JP2014057185A - 無線給電装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】無線通信時の通信品質を低下させず、無線給電時の電力効率の最適化も可能な無線通信制御機能を有する無線給電装置を提供する。
【解決手段】受信アンテナと、通信規格に準拠した無線通信機能を有する制御回路と、受信アンテナと制御回路との間に接続され、受信アンテナと制御回路との間のインピーダンス整合を行うインピーダンス整合回路と、交流電力を直流電圧に変換する変換回路と、受信アンテナと変換回路との間に接続され、受信アンテナで受電した電磁エネルギーを共振状態で受電して交流電力を出力する共振回路と、制御回路からの制御信号に基づいて、受信アンテナを、インピーダンス整合回路、もしくは共振回路に選択的に接続するスイッチ回路とを備え、無線通信時において、受信アンテナとインピーダンス整合回路とを接続し、無線電力給電時において、受信アンテナと共振回路とを接続するようにスイッチ回路を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信と無線電力転送の両方の機能を具備する無線給電装置及びそれを用いた電子機器に関する。

現在、所定の通信規格に準拠して、電磁誘導の原理を用いて外部機器と無線通信を行う携帯端末や、複数の周波数帯の通信規格に準拠して無線通信を行う携帯無線機が開発されている。

例えば、電磁誘導による磁界通信を行う携帯端末では、搬送波の強度に応じてコイルの周回数を切り替え、通信品質を改善した携帯端末があった（特許文献１参照）。また、複数の周波数帯の通信規格に準拠して無線通信を行う携帯無線機では、異なる周波数帯で動作させる場合において、インピーダンス整合回路に対し、並列共振回路を接続し、使用する周波数帯域の通信品質を改善した携帯無線機があった（特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献１では、アンテナエレメント部に周回切り替え用のスイッチを設ける必要があり、アンテナ周回数の増加と共に、スイッチ接続数も増加し、アンテナ部の直列抵抗値が増加することになる。そのため、アンテナ部のインダクタンス値と共に、スイッチによる直列抵抗が増加するため、最適なインピーダンス整合回路定数の設定ができるとは言いがたい。さらに、通信制御部の電力も、受信アンテナから供給しており、受信アンテナに接続されるレクテナ回路とインピーダンス整合回路が並列接続となり、通信制御部への電力供給及びレクテナ回路の影響により、インピーダンス整合回路の最適化が容易ではなくなり、データ通信品質に影響するのは避けられない。

また、特許文献２では、受信周波数を指定する情報の受信が必要であり、さらに、複数の周波数帯に対応する場合は、対応する周波数帯ごとに、インピーダンス整合回路を用意する必要がある。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、無線通信機能と無線給電機能を有し、無線通信と無線給電を切り替えて使用する装置において、無線通信時の通信品質を低下させず、無線給電時の電力効率の最適化も可能な無線通信制御機能を有する無線給電装置と、それを用いた電子機器を提供することにある。

本発明に係る無線給電装置は、
受信アンテナと、
所定の通信規格に準拠した無線通信機能を有する制御回路と、
前記受信アンテナと前記制御回路との間に接続され、前記受信アンテナと前記制御回路との間のインピーダンス整合を行うインピーダンス整合回路と、
交流電力を直流電圧に変換する変換回路と、
前記受信アンテナと前記変換回路との間に接続され、前記受信アンテナで受電した電磁エネルギーを共振状態で受電して交流電力を出力する共振回路と、
前記制御回路からの制御信号に基づいて、前記受信アンテナを、前記インピーダンス整合回路、もしくは前記共振回路に選択的に接続するスイッチ回路とを備えた無線給電装置であって、
前記制御回路は、無線通信時において、前記受信アンテナと前記インピーダンス整合回路とを接続し、無線電力給電時において、前記受信アンテナと前記共振回路とを接続するように前記スイッチ回路を制御することを特徴とする。

本発明によれは、無線通信時においては、複数の周波数帯においても、通信品質を劣化させず、さらに、無線給電時においても、電力効率の最適化が可能な無線給電装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る無線給電装置１０を備えた電子機器の構成を示すブロック図である。 図１のスイッチ回路２の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る無線給電装置１０Ａを備えた電子機器の構成を示すブロック図である。 図３のスイッチ回路２Ａの構成を示す回路図である。 図３の受信アンテナ１１の構成を示す回路図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

第１の実施形態．
図１は本発明の第１の実施形態に係る、無線通信制御機能を有する無線給電装置１０を備えた電子機器の構成を示すブロック図である。図１において、無線給電装置１０は、受信アンテナ１と、スイッチ回路２と、インピーダンス整合回路３と、制御回路であるＣＰＵ４と、バッテリ５と、共振回路６と、整流回路７と、直流変換回路８とを備えて構成される。ここで、バッテリ５は、所定の直流電圧をＣＰＵ４に供給するとともに、例えば携帯電話機又は携帯無線機などの電子機器の電子機器回路９にも電圧ＶＯＵＴとして供給する。また、ＣＰＵ４と電子機器回路９との間では、データ通信及びそのための制御信号の通信を行うための所定の通信インターフェースを介して接続される。

当該無線給電装置１０と同様の構成を有する他の無線給電装置と近距離無線通信（ＮＦＣ）を行うために、ＣＰＵ４は所定の通信規格に準拠した近距離無線通信機能を有し、ＣＰＵ４及び受信アンテナ１との間のインピーダンス整合を行うインピーダンス整合回路３と、スイッチ回路２とを介して受信アンテナ１に接続される。また、例えばＱｉ（登録商標）などのワイヤレス給電方式でワイヤレス給電を行う電源供給装置からワイヤレス給電を受けるために、受信アンテナ１は、スイッチ回路２と、受信アンテナ１で受電した電磁エネルギーを共振状態で低損失で受電するための共振回路６を介して整流回路７に接続される。整流回路７は、受電した交流電力を整流して直流変換回路８に出力し、直流変換回路８は整流された電圧を所定の直流電圧ＶＯＵＴに変換してバッテリ５及び電子機器回路９に給電する。

図２は図１のスイッチ回路２の構成を示す回路図である。次いで、無線通信制御機能を有する無線給電装置１０の動作について、図１及び図２を参照して説明する。

近距離無線通信によるデータ通信時は、ＣＰＵ４はデータ通信制御のために切り替え信号（以下、ＳＥＬ信号という。）をスイッチ回路２に出力し、これに応答してスイッチ回路２は、受信アンテナ１の出力端子ＶＰ及びＶＭをそれぞれインピーダンス整合回路３の入力端子ＤＰ及びＤＭに接続する。このとき、図２のスイッチ回路２において、スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオンとされ、スイッチＳＷ３及びＳＷ４がオフとされる。ＣＰＵ４は、近距離無線通信方式の無線信号を発生してインピーダンス整合回路３及びスイッチ回路２を介して受信アンテナ１から相手方の無線給電装置に送信するとともに、相手方の無線給電装置からの近距離無線通信方式の無線信号を受信アンテナ１により受信してスイッチ回路２及びインピーダンス整合回路３を介して受信する。

一方、非データ通信時は、ＣＰＵ４は無線電力給電制御のためにＳＥＬ信号をスイッチ回路２に出力し、これに応答してスイッチ回路２は、受信アンテナ１の出力端子ＶＰ及びＶＭをそれぞれ共振回路６の入力端子ＰＰ及びＰＭに接続する。このとき、図２のスイッチ回路２において、スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオフとされ、スイッチＳＷ３及びＳＷ４がオンとされる。受信アンテナ１は、例えばＱｉ（登録商標）などのワイヤレス給電方式でワイヤレス給電を行う電源供給装置からワイヤレス給電を受け、受電した電磁エネルギーを低損失で（最大電力伝送で）受電して交流電力を出力する共振回路６を介して整流回路７に出力し、整流回路７は、受電した交流電力を整流して直流変換回路８に出力し、直流変換回路８は整流された電圧を所定の直流電圧ＶＯＵＴに変換してバッテリ５及び電子機器回路９に給電する。

以上の実施形態において、一般的に、データ通信時は、データ通信時の通信感度を良好にするために、インピーダンス整合回路３の回路パラメータは、例えば近距離無線通信（ＮＦＣ）方式のデータ通信の搬送波周波数でＱ値が最大となるように設定される一方、電力給電制御時は、例えばＱｉ（登録商標）などのワイヤレス給電方式でワイヤレス給電を行う整流回路７や直流変換回路８の動作を考慮して共振回路６のパラメータが所定値に設定される。

以上説明したように、本実施形態によれば、データ通信時と、非データ通信である電力給電時において、受信アンテナ１の出力端子にスイッチ回路２を設けるようにしたので、個々の時において他方の影響がなくなり、データ通信時と電力供給時のインピーダンス整合の最適化が可能になる。従って、無線通信品質の劣化が生じることなく、無線給電機能を有する無線給電装置を提供できる。

第２の実施形態．
図３は本発明の第２の実施形態に係る無線給電装置１０Ａを備えた電子機器の構成を示すブロック図である。また、図４は図３のスイッチ回路２Ａの構成を示す回路図である。さらに、図５は図３の受信アンテナ１１の構成を示す回路図である。第２の実施形態に係る無線給電装置１０Ａは、第１の実施形態に係る無線給電装置１０に比較して以下の点が異なる。
（１）受信アンテナ１に代えて、複数回巻回してなる巻線からなり、両端子ＶＰ，ＶＭＸ間に途中タップＶＭ１〜ＶＭ（Ｘ−１）を有する受信アンテナ１１を備えたこと。ここで、図３〜図５に示すように、予め設定した所定の周回数ごとに途中タップＶＭ１〜ＶＭ（Ｘ−１）を設け、近距離無線通信で用いる周回数は、複数の近距離無線通信方式の通信帯域周波数に応じて変化するように設定される。
（２）スイッチ回路２に代えて、受信アンテナ１１の途中タップも含め、受信アンテナ１１をインピーダンス整合回路３、もしくは共振回路６に選択的に接続するスイッチ回路２Ａを備えたこと。
（３）ＣＰＵ４に代えて、前記複数の近距離無線通信方式に準拠しかつスイッチ回路２Ａを制御するＣＰＵ４Ａを備えたこと。

複数の近距離無線通信方式の規格に準拠したＣＰＵ４Ａは、データ通信動作開始時、各近距離無線通信方式の通信規格毎に、ＳＥＬ信号をスイッチ回路２Ａに出力し、動作させる近距離無線通信方式の通信規格の搬送波周波数に対応した、受信アンテナ１１が周回数となるようにスイッチ回路２Ａを制御する。これにより、前記各通信規格毎に予め設定された周波数帯域に対して最適となるインダクタンス値となり、インピーダンス整合回路３を含めたＱ値特性を調整できる。

図４のスイッチ回路２Ａにおいて、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の切り替え制御は第１の実施形態と同様である。スイッチＳＷ５−１〜ＳＷ５−Ｘは、ＣＰＵ４ＡからのＳＥＬ信号に基づいて、前記各通信規格に対応する周波数帯域に応じて、スイッチＳＷ５−１〜ＳＷ５−Ｘのうちのいずれか１つをオンとされる。これにより、受信アンテナ１１のインダクタンス値が、通信帯域周波数ごとに切り替わることになる。

以上説明したように、本実施形態によれば、データ通信時と、非データ通信時である電力給電時において、受信アンテナ１１の出力端子にスイッチ回路２Ａを設けるようにしたので、個々の時において他方の影響がなくなり、データ通信時と電力供給時のインピーダンス整合の最適化が可能になる。また、使用する近距離無線通信方式の通信規格に応じて受信アンテナ１１の周回数を変化させることができ、各通信規格毎に予め設定された周波数帯域に対して最適となるインダクタンス値となり、インピーダンス整合回路３を含めたＱ値特性を調整できる。従って、無線通信品質の劣化が生じることなく、無線給電機能を有する無線給電装置を提供できる。

以上の実施形態においては、近距離無線通信で用いる受信アンテナ１１の周回数は、複数の近距離無線通信方式の通信帯域周波数又は搬送波周波数に応じて変化するように設定しているが、本発明はこれに限らず、受信アンテナ１１の長さを、上記途中タップを用いて、複数の近距離無線通信方式の通信帯域周波数又は搬送波周波数に応じて変化するように設定してもよい。

１，１１…受信アンテナ、
２，２Ａ…スイッチ回路、
３…インピーダンス整合回路、
４，４Ａ…ＣＰＵ、
５…バッテリ、
６…共振回路、
７…整流回路、
８…直流変換回路、
９…電子機器回路、
１０，１０Ａ…無線給電装置、
ＳＷ１〜ＳＷ４，ＳＷ５−１〜ＳＷ５−Ｘ…スイッチ。

特開２０１１−０９７３０７号公報 特許第３７４７０１０号公報

Claims (4)

1. 受信アンテナと、
   所定の通信規格に準拠した無線通信機能を有する制御回路と、
   前記受信アンテナと前記制御回路との間に接続され、前記受信アンテナと前記制御回路との間のインピーダンス整合を行うインピーダンス整合回路と、
   交流電力を直流電圧に変換する変換回路と、
   前記受信アンテナと前記変換回路との間に接続され、前記受信アンテナで受電した電磁エネルギーを共振状態で受電して交流電力を出力する共振回路と、
   前記制御回路からの制御信号に基づいて、前記受信アンテナを、前記インピーダンス整合回路、もしくは前記共振回路に選択的に接続するスイッチ回路とを備えた無線給電装置であって、
   前記制御回路は、無線通信時において、前記受信アンテナと前記インピーダンス整合回路とを接続し、無線電力給電時において、前記受信アンテナと前記共振回路とを接続するように前記スイッチ回路を制御することを特徴とする無線給電装置。
2. 前記制御回路は、所定の複数の通信規格に準拠した無線通信機能を有し、
   前記受信アンテナは、上記複数の通信規格の搬送波周波数に応じた変更可能な長さを有し、
   前記スイッチ回路は、前記受信アンテナと前記インピーダンス整合回路とを接続するときに、前記受信アンテナの変更可能長さに応じて上記インピーダンス整合回路に接続し、
   前記制御回路は、無線通信時において、前記インピーダンス整合回路と、設定される通信規格の搬送波周波数に対応する長さを有する受信アンテナとを接続するようにスイッチ回路を制御することを特徴とする請求項１記載の無線給電装置。
3. 前記受信アンテナは複数回巻回されかつ途中タップを有して構成され、周回数に応じて上記複数の通信規格の搬送波周波数に応じた変更可能な長さを有し、
   前記スイッチ回路は、前記受信アンテナと前記インピーダンス整合回路とを接続するときに、前記受信アンテナの周回数に応じて上記インピーダンス整合回路に接続し、
   前記制御回路は、無線通信時において、前記インピーダンス整合回路と、設定される通信規格の搬送波周波数に対応する周回数を有する受信アンテナとを接続するようにスイッチ回路を制御することを特徴とする請求項２記載の無線給電装置。
4. 請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の無線給電装置と、
   上記変換回路からの直流電圧が供給され、前記制御回路と所定の通信インターフェースを介して接続された電子機器回路とを備えたことを特徴とする電子機器。

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