JP5743357B2

JP5743357B2 - 非接触電力伝送及び通信システム

Info

Publication number: JP5743357B2
Application number: JP2014106127A
Authority: JP
Inventors: 若生　直樹; 直樹若生
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2014-05-22
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2030-02-16
Also published as: JP2011172299A; JP5551465B2; JP2014187873A

Description

本発明は、２次電池を内蔵した携帯型電子機器や接触による給電が難しい環境下で用いられる電子機器に電磁誘導により非接触で電力を送電する機能を有する非接触電力伝送システムに関し、特に通信機能を内蔵した非接触電力伝送及び通信システムに関する。

近年、電子部品の小型化に伴い、携帯電話や携帯型音楽プレーヤ等に代表される携帯電子機器は、小型化や軽量化が図られ、広く普及している。更に近年、携帯電子機器は多機能化及び高速処理化が図られ、それに伴い電子機器が必要とする電力量が増加傾向にある。しかし、一般に、携帯電子機器は、専用のアダプターを内蔵せず、内蔵した２次電池に充電した電力により駆動されており、２次電池の電力が不足する度に２次電池を充電しなければならない。

一般に、携帯電子機器の２次電池への充電は、携帯電子機器の充電端子と充電台（クレードル）の充電端子を接触させて電気的に接続し、充電台から電力を供給して内蔵する２次電池に充電する。

しかしながら、充電端子同士を接触させて接続する充電方式では、充電端子の汚れや、充電端子間への異物侵入により充電ができない場合がある。このような接触による給電が難しい環境下で用いられる可能性がある電子機器に対しては、最近は電磁誘導の原理を利用した非接触の電力供給を行うシステム、すなわち非接触電力伝送システムの需要が増加している。

非接触電力伝送システムでは、一般に、充電器等の送電側に第１のコイルを有する送信側装置を備え、携帯電子機器などの受電側に前記第１のコイルに電磁結合可能な第２のコイルを有する受信側装置を備え、前記第１のコイルと前記第２のコイル間の電磁結合を介して、前記送信側装置から前記受信側装置へ非接触の電力伝送を行っている。さらに、特許文献１に記載の非接触電力伝送システムでは、非接触電力伝送の安全性を確保するため、受電側の要求電力や異常時の送電停止等の情報を、前記第１のコイルと第２のコイル間を介して通信を行っている。具体的には、送信側装置から受信側装置に間欠的な仮送電を実行させ、仮送電の開始時点から所定時間内に、送信側装置が、仮送電を受けた受信側装置からのＩＤ認証情報を受信し、ＩＤ認証に成功すると、送信側装置から受信側装置に通常送電を実行するシステムである。

特開２００９−１８９２３１号公報

しかしながら、上記の特許文献１のシステムでは、ＩＤ認証に成功して送電状態になった後に、近傍に同様の受電側の製品を置いてしまった場合、その製品に内蔵されたコイルには第１のコイルからの電磁誘導により電圧が発生してしまう懸念がある。同様にＩＤ認証成功後に送電状態となった受電側の本体をすばやく入れ替える等の動作を行うと、通信を行わなければならない状態にも関わらず、受電側の製品は送電状態の環境下に晒されることになる。

非接触電力伝送における第２のコイルに発生する電圧は、標準的には２０Ｖｏ−ｐ〜６０Ｖｏ−ｐ程度であるのに対し、Ｆｅｌｉｃａ（登録商標）方式やＮＦＣ方式に代表される非接触通信の場合、第２のコイルに発生する電圧は最大２０Ｖｏ−ｐ程度である。したがって非接触電力伝送中に近傍に通信状態の受電側の製品を置いた場合には、通信回路に印加される電圧が過電圧状態になり通信回路が破壊される可能性がある。

一方、電力専用のコイルと通信専用のコイルを別々に設け、それぞれの機能を分離した場合は、過電圧による通信回路の破壊の可能性は殆どないが、製品コストの上昇を招き、コイル寸法の拡大により製品の小型化が制限される。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、通信用コイルと送電側の第１のコイル及び受電側の第２のコイルとの共通化が可能であって、かつ、第２のコイルに接続された通信回路への非接触電力伝送時における過電圧の印加を防ぎ、非接触電力伝送を行っていない時間では通信が可能となる非接触電力伝送及び通信システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による非接触電力伝送及び通信システムは、第１のコイルを有する送信側装置と、前記第１のコイルに電磁結合可能な第２のコイルを有する受信側装置とを備え、前記第１のコイルと前記第２のコイル間の電磁結合を介して、前記送信側装置から前記受信側装置への非接触の電力伝送と、前記送信側装置と前記受信側装置間でのデータ信号の通信を行う非接触電力伝送及び通信システムにおいて、前記受信側装置は、前記データ信号を受信および送信する通信回路と、該通信回路と前記第２のコイルとを接続する入力接続回路とを備え、該入力接続回路は前記第２のコイルに発生する電圧に応じて動作するＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチを備え、前記ＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチの動作によって前記通信回路に印加される電圧が変化することを特徴とする。

ここで、前記通信回路は、少なくとも、前記データ信号が入力されるデータ読取端子、前記データ信号が出力されるデータ送信端子、およびグランドに接続された接地端子を有し、前記データ読取端子、前記データ送信端子および前記接地端子は前記入力接続回路に接続されていてもよい。

この場合、前記入力接続回路の前記データ読取端子に直接、またはコンデンサまたはインダクタを介して接続される信号ラインとグランド間、および前記入力接続回路の前記データ送信端子に直接、またはコンデンサまたはインダクタを介して接続される信号ラインと前記グランド間には、それぞれ、抵抗値が１０ｋΩ以下の抵抗と前記ＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチとが直列に挿入されていてもよい。

また、前記第２のコイルに発生した電圧を整流化し、該整流化した電圧を、抵抗により調整された分圧比による分圧と、コンデンサによる応答時定数の調整を行った後、前記ＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチのゲート端子に印加してもよい。

以上のように、本発明では、通信回路に接続される入力接続回路において、ＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチの動作によって通信回路に印加される電圧が変化することにより通信回路への過電圧印加を防止している。

本発明による非接触電力伝送及び通信システムは、上記のように送電側の第１のコイルと受電側の第２のコイル間を介して非接触電力伝送と通信の両方を行うことが可能であり、通信用コイルと第１のコイル及び第２のコイルを共用し、非接触電力伝送と通信を時分割で実施するシステムである。第２のコイルと通信回路とを接続する入力接続回路は、前記第２のコイルに発生する電圧に応じて通信回路へ印加される電圧を変化させるＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチを備えており、その結果、通信回路への過電圧の印加を防止している。

すなわち、本発明により、通信用コイルと送電側の第１のコイル及び受電側の第２のコイルとの共通化が可能であって、かつ、第２のコイルに接続された通信回路への非接触電力伝送時における過電圧の印加を防ぎ、非接触電力伝送を行っていない時間では通信が可能となる非接触電力伝送及び通信システムが得られる。

本発明による非接触電力伝送及び通信システムの一実施の形態の基本構成を示すブロック図。本実施の形態の非接触電力伝送及び通信システムの入力接続回路およびそれと通信回路との接続の具体的な一実施例を示す回路図。

図１は、本発明による非接触電力伝送及び通信システムの一実施の形態の基本構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施の形態は、第１のコイル６を有する送信側装置１９と、第１のコイル６に電磁結合可能な第２のコイル７を有する受信側装置２０とを備え、第１のコイル６と第２のコイル７間の電磁結合を介して、送信側装置１９から受信側装置２０への非接触の電力伝送と、送信側装置１９と受信側装置２０間でのデータ信号の通信を行う非接触電力伝送及び通信システムであり、受信側装置２０は、データ信号を受信および送信する通信回路２３と、その通信回路２３と第２のコイル７とを接続する入力接続回路２４とを備え、入力接続回路２４は第２のコイル７に発生する電圧に応じて動作するＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチを備え、このＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチの動作によって前記通信回路２３に印加される電圧が変化するように構成されている。

送信側装置１９において、第１のコイル６に交流の磁界を発生させるため、これを励磁するための電力回路が、送電側電源１に接続されたインダクタ２、コンデンサ３、コンデンサ４及びスイッチング素子５により構成されている。この送電電力を発生させる電力回路をオンオフして電力波形にデータ信号を重畳させるため、およびデータ信号を受信するための回路が、受信用直列抵抗８に接続された信号送受信制御回路９、電力制御回路１１及びスイッチング回路１０により構成されている。

受信側装置２０では、第１のコイル６からの交流磁界を受ける第２のコイル７により非接触で受電した電力を二次電池１８に充電するための受電回路が、整流回路１５、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６、電池充電制御回路１７により構成されている。また、受信側装置２０から送信側装置１９へ充電情報等のデータを伝達するための通信回路２３が、Ｌｏａｄスイッチ１２、信号受信復調回路１３、通信制御回路１４により構成されている。

図２は、本実施の形態の非接触電力伝送及び通信システムの入力接続回路およびそれと通信回路との接続の具体的な一実施例を示す回路図である。図２に示すように入力接続回路２４は、第２のコイル７の両端子に接続されたインピーダンスマッチング回路２１及び過電圧保護回路２２から構成されている。また、通信回路２３として、通信回路２３の機能を集積した通信制御集積回路２５を設け、通信制御集積回路２５はデータ信号が入力されるデータ読取端子としてＲＸ端子２６、データ信号が出力されるデータ送信端子としてＴＸ１端子２７及びＴＸ２端子２８、およびグランド（ＧＮＤ）に接続された接地端子２９を有しており、これらの端子は入力接続回路２４に接続されている。

インピーダンスマッチング回路２１はデータ読取端子のＲＸ端子２６及びデータ送信端子のＴＸ１端子２７及びＴＸ２端子２８に入力または出力される電圧波形のインピーダンスマッチングを取るために必要な回路である。

Ｆｅｌｉｃａ方式やＮＦＣ方式等による非接触通信中は、第２のコイル７の両端子に生じる電圧は最大２０Ｖｏ−ｐ程度であるが、非接触電力伝送中の電力受電時は、２０Ｖｏ−ｐ〜６０Ｖｏ−ｐ程度の電圧が発生している。非接触電力伝送中は、インピーダンスマッチング回路２１のみの場合、通信制御集積回路２５のＲＸ端子２６、ＴＸ１端子２７及びＴＸ２端子２８に過電圧が印加され、最悪の場合は通信制御集積回路２５の破損が考えられる。

過電圧保護回路２２は、通信制御集積回路２５のＲＸ端子、ＴＸ１及びＴＸ２端子への過電圧の印加を防止する機能を有する回路である。入力接続回路２４において、データ読取端子であるＲＸ端子２６にコンデンサを介して接続される信号ラインとグランド間、およびデータ送信端子であるＴＸ１端子２７及びＴＸ２端子２８にそれぞれインダクタを介して接続される信号ラインとグランド間には、それぞれ、抵抗値が１０ｋΩ以下の抵抗３１、３２、３３とＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチ４１、４２、４３とが直列に挿入されている。また、第２のコイル７に発生した電圧を整流化し、その整流化した電圧を、抵抗により調整された分圧比による分圧と、コンデンサによる応答時定数の調整を行った後、ＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチ４１、４２、４３のゲート端子にそれぞれ印加している。

図２において、第２のコイル７の両端子電圧が上昇すると、抵抗、ダイオード及びコンデンサを通してＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチ４１、４２、４３のそれぞれのゲート端子電位が上昇し、ＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチ４１、４２、４３のそれぞれのドレイン端子とソース端子が導通する。その際、各信号ラインのＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチ４１、４２、４３が接続された点、すなわち図２のａ、ｂ、ｃ点から、新たに過電圧保護回路２２を経由してグランドに電流が流出する経路が生じる。この結果、通信制御集積回路２５に接続された信号ラインのａ、ｂ、ｃ点の電位が低下し、通信制御集積回路２５に印加される電圧が低下する動作が得られる。なお、実用上、有効な電圧低下を得るためには、抵抗３１、３２、３３の抵抗値は１０ｋΩ以下であることが望ましい。

上記の実施の形態では、図２のａ、ｂ、ｃ点の電位を低下させる場合を説明したが、通信制御集積回路２５のＲＸ、ＴＸ１、ＴＸ２端子に過電圧が印加されないようにすることを目的とする場合、ＲＸ、ＴＸ１、ＴＸ２端子に直結された信号ラインとグランド間に抵抗とＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチを直列に接続しても同様の効果が得られる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態以外にも、磁界を発生するコイルを備えたリーダライタ機能を有する通信装置と、磁界を電流に変換するコイルと充電可能なバッテリとを備えるデジタルカメラや携帯型音楽プレーヤなどの通信端末、または非接触ＩＣカードとから構成される通信システムなどに広く適用することができる。

また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１送電側電源
２インダクタ
３、４コンデンサ
５スイッチング素子
６第１のコイル
７第２のコイル
８受信用直列抵抗
９信号送受信制御回路
１０スイッチング回路
１１電力制御回路
１２Ｌｏａｄスイッチ
１３信号受信復調回路
１４通信制御回路
１５整流回路
１６ＤＣ／ＤＣコンバータ
１７電池充電制御回路
１８二次電池
１９送信側装置
２０受信側装置
２１インピーダンスマッチング回路
２２過電圧保護回路
２３通信回路
２４入力接続回路
２５通信制御集積回路
２６ＲＸ端子
２７ＴＸ１端子
２８ＴＸ２端子
２９接地端子
３１、３２、３３抵抗
４１、４２、４３ＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチ

Claims

第１のコイルを有する送信側装置と、前記第１のコイルに電磁結合可能な第２のコイルを有する受信側装置とを備え、前記第１のコイルと前記第２のコイル間の電磁結合を介して、前記送信側装置から前記受信側装置への非接触の電力伝送と、前記送信側装置と前記受信側装置間でのデータ信号の通信とを行う非接触電力伝送及び通信システムにおいて、前記受信側装置は、前記データ信号を受信および送信する通信回路と、前記通信回路と前記第２のコイルとを接続する入力接続回路と、前記第２のコイルにより受電した電力が充電される二次電池と、前記二次電池に充電するための受電回路とを備え、
前記入力接続回路は前記第２のコイルに発生する電圧に応じて動作するＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチを備え、
前記通信回路は、少なくとも、前記データ信号が入力されるデータ読取端子、前記データ信号が出力されるデータ送信端子、およびグランドに接続された接地端子を有し、前記データ読取端子、前記データ送信端子および前記接地端子は前記入力接続回路に接続され、
前記入力接続回路の前記データ読取端子に直接、またはコンデンサまたはインダクタを介して接続される信号ラインとグランド間、および前記入力接続回路の前記データ送信端子に直接、またはコンデンサまたはインダクタを介して接続される信号ラインと前記グランド間には、前記ＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチが挿入され、
前記ＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチの動作によって前記通信回路に印加される電圧が変化することを特徴とする非接触電力伝送及び通信システム。