JP2013150455A - ワイヤレス給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤレス給電システムにおいて、給電装置が位置検出をできないほど小さい受電コイルを受電装置が持っているときにも、給電装置が受電装置の位置を検出できるようにする。
【解決手段】位置応答コイル１４１より半径の小さな受電コイル９１は、位置応答コイル１４１と同心円上にあり、給電側は先の位置応答コイル１４１の位置情報を得て、半径の小さな受電コイル９１の位置とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コネクタ等の機械的な接続をせずに近傍界に電力を伝送する、電磁誘導方式のワイヤレス給電に関する。

ワイヤレス給電システムは、携帯可能な装置に組み込まれる受電コイルに電磁誘導あるいは電磁結合する給電コイルを固定側の装置に有し、給電コイル側から受電コイル側に給電を行うことで、携帯電話端末やＰＤＡ、またはその電池などへの無接点充電を行うものである。接点のない本方式は、接点部の汚れや、メッキはがれ、変形などがなく長期の信頼性を確保できるメリットがある。

このような携帯に適した機器は、近年の高機能化に伴って、多くの部品が微細化の一途をたどっており、本発明は、このような技術革新の中でワイヤレス給電システムにも求められる微小化への一方法を記すものである。
給電を要するそのような機器は、装置を駆動させる電池への充電を行うものであり、受電コイルで得られる電力を電池へ充電する回路をもっている。ワイヤレス給電の電力の伝送効率は、電池への充電時間、信頼性などに影響する。

伝送効率が悪化した状態でのワイヤレス給電は、充電が想定以上の時間かかるので、電池への十分な充電量を確保できなかったり、充電が途中で停止するなどの不具合を起こす。
ワイヤレス給電システムにおいて、伝送効率を上げるための給電コイルと受電コイルの構成は一般的に以下の設計指標のいくつかを組み合わせている。
・受電コイルのサイズを大きくして、給電コイルと受電コイルの向き合う面積Ｓを大きく して、受信コイルがより多くの磁束Φを得られるようにする。
・受電コイルの巻き数ｎを多くして、より大きな起電力Ｖを得られるようにする。
・給電コイルと受電コイルの同心円の中心軸を合わせる。
・給電コイルと受電コイルの対向する距離を短くする。
・給電コイルから受電コイルへの磁束Φの漏れを抑えるべく磁性体を使用する。
・受電コイルとコンデンサからなる共振回路の周波数と給電コイルから発する搬送波の周 波数を同じとする。

図４にワイヤレス給電システムの回路の一例を示す。
給電装置８０には給電のための磁界を発する給電コイル１０１があり、受電装置８１の受電コイル９１と中心軸を合わせるように向き合って配置される。
給電コイル１０１より搬送波を送ると、受電コイル９１の両端には誘導起電力が発生する。受電コイル９１の両端は交流波形が発生するが、整流回路７４および平滑コンデンサ７５によって、直流が得られる。得られる直流電流は、受電装置８１を駆動させる電池への充電を行うものであり、負荷７６は充電回路などを意味するものである。

また、共振コンデンサ９２は受電コイル９１と共振回路周波数ｆ１を持っていて、給電装置８０の給電コイル１０１が搬送波の周波数をｆ１としたときに最も効率の良い伝送が行われる。
給電コイルと受電コイルの同心円の中心軸を合わせる手法においては、一般に給電コイル１０１と受電コイル９１が円形のスパイダル、ループなどの形状であるならば、その中心軸１１３が一致して向き合ったときに高い電力伝送効率を得ることができるとされている。
そして給電コイル１０１と受電コイル９１の位置関係をあわせる方法は、以下の先行技術文献で記されているような方法を見ることができる。

はじめに受電コイルの位置を探し出す方法を先行技術文献から説明する。
特許文献１は、タブレットのペンの位置検出に関するものである。ペンには搬送波を発生する回路と搬送波を磁界に変換するコイルがあり、タブレット側には順次選択される検出コイルが平面状に配置されている。検出コイルに発生するペンのコイルからの誘導電圧の平面状の分布からペンの位置を検出するものである。

特許文献２の例を図６にて説明する。
送信側はタブレットとなっており、受信側がペンに相当している。送信側の検出コイル５１は複数配置されていて、選択回路４１によって１つを選択できるようになっている。発振回路１１とドライバー１２で構成される送信系とアンプ２１で構成される受信系があり、先の選択回路４１と切り替えスイッチ３１によって接続されるものである。送信時には、切り替えスイッチ３１が送信系にＯＮになって、選択回路４１によって選択された検出コイル５１がドライブされ、検出コイル５１は搬送波を送り出す。ペンの中に位置応答コイル６１とコンデンサ６２にて構成される共振回路があり、先の検出コイル５１が間近にあると、位置応答コイル６１に搬送波による共振が発生する。

しばらくして、タブレット側の切り替えスイッチ３１は受信系に切り替わる。しかし、ペン側の位置応答コイル６１の共振現象はしばらくの間、減衰しながら持続することになる。タブレット側の検出コイル５１は、この共振を捕らえて、検出コイル５１端にも同周波数の共振電圧が発生する。共振電圧があらかじめ定めたレベル以上になったときに正規の位置応答コイルが置かれていると判断する。

特許文献１の検出コイルを特許文献２の検出コイルに置き換えたときに、ペンには特許文献２の回路が構成されていれば、タブレット側にて検出コイルから発した搬送波がペンのコイルに共振を起こして、再びタブレットの検出コイルに受信できるようにして、複数の検出コイルに発生する誘導記電圧の分布からペンの位置を検出できる構成にすることができる。

このような受電コイルの位置検出を可能にしたワイヤレス給電の回路構成を図５に示す。検出コイル５１は複数あって、平面状に配列されているものであり、受電コイル７１が位置応答コイルの役割をもって、その位置を検出するものである。上記説明の手順で受電コイル７１の中心軸１１２の位置がわかるので、例えば、給電コイル１０１を２軸駆動ステージなどに設置して、受電コイル７１の中心軸１１２に給電コイル１０１を合わせることによって、高い電力伝送効率を得ることができる。

その他に従来の技術として送電側の装置と受電側の装置を向き合わせたときに互いのコイルの中心軸が合うように互いのケースに勘合の凹凸を設けて、位置あわせをするものがある。装置のケースのデザインや機能面に制約を与える場合もあるので、この方法を実現する場面は限られる。

また、お互いの中心軸が揃うようにコイルの中心に磁石と鉄板を配置して、引き合わせる方法がある。携帯機器やＰＤＡの各種センサに磁石が悪影響を及ぼす懸念や磁石が周囲にある金属片を引き寄せる危険などもあり、この方式は敬遠される傾向にある。ワイヤレス給電システムでは、不慮の事故防止などの観点から、給電側から受電側への送電を開始するに先立って、給電側にセットされた受電側が正規のものであるか否か、及び、給電側と受信側との間で金属などの異物を挟んでいないか否かを判定することが必要とされている。クリップなどの異物小片が給電コイルに向き合うように置かれたときに誤って電力伝送をして発熱などの事故のないようにするために、適正な受電コイルがおかれているか否かを判定する方法を持つものがある。

再び、複数の検出コイルと受電コイルの位置検出に関して考える。
例えば、隣り合う複数の検出コイルへの受電コイルからの応答があらかじめ定めたレベル以上に達しているかどうか検出することにより、異物か正規の受電コイルかを判定する手段がある。
図７は受電コイル６１Ａが複数の検出コイル５１に重なるように配置されている状態を示している。この状態で検出コイル５１が受電コイル６１Ａをスキャンすると重なり合う複数の検出コイル５１が、受電コイル６１Ａからの搬送波の応答を得ることになる。

再び、図６の回路にてこの方法について説明する。
タブレット側は、検出コイル５１の選択回路４１によって送信される検出コイル５１を順次切り替えて、検出コイル５１端に発生する電圧をスキャンしていくことになる。各検出コイル５１に発生した電圧の分布を加重平均や最大値などの計算手法で受電コイル６１の位置を探し出す。

この方法では、受電コイル６１がある程度の半径以上の面積を持っていて、隣り合う複数の検出コイルへの受電コイルからの応答があらかじめ定めたレベル以上に達していれば、正規の受電コイルが置かれていると判断することができる。隣り合う複数の検出コイルへの受電コイルからの応答があらかじめ定めたレベルに満たない場合には、クリップなどの小片が置かれていると判断して充電行為に移行しないようにできる。
しかしながら、上記特許文献に開示される技術では、小さな半径の受電コイルを使用しようとしたときに送信側が受電コイルの位置を認識できない問題が発生する。

図７および図８にて説明する。
図７において、受電コイル６１Ａは複数の検出コイル５１をまたがって向き合っている。送信側が検出コイル５１を順次スキャンしていくと、各検出コイル５１に発生した電圧の分布を加重平均や最大値などの計算手法で受電コイル６１Ａの位置を探し出すことができる。しかし、図８のように半径が小さい受電コイル６１Ｂが置かれたときには、複数の検出コイル５１をまたがることができないために小さな半径の受電コイル６１Ｂは認識することができない。

特開２０００−８９９０２号公報 特開２０１０−１１３６１２号公報

受電装置は電池パックや携帯機器など持ち歩くのに適した構成を持つものである。
このような携帯に適した機器は、高機能化に伴って、多くの部品が微細化の一途をたどっており、本願は、このような技術革新の中でワイヤレス給電システムにも求められる微小化への一方法の発明を記すものである。必然的にワイヤレス給電システムにおいても受電側には小さな部品の構成が望まれることになる。半導体や受動素子、電池などは近年、目まぐるしくそのサイズの縮小と高性能化が図られたが、ワイヤレス給電システムの構成部品の一つの小さな半径の受電コイルを持ったものがその位置の検出をできないという先の課題を持つことになった。

本発明は、小さな半径を有する受電コイルを使用した場合にも電力を供給する給電装置へその位置を検出可能とし、給電コイルを適切な位置に移動できる手段を提供するものである。
図５において、受電コイル７１の半径が給電側の複数の検出コイル５１をまたがるほど大きくなく、給電側が受電コイル７１の位置を判定できないことが問題となっている。

本発明では、図１で示すように位置応答コイル１４１は、コンデンサ８２との共振周波数ｆ１の回路を持っていて、位置応答コイル１４１を受電装置の受電コイル９１と同心円上に配置して、複数の検出コイル５１は、位置応答コイル１４１の応答を検出することで、複数の検出コイル５１と位置応答コイル１４１の相対的位置関係を検出するものである。
さらに位置応答コイル１４１とその中心軸をあわせるように給電コイル１０１を移動して、結果、給電コイル１０１と受電コイル９１の中心軸をあわせるというものである。

また、位置応答コイル１４１と受電コイル９１は物理的に結合、分離が可能となっていて、給電行為を行うときは、位置応答コイル１４１と受電コイル９１を結合して給電を行い、受電装置を携帯して使用するときには、位置応答コイル１４１と受電コイル９１を分離して使用できることができる。すなわち、受電装置は半径の小さな受電コイル９１のみを内蔵したものでよいため、装置自体をコンパクトなものにすることができる。

位置検出精度の向上、給電効率の向上のために位置応答コイル１４１の共振周波数ｆ１と受電コイル９１の共振周波数ｆ２を区別することができる。位置検出動作の時には、位置応答コイル１４１が共振すればよく、受電コイル９１との結合が小さくなるようにお互いの周波数を離して干渉を抑えるものとする。また、給電行為のときは受電コイル９１が共振すればよく、位置応答コイル９１にも共振すると不要な電力の損失が発生する。
搬送波周波数ｆ１と搬送波周波数ｆ２が離れていれば、位置検出精度の向上、給電効率の向上を図ることができる。

本発明を利用すれば受電コイルを小さく実装でき、携帯機器をよりコンパクトに、より高機能に実現することができる。加えて、効率よい電力伝送による電池への充電が実現できるので、確実な充電機能と充電時間の短縮、無駄な発熱を抑えるなどの信頼性の向上を図れるばかりでなく、ヒートシンクなどの放熱部品の削除によるコストダウンなど数多くの貢献が期待できる。

本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムの概略構成図である。 受電装置と中継装置の装着を説明する図である。 位置検出の仕組みを説明する図である。 従来例の位置検出の仕組みを説明する図である。 受電コイルの位置検出をするワイヤレス給電システムの従来例である。 タブレットにおけるペンの検出回路の従来例である。 位置応答コイルが大きい場合の従来例である。 位置応答コイルが小さい場合の従来例である。

送電機器と受電機器の互いに対向する位置に配設されたコイル同士の電磁結合あるいは電磁誘導により電力転送する電子機器であって、電力を供給する装置の複数の検出コイル５１は、平面状に配列され、対向する位置応答コイル１４１の回路共振周波数ｆ１の搬送波を順次スキャンして、位置応答コイル１４１の位置を検出する。
位置応答コイル１４１より半径の小さな受電コイル９１は、位置応答コイル１４１と同心円上にあり、先の位置応答コイル１４１の位置情報を得て、受電コイル９１と電力を供給する装置の給電コイル１０１の中心軸を合わせるものである。

給電装置には、図７のように複数の検出コイル５１が平面状に配置されている。
一方、図１に示すように小さな受電コイル９１を内蔵した受電装置１２１は共振コンデンサ９２と整流回路７４と平滑コンデンサ７５および負荷７６等から構成される。図１は、給電装置１３２、受電装置１２１、及び中継装置１２２からなる本願におけるワイヤレス給電システム１を示している。

先述の受電コイル９１は図２の受電装置１２１に組み込まれることを想定する。受電装置１２１は携帯に適した大きさであり、あるいは身に着けることが意識できないほどの小さな小型携帯機器であってもよい。ユーザーはこれを携帯もしくは身に着けて使用するものである。受電装置１２１の使用中は内蔵の２次電池が回路を駆動して使用する。２次電池が消耗してユーザーがそれを充電する場面になると図２に示すように受電装置１２１を中継装置１２２に矢印Ａ方向に装着する。

図３は受電装置１２１と位置応答コイル１４１を含む中継装置１２２に物理的に装着、結合した状態であり、先の受電コイル９１と中継装置１２２の内部の位置応答コイル１４１の中心軸１１１を同じくして同心円に配置されるものとする。装着方向の矢印Ａは装着方法の一例であって、装着後の状態が受電装置１２１内部の受電コイル９１と中継装置１２２の内部の位置応答コイル１４１の中心軸１１１を同じくして同心円に配置されればよいものとする。例えば、装着方向が位置応答コイル１４１に横からスライドして受電コイル９１が同心円に配置されるように収まるということでも良い。

このような状態でユーザーは中継装置１２２と結合した受電装置１２１を給電装置１３２にセットすると、給電装置１３２の複数の検出コイル５１が中継装置１２２の内部の位置応答コイル１４１の位置を探し出す。
給電装置１３２の検出コイル５１は複数配置されていて、選択回路４１によって順次、送信と受信を繰り返して、検出コイル５１のそれぞれに対応した電圧の分布を得る。このときの送信側の搬送波は位置応答コイル１４１と共振コンデンサ８２の共振回路の共振周波数ｆ１で行われる。

検出コイル５１のそれぞれに対応した電圧の分布を加重平均や最大値などの計算手法で位置応答コイル１４１の位置を探し出す。
その後、給電装置１３２は位置応答コイル１４１を探し出した同位置に移動して、受電装置１２１の受電コイル９１へ給電用の周波数ｆ２の搬送波の送出を始める。周波数ｆ２の搬送波は、受電コイル９１と共振コンデンサ９２の共振回路の共振周波数と同じく、先の位置検出のための搬送波の周波数ｆ１とは異なる周波数を用いるものとする。

位置検出動作の時には、位置応答コイル１４１が共振すればよく、受電コイル９１との結合が小さくなるようにお互いの周波数を離して干渉を抑えるものとする。また、給電行為のときは受電コイル９１が共振すればよく、位置応答コイル１４１が共振すると不要な電力の損失が発生する。搬送波周波数ｆ１と搬送波周波数ｆ２が離れていれば、位置検出精度の向上、給電効率の向上を図ることができる。

１ ワイヤレス給電システム
１１ 発振回路
１２ ドライバー
２１ アンプ
３１ 切り替えスイッチ
４１ 選択回路
５１ 検出コイル
６１，１４１ 位置応答コイル
６１Ａ 半径の大きな受電コイル
６１Ｂ 半径の小さな受電コイル
６２ コンデンサ
７１，９１ 受電コイル
７２，９２ 共振用コンデンサ
７４ 整流回路
７５ 平滑コンデンサ
７６ 負荷
１０１ 給電コイル
１１１，１１２，１１３ 中心軸
８１，８２，１２１ 受電装置
１２２ 中継装置
８０，１３１，１３２ 給電装置
１４１ 位置応答コイル

Claims (3)

1. 給電コイルから受電コイルに給電を行うワイヤレス給電システムにおいて、
   前記給電コイルと、複数の検出コイルを有する給電装置と、
   受電コイルを有する受電装置と、
   前記受電コイルと同心円上に配置された位置応答コイルを有する中継装置と、からなり
   前記位置応答コイルの回路共振周波数ｆ１の搬送波を前記検出コイルで検出することで、前記受電コイルの位置を検出することを特徴とするワイヤレス給電システム。
2. 前記給電コイルは、検出された前記受電コイルの位置と同心円上に移動し、給電用の周波数ｆ２の搬送波を送出することを特徴とする請求項１記載のワイヤレス給電システム。
3. 前記受電装置と前記中継装置は物理的に結合、分離が可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載のワイヤレス給電システム。

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