JP2010284058A - 非接触電力伝送及び通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】 通信と非接触電力送受信が同時に実行可能であり、効率良く電力を送受信することができる非接触電力伝送及び通信システムを提供すること。
【解決手段】 電力送信側装置３１と電力受信側装置３２とからなり、電力送信側装置３１は、交流の磁界を発生させる第１のコイル１と、これを励磁するための電力送信回路と、電力送信回路に信号を重畳し、電力受信側装置３２からの信号を検出する為の信号送受信回路とで構成される。電力受信側装置３２は、第１のコイル１からの交流磁界を受ける第２のコイル７と、第２のコイル７で非接触受信を行った電力を二次電池２４に充電する為の電力受信回路と、電力受信側装置３２から電力送信側装置３１へ充電情報や非接触ＩＣカード情報等の情報を伝達する為の通信回路からなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二次電池を内蔵した携帯型電子機器や接触による給電が難しい環境下で用いられる電子機器に、電磁誘導により非接触で電力を送受信する機能を有する非接触電力伝送及び通信システムに関し、特に非接触で効率良く電力を送受信することができるようにした非接触電力伝送及び通信システムに関するものである。なお、本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置群全体を表わすものとする。

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、広く普及してきている。更に近年、携帯電子機器は多機能化及び高速処理化が図られ、それに伴い電子機器が必要とする電力量が増加傾向にある。しかし、一般に、携帯電子機器は、専用のアダプターを内蔵せず、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しなければならない。

一般に、携帯電子機器の二次電池への充電は、携帯電子機器の充電端子と充電台（クレードル）の充電端子を接触させ、電気的に接続し、充電台から電力を供給して内蔵する二次電池に充電する。

しかしながら、充電端子同士を接触して接続する充電方式では、充電端子の汚れや、充電端子間への異物侵入により充電ができない場合があり、最近は電磁誘導の原理を利用した非接触の電力供給事例、すなわち非接触電力伝送装置の需要が増加している。

非接触電力伝送の効率や安全性を確保する為、電力受信側の要求電力や異常時の電力送信停止等の情報を第１のコイル及び第２のコイル間で通信を行う必要が有る。電力伝送と通信を確実に行うには、それぞれ電力専用と通信専用のコイルを設けて実施する方法がある（例えば、特許文献１）。

一方、部品点数の削減及び構成の簡素化を考慮すると、通信用のコイルと非接触電力伝送用のコイルを共通化して使用することが開示されている（例えば、特許文献２）。この場合、通信と電力送信及び電力受信を同時に行うことも可能となる。

登録実用新案第３１０８０３４号公報 特開平１１−２７４９８９号公報

しかしながら、特許文献１のように、電力専用と通信専用のコイルを設けるようにした場合、製品のコストが高くなったり、サイズが大きくなってしまう問題があった。

また、特許文献２のように、通信用コイルと非接触伝送用コイルを共通にした場合、通信側の等価負荷抵抗（約１．８ｋΩ）と電力受信側の負荷抵抗（約数１０Ω）の数値が異なる為、通信検出を優先すると電力損失や電力効率が悪くなっていた。一方、電力伝送を優先すると、負荷変調に伴う電圧変調波形を検出することが難しくなる問題があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、通信と非接触送受信が同時に実行可能であり、効率良く電力を送受信することができる非接触電力伝送及び通信システムを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、通信用コイルと非接触電力送信コイル及び通信用コイルと非接触電力受信コイルをそれぞれ共通化することで、通信と非接触電力送受信が同時に実行可能な非接触電力伝送及び通信システムを実現したものである。

本発明によれば、分離可能な交流磁界を発生させる第１のコイル及び交流磁界を受ける第２のコイルを備え、前記第１のコイルと前記第２のコイルは磁界を介して互いに電磁結合しており、前記第１のコイルが前記第２のコイルへの非接触電力送信及びデータ通信を同一交流周波数で行う電力送信・通信装置と、前記第２のコイルが前記第１のコイルからの非接触電力受信及びデータ通信を同一交流周波数で行う電力受信・通信装置とからなり、前記電力受信・通信装置は、受信電力情報及び非接触ＩＣカード情報の送信を制御する第２の通信制御手段を備え、前記電力送信・通信装置は、前記第２のコイルから送信される受信電力情報に対し、前記第１のコイルから送信される非接触電力を制御するとともに、前記非接触ＩＣカード情報の通信を制御する第１の通信制御手段とを備えたことを特徴とする非接触電力伝送及び通信システムが得られる。

また、本発明によれば、前記第１の通信制御手段は、電力送信回路の回路動作電圧を変化させることにより、前記第１のコイルから送信される非接触電力を制御することを特徴とする上記の非接触電力伝送及び通信システムが得られる。

また、本発明によれば、前記第１の通信制御手段は、電力送信実行時間と電力送信非実行時間を一定周期時間で繰り返すことにより、前記第１のコイルから送信される非接触電力を制御することを特徴とする上記の非接触電力伝送及び通信システムが得られる。

また、本発明によれば、前記電力送信・通信装置は、前記第１のコイルの両端電圧振幅を送信データのデジタル信号の“０”及び“１”に同期して変化させる手段を有し、前記電力送信・通信装置から、前記電力受信・通信装置への通信を行うことを特徴とする上記の非接触電力伝送及び通信システムが得られる。

また、本発明によれば、前記第１のコイルの両端電圧振幅を送信データのデジタル信号の“０”及び“１”に同期して変化させる手段は、前記第１のコイルの両端に接続された電力スイッチング素子の導通を前記デジタル信号に同期させ、前記第１のコイルのインピーダンスを変化させることにより、前記第１のコイルの両端電圧振幅を変化させることを特徴とする上記の非接触電力伝送及び通信システムが得られる。

また、本発明によれば、前記第１のコイルの両端電圧振幅を送信データのデジタル信号の“０”及び“１”に同期して変化させる手段は、前記電力送信・通信装置の動作電圧を前記デジタル信号に同期させ、前記第１のコイルの両端電圧振幅を変化させることを特徴とする上記の非接触電力伝送及び通信システムが得られる。

また、本発明によれば、前記電力受信・通信装置は、前記第２のコイルの両端電圧振幅を送信データのデジタル信号の“０”及び“１”に同期して変化させる手段を有し、前記電力受信・通信装置から、前記電力送信・通信装置へ通信を行うことを特徴とする上記の非接触電力伝送及び通信システムが得られる。

また、本発明によれば、前記第２のコイルの両端電圧振幅を送信データのデジタル信号の“０”及び“１”に同期して変化させる手段は、電力受信回路の入力インピーダンスを前記デジタル信号に同期させて変化させることにより、第２のコイルの両端電圧振幅を変化させることを特徴とする上記の非接触電力伝送及び通信システムが得られる。

また、本発明によれば、上記の非接触電力伝送及び通信システムに用いられ、前記第１の通信制御手段を備えたことを特徴とする電力送信・通信装置が得られる。

また、本発明によれば、上記の非接触電力伝送及び通信システムに用いられ、前記第２の通信制御手段を備えたことを特徴とする電力受信・通信装置が得られる。

即ち、本発明による非接触電力伝送及び通信システムは、分離可能な交流磁界を発生させる第１のコイル及び交流磁界を受ける第２のコイルを備え、前記第１のコイルと前記第２のコイルは磁界を介して互いに電磁結合しており、前記第１のコイルは前記第２のコイルへの非接触電力送信及びデータ通信を同一交流周波数で行う電力送信・通信装置と、前記第２のコイルは前記第１のコイルからの非接触電力受信及びデータ通信を同一交流周波数で行う電力受信・通信装置とからなり、前記第２のコイルを備えた電力受信・通信装置は、受信電力情報及び非接触ＩＣカード情報の送信を制御する通信制御手段と、前記第１のコイルを備えた電力送信・通信装置は、前記第２のコイルから送信されてくる受信電力情報に対し、送信電力を制御する通信制御手段と非接触ＩＣカード情報の通信を制御する通信制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、前記送信電力を制御する手段として、電力送信回路の回路動作電圧を変化させるか又は電力送信時間を変化させることを特徴とする。

また、前記第１のコイルから第２のコイルへデータ通信を行う手段として、前記第１のコイルの両端電圧振幅を送信データのデジタル信号の“０”及び“１”に同期して変化させる手段を、前記第１のコイルを備えた電力送信・通信装置が持つことを特徴とする。

また、前記第２のコイルから第１のコイルへデータ通信を行う手段として、前記第２のコイルの両端電圧振幅を送信データのデジタル信号の“０”及び“１”に同期して変化させる手段を、前記第２のコイルを備えた電力受信・通信装置が持つことを特徴とする。

本発明による非接触電力伝送及び通信システムは、上記のように第１のコイルと第２のコイル間で非接触電力送受信と通信を行うことが可能で、通信データは電力波形に重畳する形式である。通信データは電力情報と非接触ＩＣカード情報の両方可能な形式であり、非接触電力送受信時は電力情報を、それ以外の場合は非接触ＩＣカードとしての利用が主となる。非接触電力送受信時は、前記通信データの電力情報を元に送信電力を制御し、より効率的な非接触電力送受信が可能となり、非接触で効率良く電力を送受信することができる。

本発明の非接触電力伝送及び通信システムにおける一実施の形態の基本構成を示すブロック図。 本発明の非接触電力伝送及び通信システムの電力送信及び通信時における通信データ波形及び通信変調波形を示す図。 本発明の非接触電力伝送及び通信システムの通信のみを実施する際の通信データ波形及び通信変調波形を示す図。

図１は、本発明の非接触電力伝送及び通信システムにおける一実施の形態の基本構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の非接触電力伝送及び通信システムは、非接触による、電力送信・通信装置としての電力送信側装置３１と、電力受信・通信装置としての電力受信側装置３２とからなっている。

電力送信側装置３１は、交流の磁界を発生させる第１のコイル１と、これを励磁するための電力送信回路と、電力送信回路に信号を重畳し、電力受信側装置３２からの信号を検出する為の信号送受信回路とからなり、電力送信回路は、第１のコイル１に直列接続されたコンデンサ２、インダクタ３、コンデンサ４及び電圧駆動型スイッチング半導体などの電力スイッチング素子５で構成され、インダクタ３は、電力スイッチング素子５と電力送信側電源６とに直列接続されている。又、信号送受信回路は、電力送信側信号送信変調用Ｌｏａｄスイッチ１４及び信号送受信制御回路１５で構成されている。

電力受信側装置３２は、第１のコイル１からの交流磁界を受ける第２のコイル７と、第２のコイル７で非接触受信を行った電力を二次電池２４に充電する為の電力受信回路と、電力受信側装置３２から電力送信側装置３１へ充電情報や非接触ＩＣカード情報等の情報を伝達する為の通信回路からなる。又、通信回路は、通信受信回路用直列抵抗８、通信受信回路用並列コンデンサ９、電力受信側信号送信変調用Ｌｏａｄスイッチ１６、信号受信回路１７、信号制御回路１８及び信号変調負荷抵抗制御回路１９で構成されている。又、電力受信回路は、整流回路用並列コンデンサ１０、整流回路用平滑コンデンサ１１、整流回路２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１、電池充電制御回路２２、電力充電回路負荷抵抗制御用Ｌｏａｄスイッチ２３及び二次電池２４で構成されている。

図２は、本発明の非接触電力伝送及び通信システムの電力送信及び通信時における通信データ波形及び通信変調波形を示す図であり、非接触電力送信と通信を同時に行っている場合の第１のコイル１の両端電圧波形及び通信データである。電力送受信及び通信を行っている状態では、第１のコイル１はコンデンサ２及びコンデンサ４で電圧共振回路が構成され、その共振周波数で電力スイッチング素子５をスイッチングさせている。

図１、図２に示すように、第１のコイル１の両端電圧波形に通信信号を重畳するために、通信データの“０”及び“１”に対応してＬｏａｄスイッチ１４をＯＮ／ＯＦＦさせる。Ｌｏａｄスイッチ１４はＧＮＤ電位に対しショート及びオープンを繰り返し行う動作である。通信データが“０”、すなわちＬｏａｄスイッチ１４がオープンの場合、電力送信の共振回路は第１のコイル１、コンデンサ２及びコンデンサ４で構成される。

一方、通信データが“１”すなわちＬｏａｄスイッチ１４がショートの場合、電力送信回路の共振回路は第１のコイル１及びコンデンサ４で構成される。

通信データ“０”の場合と“１”で共振回路が異なり、結果それぞれの共振周波数が異なる為、図２に示すように通信データ“０”及び“１”において、第１のコイル１の両端電圧に差が生じる。結果、通信データに応じ振幅を変える振幅変調を行っている。

非接触電力伝送を継続して行う場合は、データ通信が終了しても引き続き電力のスイッチング回路１２を動作させれば、電力伝送が継続される。

図３は、本発明の非接触電力伝送及び通信システムの通信のみを実施する際の通信データ波形及び通信変調波形を示す図であり、通信のみを行っている場合の第１のコイル１の両端電圧波形及び通信データである。非接触電力送信と通信を同時に行っている場合と同様に、第１のコイル１はコンデンサ２及びコンデンサ４で電圧共振回路が構成され、その共振周波数で電力スイッチング素子５をスイッチングさせている。

第１のコイル１の両端電圧波形に通信信号を重畳するために、非接触電力送信と通信を同時に行っている場合と同様に、通信データの“０”及び“１”に対応してＬｏａｄスイッチ１４をＯＮ／ＯＦＦさせる。Ｌｏａｄスイッチ１４はＧＮＤ電位に対しショート及びオープンを繰り返し行う動作である。通信データが“０”、すなわちＬｏａｄスイッチ１４がオープンの場合、電力送信の共振回路は第１のコイル１、コンデンサ２及びコンデンサ４で構成される。

一方、通信データが“１”すなわちＬｏａｄスイッチ１４がショートの場合、電力送信回路の共振回路は第１のコイル１及びコンデンサ４で構成される。

通信データ“０”の場合と“１”で共振回路が異なり、結果それぞれの共振周波数が異なる為、図２に示すように通信データ“０”及び“１”において、第１のコイル１の両端電圧に差が生じる。その結果、通信データに応じ振幅を変える振幅変調を行っている。

通信のみの場合は、データ通信の終了と同時にスイッチング回路１２の動作を停止することにより、第１のコイルの励磁を停止する。

電力受信側装置３２は、第１のコイル１の交流磁界を第２のコイル７で受け、電力受信回路と通信回路に分岐する。交流磁界にデータが変調されている場合は、そのデータを信号受信回路１７及び信号制御回路１８で復調し、通信データを処理すると同時に電力受信回路で電力を充電する。

交流磁界がデータ通信のみの場合は、そのデータを信号受信回路１７及び信号制御回路１８で復調する。電力受信回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１及び電池充電制御回路２２が停止状態にすることにより二次電池２４への充電を行わないようにする。

電力受信側装置３２から電力送信側装置３１へデータ通信を行う為には、図２及び図３と同様に第１のコイル１の両端電圧が電力受信側装置３２からのデータによって変調を受ける構成にする必要があり、変調を行う手段としてＬｏａｄスイッチ１６及びＬｏａｄスイッチ２３を用いる。

非接触電力送信を行っている状態で、電力受信側装置３２のＬｏａｄスイッチ１６及びＬｏａｄスイッチ２３をＯＮ／ＯＦＦさせる、すなわち電力受信側装置の負荷抵抗ないし負荷インピーダンスを変化させると、電力受信側装置の負荷変動と同期して電力送信側装置の非接触送信電力が変化し、第１のコイル１の両端電圧が変化する。

非接触電力送信を行っている状態でＬｏａｄスイッチ１６のみをＯＮ／ＯＦＦさせる場合、Ｌｏａｄスイッチ１６がＧＮＤに対するショート及びオープンの場合は問題が無いが、非接触ＩＣカードと同様に等価負荷抵抗を変化させる場合（例えば約１．８ｋΩ→約１ｋΩ）。電力受信側装置の等価抵抗に比べ（例えば５Ｖ／０．１Ａ出力の場合、等価抵抗５０Ω）桁違いに大きく、その結果電力受信側装置の負荷抵抗が殆ど変化せずに、データ変調を掛けることができない。

その為、電力受信回路の等価負荷抵抗も変える必要が有り、非接触電力送信を行っている状態で電力受信側装置３２から電力送信側装置３１へデータ通信を行う為にはＬｏａｄスイッチ２３によって電力受信回路の等価負荷抵抗もＬｏａｄスイッチ１６と同期して変える構成とする。

その結果、図２と同様に通信データと同期した振幅変調が生じ、電力送信側装置３１の信号送受信制御回路１５で復調及びデータ処理を行うことにより、電力受信側装置３２から電力送信側装置３１へのデータ送信が可能となる。

データ通信のみの場合も同様で、電力送信側装置３１からデータ通信が行われている期間中に電力受信側装置３２のＬｏａｄスイッチ１６及びＬｏａｄスイッチ２３をＯＮ／ＯＦＦさせる、すなわち電力受信側装置の負荷抵抗ないし負荷インピーダンスを変化させることにより電力受信側装置３２から電力送信側装置３１へのデータ送信が可能となる。但し、データ通信のみの場合は電力受信を行っていない状態であり、すなわち電力受信回路の負荷抵抗が大きい状態の為、Ｌｏａｄスイッチ１６のみ動作でもデータ通信は可能である。

通信するデータの内容であるが、非接触電力伝送を安定して動作させるための情報、例えば電力受信側装置の充電状態や充電状況は勿論であるが、この構成の場合は非接触電力伝送を行いながら非接触ＩＣカード等の情報をやり取りすることも可能である。

又、本発明のシステムにおいては、データ通信を行っている最中も第１のコイル１から第２のコイル７への非接触電力伝送が可能であり、電力受信側装置３２の二次電池２４の充電時間を、データ通信と電力伝送を時分割で行う方法に比べ短縮することが可能である。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態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において種々の変更が可能である。

以上においては、本発明を非接触電力伝送と二次電池を有する携帯端末とから構成されるシステムに適用した実施の形態について説明したが、本発明は、磁界を発生するコイルを備えたリーダライタ機能を有する通信装置と、磁界を電流に変換するコイルと充電可能なバッテリとを備えたデジタルカメラや携帯型音楽プレーヤなどの通信端末または非接触ＩＣカードとから構成される通信システムなどに適用することができる。

１ 第１のコイル
２、４ コンデンサ
３ インダクタ
５ 電力スイッチング素子
６ 電力送信側電源
７ 第２のコイル
８ 通信受信回路用直列抵抗
９ 通信受信回路用並列コンデンサ
１０ 整流回路用並列コンデンサ
１１ 整流回路用平滑コンデンサ
１２ スイッチング回路
１３ 電力制御回路
１４ （電力送信側信号送信変調用）Ｌｏａｄスイッチ
１５ 信号送受信制御回路
１６ （電力受信側信号送信変調用）Ｌｏａｄスイッチ
１７ 信号受信回路
１８ 信号制御回路
１９ 信号変調負荷抵抗制御回路
２０ 整流回路
２１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２ 電池充電制御回路
２３ （電力充電回路負荷抵抗制御用）Ｌｏａｄスイッチ
２４ 二次電池
３１ 電力送信側装置
３２ 電力受信側装置

Claims (10)

1. 分離可能な交流磁界を発生させる第１のコイル及び交流磁界を受ける第２のコイルを備え、前記第１のコイルと前記第２のコイルは磁界を介して互いに電磁結合しており、前記第１のコイルが前記第２のコイルへの非接触電力送信及びデータ通信を同一交流周波数で行う電力送信・通信装置と、前記第２のコイルが前記第１のコイルからの非接触電力受信及びデータ通信を同一交流周波数で行う電力受信・通信装置とからなり、前記電力受信・通信装置は、受信電力情報及び非接触ＩＣカード情報の送信を制御する第２の通信制御手段を備え、前記電力送信・通信装置は、前記第２のコイルから送信される受信電力情報に対し、前記第１のコイルから送信される非接触電力を制御するとともに、前記非接触ＩＣカード情報の通信を制御する第１の通信制御手段とを備えたことを特徴とする非接触電力伝送及び通信システム。
2. 前記第１の通信制御手段は、電力送信回路の回路動作電圧を変化させることにより、前記第１のコイルから送信される非接触電力を制御することを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送及び通信システム。
3. 前記第１の通信制御手段は、電力送信実行時間と電力送信非実行時間を一定周期時間で繰り返すことにより、前記第１のコイルから送信される非接触電力を制御することを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送及び通信システム。
4. 前記電力送信・通信装置は、前記第１のコイルの両端電圧振幅を送信データのデジタル信号の“０”及び“１”に同期して変化させる手段を有し、前記電力送信・通信装置から、前記電力受信・通信装置への通信を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の非接触電力伝送及び通信システム。
5. 前記第１のコイルの両端電圧振幅を送信データのデジタル信号の“０”及び“１”に同期して変化させる手段は、前記第１のコイルの両端に接続された電力スイッチング素子の導通を前記デジタル信号に同期させ、前記第１のコイルのインピーダンスを変化させることにより、前記第１のコイルの両端電圧振幅を変化させることを特徴とする請求項４記載の非接触電力伝送及び通信システム。
6. 前記第１のコイルの両端電圧振幅を送信データのデジタル信号の“０”及び“１”に同期して変化させる手段は、前記電力送信・通信装置の動作電圧を前記デジタル信号に同期させ、前記第１のコイルの両端電圧振幅を変化させることを特徴とする請求項４又は５記載の非接触電力伝送及び通信システム。
7. 前記電力受信・通信装置は、前記第２のコイルの両端電圧振幅を送信データのデジタル信号の“０”及び“１”に同期して変化させる手段を有し、前記電力受信・通信装置から、前記電力送信・通信装置へ通信を行うことを特徴とする請求項１、４〜６のいずれかに記載の非接触電力伝送及び通信システム。
8. 前記第２のコイルの両端電圧振幅を送信データのデジタル信号の“０”及び“１”に同期して変化させる手段は、電力受信回路の入力インピーダンスを前記デジタル信号に同期させて変化させることにより、第２のコイルの両端電圧振幅を変化させることを特徴とする請求項７記載の非接触電力伝送及び通信システム。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の非接触電力伝送及び通信システムに用いられ、前記第１の通信制御手段を備えたことを特徴とする電力送信・通信装置。
10. 請求項１〜８のいずれかに記載の非接触電力伝送及び通信システムに用いられ、前記第２の通信制御手段を備えたことを特徴とする電力受信・通信装置。

Images