JP2011250615A

JP2011250615A - 非接触電力伝送及び通信システム

Info

Publication number: JP2011250615A
Application number: JP2010122269A
Authority: JP
Inventors: Naoki Wakao; 直樹若生
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-12-08

Abstract

【課題】通信用のコイルと電力用のコイルを共通化しても、通信と電力伝送が同時に、かつ、効率良く実行可能な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】非接触の電力送電とデータ信号の通信とを同一の交流周波数で行う非接触電力伝送及び通信システムであり、データ信号の通信は、送電側装置１９および受電側装置２０に設けた第１のコイル６に流れる電流の振幅をデータ信号に依存して変化させる手段によりデータ信号の送信を行う。第２のコイル７に接続されたＬｏａｄスイッチ１２のオンオフ動作により第２のコイル７に接続された回路の負荷が変化し、この負荷の変化により第１のコイル６に流れる電流の振幅が変化するように構成されている。
【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電する機能を有する非接触電力伝送システムに関し、特に通信機能を内蔵した非接触電力伝送及び通信システムに関する。

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されており、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て電気的に接続し、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させ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る。このような接触による給電が難しい環境下で用いられる可能性がある電子機器に対しては、最近は電磁誘導の原理を利用した非接触の電力供給を行うシステム、すなわち非接触電力伝送システムの需要が増加している。

非接触電力伝送システムでは、一般に、充電器等の送電側に第１のコイルを有する送電側装置を備え、携帯電子機器などの受電側に前記第１のコイルに電磁結合可能な第２のコイルを有する受電側装置を備え、第１のコイルと第２のコイル間の電磁結合を介して、送電側装置から受電側装置へ非接触の電力伝送を行っている。さらに、非接触電力伝送の安全性を確保するためには、受電側の要求電力や異常時の送電停止等の情報を送電側装置と受電側装置間で通信する必要があり、通常は特許文献１に示されるように第１のコイルと第２のコイル間を介して通信を行っている。

特開２００９−１８９２３１号公報

通信用のコイルと電力伝送用のコイルを共通にして使用する従来の構成の場合、通信回路側の等価負荷抵抗に比べ、電力受電側の負荷抵抗は数十分の一程度と低く、その負荷抵抗値の差異により、通信における信号検出を優先して条件設定すると電力伝送において電力損失の増大を招き電力変換効率が悪くなってしまう。一方、電力伝送を優先して条件設定すると、通信時に通信回路の高負荷特性により変調波形を検出することが難しくなるという問題がある。

さらに、電力伝送時の受電コイルの両端に生じる電圧は、一般的な通信時に生じる電圧に比べて大きいため、通信回路側に過電圧に対する保護機能を加えなければならない。

他方、電力用と通信用のコイルを別々に設けるようにした場合は、製品コストの上昇や、コイル部分が増えることによる形状の拡大が懸念される。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、通信用のコイルと電力用のコイルを共通化しても、通信と電力伝送が同時に、かつ、効率良く実行可能な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。

上記課題を解決するため、本発明による非接触電力伝送及び通信システムは、第１のコイルを有する送電側装置と、前記第１のコイルに電磁結合可能な第２のコイルを有する受電側装置とを備え、前記第１のコイルと前記第２のコイル間の電磁結合を介して、前記送電側装置から前記受電側装置への非接触の電力伝送と、前記送電側装置と前記受電側装置間でのデータ信号の通信とを行う非接触電力伝送及び通信システムにおいて、前記非接触の電力送電と前記データ信号の通信とを同一の交流周波数で行う非接触電力伝送及び通信システムであって、前記データ信号の通信は、前記送電側装置および前記受電側装置に設けた前記第１のコイルに流れる電流の振幅を前記データ信号に依存して変化させる手段によりデータ信号の送信を行うことを特徴とする。

ここで、前記送電側装置に設けた前記第１のコイルに流れる電流の振幅をデータ信号に依存して変化させる手段は、前記第１のコイルに接続された電圧駆動型の半導体スイッチを前記データ信号に依存して動作させる回路であってもよい。

また、前記受電側装置に設けた前記第１のコイルに流れる電流の振幅をデータ信号に依存して変化させる手段は、前記第２のコイルに接続された回路のインピーダンスを前記データ信号に依存して変化させる手段であってもよく、この場合、前記インピーダンスを変化させる手段は、スイッチ素子により前記第２のコイルに接続された回路の負荷を変化させる手段であってもよい。

また、本発明は、前記第１のコイルは高周波交流電圧を印加するための駆動回路と、前記受電コイルに接続された充電回路と、前記充電回路に接続された二次電池とを有し、前記駆動回路は電圧駆動型のスイッチング素子を備え、前記スイッチング素子の出力には共振用のコイルと第一のコンデンサが接続され、かつ、前記スイッチング素子の出力と前記第一のコイルとの間には直列に第二のコンデンサが接続されていてもよい。

また、本発明において、前記第１のコイルに流れる電流の振幅を電力伝送に適した一定の値以上とする電力送電実行期間と、前記第１のコイルに流れる電流の振幅を０または上記の一定の値の１０分の１以下とする電力送電非実行期間とを繰り返すことにより、前記送電側装置から前記受電側装置へ非接触で送電される電力を制御してもよい。

本発明による非接触電力伝送及び通信システムでは、上記のように、通信データを第１のコイルに流れる電流の振幅の変化に変換して送信する方式、すなわち通信データを伝送する電力波形に重畳して送信する方式であるため、電力用と通信用のコイルが共用でき、第１のコイルと第２のコイル間で非接触電力伝送と通信とを行うことが可能である。また、電力伝送の制御と通信とが共通の方式によって行われるので効率的な電力伝送と通信が可能である。通信と電力伝送を同時に行うときは、前記通信データによって変調された電力波形を勘案して送電電力を制御することができる。ここで、通信データは主として電力に関する情報であるが、他の情報を通信することも可能である。

また、本発明によれば、電力伝送だけを行うときにも、一定の周期で第１のコイルに流れる電流の振幅を変化させる送電方式により送電電力を制御することができる。

以上のように、本発明により、通信用のコイルと電力用のコイルを共通化しても、通信と電力伝送が同時に、かつ、効率良く実行可能な非接触電力伝送及び通信システムが得られる。

本発明による非接触電力伝送及び通信システムの一実施の形態の基本構成を示すブロック図。本発明による非接触電力伝送及び通信システムのスイッチング回路の基本構成を示す回路図。本発明による非接触電力伝送及び通信システムの電力送電と送電側装置から受電側装置へのデータ送信を同時に行っている場合の第１のコイルの電流波形の一例を示す図。本発明による非接触電力伝送及び通信システムの電力送電と受電側装置から送電側装置へのデータ送信を同時に行っている場合の第１のコイルの電流波形の一例を示す図。

図１は、本発明による非接触電力伝送及び通信システムの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、本実施の形態は、第１のコイル６を有する送電側装置１９と、第１のコイル６に電磁結合可能な第２のコイル７を有する受電側装置２０とを備え、第１のコイル６と第２のコイル７間の電磁結合を介して、送電側装置１９から受電側装置２０への非接触の電力伝送と、送電側装置１９と受電側装置２０間でのデータ信号の通信を行う非接触電力伝送及び通信システムである。また、非接触の電力送電とデータ信号の通信とを同一の交流周波数で行う非接触電力伝送及び通信システムであり、データ信号の通信は、送電側装置１９および受電側装置２０に設けた第１のコイル６に流れる電流の振幅をデータ信号に依存して変化させる手段によりデータ信号の送信を行う。

送電側装置１９において、第１のコイル６に交流の磁界を発生させるため、これを励磁するための電力回路が、送電側電源１に接続されたインダクタ２、コンデンサ３、コンデンサ４及び電力スイッチング素子５により構成されている。この送電電力を発生させる電力回路をオンオフして送電電力を制御し、かつ、第１のコイル６に流れる電流の振幅を送信するデータ信号に依存して変化させ、その送電電力波形にデータ信号を重畳させるための回路が電力制御回路１１及びスイッチング回路１０により構成されている。また、受電側装置２０からのデータ信号の受信および、送信データ信号の発信を行うための信号送受信制御回路９が受信用直列抵抗８に接続されている。

ここで、図２は本発明による非接触電力伝送及び通信システムのスイッチング回路１０の基本構成を示す回路図であり、データ信号または電力制御信号に基づいてＭＯＳＦＥＴからなる電圧駆動型半導体スイッチ２１を動作させ、電力スイッチング素子に入力する交流信号をオンオフし、電力回路をオンオフさせる構成となっている。

図１に示す受電側装置２０では、第１のコイル６からの交流磁界を受ける第２のコイル７により非接触で受電した電力を二次電池１８に充電するための受電回路が、整流回路１５、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６、電池充電制御回路１７により構成されている。また、送電側装置１９からのデータ信号の受信、および送電側装置１９へ送信する充電情報等のデータ信号を発生するための送受信回路が信号受信復調回路１３、通信制御回路１４により構成されている。

ここで、上記の受電回路および送受信回路は、第２のコイル７に接続されたＬｏａｄスイッチ１２を介して接続されている。このＬｏａｄスイッチ１２のオンオフ動作により第２のコイル７に接続された回路の負荷が変化し、この負荷の変化により第１のコイル６に流れる電流の振幅が変化するように構成されている。すなわち、Ｌｏａｄスイッチ１２を送信データ信号に依存して動作させることにより、送信データを第１のコイル６に流れる電流の振幅の変化として送電側装置１９に送信することができる。なお、受電側装置２０からの送信は電力の受電中、または送電側装置１９からの指示があり、送電側装置１９が第１のコイル６に一定の振幅の電流を流している期間に行われる。

図３は、本発明による非接触電力伝送及び通信システムの送電側装置１９から受電側装置２０への電力送電とデータ送信を同時に行っている場合の第１のコイル６の電流波形の一例を示す図である。電力伝送を行っている状態では、第１のコイル６はインダクタ２及びコンデンサ３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６の電力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”に対応してスイッチング回路１０を時分割動作させる。通信データが“０”のときはスイッチング回路１０が停止し、電力スイッチング素子５に入力する交流信号がＯＦＦとなり、上記の電圧共振回路の出力、すなわち、第１のコイル６に流れる電流の振幅は０となる。一方、通信データが“１”のときはスイッチング回路１０が動作し、電力スイッチング素子５に入力する交流信号がＯＮとなり、第１のコイル６に流れる電流の振幅は一定以上の値となる。この値はデータ信号の送信を行わないときの通常の電力伝送に適した値に設定される。

第２のコイル７では、電磁誘導により第１のコイル６の電流波形と相似な電圧波形が発生するので、信号受信復調回路１３により電圧波形に重畳されたデータ信号を復調することにより、送電側装置１９から受電側装置２０へのデータ通信を行うことができる。

電力伝送を行っていない場合は、通信完了後にスイッチング回路１０を停止の状態に保ち、通信完了後に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スイッチング回路１０を動作させれば、図３のように電力伝送が継続される。

図４は、本発明による非接触電力伝送及び通信システムの電力送電と受電側装置２０から送電側装置１９へのデータ送信を同時に行っている場合の第１のコイル６の電流波形の一例を示す図である。

第１のコイル６の電力波形に受電側装置２０のデータ信号を重畳するために、データ信号の“０”及び“１”に対応してＬｏａｄスイッチ１２をオンオフ動作をさせる。Ｌｏａｄスイッチ１２は第２のコイル７に接続された電力受電側の回路の負荷を変化させる機能を持っており、オンオフ動作させることにより第１のコイル６の電流波形をＬｏａｄスイッチ１２の動作に依存して変化させることが可能である。すなわち、Ｌｏａｄスイッチ１２が停止時は受電側回路のインピーダンスが高く電流の振幅が大きくなり、Ｌｏａｄスイッチ１２が動作時は受電側回路のインピーダンスが低く電流の振幅が小さくなるように設定されている。これによりＬｏａｄスイッチ１２が停止時は通信データが“１”、Ｌｏａｄスイッチ１２が動作時は通信データが“０”のように第１のコイル６の電流波形を変調し、送電側装置１９の信号送受信制御回路９により電流波形に重畳されたデータ信号を復調することにより、受電側装置２０から送電側装置１９へのデータ通信を行うことができる。

受電側装置からの送信を行わない場合、および送信完了後はＬｏａｄスイッチ１２は停止状態に保たれる。電力伝送を継続して行う場合は、データ通信が終了後Ｌｏａｄスイッチ１２は停止状態に保たれるので、図４のように電力伝送が継続される。なお、本実施の形態において、インピーダンスを変化させるＬｏａｄスイッチ１２は、図１のように第２のコイル７に直接接続するのではなく、受電回路または送受信回路の一方の入力部や整流回路１５の出力側などに設置することも可能である。

以上のように、本実施の形態の非接触電力伝送及び通信システムによって、通信と電力伝送が同時に、かつ、効率良く実行可能な非接触電力伝送及び通信システムが得られる。

なお、本発明においては、通信するデータの内容は、非接触電力伝送を安定して動作させるための情報、例えば受電側装置の充電状態や要求電力、異常時の送電停止等の情報はもちろんであるが、送電側装置と非接触ＩＣカード等の受電側装置との間で非接触電力伝送を行いながら他の情報をやり取りすることも可能である。

すなわち、本発明においては、第１のコイルと第２のコイル間での非接触電力伝送中のデータ通信、およびデータ通信中の非接触電力伝送が可能である。この場合、第１のコイルに流れる電流の振幅を電力伝送に適した一定の値以上とする電力送電実行期間と、前記第１のコイルに流れる電流の振幅を０に近い値とする電力送電非実行期間とを繰り返す制御を行うこと、すなわち、時分割の電力伝送制御を行うことにより、通信の制御および通信データを勘案した電力の制御をより容易に行うことができる。

本発明は、上記の実施の形態以外にも、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などの送信側装置と、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る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カードなどの受電側装置とから構成される通信システムなどに広く適用することができる。

また、本発明は、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。例えば、送電側装置に設ける第１のコイルに流れる電流の振幅をデータ信号に依存して変化させる手段としては、電圧駆動型の半導体スイッチ以外のスイッチ素子を用いることも可能であり、受電側装置に設ける第１のコイルに流れる電流の振幅をデータ信号に依存して変化させる手段としては、受電側回路のインピーダンスを変化させる手段以外の手段、インピーダンスを変化させる場合もスイッチ素子以外の手段を用いても良い。

１送電側電源
２インダクタ
３、４コンデンサ
５電力スイッチング素子
６第１のコイル
７第２のコイル
８受信用直列抵抗
９信号送受信制御回路
１０スイッチング回路
１１電力制御回路
１２Ｌｏａｄスイッチ
１３信号受信復調回路
１４通信制御回路
１５整流回路
１６ＤＣ／ＤＣコンバータ
１７電池充電制御回路
１８二次電池
１９送電側装置
２０受電側装置
２１電圧駆動型半導体スイッチ

Claims

第１のコイルを有する送電側装置と、前記第１のコイルに電磁結合可能な第２のコイルを有する受電側装置とを備え、前記第１のコイルと前記第２のコイル間の電磁結合を介して、前記送電側装置から前記受電側装置への非接触の電力伝送と、前記送電側装置と前記受電側装置間でのデータ信号の通信とを行う非接触電力伝送及び通信システムにおいて、前記非接触の電力送電と前記データ信号の通信とを同一の交流周波数で行う非接触電力伝送及び通信システムであって、前記データ信号の通信は、前記送電側装置および前記受電側装置に設けた前記第１のコイルに流れる電流の振幅を前記データ信号に依存して変化させる手段により前記データ信号の送信を行うことを特徴とする非接触電力伝送及び通信システム。
前記送電側装置に設けた前記第１のコイルに流れる電流の振幅を前記データ信号に依存して変化させる手段は、前記第１のコイルに接続された電圧駆動型の半導体スイッチを前記データ信号に依存して動作させる回路であることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送及び通信システム。
前記受電側装置に設けた前記第１のコイルに流れる電流の振幅をデータ信号に依存して変化させる手段は、前記第２のコイルに接続された回路のインピーダンスを前記データ信号に依存して変化させる手段であることを特徴とする請求項１または２に記載の非接触電力伝送及び通信システム。
前記インピーダンスを変化させる手段は、スイッチ素子により前記第２のコイルに接続された回路の負荷を変化させる手段であることを特徴とする請求項３に記載の非接触電力伝送及び通信システム。
前記第１のコイルは高周波交流電圧を印加するための駆動回路と、前記受電コイルに接続された充電回路と、前記充電回路に接続された二次電池とを有し、前記駆動回路は電圧駆動型のスイッチング素子を備え、前記スイッチング素子の出力には共振用のコイルと第一のコンデンサが接続され、かつ、前記スイッチング素子の出力と前記第一のコイルとの間には直列に第二のコンデンサが接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の非接触電力伝送及び通信システム。
前記第１のコイルに流れる電流の振幅を電力伝送に適した一定の値以上とする電力送電実行期間と、前記第１のコイルに流れる電流の振幅を０または上記の一定の値の１０分の１以下とする電力送電非実行期間とを繰り返すことにより、前記送電側装置から前記受電側装置へ非接触で送電される電力を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の非接触電力伝送及び通信システム。