JP2012065476A - 非接触充電装置および非接触充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】被充電機器との間で良好な通信を行うことができる非接触充電装置を提供する。
【解決手段】充電用の電力を送出する送電コイル１２０と、情報通信用の信号を送受信する通信アンテナ１４０とを有している。情報通信中は、充電用の電力の送出を停止するように構成されている。送電コイル１２０に並列に挿入されたスイッチ１５０を有している。スイッチ１５０は、情報通信中にオン（接続）とな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被充電機器に対して非接触で充電と情報通信を行う非接触充電装置に関する。

二次電池を内蔵した携帯電話機、デジタルカメラ、ＰＤＡ、メディアプレーヤ、小型テレビ受像機等の電子機器（被充電機器）の充電手段として、商用電源など固定電源に接続されているか、大容量バッテリを搭載し、例えば電磁誘導または磁界共鳴を利用して被充電機器に対して非接触で充電を行う非接触充電装置がある。このような非接触充電装置は、被充電機器に対して接触不良を起こすことがなく、また、被充電機器と非接触充電装置のどちらの筐体も表面に露出した接点が存在しないために防水性を持たせることができるなどの利点を有している。

このような非接触充電装置において、電池残量等の情報や、被充電機器が異物や他の機器ではなく正規の充電対象であることを示す識別情報を、例えば電磁波搬送を利用して被充電機器との間で非接触で情報通信する機能も提案されている。

非接触で充電と情報通信を行う非接触充電装置は、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された非接触充電システムは、二次電池を内蔵した被充電機器と、被充電機器に対して非接触で充電と情報通信を行う非接触充電装置とを有している。非接触充電装置は、充電用の電力を出力する送電部と、送電部に接続され、充電用の電力を電磁誘導または磁界共鳴を利用して送出する送電コイルと、被充電機器と情報を通信する通信部と、通信部に接続され、通信すべき情報信号を電磁波搬送を利用して送受信する通信アンテナとを有している。被充電機器は、充電用の電力が入力される受電部と、受電部に接続され、充電用の電力を電磁誘導または磁界共鳴を利用して受領する受電コイルと、受電部に入力された電力を用いて二次電池に充電を行う充電部と、非接触充電装置と情報を通信する通信部としての通信部と、通信部に接続され、通信すべき情報信号を電磁波搬送を利用して送受信する通信アンテナとを有している。この例においては、被充電機器の通信部は非接触ＩＣカード部によって構成され、非接触充電装置の通信部はＩＣカードリーダによって構成されている。特許文献１の非接触充電装置は、被充電機器の非接触ＩＣカード部からの識別情報を取得および判別し、正規の被充電機器のみに対して充電を行うように動作する。

ところで、被充電機器は、電池を内蔵していることからも、通常は可搬型の電子機器であり、小型化、薄型化、軽量化が望まれている。こうした要望に対し、被充電機器において、受電コイルと、通信アンテナとは、小型、薄型の筐体内で互いに近接して配置されることが多い。これに応じて、非接触充電装置においても、送電コイルと、通信アンテナとが、互いに近接して配置されることになる。この場合、送電コイルから送出される電力送達のための磁界が通信アンテナに対して電磁誘導を起こし、通信部の動作に悪影響を及ぼし、情報通信が阻害される。その回避策として、被充電機器との間で情報を通信するときに送電部の出力（送電部の稼動）を停止するように構成された非接触充電装置が提案されている。

特許第４１５５４０８号の特許公報

しかし、情報通信時に送電部の稼動を停止するように構成された非接触充電装置であっても、稼動を停止した送電部の電子回路には、抵抗器、インダクタ、コンデンサ等のインピーダンス素子が含まれており、そのような電子回路と、送電コイルとによって受動的に動作可能なインピーダンス回路が形成されている。

このため、情報通信中に非接触充電装置と被充電機器との間で各通信アンテナを介して送受信される情報信号を搬送する電磁波が、これら通信アンテナに近接して配置された送電コイルに対して電磁誘導を起こす。この電磁誘導は、通信アンテナと送電アンテナとの離間距離が小さいほど、起こり易い。

そして、この電磁誘導により、上述のインピーダンス回路に電流が流れ、インピーダンス回路に含まれるインピーダンス素子によって電力が消費される。この結果、非接触充電装置と被充電機器との間で本来送受信されるべき情報信号の一部がいわば奪われる形となり、十分なレベルの情報信号が送受信されずに、情報通信が阻害されることになる。

それ故、本発明の課題は、被充電機器に対して電磁誘導または磁界共鳴を利用して充電を行うと共に、電磁波搬送を利用して情報通信を行う非接触充電装置であって、被充電機器との間で良好な情報通信を行うことができる非接触充電装置を提供することである。

本発明の他の課題は、そのような非接触充電装置と、被充電機器とを有する非接触充電システムを提供することである。

本発明によれば、二次電池を内蔵した被充電機器に対して非接触で、電磁誘導または磁界共鳴を利用して充電を行うと共に、電磁波搬送を利用して情報通信を行う非接触充電装置であって、充電用の電力を送出する送電コイルと、情報通信用の信号を送受信する通信アンテナとを有し、情報通信中は充電用の電力の送出を停止するように構成された非接触充電装置において、前記送電コイルに並列に挿入されたスイッチを有し、前記スイッチは、情報通信中にオンとなるように構成されていることを特徴とする非接触充電装置が得られる。

前記スイッチは、半導体素子を用いて構成されてもよい。

前記スイッチは、内部抵抗が５Ω以下であってもよい。

前記送電コイルおよび前記通信アンテナは、距離を置いて重畳されていてもよい。

本発明によればまた、前記非接触充電装置と、前記被充電機器とを有することを特徴とする被接触充電システムが得られる。

本発明による非接触充電装置は、被充電機器との間で良好な情報通信を行うことができる。

また、本発明による非接触充電装置は、情報通信を阻害することなく、通信アンテナと、送電コイルとをより一層近接して配置することが可能であり、装置の小型化、薄型化、軽量化に有用である。

本発明の実施例１による非接触充電システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２による非接触充電システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例３による非接触充電システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例３による非接触充電装置における送電コイルと通信アンテナを概念的に示す斜視図である。 本発明の実施例４の実験結果としての非接触充電装置におけるスイッチの内部抵抗と通信アンテナが通信相手に向けて発する磁界強度との関係を示す図である。

本発明による非接触充電装置は、充電用の電力を送出する送電コイルと、情報通信用の信号を送受信する通信アンテナとを有している。情報通信中は、充電用の電力の送出を停止するように構成されている。

特に、本非接触充電装置は、送電コイルに並列に挿入されたスイッチを有している。このスイッチは、情報通信中にオン（接続）となるように構成されている。

上記構成により、情報通信中は、送電コイルが、充電用電力を出力する回路（送電部）と独立した、インピーダンス成分を殆ど含まない単純な導線ループとみなせる状態となる。このため、非接触充電装置および被充電機器における各通信アンテナから発する電磁波によって送電コイルに誘起される電流が、インピーダンス素子を多数備えた送電部の電子回路に殆ど流れ込むことがない。この結果、非接触充電装置と被充電機器との間で各通信アンテナを介して送受信されるべき情報信号を搬送する電磁波のエネルギーロスが少なく、十分なレベルの情報信号を送受信でき、良好な情報通信を行うことができる。

また、本発明による非接触充電装置は、情報通信を阻害することなく、送電コイルと通信アンテナとをより一層近接して配置すること、例えば、僅かな離間距離だけ置いて送電コイルと通信アンテナとを重畳配置することが可能であり、装置の小型化、薄型化、軽量化に有用である。

尚、本非接触充電装置は、その通信部および通信アンテナによる通信方式として、例えば、近距離無線通信の国際規格であるＮＦＣＩＰ−１（Near Field Communication Interface and Protocol-1）規格に準拠させることが可能である。

以下、図面を参照して、本発明による非接触充電装置と非接触充電システムのより具体的な実施例を詳細に説明する。

図１を参照すると、本発明の実施例１による非接触充電システムは、二次電池を内蔵した携帯電話機等の被充電機器６００と、被充電機器６００に対して非接触で電磁誘導または磁界共鳴を利用して充電を行うと共に、電磁波搬送を利用して情報通信を行う非接触充電装置１００とを有している。

非接触充電装置１００は、商用電源に接続され、装置に電力を供給するＡＣアダプタ部（図示せず）と、充電用の電力を出力する送電部１１０と、充電用の電力を電磁誘導または磁界共鳴を利用して送出する送電コイル１２０と、被充電機器６００と情報を通信する通信部１３０と、通信部１３０に接続され、通信すべき情報信号を電磁波搬送を利用して送受信する通信アンテナ１４０と、非接触充電装置１００の被充電機器を載置させる機器載置面を備えた台（図示せず）とを有している。

尚、送電コイル１２０と、通信アンテナ１４０とは、並べて配置されており、その離間距離ｄ１は、数ｍｍ程度である。

また、送電部１１０は、通信部１３０および通信アンテナ１４０によって情報通信中は、充電用の電力の送出を停止するように構成されている。

被充電機器６００は、機器に電力を供給する二次電池６４０と、非接触充電装置１００から送出された充電用の電力を電磁誘導または磁界共鳴を利用して受領する受電コイル６１０と、充電用の電力が入力される受電部６２０と、受電部６２０に入力された電力を用いて二次電池６４０に充電を行う充電部６３０と、非接触充電装置１００と情報を通信する通信部６５０と、通信部に接続され、通信すべき情報信号を電磁波搬送を利用して送受信する通信アンテナ６６０とを有している。

特に、本非接触充電装置１００は、送電コイル１２０に並列に挿入されたスイッチ１５０と、スイッチ制御部１６０とを有している。スイッチ１５０は、メカニカルスイッチである。

スイッチ制御部１６０は、通信部１３０および送電部１１０に接続され、通信部１３０または送電部１１０から情報通信中か否かの信号を取得し、これに基づいてスイッチ１５０が情報通信中にオン（接続）となる一方、それ以外のときはオフ（切断）となるように制御する。

したがって、情報通信中は、送電部１１０の稼動が停止されることに加え、送電コイル１２０が、送電部１１０と独立した、インピーダンス成分を殆ど含まない単純な導線ループとみなせる状態となる。このため、非接触充電装置１００および被充電機器６００における各通信アンテナ１４０、６６０から発する電磁波によって送電コイル１２０に誘起される電流が、インピーダンス素子を多数備えた送電部１１０の電子回路に殆ど流れ込むことがない。この結果、非接触充電装置１００と被充電機器６００との間で各通信アンテナ１４０、６６０を介して送受信されるべき情報信号を搬送する電磁波のエネルギーロスが少なく、十分なレベルの情報信号を送受信でき、良好な情報通信を行うことができる。

本発明の実施例２は、送電コイルに並列に挿入されたスイッチが、半導体素子を用いて構成されている点が、実施例１と異なる。このため、実施例１と同一または同様の部分については、詳細な説明は省略する。

図２を参照すると、本発明の実施例２による非接触充電システムは、二次電池を内蔵した携帯電話機等の被充電機器６００と、被充電機器６００に対して非接触で電磁誘導または磁界共鳴を利用して充電を行うと共に、電磁波搬送を利用して情報通信を行う非接触充電装置２００とを有している。

非接触充電装置２００は、ＡＣアダプタ部（図示せず）と、送電部１１０と、送電コイル１２０と、通信部１３０と、通信アンテナ１４０と、機器載置面を備えた台（図示せず）とを有している。送電コイル１２０と、通信アンテナ１４０とは、並べて配置されており、その離間距離ｄ１は、数ｍｍ程度である。送電部１１０は、通信部１３０および通信アンテナ１４０によって情報通信中は、充電用の電力の送出を停止するように構成されている。

被充電機器６００は、二次電池６４０と、受電コイル６１０と、受電部６２０と、充電部６３０と、通信部６５０と、通信アンテナ６６０とを有している。

本非接触充電装置２００は、送電コイル１２０に並列に挿入されたスイッチ２５０と、スイッチ制御部２６０とを有している。

スイッチ２５０は、ＦＥＴ（Field-Effect Transistor）等の半導体素子を用いて構成されている。

スイッチ制御部２６０は、通信部１３０および送電部１１０に接続され、通信部１３０または送電部１１０から情報通信中か否かの信号を取得し、これに基づいてスイッチ２５０が情報通信中にオン（接続）となる一方、それ以外のときはオフ（切断）となるように制御する。

したがって、情報通信中は、送電部１１０の稼動が停止されることに加え、送電コイル１２０が、送電部１１０と独立した、インピーダンス成分を殆ど含まない単純な導線ループとみなせる状態となる。このため、非接触充電装置２００および被充電機器６００における各通信アンテナ１４０、６６０から発する電磁波によって送電コイル１２０に誘起される電流が、インピーダンス素子を多数備えた送電部１１０の電子回路に殆ど流れ込むことがない。この結果、非接触充電装置２００と被充電機器６００との間で各通信アンテナ１４０、６６０を介して送受信されるべき情報信号を搬送する電磁波のエネルギーロスが少なく、十分なレベルの情報信号を送受信でき、良好な情報通信を行うことができる。

本発明の実施例３は、送電コイルおよび通信アンテナが、重畳されている点が、実施例２と異なる。このため、実施例２と同一または同様の部分については、詳細な説明は省略する。

図３を参照すると、本発明の実施例３による非接触充電システムは、二次電池を内蔵した携帯電話機等の被充電機器８００と、被充電機器８００に対して非接触で電磁誘導または磁界共鳴を利用して充電を行うと共に、電磁波搬送を利用して情報通信を行う非接触充電装置３００とを有している。

非接触充電装置３００は、ＡＣアダプタ部（図示せず）と、送電部１１０と、後述する送電コイル３２０と、通信部１３０と、後述する通信アンテナ３４０と、機器載置面を備えた台（図示せず）とを有している。送電部１１０は、通信部１３０および通信アンテナ３４０によって情報通信中は、充電用の電力の送出を停止するように構成されている。

被充電機器８００は、二次電池６４０と、後述する受電コイル８１０と、受電部６２０と、充電部６３０と、通信部６５０と、後述する通信アンテナ８６０とを有している。

本非接触充電装置３００は、送電コイル３２０に並列に挿入されたスイッチ２５０と、スイッチ制御部２６０とを有している。スイッチ２５０は、ＦＥＴ等の半導体素子を用いて構成されている。

図４を併せ参照すると、送電コイル３２０と通信アンテナ３４０とは、どちらもコイル状（ループ状）を呈している。送電コイル３２０および通信アンテナ３４０の外形サイズは、ほぼ同じである。例えば、送電コイル３２０および通信アンテナ３４０の外形サイズはどちらも、１００ｍｍ×１８０ｍｍである。

送電コイル３２０と通信アンテナ３４０とは、機器載置面を備えた台の内部において、それぞれのループの中心をおよそ一致させて重畳されている。送電コイル３２０と、通信アンテナ３４０とは、互いに比較的小さい距離ｄ３を置いて配置されている。例えば、距離ｄ３は、５ｍｍである。

本例においては、通信アンテナ３４０が送電コイル３２０よりも機器載置面の近くに配置されているが、反対に、送電コイル３２０が通信アンテナ３４０よりも機器載置面の近くに配置されてもよい。

前述したごとく、送電コイル３２０と通信アンテナ３４０の外形サイズは、ほぼ同じであり、かつ、それぞれのループの中心がおよそ一致しているため、台の機器載置面上における被充電機器８００に対する充電範囲および情報通信範囲は、Ｘ−Ｙ方向においておよそ同じ範囲である。

Ｘ−Ｙ方向に垂直なＺ方向の充電範囲と、情報通信範囲とに関しては、送電部１１０の出力、通信部１３０の出力と感度を調整することにより、両範囲をおよそ同じ範囲にすることができる。

このように、充電範囲と情報通信範囲とが同じ範囲になっていることにより、被充電機器８００の筐体内において、受電コイル８１０と通信アンテナ８６０とを、比較的小さい距離を置いて重畳配置することができる。即ち、本発明においては、非接触充電装置だけではなく、被充電機器についても小型化、薄型化を図ることができる。

さて、スイッチ制御部２６０は、通信部１３０および送電部１１０に接続され、通信部１３０または送電部１１０から情報通信中か否かの信号を取得し、これに基づいてスイッチ２５０が情報通信中にオン（接続）となる一方、それ以外のときはオフ（切断）となるように制御する。

したがって、情報通信中は、送電部１１０の稼動が停止されることに加え、送電コイル３２０が、送電部１１０と独立した、インピーダンス成分を殆ど含まない単純な導線ループとみなせる状態となる。このため、非接触充電装置３００および被充電機器８００における各通信アンテナ３４０、８６０から発する電磁波によって送電コイル３２０に誘起される電流が、インピーダンス素子を多数備えた送電部１１０の電子回路に殆ど流れ込むことがない。この結果、非接触充電装置３００と被充電機器８００との間で各通信アンテナ３４０、８６０を介して送受信されるべき情報信号を搬送する電磁波のエネルギーロスが少なく、十分なレベルの情報信号を送受信でき、良好な情報通信を行うことができる。

本発明において、情報通信時に送電コイルとスイッチとによって構成されるループは、インピーダンス成分を含まないことが望ましい。このため、実施例１のメカニカルスイッチであるスイッチ１５０や、実施例２、３の半導体素子を用いて構成されたスイッチ２５０どちらであっても、その内部抵抗（オン抵抗）は低いことが望ましい。しかし、メカニカルスイッチが経年変化を除けば内部抵抗がほぼ０Ωであるのに比べ、半導体スイッチは、一般に、数Ω程度の内部抵抗を潜在的に有している。

そこで、本発明において送電コイルに並列に挿入するスイッチの内部抵抗が、実用上、どれ位の抵抗値まで許容されるかの実験を行った。

図３に示された実施例３の非接触充電システムにおいて、スイッチ２５０に代えて可変抵抗器を取り付け、送電部１１０の稼動を停止すると共に、通信アンテナ３４０から被充電機器８００の通信アンテナ８６０に向けて電磁波を送信し、可変抵抗器の抵抗値を変化させながら通信アンテナ３４０と通信アンテナ８６０との間の磁界強度を測定する実験を行った。尚、送電コイル３２０、通信アンテナ３４０、受電コイル８１０、通信アンテナ８６０の外形サイズは１００ｍｍ×１８０ｍｍ、送電コイル３２０と通信アンテナ３４０との離間距離ｄ３は５ｍｍ、受電コイル８１０と通信アンテナ８６０との離間距離は５ｍｍ、通信部１３０からの信号の出力は１．０Ｗとした。その結果を図５に示す。

尚、比較例として、図３に示された非接触充電装置３００から送電コイル３２０およびスイッチ２５０を撤去し、それ以外のパラメータを上述したものと同一とした実験も行った。この場合の磁界強度は、７．５Ａ／ｍ（アンペア毎メートル）であった。

さて、図５から明らかなように、抵抗値が大きくなるほど、非接触充電装置の通信アンテナと被充電機器の通信アンテナとの間の磁界強度は小さくなる。ここで、送電コイル３２０が存在せずに十分なレベルで情報通信を行える時の磁界強度が７．５Ａ／ｍであることを考慮すると、本発明においては、送電コイルが存在しない場合の例えば８０％以上の磁界強度が得られるときの抵抗値は、５Ω以下であった。よって、５Ω以下の抵抗値を内部抵抗に持つ半導体スイッチまたはメカニカルスイッチを採用することにより、良好な情報通信を行うことができると推察される。

尚、情報通信時に送電コイルとスイッチとによって構成される導電ループのインピーダンス成分は、上述のようにＲ成分だけではなく、Ｌ成分、Ｃ成分についても小さいことが望ましい。

以上説明した実施例に限定されることなく、本発明は、特許請求の範囲に記載された技術範囲内であれば、種々の変形が可能であることは云うまでもない。

例えば、被充電機器の受電コイルにも並列にスイッチを挿入して、このスイッチが情報通信中にオン（接続）となるように構成してもよい。

１００、２００、３００ 被接触充電装置
１１０ 送電部
１２０、３２０ 送電コイル
１３０ 通信部
１４０、３４０ 通信アンテナ
１５０、２５０ スイッチ
１６０ スイッチ制御部
６００、８００ 被充電機器
６１０、８１０ 受電コイル
６２０ 受電部
６３０ 充電部
６４０ 二次電池
６５０ 通信部
６６０、８６０ 通信アンテナ

Claims (5)

1. 二次電池を内蔵した被充電機器に対して非接触で、電磁誘導または磁界共鳴を利用して充電を行うと共に、電磁波搬送を利用して情報通信を行う非接触充電装置であって、充電用の電力を送出する送電コイルと、情報通信用の信号を送受信する通信アンテナとを有し、情報通信中は充電用の電力の送出を停止するように構成された非接触充電装置において、
   前記送電コイルに並列に挿入されたスイッチを有し、
   前記スイッチは、情報通信中にオンとなるように構成されていることを特徴とする非接触充電装置。
2. 前記スイッチは、半導体素子を用いて構成されている請求項１に記載の非接触充電装置。
3. 前記スイッチは、内部抵抗が５Ω以下である請求項１または２に記載の非接触充電装置。
4. 前記送電コイルおよび前記通信アンテナは、距離を置いて重畳されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の非接触充電装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の非接触充電装置と、前記被充電機器とを有することを特徴とする被接触充電システム。

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