JP2022178956A - 電子機器、電子機器の制御方法、プログラム - Google Patents

電子機器、電子機器の制御方法、プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明によれば、複数のアンテナを備えた電子機器において、より効率的に受電することができる。【解決手段】 複数のアンテナと、前記複数のアンテナのうちの一つで受電した電力を用いて電池を充電する回路と、前記複数のアンテナのうちの一つで受電できる電力と該アンテナで受電するために必要な電力とに基づき、該アンテナで受電するか否かを制御する制御手段と、を有することを特徴とする電子機器。【選択図】 図1

Description

本発明は、無線電力伝送に対応する電子機器に関する。
近年、無線LANや携帯電話通信などのマイクロ波を利用したエネルギーハーベスティングが検討されている。マイクロ波を受電する技術としては、レクテナを用いた無線電力受電システムがある。例えば、特許文献1には、マイクロ波を受信する受信手段と、受信したマイクロ波を整流する第1及び第2整流回路と、前記受信手段と前記第1及び第2整流回路との間に介装されたハイブリッド回路を備えたレクテナが開示されている。
特開2012-23857号公報
しかしながら、上述の技術では、複数のアンテナを用いて受電する場合について考慮されていない。特に複数のアンテナの共振周波数が異なる場合、一般に、複数のアンテナ各周波数帯の電波強度は時間とともに変化する。このような電波環境の場合、すべてのアンテナで受電して、電力をできるだけ多く受電しようとしても、効率が悪化する場合がある。例えば、時間T1の期間では、2.4GHz帯の電波強度301は高く、2.4GHzのアンテナからは十分高い電力が受電できる。しかし5.0GHz帯の電波強度302、60GHz帯の電波強度303は、電波強度が小さく、受電できる電力が少ない。そのため、アンテナから受電できる電力よりも、受電のためにアンテナを駆動する電力や、整流するための必要な電力のほうが多く、電子機器としては電力を消費する結果となる。結果、電子機器は電力を受電して電池を充電するどころか、電池をより消耗してしまう結果となる。
そこで、本発明の目的は、複数のアンテナを備えた電子機器において、より効率よく電力を受電することが可能な電子機器を提供することである。
複数のアンテナと、前記複数のアンテナのうちの一つで受電した電力を用いて電池を充電する回路と、前記複数のアンテナのうちの一つで受電できる電力と該アンテナで受電するために必要な電力とに基づき、該アンテナで受電するか否かを制御する制御手段と、を有することを特徴とする電子機器。
本発明によれば、より効率よく電力を受電することが可能な電子機器を提供することができる。
第一の実施形態に係る電子機器のブロック図である。 第一の実施形態に係る電子機器のアンテナ制御のフローチャートである。 (a)周波数帯の違いにおける電波環境の不安定さについて説明するための図である。(b)第一の実施形態に係る各アンテナのオンオフを時系列で説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る電子機器と外部無線機器とからなるシステムを示す図である。
以下に、本発明を実施するための形態について、添付の図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されてもよい。また、各実施の形態を適宜組み合せることも可能である。
[第1の実施形態]
<電子機器について>
図1において、100は、カメラやスマートフォンなどのモバイル機器に代表される電池で動作する電子機器100である。
メイン制御部101は入力された信号や、後述のプログラムに従って電子機器100の各部を制御する。なお、制御部101が装置全体を制御する代わりに、複数のハードウェアが処理を分担することで、装置全体を制御してもよい。
制御部102は電子機器100を制御する補助的な制御部で、メイン制御部101に比べ低消費電力で動作するサブ制御部102である。主に、電子機器100内の、電源制御や無線通信機能の制御の一部を行う。本案件での、アンテナと制御部との接続切り替え制御はサブ制御部102が行う。
記憶部103は電源が供給されていなくても、設定などを記憶する不揮発性メモリで、メイン制御部101と通信を行う。例えば、電子機器100のUI表示設定、表示言語の保存、その他設定の保存を行い、電子機器100のメイン制御部101は、起動時にはこの記憶部103から設定を読みだして、電子機器100を設定する。
スイッチ104はユーザーが操作するスイッチで、電子機器100の電源をON/OFFするための電源スイッチである。例えば、レバー型や、押しボタン型である。
メイン電池120は電子機器100を動作させるための主電源であるメイン電池であり、充電可能なリチウムイオン電池などに代表される2次電池である。電子機器100の主要機能は、メイン電池120で駆動されており、メイン電池120が挿入されていないと電子機器100は動作しない。
補助電池121は電子機器100を動作させるための補助電池であり、メイン電池120よりも電池容量が小さい電池で、主電源が無い場合の補助的な役割を果たすコイン電池などの補助電池121である。また、補助電池121は充電可能な2次電池である。無線通信制御部151、サブ制御部102、記憶部103は、補助電池121で駆動しており、メイン電池120がない状態でも、無線通信制御部151、サブ制御部102、記憶部103は動作している。
電池検知部122はメイン電池120の電池の有無や、電池残量などを検知する電池検知部である。メイン制御部101は、電池検知部122と通信を行い、メイン電池120の電池残量情報を取得して、電子機器100の制御を行う。
電池検知部123は補助電池121の電池の有無や、電池の残量などを検知する電池検知部である。サブ制御部102は、電池検知部123と通信を行い、補助電池121の電池残量情報を取得する。
電源制御部124は電子機器100の電源を制御するで、メイン電池120などから電力の供給を受け、メイン制御部101、サブ制御部102、記憶部103などに電源を供給する。
受電制御部125はマイクロ波などから受ける電力を制御する充電回路である。
受電検知部126は受電制御部125で受電している電力量などを検知する受電検知部126である。サブ制御部102と通信を行い、受電検知部126から受電している電力量をサブ制御部102に送信する。
無線通信制御部150は無線のデータ送受信を行う無線通信制御部150である。無線通信制御部150としては、2.4GHz帯の電波を使う無線LANなどを採用することができる。
無線通信制御部151は無線のデータ送受信を行い、無線通信制御部150よりも低消費電力で、電池容量の小さい補助電池121での動作を行うことができる無線通信制御部151である。無線通信制御部151としては、例えば2.4GHz帯の電波を使うBluetoothや、BluetoothLow Energyなどを採用することができる。
無線通信制御部152は無線のデータ送受信を行う無線通信制御部で、無線通信制御部150とは通信に使用している周波数帯域が異なり、無線通信制御部152としては、例えば5GHz帯の電波を使う無線LANなどがある。
無線通信制御部153は無線のデータ送受信を行う無線通信制御部で、無線通信制御部150や、無線通信制御部152とは通信に使用している周波数帯域が異なる。無線通信制御部153としては、28GHz帯や、60GHzなどを使った第5世代通信システムなどを採用することができる。
整流回路160は無線通信制御部150がデータ通信で使用する周波数帯の電波を整流して受電制御部125に電力供給する整流回路である。アンテナ175で受けた電波は交流電圧のため電子機器100に供給するためには、定電圧に整流する必要がある。整流された電力は、受電制御部125を介して、補助電池121を充電する。整流回路160や、受電制御部125を駆動するためにも電力は必要であり、アンテナ175で受電できる電力が、整流回路160を駆動するために必要な電力より少ない場合は、補助電池121を消耗することとなる。
整流回路161は電子機器100がデータ通信で使用する周波数帯の電波を整流して受電制御部125に電力供給する整流回路161である。制御動作は、整流回路160と同じである。
整流回路162は電子機器100がデータ通信で使用する周波数帯の電波を整流して受電制御部125に電力供給する整流回路162である。制御動作は、整流回路160と同じである。
切替え回路163は、アンテナ175の接続を同一の周波数帯を使用する整流回路160と電源スイッチ104を切り替える切替え回路163である。例えば、WiFiと、Bluetoothは、同じ2.4GHz帯の無線周波数を使用する。しかし、通信プロトコルが異なるため、制御部が異なる。無線通信制御部150は、WiFi通信制御を担当し、無線通信制御部151はBluetooth通信制御を担当する。どちらで通信を行うかを選択して、切替え回路163を制御する。
切替え回路164は無線通信制御部150もしくは、無線通信制御部151で無線データ通信を行うか、整流回路160を介して受電制御部125に無線通信電波を電力として供給するかを切り替える切替え回路164である。環境電波の状況によって、この切替え回路164を制御する。例えば、アンテナ175で受電できる電力よりも、整流回路160を駆動する電力が大きい場合は、切替え回路164を通信側に切り替える。
切替え回路165は、アンテナの整合回路を、アンテナ整合回路171とアンテナ整合回路172のどちらかを切り替える切替え回路165である。一般にアンテナは通信を行う特定の周波数帯の感度を高くするようにアンテナ整合回路を設定している。その周波数帯以外の感度を挙げてしまうとノイズとして受信してしまい、通信品質が低下するためである。その通信用の整合定数が実装された回路が、アンテナ整合回路171である。
ただし、環境電波の受電を行う場合は、通信で使う周波数以外のなるべく広い周波数帯で感度を上げることが望ましい。そのアンテナ整合回路がアンテナ整合回路172である。
つまり、アンテナ175で通信を行う場合は、アンテナ整合回路171側に切替え回路165を切り替えて、受電を行う場合は、アンテナ整合回路172側に切り替える。
切替え回路166は無線通信制御部152で無線データ通信を行うか、整流回路161を介して受電制御部125に無線通信電波を電力として供給するかを切り替える切替え回路166である。動作制御は、切り替え回路164と同じである。
切替え回路167は無線通信制御部153で無線データ通信を行うか、整流回路162を介して受電制御部125に無線通信電波を電力として供給するかを切り替える切替え回路167である。動作制御は、切り替え回路164と同じである。
入力フィルタ回路168は無線通信制御部150または、無線通信制御部151がデータ通信で使用する周波数帯を通過させる入力フィルタ回路168である。そのため、通信を行う場合のアンテナ整合回路171の後段にノイズを除去するために配置されている。一方、環境電波を受電する場合には、入力フィルタ回路168は経由せず、多くの電波を受電するためには幅広い周波数帯での受電が望ましい。
入力フィルタ回路169は整流回路161がデータ通信で使用する周波数帯を通過させる入力フィルタ回路169である。目的と動作は、入力フィルタ回路168と同じである。
入力フィルタ回路170は電子機器100がデータ通信で使用する周波数帯を通過させる入力フィルタ回路170である。目的と動作は、入力フィルタ回路168と同じである。
アンテナ整合回路171はアンテナ175とのインピーダンスを使用周波数で整合させるアンテナ整合回路171である。アンテナは、電子機器のような金属筐体に組み込まれた場合、組み込まれた状態で、そのアンテナで受信する周波数で最も感度がよくなるようにアンテナとGND間に容量成分もしくは誘導成分を配置してインピーダンスを整合する必要がある。アンテナ175はアンテナ整合回路171によって、通信周波数帯で最も感度がよくなるように設計されている。
アンテナ整合回路172はアンテナ175とのインピーダンスを使用周波数で整合させるアンテナ整合回路172である。アンテナ整合回路171に対して、アンテナ整合回路172は、受電のための整合回路であり、広い周波数帯で電波を受信できるような定数で整合されている。
アンテナ整合回路173はアンテナ176とのインピーダンスを使用周波数で整合させるアンテナ整合回路173である。目的と動作は、アンテナ整合回路171と同じである。
アンテナ整合回路174はアンテナ177とのインピーダンスを使用周波数で整合させるアンテナ整合回路174である。目的と動作は、アンテナ整合回路171と同じである。
アンテナ175は無線通信制御部150と無線通信制御部151が使用する周波数帯の電波を受信するアンテナである。
アンテナ176は無線通信制御部152が使用する周波数帯の電波を受信するアンテナ176である。
アンテナ177は無線通信制御部153が使用する周波数帯の電波を受信するアンテナ177である。
すなわち、アンテナ175、アンテナ176、アンテナ177は、それぞれ共振周波数が異なる。
<電子機器の動作について>
図2は、電子機器100の動作を示すフローチャートである。電子機器100が、使用者によって電源スイッチ104を使ってオフ状態になった、もしくは、一定時間操作がないことを検知してオフ状態になった時点で、各アンテナでの環境電波受電を開始する(ステップS101)。
まず、第一のアンテナ175に接続されている切替え回路165を受電側に最適なアンテナ整合回路172に切り替える。アンテナ整合回路172は、広く周波数帯域でアンテナ効率が高くなるような定数を設定している。これにより、信号電波に限らず、通信に関係のないノイズ電波でも広い周波数帯域での電波を受電できるように設計している。
また、切替え回路164を制御してブロック図の上側、つまり受電側の整流回路160にアンテナ175の入力を接続する。アンテナ175で受電した電力は、正負の振幅をもった正弦波に近い形の電圧として出力される。この時、交流電圧波形を、定電圧に整流するために、整流回路160が必要である。整流回路160で整流された電圧は受電制御部125に印加される(ステップS102)。
この時、受電検知部126は、受電した電力を計測してサブ制御部102に通知する。サブ制御部102は、環境電波からアンテナ175が受電している電力を計測する。同時に、アンテナ175が、受電側に設定されたために動作しているブロック、例えば、整流回路160の消費電力も計測する。合わせて、計測した消費電力と受電している電力の比較を行う(ステップS103)。
ステップS103で比較した結果、この消費電力が受電電力よりも多い場合は、アンテナ175に接続されたアンテナ整合回路をアンテナ整合回路171へと接続して、通信用に設定する。また、切替え回路165の信号も通信側に設定する(ステップS104)。
第二のアンテナ176は、入力フィルタ回路169を介して切替え回路166に接続されている。次に、切替え回路166を制御してブロック図の上側、つまり受電側の整流回路161にアンテナの入力を接続する。第一のアンテナ同様に、アンテナで受電した電力は、正負の振幅をもった正弦波に近い形の電圧として出力される。この時、交流電圧波形を、定電圧に整流するために、整流回路161が必要である。整流回路161で整流された電圧は受電制御部125に印加される。(ステップS105)。
この時、受電検知部126は、受電した電力を計測してサブ制御部102に通知する。サブ制御部102は、環境電波からアンテナ176が受電している電力を計測する。同時に、アンテナ176が、受電側に設定されたために動作しているブロック整流回路161と、受電制御部125などの消費電力も計測する。合わせて、計測した消費電力と受電している電力の比較を行う。(ステップS106)
ステップS106で比較した結果、この消費電力が受電電力よりも多いと判断した場合は、アンテナ176に接続された切替え回路166を制御して通信側に設定する(ステップS107)。
第三のアンテナ177は、入力フィルタ回路170を介して整流回路102に接続されている。次に、切替え回路167を制御してブロック図の上側、つまり受電側の整流回路102にアンテナの入力を接続する。第一のアンテナ同様に、アンテナで受電した電力は、正負の振幅をもった正弦波に近い形の電圧として出力される。この時、交流電圧波形を、定電圧に整流するために、整流回路162が必要である。整流回路162で整流された電圧は受電制御部125に印加される。印加された電圧は、補助電池121を充電する(ステップS108)。
ここで、受電制御部125は、環境電波からアンテナ177が受電している電力を計測する。同時に、アンテナ177が、受電側に設定されたために動作しているブロック整流回路162の消費電力も計測する。合わせて、計測した消費電力と受電している電力の比較を行う。(ステップS109)
この消費電力が受電電力よりも、多い場合は、アンテナ177に接続された切替え回路167を制御して通信側に設定する(ステップS110)。
ステップS101からステップS110のフローで、受電側に使っていないアンテナがある場合は、そのアンテナは通信側にスイッチが接続されている。この通信側に接続されているアンテナを使用して外部無線機器と通信を行う。ただ、アンテナ175が通信側に接続されている場合は、切り替え回路163を無線通信制御部151で通信を行う。これは、無線通信制御部150に比べて無線通信制御部151のほうが、消費電流が少ないためである(ステップS111)。
次に、受電に使用していないアンテナを通信側に接続する。
アンテナ175を通信側に切り替える場合は、切換え回路165をアンテナ整合回路171側に、切換え回路164を切り替え回路163側へ、切換え回路163は、無線通信制御部151に接続する。
アンテナ176を通信側に切り替える場合は、切換え回路166を無線通信制御部152へ接続する。
アンテナ177を通信側に切り替える場合は、切換え回路167を無線通信制御部153へ接続する(ステップS112)。
接続された無線通信制御部151、もしくは無線通信制御部152、無線通信制御部153を制御して、外部機器と通信を行い、受電しているアンテナで受電電力が最大となるように通信周波数、チャンネル、通信データ量を変更する。外部機器を制御する方法に関しては図4を使って後述する(ステップS113)。
アンテナを設定して、受電を開始してから、規定時間が経過して(ステップS114)、補助電池121が満充電でない場合(ステップS115)は、サブ制御部102が、上記ステップS101からS113を再度実行する。
上述の動作によって、外部無線機器との通信を行い、受電として使っているアンテナで受電できる電力が大きくなるように電波環境を改善する。
例えば、図4のように、アンテナ176で受電している場合は、外部無線機器、例えば、アンテナ175を通信用として使っている場合、無線ルータを動作させてアンテナ176で受電できる周波数帯の電波を放射させる。
さらに、アンテナ176で受電できる周波数帯の中でも最も受電感度の良いチャンネル(電波をある周波数帯で分割して数字を付けたもの)に外部無線機器が放射する電波を設定することも可能である。この時、受電検知部126で受電状態を検知して、サブ制御部102によってチャンネルを随時、変更設定することも可能である。
アンテナ176、アンテナ177で受電している状態で、アンテナ175が通信できる機器がスマートフォンの場合は、外部無線機器への命令動作フローが異なる。
電子機器100からスマートフォン401と通信を行う、その時、スマートフォン401単体では、アンテナ176、アンテナ177で受電に値する電波を大きくはできない。その場合は、スマートフォン401からさらに外部無線機器、図4のルータ402を制御して、アンテナ176で受電する電力を最大化するように周波数を変更するように命令する。また、スマートフォン401で公衆無線の基地局403と通信を行い、アンテナ177で受電する電力を最大化するように周波数、チャンネル、強度、通信データ量を変更するように基地局403に命令をする。
図3の環境電波の強度と時間のグラフで、本案件のフローを使った場合のアンテナの制御を説明する。
図3(a)は一般の環境における、周波数帯の違いにおける電波環境の不安定さについて説明するための図である。図3(a)は、横軸が時間で、各周波数帯域の電波強度を示した図である。301が、電子機器のアンテナが受けている2.4GHz帯の電波強度301である。302が、電子機器のアンテナが受けている5.0GHz帯の電波強度302である。303が、電子機器のアンテナが受けている60GHz帯の電波強度303である。
各周波数帯の電波強度が時間とともに変化しているのが一般的である。このような電波環境の場合、すべてのアンテナで受電して、電力をできるだけ多く受電しようとしても、効率が悪化する場合がある。例えば、時間T1の期間では、2.4GHz帯の電波強度301は高く、2.4GHzのアンテナからは十分高い電力が受電できる。しかし5.0GHz帯の電波強度302、60GHz帯の電波強度303は、電波強度が小さく、受電できる電力が少ない。そのため、アンテナから受電できる電力よりも、受電のためにアンテナを駆動する電力や、整流するための必要な電力のほうが多く、電子機器としては電力を消費する結果となる。結果、電子機器は電力を受電して電池を充電するどころか、電池をより消耗してしまう結果となる。
図3(b)は、図3(a)各周波数の電波強度の場合の、アンテナのオン/オフを説明する図である。図3(a)の310は、受電する電力よりも、消費する電力が多くなる閾値である。2.4GHz帯の電波強度301が閾値310より高い場合、アンテナ175がオンとなる。5.0GHz帯の電波強度302が閾値310より高い場合は、アンテナ176がオンとなる。60GHz帯の電波強度303が閾値310より高い場合は、アンテナ177がオンとなる。T1からT7まで、各電波強度の強弱によって、各アンテナがオンオフ制御される。これにより、電波強度が弱い場合は、アンテナがオンされずに無駄な消費電力が消費されることがない。
<その他の実施形態>
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(又はCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (11)

  1. 複数のアンテナと、
    前記複数のアンテナのうちの一つで受電した電力を用いて電池を充電する回路と、
    前記複数のアンテナのうちの一つで受電できる電力と該アンテナで受電するために必要な電力とに基づき、該アンテナで受電するか否かを制御する制御手段と、
    を有することを特徴とする電子機器。
  2. 前記複数のアンテナのうちの一つで受電できる電力と、該アンテナの電力を整流する整流回路で消費される電力と比較して、受電できる電力が大きい場合に受電するよう制御することを特徴とする請求項1に記載の電子機器。
  3. いずれかのアンテナに関して受電しないことが判断された場合、受電しないアンテナを使用して外部無線機器と通信を行うことを特徴とする請求項1に記載の電子機器。
  4. 前記複数のアンテナのうちの一つの共振周波数とそのほかのアンテナのうちの一つの共振周波数とが異なることを特徴とする、請求項3に記載の電子機器。
  5. 受電しないことが判断されたアンテナを用いて、前記電子機器とは異なる外部機器と通信を行い、前記外部機器の通信の周波数帯、通信データ量の少なくとも一つを変更させて、受電を行っているアンテナで受電している電力をより大きくすることを特徴とする請求項3に記載の電子機器。
  6. 受電しないことが判断されたアンテナを用いて、前記電子機器とは異なる外部機器と通信を行い、前記外部機器から、前記外部機器と異なる外部機器に行わせている通信の周波数帯、通信データ量の少なくとも一つを変更させて、受電を行っているアンテナで受電している電力をより大きくすることを特徴とする請求項3に記載の電子機器。
  7. 複数のアンテナと、前記複数のアンテナうちの一つで受電した電力を用いて電池を充電する回路と、を有する電子機器の制御方法であって、
    前記複数のアンテナのうちの一つで受電できる電力と該アンテナで受電するために必要な電力とに基づき、該アンテナで受電するか否かを制御することを特徴とする電子機器の制御方法。
  8. 前記複数のアンテナうちの一つで受電できる電力と、該アンテナの電力を整流する整流回路で消費される電力と比較して、受電できる電力が大きい場合に受電するよう制御することを特徴とする請求項7に記載の電子機器の制御方法。
  9. いずれかのアンテナに関して受電しないことが判断された場合、受電しないアンテナを使用して外部無線機器と通信を行うことを特徴とする請求項7に記載の電子機器の制御方法。
  10. 前記複数のアンテナのうちの一つの共振周波数とそのほかのアンテナのうちの一つの共振周波数とが異なることを特徴とする、請求項9に記載の電子機器の制御方法。
  11. コンピュータを請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電子機器の各手段として機能させるための、コンピュータが読み取り可能なプログラム。
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