JP2013219854A - Wireless power transmission device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はワイヤレス電力伝送装置に関する。 The present invention relates to a wireless power transmission apparatus.
近年、携帯機器向けの電磁誘導型ワイヤレス電力伝送装置が普及してきている。送電器に内蔵される送電コイルから発生する交流磁界により、電子機器などの受電器に内蔵される受電コイルに電力を伝送する。受電コイルに伝送された電力は、整流回路を介して二次電池などの負荷に供給される。送電器の表面に受電器を置くだけで受電器内の二次電池を充電することができるため、電源コネクタを抜き差しする必要がなく、優れた利便性や、防水、防塵などのメリットがある。 In recent years, electromagnetic induction type wireless power transmission devices for portable devices have become widespread. Electric power is transmitted to a power receiving coil built in a power receiver such as an electronic device by an AC magnetic field generated from a power transmitting coil built in the power transmitter. The power transmitted to the power receiving coil is supplied to a load such as a secondary battery via a rectifier circuit. Since the secondary battery in the power receiver can be charged simply by placing the power receiver on the surface of the power transmitter, there is no need to connect or disconnect the power connector, and there are advantages such as excellent convenience, waterproofing, and dustproofing.
このようなワイヤレス電力伝送装置において、常に送電コイルから交流磁界を発生させてしまうと、送電器の表面に受電器が置かれていない場合にも電力を多分に消費してしまう。そのため、送電コイルに対して間欠的に電力を送りながら受電器の有無を常にチェックする待機モードを設け、待機電力を低減するのが一般的に行われている。 In such a wireless power transmission device, if an AC magnetic field is always generated from the power transmission coil, a large amount of power is consumed even when the power receiver is not placed on the surface of the power transmitter. For this reason, a standby mode in which the presence or absence of a power receiver is always checked while power is intermittently sent to the power transmission coil is generally provided to reduce standby power.
しかし、携帯機器への充電など、一般用途に用いられるワイヤレス電力伝送装置では、待機モードにおける待機時間が充電動作時間より長くなる。そのため、電力伝送効率や充電効率がいくら高くても、待機電力が大きくなると、全体的な電力効率が下がってしまう。例えば、5Wクラスのワイヤレス電力伝送装置では、約0.6Wの待機電力が消費されてしまう。このように待機モード時の消費電力が要因となり、ワイヤレス電力伝送装置では従来のコード型充電装置と比較して、待機電力が増大してしまう。 However, in a wireless power transmission device used for general purposes such as charging a portable device, the standby time in the standby mode is longer than the charging operation time. Therefore, no matter how high the power transmission efficiency and the charging efficiency, when the standby power increases, the overall power efficiency decreases. For example, a standby power of about 0.6 W is consumed in a 5 W class wireless power transmission device. Thus, the power consumption in the standby mode is a factor, and the standby power increases in the wireless power transmission device as compared with the conventional cord type charging device.
当然ながら、ワイヤレス電力伝送装置に電源スイッチを設け、充電の時だけ手動で電源をオンにすれば、待機電力を無くすことができる。しかし、それではワイヤレス電力伝送装置の主なメリットとされる利便性が損なわれてしまう。よって、ワイヤレス電力伝送装置の利便性と消費電力の低減を両立するのが困難であった。 Of course, standby power can be eliminated by providing a power switch in the wireless power transmission device and manually turning on the power only during charging. However, the convenience that is the main merit of the wireless power transmission device is impaired. Therefore, it is difficult to achieve both convenience of the wireless power transmission device and reduction of power consumption.
本発明はこのような問題を考慮してなされたものであり、利便性を損なわず、待機電力を大幅に低減することができるワイヤレス電力伝送装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such a problem, and an object thereof is to provide a wireless power transmission apparatus capable of significantly reducing standby power without impairing convenience.
本発明はこのような目的を達成するため、送電器から受電器に対して非接触で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送装置であって、該送電器は、電力伝送が可能な範囲における該受電器の有無または位置の少なくともいずれかを検出する検出手段と、該検出手段を制御する制御回路と、振動を検出する振動センサを備え、該振動センサが振動を検出した場合に、該制御回路を起動することを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention is a wireless power transmission device that performs power transmission from a power transmitter to a power receiver in a contactless manner, and the power transmitter is within the range in which power transmission is possible. A detection means for detecting at least one of presence or absence or position, a control circuit for controlling the detection means, and a vibration sensor for detecting vibration, and the control circuit is activated when the vibration sensor detects vibration It is characterized by doing.
本発明のワイヤレス電力伝送装置は、利便性を確保しつつ、待機電力を大幅に低減することができる。 The wireless power transmission device of the present invention can significantly reduce standby power while ensuring convenience.
以下、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
図1は、本発明のワイヤレス電力伝送装置のブロック図である。送電器10は、送電コイル11、駆動回路12、検出手段13、制御回路14、圧電振動センサ15、増幅回路16を備える。受電器20は、受電コイル21を備える。
FIG. 1 is a block diagram of a wireless power transmission device of the present invention. The
まず、送電器10の構成について説明する。送電コイル11には、駆動回路12から交流電力が供給される。検出手段13は、送電器10から電力伝送が可能な範囲における受電器20の有無または送電器10に対する受電器20の位置の少なくともいずれかを検出するものである。駆動回路12および検出手段13の動作は、制御回路14により制御される。一例として、制御回路14はマイコンなどにより構成される。圧電振動センサ15の両端には負荷抵抗R3が接続されている。圧電振動センサ15の出力信号は増幅回路16により増幅され、制御回路14に供給されている。
First, the configuration of the
次に、増幅回路16の構成について説明する。増幅回路16は、抵抗R1、抵抗R2、コンデンサC1、オペアンプOP1を備える。オペアンプOP1の非反転入力端子には、圧電振動センサ15の出力信号が供給されている。オペアンプOP1の反転入力端子は、抵抗R1およびコンデンサC1を介して接地されている。また、オペアンプOP1の反転入力端子と出力端子間には、帰還抵抗R2が接続されている。オペアンプOP1から出力される信号は、制御回路14に供給される。
Next, the configuration of the
次に、受電器20の構成について説明する。受電コイル21は、電磁誘導作用により送電コイル11から電力を受電する。図示していないが、受電コイル21に印加される電圧は整流回路により整流され、二次電池などの負荷に供給される。
Next, the configuration of the
ここで、本発明のワイヤレス電力伝送装置における圧電振動センサ15の構造と実装例を図2に示す。図2は、送電器10の内部構造を示している。圧電振動センサ15は、短柵状の金属板31と圧電材32から構成される。圧電振動センサ15は、短柵状の金属板31の片面に圧電材32として圧電セラミックを貼り付けたユニーモルフ型である。圧電振動センサ15の片端は、固定部材33によりプリント基板34に固定され、カンチレバー構造になっている。圧電振動センサ15の平面とプリント基板34の平面は平行する方向に配置される。プリント基板34の平面は、受電器20が配置される送電器10の表面と、略平行になるよう配置される。なお、送電器10の表面は、受電器20を載置できるよう平面状に形成されている。
Here, the structure and mounting example of the
送電器10の表面に受電器20を載置するときには、主に送電器10の表面と垂直な方向に振動が発生する。送電器10の表面と垂直する方向において僅かな振動が発生すると、圧電材32の厚み方向にたわみ振動が生じる。よって、圧電効果によりカンチレバーの固有振動周波数の交流電圧信号が圧電振動センサ15から出力される。受電器20を載置したときに主に振動が生じる方向、つまり送電器10の表面に垂直な方向と、金属板31の垂直方向を略一致させることで、受電器20を載置するときの振動を効率よく検出できる。また、カンチレバー構造にすることで、低周波振動において高い感度を持つことができる。
When the
なお、圧電振動センサ15は、短柵状の金属板31の両面に圧電材32として圧電セラミックを貼り付けたバイモルフ型にしてもよい。また、カンチレバー構造ではなく、振動を検出できるのであれば、他の構造にしてもよい。
The
このように、圧電振動センサ15は送電器10に加わる振動を検出するものである。微小な振動も検出するために、圧電振動センサ15から発生した微弱な電圧信号をオペアンプOP1により増幅している。圧電振動センサ15の負荷抵抗であるR3は、圧電振動センサ15の出力信号を低下させないように、1MΩ程度が適当である。
Thus, the
また、圧電振動センサ15が大きな静電容量を持っている場合、オペアンプOP1の入力端に直流バイアスが生じてしまう。そのため、この直流成分がオペアンプOP1によって増幅されるのを抑制する必要がある。
In addition, when the
ここで、抵抗R1の抵抗値をr1、抵抗R2の抵抗値をr2、コンデンサC1のインピーダンスをXc1とする。すると、オペアンプOP1の増幅率Aは、A=r2/(r1+Xc1) +1となる。したがって、十分な容量値を持つコンデンサC1を使えば、直流成分に対してXc1が∞となるので、増幅率A=1となる。一方、交流信号に対しては、r1+Xc1≒r1となるので、増幅率A≒r2/r1+1となる。つまり、直流成分は増幅されず、圧電振動センサ15が検出した交流信号のみを増幅することができる。抵抗R1と直列に接続したコンデンサC1によって、オペアンプOP1に供給される直流成分が増幅されるのを抑制し、圧電振動センサ15の検出感度を向上させることができる。
Here, the resistance value of the resistor R1 is r1, the resistance value of the resistor R2 is r2, and the impedance of the capacitor C1 is Xc1. Then, the amplification factor A of the operational amplifier OP1 is A = r2 / (r1 + Xc1) +1. Therefore, if the capacitor C1 having a sufficient capacitance value is used, Xc1 becomes ∞ with respect to the DC component, and therefore the amplification factor A = 1. On the other hand, for an AC signal, r1 + Xc1≈r1, so that amplification factor A≈r2 / r1 + 1. That is, the DC component is not amplified, and only the AC signal detected by the
このように、送電器10の表面に受電器20を載置したときに生じる振動を圧電振動センサ15で検出する。得られた検出信号は、増幅回路16を介して制御回路14に供給される。制御回路14は、圧電振動センサ15の振動検出信号に応じて、検出手段13および駆動回路12の動作を制御する。
In this way, the vibration generated when the
ここで、本発明のワイヤレス電力伝送装置のフローチャートを図3に示す。図3に示すフローチャートを参考に、送電器10の動作フローについて説明する。以下、制御回路14を内蔵したマイコンを用いることとする。
Here, a flowchart of the wireless power transmission apparatus of the present invention is shown in FIG. The operation flow of the
まず、電源が供給されると、送電器10のマイコンがスリープ状態になる。スリープ状態では、システムクロックが止まるので、ほとんどの機能が停止し、消費電力が極端に少なくなる。このとき、検出手段13および駆動回路12の動作も停止した状態となる。(ステップS1)。
次に、圧電振動センサ15が振動を検出するか否かを判断する。圧電振動センサ15が振動を検出しない場合、上述した最初のステップS1へ戻り、マイコンはスリープ状態を継続する(ステップS2)。
圧電振動センサ15が振動を検出すると、マイコンの割込み機能を利用して、マイコンをスリープ状態から起動させる(ステップS3)。
そして、送電器10から電力伝送が可能な範囲における受電器20の有無や位置の検出を行う受電器検出モードに移行する。以下、検出手段13および駆動回路12の動作について説明する。まず、マイコンは駆動回路12を制御して送電コイル11に間欠的に電力を送る。そして、検出手段13は、受電器20の接近による送電コイル11に流れる電流の変化や、検出コイルにより受電コイル21から反射した高周波電磁エコー信号などを検出する。これらの検出結果に基づき、受電器20の有無や位置を特定する。ここで、圧電振動センサ15は受電器20が置かれたときの振動のほか、送電器10の場所を動かしたときなどの環境振動についても検知してしまう。そのため、圧電振動センサ15が振動を検出しても、必ずしも送電器10の近傍に受電器20があるとは限らない。そのため、受電器20の有無や位置を確認する期間にタイムリミットを設ける。もし、タイムリミット以内に受電器20が検出されなかった場合、圧電振動センサ15の出力は環境振動によるものと見なされ、上述した最初のステップS1へ戻り、マイコンが再びスリープ状態となる(ステップS4)。
受電器20の有無とその位置が確実に検出された場合、送電コイル11と受電コイル21の位置合わせが行われる(ステップS5)。
送電コイル11と受電コイル21の位置合わせが完了すると、次のID認証や充電モードに移る(ステップS6)。
充電動作が完了した後は、上述した最初のステップS1へ戻り、マイコンが再びスリープ状態となる(ステップS7)。
First, when power is supplied, the microcomputer of the
Next, it is determined whether or not the
When the
And it transfers to the power receiver detection mode which detects the presence or absence and position of the
When the presence / absence of the
When the alignment of the
After the charging operation is completed, the process returns to the first step S1 described above, and the microcomputer again enters the sleep state (step S7).
以上説明したように、圧電振動センサ15は受電器20の検出に対しての補助的な役割を担っている。圧電振動センサ15によって振動が検出されると、送電器10の表面に受電器20が存在する可能性があると判断し、マイコンを起動する。そして、送電器10から間欠的に送電を開始し、受電器20の有無とその位置を確実に確認する。
As described above, the
従来のワイヤレス電力伝送装置の待機モードにおいては、常に送電器からの間欠送電を継続しなければばらないので、待機電力を抑えるために、間欠送電のオン期間の割合を極力に短くする必要があった。それに対し、本実施形態において、送電器10からの間欠送電される期間は、振動検出後の所定時間内に限り行われる。そのため、間欠送電のオン期間の割合を長くしても消費電力を抑えることができるとともに、受電器20を検出する方法の選択肢が増え、設計の柔軟性を高めることができる。
In the standby mode of the conventional wireless power transmission device, intermittent power transmission from the power transmitter must be continued at all times. Therefore, in order to suppress standby power, it is necessary to shorten the on-period ratio of intermittent power transmission as much as possible. It was. In contrast, in the present embodiment, the intermittent power transmission from the
例えば、ワイヤレス電力伝送の業界規格によれば、受電器20が送電器10から約100msの間に連続的に電力を確実に受けた場合、受電器20の整流電圧もしくは電力のデータ(一般的に信号強度と呼ぶ)を送電器10へ知らせなければならない。それに基づいて、送電コイル11の近傍に受電コイル21があるかどうか、または、位置合わせが適切かを判断することが可能である。
For example, according to the industry standard of wireless power transmission, when the
具体的に、圧電振動センサ15により振動を検出したら、マイコンがスリープ状態から起動する。そして、送電器10から100msオン/200msオフの間欠電力を送りながら、送電コイル11の近傍に受電コイル21が接近しているかを確認する。いったん送電器10が受電器20から信号強度を受信すると、送電コイル11の近傍に受電コイル21が接近していることが分かる。さらに、信号強度がある閾値以上になると、送電コイル11と受電コイル21の位置合わせが完了したと判断する。また、振動検出後の所定時間内に信号強度を受信できなかった場合、送電器10の近傍に受電器20がないと判断し、間欠送電を止めて、マイコンが振動待ちのスリープ状態に戻る。
Specifically, when vibration is detected by the
ワイヤレス電力伝送装置の送電器10に圧電振動センサ15を設けることで、携帯機器などの受電器20が送電器10に置かれたときに生じる振動を検出できる。これにより、待機状態において送電器10から間欠に送電することなく受電器20の有無を常にチェックすることができるので、待機電力を大幅に低減することができる。
By providing the
本実施形態では、送電器10に加わる振動を検出するために圧電振動センサ15を用いたが、振動を検出できるのであれば、どのような振動センサを用いても構わない。導電性ゴムやシリコンピエゾ抵抗型、渦電流型、静電容量型、光学型など、他の振動センサを用いても構わない。
In the present embodiment, the
次に、本発明のワイヤレス電力伝送装置の変形例のブロック図を図4に示す。なお、上述した実施形態と同じ機能を有する部位には同じ符号を付し、説明は省略する。 Next, a block diagram of a modification of the wireless power transmission device of the present invention is shown in FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the site | part which has the same function as embodiment mentioned above, and description is abbreviate | omitted.
上述した実施形態において、振動センサとして圧電振動センサ15を用いたが、本変形例の送電器10’では、圧電振動センサ15の代わりに圧電ブザー17を用いたものである。なお、圧電ブザー17の動作は、制御回路14により制御される。また、制御回路14と圧電ブザー17の間にはバッファ回路18が設けられている。制御回路14から供給される制御信号は、バッファ回路18内のオペアンプOP2の非反転入力端子に供給されている。また、オペアンプOP2の反転入力端子は、出力端子に接続されている。オペアンプOP2から出力される信号は、圧電ブザー17に供給される。
In the above-described embodiment, the
ワイヤレス電力伝送装置において、受電器20の検出や位置ずれ、位置合わせ終了、充電中、充電完了、エラー発生などいろいろな状態情報は、LEDなどの光で表示することが一般的である。これにより、充電状況等がユーザーに的確に明示される。しかし、LEDに加えて圧電ブザー17を併用し、上述のような状態情報を光と音声でユーザーに知らせると、より直観的で便利である。
In the wireless power transmission device, various state information such as detection of the
圧電ブザー17の基本構造は、基本的に円形の金属板と圧電セラミック板を張り合わせたユニモルフ構造である。圧電ブザー17にパルス信号を印加すると、円形のユニモルフに屈曲振動が励起し、音声が発生する。逆に、圧電ブザー17に振動を与えると、圧電効果により、電圧信号が発生するので、原理的に圧電ブザー17が振動センサとして働くことが可能である。
The basic structure of the
圧電ブザー17から音声を発生させる場合には、バッファ回路18を介して制御回路14から圧電ブザー17にPWM駆動信号を供給する。すると、圧電ブザー17は発音体として動作する。一方、圧電ブザー17が振動を受けると、電荷(電圧信号)が発生し、増幅回路16を介して、制御回路14に供給される。このように、圧電ブザー17は振動センサとしても動作することができる。上述した実施形態と同様に、圧電ブザー17が振動を検出したときに制御回路14(マイコン)を起動させることで、消費電力を低減することができる。
When sound is generated from the
圧電ブザー17を振動検出および音声報知の用途で兼用する場合、圧電ブザー17と制御回路14内のPWM駆動回路を直接接続すると、振動により圧電ブザー17に生じる微弱電荷がPWM駆動回路に吸収されることがある。上述したように、バッファ回路18を介して圧電ブザー17を駆動することで、電荷の吸収を防ぎ、圧電ブザー17が振動センサとして動作するときの感度の低下を防止することができる。また、圧電ブザー17が振動センサとして動作するときの感度は、バッファ用アンプの種類によって大きく異なってくる。感度の低下を防止するためには、バッファ回路18に用いるオペアンプOP2の出力容量を小さくすることが望ましい。
When the
以上説明したように、受電器20の検出に振動センサを利用することで、極めて低い待機電力を実現できる。また、待機電力を抑えつつ、一時的に消費電力の大きい受電器検知手段を利用することができ、送電器の設計柔軟性を向上できる。また、送電器に音声報知のための圧電ブザーが設けられている場合、圧電ブザーを振動センサとして兼用することが可能であり、上述の機能を低コストで実現できる。
As described above, by using the vibration sensor for detection of the
なお、送電器から受電器に対して電磁誘導により給電するのではなく、磁界共鳴や電界結合などの手法を用いて非接触で給電するようにしても構わない。また、受電器の有無や位置を検出する方法についてはあくまで一例であり、他の方法を用いても構わない。本発明は、技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。 Note that power may be supplied in a non-contact manner using a technique such as magnetic field resonance or electric field coupling instead of supplying power from the power transmitter to the power receiver by electromagnetic induction. Further, the method for detecting the presence or absence and the position of the power receiver is merely an example, and other methods may be used. The present invention can be modified as appropriate without departing from the technical idea.
10 送電器
11 送電コイル
12 駆動回路
13 検出手段
14 制御回路
15 圧電振動センサ
16 増幅回路
17 圧電ブザー
18 バッファ回路
20 受電器
21 受電コイル
31 金属板
32 圧電材
33 固定部材
34 プリント基板
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該送電器は、電力伝送が可能な範囲における該受電器の有無または位置の少なくともいずれかを検出する検出手段と、該検出手段を制御する制御回路と、振動を検出する振動センサを備え、
該振動センサが振動を検出した場合に、該制御回路を起動することを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。 A wireless power transmission device that performs non-contact power transmission from a power transmitter to a power receiver,
The power transmitter includes a detection unit that detects at least one of the presence and position of the power receiver in a range in which power transmission is possible, a control circuit that controls the detection unit, and a vibration sensor that detects vibration.
A wireless power transmission device that activates the control circuit when the vibration sensor detects vibration.
該圧電ブザーは前記受電器の状態情報を報知する請求項1〜3のいずれかに記載のワイヤレス電力伝送装置。 The vibration sensor is a piezoelectric buzzer,
The wireless power transmission device according to any one of claims 1 to 3, wherein the piezoelectric buzzer notifies state information of the power receiver.
The wireless power transmission device according to claim 4, wherein a buffer circuit is provided between the piezoelectric buzzer and the control circuit.
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JP2016039735A (en) * | 2014-08-08 | 2016-03-22 | キヤノン株式会社 | Charger and control method of the same |
KR101755899B1 (en) * | 2015-11-26 | 2017-07-20 | 한국항공우주연구원 | Apparatus for measuring wireless power transmission/reception efficiency |
WO2023276140A1 (en) * | 2021-07-02 | 2023-01-05 | 三菱電機株式会社 | Power transmission device and non-contact power supply system |
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