JP2012143093A - 近接無線充電ａｃアダプタ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気的疎結合で、携帯機器の動作に影響を与えず、かつ相対的に高効率の電力伝送効率を得ることができ、携帯機器間で共用化された近接無線充電ＡＣアダプタを提供する。
【解決手段】ＡＣ端子に接続された第１ダイオードブリッジ２と、第１ダイオードブリッジ２に接続されたチョッパー制御部４と、チョッパー制御部４に接続された１次側共振容量Ｃ１と、１次側共振容量Ｃ１に接続され、所定の電力搬送波周波数帯域において１次側共振容量Ｃ１と同調する１次側コイル１０と、携帯機器３０に内蔵される２次側コイル１２と、２次側コイル１２に接続され、所定の電力搬送波周波数帯域において同調する２次側共振容量Ｃ２とを備え、所定の電力搬送波周波数帯域において１次側コイル１０と２次側コイル１２とを同調することにより動作インピーダンスを下げ、磁気的疎結合によって、携帯機器を非接触で充電する近接無線充電ＡＣアダプタ２４。
【選択図】図２

Description

本発明は、近接無線充電ＡＣアダプタに関し、特に、磁気的疎結合で、かつ相対的に高効率の電力伝送効率を得ることができ、携帯機器間で共用化される近接無線充電ＡＣアダプタに関する。

携帯電話やノートブックコンピュータ、デジタルカメラ、電子玩具などのモバイル可能な電子機器に電力を供給する電力供給システムとして、１つの送電装置で異なる種類の電子機器に電力を供給可能な電力供給システムが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１の電力供給システムは、１次側コイルと、商用電源を整流して得た直流電圧をスイッチングしたパルス電圧を１次側コイルに与える１次側回路とを有する送信装置と、１次側コイルと磁気結合される２次側コイルと、２次側コイルに誘起される誘起電圧を整流平滑する２次側回路とを有する携帯電話機とからなる。

従来の鉄心絶縁変圧器（磁芯トランス）を用いた専用ケーブル接続充電ＡＣアダプタの模式的回路構成は、図１３（ａ）に示すように表され、別の従来のフェライトコアによる高周波トランスを用いたチョッパー型充電器による充電ＡＣアダプタの模式的回路構成は、図１３（ｂ）に示すように表される。

従来の充電ＡＣアダプタ２４ａは、図１３（ａ）に示すように、例えば、ＡＣ１００〜１１５Ｖ、或いはＡＣ２００〜２４０ＶのＡＣ端子に接続された磁芯トランス１３と、磁芯トランス１３の２次側に接続されたダイオードブリッジ２と、ダイオードブリッジ２に接続された安定化電圧回路３と、安定化電圧回路３に接続されたＤＣ出力端子１６とを備える。更に、充電ＡＣアダプタ２４ａは、専用ケーブル８ａを介して、例えば、充電プロファイルＩＣ（集積回路）１４を備えるノートブックコンピュータ２０などの携帯機器に接続される。ＬＥＤインジケータ１９はＡＣ接続中のみ点灯する。

ＡＣアダプタ２４ｂは、図１３（ｂ）に示すように、例えば、ＡＣ１００〜１１５Ｖ、或いはＡＣ２００〜２４０ＶのＡＣ端子に接続されたダイオードブリッジ２と、ダイオードブリッジ２に接続され、チョッパー周波数ｆｃを有するチョッパー回路５と、チョッパー回路５に接続されたフェライトコア高周波トランス１１と、フェライトコア高周波トランス１１の２次側に接続されたダイオードブリッジ６と、ダイオードブリッジ６に接続され、バンドギャップ電圧基準に基づいて動作する電圧検出回路９と、電圧検出回路９に接続されたＤＣ出力端子１６と、電圧検出回路９とチョッパー回路５間に接続され、電圧検出回路９の電圧検出誤差信号をチョッパー回路５に帰還するフォトカプラ７とを備える。更に、充電ＡＣアダプタ２４ｂは、専用コネクタ８ｂを介して、例えば、充電プロファイルＩＣ１４を備える携帯電話２２などの携帯機器に接続されている。従来のチョッパー型の充電ＡＣアダプタ２４ｂは、携帯機器の付属品として通常は同梱して供給し、携帯機器の寿命と共に無用となるものである。

従来のチョッパー型の充電ＡＣアダプタ２４ｂにおいては、フェライトコア高周波トランス１１の大きさは、チョッパー周波数ｆｃが高くなるほど小型化可能であるが、一方でチョッパー回路５内に配置され、チョッパー周波数でスイッチング動作をするトランジスタの損失は、チョッパー周波数ｆｃが高くなるほど大きくなる。このため、従来のチョッパー型の充電ＡＣアダプタ２４ｂにおいては、フェライトコア高周波トランス１１の小型化とチョッパー周波数でスイッチング動作をするトランジスタの損失との間にトレードオフ関係があり、このトレードオフが最適になるように設計されていた。

一方、非接触給電システムについても既に開示されている（例えば、特許文献２〜１３参照。）。

従来の非接触充電器は、例えば、図１４に示すように、磁気コアを有した高周波トランスを切断して分離したものを、出来るだけ接近して向かい合わせる構成を有する。閉磁路に近づけることで、密着して磁気的な結合係数を０．８以上確保することを目標としていた。図１４において、分割された磁気コアの内、ソース側の磁気コア１３０ａには、１次側コイル１５０ａが巻かれており、ドレイン側の磁気コア１３０ｂには、２次側コイル１５０ｂが巻かれている。通常、ソース側の磁気コア１３０ａとドレイン側の磁気コア１３０ｂを出来るだけ接近して向かい合わせることによって、図１４に示すように、従来の密着非接触充電の磁気的な結合係数は、８０％程度であり、残りの２０％程度は、ソース側の磁気コア１３０ａとドレイン側の磁気コア１３０ｂ間の漏洩磁界となっている。

従来の非接触充電器は、できるだけ閉磁路として漏洩磁束を減らすことに配慮したものである。この考え方に基づく変圧器の設計思想では、１次側コイルと２次側コイルの磁気結合係数が電力伝送効率を支配するという考え方であった。そのため、磁気結合係数が疎結合の場合には、電力伝送効率が大幅に低下するというものであった。

また、この考え方は非接触とした場合、ＩＨ（インダクションヒーティング）であるために異物を過熱する危険性を伴い、それを避けるために双方向通信機能や対象物・異物の検出・識別機能を付加する必要があった。その上、携帯機器の内部で磁束が部品・基板・シャーシを交叉して妨害を与えないように配慮する必要があった。

このため、大きさの違う携帯電話端末とノートブックコンピュータを同じ充電台の上に乗せようとすると、携帯電話には充電台が大きすぎ、ノートブックコンピュータには充電台が小さすぎることになる。また携帯電話とノートブックコンピュータは消費電力が違うことが共用化を妨げる結果になっていた。

特開２００５−１１０４０９号公報 特開２００６−２１１８０３号公報 特開２００７−１５１２６４号公報 特開２００２−１１８９８８号公報 特開２００７−３１２５８５号公報 特開２００３−１９３７１７号公報 特開２００１−０１９１２０号公報 特開２００６−３１４１５１号公報 特開２００５−００６４５９号公報 特開２００５−２６１２００号公報 特開２００６−１２８３９７号公報 特開２００１−０５７３１３号公報 特開２００３−２１７９５０号公報

本発明の目的は、磁気的疎結合で、共振現象を利用して携帯機器の動作に影響を与えず、かつ相対的に高効率の電力伝送効率を得ることができ、携帯機器間で共用化された近接無線充電ＡＣアダプタを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、ＡＣ端子に接続された第１ダイオードブリッジと、前記第１ダイオードブリッジに接続されたチョッパー制御部と、前記チョッパー制御部に接続された１次側共振容量と、前記１次側共振容量に接続され、所定の電力搬送波周波数帯域において前記１次側共振容量と同調する１次側コイルと、携帯機器に内蔵される２次側コイルと、前記２次側コイルに接続され、前記所定の電力搬送波周波数帯域において前記２次側コイルと同調する２次側共振容量とを備え、前記所定の電力搬送波周波数帯域において前記１次側コイルと前記２次側コイルとを同調することにより動作インピーダンスを下げ、磁気的疎結合によって、前記携帯機器を非接触で充電する近接無線充電ＡＣアダプタが提供される。

本発明によれば、磁気的疎結合で、共振現象を利用して携帯機器の動作に影響を与えず、かつ相対的に高効率の電力伝送効率を得ることができ、携帯機器間で共用化された近接無線充電ＡＣアダプタを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタであって、（ａ）携帯電話への適用例を示す模式的鳥瞰図、（ｂ）ノートブックコンピュータへの適用例を示す模式的鳥瞰図。 本発明の実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタの模式的回路構成図。 本発明の実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタにおいて、１次側コイル、および携帯機器に接続若しくは内蔵される２次側コイルの具体例。 微小ループＡの近傍界・遠方界放射を説明する３次元座標系表示。 本発明の実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタにおいて、充電器コイル１０と携帯電話コイル１２ａ、およびノートブックコンピュータコイル１２ｃの近接結合効果を説明する模式図。 本発明の実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタにおいて、（ａ）銅損制限領域の無線電力伝送の等価回路図、（ｂ）携帯機器の等価回路図。 本発明の実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタにおいて、銅損制限領域での携帯電話充電の電力伝送効率。 本発明の実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタにおいて、銅損制限領域でのノートブックコンピュータ充電の電力伝送効率。 （ａ）磁気コアを有した高周波トランスを切断して分離したものを、接近して向かい合わせて構成した比較例に係る携帯電話機器の充電を説明する模式的断面構造図、（ｂ）本発明の実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタによる携帯電話機器の充電を説明する模式的断面構造図。 本発明の実施の形態に係るＡＣアダプタによる無線電力伝送における搭載部品の影響を説明する模式図。 無線電力伝送の電磁気原理であって、（ａ）相対的に遠距離の場合の無線充電の説明図、（ｂ）相対的に近距離の場合の無線充電の説明図。 携帯機器充電共用技術であって、（ａ）半径Ｒｏの球面内で全方向で携帯電話、ノートブックコンピュータを無線充電・駆動可能な比較例の模式的説明図、（ｂ）実施の形態に係る充電ＡＣアダプタを適用し、近接で携帯電話、ノートブックコンピュータを無線充電・駆動可能な実施例の模式的説明図、（ｃ）共通接続ケーブルで携帯電話、ノートブックコンピュータをコード接続充電・駆動可能な比較例の模式的説明図。 （ａ）ノートブックコンピュータに適用する従来例のＡＣアダプタであって、鉄心絶縁変圧器（トランス）を用いた専用ケーブル接続ＡＣ充電アダプタの模式的回路構成図、（ｂ）携帯機器に適用する別の従来例のチョッパー型充電器であって、フェライトコアによる高周波トランスを用いたチョッパー型充電器の模式的回路構成図。 従来の非接触充電器に適用する高周波トランスの模式的構造図。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

[実施の形態]
本発明の実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４であって、携帯電話２２への適用例を示す模式的鳥瞰構造は、図１（ａ）に示すように表され、ノートブックコンピュータ２０への適用例を示す模式的鳥瞰構造は、図１（ｂ）に示すように表される。

携帯電話２２への適用例では、図１（ａ）に示すように、携帯電話２２の端末を近接無線充電ＡＣアダプタ２４からなる充電台の上に搭載し、近接無線充電ＡＣアダプタ２４の１次側コイルと携帯電話２２の２次側コイル間で、磁界Ｈで示すように磁気的に結合させることによって、近接無線電力伝送を実現している。

ノートブックコンピュータ２０への適用例では、図１（ｂ）に示すように、近接無線充電ＡＣアダプタ２４からなる充電台をノートブックコンピュータ２０の横に配置し、近接無線充電ＡＣアダプタ２４の１次側コイルと携帯電話２２の２次側コイル間で、磁界Ｈで示すように磁気的に結合させることによって、近接無線電力伝送を実現している。

図１（ａ）および図１（ｂ）のいずれの配置構成においても、要求される総合電力伝送効率が７０％以上確保できるようにしている。

（回路構成）
実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタの模式的回路構成は、図２に示すように表される。

実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４においては、図１３（ａ）に示した専用ケーブル８ａを有し、磁芯トランス１３を用いたノートブックコンピュータ２０用のＡＣアダプタ２４ａ、或いは図１３（ｂ）に示した専用コネクタ８ｂを有し、フェライトコア高周波トランス１１を用いた携帯電話２２用の充電ＡＣアダプタ２４ｂを、図２に示すように、絶縁空芯コイルを用いて形成された１次側コイル１０および２次側コイル間の非接触充電に置き換えている。

実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４は、図２に示すように、ＡＣ端子に接続された第１ダイオードブリッジ２と、第１ダイオードブリッジ２に接続されたチョッパー制御部４と、チョッパー制御部４に接続された１次側共振容量Ｃ１と、１次側共振容量Ｃ１に接続され、所定の電力搬送波周波数帯域において１次側共振容量Ｃ１と同調する１次側コイル１０と、携帯機器３０に内蔵される２次側コイル１２と、２次側コイル１２に接続され、所定の電力搬送波周波数帯域において２次側コイル１２と同調する２次側共振容量Ｃ２とを備える。所定の電力搬送波周波数帯域において１次側コイル１０と２次側コイル１２とを同調することにより動作インピーダンスを下げ、磁気的疎結合によって、携帯機器３０を非接触で充電する。

また、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４において、所定の電力搬送波周波数帯域は、例えば、約３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ程度の短波帯域である。

また、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４において、１次側コイル１０および２次側コイル１２は、いずれも等価半径約２ｃｍ〜８ｃｍ程度、巻数約１〜１０程度、銅容量約１ｃｃ〜１０ｃｃ程度を有する。

また、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４において、１次側コイル１０と２次側コイル１２との磁気的結合係数は、約０．５以下の疎結合であり、かつ電力伝送効率は約７０％以上である。

また、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４において、チョッパー制御部４は、１次側コイル１０の共振周波数と、２次側コイル１２の共振周波数とをそれぞれ検出することによって同調を制御する。

また、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４において、ＡＣ端子のＡＣ電圧を第１ダイオードブリッジ２によってブリッジ整流された電圧は、チョッパー制御部４において低電圧に変換され、ＡＣ電圧のＡＣ入力に対応して自動電圧調整される。

また、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４において、携帯機器３０は近接無線充電ＡＣアダプタ２４に近接されたときに、入力電圧の検出情報を含む帰還情報を近接無線充電ＡＣアダプタ２４に無線伝送し、近接無線充電ＡＣアダプタ２４内部では帰還情報を受け取り、チョッパー制御部４に伝送する。

また、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４において、携帯機器３０は、２次側コイル１２に接続された第２ダイオードブリッジ６と、第２ダイオードブリッジ６に接続された充電プロファイルＩＣ１４とを備え、携帯機器３０が近接無線充電ＡＣアダプタ２４に近接されたときに、入力電圧の検出情報を含む帰還情報を充電プロファイルＩＣ１４からチョッパー制御部４に無線伝送することができる。

また、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４において、チョッパー制御部４と充電プロファイルＩＣ１４間は、双方向通信可能である。

また、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４において、携帯機器３０が、携帯電話２２であるときは、近接無線充電ＡＣアダプタ２４の充電台の上に携帯電話２２を搭載し、携帯機器３０が、ノートブックコンピュータ２０であるときは、前記ノートブックコンピュータの横に近接無線充電ＡＣアダプタ２４の充電台を配置し、複数の携帯機器３０が単一の充電台を共有することができる。

また、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４において、所定の電力搬送波周波数帯域において、携帯機器３０のシャーシ、プリント基板、搭載部品またはその組み合わせが共振特性を持たず、非接触電力伝送におけるそれらの異物が、低インピーダンスで結合された１次側コイル１０および２次側コイル１２に対して、相対的に高インピーダンスであることが望ましい。

また、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４において、１次側コイル１０によって２次側コイル１２を検出することによって、充電対象を選択的に特定し、所定の電力搬送波周波数を変調した双方向通信で確認する前に、異物と区別出来るようにしても良い。

また、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４において、近接無線充電ＡＣアダプタ２４内に１次側コイル１０を複数配置し、携帯機器３０が、携帯電話２２であるときは、複数の１次側コイル１０を切り替えることで、近接無線充電ＡＣアダプタ２４の充電台の上に搭載する携帯電話２２の正確な位置を要求しないようにしても良い。また、携帯機器３０が、ノートブックコンピュータ２０であるときは、ノートブックコンピュータ２０の横に近接無線充電ＡＣアダプタ２４を配置して駆動する際に、１次側コイル１０が複数であることによって、１次側コイル１０が１個の場合に比べ相対的に高い電力伝送効率が得るようにしても良い。

また、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４において、近接無線充電ＡＣアダプタ２４の充電台をノートブックコンピュータ２０の横に配置して駆動するときに、携帯電話２２も充電台の上に搭載して、時分割で交互にノートブックコンピュータ２０と携帯電話２２を充電・駆動するようにしても良い。

実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４においては、閉磁路で磁気結合係数ｋを０．８以上として漏洩磁束を減らすことを志向した従来の接触／非接触充電器の考えを１８０度転換し、開磁路で、磁気結合係数や漏洩磁束は問わず、共振によって磁気結合係数の小ささが電力伝送に寄与しないようにしている。また近接無線充電ＡＣアダプタ２４側の１次側コイルと、携帯機器３０（２０、２２）側の２次側コイルが、極く低インピーダンスで結合するようにして、周りの異物のインピーダンスの影響を受けないようにしている。

実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４においては、１次側コイル１０と２次側コイル１２のそれぞれに共振容量Ｃ１、Ｃ２を接続して、高いＱ値を有する同調型近接無線充電ＡＣアダプタ２４を構成している。このため、異物に対する相対的な動作インピーダンスを低下させると共に、励磁インダクタンスが等価的にＱ倍になるようにしている。

また結合状況によっては、漏洩インダクタンスを同じ周波数の直列共振容量で打ち消し、伝送特性を改善することもできる。実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４の同調状態は、１次側コイル１０と２次側コイル１２の結合状態によって大きく変化するので、それぞれの共振容量Ｃ１、Ｃ２をアダプティブに変化できるようにしても良い。特にノートブックコンピュータ２０では横置き（Ｃｏ−Ｐｌａｎｅ）の形態になり、ノートブックコンピュータ２０のシャーシや部品によって電力伝送条件が変動する。このため、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４においては、適応同調（アダプティブレゾナント）制御を行うことが望ましい。

実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４において、１次側コイル１０、および携帯機器３０に接続若しくは内蔵される２次側コイル１２の具体例は、図３に示すように表される。

図３において、１次側コイル１０の等価半径ａは、約６ｃｍ、１次側共振容量Ｃ１は、約１．７ｎＦ、銅損に伴う等価抵抗ｒｃは、約０．００１２Ωであり、２次側コイル１２の等価半径ａは、約６ｃｍ、２次側共振容量Ｃ２は、約１．７ｎＦ、銅損に伴う等価抵抗ｒｃは、約０．００１２Ωであり、１次側コイル１０および２次側コイル１２の銅線量は、ともに、約１０ｃｃである。また、電力搬送波周波数は、約１０ＭＨｚ、波長は、約３０ｍである。

ここで、常時非接触遠隔充電時の、携帯機器３０のリチウムイオン充電電池の容量を３割減の５００ｍＡｈと仮定する。このリチウムイオン充電電池を３０分掛けて充電する時の平均電流は１Ａであり、端子電圧３．５Ｖに調整電圧降下分０．５Ｖを加えた４Ｖにおいて、消費される平均電力は４Ｗであり、平均負荷抵抗は４Ωであることがわかる。

図３は、銅損制限領域の無線電力伝送時の等価回路に相当している。図３に示すように、２次側共振容量Ｃ２をＣ２１とＣ２２に分割して、容量Ｃ２２を介して、第２ダイオードブリッジ６によるブリッジ整流回路を負荷として接続する際の負荷抵抗（平均）の値は４Ωとなる。

実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタにおいては、携帯機器３０の非接触充電において、１次側コイル１０と２次側コイル１２を絶縁空芯コイル（図９（ｂ）参照）で形成して、積極的に疎結合とし、１次側コイル１０と２次側コイル１２にはそれぞれ共振容量Ｃ１、Ｃ２を付加して同調することにより、動作インピーダンスを極力下げて、携帯機器３０に搭載された部品・基板などの影響を相対的に減じて、電力伝送効率・利便性・製造コスト・汎用性などの全てを実用的に受け入れられるものとしたものである。

ほぼ全ての情報携帯機器に対して共通の非接触近接無線充電ＡＣアダプタが使用でき、充電台の上に載せる様態でも、充電台をノートブックコンピュータ２０の横に置くう様態でも柔軟に対応できる。

（微小Ｌｏｏｐの放射磁界）
微小ＬｏｏｐＡの近傍界・遠方界放射を説明する３次元座標系表示は、図４に示すように表される。

無線電力伝送の送受信アンテナには、図４に示す、微小ＬｏｏｐＡが専ら使われる。

数式１、数式２は微小Ｌｏｏｐからの放射磁界を示す。この２つ式は、マックスウェルの電磁方程式ではなく、光速遅延項exp(-jkR)を加えたビオ−サバールの式から導かれる。実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタにおける非接触近接無線電力伝送現象の説明は、数式１、数式２が正しいとして、構成されている。

数式１は携帯機器３０の密着対向充電に使われる磁界Ｈ_Rを示す。ここで、＊は乗算記号を表す(以下同様である)。

数式２はノートブックコンピュータ２０の近接横付け充電に使われる磁界Ｈ_θを示す。

数式１、数式２は、電磁気学・アンテナ光学・電波工学に携わる研究者・技術者・学生に例外なく共通に理解されている。無線電力搬送波として、短波（３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ）を使って、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタにおける１次側コイル１０と携帯機器３０の２次側コイル１２を、距離３ｍ程度の間隔に置く場合は、お互いのコイルの放射の近傍界の範囲（Ｒ＜λ／２π）に、相手側が存在することになる。

（近接無線充電ＡＣアダプタと携帯機器の相対位置）
実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタにおいて、１次側コイル１０と携帯電話コイル１２ａ、およびノートブックコンピュータコイル１２ｃの近接結合効果を、図５を用いて説明する。

実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタの充電台上の携帯電話２２を搭載し、近接無線充電する場合には、インダクタンスＬ１を有する１次側コイル１０とインダクタンスＬ２を有する２次側携帯電話コイル１２ａとの距離は、約１ｃｍであり、携帯電話２２が近接無線充電ＡＣアダプタ２４の充電台上に配置されることから、数式１で示される携帯機器３０の密着対向充電に使われる磁界Ｈ_Rを適用することができる。

一方、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタの充電台の横にノートブックコンピュータ２０を配置し、近接無線充電する場合には、インダクタンスＬ１を有する１次側コイル１０とインダクタンスＬ２を有する２次側ノートブックコンピュータコイル１２ｃとの距離は、約１０ｃｍであり、ノートブックコンピュータ２０が近接無線充電ＡＣアダプタ２４の充電台の横に配置されることから、数式２で示されるノートブックコンピュータ２０の近接横付け充電に使われる磁界Ｈ_θを適用することができる。

（電力伝送の等価回路）
実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタにおいて、銅損制限領域の無線電力伝送の等価回路は、図６（ａ）に示すように表され、携帯機器３０の等価回路は、図６（ｂ）に示すように表される。

図６（ａ）に示すように、近接無線充電ＡＣアダプタに内蔵される１次側コイル１０は、巻線の銅損に伴う等価抵抗ｒｃ、インダクタンスＬ１、１次側共振容量Ｃ１、および逆誘導電圧ｖ１の直列回路で表される。この直列回路には、励磁電圧ｅが接続されて、１次側励磁電流ｉ１が導通する。

また、図６（ａ）に示すように、携帯機器３０に内蔵される２次側コイル１２は、巻線の銅損に伴う等価抵抗ｒｃ、インダクタンスＬ２、２次側共振容量Ｃ２、および誘導電圧ｖ２の直列回路で表される。この直列回路には、負荷抵抗ｒＬが接続されて、２次側誘導電流ｉ２が導通する。さらに、２次側コイル１２は、図６（ｂ）に示すように、等価抵抗ｒｃ、インダクタンスＬ２、Ｃ２１とＣ２２に分割された２次側共振容量Ｃ２、および誘導電圧ｖ２の直列回路で表され、負荷抵抗ｒＬは、２次側共振容量Ｃ２２に並列接続される。

１次側コイル１０および２次側コイル１２の等価半径はａ、電力搬送波周波数は、約１０ＭＨｚ、波長は、約３０ｍである。

（ａ）１次側コイル１０の微小Ｌｏｏｐ１、２次側コイル１２の微小Ｌｏｏｐ２は、それぞれ巻線の銅損に伴う抵抗ｒｃを有し、放射損は無視できる。

（ｂ）１次側コイル１０の微小Ｌｏｏｐ１のインダクタンスＬ１、２次側コイル１２の微小Ｌｏｏｐ２のインダクタンスＬ２は共振装荷容量Ｃ１、Ｃ２によってそれぞれリアクタンス成分が正負で打ち消されている。

（ｃ）１次側コイル１０の微小Ｌｏｏｐ１は、励磁電圧ｅで駆動され、１次側励磁電流ｉ１が導通する。

（ｄ）負荷抵抗ｒＬを有する２次側コイル１２の微小Ｌｏｏｐ２には１次側励磁電流ｉ１による２次側誘導電流ｉ２が導通する。

（ｅ）２次側誘導電流ｉ２の再放射によって、１次側コイル１０の微小Ｌｏｏｐ１に逆誘導電圧ｖ１を誘起している。

簡単のために、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタに内蔵する１次側コイル１０と、携帯機器３０に内蔵する２次側コイル１２を同じ形状としている。系に入力された有効電力Ｐ_inは、励磁電圧ｅと１次側励磁電流ｉ１のベクトルの内積として、数式３で表される。

他方、負荷抵抗ｒＬに伝送された電力Ｐ_outは、数式４で表される。

従って、電力伝送効率ηは、数式５で表される。これは正の値であり、またエネルギーの保存則が成り立つ限り、１より大きくなることはない。

１次側コイル１０および２次側コイル１２の２つのコイルの放射抵抗は銅損に対して小さいので無視される。Ｌｏｏｐ１のオーム則は数式６で表される。ここで、共振容量の誘電体損は無視している。

同じく、Ｌｏｏｐ２のオーム則は数式７で表される。ｒＬは無線電力伝送の負荷抵抗である。

数式８は銅線量を１０ｃｃとして、表皮効果を考慮した後の、銅損ｒｃを表す。ここで、ρは銅線の抵抗率、Ｓは銅線の断面積、ｌは銅線の長さ、ωは角周波数、μは透磁率、ｄは表皮深さ（skin depth）、ｎは巻数を表す。

（携帯電話充電の密着対向非接触位置での電力伝送効率）
１次側励磁電流ｉ１による、中心軸上の磁界強度Ｈ_Rは数式９で表される。

励磁電流ｉ１による、２次側コイル１２の誘導電圧ｖ２は数式１０で表される。

Ｌｏｏｐ２に於ける誘導電流ｉ２による、オーム則は数式１１で表される。

Ｌｏｏｐ１における励磁電流ｉ１による、オーム則は数式１２で表される。

従って、数式１３を得る。

Ｌｏｏｐ１への入力電力Ｐ_inは、電圧の電流に対する同相分を掛け合わせて数式１４で表される。

一方、負荷抵抗ｒＬに伝送された電力Ｐ_outは数式１５で表される。

従って、銅損制限領域の無線電力伝送効率ηは数式１６で表される。

実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタにおいて、銅損制限領域での携帯電話充電の電力伝送効率は、図７に示すように表される。図７は銅損制限領域での携帯電話充電の密着対向のコイル間の距離と伝送効率の関係を示したものであり、電力搬送波周波数１０ＭＨｚでコイルの半径を代表的に約６ｃｍとして、約１ｃｍの距離で、効率約８０％が得られることがわかる。

ノートブックコンピュータの充電台横付け位置での電力伝送効率）
励磁電流ｉ１による、中心軸上の磁界強度Ｈ_Rは数式１７で表される。

励磁電流ｉ１による、２次側コイル１２の誘導電圧ｖ２は数式１８で表される。

Ｌｏｏｐ２に於ける誘導電流ｉ２による、オーム則は数式１９で表される。

Ｌｏｏｐ１に於ける励磁電流ｉ１による、オーム則は数式２０で表される。

従って、数式２１が得られる。

Ｌｏｏｐ１への入力電力Ｐ_inは、電圧の電流に対する同相分を掛け合わせて数式２２で表される。

一方、負荷抵抗に伝送された電力Ｐ_outは数式２３で表される。

従って、銅損制限領域の無線電力伝送効率ηは数式２４で表される。

実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタにおいて、銅損制限領域でのノートブックコンピュータ充電の電力伝送効率は、図８に示すように表される。図８は銅損制限領域でのノートブックコンピュータ充電の近接横付けのコイル間の距離と伝送効率の関係を示したものであり、電力搬送波周波数１０ＭＨｚでコイルの半径を代表的に約６ｃｍとして、約１０ｃｍの距離で、効率約８０％が得られることがわかる。

（携帯機器に搭載された部品への影響の軽減）
磁気コアを有した高周波トランスを切断して分離したものを、接近して向かい合わせて構成した比較例に係る携帯電話２２の充電を説明する模式的断面構造は、図９（ａ）に示すように表され、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４による携帯電話２２の充電を説明する模式的断面構造は、図９（ｂ）に示すように表される。

図９（ａ）において、分割された磁気コアの内、ソース側の磁気コア１３０ａには、１次側コイル１５０ａが巻かれており、ドレイン側の磁気コア１３０ｂには、２次側コイル１５０ｂが巻かれている。ソース側の磁気コア１３０ａは、ＡＣ充電アダプタ２４ａのシャーシ内に埋め込まれ、ドレイン側の磁気コア１３０ｂは、携帯電話２２のシャーシ内に埋め込まれている。通常、ソース側の磁気コア１３０ａとドレイン側の磁気コア１３０ｂを出来るだけ接近して向かい合わせることによって、図９（ａ）に示すように、比較例の密着非接触充電の磁気的な結合係数は、８０％程度である。

比較例の密着対向非接触ＡＣ充電アダプタ２４ａは、磁束が携帯電話２２に実装された部品と交叉しないように、できる限り閉磁路とするために、フェライト等の磁気コアを用いて、それを切断して対向させ、また携帯電話２２内の基板との間を金属箔１２０で電磁シールドをしている。

これに対して、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４では、図９（ｂ）に示すように、１次側コイル１０をプリント基板１００ａの表面および裏面にスパイラル状導電性パターンによって形成された絶縁空芯コイルで構成し、２次側コイル１２をプリント基板１００ｂの表面および裏面にスパイラル状導電性パターンによって形成された絶縁空芯コイルで構成している。プリント基板１００ａは、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４に内蔵され、プリント基板１００ｂは、携帯電話２２に内蔵されている。

実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４では、基本的に開磁路を形成し、磁束が携帯電話２２に搭載された部品と交叉することを許容する。その理由は、数式２５に示すように、１次側コイル１０と２次側コイル１２が共振することによって、低い動作インピーダンスで結合し、実装部品と１次側コイル１０／２次側コイル１２の結合が相対的に小さくなり、疎結合となるからである。

携帯電話端末のシャーシと部品はショートリングとして広帯域に存在しているのに対して、１次側コイル１０と２次側コイル１２も広帯域に結合している比較例の密着対向非接触ＡＣ充電アダプタと比べて、１次側コイル１０と２次側コイル１２が狭帯域に結合している実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタでは、閉磁路とする必要がない。

実施の形態に係る近接無線ＡＣアダプタによる無線電力伝送における搭載部品の影響は、模式的に図１０に示すように表される。実施の形態に係る近接無線ＡＣアダプタにおいて、１次側コイル１０と２次側コイル１２は同調結合されているが、１次側コイル１０と実装部品のショートリングコイル１６間は、実装部品の影響が共振によって減じられている。

数式２５は実装部品の影響が共振によって減じられる減衰量Ａｔｔの一般式である。これは図１０に示すように、１次側コイル１０と２次側コイル１２からなる共振コイルは低インピーダンス動作であり、一方、実装部品はたとえ金属板でも大きなインピーダンスであることによる。すなわち、図１０および数式２５において、ω₀は共振角周波数、Ｌは実装部品のショートリングコイル１６の等価インダクタンスを表す。

留意点は、携帯機器の実装部品や基板の構成が、電力搬送波周波数で高いＱを持つ共振を持たないことである。

一方、ノートブックコンピュータで横付け無線充電・駆動する場合は、１次側コイル１０と２次側コイル１２の結合はより疎になる。しかしその疎の程度は、２ｍの距離で効率４０％の電力伝送効率を確保するのに比べると、１０ｃｍの距離でしかない。１次側コイル１０と２次側コイル１２を共振させた場合の電力伝送効率ηは、一般的にコイルの半径とは無関係である。

また、ノートブックコンピュータで横付け無線充電・駆動する場合、１次側コイル１０と２次側コイル１２の結合は、２次側コイル１２と実装部品の固定された結合に比べて、相対的に弱くなる。しかし１次側コイル１０および２次側コイル１２の半径を小さくすることによって、実装部品の影響は殆ど無視できるようにすることができる。

（携帯機器の検出）
無線電力伝送の電磁気原理であって、相対的に遠距離の場合の近接無線充電の説明図を、図１１（ａ）に、相対的に近距離の場合の近接無線充電の説明図を図１１（ｂ）に示す。

図１１（ａ）に示すように、１次側コイル１０のインダクタンスＬ１と２次側コイル１２のインダクタンスＬ２間の相互誘導（Ｍ）によって、互いの距離Ｒが１０ｍの場合の出力電圧Ｖ₀は、Ｖ₀＝（１／Ｒ）×{Ｓ₁Ｓ₂(２πｆ)³／９０×１０²²}×ｉで表される。ここで、Ｓ１、Ｓ２は、Ｌｏｏｐ１、Ｌｏｏｐ２の面積を表す。

一方、図１１（ｂ）に示すように、１次側コイル１０のインダクタンスＬ１と２次側コイル１２のインダクタンスＬ２間の距離Ｒ_eqが１ｃｍの場合の出力電圧Ｖ₀は、Ｖ₀＝（１／Ｒ_equ）×{Ｓ₁Ｓ₂(２πｆ)³／９０×１０²²}×ｉで表される。ここで、Ｒ_equ＝Ｒ／（Ｑ１・Ｑ２）である。

実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタでは、１次側コイル１０のインダクタンスＬ１に並列に１次側共振容量Ｃ１を接続し、２次側コイル１２のインダクタンスＬ２に並列に２次側共振容量Ｃ２を接続して、それぞれ高いＱ１、Ｑ２の同調が取られている。例えば、Ｑ１とＱ２の値が１００であれば、近接無線充電ＡＣアダプタから１０ｍ離れた携帯機器は、１ｃｍの近くに見えることになる。従来の密着非接触充電ＡＣアダプタではＩＨヒータのように異物を検出する必要があった。実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタでは、異物との間では決してこのような関係にならない。実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタでは、電波法の微弱電波で携帯機器を監視しているので、携帯機器が明らかな意図を持って充電器に接近しなければ、充電は開始しない。

実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタでは、基本的に異物の検出が必要ではない。実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタでは、充電・駆動対象の携帯機器が近傍に存在することを、微弱電波による高度な検出で常に把握しており、単純に負荷としての異物があることは判定の基準にはしていない。

携帯機器充電共用技術であって、半径Ｒｏの球面内で全方向で携帯電話２２、ノートブックコンピュータ２０を無線充電・駆動可能な比較例は、図１２（ａ）に示すように表される。図１２（ａ）の比較例では、約半径Ｒｏ＝３ｍの球面内で全方向で携帯電話２２、ノートブックコンピュータ２０を無線充電・駆動可能であるが、効率は、５０％程度である。

携帯機器充電共用技術であって、実施の形態に係る近接無線充電ＡＣアダプタ２４を適用し、近接で携帯電話２２、ノートブックコンピュータ２０を無線充電・駆動可能な実施例は、図１２（ｂ）に示すように表される。図１２（ｂ）の実施例では、近接で携帯電話２２、ノートブックコンピュータ２０を無線充電・駆動可能であり、効率は、７０％以上である。

一方、専用ケーブル８ａ、専用コネクタ８ｂなどで携帯電話２２、ノートブックコンピュータ２０をコード接続充電・駆動可能な充電ＡＣアダプタ（２４ａ、２４ｂ）の比較例の模式図は、図１２（ｃ）に示すように表される。比較例に係る充電ＡＣアダプタ（２４ａ、２４ｂ）においては、専用ケーブル８ａ、専用コネクタ８ｂなどで携帯電話２２、ノートブックコンピュータ２０をコード接続充電・駆動可能であり、効率は８０％以上が得られている。

本発明の実施の形態によれば、共振現象を利用して、充電電池を持つ携帯電話端末の密着充電台を、ノートブックコンピュータ等まで拡大して共用化する、磁気的疎結合による共用化近接無線充電ＡＣアダプタを提供することができる。

本発明の実施の形態によれば、磁気的疎結合で、共振現象を利用して携帯機器の動作に影響を与えず、かつ相対的に高効率の電力伝送効率を得ることができ、携帯機器間で共用化された近接無線充電ＡＣアダプタを提供することができる。

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の近接無線充電ＡＣアダプタは、家庭／学校／オフィスに定置され、携帯機器と一緒に持ち運ぶことはせず、通常の携帯情報機器はどれも共用化近接無線充電・駆動することができることから、あらゆる携帯情報機器に適用することができる。

２、６…ダイオードブリッジ
３…安定化電圧回路
４…チョッパー制御部
５…チョッパー回路
７…フォトカプラ
８ａ…専用ケーブル
８ｂ…専用コネクタ
９…電圧検出回路
１０…１次側コイル
１１…フェライトコア高周波トランス
１２…２次側コイル
１２ａ…携帯電話コイル
１２ｃ…ノートブックコンピュータコイル
１３…磁芯トランス
１４…充電プロファイルＩＣ（集積回路）
１６…実装部品のショートリングコイル
１７、１９…ダイオードインジケータ
２０…ノートブックコンピュータ
２２…携帯電話
２４…近接無線充電アダプタ
２４ａ、２４ｂ…充電ＡＣアダプタ
３０…携帯機器
１００ａ、１００ｂ…プリント基板
１３０ａ、１３０ｂ…磁気コア
１５０ａ、１５０ｂ…コイル

Claims (14)

1. ＡＣ端子に接続された第１ダイオードブリッジと、
   前記第１ダイオードブリッジに接続されたチョッパー制御部と、
   前記チョッパー制御部に接続された１次側共振容量と、
   前記１次側共振容量に接続され、所定の電力搬送波周波数帯域において前記１次側共振容量と同調する１次側コイルと、
   携帯機器に内蔵される２次側コイルと、
   前記２次側コイルに接続され、前記所定の電力搬送波周波数帯域において前記２次側コイルと同調する２次側共振容量と
   を備え、前記所定の電力搬送波周波数帯域において前記１次側コイルと前記２次側コイルとを同調することにより動作インピーダンスを下げ、磁気的疎結合によって、前記携帯機器を非接触で充電することを特徴とする近接無線充電ＡＣアダプタ。
2. 前記所定の電力搬送波周波数帯域は、３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの短波帯域であることを特徴とする請求項１に記載の近接無線充電ＡＣアダプタ。
3. 前記１次側コイルおよび前記２次側コイルは、いずれも等価半径２ｃｍ〜８ｃｍ、巻数１〜１０、銅容量１ｃｃ〜１０ｃｃを有することを特徴とする請求項１または２に記載の近接無線充電ＡＣアダプタ。
4. 前記１次側コイルと前記２次側コイルとの磁気的結合係数は、０．５以下の疎結合であり、かつ電力伝送効率は７０％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の近接無線充電ＡＣアダプタ。
5. 前記チョッパー制御部は、前記１次側コイルの共振周波数と、前記２次側コイルの共振周波数とをそれぞれ検出することによって同調を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の近接無線充電ＡＣアダプタ。
6. 前記ＡＣ端子のＡＣ電圧を前記第１ダイオードブリッジによってブリッジ整流された電圧は、前記チョッパー制御部において低電圧に変換され、前記ＡＣ電圧のＡＣ入力に対応して自動電圧調整されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の近接無線充電ＡＣアダプタ。
7. 前記携帯機器は前記近接無線充電ＡＣアダプタに近接されたときに、入力電圧の検出情報を含む帰還情報を前記近接無線充電ＡＣアダプタに無線伝送し、前記近接無線充電ＡＣアダプタ内部では前記帰還情報を受け取り、前記チョッパー制御部に伝送することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の近接無線充電ＡＣアダプタ。
8. 前記携帯機器は、前記２次側コイルに接続された第２ダイオードブリッジと、前記第２ダイオードブリッジに接続された充電プロファイルＩＣとを備え、前記携帯機器が前記近接無線充電ＡＣアダプタに近接されたときに、入力電圧の検出情報を含む帰還情報を前記充電プロファイルＩＣから前記チョッパー制御部に無線伝送することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の近接無線充電ＡＣアダプタ。
9. 前記チョッパー制御部と前記充電プロファイルＩＣ間は、双方向通信可能であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の近接無線充電ＡＣアダプタ。
10. 前記携帯機器が、携帯電話であるときは、前記近接無線充電ＡＣアダプタの充電台の上に前記携帯電話を搭載し、前記携帯機器が、ノートブックコンピュータであるときは、前記ノートブックコンピュータの横に前記近接無線充電ＡＣアダプタの充電台を配置し、複数の携帯機器が単一の充電台を共有可能としたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の近接無線充電ＡＣアダプタ。
11. 前記所定の電力搬送波周波数帯域において、前記携帯機器のシャーシ、プリント基板、搭載部品またはその組み合わせが共振特性を持たず、非接触電力伝送に於けるそれらの異物が、低インピーダンスで結合された前記１次側コイルおよび前記２次側コイルに対して、相対的に高インピーダンスであることを特徴とする請求項１０に記載の近接無線充電ＡＣアダプタ。
12. 前記１次側コイルによって前記２次側コイルを検出することによって、充電対象を選択的に特定し、前記所定の電力搬送波周波数を変調した双方向通信で確認する前に、異物と区別出来るようにしたことを特徴とする請求項１０に記載の近接無線充電ＡＣアダプタ。
13. 前記近接無線充電ＡＣアダプタ内に前記１次側コイルを複数配置し、前記携帯機器が、携帯電話であるときは、前記１次側コイルを切り替えることで、前記近接無線充電ＡＣアダプタの充電台の上に搭載する前記携帯電話の正確な位置を要求せず、前記携帯機器が、ノートブックコンピュータであるときは、前記ノートブックコンピュータの横に前記近接無線充電ＡＣアダプタを配置して駆動する際に、前記１次側コイルが複数であることによって、前記１次側コイルが１個の場合に比べ相対的に高い電力伝送効率が得ることを特徴とする請求項１０に記載の近接無線充電ＡＣアダプタ。
14. 前記近接無線充電ＡＣアダプタの充電台を前記ノートブックコンピュータの横に配置して駆動するときに、前記携帯電話も前記充電台の上に搭載して、時分割で交互に前記ノートブックコンピュータと前記携帯電話を充電・駆動することを特徴とする請求項１０に記載の近接無線充電ＡＣアダプタ。

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