WO2015033719A1 - 位置ずれ検出装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

　位置ずれ検出装置（１１０）は、非接触給電方式で送信機器（ＴＸ）（２００）から電力を給電される受信機器（ＲＸ）（３００）の受信コイル（３０２）に誘起される電流を比較するコンパレータ（１２０）と、コンパレータに接続され、送信機器から伝送された送信周波数ｆｉをカウントする周波数カウンタ（１４０）と、周波数カウンタのカウント値Ｆ_iを蓄積するレジスタ（１６０）とを備える。充電中に送信機器上の受信機器の位置ずれを検出可能な位置ずれ検出装置（１１０）を提供する。

Description

位置ずれ検出装置および電子機器

　本発明は、位置ずれ検出装置および電子機器に関し、特に、非接触給電方式で送信機器から電力を給電される受信機器の位置ずれ検出装置および電子機器に関する。

　近年、携帯電話やタブレット等の電子機器に電力を供給する非接触給電方式（ワイヤレス給電方式、無接点電力伝送方式ともいう。）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。

　このような非接触給電システムは、送信機器（ＴＸ）と受信機器（ＲＸ）とを備える（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。

特開２０１３－３８８５４号公報 特開２０１２－８０７７２号公報

　本発明の目的は、充電中に送信機器上の受信機器の位置ずれを検出可能な位置ずれ検出装置および位置ずれ検出装置を搭載した電子機器を提供することにある。

　本発明の一態様によれば、非接触給電方式で送信機器から電力を給電される受信機器の受信コイルに誘起される電流を比較するコンパレータと、前記コンパレータに接続され、前記送信機器から伝送された送信周波数をカウントする周波数カウンタと、前記周波数カウンタのカウント値を蓄積するレジスタとを備え、充電中に前記送信機器上の前記受信機器の位置ずれを検出可能である位置ずれ検出装置が提供される。

　また、本発明の他の態様によれば、非接触給電方式で送信機器から電力を給電される受信機器と、前記受信機器に接続され、充電中に前記送信機器上の前記受信機器の位置ずれを検出可能な位置ずれ検出装置と、前記受信機器および前記位置ずれ検出装置と接続された制御部とを備える電子機器が提供される。

　本発明によれば、充電中に送信機器上の受信機器の位置ずれを検出可能な位置ずれ検出装置および位置ずれ検出装置を搭載した電子機器を提供することができる。

基本技術に係る非接触給電システムの模式的ブロック構成図。 基本技術に係る非接触給電システムの送信機器（ＴＸ）の動作シーケンス図。 基本技術に係る非接触給電システムの受信機器内において、ＲＥＣＴ起動電圧Ｖ_RECTと出力電圧Ｖ_OUTとの関係であって、（ａ）位置ずれなしの場合、（ｂ）位置ずれありの場合。 実施の形態に係る位置ずれ検出装置が適用される非接触給電システムの模式的ブロック構成図。 実施の形態に係る位置ずれ検出装置が適用される非接触給電システムの受信機器内において、（ａ）受信電圧Ｖ_AC1の波形図、（ｂ）コンパレータ出力電圧Ｖ_COM1の波形図。 実施の形態に係る位置ずれ検出装置が搭載される電子機器の模式的ブック構成図。 実施の形態に係る位置ずれ検出装置が適用される非接触給電システムの送受信コイル部分の詳細構成図。 実施の形態に係る位置ずれ検出装置が適用される非接触給電システムにおいて、送信電力Ｐ_tと周波数ｆとの関係。 実施の形態に係る位置ずれ検出装置が適用される非接触給電システムにおいて、（ａ）電源回路をＬＤＯ（Low Dropout）で構成した例、（ｂ）送受信コイルのコイルパラメータαをパラメータとするＲＥＣＴ起動電圧Ｖ_RECTの立ち上り特性。 実施の形態に係る位置ずれ検出装置が適用される非接触給電システムにおいて、送信機器の模式的平面構成例。 実施の形態に係る位置ずれ検出装置が適用される非接触給電システムにおいて、受信機器の模式的平面構成例。 実施の形態に係る位置ずれ検出装置が適用される非接触給電システムにおいて、送信機器と受信機器の模式的鳥瞰構成図。 実施の形態に係る位置ずれ検出装置が適用される非接触給電システムにおいて、図１２に示された配置関係から、送信機器に対して受信機器が＋Ｘ方向に距離Ｘ１だけ位置ずれを伴う場合、送信機器と受信機器の模式的鳥瞰構成例。 実施の形態に係る位置ずれ検出装置が適用される非接触給電システムにおいて、（ａ）受給電コイル部分の模式図、（ｂ）送信電力Ｐ_tと周波数ｆとの関係を示す模式図。 実施の形態に係る位置ずれ検出装置が適用される非接触給電システムにおいて、（ａ）増加する周波数シフトを伴う場合の送信電力Ｐ_tと周波数ｆとの関係を示す模式図、（ｂ）減少する周波数シフトを伴う場合の送信電力Ｐ_tと周波数ｆとの関係を示す模式図。 実施の形態に係る位置ずれ検出装置が適用される非接触給電システムにおいて、送受信コイルの位置関係における送信電力Ｐ_tと漏洩電力Ｐ_Thの関係を示す模式図。

　次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

　又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

　（基本技術：非接触給電システム）
　基本技術に係る非接触給電システム１００Ａの模式的ブロック構成は、図１に示すように表される。図１に示すように、非接触給電システム１００Ａは、Ｑｉ規格に準拠したシステムであり、送信機器（ＴＸ）２００と、受信機器（ＲＸ）３００とを備える。

　送信機器（ＴＸ）２００は、送信コイル（１次コイル）２０２と、ドライバ２０４と、第１コントローラ２０６と、復調器２０８とを備える。ドライバ２０４には、Ｈブリッジ回路（フルブリッジ回路）またはハーフブリッジ回路が含まれる。

　ドライバ２０４は、送信コイル２０２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２０２に流れる駆動電流により、送信コイル２０２に電磁界の電力信号Ｓ２を発生させる。

　第１コントローラ２０６は、送信機器（ＴＸ）２００全体を統括的に制御するものであり、具体的には、ドライバ２０４のスイッチング周波数、またはスイッチングのデューティ比を制御することにより、送信電力を変化させる。

　Ｑｉ規格では、送信機器（ＴＸ）２００と受信機器（ＲＸ）３００との間で通信プロトコルが定められており、受信機器（ＲＸ）３００から送信機器（ＴＸ）２００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（２次コイル）３０２から送信コイル２０２に送信される。この制御信号Ｓ３には、例えば、受信機器（ＲＸ）３００に対する電力供給量を指示する電力制御データや、受信機器（ＲＸ）３００の固有の情報を示すデータ等が含まれる。

　復調器２０８は、送信コイル２０２の電流または電圧に含まれる制御信号Ｓ３を復調する。第１コントローラ２０６は、復調された制御信号Ｓ３に含まれる電力制御データに基づいてドライバ２０４を制御する。

　受信機器（ＲＸ）３００は、受信コイル（２次コイル）３０２と、整流回路３０４と、キャパシタ３０６と、変調器３０８と、負荷回路３１０と、第２コントローラ３１２と、電源回路３１４とを備える。

　受信コイル３０２は、送信コイル２０２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２０２に対して送信する。

　整流回路３０４およびキャパシタ（Ｃ４）３０６は、電力信号Ｓ２に応じて受信コイル３０２に誘起される電流Ｓ４を整流・平滑化し、直流電圧に変換する。

　電源回路３１４は、送信機器（ＴＸ）２００から供給された電力を利用して図示しない２次電池を充電し、または直流電圧Ｖｄｃを昇圧あるいは降圧し、第２コントローラ３１２やその他の負荷回路３１０に供給する。

　第２コントローラ３１２は、受信機器（ＲＸ）３００が受けている電力供給量をモニタし、それに応じて、電力供給量を指示する電力制御データを生成する。

　変調器３０８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３０２のコイル電流を変調することにより、送信コイル２０２のコイル電流およびコイル電圧を変調する。

　（基本技術：動作シーケンス）
　基本技術に係る非接触給電システム１００Ａの送信機器（ＴＸ）２００の動作シーケンスは、図２に示すように表される。図２に示すように、送信機器（ＴＸ）２００の状態は、選択フェーズ（Selection Phase）φ１と、送電（Power Transfer）フェーズφ２と、認証・設定フェーズ（Identification & Configuration Phase）φ３とに大別される。

　―送電フェーズφ２―
　はじめに、送電フェーズφ２について説明する。
（ａ）まず、ステップＳ１００において、送信機器（ＴＸ）２００から受信機器（ＲＸ）３００への送電が開始される。
（ｂ）次に、ステップＳ１０２において、現在の送電状態を示す制御信号Ｓ３が受信機器（ＲＸ）３００から送信機器（ＴＸ）２００にフィードバックされる。
（ｃ）これにより、ステップＳ１０４に示すように、送信機器（ＴＸ）２００は、制御信号Ｓ３に基づいて送電量を調節する。送電中は、制御信号Ｓ３のフィードバックと送電量の調整が繰り返される（ステップＳ１０２→ステップＳ１０４→ステップＳ１０２→…）。
（ｄ）次に、ステップＳ１０６において、充電完了を示す制御信号Ｓ３が受信機器（ＲＸ）３００から送信機器（ＴＸ）２００に送信されるか、または、ステップＳ１１０において、送信機器（ＴＸ）２００の給電範囲から受信機器（ＲＸ）３００が取り外されたことにより通信のタイムアウトエラーが発生すると、ステップＳ１０８において、そのことを送信機器（ＴＸ）２００が検知して送電を停止し、選択フェーズφ１に移行する。

　―選択フェーズφ１―
　次に、選択フェーズφ１について説明する。
（ｅ）まず、ステップＳ２００において、送信機器（ＴＸ）２００は、所定の時間間隔（Object detection interval、例えば５００ｍｓｅｃ）毎に電力信号Ｓ２を送信し、受信機器（ＲＸ）３００の有無を確認する。これをアナログピンフェーズ（Analog Ping Phase）と称する。
（ｆ）次に、ステップＳ２０２において、受信機器（ＲＸ）３００が検出されると、認証・設定フェーズφ３に移行する。

　―認証・設定フェーズφ３―
　最後に、認証・設定フェーズφ３について説明する。
（ｇ）まず、ステップＳ２０４において、送信機器（ＴＸ）２００は、デジタルピンフェーズ（Digital Ping Phase）を実行する。
（ｈ）次に、ステップＳ２０６において、受信機器（ＲＸ）３００の個体情報を受信する。
（ｉ）続いて、ステップＳ２０８において、送電条件に関する情報が受信機器（ＲＸ）３００から送信機器（ＴＸ）２００に送信される。その結果、送電フェーズφ２に移行する。

　基本技術に係る非接触給電システムＡの受信機器（ＲＸ）３００内において、ＲＥＣＴ起動電圧Ｖ_RECTと出力電圧Ｖ_OUTとの関係であって、位置ずれなしの場合は、図３（ａ）に示すように表され、位置ずれありの場合は、図３（ｂ）に示すように表される。

　基本技術に係る非接触給電システム１００Ａの受信機器（ＲＸ）３００内において、位置ずれなしの場合は、図３（ａ）に示すように、ＲＥＣＴ起動電圧Ｖ_RECTは時刻ｔ１～時刻ｔ２間に０Ｖ～電圧Ｖ_R1まで立ち上がるのに対して、電源回路３１４の出力電圧Ｖ_OUTは、時刻ｔ２～時刻ｔ３間に０Ｖ～電圧Ｖ_O1まで立ち上がる。一方、位置ずれありの場合は、図３（ｂ）に示すように、ＲＥＣＴ起動電圧Ｖ_RECTは時刻ｔ１～時刻ｔ４間に０Ｖ～電圧Ｖ_R1まで立ち上がるのに対して、電源回路３１４の出力電圧Ｖ_OUTは、時刻ｔ５～時刻ｔ６間に０Ｖ～電圧Ｖ_O1まで立ち上がる。位置ずれなしの場合は、図３（ａ）に示すように、ＲＥＣＴ起動電圧Ｖ_RECTの立ち上りに対する出力電圧Ｖ_OUTの応答時間は相対的に短い。

　一方、位置ずれありの場合は、図３（ｂ）に示すように、ＲＥＣＴ起動電圧Ｖ_RECTの立ち上りに対する出力電圧Ｖ_OUTの応答時間は相対的に長い。

　このように、基本技術に係る非接触給電システムの受信機器内においては、送信機器（ＴＸ）上に受信機器（ＲＸ）を配置した時のＲＥＣＴ起動電圧Ｖ_RECTと出力電圧Ｖ_OUTの立ち上りの傾きを観測し、位置ずれ検出のみを可能としている。このため、充電中に受信機器（ＲＸ）の位置がずれた場合には、ＲＥＣＴ起動電圧Ｖ_RECTと出力電圧Ｖ_OUTの値はすでに一定状態に保持されているため、位置ずれを検出することが難しい。

　基本技術に係る非接触給電システムにおいて、送信機器（ＴＸ）から受信機器（ＲＸ）を充電する際、送信機器（ＴＸ）と受信機器（ＲＸ）に位置ずれがあると非接触給電システムの充電効率が低下する。

　［実施の形態］
　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される非接触給電システム１００の模式的ブロック構成は、図４に示すように表される。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される非接触給電システム１００は、非接触給電方式で送信機器２００（ＴＸ）から受信機器３００（ＲＸ）に電力を給電すると共に、受信機器３００（ＲＸ）から送信機器２００（ＴＸ）に対して制御信号Ｓ３による情報の伝達が可能である。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される受信機器３００（ＲＸ）は、受信コイル３０２と、整流回路３０４およびキャパシタ（Ｃ４）３０６と、第２コントローラ３１２と、電源回路３１４と、変調器３０８とを備える。

　受信コイル３０２は、送信コイル２０２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２０２に対して送信する。

　整流回路３０４およびキャパシタ（Ｃ４）３０６は、電力信号Ｓ２に応じて受信コイル３０２に誘起される電流Ｓ４を整流・平滑化し、直流電圧に変換する。

　第２コントローラ３１２は、受信機器３００（ＲＸ）が受けている電力供給量をモニタし、それに応じて、電力供給量を指示する電力制御データを生成する。

　電源回路３１４は、送信機器（ＴＸ）２００から供給された電力を利用して直流電圧を昇圧あるいは降圧し、第２コントローラ３１２および負荷回路３１０に供給する。

　変調器３０８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３０２のコイル電流を変調することにより、送信コイル２０２のコイル電流およびコイル電圧を変調する。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される非接触給電システム１００の送信機器２００（ＴＸ）は、送信コイル２０２と、ドライバ２０４と、第１コントローラ２０６と、復調器２０８とを備える。

　ドライバ２０４は、送信コイル２０２に駆動信号Ｓ１を印加し、送信コイル２０２に流れる駆動電流により、送信コイルに電磁界の電力信号Ｓ２を発生させる。

　第１コントローラ２０６は、復調された制御信号Ｓ３に含まれる電力制御データに基づいてドライバ２０４のスイッチング周波数を制御することにより、送信電力Ｐ_tを制御する。

　復調器２０８は、送信コイル２０２の電流または電圧に含まれる制御信号Ｓ３を復調する。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０は、図４に示すように、非接触給電方式で送信機器２００（ＴＸ）から受信機器３００（ＲＸ）に電力を給電する非接触給電システム１００に適用され、非接触給電方式で送信機器２００（ＴＸ）から電力を給電される受信機器３００（ＲＸ）の位置ずれを検出可能である。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０は、図４に示すように、コンパレータ１２０と、周波数カウンタ１４０と、レジスタ１６０とを備え、充電中に送信機器２００（ＴＸ）上の受信機器３００（ＲＸ）の位置ずれを検出可能である。

　コンパレータ１２０は、非接触給電方式で送信機器２００（ＴＸ）から電力を給電される受信機器３００（ＲＸ）の受信コイル３０２に誘起される電流を比較する。

　周波数カウンタ１４０は、コンパレータ１２０に接続され、送信機器（ＴＸ）２００から伝送された送信周波数ｆ_iをカウントする。

　レジスタ１６は、周波数カウンタ１４０のカウント値Ｆ_iを蓄積する。

　充電中に送信機器２００（ＴＸ）上の受信機器３００（ＲＸ）の位置がずれた場合には、レジスタ１６０からシステムに位置ずれ情報ＩＦを通知することができる。ここで、システムとしては、セット機器などを適用可能である。

　位置ずれ情報ＩＦは、システム内に配置される制御部４００に通知される。

　位置ずれ情報ＩＦは、送信機器２００（ＴＸ）から受信機器３００（ＲＸ）に伝送される送信電力Ｐ_tの変化量ΔＰ_tを送信周波数ｆ_iの変化量Δｆ_iとして検出した値である。

　位置ずれ情報ＩＦを受信した制御部４００は、受信機器３００（ＲＸ）に位置ずれフィードバック情報ＦＢを通知して、充電中に送信機器２００（ＴＸ）上の受信機器３００（ＲＸ）の位置を調整可能にする。

　また、位置ずれ情報ＩＦを受信した制御部４００は、送信機器２００（ＴＸ）および受信機器３００（ＲＸ）に位置ずれフィードバック情報ＦＢを通知して、充電中に送信機器２００（ＴＸ）上の受信機器３００（ＲＸ）の位置を調整可能にしても良い。

　制御部４００は、ＣＰＵ若しくはマイコンなどを備えていても良い。

　レジスタ１６０と制御部４００は、アイ・ツー・シー（I²C：Inter-Integrated Circuit）シリアルバスで接続されていても良い。

　レジスタ１６０から制御部４００に通知される位置ずれ情報ＩＦは、アイ・ツー・シーシリアルバスを介して伝送可能である。

　制御部４００から非接触給電システム１００内の受信機器３００（ＲＸ）に通知される位置ずれフィードバック情報ＦＢも、アイ・ツー・シーシリアルバスを介して伝送可能である。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０においては、ＲＥＣＴ起動電圧Ｖ_RECTと出力電圧Ｖ_OUTの立ち上りの傾きを観測する位置ずれ検出のみならず、充電中の送信機器（ＴＸ）２００から受信機器（ＲＸ）３００への送信電力Ｐ_tの周波数成分をモニタし、この周波数成分をパラメータとして使用することで、充電中の位置ずれについても検出可能である。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される受信機器（ＲＸ）３００内において、受信電圧Ｖ_AC!の波形は、図５（ａ）に示すように模式的に表され、コンパレータ出力電圧Ｖ_COM1の波形は、図５（ｂ）に示すように模式的に表される。受信電圧Ｖ_AC!の波形は、受信コイル３０２を導通する交流波形成分の波高値がクリップされた波形に対応する。受信電圧Ｖ_AC2の波形についても図５（ａ）と同様に表される。

　（電子機器）
　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が搭載される電子機器５００は、図６に示すように、非接触給電方式で送信機器（ＴＸ）２００から電力を給電される受信機器（ＲＸ）３００と、受信機器（ＲＸ）３００に接続され、充電中に送信機器（ＴＸ）２００上の受信機器（ＲＸ）３００の位置ずれを検出可能な位置ずれ検出装置１１０と、受信機器（ＲＸ）３００および位置ずれ検出装置１１０と接続された制御部４００とを有する。

　図６に示す例では、受信機器（ＲＸ）３００および位置ずれ検出装置１１０が、電子機器５００に内蔵されている。ここで、電子機器５００としては、例えば、非接触給電ＩＣ、携帯電話、タブレット端末、スマートホン、オーディオプレイヤ、ゲーム機器などを想定している。

　電子機器５００内では、受信機器（ＲＸ）３００および位置ずれ検出装置１１０と制御部４００との間は、アイ・ツー・シーシリアルバスなどを介して接続されている。

　位置ずれ検出装置１１０は、非接触給電方式で送信機器（ＴＸ）２００から電力を給電される受信機器（ＲＸ）３００の受信コイル３０２に誘起される電流を比較するコンパレータ１２０と、コンパレータ１２０に接続され、送信機器（ＴＸ）２００から伝送された送信周波数ｆ_iをカウントする周波数カウンタ１４０と、周波数カウンタ１４０のカウント値Ｆ_iを蓄積するレジスタ１６０とを備える。

　充電中に送信機器（ＴＸ）２００上の受信機器（ＲＸ）３００の位置がずれた場合には、レジスタ１６０ＩＦは、送信機器（ＴＸ）２００から受信機器（ＲＸ）３００に伝送される送信電力Ｐ_tの変化量ΔＰ_tを送信周波数ｆの変化量Δｆとして検出した値である。

　位置ずれ情報ＩＦを受信した制御部４００は、受信機器（ＲＸ）３００に位置ずれフィードバック情報ＦＢを通知して、充電中に送信機器（ＴＸ）２００上の受信機器（ＲＸ）３００の位置を調整可能である。

　また、位置ずれ情報ＩＦを受信した制御部４００は、送信機器（ＴＸ）２００および受信機器（ＲＸ）３００に位置ずれフィードバック情報ＦＢを通知して、充電中に送信機器（ＴＸ）２００上の受信機器（ＲＸ）３００の位置を調整可能であっても良い。

　制御部４００は、例えば、ＣＰＵ若しくはマイコンを備えていても良い。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置が適用される非接触給電システム１００の送受信コイル部分の詳細構成は、図７に示すように表される。図７では、位置ずれ検出装置は図示を省略している。

　受信機器（ＲＸ）３００は、図７に示すように、インダクタンスＬ２に直列接続されるキャパシタＣｓと、インダクタンスＬ２とキャパシタＣｓの直列回路に並列接続されるキャパシタＣｐとを備え、さらに、キャパシタＣｐに並列にキャパシタＣ₀₁・スイッチＳＷ・Ｃ₀₂の直列回路を備える。ここで、スイッチＳＷのオン／オフの切り替えによって、キャパシタＣｐの値を切り替えることができる。ＡＭ変調は特に軽負荷時には振幅が大きくなり、復調が難しいため、キャパシタＣｐの値を実質的に切り替えることによって、軽負荷時にも対応可能となる。

　（送信電力Ｐ_tと周波数ｆとの関係）
　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１００が適用される非接触給電システム１００において、送信電力Ｐ_tと周波数ｆとの関係は、模式的に図８に示すように表される。ここで、共振周波数は、例えば、１２０ｋＨｚであり、この時、最適な送信電力Ｐopが得られる。

　例えば、非接触給電システム１００の起動時において、送信機器（ＴＸ）２００から受信機器（ＲＸ）３００に伝送される送信電力Ｐ_tの周波数ｆ＝１７５ｋＨｚであったとする。

　―位置ずれ検出の判断―
（ａ）まず起動時において、送信機器（ＴＸ）２００上の受信機器（ＲＸ）３００の位置ずれが起こったら、送信機器（ＴＸ）２００と受信機器（ＲＸ）３００との間の電力伝送効率が低下する。
（ｂ）受信機器（ＲＸ）３００を導通する充電電流は一定のため、受信機器（ＲＸ）３００から送信機器（ＴＸ）２００に対して、より多くの電力伝送を要求するコントロールエラーパケットなどの制御信号Ｓ３を送信する。
（ｃ）制御信号Ｓ３を受信した送信機器（ＴＸ）２００は、受信機器（ＲＸ）３００に対して、より多くの電力伝送を実施する。
（ｄ）送信機器（ＴＸ）２００から受信機器（ＲＸ）３００への送信電力Ｐ_tの送信周波数ｆをモニタして、異常値となれば、位置ずれ検出と判断する。

　―充電中の位置ずれ検出とフィードバック―
　充電中において、送信機器（ＴＸ）２００上の受信機器（ＲＸ）３００の位置ずれが発生し、送信電力Ｐ_tの周波数ｆが、ｆ（＋）となり、周波数増大の方向の場合には、送信電力Ｐ_tは減少する。すなわち、パワーダウンの方向であり、電力伝送は不十分と判断される。この場合には、位置ずれフィードバック情報ＦＢによって、送信機器（ＴＸ）２００と受信機器（ＲＸ）３００の相対的な位置ずれを修正可能である。

　その後の充電中において、送信電力Ｐ_tの周波数ｆが、ｆ（－）となり、周波数減少の方向の場合には、送信電力Ｐ_tは増大する。すなわち、パワーアップの方向であり、電力伝送は相対的に良好と判断される。この場合にも、位置ずれフィードバック情報ＦＢによって、送信機器（ＴＸ）２００と受信機器（ＲＸ）３００の相対的な位置ずれを修正可能である。

　更に、この操作を繰り返し、その後の充電中において、送信電力Ｐ_tの周波数ｆが、例えば、共振周波数に近づいた場合には、送信電力Ｐ_tは最適な送信電力Ｐopに近づくことができる。

　その後の充電中において、送信電力Ｐ_tの周波数ｆが、ｆ（－）となり、周波数減少の方向の場合には、送信電力Ｐ_tは減少する。すなわち、パワーダウンの方向であり、電力伝送は相対的に不十分と判断される。この場合にも、位置ずれフィードバック情報ＦＢによって、送信機器（ＴＸ）２００と受信機器（ＲＸ）３００の相対的な位置ずれを修正可能である。

　更に、この操作を繰り返し、その後の充電中において、送信電力Ｐ_tの周波数ｆが、例えば、共振周波数に近づいた場合には、送信電力Ｐ_tは最適な送信電力Ｐopに近づくことができる。

　（電力伝送）
　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される非接触給電システム１００において、電源回路をＬＤＯ（Low Dropout）で構成した例は、図９（ａ）に示すように表され、送受信コイルのコイルパラメータαをパラメータとするＲＥＣＴ起動電圧Ｖ_RECTの立ち上り特性は、模式的に、図９（ｂ）に示すように表される。

　図９（ａ）においては、送信機器（ＴＸ）２００は、送信コイル２０２のみを表示し、その他の構成は、図示を省略している。同様に、受信機器（ＲＸ）３００においては、受信コイル３０２・整流回路３０４・ＬＤＯ３１４Ａ・負荷回路３１０・位置ずれ検出装置１１０のみを表示し、その他の構成は、図示を省略している。ＬＤＯ３１４Ａの入力両端のキャパシタＣを充電する電流Ｉ_chargeの時間応答によって、ＲＥＣＴ出力電圧Ｖ_RECTの立ち上り特性が決定される。図９（ｂ）において、コイルパラメータα１＞＞コイルパラメータα２が成立している。すなわち、コイルパラメータαの値が大きい程、一定値Ｖ_R1に到達する立ち上り特性は早くなる。ＲＥＣＴ出力電圧Ｖ_RECTの値は、図９（ｂ）に示すように、一旦立ち上がった後は、一定値Ｖ_R1になる。この一定値Ｖ_R1は、図４中の直流出力電圧Ｖ_dcに等しい。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される非接触給電システム１００においては、図９（ａ）に示すように、送信コイル２０２と受信コイル３０２の電磁結合によって、電力伝送が行われる。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される非接触給電システム１００において、コイルパラメータαと最大伝送効率η_MAXとの関係は、以下の通りである。

　ここで、送信コイル２０２のインダクタンスをＬ１、直列抵抗をｒ₁、受信コイル３０２のインダクタンスをＬ２、直列抵抗をｒ₂とすると、送信コイル２０２、受信コイル３０２のＱ（Quality Factor）の値Ｑ₁、Ｑ₂は、（１）式および（２）式で表される。

 
　　Ｑ₁＝ωＬ１／ｒ₁　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
 
　　Ｑ₂＝ωＬ２／ｒ₂　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
 
　また、送信コイル２０２と受信コイル３０２の相互インダクタンスをＭとすると、コイルパラメータαは（３）式で表され、最大伝送効率η_MAXは（４）式で表される。

 
　　α≡ｋ²Ｑ₁Ｑ₂　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
 
　　η_MAX＝α／［１＋（１＋α）^1/2］²　　　　　　　　　　（４）
 
　ここで、ｋは、送信コイル２０２と２次側コイル１６の結合係数である。すなわち、コイルパラメータαが最大伝送効率η_MAXを支配し、例えば、コイルパラメータαが約１０⁴以上で最大伝送効率η_MAXが１００％近くになる。

　このコイルパラメータαの値を増大するためには、コイルのＱ値を表すωＬ／ｒの式の形から周波数ωを上げることが好適である。一方、コイルパラメータαの値は、送信機器（ＴＸ）上の受信機器（ＲＸ）の位置ずれによって大きく変化し、ＲＥＣＴ起動電圧Ｖ_RECTの応答特性も図９（ｂ）に示すように大きく変動する。さらに、充電中に送信機器（ＴＸ）上の受信機器（ＲＸ）の位置がずれた場合にも、コイルパラメータαの値は大きく変化する。図９（ｂ）において、α１＞＞α２であることから、ＲＥＣＴ起動電圧Ｖ_RECTの立ち上り特性は、送受信コイルのコイルパラメータαが大きい良好となる。

　（送信機器の平面構成例）
　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される非接触給電システム１００において、送信機器（ＴＸ）２００の模式的平面構成例は、図１０に示すように表される。

　送信機器２００（ＴＸ）は、図１０に示すように、充電台２１０と、充電台２１０の外周部の四隅に配置された警報表示部２２０ａ・２２０ｂ・２２０ｃ・２２０ｄを備えていても良い。

　ここで、例えば、送信機器２００（ＴＸ）に通知された位置ずれフィードバック情報ＦＢは、警報表示部２２０ａ・２２０ｂ・２２０ｃ・２２０ｄに表示可能である。警報表示部２２０ａ・２２０ｂ・２２０ｃ・２２０ｄは、例えば、可視光を発光可能な発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などを用いて形成してもよい。

　（受信機器の平面構成例）
　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される非接触給電システム１００において、受信機器３００（ＲＸ）の模式的平面構成例は、図１１に示すように表される。

　受信機器３００（ＲＸ）は、図１１に示すように、モニタ表示部３２０と、モニタ表示部３２０上に配置された位置ずれ表示部３６０とを備えていても良い。

　ここで、例えば、受信機器３００（ＲＸ）に通知された位置ずれフィードバック情報ＦＢは、位置ずれ表示部３６０に表示可能である。すなわち、位置ずれ表示部３６０において、送信機器（ＴＸ）と受信機器（ＲＸ）を表す画像が表示され、両者の位置関係を観察可能であり、送信機器（ＴＸ）と受信機器（ＲＸ）相対的な位置のずれを修正可能である。

　また、受信機器３００（ＲＸ）は、図１１に示すように、モニタ表示部３６０の外周部に配置された警報表示部３４０を備えていても良い。ここで、例えば、受信機器３００（ＲＸ）に通知された位置ずれフィードバック情報ＦＢは、警報表示部３４０に表示可能である。警報表示部３４０は、例えば、可視光を発光可能なＬＥＤなどを用いて形成してもよい。

　（位置ずれ検出方法）
　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される非接触給電システム１００において、送信機器２００（ＴＸ）と受信機器３００（ＲＸ）の模式的鳥瞰構成は、図１２に示すように表される。また、図１２に示された配置関係から、送信機器２００（ＴＸ）に対して受信機器３００（ＲＸ）が＋Ｘ方向に距離Ｘ１だけ位置ずれを伴う場合の模式的鳥瞰構成例は、図１３に示すように表される。

　図１２においては、送信機器２００（ＴＸ）の充電台２１０上方向に受信機器３００（ＲＸ）が配置されており、位置ずれは発生していない。この状態から、３次元ＸＹＺ座標上Ｘ・Ｙ・Ｚ方向に、ΔＸ・ΔＹ・ΔＺに位置ずれを発生すると、送信機器２００（ＴＸ）から受信機器３００（ＲＸ）への送信電力Ｐ_tと周波数ｆとの関係を表す曲線上において、動作点のシフトが観測される。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される非接触給電システム１００において、送信機器２００（ＴＸ）と受信機器３００（ＲＸ）間の送受信コイル部分の模式図は、図１４（ａ）に示すように表され、送信機器２００（ＴＸ）から受信機器３００（ＲＸ）へ伝送される送信電力Ｐ_tと送信周波数ｆとの関係を示すＰ（ｆ）曲線の模式図は、図１４（ｂ）に示すように表される。

　ここで、実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される非接触給電システム１００の起動時において、送信周波数ｆ_iにおける送信電力Ｐ_tをＰ_iとすると、Ｐ_t（ｆ）曲線上において、送信電力Ｐ_i＝Ｐ_t（ｆ_i）で表される。さらに、充電中に周波数ｆ_iが＋方向にΔｆ_i(＋)だけシフトした場合の送信電力は、Ｐ_t（ｆ_i＋Δｆ_i(＋)）で表される。一方、充電中に周波数ｆ_iが－方向にΔｆ_i(－)だけシフトした場合の送信電力は、Ｐ_t（ｆ_i－Δｆ_i(－)）で表される。

　ここで、送信電力の差分[Ｐ_t（ｆ_i＋Δｆ_i(＋)）－Ｐ_ｉ]若しくは[Ｐ_ｉ－Ｐ_t（ｆ_i－Δｆ_i(－)）]は、周波数のずれΔｆ_i(＋)若しくはΔｆ_i(－)に対応している。さらに、周波数のずれΔｆ_i(＋)若しくはΔｆ_i(－)が、送信機器２００（ＴＸ）に対する受信機器３００（ＲＸ）の相対的な配置上の３次元的な位置ずれ（ΔＸ_i、ΔＹ_i、ΔＺ_i）に対応する。

　したがって、送信電力の差分を観測することで、送信機器２００（ＴＸ）に対する受信機器３００（ＲＸ）の相対的な配置上の位置ずれを観測可能である。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０においては、起動時にＲＥＣＴ出力電圧Ｖ_RECTの立ち上り特性を観測することに加えて、ＲＥＣＴ出力電圧Ｖ_RECTの値が一定値になった後の充電中においても、送信周波数の変化量を観測して、位置ずれを観測可能である。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０は、送信電力Ｐ_tのパワーレベルとして、例えば、約５Ｗレベルまでのスマートホン、約３０ＷレベルまでのラップトップＰＣ、タブレットＰＣ、更に、約１２０Ｗレベルまでの電子機器、更に高出力の要求される電気自動車などに適用可能である。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される非接触給電システム１００において、増加する周波数シフトを伴う場合の送信電力Ｐ_tと周波数ｆとの関係は、図１５（ａ）に示すように表され、減少する周波数シフトを伴う場合の送信電力Ｐ_tと周波数ｆとの関係は、図１５（ｂ）に示すように表される。

　すなわち、充電中において、起動時の周波数ｆ_iが増加する周波数シフトΔｆをする場合には、図１５（ａ）に示すように、曲線Ａは、送信電力Ｐ_tが増加する特性を示し、曲線Ｂは、送信電力Ｐ_tが一定の特性を示し、曲線Ｃは、送信電力Ｐ_tが減少する特性を示す。周波数ｆ＝ｆ_i＋Δｆにおいて、曲線Ａ、曲線Ｂ、曲線Ｃに対応した送信電力Ｐ_tは、それぞれ、図１５（ａ）に示すように、Ｐ_t2、Ｐ_i、Ｐ_t1の値を示す。

　一方、充電中において、起動時の周波数ｆ_iが減少する周波数シフトΔｆをする場合には、図１５（ｂ）に示すように、曲線Ｄは、送信電力Ｐ_tが増加する特性を示し、曲線Ｅは、送信電力Ｐ_tが一定の特性を示し、曲線Ｆは、送信電力Ｐ_tが減少する特性を示す。周波数ｆ＝ｆ_i－Δｆにおいて、曲線Ｄ、曲線Ｅ、曲線Ｆに対応した送信電力Ｐ_tは、それぞれ、図１５（ｂ）に示すように、Ｐ_t4、Ｐ_i、Ｐ_t3の値を示す。

　図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、送信電力Ｐ_tが一定の特性が、最適な充電状態に近いことを示し、送信機器２００（ＴＸ）に対する受信機器３００（ＲＸ）の相対的な配置上の３次元的な位置ずれが略無い状態であることを示す。一方、送信電力Ｐ_tが減少する特性は、送信機器２００（ＴＸ）に対する受信機器３００（ＲＸ）の相対的な配置上の３次元的な位置ずれが拡大する傾向であることを示す。また、送信電力Ｐ_tが増加する特性は、例えば、送信機器２００（ＴＸ）に対する受信機器３００（ＲＸ）の相対的な配置が、最適な位置関係から近付き過ぎて、過充電の状態であることを示す。

　実施の形態に係る位置ずれ検出装置１１０が適用される非接触給電システム１００において、送受信コイルの位置関係における送信電力Ｐ_tと漏洩電力Ｐ_Thの関係を示す模式図は、図１６に示すように表される。例えば、送信機器２００（ＴＸ）に対する受信機器３００（ＲＸ）の相対的な配置が、最適な位置関係からずれた場合には、送信機器２００（ＴＸ）から受信機器３００（ＲＸ）に伝送される電力Ｐ_t以外に、外部へ漏洩される漏洩電力Ｐ_Thが存在する。この漏洩電力Ｐ_Thは、熱損として放散される電力になる。

　以上説明したように、本実施の形態によれば、充電中に送信機器上の受信機器の位置ずれを検出可能な位置ずれ検出装置および位置ずれ検出装置を搭載した電子機器を提供することができる。

　[その他の実施の形態]
　上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

　このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。

　本発明の位置ずれ検出装置は、非接触給電方式で電力を供給する様々なシステムに利用することができ、非接触給電ＩＣ、携帯電話、タブレット端末、スマートホン、オーディオプレイヤ、ゲーム機器等の電子機器に利用することができる。

１００…非接触給電システム
１１０…位置ずれ検出装置
１２０…コンパレータ
１４０…周波数カウンタ
１６０…レジスタ
２００…送信機器（ＴＸ）
２０２…送信コイル
２０４…ドライバ
２０６、３１２…コントローラ
２０８…復調器
３００…受信機器（ＲＸ）
３０２…受信コイル
３０４…整流回路
３０６、Ｃ１、Ｃｓ、Ｃｐ、Ｃ４…キャパシタ
３０８…変調器
３１０…負荷回路
４００…ＣＰＵ
５００…電子機器
φ１…選択フェーズ
φ２…送電フェーズ
φ３…認証・設定フェーズ
Ｖ_AC1、Ｖ_AC2…受信電圧
Ｓ１…駆動信号
Ｓ２…電力信号
Ｓ３…制御信号
Ｖ_RECT…ＲＥＣＴ出力電圧
Ｖ_dc…直流出力電圧
Ｖ_OUT…出力電圧
Ｖ_COM1…コンパレータ出力電圧
 

Claims (20)

1. 　非接触給電方式で送信機器から電力を給電される受信機器の受信コイルに誘起される電流を比較するコンパレータと、
   　前記コンパレータに接続され、前記送信機器から伝送された送信周波数をカウントする周波数カウンタと、
   　前記周波数カウンタのカウント値を蓄積するレジスタと
   　を備え、
   　充電中に前記送信機器上の前記受信機器の位置ずれを検出可能であることを特徴とする位置ずれ検出装置。
2. 　充電中に前記送信機器上の前記受信機器の位置がずれた場合には、前記レジスタからシステムに位置ずれ情報を通知することを特徴とする請求項１に記載の位置ずれ検出装置。
3. 　前記位置ずれ情報は、前記システム内に配置される制御部に通知されることを特徴とする請求項２に記載の位置ずれ検出装置。
4. 　前記位置ずれ情報は、前記送信機器から前記受信機器に伝送される送信電力の変化量を前記送信周波数の変化量として検出した値であることを特徴とする請求項２または３に記載の位置ずれ検出装置。
5. 　前記位置ずれ情報を受信した前記制御部は、前記受信機器に位置ずれフィードバック情報を通知して、充電中に前記送信機器上の前記受信機器の位置を調整可能であることを特徴とする請求項３に記載の位置ずれ検出装置。
6. 　前記位置ずれ情報を受信した前記制御部は、前記送信機器および前記受信機器に位置ずれフィードバック情報を通知して、充電中に前記送信機器上の前記受信機器の位置を調整可能であることを特徴とする請求項３に記載の位置ずれ検出装置。
7. 　前記送信機器は、平面視において、充電台と、前記前記充電台の外周部の四隅に配置された第１警報表示部とを備え、
   　前記送信機器に通知された前記位置ずれフィードバック情報が前記第１警報表示部に表示可能であることを特徴とする請求項５または６に記載の位置ずれ検出装置。
8. 　前記第１警報表示部は、発光ダイオードを備えることを特徴とする請求項７に記載の位置ずれ検出装置。
9. 　前記受信機器は、平面視において、モニタ表示部と、前記モニタ表示部上に表示される位置ずれ表示部とを備え、
   　前記受信機器に通知された前記位置ずれフィードバック情報は、前記位置ずれ表示部に表示可能であることを特徴とする請求項５または６に記載の位置ずれ検出装置。
10. 　前記位置ずれ表示部には、前記送信機器と前記受信機器を表す画像が表示され、前記送信機器と前記受信機器の相対的な位置のずれを修正可能であることを特徴とする請求項９に記載の位置ずれ検出装置。
11. 　前記受信機器は、平面視において、前記モニタ表示部の外周部に、第２警報表示部を備え、
    　前記受信機器に通知された前記位置ずれフィードバック情報は、前記第２警報表示部に表示可能であることを特徴とする請求項５または６に記載の位置ずれ検出装置。
12. 　前記第２警報表示部は、発光ダイオードを備えることを特徴とする請求項１１に記載の位置ずれ検出装置。
13. 　非接触給電方式で送信機器から電力を給電される受信機器と、
    　前記受信機器に接続され、充電中に前記送信機器上の前記受信機器の位置ずれを検出可能な位置ずれ検出装置と、
    　前記受信機器および前記位置ずれ検出装置と接続された制御部と
    　を備えることを特徴とする電子機器。
14. 　前記位置ずれ検出装置は、
    　前記受信コイルに誘起される電流を比較するコンパレータと、
    　前記コンパレータに接続され、前記送信機器から伝送された送信周波数をカウントする周波数カウンタと、
    　前記周波数カウンタのカウント値を蓄積するレジスタと
    　を備えることを特徴とする請求項１３に記載の電子機器。
15. 　充電中に前記送信機器上の前記受信機器の位置がずれた場合には、前記レジスタから前記制御部に位置ずれ情報を通知することを特徴とする請求項１４に記載の電子機器。
16. 　前記位置ずれ情報は、前記送信機器から前記受信機器に伝送される送信電力の変化量を前記送信周波数の変化量として検出した値であることを特徴とする請求項１５に記載の電子機器。
17. 　前記位置ずれ情報を受信した前記制御部は、前記受信機器に位置ずれフィードバック情報を通知して、充電中に前記送信機器上の前記受信機器の位置を調整可能であることを特徴とする請求項１５に記載の電子機器。
18. 　前記位置ずれ情報を受信した前記制御部は、前記送信機器および前記受信機器に位置ずれフィードバック情報を通知して、充電中に前記送信機器上の前記受信機器の位置を調整可能であることを特徴とする請求項１５に記載の電子機器。
19. 　前記制御部は、ＣＰＵ若しくはマイコンを備えることを特徴とする請求項１３～１８のいずれか１項に記載の電子機器。
20. 　前記電子機器は、非接触給電ＩＣ、携帯電話、タブレット端末、スマートホン、オーディオプレイヤ、ゲーム機器のいずれかであることを特徴とする請求項１３～１９のいずれか１項に記載の電子機器。
     

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