回路３４には、フィルタ回路３３を通じて整流回路３２から全波整流信号が入力される。検出回路３６１は、この全波整流信号の電圧から全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出する。

検出回路３６１は、例えば、実施形態１に関わる検出回路３５１と同様の回路構成（発光ダイオードとフォトトラジスタとを用いて全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出する回路構成）を備えてもよく、或いは、マイクロコンピュータを用いて全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出する回路を備えてもよい。

検出回路３６１のマイクロコンピュータは、インバータ回路３４の入力端子（接続点３４３，３４４）に印加される全波整流信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル信号に変換された全波整流信号の電圧値を検出する。全波整流信号のサンプリング周期は、商用周波数よりも短い周期（例えば、１０ｋＨｚ）が望ましい。マクロコンピュータは、全波整流信号の電圧値が減少から増加に転じるポイントをゼロクロスポイントとして検出してもよい。マクロコンピュータは、全波整流信号の電圧値がその最低電圧よりも若干高い閾値電圧を下回るポイントを、全波整流信号の電圧値が減少から増加に転じるゼロクロスポイントとして検出してもよい。

マクロコンピュータは、ゼロクロスポイントを検出すると、ゲートパルス信号を出力する。商用周波数が５０Ｈｚの場合、ゲートパルス信号は、マイクロコンピュータから１０ｍｓ間隔で出力される。商用周波数が６０Ｈｚの場合、ゲートパルス信号は、マイクロコンピュータから８．３ｍｓ間隔で出力される。

駆動信号生成回路３６２は、インバータ回路３４のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ４を駆動する駆動信号ＶＧ１４と、インバータ回路３４のスイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ３を駆動する駆動信号ＶＧ２３とをそれぞれゲートパルス信号から生成する。駆動回路３６３は、スイッチング素子Ｔｒ１を駆動する駆動信号ＶＧ１と、スイッチング素子Ｔｒ４を駆動する駆動信号ＶＧ４とをそれぞれ駆動信号ＶＧ１４から生成するとともに、スイッチング素子Ｔｒ２を駆動する駆動信号ＶＧ２と、スイッチング素子Ｔｒ３を駆動する駆動信号ＶＧ３とをそれぞれ駆動信号ＶＧ２３から生成する。

制御回路３６４は、スイッチＳＷ１の導通（オン）及び遮断（オフ）を制御する。制御回路３６４は、放電経路３７を遮断させるときに、遮断信号をスイッチＳＷ１に送信する。スイッチＳＷ１は、制御回路３６４から遮断信号を受信していないときに、放電経路３７を導通させ、制御回路３６４から遮断信号を受信すると、放電経路３７を遮断する。スイッチＳＷ１は、例えば、遮断信号を受信していないときに、常時、オンになるように設計された半導体スイッチ（例えば、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタなど）である。

負荷４１への電力供給が開始される初期の段階では、スイッチＳＷ１は、制御回路３６４から遮断信号を受信していないため、放電経路３７を導通させている。キャパシタＣ３の充電電荷は、放電経路３７を通じて放電されるため、フィルタ回路３３を通過する全波整流信号は、キャパシタＣ３による平滑作用を受けずに、脈流信号としてインバータ回路３４に供給される。これにより、検出回路３６１は、全波整流信号の電圧から全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出することができる。

なお、負荷４１への電力供給が開始される初期の段階では、インバータ回路３４のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４は、全てオフの状態の状態にあり、受電コイル３１から見た負荷４１は、開放状態にあるものと考えられる。受電装置３０が放電経路３７を備えていない場合、整流回路３２から出力される全波整流信号がフィルタ回路３３を通過すると、キャパシタＣ３による平滑作用により、全波整流信号は、直流波形となってしまう。このような場合、検出回路３６１によるゼロクロスポイントの検出が困難になる。

制御回路３６４は、スイッチＳＷ１の下流に接続されている抵抗Ｒ２２を流れる電流を検出すると、遮断信号をスイッチＳＷ１に出力する。このような構成によれば、キャパシタＣ３に充電された電荷が放電経路３７を通じて放電する期間は、負荷４１への電力供給が開始された初期の僅かな期間のみとすることができるため、不要な電力損失を最小限に抑えることができる。

なお、上述の説明では、制御回路３６４が、放電経路３７上の抵抗Ｒ２２を流れる電流の検出に応答して、遮断信号を出力する例を示したが、例えば、制御回路３６４は、検出回路３６１によるゼロクロスポイントの検出に応答して、遮断信号を出力してもよく、或いは、放電経路３７上の抵抗Ｒ２２を流れる電流の検出と検出回路３６１によるゼロクロスポイントの検出との両方に応答して、遮断信号を出力してもよい。

検出回路３６１は、ゼロクロスポイントの検出の成否を示す信号を制御回路３６４に送信してもよい。制御回路３６４は、ゼロクロスポイントの検出が不可であることを示す信号を検出回路３６１から受信すると、スイッチＳＷ１への遮断信号の出力を停止する。これにより、スイッチＳＷ１は、遮断状態から導通状態へと変化し、キャパシタＣ３の充電電荷は、放電経路３７を通じて放電される。これにより、検出回路３６１は、全波整流信号の電圧から全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出することができる。

本発明の第２の実施形態によれば、キャパシタＣ３に無負荷直流電圧が供給されたままの状態を防止し、負荷４１への交流電力の供給が開始される初期の段階における検出回路３６１による全波整流信号のゼロクロスポイントの検出を可能にできる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更又は改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。すなわち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも、本発明の特徴を含む限り、本発明の範囲に包含される。

１０…ワイヤレス給電システム ２０…送電装置 ２１…力率改善整流回路 ２２…フィルタ回路 ２３…インバータ回路 ２４…送電コイル ２５…送電制御回路 ３０…受電装置 ３１…受電コイル ３２…整流回路 ３３…フィルタ回路 ３４…インバータ回路 ３６…受電制御回路 ３７…放電経路 ４０…移動体 ４１…負荷 ５０…商用交流電源

Claims (5)

1. 送電装置からワイヤレス受電した交流電力を交流負荷に供給する受電装置であって、
   前記送電装置により高周波信号に変換された前記交流電力を前記送電装置から電磁誘導により受電する受電コイルと、
   前記高周波信号を全波整流信号に整流する整流回路と、
   前記全波整流信号を交流信号に変換するとともに、前記交流信号を前記交流負荷に供給するインバータ回路と、
   前記全波整流信号の電圧から前記全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出する検出回路と、を備え、
   前記インバータ回路は、前記ゼロクロスポイント付近の検出結果に応じて前記全波整流信号を前記交流信号に変換し、
   前記受電装置は、
   前記全波整流信号に重畳されている不要な高周波成分を除去するフィルタ回路であって、リアクトル及びキャパシタを含む、フィルタ回路と、
   前記キャパシタに充電されている電荷を放電させる放電経路を導通又は遮断するスイッチであって、前記交流負荷への電力供給が開始される初期の段階で前記放電経路を導通させるスイッチと、
   を更に備える、受電装置。
2. 送電装置からワイヤレス受電した交流電力を交流負荷に供給する受電装置であって、
   前記送電装置により高周波信号に変換された前記交流電力を前記送電装置から電磁誘導により受電する受電コイルと、
   前記高周波信号を全波整流信号に整流する整流回路と、
   前記全波整流信号を交流信号に変換するとともに、前記交流信号を前記交流負荷に供給するインバータ回路と、
   前記全波整流信号の電圧から前記全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出する検出回路と、を備え、
   前記インバータ回路は、前記ゼロクロスポイント付近の検出結果に応じて前記全波整流信号を前記交流信号に変換し、
   前記受電装置は、
   前記検出回路は、前記全波整流信号の電圧に応じて発光制御される発光素子と、前記発光素子の発光状態に応じて通電状態が制御される受光素子とを備え、
   前記検出回路は、前記受光素子の通電状態がオンからオフに切り替わるタイミングで前記ゼロクロスポイントを検出する、受電装置。
3. 請求項１又は２に記載の受電装置であって、
   前記検出回路は、前記全波整流信号の電圧値が減少から増加に転じるポイントを前記ゼロクロスポイントとして検出するマイクロコンピュータを備える、受電装置。
4. 請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の受電装置であって、
   前記受電装置は、移動体に搭載されている、受電装置。
5. 請求項４に記載の受電装置であって、
   前記移動体は、無人搬送機である、受電装置。