JP6254906B2 - 無接点充電器、及び無接点充電システム - Google Patents
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Description
この携帯端末は、コイルを内蔵する無接点充電器(以下、無接点充電器に内蔵されるコイルを、「充電側コイル」と呼ぶ。)の上の所定範囲の位置に載せられることで、その充電側コイルによって発生された磁束の変化によって、内蔵するコイル(以下、「携帯端末側コイル」と呼ぶ。)に起電力を生じる。
本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、ミキシング電磁波による、外部装置側無線信号の受信への悪影響を、従来よりも低減させることができる無接点充電器を提供することを目的とする。
変動する電流が流れることで、周囲の磁束を変化させる第2コイルと、
所定の周波数で変動する第1電流を前記第2コイルに流すための電圧を生成する第1電圧生成回路と、
前記所定の周波数で変動する電流であって、前記磁束の変化に伴って前記第2コイルから放射される電磁波の周波数成分のうち、前記所定の周波数に対応する高調波成分のエネルギーが前記第1電流より少ない第2電流を前記第2コイルに流すための電圧を生成する第2電圧生成回路と、
前記送信部から送信される、前記携帯端末における無線通信の状態に係る通信状態信号を受信する受信部と、
前記受信部によって受信される通信状態信号に基づいて、前記第1電圧生成回路によって生成される電圧と、前記第2電圧生成回路によって生成される電圧とのうちから、前記第2コイルに供給する電圧を択一的に選択する選択部とを備える
ことを特徴とする。
<概要>
ここでは、本発明に係る携帯端末の一実施例として、内蔵する二次電池を充電するための起電力を生じる起電コイルを内蔵する携帯端末と、周囲の磁束を変化させるための放射コイルを内蔵する無接点充電器とからなる無接点充電システムについて説明する。
この無接点充電システムでは、携帯端末は、無接点充電器の上の所定の位置に置かれた状態において、外部の基地局との間でデータ通信を行っている期間、データ通信を行っている旨を示す通信状態信号を無接点充電器に送信する。また、外部の基地局との間でデータ通信を行っているか否かに関わらず、内蔵する電池の蓄電量を示す蓄電情報信号を無接点充電器に送信する。
ここで、第1電圧波形生成回路は、電圧波形が矩形波形となる電圧を生成するのに対して、第2電圧波形生成回路は、電圧波形が、第1電圧波形生成回路の生成する矩形波形よりも鈍った(すなわち、フーリエ変換した場合における高周波成分のエネルギーが少ない)鈍り波形となる電圧を生成する。
<構成>
図1(a)は、表側から見た携帯端末100の斜視図であって、図1(b)は、裏側から見た携帯端末100の斜視図である。
図1(a)、(b)に示されるように、携帯端末100は、略直方体の形状をした、いわゆるスマートフォンであって、表側主表面に、タッチパネル110の操作面が配され、レシーバ孔120と、マイク孔130とが開設されている。そして、裏側主表面の内側に、起電コイル160が内蔵されており、裏側主表面に、内蔵されている起電コイル160の位置を示すマーク170が印刷されている。
同図に示されるように、起電コイル160は、基板210の表面に、第1端子230と第2端子240とを電気的に接続する渦巻き状の銅箔配線220が形成されることで構成される平面コイルである。
起電コイル160は、銅箔配線220による渦巻きの内部に磁束の変化が生じると、第1端子230と第2端子240との間に起電力を生じる。
図3は、無接点充電器300の斜視図である。
同図に示されるように、無接点充電器300は、略直方体の筺体320と、ケーブル330と、プラグ340とを備える。そして、主表面の内側に、放射コイル310が内蔵されており、主表面に、内蔵されている放射コイル310の位置を示すマーク350が印刷されている。
同図に示されるように、放射コイル310は、起電コイル160と同様に、基板410の表面に渦巻き状の、第1端子430と第2端子440とを電気的に接続する銅箔配線420が形成されることで構成される平面コイルである。
放射コイル310は、第1端子430と第2端子440との間に変動する電流が流れることで、周囲の磁束を変化させる。
再び図3に戻って、無接点充電器300の説明を続ける。
マーク170とマーク350とが正対するように、無接点充電器300の主表面の上に、携帯端末100を載せると、起電コイル160と放射コイル310とが正対することとなる。
また、起電コイル160と放射コイル310とが正対している状態で、携帯端末100と無接点充電器300とが、それぞれ、起電コイル160と放射コイル310とをアンテナとして利用して、近距離無線通信を行う。
同図に示されるように、携帯端末100は、CPU(Central Processing Unit)500と、アンテナ505と、基地局通信用LSI(Large Scale Integration)510と、レシーバ515と、マイク520と、タッチパネルコントローラ525と、タッチパネル110と、メモリ530と、タイマ535と、蓄電量計測回路540と、二次電池545と、充電回路550と、起電コイル160と、フィルタ555と、近距離通信用LSI560とから構成される。
基地局通信用LSI510は、アンテナ505とCPU500とに接続され、CPU500によって制御される。そして、アンテナ505を利用して外部の基地局と無線通信する機能を有する。
なお、ここでは、基地局へのデータ通信に利用する周波数帯は、基地局への送信信号が836MHz帯であり、基地局からの受信信号が881MHz帯であるとする。
マイク520は、CPU500に接続され、CPU500によって制御される。そして、マイク孔130(図1(a)参照)を通して携帯端末100外部から入力される音声を電気信号に変換して、変換した電気信号をCPU500へ送る機能を有する。
タッチパネルコントローラ525は、タッチパネル110と、CPU500とに接続され、CPU500によって制御される。そして、CPU500から送られて来る画像信号に基づく画像をタッチパネル110に表示させる表示制御機能と、携帯端末100を利用するユーザが、タッチパネル110を用いて行う接触操作を、電気信号に変換してCPU500に送る接触操作変換機能とを有する。
タイマ535は、CPU500に接続され、時間の経過を計測する機能を有する。
蓄電量計測回路540は、二次電池545と、CPU500とに接続され、CPU500によって制御される。そして、二次電池545に蓄電されている電力量を計測する機能を有する。蓄電量計測回路540は、一例として、二次電池545の蓄電量を計測した結果として、二次電池545の電圧を出力する。
起電コイル160は、充電回路550と、フィルタ555とに接続され、起電コイル160内の磁束が変化することで起電力を生じる。
フィルタ555は、起電コイル160と、近距離通信用LSI560とに接続され、近距離通信用LSI560が近距離無線通信として利用する周波数帯以外の周波数帯の信号をカットするフィルタである。
CPU500は、基地局通信用LSI510と、レシーバ515と、マイク520と、タッチパネルコントローラ525と、メモリ530と、タイマ535と、蓄電量計測回路540と、充電回路550と、近距離通信用LSI560とに接続される。そして、メモリ530に記憶されているプログラムを実行することで、以下のスマートフォン制御機能と、端末情報送信機能とを実現する。
端末情報送信機能とは、プログラムを実行するCPU500が、CPU500に接続される回路を制御して、携帯端末100に、その特徴的な動作である端末情報送信処理を実行させることで、無接点充電器300から所定時間T1(例えば、100ms)毎に繰り返し送信される所定の信号(以下、「確認信号」と呼ぶ。)に呼応して、基地局との間でデータ通信を行っているデータ通信中であるか否かを示す通信状態信号と、二次電池545の蓄電量を示す蓄電情報信号とを、無接点充電器300に送信させる機能である。
上記回路構成を備える携帯端末100について、以下、機能面から見た構成について説明する。ここでは、携帯端末100を構成する機能ブロックのうち、携帯端末100の行う特徴的な動作である端末情報送信処理を行う機能ブロックである端末情報送信部600を中心に説明する。
同図に示されるように、端末情報送信部600は、蓄電量計測部610と、基地局間通信状態監視部620と、充電部630と、起電部640と、近距離通信部650と、ステート保持部660と、制御部670とから構成される。
蓄電量計測部610は、制御部670に接続され、CPU500と、蓄電量計測回路540とによって実現される。そして、二次電池545に蓄電されている蓄電量を計測する機能を有する。
起電部640は、充電部630に接続され、起電コイル160によって実現される。そして、起電コイル160内の磁束が変化した場合に、磁束の変化に応じた起電力を生じる機能を有する。
近距離通信部650は、制御部680に接続され、CPU500と、近距離通信用LSI560と、フィルタ555と、起電コイル160とによって実現される。そして、無接点充電器300との近距離無線通信を行う機能を有する。
同図に示されるように、ステートが近距離通信可能状態である場合において、(1)無接点充電器300から所定時間T1毎に繰り返し送信される確認信号が、所定時間T1内に近距離通信部650によって受信されたとき、ステートは近距離通信可能状態を維持する。そして、(2)無接点充電器300から所定時間T1毎に繰り返し送信される確認信号が、所定時間T1内に近距離通信部650によって受信されなかったとき、ステートは近距離通信不可能状態に遷移する。
制御部670は、蓄電量計測部610と、基地局間通信状態監視部620と、充電部630と、近距離通信部650と、ステート保持部660とに接続され、CPU500によって実現される。そして、接続されるこれらの機能ブロックを制御して、携帯端末100に、後述の端末情報処理を実行させる機能を有する。
同図に示されるように、無接点充電器300は、CPU800と、近距離通信用LSI810と、フィルタ820と、第1電圧波形生成回路830と、第2電圧波形生成回路840と、セレクタ850と、放射コイル310と、メモリ860と、タイマ870とから構成される。
近距離通信用LSI810は、CPU800と、フィルタ820とに接続され、CPU800によって制御される。そして、フィルタ820を介して接続される放射コイル310を利用して、携帯端末100との間で近距離無線通信を行う機能を有する。
図9は、第1電圧波形生成回路830によって生成される第1電圧の電圧波形を示す図である。
再び図8に戻って、無接点充電器300の説明を続ける。
第2電圧波形生成回路840は、CPU800と、セレクタ850とに接続され、CPU800によって制御される。そして、放射コイルに周期的に変動する電流を流すための、400KHzで周期的に変動する電圧(以下、「第2電圧」と呼ぶ。)を生成する機能を有する。
同図に示されるように、第2電圧の電圧波形は、第1電圧波形生成回路830によって生成される矩形波形よりも鈍った(すなわち、フーリエ変換した場合における高周波成分のエネルギーが少ない)、400MHzの鈍り波形である。
セレクタ850は、第1電圧波形生成回路830と、第2電圧波形生成回路840と、CPU800と、放射コイル310とに接続され、CPU800によって制御される。そして、第1電圧波形生成回路830によって生成される第1電圧と、第2電圧波形生成回路840によって生成される第2電圧とのうちのいずれか一方を選択して、放射コイル310に供給する機能を有する。
また、放射コイル310は、フィルタ820を介して接続される近距離通信用LSI810によって、近距離無線通信用のアンテナとして利用される。
図11は、放射コイル310に、第1電圧が供給された場合において、放射コイル310から放射される電磁波(以下、「第1電磁波」と呼ぶ。)の周波数スペクトラムを示す模式図である。
同図に示されるように、第1電磁波の周波数成分は、400KHzの基本波1100と、そのn次高調波(1次高調波1101、2次高調波1102、k次高調波1104等)とから構成される。ここで、これら高調波の周波数成分は、数GHzの帯域にまで存在している。
同図において、横軸は周波数であり、縦軸はエネルギーである。
同図に示されるように、第2電磁波の周波数成分は、400KHzの基本波1200と、そのn次高調波(1次高調波1201、2次高調波1202、k次高調波1204等)とから構成される。ここで、これら高調波の周波数成分は、数GHzの帯域にまで存在している。
これは、第2電圧の高周波成分のエネルギーの方が、第1電圧の高周波成分のエネルギーよりも少ないからである。
ところで、一般に、コイルに周波数fで変動する電流が流れている場合において、そのコイルに周波数Fの電磁波が照射されると、そのコイルから、周波数がF+n×f(nは負数を含む0以外の整数)となるミキシング電磁波が放射される現象が知られている。
同図において、横軸は周波数であり、縦軸はエネルギーである。
同図に示されるように、放射コイル310から、基本波1100とそのn次高調波と(図11参照)に加えて、周波数が836+n×0.4[MHz](nは負数を含む0以外の整数)となるミキシング電磁波(ミキシング電磁波1301、ミキシング電磁波1302、ミキシング電磁波1303等)が放出される。
なお、図13において、端末送信信号1300の周波数と、k次高調波1104の周波数とが、あたかも一致しているかのように図示してているが、これは、図面を見やすくするために便宜的に一致させて図示しているだけであって、実際には必ずしも一致している場合に限られない。一致していない場合であっても、上述した現象、すなわち、周波数が836+n×0.4[MHz](nは負数を含む0以外の整数)となるミキシング電磁波が放出される現象が発生する。
同図において、横軸は周波数であり、縦軸はエネルギーである。
同図に示されるように、放射コイルに第1電圧が供給される場合(図13参照)と同様に、放射コイル310から、基本波1200とそのn次高調波と(図12参照)に加えて、周波数が836+n×0.4[MHz](nは負数を含む0以外の整数)となるミキシング電磁波(ミキシング電磁波1401、ミキシング電磁波1402、ミキシング電磁波1403等)が放出される。
これは、第2電磁波における各n次高調波のエネルギーが、対応する第1電磁波における各n次高調波のエネルギーよりも少ないからである。
メモリ860は、CPU800に接続され、CPU800の動作を規定するプログラムと、CPU800が利用するデータとを記憶する。メモリ860は、一例として、RAMとROMとフラッシュメモリとによって実現される。
タイマ870は、CPU800に接続され、時間の経過を計測する機能を有する。
確認信号送信機能とは、プログラムを実行するCPU800が、CPU800に接続される回路を制御して、無接点充電器300に、放射コイル310をアンテナとして利用して、所定時間T1毎に確認信号を外部に出力させる機能である。
上記回路構成を備える無接点充電器300について、以下、機能面から見た構成について説明する。
図15は、無接点充電器300の機能構成を示すブロック図である。
第1電圧波形生成部1510は、制御部1570と、供給電圧選択部1530とに接続され、CPU800と、第1電圧波形生成回路830によって実現される。そして、矩形波形である第1電圧を生成する機能を有する。
供給電圧選択部1530は、制御部1570と、第1電圧波形生成部1510と、第2電圧波形生成部1520と、磁束変動部1540とに接続され、CPU800と、セレクタ850によって実現される。そして、第1電圧波形生成部1510によって生成される第1電圧と、第2電圧波形生成部1520によって生成される第2電圧とのうちのいずれか一方を選択して、磁束変動部1540に供給する機能を有する。
近距離通信部1550は、制御部1570に接続され、CPU800と、近距離通信用LSI810と、フィルタ820と、放射コイル310とによって実現される。そして、携帯端末100との近距離無線通信を行う機能を有する。
同図に示されるように、ステートが近距離通信可能状態である場合において、(1)無接点充電器300から所定時間T1毎に繰り返し送信される確認信号に呼応して、携帯端末100から送信される通信状態信号が、所定時間T1内に近距離通信部1550によって受信されたとき、ステートは近距離通信可能状態を維持する。そして、(2)無接点充電器300から所定時間T1毎に繰り返し送信される確認信号に呼応して、携帯端末100から送信される通信状態信号が、所定時間T1内に近距離通信部1550によって受信されなかったとき、ステートは近距離通信不可能状態に遷移する。
通信状態判定部1580は、制御部1570に接続され、CPU800によって実現される。そして、近距離通信部1550によって受信される、携帯端末100から送信された通信状態信号に基づいて、携帯端末100がデータ通信中である否かを判定する機能を有する。
上記構成の携帯端末100、及び無接点充電器300の行う動作について、以下図面を参照しながら説明する。
ここでは、携帯端末100、及び無接点充電器300の行う動作のうち、携帯端末100の行う特徴的な動作である端末情報送信処理と、無接点充電器300の行う特徴的な動作である供給電圧選択処理とについて説明する。
<端末情報送信処理>
端末情報送信処理は、携帯端末100が行う処理であって、ステート保持部660に保持されるステートが近距離通信可能状態である期間、無接点充電器300から所定時間T1毎に繰り返し送信される確認信号に呼応して、基地局との間でデータ通信中であるか否かを示す通信状態信号と、二次電池545の蓄電量を示す蓄電情報信号とを、無接点充電器300に送信する処理である。
端末情報送信処理は、ステート保持部660に保持されるステートが、近距離通信不可能状態から近距離通信可能状態に遷移したことによって開始される。
端末情報送信処理が開始されると、基地局間通信状態監視部620は、携帯端末100と基地局との間でデータ通信がなされている期間中であるか否かを調べる(ステップS1700)。
ステップS1700の処理において、携帯端末100と基地局との間でデータ通信がなされている期間中でない場合に(ステップS1700:No)、近距離通信部1710は、データ通信中でない旨を示す通信状態信号を無接点充電器300に送信する(ステップS1720)。
その後、端末情報送信処理が開始されてから、又は、前回、ステート保持部660が、保持するステートが近距離通信可能状態であるか否かを調べたときから(後述のステップS1760参照)、所定時間T1経過するまで待機(ステップS1750)する。そして、ステート保持部660は、保持するステートが近距離通信可能状態であるか否かを調べる(ステップS1760)。
ステップS1760の処理において、ステートが近距離通信可能状態でない場合に(ステップS1760:No)、携帯端末100は、その端末情報送信処理を終了する。
供給電圧選択処理は、無接点充電器300が行う処理であって、ステート保持部1560に保持されるステートが近距離通信可能状態である場合において、(1)携帯端末100がデータ通信を行っていない期間のときと、(2)携帯端末100がデータ通信を行っている期間であって、二次電池545の蓄電量が所定量未満のときとには、放射コイル310に供給する電圧として第1電圧を選択し、(3)携帯端末がデータ通信を行っている期間であって、二次電池545の蓄電量が所定未満より多いときには、放射コイル310に供給する電圧として第1電圧を選択する処理である。
供給電圧選択処理は、ステート保持部1560に保持されるステートが、近距離通信不可能状態から近距離通信可能状態に遷移したことによって開始される。
供給電圧選択処理が開始されると、通信状態判定部1580は、近距離通信部1550によって所定時間T1以内に受信された通信状態信号が、データ通信中である旨を示すものであるか、データ通信中でない旨を示すものであるかを調べることで、携帯端末100がデータ通信中であるか否かを調べる(ステップS1800)。
ステップS1800の処理において、携帯端末100がデータ通信中でない場合(ステップS1800:No)、又は、ステップS1810の処理において、二次電池545の蓄電量が所定量未満である場合に(ステップS1810:Yes)、供給電圧選択部1530は、磁束変動部1540に供給する電圧として、第1電圧波形生成部1510によって生成された第1電圧を選択する(ステップS1840)。
ステップS1820の処理において、二次電池545の蓄電量が蓄電可能な最大量であった場合(ステップS1820:Yes)、又は、ステップS1760の処理において、ステートが近距離通信可能状態でない場合に(ステップS1860:No)、供給電圧選択部1530は、磁束変動部1540への電圧供給を停止する(ステップS1870)。そして、無接点充電器300は、その端末情報送信処理を終了する。
上述の携帯端末100と無接点充電器300とによると、マーク170とマーク350とが正対するように、無接点充電器300の主表面の上に、携帯端末100を載せられている状態において、二次電池545に蓄電されている蓄電量が蓄電可能な最大量でない場合に、無接点充電器300は、携帯端末100の二次電池545を充電するために、放射コイル310に、第1電圧又は第2電圧を供給して、周囲の磁束を変化させる。
<補足>
以上、本発明に係る携帯端末の実施形態について、実施の形態において、携帯端末100を例示して説明したが、以下のように変形することも可能であり、本発明に係る携帯端末は、実施の形態において例示した携帯端末100に限られないことはもちろんである。また、本発明に係る無接点充電器の実施形態について、実施の形態において、無接点充電器300を例示して説明したが、以下のように変形することも可能であり、本発明に係る無接点充電器は、実施に形態において例示した無接点充電器300に限られないことはもちろんである。
160 起電コイル
300 無接点充電器
310 放射コイル
610 蓄電量計測部
620 基地局間通信状態監視部
630 充電部
640 起電部
650 近距離通信部
660 ステート保持部
670 制御部
1510 第1電圧波形生成部
1520 第2電圧波形生成部
1530 供給電圧選択部
1540 磁束変動部
1550 近距離通信部
1560 ステート保持部
1570 制御部
1580 通信状態判定部
1590 蓄電量判定部
Claims (7)
- 無線通信機能を有し、第1コイルと二次電池と送信部とを備える携帯端末を対象として、当該携帯端末が所定範囲内の相対位置に存在する場合において、当該二次電池を充電するための起電力を当該第1コイルに生じさせるために、当該第1コイル内の磁束を変化させる無接点充電器であって、
変動する電流が流れることで、周囲の磁束を変化させる第2コイルと、
所定の周波数で変動する第1電流を前記第2コイルに流すための電圧を生成する第1電圧生成回路と、
前記所定の周波数で変動する電流であって、前記磁束の変化に伴って前記第2コイルから放射される電磁波の周波数成分のうち、前記所定の周波数に対応する高調波成分のエネルギーが前記第1電流より少ない第2電流を前記第2コイルに流すための電圧を生成する第2電圧生成回路と、
前記送信部から送信される、前記携帯端末における無線通信の状態に係る通信状態信号を受信する受信部と、
前記受信部によって受信される通信状態信号に基づいて、前記第1電圧生成回路によって生成される電圧と、前記第2電圧生成回路によって生成される電圧とのうちから、前記第2コイルに供給する電圧を択一的に選択する選択部とを備える
ことを特徴とする無接点充電器。 - 前記第1電圧生成回路によって生成される電圧の波形は、矩形波形であり、
前記第2電圧生成回路によって生成される電圧の波形は、前記矩形波形よりも波形が鈍っている鈍り波形である
ことを特徴とする請求項1記載の無接点充電回路。 - 前記受信部によって受信される通信状態信号に基づいて、前記携帯端末が無線通信中であるか否かを判定する通信状態判定部を備え、
前記選択部は、前記通信状態判定部によって、前記携帯端末が無線通信中であると判定されている期間、前記第2電圧生成回路によって生成される電圧を選択するように、前記選択を行う
ことを特徴とする請求項1記載の無接点充電器。 - 前記受信部は、前記送信部から送信される、前記二次電池の蓄電量に係る蓄電情報信号をも受信し、
前記選択部は、前記選択を、前記受信部によって受信される蓄電情報信号にも基づいて行う
ことを特徴とする請求項3記載の無接点充電器。 - 前記受信部によって受信される蓄電情報信号に基づいて、前記二次電池の蓄電量が所定量未満であるか否かを判定する蓄電量判定部とを備え、
前記選択部は、前記通信状態判定部によって、前記携帯端末が無線通信中であると判定されている期間であっても、前記蓄電量判定部によって、前記二次電池の蓄電量が所定量未満であると判定されている期間には、前記第2電圧生成回路によって生成される電圧の選択を抑制して、前記第1電圧生成回路によって生成される電圧を選択するように、前記選択を行う
ことを特徴とする請求項4記載の無接点充電器。 - 前記通信状態判定部は、前記受信部によって、前記携帯端末が基地局との間の無線通信を行っている旨を示す通話状態信号を定期的に受信している期間、前記携帯端末が無線通信中であると判定するように前記判定を行う
ことを特徴とする請求項5記載の無接点充電器。 - 無線通信機能を有する携帯端末と、無接点充電器とを有する無接点充電システムであって、
前記携帯端末は、
無線通信の状態に係る通信状態信号を、前記無接点充電器に送信する送信部と、
前記無接点充電器が所定範囲内の相対位置に存在する場合において、前記送信部から送信された通信状態信号を受信した前記無接点充電器によって、当該通信状態信号に応じてなされる磁束の変化によって起電力を生じる第1コイルと、
前記第1コイルに生じた起電力を利用して充電される二次電池とを備え
前記無接点充電器は、
変動する電流が流れることで、周囲の磁束を変化させる第2コイルと、
所定の周波数で変動する第1電流を前記第2コイルに流すための電圧を生成する第1電圧生成回路と、
前記所定の周波数で変動する電流であって、前記磁束の変化に伴って前記第2コイルから放射される電磁波の周波数成分のうち、前記所定の周波数に対する高調波成分のエネルギーが前記第1電流より少ない第2電流を前記第2コイルに流すための電圧を生成する第2電圧生成回路と、
前記送信部から送信される通信状態信号を受信する受信部と、
前記受信部によって受信される通信状態信号に基づいて、前記第1電圧生成回路によって生成される電圧と、前記第2電圧生成回路によって生成される電圧とのうちから、前記第2コイルに供給する電圧を択一的に選択する選択部とを備える
ことを特徴とする無接点充電システム。
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