JP6121644B2 - 受電機器及び無線給電システム - Google Patents
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Description
技術分野は、容量結合方式を利用した受電機器、及び容量結合方式の無線給電システムに関する。
近年、電気を原動力とする電子デバイスは、携帯電話、ノート型のパーソナルコンピュータなどのモバイル機器に代表されるように、携帯して利用することが多い。また、環境面においてもクリーンで安全であるとの観点から、電気を原動力とした自転車や自動車などの移動手段が開発されている。
このように外出先などの移動先で、または移動しながら用いる電子デバイスや移動手段においては、各戸に配電されている商用電源から常に有線で電力を供給することは困難である。よって、携帯用電子デバイスや移動手段は、あらかじめ商用電源から電力を充電したバッテリーを搭載し、当該バッテリーから電力を供給することによって動作している。
よって、電子デバイスの動作時間はバッテリーの蓄電量によって制限され、連続して長時間利用するには、利用者は、予備のバッテリーを用意するか、移動先においてバッテリーを再充電できる商用電源を探す必要があった。そのため、商用電源のない場合でもバッテリーへの給電が行えるように、非接触方式による給電システムが提案されている。
非接触方式による給電システムとして、電磁誘導方式、電磁波送信方式、電磁場共鳴方式、電界結合方式、などがある。
電磁誘導方式とは、隣接するコイルのうち一方のコイルに電流を流すことにより発生する磁束を媒介して、他方のコイルに起電力を発生させる方式である。電磁波送信方式とは、供給電力を電磁波に変換し、アンテナを介してマイクロ波などで送信する方式である。そして、電磁場共鳴方式は、電磁波の共鳴現象を利用する方式である。
また、電界結合方式は、容量結合方式とも呼ばれ、送電側の機器と受電側の機器のそれぞれに電極を設け、電極間に発生する電界を利用して電力を伝送する方式である。電界結合方式は、高い伝送効率を有し、受電側の機器の配置位置に比較的大きなマージンを持つ点で注目されている。
電界結合方式の給電システムとして、例えば、特許文献１には、誘電性物質を介して電気を搬送する装置が開示されている。特許文献１に開示されている装置では、図５に示すように、高圧高周波発生器５０１は、一方の端子が受動電極５０２に連結され、他方の端子が能動電極５０３（「発生電極」ともいう。）に連結されている。能動電極５０３は受動電極５０２よりもサイズが小さい。また、能動電極５０３は、エネルギーが集中する強い場のゾーン５０４を生成する。
高圧高周波電荷５０５は、一方では電極５０６（「起電電極」ともいう。）に連結され、他方では電極５０７（「受動電極」ともいう。）に連結されている。電極５０６は、強い場のゾーン５０４に配置されている。
また、電界結合方式の給電システムでは、高周波ノイズによって、受電機器又は送電機器の静電破壊や誤動作を引き起こすことがある。高周波ノイズとしては、例えば、静電気放電（ＥＳＤ：Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）や、大気中に存在する電磁波などが挙げられる。
そこで、高周波ノイズの影響を抑える手法の一つとして、給電システムの受電機器又は送電機器に、高周波ノイズを遮断するためのフィルタを設けることがある。
高周波ノイズを遮断するためのフィルタを給電システムの受電機器に設けると、フィルタの分だけ受電機器が厚くなり、大型化してしまう。
本発明の一態様では、ノイズの影響を受けにくく、小型化された受電機器と、送電機器と、を用いた電界結合方式の無線給電システムを提供することを課題とする。または、本発明の他の一態様では、電界を利用して無線給電を行う、ノイズの影響を受けにくく、小型化された受電機器を提供することを課題とする。
本発明の一態様は、酸化物半導体膜を用いた第１の電極、及びバッテリーを有する受電機器と、第２の電極を有する送電機器と、を有し、第１の電極と第２の電極との間に発生する電界に基づいて生成された電圧によって、バッテリーが充電される容量結合方式の無線給電システムである。また、本発明の他の一態様は、酸化物半導体膜を用いた第１の電極、及びバッテリーを有し、第１の電極と、送電機器が有する第２の電極との間に発生する電界に基づいて生成された電圧によって、バッテリーが充電される受電機器である。
また、本発明の他の一態様は、酸化物半導体膜を用いた第１の電極、バッテリー、及び充電制御回路を有する受電機器と、第２の電極を有する送電機器と、を有し、第１の電極と第２の電極との間に発生する電界に基づいて生成された電圧によって、バッテリーが充電され、充電制御回路から第１の電極に正の直流電圧が印加されることによって、バッテリーの充電が停止される容量結合方式の無線給電システムである。また、本発明の他の一態様は、酸化物半導体膜を用いた第１の電極、バッテリー、及び充電制御回路を有し、第１の電極と、送電機器が有する第２の電極との間に発生する電界に基づいて生成された電圧によって、バッテリーが充電され、充電制御回路から第１の電極に正の直流電圧が印加されることによって、バッテリーの充電が停止される受電機器である。
また、酸化物半導体膜のナトリウム濃度は、５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
また、酸化物半導体膜の水素濃度は、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
また、バッテリーとして、リチウム電池、ニッケル水素電池、ニカド電池、有機ラジカル電池、鉛蓄電池、空気二次電池、ニッケル亜鉛電池、銀亜鉛電池、又はコンデンサを用いてもよい。
また、受電機器が、携帯電話、携帯情報端末、カメラ、コンピュータ、画像再生装置、ＩＣカード、又はＩＣタグに設けられていてもよい。
また、送電機器が、充電シートに設けられていてもよい。
本発明の一態様によって、ノイズの影響を受けにくく、小型化された受電機器と、送電機器と、を用いた電界結合方式の無線給電システムを提供することができる。また、本発明の他の態様によって、電界を利用して無線給電を行う、ノイズの影響を受けにくく、小型化された受電機器を提供することができる。
本発明を説明するための実施の形態の一例について、図面を参照して以下に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではないものとする。なお、図面を参照するにあたり、異なる図面間において、同じものを指し示す符号を共通して用いる場合がある。また、異なる図面間において、同様のものを指し示す際には同じハッチパターンを使用し、符号を付さない場合がある。
なお、各実施の形態の内容を互いに適宜組み合わせることができる。また、各実施の形態の内容を互いに適宜置き換えることができる。
（実施の形態１）
本実施の形態では、電界結合方式の無線給電システムについて、図１を参照して説明する。
本実施の形態では、電界結合方式の無線給電システムについて、図１を参照して説明する。
電界結合方式の無線給電システムは、受電側の電極と送電側の電極とを近接させることで電極間に電界を発生させ、当該電界を利用して電力の供給を非接触で行う。ここで、電極間には容量が発生するため、電界結合方式は容量結合方式とも呼ばれている。
図１に、電界結合方式の無線給電システムの構成の一例を示す。図１の無線給電システムでは、受電機器１０に送電機器２０から電力が供給される。
受電機器１０は、受電側電極１０２、電力変換部１０４、充電回路１０６、電源回路１０８、負荷１１０、バッテリー１１２、及び配線１１４を有する。送電機器２０は、送電側電極２０２、発振器２０４、及び配線２０６を有する。また、図１において、受電側電極１０２と送電側電極２０２の間で発生する電界の集中する領域を領域１５０と示す。
受電側電極１０２として、酸化物半導体膜を用いる。
酸化物半導体膜に用いる酸化物半導体は、少なくともＩｎ、Ｇａ、Ｓｎ及びＺｎから選ばれた一種以上の元素を含有する。
例えば、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物や、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物や、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛などを用いることができる。また、上記酸化物にＩｎとＧａとＳｎとＺｎ以外の元素、例えばＳｉＯ２を含ませてもよい。
酸化物半導体膜は、水素などの不純物が十分に除去され且つ十分な酸素が供給されたものである。具体的には、酸化物半導体膜の水素濃度は、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
このように、水素濃度が十分に低減され且つ十分な酸素の供給されることにより、酸素欠乏に起因するエネルギーギャップ中の欠陥準位が低減された酸化物半導体膜では、キャリア濃度が、１×１０１２／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１．４５×１０１０／ｃｍ３未満となる。このような酸化物半導体膜は、ｉ型化（真性化）または実質的にｉ型化されている。
また、酸化物半導体膜のナトリウム濃度は、５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体膜のリチウム濃度は、５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体膜のカリウム濃度は、５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
リチウム、ナトリウム、アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体にとっては悪性の不純物であり、少ない方がよい。特に、ナトリウムは、酸化物半導体に接する絶縁膜が酸化物であった場合、その中に拡散し、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）となる。また、酸化物半導体内において、金属と酸素の結合を分断し、あるいは結合中に割り込む。したがって、酸化物半導体膜中の水素濃度が５×１０１９ｃｍ−３以下、特に５×１０１８ｃｍ−３以下である場合には、ナトリウム濃度、リチウム濃度、及びカリウム濃度を上記の値にすることが好ましい。
なお、上述の酸化物半導体膜の水素濃度、ナトリウム濃度、リチウム濃度、及びカリウム濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で測定されるものである。
受電側電極１０２として酸化物半導体膜を用いることにより、受電側電極１０２をローパスフィルタ（ＬＰＦ：Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）として機能させることができる。よって、受電側電極１０２によって、ノイズ、または大気中に存在する電磁波から、受電機器１０を保護することができるため、受電機器１０の静電破壊や誤動作などを防止することができる。
このように、受電側電極１０２が高周波を遮断するための機能を有する。よって、高周波ノイズを遮断するためのフィルタを設ける必要がない。したがって、フィルタを設ける場合と比較して受電機器１０を薄くし、小型化することができる。
例えば、送電機器２０において静電気放電（ＥＳＤ）が発生し、受電機器１０に対するノイズになることがある。ここで、酸化物半導体膜を用いた受電側電極１０２によって、静電気放電から受電機器１０を保護することができるため、受電機器１０の静電破壊や誤動作などを防止することができる。
また、大気中に存在する電磁波として、受電機器１０の周辺に配置された電子機器から発生した信号に含まれる高周波成分などがある。ここで、酸化物半導体膜を用いた受電側電極１０２によって、当該電子機器から発生した信号から受電機器１０を保護することができるため、受電機器１０の静電破壊や誤動作などを防止することができる。
なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛などの酸化物を材料として用いることにより、透明な酸化物半導体膜を得ることができる。
そして、透明な酸化物半導体膜を受電側電極１０２として用いることにより、受電機器１０の充電形態の幅を広げることができる。例えば、電界結合方式の無線給電システムを用いた電子機器の表示部に、受電機器１０の受電側電極１０２を設けることができる。この場合、電子機器の表示部を送電機器側に近接させることによって、電子機器の充電を行うことができる。
電力変換部１０４は、領域１５０に基づく交流電圧から直流電圧を生成する。電力変換部１０４として、例えば、整流回路を用いる。
充電回路１０６は、電力変換部１０４が生成した直流電圧によってバッテリー１１２を充電する。また、充電回路１０６から電源回路１０８に直流電圧が供給される。
電源回路１０８は、充電回路１０６から供給された直流電圧を用いて、負荷１１０の駆動に必要な各種電圧を生成し、当該電圧を負荷１１０に供給する。例えば、電力変換部１０４が生成した直流電圧が一定になるように調節して高電源電位Ｖｄｄを生成し、当該高電源電位Ｖｄｄを負荷１１０に供給する。なお、充電回路１０６から十分な電力の供給が受けられない場合は、バッテリー１１２から電力が供給されることによって、高電源電位Ｖｄｄを生成してもよい。
負荷１１０は、電源回路１０８から供給される高電源電位Ｖｄｄを用いて動作する、各種機能を有する回路で構成されている。
なお、負荷１１０の構成は受電機器１０を有する電子機器の種類によって異なる。例えば、携帯電話やカメラなどにおいては、ロジック回路、増幅回路、メモリコントローラなどが負荷１１０に相当する。また、ＩＣカードやＩＣタグなどにおいては、高周波回路及びロジック回路などが負荷１１０に相当する。
バッテリー１１２には、繰り返し充放電可能な電池を用いることができる。バッテリー１１２は、電力変換部１０４が生成した直流電圧が供給されることによって充電が行われ、電源回路１０８を介してバッテリー１１２に充電された電力を負荷１１０に供給することによって放電が行われる。
バッテリー１１２として、例えば、シート状に形成された電池を用いることができる。具体的には、リチウム電池が挙げられる。リチウム電池の中でも、ゲル状電解質を用いるリチウムポリマー電池、リチウムイオン電池、リチウム２次電池などを用いると、装置の小型化を図ることができる。その他にも、ニッケル水素電池、ニカド電池、有機ラジカル電池、鉛蓄電池、空気二次電池、ニッケル亜鉛電池、銀亜鉛電池などの、充放電可能な電池を用いてもよい。またコンデンサを用いてもよく、コンデンサとしては、積層セラミックコンデンサ、電気二重層コンデンサが挙げられる。
送電側電極２０２には、電極として機能する材料を用いることができる。例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、及び酸化錫（ＳｎＯ２）などの透明な材料を用いることができる。または、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタングステン（Ｗ）などの金属、またはこれらを含む合金などを用いることができる。
なお、送電側電極２０２を、薄膜を用いるなどによってフレキシブルな電極にすると、送電機器２０を湾曲したものに設置して使用するなどして応用範囲を広げることができ、また、送電側電極２０２の取り扱いが容易になる。
また、電極として機能する材料として、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、酸化珪素を含むインジウム錫酸化物（ＩＴＳＯ）、酸化インジウム酸化亜鉛（ＩＺＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などの材料を用いることで、送電側電極２０２を透明電極にすることができる。
なお、送電側電極２０２の面積は、受電側電極１０２の面積よりも大きいことが好ましい。送電側電極２０２の面積を大きくすることにより、送電機器２０の充電可能領域を広げることができるため、送電機器２０に対する受電機器１０の位置自由度を向上させることができる。
ここで、位置自由度とは、送電機器２０から離れる方向（Ｚ方向）の自由度ではなく、送電機器２０の送電側電極２０２上（ＸＹ平面）での受電機器１０の配置自由度を指す。
電磁誘導方式の給電システムや電磁場共鳴方式の給電システムでは、電力の供給を確実に行うために、送信側機器と受信側機器とで位置合わせを厳密に行う必要がある。一方、これらの給電システムと比較して、電界結合方式の給電システムでは、受電機器１０が、送電機器２０の充電可能領域（送電側電極２０２上などの、送電側電極２０２と近接する位置）に配置されていればよいため、厳密な位置合わせを行わなくてもよい。よって、受電機器１０の充電を容易に行うことができる。
また、送電側電極２０２の面積を大きくすることにより、１つの送電機器２０に対して複数の受電機器１０を対応させることができるため、１つの送電機器２０を用いて複数の受電機器１０を同時に充電することができる。
発振器２０４は、交流電圧を生成する。発振器２０４として、例えば交流電源を用いる。また、送電側電極２０２と発振器２０４との間に、発振器２０４が生成した信号を増幅するための増幅器を設けてもよい。
配線１１４及び配線２０６にはそれぞれ、低電源電位Ｖｓｓが供給される。なお、低電源電位Ｖｓｓは、高電源電位Ｖｄｄに対してＶｓｓ＜Ｖｄｄの関係を満たす。低電源電位として、例えばＧＮＤ、０Ｖなどに設定することができる。
なお、図１に示す無線給電システムの構成では、構成要素を機能ごとに分類し、互いに独立したブロックとして示しているが、実際の構成要素は機能ごとに完全に切り分けることが困難であり、一つの構成要素が複数の機能に係わることにより、給電システムとして動作することがある。
以上のように、本実施の形態で説明した電界結合方式の無線給電システムでは、受電側電極１０２として酸化物半導体膜を用いることにより、受電側電極１０２をローパスフィルタ（ＬＰＦ）として機能させることができる。そのため、受電側電極１０２によって、ノイズ、または大気中に存在する電磁波から、受電機器１０を保護することができるため、受電機器１０の静電破壊や誤動作などを防止することができる。
また、受電側電極１０２がローパスフィルタ（ＬＰＦ）として機能するため、高周波ノイズを遮断するためのフィルタを設ける必要がない。したがって、フィルタを設ける場合と比較して受電機器１０を薄くし、小型化することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、電界結合方式の無線給電システムについて、図２を参照して説明する。
本実施の形態では、電界結合方式の無線給電システムについて、図２を参照して説明する。
図２に、電界結合方式の無線給電システムの構成の一例を示す。図２の無線給電システムの受電機器１２は、図１の無線給電システムの受電機器１０に充電制御回路１２０を設けたものに相当する。
充電制御回路１２０は、バッテリー１１２の充電・非充電を制御する。なお、本明細書において充電を停止することを非充電という。
ここで、受電側電極１０２として用いる酸化物半導体膜は、正の直流電圧を印加することによって絶縁体として機能する膜になる。よって、充電制御回路１２０から受電側電極１０２に正の直流電圧を印加することにより、バッテリー１１２の充電を停止することができる。なお、正の直流電圧とは、送電側電極２０２に印加される交流電圧の中心電位を基準として、正の電位を有する直流電圧を指す。
そして、バッテリー１１２を充電する場合は、当該正の直流電圧の印加を停止することにより、酸化物半導体膜を導体として機能する膜にする。そして、受電側電極１０２と送電側電極２０２との間で電界を形成することによって、受電機器１０に送電機器２０から電力を供給することにより、バッテリー１１２の充電を行うことができる。
このように、酸化物半導体膜を用いた受電側電極１０２に対する正の直流電圧の印加の有無により、受電機器１２の充電・非充電の制御を容易に行うことができる。
また、バッテリー１１２の充電を行う必要がない場合、充電制御回路１２０によって、受電側電極１０２に用いられている酸化物半導体膜を絶縁体として機能する膜にすることにより、バッテリー１１２に充電された電力の漏洩を防止することができる。
また、充電制御回路１２０は、バッテリー１１２の充電状況を監視する機能を有していてもよい。例えば、充電制御回路１２０は、バッテリーの電圧値をモニタリングすることができる。
そして、バッテリー１１２の電圧値が所定の値を下回っている場合、充電制御回路１２０はバッテリー１１２の充電を行う。また、バッテリー１１２の電圧値が所定の値以上である場合、充電制御回路１２０はバッテリー１１２の充電を停止する。
このように、バッテリー１１２の充電状況に応じて、充電制御回路１２０を用いてバッテリー１１２の充電・非充電を制御することによって、バッテリー１１２の充電を行う際に過充電となるのを防ぐことができる。
また、１つの送電機器２０に対して複数の受電機器１２を対応させる場合、１つの送電機器２０を用いて複数の受電機器１２を同時に充電することができる。ここで、複数の受電機器１２のうち、充電の必要がない受電機器に対して、個別に充電を停止させることもできる。よって、充電の必要がある受電機器に対して、効率的に給電を行うことができる。
以上のように、本実施の形態で説明した電界結合方式の無線給電システムでは、酸化物半導体膜を用いた受電側電極１０２に正の直流電圧を印加することによって、酸化物半導体膜を絶縁体として機能する膜にして、バッテリー１１２への充電を停止することができる。そのため、バッテリー１１２への充電・非充電を容易に制御することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１及び実施の形態２で説明した電界結合方式の無線給電システムに用いられる、受電機器を有する電子機器及び送電機器を有する電子機器について、図３（Ａ）〜図３（Ｆ）、及び図４を参照して説明する。
本実施の形態では、実施の形態１及び実施の形態２で説明した電界結合方式の無線給電システムに用いられる、受電機器を有する電子機器及び送電機器を有する電子機器について、図３（Ａ）〜図３（Ｆ）、及び図４を参照して説明する。
受電機器を有する電子機器として、携帯電話、携帯情報端末（携帯型コンピュータ、携帯型ゲーム機、及び電子書籍など）、カメラ（デジタルビデオカメラ、及びデジタルカメラなど）、コンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（具体的には、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）などの記録媒体を再生し、その画像を表示する表示部を備えた装置）、ＩＣカード、ＩＣタグなどが挙げられる。受電機器を有する電子機器の一例を、図３（Ａ）〜図３（Ｆ）を参照して説明する。
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、携帯電話６５２の一例である。なお、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の裏側を示す図である。携帯電話６５２は、本体６１１、音声出力部６１２、音声入力部６１３、表示部６１４、操作キー６１５、アンテナ６１６、電極６１７などで構成される。また、本体６１１にはバッテリーが内蔵されている。
音声出力部６１２、音声入力部６１３、表示部６１４、及び操作キー６１５などの電子部品が、実施の形態１及び実施の形態２で説明した受電機器が有する負荷に対応する。また、電極６１７が、受電機器が有する受電側電極に対応する。
そして、送電側電極を有する送電機器に携帯電話６５２を近接させることによって、電極６１７と送電側電極との間に電界を発生させ、送電機器から携帯電話６５２に電力を供給することができる。ここで、電極６１７として酸化物半導体膜を用いることにより、ノイズの影響を受けにくく、小型化された携帯電話６５２を得ることができる。
図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）は、携帯型コンピュータ６５４（「ノート型コンピュータ」ともいう。）の一例である。なお、図３（Ｄ）は図３（Ｃ）の裏側を示す図である。携帯型コンピュータ６５４は、本体６２１、筐体６２２、表示部６２３、キーボード６２４、外部接続ポート６２５、ポインティングデバイス６２６、電極６２７などで構成される。また、本体６２１にはバッテリーが内蔵されている。
表示部６２３、キーボード６２４、外部接続ポート６２５、及びポインティングデバイス６２６などの電子部品が、実施の形態１及び実施の形態２で説明した受電機器が有する負荷に対応する。また、電極６２７が、受電機器が有する受電側電極に対応する。
そして、送電側電極を有する送電機器に携帯型コンピュータ６５４を近接させることによって、電極６２７と送電側電極との間に電界を発生させ、送電機器から携帯型コンピュータ６５４に電力を供給することができる。ここで、電極６２７として酸化物半導体膜を用いることにより、ノイズの影響を受けにくく、小型化された携帯型コンピュータ６５４を得ることができる。
なお、図３（Ｄ）において、電極６２７を本体６２１に設けることによって、携帯型コンピュータ６５４を充電しながら操作することができる。または、電極６２７を筐体６２２に設けてもよい。
図３（Ｅ）及び図３（Ｆ）は、デジタルカメラ６５６の一例である。なお、図３（Ｆ）は図３（Ｅ）の裏側を示す図である。デジタルカメラ６５６は、筐体６３１、表示部６３２、レンズ６３３、操作キー６３４、操作キー６３５、電極６３６などで構成される。また、筐体６３１にはバッテリーが内蔵されている。
なお、デジタルカメラ６５６にアンテナなどを設け、アンテナで映像信号や音声信号などの信号を受信することにより、表示部６３２をテレビ受像機などの表示媒体として機能させてもよい。
表示部６３２、操作キー６３４、及び操作キー６３５などの電子部品が、実施の形態１及び実施の形態２で説明した受電機器が有する負荷に対応する。また、電極６３６が、受電機器が有する受電側電極に対応する。
そして、送電側電極を有する送電機器にデジタルカメラ６５６を近接させることによって、電極６３６と送電側電極との間に電界を発生させ、送電機器からデジタルカメラ６５６に電力を供給することができる。ここで、電極６３６として酸化物半導体膜を用いることにより、ノイズの影響を受けにくく、小型化されたデジタルカメラ６５６を得ることができる。
次に、送電機器を有する電子機器の一例を、図４を参照して説明する。送電機器を有する電子機器として、例えば、充電シート及びテーブルクロスなどのシート状のものが挙げられる。その他にも、テーブル及び棚などの家具、床及び壁などの建物の一部に、送電機器を組み込んでもよい。
図４は、充電シート６５０を用いて、受電機器を有する電子機器を充電する状態を示す。充電シート６５０には、実施の形態１及び実施の形態２で説明した送電機器が組み込まれている。
また、図４では、受電機器を有する電子機器として、携帯電話６５２、携帯型コンピュータ６５４、及びデジタルカメラ６５６を示す。なお、携帯電話６５２などは、受電機器を有する電子機器の一例であって、これに限定されない。
携帯電話６５２、携帯型コンピュータ６５４、及びデジタルカメラ６５６は、充電シート６５０の上に配置することによって、同時に充電を行うことができる。なお、受電機器を有する電子機器の全てが、常に同時に充電が行われている必要はない。例えば、実施の形態２で説明したように、複数の受電機器を有する電子機器のそれぞれが、充電制御回路によって充電・非充電が制御されており、充電シート６５０上に配置された複数の受電機器を有する電子機器の中に充電を行わないものがあってもよい。
充電シート６５０の全面に送電側電極を設けた場合、充電シート６５０の少なくとも一部と受電機器を有する電子機器の受電側電極とが近接することにより、充電シート６５０から受電機器を有する電子機器に電力を供給することができる。例えば、図４の携帯型コンピュータ６５４に設けられた電極６２７と、充電シート６５０とが近接することにより、充電シート６５０から携帯型コンピュータ６５４に電力が供給される。
このように、充電シート６５０の全面に送電側電極を設けることにより、受電機器を有する電子機器の充電を行う際は、受電側電極が充電シート６５０に近接すればよい。よって、受電機器を有する電子機器の充電シート６５０に対する位置自由度を大きくすることができる。例えば、図４に示すように、電極６２７が充電シート６５０の上に配置されていればよく、携帯型コンピュータ６５４の全てが充電シート６５０の上に配置される必要はない。
なお、充電シート６５０の全面に送電側電極を設けるのではなく、充電シート６５０の少なくとも一つの任意の領域に送電側電極を設ける構成としてもよい。この場合、当該任意の領域と受電機器を有する電子機器の受電側電極とが近接するように、受電機器を有する電子機器を配置することによって、充電シート６５０から受電機器を有する電子機器に電力を供給することができる。
このように、充電シート６５０の任意の領域に送電側電極を設けることにより、充電シート６５０から受電機器を有する電子機器に効率よく電力を供給することができる。また、送電側電極の面積を減らすことができるため、充電シート６５０の消費電力を低減することができる。
本実施例では、評価用素子（「ＴＥＧ」ともいう。）を用いて、容量値の周波数特性及びＣ−Ｖ特性を測定した結果について、図６（Ａ）〜図７（Ｂ）を参照して説明する。
評価用素子として、ＴＥＧ−１及びＴＥＧ−２を用いた。
ＴＥＧ−１は、上記実施の形態で説明した無線給電システムに対応する。ＴＥＧ−１として、ゲート電極上にゲート絶縁膜を介して酸化物半導体層を形成した。ＴＥＧ−１においては、ゲート電極及び酸化物半導体層によって、容量が構成される。そして、酸化物半導体層に接する金属層を形成した。
ＴＥＧ−１は、ゲート電極として厚さが１００ｎｍのタングステン（Ｗ）層、ゲート絶縁膜として厚さ１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を用いた。また、酸化物半導体層として、厚さが２５ｎｍ、面積が１０００μｍ×１０００μｍの酸化亜鉛からなる酸化物（ＩＧＺＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）膜を用いた。また、金属層はチタン（Ｔｉ）層上にアルミニウム（Ａｌ）層を設けた積層構造を用いた。
ＴＥＧ−２は、ＴＥＧ−１に対する比較用として作製したものである。ＴＥＧ−２として、ゲート電極上にゲート絶縁膜を介して半導体層を形成し、半導体層上に金属層を形成した。ＴＥＧ−２においては、ゲート電極、半導体層、及び金属層によって、容量が構成される。
ＴＥＧ−２は、ゲート電極として厚さが１００ｎｍのタングステン（Ｗ）層、ゲート絶縁膜として厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を用いた。また、半導体層は、厚さが２５ｎｍの微結晶半導体膜を成膜した後、表面付近の領域に一導電型を付与する不純物元素としてリン（Ｐ）を添加することで形成した。半導体層の面積は１０００μｍ×１０００μｍとした。また、金属層はチタン（Ｔｉ）層上にアルミニウム（Ａｌ）層を設けた積層構造を用いた。
＜容量値の周波数特性＞
容量値の周波数特性の評価方法として、ＴＥＧ−１及びＴＥＧ２に印加する交流電圧の周波数ｆ（単位はＨｚ）を６０Ｈｚ〜１ＭＨｚの間で変化させたときの、容量Ｃ（単位はｐＦ）を測定した。ここで、測定条件として、ＴＥＧ−１及びＴＥＧ−２の金属層に印加する直流電圧を−３０Ｖ〜５Ｖの間で変化させた。
容量値の周波数特性の評価方法として、ＴＥＧ−１及びＴＥＧ２に印加する交流電圧の周波数ｆ（単位はＨｚ）を６０Ｈｚ〜１ＭＨｚの間で変化させたときの、容量Ｃ（単位はｐＦ）を測定した。ここで、測定条件として、ＴＥＧ−１及びＴＥＧ−２の金属層に印加する直流電圧を−３０Ｖ〜５Ｖの間で変化させた。
容量値の周波数特性を測定した結果を以下に説明する。図６（Ａ）はＴＥＧ−１の測定結果、図６（Ｂ）はＴＥＧ−２の測定結果である。
図６（Ａ）に示すように、ＴＥＧ−１では、周波数ｆが一定の値を超えると、容量Ｃが低下した。そして、周波数ｆが１ＭＨｚの高周波数になると、ＴＥＧ−１が容量としての機能を殆ど果たさなくなることが確認された。
なお、周波数ｆは、ゲート電極に印加する直流電圧の大きさに依存することが確認された。図６（Ａ）では、ＴＥＧ−１が容量として機能するためには、直流電圧が−５Ｖ以下であることが必要であると考えられた。なお、ＴＥＧが容量として機能するために必要な直流電圧の値は、酸化物半導体層の特性に依存するものである。
一方、図６（Ｂ）に示すように、ＴＥＧ−２では、周波数ｆが１ＭＨｚの高周波数になっても容量として機能することが確認された。
以上により、上記実施の形態で説明した無線給電システムに対応するＴＥＧ−１は、印加する交流電圧の周波数が高周波になると容量として機能しなくなることが確認された。これより、電極として酸化物半導体層を用いたことによって、当該酸化物半導体層が高周波を遮断するローパスフィルタ（ＬＰＦ）として機能することが確認された。
＜Ｃ−Ｖ特性＞
Ｃ−Ｖ特性の評価方法として、ＴＥＧ−１及びＴＥＧ−２のゲート電極に印加する直流電圧Ｖ（単位はＶ）を−２０Ｖ〜２０Ｖの間で変化させたときの、容量Ｃ（単位はｐＦ）を測定した。ここで、測定条件として、ＴＥＧ−１及びＴＥＧ−２に印加する交流電圧の周波数を６０Ｈｚ〜１ＭＨの間で変化させた。
Ｃ−Ｖ特性の評価方法として、ＴＥＧ−１及びＴＥＧ−２のゲート電極に印加する直流電圧Ｖ（単位はＶ）を−２０Ｖ〜２０Ｖの間で変化させたときの、容量Ｃ（単位はｐＦ）を測定した。ここで、測定条件として、ＴＥＧ−１及びＴＥＧ−２に印加する交流電圧の周波数を６０Ｈｚ〜１ＭＨの間で変化させた。
Ｃ−Ｖ特性を測定した結果を以下に説明する。図７（Ａ）はＴＥＧ−１の測定結果、図７（Ｂ）はＴＥＧ−２の測定結果である。
図７（Ａ）に示すように、ＴＥＧ−１では、ゲート電極に正の直流電圧を印加すると、容量としての機能を有さない素子になることが確認された。これは、正の直流電圧を印加することにより、電極として用いている酸化物半導体層に蓄積されたキャリアが消失し、酸化物半導体層が絶縁体として機能する膜になるためであると考えられた。
一方、図７（Ｂ）に示すように、ＴＥＧ−２では、正の直流電圧を印加しても、容量として機能することが確認された。
以上により、上記実施の形態で説明した無線給電システムに対応するＴＥＧ−１は、正の直流電圧を印加すると容量として機能しなくなることが確認された。これより、電極として酸化物半導体層を用いたことによって、直流電圧を印加することで当該酸化物半導体層を絶縁体として機能する膜にすることができることが確認された。
１０ 受電機器
１２ 受電機器
２０ 送電機器
１０２ 受電側電極
１０４ 電力変換部
１０６ 充電回路
１０８ 電源回路
１１０ 負荷
１１２ バッテリー
１１４ 配線
１２０ 充電制御回路
１５０ 領域
２０２ 送電側電極
２０４ 発振器
２０６ 配線
５０１ 高圧高周波発生器
５０２ 受動電極
５０３ 能動電極
５０４ ゾーン
５０５ 高圧高周波電荷
５０６ 電極
５０７ 電極
６１１ 本体
６１２ 音声出力部
６１３ 音声入力部
６１４ 表示部
６１５ 操作キー
６１６ アンテナ
６１７ 電極
６２１ 本体
６２２ 筐体
６２３ 表示部
６２４ キーボード
６２５ 外部接続ポート
６２６ ポインティングデバイス
６２７ 電極
６３１ 筐体
６３２ 表示部
６３３ レンズ
６３４ 操作キー
６３５ 操作キー
６３６ 電極
６５０ 充電シート
６５２ 携帯電話
６５４ 携帯型コンピュータ
６５６ デジタルカメラ
１２ 受電機器
２０ 送電機器
１０２ 受電側電極
１０４ 電力変換部
１０６ 充電回路
１０８ 電源回路
１１０ 負荷
１１２ バッテリー
１１４ 配線
１２０ 充電制御回路
１５０ 領域
２０２ 送電側電極
２０４ 発振器
２０６ 配線
５０１ 高圧高周波発生器
５０２ 受動電極
５０３ 能動電極
５０４ ゾーン
５０５ 高圧高周波電荷
５０６ 電極
５０７ 電極
６１１ 本体
６１２ 音声出力部
６１３ 音声入力部
６１４ 表示部
６１５ 操作キー
６１６ アンテナ
６１７ 電極
６２１ 本体
６２２ 筐体
６２３ 表示部
６２４ キーボード
６２５ 外部接続ポート
６２６ ポインティングデバイス
６２７ 電極
６３１ 筐体
６３２ 表示部
６３３ レンズ
６３４ 操作キー
６３５ 操作キー
６３６ 電極
６５０ 充電シート
６５２ 携帯電話
６５４ 携帯型コンピュータ
６５６ デジタルカメラ
Claims (6)
- 酸化物半導体膜を用いた第１の電極、バッテリー、及び充電制御回路を有する受電機器であって、
前記第１の電極と、送電機器が有する第２の電極との間に発生する電界に基づいて生成された電圧によって、前記バッテリーが充電され、
前記充電制御回路から前記第１の電極に正の直流電圧が印加されることによって、前記バッテリーの充電が停止されることを特徴とする受電機器。 - 請求項１において、
前記酸化物半導体膜のナトリウム濃度は、５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする受電機器。 - 請求項１または請求項２において、
前記酸化物半導体膜の水素濃度は、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする受電機器。 - 容量結合方式の無線給電システムであって、
酸化物半導体膜を用いた第１の電極、バッテリー、及び充電制御回路を有する受電機器と、第２の電極を有する送電機器と、を有し、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生する電界に基づいて生成された電圧によって、前記バッテリーが充電され、
前記充電制御回路から前記第１の電極に正の直流電圧が印加されることによって、前記バッテリーの充電が停止されることを特徴とする無線給電システム。 - 請求項４において、
前記酸化物半導体膜のナトリウム濃度は、５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする無線給電システム。 - 請求項４または請求項５において、
前記酸化物半導体膜の水素濃度は、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする無線給電システム。
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