JP7144192B2 - ワイヤレス送電装置、その制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス給電技術に関し、特に送信電力の制御に関する。

近年、電子機器に電力を供給するために、ワイヤレス給電が普及し始めている。異なるメーカーの製品間の相互利用を促進するために、ＷＰＣ（Wireless Power Consortium）が組織され、ＷＰＣにより国際標準規格であるＱｉ（チー）規格が策定された。

Ｑｉ規格にもとづいたワイヤレス給電は、送信コイルと受信コイル間の電磁誘導を利用したものである。給電システムは、送信コイルを有する給電装置と、受信コイルを有する受電端末で構成される。

図１は、Ｑｉ規格に準拠したワイヤレス給電システム１０の構成を示す図である。給電システム１０は、送電装置２０（ＴＸ、Power Transmitter）と受電装置３０（ＲＸ、Power Receiver）と、を備える。受電装置３０は、携帯電話端末、スマートフォン、オーディオプレイヤ、ゲーム機器、タブレット端末などの電子機器に搭載される。

送電装置２０は、送信コイル（１次コイル）２２、インバータ回路２４、コントローラ２６、復調器２８を備える。インバータ回路２４は、Ｈブリッジ回路（フルブリッジ回路）あるいはハーフブリッジ回路を含み、送信コイル２２に駆動信号Ｓ１、具体的にはパルス信号を印加し、送信コイル２２に流れる駆動電流により、送信コイル２２に電磁界の電力信号Ｓ２を発生させる。コントローラ２６は、送電装置２０全体を統括的に制御する。

Ｑｉ規格では、送電装置２０と受電装置３０の間で通信プロトコルが定められており、受電装置３０から送電装置２０に対して、制御信号Ｓ３による情報の伝達が可能となっている。この制御信号Ｓ３は、後方散乱変調（Backscatter modulation）を利用して、ＡＭ（Amplitude Modulation）変調された形で、受信コイル３２（２次コイル）から送信コイル２２に送信される。この制御信号Ｓ３には、たとえば、受電装置３０に対する電力供給量を制御する電力制御データ（パケットともいう）や、受電装置３０の固有の情報を示すデータなどが含まれる。復調器２８は、送信コイル２２の電流あるいは電圧にもとづいて制御信号Ｓ３を復調する。コントローラ２６は、復調された制御信号Ｓ３に含まれる電力制御データにもとづいて、インバータ回路２４を制御する。

受電装置３０は、受信コイル３２、整流回路３４、平滑キャパシタ３６、変調器３８、負荷４０、コントローラ４２、電源回路４４を備える。受信コイル３２は、送信コイル２２からの電力信号Ｓ２を受信するとともに、制御信号Ｓ３を送信コイル２２に対して送信する。整流回路３４および平滑キャパシタ３６は、電力信号Ｓ２に応じて受信コイル３２に誘起される電流Ｓ４を整流・平滑化し、直流電圧Ｖ_ＲＥＣＴに変換する。

電源回路４４は、送電装置２０から供給された電力を利用して図示しない二次電池を充電し、あるいは直流電圧Ｖ_ＲＥＣＴを昇圧あるいは降圧し、コントローラ４２やその他の負荷４０に供給する。

コントローラ４２は、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴがその目標値に近づくように、送電装置２０からの電力供給量を制御する電力制御データ（コントロールエラーパケット、ＣＥパケットとも称する）を生成する。変調器３８は、電力制御データを含む制御信号Ｓ３を変調し、受信コイル３２のコイル電流を変調することにより、送信コイル２２のコイル電流およびコイル電圧を変調する。

特開２０１３－０３８８５４号公報 特開２０１４－１０７９７１号公報

本発明者は、ワイヤレス給電について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。図２は、ワイヤレス給電のアプリケーションを説明する図である。受電装置３０は、スマートフォンなどの電子機器５２に内蔵され、送電装置２０は充電器５０に内蔵される。

使用時において、電子機器５２は、充電器５０の上面に載置される。送電装置２０は受電装置３０を検出すると、受電装置３０に電力を送信する。

ところが、電子機器５２には、送電装置２０と受電装置３０がサポートする規格とは別の規格の無線デバイス６０が内蔵され、あるいは電子機器５２に、その保護ケースとともに取り付けられる場合がある。たとえば送電装置２０および受電装置３０は、Ｑｉ規格をサポートしており、無線デバイス６０は、ＮＦＣ（Near Field Communication）やＲＦＩＤ（Radio Frequency Identifier）のタグなどの、Ｑｉ規格とは異なるコイルや共振デバイスでありうる。

ワイヤレス給電で使用される周波数は１００ｋＨｚ程度であるのに対して、ＮＦＣやＲＦＩＤで使用される周波数は数ＭＨｚ～数十ＭＨｚの帯域であり、それらは大きく異なっている。ところが、送電装置２０が送信する電力信号が、無線デバイス６０のコイルに入射すると、無線デバイス６０の回路素子に過電圧を発生させ、無線デバイス６０の信頼性を低下させる虞がある。なおこの問題を当業者の一般的な認識として捉えてはならない。

ワイヤレス給電の規格では、異物検出（ＦＯＤ：Foreign Object Detection）の機能が義務づけられているが、その検出方法から、検出可能な物体は金属片などに限定され、別の規格の無線デバイス６０を検出することは容易でない。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、給電先の受電装置に付随する他の規格の無線デバイスの信頼性の低下を防止可能なワイヤレス送電装置の提供にある。

本発明のある態様は、ワイヤレス送電装置に関する。ワイヤレス送電装置は、ワイヤレス受電装置に電力信号を送信する給電部と、給電部に近接する別の通信あるいは別の給電のための無線デバイスを検出する検出器と、を備える。

本発明の別の態様は、ワイヤレス充電器である。このワイヤレス充電器は、その上に電子機器が載置可能な充電台と、充電台の直下に設けられ、ワイヤレス給電で使用される第１周波数帯域に共振周波数を有する送信アンテナと、送信アンテナを駆動し、送信アンテナに電力信号を発生させる駆動回路と、送信アンテナに近接する別の通信あるいは給電のための無線デバイスを検出する検出器と、を備える。

本発明のさらに別の態様は、ワイヤレス受電装置に電力信号を送信するワイヤレス送電装置の制御回路に関する。制御回路は、ワイヤレス給電で使用される第１周波数帯域に共振周波数を有する送信アンテナと、第１周波数帯域と異なる第２周波数帯域に共振周波数を有する検出アンテナと、とともに使用される。制御回路は、送信アンテナを駆動する第１インバータを制御する第１コントローラと、検出アンテナと接続される第２インバータを制御する第２コントローラと、検出アンテナの状態にもとづいて別の規格に準拠する無線デバイスの有無を判定する判定部と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、給電先の受電装置に付随する他の規格の無線デバイスの信頼性の低下を防止できる。

Ｑｉ規格に準拠したワイヤレス給電システムの構成を示す図である。 ワイヤレス給電のアプリケーションを説明する図である。 実施の形態に係る送電装置のブロック図である。 送電装置の構成を示す回路図である。 検出器の構成例を示すブロック図である。 送電装置の構成例を示すブロック図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、送電装置の動作を説明するタイムチャートである。 送電装置の別の動作を説明するタイムチャートである。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図３は、実施の形態に係る送電装置２００のブロック図である。送電装置２００は、充電器４００に内蔵される。充電器４００は、送電装置２００に加えて、筐体４０２、充電台４０４、電源回路４０８、マイコン４１２を備えてもよい。電源回路４０８は、交流電圧を直流電圧に変換し、送電装置２００に供給する。充電台４０４は筐体４０２の上面に設けられ、充電台４０４の上に、給電対象の電子機器５２０が載置可能となっている。マイコン４１２は、充電器４００を統括的に制御する。マイコン４１２は、送電装置２００に内蔵されてもよい。

送電装置２００は、給電部２１０と、検出器２３０と、を備える。給電部２１０は、ワイヤレス受電装置３００に電力信号Ｓ２を送信する。たとえば給電部２１０およびワイヤレス受電装置３００は、Ｑｉ規格に準拠あるいは対応していてもよい。

検出器２３０は、給電部２１０に近接する別の通信あるいは別の給電のための無線デバイス３１０を検出可能に構成される。検出器２３０が検出対象とする無線デバイス３１０は、Ｑｉ規格とは別のレシーバであり、たとえばＮＦＣやＲＦＩＤタグが例示される。上述したように、無線デバイス３１０は、ワイヤレス受電装置３００を内蔵する電子機器５２０に内蔵され、あるいは外付けされる。検出器２３０は、給電部２１０による給電開始に先立ってアクティブとなる。給電部２１０は、無線デバイス３１０を検出すると、マイコン４１２に通知する。

図４は、送電装置２００の構成を示す回路図である。給電部２１０は、送信アンテナ２１２および駆動回路２２０を備える。送信アンテナ２１２は、無線電力信号Ｓ２として使用する周波数帯域に共振周波数を有し、直列に接続される送信コイルＬ_ＴＸと共振キャパシタＣ_ＴＸを含む。駆動回路２２０は、送信アンテナ２１２を駆動し、送信コイルＬ_ＴＸに無線電力信号Ｓ２を発生させる。駆動回路２２０は、インバータ２２４、コントローラ２２６、復調器２２８を含む。これらについては図１と同様であるから説明を省略する。

検出器２３０が無線デバイス３１０を検出する原理は、給電部２１０がワイヤレス受電装置３００を検出する原理と同じものを用いることができる。検出器２３０は、検出アンテナ２３２、駆動部２４０、判定部２５０を備える。検出アンテナ２３２は、給電部２１０が使用する第１周波数帯域と異なる第２周波数帯域に共振周波数を有する。第２周波数帯域は、検出器２３０による検出対象の無線デバイス３１０が使用する周波数帯域である。

駆動部２４０は、検出アンテナ２３２を交流信号で駆動する。検出アンテナ２３２と近接するとき、無線デバイス３１０の受信コイル３１２が検出アンテナ２３２と結合するため、その影響によって、検出アンテナ２３２を含む共振回路の状態が変化する。判定部２５０は検出アンテナ２３２の状態（電圧あるいは電流）を監視し、この変化を検出することにより、無線デバイス３１０の有無を判定する。

図５は、検出器２３０の構成例を示すブロック図である。駆動部２４０は、インピーダンス調節回路２４２、インバータ２４４、オシレータ２４６、コントローラ２４８を含む。オシレータ２４６は、第２周波数帯域で発振する。第２周波数帯域は、６．７８ＭＨｚおよび１３．５６ＭＨｚを含むことが好ましく、たとえば２ＭＨｚ～２０ＭＨｚの帯域を有しても良い。

オシレータ２４６の発振周波数ｆは調節可能とすることが好ましい。インピーダンス調節回路２４２は検出アンテナ２３２とカップリングされ、共振回路のインピーダンス、言い換えれば共振周波数を調節可能である。コントローラ２４８は、インピーダンス調節回路２４２を、検出対象の無線デバイス３１０が使用する周波数にチューニングする。コントローラ２４８は、オシレータ２４６の出力信号にもとづいてインバータ２４４を制御し、検出アンテナ２３２を駆動する。なお、検出対象の無線デバイス３１０の種類がひとつの場合、インピーダンス調節回路２４２の回路定数は固定すればよい。

図６は、送電装置２００の構成例を示すブロック図である。給電部２１０の一部と、検出器２３０の一部は、共通の半導体チップ（制御回路２６０）に集積化される。第１インバータ２１４は、図４のインバータ２２４に相当し、送信アンテナ２１２と接続される。第２インバータ（ドライバ）２１６は、図５のインバータ２２４に対応する。第２インバータ２１６は図５のインバータ２４４に対応する。第２インバータ２１６およびインピーダンス調節回路２４２は、検出アンテナ２３２と接続される。第１インバータ２１４、第２インバータ２１６、インピーダンス調節回路２４２の一部、あるいは全部を、制御回路２６０に集積化してもよい。

制御回路２６０は、第１コントローラ２６２、第２コントローラ２６４、判定部２５０、復調器２２８を含む。第１コントローラ２６２は、図４のコントローラ２２６および復調器２２８に対応し、第１インバータ２１４を駆動し、ワイヤレス受電装置３００への給電を制御する。

第２コントローラ２６４は、無線デバイス３１０の検出に関連して第２インバータ２１６およびインピーダンス調節回路２４２を制御する。第２コントローラ２６４は、図５のオシレータ２４６およびコントローラ２４８を含む。

判定部２５０は、検出アンテナ２３２の電気的状態にもとづいて無線デバイス３１０の有無を判定する。

以上が送電装置２００の構成である。続いてその動作を説明する。図７（ａ）、（ｂ）は、送電装置２００の動作を説明するタイムチャートである。

電子機器５２０が無線デバイス３１０を含まない場合の動作を、図７（ａ）を参照して説明する。はじめには、給電対象の電子機器５２０は充電台４０４の上に存在しない。

給電部２１０は、アナログピング（Analog-ping）を行い、ワイヤレス受電装置３００を内蔵する電子機器５２０の検出を試みる。給電部２１０のアナログピングの直後に、検出器２３０がアクティブとなり、無線デバイス３１０の検出処理を行う。この動作は、電子機器５２０が検出されるまで、周期的に繰り返される。

時刻ｔ_１に、給電対象の電子機器５２０が充電台４０４の上に載置される。この電子機器５２０は、ワイヤレス受電装置３００を含むが、無線デバイス３１０を含まない。時刻ｔ_１の後の時刻ｔ_２におけるアナログピングによって、ワイヤレス受電装置３００が検出される。続く時刻ｔ_３における検出器２３０の動作では、無線デバイス３１０が検出されない。したがって、時刻ｔ_４に給電部２１０はパワートランスファフェーズに移行し、ワイヤレス受電装置３００への給電を開始する。

電子機器５２０が無線デバイス３１０を含む場合の動作を、図７（ｂ）を参照して説明する。はじめには、給電対象の電子機器５２０は充電台４０４の上に存在しない。

時刻ｔ_２までの動作は、図７（ａ）と同様である。時刻ｔ_３に検出器２３０がアクティブとなると、無線デバイス３１０が検出される。そうすると、給電部２１０はパワートランスファフェーズに移行せず、したがってワイヤレス受電装置３００への給電は行われない。

図８は、送電装置２００の別の動作を説明するタイムチャートである。この動作では、検出器２３０は、給電部２１０による給電開始後（時刻ｔ_４以降）、パワートランスファフェーズの間も間欠的にアクティブとなり、無線デバイス３１０の検出を試みる。パワートランスファフェーズの間の、検出器２３０の動作周期は、パワートランスファフェーズに以降前の動作周期と異なっていてもよい。時刻ｔ_５に、検出器２３０が無線デバイス３１０を検出すると、パワートランスファフェーズが終了する。

以上が送電装置２００の動作である。この送電装置２００によれば、給電部２１０に近接する無線デバイス３１０の有無を判定し、近接する場合には、給電部２１０からワイヤレス受電装置３００への給電を制限する。これにより、給電部２１０が生成する電力信号Ｓ２が無線デバイス３１０のコイルに入力し、無線デバイス３１０の内部に起電力を発生させるのを防止できる。特に無線デバイス３１０がＮＦＣやＲＦＩＤタグである場合には、無線デバイス３１０を構成する回路素子の耐圧は低いため、電力信号Ｓ２の入射を抑制することで、信頼性の低下を防止できる。

給電部２１０による給電開始後、検出器２３０がアクティブとなる期間、破線で示すように給電部２１０は給電を一時的に停止してもよい。これにより、給電部２１０と検出器２３０の干渉を抑制し、検出器２３０による無線デバイス３１０の検出精度を高めることができる。

実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

実施の形態では、Ｑｉ規格について説明したが、本発明は将来策定されるであろうＱｉ規格の派生規格、あるいは別の規格にも適用可能である。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

２００ 送電装置
２１０ 給電部
２１２ 送信アンテナ
２１４ 第１インバータ
２１６ 第２インバータ
２２０ 駆動回路
２２４ インバータ
２２６ コントローラ
２２８ 復調器
２３０ 検出器
２３２ 検出アンテナ
２４０ 駆動部
２４２ インピーダンス調節回路
２４４ ドライバ
２４６ オシレータ
２４８ コントローラ
２５０ 判定部
２６０ 制御回路
２６２ 第１コントローラ
２６４ 第２コントローラ
３００ ワイヤレス受電装置
３１０ 無線デバイス
４００ 充電器
４０２ 筐体
４０４ 充電台
４０８ 電源回路
４１２ マイコン

Claims (8)

1. 電子機器に内蔵されるワイヤレス受電装置に電力信号を送信する給電部と、
   前記電子機器に内蔵され、または前記電子機器に取り付けられる別の通信あるいは別の給電のための無線デバイスを検出する検出器と、
   を備え、
   前記ワイヤレス受電装置を内蔵する前記電子機器が、前記無線デバイスを内蔵している場合、または前記電子機器に前記無線デバイスが取り付けられている場合に、前記ワイヤレス受電装置への給電を制限し、
   前記検出器は、
   前記給電部が使用する第１周波数帯域と異なる第２周波数帯域に共振周波数を有する検出アンテナと、
   前記検出アンテナを駆動する駆動部と、
   前記検出アンテナの状態にもとづいて前記無線デバイスの有無を判定する判定部と、
   を含むことを特徴とするワイヤレス送電装置。
2. 前記検出器は、前記給電部による給電開始に先立って動作することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
3. 前記検出器は、前記給電部による給電開始後に間欠的に動作することを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス送電装置。
4. 電子機器に内蔵されるワイヤレス受電装置に電力信号を送信する給電部と、
   前記電子機器に内蔵され、または前記電子機器に取り付けられる別の通信あるいは別の給電のための無線デバイスを検出する検出器と、
   を備え、
   前記ワイヤレス受電装置を内蔵する前記電子機器が、前記無線デバイスを内蔵している場合、または前記電子機器に前記無線デバイスが取り付けられている場合に、前記ワイヤレス受電装置への給電を制限し、
   前記検出器は、前記給電部による給電開始後に間欠的に動作することを特徴とするワイヤレス送電装置。
5. 前記給電部による給電開始後、前記検出器が動作する期間、前記給電部は給電を一時的に停止することを特徴とする請求項３または４に記載のワイヤレス送電装置。
6. 前記検出器による検出結果を外部に通知可能に構成することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のワイヤレス送電装置。
7. 前記駆動部は、
   前記検出アンテナとカップリングされるインピーダンス調節回路と、
   オシレータと、
   前記オシレータの出力に応じて前記検出アンテナを駆動するインバータと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
8. ワイヤレス受電装置に電力信号を送信するワイヤレス送電装置の制御回路であって、前記制御回路は、
   ワイヤレス給電で使用される第１周波数帯域に共振周波数を有する送信アンテナと、
   前記第１周波数帯域と異なる第２周波数帯域に共振周波数を有する検出アンテナと、
   とともに使用され、
   前記制御回路は、
   前記送信アンテナと接続される第１インバータを制御する第１コントローラと、
   前記検出アンテナと接続される第２インバータを制御する第２コントローラと、
   前記検出アンテナの状態にもとづいて、前記第２周波数帯域を使用する無線デバイスが、前記ワイヤレス受電装置を内蔵する電子機器に内蔵されていること、または取り付けられていることを判定する判定部と、
   を備え、
   前記ワイヤレス受電装置を内蔵する前記電子機器に、前記無線デバイスが内蔵されており、または取り付けられている場合に、前記送信アンテナから前記受電装置への給電を制限することを特徴とする制御回路。

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