JP2011024360A - Ｕｓｂデバイス用の電力伝送及びデータ伝送方法ならびにその装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＵＳＢインターフェースを用いたＵＳＢデバイスに電力と情報(データ)とを無接点で同時に伝達することができる電力伝送及びデータ伝送方法ならびにその装置を提供する。
【解決手段】平面に巻回したコイル２とそのコイルの裏面に配置した磁気シールド体３とで構成した電力伝送用コイル４と、平面に巻回したコイル５とそのコイルの裏面に配置した磁気シールド体６とで構成した情報伝送用コイル７とを有し、情報伝送用コイルのコイル径と電力伝送用コイルのコイル径とを異ならせ、情報伝送用コイルと電力伝送用コイルとを積層配置したコイルユニット１を一対磁気的に結合させ、ＵＳＢ対応機器に電力伝送しつつデータ伝送するように構成してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば携帯電話やＰＤＡ等の携帯用小型電子機器を始めとするＵＳＢインターフェースを用いたＵＳＢデバイスでの電力伝送及びデータ伝送に使用される方法ならびに装置に関し、特に、コイルを平面的に巻回させている平面コイルを使用する非接触の電力伝送及びデータ伝送の技術に関する。
ＵＳＢインターフェースを用いたＵＳＢ機器(ＵＳＢデバイス)において、ＵＳＢ１.１やＵＳＢ２.０は、５Ｖ電源とＧＮＤ、Ｄ+とＤ-の情報線が規格で定められており、双方を非接触化することが困難であった。
近年、ＵＷＢ(超広帯域無線)などの無線化が進められているものの、電力の無線化は原理上不可能であることから、電力と情報とを同時に非接触で伝送し、かつＵＳＢインターフェースに準拠した形の装置は製造が困難であった。
一方、電力伝送を非接触(無接点)で行う無接点電力伝送システム(特許文献１)や、データ伝送を非接触(無接点)で行うデータ搬送回路(特許文献２)が提案されている。
これら従来の無接点電力伝送システムやデータ搬送回路では、一対のコイルを対向配置し、この一対のコイル間での電磁誘導により、二次側機器で電力供給したり、データ送受信を行うようにしたりしている。
特開２００６−２３００３２号公報 特開２００６−１５７２３０号公報
一般に、特許文献１のようなシステムに於いては、電力伝送用コイル(51)は送電・受電コイルの外側にシールドを置く構造がとられており、そのときの磁束(Ｍ)は図５Ａのようにシールド外部に漏れることなくコイル表面に対して平行に発生する。
そして、情報伝送用コイル(52)と、電力伝送用コイル(51)との位置関係について、図５Ｂに示すように同心円上に配置する形態が考えられるが、このように配置した場合、電力伝送用コイル(51)の発生する磁束密度が高く、さらに情報伝送用コイル(52)も図５Ｃに示すよう発生した磁束(Ｍ)を最適な方向で受ける位置関係にあることから、大きな起電力(Ｆ)が発生し、本来目的である情報伝送の送受信信号に対する影響が高くなって十分なＳＮ比を取れない。このため、情報の伝送には不向きである。また、この位置関係では、情報伝送用コイルの信号すなわち、磁束(Ｍ)が電力伝送用コイル(51)の起電力となり、エネルギーの大半が吸収されて、損失が大きくなり、実用的ではない。
前記したように従来の無接触型の電力伝送システムやデータ搬送回路は、それぞれ一対のコイル間に生じる電磁誘導で電力あるいは情報を個別に伝達することはできるが、情報と電力とを同時に伝達することはできず、また、情報と電力を同時に伝達しようとする技術思想もなかった。
本発明は、このような点に着目して、ＵＳＢインターフェースを用いたＵＳＢデバイスに電力と情報(データ)とを無接点で同時に伝達することができる電力伝送及びデータ伝送方法ならびにその装置を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために本発明は、平面に巻回したコイルとそのコイルの裏面に配置した磁気シールド体とで構成した電力伝送用コイルと、平面に巻回したコイルとそのコイルの裏面に配置した磁気シールド体とで構成した情報伝送用コイルとを有し、情報伝送用コイルのコイル径を電力伝送用コイルのコイル径に比して小径に形成し、情報伝送用コイルと電力伝送用コイルとを情報伝送用コイルが電力伝送用コイルのコイル外周部分に位置する状態に積層配置したコイルユニットを一対磁気的に結合させ、ＵＳＢデバイスに電力伝送しつつデータ伝送するように構成したことを特徴としている。
本発明では、情報伝送用コイルのコイル径を電力伝送用コイルのコイル径に比して小径に形成し、情報伝送用コイルと電力伝送用コイルとを情報伝送用コイルが電力伝送用コイルのコイル外周部分に位置する状態に積層配置することで磁界を重畳させてあるので、電力伝送用コイルの磁束の方向が情報伝送用コイルを貫通するものの、電気的に相殺される位置関係となるため、実質的に起電力は殆ど発生しない。さらに、情報伝送用コイルが発生する磁束も電力伝送用コイルに吸収されにくい方向となるため、損失が低減できる。それらの結果として、情報伝送の信号が損なわれることなく、小さな電力で情報の伝達が可能となる。 これにより、電力伝送の効率を損なうことなく、さらに、情報伝達のスループツト、品質も損なうことなく、高速のデータ伝送を行うことができる。
さらにＵＳＢの信号はＤ+とＤ-とで構成されるがこれらは殆どの領域は差動で動作するため、差動部分は一対のコイルで受信側の信号を反転することにより、Ｄ+とＤ-を生成することができる。
また、パケットの終了を表す領域のみＤ+とＤ-は同相となるが一対のコイルで予め決められたパターンの信号を伝送することにより、同相の部分の伝送も可能となる。この同相の部分に対する対応として、同相部分の領域のみの信号を伝えるためもう一対のコイルを提供する用にしてもよい。
コイルユニットの一実施態様を示す分解斜視図である。 コイルユニットの異なる実施態様を示す分解斜視図である。 本発明の使用例を示す斜視図である。 電力伝送用コイルと情報伝送用コイルの配置による情報伝送用コイルの起電力を示すグラフである。 電力伝送用コイルと情報伝送用コイルでの磁束方向を示す図である。
このコイルユニット(１)は、平面的に巻回したコイル(２)の裏面側に方形の磁気シールド体(３)を配置してなる電力伝送用コイル(４)の上面部分に、平面的に巻回したコイル(５)の裏面側に方形の磁気シールド体(６)を配置してなる情報伝送用コイル(７)を積層配置することで構成してある。
情報伝送用コイル(７)のコイル径(ｄ)は電力伝送用コイル(４)のコイル径(Ｄ)よりも小径に形成してあり、情報伝送用コイル(７)は電力伝送用コイル(４)の外周寄り部分に配置されている。
このように構成した一対のコイルユニット(１)を対向配置し、一方を一次側コイル(送電側コイル)、他方を二次側コイル(受電側コイル)とし、両コイル間に電磁誘導を生じさせることで、一次側コイルに送給された電力および情報を二次側コイルに伝送するようにしている。
この電力伝送用コイル(４)および情報伝送用コイル(７)は、積層プリント基板にプリント配線されたものであっても、単芯のリード線を渦巻き状に巻回形成したものでも、リッツ線を渦巻き状に巻回形成したものであってもよい。
図２に示すものは、コイルユニット(１)を構成している電力伝送用コイル(４)および情報伝送用コイル(７)のコイル (２)(５)をそれぞれ略方形となるように平面的に巻回した点が、前述の実施形態とは相違しているだけで、その他の構成は同様にしてある。
図３は、本発明を適用した使用例を示すもので、コンピュータ(10)とＵＳＢデバイスの一例として示した携帯電話(11)とを接続する場合を示す。この場合、携帯電話(11)側に二次側コイルとなるコイルユニットを組み込むとともに、コンピュータ(10)にＵＳＢケーブル(12)で接続されているデバイスホルダー(13)に一次側コイルとなるコイルユニットを組み込んである。
この場合、デバイスホルダー(13)では、ＵＳＢホストコントローラとなるコンピュータ(10)からの給電ラインから供給された電力を、一次側コイルの電力伝送用コイル(４)に送電側回路に介して供給するとともに、一次側コイルの情報伝送用コイル(７)とコンピュータ(10)とを情報伝送用回路を介して接続している。
一方、携帯電話(ＵＳＢデバイス)(11)に組み込まれた二次側コイルの電力伝送用コイル(４)は携帯電話(ＵＳＢデバイス)(11)の電源に、二次側コイルの情報伝送用コイル(７)は情報伝送用回路に接続され、Ｄ+とＤ-の信号が伝達されるようになっている。
デバイスホルダー(13)に携帯電話(ＵＳＢデバイス)(11)が置かれていない状態では、１０ｍＷ以下と電力は殆ど消費されず、ＵＳＢもリセット状態となる。次に、デバイスホルダー(13)に携帯電話(ＵＳＢデバイス)(11)が置かれると、電力電送コイル(４)の送電側回路に組み込まれているＩＤ認証機能により、電力が送電され始め、受電側コイル(１)の情報伝達回路に電源が供給されると、ＵＳＢのリセットが解かれ、通信を開始する。このため、ＵＳＢホストコントローラ側のコンピュータ(10)から見れば、通常の外部メモリーをＵＳＢに接続したのと同等の機能を果たし、ＭＰ３プレイヤーも充電される。
このように、情報伝送用コイル(７)と電力伝送用コイル(４)とを積層配置したコイルユニット(１)を使用することで、ＵＳＢホストコントローラとＵＳＢデバイスとを接続するＵＳＢケーブルの代替というだけでなく、ＵＳＢデバイス(機器)側の接続コネクタを全て廃止することができ、防水・防塵性を更に高め、更に、ＵＳＢデバイス(機器)の充電器を共通化させることができ、ＵＳＢデバイス(機器)側にＵＳＢコネクタを挿す行為から、ＵＳＢデバイス(機器)をデバイスホルダー(13)に置くという行為に変わることによって、利便性も高まる。
電力伝送用コイル(４)として直径４５mmの円形コイル、情報伝送用コイル(７)として直径１５mmの円形コイルを使用し、図５Ｂに示す電力伝送用コイル(51)と情報伝送用コイル(52)とを同心上に配置した場合と、 図１に示す電力伝送用コイル(４)の外周部分に情報伝送用コイル(７)を配置した場合とで情報伝送用コイル(７)(52)に発生する起電力を測定したところ、電力伝送用コイル(４)(51)と情報伝送用コイル(７)(52)とを同心上に配置した場合の起電力が３０ｍＶであったのに対し、電力伝送用コイル(４)(51)の外周部分に情報伝送用コイル(７)(52)を配置した場合の起電力は１ｍＶであった。さらに、電力伝送用コイル(４)(51)の外周部分に情報伝送用コイル(７)(52)の中心を配置すると、０.００１ｍＶまで低減する。
このことから、情報伝送用コイル(７)(52)の位置は反対方向の磁束がかからない位置が望ましく、電力伝送用コイル(４)(51)の中心から情報伝送用コイル(７)(52)の外周辺が離れているほど影響を受けにくいことがわかるが、投影面を考え、部品面積の観点から、実用的な位置は、 両方のコイルの外周辺を重ねる位置がよいと考えられる。そして、両コイルの外周辺を重ねた位置で、起電力は十分おさえられ、情報伝達に適した位置となる。
上述の実施形態は、磁気シールド材を正方形で構成したものについて説明したが、シールド材は、二次側となるＵＳＢデバイスの形状に合わせた長方形状のものであってもよく、その場合には、コイルの形状も長方形状あるいは長円状にすればよい。また、コイルの形状は磁気シールド体の形状に合わせた形状に形成したものでよく、例えば、ひし形でも多角形でも、また、円形あるいは楕円形であってもよい。
１…コイルユニット、２…電力伝送用コイルのコイル、３…電力伝送用コイルの磁気シールド体、４…電力伝送用コイル、５…情報伝送用コイルのコイル、６…情報伝送用コイルの磁気シールド体、７…情報伝送用コイル、10…コンピュータ、11…携帯電話(ＵＳＢデバイス)、12…ＵＳＢケーブル、13…デバイスホルダー。

Claims (2)

  1. 平面に巻回したコイル(２)とそのコイル(２)の裏面に配置した磁気シールド体(３)とで構成した電力伝送用コイル(４)と、平面に巻回したコイル(５)とそのコイル(５)の裏面に配置した磁気シールド体(６)とで構成した情報伝送用コイル(７)とを有し、情報伝送用コイル(７)のコイル径を電力伝送用コイル(４)のコイル径に比して小径に形成し、情報伝送用コイル(７)と電力伝送用コイル(４)とを情報伝送用コイル(７)が電力伝送用コイル(４)のコイル外周部分に位置する状態に積層配置したコイルユニット(１)を一対磁気的に結合させ、ＵＳＢデバイスに電力伝送しつつデータ伝送するように構成してある特徴とするＵＳＢデバイス用の電力伝送及びデータ伝送方法。
  2. 平面に巻回したコイル(２)とそのコイル(２)の裏面に配置した磁気シールド体(３)とで構成した電力伝送用コイル(４)と、平面に巻回したコイル(５)とそのコイル(５)の裏面に配置した磁気シールド体(６)とで構成した情報伝送用コイル(７)とを有し、情報伝送用コイル(７)のコイル径を電力伝送用コイル(４)のコイル径に比して小径に形成し、情報伝送用コイル(７)と電力伝送用コイル(４)とを情報伝送用コイル(７)が電力伝送用コイル(４)のコイル外周部分に位置する状態に積層配置して構成したコイルユニット(１)を一対磁気的に結合させ、ＵＳＢデバイスに電力伝送しつつデータ伝送するように構成したことを特徴とするＵＳＢデバイス用の電力伝送及びデータ伝送装置。
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