JP2016021832A - 給電装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受電側の装置に応じて送電出力を最適化する非接触給電装置を提供する。
【解決手段】給電装置は、通信用電波を送信して、通信用電波に応答した受電装置からの応答情報を受信するアンテナと、アンテナで受信した応答情報を基に、通信用電波の伝送効率を検出する検出部と、アンテナで受信した応答情報を基に、受電装置を認識する認識部と、検出部で検出した伝送効率と認識部で認識した認識結果を基に、アンテナから送信する給電用電波の出力を制御する出力制御機能を有する給電制御部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、給電装置及びその制御方法に関する。

従来の給電装置は、受電側の電子機器の電池の残容量に応じて、無線通信のための認証を行う（例えば、特許文献１を参照）。

また、従来の給電装置は、一次自己共振コイルと二次自己共振コイルと間の距離を推定し、その推定された距離が所定値以下のとき、受電装置への給電を行う（例えば、特許文献２を参照）。

また、従来の給電装置は、受電装置と送電ユニットとの間の距離検出を行なうとともに、検出した距離に応じて伝送効率の高い受電用の二次自己共振コイルを選択して給電を行なう（特許文献３を参照）。

特開２０１４−００７８６２号公報 特開２０１０−２５２４４６号公報 再公表ＷＯ２０１１／００１５２４号

しかし、従来の給電装置では、受電装置に応じて送電出力を最適化することができない場合があった。

本発明は、受電側装置に応じて送電出力を最適化する非接触給電装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態において、給電装置は、通信用電波を送信して、前記通信用電波に応答した受電装置からの応答情報を受信するアンテナと、前記アンテナで受信した前記応答情報を基に、前記通信用電波の伝送効率を検出する検出部と、前記アンテナで受信した前記応答情報を基に、前記受電装置を認識する認識部と、前記検出部で検出した前記伝送効率と前記認識部で認識した認識結果を基に、前記アンテナから送信する給電用電波の出力を制御する出力制御機能を有する給電制御部とを備える。

本発明によれば、受電側の装置に応じて送電出力を最適化する非接触給電装置を提供することができる。

本実施形態における給電装置のシステムの構成例を示す図である。 本実施形態における給電装置の機能を例示するブロック図である。 給電装置と受電装置の第１の配置を例示する図である。 給電装置と受電装置の第２の配置を例示する図である。 アンテナ間距離と伝送効率の関係を例示するグラフである。 アンテナ間距離と給電用電波の出力の関係を例示するグラフである。 本実施形態における給電装置の制御を例示するフローチャートである。 受電装置の認識処理を例示するフローチャートである。

以下、本実施形態における給電装置を、図面を参照して説明する。なお、各図において同一箇所については同一の符号を付して説明する。

図１は、本実施形態における給電装置のシステムの構成例を示す図である。図１において、給電装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１３、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）１４、アンテナＩ／Ｆ（Interface）１５、アンテナ１６、及びネットワークＩ／Ｆ１７を備える。

ＣＰＵ１１は、給電装置１の動作を制御する。ＣＰＵ１１は、例えばＲＯＭ１２に記憶されたプログラムをＲＡＭ１３に読みだして、ＲＡＭ１３をワークメモリとして実行する。ＥＥＰＲＯＭ１４は、ＣＰＵ１１が使用するデータやＣＰＵ１１の処理結果を格納する。ＥＥＰＲＯＭ１４には、例えば後述する受電装置のデバイスの種類の情報、給電用電波の基準出力などのデータを格納しておくことができる。

アンテナＩ／Ｆ１５は、アンテナ１６を介して受電装置２と送受信する電波の、例えば、増幅処理、検波処理、変調処理、復調処理などを行う。

アンテナ１６は、受電装置２との無線通信を行う通信用電波の送受信を行う。アンテナ１６は、通信用電波を送信して、送信した通信用電波に応答した受電装置２からの応答情報を受信する。通信用電波とは、受電装置２との間で無線通信を行うための電波である。通信用電波は、例えばアンテナ１６から送信される受電装置２を参照（ポーリング）するための参照用電波（Reference Wave）である。受電装置２は、参照用電波を受信すると、それに応答して応答情報を送信する。応答情報には、例えば受電装置２のＩＤ、受電装置２のデバイスの種類の情報、受電装置２のバッテリの充電状態、受電装置２に登録された利用者情報などを含めることができる。応答情報は、例えば受電装置２に内蔵される図示しないＩＣチップによって送信される。ＩＣチップは、通信用電波から電磁誘導によって取得される電力によって動作してもよい。

アンテナ１６から出力される通信用電波は、例えば数十ｃｍの通信距離に対応する微弱な出力とすることができる。従って、通信用電波の出力は、例えば公的機関によって定められた放射電磁波の人体に対する防護指針を満足させることができる。なお、通信用電波には、例えば、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）バンドとして規定された、１３．５６ＭＨｚや２７．１２ＭＨｚの周波数を利用することができる。

また、アンテナ１６は、受電装置２に送信する給電用電波の送信を行う。給電用電波は、例えば受電装置２のバッテリを充電するための電力を供給するための強度で出力される。したがって、給電用電波は通信用電波に比べて高い出力にて受電装置２に送信される。

本実施形態では、通信用電波の送受信で使用するアンテナ１６を給電用電波の送信で使用するアンテナとして共用する。通信用電波と給電用電波は、共用するアンテナ１６から出力を切り替えて送信される。したがって、受電装置２への給電用に別途アンテナを用意する必要がない。これにより、電波の送受信に必要なアンテナＩ／Ｆなどの周辺モジュールを含めて、給電装置１の小型化、低コスト化、設計の容易化、制御の簡単化等を図ることが可能となる。なお、アンテナ１６は、例えばループ型アンテナやスパイラルアンテナを用いることができる。

給電装置１と受電装置２との無線電波の送電効率は、アンテナ１６と受電装置２のアンテナとの共振特性やアンテナ同士の結合係数によって影響する。共振特性は、アンテナ同士のインピーダンス特性によって影響する。したがって、アンテナ１６は、受電装置２のアンテナとの共振特性を考慮して、インダクタンス及びキャパシタンスのインピーダンスを整合する。アンテナ１６の巻線には、例えば、直径数ｍｍのエナメル銅線を用いることができる。巻線の直径によってインピーダンスを変えることができる。

ネットワークＩ／Ｆ１７は、ネットワーク３を介して接続された受電装置２を承認する認証装置４とのネットワーク通信を制御する。ネットワークＩ／Ｆ１７には、例えばＮＩＣ（Network Interface Card）を用いることができる。認証装置４による認証処理の例は後述する。

次に、図２を用いて、給電装置１の制御機能を説明する。図２は、本実施形態における給電装置１の機能を例示するブロック図である。

図２において、制御機能１０は、検出部１０１、認識部１０２、給電制御部１０３、アンテナ制御部１０４、及びネットワーク制御部１０５の各機能を含む。図２で例示する各機能は、それぞれの機能ブロックで説明する機能を備える限り、例えば複数の機能ブロックを一つの機能ブロックにまとめて実施してもよい。また、一つの機能ブロックを複数の機能ブロックに分けて実施してもよい。

制御機能１０の各機能は、本実施形態では、ＣＰＵ１０によって実行されるプログラムのよって実現する場合を例示している。ただし、制御機能１０の各機能の実現方法は本実施形態に限定されるものではない。例えば、制御機能１０の全ての機能又は一部の機能は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのＬＳＩによって実装されるファームウエアで実現してもよい。また、制御機能１０の全ての機能又は一部の機能をハードウエアによって実現してもよい。

検出部１０１は、アンテナ１６で受信した応答情報を基に、通信用電波の伝送効率を検出する。伝送効率ηは、アンテナ１６から出力する送信電力をＰｓ、アンテナ１６から入力される受信電力をＰｄとすると、次式で求めることができる。
η＝Ｐｄ／Ｐｓ （式１）

検出部１０１は、式１により、伝送効率を求めることができる。なお、本実施形態においては、受電装置２は無線電波を受信したときに誘導電力により応答情報を送信するので、所定の損失が発生するが、式１では、損失を考慮しない場合を例示している。

認識部１０２は、アンテナ１６で受信した受電装置２からの応答情報を基に、受電装置２を認識する。応答情報には、前述のとおり、受電装置２のＩＤ、受電装置２のデバイスの種類の情報、受電装置２のバッテリの充電状態、受電装置２に登録された利用者情報などを含めることができる。認識部１０２は、図１で説明したＥＥＰＲＯＭ１４に記憶されたデータと、受信した応答情報に含まれる情報とを照合して受電装置２を認識してもよい。例えば、受電装置２のＩＤを基に、そのＩＤの受電装置が給電対象であるか否かを認識する。また、受電装置２のバッテリの充電状態により、給電すべき受電装置を認識する。

また、認識部１０２は、受電装置２を認識するために、外部の認証装置を利用してもよい。認識部１０２は、例えば、図１で説明した、ネットワーク３を介して接続された認証装置４に対して受電装置２のＩＤや受電装置２に登録された利用者情報などの情報を送信する。認証装置４は、送信された情報によって認証処理を行い、認証結果を給電装置１に送信する。認識部１０２は、受信した認証結果を基に、受電装置２を認識する。認証装置４は、送信された利用者情報などにより課金処理を行い、課金処理に基づき認証結果を送信してもよい。認証結果には、受電装置２に対する給電を許可する処理結果、給電時間、または給電回数等を含めてもよい。

給電制御部１０３は、検出部１０１で検出した伝送効率と認識部１０２で認識した認識結果を基に、アンテナ１６から送信する給電用電波の出力を制御する出力制御機能を有する。また、給電制御部は、アンテナ１６から送信する電波を通信用電波と給電用電波とで切り替える切替機能を有する。給電制御部１０３の出力制御機能は、認識部１０２が認識した受電装置２のデバイスの種類の情報に応じて給電用電波の基準出力を選択してもよい。例えば、受電装置２がスマートフォンであった場合は基準出力を５ｗとして、受電装置２がタブレットＰＣであった場合は基準出力を１０ｗとすることができる。給電制御部１０３は、上述のように認証結果に応じて給電用電波による給電時間や給電回数を制御してもよい。

また、給電制御部１０３は、検出部１０１で検出した伝送効率を基に、給電用電波の基準出力を調整する出力制御を行うことができる。ここで、図３〜図６を用いて、検出部１０１によって検出される通信用電波の伝送効率と給電用電波の出力について説明する。図３は、給電装置１と受電装置２の第１の配置を例示する図である。図４は、給電装置１と受電装置２の第２の配置を例示する図である。

図３において、給電装置１は、アンテナ１６を図示上面に備えている。また、受電装置２は、アンテナ２１を図示下面に備えている。図３は、アンテナ１６とアンテナ２１とが距離Ａにて離隔して保持されている場合を例示している。給電装置１と受電装置２の間の無線電波の伝送効率は、アンテナ１５とアンテナ２１の距離が小さくなるとアンテナ同士の結合係数が大きくなるため、距離Ａが小さくなると高くなる。一方、距離Ａが大きくなると、結合係数が小さくなり、伝送効率は低くなる。なお、給電装置１のアンテナの向きは、例えばテーブルのような水平面に設置してもよいし、壁のような垂直面に設置してもよい。

一方、図４は、給電装置１と受電装置２とが接触し、アンテナ１６とアンテナ２１の中心が距離Ｂ離れて保持されている場合を例示している。図４で例示するように、アンテナの中心位置がずれている場合も、アンテナ同士の結合係数が小さくなるため、伝送効率が低下する。

給電装置１に対して受電装置２は様々な位置関係で保持される場合があり、図３及び図４で例示したように、アンテナ同士の位置関係によって伝送効率は変化する。したがって、給電装置１からの給電用電波の出力を一定にした場合には、受電装置２に対して十分な電力が供給されない場合がある。図５は、図３で例示した、アンテナ間距離と伝送効率の関係を例示するグラフである。図６は、給電制御部１０３によって制御される、アンテナ間距離と給電用電波の出力の関係を例示するグラフである。

図５において、ｘ軸は、図３で説明したアンテナ間距離Ａを示す。また、ｙ軸は、アンテナ間距離Ａの変化に対する伝送効率である。伝送効率は、アンテナ間距離にほぼ反比例して、アンテナ間距離に応じて一意に決定される。図５で例示した伝送効率と距離の関係は、予め参照データとして、例えば図１で説明したＥＥＰＲＯＭ１４に記録しておき、検出部１０１によって、検出した伝送効率からアンテナ間距離を特定することができる。図５では、アンテナ間距離が０〜３０ｃｍの場合の伝送効率を例示している。

図６において、給電制御部１０３は、特定されたアンテナ間距離を基に、アンテナ１６から出力する給電用電波の出力を求める。図６における、給電用電波出力の１００％は、基準出力を示している。例えば、アンテナ間距離が０ｃｍ、つまり図３で説明した距離Ａが０ｃｍの場合、給電制御部１０３は、基準出力に対して約４０％の出力で給電用電波を出力するように制御する。なお、本実施形態では、アンテナ間距離が０ｃｍのときに基準出力の４０％において受電装置２に対する定格の給電入力がされるものとする。

アンテナ間距離が大きくなるにつれて、送電効率が小さくなるため、給電制御部１０３は、アンテナ間距離が所定の値になるまで給電用電波の出力を増加させる。図６は、給電制御部１０３が、アンテナ間距離が１５ｃｍになるまで出力を増加させていき、アンテナ間距離が１５ｃｍ以上で出力を１００％に制御する場合を例示している。本実施形態では、放射電磁波の人体に対する防護指針を考慮して、最大出力である基準出力を設定している。したがって、給電制御部１０３は、安全な範囲内で給電用電波の出力を制御することができる。また、給電制御部１０３は、アンテナ間距離が２０ｃｍ以上と判断した場合は、給電用電波の出力を停止する。これにより、伝送効率の低下によるエネルギーの無駄を防止することができる。

なお、本実施形態では、検出部１０１は、検出した伝送効率からアンテナ間距離を特定し、給電制御部１０３は、特定されたアンテナ間距離から給電用電波の出力を制御する場合を説明した。しかし、給電制御部１０３は、アンテナ間距離を求めずに、検出した伝送効率を基に給電用電波の出力を制御してもよい。例えば、図３及び図４で説明した通り、伝送効率は受電装置２の配置状況によって影響を受けるため、直線的なアンテナ間距離を特定できない場合があるからである。伝送効率をそのまま使用することにより、受電装置２の配置状況にかかわらず給電用電波の出力を制御することが可能となる。

再び図２に戻り、アンテナ制御部１０４は、アンテナＩ／Ｆ１５を制御する。また、ネットワーク制御部１０５は、ネットワークＩ／Ｆ１７を制御する。アンテナ制御部１０４及びネットワーク制御部１０５は、アンテナＩ／Ｆ１５及びネットワークＩ／Ｆ１７に比べて、例えば階層化された通信方式における上位のレイヤの制御を行うようにしてもよい。例えば、通信方式における通信情報の暗号化処理、または復号化処理を行うようにしてもよい。また、ＣＰＵ１１が実行するプログラムに対して、アンテナＩ／Ｆ１５及びネットワークＩ／Ｆ１７を制御するプログラミングＩ／Ｆを提供してもよい。

次に、図７及び図８を用いて、給電装置１の制御機能１０による制御動作を説明する。図７は、本実施形態における給電装置１の制御を例示するフローチャートである。図８は、受電装置２の認識処理を例示するフローチャートである。

図７において、図２で説明した検出部１０１は、通信用電波を送信する（Ｓ１）。通信用電波の送信出力は給電制御部１０３によって制御される。次に、検出部１０１は、通信用電波に応答した受電装置２からの応答情報を受信して受電装置２を検出したかどうかを判断する（Ｓ２）。応答を検出しない場合（Ｓ２：ＮＯ）、検出がされるまで待ち状態となる。

応答を検出した場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、認識部１０２は、応答情報をデコードして（Ｓ３）、受電装置を認識する（Ｓ４）。ここで、ステップＳ４の受電装置の認識処理について、図８を用いて説明する。

図８において、認識部１０２は、受信した応答情報を基にした認証装置４による認証処理が必要であるか否かを判断する（Ｓ４１）。認証装置４による認証処理として、例えば、受信した受電装置２のＩＤにより、社内で保有する受電装置か、社外の受電装置かを認証装置４にて判断してもよい。また、給電装置１の利用が有料である場合に、認証装置４による課金処理を実施してもよい。

認証装置４による認証処理が必要と判断した場合（Ｓ４１：ＹＥＳ）、認識部１０２は、認証装置４に対して受電装置２から受信した応答情報の全部又は一部を送信する（Ｓ４２）。認識部１０２は、認証結果を受信するまで待機して（Ｓ４３：ＮＯ）、認証結果を受信した場合（Ｓ４３：ＹＥＳ）、受信した認証結果を基に受電装置２を認識する（Ｓ４４）。

一方、認証装置４による認証処理が必要でないと判断した場合（Ｓ４１：ＮＯ）、ステップＳ４２〜Ｓ４３の処理はスキップされる。認識部１０２は、例えばＥＥＰＲＯＭ１４等給電装置１の内部に記憶されたデータを基に受電装置２を認識する。以上でステップＳ４の処理を終了する。

再び図７に戻り、検出部１０１は、受信した応答情報を基に通信用電波の伝送効率を検出する（Ｓ５）。

給電制御部１０３は、切替機能によって、アンテナ１６から送信する電波を通信用電波から給電用電波に切り替える。給電制御部１０３は、出力制御機能によって、検出部１０１で検出した伝送効率と認識部１０２で認識した認識結果を基に、アンテナ１６から送信する給電用電波の出力を制御する（Ｓ６）。以上で給電装置１の制御機能１０による動作を終了する。図７で説明した動作は、各ステップの工程として給電装置１の制御方法を例示している。

なお、本実施形態では、通信用電波に応答した受電装置からの応答情報を一度受信して、給電用電波の出力を求める場合の制御を説明したが、例えば、所定時間毎に再度通信用電波を送信して、再度伝送効率を検出して給電用電波の出力を変更するようにしてもよい。本実施形態では、通信用電波の送受信と給電用電波の送信を、アンテナ１６を共用して行う。しかし、所定の時間毎にアンテナ１６から出力する電波を通信用と給電用で切り替えることにより、例えば、受電装置２が給電中で移動した場合であっても受電装置２に対して効率の良い給電が可能となる。

上述した通り、実施形態における制御機能１０はコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウエアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１ 給電装置、１１ ＣＰＵ、１２ ＲＯＭ、１３ ＲＡＭ、１４ ＥＥＰＲＯＭ、１５ アンテナＩ／Ｆ、１６ アンテナ、１７ ネットワークＩ／Ｆ、１０ 制御機能、１０１ 検出部、１０２ 認識部、１０３ 給電制御部、１０４ アンテナ制御部、１０５ ネットワーク制御部、２ 受電装置、２１ アンテナ、３ ネットワーク、４ 認証装置

Claims (6)

1. 通信用電波を送信して、前記通信用電波に応答した受電装置からの応答情報を受信するアンテナと、
   前記アンテナで受信した前記応答情報を基に、前記通信用電波の伝送効率を検出する検出部と、
   前記アンテナで受信した前記応答情報を基に、前記受電装置を認識する認識部と、
   前記検出部で検出した前記伝送効率と前記認識部で認識した認識結果を基に、前記アンテナから送信する給電用電波の出力を制御する出力制御機能を有する給電制御部と
   を備える給電装置。
2. 前記給電制御部は、前記アンテナから送信する電波を前記通信用電波と前記給電用電波とで切り替える切替機能をさらに有する、請求項１に記載の給電装置。
3. 前記認識部は、前記応答情報に含まれる前記受電装置の種類の情報を基に前記受電装置を認識する、請求項１又は２に記載の給電装置。
4. 前記認識部は、前記応答情報をネットワークで接続された認証装置に対して送信し、前記応答情報に基づく認証結果を前記認証装置から受信して前記受電装置を認識する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の給電装置。
5. 前記認識部は、前記応答情報を基にして前記認証装置で課金処理がされた前記認証結果を前記認証装置から受信する、請求項４に記載の給電装置。
6. アンテナから通信用電波を送信する送信工程と、
   前記送信工程で送信した前記通信用電波に応答した受電装置からの応答情報を前記アンテナで受信する受信工程と、
   前記受信工程で受信した前記応答情報を基に、前記通信用電波の伝送効率を検出する検出工程と、
   前記受信工程で受信した前記応答情報を基に、前記受電装置を認識する認識工程と、
   前記検出工程で検出された前記伝送効率と前記認識工程で認識した認識結果を基に、前記アンテナから送信する給電用電波の出力を制御する給電工程と
   を含む、給電装置の制御方法。

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