JP2019022263A - 送電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充電中に異物を検出した場合に異物の温度上昇を抑制する送電装置を提供する。
【解決手段】載置面に置かれた受電装置へ無線で電力を伝送する送電装置は、所定の伝送方式で信号を送信する送電コイルと、送電コイルが送信する信号の出力を制御する制御部と、を備える。制御部は、送電コイルから載置面上の物の存在を確認するために送信した存在確認信号に対して存在を確認した場合には、所定の伝送方式における認証信号を第１周期で送信しＳ１０４、認証信号に対して受電装置の認証が成立した場合には、受電装置に充電信号を送信しＳ１１０、受電装置を充電中に異物を検出した場合には、充電信号の送信を停止すると共に所定の伝送方式における認証信号を第１周期より長い第２周期で送信するＳ１２０。
【選択図】図６

Description

本発明は、受電装置へ無線で電力を伝送する送電装置に関する。

従来から、受電装置へ無線で電力を伝送する送電装置が提案されている。例えば、特許文献１は、電子キーの電池消耗を抑制することのできる充電器を開示する。この充電器は、載置物検出電波を間欠的に発信することにより載置物の有無を監視し、載置物が存在するとき、認証電波を発信する。また、充電器は、認証電波の発信により載置物が被充電機器であるか否かの認証を行い、認証が成立した場合、充電電波を発信して被充電機器のバッテリを非接触で充電する。充電器は、認証が不成立の場合、充電器から載置物が取り除かれるまで認証電波の発信を制限する。

また、特許文献２は、金属異物による発熱を抑制する給電システムを開示する。この給電システムは、給電装置と、受電装置とを備える。受電装置は、受電コイルと、受電コイルと共振する共振コンデンサと、共振コンデンサの接続状態を変更して、共振状態を制御する共振制御トランジスタとを有する共振回路を備える。給電装置は、給電コイルに直列に接続された駆動トランジスタと、給電コイルを駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部と、共振回路の共振状態の変更を、給電コイルに励起される励起電圧における周期的な波形の変動として検出する波高値変動検出部と、波高値変動検出部が検出した周期的な波形の変動に基づいて、受電装置に給電可能な状態であるか否かを判定し、当該判定結果に基づいて、駆動トランジスタに駆動信号を継続して供給するか否かの制御を行う駆動制御部とを備える。駆動制御部は、受電装置が給電可能な状態でないと判定した場合、駆動信号の供給を停止して、給電コイルを間欠的に駆動する。

特開２０１３−２１２００４号公報 特開２０１５−０７０６８９号公報

受電装置へ無線で電力を伝送する送電装置に金属などの異物が接近した状態で受電装置の充電を開始した場合、金属に発生する渦電流により金属が発熱するため、使用者に与える危険性も高くなり、異物の検出および検出後の制御は極めて重要である。
本発明は、かかる事情を鑑みて考案されたものであり、充電中に異物を検出した場合に異物の温度上昇を抑制する送電装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、載置面に置かれた受電装置へ無線で電力を伝送する送電装置であって、所定の伝送方式で信号を送信する送電コイルと、送電コイルが送信する信号の出力を制御する制御部と、を備え、制御部は、送電コイルから載置面上の物の存在を確認するために送信した存在確認信号に対して存在を確認した場合には、所定の伝送方式における認証信号を第１周期で送信し、その認証信号に対して受電装置の認証が成立した場合には、受電装置に充電信号を送信し、受電装置を充電中に異物を検出した場合には、充電信号の送信を停止すると共に所定の伝送方式における認証信号を第１周期より長い第２周期で送信する送電装置が提供される。
これによれば、受電装置を充電中に異物を検出した場合認証信号を送信する周期を長くすることで、異物の温度上昇を抑制する送電装置を提供することができる。

以上説明したように、本発明によれば、充電中に異物を検出した場合に異物の温度上昇を抑制する送電装置を提供することができる。

本発明に係る第一実施例の送電装置の、（Ａ）平面図（載置面を含むケースを除く）、（Ｂ）Ｉ−Ｉ断面における断面図。 本発明に係る第一実施例の送電装置におけるブロック図。 本発明に係る第一実施例の送電装置の載置面に異物がある状態を示す説明図。 本発明に係る第一実施例の送電装置において受電装置を載置した場合の制御部の信号送信を示す説明図。 本発明に係る第一実施例の送電装置における認証信号を送信する方法を示す説明図。 本発明に係る第一実施例の送電装置における制御方法を示すフローチャート。 従来技術の送電装置における認証信号を送信する方法を示す説明図。

以下では、図面を参照しながら、本発明に係る実施例について説明する。
＜第一実施例＞
図１を参照し、本実施例における送電装置１００を説明する。なお、図１（Ａ）は、送電装置１００のケース９０を図示せず、内部のコイル等のみを示す。送電装置１００は、携帯端末などの受電装置ＲＤに無線で電力を伝送する装置であり、受電装置ＲＤを載置するケース９０に載置面９１を有する。送電装置１００は、携帯端末などの受電装置ＲＤに対して無線で給電する所謂ワイヤレス充電方式として、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ付近の周波数の電磁波を使用した電磁誘導方式や、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚ付近の周波数の電磁波を使用した磁界共鳴方式を含むことができる。なお、本実施例の送電装置１００は、電磁誘導方式の送電装置として説明する。

送電装置１００は、電磁誘導方式で電力を伝送する送電コイル１０を備える。電磁誘導方式とは、送電側のコイルが発生させる磁場の変化に伴って生ずる電磁誘導により、受電側のコイルに起電力を発生させて電力を伝送する方式である。電磁誘導方式は、磁束の大きさが電力の伝送効率に大きく影響し、送電側と受電側のコイルの結合係数の大きさが送電電力の大小を決めることになる。結合係数の大きさは、両コイル間の距離やコイル中心位置の一致度などにより影響を受ける。

送電装置１００は、より具体的には、平面視矩形の送電コイル基板１１と、送電コイル基板１１上に矩形板状に磁界を強めるための磁性体１２と、磁性体１２の載置面９１側に積層するようにして設けられた送電コイル１０と、送電コイル基板１１上に送電コイル１０に対して所定の伝送方式の信号の送信を制御する制御部３０を備える。磁性体１２は、フェライトなどの透磁率１以上の材料から構成され、すべての送電コイル１０を含む大きさで方形板状をなす。送電コイル１０は、導体の配線パターンにより方形環状に巻回されたスパイラルコイルであり、受電装置ＲＤが載置面９１で多少ずれて置かれてもいいように、３つのコイルから構成されている。

制御部３０は、所定の伝送方式で伝送するためインバータ回路等の回路で構成される。制御部３０は、電磁誘導方式に対応した送電用の電気信号を発生させる電磁誘導方式の制御部である。電磁誘導方式に対応した電気信号としては、通常、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ付近の周波数の交流の電気信号が用いられる。制御部３０は、所謂プロセシングユニット（ＣＰＵ）である。

図２を参照し、本実施例における送電装置１００の構成を説明する。送電装置１００は、電磁誘導方式で電力を伝送する送電コイル１０と、送電コイル１０に対して電磁誘導方式の信号の送信を制御する制御部３０と、制御部３０と送電コイル１０の間に出力回路５１と、を備える。出力回路５１は、制御部３０の制御に従い、送電コイル１０に対して、所定の周波数の交流電流を駆動するための回路である。制御部３０は、出力回路５１に対して出力を指示すると、出力回路５１は、送電コイル１０に対して所定の周波数の交流電流を発生させる。そうすると、送電コイル１０は、存在確認信号、認証信号、充電信号などを送信する。

受電装置ＲＤは、送電装置１００の送電コイル１０が発生させる磁界により誘電起電力が生ずる受電コイルと、受電コイルに生じた誘電起電力を交流としてとりだす受電部と、受電部が出力する交流電流を直流電流に変換するコンバータと、コンバータが出力する直流で充電されるバッテリと、受電部の負荷を変調する負荷変調回路と、を備える。負荷変調回路は、受電コイルのインピーダンスを制御することによって、送電コイル１０と受電コイルの間の電磁誘導の状態を変化させる。送電装置１００は、その変化を送電コイル１０が検知することで情報を受け取ることができるようになる。本実施例では、送電装置１００は、受電装置ＲＤが受けた電力量に関する情報を受け取るための電力情報信号を受信する。

図３を参照して、電力情報信号ＦＤについて説明する。図３は、送電装置１００が載置面９１に異物ＦＯがある状態で受電装置ＲＤを充電している状態を示す。制御部３０は、送電コイル１０に磁界を発生させると、磁力線ＭＬが図示する方向において周波数に合わせて向きと大きさの変化を繰り返す。受電装置ＲＤは、このような磁界の変化によって電力を受け取るのだが、異物ＦＯの有無にかかわらず、充電中は入力された電力量を定期的に送電装置１００に送信している。送電装置１００は、受電装置ＲＤから送られてきた入力電力量と送電装置１００から出力した出力電力量とを比較することにより、充電に損失が生じているか否かを検知することができる。

本図に示すように、載置面９１にある異物ＦＯが金属である場合、充電中の異物ＦＯには、磁力線ＭＬの変化により渦電流ＥＣが生じる。そのため、受電装置ＲＤが入力を受けた電力量は、送電装置１００が出力した出力電力量より小さくなる。送電装置１００は、かかる入力電力量を電力情報信号ＦＤとして取得することができるため、充電において電力を損失していることを検知することができる。この損失量が所定の閾値を越える場合は、送電装置１００は、異物検知（Ｆｏｒｅｉｇｎ Ｏｂｊｅｃｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ、ＦＯＤ）と判定する。

図４を参照し、制御部３０の電気信号の一般的な送信方法について説明する。本図は、電磁誘導方式の中でもＱｉ規格の送電装置１００に、Ｑｉ規格の受電装置ＲＤを載置した場合の制御部３０の送信方法を示す。制御部３０は、載置面９１における物体の存在を確認するための存在確認信号（Ｑｉ規格ではＡｎａｌｏｇ Ｐｉｎｇと言う）と、電磁誘導方式の伝送方式に対応した受電装置ＲＤであるか否かを認証するための認証信号（Ｑｉ規格ではＲａｐｉｄ Ｐｉｎｇとも言う）と、電磁誘導方式の伝送方式で充電するための充電電波信号を、送電コイル１０から送信するように電気信号を発生させる。

制御部３０では、存在確認信号で載置面９１に物体の存在を確認した場合には認証信号を送信し、認証できた場合には電磁誘導方式の充電電波信号を送信して充電を行う。なお、存在確認信号は、金属の接近によりインピーダンスの変化により物体が載置面９１に接近したか否かを検知してもよいし、他の方法であってよい。

制御部３０は、送電コイル１０が３つのコイル０〜コイル２から構成されているので、それぞれのコイルから所定の間隔で互いに衝突しないように存在確認信号を送信するように制御する。すなわち、制御部３０は、コイル０、コイル１、コイル２の順で存在確認信号を送信し、送電装置１００が載置面９１に接近した物体の存在を確認しない限り、これが繰り返されている。

本図では、３周目の存在確認信号の送信が終わった辺りでＱｉ規格の受電装置ＲＤが載置されたことが示されている。そうすると、送電装置１００では、載置面９１に何らかの物体が載置されたことを検知し、存在確認信号を送信する代わりに、電磁誘導方式の認証信号を送信する。本図では、Ｑｉ規格の受電装置ＲＤがコイル０で認証され、Ｑｉ規格の規格確認が成立したことが示されている。コイル中心のズレのためにコイル０では認証されず、コイル１またはコイル２で認証される場合もある。載置面９１に載置されたＱｉ規格の受電装置ＲＤに対して、送電装置１００は、コイル０から、Ｑｉ規格による充電電波を発し、受電装置ＲＤの充電を行う。

図５〜図６を参照して、制御部３０の認証信号の送信方法について説明するが、まず、図７を参照して、従来技術の送信方法について述べる。図７（Ａ）は、制御部が約１５０ｍｓ間隔で認証信号を送信している最中には受電装置ＲＤは認証されず、受電装置ＲＤが載置面９１から取り外された場合を示す。そうすると、制御部は、存在確認信号を再度送信し始め、載置面９１に載置物が載置されることを待機し、載置された場合には、認証信号の送信を行う。なお、認証信号の送信間隔は、１５０ｍｓと例示したが、もちろんこれに限定されない。

図３に示すような異物ＦＯが載置面９１にある場合、送電コイル１０には電流が流れるので送電装置１００自体が発熱すると共に、認証信号による磁界の変化により異物ＦＯに渦電流ＥＣが発生するので異物ＦＯ自体も発熱する。しかし、図７（Ａ）に示すような、受電装置ＲＤが載置面９１から取り外される場合は、電流が大きくない存在確認信号に切り替わるので、発熱は大きくならない。一方、図７（Ｂ）は、受電装置ＲＤが載置面９１から取り外されることがなく、載置状態が継続する場合を示すところ、かかる場合には、異物ＦＯは、時間が経過するにつれて発熱量が大きくなり、危険性が高くなる。

図５は、本実施例における送電装置１００における制御部３０の認証信号の送信方法を示す。本図（Ａ）は、存在確認信号において載置物を検知した後などの通常の認証信号の送信間隔Ｔ１を示す。一方、本図（Ｂ）は、載置面９１に異物ＦＯが存在すると判断した場合の認証信号の送信間隔Ｔ２を示す。異物ＦＯが存在すると判断した場合の認証信号の送信間隔Ｔ２は、通常の認証信号の送信間隔Ｔ１に比べて長くなっている。すなわち、Ｔ２＞Ｔ１の関係が成立する。通常の送信間隔に比べて異物ＦＯが存在する場合の送信間隔を長くすることで、認証信号の送信頻度が少なくなり、異物ＦＯの発熱が抑制される。

仮に、図７（Ｂ）のように受電装置ＲＤの載置状態が継続した場合であっても、認証信号の送信頻度が多くないため発熱が抑制される。たとえば、送信間隔Ｔ１が１５０ｍｓである場合、送信間隔Ｔ２は３００ｍｓ程度としてもよい。あまり送信間隔Ｔ２を長くしても、使用者が受電装置ＲＤを取り外したことを検知するのに違和感を生じるようになるので、適宜定められる。

図６を参照し、送電装置１００における制御方法のフローチャートを説明する。なお、フローチャートにおけるＳはステップを意味する。制御部３０は、Ｓ１００において、送電コイル１０のコイル０〜２のそれぞれから順番に載置面９１上の物の存在を確認するための存在確認信号を送信する。制御部３０は、Ｓ１０２において、載置面９１に載置物が存在するか否かを検出する。いずれのコイルでも検出しない場合は、Ｓ１００に戻り、存在確認信号の送信を継続する。

いずれかのコイルで載置物の存在を検出した場合、制御部３０は、Ｓ１０４において、コイル０〜２のそれぞれから順番に送信間隔Ｔ１の第１周期で認証信号を送信する。制御部３０は、Ｓ１０６において、送信した認証信号に対する返信を待機し、いずれかのコイルに対して返信されたらその返信信号の認証を行う。制御部３０は、Ｓ１０８において、認証が成立したか否かを検査する。

いずれのコイルでも認証が成立しなかった場合、制御部３０は、Ｓ１１６において、コイル０〜２のそれぞれから順番に存在確認信号を送信し、Ｓ１１８において、載置物が存在するか否かを検出する。いずれのコイルでも検出しない場合は、Ｓ１００に戻り、存在確認信号の送信を継続し、また、いずれかのコイルで載置物を検出する場合には、Ｓ１１６での存在確認信号の送信を繰り返す。

Ｓ１０８でいずれかのコイルで認証が成立した場合、制御部３０は、Ｓ１１０において、充電信号を送信する。制御部３０は、Ｓ１１２において、受電装置ＲＤが受けた電力量に関する情報である電力情報信号ＦＤを充電中の受電装置ＲＤから取得し、充電電力の損失量が所定の閾値を越えているため異物ＦＯが載置面９１に存在すると判断されるか否かについて検査する。異物ＦＯが検出されない場合、制御部３０は、Ｓ１１４において、受電装置ＲＤが満充電となったか否かについて検査し、まだ満充電になっていなければＳ１１０に戻り充電信号の送信を継続し、満充電になった場合には処理を終了する。

異物ＦＯが検出された場合、制御部３０は、Ｓ１２０において、充電信号の送信を停止すると共に、Ｓ１０８において認証が成立したコイルにおいて、送信間隔がＴ２であって第１周期より長い第２の周期で認証信号の送信を開始する。制御部３０は、Ｓ１２２において、送信した認証信号に対する返信を待機し、返信されたらその返信信号の認証を行う。制御部３０は、Ｓ１２４において、認証が成立したか否かを検査する。認証が成立しなければ異物ＦＯが載置面９１から取り除かれたものと認識し、制御部３０は、Ｓ１００に戻り、存在確認信号の送信を開始する。認証が成立する場合受電装置ＲＤと共に異物ＦＯも載置面９１に存在し続けていると認識し、制御部３０は、Ｓ１２０〜Ｓ１２４を繰り返し、第２周期での認証信号の送信を継続する。

上述したように、制御部３０は、送電コイル１０から載置面９１上の物の存在を確認するために送信した存在確認信号に対して存在を確認した場合には、所定の伝送方式における認証信号を第１周期で送信し、その認証信号に対して受電装置ＲＤの認証が成立した場合には、受電装置ＲＤに充電信号を送信し、受電装置ＲＤを充電中に異物ＦＯを検出した場合には、充電信号の送信を停止すると共に所定の伝送方式における認証信号を第１周期より長い第２周期で送信する。このように、受電装置ＲＤを充電中に異物ＦＯを検出した場合認証信号を送信する周期を長くすることで、異物ＦＯの温度上昇を抑制する送電装置１００を提供することができる。

なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

たとえば、上記実施例では、電磁誘導方式のＱｉ規格を中心に説明したが、電磁誘導方式のＰＭＡ規格に対応した送電装置であってもよいし、磁界共鳴方式のＡ４ＷＰ規格に対応した送電装置であってもよいし、また、これら複数の規格に対応した送電装置であってもよい。

ＲＤ 受電装置（携帯端末）
１００ 送電装置
１０ 送電コイル（電磁誘導方式コイル）
１１ 送電コイル基板
１２ 磁性体
３０ 制御部
５１ 出力回路
９０ ケース
９１ 載置面
ＦＯ 異物
ＭＬ 磁力線
ＥＣ 渦電流
ＦＤ 電力情報信号

Claims (1)

1. 載置面に置かれた受電装置へ無線で電力を伝送する送電装置であって、
   所定の伝送方式で信号を送信する送電コイルと、
   前記送電コイルが送信する信号の出力を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記送電コイルから前記載置面上の物の存在を確認するために送信した存在確認信号に対して存在を確認した場合には、前記所定の伝送方式における認証信号を第１周期で送信し、
   該認証信号に対して前記受電装置の認証が成立した場合には、前記受電装置に充電信号を送信し、
   前記受電装置を充電中に異物を検出した場合には、充電信号の送信を停止すると共に前記所定の伝送方式における認証信号を前記第１周期より長い第２周期で送信する、
   送電装置。