JP5476194B2 - 非接触電力伝送及び通信システム、送電装置及び受電装置 - Google Patents

Description

本発明は、受電装置を有する携帯型電子機器などに送電装置を有する給電機器から電磁誘導により非接触で電力を送電する機能及び両装置間でデータ通信を行う機能を有する非接触電力伝送及び通信システム、及び、そのシステムで使用する送電装置及び受電装置に関する。

近年、電子部品の小型化に伴い、携帯電話や携帯型音楽プレーヤ等に代表される携帯電子機器は、小型化や軽量化が図られ、広く普及している。更に近年、携帯電子機器は多機能化及び高速処理化が図られ、それに伴い電子機器が必要とする電力量が増加傾向にある。しかし、一般に、携帯電子機器は、専用のアダプタを内蔵せず、内蔵した２次電池に充電した電力により駆動されており、２次電池の電力が不足する度に２次電池を充電しなければならない。

一般に、携帯電子機器の２次電池への充電は、携帯電子機器の充電端子と充電台（クレードル）の充電端子を接触させて電気的に接続し、充電台から電力を供給して内蔵する２次電池に充電する。

しかしながら、充電端子同士を接触させて接続する充電方式では、充電端子の汚れや、充電端子間への異物侵入により充電ができない場合がある。このような接触による給電が難しい環境下で用いられる可能性がある電子機器に対しては、最近は電磁誘導の原理を利用した非接触の電力供給を行うシステム、すなわち非接触電力伝送システムの需要が増加している。

非接触電力伝送システムでは、一般に、充電器等の送電側に送電コイルを有する送電装置を備え、携帯電子機器などの受電側に前記送電コイルに電磁結合可能な受電コイルを有する受電装置を備え、送電コイルと受電コイル間の電磁結合を介して、前記送電装置から前記受電装置へ非接触の電力伝送を行っている。さらに、特許文献１に記載の非接触電力伝送システムでは、非接触電力伝送の安全性を確保するため、受電側の要求電力や異常時の送電停止等の情報を、送電コイルと受電コイル間を介して通信を行っている。具体的には、送電装置から受電装置に間欠的な仮送電を実行させ、仮送電の開始時点から所定時間内に、送電装置が、仮送電を受けた受電装置からのＩＤ認証情報を受信し、ＩＤ認証に成功すると、送電装置から受電装置に通常送電を実行するシステムである。

特開２００９−１８９２３１号公報

しかしながら、上記の従来技術では、送電の最初のＩＤ認証等を行う期間のみしかデータ通信を行う機能がないため、データ通信が可能な期間の自由度が狭く制限されていた。例えば、携帯機器の用途や目的によっては、ＩＤ認証などの安全性確保以外の目的でデータの送受を行う必要性や、一旦電力伝送を開始した後も状況に応じて携帯端末と給電機器間でデータ通信を行うことが望ましい場合が考えられ、このようなデータ通信が可能な期間の自由度が増すことによりユーザにとってもシステムの運用形態の自由度が大幅に拡大されることになる。

また、従来のシステムに使用される受電装置においては、汎用の通信用ＩＣ、例えばＮＦＣ方式の通信用の集積回路チップ等を使った場合、受電装置は通常、データ通信の信号を待機した状態であるため、この状態で数Ｗの通常送電により受電された電力が入力されると、上記の通信用ＩＣへ過剰な電圧が印加され、通信用ＩＣが破損されてしまう可能性があった。

そこで、本発明の課題は、従来よりもデータ通信を行うことが可能な期間の自由度が大きく、受電装置のデータ通信を行う回路への過剰な電圧の印加の防止が可能な非接触電力伝送及び通信システムと、そのシステムで用いる送電装置及び受電装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明による非接触電力伝送および通信システムは、送電コイルを有する送電装置と前記送電コイルに電磁結合する受電コイルを有する受電装置とを備え、前記送電装置と前記受電装置とを近接配置することにより前記送電コイルと前記受電コイルとの電磁結合を介して、前記送電装置から前記受電装置への非接触の電力伝送および前記送電装置と前記受電装置間でのデータ通信を行い、前記送電装置は該送電装置と前記受電装置とが近接配置された場合に前記受電装置に伝達される通知信号を送出する通知部を備える非接触電力伝送および通信システムであって、前記受電装置は、前記通知信号を受けて動作するスイッチを有する判別部と、前記受電コイルに接続され前記受電コイルの電圧波形を分圧して入力することによりデータ信号を受信し処理する受信制御部を備え、前記通知信号の受信時に、前記スイッチにより、前記受電コイルより前記受信制御部に入力する電圧の分圧比を切り替え、前記分圧比を、前記送電装置が近接配置されていない状態、または近接配置された前記送電装置に電源が投入されていない状態より大きくすることを特徴とする。

また、前記送電装置が近接配置されていない状態、または近接配置された前記送電装置に電源が投入されていない状態にあっては、前記分圧比は前記通知信号の受信時よりも小さい状態であることが望ましい。

また、前記スイッチとは独立に動作する通信スイッチを有し、該通信スイッチにより前記分圧比の切り替えを可能としてもよい。または、前記分圧比の切り替え以外の手段で、前記通信スイッチにより前記受電コイルを介して前記受信制御部に入力する電圧の切り替えを可能としてもよい。

ここで、前記送電装置と前記受電装置とが近接配置された状態において前記送電装置に電源の供給が開始されたとき、または、電源が供給されている前記送電装置に前記受電装置が近接配置されたとき、前記通知信号を前記受信装置が受信した後、前記送電装置と前記受電装置との間のＩＤ認証を行い、前記ＩＤ認証が成立後、前記送電装置と前記受電装置間のデータ通信を行い、前記データ通信が終了するか、または一定の時間を経過した後、前記データ通信が可能な期間を終了させてもよい。

また、前記送電装置は電源の入力を一時的に停止し再入力するためのリセットスイッチを備え、前記電力伝送中に前記データ通信を行うための命令が入力されたとき、前記リセットスイッチを動作させて前記送電装置に電源の供給が開始されたときの状態に戻してもよい。

以上のように、本発明の送電装置は、電磁結合された送電コイルと受電コイルを介して、送電装置から受電装置への非接触で電力伝送および両装置間でのデータ通信を行う非接触電力伝送及び通信システムに使用する送電装置であって、送電装置が近接配置されていることを受電装置に知らせるための通知信号を送出する通知部を備え、また、本発明による非接触電力伝送及び通信システムにおいては、送電装置は電力送電中にデータ通信を行うためのリセットスイッチを備えることもできる。

この場合、送電装置は、電力送電中にリセットスイッチが動作すると電力伝送を停止して初期状態に戻り、仮送電を実行し、受電装置との間でＩＤ認証を行い、ＩＤ認証が成功すると一定の期間データ通信の実行が可能となる。なお、リセットスイッチは、送電装置への電源の入力を一時的に停止しその後再入力する動作を行う。

本発明の受電装置は、上述のように通知信号に依存して動作するスイッチを有する判別部を備え、このスイッチの動作により、通知信号がない場合の電力の受電を待機する状態、すなわち受電モードと、通知信号を受信してデータ通信を待機する状態、すなわち通信モードの２つの状態を取り得る。すなわち、電力伝送またはデータ通信が可能な２つの状態が判別部のスイッチにより切り替えられる。

また、本発明の受電装置では、判別部のスイッチにより、データ信号を受信し処理する受信制御部に入力する電圧の分圧比を切り替え、通知信号の受信時に前記分圧比を大きくし、送電装置が近接配置されていない状態、または近接配置された前記送電装置に電源が投入されていない状態にあっては、その分圧比を通知信号の受信時よりも小さくすることによって、受信制御部に過剰な電圧が印加されるのを防止することができる。

以上のように、本発明による非接触電力伝送及び通信システムでは、送電装置には送電装置と受電装置とが近接配置されている場合に受電装置に伝達される通知信号を送出する通知部を備え、受電装置には、通知信号に依存して動作するスイッチを有する判別部と、受電コイルの電圧波形を分圧して入力することによりデータ信号を受信し処理する受信制御部とを備え、例えば上記スイッチにより、受電コイルより受信制御部に入力する電圧の分圧比を切り替えることができる。これにより、ＩＤ認証後の一定の期間、または、送電装置にリセットスイッチを備える場合にはそのリセットスイッチの動作後のＩＤ認証後の一定の期間、データ通信を行うことが可能な通信モードの状態が得られ、また、判別部のスイッチにより、受信制御部に入力する電圧の分圧比を切り替えることにより、受信制御部に過剰な電圧が印加されるのを防止することができ、受信制御部などが汎用の通信ＩＣで構成されている場合でも、そのＩＣの耐圧を超えることなく、電力伝送とデータ通信を行うことが可能となる。

以上のように、本発明により、従来よりもデータ通信を行うことが可能な期間の自由度が大きく、受電装置のデータ通信を行う回路への過剰な電圧の印加の防止が可能な非接触電力伝送及び通信システムと、そのシステムで用いる送電装置及び受電装置が得られる。

本発明による送電装置、受電装置、およびそれらを用いた非接触電力伝送及び通信システムの第一の実施の形態を示す回路構成図。 本発明による第二の実施の形態の送電装置と受電装置の動作フローの一例を説明する図。 本発明による送電装置、受電装置、およびそれらを用いた非接触電力伝送及び通信システムの第二の実施の形態を示す回路構成図。 本発明による送電装置、受電装置、およびそれらを用いた非接触電力伝送及び通信システムの第三の実施の形態を示す回路構成図。 本発明による送電装置、受電装置、およびそれらを用いた非接触電力伝送及び通信システムの第四の実施の形態を示す回路構成図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明による送電装置、受電装置、およびそれらを用いた非接触電力伝送及び通信システムの第一の実施の形態を示す回路構成図である。図１において、本実施の形態の非接触電力伝送及び通信システムは、送電コイル１６を有する送電装置１０と送電コイル１６に電磁結合する受電コイル２１を有する受電装置２０とを備え、送電装置１０と受電装置２０とを近接配置することにより送電コイル１６と受電コイル２１との電磁結合を介して、送電装置１０から受電装置２０への非接触の電力伝送および送電装置１０と受電装置２０間でのデータ通信を行う非接触電力伝送および通信システムである。

本実施の形態の送電装置１０は、送電装置１０と受電装置２０とが近接配置されている場合に受電装置２０に伝達される通知信号を送出する通知部１４を備え、通知部１４はタイマ７１を備えることにより通知信号を設定された一定の時間のみ送出する機能を有している。タイマ７１はカウンタであってもよい。さらに、送電装置１０は、電力伝送において送電を制御する送電制御部１２、異常時などに保護を行う保護回路部１３、データ通信においてデータ信号の送受信を制御する受信制御部１１を備えている。また、本実施の形態の送電装置１０は、送電装置１０のＤＣ電源４０の入力を一時的に停止し再入力するためのリセットスイッチ１５を備えている。

本実施の形態の受電装置２０は、通知信号に依存して動作するスイッチ６１を有する判別部２３と、受電コイル２１に接続され受電コイル２１の電圧波形を分圧して入力することによりデータ信号を受信し処理する受信制御部２５とを備えている。さらに、受電装置２０は、受電した電力を制御する受電制御部２４と、受電制御部２４を介して所望のＤＣ電圧に変換後、その電力を蓄えるための二次電池またはキャパシタからなるバッテリ４１を備えている。また、受信制御部２５で受信したデータ信号に対して、送電装置１０に返信が必要な場合に送信信号を作成し送出する送信制御部２６を備えている。判別部２３においては、スイッチ６１により、受電コイル２１より受信制御部２５に入力する電圧の分圧比を切り替えて、通知信号の受信時に受信制御部に入力する電圧の分圧比を大きくするように設定されている。

本実施の形態の非接触電力伝送及び通信システムにおいては、送電装置１０と受電装置２０とが近接配置された状態において送電装置１０にＤＣ電源４０の供給が開始されたとき、最初に、電力伝送における電圧よりも低い電圧を送電コイル１６に印加して行う仮送電の状態におけるデータ通信によって送電装置１０と受電装置２０の間でＩＤ認証を行い、ＩＤ認証が成立後、データ通信を終了した後、または一定の時間を経過後、通知部１４は受電装置２０への通知信号の送出を停止し、その一定の時間の間に、送電装置１０と受電装置２０間のデータ通信を行うように設定されている。

すなわち、送電装置１０では、ＤＣ電源４０からリセットスイッチ１５を介して、送電制御部１２と通知部１４に電力が供給され、送電制御部１２においては入力電力のスイッチング制御を行い、送電コイル１６にその電力が供給される。送電コイル１６に流れる電流は保護回路部１３で監視され、金属異物や負荷変動などの異常が発生した場合には、送電を停止する。送電装置１０の通知部１４には受電装置２０の判別部２３のスイッチ６１に通知信号を送出するための通知素子を有し、本実施例においては通知素子として通知コイル７６を使用し、判別部２３のスイッチ６１としては通知コイル７６により発生する磁力で動作する磁気スイッチを使用する。通知素子と判別部のスイッチの組み合わせとしては、この他に、例えば、電磁石と磁気スイッチ、ＬＥＤとフォトトランジスタ、またはフォトカップラなどの非接触スイッチで構成することができる。

受電装置２０では、上記のように、送電装置１０の通知部１４からの通知信号に応じて、判別部２３のスイッチ６１が動作し、通知信号がない場合の電力伝送を待機する受電モードと、通知信号を受信して通信を待機する通信モードとを切り替える。

図２は、本発明による第二の実施の形態の送電装置と受電装置の動作フローの一例を説明する図である。

図１、図２において、送電装置１０のリセットスイッチ１５は通常導通状態となっているので、ＤＣ電源４０をＯＮすると、仮送電を実施し、受電装置２０とのＩＤ認証を実施する。ＩＤ認証に成功すると、タイマ７１が動作し、一定の時間のみ受電装置２０との通信が可能となる。設定した時間が経過するかまたは通信が終了すると、通知信号が停止した後、電力伝送を開始する。電力伝送期間中には、送電コイル１６に流れる電流を抵抗１７で電圧に換算し、保護回路部１３にある基準電圧と比較することにより、異常がないことの確認を行う。また、リセットスイッチ１５が動作し、一旦開放状態になると電力伝送を停止し、フローの最初に戻る。更に、バッテリ４１がフル充電か否かを検出し、バッテリ４１がフル充電であれば電力伝送を停止し、フローの最初に戻る。

次に、送電装置１０の詳細な動作を、図１を用いて説明する。先ず、アダプタなどのＤＣ電源４０から、リセットスイッチ１５を介して通知部１４と送電制御部１２に電力を供給する。リセットスイッチ１５は通常は導通状態にあり、電力伝送期間中に通信を行う時にはリセットスイッチ１５にパルス波形を入力して一旦開放状態とし、電力の供給を一旦停止し、送電制御部１２の発振の停止と、通知部１４からの通知信号のリセットを行う。リセットスイッチ１５の導通状態においては、通知部１４では、抵抗７５を介して通知コイル７６に電流が流れ、送電装置１０の近傍に磁界が発生する。更に受信制御部１１により、受電装置２０とのＩＤ認証成立後、一定の時間が経過する、または通信終了の信号が入ると、抵抗７５の後段に設置されたＦＥＴ７４のゲートがＯＮとなり、通知コイル７６に流れる電流を停止する。ＦＥＴ７４は、トランジスタ、コンパレータ、マイコンなどの、いわゆるスイッチング素子に置き換えてもよい。保護回路部１３は送電コイル１６に流れる電流を抵抗１７により検出し、異物の近接時や負荷変動などの異常時は送電制御部１２の発振を停止する。ここで、通知部１４内のタイマ７１やダイオード、ＦＥＴ７４は、受信制御部１１の中にあってもよい。

次に、受電装置２０の動作について説明する。受電装置２０の判別部２３の通常の状態は、電力の受電を待機する受電モードである。送電装置１０の通知部１４からの通知信号を受けると、判別部２３のスイッチ６１が導通となり、通信モードに切り替わり、送電装置１０とＩＤ認証を実行し、ＩＤ認証が成功すると、通信を開始する。その後、一定の時間が経過するか、または通信が終了すると、送電装置１０の通知部１４からの通知信号が終了し、受電装置２０の判別部は受電モードに切り替わり、送電装置１０からの電力伝送を待機する。

受電コイル２１で受電した電力は受電制御部２４に入力され、データ信号は、判別部２３を介して受信制御部２５に入力される。判別部２３の磁気スイッチ６１がＯＦＦの時は、受電コイル２１で受信した信号電圧を抵抗６３、抵抗６２の直列抵抗値と抵抗６４の抵抗値の比で分圧する。磁気スイッチ６１がＯＮの時は、抵抗６３の両端をショートするため、受電コイル２１で受信した信号電圧を抵抗６２の抵抗値と抵抗６４の抵抗値の比で分圧する。例えば、抵抗６３が８０ｋΩ、抵抗６２が１０ｋΩ、抵抗６４が１０ｋΩの場合、磁気スイッチ６１がＯＦＦの時は、受電コイル２１で受信した信号電圧を１／１０に分圧した電圧が受信制御部２５に入力されるが、磁気スイッチ６１がＯＮすると、その信号電圧を１／２に分圧した電圧が受信制御部２５に入力することになる。従って、電力伝送の受電時には受信制御部２５に入力する電圧の比率が小さくなるように設定することで、受信制御部２５に大きな電圧が印加されなくなる。

図３は本発明による送電装置、受電装置、およびそれらを用いた非接触電力伝送及び通信システムの第二の実施の形態を示す回路構成図である。本実施の形態においては、送電装置１１０の通知部１１４に使用する通知素子がＬＥＤ７７であり、受電装置１２０の判別部１２３に使用するスイッチがフォトトランジスタ６７であること以外は第一の実施の形態と同じである。すなわち、通知信号がＬＥＤ７７による光信号で送出され、それによってフォトトランジスタ６７が第一の実施の形態におけるスイッチ６１と同様にＯＮ、ＯＦＦのスイッチ動作を行うこと以外は第一の実施の形態と同様に機能する。

図４は本発明による送電装置、受電装置、およびそれらを用いた非接触電力伝送及び通信システムの第三の実施の形態を示す回路構成図である。本実施の形態においては、受電装置２２０の判別部２２３において、スイッチ６１と並列に通信スイッチ２７を設置していること以外は第一の実施の形態と同じである。

受電装置２２０に通信スイッチ２７を備え、通信スイッチ２７をＯＮすることで、強制的に抵抗６３をショートし、受電コイル２１で受信した信号電圧を１／２に分圧した電圧を受信制御部２５に入力することが可能となる。すなわち、通知信号の有無によらず、通信スイッチ２７を動作させることで通信が可能な状態となる。

なお、この通信スイッチ２７を備えることにより、さらに受電装置としての機能を拡大させることができる。例えば、本実施の形態の送電装置以外の送電装置であって通知部のない送電装置を用いる場合にも通信を可能とすることや、受電装置のデータ通信機能を使用して受電装置から能動的にカードやタグなどを読むことを可能とすることができる。

本実施の形態において、通信スイッチ２７としては、トグルスイッチ、押しボタンスイッチ、半導体スイッチなど、その動作によって抵抗６３の両端をショートするものであればよく、その構造は問わない。

図５は本発明による送電装置、受電装置、およびそれらを用いた非接触電力伝送及び通信システムの第四の実施の形態を示す回路構成図である。本実施の形態においては、受電装置３２０において、通信スイッチ３２７を設け、通信スイッチ３２７の通信コイル６６に電流を流すことによって判別部２３のスイッチ６１を動作可能としたこと以外は第一の実施の形態と同じである。

本実施の形態においては、通信コイル６６によって、磁気スイッチであるスイッチ６１をＯＮさせることによって第三の実施の形態の通信スイッチ２７と同様に強制的に抵抗６３をショートすることができる。

以上のように、上記の実施の形態の非接触電力伝送及び通信システム、及びそのシステムで用いる送電装置及び受電装置においては、従来よりもデータ通信を行うことが可能な期間の自由度が大きく、受電装置のデータ通信を行う回路への過剰な電圧の印加の防止を行うことができ、本発明は、携帯電話、ヘッドセット、デジタルカメラ、デジタルビデオ等の携帯機器に好適な送電装置、受電装置、非接触電力伝送及び通信システムとして広く利用することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、目的や用途によって設計変更可能であることはいうまでもない。例えば、送電装置における通知部の通知信号の形態、受電装置の判別部に使用するスイッチの形態、通信スイッチの形態なども本発明の効果が得られるものであれば上記以外の形態であってもよい。また、受信制御部へ印加される電圧を変化させる方法としては、判別部のスイッチにより分圧比を変化させる方法以外にも、判別部のスイッチにより入力信号の増幅度や減衰量を変化させる回路等を用いることも可能である。

１０、１１０ 送電装置
１１、２５ 受信制御部
１２ 送電制御部
１３ 保護回路部
１４、１１４ 通知部
１５ リセットスイッチ
１６ 送電コイル
１７、６２、６３、６４、７５ 抵抗
２０、１２０、２２０、３２０ 受電装置
２１ 受電コイル
２３、１２３、２２３ 判別部
２４ 受電制御部
２６ 送信制御部
２７、３２７ 通信スイッチ
４０ ＤＣ電源
４１ バッテリ
６１ （磁気）スイッチ
６６ 通信コイル
６７ フォトトランジスタ
７１ タイマ
７４ ＦＥＴ
７６ 通知コイル
７７ ＬＥＤ

Claims (6)

1. 送電コイルを有する送電装置と前記送電コイルに電磁結合する受電コイルを有する受電装置とを備え、前記送電装置と前記受電装置とを近接配置することにより前記送電コイルと前記受電コイルとの電磁結合を介して、前記送電装置から前記受電装置への非接触の電力伝送および前記送電装置と前記受電装置間でのデータ通信を行い、前記送電装置は該送電装置と前記受電装置とが近接配置された場合に前記受電装置に伝達される通知信号を送出する通知部を備える非接触電力伝送および通信システムであって、前記受電装置は、前記通知信号を受けて動作するスイッチを有する判別部と、前記受電コイルに接続され前記受電コイルの電圧波形を分圧して入力することによりデータ信号を受信し処理する受信制御部を備え、前記通知信号の受信時に、前記スイッチにより、前記受電コイルより前記受信制御部に入力する電圧の分圧比を切り替え、前記分圧比を、前記送電装置が近接配置されていない状態、または近接配置された前記送電装置に電源が投入されていない状態より大きくすることを特徴とする非接触電力伝送および通信システム。
2. 前記送電装置が近接配置されていない状態、または近接配置された前記送電装置に電源が投入されていない状態にあっては、前記分圧比は前記通知信号の受信時よりも小さい状態であることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送および通信システム。
3. 前記スイッチとは独立に動作する通信スイッチを有し、該通信スイッチにより前記分圧比の切り替えを可能とすることを特徴とする請求項１または２に記載の非接触電力伝送および通信システム。
4. 前記受電コイルを介して前記データ信号を受信し処理する受信制御部を備え、前記スイッチとは独立に動作する通信スイッチを有し、前記通信スイッチにより前記受電コイルを介して前記受信制御部に入力する電圧の切り替えを可能とすることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送および通信システム。
5. 前記送電装置と前記受電装置とが近接配置された状態において前記送電装置に電源の供給が開始されたとき、または、電源が供給されている前記送電装置に前記受電装置が近接配置されたとき、前記通知信号を前記受信装置が受信した後、前記送電装置と前記受電装置との間のＩＤ認証を行い、前記ＩＤ認証が成立後、前記送電装置と前記受電装置間のデータ通信を行い、前記データ通信が終了するか、または一定の時間を経過した後、前記データ通信が可能な期間を終了させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の非接触電力伝送および通信システム。
6. 前記送電装置は電源の入力を一時的に停止し再入力するためのリセットスイッチを備え、前記電力伝送中に前記データ通信を行うための命令が入力されたとき、前記リセットスイッチを動作させて前記送電装置に電源の供給が開始されたときの状態に戻すことを特徴とする請求項５に記載の非接触電力伝送および通信システム。

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