JP2014155303A - 充電器および充電方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】効率的に非接触充電を行うことができる充電器および充電方法を提供する。
【解決手段】受電コイル301を内蔵した被充電機器300の充電器であって、前記被充電機器が載置される載置面と、前記載置面の下面に設けられ、交流電源に接続されて前記受電コイルとの間の電磁誘導により前記受電コイルに電力を供給する送電コイル102と、前記送電コイルと共振回路を構成し、容量値が可変な容量部205と、前記送電コイルを前記載置面の下面に沿って移動させる移動機構と、前記共振回路を流れる電流を検出し、該検出結果に応じて前記移動機構に前記送電コイルを移動させ、前記送電コイルの移動後さらに前記共振回路を流れる電流を検出し、該検出結果に応じて前記容量部の容量値を変更する制御部107と、を有する。
【選択図】図6

Description

本発明は、電磁誘導により非接触充電を行う充電器および充電方法に関する。
携帯電話、スマートフォンなど電子機器の電源として二次電池が内蔵されることが多い。近年、電子機器に内蔵にされた二次電池の充電を非接触により行う充電器が開発されている。このような充電器においては、二次電池に接続された受電コイルを備える被充電機器が充電器の載置面に載置され、載置面の下面に設けられた送電コイルと受電コイルとの間の電磁誘導により充電が行われる。
上述したような充電器において、被充電機器の受電コイルと充電器の送電コイルとの相対位置がずれると、電磁誘導が起こらず、充電を行うことができない。
そこで、特許文献1(特開2010−288430号公報)、および、特許文献2(特開2009−189087号公報)には、送電コイルの位置を被充電機器の載置面の下面に沿って移動させる移動機構を充電器に設け、送電コイルと受電コイルとの間で電磁誘導が起こる位置まで送電コイルを移動させる技術が開示されている。
特許文献1に開示の技術においては、送電コイルとは別に複数の位置検出コイルを載置面の下面に設け、電力を供給する位置検出コイルを順次切り替えながら、各位置検出コイルに流れる電流の電流値の変化を検出し、電流値の変化が最も大きい位置検出コイルに対応する位置に送電コイルを移動させている。
位置検出コイルの近傍に受電コイルが存在し、位置検出コイルと受電コイルとの間で電磁誘導が起こると、その位置検出コイルを流れる電流の電流値の変化は大きくなる。そのため、特許文献1に開示の技術のように、電流値の変化が最も大きい位置検出コイルに対応する位置に送電コイルを移動させることで、確実に充電を行うことができる。しかし、この技術では、電流値の変化が最も大きい位置検出コイルに対応する位置に送電コイルを移動させたとしても、受電コイルの位置が送電コイルの中心からずれていると、送電コイルと受電コイルとの間で効率的に電磁誘導が起こらず、充電に時間がかかってしまう。また、送電コイルとは別に、複数の位置検出コイルを設けることで、部品点数が増加し、コスト増を招く。
そこで、特許文献2に開示の技術においては、電力を供給しながら送電コイルを移動させるとともに、送電コイルを流れる電流の電流値を検出し、送電コイルを流れる電流の電流値の変化が最大となる位置に送電コイルを移動させている。
特許文献2に開示の技術によれば、送電コイルと受電コイルとの間で効率的に電磁誘導が起こる位置まで送電コイルを移動させることができるとともに、複数の位置検出コイルを設ける必要が無いので、部品点数の増加を抑制することができる。
特開2010−288430号公報 特開2009−189087号公報
非接触充電を行う充電器においては、一般に、送電コイルと、送電コイルに直列に接続された共振コンデンサとで共振回路が構成されている。また、共振回路の共振周波数と交流電源の発振周波数とが一致するように、共振コンデンサの容量値が設計されている。
ここで、送電コイルと受電コイルとの間で電磁誘導が起こると、送電コイルのインダクタンスが減少する。送電コイルのインダクタンスが減少することで、共振回路の共振周波数と交流電源の発振周波数との間にずれが生じる。このずれのために、回路構成上、共振回路に流すことが可能な最大電流まで電流を流せなくなくなり、その結果、充電の効率が低下してしまう。
特許文献1および特許文献2に開示の技術においては、送電コイルと受電コイルとの間で電磁誘導が起こる位置まで送電コイルを移動させることはできるが、送電コイルと受電コイルとの間の電磁誘導による共振回路の共振周波数と交流電源の発振周波数と間のずれについては考慮されていないため、効率的な充電を行うことができないという問題がある。
本発明の目的は、効率的に非接触充電を行うことができる充電器および充電方法を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明の充電器は、
受電コイルを内蔵した被充電機器の充電器であって、
前記被充電機器が載置される載置面と、
前記載置面の下面に設けられ、交流電源に接続されて前記受電コイルとの間の電磁誘導により前記受電コイルに電力を供給する送電コイルと、
前記送電コイルと共振回路を構成し、容量値が可変な容量部と、
前記送電コイルを前記載置面の下面に沿って移動させる移動機構と、
前記共振回路を流れる電流を検出し、該検出結果に応じて前記移動機構に前記送電コイルを移動させ、前記送電コイルの移動後さらに前記共振回路を流れる電流を検出し、該検出結果に応じて前記容量部の容量値を変更する制御部と、を有する。
上記目的を達成するために本発明の充電方法は、
受電コイルを内蔵した被充電機器の充電器であって、
前記充電器には、前記被充電機器が載置される載置面と、前記載置面の下面に設けられ、交流電源に接続されて前記受電コイルとの間の電磁誘導により前記受電コイルに電力を供給する送電コイルと、前記送電コイルと共振回路を構成し、容量値が可変な容量部と、前記送電コイルを前記載置面の下面に沿って移動させる移動機構と、が設けられ、
前記共振回路を流れる電流を検出し、該検出結果に応じて前記移動機構に前記送電コイルを移動させ、
前記送電コイルの移動後さらに前記共振回路を流れる電流を検出し、該検出結果に応じて前記容量部の容量値を変更する。
本発明によれば、効率的に非接触充電を行うことができる。
本発明の一実施形態の充電器の外観の概略を示す斜視図である。 図1に示す充電器の概略内部構成を示す上面図である。 図1に示す充電器の内部構成を示す断面図である。 図1に示す充電器の内部構成を示す断面図である。 図1に示す充電器の回路構成の概略を示す図である。 図5に示す充電回路の回路構成を示す図である。
以下に、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態の充電器100の外観の概略を示す図である。
本実施形態の充電器100は、被充電機器300が載置される載置面101を有している。また、充電器100は、載置面101の下面に配置された、図1においては不図示の送電コイルを有している。
被充電機器300は、図1においては不図示の内蔵電池(二次電池)および内蔵電池と接続された受電コイルを有している。
載置面101に被充電機器300が載置された状態で、送電コイルと受電コイルとの間で電磁誘導を起こすことにより、被充電機器300の内蔵電池が充電される。
次に、充電器100の内部構成について説明する。
図2は、充電器100の内部構成の概略を示す上面図である。また、図3は、充電器100の内部構成をX方向から見た断面図であり、図4は、充電器100の内部構成をY方向から見た断面図である。なお、図2から図4において、同様の構成については同じ符号を付す。
図2に示す充電器100は、送電コイル102と、X軸103と、移動軸104(104−1,104−2)、106(106−1,106−2)と、Y軸105と、制御回路107と、を有する。制御回路107は、制御部の一例である。
送電コイル102は、図2においては不図示の載置面101の下面に配置されている。
X軸103は、X方向に延在し、図3,4に示すように、送電コイル102が取り付けられている。X軸103の両端には、Y方向に延在する移動軸104−1,104−2が、X軸103がY方向に移動可能となるように取り付けられている。上述したように、X軸103には送電コイル102が取り付けられているので、X軸103の移動に伴って、送電コイル102もY方向に移動する。
なお、X軸103を移動軸104−1,104−2に沿って移動可能とする構成としては、例えば、X軸103の両端に歯車を取り付け、移動軸104−1,104−2にはその歯車と噛み合うチェーンを取り付ける構成がある。この構成によれば、チェーンを回転させることで、X軸103を移動軸104−1,104−2に沿って移動させることができる。
Y軸105は、Y方向に延在し、図3,4に示すように、送電コイル102が取り付けられている。Y軸105の両端には、X方向に延在する移動軸106−1,106−2が、Y軸105がX方向に移動可能となるように取り付けられている。上述したように、Y軸105には送電コイル102が取り付けられているので、Y軸105の移動に伴って、送電コイル102もX方向に移動する。
なお、Y軸105を移動軸106−1,106−2に沿って移動可能とする構成としては、例えば、Y軸105の両端に歯車を取り付け、移動軸106−1,106−2にはその歯車と噛み合うチェーンを取り付ける構成がある。この構成によれば、チェーンを回転させることで、Y軸105を移動軸106−1,106−2に沿って移動させることができる。
X軸103、移動軸104(104−1,104−2)、106(106−1,106−2)、および、Y軸105は、送電コイル102を載置面101の下面に沿って移動可能とする移動機構を構成する。
制御回路107は、X軸103およびY軸105の移動を制御する。すなわち、制御回路107は、送電コイル102の位置を制御する。また、制御回路107は、図2から図4においては不図示の充電回路を用いた被充電機器300の内蔵電池の充電を制御する。
図5は、充電器100の回路構成の概略を示す図である。なお、図5において、図2と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
図5に示すように、充電器100は、制御回路107と、充電回路108と、を有する。
制御回路107は、上述したように、送電コイル102を載置面101の下面に沿って移動可能とする移動機構109による送電コイルの移動を制御する。また、制御回路107は、充電回路108を用いた被受電機器300の内蔵電池の充電を制御する。
充電回路108は、送電コイル102や送電コイル102に電力を供給する交流電源などを有しており、送電コイル102と被充電機器300の受電コイルとの間の電磁誘導により、被充電機器に内蔵された内蔵電池を充電する。
図6は、充電回路108の回路構成を示す図である。なお、図6において、図2と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。また、図6においては、被充電機器300側における、非接触充電に関連する部分の回路構成についても示している。
図6に示すように、充電回路108は、送電コイル102と、交流電源201と、共振コンデンサ202と、検出抵抗203と、可変容量ダイオード204と、を有する。
交流電源201と、共振コンデンサ202と、送電コイル102と、検出抵抗203とが直列に接続されている。
すなわち、共振コンデンサ202は、一端が交流電源201と接続され、他端が送電コイル102の一端と接続されている。
また、送電コイル102は、一端が共振コンデンサ202の他端と接続され、他端が検出抵抗203の一端と接続されている。
また、検出抵抗203は、一端が送電コイル102の他端と接続され、他端が交流電源201と接続されている。
可変容量ダイオード204は、容量値が可変であり、共振コンデンサ202に並列に接続されている。すなわち、可変容量ダイオード204は、一端が共振コンデンサ202の一端と接続され、他端が共振コンデンサ202の他端と接続されている。そのため、可変容量ダイオード204の容量値が変化することで、可変容量ダイオード204と共振コンデンサ202とからなる容量部205の容量値が変化する。
制御回路107は、検出抵抗203の両端の電圧降下を検出することで、容量部205と送電コイル102とから構成される共振回路を流れる電流の電流値を検出し、その検出結果に応じて、図6においては不図示の移動機構109による送電コイル102の移動を制御する。また、制御回路107は、送電コイル102の移動後、共振回路を流れる電流の電流値の検出結果に応じて、可変容量ダイオード204の容量値を変化させる。
次に、被充電機器300の構成について説明する。
被充電機器300は、受電コイル301と、整流回路302と、充電回路303と、内蔵電池304と、を有する。
受電コイル301には送電コイル102との間の電磁誘導により交流電流が流れる。
整流回路302は、受電コイル301に流れる交流電流を直流電流に変換して充電回路303に出力する。
充電回路303は、整流回路302から出力された直流電流により、二次電池である内蔵電池304を充電する。
次に、充電器100の動作について、制御回路107の動作を中心に説明する。
まず、送電コイル102の位置制御時の動作について説明する。
充電器100の操作部(不図示)を介して充電を行う旨が入力されるなどすると、制御回路107は、送電コイル102の移動を開始する。
次に、制御回路107は、送電コイル102を移動させながら、送電コイル102の各位置での共振回路(容量部205と送電コイル102とから構成される共振回路)を流れる電流を検出し、その検出結果に応じて、受電コイル301の位置を検出する。具体的には、制御回路107は、共振回路を流れる電流の電流値が最大となる位置を検出することで、受電コイル301の位置を検出する。
ここで、送電コイル102の自己インダクタンスをL1とし、受電コイル301の自己インダクタンスをL2とし、送電コイル102および受電コイル301の相互インダクタンスをMとする。
送電コイル102と受電コイル301とが離れており、相互誘導が起こっていない場合には、送電コイル102には、送電コイル102の自己インダクタンスL1を付加とした電流が流れる。
送電コイル102と受電コイル301とが接近し、相互誘導が起こると、送電コイル102の自己インダクタンスは、L1からL1−M^2/L2に減少する。送電コイル102の自己インダクタンスが減少することで、送電コイル102を流れる電流、すなわち、共振回路を流れる電流の電流値は増加する。共振回路を流れる電流の電流値の増加は、送電コイル102と受電コイル301との間の電磁誘導が強くなるほど、大きくなる。
制御回路107は、検出抵抗203の両端での電圧降下に基づいて、共振回路を流れる電流の電流値が最大となる送電コイル102の位置を検出し、その位置に送電コイル102を移動させる。共振回路を流れる電流の電流値が最大となるということは、その位置で送電コイル102と受電コイル301との間で最も強く電磁誘導が起こっていることになる。したがって、その位置で充電を行うことで、最も効率的に充電を行うことができる。
なお、受電コイル102の位置を検出するために、送電コイル102を移動させる際の移動の仕方としては種々の方法がある。
例えば、制御回路107は、X軸103、Y軸105それぞれについて10段階の目盛り(0目盛りから9目盛り)を設定し、X軸103、Y軸105それぞれについて、0目盛りから9目盛りまで順次、移動機構109に送電コイル102を移動させる。
すなわち、制御回路107は、例えば、移動機構109に送電コイル102を、X軸103の0目盛りに対応する位置に移動させ、Y軸105の0目盛りから9目盛りに対応する位置まで順次、移動させる。その後、制御回路107は、移動機構109に送電コイル102を、X軸103の1目盛りに対応する位置に移動させY軸105の0目盛りから9目盛りに対応する位置まで順次、移動させる。以下、制御回路107は、X軸103の9目盛りに対応する位置まで同様の処理を繰り返す。
また、制御部107は、例えば、X軸103、Y軸105それぞれについて5段階の目盛り(0目盛りから4目盛り)を設定し、X軸103、Y軸105それぞれについて、0目盛りから4目盛りまで順次、移動機構109に送電コイル102を移動させる。
すなわち、制御回路107は、例えば、移動機構109に送電コイル102を、X軸103の0目盛りに対応する位置に移動させ、Y軸105の0目盛りから4目盛りに対応する位置まで順次、移動させる。その後、制御回路107は、移動機構109に送電コイル102を、X軸103の1目盛りに対応する位置に移動させY軸105の0目盛りから4目盛りに対応する位置まで順次、移動させる。以下、制御回路107は、X軸103の4目盛りに対応する位置まで同様の処理を繰り返す。こうすることで、受電コイル301が存在する大まかな領域を特定し、その後、制御回路107は、その特定した領域において、より細かな目盛りで送電コイル102を移動させる。
次に、充電時の動作について説明する。
制御回路107は、送電コイル102の移動後、充電を開始すると、共振回路を流れる電流の電流値に応じて、可変容量ダイオード204の両端に電圧を印加して可変容量ダイオード204の容量値を変更する。すなわち、制御回路107は、共振回路を流れる電流の電流値に応じて、その共振回路を構成する容量部205の容量値を変更する。
一般的な充電器においては、可変容量ダイオード204が設けられず、共振コンデンサ202と送電コイル102とで共振回路が構成される。また、共振コンデンサ202の容量値は、共振回路の共振周波数と交流電源201の発振周波数とが一致するように設計される。
ここで、上述したように、送電コイル102のインダクタンスは、受電コイルとの301との間の電磁誘導により減少する。送電コイル102のインダクタンスの減少により、共振コンデンサ202と送電コイル102とで構成される共振回路の共振周波数と交流電源201の発振周波数とにずれが生じてしまう。共振回路の共振周波数と交流電源201の発振周波数とにずれが生じることにより、回路構成上、共振回路に流すことが可能な最大電流まで電流を流せなくなくなる。その結果、効率的に受電を行うことができない。
そこで、本実施形態においては、制御回路107は、充電を開始した後、共振回路を流れる電流の電流値を検出し、電流値が最大となるように可変容量ダイオード204の容量値を制御する。こうすることで、共振回路の共振周波数と交流電源201の発振周波数とにずれが生じるのを防ぎ、共振回路に最大電流を流すことができるので、効率的に充電を行うことができる。
このように本実施形態によれば、充電器100は、送電コイル102と共振回路を構成し、容量値が可変な容量部205を有し、受電コイル301の位置に応じた位置まで送電コイル102を移動させ、充電を開始した後、共振回路を流れる電流を検出し、その検出結果に応じて、容量部205の容量値を制御する。
そのため、送電コイル102と受電コイル301との間の電磁誘導が強い状態で充電を行うことができるとともに、電磁誘導により共振回路の共振周波数と交流電源の発振周波数とのずれが生じるのを防ぐことができるため、効率的に充電を行うことができる。
なお、本実施形態においては、充電器100の載置面101に1台だけ被充電機器300が載置される例を用いて説明したが、これに限られるものではなく、載置面101に複数の被充電機器300が載置されるようにしてもよい。この場合、制御部107は、載置面101に載置された複数の被充電機器300それぞれの受電コイルの位置を検出し、順次、検出した受電コイルの位置に対応する位置に送電コイルを移動させ、充電を行う。
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
(付記1)
受電コイルを内蔵した被充電機器の充電器であって、
前記被充電機器が載置される載置面と、
前記載置面の下面に設けられ、交流電源に接続されて前記受電コイルとの間の電磁誘導により前記受電コイルに電力を供給する送電コイルと、
前記送電コイルと共振回路を構成し、容量値が可変な容量部と、
前記送電コイルを前記載置面の下面に沿って移動させる移動機構と、
前記共振回路を流れる電流を検出し、該検出結果に応じて前記移動機構に前記送電コイルを移動させ、前記送電コイルの移動後さらに前記共振回路を流れる電流を検出し、該検出結果に応じて前記容量部の容量値を変更する制御部と、を有することを特徴とする充電器。
(付記2)
付記1記載の充電器において、
前記制御部は、前記送電コイルの移動に際し、前記共振回路を流れる電流の電流値が最大となる位置に前記移動機構に前記送電コイルを移動させることを特徴とする充電器。
(付記3)
付記1または2記載の充電器において、
前記制御部は、前記送電コイルの移動後に、前記共振回路を流れる電流の電流値が最大となるように前記容量部の容量値を変更することを特徴とする充電器。
(付記4)
受電コイルを内蔵した被充電機器の充電器であって、
前記充電器には、前記被充電機器が載置される載置面と、前記載置面の下面に設けられ、交流電源に接続されて前記受電コイルとの間の電磁誘導により前記受電コイルに電力を供給する送電コイルと、前記送電コイルと共振回路を構成し、容量値が可変な容量部と、前記送電コイルを前記載置面の下面に沿って移動させる移動機構と、が設けられ、
前記共振回路を流れる電流を検出し、該検出結果に応じて前記移動機構に前記送電コイルを移動させ、
前記送電コイルの移動後さらに前記共振回路を流れる電流を検出し、該検出結果に応じて前記容量部の容量値を変更することを特徴とする制御方法。
(付記5)
付記4記載の充電方法おいて、
前記送電コイルの移動に際し、前記共振回路を流れる電流の電流値が最大となる位置に前記移動機構に前記送電コイルを移動させることを特徴とする制御方法。
(付記6)
付記4または5記載の制御方法において、
前記送電コイルの移動後に、前記共振回路を流れる電流の電流値が最大となるように前記容量部の容量値を変更することを特徴とする制御方法。
100 充電器
101 載置面
102 送電コイル
103 X軸
104,106 移動軸
105 Y軸
107 制御回路
108 充電回路
109 移動機構
201 交流電源
202 共振コンデンサ
203 検出抵抗
204 可変容量ダイオード
205 容量部
300 被充電機器
301 受電コイル
302 整流回路
303 充電回路
304 内蔵電池

Claims (6)

  1. 受電コイルを内蔵した被充電機器の充電器であって、
    前記被充電機器が載置される載置面と、
    前記載置面の下面に設けられ、交流電源に接続されて前記受電コイルとの間の電磁誘導により前記受電コイルに電力を供給する送電コイルと、
    前記送電コイルと共振回路を構成し、容量値が可変な容量部と、
    前記送電コイルを前記載置面の下面に沿って移動させる移動機構と、
    前記共振回路を流れる電流を検出し、該検出結果に応じて前記移動機構に前記送電コイルを移動させ、前記送電コイルの移動後さらに前記共振回路を流れる電流を検出し、該検出結果に応じて前記容量部の容量値を変更する制御部と、を有することを特徴とする充電器。
  2. 請求項1記載の充電器において、
    前記制御部は、前記送電コイルの移動に際し、前記共振回路を流れる電流の電流値が最大となる位置に前記移動機構に前記送電コイルを移動させることを特徴とする充電器。
  3. 請求項1または2記載の充電器において、
    前記制御部は、前記送電コイルの移動後に、前記前記共振回路を流れる電流の電流値が最大となるように前記容量部の容量値を変更することを特徴とする充電器。
  4. 受電コイルを内蔵した被充電機器の充電器であって、
    前記充電器には、前記被充電機器が載置される載置面と、前記載置面の下面に設けられ、交流電源に接続されて前記受電コイルとの間の電磁誘導により前記受電コイルに電力を供給する送電コイルと、前記送電コイルと共振回路を構成し、容量値が可変な容量部と、前記送電コイルを前記載置面の下面に沿って移動させる移動機構と、が設けられ、
    前記共振回路を流れる電流を検出し、該検出結果に応じて前記移動機構に前記送電コイルを移動させ、
    前記送電コイルの移動後さらに前記共振回路を流れる電流を検出し、該検出結果に応じて前記容量部の容量値を変更することを特徴とする制御方法。
  5. 請求項4記載の充電方法おいて、
    前記送電コイルの移動に際し、前記共振回路を流れる電流の電流値が最大となる位置に前記移動機構に前記送電コイルを移動させることを特徴とする制御方法。
  6. 請求項4または5記載の制御方法において、
    前記送電コイルの移動後に、前記共振回路を流れる電流の電流値が最大となるように前記容量部の容量値を変更することを特徴とする制御方法。
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