JP4893689B2 - 受電装置、電子機器、無接点電力伝送システム、および送電装置 - Google Patents

Description

本発明は、受電装置、電子機器、無接点電力伝送システム、および送電装置等に関する。

近年、電磁誘導を利用し、金属部分の接点がなくても電力伝送を可能にする無接点電力伝送（非接触電力伝送）が脚光を浴びている、この無接点電力伝送の適用例として、携帯電話機や家庭用機器（例えば電話機の子機）の充電などが提案されている。

無接点電力伝送の従来技術として特許文献１がある。この特許文献１では、受電装置（２次側）から送電装置（１次側）へのデータ送信を、いわゆる負荷変調により実現している。そして送電装置は、１次コイルの誘起電圧をコンパレータ等により検出することで、異物の挿入やデータ送信に伴う受電装置（２次側）の負荷状態の変化を検出する。

何らかの異常による受電装置の２次コイルおよび素子の過熱を防ぐことを保護回路として特許文献２がある。保護回路は、たとえば、温度センサ８と、異常温度を検出する検出回路９と、２次コイルの両端に接続される機械式リレースイッチ回路ｒｙと、を含む。
特開２００６−６０９０９号公報 特開平１１−１６４４９７号公報

一般に、電子機器またはそれに含まれる回路（たとえば、受電装置）は、簡易な構造を有することが望ましい。しかしながら、簡易な構造を有する回路を設計することは、当業者にとって困難である。
本発明の幾つかの態様によれば、簡易な構造を有する受電装置、電子機器、無接点電力伝送システム、および送電装置等を提供することができる。

本発明の第１の態様は、受電装置であって、
送電装置の１次コイルと電磁的に結合可能な２次コイルと、
前記２次コイルの一端側と基準電圧線との間に設けられ、互いに直列接続される第１の抵抗素子および第２の抵抗素子を有する分圧回路であって、前記第２の抵抗素子は、前記基準電圧線と接続される、分圧回路と、
前記第１の抵抗素子または前記第２の抵抗素子と並列に接続される可変抵抗素子であって、前記可変抵抗素子の抵抗は、前記可変抵抗素子の温度によって変化する、可変抵抗素子と、
前記分圧回路からの分圧信号を入力し、前記分圧信号から前記２次コイルの交流の誘起電圧の周波数を求め、前記周波数に基づき前記受電装置の負荷の大きさを変化させる受電制御装置と、
含む受電装置に関係する。
特許文献１は、２次コイル２１と、分圧回路２５１と、受電制御装置２５２１、２８とを含む受電装置２を開示する。本発明の第１の態様は、特許文献１のような構成に、可変抵抗素子を加えるだけでよい。したがって、本発明の第１の態様は、簡易な構造を有する。

本発明の第１の態様では、
前記可変抵抗素子は、負温度係数を有してもよく、前記可変抵抗素子の温度が高くなるときに、前記可変抵抗素子の抵抗値は、低くなってもよく、
前記可変抵抗素子は、前記第２の抵抗素子と並列に接続されてもよい。

本発明の第１の態様では、
前記可変抵抗素子は、正温度係数を有してもよく、前記可変抵抗素子の温度が高くなるときに、前記可変抵抗素子の抵抗値は、高くなってもよく、
前記可変抵抗素子は、前記第１の抵抗素子と並列に接続されてもよい。

本発明の第１の態様では、
前記受電制御装置は、前記分圧信号の電圧と所与のしきい値電圧とを比較するコンパレータ回路を有してもよく、
前記分圧信号の電圧が前記所与のしきい値電圧より高い間に同期クロックがＨｉｇｈレベルを示し、且つ前記分圧信号の電圧が前記所与のしきい値電圧より低い間に前記同期クロックがＬｏｗレベルを示すように、前記コンパレータ回路は、前記周波数に同期する前記同期クロックを生成してもよく、
前記受電制御装置は、前記同期クロックに基づき前記受電装置の負荷の大きさを変化させてもよい。

本発明の第１の態様では、
前記可変抵抗素子の温度が所与の温度よりも高いときに、前記同期クロックは、常に、Ｌｏｗレベルを示してもよく、
前記受電制御装置は、常に、前記受電装置の負荷の大きさを変化させることができなくてもよい。

本発明の第１の態様では、
前記同期クロックが、常に、Ｌｏｗレベルを示すとき、前記受電制御装置は、前記受電装置の負荷への給電を停止してもよい。

本発明の第１の態様では、
前記受電装置の負荷は、バッテリと、前記バッテリの充電制御を行う充電制御装置と、を有してもよく、
前記同期クロックが、常に、Ｌｏｗレベルを示すとき、前記受電制御装置は、前記バッテリの充電制御を停止させるための停止信号を前記充電制御装置に送ってもよい。

本発明の第１の態様では、受電装置は、
前記２次コイルの一端および他端の間に設けられる機械式リレースイッチ回路を、
さらに含んでもよく、
前記受電制御装置が、前記受電装置の負荷への給電を停止した後、または、前記信号を前記充電制御装置に送った後、前記受電制御装置は、前記２次コイルの一端および他端を短絡させるように前記機械式リレースイッチ回路を制御してもよい。

本発明の第１の態様では、受電装置は、
前記二次コイルと前記受電装置の負荷との間に設けられるヒューズ素子を、
さらに含んでもよい。

本発明の第１の態様では、受電装置は、
前記２次コイルの交流の誘起電圧を直流電圧に変換し、第１の入力端と第２の入力端と第１の出力端と第２の出力端とを有する整流回路を、
さらに含んでもよく、
前記第１の入力端は、前記２次コイルの一端に接続されてもよく、
前記第２の入力端は、前記２次コイルの他端に接続されてもよく、
前記第２の出力端は、前記基準電圧線に接続されてもよく、
前記第１の出力端の電位と前記第２の出力端の電位との差は、前記直流電圧を示してもよい。

本発明の第１の態様では、受電装置は、
互いに直列接続された負荷変調抵抗素子およびスイチッング素子を有する負荷変調部を、
さらに含んでもよく、
前記受電制御装置は、前記スイッチング素子をオン、オフさせることによって、前記受電装置の負荷の大きさを変化させてもよい。

本発明の第２の態様は、
上記に記載の前記受電装置を含む電子機器に関係する。

本発明の第３の態様は、
無接点電力伝送システムであって、
請求項１乃至１０のいずれかに記載の前記受電装置と、
前記送電装置と、
を含み、
前記送電装置は、
前記１次コイルと、
前記受電装置の負荷の大きさが所与の範囲以上に変化しないことを検出するとき、前記１次コイルの駆動を停止する送電制御回路を有する、無接点電力伝送システム関係する。

当業者は、上述した本発明に従う各態様が、本発明の精神を逸脱することなく、変形され得ることを容易に理解できるであろう。たとえば、本発明に従うある態様を構成する少なくとも１つの要素は、本発明に従う他の態様に加えることができる。代替的に、本発明に従うある態様を構成する少なくとも１つの要素は、本発明に従う他の態様を構成する少なくとも１つの要素に組み替えることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について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、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．電子機器
図１（Ａ）に本実施形態の無接点電力伝送手法が適用される電子機器の例を示す。電子機器の１つである充電器５００（クレードル）は送電装置１０を有する。また電子機器の１つである携帯電話機５１０は受電装置４０を有する。また携帯電話機５１０は、ＬＣＤなどの表示部５１２、ボタン等で構成される操作部５１４、マイク５１６（音入力部）、スピーカ５１８（音出力部）、アンテナ５２０を有する。

充電器５００にはＡＣアダプタ５０２を介して電力が供給され、この電力が、無接点電力伝送により送電装置１０から受電装置４０に送電される。これにより、携帯電話機５１０のバッテリを充電したり、携帯電話機５１０内のデバイスを動作させることができる。

なお本実施形態が適用される電子機器は携帯電話機５１０に限定されない。例えば腕時計、コードレス電話器、シェーバー、電動歯ブラシ、リストコンピュータ、ハンディターミナル、携帯情報端末、電動自転車、或いはＩＣカードなどの種々の電子機器に適用できる。

図１（Ｂ）に模式的に示すように、送電装置１０から受電装置４０への電力伝送は、送電装置１０側に設けられた１次コイルＬ１（送電コイル）と、受電装置４０側に設けられた２次コイルＬ２（受電コイル）を電磁的に結合させて電力伝送トランスを形成することで実現される。これにより非接触での電力伝送が可能になる。

２．送電装置、受電装置
図２に本実施形態の送電装置１０、送電制御装置２０、受電装置４０、受電制御装置５０の構成例を示す。図１（Ａ）の充電器５００などの送電側の電子機器は、図２の送電装置１０を含む。また携帯電話機５１０などの受電側の電子機器は、受電装置４０と負荷９０（本負荷）を含むことができる。そして図２の構成により、例えば平面コイルである１次コイルＬ１と２次コイルＬ２を電磁的に結合させて送電装置１０から受電装置４０に対して電力を伝送し、受電装置４０の電圧出力ノードＮＢ７から負荷９０に対して電力（電圧ＶＯＵＴ）を供給する無接点電力伝送（非接触電力伝送）システムが実現される。

送電装置１０（送電モジュール、１次モジュール）は、１次コイルＬ１、送電部１２、波形モニタ回路１４、表示部１６、送電制御装置２０を含むことができる。なお送電装置１０や送電制御装置２０は図２の構成に限定されず、その構成要素の一部（例えば表示部、波形モニタ回路）を省略したり、他の構成要素を追加したり、接続関係を変更するなどの種々の変形実施が可能である。

送電部１２は、電力伝送時には所定周波数の交流電圧を生成し、データ転送時にはデータに応じて周波数が異なる交流電圧を生成して、１次コイルＬ１に供給する。具体的には図３（Ａ）に示すように、例えばデータ「１」を受電装置４０に対して送信する場合には、周波数ｆ１の交流電圧を生成し、データ「０」を送信する場合には、周波数ｆ２の交流電圧を生成する。この送電部１２は、１次コイルＬ１の一端を駆動する第１の送電ドライバと、１次コイルＬ１の他端を駆動する第２の送電ドライバと、１次コイルＬ１と共に共振回路を構成する少なくとも１つのコンデンサを含むことができる。

そして送電部１２が含む第１、第２の送電ドライバの各々は、例えばパワーＭＯＳトランジスタにより構成されるインバータ回路（バッファ回路）であり、送電制御装置２０のドライバ制御回路２６により制御される。

１次コイルＬ１（送電側コイル）は、２次コイルＬ２（受電側コイル）と電磁結合して電力伝送用トランスを形成する。例えば電力伝送が必要なときには、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、充電器５００の上に携帯電話機５１０を置き、１次コイルＬ１の磁束が２次コイルＬ２を通るような状態にする。一方、電力伝送が不要なときには、充電器５００と携帯電話機５１０を物理的に離して、１次コイルＬ１の磁束が２次コイルＬ２を通らないような状態にする。

波形モニタ回路１４（整流回路、波形整形回路）は、１次コイルＬ１のコイル端信号ＣＳＧに基づいて、波形モニタ用の誘起電圧信号ＰＨＩＮを生成する。例えば１次コイルＬ１の誘起電圧信号であるコイル端信号ＣＳＧは、送電制御装置２０のＩＣの最大定格電圧を超えてしまったり、負の電圧になったりする。波形モニタ回路１４は、このようなコイル端信号ＣＳＧを受け、送電制御装置２０の波形検出回路２８により波形検出が可能な信号である波形モニタ用の誘起電圧信号ＰＨＩＮを生成して、送電制御装置２０の例えば波形モニタ用端子に出力する。この波形モニタ回路１４の詳細については後述する。

表示部１６は、無接点電力伝送システムの各種状態（電力伝送中、ＩＤ認証等）を、色や画像などを用いて表示するものであり、例えばＬＥＤやＬＣＤなどにより実現される。

送電制御装置２０は、送電装置１０の各種制御を行う装置であり、集積回路装置（ＩＣ）などにより実現できる。この送電制御装置２０は、制御回路２２（送電側）、発振回路２４、駆動クロック生成回路２５、ドライバ制御回路２６、波形検出回路２８を含むことができる。なお、これらの構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加するなどの変形実施も可能である。

送電側の制御回路２２（制御部）は送電装置１０や送電制御装置２０の制御を行うものであり、例えばゲートアレイやマイクロコンピュータなどにより実現できる。具体的には制御回路２２は、電力伝送、負荷状態検出（データ検出、異物検出、取り去り検出等）、周波数変調などに必要な各種のシーケンス制御や判定処理を行う。

発振回路２４は例えば水晶発振回路により構成され、１次側のクロックを生成する。駆動クロック生成回路２５は、駆動周波数を規定する駆動クロックを生成する。そして、ドライバ制御回路２６は、この駆動クロックや制御回路２２からの周波数設定信号などに基づいて、所望の周波数の制御信号を生成し、送電部１２の第１、第２の送電ドライバに出力して、第１、第２の送電ドライバを制御する。

波形検出回路２８は、１次コイルＬ１の誘起電圧信号ＰＨＩＮの波形変化を検出する。例えば受電側（２次側）の負荷状態（負荷電流）が変化すると、誘起電圧信号ＰＨＩＮの波形が変化する。波形検出回路２８は、このような波形の変化を検出して、検出結果（検出結果情報）を制御回路２２に出力する。

具体的には波形検出回路２８は、例えば誘起電圧信号ＰＨＩＮを波形整形し、波形整形信号を生成する。例えば信号ＰＨＩＮが所与のしきい値電圧を超えた場合にアクティブ（例えばＨレベル）になる方形波（矩形波）の波形整形信号（パルス信号）を生成する。そして波形検出回路２８は、波形整形信号と駆動クロックに基づいて、波形整形信号のパルス幅情報（パルス幅期間）を検出する。具体的には、波形整形信号と、駆動クロック生成回路２５からの駆動クロックを受け、波形整形信号のパルス幅情報を検出することで、誘起電圧信号ＰＨＩＮのパルス幅情報を検出する。

制御回路２２は、波形検出回路２８での検出結果に基づいて、受電側（受電装置４０側）の負荷状態（負荷変動、負荷の高低）を検出する。具体的には波形検出回路２８（パルス幅検出回路）で検出されたパルス幅情報に基づいて、受電側の負荷状態を検出し、例えばデータ（負荷）検出、異物（金属）検出、取り去り（着脱）検出などを行う。即ち、誘起電圧信号のパルス幅情報であるパルス幅期間は、受電側の負荷状態の変化に応じて変化する。制御回路２２は、このパルス幅期間（パルス幅期間の計測により得られたカウント値）に基づいて受電側の負荷変動を検知する。これにより、図３（Ｂ）のように受電装置４０の負荷変調部４６が負荷変調によりデータを送信した場合に、この送信データを検出することが可能になる。

受電装置４０（受電モジュール、２次モジュール）は、２次コイルＬ２、受電部４２、負荷変調部４６、給電制御部４８、受電制御装置５０を含むことができる。なお受電装置４０や受電制御装置５０は図２の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加したり、接続関係を変更するなどの種々の変形実施が可能である。

受電部４２は、２次コイルＬ２の交流の誘起電圧を直流電圧に変換する。この変換は受電部４２が有する整流回路４３により行われる。この整流回路４３は、ダイオードＤＢ１〜ＤＢ４を含む。ダイオードＤＢ１は、２次コイルＬ２の一端のノードＮＢ１と直流電圧ＶＤＣの生成ノードＮＢ３との間に設けられ、ＤＢ２は、ノードＮＢ３と２次コイルＬ２
の他端のノードＮＢ２との間に設けられ、ＤＢ３は、ノードＮＢ２とＶＳＳのノードＮＢ４との間に設けられ、ＤＢ４は、ノードＮＢ４とＮＢ１との間に設けられる。

受電部４２の抵抗ＲＢ１、ＲＢ２はノードＮＢ１とＮＢ４との間に設けられる。そしてノードＮＢ１、ＮＢ４間の電圧を抵抗ＲＢ１、ＲＢ２により分圧することで得られた信号ＣＣＭＰＩが、受電制御装置５０の周波数検出回路６０に入力される。

受電部４２のコンデンサＣＢ１及び抵抗ＲＢ４、ＲＢ５は、直流電圧ＶＤＣのノードＮＢ３とＶＳＳのノードＮＢ４との間に設けられる。そしてノードＮＢ３、ＮＢ４間の電圧を抵抗ＲＢ４、ＲＢ５により分圧することで得られた信号ＡＤＩＮが、受電制御装置５０の位置検出回路５６に入力される。

負荷変調部４６は負荷変調処理を行う。具体的には受電装置４０から送電装置１０に所望のデータを送信する場合に、送信データに応じて負荷変調部４６（２次側）での負荷を可変に変化させて、図３（Ｂ）に示すように１次コイルＬ１の誘起電圧の信号波形を変化させる。このために負荷変調部４６は、ノードＮＢ３、ＮＢ４の間に直列に設けられた抵抗ＲＢ３、トランジスタＴＢ３（Ｎ型のＣＭＯＳトランジスタ）を含む。このトランジスタＴＢ３は受電制御装置５０の制御回路５２からの信号Ｐ３Ｑによりオン・オフ制御される。そしてトランジスタＴＢ３をオン・オフ制御して負荷変調を行う際には、給電制御部４８のトランジスタＴＢ２はオフにされ、負荷９０が受電装置４０に電気的に接続されない状態になる。

例えば図３（Ｂ）のように、データ「０」を送信するために２次側を低負荷（インピーダンス大）にする場合には、信号Ｐ３ＱがＬレベルになってトランジスタＴＢ３がオフになる。これにより負荷変調部４６の負荷はほぼ無限大（無負荷）になる。一方、データ「１」を送信するために２次側を高負荷（インピーダンス小）にする場合には、信号Ｐ３ＱがＨレベルになってトランジスタＴＢ３がオンになる。これにより負荷変調部４６の負荷は、抵抗ＲＢ３（高負荷）になる。

給電制御部４８は負荷９０への電力の給電を制御する。レギュレータ４９は、整流回路４３での変換で得られた直流電圧ＶＤＣの電圧レベルを調整して、電源電圧ＶＤ５（例えば５Ｖ）を生成する。受電制御装置５０は、例えばこの電源電圧ＶＤ５が供給されて動作する。

トランジスタＴＢ２（Ｐ型のＣＭＯＳトランジスタ）は、受電制御装置５０の制御回路５２からの信号Ｐ１Ｑにより制御される。具体的にはトランジスタＴＢ２は、ＩＤ認証が完了（確立）して通常の電力伝送を行う場合にはオンになり、負荷変調の場合等にはオフになる。

受電制御装置５０は、受電装置４０の各種制御を行う装置であり、集積回路装置（ＩＣ）などにより実現できる。この受電制御装置５０は、２次コイルＬ２の誘起電圧から生成される電源電圧ＶＤ５により動作することができる。また受電制御装置５０は、制御回路５２（受電側）、位置検出回路５６、発振回路５８、周波数検出回路６０、満充電検出回路６２を含むことができる。

制御回路５２（制御部）は受電装置４０や受電制御装置５０の制御を行うものであり、例えばゲートアレイやマイクロコンピュータなどにより実現できる。具体的には制御回路５２は、ＩＤ認証、位置検出、周波数検出、負荷変調、或いは満充電検出などに必要な各種のシーケンス制御や判定処理を行う。

位置検出回路５６は、２次コイルＬ２の誘起電圧の波形に相当する信号ＡＤＩＮの波形を監視して、１次コイルＬ１と２次コイルＬ２の位置関係が適正であるかを判断する。具体的には信号ＡＤＩＮを、コンパレータで２値に変換又はＡ／Ｄ変換でレベル判定して、位置関係が適正であるか否かを判断する。

発振回路５８は、例えばＣＲ発振回路により構成され、２次側のクロックを生成する。周波数検出回路６０は、信号ＣＣＭＰＩの周波数（ｆ１、ｆ２）を検出して、受電制御装置５０は、図３（Ａ）に示すように、送電装置１０からの送信データが「１」なのか「０」なのかを判断する。

満充電検出回路６２（充電検出回路）は、負荷９０のバッテリ９４（２次電池）が、満充電状態（充電状態）になったか否かを検出する回路である。

負荷９０は、バッテリ９４の充電制御等を行う充電制御装置９２を含むことができる。この充電制御装置９２（充電制御ＩＣ）は集積回路装置などにより実現できる。なお、スマートバッテリのように、バッテリ９４自体に充電制御装置９２の機能を持たせてもよい。

次に、送電側と受電側の動作の概要について図４のフローチャートを用いて説明する。送電側は、電源投入されてパワーオンすると（ステップＳ１）、位置検出用の一時的な電力伝送を行う（ステップＳ２）。この電力伝送により、受電側の電源電圧が立ち上がり、受電制御装置５０のリセットが解除される（ステップＳ１１）。すると受電側は、信号Ｐ１ＱをＨレベルに設定する（ステップＳ１２）。これによりトランジスタＴＢ２がオフになり、負荷９０との間の電気的な接続が遮断される。

次に、受電側は、位置検出回路５６を用いて、１次コイルＬ１と２次コイルＬ２の位置関係が適正か否かを判断する（ステップＳ１３）。そして位置関係が適正である場合には、受電側はＩＤの認証処理を開始し、認証フレームを送電側に送信する（ステップＳ１４）。具体的には図３（Ｂ）で説明した負荷変調により認証フレームのデータを送信する。

送電側は、認証フレームを受信すると、ＩＤが一致するか否かなどの判断処理を行う（ステップＳ３）。そしてＩＤ認証を許諾する場合には、許諾フレームを受電側に送信する（ステップＳ４）。具体的には図３（Ａ）で説明した周波数変調によりデータを送信する。

受電側は、許諾フレームを受信し、その内容がＯＫである場合には、無接点電力伝送を開始するためのスタートフレームを送電側に送信する（ステップＳ１５、Ｓ１６）。一方、送電側は、スタートフレームを受信し、その内容がＯＫである場合には、通常の電力伝送を開始する（ステップＳ５、Ｓ６）。そして受電側は信号Ｐ１ＱをＬレベルに設定する（ステップＳ１７）。これによりトランジスタＴＢ２が共にオンになるため、負荷９０に対する電力伝送が可能になり、負荷への電力供給（ＶＯＵＴの出力）が開始する（ステップＳ１８）。

３．分圧回路、可変抵抗素子、周波数検出回路、受電制御装置
図５は、図２に示される受電装置４０の分圧回路、可変抵抗素子、周波数検出回路、受電制御装置を示す。図５に示されるように、分圧回路３８は、図２に示される第１の抵抗素子ＲＢ１および第２の抵抗素子ＲＢ２を有する。分圧回路３８は、２次コイルＬ２の一端側と基準電圧ＶＳＳ（ノードＮＢ４の電圧）線との間に設けられている。第１の抵抗素子ＲＢ１および第２の抵抗素子ＲＢ２は、分圧ノードで互いに直列接続され、第１の抵抗素子ＲＢ１は、２次コイルＬ２の一端のノードＮＢ１および分圧ノードに接続され、第２の抵抗素子ＲＢ２は、分圧ノードおよび基準電圧ＶＳＳのノードＮＢ４に接続される。分圧回路３８は、分圧ノードから分圧信号ＣＣＭＰＩを出力する。分圧信号ＣＣＭＰＩの電圧は、送電装置１０の１次コイルＬ２と電磁的に結合する２次コイルＬ２の交流の誘起電圧を反映する。

図２および図５において、可変抵抗素子３２は、第２の抵抗素子ＲＢ２と並列に接続される。可変抵抗素子３２は、分圧ノードおよび基準電圧ＶＳＳのノードＮＢ４に接続される。可変抵抗素子３２は、たとえば、サーミスタであり、可変抵抗素子３２の抵抗は、可変抵抗素子３２の温度によって変化する。図２および図５において、可変抵抗素子３２は、たとえば、負温度係数を有するＮＴＣサーミスタであり、したがって、可変抵抗素子３２の温度が高くなるときに、可変抵抗素子３２の抵抗値は、低くなる。可変抵抗素子３２は、分圧回路３８と接続されているので、分圧信号ＣＣＭＰＩの電圧は、可変抵抗素子３２の温度によって変化する。

図２に示される周波数検出回路６０は、たとえば、分圧信号ＣＣＭＰＩの電圧と所与のしきい値電圧ＶＴＨとを比較するコンパレータ回路６１と、発振回路５８からの２次側のクロックＣＬＫＲＥＦに基づきコンパレータ回路６１からの同期クロックＣＬＫＳＹＮＣの周波数ＣＦを求めるカウンタ回路と、を有する。

図６（Ａ）は、２次コイルＬ２の交流の誘起電圧信号の波形を示し、図６（Ｂ）は、分圧信号ＣＣＭＰＩの波形を示し、図６（Ｃ）は、同期クロックＣＬＫＳＹＮＣ信号の波形を示す。図６（Ａ）において、２次コイルＬ２の交流の誘起電圧は、理想的な正弦波で示されているが、実際には、ノイズを含む。また、図６（Ａ）および図６（Ｂ）において、分圧信号ＣＣＭＰＩの位相は、２次コイルＬ２の交流の誘起電圧信号の位相と一致しているが、実際には、異なってもよい。

分圧信号ＣＣＭＰＩの電圧が所与のしきい値電圧ＶＴＨより高い間に同期クロックＣＬＫＳＹＮＣがＨｉｇｈレベルを示し、且つ分圧信号ＣＣＭＰＩの電圧が所与のしきい値電圧ＶＴＨより低い間に同期クロックＣＬＫＳＹＮＣがＬｏｗレベルを示すように、コンパレータ回路６１は、２次コイルＬ２の交流の誘起電圧の周波数（ｆ１、ｆ２）、すなわち分圧信号ＣＣＭＰＩの周波数（ｆ１、ｆ２）に同期する同期クロックを生成する。カウンタ回路は、同期クロックＣＬＫＳＹＮＣの周波数ＣＦを受電制御装置５０の制御回路５２に送る。このように、周波数検出回路６０は、分圧信号ＣＣＭＰＩの周波数（ｆ１、ｆ２）を検出して、受電制御装置５０は、同期クロックＣＬＫＳＹＮＣの周波数ＣＦ（ｆ１、ｆ２）に基づき、図３（Ａ）に示すように、送電装置１０からの送信データが「１」なのか「０」なのかを判断する。

上述の通り、受電装置４０から送電装置１０に所望のデータを送信する場合に、すなわち、負荷変調モードにおいて、受電制御装置５０は、信号Ｐ１Ｑに基づき給電制御部４８のトランジスタＴＢ２をオフにし、送信データに基づく信号Ｐ３Ｑに応じて負荷変調部４６（２次側）での負荷を可変に変化させて、図３（Ｂ）に示すように１次コイルＬ１の誘起電圧の信号波形を変化させる。

具体的には、図５に示されるように、受電制御装置５０の制御回路５２は、発振回路５８からの２次側のクロックＣＬＫＲＥＦを用いて、コンパレータ回路６１からの同期クロックＣＬＫＳＹＮＣに基づく送信データを生成する。送信データは、一般的には、複数のビットで構成され、送信データ中の１ビットは、同期クロックＣＬＫＳＹＮＣの１クロックに同期する。送信データ中の１ビットが「０」を示すときにトランジスタＴＢ３がオフになり、且つ送信データ中の１ビットが「１」を示すときにトランジスタＴＢ３がオンになるように、受電制御装置５０の制御回路５２は、複数ビットの送信データに基づく信号Ｐ３Ｑを生成する。このように、受電制御装置５０の制御回路５２は、負荷変調モードにおいて、２次コイルＬ２の交流の誘起電圧の周波数（ｆ１、ｆ２）、すなわち分圧信号ＣＣＭＰＩの周波数（ｆ１、ｆ２）に同期する同期クロックＣＬＫＳＹＮＣに基づき、受電装置の負荷の大きさを変化させる。詳細には、受電制御装置５０の制御回路５２は、負荷変調モードにおいて、互いに直列接続された負荷変調抵抗素子ＲＢ３およびスイチッング素子ＴＢ３を有する負荷変調部４６での負荷の大きさを、送信データに基づく信号Ｐ３Ｑに応じてスイッチング素子ＴＢ３をオン、オフさせることによって変化させる。

ところで、何らかの異常によって受電装置４０が過熱することも考えられる。このような場合、本発明者らは、送電装置１０から受電装置４０への電力伝送を停止することが有効であることを認識した。具体的には、本発明者らは、受電装置４０に可変抵抗素子３２を加えることで、受電装置４０から送電装置１０への送信データを停止させることができることを認識した。以下に、異常高温時における無接点電力伝送システム１０、４０の動作を説明する。

図６（Ｄ）は、異常高温時における可変抵抗素子３２に基づく分圧信号ＣＣＭＰＩの波形を示し、図６（Ｅ）は、異常高温時における可変抵抗素子３２に基づく同期クロックＣＬＫＳＹＮＣ信号の波形を示す。

何らかの異常によって受電装置４０が過熱する場合、可変抵抗素子３２の温度も上昇する。図５において、可変抵抗素子３２は、たとえば、負温度係数を有するＮＴＣサーミスタである。したがって、図６（Ｄ）に示されるように、分圧信号ＣＣＭＰＩの電圧が、常に、所与のしきい値電圧ＶＴＨより低くなり、図６（Ｅ）に示されるように、同期クロックＣＬＫＳＹＮＣ信号は、常に、Ｌｏｗレベルを示す。可変抵抗素子３２の温度が所与の温度よりも高いときに、同期クロックＣＬＫＳＹＮＣは、常に、Ｌｏｗレベルを示し、したがって、同期クロックＣＬＫＳＹＮＣに基づく送信データのすべてのビットは、「０」を示すことになる。その結果、信号Ｐ３Ｑも、常に、Ｌｏｗレベルを示し、トランジスタＴＢ３は、常に、オフになる。このように、受電制御装置５０の制御回路５２は、常に、受電装置の負荷（負荷変調部４６での負荷）の大きさを変化させることができない。言い換えれば、受電装置４０は、送電装置１０に所望のデータを送信することができない。

たとえば、受電装置４０が図４のステップＳ１４に示されるような認証フレームを送電装置１０に送信することができない場合、送電制御装置２０の制御回路２２は、位置検出用の一時的な電力伝送を繰り返してもよい（ステップＳ２）。受電装置４０に電送される電力は、位置検出用の一時的な電力であるので、送電装置１０によって、受電装置４０は、さらに加熱することはない。しかしながら、送電制御装置２０の制御回路２２は、ステップＳ４で、所与の期間が経過しても、認証フレームを受信しない場合、送電制御装置２０の制御回路２２は、ドライバ制御回路２６を制御して、第１および第２の送電ドライバを停止することができる。このように、送電制御回路２０は、受電装置４０の負荷の大きさが所与の範囲以上に変化しないことを検出するとき、１次コイルＬ１の駆動を停止することができる。

また、受電装置４０が図４のステップＳ１４に示されるような認証フレームを送電装置１０に送信した後に、何らかの異常によって受電装置４０が過熱する場合、たとえば、受電装置４０は、図４のステップＳ１６に示されるようなスタートフレームを送電装置１０に送信することができない。この場合、送電制御装置２０の制御回路２２は、位置検出用の一時的な電力伝送を繰り返してもよい（ステップＳ２）。その後、或いは、代替的に、送電制御装置２０の制御回路２２は、１次コイルＬ１の駆動を停止することができる。

図７は、図５に示す受電装置４０の変形例を示す。図７において、可変抵抗素子３２は、第１の抵抗素子ＲＢ１と並列に接続される。可変抵抗素子３２は、分圧ノードおよび２次コイルＬ２の一端のノードＮＢ１に接続される。図７において、可変抵抗素子３２は、たとえば、正温度係数を有するＰＴＣサーミスタであり、したがって、可変抵抗素子３２の温度が高くなるときに、可変抵抗素子３２の抵抗値は、高くなる。可変抵抗素子３２の温度が高くなるとき、分圧信号ＣＣＭＰＩの電圧は、低くなる。したがって、可変抵抗素子３２の温度が所与の温度よりも高いときに、同期クロックＣＬＫＳＹＮＣは、常に、Ｌｏｗレベルを示す。

４．乗っ取り状態の検出
図８は、図４に示すフローチャートの変形例を示す。図８において、通常の電力伝送を開始する（ステップＳ６）前に、送電側は、定期負荷変動検出をオンする（ステップＳ５’）。また、負荷への電力供給（ＶＯＵＴの出力）を開始した（ステップＳ１８）後に、受電側は、定期負荷変調を実行する。乗っ取り状態の検出は、受電側の間欠的（例えば定期的）な負荷変調信号を、送電側で検出できるか否かによって実行することができる乗っ取り状態が検出されるとき、送電制御装置２０の制御回路２２は、１次コイルＬ１の駆動を停止することができる。

「乗っ取り状態」は、異物挿入の特殊な形態と位置付けられるものであり、「異物を受電側機器と誤認して通常送電が継続される状態」のことである。例えば、薄い金属板が１次コイルと２次コイル間を完全に遮断するように挿入された場合、送電側から見れば、相当程度の負荷が常に存在することになる。

図９は、通常送電開始後の異物挿入（乗っ取り状態）について説明するための、無接点電力伝送システムを構成する電子機器の断面図である。図９に示すように、送電側機器と受電側機器との間に、例えば、１次コイルＬ１と２次コイルＬ２を遮断するような金属異物（例えば、薄い金属板）が挿入された場合、１次側からの送電エネルギは、その金属異物で消費される（つまり、その金属異物が負荷となる）ことから、送電装置１０からみると、負荷（受電側機器）が常に存在しているようにみえる。よって、例えば、受電側機器が取り去られても、受電側機器がないにもかかわらず、送電装置１０からの送電が継続され、金属異物が高温度に達してしまう。

このように、金属異物が、本来の受電側機器５１０に取って代わってしまう現象を、本明細書では「乗っ取り」ということにする。無接点電力伝送システムの安全性、信頼性を実用レベルにまで高めるためには、このような「乗っ取り発熱」に対しても十分な対策を施す必要がある。異物が挿入される場合としては、偶発的に生じる場合と、悪意をもってなされる場合とが想定される。乗っ取りを生じさせるような異物が挿入されると、発熱が生じて、火傷、機器の損傷や破壊の危険性が生じるため、無接点電力伝送システムでは、異物挿入に対する安全対策の徹底が求められる。以下、乗っ取り発熱対策について、具体的に説明する。

通常送電時において、悪意により、クレードル（充電器）５００と携帯電話端末５１０との間に、薄い板状の金属の異物（導電性の異物）ＡＲが差し込まれる。異物ＡＲが挿入されると、１次側の機器（クレードル５００）から２次側の機器（携帯電話端末５１０）に供給される電力のほとんどは、異物（ＡＲ）において消費され（すなわち、送電電力の乗っ取りが生じ）、異物ＡＲが発熱する危険性が高くなる。そこで、図１９（Ｂ）のような状態となったときには、１次側の機器（クレードル５００）に含まれる送電装置１０が異物ＡＲの挿入を検出して、通常送電をただちに停止する必要がある。

例えば、受電装置側の負荷が大きいときは、１次コイルＬ１に誘起される電圧の振幅が増大し、受電装置側の負荷が小さくなれば、１次コイルＬ１に誘起される電圧の振幅は小さくなる。携帯電話端末５１０の２次電池９４が正常に充電されれば、時間経過と共に、受電装置４０側の負荷は徐々に減少していくはずである。ここで、突然、受電装置４０側の負荷が増大したとすると、送電装置１０は、受電装置４０側の負荷変動を監視しているため、負荷が急に増大したことは検知できる。しかし、その負荷の増大が、負荷（携帯電話端末の２次電池９４）に起因して生じたものなのか、携帯電話端末５１０とクレードル５００との間の位置ずれに起因するものなのか、あるいは、異物挿入に起因するものなのかを判定することができない。よって、送電装置１０が、単に、受電装置４０側の負荷変動を検出するという手法では、異物挿入を検出することができない。

そこで、本発明では、通常送電中において、負荷（２次電池等）への電力供給を継続させつつ、受電装置４０が、送電装置１０からみた負荷を間欠的に意図的に変化させ（定期負荷変調動作）、送電装置１０に対して情報を発信する。

この間欠的な負荷変化による情報を、送電装置１０が所定タイミングで検出できた場合には、以下のことが証明される。
（１）受電装置４０側の機器（携帯電話端末５１０）が送電装置１０側の機器（クレードル５００）上に正確にセットされている。
（２）受電装置４０側の機器（携帯電話端末５１０の２次電池を含む）は正常に動作している。
（３）異物ＡＲが挿入されていない。

一方、通常送電時において異物ＡＲが挿入されると、受電装置４０から発信される情報は、その異物ＡＲに阻害されて送電装置１０に到達しなくなる。すなわち、送電装置１０では、受電装置側の間欠的な負荷変化(例えば、定期的な負荷変化)を検出することができなくなる。上述の（１）〜（３）が確認された後に、間欠的な負荷変化が検出されなくなることの要因としては、上述の（３）の要因が最も疑われる。つまり、異物ＡＲが挿入されたために、間欠的な負荷変化を検出できなくなったと判定することが可能である。

ところで、上述の通り、可変抵抗素子３２の温度が所与の温度よりも高いときに、受電装置４０は、送電装置１０に所望のデータを送信することができない。すなわち、受電装置４０は、定期負荷変調を行うことができない。したがって、通常送電開始後、実際には異物挿入（乗っ取り状態）がないが、送電制御装置２０の制御回路２２は、乗っ取り状態を検出し、ドライバ制御回路２６を制御して、第１および第２の送電ドライバを停止することができる。このように、受電装置４０に可変抵抗素子３２を加えるだけで、送電制御装置２０は、１次コイルＬ１の駆動を停止することができる。

このように、送電装置１０に自動停止機能を有する場合、受電装置４０は、可変抵抗素子３２を加えるだけでよい。しかしながら、送電装置１０と疑似する疑似送信装置が、受電装置４０に電力伝送を行うことも考えられる。同期クロックＣＬＫＳＹＮＣが、常に、Ｌｏｗレベルを示すとき、受電装置４０は、定期負荷変調等の負荷変調モードに拘わらず、受電制御装置５０の制御回路５２は、信号Ｐ１Ｑに基づき給電制御部４８のトランジスタＴＢ２をオフにすることができる。したがって、受電制御装置５０は、受電装置の負荷、すなわち、本負荷９０への給電を停止することができる。

５．受電装置の変形例
図１０は、図５に示す受電装置４０のもう１つの変形例を示す。送電装置１０と疑似する疑似送信装置が、受電装置４０に電力伝送を行うことも考えられる。同期クロックＣＬＫＳＹＮＣが、常に、Ｌｏｗレベルを示すとき、受電装置４０は、定期負荷変調等の負荷変調モードに拘わらず、受電制御装置５０の制御回路５２は、バッテリ９４の充電制御を停止させるための停止信号ＳＴＰを充電制御装置９２に送ることができる。これにより、充電制御装置９２は、バッテリ９４への給電を停止することができる。

図１１は、図５に示す受電装置４０の他の変形例を示す。図１１において、受電装置４０は、２次コイルＬ２の一端および他端の間に設けられる機械式リレースイッチ回路３４を含むことができる。機械式リレースイッチ回路３４は、ノードＮＢ１およびノードＮＢ２に接続される。同期クロックＣＬＫＳＹＮＣが、常に、Ｌｏｗレベルを示すとき、受電装置４０は、受電制御装置５０の制御回路５２は、機械式リレースイッチ回路３４を動作させるための信号ＣＵＴを機械式リレースイッチ回路３４に送ることができる。これにより、機械式リレースイッチ回路３４は、２次コイルＬ２の一端および他端を短絡させることができる。受電制御装置５０の制御回路５２は、信号Ｐ１Ｑに基づき給電制御部４８のトランジスタＴＢ２をオフした後、所与の期間が経過しても、同期クロックＣＬＫＳＹＮＣが、依然として、Ｌｏｗレベルを示すとき、信号ＣＵＴを機械式リレースイッチ回路３４に送ってもよい。言い換えれば、受電制御装置５０の制御回路５２は、所与の期間内に同期クロックＣＬＫＳＹＮＣが正常に動作することを期待してもよい。

また、図１０に示す受電装置４０は、図１１に示される機械式リレースイッチ回路３４を含むことができる。同期クロックＣＬＫＳＹＮＣが、常に、Ｌｏｗレベルを示すとき、受電装置４０は、受電制御装置５０の制御回路５２は、信号ＣＵＴを機械式リレースイッチ回路３４に送ることができる。受電制御装置５０の制御回路５２は、停止信号ＳＴＰを充電制御装置９２に送った後、所与の期間が経過しても、同期クロックＣＬＫＳＹＮＣが、依然として、Ｌｏｗレベルを示すとき、信号ＣＵＴを機械式リレースイッチ回路３４に送ってもよい。

図１２は、図５に示す受電装置４０の他の変形例を示す。図１２において、受電装置４０は、２次コイルＬ２の一端および他端の間に設けられるヒューズ素子３６を含むことができる。ヒューズ素子３６は、ノードＮＢ１およびノードＮＢ２に接続される。ヒューズ素子３６に過大な電流が流れるとき、ヒューズ素子３６は、２次コイルＬ２の一端および他端を短絡させることができる。なお、ヒューズ素子３６は、二次コイルＬ２と受電装置の負荷との間に設けられていればよい。また、図１０に示す受電装置４０は、このようなヒューズ素子を含むことができる。さらに、図１１に示す受電装置４０も、このようなヒューズ素子を含むことができる。

当業者は、上述した本実施形態が、本発明の精神を逸脱することなく、（場合によって技術常識を参照することによって、）変形され得ることを容易に理解できるであろう。本発明の範囲は、本実施形態の全部または一部およびそれらの変形を含み、特許請求の範囲およびその均等な範囲によって定められる。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）は無接点電力伝送の説明図。 本実施形態の送電装置、送電制御装置、受電装置、受電制御装置の構成例。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）は周波数変調、負荷変調によるデータ転送の説明図。 送電側と受電側の動作の概要について説明するためのフローチャート。 図２に示される受電装置４０の分圧回路、可変抵抗素子、周波数検出回路、受電制御装置の構成例。 図６（Ａ）は、２次コイルＬ２の交流の誘起電圧信号の波形の説明図。図６（Ｂ）は、分圧信号ＣＣＭＰＩの波形の説明図。図６（Ｃ）は、同期クロックＣＬＫＳＹＮＣ信号の波形の説明図。図６（Ｄ）は、異常高温時における可変抵抗素子３２に基づく分圧信号ＣＣＭＰＩの波形の説明図。図６（Ｅ）は、異常高温時における可変抵抗素子３２に基づく同期クロックＣＬＫＳＹＮＣ信号の波形の説明図。 図５に示す受電装置４０の変形例。 図４に示すフローチャートの変形例。 通常送電開始後の異物挿入（乗っ取り状態）について説明するための、無接点電力伝送システムを構成する電子機器の断面図。 図５に示す受電装置４０のもう１つの変形例。 図５に示す受電装置４０の他の変形例。 図５に示す受電装置４０の他の変形例。

符号の説明

１０ 送電装置、１２ 送電部、１４ 波形モニタ回路、１６ 表示部、
２０ 送電制御装置、２２ 制御回路（送電側）、２４ 発振回路、
２５ 駆動クロック生成回路、２６ ドライバ制御回路、２８ 波形検出回路、
３２ 可変抵抗素子、３４ 機械式リレースイッチ回路、３６ ヒューズ素子、
３８ 分圧回路、４０ 受電装置、４２ 受電部、４３ 整流回路、４６ 負荷変調部、
４８ 給電制御部、５０ 受電制御装置、５２ 制御回路（受電側）、
５６ 位置検出回路、５８ 発振回路、６０ 周波数検出回路、
６１ コンパレータ回路、６２ 満充電検出回路、９０ 負荷、９２ 充電制御装置、
９４ バッテリ、５００ 充電器、５０２ ＡＣアダプタ、５１０ 携帯電話機、
５１２ 表示部、５１４ 操作部、５１６ マイク、５１８ スピーカ、
５２０ アンテナ、ＣＣＭＰＩ 分圧信号、ＣＬＫＲＥＦ ２次側のクロック、
ＣＬＫＳＹＮＣ 同期クロック、Ｌ１ １次コイル、Ｌ２ ２次コイル、
ＲＢ１ 第１の抵抗素子、ＲＢ２ 第２の抵抗素子、ＶＳＳ 基準電圧、
ＶＴＨ しきい値電圧

Claims (9)

1. 受電装置であって、
   一端が送電装置の１次コイルと電磁的に結合可能な２次コイルの一端と電気的に接続される第１の抵抗素子と、
   一端が前記第１の抵抗素子の他端と電気的に接続され、他端に基準電圧が供給される第２の抵抗素子と、
   前記第１の抵抗素子または前記第２の抵抗素子に並列に接続され、温度によって抵抗が変化する可変抵抗素子と、
   前記第１の抵抗素子の他端から出力される分圧信号の電圧と所与のしきい値電圧とを比較するコンパレータ回路を有する受電制御装置と、
   を含み、
   前記コンパレータ回路は、前記２次コイルに誘起される交流電圧の周波数に同期する前記同期クロックを生成し、
   前記受電制御部は、前記同期クロックに基づき前記受電装置の負荷の大きさを変化させ、
   前記可変抵抗素子が負温度係数を有する場合、前記可変抵抗素子の温度が高くなるときに、前記可変抵抗素子の抵抗値は、低くなり、前記可変抵抗素子は、前記第２の抵抗素子と並列に接続され、
   前記可変抵抗素子が正温度係数を有する場合、前記可変抵抗素子の温度が高くなるときに、前記可変抵抗素子の抵抗値は、高くなり、前記可変抵抗素子は、前記第１の抵抗素子と並列に接続され、
   前記可変抵抗素子の温度が所与の温度よりも高いときには常に、前記コンパレータ回路の出力は同一レベルを示し、前記受電制御装置は前記受電装置の負荷の大きさを変化させる制御を行なわない、受電装置。
2. 請求項１において、
   前記分圧信号が前記所与のしきい値電圧より高い間に同期クロックがＨｉｇｈレベルを示し、且つ前記分圧信号の電圧が前記所与のしきい値電圧より低い間に前記同期クロックがＬｏｗレベルを示し、
   前記同期クロックが、常に、Ｌｏｗレベルを示すとき、前記受電制御装置は、前記受電装置の負荷への給電を停止する、受電装置。
3. 請求項２において、
   前記受電装置の負荷は、バッテリと、前記バッテリの充電制御を行う充電制御装置と、を有し、
   前記同期クロックが、常に、Ｌｏｗレベルを示すとき、前記受電制御装置は、前記バッテリの充電制御を停止させるための停止信号を前記充電制御装置に送る、受電装置。
4. 請求項２または３において、
   前記２次コイルの一端および他端の間に設けられる機械式リレースイッチ回路を、
   さらに含み、
   前記受電制御装置が、前記受電装置の負荷への給電を停止した後、または、前記信号を前記充電制御装置に送った後、前記受電制御装置は、前記２次コイルの一端および他端を短絡させるように前記機械式リレースイッチ回路を制御する、受電装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記２次コイルに誘起される交流電圧を直流電圧に変換し、第１の入力端と第２の入力端と第１の出力端と第２の出力端とを有する整流回路を、さらに含み、
   前記第１の入力端は、前記２次コイルの一端に接続され、
   前記第２の入力端は、前記２次コイルの他端に接続され、
   前記第２の出力端には、前記基準電圧が供給され、
   前記第１の出力端の電位と前記第２の出力端の電位との差は、前記直流電圧を示す、受電装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、
   互いに直列接続された負荷変調抵抗素子およびスイチッング素子を有する負荷変調部を、
   さらに含み、
   前記受電制御装置は、前記スイッチング素子をオン、オフさせることによって、前記受電装置の負荷の大きさを変化させる、受電装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の受電装置を含む電子機器。
8. 無接点電力伝送システムであって、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の受電装置と、
   送電装置と、
   を含み、
   前記送電装置は、
   １次コイルと、
   前記受電装置の負荷の大きさが所与の範囲以上に変化しないことを検出するとき、前記１次コイルの駆動を停止する送電制御回路を有する、無接点電力伝送システム。
9. 請求項１乃至６のいずれかに記載の受電装置に送電を行う送電装置であって、
   前記受電装置の負荷の大きさが所与の範囲以上に変化しないことを検出するとき、前記１次コイルの駆動を停止する送電制御回路を含む送電装置。

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