JP6084994B2 - 無線電力受信装置、端末機、及び無線電力送信装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線電力伝送技術に関する。

無線で電気エネルギーを所望する機器に伝達する無線電力送信技術（wireless power transmission、又はwireless energy transfer）は、１８００年代に入って、電磁気誘導原理を用いた電気モータや変圧器が使用されており、その後には、ラジオ波やレーザのような電磁波を放射して、電気エネルギーを伝送する方法が試みている。我々がよく使っている電動歯ブラシや一部の無線カミソリも、電磁気誘導原理で充電される。電磁気誘導とは、導体の周辺で磁場を変化させたとき、電圧が誘導されて、電流が流れる現象をいう。電磁気誘導方式は、小型機器を中心に商用化が急速に進行しているが、電力の伝送距離が短いという問題があった。

現在まで、無線方式によるエネルギー伝達方式は、電磁気誘導の他に、共振及び短波長無線周波数を用いた遠距離送信技術などがある。

近年は、このような無線電力伝送技術のうち、共振を用いたエネルギー伝達方式が多く使用されている。

共振を用いた無線電力伝送システムは、送信側と受信側のコイルを通じて、電力が無線で伝達されるため、ユーザは、ポータブル機器のような電子機器を容易に充電することができる。

送信側によって感知するように、受信側に磁石が備えられる。送信側は、受信側の磁石の磁場を感知することで、受信側を充電するか否かを決める。

しかし、従来の受信側の磁石は、希土類材質から形成され、このような希土類材質の磁石は高価であるので、製造コストが上昇するという問題がある。

また、従来の受信側の磁石は、標準で要求する配置規格を満たしていない。

本発明は、コストを低減した無線電力受信装置、及び端末機を提供することである。

また、本発明は、標準で要求する規格を満たすように配置された磁石を含む無線電力受信装置、及び端末機を提供することである。

更に、本発明は、後面カバー（bottom cover）の厚さが厚くても、無線電力送信装置、又は据置台によって十分感知できるように、磁石の配置が最適化した無線電力受信装置、及び端末機を提供することである。

本発明において、無線電力受信装置は、電力を受信するコイルと、無線電力送信装置のセンサによって感知される磁束密度の強さを発生させる磁石とを含む。前記コイルは、空いている中央領域を有し、前記磁石は、前記コイルの前記中央領域に配置される。また、前記磁石は、電磁鋼板である。

また、本発明において、端末機は、据置台に対向して配置されるカバーと、電力を受信するために、前記カバー上に配置されるコイルと、前記据置台のセンサによって感知される磁束密度の強さを発生させる磁石とを含む。前記磁石は、前記コイルによって囲まれ、前記コイルの中央領域に配置される。また、前記磁石は、電磁鋼板である。

本発明によると、下記のような効果を奏する。

第１に、端末機に備えられる磁石として、コストの安い電磁鋼板が用いられるので、製品コストを低減することができる。

第２に、端末機に備えられる磁石の配置を最適化することで、磁石が規格で定義している磁束密度の強さを有することができる。

第３に、端末機に備えられる磁石の径と、後面カバーの厚さを最適化することで、据置台による端末機の近接可否に対する判断エラー可能性を最小化することができる。

一方、その他の様々な効果は、後述する実施例による詳細な説明において、直接又は暗示的に開示される。

本発明による無線電力伝送システムを説明するための図である。 本発明による送信誘導コイルの等価回路図である。 本発明による電力ソースと無線電力送信装置の等価回路図である。 本発明による無線電力受信装置の等価回路図である。 本発明による無線電力伝送システムを示す斜視図である。 図５の端末機の後面を示す斜視図である。 本発明による無線電力伝送システムを示す断面図である。 本発明による無線電力伝送システムに対するブロック図である。 本発明による無線電力伝送システムの動作方法を説明するフローチャートである。 据置台と端末機の間の距離によって、ホールセンサで検出された電圧信号を示す図である。 巻線コイル構造において、第２の磁石が配置される状態を示す図である。 リードフレームコイル構造において、第２の磁石が配置される状態を示す図である。 リードフレームコイル構造における第２の磁石の配置による磁束密度の強さを示す図である。

本発明の説明において、各構成要素の“上又は下の”に形成されることと記載される場合、上又は下は、２つの構成要素が互いに直接接触されるか、１以上の他の構成要素が２つの構成要素の間に配置形成されることを含む。また、“上又は下の”と表現される場合、１つの構成要素を基準に、上側方向だけでなく、下側方向の意味も含む。

図１は、本発明による無線電力伝送システムを説明するための図である。

図１に示しているように、本発明による無線電力伝送システムは、電力ソース１００と、無線電力送信装置２００と、無線電力受信装置３００と、負荷端４００とを含む。
本発明において、電力ソース１００は、無線電力送信装置２００に含まれるが、これに限定されない。

無線電力送信装置２００は、送信誘導コイル２１０と、送信共振コイル２２０とを含む。

無線電力受信装置３００は、受信共振コイル３１０と、受信誘導コイル３２０と、整流部３３０とを含む。

電力ソース１００の両端は、送信誘導コイル２１０の両端と連結される。

送信共振コイル２２０は、送信誘導コイル２１０と一定の距離を隔てて配置される。

受信共振コイル３１０は、受信誘導コイル３２０と一定の距離を隔てて配置される。

受信誘導コイル３２０の両端は、整流部３３０の両端と連結され、負荷端４００は、整流部３３０の両端と連結される。また、負荷端４００は、無線電力受信装置３００に含まれる。

電力ソース１００で生成された電力は、無線電力送信装置２００に伝達され、無線電力送信装置２００に伝達された電力は、共振現象により、無線電力送信装置２００と共振を行う、すなわち、共振周波数値が同じ無線電力受信装置３００に伝達される。

以下では、より具体的に、電力伝送過程について説明する。

電力ソース１００は、所定の周波数を有する交流電力を生成して、無線電力送信装置２００に伝達する。

送信誘導コイル２１０と送信共振コイル２２０とは、誘導結合されている。すなわち、送信誘導コイル２１０は、電力ソース１００から供給された交流電力で交流電流が発生され、このような交流電流による電磁気誘導によって、物理的に離隔している送信共振コイル２２０にも、交流電流が誘導される。

その後、送信共振コイル２２０に伝達された電力は、共振によって、無線電力送信装置２００と、周波数共振方式を用いて同一の共振周波数を有する無線電力受信装置３００に伝達される。

インピーダンス整合された２つのＬＣ回路の間は、共振によって電力が伝送される。このような共振による電力伝送は、電磁気誘導方式による電力伝送よりも遠い距離まで、更に高い伝送効率で電力伝達が可能である。

受信共振コイル３１０は、送信共振コイル２２０から、周波数共振方式を用いて伝達された電力を受信することができる。受信された電力によって、受信共振コイル３１０には交流電流が流れ、受信共振コイル３１０に伝達された電力は、電磁気誘導によって、受信共振コイル３１０と誘導結合された受信誘導コイル３２０に伝達されることができる。受信誘導コイル３２０に伝達された電力は、整流部３３０で整流され、負荷端４００に伝達される。

本発明において、送信誘導コイル２１０、送信共振コイル２２０、受信共振コイル３１０、受信誘導コイル３２０は、スパイラル（spiral）、又はヘリカル（helical）構造のいずれかの構造を有することができるが、これに限定されない。

送信共振コイル２２０と受信共振コイル３１０とは、共振周波数で電力が伝達されるように、共振結合される。

送信共振コイル２２０と受信共振コイル３１０の共振結合によって、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００の間の電力伝送効率は、大いに向上される。

以上の無線電力伝送システムにおいては、共振周波数方式による電力伝達を説明した。

本発明は、前記のような共振周波数方式の他にも、電磁気誘導方式による電力伝達にも適用することができる。

すなわち、本発明の実施例において、無線電力伝送システムが、電磁気誘導を基に電力伝送を行う場合、無線電力送信装置２００に含まれた送信共振コイル２２０と、無線電力受信装置３００に含まれた受信共振コイル３１０とは、省略することができる。

無線電力伝送において、品質指数（Quality Factor）と結合係数（Coupling Coefficient）は、重要な意味を有する。すなわち、電力伝送効率は、品質指数及び結合係数のそれぞれと比例関係を有する。そこで、品質指数及び結合係数の少なくともいずれか１つの値が大きくなるほど、電力伝送効率が向上する。

品質指数とは、無線電力送信装置２００、又は無線電力受信装置３００の付近に蓄積可能なエネルギーの指標をいう。

品質指数は、動作周波数（ｗ）、コイルの形状、寸法、素材などによって、変化する。品質指数は、以下の式１で示される。

［式１］Ｑ＝ｗ＊Ｌ/Ｒ
Ｌは、コイルのインダクタンスであり、Ｒは、コイル自体で発生する電力損失量に該当する抵抗をいう。

品質指数は、０から無限大の値を有し、品質指数が大きいほど、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の電力伝送効率が向上する。

結合係数とは、送信側コイルと受信側コイルの間の磁気的結合の程度をいい、０から１の範囲を有する。

結合係数は、送信側コイルと受信側コイルの相対的な位置や距離などによって、変化する。

図２は、本発明による送信誘導コイルの等価回路図である。

図２に示しているように、送信誘導コイル２１０は、インダクタ（Ｌ１）と、キャパシタ（Ｃ１）とから構成され、これらによって、適切なインダクタンスとキャパシタンス値を有する回路で構成することができる。

送信誘導コイル２１０は、インダクタ（Ｌ１）の両端が、キャパシタ（Ｃ１）の両端に連結された等価回路で構成される。すなわち、送信誘導コイル２１０は、インダクタ（Ｌ１）とキャパシタ（Ｃ１）とが並列に連結された等価回路で構成される。

キャパシタ（Ｃ１）は、可変キャパシタであり、キャパシタ（Ｃ１）のキャパシタンスが調節されることによって、インピーダンス整合が取れる。送信共振コイル２２０、受信共振コイル３１０、受信誘導コイル３２０の等価回路も、図２に示しているものと同一・類似しているが、これに限定されない。

図３は、本発明による電力ソースと無線電力送信装置の等価回路図である。

図３に示しているように、送信誘導コイル２１０と、送信共振コイル２２０とはそれぞれ、インダクタンス値とキャパシタンス値を有するインダクタ（Ｌ１、Ｌ２）と、キャパシタ（Ｃ１、Ｃ２）とから構成される。

図４は、本発明による無線電力受信装置の等価回路図である。

図４に示しているように、受信共振コイル３１０と受信誘導コイル３２０とはそれぞれ、インダクタンス値とキャパシタンス値を有するインダクタ（Ｌ３、Ｌ４）と、キャパシタ（Ｃ３、Ｃ４）とから構成される。

整流部３３０は、受信誘導コイル３２０から伝達された交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力を、負荷端４００に伝達する。

具体的に、整流部３３０は、示していないが、整流器と平滑回路を含むことができる。本発明において、整流器は、シリコン整流器を用い、図４に示しているように、ダイオード（Ｄ１）で等価化することができるが、これに限定されない。

整流器は、受信誘導コイル３２０から伝達された交流電力を、直流電力に変換することができる。

平滑回路は、整流器で変換された直流電力に含まれた交流成分を除去して、滑らかな直流電力を出力することができる。本発明における平滑回路は、図４に示してるように、整流キャパシタ（Ｃ５）が用いられるが、これに限定する必要はない。

整流部３３０から伝達された直流電力は、直流電圧や直流電流であるが、これに限定されない。

負荷端４００は、直流電力を必要とする任意の充電池又は装置である。例えば、負荷端４００は、バッテリーを意味する。

無線電力受信装置３００は、携帯電話、ノート型パソコン、マウスなど、電力が必要な電子機器に装着される。これにより、受信共振コイル３１０、及び受信誘導コイル３２０は、電子機器の形態に適した形状を有する。

無線電力送信装置２００は、無線電力受信装置３００と、インバンド（In band）、又はアウトオブバンド（out of band）通信を用いて、情報を交換することができる。

インバンド（In band）通信とは、無線電力伝送に用いられる周波数を有する信号を用いて、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００の間の情報を交換する通信をいう。このために、無線電力受信装置３００は、スイッチを更に含むことができ、スイッチの切換動作によって、無線電力送信装置２００から送信される電力を受信するか、受信しないことができる。これにより、無線電力送信装置２００は、無線電力送信装置２００で消耗する電力量を検出することで、無線電力受信装置３００に含まれたスイッチのオン・オフ信号を認識することができる。

具体的に、無線電力受信装置３００は、抵抗素子とスイッチを用いて、抵抗で吸収する電力量を変化することで、無線電力送信装置２００で消耗する電力量を変更することができる。無線電力送信装置２００は、消耗する電力の変化を感知して、負荷端４００の状態情報を獲得することができる。スイッチと抵抗素子は、直列に連結される。本実施例における負荷端４００の状態情報は、負荷端４００の現在充電量、充電量推移に関する情報を含む。負荷端４００は、無線電力受信装置３００に含まれることができる。

より具体的に、スイッチが開放すると、抵抗素子が吸収する電力は０となり、無線電力送信装置２００で消耗する電力も、減少する。

スイッチが短絡すると、抵抗素子が吸収する電力は０よりも大きくなり、無線電力送信装置２００で消耗する電力は、増加する。無線電力受信装置において、このような動作を繰り返すと、無線電力送信装置２００は、無線電力送信装置２００で消耗する電力を検出することで、無線電力受信装置３００とデジタル通信を行うことができる。

無線電力送信装置２００は、前記のような動作によって、負荷端４００の状態情報を受信し、それに適した電力を送信することができる。

これとは逆に、無線電力送信装置２００側に抵抗素子とスイッチを備えて、無線電力送信装置２００の状態情報を無線電力受信装置３００に伝送することもできる。本実施例において、無線電力送信装置２００の状態情報は、無線電力送信装置２００が伝送可能な最大供給電力量、無線電力送信装置２００が電力を提供している無線電力受信装置３００の個数、及び無線電力送信装置２００の可用電力量に関する情報を含む。

次に、アウトオブバンド通信について、説明する。

アウトオブバンド通信とは、共振周波数帯域ではない別の周波数帯域を用いて、電力伝送に必要な情報を交換する通信をいう。無線電力送信装置２００及び無線電力受信装置３００のそれぞれに、アウトオブバンド通信モジュールが装着されて、両者の間に電力伝送に必要な情報を交換する。アウトオブバンド通信モジュールは、電力ソース１００に装着されることもできるが、これに限定されない。本実施例において、アウトオブバンド通信モジュールは、ブルートゥース（BlueTooth（登録商標））、ジグビー（Zigbee（登録商標））、無線ラン、NFC（Near Field Communication）のような近距離通信方式を使用することができるが、これに限定されない。

図５は、本発明による無線電力伝送システムを示す斜視図である。

図５に示しているように、本発明による無線電力伝送システムは、据置台１０と、端末機２０とを含む。

据置台１０は、図１に示している電力ソース、及び無線電力送信装置を含むことができる。すなわち、電力ソースと無線電力送信装置が、据置台１０に内蔵される。据置台１０は、上面視において、円形、楕円形、正方形、又は長方形を有するが、これに限定されない。

据置台１０の上面は、端末機２０の背面と面接触する。据置台１０の上面のうち、少なくとも一部領域の形状は、端末機２０の背面の形状と同一であるが、これに限定されない。

据置台１０に内蔵した無線電力送信装置の送信コイル（図１の２１０、２２０）は、据置台１０の上面と面対向するように配置される。送信コイル２１０、２２０の電力が均一に端末機２０に伝送されるように、送信コイル２１０、２２０は、据置台１０の上面と平行に配置される。

端末機２０は、充電のためのバッテリー３６を含み、バッテリー３６に充電された電源を用いて、所定の電子的な機能が行えるあらゆる電子機器を称する。例えば、端末機２０は、スマートフォン又はタブレットＰＣのようなモバイル機器や、テレビ受像機、冷蔵庫、又は洗濯機のような家電機器を含むことができる。

端末機２０は、図１に示している無線電力受信装置、及び負荷端を含む。すなわち、無線電力受信装置及び負荷端は、端末機２０に内蔵される。

充電のために、端末機２０が、据置台１０の上面上に置かれる。端末機２０が置かれると、端末機２０の前面カバー２２が上に向け、端末機２０の後面カバー２４が、据置台１０の上面と接触する。そこで、据置台１０から無線で電力が提供されて、負荷端に充電される。

図６に示しているように、据置台１０の上面に対応する端末機２０の背面に隣接して、受信コイル３２、及び磁石３０が配置される。受信コイル３２も、据置台１０の送信コイル２１０、２２０、据置台１０の上面、及び無線電力受信装置の後面カバー２４と面対向するように配置される。特に、端末機２０の受信コイル３２が、据置台１０の送信コイル２１０、２２０と平行に位置されると、据置台１０の送信コイル２１０、２２０から、端末機２０の受信コイル３２に伝達される電力の伝達効率を、極大化することができる。

図７を参照して、本発明による無線電力伝送システムの構造を、より詳しく説明する。

図７は、本発明による無線電力伝送システムを示す断面図である。

図７に示しているように、据置台１０は、送信コイル１４と、第１の磁石１２とを含む。送信コイル１４及び第１の磁石１２は、据置台１０の上面に隣接配置される。送信コイル１４と第１の磁石１２とは、同一面上に配置される。

送信コイル１４は、図１に示している送信誘導コイル及び/又は送信共振コイルである。例えば、共振方式の場合、送信誘導コイルと送信共振コイルとの両方が用いられることに対して、電磁気誘導方式の場合、送信誘導コイルだけが用いられる。

送信コイル１４は、第１の磁石１２を囲むように配置される。送信コイル１４は、多数の巻き回数（number of turns）を有し、隣接する送信コイル１４の間は離隔することができるが、これに限定されない。送信コイル１４は、仮想の水平面に平行に配置される。このような構造を有する送信コイル１４の中央領域は、空いている。

第１の磁石１２は、送信コイル１４の中央領域に配置される。第１の磁石１２の厚さは、送信コイル１４の厚さと同じであるか、これよりも大きいか小さいことがある。第１の磁石１２に求められる磁束密度の強さと、第１の磁石の占有面積によって、第１の磁石１２の厚さと、第１の磁石１２の面積とは、変化する。

端末機２０は、遮蔽部材２６と、受信コイル３２と、第２の磁石３０とを含む。受信コイル３２及び第２の磁石３０は、同一面上に配置される。

受信コイル３２は、図１に示している受信共振コイル及び/又は受信誘導コイルである。例えば、共振方式の場合、受信共振コイル及び受信誘導コイルの両方が用いられることに対して、電磁気誘導方式の場合、受信誘導コイルだけが用いられる。

受信コイル３２は、第２の磁石３０を囲むように配置される。受信コイル３２は、多数の巻き回数を有し、隣接する受信コイル３２の間は離隔することができる。受信コイル３２は、仮想の水平面に平行に配置される。このような構造を有する受信コイル３２の中央領域は、空いている。

第２の磁石３０は、受信コイル３２の中央領域に配置される。受信コイル３２の中央領域は、送信コイル１４の中央領域よりも小さいが、これに限定されない。第２の磁石３０の厚さは、受信コイル３２の厚さと同じであるか、これよりも大きいか小さいことがある。第２の磁石３０に求められる磁束密度の強さと、第２の磁石３０の占有面積とによって、第２の磁石３０の厚さと、第２の磁石３０の面積とは、変化する。

第２の磁石３０は、端末機２０の近接・接触の可否を、据置台１０によって感知するようにする。

このような感知のために、据置台１０は、ホールセンサ１６を更に含む。ホールセンサ１６は、据置台１０の上面と第１の磁石１２との間に配置されるが、これに限定されない。ホールセンサ１６は、第１の磁石１２よりも、据置台１０の上面に隣接配置される。ホールセンサ１６は、据置台１０の第１の磁石１２と、端末機２０の第２の磁石３０との間の据置台１０に配置される。ホールセンサ１６は、端末機２０がない場合は、第１の磁石１２の磁束密度の強さだけを感知する。しかし、端末機２０が据置台１０に近づく場合、ホールセンサ１６は、第１の磁石１２の磁束密度の強さだけでなく、第２の磁石３０の磁束密度の強さも感知する。そこで、据置台１０は、端末機２０がない場合に感知される第１の磁石１２の磁束密度の強さを基準に、端末機２０が据置台１０上に置かれた場合に感知される第１の磁石１２の磁束密度の強さ、及び第２の磁石３０の磁束密度の強さを感知して、その磁束密度の変化幅（α）が閾値以上である場合、端末機２０が、充電のために、据置台１０に置かれたことと判断して、端末機２０に対する充電が行われる。

このために、第２の磁石３０は、閾値以上の磁束密度の変化幅（α）を誘発する物質からなることができる。例えば、閾値は、３２Ｇであり、標準で要求する閾値は、４０Ｇである。

第２の磁石３０は、電磁鋼板である。例えば、電磁鋼板は、少なくとも１％乃至５％のケイ素（Ｓｉ）を含有するが、これに限定されない。標準や顧客社で要求する閾値以上の磁束密度の変化幅（α）が誘発するように、第２の磁石３０のケイ素の含有量は、変化する。

例えば、受信コイル３２と第２の磁石３０は、粘着剤２８を用いて、遮蔽部材２６の背面に取り付けられる。遮蔽部材２６上には、電力ソース、交流電力生成部、及び制御部を含む電子部品が実装された印刷回路基板が配置される。

遮蔽部材２６は、コイルによって誘導された磁場を遮蔽することで、磁場が電子部品に影響しないようにして、電子部品の誤動作を防止する。

図８は、本発明による無線電力伝送システムに対するブロック図である。

図５乃至図８を参照すると、無線電力伝送システムは、据置台１０と、端末機２０とを含む。

据置台１０と端末機２０の外観形状については、先に説明しているので、以下では、据置台１０及び端末機２０に内蔵された回路構成について、説明することにする。

据置台１０は、電力ソース１８、交流電力生成部１９と、制御部１７と、送信コイル１４と、第１の磁石１２と、ホールセンサ１６とを含む。

電力ソースは、図１における電力ソースであり、送信コイル１４は、図１における送信誘導コイル及び/又は送信共振コイルである。

電力ソースは、交流電力、又は直流電力を生成する。電力ソースは、交流電力を第１の直流電力に変換し、変換された第１の直流電力を、第２の直流電力に変換することができる。

交流電力生成部１９は、制御部１７の制御の下に、電力ソースの電力を交流電力に変換することができる。交流電力生成部１９で変換された交流電力が、送信コイル１４を通じて端末機２０に送信される。

制御部１７は、ホールセンサ１６から検出された磁束密度の強さ（Ｂ１、Ｂ２）の変化を基に、交流電力生成部１９を制御することができる。

図１０を参照して、電圧信号検出について説明する。

図１０に示しているように、ホールセンサ１６は、据置台１０に含まれた第１の磁石１２の磁束密度（Ｂ１）の強さを検出することができる。ホールセンサ１６は、端末機２０が据置台１０に置かれた場合、端末機２０に含まれた第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）の強さを検出することができる。図１０では、第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）の強さが、第１の磁石１２の磁束密度（Ｂ１）の強さよりも小さく示されているが、第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）の強さが、第１の磁石１２の磁束密度（Ｂ１）の強さと同一であるか、第１の磁石１２の磁束密度（Ｂ１）の強さよりも大きいことがある。

ホールセンサ１６は、第１の磁石１２の磁束密度（Ｂ１）の強さ、及び第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）の強さのそれぞれを電気信号に変換して、制御部１７に提供することができる。例えば、電気信号は、電圧信号であるが、これに限定されない。例えば、１Ｇの磁束密度を、５ｍＶの電圧信号に変換することができる。例えば、第１の磁石１２の磁束密度（Ｂ１）の強さが、１０Ｇである場合、ホールセンサ１６は、第１の磁石１２で検出された１０Ｇの磁束密度（Ｂ１）の強さを、５０ｍＶの電圧信号に変換し、変換された電圧信号を制御部１７に提供することができる。

制御部１７は、端末機２０がない場合、すなわち、ホールセンサ１６によって、第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）の強さが感知されない距離以上に位置しているときは、第１の磁石１２の磁束密度（Ｂ１）の強さに対する第１の電圧信号（Ｓ１）が検出される。

端末機２０の第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）の強さが、据置台１０のホールセンサ１６によって感知可能な感知可能区間（Ｐ）内に移動すると、ホールセンサ１６から、第１の磁石１２の磁束密度（Ｂ１）だけでなく、第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）の強さが合わせられた第２の電圧信号（Ｓ２）が検出される。

第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）の強さが感知されない距離と、感知可能区間（Ｐ）の間の境界地点を、感知不能臨界地点（Ｑ）と称する。端末機２０と据置台１０との間の距離が、感知不能臨界地点（Ｑ）よりも大きくなると、ホールセンサ１６によって、第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）の強さが感知されなくなる。端末機２０と据置台１０との間の距離が、感知不能臨界地点（Ｑ）よりも小さくなると、すなわち、感知可能区間（Ｐ）内に収めると、ホールセンサ１６によって、第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）の強さが感知される。

第２の電圧信号（Ｓ２）は、端末機２０が据置台１０に近づくほど、線形的に増加する。

第２の電圧信号（Ｓ２）は、一定の地点からは飽和して、一定のレベルを有する。一定の地点から、第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）の強さが最大となる。第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）は、第２の磁石３０から一定の距離まで最大に維持され、その距離以上からは、逐次減少する。

そこで、端末機２０が据置台１０に近接して、磁束密度（Ｂ２）の強さが最大の領域に進入すると、この領域で検出されたホールセンサ１６の第２の電圧信号（Ｓ２）は、更に増加することなく、一定のレベルに維持される。すなわち、端末機２０が据置台１０に置かれていても、第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）の強さは、最大以上に増加しないため、このような第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）の強さと、第１の磁石１２の磁束密度（Ｂ１）の強さとが合わせられた第２の電圧信号（Ｓ２）は、一定のレベルに維持することができる。

端末機２０が据置台１０に置かれると、すなわち、端末機２０と据置台１０との間の距離が、０である場合、第１の磁石１２の磁束密度（Ｂ１）の強さと、第２の磁石３０の磁束密度（Ｂ２）の強さに対する第２の電圧信号（Ｓ２）が、一定のレベルで検出される。このような場合、第２の電圧信号（Ｓ２）は、第１の電圧信号（Ｓ１）よりも大きい。

第２の電圧信号（Ｓ２）と、第１の電圧信号（Ｓ１）との差は、変化幅（α）で定義される。

例えば、このように、第２の電圧信号（Ｓ２）と第１の電圧信号（Ｓ１）の変化幅（α）が、既設定された閾値よりも大きいと、制御部１７は、端末機２０が据置台１０に置かれたことと判断し、交流電力生成部１９を制御して、交流電力が送信コイル１４を通じて送信されるように制御する。

端末機２０は、受信コイル３２と、整流部３４と、バッテリー３６と、第２の磁石３０とを含む。

受信コイル３２は、図１における受信共振コイル及び/又は受信誘導コイルであり、バッテリー３６は、図１における負荷端である。

受信コイル３２は、据置台１０の送信コイル１４から提供された交流電力を受信する。

整流部３４は、受信コイル３２から提供された交流電力を平滑化し、ノイズを除去した直流電力に変換する。

端末機２０は、整流部３４とバッテリー３６の間に連結され、整流部３４で変換された直流電力を、バッテリー３６で要求する定格電力又は定格電圧に変換するＤＣ-ＤＣ変換部（図示せず）を更に含む。

端末機２０は、インバンド通信又はアウトオブバンド通信を用いて、据置台１０と通信を行うことで、据置台１０に、端末機２０に要求される電力の強さの増減や、端末機２０の現在充電状態の情報などを提供することができる。

図示していないが、端末機２０は、受信される交流電力やバッテリー３６の状態を感知して、バッテリー３６に過電力が供給されないように管理する管理モジュールと、全体として制御を行う制御部とを更に含むことができる。

図９は、本発明による無線電力伝送システムの動作方法を説明するフローチャートである。

図８及び図９を参照すると、据置台１０の制御部１７は、端末機２０が据置台１０に置かれない場合に、何らの交流電力も放射せず、内部の必須構成要素、例えば、ホールセンサ１６だけを駆動して、電流消費を最小化するスリープモード（sleep mode）として運用する。

制御部１７は、ホールセンサ１６の駆動によって、ホールセンサ１６から、第１の磁石１２の磁束密度に対する第１の電圧信号（Ｓ１）を提供される。

制御部１７は、磁束密度の変化があるか否かを確認する。すなわち、制御部１７は、ホールセンサ１６から提供される第１の電圧信号（Ｓ１）よりも大きい第２の電圧信号（Ｓ２）が提供されるかを確認する。もし、端末機２０が据置台１０に近づくことにおいて、端末機２０が近づくほど、ホールセンサ１６から検出された第２の電圧信号（Ｓ２）は増加することがある。第２の電圧信号（Ｓ２）は、第１の磁石１２の磁束密度の強さ（Ｂ１）だけでなく、第２の磁石３０の磁束密度の強さ（Ｂ２）も反映した信号である。例えば、第２の電圧信号（Ｓ２）は、第１の磁石１２の磁束密度の強さ（Ｂ１）と、第２の磁石３０の磁束密度の強さ（Ｂ２）との和から変換することができるが、これに限定されない。

第２の電圧信号（Ｓ２）は、第１の電圧信号（Ｓ１）から増加することがある。そこで、第２の電圧信号（Ｓ２）と第１の電圧信号（Ｓ１）の間の変化幅（α）は、図１０に示しているように、端末機２０が据置台１０に近づくほど、大きくなる。

制御部１７は、第２の電圧信号（Ｓ２）と第１の電圧信号（Ｓ１）の間の変化幅（α）が、閾値以上であるか否かを確認する。

その結果、その変化幅（α）が閾値以上の場合、制御部１７は、スリープモードをウェイクアップモード（wake-up mode）に切り換える。

ウェイクアップモードは、電力を端末機２０に送信するために活性化する過程である。

ウェイクアップモードに切り換わると、制御部１７は、無線充電を行う。すなわち、制御部１７の制御の下に、電力ソースから電力が提供される。交流電力生成部１９は、電力ソースの電力から交流電力を生成し、生成された交流電力は、送信コイル１４を通じて端末機２０に送信される。

以下では、本発明による端末機２０に含まれた第２の磁石３０の最適の配置設計構造について、説明することにする。

端末機２０に含まれた受信コイル３２は、巻線（winding）コイル構造（図１１）と、リードフレームコイル構造（図１２）とに区分される。

巻線コイル３２Ａとリードフレームコイル３２Ｂとの大差は、パッドの存在有無にある。すなわち、巻線コイルは、パッドが存在しないことに対して、リードフレームコイル３２Ｂは、パッド４５、４７が存在する。

巻線コイル３２Ａは、一端４１から開始して、既設定された巻数分だけ、逐次径が小さくなるように巻装した後、他端４３が複数巻数のコイルを横切って、巻線コイル３２Ａの一端４１の近くに引き出すことができる。

リードフレームコイル３２Ｂにおいて、一端４１は、第１のパッド４５に連結され、他端４３は、第２のパッド４７に連結される。リードフレームコイル３２Ｂの一端４１から開始して、既設定された巻数分だけ、逐次径が小さくなるように巻装した後、他端４３に連結することができる。このような場合、他端４３に連結した第２のパッド４７は、複数巻数のコイル内に配置される。

上述したように、巻線コイル３２Ａとリードフレームコイル３２Ｂとは、その中央領域は、空いている空間を有する。リードフレームコイル３２Ｂの他端４３に連結された第２のパッド４７は、中央領域内に配置される。

巻線コイル３２Ａの中央領域の径をＤ３とし、リードフレームコイル３２Ｂの中央領域の径をＤ４とする。

巻線コイル３２Ａの中央領域には、パッドが存在しないので、第２の磁石３０Ａは、中央領域の径（Ｄ３）にほぼ近接した径（Ｄ１）を有する。

これに対して、リードフレームコイル３２Ｂの第２のパッド４７が中央領域に配置されるので、第２の磁石３０Ｂは、中央領域の径（Ｄ４）よりも小さい径（Ｄ２）を有する。

そこで、巻線コイル３２Ａの中央領域に配置される第２の磁石３０Ａの径（Ｄ１）が、リードフレームコイル３２Ｂの中央領域の第２の磁石３０Ｂの径（Ｄ２）よりも大きい。

図１３は、リードフレームコイル構造における第２の磁石の配置による磁束密度の強さを示す図である。

実験のために、下記表１のようなサンプルを用いている。第２の磁石３０Ｂの厚さは、１５０ｍｍとして固定した。

ここで、可用面積とは、第２の磁石３０Ｂが配置される面積であり、中央領域にパッドが配置されるか否かによって、変化する。リードフレーム構造では、中央領域に第２のパッド４７が存在することに対して、巻線フレーム構造では、中央領域に第２のパッド４７が存在しないので、リードフレーム構造における可用面積が、巻線コイル３２Ａ構造における可用面積よりも小さくなる。このような場合、同一径の第２の磁石３０Ｂが配置される場合、可用面積対比第２の磁石３０Ｂの面積の割合は、リードフレームコイル構造が、巻線コイル３２Ａ構造より大きくなる。

図１３において、Ｘ１〜Ｘ５は、第２の磁石３０Ｂの径を示し、Ｘ１は、第２の磁石３０Ｂの径が８ｍｍ、Ｘ２は、第２の磁石３０Ｂの径が９ｍｍである。また、Ｘ３、Ｘ４、及びＸ５のそれぞれは、第２の磁石３０Ｂの径が、１０ｍｍ、１１ｍｍ、及び１２ｍｍである。

横軸は、端末機２０の後面カバー２４の厚さを示し、縦軸は、第２の磁石３０Ｂの磁束密度の強さ（Ｂ２）から変換した電圧値を示す。電圧値は、磁束密度の強さ（Ｂ２）に、５を乗じて算出することができる。例えば、第２の磁石３０Ｂの磁束密度の強さ（Ｂ２）が３０Ｇの場合、電圧値は、１２０ｍＶである。

図１３におけるＡ１は、標準規格で要求する望ましい電圧値であって、２００ｍＶであり、Ａ２は、標準規格で要求する推奨電圧値であって、１６０ｍＶである。２００ｍＶの望ましい電圧値を得るために、第２の磁石３０Ｂは、４０Ｇの磁束密度の強さ（Ｂ２）を有するべきであり、１６０ｍＶの推奨電圧値を得るために、第２の磁石３０Ｂは、３２Ｇの磁束密度の強さ（Ｂ２）を有するべきである。推奨電圧値は、端末機のような製品に適用しても、不良が生じないため、ユーザが安心して端末機を使用することができる最小値である。望ましい電圧値は、最上の品質を保証することができる最大値である。

標準規格を満たすためには、推奨電圧値（１６０ｍＶ）以上となるように、第２の磁石３０Ｂの配置構造を有する必要がある。

図１３に示しているように、後面カバー２４の厚さは、０.５ｍｍ乃至０.８ｍｍでいずれも、第２の磁石３０Ｂの磁束密度の強さ（Ｂ２）は、１６０ｍＶを超えている。

合わせて、後面カバー２４の厚さが０.５ｍｍ乃至０.７ｍｍの場合、第２の磁石３０の径が８ｍｍ乃至１２ｍｍでいずれも、第２の磁石３０Ｂの磁束密度の強さ（Ｂ２）は、１６０ｍＶを超えている。

後面カバー２４の厚さが０.８ｍｍの場合、第２の磁石３０Ｂの径が９ｍｍ乃至１２ｍｍでいずれも、第２の磁石３０Ｂの磁束密度の強さ（Ｂ２）が、１６０ｍＶを超えている。但し、第２の磁石３０Ｂの径が８ｍｍの場合、第２の磁石３０Ｂの磁束密度の強さ（Ｂ２）は、１６０ｍＶ以下となっている。

第２の磁石３０Ｂの径が、１２ｍｍ以上になると、第２の磁石３０Ｂの磁束密度の強さ（Ｂ２）は、より大きくなる。しかし、第２の磁石３０Ｂの径が大きくなればなるほど、電力受信効率が低下することがある。すなわち、据置台１０から送信された電力が効率よく受信されることで、電力受信効率が向上する。しかし、第２の磁石３０Ｂの径が大きくなると磁束密度は大きくなるが、このように大きくなる磁束密度は、むしろ、端末機２０の受信コイル３２Ｂによる電流生成を妨げることになり、端末機２０で据置台１０の電力を効率よく受信できなくなることがある。

そこで、端末機２０の電力受信効率が保障されると、第２の磁石３０Ｂの径が１２ｍｍ以上となり得る。このような場合でも、第２の磁石３０Ｂの最大径は、可用面積によって求めた直径を超えることはできない。例えば、可用面積が１３０ｍｍ^２であるとすると、可用面積は、３.１４ｒ^２あるので、半径（ｒ）は、６.４３ｍｍとなり、可用面積の径（Ｄ）は、２ｒであるので、１２.８６ｍｍとなり得る。

もし、端末機２０の電力受信効率が保障されないと、第２の磁石３０Ｂの径は、１２ｍｍ以下に設定することが望ましい。

一方、表２は、巻線コイル構造における第２の磁石３０Ａの配置規格を示している。

表２に示しているように、巻線コイル構造における第２の磁石３０Ａの配置規格は、リードフレームコイル構造における第２の磁石３０Ｂの配置規格と同一である。但し、前述したように、巻線コイル３２Ａには、パッドが存在しないので、巻線コイル３２Ａの中央領域にパッドがない。これによって、巻線コイル３２Ａの中央領域は、専ら、第２の磁石３０Ａのための配置空間として活用することができる。そこで、巻線コイル３２Ａの中央領域の全体が可用面積となる。これにより、可用面積対比第２の磁石３０Ａの面積割合が、巻線コイル構造がリードフレームコイル構造よりも小さい。例えば、表１に示しているように、リードフレーム構造における可用面積対比第２の磁石３０Ｂの面積割合は、４４％乃至１００％であることに対して、表２に示しているように、巻線コイル構造における可用面積対比第２の磁石３０Ａの面積割合は、２２％乃至５０％である。

表２において、巻線コイル構造における第２の磁石３０Ａの磁束密度の強さ（Ｂ２）に対する実験データが示されてはいないが、巻線コイル構造における第２の磁石３０Ａの磁束密度の強さ（Ｂ２）も、図１３に示しているリードフレーム構造における第２の磁石３０Ｂの磁束密度の強さ（Ｂ２）と類似した傾向を示していることが十分予想される。

前述した本発明による方法は、コンピュータで実行するためのプログラムとして製作されて、コンピュータ読取り可能な記録媒体に格納することができる。コンピュータ読取り可能な記録媒体の例としては、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ-ＲＯＭ、磁気テープ、フロッピー（登録商標）ディスク、光データ格納装置などがあり、また、搬送波（例えば、インターネットを通じた伝送）の形態として具現することも含む。

コンピュータ読取り可能な記録媒体は、ネットワークで連結されたコンピュータシステムに分散され、分散方式でコンピュータ読取り可能なコードが格納され実行される。そして、前述した方法を具現するための機能的な（function）プログラム、コード、及びコードセグメントは、本発明が属する技術分野のプログラマーによって、容易に推論することができる。

また、以上では、望ましい実施例について説明したが、本発明の技術的思想は、上述した特定の実施例に限ることなく、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって、様々な変形実施が可能であることは言うまでもなく、このような変形実施が、本発明の技術的思想や見込から個別的に理解されてはいけない。

１０：据置台
１２、３０、３０Ａ、３０Ｂ：磁石
１４：送信コイル
１６：ホールセンサ
１７：制御部
１９：交流電力生成部
２０：端末機
２２：前面カバー
２４：後面カバー
２６：遮蔽部材
２８：粘着剤
３２、３２Ａ、３２Ｂ：受信コイル
３４：整流部
３６：バッテリー
４１：一端
４３：他端
４５、４７：パッド
１００：電力ソース
２００：無線電力送信装置
２１０：送信誘導コイル
２２０：送信共振コイル
３００：無線電力受信装置
３１０：受信共振コイル
３２０：受信誘導コイル
３３０：整流部
４００：負荷端

Claims (15)

1. 無線電力送信装置から無線で電力を受信する無線電力受信装置であって、
   前記電力を受信するコイルと、
   前記無線電力送信装置のセンサによって感知される磁束密度の強さを変化させる電磁鋼板と、
   前記コイル及び前記電磁鋼板の上面に配置される遮蔽部材とを含み、
   前記コイルは、空いている中央領域を有し、
   前記電磁鋼板は、前記コイルの前記中央領域に配置され、前記無線電力送信装置の磁石の磁場によって前記磁束密度を発生させ、
   前記コイル及び前記電磁鋼板は、粘着剤を介して前記遮蔽部材の背面に付着される無線電力受信装置。
2. 前記センサによって感知される前記磁束密度の強さの閾値は、３２Ｇ以上である請求項１に記載の無線電力受信装置。
3. 前記電磁鋼板は、１％乃至５％のケイ素（Ｓｉ）を含有する請求項１に記載の無線電力受信装置。
4. 前記電磁鋼板の直径は、８ｍｍ乃至１２ｍｍである請求項１乃至３のいずれか一項に記載の無線電力受信装置。
5. 据置台から無線で電力を受信する端末機であって、
   前記据置台に対向して配置されるカバーと、
   前記電力を受信するために、前記カバー上に配置されるコイルと、
   前記据置台のセンサによって感知される磁束密度の強さを変化させる電磁鋼板と、
   前記コイル及び前記電磁鋼板の上面に配置される遮蔽部材とを含み、
   前記電磁鋼板は、前記コイルによって囲まれ、前記コイルの中央領域に配置され、前記据置台の磁石の磁場によって前記磁束密度を発生させ、
   前記コイル及び前記電磁鋼板は、粘着剤を介して前記遮蔽部材の背面に付着される端末機。
6. 前記センサによって感知される前記磁束密度の強さの閾値は、３２Ｇ以上である請求項５に記載の端末機。
7. 前記電磁鋼板は、１％乃至５％のケイ素（Ｓｉ）を含有する請求項５に記載の端末機。
8. 前記カバーの厚さは、０.５ｍｍ乃至０.８ｍｍである請求項５に記載の端末機。
9. 前記電磁鋼板の直径は、８ｍｍ乃至１２ｍｍである請求項５乃至８のいずれか一項に記載の端末機。
10. 前記コイルは、巻線コイル構造、及びリードフレームコイル構造の１つである請求項５乃至８のいずれか一項に記載の端末機。
11. 電力ソースと、
    前記電力ソースから電力を受信して、交流電力を生成する交流電力生成部と、
    前記交流電力生成部で生成された交流電力を、無線電力受信装置に送信する送信コイルと、
    前記送信コイルの中央領域に配置された磁石と、
    前記無線電力受信装置の電磁鋼板によって変化する磁石の磁束密度を検出するセンサと、
    前記磁束密度が予め定められた閾値以上である場合、前記交流電力が前記無線電力受信装置に送信されるように前記送信コイルを制御する制御部とを含む無線電力送信装置。
12. 前記制御部は、前記センサから検出された前記磁石と、前記電磁鋼板の磁束密度の強さのそれぞれに対応する電気信号を受信する請求項１１に記載の無線電力送信装置。
13. 前記制御部は、前記電気信号に応答して、スリープモードからウェイクアップモードに切り換える請求項１２に記載の無線電力送信装置。
14. 前記制御部は、前記電気信号に応答して、前記交流電力生成部を制御する請求項１２に記載の無線電力送信装置。
15. 前記センサによって検出される前記磁束密度の強さの閾値は、３２Ｇ以上である請求項１１に記載の無線電力送信装置。