JP6112305B2 - 充電装置 - Google Patents

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Description

本開示は、二次電池を内蔵する被充電機器が設置され、電磁誘導作用により電力を伝送して二次電池を充電する充電装置に関する。
特許文献1には、被充電機器に受電用コイルが内蔵され、電力伝送を行う充電装置には送電用コイルと受電用コイルの位置検出を行う充電台が設けられた構造が開示されている。
特許文献2には、非接触ICカード、Bluetooth(登録商標)、赤外線通信などの非接触タイプの近距離通信手段を備えた携帯電話機を無接点充電方式によって充電を行う無接点充電装置が開示されている。
特開2011−4474号公報 特開2011−83057号公報
本開示は、被充電機器がおこなう通信電波への影響を軽減しつつ、無線通信機能を備えた機器を充電するのに有効な充電装置を提供する。
本開示における充電装置は、電磁誘導により二次電池を有する被充電機器へ電力を伝送して前記二次電池を充電する充電装置であって、当該充電装置に載置された前記被充電機器が有する受電用コイルの位置を検出する位置検出部と、自装置周辺に発生した電波または磁界の減衰を防止する減衰防止部と、を備え、前記位置検出部は複数列に配置されたコイルを備え、前記減衰防止部は所定の周波数の電波または磁界を減衰させる共振回路であり、前記減衰防止部の共振回路が前記位置検出部のコイルに設けられている
本開示における充電装置は、無線通信機能を備えた被充電機器がおこなう通信電波への影響を軽減しつつ、被充電機器を充電するのに有効である。
実施の形態1に係る非接触充電装置および携帯電話の状態の一例を示す外観図 実施の形態1に係る非接触充電装置および携帯電話の各内部構成を示すブロック図 実施の形態1に係る非接触充電装置が備える位置検出部の内部構成を示すブロック図 実施の形態1に係るBEFの回路構成の一例を示す図 実施の形態1に係るBEFの回路構成の他の例を示す図 実施の形態1に係るBEFの回路構成の他の例を示す図 実施の形態1に係る非接触充電装置による携帯電話の検出から非接触充電実施までの動作を示すフローチャート 実施の形態2に係る非接触充電装置および携帯電話の各内部構成を示すブロック図 実施の形態2に係る非接触充電装置が備える位置検出部とNFC制御部と切替部の内部構成を示すブロック図 実施の形態2に係る位置検出コイルに発生する磁界と反磁界の概要図 実施の形態2に係る位置検出コイルに配置するBEFの実装状態を示すブロック図 実施の形態2に係る位置検出コイルに発生する磁界とBEFを挿入することによる効果を示す図 実施の形態2に係る位置検出回路周辺の回路構成を示す図 実施の形態2に係る位置検出コイルに出力される波形を示す図 実施の形態2に係る非接触充電装置による携帯電話の検出から非接触充電及びNFC通信実施までの動作を示すフローチャート 実施の形態2に係る位置検出コイルと充電台の相対サイズを示す図
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、発明者らは、当業者が実施の形態を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
(実施の形態1)
まず、実施の形態1について説明する。
図1は、実施の形態1に係る非接触充電装置100および携帯電話150の状態の一例を示す外観図である。図1に示されている状態は、非接触充電装置100の上面を構成する充電台101上に携帯電話150が載せられた状態である。なお、この状態で、非接触充電装置100は、電磁誘導効果における非接触電力伝送を利用して、被充電機器としての携帯電話150の二次電池に電力を供給することで、いわゆる非接触充電を行っている。すなわち、非接触充電装置100の充電台101に携帯電話150を載せるか近づけることにより、非接触充電が行われる。
図2は、非接触充電装置100および携帯電話150の各内部構成を示すブロック図である。図2に示すように、充電台101の内面には、充電台101に置かれた携帯電話150の位置検出のための複数のコイルを有する位置検出部201が配置される。このため、充電台101は、高周波にとって金属板と同等の物理的特性を持つ。すなわち、被充電機器である携帯電話150を充電台101に置いた場合、携帯電話150が無線通信を行う電波(自装置周辺に発生した電波)によって位置検出部201のコイルに高周波電流が流れるため、電波のエネルギー損失が生じる。これが、携帯電話150が無線通信を行う電波の強度低下の一因となる。
本実施形態では、非接触充電装置100の充電台101に置かれた携帯電話150が使用する電波の強度低下を抑制する。そのため、図2に示すように、非接触充電装置100は、充電台101と、電源回路204と、位置検出部201と、非接触充電回路部210と、コイル移動機構207とを有する。また、携帯電話150は、特定の周波数帯を用いた無線通信が可能な通信手段を有する電子機器であり、受電用コイル251と、二次電池257と、並列共振回路258と、充電制御回路253とを有する。
以下、非接触充電装置100の各構成要素について説明する。
電源回路204は、商用電源や車両に搭載されたバッテリ等の外部電源から非接触充電装置100に供給される電力を非接触充電装置100で使用する態様に変換する。位置検出部201は、充電台101上に置かれた携帯電話150の位置を検出する。なお、携帯電話150の位置とは、正確には、充電台101の面上における受電用コイル251の位置である。
非接触充電回路部210は、携帯電話150に非接触で電力を供給する。非接触充電回路部210は、充電制御回路205と、発振回路206と、送電用コイル208とを有する。充電制御回路205は、発振回路206を介して高周波電流を発生させ、送電用コイル208に高周波電流を流す。図1に示した状態で送電用コイル208に高周波電流が流れると、携帯電話150の受電用コイル251に誘導起電力が発生する。なお、充電制御回路205は、携帯電話150の二次電池257の充電状態を検知する充電検知機能を有し、充電完了を判断しても良い。
コイル移動機構207は、充電台101に沿って、位置検出部201が検出した携帯電話150の位置に送電用コイル208を接近させる。コイル移動機構207は、充電台101が構成する面のX軸方向に送電用コイル208を移動させるX軸サーボモータと、Y軸方向に送電用コイル208を移動させるY軸サーボモータとから成る。
図3は、非接触充電装置100が備える位置検出部201の内部構成を示すブロック図である。図3に示すように、位置検出部201は、位置検出コイル313と、BEF316と、位置検出回路311と、コイル移動機構制御回路312と、共振周波数切り替え回路314と、共振周波数可変制御回路315とを備える。
位置検出コイル313は、充電台101の内面に所定の間隔で配置された複数列のコイルである。位置検出コイル313は、非接触充電回路部210が有する送電用コイル208と携帯電話150の受電用コイル251のX軸方向の位置を検出する複数のX軸検出コイル313Aと、送電用コイル208と受電用コイル251のY軸方向の位置を検出する複数のY軸検出コイル313Bとを備える。なお、隣接する各軸検出コイルの間隔は、受電用コイル251の外径よりも小さい。当該間隔を狭くすれば、受電用コイル251の位置を正確に検出することができる。
位置検出コイル313のコイル間には、携帯電話150が無線通信に使用する電波の周波数において、電気長で1/2波長以下の間隔でLC並列共振回路で構成されるBEF(Band-elimination filter)316が設けられている。このため、BEF316における共振周波数で、携帯電話150が無線通信に使用する周波数帯への影響を低減するバンドストップフィルタリング機能が有効に作用する。BEF316は、共振周波数可変制御回路315からの制御によって、共振周波数が可変な回路を構成する。
図4は、BEF316の回路構成の一例を示す図である。BEF316の共振周波数は、コンデンサ316Aの静電容量とコイル316Bのインダクタンス値の積に依存する。したがって、BEF316の共振周波数の制御は、静電容量とインダクタンス値を制御することで行われる。
図5は、BEF316の回路構成の他の例を示す図である。図5の例では、BEF316を構成する静電容量素子が、可変容量コンデンサ316A’である。可変容量コンデンサ316A’に逆方向電圧を印加すれば静電容量を制御できる。したがって、共振周波数可変制御回路315が、位置検出部201が有する全てのBEF316の可変容量コンデンサ316A’へ印加する電圧を制御することで、BEF316の共振周波数を変更できる。このため、コイル316B’と可変容量コンデンサ316A’を一つずつ配置するだけで、部品点数が少ない共振周波数が可変なBEF316を実現できる。
図6は、BEF316の回路構成の他の例を示す図である。図6の例では、複数のコンデンサ316A”及びコイル316B”が並列に配置され、共振周波数可変制御回路315がスイッチ317のオンオフを制御することでBEF316の共振周波数を制御できる。この構成では、前出の例に比べて部品点数が多くなってしまうが、静電容量及びインダクタンス値の両方を制御することができるため、より高精度に共振周波数の制御が可能である。
位置検出回路311は、位置検出コイル313から出力したパルス信号で携帯電話150の並列共振回路258を励起し、受電用コイル251からのエコー信号を受信して、携帯電話150の受電用コイル251の位置を検出する。なお、受電用コイル251からのエコー信号のレベルは、位置検出コイル313と受電用コイル251の相対位置によって変動する。このため、位置検出回路311は、パルス信号を出力する各位置検出コイル313との相対距離に基づいて、充電台101上の携帯電話150の位置を検出することができる。
コイル移動機構制御回路312は、位置検出回路311が検出した受電用コイル251の位置に応じて、コイル移動機構207を制御する。すなわち、コイル移動機構制御回路312は、コイル移動機構207を構成する各軸方向のサーボモータの制御を行う。
共振周波数切り替え回路314は、手動による入力スイッチの切り替えに応じて、BEF316の共振周波数を変更する動作に関わる制御を行うよう、共振周波数可変制御回路315に指示して周波数を決定する構成としている。なお、BEF316の共振周波数を変更する目的は、BEF316の共振周波数で携帯電話150が無線通信に使用する周波数帯への影響を低減することである。
なお、共振周波数切り替え回路314が通信機能を備える場合、携帯電話150の使用周波数帯毎のIDを携帯電話150に予め設定しておけば、共振周波数切り替え回路314が携帯電話150と無線通信を行うことでIDを取得して、当該IDに対応する周波数に合わせて、BEF316の共振周波数を変更するよう指示しても良い。
共振周波数可変制御回路315は、共振周波数切り替え回路314からの指示に応じて、BEF316の静電容量及びインダクタンス値のいずれか又は両方を変更して、BEF316の共振周波数を制御する。
上記説明した充電制御回路205、コイル移動機構制御回路312及び共振周波数制御回路315は、動作処理を記述したコンピュータプログラムを実行するマイコンなどによって実現される。すなわち、マイコンのCPU、ROM、RAMを用いてCPUがROMに格納されたコンピュータプログラムを、RAMを作業領域として用いながら実行する。非接触充電装置100において、充電制御回路205、コイル移動機構制御回路312及び共振周波数制御回路315は同一のマイコンによって実現される構成であっても良い。
以下、本実施の形態の非接触充電装置100による携帯電話150の検出から非接触充電実施までの動作について、図7を参照して説明する。図7に示すように、外部電源から非接触充電装置100への電力供給が開始されると、電源回路204が非接触充電装置100用の電力変換を行い、非接触充電装置100が起動する(ステップS40)。なお、外部電源投入後、非接触充電装置100が備える手動スイッチ等によって非接触充電装置100が起動してもよい。
次に、位置検出部201は、充電台101の上に携帯電話150が在るか否かの判断を行い、充電台101の上に携帯電話150が在ればその位置を検出する(ステップS41)。なお、携帯電話150の位置検出は、位置検出回路311が位置検出コイル313から出力したパルス信号で携帯電話150の並列共振回路258を励起し、受電用コイル251からのエコー信号を受信することによって行われる。ステップS41で携帯電話150の位置が検出できれば、ステップS42に進む。なお、携帯電話150の位置とは、正確には、充電台101の面上における受電用コイル251の位置である。一方、ステップS41で携帯電話150の位置が検出できなければステップS48に進む。ステップS48では、非接触充電装置100は待機状態に移行する。
ステップS42では、共振周波数切り替え回路314は、携帯電話150が無線通信に使用する電波の周波数帯に合わせて、BEF316の共振周波数を決定する。次に、共振周波数制御回路315は、BEF316の共振周波数がステップS42で決定した周波数となるよう、BEF316の静電容量及びインダクタンス値のいずれか又は両方を制御する(ステップS43)。
次に、コイル移動機構制御回路312は、ステップS41で検出した携帯電話150の位置に基づいてコイル移動機構207を制御して、携帯電話150の受電用コイル251の位置に送電用コイル208を接近させる(ステップS44)。次に、非接触充電回路部210は送電用コイル208に高周波電流を流し、送電用コイル208と受電用コイル251の間における電磁誘導作用によって受電用コイル251に誘導起電力を発生させることで、携帯電話150の二次電池257の充電を開始する(ステップS45)。
次に、位置検出部201は、充電台101の上に携帯電話150が在るか否かの判断を行い、充電台101の上に携帯電話150が在ればその位置を検出する(ステップS46)。ステップS46で携帯電話150の位置が検出できれば、ステップS47に進んで非接触充電を継続する。一方、ステップS46で携帯電話150の位置が検出できなければ、ステップS48に進んで、非接触充電装置100が待機状態に移行する。
以上説明したように、本実施の形態の非接触充電装置100は、充電台101内面に配置されたBEF316の共振周波数を携帯電話150が無線通信に使用する電波の周波数に合わせる。このため、前記周波数におけるバンドストップフィルタがBEF316に構成される。その結果、携帯電話150は、前記周波数における電波の強度低下が抑制された状態で充電される。
位置検出コイル313に携帯電話150が無線通信に使用する周波数帯のバンドストップフィルタが形成されることで、携帯電話150が使用する周波数帯の電波による高周波電流が位置検出コイル313上を流れない。このため、携帯電話150が使用する電波のエネルギー損失を抑制できる。
以上、本実施の形態の充電装置は、BEFが充電台付近などの自装置周辺に発生した特定周波数の電波の減衰を防止する減衰防止部として作用するため、被充電機器が使用する電波の強度低下を抑制しつつ非接触充電を行うことができる。
(実施の形態2)
次に、実施の形態2について説明する。ただし、実施の形態1にて説明したものと同じ構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図1に示す状態において、非接触充電装置100は、携帯電話150がNFC(Near Field Communication)機能を搭載している場合、電磁誘導効果を利用して無線通信の一つである近距離無線通信(以下、NFC通信という)を行う。
NFC通信により、携帯電話150と非接触充電装置100に接続される外部機器との間で種々の情報通信を行うことができる。
例えば、外部機器としてカーナビゲーション装置が非接触充電装置100に接続されている場合、携帯電話150で設定した目的地情報をカーナビゲーションにNFC通信によって送信することにより、カーナビゲーションの目的地設定ができるなど、通信の内容が多々考えられる。
ただし、携帯電話150と外部機器との間で行なわれるNFC通信の通信内容については本実施の形態の趣旨から外れるため、詳細な説明を省略する。
NFC通信では13.56MHzの搬送波を使用し、アンテナコイルに発生する磁界を利用してデータの送受信を行う。そのためNFCでの通信を行うためには充電台あるいは充電台近傍に13.56MHzの周波数の磁界を発生させるアンテナコイルが必要となる。
本実施の形態の充電装置は、充電台の内部に多数配置される位置検出コイルのうち一つをNFCで使用するアンテナコイルとして兼用してNFCの機能を持たせる。
したがって、位置検出コイルをアンテナコイルとして兼用させるため、従来の充電台にNFC用のアンテナを新しく追加することなく、NFC機能を充電台に搭載することができる。
そのため、モノや設備を配置するために場所を確保し易い一般家庭やオフィスなどの室内で本実施の形態の充電装置を活用することはもとより、特に、スペースが限られた自動車や輸送機に本実施の形態の充電装置を備えることは、有用である。
図8は、非接触充電装置100および携帯電話150の各内部構成を示すブロック図である。
図8に示すように、非接触充電装置100は、携帯電話150が載置される側に充電台を備えている。
充電台101の内面側(装置の内部側)には、充電台101に置かれた携帯電話150の位置を検出するための複数のコイルを有する位置検出部201と、携帯電話150との間でNFC通信を実施するためのNFC制御部202とが配置される。
さらに、位置検出部201の複数のコイルのうちの一つを位置検出用コイルおよびNFC用コイルとして用いるために、このコイルを各機能に応じて切り替えるための切替部203が配置される。
非接触充電装置100は他にも、電源回路204と充電制御回路205と発振回路206とコイル移動機構207と送電用コイル208と外部機器接続部209を有する。
外部機器接続部209は、前述の非接触充電装置100に接続される外部機器と自装置とを接続するものである。すなわち、外部機器は外部機器接続部209を介して位置検出部201及びNFC制御部202との間で双方向通信を行う。
また、携帯電話150は、特定の周波数を用いた無線通信が可能な通信手段を有する電子機器であり、受電用コイル251と受電用共振回路252と、充電制御回路253と、近距離通信アンテナとしてのNFC用アンテナコイル254とNFC用共振回路255とNFC制御回路256、二次電池257とを有する。
以下、非接触充電装置100の各構成要素について説明する。
図9は、非接触充電装置100が備える位置検出部201および近距離通信制御部としてのNFC制御部202の内部構造を示すブロック図である。
図9に示すように、位置検出部201は位置検出コイル301と位置検出制御回路302と切替部203によって制御されるスイッチ303を備え、NFC制御部202はNFC制御回路304と切替部203によって制御されるスイッチ305を備える。
また、位置検出部201およびNFC制御部202は、位置検出コイル301と、位置検出制御回路302とコイル移動機構207とNFC制御回路304と切替部203と切替部203が制御をするスイッチ303、スイッチ305とを備える。
位置検出コイル301は、充電台101の内面に所定の間隔で配置された複数列のコイルである。
位置検出コイル301は、送電用コイル208と携帯電話150の受電用コイル251のX軸方向の位置を検出する複数のX軸方向位置検出コイル301Aと、送電用コイル208と受電用コイル251のY軸方向の位置を検出する複数のY軸方向位置検出コイル301Bとを備える。
なお、隣接する各軸検出コイルの間隔は、受電用コイルの外径よりも小さい。当該間隔を狭くすれば、受電用コイル251の位置を正確に検出することができる。
ここで、本実施の形態では複数配置される位置検出コイル301のうちの一つをNFC用アンテナコイルとして利用することで機能を兼用させる(図9の301´)。
図9に示す通り充電台101に複数配置される位置検出コイル301は充電台101のX軸方向およびY軸方向にそれぞれ配置されており各軸方向の位置検出コイルは交差している。
したがってNFC用アンテナコイルとして兼用する位置検出コイル301´(以下、NFC兼用位置検出コイルと呼ぶ)にも直交する位置検出コイルが複数存在する(図9の301A)。
一般的に、NFCは送信側のアンテナコイルが13.56MHzの磁界を発生させる。受信側のアンテナコイルをこの磁界による磁束が通過することで受信側のアンテナコイルに誘導起電力が発生し、この電力を利用して通信を行う。
従って、送信側のコイルに発生する磁界には、受信側に搭載されるICを起動させるのに必要な電力を発生させるだけの磁界の強度が必要となる。
また、受信側のアンテナコイルに発生する誘導起電力は受信側のアンテナコイルを通過する磁界の強度に比例する。
NFC兼用位置検出コイル301´に対して複数のX軸方向位置検出コイル301Aが交差しているため、NFC兼用位置検出コイル301´が発生させる13.56MHzの磁束は、交差する複数のX軸方向位置検出コイル301Aもまた通過することになる。
従ってNFC兼用位置検出コイル301´に交差する複数のX軸方向位置検出コイル301Aは、図10に示すようにNFC兼用位置検出コイル301´が発生させる磁界(自装置周辺に発生した磁界)401を受けて、電磁誘導効果によりコイル周辺に磁界を発生させる。この磁界の方向はNFC兼用位置検出コイル301´が発生させる磁界とは反対方向である(以下、これを反磁界402と呼ぶ。)。
この反磁界402によって、本来のNFC通信に必要な磁界401が減衰されてしまう。磁界401が減衰されることにより、受信側のNFC用アンテナコイル254に発生する誘導起電力も低下してしまう。
受信側の回路に発生する起電力が低下することで、通信が不安定になり携帯電話150のNFC制御回路256との間で通信エラーが生じたり、通信が出来なくなる。
そこで本実施の形態の非接触充電装置では、NFC通信に必要な磁界401の減衰を防止するために、図11に示すように減衰防止部としてNFC兼用位置検出コイル301´に交差する複数のX軸方向位置検出コイル301AにLC並列共振回路で構成されるBEF(Band-elimination filter)501を直列接続する。
図11に示す例では、NFC兼用位置検出コイル301´とX軸方向位置検出コイル301Aが交差する箇所にBEF501を配置しているが、BEF501が配置される箇所はこの位置に限定される必要はなく、NFC兼用位置検出コイル301´以外のコイル301上の任意の箇所にBEF501が直列接続される構成であれば良い。
BEFは回路上の特定の周波数のみを減衰させるLC並列共振回路である。そこで、BEFで減衰させる所定の周波数をNFCで使用する13.56MHzの搬送波と同じ周波数とする。
これにより、図12に示すようにNFC用アンテナコイルが発生させる13.56MHzの磁界がBEF501を直列接続するX軸方向位置検出コイル301Aを通過しても高周波電流の発生を抑制することができ、反磁界の発生も抑制することが可能となる。
本実施の形態では、便宜上、Y軸方向位置検出コイルであるNFC兼用位置検出コイル301´に対して、NFC兼用位置検出コイル301´に交差する複数のX軸方向位置検出コイル301AにのみBEFを直列接続する例を説明した。
ただし、NFC兼用位置検出コイル301´に近接する、または重なって配置されるY軸方向位置検出コイル301B上にBEFを挿入する構成としてもよい。
より詳細には、図9、図11に示される例において、互いに平行な複数のコイルが重ならずに整列されたものを例示しているが、これらのコイルが重なる(コイルによって閉じられる領域が重なる)ように配列されることによって、携帯電話150の受電用コイル251の位置検出精度を向上させることができる。
この場合(コイルが重なる場合)、NFC兼用位置検出コイル301´を除くY軸方向位置検出コイル301Bの任意のコイル(重なるコイル)にBEFを挿入することで、任意のコイル(重なるコイル)による反磁界の発生を抑制させることができる。
このとき、301Aまたは301BのコイルがNFC兼用位置検出コイル301´に重なる面積が大きいコイルであるほど、BEFを挿入した時の抑制効果は大きい。したがって位置検出コイル301の配列に応じて(兼用コイルとの重なり度合いを考慮して)、BEFを挿入するコイルが選択されるのが好ましい。
さらに、図11ではBEFを一つのコイル上に複数配置しているが、BEFを挿入する目的はNFC兼用位置検出コイル301´を除くコイル上に、NFCで使用する13.56MHzの電流が流れることを抑止(減衰)することであり、この目的が満たされれば、コイル上に配置されるBEFの個数は限定される必要はない。
以下では、実際に位置検出コイルをNFC用アンテナコイルとして兼用させる際の実装状態について述べる。
本実施の形態の非接触充電装置では、NFC兼用位置検出コイル301´に受電用コイル251の位置検出用とNFC通信用としての異なる周波数を扱うために、図13に示す構成をとる。
図13に示すとおり、切替部203に接続されるスイッチ303、305が制御されることで、NFC兼用位置検出コイル301´の機能が切り替えられる。
NFC兼用位置検出コイル301´は切替部203がスイッチ303をオンし、かつ、スイッチ305をオフした時には位置検出用コイルとしての機能を持つ(この状態を状態1と呼ぶ)。
NFC兼用位置検出コイル301´が位置検出用コイルとして機能する場合は、位置検出制御回路302から出力されるパルス信号で携帯電話150の受電用共振回路252を励起し、受電用コイル251から再放出される磁界(以下、エコー信号と呼ぶ)を受信して、携帯電話150の受電用コイル251の位置を検出するための複数の位置検出コイルの一つとして機能する。
ここで、受電用コイル251からのエコー信号のレベルは、位置検出コイル301と受電用コイル251の相対位置によって変動する。
このため、位置検出制御回路302は、パルス信号を出力する各位置検出コイル301と受電用コイル251の相対距離に応じて異なるエコー信号のレベルに基づいて、充電台101上の携帯電話150の位置を検出することができる。
従ってNFC兼用位置検出コイル301´を位置検出コイルとして機能させる場合、NFC兼用位置検出コイル301´は携帯電話150の受電用共振回路252を共振させるパルス信号、及び受電用コイルから出力されるエコー信号を位置検出制御回路302へ伝送する経路となる。
次に、切替部203がスイッチ303をオフし、かつ、スイッチ305をオンした時にはNFC兼用位置検出コイル301´はNFC用アンテナコイルとしての機能を持つ(この状態を状態2と呼ぶ)。
NFC制御回路304はNFCで所望の通信を行う際に13.56MHzの搬送波を制御し出力するNFC制御IC701と、NFC制御IC701とNFC兼用位置検出コイル301´との間までの経路でインピーダンスマッチングを実施するマッチング回路702から構成される。
NFCは13.56MHzの搬送波を通信に使用する。従ってマッチング回路702でインピーダンスマッチングを行い、NFC制御IC701から出力される搬送波の周波数で共振するようにマッチング回路702のインピーダンスが予め調整される。
本実施の形態においては、インピーダンスマッチングはマッチング回路702に実装するコンデンサやコイルといった受動部品が使用される。
NFC制御回路304と携帯電話150に搭載されているNFC制御回路256とは、ぞれぞれのアンテナコイルを介してNFC通信を行う。
NFC制御IC701と携帯電話150に搭載されているNFC制御回路256とは、ぞれぞれのアンテナコイルを介して通信を行い、通信結果に応じた所望の動作を行う。切替部203は、スイッチ303、305を制御して状態1と状態2とを切り替える。
図14にスイッチ303、305を制御して状態1と状態2を切り替える際の、時間軸とNFC兼用位置検出コイル301´に出力される信号の関係を示す。
図14の区間1ではNFC兼用位置検出コイル301´は状態1となっており携帯電話150に搭載される受電用コイル251の位置を検出するためのパルス波を位置検出コイル301に出力する。
図14ではNFC兼用位置検出コイル301´に出力される信号を示しているが、区間1の破線で示す位置検出用のパルス波形はX軸方向位置検出コイル301AおよびY軸方向位置検出コイル301Bに出力されるパルス波形を図9に示す位置検出コイルに倣って便宜的に示している。
区間1の期間では、非接触充電装置100に設置されている受電用コイル251の位置座標を検出するために、位置検出制御回路302のスイッチの切替制御によってX軸方向位置検出コイル301AおよびY軸方向位置検出コイル301Bを構成する各位置検出コイルにパルス信号を出力する。
なお、図14に示す例ではX軸方向位置検出コイル301AおよびY軸方向位置検出コイル301Bへ順にパルス信号を出力する方法を例示しているが、この方法に限られる必要は無い。
例えば、区間1において、先ずX軸方向位置検出コイル301Aにパルス信号を出力して受電用コイル251が検出された時のみ、次にY軸方向位置検出コイル301Bにパルス信号を出力する方法が考えられる。
すなわちX軸方向位置検出コイル301Aにパルス信号を出力し、エコー信号が検出されなければ区間1を終了するといった方法を採用してもよく、この場合、受電用コイル251が充電台に設置されていない時の区間1の時間を短くすることができる。
位置検出コイル301にパルス信号が出力されてから、受電用コイル251の位置座標を検出した場合またはエコー信号が検出されず受電用コイル251が非接触充電装置100に設置されていないと位置検出制御回路302が判定した場合、切替部203がスイッチ303をオフし、かつ、スイッチ305をオンにすることで区間2(状態2)に遷移する。
次に、図14に示す区間2ではNFC兼用アンテナコイルが状態2に遷移したときの状態を示す。
区間2では13.56MHzの搬送波を使用して、NFC制御回路304と携帯電話150に搭載されたNFC制御回路256との間でNFC通信を行う。
この区間2で、NFC制御IC701は、NFC通信のターゲットとなる機器を検出するために所定の期間ポーリングを行う。携帯電話150に搭載されるNFC制御回路256は、送られてくる13.56MHzの搬送波を負荷変調することでレスポンスコマンドをNFC制御IC701に送信する。
従って区間2において、このレスポンスコマンドが検出されない場合、携帯電話150にはNFC機能が搭載されていないとNFC制御IC701が判定する。
携帯電話150にNFC機能が搭載されていないと判定されたり、携帯電話150に搭載されるNFC制御回路256との間でのNFC通信が終了した時点で、区間2から再び区間1に遷移する。
以下、本実施の形態の非接触充電装置100による携帯電話150の検出から非接触充電実施およびNFC通信の実施までの動作について、図15を参照して説明する。
商用電源などの外部電源から非接触充電装置100への電力供給が開始されると、電源回路204は非接触充電装置100で使用する態様に電力を変換し、非接触充電装置100が起動する(ステップS10)。
ただし、外部電源投入後、非接触充電装置100が備える手動スイッチ等によって非接触充電装置100が起動してもよい。
非接触充電装置100の起動後、切替部203がスイッチ303、305の制御を行いNFC兼用位置検出コイル301´を状態1へ遷移させる(ステップS11)。なお、本実施の形態ではこの状態を初期状態と呼ぶ。
状態1への遷移後、ステップS12において位置検出部201は、区間1の間に充電台101の上に携帯電話150が在るか否かの判断を行う。
ステップS12にて、充電台101の上に携帯電話150が在ればその位置を検出する。
携帯電話150の位置検出は、位置検出部201が位置検出コイル301から出力したパルス信号で携帯電話150の受電用共振回路252を励起し、受電用コイル251からのエコー信号を受信することによって行われる。
なお、携帯電話150の位置とは、正確には、充電台101の面上における受電用コイル251の位置である。
エコー信号の受信により、受電用コイル251が充電台上に設置されていると位置検出制御回路302が判定すると(ステップS12のYES)、位置検出制御回路に実装されるメモリに受電用コイル251の位置座標を記憶する(ステップS13)。
ステップS12で受電用コイルが検出されない場合またはステップS13終了後、切替部203がスイッチ303およびスイッチ305を制御することによってNFC兼用位置検出コイル301´は状態2に遷移する(ステップS14)。
ステップS14で状態2に遷移した後、区間2においてNFC制御回路304と携帯電話150に搭載されたNFC制御回路256との間でNFC通信を行う。
この区間2で、NFC制御IC701は、NFC通信のターゲットとなる機器を検出するために所定の期間ポーリングを行うことによって、非接触充電装置100に載置された携帯電話150がNFCの機能を備えているか否かを判定する(ステップS15)。
携帯電話150に搭載されるNFC制御回路256は、送られてくる13.56MHzの搬送波を負荷変調することでレスポンスコマンドをNFC制御IC701に送信する。従って区間2において、このレスポンスコマンドが検出されない場合、携帯電話150にはNFC機能が搭載されていないとNFC制御IC701が判定する(ステップS15のNO)。
ステップS15にて、携帯電話150にNFC機能が搭載されていると判定した場合は、NFC通信を開始する(ステップS16)。
ステップ16にてNFC通信を開始した後、逐次NFC通信が終了したか否かの判定処理を続ける(ステップS17)。
携帯電話150にNFC機能が搭載されていないと判定された場合(ステップS15のNO)または携帯電話150に搭載されるNFC制御回路256との間でのNFC通信が終了した時点(ステップS17のYES)で区間2から再び区間1に遷移する(ステップS18)。
再度状態1に遷移した際に、位置検出制御回路302がステップS12で受電用コイル251を検出しているか否か、すなわち位置検出制御回路302に実装されるメモリに受電用コイル251の位置座標が格納されているか否かでフローが変化する(ステップS19)。
ステップS19では、ステップS12で受電用コイル251が検出された場合、ステップS21に進み位置検出制御回路302がコイル移動機構207を制御して受電用コイル251の位置に送電用コイル208を接近させる。
ステップS19にて位置座標が記憶されていないと判定されると(ステップ19のNO)、初期状態に戻る。従って、受電用コイル251が検出されない限り、NFC兼用位置検出コイル301´はステップS12〜ステップS19のフローを繰り返す。
ステップS22では、送電用コイル208の移動が完了したか否かを判定する。移動が完了しなければ(ステップS22のNO)、ステップS21に処理を戻して送電用コイル208の移動を続ける。
ステップS21及びステップS22を経て、受電用コイル251の位置に送電用コイル208が移動し終わった後(ステップS22のYES)、充電制御回路205が発振回路206を介して高周波電流を発生させ、送電用コイル208に高周波電流を流す。
図1に示した状態で送電用コイル208に高周波電流が流れると、携帯電話150の受電用コイル251に誘導起電力が発生し充電を開始する(ステップS23)。
さらに、充電中に外部機器接続部209に接続される外部機器より非接触充電装置100に対して携帯電話150とNFC通信を実施する要求が来たか否かを判定する(ステップS24)。
携帯電話150の充電中に、外部機器よりNFC通信の要求が来ると(ステップS24のYES)、切替部203はスイッチ303およびスイッチ305を制御してNFC兼用位置検出コイル301´を状態2に遷移させる(ステップS25)。
その後のフローであるステップS26〜ステップS29は前述のステップS15〜ステップS18と同様の動作を行う。
なお、ステップS26〜ステップS29の処理を行なっている間は、送電用コイル208の充電動作を停止させる処理を行なう、または、NFC兼用位置検出コイル301´に対して送電用コイル208の距離を離すという制御を行なう、あるいは、この充電停止の処理と送電用コイル208に対する移動制御の両方を行なうようにしてもよい。
このようにすることで、送電用コイル208が放出する磁界がNFC通信に使用する磁界に及ぼす影響を低減することが可能となる。
ただしこの場合、NFC通信終了からステップS30の前までに送電用コイル208を受電用コイル251の位置に移動させる処理が必要となる。
また、ステップS26で位置検出制御回路302がNFC通信のターゲットとなる機器が検出されない場合、位置検出制御回路302から外部機器接続部209を介して外部機器に、ターゲットとなる機器が検出されていないといった情報を伝送してもよい。
ステップS26〜ステップS29のフローの後、充電動作を継続する(ステップS30)。これにより携帯電話150の充電中でもNFC通信を実施することが可能となる。
最後にステップS31において、充電動作中に送電用コイル208上に受電用コイル251がなくなると、充電制御回路205は充電動作を停止する。従って、充電制御回路205が充電動作を行っている間はステップS24からステップS31を繰り返し実施する。
ステップS31において充電制御回路205が充電動作を停止すると、初期状態に戻り、受電用コイル251の検出動作を実施する。
以上のフローにより、非接触充電装置100に設置される携帯電話150に対する充電動作とNFC通信を実現する。
本フローによって、「非接触充電機能は搭載するが、NFC機能は非搭載である携帯電話」に対しても充電動作を実現することが可能である。
また、「充電機能は非搭載であるが、NFC機能は搭載する携帯電話」に対してもステップS12からステップS19を繰り返すことで、NFC通信を実施することが可能となる。
以上の動作によって、非接触充電装置100は充電台に乗せられる携帯電話に搭載される機能に応じた所望の動作を実施する事が可能である。
また、ここで示した処理フローは実施の一例であり、充電台に設置される携帯電話に搭載される機能に応じてユーザーが、充電装置に搭載される手動スイッチ等を切り替えることで状態1と状態2を切り替える、としてもよい。
次に図16を用いて本実施形態の充電台の大きさについて、説明する。図16に携帯電話150と充電台101の相対サイズを示す。本実施の形態の充電台は主として携帯電話の充電に用いるものを考慮しており、さまざまな大きさの携帯電話を想定して充電台のサイズが設計される必要がある。
一般的に携帯電話は正方形〜長方形といった幾何形状の枠に収まる形状をしている。そこで充電台101の形状を長方形としたときに、携帯電話150に対する充電台101の相対サイズが重要になる。
磁界強度は磁界を発生させるアンテナのサイズに依存する。そのため携帯電話150に搭載されるNFC用アンテナコイル254は、携帯電話150の筐体内部で可能な限り大きなサイズとなるように配置される。
図16に示す例では、携帯電話150のNFC用アンテナコイル254が携帯電話150の中心に重なるように配置されている事を想定している。
NFCの通信は一方のアンテナが発生させる磁界がもう一方のアンテナを通過することによる誘導起電力を利用して通信を行う。
したがって、通信を行うアンテナ同士が重なりあう領域が大きいほど磁界強度は上がり、感度は上昇する。
図16に示すように、充電台101の短辺方向の長さLcを携帯電話150の短辺方向の長さLmよりも大きくとり、かつ、携帯電話の短辺方向の長さLmとNFC兼用位置検出コイル301´の間隔Dlとの和よりも充電台101の短辺方向の長さLcを小さくする。
ただし、充電台101の長辺方向とNFC兼用位置検出コイル301´の長手方向とは並行になるように各々が配置されている。
また、NFC兼用位置検出コイル301´の「間隔Dl」とは、「NFC兼用位置検出コイル301´が励起する磁場の短辺方向(充電台の短辺方向)の幅」とも換言することができるもので、図16に示す例では、NFC兼用位置検出コイル301´の長手方向の一方の直線と一方の直線に対向する他方の直線との距離である。
実質的には、NFC兼用位置検出コイル301´が励起させる磁場が携帯電話150の短辺方向にどれだけの幅(あるいは長さ)を占有しているかによってNFC兼用位置検出コイルの間隔Dlが考慮されることが好ましい。
このように充電台のサイズが設定されることにより、NFC兼用位置検出コイル301´に対して、携帯電話150のNFC用アンテナコイル254が常に半分以上重なることとなる。
したがって、充電台のサイズを携帯電話のサイズに対して上述のように規定し、さらに、充電台の短辺方向に配置される複数のY軸方向位置検出コイル301Bの中央に配置される位置検出コイルを、NFC兼用位置検出コイル301´とすることで、充電台のどの位置に携帯電話を置いても、NFC通信を行うアンテナ同士が重なり合い、通信を行うことが可能となる。
すなわち、携帯電話の位置に関わらず充電機能とNFC機能を両立することができる。以上説明したとおり、本実施の形態ではNFC用アンテナコイルとして機能させる位置検出コイルに交差する、複数の位置検出コイルにBEF(Band Eliminate Filter)を直列接続し、さらに、BEFを用いて減衰させる周波数をNFCで使用する13.56MHzの搬送波と同じ周波数とした。
これにより、NFC用アンテナコイルが発生させる13.56MHzの磁界がBEFを配置する位置検出コイルを通過しても、位置検出コイル上に発生する13.56MHzの高周波電流が抑制される。
したがって、高周波電流による電磁誘導効果によって位置検出コイルから生成される反磁界も抑制することが可能となる。
すなわち、本実施の形態の充電装置によれば、NFC通信用アンテナコイルとして機能させる位置検出コイルに交差する位置検出コイル周辺に発生する反磁界の発生を抑制し、充電機能とNFC通信を両立することができる。
なお、近距離無線通信(NFC通信)で使用する搬送波は13.56MHzに限られることなく、本実施の形態の充電装置は、電磁誘導を利用して通信を行う機器のアンテナに適応できる。
以上、本実施の形態の充電装置は、無線通信機能を有する被充電機器が使用する電波への影響を軽減しつつ、被充電機器を充電するのに有効である。
なお、以上の説明において、実施の形態1および2に記載の内容を任意に組み合わせてもよい。本変形例によれば、実施例1および2を任意に組み合わせた効果を得ることができる。
2012年2月29日出願の特願2012−044027の日本出願、および、2012年9月6日出願の特願2012−195860の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
本開示の充電装置は、無線通信機能を有した被充電機器の非接触充電装置等として有用である。具体的には、携帯電話やスマートフォンなどを充電する非接触充電装置として有用である。
100 非接触充電装置
101 充電台
150 携帯電話(被充電機器の一例)
201 位置検出部
202 NFC制御部
203 切替部
204 電源回路
205 充電制御回路
206 発振回路
207 コイル移動機構
208 送電用コイル
209 外部機器接続部
210 非接触充電回路部
251 受電用コイル
252 受電用共振回路
253 充電制御回路
254 NFC用アンテナコイル
255 NFC用共振回路
256 NFC制御回路
257 二次電池
258 並列共振回路
301 位置検出コイル
301A X軸方向位置検出コイル
301B Y軸方向位置検出コイル
301´ NFC兼用位置検出コイル
302 位置検出制御回路
303 スイッチ
304 NFC制御回路
305 スイッチ
311 位置検出回路
312 コイル移動機構制御回路
313 位置検出コイル
313A X軸検出コイル
313B Y軸検出コイル
314 共振周波数切り替え回路
315 共振周波数可変制御回路
316 BEF
316A、316A” コンデンサ
316A’ 可変容量コンデンサ
316B、316B’、316B” コイル
317 スイッチ
401 磁界
402 反磁界
501 BEF
701 NFC制御IC
702 マッチング回路
Lc 充電台の短辺方向の長さ
Lm 携帯電話の短辺方向の長さ
Dl NFC兼用位置検出コイルの間隔

Claims (10)

  1. 電磁誘導により二次電池を有する被充電機器へ電力を伝送して前記二次電池を充電する充電装置であって、
    当該充電装置に載置された前記被充電機器が有する受電用コイルの位置を検出する位置検出部と、
    自装置周辺に発生した電波または磁界の減衰を防止する減衰防止部と、を備え、
    前記位置検出部は複数列に配置されたコイルを備え、
    前記減衰防止部は所定の周波数の電波または磁界を減衰させる共振回路であり、
    前記減衰防止部の共振回路が前記位置検出部のコイルに設けられた、
    充電装置。
  2. 電磁誘導により二次電池を有する被充電機器へ電力を伝送して前記二次電池を充電する充電装置であって、
    当該充電装置に載置された前記被充電機器が有する受電用コイルの位置を検出する位置検出部を備え、
    前記位置検出部は、
    所定の間隔で配置された複数列のコイルと、
    前記複数列のコイルに設けられるLC並列共振回路と、を有し、
    前記LC並列共振回路の共振周波数は、前記被充電機器が無線通信に使用する電波の周波数帯に含まれる周波数である、
    充電装置。
  3. 前記LC並列共振回路の共振周波数を所定の周波数に変化させる共振周波数可変制御回路と、を有し、
    前記共振周波数可変制御回路は、前記所定の周波数を前記被充電機器が無線通信に使用する電波の周波数帯に含まれる周波数に変化させる、
    請求項に記載の充電装置。
  4. 前記位置検出部は、前記所定の周波数を決定する共振周波数切り替え回路を有し、
    前記共振周波数可変制御回路は、前記共振周波数切り替え回路からの指示に応じて、前記LC並列共振回路の共振周波数を制御する、
    請求項に記載の充電装置。
  5. 前記共振周波数切り替え回路は、手動による入力スイッチの切り替えに応じて、前記所定の周波数を決定する、
    請求項に記載の充電装置。
  6. 前記共振周波数切り替え回路は、前記被充電機器との通信機能を備え、前記被充電機器が無線通信に使用する周波数毎に割り当てられたIDを識別することで、前記所定の周波数を決定する、
    請求項に記載の充電装置。
  7. 電磁誘導によって前記被充電機器と外部機器とが近距離通信するための近距離通信アンテナを備え、
    前記近距離通信アンテナは、前記位置検出部の複数のコイルのいずれかである、
    請求項に記載の充電装置。
  8. 前記近距離通信アンテナに接続されて前記被充電機器と前記外部機器との近距離通信を実行する近距離通信制御部と、
    前記位置検出部と前記近距離通信制御部との動作を切り替える切替部と、を備えた、
    請求項に記載の充電装置。
  9. 前記位置検出部のコイルを内面側に配置し、前記被充電機器が載置される充電台を備え、
    前記充電台の短辺方向の長さは、前記被充電機器の短辺方向の長さよりも大きく、かつ、前記被充電機器の短辺方向の長さと前記近距離通信アンテナの間隔との和よりも小さい、
    請求項に記載の充電装置。
  10. 前記位置検出部のコイルは、所定の間隔で前記充電台の縦方向および横方向に複数列配置され、前記近距離通信アンテナである前記位置検出部のコイルは、前記複数列の位置検出部のコイルのうち短辺方向の中央に配置される、
    請求項に記載の充電装置。
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