JPWO2014038265A1 - 非接触充電装置およびそれを用いる非接触給電システム - Google Patents
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Abstract
無線通信を有した非接触給電システムにおいて広い充電エリアと通信エリアを確保する。本発明は、共鳴コイルと、無線通信アンテナコイルと、給電コイルと、給電コイルに接続された感度調整回路とを有し、非接触で電力を給電する際には、給電コイルと共鳴コイルとを電磁結合させ、共鳴コイルから磁気共鳴方式を用いて電力の給電を行い、無線通信の際には、無線通信アンテナコイルと共鳴コイルを結合させ、感度調整回路で感度の向上を図る。
Description
本発明は、非接触充電装置に関し、例えば非接触ICカードおよびバッテリを搭載した携帯機器に対してデータ通信および電源を供給する非接触充電装置、および携帯機器と非接触充電装置を有する非接触給電システムに適用可能な技術に関する。
非接触給電システムとして、例えば、特許文献1の図1に記載されている様なシステムが知られている。まず、この特許文献1に記載されているシステムを検討するに際して、本発明者は、特許文献1の図1に基づいて検討用の図を作成した。作成した検討用の図が、図7である。以下、この図7を用いて、非接触給電システムを説明する。
図7に示されている非接触給電システムは、鉄道の駅や店舗などの電力提供者側に設けられる送電装置701と、利用者が持っている携帯電子装置702とを含んでいる。携帯電子装置702に設けられた高速大容量蓄電モジュール720は、非接触で送電装置701により充電される。そのため、送電装置701は、非接触充電装置とも見なせる。
送電装置701は、NFC(Near Field Communication)リーダなどの非接触型処理モジュール713と、非接触型送電モジュール712と、送電制御モジュール711とを含んでいる。携帯電子装置(以下、携帯端末装置又は携帯端末とも称する)702は、NFC等の非接触型処理動作のための非接触型処理モジュール723と、充電のための非接触型送電モジュール722と、充電の判断と制御を行なう送電制御モジュール721と、高速に充電可能な大容量蓄電モジュール720とを含んでいる。
携帯端末702を所有している利用者は、駅や店舗などに設置された送電装置701に、携帯端末702を近接させることにより、電子決済等が行われる。近接させることにより、送電装置701に搭載されている非接触型処理モジュール713と携帯端末702に搭載されている非接触型処理モジュール723の間でデータ伝送(認証・読み書きなど)が行なわれ、電子決済等が実施される。一方、近接させることにより、送電装置701に搭載されている非接触型送電モジュール712から、携帯端末側の非接触型送電モジュール722に非接触により電力が送電される。非接触型送電モジュール722は、受電した電力を整流して高速大容量蓄電モジュール720の充電を行なう。同図の送電制御モジュール711、721は、これらモジュール間での非接触による送電の制御を行なうとともに、高速大容量蓄電モジュール720に充電を行なうための充電制御を行う。
図7のシステムでは、非接触型処理モジュール713、723間でデータ伝送(通信)を行なっている間に、携帯端末702の電源(高速大容量蓄電モジュール720)の充電が行われるため、携帯端末702の充電時間を減らせることが可能となる。特に、頻繁に非接触型処理モジュール713、723間で通信を行なえば、携帯端末702を充電しなくとも継続的に端末の利用が可能となる。
図7で示した非接触による通信や充電のための送電は、送電装置701と携帯端末702との間の距離が、数cm以下の比較的近距離で実施される。この様な近距離での伝送は、電磁誘導方式や磁気共鳴方式など磁気的な結合(電磁結合)による伝送が一般的である。これは、例えば電波による伝送を考えた場合、電波による伝送では、伝送エネルギー劣化が距離rに反比例するのに対し、電磁結合による伝送エネルギー劣化が、伝送距離rの2乗に反比例するためである。そのため、例えば伝送距離が1mよりも小さくなった場合、1/rよりも1/(r2)の項のほうが大きくなるので、伝送距離が近いほど電磁結合による伝送が有利となる。
非接触による通信や充電のための送電に用いられる周波数は100kHzから10数MHz程度の周波数が用いられる。これらの送受に用いられるアンテナとしては、磁気的な結合を強くし、伝送効率を向上するため、数ターンから数十ターン程度のコイル状のアンテナを用いるのが一般的であり、図7で示した携帯端末に用いられる非接触通信や非接触による送電のようなアンテナとしては、端末筐体へ内蔵が可能な直径4cm程度の小型のコイル状のアンテナが用いられている(たとえば、非特許文献1参照)。
日経エレクトロニクス 2007年3月26日号 98頁、日経BP社
図7で示した非接触給電システムでは、送電装置701と携帯端末702のそれぞれにアンテナが搭載される。この場合、受電側であるところの携帯端末701に搭載されるアンテナは、携帯端末の小型化のために、アンテナの小型化が要求される。これに対して、送電側であるところの送電装置701においては、受電装置である携帯端末702との非接触通信や非接触充電の際に充電エリアや無線通信エリアが広いほうが受電装置をより自由に置くことができるので、送電側である送電装置701に搭載されるアンテナは、より大きいほうが望ましい。しかし、送電装置701のアンテナを大きくすると、無線通信では通信感度が劣化して通信が十分確保できなかったり、通信ができなくなる。また、非接触による充電では、送電装置701のアンテナと携帯端末702のアンテナとの間の伝送損失が増えて充電効率が低下してしまう。
また、非接触給電システムでは、無線通信エリアと充電エリアがほぼ一致していないと、受電装置(携帯端末702)が置かれる場所により、無線通信は可能であるが充電は不可となる場合や、その逆の場合も生じる。そのため、無線通信エリアと充電エリアは一致させることが望ましい。しかし、送電装置701における無線通信エリアと充電エリアを一致させるため、送電装置701における無線通信アンテナと非接触給電アンテナを接近して配置しようとすると、お互いのアンテナ同士が干渉し合い、通信感度の劣化や充電効率の劣化を招く恐れがある。特に、携帯端末を充電するために大きな電力を送電する時に、アンテナ間のアイソレーションの確保が不十分であると、電力が無線通信用の回路に漏れこんで無線通信用回路を壊してしまう可能性がある。
また、データ伝送のための無線通信においては、電力を送電する場合に比べ、無線通信規格や法令上、送信電力が制約される。そのため、送電装置701に搭載される無線通信用アンテナを大きくすると、アンテナ面積に対する磁束密度が下がり、携帯端末702に搭載される無線通信用アンテナとの結合度が小さくなって受信感度が低下してしまう。このため、送電装置701においては、送電アンテナに比べ無線通信用アンテナを大きくすることに制約が生じ、結果として無線通信エリアを広くすることが難しい。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態によれば、送電に用いられるアンテナとして、共鳴コイルと給電コイルが設けられる。共鳴コイルは、そのコイルの両端に容量を接続し、該コイルの有するインダクタンスと容量による共振周波数が、送電に用いる周波数と等しくなるようにされる。給電コイルは共鳴コイルと磁気的に結合され、送電電力は、磁気的な結合により給電コイルから共鳴コイルに伝達され、伝達された電力は、磁気共鳴方式で、共鳴コイルから携帯側アンテナのコイルに給電される。この場合、磁気共鳴方式の特徴として、給電コイル側の信号源インピーダンスの影響によって生じるところの共鳴コイルの損失の増加を抑えることができるため、共鳴コイルからはより強い磁界を発生することができる。そのため、磁気共鳴方式を採用する実施の形態においては、電磁誘導方式と比べコイル間(送電側のコイルと携帯側のコイルの間)の伝送距離が長く取れるとともに、送電側コイル面積を大きくすることで、広い充電エリアを確保することが可能となる。
一実施の形態によれば、送電用アンテナのコイルは、共鳴コイルと給電コイルとを有する磁気共鳴方式で形成され、無線通信用アンテナのコイルは、数ターンからなる電磁誘導方式で形成される。送電用アンテナのコイルを形成する共鳴コイルは、無線通信用アンテナのコイルの内側に接近させて配置される。あるいは、無線通信用アンテナのコイルは、送電用のアンテナコイルの共鳴コイルの内側に接近させて配置される。これにより、送電時には、共鳴コイルを送電用に用いることができるだけでなく、無線通信時にも共鳴コイルをアンテナ用のコイルとして用いることができる。一方、無線通信用アンテナのコイルの端子間に抑制回路を設け、送電時に抑制回路がオン状態になることで、送電電力一部が無線通信用の回路に漏れるのを防ぐことが可能となり、無線通信用の回路が破壊されるのを防ぐことが可能となる。
さらに、一実施の形態によれば、無線通信の通信感度の向上を図ることができる様に、給電コイルの端子間に調整回路が付加される。これにより、無線通信時に、該調整回路で給電コイルの端子間のインピーダンスを調整し、無線通信用アンテナコイルから給電コイル間の結合を利用して無線通信時の感度の改善を図れる。
無線通信時と送電時とで、使用する周波数が異なる実施の形態においては、共鳴コイルに結合される共振用の容量の値が変更出来る様にされる。これにより、共振周波数を、無線通信時の周波数に適合する様に変更することも、送電時の周波数に適合する様に変更することも可能となり、異なる周波数を無線通信と送電に用いる場合であっても、共鳴コイルを無線送信時と送電時の両方で活用することが可能となる。
前記一実施の形態によれば、送電時に無線通信回路に漏れ込むことで無線通信用の回路が壊れることを防ぐことが可能となる。また、無線通信時の無線通信エリアを広く取ることができ、無線通信エリアと充電エリアをお互い広くかつエリアを一致させることが可能となる。これにより、携帯端末の位置ずれに強い非接触給電システムを得ることが可能となる。
≪第1の実施形態≫
図1Aには、第1の実施形態である非接触充電装置のブロックが示されている。同図において、1は非接触充電装置であり、101はNFCなどの無線通信部、102は制御回路、103は非接触電力送電部、104、105は整合回路、106は抑制回路、107は無線通信感度の改善を行う感度調整回路(以下調整回路と称することもある)、110は送電アンテナ部である。送電アンテナ部110は、無線通信用アンテナのコイル111、共鳴コイル112、給電アンテナ用のコイル113(破線で示してある)、共振容量114を有している。特に制限されないが、無線通信部101および非接触電力送電部103のそれぞれは、1つの半導体チップに形成されている。
図1Aには、第1の実施形態である非接触充電装置のブロックが示されている。同図において、1は非接触充電装置であり、101はNFCなどの無線通信部、102は制御回路、103は非接触電力送電部、104、105は整合回路、106は抑制回路、107は無線通信感度の改善を行う感度調整回路(以下調整回路と称することもある)、110は送電アンテナ部である。送電アンテナ部110は、無線通信用アンテナのコイル111、共鳴コイル112、給電アンテナ用のコイル113(破線で示してある)、共振容量114を有している。特に制限されないが、無線通信部101および非接触電力送電部103のそれぞれは、1つの半導体チップに形成されている。
同図において、無線通信部101は、整合回路104を介し無線通信用アンテナのコイル111に接続されるとともに、該コイル111の両端には抑制回路106が接続されている。一方、非接触電力送電部103は、整合回路105を介し給電コイル113に接続されるとともに、給電コイル113の両端には調整回路107が接続されている。共振容量114は、共鳴コイル112と並列に接続され、共鳴コイル112の有する自己インダクタンス値と共振容量による共振周波数が送電周波数と等しくなるように各値が定められる。後の説明で理解されると思うが、抑制回路106は、送電の際にオン状態にされ、通信の際にはオフ状態とされる。一方、調整回路107は、送電の際にオフ状態にされ、通信の際にオン状態とされる。
上記した整合回路104は、抑制回路106がオフ状態にされているとき、無線通信部101とコイル111との間でインピーダンスが整合する様に設定される。このとき、コイル111は共鳴コイル112および給電コイル113とも磁気的に結合しているため、共鳴コイル112を設けることによって生じるコイル111への影響、および調整回路107がオン状態にされているときの給電コイル113によって生じるコイル111への影響を反映して、インピーダンスの整合が図られる。これにより、抑制回路106がオフ状態にされ、調整回路107がオン状態とされるところの通信時に、無線通信部101とコイル111との間のインピーダンス整合が最適になる様にされ、通信の感度を向上させることが可能となる。
この実施の形態においては、無線通信と送電とが排他的に実行される。そのため、上記した整合回路105は、調整回路107がオフ状態にされている状態で、非接触電力送電部103と給電コイル113との間のインピーダンスが整合する様に設定されている。
次に、非接触給電動作について以下説明する。非接触充電装置1の無線通信部101に設けられている制御回路102は、抑制回路106をオフ状態にし、調整回路107をオン状態とする。また、制御回路102は、無線通信部101を連続的あるいは間欠的に動作させて、受電装置(携帯端末:図示せず)が非接触充電装置1の近くに置かれたかどうかの検出を行う。携帯端末からの電波を無線通信部101が検出した場合、携帯端末(図示せず)が非接触充電装置(送電装置)1の近くに置かれたと判断し、無線通信部101は、携帯端末と通信を行い、置かれた携帯端末が充電対象の機器であるか否かの判断を、制御回路102が行う。置かれた携帯端末が充電対象の機器であると認証ができた場合は、制御回路102は抑制回路106をオン状態とし、調整回路107をオフ状態とする。このとき、制御回路102は、非接触電力送電部103をオン状態にする。これにより、非接触電力送電部103は、送電電力を整合回路105を介し給電コイル113に出力する。該送電電力は、共鳴コイル112を介して受電装置に送電され、受電装置内のバッテリに充電が行われる。
このときの送電アンテナのコイル111、112、113の配置および磁束の向きの一例が、図1Bおよび図1Cに示されている。図1Bおよび図1Cのそれぞれは、図1Aに示したアンテナ部110の断面A−A‘を示した図面である。図1から理解される様に、共鳴コイル112は、同一平面上で、無線通信用アンテナのコイル111の内側に設けられており、給電用コイル113は、共鳴コイル112と重なる様に、共鳴コイル112よりも下面(下の面)に設けられている。特に制限されないが、それぞれのコイルは、数ターンの巻き配線で構成されている。図1のうち、図1Bには無線通信時の磁束が矢印で示されており、図1Cには電力伝送時の磁束が矢印で示されている。
磁束の向きとしては、コイルから携帯端末側に向かっている。無線通信時の磁束を示しているところの図1Bから理解される様に、このときの磁束は、無線通信用アンテナのコイル111から受電装置側に磁束が通っているのに加え、共鳴コイル112を介しての磁束も通っていると考えられる。これにより、共鳴コイル112を介した無線通信も行われるため、より広い通信エリアを実現することが可能となる。このときの無線通信感度は、給電コイル113の両端に接続された調整回路107を用いて調整される。すなわち、無線通信時には、調整回路107がオン状態とされる。調整回路107がオフ状態とされている送電時に、送電効率が良くなる様に、共鳴コイル112のインダクタンス値と共振容量114の値が設定されている。しかしながら、無線通信時には、給電コイル113と無線通信アンテナ111の配置が異なること等、条件の違いにより、設定された共鳴コイル112のインダクタンス値と共振容量114の値が必ずしも最適であるとはいえない。すなわち、無線通信時に、共鳴コイル112と共振容量114による共振周波数と無線通信アンテナのコイルに基づく共振周波数との間に差が生じることが考えられる。これに対応するために、無線通信時には、調整回路107をオン状態にして、共鳴コイル112と共振容量114とによって定まる共振周波数に、コイル111と調整回路107による共振周波数が合う様に調整する。この調整は、後で説明する様に、例えば調整回路107を構成する容量或いは/および抵抗の設定により行う。これにより無線通信時の感度の向上を図る。
次に図1Cに示した送電時については、給電コイル113からの磁束が共鳴コイル112と結合し、より強められて受電装置側に伝えられる。このとき、無線通信用アンテナのコイル111は、抑制回路106により、例えばコイルの端子間が短絡される。これにより、コイル111の内部では誘導起電力により電流が流れるが、整合回路104に電流が供給されるのを抑制することが可能となり、無線通信部101および整合回路104が、過剰電圧により破壊されるのを防ぐことが可能となる。
なお、無線通信アンテナのコイル111と給電コイル113との間、あるいは送電アンテナのコイルと無線通信アンテナコイル111との間で干渉が生じることが考えられるがが、無視できる程度である。
以上の第1の実施の形態では、無線通信アンテナコイルと送電アンテナコイルが無線通信エリアと充電のエリアが一致するように接近して配置された場合でもお互いの干渉が少なく、さらに、無線通信時には、無線通信アンテナのコイル111と共鳴コイル112が結合することで、無線通信エリアを広くすることが可能となる。また、送電時に、抑制回路106により、無線通信部101或いは整合回路104が破壊されるのを防ぐことが可能となる。
なお、この実施の形態では、送電時は、共鳴コイル112と携帯端末に設けられるアンテナ(コイル)との間で磁気共鳴方式で電力が供給される。このとき、共鳴コイル112と給電コイル113との間は、磁気誘導方式で結合される。また、無線通信時には、携帯端末のアンテナと、無線通信コイル111(共鳴コイル112を含む)との間で電磁誘導方式で信号の伝送が行われる。
《第2の実施形態》
図2Aには、第2の実施の形態に係わる非接触充電装置のブロック図が示されている。図2Aにおいて、図1Aと同じ部分については、同一の符号を付してあり、同じ部分についての説明は省略し、異なる部分についてのみ説明をする。
図2Aには、第2の実施の形態に係わる非接触充電装置のブロック図が示されている。図2Aにおいて、図1Aと同じ部分については、同一の符号を付してあり、同じ部分についての説明は省略し、異なる部分についてのみ説明をする。
図2Aにおいて、図1Aと異なる部分は、送電アンテナ部である。同図においは、送電アンテナ部が符号210として示してある。送電アンテナ部210は、共鳴コイル211、給電コイル212(破線で示してある)、無線通信アンテナコイル213、共振容量214を有している。後で説明する図2Bおよび図2Cからも理解されるであろうが、図1Aに示した送電アンテナと異なり、共鳴コイル211と給電コイル212の内側に無線通信アンテナコイル213が配置される構成となっている。
図2Bおよび図2Cには、送電アンテナ部210のコイルの配置および磁束の向きが示されており、図2Bには、無線通信時の磁束の向きが矢印で示され、図2Cには電力伝送時の磁束が矢印で示されている。各コイル間の配置としては、同一平面上に、共鳴コイル211と無線通信用アンテナのコイル213が配置され、共鳴コイル211と重なる様に、共鳴コイル212の下面に給電コイル212が配置されている。すなわち、共鳴コイル211と給電コイル212の内側に無線通信用アンテナのコイル213が接近して配置されている。図1に示した実施の形態と同じように、図2Aに示した断面A−A’が、図2Bおよび図2Cとして示されている。なお、携帯端末は、共振コイル211を中心にして、給電用コイル212の反対側に設置される。すなわち、磁束の矢印の方向に、携帯端末が置かれる。
図2Aで示した第2の実施の形態の場合も、無線通信時には、図2Bに示した様に、無線通信用のアンテナ213だけではなく、共鳴コイル211を介して磁束が通っていると考えられる。そのため、図1Aで示した第1の実施の形態と同様に無線通信エリアを広く取ることが可能となる。さらに、第2の実施の形態においては、無線通信の周波数と送電の周波数が異なる場合、特に、無線通信の周波数よりも送電の周波数が低いときは、電力の伝送効率の面で有利となる。これは、無線通信の周波数よりも送電の周波数が低いときは、電力伝送の効率低下を抑えるために、共鳴コイルの自己インダクタンス値を大きくする必要があるが、共鳴コイルが無線通信用のコイル213の外側に配置されることで、より大きな自己インダクタンス値が得られやすいためである。
この様に、第2の実施の形態では、第1の実施の形態で述べた効果に加え、無線通信の周波数よりも送電周波数が低いときに、電力転送の効率低下を抑えることが可能であるという効果がある。
《第3の実施形態》
図3には、第3の実施の形態に係わる非接触充電装置のブロック図が示されている。同図において、先に説明した図1および図2と同じ部分については、同一の符号を付してあり、同じ部分についての説明は省略し、異なる部分についてのみ説明をする。
図3には、第3の実施の形態に係わる非接触充電装置のブロック図が示されている。同図において、先に説明した図1および図2と同じ部分については、同一の符号を付してあり、同じ部分についての説明は省略し、異なる部分についてのみ説明をする。
図3において、図1および図2と異なる部分は、共振容量114(214)が共振容量切り替え回路310へ変更されていることである。
共振容量切り替え回路310は、送電時に使われる共振容量311と、無線通信時に使われる補正容量312と、スイッチ回路313とを有している。この切り替え回路において、共振容量311は補正容量312と直列接続され、スイッチ回路313は、補正容量312と並列接続されている。該共振容量切り替え回路310は、送電の周波数と無線通信の周波数が異なる際に、用いられる。すなわち、送電の周波数と無線通信の周波数が異なる場合、送電するのか無線通信をするのかで、スイッチ回路313はオン/オフされる。言い換えるならば、共振容量切り替え回路は310は、可変容量回路と見なすことができる。送電を実施するのか、無線通信を実施するのかは、制御回路102が決めるため、スイッチ回路313は、制御回路102によりオン/オフ制御される。送電は、無線通信に比べ低い周波数が使われることが考えられる。例えば、無線通信周波数としては、RFIDなどで広く用いられている13.56MHzを用い、送電周波数としては6.78MHzを用いることが考えられる。
上述した様な周波数を用いる場合、無線通信の際には、スイッチ回路313は制御回路102によりオフ状態とされる。これにより、共振容量311と補正容量312の直列接続の容量と共鳴コイル211とからなる共振回路は、無線周波数(例えば13.56MHz)で共振するようにされる。一方、送電の際には、制御回路102はスイッチ回路313をオン状態として、補正容量312をショート状態とする。これにより、送電の際には、共振容量311と共鳴コイル211とからなる共振回路が、送電の周波数(例えば6.78MHz)で共振するようにされる。
以上の構成とすることにより、無線通信時と送電時で共鳴コイルの共振周波数を切り替えることにより、無線通信周波数と送電周波数が異なる場合であっても、図2Aで示した第2の実施の形態と同様に、共鳴コイルを無線通信時と送電時の両方で用いることが可能となる。
図4は、上記した第1の実施の形態から第3の実施の形態で用いられる抑制回路、調整回路、共振周波数切り替え回路内のスイッチ回路の回路図である。同図において、401は、上記抑制回路(図1を例にすれば、106)、調整回路(図1では、107)、共振周波数切り替え回路(図3では、301)内のスイッチ回路313を構成するスイッチ回路である。図4において、410、411は端子、412は制御端子、413、414は容量、415、416は電界効果トランジスタ(以下、トランジスタと称することもある)、417は接地抵抗、418、419はバイアス抵抗である。電界効果トランジスタ415、416のそれぞれのソースは共通接続され、該共通接続点は接地抵抗417を介して接地され、電界効果トランジスタ415、416のそれぞれのドレインは、直列に容量413,414を介して端子410、411に接続されている。また、電界効果トランジスタ415、416のゲートはそれぞれバイアス抵抗418、419を介して制御端子412に接続される。
スイッチ回路401は、抑制回路、調整回路および共振周波数切り替え回路のそれぞれに用いられるが、用いられる回路によって抵抗417、容量413、414の働きが異なるので、用いられる回路における働きについて、それぞれ次に述べる。
抑制回路(図1では、106)を構成しているスイッチ回路401においては、端子410は、無線通信アンテナのコイル111の一方の端部に接続され、端子411は、コイル111の他方の端部に接続される。また、制御端子412には、制御回路102から制御信号が供給され、この制御信号によって、電力を給電する時にはトランジスタ415および416がオン状態にされ、無線通信時にはトランジスタ415および416がオフ状態にされる。これにより、スイッチ回路401(ここでは、抑制回路)が、オン状態あるいはオフ状態にされる。電界効果トランジスタを直列に接続する構成のスイッチ回路を用いることで、送電時の比較的高い電圧振幅であっても、電界効果トランジスタのドレインとソース間にかかる電圧は直列接続されているので半減されるため、耐圧に強く、しかも比較安価に入手可能であることから、非接触給電システムに用いられる半導体スイッチ回路として適しているといえる。また、容量413、414により、直流の電圧がトランジスタに印加されるのを防ぐことが可能となり、トランジスタの特性が変わってしまうことを防ぐことが可能となる。抵抗417は、伝送信号系のインピーダンスに比べて高抵抗の抵抗が用いられる。これにより、それぞれのトランジスタを動作させるとき、それぞれのソース電位を接地電位に固定させることが可能となる。
調整回路(図1では、107)を構成しているスイッチ回路401においては、端子410は、給電コイル113の一方の端部に接続され、端子411は、コイル113の他方の端部に接続される。また、制御端子412には、制御回路102から制御信号が供給され、この制御信号によって、電力を給電する時にはトランジスタ415および416がオフ状態にされ、無線通信時にはトランジスタ415および416がオン状態にされる。これにより、スイッチ回路401(ここでは、調整回路)が、オフ状態あるいはオン状態にされる。無線通信時に調整回路(スイッチ回路)がオン状態にされると、すなわちトランジスタ415および416がオン状態にされると、給電コイル113の端部間に容量413、414および抵抗417を有するCR(容量・抵抗)回路が形成される。無線通信時に、共鳴コイル112と共振用容量114からなる共振回路の共振周波数に、コイル111と上記CR回路からなる共振周波数が適合する様に、容量413、414の値或いは/および抵抗417の値が設定される。この設定の際には、トランジスタ415、416のオン抵抗も考慮して、設定される。
共振周波数切り替え回路(図3では、310)内の図一致回路313を構成しているスイッチ回路401においては、端子410は、共鳴コイル211の一方の端部(容量312の端子)に接続され、端子411は、共振容量311と共振容量312との共通接続点に接続される。すなわち、スイッチ回路401は、容量312と並列接続される。また、制御端子412には、制御回路102から制御信号が供給され、この制御信号によって、無線通信時にはトランジスタ415、416はオフ状態にされ、電力を給電する時にはトランジスタ415、416はオン状態にされる。これにより、スイッチ回路401(ここでは、共振周波数切り替え回路)が、オフ状態あるいはオン状態にされる。この様にして、共振周波数切り替え回路310内のスイッチ313として、スイッチ回路401を用いる場合、容量413、414および抵抗417の働きは、抑制回路の容量および抵抗と同じである。スイッチ回路401を、スイッチ313として用いる場合には、直流電圧が印加される可能性が低いので、上記した容量413、414については省略しても良く、省略することにより、スイッチの小型化を図ることも可能である。
次に、無線通信時に共鳴コイルが近くに配置されることにより無線通信感度が向上することを確認するための実験結果を図5Aおよび図5Bにより説明する。図5Aは、送電側は、無線通信アンテナのみで、受電側の無線通信アンテナと対向させた時の無線通信アンテナコイル間の伝送特性を示しており、図5Bは、第1の実施の形態で示した無線通信アンテナコイルの内側に共鳴コイルおよび給電コイルを配置した場合の伝送特性を示している。なお、図5において、横軸は周波数を示し、縦軸は通過特性を示している。
なお、実験に用いたアンテナコイルは、無線通信用アンテナコイルは、8cm×13cmで4ターン、共鳴コイルは6.5cm×11.5cmで8ターン、共振容量は22pF、給電コイルは5cm×9.5cmで1ターンであり、対向させる受電装置側の無線通信用のアンテナコイルは、4cm×4cmで3ターンである。また、無線通信および送電の周波数は13.56MHzで、無線通信アンテナ間の距離は1cmのときである。
図5Aと図5Bを比較すると無線通信アンテナ間の通過損失は、共鳴コイルのある図5Bのほうが8.5dB程度高く、共鳴コイルにより無線通信アンテナ間の損失を小さくできるので、通信感度の向上が図れることが分かる。
次に、上述の第1から第3の実施の形態の非接触給電システムの受電装置も含めた全体の動作の一例を図6により説明する。図6は、受電側が小型携帯機器などに搭載されることを想定した非接触給電システムである。
図6において、2は受電装置(携帯端末)、610は送電アンテナ部である。同図において、非接触充電装置1は、図1Aで示した第1の実施の形態と同じ構成を有している。なお、図面の複雑化を避けるために、アンテナ部110については簡略化して示してある。また、非接触充電装置1については、先に図1を用いて説明しているので、ここでは説明を省略する。
受電装置2は、無線通信アンテナと受電アンテナを共用した共用アンテナコイル610、レベル検出回路611、切り替え回路612、制御回路613、無線通信部614、受電部615より構成されている。この実施の形態においては、これらの各ブロック(共用アンテナコイル610、レベル検出回路611、切り替え回路612、制御回路613、無線通信部614、受電部615)は、1つのICカードに封止して、非接触ICカードとされる。該非接触ICカードは、図示されていないバッテリとともに、携帯端末に搭載され、バッテリにより各ブロックが動作される。また、バッテリは受電部615によって、充電される。上記各ブロックは、ICカードに封止せずに、各ブロックとバッテリとによって、無線通信機能と非接触給電機能を搭載した携帯端末としてもよい。次に、非接触給電システムにおいて受電装置2の動作を中心に説明する。
受電装置2の切り替え回路612は通常は無線通信部614側となっており、送電装置1からの無線通信信号を受信する状態となっている。そして、受電装置2が送電装置1の近くに置かれた場合、送電装置1からの無線通信信号を受信して無線通信を行ない、受電装置2が充電の対象か否かの認証を送電装置1において行い、受電装置2が充電の対象と判断された場合は、送電装置からは送電信号が送電される。このとき、受電装置2のレベル検出回路611において、無線信号よりも受電電力の高い送電信号を検出すると制御回路613において、切り替え回路612を受電部615側に切り替えることにより、受電した電力を受電部615に入力する。受電部615では、受電した電力を整流し充電制御回路を介して受電装置2に搭載されているバッテリ(図示せず)に充電される。同図では示されていないが、携帯端末装置1の各ブロックにはバッテリから電源が供給される。
このとき、受電中は無線通信が不可となるため、送電装置1は受電装置2の充電が完了した等、受電装置の状態把握のため、間欠的に無線通信を行い、受電装置2の状態を把握するような充電制御システムも容易に実現可能である。
また、送電装置1の送電アンテナ部620では、実施の形態1から実施の形態3の送電アンテナを用いることで、無線通信エリアおよび充電エリアのより広い非接触給電システムを得ることができる。
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
本発明は、非接触充電装置に関し、例えば非接触ICカードおよびバッテリを搭載した携帯機器に対してデータ通信および電源を供給する非接触充電装置、および携帯機器と非接触充電装置を有する非接触給電システムに広く適用することができる。
1 送電装置
2 受電装置
101、614 無線通信部
102、613 制御回路
103 非接触電力送電部
104、105 整合回路
106 抑制回路
107 調整回路
110、210、620 送電アンテナ部
111、213 無線通信アンテナコイル
112、211 共鳴コイル
113、212 給電コイル
114、214、311 共振容量
310 共振容量切り替え回路
312 補正容量
313 スイッチ回路
610 共用アンテナコイル
611 レベル検出回路
612 切り替え回路
615 受電部
2 受電装置
101、614 無線通信部
102、613 制御回路
103 非接触電力送電部
104、105 整合回路
106 抑制回路
107 調整回路
110、210、620 送電アンテナ部
111、213 無線通信アンテナコイル
112、211 共鳴コイル
113、212 給電コイル
114、214、311 共振容量
310 共振容量切り替え回路
312 補正容量
313 スイッチ回路
610 共用アンテナコイル
611 レベル検出回路
612 切り替え回路
615 受電部
Claims (9)
- 磁気的結合により電力を送電する非接触充電装置と上記非接触充電装置からの電力を非接触で受電する携帯端末装置とを有し、上記非接触充電装置と上記携帯端末装置のそれぞれは、相互間で通信を行う無線通信部を有し、上記携帯端末装置は、上記非接触充電装置により充電されるバッテリを有する非接触給電システムであって、
上記非接触充電装置は、
無線通信に用いる無線通信用アンテナコイルと、
給電コイルと共鳴コイルとを有し、送電の際に、上記給電コイルから上記共鳴コイルに電力を給電し、上記共鳴コイルから上記携帯端末装置に送電を行う電力送電用アンテナコイルと、
上記給電コイルに接続され、無線通信の際に感度を調整する調整回路とを具備する非接触給電システム。 - 上記無線通信用アンテナコイルに接続された抑制回路を有し、電力を送電する際に、送電信号が無線通信部への漏れこむのを抑制する請求項1の非接触給電システム。
- 上記調整回路のオン/オフ動作に半導体スイッチを用いる請求項1または請求項2の非接触給電システム。
- 上記抑制回路のオン/オフ動作に半導体スイッチを用いる請求項2の非接触給電システム。
- 上記共鳴コイルに接続された可変容量回路を有し、共鳴コイルと可変容量回路とによる共振周波数が、無線通信の際と送電の際とで変更される請求項1から4のいずれかの非接触給電システム。
- 上記無線通信アンテナコイルの内側に上記送電アンテナコイルを配置した請求項1から5のいずれかの非接触給電システム。
- 携帯端末装置との間でデータ伝送および上記携帯端末装置へ電力の供給を行う非接触充電装置であって、
データ伝送を行う無線通信部と、
上記無線通信部に結合され、上記データ伝送に用いられる無線通信用アンテナコイルと、
給電コイルと、
共鳴コイルと、
上記無線通信用アンテナコイルに接続され、上記携帯端末装置へ電力を供給する際に、上記無線通信用アンテナコイルから信号が上記無線通信部へ伝達するのを抑制する抑制回路と、
上記給電コイルに結合され、上記データ伝送時に、通信感度を制御する調整回路とを有し、
上記共鳴コイルは、データ伝送時には、転送すべきデータに従った磁束を形成し、電力を送電する時には、送電すべき電力に従った磁束を形成する非接触充電装置。 - 上記共鳴コイルと上記無線通信アンテナコイルは、一平面に形成され、上記共鳴コイルは、上記無線通信アンテナコイルの内側に配置されている請求項7の非接触充電装置。
- 上記共鳴コイルと上記無線通信アンテナコイルは、一平面に形成され、上記無線通信アンテナコイルは、上記共鳴コイルの内側に配置されている請求項7の非接触充電装置。
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