JP5939639B2 - 電磁シールド及び静電容量計測機能を備えた非接触充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触充電装置に関し、より詳しくは、電磁シールド及び静電容量計測機能を備えた非接触充電装置に関する。

現在、数多くの家庭用或いはその他用途の電子機器が複雑な電子回路を備えている。これらの電子機器は電源コードによる給電或いは電池を充電することによって必要な電力を供給しているが、電源コードを利用する場合はその長さによって使用範囲が制限され、また多くの電子機器の電源コードは互いに絡まることで使用上の不便さの原因となっている。そこで現在、非接触充電（ワイヤレス充電）方式により電子機器に電力を供給する方式が注目されている。

非接触充電方式は電磁誘導方式によって実現される。ワイヤレス充電方式に存在する主な問題は、電磁妨害（ＥＭＩ，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）である。電磁妨害はよく起こる問題であり、その原因は電波或いは電磁伝導にある。電磁妨害は作動中の電子機器を撹乱或いは中断させ、電子機器の性能に影響を与える。非接触充電装置（ワイヤレス充電器）の電磁波放射は周囲にある他の電子機器の作動に干渉する。一般的なワイヤレス充電器は常にｐｉｎｇ信号（ｐｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ）を発し、前記ワイヤレス充電器上の充電パネル上に充電可能な装置があるかを判断している。しかし、このｐｉｎｇ信号は新たな電磁感受性問題を引き起こす。

本発明は上記事由に鑑みて成されたものであり、その目的は、ワイヤレス充電方式に多発する電磁妨害を解決した電磁シールド及び静電容量計測機能を備えた非接触充電装置を提供することにある。

本発明の一つの特徴に従った非接触充電装置は、第二コイルを備える電子装置に対して充電が行われる。前記非接触充電装置は、充電モジュールと、静電容量センサーと、制御ユニットと、を備える。前記充電モジュールは、前記第二コイルと電磁結合する第一コイルと、前記第一コイルに対応する定置部と、前記第一コイル及び前記定置部の間に設置される櫛状静電シールドと、を備える。前記静電容量センサーは、前記櫛状静電シールドに接続され、前記櫛状静電シールドとその周囲の静電容量の変化を計測する。前記制御ユニットは、前記櫛状静電シールド及び前記静電容量センサーに接続され、静電容量の変化を記録する。前記静電容量があらかじめ設定されたしきい値を超えた際、前記制御ユニットは前記電子装置にｐｉｎｇ信号を発し、前記電子装置が前記ｐｉｎｇ信号に応答した際、前記制御ユニットは前記充電モジュールをスタンバイモードから充電モードに切り替え、前記電子装置に非接触充電を行い、更に前記櫛状静電シールドをアースに接続する。

本発明は更に、非接触充電装置に電磁放射シールド及び静電容量計測機能を備える方法を提供する。その方法は以下の通りである。（ａ）スタンバイモードに於いて、櫛状静電シールドと接続される静電容量センサーが前記非接触充電装置の中にある前記櫛状静電シールドとその周囲の静電容量の変化を計測する。（ｂ）前記静電容量の変化があらかじめ設定されたしきい値を超えた際、制御ユニットがｐｉｎｇ信号を発し、充電する電子装置が存在するか確認する。（ｃ）前記ｐｉｎｇ信号に応答があった際、前記非接触充電装置は充電モードへ切り替わり、前記櫛状静電シールドはアースに接続され、前記非接触充電装置を起動し、ワイヤレス充電を行う。（ｄ）前記静電容量の変化があらかじめ設定されたしきい値を下回った際、前記非接触充電装置は前記スタンバイモードに切り替わる。

本発明の非接触充電装置を示す説明図である。 本発明の非接触充電装置と携帯デバイスを示す説明図である。 図１の実施例を示すフローチャートである。 櫛状静電シールドを設置していない非接触充電装置と充電モードにおける電波量を示すグラフである。 櫛状静電シールドを設置している非接触充電装置と充電モードにおける電波量を示すグラフである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の非接触充電装置を示す説明図であり、図２は本発明の非接触充電装置１００と携帯デバイスを示す説明図である。非接触充電装置１００は電子装置４０に対し非接触充電を行う。一般的に、電子装置４０は第二コイル４１を備え、電磁誘導により電力伝送を行い、電子装置４０内の電池を充電する。図１に示すように、前記非接触充電装置１００は、充電モジュール１０と、静電容量センサー２０と、制御ユニット３０と、を備える。充電モジュール１０は少なくとも１つの第一コイル１１と、定置部１２と、櫛状静電シールド１３と、を備える。第一コイル１１は電子装置４０内の第二コイル４１と電磁結合し、更に第一コイル１１は電源供給ユニットと接続することが可能である。定置部１２は第一コイル１１に対応しており、電子装置４０を定置し非接触充電を行うのに利用される。櫛状静電シールド１３は定置部１２及び第一コイル１１の間に設置される。

本発明の実施例において、非接触充電装置１００はスタンバイモードと充電モードという二つのモードを備えている。スタンバイモードにおいて、櫛状静電シールド１３は静電容量を計測するのに使用される。充電モードにおいて、櫛状静電シールド１３は電波が放射されるのを制限するのに使用される。これにより、本発明の非接触充電装置１００は電磁シールド及び静電容量計測機能を備えることが可能となる。二つのモードの切り替えについて以下に述べる。

静電容量センサー２０は、櫛状静電シールド１３に接続され、櫛状静電シールド１３とその周囲の静電容量の変化を計測する。一般的に、静電容量センサー２０は電場を直接計測することが可能である。静電容量センサー２０は、電極式導電率計と、絶縁体と、静電容量の変化を計測する検出回路によって構成される。また静電容量センサー２０は静電容量計測集積回路（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ，ＩＣ）でもよい。スタンバイモードにおいて、櫛状静電シールド１３は静電容量センサー２０に接続され、宣伝容量センサー２０の電極として作用する。この時、物体（電子装置４０）が櫛状静電シールド１３に接近した際、櫛状静電シールド１３とその周囲の静電容量に変化が生じ、前記静電容量の変化は静電容量センサー２０内の前記検出回路によって検出される。

制御ユニット３０は、櫛状静電シールド１３及び静電容量センサー２０に接続され、静電容量の変化を記録／保存する。前記静電容量があらかじめ設定されたしきい値を超えた際、制御ユニット３０は電子装置４０にｐｉｎｇ信号を発する。つまり、前記ｐｉｎｇ信号は電子装置４０が制御ユニット３０に接近した際にのみ発せられる。そして電子装置４０が前記ｐｉｎｇ信号に応答した際、制御ユニット３０は充電モジュール１０をスタンバイモードから充電モードに切り替え、電子装置４０に非接触充電を行い、更に櫛状静電シールド１３をアース３１に接続する。

本発明の述べる「ｐｉｎｇ信号」とは、第一インタラクティブワイヤレス装置（本発明において、第一インタラクティブワイヤレス装置とは制御ユニット３０のことを指す）が発する任意の種類のワイヤレス信号のことを指し、これにより前記第一インタラクティブワイヤレス装置の特定範囲内にある第二インタラクティブワイヤレス装置（本発明において、第二インタラクティブワイヤレス装置とは電子装置４０のことを指す）の情報を取得する。前記ｐｉｎｇ信号の典型的な例としては、ショートレンジを対象とした信号であり、これは第二インタラクティブワイヤレス装置と狭い範囲で通信を行うことが可能であり、更に制御ユニット３０により第一コイル１１から電子装置４０へ発することが可能である。前記第二インタラクティブワイヤレス装置は前記ｐｉｎｇ信号を受信できる範囲内にある時、ワイヤレス通信により応答信号を発する。上述の応答信号は、電子装置４０の電力残量や容量などの情報を含んでもよい。前記第一インタラクティブワイヤレス装置は第二インタラクティブワイヤレス装置の電力残量或いは電池内の電気量によって非接触充電の時間を調整する。

本発明の述べる「非接触充電」とは、電磁場を介して二つの物体（非接触充電装置１００と電子装置４０）間でエネルギーを伝送することを指す。エネルギーはコイルを介して電子装置４０に誘導結合し、エネルギーを電池の充電或いは電子装置４０の作動に利用することが可能である。非接触充電装置１００は第一コイル１１を誘導コイルとし、交流（ＡＣ）電源ユニットと接続され充電可能範囲内に交流電磁場を発生させる。電子装置４０内の第二コイル４１は電磁場より電力を受け取り、電流に変換し電子装置４０内の電池を充電する。これら２つの誘導コイル（第一コイル１１と第二コイル４１）は近接した状態では電力変圧器となる。

充電モードにおいて非接触充電を行う際、Ｈ場（ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ，即ち磁場）は電子装置４０に対して充電を行い、非接触充電装置１００はＥ場（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｆｉｅｌｄ，即ち電場）を発生させる。前記Ｅ場は放射拡散することで非接触充電装置１００に近接するその他の設備に干渉する。櫛状静電シールド１３はフィルタの役目をしており、これにより前記Ｅ場の電波を制限する。また櫛状静電シールド１３は磁場（Ｈ場）を誘導し電子装置４０において結合する。更に、制御ユニット３０は櫛状静電シールド１３の接続をアース３１と切りかえることで制限効果を高め、Ｅ場から発せられる電波を抑制する。物体が非接触充電装置１００に接近したが、例えば前記ｐｉｎｇ信号に反応しなかったなど、非接触充電装置１００に充電不可能と判断された場合、制御ユニット３０は非接触充電装置１００のスタンバイモードを維持する。制御ユニット３０は更にアース３１及び櫛状静電シールド１３と電気的に接続されるスイッチ３２を備える。スイッチ３２はトランジスタである。

櫛状静電シールド１３はファラデーシールド（Ｆａｒａｄａｙ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ）とも呼ばれ、金属片或いは金属箔または静電シールドとして適合する材質により構成される。櫛状静電シールド１３は複数のルーバー１３１と、個々の前記ルーバー１３１の間に複数の隙間１３２を有する。櫛状静電シールド１３はプリント基板（ＰＣＢ）１４上にプリントすることで、櫛状静電シールド１３の構造を強化、或いは金属材料の使用量を減らすことが可能である。櫛状静電シールド１３は第一コイル１１の空間を覆うことが可能であり、２つ以上の櫛状静電シールド１３を反対方向に向くよう組み合わせる（第一コイル１１に対応させるよう互いに組み合わせる）、非接触充電装置１００内の異なる層に設置するなどの変更は本発明の範囲に含まれる。

図３は図１の実施例を示すフローチャートである。フローチャート２００に示すように最初に起動した際、非接触充電装置１００はフローチャート２０１に示すようにスタンバイモードに設定される。スタンバイモードにおいて、櫛状静電シールド１３は静電容量センサー２０の静電容量計測電極として作動し、静電容量センサー２０により櫛状静電シールド１３とその周囲（例えばある物体或いは電子装置４０）の静電容量を計測する。フローチャート２０２に示すように、ある物体が非接触充電装置１００の定置部１２に接近した際、フローチャート２０３に示すように、静電容量はそれに従い変化し、制御ユニット３０は静電容量の変化があらかじめ設定されたしきい値を超えたかどうかを検出する。もし前述の通りしきい値を超えた場合、フローチャート２０４に示すように、制御ユニット３０は定置部１２に接近する前記物体にｐｉｎｇ信号を発し、前記物体が充電可能であるか確認する。フローチャート２０５に示すように、前記物体が応答信号を制御ユニット３０に対して発した場合、フローチャート２０６に示すように、制御ユニット３０は前記応答信号を受信すると同時に、非接触充電装置１００をスタンバイモードから充電モードへ切り替え、制御ユニット３０は櫛状静電シールド１３をアース３１へ接続し、非接触充電装置１００を起動して非接触充電を行う。非接触充電が完了した際、フローチャート２０７に示すように、前記物体を櫛状静電シールド１３から離し、静電容量があらかじめ設定されたしきい値を下回ることで、制御ユニット３０は非接触充電装置１００をスタンバイモードへと戻す。

上述の方式により、本発明は電磁シールド及び静電容量計測機能を備えた非接触充電装置１００を提供することが可能である。これにより、非接触充電装置１００がスタンバイモードの時、制御ユニット３０は前記ｐｉｎｇ信号を発し続け非接触充電装置１００に物体が接近しているかどうかを確認する必要がなく、櫛状静電シールド１３を静電容量検出電極とすることで、静電容量センター２０によって接近する物体を検出することが可能となる。また、非接触充電装置１００が充電モードの時、櫛状静電シールド１３はアース３１に接続され、フィルタとしての役割を持つ。つまり、Ｈ場の磁力は隙間１３２から櫛状静電シールド１３を通過し、櫛状静電シールド１３は第二コイル４１が発する磁場を第一コイル１１に受けさせることが可能であり、且つ磁場と共に発生する電場（Ｅ場）は制限され、Ｅ場から発生する電波を抑制することが可能である。

続いて本発明の櫛状静電シールド１３の制限能力について説明する。図４は櫛状静電シールド１３を設置していない状況における充電モジュールが発する電波量を示すグラフであり、図５は櫛状静電シールド１３を設置した状況における充電モジュールが発する電波量を示すグラフである。櫛状静電シールド１３は前記充電モジュールと前記電子装置の間に設置される。図４及び図５の実線は電波の最高値を示し、破線は電波の平均値を示す。櫛状静電シールド１３は図５の状況において前記充電モジュールの中にある第一コイル１１の平行時九条に設置される。図４からわかる通り、その電波量は製造メーカーの提供したＥＭＣ（電磁両立性）と電磁妨害（ＥＭＩ）規格書の極限値を明らかに超えているが、図５ではごく一部の波形が極限値を超えているのみであり、本発明が明らかにE場が発する電波を抑制していることを証明している。

本発明は自動車工業の部品、家電製品、大衆消費電子製品や医療システムなど多くの分野で応用することが可能である。

上述において、本発明の説明の利便性のために最良の実施例を挙げて説明したが、実施例は本発明の請求の範囲を限定するものではなく、本発明に基づく本発明の要旨を逸脱しないあらゆる変更は本発明の特許請求の範囲に含まれる。

１００ 非接触充電装置
１０ 充電モジュール
１１ 第一コイル
１２ 定置部
１３ 櫛状静電シールド
１３１ ルーバー
１３２ 隙間
１４ プリント基板
２０ 静電容量センサー
３０ 制御ユニット
３１ アース
３２ スイッチ
４０ 電子装置
４１ 第二コイル

Claims (16)

1. 第二コイルを備える電子装置に対して充電が行われる非接触充電装置であって、前記非接触充電装置は、
   充電モジュールと、
   静電容量センサーと、
   制御ユニットと、を備え、
   前記充電モジュールは、前記第二コイルと電磁結合する第一コイルと、前記第一コイルに対応する定置部と、前記第一コイル及び前記定置部の間に設置される櫛状静電シールドと、を備え、
   前記静電容量センサーは、前記櫛状静電シールドに接続され、前記櫛状静電シールドとその周囲の静電容量の変化を計測し、
   前記制御ユニットは、前記櫛状静電シールド及び前記静電容量センサーに接続され、静電容量の変化を記録し、
   前記静電容量の変化があらかじめ設定されたしきい値を超えた際、前記制御ユニットは前記電子装置にｐｉｎｇ信号を発し、前記電子装置が前記ｐｉｎｇ信号に応答した際、前記制御ユニットは前記充電モジュールをスタンバイモードから充電モードに切り替え、前記電子装置に非接触充電を行い、更に前記櫛状静電シールドをアースに接続することを特徴とする非接触充電装置。
2. 前記制御ユニットは更に、前記アースおよび前記櫛状静電シールドと電気的に接続されるスイッチを備えることを特徴とする請求項１に記載の非接触充電装置。
3. 前記スイッチはトランジスタであることを特徴とする請求項２に記載の非接触充電装置。
4. 前記ｐｉｎｇ信号は前記制御ユニットによって前記第一コイルから発せられることを特徴とする請求項１に記載の非接触充電装置。
5. 前記櫛状静電シールドは複数のルーバーを備えることを特徴とする請求項１に記載の非接触充電装置。
6. 前記櫛状静電シールドはプリント基板上に回路としてプリントされることを特徴とする請求項１に記載の非接触充電装置。
7. 少なくとも２つの前記櫛状静電シールドが使用され、前記少なくとも２つの櫛状静電シールドはそれぞれ前記非接触充電装置の異なる層に設置され、且つ前記少なくとも２つの櫛状静電シールドは反対方向を向いていることを特徴とする請求項１に記載の非接触充電装置。
8. 前記スタンバイモードにおいて、前記櫛状静電シールドは前記静電容量センサーの電極となることを特徴とする請求項１に記載の非接触充電装置。
9. 非接触充電装置に電磁放射シールド及び静電容量計測機能を備える方法であって、その方法は、
   （ａ）スタンバイモードに於いて、櫛状静電シールドと接続される静電容量センサーが前記非接触充電装置の中にある前記櫛状静電シールドとその周囲の静電容量の変化を計測し、
   （ｂ）前記静電容量の変化があらかじめ設定されたしきい値を超えた際、制御ユニットがｐｉｎｇ信号を発し、充電する電子装置が存在するか確認し、
   （ｃ）前記ｐｉｎｇ信号に応答があった際、前記非接触充電装置は充電モードへ切り替わり、前記櫛状静電シールドはアースに接続され、前記非接触充電装置を起動し、ワイヤレス充電を行い、
   （ｄ）前記静電容量の変化があらかじめ設定されたしきい値を下回った際、前記非接触充電装置は前記スタンバイモードに切り替わる
   ことを特徴とする非接触充電装置に電磁放射シールド及び静電容量計測機能を備える方法。
10. 前記制御ユニットは前記非接触充電装置に接続され、前記静電容量の変化を記録し前記スタンバイモード及び前記充電モードの切り替えを行うことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記静電容量センサーは静電容量計測集積回路であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記制御ユニットは更に、前記アース及び前記櫛状静電シールドと電気的に接続されるスイッチを備えることを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 前記スイッチはトランジスタであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記櫛状静電シールドは複数のルーバーを備えることを特徴とする請求項９に記載の方法。
15. 前記櫛状静電シールドはプリント基板上に回路としてプリントされることを特徴とする請求項９に記載の方法。
16. 少なくとも２つの前記櫛状静電シールドが使用され、前記少なくとも２つの櫛状静電シールドはそれぞれ前記非接触充電装置の異なる層に設置され、且つ前記少なくとも２つの櫛状静電シールドは反対方向を向いていることを特徴とする請求項９に記載の方法。